CN1313205A - 铁路车辆用电力变换装置 - Google Patents

Abstract

铁路车辆用电力变换装置,在吊挂设置在车辆的底板下的箱体的内部,设置长边侧沿轨道方向的L字形的分隔板(2d),形成风洞6。在该分隔板(2d)的一侧,沿着轨道方向容纳高速断路器(13A)、继电器单元(13B)、接口单元(13C)与控制装置(13D)。在分隔板(2d)的另一侧,相对于L字形的分隔板(2d)的短边侧容纳一对平滑电抗器(8A)及(8B)。半导体单元(7)的放热部(7a)突出地设置于风洞(6)的进风口(2e)侧。平滑电抗器(8A)及(8B)上,固定有位于风洞(6)内侧的电动送风机(9A)及(9B)。

Description

铁路车辆用电力变换装置

本发明涉及一种铁路车辆用电力变换装置。

在铁路车辆中，安装有将从受电弓供给的交流电力通过变压变频控制的逆变器变换成预定的交流电力，控制作为主电机的感应电机的速度的电力变换控制装置。

这种铁路车辆用电力变换装置安装在车辆底板下吊挂的箱体内，在该箱体的内部，除了容纳有由电力用半导体元件等构成的电力变换部外，还容纳有去除主电路中所含的高频部分的电容器，以及在万一发生事故时将输入电源侧与电力变换部切断的高速断路器等。

除了这些电设备外，还有容纳了前述那样的电容器以及用于抑制主电路的波动的逆变器侧的平滑电抗器和该逆变器的电源侧的平滑电抗器的情况，其中，后者的电源侧的电抗器一方的发热量大。

这种平滑电抗器也有安装于箱体外部的情况，取决于其内部的绝缘线圈层间与框体之间的绝缘树脂，其最高容许温度约为180度，比半导体、电容器及后述的控制装置的基板等高大约80度。

作为这种平滑电抗器及控制电路用品的冷却方法，以往是采用由电动送风机强制冷却的方法和由含有列车的行驶风的自然通风方法来冷却这两种方法。

其中，前者的强制冷却方法的冷却效果高，但由于电动送风机产生振动和噪音，因此在考虑环境方面时，则希望采用后者的自然通风方法。

另一方面，随着列车的越来越高速化，铁路车辆用电力变换装置要求大容量化与轻量化，为了设置在车辆的底板下有限的空间内希望小型化。

而且，还要求保养、检修的省力化和提高保养、检修时的操作性。

其中，前者的大容量化、小型、轻量化与保养、检修的省力化是矛盾的，根据该矛盾的要求、同时为了维持在车辆长期持续行驶时预定的特性，对在铁路车辆用电力变换装置的内部所装入的设备的冷却措施也变得越来越重要。

在以往的铁路车辆用电力变换装置中，就冷却方面而言，是采用将容许上升温度比其它电设备高约100度的平滑电抗器另外设置的方法，这种方法制造容易。

但是，由于是采用另外设置的方式，就要增加用于冷却平滑电抗器的风洞、和对连接在该平滑电抗器上的电力变换部进行连接的导体所用的底板下的空间，使得车辆底板下的电设备的配置变得错综复杂。

另一方面，在将平滑电抗器与其它的电设备一同容纳在箱体内的方法中，将这种电设备相对于冷却空气的流路直列(1系统)地配置时，由于用于冷却发热量大的电源侧平滑电抗器的风量同时也通过发热量少的逆变器侧平滑电抗器，因此，考虑到压力损失，效率会降低，这与大容量化、轻量化以及小型化的要求不相适应。

另外，这些平滑电抗器由于最高容许温度相等，因此与上游侧配置的平滑电抗器相比，下游侧配置的平滑电抗器的冷却条件变差，与上游侧的平滑电抗器相比，上升温度增高。

因此，提出了并列设置两个平滑电抗器的流路的方式(2系统)，但由于在这种并列的流路以及在流路的前级设有整风板和阻挡板，因此流路的构造变得复杂，这与大容量化、轻量化以及小型化和保养、检修的省力化的要求也不相适应。

本发明的第一目的是提供一种铁路车辆用电力变换装置，它与大容量化、以及小型化、轻量化与保养、检修的省力化相适应，与列车的高速化也相适应。另外，本发明的第二目的是，提供一种铁路车辆用电力变换装置，它能减小振动与噪音。

