世界军用制氧设备调查报告 - 图文

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军用分子筛制氧设备调查报告 2010/01/15 世界军用分子筛制氧设备调查报告 北京谊安医疗系统股份有限公司气体工程部 地址:北京市丰台区丰台科学城航丰路4号 电话:010-83681616-8120 传真:010-63718989 编撰人:许庆斌 审核人:吴满立 第 1 页 共 44 页 军用分子筛制氧设备调查报告

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目录

第一章

PSA制氧技术 ................................................................................................................ 5 1.1概述 ........................................................................................................................ 5 1.2 VPSA、VSA、PSA技术 .......................................................................................... 6

第二章 分子筛制氧在军队中的应用 ....................................................................................... 8

2.1陆军用氧 ................................................................................................................. 8 2.1.1.组织机动式供氧 .................................................................................................. 8 2.1.2小团队移动式供氧 ............................................................................................ 11 2.1.3单兵轻便式供氧 ................................................................................................ 12 2.1.4机载式供氧 ........................................................................................................ 13 2.2空军用氧 ............................................................................................................... 13 2.2.1飞行员呼吸供氧 ................................................................................................ 13 2.2.2飞机备用供氧 .................................................................................................... 14 2.2.3飞机发动机补氧 ................................................................................................ 14 2.2.4直升机救护供氧 ................................................................................................ 14 2.2.5其他 .................................................................................................................... 14 2.3海军用氧 ............................................................................................................... 14 2.3.1潜艇供氧 ............................................................................................................ 14 2.3.2医疗船供氧 ........................................................................................................ 15

第三章 世界主要军用制氧公司简介 ..................................................................................... 16

3.1美国太平洋联合工业公司(PCI) ..................................................................... 16 3.2.美国赛科公司(Sequal) ................................................................................... 18 3.3美国安赛特公司(ONSITE) ............................................................................... 19 3.4美国埃塞克斯深冷公司(Essex Cryogenics) ............................................... 19 3.5英国科巴姆航天和防务公司(Cobham PLC) ................................................... 21 3.6法国奥普拉斯科技公司(Oxyplus) ................................................................. 22 2.1.1.1组织机动型供氧 ............................................................................................... 8

第四章 世界典型军用制氧设备一览 ....................................................................................... 6

4.1旋转阀变压吸附制氧机(RVPSAOG) ................................................................. 23 4.2远程机动型制氧系统(EDOCS) ......................................................................... 24 4.3便携式制氧系统(POGS) ................................................................................... 27 4.4便携式治疗用氧气生产系统(PTOCS) ............................................................. 29 4.5科巴姆公司的成套分子筛制氧解决方案 ........................................................... 30 4.6集装箱式制氧设备 ............................................................................................... 32 4.7战地救护车(MV-E)和战地处置车(MV-T) ................................................... 33 4.8其他方式制氧设备 ............................................................................................... 34

第五章 VPSA军用分子筛制氧设备特点及优势 .................................................................... 34

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5.1 VPSA-O2原理及工艺流程 .................................................................................... 34 5.2 VPSA-O2能耗分析 ................................................................................................ 36 5.3 VPSA-O2与PSA-O2比较 ...................................................................................... 36 5.4 单塔VPSA制氧设备基本组成 ............................................................................ 36 5.5 单塔VPSA-O2制氧设备使用范围 ...................................................................... 36 5.6 单塔VPSA-O2制氧设备成本核算 ...................................................................... 39 第六章 VPSA军用分子筛制氧设备开发分析 ........................................................................ 41

6.1行业进入和退出难度 ........................................................................................... 41 6.2市场状况及行业前景 ........................................................................................... 42 6.3差异化及同质化分析 ........................................................................................... 42 6.4行业赢利水平 ....................................................................................................... 42 6.5生产分析 ............................................................................................................... 42 6.6产品定位 ............................................................................................................... 43 6.7研发难度 ............................................................................................................... 43 6.8研发优势 ............................................................................................................... 43 6.9销售策略 ............................................................................................................... 43 第七章 结论 ............................................................................................................................. 44

