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CN101421504B - 热声转换器和包括热声转换器的发电机 - Google Patents

热声转换器和包括热声转换器的发电机 Download PDF

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CN101421504B
CN101421504B CN200780013216XA CN200780013216A CN101421504B CN 101421504 B CN101421504 B CN 101421504B CN 200780013216X A CN200780013216X A CN 200780013216XA CN 200780013216 A CN200780013216 A CN 200780013216A CN 101421504 B CN101421504 B CN 101421504B
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Abstract

本发明涉及一种热声转换器，该热声转换器包括加热源(1，2，7，3)和冷却源，其中加热源(1，2，7，3)包括整体金属件，该金属件由圆柱形壁(1)、集成在圆柱形壁(1)中的加热管(2)和横向壁(7)组成，该横向壁将圆柱形壁分为圆柱形壁的第一部分(1a)和圆柱形壁的第二部分(1b)，横向壁(7)、圆柱形壁的第一部分和相对于圆柱形壁的第一部分(1a)与横向壁(7)面对的附加壁(3)限定出包含热源的空间。本发明适用于电力生产(电力发电机，汽车发动机，发电站等)。

Description

热声转换器和包括热声转换器的发电机
技术领域
本发明涉及一种热声转换器。本发明还涉及一种包括根据本发明的热声转换器的发电机以及一种包括根据本发明的发电机的发电站。
背景技术
通常，根据本发明的发电机可以在众多应用(汽车发动机，车载电力发电机，发电站，等)中使用。
本发明的发电站用于例如装备隔离站点和/或荒凉区域。
产生声波的热声转换装置(其连接至将声波的机械能转换为电能的工作台)目前在相当多的研究实验室中作为工作的目的。目前已知装置除了使用已知的热声转换现象外，还使用集成一些运动元件或者振动金属薄片，甚至两者相结合，的转换器。这些结构的重复使用导致了可靠性的严重降低并且使工业维护非常复杂。
本发明的热声转换器和本发明的发电机不具有这些缺点。
发明内容
事实上，本发明涉及一种热声转换器，包括：加热源；冷却源；导热元件的组，所述导热元件彼此间隔并且彼此固定，所述组位于加热源和冷却源之间以便在导热元件的第一端和导热元件的与第一端相反的第二端之间形成温度梯度；以及热力学流体，所述热力学流体填充导热元件之间的空间和导热元件周围的空间以便在填充导热元件周围空间的热力学流体中在温度梯度的效应下形成声波，其特征在于，加热源包括一个整体金属件，该整体金属件由嵌有加热管的圆柱形壁和横向壁组成，横向壁将圆柱形壁分为圆柱形壁的第一部分和圆柱形壁的第二部分，横向壁、圆柱形壁的第一部分和相对于圆柱形壁的第一部分与横向壁相对的附加壁限定包括热源的空间。
根据本发明的附加特征，所述加热源包括在所述加热管顶端的上方插入所述圆柱形壁的第二部分中的防热层，并且防热层使加热源与冷却源热绝缘，防热层由开有通孔的壁构成，导热元件的组安置在孔中，热力学流体填充位于横向壁、圆柱形壁的第二部分和由防热层与导热元件的组所组成的结构之间的空间。
根据本发明的附加特征，导热元件的组由一个结构固定，所述结构紧围导热元件的组。
根据本发明的另一附加特征，紧围导热元件的组的结构通过壁在冷却源中延伸，所述壁形成脉络，所述声波在脉络中传导。
