特開 2020-185983 航空機空気汚染物質収集装置及び使用方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2020-185983(P2020-185983A)

(43)【公開日】2020年11月19日

(54)【発明の名称】航空機空気汚染物質収集装置及び使用方法

(51)【国際特許分類】

   B64D 13/00 20060101AFI20201023BHJP

   H05B 3/20 20060101ALI20201023BHJP

【ＦＩ】

   B64D13/00

   H05B3/20 379

【審査請求】有

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2020-49513(P2020-49513)

(22)【出願日】2020年3月19日

(31)【優先権主張番号】16/392,187

(32)【優先日】2019年4月23日

(33)【優先権主張国】US

(71)【出願人】

【識別番号】596064112

【氏名又は名称】ポール・コーポレーション

【氏名又は名称原語表記】Ｐａｌｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ

(74)【代理人】

【識別番号】100107456

【弁理士】

【氏名又は名称】池田 成人

(74)【代理人】

【識別番号】100162352

【弁理士】

【氏名又は名称】酒巻 順一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100123995

【弁理士】

【氏名又は名称】野田 雅一

(72)【発明者】

【氏名】リチャード ムルチャク

【テーマコード（参考）】

3K034

【Ｆターム（参考）】

3K034AA02

3K034AA03

3K034BB04

3K034BB14

3K034JA10

(57)【要約】

【課題】航空機空気汚染物質分析装置において使用する空気汚染物質収集装置及びその使用方法を提供すること。
【解決手段】本発明による空気汚染物質収集装置は、（Ａ）（ａ）微細多孔質流通チャネル及び化学選択的被膜を備え、上面及び下面を有し、制御期間にわたって加熱されている間、機能を維持するとともに捕捉された空気汚染物質を脱着させる多孔質部材と、（ｂ）捕捉された空気汚染物質を蒸発させる温度まで加熱可能な薄膜抵抗性加熱器であり、前記多孔質部材の前記上面と接触した、薄膜抵抗性加熱器とを備えた、空気汚染物質収集器と、（Ｂ）（ｃ）前記多孔質部材及び前記薄膜抵抗性加熱器が関連付けられた第１の基板であり、前記多孔質部材及び前記薄膜抵抗性加熱器が当該空気汚染物質収集基部から熱的に絶縁された、第１の基板を備えた、空気汚染物質収集基部と、を具備している。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

航空機空気汚染物質分析装置において使用する空気汚染物質収集装置であって、
（Ａ）空気汚染物質収集器であり、
（ａ）微細多孔質流通チャネル及び化学選択的被膜を備え、上面及び下面を有し、制御期間にわたって加熱されている間、機能を維持するとともに捕捉された空気汚染物質を脱着させる多孔質部材と、
（ｂ）捕捉された空気汚染物質を蒸発させる温度まで加熱可能な薄膜抵抗性加熱器であり、前記多孔質部材の前記上面と接触した、薄膜抵抗性加熱器と、
を備えた、空気汚染物質収集器と、
（Ｂ）空気汚染物質収集基部であり、
（ｃ）前記多孔質部材及び前記薄膜抵抗性加熱器が関連付けられた第１の基板であり、前記多孔質部材及び前記薄膜抵抗性加熱器が当該空気汚染物質収集基部から熱的に絶縁された、第１の基板を備えた、空気汚染物質収集基部と、
を備えた、空気汚染物質収集装置。

【請求項2】

前記第１の基板が、前記多孔質部材を当該第１の基板に接続する少なくとも１つのテザーを提供するチャネルを有する、請求項１に記載の空気汚染物質収集装置。

【請求項3】

空気汚染物質を補足し、捕捉した空気汚染物質を脱着させる方法であって、
（Ａ）空気汚染物質収集器に航空機空気を通過させるステップであり、前記空気汚染物質収集器が、
（ａ）微細多孔質流通チャネル及び化学選択的被膜を備え、上面及び下面を有し、制御期間にわたって加熱されている間、機能を維持するとともに捕捉された空気汚染物質を脱着させる多孔質部材と、
（ｂ）捕捉された空気汚染物質を蒸発させる温度まで加熱可能な薄膜抵抗性加熱器であり、前記多孔質部材の前記上面と接触した、薄膜抵抗性加熱器と、
空気汚染物質収集基部であり、
（ｃ）前記多孔質部材及び前記薄膜抵抗性加熱器が関連付けられた第１の基板であり、前記多孔質部材及び前記薄膜抵抗性加熱器が当該空気汚染物質収集基部から熱的に絶縁された、第１の基板を備えた、空気汚染物質収集基部とを備えた、空気汚染物質収集器に航空機空気を通過させるステップと、
（Ｂ）前記多孔質部材により空気汚染物質を捕捉するステップと、
（Ｃ）前記捕捉した空気汚染物質を蒸発させて脱着させるのに十分な温度まで前記多孔質部材を加熱するステップと、
を含む、方法。

【請求項4】

前記空気汚染物質が、エアロゾルを含む、請求項３に記載の方法。

【請求項5】

前記空気汚染物質が、微粒子を含む、請求項３又は４に記載の方法。

【請求項6】

前記空気汚染物質が、気体を含む、請求項３〜５のいずれか一項に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【発明の背景】

【0001】

[0001]航空機のキャビン／コックピットにおける空気等の気体中には、飛行中及び／又は地上運転中、タービンエンジンオイル及び油圧流体等の汚染物質が存在し得る。特定の汚染物質がエアロゾルの形態、微粒子の形態、及び／又は気体の形態で存在する可能性があり、汚染物質の量は、数桁にもわたって大幅に変動し、センサへの付着及び／又はセンサ応答の遅延が発生し得る。複数の汚染物質が存在する場合は、量が異なるため、（他の汚染物質よりも高濃度又は低濃度で存在する）特定の汚染物質が検出される一方、他の汚染物質は検出されない。健康及び／若しくは機器の保護、誤りの検出、並びに汚染の発生源若しくは原因の識別支援のため、汚染の組成又は種類の検出及び識別が必要となることが多い。汚染の検出及び識別が不可能な場合は、到着地の変更、欠航、又は緊急着陸によって、乗客及び乗員の安全を確保することが必要となる場合があり、控えめに見ても不都合でコストが上昇する。

