JP2009216369A - Heat exchanging structure - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は熱交換構造体に関するものであり、一層詳細には、電気湯沸器の熱交換手段として好適に使用される熱交換構造体に関するものである。 The present invention relates to a heat exchange structure, and more particularly to a heat exchange structure suitably used as a heat exchange means for an electric water heater.
一般に家庭で使用されるエネルギーは、照明を含む家電製品が約40%、冷暖房が約26%で残りの30%以上が風呂や台所などの給湯に消費されているのが現状であり、この給湯部分の効率が省エネを大きく左右することになる。 In general, energy used at home is about 40% for household appliances including lighting, about 26% for air conditioning and heating, and the remaining 30% is consumed for hot water supply for baths and kitchens. The efficiency of the part greatly affects energy saving.
ところで、家庭で温水や熱水を得る手段としては、ガスの燃焼熱で細いパイプ内の水を熱する「瞬間式」ガス給湯器(湯沸器)が最も広く使用されているが、不完全燃焼時に発生する一酸化炭素の危険性が常に指摘されている。
最近では、お湯を沸かした後のガスの排熱を再度加熱に使用することにより効率を上げる潜熱回収型と呼ばれる高効率給湯器(商品名;エコジョーズ)が実施化されており、この潜熱回収型給湯器を一般的なガス給湯器に置き換えるとどんな家庭でも省エネに繋がり、二酸化炭素CO2の削減にも有効とされているが、CO2の削減を目的とした場合は、ガス(火)を使わない方式への転換が最も望ましいと言える。By the way, as a means of obtaining hot water or hot water at home, the “instant type” gas water heater (water heater) that heats the water in the thin pipe with the combustion heat of gas is the most widely used, but incomplete The danger of carbon monoxide generated during combustion has always been pointed out.
Recently, a high-efficiency water heater (product name; Eco-Jozu) called a latent heat recovery type has been put into practice, which increases the efficiency by using the exhaust heat of the gas after boiling water again for heating. Replacing type water heaters with general gas water heaters will lead to energy savings in any household and is also effective in reducing carbon dioxide CO2, but for the purpose of reducing CO2, gas (fire) is used. It is most desirable to switch to a method that does not
また、発電しながらお湯を沸かす家庭用のコージェネ給湯器も提案されている。このコージェネ給湯器の電気と熱を併せたエネルギー効率は85%とされているが、運転する時間が限られるだけでなく、ガス湯沸器なのに貯湯式であるため、湯水をたくさん使用する場合でないとメリットが少なく、価格もかなり高価となっている。 In addition, a cogeneration water heater for home use that boils hot water while generating electricity has been proposed. The energy efficiency of this cogeneration water heater combined with electricity and heat is 85%, but not only is the operation time limited, but it is a gas water heater, so it is not a case where a lot of hot water is used. And there are few merits and the price is quite expensive.
一方、電気エネルギーは、発電や送電時のロスのため手元に届くエネルギーは元の燃料(一次エネルギー)の40%程度であり、この電気を加熱手段として使用するとさらにロスが生じてエネルギー効率は低くなってしまう。
また、家庭用として使える電力は限られているので、ガス湯沸器ほど急速に水を温めることができないが、電気の場合は料金の格安な深夜電力の使用が可能であり、またオール電化にするとさらに優遇されて割引されることから光熱費の低減を図ることができる反面、全体としては省エネにはつながらないという“ねじれ現象”が生じていた。On the other hand, electric energy is about 40% of the original fuel (primary energy) due to loss during power generation and transmission, and when this electricity is used as a heating means, further loss occurs and energy efficiency is low. turn into.
In addition, since the power that can be used for home use is limited, water cannot be heated as quickly as a gas water heater, but in the case of electricity, low-cost late-night power can be used, and all electrification is possible. Then, because it was further preferentially discounted, it was possible to reduce the utility cost, but on the other hand, the “twisting phenomenon” occurred that did not lead to energy saving as a whole.
