CN110887866B - 一种相变储能材料控温能力的测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相变储能材料控温能力的测试装置，包括测试容器、加热组件、装载容器、温度采集组件和数据记录组件；测试容器内盛装有传热介质，加热组件装于测试容器上，用于加热传热介质，测试容器内设有多个装载容器，至少一个装载容器空置；装载容器内可拆卸连接有用于放置待测相变储能材料的承物台；温度采集组件用于采集装载容器内部环境温度和待测相变储能材料温度，温度采集组件与测试容器外的数据记录组件连接。其结构简单，操作便捷，能够解决目前相变储能材料不能直接测试其控温能力的问题，能真实反映相变储能材料对环境温度的响应状况。本发明还公开了一种相变储能材料控温能力的测试方法，简单易行，成本低廉。

Description

一种相变储能材料控温能力的测试装置及方法

技术领域

本发明涉及相变储能材料特性的测试，具体涉及一种相变储能材料控温能力的测试装置及方法。

背景技术

能量对我们的日常生活是必不可少的。然而，从一次能源中回收能源的成本和能源需求自过去几十年来一直在同步增长。近年来，零能耗建筑和被动式太阳能建筑概念的融合引起了科学界的关注，也引起了社会和工业企业的关注。开发高效隔热的新材料是降低当前能源消耗、实现可持续发展的基石之一。基于此，传统材料的一个主要替代品相变储能材料应运而生，相变储能材料随着温度的变化可改变其物质状态并提供潜热，能实现热量的储存及缓慢释放，在节约能源方面具有得天独厚的优势，相变储能材料包括相变材料和相变复合材料。研究表明，将相变材料与普通建筑材料（如：石膏、混凝土、砖块或聚氨酯板等）相结合可提高材料的蓄热和隔热能力，将相变材料微胶囊化后与建筑材料相结合还可解决相变材料的渗漏问题，并且阻止相变材料与基体材料之间可能发生的化学反应。

相变材料与基体材料结合后的相变复合材料在其相变温度下可以保持一段时间的恒温状态。相变复合材料根据其中含有的相变材料种类的不同，其相转变温度不同，潜热值也不同，即控温能力不同。相变复合材料中不同的相变材料含量也会导致其控温能力的差异。因此，找到一种简单有效且直观的相变储能材料控温能力测试方法至关重要。

目前相变储能材料的控温能力衡量标准主要是依靠差示扫描量热仪DSC测量出的相变焓值，相变焓值代表的是每单位质量或者每摩尔质量的物质在相变时所吸收或放出的热量。利用DSC得到的数据是相变储能材料的潜热值，虽然一定程度上代表了其控温能力，但是显然不够直观。因此设计一种操作方便、能以时间为度量单位的相变储能材料控温能力的测试装置及方法是该领域亟待解决的问题。

CN110174433A公开了一种相变材料储热量的测试装置及方法，该装置包括底座、侧面保温层、保温盖、容器、传热介质、温度传感器和温度记录仪。该方法包括：S1取相变材料并封装，加热。S2将传热介质盛于容器内，当容器和传热介质温度一致时，记录温度为Tmin；S3将相变材料置入传热介质底部，记录温度，直至升温至Tmax，记录时间t，自然降温；S4记录传热介质在自然降温后的温度Tc；S5：计算储热量U和相变焓q。其装置及测试方法的成本低，测试相变温度范围广；并且相较于传统的DSC方法，其对于混合性较差的相变材料的测试结果更接近实际值。但是其相变材料直接与传热介质接触，使得相变材料在测试过程被传热介质污染，无法进行二次测试。并且用于盛装传热介质的容器体积恒定，进而使得相变材料尺寸受限，相应地限制了测试范围。

CN108645890A一种测试相变材料调温性能的测试装置及其测试方法，所述测试装置包括保温台和与所述保温台配合使用的加热装置，所述保温台上设置有至少两个容纳腔，至少一个容纳腔用于盛装相变材料，每一个容纳腔内均设置有热电偶，所述热电偶通过导线与保温台外的无纸记录仪连接，所述无纸记录仪与电脑通信连接，实现在同一测试装置上进行对比试验，实时监控相变材料对容纳腔模拟的环境空间的温度的影响情况，并适时采用加热装置模拟环境温度升高或降低的情况，所述加热装置包括支撑机构和设置在所述支撑机构上的加热热源，所述加热热源朝向所述容纳腔顶部开口，所述容纳腔位于所述加热热源的加热范围内，这种加热方式容易导致容纳腔受热不均，导致测试结果不准确。并且由于相变材料直接与容纳腔内壁接触，容纳腔内壁的温度变化将直接作用于相变材料，进而影响测试结果。

