CN102954212A - 压力容器 - Google Patents

Abstract

提供一种在满足所要求的设计要件的同时，能够实现轻量化的压力容器。其具有：多边形的上壁(1)、在该上壁(1)的下方设置的多边形的底壁、在上壁(1)的周缘和底壁的周缘之间设置的侧壁(2)、通过向外侧凸出的曲面连接上壁(1)的周缘和侧壁(2)的上端的上侧曲面部(3)、及通过向外侧凸出的曲面连接底壁的周缘和侧壁(2)的下端的下侧曲面部。上壁(1)的中央的上壁中央部(1a)的壁厚、上侧曲面部(3)的壁厚、在上壁中央部(1a)和上侧曲面部(3)之间形成的上壁环状部(1b)的壁厚顺次变小，底壁的中央的底壁中央部的壁厚、下侧曲面部的壁厚、在底壁中央部和下侧曲面部之间形成的底壁环状部的壁厚顺次减小。

Description

压力容器

技术领域

本发明涉及一种在压缩机用气体制冷器等中使用的压力容器。

背景技术

一般而言，在压力容器中，力学上的最佳形状是球形，接下来是圆筒形。但是，例如在作为压缩机用气体制冷器而使用的压力容器的情况下，需要考虑其他的主要零件、部件或与配管类的连接、在压力容器内收纳的热交换器的形状、进而压力容器自身的设置场所等。因此，为了有效利用装置内的空间，优选将其形状做成长方体。例如，在专利文献1中公开了一种长方体形状的压力容器。需要说明的是，作为长方体形状的压力容器，不限于压缩机用气体制冷器，在其他的机械、装置中也是常使用的形状。

另外，对压力容器要求有刚性或强度上的设计要件。在上述专利文献1记载的长方体形状的压力容器中，为了满足其要求的设计要件，在容器的外周设有格子状的肋。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2003-106668号公报

一般而言，作为压力容器，在满足所要求的设计要件的同时，还存在尽可能想要实现轻量化的需求。但是，上述专利文献1记载的压力容器会由于在容器的外周设置的肋的缘故，导致重量相应增加，不能说可以实现轻量化。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而提出的，其目的在于提供一种在满足所要求的设计要件的同时，可以实现轻量化的压力容器。

为了解决所述问题，本发明人着眼于：在通过收容的高压介质的内压作用在压力容器的各壁上而产生的应力的分布上产生不均。即，着眼于：在各壁上有只产生相对小的应力的部分，这些部分为过度被加强的构造。因此，想到取代设置直接导致压力容器重量增加的肋的构造，为了消除产生的应力分布的不均，削减被过度加强的部分，由此削减材料而能够实现轻量化。

本发明是鉴于这样的观点而提出的，其提供一种压力容器，其具有：

多边形的上壁；

多边形的底壁，其设置于该上壁的下方；

侧壁，其设置于所述上壁的周缘和与之对应的所述底壁的周缘之间；

上侧曲面部，其通过向外侧凸出的曲面连接所述上壁的周缘和所述侧壁的上端；以及

下侧曲面部，其通过向外侧凸出的曲面连接所述底壁的周缘和所述侧壁的下端，

其特征在于，

所述压力容器形成为：

所述上壁的中央的上壁中央部的壁厚、所述上侧曲面部的壁厚、在所述上壁中央部和所述上侧曲面部之间形成的上壁环状部的壁厚顺次减小，

所述底壁的中央的底壁中央部的壁厚、所述下侧曲面部的壁厚、在所述底壁中央部和所述下侧曲面部之间形成的底壁环状部的壁厚顺次减小。

根据本发明的压力容器，通过使产生相对大的应力的上壁中央部以及底壁中央部的壁厚增大，使只产生相对小的应力的上壁环状部以及底壁环状部的壁厚减小，从而作为压力容器整体，能够在满足所要求的设计要件的同时，削减材料而实现轻量化。另外，能够抑制向压力容器的上壁以及底壁产生不均匀的应力分布。

另外，在本发明中，优选所述上壁中央部以及所述上壁环状部由曲面连接，所述上壁环状部以及所述上侧曲面部由曲面连接，所述底壁中央部以及所述底壁环状部由曲面连接，且，所述底壁环状部以及所述下侧曲面部由曲面连接。

