JP5773897B2 - ヒートポンプシステム及びヒートポンプシステムの制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、暖房運転及び給湯運転を行うヒートポンプシステムにおいて、暖房運転時及び給湯運転時に蒸発器となる熱源側熱交換器に付着した霜を取り除く除霜技術と、除霜運転時に凝縮器となる負荷側熱交換器の凍結保護技術に関する。

暖房運転時及び給湯運転時に凝縮器となる負荷側熱交換器において冷媒と水とを熱交換して水を加熱し、加熱された水を用いて暖房及び給湯を行うヒートポンプシステムがある。
このヒートポンプシステムでは、外気温が低く（例えば、０℃以下）なると、熱源側熱交換器に霜が付着する。霜が付着すると、熱源側熱交換器の周囲の風路が塞がれてしまい熱源側熱交換器の熱交換能力が低下する。その結果、ヒートポンプシステムの能力が低下する。
この能力の低下を防止するため、熱源側熱交換器に付着した霜を取り除く除霜運転が行われる。除霜運転では、冷媒回路における冷媒の流れる向きを一時的に逆転させる。つまり、除霜運転では、霜が付着している熱源側熱交換器を一時的に凝縮器として動作させることで、熱源側熱交換器に付着した霜を溶かす。

除霜運転では、暖房運転時及び給湯運転時に蒸発器として動作していた熱源側熱交換器が凝縮器として動作するだけでなく、暖房運転時及び給湯運転時に凝縮器として動作していた負荷側熱交換器が蒸発器として動作する。そのため、温度が低下した冷媒が負荷側熱交換器へ流入することになる。特に、除霜運転では、熱源側熱交換器に付着した霜を溶かすことにより温度が低下した冷媒が、負荷側熱交換器へ流入することになる。
すると、暖房や給湯を行うための水が０℃以下まで冷却され、負荷側熱交換器内で凍結してしまう場合がある。負荷側熱交換器内で水が凍結すると、水回路が閉塞されることや、水が氷になることによる体積膨張で負荷側熱交換器が破損することがある。
また、暖房運転中に除霜運転が行われると、暖房運転をしていたにも関わらず、冷却された水により室内空気が冷却され、利用者の快適性を損ねることになる。

特許文献１，２には、除霜運転時に、給湯タンクに蓄えられた水（温水）を負荷側熱交換器へ流すことについて記載されている。

特開２００７−７１４７１号公報 特開２０１１−１２７７９２号公報

特許文献１，２に記載されたヒートポンプシステムでは、給湯タンクに蓄えられた水を暖房装置へ流して暖房を行い、暖房に使用された後の水を負荷側熱交換器へ流している。
この場合、除霜運転時でも暖房運転を継続できるものの、水は、負荷側熱交換器で冷媒と熱交換されることにより冷却されるだけでなく、暖房装置で室内空気と熱交換されることにより冷却されてしまう。そのため、給湯タンクに蓄えられた水の温度は急速に低下してしまい、給湯タンクの湯を使って給湯を行うことが一時的にできなくなる恐れがある。
この発明は、除霜運転時に、負荷側熱交換器内で水が凍結することを防止するとともに、暖房を利用する利用者の快適性を損ねることを防止しつつ、給湯も利用可能とすることを目的とする。

この発明に係るヒートポンプシステムは、
圧縮機と、第１熱交換器と、膨張機構と、第２熱交換器とが順次配管により接続され環状に構成された冷媒回路であって、冷媒が循環する冷媒回路と、
前記第１熱交換器と、切替装置と、暖房装置とが順次配管により接続され環状に構成された暖房回路と、前記切替装置から、前記暖房装置と前記第１熱交換器との間の接続点までが配管により接続された給湯回路とを有し、流体が循環する流体回路と、
前記給湯回路における前記切替装置と前記接続点との間に接続された給湯タンクであって、前記給湯回路を循環する前記流体と、内部に蓄えられた水とが熱交換される給湯タンクと、
前記圧縮機、前記第１熱交換器、前記膨張機構、前記第２熱交換器の順に前記冷媒を循環させる加熱運転と、前記圧縮機、前記第２熱交換器、前記膨張機構、前記第１熱交換器の順に前記冷媒を循環させ、前記第２熱交換器に付着した霜を除去する除霜運転とを切り替える運転制御部と、
前記運転切替部が除霜運転をしている場合に、前記流体の温度が所定の温度以下になると、前記第１熱交換器で熱交換された前記流体が、前記給湯タンクへ流れるように前記切替装置を制御する切替制御部と
を備えることを特徴とする。

