JP7308447B2 - 放熱機構及びそれを備えた電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、放熱機構及びそれを備えた電源装置に関する。

従来、トランジスタ等の動作時に発熱する電子素子を放熱フィンが設けられた放熱板に取り付け、トランジスタで発生した熱を放熱フィンから外部に放散する放熱機構が知られている。

例えば、特許文献１には、冷却ファンを用いて放熱板に気流を送り込み、放熱フィンから放散された熱を外部に排出する構成が開示されている。また、この構成では、放熱板にトランジスタが実装され、トランジスタが実装された面と対向する面に放熱フィンが設けられている。温度検出素子であるサーミスタは、放熱フィンが設けられた面側であって、トランジスタの裏側に位置するフィンとフィンとの間に直接取り付けられている。

特許文献２には、放熱フィンが設けられた放熱板に絶縁部材を介して熱伝導部材が取り付けられ、熱伝導部材上にトランジスタと温度検出素子とが取り付けられた構成が開示されている。

特開２０００－２９４７０５号公報 実開昭６２－１３１４５０号公報

ところで、従来、放熱機構の冷却ファンを駆動するモータの駆動電流や冷却ファンの回転軸に接続されたエンコーダによる回転信号を検出して、冷却ファンの異常の有無を判定していた。

しかし、例えば、冷却ファンの羽根が破損しても、モータ及び回転軸は回転し続けるため、前述の駆動電流や回転信号を検出しても、冷却ファンの異常を検出できないことがあった。

また、トランジスタ等の電子素子が取り付けられた放熱板において、放熱フィンの間に粉塵等が付着した場合、放熱フィンの間を流れる気流の流量が低下し、放熱板の冷却能力が低下してしまうことがある。

しかし、この場合、冷却ファンは正常に回転し続けているため、放熱板の冷却能力の低下を検出できなかった。これを解決するために、特許文献１に示すようにトランジスタが取り付けられた放熱板にサーミスタを取り付けることも考えられるが、放熱板に複数のトランジスタが取り付けられた場合、他のトランジスタでの発熱が温度検出に影響するため、サーミスタの取り付け位置が制限される等、設計に制約が生じるおそれがあった。

本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、その目的は、冷却ファンを備えた放熱機構において、冷却ファンの異常や放熱板の冷却能力の低下を確実に検知できる放熱機構及びそれを備えた電源装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明に係る放熱機構は、冷却ファンと、第１の放熱フィンが設けられた第１の放熱板と、第２の放熱フィンが設けられた第２の放熱板と、前記第１の放熱板に取り付けられ、動作時に発熱する複数の電子素子と、を少なくとも備え、前記第１の放熱板は前記冷却ファンで発生した気流の風下側に配置され、前記第２の放熱板は前記複数の電子素子のうち少なくとも１つの電子素子の風下側に配置されるとともに、温度検出素子が取り付けられ、前記第２の放熱板は前記第１の放熱板と断熱されており、前記第２の放熱板は、前記第２の放熱フィンの位置が前記第１の放熱フィンの位置と一致するように、前記第１の放熱板に取り付けられていることを特徴とする。

本発明に係る電源装置は、前記放熱機構を備えた電源装置であって、前記電子素子は電力変換用のパワー半導体素子であることを特徴とする。

本発明の放熱機構によれば、電子素子の発熱の影響を大きく受けずに、冷却ファンの異常や第１の放熱板の冷却能力の低下を確実に検知することができる。本発明の電源装置によれば、放熱機構のメンテナンス時期を適切に見極められ、電源装置を安定して稼働することができる。

本発明の一実施形態に係るアーク溶接装置の概略構成図である。 放熱機構の概略構成図である。 断熱部材の斜視図である。 第２の放熱板が取り付けられた第１の放熱板の平面模式図である。 図４のＶ－Ｖ線での断面図である。 サーミスタの動作回路の概略構成図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。

（実施形態）
［アーク溶接装置の構成］
図１は、本実施形態に係るアーク溶接装置の概略構成図を示し、アーク溶接装置１００は、溶接用電源装置２００とワイヤ送給装置７００と溶接トーチ８００とを有しており、溶接用電源装置２００は、内部に電力変換部４００と冷却ファン５００と制御部６００とを少なくとも有している。なお、溶接用電源装置２００は、これら以外の構成部品を有しているが、説明の便宜上、図示及び説明を省略する。

