JP2004205062A - 集光式太陽熱温水器 - Google Patents
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Abstract
【課題】従来技術の太陽熱温水器にあっては、平板型の集熱器が一般的であるが、熱損失が大きいこと、また集光していないために高温集熱時および寒冷な気象条件での使用において著しく集熱効率が低下するという問題点がある。
【解決手段】本発明では、反射板によって太陽光を集熱部に集束させる集光方式の太陽熱集熱器と貯湯槽および給湯・給水装置が一体となった構造により、高温集熱時および寒冷な気象条件での使用における集熱効率の向上が得られる。
【選択図】 図１
【解決手段】本発明では、反射板によって太陽光を集熱部に集束させる集光方式の太陽熱集熱器と貯湯槽および給湯・給水装置が一体となった構造により、高温集熱時および寒冷な気象条件での使用における集熱効率の向上が得られる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】
この発明は、太陽熱温水器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の一般家庭用の太陽熱温水器では、一部真空管型があるが、ほとんどが集熱装置として平板型の太陽集熱器を用いている。平板型は簡便な構造で製作が容易であるため製造コストが抑えられ、太陽熱温水器の普及に大きな貢献をもたらした。しかしながら、平板型の太陽集熱器では、構造そのものに起因する熱損失が大きいこと、また太陽光を集光していないために集光部の表面温度が高温にならないことから、高温集熱時および寒冷な気象条件での使用において著しく集熱効率が低下するという問題点がある。そのため、太陽熱温水器は温暖な西日本には比較的に多く普及（宮崎・愛媛などでは普及率50％を超える）しているが、東北・北海道（例えば青森では2.5％）などではほとんど普及していないのが実情である。また、従来の太陽熱温水器では、良好な集熱を得るために緯度に応じた傾斜角度で設置する必要があり、そのため、図１０記載のように、各家屋の屋根面２６の傾斜角に応じた固定架台２８を組む必要があった。この設置方法では、デザイン上見栄えが悪く、また、台風など風対策にも難がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
解決しようとする問題点は、従来の太陽熱温水器が高温集熱時および寒冷な気象条件での使用において著しく集熱効率が低下するということである。さらに、設置方法がデザイン上見栄えが悪く、風対策にも難があることである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の問題点を解決するために、請求項１の発明は、反射板によって太陽光を集熱部に集束させる集光方式の太陽熱集熱器と貯湯槽および給湯・給水装置が一体となった構造を特徴とする集光式太陽熱温水器である。
【０００５】
また，集光方式の手段として、請求項２の発明は、複合放物面集光(Compound Parabolic Concentrator,以下CPC)型の反射板を有する太陽集熱器を構成要素とするという特徴を有する請求項１記載の集光式太陽熱温水器である。
【０００６】
また、太陽熱温水器の断熱性能を向上させる手段として、請求項３の発明は、希ガスなどの高断熱性ガスを封入したペアガラスをカバーとして用いた太陽集熱器を構成要素とするという特徴を有する請求項１および２記載の集光式太陽熱温水器である。
【０００７】
また、太陽熱温水器の断熱性能を向上させる他の手段として、請求項４の発明は、真空ペアガラスをカバーとして用いた太陽集熱器を構成要素とするという特徴を有する請求項１および２記載の集光式太陽熱温水器である。
【０００８】
また、太陽熱温水器の設置を任意の角度にする手段として、請求項５の発明は、集光用反射板の傾斜角度を組み立て段階において、もっとも効率良く集熱できる角度に任意に調節することによって、太陽集熱器の傾斜角度を任意にすることが可能であるという特徴を有する請求項１および２記載の集光式太陽熱温水器である。
【０００９】
