第三讲机械真空泵.docx
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第三讲机械真空泵
第三讲:
机械真空泵
真空技术及应用系列讲座
第三讲：
机械真空泵
张以忱
（东北大学）
一、机械真空泵的分类及主要性能参量
（一）机械真空泵的分类
真空泵是用各种方法在某一封闭空间中产生、改善和维持真空的装置。
真空泵可以定义为：
利用机械、物理、化学或物理化学的方法对被抽容器进行抽气而获得真空的器件或设备。
随着真空应用的发展，真空泵的种类已发展了很多种，其抽速从每秒零点几升到每秒几十万、数百万升。
极限压力（极限真空）从粗真空到10-12Pa以上的超高真空范围。
由于真空应用部门所涉及的工作压力的范围很宽，因此任何一种类型的真空泵都不可能完全适用于所有的工作压力范围，只能根据不同的工作压力范围和不同的工作要求，使用不同类型的真空泵。
为了使用方便和各种真空工艺过程的需要，有时将各种真空泵按其性能要求组合起来，以机组型式应用。
凡是利用机械运动（转动或滑动）以获得真空的泵，称为机械真空泵。
机械真空泵按其工作原理及结构特点分述如下：
1．变容真空泵
它是利用泵腔容积的周期变化来完成吸气和排气以达到抽气目的的真空泵。
气体在排出泵腔前被压缩。
这种泵分为往复式及旋转式两种。
（1）往复式真空泵
利用泵腔内活塞往复运动，将气体吸入、压缩并排出。
又称为活塞式真空泵。
（2）旋转式真空泵
利用泵腔内转子部件的旋转运动将气体吸入、压缩并排出。
它大致有如下几种分类：
1）油封式真空泵 它是利用真空泵油密封泵内各运动部件之间的间隙，减少泵内有害空间的一种旋转变容真空泵。
这种泵通常带有气镇装置。
它主要包括旋片式真空泵、定片式真空泵、滑阀式真空泵、余摆线真空泵等。
2）液环真空泵 将带有多叶片的转子偏心装在泵壳内。
当它旋转时，把工作液体抛向泵壳形成与泵壳同心的液环，液环同转子叶片形成了容积周期变化的几个小的旋转变容吸排气腔。
工作液体通常为水或油，所以亦称为水环式真空泵或油环式真空泵。
3）干式真空泵 它是一种泵内不用油类（或液体）密封的变容真空泵。
由于干式真空泵泵腔内不需要工作液体，因此，适用于半导体行业、化学工业、制药工业及食品行业等需要无油清洁真空环境的工艺场合。
4）罗茨真空泵泵内装有两个相反方向同步旋转的双叶形或多叶形的转子。
转子间、转子同泵壳内壁之间均保持一定的间隙。
2．动量传输泵
它依靠高速旋转的叶片或高速射流，把动量传输给气体或气体分子，使气体连续不断地从泵的入口传输到出口。
这类泵可分为以下几种形式：
（1）分子真空泵
它是利用高速旋转的转子把动量传输给气体分子，使之获得定向速度，从而被压缩、被驱向排气口后为前级抽走的一种真空泵。
这种泵具体可分为：
1）牵引分子泵气体分子与高速运动的转子相碰撞而获得动量，被驱送到泵的出口。
2）涡轮分子泵 靠高速旋转的动叶片和静止的定叶片相互配合来实现抽气的。
这种泵通常在分子流状态下工作。
3）复合分子泵它是由涡轮式和牵引式两种分子泵串联组合起来的一种复合型的分子真空泵。
机械真空泵是真空应用领域中使用得最普遍的一类泵，它是真空获得设备的重要组成部分。
其详细分类如图1所示。
（二）描述机械真空泵性能的参量
对机械真空泵的性能常用下列参量或其中的几个主要参量来说明。
1．抽气速率（体积流率）（s；单位：
m3·s-1；L·s-1）
当泵装有标准试验罩并按规定条件工作时，从试验罩流过的气体流量与在试验罩上指定位置测得的平衡压力之比。
简称泵的抽速。
即在一定的压力、温度下，真空泵在单位时间内从被抽容器中抽走的气体体积。
