JP3767951B2 - ヒートポンプを用いた温水生成装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒートポンプを用いて温水を生成する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば食器洗浄機で使用するすすぎ用の温水を得る場合に、ヒートポンプにより温水を生成して供給するものが実用化に向けて開発されつつある。これは、ヒートポンプにおける凝縮器と、原水を給送する給水管とを熱交換可能な状態に配設し、原水で冷媒を冷却する際の排出熱を利用して原水を昇温し、温水を生成するのである。具体的には、凝縮器内にフィン付きの給水管を挿通した二重管構造として熱交換を図ることが考えられる。
通常、上記のような二重管部によって冷媒が冷却される過程では、図１４に示すように、凝縮器の入り口側から順次に、圧縮機からの冷媒ガスが凝縮温度まで下げられる領域（過熱領域）、凝縮によりガス分が次第に液化する領域（凝縮領域）、すべて液冷媒となって過冷却される領域（過冷却領域）を経るようになっている。この過冷却領域を設ける理由は、液冷媒は過冷却しておかないと僅かな圧力損失によりフラッシュガスを発生して膨張弁の機能低下を招くおそれがあり、それを防止するためである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで二重管部を構成する部分では、上記のように給水管として外周にフィンを設けた給水管を用いている。このようなフィン付きの管を用いた場合は、伝熱面積が大きく取られることで、液体とガスの間の熱交換には大いに威力を発揮するものの、液体と液体とではさしたる効果がないという事情がある。しかるに従来のものでは、液同士である液冷媒と原水とが熱交換される過冷却領域も含めて二重管構造となっているため、原水の持つ冷却能力、言い換えると冷媒の昇温能力が十分に活用されず、全体としては必ずしも熱交換効率が良くない。
【０００４】
また、ヒートポンプで温水を生成する場合は、その出湯温度を高く維持することが重要な要件となる。通常、給水管には、圧縮機の高圧側の圧力を一定に保つべく給水量を制御する自動給水弁が介設されるが、上記のように二重管部での熱交換効率が悪いと、それをカバーしようとして自動給水弁はより多くの原水を流通させようとする。そうすると原水の流速が増し、昇温に最も有効な過熱領域において十分な熱交換がなされず、所望の出湯温度が得られないという問題があった。
本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、その目的は、ヒートポンプにおける凝縮器部分の昇温能力を効率良く活用して、高温度の温水を生成できるようにすることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための手段として、本発明は、圧縮機、凝縮器、膨張弁及び蒸発器を配管接続することで冷凍サイクルを構成したヒートポンプを備え、このヒートポンプの凝縮器部分に流通する冷媒と、給水管に給送される原水との間で熱交換することにより温水を生成するようにした温水生成装置において、前記凝縮器における過熱領域から凝縮領域にわたる領域では、凝縮器内に給水管を挿通した二重管構造とする一方、凝縮器における過冷却領域では、凝縮器と給水管とを密着状に並列した管並列構造とした構成としたところに特徴を有する。
【０００６】
【作用】
本発明の作用は以下のようである。給水管に給送される原水は、まず管並列部において過冷却領域の液冷媒と熱交換され、続いて二重管部において凝縮領域及び過熱領域のガスを含んだ冷媒と熱交換されて昇温され、温水が生成される。
【０００７】
【発明の効果】
すなわち本発明では、液体とガスとの間の熱交換能力に優れた二重管構造は、冷媒ガスの流通する過熱領域と凝縮領域のみに限定し、液冷媒が流通する過冷却領域には、液体同士の熱交換能力に優れた管並列構造を採用したから、凝縮器部分全体として高い熱交換効率を得ることができ、高温度の温水を生成することができる効果が得られる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を食器洗浄機の給湯部分に適用した一実施形態を図１ないし図１３に基づいて説明する。
