JP2005532522A - バッフル式の表面冷却熱交換器 - Google Patents
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Abstract
そこから横に延びる間隔を置いて配置された一体式の第1および第2端壁(46、48)を備える実質的に平面であるシム・プレート(44)と、中央壁部分の対向する側から延びる一体式の第1および第2側壁(32、39)をもつ中央壁(25)を備える、別に形成されたカバー・プレート(16)とを含む表面冷却熱交換器(10、86)を提供すること。カバー・プレートの第1および第2側壁は、シム・プレートのそれぞれの側壁に密封可能に結合され、第1および第2端壁は、カバー・プレートのそれぞれの端部に密封可能に結合される。中央壁部分およびシム・プレートは、その間に画定された、流体通路(74)と流れ連通をもたらされた入口および出口開口(54、56)をもち、したがって流体が流体通路に流入し、それを通り、それから流出することを可能にする内部流体通路によって間隔を置いて配置される。
Description
本発明は、流体を冷却するために使用される表面冷却熱交換器(surface cooled heat exchanger)に関する。
表面冷却熱交換器は、熱交換器用の高さのクリアランスが非常に低い、例えば、スノー・モービル(snowmobile)のスラッシュ・ボックス・エンジン(slush box engine)の冷却剤(coolant)の冷却器(cooler)および自動車の応用例における車体の下に取り付けられる燃料冷却器などの応用例にしばしば使用される。知られている表面冷却熱交換器の1つの型は、対向する側に沿って連結されて、押出し加工の後で対向する端部で溶接して閉じられる空洞(cavity)を画定して流体冷却容器を提供する上部および底部壁と共に一体で押出し加工されたフィンを含む押出し成形された装置である。スノー・モービルの後部冷却器として使用されるそのような熱交換器の1つの例を、2000年8月29日発行の米国特許第6,109,217号に見ることができる。押出し加工された冷却器では、押出し加工の工程が、流体巡回バッフル(fluid circuiting baffle)またはタービュライザ(turbulizer)を空洞内部に含むことを難しくする。
知られている低い輪郭(low profile)の表面冷却熱交換器は、重くまた比較的製造するのに費用がかかることがある。したがって、比較的軽量で製造するのに比較的対費用効果の高い表面冷却熱交換器が求められている。工具交換をほとんど伴わない大きさの範囲で製造され、流れ巡回を簡単に組み込むことができる表面冷却熱交換器も望まれている。
本発明の1つの態様によれば、シム・プレート(shim plate)から横に延びる、間隔を置いて配置された一体式の第1および第2端壁を備える実質的に平面のシム・プレートと、中央壁部分の両側から延びる一体式の第1および第2側壁を備える中央壁をもつ別に形成されたカバー・プレート(cover plate)とを含む表面冷却熱交換器が提供される。カバー・プレートの第1および第2側壁は、シム・プレートのそれぞれの側部エッジに密封可能に結合され、第1および第2端壁は、カバー・プレートのそれぞれの端部に密封可能に結合される。中央壁部分およびシム・プレートは、流体通路と流れ連通して設けられしたがって流体が流体通路に流入しそれを通ってそれから流出することを可能にする入口および出口開口を備える、中央壁部分およびシム・プレート間に画定される内部流体通路によって間隔を置いて配置される。熱交換器は、好ましくは、シム・プレートに当接し固定された第1側面と、複数の露出した冷却フィンがそれに沿って提供される反対に面する第2側面とを備える平面の支持壁をもつフィン・プレート(fin plate)を含む。端壁は、好ましくは、平面のシム・プレートから部分的に切られ、折り目線(fold line)付近で折り曲げられてシム・プレートに実質的に垂直に延びる部分からそれぞれ形成される。流れ巡回バッフル・プレートを、同様に流体通路内に提供することができる。
本発明の好ましい実施形態を後の図面に関連して例として説明する。
