KR101062599B1 - 초전도 회전기기의 냉각 유로 구조 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 초전도 회전기기의 냉각 유로 구조로서, 유체 공급 수단과 함께 고정된 고정 유입 유로(10)와, 상기 고정 유입 유로(10)의 출구에 인접하여 연결되어 상기 고정 유입 유로(10)로부터 전달받은 냉각 유체를 상기 회전자에 마련된 냉각 유로 입구로 전달하며 상기 회전자와 함께 회전하는 회전 유입 유로(20)와, 상기 회전자의 냉각 유로 출구로부터 배출된 냉각 유체를 전달받고 상기 회전자와 함께 회전하는 회전 유출 유로(40)와, 상기 회전 유출 유로(40)에 인접하여 연결되어 상기 회전 유출 유로(40)로부터 전달받은 냉각 유체를 상기 유체 공급 수단으로 전달하며 상기 유체 공급 수단과 함께 고정되어 있는 고정 유출 유로(50)를 포함하고, 상기 회전 유출 유로(40) 및 상기 고정 유출 유로(50)는 상기 회전 유입 유로(20) 및 상기 고정 유입 유로(10) 외측을 둘러싸도록 배치된 것을 특징으로 한다.
초전도, 보빈, 냉각, 유체, 유로, 회전기기, 모터, 전동기
Description
본 발명은 초전도 회전기기(발전기/전동기)의 회전자 냉각 장치에 관한 것이고, 보다 상세하게는 본 발명은 강제 대류를 이용한 유체 순환 방식에 따른 초전도 회전기기의 회전자 냉각 장치에 있어서 냉각유체가 통과하는 냉각 라인의 배관 방식에 관한 것이다.
초전도 회전기기(발전기/전동기)는 회전자에 일반 구리선을 대신하여 초전도선을 이용한 회전기기로서, 일반 회전기기에 비해 작고 가볍게 제작 가능하다. 초전도 회전기기용 회전자의 외표면에는 초전도선을 감기 위한 보빈 블록(bobbin block)이 마련되어 있다. 이러한 초전도 회전기기에서는 초전도 현상을 이용하여야 하므로 회전자를 초전도 온도까지 냉각시켜야 한다.
회전자를 냉각하는 방법은 자연대류를 이용한 방법과 강제대류를 이용한 방법으로 나눌 수 있다.
강제대류를 이용한 방법은 송풍기를 이용하여 온도가 낮은 기체를 순환시키는 방식과 유체 공급 수단을 이용하여 온도가 낮은 냉각 유체를 순환시키는 방식으 로 나뉜다.
기체 순환 방식은 중력에 의한 영향은 없지만 냉각 효율이 낮고 고압 가스의 누설 문제를 수반한다는 문제가 있고, 액체 순환 방식은 상변화(액체->기체)에 의한 증발 잠열을 이용하기 때문에 냉각 효율이 높지만 유체 자체 중력으로 인해 유동 불균일 현상이 발생할 수 있다.
한편, 유체(기체/액체) 강제 대류를 이용한 냉각 방법에서는 유체 공급 수단측과 회전자가 분리되어 있는 구조를 가지므로, 유체 공급 수단측 냉각 유로는 고정되어 있고 회전자측 냉각 유로는 고속 회전하도록 구성되어 있다.
따라서, 고속회전하는 초전도 회전자측 냉각 유로와 고정된 유체 공급 수단측 냉각유로 사이에는 상호 연결하는 동적 밀봉 장치와 같은 특별한 연결부가 필요하다. 그러나 이러한 특별한 연결부에서는 많은 열손실이 발생하여, 고가(高價)의 극저온 냉매를 수시로 충진해 주어야 하는 문제점과 함께 장시간 운전시 신뢰성에 문제점이 생긴다.
