JP2008126720A - クーリングモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】コンデンサ部と他の熱交換器部とを有する一体型熱交換器が発熱体の空気流れ下流側に配置されるクーリングモジュールにおいて、コンデンサ部の熱交換性能を確保する。
【解決手段】インタークーラ１００と、冷凍サイクル内を循環する冷媒と空気とを熱交換して冷媒を冷却するコンデンサ部２００と、冷媒より温度が高いオイルと空気とを熱交換してオイルを冷却するオイルクーラ部３００とを有する一体型熱交換器１とを設け、コンデンサ部２００およびオイルクーラ部３００を鉛直方向に並列に配置し、一体型熱交換器１をインタークーラ１００の空気流れ下流側に配置し、一体型熱交換器１の鉛直方向の長さを、インタークーラ１００の鉛直方向の長さより長くし、オイルクーラ部３００を、空気流れ方向から見て、インタークーラ１００の少なくとも一部と重なるように配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発熱体と、複数の熱交換器部を有する一体型熱交換器とを備えるクーリングモジュールに関する。

自動車等の車両には、エンジン冷却用のラジエータや、空調冷媒冷却用のコンデンサの他に、車両オートマチックトランスミッション用のトルクコンバータ内のオイル冷却用のオイルクーラや、エンジンオイル冷却用のオイルクーラ、近年のいわゆるハイブリッド車両においては電動モータの制御を行うインバータ等の電子部品冷却用のラジエータ等、多くの熱交換器が備えられている。

近年、車両の衝突安全性に伴う熱交換器の薄幅化、コンパクト化による設置スペースの節減、組み付け作業工数の削除等が望まれている。その対応として、１つの熱交換器の左右一対のヘッダ（タンク）内を、互いに対応する位置で仕切板で仕切ることにより、１つの熱交換器コアに互いに独立したコンデンサ部とオイルクーラ部の２つの熱交換器機能を持たせるようにした一体型熱交換器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
米国特許第６３９４１７６号明細書

ところで、内燃機関に吸入される燃焼用の空気（吸気）を冷却するインタークーラ（発熱体）が搭載されている車両では、インタークーラは、車両前方側から空気を最も導入しやすいバンパ下部に配置されることが多い。インタークーラでの熱交換量は走行負荷により変化するが、最大負荷時にはインタークーラの空気流れ下流側の空気温度は外気温＋３０℃程度となる。例えば外気温が３０℃の場合、インタークーラの空気流れ下流側の空気温度は最大６０℃となり、コンデンサ部の冷媒の凝縮温度（４０〜４５℃程度）を上回る条件も発生する。

このような条件下において、コンデンサ部をインタークーラの空気流れ下流側に配置すると、コンデンサ部の熱交換性能が著しく低下するという問題がある。

特に、一体型熱交換器のコンデンサ部を、気相冷媒と空気との熱交換により気相冷媒を凝縮させる凝縮部と、凝縮された冷媒と外気との熱交換により冷媒をさらに冷却する過冷却部とから構成した場合、過冷却部をインタークーラの空気流れ下流側に配置すると、過冷却部において冷媒の沸騰現象が生じる。これにより、コンデンサ部の冷媒流れ下流側に配置される膨張弁での冷媒流量不足が発生し、著しく冷房性能が悪化するという問題がある。また、膨張弁に気相冷媒が流入し、膨張弁から異音が発生するという問題もある。

本発明は、上記点に鑑み、コンデンサ部と他の熱交換器部とを有する一体型熱交換器が発熱体の空気流れ下流側に配置されるクーリングモジュールにおいて、コンデンサ部の熱交換性能を確保することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、発熱体（１００）と、冷凍サイクル内を循環する冷媒と空気とを熱交換して冷媒を冷却するコンデンサ部（２００）と、冷媒より温度が高い他の流体と空気とを熱交換して他の流体を冷却する他の熱交換器部（３００）とを有する一体型熱交換器（１）とを備え、コンデンサ部（２００）および他の熱交換器部（３００）は、鉛直方向に並列に配置されており、一体型熱交換器（１）は、発熱体（１００）の空気流れ下流側に配置されており、一体型熱交換器（１）の鉛直方向の長さは、発熱体（１００）の鉛直方向の長さより長くなっており、他の熱交換器部（３００）は、空気流れ方向から見て、発熱体（１００）の少なくとも一部と重なるように配置されていることを第１の特徴としている。

