JP2000054993A - 改良型ベ―ンシステム - Google Patents

改良型ベ―ンシステム

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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】流体力学的に改善され、エネルギー消費量がよ
り少なく、乱流が最小にされたベーン本体を複数箇取り
付けてなる回転機械、推進用又は渦巻きポンプ用等のベ
ーンシステムで、サイズがより小さく、機器のコスト及
び運転費用が低減可能となること。 【解決手段】ベーン本体10は、球面の一部分である作
動用凹表面14、球面の一部分である作動用凸表面1
6、前縁22、後縁24と上部自由端20などを備えて
構成され、更に当ベーンをハブ100の中心軸のまわり
に固定するための下部固定端を備え、当ベーン本体を2
箇以上ハブに結合した。

Description

【発明の詳細な説明】

【0001】本明細書において「ベーン」という用語
は、あらゆる種類のファンやプロペラ、タービン、ジェ
ネレータ、渦巻きポンプなど、翼や羽根によって流体を
駆動し散逸あるいは拡散させる装置、あるいは流体によ
って翼や羽根を備えた回転ヘッドを回転させる装置、ま
たは翼や羽根によって陸上や水上・水中や空中を推進す
る装置、などの翼や羽根を備えたあらゆる装置に関し、
これら装置に備えられた翼や羽根のことをいう。

【0002】

【従来の技術】従来型のベーンは、推進を誘導するため
の形を得るために、曲げ加工や形どり、鋳造や成形をし
たもので、おおむね平たい形状であった。従来型のベー
ンは発生させる流体速度に限界があり、流体を効果的に
散逸させるために、相対的に大径の円を廻ることが要求
される。従来型のベーンの場合、流体を切り、集め、噴
き出させるために作動するのは片側表面のみである。こ
れらのベーンは、特にファンとして使用される場合、空
気の自由な吸気及び排気を必要とし、抵抗があれば効果
的に作動することができない。半球形のベーンは、風速
計(風力計)及びある種のタービンあるいはペルトン水
車といった用途において使用されている。これらのベー
ンは、一度に僅か1枚のベーンしか流体速度による全衝
撃を受け入れず、これらの動作軸は流体速度に垂直であ
る。この場合もやはり、片面、通常は凹表面のみが作動
する。従来、半球ベーンが空気または流体の推進用とし
て使用されることはなかった。

【0003】米国特許第2,252,788号[翼桁
N.A.]は、発電に使用されるロータ(リアクティブ
ロータ)のためのカップベーンを開示している。この発
明において開示されているベーンもまた、推進用として
は不適である。また、このベーンシステムの設計も、各
ベーンの内端が回転軸を越えて伸長し、隣接するベーン
の内外両面間の接続通路の形成を可能にするようなもの
でなければならない。この米国特許が提案するカップ型
のカロットベーンにおけるこれらの通路の構造は、実際
的でなく非常に複雑である。

【0004】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、流体力学的
に改善され、機器または装置によるエネルギー消費量が
より少なく、乱流が最小にされ、機器または複数のベー
ンを取り付けた組立品のサイズがより小さくされたベー
ンシステムを提案するものである。最終的には、機器の
コスト及び運転費用も低減されることが確信されてい
る。

【0005】

【課題を解決するための手段】本発明による改良型ベー
ンシステムは、球面部分の一部である2枚以上のベーン
を備え、これらベーンをハブに結合してなるベーンシス
テムであって、ベーンの作動する凹表面は球面部分の一
部であること、ベーンの作動する凸表面は球面部分の一
部であること、ベーンは、ベーンの前縁、ベーンの後
縁、上方の自由端、ベーン本体をハブに結合するための
下部固定端を有することを特徴としている。

【0006】

【発明の実施の形態】本発明のある実施例では、凹表面
が、ベーンが角変位(回転)している場合の先行作動面
(回転方向前側の面)である。この場合、ベーン本体は
推進システムまたは渦巻きポンプの一構成要素として使
用されている。

【0007】本発明の他の実施例では、凹表面は、ベー
ン本体が角変位(回転)している場合の後行作動面(回
転方向後ろ側の面)になる。この場合、ベーン本体はタ
ービンまたは風車の一構成要素として使用されている。

