CN114353556A - 大尺度绕带式螺旋微通道换热器及其钎焊工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大尺度绕带式螺旋微通道换热器及其钎焊工艺，涉及换热器技术领域。其包括壳体、位于壳体内的换热器主体，冷流体微通道管管板一、冷流体微通道管管板二、热流体微通道管管板一、热流体微通道管管板二，冷流体入口管、冷流体出口管、热流体出口管、热流体入口管，换热器主体为模块化设计，包括平行设计的第一模块和第二模块，所述的第一模块、第二模块均由m层螺旋微通道管依次缠绕形成，其中，所述的4≤m≤16，并且m为偶数。本发明通过冷流体和热流体的逆流换热，从而使得换热更为充分，由于冷热流体均在微通道管内进行流动，因此不存在结霜现象，整体换热更加均匀。

Description

大尺度绕带式螺旋微通道换热器及其钎焊工艺

技术领域

本发明涉及换热器技术领域，具体涉及一种螺旋微通道换热器。

背景技术

微通道换热器作为一种紧凑高效的新型换热设备，主要应用于汽车和空调行业，其中微通道和翅片结合应用在制冷剂和高温气体的换热。采用微通道形式的换热，不仅结构紧凑整体体积重量小，而且其换热性能十分优异，换热面积大且整体换热效率高。微通道换热器目前在工业生产中的应用相对较少，其优异的换热性能和紧凑的结构还未得到更广泛的应用。

目前，空调和汽车用微通道换热器多为微通道管与翅片的层状结构，其中微通道管中工质为制冷剂，翅片管中为高温空气。由于其结构的限制，换热设备无法应用于工质均为液体的换热，结构限制了其在工业等领域中的应用。现有技术中由微通道管与翅片组成的微通道换热器其所存在的技术缺陷主要有以下两点：其一、当冷热流体换热工质温度较低时，换热器表面温度低于水的冰点，换热器外表面会产生结霜的现象，从而堵塞空气流，严重影响换热器的换热性能；其二、由于微通道管管壁较薄，不规范的钎焊工艺和温度选择会破坏管壁造成流体的泄漏，进而影响换热器性能。

由此可见，现有技术有待于进一步改进。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种大尺度绕带式螺旋微通道换热器，其通过冷流体和热流体的逆流换热，从而使得换热更为充分，同时由于冷热流体均在微通道管内进行流动，因此不存在结霜现象，整体换热更加均匀。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种大尺度绕带式螺旋微通道换热器，其包括壳体及位于壳体内的换热器主体，还包括冷流体微通道管管板一、冷流体微通道管管板二、热流体微通道管管板一和热流体微通道管管板二，所述的冷流体微通道管管板一的端口处设置有冷流体入口管，所述的冷流体微通道管管板二的端口处设置有冷流体出口管，所述的热流体微通道管管板一的端口处设置有热流体出口管，所述的热流体微通道管管板二的端口处设置有热流体入口管；

所述换热器主体为模块化设计，包括平行设计的第一模块和第二模块，所述的第一模块、第二模块均由m层螺旋微通道管依次缠绕形成，其中，所述的4≤m≤16，并且m为偶数；经过m层螺旋微通道管依次缠绕形成的第一模块和第二模块的断面结构为圆形；

在所述的第一模块中，位于奇数层的螺旋微通道管中通入热流体，位于偶数层的螺旋微通道管中通入冷流体；

在所述的第二模块中，位于奇数层的螺旋微通道管中通入冷流体，位于偶数层的螺旋微通道管中通入热流体；

在第一模块和第二模块每层螺旋微通道管的外围均设置有钎料箔片，所述的钎料箔片的厚度为0.05～0.15mm，相邻的螺旋微通道管层将所述的钎料箔片紧密贴合在一起；

所述的冷流体微通道管管板一和热流体微通道管管板一位于换热器主体的前端，其中冷流体微通道管管板一与换热器主体相互平行，热流体微通道管管板一垂直于冷流体微通道管管板一，且位于换热器主体的上方；所述的冷流体微通道管管板二和热流体微通道管管板二位于换热器主体的后端，其中冷流体微通道管管板二与换热器主体相互平行，热流体微通道管管板二垂直于冷流体微通道管管板二，且位于换热器主体的下方；

