JP2019120412A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換性能の低下を抑制しつつ、温熱または冷熱を蓄えることができる熱交換器を提供する。【解決手段】内部に冷媒が流れる複数のチューブ４５と、チューブ４５に接合されてチューブ４５周りを流れる空気との熱交換面積を増大させるフィン４６と、複数のチューブ４５の端部に接続されるとともに、複数のチューブ４５に対して冷媒の分配または集合を行うヘッダタンク４１〜４４と、を備え、チューブ４５には、冷熱を蓄える蓄冷材５１がカプセル５２に内包された蓄冷カプセル５０が塗布されている。【選択図】図４

Description

本発明は、冷熱または温熱を蓄える蓄熱材を備える熱交換器に関するものである。

従来、空調装置には、冷凍サイクル装置が用いられている。この冷凍サイクル装置が停止している状態においても、限定された冷房を提供する試みがなされている。例えば、車両用空調装置では、走行用エンジンによって冷凍サイクル装置の圧縮機が駆動される。このため、車両が一時的に停車している間にエンジンが停止すると、冷凍サイクル装置が停止する。このような一時的な停車中に、限定された冷房を提供するために、冷凍サイクル装置の蒸発器に冷熱を蓄える蓄冷材を付加した蓄冷熱交換器が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１に記載の蓄冷熱交換器では、冷媒が流れる複数のチューブを備えている。そして、隣り合う２つのチューブ間の隙間（以下、チューブ間隙間という）に、チューブに接合されてチューブ周りを流れる空気との熱交換面積を増大させるフィン、または、蓄冷材が収容された蓄冷材容器が設けられている。すなわち、蓄冷熱交換器における複数のチューブ間隙間の一部に、フィンに代えて蓄冷材容器が設けられている。

特許第５９２００８７号公報

上記特許文献１に記載の蓄冷熱交換器では、複数のチューブ間隙間のうち、蓄冷材容器が設けられているチューブ間隙間には、フィンが配置されていない。このため、空気との伝熱面積が減少することにより蓄冷熱交換器の熱交換性能が低下し、その結果、冷房性能の低下につながるおそれがある。

本発明は上記点に鑑みて、熱交換性能の低下を抑制しつつ、温熱または冷熱を蓄えることができる熱交換器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、内部に第１流体が流れる複数のチューブ（４５）と、チューブに接合されてチューブ周りを流れる第２流体との熱交換面積を増大させるフィン（４６）と、複数のチューブの端部に接続されるとともに、複数のチューブに対して第１流体の分配または集合を行うヘッダタンク（４１〜４４）と、を備え、チューブ、フィンおよびヘッダタンクのうち少なくとも１つの部品には、冷熱または温熱を蓄える蓄熱材（５１）がカプセル（５２）に内包された蓄熱カプセル（５０）が塗布されている。

これによれば、チューブ（４５）、フィン（４６）およびヘッダタンク（４１〜４４）のうち少なくとも１つの部品に蓄熱カプセル（５０）を塗布することで、蓄熱カプセル（５０）に冷熱または温熱を蓄えることが可能となる。このため、冷熱または温熱を蓄える蓄熱材が収容された蓄熱材容器の数を減らすことができる、もしくは蓄熱材容器を廃止することができる。これにより、複数のチューブ間隙間（４６０）のうち、フィン（４６）が配置されるチューブ間隙間（４６０）を増加させることができるため、熱交換性能の低下を抑制することが可能となる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

第１実施形態における車両用空調装置を構成する冷凍サイクル装置の構成図である。 第１実施形態に係る蒸発器を示す正面図である。 図２の矢印ＩＩＩ方向から見た側面図である。 第１実施形態におけるチューブの表面を示す説明図である。 第２実施形態におけるチューブの表面を示す説明図である。 第３実施形態に係る蒸発器を示す正面図である。 他の実施形態（４）に係る蒸発器の一部を示す拡大図である。 他の実施形態（４）に係る蒸発器の一部を示す拡大図である。 他の実施形態（５）に係る蒸発器を示す正面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態となる車両用空調装置を構成する冷凍サイクル装置の構成を図１に示す。この空調装置を構成する冷凍サイクル装置１は、圧縮機１０、放熱器２０、減圧器３０、および蒸発器４０を有する。これら構成部品は、配管によって環状に接続され、冷媒循環路を構成する。

