JPH0643870B2 - 遠心シール部材 - Google Patents

遠心シール部材

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JPH0643870B2
JPH0643870B2 JP62500660A JP50066087A JPH0643870B2 JP H0643870 B2 JPH0643870 B2 JP H0643870B2 JP 62500660 A JP62500660 A JP 62500660A JP 50066087 A JP50066087 A JP 50066087A JP H0643870 B2 JPH0643870 B2 JP H0643870B2
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centrifugal
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グルズイナ，アンソニー
ワーマン，チヤールズ・ハロルド
ミツチエル，フイリツピ・ネイル
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/16—Sealings between relatively-moving surfaces
    • F16J15/32—Sealings between relatively-moving surfaces with elastic sealings, e.g. O-rings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/16—Sealings between relatively-moving surfaces
    • F16J15/164—Sealings between relatively-moving surfaces the sealing action depending on movements; pressure difference, temperature or presence of leaking fluid

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
  • Sealing Devices (AREA)
  • Sealing With Elastic Sealing Lips (AREA)
  • Sealing Using Fluids, Sealing Without Contact, And Removal Of Oil (AREA)
  • Centrifugal Separators (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、流体用の遠心ポンプ、タービン、攪拌機(agi
tators)等の回転側部材と固定側部材との間での流体の
漏洩を防止するための遠心シール部材に関する。
［従来の技術］ 従来、大部分の遠心ポンプでは、運転中および停止して
いる際の流体の漏洩を境界面シールを用いることによっ
て防止または制限している。これらのシールは固定側の
シール面と回転側のシール面とを有しており、これらの
シール面はシール面間での流体の漏洩を最小とするよう
に調整された面圧で摺接して保持されている。境界面シ
ールは回転軸の軸線に対してのシール面の配置によって
２種類、つまりアキシアルシールとラジアルシールとに
分けることができる。双方のタイプのシールとも流体遠
心ポンプに広く用いられている。
アキシアルシールには機械的な端面シール（メカニカル
シール）の多くの種類が含まれ、シール面は軸線に対し
て直交した平坦で剛性のある面である。これらアキシア
ルシールは、遠心ポンプ、タービン及び攪拌機の回転軸
におけるポンピングされるものとしての気体、液体及び
スラリーのシールに広く用いられてきており、種々の構
造のものが広範囲に開発されてきた。
ラジアルシールは、シール接触面が円筒形状で且つポン
プの回転軸軸線と同心である軸シールである。このタイ
プのシールには通常パッキン箱(stuffing box)が用いら
れており、パッキン箱内には不浸透性且つ迎合性のある
