KR20080030752A - 시동모터 일체형 에어컨 컴프레서 - Google Patents

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KR20080030752A
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Abstract

본 발명은 하이브리드 전기 차량의 전동식 에어컨 컴프레서에 관한 것으로서, 모터의 회전력을 시동 온 조작시에만 선택적으로 크랭크 축에 전달할 수 있는 구성요소들을 추가하여 엔진 시동을 위한 시동모터 기능을 통합시켜 구성함으로써, 별도 부품으로 구성되던 기존의 시동모터를 삭제할 수 있게 되고, 결국 부품 수 축소, 원가 절감, 중량 저감, 레이아웃 단순화 등의 효과를 얻을 수 있게 되는 시동모터 일체형 에어컨 컴프레서에 관한 것이다.
하이브리드 전기 차량, 에어컨, 컴프레서, 시동모터, 일체형

Description

시동모터 일체형 에어컨 컴프레서 {Air conditioner compressor united with starter}
도 1은 본 발명에 따른 시동모터 일체형 에어컨 컴프레서의 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 시동모터 일체형 에어컨 컴프레서에 적용되는 와이어링 회로도,
도 3은 본 발명에 따른 시동모터 일체형 에어컨 컴프레서에서 엔진 시동시의 작동상태도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 컴프레서 101 : 컴프레서 하우징
103 : 시동 릴레이 104 : 컴프레서 릴레이
105 : 모터 커넥터 106 : 코일 커넥터
110 : 구동부 111 : 모터
112 : 회전자 113 : 고정자
121 : 사판 122 : 피스톤
114 : 구동축 120 : 냉매압축부
130 : 풀리-코일 어셈블리 131 : 베어링
132 : 구동풀리 133 : 코일
134 : 벨트 140 : 클러치
210 : 크랭크 축 211 : 크랭크 축 풀리
본 발명은 자동차용 에어컨 컴프레서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 엔진 시동을 위한 시동모터 기능을 추가하여 구성한 시동모터 일체형 에어컨 컴프레서에 관한 것이다.
일반적으로 넓은 의미의 하이브리드 차량은 서로 다른 두 종류 이상의 동력원을 효율적으로 조합하여 차량을 구동시키는 것을 의미하나, 대부분의 경우는 연료를 사용하여 구동력을 얻는 엔진과 배터리의 전력으로 구동되는 전기모터에 의해 구동력을 얻는 차량을 의미하며, 이를 하이브리드 전기 차량, 즉 HEV(hybrid electric vehicle)라 부르고 있다.
최근 연비를 개선하고 보다 환경친화적인 제품을 개발해야 한다는 시대적 요청에 부응하여 하이브리드 전기 차량에 대한 연구가 더욱 활발히 진행되고 있다.
상기한 하이브리드 전기 차량은 엔진과 전기모터를 동력원으로 하여 다양한 구조를 형성할 수 있는데, 현재까지 연구되고 있는 대부분의 차량은 병렬형이나 직 렬형 중에서 하나를 채택하고 있다.
이 중에서 병렬형은 엔진이 배터리를 충전시키기도 하나 전기모터와 함께 차량을 직접 구동시키도록 되어 있는 것으로, 구조가 직렬형보다 상대적으로 복잡하고 제어로직이 복잡하다는 단점은 있지만, 엔진의 기계적 에너지와 배터리의 전기에너지를 동시에 사용할 수 있어 에너지를 효율적으로 사용할 수 있다는 장점 때문에 승용차 등에 널리 채택되고 있는 구조이다.
특히, 엔진과 전기모터의 최적 작동영역을 이용하므로 구동 시스템 전체의 연비를 향상시킴은 물론 제동시에는 전기모터로 에너지를 회수하므로 효율적인 에너지의 이용이 가능하다.
하이브리드 전기 차량에는 차량 전반의 제어를 담당하는 차량 제어기(Hybrid Control Unit, HCU)가 탑재되어 있고, 또한 시스템을 구성하는 각 장치별로 제어기를 구비하고 있다.