发明内容

本发明的目的是提供一种相变储能材料控温能力的测试装置及方法，其结构简单，操作便捷，能够解决目前不能直接测试相变储能材料控温能力的问题，能真实反映相变储能材料对环境温度的响应状况。

本发明所述的相变储能材料控温能力的测试装置，包括测试容器、加热组件、装载容器、温度采集组件和数据记录组件；所述测试容器内盛装有传热介质，所述加热组件装于测试容器上，用于加热传热介质，该测试容器内设有多个装载容器，至少一个装载容器空置，测试过程中装载容器处于密封状态；所述装载容器内可拆卸连接有用于放置待测相变储能材料的承物台；所述温度采集组件用于采集装载容器内部环境温度和待测相变储能材料温度，温度采集组件与测试容器外的数据记录组件连接。

进一步，所述温度采集组件包括用于采集装载容器内部环境温度的第一温度探头和用于采集待测相变储能材料温度的第二温度探头，所述第一温度探头的测试端伸入至空置装载容器内部，第二温度探头的测试端与待测相变储能材料接触，所述第一温度探头和第二温度探头均与数据记录组件连接，所述数据记录组件包括用于记录温度变化的数字显示组件和录像组件。

进一步，所述测试容器内的传热介质上表面高于置物台上待测相变储能材料的顶面。

进一步，所述装载容器的材质为玻璃、不锈钢或铝合金，其尺寸大小根据待测相变储能材料尺寸进行合理设计。

进一步，所述承物台的材质为泡沫塑料、超细玻璃棉、高硅氧棉或真空隔热板。

进一步，所述泡沫塑料为聚氨酯泡沫、聚苯乙烯泡沫或聚氯乙烯泡沫。

进一步，所述传热介质为水或硅油。

进一步，还包括用于封闭装载容器顶部开口的密封盖，所述密封盖上设有至少一个通孔，该通孔容温度采集组件穿过。

进一步，所述承物台上设有容置槽，当待测相变储能材料为固-液类相变储能材料时，可以通过该容置槽容纳液体材料，防止固-液转换时材料从承物台上流失，还可以将承物台拆下，直接通过装载容器测试固-液类相变储能材料的控温能力。

一种相变储能材料控温能力的测试方法，采用上述的相变储能材料控温能力的测试装置，包括如下步骤：

S1，将待测相变储能材料置于装载容器的置物台上，至少留一个装载容器空置，封闭装载容器，通过空置的装载容器中的温度采集组件采集装载容器内部环境温度，其它的温度采集组件采集待测相变储能材料温度，温度采集组件将采集的信号传送给测试容器外的数据记录组件；

S2，设定传热介质的初始温度，待装载容器内部环境温度稳定后开始采集并记录待测相变储能材料温度；

S3，设定传热介质的终止温度，由传热介质调控装载容器内部环境温度，模拟相变储能材料环境温度变化，通过数据记录组件获取装载容器内部环境温度和待测相变储能材料温度变化数据，分析数据。

进一步，所述S1中当待测相变储能材料为相变复合材料时，至少有一个装载容器用于放置对照组材料，该对照组材料为相变复合材料的基体材料。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果。

1、本发明通过测试容器内的传热介质调控装载容器内部环境温度，模拟环境温度升高或降低的情况，通过温度采集组件和数据记录组件获取待测相变储能材料随环境的温度变化情况，能够直观的表征相变储能材料的控温能力。

2、本发明通过隔热性能较好的承物台来隔开相变储能材料和装载容器，避免了相变储能材料直接与装载容器内壁接触，有效防止装载容器内壁温度变化影响测试结果。并且承物台与装载容器可拆卸连接，当需要测试固-液类相变储能材料的控温性能时，可以将承物台从装载容器中取出，直接通过装载容器测试固-液类相变储能材料的控温能力。

