BRPI1101993A2 - Arranjo de válvula para compressores herméticos - Google Patents
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Abstract
ARRANJO DE VÁLVULA PARA COMPRESSORES HERMÉTICOS O arranjo é aplicável a um compressor que compreende um cilindro de compressão (11) fechado por uma placa de válvulas (40) que é provida de regiões de sede (43, 44) e de respectivos orifícios de sucção (41) e de descarga (42), fechados por uma porção extrema de vedação (53, 63) de uma respectiva palheta de válvula (50, 60) , a ser perifericamente assentada contra sua região de sede (43,44). A placa de válvulas (40) carrega um meio de apoio (70) definido na região central do contorno de pelo menos um dos orifícios de sucção (41) e de descarga (42) e incorporado à placa de válvulas (40) por pelo menos um braço radial (80). O meio de apoio (70) tem uma superfície de batente (71), contra a qual é assentada uma região central da porção extrema de vedação (53,63) da respectiva palheta (50, 60), dita superfície de batente (71) definindo um ressalto em relação ao braço radial (80).
Description
I "ARRANJO DE VÁLVULA PARA COMPRESSORES HERMÉTICOS"
Campo da Invenção
Refere-se a presente invenção a um arranjo construtivo voltado ao assentamento da palheta de válvula de 5 compressores herméticos utilizados em sistemas de refrigeração, por exemplo, em sistemas domésticos de refrigeração tal como em refrigeradores, freezers, bebedouros, etc..
A presente invenção é, em particular, aplicada a um compressor hermético compreendendo um bloco de cilindro definindo um cilindro de compressão com um extremo fechado por uma placa de válvulas provida de orifícios de sucção e de descarga, contidos dentro do contorno interno da projeção axial do cilindro de compressão, sendo que pelo menos um orifício de sucção e um orifício de descarga são fechados, cada um, por uma respectiva válvula de palheta flexível, apresentando uma porção extrema de engaste, de fixação à placa de válvulas, uma porção mediana de flexão e uma porção extrema de vedação, operat ivamente associada ao orifício na placa de válvulas.
Histórico da Invenção
A eficiência energética dos compressores herméticos de pequeno porte para refrigeração é atribuída, em grande parte, ao bom desempenho dos sistemas de sucção e de descarga desses compressores, particularmente quanto ao desempenho das válvulas de ditos sistemas, no controle do fluxo de gás, sistemas esses que incluem orifícios de sucção e de descarga, respectivas válvulas de sucção e de descarga e, geralmente, um ou mais filtros atenuadores de ruído. Uma parte das perdas de energia nesses compressores advém da perda de carga nos referidos sistemas de sucção e descarga. Deste modo, soluções que busquem reduzir tais perdas, atuam diretamente no aumento de eficiência dos compressores.
Conforme ilustrado nas figuras 1 e 2, o arranjo de válvulas em questão é aplicado a compressores de refrigeração, do tipo que compreende um bloco 10 que define um cilindro de compressão 11 no interior do qual um pistão 20 é deslocado por uma biela 30, em movimento reciprocante, quando do acionamento de um eixo de 5 manivela (não ilustrado) pelo usual motor elétrico do compressor. A biela 3 0 tem olhai menor 31 acoplado ao pistão 20, por um pino de pistão 21.
O cilindro de compressão 11 tem um extremo, oposto àquele de montagem da biela 30, fechado por uma placa de válvulas 4 0 provida de pelo menos um orifício de sucção
41 e um orifício de descarga 42, associados a respectivas válvulas de sucção e de descarga, definidas por palhetas de sucção 50 e de descarga 60.
As palhetas das válvulas de sucção e de descarga 15 bloqueiam a passagem de fluxo de gás através dos respectivos orifícios de sucção 41 e de descarga 42, em função do diferencial de pressão entre os lados de jusante e de montante de referidas palhetas. Nestas construções, cada palheta é deslocada angularmente, em um 20 determinado sentido, para uma posição de abertura do respectivo orifício da placa de válvulas 40, sendo o deslocamento angular no sentido oposto limitado pelo assentamento da palheta, contra a placa de válvulas 40, fechando o respectivo orifício de passagem de gás.
