JP4551454B2 - 過給空気冷却器 - Google Patents

Description

本発明は請求項１の前文に記載された過給空気冷却器に関するものである。

車輌の過給式燃焼機関に供給できる空気量は、空気圧力のみならず空気温度によって決まる。過給式燃焼機関に最大可能空気量を供給するには、燃焼機関へ導く前の圧縮した空気を過給空気冷却器で冷却することが必要とされる。この過給空気冷却器は、通常、車輌の従来形式のラジエータの前方に配置される。過給空気冷却器は、通常、２つのタンクと、それらのタンクを連結する平行に配列された複数のチューブ部材とを含む。平行なチューブ部材は、周囲の冷たい空気がチューブ部材の間隙を流れてチューブ部材内部の圧縮された空気を冷却できるように、互いに間隔を隔てて配列される。圧縮された空気は周囲空気の温度に多少とも等しい温度にまで冷却される。

車輌の過給空気冷却器は、通常、比較的良好な効率を得るように寸法を定められる。大気温度が冷たく、および（または）空気湿度が非常に高い或る環境では、過給空気冷却器内の圧縮空気は空気の露点よりも低い温度にまで冷却されることになる。圧縮空気中の水蒸気が凝縮する結果、過給空気冷却器内部に液体状態の水が溜まることになる。周囲空気の温度が非常に低い場合には、液体状態の水は過給空気冷却器内部で凍結して氷になる危険もある。これは、冷却器が凍結する結果として燃焼機関に対する空気供給が不足するならば、運転不良を引起す。車輌が冷間状態から始動されるときには、車輌の触媒を早急に暖めることのできるより高温の排気ガスを燃焼機関が初期に発生できるようにするために、過給式燃焼機関に導かれる圧縮空気の冷却を当初は軽減することも有利である。

ＧＢ１２５５９５６は、燃焼機関に導かれる前に圧縮空気を冷却する過給空気冷却器について言及している。その過給空気冷却器は調整可能なバルブを備えたバイパス・ラインを含み、圧縮空気の少なくとも望まれる部分量を過給空気冷却器をバイパスさせて冷却することなく導くことができるようになされている。圧縮空気のこの未冷却部分量と冷却済み部分量はその後、燃焼機関へ導かれる前に混合される。圧縮空気の適当な部分量を冷却することは、燃焼機関に導かれる空気の温度を所望値となるように制御できるようにする。

本発明の目的は、簡単且つ信頼できる方法で過給空気冷却器を通る圧縮空気の流量を制御して、燃焼機関に実質的に常に最適温度の圧縮空気を供給できるように構成された過給空気冷却器を提供することである。

この目的は、請求項１の特徴の記載部分で指摘した内容を特徴とする冒頭に記載した種類の過給空気冷却器によって達成される。さまざまな位置に設定することのできる少なくとも１つのそのような制御要素の使用が、チューブ状部分を通る圧縮空気の流量の効率的且つ正確な制御を可能にする。圧縮空気の流量は過給空気冷却器を通る空気の流速に比例する。過給空気冷却器を通して流れる流量が小さいほど、過給空気冷却器を通る圧縮空気の流速は低くなる。過給空気冷却器を通る流速が低いと、圧縮空気は効果的に冷却されることになる。したがって、チューブ状部分を通る圧縮空気の流量を調整することは、冷媒温度に多少とも近い温度にまで圧縮空気を冷却できるように過給空気冷却器の効率を変化できるようにする。それでも、空気冷却器で冷却された後の圧縮空気の温度は、冷媒温度に大きく依存する。冷媒自体の温度は、それが周囲空気の場合にはかなり変化することになる。したがって、本発明による制御要素は空気冷却器のチューブ状部分を通る圧縮空気の流量を非常に正確に制御するために使用できる。したがって、周囲空気の温度および燃焼機関の運転状態に拘わらずに、燃焼機関に導かれる圧縮空気に対して実質的に最適な温度を与えることも可能になる。

本発明の実施例によれば、制御要素は、流路ダクトに最大流量の圧縮空気が導かれる第１の極限位置と、流路ダクトに最小流量の圧縮空気が導かれる第２の極限位置との間のさまざまな位置に無段階的に設定することができる。したがって、圧縮空気の流量は、前記両極限位置を含む移動経路に沿って適当位置に制御要素を移動させることにより、非常に正確に調整することができる。このようにして、空気冷却器から燃焼機関へ導かれる圧縮空気は、非常に良好な精度でもって望まれる温度を与えることができる。

