FR2898669A1 - Boite collectrice amelioree pour echangeur a chambres multiples et echangeur de chaleur correspondant - Google Patents
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Abstract
Une boîte collectrice pour un échangeur de chaleur est du type comprenant au moins une première chambre (C1) et au moins une deuxième chambre (C2) pour la circulation de fluides respectifs et séparées par des moyens de séparation (56). Une paroi (52, 54) de la boîte collectrice présente une première déformation locale (60, 62), laquelle première déformation (60, 62) collabore avec une partie (62, 60) d'une paroi opposée (54, 52) pour former lesdits moyens de séparation (56).Un échangeur de chaleur reçoit des tubes d'échange de chaleur dans une telle boîte collectrice.Application aux véhicules automobiles.
Description
1 Boîte collectrice améliorée pour échangeur à chambres multiples et
échangeur de chaleur correspondant
L'invention concerne une boîte collectrice pour un échangeur de chaleur, du type comprenant une première chambre et une deuxième chambre pour la circulation de fluides respectifs et séparées par des moyens de séparation.
On connaît des échangeurs de chaleur à chambres multiples qui sont utilisés pour faire circuler dans un premier compartiment un premier fluide à température relativement basse et dans un deuxième compartiment un deuxième fluide à température relativement haute. Ces échangeurs de chaleur sont notamment des radiateurs qui sont soumis à des problèmes variés.
Parmi les problèmes rencontrés dans la réalisation de tels échangeurs de chaleur, on compte la difficulté de réalisation d'une séparation fiable et résistante des deux compartiments. Un autre problème rencontré dans la réalisation de tels échangeurs de chaleur est la résistance de la portion qui sépare les deux compartiments ainsi que la résistance générale du radiateur qui est soumis à des contraintes importantes dues à la différence de température entre les fluides parcourant les deux compartiments.
Par US 6 942 014, on connaît un échangeur de chaleur dans lequel une double paroi de séparation est introduite dans une boîte collectrice pour définir deux chambres qui définissent à leur tour deux compartiments avec des tubes qui leur sont associés. Une telle conception présente des problèmes de fiabilité de la séparation entre les deux chambres ainsi que des problèmes de rupture mécanique due au gradient de température autour de cette pièce.
Par EP 0 789 213, on connaît un échangeur de chaleur dans lequel deux parois de séparation sont introduites dans la boîte collectrice, certains tubes étant reliés à l'espace de la boîte collectrice contenue entre ses deux parois et étant inactifs. Cette solution est coûteuse et peu pratique à mettre en oeuvre tant en terme de conception que d'industrialisation.
L'invention vise à améliorer la situation.
A cet effet, l'invention propose une boîte collectrice pour un échangeur de chaleur du type comprenant une première chambre et une deuxième chambre pour la circulation de fluide respectif et séparées par des moyens de séparation, dans laquelle une paroi de la boîte collectrice présente une première déformation locale, laquelle première déformation collabore avec une partie d'une paroi opposée pour former lesdits moyens de séparation.
Une telle boîte collectrice permet de réaliser des moyens de séparation de manière peu coûteuse et facilement intégrable sur une chaîne de fabrication, tout en offrant une sécurité maximale quant à l'étanchéité et à la tenue mécanique des pièces réalisées.
Dans un mode de réalisation, la boîte collectrice comporte un couvercle et un collecteur munis d'ouverture propre à recevoir des tubes d'un échangeur de chaleur, et ladite première déformation est située sensiblement en regard de certains au moins des tubes. Ainsi, les tubes en regard de ces ouvertures sont inactifs et favorisent une meilleure tenue mécanique de l'échangeur ainsi réalisé. La première déformation peut être réalisée dans le couvercle ou dans le collecteur.
Dans un mode de réalisation, ladite première déformation est réalisée par deux épaulements reliés par une portion médiane sensiblement parallèle à la paroi dont elle est issue. La portion médiane peut former un angle compris entre 45 et 90 avec un desdits épaulements et former un angle compris entre 45 et 90 avec l'autre épaulement.
