JP2834897B2 - 冷凍装置 - Google Patents
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
- F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
- F25B9/145—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle pulse-tube cycle
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
- F25B2309/14—Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used
- F25B2309/1408—Pulse-tube cycles with pulse tube having U-turn or L-turn type geometrical arrangements
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F25B2309/14—Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used
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- F25B2309/14241—Pulse tubes with basic schematic including an orifice reservoir multiple inlet pulse tube
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- Thermal Sciences (AREA)
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- Sorption Type Refrigeration Machines (AREA)
- Devices That Are Associated With Refrigeration Equipment (AREA)
- Compression-Type Refrigeration Machines With Reversible Cycles (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、パルスチュ−ブを使用
して、低温取出用熱交換器に100〜20Ｋ(-173〜-253℃)
の極低温を実現する冷凍装置に関するものである。
して、低温取出用熱交換器に100〜20Ｋ(-173〜-253℃)
の極低温を実現する冷凍装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】本出願人等が特願平１−335564号で提案
した従来のこの種冷凍装置を図３に示す。
した従来のこの種冷凍装置を図３に示す。
【０００３】同図において１は内部に極低温（20Ｋ以
下）にて液体状態となるガス状冷媒、例えばヘリウムが
充填されたコンプレッサであり、シリンダ11内にピスト
ン12が移動可能に設けられている。
下）にて液体状態となるガス状冷媒、例えばヘリウムが
充填されたコンプレッサであり、シリンダ11内にピスト
ン12が移動可能に設けられている。
【０００４】２は前記コンプレッサ１にパイプ３を介し
て連結された蓄冷器であり、内部に銅や鉛等の蓄冷材21
を充填している。
て連結された蓄冷器であり、内部に銅や鉛等の蓄冷材21
を充填している。
【０００５】４は前記蓄冷器２にパイプ５を介して連結
されたパルスチュ−ブであり、ステンレス鋼より形成さ
れている。
されたパルスチュ−ブであり、ステンレス鋼より形成さ
れている。
【０００６】６は100〜20Ｋの極低温を取り出すための
低温取出用熱交換器であり銅等の熱伝導性の高い材料か
らなり、前記パイプ５の途中に設けられている。
低温取出用熱交換器であり銅等の熱伝導性の高い材料か
らなり、前記パイプ５の途中に設けられている。
【０００７】７は前記パルスチュ−ブ４にパイプ８を介
して連結されたバッファタンクであり、前記パイプ８の
途中にニ−ドル弁等のオリフィス弁９が設けられてい
る。
して連結されたバッファタンクであり、前記パイプ８の
途中にニ−ドル弁等のオリフィス弁９が設けられてい
る。
【０００８】21は前記蓄冷器２のコンプレッサ１側端部
に設けられた放熱用熱交換器、41は前記パルスチュ−ブ
