JP2007285260A - 排気系熱交換器 - Google Patents

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Abstract

【課題】シェル内の冷却媒体が高温になることを防止することができる排気系熱交換器を得る。
【解決手段】排気系熱交換器10では、シェルとしての外筒28内に、排気ガスを流通させるための排気ガス熱交換路38と、排気ガス熱交換路38に隣接して設けられエンジン冷却水を流通させる冷却水熱交換路44とが形成されている。冷却水熱交換路44におけるエンジン冷却水の流れ方向一端側の重力方向上部に位置する冷却水入口44Aには、外筒28を貫通した冷却水入口パイプ46が接続されており、冷却水熱交換路44におけるエンジン冷却水の流れ方向他端側の重力方向下部に位置する冷却水出口44Bには、外筒28を貫通した冷却水出口パイプ48が接続されている。冷却水出口パイプ48は、断熱材54が設けられて排気ガスに対し断熱されている。
【選択図】図1

Description

本発明は、例えば自動車等の排気ガスと冷却液との熱交換を行って排気熱を回収するための排気系熱交換器に関する。
上流側内部に排気制御弁が配設された内管と外管とで二重管構造を成し、内管と外管との間に冷却水と排気との熱交換を行う排気クーラを介装したエンジンの排気冷却装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開2004−293395号公報
しかしながら、上記の如き従来の技術では、エンジンが停止した場合には、排気クーラ内の冷却水通路で冷却水の循環が停止するため、排気管の余熱によって冷却水が異常に昇温して沸騰してしまうことが懸念される。
本発明は、上記事実を考慮して、シェル内の冷却媒体が高温になることを防止することができる排気系熱交換器を得ることが目的である。
請求項1記載の発明に係る排気系熱交換器は、排気ガスを流通させるための排気ガス流路と、前記排気ガス流路に隣接して設けられ冷却媒体を流通させる冷却媒体流路とが内部に形成されているシェルと、前記冷却媒体流路の前記冷却媒体の流れ方向一端側における重力方向の上部と前記シェルの外側とを連通する第1連通流路部と、前記冷却媒体流路の前記冷却媒体の流れ方向他端側における重力方向の下部と前記シェルの外側とを連通する第2連通流路部と、前記第2連通流路部における前記シェル内に位置する部分を前記排気ガスに対し断熱する断熱部と、を備えている。
請求項1記載の排気系熱交換器では、シェル内において排気ガス流路を流通する排気ガスと、冷却媒体流路を流通する冷却媒体との熱交換が行われる。冷却媒体は、第1連通流路部から第2連通流路部に向けて、又は第2連通流路部から第1連通流路部に向けて冷却媒体流路を流れ、シェルの内外を循環(強制循環)する。このとき、断熱部にて断熱されている第2連通流路部では、冷却媒体の温度(上昇)が冷却媒体流路における冷却媒体の温度よりも低く抑えれられる。
そして、冷却媒体の強制循環が停止した場合、相対的に低温であることで冷却媒体流路における冷却媒体よりも比重が大きい第2連通流路部の冷却媒体は、重力によって下方への流れを生じて冷却媒体流路の冷却媒体流れ方向他端側における重力方向下部に流れ込む。これにより、冷却媒体流路に第1連通流路部側に向かう冷却媒体の自然対流が生じ、冷却媒体が高温になることが防止される。また、断熱部を設けることで、自然対流を生じさせるために冷却媒体の一部を相対的に低温とする部分(第2連通流路部)をシェル内に設けることができた。これにより、第2連通流路部は、シェルに覆われて保護される。
このように、請求項1記載の排気系熱交換器では、シェル内の冷却媒体が高温になることを防止することができる。
請求項2記載の発明に係る排気系熱交換器は、請求項1記載の排気系熱交換器において、前記第2連通流路部における前記シェルの貫通部分を除く部分は、前記排気ガスの流れ方向から見て全体が前記冷却媒体流路にオーバラップするように形成されている。
請求項2記載の排気系熱交換器では、排気ガス流れ方向から見てシェルの貫通部分を除き全体として冷却媒体流路にオーバラップしている第2連通流部は、排気ガスの流れを妨げることがないので、排気ガスの背圧上昇が抑制される。
