JP2014203642A - 消弧板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】機械的強度が高く、かつ消弧性能が向上された消弧板およびその製造方法を提供する。
【解決手段】無機水和物を無機接着剤に分散し無機水和物塗料４が準備される。上記無機水和物塗料４が多孔質セラミック焼結体２内の気孔部３に真空含浸される。
【選択図】図６

Description

本発明は消弧板およびその製造方法に関し、特に、強度および消弧性能の双方を向上させた消弧板およびその製造方法に関する。

回路遮断器または開閉器等において、接点開極時に接点間に発生するアークを消弧する装置として、消弧装置が用いられている。消弧装置には、アークを効率的に消弧する為の消弧板が設けられており、接点間に発生したアークをコイル等で印加した電磁力によって誘導することで、消弧板に接弧させる機構が設けられている。発生したアークが消弧板に接弧した際に、アークが冷却され、電源電圧よりもアーク電圧が高くなることで、アーク電流が抑制され、その結果としてアークが消弧される。消弧板のアーク消弧性能が低下すれば、アーク電流によって遮断器が損傷を受け、大事故を引き起こす恐れがある。そのため、アークの冷却性能が高く、消弧性に優れた消弧板が求められている。

そこで従来の消弧板の材料として、無機繊維と、充填材料と、マトリックス材料とからなる無機繊維強化複合体であり、充填材料として金属酸化膜粉末、金属水酸化物粉末、金属炭化物粉末からなる群から選択された少なくとも１つを含み、マトリックス材料としてアルキルシリケートが用いられた無機繊維強化複合体が提案された（たとえば特許文献１参照）。

また従来、重量構成比で８０％以上の酸化アルミニウムと、１０％以上の珪石と、２．５〜２．７％の酸化マグネシウムの焼結助剤とを混合したものが焼結された消弧板が提案された（たとえば特許文献２参照）。

特開２００１−１２２６５４号公報 特開平６−２０５４９号公報

特許文献１の無機繊維強化複合体は金属水酸化物を含有しているため、これを用いた消弧板は、アークに接弧した際に水蒸気が発生し、アークを冷却し消弧する性能に優れる。しかし特許文献１の無機繊維強化複合体は、消弧板を構成する無機物が１６０℃以上１８０℃以下の低温で押し固められて成形されているため、機械的強度に乏しいという欠点がある。遮断器の接点開閉時には、消弧板に大きな機械的衝撃が加わるため、特許文献１の無機繊維強化複合体を用いた消弧板は、接点開閉時の機械的衝撃により破損する可能性がある。また特許文献２の消弧板は、酸化アルミニウムなどのセラミックが１４００℃以上１６００℃以下の高温で焼結されているため、機械的強度は優れているが、アークを冷却する性能を有する金属水酸化物が含まれていないため、消弧性能に劣る可能性がある。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、機械的強度が高く、かつ消弧性能が向上された消弧板およびその製造方法を提供することである。

この発明に係る消弧板の製造方法においては、無機水和物を無機接着剤に分散し無機水和物塗料が準備される。上記無機水和物塗料が多孔質セラミック焼結体内の気孔部に真空含浸される。

この発明に係る消弧板は、５ｐｐｍ／℃以下の熱膨張率を有する多孔質セラミック焼結体と、多孔質セラミック焼結体の気孔部に含浸された無機水和物とを備える。多孔質セラミック焼結体のうち気孔部が占める割合は２０％以上５０％以下である。

この発明の消弧板およびその製造方法によれば、機械的強度が高く、かつ消弧性能が向上された消弧板およびその製造方法を提供することができる。

実施の形態１の消弧板の第１例を示す概略図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う部分における概略断面図である。 実施の形態１の消弧板の第２例を示す概略図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線に沿う部分における概略断面図である。 無機水和物塗料を準備する工程を示す概略図である。 無機水和物塗料を多孔質セラミック焼結体の気孔部に真空含浸する工程を示す概略図である。 無機水和物塗料が多孔質セラミック焼結体の気孔部に真空含浸された後の消弧板の態様を示す概略図である。 消弧板の気孔率と、消弧板のアーク電圧および機械的強度との関係を示すグラフである。

