JP2007101007A - 水冷却式恒温液循環装置及び該装置における循環液温度制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱水流路を最適化することにより、循環液の温度安定性を向上できるようにした水冷却式恒温液循環装置及び該装置における循環液温度制御方法を提供する。
【解決手段】流量制御された放熱水が流れる放熱管１１の熱交換部１１ｃを循環液のタンク１０に付設し、該タンク内の循環液を外部装置２を通して循環させる管路１３中にポンプ１４を介在させ、該ポンプによって外部装置の配管２０に恒温循環液を送給するようにした水冷却式恒温液循環装置１において、放熱管１１に、その熱交換部に送る放熱水の流量を制御する電動比例弁２４と、該電動比例弁で流量制御された放熱水を開閉時間の制御により最適な流量として熱交換部に送る電磁弁２６とを設ける。電動比例弁２４は、制御可能な低流量限界値以上で上記熱交換部における循環液との熱交換に適した流量またはそれよりも若干大きい流量に制御される。
【選択図】図１

Description

本発明は、水冷却式恒温液循環装置及び該装置における循環液温度制御方法に関するものである。

従来から、水冷却式の恒温液循環装置として、図３に示すような装置が知られている。この恒温液循環装置４０は、調整弁４４により流量制御された放熱水が流れる放熱管４３の熱交換部４３ａを、温調すべき循環液が収容されるタンク４１内に配設して、熱交換器４２を構成させ、該タンク４１内の恒温液を外部装置５０を通して循環させるための管路４５中にポンプ４６を介在させ、該ポンプ４６によってタンク４１内の恒温循環液を外部装置５０の配管５１に送給するようにしている。そして、管路４５における出口４５ａの近辺に恒温液循環装置４０から送出される循環液の温度（Ｔ１）を検出する温度センサ４７を設け、コントローラ４８で上記調整弁４４の開閉を制御することにより、該温度センサ４７で検出される循環液が所定の温度になるように制御するものである。
そして、上記放熱管４３における調整弁４４としては、開閉頻度を調整できるようにした電磁弁、あるいは、開度を調整できる比例弁などが単独で用いられ、それらの制御により送出する循環液の温度が所定の温度に調整されるようにしている。

このような従来の水冷却式の恒温液循環装置４０では、上記熱交換器４２におおける熱交換部４３ａで放熱水と循環液とが直接熱交換を行ようにしているため、放熱水と循環液との温度差が大きい場合には冷却能力が大きくなり、循環液温度の安定性を良くするためには、放熱水を低い流量で流すように調整弁４４を制御する必要がある。また、放熱管４３における放熱水の入口及び出口の圧力差が大きい場合には、放熱水を安定した流量で流すように制御する必要もある。

しかしながら、放熱管４３の調整弁４４として電磁弁を使用する場合に、放熱水の流量を低くするには、電磁弁のごく短時間での開閉を高頻度で行う必要があって、電磁弁を過酷な状態で稼動させるので、低寿命となるのを避けることができず、一方、電磁弁で放熱水の流量を大きくする場合には、閉弁に伴ってウォーターハンマが発生するので、それに対する対策も考慮する必要がある。

また、放熱管４３の調整弁４４として比例弁を用いる場合には、比例弁自体の特性として小さい開度（開き始めてから数％）での流量制御がしにくいため、小流量に制御するには流量制御が可能な最低流量を流すことになって、循環液温度が過剰に低下してしまい、その過剰に低下した循環液温度を元に戻すためには熱交換器４２に内部ヒータを設けて動作させる必要があり、余分なエネルギーが必要になるばかりでなく、循環液温度の振れが大きくなる。

