WO1996005429A1 - Kolbenverdichter für gasförmige medien - Google Patents

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Helmut Thurner
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Bayrisches Druckguss-Werk Thurner & Co KG GmbH
Bayerisches Druckgusswerk Thurner KG
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Bayrisches Druckguss-Werk Thurner & Co KG GmbH
Bayerisches Druckgusswerk Thurner KG
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    • F04B49/00—Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00
    • F04B49/12—Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00 by varying the length of stroke of the working members
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2225/00—Synthetic polymers, e.g. plastics; Rubber
    • F05C2225/04—PTFE [PolyTetraFluorEthylene]

Definitions

  • the present invention relates to a piston compressor for gaseous media, in particular an air piston compressor driven by an electric motor according to the preamble of claim 1.
  • a pump of this type is known from DE 33 33 329. Although the crankcase is open, the pendulum piston used in this device seals completely in the cylinder. Inlet and outlet valves are located at the top. A different stroke is achieved by varying the crank arm and the harmful space is adjusted by alternately inserting spacers. Such a pump is unsuitable for the present purposes.
  • a piston compressor is known as a small unit which is used as a structural unit in motor vehicles. is used to make compressed air available for various purposes, and to a large extent such compressed air that is not necessarily - as in the case of compressed air brakes - passed through a compressed air reservoir, but rather works with it at the same time during production, for example any Units such as windshield wipers or the like are driven or introduced into an air suspension system. Of course, air pressure reservoirs can also be filled.
  • compressors are provided with pistons which are fixed to the piston rod, that is to say connected without a joint, as is evident from the prior art (DE 23 11 048 or DE 36 16 968 AI).
  • the piston bends back and forth in the cylinder during the up and down movement and with this design it is not easy to specify the top dead center constructively so that in series production all products have the desired compression or harmful space evenly.
  • individual optimization is required even in series production. It is therefore advantageous to put the parts together.
  • the compression space or the harmful space can easily be individually adjusted by providing the cylinder and the opening in the housing with an appropriate thread. This configuration makes it possible to screw the threaded cylinder into the corresponding threaded opening of the compressor housing.
  • any effective axial cylinder height can thus be set precisely.
  • the setting found by trial and error can be fixed by means of certain configurations of the invention, which are explained in more detail below in the description of the drawing. This fixation can even be combined with a further fixation of the position of the outlet member.
  • the outlet member with the internal outlet valve is arranged centrally and thermally decoupled so that it can be clamped in any position with the fixing of the screw connection between the cylinder and the crankcase.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of the unit from a piston compressor according to the invention with a flanged electric motor, and
  • Fig. 2 in section an elevation through a compressor unit according to the invention.
  • the piston compressor shown in FIGS. 1 and 2 has a compressor housing 62 and a housing 12 connected to it laterally for an electric motor, which serves to drive the piston compressor.
  • the compressor housing 62 is closed by a cover 64 located opposite the electric motor.
  • the electric motor has a drive shaft 42 which is supported by a ball bearing 40 arranged in the housing wall 62.
  • the shaft 42 terminates in an eccentric 46.
  • a bearing 54 of a connecting rod 56 is located on the eccentric 46.
  • the connecting rod 56 carries the bearing 54 at its lower end, the bearing 54 being guided in a circle by the rotation of the drive shaft 42.
  • the connecting rod 56 carries a piston 58 which is fixedly connected to it and which is arranged in a cylinder 60 for reciprocating movement. In the position shown, the piston 58 is at its top dead center. The bottom dead center is indicated by dashed lines.
  • the connecting rod 56 is set into a circular movement via the drive shaft connected to its lower head, while its upper head is reciprocated with the piston 58 in the cylinder 60.
  • the gas in the cylinder chamber is compressed until it takes up a compression chamber V.
  • a spring-loaded outlet valve 92 opens so that the compressed gas is discharged via a connection piece 20.