如此，则容易消除在上壁以及底壁产生的应力分布的不均，能够进一步实现压力容器的轻量化。

另外，在本发明中，优选所述上侧曲面部的内表面以及所述下侧曲面部的内表面具有相同的曲率半径，在从上方观察所述上壁时所述上壁环状部从所述侧壁的内表面朝向所述上壁中央部位于所述曲率半径的二分之一倍到2倍的范围内，在从下方观察所述底壁时所述底壁环状部从所述侧壁的内表面朝向所述底壁中央部位于所述曲率半径的二分之一倍到2倍的范围内。

如此，容易在消除在上壁以及底壁上产生的应力分布的不均的同时，实现压力容器的轻量化。

另外，在本发明中，优选所述上壁环状部位于在作用有内压时在所述上壁中央部产生的正方向的弯曲力矩和在所述上侧曲面部产生的负方向的弯曲力矩平衡的部分，所述底壁环状部位于在作用有内压时在所述底壁中央部产生的正方向的弯曲力矩和在所述下侧曲面部产生的负方向的弯曲力矩平衡的部分。

如此，由于上壁环状部位于上壁上的正方向的弯曲力矩和负方向的弯曲力矩平衡的位置，即应力的产生极少的部分，底壁环状部位于底壁上的相同部分，因此，能够进一步减小所述上壁环状部以及底壁环状部的壁厚，能够实现压力容器的进一步的轻量化。

另外，在本发明中，优选所述侧壁具有从该侧壁中的对主面彼此进行连结的主面连结部朝向所述主面的中央的主面中央部其厚度逐渐变大的形状。

如此，由于能够消除在侧壁产生的应力分布的不均，同时使主面连结部减薄，因此能够进一步实现压力容器的轻量化。

另外，在本发明中，优选所述侧壁的各主面在所述主面连结部和所述主面中央部之间具有厚度大于所述主面中央部的厚度的主面壁厚部。

如此，主面壁厚部能够负担在侧壁产生的应力，即主面壁厚部能够有助于满足侧壁部分所要求的设计要件，因此能够在整体上减薄主面，能够实现压力容器的轻量化。

另外，在本发明中，优选所述上壁以及所述底壁是四方形。

如此，容易有效确保压力容器的内部空间。

发明效果

如上所述，根据本发明，能够提供一种在满足所要求的设计要件的同时，可以削减材料而实现轻量化的压力容器。

附图说明

图1是本发明的一实施方式的压力容器的八分之一模型的立体图。

图2是表示图1的模型的内表面的状态的立体图。

图3是图1的模型的俯视图。

图4是图3的IV-IV剖面的剖面图。

图5是长方体形状的压力容器的二分之一模型的立体图。

图6是说明在图5的VI-VI剖面上产生的弯曲力矩的分布的图。

图7是设有格子状肋的现有容器的二分之一模型的立体图。

图8是表示比较例以及实施例的解析结果的图。

图9是将图8的结果做成坐标图的图。

符号说明

1  上壁

1a 上壁中央部

1b 上壁环状部

2  侧壁

2a 主面

2b 主面连结部

2c 主面中央部

2d 主面壁厚部

3  上侧曲面部

3a 边部

3b 拐角部

具体实施方式

在内压作用于长方体形状的压力容器的情况下，该容器以基本上接近球体的方式发生变形。首先，对于该点，参照图5以及图6进行说明。图5是长方体形状的压力容器的二分之一模型的立体图。需要说明的是，在图5中，示出了长方体形状的压力容器中的上壁。

图6示意地表示作用于图5的VI-VI剖面的弯曲力矩的分布图。在该图中的A部，作用有使曲率减少的方向、即正方向的弯曲力矩。另一方面，在B部作用有使曲率增加的方向、即负方向的弯曲力矩。此时，在Z部附近，由于弯曲力矩的正负倒转，因此，力矩成为零、或者非常小的状态。

本实施方式是使压力容器的形状大致对应于上述那样分布的力矩的大小的实施方式。即，基本上，增大力矩的绝对值大的部分的壁厚，减小绝对值为零、或者小的部分的壁厚。

如此，通过使压力容器的壁厚匹配于力矩的大小，容器作为整体均匀负担负载，因此可以形成没有浪费的形状。换言之，在现有的长方体形状的压力容器中，即使是只产生相对小的弯曲力矩的部分，也是具有与产生相对大的弯曲力矩的部分相同的厚度的肋的形状，所以该部分成为被过度加强的多余壁厚，导致重量增加。

