JP5875918B2 - 車室内熱交換器及び車室内熱交換器のヘッダ間接続部材 - Google Patents

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Description

本発明は、車両用ヒートポンプ装置における車室内熱交換器と、該車室内熱交換器の一対のヘッダ同士を連通して接続する部材に関する。
エンジン搭載車両のヒートポンプ式空調装置において、特許文献1に示される熱交換器(コンデンサ又はエバポレータとして機能)では、複数の冷媒流通チューブを積層した上流側及び下流側のチューブ群の同一端側に連通して接続した一対のヘッダの一部の内部空間同士が、接続部材を介して連通して接続されている。
これにより、上流側チューブ群から流入した冷媒を、下流側チューブ群へ流出させるカウンターフロー構造として、送風空気との熱交換効率を高めることができ、また、車室内熱交換器として使用する場合、車室に送風される空気(暖房空気又は冷房空気)の温度を均一化できる。
日本国特許公報;特開平11−142087号
ところで、後述するように、車室内熱交換器の暖房用のコンデンサとして利用し、かつ、冷房時には、該空気導入口を遮断して空気との熱交換を殆ど行わせず、冷媒をガス状態で流通させる方式が考えられる。この方式では、冷房時に冷媒を車室内熱交換器をバイパスさせる構造に比較し、コスト削減を図れる。
しかし、この方式に上記特許文献1の熱交換器を利用する場合、前記接続部材に形成された孔が1個のみ形成され、上流側流路の総断面積に比較してヘッダ間を連通する孔の断面積比が小さすぎるため、冷媒の連通孔通過時の圧力損失が大きくなり、冷房性能を低下させてしまう。
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、上記のように車室内熱交換器が利用されるような場合でも、圧力損失を抑制して冷房性能を良好に維持できるようにすることを目的とする。
かかる課題を解決するため本発明にかかる車両用空調装置の車室内熱交換器は、複数の冷媒流通チューブを積層した上流側及び下流側のチューブ群が車室内送風路の送風方向に並べて配設され、前記各チューブ群の前記冷媒流通チューブの同一端側に連通して接続した一対のヘッダの少なくとも一部の内部空間同士が、連通孔を介して連通して接続された車両用空調装置の車室内熱交換器であって、前記内部空間同士を連通する連通孔の総断面積を、前記上流側チューブ群の最上流側流路の総断面積に対する割合が38〜93%となるように設定し、前記内部空間同士が、板状の接続部材にその平坦面両側から突出して形成した複数のボス部を、前記一対のヘッダの管壁を貫通して接続することにより、前記ボス部の内側に形成された複数の連通孔を介して連通し、前記ボス部の外径が隣接する前記冷媒流通チューブ相互の間隔より小さく、ボス部が前記冷媒流通チューブ相互間に配設されることを特徴とする。
また、本発明に係る車室内熱交換器のヘッダ間接続部材は、複数の冷媒流通チューブを積層した上流側及び下流側のチューブ群が車室内送風路の送風方向に並べて配設された車室内熱交換器の、前記各チューブ群の前記冷媒流通チューブの同一端側に連通して接続された一対のヘッダ間に接続され、前記一対のヘッダの少なくとも一部の内部空間同士を連通して接続する接続部材であって、板状の接続部材の平坦面両側から突出し、前記一対のヘッダの管壁を貫通して接続される複数のボス部を有し、前記ボス部の内側に前記内部空間同士を連通する連通孔を有し、前記ボス部の外径が隣接する前記冷媒流通チューブ相互の間隔より小さく、ボス部が前記冷媒流通チューブ相互間に配設されることを特徴とする。
本発明にかかる車両用空調装置の車室内熱交換器によれば、ヘッダ内部空間同士を連通する連通孔の総断面積を、前記上流側チューブ群の最上流側流路の総断面積に対する割合が38〜93%となるように設定したことにより、加工コストの増加や強度低下を抑制しつつ、連通孔を通過する冷媒の圧力損失を十分に低減することができ、冷房時の性能を良好に維持することができる。
