JP5428544B2 - 冷却水タンクの構造 - Google Patents

Description

本発明は、車両の冷却系に用いる冷却水を貯留する冷却水タンクの構造に関する。

車両には、その駆動源や周辺機器を冷却するための冷却装置が搭載されている。冷却装置は、冷却対象物をつなぐように車両に形成された冷却流路と、この冷却流路内で冷却水を循環させる駆動ポンプと、冷却水の熱を放熱するラジエータと、冷却水を貯留する冷却水タンクを備えている。そして、駆動ポンプが作動して冷却水を冷却流路内で循環させてラジエータに走行風や電動ファンによる風を当てること，もしくはラジエータまわりの空気の自然対流による放熱で、冷却水の熱を奪って駆動源や周辺機器を冷却している。冷却水タンクは、冷却流路を循環した冷却水をタンク内に導入する冷却水導入口と、タンク内の冷却水を冷却流路へと排出する冷却水出口が形成されている。冷却水導入口はタンク内の冷却水の水面よりも上方に配置されることが多く、導入された冷却水がタンク内に流入する際に冷却水内に気泡が発生してしまう。このような気泡が冷却水出口に多く吸い込まれてしまうと、冷却水を軸受けの潤滑に利用しているウォータポンプ等では、気泡が混入した冷却水を軸受けに流入することで、軸受けが損傷する要因となってしまう。また、車両の加速／減速や坂道走行によってタンク内の冷却水の水面が急激に変動すると、タンク内の冷却水出口上方の水位が低下した際に、気泡が冷却水出口に吸い込まれ易くなってしまう。
尚、冷却水導入口が水面よりも下方にあったとしても、冷却水導入口が水面に近い場合やタンク内へ流入する冷却水の勢いが強い場合には、冷却水内に気泡が発生して上記と同じ状況となってしまう。

タンク内の気泡の冷却水出口への吸い込みを対策するものとして、特許文献１の図１２ではタンクの底部に凹部を形成し、この凹部に冷却水出口と凹部上方に隔壁３２を配置することで、冷却水出口の上方に冷却水溜まりを形成して、タンク内の冷却水の水面が変動しても冷却水の気泡が冷却水出口に吸い込まれないようにしている。

特開２００６−３２９０５２号公報

特許文献１に記載の図１２の構造は冷却水出口の上方で車両傾斜などによる水面の低下や波打ちが生じても凹部上方に配置される隔壁３２によって冷却水出口上方の冷却水溜まりが保持される。しかし、隔壁３２は同時に凹部へ流入する冷却水の妨げにもなっているため、坂道等で車両傾斜が継続すると、その妨げによって凹部の冷却水が不足して隔壁３２を乗り越えて冷却水が補給されるまで冷却水出口上方の水位が低下し、気泡の多くが冷却水出口へ吸い込まれる構造となっている。
また、冷却水導入口からタンク内に冷却水が流入する際に発生する気泡の抑制に関しては考慮されていない。また、駆動ポンプの種類やポンプを搭載する車両が異なり、単位時間当たりのタンク内に流入する冷却水量が多くなると、タンク内への冷却水流入時に発生する気泡の量や気泡が潜る深さが変わるため、冷却水タンクの構造にはこのような点も考慮する必要がある。
本発明は、車体の動的変化や姿勢変化に応じてタンク内の冷却水水面が変動したり、タンク内に流入する冷却水量が増加しても、冷却水出口に冷却水内の気泡が吸い込まれないような車両用の冷却水タンクの構造を提供することを、その目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１にかかる発明は、冷却対象物をつなぐように車両に形成された冷却流路内を駆動ポンプの作動によって循環する冷却水をタンク内部に導入する冷却水導入口と、タンク内の冷却水を冷却経路内に排出する冷却水出口を備えた冷却水タンクの構造において、タンク内に設けられ同タンク内の空間を仕切る少なくとも１つの隔壁と、タンク底部の端に形成されていて、タンク内の端の空間を深くする凹部とを有し、隔壁には仕切られたタンク内空間を連通する開口部がタンク底部寄りに形成されていて、凹部には冷却水出口が形成され、隔壁を複数有し、各隔壁に形成された開口部のうち、冷却水出口の近くに配置された隔壁の開口部の上端が、他の開口部の上端よりも低く設定され、冷却水出口の近くに配置された隔壁の開口部は凹部と連続していることを特徴としている。