下面，对于本发明的优选实施方式，参照附图进行说明。

图1是本发明的一实施方式的压力容器的八分之一模型的立体图。即，本实施方式的压力容器由于是相对于X、Y、Z的各方向的中央对称的形状，所以使用在X、Y、Z的各方向的各自的中央切断的八分之一的模型来进行说明。需要说明的是，在图1中，示出本实施方式的压力容器之中的上壁的一部分。图2是从-Z方向观察图1所示的模型的状态、即表示上壁的内表面的状态的立体图。

如图1以及图2所示，本实施方式的压力容器的八分之一模型具有：上壁1；在上壁1与未图示的底壁之间设置的侧壁2；以及通过向外侧凸出的曲面连接上壁1的周缘和侧壁2的上端的上侧曲面部3。该压力容器1还在其内部具有热交换器或配管等，但它们的图示省略。

上壁1具有其中央的上壁中央部1a以及在该上壁中央部1a的周围形成为环状的上壁环状部1b。如图3所示，当从上壁1的上方看时，上壁环状部1b的外端缘在上壁1的相邻的各边的连结部附近，即后述的拐角部3b附近，相比于内端缘呈沿着拐角部3b的形状的形状。即，上壁环状部1b的内端缘与外端缘的间隔在拐角部3b附近宽，在上壁1的各边的中央部附近窄。而且，如图1以及图2所示，上壁1具有上壁中央部1a最厚，上壁环状部1b最薄，从上壁中央部1a到上壁环状部1b厚度逐渐减小且其外表面由曲面连接的形状。另外，如图4所示，上壁1的外表面的从上壁中央部1a到上壁环状部1b的X轴方向的倾斜坡度大于Y轴方向的倾斜坡度。这是因为本实施方式的上壁1是Y轴方向长的长方形。具体而言，上壁中央部1a的厚度优选是上壁环状部1b的厚度的5倍到8倍。而且，在上壁环状部1b的外周与后述的上侧曲面部3连接。另外，如图2所示，上壁1的内表面平坦地形成。

上壁中央部1a由于作用有高压介质的内压，所以在该上壁中央部1a产生的应力在容器内最大，因此其厚度在上壁1中最大。另外，该上壁中央部1a的外表面可以是平坦的，也可以是向外侧凸出的曲面状。

上壁环状部1b形成为：从上方看上壁1时，从侧壁2的主面2a的内表面朝向上壁中央部1a，位于后述的上侧曲面部3的内表面的曲率半径r的二分之一倍到2倍的范围。更优选的是，形成于在上壁中央部1a产生的正方向的弯曲力矩和在上侧曲面部3产生的负方向的弯曲力矩平衡的部分，即弯曲力矩的合计为零或者非常小的状态的部分。该上壁环状部1b的外表面与上侧曲面部3的外表面由曲面连接。

侧壁2设置在上壁1的周缘和底壁的周缘之间。侧壁2具有：图1中呈与X Z面平行的面的主面2a以及呈与Y Z面平行的面的主面2a；以及将这些主面2a彼此连结起来的主面连结部2b。而且，各主面2a具有：该主面2a的中央的主面中央部2c；在主面连结部2b和主面中央部2c之间形成的主面壁厚部2d。

主面2a具有如下形状：除了主面壁厚部2d的部分外，从主面连结部2b侧的端部到主面中央部2c，厚度逐渐变大且其外表面由曲面连接。即，主面2a具有如下形状：主面连结部2b侧的端部最薄，从其主面连结部2b侧的端部到在主面2a中形成得最厚的主面壁厚部2d，厚度逐渐变大且其外表面由曲面连接。而且，虽然在主面壁厚部2d的部分壁厚姑且最大，但从其相邻部分到主面中央部2c，具有厚度逐渐变大且其外表面由曲面连接的形状。具体而言，主面中央部2c的厚度优选是主面连结部2b侧的端部的厚度的2倍到4倍。另外，如图2所示，主面2a的内表面平坦地形成。