【背景技術】

【0002】

[0002]改良された検出方法、検出システム、及び検出システム構成要素が求められている。本発明は、従来技術の不都合の少なくとも一部を改善可能にする。本発明の上記及び他の利点については、以下に記載の説明から明らかとなるであろう。

【発明の概要】

【0003】

[0003]本発明の一実施形態は、航空機空気汚染物質分析装置において使用する空気汚染物質収集装置であって、（Ａ）空気汚染物質収集器であり、（ａ）微細多孔質流通チャネル及び化学選択的被膜を備え、上面及び下面を有し、制御期間にわたって加熱されている間、機能を維持するとともに捕捉された空気汚染物質を脱着させる多孔質部材と、（ｂ）捕捉された空気汚染物質を蒸発させる温度まで加熱可能な薄膜抵抗性加熱器であり、多孔質部材の上面と接触した、薄膜抵抗性加熱器と、を備えた、空気汚染物質収集器と、（Ｂ）空気汚染物質収集基部であり、（ｃ）多孔質部材及び薄膜抵抗性加熱器が関連付けられた第１の基板であり、多孔質部材及び薄膜抵抗性加熱器が当該空気汚染物質収集基部から熱的に絶縁された、第１の基板を備えた、空気汚染物質収集基部と、を備えた、空気汚染物質収集装置を提供する。

【0004】

[0004]別の実施形態においては、空気汚染物質を補足し、捕捉した空気汚染物質を脱着させる方法であって、空気汚染物質収集装置の一実施形態に空気を通過させるステップと、多孔質部材により空気汚染物質を捕捉するステップと、捕捉した空気汚染物質を蒸発させて脱着させるのに十分な温度まで多孔質部材を加熱するステップと、を含む、方法が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0005】

【図1】空気汚染物質収集装置の一実施形態の上面図であって、多孔質部材、加熱器、化学選択的被膜、基部、及び多孔質部材を基部に接続するテザーを示した図である。

【図2A】図１Ａに示す空気汚染物質収集装置の実施形態の一部の拡大図であって、多孔質部材を基部に接続するテザーを提供する基部中のチャネル、多孔質部材の上面と関連付けられた（多孔質部材の流通チャネルを囲む）テザー上の薄膜抵抗性加熱器、並びに電気配線及び化学選択的被膜を示しており、他の構成要素も見えるように被膜及び加熱器の一部だけを示した図である。

【図2B】多孔質部材の下面の拡大図であって、多孔質部材を基部に接続するテザーの下面を示した図である。

【図3】被膜を備えた空気汚染物質収集装置の一実施形態の断面図であって、加熱器及び絶縁層上の電気配線並びに多孔質部材の上面を構成する絶縁層を示した図である。

【図4】本発明に係る航空機空気汚染物質収集装置の一実施形態を含む例示的な航空機空気汚染物質分析装置であって、航空機空気汚染物質収集装置が、微細多孔質流通チャネル及び化学選択的被膜を備えた微細多孔質媒体と、当該微細多孔質媒体と接触した加熱器とを備え、当該航空機空気汚染物質分析装置の図示の実施形態が、重量測定センサ及びポンプをさらに具備しており、当該航空機空気汚染物質分析装置を通るサンプルの流れをさらに示すとともに、重量測定センサが、サンプル流がセンサの表面に向かって流れないように構成された状態で、多孔質部材の上流に位置決めされた、例示的な航空機空気汚染物質分析装置を表した図である。

【図5】本発明の一実施形態に係る、航空機空気汚染物質分析装置の一部として（第１及び第２のバランスキャパシタ電極を有する）バランスキャパシタを含む（第１及び第２の電極を有する）例示的な重量測定センサを示した図である。

【図6】本発明に係る航空機空気汚染物質収集装置の一実施形態を含む航空機空気汚染物質分析装置を用いた除氷流体の応答スペクトルの決定を示した図である。

【図7】汚染物質（除氷流体）が存在する場合の応答スペクトルから、除氷流体が存在しない場合の応答スペクトルを減算した結果としての「熱的減算応答」を示した図である。

【図8】熱的減算応答から計算されたａ）最大周波数シフト（ＭＦＳ）、ｂ）ピーク前合算（ＳＢ）、ｃ）ピーク後合算（ＳＡ）、及びｄ）セグメント＃５（Ｓ５）という４つの特徴を示した図である。

【図9】汚染物質を区別する化学選択的被膜を備えた航空機空気汚染物質収集器の特徴ＭＦＳの使用を示した図である。

【図10】汚染物質を区別する化学選択的被膜を備えた航空機空気汚染物質収集器の特徴ＭＦＳの使用を示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0006】

[0014]本発明の一実施形態は、航空機空気汚染物質分析装置において使用する空気汚染物質収集装置であって、（Ａ）空気汚染物質収集器であり、（ａ）微細多孔質流通チャネル及び化学選択的被膜を備え、上面及び下面を有し、制御期間にわたって加熱されている間、機能を維持するとともに捕捉された空気汚染物質を脱着させる多孔質部材と、（ｂ）捕捉された空気汚染物質を蒸発させる温度まで加熱可能な薄膜抵抗性加熱器であり、多孔質部材の上面と接触した、薄膜抵抗性加熱器と、を備えた、空気汚染物質収集器と、（Ｂ）空気汚染物質収集基部であり、（ｃ）多孔質部材及び薄膜抵抗性加熱器が関連付けられた第１の基板であり、多孔質部材及び薄膜抵抗性加熱器が当該空気汚染物質収集基部から熱的に絶縁された、第１の基板を備えた、空気汚染物質収集基部と、を備えた、空気汚染物質収集装置を提供する。

【0007】

[0015]好適な一実施形態において、多孔質部材は、微細多孔質膜と、当該膜の上面に直接堆積された薄膜抵抗性加熱器とを備える。

【0008】

[0016]装置の一実施形態において、第１の基板は、多孔質部材を当該第１の基板に接続するテザー（通常は、複数のテザー）を提供するチャネルを有する。

【0009】

[0017]別の実施形態においては、空気汚染物質を補足し、捕捉した空気汚染物質を脱着させる方法であって、空気汚染物質収集装置の一実施形態に空気を通過させるステップと、多孔質部材により空気汚染物質を捕捉するステップと、捕捉した空気汚染物質を蒸発させて脱着させるのに十分な温度まで多孔質部材を加熱するステップと、を含む、方法が提供される。

