JP4232592B2 - 電動圧縮機用モータ駆動装置 - Google Patents

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Description

本発明は、圧縮機構とこの圧縮機構を駆動するモータとを備えた電動圧縮機を駆動するための電動圧縮機用モータ駆動装置に関する。
従来の電動圧縮機として、特許文献1に開示されるものが知られている。この電動圧縮機は、シェル(ハウジング)内に圧縮機部およびモータ部が収容されたもので、モータを駆動するためのパワー半導体モジュール(インバータ)を含むモータ駆動装置がシェル内の低圧側に臨む外壁面に装着されている。
これにより、圧縮機部で圧縮される前の低温低圧の冷媒でモータ駆動装置が冷却されるので、専用の放熱板や送風機等を不要とし、安価にすることができ、また、モータ駆動装置の小型化を可能にしている(例えば、特許文献1参照)。
特許第3086819号公報
しかし、吸入冷媒による冷却効果がないモータの非動作時において、特に車載状態では、雰囲気温度が上昇するためモータ駆動装置内の回路素子の温度が上昇し、駆動装置の信頼性が問題となる。
さらに、駆動装置一体型の電動圧縮機においては、モータの停止時に駆動装置内の回路素子の温度が上昇し所定温度に達した場合に、圧縮機を強制的に動作させて駆動装置を冷却することが考えられるが、駆動装置自身が回路素子の温度検出を行うため駆動装置が動作することで自己発熱が生じ、駆動装置の温度上昇がより顕著になるという問題がある。
本発明は、上記点に鑑み、電動圧縮機を駆動するモータ駆動装置の温度上昇を抑制し、駆動装置の回路の信頼性を向上することを目的とする。
本発明は、上記目的を達成するために、請求項1〜9に記載の発明は、空調装置(100)における電動圧縮機(10)用モータ駆動装置(13)であって、電動圧縮機(10)を駆動するモータ(12)の駆動信号を出力する駆動信号出力回路(2、5、6)と、動作指示信号を出力する動作指示回路(20)と、動作指示信号に基づき駆動信号出力回路(2、5、6)を動作状態または非動作状態に切り替える切り替え手段(42、51)と、を備えることを特徴とする。
この発明によれば、駆動信号出力回路(2、5、6)を適宜、動作状態、または非動作状態に切り替えることができるので、電動圧縮機(10)の動作が不要なときに、駆動信号出力回路(2、5、6)を非動作状態とすることにより、駆動信号出力回路(2、5、6)の自己発熱を抑えることができ、駆動信号出力回路(2、5、6)の信頼性を向上させることができる。また、駆動信号出力回路(2、5、6)の消費電力を削減することができる。
モータ駆動装置(13)は、請求項に記載のように、駆動信号出力回路(2、5、6)へ電源電力を供給して駆動信号出力回路(2、5、6)を動作状態にする第2内部電源回路(42)を備えるとともに、動作指示回路(20)へ電源電力を供給して動作指示回路(20)を動作させる第1内部電源回路(41)を備え、動作指示回路(20)は、駆動信号出力回路(2、5、6)へ動作指示信号を出力することにより駆動信号出力回路(2、5、6)を動作状態または非動作状態とするように構成することができる。
請求項に記載の発明は、モータ駆動装置(13)は、第1内部電源回路(41)および第2内部電源回路(42)を備え、第1内部電源回路(41)は、動作指示回路(20)に電源電力を供給して動作指示回路(20)を動作させ、第2内部電源回路(42)は、駆動信号出力回路(2、5、6)に電源電力を供給して駆動信号出力回路(2、5、6)を動作状態にするとともに、動作指示信号に基づき駆動信号出力回路(2、5、6)への電源電力供給の遮断または復帰を行うことにより駆動信号出力回路(2、5、6)を動作状態または非動作状態とすることを特徴とする。
この発明によれば、駆動信号出力回路(2、5、6)に供給する電源電力そのものを遮断するので、駆動信号出力回路(2、5、6)での電力消費を低減し、これにより駆動信号出力回路(2、5、6)の自己発熱を抑制することができる。
請求項3、4に記載の発明は、動作指示回路(20)は、モータ駆動装置(13)の温度を検出する温度検出手段(21)を備え、検出された温度が閾値を超える高温状態である場合に駆動信号出力回路(2、5、6)を動作状態とするよう動作指示信号を出力することを特徴とする。
