JP3539274B2 - アンテナ装置の冷却構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、限られた空間に搭載するアンテナ装置の冷却構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の冷却構造を説明する。
図１２は、排熱先より温度が低い冷却液を得るため、ＶＣＳ（Ｖａｐｏｒ Ｃｙｃｌｅ Ｓｙｓｔｅｍ：蒸気サイクルシステム）２０を用いた冷却系構成ブロックを示す。１は冷却が必要なモジュール４を実装したアンテナ装置、１６はアンテナ装置に冷却液を循環するためのポンプ、２１はアンテナ装置で発生した熱を冷却液からフロンに熱移動させるためのエバポレータ、２２はフロンを圧縮するためのコンプレッサ、２３はアンテナ装置で発生した熱をフロンから燃料に熱移動させるためのコンデンサ、２４はフロンを減圧させるためのバルブ、２５はアンテナ装置で発生した熱を蓄える燃料タンクである。
２６は冷却液系ライン、２７はフロン系ライン、２８は燃料系ライン、２９はラインの流れ方向を示す。
【０００３】
図１３は排熱先より温度が低い冷却液を用いたアンテナ装置の冷却構造で、４は信号を増幅するために熱を発生し冷却が必要なモジュール、５はモジュールで増幅した信号を空間に放射するためのアンテナ素子、３０はモジュールを冷却するための冷却液を循環させしかもモジュールを実装している冷却板である。
【０００４】
次に動作について説明する。
アンテナ装置に実装されているモジュール４に電力を供給することにより、モジュール４内で信号が増幅され、増幅された信号はアンテナ素子５を介して、空間に放射される。
モジュール４において安定的に信号を増幅させるには、モジュール４を一定温度以下に冷却することが必要である。
アンテナ装置で発生した熱は、ポンプ１６により循環している冷却液でエバポレータ２１に輸送される。エバポレータ２１では低温のフロンが気化することにより、アンテナ装置で発生した熱がフロンに熱移動し、アンテナ装置に供給される冷却液が冷却される。気化したフロンはコンプレッサ２２により圧縮され高温高圧のフロンとなりコンデンサ２３に流れる。コンデンサ２３では循環している燃料により高温高圧のフロンが液化することでアンテナ装置で発生した熱がフロンから燃料に熱移動する。液化したフロンはバルブ２４により減圧されエバポレータ２１に流れて上記のサイクルを繰り返す。コンデンサ２３によりアンテナ装置で発生した熱を奪った燃料は燃料タンク２５に蓄積される。
【０００５】
上記ＶＣＳの動作すなわちフロンの相変化によりアンテナ装置を冷却するための冷却液は、排熱先である燃料の温度よりも低い温度に冷却できる。
一方アンテナ装置においては、エバポレータ２１で冷やされた冷却液がアンテナ装置に実装されている冷却板３０に供給される。冷却板３０には一定の温度以下に冷却が必要なモジュール４が実装されており、モジュール４から冷却板３０までは熱伝導、冷却板３０では冷却液による熱伝達によりモジュールが冷却される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来のアンテナ装置の冷却構造は、以上のように排熱先より温度が低い冷却液を得るためにＶＣＳを用いた冷却系で構成されているので、冷却液系ライン、フロン系ラインおよび燃料系ラインが必要であり、これを搭載する航空機等の装置の改修規模が膨大であった。また、上記のラインを引き回せない狭い空間にアンテナ装置を搭載することができず、搭載場所に制限が生じていた。
【０００７】
また、冷却液、フロン、燃料の漏れ対策も必要で構成が複雑であるとともに、冷却に係わる保守、点検、整備も困難であった。
更に、所要の冷却液温度を得るためには、コンプレッサ、バルブ、燃料流量およびフロン流量等の制御が必要となり、ＶＣＳ等の冷却に必要な構造が複雑であり、構造の規模が膨大であった。
併せてアンテナ装置においても冷却液を循環させる必要があり、構造が複雑で構造の規模が大きくなった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、排熱先の温度より低い冷却が必要なアンテナ装置において、ＶＣＳを用いない冷却系で構成する。つまり冷却液系ライン、フロン系ラインおよび燃料系ラインを不要として狭い空間にも搭載できることを目的としている。
