CN101106845B - 电磁感应加热装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种对不同材质的被加热物供给所希望的电力来进行感应加热的电磁感应加热装置。在本发明的电磁感应加热装置中，通过以下来实现：逆变器具有由串联连接的至少两个开关元件构成的上下支路，该逆变器具备第一上下支路和第二上下支路、具备在第一上下支路的输出端子由加热线圈和第一共振电容器构成的第一共振负载电路、具备在第一上下支路与第二上下支路的输出端子之间由加热线圈和第一以及第二共振电容器构成的第二共振负载电路、并具备将第二共振负载电路从第二上下支路的输出端子分离的开关单元，第一共振电容器兼备第二上下支路的缓冲电容器的功能。

Description

电磁感应加热装置 

技术领域

本发明涉及一种对不同材质的被加热物供给希望的电力，来进行感应加热的逆变式的电磁感应加热装置。 

背景技术

近年来，不使用火对锅等被加热物进行加热的逆变式(inverter)的电磁感应加热装置被广泛地使用。电磁感应加热装置使高频电流流入加热线圈，在设置于线圈附近的金属材质的被加热物中产生涡流，通过被加热物自身的电阻而发热。一般地，在被加热物中，为磁性体且固有电阻大的铁容易被加热，而非磁性体且电阻较低的铜或铝等难以加热。 

作为解决该问题的现有技术，具有在特开平5-251172号公报中公开的电磁感应加热烹调器。该公知的例子由单一的加热线圈、以及还作为半桥电路方式发挥功能的全桥电路的高频逆变器构成，判断烹调锅是磁性锅还是非磁性锅，根据该结果将高频逆变器切换为半桥电路方式和全桥电路方式，来对不同材质的被加热物进行感应加热。 

【专利文献1】特开平5-251172号公报 

在专利文献1公开的现有技术中，在对非磁性锅进行加热时，逆变器切换为半桥电路方式，在两组上下支路中，第一上下支路进行辅助工作，第二上下支路中的上支路为常开(OFF)，下支路为常闭(ON)状态。因此，在第二上下支路的下支路中正负地流过大电流，产生损耗。 

此外，虽然可以将高频逆变器切换为全桥电路方式和半桥电路方式，但共振电容器被固定为与电路方式无关，因此驱动频率的设定范围存在限制。 

发明内容

本发明对于上述的课题，可以提供一种可对不同材质的被加热物高效地供给所希望的电力的逆变方式的电磁感应加热装置。 

为了达成上述课题，本发明的电磁感应加热装置，其具备共振负载电路、 以及将直流电源的直流电压转换为交流电压来对所述共振负载电路提供电力的逆变器，该逆变器具有由串联连接的至少两个开关元件构成的上下支路，其中，所述逆变器具有第一上下支路和第二上下支路，所述逆变器具备：第一共振负载电路，其在所述第一上下支路的输出端子具有对被加热物进行感应加热的加热线圈以及第一共振电容器；第二共振负载电路，其在所述第一上下支路与第二上下支路的输出端子之间具有所述加热线圈和所述第一以及第二共振电容器，以及将所述第二共振负载电路从所述第二上下支路的输出端子分离的开关单元，所述第一共振电容器具有所述第二上下支路的缓冲电容器的功能。 

而且，为了达成上述课题，本发明的电磁感应加热装置，其具备共振负载电路，以及将直流电源的直流电压转换为交流电压来对所述共振负载电路提供电力的逆变器，该逆变器具有由串联连接的至少两个开关元件构成的上下支路，其中，所述逆变器具有第一上下支路和第二上下支路，所述逆变器具备：第一共振电容器，在所述第一上下支路的输出端子上连接对被加热物进行感应加热的加热线圈的一端，该第一共振电容器与所述加热线圈的另一端以及所述直流电压的正负电极中的至少某一方连接；具有所述加热线圈以及所述第一共振电容器的第一共振负载电路；在所述加热线圈的另一端与所述第二上下支路的输出端子之间串联连接的第二共振电容器和开关单元；以及具有所述加热线圈和所述第一以及第二共振电容器的第二共振负载电路，所述第一共振电容器具有所述第二上下支路的缓冲电容器的功能。 

