JP4488087B2 - パワー回路実装ユニット、及びモータ駆動装置 - Google Patents

パワー回路実装ユニット、及びモータ駆動装置 Download PDF

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Description

本発明は、基板にパワーモジュールが実装されるパワー回路実装ユニットに関し、特にパワーモジュールでのスイッチング動作に起因するノイズ対策に係るものである。
従来より、パワーモジュールを有するパワー回路実装ユニットは、圧縮機のモータの駆動装置等に適用されている。
特許文献1には、この種のパワー回路実装ユニットが開示されている。パワー回路実装ユニットでは、基板上にスイッチング素子を有するパワーモジュールが実装されている。パワー回路実装ユニットには、パワーモジュールを冷却するための放熱用のヒートシンクが設けられている。
また、特許文献2には、パワーモジュールの表面にヒートシンクを取り付けたものが開示されている。スイッチング素子で発生した熱は、ヒートシンクに伝導し、放熱フィンから空気中へ放出される。これにより、パワーモジュールでの蓄熱に伴うスイッチングの誤作動が防止されている。
特開2007−311529号公報 特開平6−252282号公報
ところで、上記のモータ駆動装置等では、負荷となるモータの回転数等を制御するために、モータの出力電圧や出力電流を検出する検出回路を設けることが知られている。ここで、このような検出回路を上述のパワー回路実装ユニットの基板に実装すると、検出回路での検出信号にノイズが重畳することがある。
具体的には、パワーモジュールのスイッチング素子でスイッチング動作が行われると、パワーモジュールに取り付けられるヒートシンクの電位も変動する。これにより、ヒートシンクでは、その電位の変化に伴って電磁波が生成する。このため、ヒートシンクの近傍に配置される検出回路では、ヒートシンクの電磁波の影響により、検出信号にノイズが重畳し、検出誤差を招くという不具合が生じる。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、基板上にパワーモジュールと検出回路とを実装したパワー回路実装ユニットにおいて、ヒートシンクの電磁波に起因して検出回路で誤検出が生じるのを防止することである。
第1の発明は、パワーモジュール(51,52)が実装される基板(P)と、該パワーモジュール(51,52)の表面に取り付けられて該パワーモジュール(51,52)を放熱するヒートシンク(53)と、上記基板(P)におけるパワーモジュール(51,52)の近傍に実装されて所定の電流又は電圧を検出する検出回路(60)とを備えたパワー回路実装ユニットを対象とする。そして、このパワー回路実装ユニットは、上記ヒートシンク(53)から上記検出回路(60)側へ発生する電磁波を遮蔽する電磁遮蔽材(70)を更に備え、上記検出回路(60)は、上記基板(P)を挟んでヒートシンク(53)と向かい合うように配設され、上記電磁遮蔽材(70)は、上記基板(P)において検出回路(60)が取り付けられる部位(60a)と、上記ヒートシンク(53)との間に設けられることを特徴とするものである。
第1の発明では、基板(P)にパワーモジュール(51,52)と検出回路(60)とが実装される。検出回路(60)は、基板(P)上の所定の回路における電流や電圧を検出する。ここで、パワーモジュール(51,52)がスイッチング動作を行うと、ヒートシンク(53)の電位が変動し、ヒートシンク(53)から電磁波が発生する。本発明では、ヒートシンク(53)から発生する電磁波が電磁遮蔽材(70)によって遮蔽され、検出回路(60)での電磁波の影響が緩和される。その結果、検出回路(60)では、電磁波の影響によって検出信号にノイズが重畳してしまうことが抑制される。
また、の発明では、検出回路(60)が、基板(P)を挟んでヒートシンク(53)と向かい合うように配設される。即ち、ヒートシンク(53)の放熱面積の拡大、検出回路(60)やパワーモジュール(51,52)等の集積密度を低くしようとすると、検出回路(60)とヒートシンク(53)とが基板(P)を挟んでヒートシンク(53)と向かい合う位置関係となってしまう。このような位置関係では、検出回路(60)が、ヒートシンク(53)から発生する電磁波の影響を受け易くなってしまう。しかしながら、本発明では、基板(P)において検出回路(60)取り付けられる部位(60a)とヒートシンク(53)との間に電磁遮蔽材(70)を配置したので、ヒートシンク(53)側から検出回路(60)側へ向かう電磁波を電磁遮蔽材(70)により確実に遮蔽できる。その結果、検出回路(60)では、電磁波の影響によって検出信号にノイズが重畳してしまうことが効果的に抑制される。
