WO2010134664A1 - 발전 겸용 전동기에 의한 추진력을 갖는 자전거 - Google Patents

발전 겸용 전동기에 의한 추진력을 갖는 자전거 Download PDF

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Abstract

본 발명은 근거리 이동수단으로 남녀노소 널리 애용되고 있는 자전거에 대한 것으로, 더욱 상세하게는 본 발명의 출원인에 의해 안출된 2009년 특허출원 035298호에 의한 발전 겸용 전동기를 자전거에 응용하되, 상기 발전 겸용 전동기를 자전거 후륜 측부에 장착하고, 자전거의 주파이프 하측에는 충전지와 콘트롤박스를 장착하며, 자전거의 핸들에는 전환스위치와 변속스위치를 장착함으로써, 내리막이나 평지에서의 자전거 추진력이 발전 겸용 전동기를 통해 빠르고 효과적으로 충전되게 하고, 충전이 이루어진 상태에서는 발전 겸용 전동기의 회전력이 후륜에 전달되게 하여 전동의 추진력이 발생되게 함에 따라 스스로 전동력의 생산과 저장 및 전동력을 이용한 자전거의 추진력을 얻을 수 있게 하므로 장시간 자전거의 편리하고 용이한 사용이 가능한 것이고, 장거리를 이동하는 경우라 할지라도 다리의 피로감이 크게 줄어들어 더욱 합리적인 것이다.

Description

발전 겸용 전동기에 의한 추진력을 갖는 자전거
본 발명은 근거리 이동수단으로 남녀노소 널리 애용되고 있는 자전거에 대한 것으로, 더욱 상세하게는 자전거의 후륜에 발전 겸용 전동기를 장착하되, 상기 발전 겸용 전동기로부터 얻어지는 전력은 별도의 충전지에 저장되게 하고, 충전지에 저장된 전력은 전환스위치의 조작을 통해 후륜에 장착된 전동기를 회전시키는 힘으로 전환 사용되게 함으로써, 사용자의 힘에 의해 추진되거나 내리막과 같은 경우 발전작용을 수행토록 하여 충전이 이루어지도록 하고, 충전이 이루어진 상태에서는 전동기의 회전 작용이 후륜에 전달되게 하여 전기적인 추진력을 통해 자전거를 편리하게 이용할 수 있게 한 것이다.
자전거라 함은 운전자의 힘으로 추진되는 비교적 경량의 2륜차를 통칭하는 것으로서, 전륜과 후륜을 파이프에 의해 연결하고 상기의 후륜은 체인과 페달 및 체인 스프로킷의 연결 구성을 통해 운전자의 페달링이 후륜에 전달되게 하여 자전거의 추진력이 발생하도록 한 것이다.
특히, 상기와 같은 자전거는 헤드파이프의 하단에 하향 결합된 앞포크를 통해 앞바퀴가 결합되어 있고, 안장이 결합된 고정파이프 및 뒷포크를 통해 뒷바퀴가 결합되어 있는 것이며, 상기 헤드파이프와 고정파이프는 주파이프와 받침파이프 및 다운파이프의 결합을 통해 연결되는 것이다.
상기의 헤드파이프 선단에는 횡방향의 핸들과 손잡이가 고정되고, 다운파이프와 받침파이프의 하단에는 체인 스프로킷과 페달이 회전 가능도록 결합되어 있으며, 뒷포크의 하단에 결합된 뒷바퀴의 회전축에는 다단변속기어와 체인스테이가 결합되어 있는 것이다.
그러나, 상기와 같은 일반적인 자전거는 사용자의 순수한 힘에 의존하여 추진력을 얻는 것이므로 장시간 자전거를 사용하거나 장거리를 이동하고자 하는 경우에는 극심한 피로감을 느끼게 되는 것이고, 초보자의 경우에는 장시간 및 장거리 운행이 불가능한 문제점을 갖고 있는 것이다.
