JP2014138012A - 冷却器付きリアクトル - Google Patents

Abstract

【課題】従来のリアクトルよりも冷却効果に優れる冷却器付きリアクトルを提供する。
【解決手段】本明細書が開示するリアクトルは、コイルの内側と外周を覆う軟磁性体のコアを採用する。そして、コアの両側に冷却器を配置する。コアと冷却器の積層体は、積層方向に加圧される。積層方向に加圧することによって、コアと冷却器を密着させ、コアから冷却器への伝熱効率を高める。本明細書が開示するリアクトルでは、さらに、コアは、積層方向の厚みが積層方向を向いている面の縦の長さよりも小さく、かつ、横の長さよりも小さい扁平体である。コアの積層方向の厚みを上記のように薄くすることで、コイル中心部の熱が、両側で接する冷却器へ速やかに移送される。
【選択図】図２

Description

本発明は、冷却器付きのリアクトルに関する。なお、リアクトルとは、コイルを利用した受動素子であり、「インダクタ」と呼ばれることもある。

ハイブリッド車を含む電気自動車は、バッテリの出力電力を走行用モータの駆動に適した電力に変換する電力変換装置を搭載している。電力変換装置は、直流を交流に変換するインバータ回路だけでなく、電圧コンバータ回路を含むことがある。電気自動車用の電力変換装置は大電流を扱うため、インバータ回路や電圧コンバータ回路に用いられるデバイスにも許容電流の大きいものが採用される。

許容電流が大きいデバイスは発熱量が大きい。特に発熱量の大きいデバイスの一つに、電圧コンバータ回路に含まれるリアクトルがある。そこで、リアクトルを効率よく冷却する技術が求められる。例えば、特許文献１、２には、リアクトルを冷却器で挟み込む構造が提案されている。特に、特許文献１には、スイッチング素子を含む半導体モジュールとリアクトルを、複数の平板型の冷却器に交互に挟んだ構造が開示されている。

なお、リアクトルに関して、特許文献３、４の技術が知られている。特許文献３は、表面実装に適したリアクトルを開示している。特許文献４は、フラットワイズに巻回されたコイルを用いたリアクトルを開示している。「フラットワイズに巻回されたコイル」とは、平角線を、フラットな面がコイル軸線の半径方向で重なるように巻回したコイルを意味する。なお、コイル軸線は、巻回軸線と呼ばれることもある。

特開２００８−１９８９８１号公報 特開２００５−０４５９６０号公報 特開２００１−２４４１２３号公報 特開２０１１−０８２４８９号公報

本明細書は、従来のリアクトルよりも冷却効果に優れる冷却器付きリアクトルを提供する。

本明細書が開示するリアクトルは、コイルの内側と外周を覆う軟磁性体のコアを採用する。そして、コアの両側に冷却器を配置する。コアと冷却器の積層体は、積層方向に加圧される。積層方向に加圧することによって、コアと冷却器を密着させ、コアから冷却器への伝熱効率を高める。本明細書が開示するリアクトルでは、さらに、コアは、積層方向の厚みが、コアにおいて積層方向を向いている面の縦の長さよりも小さく、かつ、前述の「積層方向を向いている面」の横の長さよりも小さい扁平体である。コアの積層方向の厚みを上記のように薄くすることで、コイル中心部の熱が、両側で接する冷却器へ速やかに移送される。

また、コイルの内側と外周を覆うコアを採用することで、コイル内側だけに配置されたコアを有するリアクトルに比べて、大きなインダクタンスを確保することができる。コアの外周においても磁束がコアを通過するからである。そのようなコアは、軟磁性体の粒子（あるいは粉）を固めて製造することできる。そのようなコアは、典型的には、軟磁性体の粒子を含む樹脂を射出成形して作ることができる。

大きなインダクタンスと薄さを両立するために、本明細書が開示するリアクトルの別の実施形態では、電気的に直列に接続されているとともに、積層方向に交差する方向に並んで配置されている２連のコイルを採用するとよい。直列に接続された複数のコイルがインダクタンスを増大さる。一方、複数のコイルの並列配置がコアの厚みを薄くすることに貢献する。なお、本明細書が開示するリアクトルは、２個のコイルを有するものに限定されない。コイルの数は３個以上であってもよい。

