JP5568192B1 - 高圧放電ランプ、およびその点灯方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発光管部内で水銀が析出（凝縮）するような点灯状態を維持しつつ、発光管部の内壁に著しい黒化が生じるのを回避できる高圧放電ランプおよびその点灯方法を提供する。
【解決手段】内部空間１６を有する発光管部１２と、内部空間１６において対向配置された一対のタングステン電極２０と、内部空間１６に封入された水銀２４およびハロゲン２６とで高圧放電ランプ１０を構成する。そして、ハロゲン２６を、水銀２４の一部が気化せずに析出しているときに適正なハロゲンサイクルが成立するように、内部空間１６の容積に対して過剰に封入することにより、上記課題を解決できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光管部の内壁に著しい黒化が生じるのを回避できる高圧放電ランプ、およびその点灯方法に関する。

高圧放電ランプは、１個のランプから得られる光量が非常に多いといった特性を有しており、プロジェクター等に広く用いられている。高圧放電ランプは、石英ガラス製の発光管部の内部空間に一対の電極が配設されているとともに、当該内部空間に水銀が封入されており、電極間に電圧を加えてアーク放電を生じさせることにより、蒸発した水銀が励起されて光を発するようになっている。

特表２００８−５２７４０５号公報

特許文献１では、プロジェクターにおいて、高いコントラストを得る目的から、画像コンテンツの輝度パラメータに応じて供給電力を変更し、全動作時間の少なくとも一部で、高圧放電ランプの発光管部内で水銀が析出（凝縮）する「飽和動作方式」と、同発光管部内で全ての水銀が蒸発する「不飽和動作方式」とを、切り替えるようになっている。

このように「飽和動作方式」と「不飽和動作方式」とを切り替えなければいけないのは、飽和動作方式で発光管部内に水銀が大量に析出すると発光管部の内壁に黒化が生じる原因となり、アーク放電部分から放出される光を遮って照度が低下するとともに、発光管部の局所的な温度上昇をもたらして当該発光管部の破裂や損傷の原因になるおそれがあるからである。

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みて開発されたものである。それゆえに本発明の主たる課題は、高圧放電ランプの発光管部内で水銀が析出（凝縮）するような点灯状態を維持しつつ、発光管部の内壁に著しい黒化が生じるのを回避できる高圧放電ランプ、およびその高圧放電ランプの点灯方法を提供することにある。

（１）
本発明の一局面によれば、
内部空間を有する発光管部と、
前記内部空間において対向配置された一対のタングステン電極と、
前記内部空間に封入された水銀およびハロゲンとを有する高圧放電ランプにおいて、
前記ハロゲンは、前記水銀の一部が前記内部空間において気化せずに析出しているときに適正なハロゲンサイクルが成立するように前記内部空間の容積に対して過剰に封入されている高圧放電ランプが提供される。

（２）
水銀の封入率は０．３３ｍｇ／ｍｍ³以上０．４９５ｍｇ／ｍｍ³以下であり、ハロゲンの封入率は１０×１０^-4μｍｏｌ／ｍｍ³以上１００×１０^-4μｍｏｌ／ｍｍ³以下であることが好適である。

（３）
さらに言えば、水銀の封入率は０．３３ｍｇ／ｍｍ³以上０．４９５ｍｇ／ｍｍ³以下であり、ハロゲンの封入率は２０×１０^-4μｍｏｌ／ｍｍ³以上５０×１０^-4μｍｏｌ／ｍｍ³以下であることが好適である。

（４）
さらに、高圧放電ランプにおける水銀の封入率を０．３３ｍｇ／ｍｍ³以上０．４９５ｍｇ／ｍｍ³以下にするとともに、ハロゲンの封入率を２０×１０^-4μｍｏｌ／ｍｍ³以上、５０×１０^-4μｍｏｌ／ｍｍ³以下とし、当該高圧放電ランプを７５０℃以上８７０℃以下の発光管部温度で点灯させるのが好適である。

（５）
あるいは、高圧放電ランプにおける水銀の封入率を０．３３ｍｇ／ｍｍ³以上０．４９５ｍｇ／ｍｍ³以下にするとともにハロゲンの封入率を５０×１０^-4μｍｏｌ／ｍｍ³以上１００×１０^-4μｍｏｌ／ｍｍ³以下とし、当該高圧放電ランプを５９０℃以上７５０℃以下の発光管部温度で点灯させるのが好適である。

