JP3957083B2 - 軸流ポンプチャンバ内で回転する一対のディスプレイスメントロータを有する真空ポンプ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は１対のディスプレイスメントロータを有する真空ポンプに関し、上記ロータは軸流ポンプチャンバ内で回転し、特に螺旋状に噛み合い、各々は圧力側に取り付けられた各シャフトによって片持の形態で支持される。シャフトは各々、ポンプチャンバを形成するハウジングの外部に配置されたモータの電機子に接続されている。
【０００２】
【従来の技術】
この構造様式は、軸受装置とロータの駆動装置に関する部材が全て圧力側に配置され、それらから発生するガスの放出がポンプの吸込側へそう簡単に通過できないという利点がある。その結果、高価な密封は不必要になる。しかしながら、この種の既知となっているポンプ(EP-A 472933=US-A 5,197,861とUS-A 5,354,179、EP-A 558921=US-A 5,393,201、US-A 5,295,798、US-A 5,314,312、US-A 5,329,216、JP-Abstract 2283890)は、回転部分に近づきがたく、回転部分を容易に維持管理できないという不利益がある。これは、それらの組立てまたは分解は、それらが、或いは軸受装置を収容する複数のハウジング部品が、互いに分離されることを前提としているためである。回転部分とそれらの軸受装置は調整に対して敏感であるので、このために、特に資格付けられた人で、一般にポンプ製造者のみが利用できる人が必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明は、各ロータと、該当するシャフトと、ハウジングに固定されると共に全シャフト軸受装置を収容する静止軸受体とが、一つのユニットを形成して、モータハウジングから取り外し可能であることによって、これらの不利益を避けている。作動感受性の高い軸受機能がこの構造ユニットに集められている。交換のために、製造者がそれらを予め組み立て、セットし、バランスされた状態で引き渡すことができる。また、メンテナンスのために、一括して製造者に送ることができる。一方、組み立てと解体を含むメンテナンスの残りの部分は、ユーザが利用できてあまり専門化されていない人に委ねられる。
【０００４】
各ロータの構造ユニットは、もう１つの構造ユニットとは別に、予め組み立てることができるために、個々の軸受体が便宜的に各ロータに対応している。しかしながら、共通の軸受体が両方のロータに設けられるという応用があり得る。
【０００５】
ポンプチャンバを形成するハウジングは、圧力側では、便宜上、ベースプレートによって境界が定められている。軸受体は、ベースプレートに中心を置き及び／又はベースプレートに固定されている。このベースプレートは、ポンプチャンバハウジングに一体に接続されている。しかしながら、それは便宜上、別部品である。また、それはモータハウジングの一部であり、モータハウジングは一般にポンプチャンバハウジングから離れた側にベースプレート上に配置される。
【０００６】
最初に述べた従来技術から知られているように、少なくとも１つのロータ軸受が、上記ロータ内部で、圧力側に向かってのみ開いている上記ロータの空間の中で、上記ロータに突出している上記軸受体の管状部上に配置されているならば、便宜的である。これは、ロータシャフトが僅かに小さな曲げ応力を被ると共に、その結果として、一方のロータの他方のロータに対するクリアランスの変化であって変形によって引き起されるクリアランスの変化は、ロータとハウジングの間のクリアランスの変化と同様に、小さく保たれることを保証する。また、これはロータシャフトの好適な寸法決めが可能となり、この結果、ロータの内部軸受装置に付随する半径方向の空間の要求が一部分償われる。
【０００７】
シャフトの同期をもたらす、あるいは、電子的な同期に加えて緊急同期を可能にする相互作用歯車を、ロータシャフトに設けることは知られている。これらの歯車が、送出媒介物との直接的な接触によって汚染されないように、また、必要ならばポンプチャンバ内に潤滑剤を通過することなくそれらが潤滑されるように、本発明によってそれらはフランジプレートのモータ側に配置される。このため、フランジプレートは、ポンプチャンバから密封された空間との境界となると共に、ロータと共に取り外し可能な構造ユニットに含まれる。同期手段は、歯車に代わりに、パルス発生器ディスクでもよく、或いは、歯車は同時にパルス発生器ディスクとして役立つ。