また、積層方向の厚みを小さくすると、相対的に、冷却器と接するコア表面積が増える。このことは、冷却効率向上とともに、リアクトル（コア）と冷却器の積層体が耐え得る荷重を大きくすることに貢献する。積層体の両側から大きな荷重を加えることによって、積層体の間でリアクトルを強固に保持できる。例えば、ボルトやネジを用いることなく、荷重だけでリアクトルを冷却器の間に保持することができる。

大きなインダクタンスと薄さを両立するために、本明細書が開示するリアクトルは、さらに、平角線をフラットワイズに巻回したコイルを採用し、そのようなコイルを、コイル軸線が積層方向を向くように配置することが好ましい。別言すれば、コイル軸線が、リアクトルと冷却器の積層方向に一致するようにコイルを配置することが好ましい。なお、平角線をフラットワイズに巻回したコイルを以下では「フラットワイズコイル」と称する。フラットワイズコイルは、コイル軸線方向には巻き線が重なっていないので薄型であり、また、平角線を用いることで大電流を許容することができる。さらにまた、コイル軸線が積層方向を向くように配置すると、コイルの端面（コイル軸線方向の端面）が冷却器と対向することになり、コイルから冷却器への伝熱効率がさらに向上する。

他方、コイルと冷却器が近づきすぎると、冷却器へ漏れる磁束が増える。そこで、コイルと冷却器の間に遮磁板を配置するとよい。遮磁板は、コアに埋め込まれていてもよいし、リアクトルと冷却器の間に嵌挿されるものであってもよい。

２個のフラットワイズコイルを採用する場合、夫々のコイルの内側の端部（コイルエンド）を連結することが好ましい。そして、２個のコイルの内側の端部を連結している部分の平角線が冷却器と対向することが好ましい。コイルを連結している平角線を通じてコイルの内側から外側へ、そして冷却器へと熱移送が促進される。なお、前述したように、リアクトルは、３個以上のコイルを備えていてもよい。

本明細書は、上記した冷却器付きリアクトルにおいて、コイルの放熱効率をさらに高める改良も開示する。以下、コイルの放熱効果を高める構造のいくつかを説明する。一つの実施態様では、積層方向に交差する方向のコア側面が金属枠で囲まれているとともに、金属枠が、冷却器とコアの双方と接している。金属枠がコアから冷却器への放熱を促進する。

また、別の実施態様では、リアクトルは、コイルの内側でコアをコイル軸線方向に貫通する金属柱を備えているとともに、金属柱の端面が冷却器に接しているとよい。金属柱を通じてコイル内側の熱が冷却器に移送する。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

リアクトルと半導体モジュールと冷却器の積層ユニットを含む電力変換装置の斜視図である。 第１実施例のリアクトルの斜視図である。 図２のIII−III矢視におけるリアクトルの断面図である。 第２実施例のリアクトルの斜視図である。 図４のV−V矢視におけるリアクトルの断面図である。 第３実施例のリアクトルの斜視図である。 第４実施例のリアクトルの斜視図である。

図面を参照して実施例のリアクトルを説明する。まず、リアクトルが適用された電力変換装置を説明する。図１に、電力変換装置９０の斜視図を示す。電力変換装置９０は、ハイブリッド車や電気自動車に搭載され、バッテリの直流電力を昇圧するとともに、誘導モータやＰＭモータの駆動に適した周波数の交流に変換する。即ち、電力変換装置９０は、昇圧コンバータ回路とインバータ回路を含む。よく知られているように、いずれの回路も、いわゆるパワー半導体素子を多数用いる。複数のパワー半導体素子は、平板型の複数の半導体モジュール８２に収められている。半導体モジュール８２は、１個、あるいは、数個のパワー半導体素子を、樹脂でモールドしたものである。なお、図１では、半導体モジュール８２から伸びる端子は図示を省略している。パワー半導体素子は発熱量が大きい。そこで、電力変換装置９０では、平板型の複数の半導体モジュール８２を平板型の複数の冷却器８１で交互に積層する。複数の半導体モジュール８２と複数の冷却器８１の積層体を積層ユニット８０と称する。積層ユニット８０には、半導体モジュール８２の他にリアクトル１０も積層される。即ち、リアクトル１０は、その両側を冷却器８１で挟持されている。リアクトル１０は、昇圧コンバータの一つの部品である。昇圧コンバータの回路は良く知られているので説明は省略する。リアクトル１０とその両側の冷却器８１が、「冷却器付きリアクトル」を構成する。

