(57)【要約】  本発明は、電気機械のための冷却装置であって、少なくとも１つの閉じられた毛細管（６）であって、毛細管（６）の内部には、冷却流体（１３，１４）が存在しており、毛細管（６）が、毛細管（６）が熱伝導するように積層コア（１）に接続されるように且つ積層コア（１）の外部に部分的に突出するように、電気機械の積層コア（１）の空隙（５）に導入されており、これにより、毛細管（６）が、積層コア（１）の外側に配置されている低温端部（７）と、積層コア（１）の内側に配置されている高温端部（８）とを有している、冷却装置に関する。冷却流体（１３，１４）と、毛細管（６）に対する冷却流体（１３，１４）の充填度とは、電気機械の動作の際に熱が積層コア（１）から毛細管（６）の内部に伝達されることによって、冷却流体（１３，１４）が蒸発するように選定され、毛細管（６）の低温端部（８）が、蒸発の際に生成された蒸気（１４）が凝集するように、且つ、毛細管（６）の内部への熱の伝達が毛細管（６）の外部に発散されるように冷却される。
2016533700.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気機械のための冷却装置であって、
少なくとも１つの閉じられた毛細管（６）であって、前記毛細管（６）の内部には、冷却流体（１３，１４）が存在しており、前記毛細管（６）が、前記毛細管（６）が積層コア（１）に熱伝導するように接続されるように、且つ、前記毛細管（６）が前記積層コア（１）の外部に部分的に突出するように、前記電気機械の前記積層コア（１）の空隙（５）に設けられており、これにより、前記毛細管（６）が、前記積層コア（１）の外側に配置されている低温端部（７）と前記積層コア（１）の内部に配置されている高温端部（８）とを有している、少なくとも１つの前記毛細管（６）を備えている前記冷却装置において、
前記冷却流体（１３，１４）と前記毛細管（６）に対する前記冷却流体（１３，１４）の充填度とが、前記電気機械の動作の際に熱を前記積層コア（１）から前記毛細管（６）の内部に伝達させることによって、前記冷却流体（１３，１４）が蒸発し、前記毛細管（６）の前記低温端部（８）が、蒸発の際に発生する蒸気（１４）が凝縮するように、且つ、前記毛細管（６）の内部に伝達された熱（１７）が前記毛細管（６）から除去されるように冷却され、
前記毛細管（６）に対する前記冷却流体（１３，１４）の充填度が、前記毛細管（６）の内部における前記冷却流体（１３，１４）のモル体積が実質的に臨界モル体積であるように選定されることを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
前記冷却流体（１３，１４）と前記毛細管（６）の材料とが、前記毛細管（６）に対する前記冷却流体（１３，１４）の凝着が前記冷却流体（１３，１４）の凝集より強くなるように選定され、
前記毛細管（６）が、前記電気機械の動作の際に、前記冷却流体（１３，１４）の循環流れが重力の影響を受けずに前記毛細管（６）の内部に確立されるように薄肉になっており、
前記循環流れが、実質的に前記低温端部（８）から前記高温端部（７）に移動する前記冷却流体（１３）の膜を前記毛細管（６）の内側（２０）に形成するように形成されており、前記膜によって覆われており、
蒸気（１４）が、実質的に前記高温端部（７）から前記低温端部（８）に移動することを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
前記毛細管（６）の内径（１９）が、１ｍｍ〜５ｍｍの範囲内にあることを特徴とする請求項２に記載の冷却装置。
【請求項４】
前記冷却装置が、前記毛細管（６）の前記低温端部（８）を冷却するための液冷構造体、特に水冷構造体を有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の冷却装置。
【請求項５】
前記冷却装置が、前記毛細管（６）の前記低温端部（８）を冷却するための冷却リブ（１２）を有していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の冷却装置。
【請求項６】
前記積層コア（１）が、周方向において互いに隣接して配置されていると共に導電体を内蔵している溝（４）を有しており、
前記毛細管（６）の前記高温端部（７）が、２つの隣り合う前記溝（４）の間に配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の冷却装置。
