JP7027367B2 - 温度式膨張弁、および、それを備える冷凍サイクルシステム - Google Patents

Description

本発明は、温度式膨張弁、および、それを備える冷凍サイクルシステムに関する。

冷凍サイクルシステムにおいては、冷媒の通過量が蒸発器の出口から排出された冷媒の温度変化に応じて制御される温度式膨張弁が使用されている。そのような温度式膨張弁は、例えば、特許文献１に示されるように、弁室に連通する弁ポートを通過する冷媒の流量を調整する弁を、本体の弁室内に備えている。その弁室は、入口に連通する管路に弁ポートを介して連通するとともに、出口に連通する管路に連通している。そのような弁は、キャピラリチューブを介して感温筒内に連通する本体の上部に形成される上方圧力室および下方圧力室を仕切るダイヤフラムの変位に応じて当金および連結棒を介して弁ポートから離隔する方向に押圧されるとともに、調整バネにより、弁ポートに近接する方向に付勢されている。その連結棒の上端面は、当金に当接し、連結棒の下端面は、弁の縁に当接している。斯かる構成において、感温筒内に封入されたガスが膨張し上方圧力室内の圧力が高まりダイヤフラムが下降することにより当金および連結棒が下降せしめられる場合、上述の弁は、調整バネの付勢力に抗して弁ポートから離隔するので通過する冷媒の流量が増大する。一方、感温筒内に封入されたガスが収縮し上方圧力室内の圧力が下がりダイヤフラムが上昇することにより当金および連結棒が上昇せしめられる場合、上述の弁は、調整バネの付勢力により弁ポートに近接するので通過する冷媒の流量が減少する。

上述のように、弁が調整バネにより支持されている温度式膨張弁においては、流体圧の変動等に起因して弁が振動し不快音が発生する場合がある。このような場合、例えば、特許文献２に示されるように、不快音の発生を抑制すべく、弁室を形成する内周面に摺接する弁鳴り防止羽根が、上スプリング受けおよびロックナットにより弁体に固定されたものが提案されている。

特開平１０－１８４９８２号公報 実公昭４８－９６８５号

上述の冷凍サイクルシステムにおいて、例えば、特許文献１に示されるような、温度式膨張弁において、往復動圧縮機の脈動に基づく配管内の冷媒の圧力変動や弁ポート通過後の冷媒の急激な膨張に起因する流れの乱れにより、弁体が弁ポートの周縁に繰り返し衝突し、異音（振動音）の発生の原因となる場合がある。このような場合、特許文献２に示されるような、弁鳴り防止羽根を弁体にさらに取り付けることも考えられる。しかしながら、弁体の開き始めから全開となるまでの間においては、弁鳴り防止羽根によって、弁体の振動を確実に抑制することができない場合がある。

以上の問題点を考慮し、本発明は、温度式膨張弁、および、それを備える冷凍サイクルシステムであって、弁体の開き始めから全開となるまでの間において弁体の振動を確実に抑制できる温度式膨張弁、および、それを備える冷凍サイクルシステムを提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明に係る温度式膨張弁は、冷媒を蒸発器に供給する配管に配され、冷媒を導く流路を有する弁本体と、流路に形成される弁座の弁ポートに対し近接または離隔可能に弁本体の弁体収容部に配される弁体と、弁体を弁座の弁ポートに対し近接する方向に付勢する付勢手段と、弁体に付設され複数の当接片を有する防振用羽根とを含み、弁ポートの開口面積を制御する弁体機構部と、弁本体に配され、ダイアフラムおよび外郭部材により形成される作動圧力室であって蒸発器の出口周辺部に配置される感温部内の圧力が供給される作動圧力室内の圧力に応じてダイアフラムに連動する作動用伝達軸を介して弁体機構部を駆動させる弁体機構駆動ユニットと、を備え、弁本体の弁体収容部は、弁ポートの中心軸線と共通の軸線上に形成され防振用羽根の当接片を案内する内周面を有する主室と、弁ポートの真下の位置で主室に連通する副室であって、流路の出口に連通する開口端の位置よりも上方に形成されるとともに、副室の中心軸線の位置が流路の出口に連通する開口端に近くなるように、主室の軸線の位置に対し偏心した中心軸線の位置の回りに形成される副室と、を含んでなることを特徴とする。

