JP2015169400A - 冷却機用コンプレッサモータ制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】使用者の意向に沿った冷却運転を実現させつつ、その範囲において消費電力の上昇が回避可能な冷却機用コンプレッサモータ制御システムを提供する。
【解決手段】冷却機用コンプレッサモータ制御システム１００は、上限温度及び下限温度により定まる温度帯をレベルシフトさせる調整手段が設けられ且つ前記温度帯の上限値又は下限値に達した旨を現した二値信号を出力する温度センサ１７０と、自身の設定部に与えられた設定状態に連動して前記調整手段を操作する温度設定変更手段１８０と、温度上昇期間での停止動作と冷却期間での運転動作とから成る庫内温度のヒステリシス制御を前記二値信号に基づいて実施させる制御回路１５０とを備え、制御回路１５０は、前記温度設定変更手段の設定状態と前記温度上昇期間での温度上昇速度とに基づいて、コンプレッサモータの設定回転数を特定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷却機用コンプレッサモータ制御システムに関し、特に、コンプレッサモータの回転数を設定する際に用いて好適のものである。

例えば、特開２０１３−１８１７０２号公報（特許文献１）では、冷却期間（モータ運転期間）と放熱期間（モータ停止期間）との比率を調整させる技術が紹介されている。かかる技術は、ヒステリシス制御の一周期である冷却期間及び放熱期間を算出し、この算出結果を用いて冷却期間の比率を算出し、この比率が理想状態となるようコンプレッサモータの設定回転数を調整させている。かかる制御装置では、ヒステリシス制御の一周期に対する冷却期間を適宜に設定することで、デフロスト効果が齎される。

特開２０１３−１８１７０２号公報

一般に、冷凍冷蔵庫のような数年通じて使用される装置では、単位期間当たりの消費電力の差異が累積消費電力に大きく影響する為、可能であれば単位時間当たりの消費電力を幾分でも抑えるのが好ましい。一方、冷凍冷蔵庫では、食品鮮度を一定水準に保つべき装置であるところ、使用者の意に沿った冷却運転の要請が消費電力の問題に優先する場面というものを無視できない。

しかしながら、特許文献１に係る技術では、ヒステリシス制御の一周期に対する冷却期間の割合が一律に制御されるので、熱負荷の状態如何によっては消費電力を抑えているとは限らない上、冷却速度についても使用者の意に沿うとも限らない。

本発明は上記課題に鑑み、使用者の意向に沿った冷却運転を実現させつつ、その範囲において消費電力の上昇が回避可能な冷却機用コンプレッサモータ制御システムの提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明では次のような冷却機用コンプレッサモータ制御システムの構成とする。即ち、上限温度及び下限温度により定まる温度帯をレベルシフトさせる調整手段が設けられ且つ前記温度帯の上限値又は下限値に達した旨を現した二値信号を出力する温度センサと、自身の設定部に与えられた設定状態に連動して前記調整手段を操作する温度設定変更手段と、温度上昇期間での停止動作と冷却期間での運転動作とから成る庫内温度のヒステリシス制御を前記二値信号に基づいて実施させる制御回路と、を備える冷却機用コンプレッサモータ制御システムにおいて、
前記制御回路は、前記温度設定変更手段の設定状態と前記温度上昇期間での温度上昇速度とに基づいて、コンプレッサモータの設定回転数を特定することとする。

好ましくは、前記制御回路は、前記温度上昇期間を算出する温度上昇期間算出処理と、前記温度帯を算出する温度帯特定処理と、前記温度上昇期間及び前記温度帯に基づいて前記温度上昇速度を算出する温度上昇速度算出処理と、前記温度設定変更手段の設定状態と前記温度上昇期間での温度上昇速度とに基づいて冷却速度の想定値を設定する冷却速度想定処理と、前記冷却速度の想定値に基づいて前記設定回転数を算出する回転数設定処理と、を機能させることとする。