４のバッファタンク７側端部に設けられた放熱用熱交換
器であり、水冷式あるいは空冷の放熱フィンが用いられ
る。またこれらの材料としては熱伝導率の高い銅等が用
いられている。
に設けられた放熱用熱交換器、41は前記パルスチュ−ブ
４のバッファタンク７側端部に設けられた放熱用熱交換
器であり、水冷式あるいは空冷の放熱フィンが用いられ
る。またこれらの材料としては熱伝導率の高い銅等が用
いられている。
【０００９】尚、前記蓄冷器２、低温取出用熱交換器
６、パルスチュ−ブ４、及びこれらを連結するパイプ５
は真空チャンバ（真空度10-4torr以下）10に収納されて
いる上記の構成においてピストン12の図３下方向への移
動による圧縮過程においてコンプレッサ１で圧縮したガ
ス状冷媒は、放熱用熱交換器21及び蓄冷器２を通る間に
冷却されてパルスチュ−ブ４内に流入し、このパルスチ
ュ−ブ４内の残留冷媒は圧縮されてその圧縮熱が放熱用
熱交換器41に放熱され、さらに冷媒がオリフィス弁９を
通る間に断熱膨張により冷却されてバッファタンク７内
に流入する。
６、パルスチュ−ブ４、及びこれらを連結するパイプ５
は真空チャンバ（真空度10-4torr以下）10に収納されて
いる上記の構成においてピストン12の図３下方向への移
動による圧縮過程においてコンプレッサ１で圧縮したガ
ス状冷媒は、放熱用熱交換器21及び蓄冷器２を通る間に
冷却されてパルスチュ−ブ４内に流入し、このパルスチ
ュ−ブ４内の残留冷媒は圧縮されてその圧縮熱が放熱用
熱交換器41に放熱され、さらに冷媒がオリフィス弁９を
通る間に断熱膨張により冷却されてバッファタンク７内
に流入する。
【００１０】その後、ピストン11の図３上方向への移動
による膨張過程においてコンプレッサ１内へ前記冷媒を
吸引動作することで前記バッファタンク７内に蓄積され
たガス状冷媒を、復帰移動させ、これを前記パルスチュ
−ブ４内で断熱膨張させ、更に低温化させて低温取出用
熱交換器６及び蓄冷器２を冷却させて前記コンプレッサ
１に帰還させる。
による膨張過程においてコンプレッサ１内へ前記冷媒を
吸引動作することで前記バッファタンク７内に蓄積され
たガス状冷媒を、復帰移動させ、これを前記パルスチュ
−ブ４内で断熱膨張させ、更に低温化させて低温取出用
熱交換器６及び蓄冷器２を冷却させて前記コンプレッサ
１に帰還させる。
【００１１】このように冷媒の往復移動サイクルを繰り
返すことにより、低温取出用熱交換器６にて極低温を得
る様にしたものである。
返すことにより、低温取出用熱交換器６にて極低温を得
る様にしたものである。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この種
従来の冷凍装置では、低温取出用熱交換器６がある程度
低温になってくると、放熱用熱交換器41に在る冷媒が低
温取出用熱交換器６まで侵入するときに外部からの熱侵
入が起こり、これが原因で得られる温度が限られてしま
うという問題点があった。
従来の冷凍装置では、低温取出用熱交換器６がある程度
低温になってくると、放熱用熱交換器41に在る冷媒が低
温取出用熱交換器６まで侵入するときに外部からの熱侵
入が起こり、これが原因で得られる温度が限られてしま
うという問題点があった。
【００１３】また、前記熱侵入を防ぐための方法として
はパルスチュ−ブ４部分を長くする方法が考えられる
が、このようにすると冷凍装置自身が大きくなり、大型
の圧縮機も必要となるという問題点があった。
はパルスチュ−ブ４部分を長くする方法が考えられる
が、このようにすると冷凍装置自身が大きくなり、大型
の圧縮機も必要となるという問題点があった。
【００１４】本発明は斯かる従来技術の問題点に鑑み、
構造が簡単で冷凍能力の高い極低温用の冷凍装置を提供
することを目的とするものである。
構造が簡単で冷凍能力の高い極低温用の冷凍装置を提供
することを目的とするものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明は、内部にガス状
冷媒が充填されたコンプレッサと、蓄冷材が充填された
蓄冷器と、中空のパルスチュ−ブと、バッファタンクと
をパイプを介して直列に連結し、前記蓄冷器とパルスチ
ュ−ブとの間に低温取出用熱交換器を設けるとともに、
前記バッファタンクとパルスチュ−ブとの間に多孔状の
熱交換器を設けてなるものである。
冷媒が充填されたコンプレッサと、蓄冷材が充填された
蓄冷器と、中空のパルスチュ−ブと、バッファタンクと
をパイプを介して直列に連結し、前記蓄冷器とパルスチ
ュ−ブとの間に低温取出用熱交換器を設けるとともに、