また、本発明に係る車室内熱交換器のヘッダ間接続部材によれば、該接続部材を介して一対のヘッダ間を容易に接続することができ、ボス部の内側に形成された複数の連通孔により、該連通孔を通過する冷媒の圧力損失を十分に低減することができ、冷房時の性能を良好に維持することができる。
本発明に係る車室内熱交換器を備えた車両用空調装置における冷媒回路の暖房時における冷媒の流れを示す図。 同上車両用空調装置における冷媒回路の冷房時における冷媒の流れを示す図。 同上車室内熱交換器を空気の送風方向下流側から見た正面図。 図3のA矢視側面図。 図3のB−B矢視断面図。 図3のC矢視側面図。 同上車室内熱交換器の上端部に配設される一対のヘッダの底面図。 同上の一対のヘッダの両端部に接続される蓋部材の側面図及び断面図。 同上車室内熱交換器の下端部に配設される一対のヘッダの平面図及び正面図。 同上車室内熱交換器の下端部に配設される一対のヘッダ相互を連通して接続する接続部材の平面図、正面図及びその形成方法の2つの異なる例を示す図。 図3のD−D矢視断面図。 同上車室内熱交換器の下端部に配設される一対のヘッダの一端部に接続されるアダプタの両側面図及び断面図。 同上車室内熱交換器における冷媒の流れを示す概要斜視図。 カウンター孔断面積割合と圧力損失との関係を示す線図。 圧力損失と冷房時のCOP比率との関係を示す線図。
以下に本発明の実施の形態を説明する。
図1及び図2は、本発明に係る車室内熱交換器を備えたヒートポンプ式の車両用空調装置における冷媒回路の概要を示す。なお、本発明に係る車室内熱交換器が適用される冷媒回路は、これに限らない。
該空調装置は、コンプレッサ1、車室内の送風路51の下流側に配設された第1車室内熱交換器2、車室外に配設された車室外熱交換器3、車室内の送風路51の上流側に配設された第2車室内熱交換器4を含んで構成される。
送風路51の上流端部には、ファン52が配設され、第1車室内熱交換器2の通気口には、該通気口を開閉自由なダンパ53が装着されている。
コンプレッサ1の冷媒吐出口から第1車室内熱交換器2を経て車室外熱交換器3に至る第1冷媒配管5の途中には、第1膨張弁6及び第1逆止弁7が介装されている。車室外熱交換器3からコンプレッサ1の冷媒吸入口に至る第2冷媒配管8の途中には、第1開閉弁9及びアキュームレータ10が介装されている。
また、第1冷媒配管5の第1膨張弁6下流側から車室外熱交換器3と第1開閉弁9との間を結んで第3冷媒配管11が接続され、該第3冷媒配管11には、第2開閉弁12が介装されている。ここで、第1膨張弁6は、第2開閉弁12が開のときは第2開閉弁12に比較して通路抵抗が大きいため実質的に閉となるが、強制的に閉としてもよい。したがって、第1膨張弁6と第2開閉弁12とは、選択的に開となる。
第1冷媒配管5の第1逆止弁7下流側から分岐して第2車室内熱交換器4に至る第4冷媒配管13が配設され、該第4冷媒配管13には、第3開閉弁14、第2逆止弁15、内部熱交換器16の高温部16A及び第2膨張弁17が介装されている。
第2車室内熱交換器4から第1開閉弁9とアキュームレータ10との間に至る第5冷媒配管18が接続され、該第5冷媒配管18には、第4開閉弁19及び内部熱交換器16の低温部が介装されている。内部熱交換器16は、高温部16Aを流通する高温冷媒と低温部16Bを流通する低温冷媒との間で熱交換がなされる。
さらに、第1冷媒配管5の第1膨張弁6の上流側から第4冷媒配管13の逆止弁15下流側に至る第6冷媒配管20が配設され、該第6冷媒配管20には、第5開閉弁21が介装されている。
次に、上記空調装置の各運転時の概要を説明する。
暖房時には、ダンパ53、第1膨張弁6及び第1開閉弁9が開とされ、第2開閉弁12、第3開閉弁14、第4開閉弁19及び第5開閉弁21が閉とされる。
図1に示すように、コンプレッサ1で加圧された高温・高圧のガス冷媒は、第1車室内熱交換器2に流入し、ファン52から送風された空気と熱交換(放熱)して凝縮・液化される。この熱交換によって、空気は加熱される。加熱された空気は車室内に送風され、車室内を暖房する。