根据本发明，通过对应被加热物的材质以及设定火力来切换共振负载电路，可以高效地对被加热物提供所希望的电力。 

此外，因为可以将第一共振电容器兼作第二上下支路的缓冲电容器，所以可提供削减了部件数量的电磁感应加热装置。 

附图说明

图1是本发明第一实施方式的电磁感应加热装置的电路结构图。 

图2是图1的实施方式的电磁感应加热装置的动作波形。 

图3(a)是图1的实施方式的电磁感应加热装置的动作模式的状态说明图。 

图3(b)是图1的实施方式的电磁感应加热装置的动作模式的状态说明 图。 

图3(c)是图1的实施方式的电磁感应加热装置的动作模式的状态说明图。 

图3(d)是图1的实施方式的电磁感应加热装置的动作模式的状态说明图。 

图3(e)是图1的实施方式的电磁感应加热装置的动作模式的状态说明图。 

图3(f)是图1的实施方式的电磁感应加热装置的动作模式的状态说明图。 

图3(g)是图1的实施方式的电磁感应加热装置的动作模式的状态说明图。‘ 

图3(h)是图1的实施方式的电磁感应加热装置的动作模式的状态说明图。 

图3(i)是图1的实施方式的电磁感应加热装置的动作模式的状态说明图。 

图3(j)是图1的实施方式的电磁感应加热装置的动作模式的状态说明图。 

图4是本发明第二实施方式的电磁感应加热装置的电路结构图。 

图5是本发明第三实施方式的电磁感应加热装置的电路结构图。 

图6是本发明第四实施方式的电磁感应加热装置的电路结构图。 

图7是表示本发明的开关元件的电压和电流的关系的图表。 

图8是本发明第五实施方式的电磁感应加热装置的电路结构图。 

图9是本发明第六实施方式的电磁感应加热装置的电路结构图。 

图10是本发明第七实施方式的电磁感应加热装置的电路结构图。 

符号说明 

1、10直流电源，2二极管整流电路，3、4上下支路，5a～5d、32、42开关元件，6a～6d、33、43二极管，7a～7d、9、12、13、14、34、44电容器，8、31、41电感器，11加热线圈，20继电器，30升压斩波(chopper)电路，40降压断继电路，50、60共振负载电路，AC商用交流电源。 

具体实施方式

以下使用附图对本发明的实施例进行说明。 

(实施例1) 

图1是本发明第一实施方式的电磁感应加热装置的电路结构图。在图1中，在直流电源1的正电极与负电极之间连接有第一上下支路3和第二上下支路4，该第一上下支路3串联连接功率半导体开关元件5a和5b，该第二上下支路4串联连接5c和5d。在开关元件5a至5d上，分别逆方向地并联连接有二极管6a至6d，此外，在开关元件5a和5b上分别并联连接有缓冲电容器(snubber condenser)7a、7b。缓冲电容器7a、7b通过开关元件5a或5b断开时(turn off)的切断电流进行充电或者放电，通过对两个开关元件施加的电压的变化降低，来抑制断开损耗。在所述第一上下支路3的输出端子上连接了加热线圈11的一端，在加热线圈11的另一端与直流电源1的负电极之间连接第一共振电容器12，来构成了第一共振负载电路50。此外，在所述加热线圈的另一端与所述第二上下支路的输出端子之间连接了串联连接的第二共振电容器13和继电器(relay)20。通过加热线圈11、第一共振电容器12以及第二共振电容器13构成了第二共振负载电路60，对应被加热物的材质和设定火力来切换继电器20，由此可以切换所述第一共振负载电路50和第二共振负载电路60。 

在此，因为加热线圈11和被加热物(未图示)磁性结合，所以当把被加热物转换为从加热线圈11一侧来看的等价电路时，成为串联连接了被加热物的等价电阻与等价电感的结构。等价电阻以及等价电感因被加热物的材质而不同，在为非磁性体的、低电阻的铜或者铝时等价电阻以及等价电感全部较都低，在为磁性体的、高电阻的铁时全部都高。 

