CN103797325A - 热能存储和回收机构 - Google Patents

Abstract

描述了一种热能存储和回收机构。该机构包括第一热能存储器、联接至第一热能存储器的压缩和膨胀单元、和联接至压缩和膨胀单元的第二热能存储器。第一热能存储器和第二热能存储器适于在等于或大于热能存储和回收机构的环境温度的温度处工作。在充能模式中，所述第一热能存储器适于接收向热能存储和回收机构供应的工作介质并向接收到的工作介质释放热能，所述压缩和膨胀单元适于接收来自第一热能存储器的工作介质并压缩工作介质，所述第二热能存储器适于接收来自压缩和膨胀单元的被压缩工作介质、接收来自被压缩工作介质的热能并存储该能量的至少一部分，并且所述压缩和膨胀单元适于接收来自第二热能存储器的被压缩工作介质并使被压缩工作介质膨胀。

Description

热能存储和回收机构

技术领域

本发明涉及临时存储热能的领域。具体地，本发明涉及包括两个热能存储器和一压缩和膨胀单元的热能存储和回收机构。此外，本发明涉及包括这种热能存储和回收机构的热能存储和回收系统。而且，本发明还涉及用于存储和回收热能的方法。

背景技术

来自比如风力涡轮机、太阳能发电站和波浪能发电站等各种替代能量来源的电力生产是不连续的。该生产可以取决于环境参数，比如风速(对于风力涡轮机)、日照强度(对于太阳能发电站)以及波浪高度和方向(对于波浪能发电站)。在能量生产与能量需求常常存在很少或零相关性。

一种用以解决不相关的电力生产和电力需求的问题的已知途径是临时存储已经被产出但还未被需求的能量，并在存在高需求时释放所存储的能量。过去，已经建议了许多不同的方法来临时地存储能量。所建议的方法例如有：(a) 机械能存储方法，例如泵送水存储器、压缩空气存储器和飞轮，(b) 化学能量存储方法，例如电化学电池和有机分子存储，(c) 磁能存储器，和(d) 热能存储器。

US 2010/0251711 A1公开了一种用于存储能量的设备。该设备包括用于接收气体的压缩室、用于压缩包含在压缩室中的气体的压缩活塞、用于接收和存储来自被压缩活塞压缩的气体的热能的第一热存储器、用于在暴露于第一热存储器之后接收气体的膨胀室、用于使被接收在膨胀室中的气体膨胀的膨胀活塞、和用于将热能传递至被膨胀活塞膨胀的气体的第二热存储器。因此，提供了能量存储设备，其中第一和第二热存储器件被放置在热泵循环内，以在充能期间分别生成热和冷存储器。能量然后在放能模式中是可回收的，方法是通过使气体穿过受到冷却的第二热存储器件、压缩被第二热存储器件冷却的气体、通过将气体暴露于被加热的第一热存储器件来加热被冷却的压缩气体、并允许被加热气体通过在发电机器件上做功而膨胀。然而，使用冷存储器在所使用的机械设备上提出一些挑战。

可能存在需求来改善热能的临时存储器，特别是相对于热能存储和回收系统的实施方式和效率。

发明内容

该需求可以通过独立技术方案的主题来得到满足。本发明的有利实施例由从属技术方案来描述。

根据本发明的第一方面，提供了一种热能存储和回收机构。该机构包括第一热能存储器、联接至第一热能存储器的压缩和膨胀单元、和联接至压缩和膨胀单元的第二热能存储器。在充能模式中，所述第一热能存储器适于接收向热能存储和回收机构供应的工作介质并向接收到的工作介质释放热能，所述压缩和膨胀单元适于接收来自第一热能存储器的工作介质并压缩工作介质，所述第二热能存储器适于接收来自压缩和膨胀单元的被压缩工作介质、接收来自被压缩工作介质的热能并存储该能量的至少一部分，并且所述压缩和膨胀单元适于接收来自第二热能存储器的被压缩工作介质并使被压缩工作介质膨胀。所述第一热能存储器和所述第二热能存储器适于在等于或大于所述热能存储和回收机构的环境温度的温度处工作。

