KR101524939B1 - 발열체 냉각을 위한 수냉식 워터재킷 및 이를 포함하는 냉각탱크 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발열체 냉각을 위한 수냉식 워터재킷에 관한 것으로, 보다 상세하게는 냉각효율을 높이기 위하여 보다 효과적으로 난류를 발생시키는 구조로 이루어지는 수냉식 워터재킷으로서, 워터재킷을 구성하는 하우징의 내부에돌출부가 위치하여 유동하는 유체에 난류를 발생시킴으로써 보다 효과적인 냉각 및 방열이 이루어지도록 한다.
또한, 하우징의 내부에돌출부와 교차되는 격벽 및 경사부를 구비하여 유동되는 유체가 하우징 내부에서 균등하게 확산되어 유동하도록 함으로써, 보다 효율적인 냉각 및 방열이 이루어지도록 하는 워터재킷 및 상기 워터재킷을 포함하는 냉각탱크를 제공한다.

Description

발열체 냉각을 위한 수냉식 워터재킷 및 이를 포함하는 냉각탱크{a water jacket for cooling heating unit and a cooling tank comprising the same}

본 발명은 발열체 냉각을 위한 수냉식 워터재킷에 관한 것으로, 보다 상세하게는 냉각효율을 높이기 위하여 보다 효과적으로 난류를 발생시키는 구조로 이루어지는 수냉식 워터재킷 및 이를 포함하는 냉각탱크에 관한 것이다.

여러 전자제품들에 수용되는 반도체, 소자등의 부품들을 작동하는 과정에서 열이 발생하게 된다. 이 경우에 발생되는 열을 적절한 냉각조치를 취하여 냉각 및 방열하지 않으면, 부품들의 성능저하는 물론이고 심한 경우 부품이 과열되어 파손되는 일이 발생할 수 있다.

이러한 부품들의 과열을 방지하기 위한 냉각수단으로서, 냉각기를 설치하여 과열을 방지하는데, 냉각기의 작동방식은 일반적으로 크게 두가지로 나뉘어진다.

하나는 팬을 이용하여 부품 표면에 공기를 순환시킴으로서, 냉각 및 방열을 행하는 공냉식 냉각기이며, 다른 하나는 냉매 역할을 하는 유체를 부품 표면으로 유동시켜 냉각 및 방열을 행하는 수냉식 냉각기가 있다.

상기한 각 냉각방식에는 장단점이 각각 있는데, 공냉식 냉각의 경우 설치비용은 저렴하나 수냉식에 비하여 냉각효율이 떨어지며, 수냉식의 경우는 냉각 효율은 매우 좋으나 설치비용이 공냉식에 비하여 높다는 것이 단점이다.

따라서, 수냉식 냉각기는 주로 높은 냉각효율을 필요로 하는 부품이나, 중요부품들에 적용되고 있다.

이러한 수냉식 냉각기가 높은 냉각 효율을 갖기 위해 갖춰야하는 무엇보다도 중요한 요건은 냉각기의 워터재킷 내의 유체가 난류를 이루며 유동할 수 있도록 하는 것과, 유체가 냉각기 내에서 접하는 표면적을 넓히는 것이라 할 것이다.

한국공개특허 2002-0066722호에는 열전소자를 이용한 냉각장치의 수냉식 방열구조에 관하여 개시하고 있는데, 이 문헌에서는 단일몸체의 냉각조를 열전소자에 밀착시키고 상기 냉각조에 냉각수를 유동시켜 열전소자의 방열을 행하는 구조로서, 난류 발생 구조 등에 관하여는 언급하고 있지 않다.

(특허문헌 1) 한국공개특허 KR 2002-0066722 A

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 전자제품 등에 수용되는 부품 등의 과열을 보다 효과적으로 방지하기 위한 냉각기로서, 내부에 경사면, 돌출부, 격벽 등의 구조를 형성하여 유체가 보다 효율적으로 난류를 발생시키며 유동이 가능하도록 하며, 또한 유체가 냉각기 내부에서 균등하게 유동하도록 함으로써 냉각 및 방열효율을 향상시키는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 워터재킷은 발열체에 접하는 하우징; 을 포함하며, 상기 하우징에는 유입부, 유입부에 연통하는 난류발생부 및 난류발생부에 연통하는 유출부가 형성되고, 난류발생부는 유입부와 유출부 사이에 배치되며, 하우징 내를 유체가 통과하며 발열체를 냉각하는 것을 특징으로 한다.