前記バッファタンクとパルスチュ−ブとの間に多孔状の
熱交換器を設けてなるものである。
【００１６】
【作用】上記の手段により、圧縮過程でコンプレッサ−
で圧縮されたガス状冷媒は、バッファタンクとパルスチ
ュ−ブとの間の多孔状の熱交換器を通過する際、各細孔
で流路が狭くなり、減圧膨張により断熱膨張して冷却さ
れ、さらに放熱用熱交換器にて冷却される。次に前記冷
媒が放熱用熱交換器からバッファタンクに流入する際、
膨張して冷却される。
で圧縮されたガス状冷媒は、バッファタンクとパルスチ
ュ−ブとの間の多孔状の熱交換器を通過する際、各細孔
で流路が狭くなり、減圧膨張により断熱膨張して冷却さ
れ、さらに放熱用熱交換器にて冷却される。次に前記冷
媒が放熱用熱交換器からバッファタンクに流入する際、
膨張して冷却される。
【００１７】その後、膨張過程においてコンプレッサが
吸引動作すると、パルスチュ−ブ内のガスは断熱膨張し
て低温化する。そしてバッファタンクの冷媒が復帰移動
して多孔状の熱交換器で冷却され、低温化した後、パル
スチュ−ブ内に入り、該チュ−ブの内部ガスを押し出
す。こうしてパルスチュ−ブ内の冷媒は低温取出用熱交
換器及び蓄冷器を冷却し、前記コンプレッサに帰還す
る。
吸引動作すると、パルスチュ−ブ内のガスは断熱膨張し
て低温化する。そしてバッファタンクの冷媒が復帰移動
して多孔状の熱交換器で冷却され、低温化した後、パル
スチュ−ブ内に入り、該チュ−ブの内部ガスを押し出
す。こうしてパルスチュ−ブ内の冷媒は低温取出用熱交
換器及び蓄冷器を冷却し、前記コンプレッサに帰還す
る。
【００１８】従って、放熱用熱交換器部分にある冷媒が
低温取出用熱交換器部分へ熱を運ぶことによる該低温取
出用熱交換器への熱侵入を抑えると共に、冷媒が多孔状
の熱交換器を通過する際の膨張効果によって、従来の構
造よりも冷凍発生効果を高め、冷凍装置としての冷凍能
力が向上する。
低温取出用熱交換器部分へ熱を運ぶことによる該低温取
出用熱交換器への熱侵入を抑えると共に、冷媒が多孔状
の熱交換器を通過する際の膨張効果によって、従来の構
造よりも冷凍発生効果を高め、冷凍装置としての冷凍能
力が向上する。
【００１９】
【実施例】以下本発明の冷凍装置の一実施例を図１に基
づいて詳細に説明する。尚前述の従来例と同じ構成につ
いては同一符号を付して示している。
づいて詳細に説明する。尚前述の従来例と同じ構成につ
いては同一符号を付して示している。
【００２０】同図において、１はコンプレッサ−で、シ
リンダ−11の内部に往復動型のピストン12を収納し、内
部にガス状冷媒としてのヘリウムを充填している。
リンダ−11の内部に往復動型のピストン12を収納し、内
部にガス状冷媒としてのヘリウムを充填している。
【００２１】２はコンプレッサ１に配管接続された蓄冷
器で、鉛や銅などから成る蓄冷材22を収納している。21
は蓄冷器側放熱用熱交換器で、前記蓄冷器２のコンプレ
ッサ１側端部に設けられ、水冷または空冷されるもので
ある。
器で、鉛や銅などから成る蓄冷材22を収納している。21
は蓄冷器側放熱用熱交換器で、前記蓄冷器２のコンプレ
ッサ１側端部に設けられ、水冷または空冷されるもので
ある。
【００２２】６は蓄冷器２にパイプ５を介して配管接続
された低温取出用熱交換器、４は該低温取出用熱交換器
６に配管接続されたステンレス鋼製のパルスチュ−ブで
ある。
された低温取出用熱交換器、４は該低温取出用熱交換器
６に配管接続されたステンレス鋼製のパルスチュ−ブで
ある。
【００２３】７は前記パルスチュ−ブ４にパイプ８を介
して配管接続されたバッファタンク、９は該パイプ８の
途中に設けられたニ−ドル弁等のオリフィス弁、41は前
記パルスチュ−ブ４のバッファタンク７側に設けられた
放熱用熱交換器である。
して配管接続されたバッファタンク、９は該パイプ８の
途中に設けられたニ−ドル弁等のオリフィス弁、41は前
記パルスチュ−ブ４のバッファタンク７側に設けられた
放熱用熱交換器である。
【００２４】42は前記パルスチュ−ブ４の熱交換器41側
端部に設けられたメッシュを内蔵した多孔状熱交換器
で、膨張効果による圧縮熱の放熱と熱交換器41等の高温
部からの熱侵入を少なくするためのものである。
端部に設けられたメッシュを内蔵した多孔状熱交換器
で、膨張効果による圧縮熱の放熱と熱交換器41等の高温
部からの熱侵入を少なくするためのものである。
【００２５】尚、前記蓄冷器２、パイプ５及びパルスチ
ュ−ブ４は真空度10-4torr以下の真空チャンバ10内に収
納され断熱されている。
