JP7210773B2 - 熱暴走からの保護を有するバッテリパック設計 - Google Patents

Description

［関連出願の相互参照］
本願は、以下の出願の利益を主張し、これらはすべてその全体が参照により本明細書に組み込まれている：
ＢＡＴＴＥＲＹ ＰＡＣＫ ＤＥＳＩＧＮ ＷＩＴＨ ＴＨＥＲＭＡＬ ＲＵＮＷＡＹ ＶＥＮＴ ＣＯＶＥＲと題される、Ｄｅｌｉｏｕｓｓｉｎｅらによる２０１９年９月１０日出願の米国仮特許出願第６２／８９８，５４３号；
ＢＡＴＴＥＲＹ ＰＡＣＫ ＤＥＳＩＧＮと題される、Ｄｅｌｉｏｕｓｓｉｎｅらによる２０１９年４月２５日出願の米国仮特許出願第６２／８３８，９２６号；
ＨＩＧＨ ＡＬＴＩＴＵＤＥ ＬＯＮＧ ＥＮＤＵＲＡＮＣＥ（ＨＡＬＯ） ＡＩＲＣＲＡＦＴと題される、Ｓｅｃｈｒｉｓｔらによる２０１９年４月２５日出願の米国仮特許出願第６２／８３８，７８３号；および
ＴＨＥＲＭＡＬ ＣＯＮＴＲＯＬ ＳＹＳＴＥＭＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＦＯＲ ＨＩＧＨ ＡＬＴＩＴＵＤＥ ＬＯＮＧ ＥＮＤＵＲＡＮＣＥ ＡＩＲＣＲＡＦＴと題される、Ｄｅｌｉｏｕｓｓｉｎｅらによる２０１９年５月３０日出願の米国仮特許出願第６２／８５４，７１１号。

高高度で長時間耐久性の太陽電池航空機は、ソーラー充電が選択肢にない夜間を通した場合さえあり得る長時間の飛行を航空機が維持することができることを確実にするために大容量のバッテリを有する。太陽光が少ないまたは太陽光が無い場合に、航空機は蓄積されたバッテリ電力に依存しなければならない。このように、高高度で長時間耐久性の航空機において、または、バッテリ電力に依存する地上ビークルにおいて、熱暴走によるビークルの損傷の危険が存在する。

バッテリパックにおける破滅的な熱暴走は、典型的に、高熱および圧力を生み出し、これらは、ビークルに対して破壊的な損傷を引き起こし得る。あらゆるビークルにおいてこれは火災および致命故障をもたらし得、これは飛行中の空輸ビークルの場合には特に問題となる。

ビークルバッテリパック用のバッテリパック構造および熱管理システムが必要とされる。より具体的な用途では、バッテリ貯蔵を利用する、高高度維持飛行用の太陽電池航空機のためのバッテリパック構造および熱管理システムが必要とされる。

少なくとも１つの実施形態において、ビークル用のバッテリパックであって、バッテリを封入し、熱暴走ガスを収容するための薄い火室と、火室を囲む熱絶縁体と、火室および熱絶縁体を通ってビークルの外部まで延びる通気口と、通気口プラグと、通気口プラグを少なくとも部分的に覆って、通気口プラグを通気口内に保持する圧力リリーフ排出口の破砕可能カバーとを含む、バッテリパックが提供される。

少なくとも１つの実施形態において、バッテリパック熱暴走排出口カバー構造であって、排出口プラグカバー部分と弱化領域とを有する破砕可能な屈曲部と、破砕可能な屈曲部を囲むパッド部分であって、排出口プラグカバー部分とパッド部分との間の間隙により排出口プラグカバー部分から分離し、弱化領域により破砕可能な屈曲部に接続されている、パッド部分とを含む、バッテリパック熱暴走尾排出口カバー構造が提供される。

１つの実装形態において、バッテリパック熱暴走排出口カバー構造を製造するための方法であって、装着部から部分的に分離した通気口カバーを形成する段階と、通気口カバーと装着部との間に弱化領域を形成する段階とを含む、方法が提供される。いくつかの実施形態において、これは、弱化領域を形成する段階が、通気口カバーと装着部との間のバッテリパック熱暴走排出口カバー構造の領域に切り込みを入れることを含むことを含み得る。

