KR101283349B1 - 이물질 및 에어 제거와 살균이 가능한 관정형 히트펌프 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이물질 및 에어 제거와 살균이 가능한 관정형 히트펌프 시스템에 관한 것으로서, 특히 지하수, 지표수, 해수중 선택된 어느 하나가 유입되도록 지면에 수직으로 형성되는 관정과; 상기 관정에 집수된 물을 배출하는 심정 펌프와; 상기 심정 펌프를 통해 공급되는 물에 포함된 에어 및 이물질을 제거하는 에어 및 이물질 제거 장치와; 상기 에어 및 이물질 제거 장치를 통과하여 공급되는 물을 이용하여 냉난방수를 생산하여 부하측의 냉난방을 수행하고, 열교환된 물을 상기 관정으로 배출하는 히트 펌프; 및 상기 히트 펌프로부터 배출되는 물에 포함된 오염 물질을 살균하여 상기 관정으로 배출하는 살균 장치로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면 관정의 물 배출 관로와 히트 펌프 사이에 에어 및 이물질 제거 장치를 설치하여 모래와 같은 이물질과 물속의 에어를 제거하고, 관정에서 취수된 물을 직접 히트 펌프로 제공함으로써 냉난방 효율을 상대적으로 증가시킬 수 있다.

Description

이물질 및 에어 제거와 살균이 가능한 관정형 히트펌프 시스템{TUBE WELL TYPE HEAT PUMP SYSTEM FOR REMOVING AND STERILIZING FOREIGN MATERIAL AND AIR}

본 발명은 관정형 히트펌프 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 관정의 물 배출 관로와 히트 펌프 사이에 에어 및 이물질 제거 장치를 설치하여 모래와 같은 이물질과 물 속에 포함된 에어를 제거하고, 관정에서 취수된 물을 직접 히트 펌프로 제공하여 히트펌프의 효율을 기존에 비하여 10% 이상 향상시키는 이물질 및 에어 제거와 살균이 가능한 관정형 히트펌프 시스템에 관한 것이다.

온도차에너지는 냉방, 난방, 급탕에 활용할 수 있는 시스템이다.

이러한 온도차에너지는 직접적으로 이용이 불가능하기 때문에 히트펌프 또는 냉동기 등의 열원장치와 열교환을 통해 이용되게 된다. 히트펌프를 사용한 시스템은 해수, 지표수(호수), 하수처리수 모두 공통적이다.

온도차에너지는 연간 온도변화가 대기보다 적은 데, 하계의 최고수온은 최고기온보다 낮아 히트펌프의 냉각수로 적합하고, 일반적으로 사용되는 냉각탑을 사용하여 방열하는 경우보다 효율이 높으며, 동계의 최저수온은 최고기온보다 높아 히트펌프의 열원으로 이용하게 되고, 공기를 사용하는 경우보다 히트펌프의 효율이 우수하다.

그리하여, 이러한 온도차에너지를 동절기에는 히트펌프의 증발기 가열열원으로, 하절기에는 응축기의 냉각열원으로 이용하면 공기를 열원으로 한 히트펌프(EHP 등)에 비해 고효율로 냉온열을 제조하여, 건물 또는 지역열원으로 이용할 수 있다.

온도차에너지 즉, 미활용에너지는 기존의 냉난방시스템에 비해 에너지절약은 물로, 도시 및 지구환경 개선, 전력평준화 효과 등을 기대할 수 있다. 기존의 냉난방시스템에 비해 이산화탄소 발생량을 40~60%정도 줄일 수 있고, 질소산화물(NOx)의 생성을 60~80% 정도 줄일 수 있다.

또한 온도차에너지인 지표수 및 해수의 경우에는 다른 열원과 달리 풍부한 부존량을 가지고 있기 때문에 이용기술의 발전과 더불어 온도차에너지를 열원으로 사용하는 히트펌프 시스템의 보급이 증가될 것으로 예상된다.

