FR3132982A1 - Device for thermal regulation of an electrical and/or electronic element using a dielectric fluid and assembly comprising such a device - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un dispositif de régulation de température d’au moins un composant électrique et/ou électronique (2), notamment pour véhicule automobile, notamment une cellule de stockage d’énergie, le dispositif comprenant une enceinte (3) destinée à contenir un volume liquide de fluide diélectrique et l’au moins un composant électrique de façon à ce que ledit composant électrique soit au moins partiellement immergé dans ledit volume liquide de fluide, et des moyens pour arroser la surface dudit composant à l’aide dudit fluide diélectrique, lesdits moyens pour arroser comprenant au moins une pompe () configurée pour être immergée dans le fluide diélectrique et créant un jet de fluide diélectrique. Figure à publier avec l’abrégé : Fig. 1The present invention relates to a device for regulating the temperature of at least one electrical and/or electronic component (2), in particular for a motor vehicle, in particular an energy storage cell, the device comprising an enclosure (3) intended to contain a liquid volume of dielectric fluid and the at least one electrical component so that said electrical component is at least partially immersed in said liquid volume of fluid, and means for spraying the surface of said component with the aid of said dielectric fluid , said means for spraying comprising at least one pump () configured to be immersed in the dielectric fluid and creating a jet of dielectric fluid. Figure to be published with abstract: Fig. 1
Description
La présente invention concerne de manière générale le domaine des dispositifs de régulation thermique d’un élément électrique et/ou électronique à l’aide d’un fluide diélectrique. L’invention concerne également un boîtier comprenant ledit dispositif ainsi qu’une pluralité d’éléments électriques et/ou électroniques et un fluide diélectrique.The present invention generally relates to the field of devices for thermal regulation of an electrical and/or electronic element using a dielectric fluid. The invention also relates to a housing comprising said device as well as a plurality of electrical and/or electronic elements and a dielectric fluid.
Les éléments électriques et/ou électroniques, que ce soit des cellules de stockage d’énergie électrique, des circuits intégrés, serveurs, centres de données, etc nécessitent une régulation thermique afin de les maintenir dans leur plage de température de fonctionnement.Electrical and/or electronic elements, whether electrical energy storage cells, integrated circuits, servers, data centers, etc. require thermal regulation in order to maintain them within their operating temperature range.
L’invention est en particulier destinée à équiper des véhicules automobiles, en particulier des véhicules automobiles à motorisation électrique ou hybride et à réguler thermiquement une cellule de stockage d’énergie électrique ou des éléments d’électronique de puissance.The invention is in particular intended to equip motor vehicles, in particular motor vehicles with electric or hybrid engines, and to thermally regulate an electrical energy storage cell or power electronic elements.
La part de marché des véhicules électriques étant de plus en plus importante, les problématiques diélectrique/chauffage des packs batterie qui les équipent deviennent des enjeux stratégiques. L’objectif est de concevoir un dispositif de gestion thermique des batteries le plus performant, efficace et économique possible.As the market share of electric vehicles increases, the dielectric/heating issues of the battery packs that equip them are becoming strategic issues. The objective is to design the most efficient, efficient and economical battery thermal management device possible.
L’invention peut également s’appliquer à la régulation thermique d’un centre de données. Les centres de données à travers le monde représentent actuellement 10% de la consommation mondiale en électricité. L’avènement des technologies “chaînes de blocs” (Blockchain) et 5G, font que ce pourcentage pourrait augmenter drastiquement dans les prochaines années. La moitié au moins de cette consommation provient des systèmes de refroidissement de ces centres de données. Actuellement la majorité des centres de données sont refroidies par air en refroidissant l’air ambiant des salles de stockage par des dispositifs de climatisation. La température de fonctionnement optimale pour les centres de données est comprise entre 5°C et 40°C, plus particulièrement autour de 27°C. Prenant en considération que l’air présente une conductivité très faible, afin de refroidir suffisamment les éléments électroniques, ceux-ci pouvant atteindre des températures dépassant les 60°C, la différence de température entre l’air et les éléments électroniques à refroidir doit être importante et par conséquent ce genre de dispositif est très énergivore.The invention can also be applied to the thermal regulation of a data center. Data centers around the world currently represent 10% of global electricity consumption. The advent of “block chain” and 5G technologies mean that this percentage could increase drastically in the coming years. At least half of this consumption comes from the cooling systems of these data centers. Currently the majority of data centers are air cooled by cooling the ambient air in storage rooms using air conditioning devices. The optimal operating temperature for data centers is between 5°C and 40°C, more particularly around 27°C. Taking into consideration that the air has a very low conductivity, in order to sufficiently cool the electronic elements, which can reach temperatures exceeding 60°C, the temperature difference between the air and the electronic elements to be cooled must be important and therefore this type of device is very energy intensive.
