JP2019526737A - 内燃機関のセグメント化された熱障壁およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

内燃機関の燃焼室の表面のためのセグメント化された熱障壁が開示されている。そのセグメント化された熱障壁は、各々が支持体およびシールドを有する複数のモジュールを備える。少なくとも２つの隣接するモジュールのシールドのエッジは、ある距離だけ間隔が開けられている。

Description

優先権

本出願は、その内容が依拠され、ここに全て引用される、２０１６年８月２５日に出願された米国仮特許出願第６２／３７９４２２号の米国法典第３５編第１１９条の下での優先権の恩恵を主張するものである。

本開示は、広く、内燃機関のためのセグメント化された熱障壁に関する。

内燃機関の効率は、燃焼室内で点火された燃料からの熱を維持することによって改善されるであろう。これは、周囲の機関への熱損失を最小にすることによって、達成することができる。解決策の１つは、燃焼室の部分を断熱することであった。周囲の機関から燃焼室を断熱することに関する問題は、その機関の温度サイクル中における熱障壁内の歪みの発生であろう。

したがって、内燃機関内の改良された熱障壁が必要とされている。

本開示の１つの実施の形態によれば、熱障壁が開示されている。実施の形態において、その熱障壁は、各々が少なくとも１つの支持体およびシールドを備えたモジュールのアレイを含む。実施の形態において、そのモジュールアレイ内の少なくとも２つのモジュールのシールドエッジは、室温にあるときに、ある距離だけ間隔が空けられている。

本発明の１つの実施の形態によれば、熱障壁を製造する方法が開示されている。実施の形態において、熱障壁を製造する方法は、モジュールアレイに少なくとも２つのモジュールを形成する工程を有してなる。

例示の実施の形態を詳細に説明する、以下の詳細な説明および図面に移る前に、本発明の技術は、詳細な説明に述べられた、または図面に示された詳細または方法論に限定されないことを理解すべきである。例えば、当業者に理解されるように、図面の内の１つに示された実施の形態に関連する、または実施の形態の内の１つに関連する文章に記載された特徴および属性は、図面の別のものに示された、または文章のどこかに記載された他の実施の形態にも十分に適用されるであろう。

本開示は、以下の詳細な説明を考慮したときに、より良く理解され、先に述べたもの以外の特徴、態様および利点が、明白になるであろう。そのような詳細な説明は、以下の図に言及している。

例示の実施の形態による、吸気行程中のエンジン内の燃焼室の断面図 例示の実施の形態による、排気行程中の図１のエンジン内の燃焼室の断面図 ４００℃でのピストン熱伝導率（Ｗ／ｍ・℃）に対する巡航運転条件での内燃機関のブレーキ熱効率の変化（％）をプロットしたグラフ 例示の実施の形態によるエンジンの燃焼室内の表面上の熱障壁の斜視図 例示の実施の形態によるエンジンのピストン表面上の図４に示された熱障壁の斜視断面図 例示の実施の形態によるエンジンの燃焼室内の表面上の熱障壁の斜視図 例示の実施の形態によるエンジンの燃焼室内の表面上の図６に示された熱障壁の俯瞰図 例示の実施の形態によるエンジンの燃焼室内の表面上の中空部分を含む支持体を有する個別のモジュールの円形断面斜視図 例示の実施の形態による熱障壁の斜視図 例示の実施の形態による熱障壁の斜視図 例示の実施の形態による熱障壁の斜視図 例示の実施の形態による図９Ｂおよび９Ｃに示されたようなアレイ内の２つのモジュールの斜視図

他に定義されていない限り、ここに使用した全ての技術用語および科学用語は、本開示が属する技術分野の当業者により一般に理解されるのと同じ意味を有する。ここに記載されたものと類似のまたは同等のどの方法および材料を、本開示の実施または試験に使用しても差し支えないが、例示の方法および材料を下記に記載する。

エンジンの燃料効率は、エンジンの様々な部品を製造するために使用される材料の熱伝導率の影響を受ける。このことは、エンジンの燃焼室内の部品（例えば、燃焼室の壁、ピストン、バルブ、排気口、マニホルドなど）について、特に当てはまる。燃焼室内に使用される材料の熱伝導率が高いほど、より多くの燃焼エネルギーが熱エネルギーのために失われる。燃焼反応に直接曝される材料の熱伝導率を低下させることによって、仕事をし、エンジンを作動させる（すなわち、ピストンを駆動する）ために、より多くの燃焼エネルギーが利用できる。すなわち、熱エネルギーのために失われない燃焼熱を使用して、排気マニホルド内のターボチャージャーを駆動する、および／またはエンジンの低温始動中の触媒コンバータをより効果的に点火することができる。その上、燃焼反応に直接曝される材料の熱伝導率を低下させると、エンジンの冷却システムに対する熱負荷が低下し、それにより、冷却システムのために車両の外からの空気がそれほど逸らされずに、車両の空気力学が潜在的に改善されるであろう。したがって、耐熱性材料によって、車両およびエンジンの全体的効率（燃料効率を含む）が改善されるであろう。図３に、４００℃でのピストン材料の熱伝導率（Ｗ／ｍ・℃）に対する巡航運転条件での内燃機関のブレーキ熱効率の変化（％）のプロットが与えられている。図３は、巡航運転条件でのエンジンのブレーキ熱効率に対するピストン材料の熱伝導率の影響を示す。図３の傾向は、巡航運転条件でのエンジンの効率の上昇は、燃焼室内に使用される材料の熱伝導率（適切な温度範囲の）を低下させることによって、指数関数的、または非線形様式で改善するであろうという証拠を与える。

燃焼室内の材料の熱伝導率を低下させるための従来の方法は、熱障壁の使用を含んできた。内燃機関の燃焼室用の従来の熱障壁には、いくつかの問題の内の１つ以上があるであろう。従来の熱障壁の主な欠点の１つは、熱障壁が、激しい燃焼動力学、高圧（例えば、１０バール〜５００バール（１ＭＰａ〜５０ＭＰａ））、およびその中の高いガス温度（例えば、１０００℃〜３０００℃）に曝されたときに、燃焼室内の表面から剥離または分離することであろう。脆性セラミック材料を含む熱障壁が燃焼室中に剥離すると、他のエンジン部品および触媒コンバータに損傷（例えば、削り取る、塞ぐなど）を与え得る。従来の熱障壁の別の欠点は、不十分な熱伝導抵抗特性または高温での分離をもたらすことのある燃焼室の表面とは異なる熱膨張係数（ＣＴＥ）であろう。さらに別の欠点は、エンジン部品の表面上の従来の熱障壁の不均一な厚さであろう。従来の熱障壁の別の欠点は、エンジン作動中の燃焼室内の温度サイクルに曝された熱障壁の表面内の機械的歪みの発生であろう。従来の熱障壁において、熱歪みは、低ＣＴＥコーティングまたはそのコーティング厚を通じての組成勾配を使用することによって管理されることがある。しかしながら、これらの方策により、熱障壁として使用できる材料が制約されてしまう。

