JP2008114099A - マイクロバブル生成装置及びバブル微小化器具。 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロバブルの直径を微小化する及び／又は平準化する。
【解決手段】 バブル微小化器具15は、マイクロバブル生成装置1に脱着可能な筒体16を有し、筒体16の内部に傾斜孔付きプレート17が配設されている。傾斜孔付きプレート17は、その全域に数多くの貫通孔17aを有し、各貫通孔17aは、プレート17の中心線CLに対して捻れ方向に傾斜した状態で形成されており、傾斜孔付きプレート17を通過した液体は旋回流となる。傾斜孔付きプレート17を挟んで筒体16の下流部分には、筒体16の内部に臨んで超音波発生器18が複数設けられている。
【選択図】図5

Description

本発明はマイクロバブル生成装置に関し、マイクロバブルを微小化及び／又はバブルの直径を平準化することのできるマイクロバブル生成装置及びバブル微小化器具に関する。

５００μm（0.5mm）以下の直径の気泡はマイクロバブルと呼ばれ、このマイクロバブルは様々な特性を有することから他方面で注目されている。具体的には、特許文献１は、湖、池、ダムなどの閉鎖水域、水棲生物の養殖、汚水処理などでの水質浄化又は水質改善にマイクロバブルを適用できることを開示している。特許文献２は、手洗いのための洗浄水に適用できることを開示している。特許文献３は、食器洗浄機に適用できることを開示している。特許文献４は、洗濯機において排水に含まれる界面活性剤を除去するのにマイクロバブルを適用できることを開示している。特許文献５は、洗濯機で洗濯するのに適用できることを開示している。

特開２００６−２１２５６２号公報 特開２００６−１５９０９２号公報 特開２００６−２４７０１３号公報 特開２００６−１１００９２号公報 特開２００６−１６７１８５号公報

マイクロバブルの特性は、生成したマイクロバブルの直径によって変化することが知られており、このことからマイクロバブル生成装置には平準化した直径（平均直径のマイクロバブルが多い）のマイクロバブルを生成することが望まれる。

本発明の目的は、マイクロバブルの直径を微小化する及び／又は平準化することのできるマイクロバブル生成装置及びバブル微小化器具を提供することにある。

上記の技術的課題は、本発明の一つの観点によれば、
マイクロバブルを含有した液体を吐出する吐出口に超音波を照射する超音波発生器を設けたことを特徴とするマイクロバブル生成装置を提供することにより達成される。

上記の技術的課題は、本発明の他の観点によれば、
マイクロバブルを生成するマイクロバブル生成装置の吐出口に装着するバブル微小化器具であって、
前記マイクロバブル生成装置の吐出口から吐出されるマイクロバブル含有液体を受け入れる筒体と、
該外筒に配設されて該外筒内を通過する前記マイクロバブル含有液体に超音波を照射する超音波発生器とを有することを特徴とするバブル微小化器具を提供することにより達成される。

すなわち、本発明によれば、マイクロバブル生成装置が生成したマイクロバブル含有液体に対して超音波を照射することで、マイクロバブルの直径の微小化及び／又は平準化することができる。

本発明の好ましい実施の形態では、マイクロバブル生成装置の吐出口に装着可能なバブル微小化器具の内部に、マイクロバブル含有液体を旋回流にするための傾斜孔付きプレートが設けられ、この傾斜孔付きプレートの下流側に前記超音波発生器が配設されている。これにより、バブル微小化器具を通過するマイクロバブル含有液体に満遍なく超音波を照射することができ、超音波によってマイクロバブルの直径の平準化及び／又は微小化することができる。

本発明のバブル微小化器具は、一例として、次の構成からなるマイクロバブル生成装置の吐出口に装着される。このマイクロバブル生成装置は、
外筒と、
先細り状内部通路を備えた第一、第二の通路形成部材であって、前記外筒内に、前記先細り状の内部通路を対向させて配置された第一、第二の通路形成部材とを有し、
前記第一の通路、第二の通路形成部材が互いに離間して配置されて該第一、第二の通路形成部材の間に環状隙間が形成される共に、前記外筒との間に且つ該環状隙間の周りに環状空間が形成され、
前記外筒には、前記環状空間に臨んでガス導入ポートが設けられていることを特徴とし、この外筒の吐出端部にねじ山を設け、このねじ山と螺合するねじ山をバブル微小化器具に設けることで、バブル微小化器具をマイクロバブル生成装置に螺着して使用することができる。

