JP3989432B2 - 真空乾燥装置 - Google Patents

Description

本発明は、洗浄液によって洗浄された医療、電子、機械、成形関連等の部品を被乾燥物として真空状態で乾燥させる真空乾燥装置である。

従来より、部品を洗浄する洗浄液としては、フロン等のフッ素系や、1,1,1-トリクロロエタン等の塩素系の溶液が多く用いられてきた。しかしながら、気化したこれらの溶液はオゾン層を破壊する性質を有しているとされ、１９８７年に、「オゾン層を破壊する物質に関するモントリオール議定書」が、「オゾン層保護に関するウィーン条約」に基づき採択されて、特定フロン等を対象に生産量の段階的な削減や規制等が規定された。その後も何度か見直しがなされており、規制物質の追加や規制スケジュールの前倒し等の改正が行われている。

日本においては、１９９８年９月３０日に、上記したウィーン条約及びモントリオール議定書が批准された。この議定書では、ＣＦＣ（塩素・フッ素・炭素化合物）に代わるフッ素系であるＨＣＦＣ（水素・塩素・フッ素・炭素化合物）についても、２０２０年までに全廃することが決められており、その全廃時期については、今後更に、前倒しが予想される。また、これらに関連して、塩素系に対しても、水質や大気汚染に関する規制の見直しが図られており、年毎にその規制が強化されつつある。

一方、地球温暖化防止に関する活動も活発になってきており、１９９７年１２月の「地球温暖化防止京都会議」では、日本に対して、温暖化ガスの６％削減が義務づけられた。この温暖化ガスの対象としては、代替フロンであるＨＦＣ（水素・フッ素・炭素化合物）やパーフルオロカーボンも含まれており、更に代替フロンにおいても排出規制が強化されることになった訳である。従って、今後、規制動向に対して十二分な監視が必要であるとともに、早急に対処策を講じていくことが強く要求される。

このような背景のもと、近年、オゾン層を破壊するおそれが少ないとされる水又は非塩素系の溶液を用いて部品を洗浄することが注目されているが、以下の点に留意する必要がある。

先ず、水を用いる場合であるが、第１に、水自体は安価である反面、水の取り扱いに関連する多くの付帯設備を必要とし、その付帯設備の据え付けに多大な費用が生じることである。付帯設備としては、洗浄装置本体の他に、例えば、貯水設備、沈澱・浄化・汚泥処理設備、排水設備、或いは、純度の低い水を用いた場合の前処理用設備が挙げられ、しかも、これらの設置スペースや、メンテナンスのための補助スペースも必要となる。また、これら付帯設備の運転、保守、或いは、排水管理等には、初期投資とともに、維持に係わる経費も必然的に発生することはいうまでもない。特に、排水管理においては、使用後の水を排水する際に水質基準値を満足し得るような配慮が必要である。

第２に、水の有する濡れ性により、期待される程の洗浄効果が得られない可能性があることである。水の表面張力は、４５℃において６８．７４±０．０５dyn/cm、２０℃において７２．７５±０．０５dyn/cmとベース値がかなり高い。一方、従来多用されてきたフッ素系や塩素系の溶液では、例えば、フロンＣＦＣ１１３が２０℃において１７dyn/cm、1,1,1-トリクロロエタンが２５dyn/cmと水に対して１／３〜１／４に過ぎない。つまり、水は、従来多用されてきた溶液と比較して濡れ性が悪いということがいえる。従って、水を用いて従来と同様の手法で洗浄が行われた場合、部品同士の重なり部分や密着部分、或いは、部品に形成されている小さな穴や隅部等には、水は容易に浸透、進入できなくなり、これらの部分に付着し存在している汚れ等を洗浄できず、洗浄効果が劣ってしまうことになる。

第３に、空気が混在する雰囲気や、加温された常圧等の環境下で洗浄が行われた場合、洗浄される部品が金属部分を有すると、水の有する酸化力により錆が誘発され易くなるため、防錆対策が不可欠となる。特に、そのような環境下では乾燥時間が長くなるため、水シミ等も発生し易く、折角洗浄しても外観が損なわれてしまう。

