KR101465575B1 - 열-발생 장치를 냉각하기 위한 방법 및 그 냉각장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 냉각제가 장치를 통해 순환로로 안내되는 잠수함의 열-발생 장치를 냉각하기 위한 방법 및 장치에 관련한다. 냉각제의 부분-흐름은 냉각제 순환로 밖으로 나와서 유체 디개서로 안내되고 뒤이어 냉각제 순환로로 다시 안내된다.

Description

열-발생 장치를 냉각하기 위한 방법 및 그 냉각장치{Method for cooling a heat-producing device and a cooling device for a heat-producing device}
본 발명은 열-발생 장치를 냉각하기 위한 방법에 관한 것으로서, 특히, 냉각제가 장치를 통해 순환로 내로 안내되는, 잠수함의 연료전지설비를 냉각하기 위한 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 열-발생 장치를 위한 냉각장치에 관한 것으로서, 특히 냉각제가 순환로 내로 안내되는 순환 도관을 포함하여 잠수함의 연료전지설비를 위한 냉각장치에 관한 것이다.
연료전지설비를 갖는 잠수함들에 있어서, 연료전지 내에서 수소와 산소의 반응으로 발생하는 열을 냉각제를 통해 방출하는 것이 보통이다. 이 냉각제는 순환로 내로 안내된다. 이 냉각제 흐름은 이 순환로 내에서 펌프에 의해 발생되고, 이 흐름은 연료전지설비의 연료전지들 주위로 안내되거나 또는 이것을 통해 안내된다. 그러나, 냉각제 순환로 내에 특히 거기에 배치된 펌프에서 소음이 발생한다는 것이 발견되었고, 이 소음들은 군용 잠수함에는 바람직하지 않다.
위와 같은 단점에 대하여, 본 발명의 목적은 열-발생 장치를 냉각하기 위한 방법, 특히 음향발생에 대해 개선된 잠수함의 연료전지설비를 냉각하기 위한 방법을 제공하고, 이것을 위한 냉각장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 방법에 따른 일부 목적은, 본 발명에 따르면, 냉각제로서 바람직하게는 물의 경우로서 냉각제의 부분-흐름이 냉각 순환로의 밖에서 유체 디개서(degasser) 속으로 안내되고 뒤이어 다시 냉각 순환로로 안내되는, 열-발생 장치를 냉각하기 위한 방법에 의해 달성된다.
이 대책은 냉각제 순환로의 가스 빼기에도 불구 하고 용해된 가스가 냉각제의 열 취함과 함께 냉각제 내에 존재할 수가 있고, 대량의 기체거품들 또는 가스 둥지들을 형성하는 중에 냉각제 밖으로 가스제거를 할 수 있으며, 따라서 냉각제 내에 용해된 가스가 냉각제로부터 그리고 냉각 순환로로부터 제거되어지는 것이라는 관찰에 기초 되었다.
이것을 위하여, 본 발명에 따른 방법에 있어서, 가스가 냉각제로부터 분리되고 뒤이어 냉각 순환로 밖으로 안내될 수 있는 유체 디개서가 사용된다. 냉각 순환로 및 그것의 펌프에서 발생하는 소음이 적어도 상당하게 이것에 의해 감소되고 최상의 경우에는 더 이상 감지되지 않는다는 것이 발견되었다. 캐비테이션(cavitation)에 기인한 냉각 순환로에 대한 손상의 위험이 긍정적 효과로서 감소된다.
본 발명에 따른 방법에 있어서, 기본적으로 유체의 가스제거를 위하여 적합한 모든 디개서들이 유체 디개서로 적용될 수 있다. 열로 작동하는 유체 디개서는 이러한 디개서를 위한 예로서 언급되고 이것은 유체가 가열될 때 유체 내에 용해된 가스의 양(share,비중)이 감소하는 효과를 이용한다. 그러나, 바람직하게는, 진공 디개서도 본 발명의 범위에 적용된다. 진공이 이 진공 디개서에서 발생되고, 이것은 냉각제 내에 용해된 가스의 양(비중)이 Henry의 법칙의 물리적 법칙에 따라 가스를 제거함에 의해 줄어든다는 것을 의미한다.