さらにアンテナ装置の放熱面である外壁をアンテナを搭載した航空機等の装置の外壁と兼用し、小型軽量なアンテナ装置にするとともに、搭載場所の自由度を上げることを目的とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。
実施の形態１．
図１は、この実施の形態によるアンテナ装置の冷却構造の外形図、図２および図３は、この実施の形態によるアンテナ装置の冷却構造図で、図２は図１のレドーム３を外した状態を、図３は図２のアンテナ素子５を外した状態を示す。図４は、この実施の形態によるアンテナ装置の断面図、図５は、この実施の形態によるアンテナ装置の冷却構造を航空機に搭載した図である。
【００１０】
図１〜図４において、１はアンテナ装置、２は航空機の外壁に相当ししかもアンテナ装置１の放熱板でアンテナ装置の外壁となるスキン、３はアンテナ装置で増幅された信号を透過ししかもアンテナの前面となるレドームで、スキン２に取り付けてアンテナ装置の外形を構成する。４は信号を増幅するために熱を発生ししかも一定温度以下に冷却が必要なモジュール、５はモジュール４で増幅した信号を空間に放射するためのアンテナ素子でモジュールに接続されている。６は熱電性能の大きい半導体で構成され電力を供給することで冷却効果を得るペルチェプレートでアンテナ装置の両端に設け、両ペルチェプレートとも発熱（加熱）側６ｂはアンテナ装置の外壁となるスキン２に固定されている。７は２個のモジュールを上下に実装しているベースプレートで両端がペルチェプレートの吸熱（冷却）側６ａに固定されている。ペルチェ効果は、２種類の半導体の両端を接続して電流を流すと一方の接点では発熱が起り、他の接点では吸熱が起る現象である。ペルチェプレート６はこの現象を利用した冷却器である。
【００１１】
図４において、８ａ〜８ｄはモジュール４で発生した熱がスキン２から放熱されるまでの移動方向を示し、９はモジュール４底面とベースプレート７表面の間を示し、接触熱抵抗により温度上昇が発生する所である。
図５において、１０ａ〜１０ｃは航空機におけるアンテナ装置の搭載場所を示す。
【００１２】
次に動作について説明する。
アンテナ装置に実装されているモジュール４に電力を供給することにより、モジュール４内で信号が増幅され、増幅された信号はアンテナ素子５およびレドーム３を介して、空間に放射される。
モジュール４において安定的に信号を増幅させるには、モジュール４を一定温度以下に冷却することが必要である。
【００１３】
モジュール４はベースプレート７の上下に実装されているため、モジュール４から発生した熱はモジュール４とベースプレート７間の接触熱抵抗９を介してベースプレート７に熱伝導（８ａ）し、ペースプレート自身を伝導（８ｂ）して、ペルチェプレートの吸熱（冷却）側６ａに移動する。さらにペルチェプレートの発熱（加熱）側６ｂはスキン２に固定されているため、熱はスキン２に熱伝導８ｃされる。一方放熱板であるスキン２は航空機の外壁を兼用しているため、航空機が飛行時発生するラムエアーの熱伝達によりスキン表面から外気へ放熱（８ｄ）される。つまりモジュール４で発生した熱はアンテナ装置のスキン２すなわち航空機の外壁から外気へ放熱される。
【００１４】
またペルチェプレート７には電力が供給されており、ペルチェプレート７の冷却効果にともない吸熱（冷却）側６ａは発熱（加熱）側６ｂより低い温度に冷却される。つまりペルチェプレートの吸熱（冷却）側６ａが排熱先である外気よりも低い温度に冷却されることにより、モジュール４を一定温度以下に冷却することが可能となる。
また、モジュール４の両側にペルチェプレート６、スキン２を設け、アンテナ装置の両外壁であるスキン２を航空機の外壁と兼用しているため、アンテナ装置は航空機の主に尾翼１０ａ等へ容易に搭載できる。
【００１５】
