JP2011158218A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高圧下で使用した場合であっても、フロートによりオイルレベルを的確に検知する。
【解決手段】本発明は、圧縮機１１と、ガスクーラ４６と、電動膨張弁６２Ａ、６２Ｂと、蒸発器６３Ａ、６３Ｂとから冷媒回路１が構成され、高圧側が超臨界圧力となる冷凍装置Ｒにおいて、圧縮機１１のオイルレベルを検知するためのフロートスイッチ３１を備え、フロートスイッチ３１は、所定の強度を有し、且つ、中まで詰まっているフロート３４と、フロート３４の上下動を検出する上限・下限レベルスイッチ５０、５１と、フロート３４の浮力を調整するバネ５９とを有する。
【選択図】図４

Description

本発明は、圧縮手段と、ガスクーラと、絞り手段及び蒸発器とから冷媒回路が構成され、高圧側が超臨界圧力となる冷凍装置に関するものである。

従来よりこの種冷凍装置は、圧縮手段、ガスクーラ、絞り手段等から冷凍サイクルが構成され、圧縮手段で圧縮された冷媒がガスクーラにて放熱し、絞り手段にて減圧された後、蒸発器にて冷媒を蒸発させて、このときの冷媒の蒸発により周囲の空気を冷却するものとされていた。近年、この種冷凍装置では、自然環境問題などからフロン系冷媒が使用できなくなってきている。このため、フロン冷媒の代替品として自然冷媒である二酸化炭素を使用するものが開発されている。当該二酸化炭素冷媒は、高低圧差の激しい冷媒で、臨界圧力が低く、圧縮により冷媒サイクルの高圧側が超臨界状態となることが知られている（例えば、特許文献１参照）。

ここで、圧縮手段を構成する圧縮機の密閉容器内には摺動部の潤滑と圧縮機構部のシールを行うためにオイルが所定量封入される。このオイルは、圧縮機から冷媒と共に吐出されるため、オイルを密閉容器内に戻すべく、冷媒吐出管の下流側にオイルセパレータを設けていた。このオイルセパレータにはオイル戻し管が取り付けられており、その他端は、密閉容器に接続されている。そして、圧縮機から冷媒と共に吐出されたオイルは、オイルセパレータにて分離され、オイル戻し管を介して密閉容器内に戻されていた。

オイル戻し管から密閉容器内に戻るオイル量が多いと、オイルセパレータ内のオイルが枯渇してしまう。オイルセパレータ内のオイルが枯渇すると、圧縮機からオイルセパレータ内に吐出された冷媒ガスの密閉容器内へ返戻を招き、冷凍サイクル装置の冷凍効率が著しく低下してしまう。他方、密閉容器内のオイルが不足すると摺動部の焼き付きやシール性の低下が発生するようになる。そのため、当該密閉容器内のオイル面高さを検出するオイルレベルスイッチが、密閉容器内又は密閉容器内と連通管を介して配設される容器内に設けられている。

特公平７−１８６０２号公報

従来のオイルレベルスイッチは、密閉容器内又は容器内のオイル面にその浮力によって浮かぶフロートを設け、オイル面の変動によって上下動するフロートに基づき、密閉容器内又は容器内のオイルレベルを制御する。しかし、上述したような圧縮機の密閉容器内又はこれと連通して設けられる容器内の圧力は内部中間圧であっても約８ＭＰａほどに高くなる。また、内部高圧の場合には、１２ＭＰａ以上にまで上昇することとなる。このような極めて高い圧力条件下で通常のフロートを使用すると、フロートが潰れてしまい、所定の浮力を確保することができず、精度の高いオイルレベル制御を実現することができないこととなる。

本発明は、従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、高圧下で使用した場合であっても、フロートによりオイルレベルを的確に検知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、圧縮手段と、ガスクーラと、絞り手段と、蒸発器とから冷媒回路が構成され、高圧側が超臨界圧力となる冷凍装置において、圧縮手段のオイルレベルを検知するためのフロートスイッチを備え、このフロートスイッチは、所定の強度を有し、且つ、中まで詰まっているフロートと、このフロートの上下動を検出するスイッチと、前記フロートの浮力を調整する浮力調整手段とを有することを特徴とする。