本発明の他の好ましい実施例によれば、制御要素は、内部を延在する穴の形態をした少なくとも１つの制御手段を備えて、チューブ状部分の入口開口または出口開口に接近して配置される本体を含み、穴と入口開口および出口開口とによって圧縮空気の通路が形成され、その通路は制御要素の位置に関係して流量を制限する横断面積を有する。有利なこととして、この穴は入口開口および出口開口の寸法形状と同じとされる。制御要素は、そのような穴および入口開口が互いに完全に同軸的に連通する位置に配置されると、実質的に一定した横断面積を有する入口通路が形成される。制御要素がこの位置にあるとき、最大流量の圧縮空気が入口通路を通して流れることができる。制御要素が入口通路を通る流れの主方向に直角な平面内の新しい位置へ移動するならば、穴は入口開口に対して半径方向へ移動される。この新しい制御要素の位置において、穴および入口開口はもはや互いに完全な同軸連通状態にない。制御要素がこのような位置のときは、入口通路は穴と入口開口との間の遷移領域に縮小された横断面積を有する。この縮小された横断面積が入口通路を通る流量を制限する。穴が入口開口から前記平面内をさらに移動されると、穴と入口開口との間の遷移領域における流量制限横断面積は小さくなる。もはや穴と入口開口との間の連通がなくなる位置へ制御要素が移動するならば、入口通路を通る圧縮空気の流量もまた遮断される。

本発明の好ましい実施例によれば、空気冷却器はチューブ状部分内で冷却される前または後の圧縮空気を受入れるようになされたタンクを含み、制御要素は前記タンクの内部に配置される。ほとんど全ての通常の空気冷却器はチューブ状部分の片側に冷却前の暖かい圧縮空気を溜めるための暖気タンクと、チューブ状部分の反対側に冷却済み圧縮空気を溜めるための冷気タンクとを備える。制御要素は、チューブ状部分の入口開口または出口開口に接近されて、それらのタンクの１つの内部の保護された位置に配置される。制御要素は有利なこととしてプラットフォーム状の形状とされ、２方向に直線的に移動可能である。そのような制御要素は空気冷却器内で比較的小さい空間容積を占有する。制御要素に直線的な経路に沿う２方向の運動能力を与えることは比較的容易であるが、別の形式の運動を与えるように制御要素を構成することもできる。空気冷却器は制御要素を所望位置に移動させるためのアクチュエータを含むことができる。入口として穴および入口開口は、通常、比較的小さい寸法であり、入口通路または出口通路を通る圧縮空気の流量を変化させるために制御要素はアクチュエータで比較的短い距離を移動されることだけが必要とされる。アクチュエータは比例バルブ、例えばソレノイドの形式のバルブとされる。電気式、液圧式または空気圧式に付勢される他の形式のアクチュエータとすることもできる。有利なこととして、空気冷却器は制御要素を所望位置へ移動させるようにアクチュエータの作動を制御するようになされた制御ユニットを含む。その制御ユニットは、制御要素を制御するための適当なソフトウェアを備えたコンピュータ・ユニットとされ得る。制御要素の機能制御を可能にするために、この制御ユニットは燃焼機関へ導かれた圧縮空気の温度、周囲空気の温度または他の関連情報等の適当な作動関連情報を受入れることができる。

本発明の好ましい実施例によれば、空気冷却器は並列に配列される複数のチューブ状部分を含み、各チューブ状部分は圧縮空気を入口開口と出口開口の間で導くようになされる。従来の空気冷却器は、通常、比較的多数の平行なチューブ状部分を含み、それらのチューブ状部分は周囲空気である冷却空気流がチューブ状部分の間隙を流れて、チューブ状部分の内部の流路ダクト内の圧縮空気を冷却するように互いに或る間隔を隔てて配置される。制御要素は、内部を延在する複数の穴を備えた本体を含み、各々の穴はチューブ状部分の入口開口または出口開口に接近して配置され、これにより流量制限横断面積を有する少なくとも１つの通路が全てのチューブ状部分に形成される。したがって、各々のチューブ状部を通る流量は実質的に一様に制御されることができる。

