JP2019052824A - 熱交換器 - Google Patents
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Abstract
【課題】熱交換効率を維持しつつ、着霜による通風路の閉塞、及びコストアップを抑制する。【解決手段】フィン14の表面積が、延長量Lを基準量Lsとし、且つピッチPを基準ピッチPsとしたときの表面積以上である。また、延長量Lを基準量Lsとした場合の閉塞時間に対して、延長量Lを基準量Lsよりも長くした場合の閉塞時間の変化率である第一の変化率αに基づいて、延長量Lが設定される。また、ピッチPを基準ピッチPsとした場合の閉塞時間に対して、ピッチPを基準ピッチPsよりも長くした場合の閉塞時間の変化率である第二の変化率βに基づいて、ピッチPが設定される。【選択図】図2
Description
本発明は、熱交換器に関するものである。
冷媒管を流れる冷媒とフィンを通過する空気との間で熱交換を行なう熱交換器では、フィンの先端に着霜して通風路が塞がれると、熱交換効率が低下してしまう。特許文献1では、着霜によって通風路が塞がれることを抑制するために、フィンを冷媒管よりも風上側に延長させることを提案している。
しかしながら、フィンを冷媒管よりも風上側に延長させるだけでは、着霜を十分に抑制できず、またフィンを延長させた分だけコストアップにつながる。
本発明の課題は、熱交換効率を維持しつつ、着霜による通風路の閉塞、及びコストアップを抑制することである。
本発明の課題は、熱交換効率を維持しつつ、着霜による通風路の閉塞、及びコストアップを抑制することである。
本発明の一態様に係る熱交換器は、
互いに直交する方向を、第一の方向、第二の方向、及び第三の方向とし、
第一の方向に延び、第二の方向に間隔を空けて設けられ、内部を熱媒体が流れる複数の配管部材と、
隣り合う配管部材同士の間に固定され、第三の方向に延び、第一の方向に間隔を空けて設けられた複数の板部材と、を備え、
配管部材の内部を流れる熱媒体と、配管部材の周囲及び板部材の周囲を流れる空気と、の間で熱交換を行なうものであり、
配管部材と板部材とで囲まれた領域を、第三の方向に空気を流すための通風路とし、板部材は、第三の方向に沿って通風路よりも風上側に延長させた延長部を備え、
板部材の表面積が、延長部の延長量を予め定めた基準量とし、且つ板部材のピッチを予め定めた基準ピッチとしたときの表面積以上であり、
着霜によって通風路が閉塞されるまでの所要時間を閉塞時間とし、
延長量を基準量とした場合の閉塞時間に対して、延長量を基準量よりも長くした場合の閉塞時間の変化率である第一の変化率に基づいて、延長量が設定され、
ピッチを基準ピッチとした場合の閉塞時間に対して、ピッチを基準ピッチよりも長くした場合の閉塞時間の変化率である第二の変化率に基づいて、ピッチが設定される。
互いに直交する方向を、第一の方向、第二の方向、及び第三の方向とし、
第一の方向に延び、第二の方向に間隔を空けて設けられ、内部を熱媒体が流れる複数の配管部材と、
隣り合う配管部材同士の間に固定され、第三の方向に延び、第一の方向に間隔を空けて設けられた複数の板部材と、を備え、
配管部材の内部を流れる熱媒体と、配管部材の周囲及び板部材の周囲を流れる空気と、の間で熱交換を行なうものであり、
配管部材と板部材とで囲まれた領域を、第三の方向に空気を流すための通風路とし、板部材は、第三の方向に沿って通風路よりも風上側に延長させた延長部を備え、
板部材の表面積が、延長部の延長量を予め定めた基準量とし、且つ板部材のピッチを予め定めた基準ピッチとしたときの表面積以上であり、
着霜によって通風路が閉塞されるまでの所要時間を閉塞時間とし、
延長量を基準量とした場合の閉塞時間に対して、延長量を基準量よりも長くした場合の閉塞時間の変化率である第一の変化率に基づいて、延長量が設定され、
ピッチを基準ピッチとした場合の閉塞時間に対して、ピッチを基準ピッチよりも長くした場合の閉塞時間の変化率である第二の変化率に基づいて、ピッチが設定される。