예컨대, 엔진 작동의 전반을 제어하는 엔진 제어기(Engine Control Unit, ECU), 전기모터 작동의 전반을 제어하는 모터 제어기(Motor Control Unit, MCU), 변속기를 제어하는 변속기 제어기(Transmission Control Unit, TCU), 배터리의 작동을 제어하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS), 실내 온도 제어를 담당하는 에어컨 제어기(Full Auto Temperature Controller, FATC) 등이 구비되어 있다.
이러한 제어기들은 차량 제어기를 중심으로 고속 CAN 통신라인(예, 500kbps)으로 연결되어, 제어기들 상호간에 정보를 주고받으면서 협조제어를 수행한다.
이와 같이 하이브리드 전기 차량은 엔진과 전기모터를 구동원으로 하여 제어기들 간 협조제어를 통해 상황에 따른 각 작동모드로 주행이 이루어지게 된다.
한편, 하이브리드 전기 차량에서 엔진은 자력으로 시동할 수 없으므로 가솔린 차량 등의 일반 엔진 차량에서와 마찬가지로 배터리 전원에 의해 구동되는 시동모터가 동작하여 시동된다.
즉, 운전자기 시동키를 "START" 위치로 조작하게 되면 배터리 전원을 인가받은 시동모터가 구동되면서 엔진 크랭킹을 위한 토크를 발생시키고, 이때 시동모터의 회전력이 플라이 휠의 링기어에 전달되면서 크랭크 축이 회전하여 엔진 시동이 걸리는 것이다.
시동 후에 시동키가 "ACC"로 리턴되면 시동모터로의 전원 공급이 차단되면서 시동모터의 동작은 멈추게 된다.
이와 같이 하이브리드 전기 차량에서 시동모터는 일반 엔진 차량과 마찬가지로 오직 엔진 시동만을 위한 기능을 수행하게 된다.
그리고, 하이브리드 전기 차량에서 에어컨 역시 일반 엔진 차량에서와 마찬가지로 냉매를 압축시키기 위한 컴프레서가 구비되는 바, 이 컴프레서에 의해 압축된 냉매의 기화열을 이용하여 차실 등을 냉각시키게 되며, 컴프레서를 구동시키기 위한 동력은 엔진에 의해 공급된다.
그런데, 기존과 같이 엔진에 의해 구동되는 컴프레서만 장착될 경우에 전기모터로만 주행하는 모드(EV 모드)에서는 엔진이 정지되기 때문에 여름철의 에어컨 작동이 문제가 된다.
따라서, 하이브리드 전기 차량에서는 배터리 전원에 의해 구동되는 모터를 컴프레서에 내장시켜 배터리 전원에 의해 모터가 구동되면 모터에 연결된 컴프레서의 구동축이 회전되도록 하는 전동식 컴프레서가 장착되기도 한다.
이와 같이 하이브리드 전기 차량의 에어컨에서는 엔진의 회전력에 의해 구동되는 통상의 컴프레서가 적용되거나, 배터리 방전에 의해 구동되는 전동식 컴프레서가 적용되며, 혹은 두 방식의 컴프레서가 모두 적용되기도 한다.
본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 발명한 것으로서, 차량에서 시동모터 외에 에어컨 컴프레서에 모터가 내장된 것에 착안하여 기존의 시동모터가 아닌 에어컨 컴프레서의 모터를 이용하여 엔진을 시동시키는 기술을 제공하는데 그 목적이 있다.
