JP4961992B2 - 熱交換器および温水装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換用の伝熱管を備え、かつこの伝熱管内を流通する流体の温度検出が可能とされた熱交換器、およびこれを備えた温水装置に関する。

周知のとおり、たとえば給湯装置の熱交換器としては、燃焼器によって発生された燃焼ガスから伝熱管を利用して熱回収を行ない、この伝熱管に供給される湯水を加熱するようにしたものがある。このようなタイプの熱交換器においては、たとえば湯水の加熱温度制御を目的として、伝熱管内の湯水温度を検出することが行なわれる。従来においては、このような湯水温度の検出を行なう場合、伝熱管の周壁に孔部を形成し、この孔部に温度センサを差し込むことによって、温度センサの取り付けを図る手段がよく用いられている（たとえば、特許文献１を参照）。

しかしながら、前記従来技術によれば、次に述べるような問題点がある。

第１に、熱交換効率を高める観点からすると、伝熱管の直径（口径）を小さくすることが好ましいが、伝熱管の直径が小さくされると、その周壁に温度センサ差し込み用の孔部を形成することが困難となる場合がある。また、仮に孔部を形成できたとしても、その部分の強度が大幅に低下するなどの理由から、やはり温度センサを適正に取り付けることが難しい場合がある。

第２に、伝熱管内を流通する湯水の温度は、伝熱管の半径方向にばらつきがあり、伝熱管内の中心領域と内周壁近傍領域とでは、温度が相違する場合が多い。これに対して、前記従来技術においては、温度センサの差し込み方向が伝熱管の半径方向であるために、この温度センサの差し込み量の設定に誤差を生じると、本来の領域での温度検出が困難となり易い。

第３に、伝熱管内への温度センサの差し込み方向は、伝熱管内における湯水の流れ方向と直交している。このため、たとえば湯水温度を正確に検出させることを目的として、伝熱管内への温度センサの差し込み量を多くすると、この温度センサが伝熱管内の湯水流れの大きな抵抗となる不具合も生じる。

特開平５−２７４０４５号公報

本発明は、前記したような事情のもとで考え出されたものであって、伝熱管が小径の場合であってもその内部に温度センサを適切に配置させることができるとともに、伝熱管内の流体の流れに支障を生じさせるようなことなく、その温度を正確に検出することが可能な熱交換器、およびこれを備えた温水装置を提供することをその課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。

本発明の第１の側面により提供される熱交換器は、熱交換用の少なくとも１つの伝熱管と、この伝熱管の端部に接続されて、前記伝熱管への流体の流入または流出を行なわせるのに利用され、かつ前記伝熱管の端部開口に連通したチャンバを内部に形成する周壁部を有している流体流入用または流出用のヘッダと、前記伝熱管内を流通する流体の温度を検出するための温度センサと、を備えている、熱交換器であって、前記ヘッダの周壁部のうち、前記伝熱管の端部開口に前記チャンバを挟んで対向する箇所には、前記温度センサを前記ヘッダの外部から内部に差し込むための開口部が設けられており、前記温度センサは、前記伝熱管の端部の軸長方向に延びるロッドの先端に、温度感知部が設けられた構成を有し、かつ前記ロッドが、前記ヘッダの前記開口部から前記チャンバを横切って前記伝熱管の端部開口に進入するように設定されていることにより、前記温度感知部は、前記伝熱管の端部内に配置されていることを特徴としている。

このような構成によれば、次のような効果が得られる。

第１に、温度センサは、伝熱管に接続されたヘッダに取り付けられているために、ヘッダがある程度の大きさであれば、温度センサの適切な取り付けが可能となる。したがって、伝熱管が小径であることに起因して、温度センサの取り付けが困難になることは適切に解消される。
第２に、温度センサの差し込み方向は、伝熱管の端部の軸長方向となる。このため、ヘッダ内および伝熱管内に対する温度センサの差し込み量が変化したとしても、この温度センサが伝熱管の半径方向に大きく位置ずれすることはない。したがって、温度センサの差し込み量の設定誤差に起因して、伝熱管の半径方向における所望の温度分布領域の温度検出が困難になるといった不具合も回避される。
第３に、温度センサの差し込み方向は、伝熱管内の流体の流れ方向と一致することとなる。このため、温度センサの差し込み量を大きくした場合であっても、流体の流れに対する温度センサの抵抗力がそれに伴って大幅に増大することはない。したがって、温度センサが流体の流れの大きな抵抗になることも適切に抑制することができる。
さらに、温度センサがヘッダ内において大きな容積を占めないようにしつつ、温度感知部を伝熱管の内部に適切に配置させることができる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記温度センサの温度感知部は、前記伝熱管の端部の中心軸上に位置している。