유용하게는, 유체 디개서로 냉각제의 부분-흐름의 공급은 주기적으로 반복된다. 따라서, 이 냉각제의 소정의 부분-흐름이 냉각 순환로로부터 취하여지는 절차, 그 안에 용해된 가스가 유체 디개서에서 냉각제의 부분-흐름으로부터 취하여 지는 절차, 및 이 해방된 가스가 냉각 순환로 밖으로 안내되는 절차가 일정하게 반복된다. 이것은 우선 냉각 순환로 내의 가스 함량이 계속적으로 감소되고 냉각제의 준 가스-없는 상태가 유지되는 이점을 갖는다.
바람직하게는, 냉각제를 가스제거함으로 발생하는 가스량이 냉각제의 가스함량을 점검하기 위하여 감지된다. 여기서, 유용하게는 가스제거 주기당 발생하는 가스량이, 이들 값으로부터 이 냉각제에 여전히 용해된 가스의 양을 간접적으로 평가할 수 있도록 하기 위하여, 결정된다.
이것을 위하여, 한 주기에 있어서 냉각제의 가스제거와 함께 발생하는 가스는 조절용기로 안내되고 이 조절용기 내에 수집된다. 뒤이어, 조절용기 내에 위치한 가스의 량이 결정되고 이 가스는 조절용기 밖으로 배출된다. 대안적으로, 여러 번의 가스제거 주기들로 발생한 가스는 조절용기 내에 수집될 수 있고, 이 경우에 각 가스제거 주기 후, 조절용기 내의 가스량이 감지되고 주기당 가스량이 감산에 의해 결정된다.
조절용기 내에 위치한 가스량은 적절한 측정수단으로 직접 결정될 수 있다. 그러나, 조절용기에서 지배적인 가스압력을 통해 가스량의 간접평가가 바람직하다. 조절용기 내의 이 가스압력은 가스제거 주기당 결정되는 것이 유리하다. 조절용기 내의 온도의 동시 파악과 함께, 가스제거 주기당 발생하는 가스량이 열 상태방정식에 기초하여 결정된다. 이것을 위하여, 유용하게는 조절용기 내의 온도도 또한 가스제거 주기당 결정된다.
조절용기 내에서 소정의 압력레벨에 도달할 때, 그 안에 수집된 가스는 유용하게는 잠수함의 주변으로 따라서 그 내부로 배출된다. 이것을 위하여, 조절용기의 출구 측 상에, 가스를 배출하기 위하여 개방되는 밸브가 조절용기로부터 잠수함의 주위로 안내하는 도관 내에 제공될 수가 있다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 이점에 따르면, 냉각제는 부가적으로 기포분리기를 통해 안내될 수 있고, 이것에 의해 냉각제에 용해되지 않은 그러나 거품의 형태로 존재하는 가스가 냉각제로부터 분리되고 냉각 순환로로부터 제거된다. 이 공정의 계속적 안내로, 비교적 대량의 가스량이 기포분리기와 함께 빠르게 냉각제 밖으로 분리될 수 있다. 냉각제는, 그것이 유체 디개서로 안내되기 전에, 특히 유리하게는 기포분리기를 통해 안내될 수 있고, 그때 냉각제의 유사 전처리(quasi pre-cleaning)가 일어나고, 따라서 유체 디개서로 안내된 냉각제는 단지 그 안에 용해되지 않은 그리고 기포분리기로부터 분리될 수 없는 가스만을 포함한다.
열-발생 장치를 냉각하기 위한 냉각장치에 관한 본 발명의 일부-목적은 냉각제가 순환로로 안내되고 이것을 위하여 순환 도관이 제공되는 냉각장치에 의해 달성된다. 그 안에 유체 디개서가 배치된 평행 도관이 순환 도관 상에 형성된다. 즉, 유체 디개서로 안내하는 도관 라인이 순환 도관 상에서 가지가 나고, 유체 디개서의 출구 측에서 다시 순환 도관과 이어진다. 냉각제의 부분-흐름은 평행 도관을 통해 유체 디개서로 안내된다. 거기에서, 냉각제에 용해된 가스는 냉각제로부터 분리되고 냉각제 순환로 밖으로 안내된다.
