(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータ（7）を予熱する予熱装置であって、
キャリア信号に同期して直流をスイッチングし、前記モータ（7）を駆動する所定周波数及び所定電圧の交流に変換するインバータ回路（4）と、
前記モータ（7）の予熱を行う制御部（5）と
を備え、
前記モータ（7）は、冷媒を圧縮する電動圧縮機（8）を駆動するモータであり、
前記制御部（5）は、前記キャリア信号の周波数（fc）が前記モータ（7）の駆動時の周波数（fc1）よりも低い期間（A）を設けて前記インバータ回路（4）から前記モータ（7）に交流を供給させた後に前記キャリア信号の周波数（fc）を前記モータ（7）の駆動時の周波数（fc1）よりも高い周波数（fc3）にして前記インバータ回路（4）から前記モータ（7）に交流を供給させ、前記モータ（7）の予熱を行う制御と、前記キャリア信号の周波数（fc）が前記駆動時の周波数（fc1）よりも低い期間（A）を設けずに前記キャリア信号の周波数（fc）を前記モータ（7）の駆動時の周波数（fc1）よりも高い周波数（fc3）にして予熱を行う制御とが可能であり、前記電動圧縮機（8）の冷凍機油の温度、又は外気温に応じてこれらの制御を選択することを特徴とする予熱装置。
【請求項２】
請求項１の予熱装置において、
前記インバータ回路（4）は、ワイドバンドギャップ半導体を主材料としたスイッチング素子（Su,Sv,Sw,Sx,Sy,Sz）によって前記変換を行うことを特徴とする予熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータを予熱する予熱装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
冷媒を圧縮する電動圧縮機では、冷媒とともに潤滑油（冷凍機油）を循環させて、モータの軸受などの摺動部分の摩擦を軽減させている。しかしながら、冷媒は低温時には冷凍機油に溶けやすいという性質があるので、低温時にモータの駆動を開始すると、冷凍機油の濃度が低下した状態でモータが回転することになる。これでは、摺動部分の摩擦が大きくなり、好ましくない。これに対しては、モータの周囲にヒータを設けたり、モータが回転しない条件でインバータ回路からモータに電流を流したりして予熱運転を行うようにした例がある（例えば、特許文献１，２を参照）。また、冷媒が寝込んだ状態（後述）で予熱を行う場合に、漏れ電流の対策を行う目的で、通常運転時のキャリア周波数よりも低いキャリア周波数で、インバータ回路からモータに電流を供給して予熱を行うものがある（例えば特許文献３，４を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１-２８６１８３号公報
【特許文献２】特開２００２-１０６９０９号公報
【特許文献３】国際公開ＷＯ２００７／０５２４９３
【特許文献４】特許第４１２４２０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、モータの巻線の抵抗は一般的には数Ω以下であるので、従来の予熱運転では低電圧・大電流での予熱動作となり、その条件ではインバータ回路の変換効率が低く、該インバータ回路において不要なデバイス損失が多く発生する。
【０００５】
本発明は前記の問題に着目してなされたものであり、モータを効率的に予熱できるようにすることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記の課題を解決するため、第１の発明は、
モータ（7）を予熱する予熱装置であって、
キャリア信号に同期して直流をスイッチングし、前記モータ（7）を駆動する所定周波数及び所定電圧の交流に変換するインバータ回路（4）と、
前記モータ（7）の予熱を行う制御部（5）と
を備え、
前記モータ（7）は、冷媒を圧縮する電動圧縮機（8）を駆動するモータであり、
