JP2016061435A - 真空断熱材、断熱箱、及び真空断熱材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】省エネルギーかつ省資源で製造される真空断熱材、断熱箱、及び真空断熱材の製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】真空断熱材１は、繊維集合体からなる芯材１０と、芯材１０を被覆する外包材２０、２１とを備え、外包材２０、２１の内部が減圧密封され、外包材２０、２１の内部から取り出した芯材１０の厚さを大気圧下で５０％の厚さまで圧縮したときの圧縮応力は５ｋＰａ以下である。【選択図】図１

Description

本発明は、真空断熱材、断熱箱、及び真空断熱材の製造方法に関するものである。

冷蔵庫等の断熱材として用いられている従来の真空断熱材としては、ガラス繊維の集合体からなる芯材をガスバリア性のある外包材で被覆し、外包材の内部を減圧密閉したものがある（例えば、特許文献１参照）。この真空断熱材では、ガラス繊維の集合体がガラス繊維の熱変形温度以上の温度で加圧成形することによって塑性変形され、芯材が加圧時の状態に保持される。この真空断熱材は、この芯材を袋状に成形された外包材に挿入し、外包材の内部を減圧し、開口部を熱溶着により密閉封止することにより作製される。

また、従来の真空断熱材としては、繊維質材を用いて有機系バインダーを固め成形した芯材と、金属箔の層を積層してなるラミネートフィルムとを備え、ラミネートフィルムの縁部がシールされ内部が減圧されたものがある（例えば、特許文献２参照）。

また、従来の真空断熱材としては、柔軟性を有する内袋に無機繊維重合体を収納した芯材と、芯材を収納して内部を減圧し周縁部を溶着して封止したラミネートフィルムからなる外包材とを備えたものがある（例えば、特許文献３参照）。

特開２００５−２２０９５４号公報（段落［００１７］、［００２３］、［００２９］、［００５９］、図１） 特開平９−１３８０５８号公報（段落［００１３］、図１） 特開２００７−９９２８号公報（請求項６〜８、図９）

繊維集合体からなる芯材は、大気圧下では嵩高くなるため真空断熱材の製造段階における取扱いが困難な場合がある。そのため、従来の真空断熱材では、減圧密封前に予備的に芯材の厚さを低減することによってその取扱いを容易にしている。

例えば、特許文献１では、ガラス繊維の集合体を加熱加圧成形することによって芯材の厚さを低減している。特許文献２では、有機系バインダー等の結合剤を用いることによって芯材の厚さを低減している。特許文献３では、柔軟な内袋等の内包材を用いて芯材を予備的に減圧密封することにより芯材の厚さを低減している。

しかしながら、芯材の厚さを低減するためにガラス繊維の集合体が加熱加圧成形された場合、加熱加圧成形はガラス繊維の熱変形温度以上の温度でなされるため、莫大な熱エネルギーを浪費するという課題があった。更に、加熱加圧成形によってガラス繊維が塑性変形するため、芯材に含まれるガラス繊維の密度が高くなり、芯材の所望の断熱厚みを維持するために、ガラス繊維の使用量が増加してしまうという課題があった。

また、有機系バインダー等の結合剤を用いて繊維質材（繊維集合体）を結着させた芯材、及び内袋等の内包材を用いて無機繊維重合体（繊維集合体）を収納した芯材は、芯材の厚さを低減するために結合剤や内包材といった材料を浪費してしまうという課題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、省エネルギーかつ省資源で製造される真空断熱材、断熱箱、及び真空断熱材の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る真空断熱材は、繊維集合体からなる芯材と、前記芯材を被覆する外包材とを備え、前記外包材の内部が減圧密封された真空断熱材であって、前記外包材の内部から取り出した前記芯材の厚さを大気圧下で５０％の厚さまで圧縮したときの圧縮応力は５ｋＰａ以下である。

また、本発明に係る真空断熱材は、繊維集合体からなる芯材と、前記芯材を被覆する外包材とを備え、前記外包材の内部が減圧密封された真空断熱材であって、前記芯材は、前記外包材の内部から取り出されて大気圧下で５０％の厚さまで圧縮されたときの圧縮応力が５ｋＰａ以下となる状態で前記外包材に被覆されている。

