CN115644496A - 一种加热卷烟用降温段结构及加热卷烟 - Google Patents

一种加热卷烟用降温段结构及加热卷烟 Download PDF

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徐建
王博
卢昕博
甘智华
蒋健
汪华文
赵钦宇
吴键
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Abstract

本发明公开了一种加热卷烟用降温段结构,设于加热卷烟的滤嘴内,包括:支撑外筒;固定在支撑外筒内壁的一个或多个折流板。本发明通过将折流板结构引入加热卷烟滤嘴降温段结构设计中,对折流板缺口高度、折流板间距和数量、折流板结构形式以及折流板的厚度进行设计,提高烟气在滤嘴降温段内的换热效率,并通过改变滤嘴内醋酸纤维丝束及滤芯的规格以保证加热卷烟烟雾量及抽吸压降与加入折流板结构前相对一致,最终达到降低烟气进入人口的温度、提升口感的目的。

Description

一种加热卷烟用降温段结构及加热卷烟
技术领域
本发明涉及加热卷烟加工设计技术领域,具体是涉及一种加热卷烟用降温段结构及加热卷烟。
背景技术
加热不燃烧(Heat Not Burning,HNB)烟草(即加热卷烟烟草)制品作为一种通过对烟丝进行加热,使烟丝挥发产生尼古丁及香味来满足吸烟者需求的新型烟草制品。因为加热卷烟烟草不需要燃烧且加热温度较低,能够极大减少因燃烧而产生的有害成分,相比传统卷烟危害性较小。并且还因为其口感与传统卷烟比较接近,近几年已经在国外迅速发展。但是相比于传统卷烟,加热卷烟所产生的烟气含水量高,且烟气热量无法耗散至环境,即使相同温度的烟气到达口腔的感官温度也高于传统卷烟。因此加热卷烟的降温要求比传统卷烟更高。
加热卷烟通常为三段式结构,包括烟草段、降温段和过滤段,其中降温段和过滤段合称烟支滤嘴。公开号为CN 114652011 A的专利文献公开了一种加热卷烟支撑段结构,其中加热卷烟支撑段包括套管和隔离柱,套管设有沿其轴向方向贯穿的通槽;通槽包括依次连接的第一腔、安装腔和第二腔;隔离柱安装于安装腔内,隔离柱设有沿其轴向方向贯穿的多个通孔;多个通孔的径向截面面积之和小于第一腔的径向截面面积,多个通孔的径向截面面积之和小于第二腔的径向截面面积。本申请中,高温烟气从第一腔经过通孔进入第二腔的过程中,在缩颈附近会产生一个充满漩涡的低压区,烟雾气溶胶发生碰撞凝聚放热,释放能量,产生能量损失,可以对高温烟气进行降温并冷凝水蒸气,如此,可以保证用户吸食的烟雾温度适宜,提高用户的体验感。公开号为110623313B的专利文献公开了一种能够均匀预热空气且能有效降低外壁温度的加热卷烟烟具气路结构,包括内套管和外壁,所述内套管内设置有烟气发生腔,所述内套管嵌套在外壁内,所述内套管与外壁之间设置有进气通道,所述进气通道的进气口位于靠近烟气发生腔抽吸端的一侧,所述气体通道的出气口与烟气发生腔的进气端连通,所述进气通道内设置有湍流发生器。该文献采用对旋降温结构,通过形成双旋转气流,产生旋流强化了加热器器壁的降温效果,形成了温度场分布更为均匀的预热气流,该技术的应用使抽吸时烟气入口温度适宜,最大限度提升了热源利用率。
现阶段烟草行业主要通过对加热卷烟滤嘴降温段部分进行材料、结构设计降低烟气温度、提高烟雾量,提升抽吸体验。降温段目前烟草行业针对烟气降温主要提供了添加相变降温材料和烟支结构设计两种方式。其中,菲莫公司最早采用了无毒无害可降解的相变降温材料聚乳酸作为加热卷烟中的烟气降温材料。但由于片状聚乳酸受热后易产生收缩,使烟气流通受阻,这对抽吸舒适感将造成一定影响。与此同时,由于聚乳酸导热性较差,抽吸时烟气流速较快,聚乳酸传热效果较差,将会影响降温效果。后续也有学者提出使用PEG/SiC材料作为替代,提升导热率和韧性,但由于其相变温度点过低,通常需要涂覆于耐高温材料上进行应用,这毫无疑问会增加加热卷烟制造成本。