このような構成によれば、伝熱管内の流体温度を正確に検出するのに好ましいものとなる。

本発明の第２の側面により提供される温水装置は、本発明の第１の側面により提供される熱交換器と、この熱交換器に対して加熱用媒体としての燃焼ガスを供給する燃焼器と、を備えていることを特徴としている。

このような構成によれば、本発明の第１の側面により提供される熱交換器について述べたのと同様な効果が得られる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記熱交換器の伝熱管として、略同心の重ね巻き状に設けられた複数のコイル状管体部を含む複数の伝熱管が設けられ、かつ最内周のコイル状管体部の内方の空間部に前記燃焼器から燃焼ガスが供給されるように構成されており、前記温度センサが設けられているヘッダが前記複数の伝熱管の出湯側の端部に連結されていることによって、前記温度センサは、前記複数の伝熱管の少なくとも１つを通過してきた湯水の温度を検出可能であり、前記温度センサによって沸騰温度未満の所定温度が検出されたときには、前記複数のコイル状管体部内の湯水温度の上昇を阻止する制御が制御手段によって実行されるように構成されている。

このような構成によれば、重ね巻き状に設けられた複数のコイル状管体部の内方の空間部に燃焼ガスが供給され、この燃焼ガスから前記複数のコイル状管体部によって熱回収がなされるために、熱回収量を多くし、高い熱交換効率を得ることができる。一方、複数のコイル状管体部内の湯水が過熱気味となって、その湯水温度が沸騰温度未満の所定温度に達したときには、制御手段の制御によって前記湯水の温度がそれ以上に上昇することが阻止される。したがって、伝熱管内の湯水が沸騰することを適切に防止することができる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行なう発明の実施の形態の説明から、より明らかになるであろう。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照して具体的に説明する。

図１〜図４は、本発明が適用された給湯装置およびこれに関連する構成の一例を示している。図１によく表われているように、本実施形態の給湯装置Ａは、燃焼器１、熱交換器Ｂ、底部ケーシング８０、排気ダクト８１、および制御部５を備えている。

燃焼器１は、たとえばオイル燃焼器であり、モータＭを備えた送風ファン１３から燃焼用空気が供給される缶体１０内に配されている。この燃焼器１は、外部から配管１２を介して供給される灯油または軽油などの燃料オイルを噴霧ノズル１４からバーナ筒１１内に向けて下向きに噴霧させて燃焼させる。この燃焼によって発生された燃焼ガスは、熱交換器Ｂの缶体２内にその上部開口部２２Ａから進入するようになっている。

熱交換器Ｂは、コイル状管体部４０を個々に有する複数の伝熱管４、これらの伝熱管４に接続された入水用および出湯用のヘッダ６Ａ，６Ｂ、およびヘッダ６Ｂに取付けられた２つの温度センサＴＳ１を備えている。

複数のコイル状管体部４０は、上部および下部のカバー体２１Ａ，２１Ｂによって挟まれるようにして缶体２内に配されている。複数のコイル状管体部４０は、いずれも螺旋状であって、一連に繋がった平面視中空円形状のループ部４０ａが複数の隙間３１を介して上下高さ方向に複数段に積層された構成である。複数のコイル状管体部４０は、巻き径が互いに相違しており、略同心の重ね巻き状に配置されている。本実施形態においては、図２によく表われているように、最内周のコイル状管体部４０（４０’）を含む伝熱管４（４’）については、他の３本の伝熱管４と比較すると、管径が大きくされている。最内周のコイル状管体部４０’が燃焼ガスによって最も加熱され易いが、管径を大きくしてその内部の湯水流量を多くすると、その分だけ湯水の沸騰を抑制し得る効果が得られる。前記他の３本の伝熱管４の管径は略同一である。最内周のコイル状管体部４０’の内方の空間部３には、燃焼ガス用ストッパとしての仕切部材８２が設けられている。この仕切部材８２により、空間部３は第１および第２の領域３０ａ，３０ｂに区画され、また複数のコイル状管体部４０は、第１および第２の熱交換部ＨＴ１，ＨＴ２に区分されている。最外周のコイル状管体部４０と缶体２の周壁部２０との間には、燃焼ガス通路３２が形成されている。

