JP2014086649A - 熱電変換モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮性流体を流す管体を薄肉化した場合においても、上下面の平坦度を確保することができる、熱電変換モジュールを提供する。
【解決手段】圧縮性流体を流すための筒状の管体１１と、管体の上面側及び下面側それぞれに配設され、管体と電気的に絶縁された高温側電極部と、高温側電極部上に配設された熱電変換素子と、熱電変換素子上に配設された低温側電極部と、管体、高温側電極部、熱電変換素子、及び低温側電極部を収納するためのケース部材１５とを具え、圧縮性流体の流路方向と略垂直な方向であって、熱電変換素子の非形成領域において、管体の上管壁及び下管壁の少なくとも一方が、管体の下管壁及び上管壁の少なくとも一方と当接するように凹んでリブ２３を形成し、高温側電極部及び低温側電極部の少なくとも一方は、リブに起因して形成された凹部を跨ぐようにして形成されたブリッジ状電極２５を含むように熱電変換モジュールを構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば各種産業機器及び自動車等の排ガス等の圧縮性流体の廃熱を熱源とする、熱電変換モジュールに関する。

従来の熱電変換モジュールは、複数のｐ型熱電半導体及びｎ型熱電半導体の上下面、すなわち高温熱源側の面及び低温熱源側の面に電極を配設して電気回路を構成し、さらに上記電極の外側両面にセラミックスなど電気絶縁板を備える構造が一般的である。

一方、近年においては、上記熱電変換モジュールにおいて、高温熱源として各種産業機器及び自動車等の排ガス等の圧縮性流体の廃熱を利用することが試みられている（例えば、特許文献１〜２参照）。

圧縮性流体から効率よく受熱するためには、上記熱電変換モジュールの圧縮性流体が流れる管体、すなわちエクゾースト管の管壁は薄い方がよい。しかしながら、管体の管壁を薄くすると、当該管壁が変形するため管壁を薄くすることができないでいた。このため、圧縮性流体からの受熱が悪くなり、上記熱電変換モジュールの発電効率が低下してしまうという問題があった。

さらに、管体には温度分布があるため、熱電変換モジュールが均一に膨張せず破壊する恐れがあった。

特開２００７−２２１８９５号 特開２０１０−２４５２６５号

本発明は、熱電変換モジュールにおいて、圧縮性流体を流す管体を薄肉化した場合においても、当該管体の変形及び破損を防止して、特に熱電変換素子を配設する上下面の平坦度を確保することができ、各種産業機器及び自動車等などの排ガス等の圧縮性流体の廃熱等を熱源とする、実用性に富んだ熱電変換モジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明は、
圧縮性流体を流すための筒状の管体と、
前記管体の上面側及び下面側それぞれに配設され、前記管体と電気的に絶縁された高温側電極部と、
前記高温側電極部上において、少なくとも一対のｐ型熱電半導体及びｎ型熱電半導体が電気的に直列に接続された熱電変換素子と、
前記熱電変換素子上において、前記ｐ型熱電半導体及び前記ｎ型熱電半導体を電気的に直列に接続する低温側電極部と、
前記低温側電極部との間に冷媒を流すための空隙を設けるようにして、前記管体、前記高温側電極部、前記熱電変換素子、及び前記低温側電極部を収納するためのケース部材とを具え、
前記圧縮性流体の流路方向と略垂直な方向であって、前記熱電変換素子の非形成領域において、前記管体の上管壁及び下管壁の少なくとも一方が、前記管体の前記下管壁及び前記上管壁の少なくとも一方と当接するように凹んでリブを形成し、
前記高温側電極部及び前記低温側電極部の少なくとも一方は、前記リブに起因して形成された凹部を跨ぐようにして形成されたブリッジ状電極を含むことを特徴とする、熱電変換モジュールに関する。

本発明によれば、例えば各種産業機器及び自動車等の排ガス等の圧縮性流体を流す熱電変換モジュールの管体に、当該管体の上管壁及び下管壁の少なくとも一方が、管体の下管壁及び上管壁の少なくとも一方と当接するように凹んでリブを形成するようにしている。したがって、上記管体を薄肉化し、管体内を流れる圧縮性流体の熱を管体の上下面に配設した熱電変換素子に効率良く伝達させようとした場合においても、リブが管体上下面の支持部材として機能するようになるので、管体の剛性を高く保持することができる。

