JP3641760B2 - トロコイド歯形を備えた流体機械 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、吸入孔を有する回転盤と吐出孔を有する回転盤とを軸方向に並設し、両回転盤間に回転により容積が変化するトロコイド歯形の一対の歯付きロータを介装し、該ロータの容積変化により流体を圧送あるいは該流体を介して回転力を伝達するトロコイド歯形を有する流体機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一対のロータの回転により流体を圧送する回転流体機械にあって、近年トロコイド歯形を有するロータを備えたトロコイド式圧縮機が、気体圧送用の圧縮機、液体圧送用のポンプとして多用されてきている。
【０００３】
このトロコイド歯形を有するロータを備えた流体圧送用のトロコイド歯形流体機械は、トロコイド歯形を有するインナロータとアウタロータとを組合せて、カム軸に公転、自転自在に嵌合されたインナロータを該カム軸により回転駆動し、インナ・アウタロータの軸端両側に吸入孔を有する回転盤及び吐出孔を有する回転盤を並設し、吸入孔から吸入された流体をインナロータとアウタロータとのトロコイド歯間の容積内に導入し、両ロータの相対回転による容積変化（縮小）により流体を加圧し、吐出孔から使用先に送出するように構成されている。
【０００４】
前記トロコイド歯形流体機械は、カム軸とインナロータとが軸心に非対称な構造となっている。この非対称構造による不平衡重量は前記流体機械の全重量に対して大きな重量比を占め、このため該流体機械の高速運転時には過大な振動及び騒音の発生を伴ない、高速化による容量増加が阻害されるとともに、耐久性の低下が引き起こされている。
【０００５】
かかる不平衡重量による不具合点を解消するため、インナロータの両側面で回転する吸入孔付きの吸入側回転盤及び吐出孔付きの吐出側回転盤を利用し、これら回転盤に前記不平衡重量による不平衡力を打ち消す力を発生する平衡用重量（バランサ）を取り付ける技術が、本願出願人らによって先願技術として提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来技術にて提供された平衡用重量を吸入・吐出回転盤を利用して設ける手段にあっては、不平衡力の低減あるいは解除は可能となるが、前記のように、トロコイド歯形流体機械にあっては、不平衡重量の機械全体に占める割合が大きいことからこれのバランサの重量も必然的に大きくなり、機械の重量が増加するとともに機体が大型化し、流体機械の高回転化、大容量化の障害となる。
【０００７】
本発明の目的は、機械の重量増加なしに、あるいは重量増加を最小限にとどめて、回転系の非対称構造に伴なう不平衡力を除去し、小型、軽量で以って高速化、大容量化がなされたトロコイド歯形を備えた流体機械を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、トロコイド歯形を有するインナロータとアウタロータとを組合せ、噛み合い容積の変化により流体を圧送するトロコイド歯形を備えた流体機械において、カム軸に軸方向に沿って１８０°の位相を存する第１、第２カムを設け、該第１、第２カムに第１，第２インナロータを公転、自転可能に嵌合するとともに、該第１、第２インナロータを第１、第２アウタロータに噛合せしめ、さらに吸入孔を有する回転吸入孔盤及び吐出孔を有する回転吐出孔盤をカム軸に互いに１８０°の位相で取付けて、カム軸と同期回転させ、第１、第２インナロータ及び回転吸入孔盤、回転吐出孔盤により不平衡力の動的釣合いを成したことを要旨としている。
【０００９】
即ち、本発明の第１の手段は、トロコイド歯形の外歯を有し、カム軸に公転及び自転可能に嵌挿されたインナロータを、トロコイド歯形の内歯を有するアウタロータに噛合し、前記両ロータの相対回転による噛み合い容積の変化により吸入口からの流体を吐出口に送出するように構成するとともに、前記カム軸をハウジングに軸支する軸受がカム軸の両側に位置するトロコイド式流体機械において、
前記カム軸に円周方向に１８０°の位相を存して第１カムと第２カムとを設け、
前記インナロータを、軸方向に第１インナロータと第２インナロータとに分設して、該第１インナロータを前記第１カムに、第２インナロータを前記第２カムに、夫々公転、自転自在に嵌合し、
前記アウタロータを軸方向に第１アウタロータと第２アウタロータとに分設して、両アウタロータの内歯に前記第１インナロータ及び第２インナロータをこの順に嵌合し、
作動流体の吸入孔が設けられるとともに不平衡重量を有する回転吸入孔盤及び作動流体の吐出孔が設けられるとともに不平衡重量を有する回転吐出孔盤を前記カム軸に双方の不平衡重量が互いに１８０°の位相をなすように、かつカム軸と同期して回転可能に取付け、
前記第１、第２インナロータ部分、並びに回転吸入孔盤及び回転吐出孔盤の不平衡力を釣り合わせるように構成するとともに、
前記回転吸入孔盤及び回転吐出孔盤は前記軸受側に設けたカム軸の切欠部に夫々嵌合され、前記回転吐出孔盤は第１インナロータ及び第１アウタロータの側面に接しながら、又前記回転吸入孔盤は第２インナロータ及び第２アウタロータの側面に接しながら前記カム軸と一体となって回転するように構成したことを特徴とするトロコイド歯形を備えた流体機械にある。
【００１０】
また第２の手段は、上記第１の手段に加えて、前記第１インナロータと第２インナロータとの間に、カム軸にこれと同期回転可能に嵌合されるとともに、前記第１インナロータと第１アウタロータとの前記噛み合い容積と、前記第２インナロータと第２アウタロータとの前記噛み合い容積とを連通する回転連通孔盤を介装したことを特徴としている。
【００１１】
そして第３の手段は、前記第１、第２の手段における、前記第１アウタロータと第２アウタロータとが、両ロータの間に介装された結合環とともにハウジングに固定されたことにある。
【００１２】
