CN202954895U - 微型双斜盘斯特林气体火焰热能回收装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型旨在提供一种微型双斜盘斯特林气体火焰热能回收装置，回收气体火焰加工中余热能来发电同时减少污染节约能源，其技术方案（见图）为：由内外部固定骨架1，γ型斯特林气缸组2，斜盘驱动部件3，大小双斜盘传动部件4，限位导向块5，转轴飞轮6六个部分组成。在火焰加工设备（如焊炬，割炬，烘炬等）热辐射下，斯特林气缸组的热缸受热，工质气体（氢气或氦）膨胀作为动力推动活塞上下往复直线运动，通过斜盘驱动部件驱动大小双斜盘高速旋转，带动斜盘轴和飞轮高速转动，输出机械能发电或做其他用。首次将双斜盘传动部件用于γ型斯特林发动机来回收气体火焰加工中的余热，其制造工艺简单，结构紧凑，体积小，回收热能效率高，便于应用推广。

Description

微型双斜盘斯特林气体火焰热能回收装置

技术领域：

本实用新型是一种气体（如乙炔、丙烷、丙烯、石油气、天然气和氢气等）火焰热源在金属结构物加工业中（如造船业、机械业和冶金业等）热能回收装置，属于能源化工大类中能源环保型余热或废热利用的设备。 

背景技术：

气体火焰加工过程中火焰燃烧所释放的光辐射对工人的身体健康造成伤害，同时大量的热量以热辐射的方式耗散在大气中，其能量利用效率低，而且会产生烟雾造成严重环境污染，当前极少有人考虑回收耗散在空气中的辐射热能。斯特林发动机是一种高效的外燃发动机,在回收气体火焰余热方面有其独特的优势，外部燃料连续地燃烧放热使发动机里的工质氢气（或氦）受热膨胀作为动力驱动活塞运动，膨胀气体又在冷却器中冷却收缩，再次受热膨胀，如此反复地进行这样的循环做功，因而可以作为发动机或发电机用，而且斯特林发动机理论上的效率几乎等于理论最大效率，将其应用到气体火焰加工中热能回收利用，不仅可以提高效率节约能源，还能够减少废气排放保护环境。 

但是传统斯特林发动机结构复杂，工艺要求极高，导致应用范围极其有限，要将它应用到气体火焰加工中热能回收，需满足气体火焰加工环境与设备条件的应用要求，即体积小巧灵便，各种工作姿态可靠运行，本实用新型在已有的斯特林发动机原理基础上进行了改进，将单斜盘传动方式改进为微型双斜盘斯特林气体火焰热能回收装置。它采用四个γ型斯特林发动机，利用四个冷塞杆驱动大斜盘转动，四个热塞杆驱动小斜盘转动，中间省去了设计加工难度非常大的回热器和冷凝器，同样能达到向外输出机械功的目的，结构简单紧凑，大大简化了设计和加工制造难度。它可将外燃式气体火焰加工过程产生的低品位余热能高效地转换成转轴的机械能输出，与小巧的发电机连接，将轴的机械能转化为电能，同时又可将电能通过电解回收的废水转换为氢氧气，实现能量的重复利用。 

发明内容：

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案（见图1）是：它由外部固定骨架和内部支撑骨架、γ型斯特林气缸组、斜盘驱动部件、大小双斜盘传动部件、限位导向块与转轴飞轮六个部分组成；四个γ型斯特林发动机气缸组(2)圆周分布固定在外部固定骨架和内部支撑 骨架(1)的底盘(1a)上，斜盘驱动部件(3)下端密封套在γ型斯特林发动机气缸组(2)的气缸内，斜盘驱动部件(3)上端咬合在大小双斜盘传动部件(4)的大小斜盘(4a、4e)上，大小双斜盘传动部件(4)固定于外部固定骨架和内部支撑骨架(1)内部的斜盘轴(1g)上，限位导向块(5)安装在导杆(1d)上，转轴飞轮(6)安装在外部固定骨架和内部支撑骨架(1)外部斜盘轴(1g)的顶端。将四个相同的γ型斯特林发动机在圆盘圆周均匀布局来驱动双斜盘，利用斯特林发动机的四个热缸吸收火焰四周空间场耗散的余热，使回收效果达到最佳；四个γ型斯特林发动机八缸联动接力和双斜盘传动部件设计是本实用新型的核心技术，斜盘驱动部件、限位导向块和内外部骨架是整体正常运转的重要保证。 

