JP2018018805A - 給電ケーブル、及びコネクタ付給電ケーブル - Google Patents

Abstract

【課題】給電ケーブルの外径および冷却管の全長を小さく抑えつつ、給電ケーブル内外に生じる温度むらを抑制して効率よく導電体を冷却できる給電ケーブル及びコネクタ付給電ケーブルを提供する。【解決手段】給電ケーブル１は、偶数個の電力線１０と、各電力線１０の周囲に配設された介在物２と、各電力線と介在物とを一体に被覆するシース４と、を備える。電力線１０は、冷却管１１と、冷却管１１を囲繞する導電体１２と、導電体１２を囲繞する絶縁体１３と、を有する。偶数個の電力線が各別に有する冷却管のうち、半数の冷却管は冷媒の往路とされ、残りの半数の冷却管は冷媒の復路とされている。【選択図】図１

Description

本発明は、給電ケーブル及びコネクタ付給電ケーブルに関するものである。

近年、電気自動車などの普及に伴い、例えば２５０Ａ程度の大電流を通電可能な給電ケーブルが求められている。この種の給電ケーブルでは、大電流の通電に伴う給電ケーブル内や給電ケーブル表面（以下、単に「給電ケーブル内外」と記す）の温度上昇が問題となる。給電ケーブル内外の温度は、構成部材の劣化防止や規格遵守（例えばＩＥＣ６２１９６−１−１６．５など）のために、所定の温度以下に抑える必要がある。
通電に伴う給電ケーブル内外の温度上昇を抑えるために、従来から、下記特許文献１、２に示されるような給電ケーブルが知られている。これらの文献には、導電体と、冷却管と、これら導電体および冷却管を被覆するシースと、を備えた給電ケーブルが記載されている。これらの給電ケーブルによれば、通電によって発熱した導電体を冷却管によって冷却することができる。

特開平１０−１０６３６２号公報 特開２０００−１３３０５８号公報

上記特許文献１に記載の給電ケーブルでは、冷却管から離れて配設された導電体については冷却効果がおよびにくく、給電ケーブル内外に温度むら生じる。この温度むらにより、給電ケーブル内外に局所的に温度の高い部分が生じる。この温度が高い部分を所定の温度以下に抑えるために冷却能力を向上させようとすると、冷却管の大径化や冷媒循環装置の大型化につながる。
一方、上記特許文献２では、導電体の内側に配設された冷却管と、シースに螺旋状に巻きつけられた冷却管と、を備えた給電ケーブルが提案されている。この給電ケーブルによれば、導電体を内側および外側から冷却するため、給電ケーブル内外の温度むらを解消することができる。しかしながら、シースの表面を均一に冷却するためには、シースに短いピッチで冷却管を巻き付ける必要があるため、冷却管の全長が長くなる。また、冷却管がシースに巻きつけられているため、給電ケーブル全体の外径が大きくなる。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、給電ケーブルの外径および冷却管の全長を小さく抑えつつ、給電ケーブル内外に生じる温度むらを抑制して効率よく導電体を冷却できる給電ケーブル及びコネクタ付給電ケーブルを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の給電ケーブルは、冷却管と、前記冷却管を囲繞する導電体と、前記導電体を囲繞する絶縁体と、を有する偶数個の電力線と、偶数個の前記電力線の周囲に配設された介在物と、偶数個の前記電力線と前記介在物とを一体に被覆するシースと、を備えている。

本発明の給電ケーブルによれば、偶数個の電力線がそれぞれ、冷却管と、冷却管を囲繞する導電体と、を有しているため、各電力線内の導電体がその内側から冷却管により冷却される。これにより、発熱源である電力線内が偏りなく冷却されるため、給電ケーブル内外に温度むらが生じるのを抑制するとともに、導電体を効率よく冷却することができる。
さらに、給電ケーブル内に、冷却管を有する偶数個の電力線が配設されているため、各冷却管を冷媒の往路または復路とすることで、給電ケーブルの外側に冷却管を配設せずに冷媒を循環させることができる。これにより、給電ケーブル全体の外径や冷却管の全長を小さく抑えた、コンパクトな給電ケーブルを提供することができる。