さらに第４の手段は、前記第１、第２の手段における、前記第１アウタロータと第２アウタロータと結合環とが、前記カム軸の軸方向反対側に設けられた第２回転軸に連結され、該第２回転軸とともに回転可能にされたことにある。
【００１３】
前記トロコイド歯形を備えた流体機械において、第３の手段のように、第１、第２アウタロータ及び結合環をハウジングに固定したものは、気体を圧縮するための圧縮機や液体を圧送するためのポンプに好適であり、第４の手段のように第１、第２アウタロータ及び結合環を回転せしめてこれを出力端となすものは、流体変速機として好適である。
【００１４】
また、前記流体機械において、好ましくは、前記回転連通孔盤は前記結合環の内周部位に位置せしめられてカム軸に取付けられ、常時第１インナ、アウタロータ側と第２インナ、アウタロータ側の噛み合い容積間を連通するように構成される。
【００１５】
さらに前記流体機械において、好ましくは、１８０°の位相でカム軸に取付けられた前記第１、第２インナロータが同一形状とされるとともに、前記回転吸入孔盤の吸入孔と回転吐出孔盤の吐出孔とが回転軸心から偏位し、かつ１８０°の位相をなして設けられて、回転吸入孔盤と回転吐出孔盤とが回転軸に関して対称な形状とされ、前記２個の回転盤の不平衡力を第１、第２インナロータの不平衡力即ち慣性偶力と逆向きに作用させて完全に打ち消すように構成する。
【００１６】
本発明は上記のように構成されているので、第１、第２、第３の手段によれば、カム軸の回転により第１、第２インナロータが互いに１８０°の位相で以って公転、自転するが、該両ローラの慣性力は両ローラが互いに１８０°の位相で回転することにより打ち消される。
また、回転吸入孔盤及び回転吐出孔盤も互いに１８０°の位相で以って回転し、両者の慣性力は打ち消される。
【００１７】
一方両ローラの慣性偶力が残存するが、これは、両ローラの前後に配置されて１８０°の位相で以って回転する回転吸入孔盤及び回転吐出孔盤の慣性偶力が前記両ローラの慣性偶力と逆方向に作用するので、これも打ち消される。これによって流体機械の完全な動的バランスがなされる。
【００１８】
即ち、インナロータを軸方向に２分割して１８０°の回転位相を存して配置するとともに、回転吸入孔盤と回転吐出孔盤とを１８０°の回転位相を存して配置して、回転吸入孔盤及び回転吐出孔盤本来の非対称構造による不平衡力を利用し、流体機械自体の機能部材の構造、及び配置を適切に設定するのみで、重量の増加や流体機械の機能の低下を伴なうことなく、機械の完全な動的バランスを達成することができる。
【００１９】
また、第４の手段によれば、第１、第２アウタロータを結合環とともに回転させ、これに出力軸を連結し、インナロータ、アウタロータ間で作動する流体の量を制御することにより、出力軸の回転数を制御することができ、前記のように完全な動的バラスンがなされた可変速の流体変速機が得られる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下図１〜図６を参照して本発明の実施例につき詳細に説明する。
但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がないかぎりは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００２１】
図１は本発明の実施例に係るトロコイド歯形を備えた圧縮機の回転軸心線に沿う断面図、図２は前記圧縮機のカム軸の外観図、図３は前記圧縮機の回転連通孔盤の作用説明図、図４はインナロータ及びアウタロータの正面外形図を示す。
【００２２】
図１、２において、３は電動モータ、エンジン等の駆動源により回転駆動されるカム軸であり、該カム軸３には軸方向に第１カム３１、第２カム３２の２個の偏心カムが１８０°の位相で並設されている。
【００２３】
前記カム軸３の第１カム３１には第１インナロータ１ａが、第２カム３２には前記第１インナロータ１ａと同一形状の第２インナロータ１ａが夫々回転自在に嵌挿されている。前記両インナロータ１ａ，１ｂの外周は図４（Ａ）に示されるような、公知のトロコイド外歯（サイクロイド歯）６１が形成され、該第１、第２インナロータ１ａ，１ｂは、前記のように回転軸心３ａに対して１８０°の位相で偏心された第１、第２カム３１，３２に回転自在に嵌合されることにより、カム軸３の回転によってカム軸心３ａに対して公転しつつ、第１カムの軸心３１ａ及び第２カムの軸心３２ａに対しては自転するようになっている。
【００２４】
２ａは第１アウタロータ、２ｂは該第１アウタロータと同一形状の第２アウタロータであり、図４（Ｂ）に示されるようなトロコイド形の内歯６２を有し、両ロータ２ａ，２ｂはその歯数が前記インナロータ１ａ，１ｂよりも１枚多く、また、これらの間に設置され前記アウタロータ２ａ，２ｂの歯底径よりもやや大きな外径を有する結合環４にボルト４１により一体に結合される。
【００２５】
前記第１インナロータ１ａと第１アウタロータ２ａ、並びに第２インナロータ１ｂと第２アウタロータ２ｂとは、上記のように公知のトロコイド歯６２（サイクロイド歯）の噛み合いとなっており、カム軸３によって公転あるいは自転せしめられることにより、容積が変化し流体を圧縮するようになっている。
【００２６】
１１は前記結合環４の内周に回転自在に嵌合された回転連通孔盤であり、該回転連通孔盤１１の内周はカム軸３中央部の切欠部３ａに嵌合され第１、２インナロータ１ａ，１ｂ及び第１、２アウタロータ２ａ，２ｂの側面に接しながらカム軸３とともに回転可能となっている。
【００２７】
５はハウジングであり、前記第１、２アウタロータ２ａ，２ｂ及び結合環４が内蔵される。
上記第１、２アウタロータ２ａ，２ｂ及び結合環４は、気体圧縮機及び液体圧送ポンプ等の場合は、これらがハウジング７５に固定され一体化されて静止体となる。また流体変速機の場合は、後述するように、上記第１、２アウタロータ２ａ，２ｂ及び結合環４は３部材が一体となってハウジング５内で回転する回転体となる。
