JP2013154758A - 車両用制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安定した冷却性能が得られ、小型、軽量化が可能な車両用制御装置を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、車両用制御装置１０は、車両床下に配置される箱状の筐体１２と、前記筐体内に配設され、電力変換用の半導体素子２２と半導体素子を冷却するための冷却器２４とを備えた１群以上の電力変換ユニット１４と、前記筐体内に配設され前記半導体素子の発熱に対して、前記筐体内の空気を撹拌する冷却ファン１６と、を備えている。電力変換ユニットは、冷却器に接合され前記筐体内に位置する内側放熱フィン３０ｂと、前記冷却器に接合され前記筐体の外方に延出する外側放熱フィン３０ａと、備えている。
【選択図】図２

Description

この発明の実施形態は、鉄道車両用の制御装置に関する。

鉄道車両には、制御装置として、例えば、交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ、あるいは、直流電圧を３相の交流電圧に変換するインバータ等の電力変換装置が搭載されている。このような電力変換装置は、一般に、ＩＧＢＴ等の大容量の半導体スイッチング素子やダイオード等の複数の半導体素子と、これらに熱的に接続された冷却器と、を備えている。そして、冷却器に冷却風を送風することによって冷却を行っている。

冷却風送風方法としては、主に走行風を利用した走行風冷却方式と、大型の電動送風機（ブ口ア）によって外気を取り込み、冷却器に送風する強制風冷却方式の２方式がある。いずれの冷却方式においても、装置内に空気撹拌用の小型ファンが設けられている。この小型ファンは、半導体素子の発熱に対する空気攪拌ではなく、その他の搭載機器の発熱による装置内温度上昇を低減する目的として取付けられている。

特開２００３−４８５３３号公報

前者の冷却方式は、大型のブロアが不要となる一方、車両の走行条件や車両への制御装置の艤装構成及び周辺機器の艤装構成によって冷却性能が変動してしまうという不利な点がある。また、走行風を効率的に取り込むために装置形状が複雑化し、かつ冷却器の大型化により装置外形、質量が増加してしまうという不利な点もある。

一方、後者の冷却方式は、ブロアによって安定した冷却性能が得られる一方、ブロアおよび外気に含まれる塵挨による冷却器の汚損防止のためのフィルターや、強制風の流路かつ装置内の開放部と密閉部の境界として風洞を設ける必要があり、装置構成が複雑化し、装置外形・質量が増加してしまうという不利な点がある。
以上のように、２方式どちらにおいても装置形状が複雑化し、装置外形、質量が増加してしまう不利な点があり、小型・軽量化を実現する装置の構成が困難である。

この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その課題は、安定した冷却性能が得られるとともに、小型、軽量化が可能な車両用の制御装置を提供することにある。

実施形態によれば、車両用制御装置は、鉄道車両床下に配置される箱状の筐体と、前記筺体内に配設され、電力変換用の半導体素子と半導体素子を冷却するための冷却器とを備えた１群以上の電力変換ユニットと、前記筺体内に配設され前記半導体素子の発熱に対して、前記筐体内の空気を撹拌する冷却ファンと、を備え、前記電力変換ユニットは、前記冷却器に接合され前記筐体内に位置する内側放熱フィンと、前記冷却器に接合され前記筺体の外方に延出する外側放熱フィンと、備えている。

図１は、第１の実施形態に係る制御装置の車両走行方向に沿った断面図。 図２は、前記制御装置の車両走行方向と直交する方向に沿った断面図。 図３は、前記制御装置内部構造を示す斜視図。 図４は、第２の実施形態に係る制御装置の車両走行方向に沿った断面図。 図５は、前記制御装置の車両走行方向と直交する方向に沿った断面図。 図６は、第３の実施形態に係る制御装置の車両走行方向に沿った断面図。 図７は、前記制御装置の車両走行方向と直交する方向に沿った断面図。 図８は、第４の実施形態に係る制御装置の車両走行方向に沿った断面図。 図９は、前記制御装置の車両走行方向と直交する方向に沿った断面図。 図１０は、第５の実施形態に係る制御装置の車両走行方向に沿った断面図。 図１１は、前記制御装置の車両走行方向と直交する方向に沿った断面図。 図１２は、第６の実施形態に係る制御装置の車両走行方向に沿った断面図。 図１３は、前記制御装置の車両走行方向と直交する方向に沿った断面図。 図１４は、第７の実施形態に係る制御装置の車両走行方向に沿った断面図。 図１５は、前記制御装置の車両走行方向と直交する方向に沿った断面図。 図１６は、第８の実施形態に係る制御装置の車両走行方向に沿った断面図。 図１７は、前記制御装置の車両走行方向と直交する方向に沿った断面図。