このように、発熱体（１００）の空気流れ下流側、すなわち空気温度が高くなる部分に、コンデンサ部（２００）の冷媒より温度が高い他の流体を冷却する他の熱交換器部（３００）を配置することで、空気温度が比較的低い部分にコンデンサ部（２００）を配置することができる。これにより、コンデンサ部（２００）の熱交換性能を確保することが可能となる。

また、上記第１の特徴を有するクーリングモジュールにおいて、コンデンサ部（２００）を、冷媒を凝縮させる凝縮部（２１０）と、凝縮部（２１０）より流入した冷媒を過冷却する過冷却部（２２０）とから構成してもよい。

また、本発明では、発熱体（１００）と、冷凍サイクル内を循環する冷媒と空気とを熱交換して冷媒を冷却するコンデンサ部（２００）と、冷媒より温度が高い他の流体と空気とを熱交換して他の流体を冷却する他の熱交換器部（３００）とを有する一体型熱交換器（１）とを備え、コンデンサ部（２００）および他の熱交換器部（３００）は、鉛直方向に並列に配置されており、一体型熱交換器（１）は、発熱体（１００）の空気流れ下流側に配置されており、一体型熱交換器（１）の鉛直方向の長さは、発熱体（１００）の鉛直方向の長さより長くなっており、コンデンサ部（２００）は、冷媒を凝縮させる凝縮部（２１０）と、凝縮部（２１０）より流入した冷媒を過冷却する過冷却部（２２０）とを有しており、過冷却部（２２０）は、空気流れ方向から見て、発熱体（１００）と重ならないように配置されていることを第２の特徴としている。

このように、コンデンサ部（２００）のなかでもより低温にする必要がある過冷却部（２２０）を、発熱体（１００）の空気流れ下流側、すなわち空気温度が高くなる部分に配置しないようにすることで、コンデンサ部（２００）の熱交換性能を確保することが可能となる。このとき、過冷却部（２２０）における冷媒の沸騰現象の発生を抑制できるため、コンデンサ部（２００）の冷媒流れ下流側に配置される膨張弁での冷媒流量不足を抑制し、冷房性能の悪化を抑制することが可能となる。また、膨張弁への気相冷媒の流入を抑制できるため、膨張弁から異音が発生することを抑制できる。

また、本発明では、過冷却部（２２０）は、鉛直方向において凝縮部（２１０）を挟んで他の熱交換器部（３００）と反対側に配置されていることを第３の特徴としている。

一体型熱交換器（１）において、過冷却部（２２０）、凝縮部（２１０）、他の熱交換器部（３００）の順に温度が高くなる。このため、最も高温になる他の熱交換器部（３００）と最も低温になる過冷却部（２２０）とを離して配置することで、他の熱交換器部（３００）から過冷却部（２２０）への熱移動を回避することができる。これにより、コンデンサ部（２００）の熱交換性能をより確実に確保することが可能となる。

また、上記第１〜第３の特徴を有するクーリングモジュールにおいて、コンデンサ部（２００）を、冷媒が流通する第１のチューブ（２ａ）を複数本積層して構成し、他の熱交換器部（３００）を、他の流体が流通する第２のチューブ（２ｂ）を、第１のチューブ（２ａ）の積層方向に複数本積層して構成し、一体型熱交換器（１）に、第１および第２のチューブ（２ａ、２ｂ）の長手方向両端にそれぞれ配置され、第１および第２のチューブ（２ａ、２ｂ）の積層方向に延びて複数本の第１および第２のチューブ（２ａ、２ｂ）と連通するヘッダタンク（５）を設け、コンデンサ部（２００）と他の熱交換器部（３００）とを同一のヘッダタンク（５）により一体化した構成にしてもよい。

また、発熱体を、内燃機関の吸気を加圧する過給器の吸気流れ下流側に配置され、吸気と空気とを熱交換させて吸気を冷却するインタークーラ（１００）としてもよい。

また、他の熱交換器部を、車載機器のオイルを冷却するオイルクーラ部（３００）としてもよい。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