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第一章 分子筛制氧技术

1.1 概述

分子筛制氧技术又称变压吸附(pressure swing adsorption,简称PSA)制氧技术,是一项从空气混合物中分离提取或富集氧气的新型气体分离技术,其基本原理是利用吸附剂对不同气体在吸附量、吸附速度、吸附力等方面的差异以及吸附剂的容量随压力

的变化而变化的特性,在加压条件下完成空气的吸附分离过程,降压下解吸所吸附的氮气等杂质成分,从而实现空气的分离制氧以及吸附剂循环使用的目的。该技术是1960年由SKarstrome等人发明的,在工业上最初应用于空气的干燥和氢气的纯化,1970年开始用于分离空气制氧。分子筛制氧同其他工业空分制氧,如;低温精馏法,薄膜渗透法、化学法、电解法等相比,具有投资少,能耗低、安全、方便、自动化程度高等许多优点。可广泛应用于医疗、污水处理、水产养殖、冶炼、军事等领域。我国从1966年开始研究沸石分子筛吸附分离空气制氧,但由于分离效率低,单位产品能耗高,没有得到发展。从70年代开始,陕西化肥研究所、西南化工研究院等单位相继开展了变压吸附制氧的实验研究,并建立了中试装置,

受当时技术条件的限制,未能实现工业化。80年代是我国变压吸附制氧研发的低潮期,此时,受机械部指令性计划的安排,四川空分厂开始50m3/h PSA制氧装置的研制,并列入国家“六五”科技攻关项目,1987年,项目通过国家鉴定和验收。80年代中期,天津军事医学科学

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废弃物处理系统、中心供氧系统、通讯系统、消防灭火系统、直升机起降平台等,

而中心供氧系统各国全部采用分子筛制氧系统,包括中国。

我国866医疗船 世界著名慈善组织“慈善医疗船”

上的分子筛制氧设备

第三章 世界主要军用制氧公司简介

3.1美国太平洋联合工业公司(PCI)

太平洋工业公司在1984年成立,最开始制造低温空气分离设备。如今已发展成用于军事、医疗和石油天然气领域,现场制取液态和气态氧气、氮气设备的多元化

制造商,空气分离领域已经延伸到变压吸附 EDOCS-120 机动制氧单元为位于阿 和膜分离。1998年,该公司由于需 要扩大 富汗巴格拉姆美国陆军战斗后勤医院 生产能力,从美国加州阿纳海姆市搬迁到 生产医疗级氧气 奥林奇镇,包括现场制取用于水处理、 军事、医疗、石油天然气领域的液态、气态氧气和氮气的设备的产能有了很大提升 。目前,该公司有148名员工,拥有40多项美国专利。

SGNSC设备 为美国空军、英国皇家空军、韩国空军等20多个国家提供便携式氮气系统解决方案

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PCI已经为美国空军及其他客户制造了超过1500套独立的膜分离制氮车,并且为美国及多国陆军、空军制造了数百台EDOCS-120机动式制氧系统,基于在深冷领域独特的技术,PCI已经获得了下一代核能航空母舰制取液氧设备的合同,全球的客户名单包括美国空军、美国海军、美国陆军、美国海军陆战队、国防部、北约、韩国、泰

GAMMA 设备生产供空军后勤保 国、台湾、英国皇家空军、埃及、土耳其、约旦、障使用的浓度99.5的呼吸用液氧 等国家和组织。PCI的研发队伍不仅仅在空分技术

领域有较强的背景,而且在流体和流程控制领域有多年的经验,如该公司工程技术主管塔里克 .那赫里来PCI之前在美国最著名的气体产品与化学公司从事PSA气体分离技术20多年,是全球吸附技术领域的专家。他把在气体产品与化学公司研发的单塔VSA技术带到了PCI公司。目前,气体产品与化学公司专注的领域是环保领域的氧气曝气,多用大型设备。而PCI公司主要在军事和医疗领域开展业务,常属小型设备。不过,2007年,PCI公司爆出行贿丑闻,该公司前执行副总裁兼销售和市场总监马丁.埃里克塞弗1999年为了获得英国皇家空军的大额空分设备合同,向英国国防部官员行贿70000美元,违反了美国的反海外腐败法,被美国法院判刑8个月。