図１において、符号１は食器洗浄機であって、その側方に、ヒートポンプ２１を装備した温水生成装置２０が設置される。まず食器洗浄機１の構造について説明すると、その内部の上方側には、図示しないラックを介して食器が出し入れ可能に収納される洗浄室２が形成されており、この洗浄室２の上面側と下面側に、洗浄ノズル３とすすぎノズル４とが一対ずつ配設されている。洗浄室２の底面の一側には、アルカリ洗剤の混入された洗浄水を貯留する洗浄タンク６が形成され、そこに貯められた洗浄水は、洗浄ポンプ７により汲み上げられて上記した洗浄ノズル３から食器に向けて噴射され、そののち洗浄タンク６内に回収されるといったように循環供給される。
【０００９】
洗浄タンク６の下方には、すすぎ用の温水を貯留する貯湯タンク８が装備されている。この貯湯タンク８内には、詳しくは後記するように温水生成装置２０で生成された温水が、給湯弁９の介設された給水管１０により供給されて貯留される。貯められた温水は、すすぎポンプ１１により汲み上げられてすすぎノズル４から食器に向けて噴射され、上記の洗浄タンク６内に回収される。洗浄タンク６にはオーバーフローパイプ１３が装備されており、このオーバーフローパイプ１３は、洗浄タンク６からオーバーフローした排湯を取り込んで、排湯管１４を通して温水生成装置２０に設けられた排湯回収タンク３０内に排出するようになっている。なお、洗浄タンク６と貯湯タンク８内にはそれぞれヒータ１５，１６と図示しないサーモスタットが装備されていて、洗浄水は約６０℃に、すすぎ用の温水は約８０℃に保温されるようになっている。
【００１０】
すなわち食器が洗浄室２に収納されると、洗浄ノズル３から洗浄水が噴射されて食器が洗浄され、続いてすすぎノズル４から温水が噴射されてすすぎが行われる。そして、洗浄タンク６に回収し切れずにオーバーフローした排湯が温水生成装置２０側に排出されて排熱が回収され、その回収した熱が、給水管１０に給送される水道水等の原水と熱交換されることで温水が生成されて、上記した貯湯タンク８に供給されるようになっている。
【００１１】
続いて温水生成装置２０について詳細に説明する。この温水生成装置２０はヒートポンプ２１を備えており、箱状をなす本体２２内に収納されるようになっている。ヒートポンプ２１は、図６にも示すように、圧縮機２４、凝縮器２５、膨張弁２６及び蒸発器２７が循環接続され、その中に冷媒であるフロンガス（Ｒ−２２）が流通可能に封入されることで冷凍サイクルを構成している。
【００１２】
圧縮機２４は比較的大型のものであって、図２，３に示すように、本体２２内の底面上に設置されている。その圧縮機２４の側方には蓋板３１付きの排湯回収タンク３０が設置されている。この排湯回収タンク３０には、図４，５に示すように、上記の冷凍サイクルの構成部品であるパイプ状の蒸発器２７が、その内周面に沿って螺旋状に巻装されており、その入り口２７ａと出口２７ｂとが蓋板３１の上面に突出されて冷媒配管２１ａと接続されている。排湯回収タンク３０の上部の一側には排湯の導入口３２が設けられ、食器洗浄機１における洗浄タンク６のオーバーフローパイプ１３から引き出された排湯管１４と接続されており、洗浄タンク６からオーバーフローした排湯を導入し得るようになっている。他側には、排湯回収タンク３０自身のオーバーフロー水を排出する排出口３３が設けられ、排水管３４が接続されている。
【００１３】
