JP6979914B2 - Vaporizer - Google Patents
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Description
本発明は、流入する原料材料とキャリアガスとの気液混合体の流量変化及び混合比が変化しても、原料材料の気化及び気化状態の維持を安定して行うことができる気化装置に関する。 The present invention relates to a vaporization device capable of stably vaporizing the raw material and maintaining the vaporized state even if the flow rate change and the mixing ratio of the gas-liquid mixture of the inflowing raw material and the carrier gas change.
近年、光ファイバ用ガラス母材は、生産性を向上させるために大型化が進んでいる。光ファイバ用ガラス母材は、例えば、VAD(Vapor Phase Axial Deposition)法やMCVD(Modified Chemical Vapor Deposition)法、OVD(Outside Vapor Deposition)法などの周知の方法によって作製される。 In recent years, glass base materials for optical fibers have been increasing in size in order to improve productivity. The glass base material for an optical fiber is produced by a well-known method such as a VAD (Vapor Phase Axial Deposition) method, a MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition) method, and an OVD (Outside Vapor Deposition) method.
なお、特許文献1には、光ファイバ用ガラス母材の原料ガスを生成するための気化装置に対して、1対のヒータと熱電対とを用いて気化装置内の温度制御を行うものが記載されている。 In addition, Patent Document 1 describes a vaporizer for generating a raw material gas for a glass base material for an optical fiber, which controls the temperature inside the vaporizer by using a pair of heaters and a thermocouple. Has been done.
ところで、供給配管を介してバーナーに供給される原料ガスは気化装置で気化される。気化装置には、シロキサン(例えば、オクタメチルシクロテトラシロキサン;OMCTS)などの原料材料とキャリアガスとの気液混合体が導入される。シロキサンとキャリアガスとの気液混合体は、理論上、シロキサンの蒸気圧が混合体の分圧と等しくなる温度(露点)より温度を高くすれば完全気化が可能であるが、即座に気化させるためにはそれよりも十分高い温度で加熱する必要がある。一方、高温の壁面に液滴が付着すると重合反応によるゲル化が促進されるリスクがある。このため、気化装置の内部壁面温度は、ある範囲に限定される。例えば、原料ガスは、シロキサンの沸点以上、沸点+30℃以下の範囲内である必要がある。 By the way, the raw material gas supplied to the burner via the supply pipe is vaporized by the vaporizer. A gas-liquid mixture of a raw material such as siloxane (for example, octamethylcyclotetrasiloxane; OMCTS) and a carrier gas is introduced into the vaporizer. A gas-liquid mixture of siloxane and carrier gas can be completely vaporized if the temperature is higher than the temperature (dew point) at which the vapor pressure of siloxane is equal to the partial pressure of the mixture in theory, but it is vaporized immediately. In order to do so, it is necessary to heat at a temperature sufficiently higher than that. On the other hand, if droplets adhere to a high temperature wall surface, there is a risk that gelation due to a polymerization reaction will be promoted. Therefore, the internal wall surface temperature of the vaporizer is limited to a certain range. For example, the raw material gas needs to be in the range of the boiling point of siloxane or higher and the boiling point of + 30 ° C. or lower.
ここで、気化装置の入口壁面温度を制御していると、蒸発後のガスが通る下流側の壁面は蒸発潜熱が不要であるのと、ガスの温度自体が上昇しているため、必然的に入口温度より高くなる。この結果、原料ガスは過剰に加熱され過ぎてゲル化のリスクが高まってしまう。一方、気化装置の下流側の壁面温度が過剰に高くならないように制御すると、気化装置の入口側の温度が低下し、十分に気化できなくなってしまう。 Here, if the temperature of the inlet wall surface of the vaporizer is controlled, the wall surface on the downstream side through which the vaporized gas passes does not require latent heat of vaporization, and the temperature of the gas itself rises, so it is inevitable. It will be higher than the inlet temperature. As a result, the raw material gas is overheated and the risk of gelation increases. On the other hand, if the wall surface temperature on the downstream side of the vaporizer is controlled so as not to be excessively high, the temperature on the inlet side of the vaporizer will drop and it will not be possible to sufficiently vaporize.
