CN216488233U - 电动汽车电池包用蛇形蒸发皿重力热管散热器 - Google Patents

Abstract

电动汽车电池包用蛇形蒸发皿重力热管散热器由蛇形蒸发皿、管翅式冷凝器、发热片、冷凝器罩和工质构成。蛇形蒸发皿与翅片管冷凝器两者之间密封连接。翅片管冷凝器的连接管外表面有焊料。内表面有轴向沟槽，沟槽的横断面为三角形或矩形、梯形、倒梯形、园狐形。散热翅片表面为波纹片、锯齿片、开天窗片。蛇形蒸发皿蛇形蒸发皿有两种结构形式，一种是异形园管式蛇形蒸发皿，另一种是吹涨式蛇形蒸发皿。这两种蒸发皿与电池表面均为面接触。工质为加防蚀剂的蒸馏水或液氨。其特点是：散热快和散热幅度大及重量轻、结构简单、安全、价格低等特点。适应做现有电动汽车和新开发的电动汽车制冷系统。

Description

电动汽车电池包用蛇形蒸发皿重力热管散热器

技术领域

本实用新型属于热管散热器，特别属于电动汽车电池包用蛇形蒸发皿重力热管散热器。

背景技术

为解决能源、环境和电网调峰问题，我国和世界各国政府、汽车行业已取得共识：用电动汽车代替各种燃油汽车。

1.快速发展和人们生活水平的提高，使石油和煤炭等化石能源消耗和温室气体排放急剧上升，给自然资源和生态环境代来巨大压力。我国已经探明的石油储量不到世界的2％，剩余可采储量约为50亿吨，若每年产量维持在1.7～1.8亿吨，仅能再采30年。目前我国汽车保有量达到2亿辆以上；石油对外依存度已达到65％以上，能源安全令人担忧。

2.解决电网昼夜间的不平衡问题。目前，全世界各个国家的电网都受这个问题的困扰。我们可以设想：白天电动汽车正常行驶；夜间利用‘谷电’为电动汽车充电50KW.h的电能，几十万辆如果电动汽车就相当于一个千万千瓦级的电厂的调峰工作量。利用夜间充电，现有的发电厂已经能满足今后若干年电动汽车发展对电能的需要，这样不仅解决了电动汽车充电的问题，还同时有利于调节电网的昼夜间负荷不平衡问题。

目前，电动汽车与燃油车相比，电动汽车充电慢和续航能力不如燃油车。

影响电动汽车充电速度和续航能力是动力电池，充电速度快时电池发热，电池在高温条件下工作时，其寿命降低。

电动汽车普遍采用的是锂电池，锂电池在充、放电时发热，锂电池温度过高或过低时其寿命将急剧下降。如此可见，若提高电动汽车的充、放电速度，必须解决电池包的散热和加热问题。

由于现有电池制造技术的限制，单体电池电量很小，故电动汽车具体应用的不是单体电池而是由大量单体电池组成的电池组包。即根据电动汽车的需要用若干单体电池通过串联获得高压，并联获得满足电动汽车需要的高容量的电池包即电池系统。大量个发热的单体电池集中在电池包内，使电池包内部温度急剧升高，如果不能及时散掉，不仅电池包不能正常工作，还容易发生着火、爆炸。因此，电池的散热问题便成了电池包的散热问题。目前电池包散热问题已经成为影响电动汽车发展的主要问题。

为解决电池包散热问题，人们做了许多工作，目前电池包的主要散热方式有：1空气自然冷却。2空气强制对流冷却。3液体冷却。4.相变材料冷却。5热管冷却。具体是：

1.空气自然冷却：

采用空气自然冷却方式是典型的以空气作为传热介质的被动式散热方式，即直接让箱体内部的空气穿过电池模组，通过空气与电池、电池箱体等导热部件之间的自然对流换热实现对电池冷却。这种方式具有结构简单、零部件较少，成本低等特点。不足之处冷是却效果有限，不能满足电动汽车快充和快放的要求。

