JP5187974B2 - サボニウス型風力発電装置とサボニウス型風車 - Google Patents

Description

本発明は、風力エネルギーを電気エネルギーに変換する風力発電技術に関し、詳しくはサボニウス型風力発電装置と、該サボニウス型風力発電装置に使用されるサボニウス型風車に関する。

従来から提案されているサボニウス型風車は、特許文献１に開示されているように、回転可能に支持された垂直軸に対して点対称に円弧面を有する一対のブレードを固着し、各ブレードに垂直軸に平行なスリットを穿孔し、ブレード回転軸の渦流を小さくするものや、特許文献２に示されるように、ブレードに相当する円弧状の受風板を入力軸（垂直軸）に対して上下二段に渡ってそれぞれ点対称に接合したものなどである。
一方、曝気装置に使用される二対のサボニウス型風車が、それぞれ帯同士相互を互いに回転方向を反対にして対毎のシャフトの下方に連結された撹拌部材を互いに反対方向に回転させて装置全体の回転を抑制する技術が、特許文献３に開示されている。
前記の特許文献１、２の技術からは、翼形の形態の異なるブレードの組み合わせによる高トルク発現の技術思想は創出できないものである。
また、特許文献３に開示された技術は、各一対のサボニウス型風車が、同方向に回転し入力された風力エネルギーを下方のスクリューに伝達するに過ぎず、両風車から得られる風力エネルギーを集合して発電機へ入力する技術は、何ら開示されていないものである上、ブレードの翼形も一般的に公知なものである。
さらに、風車の風向方向制御としては、特許文献４や特許文献５に開示されているように、尾翼による制御である。
また、風車の過回転制御としては、特許文献６に提案されているように、風車翼の翼ピッチ角度を変えるものや、特許文献７に提案されているように、ブレードの回転を停止させるものなどである。
このような特許文献４乃至７に提案された風向制御技術や過回転制御技術は、ボックス内に収納される一対のサボニウス型風車には採用できない技術である。

特開平６−３２３２３７号公報 特開２００５―８３２０６号公報 実用新案登録第３１３１００７号 特開２００６―１３２５１４号公報 特開２００６―３２２３８３号公報 特開２００８―１８４９３２号公報 特開２００７―０４６５７５号公報

本発明は、ボックスに収める風車により、風力エネルギーを回収でき、ボックス自体をコンパクトに風向方向制御できるとともに、強風時の前記風車の過回転制御を簡易にして、風力エネルギーを効率的に電気エネルギーに変換できるサボニウス型風力発電装置と、該サボニウス型風力発電装置に用いられるサボニウス型風車の提供をその目的とするものである。

上記課題を達成するための本発明の請求項１に記載したサボニウス型風力発電装置は、風車と、風向方向制御部と、過回転制御部と、動力伝達装置と、発電機と、タワーとを構成要素とする風力発電装置において、
前記風車が、タワー頂部で動力伝達装置の出力軸を中心に回転自在に軸支される風車装置のボックス内に対設されるとともに、左右の導風路から各個に風力が導入され、各個の回転方向が相互に逆回転状に軸支され、両者の回転力が前記ボックス下面に垂下される差動歯車装置に伝達されて成る一対のサボニウス型風車から成り、
前記風向方向制御部が、風車装置のボックスの回転中心（前記出力軸中心）から前方所要位置で左右側方に開口される導風路と、該回転中心から該導風路始端までの側面の面積より、該回転中心から後端までの側面の面積を大にしてボックスを風上に回動する面積比で形成して成る側板と、ボックスの左右方向中心を頂点として左右に導風斜面を形成する山形受風突起部とから成り、
前記過回転制御部が、風車装置のボックスにおける前記山形受風突起部の両導風斜面の中間部の上下に配設される軸受と、該軸受に軸支される支軸と、該支軸に一体で導風路を開閉自在に閉塞するとともに、風車の回転側へ風力を導く風導板と、前記支軸を駆動する駆動源とから成り、
前記動力伝達装置が、両サボニウス型風車のそれぞれの垂直回転軸にその一方が軸着され、他方が水平軸に軸着される傘歯車対と、各水平軸がそれぞれ入力軸となる差動歯車装置と、該差動歯車装置の出力軸と発電機の入力軸間に接合される増速機とから成る。
請求項２に記載した発明は、請求項１に記載したサボニウス型風力発電装置において、
前記サボニウス型風車が、複数のブレードを垂直回転軸に対して点対称に配設して成るサボニウス型風車において、
前記ブレードが、円弧状のブレードと舟底状のブレードとの交互に配設される２形態の翼形の各２枚から成り、一方の円弧状のブレードの内面と他方の舟底状のブレードの外面との下端間に、一方の舟底状のブレードの内面に直角な絞り流路が形成される。
請求項３に記載したサボニウス型風車は、
複数のブレードを垂直回転軸に対して点対称に配設して成るサボニウス型風車において、
前記ブレードが、円弧状のブレードと舟底状のブレードとの交互に配設される２形態の翼形の各２枚から成り、一方の円弧状のブレードの内面と他方の舟底状のブレードの外面との下端間に、一方の舟底状の内面に直角な絞り流路が形成される。