まず図１〜図４を用いて、この発明の消弧板について説明する。図１を参照して、この発明の消弧板１は、多孔質セラミック焼結体２と、気孔部３と、無機水和物塗料４とを有している。図１および図２を参照して、多孔質セラミック焼結体２はその表面および内部に多数の気孔部３を有している。図２においては気孔部３のうち、多孔質セラミック焼結体２の外表面に形成されるディンプル状の気孔部３を表面気孔部３Ａとし、多孔質セラミック焼結体２の外表面を含まない内部に形成される気孔部３を内部気孔部３Ｂとしている。

気孔部３の少なくとも一部を充填するように無機水和物塗料４が含浸されている。無機水和物塗料４は、無機接着剤に無機水和物を分散させたものである。無機水和物塗料４は、多孔質セラミック焼結体２の表面気孔部３Ａに含浸することにより表面気孔部３Ａの少なくとも一部を充填するように配置されている。なお内部気孔部３Ｂは、たとえば図２の内部気孔部３Ｃのように表面気孔部３Ａと直結していたり、多孔質セラミック焼結体２の表面から内部気孔部３Ｂに達する焼結体の隙間や巣などを有している場合には、表面気孔部３Ａと同様に無機水和物塗料４が充填されている。ここでは表面気孔部３Ａに加え、上記の内部気孔部３Ｃおよび焼結体２の表面からの隙間などにより無機水和物塗料４が含浸され得る内部気孔部３Ｂも含めて気孔部３と定義する。また気孔部３とは多孔質セラミック焼結体２の焼結セラミックが存在しない領域の総称であり、多孔質セラミック焼結体２の表面または内部の空隙の部分のみならず、無機水和物塗料４が含浸された領域を含むものとする。

多孔質セラミック焼結体２の気孔部３の存在態様は、図１および図２に示すように気孔部３が泡状に分散していてもよいし、図３および図４の消弧板１が示すように気孔部３がいわゆるハニカム状に形成されたハニカム気孔部３Ｄを有していてもよい。ここでハニカム状とは、多孔質セラミック焼結体２の一の表面から一の表面に対向する他の表面まで柱状に延在する気孔部３が複数並ぶ態様を意味する。上記一の表面および他の表面においてハニカム気孔部３Ｄが開放されているため、ハニカム気孔部３Ｄは表面気孔部３Ａと同様に無機水和物塗料４を含浸し得る。

上記のように多孔質セラミック焼結体２の気孔部３に無機水和物塗料４が含浸された構成を有する消弧板１は、アークに接弧した際に無機水和物から発生する水蒸気によって、アークを冷却し、アークを消弧することができる。消弧板１の消弧性能を向上させるためには、セラミック焼結体２が一定値以上の気孔率（多孔質セラミック焼結体２全体の体積（気孔部３を含む）に対して（無機水和物塗料４を含浸可能な）気孔部３が占める体積の割合）を有することが必要となる。セラミック焼結体２が一定値以上の気孔率を有すれば、気孔部３に無機水和物塗料４を含浸可能な容量が増加するため、当該消弧板１に含まれる無機水和物による消弧性能が向上する。

一方、消弧板１の機械的強度は、多孔質セラミック焼結体２の気孔率に依存する。つまり気孔率が一定値以上に大きくなれば、多孔質セラミック焼結体２の焼結セラミックが存在する領域の体積割合が小さくなるため、消弧板１の機械的強度が著しく低下する。

したがって、消弧板１の消弧性能と機械的強度とを両立させるためには、多孔質セラミック焼結体２の気孔率が所望の数値範囲となるように制御することが重要となる。多孔質セラミック焼結体２の気孔率を制御する方法としては以下のものが知られている。多孔質セラミック焼結体２を形成するためのセラミック粉末原料の粒度を変化させる方法、成形体の成形圧力を変化させる方法、多孔質セラミック焼結体２の焼結温度を変化させる方法、有機物などの高温で消失する添加物を混合し、多孔質セラミック焼結体２の焼結時に空隙を発生させる方法などがある。