さらに、太陽熱温水器の設置方法を改善する手段として、請求項６の発明は、貯湯槽を集熱器モジュールの裏面に薄型にして格納するという特徴を有する請求項１および２記載の集光式太陽熱温水器である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、集光式太陽熱温水器の実施形態を示す図である。
図２は、図１記載の集光式太陽熱温水器の集熱管および反射板（以下、リフレクタ）の断面図である。
【００１１】
集光式太陽熱温水器は、基本的に太陽集熱器とそれに配管によって連結された貯湯槽５で構成され、太陽集熱器は、集光用の反射板として樋状のCPCリフレクタ１とその内部に集熱管２を通した構造のものを複数本並べてヘッダー管３で連結した構造を有する。これらは外装矩体１２とカバー４の内部に格納されており、カバー４としては、断熱性能の高いクリプトン（Kr）ガスなどの希ガスを封入したペアガラスもしくは真空ペアガラスを用いる。さらにCPCリフレクタ１および集熱管２の周囲は断熱材１６によって厳重に断熱されている。ヘッダー管３は貯湯槽５の下層に連結されており、熱サイフォン現象を利用した自然循環方式、場合によってはポンプによる強制循環方式のいずれかによって熱媒体（水、もしくは不凍液）が循環され、貯湯槽５に蓄熱される。なお、強制循環方式の場合は循環ポンプが必要となり、ポンプの電源として貯湯槽５上部の鏡板に太陽電池２３を設置することもある。貯湯槽５には通常、給水口６、オーバーフロー水出口７、給湯口８、エア抜き弁９、およびボールタップ１１などの付随装置が設けられており、最適な集熱・給湯が行われるようになっている。
【００１２】
【実施例】
図３は、集光式太陽熱温水器の他の実施例を示す図である。
【００１３】
図１記載の実施形態で、あらかじめ集熱器をモジュール化しておくことにより、集熱器モジュール１３を複数枚連結することによって集熱面積を容易に拡大することが可能となる。
【００１４】
さらに図４は、集光式太陽熱温水器の他の実施例を示す図である。
【００１５】
仮に図４(a)に示すように平坦な面に太陽熱温水器を設置することを考えると、太陽光を効率良く集光するためには、緯度に応じた設置角度１４にしなければならない。しかし、図４(b)のように集光用反射板であるCPCリフレクタ１の傾斜角度１５を、設置角度分だけ傾斜させると、太陽熱温水器は平坦な面にそのまま設置することが可能となる。このように集光用反射板であるCPCリフレクタ１の傾斜角度１５を任意にすることによって、多様な傾斜面に対応する太陽熱温水器を製造することができる。なお、図４(a)および(b)のサブリフレクタ１７は、貯湯槽の外装板に反射面を設けたもので、これにより集熱器への日射量を若干増加させることができる。図４(b)の場合、サブリフレクタ傾斜角度１８は、リフレクタ傾斜角度１５と等しくなるようにするのが良い。サブリフレクタ１７の表面には酸化チタン皮膜などによる防汚・耐候性処理がなされるのが望ましい。
【００１６】
図５は、図４(b)記載の実施例の説明図である。
【００１７】
図５(a)は図４(a)記載のCPCリフレクタ１および集熱管２の拡大図であるが、この状態で緯度に応じた設置角度１４分だけCPCリフレクタ１を傾斜させると、図５(b)のように隣同士のCPCリフレクタ１が太陽光線に対して陰になってしまう。これを回避するために、図５(c)のように、CPCリフレクタ１の片側だけをトランケーション（切頭）２０してお互いを密接に並べることが考えられる。この場合、もっとも最適なトランケーション２０および集熱管間隔２２は、トランケーション（切頭）２０の先端位置と集熱管２の下部と外接する直線の角度が、設計上必要とされる最も低い太陽高度と設置面の傾斜角度を考慮に入れた上で算出される設計角度１９に等しくなる場合である。なお、図５(c)の例では、外装矩体１２に透過体２１を入れることによって少しでも集光する日射量を増やす工夫もしている。
【００１８】
図６は、CPCリフレクタと集熱管の構造の他の実施例を示す図である。
【００１９】
図６(a)は図１記載の実施形態における構造であるが、その他に図６(b),(c),(d)などのCPCリフレクタ１と集熱管２の構造も考えられる。
【００２０】
図７は、集光式太陽熱温水器の他の実施例を示す図である。
