JP6207611B2 - 伝達ダクトを含む熱音響トランスデューサ装置 - Google Patents
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Description
本発明は、概して、熱音響トランスデューサ(thermoacoustic transducers)に関し、より具体的には、熱(thermal)エネルギーと機械的(mechanical)エネルギーとを変換する熱音響トランスデューサに関する。
熱音響トランスデューサは、熱エネルギーを受け取る熱機関(heat engine)として作動するように構成され得、そして、該トランスデューサは、熱エネルギーを機械的エネルギーに変換し、該熱エネルギーは、例えば、発電機を駆動するために使用され得る。あるいは、熱音響トランスデューサは、機械的エネルギーを受け取るヒートポンプとして作動するように構成され得、該トランスデューサは、機械的エネルギーを、より低い温度からより高い温度への熱エネルギーの伝達へと変換する。
図1を参照すると、本発明の第1の実施形態による熱音響トランスデューサ装置が、概して100で示されている。当該装置100は、音響パワーと機械的パワーとの間のパワー変換を提供するよう作動可能な機械的変換器102を含んでいる。機械的変換器102は、該機械的変換器内に圧縮チャンバー106と膨張チャンバー108とを定めるダイヤフラム104を含んでいる。該ダイヤフラムは、関係付けられたダイヤフラム表面積Asを持っている。
機械的変換器102を実施するための実施形態の概略的な断面図は、概して200で示されている。図2を参照すると、機械的変換器200は、圧縮チャンバー204および膨張チャンバー206の入ったハウジング202を含んでいる。圧縮チャンバー204および膨張チャンバー206は、ダイヤフラム208によって分割されている。本実施形態では、ダイヤフラム208は、ハウジング202の周辺部212で支持され、かつ機械的変換器200の中心軸214と一線上に並ぶ(aligned)方向に変位を助長するように構成された弾性壁210を有する。ダイヤフラム208は、下方表面218を持ち、それが、壁の変位中、圧縮チャンバー204の容積を変化させる。同様に、ダイヤフラム208は、上方表面216を持ち、該表面は、壁の変位中、膨張チャンバー206の容積を変化させる。ダイヤフラム208の壁210は、ダイヤフラムにおける応力集中を低減するように選択されたダイヤフラムを越えて渡る厚さプロフィールを持つ。
図3を参照すると、図1における熱変換器114を実施するための実施形態が、概して300で示されている。本実施形態では、熱変換器300は、第1の熱交換器302、再生器304および第2の熱交換器306を含んでいる。再生器304は、第1の熱交換器302と第2の熱交換器306との間で延び、それらと流体連通している。第1の熱交換器302は、第1のプレナム308を介して伝達ダクト110と流体連通している。第2の熱交換器306は、熱エネルギーQinを外部源122から受け取るよう作動可能であり、熱エネルギーQoutは、第1の熱交換器302から取り出され、外部シンク124へと伝達される。第1の熱交換器302、再生器304、および第2の熱交換器306を構成するための一般的考察は、"Thermoacoustics," G. W. Swift, 2002 Acoustical Society of America, Melville NY」に開示されている。
機械的変換器200および熱変換器300は、伝達ダクト110、112で接続されるとき、図1において100で示されるもの等、熱音響トランスデューサ装置を形成する。伝達ダクト110、112は、概して、装置の所望の性能および作動効率を提供するべく構成されている。本文で開示される実施形態では、音響パワーループ118は、定在波成分と進行波成分との両方を確立するように構成されている。定在波成分は、進行波と重なっており、伝達ダクト110、112の長さを制限するが、音響パワーループ118における音響パワーの流れに寄与しない異相圧力および流れ振幅を持つ。同時に、進行波成分は、音響パワーループ118におけるパワーの流れの原因となるが、ダクト内のさらなる粘性および弛緩損失に起因する振幅の僅かな低下を除いて、ダクトを通る経路によって実質的に変化しないままである。