CN112984917B - 一种可调温区的医疗储藏箱及其控制方法 - Google Patents

一种可调温区的医疗储藏箱及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可调温区的医疗储藏箱及其控制方法，所述储藏箱主要包括箱体，冷冻间室，半导体制冷模块，中间挡板，异步电机，输送带以及蒸气压缩制冷系统；半导体制冷模块安装在中间挡板之中，中间挡板将冷冻间室分为上冷冻间室和下冷冻间室两部分，挡板可以上下移动，可根据所需冷冻温度通过异步电机与输送带自动调节其位置；蒸气压缩制冷系统的蒸发器位于储藏箱箱体后壁面，蒸发器被中间挡板分为上下两部分，分别为上冷冻间室与下冷冻间室提供制冷量；当半导体制冷模块工作时，上冷冻间室被上半部分蒸发器与半导体制冷模块冷却进一步降温，下冷冻间室为半导体制冷模块的热端提供散热。

Description

一种可调温区的医疗储藏箱及其控制方法
技术领域
本发明涉及半导体制冷及医疗储藏箱领域，具体涉及一种可调温区的医疗储藏箱及其控制方法。
背景技术
随着科技的进步以及医疗产业的发展，医疗储藏箱在现代医疗体系中发挥着越来越重要的作用，医疗储藏箱是主要用来保存药品，疫苗，血液，器官以及试剂的特殊储藏箱，已经成为了必不可少的医疗设备之一；生物样本需要长时间储存在低温环境中保持其活性，一般来说其储存温度需要达到-80℃以下，且其温度必须保持一定的稳定性以及均匀性，针对这种需求，低温底料储藏箱应运而生。
传统的医疗储藏箱的制冷方式大多为蒸气压缩式制冷，其制冷速度快，制冷温度低，技术成熟，但是也面临着技术复杂，大温差制冷难以实现，温度控制精度较差等问题；蒸气压缩式制冷的储藏箱柜内温度波动较大，且当制冷温度较低时，单级压缩无法满足温度需求，需要采用多级压缩或者复叠式制冷，大大增加了制冷系统的复杂程度以及储藏箱的制造成本。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种可调温区的医疗储藏箱及其控制方法，将蒸气压缩式制冷技术与半导体制冷技术结合起来，通过蒸气压缩式制冷先将柜内温度降低至一定温度区间并保持，当柜内医疗用品所需温度更低时，通过半导体制冷辅助降温进一步降低箱内温度，且可以根据中间挡板的位置灵活控制医疗储藏箱的温度，温度调节方式简单灵活，温度适用范围较广，可以适用于储存温度较低的医疗用品，且制冷系统结构简单，箱内温度控制精确，温度稳定性及均匀性较好，是一种新型的医疗储藏箱制冷技术。
为达到上述技术目的，本发明采用了如下技术方案：
一种可调温区的医疗储藏箱，包括储藏箱箱体1，储藏箱箱体内有冷冻间室2，冷冻间室2内的中间挡板4将冷冻间室2分为上冷冻间室201与下冷冻间室202两部分，中间挡板4通过输送带6与异步电机5相连，以带动中间挡板4上下移动改变上冷冻间室201与下冷冻间室202的面积；半导体制冷模块3嵌入中间挡板4内，半导体制冷模块3包括半导体制冷片301、与半导体制冷片301热端相连的热端换热器303以及与半导体制冷片301冷端相连的冷端板翅式散热器302，半导体制冷片301的热端换热器303两端分别与蒸气压缩制冷系统中的蒸发器10与压缩机7相连，蒸发器10位于储藏箱箱体1内的后壁面，其换热面积被中间挡板4分为上下两部分，分别为上冷冻间室201与下冷冻间室202提供制冷量；通过移动中间挡板4实现不同间室内蒸发器换热面积的调整；蒸气压缩制冷系统中压缩机7制冷剂出口与冷凝器8入口相连接，冷凝器8制冷剂出口与节流阀9入口相连接，节流阀9制冷剂出口与蒸发器10入口相连接，蒸发器10制冷剂出口与热端换热器303入口相连接，热端换热器303出口与压缩机7相连；第一温度传感器T1、第二温度传感器T2和第三温度传感器T3分别设置在上冷冻间室201内、下冷冻间室202内和蒸发器10出口处，第一温度传感器T1、第二温度传感器T2、第三温度传感器T3、半导体制冷片301、异步电机5以及压缩机7与控制模块C1相连接。
