CN207378981U - 相对封闭空间的散热系统 - Google Patents

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王涛
柳谦
李玉华
文存润
姜玉雁
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Institute of Engineering Thermophysics of CAS
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Hunan Taitong Energy Management Co ltd
Institute of Engineering Thermophysics of CAS
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Abstract

本公开提供了一种相对封闭空间的散热系统,包括:三通阀门,其进风口经由进风风道连通至相对封闭空间;其第一出风口连通室外换热风道;其第二出风口连通空调风道;换热设备,位于相对封闭空间的室外,用于对流经室外换风风道的空气进行冷却;空调设备,其室内机部分位于相对封闭空间的室内,用于对流经空调风道的空气进行冷却;经由室外的换热设备释放热量后的空气经由室外换风风道重新回到相对封闭空间的室内;经由空调设备释放热量后的空气始终在相对封闭空间内循环。本公开可在保证相对封闭空间的洁净度的前提下,尽可能多地节省空调的耗电。

Description

相对封闭空间的散热系统
技术领域
本公开涉及建筑散热领域,尤其涉及一种相对封闭空间的散热系统,例如:用于高压变频器、整流柜、开关柜等电力设备机房散热的系统,用于大型数据中心机房散热的系统等。
背景技术
高压变频器、整流柜、开关柜等大功率电力设备(以下称电力设备)广泛应用于发电、冶金、建材等行业,高压变频器对运行环境温度通常要求在-5~40℃,环境粉尘含量低于950ppm。过高的温度会造成变频器温度过高保护而跳闸,粉尘含量过高导致变频器通风滤网更换清洗维护量过高,增加维护费用。因此,采用何种冷却方式和系统结构至关重要。
由于电力设备对运行的温度条件及环境的洁净度的要求,因此需要建设专门的设备用房来满足电力设备的要求,保证其正常运行。
以高压变频器机柜为例,一台额定功率为800kW的变频器机柜,发热功率占额定功率的3%左右,即发热量为24kW。为了处理这些废热,现有机房一般采取如下三种方式进行降温:
1、在机房内安装大功率的空调
该技术方案是为高压变频器建造一个固定的具有隔热保温效果的房间,根据高压变频器的发热量和房间面积大小,计算出空调的制冷量,从而配备一定数量的空调,解决变频器的温度控制问题。
2、风道冷却
功率单元内部散热系统通过安装在单元内的风机强制冷却单元里的散热器,使每一个功率单元满足散热需求,同时,由于功率单元内的风机吹走热风,使其进风处的柜体内形成强力负压,柜外冷风大量进入高压变频器机柜内,通过功率单元风道对单元散热器进行冷却。同时,由于柜顶风机大量抽风,使柜体内形成强力负压,加速功率单元内热风进入密闭风室,通过柜顶风机抽出高压变频器柜外。通过建立严密畅通的风道,以及在功率单元内设计强制风冷,大大提高高压变频器散热系统的散热能力和效率,同时,也可以减少散热器体积和功率柜体积,实现高压变频器的小型化,为用户安装高压变频器节省空间。
3、空气-水冷却
将变频器的热风通过风道直接通过空冷装置进行热交换,由冷却水直接将变频器散失的热量带走;经过降温的冷风排回至室内。通常空冷装置内冷水温度低于33℃,即可以保证热风经过散热片后,将变频器室内的环境温度控制在40℃以下满足变频器对环境运行的要求。从而,保证了变频器室内良好的运行环境。冷却水与循环风完全分离,水管线在变频器外与高压设备完全分离,确保高压设备室不会受到防水、绝缘破坏等安全威胁和事故。
然而,在生产实践中,申请人发现现有的电力设备机房冷却的三种方式均存在缺陷:
(1)为了电力设备机房的洁净度,机房须为封闭房间,因此只能借助于空调对机房进行降温,即使在寒冷的冬天,也需要开启空调降温,由此消耗了大量的电能。
(2)风道冷却的方式虽然能够很大程度上节约空调的用电,但是不能保证机房内部环境的洁净度,导致很多场合应用受限。
(3)空气-水冷却方式虽然一定程度上解决了洁净度问题,但是系统结构复杂,运行过程中需要消耗大量的水资源,在水资源短缺的地区很难推广应用。
公开内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种相对封闭空间的散热系统,以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
本公开相对封闭空间的散热系统包括:三通阀门300,其进风口经由进风风道Tin连通至相对封闭空间;其第一出风口连通室外换热风道Tout-t;其第二出风口连通空调风道Tout-a;换热设备400,位于相对封闭空间的室外,用于对流经室外换风风道Tout-t的空气进行冷却;空调设备500,其室内机部分位于相对封闭空间的室内,用于对流经空调风道Tout-a的空气进行冷却;其中,经由室外的换热设备400释放热量后的空气经由室外换风风道Tout-t重新回到相对封闭空间的室内;经由空调设备500释放热量后的空气始终在相对封闭空间内循环。