2．极限压力（极限真空）（单位：
Pa）
泵装有标准试验罩并按规定条件工作，在不引入气体正常工作的情况下，趋向稳定的最低压力。
即真空泵的入口端经过充分抽气后所能达到的最低的稳定的压力。
3．起动压力
泵无损坏起动并有抽气作用的压力
4．前级压力
排气压力低于一个大气压力的真空泵的出口压力。
5．最大前级压力
超过了能使泵损坏的前级压力。
6．最大工作压力
对应最大抽气量的入口压力。
在此压力下，泵能连续工作而不恶化或损坏·
7．抽气量（Q单位：
Pa·m3·S-1；Pa·L·S-1）
流经泵入口的气体流量。
8．压缩比
泵对给定气体的出口压力与入口压力之比。
其中泵的抽气速率和极限压力两个参量是在实际应用中选配真空泵的最重要的参量。
（三） 机械真空泵的规格及型号表示法
容积（变容）式机械真空泵系列的抽速分挡（抽速的单位是L·S．1）如下：
0·5、1、2、4、8、15、30、70、150、300、600、1200、2500、5000、10000、20000、40000。
国产的各种机械真空泵的型号通常是用汉语拼音字母来表示（如表1所示）。
汉语拼音字母表示泵的类型；字母前的数字表示泵的级数，单级时“1”省略；字母后边横线后的数字表示泵的抽速（L/S）。
例：
2X一70
2——表示双级；
X——表示旋片式真空泵；
70——表示抽气速率为70L／S。
型号
名称
型号
名称
W
WY
WL
SZ
SZB
SZZ
X
往复式真空泵
移动阀式往复泵
立式往复泵
水环泵
悬臂式结构水环泵
直联式水环泵
旋片式真空泵
H
YZ
ZJ
ZJK
F
D
XZ
滑阀式真空泵
余摆线真空泵
罗茨真空泵
真空电机罗茨真空泵
分子真空泵
定片式真空泵
直联式旋片泵
二、往复式真空泵
往复式真空泵（又称活塞式真空泵）属于低真空获得设备，用以从内部压力等于或低于一个大气压的容器中抽除气体，被抽气体的温度一般不超过35oC。
往复泵的极限压力，单级为4×102～103Pa，双级可达1Pa。
它的排气量较大，抽速范围15～5500L/S。
往复泵多用于真空浸渍、钢水真空处理、真空蒸馏、真空结晶、真空过滤等方面抽除气体。
往复式真空泵对于抽除腐蚀性或含有颗粒状灰尘的气体是不适用的。
被抽气体中如果含有灰尘，在泵的进亡1处必须加装过滤器。
1．结构原理
往复泵的工作原理，如图2所示。
泵的主要部件是气缸1及在其中做往复直线运动的活寨2。
活寨的驱动是用曲柄连杆机构3来完成的。
除上述主要部件外还有排气阀4和吸气阀5。
泵运转时，在电动机的驱动下，通过曲柄连杆机构的作用，使气缸内的活塞做往复运动。
当汪室在等舸内从存端向右端话动时。
由于气缸的左腔体积不断增大，气缸内气体的密度减少，而形成抽气过程，此时容器中的气体经过吸气阀5进入泵体左腔。
当活塞达到最右位置时，气缸内就完全充满了气体。
接着活塞从右端向左端运动，此时吸气阀5关闭。
气缸内的气体随着活塞从右向左运动而逐渐被压缩，当气缸内气体的压强达到或稍大于一个大气压时，排气阀4被打开，将气体排到大气中，完成一个工作循环。
当活塞再自左向右运动时，又吸进一部分气体，重复前一循环，如此反复下去，直到被抽容内的气体压力达到要求时为止。
在实际应用中，为了提高抽气效率，泵多半采用双作用气缸，即活塞能在两个方向（往复）上同时进行压缩和抽气，这主要是依靠配气阀门来实现的。
国产的w型往复泵即是单级的双作用泵。
2．结构特点
往复泵有干式和湿式之分。
干式泵只能抽气体，湿式泵可抽气体和液体的混合物。
二者在结构方面没有什么原则性的不同，只是湿式泵内的死空间和配气机构的尺寸比干式泵大一些，因此湿式泵的极限压力要比干式泵的高。