そして、液状冷媒は、第1膨張弁6を経て減圧されて気液混合状態となり、第1逆止弁7を介して車室外熱交換器3に流入する。車室外熱交換器3では、冷媒は外気と熱交換(吸熱)して気化(ガス化)された後、第1開閉弁9を介してコンプレッサ1の吸入口に戻されて加圧されるサイクルが繰り返される。
また、冷房時には、第2開閉弁12、第3開閉弁14、第4開閉弁19が開とされ、ダンパ53、第1膨張弁6、第1開閉弁9及び第5開閉弁21が閉とされる。
図2に示すように、コンプレッサ1で加圧された冷媒は、第1車室内熱交換器2を流通するが、ダンパ53が閉とされて第1車室内熱交換器2への送風が遮断されているため、送風空気との熱交換(冷却)が殆ど行われず、冷媒は高温・高圧のガス状態のまま流出し、第2開閉弁12を介して車室外熱交換器3に流入する。
車室外熱交換器3は、コンデンサとして機能し、外気と熱交換(放熱)してガス冷媒が凝縮・液化される。この液状冷媒は、第3開閉弁14、逆止弁15、内部熱交換器16の低温部16Aを通って第2膨張弁17に至り、第2膨張弁17で減圧され気液混合状態となって第2車室内熱交換器4に流入する。第2車室内熱交換器4では、ファン52から送風された空気と熱交換(吸熱)して冷媒は、ガス化される。この熱交換によって冷却された空気は車室内に送風され、車室内を冷房する。
また、除湿時には、簡易的には、上記冷房時の状態でダンパ53を開くことにより、第2車室内熱交換器4によって冷却・凝縮されて水分が減少した空気を、下流の第1車室内熱交換器2によって再加熱して相対湿度の低い空気を車室内に送風することができる。また、第2車室内熱交換器4による冷却除湿機能をより高めるため、第6冷媒配管20に介装した第5開閉弁21を開いて、第2車室内熱交換器4に供給される冷媒流量を増大するようにしてもよい。
上記のように、暖房時にコンデンサとして作動し、冷房時には空気と熱交換させることなく流通させる第1車室内熱交換器2が、以下のように構成されている。
図3は、第2車室内熱交換器2を空気の送風方向下流側からみた正面図、図4は、図3のA矢視図、図5は、図3のB−B矢視断面図、図6は、図3のC矢視側面図である。
扁平な通路断面を有する複数の冷媒流通チューブ101を、コルゲートフィン102(図では上部のみ示す)を介して積層した1対のチューブ群103A,103Bが形成され、これら1対のチューブ群103A,103Bを相互に対向させて、送風路51の送風方向に間隔を開けて上流側と下流側とに2列配設している。各冷媒流通チューブ101とコルゲートフィン102とは、ろう付け等により固定されている。
前記2列のチューブ群103A,103Bのチューブ軸方向両側に、冷媒流通チューブ11の積層方向(本実施形態では、図示左右方向)に延びる円筒状のヘッダが、それぞれ一対ずつ配設されている。
冷媒流通チューブ101の軸方向一方の側(図示上側)に配設される一対のヘッダ104A,104Bは、図7に示すように、それぞれ各チューブ群の冷媒流通チューブ101の一端部(上端部)を挿入するための複数の孔104aを開口した形状を有している。各チューブ群103A,103Bの冷媒流通チューブ101の一端部(上端部)は、ヘッダ104A,104Bの対応する複数の孔104aに挿入され、ろう付けして固定される。
また、ヘッダ104A,104Bは、両側の開口端が、それぞれ図8に示すような長円状の蓋部材105に形成された一対の円筒状係合部105a内に係合して閉塞され、ろう付けして固定される。
冷媒流通チューブ101の軸方向他方の側(図示下側)に配設される一対のヘッダ106A,106Bは、ヘッダ104A,104Bと同様、それぞれ各チューブ群103A,103Bの冷媒流通チューブ11の他端部(図示下端部)を挿入するための複数の孔106aを開口した形状を有している。各チューブ群103A,103Bの冷媒流通チューブ11の他端部(下端部)は、ヘッダ106A,106Bの対応する複数の孔106aに挿入され、ろう付けして固定される。
また、ヘッダ106A,106Bの内部空間が、軸方向中間部において円板状の仕切り部材106bによって複数(本実施形態では2個)に仕切られている。仕切り部材106bは、一対のヘッダ106A,106Bの内壁にろう付けして固定される。