根据本发明的另一附加特征，冷却源包括圆柱形壁，所述圆柱形壁与加热源的圆柱形壁连接并且通过热绝缘层与加热源的圆柱形壁隔离。
根据本发明的另一附加特征，热绝缘层是陶瓷层。
根据本发明的另一附加特征，热力学流体在交换器蒸发器中循环，所述交换器蒸发器被集成在冷却源的壁中。
根据本发明的另一附加特征，循环在交换器蒸发器中的热力学流体是乙醇或甲醇。
根据本发明的另一附加特征，冷却源包括通过周围空气的自然对流来冷却的交换器冷凝器。
根据本发明的第二实施例，所述冷却源包括一组冷却加热管，所述冷却加热管的第一端和第一中间点之间的部分分布在限定脉络的壁的内面上，在限定脉络的壁中和冷却源的壁中开有一些孔以便能够引入热声转换器的冷却加热管，冷却加热管的第二中间点和它们的与第一端相反的第二端之间的部分被焊接在冷却器上。
根据本发明的第二实施例的附加特征，安置在脉络内部的冷却加热管部分通过翼片连接。
根据本发明的另一附加特征，所述加热源的加热管包含热力学流体。
根据本发明的另一附加特征，包含在加热管中的热力学流体是大气压下的钠。
根据本发明的另一附加特征，加热管的内部装备有衬层，所述衬层能够组织包含有热力学流体的蒸发区域和冷凝区域之间的热力学流体的流动。
根据本发明的另一附加特征，填充导热元件之间的空间和导热元件周围空间的热力学流体是熔化的碱金属。
根据本发明的另一附加特征，熔化的碱金属是熔化的钠、熔化的低共熔物Na-K或者熔化的锂。
根据本发明的另一附加特征，绝热材料包围加热源和冷却源。
根据本发明的另一附加特征，导热元件的组是通过焊接彼此固定的一组导热板。
根据本发明的另一实施例，导热元件的组是彼此盘绕的打褶带和平滑带形成的带盘(bobine)。
根据本发明的另一附加特征，安全壳使得能够弥补填充所述板之间的空间和所述板周围空间的热力学流体的泄漏，并且能够通过预安装在所述壳的冷却附件中的中和装置来消除泄漏。
根据本发明的另一附加特征，附加壁是对于光透明的窗口，以便日光一穿过附加壁，加热源就构成日光炉。
本发明还涉及一种发电机，包括从热梯度产生声波的热声转换器，和从通过所述热声转换器产生的驻声波产生电的磁流体动力学转换器，其特征在于，所述热声转换器是根据本发明的将热能转换为机械能的热转换器。
根据本发明的另一特征，所述磁流体动力学转换器包括：
-脉络，声波在其中振荡；
-磁回路，能够在脉络中产生垂直于声波流动方向的磁场；
-两个电极，位于脉络的两侧、与脉络电绝缘并且沿垂直于声
波流动方向和磁场方向的轴线对齐，和
-两个收集器电缆，与脉络电绝缘并且分别连接至两个电极。
根据本发明的另一附加特征，电极是非磁性金属的棱柱体并且通过包裹电极的陶瓷保护层与脉络电绝缘。
根据本发明的另一实施例，所述磁流体动力学转换器包括：
-脉络，声波在其中振荡；
-感应传感器和测量电路，确定声波相对于时间的角频率和移动速度；
-处理器，根据角频率和移动速度的测量产生控制信息；
-电流发生器，由控制信息控制，和；
-一组线圈，位于所述脉络的两侧并且与电流发生器相连。
本发明还涉及发电站，包括：
-根据本发明的电力发电机，其中，热声转换器是装备有具有窗口的日光炉的转换器；以及
-日光聚集天线，所述窗口基本上被定位在聚集天线的聚焦区域处。
根据本发明的附加特征，所述发电站包括能量存储装置。
根据本发明的发电机独特地以静态的方式从热中产生电，而没有元件运动。这集成了一定数量的元件和技术，它们的合理配合允许可靠且长期的工作。
根据本发明的发电机具有例如生产大约20KW低压电(220V/50Hz)的能力。在电能装置包括能量积累装置的情况下，有利地，在缺少日光照射时可能产生能量。
附图说明
通过参考附图阅读优选实施例，本发明的其它特征和优点会显而易见，其中：
图1示出了根据本发明的发电机的纵向剖面图；
图2A示出了根据本发明的热声转换器的加热源的纵向剖面图；
图2B和2C示出了图2A所示的加热源的两个横向剖面图；
