JP2009062909A - スターリング機関およびスターリング機関搭載機器 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構造によりディスプレーサスプリングを固定することが可能なスターリング機関および該スターリング機関を備えたスターリング機関搭載機器を提供する。
【解決手段】スターリング冷凍機１００は、背圧空間１７０と圧縮空間１５１および膨張空間１５２を含む作動空間１５０とを有し、作動媒体が封入されたケーシング１１０と、背圧空間１７０と作動空間１５０との間に設けられ、作動空間１５０内の作動媒体に圧力変動を与えるピストン１３０と、圧縮空間１５１と膨張空間１５２との間に設けられ、ピストン１３０による圧力変動により作動するディスプレーサ１４０と、作動空間１５０内に設けられ、ディスプレーサ１４０を所定の位置に向けて付勢するディスプレーサスプリング１９２とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、スターリング機関およびスターリング機関搭載機器に関し、特に、ピストンおよびディスプレーサを有するスターリング機関および該スターリング機関を備えたスターリング機関搭載機器に関する。

ピストンおよびディスプレーサを有する従来のスターリング機関としては、たとえば、特開２００２−８９９８５号公報（特許文献１）および特開２００４−６８７１３号公報（特許文献２）に記載されたものなどが挙げられる。
特開２００２−８９９８５号公報 特開２００４−６８７１３号公報

特許文献１，２に記載のスターリング機関では、いずれも、ディスプレーサに弾性力を付与するディスプレーサスプリングが、ピストンに対してディスプレーサの反対側に位置する背圧空間内に設けられている。このため、特許文献１，２に記載のスターリング機関では、ディスプレーサの軸方向端面から突出したディスプレーサロッドをピストンのセンター穴に貫通させる必要があり、部品の高精度化が要求されるとともに、部品点数が増大することになる。この結果、スターリング機関の製造コストが増大する。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、簡易な構造によりディスプレーサスプリングを固定することが可能なスターリング機関および該スターリング機関を備えたスターリング機関搭載機器を提供することにある。

本発明に係るスターリング機関は、背圧空間と圧縮空間および膨張空間を含む作動空間とを有し、作動媒体が封入されたケーシングと、背圧空間と作動空間との間に設けられ、作動空間内の作動媒体に圧力変動を与えるピストンと、圧縮空間と膨張空間との間に設けられ、ピストンによる圧力変動により作動するディスプレーサと、作動空間内に設けられ、ディスプレーサを所定の位置に向けて付勢するディスプレーサスプリングとを備える。

上記構成によれば、ディスプレーサを付勢するディスプレーサスプリングを作動空間内に位置させることにより、ディスプレーサスプリングをディスプレーサに近い位置に設けることができるので、簡易な構造によりディスプレーサスプリングを固定することができる。この結果、スターリング機関の製造コストが低減される。

上記スターリング機関において、ディスプレーサスプリングは、作動空間における圧縮空間内に設けられてもよいし、作動空間における膨張空間内に設けられてもよい。

１つの局面では、上記スターリング機関は、ケーシング内に設けられ、ディスプレーサを往復動可能に受け入れるシリンダをさらに備え、ディスプレーサスプリングは、シリンダに固定される。

他の局面では、上記スターリング機関は、ケーシング内に設けられ、ピストンを往復動可能に受け入れるシリンダをさらに備え、ディスプレーサスプリングは、シリンダに固定される。

上記ディスプレーサスプリングは、好ましくは、シリンダに対してインサート成型により一体化される。

これにより、ディスプレーサスプリングの位置決め精度が向上するとともに、部品点数および組み立て工数の削減を図ることができる。

さらに他の局面では、上記スターリング機関において、ディスプレーサスプリングは、ケーシングに固定される。

本発明に係るスターリング機関搭載機器は、上述したスターリング機関を備える。

本発明によれば、簡易な構造によりディスプレーサスプリングを固定することができるので、スターリング機関の製造コストを低減することができる。

以下に、本発明の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。

なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本発明にとって必ずしも必須のものではない。また、以下に複数の実施の形態が存在する場合、特に記載がある場合を除き、各々の実施の形態の構成を適宜組合わせることは、当初から予定されている。