電力変換部４００は、図示しない外部電源、例えば、２００Ｖ電源から電力を受け取って、溶接ワイヤ９００に供給するための溶接電圧及び溶接電流に変換する。冷却ファン５００は、電力変換部４００に向けて送風し、電力変換部４００で発生した熱を外部に排出させる。制御部６００は、所定のプログラムに従って、電力変換部４００に制御信号を送り、電力変換部４００から溶接ワイヤ９００に出力される溶接電流波形及び溶接電圧波形を制御する。また、制御部６００は冷却ファン５００に動作開始及び停止指令を送る。

ワイヤ送給装置７００は、溶接用電源装置２００に接続されたパワーケーブルＣ１を介し、トーチケーブルＣ３の内部に収容された溶接ワイヤ９００をワークＷに向けて送給する。このときトーチ先端部（図示なし）にて溶接ワイヤ９００に給電する。なお、溶接ワイヤ９００の送給量、送給速度及び送給方向に関する指令は、制御部６００から制御ケーブルＣ４内の図示しない制御線を介してワイヤ送給装置７００に入力され、その指令に基づいてワイヤ送給装置７００が駆動される。

溶接トーチ８００は、トーチケーブルＣ３に接続され、内部で溶接ワイヤ９００を送給可能に保持している。また、シールドガスはガスボンベ１０００からガスホースＣ５およびトーチケーブルＣ３を介し供給される。 アーク溶接を行う場合、溶接用電源装置２００はアーク溶接が行われる作業空間に配置される。溶接用電源装置２００の負端子に母材ケーブルＣ２が、正端子にパワーケーブルＣ１がそれぞれ接続される。母材ケーブルＣ２はワークＷに接続される。所定のプログラムに従って、溶接用電源装置２００から溶接ワイヤ９００に溶接電圧及び溶接電流が出力され、溶接ワイヤ９００の先端とワークＷとの間に図示しないアークが発生し、溶接が行われる。

［放熱機構の構成］
図２は、放熱機構の概略構成図を、図３は、断熱部材の斜視図を、図４は、第２の放熱板が取り付けられた第１の放熱板の平面模式図を、図５は、図４のＶ－Ｖ線での断面図をそれぞれ示す。

また、以降の説明において、第１の放熱板４１０と第３の放熱板４３０との配列方向をＸ方向と、第１の放熱板４１０に取り付けられた複数のパワー半導体モジュール４５０の配列方向をＺ方向とそれぞれ呼ぶことがある。また、Ｘ方向及びＺ方向とそれぞれ直交する方向をＹ方向と呼ぶことがある。なお、Ｚ方向において、冷却ファン５００が配置された側を風上側と、その反対側を風下側とそれぞれ呼ぶことがある。

図２に示す放熱機構３００は、図１に示す電力変換部４００と冷却ファン５００とを有しており、電力変換部４００は第１の放熱板４１０と第３の放熱板４３０と複数のパワー半導体モジュール４５０とを有している。また、第１の放熱板４１０に第２の放熱板４２０が取り付けられており、第２の放熱板４２０に温度検出素子であるサーミスタ４４０が取り付けられている。

第１の放熱板４１０は、Ｘ方向と直交する面に第１の放熱フィン４１１が設けられた金属製部品であり、第１の放熱フィン４１１が設けられた面とＸ方向で対向する面には、Ｚ方向に所定の間隔をあけて複数のパワー半導体モジュール４５０が取り付けられている。第１の放熱フィン４１１は、第１の放熱板４１０からＸ方向に延びるフィン４１２がＹ方向に所定の間隔をあけて複数配置されて構成されている（図４，５参照）。

第３の放熱板４３０は、第１の放熱板４１０と同様に、Ｘ方向と直交する面に第３の放熱フィン４３１が設けられた金属製部品である。第１の放熱板４１０と第３の放熱板４３０とは、第１の放熱フィン４１１と第３の放熱フィン４３１とが対向するようにＸ方向に所定の間隔をあけて配置されている。また、第３の放熱フィン４３１が設けられた面とＸ方向で対向する面に、Ｚ方向に所定の間隔をあけて複数のパワー半導体モジュール４５０（図示せず）が取り付けられている。また、第３の放熱フィン４３１は、第３の放熱板４３０からＸ方向に延びるフィン４３２がＹ方向に所定の間隔をあけて複数配置されて構成されている。

