JP7127838B2 - 流量制御弁 - Google Patents

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Description

本願に開示の技術は、モータなどの電動機を用いて弁開度(開口面積)を調整して、気体や液体など各種の流体の流量や圧力を制御する流量制御弁に関する。
従来より、モータなどの駆動手段を用いて弁開度(開口面積)を調整して、気体や液体など各種の流体の流量や圧力を制御する流量制御弁が、例えば、特許文献1などに開示されている。
特許文献1には、第1開口及び第2開口が形成された弁ハウジングと、弁ハウジング内に第2開口と連通して設けられた環状の弁座部と、弁座部の軸心を通る軸線上に軸心が配置され、弁座部と一方の端部が間隔をあけて対向するように弁ハウジング内に設けられたシリンダ部と、シリンダ部内にピストン状に移動可能に収容された弁部材と、シリンダ部内の空間が弁部材に区画されて形成された当該シリンダ部内における他方の端部側の背圧室と第2開口とを連通するように、弁ハウジング又は弁部材に設けられた均圧路と、弁部材を弁座部に対して離座及び着座するように移動させる弁部材移動手段と、を有し、弁部材における環状先端部の内側の平面視面積が、シリンダ部の内側における弁部材の背圧室側の平面視面積と同一である電動弁が開示されている。
特許第6043152号公報
モータなどの駆動手段を用いた流量制御弁において、課題となるのは、弁部材を上下動作する際に必要とする駆動トルクと上下移動時に発生するバッククラッシュである。開示された特許文献1の電動弁では、弁部材における環状先端部の内側の平面視面積と、シリンダ部の内側における弁部材の背圧室側の平面視面積と同一とすることにより、駆動トルクの低減は可能となるものの、バッククラッシュについては低減することができないという問題がある。
本願に開示される技術は、上記の課題に鑑み提案されたものであって、駆動手段であるモータなどの駆動トルクを低減するとともに、弁部材の上下移動時に発生するバッククラッシュを抑制することが可能な流量制御弁を提供することを目的とする。
前記目的を達成するため請求項1に係る流量制御弁は、流入部である一次室と流出部である二次室とを有する弁箱と、弁箱の内部に配設された弁座と、弁座に着座可能な弁体と、弁体に連なるプランジャと、プランジャを、プランジャの軸心方向に沿って移動させ、弁体を弁座に着座する閉弁状態と、弁座から退座する開弁状態とに切り替える、少なくともモータおよびギアを含む駆動部と、弁体の上面と駆動部との間に設けられた受圧室と、プランジャの軸心方向に沿って弁体に設けられた、二次室と受圧室とを連通する導通路とを備えた流量制御弁であって、導通路により弁体の上面がある受圧室内の圧力と弁体の下面がある二次室内の圧力とが略同一となり、弁体は、上面の面積が下面の面積よりやや大きくなるように形成され、それにより、常時、弁体に対して開弁方向に力が加わることを特徴とする。
請求項2に係る流量制御弁は、請求項1に記載の流量制御弁において、弁体は、上面が受圧室の下面となる上部弁体と、下面が二次室の上面となる下部弁体とから構成され、上部弁体と下部弁体との間には互いに付勢する付勢部材とを備えたことを特徴とする。
請求項1に係る流量制御弁では、弁体(弁部材)の上面側の受圧室と二次側とを導通路(均圧路)にて導通させるとともに、弁体の上面の面積を弁体の下面の面積よりやや大きくすることにより、弁体の軸線方向に加わる力をやや上方(開弁方向)に力が加わる状態(上面側に弁体が持ち上げられる状態)で平衡させることにより、弁体が上下移動する際に発生するバッククラッシュを低減することができる。また、弁体の上面の面積と弁体の下面の面積との差をバッククラッシュの抑制に必要な程度まで小さく抑えることにより、弁体の上面と下面とのかかる圧力の差を小さくして、弁体が上下動作する際に必要とする駆動トルクも低減させることができる。そのため、弁体の上下移動もスムーズとなるとともに、駆動部に用いるモータの小型化が可能となる。これにより、効率的な流量制御が可能な流量制御弁を低コストで提供することができる。
