(57)【要約】  ハウジング内（２）に配置された少なくとも２つのバッテリー（３）と、該少なくとも２つのバッテリー（３）間に配置された少なくとも１つの冷却素子（５）とを有するバッテリーモジュール（１）であって、該冷却素子（５）が少なくとも２つバッテリー（３）により形成された熱を、少なくとも２つのバッテリー（３）間に導き、前記少なくとも１つの冷却素子（５）は、ｘ軸方向およびｙ軸方向に、ｚ軸方向よりも大きな広がりを有し、ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸は直交座標系（１５）を形成し、前記少なくとも１つの冷却素子（５）は、ｘ軸方向および／またはｙ軸方向に、ｚ軸方向よりも大きな熱伝導度を有する。
2012501058.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジング内（２）に配置された少なくとも２つのバッテリー（３）と、該少なくとも２つのバッテリー（３）間に配置された少なくとも１つの冷却素子（５）とを有するバッテリーモジュール（１）であって、
該冷却素子（５）が少なくとも２つバッテリー（３）により形成された熱を、少なくとも２つのバッテリー（３）間に導き、
前記少なくとも１つの冷却素子（５）は、ｘ軸方向およびｙ軸方向に、ｚ軸方向よりも大きな広がりを有し、ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸は直交座標系（１５）を形成するバッテリーモジュールにおいて、
前記少なくとも１つの冷却素子（５）は、ｘ軸方向および／またはｙ軸方向に、ｚ軸方向よりも大きな熱伝導度を有することを特徴とするバッテリーモジュール。
【請求項２】
少なくとも１つの冷却素子（５）の熱伝導度は、ｘ軸方向および／またはｙ軸方向に、ｚ軸方向よりも２倍から３００倍であることを特徴とする請求項１に記載のバッテリーモジュール。
【請求項３】
少なくとも１つの冷却素子（５）の熱伝導度は、ｘ軸方向および／またはｙ軸方向で５０から５００Ｗ／ｍＫの間であることを特徴とする請求項１または２に記載のバッテリーモジュール。
【請求項４】
少なくとも１つの冷却素子（５）の熱伝導度は、ｚ軸方向で０から７０Ｗ／ｍＫの間であることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載のバッテリーモジュール。
【請求項５】
少なくとも１つの冷却素子（５）は、少なくとも部分的にグラファイトからなることを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載のバッテリーモジュール。
【請求項６】
少なくとも１つの冷却素子（５）は、少なくとも層厚が１ｃｍより小さいプレート（６）として、例えばシート（７）として形成されていることを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載のバッテリーモジュール。
【請求項７】
少なくとも２つのバッテリー（３）の表面が、少なくとも１つの冷却素子（５）のある、２つのバッテリー（３）間の中間空間（８）に隣接する部分において平坦であることを特徴とする請求項１から６までのいずれか１項に記載のバッテリーモジュール。
【請求項８】
少なくとも１つの冷却素子（５）は、少なくとも１つの冷却素子（５）のある、２つのバッテリー（３）間の中間空間（８）に隣接する部分において、少なくとも２つのバッテリー（３）の表面と少なくとも５０％が接触していることを特徴とする請求項１から７までのいずれか１項に記載のバッテリーモジュール。
【請求項９】
少なくとも１つの冷却素子（５）が、少なくとも２つのバッテリー（３）間の中間空間（８）を超えて突き出す突起（９）を有しており、該突起（９）において、少なくとも１つの冷却素子（５）から少なくとも２つのバッテリー（３）間に吸収された熱が良好に排熱されることを特徴とする請求項１から８までのいずれか１項に記載のバッテリーモジュール。
【請求項１０】
