DE102018109306A1 - Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung - Google Patents
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Abstract
Bereitgestellt wird ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung (100,200,300,400,500,600,700) mit den Schritten Bereitstellen einer Hülse (130,230,330,430,530, 630,730) aus einem ersten Material, das eine erste Festigkeit aufweist, Anordnen eines elektrischen Heizelements (110,210,310,410, 510,610,710) in der Hülse (130,230,330,430,530, 630,730), Anordnen eines Füllmaterials (120,220, 320,420,520,620,720) in der Hülse (130,230,330,430,530,630,730), so dass stromdurchflossene Teile des elektrischen Heizelements (110,210,310,410, 510,610,710) von der Hülse (130,230,330,430,530,630,730) elektrisch isoliert sind und die Lage des elektrischen Heizelements (110,210,310, 410,510,610,710) in der Hülse (130,230, 330,430,530,630,730) fixiert ist, und zumindest abschnittsweises Verdichten der Hülse (130,230,330,430,530,630,730), des in Abschnitten der Hülse(130,230,330,430,530,630,730), die verdichtet werden, angeordneten elektrischen Heizelements (110, 210,310,410,510,610,710) und des in Abschnitten der Hülse(130,230,330,430,530,630,730), die verdichtet werden angeordneten Füllmaterials (110,210,310,410,510,610,710), bei dem vor dem Abschluss des zumindest abschnittsweisen Verdichtens der Hülse (130,230,330,430,530,630,730) bei zu verdichtenden Abschnitten ein Rohrabschnitt (140,240,340,440, 540,640,740) angeordnet wird, der aus einem zweiten Material, das eine zweiten Festigkeit aufweist, die höher ist als die erste Festigkeit, besteht.
Description
- Elektrische Heizvorrichtungen, die eine Hülse mit einem darin angeordneten elektrischen Heizelement, dessen stromdurchflossene Teile von der Hülse elektrisch isoliert sind, aufweisen, sind ein Standardmittel für die elektrische Beheizung von Gegen-ständen und/oder Medien.
- Für viele konkrete Ausführungsformen solcher elektrischer Heizvorrichtungen besteht dabei einerseits der Wunsch nach einer möglichst hohen Verdichtung, um eine möglichst gute Wärmeleitung vom elektrischen Heizelement zu der Hülse, die mit dem Gegenstand oder Medium in Kontakt gebracht wird, zu gewährleisten, während gleichzeitig zumindest lokal die anwendbare Verdichtung begrenzt werden muss, beispielsweise weil in der Hülse an einigen Stellen weitere, druckempfindliche Elemente, z.B. Elektronikkomponenten angeordnet sind oder weil dort eine durch eine zu starke Verdichtung hervorgerufene Verformung unerwünscht ist. Dem wird dadurch Rechnung getragen, dass man die Hülse in unterschiedlichen Abschnitten unterschiedlich stark verdichtet.
- Die Verwirklichung dieses Ansatzes im Fertigungsprozess hat sich aber bislang als wenig prozesssicher erwiesen. Bei anderen elektrischen Heizpatronen resultieren Fertigungsprobleme daraus, dass die Festigkeit des Mantelwerkstoffs nicht ausreichend ist, beispielsweise wenn für medizintechnische Anwendungen eine Hülse aus Reinst-Titan verlangt wird.
- Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein insbesondere hinsichtlich seiner Prozesssicherheit verbessertes Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung, insbesondere einer Heizpatrone oder eines Rohrheizkörpers bereitzustellen.
- Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
- Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung weist die Schritte
- - Bereitstellen einer Hülse aus einem ersten Material, das eine erste Festigkeit aufweist,
- - Anordnen eines elektrischen Heizelements in der Hülse,
- - Anordnen eines Füllmaterials in die Hülse, so dass stromdurchflossene Teile des elektrischen Heizelements von der Hülse elektrisch isoliert sind und die Lage des elektrischen Heizelements in der Hülse fixiert ist, und
- - zumindest abschnittsweises Verdichten der Hülse, des in Abschnitten der Hülse, die verdichtet werden, angeordneten elektrischen Heizelements und des in Abschnitten der Hülse, die verdichtet werden angeordneten Füllmaterials
- Auf diese Weise kann sehr präzise und mit prozesssicheren, hochreproduzierbaren Ergebnissen die Verdichtung der elektrischen Heizvorrichtung erreicht werden.