本発明のサボニウス型風力発電装置によれば、ボックス内で左右に対設されるサボニウス型風車は、相互に回転方向が逆回転となるように配設されるから、受風姿勢では相互の回転力による反力が相殺されてボックスにはブレがなく、安定した受風姿勢で風力エネルギーを取得できるものであり、かつ、両サボニウス型風車からの回転エネルギーは、風導板により両風車のそれぞれ外方側へ風力が導風される上、両者の回転数の平均回転数として差動歯車装置の出力軸から回転効率よく出力されるから、トルク大にして増速機に入力され、増速機による回転速度の増速も容易となって発電機に入力されるので、抗力風車の特徴が引き出されて効率的な発電を実現できる効果がある。
また、風向きの変動に対しては、ボックスの回転中心（前記出力軸中心）に対するボックスの側板面積比による風上姿勢に向かうトルクの発現と、風向側の導風路から導風される風力によって回転するサボニウス型風車の回転力により誘発されるトルクの発現とによってボックスを自動的に風上姿勢に向かわせるものである。
さらに、過回転制御部では山形受風突起部の斜板（導風斜面）に開口する各導風路が風導板で閉塞されるから、内部の両サボニウス型風車の過回転が防止されるとともに、ボックス自体も前記山形受風突起部により風圧抵抗がボックスの回転中心に対して左右にバランスして負荷されるためブレることなく、風上に追従するのみであるから、強風時のカットアウトが簡易となる。
一方、請求項３に記載したサボニウス型風車は、絞り流路における流体(風)の粘性抵抗によるトルクの発現と、該流路から噴出する風力と円弧状のブレードの外面から導入される風力とが、下方（一方）に位置取りされる舟底状のブレードの内面に略直角に滑りなく作用することによる高トルクの発現と、一度作用した風力がさらに、上方（他方）に位置取りされる舟底状のブレードの内面に略直角に滑りなく作用することによるトルクの発現とが、順次に繰り返されることにより、風力エネルギーを効率的に回転トルクとして入手できるものである。

本発明のサボニウス型風力発電装置の脚やタワーの一部を破断した状態の説明図である。 図１における風車装置の平面図である。 本発明における動力伝達装置に用いられる差動歯車装置の説明図である。 本発明の風車装置に対設されるサボニウス型風車の横断面説明図である。 両風車との差動歯車装置との動力伝達の模式図である。 本発明の他の実施例のサボニウス型風力発電装置Ｂの正面図である。 図６の平面図である。

