KR20160065116A - 전지셀 어셈블리 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전지셀 어셈블리 및 냉각핀에 관한 것으로서, 상기 전지셀은 하우징 및 전극 단자들을 포함하고 있다. 상기 냉각핀은 상기 하우징에 대향하여 위치하고, 상기 냉각핀의 세로축을 따라 연장되어 있는 실질적으로 장방형 형상의 플레이트를 포함하며, 상기 실질적으로 장방형 형상의 플레이트는 일면에 복수의 만입 부위들과 복수의 편평 부위들을 가지고 있다. 상기 복수의 만입 부위들 각각은 세로축을 따라 복수의 편평 부위들 각각의 사이에 위치되어 있으며, 상기 하우징은 상기 편평 부위들과 접촉하도록 위치되어 있어, 전지셀의 부피가 팽창하여도 이를 수용할 수 있는 전지셀 어셈블리를 제공한다.

Description

전지셀 어셈블리{BATTERY CELL ASSEMBLY}
본 발명은 전지셀 어셈블리 세대의 전지셀들로서, 상기 전지셀들은 팽창할 수 있고 상기 전지셀들을 고정하는 프레임 부재에 외측으로의 압력을 형성할 수 있는 전지셀들에 관한 것이다.
충방전이 가능한 이차전지는 화석 연료를 사용하는 기존의 가솔린 차량, 디젤 차량 등의 대기오염 등을 해결하기 위한 방안으로 제시되고 있는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로서도 주목받고 있다.
소형 모바일 기기들이 디바이스 1 대당 하나 또는 서너 개의 전지 셀들이 사용됨에 반하여, 자동차 등과 같은 중대형 디바이스들은 고출력 대용량의 필요성으로 인해, 다수의 전지 셀을 전기적으로 연결한 중대형 전지모듈이 사용된다.
일반적으로, 전지모듈은 다수의 단위전지들을 직렬 및/또는 병렬로 연결하는 카트리지에 내장하고, 이러한 카트리지 다수 개를 전기적으로 연결하여 제작한다. 경우에 따라서는, 더욱 높은 출력을 제공하기 위하여 둘 이상의 전지모듈을 전기적으로 연결한 중대형 전지 시스템으로 제작되기도 한다.
따라서, 고출력 대용량의 동력원을 형성하기 위하여 단위전지들, 카트리지들, 및 전지모듈들 상호간의 전기적 연결과, 이들로부터 전력을 공급받아 외부기기에 제공하기 위한 전기적 연결, 및 전지의 작동을 제어하기 위한 시스템과의 연결을 효과적으로 수행할 수 있는 연결부재가 요구된다. 또한, 고출력 대용량 전지는 지속적인 충방전으로 다량의 열이 발생하고, 전지셀들이 팽창되는 바, 이러한 열화를 해소하고, 전지셀들의 팽창에 의한 압력을 해소하기 위한 시스템이 필수적이다.
따라서, 본 출원의 발명자들은 충방전 과정에서 축적된 열을 효율적으로 제거하고 전지셀 어셈블리의 팽창을 수용하도록 설계하여 전지셀들을 고정하는 프레임 부재들에 가해지는 압력을 감소시키는 개선된 전지셀 어셈블리의 필요성을 확인하였다.
