DE10160701A1 - Tank für unter Druck stehende Flüssigkeiten oder/und Gase - Google Patents

Tank für unter Druck stehende Flüssigkeiten oder/und Gase

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Tank für unter Druck stehende Flüssigkeiten oder/und Gase. Erfindungsgemäß sind mehrere Behälter (1, 2) vorgesehen, von denen wenigstens zwei ineinander verschachtelt sind, wobei die Innenwandseite des äußeren Behälters und die Außenwandseite des inneren Behälters unter Druck stehen. Eine alternative Erfindungslösung sieht eine Anordnung aus mehreren Behältern mit jeweils einer Behälterform vor, welche gegenüber der Umrissform der Behälteranordnung eine höhrere spezifische, auf das Füllvolumen und die Behälterwandstärke bezogene Druckbelastung zulässt.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Tank für unter Druck stehende Flüssigkeiten oder/und Gase, z. B. für Wasserstoffgas, das einer Brennstoffzelle oder einem Verbrennungsmotor zugeführt wird.
  • Ein solcher in ein Fahrzeug einzubauender oder auch stationärer, Tank sollte je Volumeneinheit eine möglichst große Gasmenge aufnehmen können. Bekanntlich hängt das Fassungsvermögen eines Gastanks bei gegebenem Füllvolumen von seiner Druckfestigkeit ab. Je höher der Innendruck ist, dem der Tank widersteht, umso mehr Gasmasse lässt sich darin unterbringen. Maßgebend für die Druckfestigkeit eines Tankbehälters ist neben den Festigkeitseigenschaften des Behälterwandmaterials und der Behälterform die Behälterwandstärke. Nachteilig führen Verstärkungen der Behälterwand abhängig vom Wandmaterial in vielen Fällen nicht zu einer adäquaten Erhöhung der Druckfestigkeit.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen neuen Tank mit erhöhtem Fassungsvermögen bei verbesserter Betriebssicherheit zu schaffen.
  • Der neue Tank ist durch mehrere Behälter gekennzeichnet, von denen wenigstens zwei ineinander verschachtelt sind, wobei die Innenwandseite des äußeren Behälters und die Außenwandseite des inneren Behälters unter Flüssigkeits- bzw. Gasdruck stehen.
  • Erfindungsgemäß wird der innere Behälter durch den an seiner Außenwand anliegenden Druck Pa entlastet. Der maximale Innendruck, dem der innere Behälter widerstehen kann, ist gegenüber dem maximalen Innendruck ohne die Entlastung daher um Pa erhöht. Entsprechend steigt das Fassungsvermögen des inneren Behälters. Der Zwischenraum zwischen dem äußeren Behälter und dem inneren Behälter kann sehr eng sein. In Fällen, in denen sich die Druckfestigkeit mit wachsender Behälterwandstärke nicht adäquat erhöht, ergibt sich durch die verschachtelten Behälter daher ein insgesamt höheres Fassungsvermögen, gegenüber einem Tank mit einem einzigen Behälter, dessen Wandstärke gleich der Summe der Wandstärken des äußeren und inneren Behälters ist. Entsprechend ergeben sich trotz Schachtelung ein Gewichts- und ein Kostenvorteil.
  • Letzterer Vorteil wirkt sich vor allem dann aus, wenn die Behälterwände durch einen Verbund verschiedener Materialien, insbesondere einen Kohlenstofffaser-Polymer- Verbund, gebildet sind.
  • Die einzelnen Behälter des Tanks können über Ventile mit einer einzigen Tanköffnung verbindbar sein, wobei je nach Verschachtelung die Verbindungsleitung zum inneren Behälter durch die Behälterwand der jeweiligen äußeren Behälter zu führen ist.
  • Während es denkbar wäre, mehr als zwei Behälter ineinander zu verschachteln, sind in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mehrere innere Behälter unverschachtelt innerhalb eines einzigen Außenbehälters angeordnet.