この発明によれば、モータ駆動装置(13)の温度が高温になったら、駆動信号出力回路(2、5、6)を動作状態にして電動圧縮機(10)を駆動することができる。
請求項に記載の発明は、動作指示回路(20)は、空調装置(100)を制御する制御回路(9)が動作状態にあるとき、および、高温状態であるときの少なくともいずれか一方であるとき動作指示信号を出力することを特徴とする。
この発明によれば、モータ駆動装置(13)の温度が高温になるか、空調装置(100)が動作状態になるかの少なくともいずれかの場合に、電動圧縮機(10)を動作させることができる。換言すれば、モータ駆動装置(13)の温度上昇もなく、かつ、空調装置(100)が動作していないときには、駆動信号出力回路(2、5、6)を動作させないようにして、その自己発熱を抑制することができる。
なお、請求項に記載のように、第1内部電源回路(41)は、第1の電圧を出力し、第2内部電源回路(42)は第1の電圧より低い第2の電圧を出力するように構成することができる。
駆動信号出力回路(13)は、請求項に記載のように、スイッチング回路(2)を備えたインバータ(13)により構成することができる。
電動圧縮機(10)とモータ駆動装置(13)とは、請求項に記載のように、一体組付されている、いわゆるモータ駆動装置一体型電動圧縮機として構成することができる。
これにより、請求項に記載のように、モータ駆動装置(13)は、電動圧縮機(10)の動作により流動する冷媒により冷却される。したがって、駆動信号出力回路(2、5、6)が非動作状態にあるときは、駆動信号出力回路(2、5、6)の自己発熱が抑制されるとともに、駆動信号出力回路(2、5、6)が動作状態にあるときは、それにより電動圧縮機(10)が動作し、モータ駆動装置(13)およびそれに含まれる駆動信号出力回路(2、5、6)が、電動圧縮機(10)の動作により流動する冷媒で冷却される。よって、常に、モータ駆動装置(13)の温度上昇を抑制することができ、モータ駆動装置(13)の信頼性を向上させることができる。
なお、上記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一例である。
(第1実施形態)
本実施形態は、ハイブリッド車両等に搭載される車載空調装置の電動圧縮機に適用したものであって、以下、図面を参照して説明する。図1は本実施形態に係るモータ駆動装置一体型電動圧縮機10(以下、電動圧縮機という)を用いた蒸気圧縮式冷凍機の模式図である。また、図2は、電動圧縮機10の、車載時におけるエンジンルーム内の配置状況を示す図である。図3はモータ駆動装置の概略構成図である。図4は、本第1実施形態の制御回路の構成を示す図である。図5は、動作指示回路20の動作状態を表す図表である。
なお、蒸気圧縮式冷凍機は、周知のごとく、圧縮された高圧・高温冷媒を放冷する放熱器14、放冷された高圧冷媒を減圧する減圧器15、減圧された低圧冷媒を蒸発させて冷凍能力を発揮させる蒸発器16、及び冷凍機中の余剰冷媒を液相冷媒として蓄える気液分離器17等からなるものである。
なお、本実施形態では、減圧器15として、蒸発器16の冷媒出口側における冷媒過熱度が所定値となるように絞り開度を制御する温度式膨脹弁が採用され、気液分離器17として、減圧器15の冷媒入口側に設置されるレシーバを採用している。
電動圧縮機10は、冷媒を吸入圧縮するスクロール式の圧縮機構11、圧縮機構11を駆動するDCブラシレス式のモータ12、及びモータ12を駆動するモータ駆動装置としてのインバータ13等から構成されたもので、圧縮機構11とモータ12とは、同軸上、かつ、直列に並んで一体化されている。
また、インバータ13を収納するケーシング13aは、モータ12が収納された略円筒状のモータハウジング12aの外筒面側にボルトにて組み付けられて、圧縮機構11及びモータ12に一体化されている。なお、本実施形態では、モータハウジング12a及びケーシング13a等の容器は、全てアルミニウム合金製である。
そして、電動圧縮機10は、図2に示すように、エンジンルーム内にあってインバータ13がモータ12を挟んで発電・走行用のエンジン101およびエキゾーストマニホールド102と反対側に位置するよう、および、車両前方にあるラジエター・コンデンサ104および電動ファン103に面するように、車両ボデーにボルトにて組み付け固定されている。