好ましくは、前記回転数設定処理は、前記冷却速度の想定値と前記設定回転数との相関情報に基づいて、前記設定回転数を算出することとする。

好ましくは、前記設定回転数は、前記設定状態が示す運転強度に比例して増減設定されることとする。

本発明に係る冷却機用コンプレッサモータ制御システムによると、温度設定変更手段の設定状態に応じて、単位時間当たりの消費電力が定まる。従って、同システムでは、使用者が冷却能力アップを所望する場合、単位時間当たりの消費電力の限度を緩和させる一方、冷却能力の向上を優先させ庫内貯蔵物の保全機能を優先させる。また、使用者が消費電力抑制を所望する場合、庫内貯蔵物の保全機能が高いレベルまで要求されていないとして、単位時間当たりの消費電力の制限を優先させる。

実施の形態に係る冷却機用コンプレッサモータ制御システムの回路構成を示す図。 実施の形態に係る各種状態のタイムチャートを示す図。 実施の形態に係る回転数設定ルーチン。 実施の形態に係る温度帯の算出方法を説明する図。 実施の形態に係る設定温度変更時の庫内温度の挙動を示す図。 本実施の形態に係るレベル設定とヒステリシス周期の関係を示す図。 本実施の形態に係るレベル設定と冷却速度との関係を示す図。

以下、本発明に係る実施の形態につき図面を参照して具体的に説明する。図１は、本実施の形態に係る冷却機用コンプレッサモータ制御システムの回路構成が示されている。冷却機用コンプレッサモータ制御システム１００（以下、モータ制御システムと呼ぶ）は、直流ブラシレスモータ１４０，電力変換回路１２０，制御回路１５０，温度センサ１７０，及び，温度設定変更手段１８０から構成される。このうち、電力変換回路１２０及び制御回路１５０は、一つの筐体に収容され、コンプレッサモータ制御装置（以下、モータ制御装置と呼ぶ）を構成する。

電力変換回路１２０は、ＡＣ電力が一方から入力され、これを変換した３相電流を他方側の直流ブラシレスモータ１４０（以下、コンプレッサモータと呼ぶ）へ供給している。電力変換回路１２０は、整流回路，ＰＦＣ回路，インバータ回路が内蔵されており、インバータ回路によってコンプレッサモータ１４０に流れる電流パターンが決定され、この電流パターンによって回転子が駆動される。

コンプレッサモータ１４０は、室外機，キャピラリチューブ，エバポレータと供に冷媒回路を形成するものであって（図示なし）、当該コンプレッサモータ１４０の回転数を増減させることで、庫内熱負荷に対する吸熱作用を調整させる。以下、制御回路１５０によって指令される回転数を、設定回転数と呼ぶこととする。

制御回路１５０は、信号ラインＬ１を介して温度センサ１７０に接続される。また、複数の信号ラインＬ２を介して電力変換回路１２０のパワートランジスタへ接続される。この制御回路は、ＣＰＵ，ＡＤ変換回路，メモリ回路，クロック回路等が内蔵されており、所定の情報に基づき適宜の演算を実施し、其の結果情報・信号をメモリ回路又は外部へと出力させる。

特に、メモリ回路は、制御プログラム、パラメータ情報等が適宜の記憶領域に記録されており、ＣＰＵは、この情報を適宜取得して、プログラムのシーケンス順に処理演算を実行していく。本実施の形態に係るメモリ回路には、ＰＷＭ信号の生成処理，温度情報の検出処理，設定レベル情報の検出処理，回転数設定に関する処理ルーチン，冷却速度（後述）と設定回転数との対応関係を記述したマップ情報等が記録されている。

温度センサ１７０は、機械式サーモスタットが用いられており、検査対象の上限温度Ｔｈａと下限温度Ｔｈｂを検出し、これを電気的な信号に変換して出力する。即ち、温度センサ１７０は、上限温度Ｔｈａと下限温度Ｔｈｂで定まる温度帯に庫内温度が制御されているか否かを報知するセンサであって、言換えると、其の中間値としての目標温度Ｔｒから逸脱しても良い許容値を監視する装置である。温度センサ１７０は、先の温度帯をレベルシフトさせる調整手段が設けられており、其の温度帯を規定する上限温度Ｔｈａ及び下限温度Ｔｈｂに達すると、その旨を現すよう出力信号の状態を切換える。本実施の形態に係る温度センサ１７０の出力信号は、上限温度Ｔｈａに達してから下限温度Ｔｈｂへ至るまでの期間がＨＩＧＨ信号とされ、下限温度Ｔｈａに達してから上限温度Ｔｈｂへ至るまでの期間がＬＯＷ信号とされる。

