JP2006313054A - Plate-shaped heat exchanger and radiator - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、小型の板状熱交換器及びそれに冷却ファンを取り付けたラジエータに関する。 The present invention relates to a small plate heat exchanger and a radiator to which a cooling fan is attached.
金属薄板からなる板状エレメントに流体通路を形成し、この板状エレメントを複数枚積み重ねて厚みの薄い熱交換器を形成する技術が特許文献1等に開示されている。この技術をパーソナルコンピュータのCPU冷却機や空調機の室外機等に用いることにより、これらの大幅な小型化を図ることが可能となる。 Patent Document 1 discloses a technique for forming a fluid passage in a plate element made of a thin metal plate and stacking a plurality of the plate elements to form a thin heat exchanger. By using this technology for a CPU cooler of a personal computer, an outdoor unit of an air conditioner, etc., it is possible to achieve a significant reduction in size.
しかし、流体の出入口が小さい場合には、一時に熱交換器内に流出入させることができる流体の量が一定限度に制限されるので熱交換の効率が一定以上は上がらない問題がある。特に熱交換器をラジエータとして用いる場合、冷却ファンの風を一時に大量に通す必要があるところ、ファンの口径は熱交換器の出入口の大きさに制限されるため、この問題が一層顕著となる。このような課題を有するところ、特許文献1等に開示の発明には、一時に大量の流体を熱交換器内に流出入させる技術が開示されておらず、いまだ改善の余地が残されているといえる。
そこでこの発明の解決すべき課題は、金属薄板からなる板状エレメントに流体通路を形成し、この板状エレメントを複数枚積み重ねてなる厚みの薄い熱交換器において、一時に大量の流体を熱交換器内に流出入させることで熱交換の効率を高めることにある。 Therefore, the problem to be solved by the present invention is that a fluid passage is formed in a plate-shaped element made of a thin metal plate, and a thin heat exchanger formed by stacking a plurality of the plate-shaped elements heat-exchanges a large amount of fluid at a time. The purpose is to increase the efficiency of heat exchange by flowing into and out of the vessel.
上記した課題を解決するためこの発明は、複数の流体がそれぞれ別個に流通可能な流体通路を形成する複数の板状エレメントを重ね合わせ、気密に接合した板状熱交換器において、一の流体通路は熱交換器の一側面から他側面にかけて形成され、他の流体通路は熱交換器の一端面から他端面にかけて形成され、熱交換器側面および端面のいずれか一方または双方のほぼ全面が流体通路の出入口として開放したのである。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a plate-type heat exchanger in which a plurality of plate-like elements forming a fluid passage through which a plurality of fluids can separately flow are overlapped and hermetically joined. Is formed from one side of the heat exchanger to the other side, and the other fluid passage is formed from one end surface to the other end surface of the heat exchanger, and almost one or both of the heat exchanger side surface and the end surface are fluid passages. It was opened as a doorway.
このように熱交換器の側面や端面の全面を流体通路の出入口として開放することにより、一時に大量の流体を熱交換器内に流出入させることが可能となる。 In this way, by opening the entire side surface or end surface of the heat exchanger as the inlet / outlet of the fluid passage, a large amount of fluid can flow into and out of the heat exchanger at a time.
少なくとも一対の板状エレメントの流体通路を区画する多数のリブを、流体の流れ方向に対してほぼ直角になる階段状に形成し、それを全体として波状に配列すると、流体に乱流が生じやすく、熱交換の効率が優れたものとなる。 If a large number of ribs defining the fluid passages of at least a pair of plate-like elements are formed in a staircase shape that is substantially perpendicular to the fluid flow direction and arranged in a wave shape as a whole, turbulent flow is likely to occur in the fluid. The heat exchange efficiency is excellent.
出入口の側面開口および端面開口のいずれか一方または双方の周縁に段部を設けると、開口ふさぐ蓋をこの段部に当接させることで、蓋の位置合わせ及び取り付けが容易となる。 When a step is provided on the peripheral edge of one or both of the side surface opening and the end surface opening of the entrance / exit, the lid can be easily aligned and attached by contacting the opening blocking lid to the step.