2.空气强制对流冷却：

尽管空气自然冷却方案比较容易实现，但冷却效果有限。空气强制对流冷却是通过风扇将空气引入箱体内部，空气在风扇作用下，以一定流速通过模组或电芯的外表面，将电芯产生的热量散入到环境空气中。这种散热方式，其特点是冷却效果较空气自然冷却高。它具有：结构简单、重量轻、成本较低，有害气体产生时能有效通风等。不足之处：一是换热系数低，冷却效果有限，不能满足电动汽车快充和快放的要求。二是它对风道设计要求高，很难达到流畅一致，导致单体电池之间温度差很大。

3.液体冷却：

一般工况下采用空气强制对流冷却即可满足冷却要求，但在复杂工况下，尤其是在高放电倍率充、放电和较高的环境温度(南方夏季酷热天气)时，依靠空气冷却很难满足散热要求，而且电池之间的温度不均匀也非常突出。这需要效率更高的冷却方式才能达到电池包的散热要求。液体冷却是水和50％乙二醇的混合物作为传热介质，通过设置的薄壁液冷管道、液冷板将热量导出，实现冷却液与电池的换热，可以达到比空气强制对流散热更高的冷却需求。其不足之处结构复杂。工艺性不好、成本高。

4.相变材料冷却：

相变材料(PCM)是一种能够利用自身相变潜热吸收或释放系统热能的材料，在其物相变化过程中，可以从外界环境吸收热量或者向外界环境放出热量，从而达到通过能量的交换控制环境温度和利用能量目的。采用PCM的热管理是通过PCM在相变过程中的潜热在电池升温时，来吸收电池的热量，同时减少单体电池之间的温度差。这种冷却方式价格很高，严重影响它的应用。

5.热管却冷：

热管的特点是导热快，目前热管在电动汽车电池包上的利用主要有两种方式，其一是在电池包底板起均热底板的作用，但这种应用方式没有充分发挥热管的导热快的特点。其二是L形热管，L形热管组的竖直部分夹在两个方形电池之间，将热量传导到L形热管水平部分进行冷却，工质的冷凝液依靠热管内的毛细层的毛细作用回到L形热管的竖直部分。这种热管因为：a.结构原因，需要量很大，给电池包的安装代来困难。b.由于工质的冷凝液依靠热管内的毛细层的毛细作用回到L形热管的竖直部分，冷凝液回流速度慢，使吸热蒸发、失热冷凝的循环速度减慢，即不能充分发挥热管导热快的作用。C.由于热管管壳内层有毛细层，使这种热管成本的成本高于重力式热管。

由上述，现有热管冷却系统中的热管，是已知的导热最快的器件，它的导热系数超过任何金属；但现在电池包热管散热系统：一是没有充分发挥热管导热快的性能，二是管内有毛细层的热管成本高；三是使用单体热管数量多，电池包安装不方便；为此，研制一种结构简单、散热快、重量轻、成本低的热管散热器是解决电动汽车电池包散热问题一个重要方向。

发明内容

本实用新型提供了电动汽车电池包用蛇形蒸发皿重力热管散热器，它具有结构简单、散热快、重量轻、成本低、且能很方便利用现有的电动汽车电池包冷却介质及其管道的热管散热器。

本实用新型的设计思想：一是强化电池与热管、热管与冷媒、冷媒蒸汽与热管内壁、热管内壁与散热翅片和散热翅片与冷却介质之间的热传导。二是冷凝器要利用现有电动汽车电池包冷却系统的冷却介质及通道。三是充分利用现有制冷行业中蒸发器、冷凝器制造工艺及主要设备。

电动汽车电池包用蛇形蒸发皿重力热管散热器，它由蛇形蒸发皿、翅片管冷凝器、工质、发热片和冷凝器罩构成。

蛇形蒸发皿与翅片管冷凝器两者之间密封连接。蛇形蒸发皿上升段、下降与翅片管冷凝器的干管密封连接时，蛇形蒸发皿上升段在翅片管冷凝器干管内的进口端位于蛇形蒸发皿下降段出口端的上方。