本发明的基本构思之一是使用标准部件来提供热能存储和回收机构。

术语“热能存储器”可以表示任何类型的存储器，其能够存储热能，来例如以备后用。可以采用存储器来平衡日间与夜间之间的能量需求。

第一热能存储器和第二热能存储器可以是热存储器。术语“热存储器”可以表示在高于或等于环境温度的温度处工作的任何存储器。环境温度可以表示周围介质的温度。“在处于或高于环境温度处工作”可以表示存储器在处于或高于环境温度处接收工作介质，以及在处于或高于环境温度处输出工作介质。

术语“压缩和膨胀单元”可以表示能够压缩和膨胀工作介质的任何类型的单元。当压缩工作介质时，工作介质的压力可以变高。当使工作介质膨胀时，工作介质的压力可以变低。

工作介质可以是任何类型的介质，流体或气态介质，其适合于在这种能量存储和回收机构中使用。

该机构的不同元件，即存储器以及压缩和膨胀单元，可以例如经由管来联接，以在机构的元件之间提供热联接。

术语“充能模式(charging mode)”可以表示机构的一种操作模式，其中能量例如热能被存储到机构中。

当使用冷材料或介质时，可能发生极大量的湿气，例如由冷凝水引起，其还可能导致冰的生成。这导致对用于存储器和连接管的材料的特别要求。通过使用在处于或高于环境温度的温度处工作的存储器(热存储器)，可以降低这些要求。

根据本发明的一个实施例，在放能模式中，所述压缩和膨胀单元适于接收工作介质并压缩接收到的工作介质，所述第二热能存储器适于接收来自所述压缩和膨胀单元的被压缩工作介质并向被压缩工作介质释放热能，所述压缩和膨胀单元适于接收来自所述第二热能存储器的被压缩工作介质并使所述被压缩工作介质膨胀，并且所述第一热能存储器适于接收来自所述压缩和膨胀单元的膨胀工作介质、接收来自膨胀工作介质的热能、存储该能量的至少一部分并输出工作介质。

术语“放能模式”可以表示机构的一种操作模式，其中能量例如热能从机构中被取出。

热能存储和回收机构可以在两个方向上操作，即在充能模式中和放能模式中。相同部件可以被用于两种模式。

根据本发明的再一实施例，所述第一热能存储器适于在第一压力处工作，并且所述第二热能存储器适于在高于所述第一压力的第二压力处工作，其中，所述第一压力对应于所述热能存储和回收机构的环境压力。

因此，第一热能存储器可以是“非压力”存储器。这意味着：该存储器中的压力等于在被输入到机构时的工作介质的压力，即等于环境压力。

根据本发明的再一实施例，所述压缩和膨胀单元包括至少一个压缩器件和至少一个膨胀器件。

所述至少一个压缩器件可以是压缩机。压缩机可以是一种机械装置，其增加流动通过压缩机的介质的压力，方法是使其体积减小。这种压缩机可以是例如气体压缩机。压缩机可以进一步适于传输介质通过管。

所述至少一个膨胀器件可以是膨胀器，例如涡轮膨胀器或膨胀涡轮。膨胀器可以经由轴与压缩机连接。

膨胀器可以适于使流动通过膨胀器的工作介质膨胀，由此生成功，其可以被使用来经由轴驱动压缩机或驱动联接至轴的发电机。当使工作介质膨胀时，工作介质的压力将被降低。

根据本发明的再一实施例，所述热能存储和回收机构进一步包括热交换装置，其中所述热交换装置的第一侧被联接在所述压缩和膨胀单元与所述第一热能存储器之间。

通过使用热交换装置，可以在封闭循环内回收和使用相同的工作介质。

根据本发明的再一实施例，所述热交换装置的第一侧被联接在所述压缩和膨胀单元的膨胀器件与所述第一热能存储器之间，并且其中所述热交换装置的第二侧被联接至外部装置。

外部循环或装置可以联接至热能存储和回收机构。所述外部装置可以是例如区域供暖系统。

根据本发明的再一实施例，所述热交换装置的第一侧被联接在所述压缩和膨胀单元的压缩器件与所述第一热能存储器之间，并且其中所述热交换装置的第二侧被联接在所述第二热能存储器与所述压缩和膨胀单元的膨胀器件之间。

根据该实施例，第一热能存储器的最大温度可以被选择成低于压缩和膨胀单元的输入温度。这可能在两个能量存储器内导致较小的温度范围。小温度范围可能导致更少的材料问题，因为存储器的材料不必经受极端或最低低温并且同时经受极端高温。