一方、非塩素系であるシリコン系、炭化水素系、或いはアルコール系等の溶液を用いる場合であるが、第１に、その沸点が高いもので２００℃程度もあるため、常圧下でその溶液を蒸気化して蒸気による部品洗浄が行われる場合、蒸気温度が極めて高くなり、洗浄される部品の熱変形や変質等の問題が発生する。しかも、従来多用されてきたフッ素系や塩素系の溶液と比較して、乾燥性が劣るという問題もある。第２に、炭化水素系の溶液は引火点が５０〜８０℃と低いため、火災、爆発等に対して安全性の確保が強く要求される。

このように、水又は非塩素系の溶液を用いる場合の留意点は種々あるが、特に、乾燥性の向上、及び、炭化水素系に対する安全性の確保という点に対しては、減圧環境下で洗浄や乾燥が行える装置が望ましい。何故ならば、減圧環境を形成する装置は、真空容器を含む配管系が密閉構造となった、いわゆる、クローズドシステムとなるので、配管系内部を負圧に保つことによって、その内部の酸素濃度が極めて低くなり引火を抑止できるし、万一配管系に欠損箇所があったとしても、その負圧により内部の溶液や蒸気が外部に漏れ出ることはなく、安全性の確保につながるからである。しかも、減圧下では飽和蒸気圧が下がるので、溶液の沸点が実質的に下がり、常圧雰囲気下と比較して溶液は容易に蒸発でき、乾燥性の向上に対して有利となるからである。

ここで、減圧環境下で乾燥が行える装置の一つとして、真空乾燥装置がある。この真空乾燥装置では、洗浄液が付着している被乾燥物を真空容器内に置き、真空状態にすることによって、被乾燥物に付着している洗浄液が、気化するために必要な熱である蒸発潜熱を被乾燥物から奪いながら沸騰、蒸発し、真空乾燥が進行する。但し、乾燥が進行するに伴い被乾燥物の品温は徐々に低下し、この品温が飽和蒸気圧温度を下回ると、真空容器内の真空度が同一状態であるならば、その時点で洗浄液の沸騰、蒸発は停止してしまうので、この事態を回避するために、一般には、以下に示すような格別の工夫が必要とされる（例えば、特許文献１、２参照）。

先ず、真空引き開始時点すなわち真空乾燥の実質的な開始前での工夫としては、被乾燥物の品温を予め高めることを目的に、真空容器内にヒータを設けて、このヒータからの放射熱で真空容器内全体の気体を加熱したり、真空容器そのものの側壁にヒータを埋設して、このヒータからの側壁を経た輻射熱で真空容器内全体の気体を加熱したりするようにしている。

一方、真空引き中すなわち真空乾燥の進行中での工夫としては、被乾燥物の品温を飽和蒸気圧温度よりも高温に維持することを目的に、真空容器内やその側壁に設けた上記と同様のヒータにより、真空容器内全体の雰囲気を継続的に加熱するようにしている。また、真空引きすなわち真空乾燥を中断して、装置周辺の空気や加熱された気体（空気も含む）を真空容器内に一時的に導入し、その気体の保有する熱を品温の低下した被乾燥物に与えることで被乾燥物の品温を高め、その後再度真空引きを開始して真空乾燥を行うようにしたものもある。

なお、真空乾燥開始前での被乾燥物の品温を予め高めるための別の工夫として、蒸気を被乾燥物に向けて強制的に噴射させるようにするものがあるが、これは、蒸気化に伴う設備や噴射用のポンプを設ける必要があるため、コストアップの要因となってしまうことから得策とは言えない。また、真空乾燥進行中での被乾燥物の品温を飽和蒸気圧温度よりも高温に維持、換言すれば飽和蒸気圧温度を被乾燥物の品温よりも低温に維持するための別の工夫として、真空容器内の真空度を高めるようにするものがあるが、これは、高い真空度を実現できる大型の真空ポンプや、特殊な耐圧構造の真空容器が必要となるため、やはりコストアップの要因となることから得策とは言えない。
特開平７−２０８８５９号公報 特開２００３−２８５７０号公報