主面连结部2b是将向相互正交的方向展开的主面2a彼此连结起来的部分，呈向外侧凸出的曲面形状。如图2所示，该主面连结部2b具有将各主面2a的平坦的内表面彼此连结起来的曲面状的内表面。

主面中央部2c由于是当有高压介质的在作用有内压时产生在主面2a上的应力在主面2a内最大的部分，因此，其厚度在主面2a中形成得较大，仅次于主面壁厚部2d的厚度。

主面壁厚部2d的厚度形成为大于主面中央部2c的厚度。具体而言，主面壁厚部2d的厚度优选为主面连结部2b侧的端部的厚度的3倍到6倍。该主面壁厚部2d设置于主面连结部2b和主面中央部2c的大致中央部分。

上侧曲面部3是由向外侧凸出的曲面连接上壁1的周缘和侧壁2的上端的部分，其具有与上壁1的各边对应的边部3a以及对相邻的边部3a彼此进行连结的拐角部3b。如图2所示，边部3a具有对上壁1的平坦的内表面和主面2a的平坦的内表面进行连接的曲面状的内表面。拐角部3b具有对相邻的边部3a的曲面状的内表面彼此进行连结，并且对上壁1的内表面和主面连结部2b的内表面进行连接的曲面状的内表面。该上侧曲面部3的厚度小于上壁中央部1a的厚度，且大于上壁环状部1b的厚度。具体而言，上侧曲面部3的厚度优选为上壁环状部1b的厚度的2倍到4倍。另外，如图2所示，上侧曲面部3的内表面形成为具有规定的曲率半径r的圆弧状。

需要说明的是，压缩机用气体制冷器由于是通过铸造法制造的，所以即便是如本实施方式那样壁厚变化的形状的容器也可以制造。

如上所述，在本实施方式的压力容器中，通过使产生相对大的应力的上壁中央部1a以及底壁中央部2a的壁厚增大，使只产生相对小的应力的上壁环状部1b以及底壁环状部2b的壁厚减小，由此，作为压力容器整体，能够在满足所要求的设计要件的同时，削减材料而实现轻量化。

另外，在本实施方式中，由于上壁中央部1a以及上壁环状部1b由曲面连接，上壁环状部1b以及上侧曲面部3由曲面连接，底壁中央部以及底壁环状部由曲面连接，且底壁环状部以及下侧曲面部由曲面连接，因此，容易消除在上壁以及底壁产生的应力分布的不均，可实现压力容器的进一步的轻量化。

另外，在本实施方式中，上侧曲面部3的内表面以及下侧曲面部的内表面具有相同的曲率半径r，上壁环状部1b当从上方看上壁1时从侧壁2的内表面朝向上壁中央部1a，位于曲率半径的二分之一倍到2倍的范围，底壁环状部当从下方看底壁时从侧壁2的内表面朝向底壁中央部，位于曲率半径的二分之一倍到2倍的范围，因此，容易消除在上壁1以及底壁产生的应力分布的不均，同时实现压力容器的轻量化。

另外，在本实施方式中，上壁环状部1b位于在作用有内压时在上壁中央部1a产生的正方向的弯曲力矩和在上侧曲面部3产生的负方向的弯曲力矩平衡的部分，底壁环状部位于在作用有内压时在底壁中央部产生的正方向的弯曲力矩和在下侧曲面部产生的负方向的弯曲力矩平衡的部分，即由于上壁环状部1b以及底壁环状部位于应力的产生极小的部分，因此，能够进一步减小该上壁环状部1b以及底壁环状部的壁厚，能够实现压力容器的进一步的轻量化。

另外，在本实施方式中，侧壁2由于具有厚度从主面连结部2b向主面中央部2c逐渐变大的形状，所以能够在消除在侧壁2上产生的应力分布的不均的同时，使主面连结部2b变薄，因此能够进一步实现压力容器的轻量化。

另外，在本实施方式中，侧壁2的各主面2a在主面连结部2b和主面中央部2c之间具有厚度大于主面中央部2c的厚度的主面壁厚部2d，因此，主面壁厚部2d能够负担在侧壁2产生的应力，即，主面壁厚部2d能够有利于满足侧壁2部分所要求的设计要件，因此，能够在整体上减薄主面2a，能够实现压力容器的轻量化。