以下、図面を参照しながら、種々の実施形態に係る鉄道車両用の制御装置について説明する。
（第１の実施形態）
図１、図２、図３は、第１の実施形態に係る鉄道車両用の制御装置１０を示す断面図および斜視図である。図１ないし図３に示すように、制御装置１０は、例えば、直流電力を交流電力に変換して電動機、空調装置等に供給する電力変換装置として構成されている。制御装置１０は、矩形箱状のほぼ密閉された筐体１２、この筐体内に配置された複数、例えば、３つの電力変換ユニット１４、筐体内に配設された複数、例えば、４つの小型冷却ファン１６、電力変換ユニットにスイッチング信号を送受信する制御部１７、その他、電流あるいは電圧を検出する検出器、電源部１９等を備えている。

制御装置１０の筐体１２は、複数の吊り耳１８により鉄道車両２０の床下に艤装され、筐体１２の底面は、レールあるいは地面側と隙間を置いて対向している。図１および図２において、鉄道車両２０の走行方向をＡ、鉄道車両の走行によって生じる走行風の向きをＢとしている。

各電力変換ユニット１４は、インバータ回路あるいはコンバータ回路を構成する複数の半導体素子２２と、これらの半導体素子を冷却する冷却器２４とを備えている。複数の半導体素子２２は、例えば、低損失半導体素子であるＳｉＣ素子、あるいは、ＩＧＢＴ(insulated gate bipolar transistor)、ＧＴＯ等の自己消弧型半導体素子からなり、例えば、ＳｉＣ素子と、このＳｉＣ素子に逆並列に接続されたダイオードとがモジュール化されている。

冷却器２４は、伝熱性の高い材料、例えば、アルミニウムにより形成された直方体形状の受熱ブロック２６を備えている。受熱ブロック２６は、例えば、その長手方向が鉄道車両２０の走行方向Ａと一致するように、筐体１２の底壁内面上に配置されている。受熱ブロック２６の上面および長手方向の両側面は、それぞれ矩形状の受熱面を形成している。複数の半導体素子２２は、熱伝導グリース等を受熱ブロック２６の各受熱面上に取り付けられ、互いに隙間を置いて並んで配置されている。

受熱ブロック２６の他の表面、すなわち、受熱ブロック２６の底面、および、長手方向両端面には、多数の放熱フィン３０ａ、３０ｂが立設されている。これらの放熱フィン３０ａ、３０ｂは、例えば、アルミニウムにより、受熱ブロック２６と一体に形成され、冷却器２４の放熱部を構成している。なお、放熱フィン３０ａ、３０ｂは、別体に形成したフィンを受熱ブロック２６に取り付け固定するようにしてもよい。

受熱ブロック２６の底面に立設された放熱フィン３０ａは、筐体１２の底壁を通り、筐体の底面からほぼ垂直に外部に延出し、外気に接触可能に露出している。すなわち、放熱フィン３０ａは、外側放熱フィンとして機能する。これらの放熱フィン３０ａは、それぞれ鉄道車両２０の走行方向Ａ（走行風の方向Ｂ）とほぼ平行に延びているとともに、走行方向と直交する方向に互いに隙間を置いて並んでいる。

受熱ブロック２６の長手方向両端面に立設された複数の放熱フィン３０ｂは、筐体１２の底面とほぼ平行に延出している。これらの放熱フィン３０ｂは、それぞれ鉄道車両２０の走行方向Ａと直行する方向に延びているとともに、筐体１２の高さ方向に互いに隙間を置いて並んでいる。放熱フィン３０ｂは、筐体１２内に位置し、内側放熱フィンとして機能する。