翅片管冷凝器与蛇形蒸发皿两者之间为T形布置，翅片管冷凝器在T形上方水平布置，蛇形蒸发皿在T形下方中心线上，两者之间相互垂直。

蛇形蒸发皿有两种结构形式，一种是异形管式蛇形蒸发皿，另一种是吹涨式蛇形蒸发皿。

异形管式蛇形蒸发皿和吹涨式蛇形蒸发皿均由上升段、下降段、蛇形段、水平连接段和注液管构成。

异形管式蛇形蒸发皿的上升段、下降段、蛇形段、水平连接段为一体，由空调铝圆管经弯管机弯曲一次成为蛇型。

异形管式蛇形蒸发皿1的内表面为螺纹表面、或均匀分布的由轴向沟槽，沟槽的横断面可以矩形、三角形、梯形、或圆弧形。

异形圆管式蛇形蒸发皿在与翅片管冷凝器密封连接后，用压力机将蛇形铝圆管横断面由圆形压成由上下两个圆弧线连接的左右对称的两个铅垂线构成的异形横断面。

吹涨式蛇形蒸发皿由不同厚度的两个铝板经印刷石墨、热压和高压吹涨成型。具体是：a.在厚度大的铝板上的蛇形通道位置上印刷石墨粉。b.将厚度小的铝板覆盖在厚度大的铝板上面。c.在压力机上用10mp的压力压合上述双层铝板。d.将已经压合的双层铝板放入一面是平面，另一面有与蛇形通道断面相同的凹槽模具中用高压气吹涨，吹涨后蛇形通道的横断面等腰梯形，等腰梯形的两斜边与另外两直边之间由圆弧连接，两直边与下降段方向平行。两者之间由圆弧连接，圆弧的半径为矩形侧边的长度的一半。吹涨出的通道突起边为平面，使吹涨式蛇形蒸发皿与电池接触均为平面接触。

吹涨式蛇形蒸发皿的主要特点是它与电池表面的接触面大，有利于吹涨式蛇形蒸发皿吸收电池的热量。

翅片管式冷凝器，它由两个干管、n个连接管、端板和n个散热翅片构成。

连接管是表面涂有铝焊料的空调铝管，铝管内壁有均匀分布的轴向沟槽，沟槽的横断面为三角形、矩形、梯形、或圆弧形。端板位于和散热翅片组的两边，端板和散热翅片组套装在连接管上后，在真空炉或惰性气体保护焊接炉进行保护焊接后与干管密封连接。

散热翅片由薄铝板或铝箔扎制，其中间有均匀分布的圆孔，孔距与连接管的管距相同，圆孔处有翻边，翻边的长度与散热片的间距相对应。

散热翅片表面为平面片、波纹片或锯齿片。

蛇形蒸发皿与冷凝器密封连接后进行压力测试，测试压力1.5MP，保压时间6分钟。

压力测试合格后，经注液管、在抽真空注工质的设备上进行抽真空和注工质，然后将毛细管密封、切断和封口。

本实用新型用于方形电池时，发热片在组装电池包时固定在电池与蛇形蒸发皿接触的平面上。

本发明用于软包电池时，发热片固定在蛇形蒸发皿两侧。

冷凝器罩为挤压的铝型材，其长度与电池包长度相等并固定在翅片管式冷凝器的端板上。

冷凝器罩的两端与电动汽车冷却介质管道密封连接。

本实用新型的蒸发皿夹在两个电池中间且夹紧。

充、放电时，电池发出热的热量通过电池的外壳平面加热蛇形蒸发皿内的工质，工质受热温度上升、沸腾、蒸发携带工质化学潜热的工质蒸汽。这些携带工质化学潜热的工质蒸汽沿着蛇形蒸发皿的轴线上升到冷凝器，经过干管、连接管，并通过连接管的管壁将热量传导到散热翅片上加热散热翅片。由于热管在注工质前已经被抽真空，故工质蒸汽在热管内上升的速度很快，能快速加热散热翅片，被快速加热的散热翅片与原车上的冷却介质进行热交换实现了电动汽车电池包的散热。失去热量的工质蒸汽冷凝为工质液体，并依靠重力沿连接管、干管的中心线，回到蛇形蒸发皿中，继续参加吸热蒸发、失热冷凝的循环。工质的吸热蒸发、失热冷凝循环往复和散热翅片与冷却液的持续不断的热交换组合，实现了电池包的散热。