排湯回収タンク３０内には、プロペラ状の攪拌具３６が備えられており、蓋板３１上に設けられた駆動モータ３７によりシャフト３８を介して回転駆動されるようになっている。また、排湯回収タンク３０の底面には排水弁４０が設けられている。この排水弁４０は常開式のものであって、蓋板３１を貫通して上下動自由に装備されたロッド４１の先端に、底面に開口された弁口４２の上面側に接離して開閉する弁体４３が設けられ、常にはロッド４１がばね部材４４により上動付勢されて、図５の鎖線に示すように弁体４３が引き上げられることで弁口４２が開いており、蓋板３１上にブラケット４５を介して取り付けられたソレノイド４６の励磁力により、同図の実線に示すようにロッド４１並びに弁体４３を付勢力に抗して押し下げることで弁口４２が閉じられるようになっている。この排水弁４０は上記した排水管３４に合流して接続されている。また、排湯回収タンク３０の蓋板３１には、蒸発器２７に向けて温水を散水することでそれを洗浄するための２個の散水ノズル４８が設けられている。
【００１４】
凝縮器２５はパイプ状をなしており、図６に示すように、圧縮機２４の高圧側と接続される側に、熱交換するための二重管部２８が形成されているとともに、二重管部２８から膨張弁２６側に出たところで、同じく熱交換のための管並列部２９が形成されている。二重管部２８は、図７に示すように、大径に形成された凝縮器２５内に、すすぎ水の原水を給送する給水管１０の途中部分が挿通された構造であって、その部分の給水管１０は、外周に伝熱面積を大きく取るためのフィン１０ａを設けたフィン付き管となっている。この二重管部２８が、図２，３に示すように、本体２２の２つの側面の内側にわたって回曲しつつ張り巡らされている。
一方の管並列部２９は、図８に示すように、二重管部２８の出口から出た凝縮器２５と、原水の給水管１０における二重管部２８に入る手前側の部分とが密着状に並列されて、ハンダ２９ａにより固定されており、図示しない断熱カバーで被包されて本体２２内に配管されている。
【００１５】
ここで上記した凝縮器２５は、図９に示すように、二重管部２８を構成する部分において、圧縮機２４からの冷媒ガスが凝縮温度まで下げられる過熱領域と、凝縮によりガス分が次第に液化する凝縮領域とが設けられ、管並列部２９を構成する部分を含む二重管部２８から出た部分において、すべて液冷媒となって過冷却される過冷却領域が設けられる設定となっている。すなわち、圧縮機２４から吐出された高温の冷媒ガスは、二重管部２８を流通する間にすべて液化され、管並列部２９には過冷却の液冷媒が流通するようになっている。
【００１６】
給水管１０の出口側は、上記のように食器洗浄機１の貯湯タンク８に接続されている。また膨張弁２６は、感温筒２６ａが付設された温度式のものである（図６参照）。なお、本体２２内には、ヒートポンプ２１の冷凍サイクルや給排水等を制御するための装置を収納した制御ボックス４９が備えられている。
【００１７】
さらに図６によって冷凍サイクルについて言及する。圧縮機２４の高圧側と低圧側との間にはバイパス管５１が設けられ、そこに容量調整弁５２が設けられている。この容量調整弁５２は、熱負荷（熱源）が足りないときや、初期給湯時のようにまったく無いときに、圧縮機２４の高圧側のガスを低圧側にバイパスして、低圧側の圧力が過剰に低下することを防止するように機能する。
給水管１０における二重管部２８から出たところには、自動給水弁５３が設けられている。この自動給水弁５３は、高圧側の圧力を検知してそれに応じて給水量を調節し、高圧側の圧力を一定に保つように機能する。それに伴い、略一定温度の温水を取り出すことができる。
【００１８】
給水管１０における自動給水弁５３の上流側には、分流弁５４を介設した散水ホース５５が分岐して接続され、この散水ホース５５が、前記した排湯回収タンク３０の蓋板３１に設けられた散水ノズル４８に接続されている。この分流弁５４は、運転の停止時に開弁することで、二重管部２８内に残っている温水を排出し、蒸発器２７の洗浄に利用するとともに、運転立上り時の過渡的な凝縮能力不足を防止するように機能する。
前記した管並列部２９の下流側の冷媒配管２１ａと、蒸発器２７の出口側の冷媒配管２１ａとが密着状に並列配管されることで、補助熱交換部５８が構成されている。この補助熱交換部５８は、蒸発器２７を経た低温冷媒を凝縮器２５から出た高温液冷媒で加熱することにより、特に運転後半において圧縮機２４側への液戻り現象が起きるのを抑制し、併せて熱利用効率を高めるように機能する。
