JP2017190694A - ベーンおよびベーンポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】高い吐出圧力での使用であっても、ケーシングの内周面とベーンの上面との間から低圧側への液体のリークロスが少なく、効率よく液体を多量に輸送することのできるベーンポンプおよびそれに用いるベーンが望まれている。
【解決手段】ベーン１は、ベーン本体１０の上部とベーン本体１０の末端面１Ｃの下方とを連通する圧力導入用溝２がベーン本体１０の前面１Ａに刻設されるとともに、圧力導入用溝２はベーン本体１０の末端面１Ｃに近づくほど深くなるように傾斜して形成されている。圧力導入用溝２は、ベーン本体１０の前面１Ａと先端面１Ｂが交わる前端辺４とベーン本体１０の末端面１Ｃの前後途中位置とを結んで形成されている。また、ベーンポンプでは、ベーン収容溝においてベーン１の末端面１Ｃよりも奥部にある溝内空間とロータ回転方向前方のポンプ室とを、ベーン１の圧力導入用溝２が連通している。
【選択図】図１

Description

本発明は、小容量であっても高粘性液などを効率よく輸送するようにしたベーンポンプ、およびこれに用いられるベーンに関する。

従来、この種のベーンポンプを図９（ａ）に示す。このベーンポンプＷは、円筒状のケーシング１２内でケーシング１２の軸心から偏心した軸心回りにロータ１４が回転自在に設けられた容積式ポンプであって、ロータ１４に半径方向に延びるベーン収容溝１５が形成され、ベーン収容溝１５にベーン５１が出没自在に収容されている。そして、このベーンポンプＷで使用されるベーン５１は、図９（ｂ）に示すように、正面視で矩形状の板体として形成されたベーン本体６０から構成されている。このベーン本体６０は、前面５１Ａ、先端面５１Ｂ、末端面５１Ｃ、左右の横側面および背面を有している。そして、ベーン本体６０の上部とベーン本体６０の下面５１Ｃの下方の溝内空間１５ａとを連通する２条の圧力導入用溝５２，５２が、ベーン本体６０の前面５１Ａに刻設されている。前記の圧力導入用溝５２の奥底面５３は、ベーン本体６０の前面５１Ａと平行であって一様な深さに形成されている。図中符号の１７は、ロータ１４に形成されたピン収容穴であり、２０はピン収容穴１７内に収容されて低圧側のベーン５１（図外）を押すためのピンである。このような構成のベーンポンプＷでは、ロータ１４が反時計回り（矢印Ｒ方向）に回転し、半径方向外向きの遠心力が各ベーン５１にかかる。同時に、吐出ポート近傍で高圧側となっているポンプ室２８に位置するベーン５１には、矢印Ｇのように圧力導入用溝５２を通してポンプ室２８からの高圧の高粘性液Ｌが溝内空間５ａに導かれ、ベーン５１の末端面５１Ｃを半径方向外向きに押圧することにより、ベーン５１の先端面５１Ｂをケーシング１２の内周面に摺動自在に押し付けてシールする。
上記のようなベーン５１およびベーンポンプＷは、下記の特許文献１に記載されている。

特開平１１−３７０６２号公報

上記した従来のベーン５１およびベーンポンプＷはそれなりに好適なものであるが、ケーシング１２の内周面に向けてベーン５１を押す力は、溝内空間１５ａ内で高粘性液Ｌから受ける押上げ力と遠心力とである。加えて、高圧側の高粘性液Ｌからの大きな抵抗を受けるので、ベーン５１はケーシング１２の内周面から一層離れやすくなる。これらのことから、ベーン５１後方への液洩れを生じやすく、ポンプ効率の低下を招くおそれがあった。特に、比較的高い吐出圧力で使用する場合は、ケーシング１２の内周面とベーン５１の先端面５１Ｂとの間から後方へのリークロスが更に多くなり、吐出量が著しく低下するという不具合があった。

