JP5637690B2 - 固体燃料を燃焼するための燃焼室 - Google Patents

Description

この発明は、揮発分(volatiles content)を有する固体燃料を燃焼するための燃焼室に関し、具体的には、高輝発分を有する固体燃料を燃焼するための燃焼室に関し、そのような燃焼室を組み込む火室にも関する。

この脈絡において、高揮発分を有する固体燃料は、木材ペレット、スイッチグラス、茅、トウモロコシ茎、わら、又は、類似物、及び、アーモンド殻のような堅果殻から作られるペレット（集合的に固体バイオマス燃料と呼ぶ）、並びに、泥炭又歴世炭のような化石燃料を意味する。対照的に、低揮発固体燃料の例は、無煙炭である。

近年、化石燃料によって解放される大気中の二酸化炭素の増大に起因する気候変化に関する世界的な懸念が起こっている。そのような燃焼の価格は増大しており、そのような化石燃料の地球に残る供給量に関する予測が、代替燃料を利用する装置の開発に関する関心の増大を引き起こしている。さらに、そのような装置における再生可能な燃料の使用は、大気中の二酸化炭素レベルの増大を遅延し得る。

木材を燃焼する装置は既知である。しかしながら、コードウッドは、従来的な燃焼室内で非効率的に燃焼し、オイル又はガス燃焼装置と比較すると使用が不便である。

バイオマス燃料の使用も増大している。しかしながら、やはり、バイオマス燃料は、従来的な装置において非効率的に燃焼する傾向を有し、これはその高揮発分の故である。熱の殆どは燃焼ガス（火炎）中に解放され、煙突又は煙道に上がって失われる。

従来的なボイラ及びストーブが、木材ペレット、木材チップ等のようなペレットバイオマス燃料を燃焼するのに適さない他の理由は、そのようなペレットが、特にそれらが比較的高い水分を有するときに、減少された出力で燻る傾向を有することである。結果的に、これらの燃料をより効率的に燃焼するための装置が開発されている。

よって、例えば、典型的な木材ペレットストーブは、ホッパ、オーガ、火室又は火格子、燃焼ファン及び熱交換器を含み、それらは、それぞれ、燃料を貯蔵し、供給し、燃焼し、加熱されるべき空間に熱を移動する。オーガは、ホッパから火室内へのペレット燃料の供給を制御するよう定期的に動作する。火室への燃料の供給の速度は、特定の出力のための燃料の燃焼の速度と一致される。燃焼ファンは、測定された量の空気を火室に提供する。そのようなストーブの例は、ｖｉａ Ａ． ｄａ Ｂａｓｓａｓｎｏ， ７／９， ３６０２０ Ｐｏｖｅ Ｄｅｌ Ｇｒａｐｐａ （ＶＩ）， ＩｔａｌｙのＣａｍｉｎｅｔｔｉ Ｍｏｎｔｅｇｒａｐｐａ ｓ．ｒ．ｌによって製造されるＰｅｌｌｅｔ ｓｔｏｖｅ Ｍｏｄ． １０００である。

しかしながら、そのようなストーブ及びボイラの問題は、燃焼する揮発物(volatiles)からの熱の移動が特に低出力で比較的遅く、許容可能に高い効率が広範囲な熱交換器を通じて燃料ガスを通すことによってのみ達成され得ることである。

ドイツ国特許公開第ＤＥ９２１８９号は、ペレット燃焼ストーブを記載しており、そこでは、ペレットは、燃焼室の基部に配置される開放バーナパン内で燃焼される。ペレットの完全な燃焼は、燃焼室内で達成され、熱い排気ガスが、燃焼室の頂部にある孔を通じて出て、熱交換機から熱を抜き取るために熱交換機を通じて方向付けられる。

米国特許出願公開第２００７／００８９７３３号は、空気取入口を備える燃焼室と、その中の排気開口を通じて燃焼ガスを受け取るために燃焼室に接続された排気室とを有する木材燃焼ボイラを記載している。ボイラは、第一及び第二の空気予加熱室を含み、二次空気が空気予加熱室から複数の孔を通じて燃焼室内に導入される。排気室は、使用中に、排気ガスが排気室から排気通路内に通る前に、排気ガスからの熱が予加熱室内の空気に移動されるよう、第二空気予加熱室の隣に位置付けられ、さらなる熱が排気通路を取り囲む水ジャケットを用いて排気通路で抜き取られる。