또한, 오르막의 경우 자전거가 갖는 한계를 극복하기 위해 다단 변속기어 등을 채택함에 따라 언덕이나 오르막 등을 비교적 손쉽게 오를 수 있도록 하고 있으나, 이와 같은 다단 변속기어는 체인 스프로킷에 의해 전달되는 페달링의 회전수를 증대시켜 그에 비례하는 힘을 얻어 오를 수 있도록 하는 것이므로 그만큼의 체력을 소모하는 것에 불과하므로 여전히 많은 운동력을 요구하고 있는 것이다.
이에 따라 근자에 들어서는 상기의 자전거에 별도의 전동수단을 장착하고 전동수단으로부터 후륜의 회전력을 부여함에 따라 자동으로 추진력이 발생되게 한 전동 자전거가 출시되고 있는 추세이다.
이와 같은 전동 자전거는 가정용 전원을 이용하여 축전시킬 수 있는 배터리와 상기 배터리의 전원을 인가받아 회전 작동하는 전동수단으로 이루어지고, 상기의 전동수단으로부터 발생하는 회전력은 동력전달장치를 통해 후륜으로 전달되게 하므로 사용자의 힘에 의존하지 않고서도 자전거의 사용이 가능하도록 제안되어 있는 것이다.
그러나, 상기와 같은 전동 자전거는 자전거의 주행을 마친 후 반드시 충전 작업을 수행하여야 사용이 가능한 것이고, 충전에 소요되는 과도한 전력의 소모는 물론 오랜 충전시간을 요구하므로 사용상의 많은 제한이 뒤따르는 문제점을 갖는 것이다.
또한, 장거리 혹은 장시간 전동 자전거를 이용하는 경우 배터리가 완전히 소진되어 더이상 전동 자전거의 기능을 상실하는 경우에는 종래의 일반적인 자전거와 같이 사용자의 힘에 의존하여 사용하게 되므로 더욱 극심한 피로감을 느끼게 됨은 물론 자전거의 중량에 배터리와 전동수단이 더해져 더욱 많은 운동량과 체력을 요하게 되므로 그다지 효율적이라 할 수 없는 것이다.
본 발명은 전기한 바와 같은 문제점을 개선한 것으로서, 본 발명의 출원인에 의해 안출된 2009년 특허출원 035298호에 의한 발전 겸용 전동기를 자전거에 응용하되, 상기 발전 겸용 전동기를 자전거 후륜 측부에 장착하고, 자전거의 주파이프 하측에는 충전지와 콘트롤박스를 장착하며, 자전거의 핸들에는 전환스위치와 변속스위치를 장착함으로써,
내리막이나 평지에서의 페달링시 상기의 발전 겸용 전동기를 통해 충전이 이루어지도록 하고, 충전이 이루어진 상태에서는 충전지의 동력이 발전 겸용 전동기를 통해 자전거의 후륜을 회전시키도록 하여, 종래의 자전거 및 전동 자전거가 갖고 있던 제반의 문제점을 합리적으로 극복한 특징의 발전 겸용 전동기에 의한 추진력을 갖는 자전거를 제공함에 본 발명의 목적이 있는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 방사상으로 자석체가 고정된 비자성체의 회전판과 상기 회전판의 양측에 자석체와 대응하는 수평 권선의 코일체를 갖는 비자성체의 고정판을 구비하며, 상기 회전판 중심의 회전축이 고정판으로부터 베어링 결합된 공지의 발전 겸용 전동기를 자전거의 후륜 측부에 장착하되,
자전거의 후륜이 장착되는 샤프트에는 구동풀리를 장착하고, 회전판의 회전축에는 전달풀리를 장착하여 상기의 구동풀리와 전달풀리를 벨트에 의해 연결 형성하며, 상기의 자전거에는 코일체와 연결되는 콘트롤박스와 충전지를 장착하고, 자전거의 핸들에는 발전 겸용 전동기가 발전기나 전동기로의 선택적 사용을 가능케 하는 전환스위치를 장착하여 이루어지는 것이다.