本発明のサボニウス型風力発電装置の一実施例を添付図面に基づいて、以下に説明する。
図１、図２に示すように、本発明のサボニウス型風力発電装置Ａは、風車装置３と、風向方向制御部５と、過回転制御部６と、動力伝達装置７と、発電機８と、タワー１とを構成要素とする。
前記タワー１頂部で動力伝達装置７の出力軸３５を中心に回転自在に軸支される風車装置３のボックス１４内に風車４，４０が対設されるとともに、左右の導風路１９，１９から各個に風力が導入され、各個の回転方向が相互に逆回転状に軸支され、両者の回転力が前記ボックス１４下面に垂下される差動歯車装置３３に伝達されて成る一対のサボニウス型風車から成り、
図２に示すように、前記風向方向制御部５が、風車装置３のボックス１４の回転中心（前記出力軸中心）１８から前方所要位置で左右側方に開口される導風路１９，１９と、該回転中心１８から該導風路１９，１９始端までの側面の面積より、該回転中心１８から後端までの側面の面積を大にしてボックス１４を風上に回動する面積比で形成して成る側板１１，１１と、ボックス１４の左右方向中心を頂点として左右に導風斜面を形成する山形受風突起部１２とから成り、
前記過回転制御部６が、風車装置３のボックス１４における前記山形受風突起部１２の両導風斜面の中間部の上下に配設される軸受２０，２０と、該軸受２０，２０に軸支される支軸２１，２１と、該支軸２１に一体で導風路１９，１９を開閉自在に閉塞するとともに、風車４，４０の回転側へ風力を導く風導板２２，２２と、前記支軸２１，２１を駆動する駆動源２３，２３とから成り、
図１に示すように、前記動力伝達装置７が、両サボニウス型風車４，４０のそれぞれの垂直回転軸３５にその一方が軸着され、他方が水平軸３４，３４に軸着される傘歯車対３２，３２と、各水平軸３４，３４がそれぞれ入力軸となる差動歯車装置３３と、該差動歯車装置３３の出力軸３５と発電機８の入力軸間に接合される増速機３６とから成る。
本発明のサボニウス型風力発電装置における一対のサボニウス型風車４，４０が、ボックス１４を介してタワー１の頂部で風上に向けてその受風姿勢が自動的に制御されるには、動力伝達装置７における差動歯車装置３３の出力軸３５において、ボックス１４全体（風力装置）を回転自在に支持するとともに、該出力軸３５を安全かつ安定的に軸支しなければならないから、ボックス１４全体（風車装置全体）を旋回軸受で軸支するものから、前記出力軸３５を含む近傍を軸受メタルで支持するとともに、ボックス１４の下面を下端に滑動ボール３９を備えた脚３８で安定的にバランスよく支持して旋回自在とするなどである。
また、過回転制御部６で使用される駆動源２３、２３としては、旋回系に存在するものであるから、油圧や空圧によるアクチュエータではスイベルジョイントを介することとなり、モータによるものでは一般商用電源によるもののほか、太陽光発電により駆動されるものから、風力発電による電力の一部で旋回接点を介して駆動されるものなどである。
さらに、本発明のサボニウス型風車における異形翼形ブレード間に形成される絞り流路は、平行なものから絞りテーパ状のものまで選択される。

次に、本発明のサボニウス型風力発電装置Ａの一実施例をより詳細に説明する。
図１に示すように、タワー１と、該タワー１の頂部２で３６０°全方位に回転自在に支持される風車装置３と、該風車装置３に配設される一対のサボニウス型風車４、４０と、風向方向制御部５と、過回転制御部６と、動力伝達装置７と、発電機８とを構成要素として成る。
そこで、先ず風車装置３について説明すると、図２の平面視でその輪郭を示すボックス１４は、外郭五角形状の上板９と下板１０、及び両板９、１０の左右平行な側面に接合される各側板１１と、前方の山形受風突起部１２を形成すべく前記両板９、１０の山形状の両導風斜面に接合される各斜板１３とから成る。
このようにして成るボックス１４には前記したサボニウス型風車４、４０が、その垂直回転軸１５において、相互に回転方向を逆回転状に上板９と下板１０に配設される各軸受１６、１７に軸支される。そして、前記の両垂直回転軸１５にはそれぞれその下端に直角な傘歯車対３２の一方の大傘歯車が接合され、他方の小傘歯車はボックス１４の下面に接合垂下される差動歯車装置３３の各水平軸（入力軸）３４に接合され、この差動歯車装置３３の出力軸３５はタワー１の頂部２に設けた軸受メタル３７で軸支される。
また、ボックス１４の下面４個所の均等部位に垂下された脚３８の伸縮自在部３１の下端には滑動ボール３９を回転自在に装着して、風車装置３を安定的に、かつ軽やかにして旋回自在に支持して成る。
なお、ボックス１４は下面に垂下される垂直回転軸１５に係る動力伝達部は、仮想線で示すように、円筒状のカバーで被覆されるものである。