유체 디개서에 있어서 그것은 진공 디개서의 경우가 바람직하다. 진공 디개서는 매우 낮은 온도레벨에서 냉각제로부터 가스제거를 가능하게 하는 이점을 갖는다.
유리하게는, 진공 디개서가 배출용기 및 이 배출용기의 출구 측에 배치된 펌프를 포함하여 이루어진다. 냉각제로부터의 냉각제에 용해된 가스의 분리는 배출용기 내에서 일어난다. 이것을 위하여, 배출용기의 하류에 배치된 펌프에 의해 진공이 배출용기 내에서 생성된다. 이 펌프와 관련하여, 그것은 변위펌프 및 특히 기어 펌프의 경우가 바람직하다.
배출용기의 냉각제 흡입구는 배출용기 내에 진공을 배출하기 위하여 사전에 폐쇄되어 지는 것이다. 이것을 위하여, 제어가능한 차단밸브가 배출용기의 입구측에 배치되는 것이 유용하다.
배출용기는 냉각제로부터 분리된 가스를 내보내기 위한 가스 배출구를 포함한다. 이 가스 배출구는 바람직하게는 블리드(bleed) 밸브에 의해 형성된다. 이 가스는 가스 배출구로부터 잠수함으로 직접 안내되어 질 수가 있다. 그러나, 바람직하게는, 사전에 가스제거로 발생하는 가스량을 결정하고, 이 냉각 순환로 내에 위치한 전체 냉각제의 가스함량에 대한 정보를 제공하는 것을 예상할 수 있다. 이것을 위하여, 배출용기의 가스 배출구가 바람직하게는 조절용기에 연결된다. 냉각제로부터 제거된 가스는 우선 조절용기 내에 수집되고 그 양이 결정된다.
본 발명에 따른 냉각장치는 조절용기 내에 위치한 가스량을 결정하기 위한, 가스량 감지수단을 포함한다. 이것을 위하여, 주기당 조절용기 속으로 흐르는 가스 용량 흐름이 결정되는 처리량 측정장치가 예를 들면 조절용기의 입구측에 배치될 수 있고, 또는 조절용기가 변화가능한 용량을 가질 수 있고, 여기서 조절용기 내에 위치한 가스량이 가스의 인입에 기인하여 발생하는 조절용기의 용량 증가로부터 유추될 수 있다.
조절용기 내에 위치한 가스량의 결정은 바람직하게는 조절용기 내의 가스압력 및 조절용기 내의 온도를 통해 이루어진다. 이 목적을 위하여, 조절용기 내에 압력감지수단은 물론 온도감지수단이 제공된다. 조절용기 내의 가스량은 이들 수단들에 의해 감지된 조절용기 내의 가스압력 및 그 안의 온도에 대한 값들의 도움으로 계산될 수 있다. 또한, 조절용기 내의 압력을 감지하기 위한 수단으로 조절용기 내의 가스압력이 허용가능한 최대값에 도달하였을 때를 알아내고, 따라서 조절용기 내의 가스를 밖으로 배출할 필요가 있다. 조절용기의 가스 배출구 상에 배치된 차단밸브가 조절용기의 밖으로 가스를 배출하도록 개방된다.
본 발명에 따른 또 다른 냉각장치의 설계에 있어서, 냉각장치의 냉각제 흡입구가 순환 도관의 평행 도관 상에 배치된다. 즉, 냉각제는 냉각제 순환로 또는 순환 도관 속으로 직접 도입되지 않고, 유체 디개서가 배치된 도관 라인으로 도입된다. 이것은 냉각제가, 그것이 순환 도관 안으로 들어오기 전에, 이미 그 안에 용해된 어떤 가스도 없다는 점을 고려하면 이점이 있다.
