JP5480492B2 - 二重シールアセンブリ - Google Patents

Description

本発明は、第１および第２のメカニカルシールアセンブリを含む二重シールアセンブリに関し、特に一方が軸方向に可動でありそれぞれ他方のシールリングに対して付勢力で軸方向に付勢される少なくとも一対の協働するシールリング、ならびに、シールリングおよび付勢力伝達リングの動きを案内するガイド部の少なくとも一方の円周方向ガイド面に対して軸方向可動シールリングを密封するための二次シールアセンブリを有するメカニカルシールアセンブリに関する。このようなメカニカルシールアセンブリは、例えば米国特許第３４７９０３９Ａ号から公知である。

公知のメカニカルシールアセンブリにおいて、筐体に対するシールリングの密封は、シールリング内の溝で受けられるＯリングによって行われる。筐体とシールリングの周縁部との間の１個以上のＯリングを、それぞれシールリングまたは筐体内の軸方向に端部が開口した凹部内に設けたものも公知である（国際公開公報第２００６／０４０８６５号）。いずれの場合でも、Ｏリングの密封効果は、シールリングの軸方向の移動が高い摩擦抵抗に対して起こると共にシールリングの機能上重要な可動性がそれに応じて制約されるように、密封されるべき間隙に対して設けられるオーバーサイズに基づいている。

二重シールアセンブリは、例えばガス圧縮機の密封に使用される。本願において、第１のメカニカルシールアセンブリと第２のメカニカルシールアセンブリは、軸方向に連続してシャフト上に配置される。第１のメカニカルシールアセンブリの下流に配置された第２のメカニカルシールアセンブリは、ほとんど同一の構造であり、第１のメカニカルシールアセンブリが故障の場合、特に安全装置として働く。さらにこの二重シールアセンブリは、例えば浮遊リングシールなどの第３のシールによって軸受から分離している。該第３のシールは、二重シールアセンブリの軸方向背面に配置され、加えて第２のシールリングアセンブリ領域においてベアリングオイルシールとして働く。それゆえ、シャフトにおけるシールの軸方向設備長は結果として大きくなる。しかしながら、特にガス圧縮機に関しては、軸方向設備長ができるだけ短いということが非常に重要である。

米国特許第３４７９０３９Ａ号 国際公開公報第２００６／０４０８６５号

本発明の基本的な目的は、短縮された軸方向設備長を有し、それぞれのシールリングの軸方向への可動性が悪影響を受けないか、あるいは実質的に受けにくいメカニカルシールアセンブリを含む二重シールアセンブリであって、同時にその搭載が簡略化された二重シールアセンブリを提供することにある。

この目的は、請求項１の特徴により解決される。

本発明の二重シールアセンブリは、メカニカルシールアセンブリの軸方向下流に配置された第３のシールが省略可能であるという利点を有する。結果として、二重シールアセンブリの軸方向設備長を非常に短くできる。本発明によれば、これは、第２のメカニカルシールアセンブリが、力伝達リングに設けられる二次シールアセンブリを含む一方で、軸方向可動シールリングにはＯリングなどの二次シール部材を受けるいかなる溝などもないことで実現される。したがって、シールリングの軸方向への可動性は、このような二次シール部材による悪影響を受けない。このようにして、二次シールアセンブリは、第１および第２のメカニカルシールアセンブリの間で、シャフトの軸方向に設けられる。好ましくはＯリングである二次シール部材は、二次シール部材の半径方向への伸張に影響を与える軸方向の力によって二次シール部材に負荷をかけたときだけ、実質的な伸張に対する半径方向の密封効果が発生するように、特定の方法で力伝達リングに保持され配置される。したがって、二次シール部材は、力伝達リングが二次シール部材と一緒に、密封されるべき面に対して摩擦抵抗による制約なく軸方向に移動できるように、密封されるべき間隙に対してオーバーサイズを持つ必要がない。これは、実質的にメカニカルシールアセンブリの搭載を簡略化し、さらに、半径方向の密封がそれぞれのメカニカルシールアセンブリの要求に厳密に適合できることを保証する。それにもかかわらず、市販の二次シール部材を使用できる。本発明の特徴は、二次シール部材が力伝達リングから軸方向に若干突出し、それと共に力伝達リングとシールリングの間に接合部が作成されることであり、該接合部は硬直しておらず弾力的に柔軟である。これにより、シールリングは、力伝達リングに対してある程度まで位置を変えることができ、それが所望の形状を維持するようにシール間隙の形状について自己補償効果を有する。本発明によれば、付勢力は、力伝達リングと二次シール部材を介してシールリングに作用し、したがって、実用上二次シール部材によって脆弱化されることはない。