図２および図３に示すように、上記のように構成された３つの電力変換ユニット１４は、筐体１２内において、鉄道車両２０の幅方向（走行方向Ａと直交する方向あるいはレール幅方向）に互いに隙間を置いて並んで配置されている。３つの受熱ブロック２６の一端面上に設けられた放熱フィン３０ｂは、筐体１２の幅方向に一列に並んで位置し、同様に、３つの受熱ブロック２６の他端面上に設けられた放熱フィン３０ｂは、筐体１２の幅方向に一列に並んで位置している。

４つの小型冷却ファン１６は、筐体１２内で底壁内面上に支持されている。その内、２つの小型冷却ファン１６は、筐体１２の幅方向に沿って放熱フィン３０ｂの両側に配置され、放熱フィン３０ｂの上流側および下流側に対向している。２つの小型冷却ファン１６は、筐体１２内の空気を同一方向に送風し、放熱フィン３０ｂを通して、筐体１２の幅方向に通風する。

他の２つの小型冷却ファン１６は、筐体１２の幅方向に沿って他方の放熱フィン３０ｂの両側に配置され、放熱フィン３０ｂの上流側および下流側に対向している。２つの小型冷却ファン１６は、筐体１２内の空気を同一方向に送風し、放熱フィン３０ｂを通して、筐体１２の幅方向に通風する。
なお、各小型冷却ファン１６は、例えば、１２０×１２０ｍｍ程度の大きさであり、従来のブロアい比較して、充分小型に形成されている。

以上のように構成された制御装置１０によれば、各電力変換ユニット１４の冷却器２４は、筐体１２内に位置する内側放熱フィン３０ｂと外気に露出する外側放熱フィン３０ａを有していることから、２箇所で同時に半導体素子２２を冷却することが可能となる。放熱フィン３０ａ、３０ｂを２個以上有することにより、各放熱フィンの熱交換量は放熱フィンが１個の場合よりも小さくなるため、内側放熱フィン３０ｂは筐体１２内の空気撹拌用として使用する小型冷却ファン１６によって冷却が可能となる。

走行風Ｂが期待できない鉄道車両２０の低速走行時は、主に筐体１２内に配置された放熱フィン３０ｂを小型冷却ファン１６からの送風により冷却する。小型冷却ファン１６から送られた送風は、放熱フィン３０ｂの周囲を流れて熱を奪った後、筐体１２の壁を通して外部に熱を放出することにより、温度が低下する。このように、冷却ファン１６により筐体１２内の空気を撹拌および循環しつつ、半導体素子２２を冷却するとともに、筐体１２内の温度上昇を抑制する。

鉄道車両２０の高速走行時は、小型冷却ファン１６からの送風および走行風Ｂによって双方の放熱フィン３０ａ、３０ｂから熱を放熱し、半導体素子２２を効率よく冷却することができる。これにより、走行風を筐体１２内部に取り込む必要がなく、走行風を取り込むための複雑な装置形状の採用や冷却器の大型化を図る必要がない。同時に、大型の電動送風機、フィルター、装置内部を仕切る風洞のような構成も不要となることから、制御装置全体を小型、軽量化を実現することができる。
これにより、走行条件や機器の艤装条件によらず、安定した冷却性能が得られ、小型、軽量化が実現可能な車両用の制御装置が得られる。

次に、種々の他の実施形態に係る制御装置について説明する。以下に説明する種々の実施形態において、上述した第１の実施形態と同一構成部分は、同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略し、異なる部分を中心に説明する。

（第２の実施形態）
図４および図５は、第２の実施形態に係る制御装置１０の走行方向に沿った断面図および走行方向と直交する方向に沿った断面図である。

制御装置１０は、矩形箱状のほぼ密閉された筐体１２、この筐体内に配置された複数、例えば、３つの電力変換ユニット１４、筐体内に配設された複数、例えば、４つの小型冷却ファン１６、電力変換ユニットにスイッチング信号を送受信する制御部１７、その他、電流あるいは電圧を検出する検出器、電源部１９等を備えている。