円形の横断面を有する副室の内径は、円形の横断面を有する主室の内径よりも小に設定されてもよい。副室は、主室の上方に形成されてもよい。副室は、弁ポートに隣接した上部を形成する部分に、下方向に向けて広くなるテーパ部を有するものでもよい。

本発明に係る冷凍サイクルシステムは、蒸発器と、圧縮機、および、凝縮器とを備え、上述の温度式膨張弁が、凝縮器の出口と蒸発器の入口との間に配される配管に設けられることを特徴とする。

本発明に係る温度式膨張弁、および、それを備える冷凍サイクルシステムによれば、副室が、弁ポートの真下の位置で主室に連通し、流路の出口に連通する開口端の位置よりも上方に形成されるとともに、副室の中心軸線の位置が流路の出口に連通する開口端に近くなるように、主室の軸線の位置に対し偏心した中心軸線の位置の回りに形成されることにより、冷媒が副室に流れ込み、流路の出口に連通する開口端に向って流れる冷媒の流量が開口端と反対側の流量より多くなることにより、弁体の出口端側に働く流体による力が開口端と反対側より大きくなるので弁体および防振用羽根が、開口端と反対側の方向に付勢され作動用伝達軸の外周とそのガイド内周との摩擦力及び防振用羽根と弁本体の主室内周との摩擦力が増大し、その結果として、弁体の開き始めから全開となるまでの間において弁体の振動を確実に抑制できる。

本発明に係る温度式膨張弁の一例における要部を部分的に拡大して示す部分断面図である。 （Ａ）は、図１における矢印ＩＩＡの示す方向から見た副室および主室の位置関係を示す矢視図であり、（Ｂ）は、副室の流路面積の説明に供される図である。 本発明に係る温度式膨張弁の一例の構成を示す断面図である。 図１に示される例における副室の中心位置と主室の中心位置との位置関係の説明に供される図である。 図３に示される例における動作説明に供される断面図である。 本発明に係る温度式膨張弁の一例が適用される冷凍サイクルシステムの構成を概略的に示す図である。 図３に示される例に用いられる弁本体の他の一例の要部を示す部分断面図である。 図７における矢印ＶＩＩＩの示す方向から見た副室および主室の位置関係を示す矢視図である。

図３は、本発明に係る温度式膨張弁の一例の構成を示す。

温度式膨張弁１０は、例えば、図６に示されるように、冷凍サイクルシステムの配管における凝縮器４の出口と蒸発器６の入口との間に配置されている。温度式膨張弁１０は、後述する弁本体２０（図３参照）の入口ポート２０Ｐ１で、一次側配管Ｄｕ２に接続されており、冷媒が流出される弁本体２０の出口ポート２０Ｐ２で二次側配管Ｄｕ３に接続されている。一次側配管Ｄｕ２は、凝縮器４の出口と温度式膨張弁１０の弁本体２０の入口ポート２０Ｐ１とを接続し、二次側配管Ｄｕ３は、蒸発器６の入口と温度式膨張弁１０の弁本体２０の出口ポート２０Ｐ２とを接続するものとされる。蒸発器６の出口と凝縮器４の入口との間には、配管Ｄｕ４およびＤｕ１を介して圧縮機２が接続されている。配管Ｄｕ４の一端は、圧縮機２の吸入口に接続されている。圧縮機２の吐出口に接続される配管Ｄｕ１の一端は、凝縮器４の入口に接続されている。圧縮機２は、図示が省略される制御部により駆動制御される。これにより、冷凍サイクルシステムにおける冷媒が、例えば、図６に示される矢印に沿って循環されることとなる。

図３において、温度式膨張弁１０は、一次側配管Ｄｕ２および二次側配管Ｄｕ３に接続される弁本体２０と、弁本体２０のヘッド部２０Ｈに取り付けられ弁本体２０内の弁体機構を駆動させる弁体機構駆動ユニット１２とを主な要素として含んで構成されている。

弁本体２０は、例えば、黄銅等の金属材料で作られ、後述する弁体機構駆動ユニット１２が固定されるヘッド部２０Ｈと、調整ねじ２８等を収容する下部２０Ｌと、弁体等を収容する副室（上段部）２０ＡＵおよび主室（下段部）２０ＡＬからなる弁体収容室２０Ａを形成する中間部２０Ｂとから構成されている。

