JP2006029672A - 潜熱流体ループを使用する熱輸送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単、軽量な構造で温度制御することが出来る２相流体ループ式装置を提供する。
【解決手段】 閉ループを形成する２相流体ループ式の熱輸送装置は、熱源から熱を吸収し作動流体を蒸気にするための蒸発器(11)と、作動流体の熱を放熱し凝縮させるための凝縮器(12)と、前記蒸発器の出口と前記凝縮器の入口を連結する蒸気管(14)と、前記凝縮器の出口と前記蒸発器の入口を連結する液管(15)と、前記液管の途中に設けられたポンプと(13)、作動流体に圧力をかけるため、前記液管の途中に接続されたアキュムレータ(16)と、前記蒸気管に設けられ、前記蒸発器から前記凝縮器へ輸送される蒸気の量を調節するための、開度を変化させることが出来る絞り(17)と、前記蒸発器の表面温度を測定する温度測定器(18)と、前記蒸発器の表面温度を設定温度に合わせるため、前記絞りの開度を調節する制御器(19)と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、熱輸送装置に関し、特に潜熱流体ループ、即ち２相流体ループを使用して熱輸送を行う熱輸送置に関する。

近年宇宙開発の分野では、大型の宇宙飛行体が開発され、このような大型の宇宙飛行体に搭載される機器は、大型化され、種類も多くなっている。このため、これらの搭載機器からの発熱量が多くなり、大型の排熱装置、熱輸送装置が必要となる。また、宇宙飛行体、宇宙ステーション等では少ない動力で大量の熱を輸送する必要がある。このため、従来のヒートポンプを用いた熱輸送装置では対応が困難である。
そのため、発熱体である搭載機器の周囲に作動流体を循環させ、この作動流体の相変化による潜熱を利用して熱を輸送する２相流体ループ式熱輸送装置が使用されている。

この２相流体ループでは、循環する作動流体が電子機器等の発熱部へ液相で送られ、作動流体は、発熱部で吸熱して蒸気相に変化する。この蒸気相は放熱部へ送られ、ここで放熱して再び液相に戻される。２相の作動流体はポンプで駆動される。
この熱輸送装置では、作動流体を蒸発させることによって蒸発潜熱を利用して熱負荷を吸収して輸送するので、作動流体の単位質量あたりの熱輸送量が大きく、ポンプ動力が少なくてすみ、また熱輸送装置を小型化、軽量化することが出来るという利点がある。

しかし、２相が共存する流れでは、流動が不安定になりやすい。このような不安定な２相流体ループに対して安定した制御を行うのは困難であり、蒸発部の急激な温度上昇などにより流体の液相が失われドライアップする場合がある。

２相流体ループを制御する場合、２相流体の圧力と温度とは対応した関係があるので、圧力を変化させることにより、飽和温度を変化させることが出来る。そのため、温度を一定にするには、２相流体ループの圧力を制御する必要がある。
そのため、２相流体ループの一部に圧力調整用のアキュムレータを接続し、このアキュムレータでループ内の圧力を調整することにより、安定した熱輸送が行えるようにしている。

図４に従来の潜熱を利用した２相流体ループ式熱制御システムの概略図を示す。このシステムは、熱源から熱を吸収するための蒸発器1と、熱を放熱するための凝縮器2と、蒸発器1で蒸気になった作動流体を凝縮器2へ蒸気を輸送する蒸気管4と、凝縮器2で液相に戻された作動流体を蒸発器1へ輸送する液管5とを備える。液管5の途中には、作動流体を駆動するためのポンプ3が設けられている。また、液管5の凝縮器2とポンプ3の間には、蒸発器1の圧力を一定に保持するためのアキュムレータ6が接続されている。
このシステムにおいては、電子機器等の搭載機器（図示せず）からの熱は、搭載機器に接続された蒸発器1内の液体状態の作動流体に吸熱される。蒸発器1内の作動流体は吸熱して蒸気となり、蒸気管4を通って、凝縮器2へ輸送される。この蒸気の作動流体は、凝縮器2で、ラジエータ（図示せず）の作用によって、凝縮して液体に戻る。この液体の作動流体は、ポンプ3へ移動し、ここで加圧されて再度蒸発器1へ輸送される。