Dans un autre mode de réalisation, la boîte collectrice présente une deuxième déformation locale sur ladite paroi opposée et lesdites déformations collaborent pour former lesdits moyens de séparation. Ladite deuxième déformation locale peut être réalisée par deux épaulements reliés par une portion médiane sensiblement parallèle à la paroi dont elle est issue et former un angle compris entre 45 et 90 avec l'un ou l'autre lesdits épaulements ou les deux. Dans ce mode de réalisation, la distance entre la portion médiane de la première déformation et la paroi dont elle est issue peut être supérieure à la distance entre la portion médiane de la deuxième déformation et la paroi opposée dont elle est issue pour accommoder les caractéristiques des fluides traversant l'échangeur.
Dans un mode de réalisation, la boîte collectrice est réalisée en aluminium et au moins un du couvercle et du collecteur est recouvert de brasure, les déformations pouvant être réalisées par emboutissage ou par pliage.
Dans un autre mode de réalisation, au moins une parmi la paroi et la paroi opposée comporte une ouverture au niveau des moyens de séparation et la première et la deuxième chambres peuvent présenter une hauteur de chambre différente. Dans une variante, la première chambre est parcourue par un fluide à haute température et la deuxième chambre est propre à être parcourue par un fluide à basse température et la première chambre a une hauteur de chambre plus grande que la deuxième chambre.
L'invention concerne également un échangeur de chaleur qui comporte des tubes d'échange de chaleur propres à être reçus dans une boîte collectrice telle que décrite ci-dessus, les tubes propres à être reçus dans des ouvertures sensiblement en regard des moyens de séparation étant inactifs.
Les tubes inactifs peuvent s'étendre à proximité des ouvertures de la boîte collectrice leur correspondant sans pénétrer celle-ci. Les tubes inactifs peuvent traverser les moyens de séparation.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront: mieux à la lecture de la description qui suit d'exemples donnés à titre illustratif et non limitatif tirés des dessins sur lesquels
- la figure 1 montre une vue générale de face d'un échangeur de chaleur selon l'état de la technique ; - la figure 2 montre une vue schématique en coupe longitudinale d'une boîte collectrice selon l'invention ; - la figure 3 montre une vue schématique en coupe selon l'axe III-III de la figure 2 ; - la figure 4 montre une vue schématique en coupe d'une variante de la boîte collectrice de la figure 2 ; - la figure 5 montre une vue schématique en coupe d'une autre variante de la boîte collectrice de la figure 2 ; et - la figure 6 montre une vue schématique en coupe d'une troisième variante de la boîte collectrice de la 10 figure 2.
Comme on peut le voir sur la figure 1, un échangeur de chaleur classique comporte un faisceau 10, composé d'une multiplicité de tubes 12 s'étendant parallèlement entre eux 15 et entre lesquels sont disposés des intercalaires ondulés 14 formant ailettes de refroidissement. Les extrémités des tubes 12 débouchent, à une extrémité, dans une boîte collectrice commune 16 et, à une autre extrémité, dans une autre boîte collectrice commune 18. Ces deux boîtes 20 collectrices sont de configuration tubulaire et s'étendent parallèlement entre elles. Tous les composants de cet échangeur, c'est à dire les tubes 12, les ailettes 14 et les boîtes collectrices 16 et 18 sont métalliques et assemblés entre eux par brasage. 25 Le faisceau est divisé en deux parties, à savoir une partie A formant un refroidisseur d'un premier fluide et composée de tubes 12a et une partie B formant refroidisseur d'un deuxième fluide et composée de tubes 12b. Les tubes 12a 30 sont propres à être parcourus par un premier fluide Fl tel que de l'eau, de l'eau additionnée à de l'antigel ou à du liquide de refroidissement moteur. Les tubes 12b sont propres à être parcourus par un deuxième fluide F2 qui pourra être identique ou différent du fluide F1. Dans un mode de réalisation de l'invention, les fluides F1 et F2 sont identiques et circulent dans des boucles de refroidissement différentes, l'une d'elles pouvant être la boucle de refroidissement du moteur. On comprendra que ces deux fluides circulent dans les deux parties différentes du faisceau et sont destinés à être balayés par un même flux d'air qui balaye le faisceau 10.