ハウジング（２）が、冷却流体をハウジング（２）に流入するための少なくとも１つのインレット開口部（１０）と、冷却流体をハウジング（２）から流出するためのアウトレット開口部（１１）を有し、少なくとも１つの冷却素子（５）の一部、とりわけ突起が、排熱のために冷却流体と接触されることを特徴とする請求項１から９までのいずれか１項に記載のバッテリーモジュール。
【請求項１１】
バッテリーはリチウムイオン電池（４）であり、および／または冷却流体は空気、水、グリコールまたはオイル、例えばシリコーンオイルである。ことを特徴とする請求項１０に記載のバッテリーモジュール。
【請求項１２】
請求項１から１１までのいずれか１項に記載のバッテリーモジュール（１）を少なくとも１つ含むことを特徴とする、複数のバッテリーモジュール（１）を備えるバッテリーモジュールシステム（１２）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念によるバッテリーモジュールに関する。さらに本発明は、バッテリーモジュールシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
バッテリー、例えばニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、およびとりわけリチウムイオン電池は種々の装置、例えば自動車、病院またはボーリングマシンに電流を供給する。一般的に複数のバッテリーが１つのハウジングに組み込まれ、これにより１つのバッテリーモジュールを形成する。バッテリーモジュールには、これを容易に冷却液により冷却することができ、比較的大きな電力を、複数のバッテリーモジュールを１つのバッテリーモジュールシステムに組み合わせることにより実現できるという利点がある。
【０００３】
通常の技術的適用ではバッテリーモジュールとバッテリーモジュールシステムが、容積単位当たりで、できるだけ大きな電力ないしエネルギーを提供できるようにすべきである。電力ないしエネルギー密度は最大にすべきである。ハウジングに配置されたシリンダ状のバッテリーが公知である。しかしバッテリーの形状がシリンダ状であるので、ハウジング内に自由空間が生じ、そのためハウジング内の空間がバッテリーにより、最大電力密度のために最適に利用されていない。プリズム形、プレート形、または直方体のバッテリーでは、バッテリーモジュールのハウジング内の内部空間が最適に利用される。平坦な外面を有するバッテリーでは、この外面の上にバッテリーを上下にまたは並置して積層することができ、したがって未使用の自由空間が生じない。しかしこの配置構成の問題は、バッテリーモジュール内に密に実装されたバッテリーの冷却である。とりわけリチウムイオン電池では、バッテリー間の温度差が小さいことが必要であり、例えば４Ｋより小さいことが必要である。さらにリチウムイオン電池では、温度が６０℃を上回るべきでない。この理由から、バッテリーの寿命を短縮しないようにし、例えば局所的な過熱による安全上のリスク、すなわち個々のバッテリーの破壊、またはバッテリーモジュール内のバッテリー破壊の連鎖反応を阻止するために十分な冷却が必要である。
【０００４】
特許文献１には、プリズム形バッテリー構成体用の冷却構造が示されている。このバッテリー構成体は相互に平行に配置されており、したがって平坦な側面が対向するよう位置決めされている。これら平坦な側面の間には、波打ったリブ状のスペースユニットが配置されており、このスペースユニットは金属製である。波打ったリブ状のスペースバインダが、バッテリー構成体の平坦な側面間に冷却媒体を案内できるようにするため用いられる。この冷却構造の欠点は、平坦な側面間に付加的に自由空間が生じ、そのため構造空間を最適に利用できないことである。さらに通流する液体によりバッテリー構成体を冷却することが必然的に必要になる。
【０００５】
特許文献２には、伝熱性の材料からなる板状の冷却リブが間に配置されたプリズム形バッテリーセルが示されている。しかし欠点は、バッテリー間にある冷却リブの熱伝導度が高いので、個々のバッテリーが互いに加熱し合うことがあり、そのためバッテリーの過熱が生じ得ることである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】欧州特許第１１１７１３８号