なお、リブの形態は、管体の下管壁及び上管壁の少なくとも一方に当接させる側を狭窄して曲げ加工部の頂部を構成し、管体の下管壁及び上管壁に当接しない側を開口させるように凹ませ、凹み部分が空間として残存させるようにすることもできるし、管体の下管壁及び上管壁の少なくとも一方に当接させる側を狭窄して曲げ加工部の頂部を構成し、管体の下管壁及び上管壁に当接しない側を閉口させるように凹ませ、リブの両側壁面が接触及び密着し、凹み部分に空間が残存しないようにすることもできる。この場合、後者の形態におけるリブの方の強度が増大するので、管体の剛性をより高く保持することができる。

結果として、管体の上下面の変形を抑制することができ、当該上下面の平坦度を向上させることができる。このため、管体の上下面に高温側電極部を密着させることができ、さらに熱電変換素子を、高温側電極部を介して密着させることができるので、管体を薄肉化した場合においても、当該管体内を流れる圧縮性流体の熱を効率良く伝達することができる。

一方、管体にリブを形成した場合においては、管体の上下面において、当該リブの非形成領域、すなわちリブを中心とした両側に熱電変換素子を構成するｐ型半導体素子及びｎ型半導体素子を配列し、さらに、リブを跨ぐようにして、ｐ型半導体素子及びｎ型半導体素子を電気的に直列に接続する高温側電極部及び低温側電極部を配設する。

この場合、特に高温側電極部は管体に直接接触しているので、管体内を流れる圧縮性流体の熱の影響を受けやすく、通常のような板状の電極から構成した場合においては、高温側電極部の熱膨張によって特にリブ近傍に応力集中が生じ、部分的に断裂等、破損してしまう場合がある。したがって、管体上に配設した熱電変換素子の全体から、生成した電流を取り出すことができない場合がある。

しかしながら、本発明においては、リブの両側に高温側電極部を分割配置し、これら２つの分割高温側電極部間を、上記リブを跨ぐようにしてブリッジ状の電極で接続するようにしている。ブリッジ状電極は、例えば薄板、板ばね状の電極部材、銅線、銅の撚り線等から構成することができるので柔軟性に富み、上述のように高温側電極部が膨張した場合においても、上記ブリッジ状電極は容易に変形することができる。したがって、高温側電極部の熱膨脹による応力集中に起因した、当該高温側電極部の部分的な断裂等の破損を防止することができる。この結果、管体上に配設した熱電変換素子の全体から、生成した電流を取り出すことができなくなるという問題を回避することができる。

なお、ブリッジ状電極は、高温側電極部の一部を構成するので、本願発明においては、当該高温側電極部の構成要素に含めている。

本発明の一例において、上記高温側電極部は、順次に積層された第１の金属層／絶縁層／第２の金属層の３層構造とし、ブリッジ状電極は、第２の金属層と電気的に接続するようにして形成することができる。

高温側電極部は、管体と電気的に絶縁するようにして配設するが、管体及び高温側電極部は、一般に金属体からなるので、管体と高温側電極部との間に絶縁体（絶縁層）を直接配設すると、特に絶縁体と管体との密着性（接合性）が悪く、これらの間に隙間を形成して管体から高温側電極部への伝熱を十分に行うことができない場合がある。

しかしながら、上述のような３層構造とすることにより、第１層目に位置する第１の金属層は管体と接触することになるが、両者ともに金属体からなるので、これら間の密着性（接合性）が向上し、両者の間に隙間を形成することがない。したがって、管体から高温側電極部への伝熱性が向上する。

なお、高温側電極部を上述のように３層構造とした場合、上記ブリッジ状電極は最上層に位置する第２の金属層と接続するようにする。これによって、高温側電極部の熱膨脹による応力集中に起因した、当該高温側電極部の部分的な断裂等の破損をより効果的に防止することができる。

以上、本発明によれば、熱電変換モジュールにおいて、圧縮性流体を流す管体を薄肉化した場合においても、当該管体の変形及び破損を防止して、特に熱電変換素子を配設する上下面の平坦度を確保することでき、各種産業機器及び自動車等などの排ガス等の圧縮性流体の廃熱等を熱源とする、実用性に富んだ熱電変換モジュールを提供することができる。