この発明の消弧板１は、多孔質セラミック焼結体２の気孔率が２０％以上５０％以下であることが好ましい。気孔率が２０％未満であると、上記のように気孔部３が少ないために無機水和物塗料４の含有量が少なくなってしまう。このため消弧板１のアーク接弧時の水蒸気発生量が少量となり、アークを冷却する効果が弱くなるため、消弧性能が向上しない。一方、多孔質セラミック焼結体２の気孔率が５０％を超えれば、多孔質セラミック焼結体２中の焼結セラミックの割合が少なくなる。その結果、多孔質セラミック焼結体２の機械的強度が著しく低下するため、これを消弧板１として使用した場合、遮断器の接点開極時の機械的衝撃によって、消弧板１が破損してしまう可能性がある。以上より、消弧性能と機械的強度とを両立させるためには、消弧板１に含まれる気孔率を２０％以上５０％以下とすることが好ましい。

無機水和物塗料４を含む消弧板１に含まれる多孔質セラミック焼結体２の気孔率は、消弧板１の断面写真から算出することができる。消弧板１の（たとえば図２および図４に示すような）断面写真が、ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）でたとえば１００倍以上５００倍以下の任意の倍率で撮影される。上記のように気孔率とは（少なくとも一部に無機水和物塗料４が充填可能な）気孔部３が占める体積の割合で示される。このことを利用して、撮影されたＳＥＭの断面写真の画像解析により、（気孔部３を含む）多孔質セラミック焼結体２全体の面積に対する気孔部３の面積の割合を算出することにより消弧板１の気孔率が求められる。なお単一の消弧板１に対して複数（たとえば５枚）の異なる個所の断面写真が撮影され、それぞれの断面写真に対して同様に気孔率を求めてそれらの平均値を算出することにより消弧板１の気孔率を求めることがより好ましい。

消弧板１の気孔率をＡ、撮影された断面写真における（無機水和物塗料４を充填可能な）気孔部３の（無機水和物塗料４を含まない）空隙の部分の面積をＢ、気孔部３のうち無機水和物塗料４で充填された部分の面積をＣ、（気孔部３を含む）多孔質セラミック焼結体２全体の面積をＤとする。このとき
Ａ＝（Ｂ＋Ｃ）／Ｄ
の関係が成り立つ。複数（たとえば５枚）の異なる個所のそれぞれ断面写真に対して算出されたＡの平均値が０．２０以上０．５０以下であれば、上記のように多孔質セラミック焼結体２の気孔率が２０％以上５０％以下であると推定することができる。

次に、多孔質セラミック焼結体２の熱膨張率は５ｐｐｍ／℃以下であることが好ましい。消弧板１がアークに接弧すると、数ミリ秒以下の極短い時間ではあるが、消弧板１は数千℃の高温となる。そのため、仮に消弧板１の熱膨張率が５ｐｐｍ／℃を超える高い値であれば、接弧の際の熱衝撃により消弧板１に割れなどの損傷が発生する可能性がある。したがって、このような損傷を抑制する観点から、消弧板１に用いられる多孔質セラミック焼結体２は、熱膨張率が比較的低い５ｐｐｍ／℃以下であり、かつ絶縁性のセラミック材料であることが好ましい。以上より多孔質セラミック焼結体２を構成する絶縁性のセラミック材料としては、コージェライト、ジルコン、β−スポジュメン、チタン酸アルミなどが用いられることが好ましい。

無機水和物塗料４に含まれる無機水和物としては、ＩＩＡ族元素、ＩＩＩＢ族元素、ＩＶＢ族元素、遷移金属元素、希土類元素の水酸化物からなる群から選択される少なくとも１つを含むことが好ましい。この中でも特に、ホウ酸、水酸化マグネシウム、水酸化スズ、水酸化亜鉛、水酸化ランタン、水酸化アルミニウム、水酸化カルシウム、水酸化バリウム、水酸化鉄、水酸化ニッケル、水酸化ガリウム、水酸化ストロンチウムからなる群から選択される少なくとも１つであることが好ましい。このようにすれば、室温付近では無機水和物塗料４に含まれる無機水和物からの水の分離が起こらず、アークに接弧した際の高温時のみにアークの消弧のために無機水和物から水を脱離させるようにすることができる。