所述半导体制冷片301为多级半导体制冷片，其冷端面在上冷冻间室201内，热端面在下冷冻间室202内。
所述冷端板翅式散热器302位于中间挡板4一侧表面或嵌入中间挡板4内，若嵌入中间挡板4内，则中间挡板4嵌入冷端板翅式散热器302的一侧端面开有多个散热孔401，用于传递半导体制冷模块3产生的冷量。
所述蒸气压缩制冷系统的蒸发器10为翅片式换热器。
所述压缩机7为变频压缩机。
所述中间挡板4上端面具备承重能力，可放置物品，中间挡板4的位置根据所放置的物品尺寸以及所需冷冻温度通过异步电机5与输送带6自动调节其位置。
所述半导体制冷片301的热端换热器303与蒸气压缩制冷循环中的蒸发器10出口相连，使得半导体制冷片301的热端换热器303不仅能够与冷冻间室2内空气对流换热被冷却外，还能够吸收制冷循环中的蒸发器10出口制冷剂的冷量，进一步降低热端温度。
所述的一种可调温区的医疗储藏箱的控制方法，对于半导体制冷片301冷端面在上冷冻间室201内，热端面在下冷冻间室202内的医疗储藏箱，控制模块根据第一温度传感器T1、第二温度传感器T2以及第三温度传感器T3的温度反馈信号控制异步电机5的启停以及半导体制冷片301的开关以及输入电流；第一温度传感器T1测量上冷冻间室201温度，第二温度传感器T2测量下冷冻间室202温度，第三温度传感器T3测量蒸发器10出口温度，控制模块C1接收温度信号并控制半导体制冷片301的电流以及异步电机5和压缩机7的启停；中间挡板4根据实际医疗用品的储存需求移动其位置；
所述控制方法为：上冷冻间室201设定温度为Te1，下冷冻间室202设定温度为Te2，蒸发器10出口温度为Te3，单独的蒸气压缩制冷系统达到的储藏箱内最低温度为Tmin；
1)当上冷冻间室201设定温度为Te1、下冷冻间室202设定温度为Te2且Te1＞Tmin及Te2＞Tmin时，中间挡板4位于储藏箱箱体1内最低处，此时中间挡板4横轴线距离储藏箱箱体1内底面距离为H1，第一温度传感器T1和第二温度传感器T2将温度信号反馈至控制模块C1，由控制模块C1根据温度反馈信号启动压缩机7并控制调节压缩机7的转速，使压缩机7转速与第一温度传感器T1和第二温度传感器T2的温度信号适配，此时控制模块C1控制半导体制冷片301断电，储藏箱箱体1内所需制冷量均由蒸气压缩制冷系统的蒸发器10提供；
2)当上冷冻间室201设定温度Te1＜Tmin时，此时第一温度传感器T1将温度信号反馈至控制模块C1，首先控制模块C1控制压缩机7增大转速至最大转速，此时蒸气压缩制冷系统提供的制冷量增大；制冷模块C1控制半导体制冷片301通电，其初始电流为设定值I1，保持半导体制冷片301电流不变；同时控制模块C1通过控制异步电机5与输送带6带动中间挡板4向上升高设定固定距离L1，在中间挡板4向上移动的过程中，下冷冻间室202作为半导体制冷片301热端散热器，其容积逐渐增大，对应的蒸发器10面积增大，因此蒸气压缩制冷系统提供的制冷量增大，半导体制冷片301热端的散热能力增强，制冷效果越好，提供给上冷冻间室201的制冷量增大，上冷冻间室201的温度进一步降低至Te11；当Te11＜Te1时，控制模块C1控制异步电机5停机，此时中间挡板4的位置保持不变，保持半导体制冷片301输入电流不变；
3)若Te11＞Te1，此时控制模块C1控制半导体制冷片301增大输入电流I1至此工作条件下的最大制冷量工况对应电流Iop，使得上冷冻间室201温度下降至Te12，若此时Te12＜Te1，保持中间挡板4的位置保持不变，保持半导体制冷片301输入电流不变；