Afin d'isoler ces deux fluides, les boîtes collectrices 16 et 18 comportent des cloisons isolantes respectives 20 et 22. La cloison 20 divise la boîte collectrice 16 en une première chambre 24 pour le fluide F1 et une deuxième chambre 26 pour le fluide F2. De façon correspondante, la cloison 22 divise la boîte collectrice 18 en une première chambre 28 pour le fluide F1 et une deuxième chambre pour le fluide F2. Le fluide F1 à refroidir pénètre dans la première chambre 24 par une tubulure d'entrée 32, circule dans les tubes 12a par un écoulement parallèle pour gagner la deuxième chambre 28 qu'elle quitte par une tubulure de sortie 34.
La figure 2 montre une vue en coupe longitudinale d'une boîte collectrice 50 selon l'invention et propre à être montée dans un échangeur de chaleur similaire à celui de la figure 1. La boîte collectrice 50 est formée d'un couvercle 52 et d'une plaque collectrice 54. Dans le mode de réalisation ici décrit, le couvercle 52 et le collecteur 54 sont tous deux en aluminium et sont brasés ensemble. Ils pourraient être réalisés avec un autre métal que l'aluminium.
La boîte collectrice 50 comporte une première chambre Cl pour la circulation d'un premier fluide et une deuxième chambre C2 pour la circulation d'un deuxième fluide, les deux chambres étant séparées par des moyens de séparation 56 qui seront décrits plus bas. Les fluides traversant respectivement la première chambre Cl et la deuxième chambre C2 sont dans l'exemple ici décrit identique et correspondent à du liquide de refroidissement moteur, le fluide traversant la première chambre Cl étant à une température bien plus élevée que le fluide traversant la deuxième chambre C2.
On pourrait également utiliser un fluide identique pour les deux chambres (donc de l'eau ou de l'antigel pour les deux chambres Cl et C2), mais qui serait à des températures différentes car issu de circuits différents.
Le collecteur 54 présente une pluralité d'ouvertures 56 propres à recevoir des tubes 58, sauf dans la région des moyens de séparation 56, dans laquelle les tubes 58 s'étendent à proximité du collecteur 54 sans pénétrer celui-ci.
Les moyens de séparation 56 sont réalisés par la 25 collaboration de deux déformations locales 60 et 62 formées respectivement dans le couvercle 52 et le collecteur 54.
La déformation 60 réalisée dans le couvercle 52 a sensiblement la forme d'un trapèze qui serait dépourvu de 30 sa grande base. Plus précisément, cette déformation comporte une portion médiane 64 et deux épaulements 66 et 68 qui relient la portion médiane 64 de part et d'autre au reste du couvercle 52.
L'épaulement 66 forme avec la portion médiane 64 un angle référencé al dont la valeur peut être comprise entre 45 et 90 . L'épaulement 68 forme avec la portion médiane 64 un angle référencé pl dont la valeur peut être comprise également entre 45 et 90 .
La déformation 62 réalisée dans le collecteur 54 est homologue de la déformation 60 réalisée dans le couvercle 52 et comporte ainsi une portion médiane 70 et deux épaulements 72 et 74 qui relient la portion médiane 70 de part et d'autre au reste du collecteur 54. Ici également, l'épaulement 72 forme avec la portion médiane 70 un angle référencé a2 dont; la valeur peut être comprise entre 45 et 90 et l'épaulement 74 forme avec la portion médiane 70 un angle référencé 132 dont la valeur peut être comprise entre 45 et 90 .
Les déformations locales 60 et 62 sont réalisées par emboutissage de la paroi dont elles sont respectivement issues, c'est à dire la paroi du couvercle 52 d'une part et la paroi du collecteur 54 d'autre part, de sorte que les portions médianes 64 et 70 sont sensiblement parallèles aux parois dont elles sont issues. Les déformations pourraient également être réalisées par pliage.