根据本发明的再一实施例，所述工作介质是气体，特别是空气。

废热可以在膨胀之后离开机构，并且可以具有与环境压力相应的压力。在该情况下，例如周围空气可以被用作工作介质。

根据本发明的再一实施例，所述第一热能存储器包括作为存储材料的液体介质，特别是其中所述液体介质是水。

特别地，当通过使用热交换装置降低存储器的温度范围时，加热或存储材料可以是水。水是极其便宜的材料，并包括例如高于石头的热容量的热容量。因此，存储器可以被做得更小。

根据本发明的再一实施例，向所述系统供应的介质的温度对应于所述热能存储和回收机构的环境温度。

因此，该机构可以直接使用周围空气。

根据本发明的第二方面，提供了一种热能存储和回收系统。所述热能存储和回收系统包括：具有以上提及的特征的热能存储和回收机构；和热消耗机构，其直接地或间接地连接至所述热能存储和回收机构，并且适于接收来自所述热能存储和回收机构的介质的热能。

热消耗机构可以经由管连接至热能存储和回收机构。热消耗机构可以向热能存储和回收机构提供传热介质，以及接收来自热能存储和回收机构的传热介质。所述介质可以提供热能。

根据本发明的一个实施例，所述热消耗机构包括区域供暖设施系统。

所述区域供暖设施系统可以接收来自热能存储和回收机构的传热介质，并且可以向热能存储和回收机构提供传热介质。所述区域供暖设施系统可以包括热交换器系统，其使传热介质与比如水等流体热连接。由此，区域供暖设施可以经由水入口从水设施接收相对较冷的水，并且可以经由水出口向水设施提供热水或温水。

根据本发明的再一实施例，所述热能存储和回收系统进一步包括控制单元，其连接至所述热能存储和回收机构和所述热消耗机构中的至少一个。所述控制单元适于控制所述热能存储和回收系统的操作。

根据本发明的一个实施例，所述第一热能存储器是所述区域供暖设施系统的一部分。

在该情况下，可能不必为热能存储和回收机构构建分离的存储器，而是再利用区域供暖设施系统的现有存储器。

在所述热能存储和回收机构的一个实施例中，对于放能循环，压缩和膨胀单元的压缩机部分可以配备有冷却单元。因此，由压缩机生成的压力可以在没有温度上升的情况下生成。加压介质例如气体可以在以后被区域供暖设施系统加热。

应该明白的是：相对于热能存储和回收机构的实施例的描述所公开、描述、使用或提及的特征(单独地或以任意组合)也可以被(单独地或以任意组合)应用于、使用于或采用于在热能存储和回收机构中存储和回收热能的方法。

根据本发明的第三方面，提供了一种用于在热能存储和回收机构中存储和回收热能的方法。所述方法包括：在充能模式中，通过第一热能存储器接收向所述热能存储和回收机构供应的工作介质，并通过所述第一热能存储器向接收到的工作介质释放热能；通过联接至所述第一热能存储器的压缩和膨胀单元接收来自所述第一热能存储器的工作介质，并通过所述压缩和膨胀单元压缩所述工作介质；通过联接至所述压缩和膨胀单元的第二热能存储器接收来自所述压缩和膨胀单元的被压缩工作介质，通过所述第二热能存储器接收来自所述被压缩工作介质的热能，并将该能量的至少一部分存储在所述第二热能存储器中；以及通过所述压缩和膨胀单元接收来自所述第二热能存储器的被压缩工作介质，并通过所述压缩和膨胀单元使所述被压缩工作介质膨胀，其中，所述第一热能存储器和所述第二热能存储器适于在等于或大于所述热能存储和回收机构的环境温度的温度处工作。

根据本发明的再一方面，提供了一种用于在热能存储和回收机构存储和回收热能的计算机程序。所述计算机程序在由数据处理器执行时适于控制如以上所描述的方法。

如本文中所使用的，提及计算机程序旨在相当于提及程序单元，其包含用于控制计算机系统的指令，以协调以上描述的方法的执行。

计算机程序可以通过比如JAVA、C++等任何适当的编程语言被实施为计算机可读指令代码，并且可以被存储在计算机可读介质(可移除盘、易失性或非易失性存储器、嵌入式存储器/处理器等)上。指令代码是可操作的，以将计算机或任何其它可编程装置编程为执行预期功能。计算机程序可以从网络比如万维网获得，从所述网络可以下载计算机程序。

