JP2012189059A - 廃熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温度作動アクチュエータを備えた廃熱回収装置において冷媒温度を望ましい温度に制御することができるようにする。
【解決手段】排気流入管４８と排気流出管４９との間には熱交換器１８及びバイパス管５０が並設されている。排気流入管４８の側方に配設された温度作動アクチュエータ５７は、排気流入管４８内の開閉弁５３の弁開度を制御する。温度作動アクチュエータ５７の熱膨張体６３を包囲する冷媒導入室６４と冷媒ヘッダータンク３０の第２ヘッダータンク室３０２とは、導入パイプ６５によって連通されている。冷媒導入室６４と冷媒ヘッダータンク３０の第４ヘッダータンク室３０４とは、排出パイプ６６によって連通されている。第２ヘッダータンク室３０２は、最上流ヘッダータンク室である第１ヘッダータンク室３０１より下流にあり、且つ最下流ヘッダータンク室である第４ヘッダータンク室３０４より上流にある。
【選択図】図４

Description

本発明は、温度作動アクチュエータを備えた廃熱回収装置に関する。

廃熱源（例えば内燃機関）の廃熱を回収する廃熱回収装置に用いられる熱交換器は、廃熱流体（排気ガスあるいはエンジン冷却用の冷却水）と冷媒との間で熱交換を行なう。廃熱によって加熱された高温高圧の冷媒は、膨張機に導入されて膨張機内で膨張する。膨張機は、冷媒の膨張によって回転エネルギーを得て発電機を駆動する。このような膨張機内の冷媒閉じ込め空間からの冷媒洩れを防止するためのシール部材の耐熱性の観点から、冷媒の温度をシール部材の耐熱温度以下に制御する必要がある。

特許文献１には、冷媒の温度を所定温度以下に制御するための温度作動アクチュエータを備えた廃熱回収装置が開示されている。
特許文献１に開示の廃熱回収装置では、排気ガスと熱交換を行なう熱交換器を迂回するバイパス経路が弁体によって開閉されるようになっており、前記弁体は、温度作動アクチュエータによって開駆動されるようになっている。温度作動アクチュエータは、熱膨張する熱膨張体（例えばワックス）の膨張によって伸長運動する。

熱交換器から排出された直後の媒体（冷媒）の温度が所定値以上になると、温度作動アクチュエータが伸長運動して弁体が開状態に駆動される。これにより、高温の排気ガスが熱交換器を迂回するバイパス経路を流れ、排気ガスと冷媒との熱交換による冷媒の異常な高温化が回避される。

特開２００８−１５７２１１号公報

熱交換器から排出された直後の冷媒の望ましい温度としては、前記の所定温度以下で可及的に高い温度であることが熱交換効率の観点からすると望ましい。しかし、耐熱温度がこの望ましい温度よりも低い温度である熱膨張体を用いた場合には、温度作動アクチュエータが望ましい冷媒温度よりも低い冷媒温度に感応して伸長運動していまい、冷媒温度を望ましい温度まで昇温させることができない。

本発明は、温度作動アクチュエータを備えた廃熱回収装置において冷媒温度を望ましい温度に制御することができるようにすることを目的とする。

本発明は、冷媒を循環させる冷媒通路が廃熱流体を導入する廃熱流体室を通されている熱交換器と、前記廃熱流体室を迂回するバイパス通路と、前記バイパス通路における通路断面積を調整する調整弁と、前記調整弁の弁開度を制御する温度作動アクチュエータとを備えた廃熱回収装置を対象とし、請求項１の発明では、前記熱交換器内における前記冷媒通路の上流端よりも下流、且つ前記熱交換器内における前記冷媒通路の下流端よりも上流から分岐する導入路が設けられており、前記導入路は、前記温度作動アクチュエータの感温部に接続されている。

熱交換器内の冷媒通路の上流端よりも下流、且つ熱交換器内の冷媒通路の下流端よりも上流の部位の冷媒温度は、熱交換器内の冷媒通路の上流端の冷媒温度よりも高く、且つ熱交換器内の冷媒通路の下流端の冷媒温度よりも低い。つまり、温度作動アクチュエータを作動させるための温度は、熱交換器から排出された直後の冷媒の望ましい温度よりも低い温度であり、望ましい冷媒温度よりも低い温度で作動する温度作動アクチュエータを用いた場合にも、冷媒温度を望ましい温度に制御することができる。