前述された装置の不利点を克服することが本発明の目的である。

従って、本発明は、高揮発分を有する固体燃料を燃焼するための燃焼室を提供し、燃焼室は、燃料がその中で燃焼されるべき密閉された中空本体を含み、中空本体は、燃料入口と、一次空気入口と、二次空気入口と、その中に取り付けられる揮発物出口とを含み、燃焼する揮発物出口は、複数の孔を含むことで、使用中に、燃焼する揮発物が乱流で孔から出て、揮発物の効率的な燃焼をもたらす。

本発明に従った燃焼室の利点は、揮発物が揮発物出口内の孔を介して燃焼室から出なければならず、燃焼する揮発物が出るときに、これが燃焼する揮発物の速度の増大を引き起こすことである。それは揮発物の乱流も引き起こす。その結果、揮発物は、同じ燃料を燃焼する従来的な装置において達成されるよりも高い温度で、より効率的に燃焼する。このより大きい効率の結果は、煙道ガス中の亜酸化窒素のような有害な産物のレベルが、既知の装置に比べて減少されることである。

本発明に従った燃焼室は、ボイラ、空気ヒータ及びストーブのような装置において、ホットプレートにおいて、工業プロセスのための熱源を提供するための装置において、焼却炉において、又は、類似物において使用され得る。

好ましくは、装置は異なるサイズである。

揮発物出口中に異なるサイズの孔を有することは、乱流中の揮発物のより効率的な混合をもたらし、より効率的な燃焼に至る。

装置は、特定の用途において燃焼室の性能を最適化するよう、特定のパターンで配置され得る。

さらに、好ましくは、二次空気入口は、燃焼する揮発物出口に隣接する。

二次空気出口の位置決めは、燃焼室の特定の用途にとっては重要であり得るし、そのような位置決めは、揮発物出口から出る乱流の特性に影響を及ぼす。

本発明の１つの実施態様において、燃焼する揮発物出口は、そこを通じる揮発物の流れを一時的に制限するための手段を有する。

制限手段の利点は、効率的な燃焼が異なる出力で維持され得ることである。よって、低出力で、燃焼する揮発物出口は、そこを通じる揮発物の乱流を維持するよう制限され得る。

好ましくは、孔に隣接する中空本体の外表面の上の直立構造が、現われる燃焼する揮発物を外表面に沿って方向付けるよう成形される。

燃焼する揮発物を中空本体の外表面に沿って逸らすことによって、中空本体は、より高い温度に維持され、それは燃料のより効率的な燃焼をもたらす。これは、特に燃料が比較的高い水分を有するときに、低出力での要件である。

燃料中の高い水分の問題が重大である状況では、一次空気は、燃焼する揮発物を通じて或いは対して一次空気供給ダクトを通すことによって、燃焼する揮発物によっても予加熱され得る。

本発明のさらなる実施態様において、２つ又はそれよりも多くの燃焼する揮発物出口が、中空本体内に取り付けられる。

多数の燃焼する揮発物出口を設けることは、燃焼する燃料からの熱のより均一な分配をもたらす。

この構成は、燃焼のピーク温度を減少することによって窒素の酸化物の放出を制約しながら、全ての利用可能な出力で燃焼室の効率の最大限化するのにも適する。

本発明の他の特徴においては、高揮発分を有する固体燃料を燃焼するための装置のための火室が提供され、火室は、ハウジングと、ハウジング内の燃焼室とを含み、燃焼室は、固体燃料をその内部で燃焼するべき、密閉された中空本体を含み、中空本体は、燃料入口と、一次空気入口と、二次空気入口と、その中に取り付けられる燃焼する揮発物出口と、使用中に、燃焼する揮発物が燃焼する揮発物出口から出るときに燃焼する揮発物を乱流させるために燃焼する揮発物出口と関連付けられる手段とを有し、ハウジングは、使用中に、燃焼する揮発物出口から出る燃焼する揮発物が、通路内で燃焼室の周りを乱流で循環させられるよう、内側熱移動表面と燃焼室との間に通路を定めるために燃焼室の周りに成形される内側熱移動表面を有し、揮発物の効率的な燃焼をもたらす。

