JP6042458B2 - プレート式熱交換器 - Google Patents
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Description
第1のプレートの第1の凸面表面の少なくとも一部分の上に溶融抑制組成物を塗布するステップであって、溶融抑制組成物は、
・第1のプレートの溶融温度を減少させるために、少なくとも25重量%のホウ素およびシリコンを含む溶融抑制成分、および
・随意的に、第1の表面の上に溶融抑制組成物を塗布するステップを容易にするためのバインダー成分
を含む、ステップと、
第2のプレートの第2の凹面表面を第1のプレートの前記第1の凸面表面の上の溶融抑制組成物に、プレートをプレートパッケージへと積み重ねることによって、接触するようにさせるステップと、
第1および第2のプレートを、1100℃を上回る温度まで加熱するステップであって、第1のプレートの前記第1の凸面表面は、それによって溶融し、第1のプレートの表面層が溶融して、溶融抑制成分とともに、溶融された金属層を形成するようになっており、溶融された金属層は、第1のプレートと第2のプレートとの間の接触点において、第2のプレートに接触している、ステップと、
溶融された金属層が凝固することを可能にするステップであって、接合部が、プレートパッケージの中のプレート同士の間の接触点において得られるように、およびベント縁部が、プレートパッケージの中のプレートのベント縁部同士の間にタイトフィットを形成するようになっている、ステップと
を含む。
i)>50重量%Fe、<13重量%Cr、<1重量%Mo、<1重量%Niおよび<3重量%Mn
ii)>90重量%Fe
iii)>65重量%Fe、および>13重量%Cr
iv)>50重量%Fe、>15.5重量%Cr、および>6重量%Ni
v)>50重量%Fe、>15.5重量%Cr、1〜10重量%Mo、および>8重量%Ni
vi)>97重量%Ni
vii)>10重量%Cr、および>60重量%Ni
viii)>15重量%Cr、>10重量%Mo、および>50重量%Ni
ix)>70重量%Co、ならびに
x)>10重量%Fe、0.1〜30重量%Mo、0.1〜30重量%Ni、および>50重量%Co
i)>50重量%Fe、<13重量%Cr、<1重量%Mo、<1重量%Ni、および<3重量%Mn
ii)>90重量%Fe
iii)>65重量%Fe、および>13重量%Cr
iv)>50重量%Fe、>15.5重量%Cr、および>6重量%Ni
v)>50重量%Fe、>15.5重量%Cr、1〜10重量%Mo、および>8重量%Ni
vi)>97重量%Ni
vii)>10重量%Cr、および>60重量%Ni
viii)>15重量%Cr、>10重量%Mo、および>50重量%Ni
ix)>70重量%Co、ならびに
x)>10重量%Fe、0.1〜30重量%Mo、0.1〜30重量%Ni、および>50重量%Co
ここで、多数の実験および実施例が、プレートにとって適切な材料、溶融抑制組成物20の組成物、どのくらいの量の溶融抑制組成物が使用されるべきか、加熱のために適切な温度、どのくらい長い時間にわたり加熱がなされるべきかなどを説明するために提示されている。したがって、これらの実験および実施例の結果は、第1のプレート、第2のプレート、溶融抑制組成物、接触点、接合部などの、先述の実体に関して使用される。すなわち、すべての先述の実体は、下記の実験および実施例に関連して説明されているそれぞれの関連の特徴を組み込むことが可能である。以下では、溶融抑制組成物は、「ブレンド」と称される。金属プレートは、「母材金属」と称され得る。
Y(A3.3に関する幅)=1.554+9.922・(塗布されるブレンドA3.3の量)
Y(B2に関する幅)=0.626+10.807・(塗布されるブレンドB2の量)
Y(C1に関する幅)=0.537+8.342・(塗布されるブレンドC1の量)
Y(F0に関する幅)=0.632+7.456・(塗布されるブレンドF0の量)
Y(A3.3に関する面積)=4.361・(塗布されるブレンドA3.3の量)-0.161
Y(B2に関する面積)=3.372・(塗布されるブレンドB2の量)-0.318
Y(C1に関する面積)=2.549・(塗布されるブレンドC1の量)-0.321
Y(F0に関する面積)=0.569・(塗布されるブレンドF0の量)-0.093
体積(A3.3)=0.63・長さ40(20・2)=25.2mm3