また上記した熱交換器の、ほぼ全面が開放された開口に冷却ファンを取り付けてラジエータを形成すると、熱交換器のサイズと比較して相対的に大きな口径のファンを取り付けることができるので、ラジエータ内に一時に大量の空気を流入させることができ、冷却の効率が非常に優れたものとなる。 In addition, when a radiator is formed by attaching a cooling fan to the opening of the above-described heat exchanger that is open on the almost entire surface, a fan having a relatively large diameter can be attached compared to the size of the heat exchanger. A large amount of air can flow into the interior at a time, and the cooling efficiency is very excellent.
さらに、他の流体通路の入口として開放された熱交換器端面に、流体流入ノズルを取り付けた蓋を気密に被せる場合において、蓋の内面を、縦断面が板状エレメントにより形成される流体入口を焦点とした円弧形状または円弧が直線状に連続する波型形状に形成すると、ノズルから流入した流体が縦断面円弧形状または波型形状によって、効率よく円弧の焦点となる流体入口に導かれる。 Furthermore, when the end face of the heat exchanger opened as the inlet of the other fluid passage is covered with a lid attached with a fluid inflow nozzle in an airtight manner, the inner surface of the lid is provided with a fluid inlet whose longitudinal section is formed by a plate-like element. When the arc shape or the arc shape having the focal point is formed in a linear shape, the fluid flowing in from the nozzle is efficiently guided to the fluid inlet serving as the focal point of the arc by the arc shape or the wave shape of the longitudinal section.
一方の流体通路は熱交換器の一側面から他側面にかけて形成され、他方の流体通路は熱交換器の一端面から他端面にかけて形成されることにより、熱交換器側面および端面のほぼ全面を流路の出入口として開放することが可能となる。そして側面及び端面のほぼ前面を開放することで、側面および端面から熱交換器内に一時に大量の流体を流出入させることができるため、熱交換の効率がよくなる。 One fluid passage is formed from one side surface to the other side surface of the heat exchanger, and the other fluid passage is formed from one end surface to the other end surface of the heat exchanger, so that almost the entire side surface and end surface of the heat exchanger flow. It can be opened as a road entrance. By opening the front surfaces of the side surfaces and the end surfaces, a large amount of fluid can be made to flow into and out of the heat exchanger from the side surfaces and the end surfaces at a time.
以下、図面を参照しつつこの発明の実施の形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、異なった流体の流路を互いに隔離して熱交換膜となるスペーサ10を示す。図示のように、スペーサは平坦なほぼ長方形の板状体11の四隅に膨出部12を有し、膨出部12には位置合わせのための貫通孔13が設けられている。また、膨出部12の内側角隅には凹部14が設けられている。
FIG. 1 shows a
図2は、流体通路を形成する第一の複合板状エレメント20を表す。図示のように一つの流体通路を形成するため、全体として平坦な単板エレメント20aと単板エレメント20bが用いられる。
FIG. 2 represents a first
単板エレメント20aは、図2(a)のように両側がスペーサ10と同じ輪郭のフレーム21aにより囲まれ、両端が開放されている。開放された一端から他端にかけては、フレーム21aに両側が支持された、フレーム21aと同じ厚さのくの字型のリブ22aを平行に配置したパターンにより、不連続に仕切られている。フレーム21aの四隅には、膨出部23aが設けられ、膨出部23aには貫通孔24aが設けられている。また、膨出部23aの内側角隅には凹部25aが設けられている。