그러나 미활용에너지를 실제적으로 이용하는 데에는 열의 회수 등의 기술적 과제가 존재하고, 이러한 미활용에너지를 적용할 수 있는 각종 기술적 과제가 요구되고 있는 실정이다.

도 1에 도시된 바와 같이 일반적인 관정형 히트펌프 시스템(1)은 관정(10)과, 심정 펌프(20)와, 열교환기(30)와, 히트펌프(40)로 구성된다.

먼저, 관정(10)은 지표수 또는 해수가 유입되도록 지표수, 지하수, 또는 해수가 유입되도록 인근 지역의 지표면에서 수직으로 형성된다.

그리고, 심정 펌프(20)는 관정(10)의 끝단에 설치되어 관정(10) 내에 집수된 물을 열교환기(30)로 공급한다.

또. 열교환기(30)는 관정(10)으로부터 공급되는 물을 순환시키면서 하기에서 설명할 히트 펌프(40)로부터 공급되는 냉매와 열교환시킨다.

한편, 히트 펌프(40)는 증발기, 응축기, 압축기, 팽창변, 사방밸브를 구비하는 통상의 히트 펌프가 적용되고, 열교환기(30)와 열교환을 통해 냉난방수를 생산한다.

그러나, 이러한 종래의 히트펌프 시스템은 관정에서 취수되는 물에 모래와 같은 이물질이 포함되어 있기 때문에 이를 히트 펌프를 직접적으로 공급하지 못하여 열교환기를 적용하는 데, 열교환기를 적용하는 경우 냉난방 효율이 저하되는 문제점이 있다. 그리고 배관 및 펌프의 추가 사용으로 인한 초기투자비의 상승에 대한 문제점도 앉고 있다.

또한 개방형 회로를 가지고 있는 관정에서 물을 취수하므로 항상 배관내에 용존산소가 문제가 되고 있으며 이러한 물속에 녹아 있는 공기들은 지하에서 지표로 올라와 압력이 낮아 지면서 기화되어 파이프를 타고 돌다가 열교화기나 히트펌프에 적층이 되어 열교환 효율을 떨어 뜨리며 심하면 열교환기를 파손시킬 수 있는 상화까지 발전하게 된다.

마지막으로, 관정에서 취수되는 물에 세균과 같은 오염 물질이 항시 존재하고, 번식 장소를 제공하여 오염 물질을 확산시키는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 관정의 물 배출 관로와 히트 펌프 사이에 에어 및 이물질 제거 장치를 설치하여 모래와 같은 이물질과 물속의 에어를 제거하고, 관정에서 취수된 물을 직접 히트 펌프로 제공함으로써 냉난방 효율을 상대적으로 증가시키도록 하는 이물질 및 에어 제거와 살균이 가능한 관정형 히트펌프 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 관정의 물 유입 관로와 히트 펌프 사이에 살균 장치를 설치하여 물 속에 포함된 오염 물질을 살균하여 관정으로 배출시킴으로써 오염 물질에 의해 관정 및 주변이 오염되는 것을 방지하도록 하는 이물질 및 에어 제거와 살균이 가능한 관정형 히트펌프 시스템을 제공하는데 다른 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,

지하수, 지표수, 해수중 선택된 어느 하나가 유입되도록 지면에 수직으로 형성되는 관정과; 상기 관정에 집수된 물을 배출하는 심정 펌프와; 상기 심정 펌프를 통해 공급되는 물에 포함된 에어 및 이물질을 제거하는 에어 및 이물질 제거 장치와; 상기 에어 및 이물질 제거 장치를 통과하여 공급되는 물을 이용하여 냉난방수를 생산하여 부하측의 냉난방을 수행하고, 열교환된 물을 상기 관정으로 배출하는 히트 펌프; 및 상기 히트 펌프로부터 배출되는 물에 포함된 오염 물질을 살균하여 상기 관정으로 배출하는 살균 장치로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

여기에서, 상기 이물질 및 에어 제거와 살균이 가능한 관정형 히트펌프 시스템은 상기 살균 장치와 관정 사이에 설치되어 태양열을 이용하여 물을 가열하고, 하절기시 부하측에 급탕으로 공급하고, 동절기시 물을 가열하여 효율을 증대시키도록 태양열 집열기를 더 포함한다.

