JP2006349309A - 冷凍サイクル用蒸発器 - Google Patents

Abstract

【課題】 冷媒流動音が小さく、ダンパーシーラントが不要な冷凍サイクル用蒸発器を提供することを目的とする。
【解決手段】 互いに平行に配置される複数のチューブ１１と、各チューブ１１の一端部同士を接続する第一ヘッダ１２と、各チューブ１１の他端部同士を接続する第二ヘッダ１３と、第一ヘッダ１２と第二ヘッダ１３とのうちの少なくともいずれか一方の内部に設けられる仕切り板１４とを設けて、直列接続された複数のブロックＢからなる流路を形成する。各ブロックＢのうち、流路の最下流に位置する最終ブロックＢ３のチューブ１１の総断面の流路断面積が最終ブロックＢ３の上流の各ブロックの流路断面積以上とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば車両用空気調和装置等の冷凍サイクルに用いられる蒸発器に関するものである。

蒸発器は、冷凍サイクル内の気液二相状態の冷媒と周辺雰囲気との間で熱交換を行うものである。
このような蒸発器としては、例えば後記の特許文献１に記載の熱交換器が知られている。この熱交換器は、複数のチューブをそれぞれ並設し、これら複数のチューブの一端側及び他端側にそれぞれ各チューブの配列方向に延びるタンクを接続した構成とされている。
これらタンクの一方には、長手方向の一端側に冷媒供給管が接続されており、また、いずれか一方のタンク内には、冷媒をタンクの長手方向に導く供給管が設置されている。

特開２００３−２８７３９１号公報

蒸発器では、内部を冷媒が流通する関係上、冷媒流動音を発する。この冷媒流動音は、蒸発器の周囲にダンパーシーラント等を設置することによって低減することができるが、この場合には、蒸発器の重量の増加と、製造コストの増大を招いてしまう。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、冷媒流動音が小さく、ダンパーシーラントが不要な冷凍サイクル用蒸発器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明は、互いに平行に配置される複数のチューブと、該各チューブの一端部同士を接続する第一ヘッダと、前記各チューブの他端部同士を接続する第二ヘッダと、前記第一ヘッダと前記第二ヘッダとのうちの少なくともいずれか一方の内部に設けられる仕切り板とが、直列接続された複数のブロックからなる流路を形成しており、前記各ブロックのうち、前記流路の最下流に位置する最終ブロックの前記チューブの総断面の流路断面積が最終ブロックの上流の各ブロックの流路断面積以上とされている冷凍サイクル用蒸発器を提供する。

本発明者らは、実験により、従来の構成の蒸発器において、流路を構成する複数のブロックのうちの最終ブロックで発生する冷媒流動音が、他のブロックで発生する冷媒流動音よりも大きいことを発見した。
冷媒は、各ブロックを通過する過程で周辺雰囲気との熱交換が行われて次第に液からガスに状態変化し体積膨張してゆく。さらに、最終ブロックに到達した冷媒は、他のブロック内の冷媒よりも乾き度が大きく、ほぼ気体の状態となる。
このため、最終ブロックでは、他のブロックに比べて冷媒の流速が速く、その分、冷媒流動音も大きいことがわかった。特に、空気調和装置の起動時には、上記の冷媒の状態変化が急激に生じるので、冷媒の噴流や渦が生じやすく、騒音が生じやすい。

本発明は、このような新規な知見に基づいてなされたものであって、最終ブロックのチューブの総断面の流路断面積が最終ブロックの上流の各ブロックの流路断面積以上とされている。
これにより、最終ブロック内での冷媒の流速が他のブロックよりも低減されて、冷媒流動音が低減される。
一般的な蒸発器の構成では、各ブロックごとに第一ヘッダ、第二ヘッダ、チューブの断面形状を変えることに比べて、各ブロックを構成するチューブの本数を変更することのほうが容易である。このため、各ブロックを構成するチューブの本数を変更することによって流路断面積を調整する方が、製造コストがかからずに済む。

