JP7580315B2 - 集水機構及び水力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、集水機構及び水力発電装置に関する。

特開２０１９－６０２４２号公報（特許文献１）に記載の水力発電装置は、水路に設置されている。水路は、第１側壁と、第２側壁と、底壁とを有している。第１側壁及び第２側壁は、間隔を空けて互いに対向している。底壁は、第１側壁の下端及び第２側壁の下端を接続している。第１側壁から第２側壁に向かう方向を第１方向とし、第１方向に交差している方向を第２方向とする。第１方向及び第２方向に交差している方向を、第３方向とする。水路内の水は、第２方向における一方側から第２方向における他方側に流れる。

特許文献１に記載の水力発電装置は、水路内に配置されている翼と、集水板とを有している。集水板は、平面視において、第１端と、第１端の反対側の端である第２端とを有している。集水板は、第２端側において、第３方向に沿う回動軸回りに回動可能になっている。第１端から第２端に向かう方向が第１方向と同一方向となるように集水板が回動した状態で、第１端は、第２端よりも第２側壁から離れている。第２端は、第２側壁の近傍にある。翼は、集水板よりも第２方向における他方側にある。

特開２０１９－６０２４２号公報

特許文献１に記載の水力発電装置では、第１端が第２方向における他方側に向かうように集水板を回動させることにより水路を流れる水が翼に向かって集水されるため（翼に向かって流れる水の流速が上昇するため）、発電効率が高まる。しかしながら、特許文献１に記載の水力発電装置は、発電効率に改善の余地がある。

本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものである。より具体的には、本発明は、発電効率の改善が可能な集水機構及び水力発電装置を提供する。

本発明の集水機構は、間隔を空けて互いに対向している第１側壁及び第２側壁と第１側壁の下端及び第２側壁の下端を接続している底壁とを有し、かつ、第１側壁から第２側壁に向かう方向である第１方向に交差している第２方向における一方側から第２方向における他方側へと水が流れる水路に設置される。集水機構は、底壁から第１方向及び第２方向に交差している第３方向に沿って延在している第１支柱と、第１支柱回りに回動可能に第１支柱に取り付けられている第１集水枠と、第１集水枠に着脱可能に取り付けられている第１集水板とを備えている。第１集水枠は、平面視において第１端と第１端の反対側の端である第２端とを有し、かつ、第１端側において第１支柱に取り付けられている。第１端から第２端に向かう方向が第１方向と同一方向になるように第１集水枠を回動させた状態で、第１端は、第２端よりも第２側壁から離れている。

上記の集水機構では、第１端から第２端に向かう方向が第１方向に同一方向になるように第１集水枠を回動させた状態で、第２端と第２側壁との間の距離が、第１側壁と第２側壁との間の距離の１／１００以下であってもよい。

上記の集水機構では、第１端から第２端に向かう方向が第１方向に同一方向になるように第１集水枠を回動させた状態で、第１集水枠の上端は、第１集水枠の下端よりも第２方向における他方側にあってもよい。

上記の集水機構は、底壁から第３方向に沿って延在し、かつ、第１方向において第１支柱よりも第２側壁から離れている第２支柱と、第２支柱回りに回動可能に第２支柱に取り付けられている第２集水枠と、第２集水枠に着脱可能に取り付けられている第２集水板とを備えていてもよい。第２集水枠は、平面視において第３端と第３端の反対側の端である第４端とを有し、かつ、第３端側において第２支柱に取り付けられていてもよい。第４端から第３端に向かう方向が第１方向と同一方向になるように第２集水枠を回動させた状態で、第３端は、第４端よりも第１側壁から離れていてもよい。

本発明の水力発電装置は、水路内に配置されている翼を有する水力発電モジュールと、上記の集水機構を備えている。翼は、第１支柱よりも第２方向における他方側にある。

本発明の集水機構及び水力発電装置によると、発電効率を改善することができる。

水力発電装置１００の斜視図である。 水力発電装置１００の正面図である。 水力発電装置１００の平面図である。 端２３ａから端２３ｂに向かう方向が第１方向ＤＲ１と同一方向になっている状態での水力発電装置１００の平面図である。 水力発電装置３００の平面図である。 水力発電装置４００の斜視図である。 水力発電装置４００の正面図である。 水力発電装置４００の平面図である。