請求項3記載の発明に係る排気系熱交換器は、請求項2記載の排気系熱交換器において、前記第2連通流路部における前記シェルの貫通部分を除く部分は、前記排気ガスの流れ方向から見て前記冷却媒体流路と同じ断面形状を有する。
請求項3記載の排気系熱交換器では、排気ガス流れ方向から見てシェルの貫通部分を除き全体として冷却媒体流路にオーバラップしている第2連通流部は、上記した背圧上昇の抑制効果を維持しつつ、自然対流を生じさせるための低温の冷却媒体を貯えることができる。
請求項4記載の発明に係る排気系熱交換器は、請求項2又は請求項3記載の排気系熱交換器において、前記冷却媒体流路は、前記排気ガス流路を同軸的に囲む筒状を成している。
請求項4記載の排気系熱交換器では、例えば、排気ガス流路を規定する内筒壁と、該内筒壁の外側に同軸的に設けられた外筒壁との間に冷却媒体流路が形成されており、この冷却媒体流路に対する軸線方向の何れか一方側に第2連通流路部が設けられている。強制循環の停止時には、筒状に連続する第2連通流路部の下部に第2連通流路部からの低温の冷却媒体が流れ込むため、自然対流による冷却媒体の流れの淀み部が生じ難く、シェル内の冷却媒体が高温になることを効果的に防止することができる。
請求項5記載の発明に係る排気系熱交換器は、請求項2乃至請求項4の何れか1項記載の排気系熱交換器において、前記第2連通流路部は、前記冷却媒体流路に対し前記排気ガスの流れ方向下流側に配置されている。
請求項5記載の排気系熱交換器では、冷却媒体との熱交換で吸熱された後の排気ガスが第2連通流路部に接触するので、第2連通流路部における排気ガスからの受熱量が小さくなる。このため、第2連通流路部内の冷却媒体を温度をより低温にすることができる。
請求項6記載の発明に係る排気系熱交換器は、請求項1乃至請求項5の何れか1項記載の排気系熱交換器において、前記第2連通流路は、前記冷却水流路における前記冷却媒体の流れ方向他端部を仕切板で区画することにより形成されている。
請求項6記載の排気系熱交換器では、冷却媒体流路と第2連通流路部とが一体的に構成されているため、換言すれば、冷却媒体流路と第2連通流路部との間に排気ガスの流通する空隙部分がないため、第2連通流路部の排気ガスとの接触面積が小さく、第2連通流路部内の冷却媒体を温度をより低温にすることができる。
以上説明したように本発明に係る排気系熱交換器は、シェル内の冷却媒体が高温になることを防止することができるという優れた効果を有する。
本発明の第1の実施形態に係る排気系熱交換器10について、図1及び図2に基づいて説明する。なお、以下の説明で、単に上流・下流の語を用いるときは、排気ガスの流れ方向の上流・下流を示すものとする。また、各図に示す矢印UP、矢印LOは、重力方向(車体上下方向)の上側、下側をそれぞれ示すものとする。
図2には、排気系熱交換器10が適用された排気熱回収システム18の概略全体構成が模式的なフロー図にて示されている。この図に示される如く、排気熱回収システム18は、自動車の内燃機関エンジン12の排気ガスが有する熱をエンジン冷却水との熱交換によって回収し、暖房やエンジン12の暖機促進等に利用する装置である。
エンジン12には、排気ガスを導出する排気経路を構成する排気管14が接続されている。排気管14による排気ガスの排出経路上には、上流側から順に触媒コンバータ16、排気系熱交換器10、メインマフラ20が配設されている。触媒コンバータ16は、内蔵した触媒16Aによって通過する排気ガスを浄化するように構成されている。消音器としてのメインマフラ20は、排気ガスを大気中に排出するのに伴って生じる排気音を低減するように構成されている。
排気系熱交換器10は、排気ガスとエンジン冷却水のとの熱交換によって排気ガスの熱をエンジン冷却水に回収させる構成とされている。また、この排気系熱交換器10内には、排気ガスのバイパス流路22、該バイパス流路22を開閉するための流路切替装置としての流路切替バルブ24が配設されており、排気ガスがエンジン冷却水との熱交換を行う排気熱回収モードと、排気ガスがバイパス流路22を通過するノーマルモードとを切り替え得る構成とされている。以下、具体的に説明する。