この熱制御システムでは、蒸発器1の温度を一定に保持する必要がある。従来は、アキュムレータ6によりアキュムレータ6内の蒸気の圧力を制御することにより、蒸発器1の温度を制御していた。
アキュムレータ6の内部圧力を制御するために、従来は熱式アキュムレータが用いられていた。熱式アキュムレータでは、加熱装置6aと冷却装置（図示せず）を用いて、アキュムレータ内の蒸気と液体の容積比を変えて、流体ループ内の圧力を調整していた。しかし、この熱式アキュムレータは、無重力の宇宙空間では上記と液を分離する工夫が必要であり、また相変化に要する時間遅れが生じ、高精度の制御ができないという問題があった。

特許文献１の熱輸送装置では、この問題を解決するため、機械式アキュムレータを使用する。この装置では、アキュムレータに容積可変形の貯留層を設け、貯留層の容積を変化させることにより、媒体液をループ内へ出し入れし、これによって閉ループ内の圧力を短時間で調整することが出来る。
しかし、この熱輸送装置では、アキュムレータに付随する機械的な機器が複雑になり、システム全体の重量が増大する。その結果、小型軽量で熱輸送量が大きいという２相流体ループの利点が損なわれてしまう。

そのため、簡単な構造で、軽量で、しかも能力の大きい、能動的な熱輸送装置の開発が望まれている。

特開平６−１３００号

本発明の目的は、簡単な構造で、軽量で、高能力な熱輸送装置を提供することである。
特に本発明の目的は、簡単、軽量な構造で温度制御することが出来る２相流体ループ式の熱輸送装置を提供することである。

本発明による熱輸送装置は、アキュムレータの温度又は圧力を制御することにより、温度制御するのではなく、２相流体ループ内に絞りを設け、絞りの開度を変えることにより閉ループ全体の温度制御を行う。具体的には、蒸発器の出口と凝縮器の入口を結ぶ蒸気管に絞りを設け、絞りの開度を変化させることにより蒸気圧を制御し、それにより蒸発器の表面温度を制御する。

本発明の１態様では、閉ループを形成する２相流体ループ式の熱輸送装置は、
熱源から熱を吸収し作動流体を蒸気にするための蒸発器と、
作動流体の熱を放熱し凝縮させるための凝縮器と、
前記蒸発器で蒸気になった作動流体を前記凝縮器へ輸送するため、前記蒸発器の出口と前記凝縮器の入口を連結する蒸気管と、
前記凝縮器で液体になった作動流体を前記蒸発器へ輸送するため、前記凝縮器の出口と前記蒸発器の入口を連結する液管と、
作動流体を前記蒸発器の入口へ向かって送るため、前記液管の途中に設けられたポンプと、
作動流体に圧力をかけるため、前記液管の途中に接続されたアキュムレータと、
前記蒸気管に設けられ、前記蒸発器から前記凝縮器へ輸送される蒸気の量を調節するための、開度を変化させることが出来る絞りと、
前記蒸発器の表面温度を測定する温度測定器と、
前記蒸発器の表面温度と設定温度の差に応じて、前記絞りの開度を調節する制御器と、を備える。

前記絞りは蒸気弁であっても良い。
前記制御器は、前記温度測定器に温度を測定させる温度測定部と、予め設定した設定温度、上限温度、下限温度を記憶する記憶部と、測定した温度と、前記記憶部に記憶した温度とを比較する温度比較部と、温度比較の結果により、前記絞りを開閉制御する弁制御部とを備えてもよい。
前記絞りの開度を段階的又は連続的に変化させても良い。

本発明の別の態様では、蒸発器と、凝縮器と、蒸気管と、液管と、ポンプと、アキュムレータと、絞りとを備える２相流体ループ式の熱輸送装置において、前記蒸発器の表面温度を制御する方法が提供される。この方法は、
（ａ）前記蒸発器の表面の設定温度と、上限温度と、下限温度とを設定し、
（ｂ）前記蒸発器の表面温度を測定し、
（ｃ）測定した前記表面温度を、前記上限温度、前記下限温度と比較し、
（ｄ）前記表面温度が前記上限温度より高いときは、前記絞りの開度を大の位置にし、
前記表面温度が前記下限温度より低いときは、前記絞りの開度を小の位置にし、
前記表面温度が前記上限温度と前記下限温度の間のときは、前記絞りの開度を変化させない、
ステップを備える。
ステップ（ｂ）〜（ｄ）を複数回繰り返し実施することが出来る。

