JP4588214B2 - 略矩形のコイルを有する非晶質金属製の変圧器 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、変圧器に関し、さらに詳細には、巻かれたアモルファス金属製のコアと全体が樹脂で包まれた略矩形のコイルとを備えた乾式配電(dry-type powerdistribution)配電変圧器に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の乾式配電変圧器は、環状の開放して巻かれたコイルと、巻かれ積み重ねられたシリコンスチールまたはアモルファス(非晶質)金属製のコアとを有する。変圧器コアは、中にコイルが配置された矩形のウインドウを画成する略矩形の形状を有する。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
時々、コイルの環状の形状は、コイルのウインドウが関連するとき、コアとコイルとの間の不整合、即ち、矩形のウインドウの形状が中に配置されるコイルの部分の形状に合致しないという不整合が生じる。コアとコイルとの間のこの不整合は、もし、変圧器がコアとコイルの形状に緊密に合致する場合に必要とされる場合よりも変圧器の寸法とコストを非常に大きくする。
【0004】
配電変圧器に使用される巻かれたコア、シリコンスチールまたはアモルファス金属は、断面が矩形であり、コイルの丸い形状には適合しない。他方で積み重ねられたシリコンスチールは、コイルの環形状とほぼ合致することができる十字形状の断面を有する。アモルファス金属ストリップを種々の幅に鋳造し切断する大きな費用によって、十字形の断面を備えた積み重ねられた金属コアを形成することは非現実的である。これらの理由によって、巻かれるか積み重られるアモルファス金属性のコアを備えた乾式配電変圧器の製造において、コアの断面形状(即ち、矩形)及びコイルの断面形状(即ち、円形)は合致しない。コイル材料の使用は不経済で、変圧器の寸法は、大きすぎる。
【0005】
配電変圧器は、いろいろな場所に設置され、極端な環境条件、例えば、粒状物質(ごみ、ほこり等)、湿気、腐食性物質等のような極端な環境条件にさらされ、これは、変圧器の寿命、性能に悪影響を与える。開放し巻かれたコイルは、このような厳しい環境からの影響に関しては保護されていない。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は、巻かれた金属コアとほぼ矩形の樹脂で包囲された(encapsulated)コイルとを有する乾式配電変圧器を提供する。コアは、樹脂で包囲されたコイルの矩形の形状に緊密に合致する矩形の断面形状を有する。コイルの形状をコアの断面形状に合致させることによって、製造上廉価であり、抵抗は小さく、低損失であり、コイルを巻くためにコイル材料が少なくて済み、全体が丸いか円形のコイルを備えた変圧器よりさらにコンパクトな乾式アモルファス金属製配電変圧器が提供される。
【0007】
一般に、乾式配電変圧器は、直線部分を有する樹脂で包囲された矩形のコイルと、中に形成された矩形のコアウインドウを備えたアモルファス金属性のコアとを有する。コイル及びコアは、コイルの直線部分の形状が、コアのウインドウの形状に適合するような寸法及び形状である。コイル及びコアが組み立てられ配電変圧器を形成するときに、前記コイルの直線部分はコアウインドウ内に配置される。樹脂の包囲体は、厳しい環境条件に対してコイルを保護し、空気(押されるか、対流)が円滑に通過するコイルの外側の周りで円滑な一様な表面を提供することによってコイルの冷却特性を改良する。
【0008】
本発明の乾式配電変圧器は、耐久性があり、丈夫である。コイル及びコア材料は、製造コスト及び変圧器寸法を非常に低減する非常に経済的な方法で使用される。これらの特徴は、寸法、コスト及び性能が市場で受け入れられる配電変圧器において望ましい。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