の発明は、第の発明において、上記電磁遮蔽材(70)は、アース電位に保持される導電板で構成されていることを特徴とするものである。
の発明の電磁遮蔽材(70)は、アース電位に保持される導電板を構成する。これにより、ヒートシンク(53)の電磁波の影響、検出回路(60)でのノイズの影響が効果的に緩和される。
の発明は、第1又は第2の発明において、上記電磁遮蔽材(70)を上記基板(P)に支持する導電性の支持部材(72)を更に備え、上記電磁遮蔽材(70)は、上記支持部材(72)を介して基板(P)のアースと接続していることを特徴とするものである。
の発明では、電磁遮蔽材(70)が支持部材(72)を介して基板(P)に支持される。ここで、支持部材(72)は、導電性材料で構成され、電磁遮蔽材(70)と基板(P)のアースとを導通させている。これにより、電磁遮蔽材(70)を所定位置に確実に保持でき、且つ電磁遮蔽材(70)をアースするための導線の簡素化が図られる。
の発明は、第の発明において、上記電磁遮蔽材(70)は、基板(P)の制御グランド電位に保持される導電板で構成されていることを特徴とするものである。
の発明の電磁遮蔽材(70)は、基板(P)の制御グランド電位に保持される導電板を構成する。これにより、ヒートシンク(53)の電磁波の影響、検出回路(60)でのノイズの影響が効果的に緩和される。
の発明は、第1乃至第のいずれか1つの発明において、上記パワーモジュール(51,52)は、直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路(40)のスイッチング素子(41〜46)を含んでいることを特徴とするものである。
の発明では、電磁遮蔽材(70)が、インバータ回路(40)のスイッチング素子(41〜46)のスイッチング動作に伴いヒートシンク(53)から発生する電磁波を遮蔽する。
の発明は、第1乃至第のいずれか1つの発明において、上記パワーモジュール(51,52)は、交流電源(S)の交流電圧を直流電圧に整流するための整流回路(20)のスイッチング素子(21〜26)を含んでいることを特徴とするものである。
の発明では、電磁遮蔽材(70)が、整流回路(20)のスイッチング素子(21〜26)のスイッチング動作に伴いヒートシンク(53)から発生する電磁波を遮蔽する。
の発明は、モータ(M)を駆動するモータ駆動装置を対象とし、第1乃至のいずれか1つのパワー回路実装ユニット(50)を備え、該パワー回路実装ユニット(50)の基板(P)に実装される上記検出回路(60)で検出された電流値又は電圧値に基づいて、上記モータ(M)を制御するモータ制御部(12)を更に備えていることを特徴とするものである。
の発明のモータ駆動装置には、第1から第のいずれか1つの発明のパワー回路実装ユニット(50)が搭載される。検出回路(60)は、負荷としてのモータ(M)の出力電流又は出力電圧を検出する。ここで、パワー回路実装ユニット(50)は、ヒートシンク(53)側から検出回路(60)側へ向かう電磁波を遮蔽するので、検出回路(60)の誤検出が抑制される。その結果、モータ制御部(12)は、検出回路(60)で検出した電流値や電圧値に基づいて、モータ(M)を適正に制御することができる。
本発明では、ヒートシンク(53)側から検出回路(60)側へ向かう電磁波を電磁遮蔽材(70)によって遮蔽している。これにより、電磁波の影響により検出回路(60)にノイズが重畳してしまうのを防止でき、検出回路(60)での誤検出を防止できる。従って、信頼性に優れたパワー回路実装ユニットを提供することができる。
の発明によれば、基板(P)を挟んで検出回路(60)とヒートシンク(53)とを向かい合うように配設し、基板(P)において検出回路(60)取り付けられる部位(60a)とヒートシンク(53)との間に電磁遮蔽材(70)を設けている。これにより、ヒートシンク(53)から発生する電磁波に対して、検出回路(60)を確実に遮蔽することができ、ノイズの影響を低減できる。また、このような位置関係により、ヒートシンク(53)を基板(P)に沿う方向に拡張することができ、その放熱面積を増大させることができる。更に、検出回路(60)をパワーモジュール(51,52)に近接させることができ、検出回路(60)とパワーモジュール(51,52)との間で正確な信号のやりとりを行うことができる。