Dans le domaine automobile il est courant pour répondre au besoin de refroidissement (et/ou chauffage) des batteries électriques d’utiliser des échangeurs de chaleur consistant en une plaque froide avec circulation d’un liquide caloporteur (e.g. mixture d’eau et d’éthylène glycol), les plaques étant au contact des cellules à refroidir. Ce genre de techniques peuvent conduire à un refroidissement (et /ou chauffage) non homogène des batteries et limiter ainsi leur durée de vie et leur performance. Ces dispositifs présentent en outre une résistance thermique élevée en raison des épaisseurs de matière présentes entre le liquide caloporteur et les cellules.In the automotive field, it is common to meet the need for cooling (and/or heating) of electric batteries to use heat exchangers consisting of a cold plate with circulation of a heat transfer liquid (e.g. mixture of water and ethylene glycol), the plates being in contact with the cells to be cooled. This type of technique can lead to uneven cooling (and/or heating) of the batteries and thus limit their lifespan and performance. These devices also have high thermal resistance due to the thicknesses of material present between the heat transfer liquid and the cells.
Une solution proposée pour répondre à cette problématique consiste en une immersion des batteries électriques dans un fluide caloporteur diélectrique. Cette immersion peut être réalisée avec une circulation de fluide ou en condition statique avec changement de phase.A solution proposed to respond to this problem consists of immersing the electric batteries in a dielectric heat transfer fluid. This immersion can be carried out with fluid circulation or in static condition with phase change.
Ces deux techniques sont performantes d’un point de vue thermique en particulier en raison du contact direct établi entre le liquide et les cellules mais présentent le désavantage d’utiliser une grande quantité de liquide diélectrique, ce qui augmente le coût et le poids du pack batterie et sont également sensible au changement d’assiette du véhicule en fonctionnement.These two techniques are efficient from a thermal point of view in particular due to the direct contact established between the liquid and the cells but have the disadvantage of using a large quantity of dielectric liquid, which increases the cost and weight of the pack. battery and are also sensitive to the change in attitude of the vehicle in operation.
Il en résulte un besoin pour une solution moins couteuse et qui nécessite moins de fluide tout en conservant une bonne capacité d’échange thermique.This results in a need for a less expensive solution that requires less fluid while maintaining good heat exchange capacity.
La présente invention a donc pour objet de proposer un dispositif de régulation thermique d’un élément électrique et/ou électronique à l’aide d’un fluide diélectrique, permettant de palier au moins une partie des inconvénients de l’art antérieur.The present invention therefore aims to propose a device for thermal regulation of an electrical and/or electronic element using a dielectric fluid, making it possible to overcome at least part of the disadvantages of the prior art.
Ce but est atteint par un dispositif de régulation de température d’au moins un composant électrique et/ou électronique, notamment pour véhicule automobile, notamment une cellule de stockage d’énergie, le dispositif comprenant une enceinte destinée à contenir un volume liquide de fluide diélectrique et l’au moins un composant électrique de façon à ce que ledit composant électrique soit au moins partiellement immergé dans ledit volume liquide de fluide, et des moyens pour arroser la surface dudit composant à l’aide dudit fluide diélectrique, lesdits moyens pour arroser comprenant au moins une pompe configurée pour être immergée dans le fluide diélectrique et créant un jet de fluide diélectrique.This goal is achieved by a device for regulating the temperature of at least one electrical and/or electronic component, in particular for a motor vehicle, in particular an energy storage cell, the device comprising an enclosure intended to contain a liquid volume of fluid dielectric and the at least one electrical component so that said electrical component is at least partially immersed in said liquid volume of fluid, and means for watering the surface of said component using said dielectric fluid, said means for watering comprising at least one pump configured to be immersed in the dielectric fluid and creating a jet of dielectric fluid.