各電力変換ユニット１４の受熱ブロック２６は、例えば、その長手方向が鉄道車両２０の走行方向Ａと直交するように、筐体１２の底壁内面上に配置されている。受熱ブロック２６の底面に立設された放熱フィン３０ａは、筐体１２の底壁を通り、筐体の底面からほぼ垂直に外部に延出し、外気に接触可能に露出している。すなわち、放熱フィン３０ａは、外側放熱フィンとして機能する。これらの放熱フィン３０ａは、それぞれ鉄道車両２０の走行方向Ａ（走行風の方向Ｂ）とほぼ平行に延びているとともに、走行方向と直交する方向に互いに隙間を置いて並んでいる。

受熱ブロック２６の長手方向両端面に立設された複数の放熱フィン３０ｂは、筐体１２の底面とほぼ平行に延出している。これらの放熱フィン３０ｂは、それぞれ鉄道車両２０の走行方向Ａに延びているとともに、筐体１２の高さ方向に互いに隙間を置いて並んでいる。放熱フィン３０ｂは、筐体１２内に位置し、内側放熱フィンとして機能する。

３つの電力変換ユニット１４は、筐体１２内において、鉄道車両２０の走行方向Ａに互いに隙間を置いて並んで配置されている。３つの受熱ブロック２６の一端面上に設けられた放熱フィン３０ｂは、筐体１２の長手方向に一列に並んで位置し、同様に、３つの受熱ブロック２６の他端面上に設けられた放熱フィン３０ｂは、筐体１２の長手方向に一列に並んで位置している。
２つの小型冷却ファン１６は、走行方向Ａに沿って放熱フィン３０ｂの上流側および下流側に設けられている。
このように構成された第２の実施形態に係る制御装置１０においても、前述した第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

（第３の実施形態）
図６および図７は、第３の実施形態に係る鉄道車両用の制御装置を示している。本実施形態によれば、第１の実施形態に対して、制御装置１０は、筐体１２内において、筐体の底部に風洞４０を備え、風洞内に、各電力変換ユニット１４の受熱ブロック２６および内側放熱フィン３０ｂが配置されている。すなわち、風洞４０は、筐体１２の底壁と、この底壁内面に隙間を置いて対向する複数の仕切り板４１とにより形成されている。仕切り板４１は、隣合う受熱ブロック２６間、および筐体１２の各側壁と受熱ブロックとの間、に底壁とほぼ平行に設けられている。２つの小型冷却ファン１６は、風洞４０の流入側端部内および流出側端部内に設けられ、放熱フィン３０ｂの両側に位置している。

このように構成された制御装置１０によれば、走行風Ｂが当たることによる放熱効率向上が期待できる筐体１２の底壁近傍に風洞４０を構成し、風洞４０内部に内側放熱フィン３０ｂを配置し、筐体内の小型冷却ファン１６によって積極的に風洞４０内に冷却風を流すことにより、筐体内に配置される内側放熱フィン３０ｂの放熱による筐体内温度上昇を効率的に低減することができる。更に、第３の実施形態においても、前述した第１の実施形態と同様の作用効果が実現される。

（第４の実施形態）
図８および図９は、第４の実施形態に係る鉄道車両用の制御装置を示している。本実施形態によれば、第３の実施形態に対して、制御装置１０は、筐体１２内において、筐体の両側面部に形成された風洞（第２風洞）４２を更に備え、これらの風洞４２は、底壁側の風洞４０の上流端および下流端に連通している。各風洞４２は、筐体１２の側壁と、この側壁内面に隙間を置いて対向する複数の仕切り板４３とにより形成されている。２つの小型冷却ファン１６は、風洞４２の流入側端および他方の風洞４２の流出側端に対向して設けられている。小型冷却ファン１６を作動させることにより、筐体１２内の空気は、一方の風洞４２、風洞４０を通って内側放熱フィン３０ｂの周囲を流れた後、他方の風洞４２から再び筐体１２内へ送られる。そして、風洞４０および４２内を流れる空気は、筐体１２の底壁および側壁を介して冷却される。

