JP2008537466A - コンデンサモジュールとその動作方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１つのコンデンサ（３０）を有するコンデンサモジュール（２０）を備えた装置（１０）に関する。このような装置の特別に安全な動作を可能とすべく、本発明によれば、装置が、少なくとも１つのコンデンサと関連している安全装置（５０）を有し、安全装置（５０）が、コンデンサ（３０）の動作状態又はコンデンサモジュール（２０）の動作状態を監視し、かつ不安全と認識される動作状態の場合に安全動作モードに切り換える。

Description

本発明は、少なくとも１つのコンデンサを有するコンデンサモジュールを備えた装置に関する。

最大１Ｆの静電容量を持つ二重層コンデンサは、１９７０年代に市場に現れ、例えば松下、日本電気あるいはＮＥＳＳの会社から提供された。後年において１０００Ｆを上回る静電容量を有する単一セルが入手可能になったとき、短時間の大出力供給に使用すべく、大きな静電容量を有する複数の個別コンデンサを相互に接続することが始められた。多くの用途、例えば軌道車両における電気牽引、変電所等に関して、出力要求も電圧要求も満たすために、この相互接続が必要である。

本発明の課題は、特に安全な動作を可能にするコンデンサモジュールを備えた装置を提供することにある。

この課題は、冒頭に述べた如き装置において、本発明によれば、請求項１の特徴事項によって解決される。本発明の有利な構成は従属請求項に示す。

それによると本発明では、装置が少なくとも１つのコンデンサと関連している安全装置を有し、該装置がコンデンサの動作状態又はコンデンサモジュールの動作状態を監視し、かつ不安全と認識される動作状態の場合に安全動作モードに切り換える。

本発明による装置の主たる利点は、安全装置の存在に伴い不安全な動作状態を認識し、コンデンサモジュールが不安全な状態の場合に時宜を得て切り換えるか、又は遮断できることにある。モジュールが、例えば遮断されおよび／又はモジュール内に含まれるコンデンサが放電させられる安全動作モードへの時宜を得た移行により、コンデンサモジュール全体の損傷又は破壊という結果になることを回避できる。更に、例えば火災が発生し、そのため他の設備部分が損傷しおよび／又は人間が負傷又は死亡することを回避できる。

不安全な動作状態は、例えばコンデンサの最大許容セル電圧および／又は最大許容充電又は放電電流および／又は最大許容動作温度の超過により認識可能である。特に気密に封鎖された二重層コンデンサモジュールの場合、高すぎる温度は危険である。何故なら、電解液の沸騰および漏出に至り、それによってコンデンサモジュールの爆発的燃焼という結果が起こり得るからである。

コンデンサモジュールが多数のコンデンサを有する場合、コンデンサモジュールの全てのコンデンサが各々安全装置に関連し、該安全装置により監視されることが好ましい。

安全装置は、安全動作モードにおいてコンデンサの出力発生を制限するように構成されているとよい。例えば安全装置は、充電電流および／又は放電電流を相応に低減することによって、コンデンサを電気的に部分的もしくは完全に切り離す。

特に、コンデンサは、安全動作モード中に部分的又は完全に放電させるとよい。

コンデンサモジュールを軌道車両に使用する場合、放電は軌道車両の制動抵抗器により行なえ、制動抵抗器で電気エネルギーを消費する。代替的に、エネルギーを軌道車両の補助電源系又は補助電源バッテリに供給できる。

安全装置がコンデンサモジュールの内部における温度を連続的に監視し、かつ予め設定した最大温度の超過時に安全動作モードに導き入れることが好ましい。コンデンサモジュールの少なくとも１つのコンデンサの内部、特にコンデンサモジュールの全てのコンデンサの内部においても温度を監視することが有利である。

代替的又は追加的に、安全装置が、コンデンサモジュールの内部の圧力を監視し、かつ予め設定した最大圧力の超過時に安全動作モードを始動させるとよい。安全装置が、コンデンサモジュールの少なくとも１つのコンデンサの内部、特にコンデンサモジュールの全コンデンサの内部圧力を連続的に監視すると有利である。