여기에서 또한, 상기 관정은 내부가 중공상의 "T"자 형태로 형성되어 지표면에서 지중으로 수직으로 관입되고, 물이 내부로 유입시 이물질을 걸러 내도록 이중겹으로 형성되고, 내외측면에 각각 복수의 제 1유입공이 형성되는 외부 케이싱과; 내부가 중공상으로 형성되고, 상기 외부 케이싱보다 작은 관경을 가지며 상기 외부 케이싱 내부에 설치되며, 물이 내부로 유입시 이물질을 걸러 내도록 이중겹으로 형성되고, 내외측면에 각각 복수의 제 2유입공이 형성되는 내부 케이싱과; 상기 내부 케이싱의 중앙부에 수직으로 설치되고, 일단에 상기 심정 펌프가 연결되고, 타단에 상기 에어 및 이물질 제거 장치가 연결되는 물 배출 관로; 및 상기 외부 케이싱의 일측에 수직으로 설치되고, 일단에 상기 살균 장치가 연결되는 물 유입 관로로 이루어진다.

상기와 같이 구성되는 본 발명인 이물질 및 에어 제거와 살균이 가능한 관정형 히트펌프 시스템에 따르면, 관정의 물 배출 관로와 히트 펌프 사이에 에어 및 이물질 제거 장치를 설치하여 모래와 같은 이물질과 물속의 에어를 제거하고, 관정에서 취수된 물을 직접 히트 펌프로 제공함으로써 기존 순환수의 이물질에 의한 히트펌프 파손의 위험을 제거하여 냉난방 효율을 상대적으로 증가시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 관정의 물 유입 관로와 히트 펌프 사이에 살균 장치를 설치하여 물 속에 포함된 오염 물질을 살균하여 관정으로 배출시킴으로써 오염 물질에 의해 관정 및 주변이 오염되는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 종래의 관정형 히트펌프 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 이물질 및 에어 제거와 살균이 가능한 관정형 히트펌프 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 본 발명에 따른 이물질 및 에어 제거와 살균이 가능한 관정형 히트펌프 시스템중 관정의 구성을 나타낸 측단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 이물질 및 에어 제거와 살균이 가능한 관정형 히트펌프 시스템의 냉방 과정을 설명하기 위한 설명도이다.
도 5는 본 발명에 따른 이물질 및 에어 제거와 살균이 가능한 관정형 히트펌프 시스템의 난방 과정을 설명하기 위한 설명도이다.

이하, 본 발명에 따른 이물질 및 에어 제거와 살균이 가능한 관정형 히트펌프 시스템의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 이물질 및 에어 제거와 살균이 가능한 관정형 히트펌프 시스템의 구성을 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 본 발명에 따른 이물질 및 에어 제거와 살균이 가능한 관정형 히트펌프 시스템중 관정의 구성을 나타낸 측단면도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 이물질 및 에어 제거와 살균이 가능한 관정형 히트펌프 시스템(100)은 관정(110)과, 심정 펌프(120)와, 에어 및 이물질 제거 장치(130)와, 히트 펌프(140)와, 살균 장치(150) 및 태양열 집열기(160)로 이루어진다.

먼저, 관정(110)은 지표수 또는 해수가 유입되도록 지표수 또는 해수 인근 지면인 하천가, 호수가 또는 해안가에 수직으로 형성되거나 지하수가 유입되도록 지표면에서 수직으로 암반층까지 형성된다.

관정(110)은 외부 케이싱(111)과, 내부 케이싱(113)과, 물 배출 관로(115)와, 물 유입 관로(117)로 구성된다.

