CN207721534U - 用于人体的加热装置及包括其的床 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种用于人体的加热装置及包括其的床。所述加热装置包括红外加热光源。本实用新型的人体的加热装置及包括其的床，尤其适用于加热人体，在加热人体时，具有极佳的能源利用效率，且可以取得精准、可控、高效的加热效果，有助于提高被加热的人的舒适感以及保证加热的安全性。

Description

用于人体的加热装置及包括其的床
相关申请的引用
本申请要求享有2016年5月25日申请的PCT专利申请No.PCT/CN2016/083267的优先权，该申请的全部内容以引用方式以任何目的包含于此。
技术领域
本实用新型涉及加热技术领域，尤其涉及一种适用于人体的加热装置。
背景技术
现有技术中的加热方式主要有两种，分别是黑体辐射加热和空调加热。黑体辐射加热主要利用高温物体产生的黑体辐射对周边物体进行加热，而空调加热主要通过借用房间外的热量然后和房间内的空气进行热交换来加热。这两种加热方法都有各自的不足因而不适合被应用于智能加热领域和针对特定对象的小范围局部加热的领域，尤其不适于针对人体的加热。
以空调加热为例，其在调节房间温度的时候是通过与房间内的空气进行冷热交换的方式进行温度调节。具体来讲，在需要升温时，空调加热房间内的空气，然后通过被加热的空气再来加热房间内的其它物体，这会导致房间内不需要被加热的物体也被加热，比如需要保持低温的冰箱被加热，导致能量的浪费。除了能源利用率低下的问题以外，空调还存在反应速度慢的缺陷，因而只能针对某一空间整体相对缓慢的加热。
因此，在将空调加热应用于以加热人体为目的的应用场景下，难以避免地存在能源效率低下，且难以实现快速、精准的加热效果的缺陷。
对于黑体辐射的加热方式，其利用高温物体产生的黑体辐射对周边物体进行加热，其加热原理会导致其在应用于人体的加热时必然存在和空调加热相同的上述缺陷。此外，黑体辐射首先需要消耗能源产生高温物体，这导致了其效率的进一步降低，同时还使得对于加热目标的加热过程的可控性变低。
在以加热人体为目的的应用场景下，由于人体在组成、形态上的复杂性，人体在受到不均匀加热时的不舒适感以及潜在的安全风险，都造成了现有的加热技术难以取得高效、精准、可控的加热效果。因此，亟需一种更为理想的适用于人体加热的加热装置。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是为了克服现有技术中的加热技术在被用于加热人体时，存在效率低下，且加热效果不够快速、精准、可控的缺陷，提出一种用于人体的加热装置及包括其的床。
本实用新型是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
本实用新型提供了一种用于人体的加热装置，其特点在于，所述加热装置包括红外加热光源。
较佳地，所述红外加热光源沿第一维度在光源中心的至少一侧具有蝙蝠翼式的光强分布。
较佳地，所述蝙蝠翼式的光强分布，在光源中心的直射方向上具有直射光强值，在光源中心的至少一侧以第一斜射角出射的方向上具有第一光强极大值，第一光强极大值与直射光强值之比介于1.5与5.0之间，第一斜射角介于3°与30°之间。
较佳地，第一光强极大值与直射光强值之比介于1.5与2.5之间，第一斜射角介于3°与15°之间。
较佳地，所述蝙蝠翼式的光强分布包括第一斜射角区间，第一斜射角区间的一端的斜射角较第一斜射角小2°-5°，另一端的斜射角较第一斜射角大4°-6°，以第一斜射角区间内的任一斜射角出射的光强与第一光强极大值的差值不大于第一光强极大值的30％。
较佳地，所述红外加热光源沿第一维度在光源中心的两侧均具有蝙蝠翼式的光强分布，所述蝙蝠翼式的光强分布，在与第一斜射角所在的一侧相对的另一侧以第二斜射角出射的方向上具有第二光强极大值，第二光强极大值与直射光强值之比介于1.2与5.0之间，第二斜射角介于3°与30°之间。