【0008】本発明のある実施例では、先行及び後行作
動面は同心の中空球の一部であり、本体は一様の厚さで
ある。

【0009】本発明の他の実施例では、先行及び後行作
動面は非同心の中空球の一部であり、本体の厚さは一様
でなく、上部自由端ではより薄くハブへとつながる下端
ではより厚い、或いはその逆である。

【0010】本発明の好適な実施例では、上部自由端は
ベーンの前縁とベーンの後縁が交わることにより規定さ
れている。

【0011】本発明の好適な実施例では、ベーン本体は
中空球の4分の1あるいは4分の1以下の部分である。
(図2(A)乃至2(E)に示されている)こうした幾
何学的形状とすることにより、ベーン本体をハブの周り
に取り付けた際に、隣接するベーンと相互に協力しあ
い、システムとして流体力学的に最もすぐれた性能を発
揮することが可能となる。

【0012】本発明のある実施例では、ベーンはハブの
まわりにある角度間隔をおいて固定されている。当該実
施例においては、ベーン本体の下端はハブの形状に合わ
せて輪郭取りされており、ベーン本体を溶接等の周知の
方法でハブと結合している。本発明の他の実施例では、
ベーン本体をハブに固定するためのボルト、ねじまたは
他の固定手段を通すことのできる開口がベーン本体の下
端に設置されている。

【0013】本発明の他の実施例では、ベーン本体はハ
ブから伸長している。

【0014】他のさらなる実施例では、ベーンは板金の
成形、鋳造、押し出し、彫刻、スパーク腐食、曲げ、或
いはその他の方法でハブと一体式で製造されることが可
能である。この場合、ベーンはハブに一体化されたもの
とすることができる。

【0015】他のさらなる実施例では、ベーン本体は、
ベーン本体下部の固定端に対応してハブに設けられた溝
または穴に取り付けられており、結合処理によってハブ
と一体化される。

【0016】本発明による複数のベーンと、複数のベー
ンが結合されるハブとを備えたベーン及びハブアッセン
ブリも、この発明の範疇である。

【0017】複数のベーンは、形状及びサイズが互いに
類似したものである場合も、異なるものである場合もあ
る。

【0018】ベーンは、ハブと一体となっている場合
も、しっかりと固定されている場合もある。

【0019】ベーン及びハブアッセンブリは、一つのハ
ブに2枚から36乃至48枚のベーンを備えることがで
きる。

【0020】ハブは、円筒形である場合もあり、その外
周面がベーンの下端付近の形状に対応した形状に仕上げ
られている場合もある。

【0021】ベーンをハブに固定してなるベーン及びハ
ブアッセンブリの場合、ハブには、ベーン下部の固定端
と対応する溝または穴を備えることができる。ベーンを
支持するため、ハブ表面にはフランジを設置することが
できる。このフランジは、ベーンの主たる固定手段とし
て用いてもよいし、補助的な支持手段として用いてもよ
い。このフランジもまた、ベーン下部の固定端付近の形
状に対応した形状とすることができる。

【0022】ベーンは、ベーンの軸がハブの軸に対して
平行であるように、または傾斜するようにハブに配置す
ることができる。さらに、ベーンの軸は、ハブの軸を包
含する垂直面と一直線に合わせる、または横方向に変位
させることが可能である。効果的には、ベーンの軸は、
ハブの軸を包含する平面に対して垂直である、或いは傾
斜した平面を限定することができる。理論的には、2つ
の軸の傾斜は前後方向に80度であることが可能である
が、実用上は、15度乃至60度の傾斜を与えることが
できる。

【0023】ベーンの表面を一部とする中空球の中心の
位置によって、中空球の半径を選択することができる。
この球の半径は、ベーン及びハブアッセンブリの用途に
応じて変化する可能性がある。例えば、ベーンが後方に
傾斜しており、この円の半径が大きければ、より速い流
体速度がもたらされる。