本発明のさらなる展開によれば、力伝達リングに軸状開口部を組み入れ、他方の側のシールリング内に流路を設けることをさらに具備してもよく、該流路はシールリング面内のシール間隙促進凹部で開口している。加えて、シールリング対の協働するシールリング間でシール間隙を形成することに早期に影響を与えるために、シール間隙促進凹部へ力伝達リングを介して圧力媒体を供給することができ、ここで力伝達リングは圧力媒体に対して圧力解放状態に維持されている。さらなる展開については特許請求の範囲を参照されたい。

第１のメカニカルシールアセンブリの構造が第２のメカニカルシールアセンブリの構造に対応することが特に好ましい。これにより、特に二重シールアセンブリの長さがシャフトの軸方向にさらに短縮できる。これは、現在まで最先端技術において使用されている追加のラビリンスシールもまた第１のメカニカルシールアセンブリ内で省略可能にできるようにする。本発明の二重メカニカルシールアセンブリが２つの同様に構築されたメカニカルシールアセンブリを含むことにより、２つの共通構造のメカニカルシールアセンブリの他に圧縮されたガスに対して密封するラビリンスシールとベアリングに対して密封する浮遊リングシールを含む最先端技術と比較して、二重シールアセンブリを軸方向にさらに短縮することが実現できる。しかしながら、この短縮は、密封の要求に関していかなる不利益も引き起こさない。さらに、同様に構築される本発明のメカニカルシールアセンブリは、二重シールアセンブリ用の同一部品の割合を高くすることができる。

本発明による第１および第２のメカニカルシールアセンブリは、背中合わせに配置されることが特に好ましい。漏れ排出路は、第１および第２のメカニカルシールアセンブリの間に軸方向に配置されることがさらに好ましい。第１および第２のメカニカルシールアセンブリは、同一の断面上に配置されることがさらに好ましい。

本発明の二重シールアセンブリは、好ましくはガス圧縮機に使用され、ここで二次シールアセンブリを設けた第２のメカニカルシールアセンブリは、好ましくは中性のシールガスや精製された製品ガスで加圧され、その圧力は、ガス圧縮機や例えば精製プラントなどの完全なプラントのフレア圧力を若干上回る範囲である。この意味において、二次シールアセンブリは、シャフトのベアリング部の方への密封を提供する。第１および第２のメカニカルシールアセンブリからの漏れは、好ましくは第１および第２のメカニカルシールアセンブリの間に軸方向に配置される共通の漏れ排出路を介して放出される。これも、二重シールアセンブリの軸方向設備長を短くするのに役立つ。なお、第２のメカニカルシールアセンブリは、第１のメカニカルシールアセンブリが故障の場合は、少なくとも短時間、すなわちガス圧縮機が停止（作動しなくなる）までの間、安全シールの機能を果たしてもよいように構成されることに留意するべきである。

本発明の二重シールアセンブリのさらなる利点は、二次シールアセンブリが、最先端技術で使用される第３の浮遊リングシールやラビリンスシールと比べて摩耗せずに動作することである。したがって、本発明の二重シールアセンブリは、より安価に製造され、より容易で安全に動作する。

以下、図面を参照しながら、好ましい実施形態に基づき本発明をより詳細に説明する。

本発明の第１の実施形態による二重シールアセンブリの断面概略図を示す。 図１の二重シールアセンブリの第２のメカニカルシールアセンブリの拡大された第１の部分概略図を示す。 図１の第２のメカニカルシールアセンブリの第２の部分概略図を示す。 本発明の第２の実施形態による二重シールアセンブリの断面概略図を示す。

図１における第１の実施形態の概略図から認められるように、本発明の二重シールアセンブリは、第１のメカニカルシールアセンブリ３０、第２のメカニカルシールアセンブリ４０、および第２のメカニカルシールアセンブリ４０に配置される二次シールアセンブリ５０を含む。第１および第２のメカニカルシールアセンブリ３０、４０はガス圧縮機のシャフト６０上に軸方向に連続して配置される。符号３７はシャフトのベアリング（図示せず）が中に配置されたベアリング空間部を指す。圧縮されたガスの空間部（図示せず）は、ベアリング空間部３７と反対側に配置される。

