EP1224980A1 - Method and apparatus for the generation of an aerosol - Google Patents

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EP1224980A1
EP1224980A1 EP01130831A EP01130831A EP1224980A1 EP 1224980 A1 EP1224980 A1 EP 1224980A1 EP 01130831 A EP01130831 A EP 01130831A EP 01130831 A EP01130831 A EP 01130831A EP 1224980 A1 EP1224980 A1 EP 1224980A1
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EP
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particles
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cross
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EP01130831A
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Klaus List
Roman Messerschmidt
Klaus-Jürgen Dr. Steffens
Manfred Dr. Wolf
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Buender Glas GmbH
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Buender Glas GmbH
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B17/00—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups
    • B05B17/04—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S261/00—Gas and liquid contact apparatus
    • Y10S261/78—Sonic flow

Abstract

The gas in which the particles are suspended flows at supersonic speed and is guided so that a compacting shock (3) occurs in the gas and on crossing through this shock the particles are broken down into smaller outlet particles. The aerosol apparatus has guide means for the supersonic gas designed so that a compacting shock occurs and on passing through this the particles break down into smaller outlet particles.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Aerosols.The invention relates to a method and a device for producing an aerosol.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Aerosols zu schaffen, womit vorab erzeugte Flüssigkeits- und/oder lokker zusammenhängende Feststoffpartikel (Eingangspartikel) in deutlich kleinere Ausgangspartikel in Form eines Aerosols zerlegt werden können.The object of the invention is a method and an apparatus for generating to create an aerosol, with which previously generated liquid and / or locomotive contiguous solid particles (input particles) into significantly smaller output particles can be broken down in the form of an aerosol.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 7 gelöst.This object is achieved by a method according to claim 1 and Device according to claim 7 solved.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgezeigt.Advantageous developments of the invention are shown in the subclaims.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert, wobei auf eine Zeichnung Bezug genommen ist, in der

  • Fig. 1 in einer schematischen Seitenansicht auf einen Gas-Strömungsbereich das erfindungsgemäße Verfahren erläutert.
    • The invention is explained below using an exemplary embodiment, reference being made to a drawing in which
  • 1 explains the method according to the invention in a schematic side view of a gas flow region.

    • Fig. 1 zeigt in einer schematischen Seiten- bzw. Schnittansicht zunächst einen inneren Konturverlauf eines Teils einer Düse 1, in der ein Gas in Strömungsrichtung (Pfeil 2) strömt. Die Düse 1 erweitert sich in Strömungsrichtung, d.h. ihr Querschnitt bzw. ihre innere Querschnittsfläche nimmt in Strömungsrichtung zu.Fig. 1 shows a schematic side or sectional view of an inner one Contour course of part of a nozzle 1 in which a gas flows in the direction of flow (arrow 2) flows. The nozzle 1 widens in the direction of flow, i.e. their cross section or their internal cross-sectional area increases in the direction of flow.

    Entgegen der Strömungsrichtung befindet sich vor dem dargestellten Teil der (ebenen oder runden) Düse 1 ein sich verengender Teil und eine engste Stelle im Übergang zu dem dargestellten, sich erweiternden Teil. Beim Betrieb einer derartigen Düse, die auch als Laval-Düse bekannt ist, bildet sich ab einem bestimmten Druckverhältnis (Verhältnis des Drucks vor dem sich verengenden Teil zu dem Druck in der Umgebung hinter dem sich erweiternden Teil) eine Strömung mit Schallgeschwindigkeit im engsten Teil der Düse aus, während innerhalb des sich erweiternden Teils der Düse Überschallströmung herrscht. Das der Düse an ihrem sich verengenden Teil zugeführte Gas wird im vorliegenden Beispiel mit einem Ruhedruck von ca. 5 bar zugeführt, wobei das Gas bspw. aus einem Druckkessel entnommen oder durch einen Kompressor bereitgestellt wird. Die Temperatur des Druckgases vor der Einleitung in die Düse beträgt näherungsweise Raumtemperatur, d.h. ca. 20 bis 30°C.Contrary to the direction of flow, the (flat or round) nozzle 1 a narrowing part and a narrowest point in the transition to the expanding part shown. When operating such a nozzle, the also known as the Laval nozzle, forms from a certain pressure ratio (Ratio of the pressure in front of the narrowing part to the pressure in the environment behind the expanding part) a flow with the speed of sound in the narrowest part of the nozzle, while within the expanding part of the nozzle Supersonic flow prevails. That fed to the nozzle at its narrowing part In the present example, gas is supplied at a resting pressure of approx. 5 bar, the gas being taken, for example, from a pressure vessel or through a Compressor is provided. The temperature of the compressed gas before being introduced into the nozzle is approximately room temperature, i.e. approx. 20 to 30 ° C.