圧縮機１０は、車両の走行用の動力源２である内燃機関あるいは電動機等によって駆動される。動力源２が停止すると、圧縮機１０も停止する。圧縮機１０は、蒸発器４０から冷媒を吸引し、圧縮し、放熱器２０へ吐出する。放熱器２０は、高温冷媒を冷却する。放熱器２０は、凝縮器とも呼ばれる。減圧器３０は、放熱器２０によって冷却された冷媒を減圧する。蒸発器４０は、減圧器３０によって減圧された冷媒を蒸発させ、車室内空気を冷却する。

図２および図３において、蒸発器４０は、２層に配置された第１熱交換部４８と第２熱交換部４９とを有する。そして、第２熱交換部４９が空気流れ上流側に配置され、第１熱交換部４８が空気流れ下流側に配置されている。

具体的には、蒸発器４０は、複数に分岐した冷媒通路部材を有する。この冷媒通路部材は、アルミニウム等の金属製の通路部材によって提供される。冷媒通路部材は、組をなして位置づけられた第１〜第４ヘッダタンク４１〜４４と、それらヘッダタンク４１〜４４の間を連結する複数のチューブ４５によって提供されている。そして、第１〜第４ヘッダタンク４１〜４４内およびチューブ４５に冷媒流路が形成されている。

第１ヘッダタンク４１と第２ヘッダタンク４２とは、組をなしており、互いに所定距離れて平行に配置されている。第３ヘッダタンク４３と第４ヘッダタンク４４も組をなしており、互いに所定距離れて平行に配置されている。

第１ヘッダタンク４１と第２ヘッダタンク４２との間には、内部に冷媒が流れる複数のチューブ４５が等間隔に積層されている。各チューブ４５は、その端部において対応するヘッダタンク４１、４２内に連通している。これら第１ヘッダタンク４１と、第２ヘッダタンク４２と、それらの間に配置された複数のチューブ４５とによって第１熱交換部４８（図３参照）が形成されている。なお、本実施形態における冷媒が、本発明の第１流体に相当している。

以下、チューブ４５の長手方向をチューブ長手方向といい、チューブ４５の積層方向をチューブ積層方向という。

第１熱交換部４８を構成する複数のチューブ４５におけるチューブ長手方向の一端部は第１ヘッダタンク４１内に配置されている。第１熱交換部４８を構成する複数のチューブ４５におけるチューブ長手方向の他端部は、第２ヘッダタンク４２内に配置されている。

すなわち、第１ヘッダタンク４１および第２ヘッダタンク４２は、第１熱交換部４８を構成する複数のチューブ４５の端部に接続されている。そして、第１ヘッダタンク４１および第２ヘッダタンク４２は、第１熱交換部４８を構成する複数のチューブ４５に対して、冷媒の分配または集合を行う。

第３ヘッダタンク４３と第４ヘッダタンク４４との間には、複数のチューブ４５が等間隔に積層されている。各チューブ４５は、その端部において対応するヘッダタンク４３、４４内に連通している。これら第３ヘッダタンク４３と、第４ヘッダタンク４４と、それらの間に配置された複数のチューブ４５によって第２熱交換部４９（図３参照）が形成されている。

第２熱交換部４９を構成する複数のチューブ４５におけるチューブ長手方向の一端部は、第３ヘッダタンク４３内に配置されている。第２熱交換部４９を構成する複数のチューブ４５におけるチューブ長手方向の他端部は、第４ヘッダタンク４２内に配置されている。

すなわち、第３ヘッダタンク４３および第４ヘッダタンク４４は、第２熱交換部４９を構成する複数のチューブ４５の端部に接続されている。そして、第３ヘッダタンク４３および第４ヘッダタンク４４は、第２熱交換部４９を構成する複数のチューブ４５に対して、冷媒の分配または集合を行う。

