JP2022146164A - ワイヤレス給電路盤 - Google Patents

Abstract

【課題】給電用ケーブルやコネクタ等が走行面上に突出するのを抑えつつ、給電用ケーブルと送電電極とを接続する。【解決手段】ワイヤレス給電路盤１は、平面導体からなり、上方を走行する車両に非接触で給電する複数の送電電極３と、送電電極３を下方から支持する路盤部２と、送電電極３よりも下方に配置されて、送電電極３に給電する給電用ケーブル１０と、送電電極３と給電用ケーブル１０とを電気的に接続する給電接続部材３０と、を備え、路盤部２には開口部２ｈが設けられ、給電接続部材３０は、開口部２ｈに配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、ワイヤレス給電路盤に関する。

電気自動車、電動カート、ＡＧＶ（Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｇｕｉｄｅｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ）等、電気エネルギーを動力に用いる電動車両に対し、ワイヤレスで電力を供給するワイヤレス給電システムが用いられている。このようなワイヤレス給電システムでは、電動車両の走行面に埋設した送電電極に高周波の交流電流を流して磁場を発生させ、電動車両側の受電電極に誘導電流を発生させることで、非接触での電力供給を行う。
送電電極には、給電用ケーブルを通して給電を行う。給電用ケーブルとして、例えば伝搬損失の低い同軸ケーブルが用いられることがある。

送電電極は、例えば厚さが数十μｍ程度の、平板状に形成される。このような送電電極に対し、断面が円形の同軸ケーブルの芯線を接続するには、これらの形状の相違を吸収するためのコネクタを使用することが考えられる。
例えば、特許文献１には、給電用ケーブルを構成する同軸ケーブルと、送電電極を構成する平面導体とを、同軸コネクタを介して接続する構成が開示されている。
特許文献１に開示されたような構成では、同軸コネクタや同軸ケーブルが、送電電極が埋設された走行面上に突出している。このため、高周波電流が流れる同軸コネクタや同軸コネクタを電動車両や歩行者が踏みつけたり、足等を引っ掛けたりしてしまうのを防ぐには、同軸コネクタが配置されている場所の周辺への立ち入りを制限する必要が生じる。

特開２０２０－２８１１０号公報

本発明の目的は、給電用ケーブルやコネクタ等が走行面上に突出するのを抑えつつ、給電用ケーブルと送電電極とを接続することが可能な、ワイヤレス給電路盤を提供することである。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明のワイヤレス給電路盤は、平面導体からなり、上方を走行する車両に非接触で給電する複数の送電電極と、当該送電電極を下方から支持する路盤部と、前記送電電極よりも下方に配置されて、前記送電電極に給電する給電用ケーブルと、前記送電電極と前記給電用ケーブルとを電気的に接続する給電接続部材と、を備え、前記路盤部には開口部が設けられ、前記給電接続部材は、前記開口部に配置されていることを特徴とする。
このような構成によれば、給電用ケーブルは、送電電極よりも下方に配置されている。また、送電電極を下方から支持する路盤部には開口部が設けられ、送電電極と給電用ケーブルを電気的に接続する給電接続部材は、開口部に配置されている。
このように、給電用ケーブルや給電接続部材は、送電電極よりも下方に設けられているため、給電接続部材や給電用ケーブルが走行面上に突出するのを抑えつつ、給電用ケーブルと送電電極とを接続することが可能となる。

本発明の一態様においては、本発明のワイヤレス給電路盤は、前記給電接続部材が、前記送電電極の下面に沿って設けられて、前記送電電極に接続される金属板と、前記金属板から下方に向かって延びる金属製の芯線と、前記芯線を取り囲むように設けられた絶縁層と、前記絶縁層を覆うように設けられた筒状導体と、を備えている。
このような構成によれば、金属板は、送電電極の下面に沿って設けられる。また、金属板から下方に向かって延びる芯線、絶縁層、及び筒状導体は、金属板よりも下方に位置することになる。したがって、給電接続部材が走行面上に突出するのを効率的に抑えることができる。
また、給電接続部材は、芯線と、絶縁層と、筒状導体とを備えているので、例えば芯線や絶縁層の形状を適切に設計することによって、芯線、絶縁層、及び筒状導体により形成された部分の、金属板とは反対側の端部を、ワイヤレス給電路盤の特性インピーダンスと同等のインピーダンスを有する状態とすることができる。すなわち、ワイヤレス給電路盤の特性インピーダンスと同等のインピーダンスを有する部分を、送電電極からより下方に離れて、給電用ケーブルに近づけて位置付けることができるため、給電用ケーブルを電気的に給電接続部材に接続したときの、給電効率の低下を抑制することができる。