燃焼する揮発物が乱流内に現れる燃焼する揮発物出口を備える燃焼室を利用することによって、火室は類似量の燃料を消費する従来的な火室よりも効率的に加熱される。

この構成の利点は、揮発物によって解放される熱が、熱移動表面に移動され、燃焼室に戻されることである。これは、特に低出力で、新鮮な燃料が導入されるゾーンの温度を増大するための手段を提供し、燃焼の全体的温度の増大をもたらす。

本発明に従った火室の１つの実施態様では、一組の直立する湾曲構造が、通路内で燃焼室の周りで内側熱移動表面の上に取り付けられる。

通路内の一組の直立する湾曲構造の形状及び位置決めは、燃焼室の周りの揮発物の循環をさらに方向付け、揮発物の乱流も強化する。

本発明に従った火室のさらなる実施態様において、乱流手段は、燃焼する揮発物出口内の複数の孔である。

好ましくは、孔は異なるサイズである。

本発明に従った火室のさらなる実施態様において、二次空気入口は、燃焼する揮発物出口に隣接する。

本発明に従った火室のさらなる実施態様において、燃焼する揮発物出口は、そこを通じる燃焼する揮発物の流れを一時的に制限するための手段を有する。

好ましくは、孔に隣接する中空本体の外表面の上の直立構造が、現われる燃焼する揮発物を外表面に沿って方向付けるよう成形される。

本発明に従った火室のさらなる実施態様では、２つ又はそれよりも多くの燃焼する揮発物出口が、中空本体内に取り付けられる。

この構成は、燃焼室の周りの燃焼する揮発物の効率的な循環をもたらす。

特定の出力で、それぞれの燃焼する揮発物出口から現れる火炎の尾部は、次の燃焼する揮発物出口から現れる火炎内に流れ込む。この構成は、各火炎の尾部で完全な燃焼を達成するための手段を提供し得る。それは燃焼のピーク温度の減少も引き起こし得ることによって、亜酸化窒素の形成及び排出も防止する。

好ましくは、燃焼する揮発物出口は、中空本体の表面の周りに均等に配置される。

燃焼する揮発物出口の均等な配置は、上述された火炎併合効果を最適化する。

代替的に、燃焼する揮発物出口は、各出力設定のために中空本体の周りの燃焼する揮発物の乱流の最適化を促進するよう、中空本体の表面の周りに位置付けられる。

よって、特別な出力設定のために、選択的な数の燃焼する揮発物出口を通じる揮発物の流れは、亜酸化窒素の排出を最小限化しながら、火炎併合効果を最適化するよう制約され得る。

本発明に従った火室のさらなる実施態様では、内側熱移動表面に向かう方向及び離れる方向に燃焼室を移動するための手段が提供される。

この構成の利点は、低出力が必要とされるとき、燃焼室が内側熱移動表面に近接して移動され得ることである。これは燃焼する揮発物出口を通じる揮発物の流れを制約する効果を有する。逆に、より高い出力が必要とされるときには、燃焼室は、内側熱移動表面からさらに張られる方向に移動され得る。

本発明に従った火室のさらなる実施態様において、燃焼室は火室の頂部に位置付けられ、燃焼する揮発物出口は燃焼室の上方領域内に取り付けられ、使用中に、排気ガスが排気ガス出口を通じて燃焼室から出る状態で、燃焼する揮発物が冷却し始め、結果的に、通路内に降下するまで、燃焼する揮発物が燃焼する揮発物出口から出るときに、燃焼する揮発物が通路内で燃焼室の頂部の周りを循環するよう、排気ガス出口が燃焼室の下でハウジング内に取り付けられる。

本発明は、付属の図面を参照して一例としてのみ与えられる、その実施態様の以下の記載によってさらに例証される。

本発明に従った燃焼室と火室とを含むボイラを示す縦断面図である。 図１の線ＩＩ−ＩＩに沿う断面図である。 本発明に従った燃焼室の第二実施態様を示す縦断面図である。 本発明に従った燃焼室の第三実施態様を示す縦断面図である。 図４の線Ｖ−Ｖに沿う横断面図である。