Selon une particularité, la pompe est fixée au fond de l’enceinte.According to a particular feature, the pump is fixed at the bottom of the enclosure.
Selon une autre particularité, la pompe est configurée pour créer un jet de fluide diélectrique au-delà de la surface du volume liquide de fluide diélectrique.According to another particularity, the pump is configured to create a jet of dielectric fluid beyond the surface of the liquid volume of dielectric fluid.
Selon une autre particularité, le dispositif comprend en outre au moins déflecteur dans l’enceinte, le déflecteur étant configuré pour être disposé sur la trajectoire du jet de fluide diélectrique de l’au moins une pompe, le déflecteur étant de préférence émergé.According to another particularity, the device further comprises at least one deflector in the enclosure, the deflector being configured to be arranged on the trajectory of the jet of dielectric fluid from the at least one pump, the deflector being preferably emerged.
Selon une autre particularité, au moins un déflecteur est en mouvement, notamment selon un mouvement rotatif.According to another particularity, at least one deflector is in movement, in particular in a rotary movement.
Selon une autre particularité, la pompe est configurée pour créer un jet de fluide diélectrique défléchit par au moins une paroi de l’enceinte, de préférence par la paroi en regard de la direction du jet de la pompe, encore préférentiellement par la paroi opposée à la direction de la gravité.According to another particularity, the pump is configured to create a jet of dielectric fluid deflected by at least one wall of the enclosure, preferably by the wall facing the direction of the jet of the pump, more preferably by the wall opposite to the direction of gravity.
Selon une autre particularité, la pompe est configurée pour former un jet perpendiculaire à la paroi formant le sommet de l’enceinte.According to another particularity, the pump is configured to form a jet perpendicular to the wall forming the top of the enclosure.
La présente invention concerne aussi un système de gestion thermique d’un composant électrique et/ou électronique comprenant un dispositif tel que décrit précédemment, et comprenant en outre un moyen de chauffage et/ou refroidissement du fluide diélectrique déporté hors de l’enceinte, et une conduite d’alimentation et une conduite d’évacuation connectant fluidiquement le dispositif de régulation de température et le moyen de chauffage et/ou refroidissement.The present invention also relates to a thermal management system for an electrical and/or electronic component comprising a device as described above, and further comprising means for heating and/or cooling the dielectric fluid transferred outside the enclosure, and a supply line and a discharge line fluidly connecting the temperature regulating device and the heating and/or cooling means.
La présente invention concerne aussi un système de gestion thermique d’un composant électrique et/ou électronique comprenant un dispositif tel que décrit précédemment, et comprenant en outre un moyen de refroidissement du fluide diélectrique, ledit moyen de refroidissement étant immergé dans le volume liquide de fluide diélectrique à l’intérieur de l’enceinte, le moyen de refroidissement comprenant une conduite d’alimentation et une conduite d’évacuation d’un fluide caloporteur connectant fluidiquement le moyen de refroidissement à un circuit de chauffage et/ou refroidissement dans lequel circule ledit fluide caloporteur.The present invention also relates to a thermal management system for an electrical and/or electronic component comprising a device as described above, and further comprising means for cooling the dielectric fluid, said cooling means being immersed in the liquid volume of dielectric fluid inside the enclosure, the cooling means comprising a supply line and a heat transfer fluid evacuation line fluidly connecting the cooling means to a heating and/or cooling circuit in which circulates said heat transfer fluid.
La présente invention concerne aussi un système de gestion thermique d’un composant électrique et/ou électronique comprenant un dispositif tel que décrit précédemment, et comprenant en outre un moyen de refroidissement du fluide diélectrique, ledit moyen de refroidissement étant émergé hors du fluide diélectrique à l’intérieur de l’enceinte, le moyen de refroidissement comprenant un condenseur et comprenant et une conduite d’alimentation et une conduite d’évacuation d’un fluide caloporteur connectant fluidiquement ledit condenseur à un circuit de chauffage et/ou refroidissement dans lequel circule ledit fluide caloporteur.The present invention also relates to a thermal management system for an electrical and/or electronic component comprising a device as described above, and further comprising means for cooling the dielectric fluid, said cooling means having emerged out of the dielectric fluid at the interior of the enclosure, the cooling means comprising a condenser and comprising and a supply pipe and a discharge pipe for a heat transfer fluid fluidly connecting said condenser to a heating and/or cooling circuit in which circulates said heat transfer fluid.