この冷凍サイクル用蒸発器において、前記最終ブロックの容積は、前記流路全体の容積の６０％以下とされていることが好ましい。
最終ブロックの冷媒出口側では、内部の冷媒がガス状態に変化し、過熱領域が生じるため、最終ブロックは、他のブロックに比べて各部の温度ムラが大きい。この温度ムラは、最終ブロック内の適宜位置に、供給された冷媒を各部に分配する分配調整板（詳細は後述する）を設けて、最終ブロックの各部に冷媒を均等に分配することで軽減することができる。
しかし、最終ブロックの容積が大きすぎると、例えば隅の方に冷媒が届きにくくなるなど、均等な冷媒の分配が困難となり、温度ムラが大きくなってしまう。
本発明者らは、実験により、最終ブロックの容積が流路全体の６０％以内であれば、分配調整板による冷媒の均一な分配が容易であることを突き止めた。
このことから、最終ブロックの容積は、流路全体の容積の６０％以下とすることが好ましい。

また、上記冷凍サイクル用蒸発器において、前記第一ヘッダと前記第二ヘッダとのうちの一方の、前記最終ブロックを構成する領域には、長手方向の端部に、前段の前記ブロックを通過した冷媒を取り入れる取入口が設けられており、前記一方のヘッダ内には、該一方のヘッダよりも開口面積が小さい開口を有し前記冷媒の一部のみについて下流側への流通を許容する分配調整板が設けられており、該分配調整板は、前記取入口との間に、前記最終ブロックに設けられる全ての前記チューブのうちの３／１０以上の数の前記チューブを挟んで配置されていることが好ましい。

このように構成される冷凍サイクル用蒸発器では、最終ブロックに設けられる分配調整板が、取入口との間に十分な数のチューブを挟んで配置されているため、取入口から取入れた冷媒が分配調整板に到達するまでにその一部がこれらチューブ内に流れ込むこととなり、分配調整板に当たる冷媒の量が少なく、分配調整板を通過する冷媒のガス流速が小さくなる。
このため、冷媒が分配調整板に当たることによって生じる騒音や分配調整板を冷媒ガスが通過するときに生じる騒音が低減され、静粛性が向上する。

また、この冷凍サイクル用蒸発器において、前記一方のヘッダの開口面積に対する前記分配調整板の開口面積が６５％以下とされていることが好ましい。
最終ブロックに設けられる分配調整板の開口面積が大きすぎると、取入口から取り入れた冷媒が必要以上に分配調整板の後方に供給されてしまい、分配調整板の前方のチューブに供給される冷媒の量が少なくなるので、最終ブロック内での冷媒の均等な分配が困難になる。発明者らは、実験により、この分配調整板の開口面積を、一方のヘッダの開口面積の６５％以下とすることで、最終ブロック内での冷媒の均等な分配が可能になることを発見した。
このため、一方のヘッダの開口面積に対する分配調整板の開口面積は、６５％以下とすることが好ましい。

このように構成される冷凍サイクル用蒸発器では、ダンパーシーラント等を用いずに、冷媒流動音を低減することができる。

以下に、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
［第一実施形態］
以下、本発明の第一実施形態について、図１から図５を用いて説明する。
本実施形態に係る冷凍サイクル用蒸発器１０（以下単に「蒸発器１０」とする）は、車両用空気調和装置の冷凍サイクルの一部を構成するものであって、冷凍サイクルから送り込まれた低温の気液二相冷媒を蒸発させるためのものである。
蒸発器１０は、互いに平行に配置される複数のチューブ１１と、これらチューブ１１の配列方向に沿って設けられて各チューブ１１の一端部同士（図１では下端部同士）を接続する第一ヘッダ１２と、各チューブ１１の配列方向に沿って設けられて各チューブ１１の他端部同士（図１では上端部同士）を接続する第二ヘッダ１３とを有している。

第一ヘッダ１２及び第二ヘッダ１３のそれぞれの内部には、これらヘッダ内を長手方向に隣接する複数領域に仕切る仕切り板１４が設けられており、これによって、蒸発器１０内に、直列接続された複数のブロックＢからなる流路が形成されている。
本実施形態では、蒸発器１０は、図１の右側から順番に、先頭ブロックＢ１，第二ブロックＢ２，最終ブロックＢ３の計三つのブロックＢに区画されている。