また、本発明に係る真空断熱材の製造方法は、繊維集合体からなる芯材を外包材で被覆する工程と、前記外包材の内部を減圧する前に、前記芯材及び前記外包材を外力で一体に圧縮して、前記芯材を圧縮状態とする工程と、前記圧縮状態において、前記外包材の周縁部のうち少なくとも相対する２辺に溶着シール部を形成する工程と、前記溶着シール部を形成した後に、前記外包材の内部を減圧密封して真空断熱材を得る工程とを備え、前記外包材で被覆する前の前記芯材の厚さを大気圧下で５０％の厚さまで圧縮したときの圧縮応力は５ｋＰａ以下である。

また、本発明に係る断熱箱は、上述の真空断熱材又は上述の製造方法で製造された真空断熱材を備える。

本発明によれば、上述のような圧縮応力が５ｋＰａ以下の芯材を用いることによって、加熱加圧成形された芯材及び結合材によって結着された芯材を用いた従来技術の真空断熱材よりも芯材密度を低くすることができるため、ガラス繊維の使用量を削減することができる。また、本発明によれば、真空断熱材の製造時に、芯材の厚さを低減するための熱エネルギー及び材料が使用されない。したがって、省エネルギーかつ省資源で製造される真空断熱材を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る真空断熱材１の概略構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る真空断熱材１の製造工程を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る真空断熱材１の製造工程を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る真空断熱材１の製造工程を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る断熱箱２の概略構成を示す断面図である。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１に係る真空断熱材１及びその製造方法について説明する。図１は、本実施の形態１に係る真空断熱材１の概略構成を示す断面図である。なお、図１を含む以下の図面では、各構成部材の寸法の関係や形状等が実際のものとは異なる場合がある。各構成部材の具体的な寸法等は、以下の説明を参酌した上で判断すべきものである。

図１に示すように、真空断熱材１は、繊維集合体からなる芯材１０と、ガスバリア性を有し、芯材１０の両面を被覆する２枚の外包材２０、２１と、外包材２０、２１の内部空間に挿入され、水分を吸着して外包材２０、２１の内部空間の真空度の経時劣化を抑制する水分吸着剤３０とを備えている。外包材２０、２１の内部空間は、１〜３Ｐａ程度の真空度に減圧された状態で開口部が密封されることにより減圧密封されている。開口部の密封は、ヒートシール等によって外包材２０、２１の周縁部を溶着し、溶着シール部４０を形成することにより行われる。真空断熱材１は、全体として概略長方形平板状の形状を有している。

芯材１０は、グラスウールなどの繊維集合体が積層された構成を有している。繊維集合体は、グラスウールであれば遠心法により製造され、樹脂繊維であればスパンボンド法により製造されることが一般的であるが、繊維集合体の製造方法は、特に限定されるものではない。

本実施の形態１の真空断熱材１では、芯材１０の厚さを低減するための熱エネルギー及び材料が使用されていない。例えば、芯材１０を構成する繊維集合体は、加熱加圧成形も、内包材による密閉封止も、結合剤による結着もなされていない。

外包材２０、２１は、既存の真空断熱材に使用されている外包材であり、多層構造をなすラミネートフィルムである。この多層構造は、例えば、内側（芯材１０側）から順にポリエチレン層、アルミ蒸着層、ポリエチレンテレフタレート層、及び最外層の延伸ナイロン層が積層された構成を有する。各層の厚みは１０〜３０μｍ程度にできるが、これに限定されるものではない。

外包材２０、２１の構成は、上記構成には限定されず、アルミナ蒸着層、エチレン−ビニルアルコール層、ポリプロピレン層が含まれていてもよい。また、外包材２０、２１は、ガスバリア性を有するものであれば、特に構成が限定されるものではない。

本実施の形態１の真空断熱材１においては、外包材２０、２１の内部空間を規定する外包材２０、２１の内表面全体は、芯材１０の表面全体と直接接触している。すなわち、芯材１０は他の部材（例えば、内包材）により被覆されていない。