본 발명은 종래기술의 문제점들과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 전지셀들을 고정하는 프레임 부재들에 가해지는 압력을 감소시키도록 시간이 지남에 따라 팽창된 전지셀들을 수령할 수 있는 냉각핀을 포함하는 전지셀 어셈블리를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 전지셀 어셈블리를 제공한다. 상기 전지셀 어셈블리는 제 1 하우징(housing)과, 제 1 전극 단자 및 상기 제 1 하우징으로부터 연장된 제 2 전극 단자를 포함하는 제 1 전지셀 포함하고 있다. 상기 전지셀 어셈블리는 제 1 전지셀의 제 1 하우징에 대향하여 위치하는 냉각핀을 더 포함한다. 상기 냉각핀은 세로축을 따라 연장되어 있는 실질적으로 장방형 형상의 플레이트(rectangular-shaped plate)를 가지고 있다. 상기 실질적으로 장방형 형상의 플레이트는 제 1 면(side) 및 제 2 면을 가진 플레이트부(plate portion)를 포함하고 있다. 상기 제 1 면은 복수의 제 1 만입 부위들(recessed regions)과 복수의 제 1 편평 부위들(flat regions)을 가지고 있다. 상기 복수의 제 1 만입 부위들 각각은 세로축을 따라 복수의 제 1 편평 부위들 중의 두 개의 편평 부위들 사이에 위치되어 있다. 상기 제 1 전지셀의 제 1 하우징은 제 1 하우징이 복수의 제 1 편평 부위들과 접촉하도록 제 1 면에 대향하여 위치되어 있다.
도 1은 하나의 실시예에 따른 전지셀 어셈블리의 모식도이다;
도 2는 도 1의 전지셀 어셈블리의 분해도이다;
도 3은 도 1의 전지셀 어셈블리의 또 다른 분해도이다;
도 4는 도 1의 전지셀 어셈블리에 사용되는 냉각핀의 모식도이다;
도 5는 도 1의 전지셀 어셈블리에 사용되는 냉각핀의 또 다른 모식도이다;
도 6은 도 4의 냉각핀의 분해도이다;
도 7은 전지셀의 일부를 도시한 도 1의 전지셀 어셈블리의 일부와 도 4의 냉각핀의 일부의 확대 단면도이다;
도 8은 도 4의 냉각핀에 사용되는 실질적으로 장방형 형상의 플레이트의 모식도이다; 및
도 9는 도 8의 실질적으로 장방형 형상의 플레이트의 일부의 확대도이다.
이하에서는, 본 발명의 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 실시예에 따른 전지셀 어셈블리(10)가 제공된다. 전지셀 어셈블리(10)는 장방형 링-형상의 프레임 부재들(rectangular ring-shaped frame members)(20, 22), 전지셀들(30, 32), 및 냉각핀(40)을 포함한다. 전지셀 어셈블리(10)의 잇점은 상기 어셈블리(10)가 전지셀들(30, 32)이 오래됨에 따라 외측으로 팽창되기 시작함에 따라 상기 만입 부위들이 상기 전지셀들로부터 프레임 부재들(20, 22)에 가해지는 상당한 양의 압력을 감소시키도록 전지셀들(30, 32)의 일부를 수령할 수 있는 만입 부위들(recessed regions)을 가지고 있는 냉각핀(40)을 사용하는 것이다.
장방형 링-형상의 프레임 부재들(20, 22)은 전지셀들(30, 32)과 냉각핀(40)을 그 사이에 고정시키기 위하여 서로 결합되도록 구성되어 있다. 하나의 실시예에서, 장방형 링-형상의 프레임 부재들(20, 22)은 플라스틱으로 구성된다. 다만, 또 다른 실시예에서, 장방형 링-형상의 프레임 부재들(20, 22)은 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 알려진 다른 재료들로 구성될 수 있다. 장방형 링-형상의 프레임 부재들(20, 22)은 서로 초음파 용접될 수 있다.
도 2 및 3을 참조하면, 전지셀들(30, 32)은 각각 작동전압을 생성시킬 수 있도록 구성되어 있다. 하나의 실시예에서, 각각의 전지셀들(30, 32)은 실질적으로 장방형 외주 프로파일(substantially rectangular peripheral prophile)을 가진 파우치형 리튬 이온 전지셀들이다. 물론, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 알려진 다른 타입의 전지셀들에 사용될 수 있다. 하나의 실시예에서, 전지셀들(30, 32)은 서로 전기적으로 직렬 연결되어 있다.