由于本实用新型电动汽车电池包用蛇形蒸发皿重力热管散热器对蛇形蒸发皿和翅片管式冷凝器均采取了强化措施，即强化了电池表面与蛇形蒸发皿蒸发皿之间的热传导，强化了翅片管式冷凝器与冷却介质之间的热交换，使本实用新型具有冷却速度快，降温幅度大的特点。具体措施是：

a.异形管式蛇形蒸发皿：蛇形蒸发皿的圆管被压成由两个圆弧线连接的左右对称的两个铅垂线构成的异形横断面，使蛇形蒸发皿与电池的接触由线接触改为面接触，强化了电池与蛇形蒸发皿的热交换。

b.吹涨式蛇形蒸发皿的通道与电池表面接触为面接触，强化了电池与吹涨式蛇形蒸发皿之间的热交换。

c.异形管式蛇形蒸发皿的内表面为螺纹表面、或均匀分布的由轴向沟槽，其沟槽的横断面为矩形、三角形、梯形或圆弧形，强化了工质蒸汽与蛇形蒸发皿之间的热传导。

d.吹涨式蛇形蒸发皿的热通道与电池表面为面接触，同样强化了电池与吹涨式蛇形蒸发皿的热交换强度。

e.连接管是表面涂有铝焊料的空调铝管，铝管端板和散热翅片组套装在其上后放入真空炉或惰性气体炉里焊接，减少连了接管是表面与散热翅片之间的热阻，使热量能快速传导到散热翅片上。