好適な例では、前記導入路は、前記感温部を通過して前記分岐の位置よりも下流の前記冷媒通路に合流接続されている。
好適な例では、前記熱交換器は、前記冷媒通路の一部であって少なくとも３つである複数のヘッダータンク室を有する冷媒ヘッダータンクを備えており、前記導入路は、前記複数のヘッダータンク室のうち最上流の最上流ヘッダータンク室と、最下流の最下流ヘッダータンク室との間の中間ヘッダータンク室から分岐されている。

中間ヘッダータンク室における冷媒温度は、最上流ヘッダータンク室の冷媒温度よりも高く、且つ最下流ヘッダータンク室の冷媒温度よりも低い。少なくとも３つのヘッダータンク室を有する冷媒ヘッダータンクは、導入路を分岐接続する対象として特に好適である。

好適な例では、前記導入路は、前記中間ヘッダータンク室より下流のヘッダータンク室に合流接続されている。

本発明は、温度作動アクチュエータを備えた廃熱回収装置において冷媒温度を望ましい温度に制御することができるという優れた効果を奏する。

一実施形態を示し、（ａ）は、廃熱回収装置の模式図。（ｂ）は、熱交換器及びバイパス管を示す平面図。 熱交換器の断面図。 図１（ｂ）のＡ−Ａ線断面図。 温度作動アクチュエータ及び冷媒ヘッダータンクを示す断面図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。
図１（ａ）に示すように、廃熱回収装置１１は、廃熱源としてのエンジン１２（燃焼機関）と、ランキンサイクル回路１３とを備えている。ランキンサイクル回路１３では、エンジン１２からの廃熱によって加熱される冷媒（作動流体）が循環する。廃熱回収装置１１を構成する回転電機１４は、ランキンサイクル回路１３の一部を構成している。ランキンサイクル回路１３は、膨張機１５、凝縮器１６、ギヤポンプ１７、及び熱交換器１８によって構成されている。回転電機１４は、膨張機１５、ギヤポンプ１７、オルタネータ２５（発電機）から構成される。

熱交換器１８は、ギヤポンプ１７と膨張機１５との間の第１冷媒流路１９上に設けられていると共に、エンジン１２に接続された排気通路２０上に設けられている。エンジン１２から排気通路２０へ排気された廃熱流体としての排気ガスの熱は、熱交換器１８を介して第１冷媒流路１９内の冷媒に伝達される。排気通路２０内の排気ガスは、マフラ２１から排気される。

なお、エンジン１２を冷却した冷却水（高温流体）は、冷却水循環経路２２を循環してラジエータ２３で放熱する。
熱交換器１８で加熱された高温高圧の冷媒は、第１冷媒流路１９を経由して膨張機１５に導入される。膨張機１５は、例えばスクロール式の膨張機である。

凝縮器１６は、膨張機１５とギヤポンプ１７との間の第２冷媒流路２４上に設けられている。膨張機１５は、膨張機１５内で膨張する冷媒を利用してギヤポンプ１７及びオルタネータ２５（発電機）を駆動する。駆動されたオルタネータ２５は、発電し、発電された電気は、バッテリ１０に蓄えられる。

膨張機１５で膨張した低圧の冷媒は、第２冷媒流路２４を経由して凝縮器１６へ送られる。凝縮器１６を通過した冷媒は、ギヤポンプ１７のポンプ作用により、ポンプ室に吸入されてポンプ室から第１冷媒流路１９へ吐出される。ポンプ室から吐出された冷媒は、熱交換器１８を経由して膨張機１５へ還流する。

第２冷媒流路２４及び第１冷媒流路１９は、冷媒を循環させる冷媒通路を構成する。
図１（ｂ）は、熱交換器１８と、排気通路２０の一部となる流路管２６，２７とを示す。エンジン１２から排気された排気ガスは、流路管２６側から熱交換器１８を通過して流路管２７側へ流れ、さらにマフラ２１側へ流れる。