ュ−ブ４は真空度10-4torr以下の真空チャンバ10内に収
納され断熱されている。
【００２６】上記の構成において、圧縮工程では前記パ
ルスチュ−ブ４から押し出された冷媒を前記オリフィス
弁９を通過させて前記バッファタンク７内に入れ、膨張
工程では逆にバッファタンク７からの冷媒をオリフィス
弁９と多孔状熱交換器42を通過せしめて、前記パルスチ
ュ−ブ４内に流入させる。
ルスチュ−ブ４から押し出された冷媒を前記オリフィス
弁９を通過させて前記バッファタンク７内に入れ、膨張
工程では逆にバッファタンク７からの冷媒をオリフィス
弁９と多孔状熱交換器42を通過せしめて、前記パルスチ
ュ−ブ４内に流入させる。
【００２７】前記多孔状の熱交換器42は、前記パルスチ
ュ−ブ４と放熱用熱交換器41の間に接続することで、こ
の熱交換器42の内部を冷媒が流通するように構成してあ
る。この熱交換器42は、具体的には、ステンレスまたは
ナイロン等の熱伝導性の悪い材料のメッシュである。そ
してこの熱交換器42は、そのメッシュ間隔で形成される
多孔状部分で流路を狭くして冷媒を減圧膨張して噴射さ
せると共に、熱交換器41からの熱侵入を少なくするよう
に機能する。
ュ−ブ４と放熱用熱交換器41の間に接続することで、こ
の熱交換器42の内部を冷媒が流通するように構成してあ
る。この熱交換器42は、具体的には、ステンレスまたは
ナイロン等の熱伝導性の悪い材料のメッシュである。そ
してこの熱交換器42は、そのメッシュ間隔で形成される
多孔状部分で流路を狭くして冷媒を減圧膨張して噴射さ
せると共に、熱交換器41からの熱侵入を少なくするよう
に機能する。
【００２８】斯かる実施例の冷凍装置では、圧縮過程に
おいてコンプレッサ１を圧縮動作させると、圧縮された
冷媒ガスはその圧縮熱を放熱用熱交換器21と蓄冷器４に
て放熱してパルスチュ−ブ４に流入し、このパルスチュ
−ブ４内の残留ガスを圧縮する。パルスチュ−ブ４内で
の圧縮熱は前記多孔状の熱交換器18と放熱用熱交換器41
で放熱し、冷却されてバッファ−タンク７に流入する。
おいてコンプレッサ１を圧縮動作させると、圧縮された
冷媒ガスはその圧縮熱を放熱用熱交換器21と蓄冷器４に
て放熱してパルスチュ−ブ４に流入し、このパルスチュ
−ブ４内の残留ガスを圧縮する。パルスチュ−ブ４内で
の圧縮熱は前記多孔状の熱交換器18と放熱用熱交換器41
で放熱し、冷却されてバッファ−タンク７に流入する。
【００２９】その後、膨張過程においてコンプレッサ１
を吸引動作させると、冷媒ガスは前記バッファタンク７
から復帰移動して熱交換器41で熱放出した後、パルスチ
ュ−ブ４内で断熱膨張し、更に低温化して、低温取出用
熱交換器６及び蓄冷器２を冷却してコンプレッサ１に戻
る。
を吸引動作させると、冷媒ガスは前記バッファタンク７
から復帰移動して熱交換器41で熱放出した後、パルスチ
ュ−ブ４内で断熱膨張し、更に低温化して、低温取出用
熱交換器６及び蓄冷器２を冷却してコンプレッサ１に戻
る。
【００３０】このように冷媒の往復移動サイクルを繰り
返すことにより、低温取出用熱交換器６に150〜20Ｋ（-
123 〜-253℃）の極低温が得られるようになる。
返すことにより、低温取出用熱交換器６に150〜20Ｋ（-
123 〜-253℃）の極低温が得られるようになる。
【００３１】また前記冷凍装置では、圧縮過程の冷媒ガ
スは、多孔状の熱交換器42の多孔状部分を通過する際、
各細孔で減圧膨張により冷却される。また、この熱交換
器42は膨張過程でバッファタンク７と放熱用熱交換器41
部分の常温(300Ｋ)付近の温度の冷媒ガスがパルスチュ
−ブ４内に入る際に極低温の冷媒ガスと熱交換するた
め、パルスチュ−ブ４内に熱が侵入するのを防ぐ。従っ
て、冷凍装置のシステムとしての冷凍能力が高まる。
スは、多孔状の熱交換器42の多孔状部分を通過する際、
各細孔で減圧膨張により冷却される。また、この熱交換
器42は膨張過程でバッファタンク７と放熱用熱交換器41
部分の常温(300Ｋ)付近の温度の冷媒ガスがパルスチュ
−ブ４内に入る際に極低温の冷媒ガスと熱交換するた
め、パルスチュ−ブ４内に熱が侵入するのを防ぐ。従っ
て、冷凍装置のシステムとしての冷凍能力が高まる。
【００３２】図２は本発明の他の実施例を示す。この実
施例は従来のオリフィスパルス管冷凍機のコンプレッサ
１とパルス管高温端部分31、32を細い管23にて接続し、
その中間部に流量を調節するオリフィス弁24を追加させ
た構造のダブルインレット型と呼ばれているオリフィス
パルス管冷凍機に適用した例である。
施例は従来のオリフィスパルス管冷凍機のコンプレッサ
