KR20150057597A - 냉각팬 및 이를 포함하는 연료전지버스의 연료전지 냉각시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지버스용 연료전지의 냉각을 위한 라디에이터의 위측에 배치되는 냉각팬에 관한 것으로, 상기 발명은 서로 반대방향으로 회전하는 상하 한 쌍의 상부팬 및 하부팬; 상기 상부팬 및 하부팬의 사이에 배치되는 원통형태의 가이드; 및 상기 가이드의 내부에 장착되어, 상기 상부팬과 하부팬의 회전에 의해 발생하는 공기흐름을 가이드 하기 위한 복수개의 가이드 베인을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해 본 발명은 냉각풍의 유동손실을 최소화할 수 있어, 냉각풍량을 증대시킬 수 있고, 냉각팬 및 냉각시스템의 효율 및 내구성을 향상시킬 수 있다.

Description

냉각팬 및 이를 포함하는 연료전지버스의 연료전지 냉각시스템{Cooling fan and fuel cell cooling system in fuel cell bus including the same}

본 발명은 냉각팬 및 이를 포함하는 연료전지버스의 연료전지 냉각시스템에 관한 것으로, 구체적으로는 연료전지버스에 설치되는 연료전지의 냉각을 위한 냉각팬 및 이를 포함하는 연료전지버스의 연료전지 냉각시스템에 관한 것이다.

연료전지는 수소와 산소를 이용한 화학반응으로 전력을 생성하여 출력하는데, 연료전지는 전력을 생성하여 출력할 뿐만 아니라, 수소와 산소의 화학반응에 의한 반응 열에너지를 또한 방출한다. 따라서, 연료전지 차량은 연료전지가 반응 열에너지에 의하여 결함이 발생하는 것을 방지하기 위한 연료전지 냉각 시스템을 구비한다.

한국공개특허(10-2010-0025083)에 의하면, 연료전지 냉각시스템은 연료전지가 장착된 차량 후미의 루프에 제1 내지 제4 라디에이터(Radiator), 제1 내지 제4 라디에이터와 18개의 냉각팬을 구비한다.

버스는 트럭과는 달리 주행 풍에 의한 램에어(ram air)의 효과는 없으며, 냉각에 이용되는 냉각공기는 전적으로 냉각팬의 흡입력에 의해 결정된다.

그런데, 라디에이터의 성능과 더불어 냉각 풍량을 최대한 확보하기 위한 냉각팬에 대한 개발은 미흡한 실정이다.

KR 10-2010-0025083 A

본 발명의 목적은 냉각팬의 구조를 개선하여 냉각팬의 풍량을 증대시킴으로써 냉각의 효율성을 향상시키고, 냉각팬의 내구성을 증대시킬 수 있는 냉각팬 및 이를 포함하는 연료전지버스의 연료전지 냉각시스템을 제공하는 것이다.

상기 목적을 해결하기 위한 본 발명의 일 측면은 연료전지버스용 연료전지의 냉각을 위한 라디에이터의 위측에 배치되는 냉각팬에 관한 것으로, 본 냉각팬은 서로 반대방향으로 회전하는 상하 한 쌍의 상부팬 및 하부팬; 상기 상부팬 및 하부팬의 사이에 배치되는 원통형태의 가이드; 및 상기 가이드의 내부에 장착되어, 상기 상부팬과 하부팬의 회전에 의해 발생하는 공기흐름을 가이드 하기 위한 복수개의 가이드 베인을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 하부팬은, 하부가 상기 라디에이터의 상부와 대면하여 배치되고, 제1 회전방향으로 회전하여 상기 라디에이터를 통과한 공기를 하부로부터 상부 방향으로 흐르게 하고, 상기 가이드는, 상기 하부팬의 상부와 접하고 내부에 복수개의 하부 가이드 베인이 장착되는 하부 가이드와, 상기 하부 가이드의 상부와 접하고 상기 상부팬의 하부에 접하며 내부에 복수개의 상부 가이드 베인이 장착되는 상부 가이드를 구비하며, 상기 상부팬은, 하부가 상기 상부 가이드의 상부와 접하여, 상기 제1 회전방향의 반대방향인 제2 회전방향으로 회전하여 상기 하부 가이드 및 상부 가이드를 통해 가이드되는 공기를 하부로부터 상부방향으로 흐르게 하는 것을 특징으로 한다.