次に、熱交換器１８の構造を説明する。
図２は紙面上方向が鉛直上方向である。図２に示すように、熱交換器１８は、廃熱流体ケース２８と冷媒ヘッダータンク３０とを備えている。廃熱流体ケース２８は、一対の側壁２９，３１と、側壁２９，３１間の底壁３２と、側壁２９，３１間の上壁３３とから構成されている。廃熱流体ケース２８内は、廃熱流体である排気ガスを導入して排出する廃熱流体室２８１となっており、流路管２６〔図１（ｂ）参照〕側の排気ガスが廃熱流体室２８１を通って流路管２７〔図１（ｂ）参照〕側へ流れる。

廃熱流体室２８１内には多数枚の放熱板３４が並設されており、各放熱板３４には偶数本の直管３５１，３６１，３５２，３６２，３５３，３６３が貫通されている。隣り合う最上位の一対の直管３５１，３６１の一端〔図２において左端〕は、Ｕ字管３７１によって互いに接続されている。隣り合う中位の一対の直管３５２，３６２の一端〔図２において左端〕は、Ｕ字管３７２によって互いに接続されており、隣り合う最下位の一対の直管３５３，３６３の一端〔図２において左端〕は、Ｕ字管３７３によって互いに接続されている。

直管３５１，３６１及びＵ字管３７１は、廃熱流体室２８１を通る冷媒通路の一部となる組管３８１を構成する。直管３５２，３６２及びＵ字管３７２は、廃熱流体室２８１を通る冷媒通路の一部となる組管３８２を構成し、直管３５３，３６３及びＵ字管３７３は、廃熱流体室２８１を通る冷媒通路の一部となる組管３８３を構成する。各直管３５１，３６１，３５２，３６２，３５３，３６３の他端部〔図２において右端部〕は、廃熱流体ケース２８の側壁２９を貫通している。

冷媒ヘッダータンク３０は、容器本体３９と横蓋４０とから構成されている。容器本体３９は、廃熱流体ケース２８の側壁２９に対向する対向壁４１と、対向壁４１から横蓋４０に向けて立設された周壁４２と、周壁４２の周内で対向壁４１から横蓋４０に向けて立設された複数の区画壁４３，４４，４５とから構成されている。区画壁４３は、冷媒ヘッダータンク３０内に第１ヘッダータンク室３０１を区画し、区画壁４３及び区画壁４４は、冷媒ヘッダータンク３０内に第２ヘッダータンク室３０２を区画する。区画壁４４及び区画壁４５は、冷媒ヘッダータンク３０内に第３ヘッダータンク室３０３を区画し、区画壁４５は、冷媒ヘッダータンク３０内に第４ヘッダータンク室３０４を区画する。

第１ヘッダータンク室３０１には流入管４６が周壁４２を貫通して通じており、第４ヘッダータンク室３０４には流出管４７が周壁４２を貫通して通じている。流入管４６及び流出管４７は、第１冷媒流路１９〔図１（ａ）参照〕の一部である。第１ヘッダータンク室３０１は、冷媒ヘッダータンク３０内における最上流ヘッダータンク室であり、第４ヘッダータンク室３０４は、冷媒ヘッダータンク３０内における最下流ヘッダータンク室である。第２ヘッダータンク室３０２及び第３ヘッダータンク室３０３は、最上流ヘッダータンク室と最下流ヘッダータンク室との間の中間ヘッダータンク室である。

廃熱流体ケース２８の側壁２９を貫通する直管３５１の端部は、冷媒ヘッダータンク３０の対向壁４１を貫通して第１ヘッダータンク室３０１に通じている。廃熱流体ケース２８の側壁２９を貫通する直管３６１，３５２の端部は、対向壁４１を貫通して第２ヘッダータンク室３０２に通じている。廃熱流体ケース２８の側壁２９を貫通する直管３６２，３５３の端部は、対向壁４１を貫通して第３ヘッダータンク室３０３に通じている。廃熱流体ケース２８の側壁２９を貫通して廃熱流体ケース２８外に突出する直管３６３の端部は、冷媒ヘッダータンク３０の対向壁４１を貫通して第４ヘッダータンク室３０４に通じている。

図３に示すように、排気通路２０〔図１（ａ）参照〕の一部となる排気流入管４８と、排気通路２０の一部となる排気流出管４９との間には熱交換器１８及びバイパス管５０が並列状態に設けられている。バイパス管５０の管内は、熱交換器１８（廃熱流体室２８１）を迂回するバイパス通路５０１である。排気流入管４８の出口端には接続プレート５１が止着されている。接続プレート５１には一対の接続孔５１１，５１２が貫設されている。接続孔５１１には流路管２６が嵌合されており、接続孔５１２にはバイパス管５０が嵌合されている。