第１ヘッダタンク４１の端部には、冷媒入口としての図示しないジョイントが設けられている。第１ヘッダタンク４１内は、チューブ積層方向のほぼ中央に設けられた図示しない仕切板によって、第１区画と第２区画とに区画されている。これに対応して、複数のチューブ４５は、第１群と第２群とに区分されている。

冷媒は、第１ヘッダタンク４１の第１区画に供給される。冷媒は、第１区画から、第１群に属する複数のチューブ４５に分配される。冷媒は、第１群を通して第２ヘッダタンク４２に流入し、集合される。冷媒は、第２ヘッダタンク４２から、第２群に属する複数のチューブ４５に再び分配される。冷媒は、第２群を通して第１ヘッダタンク４１の第２区画に流入する。

このように、第１熱交換部４８においては、冷媒をＵ字状に流す流路が形成される。すなわち、第１熱交換部４８は、その内部で冷媒流れがＵターンするように構成されている。

第３ヘッダタンク４３の端部には、冷媒出口としての図示しないジョイントが設けられている。第３ヘッダタンク４３内は、チューブ積層方向のほぼ中央に設けられた図示しない仕切板によって、第１区画と第２区画とに区画されている。これに対応して、複数のチューブ４５は、第１群と第２群とに区分されている。第３ヘッダタンク４３の第１区画は、第１ヘッダタンク４１の第２区画に隣接している。第３ヘッダタンク４３の第１区画と第１ヘッダタンク４１の第２区画とは連通している。

冷媒は、第１ヘッダタンク４１の第２区画から、第３ヘッダタンク４３の第１区画に流入する。冷媒は、第１区画から、第１群に属する複数のチューブ４５に分配される。冷媒は、第１群を通して第４ヘッダタンク４４に流入し、集合される。冷媒は、第４ヘッダタンク４４から、第２群に属する複数のチューブ４５に再び分配される。冷媒は、第２群を通して第３ヘッダタンク４３の第２区画に流入する。

このように、第２熱交換部４９においても、冷媒をＵ字状に流す流路が形成される。すなわち、第２熱交換部４９は、その内部で冷媒流れがＵターンするように構成されている。そして、第３ヘッダタンク４３の第２区画内の冷媒は、冷媒出口から流出し、圧縮機１０へ向けて流れる。

図２において、複数のチューブ４５は、略一定の間隔で配置されている。複数のチューブ４５の間には、隙間がそれぞれ形成されている。以下、隣り合う２つのチューブ４５の間に形成される隙間を、チューブ間隙間４６０という。

複数のチューブ間隙間４６０には、フィン４６がそれぞれ設けられている。チューブ間隙間４６０は、空気が流通するとともに、空気と熱交換するための冷却用空気通路を構成している。すなわち、隣り合う２つのチューブ４５は、空気と熱交換するための冷却用空気通路を区画している。

チューブ４５は、断面扁平状に形成されている。チューブ４５は、内部に複数の冷媒通路を有する多穴管である。チューブ４５は、例えば押出製法によって形成されている。複数の冷媒通路は、チューブ長手方向に沿って延びており、チューブ４５の両端に開口している。複数のチューブ４５は、列をなして並べられている。各列において、複数のチューブ４５は、その主面（すなわち扁平面）が対向するように配置されている。

チューブ間隙間４６０には、チューブ４５周りを流れる空気との熱交換面積（すなわち接触面積）を増加させるためのフィン４６が設けられている。フィン４６は、隣接する２つのチューブ４５と熱的に結合している。

具体的には、フィン４６は、ろう材によって、隣り合う２つのチューブ４５に接合されている。フィン４６は、薄いアルミニウム等の金属板を波状に曲げることにより形成されている。フィン４６は、鎧窓状のルーバ（図示せず）を複数有している。なお、本実施形態における空気が、本発明の第２流体に相当している。

蒸発器４０は、サイドプレート４５５を備えている。サイドプレート４５５は、熱交換コア部（すなわちチューブ４５およびフィン４６）を補強する補強部材である。サイドプレート４５５は、チューブ４５およびフィン４６と同じ材質で形成されている。サイドプレート４５５は、複数のフィン４６のうち、チューブ積層方向の両端部に配置されるフィン４６に、ろう付けにより接合されている。