そこで、エアコンや冷蔵庫と同じ原理で空気中の熱を取り込んで湯沸しに使用するヒートポンプ式の高効率給湯器(商品名;エコキュート)が開発された。このエコキュートは消費電力の3倍以上の加熱効率を誇り、発電や送電時のロスを前提にしてもその効率はガス給湯器と同等以上とされている。
しかしながら、このヒートポンプ式の高効率給湯器もある程度の水を予め加熱して温水として貯留しておき、これを加熱して必要な温水や熱水を得るような方法が採られているため、温水貯蔵タンクとして大容量のものが必要になるので装置が大型化し、スペースが限られている集合住宅などでは設置しにくいだけでなく後付けも難しいなどの問題があった。Therefore, a heat pump type high-efficiency water heater (trade name: EcoCute) has been developed that takes in heat from the air and uses it for boiling water on the same principle as an air conditioner or refrigerator. This eco-cute boasts a heating efficiency that is more than three times the power consumption, and even if it assumes loss during power generation and transmission, its efficiency is equal to or higher than that of a gas water heater.
However, since this heat pump type high-efficiency water heater is also preliminarily heated to store a certain amount of water and stored as hot water, and this is heated to obtain necessary hot water or hot water, Since a large capacity storage tank is required, the apparatus becomes large, and there are problems that it is difficult not only to install in a housing complex where space is limited, but also difficult to retrofit.
このような問題を解決するために、例えば、電力をコンデンサや蓄電装置(電気二重層コンデンサ、蓄電池、二次電池など)に充電しておき、湯沸し時にこの充電電力をヒータに流し熱交換を行って熱水とすることにより温水タンクを省略できるようにした電気湯沸器(特許文献1及び特許文献2)、あるいは、タングステンなどを主成分とする面状発熱体を密に配置し、この面状発熱体の間に水を流して熱交換効率を上げることにより温水タンクをなくした電気湯沸器(特許文献3参照)など種々の提案がなされている。 In order to solve such a problem, for example, power is charged in a capacitor or a power storage device (electric double layer capacitor, storage battery, secondary battery, etc.), and when the water is heated, the charged power is supplied to a heater to perform heat exchange. An electric water heater (Patent Document 1 and Patent Document 2) that can eliminate the hot water tank by using hot water, or a planar heating element mainly composed of tungsten or the like is closely arranged, and this surface Various proposals have been made such as an electric water heater (see Patent Document 3) in which a hot water tank is eliminated by flowing water between the heating elements to increase heat exchange efficiency.
しかしながら、このようにガスに代替して電気を水の加熱手段として使用する電気式湯沸器においては、温水タンクを備えたものは装置が大型化し、一方、温水タンクを省略するようにした型式の電気式湯沸器は熱効率を向上させるため構造が複雑化して、従来のガス湯沸器ほど小型で簡単な構成にはならないなどの解決すべき点が指摘されている。
そこでこの発明では、簡単な構成でありながら効率よく水を加熱して所望の温水や熱水を瞬時に得ることができる瞬間式電気湯沸器に適した熱交換構造体の実現を課題とするものである。However, in the electric water heater that uses electricity as a means for heating water instead of gas in this way, the type equipped with a hot water tank is larger in size, while the hot water tank is omitted. It has been pointed out that the electric water heater of this type has a complicated structure in order to improve thermal efficiency, and that it is not as compact and simple as a conventional gas water heater.
Therefore, an object of the present invention is to realize a heat exchange structure suitable for an instantaneous electric water heater that can efficiently obtain desired hot water or hot water by heating water efficiently with a simple configuration. Is.
ところで、発明者は、金属酸化物を加えた錫混合物に有機溶剤で溶解した鉛混合物および還元剤を加えて加熱し、さらにこの加熱混合物に増粘剤と還元剤を加えて再度加熱し、バインダーを加えてこれをテープ状に形成した半導体発熱機能材を開発している。 By the way, the inventor added a lead mixture and a reducing agent dissolved in an organic solvent to a tin mixture to which a metal oxide was added and heated, and further added a thickener and a reducing agent to the heated mixture and heated again, and a binder. In addition, we are developing a semiconductor heat generating functional material that is formed into a tape shape.