さらに、ヘッダ106A,106Bの仕切り部材106bで仕切られた一方(図示右側)の部分には、対向する内壁にそれぞれ複数のボス貫通孔106cが形成される。
そして、図10(A),(B)に示すように、板状部材の平坦部両側に、連通孔107bを内側に有するボス部107aを突出させた接続部材107を形成し、図11に示すように、該接続部材107のボス部107aをヘッダ106A,106Bのボス貫通孔106cに貫通させてろう付けして固定する。
接続板107のボス部107aは、例えば、図10(C)に示すように1枚の板材の片側表面に突出するようにバーリングによって形成したものを一対形成し、これらを逆向きに重ねてろう付け等で固定することにより形成することができる。
あるいは、図10(D)に示すように、一枚の板材の片側表面に突出させて1回目のバーリングを行った後、逆方向からバーリングを行って反対側に突出させる周知の方式で加工することもできる。
また、ボス部107aの外径を、隣接する冷媒流通チューブ101の間隔(コルゲートフィン102の高さ)より小さくすることにより、図11に示すように、隣接する冷媒流通チューブ101相互間にボス部107bを収めて隣接する冷媒流通チューブ101との干渉を回避することができる。
ヘッダ106A,106Bの軸方向一方(図示右側)の開口端は、図7で示した蓋部材105のと同様に形成された蓋部材108の一対の円筒状係合部内に嵌合密閉してろう付け固定される。
ヘッダ106A,106Bの軸方向他方(図示左側)の開口端は、図12に示すように、軸方向に開通するアダプタ109に形成された一対の円筒状係合部109aに係合し、ろう付けにより固定する。
アダプタ109のヘッダ106A,106B取付側とは反対側の一対の円筒状係合部109bには、一方(例えば送風方向下流側)に冷媒流入管110、他方(送風方向上流側)に冷媒流出管111が係合され、ろう付けにより固定される。
また、チューブ群103A,103B,106A,106Bの積層方向両端部には、図3に示すように、それぞれ、補強板112がろう付けして固定される。
以上のように形成された第1車室内熱交換器2の冷媒の流れは、図13の矢印に示すようになる。
冷媒は、冷媒流入管110から下側のヘッダ106A内に流入し、仕切り板106bより手前側の第1ヘッダ空間106Auに臨む複数の冷媒流通チューブ101(第1チューブ群103Au)の下端開口から流入して、第1チューブ群103Auを上方に流動する。
さらに、第1チューブ群103Auの上端開口から上側のヘッダ104A内に流入した後、奥側の複数の冷媒流通チューブ101(第2チューブ群103Ad)に上端開口から流入し、第2チューブ群103Adを下方に流動する。
そして、第2チューブ群103Adの下端開口から仕切り板106bより奥側の第2ヘッダ空間106Ad内に流入する。
次いで、第2ヘッダ空間106Ad内に臨む接続部材7のボス部107a内の連通孔107bを通って、隣接するヘッダ106Bの仕切り板106bより奥側の第3ヘッダ空間106Buに流入する。
第3ヘッダ内空間106Buに臨む複数の冷媒流通チューブ101(第3チューブ群103Bu)の下端開口から流入し、第3チューブ群103Buを上方に流動する。
さらに、第3チューブ群103Buの上端開口からヘッダ104B内に流入した後、手前側の複数の冷媒流通チューブ101(第4チューブ群103Bd)の上端開口から、第4チューブ群103Bdを下方に流動する。
そして、第4チューブ群103Bdの下端開口から仕切り板106bより手前側の第4ヘッダ空間106Bd内に流入し、冷媒流出管111から流出する。
暖房時に車室内熱交換器2がコンデンサとして機能する際は、冷媒は、上記のように2つのチューブ群103A,103Bの各冷媒流通チューブ101を通る間に、これら各チューブ101の外表面に接触しつつ流通する送風空気と熱交換して放熱されると共に、同じく外表面に接触する送風空気によって冷却されるコルゲートフィン102と熱交換して放熱されることにより、効率よく冷却されて凝縮・液化される。