【００２１】
図１記載の実施形態では、CPCリフレクタ１と集熱管２は横方向に並んでいるが、他の実施例として、図７のように縦方向に並べることも考えられる。この場合、リフレクタ１の設計は横方向の場合とは異なるものとなる。また、縦・横いずれの場合においても並列配管のみではなく、直列配管にする場合も考えられる。
【００２２】
図８は、集光式太陽熱温水器の他の実施例を示す図である。
【００２３】
図９は、図８記載の他の実施例の断面図である。
【００２４】
従来の太陽熱温水器ならびに本発明の実施形態では、貯湯槽５は、集熱器モジュール１３の上部に位置している。他の実施例として、図８および図９に示すように、貯湯槽５を集熱器モジュールの裏面に薄型にして格納することが考えられる。通常の太陽熱温水器の貯湯槽の容量は約２００リットルであり、集熱器モジュールの面積は約２平方メートルであるので、図８および図９に示すように集熱器モジュールの裏面に貯湯槽を設けると、その高さは約５ｃｍとなり、非常に薄型の貯湯槽が得られる。貯湯槽の強度を確保するために、適切な間隔で支柱２４が設けられる。また、この場合には熱サイフォンの原理に基づく自然循環が困難なことも考えられるので、その際には太陽電池２３を太陽熱温水器の表面に設け、それによって電力を発生させ、貯湯槽５内の水中ポンプを駆動することも考えられる。
【００２５】
さらに本発明の太陽熱温水器では、カバー材料として、赤外線（波長４〜１５マイクロメートル）において高透過性を有する材料を用いた場合、自然エネルギーの１つである放射冷却現象（Sky Radiation Cooling）を利用した冷水製造装置としても用いることができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、反射板によって太陽光を集熱部に集束させる集光方式の太陽熱集熱器と貯湯槽および給湯・給水装置が一体となった構造により、高温集熱時および寒冷な気象条件での使用における集熱効率の向上が得られる。さらに、デザイン的に見栄えが良くなり、強風にも強い構造となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】集光式太陽熱温水器の実施形態を示す図である。
【図２】図１記載の集光式太陽熱温水器の集熱管および反射板の断面を示す図である。
【図３】集光式太陽熱温水器の他の実施例を示す図である。
【図４】集光式太陽熱温水器の他の実施例を示す図である。
【図５】図４記載の集光式太陽熱温水器の他の実施例の説明を示す図である。
【図６】CPCリフレクタと集熱管の構造の他の実施例を示す図である。
【図７】太陽熱温水器の他の実施例を示す図である。
【図８】集光式太陽熱温水器の他の実施例を示す図である。
【図９】図８記載の集光式太陽熱温水器の他の実施例の断面を示す図である。
【図１０】従来技術の太陽熱温水器の設置方式を示す図である。
【符号の説明】
１ CPCリフレクタ
２ 集熱管
３ ヘッダー管
４ カバー
５ 貯湯槽
６ 給水口
７ オーバーフロー水出口
８ 給湯口
９ エア抜き弁
１０ 仕切り板
１１ ボールタップ
１２ 外装矩体
１３ 集熱器モジュール
１４ 設置角度
１５ リフレクタ傾斜角度
１６ 断熱材
１７ サブリフレクタ
１８ サブリフレクタ傾斜角度
１９ 設計角度
２０ トランケーション
２１ 透過体
２２ 集熱管間隔
２３ 太陽電池
２４ 支柱
２５ 水中ポンプ
２６ 屋根面
２７ 太陽熱温水器
２８ 固定架台
【発明が属する技術分野】
この発明は、太陽熱温水器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の一般家庭用の太陽熱温水器では、一部真空管型があるが、ほとんどが集熱装置として平板型の太陽集熱器を用いている。平板型は簡便な構造で製作が容易であるため製造コストが抑えられ、太陽熱温水器の普及に大きな貢献をもたらした。しかしながら、平板型の太陽集熱器では、構造そのものに起因する熱損失が大きいこと、また太陽光を集光していないために集光部の表面温度が高温にならないことから、高温集熱時および寒冷な気象条件での使用において著しく集熱効率が低下するという問題点がある。そのため、太陽熱温水器は温暖な西日本には比較的に多く普及（宮崎・愛媛などでは普及率50％を超える）しているが、東北・北海道（例えば青森では2.5％）などではほとんど普及していないのが実情である。また、従来の太陽熱温水器では、良好な集熱を得るために緯度に応じた傾斜角度で設置する必要があり、そのため、図１０記載のように、各家屋の屋根面２６の傾斜角に応じた固定架台２８を組む必要があった。この設置方法では、デザイン上見栄えが悪く、また、台風など風対策にも難がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