另外，在本实施方式中，所述上壁以及所述底壁是四方形，因此容易确保压力容器的内部空间。

另外，本实施方式的压力容器由于不像现有的长方体形状的压力容器那样具有肋，因此与现有的压力容器相比能够大幅度实现轻量化。进而，由于对应于在压力容器的各壁上产生的应力分布而使该容器自身的壁厚变化，因此，能够抑制向容器的各壁产生不均匀的应力分布，且，能够由压力容器整体有效负担负荷。

需要说明的是，今次公开的实施方式在所有的方面都是例示，不应认为限制于此。本发明的范围并不是由上述的实施方式的说明表示，而是由权利要求的范围表示，还包括在与权利要求范围等同意义以及范围内的所有变更。

例如，在上述实施方式中，例示了上壁1以及底壁是四方形的例子，但其不限于四方形，也可以是其他的多边形。需要说明的是，在是其他的多边形的情况下，也起到与四方形的情况下同样的作用、效果。

另外，在上述实施方式中，例示了侧壁2具有主面壁厚部2d的例子，但也可以省略该主面壁厚部2d，主面2a可以是从其主面连结部2b侧的端部到主面中央部2c厚度逐渐变大的形状。需要说明的是，在该情况下，仅仅通过省略主面壁厚部2d是不能满足所要求的设计要件的，因此，需要省略主面壁厚部2d，并且增厚该主面2a的壁厚，以通过主面2a整体来负担应力。因此，与具有主面壁厚部2d的情况相比，可实现轻量化的比例变小。

另外，在上述实施方式中，例示了上壁中央部1a以及上壁环状部1b由曲面连接，上壁环状部1b以及上侧曲面部3由曲面连接，底壁中央部以及底壁环状部由曲面连接，且底壁环状部以及下侧曲面部由曲面连接的例子，但这些部位全都可以由平面连接。

下面，比较说明关于本实施方式的压力容器的实施例与图7所示的现有的长方体形状的压力容器。

【实施例】

在图7所示的现有的长方体形状的压力容器、以及图1所示的本实施方式的压力容器中制作了改变了各种形状的容器的F E M解析模型，通过弹塑性解析比较在作用有内压时的应力以及变位。另外，还对于重量一并进行比较。需要说明的是，实施例1至6的模型的大小以及材质相同。在此，本实施方式的压力容器、即在压缩机用气体制冷器中使用的压力容器的主要的刚性、强度上的设计要件为以下两点。

(1)使最高使用压力1.14MPa时的最大变位量(以下，称为“要件1的值”。)为2.5mm以下；

(2)使最小耐压破坏强度8.19MPa时的最大应力(以下，称为“要件2的值”。)为430MPa下。

需要说明的是，以下，基于实施例说明本实施方式，本实施方式只要不超过其要旨，不限于以下的实施例。

(比较例)

图7是具有格子状的加强肋的现有的长方体形状的压力容器的解析模型。本模型是壳要素模型，考虑对称性，为上侧二分之一模型。关于本模型的大小，板厚中心的值为长772.5mm、宽631mm、高180mm，板厚为17mm。另外，肋的高度为26.5mm(壳模型上为26.5+17/2＝35mm)，Y方向肋的厚度为23mm，X方向的肋的厚度为46mm。

在该比较例中，容器整体的重量为254kg，要件1的值为1.36mm，要件2的值为425MPa。

(实施例1)

下面，对图1所示的本实施方式的压力容器1的实施例1进行说明。本模型的内表面大小为：长755.5mm、宽614mm以及高度163mm。另外，材质使用FCD450。在实施例1中，对于设最高使用压力1.14MPa作用时的允许应力为85MPa的压力容器1的形状，进行了解析。在该实施例1中，容器整体的重量为287kg，要件1的值为0.56mm，要件2的值为355MPa。

(实施例2)

在实施例2中，对于设最高使用压力1.14MPa作用时的允许应力为100MPa的压力容器1的形状，进行了解析。在该实施例2中，容器整体的重量为254kg，要件1的值为0.68mm，要件2的值为359MPa。

(实施例3)

在实施例3中，对于设最高使用压力1.14MPa作用时的允许应力为125MPa的压力容器1的形状，进行了解析。在该实施例3中，容器整体的重量为222kg，要件1的值为0.97mm，要件2的值为380MPa。

(实施例4)