本発明の技術的課題は、上記恒温液循環装置における循環液の温度安定性を向上できるようにした水冷却式恒温液循環装置及び該装置における循環液温度制御方法を提供することにある。
本発明の他の技術的課題は、放熱水流路を最適化することにより、あらゆる状態における循環液の温度安定性を向上できるようにした水冷却式恒温液循環装置及び該装置における循環液温度制御方法を提供することにある。
更に、本発明の他の技術的課題は、上記循環液の温度安定性の向上と同時に、省エネルギー化を図り、また、電磁弁の寿命向上に寄与し、ウォーターハンマの緩和も図れるようにした水冷却式恒温液循環装置及び該装置における循環液温度制御方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、調整手段により流量制御された放熱水が流れる放熱管の熱交換部を循環液のタンクに付設し、該タンク内の循環液を外部装置を通して循環させる管路中にポンプを介在させ、該ポンプによって上記管路の出入口に接続した外部装置の配管にタンク内の恒温循環液を送給するようにした水冷却式恒温液循環装置において、上記調整手段を、放熱管の熱交換部に送る放熱水の流量を電動比例弁において制御可能な低流量限界値以上で上記熱交換部における循環液との熱交換に適した流量またはそれよりも若干大きい流量に制御する上記電動比例弁と、該電動比例弁で流量制御された放熱水を開閉時間の制御により最適な流量として上記熱交換部に送る電磁弁とにより構成したことを特徴とするものである。

本発明に係る水冷却式恒温液循環装置の好ましい実施形態においては、上記恒温液循環装置の管路における出口側に、送出される循環液の温度（Ｔ１）を検出する温度センサを設けると共に、上記放熱管の入口側に、放熱水の温度（Ｔ２）を検出する温度センサを設け、上記放熱管の入口側と出口側にそれぞれの圧力（Ｐ１，Ｐ２）を検出する圧力センサを設置し、これらのセンサの出力を上記管路中の流量センサの出力と共に入力されるコントローラにより、上記循環液が所定の温度になるように、上記電動比例弁及び電磁弁の制御が行われる。

また、本発明に係る水冷却式恒温液循環装置における電動比例弁及び電磁弁配置の好ましい実施形態においては、上記放熱管に、その上流側から下流側に向けて上記電動比例弁と上記電磁弁とを直列に設けることにより、該電動比例弁で流量制御した放熱水の流量が電磁弁で再調整され、あるいは、上記放熱管の入口側と出口側との間にバイパス流路を設け、該バイパス流路に上記電動比例弁を設けると共に、放熱管における該バイパス流路との分岐点よりも下流側に上記電磁弁を設け、該電動比例弁でバイパス流路に流す流量を制御することにより電磁弁側に流れる放熱水の流量が該電磁弁で再調整され、最適な流量として上記熱交換部に送られる。

本発明における上記コントローラによる制御の好ましい実施形態においては、温度センサにより検出した循環液の温度（Ｔ１）及び放熱水の温度（Ｔ２）の差と、流量センサにより検出した循環液流量とに基づいて、外部装置の熱負荷を求めると共に、放熱管の入口側及び出口側とに設けた圧力センサにより検出した圧力（Ｐ１，Ｐ２）の差、並びに、放熱管の入口側に設けた温度センサにより検出した温度（Ｔ２）に基づき、該コントローラにおいて、その時点で恒温液循環装置が持つ冷却能力を求め、前記熱負荷に対応する冷却能力に応じた放熱水流量を算出して、電動比例弁及び電磁弁が制御される。

更に、上記課題を解決するための本発明の循環液温度制御方法は、電動比例弁と電磁弁とを直列に配設した水冷却式恒温液循環装置においては、少なくとも、必要な放熱水流量が前記低流量限界値よりも少ない場合には、コントローラにおいて、電動比例弁を該限界値以上ではあるが低流量を流すように制御したうえで、電磁弁の開閉時間の制御により、放熱水の流量を最適に制御し、必要な放熱水流量が、上記電磁弁の開閉によってウォーターハンマ現象が発生する可能性が生じる程度に高い高流量限界値を超える場合には、上記コントローラによる制御で、上記電磁弁を常時全開状態とし、電動比例弁のみで放熱水流量を制御することを特徴とするものである。

また、電動比例弁と電磁弁とを並列に配設した本発明の水冷却式恒温液循環装置における循環液温度制御方法は、少なくとも、必要な放熱水流量が前記低流量限界値よりも少ない場合には、コントローラにおいて、電動比例弁を開いてバイパス流路に流れる放熱水を多くすることにより、電磁弁の入口圧力を低下させたうえで、電磁弁の開閉時間の制御により、放熱水の流量を最適に制御し、必要な放熱水流量が、上記電磁弁の開閉によってウォーターハンマ現象が発生する可能性が生じる程度に高い高流量限界値を超える場合には、上記コントローラによる制御で、上記電磁弁を常時全開状態とし、電動比例弁の開度の制御により電磁弁を流れる放熱水流量を制御することを特徴とするものである。