ところで、本実施形態の蒸発器４０は、蒸発器４０にて冷媒を蒸発させて吸熱作用を発揮させる際に、蓄冷材を凝固させて冷熱を蓄え、蓄冷材が融解する際に蓄えられた冷熱を放冷する蓄冷熱交換器である。

図４に示すように、チューブ４５の表面には、多数の蓄冷カプセル５０が塗布されている。蓄冷カプセル５０は、冷熱を蓄える蓄冷材５１がカプセル５２に内包されたものである。本実施形態では、蓄冷材５１として、パラフィンを採用している。もちろん、蓄冷材５１としては、パラフィン以外の冷熱を蓄えることができる物質を採用してもよい。

なお、本実施形態における蓄冷カプセル５０が、本発明の蓄熱カプセルに相当している。また、本実施形態における蓄冷材５１が、本発明の蓄熱材に相当している。

チューブ４５の表面には、蓄冷カプセル５０を保持する保持層６０が設けられている。保持層６０は、親水性を有する親水性樹脂にて構成されている。保持層６０の厚み寸法ｔ１は、蓄冷カプセル５０の直径ｄ１よりも小さい。これにより、保持層６０から蓄冷カプセル５０を露出させることができる。

次に、本実施形態における蓄冷カプセル５０の固定方法について説明する。まず、保持層６０を構成する親水性樹脂に蓄冷カプセル５０を混合する。そして、蓄冷カプセル５０が混合された親水性樹脂を、チューブ４５の表面に塗布する。これにより、チューブ４５の表面に、保持層６０を介して蓄冷カプセル５０が保持固定される。

以上説明したように、本実施形態の蒸発器４０では、チューブ４５の表面に多数の蓄冷カプセル５０を塗布している。これによれば、蓄冷カプセル５０に冷熱を蓄えることができるので、蓄冷材が収容された蓄熱材容器を廃止することができる。このため、複数のチューブ間隙間４６０の全てにフィン４６を配置することができるので、熱交換性能の低下を防止できる。つまり、本実施形態の蒸発器４０では、熱交換性能の低下を抑制しつつ、冷熱を蓄えることが可能となる。

また、本実施形態では、複数のチューブ間隙間４６０の蓄冷材容器を廃止することができるので、蓄冷材容器による通風抵抗の増大を防止できる。さらに、部品点数を削減できるため、製造コストを低減できる。

ところで、近年、蒸発器４０の伝熱面（すなわちチューブ４５やフィン４６等）における霜の成長を抑制するため、伝熱面に親水性樹脂をコーティングすることが行われている。これにより、凝縮水が接触する面を親水化して、凝縮水の接触角を小さくすることで霜の成長を遅延させることができる。

これに対し、本実施形態のように、親水性樹脂に蓄冷カプセル５０を混合させることで、伝熱面に親水性樹脂をコーティングする工程で、同時に蓄冷カプセル５０を塗布することができる。したがって、蓄冷カプセル５０を塗布する工程を新たに設ける必要がないため、製造工数の増加を抑制できる。

また、本実施形態では、チューブ４５の表面に多数の蓄冷カプセル５０を塗布することにより、チューブ４５の表面の表面積が増大する。このため、チューブ４５の表面の親水性が向上するので、霜の成長を確実に抑制することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図に基づいて説明する。本実施形態は、上記第１実施形態と比較して、チューブ４５の表面形状が異なるものである。

図５に示すように、チューブ４５の表面、すなわち蓄冷カプセル５０が塗布されている面には、溝部７０が設けられている。本実施形態では、溝部７０は複数設けられている。また、溝部７０の深さ寸法ｄ２は、１００μｍ以下である。

溝部７０の内部には、多数の蓄冷カプセル５０が収容されている。具体的には、溝部７０の内周面にも、保持層６０が設けられており、この保持層６０により溝部７０内に蓄冷カプセル５０が保持されている。