【0010】

[0018]この方法の実施形態によれば、空気汚染物質は、エアロゾル、微粒子、並びに／又は（１つ若しくは複数の）蒸気を含む。

【0011】

[0019]加熱は、ホットスポットの局在も過加熱もなく、多孔質部材の表面全体で均一であるのが好都合である。

【0012】

[0020]他の利点として、空気汚染物質収集装置は、「使い捨て」ではなく、例えば、付着に耐性を示し、航空機空気汚染物質分析装置において、少なくとも１つの汚染物質の濃度を測定して少なくとも１つの汚染物質の種類を決定するのに繰り返し使用可能である。

【0013】

[0021]別の利点として、特に２つ以上の航空機空気汚染物質収集装置が利用される場合は、特性（例えば、蒸気圧力及び／又は密度）の類似する異なる流体をより正確に分類することができる。

【0014】

[0022]通常の一実施形態においては、大容量キャビンの汚染物質濃度がＥＣＳ（環境制御システム）の通気口から現れるレベルに上昇する前に遅延が生じることになるため、装置をＥＣＳの通気口又は導管に位置付けることができる。ただし、例えばコックピット、キャビン、頭上の荷物室、収納棚、ギャレーエリア、航空電子機器室、補助電源ユニット等、装置には多様な場所が適している。或いは、装置を１つの場所に設置し、例えばパイプ類、管類、及び／又は導管等の多様な空気移動装置を介して、空気を別の場所から分析装置に案内することができる。

【0015】

[0023]上記の代替又は追加として、例えば抽気管又はその近傍等に装置を位置付け可能であり、エンジンからの加圧空気がＥＣＳに送られる。抽気管又はその近傍の装置の利点として、各エンジンからの抽気のサンプリングにより、欠陥エンジンの通知及び識別が可能であり、汚染された抽気の欠陥エンジンからＥＣＳへの供給を乗員が停止可能である。これに対して、装置がキャビンに位置付けられていると、キャビンからのサンプリングであれＥＣＳ通気口又はＥＣＳ導管からのサンプリングであれ、汚染物質源が存在することは通知されるものの、汚染源となっているエンジン又はＡＰＵ（補助電源ユニット）については通知されない。

【0016】

[0024]通常、空気汚染物質収集装置を具備する航空機空気分析装置の一実施形態は、（ａ）少なくとも１つの航空機空気汚染物質収集装置であり、（ｉ）化学選択的被膜を有する多孔質部材と、（ｉｉ）薄膜抵抗性加熱器と、を備えた、少なくとも１つの航空機空気汚染物質収集装置と、（ｂ）上面及び下面を有する第１の基板であり、少なくとも１つの汚染物質収集器が関連付けられ、多孔質部材及び薄膜抵抗性加熱器が熱的に絶縁された、第１の基板を備えた空気汚染物質収集基部と、（ｃ）空気汚染物質の塊が重量測定センサに追加又は重量測定センサから除去された場合に、比例共振周波数応答を生成するように構成された重量測定センサと、（ｄ）上面及び下面を有する第２の基板であり、重量測定センサが上面と関連付けられ、重量測定センサが、一定距離だけ汚染物質収集器から分離され、重量測定センサが、加熱された多孔質部材から脱着された空気汚染物質を受容するように構成された、第２の基板と、（ｅ）上面及び下面を有する支持部であり、上面及び下面を通過する少なくとも１つの航空機空気入口ポートを備え、第２の基板の下面が当該支持部の上面と関連付けられた、支持部と、（ｆ）空気汚染物質が重量測定センサに追加又は重量測定センサから除去された場合に重量測定センサにより生成された比例共振周波数応答を測定するように構成された共振周波数測定装置と、（ｇ）空気汚染物質認識プログラム及び校正データを有するコンピュータ可読媒体と、（ｈ）空気汚染物質を種類により分類するように構成されたモジュールと、重量測定センサにより生成された比例共振周波数応答の大きさとの比較に校正データを用いて、空気汚染物質の濃度を計算するようにプログラムされたモジュールと、を含む空気汚染物質認識プログラムを実行するように構成されたプロセッサと、（ｉ）多孔質部材の加熱前後に、少なくとも１つの航空機空気入口ポート及び少なくとも１つの空気汚染物質収集装置を通る航空機空気の流れを生成するように構成されたポンプと、を備える。

【0017】

[0025]航空機空気汚染物質分析装置は、重量測定センサの応答を正確に分解するのに十分な測定率で周波数を測定する測定回路を具備しており、通常は、重量測定センサごとに約１０〜約１００回／秒の測定である。測定は、分析装置の他の機能、特に、微細多孔質媒体を加熱する機能と同期する。測定は通常、最大周波数変化及び重量測定センサの応答の回復率を分解するのに十分な継続時間にわたり、例えば通常は、約１秒〜約４秒の長さの継続時間である。

【0018】

[0026]所定の期間（例えば、約１０〜約６０秒）にわたる所定率での十分な量のサンプル（例えば、約５００〜約２０００標準立方センチメートル／分（ｓｃｃｍ））が分析装置を流れることにより、センサの周波数対時間カーブの形状を分解するのに測定ノイズレベルを十分に上回る応答の大きさが実現され、通常は、約４：１以上の信号対雑音比である。

【0019】

[0027]異なる汚染物質の移動、吸着、及び脱着の動態によって、異なる汚染物質ごとに応答形状が異なる。例示として、参照しやすいように４つの異なる化合物（例えば、ニトロメタン 過酸化アセトン、二硝酸エチレングリコール、及び２，３−ジメチル−２，３−ジニトロブタン）が単一のグラフに重ね合わされるとすれば、これらの化合物のセンサ周波数対時間応答の形状は、蒸気圧力が低い（重い）化合物よりも蒸気圧力が高い（軽い）化合物の方が膜から高速に放出されることを示す。例えば、過酸化アセトン、二硝酸エチレングリコール、及び２，３−ジメチル−２，３−ジニトロブタンよりも前に、ニトロメタンが放出される。

