KR20140004451A - 엘이디 램프 용 방열 장치 설계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엘이디 램프에서 엘이디 소자가 구비되는 LED 기판 상단에 구비되는 엘이디 램프용 방열 장치에 있어서, 페녹시계 수지, 우레탄계 촉매 경화수지, 실리콘계 촉매 경화수지 중 어느 하나로 이루어진 제1조성물 및 저온 소성 세라믹 분말(Low Temperature Cofired Ceramic), 알루미늄나이트라이드 분말, 보론나이트라이드 분말, 알루미나 분말 중 적어도 어느 하나로 이루어진 제2조성물을 포함하는 열전도성 몰드재를 포함하고,상기 방열 장치는 용매 탱크와 용매 탱크 상단에 구비된 응축관으로 구성되고, 상기 용매 탱크 내부에 용매가 채워지고 LED 램프의 열에 의해 용매가 증발되면 증발관을 통해 응축관으로 전달되고 다시 출구관을 통해 용매 탱크로 전달되며, 상기 증발관은 용매 탱크 안에서 상부에 출구관은 용매 탱크 안에서 하부에 위치하며, 상기 용매 탱크 내에 용매가 구비될 때에는 상기 용매는 용매 탱크 내에서 10 - 80 % 정도 채워지므로서, 용매 탱크를 사용함에도 상대적으로 적은 크기의 방열 장치를 엘이디 램프의 외부에 장착할 수 있도록 하여 효과적으로 방열을 하게 되는 엘이디 램프를 제작할 수 있도록 한다.

Description

엘이디 램프 용 방열 장치 설계{HEAT RELEASE DEVICES FOR THE LED LAMP}

본 발명은 엘이디(LED) 램프(lamp)에서 발생하는 열의 방열성을 향상시키기 위해, 용매 탱크냉에 용매를 구비하고, 응축열을 이용하여 방열을 효과적으로 향상시키는 것에 관한 것이다.

종래의 엘이디(LED) 램프는 열이 많이 발생되며, 따라서 시스템 내부 열을 외부로 확산시키지 못하면 시스템 안정성에 심각한 우려를 제공하며, 이러한 열은 제품의 수명 단축이나 고장 오동작 등을 유발할 수 있다.

그래서, 시스템 내부의 열을 방출하거나 냉각시켜야 한다. 종래 이러한 열을 효율적으로 제어하기 위한 방법들이 많이 시도되었으며, 히트싱크, 히트파이프, 냉각팬을 사용하는 것이 일반적이었다. 그러나, 전자기기의 성능향상, 경량화, 슬림화 등에 의해 사용에 제약이 따를 뿐만 아니라 성능향상이 요구된다.

또한, LED 램프의 경유 야외에 사용하거나, 주변의 디자인과 조화를 이루기 위해서는 LED 램프 케이스 외부 표면 도료를 코팅하게 되는 경우가 많다. 하지만. 도료 물질은 통상 수지막을 형성하는 것이므로, LED 램프의 방열 특성을 저하하게 된다. 통상 LED 램프는 열을 많이 발생하는 소자를 사용하는 발광장치이므로, LED 램프에서 발생하는 열을 방출할 필요가 있게 된다.

그리고, 대한민국 특허 등록 한국등록특허 제 10-0950804 호에는 냉매, 열교환관, 냉매탱크등이 사용되지만, 용매의 상전이 현상을 사용하지는 않고 있다. 따라서, 열전달 효율이 높지를 못하고 있다.

또한, 한국공개특허 제 2010-0098890 호에는 엘이디 램프, 냉각각튜브, 냉매가 사용되지만 이 역시 용매의 상전이 현상을 사용하지 않으므로, 냉각 장치의 부피가 크고 열전달 효율을 높이지 못하고 있다. 따라서, 열전달 효율을 높이기 위한 냉각장치 개발이 필요한 실정이다.

선행기술 1 : 한국등록특허 제 10-0950804 호 (2010년03월25일) 선행기술 2 : 한국공개특허 제 2010-0098890 호 (2010년09월10일)

본 발명에서는 LED 램프의 열을 가장 효과적으로 제거하기 위한 방법으로는 응축열을 사용하는 것인데, 이때 응축기와 탱크의 이상적인 배치가 문제가 된다. 따라서, 본 발명에서는 용매 탱크, 응축관 및 LED 소자가 장착된 기판을 효과적으로 장착하여 컴팩트하면서도 효과적인 방열이 가능한 엘이디 램프용 방열 장치를 제공함을 목적으로 하고 있다.