本発明は、上記した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、高い吐出圧力での使用であっても、ケーシングの内周面とベーンの上面との間から低圧側への液体のリークロスが少なく、効率よく液体を多量に輸送することのできるベーンポンプおよびそれに用いるベーンの提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るベーンは、矩形板状に形成されたベーン本体から成り、ベーンポンプのロータに使用される際にベーン本体の前面がロータ回転方向前向きに配置されるベーンであって、ベーン本体の上部とベーン本体の下面の下方とを連通する圧力導入用溝がベーン本体の前面に刻設されるとともに、圧力導入用溝はベーン本体の下面に近づくほど深くなるように傾斜して形成されたものである。

また、前記構成において、圧力導入用溝は、ベーン本体の前面と上面が交わる前端辺とベーン本体の下面の前後途中位置とを結んで形成されているものである。

そして、本発明に係るベーンポンプは、略円筒状のケーシングと、ケーシングの端面を封止してケーシング内にポンプ室を形成するサイドプレートと、ケーシング内で当該ケーシングの軸心から偏心した位置に回転自在に設けられたロータと、ロータに複数形成されたベーン収容溝にそれぞれ半径方向に出没自在に収容されるベーンを有するベーンポンプにおいて、ベーンとして請求項１または請求項２に記載のベーンが用いられ、ベーンの圧力導入用溝が、ベーン収容溝においてベーンの下面よりも奥部にある溝内空間とロータ回転方向前方のポンプ室とを連通しているものである。

本発明に係るベーンおよびこのベーンを用いたベーンポンプによれば、ベーン本体の上部とベーン本体の下面の下方とを連通する圧力導入用溝がベーン本体の前面に刻設されるとともに、圧力導入用溝はベーン本体の下面に近づくほど深くなるように形成されているので、ロータ回転方向と正対する圧力導入用溝の奥底面はロータ半径方向に対して傾斜している。このように圧力導入用溝の奥底面にかかる力は、ロータ接線方向の分力とロータ半径方向の分力とに分けられる。その結果、圧力導入用溝の奥底面の全面で受ける力から派生したロータ半径方向の分力も、ベーンを半径方向外向きに押し出す力に加えられる。すなわち、ベーンは、遠心力、圧力導入用溝内に入り込んだ高粘性液がベーンの下面を押し上げる力、および前記した圧力導入用溝の奥底面にかかる分力を合わせた力により、ベーン収容溝内で半径方向外向きに強く押し出される。これによって、ベーンの上面はケーシングの内周面にしっかりと強く押し当てられながら摺動回転するので、ケーシングの内周面とベーンの上面との間からのリークロスを極めて少なくすることができる。その結果、吐出圧力が高い場合であっても、流体の大きな吐出量を得ることができ、効率よく流体を輸送できる。

また、圧力導入用溝が、ベーン本体の前面と上面が交わる前端辺とベーン本体の下面の前後途中位置とを結んで形成されているものでは、上面に圧力導入用溝が存在しない。従って、ベーンの上面の全体をポンプケーシングの内周面との摺接に全て使用できる。これにより、ロータ回転方向前方のポンプ室からロータ回転方向後方のポンプ室へと上面を通過する液体のリークを最大限に抑制することができる。他方で、圧力導入用溝は下面の前後方向途中位置までにしか形成されていないので、広い面積の下面が残っている。これにより、ベーンポンプの溝内空間内に導かれた高圧の液体による下面の大きな押上げ力を得ることができる。