在图1中，在被加热物为铜或者铝时，断开所述继电器20，通过由所述第一上下支路3、加热线圈11以及第一共振电容器12构成的SEPP(SingleEnded Push-Pull)方式的逆变器进行加热。如上所述，由于非磁性体的、低电阻的被加热物的等价电阻小，所以为了得到希望的输出需要流过较大的电流。虽然在所述的现有技术中存在还在第二上下支路的下支路流过而电流产生损耗的问题，但在本实施例中，通过断开继电器20，因此不会在第二上下支 路4流过电流，不产生损耗。被加热物的表面电阻具有与频率的平方根成比例的特征，在对铜或者铝等低电阻的被加热物进行加热时，提高频率较为有效。因此，设定第一共振电容器12的容量，以便能够以例如大约90kHz的频率驱动第一上下支路3。 

在被加热物为铁时，接通所述继电器20，通过所示第一以及第二上下支路、加热线圈11、以及第一、第二共振电容器21、13构成的全桥方式的逆变器进行加热。如上所述，由于为磁性体的高电阻的被加热物的等价电阻大，因此电流难以流入共振负载电路。因此，通过切换为全桥方式，得到将逆变器的输出电压提高到2倍的所希望的输出。在为所述铜或者铝时，由于电阻小所以使逆变器的频率约为90kHz，提高表面电阻；但在为铁时，由于原本电阻就大，因此以大约20kHz的频率驱动所述第一、第二上下支路。如上所述，第一共振电容器12的容量与大约90kHz的驱动频率相符地进行设定，第二共振电容器13的容量与大约20kHz的驱动频率相符地进行设定。因为驱动频率的差异较大，所以第二共振电容器13的容量成为与第一共振电容器12相比足够大的值。因此，全桥方式的逆变器的共振频率主要根据第二共振电容器13来进行设定。虽然在所述现有的技术中存在共振电容器被固定为与电路方式无关、驱动频率的设定范围存在限制的课题，但在本实施例中，通过继电器20的切换，也可以切换共振电容器的容量。因此，可以扩大逆变器的驱动频率的设定范围，可以按照被加热物的材质以最佳的频率进行加热。 

然后，使用图2所示的动作波形以及图3所示的动作模式说明图对全桥方式的动作进行说明。在图2中，设流过开关元件5a、5b、5c、5d的电流分别为Ic5a、Ic5b、Ic5c、Ic5d，设对开关元件5a、5b、5c、5d施加的电压分别为Vc5a、Vc5b、Vc5c、Vc5d。此外，设流过缓冲电容器7a、7b的电流分别为Ic7a、Ic7b，设流过共振电容器12的电流为Ic12。设流过加热线圈11的线圈电流为IL11，把图1中从左向右的方向定义为正。 

(模式1) 

在图2中，在开关元件5a、5d处于接通状态，加热线圈11的电流为正时，成为模式1的状态。在图3(a)中，当接通开关元件5a、5d，加热线圈11的积蓄能量为0时，线圈电流IL11的极性由负变为正，电流在主路径以及线圈 电流IL11的一部分分流到共振电容器12的路径中流动。主路径是从直流电源1在开关元件5a、加热线圈11、共振电容器13、继电器20、以及开关元件5d中流动的路径。因为共振电容器13的容量与共振电容器12的容量相比足够大，因此大部分的电流在共振电容器13中流动。 

(模式2) 

然后，当断开开关元件5a、5d时，如图3(b)所示，线圈电流IL11具有正极性，电流在缓冲电容器7a、加热线圈11、共振电容器12的路径，以及缓冲电容器7b、加热线圈11、共振电容器12的路径中流动。缓冲电容器7a被充电，开关元件5a的电压Vc5a如图2所示缓缓上升，另一方面，由于缓冲电容器7b被放电，开关元件5b的电压Vc5b缓缓降低。 

由于线圈电流IL11流入共振电容器12对其充电，所以经由共振电容器13连接的开关元件5d的电压Vc5d缓缓上升，开关元件5c的电压Vc5c下降。 

在此，共振电容器12在全桥方式的逆变器中，兼备第二上下支路4的缓冲电容器的作用。 

(模式3) 

之后，如图2所示，开关元件5d的电压Vc5d达到直流电源1的电压，当对二极管6c施加顺方向的电压时，线圈电流IL11如图3(c)所示，在加热线圈11、共振电容器13、继电器20、二极管6c、缓冲电容器7a的路径，加热线圈11、共振电容器13、继电器20、二极管6c、缓冲电容器7b的路径，以及加热线圈11、共振电容器12、缓冲电容器7b的路径中继续流动。 