본 발명에 따른 냉각장치는 기포분리기를 포함할 수 있다. 이 기포분리기는 냉각 순환로 내의 다양한 조건들에 의해 냉각제에 혼입될 수 있는 그리고 냉각장치의 블리드 수단에 의해서 냉각 순환로에서 분리될 수 없는 가스 기포들을 제거하기 위한 역할을 한다. 이것을 위하여, 그 내부에 기포분리기는, 냉각제에 위치한 가스 기포들이 점착력 때문에 들러붙고 거기에 이미 위치한 가스 기포들이 더 큰 기포들로 연결되는 저해물을 포함한다. 소정 용량으로 가스 기포들이 뭉치자마자, 기포분리기 내에서 부력에 기인하여 중력에 대항하여 올라오고, 따라서 그것들은 잠수함의 내부로 분리될 수가 있다. 기포분리기는, 유체 디개서로 안내되는 냉각제가 이미 기포형태로 존재하는 가스가 없고 단지 냉각제에 용해된 가스만을 포함하도록, 순환 도관 내의 유체 디개서의 입구측에 배치된다.
본 발명은 유체 디개서를 사용함으로서. 냉각제 순환로 및 그 펌프에서 발생하는 소음이 적어도 상당히 감소되고 최상의 경우에는 더 이상 감지되지 않는 효과가 있다. 또한, 냉각 순환로 내의 가스 함량이 계속적으로 감소 되고 냉각제의 준 가스-없는 상태가 유지되는 이점이 있다.
도면은 잠수함에 있어서 열-발생 장치로서의 연료전지설비를 위한 냉각장치의 일부인 순환 도관(2)의 부분을 보여주고 있는 매우 단순화된 기본 스케치를 도시하고 있다. 순환로 내의 냉각제는 순환 도관(2)을 통해 그 안에서 연료전지들을 냉각하기 위하여 미 도시된 연료전지설비 내로 안내된다.
이하에서 본 발명을 도면에 도시된 일 실시예를 통해 보다 자세히 설명한다. 냉각제가 그 안에서 방향 A로 흐르는 순환 도관(2)은 도관 분기(4)를 포함한다. 이 도관 분기(4)에서 평행 도관(6)이 순환 도관(2)으로부터 분기하고 도관 분기(4)의 하류인 도관 분기(8)에서 순환 도관(2)으로 다시 되돌아 흐른다. 순환로 내의 순환 도관(2)에 흐르는 냉각제의 부분-흐름은 도관 분기(4)를 통해 평행 도관(6)으로 안내되고 그리고 뒤이어 도관 분기(8)에서 순환 도관(2)으로 다시 안내된다.
순환 도관(2)에 기포분리기(9)가 도관 분기(4)의 상류에 배열되어 있다. 냉각제안에 위치된 그리고 가스거품의 형태로 거기에 존재하는 가스는 이 기포분리기(9)에서 냉각제 밖으로 분리되어 잠수함의 내부로 분리된다.
진공 디개서(degasser)의 형태인 유체 디개서(10)가 평행 도관(6) 내에 배치된다. 이 유체 디개서(10)는 배출용기(12)를 포함한다. 배출용기(12) 내를 지배하는 압력을 결정하기 위한 압력측정장치(14)가 이 배출용기(12)에 연결된다. 이 배출용기(12)는 냉각제 흡입구(16)를 포함하고, 거기에 평행 도관(6)의 제1부분이 닿는다. 제어가능한 차단밸브(18)가 평행 도관(6)의 이 부분 내의 배출용기(12)의 입구측에 배열된다.
평행 도관(6)의 제2부분은 배출용기(12)의 냉각제 배출구(20)로부터 도관 분기(8)로 이어진다. 이 평행 도관(6)의 제2부분 내의 배출용기(12)의 출구 측 상에 펌프(22)가 배치된다. 이 펌프(22) 또한 유체 디개서(10)의 부분이다.
또한, 배출용기(12)는 블리드(bleed) 밸브(24)의 형태인 가스 배출구를 포함한다. 배기밸브(24)의 출구 측의 도관(26)은 조절용기(28)로 안내된다. 조절용기(28)의 가스 배출구는 제어가능한 차단밸브(30)에 의해 폐쇄되어 있다. 압력센서(32) 및 온도센서(34)가 조절용기(28)에 접속되어 있다.
흡입구(38)가 연결된 도관 분기(36)는 평행 도관(6)의 제1부분 상의 차단밸브(18)의 입구측 상에 형성되어 있다. 이 흡입구(38)는 경우가 있을 수 있는 것으로서 새로운 냉각제를 냉각제 순환로 즉 순환 도관(2)으로 안내하는 역할을 수행한다.