図1(A)及び図1(B)に示される如く、排気系熱交換器10は、それぞれ円筒状に形成されると共に同心円状に配置された内筒26とシェルとしての外筒28とを有して構成されており、内筒26と外筒28との間に排気ガスとエンジン冷却水とが熱交換を行うための熱交換部30が構成されている。
内筒26は、軸線方向が水平方向(例えば、車体前後方向)と一致するように配置され、外筒28の軸心部を貫通しており、軸線方向の両端部が排気管14に接続されて連続している。内筒26は、排気管14の一部として構成されても良い。また、排気系熱交換器10は、上流端が内筒26の外周に気密状態で固定されると共に下流端が外筒28の上流端28Aに接続されたコニカル胴32と、下流端が内筒26の外周に気密状態で固定されると共に上流端が外筒28の下流端28Bに接続されたコニカル胴34とを備えている。
この排気系熱交換器10における熱交換部30には、内筒26とコニカル胴32との間の空間である排気ガス入口ヘッダ36と、内筒26と外筒28との間に形成された円筒状空間である排気ガス熱交換路38と、内筒26とコニカル胴34との間の空間である排気ガス出口ヘッダ40とが形成されている。一方、内筒26の内部は、上記したバイパス流路22とされている。この内筒26には、コニカル胴32の内側部分に設けられて排気ガス入口ヘッダ36に連通する熱交換器入口孔26Aと、コニカル胴34の内側部分に設けられて排気ガス出口ヘッダ40に連通する熱交換器出口孔26Bとが形成されている。
そして、排気ガス熱交換路38内には、冷却水管42が配設されており、排気系熱交換器10におけるエンジン冷却水の流通路である冷却水熱交換路44を構成している。この実施形態では、冷却水管42は、二重円筒の内側に円筒形状の冷却水熱交換路44を形成している。冷却水管42における冷却水流れ方向(強制循環方向)の上流側には、第1連通流路部としての冷却水入口パイプ46が接続されている。冷却水入口パイプ46は、外筒28を貫通しており、水平方向に軸線方向一致させた円筒形状の冷却水熱交換路44における重力方向の最上部に位置する冷却水入口44Aと、外筒28の外部(後述するヒータ温水路60)とを連通している。
一方、冷却水管42における冷却水流れ方向(強制循環方向)の下流側には、その重力方向の最下部において排気ガス流れ方向下流側を向いて開口する冷却水出口44Bが形成されている。冷却水出口44Bには、第2連通流路部としての冷却水出口パイプ48が接続されている。冷却水出口パイプ48は、内外径とも冷却水管42の内外径に一致する円環状に形成されると共に該冷却水管42の排気ガス流れ方向下流側に同軸的に配置されたリングパイプ50と、外筒28を貫通してリングパイプ50の重力方向最上部と外筒28の外部とを連通する出口ポート部52とを含んで構成されている。したがって、冷却水熱交換路44の冷却水出口44Bは、冷却水出口パイプ48を介して外筒28の外部に連通している。
上記構成のリングパイプ50は、排気ガス流れ方向の上流側から見て、その全体が冷却水管42の背後に隠れる(投影される部分がない)ように、その全体が冷却水管42とオーバラップしている。この実施形態では、リングパイプ50は、排気ガス熱交換路38と排気ガス出口ヘッダ40との境界近傍に位置しており、冷却水管42の下流端とは若干離間している。
冷却水出口パイプ48は、断熱部としての断熱材54が設けられて断熱構造とされている。断熱材54は、冷却水出口パイプ48を構成するリングパイプ50、出口ポート部52の各内面に略全周に亘り設けられており、冷却水出口パイプ48の内部を排気ガスに対し断熱している。なお、断熱材54は、冷却水出口パイプ48の外面(内外面とも)に設けられても良いが、その外形が全体として冷却水管42とオーバラップすることが望ましい。断熱材54としては、例えばシリコン、耐熱樹脂、グラスウールやセラミックウールを鉄板等で保持したもの等が用いられる。
以上説明した排気系熱交換器10では、流路切替バルブ24が内筒26(バイパス流路22)を閉止している場合には、排気ガスが排気ガス熱交換路38に流れることで熱交換機能を果たし、流路切替バルブ24が内筒26を開放している場合には、排気ガスが主にバイパス流路22を流れて排気ガスバイパス機能を果たす構成とされている。なお、冷却水管42が配設された排気ガス熱交換路38の流動抵抗(圧力損失)は、開放されているバイパス流路22の流動抵抗に対し大きく、流路切替バルブ24が内筒26を開放している場合には、排気ガス熱交換路38には殆ど排気ガスが流れない構成とされている。