安全装置が、少なくとも１つのコンデンサから漏出する電解液を認識しかつ電解液の漏出時に安全動作モードを開始させるセンサをも含むとよい。該センサは、例えば、特に電解液中に含まれる溶蒸気状又は液状の形の溶媒に反応する導電度センサ、容量式センサ又は化学式センサであるとよい。

安全装置は、少なくとも１つのコンデンサの空間的膨張又は寸法を測定する伸び測定装置を有するとよい。予め設定した最大伸び測定値の超過時に安全動作モードが始まる。

伸び測定装置がコンデンサ毎に各１つのストレインゲージを有し、該ゲージが付属のコンデンサのコンデンサ容器の周りを取り巻くとよい。ストレインゲージを各々付属のコンデンサ容器の半分の構造高さに配置すれば、特に良好な測定結果が得られる。

更に、安全装置が、規則的な間隔で、例えば一日一回、コンデンサモジュールの内部抵抗および／又は容量を求め、求めた測定値を予め設定した限界値と比較し、測定値が予め設定した限界値を超過した際に安全動作モードに導き入れると有利である。

安全装置が、その都度測定した抵抗値および／又は容量値を、先行の動作周期の記憶された抵抗値および／又は容量値と比較し、この比較結果からコンデンサモジュールの技術的状態を特徴づける特性量を求めると好ましい。例えばコンデンサモジュールの所謂「健全状態」を指示する特性量が導き出せる。

安全装置が少なくとも１つの安全弁（例えば、過圧弁又は破裂装置）を含むとよく、安全弁はコンデンサモジュール内部の過圧時に開いて、圧力の放出を可能にする。

更に、安全装置が、コンデンサの漏洩電流も測定し、予め設定した限界漏洩電流の超過時に安全動作モードを開始させるとよい。漏洩電流の検出は、各遮断過程の一部としての各動作段階の終端および／又は予め定めた待機時間内に行なうと有利である。

安全装置が、短絡の存在に関してコンデンサを監視しかつ短絡時に安全動作モードを開始させる短絡検出装置を含むとよい。短絡検出装置が、各遮断プログラムの一部としての各動作段階の終端および／又は予め定めた待機時間内において短絡監視を行なうとよい。

更に、コンデンサモジュールは、モジュール内に含まれるコンデンサの個々のセル電圧が各々２．２Ｖ以下になる迄モジュール電圧が低下させられる待機動作状態を有することが好ましい。代替的に、コンデンサは完全に放電させてもよい。

安全動作モード中におけるコンデンサの電気的な切り離しは、例えばコンデンサモジュールハウジングの内部又は外部に配置した開閉装置により行なえる。

安全装置が、不安全動作状態の存在時に音響的および／又は光学的な警報信号を発生する出力装置を有するとよい。警報信号は、例えばコンデンサ、コンデンサグループ、又はモジュール単位毎に発生させ得る。

更に、安全装置が、短絡認識時に、更なる損傷を回避すべく、コンデンサモジュールの許容上限電圧を低減してもよい。

コンデンサモジュールを、特に駆動システムの走行エネルギーの中間貯蔵のために、軌道車両の駆動システムに接続してもとよい。

更に、多数のコンデンサモジュールを直列および／又は並列に接続し、かつ唯一の安全装置によって監視してもよい。代替的に、直列および／又は並列に接続した多数のコンデンサモジュールを、各々個別に付設した安全装置によって監視してもよい。

更に、本発明は、少なくとも１つのコンデンサを有するコンデンサモジュールの動作のための方法に関する。このような方法においてコンデンサモジュールの安全な動作を可能にすべく、本発明では、コンデンサの動作状態又はコンデンサモジュール全体の動作状態を監視し、不安全な動作状態の場合に安全動作モードに切り換える。

本発明の方法の利点に関しては、本発明の装置に関連した上記説明を参照されたい。

以下、本発明を実施例に基づき説明する。

図１は、気密に封鎖された二重層コンデンサモジュール２０を備える装置１０を示す。二重層コンデンサモジュール２０は、電気的に並列接続された４つの二重層コンデンサ３０を有する。該二重層コンデンサ３０は二重層コンデンサモジュール２０のハウジング内に配置されている。二重層コンデンサモジュール２０に、多数の構成要素を有する安全装置５０が接続されている。安全装置５０は例えば制御装置６０を含み、該装置６０に、ガスセンサ７０、温度センサ８０、圧力センサ９０、安全弁１００、電流制限装置１１０、電流測定装置１２０、伸び測定装置１３０、指示装置１４０および２つの開閉装置１５０、１６０が接続されている。

