KR100980488B1 - 용존기 및 이를 구비한 산소수 수소수 제조 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용량이 크면서도 크기가 작고 가격이 저렴하며 효율적으로 기체를 액체에 용해시킬 수 있는 용존기를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다. 또한, 이를 이용하여 산소 풍부수와 수소 풍부수를 제조할 수 있는 산소수 수소수 제조 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 이를 위하여 본 발명에서는, 입수구와 출수구를 구비하는 외부 하우징; 상기 외부 하우징 내측에 배치되고 입수된 물과 기체가 통과하는 중공사 모듈; 및 상기 외부 하우징 내측에 배치되고, 상기 중공사 모듈을 둘러싸며, 외면에 수로용 돌기가 형성된 내부 하우징을 포함하고, 상기 내부 하우징 외면의 일정한 간격의 나사산 형태의 수로용 돌기 사이의 홈은 상기 외부 하우징의 내면에 누수가 없도록 밀착하여 작은 호스(hose)와 같은 2m 정도의 긴 수로를 형성하여 용존과정에 용존기의 높은 압력을 형성함과 용해액이 긴수로를 긴시간에 통과하면서 용존기의 용존율을 높이는 용존기를 제공하고, 이를 구비한 컴팩트한 구조의 산소수 수소수 제조 장치를 제공한다.

Description

용존기 및 이를 구비한 산소수 수소수 제조 장치{Apparatus of dissolving gas into liquid and apparatus of producing oxygen-rich water and/or hydrogen-rich water having the same}

본 발명은 액체에 기체를 용해시키는 용존기 및 이를 구비한 산소수 수소수 제조 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 산소나 수소와 같은 기체를 물과 같은 액체에 효과적으로 용해시키고 컴팩트하게 제조가 가능하여 휴대가 용이한 용존기와 이를 구비한 산소수 수소수 제조 장치에 관한 것이다.

대량의 물에 많은 양의 산소를 신속하고 효과적으로 용해하는 것이 필요한 응용분야가 많이 있다. 예를 들어, 용존 산소가 풍부한 물을 마시는 것은 인체에 유익한 것으로 알려져 있다. 즉, 산소 풍부수를 섭취하게 되면, 인체의 혈중 산소 농도가 증가되어 섭취자의 신진대사가 향상되고 여러 유익한 결과를 가져오게 된다. 에를 들어, 운동을 하는 사람은 맥박수를 증가시킴이 없이 운동능력을 향상시킬 수 있고 근력과 지구력, 그리고 심계기능이 향상되고 피로회복이 촉진된다. 또한, 혈액 중에 보강된 산소 중 일부는 대뇌에 공급되어 사고력 및 집중력을 향상시키고 스트레스를 완화시켜주기 때문에, 산소 풍부수의 섭취는 두뇌를 많이 사용하 는 사람에게도 유용하다.

물에 산소를 용해시키는 가장 전형적인 방법은 산소가 풍부한 기체를 산기 등의 방법으로 물에 유입시켜 산소와 물간의 접촉면적을 증가시키는 것이다. 이 방법은 용해효율이 낮아서, 포화농도 가까이 산소를 용해시킬 수는 있지만 과포화가 요구되는 응용분야에는 적용될 수가 없다. 아울러, 용해된 산소가 쉽게 탈기된다는 단점을 가지고 있기 때문에, 이 방법은 고농도 용존 산소수를 제조하고자 하는 응용분야에는 사실상 현실 적용이 불가능하다.

물속의 용존산소량을 증대시키기 위한 종래의 다른 방법 중 하나는 밀폐된 용기에 물과 산소를 충진하고 가압된 상태에서 장시간 체류시켜 용해하는 것이다. 그렇지만, 이 방법을 구현하기 위해서는 견고한 탱크, 고양정 펌프 및 고압산소 탱크를 필요로 하기 때문에, 시스템의 부피가 크고 중량이 무거우며 산소수의 단위생산비용이 높다는 단점이 있다. 따라서, 이 방법은 정수필터나 냉수기와 같은 소규모 장치에서 식수에 산소를 용해시키고자 하는 경우에는, 부피와 중량, 생산단가, 소음 등의 문제로 인해 적용할 수가 없다.