As válvulas de palheta são largamente utilizadas em máquinas de deslocamento positivo nas quais o fluxo é estabelecido de forma intermitente. Em geral, tais válvulas de palheta são utilizadas para estabelecer um fluxo unidirecional, da pressão mais alta, a montante da 30 válvula, para a pressão mais baixa, a jusante da válvula. No caso específico de compressores alternativos, são normalmente utilizadas uma ou mais válvulas de sucção, que definem o fluxo de aspiração somente no sentido do lado de baixa pressão do circuito para o interior do 35 cilindro. Adicionalmente, são também utilizadas uma ou mais válvulas de descarga que definem o fluxo de descarga somente no sentido do interior do cilindro de compressão, para o lado de alta pressão do circuito. Um desenho de válvula otimizado implica na minimização dos refluxos, mas também em uma dinâmica da palheta no funcionamento do compressor, minimizando as perdas de carga e maximizando 5 o fluxo de massa. As principais restrições de projeto são definidas pelo grau de confiabilidade e pelos limites de geração de ruido.
A palheta de cada válvula é submetida a tensões que, se superiores a um certo limite de fadiga do material de sua 10 constituição, levam à sua quebra. A tensão sobre a palheta é uma função do formato e da dimensão da seção transversal do orifício, ou seja, do vão livre, a ser fechado pela palheta.
Para facilitar o processo produtivo, os orifícios de 15 sucção 41 e de descarga 42 possuem, normalmente, uma seção transversal circular e são construídos em uma placa de válvulas 40, geralmente em aço. Entretanto, tais orifícios circulares resultam em alta tensão sobre a palheta da válvula, exatamente na região central do 20 orifício, eqüidistante de sua região periférica de assentamento da palheta na placa de válvulas 40.
A solução objeto da patente US7083400 apresenta uma construção de orifício de sucção tendo um contorno e um dimensionamento definidos para que o orifício fique
2 5 contido no interior da projeção axial do contorno do
cilindro de compressão e externamente a um orifício de descarga, também interno à referida projeção axial do contorno do cilindro.
Apesar de o formato do orifício de sucção do documento 30 US7083400 resultar em uma área maior de passagem de gás, aumentando a eficiência de sucção, sua maior área implica também maiores momentos fletores (carregamentos) sobre a palheta, já que a força resultante sobre esta é dada pelo produto da área do orifício pela diferença de pressão
3 5 entre os lados de montante e de jusante da palheta de
válvula. Carregamentos maiores têm implicações negativas no que tange â confiabilidade. São conhecidas duas maneiras para se conseguir a confiabilidade adequada, considerando-se uma determinada área de passagem dos orifícios da placa de válvulas: uma delas está voltada ao uso de materiais mais nobres e, a 5 outra, a um aumento da espessura da palheta. A primeira alternativa é bastante restrita quanto a materiais cujo uso seja economicamente viável e sempre implica aumento de custo. A segunda alternativa exige uma palheta com características de maior massa e rigidez, ambas 10 prejudiciais à eficiência.
São conhecidas diferentes soluções nas quais é provido, na placa de válvulas, um meio de apoio na região do orifício de passagem de gás, para prover um apoio nas vizinhanças da região de maior tensão sobre a palheta da 15 válvula, de modo a reduzir a tensão sobre esta, decorrente do diferencial de pressão em ambos os lados da placa de válvulas (JP09-126133, JP2 008-0386 94) .
Estas soluções conhecidas apresentam o meio de apoio na forma de projeções radiais internas ao orifício de
2 0 sucção, de modo a se obter o máximo benefício em
eficiência do balanço entre redução de tensão na palheta e maximização da área de passagem de gás.
Entretanto, tais soluções ainda não evitam a deformação da palheta na região mais central de sua porção coincidente com o contorno do orifício na placa de válvulas, comprometendo sua eficiência de vedação e ainda propiciando a geração de ruído.
Outra solução conhecida é definida no documento JP2005- 105868A e apresenta uma construção de válvula de sucção
3 0 na qual uma única porção de vedação da palheta de válvula
fecha dois orifícios de sucção adjacentes, separados entre si por uma mesma parede comum. Nesta construção, a região central da porção de vedação da palheta de válvula de sucção fica apoiada sobre a parede divisória comum 35 entre os dois orifícios, parede esta que define um meio de apoio central à palheta de sucção.
