KR20210092533A - 칠러의 유로 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상면에 돌출 형성된 제1격벽 및 다수개의 제1엠보로 냉매의 유동을 안내하는 냉매유로가 있는 제1플레이트 복수 개와, 상면에 돌출 형성된 제2격벽 및 다수개의 제2엠보로 냉각수의 유동을 안내하는 냉각수유로가 있는 제2플레이트 복수 개가 서로 교대로 적층되어 이루는 열교환부와, 상기 열교환부의 하측에 결합되어 상기 열교환부의 하부를 마감하는 하부마감판과, 상기 열교환부의 상측에 결합되어 상기 열교환부의 상부를 마감하는 상부마감판이 포함된 칠러를 포함하고, 상기 제1플레이트의 제1엠보 및 상기 제2플레이트의 제2엠보는 어느 한 방향으로 장축을 갖는 타원형으로 형성하여, 냉매유로와 냉각수유로의 통로저항을 개선한 칠러의 유로 구조를 제공한다.

Description

칠러의 유로 구조{Flow pattern of chiller }

본 발명은 판형 열교환 플레이트 복수 개를 적층하여 냉각수유로와 냉매유로를 교대로 형성해 상대적으로 고온인 냉각수를 상대적으로 저온인 냉매를 이용하여 냉각하는 판형 열교환기를 이루는 칠러에 관한 것이다.

일반적으로 전기자동차는 자동차의 구동 에너지를 기존의 내연기관 자동차와 달리 화석 연료의 연소로부터가 아닌 전기에너지로부터 얻는 자동차이다.

전기자동차는 배기가스가 전혀 없으며, 소음이 아주 작은 장점이 있으나, 배터리의 무거운 중량, 충전에 걸리는 시간 등의 문제 때문에 실용화되지 못하다가 최근 공해문제의 심각화, 화석 연료의 고갈 등의 문제가 제기되면서 그 개발이 다시 가속화되고 있다.

배터리는 다수의 배터리 셀이 집약적으로 설치된 배터리 팩으로 이루어졌다.

그런데 배터리 팩은 충전 및 방전이 이루어지면 배터리 셀로부터 열이 발생하고, 발생된 열을 그대로 방치시킬 경우 배터리 셀의 성능이 저하되고 배터리 셀의 수명이 단축될 수 있다.

또한, 배터리 팩은 겨울철과 같은 낮은 온도 하에서는 배터리 소모율이 심하여 짧은 시간에 방전되는 문제점이 있다.

따라서 전기자동차에는 통상적으로 발열되는 배터리 팩을 냉각시키는 냉각시스템 및 낮은 온도의 배터리 팩을 일정 온도까지 가열시키는 가열시스템이 구비되어 있다.

이러한 이유로 종래 기술에 따른 전기자동차의 배터리 팩 열관리 장치는 압축기, 응축기, 팽창기 및 증발기를 통하여 냉매가 순환되는 냉매 사이클 회로와, 순환펌프에 의하여 배터리팩을 경유하여 물을 순환시키는 열교환수 순환회로를 포함한다.

여기서 배터리팩을 냉각시키기 위한 냉각시스템으로 기능을 하는 경우에는, 냉매 사이클 회로에서 분기되어 냉매공급배관을 통하여 공급된 냉매와, 열교환수 순환 회로를 순환하는 냉각수가 칠러형 열교환기 내부로 유입되어 열교환되도록 배치되어, 칠러형 열교환기에서 냉각된 냉각수가 배터리팩으로 유동되어 배터리팩을 냉각시킨다.

또한, 배터리 팩을 가열시키기 위한 가열시스템으로 기능을 하는 경우에는, 열교환수 순환 회로의 일부에 별도로 장착된 히팅부에 의하여 열교환수 순환 회로를 유동하는 냉각수를 가열한 후 배터리팩으로 유동시켜 배터리팩을 가열시킨다.