請求項２にかかる発明は、請求項１記載の冷却水タンクの構造において、冷却水出口の近くに配設された隔壁の開口部上端が、凹部とタンク底部の境目よりも冷却水出口側にあることを特徴としている。
請求項３にかかる発明は、請求項１又は２記載の冷却水タンクの構造において、隔壁の開口部は、タンクの中心線に対して互いにずれて配置されていることを特徴とし、請求項４にかかる発明は、請求項１、２又は３記載の冷却水タンクの構造において、タンクの中心線に沿って分離壁を形成してタンク内を分割し、分離壁によって分割された空間内に、隔壁をそれぞれ並例に配置していることを特徴としている。

本発明によれば、タンク内の空間を仕切る少なくとも１つの隔壁と、タンク底部の端に形成された凹部とを有し、隔壁には仕切られたタンク内空間を連通する開口部がタンク底部寄りに形成されているので、冷却水がタンク内へ流入する際に発生する気泡は隔壁によって阻まれ、冷却水の気泡が冷却水出口に吸い込まれ難くなる。また、タンク内の端の空間が、凹部によって他の空間よりも深く形成されて、この深く形成された空間に冷却水出口を形成したので、車体の動的変化や姿勢変化に応じてタンク内の冷却水水面が変動しても、冷却水出口の上方に凹部によって冷却水溜まりが形成され、冷却水出口上方の水位の急激な低下を防止し、冷却水出口上方の水位を確保するので、冷却水の気泡が冷却水出口に吸い込まれ難くなり、気泡によるポンプの軸受け破損等を低減することができる。

本発明に係る冷却水タンクの構造が適用された車両に搭載された冷却装置の概略構成図である。 本発明の第１の実施形態である冷却水タンクの構成を側面から見たときの断面図である。 第１の実施形態である冷却水タンクの構造を平面視したときの概略図である。 (ａ)は図２，図３に示した冷却水タンクの隔壁の作用を説明するための概略図、(ｂ)図２，図３に示した冷却水タンクの車体傾斜時のタンク内の状態を示す概略図である。 本発明の第２の実施形態である冷却水タンクの構造を平面視したときの概略図である。 第２の実施形態である冷却水タンクの構成を側面から見たときの断面図である。 (ａ)は図５，図６に示した冷却水タンクの隔壁の作用を説明するための概略図、(ｂ)図５，図６に示した冷却水タンクの車体傾斜時のタンク内の状態を示す概略図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。最初に図１を用いて本発明に係る冷却水タンクの構造が適用された冷却装置の概略構成について説明する。図１において、符号１で示す車両の一例である電気自動車は、電源部となる図示しないバッテリユニットから電力供給され、駆動源となる電動モータ２を回転させることで後輪１０を駆動させて走行するものである。モータ２と図示しないバッテリユニットの間にはインバータ３とＤＣ／ＤＣコンバータと＆車載充電器４が電気配線で接続されている。

電気自動車１は、冷却対象物となる電動モータ２及び車両の電装部品となるインバータ３とＤＣ／ＤＣコンバータ＆車載充電器４をつなぐように冷却流路５が形成されている。冷却流路５には、放熱部となるラジエータ６と、冷却流路５内で冷却水１２を循環させる駆動ポンプの一例である電動式のウォータポンプ７と、冷却流路５内に冷却水１２を貯留する冷却水タンク（以下「気水分離タンク」と記す）８を備えている。冷却流路５は、大きく分けてラジエータ６の出口側と気水分離タンク８の冷却水導入口とをつなぐ流路５Ａと、気水分離タンク８の冷却水出口とラジエータ６の入口側とをつなぐ流路５Ｂで構成されている。そしてこの車両の例では、流路５Ｂに電動モータ２、インバータ３、ＤＣ／ＤＣコンバータ＆車載充電器４が配設され、これら電動モータ２、インバータ３、ＤＣ／ＤＣコンバータ＆車載充電器４が流路５Ｂを流れる冷却水１２で冷却されるように構成されている。つまり、本形態において電動モータ２，インバータ３、ＤＣ／ＤＣコンバータ＆車載充電器４は冷却が必要な部品である。ラジエータ６の放熱部と対向する位置には、冷却ファン９が配設されている。これら構成によって冷却装置１１が構成されている。