実施形態の熱電変換モジュールの一例を概略的に示す斜視図である。 図１に示す熱電変換モジュールのＩ−Ｉ線に沿った断面図である。 図１に示す熱電変換モジュールのII-II線に沿った断面図である。 図２に示す熱電変換モジュールのリブ近傍を拡大して示す図である。 図２に示す熱電変換モジュールの管体の製造例を示す図である。

以下、本発明の熱電変換モジュールの詳細並びにその他の特徴について、実施の形態に基づいて説明する。

図１は、本実施形態の熱電変換モジュールの一例を概略的に示す斜視図であり、図２は、図１に示す熱電変換モジュールのＩ−Ｉ線に沿った断面図であり、図３は、図１に示す熱電変換モジュールのII-II線に沿った断面図である。また、図４は、図２に示す熱電変換モジュールのリブ近傍を拡大して示す図である。

図１〜３に示すように、熱電変換モジュール１０は、圧縮性流体を流すための、平坦な上面１１Ａ及び下面１１Ｂを有する筒状の管体１１を有している。管体１１は、その略中央において、管体１１の上壁面１１Ｃが下方に向けて凹み、管体１１の下壁面１１Ｄに当接してリブ２３を形成している。すなわち、管体１１の、上記圧縮性流体の流路方向と略垂直な方向においてリブ２３が形成されている。

上述したリブ２３が形成された管体１１は、例えば、図５に示すように、略中央部に後のリブを形成する外壁面に凹部（溝部）２３Ｘが形成された上部材２１Ｘを準備するとともに、平坦な板状の下部材２１Ｙを準備し、これらの部材を図中丸印で示す箇所で溶接等することにより形成することができる。

なお、本実施形態では、リブ２３を管体１１の略中央部に形成しているが、管体１１の上面１１Ａ又は下面１１Ｂのいずれかの箇所に形成されていれば足りる。但し、管体１１の中央部近傍に形成することにより、以下に説明するように、リブ２３の作用効果をより効果的に奏することができるようになる。

また、本実施形態では、管体１１の上壁面１１Ｃが下方に向けて凹み、管体１１の下壁面１１Ｄに当接してリブ２３を形成しているが、管体１１の下壁面１１Ｄが上方に向けて凹み、管体１１の上壁面１１Ｃに当接することによりリブを形成してもよい。さらに、管体１１の上壁面１１Ｃが下方へ向けて凹むと同時に、下壁面１１Ｄが上方へ向けて凹み、これらの凹み部分が互いに当接することによってもリブを形成することができる。なお、この場合においても、管体１１の中央部近傍にリブを形成することにより、以下に説明するように、リブの作用効果をより効果的に奏することができるようになる。

図２では、リブ２３の、管体１１の上壁面１１Ｃ側を開口させて、リブ２３内に空間が形成されるような構造としているが、当該部分を閉口させて、リブ２３の両側壁面を接触及び密着させ、上述のような空間が形成されないような構造とすることもできる。この場合、リブ２３の強度がより向上するので、以下に説明するように、リブの作用効果をより効果的に奏することができるようになる。

管体１１の上面１１Ａ及び下面１１Ｂには、管体１１と電気的に絶縁された高温側電極部１２，１２が、リブ２３の両側に分割されて配設されている。分割された高温側電極部１２，１２は、リブ２３を跨ぐようにして形成されたブリッジ状電極２５によって電気的に接続されている。

また、分割された高温側電極部１２，１２上には、リブ２３の形成領域を除いて、ｐ型熱電半導体１３１及びｎ型熱電半導体１３２が互いに隣接するようにしてマトリックス状に配設されるとともに、分割された高温側電極部１２，１２によって電気的に直列に接続された熱電変換素子１３，１３が配設されている。さらに、熱電変換素子１３，１３上には、ｐ型熱電半導体１３１及びｎ型熱電半導体１３２を電気的に直列に接続する低温側電極部１４，１４が配設されている。

