JP5705105B2 - 水力発電装置 - Google Patents

Description

この発明は、農業用又は工業用水路等の比較的流量や落差の小さい水路や河川に設置される小形の水力発電装置に関する。

従来、農業用又は工業用水路等の用水路に設置される小形の水力発電装置があった。例えば、特許文献１に開示されている水力発電装置は、農業用水路等の落差工の下流側水路底面に枠体を設置し、その枠体に対して水車や水力発電機等の発電装置を上方から着脱自在に設けたものである。この水力発電装置は、反動型水車ランナーベーンに立軸構造の回転軸が取り付けられ、回転軸に伝達機構を介して発電機が接続されている。その他、特許文献２に開示されているように、水路の落差工の下流側底面に矩形の貯水槽を設置し、貯水槽の下方に固定羽根を設け、その上方に発電ユニットを設置した水力発電装置の構成も提案されている。

特開２００５−３２０８８３号公報 特開２００４−１２４８２９号公報

上記背景技術の場合、用水路の落差工の底面に水力発電装置とその固定構造物を施工する構造であり、施工工事が面倒であり工数の掛かるものであった。しかも、用水路の落差工は、その地形の勾配により千差万別であり、水力発電に利用可能な用水の落差を一定に設定することが出来ないものであることから、設置する構造物の大きさを設置場所に合わせて設計し、施工しなければならず設計や施工に工数が掛かるものであった。さらに、用水路に流れる水の流量も一定にならず、流量変化に対して柔軟に対応できないものであり、増水時の大流量により導水管等の損傷が生じ易いものであった。その他、発電装置本体の設置に際して、設置箇所により、完成品の発電装置本体を搬入できない場合もあった。

この発明は、上記背景技術の問題点に鑑みてなされたものであり、簡単な構成で、設置する落差工の形状や落差にかかわらず設置が容易であり、設置環境の変化にも柔軟に対応することが出来る水力発電装置を提供することを目的とする。

この発明は、中心軸が垂直に設けられ内側を水が上方から下方に向かって通過する取水胴と、前記取水胴の下方に同軸に設けられた水絞り部と、前記水絞り部の下方に設けられた回転スクリュウと、前記回転スクリュウに固定されたシャフトに連結された発電機とが設けられた発電装置本体を有し、前記発電装置本体を保持した枠体と、前記枠体が固定された梁部材とを備え、前記発電装置本体が固定された前記枠体を前記梁部材に固定した状態で、前記発電装置本体が、前記梁部材により水路の落差工に吊り下げられて固定される水力発電装置である。

前記枠体は、矩形に形成され前記発電装置本体を収容して一対の前記梁部材に前記枠体の上端部が固定され、前記一対の梁部材は、前記水路の両岸に設置された台座に固定されるものである。

前記回転スクリュウの下流側には、前記回転スクリュウを通過した水を流す導水菅を備え、前記導水菅は前記回転スクリュウと同軸且つ伸縮自在に設けられ、前記導水菅の下端部側にはフロートが固定され、前記フロートにより前記導水菅の下端部側が前記水路の水量により上下動可能に設けられたものである。前記導水菅は、複数の直径の異なる筒体が同心状に摺動自在に嵌合したものである。または、前記導水菅は、蛇腹状の伸縮自在な筒体でも良い。

また、前記取水胴には取水口が設けられ、前記取水口の開口部が前記落差工の上流側の水路に向かって開口し、前記取水口には水流を前記取水胴の外へ逃がすバイパス口が形成されているものである。前記バイパス口には蓋部材が設けられ、前記蓋部材は水位計により作動するモータにより開閉自在に設けられているものでも良い。

この発明の水力発電装置によれば、発電装置本体が梁部材に吊り下げられて水路に設置されるので、施工に際して落差工の底面等に構造物を設置することなく水力発電装置の設置が可能であり、極めて施工性が良い。しかも、落差工の大きさにかかわらず施工することが出来、設置場所を選ばないものである。

さらに、導水菅が伸縮することにより、落差工の下流側の水面に確実に導水菅を位置させることが出来る。また、水位の上下にも導水菅が追従し、設置環境の変化にも柔軟に対応することが出来、水量が増加した際には導水菅が短くなって、水流により導水菅にかかる横方向の力の増加を抑え、発電装置本体の損傷を防ぐことが出来る。