また、気化装置に流入する気化対象の気液混合体の流量が多くなると、気化装置の入口壁面温度で温度制御していると、出口側の原料ガスが過剰に加熱され過ぎてゲル化のリスクが高まり、気化装置の出口壁面温度で温度制御していると、入口側の温度が低下して十分な気化を行うことができなくなる。 In addition, when the flow rate of the gas-liquid mixture to be vaporized that flows into the vaporizer increases, if the temperature is controlled by the inlet wall temperature of the vaporizer, the raw material gas on the outlet side is overheated and there is a risk of gelation. If the temperature is controlled by the outlet wall surface temperature of the vaporizer, the temperature on the inlet side will drop and sufficient vaporization will not be possible.
さらに、気液混合体における原料材料とキャリアガスとの混合比によっても、温度制御が不安定になる。原料材料は気化する際、気化熱を奪うからである。 Further, the temperature control becomes unstable depending on the mixing ratio of the raw material and the carrier gas in the gas-liquid mixture. This is because the raw material takes away the heat of vaporization when it vaporizes.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、流入する原料材料とキャリアガスとの気液混合体の流量変化及び混合比が変化しても、原料材料の気化及び気化状態の維持を安定して行うことができる気化装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and the vaporization of the raw material and the maintenance of the vaporized state are maintained even if the flow rate change and the mixing ratio of the gas-liquid mixture of the inflowing raw material and the carrier gas change. It is an object of the present invention to provide a vaporizer that can be stably performed.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる気化装置は、液体材料とキャリアガスとの気液混合体が流れる配管を加熱して前記液体材料を所定温度範囲内で気化して出力する気化装置であって、前記配管が配置される領域は前段領域と後段領域とに分かれており、前記前段領域の配管を加熱する前段ヒータと、前記後段領域の配管を加熱する後段ヒータと、前記前段領域の配管の入口温度を測定する前段温度センサと、前記後段領域の配管の出口温度を測定する後段温度センサと、前記前段温度センサの検出結果をもとに前記配管の入口の温度が前記気液混合体の沸点温度以上、沸点温度にマージン温度を加えた上限温度以下となるように前記前段ヒータを用いて温度制御する前段温度制御部と、前記後段温度センサの検出結果をもとに前記配管の出口の温度が前記気液混合体の沸点温度以上、沸点温度にマージン温度を加えた上限温度以下となるように前記後段ヒータを用いて温度制御する後段温度制御部と、を備えたことを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object, the vaporizer according to the present invention heats a pipe through which a gas-liquid mixture of a liquid material and a carrier gas flows, and vaporizes the liquid material within a predetermined temperature range. It is a vaporization device that outputs in the form of a vaporizer, and the region where the pipes are arranged is divided into a front stage region and a rear stage region. The inlet of the pipe based on the detection results of the heater, the front temperature sensor that measures the inlet temperature of the pipe in the front region, the rear temperature sensor that measures the outlet temperature of the pipe in the rear region, and the front temperature sensor. The detection result of the first-stage temperature control unit and the second-stage temperature sensor, which controls the temperature using the first-stage heater so that the temperature of the gas-liquid mixture is equal to or higher than the boiling point temperature of the gas-liquid mixture and equal to or lower than the upper limit temperature obtained by adding the margin temperature to the boiling point temperature. With the post-stage temperature control unit that controls the temperature using the post-stage heater so that the temperature at the outlet of the pipe is equal to or higher than the boiling point temperature of the gas-liquid mixture and equal to or lower than the upper limit temperature obtained by adding the margin temperature to the boiling point temperature. It is characterized by having.
また、本発明にかかる気化装置は、上記の発明において、前記前段ヒータの加熱最大出力は、前記後段ヒータの加熱最大出力よりも大きいことを特徴とする。 Further, the vaporizer according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the maximum heating output of the front stage heater is larger than the maximum heating output of the rear stage heater.