図面の図1A及び図2Aを参照すると、本発明の第1の実施形態の2つの変形例が示されている。即ち、シェル型の単相配電変圧器(図1A)と、コア型の単相配電変圧器(図2A)とが示されている。シェル型の単相変圧器は、矩形の樹脂包囲コイル40と2つのアモルファス金属製のコア20とを有する。コア型の単相変圧器10は、2つの矩形の樹脂包囲コイル40及びアモルファス金属製のコア20とを有する。本発明の第2の実施の形態が図3Aに示される。
【0010】
この実施の形態において、シェル型の3相の配電変圧器10は、3つの矩形の樹脂包囲コイル40及び4つのアモルファス金属製のコア20を有する。次の詳細な説明は、シェル型の単相の実施形態に関するが、当業者は、このような説明は、図2A、2B、3A及び3Bに示されているコアタイプの単相及びシェルタイプの3相変圧器の実施形態に応用することができることは理解できよう。さらに、本発明及びその詳細な説明は、他の乾式配電変圧器の形状及び構成に適用することができる。したがって、シェル型の単相の変圧器の以下の説明は、例示としてのものであり、制限を目的とするものではないことを理解すべきである。
【0011】
この明細書で使用する「アモルファス金属」及び「アモルファス金属合金」は、長いレンジオーダーを欠き、液体または無機酸素ガラスについて見られるものと質的に同様のX線回折強度最大値を特徴とする金属合金を意味する。
アモルファス金属合金は、コア20を形成する際に使用されるのによく適している。なぜならば、それらは、次の特性の組み合わせを有するからである。即ち、(a)低ヒステリシス損、(b)低渦電流損、(c)低保持力、(d)高透磁率、(e)高い飽和値、(f)温度による透磁率の最小限の変化を有する。このような合金は、X線回折によって決定されるように少なくとも約50%のアモルファスである。
【0012】
好ましいアモルファス金属合金は、化学式M60-90、T0-15、X10-25を有するものを含み、ここで、Mは、鉄、コバルト、ニッケル成分の内の少なくとも1つの成分であり、Tは少なくとも1つの遷移金属成分であり、Xは、燐、ボロン、炭素成分のうちの少なくとも1つの成分である。Xの炭素、燐及び/又はボロンの80パーセントまでは、アルミニウム、アンチモニ、ベリリウム、インジウム、シリコン、及びスズによって置換される。アモルファス金属合金のような磁気装置のコアとして使用される材料は、通常使用される従来の多結晶金属と比較してすぐれた特性を示す。好ましくは、このようなアモルファス合金は、少なくとも85%のアモルファス、さらに好ましくは、少なくとも95%のアモルファスを含む。
【0013】
コアのアモルファス合金は、約10℃/秒の速度で融合体を冷却することによって形成される。種々の公知の技術は、迅速に焼き入れされた連続アモルファス金属ストリップを製造するために有効な技術である。コア20のストリップ材料は、アモルファス金属用の磁気コアに使用するとき、リボンの形態である。このストリップ材料は、冷却面またはある種の焼き入れ媒体に直接溶融金属を放出することによって準備される。このような処理技術は、製造コストを非常に低減する。なぜならば、中間のワイヤ牽引工程またはリボン形成工程は必要ではないからである。
【0014】
このようなコア20のアモルファス金属合金20は、特定の成分に依存して約200,000ないし約600,000psiの高い引っ張り強度を有することが好ましい。これは、多結晶合金と比較され、これは、焼きなまし条件で使用され、約40,000ないし80,000psiである。高引っ張り強度は、大きな遠心力が生じる適用においては重要な要因である。なぜならば、大きな強度の合金は変圧器の寿命を延長するからである。
【0015】
さらに、コア20を形成するために使用するアモルファス金属合金は、特定の成分に依存して25℃で約160ないし180microhm-cmの範囲で高い電気抵抗を呈する。通常の従来技術の材料は、約45ないし160microhm-cmの抵抗を有する。上述したアモルファス金属合金によって示される高い抵抗性は、コア損を低減する際の要因である渦電流損失を最小限にするためにACのアプリケーションで使用される。
【0016】
コア20を形成するためにアモルファス金属合金を使用する他の利点は、同じ金属成分の従来技術の組成の場合よりも低い保持力を得ることができ、さらに効果な大きな比率のニッケルと比較して比較的廉価な鉄をコア20に使用することができることである。
