JP7103267B2 - 冷却器 - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、複数の冷却管が一列に配置されており、隣り合う冷却管の間に発熱体が挟まれている冷却器に関する。

複数の冷却管が一列に配置されており、隣り合う冷却管の間に半導体モジュール（発熱体）が挟まれている冷却器を備えた電力変換装置が特許文献１に開示されている。この電力変換装置では、冷却管の中を流れる冷媒の温度を検出するための温度センサが冷却管に取り付けられている。

特開２００８－２２００４２号公報

冷却管を流れる冷媒は、冷却器の冷媒導入口や排出口以外から、何らかの原因により外部に漏れ出る場合が生じ得る。冷媒が外部に漏れ出た場合には、冷却管内を流れる冷媒の流量が減ってしまう。そのため、冷却管に取り付けられている温度センサでは冷媒の温度を精度よく検出することができなくなったり、冷媒の漏れなどの異常も検知することができなくなったりする。

例えば、冷却管の並び方向が水平でなく、傾斜するようにして冷却器が車両などに搭載されている場合には、その傾斜により生じた高低の高位側に位置する冷却管には、冷媒が流れ込み難くなる。そのため、そのような高位側の冷却管に温度センサが取り付けられているときには、冷媒の温度を正確に計測することが困難になる。本明細書は、複数の冷却管が並んで配置されており、隣り合う冷却管が連結管で連結されている冷却器の異常を検知し得る技術を提供する。

本明細書が開示する冷却システムは、一列に並んでいる複数の冷却管と、一対の連結管と、一対の冷媒給排口と、第１温度センサと、第２温度センサと、コントローラを備えている。一対の連結管は、複数組が備えられている。一対の連結管は、複数の冷却管の並び方向から見て発熱体の両側に位置しているとともに隣り合う冷却管同士を連結している。以下では、複数の冷却管の並び方向を単純に並び方向と称する。一対の冷媒給排口は、並び方向の一方端の冷却管に設けられており、並び方向からみて夫々の連結管と重なるように位置している。第１温度センサは、並び方向の一方端の冷却管に取り付けられている。第２温度センサは、並び方向の他方端の冷却管に取り付けられている。コントローラは、第１温度センサの計測値と第２温度センサの計測値の差の絶対値が所定の経過時間の間、継続して所定の温度差閾値を超えていた場合に異常を示す信号を出力する。

上記した冷却器の場合、冷媒の量が少ないと、冷媒給排口が設けられている冷却管（並び方向の一端の冷却管）には十分な冷媒が流れるが、冷媒給排口から最も遠い冷却管（並び方向の他端の冷却管）には十分な冷媒が流れない事態が生じ得る。その場合、並び方向の一端の冷却管を流れる冷媒の流量と、並び方向の他端の冷却管を流れる冷媒の流量との間に顕著な差が生じ得ることから、一端の冷却管に取り付けられている第１温度センサの計測値と他端の冷却管に取り付けられている第２温度センサの計測値の差が所定時間継続して大きく異なり得る。そこで、第１温度センサの計測値と第２温度センサの計測値の差の絶対値が所定の経過時間の間、継続して所定の温度差閾値を超えていた場合には、コントローラが冷却器の異常を示す信号を出力する。

また、本明細書が開示する冷却システムは、並び方向の一端の冷却管に第１温度センサを取り付け、他端の冷却管に第２温度センサを取り付けている。そのため、例えば、並び方向が水平でなく傾斜するようにして冷却器が車両などに搭載されている場合においては、その傾斜による高低の高位側に位置する冷却管及び低位側に位置する冷却管のいずれにも温度センサが取り付けられていることから、冷却管や連結管の一部から冷媒が外部に漏れ出たときにも、第１温度センサか第２温度センサのどちらかにより冷媒の温度を精度よく計測することが可能になる。

本明細書が開示する技術の詳細、及び、さらなる改良は、発明の実施の形態で説明する。

実施例の冷却器の模式図である。 実施例の冷却器を構成する積層ユニットの断面図である。 冷却器のコントローラが実行する冷却系異常検知処理のフローチャートである。 温度センサが計測する温度データの変化例を示す説明図である。

