JP6302321B2 - 電池電極用塗料製造用の液体処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、処理対象である液体に対して脱泡処理を含む処理を行う液体処理装置に関する。

処理対象である液体に対して、脱泡処理を含む処理を行う液体処理装置は、様々な産業分野において用いられており、このような処理が施される液体として多様な液体が存在する。このような液体の一例として、たとえば、電極を形成するための電極用基材に対して塗布される電極用塗料が挙げられる。当該電極は、電池を構成する一部品である。リチウムイオン二次電池に代表される電池需要は、ポータブル電子機器用電源のほか、電気自動車用電源、風力・太陽光発電設備によって発電された電力の蓄積等をはじめ、今後ますます増大することが予測される。また、電池自体の小型化、軽量化、安全性の一層の促進が同時に要請されている。たとえば、電気自動車用電源としてリチウムイオン電池を用いる場合、適当な電圧を得るために複数の電池が直列に接続された状態で使用される。これらの電池のいずれかに電極欠陥が存在するものがあると、発火等の危険が増大する。一方、電池自体の大容量小型化を実現するためには、電極のより一層の薄膜化が要請される。

安全性を担保した上で電極のより一層の薄膜化を実現するためには、電極用基材に対して電極用塗料を薄状に、かつ、電極用基材の表面のすべての領域において均一に塗布する必要がある。しかし、その実現は、困難を極めているのが実情である。仮に電極用基材に塗布された電極用塗料が不均一であったり、不純物が点在していたりすると、電極欠陥となり、安全性が一挙に低下してしまう。

二次電池の電極用塗料は、一般的に粉体が高濃度（たとえば５０ｗｔ％程度）で含有されており相当に高粘度である。このような電極用塗料の製造方法は、たとえば、電極材料を容器内に投入し、攪拌羽根を回転させて分散および攪拌する。次いで、分散および攪拌した後に、電極用塗料の中間材料に含まれた気泡などを除くための脱泡処理を行う。そして、この中間材料を所定の時間静置させることにより、中間材料の含有成分を安定化させ均一に分布させることが好ましい。

図５は、上述した電極料塗料の中間材料をはじめとする液体に対して、専ら脱泡処理を行う従来の液体処理装置を示している（たとえば、特許文献１〜３参照）。同図（ａ）（ｂ）に示された減圧脱泡装置Ｘ１，Ｘ２は、いずれも集液槽９１、飛散部９２、減圧ポンプ９３および送液ポンプ９４を備えている。集液槽９１は、減圧ポンプ９３によって内圧が所定の真空度となるように減圧される。飛散部９２は、送液されてきた液体を集液槽９１内において飛散させる機能を果たす。飛散部９２から飛散された液体は、真空中を落下する。この際に、液体に含まれる気泡の除去が図られる。集液槽９１の下方から排出された液体は、送液ポンプ９４によって、たとえば液体中の含有成分を安定化させ均一に分布させるための装置に送液される。

しかしながら、脱泡処理を終えた液体が送液される際には、この液体は送液ポンプ９４などよって非常に強い圧力やせん断力を受ける。これにより、液体に含まれる含有成分の安定化処理が、さらに長い時間に及ぶことが懸念される。また、高粘度の液体を送液する送液ポンプ９４やバルブなどにおいては、比較的強い摩耗が生じやすい。このため、摩耗によって生じた金属粉などが、処理対象である液体に混入するおそれがある。このように、脱泡処理を行った後の処理が長時間化してしまうことや、液体への異物混入が問題となる。

さらに、同図（ａ）に示す減圧脱泡装置Ｘ１においては、飛散部９２においてある程度液体を滞留させた後に飛散させる原理をとっている（たとえば、特許文献１，２参照）。真空空間とされた集液槽９１内において可能な限り広い領域に液体を細かく飛散させることが脱泡促進には好ましい。しかし、飛散させるために液体を滞留させる原理によると、脱泡処理が長時間化してしまう。また、同図（ｂ）に示す減圧脱泡装置Ｘ２においては、回転によって飛散された液体が、集液槽９１の内面を伝って落下する（特許文献３参照）。このため、液体の相当部分が集液槽９１の内面に接した状態で落下することとなり、液体と真空雰囲気との接直面積が減少してしまう。このようなことでは、十分な脱泡が達成できないおそれがある。