Dans l'exemple ici décrit, la déformation 60 a une profondeur H1 qui représente la distance entre la portion médiane 64 et la paroi du couvercle 52 dont elle est issue et vaut 40mm. Similairement, la hauteur H2 de la déformation 62, qui est la distance entre la portion médiane 70 et la paroi du collecteur 54 dont elle est issue, vaut 40 mm. L'emboutissage réalisé dans le couvercle 52 est donc le même que celui réalisé dans le collecteur 54. Cependant, ces hauteurs pourraient être inégales. Elles pourraient notamment être comprises entre 0 et 80mm. Un mode particulier de réalisation de l'invention propose que la hauteur totale soit de 80 mm.
Par ailleurs, les parois internes du couvercle 52 et du collecteur 54 sont revêtues d'une brasure. Les déformations 60 et 62 sont au contact l'une de l'autre au niveau des portions médianes 64 et 70, sur toute la largeur de la boîte de façon à former les deux chambres Cl et C2 de part et d'autre de la zone de contact. Le brasage de la boîte collectrice a pour conséquence que les portions médianes 64 et 70 sont brasées ensemble et constituent ainsi des moyens étanches de séparation des chambres Cl et C2.
Il est à noter que les tubes qui s'expriment en regard des moyens de séparation 56 ne sont traversés par aucun fluide.
Ces tubes sont dits "inactifs" ou "morts". Dans l'exemple ici décrit, ces tubes sont maintenus dans l'échangeur par leur brasage avec les ailettes qui leur sont voisines, et ne pénètrent pas les moyens de séparation 56.
La figure 3 montre une vue en coupe selon l'axe III-III de la figure 2. Cette vue permet d'apprécier le mode de réalisation considéré de la boîte collectrice 50. Comme on le voir sur cette figure le couvercle 52 et le collecteur 54 sont tous les deux des profilés en forme de U qui sont brasés l'un à l'autre le long des branches du U respectives. On voit également sur cette figure les moyens de séparation 56, qui sont réalisés par le brasage des deux portions médianes 64 et 70.
La figure 4 montre un mode de réalisation en variante de l'invention, dans lequel des tubes 58 de longueur plus importante que ceux précédemment décrits sont enfoncés profondément dans la boîte collectrice 50. Les tubes 58 qui sont inactifs pénètrent également les moyens de séparation 56.
Par ailleurs, le couvercle 52 comporte une ouverture traversante 76 au niveau des moyens de séparation 56. Cette ouverture 76 permet notamment de vérifier que le brasage de la portion médiane 64 et de la portion médiane 70 a été efficace et qu'il n'y a pas de problème d'étanchéité entre la première chambre Cl et la deuxième chambre C2.
La figure 5 montre encore un autre mode de réalisation dans lequel le collecteur 54 est différent. La déformation 62 est ici remplacée par un gradin 78, et le collecteur 54 présente donc une première portion 80 plane propre à former la première chambre Cl avec une portion du couvercle 52, et une deuxième portion 82 plane qui est située plus haut que la portion 80 et est propre à former la deuxième chambre C2 avec une autre portion du couvercle 52.
Dans ce mode de réalisation, le couvercle 52 est inchangé et les moyens de séparation 56 sont alors réalisés par l'assemblage de la déformation 60 avec la partie supérieure du collecteur 54, au niveau de la portion 82. Il serait également possible de réaliser ces moyens avec la portion 80. On notera également que les moyens de séparation 56 présentent une ouverture 84 qui traverse le couvercle 52 et le collecteur 54. L'ouverture 84 a la même fonction que l'ouverture 76 décrite plus haute.
Par cette structure, la première chambre Cl présente donc une hauteur, c'est-à-dire la distance entre le couvercle 52 et la portion 80, supérieure à la hauteur de la deuxième chambre C2, qui est la distance entre le couvercle 52 et la portion 82.
La figure 6 montre un mode de réalisation simplifié d'une boîte collectrice selon l'invention. Dans cette variante, seul le couvercle 52 présente localement une déformation 60 réalisée par emboutissage de la paroi du couvercle 52.
La déformation 60 vient directement au contact d'un collecteur 54 pour former les moyens de séparation 56. Le collecteur 54 est dans l'exemple décrit un profilé en U dont le fond ne présente pas de déformation.
Des tubes 58 inactifs pénètrent les moyens de séparation 56. Ces tubes pourraient néanmoins être remplacés par n'importe quel autre élément métallique comme une plaque de tôle.