冷流体经过冷流体入口管从前端进入第一模块中，在第一模块中经过螺旋流动后，经冷流体出口管从后端排出；热流体经过热流体入口管从下端进入第一模块中，在第一模块中经过螺旋流动后，经热流体出口管从上端排出，从而形成在所述的第一模块中的冷流体和热流体流向逆向。

上述技术方案所带来的直接有益技术效果为：

第一模块和第二模块均采用多层螺旋微通道管缠绕而成，其每层缠绕轨迹均为圆柱螺旋线的形式，可增加流体湍流提高换热系数。

冷热流体换热均采用微通道管的结构并间隔布置，即：相邻层的螺旋微通道管分别采用热流体和冷流体，冷热流体交替布置，每个通入冷流体的螺旋微通道管的内外层为热流体。在螺旋流动的同时，冷热流体方向为对流，换热更为充分。

作为本发明的一个优选方案，相邻的螺旋微通道管之间的层距为0.1～0.15mm。

作为本发明的另一个优选方案，用于通入冷流体的螺旋微通道管的入口和出口设置为90°弯管，用于通入热流体的螺旋微通道管的入口和出口设置直边段。

上述技术方案直接带来的有益技术效果为：

通入冷流体的螺旋微通道管的入口和出口设置为90°弯管，用于通入热流体的螺旋微通道管的入口和出口设置直边段，这样的设计方式可实现冷热流体的进出口的分别集中。

进一步优选，上述的壳体采用分体设计，包括前端盖、后端盖和壳主体，在前端盖和后端盖上连接有支撑筒，所述的支撑筒用于对换热器主体进行支撑。

上述技术方案所带来的直接有益技术效果为：

对换热器模块化设计，两个缠绕包扎的微通道模块通过支撑筒固定；整体壳体采用分体设计，由前后端盖和筒体组成，便于设备安装。

进一步优选，第一模块、第二模块与冷流体微通道管管板一、热流体微通道管管板一、冷流体微通道管管板二及热流体微通道管管板二通过钎焊工艺连接在一起。

本发明的另一个目的在于提供一种大尺度绕带式螺旋微通道换热器的钎焊工艺，所述的钎焊工艺是指将相邻层的螺旋微通道管焊接在一起，包括以下步骤：

a、将卷绕而成且相邻的螺旋微通道管之间放置有钎料的管束放置在真空钎焊炉中进行抽真空；

b、加热、保温

第一阶加温阶段：钎焊炉缓慢升温至700～750℃，升温时间为40～60min；

第一保温阶段：经第一阶加温阶段后的微通道管束在钎焊炉中保温，温度700～750℃，保温时间20～40min；

第二阶加温阶段：将第一保温阶段后的微通道管束加热至钎焊温度950℃以上，加热时间15～25min；

第二保温阶段：经第二阶加温阶段后的微通道管束在钎焊炉中保温，保温温度950～980℃，保温时间10～20min；

c、冷却

第一阶段冷却：经第二保温阶段后的微通道管束在钎焊炉中冷却至550～570℃；

第二阶段冷却：通过氮气冷却的方式使温度将至30～50℃出炉。

与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果：

本发明提出的一种大尺度绕带式螺旋微通道换热器，其第一模块和第二模块均采用多层螺旋微通道管缠绕而成，使冷热流体逆流换热更为充分；同时由于冷热流体均在微通道管内进行流动，因此不会存在结霜的现象，整体换热更加均匀。

对于微通道管薄壁的特征，本发明使用BNi-7钎料并设计钎焊工艺使钎焊效果更好，有效提高了钎焊接头的强度。

采用新的钎焊工艺适用于薄壁微通道管的焊接，改变钎焊温度使钎料对管壁的侵蚀达到最低。通过分步加温的方式可有效降低热应力，同时采用分步缓慢降温的方式，设计钎焊工艺可有效提高钎焊接头的强度，避免薄壁发生破裂。