【請求項７】
前記冷却流体（１３，１４）が、水、特にメタノール、エタノール、プロパノール、及び／若しくはブタノールのようなアルコール、並びに、特にプロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、及び／若しくはヘプタンのようなアルカンであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の冷却装置。
【請求項８】
複数の前記毛細管（６）が、周方向及びアキシアル方向に亘って等間隔で前記積層コア（１）に配置されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の冷却装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の冷却装置を備えていることを特徴とする電気機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気機械のための冷却装置、及び、当該冷却装置を備えている電気機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばモータや発電機のような電気機械では、電気エネルギが回転エネルギに変換され、又は回転エネルギが電気エネルギに変換される。電気機械は、ロータ及びステータを有しており、ステータは、電気コネクタを内蔵すると共に巻線として構成されている積層コアを有している。導体を互いから、外部環境から、及び積層コアから電気的に絶縁するために、導電体は主絶縁体によって囲まれている。電気機械の動作の際には、導体が加熱されるので、その結果として、電流が導体内に流れる。また、導体に解放された熱が、熱伝導によって主絶縁体及び積層コアに伝達する。
【０００３】
主絶縁体の熱分解が最大許容温度を超えた後に発生するので、最大許容温度に対する電気機械の温度限界が必要とされる。予め分解した後に、誘電破壊が主絶縁体を通じて発生するので、電気機械の耐用寿命が短くなる。最大許容温度を超えることを防止するために、従来、積層コアは、例えば空気や水素のようなガスが電気機械の動作の際に積層コアを冷却するために通過する冷却ダクトを備えていた。しかしながら、これには、熱流密度が低い積層コアからしか熱を除去することができないという欠点が存在した。電気機械が動作可能とされる最大電力は、積層コアから除去可能とされる熱によって制限されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、高い熱流密度を積層コアから除去することができる電気機械のための冷却装置、及び、当該冷却装置を具備する電気機械を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明における電気機械のための冷却装置は、少なくとも１つの毛細管であって、毛細管の内部には、冷却流体が設けられており、毛細管が、毛細管が積層コアに熱伝導するように接続されるように、且つ、毛細管が積層コアの外部に部分的に突出するように、電気機械の積層コアの空隙に設けられており、これにより、毛細管が、積層コアの外側に配置されている低温端部と積層コアの内部に配置されている高温端部とを有している、少なくとも１つの毛細管を備えており、冷却流体と毛細管に対する冷却流体の充填度とが、電気機械の動作の際に熱を積層コアから毛細管の内部に伝達させることによって、冷却流体が蒸発し、毛細管の低温端部が、蒸発の際に発生する蒸気が凝縮するように、且つ、毛細管の内部に伝達された熱が毛細管から除去されるように冷却される。
【０００６】
毛細管に対する冷却流体の充填度が、毛細管の内部における冷却流体のモル体積が実質的に臨界モル体積であるように選定される。その結果として、冷却流体が、実施可能なうちで最も広い圧力範囲に亘って液体及び気体の両方として存在するので、冷却装置も、当該実施可能なうちで最も広い圧力範囲内において機能する。
【０００７】
本発明における冷却装置によって積層コアから熱を除去する際に、冷却流体の蒸気のエンタルピーと冷却流体の凝集のエンタルピーとが利用される。その結果として、熱をガスに伝達させるための従来の冷却装置と比較して熱流密度が遥かに高いので、熱が積層コアから除去される。その結果として、積層コアが所定の長さを有する場合には、電気機械がより高出力で動作可能とされる。電気機械が所定の出力を有していれば良いならば、積層コアの長さを短くすることもできる。本発明における冷却装置によって既存の電気機械を改良することもできるので、既存の電気機械をより高出力で動作させることができる。