伝達ダクト110、112の追加が、定在波成分と進行波成分との比率の調整を助けることによって、機械的変換器200および熱変換器300における音響損失が出力パワーの一部(fraction)として低減する。しかしながら、伝達ダクト110、112自体が、さらなる損失をもたらす。伝達ダクト110、112の長さおよび断面積の選択には、音響パワーループ118内の機械および熱変換器200、300における損失の低減に対する、かつ、装置の全体的な所望の性能を達成するための構造上の制約に対する、ダクト内の損失のバランシングが関与する。
Paは、音響パワーであり;
pは、圧力のフェーザー(位相ベクトル)であり;
は、流量フェーザーの複素共役である。
の相対振幅は、パワーループを通して異なる。図2に示される機械的変換器200の実施形態では、ダイヤフラム208は、比較的剛性であり、小さい作動変位のために構成されており、したがって、圧縮および膨張チャンバー204、206における比較的低い流れ振動振幅と、比較的高い圧力振動振幅を生じる。上記に開示したように、音響パワーループ118に沿った少なくとも1つの位置に、機械的変換器200における圧力振動に対する逆位相関係を持つ圧力振動を持たせるよう、音響パワーループは構成されている。したがって、この逆位相関係が起こる位置は、圧力振動振幅が高く、流れ振動振幅が低い位置に対応している。本実施形態では、粘性損失が流れ振動振幅の二乗に比例しているため、熱変換器300の再生器304は、この位置近傍に配置されている。従って、圧力振動が機械的変換器200における圧力振動とだいたい逆位相関係を持つ音響パワーループ118に沿った位置近傍に熱変換器を配置することは、伝達ダクト110、112を含むことによってもたらされた、増大した粘性および弛緩損失を少なくとも部分的に補償し得る。
を低下させると同時に、音響パワーPaを概して変化させないでおくことによって(上式1中)、再生器304における損失を低減する。圧力振幅|p|の二乗に比例する弛緩損失は、再生器304においては殆どなく、したがって、定在波成分によって著しくは増加しない。しかしながら、粘性損失は、流量の二乗に比例し、著しく減少する。従って、示される実施形態では、伝達ダクト110の第1の断面積A1と、伝達ダクト112の第2の断面積A2は、ダイヤフラム208の表面積Asの少なくとも約10分の1である。伝達ダクト112は、音響パワーループ118において熱変換器300の後に配置され、したがって、伝達ダクト110より高いパワーの流れを収容しなければならないため、伝達ダクト110の第1の断面積A1はまた、伝達ダクト112の第2の断面積A2を下回ってよい。
熱機関としての熱音響トランスデューサ装置の作動について、図4をさらに参照して、さらに説明するが、これは、図1〜3に示されるもの等、熱音響トランスデューサ装置のコンピュータシミュレーションの結果を含んでいる。シミュレーション結果は、一連のグラフ400、402、404、406のように描写されており、x−軸は、圧縮チャンバー204の周辺部212から、圧縮チャンバーを通り、伝達ダクト110と、第1のプレナム308と、第1の熱交換器302と、再生器304と、第2の熱交換器306と、第2のプレナム312と、熱緩衝部310と、伝達ダクト112と、膨張チャンバー206とを通って、周辺部212に、装置を通る音響パワーループ118に沿った位置を表す。音響パワーループ118の端部間の長さは、主に伝達ダクト110、112および熱緩衝部310の長さで占められているため、例示的な目的のため、音響パワーループのこれらの部分は、グラフ400〜406では、1/10倍でx−軸上にプロットされている。再生器304が音響パワーループに沿った位置にあるよう、熱変換器300は配置されており、音響パワーループでは、圧力振動が、機械的変換器200における圧力振動に対しておよそ逆位相関係を持つ。
上記に開示したように、伝達ダクト110、112は、圧縮チャンバー204と膨張チャンバー206との間の位相変化をもたらすように構成されている。ダクト110、112等、ダクトによってもたらされる位相変化は次式によって与えられるによって得られる波長に依存している。
