CN205561330U - 一种小型半导体高精度快速恒温控制箱 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种小型半导体高精度快速恒温控制箱，包括恒温控制箱外壳、散热层、金属散热板、聚氨酯保温层、帕尔贴半导体温控片、金属导热板、高精度温度传感器、风扇、帕尔贴接头以及外接导线；恒温控制箱外壳为正方形箱体，聚氨酯保温层为使用模具制作的聚氨酯保温材料，帕尔贴温控片提供控温，保温层内壁为焊接在一起的金属导热板，金属导热板直接与帕尔贴控温面接触，帕尔贴的散热面与金属散热板接触，金属散热板将热量即使传递至散热层，内部的风扇为箱体内部空气提供循环，温度传感器测量箱体内部温度，帕尔贴接头通过外接导线连接。本实用新型可有效地控制箱体内部环境在恒定的温度上，具有恒温精度高、控温速度快的优点。
Description
技术领域
本发明涉及利用帕尔贴半导体温控片对特定区域的温度、亦可对置于此区域中的物体(如仪器、材料、医用疫苗等)进行高精度快速恒定温度控制的装置，具体为一种小型半导体高精度快速恒温控制箱。
背景技术
恒温控制箱是指对饲养、培养生物或生物的一部分(细胞等)及其他产品、仪器及材料进行恒温控制的箱型器具。恒温控制箱的使用大部分是在实验室、工业、医药中。以前用于孵卵的恒温器，有的是通过热水加热(水温式)，但实验用的大部分为电热式，装有电热器和温度调节器，是一种外壁上装有绝热材料的箱子或柜橱。在实验室中，特别是生物实验室，为了得到更加准确的实验数据，对于恒温实验环境要求严格。在工业生产方面，恒温环境的稳定保持对于工厂车间的产品以及由此相关的工业生产具有重要的意义。在医药方面，医用恒温箱主要用于药品，试剂的储存、运输以及疫苗、血液的冷藏保温等。
帕尔贴效应是当电流通过不同的导体组成的回路时，除产生不可逆的焦耳热外，在不同导体的接头处随着电流方向的不同会分别出现吸热、放热的一种现象。帕尔贴半导体温控片是依据帕尔贴效应制作的温差电致冷组件，相比传统的压缩机致冷其具有重量轻、体积小的优点，特别适用于有限空间的致冷，无需维护，无噪音，功耗低，抗冲击、抗震动能力强，改变工作电流极性可以致热，改变电流强度可调整致冷功率。但是也存在这一些缺点，如：控温功率较低，对于一定空间的恒定温度控制需要较长的稳定时间，温控精度受到其温控功率的影响，控温区域的温度稳定较慢，温控精度不高，帕尔贴半导体温控片工作时背面的散热效果不好，致使其致冷效果下降等。
发明内容
针对现有技术的不足之处，本发明基于帕尔贴半导体致冷效应，通过提高致冷功率、提高控温区域测温精度、优化帕尔贴半导体散热面的散热效果，可实现对箱体内部控温区域的高精度快速恒温控制，降低环境温度、控温功率、测温精度和散热效果对控温效果的影响。采用四片大功率半导体帕尔贴温控片分别紧贴控温区域四周，每片都与导热金属板紧密接触，控温区域内部加装风扇，增加了控温功率和热平衡效果；将两个高精度温度传感器对称分布在风扇两侧，测量温度取两个温度传感器的测量均值，提高了测温精度，半导体帕尔贴温控片的背面与导热板通过导热硅脂紧密接触，导热板与金属散热板紧密接触，金属散热板与散热层紧密接触，从而提高帕尔贴半导体散热面的散热效果，进而实现对箱体内部控温区域的高精度快速恒温控制。