体積(B2)=0.30・長さ40(20・2)=12.0mm3
体積(C1)=0.12・長さ40(20・2)=4.8mm3
体積(E0.3)=0.10・長さ40(20・2)=4.0mm3
実施例1は、テストされることとなるシリコンおよびホウ素のブレンドのサンプルの準備に関係する。ブレンドサンプル番号C1は、118.0グラムの結晶シリコン粉末(粒子サイズ325メッシュ、Alfa Aesar-Johnsson Matthey Company製の99.5%(金属含有率)の7440-21-3)と、13.06グラムの結晶ホウ素(粉末粒子サイズ325メッシュ、Alfa Aesar-Johnsson Matthey Company製の98%(金属含有率)の7440-42-8)、および77.0グラムのWall Colmonoy製のNicorobraz S-30バインダーとを、Busch & Holm製のVarimixer BEARの中でブレンドし、208グラムのペーストを作り出すことによって、準備された(サンプルC1を参照)。すべてのテストサンプルは、ブレンドサンプルC1と同じ手順に従って準備された。サンプルは、Table 2(表1)に要約されている。準備されたブレンドは、先述されている「溶融抑制組成物」に対応している。ブレンドの中のホウ素およびシリコンは、溶融抑制組成物の「溶融抑制成分」に対応しており、ブレンドの中のバインダーは、溶融抑制組成物の「バインダー成分」に対応している。
S-20およびS-30バインダーの中の(ポリマーおよび溶媒の)バインダーの含有量が測定された。ゲルの中の「乾燥」材料の含有量がテストされた。S-20バインダーおよびS-30バインダーのサンプルは、重量を測られ、その後、オーブンの中に18時間にわたり98℃で設置された。サンプルは、オーブンから取り出された後に、再び重量を測られ、その結果が、Table 5(表4)に提示されている。
実施例2は、ろう付けテストに関係し、すなわち、ブレンドサンプルが金属部分(テスト部分、またはテストプレート)の上に配置されたテストに関係する。金属部分は、直径83mmおよび厚さ0.8mmを有する円形テストピースの形態を有しており、金属部分は、ステンレス鋼タイプ316Lから作製されていた。2つの異なる量のブレンドが使用された(0.2gおよび0.4g)。ブレンドは、金属部分の上に塗布された。すべてのサンプルは、従来の真空炉の中で、1210℃で1時間にわたりろう付けされた。二重テストが実施された。2つの量のブレンド、二重サンプル、および6つの異なるブレンド(2・2・6=24サンプル)を意味している。テストされたブレンドは、F0、E0.3、D0.5、C1、B2、およびA3.3である。ブレンドは、おおよそ10〜14mmの直径、すなわち、78〜154mm2の表面を有する金属部分の円形エリアの上に塗布された。この1mm2当たりおおよそ1.3〜5.1mgのブレンドが塗布された。
実施例3は、表面の上にブレンドを塗布することに関係する。この実施例では、テストプレート(金属部分)が、フィレット(fillet)テスト、腐食テスト、および引張テストのために、同時に準備された。実施例2から、薄い壁のプレートの上に点状または線状にシリコンおよびホウ素のブレンドを塗布することは、プレートの中にホールを生成する可能性があるので、リスクになり得るということが結論付けられた。したがって、新しいテストサンプル(すなわち、テストプレート)が、フィレットテスト、腐食テスト、および引張テストのために、SiおよびBの異なるブレンドを塗布するために使用された。
実施例4は、腐食曲げテストに関係する。テストプレートから、35mmの幅を有する(35mmx35mmの塗布される表面積を有するということを意味している)スライスが、切り出された。この表面積の上に、円形プレスされたプレートが設置され(図13を参照)、プレスされたプレートは、ステンレス鋼タイプ316Lから作製され、直径42mmおよび厚さ0.4mmのサイズを有していた。テストサンプルは、1時間にわたり1210℃で加熱された(「ろう付けされた」)。腐食テストのためにテストされたプレートは、ブレンドサンプルA3.3、B2、C1、D0.5、E0.3、H100、I66、およびJを適用した(Table 4(表3)を参照)。