第４の実施形態によれば、前述した第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。更に、走行風Ｂが当たることによる放熱効率向上が期待できる筐体１２の底壁および側壁の近傍にも風洞４０、４２を構成し、これらの風洞に装置内の小型冷却ファン１６によって積極的に冷却風を流すことにより、筐体１２内に配置される放熱フィン３０ｂの発熱による筐体内温度上昇を効率的に低減することができる。

（第５の実施の形態）
図１０および図１１は、第５の実施形態に係る鉄道車両用の制御装置１０を示している。本実施形態によれば、第３の実施形態に対して、制御装置１０は、風洞４０内で、隣合う内側放熱フィン３０ｂの間に設けられた２つの小型冷却ファン４８を更に備えている。これらの小型冷却ファン４８は、風洞４０の流入端および流出端に設けられた小型冷却ファン１６と送風方向が同一となるように配置されている。このように、風洞４０に対して、小型冷却ファン１６、５０の設置数を増加することにより、風洞４０内の冷却風を加速させることで内側放熱フィン３０ｂの発熱による筐体１２内温度上昇をより効率的に低減することができる。また、隣合う電力変換ユニット１４間に冷却ファン４８を設置することにより、装置全体の寸法を増大させることなく、冷却ファンを増加することができる。

（第６の実施の形態）
図１２および図１３は、第６の実施形態に係る鉄道車両用の制御装置１０を示している。本実施形態によれば、図８および図９に示した第４の実施形態に加えて、制御装置１０は、風洞４０内で、隣合う内側放熱フィン３０ｂの間に設けられた２つの小型冷却ファン４８を更に備えている。これらの小型冷却ファン４８は、風洞４０の流入端および流出端に設けられた小型冷却ファン１６と送風方向が同一となるように配置されている。このように、風洞４０に対して、小型冷却ファン１６、５０の設置数を増加することにより、風洞４０内の冷却風を加速させることで内側放熱フィン３０ｂの発熱による筐体１２内温度上昇をより効率的に低減することができる。また、隣合う電力変換ユニット１４間に冷却ファン４８を設置することにより、装置全体の寸法を増大させることなく、冷却ファンを増加することができる。

本実施形態において、制御装置１０の他の構成は、第４の実施形態と同一である。そして、本実施形態においても、第４の実施形態と同様の効果が実現される。

（第７の実施の形態）
図１４および図１５は、第７の実施形態に係る鉄道車両用の制御装置１０を示している。本実施形態によれば、図１０および図１１に示した第５の実施形態に加えて、制御装置１０は、風洞４０の流入口近傍および流出口近傍に設けられた整風板５０ａ、５０ｂを備えている。整風板５０ａは、小型冷却ファン１６の上流側で、筐体１２内の角部に斜めに傾斜して設けられている。整風板５０ｂは、小型冷却ファン１６の下流側で、筐体１２内の角部に斜めに傾斜して設けられている。

これらの整風板５０ａ、５０ｂを設けることにより、筐体１２内の空気（冷却風）が風洞４０内に円滑に導かれ、同時に、風洞４０から出た冷却風が筐体１２の側壁に沿って円滑に流れるように整風することができる。これにより、筐体１２内に設けられた内側放熱フィン３０ｂの発熱による筐体内温度上昇をより効率的に低減することができる。
本実施形態において、その他の構成は、第５の実施形態と同一であり、第５の実施形態と同様の効果が実現される。

（第８の実施形態）
図１６および図１７は、第８の実施形態に係る鉄道車両用の制御装置１０を示している。本実施形態によれば、図１２および図１３に示した第６の実施形態に加えて、制御装置１０は、風洞４０の流入口近傍および流出口近傍に設けられた整風板５０ａ、５０ｂと、風洞４２の流入口近傍および流出口近傍に設けられた整風板５０ｃ、５０ｄと、を備えている。整風板５０ａは、風洞４０の流入口近傍で、筐体１２内の角部に斜めに傾斜して設けられている。整風板５０ｂは、風洞４０の流出口近傍で、筐体１２内の角部に斜めに傾斜して設けられている。また、整風板５０ｃは、風洞４２の流入口に設けられた小型冷却ファン１６の上流側で、筐体１２内の角部に斜めに傾斜して設けられている。整風板５０ｄは、風洞４２の流出口に設けられた小型冷却ファン１６の下流側で、筐体１２内の角部に斜めに傾斜して設けられている。

