JP5527464B2 - ロッキングピストンのシール構造 - Google Patents

Description

この発明は、圧縮機のシリンダ内を揺動しつつ摺動自在に配置されたロッキングピストンのシール構造に関するものである。

従来、圧縮機に使用されるピストンとして、クランク軸に連結したコネクティングロッドによりシリンダ内を揺動しながら往復するロッキングピストンが知られている。こうしたロッキングピストンにおいては、ピストンロッドの先端部にリップリングが設けられ、このリップリングによりシリンダとピストンロッドとの間をシールするようになっている。

このリップリングのシール性能は、使用を継続するにつれて低下する。すなわち、リップリングは、圧縮熱やシリンダ壁面への押し付け荷重による影響を受けて変形したり、継続使用によって摩耗したりするため、リップリングのシール性能が低下し、圧縮効率が低下していく。

このようにリップリングのシール性能が低下した場合でも、連続稼動状態においては、圧縮熱によってリップリングが熱膨張するため、シール性能を保つことができる。しかしながら、初期起動状態や、リップリングも冷却されている寒冷地で使用する場合は、リップリングが熱膨張するまでシール性能が低下するという問題がある。また、出力の小さいモータを使用した場合や、静音のためにモータの回転数を低下させた場合などは、ピストンの上下動が緩慢になるため、リップリングの隙間から漏れ出る空気によってリップリングが冷却されてしまい、シール性能が向上しづらいという問題がある。

こうした問題を解決するために、特許文献１記載の発明においては、付勢部材によりピストンリングのリップ部をシリンダに向かって付勢し、ピストン本体とシリンダとの間をシールする構成が開示されている。

特開平０９−０６８２７９号公報

ところで、上記したようなロッキングピストンにおいては、ピストン部がシリンダ内で揺動することにより、ピストン部とシリンダとの間のスペースが変化するため、柔軟なリップリングが使用されることが多い。そのため、このようなロッキングピストンを高圧の圧縮機に採用すると、柔軟なリップリングは高圧の荷重に耐えられずに変形するので、リップリングとシリンダとの間のスペースから空気が漏れて圧縮効率が低下する。よって、従来の圧縮機においては、ロッキングピストンは低圧用の圧縮機に採用されるものであり、高圧用の圧縮機には採用されないことが多かった。

その半面、ロッキングピストンは構造が簡単であるから、故障も少なく、安価でもある。したがって、高圧の圧縮機に採用することができるように改善が望まれていたが、このためには肉厚のリップリングを使用する必要がある。

しかしながら、上記した特許文献１記載の発明においては、ピストン本体とシリンダとの間をシールするピストンリングは、円環状の平坦な板状体に形成されたものであり、バックアップリング（付勢部材）を内方に向けて押圧するように、リップ部を上側に折り曲げて変形させたものである。このため、バックアップリング（付勢部材）は、ピストンリングの折り曲げ部付近を付勢することになるため、柔軟なピストンリングであれば付勢可能であるが、ある程度厚みのあるピストンリングには向かないものであった。

そこで、本発明は、変形や摩耗によりシール性能が低下したリップリングを寒冷地などで使用した場合でも、確実にピストン本体とシリンダとの間をシールできるとともに、高圧用の圧縮機にも使用可能なロッキングピストンを提供することを課題とする。

本発明は、上記した課題を解決するためになされたものであり、以下を特徴とする。

（請求項１）
請求項１に記載の発明は、以下の点を特徴とする。

すなわち、圧縮機のシリンダ内をピストンロッドが揺動しつつ摺動するロッキングピストンのシール構造において、前記ピストンロッドの先端部に、前記シリンダと前記ピストンロッドとの間をシールするためのリップリングを備え、前記リップリングは、円環板状の底部の全周縁からリップ部が立設したものであって、前記リップ部の内側に、前記リップ部の高さ方向上部側において前記リップ部を外側に押し広げる拡張部材を設け、前記拡張部材は、前記リップ部の内周面に沿って摺動可能なリング状の金具であり、前記リップ部の内周面又は前記リング状の金具の外周面のうちの少なくともいずれかは、先端側に向かって漸次拡径するテーパ状に形成され、前記リング状の金具は、前記ピストンロッドが圧縮方向に摺動したときに、前記リップ部の内周面を反先端側に摺動することによって前記リップ部を外側に押し広げることを特徴とする。