しかし、上記した真空乾燥装置において、先ず、真空乾燥開始前での被乾燥物の品温を予め高める工夫に関しては、限られた時間内で真空容器内全体の気体を加熱しながら、この気体の保有する熱を被加熱物に与える必要があることから、被加熱物の品温が十分に上昇しないままで真空乾燥が開始されるおそれが多分にある。更に、細管や入り組んだ形状を有する複雑な形状の被乾燥物を乾燥させる場合は、特に部位毎に品温差が生じ易く、この品温差により、部位毎の乾燥状態が不均一となって輪ジミや発錆の要因となり、洗浄、乾燥させた被乾燥物の外観を著しく損ねるという問題もあった。

一方、真空乾燥進行中での被乾燥物の品温を飽和蒸気圧温度よりも高温に維持する工夫に関しては、被加熱物を加熱するため熱伝達媒体となる気体が真空状態の真空容器内にはほとんど存在しないことから、加熱効率は実質良くはない。また、真空乾燥を中断して装置周辺の空気を真空容器内に導入するような場合は、以下に示す不都合が生じる。

導入された空気は少なく見積もっても室温程度はあるはずで、これは品温の低下した中断中の被乾燥物に対して数度から十数度高いため、被加熱物の品温を一応は高めることができるが、一回に導入される空気の量は圧縮空気でない限り真空容器の容積分に見合った量にしか過ぎず、しかもその空気の持つエンタルピ（熱力学で物体の含熱量を表すための量）は液体や固体と比較するとけた違いに小さいことから、被乾燥物の品温上昇はそれ程期待できない。勿論、空気の導入回数を増やし、その総量で被乾燥物の品温上昇を補うこともできるが、これは、真空乾燥に要する全体の時間の長期化を招くため、実用性に乏しい。また、装置周辺の空気に代えて、加熱された気体を真空容器内に導入するような場合であっても、被加熱物への熱伝達媒体が気体であることには変わりはないため、事情はほぼ同じである。

そこで本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、洗浄液によって洗浄された部品を効率良く真空乾燥できる真空乾燥装置を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するため、本発明は、真空状態を取り得る真空容器と、被乾燥物を収納し前記真空容器に対して出し入れされる籠と、前記真空容器に収容された前記籠内の前記被乾燥物に熱を与える加熱手段と、を備えた真空乾燥装置において、前記加熱手段として、前記真空容器内には、前記籠の出し入れされる方向に沿って延在する棒状の発熱体が設けられ、前記籠内には、前記発熱体が挿入される管状の伝熱体が設けられている。

これにより、真空乾燥開始前や真空乾燥進行中において、発熱体からの熱が伝熱体に伝わって、これらの伝熱体から熱が放射され、その結果、これらの近傍に収納されている被加熱物がほぼ直接的に効率良く加熱される。

ここで、被加熱物への加熱効率を高める観点から、前記発熱体と前記伝熱体が複数対設けられているとよい。この場合、伝熱体への発熱体の挿入に関し、位置を違わずに容易且つ確実に行えるような工夫が施されていることが好ましい。例えば、前記各発熱体のうちの互いに最も離れた２つが突出していることが好ましい。

また、真空乾燥開始前に、被乾燥物に付着している余剰の洗浄液を吹き飛ばして除去する観点から、前記真空容器内には、上方から前記籠内の前記被乾燥物に向けて風を送り出す送風機が設けられているとよい。この場合、吹き飛ばされた洗浄液を滞らせること無く、しかも真空乾燥開始前や真空乾燥進行中に、循環流を形成して、被加熱物の加熱が均一に進行するように、前記真空容器内には、前記籠を支持する板状の支持台が前記真空容器の底面と所定の隙間を隔てて設けられていて、この支持台には多数の貫通孔が形成されていることが好ましい。

本発明の真空乾燥装置によれば、真空乾燥開始前や真空乾燥進行中において、発熱体からの熱が伝熱体に伝わって、これらの伝熱体から熱が放射され、その結果、これらの近傍に収納されている被加熱物がほぼ直接的に効率良く加熱されるため、被加熱物の品位を損なうことなく、しかも効率良く被加熱物の真空乾燥が行える。

以下に、本発明の真空乾燥装置の一実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の一実施形態である真空乾燥装置の全体構成を示す縦断面図である。図２及び図３はその真空乾燥装置における真空容器の開いた状態を示す縦断面図であって、図２は被乾燥物を収納した籠を取り外した状況を示し、図３はその籠を取り入れた状況を示す。図４はその真空乾燥装置の要部を示す斜視図である。