本実施の形態で用いられている機械式サーモスタットは、冷凍冷蔵庫内に設置されており、庫内温度が検出対象となる。当該機械式サーモスタットは、ＡＣモータを固定的な回転数で運転させる非可変速式装置に広く用いられるサーモスタットであって、上限温度Ｔｈａから下限温度Ｔｈｂに至る途中の温度検出が可能な電子式サーモスタットとは区別される。即ち、機械式サーモスタット１は、２点のみの温度情報（二値信号）を報知する簡素な温度センサを指す。

温度設定変更手段１８０は、庫内又は庫外の適宜箇所に設けられるものであって、設定部１８１とこの設定状態を視認できる目盛等が与えられている。設定部１８１は、スライド式またはダイヤル式等、周知の如何なる態様であっても良い。温度設定変更手段１８０は、設定部１８１の動作に連動する部位（以下、連動機能部と呼ぶ）が設けられ、自身の設定部１８１が操作されると、連動機能部を介して温度センサ１７０の調整手段が間接的に操作される。図１に示す如く、設定状態が「ＬＥＶＥＬ１〜ＬＥＶＥＬ７」のように７区分され、温度センサ１７０の調整手段（以下、センサ調整手段と呼ぶ）は、ＬＥＶＥＬの番号に比例して温度帯が温度の増減方向へシフトするよう、連動機能部を介して調整される。尚、かかる連動機能部は、機構的構造によって成るものであっても良く、無線信号等によってセンサ調整手段へ作用するものでも良い。本実施の形態では、冷却性能を強化させる意向が強いとき高ＬＥＶＥＬ側へ設定部１８１を手動調節させ（運転強度が高い場面）、冷却性能を低下させる意向が強いとき低ＬＥＶＥＬ側へ設定部１８１を手動調節させ（運転強度が低い場面）るものとする。

図２は、コンプレッサモータの運転に関係する各種状態が示されている。先ず、コンプレッサモータの運転状態とは、コンプレッサモータ１４０を駆動させる電流が流れているか否かで定まるものであって、これは、温度センサ１７０の出力信号に関係する。

即ち、温度センサ１７０が上限温度Ｔｈａに達した旨の信号（以下、上限信号）を出力させると、制御装置１５０は、この信号に基づいてコンプレッサモータ１４０をオン（運転動作）させ、庫内の冷却を開始させる。一方、温度センサ１７０が下限温度Ｔｈｂに達した旨の信号（以下、下限信号）を出力させると、制御装置１５０は、この信号に基づいてコンプレッサモータ１４０をオフ（停止動作）させる。このように、制御回路１５０は、停止動作（温度上昇期間の動作）と運転動作（冷却期間の動作）とを混成させ、庫内温度をヒステリシス制御させる。

よって、「Ｔｈａ→Ｔｈｂ」へ変化する場面では、コンプレッサモータ１４０が駆動状態となり、これを「オン動作期間（冷却期間）」と呼ぶ。また、「Ｔｈｂ→Ｔｈａ」へ変化する場面では、コンプレッサモータ１４０が停止状態となり、これを「オフ動作期間（温度上昇期間）」と呼ぶ。また、第１回目のオン動作期間とオフ動作期間の一組（ヒステリシス周期）をＳＴＥＰ（１）と呼び、その次に現れるヒステリシス周期を、順次、ＳＴＥＰ（２），ＳＴＥＰ（３），ＳＴＥＰ（４）と呼ぶこととする。

本実施の形態に係る設定回転数ωは、１５００〔rpm〕〜４５００〔rpm〕の範囲で適宜に設定される。但し、冷凍冷蔵庫への電源投入直後の動作（Initial Pull Down Action／以下、ＩＰＤ動作と呼ぶ）に限っては、最大回転数「ω＝４５００〔rpm〕」によって急速冷却されるようプログラムで規定されている。また、ＩＰＤ動作の直後（ＳＴＥＰ２）の設定回転数については、ＩＰＤ動作が終了する際の設定回転数が選択される。本実施の形態にあっては、ＩＰＤ動作における設定回転数が最大回転数「ω＝４５００〔rpm〕」とされているので、ＳＴＥＰ（２）での設定回転数についてもこれが選択される。