往复泵有卧式和立式两种型式（国产为W和WL型）。
立式泵从结构和性能上较为先进，它是卧式泵的更新换代产品。
如国产的WL系列立式泵与老式W型卧式泵相比，有如下优点：
（1）功率消耗平均减少1/3，节能显著。
例如，原W5功率为22KW，而WL-200为15KW；原W4为11KW，而WL-100为7.5KW。
（2）占地面积平均减少2/3。
如原W5型占地为3.8m2，而WL一200为1.2m2。
（3）振动降低。
WL系列泵消除了横波劣性振动，噪声平均降低5dB以上。
（4）使用寿命长。
立式泵由于结构合理，受力均匀，使得各运动部位磨损减轻。
三、水环式真空泵
水环式真空泵是液环式真空泵中最常见的一种。
液环式真空泵是带有多叶片的转子偏心装在泵壳内。
当它旋转时，把液体抛向泵壳并形成与泵壳同心的液环，液环同转子叶片形成了容积周期变化的旋转变容真空泵。
当工作液体为水时，称水环泵。
水环泵主要用于粗真空、抽气量大的工艺过程中。
在化工、石油、轻工、医药及食品工业中得到了广泛地应用，如真空过滤、真空送料、真空浓缩、真空脱气等。
单级水环泵的极限压力可达8～2×103Pa，双级水环泵的极限压力可达1×102Pa，排气量为0.25～500m3/h。
1.工作原理
水环泵工作轮2在泵体l中旋转时形成了水环3和工作室5。
水环与工作轮构成了月牙形空间。
右边半个月牙形的容积由小变大，形成吸气室。
左边的半个月牙形的容积由大变小，构成了压缩过程（相当于排气室）。
被抽气体由进气管8和进气口4进入吸气室。
转子进一步转动，使气体受压缩，经过排气口6和排气管7排出。
排出的气体和水滴由排气管道7进入水箱10，此时气体由水中分离出来，气体经管管道9排到大气中，水由水箱进入泵中，或经过管道11排到排水设备中。
水环泵的压缩比由泵的吸气口终了位置和排气口开始位置所决定。
因为吸气口终止位置决定着吸气腔吸入气体的体积；而排气口开始的位置决定着排气时压缩了的气体的体积。
对已经确定了结构尺寸的水环泵，可以求出其压缩比。
2．泵的基本类型与特点
水环泵按不同结构可分成如下几种类型：
（1）单级单作用水环泵单级是指只有一个叶轮，单作用是指叶轮每旋转一周，吸气、排气各进行一次。
这种泵的极限真空较高，但抽速和效率较低。
（2）单级双作用水环泵单级是指只有一个叶轮，双作用是指叶轮每旋转一周，吸气、排气各进行二次。
在相同的抽速条件下，双作用水环泵比单作用水环泵大大减少尺寸和重量。
由于工作腔对称分布于泵轮毂两侧，改善了作用在转子上的载荷。
此种泵的抽速较大，效率也较高，但极限真空较低。
（3）双级水环泵双级水环泵大多是单作用泵串联而成。
实质上是两个单级单作用的水环泵的叶轮共用一根心轴联接而成。
它的主要特点是在较高真空度下，仍然具有较大的抽速，而且工作状况稳定。
（4）大气水环泵 大气水环泵实际是大气喷射器串联水环泵的机组。
水环泵前面串联大气泵是为了提高极限真空，扩大泵的使用范围。
水环泵和其它类型的机械真空泵相比有以下优点：
（1）结构简单，制造精度要求不高，容易加工。
操作简单，维修方便。
（2）结构紧凑，泵一般与电动机直联，转数较高。
用较小的结构尺寸，可以获得较大的排气量。
（3）泵腔内没有金属摩擦表面，无须对泵内进行润滑。
转动件和固定件之间密封可直接由水封来完成。
（4）泵腔内压缩气体过程温度变化很小，可认为是等温压缩，故可以抽除易燃、易爆的气体。
（5）由于没有排气阀及摩擦表面，故可以抽除带尘埃的气体、可凝性气体及气水混合物。
水环泵也有其缺点：
（1）效率低，一般在30％左右，较好的可达50％。
（2）真空度低。
这不仅是因为受到结构上的限制，更重要的是受工作液饱和蒸气压的限制。