상기 유입부 및 상기 유출부는 상기 난류발생부를 기준으로 하여 서로 대칭되는 형상으로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 유입부는 상기 난류발생부의 일측에 유입경사부 및 상기 유입경사부의 일단에 연결되는 유입구를 가지며, 상기 유입경사부는 상기 유입구로부터 멀어질수록 좁아지고, 상기 유출부는 상기 난류발생부의 타측에 배치되는 유출경사부 및 상기 유출경사부의 일단에 연결되는 유출구를 가지며, 상기 유출경사부는 상기 유출구로부터 멀어질수록 좁아지는 것이 바람직하다.

상기 난류발생부의 내측면에는 돌출부가 상기 발열체 방향으로 다수개 돌출형성되는 것이 바람직하다.

상기 돌출부는 상기 유입경사부 및 상기 유출경사부와 평행하도록 소정간격으로 다수개 돌출형성되는 것이 바람직하다.

상기 난류발생부는 상기 돌출부와 교차되도록 위치하는 박판형태의 격벽을 더 구비하는 것이 바람직하다.

상기 발열체는 열전소자인 것이 바람직하다.

상기 하우징은 금속재질 또는 합성수지로 이루어지는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 합성수지는 투명한 재질로 이루어지는 워터재킷을 제공한다.

또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 발명으로서의 냉각탱크는 중공의 본체; 상기 본체의 일면에 위치하는 발열체; 및 상기 발열체에 접하도록 위치하는 상기 워터재킷; 을 포함한다.

상기 발열체와 워터재킷의 사이에 개재되는 밀봉부재; 를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 본체와 발열체의 사이에 개재되는 냉각블럭; 을 더 포함하는 냉각탱크를 제공한다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따르면 워터재킷을 구성하는 하우징의 내부에 돌출부가 위치하여 유동하는 냉매에 난류를 발생시킴으로써 보다 효과적인 냉각 및 방열이 이루어지도록 한다.

또한, 하우징의 내부에 돌출부와 교차되는 격벽 및 경사부를 구비하여 유동되는 냉매가 하우징 내부에서 균등하게 확산되어 유동하도록 함으로써, 보다 효율적인 냉각 및 방열이 이루어질 수 있게 된다.

그리고, 상기 워터재킷으로 발열체의 냉각을 행함으로써 냉각탱크 본래의 효과도 향상시킬 수 있다.

도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 워터재킷(100)이 냉각탱크(200)에 설치된 모습의 전체 사시도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각탱크(200)의 분해 사시도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 워터재킷(100)의 전체 사시도이다.
도 4는, 도 1의 A-A' 선에 따른 단면도이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 워터재킷(100)의 내측면 및 유체유동경로를 나타낸 도면이다.
도 6은, 도 5의 B-B' 선에 따른 단면이 도시된 워터재킷(100)의 사시도이다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른 워터재킷(100) 내부 유체의 유동 방향 및 유동속도를 나타낸 도면이다.

본 발명인 워터재킷 및 냉각탱크를 이루는 구성요소들은 필요에 따라 일체형으로 사용되거나 각각 분리되어 사용될 수 있다. 또한, 사용 형태에 따라 일부 구성요소를 생략하여 사용 가능하다.

본 발명에 따른 워터재킷(100) 및 냉각탱크(200)의 바람직한 실시 예를 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 기술되어야 할 것이다.

1. 워터재킷 (100) 및 냉각탱크(200)의 구조 설명

이하, 도 1 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 워터재킷(100)의 구조를 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 일 실시예에 따른 워터재킷(100)은 발열체(220)의 발열면에 접하도록 위치하는 하우징(20); 하우징(20)의 외주면에 위치하는 결합부(30) 및 연결공(40)을 포함하며, 상기 하우징에는 유입부(21), 유입부(21)에 연통하는 난류발생부(22) 및 난류발생부(22)에 연통하는 유출부(23)가 형성되고, 난류발생부(22)는 유입부(21)와 유출부(23) 사이에 배치된다.

발열체(220)는 열을 발생시키는 물체로서, 본 발명에 의한 워터재킷(100)의 발열체로는, 냉각을 필요로 하는 모든 발열체를 포함할 수 있으나, 그 일례로서 본 명세서에서는 도 1에 도시된 바와 같이 일반적으로 냉,온 정수기 또는 이온수기 등의 냉각탱크(200)에 설치되는 열전소자를 예로 들어 설명하며, 발열체(220)로서의 열전소자 및 냉각탱크(200)에 관하여는 후술한다.

다음, 하우징(20)의 구조를 도 2 내지 도 6을 참조하여 상술한다.

하우징(20)은 도 2 및 도 3에 도시된 것처럼 일체로 형성될 수 있으나, 설명의 편의를 위하여 크게 세부분으로 나누어 설명한다.