ここで、前記導電体は、複数の導体線が前記冷却管を中心として集合撚りされて形成されていてもよい。

この場合、複数の導体線が冷却管を中心として集合撚りされて導電体が形成されているため、冷却管の周囲に偏りなく導電体を配設することができる。これにより、導電体の全体をさらに均一に冷却することが可能となり、電力線内および給電ケーブル内外の温度むらを確実に抑制することができる。

また、偶数個の前記電力線が各別に有する前記冷却管のうち、半数の前記冷却管は冷媒の往路とされ、残りの半数の冷却管は冷媒の復路とされていてもよい。

この場合、冷媒の往路及び復路が給電ケーブル内に配設されるため、給電ケーブルの外側に冷却管を配設する必要が無く、給電ケーブル全体の外径を抑えることができる。

また、偶数個の前記電力線および複数の前記補助線が、前記シース内で螺旋状に撚り合わされていてもよい。

この場合、電力線および補助線が螺旋状に撚り合わされているため、これらが給電ケーブル内である程度動くことができる。これにより、例えば給電ケーブルを不使用時に巻き取って収納した際や、給電ケーブルを屈曲させて使用する際に、電力線および補助線が給電ケーブル内で適宜動き、これらに過剰な応力や張力が作用するのを抑止することができる。

また、複数の前記補助線が、横断面視において前記給電ケーブルの中心を回避した位置に配設されていてもよい。

この場合、補助線が給電ケーブルの中心を回避した位置に配設されているため、補助線をシース内で螺旋状に撚り合わせることによる、補助線に過剰な応力や張力が作用するのを抑止する効果を、より確実に奏功させることができる。

また、本発明のコネクタ付給電ケーブルは、前記給電ケーブルと、給電対象物に接続されるコネクタと、を備える。

本発明によれば、給電ケーブル全体の外径を抑えつつ確実に導電体を冷却することができるため、大電流による給電が可能で操作性に優れたコネクタ付給電ケーブルを提供することができる。

本発明によれば、給電ケーブルの外径および冷却管の全長を小さく抑えつつ、給電ケーブル内外に生じる温度むらを抑制して効率よく導電体を冷却できる給電ケーブル及びコネクタ付給電ケーブルを提供することができる。

第１実施形態の給電ケーブルの構成を示す横断面図である。 第１実施形態の給電ケーブルを備えたコネクタ付給電ケーブルの構成を示す縦断面図である。 第１実施形態および比較例の給電ケーブルについての通電昇温試験の結果を示すグラフであり、縦軸は導電体の温度上昇値を示している。 第１実施形態および比較例の給電ケーブルについての通電昇温試験の結果を示すグラフであり、縦軸はシース表面の温度上昇値を示している。 図１の給電ケーブルの変形例を示す横断面図である。 第２実施形態の給電ケーブルの構成を示す横断面図である。

以下、本実施形態に係る給電ケーブルの構成を、図１、図２を参照しながら説明する。
図１に示すように、給電ケーブル１は、複数の電力線１０と、介在物２と、複数の補助線３と、シース４と、を備えている。本実施形態では、給電ケーブル１は電力線１０を２本（偶数個）備えている。
給電ケーブル１は、例えば電気自動車用バッテリーを急速充電可能なＣＨＡｄｅＭＯ規格に準拠した給電ケーブルである。給電ケーブル１の使用時には、例えば２５０Ａ程度の大電流が電力線１０内を流れる。給電ケーブル１の使用時には、シース４の表面に使用者が直接触れる場合があるため、シース４表面の温度を所定の範囲内に抑える必要がある。
また、給電ケーブル１は、不使用時には部分的に巻かれるなどして収容される場合がある。このため、給電ケーブル１全体に、摩擦に対する耐久性、曲げに対する耐久性、および可撓性などが求められる。

ここで本実施形態では、給電ケーブル１の中心軸Ｏに沿う方向を長手方向という。また、中心軸Ｏに直交する断面における横断面視において、中心軸線Ｏに直交する方向を径方向といい、中心軸線Ｏ周りに周回する方向を周方向という。