【０００８】
フランジプレートは、フランジプレートがベースプレートまたはモータハウジングから密封されることによって、ポンプチャンバから都合よく密封される一方、ベースプレートまたはモータハウジングは、ポンプチャンバハウジングから密封される。これは、フランジプレートがモータハウジング上に取付けられ、かつ、中心に置かれるのを可能にする。ポンプチャンバハウジング(またはその外皮と蓋)は、ポンプチャンバおよびロータのメンテナンスのために、同期ディスクを収容する空間の密な閉鎖性を損なうことがなく、取り外されることができる。
【０００９】
モータハウジングは大気から埃が入らないように便宜的に密封される。したがって、ディスクを収容する空間は駆動装置から密封される必要がない。
【００１０】
モータ電機子も、モータハウジングからそっくりそのまま取り外すことができるロータユニットに便宜的に含まれる。同じことが、同期歯車またはパルス発生器ディスクにも適用され、同期歯車またはパルス発生器ディスクは、ロータ構造ユニットに回転可能に接続されると共に、回転角度を測定するための装置の一部である。
【００１１】
本発明は在庫保管コストをかなり低減させる。この理由は、異なる送出データを持ち、同じシリーズに属するポンプが、ロータ、ハウジングおよび必要ならば軸受体の管状部分の長さのみが本質的に異なるという事実による。代わりに或いは加えて、それらはロータの外周のディスプレイスメント突起部のスタイルも異なる。
【発明の実施の形態】
【００１２】
本発明は、図面を参照してより詳細に以下に説明される。これらの図面は、本発明の好都合な典型的実施例を示す。
【００１３】
モータハウジング２は、足部１の上に置かれ、必要ならば一体に、頂部でフランジ状のベースプレート３につながっている。このベースプレート３にはポンプチャンバハウジング４が取り付けられている。後者はその頭部で、吸込開口部６のある蓋５によって密閉されている。
【００１４】
後に説明されるような方法で、軸受体７のフランジプレート５０は、ベースプレート３に締め付けられる。このフランジプレート５０は、各々の場合に、ロータ８を支持するのに役立つ。ロータ８の外周はディスプレイスメント(変位)突出部９を持つ。このディスプレイスメント突出部９は、好ましくは２つの開始点のある螺旋となっており、送出空間１０において隣接するロータのディスプレイスメント突出部９の間で歯が噛み合うように係合している。加えて、ディスプレイスメント突出部９は、外周部でポンプチャンバハウジング部４の内面と互いに接触する。ロータ８は、頭部で吸込空間１１に接続され、底部で圧力空間１２に接続されている。
【００１５】
圧力空間１２は通路１６によって圧力出口１７に接続されている。これらの部分は、垂直に取り付けられたポンプチャンバハウジングの底端部に設けられている。
【００１６】
各ロータ８は回転方向に固定されてシャフト２０に接続されている。シャフト２０は、永久的に潤滑される転がり軸受２１によって、軸受体７内の底部に取り付けられている。同様に永久的に潤滑されている第２の転がり軸受２２が、軸受体７の管状部２３の頭端部に位置している。軸受体７はロータ８の同軸穴２４の中に突出している。この穴２４は、底部すなわち圧力側に向かって開口している。この軸受２２は、好ましくは、ロータ８の中心より上に配置される。軸受体の管状部２３は、好ましくは、ロータ８の長さの大半を貫いて伸びる。ポンプが垂直に配置された場合には、管状部２３の端は圧力出口１７よりも実質的に高い位置にある。このことは、ポンプチャンバから液体あるいは他の重い不純物が進入しないように、軸受と駆動領域を保護するのに役立つ。
【００１７】