図１を参照すると、本発明に従った燃焼室が、概ね１０で例証されており、燃焼室１０は、密閉された中空本体１１を有し、中空本体は、概ね円形の断面である。中空本体１１は、円筒形壁区画１２と、円筒形壁区画１２の端部１４にある頂部区画１３とを有する。円筒形壁区画１２は、切頭円錐区画１６を形成するよう端部１５で狭まり、切頭円錐区画は、ネック区画１７で終端し、出口パイプ１８を通じて取り除かれるよう、使用中に灰がネック区画内に集まり、出口パイプは、弁１９によって規制される。

一次空気入口２０が、地点２１でネック区画１８に接続され、一次空気入口内に収容される弁２２によって規制される。

燃料入口２３が、地点２４で頂部区画１３に取り付けられ、この実施態様では、燃料入口２３は、二次空気入口としても作用する。

４つの燃焼する揮発物出口２５（１つのみが見える）が、頂部区画１３に隣接して、円筒形壁区画１２内に取り付けられている。それぞれの燃焼する揮発物出口２５は、プレート２７内に配置された異なるサイズの複数の孔２６を有する。プレート２７は、使用中に生成される熱に耐えるよう、タングステンから成る。

火格子２８が、中空本体１１に取り付けられ、燃焼されるべき木材ペレット２９を支持する。木材ペレット２９が燃焼すると、それらは砕け、火格子５１を通じて落ち、それらが最終的にネック区画１７内に収集されるべき灰（図示せず）としてメッシュ３０を通じて落ちるまで、それらがさらなる期間に亘って燃焼する間、メッシュ３０の上に保持される。

例証される実施態様において、燃焼室１０は、本発明に従った概ね３１で示される火室の一部を形成している。火室３１は、燃焼室１０を取り囲む熱移動表面３３を有する水ジャケット３２を有する。燃焼する揮発物出口２５が取り付けられる円筒形壁区画１２の地域の周りで、熱移動表面３３は、熱移動表面３３と円筒形壁区画１２との間に通路３４を創成するよう形成される。

水ジャケット３２は、水入口３５と、水出口３６とを有する。

使用中、木材ペレット２９は、装置の所要熱出力に適した速度で、燃料入口２３を通じて燃焼室１０内に導入される。適切な圧力にある一次空気が、一次空気入口２０を介して燃焼室１０内に導入され、メッシュ３０、火格子２８、ペレット２９を通じて吹き上げられる。よって、一次燃焼は、頂部区画１３の地域において、火格子２８の上で起こる。再び、要求される出力に依存して、二次空気が燃料入口２３を通じて燃焼室１０内に導入され、ペレット２９の上で揮発物と混合する。次に、燃焼する揮発物は、乱流で揮発物出口２５を通じて燃焼室１０から出て、円筒形区画１２の周りで循環し、熱移動表面３３及び燃焼室１０自体の両方の温度を上昇する。

よって、揮発物の燃焼は、ペレット２９より上の地域及び通路３４内に集中される。燃焼する揮発物は、それらが冷却し始めるまで、熱浮力の故にこの地域内に留まる。揮発物が冷却すると、それらは燃焼室１０内に降下し、排気ガスが煙道３７を通じて排出され、煙道は、パドル弁３８によって規制される。

図２を参照すると、円筒形区画１２の周りの揮発物出口２５の配置が、より明らかに見られる。矢印３９は、燃焼室１０の周りの通路３４を通じた揮発物の乱流の経路を示している。燃焼する揮発物出口２５は、揮発物の乱流が燃焼する揮発物出口２５を出るときに、揮発物の乱流が燃焼室１０の周りに既に所望に方向付けられているよう、円筒形区画１２内でオフセットされている。

図３を参照すると、本発明に従った燃焼室の第二実施態様が概ね４０で例証されている。燃焼室４０は、木材ペレットを燃焼し且つ吹出し火炎をもたらすよう設計され、オイル点火加熱ボイラ内のオイルバーナの代わりとしての使用に適している。

燃焼室４０は、密閉された中空本体４１を有し、中空本体４１は、概ね円形の断面とドーム状頂部区画４２とを有する。切頭円錐区画４３が、頂部区画４２から横方向に延び、複数の孔４５を有する揮発物出口４４で終端している。燃料入口４６が、頂部区画４２の上で地点４７に配置され、一次空気入口４８が、本体区画４１の上で地点４９に配置されている。