- Dies gilt insbesondere für elektrische Heizvorrichtungen mit unterschiedlich stark verdichteten Bereichen, weil der Bereich, in dem eine gegebene Verdichtung erreicht wird, auf diese Weise lokal definiert werden und eine kontrollierte Abstufung unterschiedlicher Verdichtungsgrade bewirkt werden kann. Zudem wird durch den zusätzlichen Rohrabschnitt aus einem Material mit höherer Festigkeit die Ringspannkraft bei der Verdichtung garantiert.
- Es soll an dieser Stelle explizit darauf hingewiesen werden, dass der Schritt des zumindest abschnittsweisen Verdichtens naturgemäß auch realisiert wird, wenn die gesamte elektrische Heizvorrichtung gleichzeitig verdichtet wird.
- Das elektrische Heizelement kann dabei beispielsweise ein auf einen Wickelkörper, insbesondere einen keramischen Wickelkörper, gewickelter Widerstandsdraht, ein selbsttragender Widerstandsdraht oder auch eine eingebettete und positionierte Heizdrahtwendel sein.
- Das Füllmaterial ist im Regelfall ein elektrisch isolierendes Material mit einer möglichst hohen Wärmeleitfähigkeit. Insbesondere kann es Magnesiumoxidgranulat sein.
- Das Anordnen dieses Füllmaterials in der Hülse kann also insbesondere das Einfüllen eines isolierenden Pulvers, isolierenden Granulats oder anderer isolierender Teile bedeuten.
- Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist das Material, aus dem die Hülse besteht, Kupfer, Aluminium, Titan oder Messing, so dass eine Hülse aus Kupfer, Aluminium, Titan oder Messing bereitgestellt wird. All diesen Materialien ist gemein, dass sie eine relativ gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen, aber keine sehr hohe Festigkeit.
- Die Hülse, die bevorzugt als einseitig geschlossenes Rohr ausgestaltet ist, wird bevorzugt bereitgestellt, indem sie aus dem Vollen spanend gefertigt, aus einem Blech tiefgezogen oder stufengepresst wird.
- Das bevorzugte Material für die bei zu verdichtenden Abschnitten anzuordnenden Rohrabschnitte ist ein Stahl, insbesondere ein Edelstahl, also ein hochfestes Material.
- In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Anordnen der Rohrabschnitte bei den zu verdichtenden Abschnitten für mindestens einen Rohrabschnitt dadurch erfolgt, dass er so auf die Hülse aufgeschoben wird, dass er den zu verdichtenden Abschnitt in radialer Richtung umgibt. Dies bringt nicht nur eine besonders einfache präzise Positionierung mit sich, sondern erlaubt auch eine hochpräzise lokale Krafteinwirkung beim Verdichten, insbesondere indem man ein Verdichtwerkzeug verwendet, das zumindest am Anfang des Verdichtvorgangs hauptsächlich am aufgeschobenen Rohrabschnitt Kraft einleitet.
- Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Verdichten so durchgeführt wird, dass nach dem Verdichten der aufgeschobene Rohrabschnitt mit Abschnitten der Hülse, auf die kein Rohrabschnitt aufgeschoben ist, fluchtet.
- Es ist aber auch möglich, dass der Rohrabschnitt in die Hülse eingeschoben wird. Dies bietet sich insbesondere an, wenn die Festigkeit der Hülse zu gering ist, um die notwendige Ringspannkraft zu erreichen oder wenn eine homogene Oberfläche der elektrischen Heizvorrichtung nötig ist.