本发明换热器具有紧凑高效的特点，适用于液-液、气-液、气-气的换热，工质适用范围广泛，采用螺旋多层包覆的形式，具有体积小重量轻的优点，应用于化工行业中可有效提高换热效率。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明换热器整体结构示意图；

图2为本发明第一模块的剖视图；

图3中(3a)为热流体螺旋微通道管的结构示意图，(3b)为冷流体螺旋微通道管的结构示意图；

图4示出了螺旋微通道管冷、热流体流向图；

图5示出了钎料箔片的放置示意图；

图6示出了流体进出口管与冷流体微通道管管板的连接示意图；

图7示出了流体进出口管与热流体微通道管管板的连接示意图；

图中：

1、冷流体入口管，2、冷流体微通道管管板一，3、前端盖，4、热流体出口管，5、热流体微通道管管板一，6、壳体，7、后端盖，8、支撑筒，9、冷流体微通道管管板二，10、冷流体出口管，11、热流体入口管，12、热流体微通道管管板二，13、螺旋微通道管，14、热流体管路，15、冷流体管路，16、钎料箔片，17、第一层螺旋微通道管。

具体实施方式

本发明提出了一种大尺度绕带式螺旋微通道换热器及其钎焊工艺，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。

除非另有其他明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”等等将被理解为包括所陈述的部件或组成部分，而并未排除其他部件或其他组成部分。

在本文中，为了描述的方便，可以使用空间相对术语，诸如“下面”、“下方”、“下”、“上面”、“上方”、“上”等，来描述一个部件或特征与另一部件或特征在附图中的关系。应理解的是，空间相对术语旨在包含除了在图中所绘的方向之外物件在使用或操作中的不同方向。例如，如果在图中的物件被翻转，则被描述为在其他部件或特征“下方”或“下”的部件将取向在所述部件或特征的“上方”。因此，示范性术语“下方”可以包含下方和上方两个方向。部件也可以有其他取向(旋转90度或其他取向)且应对本文使用的空间相对术语作出相应的解释。

本发明中螺旋微通道管其所采用的材质，根据其应用场景来决定，如可以选用铜或者不锈钢材质。

图2中C代表冷流体，H代表热流体。

结合图1至图4所示，本发明一种大尺度绕带式螺旋微通道换热器，包括壳体6及位于壳体6内的换热器主体、冷流体微通道管管板一2、冷流体微通道管管板二9、热流体微通道管管板一5和热流体微通道管管板二12，冷流体微通道管管板一的端口处设置有冷流体入口管1，冷流体微通道管管板二的端口处设置有冷流体出口管10，热流体微通道管管板一的端口处设置有热流体出口管4，热流体微通道管管板二的端口处设置有热流体入口管11；

作为本发明的一个主要创新点，所述换热器主体为模块化设计，包括平行设计的第一模块和第二模块，所述的第一模块、第二模块均由m层螺旋微通道管13依次缠绕形成，其中，所述的4≤m≤16，并且m为偶数；经过m层螺旋微通道管依次缠绕形成的第一模块和第二模块的断面结构为圆形；螺旋微通道管的层数可以根据实际需要进行选择，在本发明图1至图4中示出了由10层螺旋微通道管依次缠绕而成的换热器主体，图1中第一模块和第二模块均采用10层螺旋微通道管缠绕而成，其每层缠绕轨迹均为圆柱螺旋线的形式，可增加流体湍流提高换热系数。

在所述的第一模块中，位于奇数层的螺旋微通道管中通入热流体，位于偶数层的螺旋微通道管中通入冷流体，相当于，相邻层的螺旋微通道管，一个是热流体管路14，一个是冷流体管路15，冷流体螺旋微通道管和热流体螺旋微通道管间隔布置使换热更加充分。具体来说，在第一模块中，最内侧的即第一层螺旋微通道管17中通入热流体，缠绕在该第一层螺旋微通道管上的第二层螺旋微通道管中通入冷流体，然后在第三层螺旋微通道管中通入热流体，在第四层螺旋微通道管中通入冷流体，相当于，奇数层的螺旋微通道管中通入热流体，偶数层的螺旋微通道管中通入冷流体，冷热流体交替布置，每个通入冷流体的螺旋微通道管的内外层为热流体。在螺旋流动的同时，冷热流体方向为对流，换热更为充分，以此交替来使得换热更加充分，避免产生结霜现象。