この熱交換器Ｂにおいては、開口部２２Ａから第１の領域３０ａ内に燃焼ガスが供給されると、この燃焼ガスは、第１の熱交換部ＨＴ１の複数の隙間３１を通過して燃焼ガス通路３２に流出する。次いで、この燃焼ガスは、燃焼ガス通路３２を下向きに進行してから第２の熱交換部ＨＴ２の複数の隙間３１を通過して第２の領域３０ｂに進入する。このような燃焼ガスの進行過程において、この燃焼ガスからは第１および第２の熱交換部ＨＴ１，ＨＴ２によって顕熱および潜熱の回収がなされる。第２の領域３０ｂに進入した燃焼ガスは、その後下部開口部２２Ｂを通過して底部ケーシング８０内に流入した後に、排気ダクト８１内に進行し、排気口８１ａから外部に排出される。

複数の伝熱管４の下部および上部の端部４１ａ，４１ｂは、缶体２の周壁部２０を貫通して缶体２の外部に引き出されており、これらの部分にヘッダ６Ａ，６Ｂが接続されている。ヘッダ６Ａに供給された水は、複数の伝熱管４を分岐して並行に流れた後に、ヘッダ６Ｂ内において混合されてから出湯するようになっている。

図３および図４に示すように、出湯用のヘッダ６Ｂは、出湯口６０を一端に形成し、かつ内部に湯水流通用のチャンバ６１を形成している略円筒状の周壁部６２を備えている。この周壁部６２には、複数の伝熱管４のそれぞれの端部４１ｂが接合されており、各伝熱管４の端部開口４１０は、チャンバ６１に連通している。

２つの温度センサＴＳ１は、最内周の伝熱管４’、およびこれに隣接する１本の伝熱管４（図３および図４においては、この伝熱管４に符号４”を付加している）の内部を通過してきた湯水の温度を検出するためのものであり、その検出信号は、制御部５に入力される。各温度センサＴＳ１は、基端部に配線コードが接続されたロッド部７０と、このロッド部７０の先端部に設けられ、かつサーミスタを利用して形成された温度感知部７１とを備えている。ヘッダ６Ｂに対する温度センサＴＳ１の取付け構造は、次のようになっている。すなわち、ヘッダ６Ｂの周壁部６２のうち、２つの伝熱管４’，４”のそれぞれの端部開口４１０に対面する箇所には、開口部６３が設けられており、この開口部６３に各温度センサＴＳ１が差し込まれている。温度センサＴＳ１の取付けを安定にするための手段として、ヘッダ６Ｂの周壁部６２には、フランジを有する短筒状の支持部材６４が接合されており、このセンサ支持部材６４に温度センサＴＳ１の基端部が挿通している。支持部材６４は周壁部６２に対してたとえばろう付けされ、また支持部材６４内のうち、温度センサＴＳ１の基端寄りの大径部７２の前面側にはシール用のパッキン６５が介装されるなどして、温度センサＴＳ１の取付け箇所からの漏水防止が図られている。２つの温度センサＴＳ１の各ロッド部７０は、複数の伝熱管４の端部４１ｂの軸長方向に延びてヘッダ６Ｂ内を横切っている。そして、２つの温度感知部７１は、伝熱管４’，４”のそれぞれの端部４１ｂ内に配置されて、それら端部４１ｂの中心軸Ｃ上に位置している。