외부 케이싱(111)은 금속 또는 합성 수지 재질로 내부가 중공상의 "T"자 형태로 형성되어 지표면에서 암반층까지 수직으로 관입된다. 이때, 외부 케이싱(111)은 지하수가 내부로 유입시 이물질을 걸러 내도록 이중겹으로 형성되고, 내외측면에 각각 복수의 제 1유입공(111a)이 형성된다. 또한, 제 1유입공(111a)은 토사 등의 유입을 차단하도록 내외측이 상호 비대칭되는 것이 바람직하다. 또, 외부 케이싱(111)은 선택에 따라 내측면에 백 필터(미도시)를 구비할 수도 있고, 이중겹 내부에 필터를 구비할 수도 있다.

내부 케이싱(113)은 금속 또는 합성 수지 재질로 내부가 중공상으로 형성되되, 외부 케이싱보다 작은 관경을 가지며 외부 케이싱(111) 내부에 설치된다. 이때, 내부 케이싱(113)은 지하수가 내부로 유입시 이물질을 걸러 내도록 이중겹으로 형성되고, 내외측면에 각각 복수의 제 2유입공(113a)이 형성된다. 또한, 제 2유입공(113a)은 토사 등의 유입을 차단하도록 내외측이 상호 비대칭되는 것이 바람직하다. 또, 내부 케이싱(113)은 선택에 따라 내측면에 백 필터(미도시)를 구비할 수도 있고, 이중겹 내부에 필터를 구비할 수도 있고, 외부 케이싱(111)과 내부 케이싱(113) 사이에 여과 사리(콩자갈)을 충진할 수 있다.

물 배출 관로(115)는 내부 케이싱(113)의 중앙부에 수직으로 설치되고, 일단에 하기에서 설명할 심정 펌프(120)가 연결되고, 타단에 하기에서 설명할 에어 및 이물질 제거 장치(130)가 연결된다.

물 유입 관로(117)는 외부 케이싱(111)의 일측에 수직으로 설치되고, 일단에 하기에서 설명할 살균 장치(150)가 연결되어 살균 장치(150)에서 살균되어 배출되는 물을 외부 케이싱(111)으로 배출하여 물을 순환시킨다.

그리고, 심정 펌프(120)는 물 배출 관로(115)의 끝단에 설치되어 관정(110) 내에 집수된 지하수를 에어 및 이물질 제거 장치(130)로 공급한다. 이때, 심정 펌프(120)의 설치 위치는 집수된 지하수의 수위 하단에 위치하고, 선택에 따라 별도의 위치 조절 장치(미도시)를 이용하여 관리자가 위치를 조절할 수도 있다.

또한, 에어 및 이물질 제거 장치(130)는 심정 펌프(120)를 통해 공급되는 물에 포함된 이물질을 제거하는 데, 공기와 이물질을 함께 제거할 수 있는 장치가 적용된다.

또, 히트 펌프(140)는 증발기(141), 응축기(143), 압축기(145), 팽창변(147), 사방밸브(149)를 구비하는 통상의 히트 펌프가 적용되고, 물 배출 관로(115)를 통해 심정 펌프(120)로부터 공급되는 지하수를 이용하여 냉난방수를 생산하고, 열교환이 이루어진 지하수를 살균 장치(150)로 배출시킨다.

한편, 살균 장치(150)는 히트 펌프로부터 배출되는 물에 포함된 오염 물질을 자외선을 이용하여 살균한 후 물 유입 관로(117)를 통해 관정(110)으로 배출시킨다. 자외선이 살균은 여름철에 진행을 하며 겨울에는 실제 관정에서 미생물 번식의 우려가 없으므로 운행하지 않는다.