そして、かかるカウンターフロー式の冷媒流路により、手前側(図13で左側)では、送風方向下流側のチューブ群103Aにおいて高温なガス状冷媒が高密度で流通する冷媒入口に近い領域と、送風方向上流側のチューブ群103Bにおいて凝縮された低温な液冷媒が流通する冷媒出口に近い領域とが、送風方向に重なり合う。
一方、反対側(奥側)に行くほど送風方向下流側及び上流側の各チューブ群13A,13Bを流通する冷媒温度(又は気液割合)の差が縮小する。
即ち、送風路断面の全領域において、送風方向下流側チューブ群103Aの冷媒温度(気液割合)と上流側チューブ群13Bの冷媒温度(気液割合)との平均値(平均温度又は平均気液割合)が均一化される。これにより、第1車室内熱交換器2を通過して熱交換しつつ車室内へ送風される暖房空気の温度が均一化され、快適な暖房を行うことができる。
一方、冷房時には、既述したように、ダンパ53が閉となって第1車室内熱交換器2への送風を遮断し、送風空気との熱交換(冷却)を実質的に行わせることなく、冷媒を高温・高圧のガス状態のまま流出させる。第2車室内熱交換器4で冷却した空気の第1車室内熱交換器2との熱交換による再加熱を抑制するためであり、冷媒を、第1車室内熱交換器2をバイパスさせる方式に比較して、バイパス弁及びバイパス通路を省略でき、コスト低減を図れる。
このような方式を採用する場合、冷房時に、高圧のガス状冷媒が車室内熱交換器を通過する際の圧力損失が増大すると冷房性能が低下することが問題となる。
本出願人は、ガス冷媒が上流側ヘッダから下流側ヘッダに至るカウンター孔(接続部材の107連通孔107b)での圧力損失が冷房性能に大きく影響することに着目し、実験ないしシミュレーションによって、以下の結果を得た。
図14は、カウンター孔(接続部材107の連通孔107b)の総断面積の、最上流側流路(チューブ群103Au)の総断面積に対する割合(カウンター孔断面積割合)と、圧力損失との関係を示す。
冷房時の高圧冷媒流通時における圧力損失は、カウンター孔断面積割合が小さいところでは、大きな値となっているがカウンター孔断面積割合の増大に応じて大きく減少する特性となっている。
一方、図15に示すように、冷房時の冷房性能を示すCOP比率(冷房能力/消費電力)は、圧力損失の増大に応じて低下するものの、所定以上の圧力損失に対して、COP比率は略一定に維持されることが明らかとなった。具体的には、COP比率が略一定に維持され始める圧力損失(略0.60[MPa]となるカウンター孔断面積割合が略38%であった。
したがって、カウンター孔断面積割合が38%未満の領域では、カウンター孔断面積割合を大きくしても圧力損失低減によるCOP比率の向上効果が得られず、カウンター孔断面積割合が38%以上の領域で、カウンター孔断面積割合の増大に応じて圧力損失低減によるCOP比率の向上効果が得られることが明らかである。
また、図14に示すように、カウンター孔断面積割合を93%より大きくしても、冷房時の圧力損失は略一定に維持され、COP比率のそれ以上の向上は期待できず、連通孔107bの数や断面積を無駄に増加させるだけで、加工コストの増加や強度低下にもつながることとなる。
一方、暖房時の冷媒凝縮時における圧力損失は、図14に示すように、カウンター孔断面積割合が小さい場合も、冷房時の高圧ガス冷媒流通時に比較して極めて低く、カウンター孔断面積割合の増大に応じて緩やかに減少する特性となる。
このように、暖房時の圧力損失は元々小さく、圧力損失による暖房時のCOP比率の低下は冷房時に比較すると無視できる程度に小さい。
以上の結果に基づく考察により、カウンター孔断面積割合[=(連通孔107bの総断面積)/(チューブ群103Auの総断面積)]を、38%〜93%の範囲に設定することとした。
かかるカウンター孔断面積割合の設定により、第1車室内熱交換器2をコンデンサとして用いる暖房時は勿論、冷房時に送風を遮断して高圧のガス状冷媒を流通させる際にも、良好な冷房性能を確保することができ、加工コストの増加や強度低下も抑制できる。
また、上記のように形成された接続部材107を用いることにより、第2ヘッダ空間106Adと第3ヘッダ空間106Buとを容易に連通させて接続することができ、強度を確保した上で、上記カウンター孔断面積割合を達成して良好な冷房性能を維持することができる。