この例示としてのマイクロバブル生成装置によれば、外筒内に互いに離間した状態で配置された第一、第二の通路形成部材によって実質的にベンチュリー式のマイクロバブル生成装置となり、第一、第二の通路形成部材の先細り状内部通路によってベンチュリーの絞り部が形成され、第一、第二の通路形成部材の間の環状隙間を通じてガスが吸引され、そして、環状隙間の周りの環状空間にはガス導入ポートを通じてガスが供給されることになる。このように実質的にベンチュリー式のマイクロバブル生成装置として機能するマイクロバブル精製装置が、外筒、第一通路形成部材、第二通路形成部材との３つの部材を組み合わせることにより作られることから構造が簡単であり、製造コストを低減することができる。また、第一、第二の通路形成部材の離間距離は、第一、第二の通路形成部材を外筒に組み付けるときに設定可能であり、これにより適用環境に応じた離間距離に設定することができる。

上記マイクロバブル生成装置の好ましい態様として、第一、第二の通路形成部材の少なくともいずれか一方が外筒の軸線方向に変位可能であり、第一及び／又は第二の通路形成部材を変位させることにより環状隙間の幅を調整することができるようにするのがよい。これにより、適用環境に応じ離間距離を調整してマイクロバブルの平均直径などの最適化が容易になる。

上記マイクロバブル生成装置の更に好ましい態様として、第一の通路形成部材が前記外筒の上流側に配設され、第一の通路形成部材の外筒内の深部に位置する先端部分の外周面が先細りであり、第一の通路形成部材の先細り状外周面によって前記環状空間が上流側に延長され、そして、ガス導入ポートが、第一、第二の通路形成部材の間の環状隙間に対応する位置から上流側に変位した位置に設けられる。この態様では、典型的には、ガス導入ポートが大気に開放又はエアポンプなどのガス源から大気圧程度のガスがガス導入ポートに供給される場合に液体中に効率良くガスを取り込むことができ、また、平均直径が整ったマイクロバブルを生成することができる。

本発明は、マイクロバブル生成装置で微小化されるガスはエアに限定されず、任意のガスを取り込んでマイクロバブルを生成するのに適用することができる。具体的には、オゾンや二酸化炭素を例示的に挙げることができる。

本発明の好ましい実施例を説明する前に、本発明を好適に適用できるマイクロバブル生成装置の例を説明する。

図１は、適用例として好適なベンチュリー式のマイクロバブル生成装置の断面図である。図１において、マイクロバブル生成装置１は、真っ直ぐに延びる円筒状の外筒２を有し、該外筒２内に、第一、第二の部材つまり液体Ｌの流れ方向（図１の矢印で示す方向）において上流側に位置する第一通路形成部材３と、下流側に位置する第二通路形成部材４とが組み付けられ、この第一、第二の通路形成部材３、４で実質的なベンチュリーが構成されている。

すなわち、マイクロバブル生成装置１は、３つの独立した部材つまり外筒２と第一通路形成部材３と第二通路形成部材４の組み合わせによってベンチュリー管が構成されている。この実施例では、外筒２及び第一、第二の通路形成部材３、４の全てがプラスチック成型品（ＡＢＳ樹脂成型品）であるが、特にこれに限定されず、外筒２及び／又は第一通路形成部材３及び／又は第二通路形成部材４は金属製（例えばステンレス鋼のような耐蝕性金属）であってもよく、少なくとも外筒２だけが金属製であってもよい。

上流側部材である第一通路形成部材３及び下流側部材である第二通路形成部材４は、夫々、これを軸線に沿って直線状に貫通する内部通路５、６を有し、各内部通路５、６は、各々、外端部に位置する円筒状通路５ａ、６ａと、この円筒状通路５ａ、６ａから徐々に縮径した先細り状通路５ｂ、６ｂとで構成されている。第一通路形成部材３及び第二通路形成部材４は、両者３、４の先細り状通路５ｂ、６ｂを互いに対向した状態で外筒２内に設置される。