- Besonders bevorzugt ist es, wenn die Möglichkeit zur Schaffung präzise definierter unverdichteter oder schwach verdichteter Bereiche dazu ausgenutzt wird, dass mindestens eine elektronische Komponente, insbesondere ein Sensor, eine Sicherung und/oder ein Schalter, in der Hülse angeordnet wird. Bevorzugt geschieht dies, indem die elektronische Komponente zusammen mit dem elektrischen Heizelement in der Hülse angeordnet wird, also insbesondere als eine vorkonfigurierte Baugruppe.
- Dadurch, dass ein Rohrabschnitt so an der Hülse angeordnet wird, dass er die Hülse überragt, insbesondere also über eine Stirnseite der Hülse hinausragt, wird insbesondere die Möglichkeit geschaffen, die elektrische Heizvorrichtung mit einem Anschlussbereich mit definierten Eigenschaften zu schaffen. Beispielsweise kann so ein unerwünschter Wärmefluss in Richtung auf die Anschlüsse der elektrischen Heizvorrichtung weitgehend vermieden werden. Insbesondere ist es möglich, dass in dem die Hülse überragenden Bereich des Rohrabschnitts ein weiteres Rohr angeordnet wird, das die Hülse konzentrisch verlängert.
- Es kann vorteilhaft sein, den Boden der Hülse nach dem Verdichten nachzubearbeiten, insbesondere so nachzubearbeiten, dass eine ebene Stirnfläche entsteht, was beispielsweise durch spanabhebende Bearbeitung des Bodens erfolgen kann. Gleichzeitig ist aber darauf hinzuweisen, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren bei einer angepassten Wahl der Verdichtungsgrade der jeweiligen Bereiche in vielen Fällen eine Verformung der Stirnfläche beim Verdichten vermieden werden kann, so dass ein solcher Nachbearbeitungsschritt obsolet wird.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren, die Ausführungsbeispiele darstellen, näher erläutert. Es zeigt:
-
1a : die bereitgestellten Komponenten einer ersten Variante einer elektrischen Heizvorrichtung, -
1b : eine Schnittdarstellung der zusammengesetzten Komponenten aus1a vor dem Verdichten, -
1c : eine Schnittdarstellung der aus den Komponenten aus1a hergestellte elektrische Heizvorrichtung nach dem Verdichten, -
2 : eine zweite Variante einer mit dem Verfahren herstellbaren elektrischen Heizvorrichtung nach dem Verdichten, -
3 : eine dritte Variante einer mit dem Verfahren herstellbaren elektrischen Heizvorrichtung nach dem Verdichten, -
4a : eine fünfte Variante einer mit dem Verfahren herstellbaren elektrischen Heizvorrichtung vor dem Verdichten, -
4b : die Heizvorrichtung aus4a nach dem Verdichten, -
5a : eine fünfte Variante einer mit dem Verfahren herstellbaren elektrischen Heizvorrichtung vor dem Verdichten, -
5b : die Heizvorrichtung aus5a nach dem Verdichten, -
6 : eine sechste Variante einer mit dem Verfahren herstellbaren elektrischen Heizvorrichtung nach dem Verdichten, -
7a : eine siebte Variante einer mit dem Verfahren herstellbaren elektrischen Heizvorrichtung vor dem Verdichten, und -
7b : die Heizvorrichtung aus8a nach dem Verdichten. - Soweit in einigen Figuren, die noch unverdichtete elektrische Heizvorrichtungen zeigen, Pfeile eingezeichnet sind, zeigen diese jeweils an, in welche Richtung die Verdichtung des Systems erfolgt.