本発明の一態様においては、前記給電接続部材は、一端が前記筒状導体に接続され、他端が接地された接地部材を備えている。
このような構成によれば、接地部材により適切に給電接続部材を接地することができる。

本発明の一態様においては、前記芯線、前記絶縁層、及び前記筒状導体が、前記開口部内に配置されている。
このような構成によれば、給電接続部材が走行面上に突出するのを効率的に抑えることができる。

本発明の一態様においては、本発明のワイヤレス給電路盤は、前記路盤部の下方に空隙部が形成され、前記給電接続部材と前記給電用ケーブルとが、前記空隙部内で電気的に接続されている。
このような構成によれば、給電接続部材と給電用ケーブルとの接続部分を空隙部内に収容することができる。

本発明の一態様においては、本発明のワイヤレス給電路盤は、前記給電接続部材と前記給電用ケーブルとの間に、前記給電用ケーブル側のインピーダンスと、前記給電接続部材側のインピーダンスとを整合する整合回路部をさらに備えている。
このような構成によれば、整合回路部によって、給電接続部材と給電用ケーブルのインピーダンスを整合することができる。これにより、反射を抑え、給電効率が低下するのを抑えることができる。

本発明の一態様においては、前記給電用ケーブルは同軸ケーブルである。
このような構成によれば、ワイヤレス給電路盤を適切に実現可能である。

本発明によれば、給電用ケーブルやコネクタ等が走行面上に突出するのを抑えつつ、給電用ケーブルと送電電極とを接続することが可能となる。

本発明の実施形態に係るワイヤレス給電路盤の構成を示す断面図である。 図１のワイヤレス給電路盤に用いられる給電接続部材の断面図である。 図２の給電接続部材を下方から見た図である。

以下、添付図面を参照して、本発明によるワイヤレス給電路盤を実施するための形態について、図面に基づいて説明する。
本発明の実施形態に係るワイヤレス給電路盤の構成を示す断面図を図１に示す。
図１に示すように、ワイヤレス給電路盤１は、電気自動車や電動カート、電動フォークリフト、電動自動運搬装置等の電動車両に対して非接触で給電を行う。ワイヤレス給電路盤１は、例えば、電動車両が使用される施設内（屋内）に設置される。ワイヤレス給電路盤１は、施設内に限らず、屋外に設置することも可能である。ワイヤレス給電路盤１は、基体８上に設けられている。基体８は、例えば、施設のコンクリート基礎、床スラブ等である。基体８は、地盤、地盤上に敷設された砕石等であってもよい。ワイヤレス給電路盤１は、路盤部２と、送電電極３と、接地部４と、給電用ケーブル１０と、整合回路部２０と、給電接続部材３０と、を備えている。

路盤部２は、後に説明する送電電極３を下方から支持する。路盤部２は、基層６と、絶縁層７と、を備えている。絶縁層７は、基層６の下側に形成されている。絶縁層７は、基層６を下方から支持している。路盤部２は、例えば上下方向に１００～１５０ｍｍ程度（より具体的には、例えば１３０ｍｍ）の厚さを有している。

送電電極３は、基層６上に設けられている。送電電極３は、平面導体として形成され、ワイヤレス給電を行うための電力の送電路であり、例えば、車両の進行方向Ｄｒに沿って帯板状に延びている。送電電極３は、後に説明する走行面５ｆに沿った面内で、車両の進行方向Ｄｒに直交する幅方向（図１の紙面に直交する方向）に間隔を開けて複数（例えば２本）が配置されている。送電電極３は、板状、又はシート状の平面導体からなる。送電電極３は、高周波電力のスキンデプスを十分満足する厚み（例えば３５μｍ程度）を有する、鉄、アルミニウム、ステンレス等の金属材料からなる。
送電電極３上には、ゴム系材料等の絶縁材料からなる保護層５が形成されている。保護層５は、例えば上下方向の厚さが数ｍｍ（例えば４ｍｍ）程度とされている。保護層５の上面は車両が走行する走行面５ｆとなっており、保護層５は送電電極３と車両を離間せしめて送電電極３を保護する。

