CN112292522A - 光学窗口的净化装置、发动机及其光学窗口的净化方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种用于净化光学窗口(32)的表面的装置，其包括：第一电极(33)，其设置于光学窗口的内部，被形成光学窗口的电介质材料所覆盖；第二电极(34a)，其设置在光学窗口的周围，露出于光学窗口的至少一侧的表面；电源(50)，其电连接于第一电极和第二电极之间；以及控制部(60)，其对电源(50)进行控制，以便利用电源在第一电极和第二电极之间施加高频或者脉冲状的电压，沿光学窗口的表面(32a)产生介电势垒放电。

Description

光学窗口的净化装置、发动机及其光学窗口的净化方法
技术领域
本发明涉及装置的光学窗口(Optical Window)的净化技术，特别是涉及与利用激光来点火的发动机的光学窗口的净化相关的技术。
背景技术
虽然一直以来发动机是利用火花塞(spark plug)的火花来点燃混合气体而使混合气体燃烧，由此进行运转，但已证实也可利用激光进行点火。然而，主要问题在于，将激光导入燃烧室的镜头、光学窗口会被发动机的燃烧所产生的生成物污染，使得激光无法以充分的强度到达燃烧室内，导致无法进行点火。已在研究选择光学窗口的材料来提高光学窗口的温度、向光学窗口的表面照射激光脉冲来净化等对策(例如，参照非专利文献1)。
(现有技术文献)
(非专利文献)
非专利文献1：S.Gupta,et al.“lens/window-fouling mitigation in laserignited reciprocating”,OPTICS and PHOTONICS International Congress 2018,LIC5-6,Yokohama,Japan,2018,April 25-27
发明内容
(发明所要解决的问题)
本发明用于解决上述问题，目的在于提供一种净化新的且有用的光学窗口的装置、发动机及净化(cleaning，清洁化)方法。
(解决问题所采用的措施)
根据本发明的一个方式，提供一种用于净化光学窗口的表面的装置，其包括：第一电极，其设置于所述光学窗口的内部，被形成所述光学窗口的电介质材料(dielectricmaterial)所覆盖；第二电极，其设置在所述光学窗口的周围，露出于所述光学窗口的至少一侧的表面；电源，其电连接于所述第一电极和第二电极之间；以及控制部，其对所述电源进行控制，以便在所述第一电极和所述第二电极之间施加高频或者脉冲状的电压，沿所述光学窗口的所述表面产生介电势垒放电(dielectric barrier discharge)。
根据上述实施方式，对电源进行控制，以便在第一电极和第二电极之间施加高频或者脉冲状的电压，沿光学窗口的表面产生介电势垒放电，由此，能够在介电势垒放电的作用下产生自由基和感生气流，利用自由基和感生气流来去除光学窗口的表面的污垢，净化光学窗口的表面。
根据本发明的另一方式，提供一种发动机，其利用激光来点燃燃烧室内的混合气体，其包括：激光光源；光学窗口，其由用于将激光从所述激光光源导入于所述燃烧室内的电介质材料制成；以及上述方式的净化光学窗口表面的装置。
根据上述方式，可以利用所述装置来产生介电势垒放电，利用由此产生的自由基和感生气流来去除用于导入激光的光学窗口的燃烧室侧的表面的污垢，结果，能够稳定地进行利用激光进行的对混合气体的点燃，实现发动机的稳定运转。
根据本发明的又一方式，提供一种方法，其利用上述方式的对光学窗口的表面进行净化的装置来净化利用激光来对燃烧室内的混合气体进行点燃的发动机的用于导入所述激光的光学窗口的表面，其包括如下步骤：对所述电源进行控制，以便在所述发动机运转时的排气冲程中，在所述第一电极和所述第二电极之间施加高频或者脉冲状的电压，沿所述光学窗口的所述表面产生介电势垒放电。
根据上述方式，可以通过控制为在发动机的排气冲程中产生介电势垒放电，在发动机运转中利用因介电势垒放电而产生的自由基和感生气流来去除光学窗口的燃烧室侧的表面的污垢，排出伴随介电势垒放电而产生的对燃烧造成影响的中间化学物种，实现发动机的稳定运转。