次に本発明の主要部である気水分離タンクの構造について説明する。気水分離タンクの実施形態としては２つを記載する。各形態で示す気水分離タンクは、図１に示す冷却装置１１に適用されるものとする。また、各形態において同一機能をする構成要素には同一符号を付す。
（第１の実施形態）
第１の実施形態に係る気水分離タンク８は、図２に示すように、図１で説明した流路５Ａ内を流れる冷却水１２をタンク内部に導入する冷却水導入口８１と、タンク内に貯留されている冷却水(以下「タンク内冷却水１２Ａ」と記す)を流路５Ｂに排出する冷却水出口８２と、タンク内に設けられタンク内部を仕切る隔壁８３，８４と、タンク底部８Ａに形成された凹部８５と、タンク上部８Ｂに形成されてキャップ８６によって開閉される冷却水補給口８７とを有している。本形態において、気水分離タンク８は樹脂製であり、冷却水導入口８１が車両前方側で、冷却水出口８２が車両後方側に位置するように車体に搭載されている。

キャップ８６には周知の圧力調整弁が装着されていて、タンク内圧が上昇すると開弁してタンク内圧を低減するように構成されている。タンク内圧の上昇要因の１つは、タンク内冷却水１２Ａとタンク内冷却水１２Ａ上方の空気の温度上昇にある。隔壁８３，８４の上部には、タンク内冷却水１２Ａから分離された気泡，つまり空気を圧力調整弁を有するキャップ８６へと案内する空気通過用の孔１３がそれぞれ形成されている。

隔壁８３，８４は、車両前後方向に間隔を空けてタンク内に形成されている。本形態では２つの隔壁８３，８４を形成しているので、タンク内が３つの空間Ａ〜Ｃに分割されている。隔壁の数は２つに限定されるものではなく、気水分離タンク８の大きさに応じて適宜設ければよいが、少なくとも１つは必要である。

冷却水導入口８１は、気水分離タンク８の一側面８Ｃの上部に空間Ａと連通するように形成されていて、流路５Ａ内を流れる冷却水１２を空間Ａ内に導入する。このため、空間Ａには冷却水導入口８１から導入された冷却水１２(以下「流入冷却水１２Ｂ」と記す)が上方から流入するので、空間Ａ内に貯留しているタンク内冷却水１２Ａに流入冷却水１２Ｂが流れ落ちる際に冷却水１２Ａ上の空気を取り込んで冷却水１２Ａ内に気泡が発生する。この気泡は、冷却水導入口８１から落下する流入冷却水１２Ｂの勢いによってタンク底部８Ａに向って潜り込むことになり、タンク内冷却水１２Ａと混合する要因となる。

本形態において、凹部８５は、冷却水導入口８１とは反対側の気水分離タンク８の他側面８Ｄ側の底部８Ａに、図２中、下方に向って突出するように形成されている。そして、凹部８５の底面８５Ａには、冷却水出口８２がタンク内と連通するように形成されている。このため、空間Ａ〜空間Ｃの中で、冷却水導入口８１から最も遠い空間Ｃの水面１２Ｃからの深さＮ１は、空間Ａ、Ｂの深さＮよりも深くなる。つまり、凹部８５はタンク内の端の空間を深くしている。冷却水出口８２は、図２，図３に示すように、車両上下方向に延び、空間Ｃの中央からオフセットして空間Ｃを形成する壁近くに形成されている。これは、空間Ｃの中央近くに冷却水出口８２が位置していると、空間Ｃにおいて冷却水の排出時に渦が容易に発生して冷却水出口８２への気泡の吸引がより発生し易くなるため、意図的にオフセットしている。尚、レイアウトが成立するならば冷却水出口８２は空間Ｃの適当な深さの側面にあっても良い。