これらの整風板５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄを設けることにより、筐体１２内の空気（冷却風）が風洞４２、４０内を円滑に導かれ、同時に、風洞４２から出た冷却風が筐体１２の側壁に沿って円滑に流れるように整風することができる。これにより、筐体１２内に設けられた内側放熱フィン３０ｂの発熱による筐体内温度上昇をより効率的に低減することができる。

本実施形態において、その他の構成は、第６の実施形態と同一であり、第６の実施形態と同様の効果が実現される。

以上のように構成された第１ないし第８の実施形態によれば、筐体１２内に設けられた電力変換ユニット１４の半導体素子冷却用の放熱フィン部を筐体内および筐体外のそれぞれに配置し、筐体外の外側放熱フィンは走行風で、筐体内の内側放熱フィンは小型冷却ファンで筐体内空気を循環する冷却風により、同時に冷却する構成としている。これにより、鉄道車両の走行条件や艤装条件によらず、安定した冷却性能が得られ、かつ大型の電動送風機（ブ口ア）が不要となるため、小型、軽量化した車両用の制御装置を実現できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。例えば、電力変換ユニットは、３つに限らず、１つ、２つ、あるいは、４つ以上としてもよい。冷却器を構成する材料は、アルミニウムに限定されることなく、種々選択可能である。

１０…制御装置、１２…筐体、１４…電力変換ユニット、
１６、４８…小型冷却ファン、２０…車両、２２…半導体素子、２４…冷却器、
２６…受熱ブロック、３０ａ…放熱フィン（外側放熱フィン）、
３０ｂ…放熱フィン（内側放熱フィン）、４０、４２…風洞、４１、４３…仕切り板、
５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ…整風板

Claims (6)

1. 鉄道車両床下に配置される箱状の筐体と、
   前記筐体内に配設され、電力変換用の半導体素子と半導体素子を冷却するための冷却器とを備えた電力変換ユニットと、
   前記筐体内に配設され、前記筐体内の空気を撹拌する冷却ファンと、を備え、
   前記電力変換ユニットは、前記冷却器に接合され前記筐体内に位置する内側放熱フィンと、前記冷却器に接合され前記筐体の外方に延出する外側放熱フィンと、を備える車両用制御装置。
2. 前記筐体は、前記筐体内で筐体の底壁に対向して配置され風洞を形成する仕切り板を有し、前記電力変換ユニットの内側放熱フィンは、前記風洞内に配置され、前記冷却ファンは、前記筐体内の空気を前記風洞内へ誘導または風洞内から排出するように少なくとも前記風洞の流入口および流出口に設けられている請求項１に記載の車両用制御装置。
3. 前記筐体は、前記筐体内で筐体の側壁に対向して配置され前記風洞の流入口および流出口に連通する第２風洞を形成する第２仕切り板を有し、前記冷却ファンは、前記筐体内の空気を前記第２風洞内へ誘導または第２風洞内から排出するように少なくとも前記第２風洞の流入口および流出口に設けられている請求項２に記載の車両用制御装置。
4. 前記風洞内に配置された他の冷却ファンを更に備え、前記他の冷却ファンは、その風向きが前記風洞の流入口および流出口に配置された冷却ファンの風向きと同方向になるように配置される請求項２又は３に記載の車両用制御装置。
5. 前記筐体内で、前記風洞内、前記風洞の流入口近傍、および前記風洞の流出口近傍の少なくとも１つに配置され、前記冷却ファンによる冷却風を整風する整風板を備える請求項２ないし４のいずれか１項に記載の車両用制御装置。
6. 前記電力変換ユニットの冷却器は、前記半導体素子が載置された複数の受熱面を有する受熱ブロックを備え、前記受熱ブロックは、前記筐体の底壁内面上に設置され、前記外側放熱フィンは、前記受熱ブロックから前記筐体の底壁の外側に延出し、前記内側放熱フィンは、前記受熱ブロックから前記筐体内に延出している請求項１ないし５のいずれか１項に記載の車両用制御装置。

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