パッキン材が収容され、軸方向に調整されたグランド部
材によって回転軸の回りを囲んでいる環状溝内で加圧さ
れている。このタイプのシールは液体及びスラリー用の
双方の遠心ポンプに広く用いられる。このタイプのシー
ルはラジアルシールに属する。
［発明が解決しようとする課題］ スラリー遠心ポンプでは、ポンピングされる流体の有す
る研磨性から、回転軸のシール要素は甚だしく摩耗して
流体の漏洩が増すとともにメンテナンスが必要となる。
清浄な流体のポンプであっても、シール要素は摩耗して
調整が必要となる。
これの問題点から、多くのスラリー遠心ポンプに組込ま
れている流体力学的な軸シールが開発されてきた。これ
らは常に、インペラーに設けられた補助羽根(auxiliary
pupming vanes)を備えており、補助羽根によってポン
プケーシングからの漏洩を除去するための流体力学的な
動圧が発生する。
ポンプ運転中における流体の漏洩はこのタイプの非接触
シールにより除去あるいは殆ど減じられる。ポンプ停止
時のポンプからの漏洩を防止するため、この流体力学的
なシールに加えて、これを補足するシール手段が求めら
れている。この様な静的なシールは一般的にラジアルタ
イプの境界面シールである。運転中の流体の漏洩は、こ
の流体力学的なシールにより効果的に防止又は制限され
るが、静的なシールの連続して摺接しているためこれら
のシール面は研磨によって摩耗し、静的なシール性能が
損なわれる。
本発明の目的は、新規な手段によって従来の流体遠心ポ
ンプ用シールの問題点を解決するとともに、特に、これ
に限られないが、スラリー遠心ポンプ（研磨される摩耗
量が最も大きい）に関して、以下の目的に従って現在の
シール技術を改良することである。即ち、 (a) オーバーホールメンテナンス間隔内でのポンプシ
ールの有効運転寿命を延ばすこと、 (b) シール面での研磨による摩耗の進行速度を減ずる
こと、 (c) 粗い研磨粒子のスラリーを代表とする異種流体を
含むいかなる不利な流体条件下での使用にも適するシー
ルを提供すること、 (d) 固定側のシール面と回転側のシール面との間にお
ける実質的な軸方向移動を可能にすること、及び (e) シール面の面負荷が自動的に掛かり、且つ装着の
際又は運転中における手動による負荷調整が不要なシー
ルを提供することである。
［課題を解決するための手段及び作用］ 上記課題を解決するために、本発明は、おおまかには回
転側部材と固定側部材との間の漏洩を外周面と協働して
防止する遠心シール部材からなり、シール部材は環状の
外側支持片と環状の内側接触片とを備えたものである。
支持片は回転側部材に装着されるものであり、環状の接
触片は回転側部材が臨界回転速度以下になった際に固定
側部材の外周面の回りに接してシールするものであり、
且つ回転側部材が臨界回転速度よりも速く回転する際に
は前記外周面の回りから離れて、遠心シール部材と固定
側部材との間に流れ隙間を提供するものである。
好ましくは、本発明の実施態様によるシールは、遠心ポ
ンプ等の固定側部材と回転側部材との間の流れ隙間を介
した流体の漏洩を防止するのに用いられ、その回転速度
が通常運転の回転速度の所定数分の１だけ減少するま
で、このような漏洩を防止する流体力学的な手段を組込
んでいる。このシールは外周面を有する固定側部材を有
してなり、この外周面は回転側部材の回転軸と殆ど同心
であって、軸方向に隣接する回転側部材に流体密な手段
で着脱可能にして装着された環状に包囲するシール部材
によりシールをなすようにして接触される。環状のシー
ル部材の質量及び半径方向の複合的な弾性係数は、漏洩
が流体力学的な手段によって防止しきれなくなるであろ
う回転速度よりも大きな回転速度となった際、環状のシ
ール部材が回転側部材の周面との間の流れ隙間を設ける
のに十分な遠心力によって、固定側部材に対して半径方
向外側に延びるように調整されている。
［実施例］ 以下、添付図面を参照して本発明の実施例を説明する。
なお、図面中、同一の部材については同一符号を付す。
第１図は、本発明の一実施態様をスラリー遠心ポンプに
適用した簡単な例を示している。ポンプのインペラー１
は軸２に取付けられており、回転するインペラー１の周