この発明に係るヒートポンプシステムでは、除霜運転時には、給湯タンク側へ水が循環するようにする。そして、給湯タンクに蓄えられた温水で温められた水を用いて除霜する。これにより、第１交換器内で水が凍結することを防止するとともに、暖房を利用する利用者の快適性を損ねることを防止しつつ、給湯も利用可能とすることが可能となる。

実施の形態１に係るヒートポンプシステム１００の構成図。 実施の形態１に係るヒートポンプシステム１００の暖房運転時の冷媒及び水の流れを示す図。 実施の形態１に係るヒートポンプシステム１００の給湯運転時の冷媒及び水の流れを示す図。 実施の形態１に係るヒートポンプシステム１００の除霜運転実行時の処理の流れを示すフローチャート。 実施の形態１に係るヒートポンプシステム１００の除霜運転時の冷媒及び水の流れを示す図。 実施の形態１に係るヒートポンプシステム１００の除霜運転時の冷媒及び水の流れを示す図。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るヒートポンプシステム１００の構成図である。
ヒートポンプシステム１００は、圧縮機１と、熱交換器２（負荷側熱交換器）と、膨張機構３と、熱交換器４（熱源側熱交換器）とが順次配管により接続され、冷媒が循環する冷媒回路５を備える。冷媒回路５には、圧縮機１の吐出側に冷媒の循環する方向を切り替える四方弁６が設けられている。冷媒は、例えば、ＨＦＣ系の混合冷媒であるＲ４１０ＡやＲ４０７Ｃである。
また、ヒートポンプシステム１００は、熱交換器２と、補助ヒータ７と、ポンプ８と、三方弁９（切替装置）と、暖房装置１０とが順次配管により接続された暖房回路１２ａと、三方弁９から暖房装置１０と熱交換器２との間の接続点１１までが配管により接続され、途中に給湯タンク１３が接続された給湯回路１２ｂとを有し、水が循環する水回路１２を備えている。給湯タンク１３は、内部に水が蓄えられ、給湯回路１２ｂを循環する水と内部に蓄えられた水とが熱交換される。給湯タンク１３の内部に蓄えられた水と、水回路１２を循環する水とが混合されることはない。また、給湯タンク１３には、内部に蓄えられた水を加熱する補助ヒータ１４が設けられている。
なお、給湯タンク１３の内部に蓄えられた水（温水）は、上部に接続された配管からシャワー等へ送られ、利用される。また、利用され減少した分の水は、給湯タンク１３の下部に接続された配管から供給され給湯タンク１３の内部に蓄えられる。

ヒートポンプシステム１００は、熱交換器４の膨張機構３側を流れる冷媒の温度を計測する温度センサ１５と、熱交換器２へ流入する水の温度を計測する温度センサ１６と、ポンプ８と三方弁９との間の水の温度を計測する温度センサ１７とを備える。
また、ヒートポンプシステム１００は、圧縮機１や膨張機構３や四方弁６を制御する制御装置１８（運転制御部）と、補助ヒータ７，１４やポンプ８や三方弁９を制御する制御装置１９（切替制御部）を備える。

圧縮機１、膨張機構３、熱交換器４、四方弁６、制御装置１８等は、室外機２０に収納される。また、熱交換器２、補助ヒータ７、ポンプ８、三方弁９、給湯タンク１３等は、温水暖房機２１に収納される。

ここで、圧縮機１は、インバータ制御により容量制御可能な圧縮機である。熱交換器２は、冷媒回路５を循環する冷媒と、水回路１２を循環する水とを熱交換させるプレート式熱交換器等の熱交換器である。膨張機構３は、開度を制御可能な電子弁である。熱交換器４は、冷媒回路５を循環する冷媒と、ファン等により送風される外気とを熱交換させる熱交換器である。
補助ヒータ７，１４は、電気ヒータ等であり、室外機２０の能力不足を補うためのものである。ポンプ８は、回転数が制御され、循環流量が制御可能なタイプのポンプである。三方弁９は、水回路１２を循環する水の流れる方向を切り替えるための電磁弁である。