3、本发明装载容器采用导热性能较好的玻璃、不锈钢或铝合金制成，能够将传热介质的温度快速传递至装载容器内部，通过装载容器的温度变化来模拟环境温度升高或降低，使得待测相变储能材料受热均匀，提高了测试结果的准确性。并且装载容器的尺寸大小根据待测相变储能材料尺寸进行合理设计，进而根据相变储能材料的尺寸选择相应大小的装载容器，使得该测试装置满足了不同相变储能材料的测试需求。

4、本发明测试容器内传热介质上表面高于置物台上待测相变储能材料的顶面，保证了待测相变储能材料周围环境温度的均匀性，避免了相变储能材料受热不均，影响测试结果。

5、本发明所述的测试方法简单易行，成本低廉，通过数据记录装载获取多个装载容器内的温度变化情况，通过设置的空置装载容器，对装载容器内部环境温度进行精确把控，减小了装载容器内部环境温度与待测相变储能材料间可能出现的误差，提高了测试精度。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是实施例一的相变复合材料升温测试结果示意图；

图3是实施例二的相变复合材料降温测试结果示意图；

图4是实施例三的相变材料升温测试结果示意图；

图5是实施例四的相变材料降温测试结果示意图。

图中，1—测试容器，2—加热组件，3—装载容器，4—温度采集组件，41—第一温度探头，42—第二温度探头，5—数据记录组件，51—数字显示组件，52—录像组件，6—置物台，7—传热介质，8—待测相变储能材料，9—密封盖。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

实施例一，参见图1，所示的相变储能材料控温能力的测试装置，包括测试容器1、加热组件2、装载容器3、温度采集组件4和数据记录组件5；所述测试容器1内盛装有传热介质7，所述加热组件2装于测试容器1上，用于加热传热介质7，该测试容器1内设有多个装载容器3，至少一个装载容器3空置，测试过程中装载容器3处于密封状态；所述装载容器3内可拆卸连接有用于放置待测相变储能材料8的承物台6，所述温度采集组件4用于采集装载容器3内部环境温度和待测相变储能材料8温度，温度采集组件4与测试容器1外的数据记录组件5连接。所述数据记录组件5包括分体设置的数字显示组件51和录像组件52，提高了数据记录组件5布置的灵活性。

所述温度采集组件4包括用于采集装载容器3内部环境温度的第一温度探头41和用于采集待测相变储能材料8温度的第二温度探头42，所述第一温度探头41的测试端伸入至空置装载容器3内部，第二温度探头42的测试端与待测相变储能材料8接触，所述第一温度探头41和第二温度探头42将采集的信号传送给数据记录组件5。

所述测试容器1内的传热介质7上表面高于置物台6上待测相变储能材料8的顶面，使得待测相变储能材料8受热均匀，提高了测试结果的准确性。

所述装载容器3的材质为玻璃、不锈钢或铝合金，其尺寸大小根据待测相变储能材料8尺寸进行合理设计。所述承物台6的材质为泡沫塑料、超细玻璃棉、高硅氧棉或真空隔热板，其中所述泡沫塑料为聚氨酯泡沫、聚苯乙烯泡沫或聚氯乙烯泡沫。通过隔热性能较好的置物台6来隔开待测相变储能材料8和装载容器3，避免了相变储能材料8直接与装载容器3内壁接触，有效防止装载容器3内壁温度变化影响测试结果。

所述承物台6上设有容置槽，当待测相变储能材料8为固-液类相变储能材料时，可以通过该容置槽容纳液体材料，防止固-液转换时材料从承物台上流失，当需要测试固-液类相变储能材料的控温性能时，可以将承物台6从装载容器3中取出，直接通过装载容器3测试固-液类相变储能材料的控温能力。

所述传热介质7为水或硅油，当传热介质7为水时，最高测试温度为100℃，当传热介质7为硅油时，最高测试温度为300℃。

所述装载容器3顶部开口和密封盖9密封连接，所述密封盖9上设有至少一个通孔，该通孔容第一温度探头41或第二温度探头42穿过。密封盖9的设置一方面能够避免传热介质7由装载容器3顶部开口流入装载容器3内部，污染待测相变储能材料8，另一方面能够有效固定第一温度探头41或第二温度探头42，使得温度采集组件与待测复合材料接触良好，保证了测试能够顺利进行。