附图说明
图1为示出涉及本发明一个实施方式的发动机的示意性结构的图。
图2为用于示出涉及本发明实施方式的净化装置的结构的图，(a)为示出激光点火塞的示意性结构的剖面图，(b)为从燃烧室侧观察时的图。
图3为用于示出涉及本发明另一实施方式的净化装置的结构的图，(a)为放大示出激光点火塞的光学窗口部分的剖面图，(b)为从燃烧室侧观察时的图。
图4为用于示出涉及本发明又一实施方式的净化装置的结构的图，(a)为放大示出激光点火塞的光学窗口部分的剖面图，(b)为从燃烧室侧观察时的图。
图5为示出在效果确认实验中使用的介电势垒放电塞的图，其中，(a)为剖面图，(b)为从燃烧室侧观察时的图。
图6中的(a)～(c)为示出相当于效果确认实验中光学窗口的电介质部件的表面的污垢的变化的照片。
图7中的(a)及(b)为示出相当于对颗粒状模拟污垢的效果确认实验中光学窗口的电介质部件的表面的污垢的变化的照片。
具体实施方式
以下，基于附图对本发明的一个实施方式进行说明。此外，对附图之间共通的构成要素标注相同的附图标记，并省略该构成要素的重复的详细说明。
图1为示出涉及本发明的一个实施方式的发动机的示意性结构的图。
参照图1，发动机10在气缸盖(cylinder head)部11具有吸气口20、排气口21和激光点火塞30，更进一步地，发动机10具有：导入到激光点火塞30的脉冲激光的激光光源40；高频电源50，其向激光点火塞30的净化装置(将于下文叙述)供给高压高频信号；以及控制部60，其对激光光源40和高频电源50进行控制。
在气缸盖部11中，吸气口20设置于气缸盖部11并与吸气管24相连接。使燃料汽化并与空气混合而形成混合气体的汽化器(未图示)连接于吸气管24。排气口21设置于气缸盖部11并与排气管25相连接。经由吸气管24并在吸气阀22的打开动作和活塞13的下降的作用下将混合气体从吸气口20供给到燃烧室12。混合气体因活塞13的上升而压缩，利用激光点火而燃烧。燃烧后，在排气阀23的打开动作和活塞13的上升的作用下，从排气口21排出因燃烧而生成的烟灰(煤烟)、碳氢化合物、酸类、醛类、酚类等气体、水蒸气、颗粒状物质等。此时，面向燃烧室12的内壁、激光点火塞30的光学窗口附着有烟灰、颗粒状物质。
此外，发动机10也可以使用向吸气管24内喷射燃料的气口喷射法来形成混合气体，以代替汽化器，还可以使用向燃烧室12内喷射燃料的直接喷射法来在燃烧室12内形成混合气体。
图2为用于示出涉及本发明实施方式的净化装置的结构的图，(a)为示出激光点火塞的示意性结构的剖面图，(b)为从燃烧室侧观察时的图。此外，在图2中，为了方便图示而省略图1示出的一部分构成要素。
结合参照图2与图1，激光点火塞30配置于气缸盖部11，在支持金属件34的内部具有：集光部31，其对来自激光光源40的脉冲激光进行集光；以及光学窗口32，其露出于燃烧室12，使集光部31与燃烧室12相隔离，并使集光后的脉冲激光透过。从激光光源40供给的脉冲激光在集光部31集光，并透过光学窗口32而将燃烧室12内的混合气体点燃。脉冲激光的出射时机由以可进行信号通信的方式连接至激光光源40的控制部60所控制。控制部60例如取得曲柄转角的信息而控制点火时机，所述曲柄转角信息来自与活塞13联动的曲柄(crank)14的曲柄转角检测部61。激光光源40例如可使用YAG激光，但并不限定于此。此外，集光部31也可以设置在激光光源40侧。
在光学窗口32的内部，在接近燃烧室12侧的表面32a的部分设置有第一电极33。第二电极34a设置在光学窗口32的周围，露出于燃烧室12。在本实施方式中，第二电极34a是激光点火塞30的支持金属件34的露出于燃烧室12侧的部分。激光点火塞30的形状为相对于沿纸面的上下方向延伸的(与图示的z方向平行的)轴线的旋转体。