ここで、本発明の特徴である風向方向制御部５について説明すると、図２に示すように、ボックス１４の回転中心１８から前方所要位置で左右側方に開口される導風路１９と、該回転中心１８から該導風路１９の始端までの側面の面積より該回転中心１８から後端までの側面の面積を大にしてボックス１４を風上に回動する面積比で形成して成る側板１１と、ボックス１４の左右方向の中心を頂点として左右に導風斜面（斜板１３による）を形成する山形受風突起部１２とから成る。
前記風向方向制御部５が左右何れかの一方から側方へ風圧を受けると、側板１１の面積比により風上に向かうトルクが発現し、併せて風向方向の導風路１９から導風される風力は、その側のサボニウス型風車４又は４０を回転することとなり、その駆動力がボックス１４の風上に向かうトルクを発現させ、このような作用でボックス１４はタワー１の頂部２で自動的に風上に正対するまで回転される。
さらに、風上に正対後はその風力が図２の矢印に示すように、山形受風突起部１２の左右の斜板１３に沿って導風路１９に導風され、両サボニウス型風車４、４０の中心より外側半分に導風され、両サボニウス型風車４、４０の中心より内側半分には導風されないので、導風された風が両サボニウス型風車４、４０の回転の抵抗とならない。
しかも、風導板２２により各風車４、４０の外方側へ案内されるからボックス１４の安定した受風姿勢で両サボニウス型風車４、４０が回転効率よく相互に逆回転される。

次に、過回転制御部６について説明すると、この過回転制御部６は、前記山形受風突起部１２の斜板１３の導風路１９側の上下に接合される軸受２０と、該軸受２０に軸支される支軸２１と、該支軸２１に一体で導風路１９を開閉自在に閉塞する風導板２２と、支軸２１を駆動する駆動源（モータ等）２３とから成り、強風時などでカットアウト風速（通常１５〜２０ｍ／ｓ）が発現したときは、適宜なセンサーの指令で駆動源２３により支軸２１を駆動し、風導板２２でボックス１４の内側から各風導路１９を閉塞し、両サボニウス型風車４、４０に強風が作用しないように保護するとともに、風上に向けて山形受風突起部１２の中心から左右の斜板１３に導風されるバランスによって風車装置３も回転することなく、過回転制御部６によって強風対策が成されるものである。
すなわち、過回転制御部６では山形受風突起部１２の斜板（導風斜面）１３に開口する各導風路１９が風導板２２で閉塞されるから、内部の両サボニウス型風車４，４０の過回転が防止されるとともに、ボックス１４自体も前記山形受風突起部１２により風圧抵抗がボックス１４の回転中心に対して左右にバランスして負荷されるためブレることなく、風上に追従するのみであるから、強風時のカットアウトが簡易となる。

一方、前記した風車装置３に使用される本発明のサボニウス型風車４、４０について説明すると、図４に示すように、垂直回転軸１５の上部に接合される上端板（図１で示す）２４と、該上端板２４に対して所要間隔で前記垂直回転軸１５の下部に接合される下端板２５にその上下端が接合されるブレードは垂直回転軸１５に対して点対称に２形態の翼形で交互に４枚（各２枚）配設される。
そこで、両風車４、４０は左右対称の配置であるから、左方のサボニウス型風車４について２形態のブレードを説明する。
すなわち、一方の円弧状のブレード（以下、円弧ブレードという。）２６と該円弧ブレード２６に対して９０°の位相で異形翼形の一方の舟底状のブレード（以下、舟底ブレードという。）２７とを配設し、さらに、前記一方の円弧ブレード２６に対して垂直回転軸１５に点対称に同形翼形の他方の円弧ブレード２８を配設し、さらに、前記一方の舟底ブレード２７に対して垂直回転軸１５に点対称に同形翼形の他方の舟底ブレード２９を配設するものであるが、この状態で、一方の円弧ブレード２６の内面（凹面）と他方の舟底ブレード２９の外面との下端間に、一方の舟底ブレード２７の内面に直角に対面する絞り流路３０が形成されるものである。
したがって、一方の円弧ブレード２６の外面（凸面）から導入される風力も、前記絞り流路３０から噴出される風力も一方の舟底ブレード２７の内面に矢印で示すように略直角に滑りなく作用すること、及び前記絞り流路３０における粘性抵抗が作用すること、さらには一度作用した風力が他方の舟底ブレード２９の内面に作用することなどによって高トルクが発現し、前記の作用が円弧ブレード２８と舟底ブレード２７及び舟底ブレード２９との関係においても成立され、順次に繰り返されるから、風力エネルギーが効率的に回転トルクとして入手され得るものである。