전지셀(30)은 장방형 형상의 하우징(50) 및 하우징(50)에서 연장된 전극 단자들(52, 54)을 포함한다. 전지셀(30)은 장방형 형상의 프레임 부재(20)와 냉각핀(40) 사이에 위치된다.
전지셀(32)는 장방형 형상의 하우징(60) 및 하우징(60)에서 연장된 전극 단자들(62, 64)을 포함한다. 전지셀(32)은 장방형 형상의 프레임 부재(22)와 냉각핀(40) 사이에 위치된다.
도 2 및 도 4 내지 9를 참조하면, 냉각핀(40)은 전지셀들(30, 32)의 하우징들(50, 60) 각각에 대향하고, 사이에 위치되며, 전지셀들(30, 32)을 냉각시키기 위해 열 에너지를 전지셀들(30, 32)에서 냉각핀(40)을 통해 흐르는 냉각제 또는 액체에 이송하도록 구성되어 있다. 냉각핀(40)은 실질적으로 장방형 형태의 플레이트(70) 및 튜브(72)를 포함한다.
실질적으로 장방형 형상의 플레이트(70)는 세로축(74)을 따라 연장되어 있다. 실질적으로 장방형 형상의 플레이트(70)는 플레이트부(80)을 포함하고 있고 (도 6에 도시됨) , 플레이트부(80)에 결합되어 있고 플레이트부(80)의 주변을 두르고 있는 외주 엣지 부위들(pheripheral edge portions)을 포함한다. 하나의 실시예에서, 실질적으로 장방형 형상의 플레이트(70)은 알루미늄으로 구성된다. 물론, 또 다른 실시예에서 실질적으로 장방형 형상의 프레임 부재(70)는 예를 들어 스틸(steel), 스테인리스 스틸(stainless steel), 또는 구리(copper)와 같은 다른 재료로 구성될 수 있다.
플레이트부(80)는 실질적으로 장방형 형상이고 제 1 면(side)(100) 및 제 1 면(100)에 대향하여 위치하고 있는 제 2 면(102)을 포함한다. 제 1 면(100)은 전지셀(30)의 실질적으로 장방형 쪽의 모든 면을 실질적으로 덮거나 포괄할 수 있는 크기이다. 제 2 면(102)은 전지셀(32)의 실질적으로 장방형 쪽의 모든 면을 실질적으로 덮거나 포괄할 수 있는 크기이다.
도 2, 4, 6 8, 및 9를 참조하면 제 1 면(100)은 복수의 제 1 만입 부위들(110)과 복수의 제 1 편평 부위들(112)을 가지고 있다. 복수의 제 1 만입 부위들(110) 각각은 세로축(74)을 따라 복수의 제 1 편평 부위들(112) 중의 두 개의 편평 부위들 사이에 위치되어 있다. 복수의 만입 부위들(110)의 각각의 만입 부위의 깊이(D1) (도 9에 도시됨) 는 플레이트부(80) 두께(T)의 1/2 보다 작다.
도 2, 5, 8, 및 9를 참조하면, 제 2 면(102)은 복수의 제 2 만입 부위들(120)과 복수의 제 2 편평 부위들(122)을 가지고 있다. 복수의 제 2 만입 부위들(120) 각각은 세로축(74)을 따라 복수의 제 2 편평 부위들(122) 중의 두 개의 편평 부위들 사이에 위치되어 있다. 복수의 만입 부위들(120)의 각각의 만입 부위의 깊이(D2) (도 9에 도시됨) 는 플레이트부(80) 두께(T)의 1/2 보다 작다. 복수의 만입 부위들(120) 각각은 세로축(74)에 실질적으로 수직으로 연장되어 있고 플레이트부(80) 폭의 적어도 2/3를 가로질러 연장되어 있다. 복수의 제 2 만입 부위들(120)은 하우징(60)이 시간의 경과에 따라 외측으로 팽창됨에 따라, 전지셀(32)의 하우징(60)의 부위들을 수령하도록 구성되어 있다. 복수의 제 2 만입 부위들(120)은 세로축(74)을 따라 서로 떨어져서 위치되고 실질적으로 서로 평행하게 연장된 만입 부위들(150, 152, 154, 156)을 포함한다. 복수의 제 2 편평 부위들(122)은 세로축(74)을 따라 서로 떨어져서 위치되고 실질적으로 서로 평행하게 연장된 편평 부위들(160, 162, 164, 166, 168)을 포함한다. 전지셀 어셈블리(10)의 조립시, 전지셀(32)의 에이징(aging) 동안, 예를 들어 수 개월 및 수 년의 지속기간에, 하우징(60)이 외측으로 팽창되기 이전에, 하우징(60)이 복수의 제 2 편평 부위들(122)과 접촉할 수 있고 복수의 제 2 만입 부위들(120)과 접촉하지 않도록 전지셀(32)의 하우징(60)은 제 2 면(102)에 대향하여 위치되어 있다.
