KR20180113179A - 자체 수용 베어링 박스 냉각 시스템 - Google Patents

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KR1020180039037A
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브라이언 알. 울부리튼
크리스토퍼 엘. 리누드
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선다인 엘엘씨
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Abstract

동력 펌프를 위한 오일 냉각 시스템이 기술된다. 동력 펌프는 오일 섬프 및 오일 유동 경로를 포함하며, 오일 섬프 및 오일 유동 경로는 베어링 조립체 및 구동 샤프트를 윤활시키고 이로부터 열을 제거하도록 오일을 수용한다. 베어링 조립체를 유지하는 베어링 박스에 부착된 모터 커플링 하우징은 오일 냉각 시스템을 수용하는 내부 공간을 포함한다. 오일 냉각 시스템은 베어링 박스에 있는 오일 유동 경로의 출구에 연결된 핀 부착 냉각 튜브를 포함한다. 팬은 동력 펌프의 구동 샤프트에 연결되며, 냉각 시스템에 의해 수용된 고온 오일이 냉각되고 냉각된 오일이 베어링 박스에 있는 오일 유동 경로로 복귀되도록 냉각 튜브와 복수의 핀을 가로질러 공기를 강제 이송시키도록 위치된다.

Description

자체 수용 베어링 박스 냉각 시스템{SELF CONTAINED BEARING BOX COOLING SYSTEM}
본 발명은 동력 펌프(motorized pump)들에 관한 것이며, 특히 동력 펌프들의 베어링들 및 베어링 박스들을 위한 오일 냉각 시스템에 관한 것이다.
많은 동력 펌프는 베어링 박스들에 수용된 베어링들을 포함한다. 베어링들은 모터에 의해 구동되는 펌프 샤프트의 낮은 마찰 회전을 허용한다. 오일은 회전함에 따라서 베어링들과 샤프트를 윤활시키도록 베어링 박스 내에서 순환된다. 베어링 박스 샤프트 상의 베어링들은 이것들이 겪는 하중의 양을 포함하는 많은 인자에 따라 열을 발생시킨다. 베어링 박스를 통해 오일을 순환시키는 자체 수용 시스템인 압력 윤활 시스템을 통해 윤활되는 베어링에 대하여, 오일은 열을 흡수하여 멀리 옮긴다. 이러한 열은 일부 형태로 조립체로부터 제거될 필요가 있다. 전형적으로, 이러한 것은 수냉식 열 교환기를 통해 오일을 순환시키는 것에 의해, 또는 베어링 박스 자체를 지나 공기를 송풍하도록 팬을 사용하고 열이 주변 공기로 분산되기 전에 베어링 박스를 통해 전도되는 것을 허용하는 것에 의해 행해진다.
불행하게, 수냉식 열교환기 해법은 냉수 공급을 요구하며, 이러한 것은 종종 이용할 수 없거나 또는 상기 영역으로의 파이핑하는데 너무 비싸다. 아울러, 베어링 박스를 통한 전도에 의지하는 것은 오일과 베어링 박스의 외부 사이에 현저한 온도차를 일으키며, 이러한 것은 열전달 능력을 급격히 저하시킨다. 베어링들이 상당한 양의 열을 발생시키면, 오일은 그 최대 작동 온도에 신속하게 도달하여 그 이상으로 나아간다. 다른 냉각 방법은 전기 모터 구동 팬을 구비한 펌프 외부에 있거나 또는 자연 대류에 의지하는 오일 대 공기 열 교환기를 포함할 수 있다. 그러나, 위험한 환경에서, 이러한 형태의 열교환기들 상의 핀(fin)들은 사용된 임의의 팬에 전원을 공급하는 필요에 더하여 매우 쉽게 손상될 수 있다. 그러므로, 임의의 추가 자원에 대한 필요성을 제거하기 위해 공냉을 이용하는 한편 오일과 외부 열전달 표면적 사이의 온도 구배를 최소화하는 방법을 찾는 것이 결정되었다.