【０００８】
冷却流体と毛細管の材料とが、毛細管に対する冷却流体の凝着が冷却流体の凝集より強くなるように選定され、毛細管が、電気機械の動作の際に、冷却流体の循環流れが重力の影響を受けずに毛細管の内部に確立されるように薄肉になっており、循環流れが、実質的に低温端部から高温端部に移動する冷却流体の膜を毛細管の内側に形成するように形成されており、膜によって覆われており、蒸気が、実質的に高温端部から低温端部に移動することが望ましい。その結果として、優位には、毛細管の向きに関係なく、循環流れが確実に確立される。従って、低温端部が高温端部の水平面より上方に若しくは下方に、又は同一水平面内に配置されていても良い。優位には、循環流れが大きい流量を有しているので、熱流密度も高くなり、積層コアから熱を除去することができる。
【０００９】
毛細管の内径が、好ましくは１ｍｍ〜５ｍｍの範囲内にある。当該範囲より内径が小さい場合には、液相及び気相の両方が毛細管の断面に同時に存在することができない。当該範囲より内径が大きい場合には、毛細管現象が、低温端部が高温端部の下方に配置されている状態で毛細管が垂直方向に方向づけられている場合に、液体が重力に抗して上方に移動するのに十分ではない。
【００１０】
冷却装置が、毛細管の低温端部を冷却するための液冷構造体、特に水冷構造体を有している。冷却装置が、毛細管の低温端部を冷却するための冷却リブを有していることが望ましい。この場合には、冷却リブがガス冷却されることが望ましい。液冷及び／又は冷却リブによって、優位には、低温端部の領域における蒸気が凝集し、凝集の際に解放された凝集のエンタルピーが毛細管から除去される。
【００１１】
好ましくは、積層コアが、周方向において互いに隣接して配置されていると共に導電体を内蔵している溝を有しており、毛細管の高温端部が、２つの隣り合う溝の間に配置されている。積層コアから除去すべき熱が特に導電体において解放されるので、２つの隣り合う溝の間の領域が、積層コアにおいて最も高温である。毛細管の高温端部を当該領域に配置させることは、本発明における冷却装置によって積層コアの最高温領域が冷却可能であることを意味する。
【００１２】
冷却流体が、好ましくは、水、特にメタノール、エタノール、プロパノール、及び／若しくはブタノールのようなアルコール、並びに、特にプロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、及び／若しくはヘプタンのようなアルカンである。上述の物質は、大きい二相領域を有している点において優位である。このことは、大きい圧力範囲及び温度範囲に亘って液体及び気体の両方が存在することを意味する。水とアルコールとは、蒸発のエンタルピーが大きい点において特に優位である。蒸発のエンタルピーが大きい場合には、熱が熱流密度が大きい積層コアから除去されることは事実である。
【００１３】
複数の毛細管が、周方向及びアキシアル方向に亘って等間隔で積層コアに配置されていることが望ましい。このことは、積層コア全体を一様に冷却可能である点において優位である。
【００１４】
本発明における電気機械は、本発明における冷却装置を有している。電気機械が発電機であることが望ましい。代替的には、電気機械が電気モータであることが望ましい。
【００１５】
本発明について、添付の概略図に基づいて以下に詳述する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】冷却装置を備えている積層コアを表わす。
【図２】毛細管の断面図である。
【図３】冷却流体についてのｐＶ線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１から理解されるように、電気機械は、環状の積層コア１を有している。図１は、積層コア１の部分図である。積層コア１のラジアル方向内側面３に形成されている溝４は、周方向において互いに隣接しており、略アキシアル方向に延在している。溝４に設けられている導電体は、主絶縁体によって囲まれているので、当該導電体は、積層コア１から電気的に絶縁されている。積層コア１に形成されている空隙５は、２つの隣り合う溝４の間の領域から積層コア１のラジアル方向外側面２に至るまで延在している。