또한, 하우징(20)은 열전달률이 높은 알루미늄, 동합금 등의 금속재질로 이루어지는 것이 바람직하다.

다만, 사용상태 또는 사용환경에 따라 합성수지를 사용하여 제작될 수 있고, 이 경우에는 내부로 유동하는 유체의 오염 및 교체시기를 용이하게 알 수 있도록 투명한 재질로 이루어지는 것이 바람직할 수 있다.

예를 들면, 아크릴, PVC, PET, PP, PE, PBT, PPS 등의 합성수지를 사용하여 투명하게 제작될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 상기 유체는 발열체(220)의 냉각 및 방열이 가능한 어떠한 유체도 사용이 가능할 수 있고, 발열체(220)를 냉각시켜야 하는 정도, 사용환경, 유체의 비열에 따라서 선택적으로 사용가능하나, 물(냉각수)을 사용함이 바람직하다.

또한, 유체의 부식을 방지하기 위한 부식방지제로서 프로필렌글리콜(Propylene glycol) 등의 부식방지제가 첨가되는 것이 바람직하다.

하우징(20)에는 유입부(21), 난류발생부(22) 및 유출부(23)가 형성되며, 각각이 서로 연통하여 형성되어 유체가 유동가능한 구조를 갖는다.

유입부(21)는 유입구(21b) 및 유입경사부(21a)로 이루어진다.

유입구(21b)는 관 형상으로 이루어지며, 발열체(220)의 냉각을 위한 유체가 유입된다.

유입경사부(21a)는 그 일측이 유입구(21b)와 연통되도록 결합하며, 상기 유입경사부(21a)는 그 일측에서 타측으로 갈수록 단면적이 작아지도록 경사가 형성된다.

이러한 경사구조로 인하여 더욱 효과적으로 각 채널(24)에 균등하게 유체를 분배할 수 있다. .

난류발생부(22)는 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이 그 하부가 유입부(21)에 형성된 유입경사부(21a)와 연통되며, 내측면에 돌출부(22a)가 발열체(220) 방향으로 다수개 돌출형성된다.

또한, 돌출부(22a)는 상기 유입경사부(21a) 및 후술할 유출경사부(23a)와 평행하도록 소정간격으로 다수개 돌출형성될 수 있다.

돌출부(22a)의 형태는 삼각, 사다리꼴 등 유체에 난류를 발생시키는 다양한 형태로서 구현될 수 있을 것이나, 일례로서 난류발생부(22) 내측면에서 직각으로 돌출되는 것이 바람직할 수 있다.

이와 같이, 난류발생부(22)에 형성되는 돌출부(22a)의 구조로 인하여 유입되는 냉매에 난류가 발생하며 냉매가 접하는 표면적이 넓어지므로, 발열체(220)의 냉각효과를 보다 향상시킬 수 있다.

또한, 난류발생부(22)에는 격벽(22b)이 더 구비될 수 있고, 격벽(22b)은 상기 돌출부(22a)와 교차되는 박판형태로 다수개가 돌출부(22a)상에 위치한다.

상기 격벽(22b) 구조로 인하여, 유입부(21)를 통과한 냉매가 난류발생부(22)내에서 균등하게 확산되어 유동할 수 있도록 하는 가이드 역할을 수행하여, 냉각 및 방열이 보다 효과적으로 이루어질 수 있도록 한다.

즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 격벽(22b)은 난류발생부(22) 내에 유체가 균등하게 분배되어 유동하도록 하는 복수개의 채널(24)를 구성하게 하고, 상기 복수의 채널(24)에 각각 복수의 돌출부(22a)가 배치된다.

일례로, 유입경사부(21a) 및 유출경사부(23a)의 유체 흐름 방향과 채널(24)을 통한 유체의 흐름방향은 직교하는 형태를 이루는 것이 바람직하다..

유출부(23)는 도 3 내지 도 5 에 도시된 바와 같이 난류발생부(22)의 상부와 연통되며, 유출경사부(23a) 및 유출구(23b)를 구비한다.

유출경사부(23a)는 도 6에 도시된 바와 같이, 유출구(23b) 측은 넓고 그 반대측은 좁아지는 경사가 형성된다.

이러한 유출경사부(23a)의 구조는, 난류발생부(22)를 통과한 유체가 각 채널(24)에서 균등하게 나올 수 있게 하여 냉각효율을 향상시킨다.

그리고, 유출경사부(23a)의 유체는 연통된 관 형상의 유출구(23b)로 유동되어, 유출구(23b)에 연결되는 튜브관 또는 호스(미도시) 및 열교환기(미도시)를 통과하며 대기중으로 방열된 후 상기 유입구(21b)로 재유입되어 워터재킷(100)내를 재순환하면서 지속적으로 발열체(220)의 냉각을 행하게 된다.