請求項2に係る流量制御弁では、弁体を軸線方向に上部弁体と下部弁体とに分けて、その間に互いに付勢する付勢部材を設けることにより下部弁体が弁座に着座する流量制御弁の閉弁時において、二次室側がウォターハンマーなどで異常昇圧した場合には下部弁体が付勢部材の付勢力に抗して上昇して開弁し、一次側に圧力を逃して二次側の破損を未然に抑止することができる。また、閉弁時において駆動部により弁体が弁座に着座し、さらに弁体に対して過度に(閉弁方向に)力が加わったとしても、付勢部材が緩衝材として作用するため、弁体に過度に力を加えた場合に生じる恐れがある部品の損傷(例えば、駆動部内のギア同士の食い込みによるギアの損傷など)を未然に防止することができる。
本発明にかかる一実施形態である流量制御弁の閉弁時の断面図である。 流量制御弁の下面図である。 流量制御弁の開弁時の断面図である。 弁体に設けた圧力導入路を説明する拡大断面図である。 二次側の昇圧時における圧力逃し機構を説明する断面図である。 弁機構を構成するニードルの側面図と下面図を示す図である。 弁機構を構成するニードルナットの上面図と側面図(透視図)と下面図を示す図である。 弁機構を構成するシリンダガイドの上面図と側面図(透視図)と下面図を示す図である。 弁機構を構成するシリンダの上面図と側面図(透視図)と下面図を示す図である。 弁機構を構成するキャップの上面図と側面図(透視図)と下面図を示す図である。
まず、本発明にかかる一実施形態である流量制御弁1について図面を参照して説明する。
図1は、流量制御弁1の閉弁状態における断面図であり、図2は流量制御弁1の下から見た下面図である。流量制御弁1は弁ケーシング2を有している。弁ケーシング2の下部の一側には第1接続筒3が側方へ向けて突設されている。弁ケーシング2の下部の下側には、第1接続筒3の軸心に対して垂直に第2接続筒4が下方に向けて突設されている。第1接続筒3の内部には流体の流入側となる一次室5が形成されている。一方、第2接続筒4の内部には流体の流出側となる二次室6が形成されている。
一次室5および二次室6は奥部に行くにつれて次第に窄まるようにして形成されている。二次室6の上方の弁ケーシング2の内部は略円柱状の開口部となっており、下述する弁機構7を収納する弁室8が設けられている。弁室8の上端部は開口しており、その上端、すなわち、弁ケーシング2の上方には上蓋9を介してモータ機構10が図示しないネジなどにより弁ケーシング2の上面に取り付けられている。モータ機構10は図示しないモータや駆動部より構成されており、下述するニードル17を回転駆動する。本実施形態では、モータとしてステッピングモータを採用するが、これに限定することなく、DCモータやギヤードモータなども採用可能である。
弁室8は、図面上方から、それぞれ円柱状に形成された、最大径の上部開口部11と、上部開口部11よりやや径が小さい中間開口部12と、下端部を形成する中間開口部12より径が小さい下部開口部13とが連続して構成された開口部である。上部開口部11と中間開口部12との境界には上部開口部エッジ11aが設けられている。中間開口部12と下部開口部13との境界には弁座14が中間開口部12の方向に突出して設けられている。弁座14は上面が円弧状で下部開口部13の外周に沿って円環状に形成されており、下述するように、流量制御弁1の閉弁時において、着座パッキン15が弁座14に着座する。
二次室6と下部開口部13との間にはニードルサポート16が形成されている。流量制御弁1を下から見た図2に示すように、ニードルサポート16は、中心にニードル17の下端部が貫通する貫通穴16bを有する中心円筒16aと、中心円筒16aから二次室6の上部開口部の内周面に向けて放射線状に伸長する略等間隔に設けられた3つのリブ16c、16c、16cとから構成されている。各リブ16cの間の開口部16d、16d、16dは弁室8(下部開口部13)と二次室6とを連通する開口部となっている。
次に本発明にかかる流量制御弁1の弁機構7について図面を参照して説明する。
弁機構7は、モータ機構10により回転するニードル17と、ニードル17の雄ネジと嵌合する雌ネジが設けられたニードルナット18と、ニードルナット18を弁ケーシング2に固定するシリンダガイド19と、ニードル17の下部に固着され、シリンダガイド19の下部に設けられた摺動部により上下に摺動可能とされるシリンダ20と、スプリング21を介してシリンダ20に取り付けられたキャップ22とから構成される。尚、ニードルナット18、シリンダ20およびキャップ22はニードル17を貫通して取り付けられている。また、スプリング21は圧縮バネであり、シリンダ20に対してキャップ22を下方に付勢する。