次に図５〜図８を用いて、この発明の消弧板の製造方法について説明する。まず図５に示すように、たとえばビーカ１１内にて、無機接着剤に無機水和物を分散させた無機水和物塗料４が準備される。具体的には無機水和物が、たとえば珪酸ナトリウムのようないわゆる水ガラスと、水と、硬化剤とが混合された無機接着剤内に投入され、撹拌機１２によりこれらが攪拌され混合される。以上により粘性のある無機水和物塗料４が形成される。

なおここで無機水和物塗料４を形成するために用いられる無機水和物は、上記のように、ホウ酸、水酸化マグネシウム、水酸化スズ、水酸化亜鉛、水酸化ランタン、水酸化アルミニウム、水酸化カルシウム、水酸化バリウム、水酸化鉄、水酸化ニッケル、水酸化ガリウム、水酸化ストロンチウムからなる群から選択される少なくとも１つであることが好ましい。

次に図６に示すように、図５において準備された無機水和物塗料４を入れたビーカ１１内に多孔質セラミック焼結体２が投入される。ここで投入される多孔質セラミック焼結体２は、５ｐｐｍ／℃以下の熱膨張率を有し、多孔質セラミック焼結体２全体の体積（気孔部３を含む）に対して（無機水和物塗料４を含浸可能な）気孔部３が占める体積の割合（気孔率）が２０％以上５０％以下である。

ここでの多孔質セラミック焼結体２および無機水和物塗料４を入れたビーカ１１が真空装置１３内にセットされ、真空装置１３内が真空状態とされる。この真空状態の下で、多孔質セラミック焼結体２の気孔部３内に無機水和物塗料４が含浸される（いわゆる真空含浸）。

無機水和物塗料４が含浸されたセラミック焼結体２を真空装置１３およびビーカ１１から取り出し、室温でたとえば約２４時間乾燥させる。このようにすれば無機水和物塗料４中の水分が揮発する。このため図７に示すように、無機水和物塗料４の体積は、水分がなくなる分だけ収縮し、気孔部３内には収縮後塗料部３Ｅと空隙部５とが含まれる状態になる。収縮後塗料部３Ｅとは水分が揮発した後の無機水和物塗料４の本体に相当する部分であり、空隙部５とは水分の揮発により（無機水和物塗料４の体積が減少したことに伴い）空隙となった部分である。なお図７は、消弧板１を外側から見た概略図であり、気孔部３などはすべて多孔質セラミック焼結体２の外表面に形成されたものである。

多孔質セラミック焼結体２の気孔部３内には、気孔部３内のほぼ全体を充填するように無機水和物塗料４が含浸されるが、無機水和物塗料４中に含まれる水などの希釈媒体が全量揮発すれば、最終的に収縮後塗料部３Ｅの体積は元々充填された無機水和物塗料４の体積の約５０％となる。

なお多孔質セラミック焼結体２の熱膨張率および気孔率は、無機水和物塗料４の含浸の前後において変化はない。したがって元の多孔質セラミック焼結体２の気孔率が２０％以上５０％以下であれば含浸後の消弧板１の気孔率は２０％以上５０％以下である。以上の製造方法により形成された消弧板１は、機械的強度と消弧性能との双方が向上されたものである。このことを以下の実施例を用いて説明する。

以下の表１に、消弧板１のサンプルの形成に用いられた多孔質セラミック焼結体２の種類を示している。

表１に示す各サンプルの多孔質セラミック焼結体２は、無機水和物塗料４の含浸前のものである。このため表１中の気孔率は、無機水和物塗料４を含浸可能な気孔部３（図１参照）の空隙部の、多孔質セラミック焼結体２の全体（気孔部３を含む）に対する体積割合である。また無機水和物塗料４の含浸前の多孔質セラミック焼結体２の気孔率は、水銀圧入式ポロシメータによって測定されている。

以下の表２に、消弧板１のサンプルの形成に用いられた無機水和物塗料４に含まれる無機水和物の種類を示している。表２に示すように、各サンプルの無機水和物塗料４に含まれる無機水和物は、ＩＩＡ族元素、ＩＩＩＢ族元素、ＩＶＢ族元素、遷移金属元素、希土類元素の水和物からなる群から選択されるいずれか１つである。