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种小型半导体高精度快速恒温控制箱，包括散热层1、金属散热板2、聚氨酯保温层3、帕尔贴半导体温控片一4、帕尔贴半导体温控片二5、帕尔贴半导体温控片三6、帕尔贴半导体温控片四7、高精度温度传感器一8、高精度温度传感器二9、金属导热板10、风扇11、帕尔贴接头12；其特征在于：所述的恒温控制箱外壳为30cm*30cm*30cm正方体；所述的散热层1紧贴控制箱外壳为散热良好的金属散热层，所述的金属散热板2为紧靠散热层1另一面与帕尔贴紧密接触的散热面，所述的聚氨酯保温层3填充于金属散热板2与金属导热板10之间；帕尔贴半导体温控片一4、帕尔贴半导体温控片二5、帕尔贴半导体温控片三6、帕尔贴半导体温控片四7四片大功率温控片分别嵌于聚氨酯保温层3中，帕尔贴的控温面直接与金属导热板10接触；所述的金属导热板10为温控箱的内壁，直接与被控温区域接触；所述的高精度温度传感器一8、高精度温度传感器二9分别置于被控温区域的不同位置，测量的温度值取平均后作为内部温度测量值，这样的温度测量值具有更高的精度和更大的温度代表意义，为高精度的温度控制提供依据；所述的风扇11放置于被控温区域的中心位置，为箱体内部空气提供循环，使得空气受冷受热均匀，有利于热量的快速传播；所述的帕尔贴接头12通过外接导线连接为帕尔贴温控片提供控温电能，外接导线纵向穿过聚氨酯保温层和散热层引入外接电路；所述的帕尔贴半导体温控片一4、帕尔贴半导体温控片二5、帕尔贴半导体温控片三6、帕尔贴半导体温控片四7四片大功率温控片的具体散热结构包括导热硅脂13、15、16和导热金属块14，导热硅脂13将导热金属块14和散热层紧密连接，导热硅脂15将导热金属块14和帕尔贴散热面紧密连接，导热硅脂16将帕尔贴控温面与金属导热板10紧密连接。
进一步的，所述的金属散热板2与金属导热板10之间的距离为聚氨酯保温层3的厚度，用来确保控温区域良好保温效果，又能确保帕尔贴半导体温控片一4、帕尔贴半导体温控片二5、帕尔贴半导体温控片三6、帕尔贴半导体温控片四7四片大功率温控片的良好散热效果，从而达到良好的控温效果。
进一步的，所述的帕尔贴接头12分为两个。
进一步的，所述的帕尔贴接头12的外接电路便于从外部通入直流电。
进一步的，所述的帕尔贴接头正向导通为制冷，反向导通为制热，通过外接驱动电路为帕尔贴提供所需的控温功率。
进一步的，所述的聚氨酯保温层3厚度为5-7厘米。
本发明的高精度快速恒温控制箱是利用半导体帕尔贴制冷原理对恒温控制箱内区域进行恒温控制的装置，当温度传感器检测到箱体内温度后，控温程序将其与设定温度相比较，若设定温度高于传感器检测温度则采取加热控温措施，若设定温度低于传感器检测温度则采取制冷控温措施，如果温差较大则进行全功率加热或制冷，从而达到快速控温的目的，节省控温时间，随着温差的减小，当温差达到较小值时则运用PID算法进行控温调节，此时需要运用单片机的PWM模块，通过PID算法调节PWM输出的占空比，输出的经过PID算法调节的PWM波作为驱动电路模块的输入，驱动电路输出对帕尔贴的控温功率。这样，通过高精度温度传感器对箱体内的温度进行实时检测，程序采集后运用PID算法不断调整驱动电路的输出功率，形成一个闭环反馈调节，从而实现对控温箱内温度的实时高精度快速控制。
为了消除环境温度对控温效果的影响，引入聚氨酯保温层，同时为了不影响帕尔贴的散热效果，聚氨酯保温层的厚度设计在5-7厘米。为了使帕尔贴的散热面散热效果良好，引入散热层和金属散热板，六块金属散热板焊接而成的金属散热正方体与散热层紧密接触，从而确保良好的散热效果。
可以利用本恒温控制箱为药品、试剂的储存运输以及疫苗、血液的冷藏保温等提供条件，亦可以为其他产品、仪器及材料提供稳定的恒温环境。
本发明的有益效果是：
1、利用该种小型半导体高精度快速恒温控制箱进行恒温控制，采用两个温度传感器测量的平均值作为测量温度值，可以有效地提高被控温区域温度测量精度和温度代表意义，利用风扇加快热平衡循环，四周均布置大功率帕尔贴半导体控温片，合理选择保温层厚度，加大散热层散热效果，可以有效地提高控温精度和控温速度。