実施例5は、いくつかのサンプルのフィレットテストに関係する。実施例3に従って作製されたテストサンプルから、プレートのスライスが、35mmの幅で切り出された(それは、35mmx35mmの塗布される表面を意味する)。この表面の上に、ステンレス鋼タイプ316Lから作製された直径42mmおよび厚さ0.4mmのプレスされた円形プレートが、設置された(図5を参照)。プレスされたプレートは、2つのプレスされたビームを有しており、それぞれは、おおよそ20mmの長さであった。サンプルは、おおよそ1時間、おおよそ1200℃でろう付けされた。
A=((X-B)/2)・((X-B)/2)・tanα
Y(A3.3に関する幅)=1.554+9.922・(塗布されるブレンドA3.3の量)
Y(B2に関する幅)=0.626+10.807・(塗布されるブレンドB2の量)
Y(C1に関する幅)=0.537+8.342・(塗布されるブレンドC1の量)
Y(F0に関する幅)=0.632+7.456・(塗布されるブレンドF0の量)
Y(A3.3に関する面積)=4.361・(塗布されるブレンドA3.3の量)-0.161
Y(B2に関する面積)=3.372・(塗布されるブレンドB2の量)-0.318
Y(C1に関する面積)=2.549・(塗布されるブレンドC1の量)-0.321
Y(F0に関する面積)=0.569・(塗布されるブレンドF0の量)-0.093
体積(A3.3)=0.63・長さ40(20・2)=25.2mm3
体積(B2)=0.30・長さ40(20・2)=12.0mm3
体積(C1)=0.12・長さ40(20・2)=4.8mm3
体積(E0.3)=0.10・長さ40(20・2)=4.0mm3
実施例6は、接合部に関する引張テストに関係する。実施例3において使用されたものに対応するテストプレートは、スライスとなるようにスライスされた。スライスされたサンプルのサイズは、おおよそ10mmの幅、180〜200mmの長さであり、0.4mmの厚さを有している。それぞれのスライスのために塗布される面積は、10mm×35mm=350mm2であった。塗布される面積の上に、ステンレス鋼タイプ316L製のより厚い部分(4mm)が設置され、全体35mmの塗布された表面のうちの30mmをカバーしていた。より厚い部分は、スライスの端部に設置され、厚いプレートによってカバーされていない5mmの塗布される表面を残していた。これを行うことによって、接合部がプレートよりも強い場合に引張テストを行うときに、塗布されるブレンドに起因して、プレート材料の強度の減少が検出されることとなる。また、より厚いプレートは、10mmのスライスよりも幅が広かった。すべてのテストサンプルは、おおよそ1200℃で、おおよそ1時間にわたり、ろう付けされた(加熱された)。
塗布されるブレンドの量と、プレートを通るホールを生成するリスクとの間の関係を確立するために、新しいテストが実施された。すべてのテストに関して、ブレンドB2(Table 6(表5)を参照)が使用された。また、ブレンドB2は、バインダーS-30も含む。テストされたテストピースは、円形であり、0.8mmの厚さを有し、83mmの直径を有していた。テストプレートの中の母材金属は、ステンレス鋼タイプ316であった。すべてのサンプルに関して、ブレンドが、テストサンプルの中央部の中に塗布された。塗布される面積は、28mm2であり、すなわち、6mmの直径を有する円形スポットであった。すべてのテストサンプルは、塗布の前後で重量を測られ、その結果は、Table 11(表10)に要約されている。その後、テストサンプルは、炉の中に、室温で、12時間にわたり設置された。サンプルは、再び重量を測られた。
実施例8では、2つのプレスされた熱交換器プレートの間のろう付け接合部が、3つの異なる方式で作製されている。熱交換器プレートの厚さは、0.4mmである。
実施例9は、異なるホウ素供給源およびシリコン供給源を有するテストに関係する。目的は、代替的なホウ素供給源およびシリコン供給源を調査することであった。ブレンドB2は、テストのための参照として選択された(Table 6(表5)を参照)。代替的な供給源は、接合部を生成するそれらの能力に関して、テストされた。それぞれの実験に関して、代替的なホウ素供給源または代替的なシリコン供給源のいずれかがテストされた。代替的な供給源を使用するときに、他の元素の影響はゼロであると仮定され、それは、「測定された」ものが、代替的な成分の中で、ホウ素またはシリコンの重量だけであったということを意味している(Table 12(表11)を参照)。参照ブレンドB2に関して、シリコンとホウ素との間の重量比率は、10グラム対2グラムであり、合計で12グラムになる。それぞれのブレンドは、S-30バインダーを含み、ブレンドは、実施例1による鋼プレートの上に塗布された。すべてのサンプルは、真空炉の中で、1210℃で、1時間にわたりろう付けされた。
