JP5680669B2 - 折り曲げ管及びその折り曲げ管を有する熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、折り曲げ管及び熱交換器、具体的に、折り曲げ管及びその折り曲げ管を有する熱交換器に関する。

熱交換器は冷熱流体の間の熱交換用装置であり、化学工業、石油、動力及び食品などの分野で加熱器、冷却器及び凝縮器として広く使われている。冷熱流体間の熱交換方式により、熱交換器は３種類に分けられる：１．表面式熱交換器；２．接触式熱交換器；３．蓄熱式熱交換器。その中、表面式熱交換器には、伝熱面の構成方式により、管式（殻管式熱交換器、蛇管式熱交換器、二重管式熱交換器、噴射垂れ式熱交換器、空気冷却器など）とプレート式（螺旋プレ−ト式熱交換器、平プレート式熱交換器、プレートフィン式熱交換器など）熱交換器に分けられる。

上記の殻管式熱交換器は、列管式熱交換器とも呼ばれ、ハウジングの中に管の束を閉じこみ、その管の束の壁面を伝熱面とする表面式熱交換器であって、熱交換を行う冷熱２種類の流体の片方が管の中に流れ、これは管内流体と呼ばれ、もう一方が管の外に流れ、これは管外流体と呼ばれる。このタイプの熱交換器は、構造が比較的に簡単で、作動の信頼性が良く、様々な構造材料（主に金属材料）で構成可能、高温・高圧の条件においても使用可能であり、現在一番汎用されているタイプである。

中国特許番号ＣＮ２５２４１６３Ｙにおいて、対向流殻管式熱交換器が開示され、この熱交換器は、矩形ハウジング、ハウジングの中に固定される折り曲げ管と電気ヒータ、折り曲げ管の出入口と連接する分液器と集気ボックス、ハウジングの上にある流体の入口、流体の出口、洗浄液排出口、排水口、温度センサ−取り付け座、スポイラと交差流れ板ホルダを含む。矩形ハウジングの中には、流れガイド隔離板で蛇形の水通路を形成し、水通路の内壁面にてスポイラと交差流れ板ホルダを取り付け、冷媒側の通路が１８０度の蛇形折り曲げ管で構成する。上記の従来の技術において、対向流殻管式熱交換器の相隣する冷媒側の通路がお互いに平行し、かつ一定的な長さを有し、冷媒側の通路の両端が半円管で上下相隣する冷媒側の通路とつながれ、蛇形（Ｕ字形）の折り曲げ管を構成する。しかしながら、管内流体がこのような折り曲げ管の中に流れるときに、熱伝達率を促進するため、折り曲げ管の内側に内ネジ又は微小脇構造を設けることがよくあり、内ネジ又は微小脇構造の変形を回避するために、その折り曲げ管が最小湾曲半径に制限され、かつなるべく多数の湾曲が避けられるので、折り曲げ管に占められる空間が無駄に大きくなり、うまく利用されない。即ち、単位体積あたりの折り曲げ管が少なく、単位体積あたりの伝熱面積が小さく、コンパクト性が乏しくなり、その結果、これまでの熱交換器技術においては、その折り曲げ管により構成された熱交換器の体積が大きく、熱伝達率が小さく、熱交換の性能が低くなる。

中国特許番号ＣＮ２５２４１６３Ｙ

本発明にて解決しよう技術課題は、従来技術に存在する折り曲げ管の湾曲半径の制限により引き起こされる、折り曲げ管を占める空間の増大、コンパクト性の低下、更に上記の折り曲げ管により構成された熱交換器の単位体積あたりの折り曲げ管の数量が少ないこと、単位体積あたりの伝熱面積が少ないこと、熱交換器の体積が大きいことなどである。本発明は、空間利用率が向上し、コンパクト性が良く、体積が小さく、伝熱性能が優れた折り曲げ管及びその折曲げ管を有する熱交換器を提供する。

上記の課題を解決するために、本発明の実施例によると、一体成型された複数の湾曲部分と直線部分とを備えた折り曲げ管が提供される。前記湾曲部分は首端と尾端を有し、各直線部分はそれぞれ二つの湾曲部分の間に配置される。前記湾曲部分の首端と尾端間の角度は１８０度より大きく、かつこれらの端は同一の平面上にある。隣り合う二つの湾曲部分の中心線は、それら二つの湾曲部分の接続部分において共通の接点を持つか、又は前記中心線は直線部分の中心線と接線方向でつながる。