Apesar desta solução anterior melhorar a condição de apoio da porção de vedação da palheta de válvula, coincidente com o contorno dos orifícios de sucção, ela apresenta algumas desvantagens, como aumento da ação de força de adesão da palheta ao meio de apoio, devido à 5 presença de óleo entre a palheta e o meio de apoio, o que leva a perdas elevadas, em função de atrasos produzidos no tempo de abertura da válvula.
Um outro inconveniente dessa solução anterior resulta da provisão de dois orifícios de sucção independentes, o que 10 tende a produzir assimetrias inerentes aos processos produtivos da placa de válvulas, com seus orifícios de passagem de gás. Pequenas assimetrias de geometria implicam em consideráveis assimetrias no fluxo de gás através de ditos orifícios, fazendo com que a palheta de 15 válvula funcione assimetricamente. Ocorrendo assimetria no fechamento da palheta de válvula, é possível que uma porção da palheta alcance o assento na placa de válvulas antes do restante da porção de vedação da palheta, aumentando drasticamente a tensão de impacto e reduzindo
2 0 a confiabilidade da válvula.
Sumário da invenção
Em função das limitações acima mencionadas e relacionadas às conhecidas construções, a invenção tem o objetivo de prover um arranjo de válvula para compressores herméticos 25 de refrigeração, para aumentar a eficiência de passagem de gás através dos orifícios da placa de válvulas, particularmente através dos orifícios de sucção, sem comprometer a confiabilidade da válvula.
Outro objetivo da presente invenção é prover um arranjo
3 0 de válvula do tipo acima citado e que reduza os
carregamentos e tensões sobre a palheta de válvula, sem exigir o uso de materiais mais nobres e de maior custo, nem um aumento da espessura da palheta, para garantir a confiabilidade operacional pelo prazo de vida operacional
3 5 do compressor.
Este e outros objetivos são alcançados por um arranjo de válvula para compressores herméticos do tipo que compreendem: um bloco de cilindro definindo um cilindro de compressão; uma placa de válvulas fechando um extremo do cilindro de compressão e provida de orifícios de sucção e de descarga e de respectivas regiões de sede, 5 cada um de ditos orifícios sendo fechado por uma respectiva palheta de válvula, compreendendo uma porção extrema de vedação que é operativamente associada ao respectivo orifício e perifericamente assentada, em uma condição fechada, contra uma região de sede da respectiva 10 palheta de válvula, na placa de válvulas.
De acordo com a presente invenção, a placa de válvulas do arranjo em questão carrega um meio de apoio definido na região central do contorno de pelo menos um dos referidos orifícios de sucção e de descarga e incorporado à placa 15 de válvulas por pelo menos um braço radial, interno ao respectivo orifício, dito meio de apoio tendo uma superfície de batente, contra a qual é assentada uma região central da porção de vedação da respectiva palheta, dita superfície de batente definindo um ressalto
2 0 em relação ao braço radial.
Em uma forma particular da presente invenção, o arranjo compreende um único braço radial apresentando um extremo livre no qual é incorporado o meio de apoio.
Em outra forma de realização da presente invenção, a superfície de batente, do meio de apoio, pode ser coplanar ou elevada em relação à região de sede da respectiva palheta de válvula.
A construção proposta pela invenção e acima definida, permite que a palheta de válvula tenha a sua região
3 0 central e apenas ela assentada no meio de apoio na
posição de válvula fechada. Com isso, consegue-se a redução do vão livre a ser coberto pela porção de vedação da palheta e também a redução da área de adesão da palheta ao meio de apoio, conduzindo a diminuição das
3 5 tensões atuantes sobre a palheta e das forças de adesão da palheta à placa de válvulas, nos momentos iniciais de abertura da válvula. Além das vantagens acima, a provisão de um apoio central que pode ser sustentado por apenas um braço radial, permite que se maximize a área de passagem de gás pelo orifício, com menor perda de carga. A construção aqui considerada permite a redução de 5 assimetrias na obtenção do orifício e do respectivo meio de apoio, evitando os inconvenientes anteriormente mencionados e relacionados à técnica anterior.