図面を参照して実施例の冷却器を説明する。以下、冷却器の一例として、ハイブリッド車や電気自動車に搭載されるものを説明する。これらの車両では、走行用の駆動源として、モータを備えている。ハイブリッド車の場合にはエンジンも備えている。モータを駆動するための電力はメインバッテリから供給される。メインバッテリの出力電圧は、例えば３００ボルトであるのに対して、モータは、例えば６００ボルトの三相交流電力で駆動する。そのため、メインバッテリとモータの間には、電力変換器が接続されている。

電力変換器は、例えば、メインバッテリの電圧をモータの駆動電圧（例えば６００ボルト）まで昇圧する電圧コンバータ、昇圧後の直流電力を交流に変換するインバータ、及び、これらを制御するパワーコントローラを含む。電圧コンバータは、リアクトルやＩＧＢＴなどのスイッチング素子などにより構成されている。またインバータは、モータの各相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）に対応してスイッチング動作を行うスイッチング素子などにより構成されている。これらのスイッチング素子は、スイッチング動作時の発熱量が大きいため、例えば、本実施例の冷却器によって冷却される。

図１に、実施例の冷却器２の模式図を示す。積層ユニット３は、電圧コンバータやインバータを構成する各スイッチング素子２３（後述）を冷却する部品であり、冷却器２の本体をなす部品である。詳しくは後述するが、積層ユニット３は、扁平な複数の冷却管１１、１２、１３（単に冷却管１１等と称する場合がる）が一列に並んでおり、隣り合う冷却管１１等の間にスイッチング素子２３を有するパワーカード２０が挟まれている（図２参照）。以下では、冷却管１１等の並び方向を単純に並び方向と称する。実施例の冷却器２では、並び方向の一端の冷却管１１に温度センサ３１が取り付けられ、並び方向の他端の冷却管１３に温度センサ３３が取り付けられている。

冷却器２のコントローラ５０は、前述した電力変換器のコントローラが兼ねている。すなわち、実施例の冷却器２では、電圧コンバータやインバータのスイッチング素子を制御するコントローラ５０が後述の冷却系異常検知処理を行う。そのため、コントローラ５０には、温度センサ３１、３３が接続されており、またその上位のシステムとして、上位コントローラ７０が接続されている。これにより、温度センサ３１、３３が出力する温度情報（計測値）がコントローラ５０に取得可能に構成され、またコントローラ５０による情報処理の結果を上位コントローラ７０が取得可能に構成されている。

次に、積層ユニット３の構成を図２に基づいて詳述する。図２に、積層ユニット３の断面図を示す。積層ユニット３は、冷却管１１等とパワーカード２０を交互に積層したものである。本実施例では、並び方向（Ｘ軸方向）の一端に冷却管１１が位置し、並び方向（Ｘ軸方向）の他端に冷却管１３が位置している。これらの冷却管１１、１３の間に６個の冷却管１２が位置している。そして、これら８個の冷却管１１、１２、１３の夫々の間に７枚のパワーカード２０が１個ずつ狭持されている。

パワーカード２０は、２個のスイッチング素子２３を樹脂パッケージ２１に封止した平板形状の電子部品である。本実施例では、２個のスイッチング素子２３が樹脂パッケージ２１の長手方向（Ｙ軸方向）に並んでいる。スイッチング素子２３は、電力変換用の半導体素子（パワーデバイス）であり、通電時（オン状態）の発熱量が大きい。そのため、スイッチング素子２３が発した熱は、外部（冷却管１１、１２、１３）に拡散される。なお、パワーカード２０の上方（Ｚ軸の正方向）からは３本の電極端子（不図示）が突出し、また下方（Ｚ軸の負方向）からは６本の制御端子（不図示）が突出している。

冷却管１１等とパワーカード２０の間には、典型的には、絶縁板を介在させたり、グリスを塗布して熱抵抗を減少させたりしているが、これらの図示を省略している。なお、積層ユニット３は、典型的には、電力変換器の筐体内に収容されている。本明細書では、図２に表す座標系のＸ、Ｙ、Ｚの各軸のことを、夫々単に、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸と表現する。