发明内容
本发明提供了一种基于折流板结构降温段结构以及带有该结构的加热卷烟,利用该降温段结构可以显著降低烟气温度,减少高温烟气对人气管的损伤并提高舒适感。
折流板作为一种能够改变流体流向、增大流体流程和湍流程度的结构,不仅仅能起到增加烟气在管道中流动时传热效率的作用,还能够作为加热可抽吸材料降温段的支撑部分。烟气在经过空腔时,通过折流板的作用后,增加了烟气流动的流程和湍流程度,进而提高其热交换效率。由此,折流板结构广泛用于管壳式换热器当中,使流体遵循规定路径多次横向流过管束,增加湍流程度,提高管间对流传热系数。
一种加热卷烟用降温段结构,设于加热卷烟烟支滤嘴内,包括:
支撑外筒;
固定在支撑外筒内壁的一个或多个折流板。
作为优选,所述折流板为圆缺形折流板,该折流板与支撑外筒内壁之间留有弓状折流板缺口;该折流板其余部分边缘与支撑外筒内壁密封连接。作为进一步优选,所述折流板缺口为弓状折流板缺口。带有弓状折流板缺口的圆缺形折流板,即相当于将圆形的板件沿直线(小于直径长度)去除一部分弓形圆边的结构(弓形圆边的面积一般小于整圆面积的四分之一)。固定时,圆缺形折流板剩余圆弧边缘与支撑外筒内壁密封固定,烟气仅仅通过弓状折流板缺口流通。
作为优选,相邻两个折流板之间的间距为5mm到10mm。
作为优选,折流板的厚度为0.1mm到0.3mm。
作为优选,折流板数目为2至4个。适当的折流板的数目不仅会增大烟气通过可抽吸材料降温段的流程,同时还能避免吸阻过大、抽吸者使用时口感不佳的问题。
作为优选,折流板缺口高度为支撑圆筒内径的0.1~0.6倍;进一步优选为0.25~0.5倍。作为进一步优选,所述定位筒外径为4~5mm;所述弓状折流板缺口高度为0.8mm至2.0mm。进一步优选为弓状折流板缺口高度为1.2mm至1.8mm。适当折流板缺口高度能在保证烟气通过可抽吸材料降温段时流程增大,更可以保证烟气通量满足需求,进而减少吸阻,提升抽吸口感。
作为优选,所述降温段结构轴向长度为10~30mm;进一步优选为15~30mm;更进一步优选为15~20mm;最为优选的长度为16~20mm。
作为优选,降温段结构轴向长度为滤嘴轴向长度的10~70%。适当的降温段长度将会对烟气冷却效果产生促进性影响,降低烟气进入抽吸者口中的温度,提升抽吸的口感。
作为优选,所述降温段结构为一体结构。即所述支撑外筒和折流板为一体结构。采用该技术方案,可以使用一次成型加工方法快速制造所述降温段结构。一方面提高了所述降温段结构的加工效率,同时也方便了折流板在加热卷烟内的组装。
作为优选,支撑外筒厚度小于0.6mm。进一步优选为0.3~0.5mm。
一种加热卷烟,包括依次设置的烟草段和滤嘴,所述中滤嘴内的降温段采用上述任一技术方案所述的降温段结构。作为优选,所述降温段结构为聚乳酸-聚己内酯折流板。
作为优选,所述降温段结构采用聚乳酸-聚己内酯复合材料加工而成,其中聚乳酸的含量为70~90%。
作为优选,所述降温段结构采用聚乳酸-聚己内酯复合材料加工而成,其中聚乳酸的含量为75~85%。作为具体的优选,所述降温段结构采用聚乳酸-聚己内酯复合材料加工而成,其中聚乳酸的含量为80%。优选的,所述中空段内仍可以填充降温材料,包括相变降温材料(如聚乳酸类相变降温材料、聚乙二醇类相变降温材料、水合盐类相变降温材料以及其他类型相变降温材料等)或者水性降温材料,由此可以提高降温效率,进一步降低进入抽吸者口中烟气的温度。
优选的,可抽吸材料降温段部分能够采用换热效率较高的廉价材料。