하지만, 상대적으로 저온인 냉매를 이용하여 상대적으로 고온인 열교환수(냉각수)를 냉각하는 종래의 칠러형 열교환기 및 칠러는 단순한 유로 구성으로 통로저항이 적게 걸리는 장점이 있으나, 냉각성능이 낮은 단점이 있다.

종래기술로는 제10-2009-0068506호(2009.06.29.)를 참조할 수 있다.

본 발명은 냉매유로와 냉각수유로를 교대로 다단 적층하여 높은 냉각성능을 구현하고, 냉매유로와 냉각수유로를 따라 형성된 엠보를 타원형으로 형성하여, 냉매유로와 냉각수유로의 통로저항을 개선한 칠러의 유로 구조를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명에 따른 칠러의 유로 구조는 상면에 돌출 형성된 제1격벽 및 다수개의 제1엠보로 냉매의 유동을 안내하는 냉매유로가 있는 제1플레이트 복수 개와, 상면에 돌출 형성된 제2격벽 및 다수개의 제2엠보로 냉각수의 유동을 안내하는 냉각수유로가 있는 제2플레이트 복수 개가 서로 교대로 적층되어 이루는 열교환부와, 상기 열교환부의 하측에 결합되어 상기 열교환부의 하부를 마감하는 하부마감판과, 상기 열교환부의 상측에 결합되어 상기 열교환부의 상부를 마감하는 상부마감판이 포함된 칠러를 포함한다.

냉매와 냉각수의 비열과 밀도가 서로 다르므로 열교환량을 균형있게 맞추기 위하여 냉매측은 'M'자 유로로 형성하고, 냉각수측은 'U'자 유로로 형성하여 그 유속을 서로 차별화한다.

특히, 제1플레이트 내 유속이 빠름에 따른 통로저항 개선을 위하여 제1엠보의 장축은 냉매의 유선방향과 평행을 이루도록 형성할 수 있다.

또한, 제2플레이트 내 유속이 느림에 따라 열전달율을 증대하기 위해 제2엠보의 장축은 냉각수의 유선방향과 수직을 이루도록 형성할 수도 있다.

본 발명에 따른 칠러의 유로 구조에 의해 나타나는 효과는 다음과 같다.

냉매유로와 냉각수유로를 교대로 다단 적층하여 높은 냉각성능을 구현하고, 냉매유로와 냉각수유로를 따라 형성된 엠보를 타원형으로 형성하되, 그 배열각도를 최적화하여, 냉매유로와 냉각수유로의 통로저항 및 열전달율을 개선하는 효과를 가진다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 칠러의 유로 구조를 보인 분해 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제1플레이트를 보인 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 제2플레이트를 보인 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 칠러의 전체 구조를 보인 예시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 균등한 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명은 상면에 냉각수유로 및 냉매유로가 형성된 판형 열교환플레이트 복수 개를 교대로 적층 구성하여, 상대적으로 저온인 냉매를 이용하여 상대적으로 고온인 냉각수를 냉각하는 판형 열교환기를 이루는 칠러에 관한 것으로, 냉매유로가 형성된 제1플레이트와 냉각수유로가 형성된 제2플페이트를 교대로 다단화하여, 높은 냉각성능을 구현하고, 엠보를 타원형으로 형성하여, 냉매유로의 다단화에 의한 통로저항이 높아지는 문제를 개선한 칠러의 유로 구조에 관한 것으로, 도면을 참조하여 더욱 상세하게 살펴보면 다음과 같다.

도 1 내지 도 4를 참조한 본 발명의 일 실시 예에 따른 칠러는 열교환부(100)와, 하부마감판(200)과, 상부마감판(300)을 포함하는데, 먼저 상기 열교환부(100)는 통상의 판형 열교환기와 같이 냉매유로가 제1플레이트(110) 복수 개와, 냉각수유로가 제2플레이트(120) 복수 개가 서로 교대로 적층되어 하나의 몸체로 이루어진다.