走行面５ｆ上を走行する図示されない車両においては、車体の、車輪と近接する部分に、電極が設けられている。また、車輪の、例えばタイヤの内側には、導体としてのスチールベルトが設けられている。送電電極３に電力が供給されると、送電電極３とスチールベルトの間、及びスチールベルトと車体の電極との間に、静電容量が形成されることにより、送電電極３と車体の電極との間に静電容量が形成される。この静電容量を介して、送電電極３から車体の電極に対して高周波電力エネルギーが伝送される。

接地部４は、基体８上に形成されている。接地部４は、導電性を有した金属材料によって形成される。接地部４は、例えば、板状、シート状をなしている。接地部４は、高周波電力のスキンデプスを十分満足する厚み（例えば３５μｍ程度）を有する金属からなり、例えば、鉄、アルミニウム、ステンレス等からなる。接地部４は、送電電極３に通電することで発生する電磁界をシールドする。接地部４は、送電電極３で発生する電磁界が、給電方向（車両側、すなわち上方）以外の方向に拡散することを抑える。

本実施形態において、路盤部２は、基体８上に複数本の支持脚９を介して支持され、いわゆる二重床を形成している。これにより、路盤部２の下方の、路盤部２と、基体８上の接地部４との間には、例えば空隙部Ｓが形成されている。

給電用ケーブル１０は、図示しない高周波電源から供給される高周波の交流電流を、整合回路部２０、及び給電接続部材３０を介して送電電極３に給電する。給電用ケーブル１０は、同軸ケーブルからなり、送電電極３よりも下方に配置されている。本実施形態において、給電用ケーブル１０は、空隙部Ｓ内に配置されている。給電用ケーブル１０は、先端に設けられたコネクタ１１を介して整合回路部２０に接続されている。

整合回路部２０は、後に説明する給電接続部材３０と給電用ケーブル１０との間に配置されている。整合回路部２０は、高周波電源から給電用ケーブル１０を通して供給される交流電流を整合し、同軸ケーブルからなる給電用ケーブル１０側と、送電電極３に接続される後述の給電接続部材３０側との間でインピーダンス調整を図る。整合回路部２０は、空隙部Ｓ内に配置されている。整合回路部２０は、金属製の筐体２１を有している。同軸ケーブルからなる給電用ケーブル１０は、中心に位置する芯線の外側を、絶縁体を介してグランド材１２で覆うように構成されている。この、給電用ケーブル１０のグランド材１２は、金属製の筐体２１に接続されている。筐体２１は、金属製の取付金具２２を介して、接地部４に固定されている。これにより、グランド材１２は、コネクタ１１、金属製の筐体２１及び取付金具２２を介して接地部４に接地されている。給電用ケーブル１０の芯線は、後に説明するように、整合回路部２０を介して、給電接続部材３０の芯線３２に電気的に接合されている。

図２は、図１のワイヤレス給電路盤に用いられる給電接続部材の断面図である。
給電接続部材３０は、送電電極３と給電用ケーブル１０とを電気的に接続する。給電接続部材３０は、送電電極３よりも下方に配置されている。図１、図２に示すように、給電接続部材３０は、金属板３１と、芯線３２と、絶縁層３３と、筒状導体３４と、接地部材３５と、を備えている。
金属板３１は、基層６上に配置されている。金属板３１は、送電電極３の下側に、送電電極３の下面３ｂに沿うように、かつ送電電極３と基層６に挟まれるように配置され、送電電極３に電気的に接続されている。芯線３２は、金属製で、その上端が金属板３１の下面に接合されている。芯線３２は、金属板３１から下方に向かって延びている。絶縁層３３は、芯線３２を取り囲むように、上下方向に延びる円柱状（円筒状）に形成されている。筒状導体３４は、上下方向に延びる円筒状で、絶縁層３３の外周部を覆うように設けられている。
路盤部２、すなわち基層６と絶縁層７の各々には、開口部２ｈが設けられている。本実施形態においては、開口部２ｈは、路盤部２を上下方向に貫通するように設けられた貫通孔である。芯線３２、絶縁層３３、及び筒状導体３４は、この開口部２ｈに設けられ、開口部２ｈを通して下方の空隙部Ｓ内に突出している。金属板３１、芯線３２、及び筒状導体３４は、それぞれ、銅、アルミニウム等、電気抵抗が小さい導電性材料から形成されている。なお、芯線３２、及び筒状導体３４は、送電電極３よりも下方に位置するのであれば、金属板３１から下方に直線状に延びておらず、適宜、湾曲又は屈曲していてもよい。