本願明細書において、「冷却庫」とは、冷蔵室を有する「冷蔵庫」、冷凍室を有する「冷凍庫」および冷凍室と冷蔵室とを双方とも有する「冷凍冷蔵庫」のすべてを含む概念である。

また、後述の例においては、スターリング冷凍機を備えたスターリング機関搭載機器としてのスターリング冷却庫（Ｓｔｉｒｌｉｎｇ Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ／Ｆｒｅｅｚｅｒ）について説明するが、本発明に係るスターリング機関搭載機器は、スターリング冷却庫に限定されるものではない。スターリング機関は、たとえば、発電機としても用いられる。

（スターリング冷却庫の説明）
図１は、後述する本発明の実施の形態１〜４に係るスターリング機関を含む「スターリング機関搭載機器」としてのスターリング冷却庫の配管系統図である。

図１を参照して、スターリング冷却庫１０００は、低温部および高温部を有するスターリング冷凍機１００（スターリング機関）と、上記低温部の冷熱を伝達するための冷媒回路である低温側循環回路２００と、上記高温部の熱を伝達するための冷媒回路である第１高温側循環回路３００および第２高温側循環回路４００とを含んで構成される。

低温側循環回路２００は、低温側蒸発器２１０と、冷媒配管２２０，２３０と、スターリング冷凍機１００の低温部に取り付けられた低温側凝縮器２４０と、ファン２５０とを含んで構成される。低温側循環回路２００は、冷却庫内の空気とスターリング冷凍機１００の低温部との熱交換を行なう。

低温側循環回路２００内には二酸化炭素や炭化水素などが冷媒として封入されている。低温側凝縮器２４０において凝縮した冷媒は冷媒配管２３０（低温側導管）を流れて低温側蒸発器２１０に達する。低温側蒸発器２１０において冷媒が蒸発することで熱交換が行なわれる。この熱交換を促進するために、低温側蒸発器２１０近傍に気流を生じさせるファン２５０が設けられている。熱交換の後、ガス化された冷媒は、冷媒配管２２０（低温側戻り管）を介して低温側凝縮器２４０に戻る。低温側凝縮器２４０に流入し、凝縮した冷媒は、冷媒配管２３０に流入する。

低温側循環回路２００においては、このように、冷媒の蒸発と凝縮とによる自然循環を利用して、スターリング冷凍機１００の低温部で発生した冷熱を伝達することができるように、低温側蒸発器２１０が低温側凝縮器２４０より下方に配置されている。また、冷媒の沸点を調整するために、循環回路系内の圧力が調整されている。

第１高温側循環回路３００は、高温側凝縮器３１０と、冷媒配管３２０，３３０と、高温側蒸発器３４０とを含んで構成される。第１高温側循環回路３００は、スターリング冷凍機１００の高温部の冷却を行なう。

第１高温側循環回路３００内には水（Ｈ₂Ｏ）などが冷媒として封入されている。高温側蒸発器３４０において蒸発した冷媒は冷媒配管３３０（高温側導管）を流れて高温側凝縮器３１０に達する。高温側凝縮器３１０において外気との熱交換が行なわれることで冷媒が凝縮する。この熱交換を促進するために、高温側凝縮器３１０近傍に気流を生じさせるファン３５０が設けられている。凝縮した冷媒は、冷媒配管３２０（高温側戻り管）を流れて高温側蒸発器３４０に戻る。第１高温側循環回路３００においては、このように、冷媒の蒸発と凝縮とによる自然循環を利用して、スターリング冷凍機１００の高温部で発生した熱を伝達することができるように、高温側凝縮器３１０が高温側蒸発器３４０より上方に配置されている。また、冷媒の沸点を調整するために、循環回路系内の圧力が調整されている。

第２高温側循環回路４００は、冷媒配管４１０，４３０，４５０と、循環ポンプ４２０と、発露防止パイプ４４０とを含んで構成される。第２高温側循環回路４００は、スターリング冷凍機１００の高温部の熱を発露防止パイプ４４０に伝達する。