美国太平洋联合工业公司的拳头产品是 EDOCS-120B,该产品在美国伊拉克和阿富汗战争中,由于美军及多国联军的普遍使用,为PCI公司赚取了不菲收益。该产品的详细介绍参见世界军用制氧设备有关EDOCS-120的阐述,该公司正在积极开拓民用市场,由于该设备同目前普遍流向的PSA制氧相比,具有非常明显的优

势,制氧成本甚至低于液氧厂的实际生产成本 DOCS66民用每小时四立方制氧设 ,前景应该不错。 备跟笔记本比照,可以判断出该设

备体积很小。

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3.2美国赛科公司(SEQUAL)

早在2001年,美军就向赛科公司提出要求,

希望赛科公司能够研制出一种替代战场上使用频繁的氧气瓶的超便携式小型制氧机,赛科公司嗅到了这个商机,从而促成了后来畅销全球的Eclipse超便携式微型制氧机的诞生,尤其是在美军及联军中,赛科公司获得了大笔订单。从2006年8月,到2007年末,市场份额急速增加了50%,同时被多个航空公司批准在飞机上可以携带,赛科公司也从1991年刚开始创立的一个只生产微型制氧机的小公司发展成向多元产品过渡的颇具规模的公司,美国新闻也以

“赛科插上军队的翅膀”报道了公司的发展历程。正如其公司自我介绍的一样,赛科公司是一家以市场为导向,以科技为本的公司,自从创立以来,其推出的具有独创专利的ATF模块化制氧以可靠性高、噪声低、能耗低而成为业内公认的优质产品,畅销全球100多个国家和地区,甚至国内有很多企业模仿其产品。但是仅过了不到2年时间,赛科公司就认为该技术已经过时,继而在ATF原理的基础上,推出了5塔VPSA变压吸附旋转阀技术,氧气回收率达到了70%以上,由于回收率高,制氧机不需要配置较重的空压机,空压机与真空泵共用一个电机,采用高效锂分子筛,使设备的整体重量不超过8公斤,,这就是Eclipse的最初机型,根据用户的使用情况反馈信息以及技术的进步,目前Eclipse已经研发到第三代,如图为Eclipse3外形图,图二为适合军队需求,外形变更,减重后的Eclipse,只有4.5公斤.该产品自问世以来,不仅仅在销售方面取得成功,Eclipse的质量也得到了认可,获得多项大奖:华尔街日报医疗器械技术创新奖,该奖是为了表彰在医疗、软件、互联网、无线和消费电子类领域取得杰出突破的产品,该杂志收到800多份参赛作品,只有4%的作品获奖。获奖者由一个独立的评审小组选出。从商业飞机到陆军坦克,再到高尔夫球车,Eclipse可以说无处不在,2007年圣地亚哥工程理事会和制造协会授予Eclipse杰出制造工程项目奖。该奖项每5年才评选一次。同时被美国国防高级研究计划局(DARPA)选定为第1期小企业创新

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研究项目,启动进一步的研发,以进一步完善Eclipse的各方面的性能,军方希望进一步部署到野战部队当中,完全替代氧气瓶。除了抢救生命,未来Eclipse将有效解决军队的后勤负担,并且潜在地每年节省数千万美元的费用。在世界军用制氧设备一览中,我们将主要介绍改成军用的Eclipse。

3.3美国安赛特公司(ONSITE)

具有17年的PSA常温气体分离设备制造经验,产品销售60多个国家和地区,公司创办人Mr.Frank曾服务于美国航空暨太空总署(NASA)参与阿波罗计划,在航天气体制造及应用领域有丰富经验,追求最精准、性能最稳定的产品,制氧设备具有体积小、重量轻、耗电低、最不需要维护的特色。该公司不仅生产制氧设备,还生产制氮设备