본 발명은, 내리막이나 평지에서의 자전거 추진력이 발전 겸용 전동기를 통해 빠르고 효과적으로 충전되게 하고, 충전이 이루어진 상태에서는 발전 겸용 전동기의 회전력이 후륜에 전달되게 하여 전동의 추진력이 발생되게 함에 따라 스스로 전동력의 생산과 저장 및 전동력을 이용한 자전거의 추진력을 얻을 수 있게 하므로 장시간 자전거의 편리하고 용이한 사용이 가능한 것이고, 장거리를 이동하는 경우라 할지라도 다리의 피로감이 크게 줄어들어 더욱 합리적인 것이다.
도 1은 공지된 발전 겸용 전동기의 요부 분리 사시도
도 2는 본 발명에 따른 자전거의 전체 구성도
도 3은 본 발명에 따른 자전거의 후륜 확대 구성도
도 4는 본 발명에 따른 자전거의 연결 구성도
도 5는 본 발명에 따른 자전거가 전동수단에 의한 추진력이 부여되게 하는 상태의 연결도
도 6은 본 발명에 따른 자전거가 추진력으로부터 발전이 이루어지도록 하는 상태의 연결도
도 7은 본 발명에 따른 자전거의 다른 실시예를 보인 후륜 확대 구성도
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 회전판 11,11' : 자석체
12 : 회전축 13 : 전달풀리
20,20' : 고정판 21,21' : 코일체
30 : 발전 겸용 전동기
50 : 자전거 51 : 후륜
52 : 샤프트 53 : 구동풀리
54 : 벨트 55 : 핸들
56 : 전환스위치 57 : 변속스위치
60 : 콘트롤박스 61 : 변압트랜스
62 : 정류소자 63 : 극성전환부
64 : 위상센서 65 : 위상송출부
66 : 단위속도가변부
70 : 충전지
80 : 지지대
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 공지된 발전 겸용 전동기의 요부 분리 사시도이다.
본 발명의 출원인에 의해 안출된 2009년 특허출원 035298호의 발전 겸용 전동기는, 방사상으로 자석체(11)(11')가 부착된 회전판(10)과 상기 자석체(11)(11')와 대응하는 코일체(21)(21')가 방사상으로 수평 권선하여 형성된 고정판(20)(20')으로 이루어져 있는 것으로서, 상기의 고정판(20)(20')은 회전판(10)으로부터 양측으로 이격 형성되어 있고, 회전판(10) 중앙의 회전축(12)은 상기의 고정판(20)(20')으로부터 베어링에 의해 결합되어 있어 자유로운 회전이 이루어질 수 있는 것이다.
이에 따라 상기의 회전판(10)이 외부의 동력으로부터 회전을 하게 되면 자석체(11)(11')에 의해 코일체(21)(21')로 전하의 부호가 인가되는 것이고, 상기와 같이 인가된 전하의 부호를 통해 코일체(21)(21')로부터 발생되는 전원을 변압트랜스와 정류소자 등을 거쳐 배터리에 충전할 수 있는 발전기로의 사용이 가능한 것이다.
또한, 상기의 코일체(21)(21')에 외부 전원을 인가하면 코일체(21)(21')로부터 발생하는 전하의 부호가 회전판(10)의 자석체(11)(11')의 극성과 간섭하여 상호 간의 인력과 척력이 발생하므로 상기 외부 전원의 교번 전환 공급을 통해 상기의 회전판(10)이 연속적으로 회전되게 하는 전동기로의 사용이 가능한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 자전거의 전체 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 자전거의 후륜 확대 구성도이며, 도 4는 본 발명에 따른 자전거의 연결 구성도이다.
이에 따라 상기와 같이 회전판(10)와 고정판(20)(20')을 갖는 발전 겸용 전동기(30)를 자전거(50)의 후륜(51) 측부에 장착하되, 상기 자전거(50)의 후륜(51)이 고정된 샤프트(52)에는 별도의 구동풀리(53)를 함께 고정하고, 상기 회전판(10)의 회전축(12)에는 별도의 전달풀리(13)를 결합 고정한 상태에서 상기 구동풀리(53)와 전달풀리(13)가 벨트(54) 연결되면서 상호 간의 동력 전달이 이루어지게 된다.