冷却通路２５が、軸受体の管状部２３に設けられている。冷却通路２５は、通路２６を経由して冷却水供給源に接続され、また、対応する通路(図示せず)を経由して冷却水排出部に接続されている。この冷却通路２５は、好ましくは、螺旋状に曲げられた窪みであってスリーブによってぴったりと覆われた窪みにより形成される。ロータ軸受の冷却は、これらの軸受の寿命あるいはメンテナンスの間隔を延ばす。さらに、軸受体の管状部２３の外周面は、この冷却によって低温に維持される。この外周面は、僅かの距離だけ離れて、ロータの中空空間２４の内面に対向している。これら表面は、良好な熱交換ができるように設計されている。したがって、熱は、軸受体の管状部２３およびその冷却装置２５を経由して、ロータから間接的に消散される。互いに対向しあっている軸受体の管状部２３の面とロータの中空空間２４の面とは、面間の熱交換を改善するために適切な方法で設計される。例えば、高い熱吸収係数によって輻射による熱交換が推進されるように、表面が処理または研磨される。面の間のガス層による対流熱交換は、小さな表面間隔と、熱伝達係数の増加となる適切な表面構造とによって改善される。このために、一表面または両表面が、粗仕上げまたは熱交換リブやねじ等を用いて、設計される。また、軸受体またはシャフト２０を通ってロータの中空空間２４に密封ガスを供給することも可能である。この密封ガスは、圧力空間１２から送出媒介物とともに放出される。軸受領域の密封とは別に、それは軸受と軸受体とロータとを付加的に冷却するのに役立つ。しかし、この場合、ガスは、軸受を汚染しないように、便宜上、軸受を通って導かれるのでなく、バイパスを形成する通路２８を経て導かれる。
【００１８】
ポンプチャンバから浸透してくる流入物から軸受と駆動領域とを保護するために、適切な密封装置か障壁装置のいずれか一方あるいは両方が設置される。軸受体２３の対向する面とロータ中空空間２４の内面とに、片側はまたは両側に送出ねじ(図示しない)を備えることが、特に、有利である。この送出ねじは、ロータの中空空間２４から圧力空間１２に向かって送出する効果を発揮する。この送出効果は、固体粒子または液体が高密度であるために、主として固体粒子または液体に作用する。これによって、軸受や駆動領域へそれらが進入するのを防止する。上記送出ねじは、かなり低減された回転速度であっても尚もこの効果が有効であるように、便宜的に設計される。
【００１９】
この送出効果は、圧力空間に向かって円錐形に拡がる軸受体とロータとの間のギャップ(空隙)によっても、もたらされる。ここに、ギャップ幅(ロータの表面から軸受体の表面への距離)は、本質的に一定である。加えて、この場合、互いに対向する表面に、片側または両側に送出給ねじも設けられ得るが、しかし、これは必要でない。
【００２０】
ロータと軸受体との間のギャップに送出ねじ或いは送出作用のあるテーパー(conicity)を備えることは、液体または固体粒子の進入に抗する非常に有効な密封を提供するので、付加的な密封装置はしばしば不要となる。しかし、それらは設けられてもよく、また実際、好ましくは、非接触または最小限の接触するタイプの構造、例えば、ラビリンス密封またはピストンリング状の密封では、設けられる。
【００２１】
送出ねじまたは空隙テーパーの密封作用のために、本発明のポンプは、ロータが回転している限り、ポンプチャンバ内の液体の存在に対して影響を受けない。
【００２２】
ロータ内で軸受が高く配置されているために、ポンプチャンバ内の液体が軸受の高さまで到達しない限り、静止状態においても影響を受けない。送出媒介物が液体サージを携えるとき、それは重要であるばかりでなく、液体の噴射によってポンプを洗浄および／または冷却するためにも使用され得る。例えば、洗浄液または冷却液がノズルを介して注入され、その内の１つは２７で示めされている。同一または別のノズル２７は、洗浄液および冷却液を注入するために使用されても良い。
【００２３】
もし非常にひどい汚染が予想されるならば、作動中に連続して洗浄液を注入することは可能である。真空ポンプの作動中に、洗浄液がポンプチャンバの中に入るならば、洗浄液は吸込圧力よりも低い蒸発圧を持つ。もしも、ポンプが多段式ポンプであり、汚染が(例えば圧力の関数として)主として第２段及び／又は次の段で付着するならば、洗浄液の注入を第２段または次の段に限定することは可能であり、これによって吸込側から汚染を分離することは可能である。
【００２４】