真空容器１は、上端に開口を有する円筒状の本体容器２、及びこの本体容器２の開口を開閉する蓋３で外形が構成されており、蓋３は本体容器２の開口に対し基軸４を中心に回動可能である。蓋３を回動させて開いた状態では、被乾燥物５を収納した籠６が本体容器２の開口から内外へ出し入れされ、一方、閉じた状態では、本体容器２が蓋３で密閉される。この真空容器１は、洗浄液によって洗浄された部品である被乾燥物５を多数収納した籠６を収容し、内部を真空状態にすることによって被乾燥物５を真空乾燥させる容器としての役割を果たす。

真空容器１の構成要素である本体容器２には、収容された籠６を支持するための板状の支持台７が、本体容器２の底面と所定の間隙を隔てるよう嵩上げされて配設されている。この支持台７は剛性が高く耐腐食性に富む金属製であって、多数の貫通孔８が形成されている。更に、この支持台７からは、上方に向けて棒状の発熱体である熱源エレメント１０が複数本突出しており、これらの各熱源エレメント１０は籠６の出し入れされる方向に沿って延在する。熱源エレメント１０は、一般的な電気ヒータや、ヒートパイプ等が適用され、１００℃〜１５０℃程度の発熱が可能なものである。

本実施形態では、図４に示すように、９本の熱源エレメント１０が規則的に対称配置されている。そのうちの互いに最も離れた対角に配置された２本の熱源エレメント１０（以下、この２本の熱源エレメントを他のものと区別して、その符号を１０ａで示すことがある）は、他の熱源エレメント１０よりも更に突出し、先端が砲弾状になっている。これにより、籠６が本体容器２内に取り入れられる際に、先ず各熱源エレメント１０ａが籠６における後述の対となる各金属管１１に容易且つ確実に挿入されるようになるため、続く他の各熱源エレメント１０も対となる各金属管１１へ確実に挿入できる。その結果、支持台７に支持されて本体容器２内に収容された籠６の位置は、常に一定に収まるようになる。

一方、籠６は金属製で側面及び底面が網目状になっていて、この底面には、各熱源エレメント１０と対をなす金属管１１が上方に向けて突設されている。これらの各金属管１１の内部には、籠６が本体容器２内に取り入れられる動作とともに、各熱源エレメント１０が挿入される。そして、籠６が支持台７に支持されて本体容器２内に収容された状態で、各金属管１１の内面と各熱源エレメント１０の外面が近接した状態になる。このような金属管１１は、熱源エレメント１０からの熱を受け取って熱が伝わり、籠６内に収納されている被乾燥物５にその熱を与える伝熱体として機能する。併せて、籠６内を区切って被乾燥物５を整然と配置させるための仕切りとしての役割も果たす。

また、蓋３の内面には、ファン等の送風機１２が配設されていて、この送風機１２は、本体容器２に対し蓋３を閉じた状態で、下方に向けて、すなわち籠６が本体容器２内に収容された状態での被乾燥物５に向けて風を送り出すようになっている。

また、本体容器２の底壁には、真空容器１内を真空状態にし真空乾燥を行う際にその内部の気体（空気）とともに内部に溜まった液体（洗浄液）を排出するための排出口２ａが形成されていて、この排出口２ａには、第１の排出配管２０の一端が連結されている。この第１の排出配管２０の経路内には、その経路を開閉する第１の電磁弁２１が設けられている。第１の排出配管２０の他端は、これを通じて真空容器１から排出された気体と液体を分離する気液分離槽２２に開口している。

気液分離槽２２の上部には、分離された気体を排気するための第２の排出配管２３の一端が開口しており、この第２の排出配管２３の他端は真空ポンプ２４に接続されている。第２の排出配管２３の経路内には、真空ポンプ２４に向けて順に、フィルタ２５及び第２の電磁弁２６が設けられている。更に真空ポンプ２４には、第３の排出配管２７の一端が接続されており、この第３の排出配管２７の他端は、これを通じて排出された気体を浄化するとともに冷却するためのバブリング槽２８に開口している。このバブリング槽２８で浄化、冷却された気体は、第４の排出配管２９から外部へ排出される。