隔壁８３，８４には図２に示すように、空間Ａと空間Ｂ及び空間Ｂと空間Ｃとをそれぞれを連通する開口部８３１，８４１が形成されている。開口部８３１，８４１は、冷却水出口８２から冷却に必要な単位時間当たりの排出量を確保できる開口面積とされている。開口部８３１，８４１は、隔壁８３，８４の下部、すなわち、タンク底部８Ａ寄りに配設されている。中でも冷却水出口８２の近くに配置された隔壁８４の開口部８４１の上端８４１ａは、開口部８３１の上端８３１ａと同じ高さかより低く設定されて、すなわちタンク内の水面１２Ｃから開口部８３１の上端８３１ａと同じ高さかより深い位置(最深部)に配設されている。図３に示すように、開口部８３１と開口部８４１は、タンク中心線Ｏに対して互いにずれて配置されている。これは、空間Ａから空間Ｃに至るタンク内での冷却水経路を斜めに長くとるようにすることで、タンク内での冷却水１２の滞在時間を開口部８３１と開口部８４１を直線的に配置する場合よりも長くして、タンク内冷却水１２Ａ中の気泡を冷却水から分離し易くするためである。

このような構成の気水分離タンク８の構造によると、タンク内空間が隔壁８３，８４によって複数に分割し、隔壁８３，８４に仕切られたタンク内の空間Ａ〜Ｃを連通する開口部８３１，８４１をタンク底部８Ａ寄りに形成したので、図４(ａ)に示すように冷却水導入口８１からタンク内(空間Ａ)への流入冷却水１２Ｂの流入に伴い，冷却水内に発生する気泡が隔壁８３，８４によって阻まれる。図中符号Ｓは気泡の集まりを示し、白丸は気泡を示す。

すなわち、空間Ａには勢いのある流入冷却水１２Ｂが導入されるので、このときに発生する気泡はタンク内空間Ａ部の冷却水１２Ａに深く潜り込む。そして空間Ａ内での流動時に水面１２Ｃへと上昇するが、その一部はタンク内冷却水１２Ａに残存して開口部８３１をタンク内冷却水１２Ａに混合されて通過して空間Ｂへ流入する。空間Ｂに流入したタンク内冷却水１２Ａの気泡は、空間Ｂ内での流動時に水面１２Ｃへと上昇する。このとき、タンク内冷却水１２Ａは、流動抵抗により空間Ａ内よりも勢いが低減しているので、空間Ｂの対流時間が長く十分な気泡が水面１２Ｃへと上昇し、良好な分離が行える。さらに、開口部８４１の上端８４１ａは開口部８３１の上端８３１ａと同じ高さかより低く(深い位置)形成されているので、開口部８４１を通過する気泡の割合を開口部８３１と同等か、より少なくすることができる。このため、タンク内冷却水１２Ａ中の気泡が冷却水出口８２に吸い込まれ難くなる。

空間Ａ〜空間Ｃの中で、冷却水導入口８１から最も遠い空間Ｃのタンク底部８Ａに凹部８５を形成しているので、図４(ｂ)に示すように、車体の動的変化や姿勢変化に応じてタンク内冷却水１２Ａの水面１２Ｃが変動（低下）しても、冷却水出口８２の上方に凹部８５によって冷却水溜まり１２Ｄが形成される。さらに開口部８４１の上端８４１ａが低い位置に形成されているので、空間Ｃ部の開口部８４１の上端８４１ａよりも高い位置にある冷却水は隔壁８４があるために空間Ｂへの移動が制限され，空間Ｃにおける冷却水出口上方の水位低下を緩やかにするので、タンク内冷却水１２Ａに気泡が含まれている場合でも冷却水出口８２に吸い込まれ難くなり、気泡によるウォータポンプの軸受け破損等を低減することができる。
(第２の実施形態)
図５に示すように、本形態に係る冷却水タンクとなる気水分離タンク８０は、その内部に、タンク中心線Ｏに沿って分離壁８０１を形成してタンク内を車幅方向に分割し、分離壁８０１によって分割された空間内に、第１の実施形態における隔壁８３，８４に相当する隔壁８８，８９，９０，９１を車両前後方向にそれぞれ並例に配置している。分離壁８０１は車両後方側となるタンクの他側面８０Ｄに接し、開口８０１１が形成されて隔壁の役割も果たしている。このため、本形態では、タンク内が空間Ｄ，空間Ｅ，空間Ｆ，空間Ｇ，空間Ｈ，空間Ｉの６つの空間に分割されている。そして、冷却水導入口８１は、気水分離タンク８０の一側面８０Ｃの上部に空間Ｄと連通するように形成されていて、流路５Ａ内を流れる冷却水１２を空間Ｄ内に導入する。タンク上部８０Ｂには、キャップ８６で開閉される開口８７が形成されている。