また、本発明にかかる気化装置は、上記の発明において、前記前段領域と前記後段領域との間に中間領域を設け、前記中間領域の配管を加熱する中間ヒータと、前記中間領域の配管の温度を測定する中間温度センサと、前記中間温度センサの検出結果をもとに前記配管の温度が前記気液混合体の沸点温度以上、沸点温度にマージン温度を加えた上限温度以下となるように前記中間ヒータを用いて温度制御する中間温度制御部と、をさらに設けたことを特徴とする。 Further, in the above invention, the vaporizer according to the present invention provides an intermediate region between the front region and the rear region, and heats the pipe in the intermediate region with the intermediate heater and the temperature of the pipe in the intermediate region. The temperature of the pipe is equal to or higher than the boiling point temperature of the gas-liquid mixture and equal to or lower than the upper limit temperature obtained by adding the margin temperature to the boiling point temperature based on the detection result of the intermediate temperature sensor and the intermediate temperature sensor. It is characterized by further providing an intermediate temperature control unit that controls the temperature using an intermediate heater.
また、本発明にかかる気化装置は、上記の発明において、前記上限温度は、気化された液体材料のゲル化が発生しない上限の温度であることを特徴とする。 Further, the vaporizer according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the upper limit temperature is the upper limit temperature at which gelation of the vaporized liquid material does not occur.
また、本発明にかかる気化装置は、上記の発明において、前記液体材料はシロキサンであり、前記マージン温度は30℃であることを特徴とする。 Further, the vaporizer according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the liquid material is siloxane and the margin temperature is 30 ° C.
本発明によれば、流入する原料材料とキャリアガスとの気液混合体の流量変化及び混合比が変化しても、原料材料の気化及び気化状態の維持を安定して行うことができる。 According to the present invention, even if the flow rate change and the mixing ratio of the gas-liquid mixture of the inflowing raw material and the carrier gas change, the raw material can be vaporized and the vaporized state can be stably maintained.
以下、添付図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図1は、本発明の実施の形態である気化装置1の構成を示す模式図である。図1に示すように、気化装置1は、気化装置本体10と、温度制御部20とを有する。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a vaporizer 1 according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the vaporizer 1 has a vaporizer
気化装置本体10は、気化対象となる気液混合体を流す耐腐食性(例えばステンレス製)の配管12と、配管12の上流(前段)側を加熱する前段ヒータ14と、配管12の下流(後段)側を加熱する後段ヒータ15と、配管12の入口温度を測定する前段温度センサ16と、配管12の出口温度を測定する後段温度センサ17とを有し、これらはアルミニウムで鋳込んで形成され、アルミニウムは、例えば外形が直方体形状を呈するアルミブロック11となる。
The vaporizer
流入する気液混合体は、原料材料とキャリアガスとの混合体であり、原料材料は、シロキサン、具体的にはオクタメチルシクロテトラシロキサンである。キャリアガスは、アルゴンガスなどの不活性ガスである。気液混合体は、配管12の導入口12aから流入し、気化された混合ガスは、配管12の導出口12bから流出する。
The inflowing gas-liquid mixture is a mixture of a raw material and a carrier gas, and the raw material is siloxane, specifically octamethylcyclotetrasiloxane. The carrier gas is an inert gas such as argon gas. The gas-liquid mixture flows in from the
配管12は、上記したようにステンレス製であり、アルミブロック11内でスパイラルを描くように、巻回されている。アルミブロック11は、前段ヒータ14が配置される前段領域E1と後段ヒータ15が配置される後段領域E2とに分けられ、前段領域E1と後段領域E2とは断熱材などの断熱面13で熱的に分離されている。前段領域E1は、原料材料を気化する蒸発領域であり、後段領域E2は、気化された原料ガスの温度を維持する温度調整領域である。
