JP2023134101A - 充電装置、防災用照明器具および防災用照明システム - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電池を長寿命化できる充電装置、防災用照明器具および防災用照明システムを得ることを目的とする。【解決手段】本開示に係る充電装置は、蓄電池と、前記蓄電池を充電する充電回路と、前記充電回路により前記蓄電池を満充電となるまで充電した後、前記蓄電池の電圧が予め定められた閾値電圧よりも大きい場合に、前記蓄電池を放電させ、または、前記蓄電池を放電させるための信号を発する制御回路と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、充電装置、防災用照明器具および防災用照明システムに関する。

特許文献１には防災用照明器具が開示されている。この防災用照明器具の点灯装置は、点灯回路と、放電回路と、電圧検出回路と、異常検出回路とを備える。異常検出回路は、放電回路を制御して電池を放電させ、電池の放電開始によって電池電圧が立ち下がったときの検出値、又は電池電圧が立ち下がる前後の検出値の低下量に基づいて、異常検出処理を行う。

特開２０２１－１５７４０号公報

電池内蔵型の防災用照明装置は、内蔵した蓄電池で非常時に有効時間の間、光源を点灯させる必要がある。内蔵する蓄電池には、ニッケル水素（Ｎｉ－ＭＨ）蓄電池またはニッケルカドミウム（Ｎｉ－Ｃｄ）蓄電池が用いられることが多い。環境への影響を鑑みてＮｉ－ＭＨ蓄電池が使用される場合が多い。

蓄電池の電力を用いて非常時に光源を点灯させるために、一般に商用電源が防災用照明装置に供給されている間は、蓄電池を充電し続ける。Ｎｉ－ＭＨ蓄電池の正極は、充電前はβ型水酸化ニッケルであり、充電後の満充電付近ではβ型オキシ水酸化ニッケルとなる。満充電状態を継続し過充電状態となると、正極はγ型オキシ水酸化ニッケルへと変化する。このとき、正極の層間にセパレータ内の電解液が吸収され、セパレータで保持している電解液量が減少する。放電によって、γ型オキシ水酸化ニッケルはα型水酸化ニッケルを経由して、より電解液中で安定なβ型水酸化ニッケルに戻る。この変化の際に、正極に吸収された電解液が放出され、セパレータに戻される。

このサイクルが正常に行われることで、Ｎｉ－ＭＨ蓄電池の充放電が実現可能となる。しかし、過充電状態が継続されると、蓄電池の内部抵抗が上昇し、充分な放電電流を流すことが出来なくなる場合がある。特に、充電電流値が大きいほど、または、低温環境下ほど、内部抵抗は顕著に上昇する傾向にある。また、誘導灯器具及び避難誘導システム用装置技術基準（ＪＩＬ５５０２）では、準拠する消防法に倣い、間欠充電が認められていない。このため、トリクル充電が行われ、さらに内部抵抗が上昇し易くなるおそれがある。

非常用照明器具技術基準（ＪＩＬ５５０１）および誘導灯器具及び避難誘導システム用装置技術基準（ＪＩＬ５５０２）は、非常時に蓄電池の性能が正しく発揮されるように、定期的に点検することを定めている。特許文献１では、蓄電池の放電時の立下がり等に基づいて異常検出を行っている。しかし、特許文献１では、点検するまでは充分な放電が可能かを知ることができない。つまり、点検で異常が検出された時点では、蓄電池は既に充分な放電ができない状態であり、蓄電池を交換する必要がある。

本開示は、上述の課題を解決するためになされたもので、蓄電池を長寿命化できる充電装置、防災用照明器具および防災用照明システムを得ることを目的とする。

本開示に係る充電装置は、蓄電池と、前記蓄電池を充電する充電回路と、前記充電回路により前記蓄電池を満充電となるまで充電した後、前記蓄電池の電圧が予め定められた閾値電圧よりも大きい場合に、前記蓄電池を放電させ、または、前記蓄電池を放電させるための信号を発する制御回路と、を備える。

本開示に係る充電装置では、蓄電池を満充電となるまで充電した後、蓄電池の電圧が予め定められた閾値電圧よりも大きい場合に、蓄電池を放電させることができる。これにより、蓄電池を正常な放電ができる状態にすることができる。従って、蓄電池を長寿命化できる。