如本文所使用的,“醋酸纤维素”是指以醋酸作为溶剂,醋酐作为乙酰化剂,在催化剂作用下进行酯化而得到的一种热塑性树脂,是纤维素衍生物中最早进行商品化生产并且不断发展的纤维素有机酸酯。醋酸纤维素作为多孔膜材料,具有选择性高、透水量大、加工简单等特点。在烟草行业滤嘴端使用十分广泛。
如本文所使用的,“相变降温材料”是指相变材料会在环境温度高于相变温度或者接触物体温度高于相变温度时,会吸收热量从而进行相态转变,进而可以使环境温度或者接触物体温度降低接近至等温。所举例子中,聚乳酸类相变降温材料是指最早由菲利普莫里斯生产公司提出利用表面褶皱的聚乳酸薄片作为气雾冷却元件,将其折叠聚集形成多条纵向延伸的通道后包裹在包裹材料中形成柱状滤棒。一方面高温烟气在穿过聚乳酸聚合体时会使其达到玻璃化转变温度,聚乳酸发生玻璃化转变吸热,消耗烟气热能;另一方面烟气中的水蒸汽经过聚乳酸聚合体时会在其表面凝结,使烟气被干燥,感官温度较湿润烟气低。聚乙二醇类相变降温材料是指将聚乳酸类相变降温材料结构中聚乳酸类物质换为聚乙二醇类物质。水合盐类相变降温材料是指滤棒中,常用十水硫酸钠、十水四硼酸钠、七水合硫酸亚铁、十二水合硫酸铝钾、十二水磷酸氢二钠、七水合硫酸镁、五水合硫酸铜中的一种或几种混合。
如本文所使用的,“水性降温材料”是指使用含有液态水的材料,通过水分蒸发降温达到冷却烟气的目的。为了防止卷烟被液态水打湿、进而导致卷烟发霉等问题,需要采取一定的手段将液态水封装在加热中;此外,有一类化学物质溶于水时会发生吸热反应,主要是铵盐和硝酸盐类物质,如硝酸铵、硝酸钠、亚硝酸钠等,可利用这一特性进一步强化加热卷烟的烟气降温。
本发明通过将折流板结构引入加热卷烟滤嘴降温段结构设计中,对折流板缺口高度、折流板间距和数量、折流板结构形式以及折流板的厚度进行设计,提高烟气在滤嘴降温段内的换热效率约18%,并通过改变滤嘴内醋酸纤维丝束及滤芯的规格以保证加热卷烟烟雾量及抽吸压降与加入折流板结构前相对一致,最终达到降低烟气进入人口的温度、提升口感的目的。
附图说明
图1为实施例中一种加热卷烟的结构图;
图2为实施例中采用的折流板组件的结构示意图;
图3为图2沿A-A方向的剖视图;
图4为一种加热卷烟的结构图;
图5出示了直径4.6mm,孔道内径3.6mm,壁厚0.5mm,折流板缺口高度0.9mm的四种折流板件,在三次模拟抽吸过程中,出口段烟气最高温度情况;
图6出示了直径4.6mm,孔道内径3.7mm,壁厚0.45mm,折流板缺口高度1.2mm的四种折流板件,在三次模拟抽吸过程中,出口段烟气最高温度情况;
图5和图6中,四种折流板件分别由①PLA(Polylactic acid,聚乳酸)含量80%,PCL(Polycaprolactone,聚己内酯)含量20%;②PLA含量80%,PCL含量20%,并且经过在40℃下24h物理老化;③PLA含量90%,PCL含量10%;④PLA经过在40℃下24h物理老化的四种材料制成。
图7为不同材料、不同结构第一次抽吸过程中的最高温度结果。
具体实施方式
如本文所使用的,加热卷烟是通过对烟丝进行加热,使烟丝挥发产生尼古丁及香味来满足吸烟者需求的新型烟草制品。
如本文所使用的,术语“可抽吸材料”是指可以通过加热,进行一定化学反应而产生释放化合物烟雾的物质。该材料可以是包含或者不包含尼古丁的烟草或者其他非烟草产品。
如本文所使用的,“弓状”是指折流板上部可以通过气流的空腔的形状为弓状,并不是指折流板本身为弓状。
如本文所使用的,“空腔”是指用于烟气流通的通道是不加任何介质的,对烟气进行自然冷却。为了进一步提高降温效果,可以在降温段和可抽吸材料主体之间增加一个空腔,形成双空腔结构,配合高透性或者打孔成型纸,由此可以提高通气量,增大高温烟气与外部环境空气之间的热交换效率。