図1および2に関連して、本発明の好ましい実施形態による、全体として参照番号10で示された熱交換器の透視図および分解端面図を示す。熱交換器10は、底部フィン・プレート12とシム・プレート14とカバー・プレート16と入口および出口取り付け部品(inlet and outlet fittings)18、20とを含む。「底部」、「上部」および「垂直」などの方向の用語は、この説明の中で説明の目的のためだけに使用される。熱交換器は所望のいかなる方向もとることができる。
カバー・プレート16およびシム・プレート14が、流体が熱交換器の内部流体通路22を通って破線24で示された蛇状パターンに流れることができるように入口および出口取り付け部品18、20と連通するバッフル式の内部流体通路22をもつ実質的に平面の低い輪郭の流体容器を画定する。
カバー・プレート16は単体構造であり、ろう付け被覆のアルミニウムの代わりに別の適切な材料を使用しロール成形などの別の成形方法を使用することもできるが、好ましい実施形態ではろう付け被覆の打ち抜きアルミニウムまたはアルミニウム合金シート製である。カバー・プレート16は開放式であり、実質的に長方形の平面部分26と、外向きに突き出した半円筒マニフォールド部分28とから構成される上部壁25をもつ。平面部分26および半円筒部分28は、曲線の壁部分30によって一体で結合される。第1側壁32が上部壁25の1つの周辺側部エッジに沿って設けられ、対向する第2側壁34が上部壁25の反対の側部エッジに沿って設けられる。外向きに延びるフランジ36および38が、シム・プレート14の対応する周辺エッジ部分に当接する、それぞれ側壁32、34の底部エッジに沿って設けられる。後でより詳細に説明するように、平行なリブ40、42および44の組が、好ましくは、シム・プレート14のバッフルおよび端壁部分に係合し支持する上部壁に沿って設けられる。
図2、3および4に関して、シム・プレート14は単体構造であり、別の適切な材料をろう付け被覆のアルミニウムの代わりに使用しレーザ切断などの別の成形方法を使用することもできるが、好ましい実施形態ではろう付け被覆の打ち抜きアルミニウムまたはアルミニウム合金シート製である。シム・プレート14は、カバー・プレート16の上面壁25の内面側に面する第1平面側と、フィン・プレート12に当接してそれに連結する対向する平面側とをもつ平面の実質的に長方形のプレートである。シム・プレート14は、その対向する端部に、カバー・プレートの上面壁25に係合する垂直に延びる端壁46および48を含む。端壁46は、シム・プレート14内でそれぞれの線50に沿って端壁の形状に切り、それぞれの折り目線(fold line)52に沿って端壁を上に折り曲げることによって形成される。流体入口開口54が入口取付け部品18を受けるために第1端壁46を通って設けられ、流体出口開口56が出口取付け部品20を受けるために第2端壁48を通って設けられる。中間の垂直なバッフル壁58および60も、好ましくは、流体入口と流体出口の間で熱交換器10の流体通路22を通って非直接的な経路に流体を巡回させるために、端壁の間でシム・プレート上に設けられる。端壁46および48と同様に、バッフル壁58および60も、切断、折り曲げ工程を使用してシム・プレートの材料から形成される。平面の水平な周辺エッジ部分78、80が、シム・プレート14の細長い側部のそれぞれに沿って延び、したがって、それぞれフランジ36および38用の結合表面を提供する。
図1および2に関して、1つの好ましい実施形態では、フィン・プレート12は、多くの応用例ではろう付け被覆されない押し出し加工されたアルミニウムまたはアルミニウム合金から形成された単体構造である。フィン・プレート12は、シム・プレート14に面しそれに固定された第1平面側64と、複数の細長い平行なフィン66を備える反対に面する側とをもつ平面の支持壁62を含む。シム・プレートの上に折り曲げられた部分の下に配置された第1平面側64の部分は、流体通路22に直接さらされる。それを通る固定開口69をもつ取り付けフランジ68を、支持壁62の対向する側部エッジに沿って設けることができ、したがって熱交換器をブラケット(bracket)によって表面に取り付けることを可能にする。1つの好ましい実施形態では、フィン66それぞれが、支持壁62の第1端部から第2端部まで実質的に走っており、その間に複数の細長い通路70を画定する。しかし、フィンの構造は本質的ではなく、別の代替のフィン構造を、本発明の実施形態に使用することもできる。シム・プレート14の反対に面するフィン・プレート12の側は、交互に並ぶフィン66および通路70が、スノー・モービルのトレッドによって、露出されたフィンおよび通路に対して吹き付けられることがある雪、氷および水などの物質にさらされるように開いている。