(模式4) 

然后，如图2所示，开关元件5a的电压Vc5a达到直流电源1的电压，当对二极管6b施加顺方向的电压时，线圈电流IL11如图3(d)所示，在加热线圈11、共振电容器13、继电器20、二极管6c、二极管6b的路径，以及加热线圈11、共振电容器12、二极管6b的路径中继续流动。在该期间，虽然接通开关元件5b、5c，但在线圈电流IL11的积蓄能量变为0之前，在二极管6b、6c中继续流动。 

在此，由于缓冲电容器7a、7b以及共振电容器12的值，存在二极管6b早于二极管6c导通的情况。此时，在(模式2)之后，如图3(d)所示，电 流在加热线圈11、共振电容器12、二极管6b的路径中流动，之后，电流在图3(e)那样的路径中流动。 

(模式5) 

当加热线圈11的积蓄能量成为0时，加热线圈11的极性从正变化为负，如图3(f)所示，电流在主路径以及线圈电流IL11的一部分分流到共振电容器12的路径中流动。主路径是从直流电源1在开关元件5c、继电器20、共振电容器13、加热线圈11、以及开关元件5b中流动的路径。如上所述，因为共振电容器13的容量与共振电容器12的容量相比足够大，因此大部分的电流在共振电容器13中流动。 

(模式6) 

然后，当断开开关元件5b、5c时，如图3(g)所示，线圈电流IL11具有负极性，电流在共振电容器12、加热线圈11、缓冲电容器7a的路径，以及共振电容器12、加热线圈11、缓冲电容器7b的路径中流动。缓冲电容器7a被放电，开关元件5a的电压Vc5a如图2所示缓缓降低，另一方面，由于缓冲电容器7b被冲电，所以开关元件5b的电压Vc5b缓缓上升。 

由于线圈电流IL11流入共振电容器12对其放电，所以经由共振电容器13连接的开关元件5d的电压Vc5d缓缓降低，开关元件5c的电压Vc5c上升。 

如上所述，共振电容器12兼备第二上下支路4的缓冲电容器的作用。 

(模式7) 

之后，如图2所示，开关元件5c的电压Vc5c达到直流电源1的电压，当对二极管6d施加顺方向的电压时，线圈电流IL11如图3(h)所示，在二极管6d、继电器20、共振电容器13、加热线圈11、缓冲电容器7a的路径，二极管6d、继电器20、共振电容器13、加热线圈11、缓冲电容器7b的路径，以及加热线圈11、缓冲电容器7b、共振电容器12的路径中继续流动。 

(模式8) 

然后，如图2所示，开关元件5b的电压Vc5b达到直流电源1的电压，当对二极管6a施加顺方向的电压时，线圈电流IL11如图3(j)所示，在二极管6d、继电器20、共振电容器13、加热线圈11、二极管6a的路径，以及共振电容器12、加热线圈11、二极管6a的路径中继续流动。在该期间，虽然接 通开关元件5a、5d，但在线圈电流IL11的积蓄能量变为0之前，在二极管6a、6d中继续流动。 

在此，由于缓冲电容器7a、7b以及共振电容器12的值，存在二极管6b早于二极管6c导通的情况。此时，在模式6之后，如图3(i)所示，电流在共振电容器12、加热线圈11、二极管6a的路径中流动，之后，电流在图3(j)那样的路径中流动。 

如上所述，通过反复进行上述的动作，可以将直流电源1作为电源对加热线圈11提供高频电流，通过由加热线圈11产生的磁通对被加热物进行感应加热。如本实施例那样，流入加热线圈的电流通过结合加热线圈与锅的等价电感以及共振电容器成为正弦波状。这样的电流共振型逆变器为了使线圈电流与逆变器的输出电压相比成为延迟相位，将驱动频率设定得高于共振频率来进行驱动。因为电流成为延迟相位，所以在接通各开关元件时，可以在开关元件的电压为0伏特时进行开关(以后称为ZVS)，不会产生接通损耗。 

(实施例2) 