La présente invention concerne aussi un boitier de batterie comprenant un dispositif tel que décrit précédemment, et comprenant en outre au moins un composant électrique et/ou électronique et un volume liquide de fluide diélectrique de façon à ce que ledit composant électrique soit au moins partiellement immergé dans ledit fluide.The present invention also relates to a battery box comprising a device as described above, and further comprising at least one electrical and/or electronic component and a liquid volume of dielectric fluid so that said electrical component is at least partially immersed. in said fluid.
D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description qui suit en référence aux figures annexées, qui illustre :
De nombreuses combinaisons peuvent être envisagées sans sortir du cadre de l'invention ; l'homme de métier choisira l'une ou l'autre en fonction des contraintes économiques, ergonomiques, dimensionnelles ou autres qu'il devra respecter.Numerous combinations can be envisaged without departing from the scope of the invention; the skilled person will choose one or the other depending on the economic, ergonomic, dimensional or other constraints that he must respect.
De manière générale, la présente invention comporte un dispositif de régulation de température (1) d’au moins un composant électrique et/ou électronique (2), notamment pour véhicule automobile, notamment une cellule de stockage d’énergie, le dispositif comprenant une enceinte (3) destinée à contenir un volume liquide de fluide diélectrique et l’au moins un composant électrique de façon à ce que ledit composant électrique soit au moins partiellement immergé dans ledit volume liquide de fluide, et des moyens pour arroser la surface dudit composant à l’aide dudit fluide diélectrique, lesdits moyens pour arroser comprenant au moins une pompe (5) configurée pour être immergée dans le fluide diélectrique et créant un jet de fluide diélectrique.In general, the present invention comprises a device for regulating the temperature (1) of at least one electrical and/or electronic component (2), in particular for a motor vehicle, in particular an energy storage cell, the device comprising a enclosure (3) intended to contain a liquid volume of dielectric fluid and the at least one electrical component so that said electrical component is at least partially immersed in said liquid volume of fluid, and means for watering the surface of said component using said dielectric fluid, said means for watering comprising at least one pump (5) configured to be immersed in the dielectric fluid and creating a jet of dielectric fluid.
On comprend par « ledit composant électrique soit au moins partiellement immergé », qu’au moins la base des composants, par exemple la base des cellules est immergée. La proportion dépend du composant à refroidir, de la température à évacuer, mais aussi de contraintes de poids et de coûts.By “said electrical component is at least partially submerged”, we understand that at least the base of the components, for example the base of the cells, is submerged. The proportion depends on the component to be cooled, the temperature to be evacuated, but also weight and cost constraints.
De préférence, le jet est configuré pour amener du fluide jusqu’à la partie du composant la plus éloignée de la pompe.Preferably, the jet is configured to deliver fluid to the part of the component furthest from the pump.
L’enceinte peut être la paroi du pack batterie, ou un boitier intermédiaire à l’intérieur du pack batterie.The enclosure can be the wall of the battery pack, or an intermediate box inside the battery pack.
Avantageusement, le mouvement du fluide va être généré par le jet que va créer la pompe. Suivant la puissance de la pompe, ce jet va pouvoir sortir au-dessus de la surface du volume liquide de fluide diélectrique.Advantageously, the movement of the fluid will be generated by the jet that the pump will create. Depending on the power of the pump, this jet will be able to exit above the surface of the liquid volume of dielectric fluid.
Avantageusement, un tel système dit de barbotage permet d’améliorer les échanges sur les parois déjà en contact avec le fluide (convection forcée) et permet en outre de mettre en contact le fluide avec des parois qui n’étaient pas immergées, sans nécessiter un volume de fluide trop important. Cela limite avantageusement l’ajout de masse dans le pack batterie.Advantageously, such a so-called bubbling system makes it possible to improve the exchanges on the walls already in contact with the fluid (forced convection) and also makes it possible to bring the fluid into contact with walls which were not immersed, without requiring a volume of fluid too large. This advantageously limits the addition of mass in the battery pack.