この蒸発器１０では、流路の最下流に位置する最終ブロックＢ３のチューブ１１の総断面の流路断面積が最終ブロックＢ３の上流の各ブロックの流路断面積以上とされている。また、最終ブロックＢ３の容積が、蒸発器１０全体の容積の６０％以下に設定されている。
本実施形態では、先頭ブロックＢ１及び第二ブロックＢ２は、それぞれ７本のチューブ１１を有しているのに対して、最終ブロックＢ３は、１０本のチューブ１１を有している。すなわち、この蒸発器１０は、計２４本のチューブ１１を有しており、そのうちの約４０％が最終ブロックＢ３を構成している。

最終ブロックＢ３の左側には、第二ヘッダ１３近傍から第一ヘッダ１２まで設けられて第一ヘッダ１２内につながる入口側流路１６と、第二ヘッダ１３近傍に設けられて第二ヘッダ１３内につながる出口側流路１７とが設けられている。
入口側流路１６には、図示せぬ冷凍サイクルから冷媒が供給される冷媒供給管１８が接続されており、出口側流路１７には、冷凍サイクルに冷媒を排出する冷媒排出管１９が設けられている。
これら各ブロックＢは、所定形状のプレートＰを、向きを変えて複数枚張り合わせることによって構成されている。

第一ヘッダ１２には、入口側流路１６内から先頭ブロックＢ１内まで達するバイパス管路２１が挿通されており、これによって入口側流路１６内に供給された冷媒が、最終ブロックＢ３及び第二ブロックＢ２を飛び越して先頭ブロックＢ１内に送り込まれるようになっている。
ここで、第一ヘッダ１２において先頭ブロックＢ１を構成する領域には、バイパス管路２１が挿通されていないので、図２に示すように、この部分における第一ヘッダ１２の開口部１２ａの開口面積は最大となっている。

第一ヘッダ１２において先頭ブロックＢ１と第二ブロックＢ２との間は、仕切り板１４によって仕切られている。これによって、バイパス管路２１から先頭ブロックＢ１内に送り込まれた冷媒は、第一ヘッダ１２の先頭ブロックＢ１を構成する領域内に拡散したのち、先頭ブロックＢ１を構成する各チューブ１１を通じて、第二ヘッダ１３において先頭ブロックＢ１を構成する領域内に送り込まれる。

先頭ブロックＢ１と第二ブロックＢ２とは、第二ヘッダ１３を通じて接続されており、これによって第二ヘッダ１３において先頭ブロックＢ１を構成する領域内に送り込まれた冷媒は、第二ヘッダ１３において第二ブロックＢ２を構成する流域内に送り込まれる。
第二ヘッダ１３において第二ブロックＢ２と最終ブロックＢ３との間は、仕切り板１４によって仕切られている。これによって、先頭ブロックＢ１から第二ブロックＢ２内に送り込まれた冷媒は、第二ヘッダ１３において第二ブロックＢ２を構成する領域内に拡散したのち、第二ブロックＢ２を構成する各チューブ１１を通じて、第一ヘッダ１２において第二ブロックＢ２を構成する領域内に送り込まれる。

第二ブロックＢ２と最終ブロックＢ３とは、第一ヘッダ１２を通じて接続されており、これによって第一ヘッダ１２において第二ブロックＢ２を構成する領域内に送り込まれた冷媒は、第一ヘッダ１２において最終ブロックＢ３を構成する流域内に送り込まれる。
このようにして最終ブロックＢ３に送り込まれた冷媒は、第二ヘッダ１３において最終ブロックＢ３を構成する領域内に拡散したのち、最終ブロックＢ３を構成する各チューブ１１を通じて、第二ヘッダ１３において最終ブロックＢ３を構成する領域に送り込まれる。

ここで、第一ヘッダ１２において最終ブロックＢ３を構成する領域には、前段である第二ブロックＢ２側の端部に、第二ブロックＢ２を通過した冷媒を取り入れる取入口２２が設けられている。
また、第一ヘッダ１２において最終ブロックＢ３を構成する領域には、分配調整板２３が設けられている。
分配調整板２３は、図３に示すように、第一ヘッダ１２よりも開口面積が小さい開口２４を有しており、これによって取入口２２から最終ブロックＢ３に供給された冷媒の一部のみについて第一ヘッダ１２の下流側への流通を許容するものである。