前記湾曲部分の首端と尾端との間の角度は１８６度〜２８６度である。

さらに、外殻、分液管、集気管、及び折り曲げ管を備えた熱交換器が提供される。前記外殻は、筐体、第一側板、及び前記第一側板と対向して配置される第二側板から構成され、これら側板は筐体と密閉接続され、外殻内に密閉空間を形成する。

分液管と集気管は、前記分液管と集気管の上にそれぞれ分液孔と集気孔を有し、前記分液管と集気管がそれぞれ密閉的に外殻上に形成された分液管取り付け孔と集気管取り付け孔を通して外殻の内部に入り込み、及び、折り曲げ管は外殻の中に配置され、前記折り曲げ管の一端が分液孔と接続され、残りの一端が集気孔と接続される。前記折り曲げ管は、一体成型された複数の湾曲部分と直線部分とを備え、前記湾曲部分は首端と尾端を有し、各直線部分はそれぞれ二つの湾曲部分の間に配置される。各湾曲部分の首端と尾端は、それらの間の屈曲角度が１８０度より大きく、かつ同一の平面上にある。隣り合う二つの湾曲部分の中心線は、それら二つの湾曲部分の接続部分において共通の接点を持つか、又は前記中心線は間にある直線部分の中心線と接線方向でつながる。

前記湾曲部分の首端と尾端間の角度範囲は１８６度〜２８６度である。

前記折り曲げ管は、第一側板及び第二側板と平行に配置される。

前記第一側板及び／又は第二側板上に形成された流れガイド要素は折り曲げ管に嵌め込まれ、前記流れガイド要素の母線はそれぞれ前記第一側板及び／又は第二側板と垂直である。

前記湾曲部分の首端と尾端の接続線から見て同じ側にあるいくつかの湾曲部分に嵌め込まれる流れガイド要素は第一側板側にあり、残りの流れガイド要素は第二側板側にある。

前記流れガイド要素は複数の流れガイド柱を備え、前記流れガイド柱は流れガイド円柱と連接壁を備え、前記流れガイド円柱は前記湾曲部分と嵌め合い、前記連接壁の前記流れガイド円柱から離れる端には、隣接する湾曲部分と嵌め合う滑らかな円弧部分が設けられている。

前記筐体は、前記第一側板と取り外し可能に接続される。

前記筐体は、前記第二側板と取り外し可能に接続される。

前記筐体と前記第一側板及び／又は前記第二側板とは、ネジで締められる。

前記分液管と前記分液管取り付け孔の密閉接続は、前記分液管と密閉接続され、前記第一側板と一体射出成型された分液管連接板により形成され、前記集気管と前記集気管取り付け孔の密閉接続は、前記集気管と密閉接続され、前記第一側板と一体射出成型された集気管連接板により形成される。

同じ平面上で複数の単層単列折り曲げ管のアレイが直線部分を通して接続され、単層多列折り曲げ管のアレイ（１２）になり、その両端がそれぞれ分液孔と集気孔につながれる。

単層多列折り曲げ管のアレイの複数を単層多列折り曲げ管のアレイに対して垂直方向に重ねて配置して多層多列折り曲げ管のアレイが形成され、多層多列折り曲げ管のアレイの端がそれぞれ複数の分液孔と集気孔に接続される。

まず、本発明に記載の折り曲げ管及びかかる折り曲げ管を有する熱交換器において、前記折り曲げ管は、一体成型された複数の湾曲部分と直線部分とを備え、前記湾曲部分は首端と尾端を有し、各直線部分はそれぞれ二つの湾曲部分の間に配置される。前記首端と尾端間の角度は１８０度より大きく、最適な前記折り曲げ管の首端と尾端間の角度範囲は１８６度〜２８６度であり、隣り合う二つの湾曲部分の中心線は、それら二つの湾曲部分の接続部分において共通の接点を持つか、又は前記中心線は直線部分の中心線と接線方向でつながる。前記構造の折り曲げ管は、最小湾曲半径内において湾曲の円弧の長さをなるべく伸ばすことができ、湾曲部分内の内ネジ又は微小脇構造の変形が避けられ、空間を占める割合が減り、構造のコンパクト化がもたらされる。従って、前記折り曲げ管を備えた熱交換器は、体積が小さく、単位体積あたりの折り曲げ管が多く、伝熱性能が優れる。