請求項２の発明は、上記発明において、フロートは、少なくとも８ＭＰａ以上の高圧であっても圧壊しない強度を有する樹脂により構成することを特徴とする。

請求項３の発明は、圧縮手段と、ガスクーラと、絞り手段と、蒸発器とから冷媒回路が構成され、高圧側が超臨界圧力となる冷凍装置において、圧縮手段のオイルレベルを検知するためのフロートスイッチを備え、このフロートスイッチは、外殻及び該外殻内に充填されて強度を維持するための充填材から成るフロートと、このフロートの上下動を検出するスイッチと、フロートの浮力を調整する浮力調整手段とを有することを特徴とする。

請求項４の発明は、上記各発明に加えて、浮力調整手段は、フロートを上昇させる方向に付勢するバネであることを特徴とする。

請求項５の発明は、上記請求項１乃至請求項３において、浮力調整手段は、一端にフロートを有し、他端に所定の重量材を有するシーソーであることを特徴とする。

請求項６の発明は、上記各発明において、冷媒として二酸化炭素を使用したことを特徴とする。

本発明によれば、圧縮手段と、ガスクーラと、絞り手段と、蒸発器とから冷媒回路が構成され、高圧側が超臨界圧力となる冷凍装置において、圧縮手段のオイルレベルを検知するためのフロートスイッチを備え、このフロートスイッチは、所定の強度を有し、且つ、中まで詰まっているフロートと、このフロートの上下動を検出するスイッチと、フロートの浮力を調整する浮力調整手段とを有するので、請求項５の発明の如く冷媒として二酸化炭素を使用した場合など容器内が極めて高い圧力となる場合にも、フロートが潰れてしまう不都合を回避でき、的確に圧縮手段内のオイルレベルを検知することが可能となる。

また、フロートの浮力を調整する浮力調整手段を備えているため、フロートの浮力を補助することができ、フロートの的確な上下動を実現することができる。

また、フロートは、請求項２の発明の如く少なくとも８ＭＰａ以上の高圧であっても圧壊しない強度を有する樹脂により構成することにより、容易に本願発明を構成することができる。

更に、フロートは、請求項３の発明の如く外殻及び該外殻内に充填されて強度を維持するための充填材から構成した場合であっても、フロートが潰れてしまう不都合を回避でき、的確に圧縮手段内のオイルレベルを検知することが可能となる。

特に、請求項４の発明によれば、上記各発明において、浮力調整手段は、上昇させる方向に付勢するバネにより構成することで、フロートスイッチの小型化を図ることができる。

また、請求項５の発明によれば、上記請求項１乃至請求項３において、浮力調整手段は、一端にフロートを有し、他端に所定の重量材を有するシーソーにより構成することで、当該浮力調整手段による浮力調整を容易なものとすることができる。

本実施例における冷凍装置の冷媒回路図である。 フロートスイッチの内部透視正面図である。 内部透視側面図である。 容器を取り外した状態の一部断面概略構成図である。 容器を取り外した状態の一部断面概略構成図である。 制御装置のブロック図である。 他の実施例としてのフロートスイッチの概略構成図である。 他の実施例としてのフロートスイッチの容器を取り外した状態の一部断面概略構成図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の実施形態にかかる冷凍装置Ｒの冷媒回路図である。本実施例における冷凍装置Ｒは、冷凍機ユニット３と複数台のショーケースユニット５Ａ、５Ｂとを備え、これら冷凍機ユニット３と各ショーケースユニット５Ａ、５Ｂとが、冷媒配管７及び９により連結されて所定の冷凍サイクルを構成する。

この冷凍サイクルは、高圧側の冷媒圧力（高圧圧力）がその臨界圧力以上（超臨界）となる二酸化炭素を冷媒として用いる。この二酸化炭素冷媒は、地球環境に優しく、可燃性及び毒性等を考慮した自然冷媒である。また、潤滑油としてのオイルは、例えば鉱物油（ミネラルオイル）、アルキルベンゼン油、エーテル油、エステル油、ＰＡＧ（ポリアルキルグリコール）等、既存のオイルが使用される。