本発明では、蒸気管に設けられた絞りの開度を変えることにより、絞りの前後の圧力損失が変化する。絞りの流出側には、アキュムレータがあり、アキュムレータの圧力が基準の圧力となり、圧力損失の変化は、絞りの上流側の圧力変化に寄与する。そして、絞り上流側に位置する蒸発器内部の作動流体の飽和圧力が変化し、それに伴い、飽和温度が変化する。そのため、蒸発器の表面温度を制御することが出来る。

本発明によれば、２相流体ループ式の熱輸送装置において、軽量で、簡単な構造により、流体の循環速度を変化させ、蒸発器の表面温度を一定に制御することが出来る。

以下、本発明の実施の形態及び実施例を説明する。図１は、本発明の実施の形態による２相流体ループを使用した熱輸送装置の概略図である。図１の装置は、搭載機器（図示せず）に接続され、搭載機器から熱を吸収するための蒸発器11を備える。蒸発器11内では、液管は例えば、平行に延びる複数の管に分岐し、電子機器等の搭載機器から熱を吸収しやすくなっている。蒸発器11内で、液体の作動流体は、搭載機器から熱を吸収して蒸気となる。蒸発器11内の複数の管は、蒸発器11の出口で、１本の管にまとまり、蒸気管につながる。
熱輸送装置は、熱を放熱するための凝縮器12を備える。凝縮器12内では、蒸気の作動流体は、ラジエータ（図示せず）の作用によって熱を吸収され、液体に戻る。凝縮器12については公知なので、これ以上詳述しない。

熱輸送装置は、蒸発器11の出口と、凝縮器12の入口を接続する蒸気管14を備える。蒸気管14は、蒸発器11で蒸気になった作動流体を凝縮器12へ輸送する。蒸気管14は、例えば、外径９ｍｍの銅管又はアルミニウム管である。蒸気管14の材質は、内部を流れる作動流体の種類によって、その腐食性などを考慮して変えることが出来る。
熱輸送装置は、凝縮器12の出口と、蒸発器11の入口を接続する液管15を備える。液管15は、凝縮器12で液相に戻された作動流体を蒸発器11へ輸送する。液管15は、例えば、外径６ｍｍの銅管又はアルミニウム管である。液管15の外径は、蒸発器11で吸熱する熱量によって変えることが出来る。
液管15の途中には、凝縮器12の出口から蒸発器11の入口へ向かって、作動流体を駆動するためのポンプ13が設けられる。本実施の形態では、ポンプ13はギアポンプであるが、他のポンプを使用することも出来る。また、液管15の凝縮器12とポンプ13の間には、液管15内の液体に圧力をかけるため、アキュムレータ16が接続されている。

更に、蒸気管14の途中には、絞りとして蒸気弁17が設けられている。蒸気弁17は、開度を変化させることが出来、蒸発器11から凝縮器12へ輸送される蒸気の量を調節することが出来る。蒸気弁17の開度は、大と小の２段階とすることが出来、又は３以上の段階をとるようにすることも出来る。又は、開度が連続的に変化するようにすることもできる。
熱輸送装置は、温度計を備え、温度計の熱電対は、蒸発器11の表面に設けられ、表面温度を測定するようになっている。また、制御器19が設けられる。制御器19は、温度計18により測定した蒸発器11の表面温度を予め記憶した設定温度と比較し、比較した結果に基づいて蒸気弁17の開度を制御し、その結果、蒸発器11の表面温度を制御することが出来る。制御器19については、図２を参照して後述する。また、制御方法については、図３を参照して後述する。

この装置においては、電子機器等からの熱は蒸発器11内で液体の作動流体に吸熱され、作動流体は吸熱して蒸気となる。この蒸気の作動流体は、蒸発器11の出口から蒸気管14を通って、凝縮器12の入口へ輸送される。このとき、蒸気の流量は蒸気弁17により調節される。凝縮器12へ戻った蒸気の作動流体は、凝縮器12で放熱して液体に戻る。この液体の作動流体は、凝縮器12の出口から液管15へ送られ、ポンプ13により駆動されて再度蒸発器11へ輸送される。
本実施の形態では、蒸気−液体の２相の作動流体として、HCFC123を使用した。作動流体としては、作動温度、圧力に応じて他の流体、例えばアンモニア等も使用することが出来る。