【0020】

[0028]ポンプにより生成された多孔質部材（例えば、微細多孔質媒体、より好ましくは微細多孔質膜）を通るサンプル流路に沿った流れは、多孔質部材が加熱される前にゼロ又はほぼゼロ（例えば、約５ｓｃｃｍ以下）となるように停止されるものとする。例えば通常は、流れは加熱の少なくとも０．２秒前に停止されるものとする。

【0021】

[0029]周波数を繰り返し測定しつつ、約０．１秒で少なくとも約４００℃まで昇温させる電圧ステップを印加することにより、多孔質部材を加熱するのが好ましい。通常、多孔質部材は、少なくとも約１秒間、好ましくは少なくとも約２秒間（例えば、最大約１０秒間以上）にわたって、少なくとも約２００℃、より一般的には少なくとも約４００℃、いくつかの実施形態においては約５５０℃まで加熱されることにより、次の測定が「再出発」として開始となり得るように少なくとも１つの汚染物質を蒸発（脱着）させる。重量測定センサのドリフトを取り除く（「セルフゼロ（ｓｅｌｆ−ｚｅｒｏ）」）ため、センサの応答は、多孔質部材の加熱直前のセンサの周波数を参照とする。

【0022】

[0030]多孔質部材が加熱されていない場合、分析装置は、固定温度（例えば、約３０℃〜約７０℃の範囲の固定温度）に維持されるのが好ましい。

【0023】

[0031]パターン認識アルゴリズムを用いて、各汚染物質をその一意の応答、センサの周波数対時間カーブの形状により認識することで、少なくとも１つの汚染物質を分類可能である。これは、汚染物質の材料特性の影響を受けるものであり、蒸気圧力、熱容量、凝縮熱、蒸発熱、吸着及び脱着の動態、並びに拡散率のいずれかのうちの１つ又は複数が挙げられるが、これらに限定されない。汚染物質固有の応答形状による少なくとも１つの汚染物質の分類には、多様なアルゴリズムを使用可能である。好適なアルゴリズムとしては、例えばニューラルネット、主成分分析、サポートベクターマシンに基づく分類、線形判別分析、及び決定ツリー分析が挙げられる。

【0024】

[0032]所定の校正ファイル（例えば、少なくとも１つの応答の大きさの関数として少なくとも１つの汚染物質濃度の値を与えるカーブ又はルックアップテーブル）に対して少なくとも１つの応答の大きさを比較することにより、少なくとも１つの汚染物質の濃度を計算することができる。

【0025】

[0033]重量測定センサ（単一のセンサ又はセンサアレイを含み得る）は、センサに対して追加又は除去された塊に対する正確な比例周波数応答を生成する。好ましくはこの応答は、少量の移動汚染物質（検体）により過減衰されないように、広いダイナミックレンジにわたって提供される。重量測定センサは、増幅発振回路の一部として動作することにより、その共振を維持する。

【0026】

[0034]以下、本発明の各構成要素をより詳しく説明するが、同様の構成要素は同様の参照番号を有する。

【0027】

[0035]図１、図２Ａ、図２Ｂ、及び図３に示す例示的な実施形態において、航空機空気汚染物質収集装置７００は、第１の基板上層１０１Ａ及び第１の基板下層１０１Ｂを有する第１の基板主層１０１を備えた第１の基板１０１１を備えた基部１０（図３）と、第１の基板上の多孔質部材１００（例えば、微細多孔質膜１００Ａ）と、を備える。多孔質部材は、上面１１１及び下面１１２を有する（図２Ｂ及び図３）とともに、（多孔質部材の上面及び下面を通る）微細多孔質流通チャネル１１５及び化学選択的被膜１５０（図１、図２Ａ、及び図３に示す）を備えており、制御期間にわたって加熱されている間、機能を維持するとともに捕捉された空気汚染物質を脱着させる。また、捕捉された空気汚染物質を蒸発させる温度まで加熱可能な薄膜抵抗性加熱器１７５を備えており、当該加熱器は、多孔質部材の上面（中及び／又は上）と接触している。層１０１Ａ及び１０１Ｂ、多孔質部材１００、加熱器１７５、配線（後述）、並びに任意選択的なパッケージ層（同じく後述）が、例えば付加プロセスによって第１の基板主層１０１と関連付けられ（例えば、第１の基板主層１０１に搭載又は組み付けられる）、例えば除去プロセスによって、チャネル１１５及びテザー１９０（後述）のほか、多孔質部材１００の下側の空洞が作製される（図３に示す）。

【0028】

[0036]図１、図２Ａ、図２Ｂ、及び図３は、第１の基板上層１０１Ａ及び第１の基板下層１０１Ｂを有する第１の基板主層１０１を備えた第１の基板１０１’を示しているが、当業者であれば、多孔質部材１００を構成する他のプロセスに層１０１Ａ及び／又は１０１Ｂを必要としない場合があることが認識されるはずである。

【0029】

[0037]図１、図２Ａ、及び図３に示すように、航空機空気汚染物質収集装置７００の一実施形態は通常、（以下により詳しく論じる通り）電子機器の一部として、少なくとも１つの電気配線を具備する。例えば、図１、図２Ａ、及び図３は、加熱器１７５と連通するワイヤボンド（図示せず）と連通可能な電気配線６２０を示している。また、任意選択で、図１、図２Ａ、及び図３に示すように、航空機空気汚染物質収集装置７００の一実施形態は、例えば低抵抗をもたらすとともに、ワイヤボンドによる確実な電気コンタクトの構成及びワイヤボンドから加熱器への加熱器電流のより効率的な移動を可能にする配線の少なくとも一部を覆うパッケージ層６９９を含んでいてもよい。いくつかの用途においては、パッケージ層が金で構成され、電気配線が白金等の高温金属で構成され、高温でも電気的且つ機械的に安定を維持する。

【0030】

[0038]通常、化学選択的被膜１５０は、部材の全表面（例えば、上面、下面、流通チャネル、図２Ａに示さないチャネル／細孔中の被膜）のほか、加熱器及び電気配線の上部を覆うが、パッケージ層６９９は覆わない。