【００２８】
７は回転吸入孔盤、６は回転吐出孔盤であり、該回転吸入孔盤７及び回転吐出孔盤６はカム軸３の切欠部３ｃ，３ｂに夫々嵌合され、カム軸３と一体となって、第１、２インナロータ１ａ，１ｂ及び第１、２アウタロータ２ａ，２ｂの側面に接しながら回転するようになっている。
尚、上記回転吸入孔盤７及び回転吐出孔盤６はカム軸３の回転方向によっては互いに入れ替えて組み付けてもよい。
【００２９】
図３（Ａ）、（Ｃ）には、前記回転吸入孔盤７及び回転吐出孔盤６の平面図が示されている。
図３（Ｃ）に示される回転吸入孔盤７は外周に溝７２が形成され、内周に勾玉状の底部を有する吐出孔７１が形成されている。上記外周の溝７２は、図２に示されるように、ハウジングの吸入口１０に連通される一方、該外周の溝７２には前記勾玉状の吐出孔７１も連通されて、軸心３ａに対して非対称な重量構成となっている。
【００３０】
これにより、吸入口１０からの流体は、回転吸入孔盤７の溝７２及び吐出孔７１を経て第２アウタロータ２ｂと第２インナロータ１ｂとの噛み合い容積部に吸入されることとなる。
【００３１】
また図３（Ａ）に示される回転吐出孔盤６も、前記回転吸入孔盤７と同様に、ハウジング５の吐出口９に連通される外周の溝６２と、この溝７２に連通される勾玉状の底部を有する吐出孔６１を備えた、軸心３ａに関して非対称な形状となっている。これにより、第１インナロータ１ａと第２アウタロータ２ａとの噛み合い容積から吐出された流体は、吐出孔６１、外周溝６２を経てハウジング５の吐出口９に吐出されることとなる。
【００３２】
さらに前記回転吸入孔盤７及び回転吐出孔盤６とは、これらの吸入孔７１及び吐出孔６１が互いに１８０°の位相で設けられた、軸心３ａに関して対称な形状をしている。これにより、該回転吸入孔盤７と回転吐出孔盤６とは、それらの不平衡重量部、即ち吸入孔７１及び吐出孔６１の対称側の部分が互いに１８０°の位相になるように、カム軸３に取付けられることとなる。
【００３３】
さらに、回転吸入孔盤７の上記不平衡重量部と第２インナロータ１ｂ及び第２カム３２の不平衡重量側即ち偏心側とが１８０°の位相で、回転吐出孔盤６の上記不平衡重量部と第１インナロータ１ａ及び第１カム３１の不平衡重量側即ち偏心側とが１８０°の位相で夫々配置される。
【００３４】
従って、上記第１、２インナロータ１ａ，１ｂ及び第１、２カム３１，３２と、回転吸入孔盤７及び回転吐出孔盤６との上記のような不平衡重量の１８０°位相での配置により、回転系の動的平衡を完全にとることができることとなる。
【００３５】
図３（Ｂ）には前記回転連通孔盤１１の正面図が示されている。該回転連通孔盤１１の両面には前記回転吸入孔盤７の吸入孔７１及び回転吐出孔盤６の吐出孔６１に対応して有底の勾玉状の吐出通路孔６１１，６１２及びこれらの裏側に吸入通路７１１，７１２が１８０°の位相差で設けられ、各吐出通路孔６１１と６１２とは連通路６１３にて連通され、各吸入通路孔７１１と７１２は連通路７１３にて連通されている。
【００３６】
従って、上記のように１８０°の位相で形成された第１カム３１及び第２カム３２の一対のカムに夫々嵌合されて公転及び自転する第１、第２インナロータ１ａ，１ｂと該インナロータ１ａ，１ｂにトロコイド歯で噛み合う第１、第２アウタロータ２ａ，２ｂの噛み合い容積部を、前記回転連通孔盤１１はカム軸３の回転中においても常時連通せしめることとなる。
８，８はカム軸３をハウジング５に軸支する軸受である。
【００３７】
前記のように構成されたトロコイド歯形を有する回転圧縮機の運転時において、カム軸３の回転により第１インナロータ１ａ及び第２インナロータ１ｂが互いに１８０°の位相をなしてカム軸心３ａ上を公転しながら第１カム３１及び第２カム３２の中心３１ａ、３２ａ上を自転し、これらの外歯６１とハウジング５に固定された第１アウタロータ２ａ及び第２アウタロータ２ｂの内歯６２との間に形成される容積を変化せしめる。
【００３８】
一方、カム軸３に固定された回転吸入孔盤７及び回転吐出孔盤６もカム軸３と同期しかつ互いに１８０°の位相で以って回転し、上記容積が最大となる近傍で吸入孔７１からと上記容積に流体を吸い込み、これを圧縮し、上記容積が最小となる近傍で吐出孔６１に圧縮流体を吐出する。
【００３９】
前記作動時において、第１カム３１とこれに嵌合される第１インナロータ１ａ、及び第２カム３２とこれに嵌合される第２インナロータ１ｂとは互いに１８０°の位相をなして回転する。
【００４０】
従って、第１インナロータ１ａ側と第２インナロータ１ｂ側との慣性力は完全に打ち消されるが慣性偶力が残存する。
【００４１】
一方、回転吸入孔盤７の吸入孔７１及び回転吐出孔盤６の吐出孔６１の偏心配置による回転吸入孔盤７側の不平衡重量部は第２インナロータ１ｂ側と１８０°の位相をなすとともに、回転吐出孔６側の不平衡重量部は第１インナロータ１ａ側と１８０°の位相をなして回転する。
【００４２】
従って、この回転吸入孔盤７及び回転吐出孔盤６の回転により、上記インナロータ側に残存した慣性偶力は打ち消される。
これにより、全ての不平衡力は完全に打ち消され、完全な動的バランスが得られる。
【００４３】
また前記作動時において、第１、２インナロータ１ａ、１ｂの高速回転時には、該インナロータ１ａ、１ｂの外歯６１と第１、２アウタロータ２ａ，２ｂの内歯６２との間に形成される噛み合い容積を通過する流体の流れは、カム軸３とともに回転する回転連通孔盤１１を通して第１、第２の両ロータ間が連通されるので、該連通孔盤１１を介して同一方向の流れとなる。
【００４４】
また第１、２インナロータ１ａ，１ｂは互いに１８０°の位相をもって公転、自転を行うため、両者は前記回転連通孔盤１１の吸入、吐出連絡孔７１１，７１２，６１１，６１２及び連通路７１３，６１３を通して常時連通された状態で回転する。
【００４５】