그리고, 태양열 집열기(160)는 태양열을 이용하여 물을 가열하고, 하절기시 일반 수도관에 연결을 하여 부하측에 급탕으로 공급하고, 동절기시 지하에서 순환되는 지하수를 가열하여 효율을 증대시키도록 살균 장치(150)와 관정(110)의 물 유입 관로(117) 사이에 설치된다.

이하, 본 발명에 따른 이물질 및 에어 제거와 살균이 가능한 관정형 히트펌프 시스템의 동작을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명에 따른 이물질 및 에어 제거와 살균이 가능한 관정형 히트펌프 시스템의 냉방 과정을 설명하기 위한 설명도이고, 도 5는 본 발명에 따른 이물질 및 에어 제거와 살균이 가능한 관정형 히트펌프 시스템의 난방 과정을 설명하기 위한 설명도이다.

《냉방》

먼저, 관정(110)의 설치 위치에 따라 내부로 지표수, 해수, 지하수가 유입되어 집수된다.

이때, 집수된 물은 하절기의 경우 대기온도보다 낮은 지열에 의해 대기온도보다 낮아지게 된다.

그리고, 물이 관정(110)으로 유입시 외부 케이싱(111)의 제 1유입공(111a) 및 내부 케이싱(113)의 제 2유입공(113a)에 의해 토사와 같은 이물질의 유입이 차단된다.

이러한 상태에서 심야 시간대에 심정 펌프(120)가 동작되면 물 배출 관로(115)를 통해 에어 및 이물질 제거 장치(130)로 물이 공급되어 모래, 협잡물과 같은 이물질과 물 속에 포함된 에어가 제거된 후 히트 펌프(140)의 응축기(133)로 공급된다.

그러면, 히트 펌프(140)의 응축기(133)에 공급된 물이 기체인 냉매를 응축하기 위한 냉각수 역할을 수행하고, 온도가 3~5℃정도 상승된 후 물 유입 관로(117)를 통해 관정(110)의 외부 케이싱(111)으로 배출된다. 이때, 살균 장치(150)에 의해 물에 포함된 세균과 같은 오염 물질이 살균된다. 또한, 물의 온도가 대기온도보다 낮기 때문에 히트펌프 효율(COP : 5.0 이상)이 우수하다.

그리고, 외부 케이싱(111)으로 배출된 물은 다시 열교환되어 내부 케이싱(113)으로 유입된 후 심정 펌프(120)를 통해 히트 펌프(140)로 순환된다.

한편, 히트 펌프(140)에서 생산된 냉수(약 5℃)는 부하측에 공급하여 냉방을 수행하게 된다.

따라서, 관정(110)의 물이 심정 펌프(120)와, 에어 및 이물질 제거 장치(130)와, 히트 펌프(140)와, 살균 장치(150)를 통해 순환되기 때문에 물에 포함된 이물질 및 에어가 제거되고, 세균이 살균되며, 히트 펌프(140)가 직접적으로 심정 펌프(120)와 연결되기 때문에 냉방 효율이 증대된다.

또한, 태양열 집열기(160)에서 히트 펌프(140)로부터 배출되어 살균 장치(150)를 통과하는 물을 태양열을 이용하여 가열하여 냉방시 부하측에 급탕으로 공급한다.

《난방》

먼저, 관정(110)의 설치 위치에 따라 내부로 지표수, 해수, 지하수가 유입되어 집수된다.

이때, 물은 동절기의 경우 대기온도보다 높은 지열에 의해 대기온도보다 높게 유지된다.

그리고, 지하수가 관정(110)으로 유입시 외부 케이싱(111)의 제 1유입공(111a) 및 내부 케이싱(113)의 제 2유입공(113a)에 의해 토사와 같은 이물질의 유입이 차단된다.

이러한 상태에서 심야 시간대에 심정 펌프(120)가 동작되면 물 배출 관로(115)를 통해 에어 및 이물질 제거 장치(130)로 물이 공급되어 모래, 협잡물과 같은 이물질과 에어가 제거된 후 히트 펌프(140)의 증발기(131)로 공급된다.