可以借助于计算机程序相应地软件来实现本发明。然而，也可以借助于一个或多个特定电子电路相应地硬件来实现本发明。此外，还可以以混合形式即软件模块和硬件模块的组合来实现本发明。

根据本发明的再一方面，提供了一种计算机可读介质(例如CD、DVD、USB棒、软盘或硬盘)，在其中存储有用于在热能存储和回收机构中存储和回收热能的计算机程序，所述计算机程序在由处理器执行时适于执行或控制用于在热能存储和回收机构中存储和回收热能的方法。

必须指出的是：已经参考不同的主题描述了本发明的实施例。具体地，一些实施例已经参考方法类型权利要求得到描述，而另一些实施例已经参考设备类型权利要求得到描述。然而，本领域的技术人员将从以上和以下描述推断出：除非另有指明，除了属于一种类型的主题的特征的任意组合之外，与不同主题有关的特征之间的特别是方法类型权利要求的特征与设备类型权利要求的特征之间的任意组合也被视为被本文公开。

以上限定出的各个方面和本发明的再一些方面将从在以下描述的实施例的示例中变得清楚明了，并且参考实施例的示例得到说明。下面将参考实施例的示例详细描述本发明，但是本发明并不局限于所述实施例的示例。

附图说明

现在参考附图描述本发明的实施例，本发明并不局限于所述实施例。

图1示出了根据一实施例的热能存储和回收机构；

图2示出了根据一实施例的处于充能模式的热能存储和回收机构；

图3示出了根据一实施例的处于放能模式的图2的热能存储和回收机构；

图4示出了根据一实施例的热能存储和回收机构；

图5示出了根据一实施例的热能存储和回收机构。

具体实施方式

附图中的图示是示意图形式。应指出的是：在不同图中，类似或相同的元件被提供相同的附图标记。

在图1中，示出了根据一实施例的热能存储和回收机构100。热能存储和回收机构包括第一热能存储器101和第二热能存储器103。第一热能存储器适于在等于或大于环境温度的温度工作。这意味着：第一热能存储器接收温度等于或大于环境温度的工作介质并释放温度等于或大于环境温度的工作介质。在一个实施例中，第一热能存储器适于接收作为输入的具有环境温度和具有环境压力的工作介质。第二热能存储器也适于在等于或大于环境温度的温度工作。

热能存储和回收机构进一步包括压缩和膨胀单元102。压缩和膨胀单元联接至第一热能存储器和第二热能存储器。

在充能模式中，第一热能存储器接收被供应至热能存储和回收机构的工作介质。此外，它将存储在第一热能存储器中的热能释放至接收到的工作。

接下来，压缩和膨胀单元接收来自第一热能存储器的工作介质并压缩工作介质。然后，第二热能存储器接收来自压缩和膨胀单元的被压缩工作介质，接收来自被压缩工作介质的热能并存储该能量的至少一部分。此后，压缩和膨胀单元接收来自第二热能存储器的被压缩工作介质，并使被压缩工作介质膨胀。

在放能模式中，压缩和膨胀单元102接收工作介质并压缩接收到的工作介质。然后，第二热能存储器103接收来自压缩和膨胀单元的被压缩工作介质，并将热能释放至被压缩工作介质。接下来，压缩和膨胀单元接收来自第二热能存储器的被压缩工作介质，并使被压缩工作介质膨胀。然后，第一热能存储器101接收来自压缩和膨胀单元的膨胀工作介质，接收来自膨胀工作介质的热能，并将工作介质输出至例如区域供暖设施系统。

图2示出了根据一实施例的热能存储和回收机构200的充能循环。

首先，第一热能存储器101接收处于环境温度和正常压力的工作介质例如空气。在第一热能存储器101中，能量被释放至工作介质，作为热能存储器中的热。当从第一热能存储器被输出时，工作介质高于环境温度并包括正常压力。

工作介质然后被输入至压缩和膨胀单元的压缩器件204。当被压缩器件输出时，工作介质具有更高的温度和更高的压力，因为压缩器件204压缩介质并在压缩期间加热它。这可能是机构内的最大温度和最大压力。