このようにして成るサボニウス型風車４は量産され、風車装置３のボックス１４の左方には該サボニウス型風車４が配設され、右方にはサボニウス型風車４の天地を逆にしたサボニウス型風車４０が配設されるものであり、左方のサボニウス型風車４ではボックス１４の左方の導風路１９から導入される風力が該風車４を矢印で示すように左回転し、右方のサボニウス型風車４０ではボックス１４の右方の導風路１９から導入される風力が該風車４０を矢印で示すように右回転し、発電時の両風車４、４０の回転反力は相殺されて全体として風車装置３はブレることなく、その受風姿勢が安定的に保持されるものである。
このように風車装置３において、風力エネルギーによって両風車４、４０は回転され、動力伝達装置７を介してその回転エネルギーが発電機８に入力電気エネルギーに変換されるものである。

ここで、前記した動力伝達装置７について詳述すると、図３、図５に示すように、該動力伝達装置７は両風車４、４０の各垂直回転軸１５の下端に配設される傘歯車対３２と、ボックス１４の下面に接合垂下される差動歯車装置３３と、該差動歯車装置３３と前記傘歯車対３２とを連接する水平軸（入力軸）３４と、差動歯車装置３３の出力軸３５と発電機８の入力軸間に連接される増速機３６とから構成される。
したがって、両風車４、４０から投入される風力エネルギーは、両垂直回転軸１５から傘歯車対３２に伝達されて差動歯車装置３３の両水平軸３４に入力され、両者に回転数の平均回転数で差動歯車装置３３の出力軸３５から出力され、高トルクの状態で増速機３６に入力されるものである。
図４では説明し易くする便宜上、両風車４、４０の姿勢を左右対称に示したが、実際の運転時（発電時）では、両風車４、４０への風力の作用差によってその静止姿勢は別々である。
なお、本実施例で示したサボニウス型風車４、４０は、２形態の翼形を特徴とするタイプのものであるが、本発明のサボニウス型風力発電装置Ａにおいては、一般的な公知のサボニウス型風車も採用され得ることは勿論である。

次に、他の実施例である、前記の風車装置３の回転中心１８と、動力伝達装置７の伝達系の形態を別形態としたサボニウス型風力発電装置Ｂを説明する。
このものは図６、図７に示すように、タワー１は円柱状にしてその上部に、前記と同様の風向方向制御部５と過回転制御部６と導風路１９と風導板２２と一対のサボニウス型風車４、４０を備えた風車装置３、すなわちボックス１４を３６０°全方位回転自在に軸支する支軸４１が立設される。
前記風車装置３はボックス１４における一対のサボニウス型風車４、４０の両垂直回転軸１５、１５の中間（前記差動歯車装置３３の出力軸３５の中心）より所要寸法前方（重心より前方）で左右方向中心線上の上板９と下板１０の部位に取着される両軸受４２、４３を介して支軸４１に軸支される。
前記風向方向制御部５は、風力が図７の矢印に示すように、山形受風突起部１２の左右の斜板１３に沿って導風路１９に導風され、両サボニウス型風車４、４０の中心より外側半分に導風され、両サボニウス型風車４、４０の中心より内側半分には導風されないので、安定した受風姿勢で両サボニウス型風車４、４０が回転効率よく相互に逆回転される。
一方、動力伝達装置７の伝達系は、タワー１の支軸４１に軸支される風車装置３に収められるものであり、両サボニウス型風車４、４０の回転力は各垂直回転軸１５より各傘歯車対３２を経てそれぞれの水平軸３４より差動歯車装置３３に入力され、該差動歯車装置３３の出力軸３５に軸着されたタイミングプーリ４４から増速機３６の入力軸４５に軸着されたタイミングプーリ４６へ両者に噛合したタイミングベルト４７を介して伝達され、さらに、増速機３６の出力軸からカップリング４８を介して発電機８の回転軸に伝達されて成る。
ここに、増速機３６と発電機８はボックス１４の下板１０に設けた台座４９に垂下されたものであるが、これに限定するものではなく、かご型の枠体を垂下してその枠体の底板に正常な姿勢（天地逆向きではなく）で取り付けたり、或いはボックス１４の上板９の上板９の上面に傘歯車対３２、差動歯車装置３３を含み、増速機３６と発電機８を設けて伝達系を構成させることもできる。

