WO2014095171A1 - Gehäuse eines elektronischen steuergeräts - Google Patents

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Abstract

Gehäuse (1) eines elektronischen Steuergeräts (2), eingerichtet zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug, mit einem Abdeckteil (5) und mit einem Bodenteil (4), welches zur Verbindung mit einer elektronischen Baugruppe eingerichtet ist und auf einer Außenseite (22) einen Konvektor aufweist, der ein separates Blechteil (27, 27') ist, das mit dem Bodenteil (4) thermisch und mechanisch verbunden ist.

Description

Beschreibung
Gehäuse eines elektronischen Steuergeräts
Die Erfindung betrifft ein Gehäuse eines elektronischen Steuergeräts, eingerichtet zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug, mit einem Abdeckteil und mit einem Bodenteil, welches zur Verbindung mit einer elektronischen Baugruppe eingerichtet ist und auf einer Außenseite einen Konvektor aufweist.
Elektronische Steuergeräte werden in Kraftfahrzeugen in allen erdenklichen Bereichen eingesetzt, wie beispielsweise zur elek- tronischen Motorsteuerung oder zur Steuerung von Fensterhebern und Kippdächern sowie von Schiebetüren. Wenn das elektronische Steuergerät eine Verlustleistung oberhalb von etwa 10 Watt aufweist und ohne aktive Kühlung, z.B. einen Lüfter, auskommen soll, wird zur Abfuhr der Verlustleistung ein Gehäuse mit ent- sprechend dimensionierter Oberfläche benötigt. Aufgrund ihrer Wärmeleitfähigkeit werden Metallgehäuse, z.B. aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen, bevorzugt.
Die DE 44 22 114 AI zeigt einen einseitig offen gestalteten quaderförmigen Hohlkörper, welcher mittels Fließpressung aus einer Aluminiumlegierung hergestellt wird. An der Bodenwand des Hohlkörpers sind an der Außenseite abstehende parallel ge¬ richtete Kühlrippen durch Fließpressen angeformt. Herstellungsbedingt ist der Wärmeleitkoeffizient des durch Druckum¬ formen verarbeiteten Metalls und das Verhältnis von Oberfläche und Volumen bzw. Gewicht der Kühlrippen aufgrund der fertigungsbedingten Mindeststärke der Kühlrippen jedoch eingeschränkt .
Der in DE 196 19 060 AI offenbarte Aluminium-Rippenkühlkörper wird mittels Strangpressung hergestellt und weist daher eben- falls herstellungsbedingt einen eingeschränkten Wärmeleitko¬ effizienten und ein eingeschränktes Oberfläche-Volumen- Verhältnis auf. Eine Rückseite des einstückigen Kühlkörpers dient zur Aufnahme der zu kühlenden Elektronikmodule und bildet eine Montagefläche . Aus der DE 10 2010 008 553 AI ist ein aus elektrisch leitendem Material bestehender Kühlkörper bekannt, welcher ein an ihm innen befestigtes Elektronikmodul abschirmen soll und ein Gehäu¬ se-Bodenteil bildet, das an der Oberseite einen Rahmen und Befestigungselemente zur Aufnahme einer Leiterplatte aufweist. Dabei sollen gemäß Aufgabenstellung weder ein vollständiges Gehäuse noch ein vorgestanztes schirmförmiges Bauteil benötigt werden .
Es ist nun Aufgabe der Erfindung, ein Gehäuse wie eingangs angegeben zur Verfügung zu stellen, dessen Bodenteil einen höheren Wärmeleitkoeffizienten aufweist, als mittels Druckgussverfahren hergestellte Kühlkörper, und dessen Konvektor bei vergleichbarer oder größerer Oberfläche ein geringeres Gewicht als die bekannten Kühlelemente von Druckgussteilen aufweist. Das erfindungsgemäße Gehäuse der eingangs angeführten Art ist dadurch gekennzeichnet, dass der Konvektor ein separates Blechteil ist, das mit dem Bodenteil thermisch und mechanisch verbunden ist.