本出願は、内燃機関１００内の任意の金属表面上にある熱障壁２００に関する。図１には、吸気行程中の例示のエンジン１００の断面図が与えられている。図２には、ピストン１０４が完全排気行程位置にある、例示のエンジン１００の別の断面図が与えられている。本開示のエンジン１００は、任意の数（例えば、１、２、３、４、５、６、・・・、１２、・・・）の燃焼室を含む、ガソリン、ディーゼル、天然ガス、プロパン、または任意の他の液体またはガス炭化水素で駆動する内燃機関であってもよい。エンジン１００は、中にピストン１０４を有する燃焼室１０２を含む多数の部品を備える。ピストン１０４は、エンジン１００のクランク室１１２内の連接棒１０８によってクランク軸１１０に接続されている。ピストン１０４は、燃焼室１０２に隣接した上面１２０を有する。ピストンの上面は、平ら、ボウル状、ドーム状、またはその任意の組合せであってよい。ピストン１０４は、炭素鋼、アルミニウム、または自動車用途に典型的に使用される他の金属から製造することができる。吸気弁１０６、吸気口１１９、排気弁１１４、排気口１１８、および点火／グロープラグ１１６も、燃焼室１０２に隣接している。もちろん、エンジン１００の他の部品および構造も可能であり、本開示にしたがう。

図２において、吸気弁１０６は閉じ、排気弁１１４が開いて（ピストン１０４が完全排気行程位置にあるとき）、排気口１１８を燃焼室１０２と接続し、それによって、燃焼室の排気容積１２２を形成している。燃焼室の排気容積１２２は、燃焼室１０２の壁面と端面、吸気弁１０６の表面、排気弁１１４の表面、ピストン１０４の上面１２０、および排気口１１８の壁（ターボチャージャーを含むことがある）により画成される。別の実施の形態において、吸気弁１０６および排気弁１１４が閉じて（ピストン１０４が完全圧縮行程位置にあるとき）、それによって、燃焼室の圧縮容積１２１（図示せず）を形成する。燃焼室の圧縮容積１２１は、燃焼室１０２の壁と上面、吸気弁１０６の表面、排気弁１１４の表面、およびピストン１０４の上面１２０により画成される。さらに別の実施の形態において、吸気弁１０６は開き、排気弁１１４は閉じて（ピストン１０４が完全吸気行程位置にあるとき）、吸気口１１９を燃焼室１０２と接続し、それによって、燃焼室の吸気容積１２３を形成する。燃焼室の吸気容積１２３は、燃焼室１０２の壁面と端面、吸気弁１０６の表面、排気弁１１４の表面、ピストン１０４の上面１２０、吸気口１１９の壁により画成される。

本開示の熱障壁２００は、エンジン１００内のどの金属表面上にあってもよい。例示の実施の形態において、熱障壁２００は、燃焼室１０２内の金属表面１０１上にある。金属表面１０１は、圧縮容積１２１を画成する表面、燃焼室の排気容積１２２を画成する表面、または燃焼室の吸気容積１２３を画成する表面であってよい。１つの実施の形態において、表面１０１は、ピストン１０４が接触する燃焼室１０２の壁面ではないことがある。すなわち、熱障壁２００は、ピストン１０４からの機械的摩擦に曝される燃焼室１０２内の表面、もしくは熱障壁２００を摩耗するまたはその表面から熱障壁２００を分離するであろう消炎領域から排除されるであろう。別の例示の実施の形態において、金属表面１０１は、ピストンの上面１２０、燃焼室１０２の壁面と端面、吸気弁１０６の表面、排気弁１１４の表面、排気口１１８の壁、または吸気口１１９の壁である。

本開示の熱障壁２００は、モジュール２０１のアレイを備える。モジュール２０１のアレイ（ここでは「モジュールアレイ」とも呼ばれる）は、１モジュールより多いいくつのモジュール２０１を含んでもよい。実施の形態において、アレイ内の各モジュール２０１は、支持体２０２およびシールド２０６を備える。モジュール２０１のアレイを備えた熱障壁２００の全長および幅は、実質的に等しい寸法を含む、どの適切な横寸法（例えば、約０．１ｍｍから約１００ｃｍ）を有しても差し支えない。実施の形態において、熱障壁２００は、燃焼室１０２内の適用可能な表面１０１と実質的に等しい横寸法を有する。実施の形態において、熱障壁２００は、金属表面１０１の２次元および／または３次元輪郭に実質的に合致する。すなわち、熱障壁２００の形状は、ピストンの湾曲した上面１２０を含む、熱障壁が接続された表面１０１の丸みを帯びたまたは不均一な形状に合致することがある。

図４には、表面１０１上にある熱障壁２００の例示の実施の形態が与えられている。支持体２０２は、第２の端部と反対の第１の端部を有し、それにより、厚さＴ１を画成する本体を備える。実施の形態において、支持体２０２の第１の端部または第２の端部は、表面１０１と直接的または間接的に接合している。支持体２０２および表面１０１は、金属結合、金属対金属結合、または直接的機械的連結により接続されることがある。支持体２０２と表面１０１との間の接続は、エンジン１００の作動中の燃焼室１０２内の燃焼温度および圧力に耐えるように構成されている。例えば、支持体２０２は、作動しているエンジン１００内の１００，０００マイル（約１６０，０００ｋｍ）以上に亘り表面１０１からの剥離に耐えるであろう。支持体２０２は、３Ｄプリント、金属メッキ、溶接（アーク、レーザ、プラズマ、または摩擦）、ろう接、プラズマ溶射、機械的締結、もしくは金属結合または金属対金属結合を作るための他の従来の方法により表面１０１に施してよい。支持体２０２の厚さＴ１は、空容積２０５の存在により、表面１０１を構成する材料の厚さとは異なるであろう。燃焼室１０２内の表面１０１は、空容積２０５がないことにより、支持体２０２から識別されるであろう。それに代えて、またはそれに加え、支持体２０２と表面１０１の接合の界面（結合方法により生じる）が、厚さＴ１を定義するのに役立つであろう。