冷媒配管４１０は、高温側蒸発器３４０の下部に接続されている。高温側蒸発器３４０から冷媒配管４１０に液相の冷媒が流入する。冷媒配管４１０に流入した冷媒は、スターリング冷凍機１００よりも下方に設けられた循環ポンプ４２０に達する。循環ポンプ４２０から吐出された冷媒は、冷媒配管４３０を介して発露防止パイプ４４０に送られる。発露防止パイプ４４０内を流れる冷媒は、スターリング冷凍機１００の高温部から与えられた熱により比較的高温に保たれている。したがって、発露防止パイプ４４０を冷却庫の前面に配置することで、ドア部等における発露を抑制することができる。発露防止パイプ４４０内を流れた冷媒は、冷媒配管４５０を介して高温側蒸発器３４０内に戻る。このように、第２高温側循環回路４００においては、循環ポンプ４２０による強制循環が行なわれている。

スターリング冷凍機１００を作動させると、該冷凍機１００の高温部で発生した熱が、高温側凝縮器３１０を介して空気と熱交換される。一方、スターリング冷凍機１００の低温部で発生した冷熱は、低温側蒸発器２１０を介して冷却庫内の空気と熱交換される。冷却庫内からの暖かくなった気流は、再び低温側蒸発器２１０近傍に送られ、繰り返し冷却される。

なお、図１の例では、スターリング冷凍機１００における高温部と低温部とが水平方向に並ぶように（すなわち、横向きに）スターリング冷凍機１００が設置されているが、スターリング冷凍機１００における高温部と低温部とが鉛直方向に並ぶように（すなわち、縦向きに）、より具体的には、スターリング冷凍機１００の高温部が当該スターリング冷凍機１００の低温部の上側に位置するようにスターリング冷凍機１００が設置されてもよい。

（実施の形態１）
図２は、実施の形態１に係るスターリング機関を示した側断面図である。図２を参照して、本実施の形態に係るスターリング冷凍機１００（スターリング機関）は、フリーピストン型のスターリング機関であって、高温部１１１および低温部１１２を含むケーシング１１０と、該ケーシング１１０に組付けられたシリンダ１２０（１２１，１２２）と、シリンダ１２１，１２２内でそれぞれ往復動するピストン１３０およびディスプレーサ１４０と、圧縮空間１５１および膨張空間１５２を含む作動空間１５０と、再生器１６０と、熱交換器１６１，１６２と、背圧空間１７０と、ピストン駆動手段としてのリニアモータ１８０と、ピストンスプリング１９１およびディスプレーサスプリング１９２を含むスプリング１９０とを含んで構成される。

ケーシング１１０は、背圧空間１７０を規定する。ケーシング１１０には、シリンダ１２０、リニアモータ１８０、ピストンスプリング１９１およびディスプレーサスプリング１９２をはじめとする種々の部品が組付けられる。ケーシング１１０の内部には、ヘリウムガスや水素ガス、窒素ガスなどの作動媒体が充填される。

シリンダ１２１，１２２は、略円筒状の形状を有し、内部にピストン１３０およびフリーピストンとしてのディスプレーサ１４０をそれぞれ往復動可能に受け入れる。シリンダ１２０内において、ピストン１３０とディスプレーサ１４０とは同軸上に間隔をあけて配置され、このピストン１３０およびディスプレーサ１４０によって作動空間１５０が圧縮空間１５１と膨張空間１５２とに区画される。より詳しくは、作動空間１５０は、ピストン１３０におけるディスプレーサ１４０側の端面よりもディスプレーサ１４０側に位置する空間であり、ピストン１３０とディスプレーサ１４０との間に圧縮空間１５１が形成され、ディスプレーサ１４０と低温部１１２との間に膨張空間１５２が形成される。圧縮空間１５１は主に高温部１１１によって囲まれ、膨張空間１５２は主に低温部１１２によって囲まれている。

ピストン１３０は、該ピストン１３０の軸方向端面からディスプレーサ１４０に向けて突出するピストンロッド１３０Ａを有する。ピストンロッド１３０Ａは、ディスプレーサスプリング１９２およびディスプレーサ１４０に挿通される。