冷凍機ユニット３は、並列に配置された２台の圧縮機１１、１１を備える。本実施例において、圧縮機１１は、内部中間圧型多段圧縮式ロータリ圧縮機であり、鋼板から成る円筒状の密閉容器１２と、この密閉容器１２の内部空間の上側に配置収納された駆動要素としての電動要素１４及びこの電動要素１４の下側に配置され、電動要素１４の回転軸１６により駆動される第１の回転圧縮要素１８及び第２の回転圧縮要素２０から成る回転圧縮機構部にて構成されている。

第１の回転圧縮要素１８は、冷媒配管９を介して冷媒回路１の低圧側から圧縮機１１に吸い込まれる低圧冷媒を圧縮して中間圧まで昇圧して吐出し、第２の回転圧縮要素２０は、第１の回転圧縮要素２０で圧縮されて吐出された中間圧の冷媒を更に吸い込み、圧縮して高圧まで昇圧し、冷媒回路１の高圧側に吐出する。圧縮機１１は、周波数可変型の圧縮機であり、電動要素１４の運転周波数を変更することで、第１の回転圧縮要素１８及び第２の回転圧縮要素２０の回転数を制御可能とする。

圧縮機１１の密閉容器１２の側面には、第１の回転圧縮要素１８に連通する低段側吸込口２２及び低段側吐出口２４と、第２の回転圧縮要素２０に連通する高段側吸込口２６及び高段側吐出口２８が形成されている。各圧縮機１１、１１の低段側吸込口２２、２２には、それぞれ冷媒導入管３０が接続され、それぞれの上流側で合流し冷媒配管９に接続される。

低段側吸込口２２により第１の回転圧縮要素１８の低圧部に吸い込まれた低圧（ＬＰ：通常運転状態で４ＭＰａ程）の冷媒ガスは、当該第１の回転圧縮要素１８により中間圧（ＭＰ：通常運転状態で８ＭＰａ程）に昇圧されて密閉容器１２内に吐出される。これにより、密閉容器１２内は中間圧（ＭＰ）となる。

そして、密閉容器１２内の中間圧の冷媒ガスが吐出される各圧縮機１１、１１の低段側吐出口２４、２４には、それぞれ中間圧吐出配管３６、３６が接続され、それぞれの下流側で合流し、インタークーラ３８の一端に接続される。このインタークーラ３８は、第１の回転圧縮要素１８から吐出された中間圧の冷媒を空冷するものであり、当該インタークーラ３８の他端には、中間圧吸入管４０が接続され、この中間圧吸入管４０は２つに分岐した後に各圧縮機１１、１１の高段側吸込口２６、２６に接続される。

高段側吸込口２６により第２の回転圧縮要素２０の中圧部に吸い込まれた中圧（ＭＰ）の冷媒ガスは、当該第２の回転圧縮要素２０により２段目の圧縮が行われて高温高圧（ＨＰ：通常運転状態で１２ＭＰａ程の超臨界圧力）の冷媒ガスとなる。

そして、各圧縮機１１、１１の第２の回転圧縮要素２０の高圧室側に設けられた高段側吐出口２８、２８には、それぞれ高圧吐出配管４２、４２が接続され、それぞれの下流側で合流し、オイルセパレータ４４、ガスクーラ４６を介して冷媒回路７に接続される。

ガスクーラ４６は、圧縮機１１から吐出された高圧の吐出冷媒を冷却するものであり、ガスクーラ４６の近傍には当該ガスクーラ４６を空冷するガスクーラ用送風機４７が配設されている。

一方、ショーケースユニット５Ａ、５Ｂは、それぞれ店舗内等に設置され、冷媒配管７及び９にそれぞれ並列に接続されている。各ショーケースユニット５Ａ、５Ｂは、冷媒配管７と冷媒配管９とを連結するケース側冷媒配管６０Ａ、６０Ｂを有しており、各ケース側冷媒配管６０Ａ、６０Ｂには、それぞれストレーナ６１Ａ、６１Ｂと、絞り手段としての電動膨張弁６２Ａ、６２Ｂと、蒸発器６３Ａ、６３Ｂが順次接続されている。各蒸発器６３Ａ、６３Ｂには、それぞれ当該蒸発器に送風する図示しない冷気循環用送風機が隣接されている。そして、当該冷媒配管９は、上述したように冷媒導入管３０を介して各圧縮機１１、１１の第１の回転圧縮要素１８に連通する低段側吸込口２２に接続されている。これにより、本実施例における冷凍装置Ｒの冷媒回路１が構成される。

