JP5978046B2 - オイルセパレータ及び冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば超低温フリーザ等の冷凍サイクル装置において、圧縮機から吐出された冷媒中のオイルを圧縮機に戻すためのオイルセパレータ及びそれを用いた冷凍サイクル装置に関する。

例えば研究施設等で使用される超低温フリーザは、圧縮機、凝縮器（放熱器）、減圧装置、及び蒸発器等を順次環状に接続して冷媒回路が構成された冷凍サイクルを備えている。冷凍サイクル中には冷媒と共に圧縮機の摺動部を潤滑するためのオイルが所定量充填されるが、オイルの一部は冷媒と共に圧縮機から冷凍サイクル中に吐出されてしまう。

オイルが冷凍サイクル中に吐出されると、減圧装置や蒸発器において冷媒循環を阻害する原因になるとともに、圧縮機内のオイルが枯渇して焼き付き等を引き起こす。そこで、圧縮機と凝縮器の間にはオイルセパレータが介設される。

オイルセパレータは、所定容量のタンクにて構成されており、このタンク内に圧縮機から吐出された冷媒（オイルを含む）が流入する。フィルタ等の手段により冷媒中のオイルをタンク内にて分離し、冷媒だけをタンクから凝縮器に向けて流出させる。タンク内にはオイルが貯留される。

タンク内にはフロートが設けられ、フロートはタンク内の油面の変化に応じて上下動する。タンク内のオイルの量が増え、油面の上昇に応じてフロートが所定の位置まで上昇すると、弁装置が開き、タンク内のオイルを圧縮機の吸込側に戻す。これによって、冷凍サイクル中に吐出されるオイルを圧縮機に戻し、上記のような問題を解決していた（例えば、特許文献１参照）。

特開平９−７２６３５号公報

ところで、圧縮機から吐出される冷媒の圧力は、圧縮機の運転中は例えば３ＭＰａ等の極めて高い値となる。逆に、圧縮機が停止すると、０．５ＭＰａ程に低下する。このため、オイルセパレータ内の圧力も係る高圧から低い圧力の間で頻繁に変化することになり、このような圧力変化によってフロートが破損してしまうことがある。破損部からオイルがフロート内に侵入してしまうと、フロートは浮力を失って油面の上下動を検出できなくなり、オイル戻し機能が不能となってしまう。

本発明は、このような背景を鑑みてなされたものであり、オイルがフロートに浸入する危険性を低減することができるオイルセパレータ及びそれを用いた冷凍サイクル装置を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するための本発明の主たる発明は、圧縮機から吐出された冷媒中のオイルを分離して前記圧縮機に戻すためのオイルセパレータであって、前記圧縮機から吐出された冷媒が流入するタンクと、複数部材が溶接されて形成され、前記タンク内の油面の変化に応じて上下動可能な内部中空のフロートと、前記フロートの上下動に応じて前記タンク内のオイルを前記圧縮機に戻す弁装置と、を備え、前記フロートは溶接部の終端が前記油面より上になるように設けられることとする。

その他本願が開示する課題やその解決方法については、発明の実施形態の欄及び図面により明らかにされる。

本発明によれば、オイルがフロートに浸入する危険性を低減することができる。

本発明の一実施形態に係る超低温フリーザの冷媒回路図である。 本発明の一実施形態に係るオイルセパレータの縦断側面図である。 本発明の一実施形態に係るオイルセパレータのもう一つの縦断側面図である。 図２のオイルセパレータのフロートが上昇した状態を示す図である。 仕切板を屈曲させた変形例を示す図である。 フロートの上方にフィルタから滴下するオイルを受ける案内板を設けた変形例を示す図である。

＝＝超低温フリーザ１＝＝
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて詳細に説明する。図１の冷媒回路は、本発明の冷凍サイクル装置の一実施形態である超低温フリーザ１の庫内（図示せず）を−８０℃乃至−１５０℃の超低温に冷却するためのものであり、高温側冷媒回路２と、この高温側冷媒回路２にカスケード接続された低温側冷媒回路３とから構成されている。