本発明の一実施形態に係るベーンを示す図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は底面図、（ｄ）は平面図、（ｅ）は側面図、（ｆ）は（ｂ）におけるＡ−Ａ線矢視断面図である。 前記ベーンを用いたベーンポンプのケーシング内を見た側面図および当該側面図中の部分拡大図である。 前記ベーンポンプの一部断面を含む正面図である。 前記ベーンポンプのベーン、ロータおよびピンを示す分解斜視図である。 対をなすベーンの位置関係を示す説明図である。 前記ベーンポンプのポンプ性能を調べる試験設備の概略構成図である。 前記試験設備を用いて得られた本実施形態のベーンポンプと従来のベーンポンプのポンプ性能データを表したグラフの図である。 本発明の種々の実施形態に係るベーンにおける図１（ｂ）のＡ−Ａ線矢視断面に対応した図であって、（ａ）は別のベーンを示す断面図、（ｂ）は更に別のベーンを示す断面図、（ｃ）は他のベーンを示す断面図、（ｄ）は更に他のベーンを示す断面図である。 ケーシング内で動作する従来のベーンおよびロータの状態を示すものであって、（ａ）は運転中のベーンの状態を示す状態説明図、（ｂ）はベーンの斜視図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態に係るベーンを示す図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は底面図、（ｄ）は平面図、（ｅ）は側面図、（ｆ）は（ｂ）におけるＡ−Ａ線矢視断面図である。但し、図９に示した従来のベーンポンプＷと同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略することがある。
図１において、この実施形態に係るベーン１は、正面視で矩形状の板体として形成されたベーン本体１０から構成されている。このベーン本体１０は、前面１Ａ、先端面（上面の例）１Ｂ、末端面（下面の例）１Ｃ、左右の横側面１Ｄ，１Ｄ、および背面１Ｅを有している。このベーン１では、ベーン本体１０の先端側部分（上部の例）とベーン本体１０の末端面１Ｃの下方空間とを連通する圧力導入用溝２が、ベーン本体１０の前面１Ａに左右２条刻設されている。前記の圧力導入用溝２はベーン本体１０の末端面１Ｃに近づくほど深くなるように傾斜して形成されている。すなわち、圧力導入用溝２は、正面に対向する奥底面３が、ベーン本体１０の前面１Ａと先端面１Ｂが交わる前端辺４と、ベーン本体１０の末端面１Ｃの後端辺５よりも前方位置（末端面１Ｃの前後途中位置）とを結ぶように、前面１Ａに対し傾斜角θぶん傾斜して形成されている。

そして、この実施形態に係るベーンポンプは、例えばマヨネーズ，ケチャップ，チョコレート，接着剤（染色用やダンボール用などの糊料），ロックペイントなどのインク材などの高粘性液Ｌ（粘度５０００〜１０００００ｃＰ程度）を輸送するのに適している。
そして、図２〜図５に示すように、このベーンポンプＶは、ポンプ外郭をなす外側ケーシング２７内に収納された円筒状のケーシング１２と、ケーシング１２の両筒端面を封止してケーシング１２内にポンプ室２８を形成する一対のサイドプレート２５，２６と、ケーシング１２内で当該ケーシング１２の軸心Ｅから偏心した位置の軸心Ｃ回りに回転自在に設けられたロータ１４と、ロータ１４の外周面に６か所形成されたベーン収容溝１５，１５，１５，・・・にそれぞれ半径方向に出没自在に収容される６つのベーン１，１，１，・・・と、を有している。上記のサイドプレート２５には、１８０°対角の位置に吸込ポート２１と吐出ポート２２が設けられている。外側ケーシング２７の側面には、吸込ポート２１と連通する吸込管２３が取り付けられており、外側ケーシング２７の上面には、吐出ポート２２と連通する吐出管２４が取り付けられている。

ロータ１４には、図４に示すように、ロータ軸１３を装着するための軸穴２９がロータ軸心部に穿設されている。また、ロータ１４の外周部には、軸心Ｃを中心として放射状に、６つのベーン収容溝１５，１５，・・・が設けられている。これらのベーン収容溝１５，１５，・・・はそれぞれ軸心Ｃ廻りに６０°ずつ角度を変えて設けられている。この場合、３対のベーン収容溝１５，１５がロータ直径線上の対角位置に設けられている。ロータ１４を駆動するロータ軸１３は、歯車などの連結機構３２を介してモータＭと連結されている。ロータ軸１３のベーン配置部分（図５）には、３つのピン収容孔１８，１８，１８が穿設されている。これらのピン収容孔１８，１８，１８も軸心Ｃ廻りにそれぞれ６０°ずつ角度を変えて設けられている。また、ロータ軸１３のピン収容孔１８，１８，１８と連通する位置のロータ１４には、ピン収容孔１７，１７，１７がそれぞれ穿設されている。これらのピン収容孔１７，１８により、対をなすベーン収容溝１５，１５間が連通するようになっている。そして、３組のピン収容孔１７，１８には、それぞれピン２０が孔芯方向に移動可能に装入される。