外部固定骨架和内部支撑骨架（图3）包括圆形的底盘(1a)和顶盘(1e)，16根圆周均匀分布的支撑底盘和顶盘的导杆（1d），两个圆柱体支撑柱(1b)和一个支撑横梁（1c）； 16根导杆(1d)两头端部分别为阶梯状螺纹头，螺纹头穿过底盘(1a)和上顶盘(1e)上的定位孔并在背面用螺母紧固，每对导杆装在盘心与汽缸中心的连线左右对称靠盘外圆方向位置上；两支撑柱(1b)两端开有内螺纹孔，其上端通过螺丝连接并锁紧在长方形支撑横梁(1c)上，形成门型支架，并通过支架支撑柱(1b)的下端由螺丝固定在底盘(1a)上；支撑横梁（1c）中心和顶盘（1e）中心开有轴承孔，轴承孔里放置轴承(1f)，斜盘轴(1g)由两个轴承(1f)支撑并固定，满足斜盘轴(1g)转动性能要求。该部分对整个装置起固定支撑作用，并且给中轴提供支座，满足γ型斯特林发动机组驱动双斜盘转动的性能要求。 

γ型斯特林气缸组（见图4），由四个热缸(2c)和四个冷缸(2d)构成的γ型气缸组(2a)组成，它们均匀分布在底盘(1a)的圆周上；热缸(2c)穿过底盘(1a)上的开孔位于底盘(1a)之下， 并分布在直径为50mm的圆周上；冷缸（2d）则位于底盘（1a）上面，其分布在直径为80mm的圆周上；门型固定夹头（7）卡在γ型气缸组（2a）座上并通过其夹头（7）下部由螺丝固定底盘上；γ型气缸组（2a）中两个汽缸中活塞通过活塞杆（2b、2f）与驱动杆（3b、3e）相连，带动驱动头（3a）作上下运动。四个γ型斯特林发动机圆周对称分布并用固定夹头固定在底盘上，每个γ型斯特林发动机都有一个冷缸和一个热缸。每个斯特林发动机的受热端热缸置入底盘下面，冷缸留在底盘上面。对单个斯特林发动机而言（见图2），在热缸一端加热，斯特林汽缸里工质就会进行等温压缩、等容加热、等温膨胀、等容放热四个循环过程，这四个过程中每个γ型斯特林发动机的热缸活塞与冷缸活塞运动的相位差为90°，即当热缸活塞上升到最高位置时，冷缸活塞处在中间平衡位置，这四个循环过程就保证了热缸活塞和冷缸活塞持续不断地上下往复直线运动。由于气体火焰燃烧后的空间温度场的中高温带（温度大于200℃）在离火焰中心距离为25mm左右的圆周上，因此将四个热缸分布在半径为25mm的圆周上，斜盘的传动效率在小倾角的条件下，其传动效率随倾角的增大而增大，为保证传 动效率最优以及冷缸所占据的空间最小，四个冷缸就布置在半径为40mm的圆周上，通过四个γ型斯特林发动机中的八个活塞的运动提供稳定的动力。 

斜盘驱动部件（见图5），它包括驱动头（3a），驱动杆（3b、3e），珠头螺丝（3d），限位杆（3c）；珠头螺丝（3d）由外壳、钢珠、弹簧与顶紧螺丝组成，驱动杆（3b、3e）下端为母型连接头套装在活塞杆（2f、2b）公端并用销钉固定；驱动杆（3b、3e）上端攻有外螺纹与驱动头（3a）内螺纹连接，驱动头（3a）为C形，C形驱动头（3a）背部装有限位杆（3c），限位杆（3c）置入导杆（1d）与导杆（1d）构成的导杆对之间，限定C形驱动头(3a)左右摆动；C形驱动头(3a)上下对称装有两个珠头螺丝(3d)，上下珠头螺丝(3d)由其上下两个钢珠咬住斜盘(4a)，使斜盘驱动部件(3)作上下运动时钢珠能够在大小斜盘(4a、4e)面上灵活滚动，并驱动大小斜盘(4a、4e)作旋转运动，驱动头的设计小巧轻便，钢珠设计为可以滚动的是为了减小传动过程中的摩擦损失；斜盘驱动部件是驱动双斜盘转动的部分，要求是质量小，与斜盘间摩擦阻力小。 