  • the cylinder 60 is provided at its lower end with a thread 66, by means of which it is screwed into a threaded opening 68 of the compressor housing 62.
  • the opening 68 of the compressor housing 62 is formed in such a way that the connecting rod 56 can move freely through it, even with the lateral pivotings which are caused by the design of the fixed connection between the connecting rod 56 and the piston 58.
  • the thread 66 of the cylinder 60 has a narrow pitch, so that the axial cylinder height can be set precisely.
  • the effective axial cylinder height with which the top dead center of the piston 58, which is effective in the cylinder 60, can be set is not effective.
  • the effective axial cylinder height can be changed by screwing the cylinder 60 into the opening 68 of the compressor housing 62.
  • a change in the effective axial cylinder height also leads directly to a change in the so-called compression space or harmful space V, which is defined by the top dead center position of the piston 58.
  • This compression space V should be dimensioned so that it corresponds to the minimum dead space volume that the system has.
  • the optimal setting of the optimal compression space is done manually during the test run of the piston compressor, so that the change in operating behavior can be assessed immediately.
  • valve head 90 there is a spring-loaded outlet valve in the valve head 90.
  • This valve consists of a thin metal disk 92 which is normally pressed against a sealing ring 96 by a spring 94 (cf. right part of the illustration in FIG. 2 above) ). At high pressure, the valve opens (left part of the illustration in FIG. 2 above) and opens a path 28 within an outlet head 26 to the outlet connector 20.
  • This outlet head 26 has two special features. First, it is freely rotatable in the valve head with loose screws 63 and thermally decoupled.
  • the thermal decoupling is achieved by two circular support rings and an air gap 25 between the valve head 90 and the outlet head 26. As a result, the air emerging from the connector 20 is not additionally heated in the last part of the compressor and the efficiency is improved.
  • the outlet connection can also be adjusted to the orientation required for connection to further units when the top dead center is established, before the screws 63 finally tightened.
  • the piston compressor according to the invention enables the compression space to be set manually, so that it is suitable for various applications, for example as a pump, vacuum pump, compressed air source for passenger cars, air conditioning systems and the like. It is thermally decoupled and is designed for maximum performance with limited power consumption.
  • the piston compressor according to the invention is therefore particularly suitable for replacing electrically operated devices of the passenger car with pneumatically operated units, or very particularly for use in air-sprung vehicles for their level or inclination control.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenverdichter für gasförmige Medien, vorzugsweise Luft, mit einer innerhalb eines Zylinders (60) hin- und herbewegbaren Kolbenstange (56) mit starr verbundenem Kolben (58), der einen Durchlaß für das von der Kolbenunterseite anzusaugende gasförmige Medium aufweist. Der Durchlaß weist weiterhin ein sich bei Abwärtsbewegung des Kolbens (58) öffnendes und bei Aufwärtsbewegung des Kolbens (58) schließendes Einlaßventil auf. Der durch die obere Totpunktstellung des Kolbens (58) definierte Verdichtungsraum (V) des Zylinders (60) ist dadurch einstellbar, daß der untere Rand des Zylinders (60) mittels Gewinde (66) mit dem Kurbelgehäuse (62) verbunden ist. Das Auslaßventil (92) ist zentrisch zum Kolben (58) angeordnet und mit einem einstellbaren Auslaß thermisch entkoppelt.

Description

Kolbenverdichter für gasförmige Medien
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenverdichter für gasförmige Medien, insbesondere einen mit einem Elektromotor angetriebenen Luft-Kolbenverdichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine Pumpe dieser Bauart ist aus der DE 33 33 329 bekannt. Obwohl das Kurbelgehäuse hierbei offen ist, dichtet der in dieser Vorrichtung benutzte Pendelkolben im Zylinder vollständig ab. Einlaß- und Auslaßventile sind oben angeordnet. Ein unterschiedlicher Hub wird durch Variieren des Kurbelarmes erzielt und die Einstellung des schädlichen Raumes geschieht durch wechselweises Einschieben von Distanzstücken. Eine der¬ artige Pumpe ist für die vorliegenden Zwecke ungeeignet.
