DE19726330C2 - Vacuum insulation panel, process for producing such a panel and a process for regulating the heat flows - Google Patents
Vacuum insulation panel, process for producing such a panel and a process for regulating the heat flowsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Vakuum-Isolationspaneel zur thermischen Nutzung der Sonnenenergie und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Paneels sowie ein Verfahren zur Regelung der Wärmeströme.The invention relates to a vacuum insulation panel for the thermal use of solar energy and a method for producing such a panel and a method for regulating the Heat flows.
Dieses Paneel wird bevorzugt als Fassadenpaneel eingesetzt. Das Vakuum-Isolationspaneel der Fa. Lahmeyer AG, das Fassadenmodul TWD/35 mm, das aus einer frontseitigen Glasscheibe und einer wannenbildenden flexiblen Metallfolie besteht, in die ein druckbeständiges transparentes Wärmedämmaterial eingebracht ist, führt zu einer massiven Erwärmung der Hauswand, wenn es nicht von der Rückseite konvektiv entlüftet wird. Zudem ist eine Nutzung der anfallenden Wärme, insbesondere im Sommer, nicht möglich. Da bei der Herstellung eines solchen Paneels die Metallfolie und die Glasscheibe direkt mittels einer Klebeverbindung gefügt werden, ist ein dauerhaftes Vakuum im Paneel nicht erreichbar.This panel is preferably used as a facade panel. The vacuum insulation panel from Lahmeyer AG, the facade module TWD / 35 mm, which consists of a front glass pane and a tub-forming flexible metal foil, into which a pressure-resistant transparent thermal insulation material is introduced leads to a massive one Heating of the house wall if it is not ventilated convectively from the back. In addition, one It is not possible to use the heat generated, especially in summer. Because in the making of such a panel, the metal foil and the glass pane are joined directly by means of an adhesive connection permanent vacuum in the panel cannot be achieved.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Vakuum-Isolationspaneel zu schaffen, das Übertemperaturen an der Hauswand verhindert und effektiver die Sonnenenergie nutzt. Weiterhin besteht die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Paneels zu entwickeln, das eine dauerhafte Vakuumbeständigkeit erreicht sowie ein Verfahren zur Regelung der Wärmeströme.The invention has for its object to provide a vacuum insulation panel that Prevents excess temperatures on the wall of the house and uses solar energy more effectively. Farther there is the task of developing a method for producing such a panel, the one permanent vacuum resistance achieved as well as a process for regulating the heat flows.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Gegenstände der Ansprüche 1 bis 16 gelöst, wobei
sich die folgenden Vorteile ergeben:
According to the invention, this object is achieved by the subject matter of claims 1 to 16, with the following advantages:
- - Da die Rohrleitung in dem Raum zwischen der Glasscheibe und dem Wannenboden als Kollektor wirkt, ist eine Überhitzung an der Hauswand ausgeschlossen, die Wärme kann einer weiteren Nutzung zugeführt werden.- As the pipeline in the space between the glass pane and the tub floor as a collector overheating on the wall of the house is excluded, the heat can further Be used.
- - Eine weitere Verbesserung des Kollektor-Wirkungsgrades wird durch ein Absorberblech erzielt.- A further improvement in collector efficiency is achieved with an absorber plate.
- - Eine zusätzliche Rohrleitung in Verbindung mit einer druckfesten Wärmedämmung ermöglicht eine Regelung der Wärmeströme in drei unterschiedlichen Betriebsweisen.- An additional pipeline in connection with pressure-resistant thermal insulation enables a Regulation of the heat flows in three different operating modes.
- - Die Paneele können besonders einfach gefertigt werden, dadurch daß Aerogele und Komponenten ohne besondere Verarbeitungs- und Genauigkeitsansprüche in die Metallwanne eingebracht werden und Reaktionskräfte auf den Unterdruck, die sonst zur Zerstörung der Deckscheibe führen, durch die sich verformende Metallfolie aufgenommen werden. Weiterer Vorteil ist die Möglichkeit besonders dünne Paneele durch Ausnutzung der Superwärmedämmung zu fertigen sowie die Möglichkeit der beliebigen farblichen Gestaltung.- The panels can be manufactured particularly easily, in that aerogels and Components without special processing and accuracy requirements in the metal tub are introduced and reaction forces to the negative pressure, which would otherwise destroy the Guide cover plate through which deforming metal foil is absorbed. Another advantage is the possibility to use particularly thin panels by using the super thermal insulation manufacture as well as the possibility of any color design.