積層ユニット８０では、隣接する冷却器８１が連結パイプ８３で連結される。また、積層ユニット８０の端の冷却器８１には、冷媒供給管８４ａと冷媒排出管８４ｂが接続されている。冷却器８１は、冷媒を通す流路であり、冷媒供給管８４ａから供給された冷媒は、連結パイプ８３を通じて全ての冷却器８１に拡がる。冷媒は、冷却器８１の流路を流れる間に隣接する半導体モジュール８２あるいはリアクトル１０を冷却する。半導体モジュール８２あるいはリアクトル１０の熱を吸収した後の冷媒は、別の連結パイプ８３と冷媒排出管８４ｂを通じて外部に排出される。

冷却効率を高めるため、積層ユニット８０は、その積層方向に加圧される。積層ユニット８０は、筐体９１に収められ、その一端は筐体９１の内壁に押し当てられ、他端側に板バネ９３が挿入される。板バネ９３は、筐体９１の支柱９２に支えられている。積層ユニット８０は、電力変換装置９０の筐体内部で板バネ９３によって積層方向に圧力を受ける。積層ユニット８０は、積層方向に加圧されることで、半導体モジュール８２と冷却器８１、及び、リアクトル１０と冷却器８１の密着度を高め、冷却器８１への熱伝達効率を向上させている。

また、電力変換装置９０は、バッテリの出力電流や昇圧コンバータ回路の出力電流を平滑化するための大容量コンデンサ９４を備えている。コンデンサ９４は、積層ユニット８０とともに、筐体９１に収められる。なお、電力変換装置９０は、上記デバイスの他、昇圧コンバータ回路やインバータ回路を制御する制御基板を有するが、図１では制御基板、及び、筐体のカバーは図示を省略している。

（第１実施例）次に、上記したリアクトル１０の第１実施例を説明する。図２に、第１実施例のリアクトル１０ａの斜視図を示す。リアクトル１０ａの主部品は、平角線１３を巻回したコイル１２である。コイル１２は、その内側と外周が軟磁性体粒子を含む樹脂でモールドされるが、図１ではコイルの形状を描くために樹脂モールドは図示を省略している。図２において、符号１６が示す空間に樹脂（軟磁性体粒子を含む樹脂）が充填される。その樹脂モールドがリアクトルのコアに相当する。ゆえに、便宜的に、空間を示す符号１６を使って「コア１６」と表現する。別言すれば、コア１６は、軟磁性体粒子を固めたものである。また、コイル１２のコイル軸線方向の両側には遮磁板が配置されるが、その図示も省略している。遮磁板については、後に、図３を参照しながら説明する。図における直線ＣＬがコイル軸線（巻回軸線）を示している。

リアクトル１０ａの全体の形状は略直方体であり、そのサイズは、縦Ｈ、横Ｗ、厚みＤである。それらの寸法の関係は、横Ｗ＞縦Ｈ＞厚みＤである。図１と図２の座標系を比較すると理解されるように、座標軸のＸ方向がリアクトル１０と冷却器８１の積層方向に相当する。従って、リアクトル１０ａは、積層方向の厚みＤが積層方向を向いている面の縦の長さＨと横の長さＤよりも小さい扁平体である。リアクトル１０ａは、扁平体であることによって、冷却器との広い接触面積を確保する。それゆえ、両側に配置した冷却器８１への伝熱効率が良い。