f.连接管内壁有均匀分布的轴向沟槽，沟槽的横断面为三角形、矩形、梯形或圆弧形，增加了连接管与冷媒蒸汽与连接管内壁之间的热传导面积。

f.散热翅片表面为波纹片或锯齿片，强化了冷却液与散热翅片之间热交换强度。

本实用新型的蛇形蒸发皿和管翅式冷凝器皆采用现有制冷行业成熟的蛇形管、吹涨式蒸发器制造工艺，无需增加新设备，使本实用新型具有产品质量有保障和初期投资少的特点。

除冷媒外全部采用铝材外，冷媒的密度不超过1克/ 厘米³。使本实用新型具有重量轻的优点，有利于增加电池包的能量密度。

冷凝器外壳为挤压铝形材，方便与现有电动汽车的冷却介质管道连接，使本实用新型具有适应范围广的特点。

冷凝器有铝型材制造的冷凝器罩保护，蒸发皿夹在电池中间，使本实用新型具有不易损坏、安全系数大的特点。

蒸发皿和冷凝器可以根据电池和电池包的需要改变尺寸，使本实用新型具有适应范围广的特点。

附图说明

附图1～15中

图1为本实用新型电动汽车电池包用蛇形蒸发皿重力热管散热器结构示意图。

图2为图1的侧视图。

图3为图1中件1的结构示意图。

图4为图1中件2的结构示意图。

图5为图4的俯视图。

图6为图1中的另一种结构示意图。

图7为图3中件13的A-A断面图。

图8为图6中件13a的B-B断面图。

图9为图4中件23的结构示意图。

图10为图4中件24的结构示意图。

图11为本设计配套的方形电池的正面图。

图12为本设计配套的方形电池的俯视图。

图13为本设计配套的方形电池的侧视图。

图14为采用图11、12、13所表示的电池3排4列电池包的位置图。

图15为图14的侧视图。

上述附图中：

1-蛇形蒸发皿。11-上升段、12-下降段、13-蛇形段、14-水平段、15-充液管、16-接头。

1a-吹涨式蒸发皿。11a-上升段、12a-下降段、13a-蛇形段、 14a-水平段、15a-充液管、16a-接头。

2-管翅式冷凝器。21-干管、22-连接管、23-端板、24-散热翅片。

231-端板主体、232-连接板。242-翻边。

3-工质。

具体实施方式

电动汽车电池包用蛇形蒸发皿重力热管散热器，它由蛇形蒸发皿1、翅片管冷凝器2、工质3、发热片4和冷凝器罩5构成。

蛇形蒸发皿1与翅片管冷凝器2两者之间密封连接。

翅片管冷凝器2与蛇形蒸发皿1两者之间为T形布置，翅片管冷凝器2在T形上方水平布置，蛇形蒸发皿1在T形下方中心线上，两者之间相互垂直。

蛇形蒸发皿2有两种结构形式，一种是异形圆管式蛇形蒸发皿，另一种是吹涨式蛇形蒸发皿。

异形圆管式蛇形蒸发皿1由上升段11、下降段12、蛇形段13、水平连接段14和注液管15构成。

异形圆管式蛇形蒸发皿1的上升段11、下降段12、蛇形段13、水平连接段14为一体，且一次成型。由空调铝管经弯管机弯曲成蛇型。

蛇形蒸发皿1与注液管15之间密封连接。

异形圆管式蛇形蒸发皿1的内表面为螺纹表面、或均匀分布的由轴向沟槽，沟槽的横断面可以矩形、三角形、梯形或圆弧形。

异形圆管式蛇形蒸发皿1在与翅片管冷凝器2密封连接后，用压力机将蛇形铝管横断面由圆形压成由两个圆弧线连接的左右对称的两个直线构成的异形横断面。

吹涨式蛇形蒸发皿1a由上升段11a、下降段12a、蛇形段13a、水平连接段14a和注液管15a构成。

吹涨式蛇形蒸发皿1a由不同厚度的两个铝板经印刷石墨、热压和高压吹涨成型具体是：a.在厚度大的铝板上的蛇形通道位置上印刷石墨粉；b.将厚度小的铝板覆盖在厚度大的铝板上面；c.在压力机上用10mp的压力压合上述双层铝板；d.将已经压合的双层铝板放入一面是平面，另一面有与蛇形通道断面相同的凹槽模具中用高压气吹涨，吹涨模具中凹槽为矩形，矩形的底边和侧边均为直线，两者之间由圆弧连接，圆弧的半径为矩形侧边的长度是吹涨出的通道突起边为平面；这样吹涨式蛇形蒸发皿1a与电池接触均为平面接触，较线接触强化了电池与蒸发皿之间热传导的强度。

吹涨式蛇形蒸发皿1a的主要特点是它与电池表面的接触面大。

翅片管式冷凝器2，它由两个干管21、n个连接管22、端板23和散热翅片组24组构成。

连接管22是表面涂有铝焊料的空调铝管，铝管内壁有均匀分布的轴向沟槽，沟槽的横断面为三角形、矩形、梯形或圆弧形。端板和散热翅片组套装在连接管22上后放入真空炉或惰性气体炉里焊接，然后与与干管密封连接。

散热翅片24由薄铝板扎制，中间有均匀分布的圆孔，孔距与连接管22的管距相同，圆孔处有翻边242，翻边的长度与散热片24的间距相对应。

散热翅片22表面为平面、波纹片、锯齿片。

蛇形蒸发皿2与冷凝器1密封连接后进行压力测试，测试压力1.5MP，保压时间6分钟。

压力测试合格后，经毛细管15与抽真空注冷媒的设备进行抽真空和注冷媒，然后将毛细管15密封、切断和封口。

本实用新型用于方形电池时，发热片4在组装电池包时固定在方形电池长度和高度构成的平面上。

本实用新型用于软包电池时，发热片固定在蛇形蒸发皿两侧。

冷凝器罩5为挤压的铝型材，其长度与电池包长度相等。

本实用新型的蒸发皿夹在两个电池中间且夹紧。

充、放电时，电池发出热的热量通过电池的外壳平面加热蛇形蒸发皿1内的工质3，工质3受热温度上升、沸腾、蒸发携带工质化学潜热的工质蒸汽；这些携带工质化学潜热的工质蒸汽沿着蛇形蒸发皿1的轴线上升到冷凝器，经过干管21、连接管23并通过连接管23的管壁将热量传导到散热翅片25上；被加热的散热翅片25，与原车上的冷却介质进行热交换这样电池的热量被散掉；失去热量的工质蒸汽冷凝为工质液体，这些工质液体依次沿连接管22、干管21的中心线，回到蛇形蒸发皿1中，继续参加吸热蒸发、失热冷凝的循环和散热翅片与冷却液的热交换的循环往复，实现了电池的散热。

本实用新型电动汽车电池包用蛇形蒸发皿重力热管散热器在蒸发皿和冷凝器均采取了强化措施，强化了电池表面与蒸发皿之间的热传导，强化了冷凝器与冷却介质之间的热交换，使本发明具有冷却速度快，降温幅度大的特点。具体是：

