JP2016536197A - 自動車両用の電気的な流体温度調節装置及び対応する加熱及び/又は空調設備 - Google Patents

自動車両用の電気的な流体温度調節装置及び対応する加熱及び/又は空調設備 Download PDF

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Abstract

本発明は、自動車両用の電気的な流体温度調節装置(1)に関し、前記装置(1)が少なくとも2つのサーマルモジュール(3a,3b)を備え、該サーマルモジュールは、両方のサーマルモジュール(3a,3b)で共有される方向の流体の平行な流れを得るように配置され、サーマルモジュール(3a,3b)は、−筐体(13a,13b)と、−コア(11a,11b)であって、該コア(11a,11b)と筐体(13a,13b)との間に流体のためのガイド回路(15a,15b)を画定するように筐体(13a,13b)の内側に配置されるコア(11a,11b)とを備える。本発明によれば、サーマルモジュール(3a,3b)のコア(11a,11b)は、流体を加熱するための少なくとも1つの電気手段(17)を、電気加熱手段(17)とガイド回路(15a,15b)内を流れることができる流体との間の熱伝達を可能にするべく備える。

Description

本発明は、自動車両用の流体を熱的に調節するための電気装置に関する。特に、本発明は電気加熱装置から成る。本発明は、特に、自動車両の加熱及び/又は空調システムに適用できる。
通常、自動車両の車室を暖めるようになっている或いは霜取り又は除氷も行うようになっている空気の再加熱は、熱交換器を通過する空気流によって、より正確には空気流と流体との間の熱交換によって達成される。前記流体は、一般に、ヒートエンジンの場合には冷却流体から成る。
しかしながら、この加熱方法は、車両の車室の素早い効率的な暖房を確保する、特に非常に低温の状態で車両を使用する前に或いは温度の非常に迅速な上昇が求められるときに車室の再暖房又は霜取り又は除氷を確保するのに不適当である或いは不十分であると判明する場合がある。
また、電気車両の場合、加熱機能は、もはや熱交換器内の冷却流体の循環によって行われない。車室を暖めるための水回路を想起できる。しかしながら、この加熱方法は、車両の車室の素早い効率的な暖房を確保するのに不適当又は不十分であると判明する場合もある。
また、付加的な水回路の体積及びコストを減らすために、電気車両においてヒートポンプとして動作する空調ループを使用することも知られている。したがって、空調ループは、従来のように冷却流体を用いて空気流を冷却できるようにすることにより、この場合には空気流を再加熱するために使用される。この目的のため、凝縮器など、空調ループの蒸発器を使用することが都合良い。
しかしながら、この加熱方法は、不適当又は不十分であることが判明する場合もある。実際に、ヒートポンプとして作用するときの空調ループの性能は、外部温度条件に依存する。例えば、外気が非常に低い温度を有するときには、この空気を熱エネルギー源として使用することができない。
従来技術のこれらの欠点を克服するために、既知の解決策は、流体を熱的に調節するための更なる電気装置、例えば電気加熱装置等を熱交換器に或いは水回路に或いは空調ループにも付加することにある。
そのような電気加熱装置は、ヒートエンジンのための冷却液、又は、電気車両の車室を暖めるための水回路ための水、或いはまた、空調ループの冷却流体など、上流側の流体を加熱するようになっていてもよい。
既知の態様において、流体を熱的に調節するための付加的な電気装置は、例えば加熱されるべき流体と接触する1つ以上のサーマルモジュールを備える。
より正確には、サーマルモジュールは、コアと、コアを取り囲む円筒状の筐体の形態を成す加熱要素とを備えてもよく、それにより、コアと円筒状の筐体との間に流体のためのガイド回路を画定する。したがって、円筒状の筐体は熱エネルギー源である。
既知の解決策によれば、加熱要素は、電気加熱手段、例えば加熱要素の外面上の抵抗トラックの形態を成すシルクスクリーン印刷によりもたらされる1つ以上の加熱抵抗を有する。
しかしながら、コアと円筒状の筐体との間のガイド回路内の流体の軸方向流れは、円筒状の筐体と流体との間の熱伝達を減少させる。