따라서, 유체 강제 대류를 이용한 초전도 회전기기 냉각 장치에 있어서, 고정된 유체 공급 수단측 냉각 유로와 회전하는 회전자측 냉각 유로를 연결하는 연결부의 냉각 유로 구조를 개선할 필요가 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 유체 강제 대류 방식의 초전도 회전기기 냉각 장치에 있어서, 냉각 유로의 구조, 특히 회전하는 회전자측의 냉각 유로와 고정된 유체 공급 수단측 냉각 유로를 연결하는 연결부의 냉각 유로 구조를 개선하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 고정된 유체 공급 수단과 회전하는 회전자 사이에서 냉각 유체를 순환시켜 초전도 회전기기의 회전자를 냉각시키기 위한 초전도 회전기기의 냉각 유로 구조로서, 냉각 유체 유출 유로가 유입 유로 외측을 둘러싸도록 배치된 것을 특징으로 한다.
더 구체적으로, 본 발명의 냉각 유로 구조는, 상기 유체 공급 수단과 함께 고정되어 있고 상기 유체 공급 수단으로부터 배출되는 냉각 유체를 전달받는 고정 유입 유로(10)와, 상기 고정 유입 유로(10)의 출구에 인접하여 연결되어 상기 고정 유입 유로(10)로부터 전달받은 냉각 유체를 상기 회전자에 마련된 냉각 유로 입구로 전달하며 상기 회전자와 함께 회전하는 회전 유입 유로(20)와, 상기 회전자의 냉각 유로 출구로부터 배출된 냉각 유체를 전달받고 상기 회전자와 함께 회전하는 회전 유출 유로(40)와, 상기 회전 유출 유로(40)에 인접하여 연결되어 상기 회전 유출 유로(40)로부터 전달받은 냉각 유체를 상기 유체 공급 수단으로 전달하며 상기 유체 공급 수단과 함께 고정되어 있는 고정 유출 유로(50)를 포함하고, 상기 회 전 유출 유로(40) 및 상기 고정 유출 유로(50)는 상기 회전 유입 유로(20) 및 상기 고정 유입 유로(10) 외측을 둘러싸도록 배치된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 회전 유출 유로(40) 및 상기 고정 유출 유로(50)와, 상기 회전 유입 유로(20) 및 상기 고정 유입 유로(10)는 동축에 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 회전자로 유입되는 냉각 유로의 입구가 복수개 마련될 수 있다. 이 경우, 상기 회전 유입 유로(20)는 상기 고정 유입 유로(10)의 단일 출구로부터 전달받은 냉각 유체를 상기 회전자의 복수개 냉각 유로 입구로 분기하여 전달하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 회전자로부터 유출되는 냉각 유로의 출구가 복수개 마련될 수 있다. 이 경우, 회전 유출 유로(40)는 상기 회전자의 복수개 냉각 유로 출구로부터 배출된 냉각 유체를 받아들여 단일 유로로 취합하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 냉각 유로 구조는, 동적 밀봉 수단(30, 60)을 더 포함할 수 있다.
동적 밀봉 수단(30, 60)은 상기 고정 유입 유로(10)와 상기 회전 유입 유로(20) 사이 인접부와, 상기 회전 유출 유로(40)와 상기 고정 유출 유로(50) 사이 인접부에 배치되고, 상기 고정 유입 유로(10) 및 상기 고정 유출 유로(50)측은 고정 지지하면서 상기 회전 유입 유로(20) 및 상기 회전 유출 유로(40)측은 회전가능하도록 지지하며, 상기 냉각 유체를 밀봉한다.
이상과 같이 본 발명에 따르면, 회전 유출 유로(40) 및 고정 유출 유로(50) 가 회전 유입 유로(20) 및 고정 유입 유로(10) 외측을 둘러싸도록 배치되어 있고, 더 바람직하게는 회전 유출 유로(40) 및 고정 유출 유로(50)와, 회전 유입 유로(20) 및 고정 유입 유로(10)가 동축에 배치된 구성에 의해, 냉각 유체 유입 유로와 유출 유로가 중심축에 대해 방사상으로 어느 방향으로나 동일하도록 배치됨으로써 균일한 냉각 성능을 보장할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따르면, 회전 유입 유로(20)는 하나로 된 고정 유입 유로(10)를 복수개의 유로로 분기시키도록 되어 있고, 회전 유출 유로(40)는 복수개로 분기된 유로를 하나로 취합하여 고정 유출 유로(50)로 전달하는 구조로 되어 있으므로, 회전자로 유입/유출되는 냉각 유로의 입출구의 개수를 복수개 마련될 수 있고, 그 개수를 다양하게 설정할 수 있다.