中間部２０Ｂにおける外郭部の内部には、入口ポート２０Ｐ１に連通する連通路２０ＣＰ１と、出口ポート２０Ｐ２に連通する連通路２０ＣＰ２とが、弁本体２０の中心軸線Ｌｏに対し直交するように形成されている。連通路２０ＣＰ１の一端は、弁体収容室２０Ａの副室２０ＡＵの一部を形成する弁座２０Ｖの弁ポート２０Ｖａに対し開口している。連通路２０ＣＰ２の一端は、弁体収容室２０Ａの主室２０ＡＬ内に開口し弁体２２に向き合っている。

副室２０ＡＵは、図１に部分的に拡大されて示されるように、中間部２０Ｂにおける弁ポート２０Ｖａの真下の位置であって、連通路２０ＣＰ２の開口端の位置よりも上方に形成されている。また、副室２０ＡＵは、図２に示されるように、後述する主室２０ＡＬの中心位置Ｃｏに対し連通路２０ＣＰ２の開口端に向って所定距離（偏心量）δだけ偏心した中心位置Ｃ１を中心とした略円形に形成されている。偏心量δ（ｍｍ）は、例えば、次式（１）により設定される。但し、Ｄ１は、主室２０ＡＬの内径である。
偏心量δ＝（０．０７５～０．１５）×Ｄ１ （１）

また、主室２０ＡＬの内径Ｄ１と副室２０ＡＵの内径Ｄ２とは、例えば、次式（２）に従い設定されている。
Ｄ２／Ｄ１＝０．７～０．８５ （２）

上述の例においては、副室２０ＡＵは、主室２０ＡＬの中心位置Ｃｏに対し連通路２０ＣＰ２の開口端に向って所定距離（偏心量）δだけ偏心した中心位置Ｃ１を中心とした略円形に形成されているが、斯かる例に限られることなく、例えば、副室２０ＡＵの中心位置Ｃ１が主室２０ＡＬの中心位置Ｃｏに対し図４に示される連通路２０ＣＰ２に近い半円部分（斜線部分）の領域ＣＡ内のいずれかの方向の位置に設定されてもよい。なお、中心位置Ｃ１は、連通路２０ＣＰ２に近い方向にずらすことで、後述する弁体２２への付勢力はより強くなる。

弁体収容室２０Ａの主室２０ＡＬおよび副室２０ＡＵには、図１に部分的に拡大されて示されるように、円錐状の先細部２２ＰＡを有する弁体２２が移動可能に配されている。

弁体２２は、例えば、ステンレス鋼等の金属材料で作られ、弁ポート２０Ｖａ内に先端が挿入される先細部２２ＰＡと、３本の作動用伝達軸（連結棒）１８Ａの下端が当接され先細部２２ＰＡの裾部から外方に張り出す張出部２２Ｆと、張出部２２Ｆに連なり先細部２２ＰＡの中心軸線と共通の中心軸線上に形成される係合端部２２ＰＢとから形成されている。先端に丸みを有する係合端部２２ＰＢは、スプリング受け２４の凹部内に挿入され凹部を形成する湾曲面部に係合されている。係合端部２２ＰＢの先端の丸みの半径は、スプリング受け２４の湾曲面部の曲率半径よりも小に設定されている。

弁体２２は、スプリング受け２４を介して付勢手段としてのコイルスプリング２６の付勢力により、弁ポート２０Ｖａに近接する方向に付勢されている。スプリング受け２４には、防振用羽根３２が取り付けられている。菊歯状の防振用羽根３２は、例えば、特許文献２に示される羽根と同様な構成を有している。詳細には、防振用羽根３２は、スプリング受け２４の凸部が挿入される孔を有する環状部と、環状部の周縁に形成され主室２０ＡＬの内周面に摺接される弾性を有する８枚の当接片とを有している。