高温側冷媒回路２は、圧縮機４、放熱器としての凝縮器６、減圧装置としてのキャピラリチューブ（もしくは膨張弁）７、及び、蒸発器８を順次環状に配管接続して構成されている。低温側冷媒回路３は、圧縮機９、本発明のオイルセパレータ１１、放熱器としての凝縮器１２、減圧装置としてのキャピラリチューブ（もしくは膨張弁）１３、及び、蒸発器１４を順次環状に配管接続して構成されており、この低温側冷媒回路３の凝縮器１２と高温側冷媒回路２の蒸発器８とが熱交換関係に配置され、カスケード熱交換器１６を構成している。

オイルセパレータ１１は低温側冷媒回路３の圧縮機９から吐出された冷媒中のオイルを分離して圧縮機９に戻す役割を果たすものである。低温側冷媒回路３の圧縮機９の吐出配管９Ｄが、オイルセパレータ１１の冷媒入口管１７に接続されており、オイルセパレータ１１の冷媒出口管１８が凝縮器１２に接続されている。オイルセパレータ１１のオイル戻し管１９は圧縮機９の吸込配管９Ｓに接続されている。

高温側冷媒回路２の圧縮機４が運転されると、圧縮機４から吐出された高温高圧のガス冷媒は凝縮器６に流入し、そこで放熱して凝縮液化する。凝縮器６で凝縮した冷媒はキャピラリチューブ７にて絞られた後、蒸発器８に流入して蒸発し、吸熱作用を発揮する。蒸発器８で蒸発した冷媒は再び圧縮機４に吸い込まれる循環を繰り返す。

低温側冷媒回路３の圧縮機９が運転されると、圧縮機９の吐出配管９Ｄから吐出された高温高圧のガス冷媒が冷媒入口管１７からオイルセパレータ１１内に流入する。オイルセパレータ１１でオイルが分離された冷媒ガスは冷媒出口管１８から流出し、凝縮器１２に流入する。オイルセパレータ１１で分離されたオイルは後述するようにオイル戻し管１９を介して圧縮機９の吸込配管９Ｓに戻される。

低温側冷媒回路３には前述した超低温を得るために極めて低沸点の冷媒が封入される。凝縮器１２はカスケード熱交換器１６にて高温側冷媒回路２の蒸発器８による吸熱作用で冷却されるので、冷媒は円滑に凝縮液化する。凝縮器１２で凝縮した冷媒はキャピラリチューブ１３にて絞られた後、蒸発器１４に流入して蒸発する。そのときに吸熱作用を発揮し、図示しない庫内を冷却する。圧縮機９は庫内温度に基づいてＯＮ−ＯＦＦされ、庫内は前述した−８０℃〜−１５０℃の範囲の超低温度域の設定温度に冷却される。

蒸発器１４で蒸発した冷媒は再び吸込配管９Ｓより圧縮機９に吸い込まれる循環を繰り返す。オイル戻し管１９を通って戻ってきたオイルは、蒸発器１４からの冷媒と共に吸込配管９Ｓより圧縮機９に戻る。

＝＝オイルセパレータ１１＝＝
次に、図２乃至図４を参照して本発明のオイルセパレータ１１の一実施形態を説明する。所定容量のタンク２１は、縦長の円柱状を呈し、上下は高圧に耐えうるように密封されている。冷媒入口管１７及び冷媒出口管１８はタンク２１内に上から挿入されており、タンク２１内上部にて開口している。オイル戻し管１９もタンク２１内に上から挿入され、タンク２１内底部にて開口している。

冷媒入口管１７のタンク２１内の開口周囲にはフィルタ２２が取り付けられている。冷媒入口管１７から前述した如く流入した冷媒ガス中のオイルはこのフィルタ２２で分離される。なお、フィルタ２２に代えて遠心分離器を設けてもよい。すなわち、冷媒中のオイルを分離する機構を設ければよい。フィルタ２２により分離されたオイルは受け板２２Ａの側部から矢印３１および矢印３２に示すように下方に滴下し、タンク２１内底部に貯留されていく。フィルタ２２でオイルが分離された冷媒ガスは、タンク２１内を経て冷媒出口管１８に流入し、オイルセパレータ１１から凝縮器１２へと流出していく。これにより、オイルセパレータ１１以降の低温側冷媒回路３へのオイルの流出が防止され、前述したように超低温となる蒸発器１４等においてオイルが固化することによる冷媒流通不良などの不都合が防止される。冷媒入口管１７と冷媒出口管１８との間のタンク２１内は仕切板２３にて仕切られており、冷媒ガスの所謂ショートサーキットを防止している。