상기 목적은, 엘이디 램프에서 엘이디 소자가 구비되는 LED 기판 상단에 구비되는 엘이디 램프용 방열 장치에 있어서, 페녹시계 수지, 우레탄계 촉매 경화수지, 실리콘계 촉매 경화수지 중 어느 하나로 이루어진 제1조성물 및 저온 소성 세라믹 분말(Low Temperature Cofired Ceramic), 알루미늄나이트라이드 분말, 보론나이트라이드 분말, 알루미나 분말 중 적어도 어느 하나로 이루어진 제2조성물을 포함하는 열전도성 몰드재를 포함하고,상기 방열 장치는 용매 탱크와 용매 탱크 상단에 구비된 응축관으로 구성되고, 상기 용매 탱크 내부에 용매가 채워지고 LED 램프의 열에 의해 용매가 증발되면 증발관을 통해 응축관으로 전달되고 다시 출구관을 통해 용매 탱크로 전달되며, 상기 증발관은 용매 탱크 안에서 상부에 출구관은 용매 탱크 안에서 하부에 위치하며, 상기 용매 탱크 내에 용매가 구비될 때에는 상기 용매는 용매 탱크 내에서 10 - 80 % 정도 채워지므로서 달성된다.

다수 개의 엘이디 소자를 매트릭스 형태로 구비하는 기판; 및 상기 기판 하부에 존재하고 상기 기판과 함께 공간을 만드는 지지판을 포함하며, 상기 기판과 상기 지지판 사이의 공간에 상기 열전도성 몰드재를 경화되기 전의 상태로 주입한 후 열을 가하여 경화하므로서, 상기 기판과 지지판에 상기 몰드재가 직접 연결된다.

본 발명에 따르면, 용매 탱크를 사용함에도 상대적으로 적은 크기의 방열 장치를 엘이디 램프의 외부에 장착할 수 있도록 하여 효과적으로 방열을 하게 되는 엘이디 램프를 제작할 수 있도록 한다.

도 1은 용매 탱크와 응축관을 나타낸 도면이다.
도 2는 용매 탱크와 응축관의 원리도이다.
도 3은 응축관의 기울어진 각도를 나타낸 도면이다.
도 4는 용매 탱크의 내부를 나타낸 실시예의 도면이다.
도 5는 용매 탱크와 기판의 또 다른 실시예의 도면이다.
도 6은 도 5가 적용된 실시예의 도면이다.
도 7은 방열기를 나타낸 도면이다.
도 8은 용매 탱크의 위치에 따른 또 다른 실시예의 도면이다.
도 9는 몰드재를 사용한 실시예의 도면이다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 용매 탱크를 이용한 LED 램프의 방열에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 용매 탱크와 응축관을 나타낸 도면이다.

도면에서처럼 용매 탱크(10) 상부에, 증발관(20)이 연결되고 다시 증발관(20)은 감긴 형태로 이루어진 응축관(20a)과 연결된다. 그리고 응축관(20a)의 출구관(30)은 다시 용매 탱크(10)와 연결된다.

한편, 용매 탱크는 어느정도 진공을 유지하여야 하는데, 진공을 만들기 위한 배기관(50)이 더 형성된다. 그리고 상기 배기관을 통해 공기를 제거하여 진공을 만들면, 상기 배기관(50)을 마개(50a)로 막아준다. 상기 배기관 마개(50a)는 압력이 비정상적으로 높아지면, 마개(50a)가 빠져서 과열에 따른 폭발을 방지하는 효과를 가지게 된다.

한편, 용매 탱크(10)하단에는 기판(110)이 구비되고 상기 기판에는 통상의 LED 소자(100)가 더 구비된다.

도 2는 용매 탱크와 응축관의 원리도이다.

용매 탱크(10)내에 용매(40)가 담겨져 있고, LED 소자(100)의 발열에 의해 기판(110)의 온도가 올라갈 경우 상기 용매(40)는 기화현상이 일어나게 된다. 즉, 용매인 액체가 기체로 되는 것이다.