図7を参照すると、機械的変換器102を実施するための代替的な実施形態の概略的な断面図が、概して700で示されている。図7に示される機械的変換器700の実施形態は、概して、ベータ構成スターリングトランスデューサに対応している。機械的変換器700は、圧縮チャンバー704および膨張チャンバー706が入ったハウジング702を含んでいる。圧縮チャンバー704および膨張チャンバー706はディスプレイサー708によって分かれており、該ディスプレイサーは、チャンバー704、706の容積を変えるために機能している。ディスプレイサー708は、ハウジング702の周辺部710で支持され、機械的変換器700の中心軸712と一線上に並ぶ方向への変位を助長するように構成された弾性壁を有する。
のガス圧力へとチャージされ、それが、ダイヤフラム714の内部表面734に作用する力に対して少なくとも部分的にバランスをとる。それは、反力をダイヤフラム714の外部表面732に加えることによる、静的圧力pmに起因するものである。該バウンスチャンバー730は、ハウジング702、ダイヤフラム714の外部表面732、および円筒状のチューブばね722の間に定められる。一実施形態では、バウンスチャンバー730と圧縮チャンバー704との間で、故意の漏洩が、ルビーピンホール(ruby pinhole)等、狭い均等化導管736の形態でもたらされ得る。均等化導管736は、装置における作動ガスと、バウンスチャンバー730におけるガス容積との間の気体伝送を助長する。均等化導管736は、作動ガスとガス容積との間の静的圧力均等化を可能にするようなサイズとなっているが、トランスデューサ装置の作動振動数に対応する期間における有意な気体伝送を防ぐために十分細い。
機械的変換器102を実施するためのさらなる実施形態の概略的な断面図が、図8では、概して800で示される。図8を参照すると、機械的変換器800は、シャフト810に結合されたダイヤフラム808を持つ圧縮チャンバー806を含んでいる。機械的変換器800はまた、シャフト810に結合されたダイヤフラム814を持つ膨張チャンバー812を含んでいる。圧縮チャンバー806および膨張チャンバー812は、それぞれ、それぞれのバウンスチャンバー816、818を持ち、円筒状のチューブばね820、822は、図2に示される実施形態と関連して、概して上述の通りに実施されている。機械的変換器800はまた、外部エネルギーシステム824を含んでいる。圧縮チャンバー806および膨張チャンバー812はそれぞれ、それぞれのチャンバー壁826、828を持ち、示される実施形態は、ハウジング830をさらに含む。ハウジング830は、離間関係にある圧縮および膨張チャンバーを支持するためにそれぞれのチャンバー壁間を延び、また、外部エネルギーシステム824を入れている。
図2に示される機械的変換器200の、熱機関としての作動中、軸214に沿った一方向のダイヤフラム208の運動が、ハウジング202に反対方向の運動を伝達することになる。同様に、図7に示される機械的変換器700については、軸712に沿ったディスプレイサー708およびダイヤフラム714の運動は、ハウジング702にアンバランス力を伝達することになる。ハウジング202または702に伝達される力によって、概して、ハウジングが当該装置100の作動振動数で振動することになり、したがって、作動振動数(例えば、約500Hzで)で、単一の振動数トーンという形態で、音響ノイズを発生する。いくつかの実施形態では、発生したノイズに関連付けられた音パワーは、100dBmの領域内にあり得、これは、例えば、住家等、いくつかのノイズ感知環境における作動を妨げ得る。
図13を参照すると、本発明の他の実施形態による熱音響装置は、概して、1300で示されている。装置1300は、機械的変換器1302、第1の熱変換器1304、および第2の熱変換器1306を含んでいる。一実施形態では、機械的変換器1302は、図7に示されるようなベータ−構成を持ち得るが、他の実施形態では、機械的変換器は、図2に示されるようなアルファ−構成を持ち得る。機械的変換器はまた、図11のバランスされた実施形態と同様、並列の複数の機械的変換器を有し得る。機械的変換器1302は、伝達ダクト1308を通して第1の熱変換器1304と流体連通しており、伝達ダクト1310を通して第2の熱変換器1306流体連通している。第1の熱変換器1304は、伝達ダクト1312を通して第2の熱変換器1306と流体連通している。