L'invention concerne également un échangeur de chaleur muni de deux boîtes collectrices, l'une et/ou l'autre desdites boîtes étant une boîte collectrice telle que décrite plus haut.
De manière connue en soi et comme déjà évoqué, ledit échangeur comporte en outre un faisceau de tubes de circulation de fluide débouchant à chacune de leur extrémité au niveau desdites boîtes collectrices, des ailettes d'échange de chaleur, notamment prévue sous la forme d'intercalaire ondulée, étant prévue entre les tubes, l'ensemble étant, par exemple, constitué de matériaux à base d'aluminium et/ou d'alliage d'alluminium et/ou étant brasé.
Ledit échangeur est parcouru par au moins un fluide d'une première et un fluide d'une deuxième boucle d'échange de chaleur, lesdits fluides étant, par exemple, de même types dans les deux boucles, notamment de l'eau glycolée.
Ledit échangeur comporte au moins une première partie dédiée au refroidissement du fluide de la première boucle d'échange de chaleur et au moins une seconde partie dédiée au refroidissement du fluide de la deuxième boucle d'échange de chaleur. Les tubes de ladite première partie débouchent à chacune de leur extrémité dans les premières chambres desdites boîtes collectrices tandis que les tubes de ladite seconde partie débouchent dans les secondes chambres desdites boîtes collectrices, ladite première partie comportant une entrée et une sortie pour le fluide au niveau de l'une ou desdites premières chambres tandis que ladite seconde partie comportant une entrée et une sortie pour le fluide au niveau de l'une ou desdites secondes chambres.
Les moyens de séparation respectifs des boîtes collectrices sont positionnés de sorte qu'ils soient en vis-à-vis les uns des autresä Autrement dit, les moyens de séparation respectifs des boîtes collectrices sont symétriques par rapport à un axe moyen de l'échangeur de chaleur.
Ainsi, selon l'échangeur conforme à l'invention, dans ladite première partie de l'échangeur, les extrémités d'un seul et même tube sont adjacentes respectivement de la
13 première déformation locale de la première chambre de la boîte collectrice se trouvant de l'un des côtés du faisceau et de la première déformation locale de la boîte collectrice de la première chambre de la boîte collectrice se trouvant de l'autre côté du faisceau. De même dans la seconde partie du faisceau.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, des tubes inactifs, tels que définis plus haut, sont prévus au niveau des moyens de séparation de chacune des boîtes et lesdits tubes sont des tubes identiques. En d'autres termes, les moyens de séparation respectifs de chaque boite collectrice se trouvent en vis-à-vis du ou des mêmes tubes inactifs ou sont traversés par le ou les mêmes tubes inactifs.
Pour réaliser un échangeur de chaleur avec ce type de boîtes collectrices, on peut utiliser des tubes de longueurs différentes pour les deux parties distinctes de l'échangeur. Lesdits tubes pourront, pour le reste, être identique. Ils pourront, par exemple, être de même section.
L'invention ne se limite pas au mode de réalisation décrit ci-dessus, mais elle englobe l'ensemble des variantes que l'homme du métier saura envisager, notamment à la lecture des revendications qui suivent. Ainsi, elle n'est pas limitée à l'usage du liquide de refroidissement moteur comme fluides, et pourrait faire usage de n'importe quel autre fluide caloporteur.
Claims (21)
1. Boîte collectrice pour un échangeur de chaleur, du type comprenant au moins une première chambre (Cl) et au moins une deuxième chambre (C2) pour la circulation de fluides respectifs et séparées par des moyens de séparation (56), caractérisée en ce qu'une paroi (52, 54) de la boîte collectrice présente une première déformation locale (60, 62), laquelle première déformation (60, 62) collabore avec une partie (62, 60) d'une paroi opposée (54, 52) pour former lesdits moyens de séparation (56).
2. Boîte collectrice selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte un couvercle (52) et un collecteur (54) muni d'ouvertures propres à recevoir des tubes d'un échangeur de chaleur, et en ce que ladite première déformation (60, 62) est réalisée dans le couvercle (52) ou dans le collecteur (54).