したがって、加熱要素と、コアと加熱要素との間を流れる流体との間の熱交換の効率を高めるために、円筒状の筐体の形態を成す加熱要素の軸線と平行な流体の流れを回避することが好ましい。
既知の解決策は、ガイド回路内を流れる流体の螺旋状の動きをもたらすことである。このようにすると、例えば円筒状の筐体の形態を成す加熱要素とこの円筒状の筐体内を流れる流体との間の熱交換が増大される。
これを達成するために、コアの外面に略螺旋状の溝を設けることが提案されてきた。この螺旋状の溝は、熱伝達を高めるために流体の渦を引き起こすことができる。しかしながら、そのような解決策では、流体ガイド回路の入口における速度の均一性の欠如及び高いヘッドロスが指摘されてきた。また、そのようなコアは、このようにすると、複雑な形態を有する。
更に、幾つかのサーマルモジュール、例えば並んで配置される2つのサーマルモジュールを備える電気加熱装置の場合には、電気加熱装置の熱効率を向上させるために、装置のサーマルモジュール間で釣り合いのとれた流体流量及び流体温度を有することが重要である。
本発明は、熱的性能を簡単な態様で向上させることができる流体のための温度調節装置を提案することにより、従来技術のこれらの欠点を少なくとも部分的に克服することを目的とする。
この目的を達成するために、本発明は、自動車両用の流体を熱的に調節するための電気装置であって、前記装置が少なくとも2つのサーマルモジュールを備え、該サーマルモジュールが、2つのサーマルモジュール内で共通の方向の流体の平行な流れを得るように配置され、サーマルモジュールが、
−筐体と、
−コアであって、該コアと筐体との間に流体のためのガイド回路を画定するように筐体の内側に配置されるコアとを備え、
サーマルモジュールのコアが、流体を加熱するための少なくとも1つの電気手段を、電気加熱手段とガイド回路内を流れることができる流体との間の熱伝達を可能にするべく備えることを特徴とする電気装置に関する。
したがって、そのような温度調節装置を用いて、加熱されるべき流体のためのガイド回路中に電気加熱手段を浸漬することにより行われる流体の加熱は、熱伝達を向上させることができ、したがって、電気加熱手段が流体ガイド回路の外側の筐体上に配置される既知の解決策よりも良好な性能を得ることができる。
また、2つのサーマルモジュール内の独立する共通の方向の流体流れを得るためのサーマルモジュールの配置は、特にサーマルモジュールの一方が故障した場合に、装置の信頼性を向上させることができる。
更に、流体の流量は、2つのサーマルモジュール内で均一である。
本発明の1つの態様によれば、コアは、セラミック材料などの電気的に絶縁する熱伝導材料から形成される電気加熱手段のための支持体を備える。
実施形態の一例によれば、電気加熱手段が少なくとも1つの抵抗トラックを備え、また、コアは、抵抗トラック上に配置されてセラミック材料などの電気的に絶縁する熱伝導材料から形成される保護膜を備える。
保護膜は、例えば、電気加熱手段のための支持体と同じ材料から形成される。
したがって、コアは、熱的性能を変えることなく、流体に対する電気的絶縁を確保しつつ、加熱されるべき流体の回路内に電気加熱手段を設置できるようにする。これは、コアが、加熱されるべき流体に対する電気加熱手段の熱伝導率を高めるのに役立つからである。
本発明の他の態様によれば、コアは、関連する電気加熱手段を制御するための手段に接続され得るとともに対応するコアの支持体の材料上にオーバーモールドされる2つの端子をそれぞれ有する。コアに取り付けられる電気加熱手段を制御手段に接続するためのインタフェース又は更なるケーブルを設ける必要がない。
実際に、コアは、それぞれの支持体の材料上にオーバーモールドされて電流を電気加熱手段に伝えることができるようにする端子を介して電気加熱手段の制御手段に対して直接に接続されてもよい。
また、装置は、単独で或いは組み合わせて考慮される以下の特徴、すなわち、
−2つのサーマルモジュールのコアを加熱するための電気手段が共通の制御手段に電気的に接続される;
−制御手段が少なくとも1つのコアの一方の端部と対向して配置される;
−筐体は、対応するコアを受けるための少なくとも2つの座部を有する単一ブロックの形態を成して形成される、のうちの1つ以上を備えてもよい。