空間Ｈ内に位置するタンク底部８０Ａには、図６に示すように、図中、下方に向って突出するように凹部８５が形成されている。本形態において、凹部８５は、冷却水導入口８１と同一側に配置されているが、タンク内冷却水１２Ａの流路から見ると、最下流に位置する空間Ｉに形成されているので、冷却水導入口８１から最も遠い空間は空間Ｉとなる。このため、空間Ｄ〜Ｉの中で、冷却水導入口８１から最も遠い空間Ｉの水面１２Ｃからの深さＮ２が、空間Ｄ〜Ｈの深さＮ３よりも深く形成されることになる。つまり、本形態においても、凹部８５はタンク内の端の空間を深くしている。冷却水出口８２は、空間Ｉに位置するタンク底部８０Ａに、空間Ｉと連通するように形成している。尚，レイアウトが成立するならば冷却水出口８２は空間Ｉの適当な深さの側面にあっても良い。

隔壁８８，８９，８０１，９０，９１には、空間Ｄと空間Ｅ、空間Ｅと空間Ｆ、空間Ｆと空間Ｇ，空間Ｇと空間Ｈ及び空間Ｈと空間Ｉとを連通する開口部８８１，８９１，８０１１，９０１，９１１がそれぞれ形成されている。開口部８８１，８９１，８０１１，９０１，９１１は、冷却水出口８２から冷却に必要な単位時間当たりの排出量を確保できる開口面積とされている。開口部８８１，８９１，８０１１，９０１，９１１は、隔壁８８，８９，８０１，９０，９１の下部、すなわち、タンク底部８０Ａ寄りに配設されている。中でも冷却水出口８２の近くに配置された隔壁９１の開口部９１１の上端９１１ａは、他の開口部８８１，８９１，８０１１，９０１それぞれの上端８８１ａ，８９１ａ，８０１１ａ，９０１ａよりも同じか低く設定されて、すなわちタンク内の水面１２Ｃから他の開口部８８１，８９１，８０１１，９０１の上端８８１ａ，８９１ａ，８０１１ａ，９０１ａと同じ高さかより深い位置(最深部)に配設されている。各隔壁の上部には、タンク内冷却水１２Ａから分離された気泡，つまり空気を圧力調整弁を有するキャップ８６へと案内する空気通過用の孔１３がそれぞれ形成されている。

図５に示すように、開口部８８１，８９１及び開口部９０１と開口部９１１は、車幅方向に対して互いにずれて配置されていて、空間Ｄから空間Ｉに至るタンク内での冷却水経路を斜めに長くとるようにすることで、タンク内での冷却水１２の滞在時間を、各開口部を直線的に配置する場合よりも長くして、タンク内冷却水１２Ａ中の気泡をタンク内冷却水１２Ａの上方の空気へと分離し易くしている。

このような構成の気水分離タンク８０の構造によると、タンク内空間が隔壁８８，８９，８０１，９０，９１によって複数に分割し、各隔壁で仕切られたタンク内の空間Ｄ〜Ｉを連通する開口部８８１，８９１，８０１１，９０１，９１１をタンク底部８０Ａ寄りに形成したので、図７(ａ)に示すように冷却水導入口８１からタンク内(空間Ｄ)への流入冷却水１２Ｂの流入に伴い発生する気泡が、隔壁８８，８９，８０１，９０，９１によって阻まれる。図中符号Ｓは気泡の集まりを示し、白丸は気泡を示す。

すなわち、空間Ｄには勢いのある流入冷却水１２Ｂが導入されるので、このときに発生する気泡はタンク内冷却水１２Ａに深く潜り込む。そして空間Ｄ内での流動時に水面１２Ｃへと上昇するが、その一部はタンク内冷却水１２Ａに残存して開口部８８１をタンク内冷却水１２Ａに混合されて通過して空間Ｅへ流入する。空間Ｅに流入したタンク内冷却水１２Ａの気泡は、空間Ｅ内での流動時に水面１２Ｃへと上昇する。このとき、タンク内冷却水１２Ａは、流動抵抗により空間Ｅ内よりも勢いが低減しているので、空間Ｅの対流時間が長く十分な気泡が水面１２Ｃへと上昇し、良好な分離が行える。同様にタンク内冷却水１２Ａは、空間Ｅから空間Ｉに向かって隔壁８９、８０１，９０，９１に形成した開口部８９１，８０１１，９０１，９１１を通過することで減衰しながら流動し、各空間内での滞留中に気泡が水面１２Ｃへと上昇して分離する。また、最後の開口部９１１の上端９１１ａは他の開口部と同じかより低く(深い位置)に形成されているので、開口部９１１を通過する気泡の割合を他の開口部と同等か，より少なくすることができる。このため、タンク内冷却水１２Ａ中の気泡が冷却水出口８２に吸い込まれ難くなる。