従って、前記作動時における流体の軸方向の流れは、吸入口１０→回転吸入孔盤７→第２インナロータ１ｂと第２アウタロータ２ｂとの噛み合い容積部→回転連通孔盤１１→第１インナロータ１ａと第１アウタロータ２ａとの噛み合い容積部→回転吐出孔盤６→吐出口９となり、高速回転に適した一方向流となる。
【００４６】
前記回転吸入孔盤７及び回転吐出孔盤６は、前記のように、流体の吸入、吐出の切り換え機能を備えるが、これとともに、該両盤７，６の側面は、アウタロータ２ａ，２ｂ及びインナロータ１ａ，１ｂの側面との密封シール作用もなすので両ロータ側部からの流体の漏洩が防止される。
【００４７】
図５、図６には本発明の第２実施例が示されている。
この実施例においてはトロコイド歯を有する流体機械を流体変速機に適用しており、図５、６において、第１アウタロータ２ａの端部には結合部材１２が固着され、該結合部材１２には第２回転軸が固着されている。これにより、第１アウタロータ２ａ、第２アウタロータ２ｂ、両ロータを結合する結合環４、結合部材１２及び第２回転軸１３は、ハウジング５、５ａ内で一体となって回転可能となる。
【００４８】
図５、６において、カム軸３が回転せしめられると、吸入孔１０から導入された流体は、回転吸入孔盤７５→第２インナロータ１ｂと第２アウタロータ２ｂとの噛み合い容積部→回転連通孔盤１１→第１インナロータ１ａと第１アウタロータ２ａとの噛み合い容積部→回転吐出孔盤６５→吐出口９へと流れるが、アウタロータ２ａ，２ｂ側が回転自在となっているので、該流体によりアウタロータ側が駆動され、第１、第２アウタロータ２ａ，２ｂ、結合環４、結合部材１２及び第２回転軸１３が被駆動体となって、第２回転軸１３の軸端から回転力を取り出すことができる。
【００４９】
この場合、前記吸入口１０と吐出口９との間に外部配管を設け、この配管中に流量調整弁を設けて流体機内部の上記流路を流れる流体量を調整することにより、第２回転軸１３から出力される回転数を変化させることができる。
【００５０】
また、第１インナロータ１ａと第２インナロータ１ｂ、及び回転吐出孔盤６と回転吸入孔盤７を互いに１８０°の位相を持たせて配置し、不平衡力を打ち消すようにした構成は、前記第１実施例と全く同一である。
【００５１】
上記以外の構成は図１〜図４に示される第１実施例と同様であり、同一の部材は同一の符号で示す。
【００５２】
【発明の効果】
本発明は以上のように構成されており、請求項１〜３の発明によれば、トロコイド歯形を備えた流体機械において、カム軸に軸方向に沿って１８０°の位相を存する第１、第２カムを設け、該第１、第２カムに第１、第２インナロータを公転、自転可能に嵌合するとともに該第１、第２インナロータを第１、第２アウタロータに噛合せしめ、さらに吸入孔を有する回転吸入孔盤及び吐出孔を有する回転吐出孔盤をカム軸に互いに１８０°の位相で取付けて、カム軸と同期回転させ、第１、第２インナロータ及び回転吸入孔盤、回転吐出孔盤により不平衡力の動的釣合いをなすように構成したので、インナロータを軸方向に２分割して１８０°の回転位相を存して配置するとともに、回転吸入孔盤と回転吐出孔盤とを１８０°の回転位相を存して配置して、回転吸入孔盤及び回転吐出孔盤本来の非対称構造による不平衡力を利用し、流体機械自体の機能部材の構造、及び配置を適切に設定するのみで、重量の増加や流体機械の機能の低下を伴なうことなく、機械の完全な動的バランスを達成することができる。
【００５３】
これにより、小型、軽量の構造で以って完全に動的平衡がなされ、高速化、大容量化が実現できるトロコイド歯形方式の流体機械を得ることができる。
【００５４】
また、請求項４の発明によれば、２個のアウタロータを結合環とともに回転させ、これに出力軸を連結し、インナロータ、アウタロータ間で作動する流体の量を制御することにより、出力軸の回転数を制御することができ、前記のように完全な動的バランスがなされた可変速の流体変速機を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係るトロコイド歯形を備えた流体圧縮機の回転軸心線に沿う断面図。
【図２】前記実施例におけるカム軸の外観図。
【図３】前記実施例における各回転盤の正面図。
【図４】前記実施例におけるインナロータ、アウタロータの正面図。
【図５】本発明の第２実施例の図１応当図。
【図６】本発明の第２実施例のカム軸及び回転軸の外観図。
【符号の説明】
１ａ 第１インナロータ
１ｂ 第２インナロータ
２ａ 第１アウタロータ
２ｂ 第２アウタロータ
３ カム軸
３１ 第１カム
３２ 第２カム
４ 結合環
５ ハウジング
６，６５ 回転吐出孔盤
６１ 吐出孔
７，７５ 回転吸入孔盤
７１ 吸入孔
９ 吐出口
１０ 吸入口
１１ 回転連通孔盤
１２ 結合部材
１３ 第２回転軸
【発明の属する技術分野】
本発明は、吸入孔を有する回転盤と吐出孔を有する回転盤とを軸方向に並設し、両回転盤間に回転により容積が変化するトロコイド歯形の一対の歯付きロータを介装し、該ロータの容積変化により流体を圧送あるいは該流体を介して回転力を伝達するトロコイド歯形を有する流体機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一対のロータの回転により流体を圧送する回転流体機械にあって、近年トロコイド歯形を有するロータを備えたトロコイド式圧縮機が、気体圧送用の圧縮機、液体圧送用のポンプとして多用されてきている。
【０００３】
このトロコイド歯形を有するロータを備えた流体圧送用のトロコイド歯形流体機械は、トロコイド歯形を有するインナロータとアウタロータとを組合せて、カム軸に公転、自転自在に嵌合されたインナロータを該カム軸により回転駆動し、インナ・アウタロータの軸端両側に吸入孔を有する回転盤及び吐出孔を有する回転盤を並設し、吸入孔から吸入された流体をインナロータとアウタロータとのトロコイド歯間の容積内に導入し、両ロータの相対回転による容積変化（縮小）により流体を加圧し、吐出孔から使用先に送出するように構成されている。
【０００４】