（請求項２）
請求項２に記載の発明は、上記した請求項１記載の発明の特徴点に加え、以下の点を特徴とする。

すなわち、前記ピストンロッドの先端部には、前記リップリングを固定する円盤状のリング押えが設けられ、このリング押えの外周面には前記拡張部材を嵌め込むための周溝が形成されていることを特徴とする。

（請求項３）
請求項３に記載の発明は、上記した請求項２記載の発明の特徴点に加え、以下の点を特徴とする。

すなわち、前記リング押えの下部周縁部には、全周に渡って前記リップリングとの間に間隙が設けられていることを特徴とする。

本願発明は上記の通りであり、円環板状の底部の全周縁からリップ部が立設したリップリングを備えることとしたため、リップ部に厚みを持たせることが可能となっている。しかも、このリップリングのリップ部の高さ方向上部側においてリップ部を外側に押し広げる拡張部材を設けたため、厚みのあるリップ部であっても、自由端付近においてリップ部を押し広げることができ、確実にピストン本体とシリンダとの間をシールできる。このため、高圧の圧縮機であっても、安価で故障の少ないロッキングピストンを採用することができるとともに、変形や摩耗によりシール性能が低下したリップリングを寒冷地などで使用した場合でも、確実にピストン本体とシリンダとの間をシールすることができる。

また、請求項１に記載の発明は上記の通りであり、前記拡張部材として、前記リップ部の内周面に沿って摺動可能なリング状の金具を用いることとした。そして、リップ部の内周面又はリング状の金具の外周面のうちの少なくともいずれかは、先端側に向かって漸次拡径するテーパ状に形成され、リング状の金具は、ピストンロッドが圧縮方向に摺動したときに、リップ部の内周面を反先端側に摺動することによってリップ部を外側に押し広げるようにした。このため、シール性能が要求される圧縮動作時に確実にピストン本体とシリンダとの間をシールすることができる。

また、請求項２に記載の発明は上記の通りであり、ピストンロッドの先端部に円盤状のリング押えを設け、このリング押えの外周面には拡張部材を嵌め込むための周溝を形成したため、リング押えの側面にデッドスペースを設けることなく、リング状の拡張部材をしっかりと固定できるようになっている。

また、請求項３に記載の発明は上記の通りであり、前記リング押えの下部周縁部には、全周に渡って前記リップリングとの間に間隙が設けられているため、リップリングは、拡張部材によって押し広げられたときに、リップ部の立ち上がりから外側に押し広げられるように変形することができ、確実にピストン本体とシリンダとの間をシールすることができる。

本発明の第１の実施形態であって、ロッキングピストンの縦断面図である。 本発明の第１の実施形態であって、ピストンロッドの先端部の縦断面一部拡大図である。 本発明の第１の実施形態であって、リングばねの（ａ）側面図（ｂ）平面図である。 本発明の第１の実施形態であって、ピストンロッドの先端部の横断面図（図２のＸ−Ｘ'断面図）である。 本発明の第１の実施形態の変形例であって、変形例に係るリングばねの（ａ）側面図（ｂ）平面図である。 本発明の第１の実施形態の変形例であって、別の変形例に係るリングばねの（ａ）側面図（ｂ）平面図である。 本発明の第２の実施形態であって、ピストンロッドの先端部の縦断面一部拡大図である。 本発明の第２の実施形態であって、略冠状部材の（ａ）平面図（ｂ）側面図である。 本発明の第２の実施形態であって、シール構造部分の縦断面一部拡大図である。 本発明の第３の実施形態であって、ピストンロッドの先端部の縦断面一部拡大図である。 本発明の第３の実施形態であって、（ａ）通常時のシール構造部分の縦断面一部拡大図、（ｂ）圧縮時のシール構造部分の縦断面一部拡大図である。 本発明の第３の実施形態の変形例であって、ピストンロッドの先端部の一部拡大断面図である。 本発明の第４の実施形態であって、ピストンロッドの先端部の一部拡大断面図である。 本発明の第４の実施形態であって、（ａ）通常時のシール構造部分の縦断面一部拡大図、（ｂ）圧縮時のシール構造部分の縦断面一部拡大図である。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について、図１〜６を参照しながら説明する。