따라서, 정수필터나 냉수기와 같은 소규모 장치에서 또는 휴대용 장치에서 사용할 수 있도록 구조가 간단하고 부피와 중량이 작으며 소음이 적으면서, 용존산소 농도가 높은 과포화 산소 풍부수를 제조할 수 있는 용존기의 개발 필요성이 매우 크다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 용량이 크면서도 크기가 작고 가격이 저렴하며 효율적으로 기체를 액체에 용해시킬 수 있는 용존기를 제공하는 것이다. 또한, 이를 이용하여 산소 풍부수와 수소 풍부수를 제조할 수 있는 산소수 수소수 제조 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 입수구와 출수구를 구비하는 외부 하우징; 상기 외부 하우징 내측에 배치되고 입수된 물과 기체가 통과하는 중공사 모듈; 및 상기 외부 하우징 내측에 배치되고, 상기 중공사 모듈을 둘러싸며, 외면에 수로용 돌기가 형성된 내부 하우징을 포함하고, 상기 내부 하우징 외면의 수로용 돌기 사이의 홈은 상기 외부 하우징의 내면과 함께 수로를 형성하는 용존기를 제공함으로써 달성된다.

여기서, 상기 내부 하우징 외면의 수로용 돌기 사이의 홈은 상기 내부 하우징의 하부로부터 외면을 따라 회전하면서 내부 하우징의 상부로 이어져서 상기 출수구와 연결되어, 내부 하우징의 외면을 따라 회전하면서 상승하는 나선형의 수로를 형성할 수 있다.

여기서, 상기 내부 하우징의 내측에 배치되고, 상기 중공사 모듈을 둘러싸며, 다수의 관통 홀이 형성된 내부 순환 모듈을 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 내부 순환 모듈의 외면에는 외측으로 돌출된 다수의 날개가 형 성되고, 상기 날개는 상기 내부 순환 모듈의 둘레를 따라 이어진 형태로서 하방으로 경사진 형태를 가지며, 상기 관통 홀은 상기 날개의 아래에 상기 날개를 따라 내부 순환 모듈의 둘레에 형성된 것이 바람직하다. 용존기 내부에서의 용존 과정에서는 기체는 상방향으로 부양하려고 하게 된다. 이때, 내부 순환 모듈에 포함된 날개는 기체를 모아 관통 홀을 통해 내부로 이동하도록 한다. 또한, 기체가 날개에 모아져 체류하면 물과의 접촉면이 극대화되어 용존 효율이 높아진다.

또한 상기와 같은 본 발명의 목적은, 전극 조립체를 내부에 포함하여 상기 전극 조립체에서 전기 분해에 의해 발생한 산소와 수소를 각각 포집하는 산소 수소 발생기; 상기 산소 수소 발생기에 물을 공급하는 수조; 및 상기 수조로부터 공급받은 물에 상기 산소 수소 발생기에서 발생한 산소 및/또는 수소를 용해시키는 용존기를 포함하고, 상기 용존기는 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 용존기인 산소수 수소수 제조 장치를 제공함으로써 달성된다.

여기서, 상기 용존기 내로 유입되는 물과 산소 및/또는 수소를 가압하는 펌프를 더 포함할 수 있고, 상기 수조의 출구측에 배치되는 정수필터를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 용존기는 구조가 간단하고 크기를 작게 제작할 수 있으며, 적은 에너지로도 효율적으로 기체를 액체에 용해시킬 수 있다.

이하에서는, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명한다.

도 1에는 본 발명의 실시예1에 따른 용존기의 외관을 보여주는 사시도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 II-II 선을 따라 취한 단면도가 도시되어 있으며, 도 3에는 도 1 및 도 2에 도시된 용존기의 분해 사시도가 도시되어 있다.

도 1 내지 도 3에 도시된 것과 같이, 본 발명의 실시예1에 따른 용존기(400)는, 외부 하우징(430), 중공사 모듈(460) 및 내부 하우징(450)을 포함한다.