実施の形態において、支持体２０２の第１の端部または第２の端部（表面１０１と接合する端部と反対の）は、少なくとも１つのシールド２０６の一部と接合している。各支持体２０２は、互いに反対の端部の間の高さまたは厚さＴ１、並びに幅（または直径）を有する。支持体２０２は、長方形、環状、六角形、および／または任意の他の多角形の形状を含むどのような断面形状を有してもよい。各支持体２０２は、図４に示されたような円形断面を有することがある。各支持体２０２の厚さＴ１は、約０．０１ｍｍから約１０ｍｍ、または約０．１ｍｍから約２ｍｍ、または約０．４ｍｍから約２ｍｍ、またさらには約０．５ｍｍから約１ｍｍであることがある。例示の実施の形態において、各支持体２０２の厚さＴ１は、モジュール２０１のアレイを含む熱障壁２００の長さおよび幅に亘り実質的に均一である（例えば、±０．５ｍｍ）。支持体２０２の厚さＴ１は、表面１０１から、表面１０１から離れた支持体２０２の終端点（または端部）（例えば、支持体２０２がシールド２０６と直接的または間接的に接合する場所）まで測定されることがある。

支持体２０２は、厚さＴ１に亘り実質的に中実または多孔質であってよい。支持体２０２が多孔質である実施の形態において、支持体２０２の気孔率は、約１％から約９９％、または約５％から約９０％であることがある。支持体２０２は、厚さＴ１に亘り気孔率勾配も含むことがある。実施の形態において、モジュールアレイ内の少なくとも１つの支持体２０２は、その中に中空部分２０７を含む。別の実施の形態において、モジュールアレイ内の少なくとも１つの支持体２０２は、実質的に中実の側壁により画成されて、その厚さＴ１に亘り中空である。図８に、中空部分２０７を有する１つのモジュールの例示の断面の実施の形態が与えられている。熱障壁２００における支持体２０２の構造は、表面１０１上と空容積２０５の周りでその形状を維持するように構成されている。実施の形態において、支持体２０２の構造は、空容積２０５内に断熱材２０４を収容することもできる。支持体２０２の構造は、十分に剛性であり、エンジン１００の作動中に燃焼室１０２内の燃焼温度および圧力に耐えるように熱機械的疲労抵抗を有する。

図４に示されるように、モジュールアレイ内の各シールド２０６は、第１と第２の互いに反対のエッジ２０８、２１０を有する。そのモジュールアレイ内の各シールド２０６は、下部２１４と反対の上部２１２を有する。そのモジュールアレイ内の各シールド２０６は、六角形（平面Ｂ−Ｂに沿って図５に示されるような）、正方形、三角形、七角形、円形、環状、またはその組合せであってよい。もちろん、他の多角形の形状も本開示にしたがう。実施の形態において、各シールド２０６の厚さＴ２は、上部２１２と下部２１４との間で規定される。実施の形態において、シールド２０６は、上部２１２と下部２１４との間で実質的に中実である。シールド２０６の厚さＴ２は、約０．００１ｍｍから約５ｍｍ、または約０．１ｍｍから約２ｍｍ、またさらには約０．１ｍｍから約１ｍｍであってよい。厚さＴ２に加え、各シールド２０６は、長さと幅も有する。実施の形態において、厚さＴ２は、シールド２０６の長さおよび幅に亘り実質的に均一である。図４に示されるように、シールド２０６の厚さＴ２は、シールド２０６の下部２１４に接合された支持体２０２の端部から測定されることがある。シールド２０６は、接合界面によって、またはモジュール２０１内の支持体２０２より大きい断面積を有するシールド２０６によって、支持体２０２から識別されるであろう。各シールド２０６の上部２１２は、燃焼室１０２内の燃焼反応（および関連する温度と圧力）に直接暴露されるように構成されることがある。実施の形態において、各シールド２０６の上部２１２は、１ｍｍ以下、または０．０１ｍｍ以下など、エンジン１００に要求される許容差に応じて、その表面に沿った変動許容差を有するであろう。実施の形態において、各シールド２０６の下部２１４は、表面１０１から間隔が空けられており、それに対して実質的に平行である。

従来の熱障壁は、熱障壁が取り付けられる燃焼室の表面と、エンジン冷却液により冷却されるであろう他の隣接する表面との間に非線形の温度勾配を生じるであろう。一例において、支持されたシールド（または表皮）が内燃室の表面に固定された場合、その熱障壁の熱膨張および収縮により、支持体の間の区域においてシールド内に歪みが生じる。すなわち、従来の熱障壁において、表皮の個別部分が支持体により燃焼室の表面に固定され、支持体の間のシールド（または表皮）の区域は、燃焼室内の温度サイクル中に熱障壁の膨張と収縮から熱機械的疲労を経験する。加熱中、連続シールドは、支持体の間の区域で圧縮を経験する。冷却中、その連続シールドは、支持体の間の区域で引張を経験する。燃焼室内の温度サイクルによるこの反復過程により、熱機械的疲労および破損が生じ得る。

本開示の熱障壁２００は、隣接する支持体の間に割れ目または分割を設けることによって、支持体２０２の間の区域における熱歪みおよび熱機械的疲労を低下させる。すなわち、アレイ内の少なくとも２つのモジュールのシールド２０６のエッジ２０８または２１０は、室温にある場合、距離Ｄ１だけ間隔が空けられている（重複または非重複のいずれか）。すなわち、モジュールアレイ内の少なくとも２つのシールド２０６のエッジ２０８または２１０は、室温（例えば、２５℃）にあるときに、距離Ｄ１だけ間隔が空けられている。モジュールアレイ内の隣接するシールド２０６間の非重複距離としての距離Ｄ１が、図４に示されている。すなわち、図４および５の実施の形態において、モジュールアレイ内の隣接するシールドのエッジは重複していない。実施の形態において、距離Ｄ１は、表面１０１に対して実質的に平行である。図４および５の実施の形態におけるモジュールアレイのシールド２０６は、重複しないセグメント化されたシールドまたはスケールと記載することができる。