그리고, 본 발명은 엔진 시동을 위한 시동모터 기능을 에어컨 컴프레서에 통합시켜 구성함으로써, 기존의 시동모터를 삭제할 수 있도록 하고, 그로부터 부품 수 축소, 원가 절감, 중량 저감, 레이아웃 단순화 등의 효과를 얻을 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 하우징 일측에 내장된 모터 및 그 구동축으로 이루어지는 구동부와;
상기 하우징 타측에 구성되어 컴프레서 릴레이를 통해 인가되는 배터리 전원에 의해 상기 모터가 구동되면 그 회전력에 의해 냉매를 압축하게 되는 냉매압축부와;
상기 모터의 구동시에 상기 구동축의 회전력을 엔진 크랭크 축에 전달하기 위한 동력전달수단과;
상기 구동축과 상기 동력전달수단 사이의 회전력을 단속하기 위한 클러치 수단;
을 포함하여 구성되고, 상기 모터와 클러치 수단이 시동 조작시에 배터리 전원을 인가받을 수 있도록 시동 릴레이에 연결되어, 상기 시동 릴레이의 온 동작시에 상기 모터와 클러치 수단이 작동하여 모터의 회전력이 상기 구동축 및 동력전달수단을 통해 엔진 크랭크 축에 전달되면서 엔진을 시동시키도록 된 것을 특징으로 하는 시동모터 일체형 에어컨 컴프레서를 제공한다.
여기서, 상기 동력전달수단은,
상기 구동축에 베어링을 매개로 장착되고 상기 클러치 수단에 의해 구동축과의 회전력 전달이 단속되는 구동풀리와;
상기 크랭크 축 상에 일체로 장착된 크랭크 축 풀리와;
상기 구동풀리와 크랭크 축 풀리 사이를 연결하는 벨트;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 클러치 수단은,
상기 구동풀리에 설치되고 시동 릴레이에 연결되어 시동 릴레이의 온 동작시에 배터리 전원이 인가되는 코일과;
상기 구동축 상에 스플라인 결합되어 구동축과는 일체로 회전하도록 되어 있으면서 상기 코일에 배터리 전원이 인가되면 상기 구동풀리에 결합되는 클러치;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 시동모터 일체형 에어컨 컴프레서에 관한 것으로서, 냉매 압축을 위한 컴프레서의 모터를 이용하여 엔진을 시동시키는 기술에 관한 것이며, 엔진 시동을 위한 시동모터 기능을 컴프레서에 통합시켜 구성함으로써, 기존의 시동모터를 삭제할 수 있도록 하고, 그로부터 부품 수 축소, 원가 절감, 중량 저감, 레이아웃 단순화 등의 효과를 얻을 수 있도록 한 것이다.
기본적으로 엔진 시동을 위해서는 운전자의 시동키 조작시("START" 조작)에 시동 릴레이를 통해 인가되는 배터리 전원으로 엔진 크랭킹을 위한 토크를 발생시키고, 이때 제공되는 회전력으로 크랭크 축을 회전시켜야 한다.
따라서, 본 발명은 기존 하이브리드 전기 차량용 전동식 에어컨 컴프레서에 모터의 회전력을 시동 온 조작시에만 선택적으로 크랭크 축에 전달하기 위한 구성요소들이 추가되어 구성되며, 이러한 추가된 구성요소에 의해 컴프레서의 모터 구동시에 크랭크 축이 동시에 회전되면서 엔진 시동이 걸리도록 한다.
전동식 에어컨 컴프레서에는 모터에 의해 구동되는 구동축이 구비되므로, 상 기 컴프레서 모터를 구동원으로 하여 운전자의 시동 조작시에만 크랭크 축이 회전되도록 하기 위해서는 모터에 의해 구동되는 구동축의 회전력을 크랭크 축에 전달하기 위한 동력전달수단과, 상기 구동축과 상기 동력전달수단 사이의 회전력을 단속하기 위한 클러치 수단이 필요하다.
본 발명에서는, 상기 동력전달수단을 구성하는 것으로서, 구동축에 베어링을 매개로 장착되는 구동풀리와, 상기 크랭크 축에 일체로 장착되는 크랭크 축 풀리와, 상기 구동풀리와 크랭크 축 풀리 사이에 연결되는 벨트가 설치된다.
그리고, 상기 클러치 수단으로서, 상기 구동풀리에 설치되는 코일과, 상기 구동축에 스플라인 결합되어 구동축과는 일체로 회전 가능하도록 되어 있으면서 상기 코일에 전원이 인가되면 전자기력에 의해 상기 구동풀리와 회전력 전달이 가능하도록 결합되는 클러치가 설치된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구성에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 시동모터 일체형 에어컨 컴프레서의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 시동모터 일체형 에어컨 컴프레서에 적용되는 와이어링 회로도이며, 도 3은 본 발명에 따른 시동모터 일체형 에어컨 컴프레서에서 엔진 시동시에 클러치가 풀리-코일 어셈블리에 결합되어 구동축의 회전력이 크랭크 축에 전달되는 상태를 나타낸 작동상태도이다.