Aufgrund der Herstellung des Konvektors als Blechteil wird ein höherer Wärmeleitkoeffizient als bei einem mittels Druckguss aus einem vergleichbaren Material hergestellten Kühlelement erzielt, was der gegebenen unterschiedlichen Materialstruktur (Poren) und -legierung (z.B. häufig mit Siliziumanteilen) zuzuschreiben ist. Außerdem kann die Wandstärke des Konvektors bei einer Herstellung als Blechteil gegenüber Druckgussteilen erheblich verringert werden, so dass das Gewicht des vorliegenden Gehäuses bei gleicher oder besserer Kühlwirkung gegenüber dem Stand der Technik signifikant verringert werden kann. Insbe¬ sondere kann die Wandstärke beim vorliegenden Konvektor anhand der Blechdicke auf die thermischen und mechanischen Anforde¬ rungen optimiert werden, und das Kühlelement muss nicht her¬ stellungsbedingt bzw. aufgrund von fertigungstechnischen Erfordernissen eine teilweise erheblich über den thermischen und mechanischen Anforderungen liegende Mindestwandstärke auf- weisen. Eine besonders einfache und rasche Herstellung des Gehäuses ist erzielbar, wenn das Konvektor-Blechteil ein gewalztes Walzprofil oder ein gestanztes Blechbiegeteil ist. Die Werkzeugkosten bei einem so hergestellten Konvektor-Blechteil betragen - insbe- sondere bei hohen Stückzahlen - einen Bruchteil der Werkzeugkosten bei Herstellung eines vergleichbaren Druckgussteils.
Wenn das Konvektor-Blechteil ein mittels oben genannter Ver¬ fahren hergestelltes Profil, vorzugsweise ein Kühlrippenprofil, aufweist, kann die zur Kühlung thermisch wirksame Oberfläche des Konvektor-Blechteils annähernd verdoppelt werden, da eine
Konvektion der kühlenden Umgebungsluft durch die entstehenden Hohlräume in den seitlich offenen Kühlrippen ermöglicht wird.
Wenn andererseits das Konvektor-Blechteil ein tiefgezogenes Profil, vorzugsweise mit zylindrischen oder kegelförmigen Erhebungen, aufweist, kann eine richtungsunabhängige Struktur des Konvektor-Blechteils ausgebildet werden, so dass beim Einbau und bei der Verwendung des Gehäuses nicht auf die Ausrichtung einer Konvektionsrichtung geachtet werden muss. Somit können Fehler bei der Ausrichtung und eine damit verbundene reduzierte Kühlwirkung vermieden werden.
Eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit bei geringem Gehäuse¬ gewicht kann dann erzielt werden, wenn auch das Bodenteil ein gestanztes, vorzugsweise tiefgezogenes Blechteil ist. Dabei kann die Wandstärke des Boden-Blechteils in Hinblick auf die
Speicherung und Verteilung der Verlustwärme der elektronischen Baugruppe optimiert sein.
Es hat sich als günstig herausgestellt, wenn das Konvek¬ tor-Blechteil mithilfe eines Schweißverfahrens, z.B. Laser¬ schweißen, Reibschweißen oder Ultraschallschweißen, mit dem Bodenteil verbunden ist, da eine derartige Schweißverbindung keine zusätzlichen Verbindungsteile oder -komponenten erfordert .
Es kann aber auch vorteilhaft sein, das Konvektor-Blechteil mittels Durchsetzfügen mit dem Bodenteil zu verbinden; bei dieser Ausbildung ist keine Erhitzung des Blechteils zur Herstellung der Verbindung erforderlich, und daher bleibt die für die Wärmeleitung so vorteilhafte Materialstruktur auch im Bereich der Verbindung zwischen Konvektor-Blechteil und Bodenteil größ- tenteils erhalten.
Weiters kann das Konvektor-Blechteil aber auch mithilfe von thermisch und chemisch resistivem Klebstoff mit dem Bodenteil verbunden sein, wodurch eine Verformung des Konvektor-Blechteils und des Bodenteils sowohl beim Schweißen als auch beim Zu- sammenfügen von Nietkomponenten gänzlich vermieden werden kann.