冷却管１１等も、パワーカード２０と同様に扁平形状をなしており、夫々の平坦面が対向するように一列に並んで配置されている。隣り合う冷却管１１等の平坦面の間にパワーカード２０が狭持される。本実施例では、隣り合う冷却管１１等は、連結管７、８により夫々連結されている。並び方向（Ｘ軸方向）の一端の冷却管１１には、連結管７、８に加えて、冷媒供給管５と冷媒排出管６も連結されている。

冷却管１１は、例えば、板厚の薄いアルミニウム板などをプレス加工した外板１４により構成されている。並び方向（Ｘ軸方向）の一端側には、冷媒供給管５が接続される流入口１１ａや、冷媒排出管６が接続される流出口１１ｂが形成されており、また並び方向の他端側には、連結管７、８が接続される連結口１１ｃが形成されている。これらの周囲にはフランジ部が形成されている。

なお、管内空間１１ｘには、冷却管１１の長手方向（Ｙ軸方向）に沿って冷媒が流れ得るように短手方向（Ｚ軸方向）に襞状の凹凸が繰り返し複数形成されている波板部材（不図示）が収容されている。また、本実施例では、パワーカード２０と対向しない側の外板１４の平坦面に温度センサ３１が取り付けられている。

冷却管１１と冷却管１３の間に位置する複数の冷却管１２も、冷却管１１と同様に、流入口１２ａ、流出口１２ｂや連結口１２ｃを有する外板１４により構成されている。冷却管１２の場合には、冷却管１２の流入口１２ａには連結管７が接続され、また流出口１２ｂには連結管８が接続されている。なお、管内空間１２ｘにも、管内空間１１ｘ内の収容されているものと同様の波板部材（不図示）が収容されている。

並び方向（Ｘ軸方向）の他方端に位置する冷却管１３も、冷却管１１の外板１４と同様に、板厚の薄いアルミニウム板などをプレス加工した外板１５により構成されている。但し、連結管７、８が接続される流入口１３ａや流出口１３ｂが並び方向の一端側に形成されているだけである。冷却管１３は、積層ユニット３の他端に位置するため、下流側に冷媒を供給する連結口は有しない。なお、管内空間１３ｘにも、管内空間１１ｘ、１２ｘ内の収容されているものと同様の波板部材（不図示）が収容されている。また本実施例では、パワーカード２０と対向しない側の外板１５の平坦面に温度センサ３３が取り付けられている。

本実施例では、積層ユニット３は、電力変換器の筐体内に収容される際、並び方向（Ｘ軸方向）の一端側又は他端側に板バネ（不図示）が挿入されることより、冷却管１１等とパワーカード２０に対して並び方向の両側から荷重が加えられる。また、冷媒は、冷媒供給管５に接続されている上流側のリザーバタンクに貯留されると共にポンプにより積層ユニット３に圧送され、冷媒排出管６よりも下流の冷媒管を介してリザーバタンクに戻る一巡の経路を循環している。冷媒管、リザーバタンク及びポンプは図示されていない。冷媒は、液体であり、典型的には、水又はＬＬＣ（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）である。

複数の連結管７と複数の連結管８は、並び方向からみてパワーカード２０の両側に位置するように配置されている。複数の連結管７は、並び方向で一列となるように配置されており、複数の連結管８も、並び方向で一列となるように配置されている。冷媒供給管５は、並び方向からみて複数の連結管７と重なるように配置されており、冷媒排出管６は、並び方向からみて複数の連結管８と重なるように配置されている。

このように積層ユニット３を構成することにより、冷媒供給管５を通じて供給される冷媒は、連結管７を通じて（図２に示す一点鎖線矢印）、全ての冷却管１１等に分配される（図２に示す破線矢印）。冷却管１１等に分配された冷媒は、冷却管１１等の管内空間１１ｘ、１２ｘ、１３ｘを通過する際に、隣接するパワーカード２０が発した熱を吸収した後、連結管８により集められて冷媒排出管６から排出される。これにより、パワーカード２０が発した熱の大部分を、積層ユニット３の冷却管１１等を流れる冷媒との熱交換により放熱可能にしている。