本発明によれば、板部材の表面積が、基準量及び基準ピッチとしたときの表面積以上であり、さらに閉塞時間の第一の変化率に応じて延長量が設定され、閉塞時間の第二の変化率に応じてピッチが設定される。これにより、熱交換効率を維持しつつ、着霜による通風路の閉塞、及びコストアップを抑制することができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図面は模式的なものであって、現実のものとは異なる場合がある。また、以下の実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであり、構成を下記のものに特定するものでない。すなわち、本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
《実施形態》
《構成》
以下の説明では、互いに直交する三方向を、便宜的に、縦方向(第一の方向)、横方向(第二の方向)、及び幅方向(第三の方向)とする。
図1は、熱交換器を示す図である。
熱交換器11は、カーエアコンやショーケース等、ヒートポンプサイクル及び冷凍回路において、蒸発器として機能するものである。アルミ製の熱交換器11は、上下一対のヘッダ12と、複数のチューブ13(配管部材)と、複数のフィン14(板部材)と、を備える。
《構成》
以下の説明では、互いに直交する三方向を、便宜的に、縦方向(第一の方向)、横方向(第二の方向)、及び幅方向(第三の方向)とする。
図1は、熱交換器を示す図である。
熱交換器11は、カーエアコンやショーケース等、ヒートポンプサイクル及び冷凍回路において、蒸発器として機能するものである。アルミ製の熱交換器11は、上下一対のヘッダ12と、複数のチューブ13(配管部材)と、複数のフィン14(板部材)と、を備える。
一対のヘッダ12は、横方向に延び、縦方向に間隔を空けて設けられている。ヘッダ12は、両端が閉塞された円筒状の配管によって形成されており、内部は隔壁17によって横方向に並んだ区画に仕切られている。上方のヘッダ12は、内部が横方向一端側の区画12Aと横方向他端側の区画12Bとに分けられており、横方向一端側の区画12Aには流入口15が設けられている。下方のヘッダ12は、内部が横方向一端側の区画12Cと横方向他端側の区画12Dとに分けられており、横方向他端側の区画12Dには排出口16が設けられている。
各チューブ13は、縦方向に延び、上端及び下端の夫々がヘッダ12に接続され、横方向に沿って等間隔に設けられている。チューブ13は横方向に薄い扁平形状であり、両端をヘッダ12の内部に連通させてヘッダ12にろう付けされている。ここでは12本ある場合を示してあり、夫々を識別する場合は、横方向の一端から他端に向かって順に13a〜13lとする。上方のヘッダ12では、チューブ13dとチューブ13eとの間が隔壁17によって仕切られており、下方のヘッダ12では、チューブ13hとチューブ13iとの間が隔壁17によって仕切られている。
各フィン14は、隣り合うチューブ13同士の間にろう付けによって固定されている。
ヘッダ12及びチューブ13によって、流路が形成されており、そこを冷媒(熱媒体)が流れる。すなわち、先ず流入口15を介して上方のヘッダ12における横方向一端側の区画12Aへ流入し、チューブ13a〜13dに分配されてから下方のヘッダ12における横方向一端側の区画12Cへ流入する。次にチューブ13e〜13hに分配されてから上方のヘッダ12における横方向他端側の区画12Bへ流入し、次にチューブ13i〜13lに分配されてから下方のヘッダ12における横方向他端側の区画12Dへ流入し、排出口16を介して排出される。こうして、冷媒は各チューブ13を流れるときに、チューブ13及びフィン14の周囲を流れる空気との間で熱交換を行なう。すなわち、冷媒は蒸発気化することで吸熱によって昇温され、一方の空気が冷やされる。
