JP2006112690A - スターリング機関用再生器及びこれを用いるスターリング機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 フィルムを巻回して構成され、フィルムにエンボス加工して形成した突起により作動ガスの流動する間隙を形成するスターリング機関用再生器において、突起同士の重なり合いを積極的に防止し、再生器の効率を向上させる。
【解決手段】 スターリング機関１はピストン１２及びディスプレーサ１３により圧縮空間４５と膨脹空間４６の間で作動ガスを行き来させる。圧縮空間４５と膨脹空間４６の間に配置される再生器７０は、エンボス加工により形成した突起７２を片面に点在させてなるフィルム７１ａ、７１ｂを２枚重ねにして円筒形に巻回し、作動ガスの流動する間隙を多層にわたって形成したものである。フィルム７１ａ、７１ｂの突起７２は、隣接間隙層の突起７２に重なることがないように互いに位置をずらして配置されている。
【選択図】 図２

Description

本発明はスターリング機関用再生器及びこれを用いるスターリング機関に関する。

スターリング機関は、フロンでなくヘリウム、水素、窒素などを作動ガスとして用いるので、オゾン層の破壊を招くことのない熱機関として注目を集めている。冷凍機として用いるスターリング機関では、リニアモータなどの動力源によりピストンを往復運動させ、このピストンに対しディスプレーサを、所定の位相差をもって同期往復運動させる。ピストンとディスプレーサは圧縮空間と膨脹空間の間で作動ガスを行き来させ、スターリングサイクルを形成する。圧縮空間では等温圧縮変化に基いて作動ガスの温度が上昇し、膨脹空間では等温膨脹変化に基づいて作動ガスの温度が低下する。これにより、圧縮空間の温度は上昇し、膨張空間の温度は下降する。圧縮空間（高温空間）の温度を高温伝熱ヘッドを通じて放熱すれば、低温伝熱ヘッドを通じて外部の熱を膨脹空間（低温空間）に吸収することが可能になる。

スターリング機関では、圧縮空間と膨脹空間の間に配置された再生器が重要な役割を果たす。再生器は、圧縮空間から流れ出た高温の作動ガスから熱を受け取り、膨脹空間から流れ出た低温の作動ガスにその熱を伝えるという、蓄熱手段としての役割を担うものである。再生器には、蓄熱量が大きいことの他、作動ガスとの間で熱を素速く授受できることと、作動ガスの流動を極力妨げないことが求められる。

上記要件を満たすものとして、特許文献１、２にはフィルムを円筒形に巻回して形成する再生器構造が開示されている。この構造によれば、薄いフィルムを何重にも巻くため、体積に対する伝熱面積の比率が高まる。作動ガスの通り道を確保するため、フィルムの片面に微小な突起を多数点在させ、フィルム間に突起の高さ分の間隙を形成している。
特開２００３−２１４１２号公報（第４頁、図２、３） 特開２００３−６５６２０号公報（第３、４頁、図１、２）

片面に多数の突起を点在させたフィルムを巻回してスターリング機関用再生器とするにあたっては、まずフィルムに突起を形成する必要がある。薄いフィルムに突起を形成する手法としては、特許文献１に開示され、また特許文献２にも一部触れられているように、ニードルプレスなどによるエンボス加工が現実的である。しかしながらエンボス加工で突起を形成したフィルムを巻回して再生器を製作する場合、突起の裏側に生じた窪みが問題を引き起こすことがある。

図９に、特許文献１に開示された従来の再生器を製作する手法の一例を示す。まず、円筒形の治具１００を用意する。この治具１００を芯として帯状のフィルム１０１を巻回する。フィルム１０１の片面にはエンボス加工により形成した突起１０２がマトリックス状に点在している。

円筒形に巻回されたフィルム１０１の断面の一部を図１０の拡大断面図に示す。突起１０２はフィルム１０１にニードルピンを押し当て、フィルム１０１を塑性変型させて形成したものであり、円錐形をなしている。突起１０２の裏側にはニードルピンの先端形状を写した円錐形の窪み１０３が形成されている。フィルム１０１を巻いて行くと、図１０に破線で円囲みして示すように、突起１０２の上に窪み１０３が重なる箇所が生じることがある。