本発明の実施形態の詳細を、図面を参照しながら説明する。以下の図面では、同一又は相当する部分に同一の参照符号を付し、重複する説明は繰り返さない。

（第１実施形態）
第１実施形態に係る水力発電装置（以下においては、「水力発電装置１００」とする）を説明する。

＜水力発電装置１００の構成＞
図１は、水力発電装置１００の斜視図である。図２は、水力発電装置１００の正面図である。図３は、水力発電装置１００の平面図である。図１～図３に示されるように、水力発電装置１００は、水路２００に設置されている。水路２００は、側壁２０１と、側壁２０２と、底壁２０３とを有している。

側壁２０１及び側壁２０２は、間隔を空けて互いに対向している。側壁２０１から側壁２０２に向かう方向を、第１方向ＤＲ１とする。底壁２０３は、側壁２０１の下端と側壁２０２の下端とを接続している。側壁２０１及び側壁２０２は、第２方向ＤＲ２に延在している。第２方向ＤＲ２は、第１方向ＤＲ１に交差している方向である。第２方向ＤＲ２は、好ましくは、第１方向ＤＲ１に直交している。

水路２００内の水は、第２方向ＤＲ２における一方側から第２方向ＤＲ２における他方側に流れる。すなわち、第２方向ＤＲ２における一方側が水路２００の上流側であり、第２方向ＤＲ２における他方側が水路２００の下流側である。

水力発電装置１００は、水力発電モジュール１０を有している。水力発電モジュール１０は、翼１１と、回転軸１２（図示せず）と、梁１３と、架台１４と、発電機１５と、支柱１６と、ギアボックス１７と、回転軸１８（図示せず）とを有している。

翼１１は、水路２００内に配置されている。翼１１は、水路２００内を流れる水と接触することにより回転する。回転軸１２は、翼１１に取り付けられている。回転軸１２は、第２方向ＤＲ２に延在している。翼１１が水路２００内を流れている水と接触して回転することにより、回転軸１２が回転軸１２の中心軸回りに回転される。水路２００の幅（側壁２０１と側壁２０２との間の距離）は、好ましくは、翼１１の翼径の２倍以下である。

梁１３は、第１方向ＤＲ１に延在している。梁１３の一方端は、側壁２０１の上端の上に配置されている。梁１３の他方端は、側壁２０２の上端の上に配置されている。架台１４は、梁１３に取り付けられている。架台１４の上には、発電機１５が配置されている。

支柱１６は、第３方向ＤＲ３に延在している。第３方向ＤＲ３は、第１方向ＤＲ１及び第２方向ＤＲ２に交差している方向である。第３方向ＤＲ３は、好ましくは、第１方向ＤＲ１及び第２方向ＤＲ２に直交している。支柱１６の一方端は、架台１４に取り付けられている。支柱１６の他方端は、ギアボックス１７に取り付けられている。支柱１６内は、中空になっている。支柱１６内には、第３方向ＤＲ３に延在している回転軸１８が配置されている。

ギアボックス１７は、例えば減速機である。ギアボックス１７は、回転軸１２の中心軸回りの回転を、減速した上で回転軸１８の中心軸回りの回転に変換する。発電機１５は、回転軸１８の中心軸回りの回転により、発電を行う。このように、水力発電モジュール１０は、水路２００内に配置されている翼１１の回転により、水力発電を行う。

水力発電装置１００は、集水機構２０を有している。集水機構２０は、支柱２１と、支柱２２と、集水枠２３と、集水板２４とを有している。集水機構２０は、翼１１よりも第２方向ＤＲ２における一方側にある。

支柱２１及び支柱２２は、第３方向ＤＲ３に沿って延在している。支柱２１の下端は、水路２００（底壁２０３）に固定されている。翼１１は、支柱２１よりも第２方向ＤＲ２における他方側にある。支柱２２の下端は、底壁２０３に固定されていない。

集水枠２３は、支柱２１及び支柱２２に取り付けられている。集水枠２３は、平面視において、端２３ａと、端２３ｂとを有している。端２３ｂは、端２３ａの反対側の端である。集水枠２３は、端２３ａ側において支柱２１に取り付けられている。集水枠２３は、端２３ｂ側において支柱２２に取り付けられている。集水枠２３は、支柱２１回りに回動可能になっている。