弁機構7を構成する各部品について、その詳細を説明する。
図6は、ニードル17の(A)側面図と(B)下から見た下面図を示した図である。図6に示すように、ニードル17には、側面図において上から、それぞれ異なる径の円柱状のギア部17a、雄ネジ部17b、ニードル第1凹部17c、ニードル第2凹部17d、ニードル本体部17e、シリンダ装着部17f、キャップ摺動部17g、ニードル第3凹部17h、下端支持部17iが形成されている。ギア部17aはモータ機構10内の図示しないギア部と嵌合し、モータ機構10によりニードル17を回転制御するようになっている。雄ネジ部17bは上述にようにニードルナット18の雌ネジと嵌合し、ニードル17の回転により、ニードル17自体が上下に移動する。ニードル第1凹部17cおよびニードル第2凹部17dにはОリング30、31が嵌め込まれ、ニードル17とニードルナット18との間をシール状態で保持する。シリンダ装着部17fにはシリンダ20が挿入されて固着される。キャップ摺動部17gにはキャップ22が挿入される。ニードル第3凹部17hには留め板27が取り付けられて、ニードル17に挿入されたキャップ22の下方への移動を規制する。
図7は、ニードルナット18の(A)上から見た上面図と(B)側面図(透視図)と(C)下から見た下面図を示した図である。図7に示すようにニードルナット18には、側面図において上から、ニードルナット取付部18a、ニードルナット本体部18b、ニードルナット凹部18c、ニードルナット下部筒部18dが形成されている。ニードルナット凹部18cは、ニードルナット本体部18bの中央部に設けられている。ニードルナット取付部18a以外は円柱状に形成されている。図7の(A)の上面図に示すように、ニードルナット取付部18aは円柱の側面の一部を平面でカットした形状になっており、上蓋9に形成された取付部18aに嵌合した図示しない取付穴にニードルナット取付部18aを挿入して、上蓋9にニードルナット18を取り付けるようになっている。これにより、ニードルナット18を上蓋9に取り付けた状態では、ニードルナット18は回転移動が抑止される。また、ニードルナット18には中心軸に沿って、上下に貫通する、開口径が異なる円柱状のニードルナット開口部18e、18fが設けられている。ニードルナット開口部18eの内周面には周囲にはニードル17の雄ネジ部17bの雄ネジと嵌合する雌ネジが形成されている。ニードルナット開口部18fの内径はニードル17のニードル本体部17eの外径よりやや大きくなっており、ニードル17が上下移動する際には、ニードルナット開口部18f内をニードル本体部17eが摺動する。ニードルナット凹部18cにはОリング28が嵌め込まれ、ニードルナット18とシリンダガイド19との間をシール状態で保持する。
図8は、シリンダガイド19の(A)上から見た上面図と(B)側面図(透視図)と(C)下から見た下面図を示した図である。図8に示すようにシリンダガイド19には、側面図において上から、それぞれ異なる径の円柱状のシリンダガイド取付部19a、シリンダガイド本体部19b、シリンダガイド凹部19c、シリンダガイド中間筒部19d、シリンダガイド下部筒部19eが形成されている。シリンダガイド凹部19cは、シリンダガイド本体部19bの中央部に設けられている。また、シリンダガイド19には中心軸に沿って上下に貫通する、開口径が異なる円柱状のシリンダガイド開口部19f、19g、19hが設けられている。シリンダガイド開口部19fはニードルナット本体部18bが収納されるように形成されており、シリンダガイド19にニードルナット18が収納されると、上述のように、ニードルナット凹部18cに嵌め込まれたОリング28によりニードルナット18とシリンダガイド19との間をシール状態で保持する。
シリンダガイド本体部19bの外径は上部開口部11の内径よりやや小さくなっており、シリンダガイド凹部19cに嵌め込まれたОリング29によりシリンダガイド19と弁ケーシング2の内周面との間をシール状態で保持する。また、シリンダガイド本体部19bの下端のエッジが上部開口部エッジ11aに当接するため、シリンダガイド19を弁ケーシング2に組み付けると、シリンダガイド19は下方への移動を抑止される。これにより、シリンダガイド19はニードルナット18を収納した状態で弁室8の上部開口部11の内部に保持される。シリンダガイド開口部19hの開口径は下述するシリンダ20が上下方向に摺動可能な程度にシリンダ20のシリンダ本体20aの外径よりやや大きく設定されている。