그에 따라, 회전자(100)의 보빈 블록(110; 110-1, 110-2,...110-6)을 통과하는 냉각 유로의 배열을 다양하게 구현할 수 있다. 냉각 유로의 배관 구성을 다양하게 설정할 수 있으므로, 다양한 환경이나 상황에 맞추어 각 보빈 블록에 대한 냉각을 보다 균일하게 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 적응성(adaptability)이 높아진다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 냉각 유로 구조의 단면도이고, 도 2는 도 1의 냉각 유로가 이용되는 초전도 회전기기용 회전자의 일 예로서, 극 수가 6개인 6극(pole) 회전자를 도시하고 있다. 회전자의 극 개수는 다양하게 변경가능하다.
먼저, 도 2에 도시된 것과 같이 6극 회전자는 6개의 보빈 블록(110; 110-1, 110-2,...110-6)으로 구성되어 있고, 각 보빈 블록(110; 110-1, 110-2,...110-6)마다 초전도선이 감기는 보빈(120; 120-1, 120-2,...120-6)이 형성되어 있다. 그리고, 각 보빈 블록(110; 110-1, 110-2,...110-6)의 단부에는 2개씩의 냉각 유로 입출구가 마련되어 전체적으로 12개의 냉각 유로 입출구(130; 130-1,130-2,...130-12)가 형성되어 있다.
본 발명에 따른 냉각 유로는 고정된 유체 공급 수단(펌프, 송풍기등 - 고정측)와 회전하는 회전자(로터 - 회전측) 사이에서 냉각 유체를 순환시켜 초전도 회전기기의 회전자를 냉각시키기 위한 초전도 회전기기의 냉각 유로 구조이다. 유체 공급 수단은 냉매의 종류에 따라 결정되며, 냉매가 기체인 경우에는 송풍기이고, 액체인 경우에는 펌프가 될 수 있다. 냉각 유로는 외부에서의 유입되는 대류 및 전도 열전달을 차단하기 위해 진공 환경에 놓여 있다.
도 1에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 냉각 유로는 고정 유입 유로(10)와, 회전 유입 유로(20)와, 회전 유출 유로(40)와, 고정 유출 유로(50)로 구성된다. 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 냉각 유로 구조는 회전 유출 유로(40) 및 고정 유출 유로(50)가 회전 유입 유로(20) 및 상기 고정 유입 유로(10) 외측을 둘러싸도록 배치된 것을 특징으로 한다.
또한, 고정 유입 유로(10)와 회전 유입 유로(20) 사이, 그리고 회전 유출 유로(40)와 고정 유출 유로(50) 사이에는 각각 제1 동적 밀봉 수단(30) 및 제2 동적 밀봉 수단(60)이 마련된다.
이하, 각 구성별로 구체적으로 설명한다.
고정 유입 유로(10)는 유체 공급 수단(펌프 또는 송풍기 등)과 함께 고정되어 있고 유체 공급 수단으로부터 배출되는 냉각 유체를 전달받는다.
회전 유입 유로(20)는 고정 유입 유로(10)의 출구에 인접하여 연결되어 고정 유입 유로(10)로부터 전달받은 냉각 유체를 회전자(100, 도 2)에 마련된 냉각 유로 입구(130; 130-1, 130-2,...130-12 중 선택됨, 도 2)로 전달한다. 회전 유입 유로(20)는 회전자(100)와 함께 회전한다.