4)若Te12＞Te1，控制模块C1控制异步电机5启动，通过输送带6带动中间挡板4继续升高设定固定距离L1，此时上冷冻间室温度降至Te13，若Te13＜Te1，则保持中间挡板4的位置保持不变及半导体制冷片301保持输入电流不变；若Te13＞Te1，控制模块C1控制半导体制冷片301增大输入电流I1，继续重复3)与4)直至Te13＜Te1；中间挡板4位置越高，下冷冻间室202容积越大，半导体制冷片301热端散热能力越好，其最佳电流Iop越大，制冷量越大，上冷冻间室201的温度越低。
和现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.和传统的医疗储藏箱相比，本发明将蒸气压缩制冷技术与半导体制冷技术结合起来，既保证了储藏箱制冷系统的简易性与储藏箱的经济性，同时降低了医疗储藏箱箱内的最低温度，扩大了医疗储藏箱的适用温区，同时自动调节中间挡板4的位置以适应所储存的医疗用品的体积与其所需的储存温度。
2.本发明通过半导体制冷片辅助降低了医疗储藏箱内的温度，提升了箱内温度的稳定性与均匀性，可以更好地储存医疗用品，延长其保存日期，同时本发明对箱内温度进行精准调控，减小了箱内温度波动，同时由于半导体制冷技术的引入，本发明同时具有节能环保，噪声与振动小，降温迅速的优点。
3.本发明提出了一种可行有效的控制方法，可以通过储藏箱箱内所储存的医疗用品的体积与所需储存温度调节中间挡板的位置，中间挡板4位置越靠上，下冷冻间室202对应的蒸发器6面积越大，因此下冷冻间室202的蒸发器6给半导体制冷片301热端提供的制冷量越大，因此半导体制冷片301热端散热效果越好，冷端所能达到的温度越低，给上冷冻间室201提供的冷量越多，因此上冷冻间室201的温度越低，可以更好地满足低温医疗用品的储存温度需求。
附图说明
图1为本发明一种可调温区的医疗储藏箱的示意图。
图2为本发明一种可调温区的医疗储藏箱中半导体制冷模块的示意图。
图3为本发明一种可调温区的医疗储藏箱的控制逻辑图。
具体实施方式
如图1与图2所示，一种可调温区的医疗储藏箱，包括储藏箱箱体1、冷冻间室2、半导体制冷模块3、中间挡板4、异步电机5、输送带6以及蒸气压缩制冷系统；蒸气压缩制冷系统中压缩机7制冷剂出口与冷凝器8入口相连接，冷凝器8制冷剂出口与节流阀9入口相连接，节流阀9制冷剂出口与蒸发器10入口相连接，蒸发器10制冷剂出口与热端换热器303入口相连接，热端换热器303出口制冷剂进入压缩机7被压缩；半导体制冷模块3位于中间挡板4中，本实施例中，半导体制冷模块3冷端面朝上，热端面朝下，中间挡板4将冷冻间室2分为上冷冻间室201与下冷冻间室202两部分；冷端板翅式散热器302位于中间挡板4内，中间挡板4上端面可用于放置医疗用品，且有一定数量的散热孔401；中间挡板4可以通过异步电机5与输送带6自动调节其位置；热端换热器303在半导体制冷模块3中紧贴半导体制冷片301热端面，在蒸气压缩制冷循环中位于蒸发器10与压缩机7之间；第一温度传感器T1、第二温度传感器T2和第三温度传感器T3分别设置在上冷冻间室201内、下冷冻间室202内和蒸发器10出口处，第一温度传感器T1、第二温度传感器T2、第三温度传感器T3、半导体制冷片301、异步电机5以及压缩机7与控制模块C1相连接，控制模块C1根据第一温度传感器T1、第二温度传感器T2以及第三温度传感器T3的温度反馈信号控制异步电机5的启停以及半导体制冷片301的开关以及输入电流。
本发明所使用的半导体制冷片301为多级半导体制冷片，其冷端面在上正对上冷冻间室201，热端面在下正对下冷冻间室202，其优势在于，冷热端面制冷温差大，制冷量较大，符合低温医疗储藏箱的制冷需求；改变半导体制冷片301的类型，数量以及安装方式都在本发明权利要求保护范围之内。