2、使恒温控制器处于稳定的工作状态；极大地降低了环境温度对控温的影响和单个帕尔贴功率不足对控温速度和精度的影响。
本小型半导体高精度快速恒温控制箱具有功耗低、体积小、控温精度高和控温速度快等优点。可以利用本恒温控制箱为药品、试剂的储存运输以及疫苗、血液的冷藏保温等提供条件，亦可以为其他产品、仪器及材料提供稳定的恒温环境。
附图说明
图1整体结构剖视简图。
图2帕尔贴散热结构图。
图中:散热层1、金属散热板2、聚氨酯保温层3、帕尔贴半导体温控片一4、帕尔贴半导体温控片二5、帕尔贴半导体温控片三6、帕尔贴半导体温控片四7、高精度温度传感器一8、高精度温度传感器二9、金属导热板10、风扇11、帕尔贴接头12。
具体实施方式
结合附图对本发明做进一步详细的描述。
实施例1
如附图1和2所示，一种小型半导体高精度快速恒温控制箱，包括散热层1、金属散热板2、聚氨酯保温层3、帕尔贴半导体温控片一4、帕尔贴半导体温控片二5、帕尔贴半导体温控片三6、帕尔贴半导体温控片四7、高精度温度传感器一8、高精度温度传感器二9、金属导热板10、风扇11、帕尔贴接头12；其特征在于：所述的恒温控制箱外壳为30cm*30cm*30cm正方体；所述的散热层1紧贴控制箱外壳为散热良好的金属散热层，所述的金属散热板2为紧靠散热层1另一面与帕尔贴紧密接触的散热面，所述的聚氨酯保温层3填充于金属散热板2与金属导热板10之间；帕尔贴半导体温控片一4、帕尔贴半导体温控片二5、帕尔贴半导体温控片三6、帕尔贴半导体温控片四7四片大功率温控片分别嵌于聚氨酯保温层3中，帕尔贴的控温面直接与金属导热板10接触；所述的金属导热板10为温控箱的内壁，直接与被控温区域接触；所述的高精度温度传感器一8、高精度温度传感器二9分别置于被控温区域的不同位置，测量的温度值取平均后作为内部温度测量值，这样的温度测量值具有更高的精度和更大的温度代表意义，为高精度的温度控制提供依据；所述的风扇11放置于被控温区域的中心位置，为箱体内部空气提供循环，使得空气受冷受热均匀，有利于热量的快速传播；所述的帕尔贴接头12通过外接导线连接为帕尔贴温控片提供控温电能，外接导线纵向穿过聚氨酯保温层和散热层引入外接电路；所述的帕尔贴半导体温控片一4、帕尔贴半导体温控片二5、帕尔贴半导体温控片三6、帕尔贴半导体温控片四7四片大功率温控片的具体散热结构包括导热硅脂13、15、16和导热金属块14，导热硅脂13将导热金属块14和散热层紧密连接，导热硅脂15将导热金属块14和帕尔贴散热面紧密连接，导热硅脂16将帕尔贴控温面与金属导热板10紧密连接。
进一步的，所述的金属散热板2与金属导热板10之间的距离为聚氨酯保温层3的厚度，用来确保控温区域良好保温效果，又能确保帕尔贴半导体温控片一4、帕尔贴半导体温控片二5、帕尔贴半导体温控片三6、帕尔贴半导体温控片四7四片大功率温控片的良好散热效果，从而达到良好的控温效果。
进一步的，所述的帕尔贴接头12分为两个。
进一步的，所述的帕尔贴接头12的外接电路便于从外部通入直流电。
进一步的，所述的帕尔贴接头正向导通为制冷，反向导通为制热，通过外接驱动电路为帕尔贴提供所需的控温功率。
进一步的，所述的聚氨酯保温层3厚度为5厘米。
本发明的高精度快速恒温控制箱是利用半导体帕尔贴制冷原理对恒温控制箱内区域进行恒温控制的装置，当温度传感器检测到箱体内温度后，控温程序将其与设定温度相比较，若设定温度高于传感器检测温度则采取加热控温措施，若设定温度低于传感器检测温度则采取制冷控温措施，如果温差较大则进行全功率加热或制冷，从而达到快速控温的目的，节省控温时间，随着温差的减小，当温差达到较小值时则运用PID算法进行控温调节，此时需要运用单片机的PWM模块，通过PID算法调节PWM输出的占空比，输出的经过PID算法调节的PWM波作为驱动电路模块的输入，驱动电路输出对帕尔贴的控温功率。这样，通过高精度温度传感器对箱体内的温度进行实时检测，程序采集后运用PID算法不断调整驱动电路的输出功率，形成一个闭环反馈调节，从而实现对控温箱内温度的实时高精度快速控制。