제1 동적 밀봉 수단(30)은 고정된 고정 유입 유로(10)와 회전하는 회전 유입 유로(20)를 서로 유체 밀봉 가능하도록 연결시키는 구성이다. 즉, 제1 동적 밀봉 수단(30)은 고정 유입 유로(10)와 회전 유입 유로(20) 사이 인접부에 배치된다. 또한, 제1 동적 밀봉 수단(30)은 고정 유입 유로(10)측은 고정 지지하면서 회전 유입 유로(20)측은 회전가능하도록 지지하면서, 냉각 유체를 밀봉한다.
한편, 회전 유입 유로(20)로부터 회전자(100)의 냉각 유로 입구(130; 130-1, 130-2,...130-12 중 선택)로 유입된 냉각 유체는 각 보빈 블록(110; 110-1, 110-2,...110-6) 내부를 통과하면서 보빈(120)에 감긴 초전도선을 냉각시킨 후 회전자(100)의 냉각 유로 출구(130; 130-1, 130-2,...130-12) 중 입구로 선택되지 않은 나머지)로 배출된다.
회전 유출 유로(40)는 회전자(100)의 냉각 유로 출구(130; 130-1, 130-2,...130-12 중 입구로 선택되지 않은 나머지)로부터 배출된 냉각 유체를 전달받는 다. 회전 유출 유로(40)는 회전자와 함께 회전한다.
고정 유출 유로(50)는 회전 유출 유로(40)에 인접하여 연결되어 회전 유출 유로(40)로부터 전달받은 냉각 유체를 유체 공급 수단으로 전달한다. 고정 유출 유로(50)는 유체 공급 수단과 함께 고정되어 있다.
제2 동적 밀봉 수단(60)은 고정된 고정 유출 유로(50)와 회전하는 회전 유출 유로(40)를 서로 유체 밀봉 가능하도록 연결시키는 구성이다. 즉, 제2 동적 밀봉 수단(60)은 고정 유출 유로(50)와 회전 유출 유로(40) 사이 인접부에 배치된다. 또한, 제2 동적 밀봉 수단(60)은 고정 유출 유로(50)측은 고정 지지하면서 회전 유출 유로(40)측은 회전가능하도록 지지하면서, 냉각 유체를 밀봉한다.
도시된 것과 같이, 회전 유출 유로(40) 및 고정 유출 유로(50)는 회전 유입 유로(20) 및 고정 유입 유로(10) 외측을 둘러싸도록 배치되어 있다.
또한, 회전 유출 유로(40) 및 고정 유출 유로(50)와, 회전 유입 유로(20) 및 고정 유입 유로(10)는 동축에 배치되는 것이 바람직하다.
이상과 같은 구성에 의해 냉각 유체 유입 유로와 유출 유로가 중심축에 대해 방사상으로 어느 방향으로나 동일하도록 배치됨으로써 균일한 냉각 성능을 보장할 수 있게 된다.
또한, 바람직한 실시예에 따르면 회전자로 유입/유출되는 냉각 유로의 입출구가 복수개 마련될 수 있다.
예컨대, 도 1은 회전자로 유입 또는 유출되는 냉각 유로의 입출구가 각각 2개씩인 경우로서, 회전 유입 유로(20)는 고정 유입 유로(10)의 단일 출구로부터 전 달받은 냉각 유체를 2개의 유로(20-1, 20-2)로 분기하여 회전자에 마련된 2개의 냉각 유로 입구와 연결되도록 한다.
이와 마찬가지로, 회전 유출 유로(40)는 회전자의 2개의 냉각 유로 출구로부터 배출된 냉각 유체를 받아들이기 위해 2개의 유로(40-1, 40-2)를 단일 유로로 취합하도록 되어 있다.
한편, 도 1에서는 회전자로 유입 또는 유출되는 냉각 유로의 입출구의 개수가 2개인 경우로 예시하였으나, 이에 한정되는 것이 아니고 그 개수는 다양하게 변형가능함은 물론이다.
한편, 초전도 회전기기의 극(Pole)수는 그 적용에 따라 달라질 수 있다.
일 실시예로서, 도 2의 극 수가 6개인 6 극(pole) 회전자의 경우에 대한냉각 유로 배관 구성을 도 3을 참조로 설명하기로 한다.