较佳地，第二光强极大值与直射光强值之比介于1.5与2.5之间，第二斜射角介于3°与15°之间。
较佳地，所述蝙蝠翼式的光强分布包括第二斜射角区间，第二斜射角区间的一端的斜射角较第二斜射角小2°-5°，另一端的斜射角较第二斜射角大4°-6°，以第二斜射角区间内的任一斜射角出射的光强与第二光强极大值的差值不大于第二光强极大值的30％。
较佳地，所述蝙蝠翼式的光强分布包括中间角度区间，中间角度区间为斜射角不超过第三斜射角的区间，以中间角度区间内的任一斜射角出射的光强与直射光强值之比不大于1.2且不小于1。
较佳地，所述红外加热光源沿第二维度在光源中心的至少一侧也具有蝙蝠翼式的光强分布，第二维度与第一维度相互垂直。
较佳地，所述加热装置还包括红外温度传感器和控制器，所述红外温度传感器的感测方向同第一斜射角的方向基本相同，所述控制器用于将所述红外温度传感器测得的温度与目标温度下限值及目标温度上限值进行比较，并在所述红外温度传感器测得的温度低于目标温度下限值时调低所述红外加热光源的输出功率，在所述红外温度传感器测得的温度高于目标温度下限值时调低所述红外加热光源的输出功率。
较佳地，所述控制器用于每隔第一时间间隔读取所述红外温度传感器测得的温度并进行所述比较，并在所述红外温度传感器测得的温度低于目标温度下限值时将所述红外加热光源的输出功率调高第一功率百分比值，在所述红外温度传感器测得的温度高于目标温度下限值时将所述红外加热光源的输出功率调高第二功率百分比值。
较佳地，第一时间间隔小于0.3秒，第一功率百分比值在0.5％与2％之间，第二功率百分比值在0.5％与2％之间。
较佳地，所述红外加热光源的波段处于900nm-5000nm的范围内。
较佳地，所述加热装置用于设置于床的上方或侧上方以加热处于床上的加热对象。
本实用新型还提供了一种床，其特征在于，其包括侧床栏以及如上所述的加热装置，所述加热装置设置于所述侧床栏上。
较佳地，所述床为婴儿床，其中，所述加热装置设置为使得所述红外加热光源相较于婴儿床的床面高出30cm-70cm。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本实用新型各较佳实例。
本实用新型的积极进步效果在于：
本实用新型的用于人体的加热装置及包括其的床，在加热人体时，具有极佳的能源利用效率，且可以取得精准、可控、高效的加热效果，有助于提高被加热的人的舒适感以及保证加热的安全性。
附图说明
图1为本实用新型一较佳实施例的中作为加热对象的人体和加热装置中的红外加热光源之间的位置关系的示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图，进一步对本实用新型的优选实施例进行详细描述，以下的描述为示例性的，并非对本实用新型的限制，任何的其他类似情形也都落入本实用新型的保护范围之中。
在以下的具体描述中，方向性的术语，例如“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”、等，参考附图中描述的方向使用。本实用新型的实施例的部件可被置于多种不同的方向，方向性的术语是用于示例的目的而非限制性的。
根据本实用新型一较佳实施例的人体的加热装置，包括红外加热光源，所述红外加热光源沿第一维度在光源中心的至少一侧具有蝙蝠翼式的光强分布。红外加热光源可采用例如红外LED光源。由于人体的主要成分是水，而水分子对于红外线的能量吸收效率较高，因此采用红外加热光源用于人体加热，有助于提高加热效率。同时，应用于人体加热时，红外加热相对而言具备较高的可控性和精确性，有利于进一步实现根据期望的智能加热。
这种蝙蝠翼式的光强分布的特点在于，光源中心处直射的光强要弱于光源中心一侧呈一定斜射角出射的光强，或者弱于光源中心两侧的呈一定斜射角出射的光强，即某个特定角度的斜射光强才是光源的整个光强分布中的极大值。而光源中心处直射的光强可以是光源的主要出射方向中相对较低的光强。