他方、上述した如きオイルセパレータ４４は、圧縮機１１から吐出された高圧の吐出冷媒中に含まれるオイルを冷媒と分離して捕捉するものであり、このオイルセパレータ４４には、捕捉したオイルを圧縮機１１に戻すオイル戻し回路７３が接続されている。このオイル戻し回路７３中には、捕捉したオイルを冷却するオイルクーラ７４が設けられ、このオイルクーラ７４の下流側で、オイル戻し回路７３は２系統に分岐され、それぞれストレーナ７５及び流量調整弁（電動弁）７６を介して圧縮機１１の密閉容器１２に接続される。圧縮機１１の密閉容器１２内は、上述のように中間圧に保たれるため、捕捉されたオイルは、オイルセパレータ４４内の高圧と密閉容器１２内の中間圧との差圧によって当該密閉容器１２内に戻される。また、圧縮機１１の密閉容器１２には、この密閉容器１２内に保有するオイルのレベルを検出するフロートスイッチ３１が設けられている。

ここで、図２乃至図５を参照してフロートスイッチ３１について詳述する。図２はフロートスイッチ３１の内部透視正面図、図３は内部透視側面図、図４は容器３２を取り外した状態の一部断面概略構成図、図５は同じく容器３２を取り外した状態の一部断面概略構成図をそれぞれ示している。

フロートスイッチ３１は、容器３２内に固定された管状の支柱３３と、この支柱３３に挿入され上下動するフロート３４と、このフロート内に取り付けられた磁石３７と、前記支柱３３内に設けられたリードスイッチ（スイッチ。図３乃至図５にて取付高さ位置を明示する）５０、５１と、このリードスイッチ５０、５１に接続され支柱３３の上部から引き出されたリード線５３と、前記容器３２の下部と対応する圧縮機１１の下部を接続する油配管５４と、容器３２の上部と圧縮機１１とを接続する均圧管５５とから構成されている。

図４及び図５に示すように、支柱３３の下端部には、下ストッパー５６が取り付けられており、上部には、容器３２の上部開口を閉塞する蓋部５７が設けられている。そして、これら下ストッパー５６と蓋部５７との間には、上ストッパー５８が設けられ、当該上ストッパー５８との間を上下動可能にフロート３４が設けられている。

容器３２内のオイルレベルは圧縮機１１の容器１２内のオイルレベルに応じて変動する。そのため、容器３２内に設けられたフロート３４は、容器３２内のオイルレベルの変動に応じて上下に浮遊し、フロート３４の高さ位置が変動することによって、フロート３４内に設けられる磁石３７の磁力により、上限レベルを検出するスイッチ（上限レベルスイッチ）５０の上接点及び下限レベルを検出するスイッチ（下限レベルスイッチ）５１の下接点が開閉される。

具体的には、容器３２内のオイルレベルが上限レベルＨＬより上回ると上限レベルスイッチ５０の上接点がＯＮし、この上限レベルＨＬを下回ると上限レベルスイッチ５０の上接点がＯＦＦする。そして、容器３２内のオイルレベルが下限レベルＬＬを下回ると下限レベルスイッチ５１の下接点がＯＮし、この下限レベルＬＬを上回ると下接点がＯＦＦする。

本実施例において、フロート３４は、所定の強度を有し、且つ、中まで詰まっている固形体７０により構成されている。当該固形体７０は、内部に空洞や気泡を有しない、中空でない構成とされており、少なくとも８ＭＰａ以上、望ましくは、１２ＭＰａ程度の高圧であっても圧壊しない強度を有し、且つ、超臨界二酸化炭素及び潤滑油に耐性のある材料、例えば、ＬＣＰ（液晶ポリマー）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）、所謂フッ素樹脂（四フッ化エチレン樹脂）等の樹脂により構成される。

そして、このフロート３４の下端部と対向する位置に下ストッパー５６が設けられており、当該フロート３４と下ストッパー５６との間には、フロート３４と共に支柱３３に挿通されるバネ５９が取り付けられている。