図9は、シリンダ20の(A)上から見た上面図と(B)側面図(透視図)と(C)下から見た下面図を示した図である。図9に示すようにシリンダ20には、側面図において上から、それぞれ異なる径の円柱状のシリンダ本体部20a、シリンダ第1凹部20b、シリンダ下部20c、シリンダ第2凹部20dが形成されている。シリンダ第1凹部20bはシリンダ本体部20aの中央部に設けられ、シリンダ第2凹部20dはシリンダ下部20cの下方位置に設けられている。また、シリンダ20には中心軸に沿って、上下に貫通する、開口径が異なる円柱状のシリンダ開口部20e、20fが設けられている。さらに、シリンダ開口部20fの内周面には、その上端部において外側に向かってシリンダ開口部20eの内周面まで延びるシリンダ第1溝20gと、シリンダ第1溝20gと連通してシリンダ開口部20fの内周面に沿って下方にシリンダ20の下端面まで延びるシリンダ第1溝20hとが形成されている。本実施形態では、図9に示すように、シリンダ第1溝20gとシリンダ第1溝20hからなる第1連通溝23は略等間隔に3か所シリンダ開口部20fの内側面に形成されている。
シリンダ開口部20e、20fは、それぞれ、シリンダ開口部20eの内径とニードル本体部17eの外径と、シリンダ開口部20fの内径とニードル17のシリンダ装着部17fの外径とが、それぞれ嵌合するように形成されており、シリンダ20は、ニードル17を挿入した状態でニードル17に固着される。また、シリンダ第1凹部20bとシリンダ第2凹部20dにはそれぞれОリング32、33が嵌め込まれ、それぞれ、シリンダ20とシリンダガイド19との間およびシリンダ20とキャップ22との間のシール状態を保持する。
図10は、キャップ22の(A)上から見た上面図と(B)側面図(透視図)と(C)下から見た下面図を示した図である。図10に示すようにキャップ22には、側面図において上から、円柱状のキャップ本体22a、下方に向かって外側に広がる円錐台形状の鍔上部22b、円柱状のキャップ凹部22c、下方に向かって内側に狭くなる円錐台形状の鍔下部22dが形成されている。キャップ凹部22cには流量制御弁1の閉弁時において弁座14に着座する弾性部材に形成されたリング形状の着座パッキン15が嵌め込まれている。
また、キャップ22には中心軸に沿って、上下に貫通する、開口径が異なる円柱状のキャップ開口部22e、22f、22g、22hが設けられている。キャップ開口部22eの内径はシリンダ下部20cの外径よりやや大きく、シリンダ下部20cがキャップ開口部22e内で上下方向に摺動可能になっている。キャップ開口部22fの内径はキャップ開口部22eの内径よりやや小さくなっており、シリンダ20に対してキャップ22を付勢するスプリング21が配置される。キャップ開口部22gの内径はニードル17のキャップ摺動部17gの外径よりやや大きくなっており、ニードル17のキャップ摺動部17gがキャップ開口部22g内で上下方向に摺動可能になっている。また、キャップ開口部22gの内側面には第2連通溝24となる上下方向に伸長するキャップ溝22iが形成されている。本実施形態では第2連通溝24(キャップ溝22i)は、第1連通溝23と同様、略等間隔に3か所キャップ開口部22gの内側面に形成されている。
上述のようにシリンダ20はニードル17に固着され、キャップ21はスプリング21によりシリンダ20取り付けられているため、シリンダ20とキャップ22は一体となってニードル17とともに上下移動し、キャップ22に装着された着座パッキン15により流量制御弁1は開弁/閉弁することからシリンダ20とキャップ22とは一体として流量制御弁1の弁体25として作用する。
次に、上記のように構成された本発明にかかる流量制御弁1の弁機構7の作用効果を説明する。図1は、上述のように、流量制御弁1の閉弁時の断面図であり、図3は、流量制御弁1の開弁時の断面図である。