したがって、インバータ13は、エンジン101、エキゾーストマニホールド102、ラジエター・コンデンサ104および電動ファン103等からの排熱にさらされ、少なくともインバータ13のケーシング13aは、通常走行中に100℃以上の高温に達する。このため、ケーシング13aの内部に収納されるインバータ13の各回路素子の温度を正常動作可能な温度にまで下げて、モータ駆動装置(インバータ)の信頼性を向上する必要がある。
このため、本実施形態では、蒸発器16から流出して電動圧縮機10に吸引された冷媒は、先ず、モータハウジング12a内を流れてモータ12およびインバータ13を冷却した後、圧縮機構11に吸入圧縮され、放熱器14に流入するように構成される。
なお、インバータ13の基板には、インバータ13の温度Tiを検出する温度検出手段としての温度センサ21が設けられている。
空調装置100の空調制御回路(以下、ECUという)9は、空調要求信号や空調のための環境条件を表す各信号が入力され、これらの信号に基づいて、空調における目標温度およびこの目標温度を実現するために必要な圧縮機構11の目標回転速度を算出し、さらにインバータ13が処理可能な指令値信号を算出してインバータ13へ出力する。なお、ECU9は、通常の低電圧バッテリ8(たとえば、VBL=12V)により動作する。
インバータ13は、高電圧バッテリ1に接続され、直流高電圧VBH(例えば288V)を三相電圧に変換してモータ12の駆動信号として、モータ12へ印加する。また、インバータ13は、ECU9に接続されている。
このインバータ13は、スイッチング回路2と制御回路3とを備えている。スイッチング回路2は、6個のIGBTを備え、それぞれのIGBTはゲートドライバ回路6によりON−OFF制御される。また、スイッチング回路2は、高電圧バッテリー1に接続され、高電圧バッテリ1からの直流高電圧(例えば、VHB=288V)を、上記IGBTのON−OFF制御により三相交流電圧に変換し、この三相交流電圧によりモータ12を所望の回転数で回転させる。これにより、モータ12と同軸で回転する圧縮機構11が冷媒を吸入圧縮することができる。なお、スイッチング回路2の高電圧入力端には、電源平滑用の平滑コンデンサ1aが設けられている。
制御回路3は、内部電源回路4、中央演算素子(以下、CPU)5、ゲートドライバ回路6、フォトカプラ7aおよび通信回路7bを備えている。内部電源回路4は、高電圧VBHより第1の電圧としての15Vを生成する第1内部電源回路41と、第1の電圧より第2の電圧としての5Vを生成する第2内部電源回路42と後述する動作指示回路20とを備えている。第1内部電源回路41は、上記IGBTのゲート駆動を行うゲートドライバ回路6、動作指示回路20および第2内部電源回路42などの他のアナログ回路にそれぞれ動作電力を供給する。また、第2内部電源回路42は、CPU5等のデジタル回路に動作電力を供給する。
この内部電源回路4、詳しくは動作指示回路20は、フォトカプラ7aを介して、ECU9より、ECU9の動作状態または非動作状態を表す動作フラグ「1」または「0」を入力する。なお、ECU9が動作状態であるとは、空調要求信号に基づき空調装置100が車室内に冷房風を吹き出す動作を行う状態、すなわち電動圧縮機10を駆動する必要がある状態である。
CPU5は、ECU9からの圧縮機構11の目標回転速度に応じた指令値信号を通信回路7bおよびフォトカプラ7aを介して入力し、この指令値信号に基づきスイッチング回路2の各IGBTのON−OFFのタイミング信号を算出して、ゲートドライバ回路6へ出力する。ゲートドライバ回路7は、タイミング信号に基づき各IGBTのゲートをON−OFF駆動する。一方、CPU5からは、インバータ13やモータ12の動作状態に関する信号がフィードバック信号として、フォトカプラ7aおよび通信回路7bを介してECU9へ出力されるようになっている。