第１のメカニカルシールアセンブリ３０は、回転方向に固定されたシールリング３１と回転シールリング３２を含む。回転シールリング３２は、シャフト６０上に配置される搭載スリーブ３３上に固定されている。さらに、第１のメカニカルシールアセンブリ３０は、回転方向に固定されたシールリング３１を軸方向へ付勢する付勢部材３４を含む。符号３５は、搭載スリーブ３３上に配置された中間スリーブを指す。中間スリーブは、搭載スリーブ３３に固定されるように接続された環状フランジ部材３６と搭載スリーブの階段状部との間に軸方向に配置される。第１のメカニカルシールアセンブリ３０は、流路２３と空間部Ｄを介してシールガスにより加圧される。動作中、漏れは、シールリング３１、３２の摺動面および漏れ排出路２４を介して、図１の矢印Ｃで示すように、例えば天然ガスを圧縮するためのガス圧縮機を使用する天然ガス生成プラントのフレアの方へ排出される。空間部Ｄは、ラビリンスシール（図示せず）を介して圧縮されたガスの空間に対して密封される。

第２のメカニカルシールアセンブリ４０は、シャフト６０の軸方向に第１のメカニカルシールアセンブリ３０と隣接して配置される。漏れ排出路２４は、第１および第２のメカニカルシールアセンブリ３０、４０の間に延びる（図１参照）。

同図において、符号１は静止部、特に複部構成の筐体を指し、符号２はガイドリング空間部、すなわち一方の端部側に開口端部を有し筐体内に設けられる環状凹部を指し、その中に第２のメカニカルシールアセンブリ４０の回転方向に固定された軸方向可動シールリング４の軸状突起部３が、シールリング４がガイドリング空間部２内で保持され軸方向に案内されるように突出している（図２および３参照）。

回転方向に固定されたシールリング４は、共回転するために環状フランジ３６上に搭載されるシールリング、すなわち対向リング５と協働し、そのフランジは一緒に回転するために回転シャフト６０上に設置され一緒に組み立てられてもよい。シャフト６０の回転時には、シールリング５も同じく回転させられるのに対して、シールリング４は回転固定手段（図示せず）によって筐体１に対して回転方向に固定されたまま保持される。このような手段は当業者に公知であり、本明細書においてより詳細な説明を要しない。

シールリング４、５は、向かい合わせの摺動、すなわちシール面７、８を有し、その間には、一対のシールリングの一方の周縁部の周辺を他方の周縁部の周辺に対して密封するため、動作中にシール間隙を形成する。メカニカルシールアセンブリの停止時には、シール面７、８は付勢力により相互にシール係合状態が維持される。

この目的のため、付勢部材９が設けられ（図３参照）、これはシールリング４に該付勢力をかけるためガイドリング空間部２の周りに円周方向に配置される１または複数の付勢バネであってよい。付勢部材９の付勢力は、直接シールリング４に作用せず、軸方向に可動なようにガイドリング空間部２内に配置される力伝達リング１０を介して作用する。付勢部材９の一方の軸方向端部は、力伝達リング１０で支持され、他方の軸方向端部は筐体１、好ましくは筐体１内に設けられる止まり穴１１の底面で支持される。付勢力の影響により、力伝達リング１０は、付勢力がシールリングに伝達されるようにシールリング４の隣接する端面１２の方へガイドリング空間部２内を軸方向に移動する。

本発明によれば、力伝達リング１０は、筐体１に対してシールリング４を密封する働きをする、エラストマーなどの弾性材で作られた一対のシール部材１３、１３'を含む。好ましくは、シール部材１３、１３'は市販のＯリングであって、各シール部材１３、１３'の断面が、例えば断面の寸法が３．５〜７．０ｍｍの時に約０．５〜１ｍｍの適切なわずかの距離分だけ端面１５を超えて軸方向に突出するようにシールリング４に面した力伝達リング１０の端面１５と内外周との間の隅の領域内で、例えばピッチ円状または四角い断面などシール部材１３、１３'の断面形状に適合した断面を有し円周方向に延びる凹部１４、１４'に配置されているＯリングである。好ましくは、シール部材１３、１３'もわずかの距離分だけ力伝達リング１０の内外周を超えて突出する。