タンク２１内の下部には内部中空のフロート２４が収納されている。このフロート２４はフィルタ２２で分離されてタンク２１内底部に貯留されるオイルの油面２０に浮いてオイルレベルを検出する役割を果たすものである。フロート２４は、フロートレバー２６と取付金具２７を介してオイル戻し管１９に上下移動可能に保持されている。

取付金具２７はオイル戻し管１９の下端部に取り付けられている。フロートレバー２６の一端は取付金具２７に水平方向の回転軸２８を中心として上下方向に回動自在に枢支されている。フロートレバー２６の他端がフロート２４の側面に溶接固定され、これにより、フロート２４はフィルタ２２等の下方のタンク２１内において上下移動可能に保持される。フロートレバー２６の一端は回転軸２８から更にフロート２４とは反対方向に延在しており、延在部２６Ａにニードルバルブ２９（弁装置）の下端が回動可能に取り付けられている。ニードルバルブ２９の上端はオイル戻し管１９の下端開口に対応し、上昇した状態でこのオイル戻し管１９の下端開口を閉塞し、降下して当該下端開口を開放する。保持具３１は、タンク２１内においてオイル戻し管１９やフロート２４の位置を保持する。

上述したようにフィルタ２２で冷媒ガスから分離されたオイルは、フィルタ２２から滴下してタンク２１内底部に溜まっていく。フロート２４はこの貯留されたオイルの油面２０に浮く。このオイルの量が増大して油面２０（オイルレベル）が上昇すると、フロート２４も上昇する。フロート２４の上昇により、回転軸２８を中心としてフロートレバー２６は図２中時計回りに回転し、図４の状態となる。この回転により、延在部２６Ａも時計回りに回転するので、ニードルバルブ２９が引き下げられ、オイル戻し管１９の下端開口を開放する（図４）。オイル戻し管１９の下端開口が開放されると、圧縮機９が運転中はタンク２１内部が高圧なので、タンク２１内に貯留されたオイルはオイル戻し管１９の下端開口に流入し、当該オイル戻し管１９を経て前述した如く圧縮機９に戻される。これにより、圧縮機９のオイルの枯渇による焼き付きが防止される。

オイルの流出によってタンク２１内のオイルが減少し、油面２０（オイルレベル）が低下すると、フロート２４も降下する。フロート２４の降下により、回転軸２８を中心としてフロートレバー２６は図２中反時計回りに回転する。この回転により、延在部２６Ａも反時計回りに回転するので、ニードルバルブ２９が押し上げられ、オイル戻し管１９の下端開口を閉塞する（図２、図３）。これにより、オイルセパレータ１１のタンク２１内のオイル量は常に一定値以上にならないように調整される。

＝＝フロート２４＝＝
次に、本発明のオイルセパレータ１１におけるフロート２４について説明する。本実施形態のフロート２４は何れもステンレス製の二つ割り半球状（内部中空）の第１及び第２のフロート部材２４Ａ、２４Ｂを、開口周囲のフランジ２４Ｆを全周に亘って相互に溶接して固定することにより構成され、内部中空の球体とされている。本実施形態ではフロート２４はステンレス製であり、その体積は１３７．３（ｃｃ）、重量は７１．４（ｇ）、表面積１２８．７（平方センチメートル）、その最大浮力は５２．１（ｇ）程とされ、フロートレバー２６による釣り合いから求められる浮力の余裕度は１７．９（ｇ）程とされている。なお、フロート２４は鉄などの金属であってもよい。

フロート２４は、フランジ２４Ｆに沿って形成される溶接部（ビード）の終端２４Ｅが油面２０よりも常に上になるように設けられる。すなわち、図４に示すように油面２０の上昇に伴いフロート２４が上昇した状態であっても、図２、図３に示すように油面２０の低下に伴いフロート２４が降下した状態であっても、溶接部の終端２４Ｅは常に油面２０より上になるように設けられる。