登録実用新案３０００８１８号公報 登録実用新案３０１３５４４号公報 特開２００１−９２０６号公報

本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、液体への異物混入を抑制し処理時間の短縮化を図ることが可能な液体処理装置を提供することをその課題とする。さらに、本発明は、より短時間でより確実に脱泡処理を行うことが可能な液体処理装置を提供することをその課題とする。

本発明によって提供される液体処理装置は、処理対象である電池電極用塗料の中間材料を含む液体に対して脱泡処理を含む処理を行う電池電極用塗料製造用の液体処理装置であって、減圧空間において液体を落下させることによって脱泡処理を行う減圧脱泡機構と、前記減圧脱泡機構と前記減圧空間を共有し、かつ前記減圧空間に前記液体の液面を暴露させた状態で前記液体を滞留させることにより前記液体に対して安定化処理を行うための滞留安定化槽と、を備え、前記減圧脱泡機構は、 前記液体を受ける受液面を有し、かつ前記受液面に対して交差する方向に延びる回転軸廻りに回転自在であるロータと、前記ロータの径方向外方において前記ロータを囲み、かつ前記滞留安定化槽とは別体とされた筒体と、を備え、前記受液面は、半球殻形状又は椀形状であり、
外部から送液された前記液体を前記減圧脱泡機構の前記受液面によって受け、かつ前記減圧脱泡機構を経た液体を、前記筒体によって前記滞留安定化槽の液面に直接落下させることを特徴としている。

本発明によれば、前記減圧脱泡機構による脱泡処理と前記滞留安定化槽による安定化処理とが一つの装置において実行される。このため、異なる複数の装置間において液体を送液する必要がない。これにより、たとえば送液ポンプやバルブなどにおいて、液体に強い圧力やせん断力が作用することを回避することができる。したがって、安定化処理に要する時間を短縮することができる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

本発明の第一実施形態に基づく液体処理装置を示す装置構成図である。 図１の液体処理装置を示す要部拡大断面図である。 本発明の第二実施形態に基づく液体処理装置を示す要部拡大断面である。 参考例としての減圧脱泡装置を示す断面図である。 （ａ），（ｂ）は、従来の液体処理装置の例を示す断面図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。

図１および図２は、本発明の第一実施形態に基づく液体処理装置を示している。本実施形態の液体処理装置Ａ１は、減圧脱泡機構１および滞留安定化槽５を備えている。本発明に係る液体処理装置によって処理される液体は特に限定されないが、以下においては電極用基材に塗布される電極用塗料、より具体的にはその中間材料を一例として説明する。液体処理装置Ａ１は、このような中間材料に対して、減圧脱泡機構１による脱泡処理と、滞留安定化槽５による安定化処理とを施す。

液体処理装置Ａ１に送られる中間材料には、図１に示す攪拌装置７によって前処理が施される。この前処理は、たとえば、リチウムイオン二次電池用の電極用材料を得るべく選択された活物質としての粉末、溶媒、バインダー等を分散および攪拌する処理である。たとえば、正極用活物質としては、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウム、リン酸鉄リチウムおよびそれらの複合体ならびに変性体の粉末が挙げられる。また、負極用活物質としては、天然黒鉛、人造黒鉛、シリコン系化合物や各種合金材料の粉末が挙げられる。

攪拌装置７は、たとえば撹拌槽７１および攪拌ロッド７２を備えている。撹拌槽７１には、中間材料の材料である前記粉末、溶媒、バインダー等が投入される。攪拌ロッド７２は、先端に攪拌羽根を有する回転可能な部品である。攪拌ロッド７２が回転することにより、撹拌槽７１に投入された材料が攪拌ロッド７２の前記攪拌羽根によって分散および攪拌される。攪拌装置７によって得られる中間材料は、一般的に粉体が高濃度（たとえば５０ｗｔ％程度）で含有されており相当に高粘度である。