管体１１、高温側電極部１２，１２、熱電変換素子１３，１３、及び低温側電極部１４，１４は、気密に保持されたケース部材１５中に収納され、低温側電極部１４，１４とケース部材１５との間には、ケース部材１５（熱電変換モジュール１０）の外部に設けられた、冷媒の導入口１８及び排出口１９を通じて、ケース部材１５（熱電変換モジュール２０）の上壁面１５Ａ及び下壁面１５Ｂで形成される空間内に冷媒を導入及び排出して、低温側電極部１４，１４を冷却するための空隙１６が形成されている（図３参照）。

また、図３に示すように、空隙１６中の、冷媒の導入口１８及び排出口１９と相対する側には、冷媒からの冷熱を低温側電極部１４，１４に効率良く伝達するための冷却フィン１６Ａが配設されている。

なお、ケース部材１５は、図１及び図３に示すように、II-II方向の断面において、高温側電極部１２，１２、熱電変換素子１３、１３、及び低温側電極部１４、１４が収納され、冷媒を流すための空隙１６が形成された部分が最も厚くなっており、当該部分から外方に向けてステップ状に薄くなるように構成されている。

また、ケース部材１５の、高温側電極部１２、１２、熱電変換素子１３，１３、及び低温側電極部１４，１４を収納した空間は、真空排気されて真空状態に保持されている。

なお、管体１１の上面２１Ａ及び下面２１Ｂに高温側電極部１２，１２が当接しており、ケース部材１５の、冷媒を流すための空間を形成している上壁面１５Ａに対抗する下壁面１５Ｂに低温側電極部１４，１４が当接しているが、いずれか一方をろう材等で接合してもよい。

このとき、熱電変換素子１３，１３等を収納した上記空間を真空にすることによって、ケース部材１５の下壁面１５Ｂが熱電変換素子１３，１３を加圧して、上述した当接部の密着性が向上する。

なお、上述した当接部には、緩衝材や予備材等を管体１１の上面１１Ａ及び下面１１Ｂと高温側電極部１２，１２との間、並びにケース部材１５の下壁面１５Ｂと低温側電極部１４，１４との間に挟み込まれるようにして配設することもできる。

さらに、ケース部材１５（熱電変換モジュール１０）には、熱電変換素子１３，１３にて発生した電流を外部に取り出すための電極端子１７，１７が、図示しないリード線を介して熱電変換素子１３，１３と電気的に接続されている。

図１〜３に示す熱電変換モジュール１０においては、管体１１内に各種産業機器及び自動車等の排ガス等の圧縮性流体を導入し、当該圧縮性流体の廃熱によって管体１１の上面１１Ａ及び下面１１Ｂを加熱する。一方、ケース部材１５の空隙１６中には冷媒を導入する。管体１１の上面１１Ａ及び下面１１Ｂを加熱した熱は高温側電極部１２，１２を介して熱電変換素子１３，１３の下方に伝達され、熱電変換素子１３，１３の下部を加熱する。一方、空隙１６内に導入された冷媒からの冷熱は低温側電極部１４，１４を介して熱電変換素子１３，１３の上方に伝達され、熱電変換素子１３，１３の上部を冷却する。

その結果、熱電変換素子１３，１３には、ゼーベック効果によって起電力が生じ、この起電力によって、熱電変換素子１３，１３を構成するｐ型熱電半導体１３１及びｎ型熱電半導体１３２を電気的に直列に接続した高温側電極部１２，１２及び低温側電極部１４，１４を通じて、熱電変換素子１３，１３の全体に亘って電流が流れるようになり、当該電流は、図示しないリード線を介して、電極端子１７，１７から熱電変換モジュール１０の外部に取出される。

管体１１は、以下に説明するように薄肉化した場合においても十分な剛性を有し、各種産業機器及び自動車等の排ガス等の圧縮性流体を流し、この圧縮性流体に含まれる腐食性ガスに対して抗することができるように、例えばステンレス鋼から構成する。

高温側電極部１２，１２及び低温側電極部１４，１４は、耐熱性及び機械的強度に優れるとともに、比較的高い導電性を示すことが要求され、例えば、Ｍｏ，Ｃｕ，Ｗ，Ｔｉ，Ｎｉおよびこれらの合金あるいはステンレス鋼などから構成することができる。なお、電極端子１７，１７も同様の材料から構成することができる。