実施の形態１に係る非常用照明器具の斜視図である。 実施の形態１に係る防災用照明システムのブロック図である。 環境温度と蓄電池の満充電時の電圧値の関係を示す図である。 実施の形態１に係る閾値電圧を説明する図である。 実施の形態１に係る非常用照明器具の下面図である。 実施の形態１に係る充電モニタ用ＬＥＤの点滅パターンを説明する図である。

本実施の形態に係る充電装置、防災用照明器具および防災用照明システムについて図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る非常用照明器具１００の斜視図である。本実施の形態では、防災用照明器具として非常用照明器具１００を例に説明する。非常用照明器具１００は、非常灯とも呼ばれる。非常用照明器具１００は、本体１０と、本体１０の両側の側面から延びる取付バネ１２を備える。本体１０にはコントロールユニット２０、光源ユニット４０および蓄電池５０が収納される。蓄電池５０は、ニッケル水素（Ｎｉ－ＭＨ）蓄電池である。蓄電池５０は、例えばセルを組み合わせた組電池である。コントロールユニット２０は蓄電池５０を充電する充電装置に該当する。なお、図１では光源ユニット４０および蓄電池５０が本体１０から取り外されている。

図２は、実施の形態１に係る防災用照明システム１０１のブロック図である。防災用照明システム１０１は、非常用照明器具１００と外部装置であるクラウド７０を備える。非常用光源４１は、光源ユニット４０の一部である。コントロールユニット２０において、フライバック回路２１は商用電源ＡＣから電力を供給され、定電圧回路２２に電源を供給する。定電圧回路２２は、フライバック回路２１から供給された電力を予め定められた電圧に変換する。充電回路２３は、定電圧回路２２から供給された定電圧を電源として、蓄電池５０を充電する。非常用点灯回路２４は、点検時または非常時に蓄電池５０から電力を供給され、非常用光源４１を点灯させる。非常時は商用電源が断たれた時を示す。なお、この時のマイコン２５の電源電圧は蓄電池５０から供給される。

制御回路であるマイコン２５は、充電回路２３、非常用点灯回路２４、表示用ＬＥＤ３０を制御する。検出部２６は、蓄電池の電圧を検出する電圧検出部２６ａと、蓄電池５０の温度Ｔａを測定する温度測定部２６ｂを備える。マイコン２５は検出部２６の検出結果に応じて、充電回路２３、非常用点灯回路２４、表示用ＬＥＤ３０を制御する。また、マイコン２５は、通信インターフェース３９を介してクラウド７０と通信する。

マイコン２５は、例えば商用電源ＡＣの投入後４８時間以上経過後に、電圧検出部２６ａと温度測定部２６ｂで蓄電池５０の満充電時の電圧値Ｖｂａｔと蓄電池５０の温度Ｔａを測定する。マイコン２５は、蓄電池５０の温度Ｔａに応じた蓄電池５０の満充電時の電圧値Ｖｂａｔを記憶部２５ａに記憶する。記憶部２５ａは、例えば不揮発性メモリである。一般に、蓄電池５０の温度Ｔａが高いほど電圧値Ｖｂａｔは低く、蓄電池５０の温度Ｔａが低いほど電圧値Ｖｂａｔは高い。マイコン２５は、予め定められた温度範囲毎の電圧値Ｖｂａｔを記憶しても良い。

マイコン２５は、充電回路２３により蓄電池５０を満充電となるまで充電した後、蓄電池５０の電圧が後述する予め定められた閾値電圧よりも大きい場合に、蓄電池５０を放電させるための信号を発する。これによりマイコン２５は、外部に蓄電池５０の放電を指示する。つまり、マイコンは蓄電池５０の電圧が閾値電圧に達した場合、充分な放電電流を流せない恐れがあるとして、外部に報知を行う。

報知後、外部からの操作または自動で、過放電防止電圧よりも低い電圧値まで蓄電池５０を放電させる。この放電を以降では回復放電と呼ぶ場合がある。マイコン２５は、蓄電池５０を回復放電した後、再び蓄電池５０を充電する。