パワー半導体モジュール４５０は、例えば、複数のパワートランジスタ４５１で構成されており、２００Ｖ電源から印加された電力を変換するインバータの全部または一部を構成している。

図２，４，５に示すように、第２の放熱板４２０は、第２の放熱フィン４２１が設けられた金属製部品であり、第２の放熱フィン４２１が設けられた面とＸ方向で対向する面には、断熱部材４２３と温度検出素子であるサーミスタ４４０とが取り付けられている。図３に示すように、断熱部材４２３は箱形の部材であり、互いに対向する２組の側壁４３２ａ，４２３ｂとこれらの側壁４２３ａ，４２３ｂのそれぞれに接続される底壁４２３ｃとを有している。また、図５に示すように、サーミスタ４４０は、断熱部材４２３と第２の放熱板４２０とで囲まれた空間に配置されている。第１の放熱フィン４１１は一部で切り欠かれており、この切り欠かれた部分に断熱部材４２３の底壁４２３ｃが接しており、断熱部材４２３を介して第２の放熱板４２０が取り付けられている。つまり、第２の放熱板４２０は第１の放熱板４１０と断熱されている。また、第２の放熱板４２０は、第３の放熱板４３０と所定の間隔をあけて配置されており、第３の放熱板４３０とも断熱されている。

図４に示すように、第２の放熱フィン４２１の位置が、第１の放熱フィン４１１との位置が一致する。具体的には、第２の放熱フィン４２１における各フィン４２２のＹ軸方向の位置が第１の放熱フィン４１１における各フィン４１２のＹ軸方向の位置と略一致するように、第１の放熱板４１０に取り付けられている。第２の放熱フィン４２１の各フィン４２２のＹ方向のピッチは第１の放熱フィン４１１の各フィン４１２のＹ方向のピッチと同じである。

また、第２の放熱板４２０は、Ｘ方向から見て、２つのパワー半導体モジュール４５０の間に位置するように、第１の放熱板４１０に取り付けられている。なお、第１の放熱板４１０に３つ以上のパワー半導体モジュール４５０が取り付けられている場合、サーミスタ４４０が取り付けられた第２の放熱板４２０は、少なくとも１つのパワー半導体モジュール４５０の風下側に配置される。

図２に示すように、冷却ファン５００は、第１の放熱板４１０及び第３の放熱板４３０の風上側に配置されており、制御部６００からの指令に応じて第１の放熱板４１０と第３の放熱板４３０との間に気流を送り込む。

電力変換部４００の動作時にパワー半導体モジュール４５０で発生した熱は、第１の放熱板４１０及び第３の放熱板４３０にそれぞれ伝搬され、第１の放熱フィン４１１及び第３の放熱フィン４３１から外部雰囲気に放散される。冷却ファン５００で発生した気流は第１の放熱板４１０と第３の放熱板４３０との間をＺ方向に流れて、それぞれの放熱フィン４１１，４３１から放散された熱を風下側に排出し、電力変換部４００を冷却する。また、第２の放熱板４２０にも、冷却ファン５００で発生した気流が吹き付けられる。

また、冷却ファン５００の動作開始に応じてサーミスタ４４０に電流が流れ、サーミスタ４４０の温度が検出される。図５を用いてさらに説明する。

図６は、サーミスタ４４０の動作回路の概略構成図を示し、サーミスタ４４０は、並列接続された抵抗Ｒ１，Ｒ２を介して直流電源に接続されている。また、抵抗Ｒ２と直流電源との間にはスイッチＳＷが設けられている。制御部６００から冷却ファン５００に動作開始指令が送られていない状態では、スイッチＳＷはオフであり、抵抗Ｒ２に電流は流れない。また、抵抗Ｒ１の抵抗値はサーミスタ４４０の抵抗に比べて非常に高いため、サーミスタ４４０にはほとんど電流が流れず、発熱していない状態である。