本発明の他の態様によれば、前記装置は、流体ガイド回路とそれぞれ連通するとともに長手方向軸線に沿う装置の両側で互いに正反対に配置される少なくとも1つの流体入口パイプ及び少なくとも1つの流体出口パイプを備える。コアの長手方向軸線に沿う装置の両側での流体入口及び流体出口のこの正反対の配置は、自動車両における設置を容易にする。
また、この配置は、2つのサーマルモジュールのガイド回路における共通方向の流体流れを可能にする。この方向が自動車両における装置の設置に関連して下から上の方へ向かうと、気泡が流体ガイド回路内に形成されてサーマルモジュールの性能を変え得るリスクが減少される。
また、本発明は、先に規定されるような流体を熱的に調節するための電気装置を備えることを特徴とする自動車両用の加熱及び/又は空調設備にも関連する。
本発明の更なる特徴及び利点は、非限定的な一例として与えられる以下の説明を読むことにより及び添付図面から更に明確に分かる。
自動車両用の電気流体加熱装置を概略的且つ簡略的な形態で示す。 図1に示される加熱装置の分解図である。 図1及び図2に示される加熱装置の断面図である。
これらの図では、同一の要素が同じ参照数字を有する。
図1は、自動車両の加熱及び/又は空調設備用の流体のための電気加熱装置など、流体を熱的に調節するための装置1を示す。
温度調節装置1は、例えば、車室を暖めるための車両の流体加熱回路内に配置される流体の加熱を可能にする付加的な加熱装置である。
一例によれば、温度調節装置1は、冷却流体を加熱するために、ヒートポンプとして機能することができる空調ループの熱交換器の上流側に配置される。
他の例によれば、温度調節装置1は、ヒートエンジンの冷却流体を熱伝導流体として使用する熱交換器の上流側に配置される。
そのような温度調節装置1は、電気推進車両用又はハイブリッド車両用の時としてバッテリパック又は燃料電池と称される電気エネルギー蓄積装置の温度調節を目的とした熱交換器の上流側に設けることもできる。
ここで、図2及び図3を参照して、温度調節装置1について更に詳しく説明する。
温度調節装置1は、少なくとも1つの第1のサーマルモジュール3aと、第2のサーマルモジュール3bとを備える。無論、温度調節装置1は、要件に応じて、3つ以上のサーマルモジュール3a,3bを備えてもよい。
サーマルモジュール3a,3bの電力供給を制御するために、温度調節装置1は少なくとも1つの制御手段5も備える。記載される実施形態によれば、温度調節装置1は、2つのサーマルモジュール3a,3bの電力供給を制御するための共通の制御手段5を備える。
図示の温度調節装置1は流体入口7と流体出口9とを更に備える。
サーマルモジュール3a,3bが同一であってもよい。
図2及び図3に示される実施形態に係る2つのサーマルモジュール3a,3bは、略平行な態様で並んで配置される。並列配置に起因して、加熱装置1の長手方向における体積を減らすことができる。この配置は、制限された温度調節慣性と、少ない熱損失とをもたらす。
また、2つのサーマルモジュール3a,3bは、平行な共通の方向の流体流れを2つのサーマルモジュール3a,3b内で達成するように配置される。一例として、流体は、図1〜図3に示されるレイアウトにしたがって2つのサーマルモジュール3a,3b内を下から上へと流れることができる。
この配置は、2つのサーマルモジュール3a,3bが流体流れに関して独立しているため、特に興味深い。したがって、例えば、サーマルモジュールのうちの一方3a又は3bが故障した場合、これが他方のサーマルモジュールの性能に影響を与えない。そのため、流体が最初に一方のサーマルモジュールの内側で流れた後に他方のサーマルモジュールの内側で流れる従来技術の解決策とは異なり、第1のサーマルモジュールの故障が第2のサーマルモジュールの性能の損失をもたらさない。
また、図3に概略的に示されるように流体が下から上へと向かう方向で流れる場合、これは、関与するサーマルモジュールの過熱を引き起こす危険がある気泡のサーマルモジュール内での形成を防止するのに役立つ。
図3を参照すると、サーマルモジュール3a,3bはそれぞれ、コア11a,11bと、関連するコア11a又は11bを取り囲む筐体13a,13bとを備える。したがって、コア11a,11bは、関連する筐体13a,13b内に配置される。コア11a,11bはそれぞれ中心コア11a,11bである。