このようにして成るサボニウス型風力発電装置Ｂは、風車装置３における一対のサボニウス型風車４、４０の回転力が、回転系内に収められた発電機８に前記の動力伝達装置７を介して伝達され、風力エネルギーを電気エネルギー変換するものであるが、得られた電気エネルギーはタワー１の周面に設けられたスリップリング等の集電装置（図外）から一般的な給電装置（図外）を介して地上に配電されるものである。
なお、前記のタイミングプーリ４４、４６をスプロケットホイールとし、タイミングベルト４７を両スプロケットホイールに噛合するチェーンとすることもできる。

本発明のサボニウス型風力発電装置は、風車装置がコンパクトな簡易構造である上、一対のサボニウス型風車からの回転力を発電機に入力することによって効率的な発電を達成できること、及びボックス自体により風向方向制御できるとともに、強風時の前記風車の過回転制御も簡易であるから、構造上の耐久性の点でも優れていることなどで風力発電業界の活性化に貢献できる。
また、本発明のサボニウス型風車も、２形態の翼形の組み合わせに特徴を有し、高トルク発生の技術によって風車製造業界にも貢献できるものである。

１ タワー
２ 頂部
３ 風車装置
４、４０ サボニウス型風車
５ 風向方向制御部
６ 過回転制御部
７ 動力伝達装置
８ 発電機
９ 上板
１０ 下板
１１ 側板
１２ 山形受風突起部
１３ 斜板
１４ ボックス
１５ 垂直回転軸
１６、１７ 軸受
１８ 回転中心
１９ 導風路
２０ 軸受
２１ 支軸
２２ 風導板
２３ 駆動源
２４ 上端板
２５ 下端板
２６、２８ 円弧ブレード
２７、２９ 舟底ブレード
３０ 絞り流路
３１ 伸縮自在部
３２ 傘歯車対
３３ 差動歯車装置
３４ 水平軸
３５ 出力軸
３６ 増速機
３７ 軸受メタル
３８ 脚
３９ 滑動ボール
４１ 支軸
４２、４３ 軸受
４４、４６ タイミングプーリ
４５ 入力軸
４７ タイミングベルト
４８ カップリング
４９ 台座
Ａ、Ｂ サボニウス型風力発電装置

Claims (2)

1. 風車と、風向方向制御部と、過回転制御部と、動力伝達装置と、発電機と、タワーとを構成要素とする風力発電装置において、
   前記風車が、タワー頂部で動力伝達装置の出力軸を中心に回転自在に軸支される風車装置のボックス内に対設されるとともに、左右の導風路から各個に風力が導入され、各個の回転方向が相互に逆回転状に軸支され、両者の回転力が前記ボックス下面に垂下される差動歯車装置に伝達されて成る一対のサボニウス型風車から成り、
   前記風向方向制御部が、前記風車装置のボックスの前記出力軸中心から前方所要位置で左右側方に開口される導風路と、前記出力軸中心から前記導風路始端までの側面の面積より、前記出力軸中心から後端までの側面の面積を大にして前記風車装置のボックスを風上に回動する面積比で形成して成る側板と、前記風車装置のボックスの左右方向中心を頂点として左右に導風斜面を形成する山形受風突起部とから成り、
   前記過回転制御部が、前記風車装置のボックスにおける前記山形受風突起部の両導風斜面の中間部の上下に配設される軸受と、該軸受に軸支される支軸と、該支軸に一体で導風路を開閉自在に閉塞するとともに前記風車の回転側へ風力を導く風導板と、前記支軸を駆動する駆動源とから成ることを特徴としてなるサボニウス型風力発電装置。
2. 前記サボニウス型風車が、複数のブレードを垂直回転軸に対して点対称に配設して成るサボニウス型風車において、
   前記ブレードが、円弧状のブレードと舟底状のブレードとの交互に配設される２形態の翼形の各２枚から成り、一方の円弧状のブレードの内面と他方の舟底状のブレードの外面との下端間に、一方の舟底状のブレードの内面に直角な絞り流路が形成されることを特徴としてなる請求項１記載のサボニウス型風力発電装置。

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