ＳＴＥＰ２のオフ動作切換時ｔ２ｂ、制御回路１５０は、図３に示される処理ルーチンＲ１を起動させる。当該処理ルーチンＲ１は、各ステップでのオン動作期間からオフ動作期間へ切換る毎に起動する。

図３に示す如く、処理ルーチンＲ１のうち温度上昇期間算出処理Ｓ０１は、下限値温度情報の検出時（ｔ１ｂ，ｔ２ｂ，ｔ３ｂ，・・・）を起算時として、次に到来する上限値温度情報の検出時（ｔ２ａ，ｔ３ａ，ｔ４ａ，・・・）に至る迄の期間（温度上昇期間Δｔｑ）を計数する。当然の如く、温度上昇期間Δｔｑは、庫内熱負荷及びリーク熱量に応じて変化することとなる。同図では、ＳＴＥＰ（１）について取得された温度上昇期間をΔｔｑ１とし、ＳＴＥＰ（２）に対応する温度上昇期間をΔｔｑ２とし、ＳＴＥＰ（３）に対応する温度上昇期間をΔｔｑ３として示している。

制御回路１５０は、処理Ｓ０１が完了すると、設定温度帯特定処理Ｓ０２を機能させる。当該処理Ｓ０２では、先ず、センサ調整手段の調整状態を検出して、温度設定変更手段の設定状態（以下、レベル設定と呼ぶ）、即ち、装置運転に関する使用者の意向を間接的に検知する。また、処理Ｓ０２では、センサ調整手段によって設定される温度帯（以下、設定温度帯と呼ぶ）を特定する。設定温度帯の特定方法については、信号によって取得しても良いが、本実施の形態では以下の手法が採られている。

先ず、下限値温度Ｔｈｂについては、レベル設定に応じて以下のように想定される。
ＬＥＶＥＬ１のとき ・・・ −１７〔℃〕
ＬＥＶＥＬ２のとき ・・・ −１８〔℃〕
ＬＥＶＥＬ３のとき ・・・ −１９〔℃〕
ＬＥＶＥＬ４のとき ・・・ −２０〔℃〕
ＬＥＶＥＬ５のとき ・・・ −２１〔℃〕
ＬＥＶＥＬ６のとき ・・・ −２２〔℃〕
ＬＥＶＥＬ７のとき ・・・ −２３〔℃〕
このように、本実施の形態では、ＬＥＶＥＬ４の場面を標準的な運転強度と捉え、下限値温度Ｔｈｂとして一般的に設定される「−２０〔℃〕」が想定される。そして、レベル設定が切換るにつれ、下限値温度Ｔｈｂを運転強度に応じて徐々に変化するとして想定している。

そして、処理Ｓ０２では、下限値温度Ｔｈｂが定まると、図４（ａ）に示す如く、直前の設定回転数Ｎに基づいて上限値温度Ｔｈａを算出する。本実施の形態に係るメモリ回路には、冷却速度の実験値θと設定回転数Ｎとの相関情報が記録されている。かかる相関情報は、マップ情報であっても良く関数によってこれを現すものであっても良い。本実施の形態にあっては、設定回転数Ｎと冷却速度の実験値θとが、関数ｆによって特定されるものとする。本実施の形態では、式１として一次関数が与えられる。
θ＝ｆ（Ｎ） ・・・ 式１
尚、冷却速度の実験値とは、所定の条件にて予め取得された情報であり、これが本処理中に用いられることで冷却速度の想定を可能とさせる。以下、この値を、単に、冷却速度θと呼ぶことがある。

また、処理Ｓ０２では、以下の式２によって設定温度帯ΔＴｈが算出される。
ΔＴｈ＝θ・Δｔｐ ・・・ 式２
θ ：冷却速度〔deg／min〕
Δｔｐ：冷却期間〔min〕
即ち、本処理Ｓ０２では、冷却期間Δｔｐと既に算出されている冷却速度θとによって、設定温度帯ΔＴｈが算出されることとなる。同処理Ｓ０２によれば、レベル設定が「ＬＥＶＥＬ４」の場合、「Ｔｈａ＝−２０＋ΔＴｈ」によって、上限値温度Ｔｈａが算出されることとなる。これによれば、Ｔｈａ〜Ｔｈｂ間で自動的に設定回転数Ｎが切換えられる場合、各設定回転数に対応する部分温度帯ΔＴｈ１〜ΔＴｈ３を積算することで、Ｔｈａ〜Ｔｈｂ間の設定温度帯ΔＴｈを算出できる（図４（ｂ）参照）。