The
前段ヒータ14は、前段領域E1の配管12のスパイラル内に囲まれるように配置され、配管12を加熱する。後段ヒータ15は、後段領域E2の配管12のスパイラル内に囲まれるように配置され、配管12を加熱する。
The
前段温度センサ16は、熱電対であり、配管12のアルミブロック11への入口の配管に接触して配置され、配管12の入口温度を測定する。後段温度センサ17は、熱電対であり、配管12のアルミブロック11からの出口の配管に接触して配置され、配管12の出口温度を測定する。
The
温度制御部20は、前段温度制御部21、後段温度制御部22、前段ヒータ電源供給部23、及び後段ヒータ電源供給部24を有する。前段温度制御部21は、前段温度センサ16が測定した温度が所定温度範囲内となるように、前段ヒータ電源供給部23を通電制御し、前段ヒータ14の加熱制御を行う。なお、所定温度範囲とは、シロキサンの沸点以上、沸点にマージン温度(30℃)を加えた上限温度以下である。後段温度制御部22は、後段温度センサ17が測定した温度が所定温度範囲内となるように、後段ヒータ電源供給部24を通電制御し、後段ヒータ15の加熱制御を行う。すなわち、前段領域E1に対する温度制御と、後段領域E2に対する温度制御とは独立して行われる。
The temperature control unit 20 includes a front stage
ここで、前段ヒータ14の加熱最大出力は、後段ヒータ15の加熱最大出力よりも大きくしている。これは、前段領域E1では、原料材料を気化する際の気化熱が余分に必要であるからである。
Here, the maximum heating output of the
図2は、流入される気液混合体の流量変化時における配管12内の原料ガスの温度変化を示す図である。図2では、小流量の時の温度変化を曲線L1で示し、大流量の時の温度変化を曲線L2で示している。図2に示すように、気液混合体の流量が違っても、前段温度センサ16が配置される入口温度は、気化熱が奪われるにもかかわらず沸点T1以上を維持し、後段温度センサ17が配置される出口温度は、沸点にマージン温度30℃を加えた上限温度T2を超えていない。この結果、気化された混合ガスは気化装置本体10内でのゲル化を抑止することができる。
FIG. 2 is a diagram showing a temperature change of the raw material gas in the
また、大流量の時、前段領域E1では、後段ヒータ15に比して加熱最大出力が大きいため、原料材料を十分に気化することができるとともに、この大きな加熱出力は、後段領域E2には影響しないため、後段領域E2の気化された混合ガスが上限温度を超えないように、容易に温度制御することができる。
Further, when the flow rate is large, the maximum heating output in the front region E1 is larger than that in the
したがって、本実施の形態では、流入する原料材料とキャリアガスとの気液混合体の流量変化及び混合比が変化しても、原料材料の気化及び気化状態の維持を安定して行うことができる Therefore, in the present embodiment, even if the flow rate change and the mixing ratio of the gas-liquid mixture of the inflowing raw material and the carrier gas change, the raw material can be vaporized and the vaporized state can be stably maintained.
なお、図3に示すように、1つのヒータ及び1つの温度センサによって配管内の混合ガスの温度制御を行う場合、流入する気液混合体が小流量の場合には、混合ガスを所定温度範囲内に収めることができる(曲線L101参照)が、流入する気液混合体が大流量になった場合で、温度制御点が入口である場合、気化のための加熱量が大きくなり、その熱が後段側の配管にも伝達し、出口温度が上限温度を超えてしまい、気化された原料ガスのゲル化を促進してしまう(曲線L103参照)。 As shown in FIG. 3, when the temperature of the mixed gas in the pipe is controlled by one heater and one temperature sensor, when the inflowing gas-liquid mixture has a small flow rate, the mixed gas is kept in a predetermined temperature range. Although it can be accommodated inside (see curve L101), when the inflowing gas-liquid mixture has a large flow rate and the temperature control point is the inlet, the amount of heat for vaporization becomes large and the heat is generated. It is also transmitted to the piping on the rear stage side, and the outlet temperature exceeds the upper limit temperature, which promotes the gelation of the vaporized raw material gas (see curve L103).
一方、流入する気液混合体が大流量になった場合で、温度制御点が出口である場合、気化のための加熱量を大きくすることができず、十分な気化を行うことができない(曲線L102参照)。 On the other hand, when the inflowing gas-liquid mixture has a large flow rate and the temperature control point is the outlet, the heating amount for vaporization cannot be increased and sufficient vaporization cannot be performed (curve). See L102).