【0031】

[0039]多孔質部材及び加熱器は、基部１０及び第１の基板１０１１から熱的に絶縁されているのが好ましい。例えば、多孔質部材は、（例えば、図１、図２Ａ、及び図３に示すように、多孔質部材を基板に接続するテザー１９０により）１０１、１０１Ａ、及び１０１Ｂから熱的に絶縁されて、多孔質部材の縁部における伝熱損失を抑えるとともに、低電力での高速且つ均一な加熱を可能にする。一実施形態においては、第１の基板にチャネル１９５がエッチングされて、テザーを規定する（例えば、テザーは、チャネルがエッチングされた後に残る第１の基板の部分である）。流通チャネル１１５（直径は通常、約５０マイクロメートル以下）に対して、チャネル１９５は通常、細長く、テザーを規定する。

【0032】

[0040]図２Ａ及び図３に示す実施形態において、薄膜抵抗性加熱器１７５は、多孔質部材の上面１１１中又は上面１１１上に配置される（多孔質部材の流通チャネル１１５を囲む）とともに、テザー上に配置されている。

【0033】

[0041]例えば図３に示すいくつかの実施形態において、多孔質部材の上面１１１には、加熱器（及び、電流が流れるその他任意の構造（例えば、電気配線））の直下に絶縁層１２０（例えば、ＳｉＯ_２）を含むことにより、多孔質部材における電流の短絡を防止する。

【0034】

[0042]図４は、第１の基板１０１１及び微細多孔質媒体１００を備えた基部１０と、薄膜抵抗性加熱器１７５とを備え、サンプル流路１０００を提供する少なくとも１つの航空機空気汚染物質収集装置７００（図１〜図３も参照）を備えた航空機空気汚染物質分析装置２００の一実施形態を示している。この図示の実施形態において、航空機空気汚染物質収集装置７００は、上面３１１Ａ及び下面３１１Ｂを有する第１の支持部３１１（通常は、プリント配線板）と関連付けられている（例えば、第１の支持部３１１に搭載されている）。流路に沿った流れは、ポンプ４３３により生成される。

【0035】

[0043]分析装置２００は、第１の流路に沿って収集装置の近くに配置され、空気汚染物質の塊が重量測定センサ３に追加又は重量測定センサ３から除去された場合に比例共振周波数応答を生成して、空気汚染物質の量を計るとともに空気汚染物質を種類により分類する重量測定センサ３と、上面２０１Ａ及び下面２０１Ｂを有する第２の基板２０１と、を具備する。重量測定センサ３は、第２の基板の上面と関連付けられ（例えば、除去プロセス及び付加プロセスによって上面に搭載又は組み付けられ）、汚染物質収集装置から一定距離だけ分離されるとともに、微細多孔質媒体が加熱された場合に当該微細多孔質媒体から脱着された空気汚染物質を受容するように構成されている。

【0036】

[0044]また、図４に示す分析装置の実施形態は、上面３１２Ａ及び下面３１２Ｂを備えた第２の支持部３１２を具備しており、この第２の支持部は、その上面及び下面を通過する少なくとも１つの航空機空気入口ポート５００（図４は、空気入口ポート５００Ａ及び５００Ｂを示す）を備え、第２の基板の下面が第２の支持部の上面と関連付けられている（例えば、上面に搭載されている）。通常、第２の支持部は、プリント配線板を備える。任意選択で、分析装置の一実施形態は、少なくとも１つの空気入口ポートを具備する空気入口マニホールドを含み得る。

【0037】

[0045]重量測定センサと多孔質部材との分離は、一定に保たれ、通常は約０．１ｍｍ〜約２ｍｍ、好ましくは約０．２ｍｍ〜約０．４ｍｍの距離であるものとする。例えば、図４は、センサと多孔質部材との間隔を維持する第１の支持部３１１と第２の支持部３１２との間のスペーサ３１５を示している。スペーサの長さは、収集装置及び重量測定センサの対向面間の分離が約０．２ｍｍ〜約０．４ｍｍとなるようにするのが好ましい。

【0038】

[0046]また、図４に示す実施形態は、電源又は電源への接続部、電力調整器、並びに発振器及びフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）を備え、共振器アレイにより生成された比例共振周波数応答を測定することにより、少なくとも１つの空気汚染物質の種類の分類を可能にするように構成された共振周波数測定装置６１０Ａを備えた測定回路６１０を含む電子機器６００と、空気汚染物質認識プログラムを有するコンピュータ可読媒体と、振動率を測定して少なくとも１つの空気汚染物質の種類を分類するように構成されるとともに、少なくとも１つの共振器アレイにより生成された比例共振周波数応答の大きさとの校正テーブルによる比較によって、少なくとも１つの空気汚染物質濃度の計算及び少なくとも１つの空気汚染物質の種類の決定を行うようにプログラムされたモジュールを含む空気汚染物質認識プログラムを実行するように構成されたプロセッサと、を具備する。プロセッサにより実行される空気汚染物質認識プログラムは、必要に応じて、持続性コンピュータ可読媒体に格納され、プロセッサは、少なくとも１つの決定された空気汚染物質の種類の値を表示（出力）する。例えば、プロセッサとともに動作可能に配置された表示装置（携帯型装置等）を用いたＧＵＩを通じて、少なくとも１つの値を表示可能である。この代替又は追加として、例えば、少なくとも１つの値の点灯式表示装置による表示又は音声伝達が可能である。

【0039】

[0047]電子機器は、当技術分野において既知の多様な構成を有し得る。図示の実施形態において、電子機器は、ケーブル６０１、コネクタ６０５、第１の支持部３１１に組み込まれた電気配線６２０（したがって、不可視）、ワイヤボンド６２５、及び収集器１０に組み付けられた配線６３０（したがって、不可視）を介して、電力を必要に応じて加熱器１７５に供給するとともに、ケーブル６９１を介して、電力を必要に応じてポンプ４３３（後述）に供給する。また、図４に関して後述する通り、重量測定センサに関する電子機器は、例えば電気配線６４０、ワイヤボンド６４５、第２の支持部３１２に組み込まれた電気配線６５０（したがって、不可視）、６６０、６７０（図５に示す）、コネクタ６５５、及びケーブル６５１を含み得る。