流路切替バルブ24は、図示しない制御装置としてのECUによって制御され、例えば、エンジン12の暖機促進要求がされた場合、エンジン冷却水温が低いときに暖房要求がされた場合などにバイパス流路22を閉止するようになっている。
一方、排気熱回収システム18は、エンジン冷却水の熱を暖房用に回収するフロントヒータコア56、リヤヒータコア58、及びエンジン冷却水をフロントヒータコア56、リヤヒータコア58に循環させるヒータ温水路60を備えている。フロントヒータコア56とリヤヒータコア58とは、並列に配置されている。そして、ヒータ温水路60におけるリヤヒータコア58の下流側に排気系熱交換器10が配置されている。すなわち、ヒータ温水路60におけるリヤヒータコア58側に冷却水入口パイプ46が配置されると共に、ヒータ温水路60におけるエンジン12の上流側に冷却水出口パイプ48の出口ポート部52が配置されている。この実施形態では、排気系熱交換器10は、エンジン冷却水の系統においては、フロントヒータコア56に対し並列でかつリヤヒータコア58に対し直列に配置されている。
したがって、排気熱回収システム18では、図2のヒータ温水路60上に示す矢印の通りエンジン冷却水が流れるようになっている。これにより、エンジン12を通った高温の温水がフロントヒータコア56及びリヤヒータコア58を通る際に熱交換されて暖房に利用され、リヤヒータコア58にて降温されたエンジン冷却水が排気系熱交換器10に導入されて上記排気ガスと熱交換する構成である。排気系熱交換器10を通過したエンジン冷却水は、フロントヒータコア56を通過したエンジン冷却水と共にエンジン12に戻されるようになっている。このように、排気系熱交換器10は、例えば暖房機能の観点からは、エンジン12によって加熱される前のエンジン冷却水を予熱する予熱器として機能する構成である。
次に、本第1の実施形態の作用を説明する。
上記構成の排気熱回収システム18では、エンジン12の始動直後のようにエンジン冷却水温が低い場合には、例えば暖房要求やエンジン12の暖機促進要求に基づいてECUが流路切替バルブ24を閉駆動してバイパス流路22を閉止させる。すなわち、排気熱回収モードが選択される。すると、エンジン12の排気ガスはバイパス流路22を流れず、排気系熱交換器10の排気ガス熱交換路38に導入される。排気ガス熱交換路38に導入された排気ガスは、排気系熱交換器10においてエンジン冷却水との間で熱交換を行い、エンジン冷却水を加熱させる。これにより、暖房が促進され又はエンジン12の暖機が促進される。
一方、エンジン冷却水温が上昇して閾値を超えると、ECUは流路切替バルブ24を開作動して22を開放させる。すなわち、排気熱回収モードからノーマルモードに切り替わる。すると、排気ガスは主にバイパス流路22を流通する。この場合でも、エンジン12すなわちウォータポンプの作動によって、エンジン冷却水は冷却水管42を含むヒータ温水路60を循環する。
そして、エンジン12を停止すると、ウォータポンプの作動が停止されるので、エンジン冷却水のウォータポンプによる強制循環が停止する。他方、排気系熱交換器10の内筒26(バイパス流路22)は、エンジン12の停止後しばらくは高温状態が維持される。この高温のバイパス流路22からは、冷却水管42内のエンジン冷却水に熱が伝達される。
ここで、排気系熱交換器10では、冷却水出口パイプ48に断熱材54を設けたため、排気ガスからの受熱量が相対的に小さい冷却水出口パイプ48内のエンジン冷却水温は、冷却水熱交換路44内のエンジン冷却水温と比較して低温であり、比重が大きい。このため、冷却水出口パイプ48内のエンジン冷却水は、重力によって重力方向の下向きの流れを生じ、冷却水出口44Bから冷却水熱交換路44の長手方向一端部における最下部に流入する。これにより、冷却水熱交換路44内のエンジン冷却水は押し出され、マクロ的に冷却水入口44Aに向かう流れを生じる。すなわち、排気系熱交換器10(外筒28)内においてエンジン冷却水の自然対流が生じる。