説明された実施形態では、フィン66は、フィン支持壁62の下部平面側からそれぞれが一様な距離、直角に延び、かつ熱交換器の一端から他端まで走る直線フィンである。もちろん、他の適切なフィン・プレート構造も本発明で使用することができる。いくつかの実施形態では、延びたフィンをもたない支持壁62を使用することもでき、あるいは外向きに延びるディンプルまたはリブなどの他の構造を、フィンの代わりに支持壁62の底部に設けることもできる。いくつかの実施形態では、シム・プレート14が熱交換器の底部であり、フィン・プレート12を完全に省略することができる。(そのような実施形態では、端壁およびバッフル壁は、一般にシム・プレート14の部分の切断、折り曲げとは別のいくつかの方法で形成されるであろう。)
タービュライザは、熱交換器を通る流体の流れを増大させ増強させ、熱交換効率の向上をもたらし、かつ熱交換器構造に強度を加えるために、好ましくは、バッフル壁と端壁の間でスペース74の流体通路22に設けられる(図3参照)。図5の断面図は、流体通路22内に配置されたタービュライザ72を示す。図6に関して、好ましい実施形態では、タービュライザ72は、展伸金物、すなわちアルミニウムからロール成形または打ち抜き操作によって形成される。互い違いにした(staggered)または食い違った(offset)横の列のコンボリューション(convolution)75がタービュライザ72上に設けられる。コンボリューションは丸い上部をもつことができあるいは望むならば正弦波の形状でもよいが、このコンボリューションは平面の底部および上部76をもち、したがってカバー・プレート16およびシム・プレート14にすぐれた結合をもたらす。タービュライザ72は、溝付セクションがリブ58および60に対応する、シム・プレートのシートに類似するがそれより若干小さい長方形の輪郭をもつ単一のシートでよい、あるいは、それぞれが対応するスペース74に配置される複数のより小さなタービュライザを使用することもできる。
熱交換器10は、図1、2および5に示す順序で部品を組み立て、部品を共にクランプ締めし、かつ、ろう付けオーブンの中で組み立て構成部品に熱を加えることによって構成される。カバー・プレートの側壁フランジ36、38は、密封可能にシム・プレートのエッジ78、80にろう付けされ、エンド・プレート46、48およびバッフル・プレート58、60のそれぞれの上面エッジは、密封可能にカバー・プレート16にろう付けされる。タービュライザ72が、カバー・プレート16とシム・プレート14の間に挟まれ、かつ、それらにろう付けされ、シム・プレート14が、フィン・プレート12の支持壁62にろう付けされる。取り付け部品18および20は、それぞれの入口および出口開口54および56にろう付けされる。
前述のように、平行なリブの組40が、端壁46、48を受けるためにカバー・プレート16の両端の近くに設けられる。図7は、カバー・プレート16の一端に配置された平行なリブの組40の間で受けられた端壁48の上面エッジ部分の部分断面図を示す。リブの組40それぞれは、各エンド・プレート46、48の実質的に切断エッジ全体が、リブの組の間で受けられるように、カバー・プレート16の上面壁25の幅にわたって横に、かつ第1側壁32および第2側壁34を下に延びる。リブの組42および40は、図7に示すのと同様の方法で、バッフル・プレートのエッジ58、60に係合する。平行なリブの組40、42および44は、エンド・プレートとバッフル・プレートとカバー・プレートとの間で改良されたエッジのろう付けおよびより強い結合をもたらす。いくつかの熱交換器の応用例では、平行なリブの組が必要ないこともあり、また、いくつかの実施形態では、リブの対の代わりに、バッフル・プレートまたはエンド・プレートのエッジが単一リブに当接しそれにろう付けされる単一のリブを使用することができる。