<変形例>
図4は、本発明の実施の形態の変形例である気化装置1´の構成を示す模式図である。図4に示すように、気化装置1´の気化装置本体10´は、前段領域E1と後段領域E2に対応する後段領域E22との間にさらに独立した中間領域E21を設けている。なお、前段領域E1、中間領域E21、後段領域E22の長手方向の流さは任意に設定できる。例えば、前段領域E1をそのままにし、後段領域E2を中間領域E21と後段領域E22とに分けてもよい。
<Modification example>
FIG. 4 is a schematic view showing the configuration of the vaporizer 1'which is a modification of the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, the vaporizer main body 10'of the vaporizer 1'provides an intermediate region E21 further independent between the front region E1 and the rear region E22 corresponding to the rear region E2. The flow in the longitudinal direction of the front region E1, the intermediate region E21, and the rear region E22 can be arbitrarily set. For example, the front region E1 may be left as it is, and the rear region E2 may be divided into an intermediate region E21 and a rear region E22.
前段領域E1と中間領域E21との間、及び中間領域E21と後段領域E22との間には、それぞれ断熱面13に対応した断熱面13a,13bが形成される。また、中間領域E21には、独立した中間ヒータ18が設けられるとともに、中間温度センサ19が設けられる。図示しない中間温度制御部は、中間温度センサ19が測定した温度が所定温度範囲内となるように、中間ヒータ18の加熱量を制御する。なお、中間温度センサ19は、配管12に接触するが、配管12上の配置位置は任意である。なお、加熱最大出力は、後段ヒータ15、中間ヒータ18、前段ヒータ14の順に、大きくしている。
Heat insulating
図5は、図4に示した気化装置1´による、流入される気液混合体の流量変化時における配管12内の原料ガスの温度変化を示す図である。図5では、小流量の時の温度変化を曲線L11で示し、大流量の時の温度変化を曲線L12で示している。図5に示すように、気液混合体の流量が違っても、前段温度センサ16が配置される入口温度は、気化熱が奪われるにもかかわらず沸点T1以上を維持し、後段温度センサ17が配置される出口温度は、沸点にマージン温度30℃を加えた上限温度T2を超えていない。この結果、気化された混合ガスは気化装置本体10内でのゲル化を抑止することができる。また、中間温度センサ19が配置される断熱面13a,13b間の温度も所定温度範囲内に維持されるように制御される。
FIG. 5 is a diagram showing a temperature change of the raw material gas in the
また、大流量の時、前段領域E1では、中間ヒータ18、後段ヒータ15に比して加熱最大出力が大きいため、原料材料を十分に気化することができるとともに、この大きな加熱出力は、中間領域E21及び後段領域E22には影響しないため、中間領域E21及び後段領域E22では、気化された混合ガスが上限温度を超えないように、容易に温度制御することができる。
Further, at the time of a large flow rate, in the front stage region E1, the maximum heating output is larger than that of the
したがって、本変形例でも、実施の形態と同様に、流入する原料材料とキャリアガスとの気液混合体の流量変化及び混合比が変化しても、原料材料の気化及び気化状態の維持を安定して行うことができる。特に、本変形例では、中間領域E21をさらに含めた多段階温度制御を行っているため、きめの細かい温度制御が可能になる。 Therefore, also in this modification, as in the embodiment, the vaporization of the raw material and the maintenance of the vaporized state are stable even if the flow rate change and the mixing ratio of the gas-liquid mixture of the inflowing raw material and the carrier gas change. Can be done. In particular, in this modification, since the multi-step temperature control including the intermediate region E21 is performed, fine-grained temperature control becomes possible.
なお、上記の実施の形態及び変形例では、気化対象の原料材料としてシロキサンを例に挙げたが、これに限らず、例えば四塩化ケイ素(SiCl4)などにも適用することができる。 In the above-described embodiments and modifications, siloxane is taken as an example of the raw material to be vaporized, but the present invention is not limited to this, and can be applied to , for example, silicon tetrachloride (SiCl 4).