排気流出管４９の入口端には接続プレート５２が止着されている。接続プレート５２には一対の接続孔５２１，５２２が貫設されている。接続孔５２１には流路管２７が嵌合されており、接続孔５２２にはバイパス管５０が嵌合されている。

排気流入管４８内には開閉弁５３が回動可能な支軸５４に止着されている。開閉弁５３は、支軸５４を中心にして、図３に実線で示す閉位置（位置規制片５５に接する位置）と、図３に鎖線で示す開位置との間で切り換え配置される。開閉弁５３は、図示しないねじりばねによって閉位置から開位置に向かう方向に付勢されている。開閉弁５３が閉位置にあるときには、排気流入管４８からバイパス管５０への排気ガスの流れが阻止される。開閉弁５３が開位置にあるときには、排気流入管４８からバイパス管５０への排気ガスの流れが許容される。開閉弁５３は、バイパス通路５０１における通路断面積を調整する調整弁である。

図４に示すように、支軸５４は、排気流入管４８の側面を貫通して排気流入管４８の外部に突出している。支軸５４の突出端部にはレバー５６が止着されている。レバー５６にはガイド孔５６１が形成されている。

排気流入管４８の側方には、開閉弁５３の弁開度を制御する温度作動アクチュエータ５７が配設されている。温度作動アクチュエータ５７は、円筒状のハウジング５８と、ハウジング５８内に収納された感温筒５９と、感温筒５９内にスライド可能に収納されたピストン６０と、ピストンロッド６０１の直上で感温筒５９内に配設された駆動ロッド６１とを備えている。駆動ロッド６１は、圧縮ばね６２のばね力によってピストンロッド６０１の先端に押接されている。

感温筒５９の筒内から外部へ突出する駆動ロッド６１の先端部には駆動ピン６１１が止着されている。駆動ピン６１１は、レバー５６のガイド孔５６１にスライド可能に嵌入されている。

感温筒５９の下部の筒内には、ピストン６０が突入されていると共に、熱膨張体６３が充填されている。熱膨張体６３は、例えばワックスである。感温筒５９と共に感温部を構成する熱膨張体６３の周囲において、感温筒５９とハウジング５８との間には冷媒導入室６４が形成されている。冷媒導入室６４は、熱膨張体６３を包囲している。

ハウジング５８と冷媒ヘッダータンク３０との間には導入パイプ６５及び排出パイプ６６が設けられている。導入パイプ６５は、第２ヘッダータンク室３０２と冷媒導入室６４とを連通しており、排出パイプ６６は、冷媒導入室６４と第４ヘッダータンク室３０４とを連通している。導入パイプ６５は、熱交換器１８内における冷媒通路の上流端（第１ヘッダータンク室３０１）よりも下流、且つ熱交換器１８内における前記冷媒通路の下流端（第４ヘッダータンク室３０４）よりも上流から分岐する導入路を構成する。排出パイプ６６は、前記分岐の位置よりも下流の冷媒通路（第４ヘッダータンク室３０４）に合流接続される導入路を構成する。導入パイプ６５と排出パイプ６６とを連通する冷媒導入室６４は、導入路の一部である。

次に、本実施形態の作用を説明する。
第１冷媒流路１９の一部である流入管４６から第１ヘッダータンク室３０１へ流入した冷媒は、組管３８１を経由して第２ヘッダータンク室３０２へ流入する。第２ヘッダータンク室３０２へ流入した冷媒の一部は、組管３８２を経由して第３ヘッダータンク室３０３へ流入する。第３ヘッダータンク室３０３へ流入した冷媒は、組管３８３を経由して第４ヘッダータンク室３０４へ流入する。第４ヘッダータンク室３０４へ流入した冷媒は、第１冷媒流路１９の一部である流出管４７へ流出する。