    An einem geeigneten Punkt, insbesondere vor der engsten Stelle der Düse, ist eine Einrichtung zum Zuführen von Eingangspartikeln angeordnet, mit der die zu zerlegenden bzw. zu zerkleinernden Partikel zugeführt und in dem Gas suspendiert werden. Hierbei kann es sich bspw. um einen Pumpzerstäuber handeln, mit dem ein relativ grobes Tropfenspektrum in dem Gasstrom suspendiert wird. Alternativ oder zusätzlich ist auch eine Zuführung in das mit Überschallgeschwindigkeit strömende Gas möglich. Je nach Anwendungsbereich des zu erzeugenden Aerosols kann es sich bei den Eingangspartikeln um Flüssigkeitströpfchen handeln, bspw. Wasser mit oder ohne Wirkstoffzusatz, oder um ein Lösungsmittel wie etwa Alkohol. Alternativ kann vorgesehen sein, daß die Eingangspartikel aus Kraftstofftröpfchen bestehen, bspw. für eine Verbrennungskraftmaschine oder Feuerungsanlage. Schließlich kann es sich bei den Eingangspartikeln (auch zusätzlich zu Tröpfchen) um locker zusammenhängende, feste oder halbfeste Partikel handeln, die in (wesentlich) kleinere Partikel zu zerlegen sind.At a suitable point, especially in front of the narrowest part of the nozzle, is one Device for supplying input particles arranged with which to be disassembled or to be comminuted particles and suspended in the gas. This can be, for example, a pump atomizer with which a relative Coarse drop spectrum in the gas stream is suspended. Alternatively or additionally it is also possible to supply the gas flowing at supersonic speed. Depending on the area of application of the aerosol to be produced, it can be in the Act input particles as liquid droplets, for example water with or without Drug additive, or a solvent such as alcohol. Alternatively, it can be provided be that the input particles consist of fuel droplets, for example for a Internal combustion engine or firing system. After all, it can be the case with the Entrance particles (also in addition to droplets) around loosely connected, solid or semi-solid particles that break down into (substantially) smaller particles are.

    Die Düse 1 ist in an sich bekannter Weise unter Berücksichtigung des Druckverhältnisses, bei dem sie betrieben werden soll, so ausgelegt, daß sich im Verlauf ihres sich erweiternden Teils ein Unterdruck gegenüber der Umgebung, d.h. gegenüber dem an das Ende der Düse 1 anschließenden Raum einstellt ("nicht angepaßte Düse"), was zur Folge hat, daß sich in der dargestellten Weise ein Verdichtungsstoß 3 innerhalb der Düse 1 einstellt.The nozzle 1 is in a manner known per se, taking into account the pressure ratio, at which it should be operated, designed so that in the course of their expanding part a negative pressure in relation to the environment, i.e. compared to that adjusts the end of the nozzle 1 adjoining space ("unmatched nozzle"), resulting in The result is that a compression 3 within the Nozzle 1 sets.