空間Ｄ〜空間Ｉの中で、冷却水導入口８１からタンク内冷却水１２Ａの流路から見て最下流に位置して、最も遠い空間Ｉのタンク底部８０Ａに凹部８５を形成しているので、図７(ｂ)に示すように、車体の姿勢変化に応じてタンク内冷却水１２Ａの水面１２Ｃが変動（低下）しても、冷却水出口８２の上方に凹部８５によって冷却水溜まりが形成される。かつ開口部９１１の上端９１１ａが低い位置に形成されているので，空間Ｉ部の開口部９１１の上端９１１ａよりも高い位置にある冷却水は隔壁９１があるために空間Ｈへの移動が制限され，空間Ｉにおける冷却水出口上方の水位低下をゆるやかにするので、タンク内冷却水１２Ａに気泡が含まれている場合でも冷却水出口８２に吸い込まれ難くなり、気泡によるウォータポンプの軸受け破損等を低減することができる。

１ 車両
２，３，４ 冷却対象物
５（Ａ，Ｂ） 冷却経路
６ ラジエータ
７ 駆動ポンプ
８，８０ 冷却水タンク
８Ａ，８０Ａ タンク底部
８Ｂ，８０Ｂ タンク上部
８Ｃ，８Ｄ，８０Ｃ，８０Ｄ タンク側面
９ 冷却ファンモータ
１０ 後輪
１１ 冷却装置
１２（Ａ，Ｂ） 冷却水
１２Ｃ タンク内冷却水水面
１２Ｄ 冷却水溜まり
１３ 空気通過用の孔
８１ 冷却水導入口
８２ 冷却水出口
８３，８４ 隔壁
８５ 凹部
８６ キャップ
８７ 冷却水補給口
８５Ａ 凹部底部
８８〜９１,８０１ 隔壁
８３１，８４１ 開口部
８８１，８９１，８０１１，９０１，９１１ 開口部

Claims (4)

1. 冷却対象物をつなぐように車両に形成された冷却経路内を駆動ポンプの作動によって循環する冷却水をタンク内部に導入する冷却水導入口と、前記タンク内の冷却水を前記冷却経路内に排出する冷却水出口を備えた冷却水タンクの構造において、
   前記タンク内に設けられ同タンク内の空間を仕切る少なくとも１つの隔壁と、タンク底部の端に形成されていて、タンク内の端の空間を深くする凹部とを有し、
   前記隔壁には仕切られたタンク内空間を連通する開口部が前記タンク底部寄りに形成されていて、前記凹部には前記冷却水出口が形成され、
   前記隔壁を複数有し、各隔壁に形成された開口部のうち、前記冷却水出口の近くに配置された隔壁の開口部の上端が、他の開口部の上端よりも低く設定され、
   前記冷却水出口の近くに配置された隔壁の開口部は前記凹部と連続していることを特徴とする冷却水タンクの構造。
2. 請求項１記載の冷却水タンクの構造において、
   前記冷却水出口の近くに配設された隔壁の開口部上端が、前期凹部と前記タンク底部の境目よりも前記冷却水出口側にあることを特徴とする冷却水タンクの構造。
3. 請求項１又は２記載の冷却水タンクの構造において、
   前記隔壁の開口部は、前記タンクの中心線に対して互いにずれて配置されていることを特徴とする冷却水タンクの構造。
4. 請求項１、２又は３記載の冷却水タンクの構造において、
   前記タンクの中心線に沿って分離壁を形成して前記タンク内を分割し、前記分離壁によって分割された空間内に、前記隔壁をそれぞれ並例に配置していることを特徴とする冷却水タンクの構造。

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