따라서 상기한 열교환부(100)는 그 내부에 복수 개의 냉매유로 및 복수 개의 냉각수유로가 서로 교대로 적층된 구조를 이룬다.

여기서 상기 제1플레이트(110) 및 제2플레이트(120)를 보다 상세하게 살펴보면, 상기 제1플레이트(110)는 사각형의 판 상으로 주변을 따라 제1밀폐턱(111)을 상향으로 돌출 형성하여, 상기 제1플레이트(110)의 상면을 따라 유동하는 유체가 누출되지 않도록 하고, 사각형을 이루는 상기 제1플레이트(110)의 모서리 인근에는 상, 하로 각각 연통하는 제1냉매연통홀(112)과 제1냉각수연통홀(113)을 형성한다.

이때 상기 제1냉매연통홀(112) 및 제1냉각수연통홀(113)은 냉매 및 냉각수의 유입과 유출이 가능하도록 각각 한 쌍으로 형성하여 유입홀과 유출홀을 이루는데, 상기 제1플레이트(110)의 일측편에 한 쌍의 제1냉매연통홀(112)을 형성하면, 대향진 타측편에는 한 쌍의 제1냉각수연통홀(113)을 형성하는 것이 바람직하다.

여기서 상기 제1플레이트(110)의 제1냉각수연통홀(113) 주변에는 상기 제1밀폐턱(111)과 제1유입방지턱(114)을 돌출 형성하여, 상기 제1플레이트(110)의 상면을 따라 유동하는 냉매가 제1냉각수연통홀(113)로 유입되지 않도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1플레이트(110)의 상면에는 어느 한 형태의 냉매유로를 형성하기 위해 제1격벽(115)과 제1엠보(116)들을 돌출 형성하는데, 일례로 상기 제1플레이트(110)의 상면에 'M'자 형태의 냉매유로를 형성하기 위해 상기 제1격벽(115)은 'I'자형과 'Y'자형을 혼합하여 상기 제1플레이트(110)의 상면에서 상향으로 돌출 형성한다.

이때 'I'자형의 제1격벽(115)이 한 쌍의 제1냉각수연통홀(113) 사이에서 대향진 한 쌍의 제1냉매연통홀(112) 사이를 향해 형성하고, 'Y'자형의 제1격벽(115)은 한 쌍의 제1냉매연통홀(112) 사이에서 대향진 한 쌍의 제1냉각수연통홀(113)을 형성함에 따라 상기 제1플레이트(110)의 상면에는 'M'자 형태의 냉매유로가 형성된다.

그리고 상기 제1플레이트(110)의 상면에 형성된 'M'자 형태의 냉매유로를 따라 복수 개의 제1엠보(116)들을 돌출 형성하는데, 이때 상기 제1엠보(116)들 역시, 상기 제1격벽(115)과 동일한 높이로 돌출하여, 평면부간 브레이징 면적을 최대화하고, 'M'자 형태의 냉매유로를 따라 'I'자형 및 'Y'자형의 제1격벽(115)을 인근에 형성하여, 상기 냉매유로를 따라 유체 접촉 표면적이 최대화가 되도록 한다.

여기서 본 발명의 일 실시 예에 따른 제1엠보(116)들은 어느 한 축이 장축인 타원형의 엠보로 형성하는 것이 바람직하고, 타원형의 제1엠보(116)의 장축은 냉매의 유선과 평행을 이루도록 배열하여, 유동 박리현상을 최소화하여 냉매의 유동 저항을 감소시킬 수 있다.

그리고 상기 제2플레이트(120)는 그 역시 사각형의 판 상으로 주변을 따라 제2밀폐턱(121)을 상향으로 돌출 형성하여, 상기 제2플레이트(120)의 상면을 따라 유동하는 유체인 냉각수가 누출되지 않도록 하고, 사각형을 이루는 상기 제2플레이트(120)의 모서리 인근에는 상, 하로 각각 연통하는 제2냉매연통홀(122)과 제2냉각수연통홀(123)을 형성한다.