【0040】

[0048]付加的な収集器及び重量測定センサを含む実施形態において、各重量測定センサは通常、それぞれの発振回路、電気配線、及びワイヤボンドを有することになる。また、別個のケーブル及びコネクタを有していてもよいし、信号がマルチワイヤケーブル及びコネクタに導入されるようになっていてもよい。通常は、１つのフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）によって、複数の重量測定センサの共振周波数を計数可能である。すべての収集器が並列に配線され、同じ電子機器の電源回路により加熱されることも可能であるし、或いは、別個の回路による電力供給及び独立した加熱によって、例えば異なる温度又は継続時間にすることも可能である。

【0041】

[0049]共振周波数は、必要に応じて、例えば位相ロックループ又はデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）チップを用いた周波数掃引の実行により掃引スペクトルから共振周波数を識別することによって測定可能である。

【0042】

[0050]或いは、必要に応じて、重量測定センサにより生成された比例共振周波数応答を測定するように、レーザ及び光検出器を備えた共振周波数測定装置を構成可能である。

【0043】

[0051]また、航空機空気汚染物質分析装置の図示の実施形態は、多孔質部材の加熱前後に、航空機空気入口ポート及び空気汚染物質収集器を通るサンプル流路１０００に沿った航空機空気のサンプル流を生成するように構成されたポンプ４３３を具備する。

【0044】

[0052]航空機空気汚染物質分析装置の実施形態に係る、多様なポンプが使用に適している。図４に示すように、ポンプ４３３は、多孔質部材及び重量測定センサの下流に位置決めされるのが好ましく、任意選択的な気密カバー４３４（及び／若しくは、任意選択的な入口マニホールド（図示せず））、第２の支持部３１２、第１の支持部３１１、並びにスペーサ３１５がサンプルを隔離することにより、その汚染又は希釈を回避するとともに、ポンプにより生成された流れがすべて１００を流れるようにする。ポンプは、サンプルを汚染しないように、重量測定センサ及び多孔質部材の後段に位置決めされる。重量測定センサは、サンプル流がセンサ表面に向かって流れないように構成された状態で、多孔質部材の上流に位置決めされることにより、センサの表面上への汚染物質及び不要な物質（塵埃、エアロゾル、及び／又は微粒子等）の移動を最小限に抑える。

【0045】

[0053]２つ以上の航空機空気汚染物質収集装置及び対応する重量測定センサ（収集器−センサセットを提供する）を含む実施形態においては、各収集器−センサセットが少なくとも１つの他のセットと同じ環境条件（例えば、温度、圧力、相対湿度）に維持される。各セットを異なる時間又は異なる条件下で測定することによる応答パターン中の「ノイズ」の低減によって、検出性能が向上するためである。収集器−センサセットはすべて、ごく近接して配置されるのが好ましい。

【0046】

[0054]各収集器−センサセットは、ノイズレベルを上回る応答を与えて良好な精度をもたらすように、少なくとも１つのその他のセットと同様の感度を有するものとする。

【0047】

[0055]本発明の実施形態においては、多様な重量測定センサが使用に適しており、例えば薄膜共振器（ＴＦＲ）、弾性表面波（ＳＡＷ）共振器、厚みすべりモード（ＴＳＭ）共振器（水晶振動子マイクロバランス（ＱＣＭ）共振器）、弾性プレートモード（ＡＰＭ）共振器、たわみ板波（ＦＰＷ）共振器、バルク弾性波（ＢＡＷ）共振器、圧電バイモルフ共振器アレイセンサ、及び音叉センサが挙げられる。

【0048】

[0056]一実施形態において、センサは、官能性ＳｉＯ_２ナノ粒子（例えば、トリエチオキシシランで官能化）で被覆可能である官能性ＳｉＯ_２ナノ粒子を生成する好適なトリエチオキシシランとしては、例えば３−［２−（３−トリエトキシシリルプロポキシ）エトキシ］スルホラン（９５％）、フェネチルトリメトキシシラン（ｔｅｃｈ−９５）、３−メチオキシプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−（アセチルグリクル）−３−アミノプロピルトリメトキシシラン（メタノール中５％）、及びドデカフルオロデカ−９−エン−１−イルトリメトキシシラン（９５％）が挙げられる。いくつかの実施形態において、官能性ＳｉＯ_２ナノ粒子は、センサの表面に堆積可能な自己組織化単分子層を構成する。

【0049】

[0057]一実施形態において、重量測定センサは、共振下で屈曲する２つの活性層を備え、空気汚染物質の塊の追加又は除去によって共振周波数の比例変化を生じる圧電バイモルフ共振器アレイを備える。このような重量測定センサの一例は、米国特許第６，９５３，９７７号に開示されている。

【0050】

[0058]図５に示す一実施形態において、重量測定センサ３は、第１の電極３Ａ及び第２の電極３Ｂを具備しており（一体的に共振器を構成する）、センサの表面上の第１の電極を介して、センサの運動が電気信号に変換され、この信号が増幅されてセンサ表面の第２の電極に戻されることで、センサを共振駆動可能である。重量測定センサは、第１のバランスキャパシタ電極５Ａ及び第２のバランスキャパシタ電極（測定電極）５Ｂを備えた任意選択的なバランスキャパシタ５をさらに備えることができ、共振器に隣り合って含まれることで、寄生容量及び抵抗の寄与を電気信号から減少させる。バランスキャパシタは、重量測定センサと同様又は同一の構成材料及び寸法を有するが、移動不可能に構成されている（例えば、基板上には、バランスキャパシタが移動できる空間が存在しない）。バランスキャパシタは、例えば専用電気配線を通じて第１のバランスキャパシタ電極に至る１８０°位相シフト信号により駆動可能である。第２のバランスキャパシタ電極（測定電極）から変換された信号は、電子機器（例えば、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）及び振動率を計数するファームウェア）に導入される際に、センサの第１の電極により変換された信号と組み合わされる。

