CN107735148B - 用于个人防护呼吸装置的动力排气设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于连接到个人防护呼吸装置的排气设备,所述个人防护呼吸装置限定与佩戴者的面部相邻的过滤后空气容积并且包括至少一个呼气,所述设备包括与所述至少一个呼气阀流体连通的鼓风机,所述鼓风机响应于所述佩戴者的呼吸循环而通过所述至少一个呼气阀来抽取所述佩戴者的大部分呼气,其中,所述鼓风机响应于所述佩戴者的呼吸循环在所述佩戴者的呼气的整个过程中或大部分时间段内操作并且在所述佩戴者的吸气的整个过程中或大部分时间段内不操作。

Description

用于个人防护呼吸装置的动力排气设备
技术领域
本发明涉及用于个人防护呼吸装置、尤其是但不限于负压呼吸器的排气设备。具体地讲,本发明涉及能够永久性地或可脱开地连接到个人防护呼吸装置的动力排气设备。在使用中,这种动力排气设备去除可能常常积聚在负压呼吸器内部的湿热空气,以显著地改善和增强佩戴者的舒适度,同时使过滤器寿命最大化并且使呼吸努力最小化。
背景技术
负压呼吸器在本领域中为人们所熟知。利用这种类型的呼吸器,过滤后空气通过佩戴者的呼吸动作由过滤系统抽取到呼吸器的内侧与佩戴者的面部之间的封闭空间之中。当该佩戴者吸气时,负压在该呼吸器中形成,并且空气通过该过滤系统抽入。当该佩戴者呼气时,所消耗的空气通过呼气阀离开呼吸器和/或通过该过滤系统返回。
尽管负压呼吸器以许多不同构形可用并且提供许多不同益处,但它们都具有一个主要缺点,即有时会在呼吸器内部发生热量和水分的不舒适积聚。热量和水分的积聚是由佩戴者的呼气被捕获在呼吸器与佩戴者的面部之间形成的腔中造成的。随着佩戴者的工作强度加大和/或长时间佩戴呼吸器,热量和水分的积聚可能增加。
现有技术中已提出许多不同解决方案以消除负压呼吸器内部积聚的热量和水分的问题或至少使该问题最小化。例如,添加呼气阀,以及优化这些呼气阀的操作。为了缓解这个问题和/或通过控制过滤器表面积和过滤器材料压降,也提出了对低压降过滤器和介质进行设计和优化。现有技术中的另一解决方案是包括用以吸收水分的垫。
WO2014/081788中提供了另一种解决方案,其中呼吸器具有与呼气阀流体连通的鼓风机,该鼓风机能够操作以通过该阀抽取佩戴者的呼气。该解决方案存在优点,但也具有缺点,即鼓风机对呼气阀施加恒定的负压。这可能会由于通过过滤器的空气流量增加而导致吸气努力增加以及过滤器寿命降低。
因此本发明的目的是实现现有技术装置的改善的冷却效果,同时不过度降低过滤器寿命或增加吸气努力。
因此,本发明的第一方面提供了用于连接到个人防护呼吸装置的排气设备,该个人防护呼吸装置限定与佩戴者的面部相邻的过滤后空气容积并且包括至少一个呼气阀,该设备包括:
与至少一个呼气阀流体连通的鼓风机,该鼓风机响应于佩戴者的呼吸循环而通过至少一个呼气阀来抽取佩戴者的大部分呼气,
其中,该鼓风机响应于佩戴者的呼吸循环在佩戴者的呼气的整个过程中或大部分时间段内操作并且在佩戴者的吸气的整个过程中或大部分时间段内不操作。
基本上仅在佩戴者的呼吸循环的呼气部分(或大部分)期间操作鼓风机为本发明实现了如下显著优点。
首先,减少了通过过滤器抽取的空气容积。在现有技术装置中,在吸气期间通过过滤介质抽取的空气容积在鼓风机的作用下增加,因为肺和鼓风机两者均通过过滤器抽取空气。在本发明中情况并非如此。这降低了过滤介质上的负载,从而增加了给定负载下过滤器的寿命。
其次,仅在呼气期间或基本上仅在呼气期间操作,显著降低了鼓风机所消耗的功率。这继而减小了用于给定操作寿命的电池的大小,从而减轻了装置的重量。重量减轻使得可感知的呼吸器舒适度得以改善。