在本公开的一些实施例中,三通阀门300被设置在以下两工作状态之间切换:第一工作状态,进风风道Tin与室外换热风道Tout-t相连通,进风风道Tin与空调风道Tout-a不连通;第二工作状态,进风风道Tin与空调风道Tout-a相连通;进风风道Tin与室外换热风道Tout-t不连通。
在本公开的一些实施例中,在春秋冬季节,三通阀门300被设置工作于第一工作状态;在夏季,三通阀门300被设置工作于第二工作状态。
在本公开的一些实施例中,还包括:控制系统600,用于通过控制三通阀门300来调整由进风风道Tin进入的空气进入室外换热风道Tout-t和/或空调风道Tout-a的流量。
在本公开的一些实施例中,控制系统600包括:室外温度传感器,用于获取相对封闭空间的室外温度tout;室内温度传感器,用于获取相对封闭空间的室内温度tin;控制逻辑模块,用于根据室外温度tout和室内温度tin,调节三通阀门300的连通方向和/或开度,和空调设备500的启停。
在本公开的一些实施例中,控制逻辑模块执行如下控制逻辑:
一、当tin-tout>5℃,且tout<25℃时,控制三通阀门300工作于第一工作状态:将进风风道Tin与室外换热风道Tout-t相连通,进风风道Tin与空调风道Tout-a不连通;
二、当tin-tout≤5℃或tout≥25℃时,控制三通阀门300工作于第二工作状态:将进风风道Tin与空调风道Tout-a相连通;进风风道Tin与室外换热风道Tout-t不连通。
在本公开的一些实施例中,换热设备400为微尺度换热器;微尺度换热器的蒸发端401设置于室外换热风道Tout-t中;冷凝端403设置于室外环境。
在本公开的一些实施例中,微尺度换热器由多根并联的填充工质的金属中空管组成,金属中空管的下半部分为蒸发端401,上半部分为冷凝端403,中间以中间隔板405作为分界。
在本公开的一些实施例中,金属中空管的外径介于3-20mm之间,壁厚介于0.1-2mm之间,长度介于100-3000mm之间,金属中空管的内部具有2-200μm的微槽道,用于强化换热。
在本公开的一些实施例中,在冷凝端403的外侧安装有轴流风扇,用于将热量及时的从微尺度换热器的冷凝端403传递到周围环境中。
在本公开的一些实施例中,在蒸发端401的外表面通过胀管的方式安装有多个翅片402,用于增加外表面与高温空气的换热面积。
在本公开的一些实施例中,还包括:集热罩200,设置于相对封闭空间的发热设备的上方,用于将发热设备产生的热空气进行收集,并导入进风风道Tin
在本公开的一些实施例中,还包括:离心风机101,设置于发热设备的上方,用于利用其产生的吸力,将低温空气至发热设备,并将吸收热量后的高温空气导入至集热罩200。
在本公开的一些实施例中,相对封闭空间为:电力设备机房、数据中心机房或楼宇新风系统。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出,本公开相对封闭空间的散热系统借助于微尺度换热器将发热设备的热量高效的传递到封闭空间外部,在不产生封闭空间内外空气交换的条件下,降低发热设备温度。由于封闭空间内外的空气不产生流动交换,可以有效保证封闭空间内空气的洁净度。在温度较低的冬季可以关闭空调的运行,在春秋季节可以部分节省空调的能耗,有效节省空调的耗电及初投资。
附图说明
图1为根据本公开实施例电力设备机房的散热系统的结构示意图。
图2为图1所示微尺度换热器中一根金属中空管的横截面示意图。
图3为图1所述换热设备的局部放大图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
100-电力设备机房;
101-离心风机; 102-变频器机柜;
200-集热罩;
300-三通阀门;
400-换热设备;
401-蒸发端; 402-翅片; 403-冷凝端;
404-母管; 405-中间隔板;
500-空调设备;
600-控制系统;
Tin-进风风道; Tout-t-室外换热风道; Tout-a-空调风道。
具体实施方式
需要事先阐明的是,本公开所述的“相对封闭空间”是指需要保证空间内温度和空气洁净度达到设定水平的空间。
本公开在相对封闭空间的风道上安装有三通阀门,根据室内外的温度调节三通阀的开启和关闭:
(1)在温度较低的春秋冬季节,通过控制三通阀门将热空气送到封闭空间外的微尺度换热器,释放热量后的空气回到封闭空间内;
(2)在温度较高的夏季,通过控制三通阀门将热空气送到空调室内机的空气入口,采用空调进行降温;
通过如上方式,从而在保证封闭空间内温度和空气洁净度的前提下,降低了能源的消耗。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本公开进一步详细说明。
在本公开的一个示例性实施例中,提供了一种具有高压变频器、整流柜、开关柜等发热设备的电力设备机房的散热系统。
图1为根据本公开实施例电力设备机房的散热系统的结构示意图。如图1所示,电力设备机房100为相对封闭空间,其内安装有多台的电力设备,例如高压变频器、整流柜、开关柜等。