【特許文献２】米国特許公開第２００３／０１６５７３４号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によるバッテリーモジュールは、ハウジング内に配置された少なくとも２つのバテリーと、該少なくとも２つのバッテリー間に配置された少なくとも１つの冷却素子とを有し、該冷却素子が少なくとも２つバッテリーにより形成された熱を、少なくとも２つのバッテリー間に導き、少なくとも１つの冷却素子は、ｘ軸方向およびｙ軸方向に、ｚ軸方向よりも大きな広がりを有し、ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸は直交座標系を形成し、少なくとも１つの冷却素子は、ｘ軸方向および／またはｙ軸方向に、ｚ軸方向よりも大きな熱伝導度Ｗ／ｍＫ（Ｗａｔｔ／Ｍｅｔｅｒ＊Ｋｅｌｖｉｎ）を有する。
【０００８】
冷却素子は、ｘ軸方向および／またはｙ軸方向に、ｚ軸方向よりも大きな熱伝導度を有する。これにより一般的には板状の冷却素子が、冷却素子の平面の方向に、すなわちバッテリーの外側に向かって、個々のバッテリー間よりも大きな熱伝導度を有する。これにより冷却素子は、とりわけ有利には２つの機能を有する。一方では冷却素子が、ｘ軸、ｙ軸方向に熱伝導度が大きいので、発生した熱をバッテリー間に良好に導くことができる。さらに冷却素子は、ｚ軸方向に熱伝導度が小さいので、個々のバッテリーを相互に熱的に絶縁する。この熱絶縁能力は、密に実装されたバッテリー間の加熱または熱渋滞を阻止する。バッテリー間の中間空間におけるバッテリーから外部への熱輸送は、対応する方向に依存して熱伝導度が異なるため、熱伝導によって良好に行われる。冷却素子は、熱伝導を方向に依存して選択的に調整することができ、これによりｘ軸およびｙ軸方向に、すなわち平面の方向に、発生した熱がバッテリーを通して良好かつ迅速に排熱される。
【０００９】
とりわけ少なくとも１つの冷却素子の熱伝導度は、ｘ軸方向および／またはｙ軸方向に、ｚ軸方向よりも２倍から３００倍である。とりわけ少なくとも１つの冷却素子の熱伝導度は、ｘ軸方向および／またはｙ軸方向に、ｚ軸方向よりも４０倍から５０倍である。したがって熱伝導度は顕著に異なっており、これにより冷却素子は一方ではバッテリー間の熱絶縁に格段に寄与し、他方では冷却素子の平面の方向に非常に高い熱伝導度を有する。
【００１０】
別の構成では、少なくとも１つの冷却素子の熱伝導度が、ｘ軸方向および／またはｙ軸方向で５０から５００Ｗ／ｍＫの間である。とりわけ熱伝導度は、ｘ軸方向および／またはｙ軸方向に１８０から２００Ｗ／ｍＫの範囲である。例えばアルミニウムは、約２２０Ｗ／ｍＫの熱伝導度を有する。これにより冷却素子は非常に良好な熱伝導度を有する。
【００１１】
好ましくは少なくとも１つの冷却素子の熱伝導度は、ｚ軸方向に０から７０Ｗ／ｍＫの間である。とりわけ少なくとも１つの冷却素子の熱伝導度は、ｚ軸方向に約２から１０Ｗ／ｍＫの間である。プラスチックが例えば約２から３Ｗ／ｍＫの熱伝導度を有し、冷却素子はこの方向に非常に小さい熱伝導度を有する。すなわち、有意な熱絶縁能力をすでに有しており、これにより有利には密に実装されたバッテリーの過熱が阻止される。
【００１２】
変形実施形態では、少なくとも１つの冷却素子が少なくとも部分的にグラファイト製であり、とりわけ膨張グラファイトからなる特殊グラファイト製である。
【００１３】
少なくとも１つの冷却素子は、少なくとも層厚が１ｃｍより小さいプレートとして、例えばシートとして形成されている。冷却素子を層厚の小さい例えば３ｍｍまでのシートとして形成する場合、シートとして形成された冷却素子は、バッテリーモジュールの作製のために非常に簡単に個々のバッテリー間に配置することができ、さらに冷却素子は層厚が小さいのでわずかな空間しか必要としない。これによりバッテリーモジュールは非常に高いエネルギー密度ないし電力密度を有する。
【００１４】
さらなる実施形態では、少なくとも２つのバッテリーの表面が、少なくとも１つの冷却素子のある、２つのバッテリー間の中間空間に隣接する部分において平坦である。
【００１５】