本発明によれば、空気冷却器はチューブ状部分と平行に延在するバイパス・ラインと、チューブ状部分をバイパスして導かれる圧縮空気の流量を変化させることができるように設定できるバルブ手段とを含む。そのようなバイパス・ラインは圧縮空気の可変部分量を実質的に冷却することなくチューブ状部分の反対両側に配置されたタンクの間で直接に導くことができる。

本発明の好ましい実施例は、添付図面を参照して例を挙げて以下に説明される。

図１は、例えば過給式燃焼機関で駆動される車輌の前部に取付けられる過給空気冷却器を示している。過給式燃焼機関は圧縮空気の供給を必要とする。過給空気冷却器の機能は、燃焼期間に導入される前の圧縮空気を冷却することである。過給空気冷却器は、圧縮機から暖かい圧縮空気を受入れる第１のギャザリング・タンク２への入口１を含む。空気冷却器は第１のタンク２と、冷却された圧縮空気を受入れるための第２のタンク４との間を延在する冷却器パッケージ３を含む。冷却器パッケージ３は複数のチューブ状部分５を含み、それらのチューブ状部分は第１のタンク２および第２のタンク４の間を共通の平面内にて実質的に直線状に延在している。

チューブ状部分は隣接するチューブ状部分５との間に一定した間隙６が形成されるように、互いに実質的に一定の距離を隔てて平行に配列されている。したがって、周囲空気はチューブ状部分５の間の間隙６を通し流れることができる。冷却器パッケージ３を通る周囲空気の流れは、車輌が移動することにより、および（または）ラジエータ・ファンが冷却器パッケージ３を通して空気を吸引することによって引き起こされる。空気冷却器はチューブ状部分５を通して導かれる圧縮空気を冷却する。したがって、第２のタンク４は冷却された圧縮空気をそれぞれのチューブ状部材５から受入れ、その後、その冷却された圧縮空気は出口７を経て第２のタンク４から導き出される。冷却済み圧縮空気はその後、適当なパイプラインを経て過給式燃焼機関の入口パイプへ導かれる。空気冷却器は下部にバイパス・ライン８を含み、このバイパス・ラインは第１のタンク２と第２のタンク４との間を延在する。空気冷却器内で圧縮空気の過冷却の危険が生じたとき、圧縮空気の一部分は排気ガスパイプ５の代わりにバイパス・ライン８を通して導かれることができる。バイパス・ライン８は模式的に示されたバルブ９を含んでおり、このバルブを経て可変流量の空気がバイパス・ライン８を通して導かれることができる。バルブ９は電気的制御ユニット１０により制御される。

空気冷却器は、チューブ状部分５を通る圧縮空気の流量を制御するために、第１のタンク２内に配置された第１の制御要素１１ａと、第２のタンク４内に配置された第２の制御要素１１ｂとを含む。制御要素１１ａ，１１ｂの各々はタンク２，４内のさまざまな位置の間でアクチュエータ１２ａ，１２ｂにより移動可能とされる。アクチュエータ１２ａ，１２ｂはそれの移動の形態をした比例バルブとされる。アクチュエータ１２ａ，１２ｂはまた既知の形式の電気式、流体圧式または空気圧式的のアクチュエータとすることができる。電気的制御ユニット１０は、それぞれの制御要素１１ａ，１１ｂを所望位置へ移動させるためにアクチュエータ１２ａ，１２ｂの付勢を制御するようにもなされている。制御ユニット１０は、１つ以上のセンサー１３からの情報に基づいてバルブ９およびアクチュエータ１２ａ，１２ｂを制御する。１つのそのようなセンサー１３は、空気冷却器内で冷却された後の圧縮空気温度、または周囲温度の温度を検出する温度センサーとされる。制御ユニット１０は、何れかの望ましい個数の関連パラメータに関する情報に基づいて制御要素１１ａ，１１ｂおよびバルブ９を制御でき、これにより実質的に最適特性を有する圧縮空気が常に過給式燃焼機関に導かれるようになされる。