なお、真空ポンプ２４としては、往復式、液封式、回転式等の真空ポンプが挙げられるが、特に本実施形態では、真空ポンプ２４の前段に気液分離槽２２を備えており、真空ポンプ２４内に液体が吸引される余地はほとんど無いため、採用する真空ポンプの種類に制限は無い。

また、本体容器２の側壁の上部には、真空状態の真空容器１内を主として大気圧に戻す（ベント）際にその内部にベント用ガスを導入するための吸気口２ｂが形成されていて、この吸気口２ｂには、吸気配管３０が連結されている。この吸気配管３０の経路内には、本体容器２に向けて順に、フィルタ３１及び電磁弁３２が設けられている。なお、ベント用ガスとしては、装置周辺の空気や専用の不活性ガスが適用される。

更に、本体容器２の側壁には、上方から順に、真空容器１内の圧力を検出する圧力センサ３３、その温度を検出する温度センサ３４、及び、真空容器１内の圧力が予定しない圧力以上になったときに開き内部の気体を外部へ排出するための安全弁３５等が設けられている。圧力センサ３３や温度センサ３４は、真空乾燥中の真空容器１内の状態を監視するために用いられる。

このような構成の真空乾燥装置による真空乾燥の動作、及びその動作中の様子について、以下に説明する。図２及び図３に示すように、本体容器２に対して蓋３を開く。次いで、洗浄液によって洗浄された後の洗浄液が付着している被乾燥物５が収納された籠６を本体容器２の開口から下ろしていき、支持台７上にセットする（図３参照）。その際、籠６の各金属管１１内には各熱源エレメント１０が次第に挿入され、最終的に籠６が支持台７上にセットされた状態では、各金属管１１の内面と各熱源エレメント１０の外面が近接した状態になる。

そして、図１に示すように、本体容器２に対して蓋３を閉じて真空容器１を密閉し、各熱源エレメント１０を発熱させるとともに、送風機１２を駆動する。これにより、各熱源エレメント１０からの熱が各金属管１１に伝わって、これらの各金属管１１から熱が放射され、その結果、これらの近傍に収納されている被加熱物５がほぼ直接的に効率良く加熱される。これと同時に、送風機１２からの下降風により、被乾燥物５に付着している余剰の洗浄液が吹き飛ばされ、支持台７の貫通孔８を通過して本体容器２の底壁に溜まる。更に、送風機１２からの下降風は、支持台７の貫通孔８を通過して本体容器２の底壁で反転し、本体容器２の側壁と籠６の側面との間を上昇して送風機１２に戻るため、真空容器１内には循環流が形成されることから、被加熱物５の加熱が均一に進行する。

所定時間の経過後、真空ポンプ２４を駆動させるとともに、第１の電磁弁２１及び第２の電磁弁２６を開く。このとき、被乾燥物５の品温は８０〜１００℃程度である。こうして、真空容器１内の空気及びその底壁に溜まっている洗浄液が排出口２ａから第１の排出配管２０を経て排出され始め、すなわち真空引きが開始され、実質的な真空乾燥に移行される。そして、真空乾燥の進行に伴って、被乾燥物５に付着している洗浄液が被乾燥物５から蒸発潜熱を奪いながら蒸発し、被乾燥物５の品温は徐々に低下していく様相となるが、被乾燥物５には熱源エレメント１０及び金属管１１から直接的に熱が供給されて加熱され続けているので、被加熱物５の品温が飽和蒸気圧温度よりも確実に高い温度に維持される。

実質的な真空乾燥の所定時間（例えば１０分程度）が経過すると、第１の電磁弁２１を閉じて真空引きを停止し、真空乾燥を終える。次いで、吸気配管３０の電磁弁３２を開き、吸気口２ｂから真空容器１内にベント用ガスを導入し、真空容器１内の圧力を大気圧に戻す。そして、本体容器２に対して蓋３を開き、乾燥した被乾燥物５が収納された籠６を本体容器２から取り出して完了する。