以上のように、この実施の形態によれば、排熱先の温度より低い冷却が必要なアンテナ装置において、ＶＣＳを用いない冷却系で構成し、つまり冷却液系ライン、フロン系ラインおよび燃料系ラインが不要であり、さらにアンテナ装置の放熱面として航空機の外壁を活用するため、アンテナ装置を航空機に搭載するときの航空機の改修規模が縮小できるとともに上記のラインを引き回せない尾翼等にもアンテナ装置を搭載することができ、航空機の搭載場所の自由度を上げることができる効果がある。
【００１６】
また、冷却液、フロン、燃料およびＶＣＳが不要な冷却系であり、冷却の構成が単純で小型軽量になるとともに、冷却に関わる保守、点検、整備も容易となる効果もある。
さらに、アンテナ装置においても冷却液の循環が不要となり、小型軽量なアンテナ装置にできる効果もある。
一方、電力を供給するだけで排熱先の温度より低い温度を得ることができ、回転機能を有するポンプおよびコンプレッサが不要で、航空機の耐加速度等にともなう飛行制限が発生しない効果もある。
【００１７】
実施の形態２．
この実施の形態は、実施の形態１に加えて、航空機の外壁と兼用しているスキンにフィンを設けることを特徴とし、放熱面積が大幅に増加し、実施の形態１よりスキンの温度が下がりモジュールの温度をさらに下げることができるとともにペルチェプレートに供給する電力を縮小することが可能となる。
【００１８】
図６は、この実施の形態によるアンテナ装置の冷却構造で、レドームとアンテナ素子を取り外した状態を示す。図６において、４，６，７は図１〜図４と同じである。１１はフィン付きスキンで航空機の外壁に相当ししかもアンテナ装置の放熱面でアンテナ装置の外壁となる。
【００１９】
次に動作について説明する。モジュール４で発生した熱の移動およびモジュールの冷却に係わる動作は実施の形態１の動作と同じである。この実施の形態では、実施の形態１の動作に加えて、放熱面であるスキン２にフィン１１を設けることにより、スキン２から外気への放熱量が放熱面積に比例するため放熱量が大幅に増加し、実施の形態１よりモジュールの温度をさらに下げることができるとともにペルチェプレート７に供給する電力を縮小することが可能となる効果がある。
【００２０】
実施の形態３．
この実施の形態は、実施の形態１に加えて、航空機の外壁寸法はアンテナ本体より大きいことを活用し、アンテナ装置の外壁でしかも航空機の外壁であるスキンをアンテナ本体より大きくしたことを特徴とし、放熱面積が増加し、モジュールの温度をさらに下げることができるとともにペルチェプレートに供給する電力を縮小することが可能となる。
【００２１】
図７は、この実施の形態によるアンテナ装置の冷却構造図で、レドームとアンテナ素子を取り外した状態を示す。図７において、４，６，７は図１〜図４と同じである。１２はモジュール４を積み重ねたアンテナ装置本体の寸法より大きい拡大スキンで航空機の外壁に相当ししかもアンテナ装置の放熱面でアンテナ装置の外壁となる。
【００２２】
次に動作について説明する。モジュール４で発生した熱の移動およびモジュールの冷却に係わる動作は実施の形態１の動作と同じである。この実施の形態３では実施の形態１の動作に加えて、放熱面であるスキン２をアンテナ本体より大きくすることにより、スキン２からの放熱量が放熱面積に比例するため放熱量が大幅に増加し、モジュール４の温度をさらに下げることができるとともにペルチェプレート７に供給する電力を縮小することが可能となる効果がある。
【００２３】
実施の形態４．
この実施の形態は、実施の形態１に対して、航空機の外壁となるスキンおよびペルチェプレートをアンテナ装置の片側に備えたことを特徴とし、アンテナ装置の片側のスキンのみを航空機の外壁と兼用することにより、航空機で比較的厚みのあるの主翼や胴体等にもアンテナ装置を搭載できる。つまり、航空機の搭載場所の自由度を上げることができる効果がある。
【００２４】
図８は、この実施の形態によるアンテナ装置の冷却構造図で、レドームとアンテナ素子を取り外した状態を示す。図８において、４，６，７は図１〜図４と同じである。１３は航空機の外壁と兼用しているスキンをアンテナ装置の片側のみに実装した片側スキンである。
【００２５】