以下、本発明の一実施形態について図１および図２に基づいて説明する。本実施形態では、本発明に係るクーリングモジュールを、内燃機関（エンジン）を駆動源として走行する車両に適用した場合を例として説明する。図１は、本実施形態に係るクーリングモジュールの車両搭載状態を示す図である。

図１に示すように、本実施形態のクーリングモジュールは、車両の前端部に搭載されており、コンデンサ部２００およびオイルクーラ部３００を有する一体型熱交換器１、およびインタークーラ１００を備えている。インタークーラ１００は、内燃機関の吸気を加圧する過給器（図示せず）の吸気流れ下流側に配置され、吸気と空気とを熱交換させて吸気を冷却する空冷式の熱交換器である。なお、インタークーラ１００が、本発明の発熱体に相当している。

一体型熱交換器１は、インタークーラ１００の空気流れ下流側（車両後方側）に配置されている。一体型熱交換器１の鉛直方向（車両上下方向）の長さは、インタークーラ１００の鉛直方向の長さより長くなっている。本実施形態では、インタークーラ１００の鉛直方向の長さは、コンデンサ部２００の後述する過冷却部２２０の鉛直方向の長さ、およびオイルクーラ部３００の鉛直方向の長さより長くなっている。また、一体型熱交換器１の下端部とインタークーラ１００の下端部とは、鉛直方向の位置が等しくなっている。

図２は、本実施形態における一体型熱交換器１を示す断面図である。図２に示すように、本実施形態の一体型熱交換器１は、複数のチューブ２およびフィン３からなる１つのコア部４と、コア部４の左右両端部に組み付け配置される一対のヘッダタンク５とを有している。

チューブ２は熱媒体（本実施形態では、冷媒またはオイル）が流れる管であり、このチューブ２は、空気流れ方向（紙面垂直方向）が長径方向と一致するように扁平状に形成されているとともに、その長手方向が水平方向に一致するように鉛直方向に複数本平行に配置されている。フィン３は、波状に成形されるとともに、チューブ２の両側の扁平面に接合されており、このフィン３により空気との伝熱面積を増大させて熱媒体と空気との熱交換を促進している。また、コア部４の両端部には、チューブ２の長手方向と略平行に延びてコア部４を補強するインサート６が設けられている。

ヘッダタンク５は、チューブ２の長手方向端部（本実施形態では、左右端）にてチューブ２の長手方向と直交する方向（本実施形態では、鉛直方向）に延びて複数のチューブ２と連通するもので、このヘッダタンク５は、チューブ２が挿入接合されたコアプレート５ａと、コアプレート５ａとともにタンク内空間を構成するタンク本体５ｂとを有して構成されている。なお、一対のヘッダタンク５のうち、図２中左側に位置するヘッダタンクを第１のヘッダタンク５１といい、図２中右側に位置するヘッダタンクを第２のヘッダタンク５２という。

コア部４は、車両用冷凍サイクル（空調装置）内を循環する冷媒と空気とを熱交換して冷媒を冷却するコンデンサ部２００と、車両オートマチックトランスミッション用のトルクコンバータ内のオイルを冷却するオイルクーラ部３００とを構成するものである。本実施形態では、コンデンサ部２００が上方側に配置され、オイルクーラ部３００が下方側に配置されている。ここで、複数のチューブ２のうち、コンデンサ部２００を構成し、冷媒が流通するチューブを第１のチューブ２ａといい、オイルクーラ部３００を構成し、オイルが流通するチューブを第２のチューブ２ｂという。なお、オイルクーラ部３００が、本発明の他の熱交換器部に相当している。

コンデンサ部２００とオイルクーラ部３００との境界部（第１のチューブ２ａと第２のチューブ２ｂとの間）に配設されるチューブは、熱媒体が流れないダミーチューブ６となっている。本実施形態では、ダミーチューブ６は、その長手方向両端部を閉塞することにより形成されている。

ヘッダタンク５の内部におけるダミーチューブ６の上下には、第１のセパレータ７１がそれぞれ配置されている。これにより、ヘッダタンク５の内部は、第１のセパレータ７１を境としてヘッダタンク長手方向（鉛直方向）に２つに分割されている。