光学窗口32由使脉冲激光透过并具有介电性的材料形成。在发动机10中，光学窗口32因混合气体的燃烧而温度上升，因此优选为具有耐热性，例如可使用蓝宝石。光学窗口32的厚度(z方向)例如为10mm，直径(x-y平面)例如为10mm。光学窗口32保持于支持金属件。光学窗口32可以由两个部件构成为从z方向的上下夹着第一电极33。例如，可优选地适用于使用了难以成型为将第一电极33嵌于光学窗口32的材料的情况，例如使用蓝宝石制作光学窗口32的情况。
第一电极33由使脉冲激光透过并具有导电性的材料形成，例如可使用称为透明导电膜的、以氧化铟(InO2)、氧化锡(SnO2)以及氧化锌(ZnO)中的至少一种为主成分的材料，或者这些的混合材料，例如，可使用ITO(掺锡(Sn)的氧化铟(InO2))、AZO(掺铝(Al)的氧化锌(ZnO))、IZO(注册商标)(氧化铟(InO2)-氧化锌(ZnO))、GZO(掺镓(Ga)的氧化锌(ZnO))、ATO(掺锑(Sb)的氧化锡(SnO2))等。第一电极33例如具有圆盘状的形状，优选形成为比厚度(z方向)例如为1μm～500μm、直径(x-y平面)例如为3mm～30mm的光学窗口32小。第一电极33配置于离光学窗口32的燃烧室12侧的表面32a的距离在例如50μm～3000μm的范围，形成为被光学窗口32的电介质材料覆盖而不露出于燃烧室12。优选使用蓝宝石作为对该第一电极33进行覆盖的燃烧室12的光学窗口32的电介质材料。第一电极33优选配置于与脉冲激光的入射轴垂直的面中的光学窗口32的中央部。
在本实施方式中，第二电极34a是激光点火塞30的支持金属件34的露出于燃烧室侧的圆环状部分，可以由金属材料、特别是耐热性良好的材料、例如不锈钢、碳素钢制成。第二电极34a的内径例如为3mm～30mm，可根据光学窗口32的直径来选择。第二电极34a电连接于高频电源50，但由于第二电极34a接触并电连接于气缸盖部11，因此优选构成为经由发动机体(engine block)而接地。
布线36与第一电极33相连接，并经由光学窗口和支持金属件的布线用孔34b而与外部的高频电源50电连接。由此，第一电极33电连接于高频电源50，第二电极34a例如经由气缸盖部11而连接于地线(未图示)，高频电源50也连接于地线(未图示)。对于高频电源50并无特别的限定，只要可供给高频或者脉冲状的高电压信号即可。这种高电压信号为高频或者脉冲状，从考虑了电源的装置成本后的实用的角度出发，频率优选设定在0.05kHz～1000kHz，电压优选设定在0.1kV～100kV。利用控制部60对高频电源50的高电压信号进行控制，将所述高频电源50的高电压信号施加于第一电极33和第二电极34a之间，由此在第一电极33附近的光学窗口32的燃烧室12侧的表面32a和第二电极34a之间产生介电势垒放电PL(Dielectric Barrier Discharge)。此外，布线用孔34b可以由绝缘材料填充。
如上所述，涉及本实施方式的净化装置包括：第一电极33，其设置于用于导入脉冲激光的光学窗口32的内部，被形成光学窗口32的电介质材料所覆盖；第二电极34a，其设置在光学窗口32的周围，露出于燃烧室12侧的表面；以及高频电源50，其电连接于第一电极33和第二电极34a之间，利用高频电源50向第一电极33和第二电极34a之间施加高频或者脉冲状的电压，在向燃烧室12露出的第二电极34a和靠近第一电极33的表面32a之间，沿表面32a而产生介电势垒放电PL(以下，将该处理称为“净化(清洁化)处理”)。在这种介电势垒放电PL的作用下，燃烧室12内的气体被电离，产生自由基，并产生感生气流。自由基与光学窗口32的表面32a的污垢、例如沉积物、碳发生反应而气化，并在感生气流的作用下扩散至燃烧室12，而无机颗粒等颗粒状的污垢在感生气流的作用下从表面32a飞散至燃烧室12。由此，可将光学窗口32的表面32a净化。此外，第一电极33由使脉冲激光透过的材料形成，因此能够抑制脉冲激光强度的降低。
光学窗口32的净化处理可以在发动机停止时、即发动机不运转时(例如，发动机启动前、运转的发动机停止后)进行，或者，也可以在发动机运转时进行。