第二に、本発明に記載の熱交換器において、第一側板及び／又は第二側板には、折り曲げ管と嵌め合う流れガイド要素が配置され、前記流れガイド要素の母線は、それぞれ前記第一側板及び／又は第二側板と垂直である。好ましくは、前記湾曲部分の首端と尾端の接続線から折り曲げ管の同じ側にある複数の湾曲部分に嵌め込まれた流れガイド要素が第一側板にあり、もう一方の側にある流れガイド要素が第二側板にある。第一流れガイド要素は複数の流れガイド柱を備え、前記流れガイド柱は流れガイド円柱と連接壁を備え、前記流れガイド円柱は前記湾曲部分と嵌め合い、前記連接壁の前記流れガイド円柱から離れる端には、隣接する湾曲部分と嵌め合う滑らかな円弧部分が配置される。第二流れガイド要素は前記第一流れガイド要素と同じ構造を持つ。管外流体が流れガイド要素を通して流れることで、管外流体に対しての攪乱が増大し、局部的に管外流体の滞留が避けられ、伝熱促進の効果が向上される。

第三に、これまでの技術では、外殻の中に折り曲げ管を入れた後、折り曲げ管は外殻に溶接で取り付けられるので、折り曲げ管を外殻から取り出すことができない。時間の経過に伴い、水垢又はその他の汚れが生じても掃除することができず、折り曲げ管と管外流体との間の熱交換効率が影響を受ける。本発明において、第一側板及び／又は第二側板は筐体と取り外し可能に接続され、好ましくは前記筐体と前記第一側板及び／又は第二側板とをネジで締め、したがって、本発明に記載の熱交換器は、折り曲げ管を取り出すことが可能で、折り曲げ管にある水垢又はその他の汚れを掃除し、折り曲げ管を戻すことが可能である。

第四に、本発明に記載の熱交換器において、分液管と分液管取り付け孔の密閉接続は、前記分液管と密閉接続され、前記第一側板と一体射出成型された分液管連接板により形成され、集気管と集気管取り付け孔の密閉接続は、前記集気管と密閉接続され、前記第一側板と一体射出成型された集気管連接板により形成され、それにより分液管と集気管が第一側板との密閉効果が良く、その密閉性は、折り曲げ管を外殻から取り外しても影響されない。

第五に、本発明に記載の熱交換器において、折り曲げ管が水平及び／又は垂直方向に沿って整列配置され、それぞれ分液孔と集気孔に対で接続されるため、折り曲げ管の増減がし易く、ユ−ザの要望に応じて熱交換面積の調整が出来る。

本発明の内容を分かり易くするために、次に本発明の具体的な実施例に合わせ、添付の図面を参照し、本発明に対して更なる詳細な説明を行う。
本発明に記載の折り曲げ管の構造の図示 本発明に記載の熱交換器の図示 本発明に記載の熱交換器の上面図示 図３のＡ−Ａの横断面図示 本発明に記載の熱交換器の流れガイド要素の図示 本発明に記載の流れガイド要素を付きの熱交換器の図３のＡ−Ａの横断面図示 本発明に記載の熱交換器の中にある、第一側板と射出成型された分液管と集気管の図示 本発明に記載の熱交換器にある、折り曲げ管中で隣り合う二つの湾曲部分が中心線にて共通の接点を持つ単層折り曲げ管のアレイの図示 本発明に記載の熱交換器の単層折り曲げ管のアレイの図示 本発明に記載の熱交換器の分液管あるいは集気管の図示