しかしながら、(例えば、駆動トルクの増加の結果として)洗浄に対する要求が定まれば、殆どの場合、洗浄作業は常時ではなく周期的に行われる。ポンプが液体に影響されないために、比較的大量の液体も使用される。使用される洗浄液の量または種類のために、回転作動速度を維持できないならば、それの応じて回転速度は減少され得る。これに対して適切な制御装置が設けられる。例えば、回転速度は駆動トルクの関数として制御され、このことは、増大した動力が要求された回転作動速度については、対応する回転速度の減少に自動的に導かれる。ロータの連続回転は、洗浄段階中においてさえもロータ軸受装置を密封するのに役立つのみならず、汚染された表面に洗浄液の効果を与える。
【００２５】
ロータと軸受体の間の空隙における上記送出作用は、外部の圧縮ガス供給源に替えて、密封ガスを送出するのに使用される。しかしながら、密封ガスを送出するためには、このような圧縮ガス供給源の送出作用は、ロータの速度に無関係に密封ガスを供給するために、一般に好まれる。
【００２６】
ポンプチャンバハウジング４はポケット３０(図２)を含み、ポケット３０はその外周回り全体または大部分に渡って走る。ハウジングを予め決められた温度に保つために、冷却水がポケット３０を通って循環する。全ての場合において、ハウジングシェルの冷却は必要ない。しかしながら、本発明の状況では、そのことは、ロータ８も冷却されてロータの熱膨張が制限されるから、好都合にも可能である。ロータが単に膨張するためにハウジングに当たりながら運転するという心配は、ハウジングが低温に保たれている間は、必要がない。
【００２７】
本発明によるポンプには、プレアドミッション（早期給気部）が設けられている。これは、通路３１がハウジング内の高圧縮領域あるいはちょうど平均的な圧縮領域に設けられ、周知の原理によって冷却し及び／又は騒音を減少するために、上記通路３１を通ってポンプチャンバのこの領域での圧縮状態に対応する高圧のガスが、ポンプチャンバの中に注入されることを意味する。本発明の有利な特徴によると、プレアドミッションのガスが、ポンプチャンバシェル４の冷却ポケット３０において冷却されることによって、ポンプの圧力側から直接抜き出され得ることである。このために、それは熱交換器の管３２を通過され得る。
【００２８】
図示された例の転がり軸受２１，２２は、スプリング２９によって互いに対抗して設置されているアンギュラコンタクト玉軸受である。各シャフト２０は、好ましくは直接、すなわち中間カップリングなしで、軸受２１の下方に駆動モータの電機子３５を支持している。その駆動モータのステータ３６はモータハウジング２内に配置されている。モータハウジングには、冷却通路３８が設けられている。
【００２９】
フランジプレート５０は、図示されている例では、軸受体７と一体に形成され、本来、ポンプチャンバハウジング４の辺縁部に接する外部マージン５１と、外部マージン５１に隣接する内部マージン５２とによって、ベースプレート３の上部側に取り付けられている。フランジプレート５０はベースプレート３に対して密封されている。端面５３は、半径方向の断面においてセカント（割線:secant）に沿い、そこでは、フランジプレート５０が互いに押し合い、端面５３には密封挿入物が設けられている。
【００３０】
切削穴が、マージン５１，５２の間のフランジプレート５０の下に設けられている。この切削穴はベースプレート３の頭部と囲んで空間３９を形成する。この空間３９は同期歯車４０を収納するのに役立つ。同期歯車４０は、軸受２１とモータ電機子との間のシャフト２０上に、既知の手段で回転方向にロックされるようになっている。それらがフランジプレート５０の内部マージン５２の領域において互いに噛み合うように、外部マージン５１は適切な箇所に切り取り部（カットアウト）をもつ。この切り取り部を通って歯車が広がる。ウェブが各々の側にこの切り取り部の下に残存する。参照番号５２の参照線が、ウェブに対する図１の内部マージンの箇所を略示す。このウェブは安定性の理由で有利であるのみならず、一方でベースプレート３に対して、他方でフランジプレート５０の平らになったセカント面間で、環状の密封を可能にする。
【００３１】
フランジプレート５０のくりぬかれた部分３９は、同期歯車４０の直径よりも大きな直径を持つ。それらは、外部マージン５１に対して僅かに偏心して配置されていて、ロータの構造ユニットの組み立て時に、密封ウェブ５２の存在にも拘わらず、同期歯車４０を挿入できる。
【００３２】