接地部材３５は、銅、アルミニウム等の導電性材料から形成され、図１に示すように、一端３５ａが筒状導体３４に接続され、他端３５ｂが接地部４に接地されている。接地部材３５の一端３５ａは、上下方向から見て例えばＣ字状に形成され、筒状導体３４の外周面に沿って周方向に延び、ネジ３４ｎ等で締め付けることで、筒状導体３４に接続されている。接地部材３５の他端３５ｂは、ビス３６等により、接地部４に接地されている。

このような給電接続部材３０の芯線３２と、整合回路部２０とは、接続線５０を介して電気的に接続されている。接続線５０は、いわゆる単線で、一端が整合回路部２０を介して、給電用ケーブル１０の芯線に電気的に接続されている。接続線５０の他端には、例えば圧着端子からなる接続端子５１が設けられている。また、給電接続部材３０の芯線３２にも、圧着端子からなる接続端子５２が設けられている。接続端子５１と接続端子５２とは、これら接続端子５１と接続端子５２の各々に設けられた図示されない貫通孔を介し、金属製のビス５３等によって互いに接続されている。

ここで、高周波電源に接続された給電用ケーブル１０を構成する同軸ケーブルに市販のものを用いる場合、給電用ケーブル１０のインピーダンスは、例えば５０Ωとなる。これに対し、例えば本実施形態のワイヤレス給電路盤１においては、路盤部２上に設けられ、保護層５で覆われた送電電極３のインピーダンスが、例えば１１０Ω等と、給電用ケーブル１０のインピーダンスとは、基本的には異なる値となる。このような場合に、整合回路部２０は、送電電極３側のインピーダンス（１１０Ω）と給電用ケーブル１０側のインピーダンス（５０Ω）を整合させる。

次に、芯線３２、絶縁層３３、及び筒状導体３４の、断面形状の設計について説明する。
図３は、図２の給電接続部材を下方から見た図である。
図２、図３に示すように、給電接続部材３０において、芯線３２、絶縁層３３、及び筒状導体３４の部分は、同軸ケーブルと同様の構成を有している。このような給電接続部材３０のインピーダンスＺ０は、次式で表される。

ここで、ε_ｒは、絶縁層３３を形成する誘電体の比誘電率、ｄ_１は芯線３２の外径、ｄ_２は絶縁層３３の外径である。
上式（１）に基づき、絶縁層３３に、比誘電率ε_ｒ＝２．３～２．４であるポリエチレンを用いる場合、芯線３２の外径ｄ_１を３ｍｍ、絶縁層３３の外径ｄ_２を４８ｍｍとすることで、給電接続部材３０のインピーダンスを、送電電極３のインピーダンスと同じ値、すなわち約１１０Ωとすることができる。

このような構成において、接続線５０の長さは、可能な限り短くするのが望ましい。接続線５０の長さが長いと、給電用ケーブル１０の端部、すなわち給電用ケーブル１０側のインピーダンスを有する部分の末端と、給電接続部材３０の、芯線３２が絶縁層３３と筒状導体３４に囲われた部分の端部３０ｂ、すなわち送電電極３側のインピーダンスを有する部分の末端との間が離れすぎる。すると、整合回路部２０による、インピーダンスの整合の効果が低減し、インピーダンスの不整合により給電時に反射が生じて、給電効率が低下する可能性があるからである。
換言すれば、芯線３２を絶縁層３３と筒状導体３４で囲った構造を、送電電極３から下方に向けて延伸させているのは、送電電極３と同等のインピーダンスを有する部分を、給電用ケーブル１０に近づけることを意図したものである。
この観点からすれば、例えば、整合回路部２０と給電接続部材３０は、平面視したときに、これらの距離ができるだけ小さいほうが望ましい。また、給電接続部材３０の、芯線３２、絶縁層３３、及び筒状導体３４も、できるだけ下方に延伸して、その端部３０ｂができるだけ整合回路部２０に近い位置に設けられるのが望ましい。