为了达到上述目的，本发明采用以下的构成。即，提供了一种铁路车辆用电力变换装置，其具有由半导体电力变换冷却单元与一对平滑电抗器及冷却该电抗器的一对电动送风机构成的电力变换装置，以及将电力变换装置容纳在内部，并吊挂设置于车辆的底板下的箱体，其特征是具有横断面为L字形的风洞，其在箱体的轨道方向的一侧形成进气口，在箱体的枕木方向的一侧形成排气口；半导体电力变换冷却单元的放热部向前述风洞的进气侧突出，并且容纳在箱体的枕木方向一侧的风洞的邻接部上；一对平滑电抗器沿轨道方向容纳在风洞的排气侧；电动送风机邻接平滑电抗器的进气侧。

按照上述方案，本发明由于在与风洞的进气通路垂直的方向折弯形成的排气通路上容纳有一对电抗器，可以降低通过该排气通路的冷却空气的流速，减小各电抗器的冷却条件之差。

图1是表示本发明铁路车辆用电力变换装置第一实施例的正视图；

图2是图1的右侧视图；

图3是图1的A-A剖面图；

图4是图3的B-B剖面图；

图5是图4的C-C剖面图；

图6是表示本发明铁路车辆用电力变换装置第二实施例的横剖面图；

图7是表示本发明铁路车辆用电力变换装置第三实施例的横剖面图；

图8是表示本发明铁路车辆用电力变换装置第四实施例的横剖面图；

图9是表示本发明铁路车辆用电力变换装置第五实施例的横剖面图。

图1是表示本发明铁路车辆用电力变换装置第一实施例的正视图，其是表示从车体的侧方(枕木方向)观看到的在车辆的车体底板下的吊设状态的视图；图2是图1的右侧视图(即从轨道方向所见到的图)。

此外，图3是图1的A-A剖面图；图4是图3的B-B剖面图；图5是图4的C-C剖面图。

在图1、2、3、4、5中，在车体1的下侧，相对于该车体1的底板下垂直设置的L字形的两组托架1a，铁路车辆用电力变换装置的箱体2经由其上端的两侧上所焊接的平板2a吊挂着。

在箱体2的枕木方向的侧面的一侧上，在图3的横剖面图所示的排风口2c的外侧设有开放盖3，所述的开放盖上加工有如图1所示的蜂窝状开口，该开放盖用多个螺栓来固定。

在该开放盖3的图1中的右侧上，用多个螺栓固定有检修盖4A，所述检修盖在图3的横剖面图中形成为U字形。

在箱体2的图1中的里面侧上，如图3及图5所示，用螺栓固定有大型的检修盖4B。

在箱体2的图1中的右侧面上，如图2的右侧视图及图3的横剖面图所示，在入风口2b上可自由装卸地固定有空气过滤器5，此空气过滤器5的滤材使用了细目的钢网。

在箱体2的内部，如图3的横剖面图所示，在内部设有在枕木方向隔开(垂直)的大致倒L字形的隔板2d，其中隔板的长边侧沿着轨道方向，而在箱体2的底板上，从下侧用螺栓固定有面对图3的电动送风机9A后方所形成的进气口2e的小型的开放板14，在所述开放板14上加工有蜂窝状的小孔。

在箱体2的底板上，在与进气口2e的图3中的前方电动送风机9A、9B的下方相对的位置，形成有图中未示出的长方形的开口部，从下侧用多个螺栓将检修盖固定在该开口部上。

在箱体2的图3中的中间部的右侧上，沿枕木方向设有分隔板2f，该分隔板2f在图3中的后方形成向右折弯的隔板2g，在该隔板2g的中央部形成方形孔2g1。

通过这样的隔板2g、隔板2f以及前述L形的隔板2d，冷却空气就从图3所示的进气口2B沿箭头D所示的方向流入箱体2的内部，沿箭头E所示的方向进一步流下，沿箭头F1、F2所示的方向从排风口2c流出，从而形成大致L字形的冷却空气的风洞6。

其中，在方形孔2g1上，贯通有从检修盖4A的后方所容纳的半导体冷却单元7的后部突出的放热部7a，如图3及图5所示，还贯通有如图5所示覆盖该放热部7a上下的盖2g2。