第２ヘッダータンク室３０２へ流入した冷媒の一部は、導入パイプ６５、冷媒導入室６４及び排出パイプ６６を経由して第４ヘッダータンク室３０４へ流入する。冷媒の温度が低い場合、熱膨張体６３が殆ど膨張せず、ピストン６０及び駆動ロッド６１が圧縮ばね６２のばね力によって図４に示す最下位位置に保持される。ピストン６０及び駆動ロッド６１が最下位位置にある状態では、開閉弁５３が図４に破線で示す閉位置に配置される。

エンジン１２から排気された排気ガスは、排気通路２０の一部である排気流入管４８へ流入する。開閉弁５３が閉位置にある状態では、排気流入管４８へ流入した排気ガスは、流路管２６、熱交換器１８の廃熱流体室２８１及び流路管２７を経由して排気流出管４９へ流れる。従って、排気ガスの熱が熱交換器１８を介して冷媒に伝達される。

冷媒の温度が高くなって熱膨張体６３が膨張すると、ピストン６０及び駆動ロッド６１が圧縮ばね６２のばね力に抗して押し上げられる。駆動ロッド６１と共に上動する駆動ピン６１１は、ガイド孔５６１内を移動しながらレバー５６を押し上げる。レバー５６の上動は、図４において支軸５４及び開閉弁５３を反時計回り方向に回動させる。これにより、開閉弁５３が図４に２点鎖線で示す開位置に向けて移動する。

開閉弁５３が開位置にある状態では、排気流入管４８へ流入した排気ガスの大部分は、バイパス管５０内のバイパス通路５０１を経由して排気流出管４９へ流れる。従って、高温の排気ガスから熱交換器１８を介した冷媒への伝達熱量が少なくなり、排気ガスが高温の場合でも、冷媒の過熱が抑制される。

排気ガスによって冷媒が加熱される状態においては、第１ヘッダータンク室３０１よりも下流の第２ヘッダータンク室３０２内の冷媒の温度は、第１ヘッダータンク室３０１内の冷媒の温度よりも高い。又、第４ヘッダータンク室３０４よりも上流の第２ヘッダータンク室３０２内の冷媒の温度は、第４ヘッダータンク室３０４内の冷媒の温度よりも低い。つまり、熱膨張体６３を大きく膨張させて温度作動アクチュエータ５７を作動させるための温度は、熱交換器１８から排出された直後の冷媒（第４ヘッダータンク室３０４から排出された冷媒）の温度よりも低い温度である。また、中間ヘッダータンク室である第２ヘッダータンク室３０２内の冷媒の温度、第３ヘッダータンク室３０３内の冷媒の温度は、熱交換器１８から排出された直後の冷媒と比例しており、排気ガスの温度変化による冷媒加熱状態を反映している。つまり、熱交換器１８から排出された直後の冷媒（膨張機１５に流入する冷媒）の高温限界である中間ヘッダータンク室の温度から熱交換器１８から排出された直後の冷媒を推定できる。冷媒温度Ｔ１よりも低い作動開始温度Ｔ２（熱膨張体６３が膨張開始する温度）で作動する温度作動アクチュエータ５７を用いた場合にも、冷媒温度を望ましい温度Ｔ１に制御することができる。

本実施形態では以下の効果が得られる。
（１）熱交換器１８内における冷媒通路の上流端よりも下流、且つ熱交換器１８内における前記冷媒通路の下流端よりも上流から分岐する導入路は、温度作動アクチュエータ５７の感温部に接続されている。そのため、温度作動アクチュエータ５７を作動させるための温度Ｔ２は、熱交換器１８から排出された直後の冷媒の高温限界である温度Ｔ１よりも低い温度とすることができる。その結果、望ましい冷媒温度Ｔ１よりも低い温度Ｔ２で作動する温度作動アクチュエータ５７を用いた場合にも、冷媒温度を望ましい温度Ｔ１に制御することができる。

（２）少なくとも３つのヘッダータンク室を有する冷媒ヘッダータンク３０では、廃熱流体室２８１内の冷媒通路に冷媒が流出して還流する中間ヘッダータンク室が存在する。中間ヘッダータンク室における冷媒温度は、最上流ヘッダータンク室の冷媒温度よりも高く、且つ最下流ヘッダータンク室の冷媒温度よりも低い。また、中間ヘッダータンク室における冷媒温度は、排気ガスの温度変化による冷媒加熱状態を反映している。少なくとも３つのヘッダータンク室を有する冷媒ヘッダータンクは、導入路を接続する対象として特に好適である。