次に動作について説明する。モジュール４で発生した熱の移動およびモジュールの冷却に係わる動作は実施の形態１の動作と同じである。この実施の形態では発明の実施の形態１の動作に対して、放熱面であるスキンをアンテナ装置の片側のみに実装しているため、モジュールで発生した熱はアンテナ装置の片側のみから航空機の外気へ放熱される。片面スキンで構成することで図５に示す通り、航空機の比較的厚みのある主翼１０ｂや胴体１０ｃ等にもアンテナ装置を搭載できる。つまり航空機の搭載場所の自由度を上げることができる効果がある。
【００２６】
実施の形態５．
この実施の形態は、実施の形態１に加えて、上下のモジュール２個とベースプレートを一体構造にしたことを特徴とし、モジュールとベースプレート間の接触熱抵抗により生じる温度上昇を無くし、モジュールの温度をさらに下げることができるとともにペルチェプレートに供給する電力を縮小することが可能となる効果がある。
【００２７】
図９は、この実施の形態によるモジュールのケースの構造図である。１４は２個のモジュールをひとつのモジュールとしてパッケージ化するためのケースで、実施の形態１における２個のモジュール４とベースプレート７を一体化した構造を有し、ケースの上下にモジュールの構成部品を実装できる。
【００２８】
次に動作について説明する。モジュールで発生した熱の移動およびモジュールの冷却に係わる動作は発明の実施の形態１の動作と同じである。この実施の形態では、実施の形態１の動作に加えて、モジュールとモジュールを取り付けるベースプレートを一体構造とすることにより、モジュールとベースプレート間で発生する接触熱抵抗（図４の９）による温度上昇を無くし、モジュールの温度をさらに下げることができるとともにペルチェプレート６に供給する電力を縮小することが可能である。
モジュールのケース１４は、他の実施の形態においても用いることが出来、同様の効果を奏する。
【００２９】
実施の形態６．
この実施の形態は、実施の形態３に加えて、アンテナ装置の外壁であるスキンに循環液パイプを内蔵したことを特徴し、循環液により熱を効率よくスキン全面に輸送できるため、スキン内の熱伝導で生じる温度上昇を抑えスキン内の温度を均一にでき、モジュールの温度をさらに下げることができるとともにペルチェプレートに供給する電力を縮小することが可能となる効果がある。
【００３０】
図１０は、この実施の形態によるアンテナ装置の冷却構造図で、レドームとアンテナ素子とを取り外した状態である。図１０において、４，６，７は図１〜図４と同じである。１５ａは循環液が流れるパイプを内蔵している前方スキン、１５ｂは循環液が流れるパイプを内蔵している後方スキン、１５ｃはスキンに内蔵されている循環液パイプ、１６は循環液を流すためのポンプ、１７ａ〜１７ｃは循環液の流れる方向である。
【００３１】
次に動作について説明する。モジュール４で発生した熱のペルチェプレート６までの移動は実施の形態１の動作と同じである。実施の形態１の動作に加えて、この実施の形態では、アンテナ装置を運用させるとき、循環ポンプを動作させスキン１５に循環液を流す。循環液は先ずアンテナ装置の前方となるモジュール側すなわち前方スキンを上から下に流れる（１７ａ）。ペルチェプレートの発熱（加熱）側６ｂがスキンに固定されているため、循環液は上から下に流れながらモジュールの熱の一部を熱伝達し、分配された後アンテナ装置の後方すなわち後方スキンに流れる（１７ｂ）。アンテナ装置の後方スキンは前方スキンと同様に航空機の外壁と兼用しているため、ラムエアーにより循環液の熱は後方スキン表面から外気へ放熱される。さらに循環液は集合され、後方スキンの下から上に流れ（１７ｃ）、循環ポンプに戻り、上記サイクルを繰り返す。
なお前方スキン表面からは、モジュールの熱の一部が循環液を介さないで外気へ放熱される。
【００３２】
つまり循環液を用いて熱を効率よく後方スキンに輸送できるため、スキン内の熱伝導で生じる温度上昇を抑えスキン内の温度を均一にでき、モジュールの温度をさらに下げることができるとともにペルチェプレートに供給する電力を縮小することが可能である。
【００３３】
実施の形態７．
この実施の形態は、実施の形態３に加えて、アンテナ装置の外壁であるスキンにヒートパイプを内蔵したことを特徴とし、ポンプ等の駆動系がなくてもヒートパイプにより熱を効率よく輸送できるため、スキン内の熱伝導で生じる温度上昇を抑えスキン内の温度を均一にでき、モジュールの温度をさらに下げることができるとともにペルチェプレートに供給する電力を縮小することが可能となる効果がある。