本実施形態では、分配調整板２３は、取入口２２との間に３本のチューブ１１を挟んで配置される第一分配調整板２３ａと、第一分配調整板２３ａとの間に３本のチューブ１１を挟んで配置される第二分配調整板２３ｂと、第二分配板２３ｂとの間に２本のチューブ１１を挟んで配置される第三分配調整板２３ｃとを有している。
また、本実施形態では、各分配調整板２３の開口２４の開口面積は、第一ヘッダ１２の開口面積の６５％以下とされている。

最終ブロックＢ３と出口側流路１７とは、第二ヘッダ１３に設けられた開口部２０を通じて接続されている。これにより、第二ヘッダ１３において最終ブロックＢ３を構成する領域内に送り込まれた冷媒は、開口部を通じて出口側流路１７に送り込まれ、さらに冷媒排出管１９を通じて、後段の冷凍サイクルに向けて排出される。

このように構成される蒸発器１０では、流路の最下流に位置する最終ブロックＢ３の、チューブ１１の総断面の流路断面積が、最終ブロックＢ３の上流の各ブロックの流路断面積（チューブ１１の総断面の流路断面積）以上とされている。
これにより、最終ブロックＢ３内での冷媒の流速が他のブロックよりも低減されて、冷媒流動音が低減されるので、ダンパーシーラント等を用いずに、冷媒流動音を低減することができる。

また、最終ブロックＢ３の容積は、流路全体の容積の６０％以下とされているので、分配調整板２３によって最終ブロックＢ３内で冷媒を均等に分配することができ、温度ムラが低減される。
また、この蒸発器１０では、分配調整板２３は、取入口２２との間に、最終ブロックＢ３に設けられる全てのチューブ１１のうちの３／１０以上のチューブ１１を挟んで配置されているので、取入口２２から取入れた冷媒が分配調整板２３に到達するまでにその一部がこれらチューブ１１内に流れ込むこととなり、分配調整板２３に当たる冷媒の量及び流速が少なくなる。このため、冷媒が分配調整板２３に当たることによって生じる騒音が低減され、また、分配調整板２３を通過する冷媒ガス流速が低減され静粛性が向上する。
また、この蒸発器１０では、第一ヘッダ１２の開口面積に対する分配調整板２３の開口面積が６５％以下とされているので、取入口２２から取り入れた冷媒を分配調整板の前方にも十分に供給することができ、最終ブロックＢ３内での冷媒の均等な分配が可能となる。

ここで、本実施形態に示す蒸発器１０について、実際に冷媒の流動音を測定し、その静粛性を検討した。
この試験では、蒸発器１０として、上記のように、先頭ブロックＢ１のチューブ数は７本、第二ブロックＢ２のチューブ数は７本、最終ブロックＢ３のチューブ数を１０本とし、かつ、最終ブロックＢ３において、第一分配調整板２３ａと取入口２２との間のチューブ数を３本、第一分配調整板２３ａと第二分配調整板２３ｂとの間のチューブ数を３本、第二分配調整板２３ｂと第三分配調整板２３ｃとの間のチューブ数を２本としたものを用意した（これを実施例１とする）。また、実施例１において、第一分配調整板２３ａと取入口２２との間のチューブ数を２本、第一分配調整板２３ａと第二分配調整板２３ｂとの間のチューブ数を２本、第二分配調整板２３ｂと第三分配調整板２３ｃとの間のチューブ数を３本としたものを用意した（これを実施例２とする）。

さらに、これら実施例と従来の構成の蒸発器とを比較するために、実施例１において、先頭ブロックＢ１のチューブ数は９本、第二ブロックＢ２のチューブ数は８本、最終ブロックＢ３のチューブ数を７本とし、最終ブロックＢ３において、第一分配調整板２３ａと取入口２２との間のチューブ数を２本、第一分配調整板２３ａと第二分配調整板２３ｂとの間のチューブ数を２本、第二分配調整板２３ｂと第三分配調整板２３ｃとの間のチューブ数を２本としたものを用意した（これを比較例とする）。