高圧放電ランプの発光管部内で水銀が析出（凝縮）するような点灯状態においては、析出した水銀にハロゲンが取り込まれることから、発光管部の内部空間においてハロゲンサイクルに寄与できるハロゲンの量は析出した水銀の分だけ少なくなる。このようにハロゲンの量が少なくなることが、黒化の原因である。この点、本発明が適用された高圧放電ランプには、発光管部の内部空間の容積に対して過剰な量のハロゲンが封入されているので、水銀の一部が常に析出した状態を維持しても、ハロゲンサイクルが阻害されない。これにより、一部の水銀が析出した状態を維持しつつ、発光管部の内壁の著しい黒化も回避することができた。

本発明が適用された高圧放電ランプの一例を示す図である。 本発明が適用された高圧放電ランプを点灯させる点灯回路の一例を示す図である。

以下、本発明が適用された高圧放電ランプ１０、および、この高圧放電ランプ１０を点灯させる点灯回路１００の実施例について説明する。

最初に、高圧放電ランプ１０について説明する。高圧放電ランプ１０は、図１に示すように、石英ガラスで一体的に形成された発光管部１２と当該発光管部１２から延出する一対の封止部１４とを有しており、発光管部１２内には封止部１４によって密閉された内部空間１６が形成されている。また、各封止部１４内にはモリブデン製の箔１８が埋設されている。

さらに、一端が箔１８の一方端部に接続されているとともに他端が内部空間１６に配置されたタングステン製の一対の電極２０と、一端が箔１８の他方端部に接続されているとともに他端が封止部１４から外部へ延出する一対のリード棒２２とがそれぞれ設けられている。また、内部空間１６には、所定量の水銀２４およびハロゲン２６（例えば臭素）が封入されている。

高圧放電ランプ１０に設けられた一対のリード棒２２に所定の高電圧を印加すると、発光管部１２の内部空間１６に設けられた一対の電極２０間で開始したグロー放電がアーク放電に移行し、このアークによって蒸発/励起された水銀２４によって光が放射される。なお、図１中において参照番号２４が示す黒い部分は、析出した状態の水銀を示している。

ここで、高圧放電ランプ１０における発光管部１２の内部空間１６に封入された水銀２４の量、および、ハロゲン２６の量について説明する。実施例に係る高圧放電ランプ１０において、ハロゲン２６は、水銀２４の一部が気化せずに析出（凝縮）しているときに適正なハロゲンサイクルが成立するように、発光管部１２の内部空間１６の容積に対して従来の高圧放電ランプの場合よりも過剰に封入されている。ここでいう「従来の高圧放電ランプ」とは、発光管部の内部空間に封入された全ての水銀が蒸発した状態で、適正なハロゲンサイクルが成立するような量のハロゲンが封入されている高圧放電ランプを意味する。

ハロゲンサイクルについて簡単に説明する。通電によって高温になった電極２０から、当該電極２０を構成するタングステンが昇華する。昇華したタングステンは、発光管部１２の内壁面近傍でハロゲン２６と化合し、ハロゲン化タングステンを形成する。ハロゲン化タングステンは、気化した状態のままで電極２０付近に戻る。電極２０付近に戻ったハロゲン化タングステンが１４００℃以上に過熱されると、タングステンおよびハロゲンは互いに分離する。分離したタングステンは再び電極２０に戻る。また、分離したハロゲンは再び発光管部１２の内壁面近傍に戻り、別のタングステンと化合する。このようなハロゲンサイクルが継続的に行われることにより、電極２０から昇華したタングステンが発光管部１２の内壁面に付着して黒化現象を生じさせたり、電極２０が消耗したりすることが抑制される。換言すれば、発光管部１２の内部空間１６においてタングステンと結びつくことのできるハロゲン２６の量が適正でなければ、ハロゲンサイクルは阻害され、黒化現象や電極２０の消耗が急速に進むことになる。

ところで、水銀２４が発光管部１２の内部空間１６で析出したとき、ハロゲン２６は析出した水銀２４に取り込まれてしまい、上述したように昇華したタングステンと結びつくことができなくなる。