특히, 상기의 전달풀리(13)와 구동풀리(53)의 회전비를 조절하여 발전이나 전동 효율을 상승시킬 수 있는 것인데, 전달풀리(13)의 직경을 작게 형성하고 구동풀리(53)의 직경은 크게 형성하게 되면 구동풀리(53)가 1회전하는 동안 전달풀리(13)는 더 많은 회전량을 갖게 될 것이므로 발전시에는 더 많은 량의 축전이 가능한 것이고 전동시에는 회전력의 증대가 가능할 것이다.
또한, 상기의 벨트(54)는 더욱 정확한 회전력을 전달을 위해 타이밍벨트를 사용하는 것이 이상적일 것이고, 이와 연결되는 전달풀리(13)와 구동풀리(53) 역시 타이밍벨트와 대응하는 형태의 기어풀리를 사용하여야 할 것이다. 이와 같은 벨트(54)와 전달풀리(13) 및 구동풀리(53)는 회전력을 전달할 수 있는 구성이면 어떠한 것이든 가능할 것으로 상기와 같은 타이밍벨트의 구조와 더불어 체인과 스프로킷에 의한 연결구도 역시 적용 가능한 것이다.
또한, 상기의 발전 겸용 전동기(30)는 자전거(50)의 후륜(51) 일측에 장착하되, 하나의 고정판(20) 하단을 후륜(51)의 샤프트(52)에 직접 체결하고 상기 고정판(20)의 선단은 자전거(50)에 고정된 별도의 지지대(80)를 이용하여 고정하게 되면 상기의 발전 겸용 전동기(30)는 자전거(50)로부터 안정적인 고정 상태를 유지할 수 있게 되는 것이고, 상기의 자전거(50)에는 발전 겸용 전동기(30)와 연결된 콘트롤박스(60)와 충전지(70)를 필요 부위에 장착하면 되는 것이다.
특히, 자전거(50)의 핸들(55)에는 발전 또는 전동의 선택 사용을 위한 전환스위치(56)를 장착하고 상기 발전 겸용 전동기(30)를 전동기로 사용하고자 하는 경우 전동기(40)의 회전 속도를 가감시킬 수 있는 변속스위치(57)를 장착하여 이루어지는 것이다.
이와 같은 본 발명의 자전거는 콘트롤박스(60) 내의 변압트랜스(61)와 정류소자(62)에 의해 축전이 이루어지도록 하는 것이고, 위상센서(64)와 위상송출부(65)에 의한 극성전환부(63)와 단위속도가변부(66)에 의해 전동이 이루어지는 것이다.
즉, 도 5의 도시와 같이 충전지(70)가 충분히 충전이 이루어진 상태에서 자전거(50)의 핸들에 장착된 전환스위치(56)를 작동시켜 충전지(70)의 전원이 고정판(20)(20')의 코일체(21)(21')로 인가되게 하면 상기의 코일체(21)(21')에 작용하는 전하의 부호와 자석체(11)(11') 간의 극성에서 작용하는 인력과 척력에 의해 상기의 회전판(10)이 강제로 회전되는 것이다.
이때, 상기 충전지(70)의 전원은 극성전환부(63)에 의해 반복적으로 극성을 전환시켜 제공하게 됨에 따라 상기의 회전판(10)은 연속적인 회전력을 갖게 된다. 또한, 상기의 극성전환부(63)는 자석체(11)(11')의 위상을 검출하는 위상센서(64)와 위상센서(64)의 검출 신호를 송출하는 위상송출부(65)와 연결되어 있으므로 회전판(10)의 자석체(11)(11')가 회전하기 시작함에 따라 자석체(11)(11')의 위상에 따라 충전지(70)로부터 제공되는 전원의 극성은 연속하여 코일체(21)(21')에 전환 공급되므로 상기의 회전판(10)은 자석체(11)(11')에 작용하는 인력과 척력에 의해 연속적인 회전 작용을 수행하게 된다.