リアクトル１０ａの本体は、平角線１３をフラットワイズに巻回したコイル１２である。前述したようにコイル１２はその内側と外側をコア１６で覆われている。そのコア１６は、その周囲を金属枠１５で囲まれている。コイル１２からは、引き出し線１３ａ、１３ｂが伸びており、その引き出し線１３ａ、１３ｂは、金属枠１５に設けられたスリットからリアクトル外部へと伸びている。引き出し線１３ａ、１３ｂは、リアクトル１０ａの端子に相当する。

図３に、図２のIII−III矢視における断面図を示す。なお、図３では、図２において省略した遮磁板１７が描かれている。また、図３でも、図２と同様に、図を見易くするためにコア１６は断面を示すハッチングを省略している。符号１６が示す空間が本来はコア１６の軟磁性体粒子で充填されている。図３によく示されているように、リアクトル１０ａは、その両側で冷却器８１に密着している。

図３によく示されているように、コイル１２は、その軸線ＣＬがリアクトル１０ａと冷却器８１の積層方向（図中のＸ軸方向）を向くように配置される。また、コイル１２は、その端面が冷却器８１と対向するように配置される。そのような配置により、冷却器８１と対向するコイルの表面積を大きくすることができる。このことも冷却効率の向上に寄与する。

コイル１２の内側にはコイル軸線ＣＬ方向に沿って金属柱１４がコイル１２を貫通している。また、前述したように、コア１６は金属枠１５で囲われている。また、金属枠１５と金属柱１４はそれぞれコア１６に接しているとともに、両側の冷却器８１にも接している。金属枠１５と金属柱１４は、アルミニウムなど、熱伝導率の高い金属で作られており、コイル１２の熱を両側の冷却器８１に伝えることに寄与する。特に、金属柱１４は、コイル内部の熱を良く冷却器８１に伝える。

図３ではコア１６をハッチングで示している。図３に良く示されているように、コア１６は、コイル１２の周囲を覆っている。コア１６はコイル１２の外周も覆っているので、コイルの内部と外部のいずれにおいても磁束がコア１６を通る。コイル１２に電流を流すことで発生する磁場は、コア１６を集中して通る。リアクトル１０ａは、コイル１２の全体をコア１６が覆っているので、漏れ磁束が少ないという利点を有する。

また、コア１６には、遮磁板１７が埋設されている。遮磁板１７は、コイル１２と冷却器８１の間に嵌挿されている。遮磁板１７は、冷却器８１へ漏れる磁束の量を低減する。遮磁板１７は、コイル軸線ＣＬを積層方向に向けている場合に特に有用である。磁束はコイルの内部から、コイル軸線方向に沿ってコイル外側へと拡がるからである。

第１実施例のリアクトル１０ａは、フラットワイズコイル（コイル１２）を備え、そのコイル１２の端面が両側に位置する冷却器８１に対向する。そのような構造によりコイル１２の熱が冷却器８１に効率よく伝達される。また、コア１６を囲む金属枠１５とコイル内部でコア１６を貫通する金属柱１４も、コイルの熱を冷却器８１に効率よく伝達することに寄与する。

（第２実施例）次に、第２実施例のリアクトル１０ｂを説明する。図４にリアクトル１０ｂの斜視図を示す。図５に、図４のV−V矢視における断面図を示す。リアクトル１０ｂのサイズは第１実施例のリアクトル１０ａと同じである。リアクトル１０ｂも、積層方向の厚みが積層方向を向いている面の縦の長さと横の長さよりも小さい扁平体である。図４、図５においても、図２、図３と同様に、コアの図示は省略しているが、符号１６が示す空間がコアに相当する。以下でも便宜上、符号１６が示す空間を「コア１６」と表現する。

リアクトル１０ｂは、直列に接続された２連のコイル１１２ａ、１１２ｂを備えている。いずれのコイルも、フラットワイズコイルである。２連のコイル１１２ａ、１１２ｂは、積層方向に交差する方向（図中のＹＺ面内方向）に並んで配置されているとともに、コイル端面が冷却器８１に対向するように配置されている。２連コイルを横並びに配置することによって、リアクトルの厚みを増さずにコイル性能（即ち、インダクタンス）を高めている。