도 7 내지 9를 참조하면, 복수의 제 1만입 부위들(110) 각각은 복수의 제 2 편평 부위들(112) 각각의 편평 부위에 대향하여 위치되어 있다. 또한, 복수의 제 1 편평 부위들(112) 각각은 복수의 제 2 만입 부위들(120) 각각에 대향하여 위치되어 있다.
도 6을 참조하면, 제 1, 제 2, 제 3, 및 제 4 외주 엣지 부위들(peripheral edge portions)(82, 84, 86, 88)은 플레이트부(80)에 결합되어 있고 그것으로부터 연장되어 있다. 하나의 실시예에서, 제 1, 제 2, 제 3, 제 4 외주 엣지 부위들(82, 84, 86, 88)은 플레이트부(80)의 제 1, 제 2, 제 3, 및 제 4 엣지로부터 외측으로 각각 연장된다. 제 1 외주 엣지 부위(82)와 제 3 외주 엣지 부위(86)는 실질적으로 서로 평행하게 연장된다. 제 2 외주 엣지 부위(84)와 제 4 외주 엣지 부위(88)는 실질적으로 서로 평행하게 연장된다. 제 1, 제 2, 제 3, 및 제 4 외주 엣지 부위들(82, 84, 86, 88)은 튜브(72)를 그 위에 수령하도록 구성된 아치 형상의 그루브(arcuate-shaped groove)(27) (도 8 및 9에 도시됨) 를 설정하고 있다.
도 4 및 6을 참조하면, 튜브(72)는 제 1, 제 2, 제 3, 및 제 4 외주 엣지 부위들(82, 84, 86, 88)과 결합되어 있고, 튜브(72)는 내부 유로(internal flow path)를 설정하고 있다. 튜브(72)는 열 에너지의 적어도 일부를 전지셀들(30, 32)에서 튜브(72)을 통해 흐르는 액체(liquid) 또는 냉각제(refrigerant)로 이송하도록 구성되어 있다.
튜브(72)는 서로 유체적으로 연통하는 제 1 튜브부(190), 제 2 튜브부(192) 제 3 튜브부(194), 제 4 튜브부(196) 제 5 튜브부(198), 제 6 튜브부(200), 및 제 7 튜브부(202)를 포함하고 있다. 제 1및 제 2 튜브부들(190, 192)은 서로 실질적으로 평행하다. 제 3 튜브부(194)는 제 1 및 제 2 튜브부들(190, 192)과 실질적으로 수직이고, 제 1및 제 2 튜브부들(190, 192) 사이로 연장된다. 제 4 및 제 5 튜브부들(196, 198)은 제 1 및 제 2 튜브부들(190, 192)로부터 각각 연장되고, 제 1및 제 2 튜브부들(190, 192)과 실질적으로 각각 수직이다. 제 6 및 제 7 튜브부들(200, 202)은 제 4 및 제 5 튜브부들(196, 198)로부터 연장되고, 제 5 및 제 6 튜브부들(196, 198)과 실질적으로 각각 수직이다. 이와 같이, 튜브부들(190, 192, 194)은 제 2, 제 3, 제 4 외주 엣지 부위들(84, 86, 88)과 각각 결합되고 있다. 또한, 튜브부들(196, 198)은 모두 제 1 외주 엣지 부위(82)와 결합되어 있다. 하나의 실시예에서, 튜브(72)는 알루미늄으로 구성된다. 그러나, 상기 튜브(72)은 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 알려진 다른 재료로 구성될 수 있다.