また、水回路１２を循環する水は、給湯タンク１３の中央部付近から下側に蓄えられた水と熱交換される。同様に、補助ヒータ１４は、給湯タンク１３の中央部付近から下側に蓄えられた水を加熱する。

図２は、実施の形態１に係るヒートポンプシステム１００の暖房運転時の冷媒及び水の流れを示す図である。図２において、実線矢印は冷媒の流れを示し、破線矢印は水の流れを示す。
暖房運転時には、四方弁６は、制御装置１８により図１の破線の流路に設定される。また、三方弁９は、制御装置１９により給湯タンク１３側が閉じられる。

冷媒回路５では、圧縮機１から吐出した高温高圧のガス冷媒は、四方弁６を経由して熱交換器２へ流入する。熱交換器２へ流入した高温高圧のガス冷媒は、水回路１２を循環する水と熱交換され、高圧の液冷媒となり、熱交換器２を流出する。熱交換器２を流出した高圧の液冷媒は、膨張機構３で減圧され、低温低圧の二相冷媒となり、熱交換器４へ流入する。熱交換器４へ流入した低温低圧の二相冷媒は、外気と熱交換され、低圧のガス冷媒となり、再び圧縮機１へ吸入される。
水回路１２では、熱交換器２で冷媒と熱交換されることにより、水が加熱され温水になる。熱交換器２で加熱された温水は、補助ヒータ７、ポンプ８、三方弁９を経て暖房装置１０へ流入する。暖房装置１０へ流入した温水は、暖房装置１０が設置された部屋の空気へ放熱して、冷水になり、再び熱交換器２へ流入する。この際、暖房装置１０が設置された部屋の空気が暖められる。
なお、利用者により設定された設定温度（例えば、２０℃）等に基づき、制御装置１８は、熱交換器２から流出する水の目標温度を定め、熱交換器２から流出する水が目標温度になるように、圧縮機１の容量を制御する。能力が不足している場合には、制御装置１９により補助ヒータ７が稼働され、熱交換器２で加熱された水がさらに加熱される。

図３は、実施の形態１に係るヒートポンプシステム１００の給湯運転時の冷媒及び水の流れを示す図である。図３において、実線矢印は冷媒の流れを示し、破線矢印は水の流れを示す。
給湯運転時には、四方弁６は、制御装置１８により図１の破線の流路に設定される。また、三方弁９は、制御装置１９により暖房装置１０側が閉じられる。

冷媒回路５では、暖房運転時と同様に冷媒が循環する。
水回路１２では、熱交換器２で冷媒と熱交換されることにより、水が加熱され温水になる。熱交換器２で加熱された温水は、補助ヒータ７、ポンプ８、三方弁９を経て給湯タンク１３へ流入する。給湯タンク１３へ流入した温水は、給湯タンク１３の内部に蓄えられた水へ放熱して、冷水になり、再び熱交換器２へ流入する。この際、給湯タンク１３の内部に蓄えられた水が温められる。そして、給湯タンク１３の上部に設けられた配管からシャワー等へ給湯タンク１３に蓄えられた水が供給される。
なお、予め設定された目標沸き上げ温度（例えば、６０℃）等に基づき、制御装置１８は、熱交換器２から流出する水の目標温度を定め、熱交換器２から流出する水が目標温度になるように、圧縮機１の容量を制御する。熱交換器２での加熱能力が不足している場合には、制御装置１９により補助ヒータ７が稼働され、熱交換器２で加熱された水がさらに加熱される。また、制御装置１９により補助ヒータ１４が稼働され、給湯タンク１３の内部に蓄えられた水がさらに加熱される。

上述した通り、暖房運転や給湯運転を行うと、熱交換器４へ低温低圧の二相冷媒が流入する。例えば、外気が０℃以下である場合、熱交換器４へ流入する冷媒も０℃以下になる。すると、低温の冷媒により、空気中の水分が凍結してしまい、熱交換器４に霜が付く。
熱交換器４に霜が付着すると、熱交換器４の周囲の風路が塞がれてしまい熱交換器４の熱交換能力が低下する。その結果、室外機２０の能力が低下する。この能力の低下を防止するため、熱交換器４に付着した霜を取り除く除霜運転が行われる。
例えば、ヒートポンプシステム１００では、温度センサ１５が計測した冷媒の温度が予め設定された温度ＴＬ（例えば−１０℃）の状態が所定の時間ｔ０秒継続した場合、除霜運転を行う。