在该风洞6的内部，在相对于隔板2f的左侧，用螺栓吊设有图3及图4所示的平滑电抗器8A、8B，其中电抗器8A、8B是通过图4所示的、用铝合金铸造物制造的筒体10上端的一对挂钩10c，吊设在图4所示的箱体2的顶板下面所焊接的コ字形的框2b上。

其中，左侧的平滑电抗器8A为以往的技术中所述的发热量大的平滑电抗器，而右侧的电抗器8B则为发热量小的平滑电抗器。

各筒体10为了防止涡流产生的发热而在轴向形成有图中未示出的C字形的沟槽，在图中未示出的沟槽内，插入固定有硬质橡胶。

其中，在左侧的筒体10的后端上，固定着电动送风机9A的外框9a(大致圆筒形)，在右侧的筒体10的后端上，还固定着电动送风机9B的外框9b。

在箱体2的前面所形成的排气口2c上，插入有在从图1的正视图观看时与开放盖3的外形大致相同的橡胶密封件11，其中在该密封件11的左侧形成有圆形排气口11a，右侧也同样形成有排气口，所述密封件11的上下与箱体2的顶板及底板接触，左侧接触于隔板2d左侧的内面上，右侧则接触于隔板2f的左侧面上。

左右筒体10的前端面与密封件11的背面接触。

在分隔板2d的后部上，以往技术中所述的高速断路器(气体断路器)13A被容纳在左端，而在其右侧容纳有包括控制用继电器等的继电单元13B。

在该继电单元13B的再右侧，容纳有接口单元13C，其与向该铁路车辆用电力变换装置的内部输入的信号线连接，在该接口单元13C的再右侧，容纳有对正变换部与逆变换部的主电路控制的控制装置13D。

在电动送风机9A与平滑电抗器8A的在图3中左侧隔板的再左侧所形成的细长的空间内，容纳有检测主电路的电流的、图中未示出的变流器与测定主电路的电压的仪器用变压器等。

在箱体2的顶板下侧，在相对于平滑电抗器8A及8B的后方与半导体冷却单元7的上方的位置，配设有图中未示出的导管，其用于容纳与它们相连的电缆。

下面，对这样构成的铁路用电力变换装置的作用进行说明。

在车辆行驶中，冷却空气通过一对电动送风机8A、8B的回转，从箱体2的轨道方向的一侧所形成的进风口1b，如图3的箭头D所示，经空气过滤器5吸入半导体单元7的放热部的风洞6a内。

流入该风洞6a的冷却空气吸收并冷却半导体单元7的放热部7a的热量，如图3的箭头E所示，流入下游侧的风洞6b内并且降低流速，通过一对电动送风机9A及9B，在冷却各平滑电抗器8A及8B的线圈8a及8b后，从排风口2c如箭头F1及F2所示向车体的侧方(枕木方向)流出。

此时，流入风洞6b的冷却空气的被电动送风机9A及9B吸入的量在流路上游侧位置的电动送风机9B的吸入力的作用下，与电动送风机9B吸入的冷却空气相比，由下游侧的电动送风机9A吸入的风量减少了。

但是，由于该下游侧的电动送风机9A的吸入力，低温的冷却空气就从该电动送风机9A的后方的底板上所形成的通风口2e经开放板14而流入风洞6b内，利用该冷却空气，冷却下游侧的平滑电抗器8A的线圈8a。

因此，与冷却上游侧的平滑电抗器8B的冷却空气相比，由于发热量大的平滑电抗器8A是用更低温的冷却空气来冷却，因此可以冷却内部线圈的温度上升，使之与平滑电抗器8B的线圈冷却到相同的程度。

再者，在平滑电抗器8A及8B的外周筒体10的前端面上，由于与橡胶密封件11的背面接触，因此冷却空气不会从筒体10的外周泄漏到排风口2c及箱体的外部。

而且，排风口2c虽然是形成在车辆的侧面，但在车站停车中，由于半导体单元7与平滑电抗器8A及8B没有通电，因此从排气口2c向内部方向排出的冷却空气的温度较低，因此不会产生问题。