도 2 및 4를 참조하면, 작동 중, 냉각제 또는 액체는 소스 장치(source device) (도시되지 않음)로부터 제 6 튜브부(200)로 투입되어 제 4 튜브부 (196), 제 1 튜브부(190), 제 3 튜브부(194), 제 2 튜브부(192), 제 5 튜브부(198), 및 제 7 튜브부(102)를 통해 흐르고 제 7 튜브부(102)에서 수납 장치(receiving device)로 배출된다. 전지셀들(30, 32)에 의해 발생된 열 에너지는 실질적으로 장방형 형상의 플레이트(70)을 통해 전도된다. 또한 튜브(72) 내 열 에너지는 튜브(72)를 통해 흐르는 냉각제 또는 액체로 전도된다. 따라서, 튜브(72) 내 열 에너지는 튜브(72)를 통해 흐르는 냉각제 또는 액체는 전지셀들(30, 32)의 온도를 낮추기 위해 전지셀들(30, 32)의 열 에너지를 흡수한다.
전지셀 어셈블리(10)는 다른 전지셀 어셈블리들 이상의 상당한 잇점을 제공한다. 구체적으로, 전지셀 어셈블리(10)는 만입 부위들을 가지고 있는 냉각핀을 사용하여 시간의 경과에 따라(즉, 수 개월 또는 수 년) 외측으로 팽창하기 시작함에 따라 전지셀을 수령하는 구성되어 있어 전지셀들을 고정하는 프레임 부재들에 가해지는 압력을 감소시키는 기술적 효과를 제공한다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
본 발명에 따른 전지셀 어셈블리는 시간의 경과에 따라 팽창하는 전지셀을 수령하도록 구성되어 있는 만입 부위들을 포함하는 냉각핀을 사용하여 전지셀들을 고정하는 프레임 부재들에 가해지는 압력을 감소시키고, 충방전과정에서 축적된 열을 효율적으로 제거하는 기술적 효과를 제공한다.

Claims (15)

  1. 제 1 하우징(housing)과, 제 1 전극 단자 및 상기 제 1 하우징으로부터 연장된 제 2 전극 단자를 포함하는 제 1 전지셀; 및
    상기 제 1 전지셀의 제 1 하우징에 대향하여 위치하는 냉각핀(cooling fin)으로서, 상기 냉각핀은 세로축을 따라 연장되어 있는 실질적으로 장방형 형상의 플레이트(rectangular-shaped plate)를 가지고 있고, 상기 실질적으로 장방형 형상의 플레이트는 제 1 면(side) 및 제 2 면을 가진 플레이트부(plate portion)를 포함하고 있으며, 상기 제 1 면은 복수의 제 1 만입 부위들(recessed regions)과 복수의 제 1 편평 부위들(flat regions)을 가지고 있고, 상기 복수의 제 1 만입 부위들 각각은 세로축을 따라 복수의 제 1 편평 부위들 중의 두 개의 편평 부위들 사이에 위치되어 있으며, 상기 제 1 전지셀의 제 1 하우징은 제 1 하우징이 복수의 제 1 편평 부위들과 접촉하도록 제 1 면에 대향하여 위치되어 있는 구조의 냉각핀;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀 어셈블리(battery cell assembly).