また、フロート２４は、オイル戻し管１９の下端開口が解放される、油面２０が最上位置となる時点（図４）において終端２４Ｅも最上位置となるように設けられる。すなわち、図４の状態において、終端２４Ｅがフロート２４の最上部に位置するようにフロート２４はフロートレバー２６に溶接される。これにより、終端２４Ｅの位置を油面２０（およびフロート２４）に対してなるべく高いところに常に位置づけることが可能となる。

また、フロート２４は、フィルタ２２の受け板２２Ａの端部の鉛直下方向に終端２４Ｅが位置しないように傾斜して設けられる。

上述したようにオイルセパレータ１１には圧縮機９から吐出された高温高圧のガス冷媒が流入するので、タンク２１内の圧力は圧縮機９の運転中実施例では３ＭＰａ程まで上昇する。また、圧縮機９が停止するとタンク２１内の圧力は０．５ＭＰａ程まで降下する。このような大きな圧力変化により金属疲労等によりフロート２４に破損（クラック）が生じることがある。特に溶接による形成物では溶接部の終端においてクラック（終端割れ）が生じ易い。

本実施形態のオイルセパレータ１１によれば、クラックの発生し易い溶接部の終端２４Ｅが油面２０よりも上に位置するようにフロート２４を設けているため、タンク２１内のオイルがフロート２４に侵入する危険を低減することができる。これにより、フロート２４の浮力が失われてしまう状況を回避することが可能となる。よって、ニードルバルブ２９が閉じたままとなってオイルが圧縮機９に戻らなくなってしまう不具合を防止することができる。

また、本実施形態のオイルセパレータ１１では、フロート２４を第１及び第２のフロート部材２４Ａ、２４Ｂのフランジ２４Ｆを溶接固定することにより作成していることから、フロート２４には溶接部の終端２４Ｅが設けられることになり、この終端２４Ｅ部分は他の部分よりもクラックが発生し易くなる。したがって、他の部分よりも先に終端２４Ｅにおいてクラックが発生し、逆に終端２４Ｅにクラックが発生したことにより応力が逃されることから他の部分にはクラックが発生しないことが期待される。これにより、フロート２４にクラックが発生するとしても常に油面２０よりも上方に位置する終端２４Ｅにおいて発生するようにさせることが可能となる。よって、フロート２４にオイルが侵入する危険性をさらに低減することができる。

また、本実施形態のオイルセパレータ１１では、図４に示すように、オイル戻し管１９の下端開口が解放される時点、すなわち油面２０が最上位置となる時点において溶接部の終端２４Ｅも最上位置となるようにフロート２４が設けられる。フロート２４は回転軸２８を中心として回動するため、油面２０が低くなるほど（即ちタンク２１内のオイルの量が少なくなるほど）溶接部の終端２４Ｅも低い位置となり、油面２０が高くなるほど（即ちタンク２１内のオイルの量が多くなるほど）終端２４Ｅも高い位置となる。したがって、クラックの発生し易い溶接部の終端２４Ｅは油面２０から最も離れた状態を持続することができる。よって、終端２４Ｅにクラックが発生したとしてもフロート２４にオイルが侵入する危険性をさらに低減することができる。

また、本実施形態のオイルセパレータ１１では、フロート２４は傾斜させて、フィルタ２２の受け板２２Ａの端部の鉛直下方向に終端２４Ｅが位置しないように設けている。すなわち、フィルタ２２からオイルが終端２４Ｅに直接滴下しないようになっている。したがって、終端２４Ｅにおいてクラックが発生したとしても、フィルタ２２から滴下するオイルがクラックを通じてフロート２４の内部に侵入させないようにすることができる。

＝＝仕切板２３の変形例＝＝
図５に仕切板２３を屈曲させた変形例を示す。屈曲した仕切板２３は、フィルタ２２から滴下するオイルを受けてタンク２１の壁面に向けて案内する。図５では、仕切板２３はフロート２４の上部をすべて覆うように延在している。フィルタ２２から滴下したオイルは、矢印３３に示すように仕切板２３上を案内された後、自由端２３Ａにおいて鉛直下方に滴下する。自由端２３Ａの下方にはフロート２４が位置しないように仕切板２３が設けられる。これにより、屈曲した仕切板２３によって案内されたオイルはフロート２４に当たることなくタンク２１内底部に滴下する。したがって、フロート２４にクラックが発生した場合であっても、クラック部分からフロート２４内にオイルが侵入することを防止できる。