翼の下側から見た、航空機の翼の一部の構造フレームワークを示す破断斜視図である。

バッテリパックの破断斜視図である。

火室筐体の斜視図を示す。

筐体切り出しの平面図を示す。

バッテリパックの一部の破断断面側面図を示す。

ベース構造の分解図を示す斜視図である。

本発明の一実施形態による熱暴走火炎排出口の破断側面図である。

本発明の一実施形態による破砕可能な排出口カバーを有する圧力リリーフカバー構造の上面図である。

８Ｂ－８Ｂ線に沿って取られた図８Ａの圧力リリーフカバー構造の側面図である。

破砕可能な排出口カバーが離脱した後の図８Ｂの圧力リリーフカバー構造の側面図である。

図１は、翼１１０の下側から見た、航空機の翼１１０の一部の構造フレームワーク１００を示す。バッテリパック１２２および１２３は、バッテリパックの底面１２２ｂおよび１２３ｂが翼１１０の外面となるように翼１１０に装着されている。そのため、航空機が飛行中のとき、バッテリパック１２２および１２３の底面１２２ｂおよび１２３ｂは、翼１１０の下側で空気流の中にある。

次に図２を参照すると、バッテリパック２２０は、薄い金属の火室２４０内に収容されたバッテリセル（図示せず）を収容する。一実施形態において、火室２４０は、１～１／２ミルの厚さのステンレス鋼などで作られている。一実施形態において、火室２４０は、耐火障壁としてチタンを用いる。

次に図３を参照すると、一実施形態において、火室２４０（図２）は、内部にセルを収容するためにバッテリセルの上に置くことができる５面の箱型の火室筐体３４５を含む。筐体３４５は、火室ベース（図３には図示せず）に装着し得るフランジ３４１を有する。

図４は、筐体金属切り出し４４５を示し、これは、溶接などによって一緒に畳まれて結合されて、筐体３４５（図３）を形成する。切り出し４４５は、筐体の蓋３４５へと畳まれたときにシーム溶接などによって隣接する側に結合するためのフラップ４４２を含む。ベースフランジフラップ４４１は畳まれてフランジ３４１（図３）を形成し、これは、火室のベース（図３には図示せず）に装着する。

図５は、バッテリパック５２０の一部の断面図を示し、ステンレス鋼、チタン、または非常に高温で軽量の合金などでもあり得る火室ベース５４７に対する筐体５４５の装着の詳細を図示している。火室ベース５４７は、フランジ５４１が火室ベース５４７に沿ってそれと嵌合するように、筐体５４５の開口部よりも大きい。ベースフランジ補強材５５３が筐体フランジ５４１の外部に置かれる。これもまたステンレス鋼であり得る固定フランジ５５１は、筐体フランジ５４１に対してフランジ補強材５５３を保持し、それを固定する。上部フランジ補強材５５４は、ベースプレート５６０に対して固定フランジ５５１を保持する。熱暴走の間に生成される極度の熱に対して絶縁するために、ＳＯＬＩＭＩＤＥ（登録商標）などのポリイミド発泡体の内層５５８が設けられる一方、周囲の機体を保護するために熱を抑えるために、ＮＡＮＯＰＯＲＥ（登録商標）などのエアロゲルまたは真空パネル熱絶縁体の主要な外層５５７がＳＯＬＩＭＩＤＥ（登録商標）内層５５８を囲み、ＮＡＮＯＰＯＲＥ（登録商標）などのエアロゲル絶縁体の絶縁層５５７ｂが火室ベース５４７の下に配置される。熱を拡散し、可変コンダクタンスヒートパイプ（図示せず）を用いて火室筐体５４５から熱を伝送し、一般的なおよび熱暴走の間の局所的な高温部分を抑制またはさらには防止するために、熱分解グラファイトシート（ＰＧＳ）（図示せず）が火室筐体５４５とＳＯＬＩＭＩＤＥ（登録商標）ポリイミド発泡体内層５５８との間の界面５５９に設けられ得る。いくつかの実施形態において、熱分解グラファイトシートはまた、さらなる保護のために火室筐体５４５の内面に接着され得る。