一方、制御部６００から冷却ファン５００に動作開始指令が送られると、これに応じてスイッチＳＷはオンとなり、抵抗Ｒ２に電流が流れる。抵抗Ｒ２の抵抗値は抵抗Ｒ１の抵抗値よりも小さく、サーミスタ４４０に所定の電流が流れて、サーミスタ４４０が発熱状態となる。発熱状態のサーミスタ４４０は、その抵抗値の温度依存性が発熱していない状態に比べて大きくなっている。

サーミスタ４４０と抵抗Ｒ２との接続点の電位を検出して、Ａ／ＤコンバータＡＤＣやその他の図示しない回路で変換することにより、サーミスタ４４０の温度が算出される。また、冷却ファン５００で発生した気流の流量とサーミスタ４４０の温度との相関関係は予め取得されており、制御部６００または溶接用電源装置２００内の記憶部（図示せず）に保存されている。

第２の放熱板４２０は第１の放熱板４１０及び第３の放熱板４３０とそれぞれ断熱されている。気流の流量が一定であれば、第２の放熱板４２０から外部に排出される熱量とサーミスタ４４０での発熱量との比率が一定となり、サーミスタ４４０の温度も一定となる。また、冷却ファン５００の動作範囲内で流量が変化した場合のサーミスタ４４０の温度の変化量も予め把握されている。

一方、ファンの破損等が起こって冷却ファン５００からの気流の流量が大幅に低下すると、発熱状態のサーミスタ４４０が取り付けられた第２の放熱板４２０は十分に冷却されない。このため、サーミスタ４４０の温度が予め把握された許容範囲を超えて上昇する。

また、第１の放熱フィン４１１において、各フィン４１２の間に粉塵等が付着して目詰まりが起こると、第１の放熱フィン４１１の間を流れる気流の流量が低下する。この流量低下が許容範囲を超えると、上記と同様に第２の放熱板４２０は十分に冷却されず、サーミスタ４４０の温度が予め把握された許容範囲を超えて上昇する。

制御部６００は、サーミスタ４４０で検出された温度上昇に基づいて、冷却ファン５００または第１の放熱フィン４１１の少なくとも一方に異常が発生していると判定する。

溶接作業者は、異常発生の判定結果を受けて、放熱機構３００を点検し、必要に応じて、各部品の交換や清掃を行う。

なお、制御部６００から冷却ファン５００に動作停止指令が送られるとスイッチＳＷがオフして、サーミスタ４４０は発熱していない状態になる。

［効果等］
以上説明したように、本実施形態に係る放熱機構３００は、冷却ファン５００と、第１の放熱フィン４１１が設けられた第１の放熱板４１０と、第２の放熱フィン４２１が設けられた第２の放熱板４２０と、第１の放熱板４１０に取り付けられ、複数のパワー半導体モジュール４５０と、を少なくとも備えている。パワー半導体モジュール４５０は、動作時に発熱する電子素子であるパワートランジスタ４５１を有している。

第１の放熱板４１０は冷却ファン５００で発生した気流の風下側に配置されている。第２の放熱板４２０は複数のパワー半導体モジュール４５０のうち少なくとも１つのパワー半導体モジュール４５０の風下側に配置されるとともに、サーミスタ４４０が取り付けられている。

第２の放熱板４２０は第１の放熱板４１０と断熱されており、第２の放熱板４２０は、Ｘ方向から見て、第２の放熱フィン４２１の位置が第１の放熱フィン４１１の位置と一致するように、第１の放熱板４１０に取り付けられている。

本実施形態によれば、サーミスタ４４０が取り付けられた第２の放熱板４２０が、パワー半導体モジュール４５０が取り付けられた第１の放熱板４１０と断熱されているため、パワー半導体モジュール４５０の発熱の影響を大きく受けずに、サーミスタ４４０の温度を検出することができる。サーミスタ４４０の温度が許容範囲を超えて上昇した場合、冷却ファン５００に何らかの異常が発生したか、あるいは、目詰まり等により第１の放熱フィン４１１の間を通る気流の流量が低下したか判定することができる。このことにより、冷却ファン５００の異常や第１の放熱板４１０の冷却能力の低下を確実に検知することができる。