本实施例中,在电力设备机房内安装有变频器机柜102,在变频器机柜顶部安装有离心风机101,离心风机驱动电力设备机房内部的空气流过变频器机柜102内的IGBT、变压器等发热元器件,吸收热量,通过离心风机排出。
请继续参照图1,本实施例电力设备机房的散热系统包括:
集热罩200,用于收集电力设备,尤其是变频器机柜102,产生的热量;
三通阀门300,其进风口通过进风风道Tin与集热罩200相连通,其第一出风口连通室外换热风道Tout-t;其第二出风口连通空调风道Tout-a
换热设备400,位于相对封闭空间的室外,用于对流经室外换热风道Tout-t的空气进行冷却;
空调设备500,其室内机部分位于相对封闭空间的室内,用于对流经空调风道Tout-a的空气进行冷却;
控制系统600,用于控制三通阀门300,调整由进风风道Tin进入的高温空气进入室外换热风道Tout-t和/或空调风道Tout-a的流量。
其中,经由室外的换热设备400释放热量后的空气重新回到电力设备机房内;经由室内的空调设备500释放热量后的空气始终在电力设备机房内循环。
以下分别对本实施例电力设备机房的散热系统的各个组成部分进行详细描述。
变频器机柜102的顶部安装有离心风机101,离心风机101将变频器机柜外的低温空气吸入到变频器机柜102内,冷却IGBT、变压器等发热器件。吸收热量后的高温空气进入到集热罩200。
高温空气在集热罩被收集后,到达三通阀门300,三通阀门300的主要作用是根据控制系统的信号进行开度调节,调整空气进入室外换热风道Tout-t和/或空调风道Tout-a的流量,在保证变频器温度的同时,最大限度的节约空调的能耗。
本实施例中,换热设备400为微尺度换热器,其安装于电力设备机房的外侧。微尺度换热器的蒸发端401放置于室外换热风道Tout-t中,室外换热风道Tout-t中的空气在离心风机101的驱动下,流过蒸发端401,冷凝端403直接放置于室外环境,用于将电力设备机房的热量释放到室外环境中,在蒸发端401和冷凝端403之间设有中间隔板405,用于防止室内高温空气和室外低温空气之间的混合。
微尺度换热器400由多根并联的填充工质的金属中空管组成,金属中空管的下半部分为蒸发端401,上半部分为冷凝端403,中间以中间隔板405作为分界。室外换热风道Tout-t中的高温空气流经微尺度换热器的蒸发端401,微尺度换热器吸收热量后,金属中空管内部的工质发生汽液相变,将热量无动力地驱动到微尺度换热器的冷凝端403,在冷凝端工质冷凝后变成液体回流到蒸发端401。在冷凝端403的外侧安装有轴流风扇,用于将热量及时的从微尺度换热器的冷凝端403传递到周围的空气中。
在金属中空管下半部分的蒸发端401的外表面通过胀管的方式安装有多个翅片402,用于增加外表面与高温空气的换热面积,并增加对空气扰动,由此提高空气侧的对流换热系数。
本实施例中,金属中空管的数量需要根据电力设备机房的功率确定,可以由1根到多根组成。
图2为图1所示微尺度换热器中一根金属中空管的横截面示意图。如图2所示,金属中空管内部具有2-200μm的微槽道,用于强化换热。
图3为图1所述换热设备的局部放大图。如图3所示,多根金属中空管通过底部的母管404并联在一起封装,由此实现封装的便利性,减少封装成本,也可形成多排中空管阵列,增加系统的传热量。单根金属中空管的外径介于3-20mm之间,壁厚介于0.1-2mm之间,长度根据变频器的高度和功率确定介于100-3000mm的范围内,这种尺寸的微尺度换热器有利于实现最佳的传热性能。图3中,中间隔板405防止室外换热风道Tout-t中的室内高温空气与流经冷凝端403的室外环境中的低温空气发生质量传递,中间隔板405下部为蒸发端401,上部为冷凝端403。
微尺度换热器表面翅片402的数量和翅片尺寸也是根据变频器机柜的功率确定,轴流风扇的风量及风压的选择亦需要根据变频器机柜的实际工作情况确定。微尺度换热器中的工质根据变频器机柜的种类以氟利昂、丙酮、乙醇、水为主。
本实施例中,为简单起见,将三通阀门300设置在以下两工作状态之间切换:
第一工作状态,进风风道Tin与室外换热风道Tout-t相连通,进风风道Tin与空调风道Tout-a不连通;
第二工作状态,进风风道Tin与空调风道Tout-a相连通;进风风道Tin与室外换热风道Tout-t不连通。
控制系统600可以根据季节不同来人工控制三通阀门300的流通方式,具体来说,对于本实施例的电力设备机房的散热系统:
(1)在温度较低的春秋冬季节,控制三通阀门300工作于第一工作状态,即将进风风道Tin与室外换热风道Tout-t相连通,进风风道(Tin)与空调风道(Tout-a)不连通。
此时,高温空气通过室外换热风道Tout-t输送到室外的换热设备400的蒸发端401,高温空气中携带的热量释放给微尺度换热器后温度降低,重新进入到电力设备机房;
(2)在温度较高的夏季,控制三通阀门300工作于第二工作状态,即将进风风道Tin与空调风道Tout-a相连通,进风风道(Tin)与室外换热风道(Tout-t)不连通;同时,控制空调设备开启。