次に、オイルクーラ部３００の構成について説明する。オイルクーラ部３００は、オイル流れがＵ字状であるＵ字ターンタイプになっている。第１のヘッダタンク５１における２つの第１のセパレータ７１より下側の部位（以下、第１のオイルヘッダ部５１ａという）には、オイルをオイルクーラ部３００内部に流入させるオイル入口部３１と、オイルをオイルクーラ部３００外部へ流出させるオイル出口部３２とが設けられている。オイル入口部３１とオイル出口部３２とは、それぞれ第１のオイルヘッダ部５１ａの下端側と上端側とに設けられている。

また、オイルクーラ部３００の内部におけるオイル流れをＵ字状とするための第２のセパレータ７２が、第１のオイルヘッダ部５１ａの内部に設けられている。より詳細には、第２のセパレータ７２は、第１のオイルヘッダ部５１ａの内部におけるオイル入口部３１とオイル出口部３２との間に配置されている。

次に、コンデンサ部２００の構成について説明する。第１のヘッダタンク５１における２つの第１のセパレータ７１より上側の部位（以下、第１の冷媒ヘッダ部５１ｂという）には、冷媒をコンデンサ部２００内部に流入させる冷媒入口部２１と、冷媒をコンデンサ部２００外部へ流出させる冷媒出口部２２とが設けられている。冷媒入口部２１と冷媒出口部２２とは、それぞれ第１の冷媒ヘッダ部５１ｂの下端側と上端側とに設けられている。

第１の冷媒ヘッダ部５１ｂ内部の上側寄りの位置には、第３のセパレータ７３が配置されるとともに、第２のヘッダタンク５２における２つの第１のセパレータ７１より上側の部位（以下、第２の冷媒ヘッダ部５２ｂという）内部には、第３のセパレータ７３と同一高さに第４のセパレータ７４が配置されている。この第３、第４のセパレータ７３、７４によってコンデンサ部２００は２つの熱交換部に分けられている。

また、第２の冷媒ヘッダ部５２ｂの外側（コア部４の反対側）には、気液分離器８が配置されている。この気液分離器８は、気相冷媒と液相冷媒を分離して液相冷媒を貯留しておくことができるレシーバである。

気液分離器８と第２の冷媒ヘッダ部５２ｂとは、第１、第２の連通部８１、８２を介して２箇所で連通している。詳細には、第１の連通部８１は、第２の冷媒ヘッダ部５２ｂの下端側の部位と気液分離器８の下方側の部位とを連通させるようになっている。また、第２の連通部８２は、気液分離器８の上方側の部位と第２の冷媒ヘッダ部５２ｂにおける第４のセパレータ７４より上方側の部位とを連通させるようになっている。

まず、コンデンサ部２００における第３、第４のセパレータ７３、７４の下方側部位は、冷媒入口部２１から流入した気相冷媒と空気とを熱交換させて、冷媒を凝縮させる凝縮部２１０になっており、凝縮部２１０から流出した冷媒は、第１の連通部８１を通過して気液分離器８に流入するようになっている。

さらに、コンデンサ部２００における第３、第４のセパレータ７３、７４の上方側部位は、気液分離器８から第２の連通部８２を通過して流入した液相冷媒と空気とを熱交換させて液相冷媒を冷却する過冷却部２２０になっており、過冷却部２２０で冷却された冷媒は冷媒出口部２２から流出するようになっている。

続いて、気液分離器８の構成について説明する。気液分離器８の内部は、上側空間８３と下側空間８４とに分割されている。上側空間８３は第２の連通部８２に接続されており、下側空間８４は第１の連通部８１に接続されている。そして、第１の連通部８１から流入する冷媒のうち、比重の大きい液相冷媒は下側空間８４の鉛直方向（重力方向）下方側に一旦溜まり、比重の小さい気相冷媒は下側空間８４の鉛直方向（重力方向）上方側に一旦溜まるようになっている。

気液分離器８には、下側空間８４内の底部近傍の液相冷媒を上側空間８３に導入する連通パイプ８５が設けられている。下側空間８４における第１の連通部８１より下側には、気液分離性を向上させるためのバッフル板８５が設けられている。また、下側空間８４には、冷媒中の水分を取り除く乾燥剤が内蔵されたドライヤ８６が設けられている。また、上側空間８３には、冷媒中の異物を取り除くためのフィルタ８７が設けられている。