Demgegenüber besteht die Aufgabe, einen kleinbauenden Kol¬ benverdichter hoher Leistung verfügbar zu machen, der in der Lage ist, innerhalb kurzer Zeit hohe Volumenströme zur Ver¬ fügung zu stellen. Da die elektrische Energie für den Antrieb an dem Bordnetz eines Kraftfahrzeuges entnommen werden soll, ist die Antriebsleistung begrenzt. Deshalb ist ein besonders guter Wirkungsgrad erforderlich. Dies wiederum bedingt einen Betrieb auf niedrigem Temperaturniveau. Insgesamt ergeben sich mehrere Teilaufgaben, deren Lösungen sich erfindungsgemäß zu einer Kombination verbinden.
Aus der DE 23 11 048 ist ein Kolbenverdichter als kleines Aggregat bekannt, das als Baueinheit in Kraftfahrzeuge einge- setzt wird, um Druckluft für verschiedene Zwecke zur Verfügung zu stellen, und zwar weitgehend eine solche Druckluft, die nicht notwendigerweise - wie bei Druckluftbremsen - über einen Druckluftspeicher geleitet wird, sondern mit der zugleich wäh- rend der Erzeugung Arbeit geleistet, beispielsweise irgend¬ welche Aggregate wie Scheibenwischer o. ä. angetrieben werden oder in ein System einer Luftfederung eingeleitet wird. Selbst¬ verständlich können auch Luftdruckspeicher aufgefüllt werden.
Herkömmliche Kolbenverdichter sind so aufgebaut, daß der im Zylinder sich hin- und herbewegende Kolben eine obere Totpunkt¬ stellung aufweist, bei der das zu komprimierende Gas ein mini¬ males Volumen hat. Der durch die obere Totpunktstellung des Kolbens definierte Verdichtungsraum bzw. Totraum soll zwar mög- liehst klein, aber auch genau definiert sein, um eine bestimmte Leistung ohne allzu hohe Stromaufnahme zu erbringen. Das Tot- raumvolumen kann jedoch nicht beliebig verkleinert werden, da es in Abhängigkeit von dem gewählten Verdichtertyp, der Tempe¬ ratur und dem zu verdichtenden gasförmigen Medium eine Kom- pressibilitätsgrenze gibt, die nicht überschritten werden kann. Bei herkömmlichen Kolbenverdichtern kann diese Kompressibili¬ tätsgrenze und das ihr entsprechende Totraumvolumen nicht prä¬ zise angegeben werden, da die bei der Herstellung von Kolben¬ verdichtern gegebenen Fertigungstoleranzen einen nicht vernach- lässigbaren Fehler bei der Bestimmung dieser Grenze einführen. Außerdem sind derartige Verdichter mit Kolben versehen, die mit der Kolbenstange fest, das heißt ohne Gelenk verbunden sind, wie dies aus dem Stand der Technik (DE 23 11 048 oder DE 36 16 968 AI) hervorgeht. Der Kolben kantet im Zylinder bei der Auf- und Abwärtsbewegung hin und her und bei dieser Bauart ist es nicht einfach, den oberen Totpunkt konstruktiv so vorzugeben, daß in einer Serienfertigung alle Produkte gleichmäßig den gewünschten Verdichtungs- oder schädlichen Raum aufweisen. Erfahrungsgemäß ist selbst in der Serienfertigung eine Einzel- Optimierung erforderlich. Deshalb ist es vorteilhaft, die Teile zwar zusammenzufügen. Vor der Fixierung läßt sich jedoch der Verdichtungsraum oder der schädliche Raum dadurch leicht ein- zeln einstellen, daß der Zylinder sowie die Öffnung im Gehäuse mit einem sich entsprechenden Gewinde versehen sind. Diese Aus¬ gestaltung ermöglicht es, den mit Gewinde versehenen Zylinder in die mit entsprechendem Gewinde versehene Öffnung des Ver¬ dichtergehäuses einzuschrauben. Bei Wahl einer genügend kleinen Gewindesteigung läßt sich somit eine beliebige wirksame axiale Zylinderhöhe präzise einstellen. Durch bestimmte Ausgestaltun¬ gen der Erfindung, die nachstehend in der Beschreibung der Zeichnung näher erläutert werden, läßt sich die durch Auspro¬ bieren gefundene Einstellung fixieren. Diese Fixierung kann sogar mit einer weiteren Fixierung der Stellung des Auslaßor¬ gans kombiniert werden.