상기 외부 하우징(430)은 상측에 나란하게 형성된 입수구(410)와 출수구(420)를 구비하고, 상기 입수구(410) 및 상기 출수구(420)는 각각 별도의 배관에 연결된다. 상기 외부 하우징(430)은 하측은 하부 커버(480)에 의해 밀봉 폐쇄된다.

상기 중공사 모듈(460)은 상기 내부 하우징(450)의 중공부(450a) 내측에 배치되고 입수된 물과 기체가 통과하는 부재이다. 상기 중공사(中空絲)는 섬유 단면 한 가운데 공동(空洞)이 있는 화학섬유로 중공섬유(中空纖維, hollow fiber)라고도 한다. 겉보기 비중이 작고, 가벼우면서 보온력이 크며 탄성이 좋고 겉부피가 매우 크다. 이러한 중공사가 다량 배치된 중공사 모듈(460)에 물과 기체가 투입되고 고압으로 중공사 모듈(460)을 통과하도록 하면, 기체의 용존량이 크게 증가된 물의 배출이 가능하다.

상기 내부 하우징(450)은 상기 외부 하우징(430) 내측에 배치되고, 상기 하부 커버(480)에 의해 외부와 차단되며, 상기 중공사 모듈(460)을 둘러싸고 있다. 상기 내부 하우징(450)의 외측면에는 수로용 돌기(451)가 형성되어 있는데, 상기 수로용 돌기(451) 사이의 홈은 상기 외부 하우징(430)의 내면과 함께 나선형 수로(452)를 형성하게 된다. 상기 내부 하우징(450) 외면의 수로용 돌기(451) 사이의 홈은 상기 내부 하우징(450)의 아래로부터 외면을 따라 회전하면서 내부 하우징(450)의 상부로 이어져서 상기 출수구(420)와 연결된다. 즉, 상기 수로용 돌기(451)는 상기 내부 하우징(450)의 외면에 나사산의 형태와 유사하게 형성되어 있어서, 그 사이의 홈은 외부 하우징(430)의 내면과 함께 전체적으로 나선형 수로(452)를 형성한다. 상기 내부 하우징(450)을 상기 외부 하우징(430) 내부에 결합하여 나선형 수로(452)를 형성할 때에는 상기 내부 하우징(450)을 냉각하고, 외부 하우징(430)은 가열한 상태에서 결합하고 이를 다시 상온으로 되돌리는 방식으로 결합할 수 있다. 형상 치수를 상온을 기준으로 타이트하게 정하여 가공한 후, 이와 같은 방식으로 결합하는 경우에는 내부 하우징(450)과 외부 하우징(430) 사이의 간극이 없어서 나선형 수로(452)로부터 물이 누설되지 않도록 할 수 있다.

상기 내부 하우징(450)의 상단부에는 입수구(410)로부터 입수되는 물이 모두 중공사 모듈(460)로 흐르도록 하고, 좁은 나선형 수로(452)를 통과한 물은 모두 출수구(420)로 흐를 수 있도록 흐름을 차단하는 상부 씰링부(440)가 더 설치될 수 있다. 또한, 상기 내부 하우징(450)의 하단에는 중공사 모듈(460)을 통과한 물이 좁은 나선형 수로(452)로 흐를 수 있도록 개방부(472)와 차단부(471)를 구비하는 하부 씰링부(470)가 설치된다.

이상과 같은 구성을 가지는 실시예1의 용존기에서의 기체 용해 작용은 다음과 같이 이루어진다.

입수구(410)를 통해 물과 기체가 유입되고, 입수구(410) 방향으로부터 적절한 압력이 가해지면, 도 2에 도시된 화살표 방향으로 물과 기체가 진행한다. 물과 기체는 먼저 중공사 모듈(460)을 통과하고, 중공사 모듈(460)의 하단에서는 내부 하우징(450)과 외부 하우징(430) 사이에 형성되는 좁은 나선형 수로(452)를 따라 상승한다. 상승이 완료된 후에는 출수구(420)를 통해 배출된다.

