JP4344239B2 - 電気推進ユニット - Google Patents

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Description

本発明は、改良された電気推進ユニットに関し、そのような推進ユニットを冷却する改善された方法に関する。
船に推進力を付与するための手段として船体の下に推進ユニットを設けることは周知である。そのような推進ユニットの例は、米国特許第6231497号及び5101128号に開示されている。
米国特許第6231497号に開示された推進ユニット(以下、単に「ユニット」とも称する)は、永久磁石ロータを有する電気モータを備えている。このようなモータは、ロータ内の損失が少なく、従って、過度の熱を発生しないという点で魅力がある。永久磁石ロータによって発生される熱は、伝達と対流によって推進ユニットの残部(ロータ以外の部分)へ比較的容易に放散させることができる。しかしながら、このようなモータは、ロータ磁場を創生するのに用いられる永久磁石が高価であること、ロータを組み立てるのが困難であること、適当な出力変換システムを用いなければならないという点で不利である。このようなモータは、ロータの励磁を制御する手段を有していないので、負荷と共に力率の大きな変化を生じるが、出力変換システムは、そのような力率の大きな変化に対処することができなければならない。
米国特許第5101128号は、水圧を均等にするためのベローズとフィルターを備えており、ユニットの外部からの水冷を用いる推進ユニットの例を開示している。しかしながら、この構成は、複雑であり、従って、製造コスト並びにメンテナンスコストが高くなる。メンテナンスコストの増大は、ユニットへのアクセスを悪くするので特に不利な欠点となる。従って、ユニットの構造をできる限り簡略にすることが望ましい。
米国特許第6231497号 米国特許第5101128号
本発明の目的は、従来技術の上述した欠点を克服すること、あるいは、従来技術の欠点を少くとも軽減することである。
本発明の第1側面によれば、水上船舶を推進させるための推進ユニットであって、水中に沈められるように船舶の船体の下から懸架されたハウジングと、該ハウジング内に収容されており、プロぺラを駆動することによって推進力を与えるための電気モータを有しており、前記電気モータは、回転軸線を有する軸と、該軸に取り付けられたロータ巻線を含む円筒形本体から成り、該円筒形本体と軸との間に形成された第1冷却通路と、該ロータ巻線を貫通して設けられた第2冷却通路を有するロータを含み、前記ハウジングは、冷却ガスを前記第1冷却通路に沿って第1方向に通し、前記第2冷却通路に沿って該第1方向とは異なる第2方向に通す内部空間を画定し、該ハウジングの内部空間は、前記冷却ガスの冷却効果を高めるためにほぼ2バール以上の圧力に維持されており、フィンを有する熱交換領域が、前記第1冷却通路と第2冷却通路との間に流体連通を設定するように、前記ハウジングの端部領域内で、該端部領域の内側表面に設けられいることを特徴とする推進ユニットが提供される。
ここで、「第1冷却通路と第2冷却通路との間に流体連通を設定する」とは、第1冷却通路と第2冷却通路との間に冷却ガスのような流体を通すことができるように連通を設定するという意味である。又、「2バール以上の圧力」とは、2バールに等しいか2バールより高い圧力という意味である。


この構成の1つの利点は、従来技術の推進ユニットよりメンテナンスが容易な簡単な構造を提供することである。
モータは、誘導モータとすることが好ましい。そのような推進ユニットの利点は、機械的に簡単で堅固なモータを提供することである。
ハウジング内で冷却ガス(以下、単に「ガス」とも称する)を循環させるために撹拌器を設けることができる。そのような撹拌器は、冷却ガスの循環を強制し、それによって冷却効果を高めるので有利である。
本発明の好ましい実施形態では、撹拌器は、少くとも1つのファンから成るものとするが、他の機械的な均等手段を用いるこも可能である。ファンは、独自のモータによって駆動してもよく、あるいは、推進ユニットのモータに機械的にリンクさせる(連結する)ことよって駆動してもよい。機械的なリンクは、駆動ベルト、歯車、チェーン駆動機構、軸駆動機構等の任意の適当な手段であってよい。
冷却ガスは、モータのロータに沿って長手方向に駆動させる(強制的に移動させる)ことができる。このようにガスを駆動することによってロータの効率的な冷却を可能にする。