- - Vorteil des Verfahrens nach Anspruch 15 ist die Möglichkeit durch Einsatz von insbesondere Schweißverfahren vakuumdichte Paneele auch im Bereich der Glas-Metall Verbindung auszubilden, welche Leckageraten kleiner 2E-8 mbar l/s bezogen auf ein Paneelvolumen von ca. 20 Liter aufweisen.- The advantage of the method according to claim 15 is the possibility of using in particular Welding process vacuum-tight panels also in the area of the glass-metal connection to develop which leakage rates are less than 2E-8 mbar l / s based on a panel volume of approx. Have 20 liters.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigenThe invention is explained in more detail using the following exemplary embodiments. Show it
Fig. 1a-c ein Vakuum-Isolationspaneels in drei unterschiedlichen Ausführungsarten, Fig. 1a-c, a vacuum insulation panel in three different embodiments,
Fig. 2 ein vereinfachtes elektrisches Ersatzschaltbild, Fig. 2 is a simplified electrical equivalent circuit diagram,
Fig. 3-6 ein Vakuum-Isolationspaneel in weiteren Ausführungsarten, Fig. 3-6, a vacuum insulation panel in other embodiments,
Fig. 9-11 Hydraulikschemen zu unterschiedlichen Betriebsweisen, Fig. 9-11 hydraulic diagrams for different operating modes,
Fig. 12 einen Rahmen zum Umfassen des Paneels, Fig. 12 a frame for encircling the panel,
Fig. 13 ein Vakuum-Isolationspaneel mit Lamellen, Fig. 13 is a vacuum insulation panel with lamellar,
Fig. 14a, b Fertigungsstufen bezüglich der Fügung zwischen der Metallfolie und der Glasscheibe, Fig. 14a, b manufacturing stages concerning the joining between the metal foil and the glass pane,
Fig. 15 von einem Wärmeträger durchfließbare Lamellen, Figure 15 durchfließbare by a heat transfer fins.,
Fig. 16 ein Vakuum-Isolationspaneel mit einer schaltbaren Schicht und Fig. 16 is a vacuum insulation panel with a switchable layer and
Fig. 17 die Fügung einer Glasscheibe mit einem Hilfsrahmen. Fig. 17 the joining of a glass sheet with a subframe.
Fig. 1a zeigt einen Schnitt durch ein Fassadenpaneel, welches z. B. auf ein Vakuum von absolut 100 mbar evakuiert ist. Die Strahlungsleistung der Sonne wird nach Durchgang durch die frontseitige Deckscheibe (2) und das Aerogel (1) zu ca. 60-85% auf dem gefärbten Absorberblech (3) absorbiert und durch einen Wärmeträger (11) mittels einer frontseitigen Rohrleitung (4) abgeführt. Eine ungewünschte Wärmeabgabe an die Rückseite des Paneels wird durch ein druckbeständiges Wärmedämmaterial (5) verhindert, dieses kann transparent aber auch opak sein. Die vom Wärmeträger (11) aufgenommene Wärmeleistung kann wunschgemäß einem Speicher (18), wie besonders geschichteten Solarspeichern, oder über Kopplung zum Wärmeträger (11) auf dem Wannenboden (8) zur Beheizung der Hauswand (9) zugeführt werden. Fig. 1a shows a section through a facade panel which z. B. is evacuated to a vacuum of absolutely 100 mbar. After passing through the front cover plate ( 2 ) and the airgel ( 1 ), approx. 60-85% of the radiation power of the sun is absorbed on the colored absorber sheet ( 3 ) and discharged through a heat transfer medium ( 11 ) by means of a pipeline ( 4 ) on the front . Unwanted heat transfer to the back of the panel is prevented by a pressure-resistant thermal insulation material ( 5 ), which can be transparent but also opaque. The heat output absorbed by the heat transfer medium ( 11 ) can, as desired, be supplied to a storage unit ( 18 ), such as particularly layered solar storage units, or via coupling to the heat transfer medium ( 11 ) on the tub floor ( 8 ) for heating the house wall ( 9 ).