（ロッキングピストンの基本構造）
本実施形態に係るロッキングピストンは、圧縮機内に設けられるものであり、図１に示すように、シリンダ１０内にピストンロッド１１を収容したものである。

ピストンロッド１１は、シリンダ１０内を揺動しつつ摺動可能に形成されたものであり、このピストンロッド１１の先端部１３には、皿状のピストン部が形成されている。また、このピストンロッド１１の基部（大端部）の偏心位置に形成した軸受孔１２には、圧縮機本体に設けられたクランクシャフト（図示せず）が軸受けされており、このクランクシャフトは、圧縮機本体に設けられた回転駆動装置（図示せず）に作動連結されている。

このため、回転駆動装置を作動させることにより、クランクシャフトを回転させ、これによってピストンロッド１１の基部を偏心運動させて、ピストンロッド１１の先端部１３が摺動方向（図１における方向Ｄ１）に往復運動をするようになっている。すなわち、本実施形態に係る圧縮機は、クランクシャフトの回転によりピストンロッド１１を往復動させてシリンダ１０内に取り込まれた大気を圧縮し、圧縮空気で作動する各種装置や工具に向けて送出させるようになっている。

ところで、本実施形態に係るピストンロッド１１は、図１に示すようにピストン部が一体的に設けられている。このため、上記したようなピストンロッド１１の往復運動に伴い、ピストンロッド１１の先端部１３は摺動方向と直交する方向（図１における方向Ｄ２）に揺動することになる。

本実施形態においては、図２に示すように、ピストンロッド１１の先端部１３の外周には、ピストンロッド１１とシリンダ１０との間をシールするリップリング２０が取り付けられており、このリップリング２０によって、シリンダ１０とピストンロッド１１との間の間隙がシールされるようになっている。このため、ピストンロッド１１の先端部１３が揺動することによって発生する間隙も、リップリング２０が弾性変形することによってシールされるようになっている。

このリップリング２０は合成樹脂、合成ゴム等の具体的にはポリテトラフルオロエチレン又は変成ポリテトラフルオロエチレン、銅又は青銅合金粉末、球状炭素又は炭素繊維、二酸化モリブデンの成分構成からなる非金属材料から形成され、全周にわたって切れ目がなく連続した円環状の部材である。具体的には、リップリング２０は、円環板状の底部２１の全周縁からリップ部２２が立設した形状をしている。図２に示すように、本実施形態においては、シリンダ１０とピストンロッド１１との間をしっかりとシールできるように形成されている。

また、このリップ部２２の内側には、後述するように、リップ部２２の高さ方向先端側においてリップ部２２を外側に押し広げる拡張部材が設けられており、これにより、リップ部２２のシール性能を向上させるようになっている。

なお、図２に示すように、上記したリップリング２０は、ピストンロッド１１の上面にリング押え２３で固定されている。すなわち、ピストンロッド１１の上面に形成された凹部にはリング押え２３が嵌合しており、このリング押え２３は上方から挿通された固定用ボルト２８によってピストンロッド１１の上面に固定されている。そして、リップリング２０は、このリング押え２３とピストンロッド１１との間に挟まれて固定されている。

このリング押え２３の下部周縁部には、図２に示すように、全周に渡ってリップリング２０との間に間隙が設けられている。このため、リップリング２０は、拡張部材によって押し広げられたときに、リップ部２２の立ち上がり基部から外側に押し広げられるように変形することができ、ピストンロッド１１とシリンダ１０との間を確実にシールする。

このように、本実施形態によれば、円環板状の底部２１の全周縁からリップ部２２が立設したリップリング２０を備えているため、リップ部２２に厚みを持たせることが可能となっている。しかも、このリップリング２０のリップ部２２の高さ方向上部側においてリップ部２２を外側に押し広げる拡張部材を有するため、厚みのあるリップ部２２であっても、高さ方向先端側すなわち自由端付近においてリップ部２２を押し広げることができ、確実にピストンロッド１１とシリンダ１０との間をシールできるようになっている。このため、高圧の圧縮機であっても、安価で故障の少ないロッキングピストンを採用することができるとともに、変形や摩耗によりシール性能が低下したリップリング２０を寒冷地などで使用した場合でも、確実にピストンロッド１１とシリンダ１０との間をシールできるようになっている。