즉, 워터재킷(100)의 구조는 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이 하우징(20)의 중단에 난류발생부(22)가 형성되고, 유입부(21)와 유출부(23)는 난류발생부(22)를 기준으로 하여 서로 대칭을 이루는 형상이 된다.

결합부(30)는 하우징(20)의 외주면에 하나 이상이 위치하여 하우징(20)이 후술할 냉각탱크(200)에 결합되도록 하며, 여기서는 나사로서 결합되나, 이에 한정되지 않는다.

연결공(40)은 하우징(20)의 외주면에 위치하며 여기에는 써미스터(260)가 연결되어, 펌프 동작 불량 등으로 방열과정이 원활히 이루어지지 않아 워터재킷(100) 내부의 유체온도가 계속적으로 상승할 경우 이를 감지하여 발열체(220)의 동작을 중지시켜 냉각 시스템의 손상을 방지한다.

다음, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각탱크(200)의 구조를 도 1 내지 도 2를 참조하여 설명한다.

본 발명에 따른 냉각탱크(200)는 본체(210), 본체(210)의 일면에 위치하는 발열체(220) 및 상기 워터재킷(100)을 포함한다.

또한, 본체(210)와 발열체(220) 사이에 개재되는 냉각블럭(250)을 더 포함할 수 있고, 발열체(220)와 상기 워터재킷(100) 사이에 개재되는 밀봉부재(240)를 더 포함할 수 있다.

본체(210)는 중공형태로서 내부에 냉각을 위한 유체가 채워진다.

발열체(220)로서 본 발명에서 일례로 드는 열전소자는 펠티에 효과를 이용하여 전자적으로 물체를 냉각시키게 되는데, 펠티에 효과는 2종류의 금속 끝을 접속시켜, 여기에 전류를 흘려 보내면, 전류 방향에 따라 한쪽 단자는 흡열하고, 다른 쪽 단자는 발열을 일으키는 현상이다. 2종류의 금속 대신 전기전도 방식이 다른 비스무트·텔루륨 등 반도체를 사용하면, 효율성 높은 흡열·발열 작용을 하는 펠티에 소자를 얻을 수 있다. 이것은 전류 방향에 따라 흡열·발열의 전환이 가능하고, 전류량에 따라 흡열·발열량이 조절되므로, 용량이 적은 냉동기 또는 상온 부근의 정밀한 항온조 제작에 응용한다.

따라서, 전원선(230)을 통하여 열전소자인 발열체(220)에 전류가 인가되면, 한쪽면은 흡열하여 목적물체의 냉각을 하게되고, 다른 한면은 발열을 하게되는데 이러한 발열면을 냉각시키지 않으면 열전소자 흡열면의 냉각효율이 감소하게 된다.

밀봉부재(240)는 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이 상기 워터재킷(100)과 발열체(220) 사이에 개재되어, 상기 워터재킷(100) 내에서 유동하는 유체의 누출을 방지한다.

냉각블럭(250)은 도 2에 도시된 바와 같이 본체(210)의 외면과 발열체(220)의 사이에 개재되어, 직접적으로 부착된 상태에서 본체(210)의 내부로부터 전달되는 열을 효과적으로 열전소자에 전달하는 기능을 한다. 이를 위해서, 냉각블럭(250)의 양면에는 그리스(grease) 및 써멀 패드(thermal pad)와 같은 열전달 물질이 도포되는 것이 바람직할 수 있다.

2. 워터재킷(100)내부에서의 유체의 유동과정

이하에서는, 첨부된 도 5 내지 도 7을 참조하여 상기 워터재킷(100)내에서의 유체의 유동에 관하여 상술한다.

먼저, 유입구(21b)로 유체가 유입되어 유입경사부(21a)로 유동하게 되는데, 이때, 유입경사부(21a)의 구조로 인하여 유입된 유체를 각 채널(24)에 균둥하게 분배하게 된다..

유입경사부(21a)를 통과한 유체는 도 7에 도시된 바와 같이 위쪽으로 유동하여 난류발생부(22)로 유입되어, 난류발생부(22)의 내측면에 형성된 돌출부(22a)를 통과하며 난류가 더욱 활성화되며 발열체(220)의 열을 하우징(20)외부로 방출시키며 발열체(10)를 냉각시키게 된다.

이때, 돌출부(22a)와 교차되어 형성된 격벽(22b)의 구조로 인하여 유체가 하우징(20) 내측면에 균등하게 접하게 되어, 냉각 및 방열효과를 더욱 향상시킬 수 있다.