该测试装置通过传热介质7调控装载容器3内部环境温度，有效模拟了待测相变储能材料8的升温或降温，再利用温度采集组件4采集装载容器3内部环境温度和待测相变储能材料8温度，借助数据记录组件5表征待测相变储能材料8随环境的温度变化情况，结构简单，运行稳定，简单易行，成本低廉，能够直观的表征出相变储能材料的控温能力。

实施例二，一种相变储能材料控温能力的测试方法，采用上述的相变储能材料控温能力的测试装置，测定二氧化硅包覆正十八烷型相变微胶囊改性聚氨酯硬质泡沫的相变储能材料在升温过程中的控温能力，包括如下步骤。

S1，采用玻璃烧杯作为装载容器，以二氧化硅包覆正十八烷型相变微胶囊改性聚氨酯硬质泡沫的相变复合材料作为测试组，以硬质聚氨酯硬质泡沫为对照组，以空置的装载容器作为空白组，分别将测试组和对照组的材料裁剪成相同尺寸，再放置于装载容器的置物台上，采用密封盖封闭装载容器顶部开口，第一温度探头测试端穿过密封盖伸入到空白组的装载容器内部，用于采集装载容器内部环境温度，采用两个第二温度探头分别与测试组和对照组的装载容器内置物台上的材料接触，用于采集测试组和对照组的材料温度，第一温度探头和第二温度探头将采集的信号传送给测试容器外的数据记录组件。

S2，将空白组、对照组和测试组的装载容器放置于测试容器的传热介质内，设定传热介质的初始温度为15℃，静置20min，待装载容器内部环境温度稳定后开始采集并记录待测相变复合材料温度。

S3，启动加热组件对传热介质进行加热，设定传热介质的终止温度为45℃，由传热介质调控装载容器内部环境，进而模拟测试组和对照组的环境温度升高，通过数据记录组件获取空白组、对照组和测试组的温度变化数据，分析数据，结果参见图2。空白组的温度是模拟的装载容器内部环境温度，对照组测的是硬质聚氨酯泡沫的温度，测试组测的是添加有微胶囊相变粒子的硬质聚氨酯泡沫。随着环境温度的升高，硬质聚氨酯泡沫和添加有微胶囊的聚氨酯泡沫的温度都逐渐升高，但是由于聚氨酯本身的低导热率使材料对温度的响应不及时，对照组材料内部温度略低于环境温度；而测试组中由于微胶囊外壳二氧化硅的高热导率缓解了材料对温度的延迟响应，使其温度介于空白组和对照组之间。对照组中的升温趋势与空白组基本保持相同的趋势，而在测试组中添加有微胶囊相变粒子的聚氨酯泡沫在800~1100秒之间基本保持温度在25℃不变，这与微胶囊芯材十八烷的相变行为相吻合，十八烷在熔融过程中吸收热量从固态转变为液态，材料内部温度保持不变。结果表明：在硬质聚氨酯泡沫中添加微胶囊相变粒子能赋予其相变储能功能，实现对温度的调控，该测试装置能够监测相变储能材料内部温度变化，以时间为单位度量相变储能材料的控温能力。

实施例三，一种相变储能材料控温能力的测试方法，采用上述的相变储能材料控温能力的测试装置，测定二氧化硅包覆正十八烷型相变微胶囊改性聚氨酯硬质泡沫的相变储能材料在降温过程中的控温能力，包括如下步骤。

S1，采用玻璃烧杯作为装载容器，以二氧化硅包覆正十八烷型相变微胶囊改性聚氨酯硬质泡沫的相变储能材料作为测试组，以聚氨酯硬质泡沫为对照组，以空置的装载容器作为空白组，分别将测试组和对照组的材料裁剪成相同尺寸，再放置于装载容器的置物台上，采用密封盖封闭装载容器顶部开口，第一温度探头测试端穿过密封盖伸入到空白组的装载容器内部，用于采集装载容器内部环境温度，采用两个第二温度探头分别与测试组和对照组的装载容器内置物台上的材料接触，用于采集测试组和对照组的材料温度，第一温度探头和第二温度探头将采集的信号传送给测试容器外的数据记录组件。