Fig. 1b zeigt eine wannenbildende Metallfolie (7) mit Lamellen (46) und monolithischem sowie geflocktem Aerogel (1). Fig. 1c zeigt eine Wanne mit faserverstärktem Aerogel (1) und einer schaltbaren Schicht (51) als Überhitzungsschutz. FIG. 1b shows a trough-forming metal foil (7) with blades (46) and monolithic and flaked airgel (1). Fig. 1c shows a tray with a fiber-reinforced airgel (1) and a switchable layer (51) as protection against overheating.
Das Aerogel (1) kann in Form von Granulat, Kügelchen oder Partikeln und/oder in Form von monolithischen oder homogenen Platten verwendet werden und kann auch durch Strukturverstärkung oder Verbund mit anderen Materialien modifiziert sein oder kann aus Produktionsabfällen der vorstehend genannten Materialien bestehen.The airgel ( 1 ) can be used in the form of granules, beads or particles and / or in the form of monolithic or homogeneous plates and can also be modified by structural reinforcement or compound with other materials or can consist of production waste of the above-mentioned materials.
Das Aerogel ist insbesondere durch seine Transmission und den Gesamtenergiedurchlaßgrad g sowie den Wärmewiderstand [1] gekennzeichnet (die Ziffern in eckigen Klammern beziehen sich auf die Wärmewiderstände gem. Fig. 2). [3-4] ist beispielsweise der Wärmewiderstand (m2K/W) vom Absorberblech (3) zu einer Rohrleitung (4). [W_i] bezeichnet die Wärmewiderstände der Gebäudewand, die Speicherkapazität der Wand ist [C_i]. Eine genaue Dimensionierung der funktionalen Elemente geschieht in Abhängigkeit von TWD Material und Anwendungen. Simulationsrechnungen erfolgen anhand von Analogiemodellen, wie in Fig. 2 dargestellt.The airgel is particularly characterized by its transmission and the total energy transmittance g as well as the thermal resistance [1] (the numbers in square brackets refer to the thermal resistances according to FIG. 2). [3-4] is, for example, the thermal resistance (m 2 K / W) from the absorber sheet ( 3 ) to a pipe ( 4 ). [W_i] denotes the thermal resistance of the building wall, the storage capacity of the wall is [C_i]. The functional elements are dimensioned precisely depending on the TWD material and applications. Simulation calculations are carried out using analogy models, as shown in FIG. 2.
Fig. 2 zeigt für den in Fig. 1a oder Fig. 6 beschriebenen Fall einer Anordnung der Elemente nach Anspruch 6 ein vereinfachtes elektrisches Ersatzschaltbild. Hier werden die Wärmetransportmechanismen verdeutlicht und die wunschgemäße Schaltung zwischen Wandheizung und Kollektorbetrieb durch den Schalter S1 angedeutet. Dabei fließt die Wärme analog dem elektrischen Strom von Knoten mit höherer Temperatur zu solchen mit niederer Temperatur. Aus einer Bilanzierung der Wärmeströme für jeden Knoten ergeben sich durch dynamische Berechnungen die Wärmeströme q_unendlich als Verluststrom an die Umgebung, q_fl als der dem Wärmeträger zugeführte Wärmestrom und q_i als der an den Raum abgegebene Wärmestrom. FIG. 2 shows a simplified electrical equivalent circuit diagram for the case of an arrangement of the elements according to claim 6 described in FIG. 1a or FIG. 6. Here the heat transport mechanisms are clarified and the desired switching between wall heating and collector operation is indicated by switch S1. The heat flows analogously to the electrical current from nodes with a higher temperature to those with a lower temperature. From a balancing of the heat flows for each node, dynamic calculations result in the heat flows q_infinite as a leakage current to the surroundings, q_fl as the heat flow supplied to the heat transfer medium and q_i as the heat flow emitted to the room.
Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch ein Paneel nach Anspruch 2, bei dem z. B. eine Rohrleitung (4), aus Kupfer mit wenigen mm Durchmesser gebogen, direkt auf dem beliebig gefärbten Wannenboden (8) aufliegt. Der Abstand der Windungen der Rohrleitungen (4) beträgt dabei einige cm. Der Wärmeübergang [7-9] radiativ gemäß Fig. 2 kann dabei durch den Einsatz geglänzter Bleche reduziert werden. Fig. 3 shows a section through a panel according to claim 2, in which, for. B. a pipe ( 4 ), bent from copper with a few mm diameter, rests directly on the colored tub bottom ( 8 ). The distance between the turns of the pipes ( 4 ) is a few cm. The radiative heat transfer [7-9] according to FIG. 2 can be reduced by using shiny sheets.
Fig. 4 zeigt ein Paneel gemäß Anspruch 3. Eine Verbesserung des Wärmeübergangs [7-4] gemäß Fig. 2 an den Wärmeträger (11) wird durch Einlegen eines zusätzlichen gut wärmeleitenden Absorberbleches (3) beliebiger Farbe erreicht, da der Wärmewiderstand [3-4] klein im Verhältnis zum Widerstand [7-4] ist. Zur Reduzierung des Wärmeübergangs [4-7] von der heißen Rohrleitung (4) zum Wannenboden (8) kann zwischen diesem und dem Absorberblech (3) ein opakes oder transparentes Wärmedämmatererial (12), z. B. in Streifen, eingelegt werden. Das TWD Material (1) ist sowohl in Flocken- als auch in Granulatform dargestellt. Fig. 4 shows a panel according to claim 3. An improvement in the heat transfer [7-4] in FIG. 2 to the heat carrier (11) of an additional highly thermally conductive absorber sheet (3) is achieved arbitrary color by insertion, since the heat resistance [3- 4] is small in relation to the resistance [7-4]. To reduce the heat transfer [4-7] from the hot pipe (4) to the trough base (8) between this and the absorber plate (3) an opaque or transparent Wärmedämmatererial (12), z. B. in strips. The TWD material ( 1 ) is shown in both flake and granulate form.
Fig. 5 zeigt ein Paneel gemäß Anspruch 4 als Fassadenkollektor. Durch Einlegen von opakem oder transparentem Wärmedämmaterial (5), z. B. aus Fertigungsresten der Aerogelproduktion, ist die Wärmeabgabe an die Rückseite des Paneels stark reduziert. Fig. 5 zeigt eine Rohrleitung (4), welche sich frontseitig vor dem Absorberblech (3) befindet. Dies macht Sinn, wenn kaschierte Wärmedämmaterialien (5) eingelegt werden. Vorzugsweise wird ansonsten die Rohrleitung (4) zwischen dem Absorberblech (3) und dem Wärmedämmaterial (5) verlegt. Fig. 5 shows a panel according to claim 4 as a facade collector. By inserting opaque or transparent thermal insulation material ( 5 ), e.g. B. from manufacturing remnants of airgel production, the heat output to the back of the panel is greatly reduced. Fig. 5 shows a pipe ( 4 ), which is located on the front in front of the absorber plate ( 3 ). This makes sense when laminated thermal insulation materials ( 5 ) are inserted. Otherwise, the pipeline ( 4 ) is preferably laid between the absorber sheet ( 3 ) and the thermal insulation material ( 5 ).
Fig. 6 zeigt einen Fassadenkollektor nach Anspruch 5, bei dem zwischen dem Wannenboden (8) und dem Wärmedämmaterial (5) eine zusätzliche Rohrleitung (6) angebracht ist. Durch diese Rohrleitung wird Wärme, welche über einen Wärmeträger direkt oder indirekt mit der frontseitigen Rohrleitung (4) gekoppelt ist, zum Wannenboden (8) transportiert und dient dort gemäß Fig. 11 zur Raumbeheizung oder gemäß Fig. 9 auch zum Kühlen der Wand. Fig. 6 shows a facade collector according to claim 5, in which an additional pipe ( 6 ) is attached between the trough base ( 8 ) and the thermal insulation material ( 5 ). Through this pipeline, heat, which is directly or indirectly coupled to the front pipeline ( 4 ) via a heat transfer medium, is transported to the tub floor ( 8 ) and is used there for room heating according to FIG. 11 or for cooling the wall according to FIG. 9.