此时,高温空气通过空调风道Tout-a输送到内的空调设备500,由空调对高温空气进行降温后,低温空气继续在电力设备机房内循环。
本领域技术人员应当清楚,除了通过控制系统来控制三通阀门300的连通方向之外,也可以通过人工的方式控制三通阀门的连通方向。
此外,控制系统也可以通过温度传感器获得的信息来更加智能地控制三通阀门300的流通方式。例如,控制系统600包括:
室外温度传感器,用于获取电力设备机房的室外温度tout
室内温度传感器,用于获取电力设备机房的室内温度tin
控制逻辑模块,用于根据室外温度tout和室内温度tin,调节三通阀门300的连通方向/开度与空调设备500的启停,实现三通阀门300与空调设备500的自适应运行,具体而言:
(1)当tin-tout>5℃,且tout<25℃时,控制三通阀门将进风风道Tin与室外换热风道Tout-t相连通,高温空气通过室外换热风道Tout-t输送到室外的换热设备400的蒸发端401,高温空气中携带的热量释放给微尺度换热器后温度降低,重新进入到电力设备机房;
(2)当tin-tout≤5℃或tout≥25℃时,控制三通阀门将进风风道Tin与空调风道Tout-a相连通,控制空调设备开启,高温空气通过空调风道Tout-a输送到内的空调设备500,由空调对高温空气进行降温后,低温空气继续在电力设备机房内循环。
需要说明的是,虽然本实施例中是选择室外换热风道Tout-t和空调风道Tout-a的其中之一工作,但本公开并不以此为限。在本公开的其他实施例中,还可以是根据环境情况计算分配比例,按照分配比例在室外换热风道Tout-t和空调风道Tout-a之间来分配风量,同样可以实现本公开,部分地解决本公开的技术问题,也应当在本公开的保护范围之内。
本实施例散热系统中,微尺度换热器仅将变频器机柜内部产生的热量传递给机房外的空气,最大程度上利用了环境中的自然冷源,并且机房内外并没有发生空气的质量交换,在控制变频器机柜内部电子元器件温度的同时,从根本上避免了由于变频器机柜机房内外空气发生交换而带来的电子器件污染问题。
至此,已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是,在附图或说明书正文中,未绘示或描述的实现方式,均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式,并未进行详细说明。此外,上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式,本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换,例如:除了电力设备机房外,数据中心机房、楼宇新风系统等相对封闭空间均可采用本公开的技术方案。
依据以上描述,本领域技术人员应当对本公开相对封闭空间的散热系统有了清楚的认识。
综上所述,本公开提供一种借助于微尺度换热器将相对封闭空间内部的热量高效的传递到相对封闭空间外部,在不产生相对封闭空间内外空气交换的条件下,降低相对封闭空间内部电子元器件温度。由于相对封闭空间内外的空气不产生流动交换,可以有效保证相对封闭空间内部的洁净度。在温度较低的冬季可以关闭空调的运行,在春秋季节可以部分节省空调的能耗,有效节省空调的耗电及初投资,具有较好的经济价值。
还需要说明的是,贯穿附图,相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时,将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例,而仅示意本公开实施例的内容。另外,在权利要求中,不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
除非有所知名为相反之意,本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值,能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言,所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字,应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下,其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10%的变化、在一些实施例中±5%的变化、在一些实施例中±1%的变化、在一些实施例中±0.5%的变化。
再者,单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