ところで、冷却管１１等を流れる冷媒は、冷媒供給管５や冷媒排出管６以外から、何らかの原因により外部に漏れ出る場合があり得る。また、冷却管１１等の管内空間１１ｘ、１２ｘ、１３ｘ内に異物などが堆積して冷媒が流れ難くなる場合もある。これらの場合には、冷却管１１等の一部においてその管内空間１１ｘ等を流れる冷媒の流量が減少するため、パワーカード２０の放熱を十分に行うことができなくなる可能性がある。

特に、冷却管１１等の並び方向において、電力変換器の筐体が、一方端の冷却管１１よりも他方端の冷却管１３の方が高位置に存在する傾斜状態（他方端の冷却管１３よりも一方端の冷却管１１の方が低位置に存在する傾斜状態）で車両内に搭載されている場合には、冷媒供給管５から見て上流側の冷却管１１に比べて下流側の冷却管１３に流入する冷媒の流量が減少する。そのため、冷却管１２と冷却管１３の間で挟持されて冷却されるパワーカード２０は、冷却管１１と冷却管１２の間で挟持されるパワーカード２０よりも放熱され難くなってしまう。

そこで、本実施例の冷却器２では、図３に示すように、コントローラ５０が実行する冷却系異常検知処理によってこのような冷媒の漏れなどを検知可能にしている。図３に、冷却系異常検知処理のフローチャートを示す。また、図４に、温度センサ３１、３３が計測する温度データの変化例を示す説明図を示す。

この図３に示す処理は、例えば、コントローラ５０が電圧コンバータやインバータのスイッチング素子の制御を開始した直後から行われる。即ち、冷却系異常検知処理は、ハイブリッド車や電気自動車のパワースイッチ（始動スイッチ）がオンにされてから同スイッチがオフにされるまでの間においてコントローラ５０により実行される。

冷却系異常検知処理では、まずステップＳ１１により温度データ取得処理が行われる。この処理では、積層ユニット３に取り付けられた２つの温度センサ３１、３３により計測された温度データを取得する。温度センサ３１の温度データは、積層ユニット３の一方端の冷却管１１を流れる冷媒の温度又はそれに近い温度を表し、また温度センサ３３の温度データは、積層ユニット３の他方端の冷却管１３を流れる冷媒の温度又はそれに近い温度を表している。以下、冷媒の温度又はそれに近い温度のことを、単に冷媒温度と称する。

続くステップＳ１３によりこれらの冷媒温度の差を算出する処理が行われる。例えば、一方端の冷却管１１を流れる冷媒温度がＨａであり、他方端の冷却管１３を流れる冷媒温度がＨｂである場合には、ＨａとＨｂの温度差の絶対値Ｈｄ＝│Ｈａ－Ｈｂ│をコントローラ５０が算出する。積層ユニット３を冷媒が適正に循環している場合には、温度差の絶対値Ｈｄは、ほぼ等しいか又は所定の温度差閾値Ｈｘ以内に収まる（図４（Ａ）参照、図４（Ｂ）に示す時間Ｔａ以後Ｔｂ直前）。所定の温度差閾値Ｈｘは、例えば、実車による統計データ、実験又はコンピュータシミュレーションなどの結果により予め定められる。

しかし、積層ユニット３を冷媒が適正に循環していない場合、例えば、冷媒供給管５や冷媒排出管６以外から冷媒が外部に漏れ出ているときや、冷却管１１等の管内空間１１ｘ、１２ｘ、１３ｘ内に異物などが堆積して冷媒が流れ難くなっているときには、ＨａとＨｂの温度差の絶対値Ｈｄが所定の温度差閾値Ｈｘを超え得る（図４（Ｂ）に示す時間Ｔｂ以後）。

そこで、続くステップＳ１５によって、温度センサ３１、３３により計測された両温度Ｈａ、Ｈｂの差の絶対値Ｈｄが所定の温度差閾値Ｈｘを超えているか否かを判定する。絶対値Ｈｄが所定の温度差閾値Ｈｘを超えていない場合には（Ｓ１５；ＮＯ）、積層ユニット３を冷媒が適正に循環していると推定できるため、ステップＳ１１に戻って、再度、温度センサ３１、３３から温度データを取得する。