（シール構造の詳細）
次に、本実施形態に係るシール構造の詳細について説明する。

図２に示すように、本実施形態に係るシール構造は、リップ部２２の高さ方向上部側においてリップ部２２を外側に押し広げるリングばね３０を拡張部材として設けたことを特徴とするものである。

このリングばね３０は、図３に示すように、周方向の一部が欠けた形状であり、切断部３１を有するＣ字形となっている。このリングばね３０は、図２及び図４に示すように、リング押え２３の外周面に形成された周溝２４に嵌め込まれて使用される。このとき、リング押え２３の周溝２４は、周方向の一部が溝を形成しておらず、非溝部２５となっている。このため、この非溝部２５の位置にリングばね３０の切断部３１が配置されるように嵌め込むことができ、リングばね３０を配置する方向が決定できるようになっている。なお、この非溝部２５は、図４に示すように、ピストンロッドの揺動方向Ｄ２における一方側周縁に設けられており、すなわち、リングばね３０は、切断部３１がピストンロッドの揺動方向Ｄ２となるように配置されることになる。

リングばね３０の外周径は、リングばね３０が接するリップ部２２の内周径よりもやや大きく形成されており、これにより、周溝２４に嵌め込まれたリングばね３０は、リップ部２２を外側に押し広げるように形成されている。

ところで、リップ部２２の内側に設けられたリングばね３０は、リップ部２２によって内側に押圧されることとなるため、切断部３１が閉じるように縮径することとなる。リングばね３０は、通常時においては略真円であるが、切断部３１が閉じるように縮径すると、切断部３１上を長軸が通るような略楕円形状に変形するようになっている。リングばね３０は、上記したように非溝部２５がピストンロッド１１の揺動方向Ｄ２にくるようにリップ部２２の内側に設けられているため、略楕円形状の長軸方向がピストンロッド１１の揺動方向Ｄ２となるように変形することになる。

ここで、ピストンロッド１１とシリンダ１０との間のスペースが変化するのはピストンロッド１１の揺動方向Ｄ２であるため、この揺動方向Ｄ２におけるピストンロッド１１とシリンダ１０との間が最もシール性能が要求されるものである。本実施形態によれば、この最もシール性能が要求される揺動方向Ｄ２にリングばね３０の略楕円形状の長軸がくるようになっているため、揺動方向Ｄ２において最も強くリップ部２２が外側に押し広げられることととなり、確実にピストンロッド１１とシリンダ１０との間をシールすることができるようになっている。

なお、本実施形態に係るリングばね３０としては、上記したような形状のものに限らない。例えば、図５に示すように、切断部３１の両端を内側に折り曲げた形状のものを用いても良いし、図６に示すように、切断部３１の両端が重なった形状のものを用いても良い。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態について、図７〜９を参照しながら説明する。本第２の実施形態の特徴点は、第１の実施形態のリングばね３０に代えて、略冠状部材４０を拡張部材として用いた点にある。

ここで、第２の実施形態におけるロッキングピストンの基本構造は、上記した第１の実施形態と同様であるので、同一となる説明を省略し、本実施形態の特徴点のみ述べることとする。すなわち、本実施形態は、第１の実施形態とは異なるロッキングピストンのシール構造を備えているため、この点のみ説明することとする。

図７に示すように、本実施形態に係るシール構造は、リップ部２２の高さ方向上部側においてリップ部２２を外側に押し広げる略冠状部材４０を設けたことを特徴とするものである。

この略冠状部材４０は、図８に示すように、環状に形成された基部４１の周縁から複数の起立片４２を立ち上げてなるものであり、この複数の起立片４２は、開放端４３側に向かって漸次外側に拡開するように形成されて板ばねとなっている。この略冠状部材４０の基部４１は、図９に示すように、リング押え２３の下面とリップリング２０の底部２１との間に挟まれており、これにより、略冠状部材４０がリップリング２０の内周に沿うように固定されている。

この略冠状部材４０の起立片４２の開放端４３は、図９に示すように、リップ部２２の端縁よりも上方に突出するようになっている。また、この起立片４２の開放端４３側の外周径は、リップ部２２の端縁の内周径よりもやや大きく形成されており、これにより、略冠状部材４０の起立片４２は、リップ部２２の端縁を外側に押し広げるように形成されている。