类似地,应当理解,为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个,在上面对本公开的示例性实施例的描述中,本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而,并不应将该公开的方法解释成反映如下意图:即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说,如下面的权利要求书所反映的那样,公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此,遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式,其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例,对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本公开的具体实施例而已,并不用于限制本公开,凡在本公开的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种相对封闭空间的散热系统,包括:
三通阀门(300),其进风口经由进风风道(Tin)连通至相对封闭空间;其第一出风口连通室外换热风道(Tout-t);其第二出风口连通空调风道(Tout-a);
换热设备(400),位于相对封闭空间的室外,用于对流经室外换风风道(Tout-t)的空气进行冷却;
空调设备(500),其室内机部分位于相对封闭空间的室内,用于对流经空调风道(Tout-a)的空气进行冷却;
其中,经由室外的换热设备(400)释放热量后的空气经由室外换风风道(Tout-t)重新回到相对封闭空间的室内;经由空调设备(500)释放热量后的空气始终在相对封闭空间内循环。
2.根据权利要求1所述的散热系统,所述三通阀门(300)被设置在以下两工作状态之间切换:
第一工作状态,进风风道(Tin)与室外换热风道(Tout-t)相连通,进风风道(Tin)与空调风道(Tout-a)不连通;
第二工作状态,进风风道(Tin)与空调风道(Tout-a)相连通;进风风道(Tin)与室外换热风道(Tout-t)不连通。
3.根据权利要求1所述的散热系统,其中:
在春秋冬季节,所述三通阀门(300)被设置工作于第一工作状态;
在夏季,所述三通阀门(300)被设置工作于第二工作状态。
4.根据权利要求1所述的散热系统,还包括:
控制系统(600),用于通过控制三通阀门(300)来调整由进风风道(Tin)进入的空气进入室外换热风道(Tout-t)和/或空调风道(Tout-a)的流量。
5.根据权利要求4所述的散热系统,所述控制系统(600)包括:
室外温度传感器,用于获取相对封闭空间的室外温度tout
室内温度传感器,用于获取相对封闭空间的室内温度tin
控制逻辑模块,用于根据室外温度tout和室内温度tin,调节三通阀门(300)的连通方向和/或开度,和空调设备(500)的启停。
6.根据权利要求5所述的散热系统,所述控制逻辑模块执行如下控制逻辑:
(1)当tin-tout>5℃,且tout<25℃时,控制三通阀门(300)工作于第一工作状态:将进风风道(Tin)与室外换热风道(Tout-t)相连通,进风风道(Tin)与空调风道(Tout-a)不连通;
(2)当tin-tout≤5℃或tout≥25℃时,控制三通阀门(300)工作于第二工作状态:将进风风道(Tin)与空调风道(Tout-a)相连通;进风风道(Tin)与室外换热风道(Tout-t)不连通。
7.根据权利要求1所述的散热系统,其中,所述换热设备(400)为微尺度换热器;
所述微尺度换热器的蒸发端(401)设置于室外换热风道(Tout-t)中;冷凝端(403)设置于室外环境。
8.根据权利要求7所述的散热系统,其中:
所述微尺度换热器由多根并联的填充工质的金属中空管组成,金属中空管的下半部分为蒸发端(401),上半部分为冷凝端(403),中间以中间隔板(405)作为分界;和/或
所述金属中空管的外径介于3-20mm之间,壁厚介于0.1-2mm之间,长度介于100-3000mm之间,所述金属中空管的内部具有2-200μm的微槽道,用于强化换热;和/或
在冷凝端(403)的外侧安装有轴流风扇,用于将热量及时的从微尺度换热器的冷凝端(403)传递到周围环境中;和/或
在蒸发端(401)的外表面通过胀管的方式安装有多个翅片(402),用于增加外表面与高温空气的换热面积。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的散热系统,还包括:
集热罩(200),设置于相对封闭空间的发热设备的上方,用于将发热设备产生的热空气进行收集,并导入所述进风风道(Tin);和/或
离心风机(101),设置于所述发热设备的上方,用于利用其产生的吸力,将低温空气至发热设备,并将吸收热量后的高温空气导入至所述集热罩(200)。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的散热系统,其中,所述相对封闭空间为:电力设备机房、数据中心机房或楼宇新风系统。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN107575976A (zh) * 2017-10-10 2018-01-12 中国科学院工程热物理研究所 相对封闭空间的散热系统

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