前記制御部（5）は、前記キャリア信号の周波数（fc）が前記モータ（7）の駆動時の周波数（fc1）よりも低い期間（A）を設けて前記インバータ回路（4）から前記モータ（7）に交流を供給させた後に前記キャリア信号の周波数（fc）を前記モータ（7）の駆動時の周波数（fc1）よりも高い周波数（fc3）にして前記インバータ回路（4）から前記モータ（7）に交流を供給させ、前記モータ（7）の予熱を行う制御と、前記キャリア信号の周波数（fc）が前記駆動時の周波数（fc1）よりも低い期間（A）を設けずに前記キャリア信号の周波数（fc）を前記モータ（7）の駆動時の周波数（fc1）よりも高い周波数（fc3）にして予熱を行う制御とが可能であり、前記電動圧縮機（8）の冷凍機油の温度、又は外気温に応じてこれらの制御を選択することを特徴とする。
【０００７】
この構成では、インバータ回路（4）の出力電流の周波数が、モータ（7）の駆動時よりも高くなる。例えば銅線では、表皮深さは、電流の周波数が高くなるほど小さくなる。そのため、銅線のコイルでは、電流の周波数が高いほど電気抵抗が大きくなる。したがって、モータ（7）のコイルで予熱を行う場合、一定の予熱電力を得るための電流値は、電流の周波数が高いほど小さくなる傾向がある。つまり、モータ（7）に流す電流の周波数が高いほど電流値は小さくなる。一般的に、インバータ回路（4）では、電流が小さくなるにつれてスイッチング素子（Su,Sv,Sw,Sx,Sy,Sz）の損失が小さくなるので、本発明では、モータ電流の周波数が高くなると電流が低減して、インバータ回路（4）の損失は低減することになる。
【０００８】
また、この構成では、キャリア周波数（fc）を低下させて所定の期間予熱を行うので、電動圧縮機（8）において冷媒が寝込んでいても漏れ電流を防止できる。そして、その後は前記発明と同様に、インバータ回路（4）の損失が小さな状態で予熱運転が行われる。
【０００９】
また、第２の発明は、
第１の発明の予熱装置において、
前記インバータ回路（4）は、ワイドバンドギャップ半導体を主材料としたスイッチング素子（Su,Sv,Sw,Sx,Sy,Sz）によって前記変換を行うことを特徴とする。
【００１０】
この構成では、各スイッチング素子（Su,Sv,Sw,Sx,Sy,Sz）がワイドバンドギャップ半導体を主材料とした半導体で構成されているので、スイッチングを高周波化した場合の各スイッチング素子（Su,Sv,Sw,Sx,Sy,Sz）におけるスイッチング損失の増加を低く抑えられ、高周波化による予熱電力の低減効果がより大きくなる。
【発明の効果】
【００１１】
第１の発明によれば、インバータ回路（4）の損失が低減するので、モータ（7）を効率的に予熱することが可能になる。
【００１２】
また、第１の発明によれば、電動圧縮機（8）において、漏れ電流を防止と、モータ（7）（電動圧縮機（8））の予熱の効率化を両立させることが可能になる。
【００１３】
また、第２の発明によれば、より効果的にモータ（7）を予熱することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、関連技術１に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、関連技術１におけるキャリア周波数の制御を説明する図である。
【図３】図３は、従来の予熱装置におけるキャリア周波数の制御を説明する図である。
【図４】図４は、（ａ）は従来の予熱装置におけるインバータ回路の出力波形を例示する図であり、（ｂ）は関連技術１のインバータ回路の出力波形を例示する図である。
【図５】図５は、銅線の表皮深さと電流の周波数の関係を示す図である。
【図６】図６は、一定の予熱電力を得る際の電流値と電流の周波数との関係を示す図である。
【図７】図７は、関連技術１における、電流の周波数とインバータ回路の損失の関係を示す図である。
【図８】図８は、関連技術１の予熱装置における消費電力を示す図である。