したがって、本実施形態において、駆動信号出力回路は、スイッチング回路2、ゲートドライバ回路6およびCPU5により構成される。すなわち、CPU5よりタイミング信号が出力されないと、ゲートドライバ回路6がスイッチング回路2の各IGBTのゲート駆動を行えないため、スイッチング回路2からモータ12へは駆動信号は出力されない。このように、CPU5がタイミング信号を出力しない状態は、駆動信号出力回路の非動作状態に相当する。CPU5がタイミング信号を出力しない場合とは、ECU9からCPU5に指令値信号が与えられていない場合だけでなく、CPU5そのものが動作状態にない場合に相当する。
なお、制御回路3のうち、内部電源回路4、CPU5およびゲートドライバ回路6は、高電圧VBHによる電位となっている(高電圧系)。一方、通信回路7bおよびECU9は低電圧VBLによる電位となっている(低電圧系)。フォトカプラ7aは、高電圧系と低電圧系との間で絶縁状態で信号の送受を行う。通信回路7bは低電圧系にあって、ECU9との間で信号の送受を行う。
次に、動作指示回路20について、図4を参照して説明する。なお、図4では、簡単のため制御回路3のうち、フォトカプラ7a、通信回路7bおよびゲートドライバ回路6を省略している。動作指示回路20は、温度検出手段としての温度センサ21と、コンパレータ22と、OR回路23とを備えている。
温度センサ21は、第2の電圧(15V)により動作するサーミスタや増幅回路等により構成される。この温度センサ21により検出されたインバータ13の回路基板上の温度を表す温度信号がコンパレータ22に出力される。コンパレータ22は、検出された温度信号と予め設定された閾値(例えば、100℃)とを比較し、温度信号が閾値以上となったら「1」を、温度信号が閾値未満であるなら「0」を出力する。
OR回路23は、コンパレータ22の出力信号とECU9からの動作フラグ「1」または「0」を入力し、図5に示すように両者のOR演算を行い、演算結果であるOR出力信号を動作指示信号として第2内部電源回路42へ出力する。すなわち、OR出力信号が「1」となるのは、ECU9が動作状態であること、およびインバータ13の温度が閾値以上の高温状態であることの少なくともいずれか一方の状態であるときである。逆に、OR出力信号が「0」となるのは、ECU9が非動作状態であり、かつ、インバータ13の温度が閾値以下の低温状態である場合である。
第2内部電源回路42は、外部信号に応じて、動作状態となって第2の電圧を出力(ON)したり、あるいはスリープ状態となって出力を0(OFF)としたりするものである。すなわち、第2内部電源回路42は、OR出力信号に応じて、OR出力信号が「1」である場合は電源回路出力をONとし、OR出力信号が「0」である場合は電源回路出力をOFFとする。これにより、CPU5は、第2内部電源回路42の出力(第2の電圧)がONのときに動作状態となって、ECU9からの指令値信号に基づきタイミング信号を生成しゲートドライバ回路6へ出力する。また、CPU5は第2内部電源回路42の出力がOFFのときに非動作状態となって、CPU5の自己消費電力が最小限となる。
このように、動作指示回路20の出力信号であるOR出力信号により、第2内部電源回路42の出力がON状態またはOFF(遮断)状態に切り替えられる。そしてこの第2内部電源回路42の出力のONまたはOFFに応じて、駆動信号出力回路を構成するCPU5が動作状態または非動作状態に切り替わる。したがって、第2内部電源回路42が切り替え手段に相当する。
本実施形態では、モータ駆動装置であるインバータ13の回路基板の温度が閾値未満の比較的低温であって、かつ、空調装置100、すなわちECU9が動作状態にない、すなわち電動圧縮機10が動作不要の状態にある場合には、第2内部電源回路42の出力をOFF(遮断)状態にすることにより、駆動信号出力回路を動作状態または非動作状態にするCPU5を非動作状態とするので、CPU5はエネルギー消費を低減して自己発熱を生じさせないようにすることができ、CPU5の熱的な信頼性を向上することができる。
また、インバータ13の周囲温度が上昇して検出温度が閾値以上となる比較的高温状態である場合、および、空調装置100、すなわちECU9が動作状態にある場合の、少なくともいずれか一方の場合には、第2内部電源回路42の出力をON状態とすることにより、CPU5を動作させることができる。これにより、駆動信号出力回路を構成するスイッチング回路2からモータ12へ駆動信号が出力されて、電動圧縮機10は強制駆動される。したがって、電動圧縮機10に吸引される冷媒によりインバータ13を冷却することができ、インバータ13の回路素子の信頼性を向上させることができる。