辺から排出されている圧力の作用した流体を含んでい
る。シール用２次インペラーつまり外羽根３はインペラ
ー１に隣接して軸２に取付けられており、ケーシング部
材５と外羽根室６の外表面とを、シールされた接触とな
って一体に結合して形成された分割のシール室４内に収
容されている。外羽根３は軸２とおおむね同心で軸２に
より回転される殆ど平坦な円板に概ね半径方向に形成さ
れた多重のベーン７を有している。
環状のシール部材８は外側の環状の支持片９と、この支
持片９と一体に成形された接触片１０とからなり、適当
なエラストマー材料から製造されている。剛性のある補
強リング１１がこのシール部材内に埋め込まれているも
のでもよい。シール部材８は外羽根３の環状の嵌合穴１
２内に流体密にして嵌合されている。
接触片１０は、環状の支持片９の半径方向内側から斜め
に延び、さらに接触片９は、その自由端に向けて先細に
なるテーパ状の断面を有し、その長さに沿ったどの部位
の断面も前記環状の支持片の断面より小さく、またその
寸法およびその弾性係数は、漏洩が流体力学的手段（つ
まり外羽根３の回転）によって防止されなくなるであろ
う速度よりも大きい回転速度となった際、接触片１０が
遠心力の影響により外周シール面１３から離れてシール
をなさなくなり、その結果、回転しているシール部材８
と外周シール面１３との間に流れ隙間が生じるように選
択される。
第１図の実施態様における流体力学的なシール手段の主
要な要素は、外羽根３のベーン７と、インペラー１の漏
洩防止用補助ベーン１４であり、これらはケーシング５
の隣接面、外羽根室６及び固定側のスポイラーベーン１
５と協働して作動する。
シール部材を用いて構成される本実施態様のシールは、
その主要な部材として環状のシール部材８、外羽根３及
び固定側部材１６を備えてなる。
第２図および第３図は、シール部材の他の実施態様を示
すものである。第２図に示すように、回転側であるスリ
ーブ１７は外羽根３に隣接し、且つ外羽根３から駆動が
伝えられる接触を為して軸２に取付けられている。固定
側部材１６はシールをなした接触となって外羽根室６
に、外周シール面１３が軸２の軸線と同心をなして、取
付けられている。環状のシール部材８はシールの主要な
構成要素であり、つるまきばねの引張ばね１８と、分割
された複合バラスト重錘２０と、つるまきばねの引張ば
ね２１とを備えてなる。つるまき引張ばね１８は、囲ま
れてなるその対称軸線が軸２の軸線と同心をなした円環
体となっており、且つ環状の接触片２７のエラストマー
材の被覆材１９に内部で力の伝達のできる接触となって
包囲されている。分割されてなる複合のバラスト重錘２
０は、ばね１８の円環体の中心部内に半径方向の作動隙
間を有して装着されている。
つるまき引張ばね２１は、円環体となって配されてお
り、軸２に同心なエラストマー材１９の環状の装着玉縁
２２内でモールドされている。複合されたバラスト重錘
２０はばね１８の円環体の中心部の密度が最大となる形
態となっている。これらは一般的に高密度材料により構
成され、第３図に示される実施態様では、円錐形端部を
有する樽型となっており、ばね１８の巻線とバラスト重
錘２０との間の相対運動ができるようにして半径方向隙
間と端部間隙間が最小となって、ばね１８の円環体の中
心部内に収容されている。ばね１８はバラスト重錘２０
を環状のシール部材８とともに回転させる駆動手段２３
を含んでいる。第３図に示される実施態様においては、
駆動手段２３はばね１８の円環体の中心部の直径に結合
され、バラスト重錘２０への回転駆動面となっている。
装着玉縁２２はエラストマー材料の被覆材１９と一体と
なっており、つるまき引張ばね１８から軸方向に離間し
ている。装着玉縁２２は回転側のスリーブ部材１７の対
応して設けられた溝２４に静的に接触してシールをなす
ようにして装着されており、これにより環状のシール部
材８の回転軸２に対する軸方向及び半径方向位置が決め
られる。環状のシール部材８はその外周辺でエラストマ
ー材料の被覆材１９と一体にして半径方向に配設された
多重の突起２５によって回転駆動され、これらの突起２
５は外羽根３のベーン７の対応面２６と係合している。
シール部材８は、その半径方向の内側端であって装着玉
縁２２から離間した部位に、エラストマー材の被覆材１