除霜運転では、冷媒回路５における冷媒の循環する方向を逆向きに切り替えたリバースサイクル運転（通常の冷房運転と同じ運転）が行われる。つまり、四方弁６を図１の実線の流路に設定することにより、暖房運転や給湯運転の時とは逆向きに冷媒が流れるようにする。
すると、圧縮機１から吐出した高温高圧のガス冷媒は、四方弁６を経由して熱交換器４へ流入する。高温高圧のガス冷媒により、熱交換器４に付いた霜が溶かされ、霜が取り除かれる。
その後、熱交換器４へ流入した高温高圧のガス冷媒は、霜を溶かすとともに、外気と熱交換され、高圧の液冷媒となり、熱交換器４を流出する。熱交換器４を流出した高圧の液冷媒は、膨張機構３で減圧され、低温低圧の二相冷媒となり、熱交換器２へ流入する。熱交換器２へ流入した低温低圧の二相冷媒は、水回路１２を循環する水と熱交換され、低圧のガス冷媒となり、再び圧縮機１へ吸入される。
熱交換器２で冷媒と水とが熱交換される際、低温の冷媒により水が冷却され、熱交換器２内で凍結してしまう恐れがある。熱交換器２内で水が凍結すると、水回路１２の流路が閉塞してしまう場合や、水が凍結することによる体積膨張で熱交換器２が破損してしまう場合がある。また、暖房装置１０へ冷却された水が流れ、室内の空気が冷却され、利用者の快適性を害してしまう。
そこで、ヒートポンプシステム１００では、給湯タンク１３に蓄えられた温水の熱を利用して、熱交換器２内で水が凍結することを防止する。

図４は、実施の形態１に係るヒートポンプシステム１００の除霜運転実行時の処理の流れを示すフローチャートである。
図５、図６は、実施の形態１に係るヒートポンプシステム１００の除霜運転時の冷媒及び水の流れを示す図である。図５、図６において、実線矢印は冷媒の流れを示し、破線矢印は水の流れを示す。

（Ｓ１：除霜運転開始処理）
制御装置１８は、温度センサ１５が計測した冷媒の温度が予め設定された温度ＴＬの状態が所定の時間ｔ０秒継続した場合、四方弁６を図１の実線の流路に切り替えて除霜運転を開始する。
この際、三方弁９は、除霜運転への切り替え前の設定のままとなる。つまり、除霜運転への切り替え前に暖房運転を行っていた場合、図５に示すように三方弁９は給湯タンク１３側が閉じられたままとなる。一方、除霜運転への切り替え前に給湯運転を行っていた場合、図６に示すように三方弁９は暖房装置１０側が閉じられたままとなる。

（Ｓ２：運転判定処理）
制御装置１９は、除霜運転への切り替え前に暖房運転を行っていたか、給湯運転を行っていたかを判定する。
制御装置１９は、暖房運転を行っていた場合には処理をＳ３へ進め、給湯運転を行っていた場合には処理をＳ５へ進める。

（Ｓ３：温度判定処理）
制御装置１９は、温度センサ１６が計測した温度（熱交換器２へ流入する水の温度）が、予め定めた温度Ｔ１（例えば、１℃）以下であるか否かを判定する。また、制御装置１９は、温度センサ１７が計測した温度（ポンプ８と三方弁９との間を流れる水の温度）が、予め定めた温度Ｔ２（例えば、１０℃）以下であるか否かを判定する。
制御装置１９は、温度センサ１６が計測した温度が温度Ｔ１以下であると判定した場合（Ｓ３でＹＥＳ）、処理をＳ４へ進める。同様に、制御装置１９は、温度センサ１７が計測した温度が温度Ｔ２以下であると判定した場合（Ｓ３でＹＥＳ）、処理をＳ４へ進める。一方、制御装置１９は、上記以外の場合（Ｓ３でＮＯ）、処理をＳ５へ進める。