Claims (34)
- 熱音響トランスデューサ装置であって、
当該熱音響トランスデューサ装置は、機械的変換器を有し、該機械的変換器は、音響パワーと機械的パワーとの間のパワー変換を提供するように作動可能であり、該機械的変換器は、該機械的変換器内に圧縮チャンバーと膨張チャンバーとを定める少なくとも1つのダイヤフラムを含んでおり、該少なくとも1つのダイヤフラムはダイヤフラム表面積を持っており;
当該熱音響トランスデューサ装置は、熱変換器を有し、該熱変換器は、音響パワーと熱的パワーとの間のパワー変換を提供するように熱的に結合された再生器部分を持った流路を含んでおり、該再生器部分は、再生器流れ面積を持っており;
前記の機械的変換器は、前記圧縮チャンバーと前記流路との間に、そして前記膨張チャンバーと前記流路との間に、それぞれに延びる伝達ダクトを通して熱変換器の流路と流体連通しており、前記伝達ダクトは、前記圧縮チャンバーと前記膨張チャンバーとの間の前記流路を通して音響パワーループを完結し、前記音響パワーループは、作動ガスを含み、かつ前記圧縮チャンバーと前記膨張チャンバーとの間の音響パワーの流れを助長するよう作動可能な作動容積を持っており、
前記伝達ダクトの断面積が、前記再生器流れ面積を下回り、前記再生器流れ面積が、前記ダイヤフラム表面積を下回り;
前記少なくとも1つのダイヤフラムが、前記作動容積内で圧力振動を起こすために弾性変位するよう作動可能であり、前記音響パワーループが、該音響パワーループに沿った少なくとも1つの位置に、前記機械的変換器内の圧力振動と逆位相の関係を持った圧力振動を持たせるように構成されている、
前記熱音響トランスデューサ装置。 - 前記熱変換器の流路が、平行な流れのために構成された複数の前記再生器部分を有し、かつ、前記再生器流れ面積が、前記複数の再生器部分に関連付けられた全体的な面積を有する、請求項1に記載の装置。
- 前記機械的変換器が、平行に構成された複数の機械的変換器を有し、かつ、前記ダイヤフラム表面積が、前記複数の機械的変換器に関連付けられた全体的なダイヤフラム表面積を有する、請求項1に記載の装置。
- 前記伝達ダクトの断面積が、前記ダイヤフラム表面積の少なくとも約10分の1である、請求項1に記載の装置。
- 前記圧縮チャンバーと前記流路との間の前記伝達ダクトが、第1の断面積を持ち、かつ、前記膨張チャンバーと前記流路との間の前記伝達ダクトが、第2の断面積を持ち、かつ、前記第1の断面積が、前記第2の断面積を下回っている、請求項4に記載の装置。
- 前記伝達ダクトが、前記圧縮チャンバーにおける圧力振動と、前記膨張チャンバーにおける圧力振動との間で、約360度の位相変化を生じるよう選択された、それぞれの長さを持っている、請求項1に記載の装置。
- 前記伝達ダクトがそれぞれの長さを持っており、該それぞれの長さが、以下の事項を生じさせるように選択されており、該事項が、
前記圧縮チャンバーにおける圧力振動と、前記膨張チャンバーにおける圧力振動との間の約360度の初期の位相変化;および
前記音響パワーループにおける全体的な位相変化が、前記初期の位相変化と同じ効果を持つような、前記圧縮チャンバーにおける圧力振動と、前記膨張チャンバーにおける圧力振動との間の少なくとも1つのさらなる360度の位相変化である、
請求項1に記載の装置。 - 当該装置が、前記少なくとも1つのダイヤフラムに結合された機械的ばねをさらに有し、前記少なくとも1つのダイヤフラムに作用する全体的な剛性に部分的に依存する共振振動数で弾性変位が起こり、前記全体的な剛性が、少なくともダイヤフラム剛性、前記少なくとも1つのダイヤフラムに影響する作動ガスに起因するガス剛性、および、前記機械的ばねに関連付けられた機械的ばね剛性を含み、かつ、前記機械的ばね剛性に関連付けられた全体的な剛性への寄与が、全体的な剛性の少なくとも半分を有する、請求項1に記載の装置。
- 前記伝達ダクトにおける温度変化が、前記音響パワーループ内の音響パワーの流れに関連付けられた音速変化を生じ、かつ、