圧縮空間１５１と膨張空間１５２との間には、所定の隙間を有しながらフィルムが巻回されてなる再生器１６０が配設されており、この再生器１６０を介して圧縮空間１５１と膨張空間１５２とが連通する。それにより、スターリング冷凍機１００内に閉回路が構成される。この閉回路内に封入された作動媒体が、ピストン１３０およびディスプレーサ１４０の動作に合わせて流動することにより、逆スターリングサイクルが実現される。

高温部１１１、低温部１１２の内周面上には、それぞれ熱交換器１６１と熱交換器１６２とが設けられる。熱交換器１６１，１６２は、それぞれ、圧縮空間１５１、膨張空間１５２と高温部１１１、低温部１１２との間の熱交換を行なう。

ピストン１３０に対しディスプレーサ１４０と反対側には、ケーシング１１０によって囲まれた背圧空間１７０が配設されている。この背圧空間１７０内にも、作動媒体が存在する。

背圧空間１７０におけるシリンダ１２０の外側に位置する部分には、リニアモータ１８０が配設される。リニアモータ１８０は、インナーヨーク１８１と、コイルが巻回されたアウターヨーク１８２と、可動マグネット１８３とを含む。このリニアモータ１８０によって、シリンダ１２１の軸方向にピストン１３０が駆動される。

ピストン１３０の一端は、板バネなどで構成されるピストンスプリング１９１と接続される。該ピストンスプリング１９１は、ピストン１３０に弾性力を付与する。該ピストンスプリング１９１による弾性力を付加することにより、シリンダ１２１内でピストン１３０をより安定して周期的に往復動させることが可能となる。ピストンスプリング１９１は、背圧空間１７０内に位置するように設けられる。

ディスプレーサ１４０の一端は、板バネなどで構成されるディスプレーサスプリング１９２と接続される。該ディスプレーサスプリング１９２は、ディスプレーサ１４０に弾性力を付与する。該ディスプレーサスプリング１９２による弾性力を付加することにより、シリンダ１２２内でディスプレーサ１４０をより安定して周期的に往復動させることが可能となる。ディスプレーサスプリング１９２は、たとえばボルトなどによってシリンダ１２２に固定され、作動空間１５０における圧縮空間１５１内に位置するように設けられる。

また、ディスプレーサスプリング１９２を、シリンダ１２２に対してインサート成型により一体化してもよい。このようにすることで、ディスプレーサスプリング１９２の位置決め精度が向上するとともに、部品点数および組み立て工数の削減を図ることができる。

次に、このスターリング冷凍機１００の動作について説明する。
本冷凍機は、いわゆる逆スターリングサイクルを利用して冷凍効果を得るものである。ピストン１３０はリニアモータ１８０により駆動されて正弦運動する。ピストン１３０の動きにより圧縮空間１５１内の作動媒体は正弦波状の圧力変化を示す。圧縮された作動媒体は高温部１１１で圧縮熱を放出し、シリンダ１２０外に設けられた再生器１６０を通過する際に予冷され、膨張空間１５２へと流入する。

ディスプレーサ１４０は、定常運転時にはピストン１３０と同周期で一定の位相差をもって正弦運動し、その位相差や振幅は、ディスプレーサスプリング１９２のバネ定数や、時々刻々と変化する圧縮空間１５１と膨張空間１５２との圧力差、ディスプレーサ１４０の質量、動作周波数等によって決まる。この位相差については、一般的には９０度程度が最適条件であると言われている。

膨張空間１５２へと流入した作動媒体は、このディスプレーサ１４０の正弦運動により膨張し、これによって膨張空間１５２内の温度は著しく低下する。このとき発生した極低温（たとえば−５０℃程度）を低温部１１２を介して冷却庫内へ伝達することにより、所望の冷却効果が得られる。

図６は、比較例１に係るスターリング機関を示した側断面図である。図６を参照して、比較例１に係るスターリング冷凍機１００においては、ディスプレーサスプリング１９２が背圧空間１７０内に設けられている。このため、ディスプレーサ１４０の圧縮空間１５１側の軸方向端面から突出するディスプレーサロッド１４０Ａを設け、ディスプレーサロッド１４０Ａをピストン１３０のセンター穴に貫通させて背圧空間１７０にまで延ばす必要があり、部品の高精度化が要求されるとともに、部品点数が増大することになる。この結果、スターリング機関の製造コストが増大する。