大小双斜盘传动部件（见图6），包括大小斜盘(4a、4e)，大小斜盘夹头对(4b、4f)，斜盘轴(1g)；大斜盘直径76mm，倾角8°，小斜盘直径43mm,倾角14.2°，大小斜盘夹为直径相同的斜切柱体，大斜盘夹头对斜面倾角8°，小斜盘夹头对斜面倾角14.2°，斜盘夹头对(4b、4f)上下夹紧斜盘，通过螺栓(4c)将它们连接构成一体，再将整体套在斜盘轴(1g)上，由斜盘夹(4b)两侧的锁紧螺丝(4d)将斜盘体顶紧在带有阶梯槽的斜盘轴(1g)上，限制大小斜盘转动时上下滑移，并与斜盘轴(1g)构成一体，使其与斜盘轴(1g)同步转动，大小斜盘(4a、4e)之间的位置角度差为41.5°；斜盘的大小和倾斜角度是根据斯特林发动机活塞的冲程来设计的，且保证热缸活塞和冷缸活塞的冲程相等；热缸活塞与冷缸活塞运动的相位差为90°，单个斯特林发动机的摆放位置决定了冷缸与热缸位置之间有一定角度差为48.5°，根据这两个参数确定好了两个斜盘摆放位置的角度差为41.5°，这样就满足了斯特林气缸里工质能够进行等温压缩、等容加热、等温膨胀、等容放热四个循环过程；大小斜盘(4a、4e)均是由镜面不锈钢加工而成，两面光滑度很高，主要是为了减小钢珠在斜盘上滚动的摩擦力，提高斜盘传动的效率；大小双斜盘传动部件是将上下往复直线式运动的机械能转换为旋转形式的机械能。 

限位导向块（见图7），包括直线轴承，轴承支座；其功能是限定并导向限位杆上下运动，这样使驱动头只有一个方向的自由度即上下往复运动，保证能量正确的向所需要的方向传动，也是为了保证机械构件能正常运转。 

在斜盘轴上端还装有一飞轮，用于提供一个瞬间启动力矩，由于飞轮增加了中轴的惯性 矩，更有助于斯特林发动机四个循环过程的实现，工作时通过中轴向外部输出机械能并用于发电。 

本实用新型具有以下特征： 

1）首次尝试以自由活塞式γ型斯特林发动机为基础的双斜盘斯特林发动机； 

2）制造工艺简单，该装置省去了传统中间回热器与冷凝器，避免了中间阶段能量耗散； 

3）一改传统斯特林发动机的曲轴传动机构为双斜盘传动机构，整个装置结构紧凑，体积小，回收热能效率高，便于推广； 

4）在热能回收装置方面，把创新设计的微型双斜盘斯特林发动机运用于气体火焰余热回收； 

将双斜盘斯特林气体火焰热能回收装置应用于气体火焰加工领域，如气割、气焊、水火弯板、火焰矫正和火焰表面淬火等领域，回收加工过程中耗散的的辐射热能，同时减少加工过程中产生的烟尘、有毒气体等污染物，保证良好的工作环境，减少热辐射与强光对工人身心健康的危害，其意义重大。若该装置转化为产品，应用到金属结构物气体火焰加工的行业，形成新的产业链，拉动国民经济增长，将会产生巨大的经济效益，带动金属结构物气体火焰加工设备绿色化、节能减排化，同时对社会可持续发展、低碳经济有重大意义。 