距離Ｄ１は、図６および７に示されるように、モジュールアレイ内の隣接するシールド２０６間の重複距離である。すなわち、図６および７の実施の形態において、モジュールアレイ内の隣接するシールドのエッジが重複して、隣接するエッジの間に距離Ｄ１を形成する。図６および７の実施の形態におけるモジュールアレイのシールド２０６は、重複したセグメント化されたシールドまたはスケールと記載することができる。距離Ｄ１は、約０．００１マイクロメートルから約１０ｍｍ、または約０．００１マイクロメートルから約５ｍｍ、またさらには約０．１ｍｍから約３ｍｍであることがある。実施の形態において、距離Ｄ１は、表面１０１に対して実質的に平行に測定される。実施の形態において、アレイ内の少なくとも３０％のモジュール２０１のシールドのエッジは、少なくとも１つの隣接するモジュール２０１のシールド２０６のエッジから間隔が空けられている（距離Ｄ１だけ）。例えば、図４に示されるような、実施の形態において、アレイ内の全てのモジュール２０１のシールドのエッジは、そのアレイ内の全ての隣接するモジュールのシールドのエッジから間隔が空けられている（距離Ｄ１だけ）。もちろん、熱障壁２００は、室温にあるとき（すなわち、エンジン１００が作動していないとき）に、距離Ｄ１だけ間隔が空けられた非重複エッジと重複エッジのいずれの組合せを含んでもよい。

図４の実施の形態において、アレイ内の隣接するモジュールのシールド２０６のエッジ２０８、２１０は、室温にあるときに、重複しない場合（すなわち、距離Ｄ１は非重複距離である）、その距離Ｄ１は、内燃機関が作動したときに、距離Ｄ２（図示せず）に減少する。それゆえ、距離Ｄ１は距離Ｄ２よりも小さい。すなわち、モジュールアレイ内の隣接するシールド２０６の熱膨張のために、内燃機関が作動したとき（例えば、燃焼室内の約１０００℃から約３０００℃以上の燃焼ガス温度で、約１００℃から約１０００℃のピストン温度で、燃焼室の内部温度が室温から１００℃以上に上昇したときに）に、距離Ｄ１は距離Ｄ２に減少する。エンジン１００が作動したときの隣接するシールド２０６のエッジ間の距離Ｄ２は、エンジン１００が作動していない（そして室温の）ときの、隣接するシールド２０６のエッジ間の距離Ｄ１より小さい。実施の形態において、距離Ｄ２は、約０マイクロメートルから約１０ｍｍ、または約０マイクロメートルから約１ｍｍ、またさらには約０．００１マイクロメートルから約１ｍｍである。実施の形態において、距離Ｄ２は、距離Ｄ２を通る燃焼反応物または生成物の侵入を制限するまたはなくすように構成されている。実施の形態において、距離Ｄ２は、距離Ｄ２を通って空容積２０５から出る断熱材２０４の剥離を制限するまたはなくすように構成されている。実施の形態において、モジュールアレイ内の隣接するモジュール２０１のエッジ２０８、２１０は、エンジン１００が作動しているときに接触することがある（すなわち、距離Ｄ２は０）。各シールド２０６の材料（およびそのＣＴＥ）、燃焼室１０２内の反応温度、および距離Ｄ１を考慮して、距離Ｄ２を構成することができる。同様に、距離Ｄ１は、各シールド２０６の材料（およびそのＣＴＥ）、およびエンジンの作動中にシールド２０６のエッジがＤ２を形成するまたは接触するエンジン１００内部の推定表面温度を考慮して、隣接するモジュールの形成および配置中に、距離Ｄ１を決定してもよい。

図６および７の実施の形態において、アレイ内の隣接するモジュールのシールド２０６のエッジ２０８、２１０が室温であるときに重複する場合（すなわち、距離Ｄ１は重複距離である）、距離Ｄ１は、内燃機関が作動しているときに、距離Ｄ３（図示せず）に増加する。それゆえ、距離Ｄ３は、距離Ｄ１より大きい。すなわち、モジュールアレイ内の隣接するシールド２０６の熱膨張のために、内燃機関が作動しているとき（例えば、燃焼室内の約１０００℃から約３０００℃またはそれより高いガス温度で、約１００℃から約１０００℃（または約１００℃から約６００℃）のピストン温度で、燃焼室の内部温度が室温から１００℃以上に上昇したときに）に、距離Ｄ３に増加する。エンジン１００が作動しているときに、隣接するシールド２０６のエッジ間の距離Ｄ３は、エンジン１００が作動していない（そして室温である）ときの隣接するシールド２０６のエッジ間の距離Ｄ１よりも大きい。実施の形態において、距離Ｄ３は、約０．００１マイクロメートルから約１０ｍｍ、または約０．００１マイクロメートルから約５ｍｍ、またさらには約１マイクロメートルから約５ｍｍである。実施の形態において、距離Ｄ３は、距離Ｄ３を通る燃焼反応物または生成物の侵入をさらに制限するまたはなくすように構成されている。実施の形態において、距離Ｄ３は、距離Ｄ３を通って空容積２０５から出る断熱材２０４の剥離をさらに制限するまたはなくすように構成されている。距離Ｄ３は、各シールド２０６の材料（およびそのＣＴＥ）、燃焼室１０２内の反応温度、および距離Ｄ１を考慮して構成することができる。

実施の形態において、各モジュール内のシールド２０６は、そのモジュール内の支持体２０２と隣接している。実施の形態において、シールド２０６は、そのモジュール内の支持体２０２と直接的または間接的に接合している。再び図４を参照すると、各シールド２０６は、表面１０１から間隔が空けられた支持体２０２の端部で各モジュール２０１において各支持体２０２と直接接合していることがある。各モジュールにおけるシールド２０６および支持体２０２は、金属結合、金属対金属結合、または直接的機械的連結によって接合されることがある。支持体２０２とシールド２０６との間の接続は、エンジン１００の作動中の燃焼室１０２内の燃焼温度および圧力に耐えるように構成されている。例えば、シールド２０６は、作動しているエンジン１００内の１００，０００マイル（約１６０，０００ｋｍ）以上に亘り表面１０１からの支持体２０２の剥離に耐えるであろう。シールド２０６は、３Ｄプリント、金属メッキ、溶接（アーク、レーザ、プラズマ、または摩擦）、ろう接、プラズマ溶射、機械的締結、もしくは金属結合または金属対金属結合を作るための他の従来の方法により支持体２０２に施してよい。他の実施の形態において、シールド２０６および支持体２０２は、個々の片の結合が必要ないように、互いに一体成形されることがある。