总的说来，由于水环泵具有等温压缩和用水作封液，可以抽除易燃、易爆及腐蚀性气体，还可以抽除含有灰尘和水分的气体等突出优点，所以得到了广泛的应用。
（未完待续）
公式表
第三讲：
机械真空泵
（二）
张以忱
（东北大学）
四、油封式旋转机械真空泵
（一）油封机械真空泵工作原理
用油来保持运动部件的密封、靠泵腔容积变化而实现抽气的机械真空泵统称油封机械真空泵。
它们的工作原理都是使泵腔工作室容积机械地增大和缩小而抽气。
当泵腔内工作室容积变得最小时，与泵的入口管道连通，于是气体进入泵吸入腔，一直到吸入腔容积最大并重新与进气口分开时为止。
当容积减少时，气体被压缩，直到气体的压力大于一个大气压，排气阀被打开，将气体排出。
（二）用油作密封泵液的必要性
当前大量使用的机械真空泵，即使设计得最好，相向运动的零件间配合精度即使很高。
在泵达到极限真空时，也难以阻止气体由低真空端向入口端“突破”返流。
另外，由于泵在设计制造及装配中不可避免地存在有害空间，这也降低泵的极限真空度。
油封机械真空泵就是用油将相向运动的零部件和排气阀零件间密封起来；将有害空间充填，使得高压气体反“突破”的机会少得多，密封性能也就好得多，从而使泵能达到较高的真空度。
（三）油封机械真空泵的应用
油封式旋转机械真空泵按照结构型式可分为定片式、旋片式、滑阀式、余摆线式四种。
目前，油封机械真空泵是国内真空获得技术中应用最广的一种泵，它可单独用作低真空设备的排气用泵，也可用作高真空排气时的前级真空泵。
因此，它已在国民经济的很多部门，例如电真空、电子、轻化工、钢铁、有色冶炼等工业部门中发挥着越来越大的作用。
由于这类泵均装有气镇装置，故也可以抽除潮湿气体。
但现在还不适于抽除含氧过高、有爆炸性、对黑色金属有腐蚀性，对泵密封油起化学作用、及含有颗粒灰尘的气体。
目前，国内的许多研究单位和生产厂家正在设计和生产出抽除水蒸气和耐腐蚀的油封真空泵系列。
随着新技术、新材料的发展和应用，性能更好的、能满足各种工业需要的、适应能力强的各种油封机械真空泵必将生产出来。
（四）定片式真空泵
1．工作原理
定片式真空泵的典型结构及工作原理如图4所示。
在圆柱泵腔
（1）内有旋转的偏心转子
（2），在泵缸体上装有可以上下滑动的定片（3），借助于弹簧（4）的作用压向转子，将泵腔分隔成A、B两个空间。
随着转子旋转角度不同，两个空间体积交替增大或缩小，从而完成吸气和排气作用。
在泵的工作过程中，滑片作垂直往复运动，并在转子表面上滑动。
弹簧是通过一直角形杠杆（5）与滑片发生作用。
泵内的一切运动表面都覆盖着油层，形成吸气腔和排气腔之间的油封。
此外，油还充满了泵腔内的一切有害空间，以消除它们对极限真空的影响。
2．特点
定片式真空泵抽速较小，有单级、双级之分，双级泵的极限真空可达10-1Pa。
泵的结构简单、使用寿命较长和检修容易，但由于其工作性能不如旋片泵，所以目前已经很少生产和应用。
（五）旋片式真空泵
旋片式真空泵是目前使用最广，生产系列最全的泵种之一。
1．单级旋片泵结构与工作原理
如图5所示，单级旋片泵只有一个工作室。
泵主要由定子、旋片、转子组成。
在泵腔内偏心地装有转子，转子槽中装有两块旋片，由于弹簧弹力作用而紧贴于缸壁（转动后还有旋片离心力）。
转子和旋片将定子腔分成吸气和排气两部分。
当转子在定子腔内旋转时周期性地将进气口方面容积逐渐扩大而吸入气体，同时逐渐缩小排气口一侧的容积将已吸入的气体压缩并从排气阀排出。
排气阀浸在油里以防止大气流入泵中。
泵油通过油孔及排气阀进入泵腔，使泵腔内所有的运动表面被油覆盖，形成了吸气腔与排气腔之间的密封。
2．双级旋片泵的结构与工作原理