そしてこの半導体発熱機能材は、金属酸化物を組み合わせた半導体への通電により電子を衝突させて安定的に発熱させるメカニズムを採用しているので小電力で高温の熱を迅速に得られ、防火性に優れているだけでなく、150℃以上の高温にしたときに火薬や燃焼性ガスに触れても発火することがない、熱転換率も93%と非常に高効率で格段の節電効果を得ることができ、また極性がないので交流・直流のいずれも電源として使用でき、予め発熱上限温度を設定することができ、さらにはRoHS規制をクリアできるなど種々の効果が確認されている。 And this semiconductor heat generating functional material adopts a mechanism that causes electrons to collide by energizing a semiconductor combined with metal oxide and stably generate heat, so it can quickly obtain high temperature heat with low power and fire resistance In addition to excellent heat resistance, it does not ignite even when exposed to explosives or flammable gases when heated to a high temperature of 150 ° C. or higher, and the heat conversion rate is 93%, which provides a very efficient power saving effect. In addition, since there is no polarity, both AC and DC can be used as a power source, a heat generation upper limit temperature can be set in advance, and various effects such as being able to clear the RoHS regulation have been confirmed.
そこで、この発明では電気絶縁性を備える熱交換プレートの一側面に通水路を設けるとともに他側面に半導体発熱機能材を配設し、この半導体発熱機能材に通電することにより熱交換プレートを介して通水路を流通する水を加熱する構成を採用した熱交換構造体を提供することを特徴とするものである。 Therefore, in the present invention, a water passage is provided on one side surface of the heat exchange plate having electrical insulation, and a semiconductor heat generating functional material is disposed on the other side surface, and the semiconductor heat generating functional material is energized through the heat exchange plate. The present invention provides a heat exchange structure that employs a configuration for heating water flowing through a water passage.
この場合、熱交換プレートとしては、外側面に電気絶縁被覆を施し熱伝導性に優れた金属板を使用するのが好ましく、さらに詳細には、外側面を電気絶縁性のセラミックで被覆することにより充分な強度も兼ね備えたアルミ合金板を使用するのが好適である。 In this case, as the heat exchange plate, it is preferable to use a metal plate having an electrically insulating coating on the outer surface and excellent thermal conductivity, and more specifically, by coating the outer surface with an electrically insulating ceramic. It is preferable to use an aluminum alloy plate having sufficient strength.
なお、熱交換プレートとしては、電気絶縁性を備える金属板に代替して、例えば、ソーダガラス又は強化ガラスなどのガラス板も好適に使用することができる。 As the heat exchange plate, for example, a glass plate such as soda glass or tempered glass can be suitably used instead of a metal plate having electrical insulation.
また、半導体発熱機能材としては、有機溶剤で溶解した主材としての酸化錫に金属酸化物を加えて混合し、この錫混合物に有機溶剤で溶解した酸化鉛と塩化鉛との鉛混合物および還元剤を加えて150℃〜250℃に加熱し、得られた加熱混合沈澱物に増粘剤と還元剤を加えて再度200℃程度に加熱したのちバインダーを加えて展延することによりテープ状発熱基材を形成し、さらにこのテープ状発熱基材に電極を付設するとともに耐熱防水被覆して構成したシート状の半導体発熱機能材を使用する。 Moreover, as a semiconductor heat generating functional material, a metal oxide is added to and mixed with tin oxide as a main material dissolved in an organic solvent, and this tin mixture is mixed with lead oxide and lead chloride dissolved in an organic solvent and reduced. Add the agent and heat to 150 ° C to 250 ° C. Add the thickener and reducing agent to the resulting heated mixed precipitate and heat it to about 200 ° C. A sheet-like semiconductor heat generating functional material is used which is formed by forming a base material, further attaching electrodes to the tape-like heat generating base material, and heat-resistant and waterproofing.
この場合、シート状半導体発熱機能材を重畳して使用すれば、消費電力を変えることなく発熱温度を上昇させることができるのでさらに節電を図ることができる。 In this case, if the sheet-like semiconductor heat generating functional material is used in an overlapping manner, the heat generation temperature can be increased without changing the power consumption, so that further power saving can be achieved.