前記トロコイド歯形流体機械は、カム軸とインナロータとが軸心に非対称な構造となっている。この非対称構造による不平衡重量は前記流体機械の全重量に対して大きな重量比を占め、このため該流体機械の高速運転時には過大な振動及び騒音の発生を伴ない、高速化による容量増加が阻害されるとともに、耐久性の低下が引き起こされている。
【０００５】
かかる不平衡重量による不具合点を解消するため、インナロータの両側面で回転する吸入孔付きの吸入側回転盤及び吐出孔付きの吐出側回転盤を利用し、これら回転盤に前記不平衡重量による不平衡力を打ち消す力を発生する平衡用重量（バランサ）を取り付ける技術が、本願出願人らによって先願技術として提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来技術にて提供された平衡用重量を吸入・吐出回転盤を利用して設ける手段にあっては、不平衡力の低減あるいは解除は可能となるが、前記のように、トロコイド歯形流体機械にあっては、不平衡重量の機械全体に占める割合が大きいことからこれのバランサの重量も必然的に大きくなり、機械の重量が増加するとともに機体が大型化し、流体機械の高回転化、大容量化の障害となる。
【０００７】
本発明の目的は、機械の重量増加なしに、あるいは重量増加を最小限にとどめて、回転系の非対称構造に伴なう不平衡力を除去し、小型、軽量で以って高速化、大容量化がなされたトロコイド歯形を備えた流体機械を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、トロコイド歯形を有するインナロータとアウタロータとを組合せ、噛み合い容積の変化により流体を圧送するトロコイド歯形を備えた流体機械において、カム軸に軸方向に沿って１８０°の位相を存する第１、第２カムを設け、該第１、第２カムに第１，第２インナロータを公転、自転可能に嵌合するとともに、該第１、第２インナロータを第１、第２アウタロータに噛合せしめ、さらに吸入孔を有する回転吸入孔盤及び吐出孔を有する回転吐出孔盤をカム軸に互いに１８０°の位相で取付けて、カム軸と同期回転させ、第１、第２インナロータ及び回転吸入孔盤、回転吐出孔盤により不平衡力の動的釣合いを成したことを要旨としている。
【０００９】
即ち、本発明の第１の手段は、トロコイド歯形の外歯を有し、カム軸に公転及び自転可能に嵌挿されたインナロータを、トロコイド歯形の内歯を有するアウタロータに噛合し、前記両ロータの相対回転による噛み合い容積の変化により吸入口からの流体を吐出口に送出するように構成するとともに、前記カム軸をハウジングに軸支する軸受がカム軸の両側に位置するトロコイド式流体機械において、
前記カム軸に円周方向に１８０°の位相を存して第１カムと第２カムとを設け、
前記インナロータを、軸方向に第１インナロータと第２インナロータとに分設して、該第１インナロータを前記第１カムに、第２インナロータを前記第２カムに、夫々公転、自転自在に嵌合し、
前記アウタロータを軸方向に第１アウタロータと第２アウタロータとに分設して、両アウタロータの内歯に前記第１インナロータ及び第２インナロータをこの順に嵌合し、
作動流体の吸入孔が設けられるとともに不平衡重量を有する回転吸入孔盤及び作動流体の吐出孔が設けられるとともに不平衡重量を有する回転吐出孔盤を前記カム軸に双方の不平衡重量が互いに１８０°の位相をなすように、かつカム軸と同期して回転可能に取付け、
前記第１、第２インナロータ部分、並びに回転吸入孔盤及び回転吐出孔盤の不平衡力を釣り合わせるように構成するとともに、
前記回転吸入孔盤及び回転吐出孔盤は前記軸受側に設けたカム軸の切欠部に夫々嵌合され、前記回転吐出孔盤は第１インナロータ及び第１アウタロータの側面に接しながら、又前記回転吸入孔盤は第２インナロータ及び第２アウタロータの側面に接しながら前記カム軸と一体となって回転するように構成したことを特徴とするトロコイド歯形を備えた流体機械にある。
【００１０】
また第２の手段は、上記第１の手段に加えて、前記第１インナロータと第２インナロータとの間に、カム軸にこれと同期回転可能に嵌合されるとともに、前記第１インナロータと第１アウタロータとの前記噛み合い容積と、前記第２インナロータと第２アウタロータとの前記噛み合い容積とを連通する回転連通孔盤を介装したことを特徴としている。
【００１１】
そして第３の手段は、前記第１、第２の手段における、前記第１アウタロータと第２アウタロータとが、両ロータの間に介装された結合環とともにハウジングに固定されたことにある。
【００１２】
さらに第４の手段は、前記第１、第２の手段における、前記第１アウタロータと第２アウタロータと結合環とが、前記カム軸の軸方向反対側に設けられた第２回転軸に連結され、該第２回転軸とともに回転可能にされたことにある。
【００１３】
前記トロコイド歯形を備えた流体機械において、第３の手段のように、第１、第２アウタロータ及び結合環をハウジングに固定したものは、気体を圧縮するための圧縮機や液体を圧送するためのポンプに好適であり、第４の手段のように第１、第２アウタロータ及び結合環を回転せしめてこれを出力端となすものは、流体変速機として好適である。
【００１４】
また、前記流体機械において、好ましくは、前記回転連通孔盤は前記結合環の内周部位に位置せしめられてカム軸に取付けられ、常時第１インナ、アウタロータ側と第２インナ、アウタロータ側の噛み合い容積間を連通するように構成される。
【００１５】
さらに前記流体機械において、好ましくは、１８０°の位相でカム軸に取付けられた前記第１、第２インナロータが同一形状とされるとともに、前記回転吸入孔盤の吸入孔と回転吐出孔盤の吐出孔とが回転軸心から偏位し、かつ１８０°の位相をなして設けられて、回転吸入孔盤と回転吐出孔盤とが回転軸に関して対称な形状とされ、前記２個の回転盤の不平衡力を第１、第２インナロータの不平衡力即ち慣性偶力と逆向きに作用させて完全に打ち消すように構成する。
【００１６】