【００３４】
図１１は、この実施の形態によるアンテナ装置の冷却構造図で、レドームとアンテナ素子を取り外した状態である。図１１において、４，６，７は図１〜図４と同じである。１８ａはヒートパイプを内蔵している前方スキン、１８ｂはヒートパイプを内蔵している後方スキン、１８ｃはスキンに内蔵されてヒートパイプ、１９はヒートパイプ内の冷媒の流れる方向である。
【００３５】
次に動作について説明する。モジュール４で発生した熱のペルチェプレート７までの移動は実施の形態１の動作と同じである。発明の実施の形態１の動作に加えて、この実施の形態では、ペルチェプレートの発熱（加熱）側６ｂがスキン１８に固定されているため、アンテナ装置の前方となるモジュール側すなわち前方スキン１８ａにおいて、モジュールで発生した熱の一部がヒートパイプに伝導され、ヒートパイプ内の冷媒が気化する。気化した冷媒はアンテナ装置の後方すなわち後方スキン１８ｂ側に流れる（１９ａ）。アンテナ装置の後方スキン１８ｂは前方スキン１８ａと同様に航空機の外壁と兼用しているため、ラムエアーにより冷媒の熱は後方スキン表面から外気へ放熱され、冷媒は液化する。液化した冷媒はアンテナ装置の前方すなわち前方スキン側に流れ（１９ｂ）、上記サイクルを繰り返す。
なお前方スキン表面からは、モジュールの熱の一部がヒートパイプを介さないで外気へ放熱される。
【００３６】
つまりヒートパイプ内の冷媒の気液相変化により、ポンプ等の駆動系がなくても熱を効率よく輸送できるため、スキン内の熱伝導で生じる温度上昇を抑えスキン内の温度を均一にでき、モジュールの温度をさらに下げることができるとともにペルチェプレートに供給する電力を縮小することが可能となる効果がある。
【００３７】
なお、上記の実施の形態では、アンテナ装置を搭載する装置として、航空機の場合を示したが、航空機に牽架できるポッド等に搭載した場合であっても、同様の効果を奏する。この発明に係るアンテナ装置の冷却構造は、従来はアンテナ装置を搭載することが困難だった限られた狭い空間にもアンテナ装置を容易に搭載可能とするものである。
【００３８】
【発明の効果】
この発明に係るアンテナ装置の冷却構造は、一端においてアンテナモジュールからの熱を吸熱し、他端において放熱板に放熱するペルチェプレートをアンテナ装置の冷却器として用い、且つ、放熱板がアンテナ装置を搭載する装置の外壁を兼用するようにしたので、アンテナ装置の冷却構造が小型軽量化でき、限られた狭い空間にアンテナ装置を簡単に搭載できる効果を奏する。
【００３９】
また、この発明に係るアンテナ装置の冷却構造において、放熱板にフィンを設ければ、放熱面積が増加することによりモジュールの温度を更に下げることができる。
【００４０】
また、この発明に係るアンテナ装置の冷却構造において、放熱板の面積をアンテナ本体の面積より大とすれば、放熱面積が増加し、モジュールの温度を更に下げることができる。
【００４１】
また、この発明に係るアンテナ装置の冷却構造において、ペルチェプレートおよび放熱板をモジュールの両側に設けるようにすれば、両側が装置の外壁であるような薄い空間にアンテナ装置を設置する場合に適した冷却構造とできる。
【００４２】
また、この発明に係るアンテナ装置の冷却構造において、ペルチェプレートおよび放熱板をモジュールの片側に設けるようにすれば、比較的厚みのある空間にアンテナ装置を設置する場合に適した冷却構造とできる。
【００４３】
また、この発明に係るアンテナ装置の冷却構造において、モジュールのケースとモジュールをペルチェプレートに固定するベースプレートを一体構造とすれば、モジュールのケースとベースプレート間の接触熱抵抗が無くなるので、モジュールの温度を更に下げることができる。
【００４４】
この発明に係るアンテナ装置の冷却構造において、放熱板に液体が循環するパイプを内蔵するようにすれば、循環する液体により熱を効率良く放熱板全体に輸送でき、放熱板の温度を一定にでき、モジュールの温度を更に下げることができる。
【００４５】