상기 하부 가이드 베인들 각각은 상기 하부팬의 회전 방향인 제1 회전방향에 의해 형성되는 공기흐름에 대응하여 사전에 정해진 각도로 기울어져 있고, 상기 상부 가이드 베인들 각각은 상기 상부팬의 회전 방향인 제2 회전방향에 의해 형성되는 공기흐름에 대응하여 사전에 정해진 각도로 기울어져 형성될 수 있다.

상기 하부 가이드 베인 및 상부 가이드 베인은 각각 12개로 마련될 수 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 또 다른 일 측면에 따른 연료전지버스의 연료전지 냉각시스템은 연료전지버스의 루프의 후미에 배치되는 복수개의 라디에이터; 상기 라디에이터의 상측에 배치되고, 각각이 상하 한 쌍의 상부팬 및 하부팬의 중첩된 팬 형태로 구현된 복수개의 냉각팬; 상기 상부팬을 제1 회전방향으로, 상기 하부팬을 상기 제2 회전방향의 반대방향으로 회전시키는 제어부를 포함하고, 상기 냉각팬은 상기 상부팬 및 하부팬의 사이에 배치되는 원통형태의 가이드와, 상기 가이드의 내부에 장착되어 상기 상부팬과 하부팬의 회전에 의해 발생하는 공기흐름을 가이드 하기 위한 복수개의 가이드 베인을 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 하부팬은, 하부가 상기 라디에이터의 상부와 대면하여 배치되고, 제1 회전방향으로 회전하여 상기 라디에이터를 통과한 공기를 하부로부터 상부 방향으로 흐르게 하고, 상기 가이드는, 상기 하부팬의 상부와 접하고 내부에 복수개의 하부 가이드 베인이 장착되는 하부 가이드와, 상기 하부 가이드의 상부와 접하고 상기 상부팬의 하부에 접하며 내부에 복수개의 상부 가이드 베인이 장착되는 상부 가이드를 구비하며, 상기 상부팬은, 하부가 상기 상부 가이드의 상부와 접하여, 상기 제1 회전방향의 반대방향인 제2 회전방향으로 회전하여 상기 하부 가이드 및 상부 가이드를 통해 가이드되는 공기를 하부로부터 상부방향으로 흐르게 할 수 있다.

상기 하부 가이드 베인들 각각은 상기 하부팬의 회전 방향인 제1 회전방향에 의해 형성되는 공기흐름에 대응하여 사전에 정해진 각도로 기울어져 있고, 상기 상부 가이드 베인들 각각은 상기 상부팬의 회전 방향인 제2 회전방향에 의해 형성되는 공기흐름에 대응하여 사전에 정해진 각도로 기울어져 형성될 수 있다.

이와 같이 본 발명은, 하부 및 상부 가이드를 이용하여 하부팬 및 상부팬의 사이에 일정한 간격을 둠으로써 하부팬으로부터 유출되는 공기의 섭동량을 감소시켜 상부팬으로 전달하고, 하부 가이드를 이용하여 하부팬으로부터 상부팬 쪽으로 공기의 흐름을 푸싱하며, 상부 가이드를 이용하여 하부팬에 의해 형성된 공기의 흐름을 상부팬에 대응하여 천이시킴으로써 냉각풍의 유동손실을 최소화할 수 있어, 냉각풍량을 증대시킬 수 있고, 냉각팬 및 냉각시스템의 효율 및 내구성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지버스의 연료전지 냉각시스템의 외형을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지버스의 연료전지 냉각시스템의 냉각팬의 배치를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지버스의 연료전지 냉각시스템의 라디에이터를 나타내는 도면이다.
도 4 내지 도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각팬을 설명하기 위한 도면이다.
도 7는 도 4 내지 도 6의 하부 가이드와 상부 가이드를 설명하기 위한 도면이다.
도 8 내지 도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지버스의 연료전지 냉각시스템의 효과를 설명하기 위한 도면이다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연료전지버스의 연료전지 냉각시스템에 대해 설명한다. 도면들에 표시된 구성들은 본 발명의 개념을 설명하기 위한 개념도로서, 구성에 대한 설명 중 공지기술에 대한 설명은 생략한다.