本発明は上記のように構成されているので、第１、第２、第３の手段によれば、カム軸の回転により第１、第２インナロータが互いに１８０°の位相で以って公転、自転するが、該両ローラの慣性力は両ローラが互いに１８０°の位相で回転することにより打ち消される。
また、回転吸入孔盤及び回転吐出孔盤も互いに１８０°の位相で以って回転し、両者の慣性力は打ち消される。
【００１７】
一方両ローラの慣性偶力が残存するが、これは、両ローラの前後に配置されて１８０°の位相で以って回転する回転吸入孔盤及び回転吐出孔盤の慣性偶力が前記両ローラの慣性偶力と逆方向に作用するので、これも打ち消される。これによって流体機械の完全な動的バランスがなされる。
【００１８】
即ち、インナロータを軸方向に２分割して１８０°の回転位相を存して配置するとともに、回転吸入孔盤と回転吐出孔盤とを１８０°の回転位相を存して配置して、回転吸入孔盤及び回転吐出孔盤本来の非対称構造による不平衡力を利用し、流体機械自体の機能部材の構造、及び配置を適切に設定するのみで、重量の増加や流体機械の機能の低下を伴なうことなく、機械の完全な動的バランスを達成することができる。
【００１９】
また、第４の手段によれば、第１、第２アウタロータを結合環とともに回転させ、これに出力軸を連結し、インナロータ、アウタロータ間で作動する流体の量を制御することにより、出力軸の回転数を制御することができ、前記のように完全な動的バラスンがなされた可変速の流体変速機が得られる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下図１〜図６を参照して本発明の実施例につき詳細に説明する。
但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がないかぎりは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００２１】
図１は本発明の実施例に係るトロコイド歯形を備えた圧縮機の回転軸心線に沿う断面図、図２は前記圧縮機のカム軸の外観図、図３は前記圧縮機の回転連通孔盤の作用説明図、図４はインナロータ及びアウタロータの正面外形図を示す。
【００２２】
図１、２において、３は電動モータ、エンジン等の駆動源により回転駆動されるカム軸であり、該カム軸３には軸方向に第１カム３１、第２カム３２の２個の偏心カムが１８０°の位相で並設されている。
【００２３】
前記カム軸３の第１カム３１には第１インナロータ１ａが、第２カム３２には前記第１インナロータ１ａと同一形状の第２インナロータ１ａが夫々回転自在に嵌挿されている。前記両インナロータ１ａ，１ｂの外周は図４（Ａ）に示されるような、公知のトロコイド外歯（サイクロイド歯）６１が形成され、該第１、第２インナロータ１ａ，１ｂは、前記のように回転軸心３ａに対して１８０°の位相で偏心された第１、第２カム３１，３２に回転自在に嵌合されることにより、カム軸３の回転によってカム軸心３ａに対して公転しつつ、第１カムの軸心３１ａ及び第２カムの軸心３２ａに対しては自転するようになっている。
【００２４】
２ａは第１アウタロータ、２ｂは該第１アウタロータと同一形状の第２アウタロータであり、図４（Ｂ）に示されるようなトロコイド形の内歯６２を有し、両ロータ２ａ，２ｂはその歯数が前記インナロータ１ａ，１ｂよりも１枚多く、また、これらの間に設置され前記アウタロータ２ａ，２ｂの歯底径よりもやや大きな外径を有する結合環４にボルト４１により一体に結合される。
【００２５】
前記第１インナロータ１ａと第１アウタロータ２ａ、並びに第２インナロータ１ｂと第２アウタロータ２ｂとは、上記のように公知のトロコイド歯６２（サイクロイド歯）の噛み合いとなっており、カム軸３によって公転あるいは自転せしめられることにより、容積が変化し流体を圧縮するようになっている。
【００２６】
１１は前記結合環４の内周に回転自在に嵌合された回転連通孔盤であり、該回転連通孔盤１１の内周はカム軸３中央部の切欠部３ａに嵌合され第１、２インナロータ１ａ，１ｂ及び第１、２アウタロータ２ａ，２ｂの側面に接しながらカム軸３とともに回転可能となっている。
【００２７】
５はハウジングであり、前記第１、２アウタロータ２ａ，２ｂ及び結合環４が内蔵される。
上記第１、２アウタロータ２ａ，２ｂ及び結合環４は、気体圧縮機及び液体圧送ポンプ等の場合は、これらがハウジング７５に固定され一体化されて静止体となる。また流体変速機の場合は、後述するように、上記第１、２アウタロータ２ａ，２ｂ及び結合環４は３部材が一体となってハウジング５内で回転する回転体となる。
【００２８】
７は回転吸入孔盤、６は回転吐出孔盤であり、該回転吸入孔盤７及び回転吐出孔盤６はカム軸３の切欠部３ｃ，３ｂに夫々嵌合され、カム軸３と一体となって、第１、２インナロータ１ａ，１ｂ及び第１、２アウタロータ２ａ，２ｂの側面に接しながら回転するようになっている。
尚、上記回転吸入孔盤７及び回転吐出孔盤６はカム軸３の回転方向によっては互いに入れ替えて組み付けてもよい。
【００２９】
図３（Ａ）、（Ｃ）には、前記回転吸入孔盤７及び回転吐出孔盤６の平面図が示されている。
図３（Ｃ）に示される回転吸入孔盤７は外周に溝７２が形成され、内周に勾玉状の底部を有する吐出孔７１が形成されている。上記外周の溝７２は、図２に示されるように、ハウジングの吸入口１０に連通される一方、該外周の溝７２には前記勾玉状の吐出孔７１も連通されて、軸心３ａに対して非対称な重量構成となっている。
【００３０】
これにより、吸入口１０からの流体は、回転吸入孔盤７の溝７２及び吐出孔７１を経て第２アウタロータ２ｂと第２インナロータ１ｂとの噛み合い容積部に吸入されることとなる。
【００３１】
また図３（Ａ）に示される回転吐出孔盤６も、前記回転吸入孔盤７と同様に、ハウジング５の吐出口９に連通される外周の溝６２と、この溝７２に連通される勾玉状の底部を有する吐出孔６１を備えた、軸心３ａに関して非対称な形状となっている。これにより、第１インナロータ１ａと第２アウタロータ２ａとの噛み合い容積から吐出された流体は、吐出孔６１、外周溝６２を経てハウジング５の吐出口９に吐出されることとなる。