このように、本実施形態によれば、複数の起立片４２のそれぞれが別個にリップ部２２に荷重を与えることが可能となっており、ピストンロッド１１の揺動により変形するリップ部２２の形状に追従して荷重を与えることが可能となっている。このため、確実にピストンロッド１１とシリンダ１０との間をシールすることができる。

なお、上記した実施形態においては、略冠状部材４０の起立片４２の開放端４３がリップ部２２の端縁よりも上方に突出するように形成したが、これに限らない。すなわち、略冠状部材４０の起立片４２は、リップ部２２の高さ方向上部側においてリップ部２２を外側に押し広げるものであればよく、リップ部２２の端縁よりも下方においてリップ部２２を外側に押し広げるものであってもよい。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態について、図１０〜１２を参照しながら説明する。本第３の実施形態の特徴点は、第１の実施形態のリングばね３０に代えて、リング状の金具５０を拡張部材として用いた点にある。

ここで、第３の実施形態におけるロッキングピストンの基本構造は、上記した第１の実施形態と同様であるので、同一となる説明を省略し、本実施形態の特徴点のみ述べることとする。すなわち、本実施形態は、第１の実施形態とは異なるロッキングピストンのシール構造を備えているため、この点のみ説明することとする。

図１０に示すように、本実施形態に係るシール構造は、リップ部２２の高さ方向上部側においてリップ部２２を外側に押し広げるリング状の金具５０を設けたことを特徴とするものである。

このリング状の金具５０は、図１０に示すように、断面形状台形の切れ目のないリング状部材であり、外周面が先端側に向かって漸次拡径するテーパ状に形成されている。このリング状の金具５０は、図１１に示すように、リング押え２３の外周面に形成された周溝２４に嵌め込まれて使用される。なお、リング押え２３の周溝２４は、第１の実施形態とは異なり、全周に渡って形成されるものである。

ここで、リング押え２３の周溝２４は、図１１に示すように、リング状の金具５０の高さ（ピストンロッドの摺動方向Ｄ１における幅）よりも大きい幅で形成されている。このため、リング状の金具５０は、周溝２４内をリップ部２２の内周面５２に沿って摺動可能となっている。

なお、リップ部２２の内周面も、図１１に示すように、先端側に向かって漸次拡径するテーパ状に形成されており、このリップ部２２のテーパ面の最大内径（先端側の内径）よりも、前述したリング状の金具５０のテーパ面の最小外径（反先端側の外径）の方が大きく形成されているため、通常時においては、図１１（ａ）に示すように、リング状の金具５０は、周溝２４の上部に位置するようになっている。

そして、ピストンロッド１１が往復運動を開始し、ピストンロッド１１が圧縮方向（図１１の上方向）に摺動したときに、前記したリング状の金具５０は、吸気工程から圧縮工程に移行したときの慣性により、図１１（ｂ）に示すように、反先端方向に摺動してリップ部２２を外側に押し広げるようになっている。そして、反先端方向に摺動したリング状の金具５０は、圧縮工程にある間は空気圧によってシール位置を持続させ、吸気工程に入ったときの慣性により、図１１（ａ）の位置へと戻る。

このように、本実施形態によれば、シール性能が要求される圧縮動作時に確実にピストンロッド１１とシリンダ１０との間をシールすることができるようになっている。

なお、上記した実施形態においては、リング状の金具５０の外周面５１とリップ部２２の内周面とのいずれもが、先端側に向かって漸次拡径するテーパ状に形成されていることとしたが、これに限らない。すなわち、図１２に示すように、リップ部２２の内周面上部のみを先端側に向かって漸次拡径するテーパ状に形成すれば良いのであって、たとえば図１１において、リップ部２２の内周面を真直状にして、リップ部２２の内周面上部とリング状の金具５０の外周面５１と当接する形状でも良い。

（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態について、図１３及び１４を参照しながら説明する。本第４の実施形態の特徴点は、第１の実施形態のリングばね３０に代えて、非金属部材６０を拡張部材として用いた点にある。