また、ブリッジ状電極２５は、例えば、薄板、板ばね状の電極部材、銅線、銅の撚り線等の柔軟性に富んだ電極材料から構成することが好ましい。

熱電変換素子１３，１３を構成するｐ型熱電半導体１３１及びｎ型熱電半導体１３２は熱伝導率が低く、高温側及び低温側で大きな温度差を得、ゼーベック効果により大きな電位差を生成する材料から構成することが好ましく、例えば、Ｂｉ−Ｔｅ系，Ｐｂ−Ｔｅ系，Ｓｉ−Ｇｅ系，あるいはＭｇ−Ｓｉ系等の半導体材料から構成する。

また、ケース部材１５は、熱電変換モジュール１０を搭載する各種産業機器及び自動車等の軽量化、耐食性及び剛性の観点から、例えばＭｇ，Ａｌ、Ｍｏ，Ｃｕ，Ｗ，Ｔｉ，Ｎｉ，Ｆｅ，ステンレス鋼あるいはこれらの合金から構成することができる。

なお、図示しない以下に説明するリード線は、電気的良導体、例えばＣｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｎｉ，Ｆｅおよびこれらの合金等から構成することができる。

上述した起電力、すなわち熱電変換効率は、熱電変換素子１３，１３の上下における温度差が大きくなるにつれて高くなるので、熱電変換素子１３，１３の下部は熱電変換素子１３，１３を構成するｐ型熱電半導体１３１及びｎ型熱電半導体１３２が破損しない限りにおいて高温に加熱されることが望ましい。

したがって、図１〜３に示す熱電変換モジュール１０においては、管体１１を構成する材料、例えばステンレス鋼等の厚さを可能な限り薄く、例えば０．５ｍｍ程度とし、管体１１内を流れる圧縮性流体の廃熱を熱電変換素子１３，１３の下部に効率良く伝達する。

一方、本実施形態の熱電変換モジュール１０においては、管体１１の圧縮性流体の流路と垂直な幅方向の略中央部において、管体１１の上管壁１１Ｃが、管体１１の下管壁１１Ｄに当接するように凹んでリブ２３を形成するようにしている。したがって、管体１１を薄肉化し、管体１１内を流れる圧縮性流体の熱を管体の上下面に配設した熱電変換素子１３，１３に効率良く伝達させようとした場合においても、リブ２３が支持部材として作用するようになるので、管体１１の剛性を高く保持することができる。

したがって、管体１１の上下面１１Ａ及び１１Ｂの変形を抑制することができ、上下面１１Ａ及び１１Ｂの平坦度を向上させることができる。このため、管体１１の上下面１１Ａ及び１１Ｂに高温側電極部１２，１２を密着させることができ、さらに熱電変換素子１３，１３を、高温側電極部１２，１２を介して密着させることができるので、管体１１を薄肉化した場合においても、管体１１内を流れる圧縮性流体の熱を効率良く伝達することができる。

管体１１を薄肉化した場合、高温側電極部１２，１２は管体１１に直接接触しているので、管体１１内を流れる圧縮性流体の熱の影響を受けやすく、熱膨張し易くなるが、本実施形態の熱電変換モジュール１０においては、リブ２３の両側に配設した分割された高温側電極部１２，１２間を、リブ２３を跨ぐようにしてブリッジ状電極２５で接続するようにしている。

上述のように、ブリッジ状電極２５は、例えば板ばね状の電極部材等の柔軟性に富んだ電極材料から構成しているので、上述のようにリブ２３の両側に配設された分割高温側電極部１２，１２が熱膨張した場合においても、ブリッジ状電極２５は容易に変形することができる。したがって、分割された高温側電極部１２，１２の熱膨脹をブリッジ状電極２５によって吸収することができるので、リブ２３の両側に配設された分割された高温側電極部１２，１２の断線等を防止することができ、熱電変換素子１３，１３の全体から、生成した電気エネルギーを熱電変換モジュール１０の外部に取り出すことができなくなるという問題を回避することができる。