经过大量试验后，申请人发现，针对人体在某个平面上呈平躺姿势或近似平躺姿势时，如上所述的光强分布的红外加热光源能够取得很好的加热效果。由于人体并非呈大体规则的外形，也不具有较为均匀的厚度，因而采用均匀的光强分布难以取得理想的加热效果。而例如黑体辐射的加热方式，由于其利用的是各向同性的辐射，也无法取得理想的加热效果。如上所述的蝙蝠翼式的光强分布则能在适当调节后实现较为均匀的加热效果。
举例来说，若人体近似于在水平面上呈平躺姿势时，加热装置可设置于高于该水平面的侧面位置，并布置为使得第一维度沿与人体的高度垂直的方向且红外加热光源大致斜向下照向人体。作为加热对象的人体2和加热装置中的红外加热光源1之间的位置关系大致如图1所示，其中人体的高度方向为垂直纸面方向。光源离人体最近的位置大致对应于光源中心的直射光强，而人体胸腔的方向则大致对应于蝙蝠翼式光强分布中光强值较大的斜射光强。
根据本实用新型的优选的实施方式，为了在应用于人体加热时，尤其是应用于将本实用新型的加热装置设置于床的侧床栏上对大致平躺于床上的人的人体进行加热的场景(更重要的是，针对婴儿床上大致处于平躺姿势的婴儿进行加热的场景)时，取得更均匀、舒适的人体加热效果，需要对所述蝙蝠翼式的光强分布进行进一步的设计。这种进一步设计的光强分布，在光源中心的直射方向上具有直射光强值，在光源中心的至少一侧以第一斜射角出射的方向上具有第一光强极大值，第一光强极大值与直射光强值之比介于1.5与5.0之间，第一斜射角介于3°与30°之间。
更优选地，第一光强极大值与直射光强值之比介于1.5与2.5之间，第一斜射角介于3°与15°之间。
更优选地，所述蝙蝠翼式的光强分布包括第一斜射角区间，第一斜射角区间的一端的斜射角较第一斜射角小2°-5°，另一端的斜射角较第一斜射角大4°-6°，以第一斜射角区间内的任一斜射角出射的光强与第一光强极大值的差值不大于第一光强极大值的30％。根据本实用新型的优选实施方式，所述红外加热光源沿第一维度在光源中心的两侧均具有蝙蝠翼式的光强分布，所述蝙蝠翼式的光强分布，在与第一斜射角所在的一侧相对的另一侧以第二斜射角出射的方向上具有第二光强极大值，第二光强极大值与直射光强值之比介于1.2与5.0之间，第二斜射角介于3°与30°之间。
优选地，第二光强极大值与直射光强值之比介于1.5与2.5之间，第二斜射角介于3°与15°之间。
优选地，所述蝙蝠翼式的光强分布包括第二斜射角区间，第二斜射角区间的一端的斜射角较第二斜射角小2°-5°，另一端的斜射角较第二斜射角大4°-6°，以第二斜射角区间内的任一斜射角出射的光强与第二光强极大值的差值不大于第二光强极大值的30％。
优选地，所述蝙蝠翼式的光强分布包括中间角度区间，中间角度区间为斜射角不超过第三斜射角的区间，以中间角度区间内的任一斜射角出射的光强与直射光强值之比不大于1.2且不小于1。
在应用于将本实用新型的加热装置设置于床的侧床栏上对大致平躺于床上的人的人体进行加热的情况下，第二斜射角的这一侧的光强极大值可略小于第一斜射角一侧的光强极大值，并布置使得第一斜射角一侧的光强极大值大致照射向人体的胸腔的远端位置，以使人体的胸腔两侧受热较为均匀。
在采用上述优选的实施方式的蝙蝠翼式的光强分布的情况下，能够得到更好的均匀加热效果。
在下述实施例中，模拟测试的条件为以躺在现有的一般尺寸的婴儿床中的婴儿作为加热对象，将本实用新型的加热装置以及一些其他的加热装置设置于婴儿床的侧面床栏上，大致以斜向下的角度通过照射婴儿的大致的胸部位置从而对婴儿进行加热。并且，以下测试中，模拟的婴儿大致具有60cm的胸围，加热装置距离婴儿大约50cm左右，环境温度约15.71℃，加热时间约15分钟，加热装置的加热功率约为60瓦。为了以较为简洁的方式体现出本实用新型较优实施例的较佳的技术效果，以下实施例均采用了对称的蝙蝠翼式光强分布，即第二光强极大值及第二斜射角与第一光强极大值及第一斜射角相对。