-
1a zeigt die für die Ausführung der weiteren Verfahrensschritte bereitgestellten, teilweise vorkonfigurierten Komponenten einer elektrischen Heizvorrichtung100 . Man erkennt insbesondere das hier als mit einem Widerstandsdraht111 bewickelter Wickelkörper112 ausgebildete elektrische Heizelement110 , sowie die Hülse130 aus Kupfer und den Rohrabschnitt140 aus Edelstahl. Naturgemäß haben sowohl Kupfer als auch Edelstahl eine Festigkeit, und die Festigkeit von Edelstahl ist höher als die von Kupfer. - Auch das elektrische Heizelement
110 ist insofern vorkonfiguriert, als eine elektronische Komponente150 , nämlich hier ein Temperatursensor, endseitig an dem Wickelkörper angeordnet ist und bereits eine Verbindung zu Anschlussdrähten160 hergestellt wurde. - In der Darstellung der elektrischen Heizvorrichtung
100 vor dem Verfahrensschritt des zumindest abschnittsweisen Verdichtens in1b ist das elektrische Heizelement110 in der Hülse130 angeordnet worden und das Füllmaterial120 in Gestalt von Magnesiumoxidpulver ebenfalls in der Hülse130 angeordnet worden, so dass stromdurchflossene Teile, nämlich der Widerstandsdraht111 , des elektrischen Heizelements110 von der Hülse130 elektrisch isoliert sind und die Lage des elektrischen Heizelements110 in der Hülse130 fixiert ist. - Durch den Verfahrensschritt des zumindest abschnittsweisen Verdichtens der elektrischen Heizvorrichtung
100 wird diese Anordnung dann in die in1c dargestellte Form überführt. Insbesondere wurde hier nur eine Verdichtung im Bereich des Rohrabschnitts140 aus Edelstahl vorgenommen, so dass diese einen verdichteten Abschnitt101 und einen unverdichteten Abschnitt102 , in dem die elektronische Komponente150 angeordnet ist, aufweist. Dabei wurde das Verdichten so ausgeführt, dass der Rohrabschnitt140 nun fluchtend mit dem Verlauf der Hülse130 im unverdichteten Abschnitt102 der elektrischen Heizvorrichtung100 , verläuft. -
2 zeigt eine zweite Variante einer mit dem Verfahren herstellbaren elektrischen Heizvorrichtung200 mit verdichtetem Abschnitt201 , unverdichteten Abschnitten202 ,203 , elektrischem Heizelement210 mit Widerstandsdraht211 und bewickeltem Wickelkörper212 , Füllmaterial220 , Hülse230 , Rohrabschnitt240 , elektronischer Komponente250 und Anschlussdrähten260 nach dem zumindest abschnittsweisen Verdichten. - Der Unterschied zur elektrischen Heizvorrichtung
100 besteht dabei darin, dass der Rohrabschnitt240 den anschlussseitigen Endbereich der elektrischen Heizvorrichtung200 und der Hülse230 nicht mit umfasst, so dass ein zweiter unverdichteter Bereich203 entsteht. Dies kann beispielsweise für manche Arten von elektrischen Verbindungen zwischen Anschlussdrähten260 und elektrischem Heizelement210 und/oder elektronischer Komponente250 sinnvoll sein. -
3 zeigt eine dritte Variante einer mit dem Verfahren herstellbaren elektrischen Heizvorrichtung300 mit verdichtetem Abschnitt301 , unverdichteten Abschnitten302 ,303 , elektrischem Heizelement310 mit Widerstandsdraht311 und bewickeltem Wickelkörper312 , Füllmaterial320 , Hülse330 , Rohrabschnitt340 , elektronischer Komponente350 und Anschlussdrähten360 nach dem zumindest abschnittsweisen Verdichten. - Anders als bei der elektrischen Heizvorrichtung
200 ragt bei der elektrischen Heizvorrichtung300 der Rohrabschnitt340 über den anschlussseitigen Endbereich der Hülse330 hinaus, wobei in dem die Hülse330 überragenden Bereich des Rohrabschnitts340 ein zusätzliches Rohr370 , in diesem Ausführungsbeispiel wieder ein Edelstahlrohr, angeordnet ist, das die Hülse330 konzentrisch verlängert. Auf diese Weise kann der Wärmetransport zur Anschlusseite reduziert werden. -