在实施例4中，对于设最高使用压力1.14MPa作用时的允许应力为150MPa的压力容器1的形状，进行了解析。在该实施例4中，容器整体的重量为198kg，要件1的值为1.18mm，要件2的值为401MPa。

(实施例5)

在实施例5中，对于设最高使用压力1.14MPa作用时的允许应力为175MPa的压力容器1的形状，进行了解析。在该实施例5中，容器整体的重量为180kg，要件1的值为1.47mm，要件2的值为419MPa。

(实施例6)

在实施例6中，对于设最高使用压力1.14MPa作用时的允许应力为200MPa的压力容器1的形状，进行了解析。在该实施例6中，容器整体的重量为168kg，要件1的值为1.69mm，要件2的值为429MPa。

图8表示以上的结果，图9表示将所述结果描绘成坐标图。

从图8以及图9可知，实施例2至实施例6的压力容器满足设计要件，并且比现有的压力容器更能实现轻量化。尤其，在实施例6的压力容器中，能够确保与现有的压力容器大致等同的强度特性，同时是现有的压力容器的约66％的重量。需要说明的是，在最佳化解析时的允许应力为各实施例之间的值时，压力容器的形状、壁厚分布等成为与图1以及图2同样的形状、壁厚分布。

另外，在实施例1至实施例6的压力容器中，结果是除拐角部外大致遍及容器整体在表里都为大致均匀的应力，容器作为整体而没有浪费地分担负载。相对于此，在图7所示的现有容器的情况下，与本实施方式的实施例相比，在大范围产生相对低应力的部分，因此，结果是在容器整体上无法有效分担负载。

Claims (7)

1.一种压力容器，其具有：

多边形的上壁；

多边形的底壁，其设置于该上壁的下方；

侧壁，其设置于所述上壁的周缘和所述底壁的周缘之间；

上侧曲面部，其通过向外侧凸出的曲面连接所述上壁的周缘和所述侧壁的上端；以及

下侧曲面部，其通过向外侧凸出的曲面连接所述底壁的周缘和所述侧壁的下端，

其特征在于，

所述压力容器形成为：

所述上壁的中央的上壁中央部的壁厚、所述上侧曲面部的壁厚、在所述上壁中央部和所述上侧曲面部之间形成的上壁环状部的壁厚顺次减小，

所述底壁的中央的底壁中央部的壁厚、所述下侧曲面部的壁厚、在所述底壁中央部和所述下侧曲面部之间形成的底壁环状部的壁厚顺次减小。

2.如权利要求1所述的压力容器，其特征在于，

所述上壁中央部以及所述上壁环状部由曲面连接，所述上壁环状部以及所述上侧曲面部由曲面连接，所述底壁中央部以及所述底壁环状部由曲面连接，且，所述底壁环状部以及所述下侧曲面部由曲面连接。

3.如权利要求1所述的压力容器，其特征在于，

所述上侧曲面部的内表面以及所述下侧曲面部的内表面具有相同的曲率半径，

在从上方观察所述上壁时所述上壁环状部从所述侧壁的内表面朝向所述上壁中央部位于所述曲率半径的二分之一倍到2倍的范围内，

在从下方观察所述底壁时所述底壁环状部从所述侧壁的内表面朝向所述底壁中央部位于所述曲率半径的二分之一倍到2倍的范围内。

4.如权利要求1所述的压力容器，其特征在于，

所述上壁环状部位于在作用有内压时在所述上壁中央部产生的正方向的弯曲力矩和在所述上侧曲面部产生的负方向的弯曲力矩平衡的部分，所述底壁环状部位于在作用有内压时在所述底壁中央部产生的正方向的弯曲力矩和在所述下侧曲面部产生的负方向的弯曲力矩平衡的部分。

5.如权利要求1所述的压力容器，其特征在于，

所述侧壁具有从该侧壁中的对主面彼此进行连结的主面连结部朝向所述主面的中央的主面中央部其厚度逐渐变大的形状。

6.如权利要求5所述的压力容器，其特征在于，

所述侧壁的各主面在所述主面连结部和所述主面中央部之间具有厚度大于所述主面中央部的厚度的主面壁厚部。

7.如权利要求1所述的压力容器，其特征在于，

所述上壁以及所述底壁是四方形。

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