とりわけ少なくとも１つの冷却素子は、少なくとも１つの冷却素子のある、２つのバッテリー間の中間空間に隣接する部分において、少なくとも２つのバッテリーの表面と少なくとも５０％が接触している。一般的に冷却素子は、少なくとも１つの冷却素子のある、２つのバッテリー間の中間空間に隣接する部分において、少なくとも２つのバッテリーの表面と１００％またはほぼ１００％が接触している。接触は通例、直接的に行われるが、さらなる物質、例えばコンタクトゲルにより間接的に行うこともできる。これによりバッテリーから冷却素子への良好な熱伝導を保証することができ、さらに自由空間が存在しないので、バッテリーモジュール内の内部空間が最適に余すところなく利用される。
【００１６】
別の構成では、少なくとも１つの冷却素子が、少なくとも２つのバッテリー間の中間空間を超えて突き出す突起を有しており、この突起において、少なくとも１つの冷却素子から少なくとも２つのバッテリー間に、吸収された熱を上手く排熱することができる。冷却素子に吸収された熱は排熱しなければならない。突起形成の利点は、突起の表面が大きいので、熱を良好に排熱できることである。突起が形成されなければ、冷却素子により吸収された熱を排熱するための表面として、直方体のバッテリー間にある冷却素子の縁部または端部だけが使用される。
【００１７】
補充的な変形形態では、ハウジングが、冷却流体をハウジングに流入するための少なくとも１つのインレット開口部と、冷却流体をハウジングから流出するためのアウトレット開口部を有し、少なくとも１つの冷却素子の一部、とりわけ突起を、排熱のために冷却流体と接触させることができる。
【００１８】
別の変形形態では、バッテリーはリチウムイオン電池であり、および／または冷却流体は空気、水、グリコールまたはオイル、とりわけシリコーンオイルである。
【００１９】
冷却素子により吸収された熱を冷却流体により対流によって排熱する代わりに、吸収された熱を熱放射および／または熱伝導によって吸収することができる。例えばハウジング内には、運動しない静止流体だけをおき、この流体が熱を対流ではなく熱伝導によって排熱するようにすることもできる。流体は熱を吸収することができ、したがって熱ピークを和らげ、バッテリーのバッテリー温度を均一化するのに流体を用いることができる。さらにこの流体を、均一な温度分布を可能にするため、循環だけさせることもできる。
【００２０】
バッテリーを流動する冷却流体によって冷却する際には、ハウジング内に流体案内機構を使用することができる。この流体案内機構は流体に渦を形成し、均一な温度分布を可能にする。例えば水、グリコールまたはシリコーンオイルといった流体を使用する場合、この流体を排熱のために用いるのではなく、障害時にバッテリー用の吸収材として機能させるか、またはこの流体が燃焼または爆発を阻止することができる。
【００２１】
冷却素子ならびに冷却流体は、冷却のためにだけ用いるのではなく、バッテリーモジュールのバッテリーを最適の動作温度に加熱するためにも用いることができる。冷却流体は好ましくは、電気加熱機構により加熱される。バッテリー管理システムが、バッテリーのバッテリー状態に応じて温度を制御および／または調整し、現在必要な、または存在するバッテリー状態に対応してバッテリーを加熱または冷却する。このために通例は、制御および調整装置および／または少なくとも１つのセンサ、とりわけ温度センサが使用される。
【００２２】
好ましくはハウジングは金属製またはプラスチック製である。
【００２３】
複数のバッテリーモジュールを備える本発明によるバッテリーモジュールシステムは、上記のバッテリーモジュールを少なくとも１つ含む。
【００２４】
以下に本発明の実施例を、添付図面を参照して詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】バッテリーモジュールの冷却素子を有し、ハウジングを備えていないバッテリーの斜視図である。
【図２】図１のバッテリーモジュールの概略的縦断面図である。