また、第の発明によれば、電磁遮蔽材(70)をアース電位に保持される導電板によって構成しているので、ヒートシンク(53)の電磁波を効果的に遮蔽することができる。特に、第の発明では、電磁遮蔽材(70)を導電性の支持部材(72)を介して基板(P)のアースと繋ぐようにしたので、電磁遮蔽材(70)の支持構造やアースのための導線の簡素化を図ることができ、ひいてはパワー回路実装ユニットの簡素化を図ることができる。
また、第の発明によれば、電磁遮蔽材(70)を制御グランド電位に保持される導電板によって構成しているので、ヒートシンク(50)の電磁波を効果的に遮蔽することができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
本発明に係るパワー回路実装ユニット(50)は、圧縮機のモータ(M)を駆動するモータ駆動装置(10)に搭載されている。圧縮機は空気調和装置の冷媒回路に接続されており、モータ(M)は、DCブラシレスモータで構成されている。また、モータ駆動装置(10)は、空気調和装置の室外機の内部において、圧縮機や室外ファンと共に収容されている。
図1に示すように、モータ駆動装置(10)は、整流回路(20)とコンデンサ回路(30)とインバータ回路(40)とを備えている。
上記整流回路(20)は、三相交流電源である商用電源(S)に接続されている。整流回路(20)は、商用電源(S)の交流電圧を直流電圧に変換するものである。整流回路(20)では、6つのスイッチング素子(21〜26)が三相ブリッジ結線されている。整流回路(20)では、第1制御部(11)によって各スイッチング素子(21〜26)のスイッチング(ON/OFF)が制御されることで、直流電圧の生成、力率の改善、及び高調波の抑制がなされる。
上記コンデンサ回路(30)は、整流回路(20)の出力側に接続されている。コンデンサ回路(30)には、整流回路(20)の出力を充放電するためのコンデンサ(31)が接続されている。
上記インバータ回路(40)は、コンデンサ(31)の直流電圧を三相交流電圧に変換し、変換後の直流電圧を負荷となるモータ(M)へ供給するものである。インバータ回路(40)では、6つのスイッチング素子(41〜46)が三相ブリッジ結線されている。インバータ回路(40)では、第2制御部(12)によってスイッチング素子(41〜46)のスイッチングが制御されることで、モータ(M)の回転速度や出力トルクが調節される。
モータ駆動装置(10)は、電流検出回路(13)と電圧検出回路(14)とを備えている。電流検出回路(13)は、コンデンサ回路(30)側からインバータ回路(40)への出力電圧を検出する。電圧検出回路(14)は、コンバータ回路(30)側からインバータ回路(40)への出力電流を検出する。つまり、電流検出回路(13)は、モータ(M)の出力電流を検出する検出回路を構成し、電圧検出回路(14)は、モータ(M)の出力電圧を検出する検出回路を構成している。
上記第2制御部(12)は、電流検出回路(13)で検出した電流値、及び電圧検出回路(14)で検出した電圧値に基づいて、モータ(M)を制御するモータ制御部を構成している。具体的には、第2制御部(12)は、電流検出回路(13)からの電流検出信号に基づいて、モータ(M)の実速度(回転速度)やモータ(M)の位相(回転角度位置)を導出し、モータ(M)を所望とする実速度に制御するための駆動信号を出力する。インバータ回路(40)では、上記駆動信号が入力されたゲートドライブ回路(図示省略)によって各スイッチング素子(41〜46)のON/OFFが制御され、これによりモータ(M)の運転周波数が調節される。また、第2制御部(12)では、上記電圧検出回路(14)からの電圧検出信号や、上記電流検出回路(13)からの電流検出信号に基づいて、モータ(M)の保護制御も行われる。