処理ルーチンＲ１は、処理Ｓ０２にて設定温度帯ΔＴｈが算出されると、温度上昇勾配演算処理Ｓ０３を実行させる（図３参照）。当該処理Ｓ０３では、先に算出した温度上昇期間Δｔｑに基づいて、温度上昇速度に関するパラメータΘｑを算出する。本実施の形態では、かかるパラメータΘｑが以下の式３によって算出される。
Θｑ＝ΔＴｈ／Δｔｑ ・・・ 式３
Θｑ ：温度上昇速度に関するパラメータ
ΔＴｈ：設定温度帯
Δｔｑ：放熱期間

制御回路１５０は、温度上昇速度Θｑの算出が完了すると、冷却勾配想定処理Ｓ０４を実行させる。当該処理Ｓ０４では、「先に算出したパラメータΘｑ」と「レベル設定の状態」とに基づいて、「今後設定する冷却速度の想定値Θｐ」に関する情報を特定する。冷却勾配想定処理Ｓ０４は、以下の如く、「レベル設定の状態」に応じて想定係数Ｃ１が与えられている。
ＬＥＶＥＬ１のとき ・・・ Ｃ１＝３０〔％〕
ＬＥＶＥＬ２のとき ・・・ Ｃ１＝３７〔％〕
ＬＥＶＥＬ３のとき ・・・ Ｃ１＝４３〔％〕
ＬＥＶＥＬ４のとき ・・・ Ｃ１＝５０〔％〕
ＬＥＶＥＬ５のとき ・・・ Ｃ１＝５７〔％〕
ＬＥＶＥＬ６のとき ・・・ Ｃ１＝６３〔％〕
ＬＥＶＥＬ７のとき ・・・ Ｃ１＝７０〔％〕
ここで、ＬＥＶＥＬ１の想定係数については、ヒステリシス制御の周期（ヒステリシス周期）を冗長化させない程度の割合が設定される。一方、ＬＥＶＥＬ７の想定係数については、消費電力を高くし過ぎない程度に設定される。本実施の形態に係る想定係数Ｃ１は、「ＬＥＶＥＬ１の点」と「ＬＥＶＥＬ２の点」によって比例関数が設定され、この比例関数へ各ＬＥＶＥＬを代入することにより、残りの想定係数が算出される。

処理Ｓ０４では、以下の式４によって、想定係数Ｃ１に基づく冷却速度Θｐの想定が行われる。
Θｐ＝（Ｃ１／Ｃ２）・Θｑ
Θｑ ：温度上昇速度に関するパラメータ
Ｃ１ ：想定係数
Ｃ２ ：基準係数
本実施の形態では、基準係数Ｃ２が「５０％」とされており、ＬＥＶＥＬ４のとき温度上昇速度Θｑと冷却速度の想定値Θｐとが一致するよう設計されている。但し、これに限らず、レベル設定の基準を何処にするかによって、当該基準係数が適宜定められることとなる。

処理ルーチンＲ１は、冷却速度の想定値Θｐが算出されると、回転数設定処理Ｓ０５を実行させる。当該処理Ｓ０５は、「θ＝ｆ（Ｎ）」の逆関数によって、設定回転数Ｎを算出する。即ち、冷却速度Θｐとして制御すべき軌跡が想定されると、この逆関数に基づいて設定回転数Ｎが算出される。かかる逆関数は、冷却速度Θｐと設定回転数Ｎとの相関を実験的に観察した情報であるところ、これによって算出された設定回転数によって所望の冷却速度を再現させることとなる。

本実施の形態では、図５に示す如く、レベル設定が切換えられると、これに応じて目標温度Ｔｒが変化する。例えば、時刻ｔｚにて「ＬＥＶＥＬ４→ＬＥＶＥＬ１」へ切換えられると、目標温度が「Ｔｒ４→Ｔｒ１」へと設定変更されることになる。また、時刻ｔｚにて「ＬＥＶＥＬ４→ＬＥＶＥＬ７」へ切換えられると、目標温度が「Ｔｒ４→Ｔｒ７」へと設定変更されることになる。