Um das Gesamtgewicht des Gehäuses weiter zu reduzieren, kann das Konvektor-Blechteil an die Verlustleistung der mit dem Bodenteil verbundenen elektronischen Baugruppe angepasst sein. Die Anpassung kann insbesondere die Abmessungen des Blechteils, die Wahl der Konvektor-Struktur (z.B. Rippen oder kegelförmige
Erhebungen, etc.) und die Parameter der Konvektor-Struktur (z.B. Rippenhöhe, Rippenabstand, etc.) betreffen. Das Konvektor- Blechteil muss somit nicht entsprechend einer festgelegte Maximal-Verlustleistung dimensioniert werden, sondern kann ohne Vervielfachung der Werkzeugkosten auf den Verwendungszweck, d.h. die jeweils tatsächlich verbaute elektronische Baugruppe, ver¬ schieden ausgelegt, insbesondere klein geformt, sein.
Um eine mechanisch und thermisch vorteilhafte Verbindung herzustellen, können am Bodenteil Nieten zur Verbindung mit der elektronischen Baugruppe ausgeformt sein. Die aufgrund der Nie¬ ten vergrößerte Kontaktfläche zwischen dem Bodenteil und der elektronischen Baugruppe verbessert die Wärmeübertragung und somit die verfügbare Kühlleistung des Gehäuses.
Ein besonders geringes Gesamtgewicht des vorliegenden Gehäuses bei gleichzeitig hoher Wärmeleitfähigkeit und Kühlwirkung kann erzielt werden, wenn das Konvektor-Blechteil und/oder das Bo¬ denteil aus Aluminiumblech besteht bzw. bestehen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, und unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläutert. In der Zeichnung zeigen dabei im Einzelnen:
Fig. 1 eine Explosionsdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gehäuses mit einem richtungsabhängigen Konvektor;
Fig. 2 eine schaubildliche Ansicht des Bodenteils des Gehäuses gemäß Fig. 1 mit einer darin angeordneten Leiterplatte;
Fig. 3 eine schaubildliche Ansicht des Bodenteils gemäß Fig. 2 von einem gegenüber Fig. 2 veränderten Blickwinkel; und Fig. 4 eine schaubildliche Ansicht einer alternativen
Ausführungsform des Bodenteils eines erfindungsgemäßen Gehäuses mit einem richtungsunabhängigen Konvektor.
In Fig. 1 ist ein im Grundriss im Wesentlichen rechteckiges Gehäuse 1 eines elektronischen Steuergeräts 2 mit einer Lei- terplatte 3 einer elektronischen Baugruppe (nicht gezeigt) dargestellt. Das Gehäuse 1 wird von einem Bodenteil 4 und einem Abdeckteil 5 gebildet. Das Abdeckteil 5 besteht z.B. aus Metall oder Kunststoff und weist eine untere Randfläche 6 zur Verbindung mit dem Bodenteil 4 auf. Ausgehend von der unteren Randfläche 6 weist das erhabene Abdeckteil 5 eine schräge Seitenwand 7 und eine ebenen Deckfläche 8 auf. Der Grundriss der Seitenwand 7 ent¬ spricht im Wesentlichen dem Grundriss der im Gehäuse 1 auf¬ genommenen Leiterplatte 3. In der Deckfläche 8 ist eine ver¬ schließbare Anschlussöffnung 9 mit einem ringförmigen Kragen 10 vorgesehen. An der radialen Außenseite des Kragens 10 ist ein Dichtungselement 11 angeordnet.
