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JP7020276B2 - ポンプ - Google Patents

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Description

本発明は、シュラウドを有したクローズド型のポンプロータの部位での流体の逆流を抑制するための構造を有したポンプに関する。
上記構成のポンプとして特許文献1には、ケーシングの内部に固定された軸部材に回転自在にポンプロータ(文献ではロータ)が支承され、ポンプロータのインシュレータの中央の筒状部の外周面をケーシングの内面に近接させると共に、筒状部の外面に多数の環状溝を有するラビリンス構造を備えることでシール性の向上を図る技術が示されている。
また、特許文献2では、キャンドモータの駆動力により回転するポンプロータ(文献では羽根車)のシュラウド(文献では前部シュラウド)と、ケーシングとの間にシール部を備える技術が示されている。
この特許文献2では、シール部が、インシュレータの外面とケーシングの内面との間に配置される環状の部材で構成されている。
特開2016-23635号公報 特開2009-221938号公報
特許文献1,2に示されるポンプでは、ポンプロータの回転に伴いポンプロータの回転軸芯に沿って流体を吸引すると共に、ポンプロータの回転に伴う遠心力を利用して回転軸芯に直交する方向に流体を送り出すように構成されている。
また、特許文献1,2に示されるポンプでは、シュラウドのうち流体を吸引する中心部位が低圧となり、流体を吐出するポンプロータの外周部位が高圧となるため、例えば、シュラウドの外周とケーシングとの間のシール性能が低い場合には、ポンプロータの外周からシュラウドの中心側に流体が流れる現象を招き、ポンプ性能を低下させるものであった。
シール性能について考えると、特許文献1に示されるように、インシュレータの筒状部の外周面にラビリンス構造を備えるものでは、シール性能を高めるために、筒状部の外周面のケーシングの内面との間隙を小さく設定することが肝要になるものの、小さい間隙を高い精度で維持することに困難性を伴うものであった。
また、特許文献2に示されるようにシール部を用いるものでは、ポンプロータの回転に抵抗を作用させないための間隙を形成するようにシール部に高い寸法精度が求められる。
特に、ポンプを構成する各パーツの公差を考えると、例えば、インシュレータの外周面と、ケーシングの内面との間隔を所定の値に設定する場合でも、例えば、ポンプロータの公差、ポンプロータを支持する軸受類の公差、あるいは、ケーシングの公差等が積み重なる結果、間隔を適正な値に維持することが困難になるものであった。このような不都合は、特許文献2に示されるようにシール部を用いる場合には、シール部の公差の影響も受けることになり改善の余地がある。
このような理由から、ポンプロータの部位での流体の逆流を抑制するための間隙を高精度で管理できるポンプが求められる。
本発明に係るポンプの特徴構成はケーシングの内部に回転軸芯と同軸芯で固定シャフトが備えられ、前記固定シャフトに対し回転自在にポンプロータが支持され、前記固定シャフトのうち前記ポンプロータより外端側に環状のライナー部が支持され、前記ライナー部の内側を通過して吸入した流体を前記ポンプロータに送り、この流体を前記ポンプロータの外周から外方に送り出すように流路が形成されると共に、前記ポンプロータが、前記回転軸芯に沿う方向で前記ライナー部に対向する位置にシュラウドを配置したクローズド型であり、前記ライナー部が、前記固定シャフトの外端に嵌合するセンタホルダ、及び、前記ケーシングに形成された嵌合凹部に内嵌する嵌合リングを有しており、前記シュラウドの中央部に形成された筒状部の外周面と、前記嵌合リングの内周面とを近接配置している点にある。