また、フラットワイズに巻回された２つのコイル１１２ａ、１１２ｂは、コイルの内側の端部同士が電気的に接続され、連結している部分の平角線１１３ｃが、冷却器８１に対向する。図４によく表されているように、コイルの内側の端部の平角線は、コイルの内側で折り曲げられ、コイル端面を横断して他方のコイルへと伸びている。そして、図５によく表されているように、連結している部分の平角線１１３ｃは、コイル端面よりも冷却器８１に近接することになる。コイルの巻き線（平角線）は電気抵抗の小さい銅で作られていることが多く、銅は熱伝導率が高い。それゆえ、連結している部分の平角線１１３ｃが冷却器８１に対向し、コイル端面よりも冷却器８１に近接することによって、コイル内側の熱が平角線１１３ｃを通って冷却器８１によく伝達される。

リアクトル１０ｂも、リアクトル１０ａと同様にコア１６が金属枠１１５で囲まれており、その金属枠１１５は両側の冷却器８１に接している。金属枠１１５もまた、コイルの熱を冷却器８１へ伝達することに寄与する。また、金属枠１１５は、内側に伸びるリブ１１５ａを備えている。このリブ１１５ａは、リアクトル１０ａ全体の強度確保に寄与する。

また、リアクトル１０ｂも、リアクトル１０ａと同様に、夫々のコイル１１２ａ、１１２ｂの内側でコア１６を貫通する金属柱１１４を備えており、その金属柱１１４は両側の冷却器８１に接している。金属柱１１４もまた、コイルの熱を冷却器８１に伝達することに寄与する。

図５に示されているように、リアクトル１０ｂもまた、コイル１１２ａ、１１２ｂと冷却器８１の間に遮磁板１７が挿入されている。遮磁板１７は、冷却器８１へ漏れる磁束の量を低減する。

（第３実施例）次に、第３実施例のリアクトル１０ｃを説明する。図６に、リアクトル１０ｃの斜視図を示す。図６でも、コイルの様子を描くために、コアは図示を省略している。図６において符号１６が示す空間が、本来コアで満たされている。

リアクトル１０ｃのサイズも第１実施例のリアクトル１０ａと同じである。リアクトル１０ｃも、積層方向の厚みが積層方向を向いている面の縦の長さと横の長さよりも小さい扁平体である。

リアクトル１０ｃは、エッジワイズコイルを採用する。エッジワイズとは、平角線の平坦な面をコイル軸線方向に向け、平坦な面が重なるように巻回することをいう。別言すれば、エッジワイズ巻きでは、平角線の積層方向がコイル軸線に沿っている。

リアクトル１０ｃは、直列に接続された２連のコイル２１２ａ、２１２ｂを備えている。いずれのコイルも、エッジワイズコイルである。２連のコイル２１２ａ、２１２ｂは、リアクトルと冷却器の積層方向に交差する方向（図中のＹＺ面内方向）に並んで配置されているとともに、コイル端面が冷却器８１に対向するように配置されている。２連コイルを横並びに配置することによって、リアクトルの厚みを増さずにコイル性能（即ち、インダクタンス）を高めている。

リアクトル１０ｃは、リアクトル１０ｂと同様に、金属枠２１５、金属柱２１４を備えている。また、金属枠２１５には、強度を確保するリブ２１５ａが設けられている。一方のリブ２１５ｂには、コイル２１２ａとコイル２１２ｂを接続する平角線の部位２１３ｃを通す切欠が設けられている。図示は省略しているが、リアクトル１０ｃもまた、遮磁板を備えている。