９からなる半径方向内側への突起を有している。この突
起は軸方向の幅が僅かで且つ軸２と同心をなす連続した
シールリップ２７（接触片）となっており、固定側部材
１６の外周面１３と半径方向に接触してシールをなす内
周シール面２８を有している。シールリップ２７の輪郭
はシール性が損なわれない相当な半径方向の摩耗量を提
供できる形状である。シールリップ２７は一般的に、よ
り好ましい摩耗特性とするため、エラストマー材からな
る被覆材１９、あるいはこれに一体に成形されている
が、これよりも堅い種類のエラストマーからなっている
ものでもよい。
ポンプの軸２が静止している状態では、環状のシール部
材８の外周辺は外羽根３のベーン７における半径方向内
側端２９に対して僅かな半径方向隙間を有している。
第２図に示すように、シール部材を用いた本実施態様の
シールは、その主要部が環状のシール部材８と、回転側
のスリーブ１７と、外羽根３と、固定側部材１６とから
なっている。
第１図、第２図及び第３図を参照して、このポンプシー
ルの作用を説明する。
軸系が静止した状態及び回転した状態の２つの状態にお
ける流体の漏洩に対する効果的なシールが求められてい
る。軸２が静止した状態で、及びポンプが始動した際の
低速範囲内では、シール作用の全ては、この発明のシー
ル自体によって賄われる。通常、この状態ではシール室
４は流体によって満たされ、接触片１０と外側の支持片
９（第１図）との間、又はシールリップ２７とエラスト
マー材からなる装着玉縁２２（第２図）との間で、環状
のシール部材８の外側の面が流体で浸されている。
固定側のスリーブ部材１６のシール面と環状のシール部
材８とは、これらの接触面を介した流体の漏れを除去す
るための所定の半径方向圧力で接触してシールをなす。
環状のシール部材８の内側の面の領域は、通常、外気に
さらされており、大気圧が掛かっている。この環状のシ
ール部材８の外側の周辺に、ポンプの入口が過給されて
おきる様に、大気圧よりも高い流体圧が掛かっている場
合には、環状のシル部材８に作用するこの高い流体圧は
接触片１０、シールリップ２７（第１図及び第２図）、
及び装着玉縁２２（第２図のみ）での接触圧を増加さ
せ、これにより流体の漏洩に対する耐性が増す。
ポンプの通常運転速度、及び始動の際の高速の範囲で
は、固定側部材と回転側部材との間での流体の漏洩に対
するシール作用は全て流体力学的作用により賄われる。
外羽根のベーン７とインペラー１の漏洩防止用補助ベー
ン１４とが協働して、インペラーの排出圧よりも大きな
遠心力による流体圧を発生させ、これによってケーシン
グ５からシール室４を介しての流体の漏洩が防止され
る。
通常のシール作用においては、シール室４内で流体が外
羽根３によって駆動されてシール室４の周辺で環状の渦
となって釣合い状態が生じ、外羽根３の両側で空気の内
側領域を包囲する。環状のシール部材８は環状の渦内に
流体に浸されていない部分を有しており、従ってシール
室４からのシール面１３と２８との間を通っての漏洩
は、流体の流体力学的な作用によって防止される。ポン
プの最大運転速度では、環状のシール部材８は半径方向
に一杯に拡張された位置にあり、その外側の周辺は外羽
根３の面２９に接して支持され（第２図に示す実施態様
では）、これに対応してシール面１３と２８は離れてい
る。
第１図では、シール部材８の環状の接触片１０はそれ自
体の質量によって作用する遠心力によって半径方向に拡
張される。接触片１０が半径方向へのこのように拡張さ
れることは、低速時では接触片１０の有する弾性による
周方向の引張り力により打消されている。
通常のポンプ運転速度に近づいている速度範囲内では、
遠心力による組合わせ負荷力が弾性による組合された周
方向の引張り力に打勝って、環状のシール部材８のリッ
プ２７は半径方向に拡張し、シール面１３と２８が半径
方向に相当して離間する。シール面１３と２８とが離間
する速度である環状のシール部材８の臨界回転速度は、
シールの設計における重要なパラメータであり、且つシ
ールリップ２７、ばね１８及び装着玉縁２２間の軸方向
位置関係；バラスト重錘２０、ばね１８及びエラストマ
ー材質の被覆材１９の質量；、並びにばね１８の半径方
向の剛性、接触片１０の剛性と質量およびエラストマー