第三,由于佩戴者不再需要在开始吸气以将空气递送到肺腔之前克服鼓风机产生的压力降,所以降低了佩戴者的吸气努力。这继而进一步有助于通过降低佩戴者的呼吸负载来降低呼吸器中的温度和湿度。
优选地,排气设备还包括
控制器;
压力传感器,用于感测由佩戴者的呼吸循环产生的压力并将表征压力的压力信号发送到控制器,
控制器与压力传感器和鼓风机通信,
其中控制器响应于压力信号而操作鼓风机。
优选地,压力在个人防护呼吸装置的过滤后空气容积中被感测。
另选地,压力在呼气阀的下游被感测。
另选地,压力在吸气阀的上游被感测。
优选地,当由压力传感器感测到的压力达到第一预定压力时,控制器启用鼓风机。
优选地,当由压力传感器感测到的压力降至低于第二预定压力时,控制器停用鼓风机。
优选地,第一预定压力和第二预定压力是共同预定压力。
优选地,共同预定压力大致为环境压力,使得控制器大致在佩戴者开始呼气时启用鼓风机并且大致在佩戴者结束呼气时停用鼓风机。
另选地,共同预定压力高于环境压力,使得控制器在佩戴者开始呼气之后的片刻间启用鼓风机并且在佩戴者结束呼气之前的片刻间停用鼓风机。
另选地,共同预定压力低于环境压力,使得控制器在佩戴者开始呼气之前的片刻间启用鼓风机并且在佩戴者结束呼气之后的片刻间停用鼓风机。
另选地,第一预定压力大于第二预定压力,使得控制器在佩戴者开始呼气之后的片刻间启用鼓风机并且在佩戴者结束呼气之后的片刻间停用鼓风机。
另选地,第一预定压力大于第二预定压力,使得控制器在佩戴者开始呼气之前的片刻间启用鼓风机并且在佩戴者结束呼气之前的片刻间停用鼓风机。
优选地,鼓风机还包括入口、马达、风扇和出口。
优选地,排气设备还包括用于将鼓风机可脱开地连接到至少一个呼气阀的附接装置。
优选地,排气设备呈大致L形并包括向上延伸部分和向后延伸部分。
优选地,向后延伸部分容纳用于为鼓风机供电的电池。
优选地,个人防护呼吸装置选自由一次性呼吸器、可再用呼吸器、半面罩呼吸器、全面式呼吸器、防颗粒呼吸器、防气体呼吸器、防蒸气呼吸器和紧配合罩式呼吸器组成的群组。
本发明的第二方面提供了控制任一前述权利要求所述的排气设备的方法,包括以下步骤:
设定预定压力,
当由压力传感器感测到的压力达到预定压力时,启用鼓风机,
当由压力传感器感测到的压力降至低于预定压力时,停用鼓风机。
附图说明
现在将参照附图仅以示例的方式描述本发明,图中:
图1是根据本发明的用于连接到个人防护呼吸装置的排气设备的分解的前侧透视图;
图2是图1的连接到个人防护呼吸装置2的排气设备的前侧透视图;
图3是图1的排气设备的前侧透视图;
图4是图1的排气设备的后侧透视图;
图5是图1的连接到图1的个人防护呼吸装置的排气设备的前视图;
图6是图1的排气设备沿图5中的虚线VI-VI截取的横截面后侧视图;
图7是图1的连接到图1的个人防护呼吸装置的排气设备沿图5中的虚线VI-VI截取的横截面后侧视图;
图8是示出WO2014/081788的现有技术装置的压力和流量特性的图表;以及
图9是示出本发明的排气设备的压力和流量特性的图表。
具体实施方式
图1是根据本发明的排气设备的分解图,该排气设备大致以10表示。设备10能够以永久性方式或以可脱开方式连接到或以其他方式接合到个人防护呼吸装置120或者与该个人防护呼吸装置连接或接合,如稍后将进一步详细描述。
当图1、图2、图5和图7中所示的呼吸器120表征3MTM 7500系列的防气体、防蒸气和防颗粒呼吸器时,本发明的排气设备10可与任何负压呼吸器装置120一起使用。技术人员将理解,如本文可互换使用的术语“呼吸器”或“呼吸面罩”旨在表示佩戴用于防止吸入有害物质、颗粒、蒸气或有毒气体的呼吸装置。术语“负压呼吸面罩”旨在涵盖在该佩戴者吸气时面罩内部的空气压力变得低于环境空气压力的任何呼吸器。