특히, 상기의 고정판(20)(20')에 방사상으로 배치된 코일체(21)(21')는 별도의 단위속도가변부(66)에 의해 각각 선택적인 전원의 공급이 이루어지는 것으로서, 단위속도가변부(66)를 통해 코일체(21)(21')에 인가되는 전원의 공급 형태 즉, 개별 공급이나 무리(군)형태의 공급이 이루어지도록 함으로써 상기 회전판(10)에 대한 회전 속도와 회전 토크를 가감시킬 수 있는 것이다.
이러한 단위속도가변부(66)는 자전거(50)의 핸들(55)에 장착된 변속스위치(57)를 통해 이루어질 수 있는 것으로서, 상기 변속스위치(57)를 작동시킬 때마다 각각의 코일체(21)(21')에 인가되는 전원의 공급 형태를 전환시킴에 따라 상기 회전판(10)의 회전 속도와 회전력의 증가 또는 감소가 이루어질 수 있도록 한 것이다.
이와 같은 충전지(70)에 의한 회전판(10)의 회전 구조는 상기와 같은 선행의 출원에 의해 상세히 기재되어 있는 것이다.
따라서, 상기와 같이 충전지(70)를 이용하여 회전판(10)이 회전됨에 따라 이와 함께 전달풀리(13)와 구동풀리(53)가 회전을 하게 되는 것이고, 구동풀리(53)의 회전력은 후륜(52)에 직접 전달되어 상기의 후륜(52)이 전동력에 의해 강제로 회전될 수 있는 것이다.
이에 오르막이나 평지의 경우 상기 발전 겸용 전동기(30)가 전동기의 역할을 수행하도록 작동시키면 편리한 자전거의 사용이 가능할 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 자전거가 추진력으로부터 발전이 이루어지도록 하는 상태의 연결도로서, 내리막을 주행하거나 평지를 주행하는 경우 필요에 따라 사용자는 충전지(70)에 대한 충전을 수행할 수 있을 것이다.
즉, 내리막과 같은 경우에는 사용자와 자전거의 자체 중량 만으로도 페달링없이 주행이 가능할 것이므로 이와 같은 경우에는 핸들(55)에 장착된 전환스위치(56)를 조작하여 상기의 발전 겸용 전동기(30)가 발전기의 역할을 수행하도록 하면 된다.
여기서, 상기의 전환스위치(56)는 사용자가 직접 눌러 작동되게 할 수도 있고, 자전거에 각도에 따라 작동하는 형태로 된 전환 스위치(56)를 부착하여 내리막의 경우 스스로 상기의 전환스위치(56)가 작동하여 전동기의 기능으로부터 발전기의 기능으로 자동 전환되게 할 수도 있을 것이다.
따라서, 상기와 같이 발전기로의 기능으로 전환되어 상기 후륜(51)의 회전력이 회전판(10)의 강제 회전력으로 전달되면 회전판(10)의 자석체(11)(11')는 고정판(20)(20')의 코일체(21)(21')에 영향을 끼쳐 전하의 부호가 생성되게 할 것이고 상기와 같이 코일체(21)(21')로부터 발생하는 전하는 변압트랜스(61)를 거쳐 정제될 것이며, 정류소자(62)에 이르러서는 교류 전원을 직류 전원으로 전환시켜 상기 충전지(70)가 자동으로 충전되게 하는 역할을 수행하게 된다.
특히, 상기와 같은 발전 겸용 전동기(30)는 회전판(10)의 자석체(11)(11')와 고정판(20)(20')의 코일체(21)(21') 간에 간섭 저항에 전혀 발생하지 않는 프리 런닝 방식으로 회전되므로 상기와 같은 발전 작용을 수행하는 동안에도 자전거의 주행력에는 지장을 주지 않는 것이다.
이와 같이 본 발명의 자전거는 오르막이나 내리막과 같은 지형에서 전동기나 발전기로의 선택적인 작동을 가능케 하여 자전거의 편리한 사용은 물론 지속적인 충전을 통해 장시간 및 장거리의 사용이 가능한 것이다.
또한, 도 7의 도시와 같이 본 발명의 발전 겸용 전동기(30)를 후륜(51)의 양측에 지지대(80)를 사용하여 장착하는 경우 양측의 발전 겸용 전동기(30)에 의해 더욱 높은 전동력이나 발전 효율을 얻을 수 있어 전동 자전거로의 역할을 더욱 충실히 수행할 수 있는 것이다.