この特徴構成によると、固定シャフトに対して回転軸芯に直交する方向(半径方向)でのポンプロータの位置が決まるためシュラウドの筒状部の位置が決まる。また、固定シャフトに対してライナー部の嵌合リングの回転軸芯に直交する方向(半径方向)での位置が決まる。その結果、例えば、複数の部材を当接することで位置決めを行う構成と比較すると、複数の部材の公差に影響されず、固定シャフトを基準にしてシュラウドの筒状部の外周面と、嵌合リングの内周面と位置が決まることになり、これらを高い精度で近接配置することによりシール性能を得ることができる。
従って、ポンプロータの部位での流体の逆流を抑制するための間隙を高精度で管理できるポンプが構成された。
他の構成として、前記嵌合凹部に対し前記ライナー部が前記回転軸芯に沿う方向に移動自在に嵌め込まれても良い。
これによると、ライナー部の嵌合リングを、嵌合凹部に対し回転軸芯に沿う方向に挿入することでライナー部の装着を容易に行え、例えば、挿入量の調節により、回転軸芯に直交する方向視においてシュラウドの筒状部との重複量の設定も可能となる。
他の構成として、前記筒状部の外周面と前記嵌合リングの内周面との間の間隙が、この間隙での流体の流れを抑制するシール機能を有しても良い。
これによると、シール間隙を小さい値にすることにより、嵌合リングとシュラウドの筒状部との間での流体の流れを抑制できる。
他の構成として、前記筒状部の外周面と前記嵌合リングの内周面との間の第1離間距離が、前記嵌合凹部の内周面と前記嵌合リングの外周面の間の第2離間距離より小さく設定されても良い。
この構成では、筒状部の外周面と嵌合リングの内周面との間の第1離間距離を、流体の流が抑制される値に設定した状態において、例えば、ライナー部の嵌合リングの端面(回転軸芯に沿う方向での端面)をケーシングの内面に当接させることにより、この端面での流体の流を阻止することが可能となる。このような理由から、第2離間距離を第1離間距離より大きくすることが可能となり、第2離間距離を比較的大きい値に設定することによりケーシングに対するライナー部の挿入を容易にする。
他の構成として、前記ライナー部が、前記センタホルダと、前記嵌合リングとを繋ぐ中間リブを備えても良い。
これによると、例えば、ポンプにおいて流体を吸入する部位にライナー部を配置するように構成した場合には、センタホルダと嵌合リングとを中間リブで繋ぐことで一体化させ、センタホルダと嵌合リングとの間の空間に流体を流すことが可能となる。
ロータが回転する状態でのウォータポンプの断面図である。 第2ケーシングとライナー部とポンプロータとを分離状態の断面図である。 ロータが回転する状態での筒状部と嵌合リングと膨出部との位置関係を示す断面図である。 固定シャフトとセンタホルダとの分離状態の斜視図である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
〔全体構成〕
図1には、モータ部Mの駆動力により回転軸芯Xを中心に回転するポンプロータ43をケーシングCに収容し、冷却水(流体の一例)を吸入する吸入筒23と、吸入した冷却水を送り出す吐出筒25(流路の一例)とをケーシングCに備えたポンプの具体例として、ウォータポンプPが示されている。
このウォータポンプPは、ポンプロータ43の回転に伴い吸入筒23から冷却水をポンプ空間Spに吸入すると共に、吸入した冷却水を吐出筒25からポンプロータ43の接線方向に送り出す遠心ポンプとして構成されている。
このウォータポンプPは、自動車等の車両においてエンジンとラジエータとの間で冷却水を循環させる形態で用いられる。尚、この構成のポンプは、ウォータポンプPに限らず、他の流体を送り出すポンプとして構成することも可能である。
〔ポンプの具体構成〕
このウォータポンプPは、任意の姿勢で使用できるものであるが、本実施形態では、図1に示す姿勢に基づいて上下関係を説明する。