解決しようとする問題点は、従来の太陽熱温水器が高温集熱時および寒冷な気象条件での使用において著しく集熱効率が低下するということである。さらに、設置方法がデザイン上見栄えが悪く、風対策にも難があることである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の問題点を解決するために、請求項１の発明は、反射板によって太陽光を集熱部に集束させる集光方式の太陽熱集熱器と貯湯槽および給湯・給水装置が一体となった構造を特徴とする集光式太陽熱温水器である。
【０００５】
また，集光方式の手段として、請求項２の発明は、複合放物面集光(Compound Parabolic Concentrator,以下CPC)型の反射板を有する太陽集熱器を構成要素とするという特徴を有する請求項１記載の集光式太陽熱温水器である。
【０００６】
また、太陽熱温水器の断熱性能を向上させる手段として、請求項３の発明は、希ガスなどの高断熱性ガスを封入したペアガラスをカバーとして用いた太陽集熱器を構成要素とするという特徴を有する請求項１および２記載の集光式太陽熱温水器である。
【０００７】
また、太陽熱温水器の断熱性能を向上させる他の手段として、請求項４の発明は、真空ペアガラスをカバーとして用いた太陽集熱器を構成要素とするという特徴を有する請求項１および２記載の集光式太陽熱温水器である。
【０００８】
また、太陽熱温水器の設置を任意の角度にする手段として、請求項５の発明は、集光用反射板の傾斜角度を組み立て段階において、もっとも効率良く集熱できる角度に任意に調節することによって、太陽集熱器の傾斜角度を任意にすることが可能であるという特徴を有する請求項１および２記載の集光式太陽熱温水器である。
【０００９】
さらに、太陽熱温水器の設置方法を改善する手段として、請求項６の発明は、貯湯槽を集熱器モジュールの裏面に薄型にして格納するという特徴を有する請求項１および２記載の集光式太陽熱温水器である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、集光式太陽熱温水器の実施形態を示す図である。
図２は、図１記載の集光式太陽熱温水器の集熱管および反射板（以下、リフレクタ）の断面図である。
【００１１】
集光式太陽熱温水器は、基本的に太陽集熱器とそれに配管によって連結された貯湯槽５で構成され、太陽集熱器は、集光用の反射板として樋状のCPCリフレクタ１とその内部に集熱管２を通した構造のものを複数本並べてヘッダー管３で連結した構造を有する。これらは外装矩体１２とカバー４の内部に格納されており、カバー４としては、断熱性能の高いクリプトン（Kr）ガスなどの希ガスを封入したペアガラスもしくは真空ペアガラスを用いる。さらにCPCリフレクタ１および集熱管２の周囲は断熱材１６によって厳重に断熱されている。ヘッダー管３は貯湯槽５の下層に連結されており、熱サイフォン現象を利用した自然循環方式、場合によってはポンプによる強制循環方式のいずれかによって熱媒体（水、もしくは不凍液）が循環され、貯湯槽５に蓄熱される。なお、強制循環方式の場合は循環ポンプが必要となり、ポンプの電源として貯湯槽５上部の鏡板に太陽電池２３を設置することもある。貯湯槽５には通常、給水口６、オーバーフロー水出口７、給湯口８、エア抜き弁９、およびボールタップ１１などの付随装置が設けられており、最適な集熱・給湯が行われるようになっている。
【００１２】
【実施例】
図３は、集光式太陽熱温水器の他の実施例を示す図である。
【００１３】
図１記載の実施形態で、あらかじめ集熱器をモジュール化しておくことにより、集熱器モジュール１３を複数枚連結することによって集熱面積を容易に拡大することが可能となる。