【図３】バッテリーモジュールシステムの概略的縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図１には、バッテリーモジュール１のバッテリー３の斜視図が示されている。バッテリー３はハウジング２内に配置されているが、このハウジング２は図１に図示されていない。バッテリー３は直方体である。直方体バッテリー３のそれぞれの側面の間には、それぞれ１つの冷却素子５が配置されている。冷却素子はプレート６であり、２から３ｍｍの範囲の層厚を有する。容易に変形できるので、とりわけ撓みやすいので、冷却素子５はシート７である。冷却素子５は、選択的に熱伝導するために特殊グラファイトからなる。冷却素子５は、座標系１５のｘ軸およびｙ軸の方向に、座標系１５のｚ軸の方向よりも４０倍から５０倍大きな熱伝導度Ｗ／ｍＫを有する。ｘ軸およびｙ軸の方向、すなわち冷却素子５の平面の方向での熱伝導度Ｗ／ｍＫは、約１８０から２００Ｗ／ｍＫである。平面に対して垂直の方向、すなわち座標系のｚ軸方向での冷却素子の熱伝導度は、約４から６Ｗ／ｍＫである。
【００２７】
したがって冷却素子５は、リチウムイオン電池として構成されたバッテリー３に発生する熱を、冷却素子５が配置されたバッテリー間の中間空間８に選択的に導くことができる（図１および２）。これによりバッテリー３に発生した熱は、冷却素子５から冷却素子５の突起９に導かれる。冷却素子５の熱伝導度Ｗ／ｍＫが、ｚ軸方向には小さいことにより、冷却素子５は付加的に個々のバッテリー間の絶縁部としても作用する。これによりバッテリーモジュール１内に密に実装されたバッテリー３の過熱を有利には阻止することができる。突起９は、例えば１から４ｃｍの長さでバッテリー３から突き出ている。バッテリーモジュール１内に配置されたバッテリー３を冷却するために、ハウジング２にはインレット開口部１０を通って、冷却流体としての空気が流入され、アウトレット開口部１１を通ってハウジング２から再び流出される（図２）。ここで冷却流体はバッテリー３に発生する熱を、直接バッテリー３の表面からも、突起９で間接的にも吸収する。バッテリーモジュール１の内部空間には流体案内機構１４が配置されている。流体案内機構は例えばプレートとして構成されており、冷却流体に渦を形成し、これによりバッテリー３内での均一な温度分布を可能にするために用いられる。さらに流体案内機構１４は、流体の流れ、とりわけ流体の通流方向を制御するために用いられこれにより流体の容積流が、冷却のためのバッテリー３の熱的要求に対応する（図２）。空気が図示しないファンまたはベンチレータにより、インレット開口部に導かれる。
【００２８】
複数のバッテリーモジュール１を、１つのバッテリーモジュールシステム１２に結合することができる（図３）。個々のバッテリーモジュール１のインレット開口部１０およびアウトレット開口部１１は、中央の空気供給部、例えばベンチレータに平行に配置される（図３には図示されていない）。例えばそれぞれ６つのリチウムイオン電池４を備えた８つのバッテリーモジュール１を有する自家用車または営業車用のバッテリーモジュールシステム１２には、全部で３２のリチウムイオン電池４が存在する。これによりモジュール構造によって良好なスケーラビリティが達成される。なぜなら同じバッテリーモジュール１により、種々異なる適用に対して異なる電力を簡単に実現できるからである。バッテリーモジュール１またはバッテリーモジュールシステム１２は、例えばハイブリッド車両、電気自動車または電気工具ないしは電動工具に使用することができる。さらに風車用のピッチシステムとしての適用、または太陽電池施設での電流蓄積のための適用も考えられる。
【００２９】
全体として本発明のバッテリーモジュール１により格段の利点が得られる。直方体のバッテリー３を使用する場合、バッテリーモジュール１内にこれらを密に実装することができ、これによりバッテリーモジュール１またはバッテリーモジュールシステム１２の高い電力密度を実現することができる。冷却素子５の層厚が小さく、熱伝導度に選択性があることにより、バッテリー３間の熱を中間空間８から良好に排熱することができ、さらにバッテリー３を中間空間８で互いに熱絶縁することができる。これにより一方では熱が良好に排熱され、他方では密に実装されたバッテリー３の互いの過熱が阻止される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【手続補正書】
【提出日】平成23年2月25日(2011.2.25)
【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】