滞留安定化槽５は、中間材料を滞留させることにより、安定化処理を施すためのものである。また、本実施形態においては、滞留安定化槽５は、中間材料に対する脱泡処理および安定化処理を行いうる減圧空間５９を構築するものであり、所定の密閉化方策が施された槽である。この減圧空間５９は、減圧脱泡機構１と滞留安定化槽５とによって共有される。本実施形態においては、滞留安定化槽５は、底板部５１、天板部５２、側板部５３からなり、全体として図中上下方向を軸方向とする円筒形状とされている。底板部５１および天板部５２は、互いに上下方向に離間しており、底板部５１が下方に位置し、天板部５２が上方に位置している。側板部５３は、底板部５１および天板部５２の端縁どうしを繋いでおり、上下方向に沿って起立している。なお、滞留安定化槽５の形状や構成は特に限定されず、減圧空間５９を適切に構築しつつ、安定化処理を行いうる構成であればよい。滞留安定化槽５の材質は、特に限定されないが、一例としてはたとえばステンレスが挙げられる。

滞留安定化槽５には、レベルスイッチ５４およびレベルスイッチ５５が設置されている。レベルスイッチ５４およびレベルスイッチ５５は、滞留安定化槽５に滞留する中間材料の液面の高さを所望の範囲に維持するためのものである。レベルスイッチ５４は、中間材料の液面の最高位に相当する位置に設置されている。たとえば、レベルスイッチ５４に中間材料の液面が到達すると、バルブ７３の制御によって滞留安定化槽５への中間材料の送液を停止したり、送液ポンプ６３の制御によって滞留安定化槽５からの中間材料の送液を開始する。レベルスイッチ５５は、中間材料の液面の最低位に相当する位置に設置されている。

減圧ポンプ６１は、滞留安定化槽５内を減圧することにより減圧空間５９を実現するためのポンプである。気圧計６２は、減圧空間５９の気圧を計測するものである。減圧ポンプ６１は、気圧計６２の計測結果に基づいてたとえばフィードバック制御される。減圧空間５９の設定圧力は処理対象となる液体によって適宜設定される。

滞留安定化槽５の底板部５１から延びる配管には、送液ポンプ６３およびバルブ６４が設置されている。送液ポンプ６３は、滞留安定化槽５における処理が終了した中間材料を液体処理装置Ａ１外に送液するためのポンプである。バルブ６４は、たとえば逆止弁であり、減圧された減圧空間５９を内部に有する滞留安定化槽５に、外部から流体が進入することを阻止する。

減圧脱泡機構１は、処理対象である液体としての中間材料に対して脱泡処理を施すためのものである。減圧脱泡機構１は、滞留安定化槽５の内部に設定された減圧空間５９において中間材料を落下させることにより脱泡を行う。図２によく表れているように、減圧脱泡機構１は、ロータ２、筒体３、モーター４１、送液ノズル４２および蓋部４３を具備している。

蓋部４３は、滞留安定化槽５に対して減圧脱泡機構１を脱着可能とするものであり、天板部５２に形成された開口を覆うようにして、たとえばボルトによって気密状態で固定されている。送液ノズル４２は、攪拌装置７によって分散および攪拌された中間材料をロータ２に向けて送液するものであり、たとえば直状のパイプからなる。本実施形態においては、蓋部４３および筒体３に、送液ノズル４２を挿通させるための貫通孔が設けられている。なお、少なくとも蓋部４３の貫通孔と送液ノズル４２との間には気密処理が施されている。

ロータ２は、送液ノズル４２によって送液された中間材料を回転によって飛散させるものである。本実施形態においては、ロータ２は、回転軸２１および受液部２２を有している。回転軸２１は、上下方向に延びており、蓋部４３に設けられた貫通孔を通じてモーター４１に連結されている。モーター４１は、ロータ２を回転させるための駆動源である。なお、モーター４１は、滞留安定化槽５の外部に設置されていることが好ましい。また、蓋部４３の貫通孔と回転軸２１との間には気密処理が施されている。なお、ロータ２の構成としては、部材としての回転軸２１を有する構成が挙げられるが、本発明はこれに限定されない。たとえば、受液部２２の外周側を環状に支持し、この外周部分に駆動力を伝達することにより、ロータ２が回転する構成であってもよい。この場合、ロータ２は、部材としての回転軸２１は有さないが、回転する際には回転軸が明瞭に観念されるものであり、この回転軸廻りに回転自在であるといえる。