二次空気入口５０が切頭円錐区画４３に取り付けられ、二次空気ノズル５１が揮発物出口４４に近接して中空本体４１内に配置されるよう位置付けられている。

火格子５２が、中空本体４１内に取り付けられ、燃焼されるべき木材ペレット５３を支持している。ドロップオン(drop-on)傘形状プレート５４が、燃料入口４６より下の位置５５で火格子５２の上に中心的に取り付けられている。使用中、ドロップオンプレート５４は、燃焼する木材ペレット５３が燃料入口４６から落ちる新鮮なペレット５３によって砕かれるのを防止し、ペレット５３を火格子５２の上に散らすのも助ける。

使用中、火格子５２上のペレット５３の燃焼は、火格子５２より上での揮発物の燃焼をもたらす。一次空気及び二次空気と混合されるこれらの揮発物は、燃焼する揮発物出口４４の孔４５を通じて押し出され、急激に燃焼する乱流として出る。乱流は、加熱するボイラの火室内の熱移動表面の上に方向付けられ得る。

図４を参照すると、本発明に従った燃焼室の第三実施態様が概ね５０で例証されており、燃焼室６０は、密閉された中空本体６１を有し、中空本体は、概ね円形の断面である。中空本体６１は、円筒形壁区画６２と、円筒形壁区画の端部６４にある頂部区画６３とを有する。

燃焼する揮発物出口６５が、頂部区画６３に取り付けられ、その中に複数の孔６６を有する。パイプ６７が、頂部区画６３にある中央開口６８を通過している。パイプ６７は、燃料入口６９及び二次空気入口７０として働く。

火格子７１が、中空本体６１内に取り付けられ、燃焼されるべき木材ペレット７２を支持している。

一次空気入口７３が、中空本体６１の底端部７４に取り付けられている。

例証される実施態様において、燃焼室６０は、本発明に従った概ね７５で示される火室の一部を形成している。火室７５は、内側熱移動表面７７を有する水ジャケット７６を有し、内側熱移動表面は、燃焼室６０を取り囲んでいる。内側熱移動表面７７は、反転切頭円錐形状を有する上方区画７８と、下方円筒形区画７９とを有する。

一組の直立した湾曲構造が、内側熱移動表面７７の頂部区画８２の内表面８１の上に取り付けられている。一組の直立した湾曲構造８０は、燃焼室６０の周りに等距離で配置され、これは図５を参照してより明らかに見られる。

その垂直軸に沿って燃焼室を移動するための手段（図示せず）が提供される。よって、低出力が必要とされるとき、燃焼室６０を内側熱移動表面７７の頂部区画８２により近接して移動し得る。これは揮発物出口６５を通じる揮発物の流れを制約する効果を有する。結果的に、より高い出力が必要とされるときには、燃焼室６０を内側熱移動表面７７の頂部区画８２からさらに離れるよう移動し得る。

使用中、木材ペレット７１は、装置の所要の熱出力に適した速度で燃料入口６９を通じて燃焼室６０内に導入される。適切な圧力にある一次空気が、一次空気入口７３を介して燃焼室６０内に導入され、火格子７１及びペレット７２を通じて吹き上げられる。よって、一次燃焼は、火格子７１より上で起こる。再び、要求される出力に依存して、二次空気が、二次空気入口７０を通じて燃焼室６０内に導入され、ペレット７２より上で揮発物と混合する。次に、燃焼する揮発物は、燃焼する揮発物出口６５を通じて乱流で燃焼室６０から出て、火室７５の周りを循環し、内側熱移動表面７７及び燃焼室６０自体の両方の温度を上昇する。

火室７５内の一組の直立した湾曲構造８０形状及び位置付けは、揮発物が燃焼室６０の周りを循環させ、揮発物の乱流も強化する。揮発物が冷却すると、それらは燃焼室６０の端部７４に降下し、それらはそこで出口パイプ（図示せず）を通過する。

Claims (13)