본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지버스의 연료전지 냉각시스템의 외형을 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지버스의 연료전지 냉각시스템의 냉각팬의 배치를 나타내는 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지버스의 연료전지 냉각시스템의 라디에이터를 나타내는 도면이고, 도 4 내지 도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각팬을 설명하기 위한 도면이고, 도 7은 도 4 내지 도 6의 하부 가이드와 상부 가이드를 설명하기 위한 도면이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 연료전지버스의 연료전지 냉각시스템은 라디에이터(200), 냉각팬(100) 및 제어부(도시되지 않음)를 포함할 수 있다.

라디에이터(200)는 연료전지버스의 루프의 후미에 배치되고, 2행 2열의 4개로 배치될 수 있다.

라디에이터(200)는 연료전지버스의 선미측을 기준으로 1행 1열에 배치된 제3 라디에이터(Main 3), 1행 2열에 배치된 제2 라디에이터(Main 2), 2행 1열에 배치된 제4 라디에이터(Main 4) 및 2행 2열에 배치된 제1 라디에이터(Main 1)로 구현될 수 있다.

제3 라디에이터(Main 3) 및 제2 라디에이터(Main 2)의 각 출구는 본 실시예에 따른 연료전지 냉각시스템의 냉각수 라인의 배출구(outlet)에 연결된다.

제3 라디에이터(Main 3)와 제4 라디에이터(Main 4)는 냉각수가 흐르도록 서로 연결된다. 즉 제4 라디에이터(Main 4)의 출구와 제3 라디에이터(Main 3)의 입구가 서로 연결된다.

제2 라디에이터(Main 2)와 제1 라디에이터(Main 1)는 냉각수가 흐르도록 서로 연결된다. 즉 제1 라디에이터(Main 1)의 출구와 제2 라디에이터(Main 2)의 입구가 서로 연결된다.

제4 라디에이터(Main 4) 및 제1 라디에이터(Main 1)의 각 입구는 냉각수 라인의 유입구(inlet)에 연결될 수 있다.

냉각팬(100) 라디에이터(200)의 상측에 상하 한 쌍의 중첩된 팬 형태로 구현되며, 복수개로 마련될 수 있다. 이하에서는 도 4 내지 도 7를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각팬(100)에 대해 구체적으로 설명한다.

냉각팬(100)의 각각은 상하 한 쌍의 중첩된 팬 형태로 구현되며, 복수개로 마련될 수 있다

냉각팬(100)은 서로 반대방향으로 회전하는 상하 한 쌍의 하부팬(120) 및 상부팬(110)과, 하부팬(120) 및 상부팬(110)의 사이에 배치되는 하부 가이드(140) 및 상부 가이드(130)를 구비할 수 있다.

하부팬(120)은, 하부가 라디에이터(200)의 상부와 대면하여 배치되고, 제1 회전방향으로 회전하여 라디에이터(200)를 통과한 공기를 하부로부터 상부 방향으로 흐르게 한다.

하부 가이드(140)는 원통의 형태로 하부팬(120)의 상부와 접하고 상부 가이드(130)의 하부에 접하는 구조를 가지고, 내부에 복수개의 하부 가이드 베인이 장착된다.