突起１０２に窪み１０３が重なると、窪み１０３の中に突起１０２が入り込む。円錐形の突起１０２に円錐形の窪み１０３というのは成形しやすい形状ではあるが、反面、互いに重なりやすい形状でもある。窪み１０３の中に突起１０２が入り込むと、フィルム１０１の下になった部分と上になった部分が接近し、間隙が非常に狭いものになってしまう。このような箇所は作動ガスが通りにくく、伝熱量が低下する。この現象が多数の箇所で発生すると、再生器の蓄熱量が低下するばかりか、作動ガスの流動も妨げられ、スターリング機関の能力あるいは運転効率が大きく損なわれる。

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、フィルムを巻回して構成され、フィルムにエンボス加工して形成した突起により作動ガスの流動する間隙を形成するスターリング機関用再生器において、突起同士の重なり合いを極力防止し、再生器の効率を向上させることを目的とする。

（１）上記目的を達成するために本発明は、圧縮空間と膨脹空間を行き来する作動ガスから熱を回収するスターリング機関用再生器において、エンボス加工により形成した突起を片面に点在させてなるフィルムを２枚重ねにして円筒形に巻回し、作動ガスの流動する間隙を多層にわたって形成するとともに、前記２枚のフィルムの突起は、隣接間隙層の突起に重なることがないように互いに位置をずらして配置したことを特徴としている。

この構成によると、２枚のフィルムの間で突起の重なりが生じないので、その突起がエンボス加工により形成され、裏面に窪みを有するものであるにも関わらず、突起が窪みに入り込むことがない。従ってフィルム間の間隙が狭くなった箇所が生じず、間隙の幅はどこでも均一になる。これにより、作動ガスの流動性、また作動ガスと再生器の間の伝熱能力が設計通りに確保し、再生器の効率を向上させることができる。

（２）また本発明では、上記構成のスターリング機関用再生器において、前記フィルムに突起をマトリックス状に形成するとともに、２枚のフィルムの間で突起マトリックスを円筒形の軸線方向にずらすことを特徴としている。

この構成によると、２枚のフィルムの間で突起マトリックスがずれているという関係はその箇所での再生器中心からの半径に関わらず一定である。従って、フィルムの巻き数、フィルムの厚さ、突起の高さ、あるいは再生器の内外径の値などの条件がどのようであろうとも、突起が窪みに入り込むという現象を常に防止できる。

（３）また本発明は、圧縮空間と膨脹空間を行き来する作動ガスから熱を回収するスターリング機関用再生器において、エンボス加工により形成した突起を両面に点在させてなるフィルムと、突起のないフィルムとを重ねて円筒形に巻回し、作動ガスの流動する間隙を多層にわたって形成することを特徴としている。

この構成によると、突起を両面に有するフィルムの間に突起も窪みもないフィルムが挟まる形になるので、突起が窪みに入り込むという現象を常に防止できる。

（４）また本発明は、圧縮空間と膨脹空間を行き来する作動ガスから熱を回収するスターリング機関用再生器において、エンボス加工により形成した突起を片面に点在させてなる１枚のフィルムを円筒形に巻回し、作動ガスの流動する間隙を多層にわたって形成するとともに、前記突起をマトリックス状に配置し、且つこの突起マトリックスはフィルムの長さ方向に対しスキュー角を持たせて、隣接間隙層同士の突起の重なりを回避することを特徴としている。

この構成によると、突起マトリックスに持たせたスキュー角により、フィルムを１回巻く毎に突起の位置がずれて行く。従って突起が窪みに入り込む現象を防止できる。また、１本のフィルムを巻いて行くだけで良いので、巻き取り装置の構成を簡略化できるとともに、原材料であるフィルムの調達及び巻き取り装置へのセッティングが楽である。

（５）また本発明は、上記のいずれかの再生器を用いて圧縮空間と膨脹空間を行き来する作動ガスから熱を回収するスターリング機関であることを特徴としている。

この構成によると、効率の良い再生器を使用することにより、スターリング機関の能力あるいは運転効率を向上させることができる。

本発明によると、エンボス加工により多数の突起を形成したフィルムを巻回して再生器を製作するに際し、突起と、その裏側に形成された窪みとの重なりが防止され、フィルム間の間隙が狭くなった箇所が生じず、間隙の幅はどこでも均一になる。これにより、作動ガスの流動性、また作動ガスと再生器の間の伝熱能力が設計通りに確保され、再生器の効率を向上させることができる。