同期歯車４０を包囲する空間３９はポンプチャンバから完全に分離されているので、同期歯車が汚染される危険はない。それらは、ロータの緊急同期にのみ使用される。これらの歯は通常互いに接触しない。したがって、潤滑は普通は不必要である。希望があればそれを使用できるが、同期歯車のドライラン（乾式運転）は、空間３９と駆動モータの間の密封が必要でないので、構造を簡素化する。
【００３３】
同期歯車４０は、パルス発生器のディスクとして使用されるか、あるいは、追加のパルス発生器ディスクによって補われる。パルス発生器ディスクは、図１に示されるセンサ４２によって走査される。これらのセンサ４２は制御装置に接続され、制御装置はセットされた点に対する各ロータの回転位置を監視し、駆動装置を介してそれを補正する。これはロータの電子的な同期に関係しているが、このことはそれ自体既知であり、したがって、ここで詳細に説明される必要はない。同期歯車４０の歯の間の遊びは、ロータ８のディスプレイスメント突出部９のフランク(側面)のクリアランスよりも僅かに小さい。しかしながら、それは装置の電子的同期の同期公差よりも大きい。後者が適切に機能する間、ディスプレイスメント本体９のフランクも、同期歯車４０の歯も、互いに接触することはない。それにも拘らず、後者が互いに接触するようになる場合には、それらには耐摩耗性を持たせ、必要ならば滑りを促す被覆がなされる。
【００３４】
ポンプの性能データは、駆動出力と回転速度とによって決定されるのとは別に、ロータにおいて形成されるディスプレイスメントすなわち送出容量とによって、したがってロータの長さによって決定される。それ故に、送出データは、ロータを包囲しているポンプ部分の長さを変えることよって、変化され得る。したがって、異なる性能データをもつ一連のポンプは、好ましくは、このシリーズの個々のポンプがこれら部品の長さの段階的変化で異なるということによって、区別される。上記これら部品とは、ポンプチャンバハウジング、ロータ、必要ならばロータの中に突出している軸受体管状部のことである。
【００３５】
各ロータは、該当する軸受と駆動装置と共に、独立して取り付けられる構造ユニットを形成し、この構造ユニットは、ロータとは別に、軸受２１，２２と、軸受体７と、その中に設けられた冷却装置と、シャフト２０と、同期歯車４０と、該当するセンサ４２と、モータの電機子３５とから成るということがわかる。これらのユニットは、事前に完全に組み立てられてポンプに挿入される。それらはベースプレート３から簡単に除去され得たり、あるいは、ポンプチャンバハウジングの除去の後、挿入され得る。したがって、これらのユニットの交換は、ユーザに委ねられる。一方、製造者は取り扱いに慎重を要するユニットのメンテナンスを処理する。
【００３６】
図２と図４は、吸込空間１１がカバープレート１４によってポンプチャンバから分離されていることを示す。カバープレート１４は、引き込まれた媒介物が吸込開口部６からポンプチャンバに直接的に通過するのを防止する。その代わりに、それは、まず第１に、２つの安定化空間６３の内の頭部空間６２にある２つの開口６１の一方または他方を通過する。安定化空間６３は、ポンプチャンバハウジング４の幅広側に向かいあって、特殊な容器として配置されている。頭部空間６２は、安定化空間６３に向かって下方に開いていると共に、２つの側部空間６５の分割壁６４によって、横方向に境が定めれている。これらの側部空間６５は同様に安定化空間６３に向かって開いていて、各々、開口６６によってポンプのポンプチャンバに接続されている。それら開口６６は開口６１の両側に配置されている。引き込まれた送出媒介物は、吸込開口６から吸込空間１１を通って中央頭部空間６２に行き、その中で下方に偏向されて安定化空間６３に行く。この中で上方に偏向されて側頭部空間６５の１つに行き、ここから開口６６を通過してポンプチャンバの中に入る。したがって、送出媒介物が安定化空間６３に流れ込む開口６１，６２は、開口６５，６６から空間的にオフセット(片寄)されている。開口６５，６６を通って、それはポンプチャンバに再び流れ込む。これによって、ガス流に強いられた偏向は、それに乗せられた液体または固体粒子が慣性作用のために例えば下方に落とされて、安定化空間６３の中に入る。また、これは特に如何なる液体のサージにも適用される。もしも、液体のサージが極めて頻繁に予測されるのなら、安定化空間には、中に液体が入る排出装置が設けられる。水準計６７がそれとは別に設けられてもよいし、必要ならば機能的にそれに接続されてもよい。