図４は、端２３ａから端２３ｂに向かう方向が第１方向ＤＲ１と同一方向になっている状態での水力発電装置１００の平面図である。図４に示されるように、端２３ａから端２３ｂに向かう方向が第１方向ＤＲ１と同一方向になるように集水枠２３が回動されている状態で、端２３ａは、端２３ｂよりも側壁２０２から離れている。

端２３ａから端２３ｂに向かう方向が第１方向ＤＲ１と同一方向になるように集水枠２３が回動されている状態で、端２３ｂと側壁２０２との間の距離は、好ましくは、側壁２０１と側壁２０２との間の距離の１／１００以下である。すなわち、端２３ａから端２３ｂに向かう方向が第１方向ＤＲ１と同一方向になるように集水枠２３が回動されている状態で、端２３ｂは、実質的に側壁２０２に接触していることが好ましい。

端２３ａから端２３ｂに向かう方向が第１方向ＤＲ１と同一方向になるように集水枠２３が回動されている状態で、集水枠２３は、集水枠２３の上端が集水枠２３の下端よりも第２方向ＤＲ２における他方側にあるように傾斜していることが好ましい。

集水板２４は、板状の部材である。集水板２４は、好ましくは、集水枠２３に着脱可能に取り付けられている。集水板２４の主面の法線方向は、集水枠２３に取り付けられている状態で、第３方向ＤＲ３と交差している。端２３ａから端２３ｂに向かう方向が第１方向ＤＲ１と同一方向になるように集水枠２３が回動されている状態で、集水板２４は、集水枠２３の第２方向ＤＲ２における一方側に取り付けられている。

＜水力発電装置１００の効果＞
水力発電装置１００の効果を、比較例に係る水力発電装置（以下においては、「水力発電装置３００」とする）と対比しながら説明する。

水力発電装置３００は、水力発電モジュール１０と、集水機構２０とを有している。水力発電装置３００の構成は、この点に関し、水力発電装置１００の構成と共通している。図５は、水力発電装置３００の平面図である。図５に示されるように、水力発電装置３００では、支柱２２の下端が底壁２０３に固定されている一方、支柱２１の下端が底壁２０３に固定されていない。また、水力発電装置３００では、集水枠２３が支柱２２回りに回動可能になっている（図５中の点線参照）。これらの点に関し、水力発電装置３００の構成は、水力発電装置１００の構成と異なっている。

水力発電装置３００では、集水枠２３を支柱２２回りに回動させて集水板２４の角度を調整することにより、水路２００内を流れている水が翼１１に向かって集水される。効率よく水力発電を行うためには、翼１１と集水板２４との間の距離が重要な要素のうちの１つである。しかしながら、水力発電装置３００では、集水枠２３を支柱２２回りに回動させることにより集水板２４の角度を調整するため、集水板２４の角度の調整に伴い集水板２４と翼１１との距離が変動し、発電効率が悪化するおそれがある。

他方で、水力発電装置１００では、集水枠２３を支柱２２回りに回動させて集水板２４の角度を調整するため、集水板２４と翼１１との距離は、集水板２４の角度の調整に伴って変動しない。そのため、水力発電装置１００によると、発電効率をさらに改善することができる。

水力発電装置１００では、集水枠及び集水板が１組（集水枠２３及び集水板２４の組）であるため、集水機構２０の設置コストを低減することができる。なお、水路２００の幅が翼１１の翼径の２倍以下である場合には、集水機構２０が有する集水枠２３及び集水板２４が１組であっても、翼１１に接触する水の流速を十分に確保することが可能である。

端２３ａから端２３ｂに向かう方向が第１方向ＤＲ１と同一方向になるように集水枠２３が回動されている状態で集水枠２３の上端が集水枠２３の下端よりも第２方向における他方側にある場合、水路２００内を流れる水から集水板２４に加わる力に、底壁２０３に向かう成分が含まれることになる。そのため、この場合には、集水板２４が水路２００内を流れる水から浮き上がってしまうことが抑制される。