이때 상기 제2냉매연통홀(122) 및 제2냉각수연통홀(123)은 냉매 및 냉각수의 유입과 유출이 가능하도록 각각 한 쌍으로 형성하여 유입홀과 유출홀을 이루는데, 상기 제2플레이트(120)의 일측편에 한 쌍의 제2냉매연통홀(122)을 형성하면, 대향진 타측편에는 한 쌍의 제2냉각수연통홀(123)을 형성하는 것이 바람직하다.

여기서 상기 제2플레이트(120)의 제2냉매연통홀(122) 및 제2냉각수연통홀(123) 각각은 교대로 적층되는 상기 제1플레이트(110)의 제1냉매연통홀(112) 및 제1냉각수연통홀(113) 각각과 서로 연결되는 것이 바람직하고, 상기 제2플레이트(120)의 제2냉매연통홀(122) 주변에는 제2유입방지턱(124)을 돌출 형성하여, 상기 제2플레이트(120)의 상면을 따라 유동하는 냉각수가 제2냉매연통홀(122)로 유입되지 않도록 한다.

또한, 상기 제2플레이트(120)의 상면에는 어느 한 형태의 냉각수유로를 형성하기 위해 제2격벽(125)과 제2엠보(126)들을 돌출 형성하는데, 일례로 상기 제2플레이트(120)의 상면에 '∪'자 형태의 냉매유로를 형성하기 위해 상기 제2격벽(125)은 'I'자형으로 상기 제2플레이트(120)의 상면에서 상향으로 돌출 형성한다.

이때 'I'자형의 제2격벽(125)이 한 쌍의 제2냉각수연통홀(123) 사이에서 대향진 한 쌍의 제2냉매연통홀(122) 사이를 향해 형성함에 따라 상기 제2플레이트(120)의 상면에는 '∪'자 형태의 냉매유로가 형성된다.

그리고 상기 제2플레이트(120)의 상면에 형성된 '∪'자 형태의 냉매유로를 따라 복수 개의 제2엠보(126)들을 돌출 형성하는데, 이때 상기 제2엠보(126)들은 '∪'자 형태의 냉매유로를 따라 'I'자형의 제2격벽(125)을 인근에 형성하여, 상기 냉매유로를 따라 유체 접촉 표면적이 최대화가 되도록 한다.

여기서 본 발명의 일 실시 예에 따른 제2엠보(126)들은 어느 한 축이 장축인 타원형의 엠보로 형성하는 것이 바람직하고, 타원형의 제2엠보(126) 장축은 유동방향에 수직으로 배열하여, '∪'자 유동에 의한 상대적 유속 감소에 따른 열전달율 저하를 최소화할 수 있다.

상기한 'M'자형의 냉매유로 및 '∪'자형의 냉각수유로는 하나의 예시로 제안한 것이지, 상기 냉매유로 및 냉각수유로는 이에 한정하지 않고 설계조건에 따라 다양한 형상으로 형성할 수 있다.

상기한 구성의 제1플레이트(110) 및 제2플레이트(120)는 서로 교대로 적층되어 열교환부(100)를 이루는데, 이때 상기 제1플레이트(110)와 상기 제2플레이트(120)를 상호 조립시 상, 하의 위상으로 배치되는 제1격벽(115) 및 제2격벽(125), 제1엠보(116) 및 제2엠보(126)는 서로 겹치는 부분 없이 고르게 배열될 수 있다.

따라서 상기 제1격벽(115) 및 제1엠보(116)와 상기 제2격벽(125) 및 제2엠보(126)의 적층되는 상대 플레이트(110, 120)의 평면부간 브레이징 면적을 최대화하여 충분한 강도 확보가 가능하다.

그리고 상기 열교환부(100)의 하측에는 하부마감판(200)을 결합하는데, 상기 하부마감판(200)은 상기 열교환부(100)의 하부를 마감한다.