好ましくは、シール部材１３、１３'は、同じ断面寸法を有し、これらの断面の中心は同軸上に配置される共通する半径面上にある。

シール部材１３、１３'が軸方向の力をかけられることにより半径方向に伸張するとき、シール部材１３、１３'は、隣接するガイドリング空間部２の内外周面１６、１８と係合するように構成される。該軸方向の力がない場合は、力伝達リング１０の軸方向の可動性がこのような条件下で悪影響を受けないように、シール部材１３、１３'は、周縁面１６、１８と係合しないか、あるいは非常にわずかに係合するだけである。

付勢部材９によってかけられる付勢力でシール部材１３、１３'と共に力伝達リング１０がシールリング４の隣接する端面１２に対して押し付けられると、力伝達リング１０とシール部材１３、１３'によって内外周で制限密封されたシールリング４の端面１２との間に間隙空間部１７を形成するという結果になる。さらに、シール部材１３、１３'に作用する軸方向の力が半径方向に伸張する効果に加えて、筐体１に対してシールリング４を密封するためにガイドリング空間部１２の周縁面１６、１８とのシール係合に及ぼす効果がある。

加えて、本発明は、シール部材１３、１３'からのいかなる摩擦抵抗も受けずに力伝達リング１０をガイドリング空間部１２の中に挿入することができる。さらに、シール部材１３、１３'を介した力伝達リング１０とシールリング４の間が軸方向に係合している結果、その係合状態は硬直しておらず柔軟であり、したがってシールリング４と力伝達リング１０との間の位置ずれを補償することができる。

さらに図２に示されているように、回転方向に固定されたシールリング４には、端面１２の一方の端部において開口しており、そして他方の端部において適切なわずかの奥行を有する環状凹部２０の中に開口している流路１９が軸状に組み入れられており、環状凹部２０はシールリング４の摺動面の中に挿入されている。所望ならば、このような流路を複数設けてもよい。摺動面７、８間のシール間隙形成に影響を与えたり促進したりするために、各流路１９を介して、例えば気体、特に空気などの圧力媒体を環状凹部２０の中に供給してよい。力伝達リング１０には、シール部材１３、１３'で密閉される端面１５の区域内で一方の端部が開口しており他方の端部がガイドリング空間部２の中に開口している通路２１が組み入れられていて、ガイドリング空間部２の他方側では筐体１内に設けられる流路２２が開口している。所望ならば、このような流路２２も複数設けてよい。したがって、該または各流路２２内に供給される流動媒体を、矢印Ｂで示すように、ガイドリング空間部２、力伝達リング１０の通路２１、間隙１７、そして流路１９を介してシールリング４の摺動面７内の凹部２０へ供給してもよい。その後、漏れはフレアの方へ漏れ排出路２４を介して排出される。第２のメカニカルシールアセンブリ４０は、流路２２およびガイドリング空間部２を介してフレア圧力よりも幾分高い圧力で加圧される。凹部２０は、シールリング４、５の間のシール間隙を、半径方向に内側のシール部と半径方向に外側のシール部に分割し、ここで半径方向に外側のシール部はベアリング空間部３７の密封を行う。第２のメカニカルシールアセンブリは、このようにして２つの同軸シール部で形成される。

上述の本発明の好ましい実施形態において、第２のメカニカルシールアセンブリの力伝達リング１０は、本発明による力伝達リング１０の内側または外側の周縁部の近くに配置される一対のシール部材１３、１３'を含む。所望ならば、１つの円周方向ガイド面だけを密封する一方で、このような密封を完全に省くのでない限り、もう１つの円周方向ガイド面について密封を行うように、このようなシール部材を１つだけ本発明の方法で力伝達リングに配置してもよい。さらに、回転方向に固定されたシールリング４の摺動面内に設けられる凹部２０に流動媒体を供給する上述の手法は、Burgmann、Gas Seals、Selbstverlag 1997, page 17により詳細に記述されているように、特にシール面内の凹部を促進するなど他の適切な手法でシール間隙の形成が達成または促進されれば省略可能であることは明白である。