Fig. 9 zeigt ein Hydraulikschema, nach dem ein oder mehrere Paneele verschaltet werden können. In einer Schaltung gemäß Anspruch 6 wird mittels der Pumpe (41) ein Wärmeträger durch die Rohrleitungen (6) und (4) gepumpt. Das Vier-Wege-Ventil (17) liegt bevorzugt außerhalb der Paneele und ist z. B. Bestandteil einer solaren Warmwasser- und Heizeinrichtung. Durch eine Schaltung wird der Wärmeträger aus einem Wärmespeicher (18), wie z. B. einem Schichten- oder Saisonalspeicher möglichst kühl, z. B. mit 20°C, zuerst an der Hauswand (9) entlanggeführt und erwärmt sich dort beispielsweise auf 23°C. Anschließend erwärmt sich der Wärmeträger auf der Frontseite durch die aufgenommene Solarstrahlung beispielsweise auf 70°C. Fig. 9 shows a hydraulic scheme according to which one or more panels can be interconnected. In a circuit according to claim 6, a heat transfer medium is pumped through the pipes ( 6 ) and ( 4 ) by means of the pump ( 41 ). The four-way valve ( 17 ) is preferably outside the panels and is, for. B. Part of a solar hot water and heating device. Through a circuit, the heat transfer medium from a heat accumulator ( 18 ), such as. B. a stratified or seasonal storage as cool as possible, e.g. B. at 20 ° C, first along the house wall ( 9 ) and warms up, for example, to 23 ° C. The heat transfer medium on the front then heats up to 70 ° C, for example, due to the absorbed solar radiation.
Fig. 10 zeigt eine Schaltung zur Vermeidung von Überhitzungen der Hauswand (9) bei hohen Wärmeträgertemperaturen des Speichers. Durch Anwendung eines Paneels gemäß Anspruch 6 in dieser Schaltung wird der dem Speicher (18) entnommene Wärmeträger durch die Verbindungsleitung (22) direkt zur frontseitigen Rohrleitung (4) des Paneels geführt und erwärmt so nicht die Hauswand. Dies geschieht bei hohen Wärmeträgertemperaturen aus dem Speicher, z. B. wenn er geladen ist. Fig. 10 shows a circuit to avoid overheating of the house wall ( 9 ) at high heat transfer temperatures of the memory. By using a panel according to claim 6 in this circuit, the heat carrier removed from the store ( 18 ) is led through the connecting line ( 22 ) directly to the front pipe ( 4 ) of the panel and thus does not heat the house wall. This happens at high heat transfer temperatures from the storage, z. B. when it is loaded.
Fig. 11 zeigt eine Schaltung zur Beheizung der Gebäudewand. Hierbei wird in einem Paneel gemäß Anspruch 6 die in den frontseitigen Rohrleitungen (4) aufgenommene Strahlungswärme direkt an die zusätzlichen Rohrleitungen (6) abgegeben. Fig. 11 shows a circuit for heating the building wall. In this case, in a panel according to claim 6, the radiant heat absorbed in the front pipelines ( 4 ) is given off directly to the additional pipelines ( 6 ).
Fig. 12 zeigt einen Rahmen zur Umfassung eines Paneels. Er besteht aus einer festen Umfassung (20), in die ein elastisches Material (19) eingebettet ist. Der Rahmen umfaßt die Fügestelle aus der Glasscheibe (2), dem Hilfsrahmen (48) und dem Wannenrand (27) und weist eine Aussparung zum Durchführen der Rohrleitungen (4, 6) sowie der Verbindungsleitung (22) auf der Außenseite (28) auf. Fig. 12 shows a frame to surround a panel. It consists of a fixed enclosure ( 20 ) in which an elastic material ( 19 ) is embedded. The frame comprises the joint from the glass pane ( 2 ), the auxiliary frame ( 48 ) and the tub rim ( 27 ) and has a recess for the passage of the pipes ( 4 , 6 ) and the connecting line ( 22 ) on the outside ( 28 ).