【００１９】
上記の補助熱交換部５８を構成する部分と、膨張弁２６との間における冷媒配管２１ａにはレシーバ５９が介設されている。このレシーバ５９は、例えば冷媒を過充填したときや、内部のバランスが崩れて液冷媒が過剰となった場合にそれを溜め、凝縮器２５に液冷媒が滞留するのを防止するように機能する。
レシーバ５９と膨張弁２６との間には冷媒電磁弁６０が介設されている。この冷媒電磁弁６０は、運転停止時に膨張弁２６から高圧ガスが低圧側に漏れることを防いで高圧力を維持するように機能する。
【００２０】
またこの実施形態では、図１０，１１に示すような制御回路を備えている。同図において、ＳＷは給湯開始用の押しボタンスイッチ、ＦＭは、温水生成装置２０の本体２２内に装備されたファンの駆動モータ、ＣＭはヒートポンプ２１の圧縮機２４である。ＳＶは冷媒電磁弁６０、Ｍは攪拌具３６の駆動モータ３７、Ｓは排水弁４０のソレノイド４６である。Ｔｈ１は、圧縮機２４の高圧側吐出口に設けられた保護用のサーモスタット、Ｔｈ２は、圧縮機２４内に設けられた同じく保護用のサーモスタットである。また、ＯＣＲは、圧縮機２４の運転電流が過電流となったときに開放する過負荷継電器、ＰｄＳＷは、圧縮機２４の高圧側の圧力が異常上昇した際に開放する圧力スイッチである。
【００２１】
本実施形態は上記のような構造であって、続いてその作動を説明する。まず説明の便宜上、食器洗浄機１の洗浄タンク６と貯湯タンク８とが満水であって、洗浄可能な状態にある場合からの作動について図１２のタイミングチャートを参照して説明する。
初めに洗浄すべき食器をラックに収めて洗浄室２内に収容する（ラック作業）。ラック作業が完了すると洗浄サイクルが開始され、洗浄タンク６内の洗浄水が洗浄ポンプ７で汲み上げられて洗浄ノズル３から噴出されるといった洗浄作業が数十秒間にわたって行われる。５秒程度の停止時間（水切り時間）があったのち、引き続いてすすぎサイクルが開始され、貯湯タンク８内の温水がすすぎポンプ１１で汲み上げられてすすぎノズル４から噴出されるといったすすぎ作業が７秒程度行われる。そののち５秒程度の停止時間（同じく水切り時間）が設定され、それにより１回の洗浄工程が完了する。
【００２２】
上記において、すすぎサイクルが開始されると、貯湯タンク８内に備えられたフロートスイッチがオフとなることで給湯弁９が開弁されるとともに、圧縮機２４がオンしてヒートポンプ２１が稼働し始める。同時に冷媒電磁弁６０も開弁される。また、排湯回収タンク３０に設けられたソレノイド４６が励磁されて常開式の排水弁４０が閉弁されるとともに、攪拌具３６が回転駆動される。すすぎサイクルの開始後に洗浄タンク６からオーバーフローしてくる排湯は、少し遅れて排湯回収タンク３０に流入し、実際に蒸発器２７が吸熱を始めるのは数秒後となる。
【００２３】
排湯回収タンク３０では、食器洗浄機１の洗浄タンク６からオーバーフローした排湯が少しずつ（数十秒をかけて）取り込まれる。排湯の取り込みの最中からヒートポンプ２１はフル運転して蒸発器２７に液冷媒を供給し、攪拌具３６により排湯が攪拌されて熱交換が促進されつつ吸熱を始める。実際に吸熱に掛けることのできる時間は数十秒であるため、膨張弁２６は比較的大きな流量（冷凍能力）のものが使用され、立上りからすぐに多くの冷媒が供給される。
その吸熱の最中に、まず洗浄タンク６からのオーバーフローが終わり、排湯回収タンク３０が満水となる。吸熱はさらに継続されるが、蒸発器２７に冷媒が十分に行き届くと、感温筒２６ａで検知される温度が低下することで膨張弁２６が閉じ始める。しかしながら、膨張弁２６の流量制御のタイミングがどうしても遅れるので少し液戻りぎみになる。そのため、補助熱交換部５８で加熱されることで液戻りの抑制が図られ、それと併せて熱利用効率の向上が図られる。
【００２４】