実施の形態において、モジュール２０１の支持体２０２およびシールド２０６は、燃焼室１０２の製造に一般に使用される金属元素または金属合金であってよい。その金属または金属合金の例としては、炭素鋼、ステンレス鋼、アルミニウム合金、アルミニウム、ニッケルメッキを施したアルミニウム、チタン合金、ハステロイ、ニッケル系の超合金、コバルト系の超合金、およびその組合せが挙げられるであろう。支持体２０２およびシールド２０６を包括する金属または金属合金は、ニッケル、クロム、コバルト、およびその組合せを含む他の超合金であってもよい。支持体２０２およびシールド２０６の金属または金属合金は、その接続部での熱膨張応力および破損を最小にするために、表面１０１を包括する材料と同じまたは異なる熱膨張係数（ＣＴＥ）を有することがある（同様の作動温度範囲と仮定する）。例示の実施の形態において、支持体２０２およびシールド２０６の金属または金属合金のＣＴＥは、表面１０１を包括する材料のＣＴＥの１５０％以内にあることがある（同様の作動温度範囲と仮定する）。さらに別の実施の形態において、支持体２０２の金属または金属合金のＣＴＥは、シールド２０６の金属または金属合金のＣＴＥの１５０％以内であることがある。実施の形態において、少なくとも１つのモジュール２０１または熱障壁２００は、支持体２０２からシールド２０６にＣＴＥ勾配を有することがある。

実施の形態において、熱障壁２００は、空容積２０５も含む。実施の形態において、空容積２０５は、モジュールアレイ内の少なくとも１つのシールド２０６の下部２１４と表面１０１との間に少なくとも部分的に画成される。図４および５を参照すると、空容積２０５は、表面１０１と、モジュールアレイ内の複数のシールド２０６の下部２１４との間に画成されることがある。実施の形態において、空容積２０５は、モジュールアレイ内の複数の支持体２０２の周りの入り組んだ容積である。実施の形態において、空容積２０５は、単独の空隙または複数の個別のおよび／または相互接続された空隙であることがある。実施の形態において、空容積２０５は、厚さＴ１の少なくとも５０％に亘り、または実質的に厚さＴ１に亘り、延在する。実施の形態において、熱障壁２００の長さ、幅、および厚さＴ１に沿った支持体２０２対空容積２０５の容積比は、約３：１から約１：２０まで、または約１：１から約１：５までであろう。

実施の形態において、モジュールアレイ内の全てのシールド２０６の断面積は、そのモジュールアレイ内の全ての支持体２０２の断面図より大きい。図５に示された一例として、モジュールアレイ内のシールド２０６の断面積（燃焼室の表面に対して実質的に平行な平面Ｂ−Ｂに沿って示されている）は、そのモジュールアレイ内の全ての支持体２０２の断面積（燃焼室の表面に対して実質的に平行な平面Ａ−Ａに沿って示されている）より大きい。実施の形態において、そのモジュールアレイは反復構造パターンを含む。図４〜７に示されるように、熱障壁２００は、特定の構成で組織化された複数のモジュール２０１により反復パターンを含む。実施の形態において、熱障壁２００は、表面１０１上で非反復または不連続であってよく、燃焼室内の「ホットスポット」に限局されることがある。

実施の形態において、１つのモジュールのシールド２０６の上部２１２は、隣接するモジュールのシールド２０６の下部２１４と近接している。図６および７に、モジュールアレイ内の１つのシールド２０６の上部２１２がそのモジュールアレイ内の第２のシールド２０６の下部２１４と近接または隣接している例（重複するエッジが、エンジンの温度に応じて、距離Ｄ１または距離Ｄ３だけ隔てられている）が与えられている。実施の形態において、モジュールアレイ内の１つ以上のシールド２０６は、上部２１２に隣接した先端面取り部（図６に面取りエッジ２２０として示された）を有するエッジ２０８、２１０を備えている。実施の形態において、モジュールアレイ内の１つ以上のシールド２０６は、下部２１４に隣接した先端面取り部を有するエッジ２０８、２１０を備えている。もちろん、１つ以上のモジュールは、上部２１２と下部２１４に隣接した面取りエッジの組合せを含んでもよい。隣接するモジュールの上部２１２および／または下部２１４に沿った面取りエッジ（例えば、図６および７に示されたような）により、エンジンの作動中にモジュールアレイ内の隣接するモジュール間の距離が増加する（距離Ｄ１から距離Ｄ３に）ことがあるであろう。すなわち、隣接するモジュール間の対向する面取りエッジが、エンジン１００の作動中の燃焼反応への暴露から、表面１０１を実質的に密封するであろう。実施の形態において、面取りエッジは、上部２１２または下部２１４に対して９０度未満の角度でエッジを含むことがある。

実施の形態において、熱障壁２００は断熱材２０４を含む。実施の形態において、断熱材２０４は、シールド２０６と表面１０１との間の空容積２０５内に収容されている。すなわち、空容積２０５には、断熱材２０４が少なくともある程度充填されている。それゆえ、空容積２０５の一部は、その中の断熱材２０４の存在により占められている（削減されている）。断熱材２０４は、空容積２０５の５％から９９％を充填することがある。例示の実施の形態において、断熱材２０４は空容積２０５を満たしている。図５に戻ると、断熱材２０４（クロスハッチ区域として示されている）は、空容積２０５内に収容されている。実施の形態において、断熱材２０４は、モジュールアレイ内の少なくとも１つのシールド２０６を補強し、燃焼反応の圧力による崩壊／変形を防ぐように、シールド２０６と表面１０１との間に構成されることがある。すなわち、断熱材２０４は、エンジンの作動中に少なくとも１つのシールド２０６を機械的に支持することがある。実施の形態において、熱障壁２００内の長さ、幅、および厚さＴ１に沿った支持体２０２対断熱材２０４の容積比は、約１：１から約１：５までであることがある。実施の形態において、断熱材２０４は、支持体２０２の厚さＴ１に沿った密度勾配を有する。断熱材２０４の容積比、密度、および位置により、所望の熱伝導率を達成するために熱障壁２００を「微調整」することができるであろう。