그러면, 히트 펌프(140)의 증발기(131)에 공급된 지하수가 액체인 냉매를 증발하기 위한 열원 역할을 수행한 후 온도가 3~5℃정도 하강된 후 물 유입 관로(117)를 통해 관정(110)의 외부 케이싱(111)으로 배출된다. 또한, 물의 온도가 대기온도보다 높게 유지하기 때문에 히트펌프 효율(COP : 3.0이상)이 우수하다.

히트 펌프(140)에서 생산된 온수(약 50℃)는 부하측에 공급하여 난방을 수행하게 된다.

그리고, 외부 케이싱(111)으로 배출된 지하수는 다시 열교환되어 내부 케이싱(113)으로 유입된 후 심정 펌프(120)를 통해 히트 펌프(140)로 순환된다.

따라서, 관정(110)의 물이 심정 펌프(120)와, 에어 및 이물질 제거 장치(130)와, 히트 펌프(140)와, 살균 장치(150)를 통해 순환되기 때문에 물에 포함된 이물질이 제거되고, 세균이 살균되며, 히트 펌프(140)가 직접적으로 심정 펌프(120)와 연결되기 때문에 난방 효율이 증대된다.

또한, 태양열 집열기(160)에서 히트 펌프(140)로부터 배출되어 살균 장치(150)를 통과하는 물을 태양열을 이용하여 가열하여 난방시 물을 가열하여 관정(110)으로 배출하여 수온을 상승시켜 효율을 증대시킨다.

본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

110 : 관정 111 : 외부 케이싱
113 : 내부 케이싱 115 : 물 배출 관로
117 : 물 유입 관로 120 : 심정 펌프
130 : 에어 및 이물질 제거 장치 140 : 히트 펌프
150 : 살균 장치

Claims (3)

1. 지하수, 지표수, 해수중 선택된 어느 하나가 유입되도록 지면에 수직으로 형성되는 관정과;
   상기 관정에 집수된 물을 배출하는 심정 펌프와;
   상기 심정 펌프를 통해 공급되는 물에 포함된 에어 및 이물질을 제거하는 에어 및 이물질 제거 장치와;
   상기 에어 및 이물질 제거 장치를 통과하여 공급되는 물을 이용하여 냉난방수를 생산하여 부하측의 냉난방을 수행하고, 열교환된 물을 상기 관정으로 배출하는 히트 펌프와;
   상기 히트 펌프로부터 배출되는 물에 포함된 오염 물질을 살균하여 상기 관정으로 배출하는 살균 장치; 및
   상기 살균 장치와 관정 사이에 설치되어 태양열을 이용하여 물을 가열하고, 하절기시 부하측에 급탕으로 공급하고, 동절기시 물을 가열하여 효율을 증대시키도록 태양열 집열기를 포함하며,
   상기 관정은,
   내부가 중공상의 "T"자 형태로 형성되어 지표면에서 지중으로 수직으로 관입되고, 물이 내부로 유입시 이물질을 걸러 내도록 이중겹으로 형성되고, 내외측면에 각각 복수의 제 1유입공이 형성되는 외부 케이싱과;
   내부가 중공상으로 형성되고, 상기 외부 케이싱보다 작은 관경을 가지며 상기 외부 케이싱 내부에 설치되며, 물이 내부로 유입시 이물질을 걸러 내도록 이중겹으로 형성되고, 내외측면에 각각 복수의 제 2유입공이 형성되는 내부 케이싱과;
   상기 내부 케이싱의 중앙부에 수직으로 설치되고, 일단에 상기 심정 펌프가 연결되고, 타단에 상기 에어 및 이물질 제거 장치가 연결되는 물 배출 관로; 및
   상기 외부 케이싱의 일측에 수직으로 설치되고, 일단에 상기 살균 장치가 연결되는 물 유입 관로로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이물질 및 에어 제거와 살균이 가능한 관정형 히트펌프 시스템.
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