次に、蓄電池５０の電圧および温度の検出方法を説明する。蓄電池５０の両端電圧は、電圧検出部２６ａで抵抗分圧した電圧をマイコン２５で読み取ることで検出できる。

蓄電池５０の温度Ｔａは、組電池内に温度測定部２６ｂの温度測定素子を入れて測定できる。温度測定素子は例えばサーミスタである。組電池内に温度測定素子を入れるのが困難な場合は、組電池外または組電池の近傍に温度測定素子を配置しても良い。また、温度測定素子をコントロールユニット２０の電子回路基板上に配置しても良い。温度の測定値は、マイコン２５で読み取る。蓄電池５０の温度Ｔａを直接測定できない場合には、非常用照明器具１００内の任意の点の温度を補正することで蓄電池５０の温度Ｔａが測定されても良い。例えば事前に蓄電池５０のサンプルで満充電時の温度上昇値を測定することにより、補正を行うことができる。

図３は、環境温度と蓄電池５０の満充電時の電圧値Ｖｂａｔの関係を示す図である。図３の例では、満充電時の電圧値Ｖｂａｔとして単セル電圧が示され、蓄電池５０の温度Ｔａの電圧として環境温度が採用されている。図３の例では、非常用照明器具１００内の温度Ｔａが－１０℃～５５℃の範囲において、５℃刻みの電圧値Ｖｂａｔをマイコン２５が記憶している。満充電時の蓄電池５０の電圧値Ｖｂａｔは、例えば蓄電池５０の温度Ｔａが－１０℃の時に１．６Ｖ／セルであり、２５℃の時に１．５Ｖ／セルである。図３において、満充電時の蓄電池５０の電圧が－１０℃から５５℃まで比例して低下した場合の値が、電圧値Ｖｂａｔとして定義されている。

次に閾値電圧について説明する。電圧閾値は、例えば満充電時の電圧値Ｖｂａｔと同じ温度範囲毎に設定される。つまり、図３の例では電圧閾値も５℃毎に設定される。正常な蓄電池の内部抵抗は２０ｍΩ程度である。一方、γ化した水酸化ニッケルにより放電できなくなったＮｉ－ＭＨ蓄電池の内部抵抗は、６０ｍΩ程度まで上昇することが知られている。本実施の形態では、内部抵抗の上昇を放電できなくなる前に検出する。このため、マイコン２５は、異常を判別するための蓄電池５０の内部抵抗の閾値Ｒｔｈとして、放電不可能な内部抵抗の値である６０ｍΩよりも低い値を設定する。内部抵抗の閾値Ｒｔｈは例えば５０ｍΩである。

図４は、実施の形態１に係る閾値電圧を説明する図である。蓄電池５０の内部抵抗が閾値Ｒｔｈまで上昇した場合、充電電流が５０ｍＡと仮定すると、（５０ｍΩ―２０ｍΩ）×５０ｍＡ＝０．００１５Ｖの電圧上昇が生じる。例えば蓄電池５０が４セルの組電池であり、温度Ｔａが２０℃以上２５℃未満、配線等の抵抗値が３０ｍΩであるとする。このとき、閾値電圧は、温度Ｔａでの単セル電圧×セル数＋充電電流×（閾値Ｒｔｈ－内部抵抗正常値＋配線抵抗）＝１．５１４３Ｖ×４セル＋５０ｍＡ×（５０ｍΩ―２０ｍΩ＋３０ｍΩ）≒６．０６１４Ｖとなる。この値は図４で初期閾値電圧として示されている。

このように、本実施の形態では、温度Ｔａにおける満充電状態の蓄電池５０の電圧が閾値電圧以上となっている場合に、過充電状態により内部抵抗の上昇が発生していると判別できる。マイコン２５は、蓄電池５０の温度Ｔａに応じた満充電時の電圧値Ｖｂａｔに基づき、閾値電圧を設定する。具体的には、マイコン２５は電圧値Ｖｂａｔと、内部抵抗の閾値Ｒｔｈに基づき、閾値電圧を設定する。