ONSITE公司的军用制氧设备普遍采用两塔工艺流程,并且采用加压吸附,常压解吸的常规PSA工艺。

2003年,在中国珠海成立分公司,主要业务是销售和技术咨询。如图为美国ONSITE公司生产的几款军用制氧设备

ONSITEG公司的拳头产品是POGS-33,该产品在伊拉克与阿富汗战争期间,被美军大量采购。

POGS-33在阿富汗战场上使用 ONSITE公司分子筛制氧机系列产品

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3.4、美国埃塞克斯深冷公司(Essex Cryogenics )

位于美国密苏里州的埃塞克斯深冷公司隶属于埃塞克斯集团,埃塞克斯集团成立于1947年,业务领域涉足国防、航空、商业、私人运动飞机、紧急医疗、流体动力、家庭保健、高性能汽车以及其他诸多领域。下属ALAR PRODUCTS,DOLPHIN NSYTEMS,ESSEX MANUFACTURE,ESSEX CRYOGENICS等业务分公司。

ALAR PRODUCTS公司是军用抗重力适应阀的主要供应商。

DOLPHIN NSYTEMS主要生产燃料和环保传输控制阀、航空电子冷却用鼓风机、液压球阀、保持轻型装甲车干燥的舱底泵等

ESSEX MANUFACTURE主要负责工程施工、机械加工、装配、阳极氧化制造,生产的部件超过10000种,包括特种阀门、快速切断器、控制杆夹具、液压缓冲器、替代燃料调节器等。而制氧分公司主要是ESSEX CRYOGENICS,即埃塞克斯深冷公

埃塞克斯深冷公司员工在组装产品 司:设计和制造低温系统,包括飞机用液氧蒸发器和储罐、家庭保健用杜瓦瓶、便携式治疗用液氧系统(PLOTX)、0.5升到400加仑低温储存系统、直升机和地面救护车用轻型氧气系统、压缩及液化天然气和其替代燃料用储罐、高压气瓶、相关阀门、热交换器和其附属部件等。

埃塞克斯深冷公司的主要业务是液氧,但是,为了与液氧产品互补,丰富产品线,2001年,埃塞克斯深冷公司还开发了一种战场上使用的便携式分子筛制氧系统PTOCS(Portable Therapeutic Oxygen Concentration System),见其产品的详

细介绍参见4.4章节。 NPTLOTX

埃塞克斯深冷公司在伊拉克与阿富汗战场上的主打产品有两个:NPTLOTX(Next Generation Therapeutic Liquid Oxygen)和PTOCS,该液氧设备

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4.2.3.9外壳底部有叉车孔,便于地面机械搬运,在设备的上部同样也提供了叉车孔,那么如果该设备在铲车或叉车的下部,也比较容易搬运。在方形设备的

EDOCS-120对氧气瓶组(HOBS)进行灌瓶操作 每个角,提供了4个吊装环,

便于直升运输机在上部吊装时穿吊索。两台该设备恰好能放在一个标准的463-L型航空托盘上。仅仅半个463-L航空托盘装载的一套该设备就可以为一个远程医疗系统再加25个战地医院提供供氧支持。

4.2.3.10氧气浓度的控制是通

过氧气传感器控制涡旋氧气增压泵的转速来实现的,较低的氧气增压泵速度使从制氧主机抽出的氧气流量变少,因此会提高氧气纯度。相反,如果增压泵的速度提高,从制氧主机抽出的氧气流量增大,因此,会降低氧气的浓度。通过上述方式,会保证氧气浓度维持在一个稳定的范围。

4.2.3.11通过对氧气增压泵的调节亦可实现对氧气压力的调节,如果氧气压力低,可以增加增压泵的转速,以从制氧主机抽出更多的氧。氧气压力高,就降低泵的转速,少抽一点氧,通过该方式,亦实现压力稳定在100psi左右。

4.2.3.12 如果氧浓度控制与氧压力控制发生冲突,如氧压力低,氧浓度也低,那么降低泵的转速,去减少氧压力,提高氧浓度。如果氧浓度超过96%,一个释放阀将打开去泻压,来实现提高流量和降低氧浓度。氧浓度永远是优先控制点。 4.2.3.13设备同时带两个低压氧气输出接口,输出口设有减压阀,以保证输出压力的连续稳定。