Zwischen dem Abdeckteil 5 und dem Bodenteil 4 befindet sich die Leiterplatte 3, die z.B. mit einer oberseitigen Steckerverbindung 12 gezeigt ist. Die Steckerverbindung 12 wird von auf der Leiterplatte 3 angeordneten Kontaktstiften 13 und einer darüber gestülpten Steckerbuchse 14 gebildet. Die Steckerbuchse 14 ist innerhalb einer Abdeckscheibe 15 mit einer verbreiterten Sei¬ tenwand 16 angeordnet, wobei die Abdeckscheibe 15 in die An¬ schlussöffnung 9 des Abdeckteils 5 eingepasst wird, d.h. der Außendurchmesser der Abdeckscheibe 5 entspricht dem Innendurchmesser der Anschlussöffnung 9 bzw. des Kragens 10 und die Höhe der Seitenwand 16 der Abdeckscheibe 15 ist gleich der oder kleiner als die Höhe des Kragens 10 des Abdeckteils 5.
Das Bodenteil 4 ist ein ausgeschnittenes bzw. gestanztes, tiefgezogenes Aluminiumblechteil, wobei ausgehend von einer oberen Randfläche 17 zur Verbindung mit dem Abdeckteil 5 eine Wanne 18 und innerhalb dieser äußeren Wanne 18 eine innere, tiefere Wanne 19 mittels Tiefziehen geformt ist. Die Randfläche
17 weist an einer Breitseite einen laschenförmigen Vorsprung 20 auf. In diesem Vorsprung 20 und in den beiden Ecken der dem Vorsprung 20 gegenüberliegenden Breitseite der Randfläche 17 sind Montagebohrungen 21 für den Einbau des Steuergeräts, bei¬ spielsweise in einem Kraftfahrzeug, vorgesehen. Innerhalb der Randfläche 17 senkt sich die äußere Wanne 18 ausgehend von einer durch die Randfläche 17 definierte Randebene zur Außenseite 22 des Bodenteils 4 ab, siehe auch Fig. 3. Die Innenkontur der äußeren Wanne 18 entspricht im Wesentlichen dem Außenrand der Leiterplatte 3, so dass die Leiterplatte 3 in diese äußere Wanne
18 eingelegt werden kann. Am Boden 23 dieser Wanne 18 sind an den Längsseiten und an den kürzeren Breitseiten Auflageflächen 24,
25 für die Leiterplatte 3 vorgesehen, wobei ausgehend von den größeren Auflageflächen 25 an den Breitseiten jeweils drei Nieten
26 bzw. Nietschäfte zur Verbindung mit der Leiterplatte 3 geformt sind (vgl. auch Fig. 2) . Innerhalb der Auflageflächen 24, 25 ist die innere, tiefere Wanne 19 mit rechteckigem Grundriss noch weiter zur Außenseite 22 des Bodenteils 4 abgesenkt, um an der Unterseite der Leiterplatte 3 angeordneten elektronische Bau¬ elemente (in der Zeichnung nicht gezeigt) aufnehmen zu können.
An der Außenseite 22 des Bodenteils 4 ist ein Konvektor 27 angeordnet, der im gezeigten Beispiel aus einem gestanzten Konvektor-Blechteil 27 gebildet ist. Die Dicke bzw. Wandstärke des Konvektor-Blechs ist im gezeigten Beispiel geringer als die Wandstärke des Bodenteil-Blechs 4. Der Grundriss des Konvek¬ tor-Blechteils 27 entspricht im Wesentlichen dem Grundriss der inneren Wanne 19 des Bodenteils 4, mit dessen Außenseite 22 das Konvektor-Blechteil 27 z.B. verschweißt ist. Das Konvektor- Blechteil 27 weist ein gewalztes rechteckiges Rippenprofil 28 auf. Da die Rippen 29 hohl sind, bildet sowohl deren Außenseite 30 als auch deren Innenseite 31 eine thermisch wirksame Ober- fläche, die einen Wärmeaustausch mit der Umgebung ermöglicht. Außerdem ist das Gewicht von hohlen Rippen 29 im Vergleich zu mittels Druckguss herstellbaren massiven Rippen deutlich reduziert. Die Rippen 29 verlaufen quer zur Längsachse des Gehäuses 1 und begünstigen somit eine natürliche Konvektion von einer der Längsseiten zur anderen.