上記構成を有する水冷却式恒温液循環装置においては、電磁弁を全開状態として電動比例弁により放熱水流量を制御し、あるいは、電動比例弁を小さな開度で開くことにより電磁弁入口の圧力、流量が低下している状態で電磁弁を開閉して該流量を制御するので、電磁弁の開閉に伴うウォーターハンマの発生を抑制あるいは緩和することができる。
また、上記電動比例弁は、小さい開度（開き始めてから数％）での流量制御がしにくいなどの特性を有しているが、小流量の制御を電磁弁で行うようにしているので、必要な放熱水流量が最適化され、循環液の温度安定性を向上させることができる。

以上に詳述した本発明の水冷却式恒温液循環装置及び該装置における循環液温度制御方法によれば、恒温液循環装置における循環液の温度安定性を向上させることができ、しかも、放熱水流路を最適化することにより、あらゆる状態における循環液の温度安定性を向上させることができ、それと同時に、省エネルギー化を図り、また、電磁弁の寿命向上に寄与し、ウォーターハンマの緩和も図ることができる。

図１は、本発明に係る水冷却式恒温液循環装置の第１実施例を示している。
この水冷却式恒温液循環装置１の基本的構成は、循環液のタンク１０内に、調整手段１２により流量制御された放熱水が流れる放熱管１１の熱交換部１１ｃを配設し、該タンク１０内の循環液を外部装置２を通して循環させる管路１３中にポンプ１４及び流量センサ１５を介在させ、該ポンプ１４によって、上記管路１３の出口１３ａ及び入口１３ｂに接続される外部装置２の配管２０に、タンク１０内の恒温循環液を送給するように構成したものである。
なお、上記熱交換部１１ｃは、必ずしもタンク１０内に配設する必要はなく、タンク１０外から熱交換を行わせることもできる。

また、上記恒温液循環装置１においては、管路１３における出口１３ａの近辺に、該恒温液循環装置１から送出される循環液の温度（Ｔ１）を検出する温度センサ１６を設けると共に、上記放熱管１１の入口１１ａ側に、該放熱管１１に流す放熱水の温度（Ｔ２）を検出する温度センサ１７を設け、更に、上記放熱管１１の入口１１ａと出口１１ｂにそれぞれの圧力（Ｐ１，Ｐ２）を検出する圧力センサ１８ａ，１８ｂを設置し、これらの出力を上記流量センサ１５の出力と共にコントローラ１９に入力するようにしている。

上記放熱水が流れる放熱管１１の流量制御を行う調整手段１２は、温度センサ１６で検出される循環液が所定の温度になるように放熱水の流量制御を行うもので、該放熱管１１にその上流側から下流側に向けて電動比例弁２４と電磁弁２６とを直列に設置することにより構成している。上記電動比例弁２４は、放熱管１１の熱交換部１１ｃに送る放熱水の流量を、該電動比例弁２４において流量制御可能な低流量限界値以上で上記熱交換部１１ｃにおける循環液との熱交換に適した流量またはそれよりも若干大きい流量に制御するものであり、また、上記電磁弁２６は、電動比例弁２４で流量制御された放熱水を開閉時間の制御により最適な流量として上記熱交換部１１ｃに送るものである。

つまり、電動比例弁２４で流量制御した放熱水の流量を電磁弁２６で再調整し、最適な流量として上記熱交換部１１ｃに送られる。そして、それらの電動比例弁２４及び電磁弁２６は、具体的には、以下に説明するように、前記各センサの出力に基づいて上記コントローラ１９で制御するようにしている。

なお、上記電動比例弁２４において流量制御可能な低流量限界値とは、次のような流量値を意味している。即ち、一般に、比例弁自体の特性は、それが開き始めから数％の小さい開度までの範囲で流量制御がしにくいため、そのような範囲での小流量の制御を行うことなく、流量制御が容易に行える範囲の最低流量値またはそれよりも若干大きい流量を流し、それを電磁弁２６で再調整して最適な流量とするのが、循環液の温度安定性の向上のために有効であり、流量制御可能な低流量限界値とは、この最低流量値を意味している。但し、この最低流量値は、比例弁の仕様によって必ずしも一定値を示すものではなく、そのため、比例弁の仕様に応じて適切な流量値が採用されるべきである。