なお、仕切板２３は、溶接部の終端２４Ｅの上方が覆われるのであれば、フロート２４の全部を覆わない長さであってもよい。すなわち、フロート２４が上下動したいずれの位置にあるときであっても、屈曲した仕切板２３の自由端２３Ａからオイルが終端２４Ｅに直接滴下することがないような長さであればよい。フロート２４では他の部分に先立って終端２４Ｅの部分にクラックが発生することが期待されるため、終端２４Ｅの上部に直接オイルが滴下しないようになっていれば、終端２４Ｅにクラックが発生したとしてもフロート２４内へのオイルの侵入を予防することが可能となる。

また、仕切板２３は湾曲させてもよい。また、仕切板２３を傾斜させて冷媒入口管１７と冷媒出口管１８との間からフロート２４（または終端２４Ｅ）の上方を覆うように延在させてもよい。

＝＝案内板２５＝＝
図６はフロート２４の上方にフィルタ２２から滴下するオイルを受ける案内板２５を設けた変形例を示す図である。案内板２５は、フィルタ２２から滴下するオイルを受けて壁面に向けて案内する。図６では、案内板２５はフロート２４の上部をすべて覆うように延在している。フィルタ２２から滴下したオイルは、矢印３４に示すように案内板２５上を案内された後、端部２５Ａにおいて鉛直下方に滴下する。案内板２５は、端部２５Ａの下方にはフロート２４が位置しない大きさとする。これにより、案内板２５によって案内されたオイルはフロート２４に当たることなくタンク２１内底部に滴下する。したがって、溶接部の終端２４Ｅにおいてクラックが発生した場合であっても、クラック部分からフロート２４内にオイルが侵入することを防止できる。

なお、図６では案内板２５は略円形であるものとしたが、これに限らず、たとえば矩形であってもよい。また、案内板２５は、溶接部の終端２４Ｅの上方が覆われるのであれば、フロート２４の全部を覆わない大きさであってもよい。すなわち、フロート２４が上下動したいずれの位置にあるときであっても、案内板２５の端部２５Ａからオイルが終端２４Ｅに直接滴下することがないような大きさおよび形であればよい。フロート２４では他の部分に先立って終端２４Ｅの部分にクラックが発生することが期待されるため、終端２４Ｅの上部に直接オイルが滴下しないようになっていれば、終端２４Ｅにクラックが発生したとしてもフロート２４内へのオイルの侵入を予防することが可能となる。

なお、本実施形態ではフロートレバー２６とニードルバルブ２９を用いてフロート２４の上下動による機械的にオイル戻しを制御するオイルセパレータ１１で本発明を説明したが、それに限らず、前記特許文献１のように、フロート２４の上下動で接点を開閉し、オイル戻し管１９に設けた電磁弁（弁装置）を開閉するようなオイルセパレータにも本発明は有効である。

前述したように、本実施形態のオイルセパレータ１１は、圧縮機９から吐出された冷媒中のオイルを分離して圧縮機９に戻すものであり、圧縮機９から吐出された冷媒が流入するタンク２１と、複数部材が溶接されて形成され、タンク２１内の油面２０の変化に応じて上下動可能な内部中空のフロート２４と、フロート２４の上下動に応じてタンク２１内のオイルを圧縮機９に戻すニードルバルブ２９（弁装置）と、を備え、フロート２４は溶接部の終端２４Ｅが油面２０より上になるように設けられる。したがって、クラックの発生し易い溶接部の終端２４Ｅが油面２０よりも上になることから、クラックが発生した場合であってもフロート２４にオイルが侵入する可能性を低減することができる。

また、本実施形態のオイルセパレータ１１では、フロート２４は、油面２０が最上位置に変化した場合に溶接部の終端２４Ｅがフロート２４の最上部に位置するように設けられる。したがって、終端２４Ｅを油面２０からなるべく離れた場所に位置づけることが可能となり、フロート２４へのオイルの侵入可能性をさらに抑制することができる。