【００１４】
さらに図４は、集光式太陽熱温水器の他の実施例を示す図である。
【００１５】
仮に図４(a)に示すように平坦な面に太陽熱温水器を設置することを考えると、太陽光を効率良く集光するためには、緯度に応じた設置角度１４にしなければならない。しかし、図４(b)のように集光用反射板であるCPCリフレクタ１の傾斜角度１５を、設置角度分だけ傾斜させると、太陽熱温水器は平坦な面にそのまま設置することが可能となる。このように集光用反射板であるCPCリフレクタ１の傾斜角度１５を任意にすることによって、多様な傾斜面に対応する太陽熱温水器を製造することができる。なお、図４(a)および(b)のサブリフレクタ１７は、貯湯槽の外装板に反射面を設けたもので、これにより集熱器への日射量を若干増加させることができる。図４(b)の場合、サブリフレクタ傾斜角度１８は、リフレクタ傾斜角度１５と等しくなるようにするのが良い。サブリフレクタ１７の表面には酸化チタン皮膜などによる防汚・耐候性処理がなされるのが望ましい。
【００１６】
図５は、図４(b)記載の実施例の説明図である。
【００１７】
図５(a)は図４(a)記載のCPCリフレクタ１および集熱管２の拡大図であるが、この状態で緯度に応じた設置角度１４分だけCPCリフレクタ１を傾斜させると、図５(b)のように隣同士のCPCリフレクタ１が太陽光線に対して陰になってしまう。これを回避するために、図５(c)のように、CPCリフレクタ１の片側だけをトランケーション（切頭）２０してお互いを密接に並べることが考えられる。この場合、もっとも最適なトランケーション２０および集熱管間隔２２は、トランケーション（切頭）２０の先端位置と集熱管２の下部と外接する直線の角度が、設計上必要とされる最も低い太陽高度と設置面の傾斜角度を考慮に入れた上で算出される設計角度１９に等しくなる場合である。なお、図５(c)の例では、外装矩体１２に透過体２１を入れることによって少しでも集光する日射量を増やす工夫もしている。
【００１８】
図６は、CPCリフレクタと集熱管の構造の他の実施例を示す図である。
【００１９】
図６(a)は図１記載の実施形態における構造であるが、その他に図６(b),(c),(d)などのCPCリフレクタ１と集熱管２の構造も考えられる。
【００２０】
図７は、集光式太陽熱温水器の他の実施例を示す図である。
【００２１】
図１記載の実施形態では、CPCリフレクタ１と集熱管２は横方向に並んでいるが、他の実施例として、図７のように縦方向に並べることも考えられる。この場合、リフレクタ１の設計は横方向の場合とは異なるものとなる。また、縦・横いずれの場合においても並列配管のみではなく、直列配管にする場合も考えられる。
【００２２】
図８は、集光式太陽熱温水器の他の実施例を示す図である。
【００２３】
図９は、図８記載の他の実施例の断面図である。
【００２４】
従来の太陽熱温水器ならびに本発明の実施形態では、貯湯槽５は、集熱器モジュール１３の上部に位置している。他の実施例として、図８および図９に示すように、貯湯槽５を集熱器モジュールの裏面に薄型にして格納することが考えられる。通常の太陽熱温水器の貯湯槽の容量は約２００リットルであり、集熱器モジュールの面積は約２平方メートルであるので、図８および図９に示すように集熱器モジュールの裏面に貯湯槽を設けると、その高さは約５ｃｍとなり、非常に薄型の貯湯槽が得られる。貯湯槽の強度を確保するために、適切な間隔で支柱２４が設けられる。また、この場合には熱サイフォンの原理に基づく自然循環が困難なことも考えられるので、その際には太陽電池２３を太陽熱温水器の表面に設け、それによって電力を発生させ、貯湯槽５内の水中ポンプを駆動することも考えられる。
【００２５】
さらに本発明の太陽熱温水器では、カバー材料として、赤外線（波長４〜１５マイクロメートル）において高透過性を有する材料を用いた場合、自然エネルギーの１つである放射冷却現象（Sky Radiation Cooling）を利用した冷水製造装置としても用いることができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、反射板によって太陽光を集熱部に集束させる集光方式の太陽熱集熱器と貯湯槽および給湯・給水装置が一体となった構造により、高温集熱時および寒冷な気象条件での使用における集熱効率の向上が得られる。さらに、デザイン的に見栄えが良くなり、強風にも強い構造となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】集光式太陽熱温水器の実施形態を示す図である。