このバネ５９は、下端が下ストッパー５６の上部に保持され、上端がフロート３４の下部に保持されて、当該フロート３４を上昇させる方向に付勢される。バネ５９は、フロート３４の浮力を調整する浮力調整手段であり、当該バネ５９の付勢力は、フロート３４の重量と、冷凍装置Ｒに採用されるオイルの種類に応じて、当該フロート３４の浮力を補助可能な程度に調整される。

一方、冷凍装置Ｒは、汎用のマイクロコンピュータにより構成される制御装置（制御手段）Ｃを備えている。当該制御装置Ｃは、図６に示すように入力側に上述した如きフロートスイッチ３１の上限・下限レベルスイッチ５０、５１及び図示しない圧力センサや温度センサなどの各種センサが接続されている。出力側には、圧縮機１１、１１、ガスクーラ用送風機４７、電動膨張弁６２Ａ、６２Ｂ、流量調整弁（電磁弁）７６、７６等が接続されている。

以上の構成により、オイルセパレータ４４から各圧縮機１１、１１へのオイル戻し制御について説明する。フロートスイッチ３１の容器３２内のオイルが適量の場合、即ち、オイルレベルが上限レベルＨＬより低く下限レベルＬＬを上回っている場合、上限・下限レベルスイッチ５０、５１はＯＦＦであるため、制御装置Ｃに信号を出力しない。

一方、圧縮機１１内のオイルが多く、フロートスイッチ３１の容器３２内のオイルレベルが上限レベルＨＬを上回っている場合、容器３２内のフロート３７は、その浮力及び当該浮力を調整するバネ５９の付勢力によって上昇し、上側に設けられた上限レベルスイッチ５０の上接点がＯＮとなる。これにより、制御装置Ｃは、当該上限レベルスイッチ５０からのＯＮ信号により対応する流量調整弁７６を閉じる。これにより、オイルセパレータ４４から対応する圧縮機１１へのオイルの供給はなくなり、圧縮機１１内のオイルレベルは適切な高さに維持される。

他方、圧縮機１１内のオイルが少なく、フロートスイッチ３１の容器３２内のオイルレベルが下限レベルＬＬを下回っている場合、容器３２内のフロート３７は、オイルレベルに応じて降下し、下側に設けられた下限レベルスイッチ５１の下接点がＯＮとなる。これにより、制御装置Ｃは、当該下限レベルスイッチ５１からのＯＮ信号により対応する流量調整弁７６を開く。これにより、オイルセパレータ４４から対応する圧縮機１１へオイルが供給され、圧縮機１１内のオイルレベルは適切な高さに維持される。

制御装置Ｃは、容器３２内のオイルレベルが上昇し、フロート３４が下限レベルスイッチ５１の下接点をＯＦＦとした時点で、流量調整弁７６を閉じ、これにより、オイルの供給が停止される。これにより、圧縮機１１内のオイルレベルは適量に維持される。

ここで、フロートスイッチ３１は、フロート３４が所定の強度を有する中まで詰まっている固形体７０により構成されているため、本実施例の如く冷媒として二酸化炭素を使用した場合など容器３２内が極めて高い圧力（例えば、１２ＭＰａ）となる場合にも、フロート３４が潰れてしまう不都合を回避でき、的確に圧縮機１１内のオイルレベルを検知することが可能となる。また、固形体７０は、内部に空洞や気泡を有しない構成とされていることから、内部に冷媒が内部で膨張するなどの不具合を回避することができる。尚、固形体７０は、無垢材料にて構成されていても良く、固形体を複数接合して構成されたものであっても良い。

更に、フロート３４は、上昇させる方向に付勢するバネ５９により浮力を調整しているため、フロート３４の浮力を当該バネ５９の付勢力によって補助することができ、フロート３４の的確な上下動を実現することができる。従って、固形体７０により構成されることで、浮力が小さくなったフロート３４であっても、その浮力をバネ５９によって調整することができ、フロート３４の圧壊を回避しつつ的確なオイルレベル検知を可能とする。