第一通路形成部材３の外周面７は、円筒状通路５ａに対応した円筒状外周面７ａと、先細り状通路５ｂに対応した先細り状外周面７ｂとで構成され、この第一通路形成部材３は、円筒状外周面７ａを外筒２に固着することにより固定されている。

他方、第二通路形成部材４の外周面８は第二通路形成部材４の全長に亘って延びる円筒状の外周面で構成され、好ましくは、この円筒状外周面８にねじ山が形成されて、これに対応する外筒２のねじ山に螺合される。この第二通路形成部材４と外筒２とのねじ部を参照符号９で示してある。

上述したように外筒２内に配置した第一、第二通路形成部材３、４は互いに対向して配置されているが、図１から分かるように、第一、第二の通路形成部材３、４は離間して配設され、第一通路形成部材３と第二通路形成部材４との間に環状の隙間１０が形成されている。図中、参照符号Ｃは第一通路形成部材３と第二通路形成部材４の離間距離つまり環状隙間１０の幅を示す。

第一通路形成部材３の外周面７のうち外筒２の深部に位置する外周面７ｂを先細り形状としたことによって、第一、第二の通路形成部材３、４の間の環状隙間１０の周りに位置し且つ外筒２との間に形成される環状空間１１は外筒２の上流側に延長され、環状空間１１は、外筒２と第一通路形成部材３との間の断面略三角形状の空間となる。

外筒２にはガス導入ポート１２が設けられている。このガス導入ポート１２は、環状空間１１に臨んで位置決めされている。このガス導入ポート１２の配置位置について詳しく説明すると、典型例としてガス導入ポート１２を大気開放して外気のエアを直接導入する場合には、ガス導入ポート１２を、外筒２の深部に位置する第一通路形成部材３の先細り状外周面７ｂの先端よりも上流側に変位して配置するのがよく、好ましくは、ガス導入ポート１２は断面略三角形状の環状空間１１の長手方向中間部分に臨む位置に配置される。この配置例において、ガス導入ポート１２に取り込むガスはオゾンガスや二酸化炭素のようにエア以外のガスであっても良いのは勿論であり、この場合、大気圧と同等又はそれよりも若干高い程度の低圧に調整してガス導入ポート１２に供給される。

エアポンプやコンプレッサを含むエア源などから圧力下でガスをガス導入ポート１２に供給する場合には、ガス導入ポート１２の配置位置は任意であり、環状空間１１の形状や大きさも任意である。例えば、第一通路形成部材３の外周面７を、該第一通路形成部材３の全長に亘って円筒状にして、環状空間１１を、第一、第二の通路形成部材３、４の間の環状隙間１０に対応した部分に限定した形状にした場合には、ガス導入ポート１２の配置位置を、第一、第二の通路形成部材３、４の間の環状隙間１０に対応した位置に設定することができる。

なお、図１の参照符号１３は、第二通路形成部材４の外筒２の深部に位置する端面に形成されたリング状の切欠きを示し、このリング状切欠き１３は上述した環状空間１１に開口している。図1の変形例を図２に示す。図２を見ると分かるように、変形例のマイクロバブル生成装置２０は、図１に例示のノズル１と、唯一、第二通路形成部材４が異なっており、第二通路形成部材４には上述した環状切欠き１３が存在していない。

図１のマイクロバブル生成装置１、すなわちマイクロバブル生成ノズルは、外筒２の深部に位置する第一通路形成部材３及び第二通路形成部材４の内端３ａ、４ａによって絞り部が構成されたベンチュリー管として機能する。マイクロバブル生成装置１の入口を構成する第一通路形成部材３の外端３ｂ（図面では右端）から液体が導入され、マイクロバブル生成装置１の出口を構成する第二通路形成部材４の外端４ｂ（図面では左端）からマイクロバブルを含有する液体が吐出される。マイクロバブル生成装置１を通過する液体は、ベンチュリー効果によって上記絞り部で圧力が降下し、この圧力低下によって、環状隙間１０を通じてその周囲の環状空間１１内のガスが自力で液体中に吸引される。そして環状空間１１にはガス導入ポート１２を通じて外部からガス（典型的にはエア）が取り込まれる。