本发明中蒸气压缩制冷系统的蒸发器10为翅片式换热器，其换热效率高，换热面积大，蒸发器10位于储藏箱箱体1内的后端面，其换热面积被中间挡板4分为上下两部分，分别为上冷冻间室201与下冷冻间室202提供制冷量；改变蒸发器10的换热器种类都在本发明权利要求保护范围之内。
本发明中所使用的压缩机7为变频压缩机，可通过调节转速进而调节制冷剂流量进而调节蒸发器10温度；具有节能优势。
本发明中中间挡板4的位置可以根据所放置的医疗用品的尺寸以及所需冷冻温度通过异步电机5与输送带6自动调节其位置；半导体制冷片301冷端面朝上，热端面朝下；在储藏箱正常工作条件下，半导体制冷片301不工作；当所放置的医疗用品的储存温度较低，且单独的蒸气压缩制冷系统无法满足制冷需求时，此时将医疗用品放置于上冷冻间室201且启动半导体制冷，给半导体制冷片301通电，半导体制冷片301冷端向上冷冻间室201供冷，在蒸气压缩制冷系统的基础上进一步降低上冷冻间室201的温度，半导体制冷片301冷端向下冷冻间室202放热，其热量由下冷冻间室202对应的位于储藏箱箱体1下部的蒸发器10吸收并经过蒸气压缩制冷系统将热量分散到外部环境中；当上冷冻间室201所需温度越低，在保证医疗用品所需空间的情况下控制模块C1控制中间挡板4向上移动，中间挡板4位置越靠上，下冷冻间室202对应的蒸发器10面积越大，因此下冷冻间室202的蒸发器10给半导体制冷片301热端提供的制冷量越大，因此半导体制冷片301热端散热效果越好，冷端所能达到的温度越低，给上冷冻间室201提供的冷量越多，因此上冷冻间室201的温度越低，越能满足低温医疗用品的储存需求。
如图3所示，本实施例一种可调温区的医疗储藏箱的控制方法为：第一温度传感器T1测量上冷冻间室201温度，第二温度传感器T2测量下冷冻间室202温度，第三温度传感器T3测量蒸发器10出口温度，控制模块C1接收温度信号并控制半导体制冷片301的电流以及异步电机5和压缩机7的启停；中间挡板4可以根据实际医疗用品的储存需求移动其位置。上冷冻间室201设定温度为Te1，下冷冻间室202设定温度为Te2，蒸发器10出口温度为Te3，单独的蒸气压缩制冷系统可达到的储藏箱内最低温度为Tmin。
1)当上冷冻间室201设定温度为Te1、下冷冻间室202设定温度为Te2且Te1＞Tmin及Te2＞Tmin时，中间挡板4位于储藏箱箱体1内最低处，此时中间挡板4横轴线距离储藏箱箱体1内底面距离为H1，第一温度传感器T1和第二温度传感器T2将温度信号反馈至控制模块C1，由控制模块C1根据温度反馈信号启动压缩机7并控制调节压缩机7的转速，使压缩机7转速与第一温度传感器T1和第二温度传感器T2的温度信号适配，此时控制模块C1控制半导体制冷片301断电，储藏箱箱体1内所需制冷量均由蒸气压缩制冷系统的蒸发器10提供。
2)当上冷冻间室201设定温度Te1＜Tmin时，此时第一温度传感器T1将温度信号反馈至控制模块C1，首先控制模块C1控制压缩机7增大转速至最大转速，此时蒸气压缩制冷系统提供的制冷量增大；此时制冷模块C1控制半导体制冷片301通电，其初始电流为设定值I1，保持半导体制冷片301电流不变；同时控制模块C1通过控制异步电机5与输送带6带动中间挡板4向上升高设定固定距离L1，在中间挡板4向上移动的过程中，下冷冻间室202作为半导体制冷片301热端散热器，其容积逐渐增大，对应的蒸发器10面积增大，因此蒸气压缩制冷系统提供的制冷量增大，半导体制冷片301热端的散热能力增强，半导体制冷片301的制冷效果越好，提供给上冷冻间室201的制冷量增大，上冷冻间室201的温度可进一步降低至Te11；当Te11＜Te1时控制模块C1控制异步电机5停机，此时中间挡板4的位置保持不变，保持半导体制冷片301输入电流不变。