図2に示すように、パワー回路実装ユニット(50)は、プリント基板(P)を有している。プリント基板(P)上には、第1パワーモジュール(51)と第2パワーモジュール(52)とが実装されている。第1パワーモジュール(51)は、上述した整流回路(20)側のスイッチング素子(21〜26)を含んでいる。第2パワーモジュール(52)は、上述したインバータ回路(40)側のスイッチング素子(41〜46)を含んでいる。第1パワーモジュール(51)及び第2パワーモジュール(52)のスイッチング素子(21〜26,41〜46)は、パワー半導体素子を構成しており、例えばMOS−FETやIGBT等が用いられている。
プリント基板(P)では、その一方の面(図2における下側の面)に、上記第1パワーモジュール(51)及び第2パワーモジュール(52)が実装されている。そして、第1パワーモジュール(51)及び第2パワーモジュール(52)の表面には、各パワーモジュール(51,52)を放熱するためのヒートシンク(53)が取り付けられている。なお、ヒートシンク(53)の近傍には、上述した室外ファンが配設されている。つまり、ヒートシンク(53)は、室外ファンが送風する空気によって冷却される。
ヒートシンク(53)は、基部(54)と、該基部(54)の表面に立設する複数のフィン(55)とを有している。基部(54)は、プリント基板(P)に沿うような板状に形成されている。また、基部(54)は、第1パワーモジュール(51)及び第2パワーモジュール(52)の双方に跨るように配設されている。具体的に、ヒートシンク(53)の基部(54)は、各パワーモジュール(51,52)の側縁部から更に外側に向かって延出している。つまり、基部(54)の厚さ方向の端面の面積は、第1パワーモジュール(51)及び第2パワーモジュール(52)の接続面よりも大きくなっており、放熱面積が拡大されている。これにより、ヒートシンク(53)の基部(54)の背面側には、プリント基板(P)とヒートシンク(53)との間に空間(58)が形成されている。
プリント基板(P)には、各パワーモジュール(51,52)の取り付け面と反対側の面において、検出回路(60)が実装されている。検出回路(60)は、上述した電流検出回路(13)及び電圧検出回路(14)によって構成されている。検出回路(60)は、第1パワーモジュール(51)及び第2パワーモジュール(52)の取り付け部位の近傍に配置されている。その結果、検出回路(60)は、上記ヒートシンク(53)の基部(54)に対して、プリント基板(P)の厚さ方向に重なる位置に配置されることになる。つまり、検出回路(60)とヒートシンク(53)とは、プリント基板(P)を挟んで互いに対向する位置関係となっている。
本実施形態において、ヒートシンク(53)の基部(54)とプリント基板(P)との間には、ヒートシンク(53)側から検出回路(60)側への電磁波を遮断するための電磁遮蔽材(70)が設けられている。電磁遮蔽材(70)は、ヒートシンク(53)の基部(54)やプリント基板(P)に沿うような板状に形成されている。電磁遮蔽材(70)は、ヒートシンク(53)の基部(54)と、プリント基板(P)において検出回路(60)取り付けられる部位(60a)との間に設けられている。つまり、パワー回路実装ユニット(50)では、ヒートシンク(53)の基部(54)、電磁遮蔽材(70)、プリント基板(P)、及び検出回路(60)が、プリント基板(P)の厚さ方向に重複するように、順に配列されている。
電磁遮蔽材(70)は、ベタアースが形成されたプリント基板で構成されている。電磁遮蔽材(70)は、そのベタアース部(71)がヒートシンク(53)側を向くように配設されている。なお、ベタアース部(71)をこれとは逆側に配設しても良いし、両側に配設しても良い。また、電磁遮蔽材(70)は、複数の導電性のグランドピン(72)を介してプリント基板(P)に支持されている。即ち、電磁遮蔽材(70)は、ベタアース部(71)及びグランドピン(72)を介してプリント基板(P)のアース(80)と電気的に繋がっている。これにより、電磁遮蔽材(70)は、アース電位に保持される導電板を構成している。また、グランドピン(72)に支持される状態の電磁遮蔽材(70)は、ヒートシンク(53)の基部(54)や、プリント基板(P)において検出回路(60)取り付けられる部位(60a)から、それぞれ数mm程度の間隔が置かれている。