水分吸着剤３０は、例えば、通気性の良い袋に挿入された酸化カルシウム（ＣａＯ）等により構成されている。水分吸着剤３０は、ＣａＯのみに限定されるものではなく、シリカゲルやゼオライトなどの水分吸着性を有するものを用いてもよい。

溶着シール部４０は、外包材２０、２１の周縁部の全周に亘って切れ目なく形成されている。外包材２０、２１の周縁部のうち少なくとも相対する２辺において、溶着シール部４０と芯材１０との間の距離Ａが５ｍｍ以上１００ｍｍ以下となっている。溶着シール部４０は、芯材１０の形状に沿って固定されている。溶着シール部４０の幅は５〜５０ｍｍ程度にできるが、これに限定されるものではない。

本実施の形態１の真空断熱材１における、芯材１０の材料特性について説明する。本実施の形態１における真空断熱材１の外包材２０、２１の内部から芯材１０を取り出し、大気圧下で取り出した芯材１０を初期厚みに対して５０％の厚さまで圧縮したときの単位面積あたりの荷重、すなわち圧縮応力（以降、「５０％圧縮応力」と称する。）を測定した。測定は、ＩＳＯ ５８９３の規定する条件を満足する万能試験機を用いて、縦横１００ｍｍ四方に切り出した芯材１０を試験速度１０ｍｍ／ｍｉｎで圧縮することによって行った。大気圧下で取り出した芯材１０の厚さをｈ０とするとき、万能試験機の圧縮板の間隔がｈ０よりも十分に離れた間隔（例えばｈ０＋１００ｍｍ）から試験を開始し、圧縮応力が０．０１ｋＰａとなったときの厚みを初期厚みｈ１とした。試験を継続し、芯材１０を初期厚みｈ１に対して５０％圧縮したとき、すなわちｈ１×０．５の厚みになったときの５０％圧縮応力を測定した。

厚み２０ｍｍの本実施の形態１の真空断熱材１の芯材１０において、ｈ０、ｈ１はそれぞれ１５０ｍｍ、１４８ｍｍとなり、５０％圧縮応力は約０．５ｋＰａとなった。これに対し、厚み２０ｍｍの従来技術の真空断熱材の加熱加圧成形された芯材において、ｈ０、ｈ１はそれぞれ５０ｍｍ、４９．６ｍｍとなり、５０％圧縮応力は約１１ｋＰａとなった。

芯材１０は、外包材２０、２１の内部から取り出して大気圧下で５０％の厚さまで圧縮したときの圧縮応力が０．０５ｋＰａ以上５ｋＰａ以下となる状態で、外包材２０、２１に被覆されている。このような状態で芯材１０が外包材２０、２１により被覆されていることは、上述のように芯材１０を外包材２０、２１の内部から取り出して、大気圧下で５０％の厚さまで圧縮したときの圧縮応力を測定することによって確認できる。芯材１０は外包材２０、２１で被覆する前に加熱加圧成形も結合剤による結着もなされていないので、外包材２０、２１から取り出した後においても大気圧下で０．０５ｋＰａ以上５ｋＰａ以下の力で５０％の厚さまで圧縮できる。

次に、本実施の形態１に係る真空断熱材１の製造方法について説明する。図２〜図４は、真空断熱材１の製造工程を示す図である。また、図２〜図４は、製造工程で用いられる加工装置５０の構成も併せて示している。図２〜図４に示すように、加工装置５０は、圧縮機構５１と溶着機構５２ａ、５２ｂとを有している。圧縮機構５１は、芯材１０と芯材１０を被覆する外包材２０、２１とを一体で加圧圧縮するものである。溶着機構５２ａ、５２ｂは、圧縮機構５１により芯材１０及び外包材２０、２１が加圧圧縮された状態で、外包材２０、２１の周縁部のうちの相対する２辺に溶着シール部４０を形成するものである。溶着機構５２ａ、５２ｂは、圧縮機構５１を挟んで両側に配置されている。また、溶着機構５２ａ、５２ｂは、圧縮機構５１により芯材１０及び外包材２０、２１が圧縮された状態で、芯材１０に近接して溶着シール部４０を形成できるように、圧縮機構５１に近接して設けられている。例えば、溶着機構５２ａ、５２ｂは、溶着シール部４０と芯材１０の端部との間の距離Ａが５ｍｍ以上１００ｍｍ以下となる溶着シール部４０を形成できるようになっている。