为了消除环境温度对控温效果的影响，引入聚氨酯保温层，同时为了不影响帕尔贴的散热效果，聚氨酯保温层的厚度设计在5厘米。为了使帕尔贴的散热面散热效果良好，引入散热层和金属散热板，六块金属散热板焊接而成的金属散热正方体与散热层紧密接触。
实施例2
如附图1和2所示，一种小型半导体高精度快速恒温控制箱，包括散热层1、金属散热板2、聚氨酯保温层3、帕尔贴半导体温控片一4、帕尔贴半导体温控片二5、帕尔贴半导体温控片三6、帕尔贴半导体温控片四7、高精度温度传感器一8、高精度温度传感器二9、金属导热板10、风扇11、帕尔贴接头12；其特征在于：所述的恒温控制箱外壳为30cm*30cm*30cm正方体；所述的散热层1紧贴控制箱外壳为散热良好的金属散热层，所述的金属散热板2为紧靠散热层1另一面与帕尔贴紧密接触的散热面，所述的聚氨酯保温层3填充于金属散热板2与金属导热板10之间；帕尔贴半导体温控片一4、帕尔贴半导体温控片二5、帕尔贴半导体温控片三6、帕尔贴半导体温控片四7四片大功率温控片分别嵌于聚氨酯保温层3中，帕尔贴的控温面直接与金属导热板10接触；所述的金属导热板10为温控箱的内壁，直接与被控温区域接触；所述的高精度温度传感器一8、高精度温度传感器二9分别置于被控温区域的不同位置，测量的温度值取平均后作为内部温度测量值，这样的温度测量值具有更高的精度和更大的温度代表意义，为高精度的温度控制提供依据；所述的风扇11放置于被控温区域的中心位置，为箱体内部空气提供循环，使得空气受冷受热均匀，有利于热量的快速传播；所述的帕尔贴接头12通过外接导线连接为帕尔贴温控片提供控温电能，外接导线纵向穿过聚氨酯保温层和散热层引入外接电路；所述的帕尔贴半导体温控片一4、帕尔贴半导体温控片二5、帕尔贴半导体温控片三6、帕尔贴半导体温控片四7四片大功率温控片的具体散热结构包括导热硅脂13、15、16和导热金属块14，导热硅脂13将导热金属块14和散热层紧密连接，导热硅脂15将导热金属块14和帕尔贴散热面紧密连接，导热硅脂16将帕尔贴控温面与金属导热板10紧密连接。
进一步的，所述的金属散热板2与金属导热板10之间的距离为聚氨酯保温层3的厚度，用来确保控温区域良好保温效果，又能确保帕尔贴半导体温控片一4、帕尔贴半导体温控片二5、帕尔贴半导体温控片三6、帕尔贴半导体温控片四7四片大功率温控片的良好散热效果，从而达到良好的控温效果。
进一步的，所述的帕尔贴接头12分为两个。
进一步的，所述的帕尔贴接头12的外接电路便于从外部通入直流电。
进一步的，所述的帕尔贴接头正向导通为制冷，反向导通为制热，通过外接驱动电路为帕尔贴提供所需的控温功率。
进一步的，所述的聚氨酯保温层3厚度为6厘米。
本发明的高精度快速恒温控制箱是利用半导体帕尔贴制冷原理对恒温控制箱内区域进行恒温控制的装置，当温度传感器检测到箱体内温度后，控温程序将其与设定温度相比较，若设定温度高于传感器检测温度则采取加热控温措施，若设定温度低于传感器检测温度则采取制冷控温措施，如果温差较大则进行全功率加热或制冷，从而达到快速控温的目的，节省控温时间，随着温差的减小，当温差达到较小值时则运用PID算法进行控温调节，此时需要运用单片机的PWM模块，通过PID算法调节PWM输出的占空比，输出的经过PID算法调节的PWM波作为驱动电路模块的输入，驱动电路输出对帕尔贴的控温功率。这样，通过高精度温度传感器对箱体内的温度进行实时检测，程序采集后运用PID算法不断调整驱动电路的输出功率，形成一个闭环反馈调节，从而实现对控温箱内温度的实时高精度快速控制。