附图说明：

图1为本实用新型整体结构示意图 

图2为本实用新型单个γ型斯特林发动机气缸工作示意图 

图3为本实用新型外部固定骨架和内部支撑骨架示意图 

图4为本实用新型γ型斯特林发动机气缸组位置示意图 

图5为本实用新型斜盘驱动部件示意图 

图6为本实用新型大小双斜盘传动部件示意图 

图7为本实用新型限位导向块示意图 

图8为实施方案图 

图中： 1a.底盘，1b.支撑柱, 1c.支撑横梁, 1d.导杆, 1e.上顶盘, 1f.轴承, 1g.斜盘轴, 2a. γ型斯特林发动机，2b.热缸活塞杆，2c.热缸，2d.冷缸，2e.冷缸活塞, 2f.冷缸活塞杆，3a.驱动头,3b.冷缸活塞驱动杆, 3c.限位杆,3d.珠头螺丝,3e.热缸活塞驱动杆, 4a.大斜盘,4b.大斜盘夹,4c.螺栓,4d.锁紧螺丝，4e.小斜盘,4f.小斜盘夹，5a.轴承支座,5b.直线轴承； 6.飞轮,7.固定夹头； A.微型双斜盘斯特林气体火焰热能回收装置,B.实验或工作小车(构想的)，C.火焰加工设备（可以是焊炬，割炬，烘炬等），D.温度传感器，E.调高手轮，F.移动 滑块，G.待加工的板材或型材,H.托盘。 

具体实施方式：

本实用新型包括外部固定骨架和内部支撑骨架（1），γ型斯特林发动机气缸组（2），斜盘驱动部件（3），大小双斜盘传动部件（4），限位导向块（5），转轴飞轮（6）。 

外部固定骨架和内部支撑骨架（图3）包括圆形的底盘（1a）和顶盘（1e），16根圆周均匀分布的支撑底盘和顶盘的导杆（1d），两个圆柱体支撑柱（1b）和一个支撑横梁（1c）； 16根导杆（1d）两头端部分别为阶梯状螺纹头，螺纹头穿过底盘（1a）和上顶盘（1e）上的定位孔并在背面用螺母紧固，每对导杆装在左右对称于盘心与气缸中心的连线并靠底盘（1a）外圆方向的位置上；两支撑柱（1b）两端攻有内螺纹孔，其上端通过螺丝连接并锁紧在支撑横梁（1c）上，形成门型支架，并通过支架支撑柱（1b）的下端由螺丝固定在底盘（1a）上；支撑横梁（1c）中心和顶盘（1e）中心开有轴承孔，轴承孔里放置轴承（1f），斜盘轴（1g）由两个轴承（1f）支撑并固定，满足斜盘轴（1g）转动性能要求。 

γ型斯特林发动机气缸组（见图4），由四个热缸（2 c）和四个冷缸（2 d）构成的γ型气缸组(2a)组成，它们均匀分布在底盘(1a)的圆周上；热缸(2 c)穿过底盘(1a)上的开孔并位于底盘(1a)之下，均匀分布在直径为50mm的圆周上；冷缸(2d)则位于底盘(1a)上面，其均匀分布在直径为80mm的圆周上；门型固定夹头(7)卡在γ型气缸组(2a)座上并通过其夹头(7)下部由螺丝固定底盘上；γ型气缸组(2a)中两个气缸中的活塞，通过活塞杆(2f、2b)分别与驱动杆（3b、3e）相连，带动驱动头（3a）作上下往复直线运动。 

斜盘驱动部件（见图5）包括驱动头（3a），驱动杆（3b、3e），珠头螺丝（3d），限位杆（3c），珠头螺丝（3d）由外壳、钢珠、弹簧与顶紧螺丝组成，驱动杆（3b、3e）下端为母型连接头套装在活塞杆（2f、2b）公端并用销钉固定；驱动杆（3b、3e）上端攻有外螺纹与驱动头（3a）内螺纹连接，驱动头（3a）为C形，C形驱动头（3a）背部装有限位杆（3c），限位杆（3c）置入导杆(1d)与导杆(1d)构成的导杆对之间，限定C形驱动头(3a)左右摆动；C形驱动头(3a)上下对称装有两个珠头螺丝(3d)，上下珠头螺丝(3d)由其上下两个钢珠咬住斜盘(4a)，使斜盘驱动部件(3)作上下往复直线运动时能够在大小斜盘(4a、4e)面上灵活滚动，并驱动大小斜盘(4a、4e)作旋转运动。 