此外，从排风口2c排出的冷却空气由于是在车辆的侧面，因此不会妨碍对该铁路车辆用控制装置的在轨道方向邻近的驱动用电机及辅助电源的冷却。

而且，与安装在进风口1b上的空气过滤器5的网眼相比，由于安装在通风口2e上的开放板14的网眼较粗，并且平滑电抗器8A及8B为圆筒状，其冷却面上无凹凸，因此不会造成因尘埃堆积而降低冷却效果。

而且，由于容纳在隔板2d与隔板2d后方的检修盖4B之间的高速断路器13A、继电器单元13B以及接口单元13C和控制装置13D是设置在一侧与外界空气相接触的检修盖4B及其周围的侧板与流入冷却空气的隔板2d之间，因此，可以抑制这类电设备的温度上升。

此外，通过打开检修盖4B，可以从车辆的侧面进行检修，由于在向外部拉出的情况下也同样如此，因此可容易进行保养、检修。

同样地，在保养、检修电动送风机9A及9B的场合，也可以取下安装在长方形开口部上的检修盖来进行，其中所述长方形开口部形成在该电动送风机9A及9B下侧的底板上。

另一方面，由于图3中的一对平滑电抗器8A及8B与其后方重叠的电动送风机9A及9B的枕木方向的厚度之和与半导体单元7的元件以及图中未示出的受热块的厚度大致相等，因此在L字形的隔板2d与开放盖3及检修盖4A之间形成的空间内，可以不形成无用的空间地进行配置，使得箱体2小型化。

再者，在上述实施例中，平滑电抗器8A及8B虽然是以发热量和上升温度不同的情况来说明的，但在大致相等或相近的情况下，通过减小形成在底板上的进风口2e的大小来进行调整，可以使得两方的平滑电抗器的冷却条件的平均化。

同理，当平滑电抗器8A及8B的发热量之差比前述的大约100度的差还要大时，通过增大进风口2e的大小，可以同样获得平均化。

图6是表示本发明的铁路车辆用电力变换装置的第二实施例的横剖面图，其与表示前述第一实施例的图3对应。

在图6中，与表示前述第一实施例的图3特别不同的是，相对于电动送风机9B的外框9b的下游侧的背面，安装了整风板15，从而可以增大电动送风机9B的吸入风量。

该场合也适用于一对平滑电抗器9A及9B的发热量之差少的场合，根据其发热量之差的大小，可以相应地改变整风板15的安装角度及外形。

图7是表示本发明的铁路车辆用电力变换装置的第三实施例的横剖面图，其与表示前述第一及第二实施例的图3及图6对应。

在图7中，与表示前述第一及第二实施例的图3及图6不同的是，改变了电动送风机9B的叶片的螺旋方向，因此其回转方向也改变。

在这样构成的铁路车辆用电力变换装置中，由于通过相互以相反方向回转的电动送风机9A及9B，可以消除由这些电动送风机9A及9B产生的振动，因此可以防止由这种振动的传递引起的车体的振动以及由该振动而引起的乘客的不快感。

图8是表示本发明的铁路车辆用电力变换装置的第四实施例的横剖面图，其与表示前述第一、第二及第三实施例的图3、图6及图7对应。

在图8中，与表示前述第一、第二及第三实施例的图3、图6及图7特别不同的是，通过防振橡胶16，将电动送风机9A及9B的外框9a及9b固定在各平滑电抗器8A及8B的外周的筒体10的背面侧上，而其它方面与前述实施例所表示的图3相同。

即，在各平滑电抗器8A及8B的外周的筒体10的背面侧上，以90°的间隔安装着防振橡胶16，电动送风机9A及9B固定在这些防振橡胶16的后面侧。

在这样构成的铁路车辆用电力变换装置中，可防止将电动送风机9A及9B发生的振动传递给筒体10，因此可以防止通过箱体从该筒体10向车辆内部传递。

图9是表示本发明的铁路车辆用电力变换装置的第五实施例的横剖面图，其是与表示前述实施例的图3、图6、图7及图8对应的图。

在图9中，与表示前述实施例的图3、图6、图7及图8特别不同的是，防振橡胶设置在筒体10的安装脚10c与箱体的顶板之间，其它方面与图3、图6、图7及图8相同。

也就是说，在箱体的顶板的内面上焊接有コ字形的4个加强板2b，在该加强板2b的下面安装两组防振橡胶16，筒体10通过这两组防振橡胶16吊挂在箱体的顶板上。

这种防振橡胶16安装在箱体的顶板的加强板2b的下面侧上，并通过这些防振橡胶16将平滑电抗器的筒体10吊挂的铁路车辆用电力变换装置中，也可防止通过筒体10传递的固定于该筒体10的后面侧的电动送风机的振动。