【0017】
コア20の各々は、マンドレル(図示せず)に連続的にストリップ材料を巻き、ストリップ材料に張力をかけて緊密に成形することによって形成される。巻きの数は、各コア20の所望の寸法に依存して選択される。コア20のストリップ材料の厚さは、0.00254cmないし0.00508cm(1ないし2ミル)のレンジである。ここで使用するアモルファス金属の比較的高い引っ張り強度によって、0.00254cmないし0.00508cm(1ないし2ミル)の厚さのストリップ金属を破損する心配なく使用することができることは理解できよう。なぜならば、渦電流が通過する半径方向の長さの単位当たり多数の境界があるからである。
【0018】
図1A及び図1Bを連続して参照すると、シェル型の単相乾式配電変圧器10は、2つのアモルファス金属製コア20及び包囲された矩形のコイル40とから成るコア/コイル組立体12を含む。また、変圧器10は、底部及び上部コイル支持体32,36をそれぞれ有する底部フレーム30及び上部フレーム34を含み、その中にコア/コイル組立体12が支持されるように取り付けられている。各コア20は、矩形の断面の形状を有する複数のアモルファス金属ストリップまたは層28に巻かれることが好ましい(図1B参照)。各コアは2つの長い側面24及び2つの短い側面26を有し、これらの側面は、矩形のコアウインドウ22を画定し、このウインドウ22内に本発明の矩形のコイル40の直線的な中間部分52が配置されている。アスペクト比、即ち、コア20の長い側面と短い側面24,26の間の関係がウインドウの高さ(即ち、長い側面24)対ウインドウの幅(即ち、短い側面26)の比として画定されており、約3.5対1及び4.5対1の間である。
【0019】
この好ましいコアの構造によってコア20を製造するために必要なアモルファス金属の巻かれたストリップまたは層28の数を最小限にし、コイルの低い温度勾配を生じる。エポキシ樹脂(図示しない)の層は、コア20の高さを支持するために長い側面24に沿って適用される。最初のエポキシ層は、柔軟であり、コア20を有するアモルファス金属ストリップまたは層28の間を貫通する。連続したエポキシ樹脂の層は、所望の強度をコア20の長い側面24に付与するようにさらに剛性を有する。コア20は、通常の化学式Fe80B11Si9を有するアモルファスの金属リボンから製造されることが好ましい。このリボンは、商品名METGLAS合金SA-1としてAlliedSignal社によって販売されている。
【0020】
本発明のコイル40の所望の形状は略矩形である。しかしながら、コア20の矩形のウインドウ22内に嵌合される寸法及び形状であるほぼ中間部分52を含む限り、他の形状も本発明の範囲として考慮することができる。例えば、コイル40は、コアウインドウ22内には配置されていない丸い端部分54と、コアウインドウを貫通し、コアウインドウ内に配置されている直線的な中間部分52と、を有する、例えば、直線的な中間部分を備えた楕円である。
【0021】
さらに図1Bに示すように、本発明の矩形のコイル40は、絶縁材料44及び選択的に配置された冷却ダクトスペーサ46とともに巻かれた複数のコイル巻き線42を有する(図4及び図5参照)。コイル40の矩形の形状は、矩形の巻き線マンドレル60の周りにコイル部材(例えば、巻き線42及び絶縁材料44)を巻き、コイル巻き線42及び絶縁材料44を複数の同心層に巻くことによって得ることができる。好ましい実施形態において、絶縁材料44は巻きコイル40の最内層及び最外層を有し、隣接する巻かれたコイル巻き線42の間に電気的な絶縁を提供する。実質的に矩形のコイル溝56は、矩形の巻きマンドレル60を除去したときコイル40を通して長手方向に形成される。
【0022】