また、サーミスタ４４０の温度は、パワー半導体モジュール４５０の発熱の影響を大きく受けないため、第１の放熱板４１０に対する第２の放熱板４２０の取り付け位置、言い換えると、サーミスタ４４０の取り付け位置が大きく制限されず、放熱機構３００の設計が簡素化される。

また、第２の放熱フィン４２１の位置が第１の放熱フィン４１１の位置と一致するように、第２の放熱板４２０が第１の放熱板４１０に取り付けられているため、第１の放熱フィン４１１の間を流れる気流が乱されることなく、第１の放熱板４１０を冷却することができる。

また、サーミスタ４４０が取り付けられた第２の放熱板４２０が、少なくとも１つのパワー半導体モジュール４５０の風下側に配置されている。

パワー半導体モジュール４５０に発熱異常が起こった場合、その風下側では気流の温度が通常よりも高くなる。第２の放熱板４２０を上記のように配置することで、サーミスタ４４０の温度上昇値からパワー半導体モジュール４５０の発熱異常を検知することが可能となる。

また、第２の放熱板４２０は、第２の放熱板４２０に取り付けられた断熱部材４２３により、第１の放熱板４１０と断熱されている。

このようにすることで、第２の放熱板４２０を第１の放熱板４１０と確実に断熱でき、パワー半導体モジュール４５０の発熱の影響を大きく受けずに、冷却ファン５００の異常や第１の放熱フィン４１１の目詰まり等に起因するや第１の放熱板４１０の冷却能力の低下を確実に検知することができる。

放熱機構３００は、第３の放熱フィン４３１が設けられた第３の放熱板４３０と、第３の放熱板４３０に取り付けられ、動作時に発熱する複数の別のパワー半導体モジュール４５０と、をさらに備えている。

第１の放熱板４１０と第３の放熱板４３０とは、第１の放熱フィン４１１と第３の放熱フィン４３１とが対向するように、かつ所定の間隔をあけて配置されている。第２の放熱板４２０は第３の放熱板４３０と断熱されている。冷却ファン５００で発生した気流は、第１の放熱板４１０と第３の放熱板４３０との間に流れる。

このようにすることで、それぞれパワー半導体モジュール４５０が取り付けられた第１の放熱板４１０と第３の放熱板４３０とを効率良く冷却することができる。また、それぞれパワー半導体モジュール４５０が取り付けられた第１の放熱板４１０と第３の放熱板４３０とを近接させて配置できるため、電力変換部４００や放熱機構３００を小型化できる。

本実施形態に係る溶接用電源装置２００は放熱機構３００を備えている。また、電力変換用のパワートランジスタ４５１を備えている。

溶接用電源装置２００は、溶接ワイヤ９００に伝送される電力ロスを小さくするために、通常、アーク溶接が行われる作業空間に配置される。しかし、この作業空間は、溶接前のワークＷが加工される空間と共通していることが多い。このため、作業空間内には、粉塵や油煙等が浮遊しており、これらが溶接用電源装置２００の内部に入り込んで放熱機構３００の各部に付着することがある。

粉塵や油煙等の付着量が多い場合、第１の放熱フィン４１１や第３の放熱フィン４３１の間に粉塵等が溜まって目詰まりを起こし、第１の放熱板４１０や第３の放熱板４３０の冷却能力が大幅に低下することがある。

本実施形態によれば、このような目詰まり等による第１の放熱板４１０や第３の放熱板４３０の冷却能力の低下を確実に検知できるため、放熱機構３００のメンテナンス時期を適切に見極められ、溶接用電源装置２００を安定して稼働することができる。

なお、第１の放熱板４１０に対する第２の放熱板４２０の取り付け位置は、図２，４に示す例に特に限定されず、例えば、すべてのパワー半導体モジュール４５０の風下側に位置するようにしてもよい。また、第１の放熱板４１０にサーミスタ４４０が取り付けられた第２の放熱板４２０が複数取り付けられていてもよい。また、サーミスタ４４０が取り付けられた第２の放熱板４２０を第３の放熱板４３０に取り付けていてもよい。その場合も、第２の放熱板４２０は、第３の放熱板４３０に取り付けられた複数のパワー半導体モジュール４５０のうち少なくとも１つの風下側に配置される。また、第２の放熱フィン４２１の位置が第３の放熱フィン４３１の位置と一致するように、第２の放熱板４２０が第３の放熱板４３０に取り付けられる。