单级旋片泵一般极限压力只能达到1.3Pa（个别可达0.1Pa），为什么极限压力不能再低呢？
主要由于：
（1）泵的结构上存在有害空间（见图6），该空间中的气体是无法排除的。
当旋片转过排气口后，这一部分气体又被压缩，经过转子与泵腔间的缝隙又回到吸气空间，所以每次总有些气体排不尽。
（2）由于在泵工作时，泵腔的吸气空间与排气空间存在着一定的压力差。
当排气空间的气体被压缩得很小时，它的压力很高，会通过各种可能的途径突破到吸气空间去，使泵真空度下降。
（3）泵油在泵体内循环流动过程中会溶解进大量气体和蒸气。
在吸气侧，因为压力较低，溶解的气体又会跑出来，使泵的真空度不易提高。
为了提高泵的极限真空度，除了提高泵体、转子、旋片的加工精度，尽量减少装配间隙和有害空间以外，最有效的办法是将两只单级泵串接起来，组成双级泵。
图7为双级泵的工作原理图。
泵由两个工作室组成。
两室前后串联，同向等速旋转，A室是B室的前级，A是低真空级，B是高真空级。
被抽气体经高真空级（B室）进入前级，由排气阀排出泵外。
前级（A）和单级泵一样，随时有油进入泵腔，而高真空级（B）仅在开始工作时存有少量的油，工作一段时间后，便没有油进入泵腔了。
当泵开始工作，且吸入气体的压力较高时（例如从大气压力开始抽气），气体经B室压缩，压力急增，则被压缩的气体的一部分直接从辅助排气阀
（1）排出，另一部分则经由前级排出。
当泵工作一段时间后，B室吸入的气体压力较低时，虽经B室的压缩，压力也达不到一个大气压以上，排不开辅助排气阀
（1），则吸入的气体全部进入前级A室，经A室的继续压缩，由排气阀（3）排出。
泵工作一段时间后，由于高真空级进气时压力大大降低，其出口压力也很小，这样B室进出气口的压力差也较小，被压缩气体返回的数量也相应减少；同时，后级泵中易蒸发的油分子不断被前级A室抽走，油蒸气的分压减少了，因而双级泵的油污染比单级小，极限真空度将大大提高。
国前的双级旋片真空泵的极限压力可10-2pa，国外有的泵可达到10-3Pa。
3．高速直联旋片真空泵
高速直联旋片真空泵，简称直联泵。
它是旋片泵的一个新型分支产品。
老式的旋片泵出
现较早，是一种结构简单，应用量大面广的产品。
但是这种老结构的旋片泵转速低，大都在400r/min左右。
采用皮带传动减速，因而体积大，重量重。
欲使泵体小质轻，从泵的几何抽速的计算理论中可知，当抽速一定时，其主要手段是提高泵的转速。
欲提高真空泵的转速的主要关键是必须使直接承受高转速负荷的零件适应这种工况，即泵体和旋片的材质及转子的结构应适应转速提高后的工况。
1965年德国雷暴一海拉斯公司在原有旋片泵的基础上，对泵的结构、材料和工艺都作了重大改进，试制成功了高速直联旋片真空泵，为旋片泵的小型化、仪器化开辟了新的途径。
到七十年代初期，英国、美国、瑞士等国家也都相继有了直联泵系列产品。
国内的许多生产厂家从七十年代中期至今先后试制成功了不同型号的直联泵，目前已有抽速从0.5L/s～15L/s的系列产品。
直联旋片泵采取由电动机直接驱动泵转子，把转速提高到1400r/min以上。
这样可使泵的结构紧凑；体积显著缩小；重量减轻；泵的抽气性能提高；振动和噪音大大降低。
4．气镇原理、装置及其参量计算
为了从真空系统或真空容器中抽除可凝性气体，油封式机械泵普遍设有气镇装置。
（1）气镇的作用与原理
由于大气中都含有一定量的水蒸气，所以泵工作时所抽除的气体多是某些可凝性气体和永久性气体的混合物。
这种混合气体在泵内被压缩排气的过程中，如果可凝性气体的分压力超过了泵温下的饱和蒸气压，那么它们就会凝结并与泵油混合，随油一起循环。
当它们返回到高真空端时又重新蒸发变成蒸汽。