このため、従来の高圧放電ランプでは、発光管部の内部空間で水銀の一部が析出した状態を維持しつつ当該高圧放電ランプを通常点灯させることは考慮されていなかった。水銀一部が析出してしまうと、タングステンと結びつくことのできるハロゲンの量が減少し、ハロゲンサイクルが阻害されるおそれがあるからである。

本実施例の高圧放電ランプ１０では、上述のように、ハロゲン２６が予め過剰に封入されている。このため、発光管部１２の内部空間１６で水銀２４の一部が析出した状態を維持しつつ高圧放電ランプ１０を通常点灯させても、タングステンと結びつくことのできるハロゲンの量が適切であることから、ハロゲンサイクルは阻害されない。これにより、一部の水銀が析出した状態を維持しつつ、発光管部の内壁の著しい黒化も回避することができる。

また、従来の高圧放電ランプでは、不飽和動作から飽和動作に切り替わる度に水銀がどの位置に析出（凝集）するか判らなかった。このため、電極が不所望な形状に変化することによるアーク放電の起点のずれ（＝アークジャンプ）が発生してチラツキの原因となり、高圧放電ランプの商品としての寿命が短くなるおそれがあった。

さらに、従来の高圧放電ランプでは、不飽和動作方式から飽和動作方式に切り替えられて水銀が析出したとき、この水銀が発光管部内のどこに析出してくるかは不明であり、仮に、高圧放電ランプを適用したプロジェクターにおいて光学的に重要な光路上に水銀が析出した場合、投影した画像に水銀が写り込む事で著しい欠陥が生じるおそれがあった。

また、従来の高圧放電ランプでは、析出した水銀が大きくなっていく過程で、アーク放電による微振動や重力によって析出した水銀が発光管部内のより低い位置に向かって動くことがあり、このような動きが生じることにより、投影する画像に乱れが生じるおそれもあった。

しかしながら、封入した水銀の一部が発光管部の内部空間において常に析出した状態を維持することにより、当該水銀が存在する位置（最冷点）を固定化できる。このように水銀の位置を固定化することにより、当該位置に水銀が存在することを前提とした光学系の設計が可能となり、投影した画像に欠陥や乱れが生じるのを回避することができるようになる。また、水銀が存在する位置（最冷点）を固定化することにより、アークジャンプの発生を回避できるとともに、高圧放電ランプの長寿命化を図ることができる。

さらに、水銀の一部が常に析出した状態を維持する点灯は、封入した水銀を全て気化させる点灯に比べて、発光管部の内部空間の温度を低く設定できる。これにより、高圧放電ランプから放射される紫外線光が発光管部を構成する石英ガラスに吸収され難くすることができ、発光管部の白濁（失透）を遅らせることによって高圧放電ランプの長寿命化を図ることができる。

（実験データ）
次に、本発明の高圧放電ランプ１０において、水銀２４の封入率、ハロゲン２６の封入率、および、発光管部１２の温度を変化させた場合の実験結果について説明する。なお、本明細書において、「水銀の封入率」とは、発光管部１２に封入した水銀の重量（ｍｇ）を発光管部１２の内部空間１６の容積（ｍｍ³）で除した値（ｍｇ／ｍｍ³）をいう。また、本明細書において、「ハロゲンの封入率」とは、発光管部１２に封入したハロゲンの物質量（μｍｏｌ）を発光管部１２の内部空間１６の容積（ｍｍ³）で除した値（μｍｏｌ／ｍｍ³）をいう。

実験は、表１から表３に示すように、７２通りの条件で実施した。また、１通りの条件につき２セットの試料（高圧放電ランプ）を用意した。なお、実験に用いた高圧放電ランプ１０は、発光管部１２の内部空間１６の容積が５５ｍｍ³あるいは３３ｍｍ³、発光管部１２の内表面積が９１ｍｍ²、管壁負荷が２．２Ｗ／ｍｍ²、定格電力が２００Ｗである。なお、従来の高圧放電ランプにおける一般的なハロゲン封入率は、１×１０^-4μｍｏｌ/ｍｍ³である。