実施例10では、多数の異なる母材金属、すなわち、図1の金属部分11および12に関して使用され得る金属がテストされた。軟鋼およびNi-Cu合金を除くすべてのテストが、「テストY」に従ってテストされた(下記参照)。
1A 第1の端部
1B 第2の端部
2 熱交換器プレート
3 プレートパッケージ
4 第1のプレート内部空間
5 第2のプレート内部空間
6 入口部チャネル
9 出口部チャネル
10 熱伝達エリア
11 縁部エリア
12 ポートホールエリア
13 ポートホールエリア
14 ポートホール
15 フランジ、ベント縁部
16 第1の凸面表面
17 第2の凹面表面
18 隆起部
19 陥凹部
20 溶融抑制組成物
21 第1のプレート
22 第2のプレート
23 接触点
24 表面層
25 溶融された金属層
26 接合部
150 プレート
201 ステップ
202 ステップ
203 ステップ
204 ステップ
A 全体面積
B 中央部幅
X 全体の幅
v 左ビーム
h 右ビーム
p 平面
α 角度
Claims (33)
- 恒久的に接合されるプレート式熱交換器(1)を作り出すための方法であって、前記プレート式熱交換器(1)は、複数の金属熱交換器プレート(2)を含み、前記複数の金属熱交換器プレート(2)は、1100℃を上回る固相線温度を有し、互いに隣同士に設けられ、プレートパッケージ(3)を形成しており、前記プレートパッケージ(3)は、第1の媒体のために第1のプレート内部空間(4)を備え、第2の媒体のために第2のプレート内部空間(5)を備えており、前記第1のプレート内部空間(4)および前記第2のプレート内部空間(5)は、前記プレートパッケージ(3)の中で、交互の順序で設けられており、
それぞれの熱交換器プレート(2)は、熱伝達エリア(10)と、前記熱伝達エリア(10)の周りに延在するベント縁部(15)を含む縁部エリア(11)とを含み、
前記プレート(2)の第1の表面(16)は、凸面形状を形成し、前記プレートの第2の表面(17)は、凹面形状を形成しており、
前記熱伝達エリア(10)は、隆起部(18)および陥凹部(19)のコルゲーションを含み、
前記プレートの前記コルゲーション、および前記ベント縁部(15)は、前記プレート(2)をプレスすることによって設けられており、
前記方法は、
第1のプレート(21)の第1の凸面表面(16)の少なくとも一部分の上に溶融抑制組成物(20)を塗布するステップ(201)であって、前記溶融抑制組成物(20)は、
前記第1のプレート(21)の溶融温度を減少させるために、ホウ素およびシリコンのうち少なくとも1つを含む溶融抑制成分であってホウ素およびシリコンの合計が25重量%以上である溶融抑制成分
を含む、ステップと、
第2のプレート(22)の第2の凹面表面(17)を前記第1のプレート(21)の前記第1の凸面表面(16)の上の前記溶融抑制組成物(20)に、前記プレート(21、22)をプレートパッケージ(3)へと積み重ねることによって、接触するようにさせるステップ(202)と、
前記第1および第2のプレート(21、22)を、1100℃を上回る温度まで加熱するステップ(203)であって、前記第1のプレート(21)の前記第1の凸面表面(16)は、それによって溶融し、前記第1のプレート(21)の表面層(24)が溶融し、前記溶融抑制組成物(20)とともに、溶融された金属層を形成するようになっており、前記溶融された金属層は、前記第1のプレート(21)と前記第2のプレート(22)との間の接触点(23)において、前記第2のプレート(22)に接触している、ステップと、
前記溶融された金属層が凝固することを可能にするステップ(204)であって、接合部(26)が、前記プレートパッケージ(3)の中の前記プレート(2)同士の間の前記接触点(23)において得られるように、および前記ベント縁部(15)が、前記プレートパッケージ(3)の中の前記プレート(2)の前記ベント縁部(15)同士の間にタイトフィットを形成するようになっている、ステップと