ただし、初期閾値電圧では、正常時の蓄電池５０の電圧である正常電圧に対して電圧の上昇値が小さく、高い検出精度が求められることがある。この場合、蓄電池５０の電圧を検出するタイミングのみ、充電電流を増加させても良い。これにより、正常電圧に対する上昇値を大きくできる。つまり、マイコン２５は、蓄電池５０を第１充電電流で満充電まで充電し、第１充電電流よりも大きい第２充電電流を蓄電池５０に供給した状態で、蓄電池５０の電圧と閾値電圧を比較しても良い。

蓄電池５０の電圧と閾値電圧とを比較して内部抵抗の上昇を検出する頻度は、例えば１週間～２週間に１度が好適である。また、マイコン２５は、電圧検出部２６ａにより、蓄電池５０の未接続を検出しても良い。蓄電池５０の未接続を検出するための閾値は、最低の温度Ｔａにおける電圧閾値よりも更に上に設定すると良い。これにより、誤判定を防止できる。

次に、報知方法について説明する。図５は、実施の形態１に係る非常用照明器具１００の下面図である。マイコン２５は、蓄電池５０の電圧が閾値電圧よりも大きい場合、蓄電池５０を放電させるための信号を発して、外部に蓄電池５０の回復放電を要求する。一例として、マイコン２５は、表示用ＬＥＤ３０により蓄電池５０の放電を外部に指示する。この場合、蓄電池５０を放電させるための信号は、表示用ＬＥＤ３０を制御する信号である。

表示用ＬＥＤ３０は、例えば非常用照明器具１００の下面に設けられる。表示用ＬＥＤ３０は、例えば橙色の自己点検モニタ用ＬＥＤ３１、緑色の充電モニタ用ＬＥＤ３２、赤色のランプモニタ用ＬＥＤ３３を含む。充電モニタ用ＬＥＤ３２は、蓄電池５０の充電状態を表示する。充電モニタ用ＬＥＤ３２は、例えば蓄電池５０が正常に充電されている場合は点灯し、寿命または異常時は１秒間に２回点滅の繰り返し、蓄電池５０が未接続の場合は消灯する。寿命または異常を報知する点滅は、蓄電池５０が交換されるなどリセットされるまで継続される。

図６は、実施の形態１に係る充電モニタ用ＬＥＤ３２の点滅パターンを説明する図である。図６の上段は、蓄電池５０の寿命または異常を報知する点滅パターンを示し、下段は回復放電を報知するための点滅パターンを示す。回復放電を報知するための充電モニタ用ＬＥＤ３２の点滅パターンは、例えば１秒間に１回点滅の繰返しである。このように、回復放電を要求するための充電モニタ用ＬＥＤ３２の点滅パターンは、蓄電池５０の寿命または異常を報知する点滅パターンと区別されている。従って、異常状態の違いを明確にできる。

別の報知方法として、マイコン２５は、蓄電池５０を放電させるための信号を外部装置に送信しても良い。外部装置は例えばクラウド７０である。蓄電池の放電を指示する情報は、通信インターフェース３９を介してクラウド７０上に保管される。保管された情報は、いつでも作業者または管理者が取得することができる。また、防災用照明システム１０１は、クラウド７０と通信可能なリモコン、コントローラ、タブレット等の端末を備えても良い。クラウド７０に情報が保管されると、クラウド７０から端末に蓄電池５０の放電を指示する情報が送信されても良い。これにより、不具合に至る恐れのある蓄電池５０を放電することを、作業者等に直ちに要求できる。

次に、放電方法について説明する。蓄電池５０の回復放電は、マイコン２５の記憶部２５ａへの電源供給を継続させるため、商用電源ＡＣが印加された状態で行うと良い。図５に示されるように、非常用照明器具１００は、蓄電池５０を放電させるための回復放電スイッチ３７を備えても良い。マイコン２５は、回復放電スイッチ３７の操作に応じて、蓄電池５０を放電する。通常の自動点検との混同を避けるように、回復放電スイッチ３７は、通常の点検用の自己点検スイッチ３５、点検スイッチ３６とは別個に設けられる。回復放電スイッチ３７は、リモコン、コントローラ、タブレット等の端末のボタンとして設けられても良い。