最初に、本発明再生器の使用対象であるスターリング機関の構造を図１に基づき説明する。図１はスターリング機関の断面図である。

スターリング機関１の組立の中心となるのはシリンダ１０、１１である。シリンダ１０、１１の軸線は同一直線上に並ぶ。シリンダ１０にはピストン１２が挿入され、シリンダ１１にはディスプレーサ１３が挿入される。ピストン１２及びディスプレーサ１３は、スターリング機関１の運転中、ガスベアリングの仕組みによりシリンダ１０、１１の内壁に接触することなく往復運動する。ピストン１２とディスプレーサ１３は所定の位相差を備えて動く。

ピストン１２の一方の端にはカップ状のマグネットホルダ１４が固定される。ディスプレーサ１３の一方の端からはディスプレーサ軸１５が突出する。ディスプレーサ軸１５はピストン１２及びマグネットホルダ１４を軸線方向に自由にスライドできるように貫通する。

シリンダ１０はピストン１２の動作領域にあたる部分の外側にリニアモータ２０を保持する。リニアモータ２０は、コイル２１を備えた外側ヨーク２２と、シリンダ１０の外周面に接するように設けられた内側ヨーク２３と、外側ヨーク２２と内側ヨーク２３の間の環状空間に挿入されたリング状のマグネット２４と、外側ヨーク２２を囲む管体２５と、外側ヨーク２２、内側ヨーク２３、及び管体２５を所定の位置関係に保持する合成樹脂製エンドブラケット２６、２７とを備える。マグネット２４はマグネットホルダ１４に固定されている。

マグネットホルダ１４のハブの部分にはスプリング３０の中心部が固定される。ディスプレーサ軸１５にはスプリング３１の中心部が固定される。スプリング３０、３１の外周部はエンドブラケット２７に固定される。スプリング３０、３１の外周部同士の間にはスペーサ３２が配置されており、これによりスプリング３０、３１は一定の距離を保つ。スプリング３０、３１は円板形の素材にスパイラル状の切り込みを入れたものであり、ディスプレーサ１３をピストン１２に対し所定の位相差（一般的には約９０゜の位相差）をもたせて共振させる役割を果たす。

シリンダ１１のうち、ディスプレーサ１３の動作領域にあたる部分の外側には伝熱ヘッド４０、４１が配置される。伝熱ヘッド４０はリング状、伝熱ヘッド４１はキャップ状であって、いずれも銅や銅合金など熱伝導の良い金属からなる。伝熱ヘッド４０、４１は各々リング状の内部熱交換器４２、４３を介在させた形でシリンダ１１の外側に支持される。内部熱交換器４２、４３はそれぞれ通気性を有し、内部を通り抜ける作動ガスの熱を伝熱ヘッド４０、４１に伝える。伝熱ヘッド４０にはシリンダ１０及び圧力容器５０が連結される。

伝熱ヘッド４０、シリンダ１０、１１、ピストン１２、ディスプレーサ１３、ディスプレーサ軸１５、及び内部熱交換器４２で囲まれる環状の空間は圧縮空間４５となる。伝熱ヘッド４１、シリンダ１１、ディスプレーサ１３、及び内部熱交換器４３で囲まれる空間は膨張空間４６となる。

内部熱交換器４２、４３の間には再生器７０が配置される。再生器７０の構造は後で詳述する。再生器７０の外側を再生器チューブ４８が包み、伝熱ヘッド４０、４１の間に気密通路を構成する。

リニアモータ２０、シリンダ１０、及びピストン１２を覆う筒状の圧力容器が胴体部５０を形成する。胴体部５０の内部はバウンス空間５１となる。

胴体部５０の構造は次のようになっている。すなわち胴体部５０は、伝熱ヘッド４０に接合されるリング状部５２と、このリング状部５２に接合されるキャップ状部５３とに２分割されている。リング状部５２、キャップ状部５３ともステンレス鋼製である。リング状部５２の一端はテーパ状に絞り込まれ、伝熱ヘッド４０にロウ付けされる。キャップ状部５３はパイプの内面に鏡板５３ａを溶接した構造である。