そのため、一実施形態において、バッテリ筐体は、耐火障壁としてステンレス鋼を利用し得る。主要な絶縁体は、真空気密ＮＡＮＯＰＯＲＥエアロゲル絶縁体で構成され、これは、ＳＯＬＩＭＩＤＥ（登録商標）ポリイミド発泡体の層によってファイアウォールから離間している。真空気密ＮＡＮＯＰＯＲＥ（登録商標）エアロゲル絶縁体で構成された主要な絶縁体は、補強ＫＡＰＴＯＮ（登録商標）などの補強ポリイミドフィルムでさらに封入されている。これは、航空機に理想的な特に軽量な絶縁体である。

図６は、火室ベース６４７と、底部ＮＡＮＯＰＯＲＥ（登録商標）エアロゲル絶縁体６５７ｂと、ベースプレート６６０とを含むベースアセンブリ６００の分解図を示す。熱の漏出を防止するために、バッテリセル支持構造、すなわち、バッテリセルレール６３１およびバッテリ予圧プレート６３３はステンレス鋼火室ベース層６４７に結合され、ステンレス鋼火室ベース層６４７自体はＮＡＮＯＰＯＲＥ（登録商標）エアロゲル絶縁体６５７ｂに接着されている。

いくつかの実施形態において、航空機の外部パネルであり得るベースプレートにファイアウォールを取り付ける際、底部ベースプレートは周囲温度に曝され得るため、バッテリを絶縁体スタックの上に静置する必要がある。そのため、ベースプレートの上部にエアロゲルが置かれる。ＮＡＮＯＰＯＲＥ（登録商標）またはエアロゲルは残存することが保証されず、または、少なくとも外側真空シールカバーは残存することが保証されない。熱暴走が発生している間に機械的完全性を損なわないようにするために、構造全体がセラミック材料の周辺基盤（図示せず）を有する。そのため、ファイアウォールは、実際には、セラミック絶縁材料の基盤の上部に着座している。セラミックの絶縁値はエアロゲルよりも少なくとも１０倍劣るが、熱暴走の間にはより良好な構造支持を提供する。さらに、周辺セラミック構造は、機械的締結具、例えばねじまたはボルトなどでの使用のために十分に丈夫であるため、装着のためにより良好な支持を証明する。エアロゲルは、その後、それを囲むセラミック材料の周辺内に置かれて、内部にバッテリを収容する火室を支持し得る。セラミック材料は、Ｚｉｒｃａｒ Ｃｅｒａｍｉｃｓ（Ｆｌｏｒｉｄａ，ＮＹ）のＺＡＬ－１５であり得、ＮＡＮＯＰＯＲＥ（登録商標）エアロゲル真空パネル熱絶縁体は、ＮａｎｏＰｏｒｅ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ（Ａｌｂｕｑｕｅｒｑｕｅ，ＮＭ）またはｗｗｗ．ｎａｎｏｐｏｒｅ．ｃｏｍから取得され得る。

いくつかのさらなる実施形態において、ＳＯＬＩＭＩＤＥ（登録商標）ポリイミド発泡体の層が火室ベースとＮＡＮＯＰＯＲＥ（登録商標）エアロゲルとの間にあり得る。

ステンレス鋼ファイアウォールに加えて、熱暴走のための戦略の一部は、熱暴走の高圧を抑えようとする代わりに、それを内部の機体およびコンポーネントから離れて取り出すことである。このバッテリパックは、熱暴走事象に関連付けられる圧力の蓄積を最小化し、機体の中に高温ガス生成物が入らないことを確実にするためにステンレス鋼ファイアウォールに依存する。機体への損傷を防止するために、翼の外部にガスを排出するための絶縁性の排出口プラグが実装される。

火炎排出口７８０内に通常あるが熱暴走によって生成される圧力に起因して外に押し出されている排出口プラグ７９０を有する火炎排出口７８０を示すベース部分７５０の破断側面図が図７に示されている。火炎排出口７８０は、ＮＡＮＯＰＯＲＥ（登録商標）エアロゲル絶縁ベース層７５７ｂを通り、かつベースプレート７６０を通って延びる。いくつかの実施形態において、それはさらに、排出口７８０の場所、および熱暴走の間に予期される所望の流量に応じて、火室ベース６４７（図６）を含む底部構造６５０（図６）全体を通って延びてよい。底部構造６５０が追加の層を含む場合、排出口は任意の追加の層を通って延びてよい。排出口は、航空機の中に排出して潜在的に航空機のコンポーネントおよび機体に損傷を引き起こさず、熱暴走の間に生じた高温ガスを航空機の外部に排出することを可能にする。このような損傷は、破滅的な故障を引き起こして航空機および搭乗している乗員全体を危険に晒し得るため、航空機が飛行中である場合に特に問題となり得る。