さらに半導体発熱機能材としては、有機溶剤で溶解した主材としての酸化錫に金属酸化物を加えて混合し、この錫混合物に有機溶剤で溶解した酸化鉛と塩化鉛との鉛混合物および還元剤を加えて150℃〜250℃に加熱したのち得られた加熱混合物の一部と酸化錫と酸化亜鉛との溶解混合物を再度加熱して得られた発熱基材を熱交換プレートの一側面に蒸着して電極を付設することにより構成した蒸着形半導体発熱機能材も好適に使用することができる。 Further, as a semiconductor heat generating functional material, a metal oxide is added to and mixed with tin oxide as a main material dissolved in an organic solvent, and a lead mixture of lead oxide and lead chloride dissolved in an organic solvent and a reducing agent are mixed with this tin mixture. After heating to 150 ° C to 250 ° C with a part added, a heating base obtained by reheating a part of the heating mixture obtained and a dissolved mixture of tin oxide and zinc oxide is deposited on one side of the heat exchange plate Thus, a vapor deposition type semiconductor heat generating functional material constituted by attaching electrodes can also be suitably used.
このように構成される熱交換構造体は、小電力で温水や熱水を瞬時に得ることができるので瞬間式電気湯沸器として好適に構成することができる。 Since the heat exchange structure configured in this way can obtain hot water or hot water instantaneously with a small electric power, it can be suitably configured as an instantaneous electric water heater.
本発明に係る熱交換構造体およびこの熱交換構造体を使用した電気式瞬間湯沸器によれば;
(1)構造が簡単なので小型化でき、設置場所も限定されることがないのでガス湯沸器との代替を好適に行うことができる。
(2)流水を短時間にしかも効率的に熱交換(加熱)することができるので水道直圧で使用することができる。
(3)小電力で高温の熱を迅速に得ることができ、しかも熱変換効率が高いので電力の使用量を大幅に低減することができ、ランニングコストもガス給湯型と同レベル以下となり、さらには二酸化炭素CO2の削減にも極めて有効である、
などの優れた効果を奏するものである。According to the heat exchange structure according to the present invention and the electric instantaneous water heater using this heat exchange structure;
(1) Since the structure is simple, it can be miniaturized and the installation location is not limited, so that it can be suitably replaced with a gas water heater.
(2) Since flowing water can be heat exchanged (heated) efficiently in a short time, it can be used at a direct water pressure.
(3) High-temperature heat can be obtained quickly with low electric power, and since the heat conversion efficiency is high, the amount of electric power used can be greatly reduced, and the running cost is below the same level as the gas hot water supply type. Is extremely effective in reducing carbon dioxide CO2.
It has excellent effects such as.
次に、本発明を実施するための最良の形態として、本発明に係る熱交換構造体を組み込んだ電気湯沸器を例示し、添付図面を参照しながら以下詳細に説明する。 Next, as the best mode for carrying out the present invention, an electric water heater incorporating the heat exchange structure according to the present invention will be exemplified, and will be described in detail below with reference to the accompanying drawings.
図1及び図2において、電気式湯沸器10は、内部に配設した熱交換構造体12の給水口14は図示しないバルブを介して水道などの上水管16が直結されており、また、熱交換構造体12の吐出口18には湯水供給管20が接続されている。 1 and 2, in the
熱交換構造体12は、電気絶縁性を有する2枚の熱交換プレート22、22の対向する側面につづら形に形成した通水路24を設けるとともに各熱交換プレート22、22の外側面にはシート状の半導体発熱機能材26を配設し、このシート状半導体発熱機能材26に通電することにより熱交換プレート22を加熱してつづら形通水路24を流通する水と熱交換させることにより所望の熱水を得る構成となっている。 The