上述したようなワイヤレス給電路盤１は、平面導体からなり、上方を走行する車両に非接触で給電する複数の送電電極３と、送電電極３を下方から支持する路盤部２と、送電電極３よりも下方に配置されて、送電電極３に給電する給電用ケーブル１０と、送電電極３と給電用ケーブル１０とを電気的に接続する給電接続部材３０と、を備え、路盤部２には開口部２ｈが設けられ、給電接続部材３０は、開口部２ｈに配置されている。
このような構成によれば、給電用ケーブル１０は、送電電極３よりも下方に配置されている。また、送電電極３を下方から支持する路盤部２には開口部２ｈが設けられ、送電電極３と給電用ケーブル１０を電気的に接続する給電接続部材３０は、開口部２ｈに配置されている。
このように、給電用ケーブル１０や給電接続部材３０は、送電電極３よりも下方に設けられているため、給電接続部材３０や給電用ケーブル１０が走行面５ｆ上に突出するのを抑えつつ、給電用ケーブル１０と送電電極３とを接続することが可能となる。

また、給電接続部材３０は、送電電極３の下面３ｂに沿って設けられて、送電電極３に接続される金属板３１と、金属板３１から下方に向かって延びる金属製の芯線３２と、芯線３２を取り囲むように設けられた絶縁層３３と、絶縁層３３を覆うように設けられた筒状の筒状導体３４と、を備えている。
このような構成によれば、金属板３１は、送電電極３の下面に沿って設けられる。また、金属板３１から下方に向かって延びる芯線３２、絶縁層３３、及び筒状導体３４は、金属板３１よりも下方に位置することになる。したがって、給電接続部材３０が走行面５ｆ上に突出するのを効率的に抑えることができる。
また、給電接続部材３０は、芯線３２と、絶縁層３３と、筒状導体３４とを備えているので、例えば芯線３２や絶縁層３３の形状を適切に設計することによって芯線３２、絶縁層３３、及び筒状導体３４により形成された部分の、金属板３１とは反対側の端部３０ｂを、ワイヤレス給電路盤１の特性インピーダンスと同等のインピーダンスを有する状態とすることができる。すなわち、ワイヤレス給電路盤１の特性インピーダンスと同等のインピーダンスを有する部分を、送電電極３からより下方に離れて、給電用ケーブル１０に近づけて位置付けることができるため、給電用ケーブル１０を電気的に給電接続部材３０に接続したときの、給電効率の低下を抑制することができる。

また、給電接続部材３０は、一端３５ａが筒状導体３４に接続され、他端３５ｂが接地された接地部材３５と、を備えている。
このような構成によれば、接地部材３５により適切に給電接続部材３０を接地することができる。

また、芯線３２、絶縁層３３、及び筒状導体３４が、開口部２ｈ内に配置されている。
このような構成によれば、給電接続部材３０が走行面５ｆ上に突出するのを効率的に抑えることができる。

また、路盤部２の下方に空隙部Ｓが形成され、給電接続部材３０と給電用ケーブル１０とが、空隙部Ｓ内で電気的に接続されている。
このような構成によれば、給電接続部材３０と給電用ケーブル１０との接続部分、整合回路部２０等を空隙部Ｓ内に収容することができる。

また、ワイヤレス給電路盤１は、給電接続部材３０と給電用ケーブル１０との間に、給電用ケーブル１０側のインピーダンスと、給電接続部材３０側のインピーダンスとを整合する整合回路部２０をさらに備えている。
このような構成によれば、給電接続部材３０と給電用ケーブル１０のインピーダンスを整合することができる。これにより、反射を抑え、給電効率が低下するのを抑えることができる。