As shown in FIG. 2A, both sides of the
単板エレメント20bは、図2(b)のように単板エレメント20aと同寸法ほぼ同形であるが、くの字型リブ22bを平行に配置したパターンが左右反転しており、反転くの字型リブ22bを平行に配置したパターンになっている点のみが異なる。したがって単板エレメント20aを左右反転させて用いることができる。なお、図中符号21bはフレーム、23bは膨出部、24bは貫通孔、25bは凹部を表す。
The
図3は、流体通路を形成する第二の複合板状エレメント30を表す。図示のように一つの流体通路を形成するため、全体として平坦な単板エレメント30aと単板エレメント30bが用いられる。
FIG. 3 represents a second
単板エレメント30aは、図3(a)のように両端がスペーサ10と同じ輪郭のフレーム31aにより囲まれ、両側が開放されている。開放された一側から他側にかけては、フレーム31aに両端が支持された、フレーム31aと同じ厚さの波型リブ32aが、斜め格子状に配置された形状のパターンにより不連続に仕切られている。フレーム31aの四隅には、膨出部33aが設けられ、膨出部33aには貫通孔34aが設けられている。また、膨出部33aの内側角隅には、凹部35aが設けられている。
As shown in FIG. 3A, both ends of the
単板エレメント30bは、図3(b)のように単板エレメント30aと同寸法ほぼ同形であるが、波型リブ32bを斜め格子状に配置したパターンが上下反転している点のみが異なる。したがって単板エレメント30aを上下反転させて用いることができる。なお、図中符号31bはフレーム、33bは膨出部、34bは貫通孔、35bは凹部を表す。
As shown in FIG. 3B, the
図4は、流体通路を形成する第三の複合板状エレメント40を表す。図示のように一つの流体通路を形成するため、全体として平坦な単板エレメント40aと単板エレメント40bが用いられる。
FIG. 4 represents a third
単板エレメント40aは、図4(a)のように両側がスペーサ10と同じ輪郭のフレーム41aにより囲まれ、両端が開放されている。開放された一端から他端にかけては、フレーム41aと同じ厚さの波型のリブ42aが平行に配置され、このようなパターンにより不連続に仕切られている。フレーム41aの四隅には、膨出部43aが設けられ、膨出部43aには貫通孔44aが設けられている。また、膨出部43aの内側角隅には、凹部45aが設けられている。
As shown in FIG. 4A, both sides of the
単板エレメント40bは、図4(b)のように単板エレメント40aと同寸法ほぼ同形であるが、波型リブ42bを平行に配置したパターンが上下反転している点のみが異なる。したがって単板エレメント40aを上下反転させて用いることができる。なお、図中符号41bはフレーム、43bは膨出部、44bは貫通孔、45bは凹部を表す。
The
図5は、流体通路を形成する第四の複合板状エレメント50を表す。図示のように一つの流体通路を形成するため、全体として平坦な単板エレメント50aと単板エレメント50bが用いられる。
FIG. 5 represents a fourth
単板エレメント50aは、図5(a)のように両側がスペーサ10と同じ輪郭のフレーム51aにより囲まれ、両端が開放されている。開放された一端から他端にかけては、フレーム51aと同じ厚さの階段型のリブ52aが波状に配置され、このようなパターンにより不連続に仕切られている。フレーム51aの四隅には、膨出部53aが設けられ、膨出部53aには貫通孔54aが設けられている。また、膨出部53aの内側角隅には、凹部55aが設けられている。
As shown in FIG. 5A, the
単板エレメント50bは、図5(b)のように単板エレメント50aと同寸法ほぼ同形であるが、階段型リブ52bを波状に配置したパターンが左右反転している点のみが異なる。したがって単板エレメント50aを左右反転させて用いることができる。なお、図中符号51bはフレーム、53bは膨出部、54bは貫通孔、55bは凹部を表す。
The
図6は複合板状エレメント20、30、40、50およびスペーサ10を気密に挟持する側板60を表す。側板60は平坦で気密なほぼ長方形の板状体61の四隅に、膨出部62を設け、膨出部62には貫通孔63が設けられている。なお側板60はスペーサ10等と異なり、板状体61の両端が膨出部62の外端にまで延びている。このため後述するように、熱交換器の端面から複数の流体を流す場合にも、出入口周辺を気密に区画するため混ざり合うことがない。
FIG. 6 shows a
いま、図7に示すように、図2(b)に示す単板エレメント20bの上に、図2(a)に示す単板エレメント20aを重ね合わせて密着させると平面視斜め格子状のほぼ杉綾模様のパターンの複合板状エレメント20が出来上がる。そして単板エレメント20aおよび単板エレメント20b単独では、上述したようにリブ22a、22bで区画される流体通路は一端から他端にかけて不連続となっているが、重ね合わせると流体通路が交差することによって、リブ22a、22bの合計厚みがフレーム21a、21bの合計厚みに等しいところ以外は、空隙が生じ流体の流通が許容される。そのため、例えば図中矢印のような通路を選択すると一端から他端まで流体が流通可能となる。なお、図7中符号21はフレーム、22はリブ、23は膨出部、24は貫通孔、25は凹部を表す。