真空断熱材１の製造工程においては、まず、図２に示すように、芯材１０を真空断熱材１として必要な幅と長さに加工し、芯材１０の両面（上面及び下面）を２枚の外包材２０、２１で被覆した状態で加工装置５０（圧縮機構５１）に配置する。この工程は、大気圧下で行われる。このときの芯材１０の厚みＴ１は、完成後の真空断熱材１の厚み（又は芯材１０の厚み）と比較して５倍以上となっている。また、このときの芯材１０の５０％圧縮応力は、５ｋＰａ以下である。

次に、図３に示すように、圧縮機構５１によって外包材２０、２１の両外側表面から芯材１０及び外包材２０、２１を一体で機械的に加圧圧縮する（加圧圧縮工程）。加圧圧縮工程は、大気圧下で行われる。圧縮するときの圧力は、大気圧相当の０．１０ＭＰａ以上であることが好ましく、０．１７ＭＰａ以上であればより好ましい。圧縮状態の芯材１０の厚みＴ２は、大気圧下にある圧縮前の芯材１０の厚みＴ１の１／５以下となっている。また、圧縮状態における芯材１０及び外包材２０、２１の一体の厚みは、完成後の真空断熱材１の厚みとほぼ同じである。

次に、図４に示すように、圧縮機構５１によって芯材１０及び外包材２０、２１が一体で加圧圧縮されている圧縮状態において、溶着機構５２ａにより、外包材２０、２１の周縁部のうちの１辺に溶着シール部４０を形成する（溶着シール部形成工程）。また、この圧縮状態において、溶着機構５２ｂにより、外包材２０、２１の周縁部のうちの上記１辺に相対する他方の１辺に、溶着シール部４０を形成する。これらの溶着シール部４０は、同時に形成されるようにしてもよい。また、これらの溶着シール部４０は、例えば、いずれも芯材１０の端部との間の距離Ａが５ｍｍ以上１００ｍｍ以下となるように形成される。溶着シール部形成工程は、大気圧下で行われる。相対する２辺に溶着シール部４０が形成されることによって、芯材１０及び外包材２０、２１が一体化し、圧縮機構５１による加圧を解除しても芯材１０の圧縮状態が維持される。溶着シール部形成工程では、外包材２０、２１の周縁部の一部に開口部が確保できるように、外包材２０、２１の３辺以上に溶着シール部４０を形成してもよい。

次に、圧縮機構５１による加圧を解除し、一体化した芯材１０及び外包材２０、２１を加工装置５０から取り出す。その後、芯材１０及び外包材２０、２１から水分を除去するための乾燥工程を行う。乾燥工程は、芯材１０及び外包材２０、２１の水分を除去できる条件（例えば、１００℃で２時間の加熱）で行われる。なお、乾燥工程の条件はこれに限定されず、芯材１０及び外包材２０、２１の水分を除去できる条件であればよい。

次に、外包材２０、２１の内部空間に水分吸着剤３０が挿入される（水分吸着剤挿入工程）。なお、水分吸着剤挿入工程は、乾燥工程の後に行われることに限定されず、乾燥工程の前や、加圧圧縮工程の前に行われてもよい。

次に、外包材２０、２１の内部を１〜３Ｐａ程度の真空度に減圧し、その減圧状態で開口部（例えば、既に溶着シール部４０が形成された２辺以外の辺）にヒートシール等により溶着シール部４０を形成し、外包材２０、２１の内部を減圧密封する（減圧密封工程）。減圧密封工程で形成される溶着シール部４０も、芯材１０との距離Ａが５ｍｍ以上１００ｍｍ以下となるように形成してもよい。以上の工程を経て、真空断熱材１が得られる。

次に、本実施の形態１の効果について説明する。本実施の形態１の真空断熱材１は、繊維集合体からなる芯材１０が外包材２０、２１と直接接触したものであり、外包材２０、２１の内部から取り出した芯材１０の５０％圧縮応力が５ｋＰａ以下となるものである。したがって、本実施の形態１では、真空断熱材１の製造時に、芯材１０の厚さを低減するための熱エネルギー及び材料は使用されないため、省エネルギーかつ省資源な真空断熱材１を得ることができる。