表1本实用新型优选实施例的加热装置的加热测试效果
参考表1所示，在这一实施例中，第一光强极大值与直射光强值之比为1.89，第一斜射角为7°。在此情况下，测得位于加热对象的胸部的两侧侧面位置较远离中心处的测温点的温度分别为28.45℃和27.5℃，而在位于加热对象的胸部的中间位置的测温点的温度分别为27.93℃和28.13℃。由此可得出加热对象的胸部的中间位置和侧面位置较远离中心处的温差，即表中的温差较大值，分别为-0.52℃和0.63℃，多个侧面的测温点汇总后与加热对象的胸部的中间位置的温度之间的温差平均值为-0.205℃。这种情况下，加热的均热效果是非常理想的。
应当理解的是，以下表2-13中的测试数据，大多与上表1中的各项数据的含义相同，以下不再赘述。
表2 Lambertian光强分布的加热装置的加热测试效果
表2的实施例中的Lambertian光强分布，为常见的半光强出现在60度的情况，此时，光强分布I＝I0Cos(斜射角)，I0为直射光强。由表2数据可以看出，采用Lambertian光强分布的情况下，加热测试的均热效果较差，温差较大。
表3另一实施例的加热装置的加热测试效果
表4另一实施例的加热装置的加热测试效果
表5另一实施例的加热装置的加热测试效果
表6另一实施例的加热装置的加热测试效果
表7另一实施例的加热装置的加热测试效果
表8另一实施例的加热装置的加热测试效果
表9另一实施例的加热装置的加热测试效果
表3-9的实施例中均采用了具有蝙蝠翼式的光强分布的红外加热光源，并且其中第一光强极大值对应的第一斜射角均配置为7°，各个实施例的差别仅在于第一光强极大值和直射光强值之比不同。由表3-9所示的测试结果表明，当第一光强极大值和直射光强值的比值约处在1.5-2.5之间的范围时，均热效果有明显的提升。
将表3-9的实施例的测试数据汇总如下表10，可见，当第一光强极大值和直射光强值之比处于1.2-3之间时，加热测试中的均热效果大约能使得温差不超过3℃，当第一光强极大值和直射光强值之比处于1.5-2.5之间时，均热效果明显更佳，而当第一光强极大值和直射光强值之比处于1.9附近的区间时，可取得极佳的均热效果，其实现的极小温差几乎是实际使用中加热对象无法察觉的。应当理解的是，在此给出的测试效果示例，与申请人在其他条件下进行的类似测试的效果，呈现出较为一致的结果，但受篇幅所限，不再一一列出。并且还应当理解的是，在此所给出的实施例的测试结果，通常在进行调整的参数在给出的例子的附近有一定幅度，例如20％、30％的波动时，一般能呈现相近的效果。
表10加热装置的加热测试效果受到光强比值的影响
另一方面，在如上所述的加热测试中，若将最大光强值与中心光强的比值固定，例如固定为1.89，改变第一斜射角的大小，则也会造成均热效果的差异。经类似条件的加热测试后发现，光强极大值对应的斜射角一般不超出3-30度的角度范围，才得以获得不错的均热效果。并且应当理解的是，在这一角度范围内，可根据实际的加热对象条件来选取斜射角的角度范围，以较为适当地覆盖加热对象，以达到节能目的。
根据本实用新型的优选实施方式，所述红外加热光源沿第二维度在光源中心的至少一侧也具有蝙蝠翼式的光强分布，第二维度与第一维度相互垂直，由此可使得均热效果更佳。
根据本实用新型的优选实施方式，所述加热装置还包括红外温度传感器和控制器，所述红外温度传感器的感测方向同所述红外加热光源的照射方向基本相同，所述控制器用于将所述红外温度传感器测得的温度与目标温度下限值及目标温度上限值进行比较，并在所述红外温度传感器测得的温度低于目标温度下限值时调高所述红外加热光源的输出功率，在所述红外温度传感器测得的温度高于目标温度下限值时调低所述红外加热光源的输出功率。