伸び測定装置１３０に、全部で５個のストレインゲージ２００〜２４０が接続されている。ストレインゲージ２００〜２３０は、各々二重層コンデンサ３０の容器に取り付けられ、該ストレインゲージは、各々付属のコンデンサ容器の略半分の構造高さのところに、ストレインゲージがコンデンサ容器を完全又は部分的に包囲するように配置されている。図１の実施例では、二重層コンデンサ３０が各々円筒形なので、ストレインゲージ２００〜２３０は二重層コンデンサ３０を横断面において円状に包囲する。

第５のストレインゲージ２４０が二重層コンデンサモジュール２０のハウジング４０の外側に配置され、二重層コンデンサモジュールの温度上昇時又は過圧時に発生するハウジング４０の膨張を測定技術により検出する。４つのストレインゲージ２００〜２３０は、二重層コンデンサ３０の温度上昇時又は過圧時に発生する二重層コンデンサ容器の膨張を測定技術により検出し、該測定値を所属の伸び測定装置１３０に転送する。

図１は、更に二重層コンデンサモジュール２０に接続された軌道車両の駆動システム３００を示す。該モジュール２０は、軌道車両のブレーキ時に運動エネルギーを電気エネルギーの形で中間貯蔵し、軌道車両の加速過程で駆動システム３００へ回生する。

制御装置６０は、二重層コンデンサモジュール２０の動作状態を連続的に監視すべく構成されている。このため、制御装置６０は圧力センサ９０により二重層コンデンサモジュール２０のハウジング４０内の内圧を測定する。内圧が許容最大圧力を上回ると、制御装置６０は制御信号ＳＴ１を発生する。この信号ＳＴ１により、制御装置６０は、ハウジング４０に取り付けられた安全弁１００を開き、もって圧力調整を行う。

例えば導電度センサ、容量式センサ又は化学式センサであり、かつ例えば二重層コンデンサ３０の電解液中に含まれている蒸気状又は液状の溶媒に反応するガスセンサ７０により、二重層コンデンサ３０から電解液が漏れているかどうかを測定する。漏れが生じている場合には、二重層コンデンサモジュール２０を安全動作モードに切り換える。

安全動作モードは、二重層コンデンサモジュール２０を完全に遮断すべく構成するとよい。代替的に、二重層コンデンサモジュール内の二重層コンデンサの負荷を低減すべく、二重層コンデンサモジュールからの出力取出しを低減するだけでもよい。

温度センサ８０により、制御装置６０は連続的に二重層コンデンサモジュール２０の内部の温度を測定し、二重層コンデンサ３０が過負荷状態にあるか否かを判定する。何故なら、二重層コンデンサ３０の過負荷は温度上昇という形をとるからである。温度測定値Ｍ_Tが制御装置６０で予め定めた最大温度値Ｔ_MAXを上回ると、二重層コンデンサモジュール２０を既述の安全動作モードに切り換える。

更に制御装置６０は、ストレインゲージ２００〜２４０に接続された伸び測定装置１３０と協力動作をする。二重層コンデンサ３０の容器の膨張が生じ、かつこの膨張が予め設定した限界値を上回ったことを伸び測定装置１３０が確認すると、伸び測定装置１３０は相応の測定信号Ｍ_Dを発生して制御装置６０に伝達する。制御装置６０は、信号Ｍ_Dの存在時、二重層コンデンサモジュール２０を既述の安全動作モードに切り換える。

更に、制御装置６０は、二重層コンデンサモジュール２０の出力電圧Ｕ_aを測定し、かつ電流測定装置１２０により電流Ｉ_aを測定する。この電流Ｉ_aは、放電過程の際には二重層コンデンサモジュール２０から流出し、充電過程では二重層コンデンサモジュール２０へ流入する。制御装置６０は、電流Ｉ_aが予め定めた最大電流を上回ったことおよび／又は二重層コンデンサモジュール２０の出力電圧Ｕ_aが許容最大電圧を上回ったことを確認したならば、同様に既述の安全動作モードに切り換える。