图3示出了协助本发明加热源实现的整体金属件的3D透视图；
图4A-4C示出了在根据本发明的一个具体实施例的热力学流体中能够产生声波的机械元件的示意图；
图5示出了根据本发明热声转换器的冷却源的第一实施例的纵向剖面图；
图6A和6B分别示出了根据本发明的第二实施例的冷却源的纵向剖面图和横向剖面图；
图7A和图7B分别示出了根据本发明的第一实施例的磁流体动力学转换器的横向剖面图和纵向剖面图；
图8A-8B示出了可以被用在本发明范围内的密封介质的连接装配；
图9示出了根据本发明的第二实施例的磁流体动力学转换器；
图10示出了包括根据本发明的发电机的发电站的例子；
具体实施方式
根据本发明的电力发电机包括从热产生声波的热声转换器CTA和从通过热声转换器产生的声波产生电的磁流体动力学转换器CMHD(参照图1)。
热声转换器包括加热源(参照图2A，2B和3)和冷却源(参照图5和6A-6B)。加热源包括：
-整体金属件，该金属件由嵌有加热管2的圆柱形壁1和横向壁7组成，该横向壁将圆柱形壁1分为圆柱形壁的第一部分1a和圆柱形壁的第二部分1b；
-窗口3，和；
-防热层4，在其中插入能够在压力梯度效应下在热力学流体中产生声波的导热元件的组5。
由横向壁7、圆柱形壁的第一部分1a和窗口3组成的系统构成日光炉，在其中会聚光线L。光线L通过窗口3进入日光炉。
位于壁7上方、圆柱形壁的第二部分1b侧边的空间包含受压的热力学流体F，在防护层4和组5构成的系统上方的冷却源系统中也具有该受压的热力学流体F。受压的热力学流体F优选地是熔化的碱金属(诸如熔化的钠、熔化的低共熔物Na-K或熔化的锂)。
优选地，嵌入壁1的加热管2具有管的形状，该管的轴线几乎平行于构成壁1的圆柱的轴线。加热管在壁7的两侧上延伸并且优选地以均匀的方式分布在圆柱形壁1上。由圆柱形壁1(其中嵌有加热管2)和横向壁7构成的整体金属件优选地用铬镍铁台金601实现。作为非限定性例子，整体金属件的内径D和长度L分别为300mm和400mm。加热管的直径d例如是25mm。
加热管2具有将日光炉发出的热输送到受压的热力学流体F的功能，该受压的热力学流体被容纳在由壁7、圆柱形壁的第二部分1b以及防护层4和组5构成的系统限定的空间中。加热管2包含热力学流体(诸如大气压下的钠)。优选地，加热管2的内部装备有衬层，所述衬层使得能够组织容纳在蒸发区域和冷凝区域之间的热力学流体的流动。
导热元件的组5可以通过不同的方法实现。例如它可以由彼此间隔且固定在一起(例如通过焊接)的平行板组构成(参照图2A和2C)。板可以是金属的或非金属的。这样的板组(通常称作“堆”)通过筐6(panier)固定在适当的位置，该筐在冷却源边侧的延长形成脉络V，该脉络构成用于声波传导的通道(参照图1)。例如，板的厚度为0.7mm并且板之间的间隔为0.7至1mm。
根据本发明的变型，热交换的效率可以通过添加大量制造的翼片8来提高，所述翼片将加热管2连接到筐6上(参照图2C)。
根据另一个实施例，组5由带盘B(bobine)组成，带盘的圈彼此间隔(参照图4A至4C)。带盘B安装在由介质环bd环绕的金属环带Cm中。环带Cm和介质环bd具有与上述筐6同样的功能。根据优选实施例，带盘B借助于在核心N周围彼此环绕的打褶带fp和平滑带fl来实现。因此，打褶带fp的褶使圈彼此分开。带盘B安装在转换器CTA中以使带盘的轴线近似平行于转换器的圆柱形壁的轴线。通过将金属片在两个碾压器(它们的表面分别具有隆凸和凹陷的褶皱形状)之间通过，褶带被设置为自身已知的形状。作为非限定性例子，带具有例如等于0.7mm的厚度ep。打褶带fp的褶的凹陷cr例如近似等于0.7mm。带的表面可以通过金属或陶瓷保护层进行表面处理或者可以容纳褶皱。