この場合、熱交換プレート22の素材としては熱伝導性に優れるだけでなく加工性も良いアルミ合金板22aを使用すれば、つづら形通水路24を容易に成形加工することができるので好適であり、またこのアルミ合金板22aの外側面はセラミック28で被覆することにより電気絶縁性を確保するとともに急激な熱変形にも充分耐え得る強度を備えるものを使用する。 In this case, if the
一方、シート状半導体発熱機能材26は、有機溶剤で溶解した主材としての酸化錫に、例えば、アルミナ、アンチモンなどの金属酸化物を加えて混合し、この錫混合物に有機溶剤で溶解した酸化鉛と塩化鉛との鉛混合物および還元剤を所定の割合で加えて150℃〜250℃に加熱し、得られた加熱混合沈澱物に増粘剤と還元剤を加えて再度200℃程度に加熱したのち、例えば、フッ素樹脂などのバインダーを加えて展延することによりテープ状発熱基材を形成し、さらに前記テープ状発熱基材に電極を付設するとともに、例えば、ポリイミドなどの合成樹脂シートにより耐熱防水被覆することにより形成されている。なお、このシート状半導体発熱機能材26は耐熱性接着剤を使用してつづら形通水路24に沿って貼着されている。
この場合、シート状半導体発熱機能材26は、折り畳んだりあるいは積層するなど重畳して使用するのが好ましい。これはシート状半導体発熱機能材26(A)は、例えば、二つ折り(A/2)、三つ折(A/3)、四つ折(A/4)にして使用すると発熱基材から放射される赤外線などの電磁波を増幅できるので消費電力を変えることなく発熱温度を1.5〜2.1倍以上に上昇させることができるからである(表1参照)。On the other hand, the sheet-like semiconductor heat generating
In this case, it is preferable that the sheet-like semiconductor heat generating
すなわち、幅10mm×長さ280mm、内部抵抗992Ωに設定したシート状半導体発熱機能材26(A)を卓上から15cmの空中に張設し、通電(交流100V)して消費電力とシート状半導体発熱機能材26(A)中間点の表面温度を熱電対により経時的に計測し、同様の条件で二つ折り(A/2)、三つ折(A/3)、四つ折(A/4)の表面温度も経時的に計測した。
そして通電5分〜10分の表面の平均温度(℃)とその温度上昇率を求めたところ以下の結果を得た。That is, a sheet-like semiconductor heat generating functional material 26 (A) set to a width of 10 mm × length of 280 mm and an internal resistance of 992Ω is stretched in the air 15 cm from the desktop and energized (AC 100 V) to consume power and generate the sheet-like semiconductor heat. The surface temperature of the functional material 26 (A) is measured with a thermocouple over time, and the surface is folded in two (A / 2), three (A / 3), and four (A / 4) under the same conditions. The temperature was also measured over time.
And when the average temperature (degreeC) of the surface for 5 minutes-10 minutes of electricity supply and the temperature increase rate were calculated | required, the following results were obtained.
なお、図面において参照符号30は各熱交換プレート22の外側に配設した熱反射材であり、この熱反射材30のさらに外側には断熱材32を配設して、通電により半導体発熱機能材26に発生する熱と通水路26を流通する水との熱交換率の低下を可及的に阻止するよう構成されている。
また、参照符号34は、給水センサー36、プレート温度センサー38および給湯センサー40からの検知信号によって、半導体発熱機能材26の通電制御を行う制御器であり、この制御器34には湯温調整器42が付設されている。In the drawings,
このように構成される電気湯沸器10は商用電源(交流100V)に接続して使用するが、加熱手段である半導体発熱機能材26には極性がないので直流電源でも使用することができることは言うまでもない。 The
商用電源に接続して具体的に使用するに際しては、水道などの上水管16のバルブを緩めて水を熱交換構造体12の通水路24に流すとともに、図示しないスイッチを入れ、商用電源から半導体発熱機能材26に電力を供給することにより、半導体発熱機能材26を、例えば、150℃程度に発熱させ、アルミ合金板(熱交換プレート)22a、22aを介して通水路24を流れる水との熱交換を行って加熱する。 When specifically connected to a commercial power source, the valve of the
この場合、通常のアルミ合金板であれば半導体発熱機能材26の急激な温度上昇により熱変形してしまうが、本実施の形態では、アルミ合金板(熱交換プレート)22a、22aの表面をセラミック28で被覆して熱変形をきわめて小さく押さえるとともに増強してあるのでこのような不都合を可及的に回避することができる。 In this case, if it is a normal aluminum alloy plate, it is thermally deformed due to a rapid temperature rise of the semiconductor heat generating
また、アルミ合金板(熱交換プレート)22a、22aは熱伝導性に優れた素材であるため、その温度上昇は熱反射材30および断熱材32との相乗補完作用によって無駄なく通水路24を流れる水を温めるために用いられることになるので、流水を短時間に高効率で熱湯とすることが可能になる。したがって、上水管16からの水量調節を行うことにより、湯水供給管20から流れる温水や熱水の温度を広範囲に調節することができる。