本発明の一実施形態による破砕可能な排出口カバー８８５を有する圧力リリーフカバー構造８００の上面図が図８Ａに示されている。図７および８Ａを参照すると、破砕可能な排出口カバー８８５は、熱暴走の故障がないときに、プラグ７９０を中に保持する。それをバッテリパックの下側に、例えばベースプレート７６０の外向きの側に固定するために周囲材料８８０が使用され得る。あるいは、いくつかの実施形態において、それは、バッテリパックの内側、例えば絶縁層７５７ｂと外層７６０との間に置かれてもよい。

図８Ｂは、８Ｂ－８Ｂ線に沿って取られた図８Ａの圧力リリーフカバー構造８００の側面図である。排出口カバーは、熱暴走の圧力によって、図８Ｃに示されるように、切り込み８７５の下の弱化領域８７５ａで排出口カバー８８５が離脱させられるように、カバーに切り込みを入れて離脱線８７５を設けることによって製造され得る。

図８Ｃは、熱暴走事象によって破砕可能な排出口カバー８８５が離脱させられて、離脱または破壊領域８７５ｂで切り離された後の、図８Ｂの圧力リリーフカバー構造の側面図を示す。熱暴走の間、航空機の底部から直接、すべてのガスが排出される。しかしながら、熱暴走を排出するのに十分な大気への開放された排出口を有することはできない。このため、いかなる圧力も保持しない、非常に低圧で非常に軽量の熱暴走デバイス排出口が設けられる。それは、完全にではないが実質的に排出口を覆うための圧力リリーフ排出口の破砕可能カバー設計である。いかなる熱暴走事象においても、大量のガスが生じる。破砕可能な排出口カバーは、いかなる圧力も保持するように設計されていないが、機体の中にガスが入って航空機を損傷しないように離脱する。

これを実現するために、破砕可能な屈曲部８８５が使用される。残りのバッテリベースにはパッドまたはカバー構造８００が取り付けられる。一貫した性質を有する、非常に薄いＧ１０またはＦＲ４、または繊維ガラスなどの他の同様の複合材料は、必要とされる力および切断の場所の両方において所定の切断領域を有するように調整される。離陸や乱気流などの間に破砕可能なカバーまたはドアが突然開いてプラグが外れないために十分な強度をカバー構造８００が有するように、これに切り込み線８７５が加えられる。しかしながら、例えば約１．０ｐｓｉ以下またはいくつかの実施形態において約１／２ｐｓｉ以下、またはさらに他の実施形態において約１／４ｐｓｉ以下の特定の所定の内圧差が実現されると、それは離脱して、熱暴走によるガスがバッテリパックの内側から航空機の外側に排出されることを可能にする。その時点で、バッテリパックは失われるが、少なくとも機体は保護される。

高度の変化による圧力差に起因してカバー８８５が壊れることを防止するために、いくつかの実施形態において、空気の漏出を可能にして航空機が上昇および下降するときの均圧を可能にするために、周囲材料８８０とカバー８８５との間の間隙８５０ｂに十分な空間が設けられる。