制御装置６０は、二重層コンデンサモジュール２０の安全動作モードへの切り換えを、電流制限装置１１０の助けにより制御信号ＳＴ２を介しておよび／又は両開閉装置１５０、１６０の助けにより制御信号ＳＴ３およびＳＴ４を介して実行する。電流制限装置１１０は、例えばトランジスタ回路等によって構成できる。

二重層コンデンサモジュールの正常動作に際し許容し得る動作パラメータが僅かだけ超過し、かつより少ない負荷でもって二重層コンデンサモジュール２０の動作続行がなおも可能である場合には、制御装置６０は電流制限装置１１０を次のように制御する。即ち、二重層コンデンサモジュール２０から流出又はそれへ流入する電流Ｉ_aが予め設定した、低減された最大電流を上回らないように制御する。それにより、二重層コンデンサモジュール２０は低減された出力で動作を続行するので、二重層コンデンサモジュールの損傷又は完全停止という結果になる確率を明らかに低減できる。

これに対し、二重層コンデンサモジュール２０の安全な動作続行がもはや保証されないような危機的な範囲に動作パラメータが到達したか、又は超過したことを制御装置６０が確認した場合には、制御装置６０は、開閉装置１６０の開路によって二重層コンデンサモジュール２０を完全に遮断する。開閉装置１６０の開路によって二重層コンデンサモジュール２０は軌道車両の駆動システム３００から結合を解除され、それにより遮断される。二重層コンデンサ２０になおも蓄えられているエネルギーを低下させるべく、制御装置６０は放電電流が放電抵抗４００を介して流れるように開閉装置１５０を投入する。放電抵抗４００は種々の構成要素から構成可能であるが、ここでは概略的に単純な抵抗器として示している。放電抵抗４００は、例えば軌道車両の補助電源系又は補助電源バッテリよって構成できる。代替的に、放電抵抗４００は、駆動装置３００の制動抵抗器によっても実現可能であり、その結果駆動装置３００の構成部分を成し得る。

安全動作モードへの切り換えは、制御装置６０が相応の制御信号ＳＴ５を発生するや否や、指示装置１４０で音響的および／又は光学的に表示される。該表示は、例えば極めて総括的であってよく、安全動作モードへの切り換えを指示するだけでよい。代替的に、指示装置１４０は、どの二重層コンデンサ３０で異常が生じたかを測定技術的に識別した際は、どの二重層コンデンサ３０で異常が発生したかを詳細に指示してもよい。図１の実施例では、この異常識別が、例えば個別に個々の二重層コンデンサ３０に関連する当該ストレインゲージ２００〜２３０を介して可能である。従って、二重層コンデンサモジュール２０で発生する異常の指示は、部品毎、相毎、又はモジュール単位毎に行ない得る。

更に、制御装置６０が規則的な間隔で、例えば一日一回、コンデンサモジュール２０の内部抵抗および／又は容量を求め、求めた測定値を予め設定した限界値と比較し、測定値が予め設定した限界値を超過したときに安全動作モードに導くとよい。

更に制御装置６０が、その都度測定した抵抗値および／又は容量値を、先行の動作周期で記憶した抵抗値および／又は容量値と比較し、それからコンデンサモジュール２０の技術的状態を特徴づける特性量を求めるとよい。例えば「健全状態」の特性量を発生させ、これは制御信号ＳＴ６として発生させ得る。

制御装置６０は、例えばマイクロプロセッサ装置として構成し、該装置で詳細な測定値をデータ処理技術で評価し、出力側に上述の制御信号ＳＴ１〜ＳＴ６を発生するとよい。

図２は、図１による装置１０の待機動作の実施変形をブロック図で示す。

装置１０が待機動作５００に切り換えられるや否や、これが、いつもの繰り返し的あるいは周期的な待機動作の枠内にあるか、又は上述の安全動作モードの枠内にあるならば、図２による実施例では２つの異なる変形方法が適用可能である。

第１の変形５１０では、開閉装置１６０の遮断後に、セル電圧が２．２Ｖ以下になる迄二重層コンデンサ３０の放電を行なう。しかしコンデンサには電荷が残留している。

第２の変形５２０では、開閉装置１６０の遮断後に、二重層コンデンサ３０を完全に放電させる。従って、コンデンサには残留電荷が残っていない。放電は、軌道車両の補助電源バッテリを介して（下位変形５３０）か、又は軌道車両の制動抵抗器を介して（下位変形５４０）行われる。