コイルスプリング２６は、スプリング受け２４と調整ねじ２８の窪みの底部との間に配されている。コイルスプリング２６の一端は、上述の防振用羽根３２の環状部に当接され、コイルスプリング２６の他端は、調整ねじ２８の窪みの底部に支持されている。調整ねじ２８の雄ねじ部は、下部２０Ｌの内周部に形成される雌ねじ部に捩じ込まれている。調整ねじ２８の雄ねじ部の先端部には、例えば、皿ばね、板ばね、および、パッキンからなるシールユニットが設けられている。また、下部２０Ｌにおける調整ねじ２８よりも下方部分の開口端は、着脱可能なキャップ３０により閉塞されている。また、下部２０Ｌの内周部の調整ねじ２８とキャップ３０の上端との間のミゾには、止め輪が固定されており、キャップ３０を外して調整ねじ２８を調整する際に、調整ねじ２８のストッパとして機能し、調整ねじ２８の脱落防止の役目をしている。

弁本体２０におけるヘッド部２０Ｈには、図３に示されるように、弁体機構駆動ユニット１２が取り付けられている。弁体機構駆動ユニット１２は、感温筒１６内にキャピラリチューブ１４を介して連通する上蓋１２Ｕと、ヘッド部２０Ｈに固定される円筒状の基部を有し、内部空間を上蓋１２Ｕと協働して形成する下蓋１２Ｌと、上蓋１２Ｕと下蓋１２Ｌとにより形成される内部空間に配される金属製のダイアフラム１２Ｄと、ダイアフラム１２Ｄにおける下蓋１２Ｌに向き合う表面に当金１２Ｆを介して付勢される３本の作動用伝達軸（連結棒）１８Ａと、を含んで構成されている。

感温筒１６は、上述の蒸発器６の出口に接続される配管Ｄｕ４における外周部に当接し配管Ｄｕ４に支持されている。

上蓋１２Ｕは、例えば、金属材料でプレス加工により成形され、中央部に突起部を有する円板部と、円板部の周縁に形成され下蓋１２Ｌの周縁の接合部と接合される接合部とから構成されている。突起部における所定の位置には、後述する作動圧力室１２Ａ内に連通するキャピラリチューブ１４の一端が接続されている。

上蓋１２Ｕと下蓋１２Ｌとの間の内部空間を仕切るダイアフラム１２Ｄの周縁は、上蓋１２Ｕの接合部と下蓋１２Ｌの接合部とにより挟持され溶接されている。これにより、作動圧力室１２Ａが、ダイアフラム１８と上蓋１２Ｕの内周部とにより囲まれて形成される。また、弁体機構駆動ユニット１２における上蓋１２Ｕおよび下蓋１２Ｌによって、外郭部が形成される。

ダイアフラム１２Ｄの中央部に設けられる一様な厚さを有する当金１２Ｆを介して連動される各作動用伝達軸１８Ａは、それぞれ、その中心軸線がダイアフラム１２Ｄの受圧面に対し略垂直となるように配置されている。当金１２Ｆの中央の孔には、ヘッド部２０Ｈの中心軸線上に形成される軸部２０Ｔが挿入されている。各作動用伝達軸１８Ａの一端は、当金１２Ｆの表面に所定の圧力で当接されている。

各作動用伝達軸１８Ａは、それぞれ、弁ポート２０Ｖａの回りに１２０°間隔で３箇所に、弁本体２０のヘッド部２０Ｈに形成される貫通孔２０ａに昇降動可能に挿入されている。貫通孔２０ａの一端は、それぞれ、当金１２Ｆが配される下蓋１２Ｌの内周部により形成される小部屋に開口し、貫通孔２０ａの他端は、それぞれ、弁体収容室２０Ａの副室２０ＡＵに開口している。

互いに同一の直径の作動用伝達軸１８Ａは、同一の全長を有している。弁体収容室２０Ａの主室２０ＡＬ内に突出する作動用伝達軸１８Ａの下端部は、それぞれ、図１に部分的に拡大されて示されるように、上述の弁体２２の張出部２２Ｆに当接している。