図1に示すように、ケーシングCは、樹脂製の第1ケーシング10と、樹脂製の第2ケーシング20と、樹脂製の第3ケーシング30を連結して構成されている。ケーシングCには、第1ケーシング10の内部に形成されるロータ空間Srから第2ケーシング20の内部に形成されるポンプ空間Spに亘る空間にロータ40が収容されている。
第1ケーシング10と、第2ケーシング20とを水密状態で連結するため、第1ケーシング10と第2ケーシング20とが対向する部位には、各々に対応して第1フランジ部11と第2フランジ部21とが形成され、これらがビス1により連結され、密封性を高めるため連結面には樹脂製のシール2が挟み込まれている。
図1に示すように第1ケーシング10は、回転軸芯Xと同軸芯で有底のロータ空間Srを有し、このロータ空間Srを取り囲む側壁部12にステータ13を埋め込んでいる。また、ロータ空間Srには、基端部分を第1ケーシング10の底壁部分にインサートする形態で回転軸芯Xと同軸芯で固定シャフト14を備えている。
ステータ13は、磁性鋼板を積層したコア13aと、このコア13aに巻回される導線で成るコイル13bとを備えている。このステータ13は、第1ケーシング10の側壁の内部に樹脂ポッティングにより埋め込まれている。固定シャフト14は、断面形状が円形であり、先端が第2ケーシング20のポンプ空間Spに達するように軸長が設定されている。
図1に示すように第2ケーシング20は、回転軸芯Xと同軸芯で筒状となる膨出部22が上方に突出形成され、図2に示すように膨出部22の上壁22bから回転軸芯Xと同軸芯で上方に突出する吸入筒23が形成されている。また、第2ケーシング20には、膨出部22の内部に形成されたポンプ空間Spを取り囲む環状空間から接線方向に流体を送り出す姿勢で吐出筒25が形成されている。特に、図2に示すように膨出部22の円筒状の内面となる空間で嵌合凹部22aが形成されている。
図1に示すように第3ケーシング30は、制御基板31を収容する空間を形成するため、中央部が下方に膨らむ椀状に成形されている。この第3ケーシング30は、第1ケーシング10の底部に連結しており、密封性を高めるため連結面には樹脂製のシール2が挟み込まれている。
第1ケーシング10の下部には、下方に突出する支持部15が形成され、この支持部15に制御基板31が支持されている。
図1に示すようにロータ40は、固定シャフト14に対して回転自在に外嵌された軸受41を備えると共に、下部のモータロータ42と、上部のクローズド型のポンプロータ43とを一体化して構成されている。
軸受41は、固定シャフト14との滑り軸受を想定しているが、ニードルベアリング等で構成しても良い。また、モータロータ42の外周には複数の永久磁石42aを備えている。
ポンプロータ43は、中心側ほど上方に突出する形状のベースロータ43aと、ベースロータ43aの上面側に所定間隔を隔てて固定されるシュラウド43bと、これらの中間のインペラ43cとを備えている。更に、シュラウド43bは、上端に回転軸芯Xを中心とする筒状部43baが一体形成されている。
尚、インペラ43cは、シュラウド43bの下面側に一体的に形成された翼体で構成されるが、ベースロータ43aの上面に突出する状態で一体的に形成されても良い。
図1、図2に示すように、固定シャフト14の上端にブッシュ44が外嵌し、このブッシュ44にライナー部45が外嵌する状態で支持されている。
ライナー部45は、固定シャフト14の上端に嵌合するセンタホルダ45aと、第2ケーシング20の嵌合凹部22aに内嵌する嵌合リング45bと、センタホルダ45aと嵌合リング45bとを繋ぐ複数の中間リブ45c(図4を参照)とを備えている。
図1、図2、図4に示すように、固定シャフト14には、その上端の外周の一部を切り欠くことにより回転軸芯Xに直交する姿勢の位置規制面14aと、回転軸芯Xに沿う姿勢の回転規制面14bとが形成されている。ロータ40の回転が停止する状態で位置規制面14aにセンタホルダ45aの当接面45asが当接することにより、ライナー部45の回転軸芯Xに沿う方向での位置を決める。また、回転規制面14bにセンタホルダ45aの回転規制部45arを嵌合させることで、ライナー部45の回転を規制する。