【0024】ハブの直径もまた、装置の用途に応じて変
更することができる。

【0025】ハブ上に設けられた穴または溝に加えて、
ベーンとハブとの結合を強化し、流体力学的に優れたも
のとするために、ハブには切り欠きを設けることができ
る。

【0026】ベーン及びハブは、布、金属、木材、セラ
ミックまたは合成ポリマー材料或いは上記の材質による
組合せとすることができる。

【0027】次に、添付の図面を参照して、本発明につ
いて説明する。

【0028】図中において、番号10で表されているこ
の発明によるベーン(図1(A)乃至図1(H)に詳細が
示されている)は、球面の一部分である作動用凹表面1
4、球面の一部分である作動用凸表面16、前縁22、
後縁24、上部自由端20、ベーンをハブ100の中心
軸まわりに固定するための下部固定端18を備えてい
る。(図3を参照)

【0029】本発明のある実施例では、凹表面14は、
ベーン10が角変位(回転)している場合の先行作動面
(回転方向前側の面)である。この場合、ベーン本体1
2は推進システムまたは渦巻きポンプシステムの一部分
として使われている。

【0030】本発明の他の実施例では、凹表面14は、
ベーン本体12が角変位(回転)している場合の後行作
動面(回転方向後ろ側の面)である。この場合、ベーン
本体12はタービンの一部分として使われている。

【0031】本発明のある実施例では、先行及び後行作
動面は同心の中空球の一部であり、ベーン本体12は一
様の厚さである。

【0032】本発明の他の実施例では、先行及び後行作
動面は非同心の中空球の一部であり、本体の厚さは一様
でなく、よってベーン10の本体は、上部自由端20で
はより薄く下部の固定端18ではより厚い。本実施例
は、特に図20乃至22に示されている。

【0033】本発明の好適な実施例では、上部自由端2
0は、ベーンの前縁22とベーンの後縁24とが交わる
ことによって規定されている。

【0034】本発明のある実施例では、ベーン10は、
ハブ100のまわりに固定されている。当該実施例にお
いては、ベーン本体12の下部固定端18はハブ100
の形状に合わせて輪郭取りされており、ベーン本体12
を溶接等の周知の方法でハブ100に結合している。本
発明の他の実施例では、特に図4に示されているよう
に、ベーン本体12をハブ100に固定するためのボル
ト、ねじまたは他の固定手段26を通すことのできる開
口がベーン本体12の下端に設置されている。

【0035】本発明の他の実施例では、図3において典
型的に示されているように、ベーン本体12はハブ10
0から伸長している。

【0036】あるさらなる実施例では、ベーン10は板
金の成形、鋳造、押し出し、彫刻、スパーク腐食、曲
げ、或いはその他の方法でハブ100と一体式で製造さ
れることが可能である。この場合、ベーン10はハブ1
00に一体化されたものとすることができる。

【0037】他のさらなる実施例では、ベーン本体12
は、ベーン本体12の下部固定端18に対応した溝また
は穴(図には特に示されていない)に取り付けられてお
り、結合処理によってハブ100と一体化される。

【0038】本発明による複数のベーン10と、複数の
ベーン10が結合されるハブ100とを備えたベーン及
びハブアッセンブリ60も、この発明の範疇である。

【0039】ベーン10は、ハブ100と一体となって
いる場合も、しっかりと固定されている場合もある。

【0040】ベーン及びハブアッセンブリ60は、一つ
のハブに2枚から36乃至48枚ものベーン10を備え
ることができる。ベーン及びハブアッセンブリ60は、
図5乃至42に様々なものが例示されているが、これら
は単に例示的なものとして示されており、如何なる場合
もベーンの数、形状またはサイズを限定するものとして
見なされるべきものではなく、本発明の性質及び範囲を
限定するものではない。

【0041】ハブは、図7に示されているように、円筒
形である場合もあり、その外面がベーン10の下部固定
端18の近くのベーン10の凸表面16に対応した輪郭
102に仕上げられている場合もある。

【0042】ベーンをハブに固定してなるベーン及びハ
ブアッセンブリ60の場合、ハブには、ベーン10の下
部固定端18に対応した溝または穴を備えることができ
る。ハブ100に取り付けられた状態において、ベーン
10に主要なまたは追加的な支持を提供するため、特に
図4に示されているように、ハブ100の表面にはフラ
ンジ28(ベーンの下部固定端及び/または後部表面に
対応する)を設置することができる。