表１は、内部空間１６の容積が５５ｍｍ³で水銀の封入率を０．３３ｍｇ／ｍｍ³とした高圧放電ランプ１０において、ハロゲンの封入率と発光管部温度とを変化させたときの結果をまとめたものである。また、表２は、内部空間１６の容積が５５ｍｍ³で水銀の封入率を０．４９５ｍｇ／ｍｍ³とした高圧放電ランプ１０において、ハロゲンの封入率と発光管部温度とを変化させたときの結果をまとめたものである。さらに、表３は、内部空間１６の容積が３３ｍｍ³で水銀の封入率を０．３３ｍｇ／ｍｍ³とした高圧放電ランプ１０において、ハロゲンの封入率と発光管部温度とを変化させたときの結果をまとめたものである。

高圧放電ランプ１０を各条件で点灯させ、水銀２４の析出量を「小」、「中」、および「大」に分類した。また、照度が点灯開始時の９０％未満まで低下した状態、もしくは大きな黒化が発生した状態になるまでの累積点灯時間を測定した。累積点灯時間が２００時間に到達したときに、著しい黒化がなく、かつ、点灯開始時の９０％以上の照度を維持しており、さらに、アークジャンプの発生が認められなかったものを「ＯＫ」とし、その他を「ＮＧ」とした。

発光管部１２の内部空間１６の温度を直接測定することは難しいことから、本実験では、発光管部１２の上面（高圧放電ランプ１０を点灯させたときにおける、発光管部１２の鉛直上部の外表面）の温度を熱電対で測定した。本明細書では、このようにして測定された発光管部１２の上面の温度を「発光管部温度」という。

水銀２４は、発光管部１２の一方を封止部１４で封止した後、水銀２４を充填したシリンジで既定量の水銀２４を押し出して発光管部１２の内部空間１６に注入し、他方の封止部１４で当該内部空間１６を封止する方法にて発光管部１２の内部空間１６に封入した。また、実際に封入した水銀２４の重量は、水銀２４が入った状態のバルブ（一方の封止部１４が形成された状態の発光管部１２）の重量を測定した後、当該バルブを熱して水銀２４を完全に蒸発させ排出し、水銀２４が無い状態のバルブの重量を再度測定し、水銀２４を蒸発させる前後における重量差を水銀２４の重量として算出する方法で確認した。

ハロゲン２６には臭素（Ｂｒ）を用いた。このハロゲン２６は、発光管部１２の一方を封止部１４で封止した後、ハロゲン２６を発光管部１２の内部空間１６に入れ、他方の封止部１４で当該内部空間１６を封止する方法にて発光管部１２の内部空間１６に封入した。また、実際に封入したハロゲン２６の量は、イオンクロマトグラフ法にて確認した。

実験の結果、水銀２４の封入率を０．３３ｍｇ／ｍｍ³以上０．４９５ｍｇ／ｍｍ³以下、かつ、ハロゲン２６の封入率を２０×１０^-4μｍｏｌ／ｍｍ³以上５０×１０^-4μｍｏｌ／ｍｍ³以下とし、７５０℃以上８７０℃以下の発光管部温度で点灯させることにより、大きな黒化が生じることなく、長時間にわたって照度の低下を所定の範囲内に維持することができ、かつ、アークジャンプの発生も認められないことがわかった。

また、水銀２４の封入率を０．３３ｍｇ／ｍｍ³以上０．４９５ｍｇ／ｍｍ³以下、かつ、ハロゲン２６の封入率を５０×１０^-4μｍｏｌ／ｍｍ³以上、１００×１０^-4μｍｏｌ／ｍｍ³以下とし、５９０℃以上、７５０℃以下の発光管部温度で点灯させることにより、大きな黒化が生じることなく、長時間にわたって照度の低下を所定の範囲内に維持することができ、かつ、アークジャンプの発生も認められないことがわかった。

さらに、実験の結果から、水銀２４の封入率を０．３３ｍｇ／ｍｍ³以上０．４９５ｍｇ／ｍｍ³以下とし、かつ、ハロゲン２６の封入率を１０×１０^-4μｍｏｌ／ｍｍ³以上１００×１０^-4μｍｏｌ／ｍｍ³以下とした高圧放電ランプ１０であれば、点灯時の発光管部温度を適切に調整することで、大きな黒化が生じることなく、長時間にわたって照度の低下を所定の範囲内に維持することができ、かつ、アークジャンプの発生も認められないことがわかった。