Now, as shown in FIG. 7, when the
同様に、図8に示すように、図3(b)に示す単板エレメント30bの上に、図3(a)に示す単板エレメント30aを重ね合わせて密着させると縦長の六角形が連続する平面視ハニカム状のパターンの複合板状エレメント30が出来上がる。そして単板エレメント30aおよび単板エレメント30b単独では、リブ32a、32bで区画される流体通路は一側から他側にかけて不連続となっているが、重ね合わせると流体通路が交差することによって、リブ32a、32bの合計厚みがフレーム31a、31bの合計厚みに等しいところ以外は、空隙が生じ流体の流通が許容される。そのため、例えば図中矢印のような通路を選択すると一側から他側まで流体が流通可能となる。なお、図8中符号31はフレーム、32はリブ、33は膨出部、34は貫通孔、35は凹部を表す。
Similarly, as shown in FIG. 8, when the
同様に、図9に示すように、図4(b)に示す単板エレメント40bの上に、図4(a)に示す単板エレメント40aを重ね合わせて密着させると横長の六角形が連続する平面視ハニカム状のパターンの複合板状エレメント40が出来上がる。そして単板エレメント40aおよび単板エレメント40b単独では、リブ42a、42bで区画される流体通路は一端から他端にかけて不連続となっているが、重ね合わせると流体通路が交差することによって、リブ42a、42bの合計厚みがフレーム41a、41bの合計厚みに等しいところ以外は、空隙が生じ流体の流通が許容される。そのため、例えば図中矢印のような通路を選択すると一端から他端まで流体が流通可能となる。なお図9中符号41はフレーム、42はリブ、43は膨出部、44は貫通孔、45は凹部を表す。
Similarly, as shown in FIG. 9, when the
同様に、図10に示すように、図5(b)に示す単板エレメント50bの上に、図5(a)に示す単板エレメント50aを重ね合わせて密着させると縦長の六角形が連続する平面視ハニカム状のパターンの複合板状エレメント50が出来上がる。そして単板エレメント50aおよび単板エレメント50b単独では、リブ52a、52bで区画される流体通路は一端から他端にかけて不連続となっているが、重ね合わせると流体通路が交差することによって、リブ52a、52bの合計厚みがフレーム51a、51bの合計厚みに等しいところ以外は、空隙が生じ流体の流通が許容される。そのため、適宜通路を選択すると一端から他端まで流体が流通可能となる。なおこの際に、リブ52a、52bが流体の流れ方向に対してほぼ直角になる階段状に形成されているため、流体に乱流が生じやすく、流体が複合板状エレメント50上に満遍なく広がるため、熱交換の効率が向上する。なお図10中符号51はフレーム、52はリブ、53は膨出部、54は貫通孔、55は凹部を表す。
Similarly, as shown in FIG. 10, when the
上記のようにして重ね合わせた複合板状エレメント20、30、40、50とスペーサ10および側板60から熱交換器70を製作し、さらにこの熱交換器70に、座金91を介して冷却ファン92を取り付けてラジエータを製作する。
A
まず、それぞれの膨出部12〜62に設けられた貫通孔13〜63で位置合わせしつつ、側板60、複合板状エレメント20、スペーサ10、複合板状エレメント30、スペーサ10、複合板状エレメント50、スペーサ10、複合板状エレメント30、側板60、複合板状エレメント40、スペーサ10、複合板状エレメント30、スペーサ10、複合板状エレメント50、スペーサ10、複合板状エレメント30、側板60の順で積み重ね密着接合させ熱交換器70を形成する。複合板状エレメント20等相互の接合には、拡散接合や、ニッケルペーストを用いた接合など公知の方法が用いられる。なお、膨出部12〜62は板状エレメント20等相互の接合後カットして熱交換器70の更なる小型化を図ってもよい。
First, the
図11のように、このようにして出来た熱交換器70の両端面のほぼ全面には、それぞれ2つの開口71、72が形成され、それらが中央の側板60により仕切られるため、一端から他端まで異なる2流体を流出入させることが出来る。この開口71、72には上述した凹部14〜55の積み重ねにより段部73が形成される。
As shown in FIG. 11, two
そして図12のように、開口71、72に、ノズル81a、82a、83a、84aを取り付けた4つの蓋81、82、83、84を、上述した段部73に当接させ、はめ込んで公知の方法により気密に接合する。
Then, as shown in FIG. 12, four
図13のように、流体入口側の一方蓋81の内面を、縦断面が複合板状エレメント40、50により形成される2つの流体入口72a、72bを焦点とした2円弧が連続する波型形状となり、それが水平方向に連続する曲面81bとすることにより、ノズル81aから流入した流体が縦断面波型形状の曲面81bによって、効率よくそれぞれの円弧の焦点となる2つの流体入口72a、72bに導かれることとなる。
As shown in FIG. 13, the inner surface of one