【図９】図９は、関連技術２におけるキャリア周波数の制御を説明する図である。
【図１０】図１０は、関連技術２における、インバータ回路の損失と電流の周波数の関係を示す図である。
【図１１】図１１は、関連技術２の予熱装置における消費電力を示す図である。
【図１２】図１２は、通常運転終了後にキャリア周波数低下期間を設けない場合のキャリア周波数の制御を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の予熱装置の実施形態として、該予熱装置を備えた電力変換装置の例を説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。
【００１６】
《発明の関連技術１》
〈全体構成〉
図１は、本発明の関連技術１に係る電力変換装置（1）の構成を示すブロック図である。同図に示すように電力変換装置（1）は、コンバータ回路（2）、直流リンク部（3）、インバータ回路（4）、及び制御部（5）を備え、三相交流電源（6）から供給された交流を所定の周波数の交流に変換して、電動圧縮機（8）のモータ（7）に供給するようになっている。なお、本関連技術のモータ（7）には、いわゆるＩＰＭモータ（Interior Permanent MagnetMotor）など、コイルを有した種々のモータを採用できる。電動圧縮機（8）は、例えば空気調和機の冷媒回路（図示は省略）に設けられ、冷媒を圧縮する。
【００１７】
〈コンバータ回路（2）〉
コンバータ回路（2）は、三相交流電源（6）に接続され、三相交流電源（6）が出力した三相交流を全波整流する。この例では、コンバータ回路（2）は、複数（本関連技術では６つ）のダイオード（D1〜D6）がブリッジ状に結線されたダイオードブリッジ回路である。
【００１８】
〈直流リンク部（3）〉
直流リンク部（3）は、コンデンサ（3a）を備えている。コンデンサ（3a）は、コンバータ回路（2）の出力ノードにリアクトル（L1）を介して並列接続されている。このコンデンサ（3a）は、インバータ回路（4）の入力ノード間に接続され、該コンデンサ（3a）の両端に生じた直流電圧（直流リンク電圧（Ed））が、インバータ回路（4）に入力されている。コンデンサ（3a）は、例えば電解コンデンサやフィルムコンデンサによって構成する。
【００１９】
〈インバータ回路（4）〉
インバータ回路（4）は、直流リンク部（3）の出力をスイッチングして三相交流に変換し、モータ（7）に供給するようになっている。インバータ回路（4）は、複数のスイッチング素子（Su,Sv,Sw,Sx,Sy,Sz）がブリッジ結線されて構成されている。この例では、それぞれのスイッチング素子（Su,Sv,Sw,Sx,Sy,Sz）は、シリコン(Ｓｉ)を主材料としたＦＥＴ（Field effect transistor）である。
【００２０】
このインバータ回路（4）は、三相交流をモータ（7）に出力するので、６個のスイッチング素子（Su,Sv,Sw,Sx,Sy,Sz）を備えている。詳しくは、インバータ回路（4）は、２つのスイッチング素子を互いに直列接続した３つのスイッチングレグを備えている。各スイッチングレグにおいて上アームのスイッチング素子（Su,Sv,Sw）と下アームのスイッチング素子（Sx,Sy,Sz）との中点は、それぞれモータ（7）の各相のコイル（図示は省略）に接続されている。
【００２１】
また、各スイッチング素子（Su,Sv,Sw,Sx,Sy,Sz）には、還流ダイオード（DD）が逆並列に接続されている。インバータ回路（4）は、これらのスイッチング素子（Su,Sv,Sw,Sx,Sy,Sz）のオンオフ動作によって、直流リンク部（3）から入力された直流をスイッチングして三相交流電圧に変換する。なお、このオンオフ動作の制御は、制御部（5）が行う。
【００２２】
〈制御部（5）〉