펌프(22)는 그 안에 압력 릴리프 밸브(42)가 배치되어 있는 평행 도관(40)에 의해 분기되어 있다. 거기에 배치되어 있는 이 평행 도관(40) 및 압력 릴리프 밸브(42)는 펌프(22)의 장애를 가져오는 허용할 수 없는 높은 압력을 방지하는 역할을 한다.
차단밸브(44)가 도관 분기(4)의 직 하류의 평행 도관(6)에 배치되고, 차단밸브(46)는 도관 분기(8) 직 상류에 배치되어 있다. 이 차단밸브들(44 및 46)은, 유지보수작업이 있을 때나 이 도관 라인에 누수가 발생할 때, 이들 차단밸브들(44 및 46)을 폐쇄함에 의해 순환 도관(2)으로부터 차단밸브들(44 및 46) 사이의 평행 도관(6)의 도관 라인을 흐름-차단하기 위한 역할을 한다.
도면에 도시된 배치의 기능은 다음과 같다:
냉각제가 냉각의 목적으로 미 도시된 잠수함의 연료전지설비를 통한 순환로의 순환 도관(2)을 통해 흐른다. 이 냉각제의 부분-흐름은 도관 분기(4)에서 평행 도관(6)으로 안내되고 유체 디개서(10)의 배출용기(12) 속으로 흐른다. 먼저, 순환 도관(2) 내에 배치된 기포분리기(9)에서 냉각제는 냉각제 내에 기포형태로 존재하는 가스가 없어진다.
배출용기(12)가 특정 용량으로 채워지자마자, 차단밸브(18)는 도시되지 않은 제어부에 의해 폐쇄되도록 설정되어 있다. 약 0.3 바(bar)의 진공이 배출용기(12)의 하류에 연결된 유체 디개서(10)의 펌프(22)로 생성되고, 이것은 냉각제 내에 용해된 가스가 배출용기(12) 내에서 해방된다는 것을 의미한다.
배출용기(12) 내에서 해방된 이 가스는 블리드 밸브(24) 및 뒤이은 도관(26)을 통해 조절용기(28) 속으로 안내되고 거기에 수집되며, 차단밸브(18)가 개방됨에 의해 냉각제는 배출용기(12) 속으로 흐른다. 뒤이어, 배출용기(12) 내에 지배적인 압력은 압력센서(32)에 의해 조절용기(28) 내에서 결정되고, 조절용기(28) 내의 온도는 온도센서(34)에 의해 결정된다. 결정된 이 판독자료는 도시되지 않은 제어부로 안내되고, 배출용기(12) 내에 위치한 가스량이 이 판독자료로부터 결정된다.
이 차단밸브(18)는 뒤이어 폐쇄되도록 스위치되고 전술한 공정들이 계속적으로 주기적으로 반복된다. 여기서, 조절용기(28)의 출구 측에 배치된 차단밸브(30)는, 다수의 가스제거 주기와 함께 냉각제로부터 제거된 가스가 조절용기(28) 내에 수집되도록, 폐쇄위치를 갖는다. 이 조절용기(28)가 완전히 채워졌을 때만, 차단밸브(30)는 도시되지 않은 제어부에 의해 개방되도록 설정되고, 이 가스는 잠수함의 공기중으로 내보내진다.
순환 도관(2) 내에 위치한 냉각제를 가스제거하기 위한 용도와는 별도로 이 유체 디개서(10)는 또한 이미 순환 도관(2) 내에 위치한 냉각제에 새롭게 추가되는 냉각제를 가스제거 하기 위하여 사용될 수도 있다. 이것을 위하여, 이 냉각제는 직접 순환 도관(2) 내로 도입되지 않고, 거기에 배치된 차단밸브(48)를 개방 후 흡입구(38)를 통해 이미 기술한 가스제거 공정이 취해지는 평행 도관(6)속으로 도입된다. 뒤이어, 이 냉각제는 도관 분기(8)에서 순환 도관(2)으로 도입되는 가스가 없어진다.