図７は、比較例２に係るスターリング機関を示した側断面図である。図７を参照して、比較例２に係るスターリング冷凍機１００においては、シリンダ１２２にロッド部材１２２Ａが取り付けられ、ロッド部材１２２Ａは、ディスプレーサ１４０の内部空間に達するようにディスプレーサ１４０に挿通されている。そして、ディスプレーサ１４０の内部空間に達したロッド部材１２２Ａとディスプレーサ１４０の内面との間に、コイルスプリングからなるディスプレーサスプリング１９２が設けられている。このように、ディスプレーサ１４０の内部空間にコイルスプリングを取り付ける構造を採用することにより、ディスプレーサ１４０に、より高い強度が必要とされ、製造コストが増大するとともに、スターリング冷凍機１００の能力や信頼性が低下することが懸念される。また、図７のような構造では、スターリング冷凍機１００の駆動時に、ディスプレーサ１４０にサイドロードが作用し、ディスプレーサ１４０とシリンダ１２２とが接触しやすくなることも懸念される。

これに対し、本実施の形態に係るスターリング冷凍機１００によれば、図２に示すように、ディスプレーサ１４０を付勢するディスプレーサスプリング１９２を圧縮空間１５１内に位置させることにより、ディスプレーサスプリング１９２をディスプレーサ１４０に近い位置に設けることができるので、簡易な構造によりディスプレーサスプリング１９２を固定することができる。この結果、スターリング冷凍機１００の製造コストが低減される。

上述した内容について要約すると、以下のようになる。すなわち、本実施の形態に係る「スターリング機関」としてのスターリング冷凍機１００は、背圧空間１７０と圧縮空間１５１および膨張空間１５２を含む作動空間１５０とを有し、作動媒体が封入されたケーシング１１０と、背圧空間１７０と作動空間１５０との間に設けられ、作動空間１５０内の作動媒体に圧力変動を与えるピストン１３０と、圧縮空間１５１と膨張空間１５２との間に設けられ、ピストン１３０による圧力変動により作動するディスプレーサ１４０と、作動空間１５０における圧縮空間１５１内に設けられ、ディスプレーサ１４０を所定の位置に向けて付勢するディスプレーサスプリング１９２とを備える。

（実施の形態２）
図３は、実施の形態２に係るスターリング機関を示した側断面図である。図３を参照して、本実施の形態に係るスターリング機関は、実施の形態１に係るスターリング機関の変形例であって、ディスプレーサスプリング１９２が、作動空間１５０における膨張空間１５２内に設けられることを特徴とする。

なお、本実施の形態に係るスターリング冷凍機１００でも、ディスプレーサスプリング１９２は、ディスプレーサ１４０を受け入れるシリンダ１２２に固定されている。また、シリンダ１２２には、ロッド部材１２２Ａが取り付けられている。ロッド部材１２２Ａは、ディスプレーサ１４０に挿通されている。

本実施の形態に係るスターリング冷凍機１００によれば、ディスプレーサ１４０を付勢するディスプレーサスプリング１９２を膨張空間１５２内に位置させることにより、実施の形態１に係るスターリング冷凍機１００と同様に、簡易な構造によりディスプレーサスプリング１９２を固定することができる。

（実施の形態３）
図４は、実施の形態３に係るスターリング機関を示した側断面図である。図４を参照して、本実施の形態に係るスターリング機関は、実施の形態１，２に係るスターリング機関の変形例であって、作動空間１５０における圧縮空間１５１内に設けられるディスプレーサスプリング１９２が、ピストン１３０を受け入れるシリンダ１２１に固定されることを特徴とする。

本実施の形態に係るスターリング冷凍機１００においても、ディスプレーサ１４０を付勢するディスプレーサスプリング１９２を圧縮空間１５１内に位置させることにより、実施の形態１，２に係るスターリング冷凍機１００と同様に、簡易な構造によりディスプレーサスプリング１９２を固定することができる。