制御部（5）は、マイクロコンピュータとそれを動作させるプログラムを含み、キャリア信号に同期して、ＰＷＭ制御方式により前記スイッチングを制御している。そして、制御部（5）は、電動圧縮機（8）の予熱運転の制御も行うようになっている。制御部（5）及びインバータ回路（4）によって、予熱装置（10）を構成している。予熱装置（10）による予熱運転は、例えば外気温が所定値以下になった場合に実施される。
【００２３】
予熱運転では、制御部（5）は、インバータ回路（4）からモータ（7）のコイル（銅線）に、該モータ（7）が回転しない大きさの電流を流し、該コイルの発熱によってモータ（7）を加熱、すなわち電動圧縮機（8）を加熱する。より詳しくは、制御部（5）は、予熱運転時には、キャリア信号の周波数（キャリア周波数（fc））を、モータ（7）の駆動時(以下では説明の便宜上、通常運転時とよぶ)のキャリア周波数（fc1）よりも高いキャリア周波数（fc3）に制御する。この例では、通常運転時のキャリア周波数（fc1）は、５ｋＨｚであり、予熱運転時のキャリア周波数（fc3）は１００ｋＨｚである。
【００２４】
〈予熱運転〉
電動圧縮機（8）が用いられた空気調和機（図示は省略)では、設置されて初めて電源が投入された場合や、通常運転の終了時に外気温が低い場合などに、予熱運転が行われる。図２は、関連技術１におけるキャリア周波数（fc）の制御を説明する図である。また、図３は、従来の予熱装置におけるキャリア周波数の制御を説明する図である。この従来の予熱装置では、予熱運転時にキャリア周波数（fc）を通常運転時よりも低いキャリア周波数（fc0）、もしくは同じキャリア周波数に制御している。
【００２５】
空気調和機では、例えば、初めて電力が供給された際に予熱運転が実施される。この予熱運転では、制御部（5）は、図２に示すように、キャリア周波数（fc）を通常運転時のキャリア周波数（fc1）よりも高いキャリア周波数（fc3）にして、インバータ回路（4）からモータ（7）に交流を供給させる。
【００２６】
図４は、（ａ）は従来の予熱装置におけるインバータ回路の出力波形を例示する図であり、（ｂ）は関連技術１のインバータ回路（4）の出力波形を例示する図である。図４の（ａ）では、上段から、スイッチング素子（Su）のオンオフ状態、スイッチング素子（Sy）のオンオフ状態、Ｕ相とＶ相の線間電圧（Vuv）、Ｕ相の電流（Iu）をそれぞれ示している。また、図４の（ｂ）では、上段から、Ｕ相とＶ相の線間電圧（Vuv）、Ｕ相の電流（Iu）をそれぞれ示している。図４に示すように、本関連技術の予熱装置（10）の方が電流の周波数が高くなっている。
【００２７】
予熱装置（10）によってモータ（7）のコイルに電力が供給されると、該コイルが発熱する。電動圧縮機（8）では、運転が一度も行われていない場合（例えば設置直後）や、低温状態で停止していた場合などには、冷凍機油に冷媒が溶け込んだ状態になる。このときは、モータ（7）等の摺動部における冷凍機油の濃度が低下しているので、これらの摺動部の潤滑を十分に行えない可能性がある。ここで、予熱運転によってモータ（7）のコイルが発熱すると、冷凍機油の温度が上昇して冷媒の溶解度が低下する。そうすると、冷凍機油の濃度が実質的に上昇する。これにより、前記摺動部における冷凍機油の濃度が上昇し、十分な潤滑が可能な状態になる。なお、予熱時間（t3）は、冷凍機油の濃度が十分に上昇するのに必要な時間を予め実験などで求めておいて、制御部（5）に設定しておくとよい。制御部（5）では、例えばタイマーを用いて、設定された時間の予熱が行われるようにインバータ回路（4）を制御する。
【００２８】
制御部（5）は、リモートコントローラーなどを介してユーザーから空気調和機の運転開始が指示されると、十分な予熱が行われていた場合には、通常運転状態にインバータ回路（4）等を制御する。制御部（5）は、通常運転状態では、キャリア周波数（fc）をｆｃ１に制御する。
【００２９】
−予熱電力−