도 2에 도시된 것과 같이 6극 회전자는 6개의 보빈 블록(110; 110-1, 110-2, ...110-6)으로 구성되어 있고, 각 보빈 블록(110; 110-1, 110-2,...110-6)마다 초전도선이 감기는 보빈(120; 120-1, 120-2,...120-6)이 형성되어 있다.
그리고, 각 보빈 블록(110; 110-1, 110-2,...110-6)의 단부에는 2개씩의 냉각 유로 입출구가 마련되어 전체적으로 12개의 냉각 유로 입출구(130; 130-1,130-2,...130-12)가 형성되어 있다.
이러한 경우에, 도 3과 같이 다양하게 회전자(100)의 보빈 블록(110; 110-1, 110-2, ...110-6)을 통과하는 냉각 유로의 배열을 다양하게 구현할 수 있다.
즉, 도 3a는 회전자(100)의 보빈 블록(110; 110-1, 110-2, ...110-6)으로 유 입 또는 유출되는 냉각 유로의 입출구가 각각 6개씩인 경우(6 in - 6 out)이고, 도 3b 및 도 3d는 냉각 유로의 입출구가 각각 3개씩인 경우(3 in - 3 out)이며, 도 3c는 냉각 유로의 입출구가 각각 2개씩인 경우(2 in - 2 out)이다.
도 3a에서는 회전자로 유입 또는 유출되는 냉각 유로의 입출구의 개수가 6개씩이므로, 도 1의 회전 유입 유로(20)가 단일 유로에서 6개로 분기(20-1, 20-2,...20-6)되고, 회전 유출 유로(40)도 6개로 분기(40-1, 40-2, ...40-6)되었던 유로를 하나의 유로로 취합하게 된다.
도 3b 및 도 3d와, 도 3c도 도 3a와 유사한 방식으로 회전자로 유입 또는 유출되는 냉각 유로의 입출구의 개수가 3개(20-1, 20-2, 20-3; 40-1, 40-2, 40-3)와 2개(20-1, 20-2; 40-1, 40-2)로 각각 설정되는 것이다.
이상과 같이, 냉각 유로의 배관 구성을 다양하게 설정할 수 있으므로, 다양한 환경이나 상황에 맞추어 각 보빈 블록에 대한 냉각을 보다 균일하게 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 적응성(adaptability)이 높아진다.
이상의 구성에 따른 본 발명의 냉각 유로 구성의 작동 과정을 도 1 내지도 3을 참조로 설명한다.
극저온 유체 공급 수단(펌프 또는 송풍기)를 통해 승압된 냉각 유체는 고정 유입 유로(10) 및 복수개로 분기된 회전 유입 유로(20; 20-1, 20-2, ...)를 거쳐 회전자(100)의 각 보빈 블록(110; 110-1, 110-2,...110-6)에 마련된 냉각 유체 유입구(130; 130-1, 130-2,...130-12 중 선택됨)로 유입된다.
냉각 유체 유입구(130; 130-1, 130-2,...130-12 중 선택됨)로 유입된 냉각 유체는 각 보빈 블록(110; 110-1, 110-2,...110-6) 내부를 순환하면서 회전자(100)를 냉각시킨 후, 냉각 유체 유출구(130; 130-1, 130-2,...130-12) 중 유입구로 선택되지 않은 나머지)로 배출된다.
이 과정에서 보빈 블록(110; 110-1, 110-2,...110-6)은 극저온 유체 공급 수단 혹은 송풍기를 통해 이송된 낮은 온도의 유체에 의해 냉각되고 그에 따라 보빈 블록(110; 110-1, 110-2,...110-6)의 보빈(120)위에 적층 되어 있는 초전도선이 전도 냉각되게 된다.
배출된 유체는 복수개로 분기된 회전 유출 유로(40; 40-1, 40-2,...)로 유입되어 하나의 유로로 취합된 후 고정 유입 유로(10) 외측을 둘러싸고 있는 고정 유출 유로(50)를 거쳐 다시 유체 공급 수단으로 복귀된다.