本実施の形態の装置では、温度計18により、蒸発器の表面温度を測定し、蒸発器の表面温度に応じて、蒸気管14に設けられた蒸気弁17の開度を変化させ、蒸気の流量を調節することができる。即ち、蒸発器の表面温度が設定温度より高くなった場合は、蒸気弁17の開度を大きくし、蒸気管14を流れる蒸気の流量をふやし、より多くの熱量を凝縮器12に輸送する。その結果、蒸発器11の飽和圧力が低下し、蒸発器11の表面温度Ｔが低下する。反対に、蒸発器11の表面温度Ｔが設定温度より低くなった場合は、蒸気弁17の開度を小さくし、蒸気管14を流れる蒸気の流量を減少させ、凝縮器12へ輸送する熱量を減少させる。その結果、蒸発器11の飽和圧力が高くなり、蒸発器11の表面温度Ｔが高くなる。このようにして、蒸気弁の開度を調節することにより、蒸気弁の上流側にある蒸発器内部の作動流体の飽和圧力が変化し、それに伴い飽和温度が変化する。そのため、蒸発器の表面温度を制御することが出来る。

図２は、本実施の形態による蒸気弁17を制御するための制御器19のブロック図を示す。制御器19は、温度計18に温度を測定させる温度測定部31と、予め設定した設定温度Ｔ0、上限温度Ｔmax、下限温度Ｔmin等の温度データを記憶する記憶部33と、測定した温度Ｔと、記憶部33に記憶した設定温度Ｔ0等の温度とを比較する温度比較部32と、温度比較の結果により、蒸気弁17を開閉制御する弁制御部34とを備える。

本実施の形態による蒸気弁17を制御することにより、蒸発器11の表面温度Ｔを制御する動作を図３のフローチャートにより説明する。制御開始前に、制御器19により、蒸発器11の表面温度を維持すべき設定温度Ｔ0を設定する。同時に、設定温度Ｔ0に対して、制御温度幅Δｔだけ高い上限温度Ｔmaxと、設定温度Ｔ0に対してΔｔだけ低い下限温度Ｔminを設定する。即ち、
Ｔmax ＝ Ｔ0 ＋ Δｔ
Ｔmin ＝ Ｔ0 − Δｔ
とし、蒸発器11の表面温度ＴをＴ0±Δｔの範囲内に維持するように制御する。

ステップ101で、温度制御プログラムを起動し、制御が開始される。ステップ102で、制御器19の温度測定部31の指示により、温度計18により蒸発器11の表面温度Ｔを測定する。本実施の形態では、蒸発器11の出口付近の表面温度Ｔを測定する。ステップ103で、制御器19の温度比較部32は、蒸発器11の表面温度Ｔを、設定した上限温度Ｔmaxと比較する。表面温度Ｔが上限温度Ｔmaxより高いときは、ステップ104へ進み、ステップ104でそのときの蒸気弁17の開度が小の位置か大の位置か判定する。蒸気弁17の開度が小の位置であれば、ステップ105で蒸気弁17の開度を大の位置にし、ステップ102へ戻る。蒸気弁17の開度が大の位置であれば、蒸気弁17の開度を変化させずに、ステップ102へ戻る。

ステップ103で、表面温度Ｔが上限温度Ｔmaxより高くないときは、ステップ107に進み、ステップ107で、制御器19の温度比較部32は、蒸発器11の表面温度Ｔを、設定した下限温度Ｔminと比較する。表面温度Ｔが下限温度Ｔminより低ければ、ステップ108で、そのときの蒸気弁17の開度が小の位置か大の位置か判定する。蒸気弁17の開度が大の位置であれば、ステップ109で蒸気弁17の開度を小の位置にし、ステップ102へ戻る。蒸気弁17の開度が小の位置であれば、蒸気弁17の開度を変化させずに、ステップ102へ戻る。
ステップ107で、表面温度Ｔが下限温度Ｔminより低くないとき、即ち表面温度Ｔが下限温度Ｔminと上限温度Ｔmaxの間に入っているときは、制御器19の弁制御部34は、蒸気弁17の開度を変化させずに、ステップ102へ戻る。