リング状部５２の他端と、これに向かい合うキャップ状部５３の開口端には、フランジ形状部５４、５５が設けられる。フランジ形状部５４、５５はいずれもステンレス鋼製のリングをリング状部５２とキャップ状部５３に溶接して形成されるものであり、最終的にはフランジ形状部５４、５５を溶接して密閉状態の胴体部５０を形成する。

胴体部５０には、リニアモータ２０に電力を供給するための端子部２８と、内部に作動ガスを封入するためのパイプ５０ａが配置される。これらはいずれもキャップ状部５３の外周面から放射方向に突出するように設けられる。

胴体部５０には振動抑制装置６０が取り付けられる。振動抑制装置６０は、胴体部５０に固定されるベース６１と、ベース６１に支持される板状のスプリング６２と、スプリング６２に支持されるマス（質量）６３とから成る。

スターリング機関１は次のように動作する。リニアモータ２０のコイル２１に交流電流を供給すると外側ヨーク２２と内側ヨーク２３の間にマグネット２４を貫通する磁界が発生し、マグネット２４は軸方向に往復する。ピストン系（ピストン１２、マグネットホルダ１４、マグネット２４、及びスプリング３０）の総質量と、スプリング３０のバネ定数とにより定まる共振周波数に一致する周波数の電力を供給することにより、ピストン系は滑らかな正弦波状の往復運動を開始する。

ディスプレーサ系（ディスプレーサ１３、ディスプレーサ軸１５、及びスプリング３１）にあっては、その総質量と、スプリング３１のバネ定数とにより定まる共振周波数がピストン１２の駆動周波数に共振するよう設定する。

ピストン１２の往復運動により、圧縮空間４５では圧縮、膨脹が繰り返される。この圧力の変化に伴って、ディスプレーサ１３も往復運動を行う。このとき、圧縮空間４５と膨脹空間４６との間の流動抵抗等により、ディスプレーサ１３とピストン１２との間には位相差が生じる。このようにしてフリーピストン構造のディスプレーサ１３はピストン１２と所定の位相差を有して同期して振動する。

上記の動作により、圧縮空間４５と膨脹空間４６との間にスターリングサイクルが形成される。圧縮空間では等温圧縮変化に基いて作動ガスの温度が上昇し、膨脹空間４６では等温膨脹変化に基づいて作動ガスの温度が低下する。このため、圧縮空間４５の温度は上昇し、膨張空間４６の温度は下降する。

運転中に圧縮空間４５と膨張空間４６の間を行き来する作動ガスは、内部熱交換器４２、４３を通過する際に、その有する熱を内部熱交換器４２、４３を通じて伝熱ヘッド４０、４１に伝える。圧縮空間４５から再生器７０へ流れ込む作動ガスは高温であるため伝熱ヘッド４０は加熱され、伝熱ヘッド４０はウォームヘッドとなる。膨張空間４６から再生器７０へ流れ込む作動ガスは低温であるため伝熱ヘッド４１は冷却され、伝熱ヘッド４１はコールドヘッドとなる。伝熱ヘッド４０より熱を大気へ放散し、伝熱ヘッド４１で特定空間の温度を下げることにより、スターリング機関１は冷凍機関としての機能を果たす。

再生器７０は、圧縮空間４５と膨張空間４６の熱を相手側の空間には伝えず、作動ガスだけを通す働きをする。圧縮空間４５から内部熱交換器４２を経て再生器７０に入った高温の作動ガスは、再生器７０を通過するときにその熱を再生器７０に与え、温度が下がった状態で膨張空間４６に流入する。膨張空間４６から内部熱交換器４３を経て再生器７０に入った低温の作動ガスは、再生器７０を通過するときに再生器７０から熱を回収し、温度が上がった状態で圧縮空間４５に流入する。すなわち再生器７０は蓄熱手段としての役割を果たす。

ピストン１２とディスプレーサ１３が往復運動し、作動ガスが移動すると、スターリング機関１に振動が生じる。振動抑制装置６０がこの振動を抑える。

続いて再生器７０の構成を説明する。図２〜４に示すのはその第１実施形態である。図２はフィルム巻回手法を示す斜視図、図３はフィルムの平面図、図４は再生器の部分拡大断面図である。