更优选地，所述控制器用于每隔第一时间间隔读取所述红外温度传感器测得的温度并进行所述比较，并在所述红外温度传感器测得的温度低于目标温度下限值时将所述红外加热光源的输出功率调高第一功率百分比值，在所述红外温度传感器测得的温度高于目标温度下限值时将所述红外加热光源的输出功率调低第二功率百分比值。其中，第一时间间隔小于0.3秒，第一功率百分比值在0.5％与2％之间，第二功率百分比值在0.5％与2％之间。举例来说，第一时间间隔可以为0.1秒或0.2秒，第一功率百分比值和第二功率百分比值可以分别为1％。
采用如上优选实施方式中，并采用如上优选的光强分布配置的情况下，针对目标人体为1岁以下婴儿，环境温度不小于20℃时，可以做到60瓦即可以实现有效保暖，即保持体表温度大于30℃，且胸部不同位置的温度差小于2℃，采用其中进一步优选的光强分布配置，则可达到胸部不同位置的温度差小于1℃。而采用传统加热方式，则需要至少耗费200瓦才能达到接近的加热效果，且均热效果将不如采用如上所述的本实用新型的优选实施方式，而出于均热效果方面考虑采用空调加热或地暖加热的方式间接加热对象，则在能耗方面劣势巨大。
根据本实用新型的另一方面，所述红外加热光源的波段处于900nm-3000nm的范围内。
考虑到人体的主要成分是水，可选择LED波长为针对水有强烈吸收峰的红外波段。同时由于室内的大多数物体的温度都在25度左右，所以相应的红外温度探测器可选择3um以上的红外波段。这样，不仅有利于温度探测，还能避免红外加热光源对红外温度探测器的干扰。
如上所述，本实用新型的加热装置尤其适于应用于婴儿床。常见的婴儿床有两种高度：床沿距离婴儿人体约60cm，设置于床沿上方、即侧床栏上的加热装置一般距离婴儿不大于70cm；另一种典型情况下，床沿距离人体30cm，这时，加热装置距离婴儿不小于30cm。
针对1岁以下(一般胸围大约60cm)婴儿应用本实用新型的上述具有对称的蝙蝠翼式光强分布的加热装置的情况下，根据加热装置的红外加热光源与人体的大致距离的不同，加热装置中的红外加热光源的蝙蝠翼式光强分布，较佳地采用如表11所示的配置。与此类似的，当加热对象为成人(胸围大约为120cm)时，较佳地采用如表12所示的配置。
表11婴儿床的加热装置的加热光源光强分布配置
热源与人体距离 30cm 60cm 90cm 120cm 150cm 180cm
第一光强极大值角度圆弧方向 14度 8度 5.6度 4.4度 3.5度 3度
光强极大之与中心光强比值 3.6 2.3 2 1.8 1.7 1.67
表12成人的床的加热装置的加热光源光强分布配置
对于婴儿床的实施方式而言，一般而言，光强极大值与中心光强的比值不应小于1.8，除非间距较远的情形下，否则会导致身体侧翼过冷。如表10、11所示的优选配置方式，可实现对象温度差不大于2℃乃至1℃的均热效果，并且可以理解为当其中某项参数与表中数据相比有一定的浮动或偏差时，例如20％或30％时，仍具有大体相近的效果，并且这一点得到了测试结果的验证。
根据本实用新型的另一方面，本实用新型的优选实施方式的床，包括侧床栏以及如上较佳实施方式所描述的加热装置，所述加热装置设置于所述侧床栏上。
优选地，所述床为婴儿床，其中，所述加热装置设置为使得所述红外加热光源相较于婴儿床的床面高出30cm-70cm。
虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本实用新型的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本实用新型的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本实用新型的保护范围。

Claims (14)

1.一种用于人体的加热装置，其特征在于，所述加热装置包括红外加热光源，所述红外加热光源沿第一维度在光源中心的至少一侧具有蝙蝠翼式的光强分布。
2.如权利要求1所述的加热装置，其特征在于，所述蝙蝠翼式的光强分布，在光源中心的直射方向上具有直射光强值，在光源中心的至少一侧以第一斜射角出射的方向上具有第一光强极大值，第一光强极大值与直射光强值之比介于1.5与5.0之间，第一斜射角介于3°与30°之间。