In Fig. 2 ist das Bodenteil 4 des Gehäuses 1 gemäß Fig. 1 mit der in die äußere Wanne 18 eingelegten Leiterplatte 3 gezeigt. Die an der Auflagefläche 23 angeformten Nieten 26 ragen durch Öf- fnungen 26' in der Leiterplatte 3 hindurch und verhindern so ein Verschieben bzw. Verrutschen der Leiterplatte 3 in der Ebene der Leiterplatte 3. Die Öffnungen 26' sind beispielsweise Bohrungen, welche metallisiert sein können, um die Leiterplatte 3 sowohl mechanisch als auch elektrisch - zur Abschirmung gegen elek- frische Ein- und Ausstrahlung - mit dem Bodenteil 4 zu verbinden. Die Nietschäfte bzw. Nieten 26 ragen bei eingelegter Leiterplatte
3 durch die Öffnungen 26 ' hindurch und können in an sich bekannter Weise so verformt sein, dass die Leiterplatte 3 fest mit dem Bodenteil 4 verbunden ist. Bei der Verformung werden beispiels- weise mittels eines Nietwerkzeugs an den Enden der Nietschäfte 26 Nietköpfe angeformt.
In Fig. 3 ist das Bodenteil 4 gemäß Fig. 2 mit Blick auf die Außenseite 22 des Bodenteils 4 abgebildet. Es sind im Bodenteil
4 die Konturen der beiden Wannen 18, 19 und die beim Mitformen (z.B. Tiefziehen) der Nieten 26 verbleibenden Löcher 32 erkennbar. Insbesondere ist hier das gesamte gewalzte Konvektor-Blech¬ teil 27 mit dem Rippenprofil ersichtlich, welches mit dem Bo¬ denteil 4 an den Kontaktflächen 33 zwischen den einzelnen Rippen 29 verschweißt ist. Bevorzugt ist das Konvektor-Blechteil 27 in den Tälern mit dem Bodenteil 4 mittels Laserschweißen linear oder gesteppt durchgeschweißt.
In Fig. 4 ist das gleiche Bodenteil 4 wie in den vorangehenden Figuren 1 bis 3 gezeigt, jedoch mit einem modifizierten Konvektor-Blechteil 27'. Das hier abgebildete gestanzte Konvek- tor-Blechteil 27' weist anstatt des gewalzten Rippenprofils ein Profil mit tiefgezogenen, ungefähr zylindrischen oder kegel- stumpfförmigen Erhebungen 34 auf. Bei diesem Profil kann somit eine richtungsunabhängige Konvektion erzielt werden, wobei allerdings eine gegenüber dem Rippenprofil gemäß Fig. 3 etwas geringere Gesamtoberfläche des Konvektors thermisch wirksam ist . Die Erhebungen 34 sind in einem rechteckigen Raster angeordnet, so dass sich für die Konvektion, aber auch für die Verbindung mit demBodenteil 4, gerade, beispielsweise zueinander rechtwinkelig verlaufende Strömungskanäle 35 zwischen den Erhebungen 34 ergeben. Da die Erhebungen 34 mittels Tiefziehen hergestellt sind, ist in jeder Erhebung 34 zwischen dem Konvektor-Blechteil 27' und dem Bodenteil 4 ein entsprechender Hohlraum (nicht gezeigt) gebildet, was bei einer einstückigen Ausformung des Bodenteils 4 mit dem Konvektor als Druckgussteil unmöglich wäre. Das Konvektor-Blechteil 27' ist - wie im vorangehenden Beispiel - z.B. mittels Schweißverbindungen 36 mit dem Bodenteil 4 mechanisch und thermisch verbunden.