工作介质然后被输入至第二热能存储器103。当被第二存储器输出时，工作介质处于比向第二存储器输入时低的温度，但是例如高于环境温度，并具有相同的压力。能量作为热存储在第二存储器103中。

此后，工作介质被供应至压缩和膨胀单元的膨胀器件206。膨胀器件可以通过轴205联接至压缩器件。在膨胀器件的输出端，工作介质处于比向膨胀器件输入时低的温度，但是处于比向第一热能存储器输入时高的温度，并具有正常压力(随着膨胀器206膨胀介质并冷却它)。这时，可以从机构去除废热。

图3示出了根据一实施例处于放能模式的图2的热能存储和回收机构。在该情况下，机构300包括压缩器件306和膨胀器件304，它们经由轴305联接，与图2相比进行了交换。

与图2相比，温度和压力不必相同。第一热能存储器的输出可以处于环境温度和正常或环境压力。

压缩器件和膨胀器件204、206和304、306可以是一个单一单元。它们也可以是四个分离的单元。

图4示出了根据再一实施例的热能存储和回收机构400。在该情况下，第一热能存储器101经由热交换装置407联接至膨胀器件206。热交换装置可以联接至外部装置。

通过使用这种构造，相同的工作介质(例如空气)可以被再利用或回收。在放能模式中，第一热能存储器101将经由热交换装置联接至压缩器件。

图5示出了根据再一实施例的热能存储和回收机构500。

根据该实施例，第二热能存储器103的输出联接至热交换装置508的第一侧。热交换装置的第一侧进一步联接至膨胀器件206。膨胀器件的输出联接至第一热能存储器101的输入。第一热能存储器的输出联接至热交换装置508的第二侧。热交换装置的第二侧进一步联接至压缩器件的输入。

通过使用这种构造，“非压力存储器”即第一存储装置的最大温度可通过插入热交换器而被选择成低于用于压缩机的输入温度。例如，如图1-3中示出的，存储器中的大温度下降导致高温度损失和热材料上的更大磨损。通过使用如图5中示出的构造，压缩机/膨胀器可以如以前见到相同温度，但是每个存储器中的温度变化可以被高度地降低。

根据本发明的实施例的热能存储和回收系统可以提供以下特征：

可以不需要冷存储器。通过使用两个热存储器，处于充能模式的膨胀器可以比处于放能的压缩机生成更多的动力。

所提出的机构可能更容易制造，因为不存在必须与冷材料一起工作的机械设备。第一热能(非压力)存储器的温度可被选择为环境温度和用于区域供暖的温度。因此，区域供暖系统可被用作存储器(不必构建存储器)。此外，在放能周期中，压缩机可构建有冷却器，使得压力可以被生成，而没有温度上升，稍后加压气体可被区域供暖加热。

存储器输入/输出的温度差值(t_差值)可以比常见系统中小。存储器中的温度损失(t_损失)的公式可以由下式给出：

t_损失=常数*t_差值

其中，常数是用于被给予特定流入速度的每个存储器的常数。从该公式可知：温度损失比常见系统中小。

废热可以处于环境温度。因此，可以有可能做出在系统中使用周围空气的实施方式。这可以节省在系统中用于释放废热的附加热交换器。

由于第一存储器的温度范围，可以有可能将该存储器构造为以水作为加热材料。水既是极其便宜的材料，而且它还具有例如是石头的两倍的热容量(存储器只需为一半大小)。

应当指出的是：术语“包括”不排除其它元件或步骤，并且“一”或“一个”不排除多个。此外，关联于不同实施例描述的元件可以进行组合。还应指出的是：权利要求书中的附图标记不应该被解释为限制权利要求书的范围。

Claims (14)