材料の被覆材１９の関数である。一般的にこれらの設計
上のパラメータは、シール面１３と２８が通常のポンプ
運転速度の下限よりも低い回転速度で離間するように設
定される。
シール面１３と２８は従って、始動及び停止の過程の短
期間にのみ摺接する。通常のポンプ運転中は、これらの
面は離間しており結果的に研磨摩耗がなくなる。このこ
とは摺接する面が研磨粒子となる固体粒子によって汚さ
れるのが避けられず、急速に研磨摩耗が進行するスラリ
ー遠心ポンプに特に関連がある。シール面１３及び２８
での研磨摩耗は、ポンプの回転速度がシールの離間する
臨界速度以下であるポンプ始動及び締切の際の加速及び
減速期間にのみに限られている。
研磨摩耗によってインペラー端の隙間が増大することに
よるポンプ性能の低下を改善するため、通常、軸２とこ
れに関連した回転側構成要素の軸方向調整がなされるの
がスラリー遠心ポンプに共通した特徴である。
この発明では、シール部材は円筒形状に接する構成であ
り且つ固定側のシール面に接することについて軸方向に
範囲があることから、シール部材のシールリップが大き
く軸方向に移動するのを許容できるものである。軸の軸
方向調整はこの発明のシールの作用には、環状のシール
部材１６の面に隣接する局所的に摩耗した固定側の面が
軸のこの軸方向調整によって摩耗していない面と置換え
られることから有益である。
［発明の効果］ 以上説明したように、本発明の遠心シール部材は、内側
の環状の接触片それ自身の弾性によって、臨界回転速度
すなわち半径方向外側への拡張時期を決定でき、固定側
部材に対する接触を制御できるとともに、通常のポンプ
運転中においては固定側部材に対する非接触状態を維持
して固定側部材とのシール面における研磨摩耗をなく
し、結果的に、固定側部材とのシール面における研磨摩
耗の進行速度を減ずることができる。
図面の簡単な説明 第１図は本発明の好ましい実施態様を示すポンプ軸が静
止している状態での部分断面図、第２図は本発明の他の
実施態様を示すポンプ軸が静止している状態での部分断
面図、第３図は第２図のＩ−Ｉ線に沿った部分断面図で
ある。
３……外羽根、８……シール部材、９……支持片、１０
……接触片、１６……固定側部材、１７……回転側スリ
ーブ、２７……シールリップ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ワーマン，チヤールズ・ハロルド オ−ストラリア国 ニユ−・サウス・ウエ −ルズ州 2060 キヤストルクラグ，リン デン・ウエイ 36 (72)発明者 ミツチエル，フイリツピ・ネイル オ−ストラリア国 ニユ−・サウス・ウエ −ルズ州 2086 ワレンチイズ・フオーレ スト，ロツクウツド・アベニユー 13 (56)参考文献 特開 昭59−170565（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−8441（ＪＰ，Ａ) 実開 昭49−11149（ＪＰ，Ｕ) 実公 昭35−22714（ＪＰ，Ｙ１) 実公 昭46−9629（ＪＰ，Ｙ１)

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】回転側部材と外周面を有する固定側部材と
    の間での漏洩を防止し、外側の環状の支持片と内側の環
    状の接触片とを備えてなり、前記環状の支持片はシール
    状態で前記回転側部材に装着されるものであり、前記環
    状の接触片は、前記回転側部材が臨界回転速度以下に減
    速した場合には、固定側部材の前記外周面の周囲にシー
    ル状態で接触し、及び前記回転側部材が臨界回転速度よ
    りも速く回転する場合には、前記外周面の周囲から離れ
    て、遠心シール部材とその固定側部材との間に流れ隙間
    を設けるものであり、また、環状の接触片は、前記シー
    ル部材が回転側部材に取付けられ、且つ回転側部材が臨
    界回転速度以下で回転している場合に、前記外周面に接
    触してシールをなし、及び回転側部材が臨界回転速度を
    越えて回転している場合に、遠心力によって半径方向外
    側に拡張して、遠心シール部材と固定側部材の外周面と