하부 가이드 베인(142)들 각각은 하부팬(120)의 회전 방향인 제1 회전방향에 의해 형성되는 아래쪽에서 위쪽으로의 공기의 흐름에 대응하여 사전에 정해진 각도로 기울어져 있다.

이와 같이 하부 가이드(140)는 상부팬(110)의 하부에서의 유동손실을 줄이고, 하부팬(120)으로부터 상부팬(110) 쪽으로 공기흐름을 푸싱할 수 있다.

상부 가이드(130)는 원통의 형태로 하부 가이드(140)의 상부와 접하고 상부팬(110)의 하부에 접하는 구조를 가지고, 내부에 복수개의 상부 가이드 베인(132)이 장착된다.

상부 가이드 베인(132)들 각각은 상부팬(110)의 회전 방향인 제2 회전방향에 의해 형성되는 아래쪽에서 위쪽으로의 공기의 흐름에 대응하여 사전에 정해진 제2 각도로 기울어져 있다. 여기서, 상부팬(110)의 제2 회전방향과 하부팬(120)의 제1 회전방향은 서로 반대방향이다. 제1 회전방향이 시계방향인 경우, 제2 회전방향은 반시계방향이다.

상부 가이드(130)는 하부 가이드(140)를 통과하여 유입되는 공기의 유동방향을 상부팬(110)의 회전방향인 제2 회전방향으로 점진적으로 천이시킴으로써, 상부팬(110)의 회전방향에 대해 역방향으로 회전하는 하부팬(120)에 의해 형성된 공기의 흐름을 상부팬(110)으로 원할히 전달할 수 있다. 하부 가이드 베인(142) 및 상부 가이드 베인(132)은 각각 12개로 마련될 수 있다.

예를 들면, 하부 가이드(140) 및 상부 가이드(130)에 의한 하부팬(120) 및 상부팬(110) 사이의 간격은 대략 60mm로 정해질 수 있다. 이와 같은 간격은 하부팬(120)으로부터 유출되는 유동의 섭동량을 다소 감소시킨 후 상부팬(110)으로 유입시키는 역할을 할 수 있다.

상부팬(110)은, 하부가 상부 가이드(130)의 상부와 접하여, 제1 회전방향의 반대방향인 제2 회전방향으로 회전하여 하부 가이드(140) 및 상부 가이드(130)를 통해 가이드되는 공기를 하부로부터 상부방향으로 흐르게 할 수 있다.

이와 같이, 본 실시예에 따른 냉각팬(100)은 유동방향(높이방향)으로 소정의 길이를 갖는 하부 가이드(140)와 상부 가이드(130)를 이용하여 하부팬(120)과 상부팬(110) 사이에 임의의 간격을 두고, 하부팬(120)으로부터 토출되어 상부팬(110)까지 이동하는 공기의 유동손실을 최소화하는 쉬라이드 기능을 수행할 수 있다. 즉 본 실시예에 따른 냉각팬(100)은 2개 팬의 역방향 회전시 압력 손실을 최소화하고, 공기의 흐름을 원활히 하여 냉각풍량을 증대시킬 수 있다.

본 실시예에 따른 제어부(도시되지 않음)는 본 실시예에 따른 연료전지버스의 연료전지 냉각시스템의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 제어부는 상부팬(110)을 제1 회전방향으로, 하부팬(120)을 제2 회전방향의 반대방향으로 회전시킬 수 있다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지버스의 연료전지 냉각시스템의 효과를 도 8 내지 도 19를 참고하여 설명한다.

도 8 및 도 9에 나타난 바와 같이, 본 실시예에 따른 냉각팬이 싱글팬에 비해 냉각풍량이 대략 50% 이상 증대될 수 있다. 이와 같이 본 실시예에 따른 냉각팬을 적용하면, 200 kw급 고출력 연료전지 버스의 냉각도 가능하다. E/drive 1 및 E/drive 2는 양자 동일하게 싱글팬이 적용되었다.