本実施例によると、折り曲げ管１は、一体成型された複数の湾曲部分と直線部分とを備え、前記湾曲部分は首端ａと尾端ｂを有し、各直線部分はそれぞれ二つの湾曲部分の間に配置される。湾曲部分２の首端ａと尾端ｂ間の角度は１８０度より大きく、かつ同一の平面上にある。本実施例において、好ましくは、折り曲げ管の首端ａと尾端ｂ間の角度範囲は１８６度であり、隣り合う二つの湾曲部分２の中心線が直線部分９の中心線と接線方向でつながり、即ち、尾端ｂと隣りの首端ａの間にある直線部分で接線方向でつながる。従って、折り曲げ管１が最小湾曲半径内において湾曲の円弧の長さをなるべく伸ばすことができ、円湾曲部分２内の内ネジ又は微小脇構造の変形が避けられると同時に、空間を占める割合が減り、構造のコンパクト化がもたらされる。本発明において、湾曲部分の首端及び尾端間の角度は、湾曲部分の中心線と垂直の横断面の首端ａから移動軌跡の尾端ｂまでの角度である。

前記折り曲げ管１を用いた熱交換器は、外殻３、分液管４、集気管５及び折り曲げ管１（図２に示す）を備える。外殻３は四面に囲まれた筐体３３と、第一側板３１と、前記第一側板と対向して配置される第二側板３２から構成され、これら側板は筐体と密閉接続され、それにより密閉空間を構成する。折り曲げ管１は、外殻３内に置かれ、本実施例において、好ましくは、折り曲げ管１は、側板３１及び側板３２に平行する。本実施例にて、折り曲げ管１は単層折り曲げ管であり、即ち、折り曲げ管１は第一側板３１と第二側板３２に平行する面において一列しかなく、折り曲げ管に垂直の方向において一層しかない（図１に示す）。折り曲げ管１の一端は分液管４の上に設けられた分液孔４１に接続され、もう一端は集気管５の上に設けられた集気孔５１に接続される。分液管４と集気管５はそれぞれ密閉的に外殻上にある分液管取り付け孔と集気管取り付け孔を通して外部とつながる（図３及び図４に示す）。本実施例において、好ましくは、分液管４と分液管の取り付け孔の密閉接続は、分液管４と密閉接続され、第一側板３１と一体射出成型された分液管連接板３４により形成され、集気管５と集気管取り付け孔の密閉接続は、集気管と密閉接続され、第一側板３１と一体射出成型された集気管連接板３５により形成される（図７に示す）。

本実施例のもう一つの実施形態には、上述した熱交換器中の単層単列折り曲げ管１は、多層単列折り曲げ管で置き換えることができ、即ち、前記多層単列折り曲げ管は、複数の単層単列折り曲げ管を垂直方向に重ねて配置し、それらを互いに接続して構成され、前記多層単列折り曲げ管１の両端は分液孔４１と集気孔５１に接続される。言い換えれば、折り曲げ管は同一の平面において一列の折り曲げ管しかなく、折り曲げ管１の垂直方向に複数の単層単列折り曲げ管を配置する（図７に示す）。

外殻には水の入口６、水の出口７を設けられ、熱交換を行う冷熱２種類の流体の片方（管内流体と言う）が管の中に流れ、残りの片方（管外流体と言う）が管の外に流れる。管外流体が水入口６から外殻３に流入し、折り曲げ管１の外を通り、水出口７から出てくる。管内流体が分液管４から流入し、折り曲げ管１を通って、管外流体と熱交換し、熱交換の後、集気管５を経て出てくる。

本発明の上記の実施例によると、第一側板３１と第二側板３２に折り曲げ管１と嵌め合う流れガイド要素８が成形され、流れガイド要素８は複数の流れガイド柱８０を備え、流れガイド柱８０は流れガイド円柱８０１と連接壁８０２を備え、流れガイド円柱８０１は湾曲部分２と嵌め合い、連接壁８０２の流れガイド円柱８０１から離れる端には、隣接する湾曲部分２と嵌め合う滑らかな円弧部分が設けられている（図５に示す）。その湾曲部分２の首端ａと尾端ｂの接続線から見て同じ側（即ち、湾曲部分の最高点が同じ側）にあるいくつかの湾曲部分に嵌め込まれる流れガイド要素８は第一側板３１にあり、残りの流れガイド要素８は第二側板３２にある。第一側板３１の上に折り曲げ管１と嵌め合う第一流れガイド要素が設けられ、第二側板３２の上に折り曲げ管１と嵌め合う第二流れガイド要素が設けられ、第一流れガイド要素の母線８１と第二流れガイド要素の母線８１は、それぞれ第一側板３１と第一側板３２に垂直である。即ち、第一流れガイド柱は、折り曲げ管１の湾曲部分２の湾曲空間を通り、湾曲部分２との間に隙間を持ち、第二流れガイド柱は、第一側板３１、湾曲部分２の隣り合う湾曲部分２の湾曲空間を通り、湾曲部分２との間に隙間を持つ。第一流れガイド要素、第二流れガイド要素及び折り曲げ管１は、管外流体の通路１０を形成する（図６に示す）。母線８１は、第一側板の平面にある流れガイド柱の横断面が、第一側板と垂直方向に延びた軌跡である。