また、給電用ケーブル１０は同軸ケーブルである。
このような構成によれば、ワイヤレス給電路盤１を適切に実現可能である。

（実施形態の変形例）
なお、本発明のワイヤレス給電路盤１は、図面を参照して説明した上述の実施形態に限定されるものではなく、その技術的範囲において様々な変形例が考えられる。
例えば、上記実施形態では、路盤部２は、基体８上に複数本の支持脚９を介して支持され、いわゆる二重床を形成しているようにしたが、これに限らない。路盤部２と基体８との間に、コンクリート等が充填され、給電用ケーブル１０と給電接続部材３０との接続部分のみに空隙部Ｓを形成するようにしてもよい。また、既存の床を掘り込んで、空隙部Ｓを形成するようにしてもよい。給電用ケーブル１０と給電接続部材３０との接続部や整合回路部２０を、ボックスに収容し、ワイヤレス給電路盤１中に埋設するようにしてもよい。
また、上記実施形態においては、接地部４は基体８上に形成されていたが、これに限られない。接地部４は、基層６と絶縁層７の間に介装されていてもよいし、絶縁層７の下面に沿って設けられていてもよい。この場合には、接地部４には、基層６や絶縁層７の開口部２ｈと同じ位置に、給電接続部材３０が設けられるための開口部が設けられるのが望ましい。更に、この場合においては、給電接続部材３０は接地部４を貫通して設けられるため、筒状導体３４が接地部４の近傍に位置することとなり、したがって筒状導体３４を接地部３４に接続するための接地部材３５を設ける必要がない。ただし、この場合においても、給電接続部材３０を基体８に固定することを目的として、上記実施形態の接地部材３５と同様な構成の固定部材が必要となる可能性は有る。

また、上記実施形態において、給電対象となる電動車両は、電気自動車、電動カート、電動フォークリフト、電動自動運搬装置等（ＡＧＶ）に限らず、例えば、新都市交通システム用の車両、物品搬送用のロボット等であってもよい。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。

１ ワイヤレス給電路盤 ３０ 給電接続部材
２ 路盤部 ３１ 金属板
２ｈ 開口部 ３２ 芯線
３ 送電電極 ３３ 絶縁層
３ｂ 下面 ３４ 筒状導体
４ 接地部 ３５ 接地部材
７ 絶縁層 ３５ａ 一端
１０ 給電用ケーブル ３５ｂ 他端
２０ 整合回路部 Ｓ 空隙部

Claims (7)

1. 平面導体からなり、上方を走行する車両に非接触で給電する複数の送電電極と、
   当該送電電極を下方から支持する路盤部と、
   前記送電電極よりも下方に配置されて、前記送電電極に給電する給電用ケーブルと、
   前記送電電極と前記給電用ケーブルとを電気的に接続する給電接続部材と、を備え、
   前記路盤部には開口部が設けられ、
   前記給電接続部材は、前記開口部に配置されていることを特徴とするワイヤレス給電路盤。
2. 前記給電接続部材は、
   前記送電電極の下面に沿って設けられて、前記送電電極に接続される金属板と、
   前記金属板から下方に向かって延びる金属製の芯線と、
   前記芯線を取り囲むように設けられた絶縁層と、
   前記絶縁層を覆うように設けられた筒状導体と、を備えていることを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス給電路盤。
3. 前記給電接続部材は、一端が前記筒状導体に接続され、他端が接地された接地部材を備えていることを特徴とする請求項２に記載のワイヤレス給電路盤。
4. 前記芯線、前記絶縁層、及び前記筒状導体が、前記開口部内に配置されていることを特徴とする請求項２または３に記載のワイヤレス給電路盤。
5. 前記路盤部の下方に空隙部が形成され、
   前記給電接続部材と前記給電用ケーブルとが、前記空隙部内で電気的に接続されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のワイヤレス給電路盤。
6. 前記給電接続部材と前記給電用ケーブルとの間に、前記給電用ケーブル側のインピーダンスと、前記給電接続部材側のインピーダンスとを整合する整合回路部をさらに備えていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のワイヤレス給電路盤。
7. 前記給電用ケーブルは同軸ケーブルであることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のワイヤレス給電路盤。

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