この発明に係るアンテナ装置の冷却構造において、放熱板にヒートパイプを内蔵すれば、ポンプ等の駆動系がなくとも放熱板内で熱を効率的に輸送でき、放熱板の温度を一定にでき、モジュールの温度を更に下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係るアンテナ装置の冷却構造の一実施の形態の外形を示す図である。
【図２】この発明に係るアンテナ装置の冷却構造の一実施の形態を示す図である。
【図３】この発明に係るアンテナ装置の冷却構造の一実施の形態を示す図である。
【図４】この発明に係るアンテナ装置の冷却構造の一実施の形態における熱の伝搬を示す図である。
【図５】この発明に係るアンテナ装置の冷却構造を航空機に搭載する場所を示す図である。
【図６】この発明に係るアンテナ装置の冷却構造の他の実施の形態を示す図である。
【図７】この発明に係るアンテナ装置の冷却構造の他の実施の形態を示す図である。
【図８】この発明に係るアンテナ装置の冷却構造の他の実施の形態を示す図である。
【図９】この発明に係るアンテナ装置の冷却構造で使用するモジュールのケースの構造を示す図である。
【図１０】この発明に係るアンテナ装置の冷却構造の他の実施の形態を示す図である。
【図１１】この発明に係るアンテナ装置の冷却構造の他の実施の形態を示す図である。
【図１２】従来のアンテナ装置の冷却に係わる構成ブロックを示す図である。
【図１３】従来のアンテナ装置の冷却構造を示す図である。
【符号の説明】
１ アンテナ装置、２ スキン（放熱板）、３ レドーム、
４ モジュール、５ アンテナ素子、６ ペルチェプレート、
６ａ ペルチェプレート吸熱（冷却）側、６ｂ ペルチェプレート発熱（加熱）側、７ ベースプレート、
８ 熱移動方向、９ 接触熱抵抗、１０ アンテナ装置の搭載場所、
１１ フィン付きスキン、１２ 拡大スキン、１３ 片面スキン、
１４ モジュールケース、１５ 循環液パイプ内蔵スキン、１５ａ 循環液パイプ内蔵前方スキン、
１５ｂ 循環液パイプ内蔵後方スキン、１５ｃ 循環液パイプ、１６ 循環液ポンプ、
１７ 循環液の流れ方向、１８ ヒートパイプ内臓スキン、１８ａ ヒートパイプ内臓前方スキン、
１８ｂ ヒートパイプ内臓後方スキン、１８ｃ ヒートパイプ、１９ ヒートパイプ内冷媒の流れ方向

Claims (8)

1. アンテナ素子に信号を供給するモジュールと、このモジュールからの熱を外気に放出する放熱板と、一端において上記モジュールからの熱を吸熱し、他端において前記放熱板に放熱するペルチェプレートとを備え、前記放熱板がアンテナ装置を搭載する装置の外壁を兼用していることを特徴とするアンテナ装置の冷却構造。
2. 放熱板にフィンを備えたことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置の冷却構造。
3. 放熱板の面積がアンテナ本体の面積より大であることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置の冷却構造。
4. ペルチェプレートおよび放熱板をモジュールの両側に設けたことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置の冷却構造。
5. ペルチェプレートおよび放熱板をモジュールの片側に設けたことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置の冷却構造。
6. モジュールのケースとモジュールをペルチェプレートに固定するベースプレートとが一体構造であることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置の冷却構造。
7. 液体が循環するパイプが放熱板に内蔵されたことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置の冷却構造。
8. ヒートパイプを放熱板に内蔵したことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置の冷却構造。

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