（実施の形態４）
図５は、実施の形態４に係るスターリング機関を示した側断面図である。図５を参照して、本実施の形態に係るスターリング機関は、実施の形態１〜３に係るスターリング機関の変形例であって、作動空間１５０における膨張空間１５２内に設けられるディスプレーサスプリング１９２が、ケーシング１１０に固定されることを特徴とする。

本実施の形態に係るスターリング冷凍機１００においても、ディスプレーサ１４０を付勢するディスプレーサスプリング１９２を膨張空間１５２内に位置させることにより、実施の形態１〜３に係るスターリング冷凍機１００と同様に、簡易な構造によりディスプレーサスプリング１９２を固定することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態１〜４に係るスターリング機関を含むスターリング冷却庫の配管系統図である。 本発明の実施の形態１に係るスターリング機関を示した側断面図である。 本発明の実施の形態２に係るスターリング機関を示した側断面図である。 本発明の実施の形態３に係るスターリング機関を示した側断面図である。 本発明の実施の形態４に係るスターリング機関を示した側断面図である。 比較例１に係るスターリング機関を示した側断面図である。 比較例２に係るスターリング機関を示した側断面図である。

符号の説明

１００ スターリング冷凍機、１１０ ケーシング、１１１ 高温部、１１２ 低温部、１２０，１２１，１２２ シリンダ、１２２Ａ ロッド部材、１３０ ピストン、１３０Ａ ピストンロッド、１４０ ディスプレーサ、１４０Ａ ディスプレーサロッド、１５０ 作動空間、１５１ 圧縮空間、１５２ 膨張空間、１６０ 再生器、１６１，１６２ 熱交換器、１７０ 背圧空間、１８０ リニアモータ、１８１ インナーヨーク、１８２ アウターヨーク、１８３ 可動マグネット、１９０ スプリング、１９１ ピストンスプリング、１９２ ディスプレーサスプリング、２００ 低温側循環回路、２１０ 低温側蒸発器、２２０，２３０ 冷媒配管、２４０ 低温側凝縮器、２５０ ファン、３００ 第１高温側循環回路、３１０ 高温側凝縮器、３２０，３３０ 冷媒配管、３４０ 高温側蒸発器、３５０ ファン、４００ 第２高温側循環回路、４１０，４３０，４５０ 冷媒配管、４２０ 循環ポンプ、４４０ 発露防止パイプ、１０００ スターリング冷却庫。

Claims (8)

1. 背圧空間と圧縮空間および膨張空間を含む作動空間とを有し、作動媒体が封入されたケーシングと、
   前記背圧空間と前記作動空間との間に設けられ、前記作動空間内の前記作動媒体に圧力変動を与えるピストンと、
   前記圧縮空間と前記膨張空間との間に設けられ、前記ピストンによる圧力変動により作動するディスプレーサと、
   前記作動空間内に設けられ、前記ディスプレーサを所定の位置に向けて付勢するディスプレーサスプリングとを備えた、スターリング機関。
2. 前記ディスプレーサスプリングは、前記作動空間における前記圧縮空間内に設けられる、請求項１に記載のスターリング機関。
3. 前記ディスプレーサスプリングは、前記作動空間における前記膨張空間内に設けられる、請求項１に記載のスターリング機関。
4. 前記ケーシング内に設けられ、前記ディスプレーサを往復動可能に受け入れるシリンダをさらに備え、
   前記ディスプレーサスプリングは、前記シリンダに固定される、請求項１から請求項３のいずれかに記載のスターリング機関。
5. 前記ケーシング内に設けられ、前記ピストンを往復動可能に受け入れるシリンダをさらに備え、
   前記ディスプレーサスプリングは、前記シリンダに固定される、請求項１から請求項３のいずれかに記載のスターリング機関。
6. 前記ディスプレーサスプリングは、前記シリンダに対してインサート成型により一体化された、請求項４または請求項５に記載のスターリング機関。
7. 前記ディスプレーサスプリングは、前記ケーシングに固定される、請求項１から請求項３のいずれかに記載のスターリング機関。
8. 請求項１から請求項７のいずれかに記載のスターリング機関を備えた、スターリング機関搭載機器。

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