ここで、対をなすベーン１，１とピン２０の位置関係を図５に示す。この場合、ピン２０と一対のベーン１，１とを加えた全長Ｍは、運転初期時における各ベーン１，１の先端がケーシング１２の内周面に強く摺接せず円滑に回転できる程度の長さとなるように設定されている。これにより、ピン２０の所定長Ｎが規定される。尚、ベーン１は、ベーンポンプＶのロータ１４に使用される際にベーン本体１０の前面１Ａがロータ回転方向（矢印Ｒ方向）の前方を向くように配置される。また、各ベーン収容溝１５内に装入されたベーン１は、その圧力導入用溝２が、ロータ１４の各ベーン収容溝１５においてベーン１の末端面１Ｃよりも奥部にある各溝内空間１５ａと、ロータ回転方向（矢印Ｒ方向）の前方のポンプ室２８と、を連通している。図３中の符号３０と３１は、いずれもロータ軸１３を枢支する軸受部と軸受である。

引続き、ベーンポンプＶの動作について、図２を中心に、図３〜図５および図１（ｆ）も参照しつつ説明する。まず、モータＭの駆動によりロータ軸１３が起動すると、ロータ１４が反時計回り（図２中の矢印Ｒ方向）に回転し、半径方向外向きの遠心力が各ベーン１にかかる。同時に、吐出ポート２２近傍のポンプ室２８に位置するベーン１には、矢印Ｇのように圧力導入用溝２を通してポンプ室２８からの高圧の高粘性液Ｌが溝内空間５ａに導かれ、ベーン１の末端面１Ｃが半径方向外向きに押される。同時に、図１（ｆ）に示されるように、奥底面３と直角の力（力線Ｆ）が圧力導入用溝２の奥底面３の全面にかかる。この場合、圧力導入用溝２の奥底面３は、ロータ半径方向に延びる前面１Ａに対し傾斜角θぶん傾いているので、力線Ｆの力は、ロータ接線方向の力（分力線Ｆ１）とロータ半径方向の力（分力線Ｆ２）とに分配される。その結果、奥底面３の全面で受ける力から派生した力（分力線Ｆ２）も、ベーン１を半径方向外向きに押し出す力に加えられる。これらによって、ベーン１の先端面１Ｂはケーシング１２の内周面にしっかりと強く押し当てられながら摺動回転する。従って、ケーシング１２の内周面とベーン１の先端面１Ｂとの間からのリークロスを極めて少なくすることができる。その結果、吐出圧力が高い場合であっても、高粘性液Ｌの大きな吐出量を得ることができる。

また、圧力導入用溝２は、前面１Ａと先端面１Ｂとの境界である前端辺４から前面１Ａに形成されているので、先端面１Ｂには圧力導入用溝２が存在しない。従って、ベーン１の先端面１Ｂの全面をケーシング１２の内周面との摺接に全て使用できるから、ロータ回転方向前方のポンプ室２８からロータ回転方向後方へと先端面１Ｂを通過する高粘性液Ｌのリークを最大限に抑制できる。他方で、圧力導入用溝２は、末端面１Ｃの前後方向途中位置までにしか形成されていないので、広い面積の末端面１Ｃが残っている。これにより、溝内空間１５ａ内に導かれた高圧の高粘性液Ｌによる末端面１Ｃの押上げ力を極力多く得ることができる。従って、このベーンポンプＶは、高い吐出圧力であってもシール性よく高粘性液Ｌを輸送することができ、ポンプ効率を損なわない。

ところで、停止していたベーンポンプＶが起動されると、高圧側に回ってきたベーン１がピン２０を押すので、低圧側に回ってきたベーン１は前記のピン２０によりケーシング１２の内周面に向けて押し出される。すなわち、ピン２０は、ベーン収容溝１５内で動きにくくなっているベーン１に動き始めるキッカケを与える機能と、低圧側のベーン１を強制的に押し出す機能を呈する。従って、このベーンポンプＶは、ピン２０が支えとなり起動時における吐出圧や送り出し量の変動を招くことがない。また、ピン収容孔１７，１８とピン２０との隙間は比較的狭いので、高粘性液Ｌが前記隙間を通って低圧側の溝内空間５ａに至ることはなく、溝内空間５ａに導かれた高圧の高粘性液Ｌが低圧側のベーン１に影響を及ぼしたりしない。