例示の実施の形態において、断熱材２０４は、エンジン１００の作動中に断熱材２０４が空容積２０５から燃焼室１０２中に逃げない、剥離しない、または剥がれないように、厚さＴ１（シールド２０６と表面１０１との間）内にかみ合わされている。実施の形態において、モジュールアレイ内の表面１０１および／または少なくとも１つのシールド２０６の下部２１４は、エンジン１００の作動中に、断熱材２０４が燃焼室１０２中に動く（表面摩擦により）または失われるのを防ぐように波形にされることがある。

断熱材２０４は、空気、セラミック材料、および／またはその組合せであってよい。実施の形態において、断熱材２０４は、空容積２０５中に流れ込むまたは収容されることができ、４００℃で約０．１Ｗ／ｍ・Ｋから約１２．０Ｗ／ｍ・Ｋの、または４００℃で約０．１Ｗ／ｍ・Ｋから約８．０Ｗ／ｍ・Ｋの、またさらには４００℃で約１．０Ｗ／ｍ・Ｋから約４．０Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率を有する任意の材料である。断熱材２０４は、仕事をし、エンジン１００を駆動するのにより多くの燃焼エネルギーが利用できるように、熱障壁２００の熱伝導抵抗を増加させるために、空容積２０５内にある、表面１０１より低い熱伝導率を有する組成物である。

断熱材２０４がセラミック材料を含む実施の形態において、そのセラミック材料は、約１０％から約９０％、または約３０％から約７０％の気孔率を有することがある。そのセラミック材料の細孔は、空気を含むことがある。例示のセラミック材料としては、以下に限られないが、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、二酸化ジルコニウム、ジルコン酸ランタン、ジルコン酸ガドリニウム、ヘキサアルミン酸マグネシウムランタン(lanthanum magnesium hexaaluminate)、ヘキサアルミン酸マグネシウムガドリニウム(gadolinium magnesium hexaaluminate)、ヘキサアルミン酸リチウムランタン(lanthanum lithium hexaaluminate)、ジルコン酸バリウム、ジルコン酸ストロンチウム、ジルコン酸カルシウム、リン酸ジルコニウムナトリウム、ムライト、酸化アルミニウム、酸化セリウム、およびその組合せが挙げられる。例示の実施の形態のセラミック材料は、セラミック発泡体であることがある。例示の実施の形態のセラミック材料は、アルミン酸塩、ジルコン酸塩、ケイ酸塩、チタン酸塩、およびその組合せから形成されることもある。

実施の形態において、熱障壁２００の全厚（厚さＴ１＋厚さＴ２）は、約０．１ｍｍから約１０ｍｍ、または約０．１ｍｍから約５ｍｍである。例示の実施の形態において、熱障壁２００は、４００℃で約０．１Ｗ／ｍ・Ｋから約１２Ｗ／ｍ・Ｋの、または４００℃で約１Ｗ／ｍ・Ｋから約５Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率を有する。エンジン１００内の表面上の複合熱障壁２００の様々な実施の形態が、図４〜９に与えられている。もちろん、これらの実施の形態および他の実施の形態の組合せも、本開示にしたがう。

本開示は、エンジン１００の内燃室１０２内の金属表面１０１に熱障壁２００を施す方法も含む。この方法は、少なくとも２つの支持体２０２を施すための金属表面１０１を調製する工程を含む。金属表面１０１を調製する工程は、粗面化、化学エッチング、穴開け、洗浄、またはその上に複数の支持体２０２を施すための表面１０１を準備する他の過程を含むことがある。表面１０１を調製する方法は、表面１０１上に支持体２０２を施す方法によるであろうと想定される。

熱障壁２００を製造する方法は、モジュール２０１のアレイを形成する工程を含むことがある。熱障壁２００を製造する方法は、シールド２０６上に複数の支持体２０２を形成するまたは接合する工程も含むことがある。シールド２０６に複数の支持体２０２を接合する工程としては、３Ｄプリント、金属メッキ、機械的連結またはねじ切り、融接、ろう接、抵抗溶接、拡散接合、焼結、または金属対金属結合によって支持体２０２をシールド２０６に金属結合する他の従来の方法が挙げられる。図９Ａに示されるような実施の形態において、支持体２０２は、熱障壁２００を形成するために金属薄板から形成されることがある。この実施の形態において、支持体２０２は、板金製造、パンチ成形、超塑性成形、ハイドロフォーミング法、化学エッチング、放電加工、機械式フライス加工、加圧成形および焼結、並びに他の類似の過程によって、シールド２０６から形成されることがある。すなわち、シールド２０６および支持体２０２は、ここに開示された材料の１枚のシートから一工程で形成できる。実施の形態において、支持体２０２は、支持体２０２が少なくとも１つのシールド２０６に直接的または間接的に接合される前に、表面１０１に直接的または間接的に接合されることがある。

熱障壁２００を製造する方法は、シールド２０６の一部を除去して、アレイ内のモジュールのエッジの内の少なくとも２つの間に距離Ｄ１を作り出す工程を含んでもよい。図９Ｂおよび９Ｃは、距離Ｄ１を形成するためにシールド２０６の部分を除去した後のモジュールアレイの実施の形態を示している。実施の形態において、図９Ａ〜９Ｃは、モジュール２０１のアレイを形成する連続過程であってもよい。

熱障壁２００を製造する方法は、熱障壁２００を表面１０１に施す工程を含むことがある。熱障壁２００を表面１０１に施す工程は、少なくとも２つの支持体２０２を表面１０１に直接的または間接的に接合する工程を含む。熱障壁２００を表面１０１に施す工程は、複数のモジュールを表面１０１に直接的または間接的に接合する工程を含む。支持体２０２は、３Ｄプリント、金属メッキ、機械的連結またはねじ切り、融接、ろう接、抵抗溶接、拡散接合、焼結、または金属対金属結合で支持体２０２を表面１０１に金属結合する他の従来の方法により表面１０１に接合してよい。熱障壁２００を表面１０１に施す方法は、支持体２０２の周りの空容積２０５の形成を含むことがある。空容積２０５の形成としては、エッチング、穴開け、もしくは材料または金属を除去する任意の他の過程が挙げられる。