本実施形態では、第１の連通部８１は、下側空間８４内における通常時の液相冷媒の液面（図２中破線）より下側に配設されている。これにより、第１の連通部８１から下側空間８４に冷媒が流入する際に、液相冷媒の液面に動圧が作用して液面より上側に存在する気相冷媒を巻き込んで、気液二相冷媒が連通パイプ８５内に混入することを防止できる。因みに、連通パイプ８５内への気液二相冷媒の混入は過冷却部２２０への気相冷媒の混入につながり、過冷却面積の減少をもたらすため、冷房性能が低下してしまう。これに対し、本実施形態のように、第１の連通部８１を下側空間８４内における通常時の液相冷媒の液面より下側に配設することで、冷媒性能の低下を防止することができる。

図１に戻り、オイルクーラ部３００は、空気流れ方向から見て、インタークーラ１００と重なるように配置されている。そして、過冷却部２２０は、空気流れ方向（車両前後方向）から見て、インタークーラ１００と重ならないように配置されている。また、過冷却部２２０は、鉛直方向において凝縮部２１０を挟んでオイルクーラ部３００と反対側に配置されている。本実施形態では、一体型熱交換器１において、過冷却部２２０が上端部に配置され、オイルクーラ部３００が下端部に配置されており、過冷却部２２０とオイルクーラ部３００との間に凝縮部２１０が配置されている。

以上説明したように、オイルクーラ部３００を、空気流れ方向から見て、インタークーラ１００と重なるように配置する、すなわち空気温度が高くなるインタークーラ１００の空気流れ下流側にオイルクーラ部３００部を配置することで、空気温度が比較的低くなる部分にコンデンサ部２００を配置することができる。これにより、コンデンサ部２００の熱交換性能を確保することが可能となる。このとき、オイルクーラ部３００内を通過する熱媒体（オイル）の温度は、コンデンサ部２００内を通過する熱媒体（冷媒）の温度より高いため、オイルクーラ部３００の熱交換性能が著しく低下することはない。

また、コンデンサ部２００のなかでもより低温にする必要がある過冷却部２２０を、インタークーラ１００の空気流れ下流側、すなわち空気温度が高くなる部分に配置しないようにすることで、コンデンサ部２００の熱交換性能を確保することが可能となる。このとき、過冷却部２２０における冷媒の沸騰現象の発生を抑制できるため、コンデンサ部２００の冷媒流れ下流側に配置される膨張弁での冷媒流量不足を抑制し、冷房性能の悪化を抑制することが可能となる。また、膨張弁への気相冷媒の混入を抑制できるため、膨張弁における異音の発生を抑制することができる。

また、一体型熱交換器１では、過冷却部２２０、凝縮部２１０、オイルクーラ部３００の順に温度が高くなる。このため、オイルクーラ部３００を、凝縮部２１０を挟んで過冷却部２２０と反対側に配置する、すなわち最も高温になるオイルクーラ部３００と最も低温になる過冷却部２２０とを離して配置することで、オイルクーラ部３００から過冷却部２２０への熱移動を回避することができる。これにより、コンデンサ部２００の熱交換性能をより確実に確保することが可能となる。

（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、他の熱交換器部として車両オートマチックトランスミッション用のトルクコンバータ内のオイルを冷却するオイルクーラ部３００を適用したが、これに限らず、エンジンオイル冷却用のオイルクーラ部、およびパワーステアリングオイル冷却用のオイルクーラ部等を適用してもよい。

また、上記実施形態では、一体型熱交換器１において、過冷却部２２０を上端部に配置し、オイルクーラ部３００を下端部に配置したが、過冷却部２２０を下端部に配置し、オイルクーラ部３００を上端部に配置してもよい。

また、上記実施形態では、一体型熱交換器１の下端部とインタークーラ１００の下端部との鉛直方向の位置を等しくしたが、ずらしてもよい。

また、上記実施形態では、オイルクーラ部３００を、空気流れ方向から見て、インタークーラ１００と全面的に重なるように配置したが、これに限らず、インタークーラ１００の少なくとも一部と重なるよう配置すればよい。