ヘッダ12及びチューブ13によって、流路が形成されており、そこを冷媒(熱媒体)が流れる。すなわち、先ず流入口15を介して上方のヘッダ12における横方向一端側の区画12Aへ流入し、チューブ13a〜13dに分配されてから下方のヘッダ12における横方向一端側の区画12Cへ流入する。次にチューブ13e〜13hに分配されてから上方のヘッダ12における横方向他端側の区画12Bへ流入し、次にチューブ13i〜13lに分配されてから下方のヘッダ12における横方向他端側の区画12Dへ流入し、排出口16を介して排出される。こうして、冷媒は各チューブ13を流れるときに、チューブ13及びフィン14の周囲を流れる空気との間で熱交換を行なう。すなわち、冷媒は蒸発気化することで吸熱によって昇温され、一方の空気が冷やされる。
次に、チューブ13及びフィン14の詳細について説明する。
図2は、チューブ及びフィンを示した図である。
図中の(a)はチューブ13及びフィン14を幅方向の風上側から見た図である。
フィン14は、薄板を矩形波状に形成したコルゲートフィンである。これにより、縦方向に間隔を空けて設けられた複数の薄板を一体化して形成することが可能となる。このフィン14とチューブ13とで囲まれた各領域が、幅方向に空気を流すための通風路21となる。フィン14のピッチPは例えば1.6mmである。
図2は、チューブ及びフィンを示した図である。
図中の(a)はチューブ13及びフィン14を幅方向の風上側から見た図である。
フィン14は、薄板を矩形波状に形成したコルゲートフィンである。これにより、縦方向に間隔を空けて設けられた複数の薄板を一体化して形成することが可能となる。このフィン14とチューブ13とで囲まれた各領域が、幅方向に空気を流すための通風路21となる。フィン14のピッチPは例えば1.6mmである。
図中の(b)はチューブ13及びフィン14を縦方向から見た図であり、チューブ13についてはその断面を示す。
チューブ13には、縦方向に延び、幅方向に沿って並んだ複数の貫通孔22が形成されており、各貫通孔22に冷媒が流れる。
フィン14には、幅方向に沿って通風路21よりも風上側に延長させた延長部23が形成されている。各延長部23の延長量(長さ)は統一されている。フィン14の延長量Lは例えば3mmである。なお、フィン14における幅方向の風下側に延長部はない。通風路21の幅方向の長さは例えば14mmである。
チューブ13には、縦方向に延び、幅方向に沿って並んだ複数の貫通孔22が形成されており、各貫通孔22に冷媒が流れる。
フィン14には、幅方向に沿って通風路21よりも風上側に延長させた延長部23が形成されている。各延長部23の延長量(長さ)は統一されている。フィン14の延長量Lは例えば3mmである。なお、フィン14における幅方向の風下側に延長部はない。通風路21の幅方向の長さは例えば14mmである。
次に、フィン14のピッチP及び延長量Lの設定について説明する。
先ず、基準ピッチPs及び基準量Lsについて説明する。
図3は、基準ピッチ及び基準量を示す図である。
図中の(a)はチューブ13及びフィン14を幅方向の風上側から見た図である。フィン14のピッチPは例えば1.2mmであり、これを基準ピッチPsとする。
先ず、基準ピッチPs及び基準量Lsについて説明する。
図3は、基準ピッチ及び基準量を示す図である。
図中の(a)はチューブ13及びフィン14を幅方向の風上側から見た図である。フィン14のピッチPは例えば1.2mmであり、これを基準ピッチPsとする。
図中の(b)はチューブ13及びフィン14を縦方向から見た図であり、チューブ13についてはその断面を示す。フィン14の延長量Lは例えば0mmであり、これを基準量Lsとする。すなわち、フィン14における幅方向の風上側となる一端は、チューブ13の一端と揃うように面一で統一されている。
実施形態では、フィン14の表面積が、基準量Ls及び基準ピッチPsを採用したときの表面積以上となる範囲で、ピッチP及び延長量Lを設定する。具体的には、着霜による閉塞時間を考慮して設定する。閉塞時間とは、着霜によって通風路21が閉塞されるまでの所要時間である。
実施形態では、フィン14の表面積が、基準量Ls及び基準ピッチPsを採用したときの表面積以上となる範囲で、ピッチP及び延長量Lを設定する。具体的には、着霜による閉塞時間を考慮して設定する。閉塞時間とは、着霜によって通風路21が閉塞されるまでの所要時間である。