Fig. 13 zeigt ein Paneel mit integrierten Lamellen (46). Sie bewirken eine Verschattung des Wannenbodens (8) bei hohen Sonnenständen durch Reflexion der Sonnenstrahlen an ihrer Oberfläche. Bei niedrigen Sonnenständen gelangt ein Großteil der Sonnenstrahlung auf den Wannenboden (8). Das eingelegte Aerogelmaterial (1) besteht beispielsweise aus Granulat, Monolithstreifen (1) und/oder Schnittresten von Matten. Dabei werden bevorzugt Materialien eingesetzt, welche das Sonnenlicht gering streuen. Fig. 13 shows a panel with integrated slats ( 46 ). They cause shading of the tub floor ( 8 ) at high sun positions by reflecting the sun's rays on their surface. When the sun is low, a large part of the solar radiation reaches the bottom of the tub ( 8 ). The loaded airgel material (1) consists for example of granules, Monolith strip (1) and / or cuttings of mats. In this case, preference is given to using materials which scatter the sunlight only slightly.
Fig. 14a zeigt das Einsetzen einer Scheibe (2) mit Hilfsrahmen (48) auf den Rand des Paneels. Der Rahmen mit z. B. einer Metall-Glas Verbindung kann außerhalb der Fertigungslinie des Paneels vorgefertigt werden. Fig. 14b zeigt das Verbinden eines Hilfsrahmens (48) mit dem Rand (27) der wannenbildenden Metallfolie z. B. durch ein Schweißverfahren. FIG. 14a shows the insertion of a disc (2) with an auxiliary frame (48) on the edge of the panel. The frame with z. B. a metal-glass connection can be prefabricated outside the production line of the panel. Fig. 14b shows the connection of an auxiliary frame (48) with the edge (27) of the trough-forming metal foil such. B. by a welding process.
Fig. 15 zeigt eine Ausführung eines Paneels mit integrierten Lamellen (46). Diese Lamellen sind an die Rohrleitungen (4) gekoppelt. Fig. 15 shows an embodiment of a panel with built-in blades (46). These fins are coupled to the pipes ( 4 ).
Fig. 16 zeigt ein Paneel mit einer schaltbaren Schicht (51) als Überhitzungsschutz auf der Rückseite der Glasscheibe. Solche schaltbaren Schichten sind beispielsweise thermotrope oder elektrotrope Schichten. Thermotrope Schichten verändern bei einer Schalttemperatur der Schicht von beispielsweise 30°C ihre Lichtdurchlässigkeit von transparent zu opak. Fig. 16 shows a panel with a switchable layer ( 51 ) as overheating protection on the back of the glass pane. Such switchable layers are, for example, thermotropic or electrotropic layers. Thermotropic layers change their light transmission from transparent to opaque at a switching temperature of the layer of, for example, 30 ° C.
Fig. 17 zeigt schematisch die Fügung einer Glasscheibe (2) mit einem umlaufenden Hilfsrahmen (48) durch ein Schweißverfahren, wobei sich zwischen den Fügepartnern Zwischenfolien (50) aus z. B. Aluminium befinden, welche Unterschiede der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Fügepartner ausgleichen. Mittels der Vorrichtung (49) wird bei lokaler Erwärmung und beispielsweise 400°C gefügt. Die Glasscheibe (2) besteht vorzugsweise aus Kalknatronglas. Als Werkstoff für die wannenbildende Folie sowie für den Hilfsrahmen (48) kommen insbesondere X6CrTi7, X6CrNb17, NiFe45, Ni36, X5Cr17, X6CrTiNb18 und NiMo28 in Betracht. Fig. 17 shows schematically the joining of a glass pane ( 2 ) with a circumferential subframe ( 48 ) by a welding process, with intermediate foils ( 50 ) from z. B. aluminum, which compensate for differences in the thermal expansion coefficient of the joining partners. The device ( 49 ) is used for local heating and, for example, 400 ° C. The glass pane ( 2 ) is preferably made of soda-lime glass. X6CrTi7, X6CrNb17, NiFe45, Ni36, X5Cr17, X6CrTiNb18 and NiMo28 are particularly suitable as the material for the tub-forming film and for the auxiliary frame ( 48 ).
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D2 | Grant after examination | ||
8380 | Miscellaneous part iii |
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