도 10 및 도 11에 나타난 바와 같이, 본 실시예에 따른 냉각팬의 경우, 싱글팬에 비해, 그릴을 통해 유입되는 유속이 증가하고 팬의 후류가 보다 상측으로 형성되어 유동 직진성이 개선되고, 팬 허브에서의 재순환 유동이 감소한다. 이 도면들은 도 2의 B-B단면을 기준으로 한 유속분포를 나타낸 것이다.

도 12 및 도 13에 나타난 바와 같이, 본 실시예에 따른 냉각팬의 경우, 도 12의 싱글팬에 비해, 도 13의 중첩팬의 유입유량이 증대되었다. 이 도면들은 도 2의 상측에서 본 것으로, 유속분포를 나타낸 것이다.

도 14 및 도 15에 나타난 바와 같이, 본 실시예에 따른 냉각팬의 경우, 도 14의 싱글팬에 비해, 도 15의 중첩팬은 유동 상측방향의 직진성이 증대됨에 따라 재유입의 정도가 상대적으로 작게 나타났다. 이 도면들은 팬을 통과한 뜨거운 공기의 재유입을 도 2의 횡단면을 기준으로 하는 온도분포로 나타낸 것이다.

도 16 및 도 17에 나타난 바와 같이, 본 실시예에 따른 냉각팬의 경우, 도 16의 싱글팬에 비해, 도 17의 중첩팬은 외기 그릴부로 재 유입되는 고온 공기량이 감소되었다. 이 도면들은 도 2의 상측에서 본 것으로, 온도분포를 나타낸 것이다.

도 18 및 도 19에 나타난 바와 같이, 본 실시예에 따른 냉각팬의 경우, 도 18의 싱글팬에 비해, 도 19의 중첩팬은 라디에이터의 온도 분포가 대폭 개선되었다. 이에 의해 라디에이터의 열적 내구성이 증대될 수 있고, 팬 회전수의 감소를 통해 연비의 향상을 도모할 수 있다. 이 도면들은 도 3을 기준으로 하는 온도분포를 나타낸 것이다.

이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각팬 및 이를 포함하는 연료전지버스의 연료전지 냉각시스템은, 하부 및 상부 가이드를 이용하여 하부팬 및 상부팬의 사이에 일정한 간격을 둠으로써 하부팬으로부터 유출되는 공기의 섭동량을 감소시켜 상부팬으로 전달하고, 하부 가이드를 이용하여 하부팬으로부터 상부팬 쪽으로 공기의 흐름을 푸싱하며, 상부 가이드를 이용하여 하부팬에 의해 형성된 공기의 흐름을 상부팬에 대응하여 천이시킴으로써 냉각풍의 유동손실을 최소화할 수 있어, 냉각풍량을 증대시킬 수 있고, 냉각팬 및 냉각시스템의 효율 및 내구성을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 냉각팬 및 연료전지버스의 연료전지 냉각시스템은 위에서 설명한 실시예들의 구성과 방법에 한정되지 않으며, 사용자의 필요에 따라 실시예의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

100: 냉각팬
110: 상부팬
120: 하부팬
130: 상부 가이드
132: 상부 가이드 베인
140: 하부 가이드
142: 하부 가이드 베인
200: 라디에이터

Claims (7)