さらに、本発明の上述した実施例によると、筐体３３は第一側板３１と取り外し可能に接続され、筐体３３は第二側板３２と一体成型され、これにより折り曲げ管１が外殻３から簡単に取り出せる。本実施例において、好ましくは、第一側板３１と筐体３３はネジで接続される。これにより、折り曲げ管１を外殻３から取り出すことができ、折り曲げ管１の水垢又はその他の汚れを容易により良く掃除することができる。

さらに、本発明の実施例によると、筐体３３は、第一側板３１及び第二側板３２と取り外し可能に接続され、本実施例において、好ましくは、折り曲げ管１は、第一側板３１及び第二側板３２とそれぞれネジで接続される。

本実施例において、折り曲げ管１は、一体成型された複数の湾曲部分２と直線部分９とを備え、前記湾曲部分は首端ａと尾端ｂを有し、各直線部分はそれぞれ二つの湾曲部分２の間に配置される。湾曲部分２の首端ａと尾端ｂ間の角度は１８０度より大きく、かつ同一の平面上にある。本実施例において、好ましくは、湾曲部分２の首端ａと尾端ｂ間の角度範囲は２８６度であり、隣り合う二つの湾曲部分２の中心線は、それら二つの湾曲部分の接続部分において共通の接点を持ち、即ち、首端ａと尾端ｂが合わせられる（図８）。

上記の実施例によると、実施例１に述べた多層単列折り曲げ管は、多層多列折り曲げ管で置き換えることができ、即ち、複数の単層単列折り曲げ管のアレイ１１を同一の平面において接続して単層多列折り曲げ管のアレイ１２を形成した後、その垂直方向に重ねて配置し、多層多列折り曲げ管のアレイを形成し、前記多層多列折り曲げ管のアレイの各層は、対応する層に設けられた分液孔４１と集気孔５１に接続される（図１０に示す）。本実施例において、好ましくは、単層単列折り曲げ管のアレイ１１の間に直線部分９で接続される。従って、単層単列折り曲げ管のアレイ１１の複数が接続され、単層多列折り曲げ管のアレイ１２（図９に示す）を構成し、熱交換器の伝熱面積を増やすことができる。

さらに、第一側板３１又は第二側板３２に、折り曲げ管１と嵌め合う流れガイド要素８を成形する。即ち、全ての流れガイド要素８を第一側板３１又は第二側板３２に形成しても、本発明の目的を達成することができる。具体的には、流れガイド要素８と折り曲げ管１が管外流体の通路１０を形成する。

明らかに、以上に述べた実施例は明確な説明のために挙げられたもので、本発明は実施例に限定されるものではない。ユ−ザが必要に応じ伝熱面積の増減や折り曲げ管の配置方式を変更することも可能である。当業者であれば、以上の説明に基づいたその他の形式上変化又は変更も可能である。従って、ここですべての実施例を述べることは必要ではなく、不可能である。しかしながら、本発明に関して考えられる変化又は変更は全て、本願の請求項に含まれる保護対象となる。

１−折り曲げ管、１１−単層折り曲げ管のアレイ、１２−単層折り曲げ管のアレイ、２−湾曲部分、３−外殻、３１−第一側板、３２−−第二側板、３３−筐体、３４−分液管連接板、３５−集気管連接板、４−分液管、４１−分液孔、５−集気管、５１−集気孔、６−水入口、７−水出口、８−流れガイド要素、８０−流れガイド柱、８０１−流れガイド円柱、８０２−連接壁、８１−流れガイド要素の母線、９−直線部分、１０−外殻内通路、ａ−首端、ｂ−尾端。

Claims (9)