斯かる構成において、冷媒が、弁本体２０における入口ポート２０Ｐ１および連通路２０ＣＰ１に供給される場合、弁体２２の先細部２２ＰＡが弁ポート２０Ｖａに対し近接した状態にあるとき、例えば、弁体２２の開き始めから全開となるまでの期間、冷媒は、先ず、弁体２２の先細部２２ＰＡの外周部と弁ポート２０Ｖａの内周面との間に形成される絞り部を通じて弁体収容室２０Ａの副室２０ＡＵに流れ込む。その際、図５に示されるように、副室２０ＡＵの中心位置Ｃ１は、弁ポート２０Ｖａと同心である主室２０ＡＬの中心Ｃｏより出口側の連通路２０ＣＰ２の開口端に向って偏心しているため、副室２０ＡＵの弁体２２に対して連通路２０ＣＰ２の開口端側の流路の面積Ｓ１（図２（Ｂ）に示される斜線部分）は、開口端と反対側の流路の面積Ｓ２（図２（Ｂ）において太い実線で囲まれた部分）よりも大きくなっており、弁ポート２０Ｖａを通過した冷媒は、上述の連通路２０ＣＰ２の開口端側の流路へより多く流れる。

これにより、流体（冷媒）の流れによる弁体２２の先細部２２ＰＡに働く力は、出口側の開口端側の方（図５において先細部２２ＰＡの左側部分に作用する力）が開口端と反対側の力（図５において先細部２２ＰＡの右側部分に作用する力）よりも大きな力が働き、図５において弁体２２は矢印Ｆの示す方向に付勢されるとともに、各作動用伝達軸１８Ａの外周面が貫通孔２０ａの内周面に向けて矢印Ｆ´の示す方向に所定の圧力で押し付けられることとなる。これにより、各作動用伝達軸１８Ａの摺動抵抗が増大することとなる。また、弁体２２およびスプリング受け２４を伴って防振用羽根３２の当接片が、図５における矢印Ｆ´´の示す方向に、所定の圧力で弁体収容室２０Ａの主室２０ＡＬの内周面に押し付けられる。従って、防振用羽根３２の当接片の防振効果が高められることとなる。

図７は、温度式膨張弁１０に用いられる弁本体の他の一例の要部を示す。

なお、図７において、図１に示される例における構成要素と同一の構成要素について同一の符号を付して示し、その重複説明を省略する。

弁本体２０´は、例えば、黄銅等の金属材料で作られ、弁体機構駆動ユニット１２が固定されるヘッド部（不図示）と、調整ねじ２８等を収容する下部（不図示）と、弁体等を収容する副室２０´ＡＵと主室２０´ＡＬとからなる弁体収容室２０´Ａを形成する中間部２０´Ｂとから構成されている。

中間部２０´Ｂにおける外郭部の内部には、入口ポートに連通する連通路２０´ＣＰ１と、出口ポートに連通する連通路２０´ＣＰ２とが、弁本体２０´の中心軸線Ｌｏに対し直交するように形成されている。連通路２０´ＣＰ１の一端は、弁体収容室２０´Ａの副室２０´ＡＵの一部を形成する弁座２０´Ｖの弁ポート２０´Ｖａに対し開口している。連通路２０´ＣＰ２の一端は、弁体収容室２０´Ａの主室２０´ＡＬ内に開口し弁体４２に向き合っている。

副室２０´ＡＵは、中間部２０´Ｂにおける弁ポート２０´Ｖａの真下の位置であって、連通路２０´ＣＰ２の開口端の位置よりも上方に形成されている。また、副室２０´ＡＵは、図８に示されるように、主室２０´ＡＬの中心位置Ｃｏに対し連通路２０´ＣＰ２の開口端に向って所定距離（偏心量）δだけ偏心した中心位置Ｃ１を中心とした略円形に形成されている。副室２０´ＡＵにおける弁ポート２０´Ｖａに隣接した上部を形成する部分には、下方向に向けて広くなる、即ち、主室２０´ＡＬとの境界部分に向けて広くなるテーパ部２０´ＡＷが形成されている。テーパ部２０´ＡＷは、弁本体２０´の中心軸線Ｌｏに対し所定のテーパ角度αで交差している。テーパ角度αは、例えば、４５°以上６０°以下のテーパ角度に設定されている。その際、テーパ部２０´ＡＷの上端が交差する副室２０´ＡＵにおける弁ポート２０´Ｖａに隣接した上面から主室２０´ＡＬとの境界部分までの寸法ＨＡは、例えば、上述の副室２０´ＡＵにおける弁ポート２０´Ｖａに隣接した上面から所定の位置に保持される弁体４２の張出部４２Ｆまでの距離ＨＢの１／２に設定されている。