どの変形５１０又は５２０を選択するか、又はどの下位変形５３０又は５４０を選択するかは任意である。しかし、障害時には現在の動作パラメータおよび所望の達成すべき安全レベルを考慮すべきである。二重層コンデンサ３０を完全に放電すれば、残留電荷が残っている場合よりも「安全な」状態となる。

コンデンサモジュールおよび安全装置を備えた本発明による装置の実施例を示すブロック図 図１による装置の待機動作の実施変形を模範的に示すブロック図

符号の説明

１０ 二重層コンデンサモジュールを備えた装置、２０ 二重層コンデンサモジュール、３０ 二重層コンデンサ、４０ ハウジング、５０ 安全装置、６０ 制御装置、７０ ガスセンサ、８０ 温度センサ、９０ 圧力センサ、１００ 安全弁、１１０、１２０ 電流測定装置、１３０ 伸び測定装置、１４０ 指示装置、１５０、１６０ 開閉装置、２００〜２１０ ストレインゲージ、３００ 駆動システム、４００ 放電抵抗、５００ 待機動作

Claims (36)

1. 少なくとも１つのコンデンサ（３０）を有するコンデンサモジュール（２０）を備えた装置（１０）において、
   該装置が少なくとも１つのコンデンサと関連している安全装置（５０）を有し、安全装置（５０）がコンデンサ（３０）の動作状態又はコンデンサモジュール（２０）の動作状態を監視し、かつ不安全と認識される動作状態の場合に安全動作モードに切り換えることを特徴とする装置。
2. 安全装置が、安全動作モードにおいてコンデンサの出力発生を制限するように構成されたことを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 安全装置が、安全動作モードにおいてコンデンサを電気的に切り離すように構成されたことを特徴とする請求項１記載の装置。
4. コンデンサが、安全動作モード中に完全に放電されることを特徴とする請求項３記載のコンデンサモジュール。
5. コンデンサモジュールが、軌道車両の駆動システム（３００）に接続されたことを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の装置。
6. コンデンサモジュールが、各々安全装置と関連しかつ安全装置によって監視される多数のコンデンサ（３０）を有することを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の装置。
7. コンデンサモジュールが二重層コンデンサモジュールであり、それに含まれているコンデンサが二重層コンデンサであることを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の装置。
8. 二重層コンデンサモジュールが気密に封鎖されたモジュールであることを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載の装置。
9. 安全装置が、コンデンサモジュールの内部温度を連続的に監視し、かつ予め設定された最大温度の超過時に安全動作モードに導き入れることを特徴とする請求項１乃至８の１つに記載の装置。
10. 安全装置が、コンデンサモジュールの少なくとも１つのコンデンサの内部温度を監視し、かつ予め設定された最大温度の超過時に安全動作モードに導き入れることを特徴とする請求項９記載の装置。
11. 安全装置が、コンデンサモジュールの内部圧力を監視し、かつ予め設定した最大圧力の超過時に安全動作モードで作動させることを特徴とする請求項１乃至１０の１つに記載の装置。
12. 安全装置が、コンデンサモジュールの少なくとも１つのコンデンサの内部圧力を連続的に監視し、かつ予め設定した最大圧力の超過時に安全動作モードで作動させることを特徴とする請求項１１記載の装置。
13. 安全装置が、少なくとも１つのコンデンサから漏出する電解液を認識しかつ電解液の漏出時に安全動作モードを開始させるセンサ（７０）を含むことを特徴とする請求項１乃至１２の１つに記載の装置。
14. センサが、電解液中に含まれる溶蒸気状又は液状の形の溶媒に反応する導電度センサ、容量式センサ又は化学式センサであることを特徴とする請求項１３記載の装置。
15. 安全装置が、少なくとも１つのコンデンサの空間的膨張又はコンデンサモジュールの空間的膨張を測定する伸び測定装置（１３０）を有し、安全装置が予め設定した最大伸び測定値の超過時に安全動作モードを開始させるように構成されたことを特徴とする請求項１乃至１４の１つに記載の装置。