如本文所使用的,PLA80-PCL20材料为聚乳酸-聚己内酯材料,其中脚标80与20分别代表单位聚合物中PLA和PCL的百分含量。PLA-PCL聚合物作为一种新型的无毒生物降解材料,原料廉价,热物理性能优良,相容性好。
如本文所使用的,“过滤段”是指位于降温段与抽吸端口之间,用于过滤可抽吸材料加热时所产生的有害物质的结构,在实验中所采用的填充材料为醋酸纤维素。
如本文所使用的,“物理老化”是指聚合物经过加热之后,其分子链段进行布朗运动使其从结构从非平衡态向平衡态转变的松弛过程。
如图1~图3所示,一种加热卷烟,包括依次设置的烟草段101、降温段102和过滤段103,该降温段104内设有轴向导通的迂回流道;降温段结构紧靠过滤段设置。
如图2和图3所示,降温段包括:支撑外筒201;固定在支撑外筒内壁的一个或多个折流板202。折流板202为圆缺形折流板,该折流板与支撑外筒内壁之间留有弓状折流板缺口203。相邻两个折流板之间的间距为5mm到10mm;折流板的数量为2至4个。折流板缺口高度h为支撑圆筒内径2r的0.1~0.5倍。降温段轴向长度为滤嘴轴向长度的10~70%。
本实施例中,所述降温段为一体结构。即支撑外筒201和折流板202为一体设置的结构。折流板组件可以采用三维打印工艺制作或者采用注塑工艺一次成型加工得到。
本实施例中,降温段采用聚乳酸-聚己内酯复合材料加工而成,其中聚乳酸的含量为70~90%。
折流板为弓状结构,除缺口外四周边缘与支撑外筒201内壁密封一体设置。烟气从降温段一端进入后,经过图中折流板后在迂回流道中冷却,最后使到达另一端过滤段的烟气温度适中,提高抽吸者的舒适感。图中两个折流板具有加长气体流程,改变气体流向,增大烟气在管道中流动换热效率的作用。
实施例1
如图1所示,一种基于折流板结构的加热卷烟降温段,为长度为18mm的圆柱体棒材。降温段可以采用聚乳酸-聚己内酯折流板件,其中支撑外筒的外直径为4.6mm,孔道内径为3.6mm,壁厚为0.5mm,折流板缺口高度为0.9mm,相邻两个折流板之间的距离为6.8mm两个折流板距离降温段结构两端之间的距离分别为5.6mm(图1中左端)、5.6mm(图1中右端),PLA含量80%,PCL含量20%。折流板件通过3D打印一体化喷熔制成。
实施例2
如图1所示,一种基于折流板结构的加热卷烟降温段,为长度为18mm的圆柱体棒材。降温段可以采用聚乳酸-聚己内酯折流板件,其直径为4.6mm,孔道内径(直径)为3.7mm,壁厚为0.45mm,折流板缺口高度为1.2mm,相邻两个折流板之间的距离为6.8mm;两个折流板距离降温段结构两端之间的距离分别为5.6mm和5.6mm,PLA含量80%,PCL含量20%。折流板件通过3D打印一体化喷熔制成。
实施例3
如图1所示,一种基于折流板结构的加热卷烟降温段,为长度为18mm的圆柱体棒材。降温段可以采用聚乳酸-聚己内酯折流板件,直径为4.6mm,孔道内径为3.6mm,壁厚为0.5mm,折流板缺口高度为0.9mm,相邻两个折流板之间的距离为6.8mm两个折流板距离降温段结构两端之间的距离分别为5.6mm和5.6mm,PLA含量80%,PCL含量20%。折流板件通过3D打印一体化喷熔制成,并且在40℃下物理老化24h。
实施例4
如图1所示,一种基于折流板结构的加热卷烟降温段,为长度为18mm的圆柱体棒材。降温段可以采用聚乳酸-聚己内酯折流板件,直径4.6mm,孔道内径为3.7mm,壁厚为0.45mm,折流板缺口高度为1.2mm,相邻两个折流板之间的距离为6.8mm两个折流板距离降温段结构两端之间的距离分别为5.6mm和5.6mm,PLA含量80%,PCL含量20%。折流板件通过3D打印一体化喷熔制成,并且在40℃下物理老化24h。