通过将于下文叙述的效果确认实验而得到证实的是，在去除在光学窗口32的表面32a附着的无机颗粒的情况下，可以通过在时间宽度为100毫秒的一次介电势垒放电的作用下产生的感生气流来去除。由此，可以在发动机停止时进行，或者，可以在发动机运转时进行除去无机颗粒的净化处理。如下所述，在发动机运转时进行净化处理的情况下，优选在排气冲程中进行。
通过将于下文叙述的效果确认实验证实了去除在光学窗口32的表面32a附着的沉积物、碳比去除无机颗粒更加困难。由此，优选在发动机停止时进行较长时间连续的净化处理。
此外，优选在发动机运转时的排气冲程中进行净化处理，更优选为进行重复多次的净化处理。通过在发动机的排气冲程中的活塞从下死点向上死点的移动中进行介电势垒放电，能够在发动机运转中净化光学窗口的表面，而且能够排出伴随介电势垒放电而产生的会对燃烧造成影响的中间化学物种，降低或者防止所述中间化学物种在吸气冲程残留于燃烧室12内而对燃烧冲程中的燃烧及压缩冲程造成不良影响。
激光点火塞30配置为不突出于燃烧室12，更优选配置为埋入式安装(flushmounting)于气缸盖部的燃烧室侧的表面。由此，可减少因激光点火塞30的露出于燃烧室12侧的形状所导致的混合气体的紊乱。
根据本实施方式，利用高频电源50在第一电极33和第二电极34a之间施加高频或者脉冲状的电压，沿光学窗口32的表面32a产生介电势垒放电PL，并在这种介电势垒放电PL的作用下产生自由基和感生气流，由此，可利用自由基和感生气流来去除表面32a的污垢，净化表面32a。
图3为用于示出涉及本发明另一实施方式的净化装置的结构的图，(a)为放大示出激光点火塞的光学窗口部分的剖面图，(b)为从燃烧室侧观察时的图。参照图3的(a)和(b)，关于激光点火塞130，在光学窗口32的内部的与激光的入射轴垂直的面(x-y面)中，第一电极133具有中央部133a比周围133b更靠近光学窗口32的表面32a的形状。根据该结构，若利用高频电源50并经由布线36施加高频电压，则在光学窗口32的表面32a中，与第一电极133的中央部133a相向的区域和与第一电极133的周边部133b相向的区域的电场强度变得更为均匀，介电势垒放电PL在从光学窗口32的表面32a的周边部直至中央部的区域更为均匀地产生，由此，不仅是表面32a的周边部，而且中央部的污垢也变得容易去除。此外，第一电极133不同于图2示出的第一电极33之处在于形状不同，除此之外的结构例如都相同。由于与说明的上述实施方式相同，因此省略说明。
图4为用于示出涉及本发明另一实施方式的净化装置的结构的图，(a)为放大示出激光点火塞的光学窗口部分的剖面图，(b)为从燃烧室侧观察时的图。参照图4的(a)和(b)，关于激光点火塞230，在光学窗口32的内部设置有中央部的第一电极233和配置为围绕第一电极233的第三电极235。第三电极235处于不与第一电极233和第二电极34a电连接的电浮置状态。
若利用图1和图2示出的高频电源50在第一电极233和第二电极34a之间施加高频或者脉冲状的电压，则第三电极235在第一电极233和第二电极34a之间发生静电相互作用。此时电浮置的第三电极235在介电势垒放电从第二电极34a朝向中央部生长的初期作为嵌入电极而发挥作用，但在介电势垒放电PL发展壮大时，由于第三电极235是电浮置的，诱发放电的效果变得比第一电极小，因此，在从光学窗口32的表面32a的周边部直至中央部的区域产生介电势垒放电PL。因此，可以使第一电极233的直径小于图2示出的实施方式的第一电极33的直径。由此，介电势垒放电PL变得容易扩展至光学窗口32的表面32a的中央部，中央部的污垢变得容易被去除。
下面，对涉及本发明实施方式的净化装置的效果确认的实验进行说明。在该实验中，使用介电势垒放电塞(以下也称为DBD塞)并在其燃烧室侧的表面附着模拟污垢并产生介电势垒放电。
图5为示出在效果确认实验中使用的介电势垒放电塞的图，其中，(a)为剖面图，(b)为从燃烧室侧观察时的图。结合参照图5的(a)和(b)以及先前的图2，DBD塞330具有：中心电极333a，其相当于第一电极；圆环状电极334a，其相当于第二电极；及电介质部件332，其相当于光学窗口32，所述DBD塞330通过在中心电极333a和圆环状电极334a之间施加高频电压而在露出于燃烧室的电介质部件332的表面产生介电势垒放电。