바람직한 실시예에 따라서, 동력 펌프에 있는 베어링 박스로부터의 오일을 냉각시키기 위한 냉각 시스템이 기술된다. 동력 펌프는 구동 샤프트, 및 베어링 박스에 부착된 모터 커플링 하우징을 가진다. 냉각 시스템은, 베어링 박스로부터 고온 오일을 수용하고 냉각된 오일을 베어링 박스로 다시 통과시키는 베어링 박스에 있는 오일 유동 경로의 출구에 연결된 냉각 튜브를 포함한다. 복수의 핀은 냉각 튜브에 부착되어 냉각 시스템에서 열전달을 위한 표면적을 증가시킨다. 동력 펌프의 구동 샤프트에 연결된 팬은 냉각 튜브 및 복수의 핀을 가로질러 공기를 강제 이송시키도록(force) 위치된다.
다른 바람직한 실시예에 따라서, 동력 펌프 조립체가 기술된다. 동력 펌프는 동력 펌프에 의해 구동되는 구동 샤프트, 및 베어링 박스 하우징을 포함한다. 베어링 박스 하우징은 구동 샤프트에 결합된 베어링 조립체를 가지며, 오일 섬프(oil sump) 및 오일 유동 경로를 포함하며, 오일 섬프 및 오일 유동 경로는 베어링 조립체와 구동 샤프트를 윤활시키고 이로부터의 열을 제거하기 위한 오일을 수용한다. 모터 커플링 하우징은 베어링 박스에 부착되고, 그 내부 공간을 포함한다. 냉각 시스템은 모터 커플링 하우징의 내부 공간 내에 수용되고, 베어링 박스에 있는 오일 유동 경로로부터 고온 오일을 수용한다. 냉각 시스템은 베어링 박스에 있는 오일 유동 경로의 출구에 연결된 냉각 튜브를 포함한다. 냉각 튜브는 열전달 표면적을 증가시키도록 냉각 튜브에 부착된 복수의 핀을 가진다. 동력 펌프의 구동 샤프트에 연결된 팬은 냉각 튜브 및 복수의 핀을 가로질러 공기를 강제 이송시키도록 위치된다. 냉각된 오일은 그런 다음 베어링 박스에 있는 오일 유동 경로로 복귀한다.
또 다른 바람직한 실시예에서, 동력 펌프에서 오일을 냉각시키는 방법이 기술된다. 상기 방법은 베어링 조립체 및 펌프 구동 샤프트를 윤활시키고 이로부터의 열을 제거하도록 베어링 박스를 통해 오일을 순환시키고 베어링 박스로부터 냉각 시스템으로 오일을 강제 이송하는 단계를 포함하며, 냉각 시스템은 모터 커플링 베어링 박스의 내부 공간에 수용되고 베어링 박스에 있는 오일 유동 경로로부터 고온 오일을 받는다. 오일은 그런 다음 냉각 시스템에 있는 냉각 튜브를 통해 순환되며, 냉각 튜브는 열전달 표면적을 증가시키도록 냉각 튜브에 부착된 복수의 핀을 가진다. 공기는 동력 펌프의 펌프 구동 축에 연결된 팬을 사용하여 냉각 튜브에 걸쳐서 강제 이송된다. 냉각된 오일은 베어링 박스에 있는 오일 유동 경로로 복귀한다.
상기된 내용은 후술하는 본 발명의 상세한 설명이 더욱 잘 이해될 수 있기 위하여 본 발명의 특징 및 기술적 이점을 다소 광범위하게 개괄되었다. 본 발명의 청구항들의 요지를 형성하는 본 발명의 추가적인 특징 및 이점이 다음에 설명될 것이다. 개시된 개념 및 특정 실시예가 본 발명의 동일한 목적을 수행하기 위한 다른 구조를 변형 또는 설계하기 위한 기초로서 용이하게 이용될 수 있다는 것이 당업자에 의해 인식되어야 한다. 또한, 당업자는 이러한 등가 구성이 첨부된 청구항들에 설명된 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 것으로 이해해야 한다. 추가의 목적 및 이점과 함께 그 구성 및 작동 방법에 관한 본 발명의 특징인 것으로 여겨지는 신규한 특징은 첨부된 도면과 관련하여 고려될 때 다음의 설명으로부터 더욱 잘 이해될 것이다. 그러나, 각각의 도면은 설명 및 설명의 목적으로만 제공되며, 본 발명의 범위의 한정으로서 의도되지 않는다는 것이 명백히 이해될 것이다.