より好適には、高圧放電ランプ１０における水銀２４の封入率を０．３３ｍｇ／ｍｍ³以上０．４９５ｍｇ／ｍｍ³以下とし、かつ、ハロゲン２６の封入率を２０×１０^-4μｍｏｌ／ｍｍ³以上５０×１０^-4μｍｏｌ／ｍｍ³以下とすることで、大きな黒化が生じることなく、長時間にわたって照度の低下を所定の範囲内に維持することができ、かつ、アークジャンプの発生も認められないことがわかった。

なお、発光管部温度の上限を８７０℃としたのは、８７０℃を超えると、高圧放電ランプ１０から放射される紫外線光が発光管部１２を構成する石英ガラスに吸収され易くなり、発光管部１２の白濁（失透）が生じるおそれがあるからである。

また、水銀２４の封入率を０．３３ｍｇ／ｍｍ³以上としたのは、水銀２４の封入率を０．３３ｍｇ／ｍｍ³未満にすると、発光管部温度を上限温度（＝８７０℃）にしたとき、全ての水銀２４が蒸発してしまうおそれがあるからである。

また、水銀２４の封入率を０．４９５ｍｇ／ｍｍ³以下としたのは、水銀２４の封入率が０．４９５ｍｇ／ｍｍ³を超えると、発光管部温度の上限（＝８７０℃）との関係で水銀２４の析出量が必要以上に多くなり、ハロゲン２６が水銀２４に過剰に取り込まれる。この結果、ハロゲンサイクルが阻害されて、発光管部１２に黒化が生じるおそれがある。理論上は、さらに過剰なハロゲン２６の封入率にすればハロゲンサイクルの阻害を回避できるように思える。しかしながら、高圧放電ランプ１０の製造時の歩留まりが悪化したり、過剰なハロゲン２６が電極２０を腐食させたりといった別の問題が生じる。このため、ハロゲン２６の封入率をさらに過剰にすることは困難である。

次に、本実施例に係る高圧放電ランプ１０を所望の発光管部温度で点灯させることのできる点灯回路１００について簡単に説明する。図２に示すように、点灯回路１００は、大略、電力供給回路１０２と、発光管部温度測定手段１０４と、点灯状態分析手段１０６とを備えている。

電力供給回路１０２は、電源１０３から受けた電気を高圧放電ランプ１０の点灯に適した電圧および電流に変換した上で、一対のリード線１０７を介して当該高圧放電ランプ１０に供給するための回路である。

発光管部温度測定手段１０４は、高圧放電ランプ１０における発光管部１２の温度を測定する手段である。本実施例において、発光管部温度測定手段１０４は、大略、発光管部１２の上側表面に接着剤を用いて接着された熱電対１０８と、熱電対１０８と組み合わせて用いられる熱電対温度計１１０と、熱電対温度計１１０で測定された温度データＴを点灯状態分析手段１０６に出力する温度データ出力線１１２とを備えている。なお、本実施例では、「Ｋ熱電対」が使用されている。

点灯状態分析手段１０６は、電力供給回路１０２による高圧放電ランプ１０の点灯状態をリアルタイムに分析し、その結果を電力供給回路１０２へ戻す役割を有している。本実施例において、この点灯状態分析手段１０６は、大略、一対のリード線１０７間に設けられた電圧計１１４と、いずれか一方のリード線１０７に設けられた電流計１１６と、分析回路１１８とを備えている。なお、分析回路１１８と電圧計１１４との間は、電圧値送信線１２０で連絡されている。分析回路１１８と電流計１１６との間は、電流値送信線１２２で連絡されている。分析回路１１８と電力供給回路１０２との間は、分析結果送信線１２４で連絡されている。

分析回路１１８は、電圧計１１４で測定された電圧値Ｖ、電流計１１６で測定された電流値Ａ、および、発光管部温度測定手段１０４からの温度データＴを受け取る。然る後、分析回路１１８は、受け取った温度データＴと、予め設定された発光管部温度（本実施例では、発光管部１２の鉛直上部の外表面温度）との温度差を計算する。