このライナー部45の嵌合リング45bは、上部の規制リング部45baと、下部のスリーブ部45bbとが一体形成されると共に、スリーブ部45bbの下端位置に下端面45bcを有し、規制リング部45baの上端位置に上端面45bdを有している。
規制リング部45baは、その内径がスリーブ部45bbの内径より小径に設定されている。また、嵌合リング45bの外径(規制リング部45baからスリーブ部45bbに亘る領域の外径)が、膨出部22の内径より少し小さい値に設定されている。更に、筒状部43baの外径をスリーブ部45bbの内径より僅かに小さい値に設定することにより、これらを近接配置して間隙を形成しており、この間隙により冷却水の流れを抑制するシール機能部Aが構成されている。
〔シール機能部〕
このウォータポンプPは、ポンプロータ43の駆動回転に伴い、このポンプロータ43の中心部位から外周側に向けて冷却水の流れを作り出す。これにより、ポンプロータ43の中心部位の圧力が低下し、吸入筒23から冷却水が吸入されると共に、ポンプ空間Spのうちポンプロータ43の外周に近接する部位の圧力が上昇し、ポンプ空間Spの冷却水が吐出筒25から送り出される。
このようにポンプ空間Spに圧力差が作り出されるため、ポンプ空間Spのうち、ポンプロータ43の外周に連なる部位から、シュラウド43bの筒状部43baの先端の開口部位に向けて、シュラウド43bと第2ケーシング20との間に冷却水を逆流させる方向に圧力が作用する。
また、圧力の作用により冷却水が逆流した場合には、ウォータポンプPの効率を低下させることになる。このような理由から逆流を抑制する目的で、前述したシール機能部Aが形成される。
図3に示すように、シール機能部Aは、シュラウド43bの筒状部43baの外周面と、嵌合リング45bのスリーブ部45bbの内周面との間の間隔を第1離間距離Daとして小さい値に設定することでシール機能を作り出している。また、嵌合リング45bの外周面と、膨出部22の内周面との間の間隔を第2離間距離Dbとしており、この第2離間距離Dbを前述した第1離間距離Daより大きい値に設定している。
この構成では、嵌合リング45bが膨出部22の嵌合凹部22aに嵌め込まれるように、ライナー部45が配置され、ロータ40が回転した場合には、冷却水の水圧が下側から作用することにより、ライナー部45の全体が浮き上がる。これにより嵌合リング45bも浮き上がり、図1、図3に示すように嵌合リング45bの上端面45bdが膨出部22の上壁22bの下面に当接することになる。
尚、ロータ40が回転しない状況では冷却水の水圧が作用しないため、嵌合リング45bの下端面45bcがシュラウド43bの上面に当接し、この状態では、嵌合リング45bの上端面45bdと、膨出部22の上壁22bの下面との間に間隙が形成される。
また、第2離間距離Dbを第1離間距離Daより大きい値に設定するため、ウォータポンプPの組み立て時に膨出部22に対して嵌合リング45bの挿入を容易に行える。
このウォータポンプPでは、ケーシングCの内部に固定シャフト14にロータ40が固定状態で支持されるため、回転軸芯Xを基準にした半径方向での筒状部43baの外周面の位置が決まる。また、固定シャフト14にライナー部45が支持されるため、回転軸芯Xを基準にした半径方向での嵌合リング45bのスリーブ部45bbの内周面の位置が決まる。