본 발명의 보다 완전한 이해를 위하여, 이제 첨부된 도면과 관련하여 취해진 다음의 설명이 참조된다:
도 1은 본 명세서에 기술된 개념에 따른 베어링 박스 오일 냉각 시스템의 바람직한 실시예의 절개도;
도 2는 도 1에 도시된 베어링 박스의 실시예의 사시도;
도 3은 도 1에 도시된 오일 냉각 시스템을 구비한 베어링 박스의 실시예의 평면도;
도 4는 도 1에 도시된 오일 냉각 시스템을 구비한 베어링 박스의 실시예의 측면도;
도 5는 본 명세서에 기술된 개념에 따른 냉각 시스템의 대안적인 실시예의 사시도;
도 6은 본 명세서에 기술된 개념에 따른 냉각 시스템을 통합하는 완전한 펌프 조립체의 실시예의 측면도; 및
도 7은 본 명세서에 기술된 개념에 따른 베어링 박스 오일을 냉각하는 방법의 실시예를 도시하는 흐름도.
본 발명에 따른 자체 수용된 베어링 박스 냉각 시스템이 본 명세서에서 설명된다. 본 명세서에 설명된 개념에 따른 냉각 시스템의 바람직한 실시예는 모터 커플링 하우징에 배치된 배관의 핀 부착 부분(finned piece)을 포함한다. 팬은 샤프트에 장착되고, 그런 다음 열을 제거하도록 주변 공기를 냉각기를 가로질러 송풍한다. 모터 커플링 하우징은 외부 환경으로부터 냉각기를 보호하는 한편, 샤프트에 위치한 팬은 어떠한 추가 모터도 통합되는 것을 요구하지 않는다. 튜브의 핀들은 작은 열 구배를 증가된 열전달 영역에 제공한다.
지금, 도 1을 참조하면, 본 명세서에 기술된 개념에 따른 냉각 시스템의 바람직한 실시예가 도시된다. 베어링 박스/냉각 시스템 조립체(10)는 모터 커플링 하우징(12)에 결합된 베어링 박스(11)를 포함한다. 베어링 박스(11)는 모터 샤프트(13)에 결합된 베어링 조립체(14)를 유지하는 오목부를 포함한다. 모터 샤프트(13)는 근위 단부(24)에서 모터(도시되지 않음)에, 원위 단부(25)에서 펌프(도시되지 않음)에 결합된다. 베어링 조립체(14)는 베어링 박스(11)에 수용된 오일을 사용하여 낮은 마찰로 회전하는 샤프트(13)를 제공한다.
베어링 오일은 섬프(26)로부터 베어링 박스(11)에 있는 오일 배출 경로(16)를 통해 냉각기 조립체(27)로 유동한다. 오일이 냉각기 조립체(27)를 통해 순환함에 따라서, 열은 강제 대류에 의해 주위로 전달된다. 베어링 박스(11)의 바로 외측의 샤프트(13)의 근위 단부(24)에 장착된 팬(23)은 강제 대류 열전달을 구동하도록 냉각기 시스템(27)을 가로질러 주위 공기를 송풍한다. 모터 하우징 커플링은 바람직하게 냉각 시스템(27)을 수용하는 공간 내외로의 공기 흐름을 허용하는 천공부를 포함한다. 오일을 수용하는 튜브(19)는, 오일 배출 경로(16)의 출구(17)를 튜브(19)에 연결하여 오일이 냉각 시스템(27) 내로 유동하는 것을 허용하는 입구 커플링(18)에 연결된다. 튜브(19)는 열전달을 위해 이용 가능한 면적을 증가시키도록 부착된 하나 이상의 핀(20)을 가진다. 추가적으로, 튜브의 길이는 더욱 많은 열전달을 제공하는 더욱 긴 튜브로 필요한 양의 열전달을 달성하도록 선택될 수 있다. 튜브(19)는 바람직하게 모터 커플링 하우징에서 코일형 경로를 형성하지만, 내부 공간 내에 맞춰지는 임의의 경로를 횡단할 수 있다. 일반적으로, 튜브(19)에 부착된 핀(20)의 수가 많을수록, 열전달을 위한 표면적이 커진다. 핀(20)들과 관련된 증가된 열전달은 냉각기 시스템(27)을 더욱 콤팩트하게 하고 이에 의해 베어링 박스(11)와 모터 사이의 모터 커플링 하우징 내부의 공간에 끼워지는 것을 가능하게 한다.