熱障壁２００を製造する方法は、少なくとも２つのシールド２０６の外側エッジが室温にあるときに距離Ｄ１だけ間隔が空けられるように、１つのモジュール２０１の少なくとも一部を除去する工程も含むことがある。すなわち、距離Ｄ１を形成するために２つの支持体２０２の間のシールド２０６の少なくとも一部を除去すると、２つの別個のモジュール２０１が作られる。図１０に示されるような実施の形態において、モジュール２０１のアレイを表面１０１に施すのを支援するために、隣接するモジュール間にタブ２１８が残っていてもよい。タブ２１８は、隣接するモジュール２０１のエッジ間の長さのほんのわずかしか延在しない。熱障壁２００を形成する方法は、タブ２１８を除去または壊して、隣接するモジュール間の全長に亘り距離Ｄ１を形成する工程を含むことがある。図１０の実施の形態において、支持体２０２が表面１０１と接触するときに、中空部分２０７を通じて施される加熱方法によって、支持体２０２を表面１０１に接合することができる。

熱障壁２００を製造する方法は、空容積２０５内に断熱材２０４を入れる工程も含むことがある。空容積２０５内に断熱材２０４を入れる方法としては、圧力印加、噴射、加圧、含浸、および固体または気体断熱材を空容積２０５に入れる他の従来の方法が挙げられるであろう。空容積２０５内に断熱材２０４を入れる工程は、支持体２０２を表面１０１に施している間に行われることが想定される。

ここに用いられているように、名詞は、文脈が明らかにそうではないと示していない限り、複数の対象を含む。範囲は、ここでは、「約」ある特定の値から、および／または「約」別の特定の値まで、と表現することができる。そのような範囲が表現された場合、例は、その１つの特定の値から、および／または他方の特定の値までを含む。同様に、値が、「約」という先行詞を使用して、近似として表現されている場合、その特定の値は別の態様を形成することが理解されよう。それらの範囲の各々の端点は、他方の端点に関してと、他方の端点とは独立しての両方で有意であることがさらに理解されよう。

ここでの列挙は、特定の方法で機能するように「構成」または「適用」された本発明の構成要素を称することも留意のこと。この点に関して、そのような構成要素は、特定の性質を具体化するように、または特定の様式で機能するように「構成」または「適用」されており、その場合、そのような列挙は、目的の用途の列挙とは対照的に、構造的な列挙である。より詳しくは、構成要素が「構成」または「適用」される様式へのここでの言及は、その構成要素の既存の物理的条件を意味し、それゆえ、その構成要素の構造的特徴の明確な列挙と解釈されるべきである。

以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。

実施形態１
熱障壁において、
各々が少なくとも１つの支持体およびシールドを備えたモジュールのアレイ、
を備え、
前記アレイ内の各モジュールの支持体は、第２の端部と反対の第１の端部を有し、
前記アレイ内の各モジュールのシールドは、エッジおよび下部と反対の上部を有し、
前記アレイ内の各モジュールの支持体の第１の端部は、該モジュールのアレイ内の少なくとも１つのシールドの下部と直接的または間接的に接合しており、
各支持体の第２の端部は、内燃機関の燃焼室内の表面と直接的または間接的に接合しており、
前記モジュールのアレイ内の少なくとも２つのモジュールのシールドのエッジは、約２５℃であるときに、距離Ｄ１だけ間隔が空けられている、熱障壁。

実施形態２
前記距離Ｄ１が、前記内燃機関が作動しているときに、距離Ｄ２に減少する、実施形態１に記載の熱障壁。

実施形態３
前記距離Ｄ２が約０マイクロメートルから約１ｍｍである、実施形態２に記載の熱障壁。

実施形態４
前記距離Ｄ１が、前記内燃機関が作動しているときに、距離Ｄ３に増加する、実施形態１に記載の熱障壁。

実施形態５
前記距離Ｄ３が約０．００１マイクロメートルから約５ｍｍである、実施形態４に記載の熱障壁。

実施形態６
前記アレイ内の少なくとも３０％のモジュールのシールドのエッジが、少なくとも１つの隣接するモジュールのシールドのエッジから間隔が空けられている、実施形態１に記載の熱障壁。

実施形態７
前記アレイ内の全てのモジュールのシールドのエッジが、該アレイ内の全ての隣接するモジュールのシールドのエッジから間隔が空けられている、実施形態１に記載の熱障壁。

実施形態８
前記モジュールのアレイ内の全てのシールドの断面積が、該モジュールのアレイ内の全ての支持体の断面積より大きい、実施形態１から７いずれか１つに記載の熱障壁。

実施形態９
前記アレイ内の少なくとも１つのモジュールのシールドと、前記燃焼室の表面との間に空容積をさらに含む、実施形態１から８いずれか１つに記載の熱障壁。

実施形態１０
前記モジュールのアレイの支持体の容積対前記空容積の比が３：１から１：２０である、実施形態１から９いずれか１つに記載の熱障壁。

実施形態１１
前記空容積に断熱材が少なくとも部分的に充填されている、実施形態９または１０に記載の熱障壁。

実施形態１２
前記断熱材が、空気、セラミック材料、またはその組合せである、実施形態１１に記載の熱障壁。

実施形態１３
前記セラミック材料が、イットリア安定化ジルコニア、二酸化ジルコニウム、ジルコン酸ランタン、ジルコン酸ガドリニウム、ヘキサアルミン酸マグネシウムランタン、ヘキサアルミン酸マグネシウムガドリニウム、ヘキサアルミン酸リチウムランタン、ジルコン酸バリウム、ジルコン酸ストロンチウム、ジルコン酸カルシウム、リン酸ジルコニウムナトリウム、ムライト、酸化アルミニウム、酸化セリウム、またはその組合せである、実施形態１２に記載の熱障壁。

実施形態１４
前記モジュールのアレイ内に反復構造パターンをさらに含む、実施形態１から１３いずれか１つに記載の熱障壁。

実施形態１５
前記アレイ内の各モジュールのシールドの上部と前記燃焼室の表面との間の距離が約０．１ｍｍから約５ｍｍである、実施形態１から１４いずれか１つに記載の熱障壁。

実施形態１６
前記アレイ内の前記モジュールの内の少なくとも１つが、前記上部に隣接した面取り部を有するシールドエッジを含む、実施形態１から１５いずれか１つに記載の熱障壁。