さらに、動作指示回路20が備える温度センサ13は第1内部電源回路41により電力供給されて動作しているので、第2内部電源回路42の動作/非動作状態およびCPU5の動作/非動作状態にかかわりなく常に、温度監視を行うことができる。換言すれば、温度センサ13の検出信号をCPU5に入力していないので、温度監視を常時行うに当たりCPU5を常時動作状態に保つ必要がなく、CPU5を電動圧縮機10の駆動が必要な時だけ動作させればよく、CPU5およびCPU5に動作電力を供給する第2内部電源回路42の消費電力を低減し、自己発熱を抑制して回路素子の信頼性を向上させることができる。
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態について説明する。本第2実施形態は、図6に示すように、動作指示回路20からのOR出力信号をCPU5へ入力する点のみが、上記第1実施形態と異なり、他の構成は図1ないし図3および図5に示す第1実施形態と同様である。以下では、異なる点についてのみ説明する。
動作指示回路20は第1実施形態と同様の構成を備え、図5に示すような論理演算によりOR回路23からOR出力信号を出力する。
このOR出力信号は動作指示信号として、CPU5の電源入力端に設けられたスイッチ部51に入力される。スイッチ部51は、OR出力信号が「1」のときに電源ON、およびOR出力信号が「0」のときに電源OFFとなるよう、CPU5に対する電源電圧の導通および遮断を行う。第2内部電源回路42は常に第2の電圧(5V)が出力されているが、CPU5のスイッチ部51の導通または遮断動作により、CPU5に電力の供給または遮断がなされる。
このように、第2実施形態においては、CPU5そのものを切り替え手段として機能させて、上記第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
(その他の実施形態)
上記各実施形態では、内部電源回路4として第1の電圧(15V)を出力する第1内部電源回路41と、第1の電圧より第2の電圧(5V)を生成する第2内部電源回路42を備える例を示したが、これに限らない。例えば、共に等しい電圧を出力する内部電源回路を2つ備えるようにして、一方の内部電源回路で動作指示回路20に動作電力を供給し、他方の内部電源回路を動作指示回路20からの動作指示信号(OR出力信号)でON、OFFさせるとともに、この他方の内部電源回路よりCPU5に動作電力を供給するようにしてもよい。
さらに、第1の電圧および第2の電圧をそれぞれ15Vおよび5V以外の値としてもよい。
また、上記第2実施形態において、内部電源回路を1つのみとしてもよい。すなわち、この1つの内部電源回路で動作指示回路20およびCPU5にそれぞれ動作電力を供給するようにし、CPU5のスイッチ部51を動作指示信号によりスイッチ動作させるようにしても、第2実施形態と同様の効果を得ることができる。
本発明は、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨に合致するものであればよく、上述の各実施形態に限定されるものではない。
本実施形態に係るモータ駆動装置一体型電動圧縮機を用いた蒸気圧縮式冷凍機の模式図である。 電動圧縮機10の車載時におけるエンジンルーム内の配置状況を示す図である。 モータ駆動装置の概略構成図である。 第1実施形態の制御回路3の構成を示す図である。 動作指示回路20の動作状態を表す図表である。 第2実施形態の制御回路3の構成を示す図である。
符号の説明
10…電動圧縮機、11…圧縮機構、12…モータ、
13…モータ駆動装置(インバータ)、2…スイッチング回路、20…動作指示回路、
21…温度検出手段(温度センサ)、22…コンパレータ、23…OR回路、
3…制御回路、4…内部電源回路、41…第1内部電源回路、
42…第2内部電源回路、5…CPU、6…ゲートドライバ回路、
9…空調制御回路(ECU)。

Claims (9)

  1. 空調装置(100)における電動圧縮機(10)用モータ駆動装置(13)であって、
    前記電動圧縮機(10)を駆動するモータ(12)の駆動信号を出力する駆動信号出力回路(2、5、6)と、
    動作指示信号を出力する動作指示回路(20)と、