を含む、方法。 - 前記溶融抑制組成物(20)は、前記第1の凸面表面(16)の上に前記溶融抑制組成物(20)を塗布する前記ステップ(201)を容易にするためのバインダー成分をさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記ホウ素が、元素ホウ素、ならびに以下の化合物、すなわち、炭化ホウ素、ホウ化シリコン、ホウ化ニッケル、およびホウ化鉄のうちのいずれかから選択されるホウ素化合物のホウ素のうちのいずれかに由来する、請求項1又は請求項2に記載の方法。
- 前記シリコンが、元素シリコン、ならびに以下の化合物、すなわち、炭化ケイ素、ホウ化シリコン、およびケイ素鉄のうちのいずれかから選択されるシリコン化合物のシリコンのうちのいずれかに由来する、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記溶融抑制成分が、ホウ素およびシリコンの合計が40重量%以上である、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記溶融抑制成分が、ホウ素およびシリコンの合計が少なくとも85重量%以上である、請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。
- ホウ素が、溶融抑制化合物の前記ホウ素およびシリコン含有量の少なくとも10重量%を構成する、請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。
- ホウ素が、溶融抑制化合物の前記ホウ素およびシリコン含有量の少なくとも55重量%を構成する、請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
- 前記溶融抑制成分が、50重量%未満の金属元素を含む、請求項1から8のいずれか一項に記載の方法。
- 前記溶融抑制成分が、10重量%未満の金属元素を含む、請求項1から9のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第1のプレートが、0.3〜0.6mmの厚さを有しており、前記溶融抑制組成物(20)を塗布する前記ステップ(201)が、前記第1のプレート(21)の前記第1の凸面表面(16)の上に、1mm2当たり平均0.02〜0.12mgのホウ素およびシリコンを塗布するステップを含む、請求項1から10のいずれか一項に記載の方法。
- 第1の金属部分が、0.6〜1.0mmの厚さを含み、前記溶融抑制組成物(20)を塗布する前記ステップ(201)が、前記第1のプレート(21)の前記第1の凸面表面(16)の上に、1mm2当たり平均0.02〜1.0mgのホウ素およびシリコンを塗布するステップを含む、請求項1から10のいずれか一項に記載の方法。
- 前記溶融抑制組成物(20)を塗布する前記ステップ(201)が、
前記溶融抑制組成物が前記第1のプレート(21)の前記第1の凸面表面(16)と結合するまで、前記プレート(2)を加熱するステップ(203)と、
前記溶融抑制組成物(20)の中のすべてのホウ素およびシリコンが、前記第1のプレート(21)の中の金属とともに、化合物を形成する前に、前記プレート(2)の温度を減少させるステップと
を含む、請求項1から12のいずれか一項に記載の方法。 - 前記溶融抑制組成物(20)を塗布する前記ステップ(201)が、前記プレートをプレスする前に行われる、請求項1から13のいずれか一項に記載の方法。
- 前記溶融抑制組成物(20)を塗布する前記ステップ(201)が、前記プレートをプレスする後に行われる、請求項1から12のいずれか一項に記載の方法。
- 前記溶融抑制組成物(20)を塗布する前記ステップ(201)が、前記溶融抑制組成物を含有する懸濁物を、プレートパッケージ(3)を通してフラッシングすることによって、前記プレートを前記プレートパッケージへと積み重ねる後に行われる、請求項1から12のいずれか一項に記載の方法。
- 前記溶融抑制組成物(20)を塗布する前記ステップ(201)が、スクリーン印刷によって行われる、請求項1から12のいずれか一項に記載の方法。