中心コア11a,11b及び関連する筐体13a,13bは、例えば加熱されるべき流体のためのガイド回路15a,15bをそれぞれ中心コア11a又は11bと関連する筐体13a又は13bとの間に画定する。したがって、中心コア11a又は11bの外面及び関連する筐体13a及び13bの内面は、流体、この例では加熱されるべき流体のための流れ容積を画定する。
コア11a,11bは、例えば略円柱状であり、長手方向軸線Aに沿って延びる。
コア11a,11bは、略一定の断面或いは代わりにテーパ状の断面を有してもよい。略一定の断面の中心コア11a,11bの場合、流体は、関連するガイド回路15a,15b内で一定の速度を伴って流れることができる。一方、テーパ状の断面の場合には、流速がガイド回路15a,15bに沿って変化される。
サーマルモジュール3a,3bのコア11a又は11bはそれぞれ、記載される例によれば、2つの長手方向両側の端部、すなわち、流体入口側に配置される第1の端部と、流体出口側に配置される反対側の第2の端部とを有する。
本発明によれば、コア11a,11bはそれぞれ電気加熱手段17を備える。電気加熱手段17は、コア11a,11bと該コア11a,11bが浸漬される流体との間の熱交換によってガイド回路15a又は15b内を流れる流体を加熱するように制御手段5によって制御され得る。
したがって、ガイド回路15a,15bは、コア11a又は11bを加熱するための1又は複数の電気手段17の周囲に形成される。そのため、加熱は、ガイド回路15a又は15b内を流れる加熱されるべき流体中に電気加熱手段17を浸漬させることによって行われる。この実施形態により、電気加熱手段17によって生み出される熱は、加熱されるべき流体へ直接に伝えられ、それにより、熱損失が最小限に抑えられるとともに、装置1の熱慣性が減少される。流体が急速に加熱されてもよい。
また、コア11a又は11bの外面は、長手方向軸線Aと平行な軸方向ガイド回路を形成するべく溝を伴わなくてもよい。
実際に、熱伝達を向上させるために流体の−例えば螺旋状の−流れを与えることはもはや必要ない。これは、加熱されるべき流体の体積中に電気加熱手段17を浸漬させることにより既に熱伝達の向上が確保されるからである。
また、コア11a,11bはそれぞれ、例えば、電気加熱手段17のための支持体19を有する。
したがって、支持体19は、例えば前述したような加熱を行うために、温度調節装置1内に電気加熱手段17を配置できるようにする機能を有する。
支持体19は、電気的に絶縁するが熱を伝導する材料から形成される。
支持体19は、本体21と、本体21の一端にある、より正確にはコア11a,11bの第1の端部の領域にある基部又は座部23とを有してもよい。
基部23は、図示の例では、流体入口7が位置される側に配置される。
本体21は略円柱形状を有してもよく、また、基部23は例えば略円形形状を有する。本体21は、例えば、固体円柱などの固体である。
電気加熱手段17は、例えば、支持体19上に、より正確には支持体19の本体21上に形成される少なくとも1つの電気抵抗トラックを有してもよい。
また、記載される実施形態によれば、コア11a,11bは、いずれの場合にも、電気抵抗トラック上に配置される保護膜(図では見えない)を有する。前記膜は、例えば、抵抗トラックを保護するために支持体19の周囲に巻回される可撓性膜から成る。この保護膜は、熱を伝導する電気絶縁材料から形成される。好適には、前記材料は、支持体19の材料と同じ材料、例えばセラミック材料である。
支持体19及び保護膜は、電気加熱手段17とコア11a,11bの周囲の流体との間の熱伝達を助けるという更なる機能を有する。
コア11a又は11bを形成するアセンブリ、すなわち、支持体19及び抵抗トラック上に配置される保護膜は、炉内での処理によって互いに固定されてもよい。
コア11a又は11bは、電気加熱手段17を制御手段5を介して電位に接続するための2つの端子25を更に備える。したがって、端子25は、電流を電気加熱手段17へ伝えることができる。
端子25は、例えば制御手段5に対してクリップ留めされ得る可撓性舌部の形態を成して或いは例えば制御手段5上に半田付けされ得る接続配線の形態も成して形成されてもよい。
図3に示される例では、端子25が支持体19の基部23から突出する。
端子25は、例えば、支持体19の−例えばセラミック−材料上にオーバーモールドされ、また、制御手段5に対して直接に接続されてもよい。これは、配線を簡略化する。したがって、支持体19は、電気手段17と制御手段5とを端子25を介して相互に接続する機能を果たす。