16. 伸び測定装置が、付属のコンデンサのコンデンサ容器を完全に包囲する少なくとも１つのストレインゲージ（２００〜２３０）に接続されたことを特徴とする請求項１５記載の装置。
17. 伸び測定装置が、コンデンサモジュールの各コンデンサのために各々少なくとも１つのストレインゲージを含むことを特徴とする請求項１６記載の装置。
18. ストレインゲージが、各々付属のコンデンサ容器の半分の構造高さに配置されたことを特徴とする請求項１６又は１７記載の装置。
19. 安全装置が、規則的な間隔にてコンデンサモジュールの内部抵抗および／又は容量を求め、これを予め設定した限界値と比較し、測定値が限界値を超過した際に安全動作モードに導き入れることを特徴とする請求項１乃至１８の１つに記載の装置。
20. 安全装置が、その都度測定した抵抗値および／又は容量値を、先行の動作周期の記憶された抵抗値および／又は容量値と比較し、この比較結果からコンデンサモジュールの技術的状態を特徴づける特性量（ＳＴ６）を求めることを特徴とする請求項１９記載の装置。
21. 安全装置が、コンデンサモジュールの「健全状態」を指示する特性量を発生することを特徴とする請求項２０記載の装置。
22. 安全装置が、コンデンサモジュール内部の過圧時に開く少なくとも１つの安全弁（１００）を含むことを特徴とする請求項１乃至２１の１つに記載の装置。
23. 安全装置が、コンデンサの漏洩電流を測定し、予め設定した限界漏洩電流の超過時に安全動作モードを開始させることを特徴とする請求項１乃至２２の１つに記載の装置。
24. 安全装置が、その都度の遮断過程の一部としての各動作段階の終端および／又は予め定めた待機時間内に漏洩電流の検出を行なうことを特徴とする請求項２３記載の装置。
25. 安全装置が、短絡の存在に関してコンデンサを監視しかつ短絡時に安全動作モードを開始させる短絡検出装置を含むことを特徴とする請求項１乃至２４の１つに記載の装置。
26. 短絡検出装置が、その都度遮断プログラムの一部としての各動作段階の終端および／又は予め設定した待機時間内に短絡監視を行なうことを特徴とする請求項２５記載の装置。
27. コンデンサモジュールが、モジュール内に含まれるコンデンサの個々のセル電圧が各々２．２Ｖ以下になるまでモジュール電圧が低下させられる待機動作状態を有することを特徴とする請求項１乃至２６の１つに記載の装置。
28. 安全装置が、安全動作モードの存在時にコンデンサを、コンデンサモジュールハウジングの内部又はコンデンサモジュールハウジングの外部に配置された開閉装置（１６０）によって電気的に切り離すことを特徴とする請求項１乃至２７の１つに記載の装置。
29. 安全装置が、不安全動作状態の存在時に音響的および／又は光学的な警報信号を発生する出力装置（１４０）を含むことを特徴とする請求項１乃至２８の１つに記載の装置。
30. 警報信号が、コンデンサ、コンデンサグループ、又はモジュール単位毎に発生されることを特徴とする請求項２９記載の装置。
31. 安全装置が、短絡認識時にコンデンサモジュールの許容上限電圧を低減することを特徴とする請求項１乃至３０の１つに記載の装置。
32. コンデンサ放電時のエネルギーが、駆動装置（３００）の制動抵抗器（４００）に供給されることを特徴とする請求項１乃至３１の１つに記載の装置。
33. コンデンサ放電時のエネルギーが、軌道車両の補助電源バッテリの補充電のために使用されることを特徴とする請求項１乃至３１の１つに記載の装置。
34. 多数のコンデンサモジュールが直列および／又は並列に接続され、安全装置（５０）によって監視されることを特徴とする請求項１乃至３３の１つに記載の装置。
35. 多数のコンデンサモジュールが直列および／又は並列に接続され、各々個別に付設された安全装置により監視されることを特徴とする請求項１乃至３３の１つに記載の装置。
36. 少なくとも１つのコンデンサ（３０）を有するコンデンサモジュール（２０）の動作方法において、
    コンデンサの動作状態又はコンデンサモジュールの動作状態を監視し、不安全と認識される動作状態の際にコンデンサモジュールを安全動作モードに切り換えることを特徴とする動作方法。

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