熱輸送装置の運転中は、一定時間後に、ステップ102で、温度計18により蒸発器11の表面温度Ｔを測定し、図３に示す制御動作を繰り返し実行する。
即ち、表面温度Ｔが上限温度Ｔmaxより高ければ、蒸気弁17の開度は大に保たれ、表面温度Ｔが下限温度Ｔminより低ければ、蒸気弁17の開度は小に保たれる。表面温度Ｔが下限温度Ｔminと上限温度Ｔmaxの間であれば、蒸気弁17の開度は大であるか小であるかにかかわらず変化させない。
このようにして、装置を運転している間、温度制御を継続して行う。
本実施の形態では、蒸気弁17の開度を、絞った小の位置と開いた大の位置の２段階とした。

本発明の別の実施の形態として、蒸気弁17の開度は、絞った小の位置と開いた大の位置の間に幾つかの位置を設け、小から大まで段階的に変化させるようにすることも出来る。
この場合、１回目の測定で、蒸発器11の表面温度Ｔが設定温度Ｔ0に等しければ、蒸気弁17の開度を変化させない。蒸発器11の表面温度Ｔが上限温度Ｔmaxより高ければ、蒸気弁17の開度を最大にする。
逆に、蒸発器11の表面温度Ｔが下限温度Ｔminより低ければ、蒸気弁17の開度を最小にする。蒸発器11の表面温度Ｔが設定温度Ｔ0と下限温度Ｔminの間のときは、表面温度Ｔが設定温度Ｔ0より低いほど、蒸気弁17の開度が小さくなるように蒸気弁17の開度を小さくする。表面温度Ｔが、設定温度Ｔ0と上限温度Ｔmaxの間のときは、表面温度Ｔが設定温度Ｔ0より高いほど、蒸気弁17の開度が大きくなるように蒸気弁17の開度を大きくする。制御器19の弁制御部34は、表面温度Ｔと設定温度Ｔ0の差に応じて蒸気弁17の開度を制御する。
又は、蒸気弁17の開度は、ＰＩＤ制御とすることも出来る。
蒸気弁17の開度を連続的に変化させることもできる。蒸発器11の表面温度Ｔが設定温度Ｔ0に等しければ、蒸気弁17の開度を変化させない。蒸発器11の表面温度Ｔが上限温度Ｔmaxより高ければ、蒸気弁17の開度を最大にする。蒸発器11の表面温度Ｔが下限温度Ｔminより低ければ、蒸気弁17の開度を最小にする。蒸発器11の表面温度Ｔが下限温度Ｔminと上限温度Ｔmaxの間のときは、表面温度Ｔに応じて、蒸気弁17の開度を最大と最小の間の位置に調節する。

熱輸送装置において、本発明の実施の形態により蒸気弁の開度を変化させる場合と、蒸気弁の開度を変化させない場合について、蒸発器にかかる熱負荷を急に変化させた場合の蒸発器の表面温度の変化を測定した。蒸気弁の開度を変化させない場合については、アキュムレータによる圧力調節も行っていない。具体的には、蒸発器の熱負荷を次のように変化させた。なお、本実験では蒸気弁の開度は最大と最小とその間の幾つかの段階をとりえる。
No.1 600Ｗ → 500Ｗ
No.2 600Ｗ → 700Ｗ
No.3 600Ｗ → 1000Ｗ
蒸発器の圧力と表面温度の変化を比較した結果を表１に示す。

表１において、左側は蒸気弁の制御がない場合を示し、右側は本発明の実施の形態による蒸気弁の制御がある場合を示す。弁制御無しの場合（従来）の蒸発器の圧力と表面温度の変化は、熱負荷を変化させる前と、変化させた後定常値になった後の値を示す。弁制御有りの場合（本発明の実施の形態）は、熱負荷を変化させる前と、過渡状態で蒸発器の圧力と、表面温度が最も大きく変化したときの値（括弧内）と、蒸気弁の開度を変化させた後、定常値になった後の値を示す。
左側の蒸気弁の制御がない場合では、熱負荷を600Ｗから500Ｗに減少させると、蒸発器圧力と、蒸発器表面温度は変化する。
右側の本発明の実施の形態では、熱負荷を600Ｗから500Ｗに減少させると、蒸発器圧力と、蒸発器表面温度は一時的に変化するが、蒸気弁の開度を小さくすることにより、蒸発器圧力と、蒸発器表面温度は元に戻ることがわかる。
No.3の600Ｗから1000Ｗに変化させた場合は、弁制御無しの従来例では、ドライアウトを起こしたが、本発明の実施の形態では、蒸発器圧力と、蒸発器表面温度は元に戻る。