图4是本发明第二实施方式的电磁感应加热装置的电路结构图。对与图1相同的部分赋予相同的符号，并省略其说明。在图4中，在第一上下支路3的输出端子上连接加热线圈11的一端，在加热线圈的另一端与直流电源1的正电极之间连接有第三共振电容器14。在被加热物为铜或者铝时，断开继电器20，通过由所述第一上下支路3、加热线圈11以及第一、第三共振电容器12、14构成的半桥方式的逆变器进行加热。如上所述，在对低电阻的被加热物进行加热时，提高频率较为有效，所以设定第一、第三共振电容器12、14的容量，以便能够以例如大约90kHz的频率对第一上下支路3进行驱动。 

在被加热物为铁时，接通所述继电器20，通过由所述第一以及第二上下支路、加热线圈11以及第一、第二、第三共振电容器12、13、14构成的全桥方式的逆变器进行加热。如上所述，第一共振电容器12在全桥方式的逆变器中兼备第二上下支路4的缓冲电容器的作用，第三共振电容器14也同样兼备第二上下支路4的缓冲电容器的作用。 

(实施例3) 

图5是本发明第三实施方式的电磁感应加热装置的电路结构图。对与图1 相同的部分赋予相同的符号，并省略其说明。在图5中，与所述图1的不同点在于，在第二上下支路4的开关元件5c、5d上分别并联连接了缓冲电容器7c、7d。如上所述，第一共振电容器12启到第二上下支路4的缓冲电容器的作用，在到共振电容器12和第二上下支路4为止的布线电感较大时，有时对开关元件5c、5d施加较高的电涌电压。因此，希望在开关元件5c、5d附近并联地设置缓冲电容器。 

(实施例4) 

图6是本发明第四实施方式的电磁感应加热装置的电路结构图。对于与图1相同的部分赋予相同的符号，并省略其说明。在所述实施例中，可以通过控制上下支路3、4的驱动频率和直流电源1的电压，来调整提供给被加热物的电力。在本实施例中，表示了用于从商用交流电源得到直流电压的直流电源1的电路结构。在图6中，将商用交流电源AC施加给二极管整流电路2，在进行了全波整流之后，经由使用电感器8以及电容器9构成的滤波器施加给升压斩波(chopper)电路30。升压斩波电路30由电感器31、开关元件32、二极管33以及电容器34构成，在开关元件32接通的期间，将商用交流电源电压施加给电感器31来积蓄能量，在为断开的期间，经由二极管33对电容器34放出能量。为了降低商用交流电源的输入电流中包含的高频成分，控制开关元件32的接通期间以使输入电流波形成为正弦波，同时控制电容器34的输出电压。在此，在对铜或铝等低电阻的被加热物进行加热时，如上所述等价电阻小，因此希望通过增加加热线圈的匝数或高频化来提高等价电阻。但是，由于装置的形状和可以使用的频带的限制，都会产生界限。由加热线圈以及共振电容器构成的串联共振电路根据等价电阻，表示共振锐度的电路的Q进行变化，在等价电阻小时Q较大，流入共振电路的电流也变大。如本实施例这样，在流入共振电路的电流成为正弦波状的电流共振型的逆变器中，可以通过使驱动频率高于共振频率来限制共振电流。当共振频率与驱动频率的差较大时，逆变器的输出电压和共振电流的相位差变大，上下支路的切断电流增大，所以开关损耗增大。因此，希望以接近共振频率的频率驱动逆变器、减小切断电流，应该降低直流电压来限制共振电流。在本实施例中，为了降低输入电流的高次谐波设置了如上所述的升压斩波电路30，电容器34的电压下限值高于商用交流电 源的电压峰值。因此，如图6所示，通过设有由电感器41、开关元件42、二极管43以及电容器44构成的降压斩波电路40，可以降低直流电压，并可以限制共振电流。此外，降压斩波电路40可以通过控制开关元件42的接通时间占空比(duty)来改变电容器44的电压，因此可通过该电压变化进行电力控制。 

在本实施例中，在将升压斩波电路30的输出电压的最大值例如设为360V时，在升压斩波电路30、降压斩波电路40以及上下支路3、4中使用的各个开关元件的耐压取20％的安全系数，450V左右即可。图7表示作为开关元件一般使用的IGBT的集电极·发射极之间的电压Vce和集电极电流Ic的关系。图中的(a)是耐压600V的元件的特性，(b)是耐压450V的元件的特性，当在Ic为50A的情况下进行比较时，当耐压从600V下降为450V时，Vce从1.85V下降到1.3V。因此，通过Vce降低了0.55V，元件的损耗减少并可以提高效率。即使在作为开关元件使用了MOSFET时，也得到同样的效果。 