以上のように電磁遮蔽材(70)を配設することで、ヒートシンク(53)側から発生する電磁波の影響により、検出回路(60)にノイズが重畳してしまうことが抑制される。即ち、従来のパワー回路実装ユニットでは、第1パワーモジュール(51)のスイッチング素子(21〜26)や、第2パワーモジュール(52)のスイッチング素子(41〜46)のスイッチング動作に伴い、ヒートシンク(53)の電位が変動し、ヒートシンク(53)から電磁波が発生することがあった。これに対し、本実施形態のパワー回路実装ユニット(50)では、検出回路(60)とヒートシンク(53)との間に介設される電磁遮蔽材(70)が、ヒートシンク(53)からの電磁波をシールドするので、電磁波の影響による検出回路(60)でのノイズが緩和される。その結果、検出回路(60)では、電流値や電圧値の検出誤差を防止でき、かつ検出回路(60)から正確な検出信号を出力できる。
−上記実施形態の効果−
上記実施形態では、ヒートシンク(53)側から検出回路(60)側へ向かう電磁波を電磁遮蔽材(70)によって遮蔽している。これにより、電磁波の影響により検出回路(60)にノイズが重畳してしまうのを防止でき、検出回路(60)での誤検出を防止できる。従って、第2制御部(12)では、検出回路(60)で検出した電流値に基づいてモータ(M)の回転速度等を正確に調節でき、且つ検出回路(60)で検出した電圧値に基づいてモータ(M)の適正な保護制御を行うことができる。
また、上記実施形態では、各パワーモジュール(51,52)の側縁部からヒートシンク(53)を外側へ延出させることで、ヒートシンク(53)の放熱面積を増大している。そして、ヒートシンク(53)の基部(54)と、プリント基板(P)での検出回路(60)の取り付け部位(60a)との間の空間(58)に電磁遮蔽材(70)を設けている。これにより、ヒートシンク(53)から発生する基板厚さ方向の電磁波に対して、検出回路(60)を確実に遮蔽することができ、ノイズの影響を低減できる。しかも、上記空間(58)を電磁遮蔽材(70)の設置スペースとして有効活用できる。
更に、検出回路(60)と各パワーモジュール(51,52)とを近接させることができ、検出回路(60)とパワーモジュール(51,52)との間で正確な信号のやりとりを行うことができる。
また、電磁遮蔽材(70)をアース電位に保持される導電板によって構成しているので、ヒートシンク(53)の電磁波を効果的に遮蔽することができる。更に、電磁遮蔽材(70)を導電性の支持部材(72)を介して基板(P)のアース側と繋ぐようにしたので、電磁遮蔽材(70)の支持構造やアースのための導線の簡素化を図ることができる。
また、電磁遮蔽材(70)は、ベタアース部(71)を有するプリント基板で構成されているので、汎用品のプリント基板を利用して電磁遮蔽材を得ることができる。
《その他の実施形態》
上記実施形態については、以下のような構成としてもよい。
上記実施形態では、電磁遮蔽材(70)をプリント基板(P)側のアースに接続するようにしているが、電磁遮蔽材(70)に直接アース線を接続し、電磁遮蔽材(70)をアース電位とするようにしても良い。
また、電磁遮蔽材(70)をアース線を介してプリント基板(P)の制御グランドに接続し、電磁遮蔽材(70)を制御グランド電位に保持するようにしても良い。この場合にも、上述と同様にして、電磁遮蔽材(70)によって電磁波の影響を低減することができる。
また、電磁遮蔽材(70)は、必ずしもアースに保持されるものでなくても良く、例えば磁性材料と樹脂材料から成る電気シールド材料などでヒートシンク(53)の基部(53)を覆うようにして、電磁波を遮蔽するようにしても良い。また、電磁遮蔽材(70)をプリント基板(P)のアースに保持させる以外にも、例えば制御グランドに保持することで、本発明の効果を奏することができる。
また、上記実施形態では、検出回路(60)として電流検出回路(13)と電圧検出回路(14)との双方が用いられているが、電流又は電圧のいずれか一方のみを検出する検出回路についても本発明を適用することができる。また、検出回路(60)は、必ずしもモータ(M)への出力電流や出力電圧を検出するものでなくても良く、例えば基板上の所定の回路の入力電流や入力電圧を検出するものであっても良い。
また、上記実施形態のパワー回路実装ユニット(50)では、プリント基板(P)に整流回路(20)側のパワーモジュール(51)とインバータ回路(40)側のパワーモジュール(52)との双方が実装されているが、これらのパワーモジュール(51,52)のうちのいずれか一方のみをプリント基板(P)に実装した場合にも、本発明を適用することができる。