第１実施形態の再生器７０は、図９の従来例と同じように円筒形の治具１００を芯として、エンボス加工により形成した微小な突起を片面に多数点在させたフィルムを円筒形に巻回することにより製作される。スターリング機関１は冷凍機なので、フィルムは樹脂フィルムである。ここでは、従来例のように１枚のフィルムを巻くのでなく、２枚のフィルム７１ａ、７１ｂを用意し、これらを２枚重ねにして巻き付け、作動ガスの流動する間隙を多層にわたって形成する。さらに、フィルム７１ａ、７１ｂにおける突起７２の配置には次のような工夫がある。

フィルム７１ａ、７１ｂの幅は等しく、その片面には従来例と同様に円錐形をした突起７２がマトリックス状に配置されている。マトリックスの形状は両フィルムにおいて等しく、隣接する突起７２同士の間隔は、円筒形の円周方向においては間隔Ｄ１、軸線方向においては間隔Ｄ２となっている。

フィルム７１ａ、７１ｂにおける突起７２のマトリックスは、形状は互いに等しいものの、配置は同じではない。図３に見られるように、フィルム７１ｂにおいては、突起７２の列のうち中央のものがフィルムの中心線に一致する。これに対しフィルム７１ａにおいては、突起７２の列と列の中間部がフィルムの中心線に一致する。このため、フィルム７１ａと７１ｂとでは、突起７２のマトリックスが円筒形の軸線方向に間隔Ｄ２の２分の１だけずれることになる。

フィルム７１ａ、７１ｂを２枚重ねにして円筒形に巻回した再生器７０を軸線方向に切断すると、その断面には、図４に示すように、突起７２の位置がフィルム７１ａ、７１ｂの間の間隙層毎に規則正しくずれた構造が現れることになる。このようにフィルム７１ａ、７１ｂの突起７２は、ある間隙層に位置する突起７２が隣接する間隙層の突起７２に重なるということがない。

フィルム７１ａ、７１ｂの間で突起７２のマトリックスがずれているという関係は、再生器７０の中心からの半径に関わらず一定である。従って、フィルム７１ａ、７１ｂの巻き数あるいは厚さ、突起７２の高さ、再生器７０の内外径の値などの条件がどのようであれ、突起７２の裏側の円錐形の窪み７３に突起７２が入り込むという現象を常に防止できる。

再生器７０の第２実施形態を図５、６に示す。図５はフィルム巻回手法を示す斜視図、図６は再生器の部分拡大断面図である。

第２実施形態も２枚のフィルムを重ねて巻回するのであるが、そのフィルムの構成が第１実施形態と異なる。１枚目のフィルム７１ｃは、両面に突起７２を備えている。突起７２はエンボス加工により円錐形に成形されたものであり、裏面に円錐形の窪み７３を備えている。この突起７２を１個おきに表裏反転させる形でマトリックスを構成する。図５に黒丸で示されているのが突起７２、白丸で示されているのが窪み７３である。２枚目のフィルム７１ｄはエンボス加工を施さない素材のままのフィルムであり、表面には突起も窪みもない。

フィルム７１ｃ、７１ｄを２枚重ねにして円筒形に巻回すると、再生器７０の断面は図６のようになる。突起７２を有するフィルム７１ｃの間に突起も窪みもないフィルム７１ｄが挟まっているので、窪み７３に突起７２が入り込むという現象は起こり得ない。

再生器７０の第３実施形態を図７、８に示す。図７はフィルムの平面図、図８は再生器の部分拡大断面図である。

第３実施形態では、エンボス加工により円錐形に成形した突起７２を片面に点在させたフィルム７１ｅを１枚だけ用い、これを円筒形に巻回する。つまり図９の従来例と同じ巻き方になる。但しこのフィルム７１ｅは突起７２の配置に特徴を有する。すなわち突起７２のマトリックスは、その列方向がフィルム７１ｅの長さ方向に対しスキュー角θを持つように配置されている。

このように突起７２のマトリックスに持たせたスキュー角θにより、フィルム７１ｅを１回巻く毎に突起の位置が円筒形の軸線方向にずれて行くことになる。従って突起７２が窪み７３に入り込む現象を防止できる。また、１本のフィルム７１ｅを巻いて行くだけで良いので、巻き取り装置の構成を簡略化できるとともに、原材料であるフィルムの調達及び巻き取り装置へのセッティングが楽である。