[效果确认实验一：燃烧室内的烟灰状的污垢]
图6中的(a)～(c)为示出相当于效果确认实验中的光学窗口的电介质部件的表面的污垢的变化的照片。参照图6中的(a)～(c)，在图6的(a)示出将DBD塞330安装于发动机的气缸盖部，通过点火塞来进行现有技术中的发动机的运转，在电介质部件332的表面(相当于光学窗口32的表面32a)积蓄了烟灰状的污垢的状态。外环的最黑的部分是圆环状电极334a，其内侧是电介质部件332的表面。
接着，在图6的(b)示出在DBD塞330的中心电极333a和圆环状电极334a之间施加15秒的电压为10kV、频率为15kHz的高压高频信号后的状态。可知由此，电介质部件332的表面的周边部、即靠近圆环状电极334a的部分变白，该部分的烟灰状的污垢已被除去。
接着，在图6的(c)示出在DBD塞330的中心电极333a和圆环状电极334a之间施加18分钟的、将电压为10kV、频率为15kHz的正弦波形成为突发脉冲宽度为20毫秒的突发脉冲状并将突发脉冲的频率设为5Hz的高压高频信号后的状态。可知由此，电介质部件332的表面的几乎所有的污垢都被除去。
由上可知，可利用基于DBD塞330的介电势垒放电来去除电介质部件332的表面的燃烧室内的烟灰状的污垢。
[效果确认实验二：颗粒状的模拟污垢]
图7中的(a)和(b)为示出相当于对颗粒状的模拟污垢的效果确认实验中的光学窗口的电介质部件的表面的污垢的变化的照片。参照图7的(a)和(b)，将着色了的多孔质二氧化硅(silica)(平均粒径：数μm)作为在燃烧室内的颗粒状的污垢的模拟污垢而附着于DBD塞330的电介质部件332的表面。在图7的(a)示出该状态。外环的最黑的部分是圆环状电极334a，其内侧是电介质部件332的表面，在该表面附着有黑色的多孔质二氧化硅。
接着，在图7的(b)示出在DBD塞330的中心电极333a和圆环状电极334a之间施加100毫秒的电压为10kV、频率为15kHz的高压高频信号后的状态。可知由此，电介质部件332的表面整体上的多孔质二氧化硅都被除去。
由上可知，可利用基于DBD塞330的介电势垒放电来去除电介质部件332的表面的燃烧室内的颗粒状的污垢。
以上，对本发明的优选实施方式进行了详细说明，但本发明并不限定于特定的实施方式，而是包括在权利要求的范围记载的本发明的范围内的各种变形、变更。图2～4示出的激光点火塞30、130、230也可以包含小型的激光光源，此外，也可以省略集光部31。
不言而喻的是，除上述汽油发动机以外，本发明还可应用于燃气发动机(gasengine)，此外，本发明可应用于将激光或者特定波长的光导入于腔室(chamber)内的半导体制造装置及半导体装置的检查装置，例如，可应用于导入激光并使其照射被处理物从而进行退火的激光退火装置，向室内的被测定物照射来自外部的激光从而测定深度、厚度等的装置。
此外，关于上述说明，进一步公开以下附注作为实施方式。
(附注一)一种装置，其用于净化从光学窗口导入激光而对燃烧室内的混合气体进行点燃的发动机的光学窗口的表面，包括：
第一电极，其在所述燃烧室侧的光学窗口的表面被形成所述光学窗口的电介质材料所覆盖；
第二电极，其设置在所述光学窗口的周围，露出于所述光学窗口的所述燃烧室侧的表面；
电源，其电连接于所述第一电极和第二电极之间；以及
控制部，其对所述电源进行控制，以便在所述第一电极和所述第二电极之间施加高频或者脉冲状的电压，沿所述燃烧室侧的光学窗口的所述表面产生介电势垒放电。
(附图标记的说明)
10：发动机；11：气缸盖部；11a：内壁；12：燃烧室；
13：活塞；20：吸气口；21：排气口；30、130、230：激光点火塞；
31：集光部；32：光学窗口；32a：光学窗口的表面；
33、133、233：第一电极；34：支持金属件；34a：第二电极；
34b：布线用孔；36：布线；50：高频电源；60：控制部；
61：曲柄转角检测部；235：第三电极。

Claims (14)