【００１８】
毛細管６それぞれが、空隙５それぞれに設けられている。この場合には、毛細管６は、積層コア１と熱伝導するように接触している。熱伝達性を高めるために、例えば熱伝導性ペーストを積層コア１と毛細管６との間に設けることができる。図２から明らかなように、毛細管６は円筒状チューブを備えており、当該円筒状チューブの２つの端部は閉じられているので、毛細管６は、流体が毛細管６に流入及び流出しないように閉じられている。毛細管６は空隙５より長いので、毛細管６が空隙５に設けられている場合には、毛細管６は、積層コア１の外側に配置されている低温端部８と、積層コア１の内部に配置されている高温端部７とを有している。この場合には、高温端部７は、２つの隣り合う溝４の間に配置されている。
【００１９】
電気機械の動作の際に低温端部８が冷却されるが、２つの異なる冷却態様が図１に表わされる。第１の冷却態様では、低温端部８が、冷却流体供給配管１０及び冷却流体排出配管１１に接続されているキャップ９によって覆われている。冷却流体、特に水が、冷却流体供給配管１０を介してキャップ９の内部に導入され、キャップ９において、冷却流体が毛細管６から熱を除去する。キャップ９の内部において温度上昇した液体が、冷却流体排出配管１１を介してキャップ９から排出される。第２の冷却態様では、低温端部８が冷却リブ１２によって囲まれている。冷却リブ１２は、例えば空気流によって冷却される。
【００２０】
図２から理解されるように、毛細管６には冷却流体が充填されており、電気機械の動作の際には、毛細管６の内部における冷却流体の循環流れが確立される。この循環流れを確立するために、冷却流体と毛細管６に対する冷却流体の充填度とが、電気機械の動作の際に冷却流体が液体１３及び蒸気１４の両方として同時に存在するように選定される必要がある。毛細管現象は、液体１３が毛細管６の内側２０に接触するという効果を有している。その結果として、液体１３は略円筒状のリングを形成する。蒸気１４は、当該円筒状のリングの内側に位置しているので、略円筒状の界面１５が、液体１３と蒸気１４との間に形成されている。熱１７が積層コア１から毛細管６の内部に伝達されると、液体１３が蒸発する。毛細管現象は、蒸発した液体を補充用液体に変化させ、これにより流れ方向１６において低温端部８から高温端部７に液体を流すという効果を有している。蒸気１４は、低温端部８において凝縮されるので、蒸気１４が流れ方向１６において高温端部７から低温端部８に流れる。低温端部８を冷却することは、熱１８を毛細管６から除去するという効果を有している。
【００２１】
図３は、冷却流体についてのｐＶ線図である。ｘ軸２２は冷却流体のモル体積Ｖを表わし、ｙ軸２３は冷却流体の圧力ｐを表わす。図３に斜線で表わす二相領域２４内では、冷却流体が液体１３及び蒸気１４の両方として存在している。二相領域２４に関してモル体積を小さくすると、冷却流体が液体１３として存在し、二相領域２４に関してモル体積を大きくすると、冷却流体が蒸気１４として存在する。二相領域２４の最大は、臨界点２５である。図３に表わすように、第１の等温線２６は二相領域２４を通過して延在しており、第２の等温線２７は臨界点２５を通過しており、第３の等温線２８は臨界等温線より高い温度を有している。冷却流体を蒸発及び凝縮するために、電気機械の動作の際に冷却流体は二相領域２４内に存在する必要がある。従って、充填度は、ｐＶ線図においてｘ軸に対して垂直に延在する等積変化が二相領域２４と交差するように選定することができる。この場合には、冷却流体が実施可能なうちで最も広い圧力範囲に亘って二相領域２４内にあるように、臨界点２５と交差する臨界等積変化を選定することが望ましい。
【００２２】
本発明について、好ましい典型的な実施例を用いて詳細に図示及び説明したが、本発明は、開示された実施例に限定される訳ではなく、当業者が当該開示された実施例から想到可能な他の変形例も、本発明の保護範囲に属する。
【符号の説明】
【００２３】
１  積層コア
２  （積層コア１の）ラジアル方向外側面
３  （積層コア１の）ラジアル方向内側面
４  溝
５  空隙
６  毛細管
７  （毛細管６の）高温端部
８  （毛細管６の）低温端部
９  キャップ
１０  冷却流体供給配管
１１  冷却流体排出配管
１２  冷却リブ
１３  液体