난류발생부(22)를 통과한 유체는 다시 상승하여 유출부(23)의 유출경사부(23a) 및 유출구(23b)를 통하여 상기 워터재킷(100)밖으로 유출된 후, 열교환기에서 대기로 방열하고 펌프를 거쳐 다시 유입부(21)로 재유입되어 재순환하며 발열체(220)의 상기 냉각 및 방열과정을 계속하게 된다.

상기한 워터재킷(100)의 구조 및 유동특성으로 인하여 경계층이 두텁게 형성된다.

경계층이란 유체가 물체에 접하며 유동할 때에 물체에 표면에 매우 근접한 부분에 존재하는 유체의 층을 말하는데, 유체역학에서는 물체와 유동하는 유체사이의 열전달이 대부분 경계층 내에서만 이루어진다고 한다.

이러한 경계층은 유체의 유동이 층류일 경우에는 매우 얇게 형성되므로 열전달이 많이 이루어지지 않지만, 유동의 난류가 되면 경계층이 두텁게 형성되어 그 안에서의 열전달이 층류일 경우보다 활발하게 일어나게 된다.

따라서, 본 발명에 의하면 유동하는 상기 워터재킷(100) 내를 유동하는 유체에 난류를 효과적으로 발생시킴으로써 경계층을 두텁게 형성할 수 있으므로, 보다 향상된 냉각 및 방열효과를 나타낸다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

100 : 워터재킷
20 : 하우징
21 : 유입부
21a : 유입경사부
21b: 유입구
22 : 난류발생부
22a : 돌출부
22b : 격벽
23 : 유출부
23a : 유출경사부
23b : 유출구
24 : 채널
30 : 결합부
40 : 연결공
200 : 냉각탱크
210 : 본체
220 : 발열체
230 : 전원선
240 : 밀봉부재
250 : 냉각블럭
260 : 써미스터

Claims (12)

1. 발열체의 냉각을 위해 적용되는 워터재킷에 있어서,
   상기 워터재킷은,
   상기 발열체에 접하는 하우징; 을 포함하며,
   상기 하우징에는 유입부, 상기 유입부에 연통하는 난류발생부 및 상기 난류발생부에 연통하는 유출부가 형성되고, 상기 난류발생부는 상기 유입부와 상기 유출부 사이에 배치되며, 상기 하우징 내를 유체가 통과하며 상기 발열체를 냉각하고,
   상기 유입부 및 상기 유출부는 상기 난류발생부를 기준으로 하여 서로 대칭되는 형상으로 이루어지며,
   상기 유입부는 상기 난류발생부의 일측에 유입경사부 및 상기 유입경사부의 일단에 연결되는 유입구를 가지며, 상기 유입경사부는 상기 유입구로부터 멀어질수록 단면적이 작아지고,
   상기 유출부는 상기 난류발생부의 타측에 배치되는 유출경사부 및 상기 유출경사부의 일단에 연결되는 유출구를 가지며, 상기 유출경사부는 상기 유출구로부터 멀어질수록 단면적이 작아지는 것을 특징으로 하는,
   워터재킷.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,
   상기 난류발생부의 내측면에는 돌출부가 상기 발열체 방향으로 다수개 돌출형성되는 것을 특징으로 하는,
   워터재킷.
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 돌출부는 상기 유입경사부 및 상기 유출경사부와 평행하도록 소정간격으로 다수개 돌출형성되는 것을 특징으로 하는,
   워터재킷.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 난류발생부는 상기 돌출부와 교차되도록 위치하는 박판형태의 격벽을 더 구비하는 것을 특징으로 하는,
   워터재킷.
   
7. 제 1항에 있어서,
   상기 발열체는 열전소자인 것을 특징으로 하는,
   워터재킷.
   
8. 제 6항에 있어서,
   상기 하우징은 금속재질 또는 합성수지로 이루어지는 것을 특징으로 하는,
   워터재킷.
   
9. 제 8항에 있어서,
   상기 합성수지는 투명한 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는,
   워터재킷.
   
10. 중공의 본체;
    상기 본체의 일면에 위치하는 발열체; 및
    상기 발열체에 접하도록 위치하는 제 1항, 제 4항 내지 9항 중 어느 한 항에 따른 워터재킷; 을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    냉각탱크.
    
11. 제 10항에 있어서,
    상기 발열체와 상기 워터재킷의 사이에 개재되는 밀봉부재; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    냉각탱크.
    
12. 제 11항에 있어서,
    상기 본체와 상기 발열체의 사이에 개재되는 냉각블럭; 을 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    냉각탱크.
    

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