端壁およびバッフル壁を提供するのに加えて、シム・プレートは、(シム・プレートが存在しない構成に対して)カバー・プレートを露出したアルミニウムのフィン・プレートに固定するためにより大きな結合表面を提供する。ここに記載された実施形態では、平面の端壁46および48は、互いに対向して配置される入口および出口取り付け部品18、20をろう付けするための平らな表面を提供する。流体が熱交換器を通って流れるのと同じ一般的方向で、流体が熱交換器に流入しそれから流出することができるように、熱交換器の両端部に入口および出口取り付け部品18、20を配置することは、上部に取り付けられた取り付け部品と比べて、より制限の少ない流れを提供し、より低い圧力降下をもたらし、より少ないエネルギーを浪費する。シム・プレートに垂直の流れ方向に流体を導き、取り除く上部に取り付けられた取り付け部品は、低い輪郭の冷却器内のカバー・プレートとシム・プレートの間の限られたスぺースのために、制限された流れしか提供できない。しかし、上部に取り付けられた取り付け部品を、いくつかの応用例では受け入れることができる。
半円筒の壁部分28によってもたらされる隆起したカバー・プレート部分は、高い流速に適合して使用される、より大きな直径の取り付け部品18、20を提供する。隆起した部分は、流体通路22付近に流体を分配させるのを助けるマニフォールドとしての役割も果たし、(バッフル壁によって分離されている)流体通路22の区画から区画へ流体が通過する大きな断面積を提供することができる。隆起した部分は、熱伝達用のフィン・プレート12の支持壁62をよりよく使用することを可能にしながら、流量を制限することなく、熱交換器でより長いバッフル壁を使用することも可能にする。
好ましくは、エンド・プレート46および48ならびにバッフル・プレート58および60のコーナは、カバー・プレート16の対応するコーナに合致するように輪郭が作られ、したがってコーナのろう付けの改良された結合をもたらすのを助ける。例として、図8は、図2の参照記号VIIIで示された、カバー・プレート16およびシム・プレート14の部分の部分分解端面図を示す。図8からわかるように、カバー・プレート16が折り曲げられて、側壁32およびフランジ36を形成するとき、上面壁25と側壁32の間、および側壁32とフランジ36の間の折り目線は、一般に完全に直角ではなく、むしろコーナR3およびR1でいくらかの湾曲度(degree of curvature)をもつ。端壁46とカバー・プレート16の間で締まりばめをもたらすために、エンド・プレートは、好ましくは、2つのプレートを一緒に結合するとき、そのコーナR2およびR4が、カバー・プレート16のそれぞれコーナR1およびR3に合致するように輪郭が作られるように切られる。いくつかの実施形態では、そのような輪郭作成は、シム・プレートのコーナの曲率がカバー・プレートのコーナと若干異なるように作ることを必要とすることがある。例えば、1つの実施形態では、コーナR2の曲率半径がコーナR1のものより大きいことがある。いくつかの実施形態では、図8に参照番号82によって想像線(in phantom)で示されたシム・プレート14を通る小さい穴を、エンドおよびバッフル・プレート用の折り目線の端部で、そのようなプレートの明確な折り曲げを容易にするために使用することができる。
いくつかの応用例では、ろう付けの代わりに、はんだ付け、溶接または誘導法を、熱交換器10の構成部品を連結させるために使用することもできる。他の金属材料例えば鋼鉄またはステンレス鋼、ならびに非金属の高分子材料を、いくつかの実施形態用の熱交換器の一部またはすべての構成部品を形成するために使用することもできる。高分子の構成部品は、熱的に一緒に結合され超音波で結合され、あるいは接着剤または他の手段を使用して結合される。
熱交換器10を、流体からの熱が流体から露出したフィン66へ導かれ、次に、そのフィンが、スノー・モービルの冷却器の場合、雪、水、空気および氷によって冷却される、カバー・プレート16とシム・プレート14によって画定された流体流容器(fluid flow container)を通過する流体を冷却するための低い輪郭の装置として好都合に使用することができる。これらの例は網羅的ではないが、例えば、熱交換器を、冷却が露出されたフィン66上を通過する空気によって容易にされる、自動車の応用例における車体の下に取り付けられる燃料冷却器としても使用することができる。
熱交換器10を、より長いフィン・プレート12を押し出し成形しそれに応じてより長いシム・プレートおよびカバー・プレート14、16を成形することによって、比較的簡単に様々な大きさに製造することができる。シム・プレート14から切られ折り曲げられるバッフルおよびエンド・プレートを、同じ工具をすべてのバッフルおよびエンド・プレートに対して使用できるように構成することができる。カバー・プレート16の上面壁25の半円筒部分28のエンドツーエンドの性質が、少しの工具調節でカバー・プレートを様々な長さに成形することを容易にしている。しかし、いくつかの実施形態では、上面壁25が、その幅全体にわたって平面であり、または隆起した部分が取り付け部品の近くだけに配置されて、半円筒部分が熱交換器の長さ全体に延びなくてもよい。熱交換器10が長方形であるとして説明してきたが、別の形状をもつこともでき、例えばいくつかの応用例では、それは正方形または台形の形状をもつこともできる。