図１に示すように、入水用のヘッダ６Ａには、給水管９０が接続されており、この給水管９０の一端の給水口９０ａに対して外部から供給されてくる水がヘッダ６Ａを介して各伝熱管４内に供給されるようになっている。出湯用のヘッダ６Ｂには、出湯管９１が接続されており、各伝熱管４を通過して加熱生成された湯水は、出湯管９１の一端の出湯口９１ａから外部の所望の給湯先に供給されるようになっている。ただし、給水管９０と出湯管９１とは、流量調整弁Ｖ１および流量センサＱＳ１を有するバイパス配管９２を介して接続されており、給水管９０内に供給された水の一部がバイパス配管９２を通過して出湯管９１内の湯水に混合され得るようになっている。したがって、流量調整弁Ｖ１の動作制御を行なうことにより、ヘッダ６Ａへの入水量や、ヘッダ６Ｂを通過してきた湯水に対する非加熱の水の混合量を変更し、出湯温度を所望の目標温度に制御することが可能である。給水管９０には、複数の伝熱管４に対する入水温度を検出するための温度センサＴＳ２、および入水流量を検出するための流量センサＱＳ２が設けられている。出湯管９１には、各伝熱管４を通過してくる湯水流量を制御するための流量調整弁Ｖ２、出湯用のヘッダ６Ｂを通過した直後の湯水（ヘッダ６Ｂ内において混合された湯水）の温度を検出するための温度センサＴＳ４、および出湯温度検出用の温度センサＴＳ３が設けられている。

制御部５は、マイクロコンピュータを用いて構成されており、たとえば台所などの適当な箇所に設置されるリモコン操作盤５０との間においてデータ通信を行ないつつ、給湯装置Ａの各部の動作制御やデータ処理を実行可能である。リモコン操作盤５０は、たとえば複数の操作スイッチ５０ａや表示装置５０ｂを有しており、ユーザが操作スイッチ５０ａを操作することにより、たとえば目標給湯温度を任意に設定可能である。制御部５は、目標給湯温度の出湯を行なうように各部の動作制御を行なうことに加え、温度センサＴＳ１を利用して検出される温度に基づいて、各伝熱管４内の湯水が沸騰することを阻止するための制御をも実行する。ただし、その詳細については後述する。

次に、前記した給湯装置Ａの作用について説明する。

図３および図４を参照して説明したとおり、各温度センサＴＳ１は、ヘッダ６Ｂに取り付けられている。このため、伝熱管４’，４”が小径であるか否かには関係なく、温度センサＴＳ１をヘッダ６Ｂに取り付けることが可能であり、この取り付けにより温度感知部７１を伝熱管４’，４”内に配置させることができる。また、温度センサＴＳ１の差し込み方向は、伝熱管４’，４”の端部４１ｂの軸長方向となっているために、温度センサＴＳ１の差し込み量が変化したとしても、この温度センサＴＳ１が伝熱管４’，４”の半径方向に大きく位置ずれすることはない。伝熱管４’，４”の内部を流通する湯水の温度分布は、伝熱管４’，４”の半径方向に不均一となり易いが、そのような方向への温度センサＴＳ１の位置ずれが防止されるために、伝熱管４’，４”内の所望領域を通過する湯水の温度を正確に検出することが可能となる。なお、本実施形態においては、温度感知部７１が端部４１ｂの中心軸Ｃ上に位置しており、中心軸Ｃから外れた部分の温度を検出する場合と比較すると、湯水温度を正確に検出する上で好ましいものとなる。

温度センサＴＳ１の差し込み方向は、伝熱管４’，４”内の湯水の流れ方向と一致している。このため、温度センサＴＳ１の差し込み量を大きくしても、これに起因して、温度センサＴＳ１が湯水の流れに対する大きな抵抗となることはない。また、温度感知部７１を端部４１ｂの中心軸Ｃ上に配置させるか否かによって、湯水の流れに対する抵抗が増加するといったこともない。したがって、温度センサＴＳ１が湯水の流れに対する大きな抵抗になるといった不具合も適切に抑制される。温度センサＴＳ１のロッド部７０は、細長状であるために、湯水の流れに対する抵抗をより小さくすることもできる。さらに、温度センサＴＳ１の差し込み方向を湯水の流れ方向に一致させると、図４（ｂ）の矢印Ｎ１に示すように、湯水は温度感知部７１の先端のみならず、その外周面の略全体に沿って流れることとなる。したがって、温度感知部７１を小さくした場合であっても、正確な温度検出が可能となる効果も得られる。