如图3中(3a)和(3b)所示，冷流体微通道管入口和出口设置为90°度弯管，热流体微通道管则在入口和出口部分设置直边段。在所述的第二模块中，位于奇数层的螺旋微通道管中通入冷流体，位于偶数层的螺旋微通道管中通入热流体；其中热流体螺旋微通道管、冷流体螺旋微通道管的布置方式与第一模块相同。

作为本发明的另一个主要创新点，如图5所示，在第一模块和第二模块每层螺旋微通道管的外围均设置有钎料箔片16，相当于在第一层螺旋微通道管与第二层螺旋微通道管之间、第二层螺旋微通道管和第三层螺旋微通道管之间…设置有钎料箔片，相邻层的螺旋微通道管的层距为0.1～0.15mm，钎料箔片的厚度为0.05～0.15mm，相邻的螺旋微通道管层与所述的钎料箔片16紧密贴合在一起。本发明中所涉及的钎料箔片，其优选为Bni-7，相比其他钎料，Bni-7对薄管壁的侵蚀较小，由于钎料的厚薄对接头强度有很大影响，太厚或太薄都会使结构强度下降，因此本发明更优选钎料箔片的厚度为0.1mm。

具体的，微通道管管板与换热器主体即螺旋微通道管之间也是采用的钎焊工艺进行连接，其具体位置关系结合图6和图7所示：

冷流体微通道管管板一2和热流体微通道管管板一5位于换热器主体的前端，其中冷流体微通道管管板一与换热器主体相互平行，热流体微通道管管板一垂直于冷流体微通道管管板一，且位于换热器主体的上方；所述的冷流体微通道管管板二和热流体微通道管管板二位于换热器主体的后端，其中冷流体微通道管管板二与换热器主体相互平行，热流体微通道管管板二垂直于冷流体微通道管管板二，且位于换热器主体的下方；

冷流体经过冷流体入口管从前端进入第一模块中，在第一模块中经过螺旋流动后，经冷流体出口管从后端排出；热流体经过热流体入口管从下端进入第一模块中，在第一模块中经过螺旋流动后，经热流体出口管从上端排出，从而形成在所述的第一模块中的冷流体和热流体流向逆向。

由于微通道管管壁较薄，若钎焊工艺和温度选择不当则会破坏管壁造成流体的泄露，严重影响换热器性能，本发明的螺旋微通道管之间以及螺旋微通道管与管板之间采用钎焊工艺，实验证明在微通道管的外围通过设置钎料箔片，配合钎焊工艺，可提高换热器的性能，而且由于冷热流体逆向，避免产生结霜。

为了方便安装，壳体采用分体设计，包括前端盖3、后端盖7和壳主体，壳主体的两端与前端盖3和后端盖7焊接在一起，热流体出口管和热流体入口管焊接在壳主体上，冷流体入口管和冷流体出口管分别焊接在前端盖和后端盖上，在前端盖3和后端盖7上设置有支撑筒，用于对换热器主体进行支撑。

下面对上述大尺度绕带式螺旋微通道换热器的安装方法做详细说明。

首先将制作好的换热器主体通过支撑筒固定，然后安装在壳主体内；

然后将壳主体与前端盖、后端盖焊接在一起，通过钎焊工艺进行焊接；

最后，将冷流体入口管、热流体入口管分别连接好，以向换热器主体内通入冷流体、热流体。

下面对上述大尺度绕带式螺旋微通道换热器的制备方法做详细说明。

实施例1：

大尺度绕带式螺旋微通道换热器的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤一、卷制最内层即第一层微通道管，将其卷成断面形状为圆形的微通道管，在该圆形的微通道管外壁放置BNi-7钎料箔片，再卷第二层微通道管。在第二层微通道管外壁(即该层微通道管的圆周上)放置BNi-7钎料箔片，再卷第三层微通道管…确保相邻层微通道管卷紧后，在最后卷绕形成的螺旋微通道管与管板(冷流体微通道管管板一、冷流体微通道管管板二、热流体微通道管管板一、热流体微通道管管板二)间放置BNi-7粉状钎料，最后得到卷绕形成的螺旋微通道管(也称为管束)；