また、取水口にはバイパス口が設けられ、流量が多い場合や発電装置本体の点検時等には、水流が取水胴内に入り込むのを抑えることが出来、安全性やメンテナンス性が良い。

この発明の第一実施形態の水力発電装置の縦断面図である。 この実施形態の水力発電装置の平面図である。 この実施形態の水力発電装置の水絞り部から回転スクリュウ部を示す部分拡大縦断面図である。 この実施形態のフロート部分を除いた水力発電装置の部分破断斜視図である。 この実施形態の水力発電装置の斜視図である。 この発明の第二実施形態の水力発電装置の一部分解斜視図である。 第二実施形態の水力発電装置の構成を示す分解斜視図である。

以下、この発明の実施形態について図面に基づいて説明する。図１〜図５はこの発明の第一実施形態を示すもので、この実施形態の水力発電装置１０は、水路１２の落差工１４が形成された箇所のコンクリート製の両岸１２ａに、台座１３を介して掛け渡された一対の梁部材１６に吊り下げられるようにして設置される。台座１３の形状は、両岸１２ａの傾斜や高さを調整するために、両岸１２ａの形状に合わせて、適宜矩形や三角形等に設計され、設置される。

鋼材製の梁部材１６には、矩形に組み立てられた金属製の枠体２０の上端部２０ａがボルト１７で固定され、枠体２０内には、円筒状の発電装置本体１１が、ボルト等で一体に固定されている。発電装置本体１１は、後述する取水胴２２の上端が枠体２の上端部２０ａに固定され、取水胴２２の下端が枠体１６の下端部２０ｂに固定されている。

発電装置本体１１は円筒状の取水胴２２を有し、取水胴２２の上方よりやや中間部寄りの位置には、落差工１４の上流側底面１４ａに端部が載置され、上流側に向かって水平方向に開口部が開口した取水口２６が接続されている。取水口２６の開口部は四角形に形成され、取水口２６の一側面部には、水路１２の水位を検知する水位計２７が設けられている。

取水口２６の下面には、落差工１４の下流側底面１４ｂに向かって開口可能なオーバーフロー用のバイパス口２８が開閉自在に設けられている。バイパス口２８には、蓋部材２８ａが設けられ、蓋部材２８ａは、開閉用連結部材３１を介してモータ３０に連結され、バイパス口２８がモータ３０により開閉自在に設けられている。モータ３０は、両岸１２ａ間に架け渡された載置部材２９上に固定され、水位計２７が図示しない制御部に接続され、水路１２の水位を水位計２７により検知し、一定以上の水深になったところで、制御部がモータ３０を作動させて、バイパス口２８を開放するように設けられている。

取水胴２２の下端開口部には、水絞り部３２が同軸に固定されている。水絞り部３２は、取水胴２２の下端部に大径部が固定された円筒円錐台状の水絞り外筒３４を備えている。水絞り外筒３４の下端である小径部には、後述するスクリュウ管３６が取り付けられている。水絞り部３２の水絞り外筒３４の内側には、中心軸上に流路断面積を狭めるための水絞りドラム３３が設けられている。水絞りドラム３３は、取水胴２２に対して同軸の中心軸を有し、下方に向かって直径が大きくなる円錐台状部分とその大径部に連続した筒状部とで形成されている。

水絞り部３２の水絞り外筒３４と水絞りドラム３３との間には、複数枚の固定ガイドベーン４０が設けられている。固定ガイドベーン４０は、水絞り部３２内で、水絞り外筒３４内の空間を、略放射方向に等間隔に区切っている。各固定ガイドベーン４０の内側の側縁部は、水絞りドラム３３の筒状部の側面に固定され、この固定ガイドベーン４０の反対側の側縁部は、水絞り外筒３４の内周面に固定されている。そして、各固定ガイドベーン４０のその他の一対の側縁部は流路方向上下に位置して、水絞り部３２の上下両側の空間に露出している。

各固定ガイドベーン４０の取付角度は、水絞り部３２の中心軸方向に対して２０度〜３５度程度の範囲で傾斜している。好ましくは２５度〜３０度程度の範囲内で取り付ける。この傾斜方向は、下方へ向かって時計周りに進むように傾斜している。さらに、傾斜角度は、後述する回転スクリュウ３８の上面に対して、ほぼ直角に交差するように設けられている。なお、ここで直角とは、９０度前後の角度を含むものであり、９０度よりやや大きな角度が好ましい。