実施例１，２と比較例とのそれぞれを実際に使用したところ、比較例では最終ブロックＢ３の取入口２２での冷媒の乾き度ｘが０．８であるのに対して、実施例１，２では、最終ブロック領域を大きくしたため、取入口２２での冷媒の乾き度ｘは、０．７５と、比較例よりも乾き度が低くなっていた。
また、図５に示すように、最終ブロックＢ３の第一分配調整板２３ａを通過する冷媒の流速は、比較例における流速を１とすると、実施例２では、流速が０．９４にまで低下し、実施例１に至っては、０．８７にまで低下した。
このことから、流路の最下流に位置する最終ブロックＢ３の流路断面積を、他のブロック以上にすることで、最終ブロックＢ３内での冷媒の流速が低下することが分かる。
また、実施例１と実施例２とで流速に差が生じていることから、分配調整板２３と取入口２２との間に配置するチューブ数が多いほど、分配調整板２３を通過する冷媒の流速が低下することが分かる。

さらに、実施例１，２及び比較例について、実際の冷媒流動音を体験して騒音の感覚評価を行った。ここで、この感覚評価は、実際に蒸発器を作動させてみて、「異常な音が聞こえない」場合を０点、「異常な音が聞こえるが気にならない」場合を１点、「異常な音が聞こえて気になる」場合を２点、「異常な音が聞こえて非常に気になる」場合を３点として評価した。すなわち、この評価では、点数が小さければ小さいほど評価対象が静粛性に優れていることを示している。

この結果から、実施例１，２は、最終ブロックＢ３内の冷媒の流速が比較例よりも低速であることにより、いずれも比較例に比べて冷媒流動音が低減されていることが分かる。特に、実施例１では、冷媒の流速が十分に低いため、ダンパーシーラントを用いることなしに、比較例にダンパーシーラントを設けた場合と同程度の静粛性が得られることが分かった。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について、図６を用いて説明する。
本実施形態に示す蒸発器３０は、第一実施形態に示す蒸発器１０において、バイパス流路２１を設けて冷媒の出入口を同一の側に設定する代わりに、バイパス流路２１をなくして、各ブロックＢをその配列と同じ順番で直列に接続したものである。
具体的には、第一ブロックＢ１の下端左側に冷媒入口３１を設け、最終ブロックＢ３の上端右側に冷媒出口３２を設けて、第一ブロックＢ１では冷媒が上方に向けて流れ、第二ブロックＢ２では冷媒が下方に向けて流れ、最終ブロックＢ３では冷媒が上方に向け手流れるようにした。
この蒸発器３０においても、第一実施形態に示す蒸発器１０と同様に、高い静粛性を得ることができる。

［第三実施形態］
次に、本発明の第三実施形態について、図７から図９を用いて説明する。
本実施形態に示す蒸発器３０は、第一実施形態に示す蒸発器１０において、ブロックＢを四つに増やし、これらブロックＢを、チューブ１１の配列方向に連結するだけでなく、ブロックＢの厚み方向にも連結したものである。
具体的には、この蒸発器４０では、第一ブロックＢ１の厚み方向に第二ブロックＢ２を連結し、第二ブロックＢ２のチューブ１１の配列方向に第三ブロックＢ３を連結し、第一ブロックＢ１のチューブの１１の配列方向に最終ブロックＢ４を接続している。

この蒸発器４０では、図８（図７のＣ−Ｃ矢視断面図）に示すように、第一ブロックＢ１には、下端左側に冷媒入口４１が設けられ、上端右側に第二ブロックＢ２に通じる連通孔４２が設けられていて、第一ブロックＢ１内では、下端左側の冷媒入口４１から上端右側の連通孔４２に向けて冷媒が移動するようになっている。なお、第一ブロックＢ１のチューブ数は７本とされている。
図９（図７のＤ−Ｄ矢視断面図）に示すように、第二ブロックＢ２には、下端右側に第三ブロックＢ３に通じる連通孔４３が設けられていて、第二ブロックＢ２内では、上端右上の連通孔４２から供給された冷媒は、一旦第二ブロックＢ２内で拡散されたのちに、下端右側の連通孔４３に向けて移動するようになっている。なお、第二ブロックＢ２のチューブ数は７本とされている。