また、通水路24を流れる水量に応じて電源電圧を制御することにより、湯水供給管20からの温水や熱水の温度を一定に保つことも容易におこなうことができる。従って、バルブを緩め熱交換構造体12の通水路24に水を流し始めた当初に冷たい水が流れたり、バルブを閉めたときに湯が高温のまま流れ出るなどの不都合も防止することができる。Moreover, since the aluminum alloy plates (heat exchange plates) 22a and 22a are materials having excellent heat conductivity, the temperature rise flows through the
Further, by controlling the power supply voltage in accordance with the amount of water flowing through the
一方、図3は、セラミック28を被覆して電気絶縁性を付与したアルミ合金板22aの外側面に発熱基材44を蒸着して薄膜状に形成することより半導体発熱機能材46を構成した別の実施の形態である。
この実施の形態のごとく、シート状半導体発熱機能材26に代替して蒸着形半導体発熱機能材46を使用することにより、製造の容易化による大量生産を図ることが可能となり、製造コストの低減とともにメンテナンスの容易化も併せて達成することができる。On the other hand, FIG. 3 shows another example in which a semiconductor heat generating functional material 46 is formed by depositing a heat
As in this embodiment, by using the vapor deposition type semiconductor heat generating functional material 46 in place of the sheet-shaped semiconductor heat generating
また、前記発熱基材44は、有機溶剤で溶解した主材としての酸化錫に金属酸化物を加えて混合し、この錫混合物に有機溶剤で溶解した酸化鉛と塩化鉛との鉛混合物および還元剤を加えて150℃〜250℃に加熱したのち得られた加熱混合物の一部と酸化錫と酸化亜鉛との溶解混合物を再度加熱することにより調製され、約450℃程度まで発熱温度を設定することができる。
そしてこの発熱基材44は、アルミ合金板22a(熱交換プレート)の所望箇所、すなわち、アルミ合金板22aに形成したつづら形通水路24と対応する外側面に例えば、真空蒸着法などの手段を使用して薄膜状に蒸着したのちその端部に電極を付設することにより加熱手段として構成される。なお、この場合、薄膜状に蒸着した発熱基材44の厚み寸法を適宜調整することにより、前述のシート状半導体発熱機能材を重畳して使用した時と同様に消費電力を変えることなく発熱温度を上昇させることができることは言うまでもない。In addition, the heat
The
以上、本発明の熱交換構造体を瞬間式電気湯沸器に応用する場合の実施の態様につき説明したが、本発明はこの実施の態様に限定されるものではなく、例えば、熱交換プレートの素材として、ソーダガラス又は強化ガラスなどを素材とするガラス板を使用したり、つづら形通水路を厚み方向に重畳して配設することにより熱交換効率の更なる向上化を図ったり、さらには、貯湯タンクと組み合わせて大容量の給湯にも対処できるように構成するなどは設計変更の範疇に属するものである。 As mentioned above, although the embodiment in the case of applying the heat exchange structure of the present invention to an instantaneous electric water heater has been described, the present invention is not limited to this embodiment, for example, a heat exchange plate Use a glass plate made of soda glass or tempered glass as the material, or further improve the heat exchange efficiency by arranging the zigzag water passages in the thickness direction, and further In addition, a configuration that can cope with hot water supply of large capacity in combination with a hot water storage tank belongs to the category of design change.
先に述べたように、本発明に係る熱交換構造体は、液体などの流体を簡単な構成で効率よくしかも小電力で加熱することができるので、湯沸器だけでなく、急速に流体(液体)を加熱したりあるいは閉鎖雰囲気の加熱、保温などの用途も含め、広範囲な産業分野に利用することが可能となるものである。 As described above, the heat exchange structure according to the present invention can heat a fluid such as a liquid with a simple configuration efficiently and with low power, so that not only a water heater but also a fluid ( It can be used in a wide range of industrial fields, including applications such as heating (liquid), heating in a closed atmosphere, and heat retention.
10・・電気式湯沸器
12・・熱交換構造体
14・・給水口
16・・上水管
18・・吐出口
20・・湯水供給管
22・・熱交換プレート(22a・・アルミ合金板)
24・・つづら形通水路
26・・シート状半導体発熱機能材
28・・セラミック被覆
30・・熱反射材
32・・断熱材
34・・制御器
36・・給水センサー
38・・プレート温度センサー
40・・給湯センサー
42・・湯温調整器
44・・発熱基材
46・・蒸着形半導体発熱機能材10 ....
24 ..
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