円筒形軸線方向の特定位置にある一つの突起７２から、同じ位置に来る次の突起７２までの距離をＬとする。この時点で再生器７０の半径がｒであるとき、Ｌ＞２πｒであるならば、上記２つの突起７２が重なることにはならない。ただし距離Ｌだけ離れた箇所における突起７２同士の円筒形軸線方向のずれΔｄはΔｄ＝Ｄ２／（Ｌ／Ｄ１）で表されるが、距離Ｌと比較して間隔Ｄ１、Ｄ２が小さいため、Δｄは突起７２の直径より小さくなる。そのため、不完全ながら突起７２同士の重なりが生じる（図８の破線の円囲み）。しかしながらこの重なりは、図１０のような完全な重なりではないので、フィルムの間隔が狭くなる度合いは小さい。

なお図７の例では突起７２のマトリックスの行方向はフィルム７１ｅの長さ方向に対し直角をなしている。すなわちマトリックスの単位格子は内角が直角でない平行四辺形になっている。このようなマトリックス形状に代え、行方向と列方向が直角をなし、単位格子が直角四辺形であるマトリックス形状としてもよい。

スターリング機関１は、上記のような再生器７０を使用することにより、能力あるいは運転効率を向上させることができる。なおスターリング機関１は冷凍機として構成したものであるためフィルムを樹脂フィルムとしたが、動力発生機関として構成するときは樹脂フィルムを金属フィルムに置き換えて本発明の構成を適用することができる。

以上本発明の実施形態につき説明したが、発明の主旨を逸脱しない範囲でさらに種々の変更を加えて実施することができる。

本発明は、スターリング機関全般に利用可能である。

スターリング機関の断面図 第１実施形態の再生器のフィルム巻回手法を示す斜視図 第１実施形態の再生器のフィルムの平面図 第１実施形態の再生器の部分拡大断面図 第２実施形態の再生器のフィルム巻回手法を示す斜視図 第２実施形態の再生器の部分拡大断面図 第３実施形態の再生器のフィルムの平面図 第３実施形態の再生器の部分拡大断面図 従来の再生器のフィルム巻回手法を示す斜視図 従来の再生器の部分拡大断面図

符号の説明

１ スターリング機関
１２ ピストン
１３ ディスプレーサ
２０ リニアモータ
４５ 圧縮空間
４６ 膨脹空間
７０ 再生器
７１a、７１ｂ、７１ｃ、７１ｄ、７１ｅ フィルム
７２ 突起
７３ 窪み

Claims (5)

1. 圧縮空間と膨脹空間を行き来する作動ガスから熱を回収するスターリング機関用再生器において、
   エンボス加工により形成した突起を片面に点在させてなるフィルムを２枚重ねにして円筒形に巻回し、作動ガスの流動する間隙を多層にわたって形成するとともに、前記２枚のフィルムの突起は、隣接間隙層の突起に重なることがないように互いに位置をずらして配置したことを特徴とするスターリング機関用再生器。
2. 前記フィルムに突起をマトリックス状に形成するとともに、２枚のフィルムの間で突起マトリックスを円筒形の軸線方向にずらすことを特徴とする請求項１に記載のスターリング機関用再生器。
3. 圧縮空間と膨脹空間を行き来する作動ガスから熱を回収するスターリング機関用再生器において、
   エンボス加工により形成した突起を両面に点在させてなるフィルムと、突起のないフィルムとを重ねて円筒形に巻回し、作動ガスの流動する間隙を多層にわたって形成することを特徴とするスターリング機関用再生器。
4. 圧縮空間と膨脹空間を行き来する作動ガスから熱を回収するスターリング機関用再生器において、
   エンボス加工により形成した突起を片面に点在させてなる１枚のフィルムを円筒形に巻回し、作動ガスの流動する間隙を多層にわたって形成するとともに、前記突起をマトリックス状に配置し、且つこの突起マトリックスはフィルムの長さ方向に対しスキュー角を持たせて、隣接間隙層同士の突起の重なりを回避することを特徴とするスターリング機関用再生器。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の再生器を用いて圧縮空間と膨脹空間を行き来する作動ガスから熱を回収することを特徴とするスターリング機関。

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