流量制御弁1を閉弁する時は、モータ機構10によりニードル17は図1の矢印(1)に示すように回転する。そして、ニードル17は、上述のように弁室8内に固定されたニードルナット18により回転しながら下方に移動し、それに伴いシリンダ20とキャップ22からなる弁体25も回転しながら下方に移動して図1に示すように、弁体25の着座パッキン15が弁座14に着座して、流量制御弁1は閉弁する。開弁する時は、図3の矢印(1)および(2)に示すように、モータ機構10によりニードル17は閉弁時とは逆方向に回転しながら上方に移動し、それに伴いシリンダ20とキャップ22からなる弁体25も上方に移動して図3に示すように、弁体25の着座パッキン15が弁座14から離れて、流量制御弁1は開弁して図3の矢印(3)に示すように、流体が一次室5から二次室6に流入する。流量制御弁1はモータ機構10により弁体25の着座パッキン15が弁座14に着座して閉弁させたり、または、弁体25の着座パッキン15と弁座14との開弁時の開度を変化させることにより、一次室5から第二次室6に流れる流体の流量を制御することができる。また、弁体25がスプリング21を介してシリンダ20と(着座パッキン15を備える)キャップ22とから構成されているため、流量制御弁1の閉弁時にニードル17を回転し過ぎてしまっても、スプリング21が緩衝材として作用するため、ニードル17の過回転による部品の損傷を抑止することができる。
図4は、流量制御弁1の弁体25(シリンダ20とキャップ22)の部分を拡大した断面図である。上述のように、シリンダ20には、シリンダ20を上下方向に連通する第1連通溝23が設けられ、キャップ22には、キャップ22を上下方向に連通する第2連通溝24が設けられている。そのため、弁体25の上面(シリンダ20の上面)とシリンダガイド19のシリンダガイド開口部19hで囲まれる受圧室26と二次室6とは第1連通溝23と第2連通溝24とを介して連通するようになっている。そのため、図4の矢印(1)に示すように、二次室6から受圧室26に流体が流入し、受圧室26内の圧力は二次室6内の圧力略同一となる。すなわち、受圧室26内の圧力は二次側圧力と略同一となる。
そして、本発明にかかる流量制御弁1では、図4に示すように、弁体25の下面の径PAより弁体25の上面の径PBの方がやや大きくなるように設定されている。そのため、弁体25は常時、やや上方(開弁方向)に力が加わる状態(弁体25が上面側に持ち上げられる状態)となっている。そのため、弁体25が上下移動する際に発生するモータ機構10内のバッククラッシュを低減することができる。これにより、弁体25をスムーズに上下移動させることができる。
また、弁体25の上面の面積(径PB)と弁体25の下面の面積(径PA)との差をモータ機構10のバッククラッシュの抑制に必要な程度まで小さく抑えることにより、弁体25の上面と下面とにかかる圧力の差を小さくできる。そのため、弁体25が上下に移動する際に必要とするモータ機構10のモータの起動トルクを低減することができる。
このように、本発明にかかる流量制御弁1では、弁体25の上下移動がスムーズになることから流体の流量制御が容易になるとともに、モータの起動トルクの低減によりモータ機構10内のモータの小型化が可能となることから、効率的な流量制御が可能な流量制御弁を低コストで提供することができる。
次に、流量制御弁1が閉弁時に、二次室6に接続された二次側がウォターハンマーなどで異常昇圧した場合について、図5を参照して説明する。図5は本発明にかかる流量制御弁1において、二次側の昇圧時における圧力逃し機構を説明する断面図である。
流量制御弁1が閉弁時に、図5の矢印(1)に示すように、二次室6に接続された二次側がウォターハンマーなどで異常昇圧すると、図5の矢印(2)に示すように、弁体25の内、キャップ22がスプリング21の付勢力に抗して上方に移動する。これにより、弁体25の着座パッキン15が弁座14から離れて、矢印(3)に示すように、二次側の圧力を一次側である一次室5に逃がして二次側の部品などの破損を未然に防止することができる。すなわち、本実施形態のように、弁体25をシリンダ20とキャップ22とから構成し、キャップ22をスプリング21によりシリンダ20に取り付けることにより、二次側の異常昇圧時における圧力逃し機構を簡易に構成することができる。また、上述したように、本実施形態にかかる弁体25は閉弁時においてニードル17の過回転による部品の損傷の抑止としても奏功する。