排出口カバー８８５の切り込み８７５は、軸方向の高さを非常に正確に設定して、４５度に傾けた小型卓上鋸で実現され得る。鋸は、非常に一貫した深さの切り込みを作り出すように、排出口カバーにわたって走らされてよい。例えば、切り込み８７５を形成するために、カバー構造８００に部分的にのみ切り込んで、単一の側を切ることによって、または「Ｖ」の両側を切ることによって、「Ｖ」様形状の溝を切るように深さが調節される。
鋸の角度および軸方向の高さは、切り込み８７５の下の弱化領域８７５ａのみを残して、離脱排出口カバー８８５の周りのカバー構造８００の全体を通ってチャネル開口部８５０ｂを切るように調節され得る。小型卓上鋸は、切り込み線８７５および／またはチャネル開口部８５０ｂを形成するために、適切な深さ位置および対応する角度に設定される。他の既知の切断および切り込み技術、例えば、レーザ、ルーティング、スタンピング、熱切断、穿孔などが用いられてもよい。例えば、排出口からプラグが外れて排出口を開放し、熱暴走の圧力を除去するように、周囲構造から排出口カバーが破壊される場所を決定または制御する弱化領域を形成するために、鋸の切り込みの代わりに、またはそれと共に、ミシン目などが利用され得る。なお別の実施形態において、排出口からプラグが外れて排出口を開放し、熱暴走の圧力を除去するように、周囲構造から排出口カバーが破壊される場所を決定または制御するために、カバー構造は、より弱い領域、例えば、隣接する領域もしくは周囲の領域全体および／または排出口カバーよりも少ない材料または薄い材料、あるいは、隣接する領域もしくは周囲の領域全体よりも、および／または排出口カバーよりも脆い異なる材料を含む領域を有するように製造されてもよい。そのため、圧力リリーフ排出口の破砕可能カバーは、通気口プラグを少なくとも部分的に覆って、通気口カバーに対する通気口プラグの圧力に応じて、通気口カバーを撓ませて通気口プラグを通気口から除去することによって通気口から通気口プラグから外すのに十分な力を熱暴走ガスが通気口プラグに対して及ぼすまで通気口プラグを通気口の中に保持するように適合される。

そのため、様々な実施形態において、圧力リリーフ排出口の破砕可能カバーは、通気口プラグを少なくとも部分的に覆って、通気口カバーに対する通気口プラグの圧力に応じて、通気口カバーを撓ませて通気口プラグを通気口から除去することによって通気口から通気口プラグから外すのに十分な力を熱暴走ガスが通気口プラグに対して及ぼすまで通気口プラグを通気口の中に保持するように適合される。

このように、様々な実施形態において、弱化領域は、周囲材料サポートに対する通気口カバーの唯一の接続部であり得る。少なくともいくつかの実施形態において、周囲材料は、カバー構造をバッテリパックのベースプレートに装着するために使用される台である。いくつかの実施形態において、台は通気口カバーを完全にまたは部分的に囲む必要はなく、その代わりに、装着の目的のために弱化領域から延びるだけでよい。

破砕可能な排出口カバーは、バッテリおよびＭＰＰＴもしくは最大電力点追従制御装置の両方、ならびに／または、いくつかの実施形態においてバッテリに隣接して位置付けられ得るモータ制御装置の冷却を可能にするために、ファイアウォール、２つの異なるタイプの絶縁体、および可変コンダクタンスヒートパイプを統合した構造設計に設けられ得る。

単一の通気口および破砕可能なカバーを参照して上で説明したが、バッテリパックは、複数の通気口およびプラグ、または／ならびに複数の破砕可能なカバーを含んでもよい。さらに、破砕可能な排出口カバーは、周囲材料から完全に切り離されているまたは分離しているものとして説明および示されているが、いくつかの実施形態においては、破砕可能な排出口カバーは、周囲材料から完全には切り離されるまたは分離されることなく、部分的にのみ切り離されるまたは分離しながら、排出口プラグを外すために離脱し得ることが可能である。

「一実施形態（ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」または「一実施形態（ａｎ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」への言及は、その実施形態に関連して説明される特定の特徴，構造、または特性が、所望に応じて、ある実施形態に含まれ得ることを意味することに留意されたい。本明細書の様々な場所における「一実施形態において（ｉｎ ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」という語句の出現は、必ずしも同じ実施形態をすべて参照しているとは限らない。

本明細書に提供される例示および例は、説明目的のみであり、添付の特許請求の範囲の範囲を限定することは意図されない。本開示は、本発明の原理の例証とみなされるべきであり、本発明の趣旨および範囲、ならびに／または示される実施形態の主張を限定することは意図されない。