从加热源的最热点到冷却源的最冷点，转换器构成一个受压空间。作为非限定性例子，根据本发明，这个受压空间有利地在它的最热端可以承受住200巴的压力和1000°K的温度。组5在受压空间中的几何位置被限定为以便当构成组的导热元件的端部遭受温度差时可以产生压力波。
图5示出了本发明热声转换器的冷却源的第一实施例。冷却源包括：
a)空心圆柱形管9，其中集成了配备加热管的交换器蒸发器10，和
b)交换器冷凝器11，设置在磁流体动力学转换器CMHD的外围并且交换器蒸发器10的加热管伸入其中。
热力学流体在交换器蒸发器10内循环。集成有交换器蒸发器10的空心圆柱形管9具有一个侧壁，该侧壁安置在加热源的侧壁延伸处。热绝缘件或者热绝缘层12(例如陶瓷或氧化铝)将加热源和冷却源的侧壁隔开以便在两个壁之间建立热绝缘。转换器11的冷却区域通过管壁中集成的交换器蒸发器10保持在期望的温度，并且在该蒸发器中热力学流体优选地在低压以及例如80℃的温度下蒸发。因此，冷却源通过交换器蒸发器和由自然对流的大气冷却的冷凝器的合作来实现。
系统的运行需要限制与组件的加热部分外部的对流热损耗：这是完全设置在热声转换器CTA周围的绝热材料13的作用。系统的良好运行也需要组5不被热流绕过，这会降低效率。这个绕过的热流一方面被防热层4(阻止液体金属中向冷却源的对流传热)限制，另一方面被热绝缘密封垫或者热绝缘层12限制。
如前面已经提及的，组5的定位筐6以脉络V的形状在热声转换器的冷却区域中延伸。定位筐6和脉络V具有将组5保持在适当位置、用于引导声波以及支撑防热层4(限制组5的热旁路)的功能。
当发电机从环境温度到它的运行条件时，填充装置的热力学流体熔化并且膨胀。有利地，设置在冷却源末端部分的中性气体空间允许热力学流体一定的膨胀并且通过牺牲空间来调节运行压力。
在发电机的下部的冷却附件中预定位有能够消除热力学流体(该热力学流体通过适度的运动从受压空间中流出)的液体空间(图中未示出)。
图6A和6B分别示出了根据本发明第二实施例的冷却源的纵向剖面图和横向剖面图。加热管组q(例如乙醇加热管)被部分地安置在限定脉络V的壁的一小部分长度上。优选地，这些加热管q被均匀分布在壁的一小部分上。在脉络V的壁和壁9中形成的对齐的孔使得能够从转换器CTA中引出加热管q。密封元件X1，X2使壁9在加热管q的引出孔处与外部热绝缘。加热管q一旦从转换器CTA中引出，就插入带有翼片的冷却器Rd中。根据本发明冷却源的第二实施例的改进，加热管q通过翼片w连接至脉络V的内部(参照图6B)。
安置在发电机冷却部分中的磁流体动力学转换器CMHD使得能够将声波转换为交流电流。磁流体动力学转换器CMHD的第一个例子在图7A和图7B中被示出。
图7A是转换器CMHD的横向剖面图，图7B是转换器CMHD的纵向剖面图。
在保护外壳J中，转换器包括：
-一小部分脉络V，其中热力学流体F在中心线位置周围以驻波的形式振荡；
-磁回路(A1，C1，A2，C2)，在小部分脉络V中能够产生垂直于驻波振荡运动方向和磁通密度(在1和2特斯拉之间的范围内)方向的磁场B，和；
-两个电极E1，E2，沿垂直于振荡运动方向和磁场B方向的轴线对齐。
磁回路由两个永久磁铁A1，A2组成，该永久磁铁的通量通过两个半环形层状磁回路C1，C2成环状。构成磁回路C1，C2的金属优选地具有高磁导率。脉络V的壁P具有很小的厚度并且由非磁性金属(例如铬镍铁合金或哈司特镍合金)构成。因此，壁P能够让磁通量无偏离的通过。
电极E1和E2由非磁性金属的棱柱体组成并且通过相应包裹电极的陶瓷保护层d1和d2与脉络V电绝缘。与脉络V电绝缘的收集器电缆k1和k2分别与相应电极E1和E2电连接。
图8A和8B示出了密封介质连接的可能装配，该连接包裹电极Ei(i＝1，2)和导体ki之间的电连接。
导体ki的端部14倚靠在构成电极Ei的棱柱体上。介电元件di通过焊料15被焊接在导体ki上。在增加导体的同时可以将同一电极分割(参照图8B)。通过将电极对设置为串联，电极的分割具有可以提高电压的优点。