通常、コイルの巻き線材料がスプールに供給されるので、材料はコイルが巻かれた後、曲げ半径を保持し、コイル40を曲げ、巻き線材料の記憶によって全体が楕円形状をとる。不利なことに、これは、直線である中間部分52でコイルの成形寸法を増大し、コア20に適合するのにはコイルがあまりにも大きすぎる結果になる。したがって、コイルの巻き線42(及びコイル40)が巻きマンドレル60から除去された後、全体が矩形の形状を保持することを保証する必要がある。本発明によって提供される1つの解決法は、コイルの巻き線42の間に絶縁材料としてエポキシ樹脂が点在するクラフトペーパを用いることを含む。エポキシ樹脂は、コイルの巻き線42に付着され、硬化されるとき、巻き線材料が曲がる傾向に対向する剛性を巻き線42に付与する。別の例としては、巻き線フォーム62(図4及び図5参照)は、コイル40のコイル巻き線42のコーナーを形成する金属コーナー64を有し、コイル40は、マンドレル60に巻かれる。第3の解決法は、例えば、木製のブロック及びナイロンのハンマを用いて巻き線材料をマンドレル60の上に巻くとき、矩形のコイル40を成形することを含む。他の解決法は、巻きマンドレル60にコイル40を残し、コイル40が完全に巻かれた後、包囲する前にクランプの間に巻き線40の長い足を押すことを含む。コイル40に矩形の形態を加えることに加えて、この後者の解決法は、コイルの長い足を押すように作用し、ビルドアップ部分を最小限にすべき場所、即ち、ほぼ直線的な中間部分52の部分で巻き線と絶縁材料44との間のビルドアップ部分を最小限にする。
【0023】
完成したコイル40の寸法を最小限にするために、冷却ダクトスペーサ46がコイルの直線的な中間部分52に配置されない(及び冷却ダクト58が配置されない)。これは、周縁に連続した冷却ダクトを必要とする丸いまたは環状のコイルに明確な利点を提供する。したがって、スペーサ46の選択的な配置によって画定される周縁方向に不連続な冷却ダクトが、矩形のコイル40の端部部分54にのみ提供される。
【0024】
絶縁材料44は、間に電気絶縁を提供するためにコイルの巻き線42の隣接する層の間に配置され、(後述するエポキシ樹脂の包囲を考慮しない)コイル40の最外端層と最内端層を形成する。好ましい実施形態において、絶縁材料44は、デュポン社のNomexブランドのようなアラミド紙のシートから成る。本発明の精神または意図から逸脱せずに種々の他の絶縁材料を提供することは当業者には明らかである。
【0025】
絶縁材料の最内端及び最外端シートは、コイル40の長手方向の端部を越えて約12mm延びている。さらに、冷却ダクトスペーサ46の両側に配置された絶縁材料44は、コイル40の端部を約12mm越えて延びている。延長された絶縁材料のシートは、例えば、コイル40の(さらに詳細に説明する)包囲処理の間硬化していないエポキシ樹脂を含むように作用する。
【0026】
乾式タイプの配電変圧器の冷却は、対流か空気流の形成のいずれかである。空気の通過を可能にするようにコイルの巻き線の間に冷却ダクト58が必要である。冷却ダクトスペーサ46は、コイル40を巻くときにコイルの巻き線42の間に挿入され、(以下に詳細に説明するように)コイル40を包囲した後、取り除かれる。コア20のウインドウ22内に適合することを保証するためにコア40の巻き寸法を制御することが望ましいので、組み立てられた変圧器10のコアウインドウ22内(即ち、図1Bに明瞭に示すようにコイル40の長手方向遠位端で)に配置されないコイルの部分にのみ挿入されることが望ましい。したがって、コイル40の寸法は、コアウインドウ22内に配置された部分で制御され、それによってさらに小さい(即ち、狭い)コイル40を提供し、小さい配電変圧器を提供する。
【0027】
本発明のコイルの矩形の形状によって、矩形のコイルの周縁の周りの非連続的な冷却ダクト58の使用を可能にする。冷却ダクトを選択的に配置すること及び非連続の冷却ダクト58を周縁方向に提供することが望ましいことは、冷却コイル58がコイルの寸法を増大することを考慮すれば明らかである。これは、コイル40の直線的な中間部分52では望ましくない。本発明のコイルの全体の矩形の形状は、(丸いか環状の)直線的な側面を提供し、これは、コイル40の端部部分54で冷却ダクト58の選択的な場所を可能にする。
【0028】