그러면, 상기 기체는 증발관(20)을 통해 코일처럼 회전하는 응축관(20a)을 지나게 되면, 열이 식어져서 다시 용매인 액체로 되돌아 가게 된다. 그러면 상기 액체는 출구관(30)을 통해 용매 탱크(10)로 들어가게 되돌아가게 된다,

이때, 증발관(20)의 끝단은 용매 탱크(10) 위쪽에서 시작되지만, 출구관(30)의 끝단은 용매 탱크(10) 아래 쪽까지 내려오게 된다, 그 이유는 증발관(20)은 기화되는 기체이므로 위에서 시작되는 것이고, 출구관(30)은 액체이므로 아래까지 내려오게 되는 것이다.

즉, 상기와 같은 단계를 통해 LED 소자(100)에서 발생한 열을 제거하며, 이를 위해 용매가 기화되고 다시 응축되는 순환 과정을 거치게 되는 것이다.

한편, 상기 용매는 기화성이 있는 다양한 액체의 사용이 가능하다. 알콜, 프레온, 혹은 다양한 용매이며, 혹은 순수한 물도 사용이 가능한 것이다.

그리고, 도면에서처럼 용매 탱크(10)에 용매(40)가 전부 채워지는 것이 아니다, 통상 10 %에서 80% 정도 채워지게 되는 것이다. 이때, 물질 열수지식은 간단하다. 적분과 시간 및 열 전달 속도의 개념을 도입할 필요가 없고, 램프의 무게 및 각각에 사용되는 재료의 비열을 고려하면 된다. 그리고, 냉매로 사용되는 물질의 기화열을 고려하게 된다. 이에따른 물질 수지식은 아래와 같다.

(T) x t(낮추는 온도) x 비열 x (G1 + G2 + G3)

= (T) x M(사용되는 냉매 질량) x 기화열

이때, G1, G2, G3 등은 램프에 사용되는 각 물질의 무게이다. 그리고, 여기서 고려되어야 할 것은 시간(T)이다. 즉 어느정도의 시간에 온도를 얼마큼 낮추느냐인 데 이것은 실험에 의해 정해진다.

도 3은 응축관의 기울어진 각도를 나타낸 도면이다.

증발관(20)과 응축관(20a)는 직각이 아니라, 응축관(20a)이 약간 기울어진 형태를 가지게 된다. 그 이유는 증발된 기체의 열이 제거되어 액체로 된 다음에는 중력의 작용에 의해 순환되어 다시 용매 탱크(10)로 되돌아 가기 때문이다. 따라서, 중력의 작용에 의하려면 어느정도 기울기는 필요하기 때문이다.

이때, 도면에서처럼 기울어지게 되는 각도는 45도 이내가 된다, 즉, 0.1도에서 45까지가 될 수 있고, 기울기가 너무 크면 응축관(20a)의 설계에 어려움을 겪기 때문에 45를 넘지 않는 것이 좋게 된다.

도 4는 용매 탱크의 내부를 나타낸 실시예의 도면이다.

기판(110)에서 발생하는 열은 용매 탱크(10)를 통해 용매(40)에 전달되게 되는데, 이때, 용매에 전달되는 효과를 더 높이기 위해 용매와 접촉되는 면적을 크게 할 필요가 있게 된다. 따라서, 용매 탱크(10) 내에 돌출부(10a)를 형성하게 된다.그렇게 하므로서 기판(110)의 열이 용매에 더 잘 전달되게 되는 것이다.

도 5는 용매 탱크와 기판의 또 다른 실시예의 도면이다.

도면에서처럼, 용매 탱크는 다각형 형태로 되어 있다. 물론 본 도면에서는 삼각형의 실시예를 도시하였지만, 사각형 오각형도 가능하다. 상기 용매 탱크는 다각형을 입체 모양을 가지고 상기 용매 탱크의 상부의 단면 면적이 하부의 단면 면적 보다 더 넓으며, 아래로 갈 수록 좁은 모양을 갖게 되는 경사 구조이다.

한편, 상기 용매 탱크의 측면에 LED 소자(100)가 구비된 기판(110)이 장착된다, 통상 다각형의 모양을 가진 용매 탱크(10)의 측면에는 모두 기판(110)이 부착되는 것이다.