이때 상기 하부마감판(200)은 상기 열교환부(100)의 제1플레이트(110) 및 제2플레이트(120)와 같이 사각형으로 유체의 누출을 방지하기 위해 상기 하부마감판(200)의 주변을 따라 제3밀폐턱(201)을 돌출 형성하고, 상기 하부마감판(200)의 상면 중 제1, 제2냉매연통홀(112, 122) 및 제1, 제2냉가수연통홀(113, 123)과 대응하는 위치상에는 마감돌기(202)들을 형성하여, 상기 마감돌기(202)은 상기 하부마감판(200)의 상면과 면접하는 제1플레이트(110) 또는 제2플레이트(120)의 제1, 제2냉매연통홀(112, 122) 및 제1, 제2냉각수연통홀(113, 123)을 밀폐하여 냉매 및 냉각수가 누출되지 않도록 한다.

그리고 상기 열교환부(100)의 상측에는 상부마감판(300)을 결합하는데, 상기 상부마감판(300)은 상기 열교환부(100)의 상부를 마감한다.

이때 상기 상부마감판(300)의 상면에는 상기 한 쌍의 제1플레이트(110) 또는 제2플레이트(120)의 제1, 제2냉매연통홀(112, 122) 및 제1, 제2냉각수연통홀(113, 123)에 대응하는 위치상에 한 쌍의 제3냉매연통홀(301)과 한 쌍의 제3냉각수연통홀(302)을 형성하고, 상기 한 쌍의 제3냉매연통홀(301)에는 냉매배관을 연결하는 냉매플랜지연결커넥터(310)를 결합하여, 냉매가 유동하는 냉매배관을 결합고정할 수 있도록 하고, 상기 한쌍의 제3냉각수연통홀(302)에는 배터리측과 연결되는 냉각수배관을 연결하는 냉각수파이프(320)를 결합하여, 추후 냉각수가 유동하는 냉각수호스를 연결할 수 있도록 한다.

따라서 상기한 구성의 본 발명의 일 실시 예에 따른 칠러는 액/기상 상태의 냉매는 밀도와 비열이 상대적으로 낮고, 액상 상태의 냉각수는 밀도와 비열이 높으므로 두 유체간 상호 열교환을 효율적으로 하기 위해서는 냉매측의 유로를 냉각수 유로측보다 다단화하면서 유속을 증대시킴으로써 가능하다.

그리고 냉매유로의 통로저항을 경감시키기 위해 엠보를 타원형으로 형성하고, 타원형의 엠보 장축을 냉매의 유선 방향과 평행을 이루도록 배열하여, 엠보 후단에서 발생하는 유동 박리 현상을 최소화시켜 통로저항을 감소시킨다.

또한, 냉매유로를 형성한 제1플레이트와, 하단에 냉각수유로를 형성한 제2플레이트 상호 조립시 상, 하 위치하는 엠보 및 격벽이 서로 겹치는 부분 없이 고르게 배열되어, 상대 플레이트의 평면부간 브레이징 면적을 최대화하여 충분한 강도를 확보할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

100: 열교환부 110: 제1플레이트
111: 제1밀폐턱 112: 제1냉매연통홀
113: 제1냉각수연통홀 114: 제1유입방지턱
115: 제1격벽 116: 제1엠보
120: 제2플레이트 121: 제2밀폐턱
122: 제2냉매연통홀 123: 제2냉각수연통홀
124: 제2유입방지턱 125: 제2격벽
126: 제2엠보 200: 하부마감판
201: 제3밀폐턱 202: 마감돌기
300: 상부마감판 301: 제3냉매연통홀
302: 제3냉각수연통홀 310: 냉매플랜지연결커넥터
320: 냉각수파이프

Claims (11)