複数の電力線１０および複数の補助線３は、横断面視において、給電ケーブル１の中心軸線Ｏを通る直線に対して線対称な位置に配設されている。複数の補助線３は、横断面視において、中心軸線Ｏを回避した位置に配設されている。各電力線１０および各補助線３は、中心軸線Ｏを中心として撚り合わされた状態でシース４内に配設されている。
シース４は、各電力線１０および各補助線３を、介在物２と一体に被覆している。シース４としては、例えばクロロプレンゴムを用いることができる。

介在物２は、電力線１０および補助線３の周囲に配設されている。介在物２は、電力線１０および補助線３をシース４で被覆する際に、これらの内容物の形を円柱状に整えるために用いられる。また、介在物２は、例えば給電ケーブル１が車体に踏まれるなどした場合に、電力線１０や補助線３が破損しないように保護する緩衝材として機能する。
補助線３は、充電器と電気自動車などの給電対象物（以下、単に給電対象物という）との間の通信に用いられる。その他、コネクタのロック機構の制御、給電時に点灯するＬＥＤの電源線、コネクタが温度センサーを備えている場合はその信号線として用いられる。さらには、補助線３の一部が給電対象物への補助給電線として使用される場合もある。

電力線１０は、冷却管１１と、導電体１２と、絶縁体１３と、を有する。複数の電力線１０は、横断面視において、シース４内に間隔をあけて配設されている。複数の電力線１０同士の間には、介在物２が充填されている。
冷却管１１は、電力線１０の中心部に配設されている。冷却管１１としては、例えばナイロン１２からなるチューブを用いることができる。ナイロン１２は、耐熱性や絶縁性に優れているため、通電により発熱する導電体１２に接触する冷却管１１の材質として適している。また、ナイロン１２は可撓性や機械強度にも優れているため、可撓性や耐久性が求められる給電ケーブル１内の材質として適している。なお、冷却管１１の材質としてはナイロン１２の他、例えばシリコーン樹脂などの他の材質を適宜用いてもよい。
冷却管１１の内部には、液体冷媒、エアー、水、油などの冷媒が充填されている。冷却管１１内の冷媒は、不図示の循環装置によって流動する。本実施形態の冷却管１１の寸法は、外径が３．２ｍｍ、内径が１．６ｍｍとなっている。このように内径が小さい冷却管１１内を流動させるため、冷媒としては低粘度のものが適している。また、給電ケーブル１は寒冷地で用いられる場合もあるため、不凍液である冷媒が適している。なお、冷却管１１の寸法および冷媒の性質は上記に限定されず、適宜変更してもよい。

導電体１２は、冷却管１１を囲繞している。導電体１２は、複数の導体線１２ｂが冷却管１１を中心として集合撚りされて形成されている。本実施形態における導電体１２は、３４本の素線１２ａを束ねて撚った導体線１２ｂを６本、冷却管１１の周囲に螺旋状に巻きつけている。これにより、導電体１２は、冷却管１１の周囲に偏りなく配設されている。導体線１２ｂを構成する各素線１２ａとしては、例えばすずメッキ軟銅線を用いることができる。本実施形態における導電体１２には、例えば２５０Ａの直流電流が流れる。なお、冷却管１１の周囲に配設する導体線１２ｂの数や、導体線１２ｂを構成する各素線１２ａの材質は適宜変更することができる。
絶縁体１３は、導電体１２を被覆（囲繞）している。絶縁体１３の材質としては、例えばＥＰゴムを用いることができる。

図２は、給電ケーブル１を備えたコネクタ付給電ケーブル３０を、中心軸Ｏに沿って切断した縦断面図である。図２に示すように、コネクタ付給電ケーブル３０は、給電ケーブル１と、給電ケーブル１の一方の端部に配設された給電コネクタ（以下、単にコネクタ２０という）と、を備えている。コネクタ２０は、給電対象物に接続される。
図２に示すように、２本の電力線１０内の冷却管１１は、給電ケーブル１の一方の端部において接続管１１ａにより互いに接続されている。また、給電ケーブル１の他方の端部において、各冷却管１１は、冷媒を循環させる機能を備えた不図示の充電器に接続されている。これにより、各冷却管１１内は冷媒の往路若しくは復路となり、給電ケーブル１内および接続管１１ａ内を冷媒が循環する。なお、図２では給電ケーブル１と先述の充電器との接続部の図示を省略している。