水絞り部３２の下方の小径部には、同軸にスクリュウ管３６が固定され、スクリュウ管３６内に、回転筒３９に固定された例えば４枚の回転ブレードから成る回転スクリュウ３８が回転自在に設けられている。

回転スクリュウ３８が取り付けられたスクリュウ管３６の下側には、筒状の導水菅４２が設けられている。導水菅４２は、複数の直径の異なる筒体が同心状に摺動自在に嵌合したもので、スクリュウ管３６の下端縁に上段筒４２ａの上端縁が固定されている。導水菅４２の分割数は、例えば上段筒４２ａ、中段筒４２ｂ、下段筒４２ｃの３段に分割されて形成され、中段筒４２ｂの内径は、上段筒４２ａの外径とほぼ等しく、中段筒４２ｂの外径が、下段筒４２ｃの内径とほぼ等しい。これにより、上段筒４２ａの下部、及び中段筒４２ｂが下段筒４２ｃ内に収容され、収縮可能に形成されている。なお、上段筒４２ａ、中段筒４２ｂ、下段筒４２ｃは、各々端部にストッパ４３が設けられ、伸張時にも互いに離れないように形成され、且つほぼ水密状態で伸縮可能に形成されている。

下段筒４２ｃの外側には、環状のフロート４４が固定されている。フロート４４は、発泡樹脂等により形成され、垂直方向に設けられた一対のガイドバー４６が保持部材４５を介して垂直方向に突出している。ガイドバー４６は、枠体２０の下端部２０ｂに取り付けられた固定ガイド４８に挿通され、上下方向に摺動自在に設けられている。フロート４４の浮力は、中段筒４２ｂ及び下段筒４２ｃを浮かせるのに十分な浮力を有するもので、水路１２の水面に常時浮揚可能に設けられている。

回転スクリュウ３８の中心部には、軸受け部３７が設けられ、回転スクリュウ３８の中心側の回転筒部３９には、シャフト５０が回転スクリュウ３８及び回転筒部３９と一体に固定されている。シャフト５０は、回転スクリュウ３８の回転筒部３９を貫通して固定され、回転筒部３９の上方に垂直に延出し、水絞り部３２の水絞りドラム３３に同軸に形成された貫通孔に回転可能に挿通され、さらに上方に延出して枠体２０の上端部２０ａに達している。

シャフト５０の上端部は、枠体２０の上端部２０ａに固定された軸受５１を貫通して、継ぎ手部材５４に連結されている。継ぎ手部材５４は、増速機５６の回転軸に連結され、増速機５６の回転軸が、継ぎ手部材５８を介して発電機６０の回転軸に連結されている。増速機５８は、枠体２０の上端部２０ａに設置されたハウジング６２上に固定され、ハウジング６２上に発電機６０が設置されている。シャフト５０の中間部は、取水胴２２内で水絞りドラム３３に固定された筒体６４内に回転自在に収納されている。シャフト５０を収納した筒体６４の上端部は、ハウジング６２が固定された取付板６３の底面に接続され、筒体６４の下端部は、水絞りドラム３３の上端部に水密に連結されている。そして、シャフト５０の下端部は、スラスト軸受５３に軸支されている。

次に、この実施形態の水力発電装置１０の設置方法について説明する。水力発電装置１０を取り付ける用水路は、水路１２がコンクリートで形成され、一対の側壁部の両岸１２ａもコンクリートで形成されている。先ず、この水路１２の落差工１４が形成された位置の両岸１２ａに、台座１３を設置する。一方、発電装置本体１１は、枠体２０に固定し、枠体２０の互いに対向する一対の側面に、梁部材１６を固定する。梁部材１６は、水路１２の幅よりも長く、台座１３に固定可能な長さを有している。梁部材１６を固定する側面は、枠体２０から取水口２６が突出した側面とその反対側の両側面である。設置に際しては、枠体２０に固定された発電装置本体１１を、落差工１４のある水路１２の側方で図示しないクレーンにより吊り下げて、台座１３の上面に梁部材１６の両端部を載せるようにして設置し、位置合わせをして、梁部材１６の両端部を台座１３に固定する。以上により、水力発電装置１０の水路１２への設置が完了する。