1. 外殻（３）、分液管（４）、集気管（５）、及び折り曲げ管（１）を備えた熱交換器であって、
   外殻（３）が、筐体（３３）、と第一側板（３１）と、前記第一側板と対向して配置される第二側板（３２）から構成され、これら側板が前記筐体と密閉接続され、外殻（３）内に密閉空間を形成し、
   分液管（４）と集気管（５）がその上にそれぞれ分液孔（４１）と集気孔（５１）を有し、分液管（４）と集気管（５）がそれぞれ密閉的に外殻（３）上に形成された分液管取り付け孔と集気管取り付け孔を通して外殻（３）の内部に入り込み、
   折り曲げ管（１）が外殻（３）の中に配置され、前記折り曲げ管の一端が分液孔（４１）と接続され、残りの一端が集気孔（５１）と接続され、
   折り曲げ管（１）が、一体成型された複数の湾曲部分（２）と直線部分（９）とを備え、前記湾曲部分は首端（ａ）と尾端（ｂ）を有し、各直線部分はそれぞれ二つの湾曲部分の間に配置され、湾曲部分（２）の首端（ａ）と尾端（ｂ）間の角度が１８０度より大きく、かつ同一の平面上にあり、隣り合う二つの湾曲部分（２）の中心線は、一つの湾曲部分（２）の中心線が前記首端（ａ）又は尾端（ｂ）から、当該一つの湾曲部分（２）と隣り合う別の湾曲部分（２）の中心線方向に対して直線部分（９）の中心線と接線方向でつながり、
   折り曲げ管が、第一側板（３１）及び第二側板（３２）と平行に配置され、第一側板（３１）及び／又は第二側板（３２）上に流れガイド要素（８）が形成され、前記流れガイド要素が折り曲げ管（１）に嵌め込まれ、前記流れガイド要素は複数の流れガイド柱を備え、前記流れガイド柱は流れガイド円柱（８０１）と連接壁（８０２）を備え、前記流れガイド円柱は前記湾曲部分と嵌め合い、前記連接壁の前記流れガイド円柱から離れる端には、隣接する湾曲部分と嵌め合う滑らかな円弧部分が配置され、前記流れガイド柱の伸びる方向がそれぞれ第一側板（３１）及び／又は第二側板（３２）と垂直であり、且つ、管外流体が流れガイド要素を通して流れることで、前記管外流体を攪乱することを特徴とする熱交換器。
2. 湾曲部分（２）の首端（ａ）と尾端（ｂ）の間の角度が１８６度〜２８６度であることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器。
3. 湾曲部分（２）の首端（ａ）と尾端（ｂ）の接続線から見て同じ側にあるいくつかの湾曲部分（２）に嵌め込まれる流れガイド要素（８）が第一側板（３１）に形成され、残りの流れガイド要素（８）が第二側板（３２）に形成されることを特徴とする、請求項２に記載の熱交換器。
4. 筐体（３３）が第一側板（３１）と取り外し可能に接続されることを特徴とする、請求項３に記載の熱交換器。
5. 筐体（３３）が第二側板（３２）と取り外し可能に接続されることを特徴とする、請求項４に記載の熱交換器。
6. 筐体（３３）と第一側板（３１）及び／又は第二側板（３２）とがネジで締められることを特徴とする、請求項５に記載の熱交換器。
7. 分液管（４）と分液管取り付け孔の密閉接続が、分液管（４）と密閉接続され、第一側板（３１）と一体射出成型された分液管連接板（３４）により形成され、集気管（５）と集気管取り付け孔の密閉接続が、集気管（５）と密閉接続され、第一側板（３１）と一体射出成型された集気管連接板（３５）により形成されることを特徴とする、請求項６に記載の熱交換器。
8. 同じ平面上で複数の単層単列折り曲げ管のアレイ（１１）が直線部分（９）を通して接続され、単層多列折り曲げ管のアレイ（１２）になり、その両端がそれぞれ分液孔（４１）と集気孔（５１）につながれることを特徴とする、請求項７に記載の熱交換器。
9. 単層多列折り曲げ管のアレイ（１２）の複数を単層多列折り曲げ管のアレイ(12)に対して垂直方向に重ねて配置して多層多列折り曲げ管のアレイが形成され、多層多列折り曲げ管のアレイの端がそれぞれ複数の分液孔（４１）と集気孔（５１）に接続されることを特徴とする、請求項８に記載の熱交換器。

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