当業者は、本発明の特定の用途のために本発明に対して修正を行うであろう。

本特許に含まれる説明は、基本的な説明として役立つことが意図される。読者は、具体的な説明が、考えられるすべての実施形態を明示的に説明しない場合があり、代替案が暗に示されていることを認識すべきである。また、この説明は、本発明の包括的な性質を十分に説明していない場合があり、各特徴または要素が実際にどのように代表的または等価の要素であり得るかを明示的に示さない場合がある。ここでも、これらは本開示に暗に含まれている。本発明がデバイス指向の用語で説明される場合、デバイスの各要素は暗に機能を実行する。また、本発明の本質から逸脱することなく、多様な変更がなされ得ることを理解すべきである。そのような変更はまた、本説明に暗に含まれている。これらの変更は、依然として、本発明の範囲に含まれる。

さらに、本発明および特許請求の範囲の様々な要素のそれぞれはまた、多様な方式で実現され得る。本開示は、そのような変形例の各々を、それが任意の装置の実施形態、方法の実施形態の変形例であれ、単にこれらの任意の要素の変形例であれ、網羅するものと理解すべきである。特に、本開示は本発明の要素に関するため、各要素に対する用語は、その機能または結果のみが同じである場合であっても、等価の装置用語で表され得ることを理解すべきである。このような等価でより広い、またはさらにはより一般的な用語は、各要素または行動の説明において網羅されているものとみなされるべきである。このような用語は、本発明が権利を有する暗黙的に幅広い範囲を明示的にするために、所望される場合には置き換えられてよい。すべての行動は、その行動をとるための手段として、またはその行動を引き起こす要素として表され得ることを理解すべきである。同様に、開示される各物理的要素は、その物理的要素が容易にする行動の開示を網羅するものとして理解されるべきである。そのような変更および代替的な用語は、説明において明示的に含まれるものとして理解されるべきである。

本発明をいくつかの実施形態に関連して説明したが、修正は確実に当業者に示唆されるであろう。本明細書の例示的な実施形態は、限定的であることは意図されず、様々な構成および特徴の様々な組み合わせが可能である。このように、本発明は、添付の特許請求の範囲により要求される以外には、開示される実施形態に限定されない。

Claims (10)

1. 航空機または空輸ビークル用のバッテリパックであって、
   ａ）バッテリを封入し、熱暴走ガスを収容するための火室と、
   ｂ）前記火室を囲む熱絶縁体と、
   ｃ）前記火室および前記熱絶縁体を通って前記航空機または前記空輸ビークルの外部まで延びる通気口と、
   ｄ）通気口プラグと、
   ｅ）前記通気口プラグを少なくとも部分的に覆って、前記通気口プラグを前記通気口内に保持する圧力リリーフ排出口の破砕可能カバーと
   を備える、バッテリパック。
2. 前記圧力リリーフ排出口の破砕可能カバーは、前記熱暴走ガスが前記通気口プラグを前記通気口から押し出すまで、前記通気口プラグを少なくとも部分的に覆うように適合されている、請求項１に記載のバッテリパック。
3. 前記圧力リリーフ排出口の破砕可能カバーが、
   ａ）排出口プラグカバー部分と弱化領域とを含む破砕可能な屈曲部と、
   ｂ）前記破砕可能な屈曲部を囲むパッド部分であって、前記排出口プラグカバー部分と前記パッド部分との間の間隙により前記排出口プラグカバー部分から分離し、前記弱化領域により前記破砕可能な屈曲部に接続されている、パッド部分と
   を含む、請求項１または２に記載のバッテリパック。
4. 前記弱化領域が切り込み線を含む、請求項３に記載のバッテリパック。
5. 前記弱化領域が溝を含む、請求項３に記載のバッテリパック。
6. 前記弱化領域が、「Ｖ」形状の溝を含む、請求項５に記載のバッテリパック。
7. 前記弱化領域がミシン目を含む、請求項３に記載のバッテリパック。
8. 前記弱化領域が、前記パッド部分の隣接部分よりも薄い材料を含む、請求項３から７のいずれか一項に記載のバッテリパック。
9. 前記弱化領域が、前記パッド部分の隣接部分よりも脆い材料を含む、請求項６から８のいずれか一項に記載のバッテリパック。
10. 前記熱絶縁体が、ａ）エアロゲル、またはｂ）真空パネル熱絶縁体のうちの少なくとも１つを含む、請求項１から９のいずれか一項に記載のバッテリパック。

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