受液部２２は、回転軸２１の下端に取り付けられており、回転軸２１とともに回転する。受液部２２は、受液面２３を有している。本実施形態においては、受液部２２は、半球殻形状とされている。受液面２３は、受液部２２の内面のうち底部付近の領域であり、上下方向において上方を向いている。すなわち、回転軸２１は、受液面２３に対して交差する方向に延びていると言える。受液部２２の材質は特に限定されないが、その一例としてたとえばステンレスが挙げられる。

筒体３は、ロータ２の径方向外方においてロータ２を囲み、かつ滞留安定化槽５とは別体とされている。本実施形態においては、上下方向に延びる回転軸２１廻りにロータ２が回転するため、その径方向である水平方向において、筒体３はロータ２を囲んでいる。また、筒体３が滞留安定化槽５と別体であるとは、上述した減圧空間５９を構築するための隔壁の一種として機能する滞留安定化槽５とは別に、筒体３が設けられていることを指す。本実施形態においては、より具体的には、回転軸２１に対して水平方向に離間して配置された側板部５３とは別体として、筒体３がさらに設けられていることがこれに相当する。筒体３の材質は特に限定されないが、その一例としてたとえばステンレスが挙げられる。

図１に示すように、筒体３は、その下端がレベルスイッチ５４によって設定される中間材料の最高位液面よりも上方に位置している。また、本実施形態においては、図２に示すように、筒体３の下端は、ロータ２の下端と受液部２２の上端との間に位置している。筒体３は、テーパ部３１および支持部３２を有している。支持部３２は、テーパ部３１を蓋部４３に対して支持するものであり、たとえば複数本のアーム状部材によって構成されている。テーパ部３１は、その上端が支持部３２によって支持されており、下方に向かうほど直径が大となるコーン状部分である。

次に、液体処理装置Ａ１の動作例について以下に説明する。

図１に示す攪拌装置７によって分散および拡散がなされた電極用塗料の中間材料は、撹拌槽７１の下端に取り付けられた配管から排出される。この配管は、バルブ７３を介して滞留安定化槽５に固定された送液ノズル４２に繋がっている。滞留安定化槽５の内部が減圧ポンプ６１によって減圧されることにより減圧空間５９が構築された状態でバルブ７３を開けると、負圧の作用によって撹拌槽７１の中間材料が送液ノズル４２から送液される。送液量の一例を挙げると、たとえば２〜１６Ｌ／ｍｉｎ程度である。

図２に示すように、送液ノズル４２によって送液された中間材料は、ロータ２の受液面２３によって受けられる。この際、ロータ２は、モーター４１によって回転されている。このため、中間材料は、遠心力によって受液部２２の内面に沿って径方向外方へと移動し、受液部２２の端縁から速やかに吹き飛ばされる。この中間材料は、筒体３の内面、特にテーパ部３１の内面に衝突し、これに沿って下降する。そして、図１に示すように、筒体３の下端から滞留安定化槽５にすでに滞留している中間材料の液面に向けて落下する。この際、減圧空間５９を通過することとなり、脱泡処理がなされる。ロータ２の受液部２２の直径の一例を挙げると、たとえば１００〜２００ｍｍ程度である。また、モーター４１の回転数は、たとえば３０００〜４５００ｒｐｍ程度である。

滞留安定化槽５に落下した中間材料は、その液面を減圧空間５９に暴露した状態で、所定時間滞留される。この滞留によって、中間材料の含有成分が安定化される。また、中間材料における含有成分の分布密度が均一化される。なお、安定化処理や均一化処理をより適切に行うために、図示しない攪拌手段によって、滞留安定化槽５内の中間材料をごく緩やかに撹拌してもよい。滞留安定化槽５内の気圧は、たとえば１３３３Ｐａ以下（１０Ｔｏｒｒ以下）程度である。また、滞留安定化槽５の容積は、たとえば５００Ｌ〜４０００Ｌ程度である。滞留安定化槽５における中間材料の滞留時間は、たとえば０．５〜５Ｈｒ程度、より好ましくは１〜５Ｈｒ程度である。安定化処理を終えた中間材料は、底板部５１に接続された配管からバルブ６４および送液ポンプ６３を介して、後の工程に送液される。これにより、中間材料が電極用塗料となる。なお、液体処理装置Ａ１による脱泡処理および安定化処理の後に、中間材料を電極用塗料とするための他の処理を適宜行ってもよい。