    の間に流れ隙間を設けるような質量と半径方向の複合弾
    性係数を有しているスラリー遠心ポンプのための遠心シ
    ール部材であって、前記環状の支持片はエラストマー材
    料によって形成され、また、前記環状の接触片はエラス
    トマー材料によって形成されるとともに前記環状の支持
    片の半径方向内側から斜めに延び、さらに前記環状の接
    触片は、その自由端に向けて先細になるテーパ状の断面
    を有し、その長さに沿ったどの部位の断面も前記環状の
    支持片の断面より小さく、また、補強用のリングが前記
    環状の支持片の中に完全に埋め込まれており、これによ
    って前記環状の支持片はそれ自身の弾性力によって回転
    側部材にシール状態で接触することを特徴とする遠心シ
    ール部材。
  2. 【請求項２】使用に際して、遠心力による環状の接触片
    の半径方向外側への拡張は回転側部材の対向する周囲面
    に当接して制限され、環状の接触片と固定側部材の外周
    面との間を所定の最小流れ隙間とする請求の範囲第１項
    に記載の遠心シール部材。
  3. 【請求項３】回転側部材と外周面を有する固定側部材と
    の間での漏洩を防止し、外側の環状の支持片と内側の環
    状の接触片とを備えてなり、前記環状の支持片はシール
    状態で前記回転側部材に装着されるものであり、前記環
    状の接触片は、前記回転側部材が臨界回転速度以下に減
    速した場合には、固定側部材の前記外周面の周囲にシー
    ル状態で接触し、及び前記回転側部材が臨界回転速度よ
    りも速く回転する場合には、前記外周面の周囲から離れ
    て、遠心シール部材とその固定側部材との間に流れ隙間
    を設けるスラリー遠心ポンプのための遠心シール部材で
    あって、前記環状の支持片は、エラストマー材の被覆材
    と、この被覆材によって包囲され、前記被覆材に駆動可
    能に密接するつるまき引張りばねを有し、また、前記つ
    るまき引張りばねは、囲まれたその対称軸線が固定側部
    材の外周面の軸線に殆ど同軸の概ね円環体となってお
    り、その円環体の内部に、前記つるまき引張りばねによ
    り駆動されて回転される複数の重錘からなるバラスト重
    錘を包含していることを特徴とする遠心シール部材。
  4. 【請求項４】前記環状の接触片は前記エラストマー材の
    被覆材から突出するリップからなり、リップは使用に際
    して固定側部材の外周面と接触してシールをなすもので
    あり、相当な半径方向の摩耗に対する形態となっている
    請求の範囲第３項に記載の遠心シール部材。
  5. 【請求項５】回転側部材には凹所が形成され、前記支持
    片は、円環状をなすつるまきばね付近に形成された装着
    玉縁に軸方向について終端した、エラストマー材の被覆
    材からなる環状の側方延出部を備えてなり、前記装着玉
    縁は前記回転側部材に対応して設けられた凹所に着脱可
    能にシールをなして嵌合する請求の範囲第４項に記載の
    遠心シール部材。
  6. 【請求項６】前記エラストマー材の被覆材は、その外側
    の周辺面に回転側部材により駆動されるための突起を備
    えている請求の範囲第５項に記載の遠心シール部材。
  7. 【請求項７】突出するリップの摩耗していない状態での
    内径は、拡張前には、固定側部材の周面の摩耗していな
    い外径よりも小さく、突出したリップと周面の双方が甚
    だしく摩耗した後、環状のシール部材の有する弾性によ
    ってシールをなす接触が維持されるような大きさで、リ
    ップはこの周面と接してシールをなす請求の範囲第６項
    に記載の遠心シール部材。
JP62500660A 1986-01-09 1987-01-02 遠心シール部材 Expired - Fee Related JPH0643870B2 (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
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