例えば、本実施の形態１の真空断熱材１と、芯材が加熱加圧成形される従来技術の真空断熱材との比較を考える。ここでは、双方の真空断熱材の芯材の重量が５ｋｇであり、加熱加圧成形のための熱変形温度が４００℃であるとする。従来技術の真空断熱材であれば、２０００ｋＪの熱エネルギーを消費することとなるが、本実施の形態１の真空断熱材１ではこの２０００ｋＪの熱エネルギーの消費を節約できる。

また、本実施の形態１の真空断熱材１の芯材１０の密度は、約２４０ｋｇ／ｍ^３となるのに対して、従来技術の真空断熱材の芯材の密度は、塑性変形があるため密度が約２４６ｋｇ／ｍ^３と高くなる。その結果、従来技術の真空断熱材において本実施の形態１の真空断熱材１と同様の断熱厚みを維持するためには、真空断熱材１の芯材１０より多くのガラス繊維を消費することとなる。

これに対し、本実施の形態１の真空断熱材１では、従来技術の真空断熱材よりもガラス繊維の使用量を削減することができる。例えば、本実施の形態１の真空断熱材１において、幅が６００ｍｍ、長さが１７００ｍｍ、厚さが２２ｍｍである場合、従来技術の真空断熱材よりも芯材の使用量を約１５０ｇ削減することができる。

したがって、本実施の形態１によれば、省エネルギーかつ省資源な真空断熱材１を得ることができる。

また、本実施の形態１の真空断熱材１は、加熱加圧成形されることも、結合剤によって結着されることもない。したがって、取り出した芯材１０において、ガラス繊維の熱変形がなされておらず、ガラス繊維以外の成分（例えば、結合剤の成分）も含まれていないため、使用済みの真空断熱材１のガラス繊維を再生資源又は再生材料として再利用することができる。

また、本実施の形態１の真空断熱材１は、内包材も結合剤も含んでいないため、真空断熱材１の原材料の減量化を図ることができる。

また、本実施の形態１の真空断熱材１は、前記芯材１０の端部と前記外包材２０、２１の溶着シール部４０との間の距離Ａを５ｍｍ以上１００ｍｍ以下にすると、圧縮機構５１による加圧を解除しても芯材１０の減容化状態、すなわち圧縮状態を維持できる。したがって、製造工程中（例えば、乾燥工程前、減圧密封前）の真空断熱材１を省スペースで一時保管することができるため、包装容積を縮減することができる。

また、本実施の形態１の真空断熱材１の製造方法は、芯材１０を加熱加圧成形する工程も、芯材１０を内包材によって密閉封止する工程も、芯材１０を結合剤で結着する工程も備えていない。したがって、本実施の形態１によれば、より低コストで効率良く真空断熱材１を製造することができる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る断熱箱２について説明する。本実施の形態２においては、上記実施の形態１に係る真空断熱材１を断熱箱２に使用することで、省エネルギーかつ省資源で製造された断熱箱２を得ることができる。図５は、本実施の形態２に係る断熱箱２の概略構成を示す断面図である。本実施の形態２では、冷蔵庫の断熱箱を例に挙げて説明する。

図５に示すように、断熱箱２は、内箱６０と外箱６１とを有している。内箱６０と外箱６１との間の空間には、真空断熱材１が配置されている。真空断熱材１は、例えば内箱６０の外壁面に密着して配置されている。内箱６０と外箱６１との間の空間において真空断熱材１以外の部分には、発泡ウレタン断熱材６２が充填されている。断熱箱２のその他の部分は、一般的な冷蔵庫の断熱箱と同様であるため、図示及び説明を省略する。

本実施の形態２では、省エネルギーかつ省資源で製造された真空断熱材１が用いられているため、省エネルギーかつ省資源で製造された断熱箱２を得ることができる。また、本実施の形態２では、発泡ウレタン断熱材６２等と比較して高い断熱性能を有する真空断熱材１が用いられているため、断熱材として発泡ウレタン断熱材のみが用いられた断熱箱と比較して、断熱性能の高い断熱箱２を得ることができる。したがって、断熱箱２を備えた冷蔵庫において消費電力を削減することができる。