【００３７】
ポンプは、好ましくは、大量の液体を安全に送出するために、容積一定型の構造をしている。
【図面の簡単な説明】
【図１】ロータ軸の平面における縦断面図である。
【図２】図１を横から見た縦断面図である。
【図３】図１のIII-III線水平断面図である。
【図４】図２のIV線に沿った部分断面平面図である。

Claims (11)

1. １対のディスプレイスメントロータ(８)が、軸流ポンプチャンバ内で回転し、特に螺旋状に噛み合い、それぞれ、圧力側に取り付けられた１本のシャフト(２０)によって、片持の形態で支持され、上記シャフトの各々は上記ポンプチャンバを形成するハウジング(４)の外部に配置されたモータの電機子(３５)に接続されている真空ポンプであって、
   各ロータ(８)と、上記シャフト(２０)と、上記ハウジングに固定されることができて全シャフト軸受装置を収容するとともに送出ねじ又は円錐形状を有する特殊な静止軸受体(７)とは、一つのユニットを形成して、モータハウジング（２）からそっくりそのまま取り外し可能であることを特徴とする真空ポンプ。
2. 請求項１に記載の真空ポンプにおいて、
   個々の軸受体(７)が各ロータ(８)に対応していることを特徴とする真空ポンプ。
3. 請求項１または２に記載の真空ポンプにおいて、
   上記ポンプチャンバを形成する上記ハウジング(４)は、圧力側で、上記モータハウジング（２）の一部であるベースプレート(３)と隣接し、上記軸受体(７)は、上記軸受体（７）と一体に形成されたフランジプレート（５０）を介して、上記ベースプレート(３)に固定されていることを特徴とする真空ポンプ。
4. 請求項３に記載の真空ポンプにおいて、
   上記ロータ構造ユニットと共に取り外し可能な上記フランジプレート(５０)は、切削穴を有し、上記切削穴と上記ベースプレート（３）とが空間を形成し、上記空間は上記ポンプチャンバから密封されていると共に、上記空間には同期歯車(４０)および／またはパルス発生器ディスクが設けられていることを特徴とする真空ポンプ。
5. 請求項３または４に記載の真空ポンプにおいて、
   モータを収容する上記モータハウジング(２)は、上記ポンプチャンバハウジング(４)から離れた側にある上記ベースプレート(３)に配置されていることを特徴とする真空ポンプ。
6. 請求項１乃至５のいずれか１つに記載の真空ポンプにおいて、
   上記ロータ(８)は、圧力側(１２)に向かってのみ開いている上記ロータ(８)の空間(２４)を有し、上記軸受体(７)は、上記空間（２４）の中に突出している管状部（２３）を有し、少なくとも１つのロータ軸受(２２)は、上記空間（２４）内の上記管状部（２３）と上記シャフト(２０)との間に配置されていることを特徴とする真空ポンプ。
7. 請求項１乃至６のいずれか１つに記載の真空ポンプにおいて、
   上記モータ電機子(３５)は、上記そっくりそのまま取り外し可能なロータ構造ユニットに含まれていることを特徴とする真空ポンプ。
8. 請求項１乃至７のいずれか１つに記載の真空ポンプにおいて、
   上記同期歯車または上記パルス発生器ディスクは、上記そっくりそのまま取り外し可能なロータ構造ユニットに含まれていることを特徴とする真空ポンプ。
9. 請求項１乃至８のいずれか１つに記載の一連の真空ポンプにおいて、
   送出容量の異なるポンプは、駆動装置は別として、ロータの長さと、ポンプチャンバハウジングの長さと、必要ならばロータの外周部におけるディスプレイスメント突出部のスタイルの外、必要ならば軸受体の管状部の長さとにおいてのみ、異なっていることを特徴とする真空ポンプ。
10. 請求項１に記載の真空ポンプにおいて、
    上記特殊な静止軸受体(７)の外面と上記ロータ（８）の中空内面(２４)との少なくとも一方に、上記送出ねじが設けられていることを特徴とする真空ポンプ。
11. 請求項１に記載の真空ポンプにおいて、
    上記特殊な静止軸受体(７)の外面と上記ロータ（８）の中空内面(２４)とは、上記圧力側に向かって広がる上記円錐形状を有することを特徴とする真空ポンプ。

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