１４  蒸気
１５  界面
１６  流れ方向
１７  熱
１８  熱
２０  （毛細管６の）内側
２２  （ｐＶ線図の）ｘ軸
２３  （ｐＶ線図の）ｙ軸
２４  二相領域
２５  臨界点
２６  第１の等温線
２７  第２の等温線
２８  第３の等温線
【図１】
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【図２】
2016533700.tif 000004
【図３】
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【手続補正書】
【提出日】平成27年4月15日(2015.4.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却装置を具備する電気機械であって、
前記冷却装置が、少なくとも１つの閉じられた毛細管（６）であって、前記毛細管（６）の内部には、冷却流体（１３，１４）が存在しており、前記毛細管（６）が、前記毛細管（６）が積層コア（１）に熱伝導するように接続されるように、且つ、前記毛細管（６）が前記積層コア（１）の外部に部分的に突出するように、前記電気機械の前記積層コア（１）の空隙（５）に設けられており、これにより、前記毛細管（６）が、前記積層コア（１）の外側に配置されている低温端部（７）と前記積層コア（１）の内部に配置されている高温端部（８）とを有している、少なくとも１つの前記毛細管（６）を備えている、前記電気機械において、
前記冷却流体（１３，１４）と前記毛細管（６）に対する前記冷却流体（１３，１４）の充填度とが、前記電気機械の動作の際に熱を前記積層コア（１）から前記毛細管（６）の内部に伝達させることによって、前記冷却流体（１３，１４）が蒸発し、前記毛細管（６）の前記低温端部（８）が、蒸発の際に発生する蒸気（１４）が凝縮するように、且つ、前記毛細管（６）の内部に伝達された熱（１７）が前記毛細管（６）から除去されるように冷却され、
前記毛細管（６）に対する前記冷却流体（１３，１４）の充填度が、前記毛細管（６）の内部における前記冷却流体（１３，１４）のモル体積が実質的に臨界モル体積であるように選定されることを特徴とする電気機械。
【請求項２】
前記冷却流体（１３，１４）と前記毛細管（６）の材料とが、前記毛細管（６）に対する前記冷却流体（１３，１４）の凝着が前記冷却流体（１３，１４）の凝集より強くなるように選定され、
前記毛細管（６）が、前記電気機械の動作の際に、前記冷却流体（１３，１４）の循環流れが重力の影響を受けずに前記毛細管（６）の内部に確立されるように薄肉になっており、
前記循環流れが、実質的に前記低温端部（８）から前記高温端部（７）に移動する前記冷却流体（１３）の膜を前記毛細管（６）の内側（２０）に形成するように形成されており、前記膜によって覆われており、
蒸気（１４）が、実質的に前記高温端部（７）から前記低温端部（８）に移動することを特徴とする請求項１に記載の電気機械。
【請求項３】
前記毛細管（６）の内径（１９）が、１ｍｍ〜５ｍｍの範囲内にあることを特徴とする請求項２に記載の電気機械。
【請求項４】
前記冷却装置が、前記毛細管（６）の前記低温端部（８）を冷却するための液冷構造体、特に水冷構造体を有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電気機械。
【請求項５】
前記冷却装置が、前記毛細管（６）の前記低温端部（８）を冷却するための冷却リブ（１２）を有していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の電気機械。
【請求項６】
前記積層コア（１）が、周方向において互いに隣接して配置されていると共に導電体を内蔵している溝（４）を有しており、
前記毛細管（６）の前記高温端部（７）が、２つの隣り合う前記溝（４）の間に配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の電気機械。
【請求項７】
前記冷却流体（１３，１４）が、水、特にメタノール、エタノール、プロパノール、及び／若しくはブタノールのようなアルコール、並びに、特にプロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、及び／若しくはヘプタンのようなアルカンであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の電気機械。