図12に示すように、熱交換器70の両側面にはほぼ全面にわたる開口74が形成される。さらに図14のように、一側開口74にフレームがほぼ方形の座金91に、冷却ファン92をボルト等の固定手段により固定し、開口74を気密に塞ぐように、これを並列させて2つ取り付けるとラジエータが完成する。この際、熱交換器70の側面のほぼ全面が開放されているため、熱交換器70のサイズと比べて相対的に大きな口径のファン92を取り付けることができる。このファン92により、一時に大量の空気を熱交換器70内に流入させることができるので、ラジエータの冷却の効率が非常によいものとなる。なお、勿論ファン92の数はこの実施形態に限られない。
As shown in FIG. 12,
このラジエータは例えばパーソナルコンピュータの冷却機に用いられ、端面から流出入する2流体としては、第一にはCPUを冷却する冷却水が考えられる。第二には、燃料電池を電源として用いる場合において、空気と反応させた際に残存した未反応の水素燃料が考えられ、これを再利用するためラジエータで冷却する。 This radiator is used, for example, in a cooler of a personal computer. As the two fluids flowing in and out from the end face, firstly, cooling water for cooling the CPU can be considered. Secondly, in the case where the fuel cell is used as a power source, unreacted hydrogen fuel remaining after reacting with air is conceivable, and it is cooled by a radiator to be reused.
なお、この実施形態では、スペーサ10と単板エレメント20a、20b、30a、30b、40a、40b、50a、50bを別体としたがこれに限定されず、これらを一体にしてもよい。すなわち、図15のように、兼用単板エレメント100a、100b上にエッチング等により、単板エレメント20a〜50bと同様の流路を形成することでスペーサ10の役割と単板エレメント20a〜50bの役割とを兼ね合わせることができる。この場合には、兼用単板エレメント100a、100b上の溝101a、101bが流体通路となり、畝102a、102bが単板エレメント20a〜50bのリブ22a〜52bの役割を果たす。そして、溝101a、101bを形成した面を対向させて重ね合わせることにより、複合板状エレメント20〜50の場合と同様に、単板エレメント100a、100b単独では不連続な流体通路すなわち溝101a、101bが、一端から他端あるいは一側から他側まで連通し、流体の流通が許容される。そしてこれらを積み重ねることにより、それぞれの流体通路が厚み方向に隔離されるとともに、厚み部分が流体相互の熱交換を媒介し、スペーサ10と同じ役割を担うこととなる。なお、兼用単板エレメント100a、100bの両面に溝を形成し、両面を流体通路として用いてもよいことは無論である。
In this embodiment, the
また、この実施形態では、熱交換器70と蓋81〜84を別体としたがこれに限定されず、これらを一体としてもよい。すなわち図16のように、複合板状エレメント20、30、40、50及びスペーサ10の両端を閉鎖リブ26、36、46、56、16で閉鎖しておき、これらを積み重ねて熱交換器70を形成すると、閉鎖リブ26〜56、16が重なり合うことで、熱交換器70端面に熱交換器70と一体となった蓋81〜84が形成される。こうして形成された蓋に孔を穿ち、上述したノズル81a〜84aを圧入することで流体の熱交換器70内への流出入が可能となる。このようにすれば、熱交換器70と別体の蓋81〜84を用意する必要がない。
Moreover, in this embodiment, although the
ここで、熱交換器70の材質はステンレス、アルミニウム、銅、チタンなどの金属が好ましく、なかでもスペーサ10は熱伝導性が高いことが必要であるため、金属製が好適である。また、スペーサ10、複合板状エレメント20、30、40、50、および側板60の厚みは0.1mmから3mmが好ましい。なお、流体通路を区画するリブのパターンは図示に限定されず種々選択可能である。
Here, the material of the
なお、本発明者が実験したところによると、この発明にかかるラジエータは従前の同性能のラジエータに比べて約六分の一の大きさにサイズダウンすることができるのでパーソナルコンピュータのCPU冷却機に用いた場合には、パーソナルコンピュータの大幅な小型化が図られ、また、空調機の室外機として用いた場合には、室外機の大幅な小型化が図られる。 According to an experiment conducted by the inventor, the radiator according to the present invention can be downsized to about one-sixth the size of a conventional radiator having the same performance. When used, the personal computer can be significantly reduced in size, and when used as an outdoor unit for an air conditioner, the outdoor unit can be significantly reduced in size.