以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施の形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例、及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。 Although the embodiment to which the invention made by the present inventors has been applied has been described above, the present invention is not limited by the description and the drawings which form a part of the disclosure of the present invention according to the present embodiment. That is, other embodiments, examples, operational techniques, and the like made by those skilled in the art based on the present embodiment are all included in the scope of the present invention.
1,1´ 気化装置
10,10´ 気化装置本体
11 アルミブロック
12 配管
12a 導入口
12b 導出口
13,13a,13b 断熱面
14 前段ヒータ
15 後段ヒータ
16 前段温度センサ
17 後段温度センサ
18 中間ヒータ
19 中間温度センサ
20 温度制御部
21 前段温度制御部
22 後段温度制御部
23 前段ヒータ電源供給部
24 後段ヒータ電源供給部
E1 前段領域
E2 後段領域
E21 中間領域
E22 後段領域
L1,L11,L12,L2 曲線
T1 沸点
T2 上限温度
1,1 ′
Claims (5)
前記配管が配置される領域は前段領域と後段領域とに分かれており、
前記前段領域の配管を加熱する前段ヒータと、
前記後段領域の配管を加熱する後段ヒータと、
前記前段領域の配管の入口温度を測定する前段温度センサと、
前記後段領域の配管の出口温度を測定する後段温度センサと、
前記前段温度センサの検出結果をもとに前記配管の入口の温度が前記気液混合体の沸点温度以上、沸点温度にマージン温度を加えた上限温度以下となるように前記前段ヒータを用いて温度制御する前段温度制御部と、
前記後段温度センサの検出結果をもとに前記配管の出口の温度が前記気液混合体の沸点温度以上、沸点温度にマージン温度を加えた上限温度以下となるように前記後段ヒータを用いて温度制御する後段温度制御部と、
を備えたことを特徴とする気化装置。 A vaporizer that heats a pipe through which a gas-liquid mixture of a liquid material and a carrier gas flows to vaporize the liquid material within a predetermined temperature range and output the liquid material.
The area where the pipes are arranged is divided into a front-stage area and a rear-stage area.
A pre-stage heater that heats the piping in the pre-stage region,
A post-stage heater that heats the piping in the post-stage region,
A pre-stage temperature sensor that measures the inlet temperature of the pipe in the pre-stage region,
A post-stage temperature sensor that measures the outlet temperature of the piping in the post-stage region,
Based on the detection result of the pre-stage temperature sensor, the temperature is set by using the pre-stage heater so that the temperature at the inlet of the pipe is equal to or higher than the boiling point temperature of the gas-liquid mixture and equal to or lower than the upper limit temperature obtained by adding the margin temperature to the boiling point temperature. The pre-stage temperature control unit to control and
Based on the detection result of the latter stage temperature sensor, the temperature using the latter stage heater is set so that the temperature at the outlet of the pipe is equal to or higher than the boiling point temperature of the gas-liquid mixture and lower than the upper limit temperature obtained by adding the margin temperature to the boiling point temperature. The post-stage temperature control unit to control and
A vaporizer characterized by being equipped with.
前記中間領域の配管を加熱する中間ヒータと、
前記中間領域の配管の温度を測定する中間温度センサと、
前記中間温度センサの検出結果をもとに前記配管の温度が前記気液混合体の沸点温度以上、沸点温度にマージン温度を加えた上限温度以下となるように前記中間ヒータを用いて温度制御する中間温度制御部と、
をさらに設けたことを特徴とする請求項1または2に記載の気化装置。 An intermediate region is provided between the front region and the rear region.
An intermediate heater that heats the piping in the intermediate region and
An intermediate temperature sensor that measures the temperature of piping in the intermediate region,
Based on the detection result of the intermediate temperature sensor, the temperature of the pipe is controlled by using the intermediate heater so that the temperature of the pipe is equal to or higher than the boiling point temperature of the gas-liquid mixture and equal to or lower than the upper limit temperature obtained by adding the margin temperature to the boiling point temperature. Intermediate temperature control unit and
The vaporizer according to claim 1 or 2, further comprising.
前記マージン温度は30℃であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一つに記載の気化装置。 The liquid material is siloxane,
The vaporizer according to any one of claims 1 to 4, wherein the margin temperature is 30 ° C.
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