また、パワーモジュール(51)は、必ずしも複数のスイッチング素子を含むものでなくても良く、1つのスイッチング素子のみを含むものであっても良い。具体的には、1つのスイッチング素子を備え、ダイオードブリッジと昇圧チョッパとを組み合わせた方式の整流回路についても、本発明を適用することができる。
また、上記実施形態では、圧縮機のモータ(M)を駆動するモータ駆動装置について、本発明のパワー回路実装ユニットを適用しているが、例えば空気調和装置の室外ファンや室内ファンのモータを負荷とするパワー回路実装ユニットにおいて、本発明を適用しても良いし、これらのモータ(M)以外の負荷を対象とするパワー回路実装ユニットについて、本発明を適用しても良い。
なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。
以上説明したように、本発明は、パワーモジュールを有するパワー回路実装ユニットに関し、特にパワーモジュールでのスイッチング動作に起因するノイズ対策について有用である。
本実施形態に係るモータ駆動装置の概略構成を示す回路図である。 本実施形態に係るパワー回路実装ユニットの要部を拡大した断面図である。
12 第2制御部(モータ制御部)
50 パワー回路実装ユニット
51 第1パワーモジュール(スイッチング素子)
52 第2パワーモジュール(スイッチング素子)
53 ヒートシンク
60 検出回路(電流検出回路、電圧検出回路)
70 電磁遮蔽材
72 グランドピン(支持部材)
P プリント基板(基板)
S 交流電源
M モータ

Claims (7)

  1. パワーモジュール(51,52)が実装される基板(P)と、該パワーモジュール(51,52)の表面に取り付けられて該パワーモジュール(51,52)を放熱するヒートシンク(53)と、上記基板(P)におけるパワーモジュール(51,52)の近傍に実装されて所定の電流又は電圧を検出する検出回路(60)とを備えたパワー回路実装ユニットであって、
    上記ヒートシンク(53)から上記検出回路(60)側へ発生する電磁波を遮蔽する電磁遮蔽材(70)を更に備え
    上記検出回路(60)は、上記基板(P)を挟んでヒートシンク(53)と向かい合うように配設され、
    上記電磁遮蔽材(70)は、上記基板(P)において検出回路(60)が取り付けられる部位(60a)と、上記ヒートシンク(53)との間に設けられることを特徴とするパワー回路実装ユニット。
  2. 請求項において、
    上記電磁遮蔽材(70)は、アース電位に保持される導電板で構成されていることを特徴とするパワー回路実装ユニット。
  3. 請求項1又は2において、
    上記電磁遮蔽材(70)を上記基板(P)に支持する導電性の支持部材(72)を更に備え、
    上記電磁遮蔽材(70)は、上記支持部材(72)を介して基板(P)のアースと接続していることを特徴とするパワー回路実装ユニット。
  4. 請求項において、
    上記電磁遮蔽材(70)は、基板(P)の制御グランド電位に保持される導電板で構成されていることを特徴とするパワー回路実装ユニット。
  5. 請求項1乃至のいずれか1つにおいて、
    上記パワーモジュール(51,52)は、直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路(40)のスイッチング素子(41〜46)を含んでいることを特徴とするパワー回路実装ユニット。
  6. 請求項1乃至のいずれか1つにおいて、
    上記パワーモジュール(51,52)は、交流電源(S)の交流電圧を直流電圧に整流するための整流回路(20)のスイッチング素子(21〜26)を含んでいることを特徴とするパワー回路実装ユニット。
  7. モータ(M)を駆動するモータ駆動装置であって、
    請求項1乃至のいずれか1つのパワー回路実装ユニット(50)を備え、
    上記パワー回路実装ユニット(50)の基板(P)に実装される検出回路(60)で検出された電流値又は電圧値に基づいて、上記モータ(M)を制御するモータ制御部(12)を更に備えていることを特徴とするモータ駆動装置。
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