なお、水路１２の落差工１４の箇所にクレーンを持って行けない場合は、発電装置本体１１を分解して、現場に搬入し、現場で枠体１２を組み立てて台座１３間に梁部材１６を設置し、枠体２０を梁部材１６に組み付けて吊り下げ状態とし、この後、発電装置本体１１の各部品を順次枠体２０内に組み付けて施工するものでも良い。

次に、水力発電装置１０の動作について説明する。水路１２を流れてきた水は、取水口２６から取水胴２２に流入し、水絞り部３２により流路が絞られ、流速が増す。流速が速くなった水流は、固定ガイドベーン４０により、流れの方向が規制され、固定ガイドベーン４０の延長線上に向かって流れ落ちる。流れ落ちる位置は、回転スクリュウ３８のブレード面にほぼ垂直に当たる位置である。

取水胴２２から水絞り部３２により流速が高められた水は、回転スクリュウ３８のブレードに衝突し、ブレードが押されて回転スクリュウ３８が回転筒部３９を中心に回転する。このとき、水絞り部３２の固定ガイドベーン４０により水流が各々に分かれた流路を形成し、下方に位置する回転スクリュウ３８のブレードに当たる。回転スクリュウ３８の各ブレードは、表面で水絞り部３２からの水流を直角方向よりやや大きな角度で受けて、効果的に回転エネルギーに変換さする。

回転スクリュウ３８を通過した水流は、導水菅４２を経て、落差工１４の下流側の水路１２に合流する。このときの落差は、落差工１４の上流側の水路１２の水面から落差工１４の下流側の水面までの高さの差である。また、水路１２の水量が増加すると、導水菅４２のフロート４４が水面に浮かんでいるので、落差工１４の下流側の水面の位置は常時変化し、この水力発電装置１０が利用することができる水流の位置エネルギーの量は、フロート４４が浮かぶ水面の位置と上流側の水面又は取水口２６の上面の位置との差による位置エネルギーである。さらに、水路１２の水の流速による速度エネルギーも利用することが可能である。

この実施形態の水力発電装置１０によれば、発電装置本体１１が枠体２０に固定されて梁部材１６に吊り下げられて水路１２に設置されるので、落差工１４の下流側底面１４ｂ等に構造物を設置する必要がなく、作業員が水路内に入ることなく水力発電装置１０の設置が可能であり、極めて施工性が良い。しかも、設置は、発電装置本体１１と枠体２０及び梁部材１６を予め組み立てておけば、クレーンにより吊り下げて所定の水路１２の落差工１４部分に設置することができ、この点でも極めて施工性がよい。さらに、クレーン車が進入できないような水路の場合、現地で発電装置本体１１と枠体２０及び梁部材１６を組み立照子とも容易であり、水路に梁部材１６から順に組み付けていくことも可能である。従って、落差工１４の大きさにかかわらず発電装置本体１１の設置をすることが出来る。

さらに、この発明の発電装置本体１１は、導水菅４２が伸縮することにより、落差工１４の下流側の水面内に確実に導水菅４２の下端を位置させることが出来、導水菅４２の下端が水面から離れず、圧力水頭の損失がない。しかも、水位の上下にも導水菅４２が追従し、水流が増加した際には導水菅４２が短くなって、水流により導水菅４２にかかる横方向の力を抑え、発電装置本体１１の損傷を防止し、水力発電装置１０の安全を確保することが出来る。

また、取水口２６にはバイパス口２８が設けられ、流量が多い場合や発電装置本体１１の点検時等には、水流が取水胴２２内に入り込むのを抑えることが出来、安全性やメンテナンス性が良い。

次に、この発明の第二実施形態の水力発電装置７０について、図６、図７を基にして説明する。ここで、上記実施形態と同様の部材は、同一の符号を付して説明を省略する。水力発電装置７０は、上記実施形態と同様に鋼材製の梁部材１６と、矩形に組み立てられた金属製の枠体２０により、水路のコンクリート製の両岸に架け渡されて設置される。枠体２０内には、円筒状の発電装置本体１１が固定されている。