10 スペーサ
11 板状体
12 膨出部
13 貫通孔
14 凹部
16 閉鎖リブ
20、30、40、50 複合板状エレメント
20a、20b、30a、30b、40a、40b、50a、50b 単板エレメント
21、21a、21b、31、31a、31b フレーム
41、41a、41b、51、51a、51b フレーム
22、22a、22b、32、32a、32b リブ
42、42a、42b、52、52a、52b リブ
23、23a、23b、33、33a、33b 膨出部
43、43a、43b、53、53a、53b 膨出部
24、24a、24b、34、34a、34b 貫通孔
44、44a、44b、54、54a、54b 貫通孔
25、25a、25b、35、35a、35b 凹部
45、45a、45b、55、55a、55b 凹部
26、36、46、56 閉鎖リブ
60 側板
61 板状体
62 膨出部
63 貫通孔
70 熱交換器
71、72 端面開口
72a、72b 流体入口
73 段部
74 側面開口
81、82、83、84 蓋
81a、82a、83a、84a ノズル
81b 曲面
91 座金
92 冷却ファン
100a、100b 兼用単板エレメント
101a、101b 溝
102a、102b 畝
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Spacer 11 Plate-shaped body 12 Bulging part 13 Through-hole 14 Recess 16 Closing rib 20, 30, 40, 50 Composite plate-shaped element 20a, 20b, 30a, 30b, 40a, 40b, 50a, 50b Single plate element 21, 21a , 21b, 31, 31a, 31b Frame 41, 41a, 41b, 51, 51a, 51b Frame 22, 22a, 22b, 32, 32a, 32b Rib 42, 42a, 42b, 52, 52a, 52b Rib 23, 23a, 23b , 33, 33a, 33b bulging part 43, 43a, 43b, 53, 53a, 53b bulging part 24, 24a, 24b, 34, 34a, 34b through hole 44, 44a, 44b, 54, 54a, 54b through hole 25 25a, 25b, 35, 35a, 35b Recess 45, 45a, 45b, 55, 55a, 55b Recess 6, 36, 46, 56 Closing rib 60 Side plate 61 Plate-like body 62 Swelling part 63 Through hole 70 Heat exchanger 71, 72 End face opening 72a, 72b Fluid inlet 73 Step part 74 Side opening 81, 82, 83, 84 Lid 81a, 82a, 83a, 84a Nozzle 81b Curved surface 91 Washer 92 Cooling fan 100a, 100b Single plate element 101a, 101b Groove 102a, 102b 畝
Claims (6)
一の流体通路は熱交換器の一側面から他側面にかけて形成され、他の流体通路は熱交換器の一端面から他端面にかけて形成され、熱交換器側面および端面のいずれか一方または双方のほぼ全面が流体通路の出入口として開放されていることを特徴とする板状熱交換器。 In a plate heat exchanger in which a plurality of plate elements forming a fluid passage through which a plurality of fluids can flow separately are overlapped and hermetically joined,
One fluid passage is formed from one side of the heat exchanger to the other side, and the other fluid passage is formed from one end surface to the other end surface of the heat exchanger, and approximately one or both of the heat exchanger side surface and the end surface. A plate-shaped heat exchanger characterized in that the entire surface is opened as an inlet / outlet of a fluid passage.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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