【0051】

[0059]当技術分野において認識される通り、様々な重量測定センサの比例周波数応答の測定には、多様な種類の電子機器が適している。

【0052】

[0060]本発明の実施形態に従って使用する微細多孔質媒体（例えば、微細多孔質膜）等の多孔質部材１００には、多様な材料が適している。微細多孔質膜のほか、好適な微細多孔質媒体としては、繊維材料、セラミック、印刷構造、及び微細加工構造が挙げられる。多孔質部材は、支持することも可能であるし、支持しないことも可能である。通常、微細多孔質媒体が微細多孔質膜である実施形態において、この膜は、少なくとも約２０マイクロメートル〜約５００マイクロメートルの範囲の厚さ、より一般的には、約５０マイクロメートル〜約２００マイクロメートルの範囲の厚さを有するものの、いくつかの用途においては、これより薄くすることも可能であるし、厚くすることも可能である。

【0053】

[0061]多孔質部材１００（例えば、微細多孔質膜等の微細多孔質媒体）は、多孔質又は穿孔質であり、例えば約５マイクロメートル〜約５０マイクロメートル、通常は、１０マイクロメートル〜約３０マイクロメートルのサイズ及び／又は直径の好適な規則性及び／又は不規則性流通チャネル及び／又は細孔を提供するものの、いくつかの用途においては、これより小さくすることも可能であるし、大きくすることも可能である。この膜は、上下面及び流通チャネル及び／若しくは細孔の内側と関連付けられた（例えば、固定及び／若しくは共有結合された）疎水性ゼオライト被膜並びに／又は膜のバルク中の疎水性ゼオライト粒子を含む。

【0054】

[0062]本発明の実施形態における使用では、例えば多孔質シリカ、活性炭、金属有機構造体（ＭＯＦ）、ゼオライト−イミダゾレート構造体（ＺＩＦ）、チタニア（ＴｉＯ_２）粒子、及びゼオライト（疎水性ゼオライト及び親水性ゼオライトを含む）等、多様な化学選択的被膜が適している。好適なゼオライト被膜としては、Ｚ１００（疎水性ゼオライト）、Ｚ１１０（疎水性ゼオライト）、Ｚ３００（低疎水性ゼオライト）、及びＺ８１０（親水性ゼオライト）（Ｚｅｏｃｈｅｍ ＬＬＣ、Ｌｏｕｉｓｖｉｌｌｅ、ＫＹ）が挙げられるが、これらに限定されない。

【0055】

[0063]好適な加熱器１７５（薄膜抵抗性加熱器が好ましい）は、当技術分野において知られている。例示的な加熱器としては、例えば約５５０℃まで劣化なく微細多孔質媒体を抵抗加熱可能な白金（Ｐｔ）及びタンタル−白金（ＴａＰｔ）高温適合性薄膜抵抗性加熱器が挙げられる。この加熱器は、例えば堆積、リソグラフィ、及び溶解プロセスの組み合わせによって、基板上の適所に作製されるのが好ましい。

【0056】

[0064]第１及び第２の支持部、基部、及び基板としての使用には、多様な材料が適するが、当技術分野においては、好適な材料が知られており、マイクロエレクトロニクス製造プロセスを用いて容易に製造可能である。例えば、シリコン等の材料から製造可能である。通常、これらの材料は微細加工可能であり、必要に応じて配線、電極、及び相互接続等の電気的構造を含むことで必要な場合電力を供給可能とするような微細加工並びに／又は懸架板、テザー、膜等の機械的構造及び流通チャネル等の流体的構造を含むような微細加工を可能にするのが望ましい。

【0057】

[0065]以下の実施例は、本発明をさらに説明するものであるが、当然のことながら、何らその範囲を制限するものとは解釈されないものとする。

【0058】

実施例１
[0066]本実施例は、連結された多孔質部材の全体にわたって加熱が大略均一であることを明らかにする。

【0059】

[0067]図１、図２Ａ、及び図３に大略示すように空気汚染物質収集装置を用意するが、チャネルはエッチングにより生成済みである。

【0060】

[0068]多孔質部材は、直径が約２５マイクロメートルの流通チャネルがエッチングされ、上流、下流、及び流通チャネルの表面を被覆する疎水性ゼオライト粉末（Ｚ３００（Ｚｅｏｃｈｅｍ ＬＬＣ、Ｌｏｕｉｓｖｉｌｌｅ、ＫＹ））をさらに有する微細多孔質シリコン膜である。

【0061】

[0069]加熱器は、基板に組み込まれ、膜に直接堆積されたタンタル−白金（ＴａＰｔ）高温適合性薄膜抵抗性加熱器である。

【0062】

[0070]加熱器は、１４ボルトが供給されて可視白熱光を生成するが、膜の表面全体にわたって加熱が均一であり、また、テザーにおいてホットスポットの局在も過加熱もないことを示している。

【0063】

実施例２
[0071]本実施例においては、図４に大略示すように航空機空気汚染物質分析装置を構成し、疎水性ゼオライト被膜（Ｚ３００（Ｚｅｏｃｈｅｍ ＬＬＣ、Ｌｏｕｉｓｖｉｌｌｅ、ＫＹ））で被覆された膜を備えた一対の重量測定センサによって、収集器からの脱着を測定する。

【0064】

[0072]最初に、汚染物質なしで周波数シフト対時間を決定する（例えば、校正時に正常な実験室空気を使用するか、滅菌フィルタを通過した空気を使用するか、又は最初は空気を収集器に通過させない）。例えば、共振周波数は、４秒間にわたって０．０１秒ごとに測定する。共振周波数は、加熱電力が収集器に適用された場合に、０．５秒で低下し始める。共振器に移動した熱によって、その共振周波数が低下する。これは、「熱応答」とも称し、汚染物質がない場合の応答スペクトルを示す。応答スペクトルは、汚染物質（除氷流体）が存在する場合にも決定するが、その両応答スペクトルを図６に示す。

【0065】

[0073]図７に示すように、最初の応答スペクトル（汚染物質なし）を２番目の応答スペクトル（汚染物質あり）から減算することによって、汚染物質のみの存在による周波数シフトが明らかとなるが、これは「熱的減算応答」を示す。

【0066】

[0074]「熱的減算応答」からは、様々な特徴を計算することができる。そのような特徴の４つの例として、以下が挙げられる。

【0067】

[0075]ａ）最大周波数シフト（ＭＦＳ）：応答中に見られる最大周波数シフト
[0076]ｂ）ピーク前合算（ＳＢ）：ＭＦＳ前のカーブ下側の面積
[0077]ｃ）ピーク後合算（ＳＢ）：ＭＦＳ後のカーブ下側の面積
[0078]ｄ）セグメント＃５（Ｓ５）：ＭＦＳ後の３７番目から４６番目までの周波数測定結果の平均
[0079]これら４つの特徴を図８に示す。