発電装置本体１１は円筒状の取水胴２２を有し、取水胴２２の上方側面の開口部に、取水口２６の下流側開口部が接続されている。取水口２６の開口部は四角形に形成され、取水口２６の下面には、落差工の下流側底面に向かって開口可能なオーバーフロー用のバイパス口２８が開閉自在に設けられている。バイパス口２８には、蓋部材２８ａが設けられ、蓋部材２８ａは、図示しない開閉用連結部材を介して下方に向けて開閉自在に設けられている。

取水胴２２の下端開口部には、水絞り部３２が同軸に固定されている。水絞り部３２は、取水胴２２の下端部に大径部が固定された円筒円錐台状の水絞り外筒３４を備えている。水絞り外筒３４の下端である小径部には、スクリュウ管３６が取り付けられ、スクリュウ管３６内に、回転スクリュウ３８が回転可能に同軸に設けられている。水絞り部３２の水絞り外筒３４の内側には、中心軸上に水絞りドラム３３が設けられている

水絞り部３２の水絞り外筒３４と水絞りドラム３３との間には、複数枚の固定ガイドベーン４０が設けられている。固定ガイドベーン４０は、水絞り部３２内で、水絞り外筒３４内の空間を、略放射方向に等間隔に区切っている。各固定ガイドベーン４０の内側の側縁部は、水絞りドラム３３の筒状部の側面に固定され、反対側の側縁部は、水絞り外筒３４の内周面に固定されている。

各固定ガイドベーン４０の取付角度は、水絞り部３２の中心軸方向に対して２０度〜３５度程度の範囲で傾斜している。好ましくは２５度〜３０度程度の範囲内で取り付ける。この傾斜方向は、下方へ向かって時計周りに進むように傾斜している。さらに、傾斜角度は、後述する回転スクリュウ３８の上面に対して、ほぼ直角に交差するように設けられている。

回転スクリュウ３８が取り付けられたスクリュウ管３６の下側には、筒状の導水菅４２が設けられている。導水菅７２は、伸縮自在な蛇腹状の筒として形成され、スクリュウ管３６の下端縁に上端縁７２ａが固定されている。導水菅７２の下端部７２ｂには、環状のフロート４４が固定されている。フロート４４は、発泡樹脂等により形成され、垂直方向に設けられた一対のガイドバー４６が保持部材４５を介して垂直方向に突出している。ガイドバー４６は、枠体２０の下端部２０ｂに取り付けられた固定ガイド４８に挿通され、上下方向に摺動自在に設けられている。フロート４４の浮力は、導水菅７２の下部を浮かせるのに十分な浮力を有するもので、水路の水面に常時浮揚可能に設けられている。

回転スクリュウ３８の中心部には、軸受け部が設けられ、回転スクリュウ３８の中心側の回転筒部３９には、シャフト５０が回転スクリュウ３８及び回転筒部３９と一体に固定されている。シャフト５０は、回転スクリュウ３８の回転筒部３９を貫通して固定され、回転筒部３９の上方に垂直に延出し、水絞り部３２の水絞りドラム３３に同軸に形成された貫通孔に回転可能に挿通され、さらに上方に延出して枠体２０の上端部２０ａに達している。

シャフト５０の上端部は、枠体２０の上端部２０ａに固定された軸受５１を貫通して、継ぎ手部材５４に連結されている。継ぎ手部材５４は、増速機５６の回転軸に連結され、増速機５６の回転軸が、他の継ぎ手部材を介して発電機６０の回転軸に連結されている。増速機５８は、枠体２０の上端部２０ａに設置されたハウジング６２上に固定され、ハウジング６２上に発電機６０が設置されている。シャフト５０を収納した筒体６４の上端部は、ハウジング６２が固定された取付板６３の底面に接続され、筒体６４の下端部は、水絞りドラム３３の上端部に水密に連結されている。

この実施形態の水力発電装置７０の設置方法も上記実施形態と同様に、予め工場内等で水力発電装置７０を組み立てておいて、設置現場では、クレーン車等により、吊り下げて、水路の両岸間に設置する。また、各部材を個別に設置場所に運んで現地で組み立てても良い。