【請求項８】
複数の前記毛細管（６）が、周方向及びアキシアル方向に亘って等間隔で前記積層コア（１）に配置されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の電気機械。
【手続補正書】
【提出日】平成28年4月20日(2016.4.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却装置を具備する電気機械であって、
前記冷却装置が、少なくとも１つの閉じられた毛細管（６）であって、前記毛細管（６）の内部には、冷却流体（１３，１４）が存在しており、前記毛細管（６）が、前記毛細管（６）が積層コア（１）に熱伝導するように接続されるように、且つ、前記毛細管（６）が前記積層コア（１）の外部に部分的に突出するように、前記電気機械の前記積層コア（１）の空隙（５）に設けられており、これにより、前記毛細管（６）が、前記積層コア（１）の外側に配置されている低温端部（７）と前記積層コア（１）の内部に配置されている高温端部（８）とを有している、少なくとも１つの前記毛細管（６）を備えている、前記電気機械において、
前記冷却流体（１３，１４）と前記毛細管（６）に対する前記冷却流体（１３，１４）の充填度とが、前記電気機械の動作の際に熱を前記積層コア（１）から前記毛細管（６）の内部に伝達させることによって、前記冷却流体（１３，１４）が蒸発し、前記毛細管（６）の前記低温端部（８）が、蒸発の際に発生する蒸気（１４）が凝縮するように、且つ、前記毛細管（６）の内部に伝達された熱（１７）が前記毛細管（６）から除去されるように冷却され、
前記毛細管（６）に対する前記冷却流体（１３，１４）の充填度が、前記毛細管（６）の内部における前記冷却流体（１３，１４）のモル体積が臨界モル体積であるように選定されていることを特徴とする電気機械。
【請求項２】
前記冷却流体（１３，１４）と前記毛細管（６）の材料とが、前記毛細管（６）に対する前記冷却流体（１３，１４）の凝着が前記冷却流体（１３，１４）の凝集より強くなるように選定されており、
前記毛細管（６）が、前記電気機械の動作の際に、前記冷却流体（１３，１４）の循環流れが重力の影響を受けずに前記毛細管（６）の内部に確立されるように薄肉になっており、
前記循環流れが、前記低温端部（８）から前記高温端部（７）に移動する前記冷却流体（１３）の膜を前記毛細管（６）の内側（２０）に形成するように形成されており、前記膜によって覆われており、
蒸気（１４）が、前記高温端部（７）から前記低温端部（８）に移動することを特徴とする請求項１に記載の電気機械。
【請求項３】
前記毛細管（６）の内径（１９）が、１ｍｍ〜５ｍｍの範囲内にあることを特徴とする請求項２に記載の電気機械。
【請求項４】
前記冷却装置が、前記毛細管（６）の前記低温端部（８）を冷却するための液冷構造体を有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電気機械。
【請求項５】
前記冷却装置が、前記毛細管（６）の前記低温端部（８）を冷却するための冷却リブ（１２）を有していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の電気機械。
【請求項６】
前記積層コア（１）が、周方向において互いに隣接して配置されていると共に導電体を内蔵している溝（４）を有しており、
前記毛細管（６）の前記高温端部（７）が、２つの隣り合う前記溝（４）の間に配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の電気機械。
【請求項７】
前記冷却流体（１３，１４）が、水、アルコール、及びアルカンのうち少なくとも１つであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の電気機械。
【請求項８】
複数の前記毛細管（６）が、周方向及びアキシアル方向に亘って等間隔で前記積層コア（１）に配置されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の電気機械。
【国際調査報告】
2016533700.tif 000006
2016533700.tif 000007
2016533700.tif 000008
2016533700.tif 000009