一実施形態においては、ロータは、回転軸線を有する軸と、該軸に取り付けられた円筒形本体とから成り、円筒形本体と軸との間に第1冷却通路が形成されるように構成される。このような冷却通路の利点は、冷却ガスをロータに沿って導く好便な手段を提供することである。
軸に取り付けられる円筒形本体は、好ましくはそれを貫通する第2冷却通路を有するロータ巻線から成るものとすることができる。そのような冷却通路の利点は、やはり、冷却ガスをロータに沿って導く好便な手段を提供することである。
一実施形態においては、このユニットは、冷却ガスが第1冷却通路に沿って第1方向に通過し、第2冷却通路に沿って第1方向とは異なる第2方向に通過するように構成される。第1方向は、第2方向とほぼ反対向きとすることが好ましい。このような構成は、ガスをユニットの周りに明確に循環させ、それによって冷却効率を高めることができるので有利である。
このユニットは、第1冷却通路と第2冷却通路との間に熱交換領域が形成されるように構成することが好ましい。この構成は、第1冷却通路と第2冷却通路のどちらを通るガスからでも熱を除去することを可能にするという点で有利である。
この熱交換領域は、ユニットのハウジングの内表面に設けたフィン又はそれに類する手段によって構成することが好ましい。この構成は、熱交換を実施する簡単な構造であり、使用中ユニットは水中に沈んでいるので、ユニットのハウジングは水に接触しており、良好な熱交換媒体となる。フィンを設けることの利点は、ハウジングとの熱交換効率を増大させることである。
フィンは、アルミニウムやなどの高い伝熱性を有する材料で製造することができる。あるいは別法として、又は追加として、フィンをハウジングと一体に製造してもよい。フィンをハウジングと一体に形成することは、そのような構成がもたらす製造の容易さという点で有利である。
これらのフィンは、ハウジングの端部領域に設けることができる。そのような構成は、端部領域はユニットの外部の水と接触する面積が比較的大きい好適な区域を提供し、従って、フィンから熱を除去するための優れた能力を提供するという点で有利である。
このユニットは、第2方向に流れるガスが第2冷却通路を出て熱交換領域に流入するように構成することが、好都合である。この流れ方向の利点は、第2冷却通路から出てきたガスの方が第1冷却通路から出てきたガスより温度が高くなるので、前者のガスの方を熱交換させる方が有利であるということである。
モータのステータは、外方に突出した端部折り返し巻線を有するものとすることができ、その場合、ユニットは、2つの冷却通路のどちらかから流出した、又はどちらかに流入する空気(冷却ガス)がステータ巻線の端部折り返し巻線を被って通るように構成することが好ましい。これは、端部折り返し巻線に対して追加の冷却を与えるという点で有利である。
ハウジング内の圧力は、ほぼ2バールからほぼ7バールの範囲とすることができる。この範囲が適当であると考えられるのは、2バールより低い圧力では得られる利点がほとんどなく、反対に7バールより高い圧力ではそれに見合った効果より推進ユニットの製造コストを増大させることになるからである。
このような構成は、高められた圧力がユニットの外側と内側の間でシール(例えば、プロぺラが取り付けられている軸の周りのシール)の内外間の圧力勾配をなくすのを助成するので有利である。圧力勾配の軽減は、シールを形成し、水がユニット内に侵入するのを防止するのに役立つ。更に、この高められた圧力は、水をユニットを船舶に結合しているステー内の上方へ追いやることによって、ユニットに浸入した水を排出(ドレーン)させるのを助成するのにも利用することができる。当業者には明らかなように、熱伝達係数(h)は空気密度ととともに著しく増大する(通常、h∝ρ0.64)ので、高められた圧力は、熱伝達を向上させる。
ステータは、ユニットのハウジングの内側表面と良好な伝熱接触をなすように取り付けることが好ましい。そのような構成は、ステータに効率的な冷却を与える。良好な伝熱接触とは、通常、ステータとハウジングとの直接的な接触を意味するが、ここでは、ステータとハウジングとの間に高い伝熱性の部材を介在させる場合をも意味するものとする。
冷却ガスは、空気であることが好ましいが、他の任意の適当な冷却ガスを用いることもできる。例えば、CO、窒素、冷媒ガス、希ガス等を使用してもよい。空気は、安価で、入手しやすく、無毒であるという点で有利である。