このように、各々の位置が固定シャフト14を基準に決まるため、例えば、複数の部材の公差の影響を受ける構成と比較すると、筒状部43baの外周面と嵌合リング45bのスリーブ部45bbの内周面とを高い精度で近接させることが可能となる。そして、ロータ40が回転する状況では、嵌合リング45bの上端面45bdが膨出部22の上壁22bの下面に当接することで嵌合リング45bの外周面に冷却水が流れる現象を阻止する。また、ロータ40が回転する状況では、嵌合リング45bの内周に冷却数が流れようとするものの、この部位のシール機能部Aの第1離間距離Daが小さい値の間隙であるため冷却水の逆流を良好に抑制する。
このウォータポンプPでは、固定シャフト14の位置規制面14aに対し、センタホルダ45aの当接面45asが当接することにより、ライナー部45の回転軸芯Xに沿う方向での位置が決まるため、例えば、ロータ40が低速で回転する際のように、ロータ40に浮力が作用しない場合でも、嵌合リング45bの上端面45bdを膨出部22の上壁22bの下面に近接させることで高いシール機能を持たせることも可能である。
〔実施形態の作用効果〕
このような構成から、モータ部Mのステータ13のコイル13bに供給する電力を、制御基板31で制御することにより、モータロータ42の永久磁石42aに対しコイル13bから作用する磁力を制御してロータ40の回転が行われる。
ロータ40には、遠心型のポンプロータ43を備えているため、ポンプロータ43の回転に伴い吸入筒23から吸入した冷却水を、吐出筒25から吐出する。
この構成では、固定シャフト14にロータ40が支持されるため、回転軸芯Xを基準にした筒状部43baの外周面の位置が決まる。また、固定シャフト14にライナー部45が支持されるため、回転軸芯Xを基準にした規制リング部45baの内周面の位置が決まる。
このため、各々の位置が決まるため筒状部43baの外周面と規制リング部45baの内周面とを近接させることが可能となり、第1離間距離Daを小さい値に設定して冷却水の流れを良好に抑制している。
本発明は、シュラウドを有したクローズド型のポンプロータの部位での流体の逆流を抑制するためのシール部を有したポンプに利用できる。
14 固定シャフト
14a 規制面
22a 嵌合凹部
25 吐出筒(流路)
43 ポンプロータ
43b シュラウド
43ba 筒状部
45 ライナー部
45a センタホルダ
45b 嵌合リング
45c 中間リブ
A シール部
C ケーシング
X 回転軸芯
Da 第1離間距離
Db 第2離間距離

Claims (5)

  1. ケーシングの内部に回転軸芯と同軸芯で固定シャフトが備えられ、前記固定シャフトに対し回転自在にポンプロータが支持され、前記固定シャフトのうち前記ポンプロータより外端側に環状のライナー部が支持され、前記ライナー部の内側を通過して吸入した流体を前記ポンプロータに送り、この流体を前記ポンプロータの外周から外方に送り出すように流路が形成されると共に、
    前記ポンプロータが、前記回転軸芯に沿う方向で前記ライナー部に対向する位置にシュラウドを配置したクローズド型であり、
    前記ライナー部が、前記固定シャフトの外端に嵌合するセンタホルダ、及び、前記ケーシングに形成された嵌合凹部に内嵌する嵌合リングを有しており、
    前記シュラウドの中央部に形成された筒状部の外周面と、前記嵌合リングの内周面とを近接配置しているポンプ。
  2. 前記嵌合凹部に対し前記ライナー部が前記回転軸芯に沿う方向に移動自在に嵌め込まれている請求項1に記載のポンプ。
  3. 前記筒状部の外周面と前記嵌合リングの内周面との間の間隙が、この間隙での流体の流れを抑制するシール機能を有している請求項1又は2に記載のポンプ。
  4. 前記筒状部の外周面と前記嵌合リングの内周面との間の第1離間距離が、前記嵌合凹部の内周面と前記嵌合リングの外周面の間の第2離間距離より小さく設定されている請求項3に記載のポンプ。
  5. 前記ライナー部が、前記センタホルダと、前記嵌合リングとを繋ぐ中間リブを備えている請求項1~4のいずれか一項に記載のポンプ。
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