また、最上流側のチューブ群103Auの総断面積を、入口管110の断面積より大きくしてある。これにより、該入口管110からチューブ群103Auに流入する際の圧力損失をも抑制され、車室内熱交換器2の圧力損失を可能な限り抑制でき、冷房性能の低下を可及的に抑制できる。
また、上記実施形態では、ヘッダ内を仕切り板で仕切って、冷媒の流れを上流側チューブ群103Aで2パス、下流側チューブ群103Bで2パスの流路を有するように流路を変換させ、かかる変換回数の増大により、既述した送風空気温度の均一化を促進できる。但し、簡易的には、ヘッダ内を仕切らず、上流側チューブ群全体と下流側チューブ群全体との2パスとしてもよく、逆に、仕切り数を増大する等の設定により、より多くの流路パスを有する構成としてもよい。
また、コルゲートフィン102の代わりに、各冷媒流通チューブを貫通させる平板状フィンを上下方向に多数列配設した構成であってもよい。
1…コンプレッサ、2…第1車室内熱交換器、4…第2車室内熱交換器、5…第1冷媒配管、6…第1膨張弁、7…第1逆止弁、8…第2冷媒配管、9…第1開閉弁、10…アキュームレータ、11…第3冷媒配管、12…第2開閉弁、13…第4冷媒配管、14…第3開閉弁、15…第2逆止弁、16…内部熱交換器、17…第2膨張弁、18…第5冷媒配管、19…第4開閉弁、51…送風路、52…ファン、53…ダンパ、101…冷媒流通チューブ、102…コルゲートフィン、103A,103B…チューブ群、104A,104B…ヘッダ、106A,106B…ヘッダ、106b…仕切り板、106c…ボス貫通孔、107…接続部材、107a…ボス部、107b…連通孔
第3ヘッダ空間106Bu

Claims (4)

  1. 数の冷媒流通チューブを積層した上流側及び下流側のチューブ群が車室内送風路の送風方向に並べて配設され、前記各チューブ群の前記冷媒流通チューブの同一端側に連通して接続した一対のヘッダの少なくとも一部の内部空間同士が、連通孔を介して連通して接続された車両用空調装置の車室内熱交換器であって、
    前記内部空間同士を連通する連通孔の総断面積を、前記上流側チューブ群の最上流側流路の総断面積に対する割合が38〜93%となるように設定し
    前記内部空間同士が、板状の接続部材にその平坦面両側から突出して形成した複数のボス部を、前記一対のヘッダの管壁を貫通して接続することにより、前記ボス部の内側に形成された複数の連通孔を介して連通し、
    前記ボス部の外径が隣接する前記冷媒流通チューブ相互の間隔より小さく、ボス部が前記冷媒流通チューブ相互間に配設されることを特徴とする車室内熱交換器。
  2. 暖房時にコンデンサとして機能し、冷房時には前記送風路内での送風を遮断され、コンプレッサからの冷媒をガス状態で流通して車室外側のコンデンサに供給することを特徴とする請求項1に記載の車室内熱交換器。
  3. 前記上流側チューブ群の上流端における各冷媒チューブの総断面積を、前記上流側チューブ群の上流端に接続されたヘッダの入口部に接続される入口管の断面積より大きくしたことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の車室内熱交換器。
  4. 複数の冷媒流通チューブを積層した上流側及び下流側のチューブ群が車室内送風路の送風方向に並べて配設された車室内熱交換器の、前記各チューブ群の前記冷媒流通チューブの同一端側に連通して接続された一対のヘッダ間に接続され、前記一対のヘッダの少なくとも一部の内部空間同士を連通して接続する接続部材であって、
    板状の接続部材の平坦面両側から突出し、前記一対のヘッダの管壁を貫通して接続される複数のボス部を有し、前記ボス部の内側に前記内部空間同士を連通する連通孔を有し、
    前記ボス部の外径が隣接する前記冷媒流通チューブ相互の間隔より小さく、ボス部が前記冷媒流通チューブ相互間に配設されることを特徴とする車室内熱交換器のヘッダ間接続部材。
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