ここで、本実施形態のベーン１を用いたベーンポンプＶによる実施例を説明する。この実施例は図６に示す試験装置４０を用いて行った。前記の試験装置４０は、高粘性液Ｌを貯留した貯槽４４と、貯槽４４の株式会社に接続された入側管４１と、吸込管２３に入側管４１が連結されたベーンポンプＶまたはＷと、ベーンポンプＶまたはＷの吐出管２４に連結されて高粘性液Ｌを貯槽４４に戻すための出側管４２と、出側管４２の途中に配備された絞り弁４３と、貯槽４４内の高粘性液Ｌの水温を検出する温度計ＴＩと、ベーンポンプＶまたはＷを駆動するモータＭの駆動電流値を検出する電流計ＡＩと、ベーンポンプＶまたはＷのロータ１４の回転数ｒｐｍを検出する回転数計ＲＩと、ベーンポンプＶまたはＷの吐出管２４から絞り弁４３までの出側管４２内の液圧を検出する圧力計ＰＩと、出側管４２内を流れる高粘性液Ｌの流量を検出する流量計ＦＩと、から構成されている。ここでは、実施例としてのベーンポンプＶ、または比較例としてのベーンポンプＷ（図９参照）を利用し、例えば粘度約８０００ｃＰ（２５℃）のチョコレートを高粘性液Ｌとして用いた。

先ず、ベーンポンプＶを用いた実施例は、試験装置４０において、モータＭの駆動によりロータ軸１３が回転し、その回転数が６００ｒｐｍに保持される。そこで、絞り弁４３が絞られて吐出管２４出側の吐出圧力が０．０２５ＭＰａに設定され、このとき得られた吐出量（５９．０Ｌ／ｍｉｎ）と電流値（３．５９Ａ）がそれぞれ記録された（実施例１）。以下同様にして、吐出圧力（ＭＰａ）が、０．１０２（実施例２）、０．２００（実施例３）、０．３００（実施例４）、０．４０２（実施例５）、０．５０１（実施例６）にそれぞれ変更設定され、得られた吐出量と電流値がそれぞれ記録された（実施例２〜実施例６）。
ベーンポンプＷを用いた比較例も、ロータ軸１３の回転数が固定（６００ｒｐｍ）で、吐出圧力（ＭＰａ）が、０．０３０、０．１００、０．２００、０．３００、０．４００、０．５００にそれぞれ変更設定され、得られた吐出量と電流値がそれぞれ記録された（比較例１〜比較例６）。
これらの実施例および比較例の結果を、下記の表１に示す。

斯かる表１のうち、吐出圧力に対する吐出量または電流値の関係を図７のグラフに表した。表１および図７のグラフによれば、吐出圧力が大小によらず、ベーンポンプＶとベーンポンプＷの電流値はほぼ同程度であった。しかしながら、吐出量に関しては、吐出圧力の全域にわたりベーンポンプＶの方がベーンポンプＷよりも大きかった。特に、吐出圧力が高くなってもベーンポンプＶの吐出量はさほど低下せず、ベーンポンプＷの吐出量との差が大きくなっている。すなわち、吐出圧力０．５００ＭＰａ近辺では、ベーンポンプＷの２倍近い吐出量になっている。これは、所要動力値が同程度でありながら、高い吐出圧力になるほどベーン１における圧力導入用溝２の奥底面３が受ける分力Ｆ２が大きくなり、ケーシング１２の内周面への押付け力を大きくさせてリークロスが小さくなったことを表している。

尚、上記では、先端面１Ｂの前端辺４と末端面１Ｃの後端辺５よりも前方位置とを結ぶ傾斜角θの奥底面３が形成された圧力導入用溝２を有するベーン１を例示したが、本発明の圧力導入手段はそれに限定されない。例えば、図８（ａ）に示すように、先端面１Ｂの前端辺４と末端面１Ｃの後端辺５とを結ぶ傾斜角θ１の奥底面３ａが形成された圧力導入用溝２ａを有するベーン１ａであってもよい。この場合、末端面１Ｃの面積は最も小さくなる。