1. 연료전지버스용 연료전지의 냉각을 위한 라디에이터의 위측에 배치되는 냉각팬에 있어서,
   서로 반대방향으로 회전하는 상하 한 쌍의 상부팬 및 하부팬;
   상기 상부팬 및 하부팬의 사이에 배치되는 원통형태의 가이드; 및
   상기 가이드의 내부에 장착되어, 상기 상부팬과 하부팬의 회전에 의해 발생하는 공기흐름을 가이드 하기 위한 복수개의 가이드 베인을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각팬.
2. 제1항에 있어서,
   상기 하부팬은, 하부가 상기 라디에이터의 상부와 대면하여 배치되고, 제1 회전방향으로 회전하여 상기 라디에이터를 통과한 공기를 하부로부터 상부 방향으로 흐르게 하고,
   상기 가이드는, 상기 하부팬의 상부와 접하고 내부에 복수개의 하부 가이드 베인이 장착되는 하부 가이드와, 상기 하부 가이드의 상부와 접하고 상기 상부팬의 하부에 접하며 내부에 복수개의 상부 가이드 베인이 장착되는 상부 가이드를 구비하며,
   상기 상부팬은, 하부가 상기 상부 가이드의 상부와 접하여, 상기 제1 회전방향의 반대방향인 제2 회전방향으로 회전하여 상기 하부 가이드 및 상부 가이드를 통해 가이드되는 공기를 하부로부터 상부방향으로 흐르게 하는 것을 특징으로 하는 냉각팬.
3. 제2항에 있어서,
   상기 하부 가이드 베인들 각각은 상기 하부팬의 회전 방향인 제1 회전방향에 의해 형성되는 공기흐름에 대응하여 사전에 정해진 각도로 기울어져 있고,
   상기 상부 가이드 베인들 각각은 상기 상부팬의 회전 방향인 제2 회전방향에 의해 형성되는 공기흐름에 대응하여 사전에 정해진 각도로 기울어져 있는 것을 특징으로 하는 냉각팬.
4. 제3항에 있어서,
   상기 하부 가이드 베인 및 상부 가이드 베인은 각각 12개로 마련되는 것을 특징으로 하는 냉각팬.
5. 연료전지버스의 루프의 후미에 배치되는 복수개의 라디에이터;
   상기 라디에이터의 상측에 배치되고, 각각이 상하 한 쌍의 상부팬 및 하부팬의 중첩된 팬 형태로 구현된 복수개의 냉각팬;
   상기 상부팬을 제1 회전방향으로, 상기 하부팬을 상기 제2 회전방향의 반대방향으로 회전시키는 제어부를 포함하고,
   상기 냉각팬은 상기 상부팬 및 하부팬의 사이에 배치되는 원통형태의 가이드와, 상기 가이드의 내부에 장착되어 상기 상부팬과 하부팬의 회전에 의해 발생하는 공기흐름을 가이드 하기 위한 복수개의 가이드 베인을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지버스의 연료전지 냉각시스템.
6. 제5항에 있어서,
   상기 하부팬은, 하부가 상기 라디에이터의 상부와 대면하여 배치되고, 제1 회전방향으로 회전하여 상기 라디에이터를 통과한 공기를 하부로부터 상부 방향으로 흐르게 하고, 상기 가이드는, 상기 하부팬의 상부와 접하고 내부에 복수개의 하부 가이드 베인이 장착되는 하부 가이드와, 상기 하부 가이드의 상부와 접하고 상기 상부팬의 하부에 접하며 내부에 복수개의 상부 가이드 베인이 장착되는 상부 가이드를 구비하며, 상기 상부팬은, 하부가 상기 상부 가이드의 상부와 접하여, 상기 제1 회전방향의 반대방향인 제2 회전방향으로 회전하여 상기 하부 가이드 및 상부 가이드를 통해 가이드되는 공기를 하부로부터 상부방향으로 흐르게 하는 것을 특징으로 하는 연료전지버스의 연료전지 냉각시스템.
7. 제6항에 있어서,
   상기 하부 가이드 베인들 각각은 상기 하부팬의 회전 방향인 제1 회전방향에 의해 형성되는 공기흐름에 대응하여 사전에 정해진 각도로 기울어져 있고, 상기 상부 가이드 베인들 각각은 상기 상부팬의 회전 방향인 제2 회전방향에 의해 형성되는 공기흐름에 대응하여 사전에 정해진 각도로 기울어져 있는 것을 특징으로 하는 연료전지버스의 연료전지 냉각시스템.

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