上記のように無機接着剤が準備され、当該無機接着剤に無機水和物が分散することにより無機水和物塗料４が形成される。無機接着剤として、珪酸ナトリウムの結合材を用いた。具体的には、ＪＩＳ Ｋ１４０８に記載のＪＩＳ３号珪酸ナトリウム（二酸化珪素３０％および酸化ナトリウム１０％）と、水と、硬化剤としての酸化マグネシウム（ＭｇＯ）粉末とが、それらの重量比が６０：１２０：１．２となるように混合された。さらに図５に示すように上記の無機接着剤に表２の無機水和物塗料４が混合され、撹拌機１２で３時間撹拌混合された。

上記の表３に示すように、上記の無機接着剤に分散混合させる無機水和物のサンプルの種類（表２参照）および、上記無機水和物を含む無機水和物塗料４が含浸される多孔質セラミック焼結体２のサンプルの種類（表１参照）に応じて、形成される消弧板１のサンプルがこの発明の条件下で形成された本発明用サンプルＡ１〜Ａ１４と、この発明の条件外で形成された比較用サンプルＢ１〜Ｂ５とに分けられる。具体的には、表１中の気孔率および熱膨張率の数値に下線を施したものは上記のこの発明の条件となる数値範囲外の条件となっており、このように条件から外れたサンプルＡ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈを用いて形成された消弧板１のサンプルＢ１〜Ｂ５は、この発明の条件に対する比較用のサンプルとなっている。

各サンプルＡ１〜Ａ１４、Ｂ１〜Ｂ５は、表３に示す多孔質セラミック焼結体２に表３に示す無機水和物を含む無機水和物塗料４を真空含浸させた後、これを２４時間室温下で放置し、さらにその後２００℃で２時間加熱処理することにより形成された。この処理により、多孔質セラミック焼結体２に含浸された無機接着剤は硬化され、無機水和物塗料４中の水分は揮発し、図７に示すような収縮後塗料部３Ｅと空隙部５とが形成される。

表３に示すアーク電圧は、アーク遮断試験機を用いて、交流電圧６００Ｖ、交流電流１０ｋＡ以下の条件下で測定された。表３において、各サンプルＡ２〜Ａ１４、Ｂ１〜Ｂ５のアーク電圧の測定結果は、サンプルＡ１の消弧板１について得られたアーク電圧を基準（１．００）とするアーク電圧の相対値として示されている。具体的には各サンプルＡ２〜Ａ１４、Ｂ１〜Ｂ５のアーク電圧の測定結果は、サンプルＡ２〜Ａ１４、Ｂ１〜Ｂ５のアーク電圧の絶対値をサンプルＡ１のアーク電圧の絶対値で除した値として表３中に示されている。

各サンプルＡ２〜Ａ１４、Ｂ１〜Ｂ５の機械的強度は、オートグラフを用いて支点間距離４０ｍｍで多孔質セラミック焼結体２の３点曲げ強度として測定された。表３において、各サンプルＡ２〜Ａ１４、Ｂ１〜Ｂ５の測定結果は、サンプルＡ１の消弧板１について得られた３点曲げ強度を基準（１．００）とする３点曲げ強度の相対値として（上記のアーク電圧と同様に）算出された値が示されている。

さらに表３中には、アーク遮断試験機を用いたアーク電圧の測定後の各サンプルＡ１〜Ａ１４、Ｂ１〜Ｂ５の、アーク発生時の熱衝撃による割れの有無を目視で評価した結果が示されている。表３中の「アーク試験後の割れ」の欄には、上記の割れが存在しない場合を○、割れが存在する場合を×で示している。

以上の凡例をもとに表３を参照して、サンプルＡ１〜Ａ１４のように熱膨張率が５ｐｐｍ／℃以下であり気孔率が２０％以上５０％以下である多孔質セラミック焼結体のサンプルＢ〜Ｄ（表１参照）を用いて形成された消弧板は、いずれもアーク電圧が高く０．９３以上１．０７以下の相対値を示している。つまりこれらの消弧板は消弧性能が向上していることが分かる。またサンプルＡ１〜Ａ１４の消弧板はいずれも機械的強度が０．８４以上１．０２以下の相対値であり比較的高いため、いずれも機械的強度が向上していることが分かる。