次に、上記コントローラ１９による調整手段１２の制御の態様について説明する。
上記コントローラ１９においては、まず、温度センサ１６，１７により検出した循環液の温度Ｔ１と放熱水の温度Ｔ２との温度差と、流量センサ１５により検出した循環液流量とに基づいて、外部装置２の熱負荷を計算によって求めると共に、その熱負荷に対応する冷却能力が算出される。
また、放熱管１１の入口１１ａ側と出口１１ｂ側とに設けた圧力センサ１８ａ，１８ｂにより検出した圧力Ｐ１，Ｐ２の差、及び放熱管１１の入口１１ａ側に設けた温度センサ１７により検出した温度Ｔ２に基づき、該コントローラ１９においてその時点で恒温液循環装置１が持つ冷却能力を計算により求め、前記外部装置２の熱負荷に対応する冷却能力に応じた放熱水流量が計算によって求められ、その結果に基づいて電動比例弁２４及び電磁弁２６が制御される。

具体的には、少なくとも、コントローラ１９において計算された必要な放熱水流量が前記低流量限界値よりも少ない場合には、該コントローラ１９において、電動比例弁２４を該限界値以上ではあるが低流量を流すように制御し、それによって、電磁弁２６の入口圧力を低下させることにより、電磁弁２６へ放熱水の供給流量を低下させたうえで、電磁弁２６の開閉時間の制御により、放熱水の流量が最適に制御される。これにより、電磁弁２６のごく短時間での開閉を高頻度で行う必要がなくなり、電磁弁２６の低寿命化を避けることができる。
このように、電動比例弁２４のみの制御では開度が小さくなって放熱水の流量制御がしにくい領域、つまり、電動比例弁２４が流量制御可能な範囲の低流量限界値以下の流量を流す場合には、電動比例弁２４が当該限界値を下らない流量を流すように制御され、流量の制御は電磁弁主導の制御とする。

なお、コントローラ１９において計算された必要な放熱水流量が、前記低流量限界値以上であっても、電動比例弁２４を、低流量限界値以上で必要な放熱水流量またはそれよりも若干大きい流量に制御したうえで、電磁弁２６の開閉時間の制御により放熱水の流量を最適に制御することもできるが、この場合は、電動比例弁２４において出力される流量または圧力が、電動弁２６の開閉によってウォーターハンマ現象を発生することがない範囲であることが必要である。

一方、コントローラ１９において計算された必要な放熱水流量が、上記電磁弁２６の開閉によってウォーターハンマ現象が発生する可能性が生じる程度に高い高流量限界値を超える場合には、上記コントローラ１９による制御で、上記電磁弁２６を常時全開状態とし、電動比例弁２４のみで放熱水流量が制御される。放熱水流量が多い場合には、電磁弁２６の開閉により流量制御を行うと、閉弁時にウォーターハンマが発生するが、この領域で上述した電動比例弁主導の制御とすることにより、そのウォーターハンマの発生を抑制することができる。
なお、上記高流量限界値も、放熱水が流れる放熱管１１の仕様等によって必ずしも一定値を示すものではなく、そのため、該仕様等に応じて適切な設定値が採用されるべきである。

次に、図２を参照して本発明に係る水冷却式恒温液循環装置の第２実施例について説明する。
この第２実施例の水冷却式恒温液循環装置１における基本的構成は、前記第１実施例の場合と実質的に同一であるため、同一または相当部分に同一の符号を付している。この第２実施例と前記第１実施例との主要な差異は、前記第１実施例においては調整手段１２として、電動比例弁２４と電磁弁２６とを放熱管に直列に配置しているのに対し、この第２実施例における調整手段１２は、上記放熱管１１の入口１１ａ側と出口１１ｂ側との間にバイパス流路２５を設け、それらの電動比例弁２４及び電磁弁２６を並列に設置している点である。即ち、該バイパス流路２５に上記電動比例弁２４を設けると共に、放熱管１１における該バイパス流路２５との分岐点よりも下流側に上記電磁弁２６を設けている。