水力発電装置１００では、端２３ａから端２３ｂに向かう方向が第１方向ＤＲ１と同一方向になるように集水枠２３が回動されている状態で端２３ｂと側壁２０２との間の距離が側壁２０１と側壁２０２との間の距離の１／１００以下であるため、端２３ａから端２３ｂに向かう方向が第１方向ＤＲ１と同一方向になるように集水枠２３を回動することにより、水路２００内に流れる水の殆どを翼１１に向かって集水することができ、水路２００内を流れる水の流量が少なくても効率的な発電ができる。なお、水路２００内を流れる水の流量が少ない場合、水路２００内の水の殆どを翼１１に向かって集水しても、水路２００からの溢水は懸念されない。

他方で、端２３ｂが端２３ａよりも第２方向ＤＲ２における一方側にあるように集水枠２３を回動させることにより、端２３ｂと側壁２０２との間は、隙間が空く。その結果、水路２００内を流れる水の一部は、上記の隙間を通り、翼１１に向かって集水されない。水路２００内を流れる水の流量が多い場合には、水路２００内の水の一部が翼１１に集水されなくても、発電効率は維持できる。そのため、水力発電装置１００によると、水路２００からの溢水を抑制しつつ、発電効率を高めることができる。

（第２実施形態）
第２実施形態に係る水力発電装置（以下においては、「水力発電装置４００」とする）を説明する。ここでは、水力発電装置１００と異なる点を主に説明し、重複する説明は繰り返さない。

＜水力発電装置４００の構成＞
図６は、水力発電装置４００の斜視図である。図７は、水力発電装置４００の正面図である。図８は、水力発電装置４００の平面図である。図６～図８に示されるように、水力発電装置４００は、水力発電モジュール１０と、集水機構２０とを有している。この点に関し、水力発電装置４００の構成は、水力発電装置１００の構成と共通している。

水力発電装置４００では、集水機構２０が、支柱２５と、支柱２６と、集水枠２７と、集水板２８と、ストッパ２９と、ストッパ３０とをさらに有している。この点に関し、水力発電装置４００の構成は、水力発電装置１００の構成と異なっている。

支柱２５及び支柱２６は、第３方向ＤＲ３に沿って延在している。支柱２５の下端は、水路２００（底壁２０３）に固定されている。翼１１は、支柱２５よりも第２方向ＤＲ２における他方側にある。支柱２６の下端は、底壁２０３に固定されていない。なお、支柱２５は、第１方向ＤＲ１において、支柱２１よりも側壁２０１の近くにある。また、支柱２５の第２方向ＤＲ２における位置は、支柱２１の第２方向ＤＲ２における位置に一致していることが好ましい。

集水枠２７は、支柱２５及び支柱２６に取り付けられている。集水枠２７は、平面視において、端２７ａと、端２７ｂとを有している。端２７ｂは、端２７ａの反対側の端である。集水枠２７は、端２７ａ側において支柱２５に取り付けられている。集水枠２７は、端２７ｂ側において支柱２６に取り付けられている。集水枠２７は、支柱２５回りに回動可能になっている。

端２７ｂから端２７ａに向かう方向が第１方向ＤＲ１と同一方向になるように集水枠２７が回動されている状態で、端２７ａは、端２７ｂよりも側壁２０１から離れている。端２７ｂから端２７ａに向かう方向が第１方向ＤＲ１と同一方向になるように集水枠２７が回動されている状態で、端２７ｂと側壁２０１との間の距離は、側壁２０１と側壁２０２との間の距離の１／１００以下であることが好ましい。すなわち、端２７ｂから端２７ａに向かう方向が第１方向ＤＲ１と同一方向になるように集水枠２７が回動されている状態で、端２７ｂは、実質的に側壁２０１に接触していることが好ましい。

端２７ｂから端２７ａに向かう方向が第１方向ＤＲ１と同一方向になるように集水枠２７が回動されている状態で、集水枠２７は、集水枠２７の上端が集水枠２７の下端よりも第２方向ＤＲ２における他方側にあるように傾斜していることが好ましい。

集水板２８は、板状の部材である。集水板２８は、好ましくは、集水枠２７に着脱可能に取り付けられている。集水板２８の主面の法線方向は、集水枠２７に取り付けられている状態で、第３方向ＤＲ３と交差している。端２７ｂから端２７ａに向かう方向が第１方向ＤＲ１と同一方向になるように集水枠２７が回動されている状態で、集水板２８は、集水枠２７の第２方向ＤＲ２における一方側に取り付けられている。