Dans certains modes de réalisation, la pompe est fixée au fond de l’enceinte.In certain embodiments, the pump is fixed to the bottom of the enclosure.
Avantageusement, la pompe ainsi immergée au fond permet un brassage et une convection maximale du volume liquide de fluide.Advantageously, the pump thus immersed at the bottom allows mixing and maximum convection of the liquid volume of fluid.
Dans certains modes de réalisation, le dispositif comprend en outre au moins déflecteur dans l’enceinte, le déflecteur étant configuré pour être disposé sur la trajectoire du jet de fluide diélectrique de l’au moins une pompe, le déflecteur étant de préférence émergé.In certain embodiments, the device further comprises at least one deflector in the enclosure, the deflector being configured to be arranged in the path of the jet of dielectric fluid from the at least one pump, the deflector being preferably emerged.
Avantageusement, cela améliore la répartition du jet dans l’enceinte et arrose une zone plus grande sans nécessiter plus de pompes. Le déflecteur peut également être partiellement en mouvement en translation ou en rotation pour modifier en continu la répartition du jet et améliorer encore la projection du jet.Advantageously, this improves the distribution of the jet in the enclosure and waters a larger area without requiring more pumps. The deflector can also be partially moving in translation or rotation to continuously modify the distribution of the jet and further improve the projection of the jet.
Le déflecteur peut également être la paroi du pack ou d’un module. Le jet serait alors orienté vers une paroi pour ensuite rebondir dans des directions transverses.The deflector can also be the wall of the pack or a module. The jet would then be directed towards a wall and then bounce back in transverse directions.
Dans certains modes de réalisation, comme par exemple illustré de manière non limitative à la
Un moyen de refroidissement et/ou de chauffage 7 permet de refroidir ou de chauffer le fluide diélectrique qui va passer à travers lui par des conduits d’évacuation et d’entrée. Le chauffer permet avantageusement de préchauffer les composants, par exemple des batteries, pour les mettre à température optimale d’utilisation. A l’inverse, pendant leur utilisation, ce circuit permet de refroidir les composants par l’intermédiaire du fluide diélectrique. Ce moyen 7 peut comprendre un fluide caloporteur destiné à échanger de la chaleur avec le fluide diélectrique, peut être un condenseur d’une autre boucle de température, ou encore peut simplement amener le fluide dans un échangeur de chaleur en contact avec l’air extérieur.A cooling and/or heating means 7 makes it possible to cool or heat the dielectric fluid which will pass through it via evacuation and inlet conduits. Heating it advantageously allows you to preheat the components, for example batteries, to bring them to the optimal temperature for use. Conversely, during their use, this circuit allows the components to be cooled via the dielectric fluid. This means 7 may include a heat transfer fluid intended to exchange heat with the dielectric fluid, may be a condenser of another temperature loop, or may simply bring the fluid into a heat exchanger in contact with the outside air. .
Plus particulièrement, la
Le déflecteur peut également être partiellement en mouvement pour modifier en continu la répartition du jet et améliorer encore la projection du jet. A titre d’exemple, le déflecteur peut tourner en rotation sur lui-même de façon à ce que le jet de fluide soit réfléchit dans toute l’enceinte.The deflector can also be partially moved to continuously modify the distribution of the jet and further improve the projection of the jet. For example, the deflector can rotate on itself so that the jet of fluid is reflected throughout the enclosure.
Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la pompe est configurée pour créer un jet de fluide diélectrique défléchit par au moins un composant électrique et/ou électronique destiné à être régulé thermiquement.Device according to one of the preceding claims, in which the pump is configured to create a jet of dielectric fluid deflected by at least one electrical and/or electronic component intended to be thermally regulated.
Cela permet avantageusement de se servir des composants à refroidir, tels que des cellules, pour obtenir une meilleure répartition du fluide diélectrique projeté.This advantageously makes it possible to use the components to be cooled, such as cells, to obtain better distribution of the projected dielectric fluid.
Dans certains modes de réalisation, l’orientation d’au moins une pompe est modifiable.In certain embodiments, the orientation of at least one pump is modifiable.