全体的な剛性における前記ガス剛性と前記機械的ばね剛性との相対的な割合が、対応する前記共振振動数の変化によって、少なくとも部分的にオフセットされる音速に変化を生じさせるように、
前記音速変化に起因する前記圧縮チャンバーにおける圧力振動と前記膨張チャンバーにおける圧力振動との間の位相変化が、少なくとも部分的に補償されるように、
前記伝達ダクトのそれぞれの長さが構成されている、
請求項8に記載の装置。 - 前記機械的変換器が、圧力容器内に収容され、前記少なくとも1つのダイヤフラムが、外部エネルギーシステムと、前記少なくとも1つのダイヤフラムとの間の機械的パワーの伝達のために、前記外部エネルギーシステムに結合されており、前記外部エネルギーシステムは、前記圧力容器の外部に配置されており、かつ、
前記共振振動数が、少なくともダイヤフラム質量と、前記外部エネルギーシステムとの結合に関連する外部質量とを含む全体的な質量にさらに依存しており、前記外部質量が、前記ダイヤフラム質量を上回っている、
請求項8に記載の装置。 - 前記外部エネルギーシステムが:
発電機、および
原動機
のうちの1つを有する、請求項10に記載の装置。 - 前記機械的ばねが、前記少なくとも1つのダイヤフラムと、前記圧縮チャンバーおよび前記膨張チャンバーのうちの一方の1つのチャンバー壁との間に結合された弾性壁部分を有し、該弾性壁部分が、前記少なくとも1つのダイヤフラムの弾性変位を助長しながら前記チャンバー内に前記作動ガスを含むためのシールを提供するように作動可能である、請求項8に記載の装置。
- 前記弾性壁部分が、前記少なくとも1つのダイヤフラムと前記チャンバー壁との間に延びる円筒管を有し、前記管は、該管の円筒軸と概して一線上に並ぶ方向に弾性的に変形するよう構成されている、請求項12に記載の装置。
- 前記円筒管が、前記少なくとも1つのダイヤフラムに結合された第1の円筒管部分と、前記チャンバー壁に結合された第2の円筒管部分とを有し、前記第1および第2の円筒管部分が、同軸状に配置され、折り重ねられた円筒管を形成するように共に結合されている、請求項13に記載の装置。
- 前記圧縮チャンバーおよび前記膨張チャンバーのうち少なくとも1つの広がりが、前記チャンバーと、前記それぞれの伝達ダクトとの間の音響的な結合を助長するための所望の音響インピーダンスを提供するよう選択されている、請求項1に記載の装置。
- 前記圧縮チャンバーと前記流路との間に延びる前記伝達ダクトと、前記圧縮チャンバーとの間の流量が、
前記膨張チャンバーと前記流路との間に延びる前記伝達ダクトと、前記膨張チャンバーとの間の流量とは異なるものとなるように、
前記機械的変換器が構成されている、
請求項1に記載の装置。 - 前記圧縮チャンバーおよび前記膨張チャンバーが、前記少なくとも1つのダイヤフラムの表面に概して平行な方向に前記それぞれのチャンバー内のガス流を向けるように構成されている、請求項1に記載の装置。
- 前記少なくとも1つのダイヤフラムが、該ダイヤフラムにおける応力集中を低減させるように選択された、該ダイヤフラムを越えてわたる厚さプロフィールを持っている、請求項1に記載の装置。
- 前記作動ガスに関連付けられた静的圧力が、少なくとも約80Barである、請求項1に記載の装置。
- 前記作動ガスの前記作動容積内の前記圧力振動に関連付けられた作動振動数が、少なくとも約300ヘルツである、請求項1に記載の装置。
- 前記伝達ダクトのうちの少なくとも1つの少なくとも一部分が、複数のダクトを有しており、該複数のダクトは、前記それぞれのチャンバーと前記熱変換器の前記流路との間に平行な流体連通を提供するように配置されている、請求項1に記載の装置。
- 前記熱変換器の前記流路が、さらに、次の対象のうちの1つと熱的に連通した第1の再生器部分をさらに有し、該対象が、
熱エネルギーを受け取り、前記流路を流れる前記作動ガスの部分に前記熱エネルギーを伝達するための外部の熱エネルギー源、および
前記流路を通って前記外部の熱エネルギーシンクへと流れる前記作動ガスから熱エネルギーを伝達するための外部の熱エネルギーシンク
である、請求項1に記載の装置。 - 前記熱変換器が、前記熱変換器と前記機械的変換器との間の伝熱を低減するための熱緩衝部を有し、前記熱緩衝部は、前記流路と、前記膨張チャンバーおよび前記流路の間で延びる前記伝達ダクトとの間で流体連通している、請求項1に記載の装置。