これに対して、絶対値Ｈｄが所定の温度差閾値Ｈｘを超えている場合には（Ｓ１５；ＹＥＳ）、次のステップＳ１７によりその継続時間を判定する。つまり、絶対値Ｈｄが所定の温度差閾値Ｈｘを超えていると最初に判定した時点から、所定時間Ｔｘを経過しているか否かを判定する。所定時間Ｔｘは、例えば、積層ユニット３を冷媒が適正に循環していないと明らかに判定することが可能な期間である。所定時間Ｔｘは、例えば、実車による統計データ、実験又はコンピュータシミュレーションなどの結果により予め定められる。

そして、ステップＳ１７により所定時間Ｔｘを経過していないと判定した場合には（Ｓ１７；ＮＯ）、その絶対値Ｈｄは測定誤差である可能性があり得る（図４（Ｂ）に示す時間Ｔｂ以後Ｔｃ直前）。そのため、ステップＳ１１に戻って、再度、温度センサ３１、３３から温度データを取得する。一方、所定時間Ｔｘを経過していると判定した場合には（Ｓ１７；ＹＥＳ）、その絶対値Ｈｄは、例えば、冷媒供給管５や冷媒排出管６以外から冷媒が外部に漏れ出ていたり、冷却管１１等の管内空間１１ｘ、１２ｘ、１３ｘ内に異物などが堆積して冷媒が流れ難くなっていたりしている蓋然性が高い（図４（Ｂ）に示す時間Ｔｃ以後）。

このような場合には、ステップＳ１９により冷却系異常信号出力処理が行われる。例えば、コントローラ５０は、上位コントローラ７０に対して、冷却系に異常が生じている旨を表す冷却系異常信号を出力する。これにより、上位コントローラ７０は、例えば、インストルメントパネルに冷却系の異常情報を表示させたり、車両診断データのログファイルに冷却系の異常情報を記録したりする処理を行う。これにより、積層ユニット３を冷媒が適正に循環していない場合において、当該車両の運転者は、電力変換器の積層ユニット３が正常でない（異常である）ことを把握することができる。

以上のとおり、本実施例の冷却器２では、一列に並んで配置された複数の冷却管１１等のうち、並び方向（Ｘ軸方向）の一方端の冷却管１１に温度センサ３１が取り付けられ、並び方向（Ｘ軸方向）の他方端の冷却管１３に温度センサ３３が取り付けられている。そして、コントローラ５０は、温度センサ３１の温度データＨａと温度センサ３３の温度データＨｂの差の絶対値Ｈｄが所定の経過時間Ｔｘの間、継続して所定の温度差閾値Ｈｘを超えていた場合（Ｓ１７；ＹＥＳ）、冷却器２の異常を示す信号を出力する（Ｓ１９）。

即ち、並び方向（Ｘ軸方向）の一方端の冷却管１１に流入した冷媒が連結管７を介して並び方向（Ｘ軸方向）の他方端の冷却管１３を経由した後、連結管８を介して一方端の冷却管１１に戻って一方端の冷却管１１から流出し得る場合において、当該冷媒の冷媒供給管５や冷媒排出管６以外から冷媒が外部に漏れ出ていないときには、並び方向の一方端の冷却管１１を流れる冷媒の流量と、並び方向の他方端の冷却管１３を流れる冷媒の流量との間には、顕著な差は生じ難い。そのため、一方端の冷却管１１に取り付けられている温度センサ３１の温度データＨａと他方端の冷却管１３に取り付けられている温度センサ３３の温度データＨｂは、ほぼ同じであるか異なっていたとしてもその差は小さい。

これに対して、連結管７、８の一部から冷媒が外部に漏れ出ている場合には、冷却管１１等を流れる冷媒の流量が減少する。そのため、並び方向の一方端の冷却管１１を流れる冷媒の流量と、並び方向の他方端の冷却管１３を流れる冷媒の流量との間に顕著な差が生じ得ることから、一方端の冷却管１１に取り付けられている温度センサ３１の温度データＨａと他方端の冷却管１３に取り付けられている温度センサ３３の温度データＨｂは、両者の差が所定時間継続して大きく異なり得る。そこで、温度センサ３１、３３の温度データＨａ、Ｈｂの差の絶対値Ｈｄが所定の経過時間Ｔｘの間、継続して所定の温度差閾値Ｈｘを超えていた場合には、コントローラ５０が冷却器２の異常を示す信号を出力することによって、冷却器２の異常を検知することを可能にしている。