この実施形態の水力発電装置１０の動作も、上記第一実施形態と同様に、水路１２を流れてきた水は、取水口２６から取水胴２２に流入し、水絞り部３２により流路が絞られ、流速が増す。流速が速くなった水流は、固定ガイドベーン４０により、流れの方向が規制され、固定ガイドベーン４０の延長線上に向かって流れ落ちる。取水胴２２から水絞り部３２により流速が高められた水は、回転スクリュウ３８のブレードに衝突し、ブレードが押されて回転スクリュウ３８が回転筒部３９を中心に回転する。転スクリュウ３８の各ブレードは、表面で水絞り部３２からの水流を直角方向よりやや大きな角度で受けて、効果的に回転エネルギーに変換さする。

回転スクリュウ３８を通過した水流は、導水菅４２を経て、落差工１４の下流側の水路１２に合流する。また、水路１２の水量が増加すると、導水菅４２のフロート４４が水面に浮かんでいるので、落差工１４の下流側の水面の位置は常時変化し、この水力発電装置１０が利用することができる水流の位置エネルギーの量は、フロート４４が浮かぶ水面の位置と上流側の水面又は取水口２６の上面の位置との差による位置エネルギーである。さらに、水路１２の水の流速による速度エネルギーも利用することが可能である。

また、水路１２の水量が増加すると、蛇腹状の導水菅７２が、必要な長さに常時変化する。この場合も、フロート４４が水面に浮かんでいるので、落差工１４の下流側の水面の位置は常時変化し、この水力発電装置１０が利用することができる水流の位置エネルギーの量は、フロート４４が浮かぶ水面の位置と上流側の水面又は取水口２６の上面の位置との差による位置エネルギーである。

この実施形態の水力発電装置７０によっても、上記実施形態の水力発電装置と同様の効果が得られ、導水菅７２が任意の長さに伸縮可能であるので、水深の変化に応答性良く追随し、効率的な発電を可能とする。

なお、この発明の発電装置は上記実施形態に限定されず、枠体の形状は適宜設定可能なものであり、吊り下げる梁部材の形状も適宜選択可能なものである。フロートの形状やガイドバーの本数、取付位置等も適宜設定可能なものである。

１０，７０ 水力発電装置
１１ 発電装置本体
１２ 水路
１４ 落差工
１６ 梁部材
２０ 枠体
２２ 取水胴
２６ 取水口
２７ 水位計
２８ バイパス口
２８ａ 蓋部材
３０ モータ
３２ 水絞り部
３６ スクリュウ管
３８ 回転スクリュウ
４０ 固定ガイドベーン
４２，７２ 導水菅
４４ フロート
４６ ガイドバー
４８ 固定ガイド
５０ シャフト
６０ 発電機

Claims (5)

1. 中心軸が垂直に設けられ内側を水が上方から下方に向かって通過する取水胴と、前記取水胴の下方に同軸に設けられた水絞り部と、前記水絞り部の下方に設けられた回転スクリュウと、前記回転スクリュウに固定されたシャフトに連結された発電機とが設けられた発電装置本体を有し、
   前記発電装置本体を保持した枠体と、前記枠体が固定された梁部材とを備え、
   前記発電装置本体が固定された前記枠体を前記梁部材に固定した状態で、前記発電装置本体が、前記梁部材により水路の落差工に吊り下げられて固定され、
   前記枠体は、矩形に形成され前記発電装置本体を収容して一対の前記梁部材に前記枠体の上端部が固定され、前記一対の梁部材は、前記水路の両岸に設置された台座に固定され、
   前記回転スクリュウの下流側には、前記回転スクリュウを通過した水を流す導水菅を備え、前記導水菅は前記回転スクリュウと同軸且つ伸縮自在に設けられ、前記導水菅の下端部側にはフロートが固定され、前記フロートにより前記導水菅の下端部側が前記水路の水量により上下動可能に設けられていることを特徴とする水力発電装置。
2. 前記導水菅は、複数の直径の異なる筒体が同心状に摺動自在に嵌合したものである請求項１記載の水力発電装置。
3. 前記導水菅は、蛇腹状の伸縮自在な筒体である請求項１記載の水力発電装置。
4. 前記取水胴には取水口が設けられ、前記取水口の開口部が前記落差工の上流側の水路に向かって開口し、前記取水口には水流を前記取水胴の外へ逃がすバイパス口が形成されている請求項１記載の水力発電装置。
5. 前記バイパス口には蓋部材が設けられ、前記蓋部材は水位計により作動するモータにより開閉自在に設けられている請求項４記載の水力発電装置。
   

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