弁体４２は、例えば、ステンレス鋼等の金属材料で作られ、弁ポート２０´Ｖａ内に先端が挿入される先細部４２ＰＡと、３本の作動用伝達軸（連結棒）１８Ａの下端が当接され先細部４２ＰＡの裾部から外方に張り出す張出部４２Ｆと、張出部４２Ｆに連なり先細部４２ＰＡの中心軸線と共通の中心軸線上に形成される係合端部４２ＰＢとから形成されている。先端に丸みを有する係合端部４２ＰＢは、スプリング受け２４の凹部内に挿入され凹部を形成する湾曲面部に係合されている。係合端部４２ＰＢの先端の丸みの半径は、スプリング受け２４の湾曲面部の曲率半径よりも小に設定されている。なお、先細部４２ＰＡは、図１に示される弁体２２の肩部２２ＰＡＳのような、肩部を有していない。３本の作動用伝達軸（連結棒）１８Ａの下端面が、張出部４２Ｆに当接される。

斯かる構成においても、防振用羽根３２の当接片の防振効果が高められるとともに、テーパ部２０´ＡＷにより、弁ポート２０´Ｖａからの流れを円滑にして、さらに振動の抑制が図られることとなる。

従って、上述の例においては、弁体２２および４２は、流体の力で弁ポート２０Ｖａ、２０´Ｖａの軸心に対して片側に付勢される。これにより、弁体２２および４２とばね受け２４とを介して連動する防振用羽根３２の当接片と内周面との摺動抵抗、及び、作動用伝達軸（連結棒）１８Ａの外周面と貫通孔２０ａの内周面との摩擦力が、大きくなるので、作動用伝達軸（連結棒）１８Ａおよび弁体２２および４２の振動が抑制される。その結果として、騒音を小さくできる。

１０ 温度式膨張弁
１２ 弁体機構駆動ユニット
１２Ｄ ダイアフラム
１２Ｆ 当金
１４ キャピラリチューブ
１６ 感温筒
１８Ａ 作動用伝達軸
２０ 弁本体
２０Ａ 弁体収容室
２０ＡＵ、２０´ＡＵ 副室
２０ＡＬ、２０´ＡＬ 主室
２２ 弁体
２６ コイルスプリング
３２ 防振用羽根

Claims (5)

1. 冷媒を蒸発器に供給する配管に配され、該冷媒を導く流路を有する弁本体と、
   前記流路に形成される弁座の弁ポートに対し近接または離隔可能に前記弁本体の弁体収容部に配される弁体と、該弁体を弁座の弁ポートに対し近接する方向に付勢する付勢手段と、該弁体に付設され複数の当接片を有する防振用羽根とを含み、前記弁ポートの開口面積を制御する弁体機構部と、
   前記弁本体に配され、ダイアフラムおよび外郭部材により形成される作動圧力室であって前記蒸発器の出口周辺部に配置される感温部内の圧力が供給される作動圧力室内の圧力に応じて該ダイアフラムに連動する作動用伝達軸を介して前記弁体機構部を駆動させる弁体機構駆動ユニットと、を備え、
   前記弁本体の弁体収容部は、前記弁ポートの中心軸線と共通の軸線上に形成され前記防振用羽根の当接片を案内する内周面を有する主室と、前記弁ポートの真下の位置で該主室に連通する副室であって、前記流路の出口に連通する開口端の位置よりも上方に形成されるとともに、該副室の中心軸線の位置が前記流路の出口に連通する開口端に近くなるように、前記主室の前記軸線の位置に対し偏心した前記中心軸線の位置の回りに形成される副室と、を含んでなることを特徴とする温度式膨張弁。
2. 円形の横断面を有する前記副室の内径は、円形の横断面を有する前記主室の内径よりも小に設定されることを特徴とする請求項１記載の温度式膨張弁。
3. 前記副室は、前記主室の上方に形成されることを特徴とする請求項１記載の温度式膨張弁。
4. 前記副室は、前記弁ポートに隣接した上部を形成する部分に、下方向に向けて広くなるテーパ部を有することを特徴とする請求項１記載の温度式膨張弁。
5. 蒸発器と、圧縮機、および、凝縮器とを備え、
   請求項１乃至請求項４のうちのいずれかに記載の温度式膨張弁が、前記凝縮器の出口と前記蒸発器の入口との間に配される配管に設けられることを特徴とする冷凍サイクルシステム。

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