L’orientation de la pompe présente de préférence un angle compris entre -45° et +45° par rapport à un axe vertical perpendiculaire au plan dans lequel s’étend la paroi de fond 8 de l’enceinte, ou la paroi sur laquelle est fixée ladite pompe. Encore préférentiellement la pompe est orientée selon ledit axe vertical perpendiculaire.The orientation of the pump preferably has an angle between -45° and +45° relative to a vertical axis perpendicular to the plane in which the bottom wall 8 of the enclosure extends, or the wall on which is fixed said pump. Still preferably the pump is oriented along said perpendicular vertical axis.
Cela permet de créer des mouvements de fluide plus important et d’arroser avec moins de puissance de pompe toute la surface des composants à réguler thermiquement.This makes it possible to create greater fluid movements and to water the entire surface of the components to be thermally regulated with less pump power.
Dans certains modes de réalisation, l’orientation d’au moins une pompe est pilotable, de façon programmée ou non.In certain embodiments, the orientation of at least one pump can be controlled, whether programmed or not.
Dans certains modes de réalisation, les moyens pour arroser comprennent trois pompes.In some embodiments, the means for watering include three pumps.
Dans certains modes de réalisation, le fluide diélectrique est configuré pour être utilisé dans le dispositif dans un état diphasique liquide et gazeux. En d’autres termes, sa température de fusion à la pression d’utilisation du dispositif est choisie pour qu’il passe de l’état liquide à l’état gazeux sous l’effet d’un réchauffement au contact des batteries, qui cause sa vaporisation. Son refroidissement au contact d’un moyen de refroidissement, par exemple un condenseur, permet son retour à l’état liquide. Ce cycle permet avantageusement d’améliorer les échanges thermiques du fluide avec le composant à réguler thermiquement.In some embodiments, the dielectric fluid is configured for use in the device in a two-phase liquid and gaseous state. In other words, its melting temperature at the operating pressure of the device is chosen so that it passes from the liquid state to the gaseous state under the effect of heating on contact with the batteries, which causes its vaporization. Its cooling in contact with a cooling means, for example a condenser, allows it to return to the liquid state. This cycle advantageously makes it possible to improve the thermal exchanges of the fluid with the component to be thermally regulated.
Dans certains modes de réalisation, le fluide diélectrique est configuré pour être utilisé dans le dispositif dans un état monophasique.In some embodiments, the dielectric fluid is configured for use in the device in a single-phase state.
On comprendra aisément à la lecture de la présente demande que les particularités de la présente invention, comme généralement décrits et illustrés dans les figures, puissent être arrangés et conçus selon une grande variété de configurations différentes. Ainsi, la description de la présente invention et les figures afférentes ne sont pas prévues pour limiter la portée de l'invention mais représentent simplement des modes de réalisation choisis.It will be easily understood on reading the present application that the particularities of the present invention, as generally described and illustrated in the figures, can be arranged and designed in a wide variety of different configurations. Thus, the description of the present invention and the related figures are not intended to limit the scope of the invention but simply represent selected embodiments.
L’homme de métier comprendra que les caractéristiques techniques d’un mode de réalisation donné peuvent en fait être combinées avec des caractéristiques d’un autre mode de réalisation à moins que l’inverse ne soit explicitement mentionné ou qu’il ne soit évident que ces caractéristiques sont incompatibles. De plus, les caractéristiques techniques décrites dans un mode de réalisation donné peuvent être isolées des autres caractéristiques de ce mode à moins que l’inverse ne soit explicitement mentionné.Those skilled in the art will understand that the technical characteristics of a given embodiment can in fact be combined with characteristics of another embodiment unless the reverse is explicitly mentioned or it is obvious that these characteristics are incompatible. In addition, the technical characteristics described in a given embodiment can be isolated from the other characteristics of this mode unless the opposite is explicitly mentioned.
Il doit être évident pour les personnes versées dans l’art que la présente invention permet des modes de réalisation sous de nombreuses autres formes spécifiques sans l’éloigner du domaine défini par la portée des revendications jointes, ils doivent être considérés à titre d'illustration et l’invention ne doit pas être limitée aux détails donnés ci-dessus.
It should be apparent to those skilled in the art that the present invention permits embodiments in many other specific forms without departing from the scope defined by the scope of the appended claims, they should be considered for purposes of illustration and the invention should not be limited to the details given above.
Claims (10)
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