図4は、延長量に応じた閉塞時間を示したグラフである。
ここでは、静圧が閉塞ラインに達したときに、通風路21が閉塞したと判断している。フィン14のピッチPを1.6mmとし、延長量Lを0mm、3mm、10mm、24mmとした場合の結果であり、延長量Lが長いほど閉塞時間が延びている。
図5は、ピッチに応じた閉塞時間を示したグラフである。
ここでも、静圧が閉塞ラインに達したときに、通風路21が閉塞したと判断している。フィン14の延長量Lを3mmとし、ピッチPを1.2mm、1.4mm、1.6mmとした場合の結果であり、ピッチPが広いほど閉塞時間が延びている。
ここでは、静圧が閉塞ラインに達したときに、通風路21が閉塞したと判断している。フィン14のピッチPを1.6mmとし、延長量Lを0mm、3mm、10mm、24mmとした場合の結果であり、延長量Lが長いほど閉塞時間が延びている。
図5は、ピッチに応じた閉塞時間を示したグラフである。
ここでも、静圧が閉塞ラインに達したときに、通風路21が閉塞したと判断している。フィン14の延長量Lを3mmとし、ピッチPを1.2mm、1.4mm、1.6mmとした場合の結果であり、ピッチPが広いほど閉塞時間が延びている。
次に、着霜による閉塞時間の変化率について説明する。
延長量Lを基準量Lsとした場合の閉塞時間に対して、延長量Lを基準量Lsよりも長くした場合の閉塞時間の変化率を第一の変化率αとする。
図6は、延長量と第一の変化率との関係を示したグラフである。
延長量Lを基準量Lsとした場合の閉塞時間に対して、延長量Lを基準量Lsよりも長くした場合の閉塞時間の変化率を第一の変化率αとする。
図6は、延長量と第一の変化率との関係を示したグラフである。
ここでは、横軸を延長量L、縦軸を第一の変化率αとする座標系で、延長量Lに応じた第一の変化率αの推移を特性線Lc1で示しており、特性線Lc1の横軸に対する傾きが大きいほど、延長量Lを長くしたことによる閉塞抑制の効果が高いことを意味する。延長量Lを3mmとしたときに、第一の変化率αの上昇が最も顕著となり、特性線Lc1の傾きは、延長量Lが0<L≦3の範囲で最大となる。延長量Lを10mmとしたときには、第一の変化率αの上昇は抑制され、特性線Lc1の傾きが小さくなる。延長量Lを24mmとしたときには、第一の変化率αの上昇がさらに抑制され、特性線Lc1の傾きもかなり小さくなる。フィン14は、0.1mm程度の厚さしかなく、外力を受けると容易に変形してしまう。そのため、延長量Lを長くするほど、製造時、輸送時、使用時に外力が加わり、フィン14の変形を招きやすくなる。したがって、延長量Lは1〜4mmの範囲以内で設定し、好ましくは3mm程度である。
ピッチPを基準ピッチPsとした場合の閉塞時間に対して、ピッチPを基準ピッチPsよりも広くした場合の閉塞時間の変化率を第二の変化率βとする。
図7は、ピッチと第二の変化率との関係を示したグラフである。
ここでは、横軸をピッチP、縦軸を第二の変化率βとする座標系で、ピッチPに応じた第二の変化率βの推移を特性線Lc2で示しており、特性線Lc2の横軸に対する傾きが大きいほど、ピッチPを広くしたことによる閉塞抑制の効果が高いことを意味する。ピッチPを1.4mmとしたときにも第二の変化率βが上昇するが、1.6mmとしたときに、第二の変化率βの上昇が最も顕著となり、特性線Lc2の傾きは、ピッチPが1.4<P≦1.6の範囲で最大となる。ピッチPを1.8mm以上としたときには、第二の変化率βの上昇は抑制され、特性線Lc2の傾きが小さくなる。ピッチPを広くするほど、熱交換効率が低下するだけでなく、熱交換器11の強度も低下してしまう。したがって、ピッチPは1.4〜1.8mmの範囲以内で設定し、好ましくは1.6mm程度である。
図7は、ピッチと第二の変化率との関係を示したグラフである。