【００３２】
さらに前記回転吸入孔盤７及び回転吐出孔盤６とは、これらの吸入孔７１及び吐出孔６１が互いに１８０°の位相で設けられた、軸心３ａに関して対称な形状をしている。これにより、該回転吸入孔盤７と回転吐出孔盤６とは、それらの不平衡重量部、即ち吸入孔７１及び吐出孔６１の対称側の部分が互いに１８０°の位相になるように、カム軸３に取付けられることとなる。
【００３３】
さらに、回転吸入孔盤７の上記不平衡重量部と第２インナロータ１ｂ及び第２カム３２の不平衡重量側即ち偏心側とが１８０°の位相で、回転吐出孔盤６の上記不平衡重量部と第１インナロータ１ａ及び第１カム３１の不平衡重量側即ち偏心側とが１８０°の位相で夫々配置される。
【００３４】
従って、上記第１、２インナロータ１ａ，１ｂ及び第１、２カム３１，３２と、回転吸入孔盤７及び回転吐出孔盤６との上記のような不平衡重量の１８０°位相での配置により、回転系の動的平衡を完全にとることができることとなる。
【００３５】
図３（Ｂ）には前記回転連通孔盤１１の正面図が示されている。該回転連通孔盤１１の両面には前記回転吸入孔盤７の吸入孔７１及び回転吐出孔盤６の吐出孔６１に対応して有底の勾玉状の吐出通路孔６１１，６１２及びこれらの裏側に吸入通路７１１，７１２が１８０°の位相差で設けられ、各吐出通路孔６１１と６１２とは連通路６１３にて連通され、各吸入通路孔７１１と７１２は連通路７１３にて連通されている。
【００３６】
従って、上記のように１８０°の位相で形成された第１カム３１及び第２カム３２の一対のカムに夫々嵌合されて公転及び自転する第１、第２インナロータ１ａ，１ｂと該インナロータ１ａ，１ｂにトロコイド歯で噛み合う第１、第２アウタロータ２ａ，２ｂの噛み合い容積部を、前記回転連通孔盤１１はカム軸３の回転中においても常時連通せしめることとなる。
８，８はカム軸３をハウジング５に軸支する軸受である。
【００３７】
前記のように構成されたトロコイド歯形を有する回転圧縮機の運転時において、カム軸３の回転により第１インナロータ１ａ及び第２インナロータ１ｂが互いに１８０°の位相をなしてカム軸心３ａ上を公転しながら第１カム３１及び第２カム３２の中心３１ａ、３２ａ上を自転し、これらの外歯６１とハウジング５に固定された第１アウタロータ２ａ及び第２アウタロータ２ｂの内歯６２との間に形成される容積を変化せしめる。
【００３８】
一方、カム軸３に固定された回転吸入孔盤７及び回転吐出孔盤６もカム軸３と同期しかつ互いに１８０°の位相で以って回転し、上記容積が最大となる近傍で吸入孔７１からと上記容積に流体を吸い込み、これを圧縮し、上記容積が最小となる近傍で吐出孔６１に圧縮流体を吐出する。
【００３９】
前記作動時において、第１カム３１とこれに嵌合される第１インナロータ１ａ、及び第２カム３２とこれに嵌合される第２インナロータ１ｂとは互いに１８０°の位相をなして回転する。
【００４０】
従って、第１インナロータ１ａ側と第２インナロータ１ｂ側との慣性力は完全に打ち消されるが慣性偶力が残存する。
【００４１】
一方、回転吸入孔盤７の吸入孔７１及び回転吐出孔盤６の吐出孔６１の偏心配置による回転吸入孔盤７側の不平衡重量部は第２インナロータ１ｂ側と１８０°の位相をなすとともに、回転吐出孔６側の不平衡重量部は第１インナロータ１ａ側と１８０°の位相をなして回転する。
【００４２】
従って、この回転吸入孔盤７及び回転吐出孔盤６の回転により、上記インナロータ側に残存した慣性偶力は打ち消される。
これにより、全ての不平衡力は完全に打ち消され、完全な動的バランスが得られる。
【００４３】
また前記作動時において、第１、２インナロータ１ａ、１ｂの高速回転時には、該インナロータ１ａ、１ｂの外歯６１と第１、２アウタロータ２ａ，２ｂの内歯６２との間に形成される噛み合い容積を通過する流体の流れは、カム軸３とともに回転する回転連通孔盤１１を通して第１、第２の両ロータ間が連通されるので、該連通孔盤１１を介して同一方向の流れとなる。
【００４４】
また第１、２インナロータ１ａ，１ｂは互いに１８０°の位相をもって公転、自転を行うため、両者は前記回転連通孔盤１１の吸入、吐出連絡孔７１１，７１２，６１１，６１２及び連通路７１３，６１３を通して常時連通された状態で回転する。
【００４５】
従って、前記作動時における流体の軸方向の流れは、吸入口１０→回転吸入孔盤７→第２インナロータ１ｂと第２アウタロータ２ｂとの噛み合い容積部→回転連通孔盤１１→第１インナロータ１ａと第１アウタロータ２ａとの噛み合い容積部→回転吐出孔盤６→吐出口９となり、高速回転に適した一方向流となる。
【００４６】
前記回転吸入孔盤７及び回転吐出孔盤６は、前記のように、流体の吸入、吐出の切り換え機能を備えるが、これとともに、該両盤７，６の側面は、アウタロータ２ａ，２ｂ及びインナロータ１ａ，１ｂの側面との密封シール作用もなすので両ロータ側部からの流体の漏洩が防止される。
【００４７】
図５、図６には本発明の第２実施例が示されている。
この実施例においてはトロコイド歯を有する流体機械を流体変速機に適用しており、図５、６において、第１アウタロータ２ａの端部には結合部材１２が固着され、該結合部材１２には第２回転軸が固着されている。これにより、第１アウタロータ２ａ、第２アウタロータ２ｂ、両ロータを結合する結合環４、結合部材１２及び第２回転軸１３は、ハウジング５、５ａ内で一体となって回転可能となる。
【００４８】
図５、６において、カム軸３が回転せしめられると、吸入孔１０から導入された流体は、回転吸入孔盤７５→第２インナロータ１ｂと第２アウタロータ２ｂとの噛み合い容積部→回転連通孔盤１１→第１インナロータ１ａと第１アウタロータ２ａとの噛み合い容積部→回転吐出孔盤６５→吐出口９へと流れるが、アウタロータ２ａ，２ｂ側が回転自在となっているので、該流体によりアウタロータ側が駆動され、第１、第２アウタロータ２ａ，２ｂ、結合環４、結合部材１２及び第２回転軸１３が被駆動体となって、第２回転軸１３の軸端から回転力を取り出すことができる。