（Ｓ４：流路切替処理）
制御装置１９は、暖房装置１０側が閉じられ、給湯タンク１３側が開けられるように、三方弁９を切り替える。つまり、制御装置１９は、図５に示す状態から図６に示す状態に切り替える。

（Ｓ５：再判定処理）
制御装置１８は、熱交換器４に付いた霜が取り除けたか否かを判定する。
制御装置１８は、霜が取り除けたと判定した場合（Ｓ５でＹＥＳ）、処理をＳ６へ進める。一方、制御装置１８は、霜が取り除けていないと判定した場合（Ｓ５でＮＯ）、処理をＳ２へ戻す。
なお、熱交換器４に付いた霜が取り除けたか否かはどのように判定してもよい。例えば、除霜運転を所定時間以上実行した場合に熱交換器４に付いた霜が取り除けたと判定してもよい。

（Ｓ６：通常運転開始処理）
制御装置１８は、熱交換器４に付いた霜が取り除けたと判定した場合、四方弁６を図１の破線の流路に切り替えて、Ｓ１で除霜運転に切り替える前の運転に戻す。
また、制御装置１９は、Ｓ４で三方弁９を切り替えていた場合、元の状態に戻す。つまり、制御装置１９は、暖房装置１０側が開けられ、給湯タンク１３側が閉じられるように、三方弁９を切り替える。

以上のように、実施の形態１に係るヒートポンプシステム１００では、除霜運転時に、熱交換器２へ流入する水の温度が低くなると、水回路１２を循環する水が給湯タンク１３の内部に蓄えられた温水により加熱されるようにする。そのため、熱交換器２内で水が凍結することを防止できる。
また、実施の形態１に係るヒートポンプシステム１００では、ポンプ８と三方弁９との間を流れる水の温度が低くなると、暖房装置１０へ水が流れないようにする。そのため、室内空気が冷却され、利用者の快適性を損なうことがない。なお、除霜運転をしている程度の短い時間であれば、温水が暖房装置１０へ供給されなかったとしても利用者の快適性を大きく損なうことはない。

また、水回路１２を循環する水は、給湯タンク１３の中央部付近から下側に蓄えられた水と熱交換される。そのため、除霜運転時に、冷却された水と給湯タンク１３に蓄えられた水とが熱交換されても、給湯タンク１３の上部には、シャワー等へ供給するのに十分な温かさの水が残っており、給湯が一時的にできなくなることがない。
また、給湯タンク１３の上部の水の温度が下がってきた場合には、補助ヒータ１４を運転すれば、給湯タンク１３の上部にシャワー等へ供給するのに十分な温かさの水を蓄えることができる。

なお、除霜運転時に熱交換器２内で水が凍結する原因としては、熱交換器２へ流入する水の温度低下と、熱交換器２へ流入する冷媒の温度低下（０℃以下）とがある。熱交換器２へ流入する水の温度低下は、暖房装置１０による放熱、現地（ヒートポンプシステム１００の据え付け場所）において使用された延長配管の断熱不足、水回路１２の循環水量不足、補助ヒータ７の能力不足・取り付け忘れ・故障、室外機２０の能力過剰（除霜運転時の冷房能力大による蒸発温度の低下）等がある。
実施の形態１に係るヒートポンプシステム１００は、いずれの原因であっても、除霜運転時に熱交換器２内で水が凍結することを防止できる。特に、実施の形態１に係るヒートポンプシステム１００は、暖房装置１０へ水を循環させないため、現地において使用された延長配管の断熱不足が大きな原因となっている場合には、効果的である。

１ 圧縮機、２ 熱交換器、３ 膨張機構、４ 熱交換器、５ 冷媒回路、６ 四方弁、７ 補助ヒータ、８ ポンプ、９ 三方弁、１０ 暖房装置、１１ 接続点、１２ 水回路、１２ａ 暖房回路、１２ｂ 給湯回路、１３ 給湯タンク、１４ 補助ヒータ、１５，１６，１７ 温度センサ、１８，１９ 制御装置、２０ 室外機、２１ 温水暖房機、１００ ヒートポンプシステム。

Claims (5)