低電圧コイルにおいて、電力配電変圧器の第2の巻き線として使用するようなコイルの巻き線42は、アルミニウムまたは銅のシートから成る(図4参照)。高電圧コイルにおいて、配電変圧器の1次巻き線として使用される高電圧コイルの場合、コイル巻き線42は、断面が矩形または円形の銅のワイヤから成る(図5参照)。低電圧及び高電圧コイルの双方において、コイル40は予め形成された角度形状を備えた金属コーナー64を有する巻き線形態62に関連して矩形のマンドレル60に巻かれている。本発明のほぼ矩形のコイル40は、低電圧または高電圧のコイルのみを有するか、または代わりに低電圧または高電圧コイルの双方を有する。巻きコイル40は、以下にさらに詳細に説明するように、エポキシ樹脂層50によって完全に含まれ、包囲される。
【0029】
図4及び図5を参照すると、低電圧及び高電圧の場合、本発明によって形成された矩形のコイル40が示されている。図4に示される低電圧コイル40は、例えば、全体が矩形の巻きマンドレル60の周りで銅またはアルミニウムのシートのようなコイル巻き線42によって形成される。巻き線42の隣接した層を電気的に絶縁するために、絶縁材料44がその間に挿入される。この絶縁材料44は、巻きコイルの内層及び最外層を有する。冷却ダクト58は、コイル40が巻かれるときコイル巻き線42の間に冷却ダクトスペーサ46を挿入することによって巻きコイル40に設けられる。スペーサ46は、コイル40を包囲した後取り除かれ、冷却ダクト58は、取り除かれたスペーサ46によってつくられたキャビティによって画定されている。図5に示す高電圧コイル40は、コイルの巻き線42が矩形のマンドレル60の周りで螺旋またはディスク形状の矩形または丸い銅のワイヤを有することを除いて図4の低電圧コイル40と同じ方法で形成されている。
【0030】
本発明のコイル40は、図6に示すような収納容器70を使用してエポキシ樹脂層50に包まれる。容器70は、第1のシェル72a及び第2のシェル72bを有する容器シェル72と、容器コア74と、容器底部76とから成る。容器コア74は、第1と第2との容器コア74a、74bを有するか、別の例として、容器コア74は、本発明の矩形のコイル40が巻かれるか、形成される矩形の巻きマンドレル60を有する。第1及び第2の容器72a及び72bに設けられたブラケット78は、包囲処理中に2つの半分の容器を保持するために使用される。
【0031】
図6、図7及び図8を参照して包囲処理を詳細に説明する。巻かれたコイル470は収容容器70内に配置され、この容器70は硬化の後エポキシ樹脂の収縮を可能にするように約100mmによってコイル40の上方を越えて延びていることが好ましい。容器70及びコイル40は真空室80内に配置され、真空室80は、真空源80及びエポキシ源84に接続される。室80は、真空源82によってほぼ150トルまで真空とされる。部品ナンバ111−047,A/Bのようなマグノリア社によって販売されるタイプのビスフェノールAエポキシ樹脂のような低粘度エポキシ樹脂が収容容器70に導入され、それを完全に充填する。容器70がエポキシ樹脂で上方まで充填されるとき、真空室80はさらにほぼ20トルまで真空とされる。もしエポキシ樹脂の水準が真空室80内の上述した圧力の変化の間に低下する場合には、エポキシ樹脂がさらに追加される。収容容器70がエポキシ樹脂で完全に充填され、エポキシ樹脂の水準が容器70内で安定される場合には、エポキシ樹脂の水準は、容器70内で安定し、エポキシ樹脂はコイル40を完全に包囲し、取り囲むエポキシ樹脂層50を生じる。エポキシ樹脂が硬化した後、コイル40は、収容容器から取り除かれ、冷却ダクトスペーサ46はコイル40から取り除かれる。
【0032】
ほぼ矩形の樹脂包囲コイル40は、ほぼ矩形の断面及び全体が矩形のコアウインドウ22を有する巻かれたアモルファス金属製コア20とともに使用される。コイル40のほぼ直線部分52は、コアウインドウ22内に配置され、ウインドウ22の寸法及び形状に合致する。
【0033】
したがって、本発明は、矩形の断面形状及び矩形の樹脂包囲コイルを備えた巻かれたアモルファス金属製コアを有する乾式配電変圧器を提供する。包囲によってコイルを厳しい環境から保護し、コイルの絶縁装置を保護し、短絡条件の下でコイルの強度を改良し、空気が円滑に容易に通過するコイルの外側の周りで円滑で一様な表面を提供することによってコイルの冷却特性を改良する。さらに、コアの断面形状とコイルの形状を合致させることによって、製造において廉価で、抵抗が小さく、材料が少なくてすみ(コイルを巻くために必要とされるコイル材料が少ない)、ほぼ丸いか円形のコイルを有する従来技術の変圧器よりさらにコンパクトな乾式のアモルファス金属配電変圧器を提供する。