- 前記圧縮チャンバーと前記膨張チャンバーとの間の音響パワーの流れの間、定在波成分および進行波成分が、前記音響パワーループ内で確立され、かつ、
前記定在波成分と前記進行波成分との相対的な大きさが、当該装置における全体的な損失を最小にするように割り当てられるように、伝達ダクトの断面積が選択されている、
請求項1に記載の装置。 - 前記熱変換器が、前記作動ガスの平均作動圧におよそ等しいガス圧力に充填されたハウジング内に配置されている、請求項1に記載の装置。
- 前記機械的変換器が、第1の機械的変換器を有し、かつ、さらに、
第2の機械的変換器を有し、該第2の機械的変換器は、該第2の機械的変換器内に圧縮チャンバーと膨張チャンバーを定める少なくとも1つのダイヤフラムを持っており、前記第2の機械的変換器が、該第2の機械的変換器の前記圧縮チャンバーと前記流路との間、および、前記第2の機械的変換器の前記膨張チャンバーと前記流路との間に、それぞれ延びる伝達ダクトを通して前記熱変換器の前記流路と流体連通しており、前記伝達ダクトが、前記第2の機械的変換器の前記圧縮チャンバーと前記膨張チャンバーとの間の前記流路を通して第2の音響パワーループを完結させている、
請求項1に記載の装置。 - 前記第1および第2の機械的変換器が、次の事項のうちの1つであるように構成されており、該事項が、
a)前記第1の機械的変換器の前記膨張チャンバーおよび前記第2の機械的変換器の前記膨張チャンバーが、第1の機械的変換器の前記少なくとも1つのダイヤフラムと前記第2の機械的変換器の前記少なくとも1つのダイヤフラムとの間で延びる共通の膨張チャンバーを有すること、および
b)前記第1の機械的変換器の前記圧縮チャンバーおよび前記第2の機械的変換器の前記圧縮チャンバーが、前記第1の機械的変換器の前記少なくとも1つのダイヤフラムと前記第2の機械的変換器の前記少なくとも1つのダイヤフラムとの間で延びる共通の圧縮チャンバーを有すること
である、請求項26に記載の装置。 - 前記伝達ダクトのうちの少なくとも1つの少なくとも一部分が、複数のダクトを有しており、該複数のダクトは、前記熱変換器の前記流路と、前記それぞれのチャンバーとの間に、平行な流体連通を提供するよう配置されている、請求項26に記載の装置。
- 前記伝達ダクトのうちの少なくとも1つが、前記それぞれのチャンバーと前記熱変換器の前記流路との間に流体連通を提供する共通の部分を有する、請求項26に記載の装置。
- 前記第1の機械的変換器に関連付けられた前記少なくとも1つのダイヤフラムの弾性変位が、第1の軸に沿って方向付けられた周期的な力を生成し、前記第2の機械的変換器に関連する前記少なくとも1つのダイヤフラムの弾性変位が、第2の軸に沿って方向付けられた周期的な力を生じ、前記それぞれの周期的な力が互いを実質的に相殺させるべく、前記第1の軸および第2の軸が概して向けられるよう、前記第1および第2の機械的変換器が配置されている、請求項26に記載の装置。
- 前記第1の軸と第2の軸が、概して同軸状に一線上に並んでいる、請求項30に記載の装置。
- 前記少なくとも1つのダイヤフラムが、圧縮チャンバーダイヤフラムと膨張チャンバーダイヤフラムとを有し、前記それぞれの圧縮チャンバーと膨張チャンバーダイヤフラムが、前記機械的変換器の前記ダイヤフラムとして作動するよう実質的に一致して移動するように、機械的に結合されている、請求項1に記載の装置。
- 前記伝達ダクトのうちの少なくとも1つが、前記音響パワーループ内の圧力振動に応じて屈曲する内壁を有し、かつさらに、外壁を有し、該外壁は、前記内壁辺りで配置され、前記内および外壁間の絶縁容積を定めており、前記絶縁容積が、作動ガス圧力より低い静的圧力へとチャージされ、かつ、内壁の屈曲によって発生する音/振動を減衰するよう作動可能である、請求項1に記載の装置。
- 前記熱変換器が、それそれが関連する流路を持つ少なくとも第1の熱変換器および第2の熱変換器を有し、前記第1および第2の熱変換器の前記それぞれの流路間を延びて前記音響パワーループの一部を形成する伝達ダクトをさらに有する、請求項1に記載の装置。
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