3.如权利要求2所述的加热装置，其特征在于，第一光强极大值与直射光强值之比介于1.5与2.5之间，第一斜射角介于3°与15°之间。
4.如权利要求2所述的加热装置，其特征在于，所述蝙蝠翼式的光强分布包括第一斜射角区间，第一斜射角区间的一端的斜射角较第一斜射角小2°-5°，另一端的斜射角较第一斜射角大4°-6°，以第一斜射角区间内的任一斜射角出射的光强与第一光强极大值的差值不大于第一光强极大值的30％。
5.如权利要求2-4中任意一项所述的加热装置，其特征在于，所述红外加热光源沿第一维度在光源中心的两侧均具有蝙蝠翼式的光强分布，所述蝙蝠翼式的光强分布，在与第一斜射角所在的一侧相对的另一侧以第二斜射角出射的方向上具有第二光强极大值，第二光强极大值与直射光强值之比介于1.2与5.0之间，第二斜射角介于3°与30°之间。
6.如权利要求5所述的加热装置，其特征在于，第二光强极大值与直射光强值之比介于1.5与2.5之间，第二斜射角介于3°与15°之间。
7.如权利要求5所述的加热装置，其特征在于，所述蝙蝠翼式的光强分布包括第二斜射角区间，第二斜射角区间的一端的斜射角较第二斜射角小2°-5°，另一端的斜射角较第二斜射角大4°-6°，以第二斜射角区间内的任一斜射角出射的光强与第二光强极大值的差值不大于第二光强极大值的30％，
其中，所述蝙蝠翼式的光强分布包括中间角度区间，中间角度区间为斜射角不超过第三斜射角的区间，以中间角度区间内的任一斜射角出射的光强与直射光强值之比不大于1.2且不小于1。
8.如权利要求6所述的加热装置，其特征在于，所述蝙蝠翼式的光强分布包括第二斜射角区间，第二斜射角区间的一端的斜射角较第二斜射角小2°-5°，另一端的斜射角较第二斜射角大4°-6°，以第二斜射角区间内的任一斜射角出射的光强与第二光强极大值的差值不大于第二光强极大值的30％，
其中，所述蝙蝠翼式的光强分布包括中间角度区间，中间角度区间为斜射角不超过第三斜射角的区间，以中间角度区间内的任一斜射角出射的光强与直射光强值之比不大于1.2且不小于1 。
9.如权利要求1所述的加热装置，其特征在于，所述红外加热光源沿第二维度在光源中心的至少一侧也具有蝙蝠翼式的光强分布，第二维度与第一维度相互垂直。
10.如权利要求1所述的加热装置，其特征在于，所述加热装置还包括红外温度传感器和控制器，所述红外温度传感器的感测方向同所述红外加热光源的照射方向基本相同，所述控制器用于将所述红外温度传感器测得的温度与目标温度下限值及目标温度上限值进行比较，并在所述红外温度传感器测得的温度低于目标温度下限值时调高所述红外加热光源的输出功率，在所述红外温度传感器测得的温度高于目标温度下限值时调低所述红外加热光源的输出功率，
其中，所述加热装置用于设置于床的上方或侧上方以加热处于床上的加热对象。
11.如权利要求10所述的加热装置，其特征在于，所述控制器用于每隔第一时间间隔读取所述红外温度传感器测得的温度并进行所述比较，并在所述红外温度传感器测得的温度低于目标温度下限值时将所述红外加热光源的输出功率调高第一功率百分比值，在所述红外温度传感器测得的温度高于目标温度下限值时将所述红外加热光源的输出功率调高第二功率百分比值。
12.如权利要求11所述的加热装置，其特征在于，第一时间间隔小于0.3秒，第一功率百分比值在0.5％与2％之间，第二功率百分比值在0.5％与2％之间。
13.一种床，其特征在于，其包括侧床栏以及如权利要求1-12中任意一项所述的加热装置，所述加热装置设置于所述侧床栏上。
14.如权利要求13所述的床，其特征在于，所述床为婴儿床，其中，所述加热装置设置为使得所述红外加热光源相较于婴儿床的床面高出30cm-70cm。
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