マイコン２５は、蓄電池５０の電圧が閾値電圧よりも大きい場合に、自動で蓄電池５０を放電させても良い。例えば、マイコン２５は蓄電池５０の電圧が閾値電圧よりも大きいことを外部に報知すると同時に、蓄電池５０を放電させても良い。また、マイコン２５は蓄電池５０の電圧が閾値電圧よりも大きいことを外部に報知した後、予め定められた期間の経過後に、蓄電池５０を放電させても良い。また、マイコン２５は、蓄電池５０の放電を外部に指示した後、予め定められた期間に回復放電の操作が無い場合に、蓄電池５０を放電させても良い。予め定められた期間は、例えば１日である。

このような自動で行う回復放電は、夜間に実施しても良い。また、非常用照明器具１００の設置場所に一般人が居る場合があるため、非常用光源４１とは別に設けた固定抵抗に、蓄電池５０から放電を行っても良い。また、回復放電時には、回復放電を要求するための充電モニタ用ＬＥＤ３２の点滅を継続させても良い。これにより、故障による放電ではないことを外部に報知できる。

γ化した水酸化ニッケルを初期状態であるβ型に戻すために、回復放電時には、蓄電池５０を過放電防止電圧よりも低い電圧値まで放電させることが有効である。回復放電後の蓄電池５０の電圧は１．０Ｖ／セル未満の任意の電圧であると良く、例えば０．５Ｖ／セルである。蓄電池５０が設定した電圧に達した後は、マイコン２５は蓄電池５０を充電状態に復帰させる。

このように本実施の形態では、蓄電池５０を満充電となるまで充電した状態で、蓄電池５０の電圧が閾値電圧よりも大きい場合に、マイコン２５は蓄電池５０を放電させ、または、蓄電池５０を放電させるための信号を発する。これにより、蓄電池５０の内部抵抗が上昇した場合に、蓄電池５０を回復放電させることができる。つまり、γ化した水酸化ニッケルを初期状態であるβ型にすることで、再充電後は蓄電池５０を正常な放電が出来る状態にすることができる。従って、蓄電池を長寿命化できる。

つまり、充電、満充電、過充電、内部抵抗増加、異常判定、報知、放電、充電…のサイクルにより、蓄電池５０が正常な充放電をできる状態を維持することが可能となる。正常な充放電とは、蓄電池５０が非常用光源４１を有効点灯時間、点灯させることが可能な状態である。通常、蓄電池の寿命は４～５年であり、寿命以前に交換する必要があった。本実施の形態によれば、蓄電池５０の交換時期を延長でき、作業者の負担を大幅に軽減できる。

次に、クラウド７０におけるデータの蓄積および解析について説明する。マイコン２５は、情報をクラウド７０に送信する。非常用照明器具１００で検出可能なデータとして、回復放電時に過放電防止電圧に達するまでの時間、環境温度、蓄電池５０の温度Ｔａ、蓄電池５０の電圧などがある。これらの情報は、例えば商用電源ＡＣの投入から４８時間経過後から、１～２週間おきにマイコン２５で検出され、クラウド７０に蓄積される。

クラウド７０に蓄積された情報を元に、作業者は回復放電または蓄積されたデータの解析、内部抵抗の閾値Ｒｔｈ等の変更を行うことができる。データの解析は人間に限らずＡＩが行っても良い。これにより、状況の変化に応じた異常の検出が自動でできる。例えば初期設定では、内部抵抗の閾値Ｒｔｈが５０ｍΩであったが、クラウド７０のデータを解析した結果、５０ｍΩの閾値Ｒｔｈでは規定時間での放電が不可能であったとする。この場合、ＡＩは、閾値Ｒｔｈを例えば４０ｍΩに下げることができる。変更された閾値Ｒｔｈは、マイコン２５に送信され、マイコン２５では閾値Ｒｔｈの書き換えが行われる。図４では、ＡＩにより変更された閾値Ｒｔｈに基づく閾値電圧の例が示されている。このような設定値の書き換えについても、クラウド７０上に履歴として保存される。作業者は、この履歴をいつでも確認することが出来る。

閾値Ｒｔｈに限らず、図３では－１０～５５℃と設定されている蓄電池５０の温度Ｔａの全範囲、図３では５℃に設定されている電圧閾値を設定する際の温度の刻み、第２充電電流、回復放電完了時の蓄電池５０の電圧等が、ＡＩにより自動で変更されても良い。これにより、正常に回復放電を実施できる。このように、クラウド等の外部装置において、マイコン２５が送信した情報に基づき、蓄電池５０の充放電を制御するための値が設定されても良い。外部装置は、ＡＩによりデータが解析されるクラウド７０等の装置に限らず、作業者によってデータが解析される装置であっても良い。