1.一种用于净化光学窗口的表面的装置，包括：
第一电极，其设置于所述光学窗口的内部，被形成所述光学窗口的电介质材料所覆盖；
第二电极，其设置在所述光学窗口的周围，露出于所述光学窗口的至少一侧的表面；
电源，其电连接于所述第一电极和第二电极之间；以及
控制部，其对所述电源进行控制，以便在所述第一电极和所述第二电极之间施加高频或者脉冲状的电压，沿所述光学窗口的所述表面产生介电势垒放电。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，
所述光学窗口配置于利用激光来点火的发动机，
所述第一电极配置于所述光学窗口的燃烧室侧的表面的内部，所述第二电极配置为露出于所述燃烧室，沿所述光学窗口的燃烧室侧的表面产生所述介电势垒放电。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，
所述第一电极配置于与所述激光的入射轴垂直的面中的所述光学窗口的中央部。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，
所述第一电极具有所述中央部比其周围更靠近所述光学窗口的所述表面的形状。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的装置，其中，
所述第一电极平行于所述光学窗口的所述表面而延伸。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的装置，其中，还包括：
第三电极，其不与所述第一电极及所述第二电极电连接，并在所述光学窗口的内部配置为包围所述第一电极。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的装置，其中，
所述光学窗口为圆盘状，所述第二电极为包围所述光学窗口的圆环状。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的装置，其中，
所述光学窗口由在其厚度方向配置的两个光学窗口部件构成，
所述第一电极夹在所述两个光学窗口部件之间。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的装置，其中，
所述第一电极由以SnO2和ZnO的至少一种为主要成分的材料或者它们的混合材料制成。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的装置，其中，
所述高频或者脉冲状的电压的频率设定为0.05kHz～1000kHz。
11.根据权利要求1～10中任一项所述的装置，其中，
所述高频或者脉冲状的电压设定为0.1kV～100kV。
12.一种用于将从光学窗口导入激光而对燃烧室内的混合气体进行点燃的发动机的光学窗口的表面净化的装置，包括：
第一电极，其在所述燃烧室侧的光学窗口的表面被形成所述光学窗口的电介质材料所覆盖；
第二电极，其设置在所述光学窗口的周围，露出于所述光学窗口的所述燃烧室侧的表面；
电源，其电连接于所述第一电极和第二电极之间；以及
控制部，其对所述电源进行控制，以便在所述第一电极和所述第二电极之间施加高频或者脉冲状的电压，沿所述燃烧室侧的光学窗口的所述表面产生介电势垒放电。
13.一种利用激光将燃烧室内的混合气体点燃的发动机，包括：
激光光源；
光学窗口，其由用于将激光从所述激光光源导入于所述燃烧室内的电介质材料制成；以及
权利要求1～12中任一项所述的装置。
14.一种使用权利要求1～12中任一项所述的装置来净化光学窗口的表面的方法，其中，所述光学窗口为利用激光将燃烧室内的混合气体点燃的发动机的用于导入所述激光的光学窗口，所述方法包括如下步骤：
对所述电源进行控制，以便在所述发动机运转时的排气冲程中，在所述第一电极和所述第二电极之间施加高频或者脉冲状的电压，沿所述光学窗口的所述表面产生介电势垒放电。
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