오일은 그런 다음 냉각 냉각 시스템(27)으로의 유입보다 낮은 온도로 출구 커플러(21)를 통해 오일 유입 경로(15)의 입구(22)로 냉각 시스템(27)을 빠져나가고, 베어링 조립체(14)의 윤활 및 냉각을 제공하도록 오일 유입 경로(15)를 통해 베어링 조립체로 유동한다. 오일은 그런 다음 섬프(26)로 흘러내리고, 다시 순환 과정을 시작한다. 냉각 시스템(27)은 바람직하게 모터 커플링 하우징(12) 내부에 전략적으로 배치되고, 외부 인자들로부터 냉각 시스템을 손상으로부터 보호한다.
이전의 냉각 전략은 튜브 또는 임의의 종류의 열교환기를 통과할 때 오일을 냉각시키기 위해 팬을 사용하지 않는다. 종래의 전략은 베어링 박스를 냉각시키는 것에 의해 또는 샤프트를 통해 오일을 간접적으로 오일을 냉각시킨다. 적용되는 냉각 메커니즘의 어떠한 종류도 수냉식이거나 펌프/베어링 박스 외부에 있으며, 손상되기 쉽거나 또는 보호하기 위해 별도의 케이지 또는 다른 메커니즘을 요구한다.
지금 도 2를 참조하면, 본 명세서에 기술된 개념에 따른 베어링 박스의 바람직한 실시예가 도시되어 있다. 베어링 박스(11)는 도 1에 도시된 베어링 조립체를 유지하기 위한 캐비티를 포함한다. 베어링 박스(11)는 또한 도 1에 도시된 배출 오일 유동 경로(16) 및 유입 오일 유동 경로(15)와 같은 오일 유동 경로들과 같은 베어링 박스 구조물 내로 형성된 통로들을 포함한다. 이러한 통로는 본 명세서에서 설명된 바와 같은 냉각 시스템에 대한 커플링이 연결된 출구(17) 및 냉각 시스템의 출구와 연결된 입구에서 종료하고, 이에 의해 냉각된 오일을 베어링 박스로 복귀시킨다.
지금 도 3 및 도 4를 참조하면, 모터 커플링 하우징이 제거된, 도 1에 도시된 냉각 시스템의 실시예의 평면도 및 측면도가 도시되어 있다. 상기된 바와 같이, 베어링 박스/냉각 시스템 조립체(10)는 베어링 박스(11), 및 베어링 박스(11)의 상부(40)에 부착된 냉각 시스템(27)을 포함한다. 샤프트(13)는 베어링 박스(11)를 통과하고, 샤프트에 부착된 팬(23)을 가진다. 팬(23)은 순환하는 오일로부터 튜브(19) 및 핀(20)들을 통한 공기로 열전달을 촉진하도록 튜브(19) 및 핀(20)을 가로질러 공기를 강제 이송시킨다.
고온 오일은 베어링 박스(11)에 있는 오일 배출 경로에 부착된 입구 커플링(18)을 통해 튜브(19) 내로 보내진다. 오일은 그런 다음 튜브(19)를 통해 순환 하고, 그런 다음 냉각된 오일은 베어링 박스(11)에 있는 유입 유체 경로에 연결된 출구 커플링(21)을 통해 베어링 박스(11)로 복귀한다.