1. 圧縮機と、第１熱交換器と、膨張機構と、第２熱交換器とが順次配管により接続され環状に構成された冷媒回路であって、冷媒が循環する冷媒回路と、
   前記第１熱交換器と、切替装置と、暖房装置とが順次配管により接続され環状に構成された暖房回路と、前記切替装置から、前記暖房装置と前記第１熱交換器との間の接続点までが配管により接続された給湯回路とを有し、流体が循環する流体回路と、
   前記給湯回路における前記切替装置と前記接続点との間に接続された給湯タンクであって、前記給湯回路を循環する前記流体と、内部に蓄えられた水とが熱交換される給湯タンクと、
   前記圧縮機、前記第１熱交換器、前記膨張機構、前記第２熱交換器の順に前記冷媒を循環させる加熱運転と、前記圧縮機、前記第２熱交換器、前記膨張機構、前記第１熱交換器の順に前記冷媒を循環させ、前記第２熱交換器に付着した霜を除去する除霜運転とを切り替える運転制御部と、
   前記運転制御部が除霜運転をしている場合に、前記流体の温度が所定の温度よりも高い場合には、前記第１熱交換器で熱交換された前記流体が、前記暖房装置と前記給湯タンクとのうち、除霜運転に切り替える前の加熱運転時に流れていた方へ流れるように前記切替装置を制御し、前記流体の温度が前記所定の温度以下になると、前記第１熱交換器で熱交換された前記流体が、前記暖房装置へ流れることなく、前記給湯タンクへ流れるように前記切替装置を制御する切替制御部と
   を備えることを特徴とするヒートポンプシステム。
2. 前記ヒートポンプシステムは、さらに、
   前記給湯タンクの内部に蓄えられた水を加熱する加熱装置と、
   前記第１熱交換器で熱交換された前記流体が、前記給湯タンクへ流れるように前記切替制御部が前記切替装置を制御している場合に、前記加熱装置に水を加熱させる加熱制御部と
   を備えることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプシステム。
3. 前記切替制御部は、前記切替装置から流出してから前記第１熱交換器に流入するまでの前記流体の温度が予め定められた第１温度以下になると、前記第１熱交換器で熱交換された前記流体が、前記暖房装置へ流れることなく、前記給湯タンクへ流れるように前記切替装置を制御する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートポンプシステム。
4. 前記切替制御部は、前記第１熱交換器から流出してから前記切替装置に流入するまでの前記流体の温度が予め定められた第２温度以下になると、前記第１熱交換器で熱交換された前記流体が、前記暖房装置へ流れることなく、前記給湯タンクへ流れるように前記切替装置を制御する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートポンプシステム。
5. 圧縮機と、第１熱交換器と、膨張機構と、第２熱交換器とが順次配管により接続され環状に構成された冷媒回路であって、冷媒が循環する冷媒回路と、
   前記第１熱交換器と、切替装置と、暖房装置とが順次配管により接続され環状に構成された暖房回路と、前記切替装置から、前記暖房装置と前記第１熱交換器との間の接続点までが配管により接続された給湯回路とを有し、流体が循環する流体回路と、
   前記給湯回路における前記切替装置と前記接続点との間に接続された給湯タンクであって、前記給湯回路を循環する前記流体と、内部に蓄えられた水とが熱交換される給湯タンクと
   を備えるヒートポンプ装置の制御方法であり、
   制御装置が、前記圧縮機、前記第１熱交換器、前記膨張機構、前記第２熱交換器の順に前記冷媒を循環させる加熱運転と、前記圧縮機、前記第２熱交換器、前記膨張機構、前記第１熱交換器の順に前記冷媒を循環させ、前記第２熱交換器に付着した霜を除去する除霜運転とを切り替える運転制御工程と、
   制御装置が、前記運転制御工程で除霜運転をしている場合に、前記流体の温度が所定の温度よりも高い場合には、前記第１熱交換器で熱交換された前記流体が、前記暖房装置と前記給湯タンクとのうち、除霜運転に切り替える前の加熱運転時に流れていた方へ流れるように前記切替装置を制御し、前記流体の温度が前記所定の温度以下になると、前記第１熱交換器で熱交換された前記流体が、前記暖房装置へ流れることなく、前記給湯タンクへ流れるように前記切替装置を制御する切替制御工程と
   を備えることを特徴とするヒートポンプシステムの制御方法。

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