本発明の第2側面によれば、水上船舶を推進させるための推進ユニットであって、推進力を与えるための電気モータと、該モータを収容するためのハウジングから成り、該ハウジングの端部領域に、それを被って通る冷却ガスを冷却するための熱交換機構が設けられており、該熱交換機構は、使用中前記ハウジングを取り巻く水がハウジングから熱を吸収するように、該ハウジングと組合わされていることを特徴とする推進ユニットが提供される。
このユニットは、機械的に構造が簡単であり、しかも、モータに対して効率的な冷却を与えることができるという点で有利である。使用中、ハウジングは水に取り巻かれるので、それ自体が冷却されやすく、熱交換機構から熱を吸収することができる。
前記熱交換機構は、ユニットのハウジングの内表面に設けた1つ又は複数のフィンによって構成することができ、熱交換を行うための大きな表面積を提供する。
フィンは、アルミニウムやなどの高い伝熱性を有する材料で製造することができ、それによって、冷却ガスとハウジングとの間の熱交換率を高めることができる。

フィンは、ハウジングと一体に製造することができ、それによって製造の容易な構造とすることができる。
さという点で有利である。
幾つかの実施形態においては、モータは、外方に突出した端部折り返し巻線を有するステータを備えたものとすることができ、その場合、ユニットは、冷却ガスが前記熱交換機構を通過する前に端部折り返し巻線を被って通るように構成することができる。端部折り返し巻線は、ハウジングに密に近接していないため、ステータの他の部分のようには冷却されにくいが、この構成は、ステータ巻線の端部折り返し巻線を効率的に冷却することができるという点で有利である。
モータのロータは、回転軸線を有する軸と、該軸に取り付けられた円筒形本体とから成るものとすることができ、円筒形本体と軸との間に第1冷却通路が形成されるように構成される。
軸に取り付けられる円筒形本体は、ロータ巻線から成るものとすることができ、ロータ巻線は、それを貫通する第2冷却通路を有するものとすることができる。
このユニットは、冷却ガスが第1冷却通路に沿って第1方向に通過し、第2冷却通路に沿って第1方向とは異なる第2方向に通過するように構成することが好ましい。
第1方向は、第2方向とはほぼ反対方向とすることが好ましい。この構成は、ハウジング内で空気を循環させる好適な回路を形成し、それによってロータに対して効率的な冷却を与える。
ハウジング内の圧力は、ほぼ2バールからほぼ7バールの範囲とすることができ、2、3、4、5、6又は7バール等の任意の圧力とすることができる。
モータは、誘導モータであってもよく、同期モータであってもよい。
加圧冷却ガスは、空気とするのが便利であるが、他の任意の適当な冷却ガスを用いることもできる。例えば、CO、窒素、冷媒ガス、希ガス等を使用してもよい。空気は、安価で、入手しやすく、無毒であるという点で有利である。
加圧冷却ガスは、少くとも1つの撹拌器によって循環させることができる。撹拌器は、ファンによって構成するのが便利である。そのような撹拌器の利点は、冷却ガスの移動を強制し、それによって熱交換表面に沿って熱を移動させ、冷却効果を高めることができる。
本発明の第3側面によれば、水上船舶を推進させるための推進ユニットであって、推進力を与えるための電気モータと、該モータを収容するためのハウジングから成り、該ハウジングの端部領域に、それを被って通る冷却ガスを冷却するための熱交換機構が設けられており、該ハウジングの内部は、その中に保持された冷却ガスの冷却効果を高めるためにほぼ2バールの高められた圧力に維持されていることを特徴とする推進ユニットが提供される。
本発明の第4側面によれば、ハウジング内に収容されており、推進プロぺラを駆動するためのモータを備えた推進ユニットを冷却する方法であって、ガスの冷却効果を高めるためにハウジング内のガスを加圧することを特徴とする冷却方法が提供される。
本発明の更に他の側面によれば、上記第1〜第3側面による推進ユニットのいずれかを冷却する方法が提供される。
図1及び2に示された本発明の第1実施形態による推進ユニット2は、ステー6によって船の船体(図示せず)の下から懸架されるように構成されたハウジング4を有する。ステー6(この例では円筒形の中空支柱)は、その頂部にスリップリング8を備えている。スリップリング8は、船の推進に方向性を与えるためにハウジング4及びステー6を360°回転させることを可能にする。プロぺラ10は、ハウジング4内に収容されたモータ12によって駆動される。