ここで、第４の実施形態におけるロッキングピストンの基本構造は、上記した第１の実施形態と同様であるので、同一となる説明を省略し、本実施形態の特徴点のみ述べることとする。すなわち、本実施形態は、第１の実施形態とは異なるロッキングピストンのシール構造を備えているため、この点のみ説明することとする。

図１３に示すように、本実施形態に係るシール構造は、リップ部２２の高さ方向上部側においてリップ部２２を外側に押し広げる非金属部材６０を設けたことを特徴とするものである。

この非金属部材６０は、図１３に示すように、切れ目のないリング部材であり、熱膨張によりリップ部２２を外側に押し広げるものである。

この非金属部材６０は、リング押え２３の外周面に形成された周溝２４に嵌め込まれて使用されるものである。なお、リング押え２３の周溝２４は、第１の実施形態とは異なり、全周に渡って形成されるものである。

この非金属部材６０の外周径は、非金属部材６０が接するリップ部２２の内周径よりもやや大きいか、同程度に形成されており、これにより、周溝２４に嵌め込まれた非金属部材６０が圧縮熱で熱膨張したときに、リップ部２２を外側に押し広げるように形成されている。

しかも、この非金属部材６０は、リング押え２３よりも線膨張係数が大きい材料で形成されているため、熱膨張が促進されて、シール性能の向上が従来よりも早く実現できるようになっている。

また、図１４（ａ）に示すように、非金属部材６０の厚みＴ１は、リップ部２２の厚みＴ２と比較して幅厚となるように形成されている。このため、更に熱膨張が促進されて、シール性能の向上が従来よりも早く実現できるようになっている。

また、図１４（ｂ）に示すように、非金属部材６０は、ピストンロッド１１が空気を圧縮した際の空気圧により弾性変形し、リップ部２２を外側に押し広げるようになっている。このため、熱膨張に加えて圧力による潰れでシール性能を向上させることができるようになっている。

このように、本実施形態によれば、非金属部材６０の熱膨張によりピストンロッド１１とシリンダ１０との間をシールするとともに、シール性能の向上させるための様々な工夫が凝らされているため、確実にピストンロッド１１とシリンダ１０との間をシールすることができるようになっている。

１０ シリンダ
１１ ピストンロッド
１２ 軸受孔
１３ 先端部
２０ リップリング
２１ 底部
２２ リップ部
２３ リング押え
２４ 周溝
２５ 非溝部
２８ 固定用ボルト
３０ リングばね（拡張部材）
３１ 切断部
４０ 略冠状部材（拡張部材）
４１ 基部
４２ 起立片
４３ 開放端
５０ リング状の金具（拡張部材）
５１ リング状の金具の外周面
５２ リップ部の内周面
６０ 非金属部材（拡張部材）
Ｄ１ ピストンロッドの摺動方向
Ｄ２ ピストンロッドの揺動方向
Ｔ１ 非金属部材の厚み
Ｔ２ リップリングの厚み

Claims (3)

1. 圧縮機のシリンダ内をピストンロッドが揺動しつつ摺動するロッキングピストンのシール構造において、
   前記ピストンロッドの先端部に、前記シリンダと前記ピストンロッドとの間をシールするためのリップリングを備え、
   前記リップリングは、円環板状の底部の全周縁からリップ部が立設したものであって、
   前記リップ部の内側に、前記リップ部の高さ方向上部側において前記リップ部を外側に押し広げる拡張部材を設け、
   前記拡張部材は、前記リップ部の内周面に沿って摺動可能なリング状の金具であり、
   前記リップ部の内周面又は前記リング状の金具の外周面のうちの少なくともいずれかは、先端側に向かって漸次拡径するテーパ状に形成され、
   前記リング状の金具は、前記ピストンロッドが圧縮方向に摺動したときに、前記リップ部の内周面を反先端側に摺動することによって前記リップ部を外側に押し広げることを特徴とする、ロッキングピストンのシール構造。
2. 前記ピストンロッドの先端部には、前記リップリングを固定する円盤状のリング押えが設けられ、このリング押えの外周面には前記拡張部材を嵌め込むための周溝が形成されていることを特徴とする、請求項１記載のロッキングピストンのシール構造。
3. 前記リング押えの下部周縁部には、全周に渡って前記リップリングとの間に間隙が設けられていることを特徴とする、請求項２記載のロッキングピストンのシール構造。

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