実施形態１７
前記アレイ内の前記モジュールの内の少なくとも１つが、中に中空部分を有する支持体を含む、実施形態１から１６いずれか１つに記載の熱障壁。

実施形態１８
前記燃焼室内の表面が、ピストンの上面、燃焼室の圧縮容積の壁、および燃焼室の排気容積の壁の内の少なくとも１つである、実施形態１から１７いずれか１つに記載の熱障壁。

実施形態１９
熱障壁において、
各々が支持体およびシールドを備えた少なくとも２つのモジュール、
を備え、
前記モジュールの支持体の各々が第２の端部と反対の第１の端部を有し、
前記モジュールのシールドの各々が外側エッジおよび下部と反対の上部を有し、
前記モジュールの支持体の内の少なくとも１つの第１の端部が、前記２つのモジュールのシールドの内の少なくとも１つの下部と直接的または間接的に接合しており、
前記モジュールの支持体の第２の端部が、内燃機関の燃焼室内の表面と直接的または間接的に接合しており、
前記２つのモジュールのシールドの外側エッジが、２５℃であるときに、距離Ｄ１だけ間隔が空けられている、熱障壁。

実施形態２０
前記距離Ｄ１が、前記少なくとも２つのモジュールが約１００℃から約６００℃の温度であるときに、距離Ｄ３に増加している、実施形態１９に記載の熱障壁。

実施形態２１
１つのモジュールのシールドの上部が第２のモジュールのシールドの下部と近接している、実施形態１９または２０に記載の熱障壁。

実施形態２２
前記距離Ｄ１が、前記少なくとも２つのモジュールが約１００℃から約６００℃の温度であるときに、距離Ｄ２に減少している、実施形態１９に記載の熱障壁。

実施形態２３
１つのモジュールのシールドの外側エッジが、第２のモジュールのシールドの外側エッジと接触している、実施形態２２に記載の熱障壁。

実施形態２４
モジュールのアレイとして前記２つのモジュールを複数、さらに備える、実施形態１９に記載の熱障壁。

実施形態２５
少なくとも１つのモジュールのシールドの下部と、前記燃焼室の表面との間の容積をさらに含む、実施形態１９から２４いずれか１つに記載の熱障壁。

実施形態２６
前記容積が断熱材を収容する、実施形態２５に記載の熱障壁。

実施形態２７
前記モジュールの支持体の少なくとも１つが、約５％から約９０％の気孔率を有する、実施形態１９から２６いずれか１つに記載の熱障壁。

実施形態２８
少なくとも１つのモジュールのシールドの上部と前記燃焼室の表面との間の距離が約０．５ｍｍから約５ｍｍである、実施形態１９から２７いずれか１つに記載の熱障壁。

実施形態２９
実施形態１に記載の熱障壁を製造する方法において、
前記モジュールのアレイを形成する工程、および
前記モジュールのアレイを前記内燃機関の燃焼室内の表面の少なくとも１つと接合する工程、
を有してなり、
前記アレイ内の少なくとも２つのモジュールのシールドのエッジが、２５℃であるときに、距離Ｄ１だけ間隔が空けられている、方法。

実施形態３０
実施形態１９に記載の熱障壁を製造する方法において、
前記内燃機関の燃焼室内の表面上に両方のモジュールを形成する工程、および
前記２つのモジュールのシールドの外側エッジが、２５℃であるときに、距離Ｄ１だけ間隔が空けられるように、１つのモジュールの少なくとも一部を除去する工程、
を有してなる方法。

実施形態３１
少なくとも１つのモジュールの少なくとも一部を除去して、少なくとも１つのモジュールのシールドと前記燃焼室の表面との間に空容積を形成する工程をさらに含む、実施形態２９または３０に記載の方法。

実施形態３２
実施形態１または１９に記載の熱障壁を備えた自動車エンジン。

１００ エンジン
１０１ 表面
１０２ 燃焼室
１０４ ピストン
１０６ 吸気弁
１０８ 連接棒
１１０ クランク軸
１１４ 排気弁
１１６ 点火／グロープラグ
１１８ 排気口
１１９ 吸気口
１２２ 排気容積
１２３ 吸気容積
２００ 熱障壁
２０２ 支持体
２０５ 空容積
２０６ シールド
２０７ 中空部分
２０８ 第１のエッジ
２１０ 第２のエッジ
２１２ 上部
２１４ 下部

Claims (5)

1. 熱障壁において、
   各々が少なくとも１つの支持体およびシールドを備えたモジュールのアレイ、
   を備え、
   前記アレイ内の各モジュールの支持体は、第２の端部と反対の第１の端部を有し、
   前記アレイ内の各モジュールのシールドは、エッジおよび下部と反対の上部を有し、
   前記アレイ内の各モジュールの支持体の第１の端部は、該モジュールのアレイ内の少なくとも１つのシールドの下部と直接的または間接的に接合しており、
   各支持体の第２の端部は、内燃機関の燃焼室内の表面と直接的または間接的に接合しており、
   前記モジュールのアレイ内の少なくとも２つのモジュールのシールドのエッジは、約２５℃であるときに、距離Ｄ１だけ間隔が空けられている、熱障壁。
2. 前記距離Ｄ１が、前記内燃機関が作動しているときに、距離Ｄ２に減少し、該距離Ｄ２が約０マイクロメートルから約１ｍｍである、請求項１記載の熱障壁。
3. 前記アレイ内の少なくとも３０％のモジュールのシールドのエッジが、少なくとも１つの隣接するモジュールのシールドのエッジから間隔が空けられている、請求項１記載の熱障壁。
4. 前記アレイ内の各モジュールのシールドの上部と前記燃焼室の表面との間の距離が約０．１ｍｍから約５ｍｍである、請求項１から３いずれか１項記載の熱障壁。
5. 熱障壁において、
   各々が支持体およびシールドを備えた少なくとも２つのモジュール、
   を備え、
   前記モジュールの支持体の各々が第２の端部と反対の第１の端部を有し、
   前記モジュールのシールドの各々が外側エッジおよび下部と反対の上部を有し、
   前記モジュールの支持体の内の少なくとも１つの第１の端部が、前記２つのモジュールのシールドの内の少なくとも１つの下部と直接的または間接的に接合しており、
   前記モジュールの支持体の第２の端部が、内燃機関の燃焼室内の表面と直接的または間接的に接合しており、
   前記２つのモジュールのシールドの外側エッジが、２５℃であるときに、距離Ｄ１だけ間隔が空けられている、熱障壁。

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