A.异形圆管式蛇形蒸发皿：蛇形蒸发皿的圆管被压成由两个弧线连接的左右对称的两个直线构成的异形横断面，使蛇形蒸发皿与电池的接触由线接触改为面接触，强化了电池与蛇形蒸发皿的热交换。

b.异形圆管式蛇形蒸发皿1的内表面为螺纹表面、或均匀分布的由轴向沟槽，其沟槽的横断面为矩形、三角形、梯形或圆弧形，强化了冷媒与蛇形蒸发皿之间的热传导。

c.吹涨式蛇形蒸发皿1a的热通道与电池表面为面接触，同样强化了电池与吹涨式蛇形蒸发皿的热交换强度。

d.连接管22是表面涂有铝焊料的空调铝管，铝管端板和散热翅片组套装在其上后放入真空炉或惰性气体炉里焊接，减少连了接管22是表面与散热翅片之间的热阻，使热量能快速传导到散热翅片上。

e.连接管内壁有均匀分布的轴向沟槽，沟槽的横断面为三角形、矩形、梯形或圆弧形，增加了连接管与冷媒蒸汽与连接管内壁之间的热传导面积。

f.散热翅片22表面为波纹片或锯齿片，强化了冷却液与散热翅片22之间热交换强度。

本实用新型的蛇形蒸发皿和管翅式冷凝器皆采用现有制冷行业成熟的蛇形管、吹涨式蒸发器制造工艺，无需增加新设备，使本实用新型具有产品质量有保障和初期投资少的特点。

除冷媒外全部采用铝材，冷媒的密度不超过1克/厘米³。使本实用新型具有重量轻的优点，有利于增加电池包的能量密度。

冷凝器外壳为挤压铝形材，方便与现有电动汽车的冷却介质管道连接，使本实用新型具有适应范围广的特点。

冷凝器有铝型材制造的冷凝器罩保护，蒸发皿夹在电池中间，使本发明具有不易损坏、安全系数大的特点。

蒸发皿和冷凝器可以根据电池和电池包的需要改变尺寸，使本实用新型具有适应范围广的特点。

Claims (7)

1.电动汽车电池包用蛇形蒸发皿重力热管散热器，其特征是，它由蛇形蒸发皿、翅片管冷凝器、工质、发热片和冷凝器罩构成；蛇形蒸发皿与翅片管冷凝器两者之间密封连接，蛇形蒸发皿上升段、下降段与翅片管冷凝器的干管密封连接时，蛇形蒸发皿上升段在翅片管冷凝器干管内的进口端位于蛇形蒸发皿下降段出口端的上方；翅片管冷凝器与蛇形蒸发皿两者之间为T形布置，翅片管冷凝器在T形上方水平位置，蛇形蒸发皿在T形下方中心线上，两者之间相互垂直。

2.根据权利要求1所述的电动汽车电池包用蛇形蒸发皿重力热管散热器，其特征是，蛇形蒸发皿有两种结构形式，一种是异形管式蛇形蒸发皿，另一种是吹涨式蛇形蒸发皿，均由上升段、下降段、蛇形段、水平连接段和注液管构成。

3.根据权利要求1所述的电动汽车电池包用蛇形蒸发皿重力热管散热器，其特征是，吹涨式蛇形蒸发皿的蛇形通道的横断面为等腰梯形，等腰梯形的两斜边与另外两直边之间用圆弧过渡连接，两直边与下降段方向平行。

4.根据权利要求1所述的电动汽车电池包用蛇形蒸发皿重力热管散热器，其特征是，翅片管式冷凝器，它由两个干管、n个连接管、端板和n个散热翅片及充液管构成；连接管是表面涂有铝焊料的空调铝管，铝管内壁有均匀分布的轴向沟槽，沟槽的横断面为三角形、矩形、梯形或圆弧形。

5.根据权利要求1所述的电动汽车电池包用蛇形蒸发皿重力热管散热器，其特征是，散热翅片由薄铝板或铝箔扎制，其中间有一排均匀分布的圆孔，孔距与连接管的管距相同，圆孔处有翻边，翻边的长度与散热片的间距相对应；散热翅片表面为波纹片、锯齿片。

6.根据权利要求1所述的电动汽车电池包用蛇形蒸发皿重力热管散热器，其特征是，吹涨式蛇形蒸发皿的蛇形通道的横断面形状是由上、下两个圆弧连接的左、右两铅垂线构成的异形横断面。

7.根据权利要求1所述的电动汽车电池包用蛇形蒸发皿重力热管散热器，其特征是，工质为加防蚀剂的蒸馏水或液氨。

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