- 前記溶融抑制組成物(20)を塗布する前記ステップ(201)が、プレート(2)へと切断されたコイルの上にスパッタリングすることによって行われる、請求項1から12のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第1の表面(16)が、前記第1の表面(16)の上の前記接触点(23)によって画定される面積(A2)よりも大きい面積(A1)を有しており、前記接合部(26)が形成することを可能にするステップ(204)のときに、前記溶融された金属層(25)の中の金属が、前記接触点(23)へ流れるようになっている、請求項1から18のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第1の凸面表面(16)の前記面積(A1)が、前記接触点(23)によって画定される前記面積(A2)よりも少なくとも10倍大きい、請求項19に記載の方法。
- 前記第1の表面(16)の前記面積(A1)が、前記接合部(26)の断面積(A3)よりも少なくとも3倍大きい、請求項19または20に記載の方法。
- 前記接合部(26)が、少なくとも50重量%の金属を含み、前記金属は、加熱する前記ステップ(203)の前に、前記プレート(2)のうちのいずれかの一部分であった、請求項1から21のいずれか一項に記載の方法。
- 前記プレート(2)が、50重量%を超えるFe、13重量%未満のCr、1重量%未満のMo、1重量%未満のNi、および3重量%を超えるMnを含む、請求項1から22のいずれか一項に記載の方法。
- 前記プレート(2)が、90重量%を超えるFeを含む、請求項1から22のいずれか一項に記載の方法。
- 前記プレート(2)が、65重量%を超えるFe、および13重量%を超えるCrを含む、請求項1から22のいずれか一項に記載の方法。
- 前記プレート(2)が、50重量%を超えるFe、15.5重量%を超えるCr、および6重量%を超えるNiを含む、請求項1から22のいずれか一項に記載の方法。
- 前記プレート(2)が、50重量%を超えるFe、15.5重量%を超えるCr、1〜10重量%のMo、および8重量%を超えるNiを含む、請求項1から22のいずれか一項に記載の方法。
- 前記プレート(2)が、97重量%を超えるNiを含む、請求項1から22のいずれか一項に記載の方法。
- 前記プレート(2)が、10重量%を超えるCr、および60重量%を超えるNiを含む、請求項1から22のいずれか一項に記載の方法。
- 前記プレート(2)が、15重量%を超えるCr、10重量%を超えるMo、および50重量%を超えるNiを含む、請求項1から22のいずれか一項に記載の方法。
- 前記プレート(2)が、70重量%を超えるCoを含む、請求項1から22のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第1のプレートが、10重量%を超えるFe、0.1〜30重量%のMo、0.1〜30重量%のNi、および50重量%を超えるCoを含む、請求項1から22のいずれか一項に記載の方法。
- 恒久的に接合されるプレート式熱交換器(1)であって、前記プレート式熱交換器(1)は、複数の金属熱交換器プレート(2)を含み、前記複数の金属熱交換器プレート(2)は、1100℃を上回る固相線温度を有し、互いに隣同士に設けられ、プレートパッケージ(3)を形成しており、前記プレートパッケージ(3)は、第1の媒体のために第1のプレート内部空間(4)を備え、第2の媒体のために第2のプレート内部空間(5)を備えており、前記第1のプレート内部空間(4)および前記第2のプレート内部空間(5)は、前記プレートパッケージ(3)の中で、交互の順序で設けられており、
それぞれの熱交換器プレート(2)は、熱伝達エリア(10)と、前記熱伝達エリア(10)の周りに延在するベント縁部(15)を含む縁部エリア(11)とを含み、
前記プレート(2)の第1の表面(16)は、凸面形状を形成し、前記プレートの第2の表面(17)は、凹面形状を形成しており、
前記熱伝達エリア(10)は、隆起部(18)および陥凹部(19)のコルゲーションを含み、
前記プレートの前記コルゲーション、および前記ベント縁部(15)は、前記プレート(2)をプレスすることによって設けられており、
接合部(26)によって第2のプレート(22)に接合されている第1のプレート(21)を含み、前記プレート(2)が、1100℃を上回る固相線温度を有しており、前記接合部(26)が、少なくとも50重量%の金属元素を含み、前記金属元素は、前記接合部(26)を取り囲む面積(A1)から引き付けられたものであり、かつ前記第1のプレート(1)および前記第2のプレート(2)のうちのいずれかの一部分であった、プレート式熱交換器(1)。
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