このように、エンジン12の停止時にエンジン冷却水の自然対流すなわち循環流が生じるので、エンジン冷却水が過度に昇温したり沸騰したりすることが防止される。特に、排気系熱交換器10では、中央部にバイパス流路22が配置されることで排気ガス容量が大きく、エンジン12の停止時にエンジン冷却水高温になり易いが、冷却水出口パイプ48(主に50)及び断熱材54を設けることで、冷却水管42の冷却媒体が高温になることを防止することができる。
また、排気系熱交換器10では、例えば電動ポンプ等を用いてエンジン12の停止時にエンジン冷却水の強制循環流を生じさせる構成のように電力を生じすることがないため、エンジン冷却水が過度に昇温したり沸騰したりすることを防止しつつ、燃費の悪化を防止することができる。
さらに、排気系熱交換器10では、排気ガス流れ方向から見てリングパイプ50が冷却水管42と略同じ断面形状とされて該冷却水管42の背面側に隠れているため、リングパイプ50が排気ガスの流れを阻害することがない。したがって、リングパイプ50を含む冷却水出口パイプ48を設けることにより排気ガス流の背圧を上昇させてしまうことが防止される。また、リングパイプ50の断面形状が冷却水熱交換路44の断面形状に略一致するため、上記した背圧上昇抑制効果を維持しつつ低温のエンジン冷却水の保持量を増すことができる。
そして、排気系熱交換器10では、冷却水熱交換路44が円筒形状に形成されているため、換言すれば、所要の表面積を維持しつつ循環方向に連続した(この実施形態では単一の)冷却水流路を構成しているため、自然対流によりエンジン冷却水のよどみが生じ難く、熱交換部30(外筒28)内の冷却媒体が高温になることを効果的に防止することができる。
しかも、排気系熱交換器10では、リングパイプ50が冷却水管42に対し排気ガス流れ方向の下流側に位置するため、リングパイプ50における排気ガスからの受熱量が小さくなる。このため、リングパイプ50内のエンジン冷却水温をより低温にすることができる。これにより、エンジン12の停止時の自然対流を促進することができる。
またここで、排気系熱交換器10では、断熱材54を設けることで、外筒28内に配設されたリングパイプ50内のエンジン冷却水の比重を相対的に高くすることが実現された。これにより、エンジン冷却水の自然対流を生じさせるためにエンジン冷却水流路の一部を、冷却水管42の側方で外筒28の外側に配置した構成のように、車両走行中に飛び石等によって損傷を受けることが防止される。すなわち、リングパイプ50は外筒28にて保護されている。
次いで、本発明の第2の実施形態に係る排気系熱交換器70について、図3に基づいて説明する。なお、上記第1の実施形態と基本的に同一の部品・部分については上記第1の実施形態と同一の符号を付して説明を省略する。
図3(A)には、排気系熱交換器70の断面図が示されており、図3(B)には図3(A)の3B−3B線に沿った断面図が示されている。これらの図に示される如く、排気系熱交換器70は、冷却水出口パイプ48が冷却水管42とは別体であるリングパイプ50に代えて、冷却水管42と一体的に設けられたリング状管路72を備える点で、第1の実施形態に係る排気系熱交換器10とは異なる。
具体的には、リング状管路72は、冷却水管42の下流端側に仕切板74を介装することで、冷却水熱交換路44とは区画されたエンジン冷却水路(第2連通流路部)として形成されている。仕切板74は、冷却水熱交換路44(冷却水管42)の断面形状に対応するリング状の平板の最下部を水平面に沿って切除した如く形成され、リング状部分の最上部からさらに上方に延出された部分が出口ポート部52に入り込んでいる。これにより、リング状管路72と冷却水熱交換路44とは、仕切板74に切除部を形成することによって形成された冷却水出口44Bにおいて連通している。
このように形成されたリング状管路72には、リングパイプ50と同様に断熱材54が設けられている。排気系熱交換器70の他の構成は、排気系熱交換器10の対応する構成と同じである。