步骤二、将步骤一所得管束放置于真空钎焊炉中，钎焊炉中抽真空，真空度为2.5×10^-3，可有效除去焊件表面氧化膜，保持表面湿润性和流动性；

步骤三、第一阶加温阶段：钎焊炉缓慢升温至730℃，升温时间为50min，升温速率为14.6℃/min，目的为有效消除热应力；

步骤四、第一保温阶段：将微通道管束在钎焊炉中保温，保持730℃温度30min，目的为充分排除微通道中加热产生的气体杂质。

步骤五、第二阶加温阶段：继续将炉中微通道管束加热至钎焊温度，即980℃，时间为20min，升温速度为12.5℃/min。

步骤六、第二保温阶段：保持钎焊温度15min，980℃下钎焊接头力学性能较好。

步骤七、第一阶段冷却：从钎焊温度980℃缓慢炉冷至560℃，目的是在高温下通过蠕变松弛效应来释放残余应力，来提高微通道管束的金属强度。

步骤八、第二阶段冷却：通过氮气冷却的方式使温度从560℃降低至40℃出炉。

通过以上工艺进行钎焊，可有效释放残余应力，同时降低钎料对管壁的侵蚀。

实施例2：

大尺度绕带式螺旋微通道换热器的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤一、卷制最内层即第一层微通道管，将其卷成断面形状为圆形的微通道管，在该圆形的微通道管外壁放置BNi-7钎料箔片，再卷第二层微通道管。在第二层微通道管外壁(即该层微通道管的圆周上)放置BNi-7钎料箔片，再卷第三层微通道管…确保相邻层微通道管卷紧后，在最后卷绕形成的螺旋微通道管与管板(冷流体微通道管管板一、冷流体微通道管管板二、热流体微通道管管板一、热流体微通道管管板二)间放置BNi-7粉状钎料，最后得到卷绕形成的螺旋微通道管(也称为管束)；

步骤二、将步骤一所得管束放置于真空钎焊炉中，钎焊炉中抽真空，真空度为2.5×10^-3，可有效除去焊件表面氧化膜，保持表面湿润性和流动性；

步骤三、第一阶加温阶段：钎焊炉缓慢升温至700℃，升温时间为60min，目的为有效消除热应力；

步骤四、第一保温阶段：将微通道管束在钎焊炉中保温，保持700℃温度20min，目的为充分排除微通道中加热产生的气体杂质。

步骤五、第二阶加温阶段：继续将炉中微通道管束加热至钎焊温度，即980℃，时间为25min。

步骤六、第二保温阶段：保持钎焊温度15min，980℃下钎焊接头力学性能较好。

步骤七、第一阶段冷却：从钎焊温度980℃缓慢炉冷至570℃，目的是在高温下通过蠕变松弛效应来释放残余应力，来提高微通道管束的金属强度。

步骤八、第二阶段冷却：通过氮气冷却的方式使温度从570℃降低至50℃出炉。

通过以上工艺进行钎焊，可有效释放残余应力，同时降低钎料对管壁的侵蚀。

本发明在钎焊时放置钎料后使用真空钎焊炉对设备进行钎焊，采用分步加热的钎焊流程，即通过升温后保温，再次加温至钎焊温度并保温。钎焊温度设置为980℃，研究表明此时钎焊接头的整体抗拉强度较高。同时钎焊结束后采用分阶冷却法，即先从钎焊温度980℃在真空炉中缓慢自冷至560℃，再通过氮气冷却的方式至40℃出炉。

本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

尽管本文中较多的使用了诸如冷流体入口管1、冷流体微通道管管板一2、前端盖3、热流体出口管4等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