（第４実施例）次に、第４実施例のリアクトル１０ｄを説明する。図７にリアクトル１０ｄの斜視図を示す。リアクトル１０ｄは、円断面のケーブルを巻回したコイル３１２ａ、３１２ｂを採用している。符号１６は、２連のコイル３１２ａ、３１２ｂを、軟磁性体粒子を含んだ樹脂でモールドしたコアを示している。リアクトル１０ｃのサイズも第１実施例のリアクトル１０ａと同じであり、積層方向の厚みＤが積層方向を向いている面の縦の長さＨと横の長さＷよりも小さい扁平体である。リアクトル１０ｄは、金属枠を有していない。軟磁性体粒子を含む樹脂の射出成形でコアを作ることで、ケースを別途設ける必要がなくなり、リアクトルを低コストで製造することができるという利点がある。また、従来、射出成形でないコアを用いる場合、コアの周囲を絶縁するためにポッティングなどの手法が採用されることがあったが、射出成型のコアを用いることでポッティングの必要もなくなる。なお、第１〜第３実施例のリアクトルについてもケースを不要とすることができる。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。本明細書が開示するリアクトルでは、コアは、積層方向の厚みが積層方向を向いている面の縦の長さと横の長さよりも小さい扁平体である。コアの積層方向を向いている面が楕円形である場合、その縦の長さと横の長さは、楕円の長軸の長さと短軸の長さに対応する。また、コアの積層方向を向いている面が楕円でも矩形でもない場合は、コアの積層方向を向いている面に外接する矩形の縦と横の長さが、上述の縦の長さと横の長さに対応する。

第１実施例のリアクトル１０ａは、一つのコイルが軟磁性体粒子を含む樹脂（即ちコア）でモールドされている。第２〜第４実施例のリアクトル１０ｂ〜１０ｃは、二つのコイルが軟磁性体粒子を含む樹脂でモールドされている。一つのリアクトルに含まれるコイルの数は、３個以上であってもよい。また、図１に示した積層ユニット８０では、複数の半導体モジュール８２と一つのリアクトル１０が、冷却器８１と交互に積層されている。積層ユニットにおいて複数のリアクトルを冷却器と交互に積層し、その複数のリアクトルを直列に接続して大きなインダクタンスを得ることも好適である。

実施例におけるコイルの内側と外周を覆うコアは、軟磁性体の粒子を含んだ樹脂を射出成形して作られる。コアは、樹脂を含まずともよく、軟磁性体の粒子だけで固められたものであってもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ：リアクトル
１２、１１２ａ、１１２ｂ、２１２ａ、２１２ｂ、３１２ａ、３１２ｂ：コイル
１３、１１３ｃ：平角線
１４、１１４、２１４：金属柱
１５、１１５、２１５：金属枠
１６：コア
１７：遮磁板
８０：積層ユニット
８１：冷却器
８２：半導体モジュール
８３：連結パイプ
８４ａ：冷媒供給管
８４ｂ：冷媒排出管
９０：電力変換装置
９１：筐体
９３：板バネ
１１５ａ、２１５ａ、２１５ｂ：リブ
ＣＬ：コイル軸線

Claims (9)

1. コイルの内側と外周を覆う軟磁性体のコアを有しているリアクトルと、
   コアの両側に配置されている冷却器と、
   を備えており、
   コアと冷却器の積層体が積層方向に加圧されており、
   コアは、積層方向の厚みが、積層方向を向いている面の縦の長さよりも小さくかつ横の長さよりも小さい扁平体であることを特徴とする、
   冷却器付きリアクトル。
2. リアクトルは、直列に接続されているとともに、積層方向に交差する方向に並んで配置されている複数のコイルを備えていることを特徴とする請求項１に記載の冷却器付きリアクトル。
3. コイルは、平角線がフラットワイズに巻回されたものであり、コイル軸線が積層方向を向くように配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却器付きリアクトル。
4. リアクトルは、平角線がフラットワイズに巻回された複数のコイルを備えており、
   夫々のコイルの内側の端部が連結されているとともに、連結している部分の平角線が冷却器に対向していることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の冷却器付きリアクトル。
5. コイル端面が冷却器と対向するように配置されていることを特徴とする請求項４に記載の冷却器付きリアクトル。
6. 積層方向に交差する方向のコア側面が金属枠で囲まれているとともに、金属枠が冷却器と接していることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のリアクトル。
7. リアクトルは、コイルの内側でコアをコイル軸線方向に貫通する金属柱を備えているとともに、金属柱の端面が冷却器に接していることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の冷却器付きリアクトル。
8. コイルと冷却器の間に遮磁板が配置されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の冷却器付きリアクトル。
9. コアは、軟磁性体粒子を固めたものであることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の冷却器付きリアクトル。

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