あるいは、図８（ｂ）に示すように、先端面１Ｂにおける前端辺４の後方位置と末端面１Ｃにおける後端辺５の前方位置とを結ぶ傾斜角θ２の奥底面３ｂが形成された圧力導入用溝２ｂを有するベーン１ｂであっても構わない。この場合、先端面１Ｂの面積がベーン１ａの先端面１Ｂよりも小さくなる。

または、図８（ｃ）に示すように、先端面１Ｂの前端辺４の後方位置と末端面１Ｃの後端辺５の前方位置とを結ぶ傾斜角θ３の奥底面３ｃが形成された圧力導入用溝２ｃを有するベーン１ｃであってもよい。この場合、従来のベーン５１と近い形状の圧力導入用溝を有することになる。

そして、図８（ｄ）に示すように、前端辺４近傍の前面１Ａの上部と末端面１Ｃの後端辺５の前方位置とを結ぶ傾斜角θ４の奥底面３ｄが形成された圧力導入用溝２ｄを有するベーン１ｄであっても構わない。この場合、圧力導入用溝２ｄの上部開口位置は、高圧側位置のロータ１４（２点鎖線）の外周面から露出した位置にある。

因みに、圧力導入用溝２〜２ｄの傾斜角は、大きな順にθ１（ベーン１ａ）＞θ（ベーン１）≒θ２（ベーン１ｂ）＞θ４（ベーン１ｄ）＞θ３（ベーン１ｃ）となっていて、当該順に分力Ｆ２も大きくなる。それにしても、ベーン１は先端面１Ｂおよび末端面１Ｃの面積を最も広く採れるので最適となる。

上記のように、特徴的な圧力導入用溝２〜２ｄがベーン１〜１ｄに設けられているので、既存のベーンポンプのロータ１４に対し既存のベーンから本実施形態のベーン１〜１ｄに取り替えるだけで、前述したような性能アップが図れるという効果を得られる。また、配管の接続態様を逆にし、かつ、ロータ軸１３を逆回転させて、吐出側と吸込側とを逆にして用いたい場合でも、ベーン１〜１ｄをベーン収容溝１５に対し、単に前後逆向きに差し替えるだけで済むという利点がある。

１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ ベーン
１Ａ 前面
１Ｂ 先端面（上面）
１Ｃ 末端面（下面）
２，２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ 圧力導入用溝
３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ 奥底面
４ 前端辺
５ 後端辺
１０ ベーン本体
１２ ケーシング
１３ ロータ軸
１４ ロータ
１５ ベーン収容溝
１５ａ 溝内空間（下方空間）
２５ サイドプレート
２６ サイドプレート
２８ ポンプ室
Ｃ 軸心
Ｅ 軸心
Ｆ 力線
Ｆ１ 分力線
Ｆ２ 分力線
Ｌ 高粘性液
Ｖ ベーンポンプ
θ，θ１，θ２，θ３，θ４ 傾斜角

Claims (3)

1. 矩形板状に形成されたベーン本体から成り、ベーンポンプのロータに使用される際に前記ベーン本体の前面がロータ回転方向前向きに配置されるベーンであって、
   前記ベーン本体の上部と前記ベーン本体の下面の下方とを連通する圧力導入用溝が前記ベーン本体の前面に刻設されるとともに、前記圧力導入用溝は前記ベーン本体の下面に近づくほど深くなるように傾斜して形成されていることを特徴とするベーン。
2. 前記圧力導入用溝は、前記ベーン本体の前面と上面が交わる前端辺と前記ベーン本体の下面の前後途中位置とを結んで形成されている請求項１に記載のベーン。
3. 略円筒状のケーシングと、前記ケーシングの端面を封止して前記ケーシング内にポンプ室を形成するサイドプレートと、前記ケーシング内で当該ケーシングの軸心から偏心した位置に回転自在に設けられたロータと、前記ロータに複数形成されたベーン収容溝にそれぞれ半径方向に出没自在に収容されるベーンを有するベーンポンプにおいて、前記ベーンとして請求項１または請求項２に記載のベーンが用いられ、前記ベーンの圧力導入用溝が、前記ベーン収容溝において前記ベーンの下面よりも奥部にある溝内空間とロータ回転方向前方の前記ポンプ室とを連通しているベーンポンプ。

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