また、この第２実施例では、上記第１実施例と同様に、管路１３における出口１３ａの近辺に、該恒温液循環装置１から送出される循環液の温度（Ｔ１）を検出する温度センサ１６を設けると共に、上記放熱管１１の入口１１ａ側に、該放熱管１１に流す放熱水の温度（Ｔ２）を検出する温度センサ１７を設け、更に、上記放熱管１１の入口１１ａと出口１１ｂにそれぞれの圧力（Ｐ１，Ｐ２）を検出する圧力センサ１８ａ，１８ｂを設置し、これらの出力を上記流量センサ１５の出力と共にコントローラ１９に入力するようにしている。
なお、この第２実施例における圧力センサ１８ａは、放熱管１１におけるバイパス流路２５との分岐点よりも下流側に設けているが、該分岐点よりも上流側に設けることもでき、この場合には、コントローラ１９における制御の方式を変更すればよい。

上記第２実施例の水冷却式恒温液循環装置１における循環液の温度を制御するために、熱交換部１１ｃに送る放熱水流量を制御するに際しては、電動比例弁２４でバイパス流路２５に流す流量を制御することによって電磁弁２６側に流れる放熱水の流量を制御し、それを該電磁弁２６で再調整することにより、最適な流量として上記熱交換部１１ｃに送ることになる。このバイパス流路２５に電動比例弁２４を設けた場合、電動比例弁２４は全開状態にしても背圧が生じて電磁弁２６の入口にその圧力が作用するが、該圧力を更に低下させることはできず、また、電動比例弁の全開に近い開度においても流量制御が困難な領域がある。そのため、この第２実施例における低流量限界値、即ち、放熱水の流量を電動比例弁２４において制御可能な低流量限界値とは、電動比例弁２４の全開またはそれに近い開度において、電磁弁２６側に流す低流量を制御することが困難になる限界値を意味している。

この第２実施例における放熱水の流量制御の態様を具体的に説明すると、少なくとも、放熱管１１に流す必要がある放熱水流量が上記低流量限界値よりも少ない場合には、コントローラ１９において、電動比例弁２４を開いてバイパス流路２５に流れる放熱水を多くすることにより、電磁弁２６の入口圧力を低下させたうえで、電磁弁２６の開閉時間の制御により、放熱水の流量を最適に制御する。
一方、放熱管１１に流す必要がある放熱水流量が、上記電磁弁の開閉によってウォーターハンマ現象が発生する可能性が生じる程度に高い高流量限界値を超える場合には、上記コントローラ１９による制御で、上記電磁弁２６を常時全開状態とし、電動比例弁２４の開度の制御により電磁弁２６を流れる放熱水流量を最適な流量に制御する。
これにより、必要な放熱水流量が最適化され、循環液の温度安定性が向上すると共に、電磁弁の寿命向上を図ることが可能になる。

ここで、上記図２に示した第２実施例のその他の構成及び作用は、実質的に図１で説明した水冷却式恒温液循環装置と同一であるから、それらの説明を省略する。
なお、上記いずれの実施例においても、恒温液循環装置の運転を停止し、あるいは、タンク１０内の恒温液の温度が所定の範囲内にあって放熱の必要がない場合には、電動比例弁２４及び／または電磁弁２６を全閉とし、無駄な冷却水を流さないように制御することもできる。

本発明に係る水冷却式恒温液循環装置の第１実施例の構成図である。 本発明に係る水冷却式恒温液循環装置の第２実施例の構成図である。 従来の水冷却式恒温液循環装置の構成図である。

符号の説明

１ 恒温液循環装置
２ 外部装置
１０ タンク
１１ 放熱管
１１ａ 入口
１１ｂ 出口
１１ｃ 熱交換部
１２ 調整手段
１３ 管路
１３ａ 入口
１３ｂ 出口
１４ ポンプ
１５ 流量センサ
１６，１７ 温度センサ
１８ａ，１８ｂ 圧力センサ
１９ コントローラ
２０ 配管
２４ 電動比例弁
２５ バイパス流路
２６ 電磁弁

Claims (7)