したがって、マイクロバブル生成装置１に連続的に液体を供給すると、マイクロバブル生成装置１内を通過する液体流れの中に、環状隙間１０を通じてガスが連続的に吸引される。上記絞り部でガスを取り込んだ液体流れは、液体の流れ方向に徐々に拡径する第二通路形成部材４の通路６ｂで流速が低下すると共に圧力が上昇し、この圧力変化によって液体流れ中のガスが微細化されてマイクロバブルとなる。

実施例のマイクロバブル生成装置１によれば、ベンチュリーの絞りによる圧力降下によってガスを液体中に自力で取り込むことからガスを液体中に供給するためのコンプレッサやエアポンプなどの圧力下でガスを供給するためのガス源を基本的には必要としない。加えて、マイクロバブル生成装置１は、外筒２と、第一通路形成部材３と、第二通路形成部材４の三つの部材で構成してあるため、ベンチュリー式のマイクロバブル生成装置の製造が容易であり、更に、第一、第二通路形成部材３、４の離間距離Ｃつまり環状隙間１０の幅の設定が自在である。

また、上記環状隙間１０の幅を調整可能にするために、図１、図２の例では、第一通路形成部材３を外筒２に固着し、第二通路形成部材４を外筒２に螺着して第二通路形成部材４を変位可能にしてあるが、これは相対的な問題に過ぎず、これとは逆に第二通路形成部材４を外筒２に固着し、第一通路形成部材３を外筒２に螺着するようにしてもよい。あるいは、第一、第二通路形成部材３、４を共に外筒２に螺着して、第一及び／又は第二通路形成部材３、４を変位させることにより離間距離Ｃを調整できるようにしてもよい。勿論、第一、第二通路形成部材３、４を共に外筒２に対して固着するようにしてもよい。

また、第一及び／又は第二通路形成部材３、４の先端３ａ、４ａの内径ＩＤ_１、ＩＤ_２を拡大したいときには、第一及び／又は第二通路形成部材３、４の先端部分の任意の部分を切断することで第一及び／又は第二の通路形成部材３、４の先端３ａ、４ａの内径を拡大することができる。これにより、例えば第一、第二通路形成部材３、４の先端３ａ、４ａの内径の値を小さく設計（例えば第一、第二通路形成部材３、４を先細り状通路５ｂ、６ｂの全長を長めに設計）して量産しておき、マイクロバブル生成装置１の適用環境に応じて先端３ａ、４ａを切断することにより、マイクロバブル生成装置１を通過する液体の圧力や流量に適した第一及び／又は第二通路形成部材３、４の先端３ａ、４ａの内径に調整することができる。

上述した第一、第二通路形成部材３、４の離間距離Ｃ及びベンチュリーの絞り部分を構成する第一、第二通路形成部材３、４の先端３ａ、４ａの内径ＩＤ_１、ＩＤ_２は、液体中のマイクロバブルの直径に影響を及ぼすことが実験で分かった。具体的に説明すると、ガス導入ポート１２を大気開放にすることを前提として、マイクロバブル生成装置１の全長（外筒２の全長）が４０mm、第一、第二通路形成部材３、４の外端３ｂ、４ｂの内径が１０mmのマイクロバブル生成装置１を製造し、第一、第二通路形成部材３、４の先端３ａ、４ａの内径ＩＤ_１、ＩＤ_２及び第一、第二通路形成部材３、４間の離間距離Ｃを変化させて試験したところ、先端３ａの内径ＩＤ_１＝約３mm、先端３ｂの内径ＩＤ_２＝約３mm、Ｃ＝約0.7mmに調整したときが最も効率良くエアが液体中に取り込まれ且つ直径の整った小さなマイクロバブル（平均直径＝約50μm）を生成することができた。

また、ガス導入ポート１２を大気開放して外気を取り込む場合には、第一、第二通路形成部材３、４との間に臨んでガス導入ポート１２を配置した場合に比べて、これよりも外筒２の上流側に変位した位置にガス導入ポート１２を配置した方が明らかにマイクロバブルの量を多く生成することができた。

ちなみに、この試験は、マイクロバブル生成装置１に対して水圧を2.4Kgf/cm^２に調整した水を２０〜３０リットル/分の流量で供給してマイクロバブルの発生状態を観察した。ところで、水道水の圧力は、一般的には、５〜７kgf/cm^２であり、真夏の節水時には2.5〜３Kgf/cm^２である。したがって、マイクロバブル生成装置１に供給する液体Ｌとして水道水の蛇口から吐出される水を用いるのであれば、上記の平均直径50μmよりも小さな直径のマイクロバブルを作ることができることは言うまでもない。