モータ12は、ステータ14とロータ16を有する誘導モータである。ロータ16は、軸受22,24によって支持された中心軸18を有する。中心軸18は、複数の支持アーム26によってロータ巻線24から成るロータの円筒形本体を支持する。ロータの断面図が図8に示されている。それらの支持アーム26間の空間は、後述する第1冷却通路を画定する。第2冷却通路は、ロータ巻線24内のダクト27によって形成され、ロータに沿って長手方向の冷却経路を形成する。ステータ14は、巻線28から成り、ハウジング4内に焼嵌め又はプレス嵌めによって嵌着される。あるいは別法として、ステータ14をハウジング4内に固定する方法として高伝熱性接着剤と組み合わせて遊び嵌めを用いることもできる。界磁巻線28の端部折り返し巻線30,32,34,36は、巻線28の端部領域に示されている。巻線28への電力は、船からステー6に沿って通されたケーブル(図示せず)を介して供給される。ステータ14とロータ16の間に空隙38(この例ではほぼ4mm程度)が存在する。このような空隙は、対流を起こさせるほど大きいものではない。
巻線28は、慣用設計のものであるが、ハウジング4に密に近接して配置されているので、ハウジングを取り巻く水が、巻線28に対して十分な冷却作用を与える。
図1に示された推進ユニットをより詳細に説明すると、この推進ユニット2の端部領域40は、ハウジング4の円筒壁に取り付けられたほぼ半球状の端部キャップから成る。この円筒壁自体の、半球状の端部キャップ(殻体)に近接した端部の内側表面には、円周方向にほぼ等間隔を置いて複数の熱交換フィン42が設けられている。これらのフィン42の構成は、図3に明示されている。ロータ16を中心とする第1曲率を有する第1周側縁と、ロータ16を中心とする第2曲率を有する第2周側縁を備えたバンドから成るじゃま板44(図4をも参照)が、その大きい方の曲率を有する周縁を熱交換フィン42に近接させて配置されている。じゃま板44は、熱交換領域45内に設けられており、後述するように冷却空気の経路を延長させる働きをし、空気を熱交換フィン42の間を通るように差し向ける。熱交換フィン42の出口側にも、やはり冷却空気の流れを導くために、じゃま板44と同様な形状のじゃま板46が設けられている。
図9は、図1に示された推進ユニットの変型実施形態を示す。この例では、図9に示される熱交換領域59において図1のじゃま板44の長さを延長して湾曲させじゃま板58を形成している。じゃま板58のこの延長は、空気経路を延長し、冷却空気がハウジング4の半球状部分40と接触する時間を長くする。更に、図9の例では、図1の図1の熱交換フィン42も延長してフィン60としている。この延長により、じゃま板58によって画定される経路の長手に対する熱交換面積を増大させる。
ステー6内に設けられたファンモータ48は、遠心ファン50を駆動する。遠心ファン50は、空気を推進ユニットのモータ12内を通して循環させるための撹拌器を構成する。ステー6を冷却空気のための入口部分54と冷却空気のための出口部分56に分割するために、ステー6内の中央領域に沿って仕切板52が設けられている。(ここで、アームの入口及び出口と称するのは、推進ユニット2は、船の下の水中に沈められており、空気はハウジング4とステー6内を循環されるからである。)
使用において、ファンモータ48は、遠心ファン50を駆動し、空気を入口部分54へ吸引し、ファン50を通し出口部分56を通してステー6から押し出する。空気は、出口部分56からハウジング4内へ押し出されると、ロータ巻線24内のダクト27に沿って進む。仕切板52は、出口部分56から出てくる空気をダクト27へ確実に導くように、ロータ16に密に近接する位置にまでハウジング4内に突入している。空気は、ロータ巻線24内へ流入する際、ステータ巻線28の端部折り返し巻線32,34を被って通るので、それらにも冷却作用を及ぼす。更に、空気はロータ巻線24から出るとき、ステータ巻線の端部折り返し巻線30、36を被って通る。更に、ロータ巻線24から出た空気は、じゃま板46によって導かれて熱交換フィン42(図9では熱交換フィン60)の間を通り、その間に、ハウジング4の内側表面と良好な伝熱接触をしているこれらのフィン42(又は60)との熱交換によって冷却される。じゃま板44(図9では58)は、空気流がロータ16に沿って支持アーム26の間の空間を通って戻される前に、空気流を所定時間の間熱交換フィン42(又は60)と接触した状態に維持する働きをする。ロータ16を出た後、空気は、ステー6の入口部分54内へ吸い上げられる。