図２は冷却器パッケージ３の多数のチューブ状部材５を通る横断面図を示しての率の高い材料、例えばアルミニュウムで作られている。チューブ状部材５は、周囲空気との接触面を形成する外面１４を有する。チューブ状部材５はその内部に圧縮空気のための流れダクト１６を形成する内面１５を有している。したがって、それぞれのチューブ状部分５の流れダクト１６を通して流れる圧縮空気は周囲空気によって冷却される。冷却器パッケージ３に向かう周囲空気の流れ１８の主方向は、相互に平行なチューブ状部分５を通って中央を延在する平面１９に対して実質的に直角である。チューブ状部分５は、流れる周囲空気とチューブ状部分５との間に大きな熱伝達面を形成するために、周囲空気の流れ１８の主方向に沿って実質的に細長い形状の横断面を有する。

第１のタンクは、それぞれのチューブ状部分５の内部の流れダクト１６へ圧縮空気を導く入口開口２４を備えた壁部分２ａを含む。この場合、壁部分２ａは各チューブ状部分５に対して一列状態の３つの入口開口２０ａを含む。このように第１のタンク２の内部に配置された制御要素１１ａは内部を通る多数の穴２１を備えており、それらの穴は壁部分２ａの入口開口２０ａの個数に等しい。穴２１は入口開口２０ａと形状寸法が同じである。第１の制御要素１１ａがタンク２内に配置されるとき、各穴２１は入口開口２０ａと共にチューブ状部分５に流入する圧縮空気のための通路２２ａを形成する。

第２のタンク４は、同様に、それぞれのチューブ状部分５から圧縮空気を導くための出口開口２０ｂを備えた壁部分を含む。第２のタンク４の内部に配置された制御要素１１ｂは、内部を通る多数の穴２１を備えており、その個数は出口開口２０ｂの個数と同じである。穴２１は出口開口２０ｂと形状寸法が同じである。第２のタンク４内の制御要素１１ｂの機能は、第１のタンク２内の制御要素１１ａの機能に等しい。したがって、制御要素１１ｂを通る穴２１は入口開口２０ａと共にチューブ状部分５を離れる圧縮空気のための出口通路２２ｂを形成する。

図３は図１の面Ｂ−Ｂに沿う断面図を示している。第１のタンク２は、内方へ突出し、壁部分２ａの反対両側に配置された部分２３を含んでいる。内方へ突出する部分２３および壁部分２ａの間には凹部２４が形成され、凹部内には直線的な運動のために制御要素１１ａが配置されている。第２のタンク４は制御要素１１ｂを受入れるために同じ形状をしている。第１のタンク２内の入口開口２０ａおよび第２のタンク４内の出口開口２０ｂが形状寸法において同じであるならば、実質的に同じ形状の制御要素１１ａ，１１ｂがそれぞれのタンク２，４に配置される。そのような制御要素１１ａ，１１ｂが図４に別々に示されている。制御要素１１ａ，１１ｂはプラットフォーム状の実質的に直接状の本体を含み、この本体は内部を通る比較的多数の穴２１を有している。穴２１は第１のタンク２の入口開口２０ａおよび第２のタンク４の出口開口２０ｂに関する相互位置と同じ相互位置を有する。

車輌の運転時には、制御ユニット１０は空気冷却器を離れた後の圧縮空気の温度に関するとりわけセンサー１３からの情報を受取る。制御ユニット１０は、適当流量の圧縮空気がチューブ状部分５およびバイパス・ライン８を通して導かれるように制御要素１１ａ，１１ｂおよびバルブ９の位置決めを開始するために、とりわけそのような情報を使用する。このような制御は、第２のタンク４内の圧縮空気が比較的高い精度で所望温度を実質的に与えられることを可能にする。したがって、実質的にあらゆる運転状態の場合にも所望温度の圧縮空気を燃焼機関に導くことができる。正常運転では、制御要素１１ａ，１１ｂは実質的に同期して制御され、これにより入口通路２２ａおよび出口通路２２ｂが同じ流量制限横断面積を有するようにされる。