【0043】ベーン10は、図45乃至47に見られる
ように、ベーンの軸130がハブ100の軸110に対
して平行であるように、または傾斜するようにハブ10
0に配置することができる。さらに、ベーンの軸130
は、図43及び44に特に見られるように、ハブ100
の軸110を包含する垂直面120と整合させる、また
は横方向に変位させることが可能である。効果的には、
ベーン10の軸130は、ハブ100の軸110を包含
する面に垂直である、または傾斜する面を限定すること
ができる。理論的には、2つの軸の傾斜は前後方向に8
0度であることが可能であるが、実用上は、図45
(A)乃至45(D)に特に見られるように、15乃至
60度の傾斜を与えることができる。

【0044】ベーンの表面を一部とする中空球の有効中
心132(図45乃至47に示されている)の位置によ
って、中空球の半径を選択することができる。この球の
半径は、ベーン及びハブアッセンブリ60の用途に対応
して変化させることができる。作動上は、傾斜が後方で
あってこの円の半径が大きければ、より高速の流体速度
がもたらされる。

【0045】ハブの直径もまた、装置の用途に応じて変
更することができる。ハブの直径134の変化は図47
(A)乃至47(E)に示されている。

【0046】ハブ上に設けられた穴または溝に加えて、
ベーン10とハブ100との結合を強化し、流体力学的
に優れたものとするため、図10及び11に示されてい
るようにハブには切り欠き104を設けることができ
る。

【0047】ベーン及びハブは、布、金属、木材、セラ
ミックまたは合成ポリマー材料或いは上記の材質による
組合せとすることができる。

【0048】ベーン及びハブアッセンブリのプロペラと
しての使用例が図48に示されている。この図では、ハ
ブから3枚のベーンが伸長している。ベーン及びハブア
ッセンブリがプロペラとして機能する場合、ベーンの角
変位(回転)はベーン表面の後部にベーンの先端で最大
であり基部で最小である低圧域を作り出す。空隙が生成
されると、即座に(矢印135で示されるように)流体
は空隙へと流入し、次のベーンの凹表面によってかき出
される。流体を収集して変位させなければならない従来
の軸プロペラと比較すると、推進は滑らかであり、より
強力でエネルギー消費がより少ない。本発明によるベー
ンアッセンブリシステムは、静止圧に対しても効率のよ
い性能を提供することができる。

【0049】ベーン及びハブアッセンブリのタービンと
しての使用例が図49に示されている。この図では、ハ
ブから3つのベーンが伸張している。ベーン及びハブア
ッセンブリがタービンとして使用される場合、球状ベー
ンの前部凹表面上に衝突した流体(全てのベーンが同時
に流体の速度による全衝撃を受ける)は、(矢印137
によって示されているように)ほぼ直角に向きを変えさ
せられる。従って本システムは、流体の速度を完全に利
用することができる。流体による衝撃はベーンの角変位
(回転)をもたらし、これによってベーンの凹表面に沿
って低圧域が生成され、タービン上に衝突する流体が加
速される。さらに、ベーンによって向きを変えられた流
体はベーンの凸状の後部球面を越えて移動し、低流体圧
力部が生成される。このようにして本アッセンブリに
は、ベーンの前部凹状球面上に衝突する流体速度によっ
て生じるベーンを押す力と、球状ベーンの後部凸状球面
上の背部における移動流体の低圧によって生じるベーン
を引き込む力の両方を利用できるという利点がある。

【0050】容易に理解できることであるが、先行技術
のベーンとは異なり、本発明によるベーン、そしてベー
ン及びハブアッセンブリの作動においては、各ベーンの
両面が作用面である。また、ベーン及びハブアッセンブ
リにおけるハブの軸は、流体の速度及び流れの方向と平
行である。