【００４９】
この場合、前記吸入口１０と吐出口９との間に外部配管を設け、この配管中に流量調整弁を設けて流体機内部の上記流路を流れる流体量を調整することにより、第２回転軸１３から出力される回転数を変化させることができる。
【００５０】
また、第１インナロータ１ａと第２インナロータ１ｂ、及び回転吐出孔盤６と回転吸入孔盤７を互いに１８０°の位相を持たせて配置し、不平衡力を打ち消すようにした構成は、前記第１実施例と全く同一である。
【００５１】
上記以外の構成は図１〜図４に示される第１実施例と同様であり、同一の部材は同一の符号で示す。
【００５２】
【発明の効果】
本発明は以上のように構成されており、請求項１〜３の発明によれば、トロコイド歯形を備えた流体機械において、カム軸に軸方向に沿って１８０°の位相を存する第１、第２カムを設け、該第１、第２カムに第１、第２インナロータを公転、自転可能に嵌合するとともに該第１、第２インナロータを第１、第２アウタロータに噛合せしめ、さらに吸入孔を有する回転吸入孔盤及び吐出孔を有する回転吐出孔盤をカム軸に互いに１８０°の位相で取付けて、カム軸と同期回転させ、第１、第２インナロータ及び回転吸入孔盤、回転吐出孔盤により不平衡力の動的釣合いをなすように構成したので、インナロータを軸方向に２分割して１８０°の回転位相を存して配置するとともに、回転吸入孔盤と回転吐出孔盤とを１８０°の回転位相を存して配置して、回転吸入孔盤及び回転吐出孔盤本来の非対称構造による不平衡力を利用し、流体機械自体の機能部材の構造、及び配置を適切に設定するのみで、重量の増加や流体機械の機能の低下を伴なうことなく、機械の完全な動的バランスを達成することができる。
【００５３】
これにより、小型、軽量の構造で以って完全に動的平衡がなされ、高速化、大容量化が実現できるトロコイド歯形方式の流体機械を得ることができる。
【００５４】
また、請求項４の発明によれば、２個のアウタロータを結合環とともに回転させ、これに出力軸を連結し、インナロータ、アウタロータ間で作動する流体の量を制御することにより、出力軸の回転数を制御することができ、前記のように完全な動的バランスがなされた可変速の流体変速機を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係るトロコイド歯形を備えた流体圧縮機の回転軸心線に沿う断面図。
【図２】前記実施例におけるカム軸の外観図。
【図３】前記実施例における各回転盤の正面図。
【図４】前記実施例におけるインナロータ、アウタロータの正面図。
【図５】本発明の第２実施例の図１応当図。
【図６】本発明の第２実施例のカム軸及び回転軸の外観図。
【符号の説明】
１ａ 第１インナロータ
１ｂ 第２インナロータ
２ａ 第１アウタロータ
２ｂ 第２アウタロータ
３ カム軸
３１ 第１カム
３２ 第２カム
４ 結合環
５ ハウジング
６，６５ 回転吐出孔盤
６１ 吐出孔
７，７５ 回転吸入孔盤
７１ 吸入孔
９ 吐出口
１０ 吸入口
１１ 回転連通孔盤
１２ 結合部材
１３ 第２回転軸
Claims (4)
- トロコイド歯形の外歯を有し、カム軸に公転及び自転可能に嵌挿されたインナロータを、トロコイド歯形の内歯を有するアウタロータに噛合し、前記両ロータの相対回転による噛み合い容積の変化により吸入口からの流体を吐出口に送出するように構成するとともに、前記カム軸をハウジングに軸支する軸受がカム軸の両側に位置するトロコイド式流体機械において、
前記カム軸に円周方向に１８０°の位相を存して第１カムと第２カムとを設け、
前記インナロータを、軸方向に第１インナロータと第２インナロータとに分設して、該第１インナロータを前記第１カムに、第２インナロータを前記第２カムに、夫々公転、自転自在に嵌合し、
前記アウタロータを軸方向に第１アウタロータと第２アウタロータとに分設して、両アウタロータの内歯に前記第１インナロータ及び第２インナロータをこの順に嵌合し、
作動流体の吸入孔が設けられるとともに不平衡重量を有する回転吸入孔盤及び作動流体の吐出孔が設けられるとともに不平衡重量を有する回転吐出孔盤を前記カム軸に双方の不平衡重量が互いに１８０°の位相をなすように、かつカム軸と同期して回転可能に取付け、
前記第１、第２インナロータ部分、並びに回転吸入孔盤及び回転吐出孔盤の不平衡力を釣り合わせるように構成するとともに、
前記回転吸入孔盤及び回転吐出孔盤は前記軸受側に設けたカム軸の切欠部に夫々嵌合され、前記回転吐出孔盤は第１インナロータ及び第１アウタロータの側面に接しながら、又前記回転吸入孔盤は第２インナロータ及び第２アウタロータの側面に接しながら前記カム軸と一体となって回転するように構成したことを特徴とするトロコイド歯形を備えた流体機械。 - 前記第１インナロータと第２インナロータとの間に、カム軸にこれと同期回転可能に嵌合されるとともに、前記第１インナロータと第１アウタロータとの前記噛み合い容積と、前記第２インナロータと第２アウタロータとの前記噛み合い容積とを連通する回転連通孔盤を介装したことを特徴とする請求項１記載のトロコイド歯形を備えた流体機械。
- 前記第１アウタロータと第２アウタロータとが、両ロータの間に介装された結合環とともにハウジングに固定されてなる請求項１若しくは２記載のトロコイド歯形を備えた流体機械。
- 前記第１アウタロータと第２アウタロータと結合環とが前記カム軸の軸方向反対側に設けられた第２回転軸に連結され、該第２回転軸とともに回転可能にされた請求項１若しくは２記載のトロコイド歯形を備えた流体機械。
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1995
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