このように、水力発電装置４００では、集水機構２０が２組の集水枠及び集水板（集水枠２３及び集水板２４の組、集水枠２７及び集水板２８の組）を有している。なお、水力発電装置４００が設置される水路２００の幅は、例えば翼１１の翼径の２倍以上である。

ストッパ２９は、円弧部材２９ａと、円弧部材２９ｂとを有している。円弧部材２９ａ及び円弧部材２９ｂは、第３方向ＤＲ３において間隔を空けて重ねて配置されている。円弧部材２９ａ及び円弧部材２９ｂは、平面視において、支柱２１を曲率中心とする円弧形状を有している。円弧部材２９ａの一方端及び円弧部材２９ｂの一方端は、集水枠２３に取り付けられている。

円弧部材２９ａには、円弧部材２９ａを第３方向ＤＲ３に沿って貫通している複数の貫通穴２９ａａが形成されている。円弧部材２９ｂには、円弧部材２９ｂを第３方向ＤＲ３に沿って貫通している複数の貫通穴２９ｂａ（図示せず）が形成されている。貫通穴２９ａａ及び貫通穴２９ｂａは、平面視において互いに重なっている。

ストッパ２９は、棒状体２９ｃをさらに有している。棒状体２９ｃは、第３方向ＤＲ３に沿って延在している。棒状体２９ｃは、貫通穴２９ａａ及び貫通穴２９ｂａに挿入されている。集水板２４に水路２００内を流れている水からの力が加わると、集水枠２３が支柱２１回りに回転し、棒状体２９ｃが梁１３と接触する。

棒状体２９ｃが梁１３と接触すると、集水枠２３は、集水板２４が水路２００内を流れる水から力を受けても、支柱２１回りに回転することができなくなる。そのため、ストッパ２９は、集水枠２３の位置決めを行うことができる。棒状体２９ｃを異なる貫通穴２９ａａ及び貫通穴２９ｂａに挿入することにより、集水枠２３を異なる位置に位置決めすることができる。すなわち、水力発電装置４００では、集水板２４の角度を段階的に調整することができる。

ストッパ３０は、円弧部材３０ａと、円弧部材３０ｂとを有している。円弧部材３０ａ及び円弧部材３０ｂは、第３方向ＤＲ３において間隔を空けて重ねて配置されている。円弧部材３０ａ及び円弧部材３０ｂは、平面視において、支柱２５を曲率中心とする円弧形状を有している。円弧部材３０ａの一方端及び円弧部材３０ｂの一方端は、集水枠２７に取り付けられている。

円弧部材３０ａには、円弧部材３０ａを第３方向ＤＲ３に沿って貫通している複数の貫通穴３０ａａが形成されている。円弧部材３０ｂには、円弧部材３０ｂを第３方向ＤＲ３に沿って貫通している複数の貫通穴３０ｂａが形成されている。貫通穴３０ａａ及び貫通穴３０ｂａは、平面視において、互いに重なっている。

ストッパ３０は、棒状体３０ｃをさらに有している。棒状体３０ｃは、第３方向ＤＲ３に沿って延在している。棒状体３０ｃは、貫通穴３０ａａ及び貫通穴３０ｂａに挿入されている。集水板２８に水路２００内を流れている水からの力が加わると、集水枠２７が支柱２５回りに回転し、棒状体３０ｃが梁１３と接触する。

棒状体３０ｃが梁１３と接触すると、集水枠２７は、集水板２８が水路２００内を流れる水から力を受けても、支柱２５回りに回転することができなくなる。そのため、ストッパ３０は、集水枠２７の位置決めを行うことができる。棒状体３０ｃを異なる貫通穴３０ａａ及び貫通穴３０ｂａに挿入することにより、集水枠２７を異なる位置に位置決めすることができる。すなわち、水力発電装置４００では、集水板２８の角度を段階的に調整することができる。