도 1은 하이브리드 전기 차량에 적용되고 있는 기존의 전동식 에어컨 컴프레서에 시동모터 기능을 통합시킨 구성의 예를 개략적으로 보여주고 있는 바, 전동식 에어컨 컴프레서(100)에는 컴프레서 하우징(101) 일측에 외부 전원을 인가받아 구동축(114)이 회전되는 모터(111)가 내장되고, 이 모터(111)의 구동에 의해 상기 구동축(114)이 회전되면서 냉매가 압축되도록 되어 있다.
이러한 컴프레서(100)에서 하우징(101) 일측은 냉매압축부(120)로, 타측은 구동부(110)로 구성되며, 상기 구동부(110)에 모터(111)가 내장되고, 상기 모터(111)의 구동축(114)은 컴프레서 하우징(101) 내에 전후방향으로 길게 설치되는 바, 냉매압축부(120)로 연장된 구동축(114)에는 사판(121)이 일체로 장착되고, 상기 사판(121)에는 챔버(102) 내에서 전후진 동작하여 냉매를 압축하는 다수개의 피스톤(122)이 장착된다.
상기 모터(111)가 내장된 전동식 에어컨 컴프레서(100)의 기술적 구성은 공지의 기술로서, 하이브리드 전기 차량용 에어컨 컴프레서에 이미 적용되고 있는 기술이며, 상기 모터(111)는 통상의 모터 구성과 마찬가지로 코일을 사용해 구성되고 구동축(114)에 일체로 설치되는 회전자(112)와, 영구자석을 사용해 구성되고 상기 회전자(112) 주변으로 배치되는 고정자(113)를 주된 구성으로 한다.
상기 냉매압축부(120)의 사판(121)은 구동축(114)의 회전시에 일체로 회전하도록 되어 있으며, 사판(121)이 회전함에 따라 피스톤(122)이 전후 구동되면서 냉매를 압축하게 되어 있는 바, 이러한 사판(121) 및 피스톤(122)을 채용한 냉매압축부(120)의 구성은 기존 컴프레서에서의 구성과 차이가 없다.
도시한 예에서 사판식 냉매압축부(120)를 예로 들었으나, 스크롤, 워블, 로터리 방식 등 기타 여러 방식의 냉매압축부 구조가 채용될 수 있다.
그리고, 상기 모터(111)는 외부로 연결된 모터 커넥터(105)를 통해 배터리 전원을 인가받아 구동되도록 되어 있으며, 상기 모터 커넥터(105)를 통해 인가된 전원에 의해 모터(111)가 구동되면서 구동축(114)이 회전되게 된다.
결국, 상기 모터(111)에 전원이 인가되어 구동축(114)이 회전되면 사판(121)이 일체로 회전되는 동시에 피스톤(122)은 해당 챔버(102) 내에서 전후로 동작하여 냉매를 압축하는 바, 모터 커넥터(105)를 통해 전원이 인가되어 모터(111)가 구동될 때 구동축(114)을 통해 전달되는 회전력에 의해 냉매압축부(120)가 작동하여 냉매 압축이 이루어지는 것이다.
한편, 상기 구동축(114)에서 컴프레서 하우징(101) 외부로 연장된 냉매압축부(120) 반대쪽 단부에는 클러치(140)가 일체로 장착되며, 또한 풀리-코일 어셈블리(130)가 상기 클러치(140)와는 이격된 상태에서 구동축(114) 상에 베어링(131)을 매개로 장착된다.
상기 클러치(140)는 구동부(110)의 모터(111)가 구동될 경우 구동축(114)과 일체로 회전하도록 되어 있으며, 풀리-코일 어셈블리(130)에 결합된 상태에서는 구동축(114)의 회전력을 풀리-코일 어셈블리(130)에 전달하게 되는 바, 풀리-코일 어셈블리(130)가 구동축(114) 및 클러치(140)와 일체로 회전하게 된다.