第三ブロックＢ３には、上端右側に最終ブロックＢ４に通じる取入口２２が設けられており、第三ブロックＢ３内では、下端左側の連通孔４３から上端右側の取入口２２に向けて冷媒が移動するようになっている。なお、第三ブロックＢ３のチューブ数は１０本とされている。
最終ブロックＢ４には、下端左側に、第一ブロックＢ１を右側から左側まで貫通する冷媒取出し配管４５が設けられており、最終ブロックＢ４内では、上端右側の取入口２２から下端左側の冷媒取出し配管４５に向けて冷媒が移動して、冷媒取出し配管４５を通じて冷凍サイクルに冷媒が供給されるようになっている。
この最終ブロックＢ４のチューブ数は１０本とされている。
すなわち、この蒸発器４０においても、流路の最下流に位置する最終ブロックＢ４のチューブ１１の総断面の流路断面積が最終ブロックB4の上流の各ブロックの流路断面積以上とされている。
これにより、最終ブロックＢ４内での冷媒の流速が他のブロックよりも低減されて、冷媒流動音が低減されるので、ダンパーシーラント等を用いずに、冷媒流動音を低減することができる。
また、最終ブロックＢ４の容積は、流路全体の容積の６０％以下とされているので、分配調整板２３によって最終ブロックＢ４内で冷媒を均等に分配することができ、温度ムラが低減される。

また、最終ブロックＢ４では、分配調整板２３は、取入口２２との間に、最終ブロックＢ４に設けられる全てのチューブ１１のうちの３／１０以上のチューブ１１を挟んで配置されている。このため、冷媒が分配調整板２３に当たることによって生じる騒音が低減され、静粛性が向上する。
また、この蒸発器１０では、第一ヘッダ１２の開口面積に対する分配調整板２３の開口面積が６５％以下とされており、これによって取入口２２から取り入れた冷媒を分配調整板２３の前方にも十分に供給することができ、最終ブロックＢ４内での冷媒の均等な分配が可能となる。

本発明の第一実施形態に係る蒸発器を示す縦断面図である。 図１のＡ−Ａ矢視断面図である。 図１のＢ−Ｂ矢視断面図である。 本発明の第一実施形態にかかる蒸発器の最終ブロックの構成を示す縦断面図である。 本発明の第一実施形態に係る蒸発器の静粛性能を示す試験結果である。 本発明の第二実施形態に係る蒸発器を示す縦断面図である。 本発明の第三実施形態に係る蒸発器を示す縦断面図である。 図７のＣ−Ｃ矢視断面図である。 図７のＤ−Ｄ矢視断面図である。

符号の説明

１０，３０，４０ 冷凍サイクル用蒸発器
１１ チューブ
１２ 第一ヘッダ
１３ 第二ヘッダ
１４ 仕切り板
２２ 取入口
２３ 分配調整板
２４ 開口
Ｂ ブロック
Ｂ３，Ｂ４ 最終ブロック

Claims (4)

1. 互いに平行に配置される複数のチューブと、
   該各チューブの一端部同士を接続する第一ヘッダと、
   前記各チューブの他端部同士を接続する第二ヘッダと、
   前記第一ヘッダと前記第二ヘッダとのうちの少なくともいずれか一方の内部に設けられる仕切り板とが、直列接続された複数のブロックからなる流路を形成しており、
   前記各ブロックのうち、前記流路の最下流に位置する最終ブロックの前記チューブの総断面の流路断面積が最終ブロックの上流の各ブロックの流路断面積以上とされている冷凍サイクル用蒸発器。
2. 前記最終ブロックの容積は、前記流路全体の容積の６０％以下とされている請求項１記載の冷凍サイクル用蒸発器。
3. 前記第一ヘッダと前記第二ヘッダとのうちの一方の、前記最終ブロックを構成する領域には、長手方向の端部に、前段の前記ブロックを通過した冷媒を取り入れる取入口が設けられており、
   前記一方のヘッダ内には、該一方のヘッダよりも開口面積が小さい開口を有し前記冷媒の一部のみについて下流側への流通を許容する分配調整板が設けられており、
   該分配調整板は、前記取入口との間に、前記最終ブロックに設けられる全ての前記チューブのうちの３／１０以上の前記チューブを挟んで配置されている請求項１または２に記載の冷凍サイクル用蒸発器。
4. 前記一方のヘッダの開口面積に対する前記分配調整板の開口面積が６５％以下とされている請求項３記載の冷凍サイクル用蒸発器。

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