燃焼器１を駆動させると、空間部３の第１の領域３０ａが燃焼室となり、内周寄りの２つの伝熱管４’，４”のコイル状管体部４０が加熱され易い。このため、これら２つの伝熱管４’，４”内の湯水が沸騰することを防止するための手段として、制御部５は、２つの温度センサＴＳ１を利用して検出される湯水温度に基づき、次に述べるような制御を行なう。この動作制御については、図５に示したフローチャートを参照して説明する。

まず、制御部５は、燃焼器１の燃焼駆動中においては、目標給湯温度Ｔｏでの出湯がなされるように各部の動作制御を行なう（Ｓ１：ＹＥＳ，Ｓ２）。また、制御部５は、各温度センサＴＳ１を利用して検出される湯水温度Ｔａが所定の温度Ｔｂ未満であるか否かを判断している（Ｓ３）。温度Ｔｂは、湯水の沸点よりも低い温度であり、たとえば９０℃前後、あるいはそれよりもやや高い温度である。この温度Ｔｂについては、２つの温度センサＴＳ１の個々に対応させて２種類の数値（たとえば、１つの温度センサＴＳ１についてはＴｂ１、他の１つの温度センサＴＳ１についてはＴｂ２）を設定することもできる。また、この温度Ｔｂは、常時一定化されていなくてもよく、たとえば入水温度が低いほど温度Ｔｂの値が高くなるなど、入水温度やその他の条件に応じてその値が変更されるようにしてもかまわない。湯水温度Ｔａが所定温度Ｔｂ未満である場合には、沸騰の虞が無いため、制御部５は、ステップＳ４において燃焼が終了する迄の期間中、沸騰防止用の制御をとくに行なうことはない。

前記とは異なり、湯水温度Ｔａが所定温度Ｔｂ以上になったときには（Ｓ３：ＮＯ）、制御部５は、燃焼器１の燃焼号数を低下させ、または複数の伝熱管４に対する入水量を増加させる制御を実行する（Ｓ５）。もちろん、そのような燃焼量制御と入水量の増加制御とを複合的に行なわせてもかまわない。入水量の増加は、たとえばバイパス配管９２の通水量を減少させることにより行なわせることができる。このような制御が実行されれば、湯水温度Ｔａが低下し、湯水の沸騰が適切に防止される。そして、湯水温度Ｔａが所定温度Ｔｂ未満になると、その後は元の通常の制御モードに復帰する（Ｓ６：ＹＥＳ，Ｓ２）。

一方、前記したような制御を一定時間継続して行なったにも拘わらず、湯水温度Ｔａが所定温度Ｔｂ未満に低下しない場合には（Ｓ６：ＮＯ，Ｓ７：ＹＥＳ）、制御部５は燃焼器１の駆動を停止させるなどして、この給湯装置Ａの運転を停止させる（Ｓ８）。この動作によって、湯水の沸騰がより確実に防止される。また、これに伴い、制御部５は、前記の旨をリモコン操作盤５０に表示させるなどの報知処理を実行する（Ｓ９）。このことにより、ユーザは給湯装置Ａの運転停止の理由を的確に察知し、適切な対応措置を採ることができる。なお、図５のフローチャートには示されていないが、給湯装置Ａの運転を停止する前段階の動作として、目標給湯温度Ｔｏをそれよりも所定温度だけ低い温度に変更し、この変更後の目標給湯温度の出湯がなされる制御を実行させることもできる。このような制御を実行させた場合、目標給湯温度を下げたにも拘わらず、湯水温度Ｔａが一定時間内になおも所定温度Ｔｂ未満まで低下しなければ、その時点で給湯装置Ａの運転を停止させることとなる。

本発明は、上述した実施形態の内容に限定されない。本発明に係る熱交換器、および温水装置の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

上述の実施形態においては、出湯用のヘッダに温度センサが取り付けられて、加熱された湯水の温度を検出させているが、これに代えて、たとえば入水用のヘッダに温度センサを取り付けることにより、入水温度を検出させるようにしてもよい。温度センサとしては、種々のものを利用することが可能であり、サーミスタ以外の温度感知素子を用いたセンサを利用してもよい。温度センサの温度感知部については、伝熱管の端部の中心軸から外れた配置とすることもできる。