【0068】

実施例３
[0080]本実施例は、パターン認識アルゴリズムによる実施例２に記載の特徴ＭＦＳの使用によって汚染物質をどのように識別可能であるかを明らかにする。

【0069】

[0081]実施例１に記載の重量測定センサを備えた航空機空気汚染物質分析装置を使用して、タービンエンジンオイル（ＡＥＲＯＳＨＥＬＬ ５６０（Ｓｈｅｌｌ））、油圧流体（Ｅｘｘｏｎ ＨＹＪＥＴ（Ｅｘｘｏｎ））、及び除氷流体を分析装置に順次試した場合の周波数シフト対時間を決定する。

【0070】

[0082]結果を図９に示すが、応答（平均ＭＦＳ）は、オイル及び油圧流体で類似しており、除氷流体で異なる。

【0071】

[0083]図１０に示すように、特徴ＭＦＳの使用は、除氷流体を油圧流体及びタービンエンジンオイルから区別可能であることを示している。油圧流体及びタービンエンジンオイルの場合、Ｚ３００被覆収集器の隣の重量測定センサからのＭＦＳ特徴に対する多孔質シリカ被覆収集器の隣の重量測定センサからのＭＦＳ特徴の比は、０〜約２の範囲であるが、除氷流体の場合の比は、約１２〜約２３の範囲である。

【0072】

[0084]本明細書に引用の公開公報、特許出願公報、及び特許公報を含むすべての参考文献は、それぞれが援用を個別且つ具体的に指示され、そのすべてが本明細書に参照により援用され示されたのと同じ程度まで参照により本明細書に援用する。

【0073】

[0085]本発明の説明の文脈（特に、以下の特許請求の範囲の文脈）における用語「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、及び「少なくとも１つ（ａｔ ｌｅａｓｔ ｏｎｅ）」、並びに類似の指示対象の使用は、文脈上の別段の指示又は明らかな矛盾がない限り、単数形及び複数形の両者を含むものと解釈されるものとする。少なくとも１つの項目の一覧が後続する用語「少なくとも１つ（ａｔ ｌｅａｓｔ ｏｎｅ）」の使用（例えば、「Ａ及びＢのうちの少なくとも１つ（ａｔ ｌｅａｓｔ ｏｎｅ ｏｆ Ａ ａｎｄ Ｂ）」）は、文脈上の別段の指示又は明らかな矛盾がない限り、一覧の項目から選択される１つの項目（Ａ若しくはＢ）又は一覧の項目のうちの２つ以上の任意の組み合わせ（Ａ及びＢ）を意味するものと解釈されるものとする。また、用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「具備する（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、及び「含む（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」は、別段の指定のない限り、オープンエンドな用語（すなわち、「〜を含むが、これらに限定されない（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ，ｂｕｔ ｎｏｔ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ）」を意味する）として解釈されるものとする。本明細書における値の範囲の記述は、本明細書における別段の指示のない限り、当該範囲内の各別個の値を個々に参照する簡潔な方法として機能することを意図したに過ぎず、各別個の値は、本明細書において個々に列挙されるかの如く、本明細書に援用する。本明細書に記載のすべての方法は、文脈上の別段の指示又は明らかな矛盾がない限り、任意の好適な順序で実行可能である。本明細書に提示のありとあらゆる例又は例示的な表現（例えば、「〜等（ｓｕｃｈ ａｓ）」）の使用は、本発明をより明確化することのみを意図しており、別段の要求のない限り、本発明の範囲に何ら制約を課すものではない。本明細書の表現は、本発明の実施に必須の如何なる非請求要素を示すとも解釈されないものとする。

【0074】

[0086]本明細書においては、本発明者らが把握している本発明を実行するための最良の形態を含めて、本発明の好適な実施形態を説明している。上記説明を読めば、これら好適な実施形態の変形例が当業者には明らかとなり得る。本発明者らは、このような変形例を熟練技術者が必要に応じて採用することを予想しており、本明細書の具体的な記述とは別に本発明が実施されることを意図している。したがって、本発明は、準拠法が許可する添付の特許請求の範囲に列挙の主題のすべての改良物及び同等物を含む。さらに、文脈上の別段の指示又は明らかな矛盾がない限り、上述の要素は、その考え得るすべての変形例において、任意の組み合わせが本発明に包含される。

【符号の説明】

【0075】

３ 重量測定センサ
３Ａ 第１の電極
３Ｂ 第２の電極
５ バランスキャパシタ
５Ａ 第１のバランスキャパシタ電極
５Ｂ 第２のバランスキャパシタ電極（測定電極）
１０ 基部
１００ 多孔質部材
１００Ａ 微細多孔質膜
１０１ 第１の基板主層
１０１Ａ 第１の基板上面
１０１Ｂ 第１の基板下面
１１１ 上面
１１２ 下面
１１５ 微細多孔質流通チャネル
１２０ 絶縁層
１５０ 化学選択的被膜
１７５ 加熱器
１９０ テザー
１９５ チャネル
２００ 航空機空気汚染物質分析装置
２０１ 第２の基板
２０１Ａ 上面
２０１Ｂ 下面
３１１ 第１の支持部
３１１Ａ 上面
３１１Ｂ 下面
３１２ 第２の支持部
３１２Ａ 上面
３１２Ｂ 下面
３１５ スペーサ
４３３ ポンプ
４３４ 気密カバー
５００ 航空機空気入口ポート
５００Ａ 空気入口ポート
５００Ｂ 空気入口ポート
６００ 電子機器
６０１ ケーブル
６０５ コネクタ
６１０ 測定回路
６１０Ａ 共振周波数測定装置
６２０ 電気配線
６２５ ワイヤボンド
６３０ 配線
６４０ 電気配線
６４５ ワイヤボンド
６５０ 電気配線
６５１ ケーブル
６５５ コネクタ
６６０ 電気配線
６７０ 電気配線
６９９ パッケージ層
７００ 航空機空気汚染物質収集装置
１０００ サンプル流路
１０１１ 第１の基板

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【外国語明細書】

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