4.2.3.14 内置的氧气压缩机可以提供每分种60升,15MPa的压力来实现灌瓶功能,(也可以打到20MPa,但是流量降低到每分钟40升)

4.2.3.15 4个M型氧气瓶(在压力15MPa下,每个氧气瓶储存标准状态下3540升的氧气)安装在该设备的内部,总的氧气量可以达到14160升,足够在该设备出现故障、停电、或检修时,提供两个小时以上,全流量(120升/分钟)的氧气供应。如果提供给战地医院的氧气压力低于0.5MPa,备用M型氧气瓶将自动开启,进行供氧,以保证给战地医院的输出压力维持在要求的范围内。

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4.2.3.16当氧气压缩机以每分钟60升的速度灌氧气瓶的时候,另外60升可以提供给战地医院使用,但是在灌瓶期间,如果医院的用氧量超过每分钟60升,医院的供氧压力降低到0.5MPa以下,不能满足使用要求

高压灌瓶接口 的程度,,这时,该设备的调节阀

将打开,允许利用已灌充的氧气瓶内的氧气直接对医院进行供气,来保证0.5MPa的压力稳定。当医院的用氧量减少时,压力升高到0.5MPa以上,这时该调节阀将关闭,并且灌充氧气瓶重新恢复。

4.2.3.17为了保证医疗安全,四个D或E型的氧气瓶可以在其他用氧量不是很大的时候会自动灌充到15MPa以上,这些氧气瓶可以用于执行救护任务的救护车、直升机等大型制氧设备供氧不能达到的移动场所。

4.2.3.18 工作温度、湿度范围很宽,在零下32度到零上49度,任何湿度范围内(0-100%RH),海拔4000米以下都可以正常工作(如果海拔4000米以上,稍做结构改动也可以实现正常工作)

(上述信息根据PCI及相关军方网站下载资料PCI产品介绍内容整理,相关内容可参见附件)

4.3便携式氧气生成系统(POGS)

4.3.1简介

美军传统上是在后方灌充氧气瓶然后运输到战场上去,但是这种方式给后勤保障增加了很大的负担和风险。美国军方希望生产氧气、或者灌瓶离伤病员吸氧的现场越近越好,这样减少了氧气的运输,

提高了氧气供应的可靠性,最大限度保障伤病员能够及时吸氧。因此,美国ONSITE公司根据军方需求开发了POGS系列产品POGS-33,POGS-10,POGS-5等 4.3.2 用途

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POGS系列产品用于提供足够的医疗级的氧气和医疗级的压缩空气,以便满足伤病员吸氧、手术室操作麻醉机、呼吸机用氧、用气需求,并且可以灌装用于转移病人和备用的氧气瓶。主要适用于前面描述的小团队移动式供氧,也可以多台组合,进行较

大规模机动式供氧。 POGS-10在美国海军陆战队战地医院使用 4.3.3 产品特点

该设备为了便于携带,所有部件集成在一个箱体里,象POGS-33可由4人搬运,POGS-10只需要两个人。POGS-33产生每分钟33升的氧气,POGS-10则每分钟生产10升氧气,依此类推。另外可以灌充氧气瓶。压力达到13-15Ma左右,,每天可以灌充25个D型氧气瓶,每个氧气瓶可以储存氧气425升,该设备除了交付氧气,还可以生产与氧气等量的压缩空气,压力可以达到0.4MPa以上,以供呼吸机和麻醉机使用,每台设备可以独立运行、或者多台联合使用,以提供无限量氧气。产品自开发以来,已有几千台POGS-33,POGS-10等设备被美国联邦紧急事务管理局,国土安全部和若干州的用于救灾和应急准备的机构采购,被部署到伊拉克、阿富汗或用于美国抗震救灾。在卡特琳娜飓风侵袭期间,ONSITE公司派出一个快速反应小组和8 台POGS 33制氧设备,在发电和配电设施陷入瘫痪的条件下,在最偏远和恶劣的环境中,每天24小时,每周7天,两周的连续工作,设备经受了考验。