以下、本発明の第２の実施形態による二重シールアセンブリについて図４を参照して詳細に説明するが、ここで同一または機能的に同一の部材は、第１の実施形態と同じ符号で示される。

図４から認められるように、第２の実施形態による二重シールアセンブリの第１のメカニカルシールアセンブリ３０'は、第２のメカニカルシールアセンブリ４０と同一の構造を持つ。図４に示されているように、第１および第２のメカニカルシールアセンブリ３０'、４０は、背中合わせに配置される。第２のメカニカルシールアセンブリ４０と同じく、第１のメカニカルシールアセンブリ３０'は、回転可能に固定されたシールリング４'、軸状突起部３'、および回転シールリング５'を含む。第２のメカニカルシールアセンブリ４０と同じ方法で、圧縮されたガスの空間部Ｐを密封するために、シール間隙は、動作中にシールリング４'、５'の間に形成される。このため、矢印Ａで示すように、圧力媒体、特に空気が流路２３と流路１９'を介して供給される。さらに、回転シールリング５'は、つば３３ａによって搭載スリーブ３３上に固定される。加えて、第１のメカニカルシールアセンブリ３０'は、現在まで最先端技術において使用されてきた、追加のラビリンスシールが省略可能となるように、圧縮ガス空間部Ｐを直接密封する。結果として、第２の実施形態による二重シールアセンブリは、図４に示されているのと同様に、最先端技術で使用される４つのシールが本発明の２つのメカニカルシールアセンブリ３０'、４０で置換できるように、軸方向により小型になる。さらに、第１および第２のメカニカルシールアセンブリ３０'、４０が背中合わせに配置されることで、１つだけの漏れ排出路２４を設けることが可能になる。ここで、漏れ排出路２４は、第１のメカニカルシールアセンブリ３０'と第２のメカニカルシールアセンブリ４０の間に軸方向に配置される。両メカニカルシールアセンブリ３０'、４０は、同じ構造を有し、反対方向に搭載されているだけなので、二重シールアセンブリ用の同一部品の割合を高くできる。流路２３を介して供給されるシールガスは、圧縮ガス空間部Ｐの圧縮ガスの圧力より幾分高めの圧力を有する。これにより、シール間隙内のシールガスは、シールリング４'、５'の間を半径方向に内側または半径方向に外側へ流れ、加えて、メカニカルシールが圧縮ガス空間部Ｐを密封可能であることを保証する。加えて、同様に構築されたメカニカルシールアセンブリ３０'、４０の本発明による並列配置は、圧縮機の構築に関する場合、設備長を非常に短くすることを可能にし、これは圧縮機構築における大型シャフト長、特にシャフトの同期特性や釣合処理に関して非常に有効である。それとは別に、第１のメカニカルシールアセンブリ３０'は、図１〜３に関連して説明された第２のメカニカルシールアセンブリ４０と同様に構築され、この点については上記の記載を参照されたい。

本発明によれば、第１および第２のメカニカルシールアセンブリ３０'、４０を含む二重シールアセンブリがこのように提供され、これはシャフトの軸方向にわずかな設備長を要するだけである。二次シールアセンブリ５０は、一方のシールリングにいかなる溝なども要さず、第２のメカニカルシールアセンブリ４０に直接配置される。加えて、本発明の二重シールアセンブリは、現在まで軸方向に連続して配置された３つの別々のシール、つまり２つのメカニカルシールアセンブリと１つの浮遊リングシールが果たしてきた機能を担う。その意味で、圧縮機構築は１ミリ単位の競争であり、これは軸受けの長さで節約してもよく、そのため本発明の二重シールアセンブリは特に有利である。また、本発明の解決策は、現在までの最先端技術で使用されている解決策より、はるかに簡略、安価で、かつ動作が安全である。

Claims (10)