2: 순환 도관 4, 8, 36: 도관 분기
6, 40: 평행 도관 9: 기포분리기
10: 유체 디개서 12: 배출용기
14: 압력측정장치 16: 냉각제 흡입구
18, 30, 44, 46, 48: 차단밸브 20: 냉각제 배출구
22: 펌프 24: 블리드 밸브
26: 도관 28: 조절용기
32: 압력센서 34: 온도센서
38: 흡입구 42: 압력 릴리프 밸브

Claims (18)

  1. 냉각제가 열-발생 장치를 통해 냉각제 순환로로 안내되어 잠수함의 열-발생 장치를 냉각하기 위한 방법에 있어서, 냉각제의 부분-흐름이 냉각제 순환로 밖으로 나와서 유체 디개서(10)로 안내되고 뒤이어 냉각제 순환로로 다시 안내되며, 유체 디개서(10)로서 진공 디개서가 사용되는 것을 특징으로 하는 잠수함의 열-발생 장치를 냉각하기 위한 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 유체 디개서(10)로 상기 냉각제의 공급은 주기적으로 반복되는 것을 특징으로 하는 잠수함의 열-발생 장치를 냉각하기 위한 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 냉각제를 가스제거 하는 데 있어 주기당 발생하는 가스량이 감지되는 것을 특징으로 하는 잠수함의 열-발생 장치를 냉각하기 위한 방법.
  5. 제 4항에 있어서, 냉각제를 가스제거 하는 데 있어서 한 주기에 발생하는 가스는 조절 용기(28)로 안내되는 것을 특징으로 하는 잠수함의 열-발생 장치를 냉각하기 위한 방법.
  6. 제 5항에 있어서, 조절 용기(28) 내의 가스압력이 결정되는 것을 특징으로 하는 잠수함의 열-발생 장치를 냉각하기 위한 방법.
  7. 제 5항에 있어서, 조절 용기(28) 내의 온도가 결정되는 것을 특징으로 하는 잠수함의 열-발생 장치를 냉각하기 위한 방법.
  8. 제 1항에 있어서, 냉각제는 기포분리기(9)를 통해 안내되는 것을 특징으로 하는 잠수함의 열-발생 장치를 냉각하기 위한 방법.
  9. 냉각제가 순환로로 안내되고 냉각제 순환로를 형성하기 위한 순환 도관(2)을 구비한, 잠수함의 열-발생 장치를 위한 냉각장치에 있어서, 유체 디개서(10)가 배치되어 있는 평행 도관(6)이 순환 도관(2)에 형성되어 있고, 유체 디개서(10)는 진공 디개서인 것을 특징으로 하는 잠수함의 열-발생 장치를 위한 냉각장치.
  10. 삭제
  11. 제 9항에 있어서, 진공 디개서는 배출용기(12) 및 이 배출용기(12)의 출구 측에 배치된 펌프(22)를 포함하는 것을 특징으로 하는 잠수함의 열-발생 장치를 위한 냉각장치.
  12. 제 11항에 있어서, 제어가능한 차단밸브(18)가 진공 디개서의 들어가는 측에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 잠수함의 열-발생 장치를 위한 냉각장치.
  13. 제 11항에 있어서, 배출용기(12)는 조절 용기(28)에 연결되는 가스 배출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 잠수함의 열-발생 장치를 위한 냉각장치.
  14. 제 13항에 있어서, 냉각장치는 조절 용기(28) 내의 가스량을 감지하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 잠수함의 열-발생 장치를 위한 냉각장치.
  15. 제 13항 또는 제 14항에 있어서, 조절 용기(28) 내의 압력을 감지하는 수단이 제공되는 것을 특징으로 하는 잠수함의 열-발생 장치를 위한 냉각장치.
  16. 제 13항 또는 제 14항에 있어서, 조절 용기(28) 내의 온도를 감지하는 수단이 제공되는 것을 특징으로 하는 잠수함의 열-발생 장치를 위한 냉각장치.
  17. 제 9항 또는 제 11항에 있어서, 냉각장치의 냉각제 흡입구(38)가 순환 도관(2)의 평행 도관(6) 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 잠수함의 열-발생 장치를 위한 냉각장치.
  18. 제 9항 또는 제 11항에 있어서, 냉각장치는 기포분리기(9)를 포함하는 것을 특징으로 하는 잠수함의 열-발생 장치를 위한 냉각장치.
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