特に、本実施例では、フロート３４を上昇させる方向に付勢するバネ４８によって浮力調整手段を構成しているため、フロートスイッチ３１自体の小型化を図ることができる。

尚、浮力調整手段は、当該バネ４８に限定されるものではなく、一端に上記フロート３４を有し、他端に所定の重量材を有するシーソーにより構成しても良い。即ち、図７に示すフロートスイッチ６４は、容器６５内に支柱６６が設けられ、当該支柱６６に作用辺６７が支点６７Ａを中心として回動自在に設けられる。そして、この作用辺６７の一端に上記フロート３４を設け、他端に重量材６８を設けることで当該フロート３４の浮力調整手段が構成される。容器６５内には、オイルレベルによって上下動するフロート３４により接点が開閉される上限・下限レベルスイッチ５０、５１が設けられる。これによっても、容器６５内のオイルレベルによって上下動するフロート３４によって上限・下限レベルスイッチ５０、５１の接点を開閉することで、上記同様、フロート３４の圧壊を回避しつつ的確なオイルレベル検知を可能とする。

この場合、重量材６８又はフロート３４の作用辺６７への取付位置を調整することによって、若しくは、重量材６８の重量を調整することによって、当該浮力調整手段による浮力調整を容易なものとすることができる。

また、上記実施例では、フロート３４を上述したような固形体７０により構成しているが、これに限定されるものではなく、例えば、図８に示すようにアルミニウム若しくはマグネシウム等の軽金属から成る内部中空状の外殻７１と、当該外殻７１内に充填されて、当該フロート３４自体の強度を維持するための充填材７２とから構成してもよい。なお、当該充填材７２は、上記固形体７０と同様に樹脂により構成される。

高圧となる容器３２内であっても、フロート３４は、外殻７１及びこの外殻７１内に充填されて強度を維持するための充填材７２により構成されているため、フロート３４が潰れてしまう不都合を回避でき、的確に圧縮機１１内のオイルレベルを検知することが可能となる。

Ｒ 冷凍装置
Ｃ 制御装置（制御手段）
１ 冷媒回路
３ 冷凍機ユニット
５Ａ、５Ｂ ショーケースユニット
７、９ 冷媒配管
１１ 圧縮機
３１、６４ フロートスイッチ
３２、６５ 容器
３３ 支柱
３４ フロート
３７ 磁石
４４ オイルセパレータ
５０ 上限レベルスイッチ
５１ 下限レベルスイッチ
５４ 油配管
５５ 均圧管
５６ 下ストッパー
５８ 上ストッパー
５９ バネ（浮力調整手段）
６６ 支柱
６７ 作用辺
６７Ａ 支点
６８ 重量材
７０ 固形体
７１ 外殻
７２ 充填材
７３ オイル戻し回路
７６ 流量調整弁（電動弁）

Claims (6)

1. 圧縮手段と、ガスクーラと、絞り手段と、蒸発器とから冷媒回路が構成され、高圧側が超臨界圧力となる冷凍装置において、
   前記圧縮手段のオイルレベルを検知するためのフロートスイッチを備え、
   該フロートスイッチは、所定の強度を有し、且つ、中まで詰まっているフロートと、該フロートの上下動を検出するスイッチと、前記フロートの浮力を調整する浮力調整手段とを有することを特徴とする冷凍装置。
2. 前記フロートは、少なくとも８ＭＰａ以上の高圧であっても圧壊しない強度を有する樹脂により構成することを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
3. 圧縮手段と、ガスクーラと、絞り手段と、蒸発器とから冷媒回路が構成され、高圧側が超臨界圧力となる冷凍装置において、
   前記圧縮手段のオイルレベルを検知するためのフロートスイッチを備え、
   該フロートスイッチは、外殻及び該外殻内に充填されて強度を維持するための充填材から成るフロートと、該フロートの上下動を検出するスイッチと、前記フロートの浮力を調整する浮力調整手段とを有することを特徴とする冷凍装置。
4. 前記浮力調整手段は、前記フロートを上昇させる方向に付勢するバネであることを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の冷凍装置。
5. 前記浮力調整手段は、一端に前記フロートを有し、他端に所定の重量材を有するシーソーであることを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の冷凍装置。
6. 前記冷媒として二酸化炭素を使用したことを特徴とする請求項１乃至請求項５のうちの何れかに記載の冷凍装置。

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