如本文所述的负压呼吸面罩120用于表示下述任何形式的呼吸器,该呼吸器旨在以基本上密封的构形来配合佩戴者100的面部,从而使佩戴者100吸入和呼出的空气穿过呼吸器或呼吸阀的过滤器主体或过滤器部分。负压呼吸面罩120可以是全面罩式面罩或半面罩式面罩,这取决于所关注的危害。同样,这些面罩利用过滤器来防止来源于佩戴者所吸入的空气的污染物、颗粒、气体和蒸气被吸入。这种类型的呼吸器的一些常见示例由位于明尼苏达州圣保罗市的3M公司(3M Company,St.Paul,Minnesota)制造,并且包括3MTM 4000、6000和6500系列的可再用呼吸器或紧配合罩面罩式呼吸器。
一次性呼吸器(诸如3MTM 8000和9000系列的杯状或平折式产品)为采用过滤器介质的轻质单件式呼吸器,该过滤器介质随着佩戴者的呼吸将颗粒和雾气从空气流去除。整个单元被设计成可在一定延长时期、或单次使用或单次移置之后丢弃,取决于污染物。过滤面罩(诸如3MTM 4000、6000和6500系列)通常是可再用产品,并可具有可置换的滤筒。通常,一个或两个滤筒牢固地附接到内置有对应数量的阀的半面罩或全面罩以用于吸气,并且通常一个滤筒用于呼气。
图1中所示的个人防护呼吸装置120是3MTM 7500半面罩,可使用卡口式连接器将过滤器附接到该半面罩。
参照图1和图2,一对滤筒(为了清楚起见未示出)在相应的吸气端口122处附接到呼吸器面罩120。吸气端口122中的每个具有位于呼吸器面罩120内侧上的相应的吸气阀136(图7中示出),该吸气阀随佩戴者100的吸气而开启。面罩120具有带单向呼气阀隔膜138(图7中示出)的呼气阀126,该呼气阀随佩戴者100的呼气而开启。通过可调节的带128(仅在图1和图2中示出),将面罩120保持在佩戴者头部上的适当位置。
呼吸面罩120具有大致封闭佩戴者100的嘴部和鼻部的适形垫圈或密封件124。由于确保过滤污染物需要良好的密封性,因而现有技术的一个缺点在于,有时佩戴者100注意到呼吸器120内部发生热量和水分的不舒适积聚。随着佩戴者100的工作强度加大和/或长时间佩戴呼吸器120,可能发生热量和水分的积聚。热量和水分的积聚是由呼气被捕获在呼吸器120与佩戴者100的面部之间形成的腔中造成的。
如图1和图2所示并且在图3和图4中进一步详细示出,本发明定义了具有呈大致L形的外壳16的排气设备10。排气设备10包括入口12(见图4)和出口14(见图3)。出口14在外壳16的侧表面中形成。在壳体16内部位于入口12和出口14之间的是鼓风机18,该鼓风机在使用时从呼吸装置120中抽出空气。鼓风机18具有驱动风扇22的马达20。马达20由电池25供电,稍后将参照图6进一步详细描述。
设备10具有大致以24表示的向上延伸区段,该区段容纳入口12、出口14和鼓风机18。设备10具有大致以26表示的向后延伸区段,该区段容纳电池25和控制器28(图6中示出)。电池25(设备10的相对较重的部件)在向后延伸区段26中的定位允许设备的质心紧密靠近头部的质心坐落。这通过使用者100在使用期间移动其头部时使设备的惯性矩最小化而改善了设备的舒适度。
为了操作该设备,佩戴者100能够触及开关机构18。开关机构18可具有简单的开/关操作模式或可包括可变调节,使得佩戴者100可基于环境条件、佩戴者100正进行的任务以及佩戴者的个人选择来优化期望的鼓风机转速并且因此优化冷却效果。另选地,可通过经由USB连接端口23连接到PC上的管理软件来预先配置这些设定。连接端口23还用作电池25的充电端口。