4a und4b zeigen eine vierte Variante einer mit dem Verfahren herstellbaren elektrischen Heizvorrichtung400 mit verdichtetem Abschnitt401 , unverdichtetem Abschnitt402 , elektrischem Heizelement410 mit Widerstandsdraht411 und bewickeltem Wickelkörper412 , Füllmaterial420 , Hülse430 , Rohrabschnitt440 , elektronischer Komponente450 und Anschlussdrähten460 vor bzw. nach dem zumindest abschnittsweisen Verdichten. - Der Unterschied zur elektrischen Heizvorrichtung
100 besteht dabei darin, dass der Rohrabschnitt440 Bestandteil einer die Hülse430 umgebenden weiteren Hülse441 ist, wobei beide Hülsen430 ,441 jeweils im zu verdichtenden Bereich vor dem Verdichten einen größeren Querschnitt aufweisen als im nicht zu verdichtenden Bereich. -
5a und5b zeigen eine fünfte Variante einer mit dem Verfahren herstellbaren elektrischen Heizvorrichtung500 mit verdichtetem Abschnitt501 , unverdichtetem Abschnitt502 , elektrischem Heizelement510 mit Widerstandsdraht511 und bewickeltem Wickelkörper512 , Füllmaterial520 , Hülse530 , Rohrabschnitt540 und Anschlussdrähten560 vor bzw. nach dem zumindest abschnittsweisen Verdichten. - Die elektrische Heizvorrichtung
500 weist insofern eine Verwandtschaft zur elektrischen Heizvorrichtung300 auf, als wie bei dieser der Rohrabschnitt540 die Hülse530 in anschlussseitiger Richtung überragt. Anders als bei der elektrischen Heizvorrichtung300 ist in der Ausführungsform gemäß den5a und5b jedoch in diesem Bereich kein weiteres Rohr angeordnet. Ein weiterer Unterschied zur elektrischen Heizvorrichtung300 besteht dabei darin, dass die Hülse530 einen verstärkten Boden531 mit deutlich erhöhter Wandstärke aufweist. Dies ist besonders dann zweckmäßig, wenn eine etwaige Verformung dieses Bodens beim Verdichten durch insbesondere spanabhebende Nachbearbeitung, z.B. durch Abdrehen, ausgeglichen werden soll. Darüber hinaus ist auch keine elektronische Komponente vorhanden. -
6 zeigt eine sechste Variante einer mit dem Verfahren herstellbaren elektrischen Heizvorrichtung600 mit verdichtetem Abschnitt601 , elektrischem Heizelement610 mit Widerstandsdraht611 und bewickeltem Wickelkörper612 , Füllmaterial620 , Hülse630 , Rohrabschnitt640 und Anschlussdrähten660 nach dem Verdichten. - Die elektrische Heizvorrichtung
600 ist strukturell ähnlich zur elektrischen Heizvorrichtung500 aufgebaut, anders als bei dieser ist jedoch bodenseitig ein Thermoelement650 vorhanden und der Rohrabschnitt640 nimmt die Hülse630 vollständig auf. -
7a und7b zeigen eine siebte Variante einer mit dem Verfahren herstellbaren elektrischen Heizvorrichtung700 mit verdichtetem Abschnitt701 , unverdichtetem Abschnitt702 , elektrischem Heizelement710 mit Widerstandsdraht711 und bewickeltem Wickelkörper712 , Füllmaterial720 , Hülse730 , Rohrabschnitt740 , elektronischer Komponente750 und Anschlussdrähten760 vor bzw. nach dem zumindest abschnittsweisen Verdichten. - Der Unterschied zur elektrischen Heizvorrichtung
100 gemäß1a bis1c besteht dabei darin, dass der Rohrabschnitt740 in die Hülse730 eingeschoben und nicht auf sie aufgeschoben ist. - Bezugszeichenliste
-
- 100,200,300,400,500, 600,700
- Elektrische Heizvorrichtung
- 101,201,301,401,501, 601,701
- verdichteter Abschnitt
- 102,202,302,303,402, 403,502,602
- unverdichteter Abschnitt
- 110,210,310,410,510, 610,710
- elektrisches Heizelement
- 111,211,311,411,511, 611,711
- Widerstandsdraht
- 112,212,312,412,512, 612,712
- Wickelkörper
- 120,220,320,420,520, 620,720
- Füllmaterial
- 130,230,330,430,530, 630,730
- Hülse
- 140,240,340,440,540, 640,740