受け取った温度データＴが予め設定された発光管部温度よりも高い場合、分析回路１１８は、電力供給回路１０２に対し、分析結果送信線１２４を介して、高圧放電ランプ１０に供給する電流値Ａを低減させる分析結果信号Ｒを送信する。

逆に、受け取った温度データＴが予め設定された発光管部温度よりも低い場合、分析回路１１８は、電力供給回路１０２に対し、分析結果送信線１２４を介して、高圧放電ランプ１０に供給する電流値Ａを増加させる分析結果信号Ｒを送信する。

また、受け取った温度データＴが予め設定された発光管部温度と同じである場合、分析回路１１８は、電力供給回路１０２に対し、分析結果送信線１２４を介して、高圧放電ランプ１０に供給する電流値Ａを現状のままで維持させる分析結果信号Ｒを送信する。

分析結果信号Ｒを受け取った電力供給回路１０２は、当該分析結果信号Ｒの指示にしたがい、高圧放電ランプ１０に供給する電流値Ａを変更あるいは維持する。

この点灯回路１００によれば、予め設定された発光管部温度で高圧放電ランプ１０を定常点灯させることができる。

なお、点灯状態分析手段１０６は必須の構成要素ではない。電力供給回路１０２が発光管部温度測定手段１０４からの温度データＴを受け取って高圧放電ランプ１０への電力供給量を調節して予め設定した発光管部温度に調節できるのであれば、点灯状態分析手段１０６は不要である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０…高圧放電ランプ、１２…発光管部、１４…封止部、１６…内部空間、１８…箔、２０…電極、２２…リード棒、２４…水銀、２６…ハロゲン、１００…点灯回路、１０２…電力供給回路、１０３…電源、１０４…発光管部温度測定手段、１０６…点灯状態分析手段、１０７…リード線、１０８…熱電対、１１０…熱電対温度計、１１２…温度データ出力線、１１４…電圧計、１１６…電流計、１１８…分析回路、１２０…電圧値送信線、１２２…電流値送信線、１２４…分析結果送信線

Claims (5)

1. 内部空間を有する発光管部と、
   前記内部空間において対向配置された一対のタングステン電極と、
   前記内部空間に封入された水銀およびハロゲンとを有する高圧放電ランプにおいて、
   前記ハロゲンは、前記水銀の一部が前記内部空間において気化せずに析出しているときに適正なハロゲンサイクルが成立するように前記内部空間の容積に対して過剰に封入されている
   高圧放電ランプ。
2. 前記水銀の封入率は、０．３３ｍｇ／ｍｍ³以上０．４９５ｍｇ／ｍｍ³以下であり、
   前記ハロゲンの封入率は、１０×１０^-4μｍｏｌ／ｍｍ³以上１００×１０^-4μｍｏｌ／ｍｍ³以下であることを特長とする
   請求項１に記載の高圧放電ランプ。
3. 前記水銀の封入率は、０．３３ｍｇ／ｍｍ³以上０．４９５ｍｇ／ｍｍ³以下であり、
   前記ハロゲンの封入率は、２０×１０^-4μｍｏｌ／ｍｍ³以上５０×１０^-4μｍｏｌ／ｍｍ³以下であることを特長とする
   請求項１に記載の高圧放電ランプ。
4. 前記水銀の封入率を０．３３ｍｇ／ｍｍ³以上０．４９５ｍｇ／ｍｍ³以下とし、
   前記ハロゲンの封入率を２０×１０^-4μｍｏｌ／ｍｍ³以上５０×１０^-4μｍｏｌ／ｍｍ³以下とした請求項１に記載の高圧放電ランプを
   ７５０℃以上８７０℃以下の発光管部温度で点灯させる
   高圧放電ランプの点灯方法。
5. 前記水銀の封入率を０．３３ｍｇ／ｍｍ³以上０．４９５ｍｇ／ｍｍ³以下とし、
   前記ハロゲンの封入率を５０×１０^-4μｍｏｌ／ｍｍ³以上１００×１０^-4μｍｏｌ／ｍｍ³以下とした請求項１に記載の高圧放電ランプを
   ５９０℃以上７５０℃以下の発光管部温度で点灯させる
   高圧放電ランプの点灯方法。

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