또한 상기 풀리-코일 어셈블리(130)의 구동풀리(132)는 엔진 크랭크 축 풀리(211)에 동력 전달이 가능하도록 벨트(134)로 연결되며, 결국 클러치(140)를 통해 전달되는 구동축(114)의 회전력이 풀리-코일 어셈블리(130)에 전달되면 최종적으로 벨트(134)를 통해 크랭크 축 풀리(211)에 전달되어, 결국 이러한 회전력 전달 에 의해 크랭크 축(210)이 회전되면서 엔진 시동이 걸리게 된다.
상기 풀리-코일 어셈블리(130)는 외부로 연결된 코일 커넥터(106)를 통해 배터리 전원을 인가받도록 되어 있으며, 코일 커넥터(106)를 통해 풀리-코일 어셈블리(130)의 코일(133)에 전원이 인가되면 구동풀리(132)가 전자석화되면서 이격되어 있던 클러치(140)가 구동풀리(132)에 밀착되고, 이로써 구동축(114) 및 클러치(140)의 회전력이 풀리-코일 어셈블리(130)에 전달되게 된다.
결국, 엔진 시동시에는 모터 커넥터(105)를 통해 전원이 인가되어 모터(111)가 구동되는 동시에 코일 커넥터(106)를 통해 전원이 인가되어 클러치(140)가 풀리-코일 어셈블리(130)에 결합되고, 이 상태에서 모터(111)의 회전력이 구동축(114)과 클러치(140), 풀리-코일 어셈블리(130), 벨트(134), 크랭크 축 풀리(211), 크랭크 축(210)의 순으로 구동력이 전달되면서 엔진 시동이 이루어진다.
그리고, 시동 후 에어컨 구동시에는 모터 커넥터(105)를 통해 전원이 인가되어 모터(111)가 구동되고, 코일 커넥터(106)를 통해서는 전원이 인가되지 않는 바, 클러치(140)가 풀리-코일 어셈블리(130)와 이격된 상태로 구동축(114)이 회전되어 냉매 압축이 이루어진다.
이와 같이 클러치(140)가 풀리-코일 어셈블리(130)와 이격된 상태에서 모터(111)가 구동되면 구동축(114)이 회전되면서 냉매압축부(120)에서는 냉매 압축이 이루어지나 구동축(114)으로부터 풀리-코일 어셈블리(130)에 회전력이 전달되지 않으며, 모터(111)가 구동되지 않을 경우에는 시동 후 크랭크 축(210)의 회전에 의해 풀리-코일 어셈블리(130)가 회전하게 되나 공회전 상태가 되어 냉매 압축은 이루어 지지 않는다.
도 2는 모터 작동 및 클러치 작동을 선택적으로 수행하기 위한 회로도로서, 도면부호 103은 엔진 시동시 시동키(시동스위치) 조작에 의해 온 동작되는 시동 릴레이를, 도면부호 104는 에어컨 작동시 에어컨 스위치의 조작에 의해 온 동작되는 컴프레서 릴레이를 나타낸다.
상기 시동 릴레이(103)의 접점측 출력단은 코일 커넥터(106)와 모터 커넥터(105)의 입력단자(C+,C++)에 모두 연결되고, 상기 컴프레서 릴레이(104)의 접점측 출력단은 모터 커넥터(105)의 입력단자(M+)에만 연결된다.
그리고, 상기 시동 릴레이(103)는 시동키를 "START" 조작하는 경우에 종래와 마찬가지로 엔진 제어기의 제어신호에 의해 온 동작되며, 이때 배터리 전원이 접점측을 통해 코일 커넥터(106)와 모터 커넥터(105)로 동시에 공급되는 바, 이와 같이 두 커넥터(105,106)에 모두 전원이 인가되면서 모터(111) 및 클러치(140)가 작동하게 된다.