【図面の簡単な説明】

【図1】図1(A)〜(H)は、本発明によるベーンの
8つの実施例を表している。

【図2】図2(A)〜(E)は、中空球の4分の1、あ
るいは4分の1以下の部分をベーン本体として使用した
本発明の実施例を表している。

【図3】本発明によるベーンをハブに結合した実施例を
表している。

【図4】本発明によるベーンをハブに取り付けた他の実
施例を表している。

【図5】本発明によるベーンをハブに取り付けた他の実
施例を表している。

【図6】ハブ上に5枚のベーンを結合した、本発明の他
の実施例を表している。

【図7】本発明の6枚ベーンの実施例であり、ハブ表面
をベーンの下部固定端に対応した形状としている。

【図8】ハブ上に8枚のベーンを取り付けた、本発明の
他の実施例を表している。

【図9】ハブ上に9枚のベーンを取り付けた、本発明の
他の実施例を表している。

【図10】切り欠きを設けられたハブに結合された、本
発明による10枚ベーンの実施例を表している。

【図11】切り欠きを設けられたハブに結合された、本
発明による12枚ベーンの実施例を表している。

【図12】本発明によるベーン及びハブアッセンブリの
正面図を表している。

【図13】図12のベーン及びハブアッセンブリの右立
面図を表している。

【図14】図12のベーン及びハブアッセンブリの斜視
図を表している。

【図15】図12のベーン及びハブアッセンブリの底面
図を表している。

【図16】本発明による他のベーン及びハブアッセンブ
リの正面図を表している。

【図17】図16のベーン及びハブアッセンブリの右立
面図を表している。

【図18】図16のベーン及びハブアッセンブリの斜視
図を表している。

【図19】図16のベーン及びハブアッセンブリの底面
図を表している。

【図20】本発明によるさらに他のベーン及びハブアッ
センブリの正面図を表している。

【図21】図20のベーン及びハブアッセンブリの右立
面図を表している。

【図22】図20のベーン及びハブアッセンブリの斜視
図を表している。

【図23】本発明によるベーン及びハブアッセンブリを
表している。

【図24】本発明によるベーン及びハブアッセンブリを
表している。

【図25】本発明によるベーン及びハブアッセンブリを
表している。

【図26】本発明によるベーン及びハブアッセンブリを
表している。

【図27】本発明によるベーン及びハブアッセンブリを
表している。

【図28】本発明によるベーン及びハブアッセンブリを
表している。

【図29】本発明によるベーン及びハブアッセンブリを
表している。

【図30】本発明によるベーン及びハブアッセンブリを
表している。

【図31】本発明によるベーン及びハブアッセンブリを
表している。

【図32】本発明によるベーン及びハブアッセンブリを
表している。

【図33】本発明によるベーン及びハブアッセンブリを
表している。

【図34】本発明によるベーン及びハブアッセンブリを
表している。

【図35】本発明によるベーン及びハブアッセンブリを
表している。

【図36】本発明によるベーン及びハブアッセンブリを
表している。

【図37】本発明によるベーン及びハブアッセンブリを
表している。

【図38】本発明によるベーン及びハブアッセンブリを
表している。

【図39】本発明によるベーン及びハブアッセンブリを
表している。

【図40】本発明によるベーン及びハブアッセンブリを
表している。

【図41】本発明によるベーン及びハブアッセンブリを
表している。

【図42】本発明によるベーン及びハブアッセンブリを
表している。

【図43】ハブの軸を含む面に対して、ベーンアッセン
ブリの軸を横方向変位に変位させた実施例を表してい
る。

【図44】ハブの軸を含む面に対して、ベーンアッセン
ブリの軸を横方向変位に変位させた別の実施例を表して
いる。

【図45】図45(A)〜(D)は、ベーンの軸がハブ
の軸に対して平行または傾斜しているベーンとハブとの
接合例を表している。

【図46】図46(A)〜(D)は、ハブに結合され
た、異なる半径を有する球体の一部分であるベーンの例
を示している。

【図47】図47(A)〜(E)は、異なる直径のハブ
に結合された異なるサイズのベーンを表している。

【図48】推進用として使用されている、ハブから伸長
したベーンセットの実施例を表している。

【図49】渦巻き推進に使用されている、ハブから伸長
するベーンセットの実施例を表している。

【図50】補強及び支持を追加するために、一端をハブ
に、他端をベーンの先端に取り付る棒または管(139
で指示)を示している。

Claims (22)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】その形状が球面部分の一部である2枚以上
    のベーンを備え、これら複数のベーンをある間隔で、ハ