3. Boîte collectrice selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la première déformation (60, 62) est réalisée par deux épaulements (66-68, 72-74) reliés par une portion médiane (64, 70) sensiblement parallèle à la paroi (52, 54) dont elle est issue.
4. Boîte collectrice selon la revendication 3, caractérisée en ce que la portion médiane (64, 70) forme un angle (al, a2) compris entre 0 et 45 avec un desdits épaulements (66, 72).
5. Boîte collectrice selon la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce que la portion médiane forme un angle 1430((31, (32) compris entre 0 et 45 avec l'autre desdits épaulements (68, 74).
6. Boîte collectrice selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle présente une deuxième déformation locale (62, 60) sur ladite paroi opposée (54, 52), et en ce que lesdites première et deuxième déformations (60, 62) collaborent pour former lesdits moyens de séparation (56).
7. Boîte collectrice selon la revendication 6, caractérisée en ce que la deuxième déformation (62, 60) est réalisée par deux épaulements (72-74, 66-68) reliés par une portion médiane (70, 64) sensiblement parallèle à la paroi opposée (54, 52) dont elle est issue.
8. Boîte collectrice selon la revendication 7, caractérisée en ce que la portion médiane (70, 64) forme un angle (a2, ai) compris entre 45 et 90 avec un desdits épaulements (72, 66).
9. Boîte collectrice selon la revendication 7 ou 8, caractérisée en ce que la portion médiane (70, 64) forme un angle ((32, (31) compris entre 45 et 90 avec l'autre desdits épaulements (74, 68).
10. Boîte collectrice selon l'une des revendications 3 à 5 et selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisée en ce que la distance entre la portion médiane (64, 70) de la première déformation (60, 62) et la paroi (52, 54) dont elle est issue est supérieure à la distance entre laportion médiane (70, 64) de la deuxième déformation (62, 60) et la paroi opposée (54, 52) dont elle est issue.
11. Boîte collectrice selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que au moins une parmi la paroi et la paroi opposée comporte une ouverture traversante (76) au niveau des moyens de séparation (56).
12. Boîte collectrice selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la première chambre et la deuxième chambre présentent une hauteur de chambre différente.
13. Boîte collectrice selon la revendication 12, caractérisée en ce que la première chambre est propre à être parcourue par un fluide à haute température et la deuxième chambre est propre à être parcourue par le même fluide à une température plus basse, et en ce que la première chambre présente une hauteur de chambre plus grande que la deuxième chambre.
14. Boîte collectrice selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est réalisée en alliage d'aluminium ou en aluminium.
15. Boîte collectrice selon l'une des revendications 2 à 14, caractérisée en ce qu'au moins un parmi le couvercle (52) et le collecteur (54) est recouvert de brasure. 30
16. Echangeur de chaleur caractérisé en ce qu'il comporte au moins une partie dédiée au refroidissement d'un fluide d'une première boucle d'échange de chaleur et au moins une autre partie dédiée au refroidissement d'un25fluide d'une deuxième boucle d'échange de chaleur, et en ce que qu'il comporte des boites collectrices selon l'une des revendications précédentes, lesdites boites collectrices recevant des extrémités de tubes d'échange de chaleur.
17. Echangeur de chaleur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les moyens de séparations respectifs de chaque boite collectrice se trouvent en vis-à-vis l'un de l'autre. 10
18. Echangeur de chaleur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les tubes sensiblement en regard des moyens de séparation (56) sont inactifs. 15
19. Echangeur de chaleur selon la revendication 18, caractérisé en ce que les tubes inactifs s'étendent à proximité de la boîte collectrice sans pénétrer celle-ci.
20. Echangeur de chaleur selon la revendication 18, 20 caractérisé en ce que les tubes inactifs traversent les moyens de séparation (56).
21. Echangeur de chaleur selon la revendication 18 à 20 caractérisé en ce que les moyens de séparations respectifs 25 de chaque boite collectrice se trouvent en vis-à-vis du ou des mêmes tubes inactifs.5
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|---|---|---|---|
| FR0602305A FR2898669B1 (fr) | 2006-03-15 | 2006-03-15 | Boite collectrice amelioree pour echangeur a chambres multiples et echangeur de chaleur correspondant |
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