図２に示すように、コネクタ２０は、ケース２１と、複数のコネクタ端子２２と、を備えている。給電ケーブル１の一方の端部は、ケース２１内に収容されている。各電力線１０内の導電体１２はそれぞれ、各コネクタ端子２２と電気的に接続される。各電力線１０内の冷却管１１は、ケース２１内において、前述した接続管１１ａによって互いに接続されている。これにより、冷媒がケース２１内も通過するため、ケース２１の温度上昇も抑制することができる。

図２に示すように、コネクタ２０は、給電対象物が備える接続部４０に接続される。接続部４０は、インレット４１と、複数のインレット端子４２と、を備える。インレット端子４２は、給電対象物のバッテリーなどに電気的に接続されている。コネクタ２０が接続部４０に挿入されると、コネクタ端子２２よびインレット端子４２が電気的に接続される。これにより、充電器が出力した電力が、電力線１０の導電体１２、コネクタ端子２２、およびインレット端子４２を介して給電対象物に入力され、この給電対象物に給電することができる。

給電ケーブル１が給電対象物に接続されて給電が開始されると、２本の導電体１２がそれぞれ発熱する。この導電体１２の内側には冷却管１１が配設されており、冷却管１１内を冷媒が流動するため、導電体１２は内側から冷却される。

次に、本実施形態の給電ケーブル１および従来の給電ケーブルについて行った、通電温度上昇試験について説明する。表１は、本実施形態の給電ケーブル１（実施例）および従来の給電ケーブル（比較例）の仕様と試験結果を示したものである。

表１に示したように、この試験では、実施例の給電ケーブル１の冷媒として水を使用し、流速１ｍ／ｓｅｃで流通させた。また、導電体１２として、すずメッキ軟銅線からなる素線１２ａを集合撚りした導体線１２ｂを６本、冷却管１１に螺旋状に巻き付けたものを用いた。各導体線１２ｂを構成する素線１２ａの数は３４本であり、各素線１２ａの直径は０．４４ｍｍである。この導電体１２の断面積は３２ｍｍ^２である。冷却管１１は、外径が３．２ｍｍ、内径が１．６ｍｍのナイロン１２製のチューブを用いた。
また、比較例の給電ケーブルとして、上記本実施形態の給電ケーブル１の冷却管１１を、上記導体線１２ｂに置換したものを用いた。すなわち、比較例の給電ケーブルの電力線は、冷却管１１を有さず、上記導体線１２ｂを７本有するものである。比較例における導電体の断面積は３８ｍｍ^２である。
なお、表１に示されているように、上記２種類の給電ケーブル全体の外径は２９．０ｍｍで同じである。このように、実施例の給電ケーブル１の断面積サイズを比較例の給電ケーブルと同レベルにすることができた。これは、実施例における冷却管１１の外径（３．２ｍｍ）が、比較例における導体線の外径とほぼ同一であることによる。
また、実施例及び比較例における給電ケーブルのケーブル重量（１ｍあたり）を比較すると、実施例の給電ケーブルの方が比較例の給電ケーブルよりも軽量化されている。これは、比較例における導体線１本が、冷却管１１と冷媒（水）に置き換わったことによって、給電ケーブル全体としての重量を小さくすることができたためである。

上記２種類の給電ケーブルに対して、２５０Ａの直流電流を９０分間通電して、それぞれの導電体の温度の推移を測定した結果を図３に示す。なお、図３に示すグラフの縦軸は温度上昇値（℃）であり、室温を基準とした温度の上昇値を示す。図３に示すグラフの横軸は、通電時間（分）を示す。
なお、本実施形態の給電ケーブル１の導電体１２の温度は、その内側の冷却管１１が冷媒の往路であるもの、および復路であるものの両者を測定して図３に示している。導電体１２の温度は、給電ケーブル１の外側から熱電対を挿入し、導電体１２に接触させることで測定した。