이 경우 전술한 바와 같이 모터(111)의 회전력이 엔진의 크랭크 축(210)에 전달되면서 엔진 시동이 이루어지게 된다.
이때, 모터(111)와 구동축(114)으로 연결된 냉매압축부(120)도 짧은 시간 동안 동시 구동되며, 시동 후에는 시동 릴레이(103)가 오프되어 모터 및 클러치의 전원이 차단된다(시동키 "ACC" 위치).
또한 상기 컴프레서 릴레이(104)는 에어컨 스위치를 온 조작하는 경우 종래와 마찬가지로 에어컨 제어기의 제어신호에 의해 온 동작되며, 이때 배터리 전원이 접점측을 통해 모터 커넥터(105)로 공급되는 바, 이와 같이 모터 커넥터(105)에 전원이 인가되면서 모터(111)가 작동되고, 결국 냉매를 압축하게 되는 컴프레서 작동상태가 되어 에어컨이 작동하게 된다.
이와 같이 하여, 본 발명에 따르면, 하이브리드 전기 차량용 전동식 에어컨 컴프레서에 모터의 회전력을 시동 온 조작시에만 선택적으로 크랭크 축에 전달할 수 있는 구성요소들을 추가하여 시동모터 일체형 에어컨 컴프레서가 구성되고, 결국 별도 부품으로 구성되던 기존의 시동모터를 삭제할 수 있게 되면서 부품 수 축소, 원가 절감, 중량 저감, 레이아웃 단순화 등의 여러 효과를 얻을 수 있게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 시동모터 일체형 에어컨 컴프레서에 의하면, 엔진 시동을 위한 시동모터 기능이 통합되어 구성됨으로써, 별도 부품으로 구성되던 기존의 시동모터를 삭제할 수 있게 되고, 결국 부품 수 축소, 원가 절감, 중량 저감, 레이아웃 단순화 등의 효과를 얻을 수 있게 된다.
상기한 본 발명의 시동모터 일체형 에어컨 컴프레서는 하이브리드 전기 차량용 전동식 에어컨 컴프레서에 널리 적용될 수 있다.

Claims (3)

  1. 하우징 일측에 내장된 모터 및 그 구동축으로 이루어지는 구동부와;
    상기 하우징 타측에 구성되어 컴프레서 릴레이를 통해 인가되는 배터리 전원에 의해 상기 모터가 구동되면 그 회전력에 의해 냉매를 압축하게 되는 냉매압축부와;
    상기 모터의 구동시에 상기 구동축의 회전력을 엔진 크랭크 축에 전달하기 위한 동력전달수단과;
    상기 구동축과 상기 동력전달수단 사이의 회전력을 단속하기 위한 클러치 수단;
    을 포함하여 구성되고, 상기 모터와 클러치 수단이 시동 조작시에 배터리 전원을 인가받을 수 있도록 시동 릴레이에 연결되어, 상기 시동 릴레이의 온 동작시에 상기 모터와 클러치 수단이 작동하여 모터의 회전력이 상기 구동축 및 동력전달수단을 통해 엔진 크랭크 축에 전달되면서 엔진을 시동시키도록 된 것을 특징으로 하는 시동모터 일체형 에어컨 컴프레서.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 동력전달수단은,
    상기 구동축에 베어링을 매개로 장착되고 상기 클러치 수단에 의해 구동축과 의 회전력 전달이 단속되는 구동풀리와;
    상기 크랭크 축 상에 일체로 장착된 크랭크 축 풀리와;
    상기 구동풀리와 크랭크 축 풀리 사이를 연결하는 벨트;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 시동모터 일체형 에어컨 컴프레서.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 클러치 수단은,
    상기 구동풀리에 설치되고 시동 릴레이에 연결되어 시동 릴레이의 온 동작시에 배터리 전원이 인가되는 코일과;
    상기 구동축 상에 스플라인 결합되어 구동축과는 일체로 회전하도록 되어 있으면서 상기 코일에 배터리 전원이 인가되면 상기 구동풀리에 결합되는 클러치;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 시동모터 일체형 에어컨 컴프레서.
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