1. ガス圧縮機を密封するための二重シールアセンブリであって、
   共回転するために一方が回転部（６０）に設けられ、他方が静止部（１）に回転方向に固定されて設けられる、一対の協働するシールリング（３１、３２）を含む第１のメカニカルシールアセンブリ（３０）、ならびに
   共回転するために一方が回転部（６０）に設けられ、他方が静止部（１）に回転方向に固定されて設けられる一対の協働するシールリング（４、５）であって、一方のシールリングは軸方向に可動であり、それぞれ他方のシールリングに対して付勢力で軸方向に付勢されていて、間には動作中にシール間隙が形成されるシールリングの対面する摺動面（７、８）に付勢するために該付勢力が力伝達リング（１０）を介して相互にシール係合状態であるそれぞれのシールリングへ伝達可能なシールリング、および、シールリングと力伝達リングの動きを案内するガイドリング空間部の少なくとも一方の円周方向ガイド面（１６、１８）に対して軸方向可動シールリングを密封するための二次シールアセンブリ（５０）を含む第２のメカニカルシールアセンブリ（４０）、とを含み、
   前記第２のメカニカルシールアセンブリにおいて、前記二次シールアセンブリ（５０）は力伝達リング（１０）に設けられ、弾性材で作られた少なくとも１つの環状シール部材（１３、１３'）を含み、該部材は、力伝達リング（１０）を超えて少なくとも軸方向に突出し、環状シール部材（１３、１３'）が同時にシールリングおよび円周方向ガイド面（１６、１８）とシール係合するように構成されるのに対して、付勢力が有効でない場合、このような係合状態が実質的に防止されるように、付勢力の影響により端面（１５）の周縁部を超えて半径方向に成形できるように力伝達リング（１０）の周縁部およびシールリング（４）に面した端面（１５）の近くで保持され、
   前記第２のメカニカルシールアセンブリ（４０）が、間にあるガイドリング空間部（２）を区切る一対の円周方向ガイド面（１６、１８）を含み、力伝達リング（１０）とシールリング（４）の少なくとも軸状部とがその中で受けられ、二次シールアセンブリが、一方がシールリング（４）に面した端面（１５）を持つ力伝達リング（１０）の内周の近くで保持され、他方がその外周の近くで保持される一対の環状（１３、１３'）を含み、ここで一方の環状シール部材が一方の円周方向ガイド面（１６、１８）とシール係合するよう構成され、他方の環状シール部材が他方の円周方向ガイド面とシール係合するよう構成されるが、環状シール部材（１３、１３'）が同時に軸方向間隙空間部領域（１７）をその端面（１５）において円周方向に区切ることを特徴とする二重シールアセンブリ。
2. 環状シール部材（１３）が実質的に同じ断面寸法を有し、環状シール部材の断面の中心が実質的に共通の半径面上に配置されることを特徴とする、請求項１記載の二重シールアセンブリ。
3. 力伝達リング（１０）に少なくとも一つの軸状開口部（２１）が組み入れられ、開口部の一方の端部が間隙空間部領域（１７）内で開口することを特徴とする、請求項１または２記載の二重シールアセンブリ。
4. 協働する摺動面（７、８）の間のシール間隙の形成を促進する流動媒体を供給するために、一方の端部が軸方向間隙空間部領域（１７）と整列した力伝達リング（１０）に面した端面（１２）で開口し、他方の端部がその摺動面（７）の中で開口するシールリング（４）の少なくとも１つの流路（１９）を特徴とする、請求項３記載の二重シールアセンブリ。
5. 各環状シール部材（１３、１３'）が、Ｏリングとして形成されることを特徴とする、請求項１〜４の１項記載の二重シールアセンブリ。
6. 第２のメカニカルシールアセンブリの回転方向に固定されたシールリング（４）が、軸方向に可動であることを特徴とする、請求項１〜５の１項記載の二重シールアセンブリ。
7. 付勢力を印加するためのバネ付勢部材（９）が、第２のメカニカルシールアセンブリに設けられることを特徴とする、請求項１〜６の１項記載の二重シールアセンブリ。
8. 第１のメカニカルシールアセンブリ（３０）と第２のメカニカルシールアセンブリ（４０）の間に軸方向に配置される漏れ排出路（２４）をさらに含む、請求項１〜７の１項記載の二重シールアセンブリ。
9. 第１のメカニカルシールアセンブリ（３０'）と第２のメカニカルシールアセンブリ（４０）が同様に構築されることを特徴とする、請求項１〜８の１項記載の二重シールアセンブリ。
10. 第１のメカニカルシールアセンブリ（３０'）と第２のメカニカルシールアセンブリ（４０）が背中合わせに配置されることを特徴とする、請求項１〜９の１項記載の二重シールアセンブリ。

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