按照如上所述的本发明，可以获得这样的一种铁路车辆用电力变换装置，在半导体电力变换冷却单元与一对平滑电抗器及冷却该电抗器的一对电动送风机容纳在吊挂设置于车辆的底板下的箱体内部的铁路车辆用电力变换装置中，设置有在箱体的轨道方向的一侧形成进气口，在箱体的枕木方向的一侧形成排气口的横断面为L字形的风洞，半导体电力变换冷却单元的放热部向风洞的进气侧突出，并且容纳在箱体的枕木方向一侧的风洞的邻接部，一对平滑电抗器沿轨道方向容纳在风洞的排气侧，电动送风机邻接所述平滑电抗器的进气侧，将一对电抗器容纳在沿风洞的进气通路垂直方向折弯形成的排气通路上，通过该排气通路的冷却空气的流速降低，减小各电抗器的冷却条件的差别，因此可以适应大容量化及小型、轻量化与保养、检修的省力化，可适应列车的高速化。

而且，按照本发明，通过在一对平滑电抗器下游侧的电抗器进气侧的、电动送风机的进气侧的箱体底板上，形成有辅助进气口，可以将冷却条件比上游侧的平滑电抗器低的、下游侧的平滑电抗器通过从辅助进气口流入的冷却空气来冷却，因此与风洞上游侧的平滑电抗器相比，冷却条件低的、下游侧的平滑电抗器可以被从辅助进气口流入的冷却空气来冷却。

而且，按照本发明，由于将一对平滑电抗器做成圆筒状，将各平滑电抗器容纳到筒体内，将该筒体吊挂设置到箱体上，通过相互筒状的平滑电抗器与筒体之间的冷却空气的压力损失可减少，并且可全周均匀地冷却线圈，因此通过相互筒状的平滑电抗器与筒体可减少它们之间的冷却空气的压力损失，并且可全周均匀地冷却线圈。

而且，按照本发明，由于将电动送风机的外框做成圆筒状，通过该外框将电动送风机固定到筒体的进气侧，采用圆筒状的电动送风机的外框可以防止冷却空气从该外框的外侧向风洞的排气口流出，因此，采用圆筒状的电动送风机的外框可以防止冷却空气从该外框的外侧向风洞的排气口流出。

而且，按照本发明，由于在一对平滑电抗器中，将发热量大的平滑电抗器配置在风洞的排气侧的下游侧，发热量大的平滑电抗器被从辅助进气口流入的下游侧的电动送风机吸入的冷却空气冷却，因此可以用从辅助进气口流入的下游侧的电动送风机吸入的冷却空气来冷却发热量大的平滑电抗器。

而且，按照本发明，由于空气过滤器设置于风洞的进气口处、将比该空气过滤器的网眼要粗的网板设置于辅助进气口处、以及将比网板的网眼更粗的排气网板设置于风洞的排气口处，故可以用空气过滤器来防止附着于半导体变换器的放热部上的尘埃，用辅助进气口的网板来防止从辅助进气口流入的粗的尘埃，因此可以用空气过滤器来防止附着于半导体变换器的放热部上的尘埃，用辅助进气口的网板来防止从辅助进气口流入的粗的尘埃。

而且，按照本发明，由于在风洞的枕木方向的另一侧形成有容纳控制用电气制品的电气制品室，利用与外界空气的接触面积大的电气制品室的侧板可抑制控制用电气制品的温度上升，因此，通过与外界空气的接触面积大的电气制品室的侧板可抑制控制用电气制品的温度上升。

而且，按照本发明，由于在一对平滑电抗器中，将整风板设置于上游侧电抗器的进气侧的、电动送风机的框体的下游侧，通过整风板可使上游侧与下游侧的冷却条件的差平均化，因此通过整风板可使风洞上游侧与下游侧的冷却条件的差平均化。