본 발명에서는 삼각형 형태가 되어 용매 탱크(10)의 측면이 3개가 형성되어 3개의 기판이 부착되지만, 사각형일 경우에는 용매 탱크(10)의 측면이 4개가 형성되어 4개의 기판(110)이 부착되고, 오각형일 경우에는 용매 탱크(10)의 측면이 5개가 형성되어 5개의 기판(110)이 부착된다.

한편, 용매 탱크(10)의 측면에 부착되는 기판(110)의 모양도 용매 탱크의 측면의 모양에 맞게 형성되며, 사다리 꼴 모양을 갖게 된다.

또한, 도 5의 실시예에서도 증발관(20)과 출구관(30)이 구비되게 된다. 당연히 증발관과 출구관은 용매 탱크(10) 상부에 구비되는 것은 당연하다. 용매가 증발되고 응축된 용매가 다시 용매 탱크 아래로 내려 오는데 중력이 작용해야 하기 때문이다.

도 5의 실시예에서도 도 4의 실시예에서처럼 용매에 전달되는 효과를 더 높이기 위해 용매와 접촉되는 면적을 크게 할 필요가 있게 되며, 따라서 도 5의 실시예의 용매 탱크(10) 내에도 돌출부(10a)를 형성할 수도 있다.

도 6은 도 5가 적용된 실시예의 도면이다.

도면에서처럼, 기판(110)으로 감싸진 용매 탱크가 제일 하단에 위치하게 되고, 그 상단에 증발관(20), 출구관(30) 및 응축관(20a)이 위치하게 된다.

이때, 상기 증발관(20), 출구관(30) 및 응축관(20a)은 방열기(70) 내부에 존재하게 된다. 즉, 방열기(70) 내부에 응축관이 맞 닿는 구조로 장착되어 응축관(70)의 열이 외부로 잘 빠져나가는 구조를 가진다.

그리고, 그 상단에 절연체(80)가 존재하게 된다. 통상 방열기는 방열 효과가 뛰어난 금속을 사용하게 되며, 상기 금속은 전기 전도성이 우수한 특성을 가지므로 전기 안정도를 위해 절연체를 구비하게 되는 것이다.

또한, 절연체(80) 상단에 소켓(90)이 구비되어 전기 공급부와 결합되게 되는 것이다.

도 7은 방열기를 나타낸 도면이다.

방열기(70)는 둥그런 형상을 가지며, 방열기(70) 외부에는 열이 더 잘 빠져나기도록 하기 위해 열이 닿는 면적을 높이기 위한 설계가 필요하며, 이러한 설계를 위해 방열기(70) 외부를 요철을 갖도록 하여 방열판(70a)을 구비하였다.

그리고 상기 방열기(70) 내부에 내부홈(70c)이 구비되어 응축관이 장착되게 되어, 응축관(20a)과 방열기는 접촉되게 구비된다. 따라서 응축관(20a)의 열이 방열기에 잘전달되게 된다.

한편, 방열기(70)가 절연체(80)와 회전하여 결합 연결되도록 나사 모양의 결합부(70b)가 더 구비된다.

도 8내지 10은 용매 탱크의 위치에 따른 또 다른 실시예의 도면이다.

도 8은 대 면적의 LED 램프(200)를 나타낸 도면이다. 도면에서는 도시 생략되었지만 본 발명의 LED 램프(200) 하단에는 LED 소자가 메트릭스 형태로 다수개 구비되어 빛을 방출하게 된다.

그리고, 또한 LED 소자는 열이 방출고, 이때 도 1과 2에서 설명된 구조와 마찬가지로 LED 소자 상단에 기판(110)이 구비되고 상기 기판 상단에 용매 탱크가 구비된다. 그리고 상기 용매 탱크 상단에 응축관 (20a)이 구비되게 된다.

한편, 대 용량의 LED 램프(200)의 경우에는 신속히 열을 제거할 필요가 있기 때문에 응축관(20a)이 2 개 이상 구비될 필요도 있게 되는 것이다.