在使用中,排气设备10如下实现冷却效果。当佩戴者100吸气时,“更冷的”环境空气以下述方式被抽到呼吸面罩20中:通过如图1和图2所示的滤筒和入口端口122(在可再用面罩的情况下),或者通过例如呼吸器的过滤器部分或过滤面罩主体(在一次性面罩的情况下)。随后,由于呼气被捕获在呼吸器120与佩戴者100的面部之间形成的腔中而造成热量和水分的积聚。当操作时,本发明的排气设备10在呼气期间通过排气阀126将这种暖湿空气抽出,并且减少了呼气阻力,如下所述。这对佩戴者100产生了明显的冷却益处,而不会对吸气造成呼吸负担或降低过滤器的寿命。
现在转到图5,排气设备10被示为连接到呼吸器120。下文将进一步详细描述连接机构。图5更详细地示出了由端口壁130限定的入口端口122,该端口壁具有已知设计的卡口式配合件132。提供卡口式配合件132用于连接到3MTM 2000、5000或6000系列的过滤器。然而应当理解,可提供替代附接机构(诸如DIN螺纹过滤器),以便接受不同类型的过滤器。此外,在不脱离本发明的情况下,可提供与3MTM 4000系列半面罩一致的整体滤筒。
排气设备10的入口12被成形为借助与位于呼吸面罩120上的相应排气阀126的形状和尺寸的过盈配合进行可脱开地连接。当关于图5的本文所述的排气设备10借助过盈配合进行连接时,技术人员将理解,到排气阀126的任何形式的可脱开连接都是可能的,包括例如借助螺纹、扣合接合、卡口、快速脱开机构等的连接。上述列出项决非旨在是限制性和穷举性的。
作为上述可脱开连接的替代形式,可能期望在设备10与呼吸面罩120之间利用直接永久性连接。这种连接可通过焊接、粘合剂或其他已知的附接机构(诸如通过螺钉附接)进行,如稍后将进一步详细描述。
现在参照图6和图7,马达20被示为安装在排气设备10的向上延伸区段26内。马达20驱动轴30,该轴继而驱动风扇22。当操作时,风扇22从呼吸器120的过滤后空气腔(在图7中大致以140表示)中经过阀门138抽取空气,并且通过连接到出口14的风扇涡壳32排出空气。以这种方式操作马达20能够从腔140中抽取空气并将空气排到大气中。马达20由位于向后延伸区段26中的电池25供电。电池25的正上方是PCB上的微处理器形式的控制器28。控制器28被编程为响应于佩戴者的呼吸循环而控制马达20。
佩戴者的呼吸循环通过测量过滤后空气腔140中的过滤后空气容积的压力来检测。这通过呼吸器120中的压力端口142(见图7)实现。压力端口142与设备10中的压力管道34流体连通。该压力管道由连接器36和管38限定,该管的两个末端38’、38”在图6中示出。连接器36具有与压力端口142流体连通的孔口37。连接器36在穿过连接器36中的孔39的螺钉143(为了清楚起见,借助图7的横截面视图未示出装置120的对侧上的第二对应螺钉)的作用下抵靠呼吸器120的前面进行密封。螺钉143还起到补充排气设备10与呼吸器120之间的过盈配合的作用,以将设备10机械地附接到装置120。管38的第二末端38”连接到压力换能器39(仅在图7中示出),该压力换能器检测压力并将信号发送到控制器28。在本申请的范围内可以设想的是,可在过滤后空气容积之外的位置处测量由佩戴者的呼吸产生的压力。例如,可在呼气阀的下游检测该压力。这将消除连接器36和压力端口142及其密封界面的必要性。另选地,压力可在吸气端口122处吸气阀的上游被感测。
因此,控制器能够连续地监测腔140中的压力并且经由马达20控制鼓风机18,以便确保风扇基本上仅在佩戴者100的呼气期间操作。现在将进一步详细描述这种操作。