1. 상면에 돌출 형성된 제1격벽 및 다수개의 제1엠보로 냉매의 유동을 안내하는 냉매유로가 있는 제1플레이트 복수 개와, 상면에 돌출 형성된 제2격벽 및 다수개의 제2엠보로 냉각수의 유동을 안내하는 냉각수유로가 있는 제2플레이트 복수 개가 서로 교대로 적층되어 이루는 열교환부와,
   상기 열교환부의 하측에 결합되어 상기 열교환부의 하부를 마감하는 하부마감판과,
   상기 열교환부의 상측에 결합되어 상기 열교환부의 상부를 마감하는 상부마감판이 포함된 칠러에 있어서,
   상기 제1플레이트의 제1엠보 및 상기 제2플레이트의 제2엠보는 어느 한 방향으로 장축을 갖는 타원형으로 형성하는 것을 특징으로 하는 칠러의 유로 구조.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   타원형의 상기 제1엠보의 장축은
   냉매의 유선방향과 평행을 이루도록 배열한 것을 특징으로 하는 칠러의 유로 구조.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   타원형의 상기 제2엠보의 장축은
   냉각수의 유선방향과 수직을 이루도록 배열한 것을 특징으로 하는 칠러의 유로 구조.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   청구항 1에 있어서,
   상기 제1플레이트와 상기 제2플레이트를 상호 조립시 상, 하의 위상으로 배치되는 제1격벽 및 제2격벽, 제1엠보 및 제2엠보는 서로 겹치는 부분 없이 고르게 배열되는 칠러의 유로 구조.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 제1격벽은
   'I'자형을 이루고, 한 쌍의 제1냉각수연통홀 사이에서 대향진 한 쌍의 제1냉매연통홀 사이를 향해 형성하는 칠러의 유로 구조.
   
6. 청구항 4에 있어서,
   상기 제1격벽은
   'Y'자형을 이루고, 한 쌍의 제1냉매연통홀 사이에서 대향진 한 쌍의 제1냉각수연통홀을 형성함에 따라 상기 제1플레이트의 상면에는 'M'자 형태의 냉매유로를 형성하는 칠러의 유로 구조.
   
7. 청구항 4에 있어서,
   상기 제2격벽은
   'I'자형을 이루고, 한 쌍의 제2냉각수연통홀 사이에서 대향진 한 쌍의 제2냉매연통홀 사이를 향해 형성함에 따라 상기 제2플레이트의 상면에는 '∪'자 형태의 냉매유로를 형성하는 칠러의 유로 구조.
   
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 하부마감판은 상기 열교환부의 제1플레이트 및 제2플레이트와 같이 사각형으로 유체의 누출을 방지하기 위해 상기 하부마감판의 주변을 따라 제3밀폐턱을 돌출 형성하고,
   상기 하부마감판의 상면 중 제1, 제2냉매연통홀 및 제1, 제2냉각수연통홀과 대응하는 위치상에는 마감돌기들을 형성하는 칠러의 유로 구조.
   
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 마감돌기는
   상기 하부마감판의 상면과 면접하는 제1플레이트 또는 제2플레이트의 제1, 제2냉매연통홀 및 제1, 제2냉각수연통홀을 밀폐하여 냉매 및 냉각수가 누출되지 않도록 하는 칠러의 유로 구조.
   
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 상부마감판의 상면에는
    상기 한 쌍의 제1플레이트 또는 제2플레이트의 제1, 제2냉매연통홀 및 제1, 제2냉각수연통홀에 대응하는 위치상에 한 쌍의 제3냉매연통홀과 한 쌍의 제3냉각수연통홀을 형성하고,
    상기 한 쌍의 제3냉매연통홀에는 냉매배관을 연결하는 냉매플랜지연결커넥터를 결합하여, 냉매가 유동하는 냉매배관을 결합고정하는 칠러의 유로 구조.
    
11. 청구항 10에 있어서,
    상기 한 쌍의 제3냉각수연통홀에는
    배터리측과 연결되는 냉각수배관을 연결하는 냉각수파이프를 결합하여, 추후 냉각수가 유동하는 냉각수호스를 연결하는 칠러의 유로 구조.

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