3)若Te11＞Te1，此时控制模块C1控制半导体制冷片301增大输入电流I1至此工作条件下的最大制冷量工况对应电流Iop，使得上冷冻间室201温度下降至Te12，若此时Te12＜Te1，保持中间挡板4的位置保持不变，保持半导体制冷片301输入电流不变。
4)若Te12＞Te1，控制模块C1控制异步电机5启动，通过输送带6带动中间挡板4继续升高设定固定距离L1，此时上冷冻间室温度降至Te13，若Te13＜Te1，则保持中间挡板4的位置保持不变及半导体制冷片301保持输入电流不变；若Te13＞Te1，控制模块C1控制半导体制冷片301增大输入电流I1，继续重复3)与4)直至Te13＜Te1。中间挡板4位置越高，下冷冻间室202容积越大，半导体制冷片301热端散热能力越好，其最佳电流Iop越大，制冷量越大，上冷冻间室201的温度越低。

Claims (6)

1.一种可调温区的医疗储藏箱，包括储藏箱箱体(1)，储藏箱箱体内有冷冻间室(2)，冷冻间室(2)内的中间挡板(4)将冷冻间室(2)分为上冷冻间室(201)与下冷冻间室(202)两部分，其特征在于：中间挡板(4)通过输送带(6)与异步电机(5)相连，以带动中间挡板(4)上下移动改变上冷冻间室(201)与下冷冻间室(202)的面积；半导体制冷模块(3)嵌入中间挡板(4)内，半导体制冷模块(3)包括半导体制冷片(301)、与半导体制冷片(301)热端相连的热端换热器(303)以及与半导体制冷片(301)冷端相连的冷端板翅式散热器(302)，半导体制冷片(301)的热端换热器(303)两端分别与蒸气压缩制冷系统中的蒸发器(10)与压缩机(7)相连，蒸发器(10)位于储藏箱箱体(1)内的后壁面，其换热面积被中间挡板(4)分为上下两部分，分别为上冷冻间室(201)与下冷冻间室(202)提供制冷量；通过移动中间挡板(4)实现不同间室内蒸发器换热面积的调整；蒸气压缩制冷系统中压缩机(7)制冷剂出口与冷凝器(8)入口相连接，冷凝器(8)制冷剂出口与节流阀(9)入口相连接，节流阀(9)制冷剂出口与蒸发器(10)入口相连接，蒸发器(10)制冷剂出口与热端换热器(303)入口相连接，热端换热器(303)出口与压缩机(7)相连；第一温度传感器(T1)、第二温度传感器(T2)和第三温度传感器(T3)分别设置在上冷冻间室(201)内、下冷冻间室(202)内和蒸发器(10)出口处，第一温度传感器(T1)、第二温度传感器(T2)、第三温度传感器(T3)、半导体制冷片(301)、异步电机(5)以及压缩机(7)与控制模块(C1)相连接；
所述半导体制冷片(301)为多级半导体制冷片，其冷端面在上冷冻间室(201)内，热端面在下冷冻间室(202)内；
所述冷端板翅式散热器(302)位于中间挡板(4)一侧表面或嵌入中间挡板(4)内，若嵌入中间挡板(4)内，则中间挡板(4)嵌入冷端板翅式散热器(302)的一侧端面开有多个散热孔(401)，用于传递半导体制冷模块(3)产生的冷量。
2.根据权利要求1所述的一种可调温区的医疗储藏箱，其特征在于：所述蒸气压缩制冷系统的蒸发器(10)为翅片式换热器。
3.根据权利要求1所述的一种可调温区的医疗储藏箱，其特征在于：所述压缩机(7)为变频压缩机。
4.根据权利要求1所述的一种可调温区的医疗储藏箱，其特征在于：所述中间挡板(4)上端面具备承重能力，能够放置物品，中间挡板(4)的位置根据所放置的物品尺寸以及所需冷冻温度通过异步电机(5)与输送带(6)自动调节其位置。
5.根据权利要求1所述的一种可调温区的医疗储藏箱，其特征在于：所述半导体制冷片(301)的热端换热器(303)与蒸气压缩制冷循环中的蒸发器(10)出口相连，使得半导体制冷片(301)的热端换热器(303)不仅能够与冷冻间室(2)内空气对流换热被冷却外，还能够吸收制冷循环中的蒸发器(10)出口制冷剂的冷量，进一步降低热端温度。