また、本実施形態のオイルセパレータ１１は、冷媒中のオイルを分離するフィルタ２２（分離機構）を備え、フロート２４は、オイルがフィルタ２２から溶接部の終端２４Ｅに滴下しないように設けられる。これによりフロート２４へのオイルの侵入可能性をさらに抑制することができる。

また、本実施形態のオイルセパレータ１１では、冷媒入口管１７と冷媒出口管１８との間に設けられる仕切板２３を、オイルが溶接部の終端２４Ｅに滴下しないようにオイルを受けて案内するべく湾曲、屈曲又は傾斜して延在するようにしてもよく、この場合、終端２４Ｅにクラックが発生しても、仕切板２３により案内されたオイルがクラックからフロート２４内に侵入する危険性をさらに低減することができる。

また、本実施形態のオイルセパレータ１１は、オイルが溶接部の終端２４Ｅに滴下しないようにオイルを受けて案内する案内板２５をさらに備えるようにしてもよく、この場合も、終端２４Ｅにクラックが発生したときに、案内板２５により案内されたオイルがクラックからフロート２４内に侵入する危険性をさらに低減することができる。

また、本実施形態の超低温フリーザ１では、圧縮機９と、放熱器としての凝縮器１２と、減圧装置としてのキャピラリチューブ（もしくは膨張弁）１３と、蒸発器１４とを環状に接続することにより低温側冷媒回路３が構成されており、上記オイルセパレータ１１が圧縮機９と凝縮器１２との間に接続されている。したがって、本実施形態の超低温フリーザ１においては、上述のとおりフロート２４にオイルが侵入する危険性が低減されているので、フロート２４の浮力が失われてしまう状況を回避し、ニードルバルブ２９が閉じたままとなってオイルが圧縮機９に戻らなくなってしまう不具合を防止することができる。

以上、本実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物も含まれる。

１ 超低温フリーザ
２ 高温側冷媒回路
３ 低温側冷媒回路
９ 圧縮機
１１ オイルセパレータ
１２ 凝縮器（放熱器）
１７ 冷媒入口管
１８ 冷媒出口管
１９ オイル戻し管
２０ 油面
２１ タンク
２２ フィルタ
２３ 仕切板
２４ フロート
２４Ａ、２４Ｂ フロート部材
２４Ｅ 終端
２４Ｆ フランジ
２５ 案内板
２６ フロートレバー
２９ ニードルバルブ（弁装置）

Claims (6)

1. 圧縮機から吐出された冷媒中のオイルを分離して前記圧縮機に戻すためのオイルセパレータであって、
   前記圧縮機から吐出された冷媒が流入するタンクと、
   複数部材が溶接されて形成され、前記タンク内の油面の変化に応じて上下動可能な内部中空のフロートと、
   前記フロートの上下動に応じて前記タンク内のオイルを前記圧縮機に戻す弁装置と、
   を備え、
   前記フロートは溶接部の終端が前記油面より上になるように設けられること、
   を特徴とするオイルセパレータ。
2. 請求項１に記載のオイルセパレータであって、
   前記フロートは、前記油面が最上位置に変化した場合に前記溶接部の終端が前記フロートの最上部に位置するように設けられること、
   を特徴とするオイルセパレータ。
3. 請求項１に記載のオイルセパレータであって、
   前記冷媒中のオイルを分離する分離機構を備え、
   前記フロートは、前記オイルが前記分離機構から前記溶接部の終端に滴下しないように設けられること、
   を特徴とするオイルセパレータ。
4. 請求項１に記載のオイルセパレータであって、
   前記冷媒の入口と前記冷媒の出口との間に設けられる仕切板を備え、
   前記仕切板は、前記オイルが前記溶接部の終端に滴下しないように前記オイルを受けて案内するべく湾曲、屈曲又は傾斜して延在すること、
   を特徴とするオイルセパレータ。
5. 請求項１に記載のオイルセパレータであって、
   前記オイルが前記溶接部の終端に滴下しないように前記オイルを受けて案内する案内板をさらに備えること、
   を特徴とするオイルセパレータ。
6. 圧縮機と、放熱器と、減圧装置と、蒸発器とを環状に接続することにより冷媒回路が構成されており、請求項１乃至５のうちの何れかのオイルセパレータを前記圧縮機と放熱器との間に接続したことを特徴とする冷凍サイクル装置。

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