    Überraschenderweise ist erkannt worden, daß die von dem durch die Düse strömenden Gas getragenen Eingangspartikel beim Durchtritt durch den Verdichtungsstoß, der einen sehr großen Druckgradienten (Druckanstieg auf sehr engem Raum) beinhaltet, in ein Spektrum wesentlich kleinerer Partikel bzw. Tröpfchen zerlegt werden. Wenn bspw. der Kernbereich des Verdichtungsstoßes, d.h. der Bereich mit dem größten Druckgradienten, in Strömungsrichtung eine Dicke von etwa 40 bis 50 µm aufweist, ist eine resultierender mittlerer Tropfendurchmesser (logarithmische Normalverteilung) von zwischen 3 und 10 µm beobachtet worden, während die Eingangspartikel Tröpfchen mit einem wesentlich größeren Durchmesser sind, bspw. 50 µm.Surprisingly, it has been recognized that that of the flowing through the nozzle Gas-borne input particles as they pass through the compression stroke, the one contains very large pressure gradients (pressure increase in a very narrow space), in a spectrum of much smaller particles or droplets can be broken down. If e.g. the core area of the shock, i.e. the area with the largest Pressure gradient, has a thickness of about 40 to 50 μm in the direction of flow, is a resulting mean drop diameter (logarithmic normal distribution) of between 3 and 10 µm have been observed while the input particles Droplets with a much larger diameter are, for example 50 microns.

    Bei einem Eingangsdruck von etwa 5 bar und einer Eingangstemperatur von etwa 300 K erreicht man in einer Laval-Düse mit einem engsten Querschnitt von ca. 0,03 cm2 bspw. einen Druck von etwa 2,5 bar und eine Temperatur von etwa 250 K an der engsten Stelle. Bei Querschnittserweiterung auf etwa 0,16 cm2 steigt die Strömungsgeschwindigkeit bis auf die 3,4-fache Schallgeschwindigkeit (Mach = 3,4), während der Druck auf ca. 0,1 bar und die Temperatur auf weniger als 100 K absinken. Ein Verdichtungsstoß bewirkt eine plötzliche Drucksteigerung näherungsweise auf Umgebungsdruck (1 bar), während die Temperatur näherungsweise ebenfalls auf Umgebungstemperatur ansteigt.With an inlet pressure of approximately 5 bar and an inlet temperature of approximately 300 K, a pressure of approximately 2.5 bar and a temperature of approximately 250 K are achieved in a Laval nozzle with a narrowest cross section of approximately 0.03 cm 2 at the narrowest point. When the cross-section is expanded to approximately 0.16 cm 2 , the flow rate increases to 3.4 times the speed of sound (Mach = 3.4), while the pressure drops to approximately 0.1 bar and the temperature to less than 100 K. A shock causes a sudden increase in pressure approximately to ambient pressure (1 bar), while the temperature also approximately increases to ambient temperature.

    Es wird angenommen, daß der extrem große Druckgradient innerhalb des Verdichtungsstoßes zu einem Zerreißen der ankommenden Eingangspartikel führt, deren Abmessung in der Größenordnung der Dicke des Verdichtungsstoßes liegt.It is believed that the extremely large pressure gradient within the surge leads to tearing of the incoming input particles, their dimensions is of the order of magnitude of the thickness of the compression joint.

    Während in Fig. 1 eine Situation dargestellt ist, in der sich der Verdichtungsstoß vor dem in Strömungsrichtung liegenden Ende der Düse befindet, d.h. innerhalb der Düse, sind auch Situationen möglich, in denen ein oder mehrere Verdichtungsstöße außerhalb der Düse liegen.While a situation is shown in FIG. 1 in which the compression shock occurs the flow end of the nozzle, i.e. inside the nozzle, situations are also possible in which one or more impacts outside the nozzle.

    Die Wandreibung des Gases im Bereich der inneren Wandoberfläche der Düse führt zum Auftreten von schiefen bzw. angewinkelten Verdichtungsstößen, was aufgrund der erhöhten Verweildauer der Eingangspartikel in den Verdichtungsstößen die gewünschte Zerkleinerungswirkung begünstigt.The wall friction of the gas leads in the area of the inner wall surface of the nozzle to the occurrence of oblique or angled compression impacts, which is due to the increased residence time of the input particles in the compression peaks the desired Shredding effect favors.