ここでは、横軸をピッチP、縦軸を第二の変化率βとする座標系で、ピッチPに応じた第二の変化率βの推移を特性線Lc2で示しており、特性線Lc2の横軸に対する傾きが大きいほど、ピッチPを広くしたことによる閉塞抑制の効果が高いことを意味する。ピッチPを1.4mmとしたときにも第二の変化率βが上昇するが、1.6mmとしたときに、第二の変化率βの上昇が最も顕著となり、特性線Lc2の傾きは、ピッチPが1.4<P≦1.6の範囲で最大となる。ピッチPを1.8mm以上としたときには、第二の変化率βの上昇は抑制され、特性線Lc2の傾きが小さくなる。ピッチPを広くするほど、熱交換効率が低下するだけでなく、熱交換器11の強度も低下してしまう。したがって、ピッチPは1.4〜1.8mmの範囲以内で設定し、好ましくは1.6mm程度である。
《作用》
次に、実施形態の主要な作用効果について説明する。
フィン14をチューブ13よりも風上側に延長させれば、延長させた先端から着霜が生じるため、通風路21が閉塞することを遅らせることができるが、やがては通風路21が閉塞してしまう。また、フィン14を延長させた分だけコストアップにつながる。一方、フィン14のピッチPを広げれば、通風路21が閉塞することを抑制できるが、熱交換効率が低下することになる。そこで、熱交換効率を維持しつつ、着霜による通風路21の閉塞、及びコストアップを抑制するために、最も効率的な範囲で延長量L及びピッチPを設定する。
次に、実施形態の主要な作用効果について説明する。
フィン14をチューブ13よりも風上側に延長させれば、延長させた先端から着霜が生じるため、通風路21が閉塞することを遅らせることができるが、やがては通風路21が閉塞してしまう。また、フィン14を延長させた分だけコストアップにつながる。一方、フィン14のピッチPを広げれば、通風路21が閉塞することを抑制できるが、熱交換効率が低下することになる。そこで、熱交換効率を維持しつつ、着霜による通風路21の閉塞、及びコストアップを抑制するために、最も効率的な範囲で延長量L及びピッチPを設定する。
先ず、基準量Lsを0mmとし、基準ピッチPsを1.2mmとし、フィン14の表面積を、基準量Ls及び基準ピッチPsを採用したときの表面積以上とする。これにより、少なくとも熱交換効率を維持することができる。
そして、延長量Lを基準量Lsとした場合の閉塞時間に対して、延長量Lを基準量Lsよりも長くした場合の閉塞時間の変化率である第一の変化率αを求め、この第一の変化率αに基づいて延長量Lを設定する。具体的には、図6に示すように、第一の特性線Lc1の傾きが最大となるときの延長量Lを含む範囲で延長量Lを設定する。特性線Lc1の傾きは、延長量Lが0<L≦3の範囲で最大となるため、延長量Lは1〜4mmの範囲以内で設定する。
そして、延長量Lを基準量Lsとした場合の閉塞時間に対して、延長量Lを基準量Lsよりも長くした場合の閉塞時間の変化率である第一の変化率αを求め、この第一の変化率αに基づいて延長量Lを設定する。具体的には、図6に示すように、第一の特性線Lc1の傾きが最大となるときの延長量Lを含む範囲で延長量Lを設定する。特性線Lc1の傾きは、延長量Lが0<L≦3の範囲で最大となるため、延長量Lは1〜4mmの範囲以内で設定する。
また、ピッチPを基準ピッチPsとした場合の閉塞時間に対して、ピッチPを基準ピッチPsよりも長くした場合の閉塞時間の変化率である第二の変化率βを求め、この第二の変化率βに基づいてピッチPを設定する。具体的には、図7に示すように、第二の特性線Lc2の傾きが最大となるときのピッチPを含む範囲でピッチPを設定する。特性線Lc2の傾きは、ピッチPが1.4<P≦1.6の範囲で最大となるため、ピッチPは1.4〜1.8mmの範囲以内で設定する。
このように、フィン14の延長量LとピッチPの組み合わせで、通風路21が閉塞されるまでの時間を遅らせることができる。また、フィン14の延長によってコストアップする分はピッチPを広げることで相殺できるので、コストアップを抑制することができる。実際に、延長量Lを0mmから3mmへと長くし、且つピッチPを1.2mmから1.6mmへと広くした結果、熱交換効率を維持しつつ、通風路21が閉塞するまでの時間が約60%延び、従来並みのコストで実現することができた。
《変形例》