Outra vantagem da presente invenção refere-se â maior robustez quanto a assimetrias inerentes aos processos
produtivos da placa de válvulas. A produção de dois orifícios distintos tende a provocar assimetrias dimensionais e de fluxos de gás, prejudicando a adequada operação do compressor.
Outra vantagem da presente invenção, particularmente 15 frente â solução do documento JP2005-105868A, resulta do fato de as seções de apoio da válvula, internas ao orifício, não terem efeito de vedação, permitindo maiores desvios dimensionais decorrentes dos processos de fabricação da placa de válvulas.
2 0 _0 apoio central da presente invenção reduz as tensões a que a válvula é submetida, sem provocar relevantes restrições de fluxo, pois a região central do orifício é praticamente inoperante em termos de área efetiva de fluxo, ou seja, qualquer elemento posicionado nessa 25 região central, pouco interfere no fluxo de gás refrigerante através do orifício na placa de válvulas. Breve descrição dos desenhos
A invenção será descrita a seguir fazendo-se referências aos desenhos anexos, nos quais:
A figura 1 representa, em corte vertical parcial, um compressor de refrigeração compreendendo um bloco que incorpora um cilindro de compressão fechado por uma placa de válvulas e alojando um pistão reciprocante, acoplado a uma biela, em arranjo construtivo conhecido da técnica;
A figura 2 representa, esquematicamente, uma vista em planta parcial da placa de válvulas quando observada pelo lado do cilindro de compressão e ilustrando, em linhas contínuas, os orifícios de sucção e de descarga e, em linhas tracejadas, uma palheta flexível de sucção, em arranjo construtivo da técnica anterior;
A figura 3 representa uma vista em corte da placa de 5 válvulas da figura 2, tomada segundo a linha III-III nessa última e ilustrando, de modo esquemático, o posicionamento da palheta da válvula de sucção na condição fechada e deformada pelo diferencial de pressão entre seus dois lados;
A figura 4 representa uma vista semelhante aquela da figura 2, mas ilustrando uma placa de válvulas construída de acordo com a presente invenção;
A figura 5 representa uma vista em corte da placa de válvulas da figura 4, tomada segundo a linha V-V nessa 15 última e ilustrando, de modo esquemático, o posicionamento da palheta da válvula de sucção na condição fechada e medianamente assentada no meio de apoio central provido no orifício de sucção; e A figura 6 ilustra uma vista semelhante àquela da figura
2 0 5, mas apresentando um meio de apoio central definindo uma superfície de assentamento mediano da palheta, posicionada em um plano ligeiramente elevado em relação àquele de assentamento da região marginal da palheta na placa de válvulas.
Descrição da Configuração Ilustrada
A presente invenção será descrita para um compressor hermético utilizado em sistemas de refrigeração, por exemplo, em sistemas domésticos ou comerciais de refrigeração do tipo descrito anteriormente.
0 compressor hermético compreende o bloco de cilindro 10 definindo o cilindro de compressão 11 e a placa de válvulas 4 0 fechando um extremo do cilindro de compressão
11 e provida de orifícios de sucção 41 e de descarga 42, e suas respectivas regiões de sede 43, 44, cada um de ditos orifícios de sucção 41 e de descarga 42 sendo fechado por uma respectiva palheta de válvula de sucção 50 e de descarga 60. Cada palheta de sucção 50 e de descarga 60 apresenta: uma porção extrema de engaste 51, 61, de fixação à placa de válvulas 40; uma porção mediana de flexão 52, 62; e uma porção extrema de vedação 53, 63, operativamente 5 associada ao orifício de sucção 41 ou de descarga 42 e que é deslocável, por deformação elástica, entre uma posição de válvula fechada, bloqueando a passagem de gás através do respectivo orifício de sucção 41 e de descarga
42 e uma posição de válvula aberta, permitindo dita passagem de gás.
Cada palheta de sucção 50 e de descarga 6 0 compreende uma porção extrema de vedação 53, 63, operativamente associada ao respectivo orifício de sucção 41, 42 e perifericamente assentada, em uma condição fechada, 15 contra uma respectiva região de sede 43, 44 definida na placa de válvulas 40, em torno do respectivo orifício de sucção 41 e de descarga 42.