例如，为了控制脉络中的内部压力等于200巴，磁回路C1，C2、永久磁铁A1，A2、电极E1，E2和输出导体k1，k2被埋入复合泡沫基体M中，该基体将压力传送给保护壳J(参照图7A)。
图9示出了根据本发明第二实施例的磁流体动力学转换器。
两个感应传感器16连接在测量电路17上，该测量电路限定振荡的热力学流体的波的按照时间角频率(ω)和移动速度(v(t))。根据这些测量，快速处理器18产生控制信息I，该控制信息控制电流发生器19。电流发生器19连接至线圈20。线圈20中的感应电流在脉络V中产生相对于速度v(t)相位偏移的振荡磁场B。该线圈控制方法与用在有源磁性阻尼器中的方法类似。
图10示出了包括根据本发明电力发电机的发电站的例子。
发电站主要包括根据本发明的发电机21和日光会聚天线22。发电机21的窗口被近似定位在会聚天线的聚焦区域。例如，会聚天线22具有大约100m2的面积并且在大约1000°K时在聚焦点的炉上会聚50至80KW的热能。根据本发明的改进，发电站包括能量存储装置23(电池，氢储存器，等)，当该能量存储装置连接至热声转换器的加热源时，该能量存储装置使得能够在没有日光照射的情况下产生能量。

Claims (27)

1.一种热声转换器，所述热声转换器包括：加热源(1，2，7，3)；冷却源(9，10，11)；导热元件的组(5)，所述导热元件彼此间隔并且彼此固定，所述组(5)位于加热源和冷却源之间以便在导热元件的第一端和导热元件的与所述第一端相对的第二端之间形成温度梯度；以及热力学流体(F)，所述热力学流体填充在所述导热元件之间的空间和所述导热元件周围的空间，以便在温度梯度的效应下在填充在导热元件周围空间的热力学流体中形成声波，其特征在于，所述加热源包括一个整体金属件，所述金属件包括圆柱形壁(1)和横向壁(7)，所述圆柱形壁嵌有加热管(2)，所述横向壁将所述圆柱形壁分为圆柱形壁的第一部分(1a)和圆柱形壁的第二部分(1b)，其中，所述加热管沿所述横向壁的两侧延伸，所述横向壁(7)、所述圆柱形壁的第一部分和相对于所述圆柱形壁的第一部分(1a)与所述横向壁(7)相对的附加壁(3)限定出包含热源的空间。
2.根据权利要求1所述的热声转换器，其中，所述加热源包括在所述加热管(2)一端的上方插入所述圆柱形壁的第二部分(1b)中的防热层(4)，并且所述防热层使所述加热源与所述冷却源热绝缘，所述防热层(4)由开有通孔的壁构成，所述导热元件的组(5)安置在所述通孔中，所述热力学流体(F)填充在位于所述横向壁(7)、所述圆柱形壁的第二部分(1b)和由所述防热层(4)与所述导热元件的组(5)组成的结构之间的空间。
3.根据权利要求1所述的热声转换器，其中，所述导热元件的组(5)由结构(6，Cm，bd)固定，所述结构紧围所述导热元件的组(5)。
4.根据权利要求3所述的热声转换器，其中，紧围所述导热元件的组(5)的所述结构(6，Cm，bd)通过壁(P)在所述冷却源的圆柱形壁(9)的内部延伸，所述壁(P)形成脉络(V)，所述声波在所述脉络中传播。
5.根据权利要求4所述的热声转换器，其中，所述冷却源包括圆柱形壁(9)，所述圆柱形壁(9)通过热绝缘层(12)与所述加热源的圆柱形壁(1)连接。
6.根据权利要求5所述的热声转换器，其中，所述热绝缘层(12)是陶瓷层。
7.根据权利要求5所述的热声转换器，其中，热力学流体在交换器蒸发器(10)中循环，所述交换器蒸发器被集成在所述冷却源的壁(9)中。
8.根据权利要求7所述的热声转换器，其中，在交换器蒸发器(10)中循环的所述热力学流体是乙醇或甲醇。
9.根据权利要求7所述的热声转换器，包括通过周围空气的自然对流来冷却的交换器冷凝器(11)。