    Claims (27)

    Verfahren zum Erzeugen eines Aerosols, bei dem ein mit Überschallgeschwindigkeit strömendes Gas, in dem Eingangspartikel suspendiert sind, so geführt wird, daß in dem Gas ein Verdichtungsstoß auftritt und die Eingangspartikel beim Durchqueren des Verdichtungsstoßes in kleinere Ausgangspartikel zerlegt werden.Process for producing an aerosol, using a supersonic speed flowing gas, in which input particles are suspended, is conducted that a compression shock occurs in the gas and the input particles at Crossing the shock wave into smaller starting particles. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas innerhalb einer Umschließung geführt wird, deren Querschnitt sich in Strömungsrichtung erweitert, um Überschallgeschwindigkeit zu erreichen.A method according to claim 1, characterized in that the gas is guided within an enclosure, the cross section of which widens in the direction of flow in order to achieve supersonic speed. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Querschnitt der Umschließung zunächst verengt, um Schallgeschwindigkeit zu erreichen,Method according to Claim 2, characterized in that the cross section of the enclosure initially narrows in order to achieve the speed of sound, Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas so geführt wird, daß der Verdichtungsstoß vor einem in Strömungsrichtung liegenden Ende der Umschließung und somit innerhalb der Umschließung auftritt. Method according to Claim 2 or 3, characterized in that the gas is guided in such a way that the compression shock occurs in front of an end of the enclosure lying in the direction of flow and thus within the enclosure. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichtungsstoß bei etwa 2/3 der Länge eines sich erweiternden, in Strömungsrichtung an einen engsten Querschnitt anschließenden Abschnitt der Umschließung auftritt.Method according to one of claims 2 to 4, characterized in that the compression shock occurs at approximately 2/3 of the length of a widening section of the enclosure which adjoins a narrowest cross section in the flow direction. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas so geführt wird, daß der Verdichtungsstoß hinter einem in Strömungsrichtung liegenden Ende der Umschließung und somit außerhalb der Umschließung auftritt.Method according to claim 2 or 3, characterized in that the gas is guided in such a way that the compression shock occurs behind an end of the enclosure lying in the direction of flow and thus outside the enclosure. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangspartikel dem Gas zugeführt werden, während es in Ruhe ist oder eine Strömungsgeschwindigkeit unterhalb Schallgeschwindigkeit aufweist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the input particles are supplied to the gas while it is at rest or has a flow speed below the speed of sound. Vorrichtung zum Erzeugen eines Aerosols, insbesondere zum Durchführen des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einem Mittel zum Führen eines mit Überschallgeschwindigkeit strömenden Gases, in dem Eingangspartikel suspendiert sind, wobei das Mittel so ausgelegt ist, daß ein Verdichtungsstoß in dem Gas auftritt und die Eingangspartikel beim Durchqueren des Verdichtungsstoßes in kleinere Ausgangspartikel zerlegt werden.Device for generating an aerosol, in particular for performing the Method according to one of the preceding claims, with a means for guiding of a gas flowing at supersonic speed, in the input particle are suspended, the means being designed so that a shock occurs in the gas and the input particles as they pass through the shock be broken down into smaller initial particles. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel eine das Gas führende Umschließung aufweist, deren Querschnitt sich anschließend an einen engsten Querschnitt in Strömungsrichtung erweitert.Apparatus according to claim 8, characterized in that the means has an enclosure carrying the gas, the cross section of which subsequently widens to a narrowest cross section in the direction of flow. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschließung vor dem engsten Querschnitt einen sich in Strömungsrichtung verengenden Abschnitt aufweist.Device according to Claim 9, characterized in that the enclosure has a section which narrows in the flow direction before the narrowest cross section. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel eine Laval-Düse ist. Apparatus according to claim 8 or 9, characterized in that the agent is a Laval nozzle. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Laval-Düse nicht angepaßt ist.Device according to claim 11, characterized in that the Laval nozzle is not adapted. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Zuführen von Eingangspartikeln, insbesondere Zerstäubungseinrichtung.Device according to one of claims 8 to 12, characterized by a device for supplying input particles, in particular atomizing device. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Zuführen von Eingangspartikeln vor dem engsten Querschnitt, bevorzugt vor einem sich verengenden Abschnitt angeordnet ist.Apparatus according to claim 13, characterized in that the device for supplying input particles is arranged in front of the narrowest cross section, preferably in front of a narrowing section. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Bereitstellen von Druckgas, insbesondere Vorratsbehälter und/oder Pumpe.Device according to one of claims 8 to 14, characterized by a device for providing compressed gas, in particular storage container and / or pump. Verfahren oder Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas in einem Ruhezustand vor einem sich verengenden Querschnitt einen Druck von 1 bis 250 bar, bevorzugt 2 bis 20 bar, weiter bevorzugt 3 bis 10 bar und weiter bevorzugt 5 bar aufweist.Method or device according to one of the preceding claims, characterized in that the gas in a quiescent state in front of a narrowing cross section has a pressure of 1 to 250 bar, preferably 2 to 20 bar, more preferably 3 to 10 bar and more preferably 5 bar. Verfahren oder Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas in einem Ruhezustand vor einem sich verengenden Querschnitt eine Temperatur von -20°C bis 400°C, bevorzugt 0 bis 50°C, weiter bevorzugt 10 bis 30°C und weiter bevorzugt 20 bis 25°C aufweist.Method or device according to one of the preceding claims, characterized in that the gas in a state of rest in front of a narrowing cross section a temperature of -20 ° C to 400 ° C, preferably 0 to 50 ° C, more preferably 10 to 30 ° C and more preferably has 20 to 25 ° C. Verfahren oder Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas Luft, N2, O2, CO2 oder eine Mischung dieser Gase ist. Method or device according to one of the preceding claims, characterized in that the gas is air, N 2 , O 2 , CO 2 or a mixture of these gases. Verfahren oder Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangspartikel eine mittlere Größe von zwischen 20 und 200 µm, bevorzugt zwischen 40 und 100 µm und weiter bevorzugt zwischen 45 und 60 µm haben.Method or device according to one of the preceding claims, characterized in that the input particles have an average size of between 20 and 200 µm, preferably between 40 and 100 µm and more preferably between 45 and 60 µm. Verfahren oder Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangspartikel eine mittlere Größe von zwischen 1 µm und 10 µm, bevorzugt zwischen 2 µm und 5 µm und weiter bevorzugt von 3 µm haben.Method or device according to one of the preceding claims, characterized in that the starting particles have an average size of between 1 µm and 10 µm, preferably between 2 µm and 5 µm and more preferably of 3 µm. Verfahren oder Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangspartikel Tröpfchen einer Flüssigkeit sind.Method or device according to one of the preceding claims, characterized in that the input particles are droplets of a liquid. Verfahren oder Vorrichtung nach Anspruch 21,, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit Wasser ist.Method or device according to claim 21, characterized in that the liquid is water. Verfahren oder Vorrichtung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit als Trägerflüssigkeit für einen Wirkstoff dient.Method or device according to claim 21 or 22, characterized in that the liquid serves as a carrier liquid for an active ingredient. Verfahren oder Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirkstoff arzneilich, insbesondere inhalationstherapeutisch, wirksam ist.Method or device according to claim 23, characterized in that the active substance is medicinal, in particular inhalation therapy. Verfahren oder Vorrichtung nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit ein Lösungsmittel ist, insbesondere Alkohol.Method or device according to claim 23 or 24, characterized in that the liquid is a solvent, in particular alcohol. Verfahren oder Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit brennbar und insbesondere Kraftstoff ist. Method or device according to claim 21, characterized in that the liquid is combustible and in particular fuel. Verfahren oder Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangspartikel alternativ oder zusätzlich locker zusammenhängende feste oder halbfeste Partikel sind.Method or device according to one of claims 1 to 26, characterized in that the input particles are alternatively or additionally loosely connected solid or semi-solid particles.
    EP01130831A 2001-01-11 2001-12-27 Method and apparatus for the generation of an aerosol Withdrawn EP1224980A1 (en)

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