ここで、一次室5は一次室の一例であり、二次室6は二次室の一例であり、弁ケーシング2は弁箱の一例であり、弁座14は弁座の一例であり、弁体25は弁体の一例であり、ニードル17はプランジャの一例であり、モータ機構10は駆動部の一例であり、受圧室26は受圧室の一例であり、第1連通溝23と第2連通溝24からなる連通路は連通路の一例であり、シリンダ20は上部弁体の一例であり、キャップ22は下部弁体の一例であり、スプリング21は付勢部材の一例である。
以上、本発明の実施形態について詳述してきたが、これらはあくまでも例示であって、本発明はかかる実施形態における具体的な記載によって、何等、限定的に解釈されるものでなく、当業者の知識に基づいて種々なる変更、修正、改良等を加えた態様において実施され得るものであり、また、そのような実施態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限り、何れも、本発明の範囲内に含まれるものであることが、理解されるべきである。
例えば、上記実施形態では、弁体25をシリンダ20とキャップ22とから構成したが、二次側に別途圧力逃し弁などが設けられていて、上述のように弁体25に圧力逃しの機能を設ける必要がない場合は、弁体25は一体構造としてもよい。これにより、部品点数を減らすことができ、製造コストが低減できる。
また、上記実施形態では、モータ機構10によりニードル17を回転してニードル17と共に弁体25を上下移動させて流体の流量制御をしたが、モータ機構10でニードルナット18を回転させて、ニードル17を上下移動させてもよい。この場合、ニードル17は回転しないため、弁体25も回転せずに上下移動させることができる。そのため、流体内で弁体25が回転しないことから、一次室5から二次室6への流体の流れを安定させることができる。また、弁体25に嵌め込まれたОリングや着座パッキン15の摩耗も抑止できることから、メンテナンス性も向上させることができる。
また、上記実施形態では、第1連通溝23と第2連通溝24からなる連通路を3箇所設けたが、連通路はこれに限定するものではなく、受圧室26の圧力と二次側圧力とが略同一となればよいのであって、連通路は1箇所であってもよいし、4箇所以上であってもよい。さらに言えば、ニードル17内に連通路を設けることが可能であれば、連通路をニードル17内に設けてもよい。
また、上記実施形態では、ニードルサポート16を設けたが、ニードル17の形状によっては、必ずしも必要ではない。
1・・流量制御弁
2・・弁ケーシング
5・・一次室
6・・二次室
7・・弁機構
8・・弁室
10・・モータ機構
14・・弁座
15・・着座パッキン
17・・ニードル
18・・ニードルナット
19・・シリンダガイド
20・・シリンダ
22・・キャップ
23・・第1連通溝
24・・第2連通溝
25・・弁体
26・・受圧室

Claims (2)

  1. 流入部である一次室と流出部である二次室とを有する弁箱と、
    前記弁箱の内部に配設された弁座と、
    前記弁座に着座可能な弁体と、
    前記弁体に連なるプランジャと、
    前記プランジャを、前記プランジャの軸心方向に沿って移動させ、前記弁体を前記弁座に着座する閉弁状態と、前記弁座から退座する開弁状態とに切り替える、少なくともモータおよびギアを含む駆動部と、
    前記弁体の上面と前記駆動部との間に設けられた受圧室と、
    前記プランジャの軸心方向に沿って前記弁体に設けられた、前記二次室と前記受圧室とを連通する導通路とを備えた流量制御弁であって、
    前記導通路により前記弁体の上面がある前記受圧室内の圧力と前記弁体の下面がある前記二次室内の圧力とが略同一となり、
    前記弁体は、上面の面積が下面の面積よりやや大きくなるように形成され、それにより、常時、前記弁体に対して開弁方向に力が加わることを特徴とする流量制御弁。
  2. 前記弁体は、上面が前記受圧室の下面となる上部弁体と、
    下面が前記二次室の上面となる下部弁体とから構成され、
    前記上部弁体と前記下部弁体との間には互いに付勢する付勢部材とを備えたことを特徴とする請求項1に記載の流量制御弁。
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