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 제 1 만입 부위들은, 제 1 하우징이 시간의 경과에 따라 외측으로 팽창됨에 따라, 제 1 전지셀의 제 1 하우징의 부위들(portions)을 수령하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 어셈블리.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 제 1 만입 부위들 각각의 깊이는 상기 플레이트부 두께의 1/2 보다 작은 것을 특징으로 하는 전지셀 어셈블리.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 제 1 만입 부위들 각각은 세로축에 실질적으로 수직으로 연장되어 있고 플레이트부 폭의 적어도 2/3를 가로질러 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 어셈블리.
  5. 제 1 항에 있어서,
    제 2 하우징 및 상기 제 2 하우징에서 연장된 제 1 및 2 전극 단자들을 가진 제 2 전지셀; 및
    복수의 제 2 만입 부위들과 복수의 제 2 편평 부위들을 포함하는 제 2 면으로서, 상기 복수의 제 2 만입 부위들 각각은 세로축을 따라 복수의 제 2 편평 부위들 중의 두 개의 편평 부위들 사이에 위치되어 있고, 상기 제 2 하우징은 제 2 하우징이 복수의 제 2 편평 부위들과 접촉하도록 제 2 면에 대향하여 위치되어 있는 구조의 제 2 면;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지셀 어셈블리.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 복수의 제 2 만입 부위들은, 제 2 하우징이 시간의 경과에 따라 외측으로 팽창됨에 따라, 제 2 전지셀의 제 2 하우징의 부위들을 수령하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 어셈블리.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 복수의 제 2 만입 부위들 각각의 깊이는 플레이트부 두께의 1/2 보다 작은 것을 특징으로 하는 전지셀 어셈블리.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 복수의 제 2 만입 부위들 각각은 세로축에 대해 실질적으로 수직으로 연장되어 있고 플레이트부 폭의 적어도 2/3를 가로질러 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 어셈블리.
  9. 제 5 항에 있어서, 상기 복수의 제 1 만입 부위들 각각은 복수의 제 2 만입 부위들 각각의 편평 부위에 대향하여 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 어셈블리.
  10. 제 5 항에 있어서, 제 1 및 2 장방형 링-형상의 프레임 부재들(rectangular ring-shaped frame members)을 더 포함하고 있고, 상기 제 1 및 2 장방형 링-형상의 프레임 부재들 사이에 냉각핀과 제 1 및 2 전지셀들이 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 어셈블리.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 실질적으로 장방형 형상의 플레이트는 플레이트부에 결합되어 있고 그것으로부터 연장되어 있는 제 1, 제 2, 제 3, 및 제 4 외주 엣지 부위들(peripheral edge portions)을 더 포함하고 있고, 상기 냉각핀은 제 1, 제 2, 제 3, 및 제 4 외주 엣지 부위들에 결합된 튜브를 더 포함하고 있으며, 상기 튜브는 내부 유로(internal flow path)를 설정하고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 어셈블리.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 실질적으로 장방형 형상의 플레이트의 제 1, 제 2, 제 3, 및 제 4 외주 엣지 부위들은 튜브를 그 위에 수령하도록 구성된 아치 형상의 그루브(arcuate-shaped groove)를 설정하고 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 어셈블리.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 튜브는 유입 포트(inlet port), 배출 포트(outlet port), 및 상기 유입 포트 및 배출 포트 사이에 위치하는 내부 유로를 포함하고 있고, 상기 냉각핀은 유입 포트에서 2상 냉각제(two-phase refrigerant)를 수령하도록 구성되어 있으며, 상기 냉각핀은 또한 제 1 전지셀로부터 열 에너지를 수령하고 상기 열 에너지를 이용하여 내부 유로 내에서 2상 냉각제를 가스상 냉각제로 전환하도록 더 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지셀 어셈블리.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 실질적으로 장방형 형상의 플레이트는 알루미늄으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전지셀 어셈블리.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 실질적으로 장방형 형상의 플레이트의 플레이트부는 제 1 전지셀의 실질적으로 장방형 쪽의 모든 면을 실질적으로 덮는 크기인 것을 특징으로 하는 전지셀 어셈블리.
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