(实施例5) 

图8是本发明第五实施方式的电磁感应加热装置的电路结构图。 

对于与图1相同的部分赋予相同的符号，并省略其说明。在图8中与图1的不同点在于，将上下支路4连接在上流电源10的正电极与负电极之间。这样，可对上下支路3、4施加各个任意的电源电压，因此可根据被加热物的材质和设定火力进行细微的电力控制。 

(实施例6) 

图9是本发明第六实施方式的电磁感应加热装置的电路结构图。虽然在所述图7的实施例中将第一以及第二上下支路连接在降压斩波电路40的输出端子之间，但在本发明中将第二上下支路连接在升压斩波电路30的输出端子之间。由此，在驱动第二上下支路对共振负载电路供给电流时，因为使降压斩波电路40旁通(bypass)，所以可降低在降压斩波电路40中的损耗。 

(实施例7) 

图10是本发明第七实施方式的电磁感应加热装置的电路结构图。虽然在上述的实施例中将第二上下支路连接在升压斩波电路30的输出端子之间，但在本发明中连接在滤波器用电容器9的两端。由此，在驱动第二上下支路对共 振负载电路供给电流时，因为使升压斩波电路30与降压斩波电路40旁通，所以可以降低在升压斩波电路30以及降压斩波电路40中的损耗。 

产业上的利用 

本发明可以作为热源的电源用于如下多个方面：例如以一般家庭用或者商业用的感应加热烹调器为代表，还包括产生温水、低温/高温水蒸气生成装置、金属的熔解、以及复印机固定碳粉用的热复印滚筒等多个领域。 

Claims (8)

1.一种电磁感应加热装置，其具备共振负载电路、以及将直流电源的直流电压转换为交流电压来对所述共振负载电路提供电力的逆变器，该逆变器具有由串联连接的至少两个开关元件构成的上下支路，其特征在于，

所述逆变器具有第一上下支路和第二上下支路，

所述逆变器具备：

第一共振负载电路，其在所述第一上下支路的输出端子具有对被加热物进行感应加热的加热线圈以及第一共振电容器；以及

第二共振负载电路，其在所述第一上下支路与第二上下支路的输出端子之间具有所述加热线圈和第二共振电容器以及开关单元，

所述第一共振电容器，在接通所述开关单元时构成全桥电路方式的情况下具有所述第二上下支路的缓冲电容器的功能，在断开所述开关单元时构成半桥电路方式的情况下具有所述第一共振负载电路的共振电容器的功能，

所述第二共振电容器的容量比所述第一共振电容器的容量大。

2.根据权利要求1所述的电磁感应加热装置，其特征在于，

所述第一上下支路与第一直流电源连接，所述第二上下支路与第二直流电源连接。

3.根据权利要求1所述的电磁感应加热装置，其特征在于，

所述直流电源具备：对商用交流电源进行整流的整流电路；由电感器和电容器构成的滤波器；以及根据所述滤波器的输出生成任意直流电压的斩波电路，

该斩波电路具备半导体开关元件、电感器、电容器以及二极管，

使该斩波电路的开关元件的接通时间占空比变化来生成任意的直流电压。

4.根据权利要求3所述的电磁感应加热装置，其特征在于，

所述斩波电路由对商用交流电源的输入电流中包含的高次谐波成分进行抑制、同时改善功率因数的升压斩波电路，以及根据来自该升压斩波电路的输出生成任意的直流电压的降压斩波电路构成。

5.根据权利要求4所述的电磁感应加热装置，其特征在于，

所述第二上下支路的电源的电压是所述升压斩波电路的输出电压。

6.根据权利要求4所述的电磁感应加热装置，其特征在于，

所述第二上下支路的电源的电压是所述滤波器的输出电压。

7.根据权利要求4所述的电磁感应加热装置，其特征在于，

使所述升压斩波电路的输出电压为400V以下，使所述上下支路、升压斩波电路以及降压斩波电路中使用的开关元件的耐压为从400V到500V。

8.根据权利要求1所述的电磁感应加热装置，其特征在于，

所述第一以及第二上下支路的开关元件并联地具备缓冲电容器。

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