大小斜盘传动机构（见图6）包括大小斜盘（4a、4e），大小斜盘夹头对（4b、4f），斜盘中轴（1g）；大斜盘直径76mm，倾角8°，小斜盘直径43mm,倾角14.2°，大小斜盘夹为直径相同的斜切柱体，大斜盘夹头对斜面倾角8°，小斜盘夹头对斜面倾角14.2°，斜盘夹头 对（4b、4f）上下夹紧斜盘，通过螺栓（4c）将它们连接构成一体，再将整体套在斜盘轴（1g）上，由斜盘夹（4b）两侧的锁紧螺丝(4d)将斜盘体顶紧在带有阶梯槽的斜盘轴(1g)上，限制大小斜盘转动时上下滑移，并与斜盘轴(1g)构成一体，使其与斜盘轴(1g)同步转动，大小斜盘(4a、4e)之间的位置角度差为41.5°，大小斜盘（4a、4e）均是由镜面不锈钢加工而成。 

限位导向块（见图7）包括直线轴承（5b），轴承支座（5a）；轴承支座（5a）开有直径与导杆（1d）相等的两个孔，穿在导杆（1d）上，用顶紧螺钉固定在两根导杆上，轴承支座（5a）上开孔装有直线轴承（5b），直线轴承（5b）套在驱动杆（3b、3e）上，限定驱动杆（3b、3e）作上下运动，结合限位杆（3c）放在两根导杆（1d）之间的限制，使驱动头只有在一个自由度上运动即上下运动，确保整个驱动系统工作可靠。 

在斜盘轴（1g）上端还装有一飞轮（6），由飞轮（6）法兰上的锁紧螺丝固定在斜盘轴（1g）端键槽中，飞轮向外部输出机械能。   

如图8所示实验小车对本实用新型试验，准备好火焰加工设备焊枪（C），待加工的板材或型材（G），可移动的小车（B），温度传感器（D）；将微型双斜盘斯特林气体火焰热能回收装置(下面简称“装置”)固定安装在实验小车的托盘（H）上，将焊枪的喷嘴穿过底盘中心，置入“装置”的体下并将焊枪固定在车架上，调节焊枪（C）到离待加工物体（G）合适的位置，再通过转动手轮（E）调节“装置”的热缸到合适的高度，调节焊枪的氧气阀和乙炔气阀控制火焰的高度和大小对钢板进行焊接、弯曲、切割等加工。观察微型双斜盘斯特林气体火焰热能回收装置，调整好温度传感器（D）的位置，使温度传感器的尖端到火焰中心的距离与“装置”热缸到火焰中心的距离相等，在温度控制面板上读出温度传感器上显示的“装置”热缸周围空间的温度，等显示到的温度达到500～700℃左右时，人工给“装置”的飞轮（6）提供一个瞬间启动力矩，辅助转动，在惯性矩作用下它会转动一会就停下，但是“装置”气缸受热使发动机里的工质气体（氢气或氦）膨胀作为动力使热缸中活塞运动，膨胀气体在冷缸冷却放热后，将再次受热膨胀，如此反复地推动热缸中活塞做功，工质气体流到冷气缸时又会受热推动冷气缸中活塞（2e）往复上下运动提供动力，对单个斯特林发动机而言，每个斯特林发动机都会这样连续不断的运动提供动力，在四个斯特林发动机联合作用下就会带动八个驱动头（3a）上下运动，驱动头（3a）通过珠头螺丝（3d）顶部的钢珠在斜盘（4a、4e）上灵活转动驱动双斜盘，根据斜盘传动原理，斜盘就会绕斜盘轴(1g)转动，四组活塞同时工作驱动会提供较稳定的动力，使斜盘连同斜盘轴(1g)不停地转动，从而带动飞轮（6）高速地旋转向外输出机械功或者供发电用。 

Claims (5)

1.一种微型双斜盘斯特林气体火焰热能回收装置，其特征为：它包括外部固定骨架和内部支撑骨架(1)，γ型斯特林发动机气缸组(2)，斜盘驱动部件(3)，大小双斜盘传动部件(4)，限位导向块(5)，转轴飞轮(6)；四个γ型斯特林发动机气缸组(2)圆周分布固定在外部固定骨架和内部支撑骨架(1)的底盘(1a)上，斜盘驱动部件(3)下端密封套在γ型斯特林发动机气缸组(2)的气缸内，斜盘驱动部件(3)上端咬合在大小双斜盘传动部件(4)的大小斜盘(4a、4e)上，大小双斜盘传动部件(4)固定于外部固定骨架和内部支撑骨架(1)内部的斜盘轴(1g)上，限位导向块(5)安装在导杆(1d)上，转轴飞轮(6)安装在外部固定骨架和内部支撑骨架(1)外部斜盘轴(1g)的顶端。