ヘッダに対して温度センサを取り付ける場合には、上述した実施形態の支持部材６４、またはこれに類する支持部材を用いることが好ましいが、やはりこれに限定されず、温度センサの取付け手段としても種々の手段を採用することができる。なお、２つの温度センサをヘッダに取り付ける場合、ヘッダの周壁部に２つの開口部を設けることに代えて、それら２つの開口部に相当する１つの開口部を設け、この開口部に２つの温度センサを挿通させるといった手段を採用することもできる。もちろん、本発明においては、ヘッダに取付けられる温度センサの具体的な数も限定されない。

本発明に係る熱交換器の伝熱管は、コイル状管体部を有するものでなくてもよく、たとえば直管状の伝熱管とすることもできる。本発明に係る温水装置とは、湯を生成する機能を備えた装置の意であり、一般給湯用、風呂給湯用、暖房用、あるいは融雪用などの各種の給湯装置、および給湯以外に用いられる湯を生成する装置を含む。燃焼器としては、オイル燃焼器の他に、ガス燃焼器などを用いることができる。燃焼器の燃焼方式は、燃焼ガスを燃焼器の下方に進行させる逆燃方式に代えて、たとえば燃焼ガスを上方に進行させる正燃式や、横向きなどに進行させる方式とすることもできる。

本発明が適用された給湯装置の一例を示す概略断面図である。 図１に示す給湯装置の要部断面図である。 図２のIII−III概略断面図である。 （ａ）は、図３の要部拡大断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のIV−IV断面図である。 図１に示す給湯装置が具備する制御部の動作処理手順の一例を示すフローチャートである。

符号の説明

Ａ 給湯装置（温水装置）
Ｂ 熱交換器
ＴＳ１ 温度センサ
１ 燃焼器
４ 伝熱管
５ 制御部（制御手段）
６Ｂ ヘッダ
４０ コイル状管体部
４１ｂ 上端部（伝熱管の端部）
６１ チャンバ
６２ 周壁部
６３ 開口部
７０ ロッド部（温度センサの）
７１ 温度感知部（温度センサの）
４１０ 端部開口（伝熱管の）

Claims (4)

1. 熱交換用の少なくとも１つの伝熱管と、
   この伝熱管の端部に接続されて、前記伝熱管への流体の流入または流出を行なわせるのに利用され、かつ前記伝熱管の端部開口に連通したチャンバを内部に形成する周壁部を有している流体流入用または流出用のヘッダと、
   前記伝熱管内を流通する流体の温度を検出するための温度センサと、
   を備えている、熱交換器であって、
   前記ヘッダの周壁部のうち、前記伝熱管の端部開口に前記チャンバを挟んで対向する箇所には、前記温度センサを前記ヘッダの外部から内部に差し込むための開口部が設けられており、
   前記温度センサは、前記伝熱管の端部の軸長方向に延びるロッドの先端に、温度感知部が設けられた構成を有し、かつ前記ロッドが、前記ヘッダの前記開口部から前記チャンバを横切って前記伝熱管の端部開口に進入するように設定されていることにより、前記温度感知部は、前記伝熱管の端部内に配置されていることを特徴とする、熱交換器。
2. 前記温度センサの温度感知部は、前記伝熱管の端部の中心軸上に位置している、請求項１に記載の熱交換器。
3. 請求項１または２に記載の熱交換器と、この熱交換器に対して加熱用媒体としての燃焼ガスを供給する燃焼器と、を備えていることを特徴とする、温水装置。
4. 前記熱交換器の伝熱管として、略同心の重ね巻き状に設けられた複数のコイル状管体部を含む複数の伝熱管が設けられ、かつ最内周のコイル状管体部の内方の空間部に前記燃焼器から燃焼ガスが供給されるように構成されており、
   前記温度センサが設けられているヘッダが前記複数の伝熱管の出湯側の端部に連結されていることによって、前記温度センサは、前記複数の伝熱管の少なくとも１つを通過してきた湯水の温度を検出可能であり、
   前記温度センサによって沸騰温度未満の所定温度が検出されたときには、前記複数のコイル状管体部内の湯水温度の上昇を阻止する制御が制御手段によって実行されるように構成されている、請求項３に記載の温水装置。

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