이상, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 상술하였지만, 본 발명의 사상 및 범위는 이러한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 것이다.
따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
도 1은 본 발명에 따른 초전도 회전기기의 냉각 유로 구조의 단면도.
도 2는 6극(pole) 초전도 회전기기용 회전자의 일 실시예에 대한 사시도.
도 3은 도 2의 6극(pole) 회전자에 적용가능한 냉각 유로 배관 방식의 다양한 실시예를 설명하기 위한 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10: 고정 유입 유로 20(20-1,20-2, ...20-6): 회전 유입 유로
30: 제1 동적 밀봉 수단 40(40-1,40-2, ...40-6): 회전 유출 유로
50: 고정 유출 유로 60: 제2 동적 밀봉 수단
100: 회전자 110(110-1,110-2,...10-6): 보빈 블록
120: 보빈 130(130-1,130-2,...130-12):냉각유체입출구
Claims (5)
- 고정된 유체 공급 수단과 회전하는 회전자 사이에서 냉각 유체를 순환시켜 초전도 회전기기의 회전자를 냉각시키기 위한 초전도 회전기기의 냉각 유로 구조로서,상기 유체 공급 수단과 함께 고정되어 있고 상기 유체 공급 수단으로부터 배출되는 냉각 유체를 전달받는 고정 유입 유로(10)와,상기 고정 유입 유로(10)의 출구에 인접하여 연결되어 상기 고정 유입 유로(10)로부터 전달받은 냉각 유체를 상기 회전자에 마련된 냉각 유로 입구로 전달하며 상기 회전자와 함께 회전하는 회전 유입 유로(20)와,상기 회전자의 냉각 유로 출구로부터 배출된 냉각 유체를 전달받고 상기 회전자와 함께 회전하는 회전 유출 유로(40)와,상기 회전 유출 유로(40)에 인접하여 연결되어 상기 회전 유출 유로(40)로부터 전달받은 냉각 유체를 상기 유체 공급 수단으로 전달하며 상기 유체 공급 수단과 함께 고정되어 있는 고정 유출 유로(50)와상기 고정 유입 유로(10)와 상기 회전 유입 유로(20) 사이 인접부와, 상기 회전 유출 유로(40)와 상기 고정 유출 유로(50) 사이 인접부에 배치되고, 상기 고정 유입 유로(10) 및 상기 고정 유출 유로(50)측은 고정 지지하면서 상기 회전 유입 유로(20) 및 상기 회전 유출 유로(40)측은 회전가능하도록 지지하며, 상기 냉각 유체를 밀봉하는 동적 밀봉 수단(30, 60)을 포함하고,상기 회전 유출 유로(40) 및 상기 고정 유출 유로(50)와 상기 회전 유입 유로(20) 및 상기 고정 유입 유로(10)는 동축에 배치되고, 상기 회전 유출 유로(40) 및 상기 고정 유출 유로(50)는 상기 회전 유입 유로(20) 및 상기 고정 유입 유로(10) 외측을 둘러싸도록 마련된 것을 특징으로 하는 초전도 회전기기의 냉각 유로 구조.
- 삭제
- 제1항에 있어서,상기 회전자로 유입되는 냉각 유로의 입구가 복수개 마련되고,상기 회전 유입 유로(20)는 상기 고정 유입 유로(10)의 단일 출구로부터 전달받은 냉각 유체를 상기 회전자의 복수개 냉각 유로 입구로 분기하여 전달하는 것을 특징으로 하는 초전도 회전기기의 냉각 유로 구조.
- 제1항에 있어서,상기 회전자로부터 유출되는 냉각 유로의 출구가 복수개 마련되고,회전 유출 유로(40)는 상기 회전자의 복수개 냉각 유로 출구로부터 배출된 냉각 유체를 받아들여 단일 유로로 취합하는 것을 특징으로 하는 초전도 회전기기의 냉각 유로 구조.
- 삭제
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