도 8에 도시된 본체부(220)에는 도 1과 도 2의 실시예와 비슷한 기판(110)과 용매 탱크(10)가 구비되어 있다. 용매 탱크를 본체부(220) 내에 삽입하므로서 미관상 좋게 하는 효과가 있다. 따라서, 응축관(20a)이 두 개인 것처럼 용매 탱크(10)도 2개이지만, 본체부(220)에 구비되어 외부에서는 2개가 구비된 것으로 나타나지않게 된다. 그리고 부품부(210)에는 전원 공급장치에 관계된 안전기나 저항 같은 부품이 구비된다.

또한 본 발며에서는 엘이디 램프 장치 부품의 공간내에 몰드재를 더 투입하여 열전달 효과를 상승시키도록 한다.

이에 대해서는 도 9에 도시하였다. 도 9에서는 몰드재(120)가 내부에 충전됨을 보이고 있다.

그리고, 몰드재 조성은 아래와 같다.

본 발명에 따른 열전도성 몰드재는 페녹시계 수지, 우레탄계 촉매 경화수지, 실리콘계 촉매 경화수지 중 어느하나로 이루어진 제1조성물과, 저온소성 세라믹 분말(Low Temperature Cofired Ceramic), 알루미늄나이트라이드 분말, 보론나이트라이드 분말, 알루미나 분말 중 적어도 어느 하나로 이루어지는 제2조성물을 포함한다.

제1조성물 중의 하나인 페녹시계 수지는 폐녹시 수지와 아민계 경화제로 이루어진 2액형, 상온/중온 경화형으로 이루어진 수지를 사용하고, 그 함유량은 주제(페녹시 수지) 100중량부에 대해 경화제 2중량부의 비율로 혼합된다.

우레탄계 촉매 경화수지는 우레탄 폴리올과 이소시안 경화제로 이루어진 촉매 경화형으로, 주제(우레탄 폴리올) 100중량부에 대해 경화제 1중량부의 비율로 혼합된다.

실리콘계 촉매 경화수지는 비닐실리콘과 백금촉매를 혼합하여 사용한다. 이러한 제1조성물을 이루는 각 수지의 점도는 1000CPS에 맞추었다. 또한, 본 발명에 따른 열전도성 몰드재는 제2조성물인 저온소성 세라믹 분말(Low Temperature Cofired Ceramic), 알루미나 분말(Al2O3), 보론나이트라이드 분말(BN), 알루미늄나이트라이드 분말(AlN)을 사용하여 입도 분포를 맞추어 제1조성물과 분산하여 제조한다.

또한, 제2조성물의 입자분포는 45과 14 대역에서 테스트한 것은 1.5W/㎡ 에서 2W/㎡ 의 열전도도를 가질 수 있으나, 본 발명의 목표는 비표면적을 최대화하여 분산하면 높은 열전도도를 가질 수 있고 알루미늄나이트라이드 분말을 효과적으로 사용하여 최대 10W/㎡ 의 경제성이 있는 고열전도도 몰드재를 얻을 수 있다.

실시예 1

프로레타리 믹서에 제1조성물인 페녹시계 수지 100중량부를 투입하고, 제2조성물인 알루미나 그레뉼 분말(평균 입도 D50인 3~5) 200~250중량부와 알루미나 그레뉼 분말(평균입도 D50인 40~50)을 270~300중량부를 투입하고, 믹서의 회전수를 서서히 올려 분산한 후, 진공을 걸어 14rpm 까지 올린다.

3시간 정도 믹싱하고 진공을 해제하고 나서, 제1조성물 대비 난연제 및 첨가제 50~60중량부를 투입한 후,11rpm 으로 30분간 믹싱한다. 그리고, 믹서의 임펠라를 역방향으로 2~3rpm 정도로 회전하며, 20분간 탈포한다.

이와 같이 제조된 열전도성 몰드재를 정량토출기로 엘이디용 전기제품에 투입하여 70에서 2시간 경화한다.

실시예 2

프로레타리 믹서에 제1조성물인 페녹시계 수지 100중량부를 투입하고, 제2조성물인 알루미나 구형 분말(평균입도 D50인 20) 270~300중량부와 알루미나 구형 분말(평균입도 D50인 5) 200~250중량부를 투입하고, 믹서의 회전수를 서서히 올려 분산한 후, 진공을 걸어 14rpm 까지 올린다.

4시간 정도 믹싱하고 진공을 해제하고 나서, 제1조성물 대비 난연제 및 첨가제 50~60중량부를 투입한 후, 11rpm 으로 30분간 믹싱한다. 그리고, 믹서의 임펠라를 역방향으로 2~3rpm 정도로 회전하며, 20분간 탈포한다.