チューブ状部分５を通して最大流量の圧縮空気を導かねばならないと制御ユニット１０が決定した場合、制御要素１１ａ，１１ｂは上方限界位置に配置される。この上方限界位置においては、第１の制御要素１１ａの全ての穴２１は第１のタンクの入口開口２０ａと完全に同軸的に連通され、また、第２の制御要素１１ｂの全ての穴２１は第２のタンク４の出口開口２０ｂと完全に同軸的に連通される。この結果、穴２１と入口開口２０ａとの間の遷移領域は、穴２１および入口開口２０ａの横断面積に等しい横断面積を有する。穴２１と出口開口２０ｂとの間には同じ遷移領域があり、穴２１および入口開口２０ａの横断面積に等しい横断面積を有する。それぞれの制御要素１１ａ，１１ｂが上方限界位置にあるとき、最大流量の圧縮空気をチューブ状部分５内の流れダクト１６を通して与えることができる。

逆に、制御ユニット１０がチューブ状部分５を通る圧縮空気の流量を減少させることが必要であると決定するならば、制御要素１１ａ，１１ｂは凹部２４内を適当位置まで僅かずつ下方へ移動され、これにより制御要素１１ａ，１１ｂの穴２１が入口開口２０ａおよび出口開口２０ｂに対して下方へ移動される。したがって、穴２１および入口開口２０ａおよび出口開口２０ｂはそれぞれがもはや互いに完全に同軸的な連通状態ではなくなる。穴２１と入口開口２０ａおよび出口開口２０ｂそれぞれとの間の遷移領域において、通路２２ａ，２２ｂの横断面積は減少される。前記通路２２ａ，２２ｂを通して得ることのできる流量は、通路の最小横断面積に比例する。制御要素１１ａ，１１ｂのこの位置は、前記遷移領域において縮小された制限横断面積を有する通路２２ａ，２２ｂを形成することになる。制御要素１１ａ，１１ｂがさらに下方へ移動されると、穴２１は入口開口２０ａおよび出口開口２０ｂのそれぞれから離れる方向へ移動され、前記通路２２ａ，２２ｂの流量制限横断面積はさらに小さくなる。制御要素１１ａ，１１ｂは限界下方位置まで移動でき、これにより穴２１は入口開口２０ａおよび出口開口２０ｂのそれぞれを完全に超えて移動され、もはや通路２２ａ，２２ｂを経て連通はまったくなくなる。制御要素がこの限界下方位置にあるときは、チューブ状部分５を通る圧縮空気の流れはまったくない。制御要素１１ａ，１１ｂの移動方向における隣接する穴２１の間の距離２５は、それぞれの穴２１のその方向における長さよりも大きいか等しいので、通路２２ａ，２２ｂを通る流れが完全に遮断できることを保証する。

チューブ状部分５を通る圧縮空気の流量が運転時に増大されるべきときは、制御ユニット１０が制御要素１１ａ，１１ｂの上方への移動を開始させ、また、チューブ状部分５を通る圧縮空気の流量が減少されるべきときは、制御ユニット１０は制御要素１１ａ，１１ｂの下方への移動を開始させる。制御ユニット１０は、バイパス・ライン８を通して所望の流量が得られるようなバルブ９の位置決めを実質的に同期して開始する。制御ユニット１０は、燃焼機関の実質的にあらゆる運転範囲に関する制御要素１１ａ，１１ｂおよびバルブ９の最適相互位置に関する情報を保存することができる。或る状況では、入口通路２２ａおよび出口通路２２ｂが異なる流量制限横断面積を有するように、制御ユニット１０は異なる位置へ向けて制御要素１１ａ，１１ｂの個別の移動を開始させる。空気冷却器内部に氷結の危険がある場合、タンク２，４の間の一時的な圧力差を設定するために、制御ユニットはアクチュエータ１２ａ，１２ｂを、したがって通路２２ａ，２２ｂの流量制限横断面積を個別に制御することができる。このような圧力差が解除されるとき、排気ガスパイプ５の流れダクト１６を通る圧縮空気の断続的な流れが生じる。この断続的な空気の流れは、流れダクト１６の内部をブローして掃除し、あらゆる氷が排除される。