而且，按照本发明，由于还具有设置于箱体排气口处的开放盖，以及在该开放盖的半导体电力变换装置侧及箱体的枕木方向的另一侧以及底板的电动送风机的下侧设置的检修盖，从排气口向外部排出的冷却空气从开放盖排出，半导体电力变换单元的检修可以通过打开检修盖来进行，因此，从排气口向外部排出的冷却空气从开放盖排出，半导体电力变换单元的检修可以通过打开检修盖来进行。

而且，按照本发明，由于还具有设置于一对平滑电抗器的排风侧处的形成有一对排气口的长方形密封件，可以通过密封件防止冷却空气从筒体的外周向排气口流出，因此可以通过密封件防止冷却空气从筒体的外周向排气口流出。

而且，按照本发明，由于还具有设置于平滑电抗器与电动送风机的框体之间的防振橡胶，可通过防振橡胶来防止由电动送风机的回转产生的振动的传递，因此可通过防振橡胶来防止由电动送风机的回转产生的振动的传递。

而且，按照本发明，由于一对电动送风机的叶片的方向相反，回转方向相反，由电动送风机的回转产生的振动相互抵消，因此电动送风机的回转方向相反可以使得由电动送风机的回转产生的振动相互抵消。

Claims (12)

1．一种铁路车辆用电力变换装置，其具有由半导体电力变换冷却单元与一对平滑电抗器及冷却该电抗器的一对电动送风机构成的电力变换装置，以及将前述电力变换装置容纳在内部，并吊挂设置于车辆的底板下的箱体，其特征是：

具有横断面为L字形的风洞，其在箱体的轨道方向的一侧形成进气口，在箱体的枕木方向的一侧形成排气口；

前述半导体电力变换冷却单元的放热部向前述风洞的进气侧突出，并且容纳在前述箱体的枕木方向一侧的前述风洞的邻接部上；

前述一对平滑电抗器沿轨道方向容纳在前述风洞的排气侧；

前述电动送风机邻接所述平滑电抗器的进气侧。

2．如权利要求1所述的铁路车辆用电力变换装置，其特征是：

在前述一对平滑电抗器的下游侧的电抗器的进气侧的前述电动送风机的进气侧的前述箱体的底板上，还形成有辅助进气口。

3．如权利要求1或2所述的铁路车辆用电力变换装置，其特征是：

还具有容纳前述各平滑电抗器的筒体；

将前述一对平滑电抗器做成圆筒状，容纳到前述筒体内，将该筒体吊挂设置到前述箱体上。

4．如权利要求3所述的铁路车辆用电力变换装置，其特征是：

将前述电动送风机的外框做成圆筒状，通过该外框将前述电动送风机固定到前述筒体的进气侧。

5．如权利要求1～4所述的铁路车辆用电力变换装置，其特征是：

在前述一对平滑电抗器中，将发热量大的平滑电抗器配置在前述风洞的排气侧的下游侧。

6．如权利要求1～5所述的铁路车辆用电力变换装置，其特征是：

还具有设置于前述风洞的进气口处的空气过滤器；

设置于前述辅助进气口处的比前述空气过滤器的网眼要粗的网板；以及

设置于前述风洞的排气口处的比前述网板的网眼更粗的排气网板。

7．如权利要求1～6所述的铁路车辆用电力变换装置，其特征是：

还具有设置于前述风洞的枕木方向的另一侧的容纳有控制用电气制品的电气制品室。

8．如权利要求1～7所述的铁路车辆用电力变换装置，其特征是：

还具有在前述一对平滑电抗器中，设置于上游侧的电抗器的进气侧的、前述电动送风机的框体下游侧的整风板。

9．如权利要求1～8所述的铁路车辆用电力变换装置，其特征是：

还具有设置于前述箱体的排气口处的开放盖；

设置于前述开放盖的前述半导体电力变换装置侧及前述箱体的枕木方向的另一侧以及前述底板的前述电动送风机的下侧的检修盖。

10．如权利要求1～9所述的铁路车辆用电力变换装置，其特征是：

还具有设置于前述一对平滑电抗器的排风侧处的形成有一对排气口的长方形的密封件。

11．如权利要求1～10所述的铁路车辆用电力变换装置，其特征是：

还具有设置于前述平滑电抗器与前述电动送风机的框体之间的防振橡胶。

12．如权利要求1～11所述的铁路车辆用电力变换装置，其特征是：

前述一对电动送风机的叶片的方向相反，回转方向相反。

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