本実施の形態は、非常用照明器具に限らず、Ｎｉ－ＭＨ蓄電池を採用した誘導灯などにも適用できる。また、本実施の形態の制御回路は、マイコンに限らず、記憶部と記憶部に格納されるプログラムを実行するプロセッサ等で構成されても良い。制御回路は、専用のハードウェアで構成されても良い。

なお、本実施の形態で説明した技術的特徴は適宜に組み合わせて用いても良い。

１０ 本体、１２ 取付バネ、２０ コントロールユニット、２１ フライバック回路、２２ 定電圧回路、２３ 充電回路、２４ 非常用点灯回路、２５ マイコン、２５ａ 記憶部、２６ 検出部、２６ａ 電圧検出部、２６ｂ 温度測定部、３０ 表示用ＬＥＤ、３１ 自己点検モニタ用ＬＥＤ、３２ 充電モニタ用ＬＥＤ、３３ ランプモニタ用ＬＥＤ、３５ 自己点検スイッチ、３６ 点検スイッチ、３７ 回復放電スイッチ、３９ 通信インターフェース、４０ 光源ユニット、４１ 非常用光源、５０ 蓄電池、７０ クラウド、１００ 非常用照明器具、１０１ 防災用照明システム、ＡＣ 商用電源、

Claims (12)

1. 蓄電池と、
   前記蓄電池を充電する充電回路と、
   前記充電回路により前記蓄電池を満充電となるまで充電した後、前記蓄電池の電圧が予め定められた閾値電圧よりも大きい場合に、前記蓄電池を放電させ、または、前記蓄電池を放電させるための信号を発する制御回路と、
   を備えることを特徴とする充電装置。
2. 前記蓄電池の温度を測定する温度測定部を備え、
   前記制御回路は、前記蓄電池の温度に応じた前記蓄電池の満充電時の電圧値を記憶し、前記電圧値に基づき前記閾値電圧を設定することを特徴とする請求項１に記載の充電装置。
3. 前記制御回路は、前記電圧値と、異常を判別するための前記蓄電池の内部抵抗の閾値に基づき、前記閾値電圧を設定することを特徴とする請求項２に記載の充電装置。
4. 前記制御回路は、前記蓄電池の電圧が前記閾値電圧よりも大きい場合、前記蓄電池を放電させるための信号を発して、外部に前記蓄電池の放電を指示することを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の充電装置。
5. 表示用ＬＥＤを備え、
   前記制御回路は、前記表示用ＬＥＤにより前記蓄電池の放電を指示することを特徴とする請求項４に記載の充電装置。
6. 前記制御回路は、前記蓄電池を放電させるための信号を外部装置に送信することを特徴とする請求項４に記載の充電装置。
7. 前記蓄電池を放電させるためのスイッチを備え、
   前記スイッチの操作に応じて、前記制御回路は前記蓄電池を放電することを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の充電装置。
8. 前記制御回路は、前記蓄電池の電圧が前記閾値電圧よりも大きい場合に、自動で前記蓄電池を放電することを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の充電装置。
9. 前記制御回路は、前記蓄電池を放電した後、再び前記蓄電池を充電することを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載の充電装置。
10. 前記制御回路は、前記蓄電池を第１充電電流で満充電まで充電し、前記第１充電電流よりも大きい第２充電電流を前記蓄電池に供給した状態で、前記蓄電池の電圧と前記閾値電圧を比較することを特徴とする請求項１から９の何れか１項に記載の充電装置。
11. 請求項１から１０の何れか１項に記載の充電装置と、
    非常用光源と、
    を備え、
    前記充電装置は、前記蓄電池から電力を供給され、前記非常用光源を点灯させる点灯回路を備えることを特徴とする防災用照明器具。
12. 請求項１から１０の何れか１項に記載の充電装置と、
    前記制御回路が送信した情報に基づき、前記蓄電池の充放電を制御するための値を設定する外部装置と、
    を備えることを特徴とする防災用照明システム。

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