实施例5
如图1所示,一种基于折流板结构的加热卷烟降温段,为长度为18mm的圆柱体棒材。聚乳酸-聚己内酯折流板件直径4.6mm,孔道内径3.6mm,壁厚0.5mm,折流板缺口高度0.9mm,相邻两个折流板之间的距离为6.8mm两个折流板距离降温段结构两端之间的距离分别为5.6mm和5.6mm,PLA含量90%,PCL含量10%。折流板件通过3D打印一体化喷熔制成。
实施例6
如图1所示,一种基于折流板结构的加热卷烟降温段,为长度为18mm的圆柱体棒材。聚乳酸-聚己内酯折流板件直径4.6mm,孔道内径3.7mm,壁厚0.45mm,折流板缺口高度1.2mm,相邻两个折流板之间的距离为6.8mm两个折流板距离降温段结构两端之间的距离分别为5.6mm和5.6mm,PLA含量90%,PCL含量10%。折流板件通过3D打印一体化喷熔制成。
实施例7
如图1所示,一种基于折流板结构的加热卷烟降温段,为长度为18mm的圆柱体棒材。聚乳酸折流板件直径4.6mm,孔道内径3.6mm,壁厚0.5mm,折流板缺口高度0.9mm,相邻两个折流板之间的距离为6.8mm两个折流板距离降温段结构两端之间的距离分别为5.6mm和5.6mm,PLA含量90%,PCL含量10%。折流板件通过3D打印一体化喷熔制成,并且在40℃下物理老化24h。
实施例8
如图1所示,一种基于折流板结构的加热卷烟降温段为长度为18mm的圆柱体棒材。聚乳酸折流板件直径4.6mm,孔道内径3.7mm,壁厚0.45mm,折流板缺口高度1.2mm,相邻两个折流板之间的距离为6.8mm两个折流板距离降温段结构两端之间的距离分别为5.6mm和5.6mm,PLA含量90%,PCL含量10%。折流板件通过3D打印一体化喷熔制成,并且在40℃下物理老化24h。
实施本产品可行方法:
如图4所示,一种装载折流板结构降温段结构的加热卷烟展开图,其中(1)为过滤段,(2)为装载有折流板结构的降温段,(3)为均匀的一系列小孔,(4)为均匀打有一系列小孔的中空段(实际产品中,该段也可以省略),(5)放置烟草等可抽吸材料的烟草段。在制作过程中,可先通过打孔设备对卷烟纸进行均匀打孔,然后使用固定材料将制作好的折流板件结构降温段结构固定到卷烟纸上,最后依次装载可抽吸材料和过滤段部分即可。
优选的,可以在降温段空腔部分填充降温材料,包括相变降温材料或者水性降温材。
优选的,可抽吸材料降温段部分能够采用换热效率较高的廉价材料。
上述制得的折流板件(即降温段)均参照GB/T 16450-2004进行测试,使用的加热卷烟均为同一批次且质量合格的产品,实验中每支烟均依据ISO模式使用吸烟机进行抽吸,并采用线径为0.25mm、测量温区为0至1300℃的K型热电偶对烟气出口温度进行温度测量,多次测量取平均值后统计前三次抽吸过程中烟气出口处的最高温度数据于表1。并且针对上述两种不同结构的四种折流板件结构,绘制三次抽吸最高温度的变化情况如图5,图6所示。对于温度数据,同一结构同一材料的样品,大部分展现为第一口温度最高,而后温度逐渐降低的趋势。
表1.折流板结构加热卷烟滤嘴降温段3D打印样品出口每口最高温度
Figure BDA0003910746120000091
Figure BDA0003910746120000101
从图5可知,PLA80-PCL20材料,直径4.6mm,孔道内径3.6mm,壁厚0.5mm,折流板缺口高度0.9mm,相邻两个折流板之间的距离为6.8mm两个折流板距离降温段结构两端之间的距离分别为5.6mm和5.6mm的折流板件降温效果相对于其余两种材料更加明显,并且经过40℃下物理老化24h后的纤维管降温效果更加稳定。