ハウジング内（２）に配置された少なくとも２つのバッテリー（３）と、該少なくとも２つのバッテリー（３）間に配置された少なくとも１つの冷却素子（５）とを有するバッテリーモジュール（１）であって、
該冷却素子（５）が少なくとも２つバッテリー（３）により形成された熱を、少なくとも２つのバッテリー（３）間に導き、
前記少なくとも１つの冷却素子（５）は、ｘ軸方向およびｙ軸方向に、ｚ軸方向よりも大きな広がりを有し、ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸は直交座標系（１５）を形成するバッテリーモジュールにおいて、
前記少なくとも１つの冷却素子（５）は、ｘ軸方向および／またはｙ軸方向に、ｚ軸方向よりも大きな熱伝導度を有することを特徴とするバッテリーモジュール。
【請求項２】
少なくとも１つの冷却素子（５）の熱伝導度は、ｘ軸方向および／またはｙ軸方向に、ｚ軸方向よりも２倍から３００倍であることを特徴とする請求項１に記載のバッテリーモジュール。
【請求項３】
少なくとも１つの冷却素子（５）の熱伝導度は、ｘ軸方向および／またはｙ軸方向で５０から５００Ｗ／ｍＫの間であることを特徴とする請求項１または２に記載のバッテリーモジュール。
【請求項４】
少なくとも１つの冷却素子（５）の熱伝導度は、ｚ軸方向で０から７０Ｗ／ｍＫの間であることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載のバッテリーモジュール。
【請求項５】
少なくとも１つの冷却素子（５）は、少なくとも部分的にグラファイトからなることを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載のバッテリーモジュール。
【請求項６】
少なくとも１つの冷却素子（５）は、少なくとも層厚が１ｃｍより小さいプレート（６）またはシート（７）として形成されていることを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載のバッテリーモジュール。
【請求項７】
少なくとも２つのバッテリー（３）の表面が、少なくとも１つの冷却素子（５）のある、２つのバッテリー（３）間の中間空間（８）に隣接する部分において平坦であることを特徴とする請求項１から６までのいずれか１項に記載のバッテリーモジュール。
【請求項８】
少なくとも１つの冷却素子（５）は、少なくとも１つの冷却素子（５）のある、２つのバッテリー（３）間の中間空間（８）に隣接する部分において、少なくとも２つのバッテリー（３）の表面と少なくとも５０％が接触していることを特徴とする請求項１から７までのいずれか１項に記載のバッテリーモジュール。
【請求項９】
少なくとも１つの冷却素子（５）が、少なくとも２つのバッテリー（３）間の中間空間（８）を超えて突き出す突起（９）を有しており、該突起（９）において、少なくとも１つの冷却素子（５）から少なくとも２つのバッテリー（３）間に吸収された熱が排熱されることを特徴とする請求項１から８までのいずれか１項に記載のバッテリーモジュール。
【請求項１０】
ハウジング（２）が、冷却流体をハウジング（２）に流入するための少なくとも１つのインレット開口部（１０）と、冷却流体をハウジング（２）から流出するためのアウトレット開口部（１１）を有し、少なくとも１つの冷却素子（５）の突起が、排熱のために冷却流体と接触されることを特徴とする請求項１から９までのいずれか１項に記載のバッテリーモジュール。
【請求項１１】
バッテリーはリチウムイオン電池（４）であり、および／または冷却流体は空気、水、グリコールまたはオイル、例えばシリコーンオイルである。ことを特徴とする請求項１０に記載のバッテリーモジュール。
【請求項１２】
請求項１から１１までのいずれか１項に記載のバッテリーモジュール（１）を少なくとも１つ含むことを特徴とする、複数のバッテリーモジュール（１）を備えるバッテリーモジュールシステム（１２）。
【国際調査報告】
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2012501058.tif 000009
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