また、第２の放熱フィン４２１の位置と第１の放熱フィン４１１との位置関係については、各フィン４２２および各フィン４１２の位置が確実に一致する形態だけでなく、Ｚ方向の気流を遮らない程度に、第２の放熱フィン４２１の位置が、第１の放熱フィン４１１の位置と一致する形態も含まれる。

なお、電力変換部４００の構成によっては、第３の放熱板４３０及びこれに取り付けられるパワー半導体モジュール４５０が省略されてもよい。

また、パワー半導体モジュール４５０に搭載されるパワー半導体素子は、パワートランジスタ４５１以外であってもよい。例えば、複数のパワーダイオードでもよい。また、パワー半導体モジュール４５０以外に、動作時に発熱する別の電子素子、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）が搭載されたＬＳＩが第１の放熱板４１０や第３の放熱板４３０に取り付けられていてもよい。

また、本願明細書では、いわゆる消耗電極方式のアーク溶接に用いられる溶接用電源装置２００を例に取って説明したが、非消耗電極方式のアーク溶接に用いられる溶接用電源装置や抵抗溶接に用いられる溶接用電源装置にも、本発明の放熱機構３００が適用できることは言うまでもない。

また、これらの溶接用電源装置に限らず、粉塵や油煙等が浮遊している作業空間に設置される別用途の電源装置においても、本発明の放熱機構３００を適用することで、冷却ファンの異常や放熱板の冷却能力の低下を検知できる。

本発明の放熱機構は、冷却ファンの異常または放熱フィンが設けられた放熱板の性能低下を確実に検知できるため、例えば、溶接用電源装置に適用する上で有用である。

１００ アーク溶接装置
２００ 溶接用電源装置
３００ 放熱機構
４００ 電力変換部
４１０ 第１の放熱板
４１１ 第１の放熱フィン
４２０ 第２の放熱板
４２１ 第２の放熱フィン
４２３ 断熱部材
４３０ 第３の放熱板
４３１ 第３の放熱フィン
４４０ サーミスタ（温度検出素子）
４５０ パワー半導体モジュール
４５１ パワートランジスタ（電子素子）
５００ 冷却ファン
６００ 制御部
７００ ワイヤ送給装置
８００ 溶接トーチ
９００ 溶接ワイヤ

Claims (4)

1. 冷却ファンと、
   第１の放熱フィンが設けられた第１の放熱板と、
   第２の放熱フィンが設けられた第２の放熱板と、
   前記第１の放熱板に取り付けられ、動作時に発熱する複数の電子素子と、を少なくとも備え、
   前記第１の放熱板は前記冷却ファンで発生した気流の風下側に配置され、
   前記第２の放熱板は前記複数の電子素子のうち少なくとも１つの電子素子の風下側に配置されるとともに、温度検出素子が取り付けられ、
   前記第２の放熱板は前記第１の放熱板と断熱されており、
   前記第２の放熱板は、前記第２の放熱フィンの位置が前記第１の放熱フィンの位置と一致するように、前記第１の放熱板に取り付けられていることを特徴とする放熱機構。
2. 請求項１に記載の放熱機構において、
   前記第２の放熱板は、前記第２の放熱板の取り付けられた断熱部材により、前記第１の放熱板と断熱されていることを特徴とする放熱機構。
3. 請求項１または２に記載の放熱機構において、
   第３の放熱フィンが設けられた第３の放熱板と、
   前記第３の放熱板に取り付けられ、動作時に発熱する複数の別の電子素子と、をさらに備え、
   前記第１の放熱板と前記第３の放熱板とは、前記第１の放熱フィンと前記第３の放熱フィンが対向するように、かつ所定の間隔をあけて配置されており、
   前記第２の放熱板は前記第３の放熱板と断熱されており、
   前記冷却ファンで発生した気流は、前記第１の放熱板と前記第３の放熱板との間に流れることを特徴とする放熱機構。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の放熱機構を備えた電源装置であって、
   前記電子素子は電力変換用のパワー半導体素子であることを特徴とする電源装置。

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