そのため、コア11a,11bは、電気加熱手段17を支持するとともに、端子を支持して保護することにより、電気加熱手段17と制御手段5との間の接続を確保する機械的な機能と、流体ガイド回路15a,15bに対して電気加熱手段17を電気的に絶縁する機能及び流体に対する電気加熱手段17の熱の熱伝導率を確保する機能とを同時に果たす。
また、コア11a,11bを収容する筐体13a,13bのそれぞれに関して、第1のサーマルモジュール3aの筐体13aは、第2のサーマルモジュール3bの筐体13bと一体を成すように形成されてもよい。
したがって、図2において更に明確に分かるように、2つの筐体13a,13bは、関連するコア11a又は11bをそれぞれ受けるための2つの座部29a,29bを有する単一ブロック27を形成する。
制御手段5に関して、それは、サーマルモジュール3a,3bのコア11a,11bの端子25と対向して配置される。
したがって、図示の例によれば、制御手段5は、電気加熱手段17を支持する支持体19の長手方向端部にそれぞれ配置される基部23と対向して配置される。そのため、この場合、制御手段5は、コア11a,11bの第1の端部と対向して配置される。
無論、例えば温度調節装置1の一方側で制御手段5の異なる配置を想起することができる。
制御手段5は、PCB(プリント回路基板)31などの少なくとも1つの電気回路基板を備えてもよい。2つのサーマルモジュール3a,3bのコア11a,11bの端子25は、図3に示される例によれば、共通の制御手段5に対して、特に同じ電気回路基板31に対して接続される。
制御手段5は、特に、電気回路基板31に実装される電子構成要素及び/又は電気構成要素を備える。これらの電子構成要素及び/又は電気構成要素は、例えば、マイクロコントローラと、コア11a,11bの抵抗トラックに接続される電気接点とを備えてもよい。また、電気回路基板31は少なくとも1つの給電・信号コネクタ33を備えてもよい。
前述したように、温度調節装置1は、図3に白矢印により概略的に示される流体の流入のための少なくとも1つの流体入口7、及び、図3に黒矢印により概略的に示される流体を排出するための少なくとも1つの流体出口9も備える。
図示の例によれば、流体入口7は流体入口ハウジング35を備える。
流体入口ハウジング35は、筐体13a,13bに固定され、より正確には、この例では、2つのコア11a,11bを含む単一ブロック27に固定される。1つ以上のシール手段36が流体入口ハウジング35と筐体13a,13bとの間に配置されてもよい(図3参照)。
また、2つのサーマルモジュール3a,3bのコア11a,11bのそれぞれの基部23は、この例では、流体入口ハウジング35に固定される。1つ以上のシール手段37が、コア11a,11bの支持体19の基部23と流体入口ハウジング35との間に配置されてもよい。
また、流体入口ハウジング35には流体入口パイプ38も設けられる。入口パイプ38は、2つのサーマルモジュール3a,3bに共通して流体を供給してもよい。入口パイプ38は、例えば、流体入口ハウジング35から突出して配置される。入口パイプ38は、例えばサーマルモジュール3a,3bの長手方向軸線Aに対して径方向に延びる。
図示の例において、流体入口ハウジング35は、入口パイプ38と流体連通するとともに2つのサーマルモジュール3a,3bのガイド回路15a,15bと流体連通する流体入口ダクト39を有する。これにより、流体は、図3に矢印により概略的に示されるように、入口パイプ38からガイド回路15a,15b内へ流れることができる。
温度調節装置1は、流体入口ハウジング35に固定されるカバー41を更に備える。制御手段5は、例えば、流体入口ハウジング35とカバー41との間に配置される。カバー41は、制御手段5のための保護カバーとしての役目を果たす。このカバー41は、例えば、給電・信号コネクタ33の挿入を可能にするための開口を有する。
同様に、サーマルモジュール3a,3bのガイド回路15a,15bと流体連通する出口パイプ43が流体を排出するために設けられてもよい。したがって、流体入口ハウジング35からの流体は、流体入口ダクト39に流入した後、2つのサーマルモジュール3a,3bのガイド回路15a,15b内へと流れることができ、その後、出口パイプ43を介して排出される。