次に、液体処理装置Ａ１の作用について説明する。

本実施形態によれば、減圧脱泡機構１による脱泡処理と滞留安定化槽５による安定化処理とが一つの装置において実行される。このため、異なる複数の装置間において中間材料を送液する必要がない。このため、送液ポンプやバルブなどにおいて、中間材料に強い圧力やせん断力が作用することを回避することができる。これにより、安定化処理に要する時間を短縮することができる。また、減圧脱泡機構１による脱泡処理と滞留安定化槽５による安定化処理とが減圧空間５９を共有することにより、これらの処理に要する装置全体の小型化を図ることができる。また、液体処理装置Ａ１の減圧空間５９に中間材料を導入することは、大気圧と減圧空間５９の圧力との圧力差を利用して、ポンプなどによらず適切に行うことが可能である。このような圧力差を利用した送液においては、送液ノズル４２が直状であることが、送液抵抗を低減させる観点から好ましい。

図５（ａ），（ｂ）に示した減圧脱泡装置Ｘ１，Ｘ２を利用して液体の脱泡処理を行った後に安定化処理を行う構成の場合、内部が減圧された減圧脱泡装置Ｘ１，Ｘ２から、滞留安定化槽へと、たとえばポンプを介して中間材料を送液する必要がある。特に、この滞留安定化槽の内部が大気圧である場合、前記ポンプは相当な圧力差に逆らって中間材料を送液することが強いられる。これにより、中間材料の送液が困難となるという問題があった。これに対し、液体処理装置Ａ１によれば、滞留安定化槽５内に減圧脱泡機構１が配置されており、減圧空間５９を滞留安定化槽５と減圧脱泡機構１とが共有している。このような構成によれば、圧力差に逆らって中間材料を送液する必要がなく、上記問題が生じるおそれがない。

液体処理装置Ａ１に送液された中間材料は、減圧脱泡機構１を経て滞留安定化槽５に滞留する中間材料の液面に直接落下する。これにより、脱泡処理から安定化処理へと中間材料を送液するための配管、ポンプおよびバルブなどが不要である。したがって、中間材料への異物の混入を好適に防止することができる。また、安定化処理に先立って脱泡処理を完了させることにより、安定化処理中や安定化処理後に、中間材料に強い圧力やせん断力が作用することを回避することができる。特に、リチウムイオン二次電池用の電極用材料を得る際に、正極用活物質としてコバルト酸リチウムが採用された場合、中間材料への摩擦片などの異物混入やせん断力が作用することに起因する問題が顕著となる。本実施形態によれば、このような問題を回避可能であり、リチウムイオン二次電池用の電極用材料の製造に好適である。

図２に示すように、受液面２３で受けられた中間材料は、ロータ２が回転していることにより、受液部２２の内面に沿って速やかに径方向外方に向けて吹き飛ばされる。このため、受液部２２に中間材料を意図的に滞留させる必要がない。したがって、脱泡処理に要する時間を短縮することができる。また、ロータ２から吹き飛ばされた中間材料は、筒体３の内面によって受け止められ、そののちに、筒体３の下端から減圧空間５９内を落下する。筒体３が滞留安定化槽５の側板部５３などとは別体とされているため、中間材料は、滞留安定化槽５などに触れずに落下する。したがって、中間材料をより広い面積で減圧空間５９に暴露することが可能であり、脱泡処理を促進することができる。特に、受液部２２が半球殻形状とされていることにより、たとえば単なる平板状の受液部２２と比べて、受液部２２の受液面２３を含む内面がより広いものとなっている。このため、この内面に沿って移動する中間材料の膜厚がより薄くなり、中間材料を減圧空間５９とより確実に接触させることが可能である。これは、脱泡処理を促進するのに有利である。

内面が斜め下方を向くテーパ部３１を設けることにより、受液部２２から径方向外方斜め上方に吹き飛ばされた中間材料を、速やかに下方に向かわせることができる。テーパ部３１と支持部３２との境界が受液部２２の上端よりも下方に位置していることは、中間材料の速やかな落下に好ましい。