なお、本実施の形態２の断熱箱２では、真空断熱材１が内箱６０の外壁面に密着しているが、真空断熱材１は外箱６１の内壁面に密着していてもよい。また、真空断熱材１は、スペーサなどを用いることにより、内箱６０と外箱６１との間の空間に、内箱６０及び外箱６１のいずれにも密着しないように配置されていてもよい。

その他の実施の形態．
本発明は、上述の実施の形態に限らず種々の変形が可能である。例えば、上述の実施の形態１の製造方法では、芯材１０を必要な幅と長さに加工した状態で、加工装置５０（圧縮機構５１）に配置されるが、芯材１０の表面状態を整える目的で、加工装置５０に配置される前に約１０％〜４０％の厚さまで芯材１０を１回以上予備的に圧縮してもよい。

また、上述の実施の形態２では、冷熱源を備える冷蔵庫の断熱箱２に真空断熱材１が用いられた構成を例に挙げたが、本発明はこれに限られない。真空断熱材１は、温熱源を備える保温庫の断熱箱や、冷熱源及び温熱源を備えない断熱箱（例えば、クーラーボックス等）に用いることもできる。

また、真空断熱材１は、断熱箱だけでなく、空調機、車両用空調機、給湯機などの冷熱機器又は温熱機器の断熱部材として用いることもできる。また、真空断熱材１は、断熱箱のように所定の形状を備えた箱体だけでなく、変形自在な外袋及び内袋を備えた断熱袋や、その他の断熱容器にも用いることができる。

また、上記の各実施の形態や変形例は、互いに組み合わせて実施することが可能である。

１ 真空断熱材、２ 断熱箱、１０ 芯材、２０、２１ 外包材、３０ 水分吸着剤、４０ 溶着シール部、５０ 加工装置、５１ 圧縮機構、５２ａ、５２ｂ 溶着機構、６０ 内箱、６１ 外箱、６２ 発泡ウレタン断熱材。

Claims (9)

1. 繊維集合体からなる芯材と、前記芯材を被覆する外包材とを備え、前記外包材の内部が減圧密封された真空断熱材であって、
   前記外包材の内部から取り出した前記芯材の厚さを大気圧下で５０％の厚さまで圧縮したときの圧縮応力は５ｋＰａ以下であることを特徴とする真空断熱材。
2. 繊維集合体からなる芯材と、前記芯材を被覆する外包材とを備え、前記外包材の内部が減圧密封された真空断熱材であって、
   前記芯材は、前記外包材の内部から取り出されて大気圧下で５０％の厚さまで圧縮されたときの圧縮応力が５ｋＰａ以下となる状態で前記外包材に被覆されていることを特徴とする真空断熱材。
3. 前記繊維集合体は、グラスウールであることを特徴とする請求項１又は２に記載の真空断熱材。
4. 前記繊維集合体は、結合剤によって結着されていないものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の真空断熱材。
5. 前記繊維集合体は、加熱加圧成形されていないものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の真空断熱材。
6. 前記芯材の端部と前記外包材の溶着シール部との間の距離は、５ｍｍ以上１００ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の真空断熱材。
7. 繊維集合体からなる芯材を外包材で被覆する工程と、
   前記外包材の内部を減圧する前に、前記芯材及び前記外包材を外力で一体に圧縮して、前記芯材を圧縮状態とする工程と、
   前記圧縮状態において、前記外包材の周縁部のうち少なくとも相対する２辺に溶着シール部を形成する工程と、
   前記溶着シール部を形成した後に、前記外包材の内部を減圧密封して真空断熱材を得る工程と
   を備え、
   前記外包材で被覆する前の前記芯材の厚さを大気圧下で５０％の厚さまで圧縮したときの圧縮応力は５ｋＰａ以下であることを特徴とする真空断熱材の製造方法。
8. 請求項７に記載の製造方法により製造されたことを特徴とする真空断熱材。
9. 請求項１〜６、８のいずれか一項に記載の真空断熱材を備えることを特徴とする断熱箱。

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