POGS-33在新奥尔良临时替换被破坏的基础设施进行灌瓶操作,(上述信息根据ONSITE网站下载资料整理,相关内容可参见附件)

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4.4 便携式治疗用氧气生产系统(PTOCS)

4.4.1 简介

该产品由埃塞克斯深冷公司2002年开发,当初的设计思路就是在战争中给液氧无法获得的环境中的伤病员提供氧气补充,因为根据美国空军医疗服务机构(AFMS)要求,空中运送伤员和地面医疗设施都必须有提供充足治疗氧气的能力,这个气态的制氧设备就能够提供这些医疗设施所要求的氧气流量和驱动需氧设备所需的氧气压力。 4.4.2 用途

在野战医院环境条件下,给伤病员提供补充的治疗用氧气。 4.4.3 特点

该设备是根据变压吸附原理,并使用分子筛做吸附剂分离空气中的氧气。设有3个氧气输出端口,最大输出氧气流量是每分钟45升,最大输出压力50psi。不具备灌瓶功能。氧气最低浓度在93%以上,平均浓度95%,配件包括20英尺

长的医疗级的氧气管和为每个输出口的配置流量调节器。设备重量390公斤,可以四人搬运。功率6.8KW,平均每立方需要耗电2.5度电,而PCI的EDOCS每立方耗电只有0.7度电。差距不小。该设备市场售价3万9千美元。

4.5 科巴姆公司的成套分子筛制氧解决方案

4.5.1简介

科巴姆公司用于战地医院的产品主要有病人呼吸用制氧系统(PVOCS)、移动制氧系统(mobile O2)、改进的高流量型病人呼吸用制氧系统(PVOCS HF)以及灌瓶系统(DCS-O),为野战医院提供了整套解决方案。这几款产品除了PVOCS HF 外,实际上都是查尔顿科技公司的前身:排名世界军火公司第三名的美国诺斯罗普格鲁门公司生命保障分部2002年开发的新产品,只不过2003年被科巴姆收购

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后,查尔顿公司坐享其成。查尔顿公司接手后,在2005年推出了PVOCS的改进版,改进版在不增设备整体外形尺寸和重量的条件下,流量提高了50%。 4.5.2 用途

4.5.2.1、移动制氧系统(mobile O2)及灌瓶系统(DCS-O)

主要的用途是为用户提供一种更灵活和更安全的生产氧气的方式而设计的,为医用氧或飞行员呼吸用氧灌瓶提供氧整体解决方案 。 4.5.2.2病人呼吸用制氧系统(PVOCS及PVOCS HF)

主要开发意图是为战争中野战医院的麻醉机、呼吸机提供所需要的氧气和空气以及为伤病员提供呼吸所用的氧气,尤其适合氧气瓶或者液氧不能到达的地方,或者为了安全用氧。。 4.5.3 主要特点

4.5.3.1移动制氧系统(mobile O2)及灌瓶系统(DCS-O)

该设备向用户提供两级保护:一级保护是视觉确认 , 确认生产的氧气符合规范。二级保护,以听觉和视觉两种方式向用户发出故障警报,提醒用

户氧气浓度低于90% mobile O2

mobile O2使用固态氧浓度仪,精确到± 0.5%,持续监测氧气浓度。如果氧气浓度低于美国药典或飞行员呼吸氧气的要求,该设备将报警。 当mobile O2与灌瓶机DCS-O联合使用时,该设备将通过一个RS-232接口,给DCS-O

发出信号,停止灌瓶操作,以确保只有 DCS-O

符合要求的氧气才能灌装入瓶。mobile O2内置在一个军用集装箱里,外形尺寸:902X686X635mm3,重量约77公斤,相当于一个成年人的体重,每分钟产氧量8升,输出压力25Psi,通过美国FDA认证,工作温度4度到40度。而DCS-O同样放置在一个军用集装箱里,外形尺寸:889X686X508 mm3,重量70公斤。每分钟可以灌

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