＜水力発電装置４００の効果＞
水力発電装置４００では、集水機構２０が２組の集水枠及び集水板（集水枠２３及び集水板２４の組、集水枠２７及び集水板２８の組）を有している。そのため、水力発電装置４００によると、水路２００の幅が広い場合（より具体的には、水路２００の幅が翼１１の翼径の２倍以上の場合）であっても、十分な翼１１への集水効果を得ることができる。

また、水力発電装置４００は、ストッパ２９及びストッパ３０を有しているため、集水板２４の角度及び集水板２８の角度を段階的に調整することができる。

以上のように本発明の実施形態について説明を行ったが、上述の実施形態を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は、上述の実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むことが意図される。

上記の実施形態は、例えば、集水機構及び集水機構を有する水力発電装置に特に有利に適用される。

１００ 水力発電装置、１０ 水力発電モジュール、１１ 翼、１２ 回転軸、１３ 梁、１４ 架台、１５ 発電機、１６ 支柱、１７ ギアボックス、１８ 回転軸、２０ 集水機構、２１，２２ 支柱、２３ 集水枠、２３ａ，２３ｂ 端、２４ 集水板、２５，２６ 支柱、２７ 集水枠、２７ａ，２７ｂ 端、２８ 集水板、２９ ストッパ、２９ａ 円弧部材、２９ａａ 貫通穴、２９ｂ 円弧部材、２９ｂａ 貫通穴、２９ｃ 棒状体、３０ ストッパ、３０ａ 円弧部材、３０ａａ 貫通穴、３０ｂ 円弧部材、３０ｂａ 貫通穴、３０ｃ 棒状体、３００，４００ 水力発電装置、２００ 水路、２０１，２０２ 側壁、２０３ 底壁、ＤＲ１ 第１方向、ＤＲ２ 第２方向、ＤＲ３ 第３方向。

Claims (5)

1. 間隔を空けて互いに対向している第１側壁及び第２側壁と前記第１側壁の下端及び前記第２側壁の下端を接続している底壁とを有し、かつ前記第１側壁から前記第２側壁に向かう方向である第１方向に交差している第２方向における一方側から前記第２方向における他方側へと水が流れる水路に設置される集水機構であって、
   前記底壁から前記第１方向及び前記第２方向に交差している第３方向に沿って延在している第１支柱と、
   前記第１支柱の回りに回動可能に前記第１支柱に取り付けられている第１集水枠と、
   前記第１集水枠に着脱可能に取り付けられている第１集水板とを備え、
   前記第１集水枠は、平面視において第１端と前記第１端の反対側の端である第２端とを有し、かつ前記第１端側において前記第１支柱に取り付けられており、
   前記第１端から前記第２端に向かう方向が前記第１方向と同一方向になるように前記第１集水枠を回動させた状態で、前記第１端は、前記第２端よりも前記第２側壁から離れている、集水機構。
2. 前記第１端から前記第２端に向かう方向が前記第１方向に同一方向になるように前記第１集水枠を回動させた状態で、前記第２端と前記第２側壁との間の距離は、前記第１側壁と前記第２側壁との間の距離の１／１００以下である、請求項１に記載の集水機構。
3. 前記第１端から前記第２端に向かう方向が前記第１方向に同一方向になるように前記第１集水枠を回動させた状態で、前記第１集水枠の上端は、前記第１集水枠の下端よりも前記第２方向における他方側にある、請求項１又は請求項２に記載の集水機構。
4. 前記底壁から前記第３方向に沿って延在し、かつ前記第１方向において前記第１支柱よりも前記第２側壁から離れている第２支柱と、
   前記第２支柱の回りに回動可能に前記第２支柱に取り付けられている第２集水枠と、
   前記第２集水枠に着脱可能に取り付けられている第２集水板とを備え、
   前記第２集水枠は、平面視において第３端と前記第３端の反対側の端である第４端とを有し、かつ前記第３端側において前記第２支柱に取り付けられており、
   前記第４端から前記第３端に向かう方向が前記第１方向と同一方向になるように前記第２集水枠を回動させた状態で、前記第３端は、前記第４端よりも前記第１側壁から離れている、請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の集水機構。
5. 前記水路内に配置されている翼を有する水力発電モジュールと、
   請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の前記集水機構を備え、
   前記翼は、前記第１支柱よりも前記第２方向における他方側にある、水力発電装置。

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