図３に示すように、比較例の給電ケーブルは通電開始後２０分の時点での温度上昇値が７０℃に達し、それ以降も温度が上昇し続けている。比較例の給電ケーブルについては、温度上昇値が７０℃を超えた時点で導電体を覆う絶縁体（ＥＰゴム）の耐熱温度（８０℃）を超えてしまったため、試験を中止した。このため、図３に示す比較例のグラフは途中で途切れている。
これに対して、本実施形態の給電ケーブル１は、導電体１２は、冷媒の往路および復路のいずれについても、通電開始後２０分程度で温度上昇が止まり、それ以降は温度上昇値がほぼ一定に保たれている。例えば、往路の冷却管１１では、導電体１２の温度上昇値は２０℃に達したあと一定に保たれている。また、復路の冷却管１１では、導電体１２の温度上昇値は２４℃に達したあと一定に保たれている。これは、導電体１２の発熱と、冷媒による冷却効果とが平衡状態に達したためだと考えられる。このため、本実施形態の給電ケーブル１によれば、通電開始から２０分までは温度が上昇するものの、それ以降は温度が上昇せずに一定に保たれると考えられる。また、冷媒の復路における導電体１２の温度上昇値が最高で２４℃程度となっており、電力線１０の絶縁体１３として使用されるＥＰゴムの耐熱温度（８０℃）を十分に下回る結果となっている。なお、往路よりも復路の導電体１２の温度が高いのは、復路の冷却管１１には往路の冷却管１１内で加熱された冷媒が流動することにより、冷却効果が若干低下するためであると考えられる。

図４は、図３と同様の条件において、シース表面の温度を測定した結果である。シース表面の温度は、シース表面に熱電対を接触させることで測定した。
図４に示すように、比較例のシースの表面温度の上昇値は、通電開始から２０分で３０℃に達している。比較例のグラフが途中で途切れているのは、図３と同様に導電体の温度が絶縁体の耐熱温度に達したため試験を中止したことによる。
これに対して、本実施形態のシース４の表面温度の上昇値は、通電開始から２０分で１０℃まで上昇するが、その後は温度上昇値１０℃のままで安定している。これにより、本実施形態の給電ケーブル１によれば、例えばＩＥＣ６２１９６−１−１６．５などの規格を遵守することができる。

次に、本実施形態の給電ケーブル１について実施した、捻回試験および屈曲試験の結果を説明する。以下の、捻回試験および屈曲試験では、上記通電温度上昇試験に使用した給電ケーブル１と同様のものを使用した。

捻回試験では、給電ケーブル１の一方の端部を固定端とし、その固定端を中心として、長手方向に１ｍ離れた部分を、±１８０°の範囲で往復して揺動させた。揺動の速度は、１往復あたり１０秒である。本捻回試験では、この揺動を２万往復実行した。
屈曲試験については、ＪＩＳ―Ｃ―３００５に準拠し、曲げ半径を５Ｄとして２万回給電ケーブル１を屈曲させた。
上記捻回試験および屈曲試験を経ても、冷却管１１に冷媒の漏れなどの異常は発生しなかった。これは、冷却管１１を可撓性や機械強度に優れるナイロン１２により形成したことに加えて、電力線１０と補助線３とを撚り合わせた状態でシース４内に配設したため、捻回のたびに電力線１０が適宜動き、局所的に高い張力および応力が作用するのが抑えられたことによると考えられる。

以上説明したように、本実施形態の給電ケーブル１によれば、２本の電力線１０がそれぞれ、冷却管１１と、冷却管１１を囲繞する導電体１２と、を有しているため、各電力線内１０の導電体１２がその内側から冷却管１１により冷却される。これにより、発熱源である電力線１０内が偏りなく冷却されるため、給電ケーブル１内外に温度むらが生じるのを抑制するとともに、導電体１２を効率よく冷却することができる。
さらに、給電ケーブル１内に、冷却管１１を有する２本の電力線１０が配設されているため、各冷却管１１を冷媒の往路または復路とすることで、給電ケーブル１の外側に冷却管１１を配設せずに冷媒を循環させることができる。これにより、給電ケーブル１全体の外径や冷却管１１の全長を小さく抑えた、コンパクトな給電ケーブル１を提供することができる。

また、複数の導体線１２ｂが冷却管１１を中心として集合撚りされて導電体１２が形成されているため、冷却管１１の周囲に偏りなく導電体１２を配設することができる。これにより、導電体１２の全体をさらに均一に冷却することが可能となり、電力線１０内および給電ケーブル１内外の温度むらを確実に抑制することができる。