In den vorliegenden bevorzugten Ausführungsformen sind Bodenteil 4 und Konvektor jeweils Aluminium-Blechteile. Selbstverständ¬ lich kann der Fachmann im Rahmen der Erfindung auch andere Wärmeleiter einsetzen oder verschiedene Materialien kombinieren, wobei die Art der Verbindung zwischen Bodenteil 4 und Konvektor 27 bzw. 27' an die eingesetzten Materialien angepasst werden kann, um ein optimales Verhältnis zwischen mechanischer Haltbarkeit und Wärmeleitfähigkeit zu erzielen. Bevorzugt werden zur Verbindung des Konvektors 27 bzw. 27' mit dem Bodenteil 4 solche Techniken verwendet, die eine geeignete Stabilität und Langlebigkeit mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit kombinieren. Dabei wird nicht nur die Art der Verbindung, sondern es werden auch die Verbindungsstellen bzw. -bereiche so gewählt, dass eine optimale Wärmeübertragung von der Wärmeverlustquelle (z.B. den Leistungskomponenten der elektronischen Baugruppe) über das Bodenteil 4 auf den Konvektor 27 bzw. 27' erzielt wird. Bei den gezeigten beispielhaften Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gehäuses können demzufolge ohne wesentliche Ein- schränkungen ebenso andere geeignete, hier jedoch nicht im
Einzelnen dargestellte Verbindungstechniken eingesetzt werden, wie beispielsweise: Schweißverbindungen, z.B. hergestellt durch Laserschweißen, Reibschweißen, Ultraschallschweißen, etc.;
Durchsetzfügeverbindungen, z.B. mithilfe von im Konvektor 27 bzw. 27' und/oder im Bodenteil 4 geformten Komponenten; und Klebeverbindungen, basierend auf einem hitzebeständigen, chemisch und mechanisch widerstandfähigen Klebstoff mit einem hohen Wärmeleitkoeffizienten.
Um die Wärmeübertragung von der elektronischen Baugruppe auf das Gehäuse zu verbessern kann im Zwischenraum zwischen der Lei- terplatte und dem Bodenteil eine Füllmasse („Gapfilier"), beispielsweise eine Silikonmasse, angeordnet sein.

Claims

Patentansprüche
1. Gehäuse (1) eines elektronischen Steuergeräts (2), ein¬ gerichtet zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug, mit einem Abdeckteil (5) und mit einem Bodenteil (4), welches zur Verbindung mit einer elektronischen Baugruppe eingerichtet ist und auf einer Außenseite (22) einen Konvektor aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Konvektor ein separates Blechteil (27, 27') ist, das mit dem Bodenteil (4) thermisch und mechanisch verbunden ist.
2. Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Konvektor-Blechteil (27, 27') ein aus einem Blechrohling gewalztes Walzprofil oder ein gestanztes Blechbiegeteil ist.
3. Gehäuse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Konvektor-Blechteil (27, 27') ein mittels Walzen ge- zogenes Profil, vorzugsweise ein Kühlrippenprofil (28), aufweist .
4. Gehäuse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Konvektor-Blechteil (27, 27') ein tiefgezogenes Profil, vorzugsweise mit zylindrischen oder kegelstumpfförmigen Erhebungen (33), aufweist.
5. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass auch das Bodenteil (4) ein gestanztes, vorzugsweise tiefgezogenes Blechteil ist.
6. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge- kennzeichnet, dass das Konvektor-Blechteil (27, 27') mithilfe eines Schweißverfahrens, z.B. Laserschweißen, Reibschweißen oder Ultraschallschweißen, mit dem Bodenteil (4) verbunden ist.
7. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge- kennzeichnet, dass das Konvektor-Blechteil (27, 27') mithilfe von in ihm und im Bodenteil (4) geformten Niet¬ komponenten mit dem Bodenteil (4) verbunden ist.
8. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass das Konvektor-Blechteil (27, 27') mithilfe von thermisch und chemisch resistivem Klebstoff mit dem Bodenteil (4) verbunden ist.
9. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass das Konvektor-Blechteil (27, 27') an die Verlustleistung der mit dem Bodenteil (4) verbundenen elektronischen Baugruppe angepasst ist.
10. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass am Bodenteil (4) Nieten (26) zur Ver¬ bindung mit der elektronischen Baugruppe ausgeformt sind.
11. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass das Konvektor-Blechteil (27, 27') und/oder das Bodenteil (4) aus Aluminiumblech besteht bzw. bestehen .
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