図9は、熱交換器10で使用できる別のカバー・プレート84を示す。カバー・プレート84は、平行なリブ40、42および44の組のすべてが互いに同一であり、対応するエンドおよびバッフル・プレートの幅に関わらずカバー・プレート84の幅全体に延びるという1つの相違点以外は、カバー・プレート16と同一である。そのような構成は、同一の工具をリブの組のそれぞれに使用すること、さらに様々な大きさおよび構成の熱交換器の製造可能性を増大させることを可能にする。
いくつかの実施形態では、入口および出口取り付け部品18、20を、互いに直接対向するのとは別の位置に配置することができる。例えば、図10は、本発明の別の実施形態による熱交換器86の分解図を示す。熱交換器86は、入口および出口取り付け部品18および20が、長手方向に対向せずに、対角線上に配置されていること、カバー・プレート16が、1つだけではなく、間隔を置いて配置された2つの半円筒のマニフォールド部分28を含むことを除いて、熱交換器10と実質的に同一である。(フィン・プレート12は図10には示していない。)
流体通路22を巡回する流れをもたらすために、様々なバッフルの構成を使用できることが理解できるであろう。例のためだけに、図11および12は、それらの図に示す流路をもたらす異なる端壁92およびバッフル壁94を示す2つの別のシム・プレートの構成(切れ目は図11および12に示していない)を示す。いくつかの実施形態では、バッフル壁がなくてもよい。
様々な異なるタービュライザまたは流れ増加手段を流体通路22内で使用することができ、いくつかの応用例では、タービュライザ72がなくてもよい。
当分野の技術者には明らかなように、本発明の実施において、その趣旨および範囲を逸脱することなく多くの変更および修正が可能である。したがって、本発明の趣旨は、以下の特許請求の範囲で定義される内容に従って構成される。
Claims (20)
- シム・プレートから横に延びる間隔を置いて配置された一体式の第1および第2端壁(46、48)を備える実質的に平面のシム・プレート(44)と、
中央壁(25)の両側から延びる一体式の第1および第2側壁(32、34)を備える中央壁(25)をもつ別に形成されたカバー・プレート(16)とを含む表面冷却熱交換器(10、86)であって、
カバー・プレートの第1および第2側壁(32、34)が、シム・プレートのそれぞれの側部エッジに密封可能に結合され、第1および第2端壁(46、48)が、カバー・プレートのそれぞれの端部に密封可能に結合され、中央壁(25)およびシム・プレート(14)が、流体通路(74)と流れ連通して設けられしたがって流体が流体通路に流入しそれを通ってそれから流出することを可能にする入口および出口開口(54、56)を備える、中央壁とシム・プレート間に画定される内部流体通路(74)によって間隔を置いて配置される表面冷却熱交換器(10、86)。 - シム・プレート(14)に向かって突き出す2つの平行なリブ(40)が、その間でそれぞれの端壁の周辺エッジと係合するカバー・プレート(16)の各端部にわたって形成される請求項1に記載の熱交換器。
- シム・プレート(14)およびカバー・プレート(16)が互いにろう付けされる請求項1に記載の熱交換器。
- シム・プレートに向かって突き出す1つのリブ(40)が、それぞれの端壁の周辺エッジに係合するカバー・プレート(16)の両端のそれぞれにわたって形成される、請求項1に記載の熱交換器。
- シム・プレートに当接し固定された第1側面と、それと反対に面する露出した第2側面とを備える支持壁(12)を含む請求項1から4のいずれか一項に記載の熱交換器。
- 複数の露出した冷却フィン(66)が第2側面に設けられた請求項5に記載の熱交換器。
- 端壁(32、34)が、平面のシム・プレート(14)から部分的に切られ、折り目線付近で折り曲げられてシム・プレートに実質的に垂直に延びる部分からそれぞれ形成される請求項5に記載の熱交換器。