図１や図２に例示のマイクロバブル生成装置１、２０の変形例を図３に示す。図３に例示のマイクロバブル生成装置３０にあっては、第一、第二通路形成部材３、４の内部通路の形状が上述した実施例の生成装置１とは異なっており、その全長に亘って徐々に直径が変化する通路形状を有している。すなわち、第２変形例のマイクロバブル生成装置３０にあっては、第一、第二通路形成部材３、４の内部通路５、６が全長に亘って先細り状通路５ｂ、６ｂで構成されている。

図４は更なる変形例のマイクロバブル生成装置３５を示す。図４に図示の生成装置３５にあっては、第一、第二通路形成部材３、４の内部通路５、６に関し、第一、第二通路形成部材３、４の先端部に円筒状の絞り通路５ｃ、６ｃが設けられ、この絞り通路５ｃ、６ｃに先細り状通路５ｂ、６ｂが連なる構成が採用されている。

図１〜図４に図示したマイクロバブル生成装置１、２０、３０、３５は、洗濯機、食器洗浄機、手洗い、足浴などに適用することができ、また、湖、池、ダムなどの閉鎖水域、水棲生物の養殖、汚水処理などでの水質浄化又は水質改善、洗濯機において排水に含まれる界面活性剤の除去などに適用でき、更に、農業用水、蠣の養殖などにも適用することができる。

図１〜図４に例示のマイクロバブル生成装置１、２０、３０、３５には、外筒２の吐出側端部にねじ山１４が形成され、このねじ山１４を使って図５に示すバブル微小化器具１５がマイクロバブル生成装置１（２０、３０、３５）に脱着可能に装着することができる。以下に、代表例として図１のマイクロバブル生成装置１に装着する場合を想定してバブル微小化器具１５を図５、図６に基づいて説明する。

バブル微小化器具１５は、断面円形の筒体１６を有し、この筒体１６の内径は生成装置１の外筒２の外径と実質的に同じである。筒体１６の一端部には、その内周面にねじ山１６ａが形成され、このねじ山１６ａをノズル外筒２の吐出端部のねじ山１４に螺合することにより、バブル微小化器具１５がマイクロバブル生成装置１の先端部に装着される。

バブル微小化器具１５は、その筒体１６の内部に傾斜孔付きプレート１７が配設されている。この傾斜孔付きプレート１７は、その全域に数多くの貫通孔１７ａを有し、各貫通孔１７ａは、図６に示すように、プレート１７の中心線ＣＬに対して捻れ方向に傾斜した状態で形成されており、これにより傾斜孔付きプレート１７を通過した液体は旋回流となる。傾斜孔付きプレート１７を挟んで筒体１６の下流部分には、筒体１６の内部に臨んで超音波発生器１８が複数設けられている。

バブル生成装置１にバブル微小化器具１５を装着することで、バブル生成装置１から吐出されるマイクロバブルを含有した液体に超音波を照射してマイクロバブルを微小化及び／又はマイクロバブルの直径を平準化することができる。また、バブル微小化器具１５に傾斜孔付きプレート１７を設けて液体の流れを旋回流に変化させたことから、バブル微小化器具１５を通過するマイクロバブル含有液体に対して超音波を満遍なく照射することができる。

図７は、水道水の蛇口４０に接続したホース４１に対して、バブル微小化器具１５を装着したバブル生成装置１（２０、３０又は３５）を接続してマイクロバブル（エア）を含有した水を水槽４２に貯留するのに好適なマイクロバブル生成設備を図示してある。図示のマイクロバブル生成設備によれば、エアポンプやコンプレッサ無しに外気を自力で吸引させてマイクロバブルを生成することができる。任意であるが、水槽４２に貯留した水を配管４３を通じてポンプ４４で汲み上げて循環させるようにしてもよい。なお、図５中の参照符号４５は切り替え弁である。このシステムは、使用する水道水の平均圧力に基づいてマイクロバブル生成装置１（２０、３０又は３５）を調整又は設計することから循環ポンプ４４は比較的低圧のポンプで足りる。