Um mit den durch diese Optimierung im Kopf auftretenden thermischen Problemen zurechtzukommen und um zugleich die komprimierte Luft mit einem in seiner Abgaberichtung ein¬ stellbaren Auslaß für unterschiedliche Einbauten zur Verfügung zu stellen, ist das Auslaßorgan mit innenliegendem Auslaßventil zentrisch und thermisch entkoppelt so angeordnet, daß es in be¬ liebiger Stellung mit der Fixierung der Schraubverbindung zwi- sehen Zylinder und Kurbelgehäuse geklemmt werden kann.
Weitere Einzelheiten der Erfindung lassen sich den Ansprüchen und der folgenden Beschreibung entnehmen. Einzelheiten, Merk¬ male, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiels.
Es zeigen: Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstellung der Einheit aus einem erfindungsgemäßen Kolbenverdichter mit angeflanschtem Elektromotor, und
Fig. 2 im Schnitt einen Aufriß durch eine erfindungsgemäße Verdichtereinheit.
Der in Fig. 1 und 2 gezeigte Kolbenverdichter hat ein Verdich¬ tergehäuse 62 und ein seitlich damit verbundenes Gehäuse 12 für einen Elektromotor, der als Antrieb des Kolbenverdichters dient. Das Verdichtergehäuse 62 ist durch einen dem Elektromo¬ tor gegenüberliegenden Deckel 64 verschlossen. Der Elektromotor weist eine Antriebswelle 42 auf, die durch ein in der Gehäuse¬ wand 62 angeordnetes Kugellager 40 gelagert wird. Die Welle 42 schließt in einem Exzenter 46 ab. An dem Exzenter 46 befindet sich ein Lager 54 eines Pleuels 56.
Das Pleuel 56 trägt das Lager 54 an seinem unteren Ende, wobei das Lager 54 durch die Drehung der Antriebswelle 42 kreisförmig geführt wird. An seinem anderen Ende trägt das Pleuel 56 einen hiermit fest verbundenen Kolben 58, der in einem Zylinder 60 zur Hin- und Herbewegung angeordnet ist. In der eingezeichneten Stellung befindet sich der Kolben 58 in seinem oberen Totpunkt. Der untere Totpunkt ist gestrichelt angedeutet.
Beim Betrieb des erfindungsgemäßen Kolbenverdichters wird das Pleuel 56 über die mit seinem unteren Kopf in Verbindung ste¬ hende Antriebswelle in eine kreisförmige Bewegung versetzt, während sein oberer Kopf mit dem Kolben 58 in dem Zylinder 60 hin- und hergeführt wird. Beim Aufwärtshub des Kolbens 58 wird dabei das im Zylinderraum befindliche Gas komprimiert, bis es einen Verdichtungsraum V einnimmt. Zu diesem Zeitpunkt oder kurz davor öffnet ein federbelastetes Auslaßventil 92, so daß das komprimierte Gas über einen Stutzen 20 abgeführt wird. Nach Erreichen der oberen Totpunktstellung des Kolbens 58 geht die¬ ser in seinen Rückhub über, wobei über eine im Kurbelgehäuse 62 gebildete Ansaugöffnung 50 das zu komprimierende Gas zunächst in das Kurbelgehäuse 62 und nachfolgend durch Öffnungen 80 in der Unterseite 72 des Kolbens 58 in den oberen Zylinderraum eingesaugt wird. Bei Erreichen seiner unteren Totpunktstellung geht der Kolben in seinen Vorwärtshub über, wobei der Einsaug¬ vorgang zum Ende kommt. Der Kolben 58 wirkt als Einlaßventil und hat kegelförmige Mantelflächen 76.