S2，将空白组、对照组和测试组的装载容器放置于测试容器的传热介质内，启动加热组件对传热介质进行加热，设定传热介质的初始温度为45℃，待装载容器内部环境温度稳定后开始采集并记录待测相变储能材料温度。

S3，关闭加热组件，传热介质自然冷却，设定传热介质的终止温度为15℃，由传热介质调控装载容器内部环境，进而模拟测试组和对照组的环境温度降低，通过数据记录组件获取空白组、对照组和测试组的温度变化数据，分析数据，结果参见图3。空白组的温度是模拟的装载容器内部环境温度，对照组测的是硬质聚氨酯泡沫的温度，测试组测的是添加有微胶囊相变粒子的硬质聚氨酯泡沫。随着环境温度的降低，硬质聚氨酯泡沫和添加有微胶囊的聚氨酯泡沫的温度都逐渐降低，但是由于聚氨酯本身的低导热率使材料对温度的响应不及时，材料内部温度略高于环境温度；而测试组中由于微胶囊外壳二氧化硅的高热导率缓解了材料对温度的延迟响应，使其温度介于空白组和对照组之间。对照组中的降温趋势与空白组基本保持相同的趋势，而在测试组中添加有微胶囊相变粒子的聚氨酯泡沫在700~1200秒之间基本保持温度在27℃不变，这与微胶囊芯材十八烷的相变行为相吻合，十八烷在结晶过程中从液态转变为固态，缓慢释放热量，材料内部温度保持不变。结果表明：在硬质聚氨酯泡沫中添加微胶囊相变粒子能赋予其相变储能功能，实现对温度的调控，该测试装置能够监测相变储能材料内部温度变化，以时间为单位度量相变储能材料的控温能力。

实施例四，一种相变储能材料控温能力的测试方法，采用上述的相变储能材料控温能力的测试装置，测定正十八烷在升温过程中的控温能力，包括如下步骤。

S1，采用玻璃烧杯作为装载容器，以正十八烷作为测试组，以空置的装载容器作为空白组，将置物台从装载容器中取出，将正十八烷直接放置于装载容器内，采用密封盖封闭装载容器顶部开口，第一温度探头测试端穿过密封盖伸入到空白组的装载容器内部，用于采集装载容器内部环境温度，采用第二温度探头与测试组的装载容器内的正十八烷接触，用于采集测试组的材料温度，第一温度探头和第二温度探头将采集的信号传送给测试容器外的数据记录组件。

S2，将空白组和测试组的装载容器放置于测试容器的传热介质内，设定传热介质的初始温度为10℃，静置20min，待装载容器内部环境温度稳定后开始采集并记录待测相变复合材料温度。

S3，启动加热组件对传热介质进行加热，设定传热介质的终止温度为45℃，由传热介质调控装载容器内部环境，进而模拟测试组环境温度升高，通过数据记录组件获取空白组和测试组温度变化数据，分析数据，结果参见图4，正十八烷在升温过程中有明显的恒温期，升温过程中300~900s之间正十八烷的温度维持在28℃几乎保持不变，表现出优异的相变能力，直观的反映出相变材料的控温时间，即控温能力。

实施例五，一种相变储能材料控温能力的测试方法，采用上述的相变储能材料控温能力的测试装置，测定正十八烷在降温过程中的控温能力，包括如下步骤。

S1，采用玻璃烧杯作为装载容器，以正十八烷作为测试组，以空置的装载容器作为空白组，将置物台从装载容器中取出，将正十八烷直接放置于装载容器内，采用密封盖封闭装载容器顶部开口，第一温度探头测试端穿过密封盖伸入到空白组的装载容器内部，用于采集装载容器内部环境温度，采用第二温度探头与测试组的装载容器内的正十八烷接触，用于采集测试组的材料温度，第一温度探头和第二温度探头将采集的信号传送给测试容器外的数据记录组件。

S2，将空白组和测试组的装载容器放置于测试容器的传热介质内，设定传热介质的初始温度为45℃，启动加热组件将传热介质加热至45℃，待装载容器内部环境温度稳定后开始采集并记录待测相变储能材料温度。