図示の例において、出口パイプ43は、サーマルモジュール3a,3bの長手方向軸線Aに対して略垂直となるように配置される。
また、入口パイプ38及び出口パイプ43は、装置1の2つの正反対の側に配置されてもよい。無論、他の配置を想定することができ、その場合には、例えば、入口パイプ38及び出口パイプ43が装置1の同じ側に設けられる。
このようにして形成される温度調節装置1は、ヘッドロスを制限できるとともに、従来技術の解決策と比べて小さい体積を有するが、熱伝達を高める。実際に、例えば抵抗トラックの形態を成して実現される電気加熱手段17により生み出される熱は、コア11a又は11bが浸漬される流体へ直接に伝えられる。
また、自動車両に設置中の例えば下から上へと向かう流体の共通の方向の平行な流れは、2つのサーマルモジュール3a,3bにおいて均一な流量を確保できるとともに、特に2つのサーマルモジュール3a,3bのガイド回路15a,15b内での気泡の形成を回避できる。

Claims (10)

  1. 自動車両用の流体を熱的に調節するための電気装置(1)であって、前記装置(1)が少なくとも2つのサーマルモジュール(3a,3b)を備え、該サーマルモジュールが、これらの2つのサーマルモジュール(3a,3b)内で共通の方向の流体の平行な流れを得るように配置され、前記サーマルモジュール(3a,3b)が、
    −筐体(13a,13b)と、
    −コア(11a,11b)であって、該コア(11a,11b)と前記筐体(13a,13b)との間に流体のためのガイド回路(15a,15b)を画定するように前記筐体(13a,13b)の内側に配置されるコア(11a,11b)と、
    を備える電気装置(1)において、
    サーマルモジュール(3a,3b)の前記コア(11a,11b)は、流体を加熱するための少なくとも1つの電気手段(17)を、前記電気加熱手段(17)と前記ガイド回路(15a,15b)内を流れることができる流体との間の熱伝達を可能にするべく備えることを特徴とする電気装置(1)。
  2. 前記コア(11a,11b)は、セラミック材料などの電気的に絶縁する熱伝導材料から形成される前記電気加熱手段(17)のための支持体(19)を備える請求項1に記載の装置。
  3. 前記電気加熱手段(17)が少なくとも1つの抵抗トラックを備え、前記コア(11a,11b)は、前記抵抗トラック上に配置されてセラミック材料などの電気的に絶縁する熱伝導材料から形成される保護膜を備える請求項1又は請求項2に記載の装置。
  4. 前記保護膜は、前記電気加熱手段(17)のための前記支持体(19)と同じ材料から形成される請求項2又は請求項3に記載の装置。
  5. 前記コア(11a,11b)は、関連する前記電気加熱手段(17)を制御するための手段(5)に接続され得るとともに対応する前記コア(11a,11b)の前記支持体(19)の材料上にオーバーモールドされる2つの端子(25)をそれぞれ有する請求項2に記載の装置。
  6. 2つの前記サーマルモジュール(3a,3b)の前記コア(11a,11b)を加熱するための前記電気手段(17)が共通の制御手段(5)に電気的に接続される請求項1から5のいずれか一項に記載の装置。
  7. 前記制御手段(5)は、少なくとも1つの前記コア(11a,11b)の一方の端部と対向して配置される請求項5又は請求項6に記載の装置。
  8. 前記筐体(13a,13b)は、対応するコア(11a,11b)を受けるための少なくとも2つの座部(29a,29b)を有する単一ブロック(27)の形態を成して形成される請求項1から7のいずれか一項に記載の装置。
  9. 前記流体ガイド回路(15a,15b)とそれぞれ連通するとともに長手方向軸線(A)に沿う前記装置(1)の両側で互いに正反対に配置される少なくとも1つの流体入口パイプ(38)及び少なくとも1つの流体出口パイプ(43)を備える請求項1から8のいずれか一項に記載の装置。
  10. 請求項1から9のいずれか一項に記載の流体を熱的に調節するための少なくとも1つの装置(1)を備えることを特徴とする自動車両用の加熱及び/又は空調設備。
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