이상과 같은 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

Claims (8)

  1. 방사상으로 자석체(11)(11')가 고정된 비자성체의 회전판(10)과 상기 회전판(10)의 양측에 자석체(11)(11')와 대응하는 수평 권선의 코일체(21)(21')를 갖는 비자성체의 고정판(20)(20')을 구비하며, 상기 회전판(10) 중심의 회전축(12)이 고정판(20)(20')으로부터 베어링 결합된 공지의 발전 겸용 전동기(30)를 자전거(50)의 후륜(51) 측부에 장착하되,
    자전거(50)의 후륜(51)이 장착되는 샤프트(52)에는 구동풀리(53)를 장착하고, 회전판(10)의 회전축(12)에는 전달풀리(13)를 장착하여 상기의 구동풀리(53)와 전달풀리(13)를 벨트(54)에 의해 연결 형성하며,
    상기의 자전거(50)에는 코일체(21)(21')와 연결되는 콘트롤박스(60)와 충전지(70)를 장착하고, 자전거(50)의 핸들(55)에는 발전 겸용 전동기가 발전기나 전동기로의 선택적 사용을 가능케 하는 전환스위치(56)를 장착하여 구성함을 특징으로 하는 발전 겸용 전동기에 의한 추진력을 갖는 자전거.
  2. 제 1항에 있어서,
    고정판(20)은, 하단이 샤프트(52)에 고정되고 선단은 절곡 형성하여 자전거(50)에 고정된 지지대(80)와 결합되도록 구성함을 특징으로 하는 발전 겸용 전동기에 의한 추진력을 갖는 자전거.
  3. 제 1항에 있어서,
    콘트롤박스(60)에는 변압트랜스(61)와 정류소자(62)를 내장하여, 후륜(51)과 함께 회전되는 회전판(10)에 의해 코일체(21)(21')에 전하가 유도되면 상기의 전하는 변압트랜스(61)를 통해 충전지(70)에 대한 축전이 이루어지도록 구성함을 특징으로 하는 발전 겸용 전동기에 의한 추진력을 갖는 자전거.
  4. 제 1항에 있어서,
    콘트롤박스(60)에는 극성전환부(63)를 내장하여, 충전지(70)로부터 코일체(21)(21')로 인가되는 극성이 교번 전환됨에 따라 자석체(11)(11')와 코일체(21)(21')간에 작용하는 인력과 척력에 의해 상기 회전판(10)이 회전되도록 구성함을 특징으로 하는 발전 겸용 전동기에 의한 추진력을 갖는 자전거.
  5. 제 4항에 있어서,
    극성전환부(63)는, 회전판(10)에 고정된 자석체(11)(11')의 위상을 검출하는 위상센서(64)와 위상센서(64)와 연결된 위상송출부(65)에 의한 송출 시그널에 따라 연동하여 작동되게 구성함을 특징으로 하는 발전 겸용 전동기에 의한 추진력을 갖는 자전거.
  6. 제 1항에 있어서,
    고정판(20)(20')에 형성된 코일체(21)(21')는 코일체(21)(21')에 인가되는 전원의 단락 형태를 제어하는 단위속도가변부(66)에 의해 연결되고, 상기 단위속도가변부(66)는 자전거(50)의 핸들(55)에 장착된 변속스위치(57)에 의해 제어 작동되게 구성함을 특징으로 하는 발전 겸용 전동기에 의한 추진력을 갖는 자전거.
  7. 제 1항에 있어서,
    발전 겸용 전동기(30)는, 자전거(50)의 후륜(51) 일측에만 장착되도록 구성함을 특징으로 하는 발전 겸용 전동기에 의한 추진력을 갖는 자전거.
  8. 제 1항에 있어서,
    발전 겸용 전동기(30)는, 자전거(50)의 후륜(51) 양측에 장착하여 구성함을 특징으로 하는 발전 겸용 전동기에 의한 추진력을 갖는 자전거.
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