これが本実施形態の真空乾燥装置による真空乾燥の標準的な動作であるが、以下に示すように変形することも可能である。例えば、被乾燥物５がほぼ筒状で且つ通気抵抗の大きい複雑なものである場合、先の洗浄において、超音波振動や毛細管現象等の作用により、奥深くの隅部に洗浄液が侵入する。このような被乾燥物５を真空乾燥する場合、実質的な真空乾燥の過程において、真空状態で一方的に加熱し続けるよりも、一旦大気圧付近に戻し、すなわちベント用ガスを導入し、真空容器１内の圧力を高めるというプロセスを挟むことが効果的である。これは、真空容器１内に圧力変動を与えることで、真空容器１内の気体の交換が図れるため、所望の乾燥レベルにより早く到達できるからである。

また例えば、被乾燥物５が複雑な形状で小さい場合であって、このような被乾燥物５を一度に大量に真空乾燥する場合、実質的な真空乾燥の過程において、規定の周期で真空容器１内にベント用ガスを導入するとともに、大気圧近傍下で送風機１２を駆動させることが効果的である。これは、導入されたベント用ガスが送風機１２の作用で循環流となって真空容器１内を攪拌するため、被乾燥物５個々の熱勾配や温度分布が均一化されて、より早く良好な乾燥仕上がりが得られるからである。

なお、本実施形態の真空乾燥装置は、真空乾燥中の被加熱物５を安定して高温に加熱できるので、被加熱物５である対象部品として、単に乾燥を要する電子、機械、成形関連等の部品のみならず、除菌や滅菌を要する医療器具も対応可能である。

その他、本発明は上記の実施形態に限定される訳ではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。例えば、熱源エレメント１０及びこれと対をなす金属管１１の数は幾つであってもよいが、あまり多くし過ぎると、被加熱物５への加熱効率が向上する反面、被加熱物５の収納スペースが制限されるため、真空乾燥装置の仕様に併せた配慮が必要である。また、その配置については、上記の実施形態では規則的な対称配置としているが、不規則な配置であっても構わない。

また、上記の実施形態では、真空容器１の構成要素である本体容器２の開口が上部に形成されており、その開口から籠６が上下方向に出し入れされることから、その上下方向に沿って熱源エレメント１０が延在するよう配設され、これを挿入できるよう金属管１１が籠６の底面に突設されているが、本体容器２の開口が側壁に形成され、その開口から籠６が左右方向に出し入れされるものであっても勿論対処し得る。その場合、本体容器２内で熱源エレメント１０が左右方向に沿って延在するよう配設され、これを挿入できるよう金属管１１が籠６の側面に突設されることで足りる。

本発明は、洗浄液によって洗浄された部品を被乾燥物として真空状態で乾燥させる真空乾燥装置に有用である。

本発明の一実施形態である真空乾燥装置の全体構成を示す縦断面図である。 図１の真空乾燥装置における真空容器の開いた状態を示す縦断面図である。 図１の真空乾燥装置における真空容器の開いた状態を示す縦断面図である。 図１の真空乾燥装置の要部を示す斜視図である。

符号の説明

１ 真空容器
２ 本体容器
３ 蓋
４ 基軸
５ 被乾燥物
６ 籠
７ 支持台
８ 貫通孔
１０ 熱源エレメント（発熱体）
１１ 金属管（伝熱体）
１２ 送風機
２４ 真空ポンプ

Claims (5)

1. 真空状態を取り得る真空容器と、被乾燥物を収納し前記真空容器に対して出し入れされる籠と、前記真空容器に収容された前記籠内の前記被乾燥物に熱を与える加熱手段と、を備えた真空乾燥装置において、
   前記加熱手段として、前記真空容器内には、前記籠の出し入れされる方向に沿って延在する棒状の発熱体が設けられ、前記籠内には、前記発熱体が挿入される管状の伝熱体が設けられていることを特徴とする真空乾燥装置。
2. 前記発熱体と前記伝熱体が複数対設けられていることを特徴とする請求項１に記載の真空乾燥装置。
3. 前記各発熱体のうちの互いに最も離れた２つが突出していることを特徴とする請求項２に記載の真空乾燥装置。
4. 前記真空容器内には、上方から前記籠内の前記被乾燥物に向けて風を送り出す送風機が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の真空乾燥装置。
5. 前記真空容器内には、前記籠を支持する板状の支持台が前記真空容器の底面と所定の隙間を隔てて設けられていて、この支持台には多数の貫通孔が形成されていることを特徴とする請求項４に記載の真空乾燥装置。

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