为了消除环境温度对控温效果的影响，引入聚氨酯保温层，同时为了不影响帕尔贴的散热效果，聚氨酯保温层的厚度设计在6厘米。为了使帕尔贴的散热面散热效果良好，引入散热层和金属散热板，六块金属散热板焊接而成的金属散热正方体与散热层紧密接触。
实施例3
如附图1和2所示，一种小型半导体高精度快速恒温控制箱，包括散热层1、金属散热板2、聚氨酯保温层3、帕尔贴半导体温控片一4、帕尔贴半导体温控片二5、帕尔贴半导体温控片三6、帕尔贴半导体温控片四7、高精度温度传感器一8、高精度温度传感器二9、金属导热板10、风扇11、帕尔贴接头12；其特征在于：所述的恒温控制箱外壳为30cm*30cm*30cm正方体；所述的散热层1紧贴控制箱外壳为散热良好的金属散热层，所述的金属散热板2为紧靠散热层1另一面与帕尔贴紧密接触的散热面，所述的聚氨酯保温层3填充于金属散热板2与金属导热板10之间；帕尔贴半导体温控片一4、帕尔贴半导体温控片二5、帕尔贴半导体温控片三6、帕尔贴半导体温控片四7四片大功率温控片分别嵌于聚氨酯保温层3中，帕尔贴的控温面直接与金属导热板10接触；所述的金属导热板10为温控箱的内壁，直接与被控温区域接触；所述的高精度温度传感器一8、高精度温度传感器二9分别置于被控温区域的不同位置，测量的温度值取平均后作为内部温度测量值，这样的温度测量值具有更高的精度和更大的温度代表意义，为高精度的温度控制提供依据；所述的风扇11放置于被控温区域的中心位置，为箱体内部空气提供循环，使得空气受冷受热均匀，有利于热量的快速传播；所述的帕尔贴接头12通过外接导线连接为帕尔贴温控片提供控温电能，外接导线纵向穿过聚氨酯保温层和散热层引入外接电路；所述的帕尔贴半导体温控片一4、帕尔贴半导体温控片二5、帕尔贴半导体温控片三6、帕尔贴半导体温控片四7四片大功率温控片的具体散热结构包括导热硅脂13、15、16和导热金属块14，导热硅脂13将导热金属块14和散热层紧密连接，导热硅脂15将导热金属块14和帕尔贴散热面紧密连接，导热硅脂16将帕尔贴控温面与金属导热板10紧密连接。
进一步的，所述的金属散热板2与金属导热板10之间的距离为聚氨酯保温层3的厚度，用来确保控温区域良好保温效果，又能确保帕尔贴半导体温控片一4、帕尔贴半导体温控片二5、帕尔贴半导体温控片三6、帕尔贴半导体温控片四7四片大功率温控片的良好散热效果，从而达到良好的控温效果。
进一步的，所述的帕尔贴接头12分为两个。
进一步的，所述的帕尔贴接头12的外接电路便于从外部通入直流电。
进一步的，所述的帕尔贴接头正向导通为制冷，反向导通为制热，通过外接驱动电路为帕尔贴提供所需的控温功率。
进一步的，所述的聚氨酯保温层3厚度为7厘米。
本发明的高精度快速恒温控制箱是利用半导体帕尔贴制冷原理对恒温控制箱内区域进行恒温控制的装置，当温度传感器检测到箱体内温度后，控温程序将其与设定温度相比较，若设定温度高于传感器检测温度则采取加热控温措施，若设定温度低于传感器检测温度则采取制冷控温措施，如果温差较大则进行全功率加热或制冷，从而达到快速控温的目的，节省控温时间，随着温差的减小，当温差达到较小值时则运用PID算法进行控温调节，此时需要运用单片机的PWM模块，通过PID算法调节PWM输出的占空比，输出的经过PID算法调节的PWM波作为驱动电路模块的输入，驱动电路输出对帕尔贴的控温功率。这样，通过高精度温度传感器对箱体内的温度进行实时检测，程序采集后运用PID算法不断调整驱动电路的输出功率，形成一个闭环反馈调节，从而实现对控温箱内温度的实时高精度快速控制。