随着泵的运转，凝结物不断增加，使泵的极限真空和抽速降低。
当抽除的气体中湿度较大时，泵油的污染更加严重，使泵的密封、润滑和冷却性能变差，以至于经常更换新油。
气镇法是防止蒸汽凝结从而避免油污染的有效方法。
这种方法是将室温干燥的空气经气镇孔进入泵的压缩腔中与被抽气体相混合。
当把这种混合气体压缩到排气压力时，由于掺气作用使得其中的蒸汽分压能保持在泵温状态的饱和蒸气压以下，因而蒸汽不会凝结而与其它气体一起被排至泵外。
被抽气体中蒸汽的含量越多，掺入的干燥气体量就需越多。
图8描述了上述的气镇过程。
ab表示蒸汽吸入过程，蒸气的吸入压力为Pv。
对于气镇泵，吸气终了后，稍加压缩至b'点，开始向泵腔内掺气，并压缩至排气压力PT2，由b'c'表示。
然后泵等压排出混合气体，由c'f表示，对于非气镇泵，蒸汽吸入后被压缩到泵温时的饱和压力PST，以bc表示。
泵继续压缩，蒸汽逐渐液化，其过程由cd表示。
泵对液体（液化的蒸气及泵油）继续进行压缩，使压力突然上升到达排气压力PT2，如de所示。
最后液体被排至油箱中，与泵油相混，如ef所示。
在掺气过程中，可凝性气体的压缩达到c点时，空气与蒸气混合物的全压力就已达到排气压力，而此时，蒸气的分压力只达到PST。
但因全压力已达到排气压力，排气阀被推开进行排气，未凝结的蒸气保持气体状态被一起排至泵外。
这就是气镇泵的工作原理。
采取气镇方法，虽然达到了排除蒸气的目的，但由于掺气增加了大气突破漏入到吸气端的可能性，因此对泵的抽速与极限真空都有影响。
泵在掺气过程中，其极限真空要比不掺气时下降1～2个数量级。
一般在使用时，先使用气镇阀掺气排除可凝性气体。
等到蒸气基本抽除后，即可关闭气镇阀，继续抽气，经过一定时间后，就可达到不掺气时泵的极限真空了。
由于气镇方法主要是防止泵在压缩过程中蒸气的凝结，所以对那些从气相状态就能溶解在泵油中的蒸气的抽除效果就比较差。
加装了气镇装置的机械真空泵，还有自净化泵油的作用：
当泵油被少量凝结液污染后，只要将泵入口封死，然后打开气镇阀，经一定时间抽气运转，泵油便能恢复原来的性能。
（2）气镇参量计算
1）防止泵内凝结液生成的最小气镇量
假定：
a．泵腔内气体是按等温压缩过程进行的；b．在排气瞬时，可凝性气体的分压力刚好达到泵温下的饱和蒸气压；c．被抽气体全部是可凝性蒸气；d．掺入气体为干燥气体蒸气分压为零。
最小气镇速率B为：
（4—1）
Pυ——蒸气的吸入压力 Pa；
Pαt——掺气压力（大气压力）Pa；
PT2——排气压力 Pa；
PST——泵温下的饱和蒸气压力 Pa；
S1——泵的抽速 L／SI
如果气镇速率用气镇量G表示，则有（4—2）
2）最大允许的吸入水蒸气压力[Pυ]
当气镇速率B为已知值时，相应地确定了一个最大允许的吸入水蒸气压力[Pυ]
（4—3）
式中：
PL1——吸入气体中永久性气体的分压力；
PD——掺入气体中水蒸气分压力
其余同（4—1）式。
据（4—3）式分析可得出下面几种特例：
A．掺入气体为永久性气体，PD=0，则有：
（A）
B．吸入气体全部为水蒸气，PL1=0，而PD≠0，则有：
（B）
C．若PD=0；PL1=0，则有（C）
D．若B=0，即不掺入气体，则有（D）
说明在不掺气的情况下，泵本身也有一定抽除可凝性气体的能力。
从以上公式分析可得出下述结论；
A．当泵吸入的水蒸气压力P。
增高时即水蒸气含量较多，此时所需掺入的气镇量应该相应增加。
但气镇量不宜过大，过大容易产生串气，影响泵的性能。
B．当掺入的气镇量为定值时，为提高最大允许的吸入
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