10.根据权利要求5所述的热声转换器，其中，所述冷却源包括一组冷却加热管(q)，所述冷却加热管的第一端和第一中间点之间的部分分布在限定所述脉络(V)的所述壁(p)的内面上，在限定所述脉络(V)的所述壁(p)中和所述冷却源的壁(9)中形成有一些孔以便能够从所述热声转换器中引出所述冷却加热管，所述冷却加热管(q)的第二中间点和与它们的第一端相对的第二端之间的部分被插入到冷却器(Rd)中。
11.根据权利要求10所述的热声转换器，其中，所述冷却加热管(q)的安置在所述脉络(V)内部的部分通过翼片(w)连接。
12.根据权利要求1所述的热声转换器，其中，所述加热管(2)包含热力学流体。
13.根据权利要求12所述的热声转换器，其中，包含在所述加热管(2)中的所述热力学流体是大气压下的钠。
14.根据权利要求12所述的热声转换器，其中，所述加热管(2)的内部装备有衬层，所述衬层使得能够组织在包含有热力学流体的蒸发区域和冷凝区域之间的热力学流体的流动。
15.根据权利要求1所述的热声转换器，其中，填充在导热元件之间的空间和导热元件周围空间的所述热力学流体是熔化的碱金属。
16.根据权利要求15所述的热声转换器，其中，所述熔化的碱金属是熔化的钠、熔化的低共熔物Na-K或者熔化的锂。
17.根据权利要求1所述的热声转换器，其中，绝热材料(13)包围所述加热源和所述冷却源。
18.根据权利要求1所述的热声转换器，其中，所述导热元件的组(5)是通过焊接彼此固定的一组导热板。
19.根据权利要求1所述的热声转换器，其中，所述导热元件的组(5)是由彼此盘绕的打褶带(fp)和平滑带(fl)形成的带盘(B)。
20.根据权利要求1所述的热声转换器，其中，通过预安装在一发电机下部的冷却附件中的液体空间来消除填充在所述导热元件之间的空间和所述导热元件周围空间的热力学流体的泄漏，所述发电机包含有所述热声转换器。
21.根据上述权利要求中任一项所述的热声转换器，其中，所述附加壁(3)是透光的窗口，以便日光(L)一穿过所述附加壁(3)所述加热源就构成日光炉。
22.一种发电机，所述发电机包括由热梯度产生声波的热声转换器和由通过所述热声转换器产生的驻声波产生电的磁流体动力学转换器，其特征在于，所述热声转换器是根据权利要求1至21中任一项所述的转换器。
23.根据权利要求22所述的发电机，其中，所述磁流体动力学转换器包括：
-脉络(V)，声波在所述脉络中振荡；
-磁回路(A1，C1，A2，C2)，能够在所述脉络(V)中产生垂直于声波流动方向的磁场；
-两个电极(E1，E2)，位于所述脉络(V)的两侧，与所述脉络(V)电绝缘并且沿垂直于声波流动方向和磁场方向的轴线对齐，以及
-两个收集器电缆(k1，k2)，与所述脉络(V)电绝缘并且分别连接至所述两个电极(E1，E2)。
24.根据权利要求23所述的发电机，其中，所述电极(E1，E2)是非磁性金属的棱柱体并且通过包裹所述电极的陶瓷保护层(d1，d2)与所述脉络(V)电绝缘。
25.根据权利要求22所述的发电机，其中，所述磁流体动力学转换器包括：
-脉络(V)，声波在所述脉络中振荡；
-感应传感器(16)和测量电路(17)，确定声波相对于时间的角频率(ω)和移动速度(v(t))；
-处理器(18)，根据角频率和移动速度的测量产生控制信息(I)；
-电流发生器(19)，由所述控制信息(I)控制；以及
-一组线圈(20)，位于所述脉络(V)的两侧并且与所述电流发生器相连。
26.发电站，所述发电站包括电力发电机，其特征在于，在热声转换器是根据权利要求21所述的转换器的情况下，所述电力发电机是根据权利要求22所述的发电机(21)，并且其特征在于，所述发电站包括日光聚集天线(22)，所述热源的窗口(3)基本上被定位在聚集天线的聚焦区域处。
27.根据权利要求26所述的发电站，所述发电站包括能量存储装置(23)。
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