【図２】図１記載の集光式太陽熱温水器の集熱管および反射板の断面を示す図である。
【図３】集光式太陽熱温水器の他の実施例を示す図である。
【図４】集光式太陽熱温水器の他の実施例を示す図である。
【図５】図４記載の集光式太陽熱温水器の他の実施例の説明を示す図である。
【図６】CPCリフレクタと集熱管の構造の他の実施例を示す図である。
【図７】太陽熱温水器の他の実施例を示す図である。
【図８】集光式太陽熱温水器の他の実施例を示す図である。
【図９】図８記載の集光式太陽熱温水器の他の実施例の断面を示す図である。
【図１０】従来技術の太陽熱温水器の設置方式を示す図である。
【符号の説明】
１ CPCリフレクタ
２ 集熱管
３ ヘッダー管
４ カバー
５ 貯湯槽
６ 給水口
７ オーバーフロー水出口
８ 給湯口
９ エア抜き弁
１０ 仕切り板
１１ ボールタップ
１２ 外装矩体
１３ 集熱器モジュール
１４ 設置角度
１５ リフレクタ傾斜角度
１６ 断熱材
１７ サブリフレクタ
１８ サブリフレクタ傾斜角度
１９ 設計角度
２０ トランケーション
２１ 透過体
２２ 集熱管間隔
２３ 太陽電池
２４ 支柱
２５ 水中ポンプ
２６ 屋根面
２７ 太陽熱温水器
２８ 固定架台
Claims (6)
- 反射板によって太陽光を集熱部に集束させる集光方式の太陽熱集熱器と貯湯槽および給湯・給水装置が一体となった構造を特徴とする集光式太陽熱温水器。
- 複合放物面集光(Compound Parabolic Concentrator,以下CPC)型の反射板を有する太陽集熱器を構成要素とするという特徴を有する請求項１記載の集光式太陽熱温水器。
- 希ガスなどの高断熱性ガスを封入したペアガラスをカバーとして用いた太陽集熱器を構成要素とするという特徴を有する請求項１および２記載の集光式太陽熱温水器。
- 真空ペアガラスをカバーとして用いた太陽集熱器を構成要素とするという特徴を有する請求項１および２記載の集光式太陽熱温水器。
- 集光用反射板の傾斜角度を組み立て段階において、もっとも効率良く集熱できる角度に任意に調節することによって、太陽集熱器の傾斜角度を任意にすることが可能であるという特徴を有する請求項１および２記載の集光式太陽熱温水器。
- 貯湯槽を集熱器モジュールの裏面に薄型にして格納するという特徴を有する請求項１および２記載の集光式太陽熱温水器。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004205062A true JP2004205062A (ja) | 2004-07-22 |
Family
ID=32810171
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002371242A Pending JP2004205062A (ja) | 2002-12-24 | 2002-12-24 | 集光式太陽熱温水器 |
Country Status (1)
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|---|---|
| JP (1) | JP2004205062A (ja) |
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| EP2123992A2 (en) | 2008-05-21 | 2009-11-25 | Hidetsugu Nishihara | Solar energy absorber |
| CN101709907A (zh) * | 2009-11-22 | 2010-05-19 | 胡永蔷 | 一种太阳能分层式联集箱 |
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