2.根据权利要求1所述的一种微型双斜盘斯特林气体火焰热能回收装置，其特征在于：外部固定骨架和内部支撑骨架包括圆形的底盘(1a)和顶盘(1e)，16根圆周均匀分布的支撑底盘和顶盘的导杆（1d），两个圆柱体支撑柱(1b)和一个支撑横梁（1c）； 16根导杆(1d)两头端部分别为阶梯状螺纹头，螺纹头穿过底盘(1a)和上顶盘(1e)上的定位孔并在背面用螺母紧固，每对导杆装在盘心与汽缸中心的连线左右对称靠盘外圆方向位置上；两支撑柱(1b)两端开有内螺纹孔，其上端通过螺丝连接并锁紧在长方形支撑横梁(1c)上，形成门型支架，并通过支架支撑柱(1b)的下端由螺丝固定在底盘(1a)上；支撑横梁（1c）中心和顶盘（1e）中心开有轴承孔，轴承孔里放置轴承(1f)，斜盘轴(1g)由两个轴承(1f)支撑并固定，满足斜盘轴(1g)转动性能要求。

3.根据权利要求1所述的一种微型双斜盘斯特林气体火焰热能回收装置，其特征在于：γ型斯特林发动机气缸组(2a)，由四个热缸(2c)和四个冷缸(2d)构成的γ型气缸组(2a)组成，它们均匀分布在底盘(1a)的圆周上；热缸(2c)穿过底盘(1a)上的开孔位于底盘(1a)之下， 并分布在直径为50mm的圆周上；冷缸（2d）则位于底盘（1a）上面，其分布在直径为80mm的圆周上；门型固定夹头（7）卡在γ型气缸组（2a）座上并通过其夹头（7）下部由螺丝固定底盘上；γ型气缸组（2a）中两个汽缸中活塞通过活塞杆（2b、2f）与驱动杆（3b、3e）相连，带动驱动头（3a）作上下运动。

4.根据权利要求1所述的一种微型双斜盘斯特林气体火焰热能回收装置，其特征在于：斜盘驱动部件（3），它包括驱动头（3a），驱动杆（3b、3e），珠头螺丝（3d），限位杆（3c），珠头螺丝（3d）由外壳、钢珠、弹簧与顶紧螺丝组成，驱动杆（3b、3e）下端为母型连接头套装在活塞杆（2f、2b）公端并用销钉固定；驱动杆（3b、3e）上端攻有外螺纹与驱动头（3a）内螺纹连接，驱动头（3a）为C形，C形驱动头（3a）背部装有限位杆（3c），限位杆（3c）置入导杆（1d）与导杆（1d）构成的导杆对之间，限定C形驱动头(3a)左右摆动；C形驱动头(3a)上下对称装有两个珠头螺丝(3d)，上下珠头螺丝(3d)由其上下两个钢珠咬住斜盘(4a)， 使斜盘驱动部件(3)作上下运动时钢珠能够在大小斜盘(4a、4e)面上灵活滚动，并驱动大小斜盘(4a、4e)作旋转运动。

5.根据权利要求1所述的一种微型双斜盘斯特林气体火焰热能回收装置，其特征在于：大小双斜盘传动部件，包括大小斜盘(4a、4e)，大小斜盘夹头对(4b、4f)，斜盘轴(1g)；大斜盘直径76mm，倾角8°，小斜盘直径43mm,倾角14.2°，大小斜盘夹为直径相同的斜切柱体，大斜盘夹头对斜面倾角8°，小斜盘夹头对斜面倾角14.2°，斜盘夹头对(4b、4f)上下夹紧斜盘，通过螺栓(4c)将它们连接构成一体，再将整体套在斜盘轴(1g)上，由斜盘夹(4b)两侧的锁紧螺丝(4d)将斜盘体顶紧在带有阶梯槽的斜盘轴(1g)上，限制大小斜盘转动时上下滑移，并与斜盘轴(1g)构成一体，使其与斜盘轴(1g)同步转动，大小斜盘(4a、4e)之间的位置角度差为41.5°，大小斜盘(4a、4e)均是由镜面不锈钢加工而成。  

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