1. 一种热能存储和回收机构，所述机构包括：

第一热能存储器，

压缩和膨胀单元，其联接至所述第一热能存储器，和

第二热能存储器，其联接至所述压缩和膨胀单元，

其中，在充能模式中，

     所述第一热能存储器适于接收向所述热能存储和回收机构供应的工作介质，并向接收到的工作介质释放热能，

     所述压缩和膨胀单元适于接收来自所述第一热能存储器的工作介质，并压缩所述工作介质，

     所述第二热能存储器适于接收来自所述压缩和膨胀单元的被压缩工作介质，接收来自被压缩工作介质的热能，并存储该能量的至少一部分，并且

     所述压缩和膨胀单元适于接收来自所述第二热能存储器的被压缩工作介质，并使所述被压缩工作介质膨胀，

其中，所述第一热能存储器和所述第二热能存储器适于在等于或大于所述热能存储和回收机构的环境温度的温度处工作。

2. 如权利要求1所述的热能存储和回收机构，

其中，在放能模式中，

     所述压缩和膨胀单元适于接收工作介质，并压缩接收到的工作介质，

     所述第二热能存储器适于接收来自所述压缩和膨胀单元的被压缩工作介质，并向所述被压缩工作介质释放热能，

     所述压缩和膨胀单元适于接收来自所述第二热能存储器的被压缩工作介质，并使所述被压缩工作介质膨胀，并且

     所述第一热能存储器适于接收来自所述压缩和膨胀单元的膨胀工作介质，接收来自膨胀工作介质的热能，存储该能量的至少一部分，并输出工作介质。

3. 如前述权利要求中任一项所述的热能存储和回收机构，其中，

所述第一热能存储器适于在第一压力处工作，并且所述第二热能存储器适于在高于所述第一压力的第二压力处工作，

其中，所述第一压力对应于所述热能存储和回收机构的环境压力。

4. 如前述权利要求中任一项所述的热能存储和回收机构，

其中，所述压缩和膨胀单元包括至少一个压缩器件和至少一个膨胀器件。

5. 如前述权利要求中任一项所述的热能存储和回收机构，

进一步包括热交换装置，其中所述热交换装置的第一侧被联接在所述压缩和膨胀单元与所述第一热能存储器之间。

6. 如权利要求5所述的热能存储和回收机构，

其中，所述热交换装置的第一侧被联接在所述压缩和膨胀单元的膨胀器件与所述第一热能存储器之间，并且

其中，所述热交换装置的第二侧被联接至外部装置。

7. 如权利要求5所述的热能存储和回收机构，

其中，所述热交换装置的第一侧被联接在所述压缩和膨胀单元的压缩器件与所述第一热能存储器之间，并且

其中，所述热交换装置的第二侧被联接在所述第二热能存储器与所述压缩和膨胀单元的膨胀器件之间。

8. 如前述权利要求中任一项所述的热能存储和回收机构，

其中，所述工作介质是气体，特别是空气。

9. 如前述权利要求中任一项所述的热能存储和回收机构，

其中，所述第一热能存储器包括作为存储材料的液体介质，

特别是其中，所述液体介质为水。

10. 如前述权利要求中任一项所述的热能存储和回收机构，

其中，向所述系统供应的介质的温度对应于所述热能存储和回收机构的环境温度。

11. 一种热能存储和回收系统，包括：

如前述权利要求中任一项所述的热能存储和回收机构，和

热消耗机构，其直接地或间接地连接至所述热能存储和回收机构，并且适于接收来自所述热能存储和回收机构的介质的热能。

12. 如权利要求11所述的热能存储和回收系统，

其中，所述热消耗机构包括区域供暖设施系统。

13. 如权利要求11所述的热能存储和回收系统，

其中，所述第一热能存储器是所述区域供暖设施系统的一部分。

14. 一种用于在热能存储和回收机构中存储和回收热能的方法，所述方法包括：

在充能模式中，通过第一热能存储器接收向所述热能存储和回收机构供应的工作介质，并通过所述第一热能存储器向接收到的工作介质释放热能，

通过联接至所述第一热能存储器的压缩和膨胀单元接收来自所述第一热能存储器的工作介质，并通过所述压缩和膨胀单元压缩所述工作介质，

通过联接至所述压缩和膨胀单元的第二热能存储器接收来自所述压缩和膨胀单元的被压缩工作介质，通过所述第二热能存储器接收来自所述被压缩工作介质的热能，并将该能量的至少一部分存储在所述第二热能存储器中，以及

通过所述压缩和膨胀单元接收来自所述第二热能存储器的被压缩工作介质，并通过所述压缩和膨胀单元使所述被压缩工作介质膨胀，

其中，所述第一热能存储器和所述第二热能存储器适于在等于或大于所述热能存储和回收机构的环境温度的温度处工作。

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