지금 도 5를 참조하면, 본 명세서에 기술된 개념에 따른 냉각 시스템의 대안적인 실시예가 도시되어 있다. 냉각 시스템(50)은 시스템(50)이 모터 커플링 하우징(12)의 외부에 냉각 튜브(51) 및 핀(52)들을 가지는 것을 제외하면 도 1에 도시된 조립체(10)와 마찬가지로 기능한다. 냉각 튜브(51)는 여전히 베어링 박스(11)로부터 고온 오일을 취하고, 냉각된 오일이 베어링 박스(11)로 복귀하기 전에 냉각 튜브(19)를 통해 고온 오일을 순환시킨다. 샤프트(13)는 커플링 하우징(12) 내부에서 샤프트에 부착된 팬(도시되지 않음)을 여전히 가져서 냉각 튜브(51) 및 핀(52)들에 걸쳐서 공기를 강제 이송시킨다.
지금 도 6을 참조하면, 본 명세서에 설명된 개념들을 통합하는 완전한 펌프 시스템의 실시예가 도시된다. 펌프 시스템(60)은 모터(61), 커플링 하우징(62), 냉각 배관(19) 및 핀(20)들, 베어링 박스(11), 밀봉 하우징(63), 및 펌프 케이스(64)를 포함한다. 샤프트(13)는 모터(61)로부터 펌프 케이스(64)로 연장되고, 펌프 케이스(64)에 있는 펌프를 작동시키도록 모터(61)에 의해 구동된다. 샤프트(13)는 베어링 박스(11)를 통해 연장되고, 베어링 박스는 샤프트(13)가 최소 마찰로 회전하는 것을 가능하게 하도록 작동 가능하다. 베어링 박스(11)에 있는 오일 섬프(65)는 샤프트를 윤활시키고 시스템으로부터 열을 제거하도록 베어링 박스(11) 및 냉각 배관(19)을 통해 순환되는 오일 공급을 유지한다. 밀봉 하우징(63)은 베어링 박스(11)와 펌프 케이스(64) 사이에 위치하며, 카트리지 밀봉부(66)는 샤프트(13)가 펌프 케이스(64)로 들어가는 개구를 밀봉한다.
설명된 바와 같이, 커플링 하우징에 인접한 샤프트에 부착된 팬은 정상 작동시에 샤프트에 의해 회전되고, 냉각 배관(19) 및 핀(20)들에 걸쳐서 공기를 강제 이송시킨다. 도 1 및 도 5의 커플링 하우징이 천공된 차폐를 가지지만, 차폐는 도 6에 도시된 바와 같이 생략될 수 있다.
지금 도 7을 참조하면, 동력 펌프에 있는 베어링 박스 오일을 냉각하기 위한 방법의 실시예가 설명된다. 방법(70)은 단계(71)에서 도시된 바와 같이 베어링 박스에서 오일을 순환시키는 것으로 시작된다. 순환하는 오일은 이어서 단계(72)에서 도시된 바와 같이 베어링 박스로부터 모터 커플링 하우징의 내부 공간에 수용된 냉각 시스템 내로 강제 이송된다. 오일은 그런 다음 냉각 시스템에 있는 핀 부착 튜브를 통해 순환되고(단계 73), 공기는 열전달을 증가시키도록 팬에 의해 핀 부착 튜브에 걸쳐서 강제 이송된다(단계 74). 냉각된 오일은 단계(75)에서 베어링 박스로 복귀한다.
본 발명 및 그 이점이 상세하게 설명되었을지라도, 다양한 변경, 대체 및 대안이 첨부된 청구항들에 의해 한정된 본 발명의 사상 및 범위를 벗어남이 없이 만들어질 수 있다는 것을 이해해야 한다. 또한, 본 출원의 범위는 본 명세서에 기재된 공정, 기계, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법 및 단계의 특정 실시예에 한정되도록 의도되지 않는다. 당업자는 본 발명의 개시 내용으로부터 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 현재 또는 이후에 개발될 공정, 기계, 제조, 물질의 조성물, 수단, 방법 또는 단계를 용이하게 이해할 수 있거나, 본 명세서에 기재된 대응하는 실시예가 본 발명에 따라서 이용될 수 있는 것과 실질적으로 동일한 결과를 달성할 수 있다는 것을 용이하게 이해할 것이다. 따라서, 첨부된 청구항들은 이러한 공정, 기계, 제조, 물질의 조성물, 수단, 방법 또는 단계를 그 범위 내에 포함하도록 의도된다.