表１．熱負荷の変化と蒸発器の圧力／表面温度の変化

表１から、本発明の実施の形態による温度制御では、熱負荷を変化させると、一時的に蒸発器の表面温度が変化するが、蒸気弁の開度を変化させ蒸発器圧力を制御することにより、蒸発器の表面温度は元の値に戻ることがわかる。このように、本発明の実施の形態によれば、蒸発器の表面温度を一定に維持することが出来る。

本発明の実施の形態による熱輸送置のブロック図。 本発明の実施の形態による制御器のブロック図。 本発明の実施の形態による熱制御のフロー図。 従来の熱輸送装置の概略図。

符号の説明

1 蒸発器
2 凝縮器
3 ポンプ
4 蒸気管
5 液管
6 アキュムレータ
11 蒸発器
12 凝縮器
13 ポンプ
14 蒸気管
15 液管
16 アキュムレータ
17 蒸気弁
18 温度計
19 制御器

Claims (6)

1. 閉ループを形成する２相流体ループ式の熱輸送装置において、
   熱源から熱を吸収し作動流体を蒸気にするための蒸発器と、
   作動流体の熱を放熱し凝縮させるための凝縮器と、
   前記蒸発器で蒸気になった作動流体を前記凝縮器へ輸送するため、前記蒸発器の出口と前記凝縮器の入口を連結する蒸気管と、
   前記凝縮器で液体になった作動流体を前記蒸発器へ輸送するため、前記凝縮器の出口と前記蒸発器の入口を連結する液管と、
   作動流体を前記蒸発器の入口へ向かって送るため、前記液管の途中に設けられたポンプと、
   作動流体に圧力をかけるため、前記液管の途中に接続されたアキュムレータと、
   前記蒸気管に設けられ、前記蒸発器から前記凝縮器へ輸送される蒸気の量を調節するための、開度を変化させることが出来る絞りと、
   前記蒸発器の表面温度を測定する温度測定器と、
   前記蒸発器の表面温度と設定温度の差に応じて、前記絞りの開度を調節する制御器と、
   を備えることを特徴とする熱輸送装置。
2. 請求項１に記載した熱輸送装置であって、前記絞りは蒸気弁である熱輸送装置。
3. 請求項１に記載した熱輸送装置であって、前記制御器は、
   前記温度測定器に温度を測定させる温度測定部と、
   予め設定した設定温度と、上限温度と、下限温度とを記憶する記憶部と、
   測定した温度と、前記記憶部に記憶した前記上限温度と下限温度温度とを比較する温度比較部と、
   温度比較の結果により、前記絞りの開度を制御する弁制御部とを備える熱輸送装置。
4. 請求項１に記載した熱輸送装置であって、前記絞りの開度を段階的又は連続的に変化させることができる熱輸送装置。
5. 蒸発器と、凝縮器と、蒸気管と、液管と、ポンプと、アキュムレータと、絞りとを備える２相流体ループ式の熱輸送装置において、前記蒸発器の表面温度を制御する方法であって、
   （ａ）前記蒸発器の表面の設定温度と、上限温度と、下限温度とを設定し、
   （ｂ）前記蒸発器の表面温度を測定し、
   （ｃ）測定した前記表面温度を、前記上限温度、前記下限温度と比較し、
   （ｄ）前記表面温度が前記上限温度より高いときは、前記絞りの開度を大の位置にし、
   前記表面温度が前記下限温度より低いときは、前記絞りの開度を小の位置にし、
   前記表面温度が前記上限温度と前記下限温度の間のときは、前記絞りの開度を変化させない、
   ステップを備えることを特徴とする方法。
6. 請求項５に記載した前記蒸発器の表面温度を制御する方法であって、ステップ（ｂ）〜（ｄ）を複数回繰り返し実施する方法。

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