S3，关闭加热组件，传热介质自然冷却，设定传热介质的终止温度为10℃，由传热介质调控装载容器内部环境，进而模拟测试组的环境温度降低，通过数据记录组件获取空白组和测试组温度变化数据，分析数据，结果参见图5，正十八烷在降温过程中有明显的恒温期，降温过程中正十八烷在28℃开始缓慢释放热量，表现出优异的相变能力，直观的反映出相变材料的控温时间，即控温能力。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种相变储能材料控温能力的测试装置，其特征在于：包括测试容器（1）、加热组件（2）、装载容器（3）、温度采集组件（4）和数据记录组件（5）；所述测试容器（1）内盛装有传热介质（7），所述加热组件（2）装于测试容器（1）上，用于加热传热介质（7），该测试容器（1）内设有多个装载容器（3），至少一个装载容器（3）空置，测试过程中装载容器（3）处于密封状态；所述装载容器（3）内可拆卸连接有用于放置待测相变储能材料（8）的承物台（6）；所述温度采集组件（4）用于采集装载容器（3）内部环境温度和待测相变储能材料（8）温度，温度采集组件（4）与测试容器（1）外的数据记录组件（5）连接；所述传热介质（7）为水或硅油。

2.根据权利要求1所述的相变储能材料控温能力的测试装置，其特征在于：所述温度采集组件（4）包括用于采集装载容器（3）内部环境温度的第一温度探头（41）和用于采集待测相变储能材料（8）温度的第二温度探头（42），所述第一温度探头（41）的测试端伸入至空置装载容器（3）内部，第二温度探头（42）的测试端与待测相变储能材料（8）接触，所述第一温度探头（41）和第二温度探头（42）均与数据记录组件（5）连接，所述数据记录组件包括用于记录温度变化的数字显示组件（51）和录像组件（52）。

3.根据权利要求1或2所述的相变储能材料控温能力的测试装置，其特征在于：所述测试容器（1）内的传热介质（7）上表面高于承物台（6）上待测相变储能材料（8）的顶面。

4.根据权利要求1或2所述的相变储能材料控温能力的测试装置，其特征在于：所述装载容器（3）的材质为玻璃、不锈钢或铝合金，其尺寸大小根据待测相变储能材料（8）尺寸进行合理设计。

5.根据权利要求1或2所述的相变储能材料控温能力的测试装置，其特征在于：所述承物台（6）的材质为泡沫塑料、超细玻璃棉、高硅氧棉或真空隔热板。

6.根据权利要求5所述的相变储能材料控温能力的测试装置，其特征在于：所述泡沫塑料为聚氨酯泡沫、聚苯乙烯泡沫或聚氯乙烯泡沫。

7.根据权利要求1或2所述的相变储能材料控温能力的测试装置，其特征在于：还包括用于封闭装载容器（3）顶部开口的密封盖（9），所述密封盖（9）上设有至少一个通孔，该通孔容温度采集组件（4）穿过。

8.一种相变储能材料控温能力的测试方法，其特征在于，采用权利要求1~7任一项所述的相变储能材料控温能力的测试装置，包括如下步骤：

S1，将待测相变储能材料（8）置于装载容器（3）的承物台（6）上，至少留一个装载容器（3）空置，封闭装载容器（3），通过空置的装载容器（3）中的温度采集组件（4）采集装载容器（3）内部环境温度，其它的温度采集组件（4）采集待测相变储能材料（8）温度，温度采集组件（4）将采集的信号传送给测试容器（1）外的数据记录组件（5）；

S2，设定传热介质（7）的初始温度，待装载容器（3）内部环境温度稳定后开始采集并记录待测相变储能材料（8）温度；

S3，设定传热介质（7）的终止温度，由传热介质（7）调控装载容器（3）内部环境温度，模拟相变储能材料（8）环境温度变化，通过数据记录组件（5）获取装载容器（3）内部环境温度和待测相变储能材料（8）温度变化数据，分析数据。

9.根据权利要求8所述的相变储能材料控温能力的测试方法，其特征在于：所述S1中当待测相变储能材料（8）为相变复合材料时，至少有一个装载容器（3）用于放置对照组材料，该对照组材料为相变复合材料的基体材料。

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