이 과정에서 기체가 물에 용해되는 원리는 다음과 같다. 물에 대한 산소의 용해도는 물과 산소기포의 접촉면적을 증대시킴으로써 극대화할 수 있다. 즉, 물과 접촉하는 산소기포의 크기가 작을수록 산소는 빨리 용해된다. 이와 같은 이론적 원리에 입각해서, 본 발명에 의한 용존기(400)는 가압된 상태에서 산소기포를 미세하게 분할시켜가면서, 동시에 물과 산소기포간의 마찰을 유발함으로써, 물과 산소기포의 접촉면적을 크게 증가시키고 신속한 용해 및 과포화를 촉진하게 된다.

다공성의 중공사 모듈(460)을 통과할 때나, 좁은 나선형 수로(452)를 따라 흐를 때에 압력이 상승하고 물과 기체의 접촉 면적이 증가하면서 물에 용해되는 기체의 양이 증가하게 되는 것이다. 결과적으로 출수구(420)를 빠져 나가는 물은 상당량의 기체를 함유한 상태가 된다. 기체가 산소인 경우에는 물은 산소 풍부수가 되고, 기체가 수소인 경우에는 물은 수소 풍부수(알칼리수)가 된다.

도 4에는 본 발명의 실시예2에 따른 용존기의 구성을 보여주는 단면도가 도시되어 있다.

도 4에 도시된 것과 같이 본 발명의 실시예2에 따른 용존기는 실시예1의 용 존기에 비해 내부 순환 모듈을 더 포함하는 형태이다. 즉, 본 발명의 실시예2에 따른 용존기는 외부 하우징(630), 중공사 모듈(660), 내부 하우징(650) 및 내부 순환 모듈을 포함한다.

상기 외부 하우징(630), 중공사 모듈(660) 및 내부 하우징(650)은 실시예1의 경우와 실질적으로 동일하다.

상기 내부 순환 모듈(690)은 상기 내부 하우징(650)의 내측에 배치되고, 상기 중공사 모듈(660)을 둘러싸며, 표면에 다수의 관통 홀(692)이 형성되어 있다. 또한, 상기 내부 순환 모듈(690)은 그 외면에 외측으로 돌출된 다수의 날개(691)가 형성되어 있고, 이 날개(691)는 내부 순환 모듈(690)의 둘레를 따라 이어진 형태로서, 그 아래에 상기 관통 홀(692)들이 형성되어 있다. 상기 날개(691)는 소정 각도만큼 하방으로 경사진 형태로 만들어지는 것이 바람직하다. 이는 날개(691) 아래에 기체의 기포가 머무를 수 있는 공간을 확보하기 위한 것으로 기포가 날개(691) 아래에 머무르게 되면 물과 기체가 접하는 면적이 더 넓어지고 동시에 물과 기체가 함께 머무르는 기간이 증가하여 물로 용해되는 기체의 양을 증가시킬 수 있다.

내부 순환 모듈(690)이 존재함으로써 입수구(610)를 통과한 물 중 일부는 중공사 모듈(660)부터 통과하고 다른 일부는 내부 순환 모듈(690)의 외측으로부터 하방으로 진행하다가 관통 홀(692)을 통해 내부 순환 모듈 내측의 중공사 모듈(660)로 유입되게 된다. 이에 따라, 물과 기체의 이동 경로가 길어지고 물에 대한 기체의 용해 반응이 일어날 수 있는 시간이 증가하게 된다.

상기 내부 하우징(650) 상하부에 각각 배치되는 상부 및 하부 씰링부(640, 670)와, 상기 외부 하우징(630) 하단의 하부 커버(680)는 실시예1에서와 실질적으로 동일하게 기능한다.

도 5에는 본 발명의 용존기를 구비하는 산소수 수소수 제조 장치의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도가 도시되어 있다.

도 5에 도시된 것과 같이, 본 발명의 산소수 수소수 제조 장치(10)는 수조(500), 산소 수소 발생기(200), 펌프(300) 및 용존기(400 또는 600)를 포함한다.