図５は、銅線の表皮深さ（表面に電流が集中する表皮効果を生ずる深さ）と電流の周波数の関係を示す図である。図５に示すように、銅線の表皮深さ（d）は、電流の周波数（f）が高くなるほど小さくなる。また、図６は、モータ（7）のコイルで一定の予熱電力を得る際の電流値（I）と電流の周波数（f）との関係を示す図である。銅線では、電流の周波数が高いほど電気抵抗が大きくなるので、図６に示すように、一定の予熱電力を得るための電流値は、電流の周波数が高いほど小さくなる。したがって、モータ（7）のコイルでも、電流の周波数が高いほど電流値は小さくなる。
【００３０】
一般的にインバータ回路では、電流が小さくなるにつれてスイッチング素子（Su,Sv,Sw,Sx,Sy,Sz）の損失が小さくなる。そして、モータ（7）のコイルでは、表皮効果によって、モータ電流の周波数が高くなると電流が低減する。それゆえ、インバータ回路（4）では、モータ電流の周波数増加に伴って損失が低減することになる。図７は、関連技術１における、電流の周波数（f）とインバータ回路（4）の損失（loss）の関係を示す図である。図７に示すように、電流の周波数（f）がある程度以上高くなると、損失（loss）は低減し、この例では、１００ｋＨｚのときの損失は、５ｋＨｚのときの損失よりも４５％改善している。
【００３１】
図８は、関連技術１の予熱装置（10）における消費電力を示す図である。図８では、実線が本関連技術の予熱装置（10）を用いた場合の消費電力（w3）を示し、破線が従来の予熱装置を用いた場合の消費電力（w0）を示している。なお、通常運転時は、運転状態によって消費電力が異なるため、図８では、通常運転中の消費電力の図示を省略してある。
【００３２】
本関連技術では、前記のように、インバータ回路（4）の損失（loss）は、通常運転時のキャリア周波数（fc1）(この例では５ｋＨｚ)よりも高いキャリア周波数（fc3）（１００ｋＨｚ)とすることで低減する。そのため、予熱運転中の消費電力（w3）は、図８に示すように、本関連技術の予熱装置（10）の方が、通常運転時のキャリア周波数（fc1）よりも低いキャリア周波数、もしくは同じキャリア周波数で予熱運転を行う従来の予熱装置よりも小さくなる。
【００３３】
〈本関連技術における効果〉
以上のように、本関連技術によれば、キャリア周波数（fc）を通常運転時よりも高めることでインバータ回路（4）の損失が低減し、冷媒を圧縮する電動圧縮機（8）のモータ（7）を効率的に予熱することが可能になる。例えば、本関連技術の予熱装置（10）によって従来の予熱装置と同じ予熱量を発生させるとすれば、キャリア周波数（fc）の高周波化により予熱時の消費電力を低減することが可能になる。また、予熱時の消費電力を従来と同じにすれば、キャリア周波数（fc）の高周波化により、予熱量を増やして予熱時間を短縮することが可能になる。
【００３４】
《発明の関連技術２》
関連技術２の予熱装置（10）は、予熱運転時におけるキャリア周波数（fc）の制御方法が関連技術１とは異なっている。図９は、関連技術２におけるキャリア周波数（fc）の制御を説明する図である。図９に示すように、本関連技術では、制御部（5）は、予熱運転時は、キャリア信号の周波数を通常運転時よりも高く制御する期間（B）の前に、キャリア周波数（fc）を、通常運転時のキャリア周波数（fc1）よりも低いキャリア周波数（fc2）にする期間(以下、キャリア周波数低下期間（A）と呼ぶ)を設けてインバータ回路（4）からモータ（7）に交流を供給させる。キャリア周波数（fc2）は、例えば、従来の予熱装置で採用されていたｆｃ０とすることが考えられる。
【００３５】