なお、本実施形態の熱電変換モジュール１０と異なり、高温側電極部１２，１２をリブ２３の両側に分割させず、リブ２３を跨ぐようにして連続的に形成した場合は、管体１１の温度の不均一性に基づく熱膨張の不均一性に起因する熱応力により、リブ２３に過度に応力集中が生じ、高温側電極部１２，１２及び熱電変換素子１３，１３間で破損し易くなる。この結果、管体１１上に配設した熱電変換素子１３，１３の全体から、生成した電気エネルギーを取り出すことがより困難になる。

図４に示すように、高温側電極部１２，１２は、順次に積層された第１の金属層／絶縁層／第２の金属層の３層構造とし、ブリッジ状電極２５は、第２の金属層と電気的に接続するようにして形成することができる。

高温側電極部１２，１２は、管体１１と電気的に絶縁するようにして配設するが、管体１１及び高温側電極部１２，１２は、上述のように金属体からなるので、管体１１と高温側電極部１２，１２との間に絶縁体（絶縁層）を直接配設すると、特に絶縁体と管体１１との密着性（接合性）が悪く、高温側電極部１２，１２を管体１１上に安定的に配置することができない。

しかしながら、上述のような３層構造とすることにより、第１層目に位置する第１の金属層は、管体１１と接触することになるが、両者ともに金属体からなるので、これら間の密着性（接合性）を向上させることができる。したがって、高温側電極部１２，１２を管体１１上に安定的に配置することができるようになる。同様に、低温側電極部１４，１４のケース部材１５の下壁面１５Ｂとの密着性（接合性）も向上する。

高温側電極部１２，１２を上述のように３層構造とした場合、ブリッジ状電極２５は最上層に位置する第２の金属層と接続するようにする。これによって、高温側電極部１２，１２をリブ２３の両側に分割配置した場合においても、分割された高温側電極部１２，１２の熱膨張による変形をブリッジ状電極２５の変形によって吸収することができるので、分割された高温側電極部１２，１２間の断線等を防止することができる。その結果、熱電変換素子１３，１３の全体から、生成した電気エネルギーを熱電変換モジュール１０の外部に取り出すことができなくなるという問題を回避することができる。

なお、ブリッジ状電極２５は、上述のように高温側電極部１２，１２のみでなく、低温側電極部１４，１４にも形成することができる。

第１の金属層及び第２の金属層は、Ａｌ，Ｃｕ，Ｎｉあるいはこれらの合金から構成することができ、絶縁層は、アルミナ、窒化ケイ素等の絶縁性セラミックから構成することができる。

以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。

１０ 熱電変換モジュール
１１ 管体
１２ 高温側電極部
１３ 熱電変換素子
１４ 低温側電極部
１５ ケース部材
１６ （低温側電極部及びケース部材間の）空隙
１７ 電極端子
１８ 冷媒導入口
１９ 冷媒排出口
２３ リブ
２５ ブリッジ状電極

Claims (2)

1. 圧縮性流体を流すための筒状の管体と、
   前記管体の上面側及び下面側それぞれに配設され、前記管体と電気的に絶縁された高温側電極部と、
   前記高温側電極部上において、少なくとも一対のｐ型熱電半導体及びｎ型熱電半導体が電気的に直列に接続された熱電変換素子と、
   前記熱電変換素子上において、前記ｐ型熱電半導体及び前記ｎ型熱電半導体を電気的に直列に接続する低温側電極部と、
   前記低温側電極部との間に冷媒を流すための空隙を設けるようにして、前記管体、前記高温側電極部、前記熱電変換素子、及び前記低温側電極部を収納するためのケース部材とを具え、
   前記圧縮性流体の流路方向と略垂直な方向であって、前記熱電変換素子の非形成領域において、前記管体の上管壁及び下管壁の少なくとも一方が、前記管体の前記下管壁及び前記上管壁の少なくとも一方と当接するように凹んでリブを形成し、
   前記高温側電極部及び前記低温側電極部の少なくとも一方は、前記リブに起因して形成された凹部を跨ぐようにして形成されたブリッジ状電極を含むことを特徴とする、熱電変換モジュール。
2. 前記高温側電極部は、順次に積層された第１の金属層／絶縁層／第２の金属層の３層構造であり、前記ブリッジ状電極は、前記第２の金属層と電気的に接続するようにして形成されたことを特徴とする、請求項１に記載の熱電変換モジュール。

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