De acordo com a presente invenção, a placa de válvulas 4 0 do arranjo em questão carrega um meio de apoio 70 2 0 definido na região central do contorno de pelo menos um dos referidos orifícios de sucção 41 e de descarga 42-e incorporado à placa de válvulas 4 0 por pelo menos um Obraço radial 80, interno ao respectivo orifício, dito meio de apoio 70 tendo uma superfície de batente 71,
2 5 contra a qual é assentada uma região central da porção de
vedação 53, 63 da respectiva palheta de sucção 50 ou de descarga 60, dita superfície de batente 71 definindo um ressalto em relação ao braço radial 80.
O posicionamento central do meio de apoio 7 0 resulta em
3 0 um apoio à palheta, em uma região coincidente ou
substancialmente coincidente com a região de maior tensão na palheta, provocada pelo diferencial de pressão entre seus lados de montante e de jusante, quando ela se encontra na posição fechada.
0 braço radial 80 pode apresentar diferentes formas construtivas, desde que não resulte em perdas significativas quanto à passagem de fluxo de gás através do respectivo orifício de sucção 50 ou de descarga 60, nem gere turbulências e ruído no dito fluxo de gás.
De acordo com a forma construtiva ilustrada, o arranjo em descrição compreende um único braço radial 8 0 5 apresentando um extremo livre 81 no qual é incorporado o meio de apoio 70. Este braço radial 80 apresenta constituição maciça, tendo um perfil ligeiramente triangular, mas com porções extremas concordando com as adjacentes porções de parede interna do respectivo 10 orifício.
Em uma forma de realização da presente invenção, que independe da forma construtiva do braço radial 80, a superfície de batente 71 do meio de apoio 70 é definida para ser coplanar â região de sede 43, 44, da respectiva palheta de válvula 41, 42.
Em outra forma de realização da presente invenção, que independe da forma construtiva do braço radial 80, a superfície de batente 71 do meio de apoio 70 é elevada em relação à região de sede 43, 44 da respectiva palheta de válvula 41, 42.
Em qualquer das construções acima, a superfície de batente 71 deve ser provida na forma de um ressalto em relação â superfície do braço radial 80 voltada para a respectiva palheta de sucção 50 ou de descarga 60 a ser 25 assentada contra dita superfície de batente 71, de modo a limitar a área de assentamento mediano da porção de vedação 53, 63, da palheta 50, 60, à área da superfície de batente 71. A única região mediana da porção de vedação 53, 63, palheta 50, 60 que pode sofrer algum 30 efeito de adesão, pelo filme de õleo, ao conjunto braço radial 80- meio de apoio 70, é aquela limitada à área da superfície de batente 71.
A superfície de batente 71 elevada em relação ao braço radial 71 tem as vantagens a seguir apresentadas.
Uma primeira vantagem diz respeito ao fato de que a região da palheta sujeita a um primeiro impacto, quando do fechamento da válvula, passa a ficar situada relativamente distante da borda da palheta. Desta forma, as ondas de tensão, criadas pelo impacto de fechamento do orifício, por assentamento da palheta de válvula, são amortecidas quando chegam ã borda da palheta, região esta 5 onde estão localizadas as mais importantes imperfeições superficiais da palheta e que fragilizam esta. Nesta região da palheta, geralmente tem início a ocorrência de trincas, as quais resultam em quebra da válvula, por tensão de impacto.
Com a construção da presente invenção, há um amortecimento na tensão de impacto na borda da palheta, evitando a formação de trincas nesta região e conseqüente quebra da palheta, melhorando a sua confiabilidade.
Outra vantagem desta construção particular, resulta da
formação de uma pré-tensão positiva na palheta, estando a válvula fechada, e que antecipa a abertura da válvula, pré-tensão esta que implica benefícios em termos de eficiência e ruído.
De acordo com a presente invenção, a superfície de
2 0 batente 71 apresenta um contorno concêntrico e simétrico
em relação ao eixo geométrico longitudinal do respectivo orifício 41, 42 na placa de válvulas 40, disposição esta que evita tensões de assimetria à palheta de sucção 50 ou de descarga 60.
Em uma forma particular, a superfície de batente 71 é circular e substancialmente constante ao longo da altura do meio de apoio, garantindo robustez a esse último.