6.根据权利要求1至5任一项所述的一种可调温区的医疗储藏箱的控制方法，其特征在于：对于半导体制冷片(301)冷端面在上冷冻间室(201)内，热端面在下冷冻间室(202)内的医疗储藏箱，控制模块根据第一温度传感器(T1)、第二温度传感器(T2)以及第三温度传感器(T3)的温度反馈信号控制异步电机(5)的启停以及半导体制冷片(301)的开关以及输入电流；第一温度传感器(T1)测量上冷冻间室(201)温度，第二温度传感器(T2)测量下冷冻间室(202)温度，第三温度传感器(T3)测量蒸发器(10)出口温度，控制模块(C1)接收温度信号并控制半导体制冷片(301)的电流以及异步电机(5)和压缩机(7)的启停；中间挡板(4)根据实际医疗用品的储存需求移动其位置；
所述控制方法为：上冷冻间室(201)设定温度为Te1，下冷冻间室(202)设定温度为Te2，蒸发器(10)出口温度为Te3，单独的蒸气压缩制冷系统达到的储藏箱内最低温度为Tmin；
1)当上冷冻间室(201)设定温度为Te1、下冷冻间室(202)设定温度为Te2且Te1＞Tmin及Te2＞Tmin时，中间挡板(4)位于储藏箱箱体(1)内最低处，此时中间挡板(4)横轴线距离储藏箱箱体(1)内底面距离为H1，第一温度传感器(T1)和第二温度传感器(T2)将温度信号反馈至控制模块(C1)，由控制模块(C1)根据温度反馈信号启动压缩机(7)并控制调节压缩机(7)的转速，使压缩机(7)转速与第一温度传感器(T1)和第二温度传感器(T2)的温度信号适配，此时控制模块(C1)控制半导体制冷片(301)断电，储藏箱箱体(1)内所需制冷量均由蒸气压缩制冷系统的蒸发器(10)提供；
2)当上冷冻间室(201)设定温度Te1＜Tmin时，此时第一温度传感器(T1)将温度信号反馈至控制模块(C1)，首先控制模块(C1)控制压缩机(7)增大转速至最大转速，此时蒸气压缩制冷系统提供的制冷量增大；制冷模块(C1)控制半导体制冷片(301)通电，其初始电流为设定值I1，保持半导体制冷片(301)电流不变；同时控制模块(C1)通过控制异步电机(5)与输送带(6)带动中间挡板(4)向上升高设定固定距离L1，在中间挡板(4)向上移动的过程中，下冷冻间室(202)作为半导体制冷片(301)热端散热器，其容积逐渐增大，对应的蒸发器(10)面积增大，因此蒸气压缩制冷系统提供的制冷量增大，半导体制冷片(301)热端的散热能力增强，制冷效果越好，提供给上冷冻间室(201)的制冷量增大，上冷冻间室(201)的温度进一步降低至Te11；当Te11＜Te1时，控制模块(C1)控制异步电机(5)停机，此时中间挡板(4)的位置保持不变，保持半导体制冷片(301)输入电流不变；
3)若Te11＞Te1，此时控制模块(C1)控制半导体制冷片(301)增大输入电流I1至此工作条件下的最大制冷量工况对应电流Iop，使得上冷冻间室(201)温度下降至Te12，若此时Te12＜Te1，保持中间挡板(4)的位置保持不变，保持半导体制冷片(301)输入电流不变；
4)若Te12＞Te1，控制模块(C1)控制异步电机(5)启动，通过输送带(6)带动中间挡板(4)继续升高设定固定距离L1，此时上冷冻间室温度降至Te13，若Te13＜Te1，则保持中间挡板(4)的位置保持不变及半导体制冷片(301)保持输入电流不变；若Te13＞Te1，控制模块(C1)控制半导体制冷片(301)增大输入电流I1，继续重复3)与4)直至Te13＜Te1；中间挡板(4)位置越高，下冷冻间室(202)容积越大，半导体制冷片(301)热端散热能力越好，其最佳电流Iop越大，制冷量越大，上冷冻间室(201)的温度越低。
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