Der Zylinder 60 ist an seinem unteren Ende mit einem Gewinde 66 versehen, vermittels dessen er in eine mit Gewinde versehene Öffnung 68 des Verdichtergehäuses 62 eingedreht wird. Die Öff¬ nung 68 des Verdichtergehäuses 62 ist so gebildet, daß sich das Pleuel 56 frei hier hindurchbewegen kann, auch mit den seitlichen VerSchwenkungen, die durch die Bauart der festen Verbindung zwischen Pleuel 56 und Kolben 58 bedingt sind. Das Gewinde 66 des Zylinders 60 weist eine enge Steigung auf, so daß die axiale Zylinderhöhe präzise eingestellt werden kann.
Von besonderem Interesse ist hier die wirksame axiale Zylinder¬ höhe, mit der der obere im Zylinder 60 wirksame Totpunkt des Kolbens 58 eingestellt werden kann. Der unterhalb der gestri¬ chelt angedeuteten untersten Stellung des Kolbens 58 gelegene Bereich ist nicht wirksam.. Die wirksame axiale Zylinderhöhe kann durch Eindrehen des Zylinders 60 in die Öffnung 68 des Verdichtergehäuses 62 verändert werden. Eine Veränderung der wirksamen axialen Zylinderhδhe führt unmittelbar auch zu einer Veränderung des sogenannten Verdichtungsraumes oder schädlichen Raumes V, der durch die obere Totpunktstellung des Kolbens 58 definiert wird. Dieser Verdichtungsraum V sollte so bemessen sein, daß er mit dem minimalen Totraumvolumen übereinstimmt, den das System hat. Die optimale Einstellung des optimalen Verdichtungsraumes erfolgt manuell beim Probelauf des Kol- benverdichters, so daß die Veränderung des Betriebsverhaltens unmittelbar beurteilt werden kann.
Zur Sicherung dieses optimalen Arbeitspunktes werden zwischen einem seitlich auskragenden Teil 61 des Verdichtergehäuses und einem noch zu beschreibenden Auslaßventilkopf 90 Schrauben 63 angezogen. Dadurch preßt sich die Unterseite des Kopfes 90 auf einen Flansch 59 des Zylinders 60 und die Gewindeeinstellung ist fixiert.
Oberhalb des Raumes V befindet sich gemäß Fig. 2 ein federbelastetes Auslaßventil im Ventilkopf 90. Dieses Ventil besteht aus einer dünnen Metallscheibe 92, welche von einer Feder 94 gegen einen Dichtring 96 normalerweise gedrückt wird (vgl. rechtes Teil der Darstellung in Fig. 2 oben). Bei hohem Druck öffnet das Ventil (linker Teil der Darstellung in Fig. 2 oben) und gibt einen Weg 28 innerhalb eines Auslaßkopfes 26 zum Auslaßstutzen 20 frei.
Dieser Auslaßkopf 26 weist zwei besondere Merkmale auf. Zum einen ist er im Ventilkopf bei losen Schrauben 63 frei drehbar und thermisch entkoppelt.
Die thermische Entkopplung wird durch zwei kreislinienförmige Auflageringe und einen Luftspalt 25 zwischen dem Ventilkopf 90 und dem Auslaßkopf 26 erzielt. Dadurch erwärmt sich die aus dem Stutzen 20 austretende Luft im letzten Teil des Kompressors nicht zusätzlich und der Wirkungsgrad verbessert sich.