Claims (14)

  1. 구동 샤프트, 및 베어링 박스에 부착된 모터 커플링 하우징을 포함하는 동력 펌프에 있는 상기 베어링 박스로부터의 오일을 냉각시키기 위한 냉각 시스템으로서,
    상기 베어링 박스에 있는 오일 유동 경로의 출구에 연결되고, 상기 베어링 박스로부터 고온 오일을 수용하고 냉각된 오일을 상기 베어링 박스로 다시 통과시키는 냉각 튜브;
    상기 냉각 튜브에 부착되고, 상기 냉각 시스템에서의 열전달을 위한 표면적을 증가시키는 복수의 핀; 및
    상기 동력 펌프의 구동 샤프트에 연결되고 상기 냉각 튜브와 상기 복수의 핀을 가로질러 공기를 강제 이송시키는 팬을 포함하는 냉각 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 팬은 상기 펌프의 정상 작동의 결과로서 회전하는 상기 구동 샤프트에 의해 구동되는 냉각 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 냉각 시스템은 입구 커플로와 출구 커플러를 사용하여 상기 베어링 박스에 연결되는 냉각 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 모터 커플링 하우징은 상기 냉각 시스템으로 공기를 유동시키는 것으로 허용하도록 천공되는 냉각 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 냉각 튜브는 상기 모터 커플링 하우징에서 코일형 경로를 형성하는 냉각 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 냉각 튜브의 길이는 필요한 열전달 특성에 기초하여 선택되는 냉각 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 냉각 시스템은 상기 냉각 시스템을 보호하도록 상기 모터 커플링 하우징 내에 수용되는 냉각 시스템.
  8. 동력 펌프로서,
    상기 동력 펌프에 의해 구동되는 구동 샤프트;
    상기 구동 샤프트에 결합된 베어링 조립체를 수용하며, 오일 섬프 및 오일 유동 경로를 포함하는 베어링 박스로서, 상기 오일 섬프 및 상기 오일 유동 경로가 상기 베어링 조립체와 상기 구동 샤프트를 윤활시키고 이로부터의 열을 제거하기 위한 오일을 수용하는, 상기 베어링 박스;
    상기 베어링 박스에 부착되고 그 안에 있는 내부 공간을 포함하는 모터 커플링 하우징; 및
    상기 모터 커플링 하우징의 내부 공간 내에 수용되고 상기 베어링 박스에 있는 오일 유동 경로로부터 고온 오일을 수용하는 냉각 시스템을 포함하며, 상기 냉각 시스템은 상기 베어링 박스에 있는 오일 유동 경로의 출구에 연결되는 냉각 튜브를 포함하며, 상기 냉각 튜브는 열전달 표면적을 증가시키도록 상기 냉각 튜브에 부착된 복수의 핀을 가지며, 상기 냉각 시스템은 상기 동력 펌프의 구동 샤프트에 연결된 팬을 추가로 포함하며, 상기 팬은 상기 냉각 튜브와 상기 복수의 핀을 가로질러 공기를 강제 이송시키도록 위치되며, 냉각된 오일은 상기 베어링 박스에 있는 오일 유동 경로로 복귀되는 동력 펌프.
  9. 제8항에 있어서, 상기 팬은 상기 펌프의 정상 작동의 결과로서 회전하는 상기 구동 샤프트에 의해 구동되는 동력 펌프.
  10. 제8항에 있어서, 상기 냉각 시스템은 입구 커플러와 출구 커플러를 사용하여 상기 베어링 박스에 연결되는 동력 펌프.
  11. 제8항에 있어서, 상기 모터 커플링 하우징은 상기 냉각 시스템으로 공기를 유동시키는 것을 허용하도록 천공되는 동력 펌프.
  12. 제8항에 있어서, 상기 냉각 튜브는 상기 모터 커플링 하우징에서 코일형 경로를 형성하는 동력 펌프.
  13. 제8항에 있어서, 상기 냉각 튜브의 길이는 필요한 열전달 특성에 기초하여 선택되는 동력 펌프.
  14. 제8항에 있어서, 상기 오일 유동 경로는 상기 베어링 박스 내로 형성되는 동력 펌프.
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