１とパルス管高温端部分31、32を細い管23にて接続し、
その中間部に流量を調節するオリフィス弁24を追加させ
た構造のダブルインレット型と呼ばれているオリフィス
パルス管冷凍機に適用した例である。
【００３３】この冷凍装置は、コンプレッサ１とパルス
管高温端31、32との間に細い管23とオリフィス弁24を追
加することによって、パルスチュ−ブ４内での圧縮・膨
張の効果を高めようとするものである。
管高温端31、32との間に細い管23とオリフィス弁24を追
加することによって、パルスチュ−ブ４内での圧縮・膨
張の効果を高めようとするものである。
【００３４】尚、この実施例では、細い管22とオリフィ
ス弁23の追加以外は前記実施例と同様に構成されている
ため、その他の構成についての説明は省略する。
ス弁23の追加以外は前記実施例と同様に構成されている
ため、その他の構成についての説明は省略する。
【００３５】また、前記コンプレッサ１については、レ
シプロタイプのものの代わりに、ロ−タリコンプレッサ
とガス吸気・排気弁との組み合わせから成るもので構成
するものも実施できる。
シプロタイプのものの代わりに、ロ−タリコンプレッサ
とガス吸気・排気弁との組み合わせから成るもので構成
するものも実施できる。
【００３６】
【発明の効果】本発明は、内部にガス状冷媒が充填され
たコンプレッサと、蓄冷材が充填された蓄冷器と、中空
のパルスチュ−ブと、バッファタンクとをパイプを介し
て直列に連結し、前記蓄冷器とパルスチュ−ブとの間に
低温取出用熱交換器を設けるとともに、前記バッファタ
ンクとパルスチュ−ブとの間に多孔状の熱交換器を設け
たものであり、圧縮過程ではパルスチュ−ブ内で圧縮さ
れた冷媒ガスが熱交換器の多孔状部分を通過する際、断
熱膨張させるので冷却効果が向上し、また膨張過程では
高温端部からの熱侵入を少なくすることができ、冷凍能
力の高い極低温冷凍装置が提供できる。
たコンプレッサと、蓄冷材が充填された蓄冷器と、中空
のパルスチュ−ブと、バッファタンクとをパイプを介し
て直列に連結し、前記蓄冷器とパルスチュ−ブとの間に
低温取出用熱交換器を設けるとともに、前記バッファタ
ンクとパルスチュ−ブとの間に多孔状の熱交換器を設け
たものであり、圧縮過程ではパルスチュ−ブ内で圧縮さ
れた冷媒ガスが熱交換器の多孔状部分を通過する際、断
熱膨張させるので冷却効果が向上し、また膨張過程では
高温端部からの熱侵入を少なくすることができ、冷凍能
力の高い極低温冷凍装置が提供できる。
【図１】図１は、本発明の一実施例を示す冷凍装置のシ
ステム構成図である。
ステム構成図である。
【図２】図２は、本発明の他の実施例を示す冷凍装置の
システム構成図である。
システム構成図である。
【図３】図３は、従来の冷凍装置のシステム構成図であ
る。
る。
１ コンプレッサ 11 シリンダ 12 ピストン ２ 蓄冷器 22 蓄冷材 21、41 放熱用熱交換器 ６ 低温取出用熱交換器 ４ パルスチュ−ブ 42 多孔状熱交換器 19 放熱用熱交換器 ７ バッファタンク ９ オリフィス弁
Claims (1)
- 【請求項１】 内部にガス状冷媒が充填されたコンプレ
ッサと、蓄冷材が充填された蓄冷器と、中空のパルスチ
ュ−ブと、バッファタンクとをパイプを介して直列に連
結し、前記蓄冷器とパルスチュ−ブとの間に低温取出用
熱交換器を設けるとともに、前記バッファタンクとパル
スチュ−ブとの間に多孔状の熱交換器を設けてなる冷凍
装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3077866A JP2834897B2 (ja) | 1991-04-10 | 1991-04-10 | 冷凍装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3077866A JP2834897B2 (ja) | 1991-04-10 | 1991-04-10 | 冷凍装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04313649A JPH04313649A (ja) | 1992-11-05 |
| JP2834897B2 true JP2834897B2 (ja) | 1998-12-14 |
Family
ID=13645978
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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