图8示出了WO2014/081788的现有技术装置中的过滤后空气腔中的压力以及通过该腔的流率的表示。虚线150表示通过面罩的流率,实线152表示装置关闭时面罩腔中的压力。当佩戴者通过吸气B吸入冷空气并通过呼气A呼出热空气时,流率自然地在零附近摆动。在装置打开的情况下,当佩戴者继续呼吸满足呼吸需求所需的空气容积时,流率保持不变。然而,当风扇操作以在吸气和呼气两者的整个过程中保持面罩中的负压时,压力线降至延长虚线154。这只能通过在吸气冲程中通过过滤器牵引额外的空气来实现。这种额外的空气容积由阴影区域156中所示的额外的负压来驱动。通过过滤器的额外的流量限制了过滤器的寿命。此外,如果要保持相同的流率,则必须通过额外的呼吸努力来克服额外的负压。这种额外的呼吸努力本身可引起呼吸负载增加,从而导致呼吸频率增加。
现在转到图9,该图表示出了与呼吸器120一起使用的本发明的排气设备10的过滤后空气腔中的压力以及通过该腔的流率的表示。虚线150再次表示通过面罩100的流率,实线158表示面罩腔140中的压力。排气设备10在中心线X-X的左侧是关闭的,在右侧是打开的。在排气设备10关闭的情况下,由于过滤器两端的压力降而造成较大的最大负压,压力在零附近摆动。在该设备打开的情况下,当佩戴者通过过滤器吸气时,压力线从其低点Z朝零上升。当佩戴者通过过滤器呼吸时,控制器28经由压力管道34监测腔140中的压力上升。当控制器检测到腔140中的预定压力(这种情况下为P0(等于零))时,控制器28控制马达20启用鼓风机12。这样从腔140中牵引出空气,以便辅助佩戴者进行呼吸。鼓风机12继续操作,直到腔140中的压力下降至低于预定P0,此时控制器停用马达20。
可通过降低预定压力(如PD所示)或增加预定压力(如PI所示)来改变呼气辅助的程度。PD向佩戴者传递更凉的感觉,而PI向佩戴者传递更暖的感觉。可以设想的是,可由佩戴者响应于操作条件来控制这种冷却效果的差别。
应当理解,虽然图9示出了呼气开始和结束时具有相同的预定压力,也就是说PD例如在呼气的整个过程中保持恒定,但是在本发明的范围内可以设想的是,鼓风机12可在第一预定压力下启用并且在第二预定压力下停用。在第一预定压力大于第二预定压力的情况下,控制器将在佩戴者开始呼气之后的片刻间启用鼓风机并且在佩戴者结束呼气之后的片刻间停用鼓风机。在第一预定压力大于第二预定压力的情况下,控制器将在佩戴者开始呼气之前的片刻间启用鼓风机并且在佩戴者结束呼气之前的片刻间停用鼓风机。
图9示出了压力曲线的理想化表示。实际上,鼓风机被实时控制,以便最佳地接近期望的预定压力值。多个因素影响这种控制。首先,呼气阀两端的压力降将因阀门而异。因此,与实现较大孔口的呼气阀两端的预定值相比,要实现较窄孔口的呼气阀两端的预定值即PI,可能需要加大马达的工作强度。
应当理解,本发明的意图是提供仅通过佩戴者的呼气即可提供呼吸辅助的设备。然而,取决于要实现的预定压力,从图9中应当理解,鼓风机可能在TD处吸气结束稍微之前启用(以便在预定压力PD下实现更多的风扇辅助)或者在TI处吸气结束稍微之后启用(以便在预定压力PE下实现更少的风扇辅助)。同样,鼓风机12可能在呼气结束稍微之后停用(以便在预定压力PD下实现更多的风扇辅助)或者在呼气结束稍微之前停用(以便在预定压力PE下实现更少的风扇辅助)。因此,呼气之外的鼓风机12操作仅持续非常短的一段时间,并且是为了改善佩戴者的舒适度而提供的控制技术。这完全符合在吸气期间避免驱动马达这一期望,因为其具有以下明显的优势:提供了将系统滞后考虑在内的控制方式,并且通过在吸气开始或结束期间短暂地操作鼓风机提高了舒适度。

Claims (15)

1.一种用于连接到个人防护呼吸装置的排气设备,所述个人防护呼吸装置限定与佩戴者的面部相邻的过滤后空气容积并且包括至少一个呼气阀,所述设备包括:
与所述至少一个呼气阀流体连通的鼓风机,所述鼓风机响应于所述佩戴者的呼吸循环而通过所述至少一个呼气阀来抽取所述佩戴者的大部分呼气,