需要进一步说明的是，本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种大尺度绕带式螺旋微通道换热器，其包括壳体及位于壳体内的换热器主体，其特征在于：还包括冷流体微通道管管板一、冷流体微通道管管板二、热流体微通道管管板一和热流体微通道管管板二，所述的冷流体微通道管管板一的端口处设置有冷流体入口管，所述的冷流体微通道管管板二的端口处设置有冷流体出口管，所述的热流体微通道管管板一的端口处设置有热流体出口管，所述的热流体微通道管管板二的端口处设置有热流体入口管；

所述换热器主体为模块化设计，包括平行设计的第一模块和第二模块，所述的第一模块、第二模块均由m层螺旋微通道管依次缠绕形成，其中，所述的4≤m≤16，并且m为偶数；经过m层螺旋微通道管依次缠绕形成的第一模块和第二模块的断面结构为圆形；

在所述的第一模块中，位于奇数层的螺旋微通道管中通入热流体，位于偶数层的螺旋微通道管中通入冷流体；

在所述的第二模块中，位于奇数层的螺旋微通道管中通入冷流体，位于偶数层的螺旋微通道管中通入热流体；

在第一模块和第二模块每层螺旋微通道管的外围均设置有钎料箔片，所述的钎料箔片的厚度为0.05～0.15mm，相邻的螺旋微通道管层将所述的钎料箔片紧密贴合在一起；

所述的冷流体微通道管管板一和热流体微通道管管板一位于换热器主体的前端，其中冷流体微通道管管板一与换热器主体相互平行，热流体微通道管管板一垂直于冷流体微通道管管板一，且位于换热器主体的上方；所述的冷流体微通道管管板二和热流体微通道管管板二位于换热器主体的后端，其中冷流体微通道管管板二与换热器主体相互平行，热流体微通道管管板二垂直于冷流体微通道管管板二，且位于换热器主体的下方；

冷流体经过冷流体入口管从前端进入第一模块中，在第一模块中经过螺旋流动后，经冷流体出口管从后端排出；热流体经过热流体入口管从下端进入第一模块中，在第一模块中经过螺旋流动后，经热流体出口管从上端排出，从而形成在所述的第一模块中的冷流体和热流体流向逆向。

2.根据权利要求1所述的一种大尺度绕带式螺旋微通道换热器，其特征在于：相邻的螺旋微通道管之间的层距为0.1～0.15mm。

3.根据权利要求1所述的一种大尺度绕带式螺旋微通道换热器，其特征在于：用于通入冷流体的螺旋微通道管的入口和出口设置为90°弯管，用于通入热流体的螺旋微通道管的入口和出口设置直边段。

4.根据权利要求1所述的一种大尺度绕带式螺旋微通道换热器，其特征在于：所述的壳体采用分体设计，包括前端盖、后端盖和壳主体，在前端盖和后端盖上连接有支撑筒，所述的支撑筒用于对换热器主体进行支撑。

5.根据权利要求1所述的一种大尺度绕带式螺旋微通道换热器，其特征在于：第一模块、第二模块与冷流体微通道管管板一、热流体微通道管管板一、冷流体微通道管管板二及热流体微通道管管板二通过钎焊工艺连接在一起。

6.根据权利要求1～4任一项所述的一种大尺度绕带式螺旋微通道换热器的钎焊工艺，其特征在于：所述的钎焊工艺是指将相邻层的螺旋微通道管焊接在一起，所述的钎焊工艺包括以下步骤：

a、将卷绕而成且相邻的螺旋微通道管之间放置有钎料的管束放置在真空钎焊炉中进行抽真空；

b、加热、保温

第一阶加温阶段：钎焊炉缓慢升温至700～750℃，升温时间为40～60min；

第一保温阶段：经第一阶加温阶段后的微通道管束在钎焊炉中保温，温度700～750℃，保温时间20～40min；

第二阶加温阶段：将第一保温阶段后的微通道管束加热至钎焊温度950℃以上，加热时间15～25min；

第二保温阶段：经第二阶加温阶段后的微通道管束在钎焊炉中保温，保温温度950～980℃，保温时间10～20min；

c、冷却

第一阶段冷却：经第二保温阶段后的微通道管束在钎焊炉中冷却至550～570℃；

第二阶段冷却：通过氮气冷却的方式使温度将至30～50℃出炉。

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