1. 調整手段により流量制御された放熱水が流れる放熱管の熱交換部を循環液のタンクに付設し、該タンク内の循環液を外部装置を通して循環させる管路中にポンプを介在させ、該ポンプによって上記管路の出入口に接続した外部装置の配管にタンク内の恒温循環液を送給するようにした水冷却式恒温液循環装置において、
   上記調整手段を、放熱管の熱交換部に送る放熱水の流量を電動比例弁において制御可能な低流量限界値以上で上記熱交換部における循環液との熱交換に適した流量またはそれよりも若干大きい流量に制御する上記電動比例弁と、該電動比例弁で流量制御された放熱水を開閉時間の制御により最適な流量として上記熱交換部に送る電磁弁とにより構成した、
   ことを特徴とする水冷却式恒温液循環装置。
2. 上記恒温液循環装置の管路における出口側に、送出される循環液の温度（Ｔ１）を検出する温度センサを設けると共に、上記放熱管の入口側に、放熱水の温度（Ｔ２）を検出する温度センサを設け、上記放熱管の入口側と出口側にそれぞれの圧力（Ｐ１，Ｐ２）を検出する圧力センサを設置し、これらのセンサの出力を上記管路中の流量センサの出力と共に入力されるコントローラにより、上記循環液が所定の温度になるように上記電動比例弁及び電磁弁の制御を行う、
   ことを特徴とする請求項１に記載の水冷却式恒温液循環装置。
3. 上記放熱管に、その上流側から下流側に向けて上記電動比例弁と上記電磁弁とを直列に設け、該電動比例弁で流量制御した放熱水の流量を電磁弁で再調整し、最適な流量として上記熱交換部に送る、
   ことを特徴とする請求項２に記載の水冷却式恒温液循環装置。
4. 上記放熱管の入口側と出口側との間にバイパス流路を設け、該バイパス流路に上記電動比例弁を設けると共に、放熱管における該バイパス流路との分岐点よりも下流側に上記電磁弁を設け、該電動比例弁でバイパス流路に流す流量を制御することにより電磁弁側に流れる放熱水の流量を該電磁弁で再調整し、最適な流量として上記熱交換部に送る、
   ことを特徴とする請求項２に記載の水冷却式恒温液循環装置。
5. コントローラにおいて、温度センサにより検出した循環液の温度（Ｔ１）及び放熱水の温度（Ｔ２）の差と、流量センサにより検出した循環液流量とに基づいて、外部装置の熱負荷を求めると共に、放熱管の入口側及び出口側とに設けた圧力センサにより検出した圧力（Ｐ１，Ｐ２）の差、並びに、放熱管の入口側に設けた温度センサにより検出した温度（Ｔ２）に基づき、該コントローラにおいて、その時点で恒温液循環装置が持つ冷却能力を求め、前記熱負荷に対応する冷却能力に応じた放熱水流量を算出して、電動比例弁及び電磁弁を制御する、
   ことを特徴とする請求項２〜４に記載の水冷却式恒温液循環装置。
6. 請求項３に記載の水冷却式恒温液循環装置における循環液の温度を制御する方法であって、
   少なくとも、必要な放熱水流量が前記低流量限界値よりも少ない場合には、コントローラにおいて、電動比例弁を該限界値以上ではあるが低流量を流すように制御したうえで、電磁弁の開閉時間の制御により、放熱水の流量を最適に制御し、
   必要な放熱水流量が、上記電磁弁の開閉によってウォーターハンマ現象が発生する可能性が生じる程度に高い高流量限界値を超える場合には、上記コントローラによる制御で、上記電磁弁を常時全開状態とし、電動比例弁のみで放熱水流量を制御する、
   ことを特徴とする水冷却式恒温液循環装置における循環液温度制御方法。
7. 請求項４に記載の水冷却式恒温液循環装置における循環液の温度を制御する方法であって、
   少なくとも、必要な放熱水流量が前記低流量限界値よりも少ない場合には、コントローラにおいて、電動比例弁を開いてバイパス流路に流れる放熱水を多くすることにより、電磁弁の入口圧力を低下させたうえで、電磁弁の開閉時間の制御により、放熱水の流量を最適に制御し、
   必要な放熱水流量が、上記電磁弁の開閉によってウォーターハンマ現象が発生する可能性が生じる程度に高い高流量限界値を超える場合には、上記コントローラによる制御で、上記電磁弁を常時全開状態とし、電動比例弁の開度の制御により電磁弁を流れる放熱水流量を制御する、
   ことを特徴とする水冷却式恒温液循環装置における循環液温度制御方法。
   

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