また、本関連技術では、インバータ回路（4）のスイッチング素子（Su,Sv,Sw,Sx,Sy,Sz）に、ワイドバンドギャップ半導体を主材料としたスイッチング素子を採用している。具体的には、各スイッチング素子（Su,Sv,Sw,Sx,Sy,Sz）は、ＳｉＣ（Silicon Carbide：炭化ケイ素）を主材料としたスイッチング素子である。なお、スイッチング素子（Su,Sv,Sw,Sx,Sy,Sz）には、ＳｉＣの他に、例えばＧａＮ（Gallium Nitride：窒化ガリウム）等のワイドバンドギャップ半導体を採用してもよい。図１０は、関連技術２における、インバータ回路（4）の損失（loss）と電流の周波数（f）の関係を示す図である。図１０に示すように、スイッチング素子（Su,Sv,Sw,Sx,Sy,Sz）にワイドバンドギャップ半導体を主材料としたスイッチング素子を採用したことにより、本関連技術のインバータ回路（4）では１００ｋＨｚのときの損失が、５ｋＨｚのときの損失よりも８１％改善している。すなわち、本関連技術のインバータ回路（4）は、関連技術１のインバータ回路（4）よりも高効率である。
【００３６】
〈本関連技術における効果〉
図１１は、関連技術２の予熱装置（10）における消費電力を示す図である。図１１に示すように、キャリア周波数低下期間（A）の消費電力（w2）は、キャリア周波数（fc）の周波数が通常運転時よりも高い期間（B）の消費電力（w3）よりも大きくなっている。これは、キャリア周波数低下期間（A）は、インバータ回路（4）の損失が大きくなるからである。
【００３７】
しかしながら、冷媒が寝込んだ状態（液状の冷媒と潤滑油（冷凍機油）とが分離した状態）では、電動圧縮機の構造によってはモータの端子等で絶縁性が低下し、その状態で高周波のスイッチングを行うと、漏れ電流の発生に繋がる可能性がある。電動圧縮機で漏れ電流が発生すると、ブレーカが作動して空気調和装置への通電が遮断されるという不具合が発生する。そこで、本関連技術では、予熱開始直後の冷媒が寝込んでいると考えられる期間は、キャリア周波数（fc）を低下させて、漏れ電流を防止しつつ予熱を行い、電動圧縮機（8）の温度がある程度以上になって絶縁性が向上してから、キャリア周波数（fc）を通常運転時よりも高めるように、制御部（5）によって制御する。本関連技術では各スイッチング素子（Su,Sv,Sw,Sx,Sy,Sz）がワイドバンドギャップ半導体を主材料とした半導体で構成されているので、スイッチングを高周波化した場合の各スイッチング素子（Su,Sv,Sw,Sx,Sy,Sz）におけるスイッチング損失の増加を低く抑えられ、高周波化による予熱電力の低減効果がより大きくなる。
【００３８】
以上のように、本関連技術では、キャリア周波数低下期間（A）の消費電力は従来の予熱装置と同程度になるものの、予熱期間全体でみると消費電力の低減が可能になる。すなわち、本関連技術では、漏れ電流の防止と、モータ（7）（電動圧縮機（8））の予熱の効率化を両立させることが可能になる。
【００３９】
《発明の実施形態》
本発明の実施形態では、通常運転終了後の予熱運転では、キャリア周波数低下期間（A）を設けずに、通常運転時よりも高いキャリア周波数（fc3）で予熱を行うようにしている。図１２は、通常運転終了後にキャリア周波数低下期間（A）を設けない場合のキャリア周波数（fc）の制御を示す図である。キャリア周波数低下期間（A）を設けるか否かは、例えば冷凍機油の温度や外気温などに応じて適宜選択すればよい。
【００４０】
《その他の実施形態》
なお、必ずしも、通常運転終了後に予熱運転に移行する必要はない。例えば、冷凍機油の温度が所定値よりも低下した場合のみ予熱運転に移行するようにすることが考えられる。
【００４１】
また、インバータ回路（4）の形式は例示である。
【００４２】
また、通常運転時や予熱運転時に採用したキャリア周波数（fc）の値も例示である。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、冷媒用の電動圧縮機のモータを予熱する予熱装置として有用である。
【符号の説明】
【００４４】
４      インバータ回路
５      制御部
７      モータ
８      電動圧縮機
１０    予熱装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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