また、複数の電力線１０の外径は互いに同等であるため、各電力線１０を共通化してコストダウンを図ることができるとともに、各電力線１０の表面の温度を均一にして、給電ケーブル１内外の温度むらをより確実に抑えることができる。

また、複数の電力線１０および複数の補助線３が、横断面視において、給電ケーブル１の中心軸線Ｏを通る直線に対して線対称な位置に配設されているため、給電ケーブル１の内部及び外表面（シース４の表面）の温度むらをより確実に抑えることができる。

また、複数の補助線３が給電ケーブル１の中心を回避した位置に配設されているため、補助線３をシース内で螺旋状に撚り合わせることによる、補助線に過剰な応力や張力が作用するのを抑止する効果を、より確実に奏功させることができる。

なお、上記実施形態では複数の導体線１２ｂが冷却管１１を中心として集合撚りされた導電体１２を用いたが、本発明はこれに限られない。例えば、図５に示すように、複数の素線１２ａが冷却管１１に螺旋状に巻きつけられて形成された導電体１２を採用してもよい。この場合、導電体１２は、横断面視において冷却管１１を中心とした同心環状に配設される。素線１２ａとしては、例えば直径０．４ｍｍのすずメッキ軟銅線を用いることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明に係る第２実施形態について説明するが、第１実施形態と基本的な構成は同様である。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
本実施形態では、シース４内に配設される電力線１０の数および補助線３の位置が異なる。

図６に示すように、本実施形態の電力線１０は、シース４内に４本配設されている。また、複数の補助線３は、横断面において、給電ケーブル１の中心軸線Ｏを回避した位置に配設されている。

本実施形態の給電ケーブル１によれば、電力線が４本配設されているため、より大きな電流を通電させることができる。また、冷却管１１が４本配設されているため、これらのうち２本ずつをそれぞれ冷媒の往路または復路とすることで、冷却管１１を給電ケーブル１の外部に設けることなく、冷媒を循環させることができる。
また、複数の補助線３が給電ケーブル１の中心を回避した位置に配設されているため、補助線３をシース内で螺旋状に撚り合わせることによる、補助線に過剰な応力や張力が作用するのを抑止する効果を、より確実に奏功させることができる。

なお、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、前記実施形態では、２本または４本の電力線１０を備える給電ケーブル１について説明したが、本発明はこれに限られず、６本以上の偶数個の電力線１０を備えていてもよい。給電ケーブル１が偶数個の電力線１０を備えていることにより、そのうちの半数の冷却管１１を冷媒の往路とし、残りの半数の冷却管１１を冷媒の復路とすることにより、給電ケーブル１の外側に冷却管１１を配設することなく冷媒を循環させることができる。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した実施形態や変形例を適宜組み合わせてもよい。

１…給電ケーブル、２…介在物、３…補助線、４…シース、１０…電力線、１１…冷却管、１２…導電体、１２ａ…素線、１２ｂ…導体線、１３…絶縁体、２０…コネクタ、３０…コネクタ付給電ケーブル

Claims (4)

1. 冷却管と、前記冷却管を囲繞する導電体と、前記導電体を囲繞する絶縁体と、を有する偶数個の電力線と、
   偶数個の前記電力線の周囲に配設された介在物と、
   偶数個の前記電力線と前記介在物とを一体に被覆するシースと、
   を備え、
   偶数個の前記電力線が各別に有する前記冷却管のうち、半数の前記冷却管は冷媒の往路とされ、残りの半数の前記冷却管は冷媒の復路とされている給電ケーブル。
2. 前記冷却管の外径と前記導電体の外径とがほぼ同一である、請求項１に記載の給電ケーブル。
3. 前記導電体は、複数の素線を集合撚りした複数の導体線からなり、
   前記冷却管および該冷却管内に充填された冷媒の、単位長さあたりの重量が、前記導体線の単位長さあたりの重量よりも小さい、請求項１または２に記載の給電ケーブル。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の給電ケーブルと、
   給電対象物に接続されるコネクタと、を備えるコネクタ付給電ケーブル。

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