この間、給水管１０に給送されたすすぎ水の原水は、まず管並列部２９において過冷却領域の液冷媒と熱交換され、続いて二重管部２８において凝縮領域さらには過熱領域のガスを含んだ冷媒と熱交換されて昇温され、温水が生成される。二重管構造は液体とガスとの間の熱交換能力に優れ、また管の密着並列構造は液体同士の熱交換能力に優れているから、原水は管並列部２９と二重管部２８とによって冷媒の昇温能力を最大限に活用した状態でそれぞれ熱交換され、高温の温水が生成される。
【００２５】
生成された温水は給湯弁９を介して食器洗浄機１の貯湯タンク８に次第に供給される。貯湯タンク８に所定量温水が溜まってフロートスイッチがオンすると、圧縮機２４がオフとなるとともに、冷媒電磁弁６０が閉弁してヒートポンプ２１の運転が停止される。また排湯回収タンク３０の排水弁４０が開弁されるとともに、攪拌具３６が停止される。これにより、排湯回収タンク３０内の排湯が排出されるが、排湯は慣性力により渦流となって排出されるので、例えば排湯中に食材の細片等の異物が混じっていたとしても、渦流とともにすべて排出され、タンク３０内が汚れるおそれがない。また上記のフロートスイッチがオンすることに伴って分流弁５４が１０〜１５秒間開弁され、二重管部２８内に残った温水が散水ホース５５側に分流される。その温水は、排湯回収タンク３０の散水ノズル４８から蒸発器２７に向けて散水され、蒸発器２７の表面が洗浄される。そののち、排湯回収タンク３０の排湯が完全に排出され、食器洗浄機１がすすぎ可能な状態とされる。
以上のようにして、洗浄作業と温水の生成とが繰り返し行われる。
【００２６】
一方、食器洗浄機１は汚れを扱うものであるため、毎日業務終了時には洗浄タンク６を全部排水するようにしている。したがって毎朝業務を開始する際には、温水を新たに洗浄タンク６に供給する必要がある。この給湯を初期給湯と称しており、以下これについて図１３のタイミングチャートを参照して説明する。
この初期給湯では、容量の大きい洗浄タンク６に温水を貯めねばならず、また一度に大容量の温水を供給することが難しいことから、基本的には以下のような手順で給湯が行われる。それは、温水生成装置２０で生成された温水が貯湯タンク８に一旦取り込まれ、貯湯タンク８内のフロートスイッチがオンにしたところで、給湯弁９が閉弁されてすすぎサイクルが行われ、すすぎポンプ１１が温水を汲み上げてすすぎノズル４から噴射させて洗浄タンク６に貯められる。この給湯のサイクルが、洗浄タンク６内に設けられた図示しない水位センサが検知するまで継続される。その後、上記の給湯サイクルが予め設定された回数だけ実行されて、初期給湯が完了する。
【００２７】
この初期給湯時における温水も、同様にヒートポンプ２１を運転することで生成されるが、初期給湯時では洗浄タンク６からオーバーフローされる排湯、すなわち熱源が無いため、そのままでは低圧側が極端に低圧となった運転か、異常運転（真空運転あるいは液バック運転）を行ってしまう。したがって初期給湯時には、圧縮機２４に付設された容量調整弁５２の作用によって、高圧側の冷媒ガスを低圧側にバイパスさせる。これにより低圧側の圧力が一定値に維持される。実際にはこの圧力は、４Kgf／cm2程度となるように設定され、高圧側の比較的温度の高い冷媒ガスは、上記の設定圧力となるように低圧側に供給される。一方膨張弁２６からは漏れ冷媒があり、熱源が無いためにそれは圧縮機２４側に戻っていく。圧縮機２４の吸入直前では、高温のバイパスガスと、戻ってきた液冷媒とが混合されつつ圧縮機２４に戻り、このことがより低圧側の圧力を増加させ、高圧側の圧力を自動給水弁５３を適度に開くように維持させるのに役立っている。上記した圧力設定値４Kgf／cm2は、フロンガス（Ｒ−２２）の０℃での蒸発圧力を意識しており、仮に排湯回収タンク３０内に温度の低い水が残っていたとしても、凍り付くおそれはない。
【００２８】
温水の生成に話を戻すと、すすぎサイクルが行われるごとにヒートポンプ２１により温水が生成される。通常そのためには、ヒートポンプ２１の運転と停止とに対応して圧縮機２４を断続運転させることになるが、短周期での運転と停止とを嫌う圧縮機２４に対して、頻繁な断続運転が予測されるにも拘らずそのままにしておくのは、品質、信頼性の上から問題がある。