상기 용존기(400 또는 600)는 앞서 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한 것과 같은 특징을 가지는 본 발명의 용존기이고, 이러한 용존기에 배관이 입수구(410 또는 610)와 출수구(420 또는 620)에 연결되어 배치된다. 그리하여 상기 용존기(400 또는 600)는 통상 물과 산소 및/또는 수소가 접하는 면적과 공간을 크게 하고 물과 산소 및/또는 수소가 공존하는 시간을 길어지게 하여 물에 용해되는 산소 및/또는 수소의 양을 증가시키는 기능을 하는 것이다.

상기 수조(500)는 상기 산소 수소 발생기(200)로 공급되는 물을 담고 있는 부분으로 최종적으로 생성된 산소수나 수소수가 모이는 곳이기도 하다. 상기 산소 수소 발생기(200)는 전기 분해를 통해 물로부터 산소와 수소를 생산하는 부재로서, 산소와 수소를 분리하여 포집하고 이를 공급할 수 있도록 구성되어 있다. 상기 펌프(300)는 상기 용존기(400 또는 600)를 통과하는 산소 및/또는 수소가 상기 용존기(400 또는 600)를 통과하는 물에 풍부하게 용해되도록 압력을 제공한다. 여기서 "산소 및/또는 수소"는 산소와 수소 중에서 선택된 하나, 또는 산소와 수소 모두를 지칭하는 표현이다. 상기 용존기(400 또는 600)는 상기 산소 수소 발생기(200)에서 발생된 산소 및/또는 수소를 물에 풍부하게 용해시키는 작용을 한다.

상기 수조(500)의 출구에는 정수필터(550)가 더 설치될 수 있다. 산소 수소 발생기들 포함한 여러 부재들은 지속적으로 작동할 경우 물에 함유된 미네랄 성분에 의해 전기 분해가 원활하지 않게 되거나, 용해가 잘 이우러지지 않는 등의 문제가 생길 우려가 있다. 이를 미연에 방지할 수 있도록 정수필터를 설치할 수 있다.

상기 용존기(400 또는 600)와 상기 펌프(300)의 사이에는 역류 방지 수단(350)이 더 배치되어 물이 역류하는 것을 방지할 수 있다.

상기 산소 수소 발생기(200)에는 산소와 수소를 선택적으로 또는 양자 모두를 공급하도록 하는 제어 밸브(도시하지 않음)가 배치될 수 있다. 상기 제어 밸브, 상기 펌프(300), 상기 정수필터(550) 및 상기 산소 수소 발생기(200)의 동작은 별도로 배치되는 제어 모듈(도시하지 않음)에 의해 제어될 수 있다.

이상과 같은 구성을 가지는 산소수 수소수 제조 장치(10)는 다음과 같은 방식으로 동작될 수 있다. 즉, 최초에 수조(500)에 물을 담고, 수조(500)로부터 물이 정수필터(550), 펌프(300), 역류 방지 수단(350) 및 용존기(400)를 차례로 거치도록 한 후 상기 산소 수소 발생기(200)에 공급한다. 산소 수소 발생기(200)에 필요한 물이 채워지고 난 후에는 수위 조절 모듈(230)에 의해 산소 수소 발생기(200)로의 물의 유입은 차단되고, 용존기(400 또는 600)를 통과한 물은 수조(500)로 유입된다.

그 다음, 산소 수소 발생기(200)를 작동시켜 산소와 수소를 발생시킨다. 이 때 산소 풍부수를 제조하고자 하는 경우에는 산소 공급관을 통해서 산소만을 펌프(300)측으로 공급하고, 펌프(300)는 수조(500)의 물과 함께 산소를 용존기로 보낸다. 용존기(400 또는 600)에서는 용존기(400 또는 600)의 기체 용해 작용에 의해 산소 풍부수가 만들어지며, 이를 수조(500)에 공급하면 수조(500)에는 시간이 경과할수록 산소의 용존 농도가 높은 물이 남게 된다. 물론, 용존기(400 또는 600)를 통과한 물을 수조(500)로 되돌리지 않고 바로 사용할 수 있도록 공급할 수도 있다.