図８は、池、ダム、湖などの水質改善に適用したマイクロバブル生成設備を示す。図示のマイクロバブル生成設備は、バブル微小化器具１５を装着した複数のマイクロバブル生成装置１（２０、３０又は３５）（図面では、代表例として参照符号１だけを付してある）が互いに間隔を置いてパイプ５０に取り付けられている。このパイプ５０には、地上の貯水タンク５１から第一ポンプ５２を通じて水が供給され、そして、地上タンク５１には、配管５３及び第二ポンプ５４で汲み上げた湖水が補充される。ノズル１のガス導入ポート１２（図６では図示を省いてある）にはチューブ５５を通じてエアポンプ又はコンプレッサ５６からエアが供給されるが、チューブ５５に供給されるエアの圧力は大気圧よりも僅かに高い圧力で足りる。すなわち、パイプ５０の末端に位置するマイクロバブル生成装置１のガス導入ポート１２で計測したときに大気圧又はそれよりも若干高い圧力のエアが供給できる程度の圧力下でエアポンプ又はコンプレッサ５６などのエア源からチューブ５５を通じて各マイクロバブル生成装置１にエアが供給される。この図５のマイクロバブル生成設備にあっても、複数のマイクロバブル生成装置１に水を供給する第一ポンプ５２は比較的低圧のポンプでよく、また、エアポンプ又はコンプレッサ５６においても低圧用のコンプレッサで足りる。

図７は、例えば牡蠣や海水魚、淡水魚の養殖エリアの海水（淡水）の水質改善及び溶存酸素濃度を増加させるのに好適なマイクロバブル生成設備を示す。このマイクロバブル生成設備は実質的に図５のシステムと同様であるので、図６の説明で使用した参照符号を付すことにより各要素の説明を省略するが、海水を貯留する地上タンク５１や第一、第二ポンプ５２、５４などは養殖いかだ６０に設置され、パイプ５０は水中に略鉛直状態で設置される。第一、第二ポンプ５２、５４などの動力源として、例えば養殖いかだ６０に設置したソーラーバッテリシステム（図示せず）を採用するのが好ましい。

以上、バブル微小化器具１５を図１乃至図４に例示のマイクロバブル生成装置１、２０、３０、３５に装着した例を説明したが、これに限定されることなく、任意のマイクロバブル生成装置に装着してもよいことは言うまでもない。勿論、マイクロバブル生成装置１、２０、３０、３５とバブル微小化器具１５とを一体化して設計をしてもよい。

実施例のバブル微小化器具を装着するのに好適な例示としてマイクロバブル生成装置の断面図である。 図１のマイクロバブル生成装置の第１変形例の断面図である。 図１のマイクロバブル生成装置の第２変形例の断面図である。 図１のマイクロバブル生成装置の第３変形例の断面図である。 実施例のバブル微小化器具の断面図である。 図５のバブル微小化器具に設けられた傾斜孔付きプレートの各貫通孔を説明するための図である。 例えば浴槽や足浴などの適用に適したマイクロバブル生成設備の全体構成図である。 例えば湖水の水質改善に適したマイクロバブル生成設備の全体構成図である。 蠣などの養殖エリアの海水の水質改善や溶存酸素濃度を向上するのに適したマイクロバブル生成設備の構成図である。

符号の説明

１ マイクロバブル生成装置
１５ バブル微小化器具
１６ 筒体
１７ 傾斜孔付きプレート
１７ａ 傾斜孔付きプレートの各貫通孔
１８ 超音波発生器

Claims (3)

1. マイクロバブルを含有した液体を吐出する吐出口に超音波を照射する超音波発生器を設けたことを特徴とするマイクロバブル生成装置。
2. 前記マイクロバブル生成装置の吐出口に、該吐出口を通過するマイクロバブル含有液体を旋回流にするための傾斜孔付きプレートが設けられ、該傾斜孔付きプレートの下流側に前記超音波発生器が配設されている、請求項１に記載のマイクロバブル生成装置。
3. マイクロバブルを生成するマイクロバブル生成装置の吐出口に装着するバブル微小化器具であって、
   前記マイクロバブル生成装置の吐出口から吐出されるマイクロバブル含有液体を受け入れる筒体と、
   該外筒に配設されて該外筒内を通過する前記マイクロバブル含有液体に超音波を照射する超音波発生器とを有することを特徴とするバブル微小化器具。

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