其中,所述鼓风机响应于所述佩戴者的呼吸循环在所述佩戴者的呼气的整个过程中或大部分时间段内操作并且在所述佩戴者的吸气的整个过程中或大部分时间段内不操作,
其中所述排气设备还包括:
控制器;
压力传感器,所述压力传感器用于感测由所述佩戴者的呼吸循环产生的压力并将表征所述压力的压力信号发送到所述控制器,
所述控制器与所述压力传感器和所述鼓风机通信,
其中所述控制器响应于所述压力信号而操作所述鼓风机,并且
其中通过经由所述个人防护呼吸装置中的压力端口测量所述过滤后空气容积中的所述压力来检测所述佩戴者的呼吸循环,所述压力端口与所述排气设备中的由连接器和管限定的压力管道流体连通,
其中在所述排气设备中包括仅一个鼓风机;并且
其中在所述过滤后空气容积中实现下述呼吸循环:在所述呼吸循环中,在所述佩戴者的呼气过程中保持基本上恒定的预定压力,并且在所述佩戴者的吸气过程中可动态变化的压力从所述预定压力连续地改变为负压力或者从所述负压力连续地改变为所述预定压力,并且通过在由所述压力传感器感测到的所述压力达到预定压力时启用所述鼓风机并且在由所述压力传感器感测到的所述压力降至低于所述预定压力时停用所述鼓风机来实现所述呼吸循环。
2.根据权利要求1所述的排气设备,其中所述压力在所述呼气阀的下游或所述吸气阀的上游被感测。
3.根据权利要求1或2所述的排气设备,其中当由所述压力传感器感测到的所述压力达到第一预定压力时,所述控制器启用所述鼓风机。
4.根据权利要求1或2所述的排气设备,其中当由所述压力传感器感测到的所述压力降至低于第二预定压力时,所述控制器停用所述鼓风机。
5.根据权利要求1或2所述的排气设备,其中当由所述压力传感器感测到的所述压力达到第一预定压力时所述控制器启用所述鼓风机并且当由所述压力传感器感测到的所述压力降至低于第二预定压力时所述控制器停用所述鼓风机,并且其中所述第一预定压力和所述第二预定压力是共同预定压力。
6.根据权利要求5所述的排气设备,其中所述共同预定压力为环境压力,使得所述控制器在所述佩戴者开始呼气时启用所述鼓风机并且在所述佩戴者结束呼气时停用所述鼓风机。
7.根据权利要求5所述的排气设备,其中所述共同预定压力高于环境压力,使得所述控制器在所述佩戴者开始呼气之后的片刻间启用所述鼓风机并且在所述佩戴者结束呼气之前的片刻间停用所述鼓风机。
8.根据权利要求5所述的排气设备,其中所述共同预定压力低于环境压力,使得所述控制器在所述佩戴者开始呼气之前的片刻间启用所述鼓风机并且在所述佩戴者结束呼气之后的片刻间停用所述鼓风机。
9.根据权利要求5所述的排气设备,其中所述第一预定压力大于所述第二预定压力,使得所述控制器在所述佩戴者开始呼气之后的片刻间启用所述鼓风机并且在所述佩戴者结束呼气之后的片刻间停用所述鼓风机。
10.根据权利要求5所述的排气设备,其中所述第一预定压力大于所述第二预定压力,使得所述控制器在所述佩戴者开始呼气之前的片刻间启用所述鼓风机并且在所述佩戴者结束呼气之前的片刻间停用所述鼓风机。
11.根据权利要求1所述的排气设备,其中所述鼓风机还包括入口、马达、风扇和出口。
12.根据权利要求1所述的排气设备,还包括附接装置,所述附接装置用于将所述鼓风机可脱开地连接到所述至少一个呼气阀。
13.根据权利要求1所述的排气设备,其中所述排气设备呈L形并包括向上延伸部分和向后延伸部分。
14.根据权利要求13所述的排气设备,其中所述向后延伸部分容纳用于为所述鼓风机供电的电池。
15.根据权利要求1所述的排气设备,其中所述个人防护呼吸装置选自由一次性呼吸器、可再用呼吸器、半面罩呼吸器、全面式呼吸器、防颗粒呼吸器、防气体呼吸器、防蒸气呼吸器和紧配合罩式呼吸器组成的群组。
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