1. 高揮発分を有する固体燃料を燃焼するための燃焼室であって、
   当該燃焼室は、取り囲まれた中空本体を含み、前記固体燃料は、前記中空本体内で燃焼させられ、前記中空本体は、前記中空本体内に取り付けられる、燃料入口と、燃焼の一次空気と二次空気とをもたらす入口と、燃焼する揮発物出口と、使用中、燃焼する揮発物及び燃焼の二次空気の混合物全体が乱流において当該燃焼室から出て前記揮発物の効率的な燃焼をもたらすよう、燃焼する揮発物が前記揮発物出口を通過するときに前記燃焼する揮発物を急激に乱流させるために前記燃焼する揮発物出口と関連付けられる手段とを含み、
   前記乱流させる手段は、互いに異なるサイズの複数の孔で構成される燃焼する揮発物出口である、
   燃焼室。
2. 前記燃焼する揮発物出口は、低減されたボイラ出力で前記燃焼する揮発物出口を通じる燃焼する揮発物の流れを一時的に制限するための手段を有する、請求項１に記載の燃焼室。
3. 一次空気をもたらす入口があり、前記燃焼する揮発物出口に隣接して当該燃焼室内に二次空気をもたらす別個の入口を含む、請求項１又は２に記載の燃焼室。
4. 高揮発分を有する固体燃料を燃焼するための装置のための火室であって、
   当該火室は、ハウジングと、該ハウジング内の燃焼室とを含み、該燃焼室は、取り囲まれた中空本体を含み、前記固体燃料は、前記中空本体内で燃焼させられ、前記中空本体は、前記中空本体内に取り付けられる、燃料入口と、一次空気と二次空気とのための入口と、燃焼する揮発物出口と、使用中、燃焼する揮発物及び燃焼の二次空気の混合物全体が乱流において前記燃焼室から出るよう、前記燃焼する揮発物が前記揮発物出口を通過するときに前記燃焼する揮発物を急激に乱流させるために前記燃焼する揮発物出口と関連付けられる手段とを含み、
   使用中、前記ハウジングは、前記燃焼室との間に通路を定めるために前記燃焼室の周りに成形される内側熱移動表面を有することで、使用中、前記燃焼する揮発物出口から出る前記燃焼する揮発物及び二次空気を含む混合物が、前記通路内で前記燃焼室の周りを乱流において循環させられ、前記揮発物の効率的な燃焼をもたらす、
   火室。
5. 前記乱流させる手段は、互いに異なるサイズの複数の孔で構成される燃焼する揮発物出口である、請求項４に記載の火室。
6. 前記燃焼する揮発物出口は、前記燃焼する揮発物出口を通じる燃焼する揮発物の流れを制限するための手段を有する、請求項４又は５に記載の火室。
7. 一次空気をもたらす入口があり、前記燃焼する揮発物出口に隣接して前記燃焼室内に二次空気をもたらす別個の入口を含む、請求項４乃至６のうちのいずれか１項に記載の火室。
8. 前記通路内で前記燃焼室の周りで循環させるよう前記燃焼する揮発物を方向付けるために、一組の直立する湾曲構造が、前記通路内で前記燃焼室の周りで前記内側熱移動表面の上に取り付けられる、請求項４乃至７のうちのいずれか１項に記載の火室。
9. ２つ又はそれよりも多くの燃焼する揮発物出口が、前記中空本体内に取り付けられる、請求項４乃至８のうちのいずれか１項に記載の火室。
10. 前記燃焼する揮発物出口は、各出力設定のために前記中空本体の周りの燃焼する揮発物の前記乱流の最適化を促進するよう、前記中空本体の前記表面の周りに位置付けられる、請求項９に記載の火室。
11. 前記内側熱移動表面に向かう方向及び離れる方向に前記燃焼室を移動するための手段が提供される、請求項４乃至１０のうちのいずれか１項に記載の火室。
12. 当該火室内の前記燃焼室を回転させるための手段が設けられる、請求項４乃至１１のうちのいずれか１項に記載の火室。
13. 前記燃焼室は、当該火室の頂部に位置付けられ、前記燃焼する揮発物出口は、前記燃焼室の上方領域内に取り付けられ、排気ガス出口が、前記燃焼室の下で前記ハウジング内に取り付けられることで、使用中、前記燃焼する揮発物は、前記燃焼する揮発物が前記燃焼する揮発物出口から出るときに、前記排気ガスが前記排気ガス出口を通じて前記燃焼室から出る状態で、前記燃焼する揮発物が冷却し始め、次に、前記通路内に降下するまで、前記通路内で前記燃焼室の頂部の周りで循環する、請求項４乃至１２のうちのいずれか１項に記載の火室。

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