    前記動作指示信号に基づき前記駆動信号出力回路(2、5、6)を動作状態または非動作状態に切り替える切り替え手段(51)と、を備えており、
    前記モータ駆動装置(13)は、前記駆動信号出力回路(2、5、6)へ電源電力を供給して該駆動信号出力回路(2、5、6)を動作状態にする第2内部電源回路(42)を備えるとともに、前記動作指示回路(20)へ電源電力を供給して該動作指示回路(20)を動作させる第1内部電源回路(41)を備え、
    前記動作指示回路(20)は、前記駆動信号出力回路(2、5、6)へ前記動作指示信号を出力することにより前記駆動信号出力回路(2、5、6)を動作状態または非動作状態とすることを特徴とする電動圧縮機用モータ駆動装置。
  2. 空調装置(100)における電動圧縮機(10)用モータ駆動装置(13)であって、
    前記電動圧縮機(10)を駆動するモータ(12)の駆動信号を出力する駆動信号出力回路(2、5、6)と、
    動作指示信号を出力する動作指示回路(20)と、
    前記動作指示信号に基づき前記駆動信号出力回路(2、5、6)を動作状態または非動作状態に切り替える切り替え手段(42)と、を備えており、
    前記モータ駆動装置(13)は、第1内部電源回路(41)および第2内部電源回路(42)を備え、
    前記第1内部電源回路(41)は、前記動作指示回路(20)に電源電力を供給して該動作指示回路(20)を動作させ、
    前記第2内部電源回路(42)は、前記駆動信号出力回路(2、5、6)に電源電力を供給して該駆動信号出力回路(2、5、6)を動作状態にするとともに、前記動作指示信号に基づき前記駆動信号出力回路(2、5、6)への電源電力供給の遮断または復帰を行うことにより前記駆動信号出力回路(2、5、6)を動作状態または非動作状態とすることを特徴とす電動圧縮機用モータ駆動装置。
  3. 前記動作指示回路(20)は、前記モータ駆動装置(13)の温度を検出する温度検出手段(21)を備え、前記検出された温度が閾値を超える高温状態である場合に前記駆動信号出力回路(2、5、6)を動作状態とするよう前記動作指示信号を出力することを特徴とする請求項1または2に記載の電動圧縮機用モータ駆動装置。
  4. 空調装置(100)における電動圧縮機(10)用モータ駆動装置(13)であって、
    前記電動圧縮機(10)を駆動するモータ(12)の駆動信号を出力する駆動信号出力回路(2、5、6)と、
    動作指示信号を出力する動作指示回路(20)と、
    前記動作指示信号に基づき前記駆動信号出力回路(2、5、6)を動作状態または非動作状態に切り替える切り替え手段(42、51)と、を備えており、
    前記動作指示回路(20)は、前記モータ駆動装置(13)の温度を検出する温度検出手段(21)を備え、前記検出された温度が閾値を超える高温状態である場合に前記駆動信号出力回路(2、5、6)を動作状態とするよう前記動作指示信号を出力することを特徴とする電動圧縮機用モータ駆動装置。
  5. 前記動作指示回路(20)は、前記空調装置(100)を制御する制御回路(9)が動作状態にあるとき、および、前記高温状態であるときの少なくともいずれか一方であるとき前記動作指示信号を出力することを特徴とする請求項3または4に記載の電動圧縮機用モータ駆動装置。
  6. 前記第1内部電源回路(41)は、第1の電圧を出力し、前記第2内部電源回路(42)は前記第1の電圧より低い第2の電圧を出力することを特徴とする請求項またはに記載の電動圧縮機用モータ駆動装置。
  7. 前記駆動信号出力回路(13)は、スイッチング回路(2)を備えたインバータ(13)により構成されることを特徴とする請求項1ないしのいずれか1つに記載の電動圧縮機用モータ駆動装置
  8. 前記電動圧縮機(10)と前記モータ駆動装置(13)とが、一体組付されていることを特徴とする請求項1ないしのいずれか1つに記載の電動圧縮機用モータ駆動装置。
  9. 前記モータ駆動装置(13)は、前記電動圧縮機(10)の動作により流動する冷媒により冷却されることを特徴とする請求項に記載の電動圧縮機用モータ駆動装置。
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