そこでこの実施形態では、初期給湯の際には圧縮機２４を運転し続けるようにしている。ただし、食器洗浄機１の給湯弁９が間欠的に閉弁されるとき、ヒートポンプ２１の冷凍サイクル側では凝縮器２５への水流が断たれるから、圧縮機２４が連続運転されていると、僅かな時間でも高圧側の圧力の異常上昇を招くこととなる。
【００２９】
そのため、図１３のタイミングチャートに示されるように、給湯弁９の閉弁動作に同期して冷媒電磁弁６０を閉弁制御し、その間は、容量調整弁５２によるバイパス冷媒だけで運転する。冷媒電磁弁６０が閉じられると、圧縮機２４の低圧側への冷媒の供給量が減少するため、高圧側の圧力は逆に下がり気味となり、よって高圧側の圧力の異常上昇が防止される。もちろん、冷媒電磁弁６０が閉弁し続けると、高圧側が圧力上昇することになるが、閉弁時間はせいぜい数秒から数十秒であるため、上記のように高圧側の圧力を有効に下げるように機能する。このようにして初期給湯が行われ、洗浄可能な状態にセットされることになる。
【００３０】
以上説明したように本実施形態によれば、ヒートポンプ２１の凝縮器２５と、原水の給水管１０とを熱交換可能に配設する場合において、液体とガスとの間の熱交換能力に優れた二重管部２８は、冷媒ガスの流通する過熱領域と凝縮領域のみに限定し、液冷媒のみが流通する過冷却領域には、液体同士の熱交換能力に優れた管並列部２９を配するようにしたから、全体として高い熱交換効率を得ることができ、高温度の温水を生成することができる。
また、二重管部２８を過熱領域と凝縮領域とに限定したことで、二重管部２８の長さを短くできる。この二重管部２８は、２本の管をハンダ付けにより密着して並列した管並列部２９に比べて製造費が高く付くものであるため、二重管部２８を短くできた分、全体の製造費を安価に抑えることができる。
【００３１】
＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
（１）上記実施形態では、フロンガスを冷媒として用いたものを例示したが、他の冷媒を用いて冷凍サイクルを構成したヒートポンプを使用することも可能である。
（２）また本発明は、食器洗浄機に温水を供給する場合に限らず、ヒートポンプを用いて温水を生成する装置全般に広く適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態の全体構造を示す概略図である。
【図２】 温水生成装置の上面から見た断面図である。
【図３】 その正面から見た断面図である。
【図４】 排湯回収タンクの上面から見た断面図である。
【図５】 その正面から見た断面図である。
【図６】 ヒートポンプの冷凍サイクル図である。
【図７】 二重管部の一部切欠正面図である。
【図８】 管並列部の一部切欠正面図である。
【図９】 凝縮器での冷媒状態を示す説明図である。
【図１０】 温水生成装置の制御回路図である。
【図１１】 食器洗浄機の制御回路図である。
【図１２】 洗浄運転時のタイミングチャートである。
【図１３】 初期給湯時のタイミングチャートである。
【図１４】 従来例に係る凝縮器での冷媒状態を示す説明図である。
【符号の説明】
１０…給水管 １０ａ…フィン ２０…温水生成装置 ２１…ヒートポンプ
２４…圧縮機 ２５…凝縮器 ２６…膨張弁 ２７…蒸発器 ２８…二重管部
２９…管並列部

Claims (1)

1. 圧縮機、凝縮器、膨張弁及び蒸発器を配管接続することで冷凍サイクルを構成したヒートポンプを備え、このヒートポンプの凝縮器部分に流通する冷媒と、給水管に給送される原水との間で熱交換することにより温水を生成するようにした温水生成装置において、
   前記凝縮器における過熱領域から凝縮領域にわたる領域では、凝縮器内に給水管を挿通した二重管構造とする一方、凝縮器における過冷却領域では、凝縮器と給水管とを密着状に並列した管並列構造としたことを特徴とするヒートポンプを用いた温水生成装置。

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