本発明の実施形態に係るクーリングモジュールの車両搭載状態を示す図である。 本発明の実施形態における一体型熱交換器１を示す断面図である。

符号の説明

１…一体型熱交換器、２ａ…第１のチューブ、２ｂ…第２のチューブ、５…ヘッダタンク、１００…インタークーラ（発熱体）、２００…コンデンサ部、２１０…凝縮部、２２０…過冷却部、３００…オイルクーラ部（他の熱交換器部）。

Claims (7)

1. 発熱体（１００）と、
   冷凍サイクル内を循環する冷媒と空気とを熱交換して前記冷媒を冷却するコンデンサ部（２００）と、前記冷媒より温度が高い他の流体と空気とを熱交換して前記他の流体を冷却する他の熱交換器部（３００）とを有する一体型熱交換器（１）とを備え、
   前記コンデンサ部（２００）および前記他の熱交換器部（３００）は、鉛直方向に並列に配置されており、
   前記一体型熱交換器（１）は、前記発熱体（１００）の空気流れ下流側に配置されており、
   前記一体型熱交換器（１）の鉛直方向の長さは、前記発熱体（１００）の鉛直方向の長さより長くなっており、
   前記他の熱交換器部（３００）は、空気流れ方向から見て、前記発熱体（１００）の少なくとも一部と重なるように配置されていることを特徴とするクーリングモジュール。
2. 前記コンデンサ部（２００）は、前記冷媒を凝縮させる凝縮部（２１０）と、前記凝縮部（２１０）より流入した前記冷媒を過冷却する過冷却部（２２０）とを有していることを特徴とする請求項１に記載のクーリングモジュール。
3. 発熱体（１００）と、
   冷凍サイクル内を循環する冷媒と空気とを熱交換して前記冷媒を冷却するコンデンサ部（２００）と、前記冷媒より温度が高い他の流体と空気とを熱交換して前記他の流体を冷却する他の熱交換器部（３００）とを有する一体型熱交換器（１）とを備え、
   前記コンデンサ部（２００）および前記他の熱交換器部（３００）は、鉛直方向に並列に配置されており、
   前記一体型熱交換器（１）は、前記発熱体（１００）の空気流れ下流側に配置されており、
   前記一体型熱交換器（１）の鉛直方向の長さは、前記発熱体（１００）の鉛直方向の長さより長くなっており、
   前記コンデンサ部（２００）は、前記冷媒を凝縮させる凝縮部（２１０）と、前記凝縮部（２１０）より流入した前記冷媒を過冷却する過冷却部（２２０）とを有しており、
   前記過冷却部（２２０）は、空気流れ方向から見て、前記発熱体（１００）と重ならないように配置されていることを特徴とするクーリングモジュール。
4. 前記過冷却部（２２０）は、鉛直方向において前記凝縮部（２１０）を挟んで前記他の熱交換器部（３００）と反対側に配置されていることを特徴とする請求項２または３に記載のクーリングモジュール。
5. 前記コンデンサ部（２００）は、前記冷媒が流通する第１のチューブ（２ａ）を複数本積層して構成されており、
   前記他の熱交換器部（３００）は、前記他の流体が流通する第２のチューブ（２ｂ）を、前記第１のチューブ（２ａ）の積層方向に複数本積層して構成されており、
   前記一体型熱交換器（１）は、
   前記第１および第２のチューブ（２ａ、２ｂ）の長手方向両端にそれぞれ配置され、前記第１および第２のチューブ（２ａ、２ｂ）の積層方向に延びて前記複数本の第１および第２のチューブ（２ａ、２ｂ）と連通するヘッダタンク（５）を備えており、
   前記コンデンサ部（２００）と前記他の熱交換器部（３００）とを同一の前記ヘッダタンク（５）により一体化した構成になっていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載のクーリングモジュール。
6. 前記発熱体は、内燃機関の吸気を加圧する過給器の吸気流れ下流側に配置され、前記吸気と空気とを熱交換させて前記吸気を冷却するインタークーラ（１００）であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載のクーリングモジュール。
7. 前記他の熱交換器部は、車載機器のオイルを冷却するオイルクーラ部（３００）であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載のクーリングモジュール。

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