为了消除环境温度对控温效果的影响，引入聚氨酯保温层，同时为了不影响帕尔贴的散热效果，聚氨酯保温层的厚度设计在7厘米。为了使帕尔贴的散热面散热效果良好，引入散热层和金属散热板，六块金属散热板焊接而成的金属散热正方体与散热层紧密接触。
本发明采用两个温度传感器测量的平均值作为测量温度值，可以有效地提高被控温区域温度测量精度和温度代表意义，利用风扇加快热平衡循环，四周均布置大功率帕尔贴半导体控温片，合理选择保温层厚度，加大散热层散热效果，可以有效地提高控温精度和控温速度；使恒温控制器处于稳定的工作状态；极大地降低了环境温度对控温的影响和单个帕尔贴功率不足对控温速度和精度的影响。
本小型半导体高精度快速恒温控制箱具有功耗低、体积小、控温精度高和控温速度快等优点。
可以利用本恒温控制箱为药品、试剂的储存运输以及疫苗、血液的冷藏保温等提供条件，亦可以为其他产品、仪器及材料提供稳定的恒温环境。
上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所作出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种小型半导体高精度快速恒温控制箱，包括散热层(1)、金属散热板(2)、聚氨酯保温层(3)、帕尔贴半导体温控片1(4)、帕尔贴半导体温控片2(5)、帕尔贴半导体温控片3(6)、帕尔贴半导体温控片4(7)、高精度温度传感器1(8)、高精度温度传感器2(9)、金属导热板(10)、风扇(11)、帕尔贴接头(12)；其特征在于：所述的恒温控制箱外壳为30cm*30cm*30cm正方体；所述的散热层(1)紧贴控制箱外壳为散热良好的金属散热层，所述的金属散热板(2)为紧靠散热层(1)另一面与帕尔贴紧密接触的散热面，所述的聚氨酯保温层(3)填充于金属散热板(2)与金属导热板(10)之间；所述的帕尔贴半导体温控片1(4)、帕尔贴半导体温控片2(5)、帕尔贴半导体温控片3(6)、帕尔贴半导体温控片4(7)四片大功率温控片分别嵌于聚氨酯保温层(3)中，帕尔贴的控温面直接与金属导热板(10)接触；所述的金属导热板(10)为温控箱的内壁，直接与被控温区域接触；所述的高精度温度传感器1(8)、高精度温度传感器2(9)分别置于被控温区域的不同位置，测量的温度值取平均后作为内部温度测量值，这样的温度测量值具有更高的精度和更大的温度代表意义，为高精度的温度控制提供依据；所述的风扇(11)放置于被控温区域的中心位置，为箱体内部空气提供循环，使得空气受冷受热均匀，有利于热量的快速传播；所述的帕尔贴接头(12)通过外接导线连接为帕尔贴温控片提供控温电能，外接导线纵向穿过聚氨酯保温层和散热层引入外接电路；所述的所述的帕尔贴半导体温控片1(4)、帕尔贴半导体温控片2(5)、帕尔贴半导体温控片3(6)、帕尔贴半导体温控片4(7)四片大功率温控片的具体散热结构包括导热硅脂(13)、(15)、(16)和导热金属块(14)。
2.根据权利要求1所述一种小型半导体高精度快速恒温控制箱，其特征在于，所述的帕尔贴接头(12)分为两个。
3.根据权利要求1所述一种小型半导体高精度快速恒温控制箱，其特征在于，所述的金属散热板(2)共有六块，互相焊接而成金属散热正方体。
4.根据权利要求1所述一种小型半导体高精度快速恒温控制箱，其特征在于，所述的金属导热板(10)共有六块，互相焊接而成金属导热正方体。
5.根据权利要求1所述一种小型半导体高精度快速恒温控制箱，其特征在于，所述的聚氨酯保温层(3)厚度为5-7厘米。
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