その他の蒸発器４０の構成は、第１実施形態と同様である。したがって、本実施形態の蒸発器４０においても第１実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、本実施形態では、溝部７０の内部に多数の蓄冷カプセル５０を収容しているので、蓄冷性能を向上させることが可能となる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図に基づいて説明する。本実施形態は、上記第１実施形態と比較して、蒸発器４０に後述する蓄冷材容器４７を設けた点が異なるものである。

図６に示すように、本実施形態の蒸発器４０は、複数の蓄冷材を収容する部屋を区画する蓄冷材容器４７を有している。蒸発器４０では、複数のチューブ間隙間４６０に、複数のフィン４６と複数の蓄冷材容器４７とが、ろう付けにより接合されている。すなわち、複数のチューブ間隙間４６０には、それぞれ、フィン４６または蓄冷材容器４７がろう付けにより接合されている。

複数のフィン４６と複数の蓄冷材容器４７は、例えば所定の規則性をもって配置されている。チューブ間隙間４６０のうちの一部は、フィン４６が配置されている冷却用空気通路である。チューブ間隙間４６０のうちの残部は、蓄冷材容器４７が配置されている収容部である。

複数のチューブ４５間に形成された合計間隔のうちの１０％以上５０％以下が収容部とされる。蓄冷材容器４７は、蒸発器４０の全体に分散して配置されている。蓄冷材容器４７の両側に位置する２つのチューブ４５は、蓄冷材容器４７とは反対側において空気と熱交換するための冷却用空気通路を区画している。すなわち、蓄冷材容器４７の両側に位置する２つのチューブ４５は、蓄冷材容器４７とは反対側にフィン４６が接合されている。

蓄冷材容器４７は、アルミニウム等の金属製であり、扁平な容器状に形成されている。蓄冷材容器４７は、断面略コの字状（すなわちバスタブ状）の一対のプレート部材を備えている。そして、一対のプレート部材を、当該プレート部材により形成される空間同士が連通するように（すなわち最中合わせ状に）接合することにより、内部に蓄冷材を収容するための部屋が区画されている。本実施形態では、蓄冷材としてパラフィンを採用している。

蓄冷材容器４７は、広い主面（すなわち扁平面）を両面に有している。これら２つの主面を提供する２つの主壁は、それぞれがチューブ４５と平行に配置されている。これら２つの主壁は、凹凸形状を有している。

蓄冷材容器４７は、隣接する２つのチューブ４５の間に配置されている。蓄冷材容器４７は、その両側に配置された２つのチューブ４５に熱的に結合している。蓄冷材容器４７は、熱伝達に優れた接合材によって、隣接する２つのチューブ４５に接合されている。接合材としては、ろう材または接着材などの樹脂材料を用いることができる。本例の蓄冷材容器４７は、チューブ４５にろう付けされている。より詳細には、蓄冷材容器４７の外側表面には、第１熱交換部４８を構成するチューブ４５および第２熱交換部４９を構成するチューブ４５の双方が接合されている。

蓄冷材容器４７とチューブ４５との間には、それらの間を広い断面積によって連結するためにろう材が配置されている。このろう材は、蓄冷材容器４７とチューブ４５との間にろう材の箔を配置することによっても提供することができる。この結果、蓄冷材容器４７は、チューブ４５との間で良好な熱伝導を行う。

本実施形態のチューブ４５の表面構造は、第１実施形態と同様である。すなわち、チューブ４５の表面には、保持層６０および蓄冷カプセル５０が塗布されている。したがって、本実施形態の蒸発器４０においても、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、本実施形態の蒸発器４０は、蓄冷材容器４７を備えているので、蓄冷性能をより向上させることが可能となる。

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。

（１）上記実施形態では、本発明の蓄熱材として、冷熱を蓄える蓄冷材５１を採用した例について説明したが、蓄熱材はこれに限定されない。例えば、蓄熱材として、温熱を蓄える蓄熱材を採用してもよい。

この場合、本発明の熱交換器として、ヒートポンプサイクルの暖房用熱交換器（すなわち、圧縮機から吐出された冷媒を放熱させる放熱器等）を採用してもよい。これによれば、圧縮機が停止した場合でも、蓄熱材に蓄えた温熱を用いた暖房を行うことができる。