【0034】
したがって、本発明は、さらに経済的な方法で変圧器材料を使用し、製造コストを小さくし、変圧器全体の寸法を小さくする丈夫で耐久性のある乾式配電変圧器を提供する。
本発明を詳細に説明したが、特許請求の範囲によって定義されるような本発明の範囲ないで当業者によって変更及び変形が行われることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1Aは、コイルの一部を破断して示す本発明によって製造されたシェルタイプの単相変圧器の正面図、図1Bは、図1Aの線B−Bに沿った断面図である。
【図2】 図2Aは、本発明によって製造されたコアタイプの単相変圧器の正面図、図2Bは、本発明によって製造されたコアタイプの単相変圧器の断面図である。
【図3】 図3Aは、本発明によって製造された3相変圧器の正面図、図3Bは、図3Aの線B−Bに沿った断面図である。
【図4】 本発明による矩形のマンドレルの周りに巻かれた略矩形の低電圧コイルの斜視図である。
【図5】 本発明による矩形マンドレルの周りに巻かれた略矩形の高電圧コイルの斜視図である。
【図6】 本発明による略矩形のコイルを包囲する形状のエポキシ容器の斜視図である。
【図7】 中に矩形のコイルを備えた図6のエポキシ樹脂の平面図である。
【図8】 本発明によって製造されたコイルを包囲する包囲装置のブロック図である。
Claims (12)
- 乾式配電変圧器であって、
直線部分(52)を有する樹脂で包囲された複数の同心層から成る略矩形のコイル(40)と、
中に画定された矩形のコアウインドウ(22)を有するアモルファス金属製のコア(20)と、を備え、
前記コイル及び前記コアは、前記コイルの直線部分の形状が前記コアウインドウの形状に適合するような寸法及び形状であり、前記コイルの前記直線部分(52)は、前記コア及び前記コアが組み立てられて配電変圧器を形成するとき前記コアウインドウ(22)に配置され、
前記コイル(40)は、前記複数の同心層の隣接する同心層の間に画定される複数の冷却ダクト(58)を有し、前記冷却ダクトは、前記矩形のコイルの周りで周縁的に非連続的であり、前記直線部分(52)を含まない前記コイルの一部に配置されている乾式配電変圧器。 - 前記コイルが、更に導電性コイル巻き線と前記コイルの隣接する同心的な層の間に電気的な絶縁を提供する絶縁材料とを有する複数の略矩形の同心層と、前記コイルを包囲する樹脂層と、を有する請求項1の乾式配電変圧器。
- 前記コイル巻き線は、アルミニウム及び銅から成る材料のグループから選択された材料から成る請求項2の乾式配電変圧器。
- 前記樹脂層は、低粘度のエポキシ樹脂である請求項2の乾式配電変圧器。
- 前記低粘度樹脂はビスフェノールAエポキシ樹脂である請求項4の乾式配電変圧器。
- 前記コアは巻かれたコアである請求項1の乾式配電変圧器。
- 前記コアは、化学式M60−90、T0−15、X10−25を有するアモルファス金属合金からつくられ、ここで、Mは、鉄、コバルト、ニッケル成分の少なくとも1つの成分であり、Tは少なくとも1つの遷移金属成分であり、Xは、燐、ボロン、炭素成分のうちの少なくとも1つのメタロイド成分であり、炭素、燐及び/又はボロンの80パーセントまでは、アルミニウム、アンチモニ、ベリリウム、インジウム、シリコン、及びスズによって置換される請求項1の乾式配電変圧器。
- 前記コアウインドウは、約3.5対1より大きいアスペクト比を画定する請求項1の乾式配電変圧器。
- 前記コアウインドウは、3.5対1と4.5対1との間のアスペクト比を画定する請求項1の乾式配電変圧器。
- 前記コイルは、低電圧コイルである請求項1の乾式配電変圧器。
- 前記コイルは高電圧コイルである請求項1の乾式配電変圧器。
- 前記コイルは、低電圧コイルと高電圧コイルとを有する請求項1の乾式配電変圧器。
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