本発明は図面を参照して説明した実施例に限定されることはなく、特許請求の範囲に記載される範囲内で自由に変化させることができる。記載した実施例では、制御要素１１ａ，１１ｂは２つのタンク２，４内に配置されている。タンク２，４の１つに制御要素１１ａを設けることで、通常、望まれるように排気ガスパイプ５を通る流量を制御するのに十分であるとされる。制御要素１１ａ，１１ｂは何れかの望ましい形状寸法をした適当個数の穴２１を有する何れかの望ましい形状とすることができる。タンク２，４もまた、適当な形状寸法の実質的に何れかの望ましい個数の入口開口２０ａおよび出口開口２０ｂをそれぞれ有することができる。穴２１および入口開口２０ａおよび出口開口２０ｂはそれぞれ完全に形状寸法が同じ出なければならないことは必要ない。冷媒は周囲空気である必要はなく、冷却系統を循環する冷媒とすることができる。

本発明による過給空気冷却器を示す。 図１の線Ａ−Ａに沿う横断面図を示す。 図１の線Ｂ−Ｂに沿う横断面図を示す。 本発明による制御要素を示す。

符号の説明

１ 入口
２ 第１のタンク
３ 冷却器パッケージ
４ 第２のタンク
５ チューブ状部材
６ 間隙
７ 出口
８ バイパス・ライン
９ バルブ
１０ 制御ユニット
１１ａ，１１ｂ 制御要素
１２ａ，１２ｂ アクチュエータ
１３ センサー
１４ 外面
１５ 内面
１６ 流れダクト
２０ａ 入口開口
２０ｂ 出口開口
２１ 穴
２２ａ，２２ｂ 通路

Claims (7)

1. 入口開口（２０ａ）と出口開口（２０ｂ）との間で圧縮空気を導くための流れダクト（１６）を有する少なくとも１つのチューブ状部分（５）であって、圧縮空気よりも低温の媒体が前記チューブ状部分（５）の外面（１４）と接触して流れて前記流れダクト（１６）を通る圧縮空気を冷却するための少なくとも一つのチューブ状部分（５）、前記入口開口（２０ａ）または前記出口開口（２０ｂ）に隣接させて配置された可動の制御要素（１１ａ，１１ｂ）、ならびに前記入口開口（２０ａ）または前記出口開口（２０ｂ）と相対的な前記制御要素（１１ａ，１１ｂ）の変位を制御するための制御ユニット（１０）を含む過給空気冷却器において、前記制御要素（１１ａ，１１ｂ）は、少なくとも１つの穴（２１）が貫通する板状であり、前記制御ユニット（１０）の制御下で該制御要素（１１ａ，１１ｂ）を変位して、前記少なくとも一つの穴（２１）が前記入口開口（２０ａ）あるいは前記出口開口（２０ｂ）と整合する最大流量位置と前記少なくとも一つの穴（２１）が該入口開口（２０ａ）また該出口開口（２０ｂ）から変位した最少流量位置との間で、該入口開口（２０ａ）あるいは該出口開口（２０ｂ）と相対的に前記少なくとも一つの穴（２１）を変位させて圧縮空気の横断流路面積を変化させ、前記流れダクト（１６）を通る圧縮空気の流量を連続的に変化させるようになっていることを特徴とする、過給空気冷却器。
2. 前記チューブ状部分（５）で冷却される前または後の圧縮空気を受入れるタンク（２，４）を含むことを特徴とする、請求項１に記載された過空気冷却器。
3. 前記制御要素（１１ａ，１１ｂ）が２方向に直線的に移動できるように配置されていることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の過給空気冷却器。
4. 所望位置へ前記制御要素（１１ａ，１１ｂ）を移動させるアクチュエータ（１２ａ，１２ｂ）を含むことを特徴とする、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載された過給空気冷却器。
5. 前記制御ユニット（１０）は、前記制御要素（１１ａ，１１ｂ）を所望位置へ移動させるように、前記アクチュエータ（１２ａ，１２ｂ）の作動を制御することを特徴とする、請求項４に記載の過給空気冷却器。
6. 互いに平行に配列された複数のチューブ状部分（５）を含み、前記制御要素（１０）には、前記入口開口（２０ａ）あるいは前記出口開口（２０ｂ）とそれぞれ連携する複数の穴（２１）が形成されていることを特徴とする、請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載された過給空気冷却器。
7. 前記チューブ状部分（５）をバイパスするバイパス・ライン（８）および該バイパス・ライン（８）を通る圧縮空気の可変流量を制御し、前記前記チューブ状部分（５）を流れる圧縮空気の流量を変化させるバルブ（９）を含むことを特徴とする、請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載された過給空気冷却器。

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