从图6可知,PLA80-PCL20材料,直径4.6mm,孔道内径3.7mm,壁厚0.45mm,折流板缺口高度1.2mm,相邻两个折流板之间的距离为6.8mm两个折流板距离降温段结构两端之间的距离分别为5.6mm和5.6mm的折流板件降温效果相对于其余两种材料更加明显,未老化的纤维管综合降温效果最优。
在此基础上,利用3D打印机(创想三维5060pro)在前期材料物性测量基础上,将PLA与PCL共混及后处理制得四种线材(PLA80PCL20/PLA80PCL20在40℃下物理老化24h/PLA90PCL10/PLA在40℃下物理老化24h)分别打印为折流板结构烟支滤嘴制件,每种线材均打印了9种规格(如表2所示)。
表2折流板结构加热卷烟滤嘴降温段3D打印样品规格汇总表
Figure BDA0003910746120000102
同样方法,检测上述不同材料、结构第一次抽吸过程中的最高温度,见图7。而由图7可知,对于不同材料,PLA80PCL20与PLA80PCL20在40℃下物理老化24h的降温效果较好,其中,使用PLA80PCL20制得的2号样品降温效果最佳,为53.75℃。而对于不同结构,均为2号样品降温效果最佳。
同样的,我们参照GB/T 16450-2004对未放置降温段结构的烟支进行测量,得到其第一口最高温度为75.3℃。结合表1中的数据,我们可以对不同材料、结构的降温段结构换热效率进行估算。烟气在降温段内的换热效率,可以利用烟气通过滤嘴降温段的焓降来估算,而对于同一工质在较低温度时,焓降的比值等于温度差值的比值。实验中,烟气在通过滤嘴降温段前的温度约为200℃,使用折流板(实施例1)之后,,抽吸第一口烟气通过滤嘴降温段后的温度约为53℃,不使用折流板时,抽吸第一口烟气通过滤嘴降温段的温度约为75℃。使用的公式如下:
Figure BDA0003910746120000111
其中cp,m为烟气定压比热容,m为通过滤嘴的烟气量,,η2为使用折流板后降温段的换热效率,η1为未使用折流板后降温段的换热效率,T2为使用折流板烟气通过滤嘴降温段的温度,T1为未为使用折流板烟气通过滤嘴降温段的温度,T0为烟气进入滤嘴降温段前的温度。

Claims (10)

1.一种加热卷烟用降温段结构,其特征在于,设于加热卷烟烟支滤嘴内,包括:
支撑外筒;
固定在支撑外筒内壁的一个或多个折流板。
2.根据权利要求1所述的加热卷烟用降温段结构,其特征在于,所述折流板为圆缺形折流板,该折流板与支撑外筒内壁之间留有折流板缺口,该折流板其余部分边缘与支撑外筒内壁密封连接。
3.根据权利要求1所述的加热卷烟用降温段结构,其特征在于,所述折流板缺口为弓状折流板缺口。
4.根据权利要求1所述的加热卷烟用降温段结构,其特征在于,相邻两个折流板之间的间距为5mm到10mm;折流板的数量为2至4个。
5.根据权利要求2或3所述的加热卷烟用降温段结构,其特征在于,折流板缺口高度为支撑外筒内径的0.1~0.6倍。
6.根据权利要求1所述的加热卷烟用降温段结构,其特征在于,降温段结构轴向长度为滤嘴轴向长度的10~70%。
7.根据权利要求1所述的加热卷烟用降温段结构,其特征在于,所述支撑外筒和其内的折流板为一体结构。
8.根据权利要求1所述的加热卷烟用降温段结构,其特征在于,所述折流板为聚乳酸-聚己内酯折流板。
9.一种加热卷烟,包括依次设置的烟草段和滤嘴,其特征在于,所述滤嘴内的降温段采用权利要求1~8任一项所述的降温段结构。
10.根据权利要求8所述的加热卷烟用降温段结构,其特征在于,降温段结构采用聚乳酸-聚己内酯复合材料加工而成,其中聚乳酸的含量为70~90%。
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