이와 같이 제조된 열전도성 몰드재를 정량토출기로 엘이디용 전기제품에 투입하여 70에서 2시간 경화한다.

실시예 3

프로레타리 믹서에 제1조성물인 페녹시계 수지 100중량부를 투입하고, 제2조성물인 저온소성 세라믹 분말(평균 입도 D50인 10~38) 270~350중량부와 알루미늄나이트라이드 분말(평균입도 D50인 1~5)를 200~250중 량부를 투입하고, 믹서의 회전수를 서서히 올려 분산한 후, 진공을 걸어 14rpm 까지 올린다.

4시간 정도 믹싱하고 진공을 해제하고 나서, 제1조성물 대비 난연제 및 첨가제 50~60중량부를 투입한 후, 11rpm 으로 30분간 믹싱한다. 그리고, 믹서의 임펠라를 역방향으로 2~3rpm 정도로 회전하며, 20분간 탈포한다.

이와 같이 제조된 열전도성 몰드재를 정량토출기로 엘이디용 전기제품에 투입하여 70에서 2시간 경화한다.

실시예 4

프로레타리 믹서에 제1조성물인 우레탄계 촉매 경화수지 100중량부를 투입하고, 제2조성물인 알루미나 분말(평균입도 D50인 3~5) 200~250중량부와 알루미나 분말(평균입도 D50인 40~50)을 270~300중량부를 투입하고, 믹서의 회전수를 서서히 올려 분산한 후, 진공을 걸어 14rpm 까지 올린다.

3시간 정도 믹싱하고 진공을 해제하고 나서, 제1조성물 대비 난연제 및 촉매제 50~60중량부를 투입한 후,11rpm 으로 30분간 믹싱한다. 그리고, 믹서의 임펠라를 역방향으로 2~3rpm 정도로 회전하며, 20분간 탈포한다.

이와 같이 제조된 열전도성 몰드재를 정량토출기로 엘이디용 전기제품에 투입하여 70에서 1시간 경화한다.

10 : 용매 탱크 20 : 증발관
20a : 응축관 30 ; 출구관
50 : 배기관 50a : 마개
110 : 기판 100 : LED 소자
40 : 용매 10a : 돌출부
120 ; 몰드재

Claims (2)

1. 엘이디 램프에서 엘이디 소자가 구비되는 LED 기판 상단에 구비되는 엘이디 램프용 방열 장치에 있어서,
   페녹시계 수지, 우레탄계 촉매 경화수지, 실리콘계 촉매 경화수지 중 어느 하나로 이루어진 제1조성물 및 저온 소성 세라믹 분말(Low Temperature Cofired Ceramic), 알루미늄나이트라이드 분말, 보론나이트라이드 분말, 알루미나 분말 중 적어도 어느 하나로 이루어진 제2조성물을 포함하는 열전도성 몰드재를 포함하고,
   상기 방열 장치는 용매 탱크와 용매 탱크 상단에 구비된 응축관으로 구성되고, 상기 용매 탱크 내부에 용매가 채워지고 LED 램프의 열에 의해 용매가 증발되면 증발관을 통해 응축관으로 전달되고 다시 출구관을 통해 용매 탱크로 전달되며, 상기 증발관은 용매 탱크 안에서 상부에 출구관은 용매 탱크 안에서 하부에 위치하며, 상기 용매 탱크 내에 용매가 구비될 때에는 상기 용매는 용매 탱크 내에서 10 - 80 % 정도 채워지는 것을 특징으로 하는 엘이디 램프용 방열 장치 설계.
2. 제1항에 있어서,다수 개의 엘이디 소자를 매트릭스 형태로 구비하는 기판; 및 상기 기판 하부에 존재하고 상기 기판과 함께 공간을 만드는 지지판을 포함하며, 상기 기판과 상기 지지판 사이의 공간에 상기 열전도성 몰드재를 경화되기 전의 상태로 주입한 후 열을 가하여 경화하므로서, 상기 기판과 지지판에 상기 몰드재가 직접 연결되는 것을 특징으로 하는 열전도성 몰드재를 포함한 엘이디 램프용 방열 장치 설계.
   

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