Da die Kompressoreinheit mit weiteren Komponenten wie Trockner, Schaltventilen usw. zu einer kompakten Systemeinheit verbunden werden soll, kann beim Festlegen des oberen Totpunktes auch der Auslaßstutzen in die zum Verbinden mit weiteren Aggregaten not¬ wendige Ausrichtung eingestellt werden, bevor die Schrauben 63 endgültig festgezogen werden.
Der erfindungsgemäße Kolbenverdichter ermöglicht eine manuelle Einstellung des Verdichtungsraums, so daß er sich für verschie- dene Anwendungen eignet, beispielsweise als Pumpe, Vakuumpumpe, Druckluftquelle für Personenkraftwagen, Klimaanlagen und dgl. Er ist thermisch entkoppelt und auf höchste Leistung bei be¬ grenzter Stromaufnahme ausgelegt.
Der erfindungsgemäße Kolbenverdichter eignet sich daher insbe¬ sondere für den Austausch elektrisch betriebener Einrichtungen des PKWs gegen pneumatisch betriebene Aggregate oder ganz be¬ sonders für die Verwendung in luftgefederten Fahrzeugen zu deren Niveau- oder Neigungsregelung.

Claims

Kolbenverdichter für gasförmige MedienPatentansprüche
1. Kolbenverdichter für gasförmige Medien, vorzugsweise Luft, mit einer innerhalb eines Zylinders (60) hin- und herbe¬ wegbaren Kolbenstange, deren oberes Ende starr mit einem Kolben (58) verbunden ist und deren unteres Ende an einem Kurbelgehäuse (62) mit einem Kurbeltrieb (46) angelenkt ist, und bei dem ein offener unterer Rand des Zylinders (6) einstellbar tief in das Kurbelgehäuse (62) hineinragt, wodurch der durch die obere Totpunktsteilung des Kolbens (58) definierte Verdichtungsraum (V) des Zylinders (60) einstellbar ist,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
daß das Kurbelgehäuse für den Zutritt von Arbeitsmedium offen (59) ist und der Kolben 58 einen Durchlaß (80) für das von der Kolbenunterseite anzusaugende gasförmige Me¬ dium mit einem sich bei Abwärtsbewegung des Kolbens öff¬ nenden und bei Aufwärtsbewegung des Kolbens schließenden Einlaßventil (80) aufweist, und wobei mit dem Kolben (58) in seiner oberen Totpunktläge axial fluchtend und durch einen nur linienförmigen Rand (23) thermisch entkoppelt ein Auslaßkopf (26) aufsitzt, der ein federbelastetes (94) Auslaßventil (92) und hinter dem Ventil einen in seiner Abgabestellung einstellbaren Auslaß (20) aufweist.
2. Kolbenverdichter nach Anspruch 1 ,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
daß der Verdichtungsraum (V) durch Änderung einer wirk¬ samen axialen Zylinderhöhe dadurch einstellbar ist, daß der äußere untere Rand des Zylinders (60) und die obere Öffnung (68) im Kurbelgehäuse (62) mit jeweils einem sich entsprechenden Gewinde (66) versehen sind.
3. Kolbenverdichter nach Anspruch 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
daß eine durch Ausprobieren gefundene optimale Stellung zwischen Zylinder (60) und Verdichtergehäuse (62) durch eine Schraubklemmung (63) fixierbar ist.
4. Kolbenverdichter nach den Ansprüchen 1 bis 5,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
daß das Auslaßventil (92) innerhalb des Ventilkopfes (90) thermisch getrennten Auslaßkörpers (26) zwischen den linienförmigen Auflagern (21, 23 ) durch die Schraubklemmung gemäß Anspruch 3 fixiert, im übrigen durch Luftspalte (25) getrennt ist.
5. Kolbenverdichter nach den Ansprüchen 1 bis 4,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
daß der Auslaßkörper (26) im Ventilkopf (90) frei drehbar einstellbar und die Richtung seines Auslaßstutzens (20) zusammen mit der Schraubklemmung (63) gemäß Anspruch 3 fixierbar ist.
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