図６は、庫内の熱負荷が同一条件とされる場合について、レベル設定毎のヒステリシス制御の状態が示されている。図示の如く、本実施の形態によると、レベル設定に比例して冷却速度が増減するので、レベル設定がＬＥＶＥＬ１側に設定されれば、其の時の冷却速度Θｐは鈍化する。一方、レベル設定がＬＥＶＥＬ７側に設定されれば、其の時の冷却速度Θｐは急峻な温度変化を与える。即ち、庫内熱負荷の状態が同一条件であれば、レベル設定を高くするにつれ、ヒステリシス周期を短くさせる傾向を示す。

ここで、レベル設定の状態は、冷却速度の状態を規定するものなので、言換えると、吸熱に係るエネルギーの状態を示すものに他ならない。これは、レベル設定が高くなれば、これに応じて消費電力が高くなることを示す。逆に、レベル設定が低くなれば、これに応じて消費電力を低下させることを意味する。

そして、本実施の形態によれば、図７に示す如く、レベル設定と比例するように庫内温度が応答する。従って、レベル設定を低くした場合、庫内温度の応答が悪くなる替りに、消費電力を抑制させるというメリットを得る。一方、レベル設定を高くした場合、消費電力が上昇してしまう代償として、庫内温度が上限値温度Ｔｈａの近傍を推移する期間を短くさせ、貯蔵物の品質低下を回避させ得る。そして、このメリット及びデメリットの価値判断は使用者に委ねられ、当該使用者によるレベル設定（操作）によって、使用電力の許容範囲が間接的に制御回路１５０へ伝えられる。

上述の如く、本実施の形態に係るモータ制御システムによると、温度設定変更手段の設定状態に応じて、単位時間当たりの消費電力が定まる。従って、同システムでは、使用者が冷却能力アップを所望する場合、単位時間当たりの消費電力の限度を緩和させる一方、冷却能力の向上を優先させ庫内貯蔵物の保全機能を優先させる。また、使用者が消費電力抑制を所望する場合、庫内貯蔵物の保全機能が高いレベルまで要求されていないとして、単位時間当たりの消費電力の制限を優先させる。

１００ 冷却機用コンプレッサモータ制御システム， １２０ 電力変換回路， １５０ 制御回路， １７０ 機械式サーモスタット， １８０ 温度設定変更手段， １８１ （自身の）設定部。

Claims (4)

1. 上限温度及び下限温度により定まる温度帯をレベルシフトさせる調整手段が設けられ且つ前記温度帯の上限値又は下限値に達した旨を現した二値信号を出力する温度センサと、自身の設定部に与えられた設定状態に連動して前記調整手段を操作する温度設定変更手段と、温度上昇期間での停止動作と冷却期間での運転動作とから成る庫内温度のヒステリシス制御を前記二値信号に基づいて実施させる制御回路と、を備える冷却機用コンプレッサモータ制御システムにおいて、
   前記制御回路は、前記温度設定変更手段の設定状態と前記温度上昇期間での温度上昇速度とに基づいて、コンプレッサモータの設定回転数を特定することを特徴とする冷却機用コンプレッサモータ制御システム。
2. 前記制御回路は、前記温度上昇期間を算出する温度上昇期間算出処理と、前記温度帯を算出する温度帯特定処理と、前記温度上昇期間及び前記温度帯に基づいて前記温度上昇速度を算出する温度上昇速度算出処理と、前記温度設定変更手段の設定状態と前記温度上昇期間での温度上昇速度とに基づいて冷却速度の想定値を設定する冷却速度想定処理と、前記冷却速度の想定値に基づいて前記設定回転数を算出する回転数設定処理と、を機能させることを特徴とする請求項１に記載の冷却機用コンプレッサモータ制御システム。
3. 前記回転数設定処理は、前記冷却速度の想定値と前記設定回転数との相関情報に基づいて、前記設定回転数を算出することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の冷却機用コンプレッサモータ制御システム。
4. 前記設定回転数は、前記設定状態が示す運転強度に比例して増減設定されることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の冷却機用コンプレッサモータ制御システム。

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