- Rohrabschnitt
- 150,250,350,450,550, 750
- elektronische Komponente
- 370
- Rohr
- 441
- Hülse
- 531
- Boden
- 650
- Thermoelement
Claims (10)
- Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung (100,200,300,400,500,600,700) mit den Schritten - Bereitstellen einer Hülse (130,230,330,430,530,630,730) aus einem ersten Material, das eine erste Festigkeit aufweist, - Anordnen eines elektrischen Heizelements (110,210,310, 410,510,610,710) in der Hülse (130,230,330,430,530,630, 730) - Anordnen eines Füllmaterials (120,220,320,420,520,620, 720) in der Hülse (130,230,330,430,530,630,730), so dass stromdurchflossene Teile des elektrischen Heizelements (110,210,310,410,510,610,710) von der Hülse (130,230,330, 430,530,630,730) elektrisch isoliert sind und die Lage des elektrischen Heizelements (110,210,310, 410,510,610,710) in der Hülse (130,230,330,430,530, 630,730) fixiert ist, und - zumindest abschnittsweises Verdichten der Hülse (130, 230,330,430,530,630,730), des in Abschnitten der Hülse (130,230,330,430,530,630,730), die verdichtet werden, angeordneten elektrischen Heizelements (110,210,310,410, 510,610,710) und des in Abschnitten der Hülse (130,230, 330,430,530,630,730), die verdichtet werden angeordneten Füllmaterials (110,210,310,410,510,610,710), dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Abschluss des zumindest abschnittsweisen Verdichtens der Hülse (130,230,330,430,530,630,730) bei zu verdichtenden Abschnitten ein Rohrabschnitt (140,240,340,440,540, 640,740) angeordnet wird, der aus einem zweiten Material, das eine zweiten Festigkeit aufweist, die höher ist als die erste Festigkeit, besteht.
- Verfahren nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Hülse (130,230,330,430,530,630,730) aus Kupfer, Aluminium, Titan oder Messing bereitgestellt wird. - Verfahren nach
Anspruch 1 oder2 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Rohrabschnitt (140,240,340,440,540,640,740) aus Stahl, insbesondere Edelstahl bei zu verdichtenden Abschnitten angeordnet wird. - Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrabschnitt (140,240,340,440,540,640,740) auf die Hülse (130,230,330,430,530,630,730) aufgeschoben wird.
- Verfahren nach
Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichten so durchgeführt wird, dass nach dem Verdichten der aufgeschobene Rohrabschnitt (140,240,340,440,540,640) mit Abschnitten der Hülse (130,230,330,430,530,630), auf die kein Rohrabschnitt (140,240,340,440,540,640) aufgeschoben ist, fluchtet. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis3 , dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrabschnitt (740) in die Hülse (730) eingeschoben wird. - Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine elektronische Komponente (150,250,350, 450,550), insbesondere ein Sensor, eine Sicherung und/oder ein Schalter, in der Hülse (130,230,330,430,530,630,730) angeordnet wird.
- Verfahren nach
Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Komponente (150,250,350,450,550) zusammen mit dem elektrischen Heizelement (110,210,310,410,510, 610,710) in der Hülse (130,230,330,430,530,630,730) angeordnet wird. - Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rohrabschnitt (340,440,540) so an der Hülse (330,430,530) angeordnet wird, dass er die Hülse (330,430,530) überragt.
- Verfahren nach
Anspruch 9 , dadurch gekennzeichnet, dass in dem die Hülse (330) überragenden Bereich des Rohrabschnitts (340) ein zusätzliches Rohr (370) angeordnet wird, das die Hülse (340) konzentrisch verlängert.
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