O referido meio de apoio 7 0 tem seu contorno contido na projeção axial do contorno da superfície de batente 71,
3 0 com o que todo o meio de apoio 70 permanece contido na
região central do orifício, na qual praticamente não há fluxo, evitando que a presença do meio de apoio 70 produza perdas de carga prejudiciais ao fluxo de gás refrigerante através do orifício.
A existência do meio de apoio 70, central, possibilita o aumento da área de passagem do gás, sem implicar em aumento da tensão sobre a palheta e, em determinadas construções, reduzindo dita tensão. Como é sabido, a área de fluxo aumenta com o aumento da seção transversal do orifício, aumento de seção transversal esse que implica aumento da tensão na palheta de válvula, por conta do 5 aumento do momento fletor a que a palheta de válvula é submetida pelo alargamento da seção em balanço. Qualquer construção que implique apoio central à região da palheta de válvula originalmente em balanço irá reduzir o referido momento fletor e, consequentemente, as tensões 10 sobre a palheta de válvula. Assim, há uma limitação física em termos de confiabilidade do quanto se pode aumentar a seção transversal do orifício, limitação esta que pode ser excedida caso haja um apoio central.
A construção da presente invenção possibilita o uso de 15 palhetas com espessuras bastante reduzidas, o que traz grandes benefícios em termos de eficiência, sem com isto comprometer a confiabilidade. Adicionalmente, a provisão de dito meio de apoio 70 implica na minimização da deformação da palheta, estando esta sob pressão, o que 2 0 melhora as características de vedação da palheta, resultando em um benefício em termos de eficiência e de redução de ruído.
Apesar de ter sido aqui ilustrada apenas uma concretização exemplificativa da presente invenção, deve 25 ser entendido que poderão ser feitas alterações de forma e de disposição dos elementos constitutivos, sem que se fuja do conceito construtivo definido nas reivindicações que acompanham o presente relatório.
30
Claims (7)
1. Arranjo de válvula para compressores herméticos do tipo que compreende: um bloco de cilindro (10) definindo um cilindro de compressão (11) ; uma placa de válvulas (40) fechando um extremo do cilindro de compressão (11) e provida de orifícios de sucção (41) e de descarga (42) e de respectivas regiões de sede (43, 44) , cada um de ditos orifícios (41, 42) sendo fechado por uma respectiva palheta de válvula (50, 60) compreendendo uma porção extrema de vedação (53, 63) operativamente associada ao respectivo orifício (41, 42) e perifericamente assentada, em uma condição fechada, contra uma região de sede (43,44) da respectiva palheta de válvula (50, 60) , na placa de válvulas (40) , sendo o arranjo caracterizado pelo fato de a placa de válvulas (4 0) carregar um meio de apoio (70) definido na região central do contorno de pelo menos um dos referidos orifícios de sucção (41) e de descarga (42) e incorporado à placa de válvulas (40) por pelo menos um braço radial (80), interno ao respectivo orifício (-41-, 42) , dito meio de apoio (70) tendo uma superfície de batente (71) , contra a qual é assentada, uma região central da porção de vedação (40) da respectiva palheta (50, 60), dita superfície de batente (71) definindo um ressalto em relação ao braço radial (80) .
2. Arranjo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato compreender um único braço radial (80) apresentando um extremo livre (81) no qual é incorporado o meio de apoio (70) .
3. Arranjo, de acordo com qualquer uma das reivindicações1 ou 2, caracterizado pelo fato de a superfície de batente (71) do meio de apoio (70) ser coplanar à região de sede (43, 44) da respectiva palheta de válvula (50, 60) .
4. Arranjo, de acordo com qualquer uma das reivindicações1 ou 2, caracterizado pelo fato de a superfície de batente (71) do meio de apoio (70) ser elevada em relação à região de sede (43, 44) da respectiva palheta de válvula (50, 60).
5.Arranjo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de a superfície de batente (71) apresentar um contorno concêntrico e simétrico em relação ao eixo geométrico longitudinal do respectivo orifício (41, 42) na placa de válvulas (40) .
6.Arranjo, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de a superfície de batente (71) ser circular.
7. Arranjo, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de o meio de apoio (70) ter seu contorno contido na projeção axial do contorno da superfície de batente (71).
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