図３は、本発明の他の実施形態を示している。なお、本図において、上記実施形態と同一または類似の要素には、上記実施形態と同一の符号を付している。

図３は、本発明の第二実施形態に基づく液体処理装置を示している。本実施形態の液体処理装置Ａ２は、減圧脱泡機構１の構成が上述した液体処理装置Ａ１と異なっている。本実施形態においては、ロータ２の受液部２２が上方に向かうほど直径が大となる部分を有する椀形状とされている。より具体的には、受液部２２の底部付近は、比較的平板状であり、受液部２２は、この平板部分の外周端から上方に向かって広がるテーパ部分を有する。本実施形態においては、受液面２３は、受液部２２の内面のうち底部付近の比較的平らな領域である。

本実施形態の筒体３は、テーパ部３１およびストレート部３３を有している。テーパ部３１は、その上端が蓋部４３に固定されており、下方に向かうほど直径が大となるコーン状部分である。ストレート部３３は、テーパ部３１の下端に繋がっており、直径が略一定である。本実施形態においては、テーパ部３１とストレート部３３との境界が、上下方向において受液部２２の上端よりも若干下方に位置している。なお、ストレート部３３を備える構成は、筒体３の一例である。筒体３は、たとえばストレート部３３を備えず、テーパ部３１のみによって構成されていてもよい。

このような実施形態によっても、安定化処理の時間短縮が可能であり、脱泡処理を促進することができる。

図４は、減圧脱泡機構１を適用した減圧脱泡装置を参考例として示している。図示された減圧脱泡装置８は、集液槽８１および減圧脱泡機構１を備えており、専ら液体の脱泡処理を行うように構成されている。減圧脱泡機構１は、液体処理装置Ａ１における構成を例として採用しているが、液体処理装置Ａ２の減圧脱泡機構１であってもよい。

集液槽８１は、減圧脱泡機構１による脱泡処理に供される減圧空間８９を構築するとともに、脱泡処理が施された液体を集液するものである。集液槽８１は、たとえばストレート部８２およびテーパ部８３を有している。集液槽８１には、たとえば減圧ポンプ８４および気圧計８５が接続されている。減圧ポンプ８４は、減圧空間８９を構築するための減圧源であり、気圧計８５は、真空度を監視するものである。テーパ部８３の下端には、配管が繋げられている。この配管には、バルブ８６と減圧脱泡装置８外へと送液するための送液ポンプ８７とが設けられている。

このような参考例によっても、脱泡処理を促進することができる。

本発明に係る液体処理装置は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る液体処理装置の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。また、本発明に係る液体処理装置は、例えば重合反応処理を施した懸濁液から有機溶剤を除去及び回収するための、連続蒸発器としても使用することができる。

Ａ１，Ａ２ 液体処理装置
１ 減圧脱泡機構
２ ロータ
２１ 回転軸
２２ 受液部
２３ 受液面
３ 筒体
５ 滞留安定化槽
５９ 減圧空間
７ 攪拌装置
８ 減圧脱泡装置

Claims (1)

1. 処理対象である電池電極用塗料の中間材料を含む液体に対して脱泡処理を含む処理を行う電池電極用塗料製造用の液体処理装置であって、
   減圧空間において液体を落下させることによって脱泡処理を行う減圧脱泡機構と、
   前記減圧脱泡機構と前記減圧空間を共有し、かつ前記減圧空間に前記液体の液面を暴露させた状態で前記液体を滞留させることにより前記液体に対して安定化処理を行うための滞留安定化槽と、を備え、
   前記減圧脱泡機構は、
   前記液体を受ける受液面を有し、かつ前記受液面に対して交差する方向に延びる回転軸廻りに回転自在であるロータと、
   前記ロータの径方向外方において前記ロータを囲み、かつ前記滞留安定化槽とは別体とされた筒体と、を備え、
   前記受液面は、半球殻形状又は椀形状であり、
   外部から送液された前記液体を前記減圧脱泡機構の前記受液面によって受け、かつ前記減圧脱泡機構を経た液体を、前記筒体によって前記滞留安定化槽の液面に直接落下させることを特徴とする、電池電極用塗料製造用の液体処理装置。
   

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