図5に示された実施形態について説明すると、この実施形態の主な相違点は、空気をロータ16の長手方向に強制的に循環させるのではなく、以下に述べるように、局部的に対流を強制的に起こさせるために複数のファン即ち撹拌器を用いることである。
即ち、この例では、ステータ巻線28の端部折り返し巻線30,32,34,36の各々に近接してファン62,64,66,68が配置され、それぞれの端部折り返し巻線を通して局部的に空気を強制循環させる。空気がステー6の壁に近接して配置されたファン66によって強制的に循環されるように仕切板70がステー6内へ立ち上げられている。それによって、ファン66による冷却効果を更に高める。
ハウジング4及びステー6内の空気は、大気圧より高い圧力に維持される。2バール〜7バールの範囲の圧力が有利であると考えられる。この高められた圧力は、海水をハウジング4の底部領域(一般に「水溜め」と称される)から排出するのを助成するのにも利用することができ、更に、ロータ16の、ハウジング4を貫通しプロぺラ10にまで延長している部分の周りにシールを維持するのを助成するのにも利用することができる。
図1は、本発明による推進ユニットの第1実施形態の側面図である。 図2は、図1の線A−Aに沿ってみた断面図である。 図3は、図2の一部分の拡大図である。 図4は、図1の一部分の拡大図であり、じゃま板の構成を示す。 図5は、本発明による推進ユニットの第2実施形態の側面図である。 図6は、図1及び5に示された実施形態のハウジングの端面図である。 図7は、図6に示されたハウジングの一部分の透視図である。 図8は、図1のモータのロータの断面図である。 図9は、図1に示された推進ユニットの実施形態のための変形構成を示す。
符号の説明
2 推進ユニット
4 ハウジング
6 ステー
8 スリップリング
10 プロぺラ
12 モータ
14 ステータ
16 ロータ
18 中心軸
22,24 軸受
24 ロータ巻線
26 支持アーム
27 ダクト
28 ステータ巻線
30,32,34,36 端部折り返し巻線
38 空隙
40 フィン
40 半球状部分
40 端部領域
42 熱交換フィン、フィン
44 じゃま板
45 熱交換領域
46 じゃま板
48 ファンモータ
50 遠心ファン、ファン
52 仕切板
54 入口部分
56 出口部分
58 じゃま板
59 熱交換領域
60 熱交換フィン、フィン
62,64,66,68 ファン
70 仕切板

Claims (22)

  1. 水上船舶を推進させるための推進ユニット(2)であって、
    水中に沈められるように船舶の船体の下から懸架されたハウジング(4)と、
    該ハウジング(4)内に収容されており、プロぺラ(10)を駆動することによって推進力を与えるための電気モータ(12)を有しており、
    前記電気モータ(12)は、回転軸線を有する軸(18)と、該軸に取り付けられたロータ巻線を含む円筒形本体(24)から成り、該円筒形本体と軸との間に形成された第1冷却通路と、該ロータ巻線を貫通して設けられた第2冷却通路(27)を有するロータ(16)を含み、
    前記ハウジング(4)は、冷却ガスを前記第1冷却通路に沿って第1方向に通し、前記第2冷却通路(27)に沿って該第1方向とは異なる第2方向に通す内部空間を画定し、該ハウジングの内部空間は、前記冷却ガスの冷却効果を高めるためにほぼ2バール以上の圧力に維持されており
    フィン(42)を有する熱交換領域(45)が、前記第1冷却通路と第2冷却通路との間に流体連通を設定するように、前記ハウジング(4)の端部領域(40)内で、該端部領域の内側表面に設けられいることを特徴とする推進ユニット。
  2. 前記第1方向は、前記第2方向とは反対向きであることを特徴とする請求項1に記載の推進ユニット。
  3. 前記フィンは、高い伝熱性を有する材料で製造されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の推進ユニット。
  4. 前記フィンは、使用中前記ハウジング(4)を取り巻く水によって熱が吸収されるように該ハウジングと組合わされていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の推進ユニット。