    ブに結合してなるベーンシステムであって、 前記ベーンの作動する凹表面は球面部分の一部であり、 前記ベーンの作動する凸表面は球面部分の一部であり、 前記ベーンは、前縁、後縁、上部の自由端およびベーン
    本体を前記ハブに結合する下部の固定端を備える、こと
    を特徴とするベーンシステム。
  2. 【請求項2】前記各ベーンの凹表面及び凸表面は同心の
    中空球の一部であり、ベーン本体は一様の厚さである請
    求項1記載のベーンシステム。
  3. 【請求項3】前記各ベーンの凹表面及び凸表面は非同心
    の中空球の一部であり、ベーン本体の厚さは一様でな
    く、よって少なくとも1つのベーンは上部の自由端では
    より薄く、ハブへとつながる下端ではより厚い、或いは
    その逆である請求項1記載のベーンシステム。
  4. 【請求項4】上部自由端は、ベーンの前縁と後縁とが交
    わることによって規定されている請求項1、2または3
    の何れかに記載のベーンシステム。
  5. 【請求項5】前記各ベーンは、ハブとは別に作られ、ハ
    ブに固定されている請求項1乃至4の何れかに記載のベ
    ーンシステム。
  6. 【請求項6】ベーン本体の下部固定端は、ハブの形状に
    合わせた形状とされている請求項1乃至5の何れかに記
    載のベーンシステム。
  7. 【請求項7】ベーン本体をハブに固定するために、前記
    ベーンの下部固定端にボルト、ねじまたは他の固定手段
    を通す開口が設置されている請求項1乃至6の何れかに
    記載のベーンシステム。
  8. 【請求項8】前記ベーンはハブから伸長していることを
    特徴とする請求項1乃至7の何れかに記載のベーンシス
    テム。
  9. 【請求項9】前記ベーンは板金の成形、鋳造、押し出
    し、彫刻、スパーク腐食、曲げ、或いはその他の方法で
    ハブと一体で製造され、ベーンはハブと一体式である請
    求項7または8記載のベーンシステム。
  10. 【請求項10】ベーン本体は、前記ベーン本体の下部固
    定端に対応する溝または穴に取り付けられ、結合処理に
    よってハブと一体化される請求項1乃至9の何れかに記
    載のベーンシステム。
  11. 【請求項11】前記ベーンは、互いに形状及びサイズが
    類似している請求項1乃至10の何れかに記載のベーン
    システム。
  12. 【請求項12】前記ベーンはハブと一体式である請求項
    1乃至11記載のベーンシステム。
  13. 【請求項13】ハブは、その外面をベーンの下部固定端
    付近の形状に対応する形状に仕上げられている請求項1
    乃至12のうちの何れかに記載のベーンシステム。
  14. 【請求項14】ベーンはハブ上に取り付けられ、ハブの
    表面にはベーンを支持するためのフランジが用意されて
    いる請求項1乃至13記載のベーンシステム。
  15. 【請求項15】前記ベーンは、ベーンの軸がハブの軸に
    対して平行となるように、或いは角度を成すように配置
    される請求項1乃至14の何れかに記載のベーンシステ
    ム。
  16. 【請求項16】前記ベーンの軸は、ハブの中心軸を含む
    平面と同一線上にある、或いは横方向に変位されている
    請求項1乃至15の何れかに記載のベーンシステム。
  17. 【請求項17】前記ベーンの軸は、ハブの中心軸を含む
    平面に垂直な、或いは当該表面と角度を成した平面を限
    定する請求項1乃至16の何れかに記載のベーンシステ
    ム。
  18. 【請求項18】前記ベーンの表面を一部とする中空球の
    半径を、ベーン及びハブアッセンブリの用途に応じて選
    択することが可能な、請求項1乃至17の何れかに記載
    のベーンシステム。
  19. 【請求項19】ベーンはハブ上に取り付けられ、ハブの
    直径は予め決められた用途に応じて選択しうる請求項1
    乃至18の何れかに記載のベーンシステム。
  20. 【請求項20】前記ベーンは穴または溝が設けられてい
    るハブ上に取り付けられ、ハブには前記ベーンとハブの
    結合を強化するために切り欠きが施されている請求項1
    乃至19の何れかに記載のベーンシステム。
  21. 【請求項21】布、金属、木材、セラミックまたは合成
    ポリマー材料或いは上記の材質による組合せによって製
    造される請求項1乃至20の何れかに記載のベーンシス
    テム。
  22. 【請求項22】請求項1乃至21に記載され、添付の図
    面に関連して本明細書において説明されているベーンシ
    ステム。
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