したがって、第2の実施形態に係る排気系熱交換器70によっても、第1の実施形態に係る排気系熱交換器10と同様の作用によって同様の効果を得ることができる。また、排気系熱交換器70では、リング状管路72が冷却水管42に一体に形成されているため、排気系熱交換器10のように冷却水管42とリングパイプ50との間に排気ガスの流通可能な隙間が形成されることがなく、リング状管路72の排気ガスとの接触面積が小さい。このため、リング状管路72の排気ガスからの受熱量が一層小さくなり、リング状管路72内のエンジン冷却水をより低温に保つことが可能になる。
なお、上記した各実施形態では、冷却水入口パイプ46が強制循環流におけるエンジン冷却水の入口であり冷却水出口パイプ48が出口である(並行流型熱交換器である)例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、強制循環において冷却水出口パイプ48の出口ポート部52からエンジン冷却水を導入し、冷却水入口パイプ46から排出するようにしても良い。
また、上記した各実施形態では、冷却水熱交換路44が単一の冷却水管42にて形成された例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、冷却水熱交換路44が同心円筒状の複数層を成しても良く、冷却水熱交換路44が複数の直管にて構成されるようにしても良い。
さらに、上記実施形態では、バイパス流路22が排気系熱交換器10を構成する内筒26内に形成された例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、バイパス流路22を排気系熱交換器10の側方に並列して配置した管によって構成しても良く、バイパス流路22を有しない構成に本発明を適用しても良い。
本発明の第1の実施形態に係る排気系熱交換器を示す図であって、(A)は側断面図、(B)は図1(A)の1B−1B線に沿った断面図である。 本発明の第1の実施形態に係る排気系熱交換器が適用された排気熱回収システムのシステムフロー図である。 本発明の第2の実施形態に係る排気系熱交換器を示す図であって、(A)は側断面図、(B)は図3(A)の3B−3B線に沿った断面図である。
符号の説明
10 排気系熱交換器
28 外筒(シェル)
38 排気ガス熱交換路(排気ガス流路)
44 冷却水熱交換路(冷却媒体流路)
46 冷却水入口パイプ(第1連通流路部)
48 冷却水出口パイプ(第2連通流路部)
50 リングパイプ(第2連通流路部におけるシェルの貫通部分を除く部分)
52 出口ポート部(第2連通流路部におけるシェルの貫通部分)
54 断熱材(断熱部)
70 排気系熱交換器
72 リング状管路(第2連通流路部におけるシェルの貫通部分を除く部分)
74 仕切板

Claims (6)

  1. 排気ガスを流通させるための排気ガス流路と、前記排気ガス流路に隣接して設けられ冷却媒体を流通させる冷却媒体流路とが内部に形成されているシェルと、
    前記冷却媒体流路の前記冷却媒体の流れ方向一端側における重力方向の上部と前記シェルの外側とを連通する第1連通流路部と、
    前記冷却媒体流路の前記冷却媒体の流れ方向他端側における重力方向の下部と前記シェルの外側とを連通する第2連通流路部と、
    前記第2連通流路部における前記シェル内に位置する部分を前記排気ガスに対し断熱する断熱部と、
    を備えた排気系熱交換器。
  2. 前記第2連通流路部における前記シェルの貫通部分を除く部分は、前記排気ガスの流れ方向から見て全体が前記冷却媒体流路にオーバラップするように形成されている請求項1記載の排気系熱交換器。
  3. 前記第2連通流路部における前記シェルの貫通部分を除く部分は、前記排気ガスの流れ方向から見て前記冷却媒体流路と同じ断面形状を有する請求項2記載の排気系熱交換器。
  4. 前記冷却媒体流路は、前記排気ガス流路を同軸的に囲む筒状を成している請求項2又は請求項3記載の排気系熱交換器。
  5. 前記第2連通流路部は、前記冷却媒体流路に対し前記排気ガスの流れ方向下流側に配置されている請求項2乃至請求項4の何れか1項記載の排気系熱交換器。
  6. 前記第2連通流路は、前記冷却水流路における前記冷却媒体の流れ方向他端部を仕切板で区画することにより形成されている請求項1乃至請求項5の何れか1項記載の排気系熱交換器。
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