これらに対してサンプルＢ１のように気孔率が２０％未満の多孔質セラミック焼結体を用いて形成された消弧板は、アーク電圧が０．６２とサンプルＡ１〜Ａ１４に比べて低く、消弧性能が向上していない。またサンプルＢ２、Ｂ３のように気孔率が５０％を超える多孔質セラミック焼結体を用いて形成された消弧板は、機械的強度がそれぞれ０．４０および０．３５とサンプルＡ１〜Ａ１４に比べて非常に低く、機械的強度が向上していないことがわかる。さらにサンプルＢ４、Ｂ５のように熱膨張率が５ｐｐｍ／℃を超える多孔質セラミック焼結体を用いて形成された消弧板は、接弧の際の熱衝撃により、消弧板内の領域間に生じる温度差に起因して生じる熱応力が大きいために、アーク試験後に割れが発生していることがわかる。

以上の結果から、無機水和物塗料４の含浸の前後にかかわらず、多孔質セラミック焼結体２は５ｐｐｍ／℃以下の熱膨張率を有し、多孔質セラミック焼結体２のうち気孔部３が占める体積の割合は２０％以上５０％以下であることが好ましいことがわかる。

図８を参照して、横軸は無機水和物塗料４の含浸後の消弧板における焼結セラミックが存在しない気孔部３の体積割合（％）を上記のＳＥＭ写真から求めた値を示している。この値は無機水和物塗料４の含浸前の多孔質セラミック焼結体２中の気孔部３の体積割合（表１に示す各多孔質セラミック焼結体の気孔率）に等しい。また縦軸は表３に示す消弧板のアーク電圧および機械的強度の（サンプルＡ１の値を１．００としたときの）相対値を示している。図８のグラフより、多孔質セラミック焼結体２の気孔率と消弧板１のアーク電圧および機械的強度との間には密接な関係があることがわかる。

以上より、無機水和物塗料４を、熱膨張率および気孔率３の体積割合が適正な範囲にある多孔質セラミック焼結体２（の気孔部３）に真空含浸することにより、消弧性能と機械的強度との双方が両立した消弧板１を提供できることがわかった。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 消弧板、２ 多孔質セラミック焼結体、３ 気孔部、３Ａ 表面気孔部、３Ｂ，３Ｃ 内部気孔部、３Ｄ ハニカム気孔部、３Ｅ 収縮後塗料部、４ 無機水和物塗料、５ 空隙部、１１ ビーカ、１２ 撹拌機、１３ 真空装置。

Claims (5)

1. 無機水和物を無機接着剤に分散し無機水和物塗料を準備する工程と、
   前記無機水和物塗料を多孔質セラミック焼結体の気孔部に真空含浸する工程とを備える、消弧板の製造方法。
2. 前記多孔質セラミック焼結体は５ｐｐｍ／℃以下の熱膨張率を有し、前記多孔質セラミック焼結体のうち前記気孔部が占める体積の割合は２０％以上５０％以下である、請求項１に記載の消弧板の製造方法。
3. 前記無機水和物塗料は、ホウ酸、水酸化マグネシウム、水酸化スズ、水酸化亜鉛、水酸化ランタン、水酸化アルミニウム、水酸化カルシウム、水酸化バリウム、水酸化鉄、水酸化ニッケル、水酸化ガリウム、水酸化ストロンチウムからなる群から選択される少なくとも１つを含む、請求項１または２に記載の消弧板の製造方法。
4. ５ｐｐｍ／℃以下の熱膨張率を有する多孔質セラミック焼結体と、
   前記多孔質セラミック焼結体の気孔部に含浸された無機水和物塗料とを備え、
   前記多孔質セラミック焼結体のうち前記気孔部が占める体積の割合は２０％以上５０％以下である、消弧板。
5. 前記無機水和物塗料は、ホウ酸、水酸化マグネシウム、水酸化スズ、水酸化亜鉛、水酸化ランタン、水酸化アルミニウム、水酸化カルシウム、水酸化バリウム、水酸化鉄、水酸化ニッケル、水酸化ガリウム、水酸化ストロンチウムからなる群から選択される少なくとも１つを含む、請求項４に記載の消弧板。

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