（２）上記実施形態では、蓄冷カプセル５０をチューブ４５の表面に塗布した例について説明したが、蓄冷カプセル５０を塗布する部位はこれに限定されない。例えば、蓄冷カプセル５０を、フィン４６の表面に塗布してもよいし、第１〜第４ヘッダタンク４１〜４４の表面に塗布してもよい。また、蓄冷カプセル５０を、サイドプレート４５５の表面に塗布してもよいし、蓄冷材容器４７の表面に塗布してもよい。すなわち、チューブ４５、フィン４６、第１〜第４ヘッダタンク４１〜４４、サイドプレート４５５および蓄冷材容器４７のうち、少なくとも１つの部品の表面に、蓄冷カプセル５０が塗布してあればよい。

（３）上記実施形態では、第１熱交換部４８および第２熱交換部４９を、それぞれ、冷媒流れがＵターンするように構成した例について説明したが、第１熱交換部４８および第２熱交換部４９の構成はこれに限定されない。例えば、第１熱交換部４８および第２熱交換部４９のうち少なくとも一方を、冷媒流れがターンしないように構成してもよい。また第１熱交換部４８および第２熱交換部４９のうち少なくとも一方を、冷媒流れが２回以上ターンするように構成してもよい。

（４）上記実施形態では、１つの蓄冷材容器４７を、２つのチューブ４５に接合した例について説明したが、これに限らず、図７に示すように、蓄冷材容器４７を、チューブ４５とフィン４６の双方に接合してもよい。

また、図８に示すように、チューブ４５の２つの主面それぞれに、蓄冷材容器４７を接合してもよい。この場合、蓄冷材容器４７におけるチューブ４５に接合されている主面と反対側の主面に、フィン４６を接合してもよい。

（５）上記実施形態では、蒸発器４０を、複数のチューブ４５、および複数のチューブ４５を流通する冷媒の集合あるいは分配を行う第１〜第４ヘッダタンク４１〜４４等を有して構成される、いわゆるタンクアンドチューブ型の熱交換器として構成した例について説明した。しかしながら、蒸発器４０の構成はこれに限定されない。

すなわち、図９に示すように、蒸発器４０を、いわゆるドロンカップ型の熱交換器として構成してもよい。なお、ドロンカップ型の熱交換器は、断面略コの字状の一対の板状部材同士を、当該板状部材により形成される空間同士が連通するように（すなわち最中合わせ状に）接合することによって冷媒流路が形成される流路プレート５００を備えている。そして、ドロンカップ型熱交換器は、流路プレート５００を、フィン４６または蓄冷材容器４７を介在させながら、複数枚積層配置して構成されている。このとき、複数積層した流路プレート５００により、チューブ４５および第１〜第４ヘッダタンク４１〜４４が構成されている。

（６）上記した各実施形態同士は、実施可能な範囲で適宜組み合わせてもよい。

４５ チューブ
５０ 蓄冷カプセル（蓄熱カプセル）
５１ 蓄冷材（蓄熱材）
５２ カプセル

Claims (5)

1. 内部に第１流体が流れる複数のチューブ（４５）と、
   前記チューブに接合されて前記チューブ周りを流れる第２流体との熱交換面積を増大させるフィン（４６）と、
   前記複数のチューブの端部に接続されるとともに、前記複数のチューブに対して前記第１流体の分配または集合を行うヘッダタンク（４１〜４４）と、を備え、
   前記チューブ、前記フィンおよび前記ヘッダタンクのうち少なくとも１つの部品には、冷熱または温熱を蓄える蓄熱材（５１）がカプセル（５２）に内包された蓄熱カプセル（５０）が塗布されている熱交換器。
2. 前記少なくとも１つの部品における前記蓄熱カプセルが塗布されている面には、溝部（７０）が設けられている請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記少なくとも１つの部品には、前記蓄熱カプセルを保持する保持層（６０）が設けられている請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 前記保持層の厚み寸法（ｔ１）は、前記蓄熱カプセルの直径（ｄ１）よりも小さい請求項３に記載の熱交換器。
5. 前記保持層は、親水性樹脂にて構成されている請求項３または４に記載の熱交換器。

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