実施形態では、チューブ13a〜13lの全てにおいて、延長量L及びピッチPを共通化しているが、これに限定されるものではない。着霜が生じやすいのは、各チューブ13a〜13lのうち、冷媒が流れる上流側である。したがって、チューブ13a〜13lのうち、冷媒が流れる上流側だけ、例えばチューブ13a〜13dだけで、延長量Lを1〜4mmの範囲以内で設定し、且つピッチPを1.4〜1.8mmの範囲以内で設定するようにしてもよい。そして、下流側となるチューブ13e〜13lについては、延長量Lを基準量Lsに設定し、且つピッチPを基準ピッチPsに設定してもよい。
実施形態では、チューブ13a〜13lの全てにおいて、延長量L及びピッチPを共通化しているが、これに限定されるものではない。着霜が生じやすいのは、各チューブ13a〜13lのうち、冷媒が流れる上流側である。したがって、チューブ13a〜13lのうち、冷媒が流れる上流側だけ、例えばチューブ13a〜13dだけで、延長量Lを1〜4mmの範囲以内で設定し、且つピッチPを1.4〜1.8mmの範囲以内で設定するようにしてもよい。そして、下流側となるチューブ13e〜13lについては、延長量Lを基準量Lsに設定し、且つピッチPを基準ピッチPsに設定してもよい。
実施形態では、ヘッダ12が横方向に延び、チューブ13が縦方向に延びる構成にしているが、これに限定されるものではなく、ヘッダ12が縦方向に延び、チューブ13が横方向に延びる構成としてもよい。
以上、限られた数の実施形態を参照しながら説明したが、権利範囲はそれらに限定されるものではなく、上記の開示に基づく実施形態の改変は、当業者にとって自明のことである。
以上、限られた数の実施形態を参照しながら説明したが、権利範囲はそれらに限定されるものではなく、上記の開示に基づく実施形態の改変は、当業者にとって自明のことである。
11 熱交換器
13 チューブ(配管部材)
14 フィン(板部材)
21 通風路
23 延長部
13 チューブ(配管部材)
14 フィン(板部材)
21 通風路
23 延長部
Claims (3)
- 互いに直交する方向を、第一の方向、第二の方向、及び第三の方向とし、
前記第一の方向に延び、前記第二の方向に間隔を空けて設けられ、内部を熱媒体が流れる複数の配管部材と、
隣り合う前記配管部材同士の間に固定され、前記第三の方向に延び、前記第一の方向に間隔を空けて設けられた複数の板部材と、を備え、
前記配管部材の内部を流れる前記熱媒体と、前記配管部材の周囲及び前記板部材の周囲を流れる空気と、の間で熱交換を行なうものであり、
前記配管部材と前記板部材とで囲まれた領域を、前記第三の方向に空気を流すための通風路とし、前記板部材は、前記第三の方向に沿って前記通風路よりも風上側に延長させた延長部を備え、
前記板部材の表面積が、前記延長部の延長量を予め定めた基準量とし、且つ前記板部材のピッチを予め定めた基準ピッチとしたときの表面積以上であり、
着霜によって前記通風路が閉塞されるまでの所要時間を閉塞時間とし、
前記延長量を前記基準量とした場合の前記閉塞時間に対して、前記延長量を前記基準量よりも長くした場合の前記閉塞時間の変化率である第一の変化率に基づいて、前記延長量が設定され、
前記ピッチを前記基準ピッチとした場合の前記閉塞時間に対して、前記ピッチを前記基準ピッチよりも長くした場合の前記閉塞時間の変化率である第二の変化率に基づいて、前記ピッチが設定されることを特徴とする熱交換器。 - 予め定めた座標系で、前記延長量と前記第一の変化率との関係を第一の特性線によって表わし、前記第一の特性線の傾きが最大となるときの前記延長量を含む範囲で前記延長量が設定され、
予め定めた座標系で、前記ピッチと前記第二の変化率との関係を第二の特性線によって表わし、前記第二の特性線の傾きが最大となるときの前記ピッチを含む範囲で前記ピッチが設定されることを特徴とする請求項1に記載の熱交換器。 - 前記基準量を0mmとし、前記基準ピッチを1.2mmとした場合、
前記延長量が1〜4mmの範囲以内で設定され、前記ピッチが1.4〜1.8mmの範囲以内で設定されることを特徴とする請求項2に記載の熱交換器。
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