また、本実施例の冷却器２では、並び方向（Ｘ軸方向）の一方端の冷却管１１に温度センサ３１を取り付け、並び方向（Ｘ軸方向）の他方端の冷却管１３に温度センサ３３を取り付けている。そのため、例えば、積層ユニット３が冷却管１１等の並び方向に傾斜して車両などに搭載されている場合においては、その傾斜による高低の高位側に位置する冷却管１３（又は冷却管１１）及び低位側に位置する冷却管１１（又は冷却管１３）のいずれにも温度センサ３１、３３が取り付けられていることから、冷却管１１等や連結管７、８の一部から冷媒が外部に漏れ出たときにも、温度センサ３１又は温度センサ３３のどちらかにより冷媒の温度を精度よく計測することが可能になる。

なお、上記の実施例では、電力変換器の電圧コンバータやインバータを制御するコントローラ５０が冷却系異常検知処理を実行する場合を例示して説明したが、他のコントローラ（例えば、上位コントローラ７０）が図３の冷却系異常検知処理を実行してもよい。この場合には、温度センサ３１、３３から出力される温度データが冷却系異常検知処理を実行するコントローラに入力されるように冷却器を構成する必要がある。

また、上記の実施例では、冷却系異常検知処理を実行するコントローラ５０が上位コントローラ７０に冷却系異常信号を出力する場合を例示して説明したが、コントローラ５０が冷却系異常信号を出力することなく、コントローラ５０が、例えば、インストルメントパネルに冷却系の異常を表示したり、車両診断データのログファイルに冷却系の異常を記録したりする処理を行うように冷却システムを構成してもよい。

さらに、上記の実施例では、温度センサ３１、３３を、並び方向の一方端の冷却管１１と同他方端の冷却管１３に取り付ける場合を例示して説明したが、それらの間に位置する冷却管１２に他の温度センサを取り付けてその温度データをコントローラ５０等に出力可能に冷却器を構成してもよい。これにより、冷却管１２の管内空間１２ｘを流れる冷媒の温度データも取得が可能になるので、それにより算出可能な多様な温度差に基づいて高精度な異常検知が可能となる。

実施例技術に関する留意点を述べる。連結管７が一対の連結管の一方の一例に相当する。連結管８が一対の連結管の他方の一例に相当する。冷却管１１が並び方向の一方端の冷却管の一例に相当する。冷却管１３が並び方向の他方端の冷却管の一例に相当する。パワーカード２０が発熱体の一例に相当する。温度センサ３１が第１温度センサの一例に相当する。温度センサ３３が第２温度センサの一例に相当する。冷媒供給管５と冷媒排出管６が、一対の冷媒給排口の一例に相当する。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書又は図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：冷却器
３：積層ユニット
５：冷媒供給管
６：冷媒排出管
７、８：連結管
１１、１２、１３：冷却管
２０：パワーカード
２１：樹脂パッケージ
２３：スイッチング素子
３１、３３：温度センサ
５０：コントローラ
７０：上位コントローラ

Claims (1)

1. 一列に並んでいる複数の冷却管であって隣り合う前記冷却管の間に発熱体が挟まれている複数の冷却管と、
   前記複数の冷却管の並び方向から見て前記発熱体の両側に位置しているとともに隣り合う前記冷却管同士を連結している一対の連結管と、
   前記並び方向の一方端の前記冷却管に設けられており、前記並び方向からみて夫々の前記連結管と重なるように位置している一対の冷媒給排口と、
   前記並び方向の一方端の前記冷却管に取り付けられている第１温度センサと、
   前記並び方向の他方端の前記冷却管に取り付けられている第２温度センサと、
   前記第１温度センサの計測値と前記第２温度センサの計測値の差の絶対値が所定の経過時間の間、継続して所定の温度差閾値を超えていた場合に異常を示す信号を出力するコントローラと、
   を備えている冷却器。

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