（３）導入パイプ６５から冷媒導入室６４へ導入された冷媒は、排出パイプ６６を経由して第４ヘッダータンク室３０４へ流出する。第２ヘッダータンク室３０２内の冷媒の一部が冷媒導入室６４を通過して第４ヘッダータンク室３０４へ流れるようにした構成では、冷媒導入室６４内の冷媒温度が第２ヘッダータンク室３０２内の冷媒温度とほぼ同じになる。つまり、中間ヘッダータンク室から分岐する導入路が冷媒導入室６４を通過するように一方方向に向かって分岐位置より下流の冷媒通路に合流する構成では、第２ヘッダータンク室３０２内の冷媒温度が温度作動アクチュエータ５７の作動開始温度に達すれば、温度作動アクチュエータ５７を適正に作動開始させることができる。

本発明では以下のような実施形態も可能である。
○前記した実施形態において、導入パイプ６５を第３ヘッダータンク室３０３に接続してもよい。

○前記した実施形態において、排出パイプ６６を第３ヘッダータンク室３０３に接続してもよい。
○前記した実施形態において、排出パイプ６６を流出管４７に接続してもよい。

○前記した実施形態において、組管３８１の途中、あるいは組管３８１の終端、あるいは組管３８２に接続してもよい。
○前記した実施形態において、排出パイプ６６を組管３８２の途中、あるいは組管３８２の終端、あるいは組管３８３に接続してもよい。

○前記した実施形態において、排出パイプ６６を無くしてもよい。
○中間ヘッダータンク室は、１つのみであってもよく、あるいは３つ以上あってもよい。

○前記した実施形態において、バイパス管５０あるいは排気流出管４９に開閉弁５３を設けてもよい。
○廃熱流体ケース２８の両側に冷媒ヘッダータンクを配置した熱交換器を用いてもよい。

○廃熱流体は、エンジンを冷却する冷却水であってもよい。
前記した実施形態から把握できる技術思想について以下に記載する。
（イ）前記廃熱流体は、排気ガスである請求項１乃至請求項４のいずれか１項に廃熱回収装置。

１１…廃熱回収装置。１８…熱交換器。２８１…廃熱流体室。２９…側壁。３０…冷媒ヘッダータンク。３０１…最上流ヘッダータンク室である第１ヘッダータンク室。３０２…中間ヘッダータンク室である第２ヘッダータンク室。３０３…中間ヘッダータンク室である第３ヘッダータンク室。３０４…最下流ヘッダータンク室である第４ヘッダータンク室。５０１…バイパス通路。５３…調整弁としての開閉弁。５７…温度作動アクチュエータ。６３…感温部を構成する熱膨張体。６４…導入路を構成する冷媒導入室。６５…導入路を構成する導入パイプ。６６…導入路を構成する排出パイプ。

Claims (4)

1. 冷媒を循環させる冷媒通路が廃熱流体を導入する廃熱流体室を通されている熱交換器と、前記廃熱流体室を迂回するバイパス通路と、前記バイパス通路における通路断面積を調整する調整弁と、前記調整弁の弁開度を制御する温度作動アクチュエータとを備えた廃熱回収装置において、
   前記熱交換器内における前記冷媒通路の上流端よりも下流、且つ前記熱交換器内における前記冷媒通路の下流端よりも上流から分岐する導入路が設けられており、
   前記導入路は、前記温度作動アクチュエータの感温部に接続されている廃熱回収装置。
2. 前記導入路は、前記感温部を通過して前記分岐の位置よりも下流の前記冷媒通路に合流接続されている請求項１に記載の廃熱回収装置。
3. 前記熱交換器は、前記冷媒通路の一部であって少なくとも３つである複数のヘッダータンク室を有する冷媒ヘッダータンクを備えており、
   前記導入路は、前記複数のヘッダータンク室のうち最上流の最上流ヘッダータンク室と、最下流の最下流ヘッダータンク室との間の中間ヘッダータンク室から分岐されている請求項１及び請求項２のいずれか１項に記載の廃熱回収装置。
4. 前記導入路は、前記中間ヘッダータンク室より下流のヘッダータンク室に合流接続されている請求項３に記載の廃熱回収装置。

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