또한, 수소 풍부수(알칼리수)를 제조하고자 하는 경우에는 산소 수소 발생기(200)의 수소 공급관을 통해 수소를 공급하여 산소수 제조와 동일하게 진행하여 수소 풍부수를 제조할 수 있다.

지금까지 본 발명을 설명함에 있어, 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예1에 따른 용존기의 외관을 보여주는 사시도.

도 2는 도 1의 II-II 선을 따라 취한 단면도.

도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 용존기의 분해 사시도.

도 4는 본 발명의 실시예2에 따른 용존기의 구성을 보여주는 단면도.

도 5는 본 발명에 따른 산소수 수소수 제조 장치의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 산소수 수소수 제조 장치 200: 산소 수소 발생기

300: 펌프 350: 역류 방지 수단

400, 600: 용존기 410, 610: 입수구

420, 620: 출수구 430, 630: 외부 하우징

440, 640: 상부 씰링부 450, 650: 내부 하우징

451, 651: 수로용 돌기 452, 652: 나선형 수로

460, 660: 중공사 모듈 470, 670: 하부 씰링부

480, 680: 하부 커버 500: 수조

550: 정수필터 690: 내부 순환 모듈

691: 날개부 692: 관통 홀

Claims (9)

1. 입수구와 출수구를 구비하는 외부 하우징;

   상기 외부 하우징 내측에 배치되고 입수된 물과 기체가 통과하는 중공사 모듈; 및

   상기 외부 하우징 내측에 배치되고, 상기 중공사 모듈을 둘러싸며, 외면에 수로용 돌기가 형성된 내부 하우징을 포함하고,

   상기 내부 하우징 외면의 수로용 돌기 사이의 홈은 상기 외부 하우징의 내면과 함께 수로를 형성하며,

   상기 내부 하우징의 내측에 배치되고, 상기 중공사 모듈을 둘러싸며, 다수의 관통 홀이 형성된 내부 순환 모듈을 더 포함하는 용존기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 내부 하우징 외면의 수로용 돌기 사이의 홈은 상기 내부 하우징의 하부로부터 외면을 따라 회전하면서 내부 하우징의 상부로 이어져서 상기 출수구와 연결되어, 내부 하우징의 외면을 따라 회전하면서 상승하는 나선형의 수로를 형성하는 용존기.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,

   상기 내부 순환 모듈의 외면에는 외측으로 돌출된 다수의 날개가 형성된 용존기.
5. 제4항에 있어서,

   상기 날개는 상기 내부 순환 모듈의 둘레를 따라 이어진 형태를 가지고,

   상기 관통 홀은 상기 날개의 아래에 상기 날개를 따라 내부 순환 모듈의 둘레에 형성된 용존기.
6. 제4항에 있어서,

   상기 날개는 하방으로 경사진 형태로 만들어진 용존기.
7. 전극 조립체를 내부에 포함하여 상기 전극 조립체에서 전기 분해에 의해 발생한 산소와 수소를 각각 포집하는 산소 수소 발생기;

   상기 산소 수소 발생기에 물을 공급하는 수조; 및

   상기 수조로부터 공급받은 물에 상기 산소 수소 발생기에서 발생한 산소와 수소 중 하나, 또는 산소와 수소를 모두 용해시키는 용존기를 포함하고,

   상기 용존기는 제1항, 제2항, 제4항, 제5항 또는 제6항 중 어느 한 항의 용존기인 산소수 수소수 제조 장치.
8. 제7항에 있어서,

   상기 용존기 내로 유입되는 물과 기체를 가압하는 펌프를 더 포함하고, 여기서 기체는 상기 산소 수소 발생기에서 발생한 산소와 수소 중 하나, 또는 산소와 수소 모두인 산소수 수소수 제조 장치.
9. 제7항에 있어서,

   상기 수조의 출구측에 배치되는 정수필터를 더 포함하는 산소수 수소수 제조 장치.

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