  5. 前記フィンは、前記ハウジング(4)と一体に製造されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の推進ユニット。
  6. 前記第2方向に流れるガスは、前記第2冷却通路(27)を出て前記熱交換領域(45)に流入するように構成されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の推進ユニット。
  7. 前記モータ(12)は、外方に突出した端部折り返し巻線(30,32・・・)を有するステータ(14)を含み、該推進ユニットは、前記2つの冷却通路に沿って流れる前記冷却ガスが該端部折り返し巻線を被って通るように構成されていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の推進ユニット。
  8. 前記ステータ(14)は、前記ハウジングの内側表面と良好な伝熱接触をなすように取り付けられていることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の推進ユニット。
  9. 前記冷却ガスは、空気であることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の推進ユニット。
  10. 前記ハウジング内の圧力は、使用中ほぼ2バールからほぼ7バールの範囲であることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の推進ユニット。
  11. 前記モータは、誘導モータ又は同期モータであることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の推進ユニット。
  12. 前記ハウジング(4)内で前記冷却ガスを循環させるための撹拌器(50)を含むことを特徴とする請求項1〜11のいずれか1項に記載の推進ユニット。
  13. 前記撹拌器は、少なくとも1つのファンから成ることを特徴とする請求項12に記載の推進ユニット。
  14. 水上船舶を推進させるための推進ユニット(2)であって、
    水中に沈められるように船舶の船体の下から懸架されたハウジング(4)と、
    該ハウジング(4)内に収容されており、プロぺラ(10)を駆動することによって推進力を与えるための電気モータ(12)を有しており、
    前記電気モータ(12)は、外方に突出した端部折り返し巻線(30,32・・・)を有するステータ(14)と、回転軸線を有する軸(18)を備えたロータ(16)とを含み、
    前記ハウジング(4)は、冷却ガスを冷却するための熱交換機構(45)を備えた端部領域(40)を有しており、該熱交換機構は、使用中、前記ハウジングを取り巻く水が該ハウジングから熱を吸収するように該ハウジングの内表面に設けられた1つ又は複数のフィン(42)を含み、前記冷却ガスは、前記熱交換機構(45)を被って通過する前に前記端部折り返し巻線を被って通るように構成されていることを特徴とする推進ユニット。
  15. 前記フィンは、高い伝熱性を有する材料で製造されていることを特徴とする請求項14に記載の推進ユニット。
  16. 前記フィンは、前記ハウジングと一体に製造されていることを特徴とする請求項14又は15に記載の推進ユニット。
  17. 前記ロータ(16)は、前記軸(18)に取り付けられた円筒形本体(24)から成り、該円筒形本体(24)と軸(18)との間に第1冷却通路が形成されていることを特徴とする請求項14〜16のいずれか1項に記載の推進ユニット。
  18. 前記軸に取り付けられた円筒形本体(24)は、ロータ巻線から成ることを特徴とする請求項17に記載の推進ユニット。
  19. 前記ロータ巻線は、それを貫通する第2冷却通路(27)を有することを特徴とする請求項18に記載の推進ユニット。
  20. 前記冷却ガスが前記第1冷却通路に沿って第1方向に通過し、前記第2冷却通路に沿って該第1方向とは異なる第2方向に通過するように構成されていることを特徴とする請求項19に記載の推進ユニット。
  21. 前記第1方向は、前記第2方向とは反対向きであることを特徴とする請求項20に記載の推進ユニット。
  22. 前記ハウジングの内部は、ほぼ2バール以上の圧力に維持されていることを特徴とする請求項14〜21のいずれか1項に記載の推進ユニット。
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