- 少なくとも1つの流れ巡回バッフル壁(58、60)が流体通路内に設けられ、流れ巡回バッフル壁(58、60)が、平面のシム・プレート(14)から部分的に切られ、周辺エッジがカバー・プレート(16)の内部表面に少なくとも部分的に係合する状態でシム・プレートから延びるように折り目線付近で折り曲げられた部分から形成される請求項5に記載の熱交換器。
- 2つの平行なリブ(42、44)が、その間で少なくとも1つの流れ巡回バッフル壁の周辺エッジと係合するカバー・プレート(16)にわたって形成される請求項8に記載の熱交換器。
- 流れ巡回バッフル壁(58、60)が、流体通路を部分的に妨げるようにシム・プレート(14)から横に延び、バッフル壁(58、60)ならびに第1および第2端壁(46、48)がそれぞれ互いに平行であり、カバー・プレート(16)がその上に、同一の間隔を置いて配置された2つの平行なリブ(40、42、44)の組を形成し、2つの平行なリブの各組が、第1端壁、第2端壁とバッフル壁のうちのそれぞれの1つのエッジの間でそこで係合する請求項5に記載の熱交換器。
- 第1端壁(46)が実質的に平面であり、流体通路に流れ連通して第1端壁(46)に固定された入口取り付け部品(118)を含む入口開口(54)が第1端壁(46)を貫通して設けられる請求項1に記載の熱交換器。
- 第2端壁(48)が実質的に平面であり、流体通路に流れ連通して第2端壁(48)に固定された出口取り付け部品(20)を含む出口開口(56)が第2端壁(48)を貫通して設けられる請求項11に記載の熱交換器。
- 入口開口(54)および出口開口(56)が、長手方向に互いに対向して配置される請求項12に記載の熱交換器。
- カバー・プレート(16)の中央壁(25)が、カバー・プレートの両端の間に延びる、外向きに延びるマニフォールド部分(28)と平面部分(26)とを含み、マニフォールド部分(28)が、平面部分(26)よりもシム・プレート(14)からさらに距離を置いて配置されて、流体通路内に拡大されたマニフォールド通路部分を画定し、入口および出口開口がマニフォールド通路部分と直接連通するように配置される請求項13に記載の熱交換器。
- カバー・プレート(16)の中央壁(25)が、距離を置いて配置された第1および第2の外向きに延びるマニフォールド部分(28)とその間の平面部分(26)とを含み、各マニフォールド部分(28)が、平面部分(26)よりもシム・プレート(14)からさらに距離を置いて配置されて、流体通路内に第1および第2の拡大されたマニフォールド通路部分を画定し、入口開口が第1マニフォールド通路部分と直接連通するように配置され、出口開口が第2マニフォールド通路部分と直接連通するように配置される請求項12に記載の熱交換器。
- カバー・プレート(16)の中央壁(25)が、1つの外向きに延びるマニフォールド部分(28)と1つの平面部分(26)とを含み、マニフォールド部分が、平面部分よりもシム・プレートからさらに距離を置いて配置される請求項1に記載の熱交換器。
- 一体式の平面横向きフランジ(36、38)が側壁(32、34)のそれぞれの周辺エッジに沿って設けられ、平面の横向きフランジがシム・プレート(14)にろう付けされる請求項1に記載の熱交換器。
- 実質的に平面のシム・プレート(14)と、その周辺エッジ付近で密封可能に結合された別に形成されたカバー・プレート(16)とを含み、入口および出口開口(54、56)をもつ内部流体通路(74)と、カバー・プレート(16)に向かってシム・プレート(14)に連結されかつそこから延びる、流体通路内の流れ巡回バッフル壁(58、60)とを画定し、カバー・プレート(16)が、シム・プレートに向かって延びるその上に形成された第1リブ(42、44)をもち、バッフル壁の延在する周辺エッジに係合する表面冷却熱交換器(10、86)。
- カバー・プレートが、第1リブに平行な第2リブ(42、44)を含み、バッフル壁の周辺エッジが第1リブと第2リブの間に係合する請求項18に記載の熱交換器。
- シム・プレートに当接し固定された第1側面と反対に面する露出した第2側面とを備える支持壁(12)を含み、バッフル壁(58、60)が平面のシム・プレートから部分的に切られ、折り目線付近で折り曲げられてシム・プレートから延びる部分から形成される請求項18または19のいずれかに記載の熱交換器。
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