  • Zweckmäßig stehen die mehreren inneren Behälter untereinander in Verbindung, so dass von den inneren Behältern nur eine einzige Ausgangsleitung durch die Wand des äußeren Behälters geführt zu werden braucht.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der innere Behälter bzw. weisen die inneren Behälter eine Form auf, die bei gegebenem Wandmaterial gegenüber der Form des äußeren Behälters eine höhere spezifische, auf das Füllvolumen und die Behälterwandstärke bezogene Druckbelastung zulässt. Während der äußere Behälter z. B. an eine diesbezüglich nachteilige Quaderform oder eine andere, z. B. durch einen Einbauraum für den Tank vorgegebene Form angenähert sein kann, weisen die inneren Behälter vorzugsweise eine Kugel- oder/und Zylinderform auf. Z. B. können die Behälter wie Gasflaschen zylindrisch mit kugelförmigen Endstirnflächen geformt sein. Es versteht sich, dass die oben erwähnte Behälterwandstärke die Festigkeitseigenschaften des Wandmaterials einschließt.
  • Die Anordnung von inneren Behältern sollte im Hinblick auf ein großes Tankfassungsvermögen in ihren Umrissen so weit wie möglich an die Form des äußeren Behälters angepasst sein. Um eine solche Anpassung zu erreichen, lassen sich innere Behälter unterschiedlicher Größe und Geometrie verwenden.
  • In dem oben erwähnten Verbund aus verschiedenen Materialien ist eine Behälterwand vorzugsweise unter Umwicklung eines das Füllvolumen umgebenden Trägers gebildet.
  • Das Wickelmaterial können Kunststoffstränge bilden, in die Kohlefasern eingebettet oder die mit Kohlefasern verdrillt oder sonst wie verbunden sind. Der Träger kann z. B. ein im Behälter der Innenwandabdichtung dienender Kunststoffballon sein.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Überwachungseinrichtung vorgesehen, welche Änderung der Relation des Drucks an der Außenwandseite des inneren Behälters zum Druck an dessen Innenwandseite erfasst. Lecks in einem der Behälter lassen sich so frühzeitig erkennen. Eine mit der Überwachungseinrichtung verbundene Steuereinrichtung kann bei Abweichung der Druckrelation von einem vorgegebenen Wert ein elektromechanisches Auslassventil aktivieren, dass für eine schnelle Entleerung des Tanks sorgt.
  • Der verbesserten Betriebssicherheit dient ein Überwachungssystem, das eine den äußeren Behälter umgebende Hülle und einen in der Hülle angeordneten Sensor aufweist, welcher aus dem äußeren Behälter in die Hülle austretendes Gas oder austretende Flüssigkeit registriert. Als ein solcher Sensor kommt ein Drucksensor oder ein auf das Fluid als solches reagierendes Element in Betracht.
  • Neben einer sensorgesteuerten Betätigung von elektromechanischen Auslassventilen kann ferner eine Notauslasseinrichtung vorgesehen sein, die rein mechanisch öffnet, wenn die Druckrelation zwischen den Behältern oder der Druck in einem der Behälter vorbestimmte Abweichungen aufweist.
  • Eine alternative Lösung der oben erwähnten Aufgabe bietet ein Tank für unter Druck stehende Flüssigkeiten und Gase, der gekennzeichnet ist durch eine Anordnung aus mehreren Behältern mit jeweils einer Behälterform, welche gegenüber der Umrissform der Behälteranordnung eine höhere spezifische, auf das Füllvolumen und die Behälterwandstärke bezogene Druckbelastung zulässt.
  • Das Fassungsvermögen eines solchen Tanks kann größer sein als dasjenige eines einzigen Tanks aus nur einem Behälters, der in seiner Form an die genannte Umrissform angepasst ist.
  • Die Umrissform wird sich nach der Form verfügbarer Tankeinbauräume richten.
  • Die Erfindung soll nun anhand von Ausführungsbeispielen und der beiliegenden, sich auf diese Ausführungsbeispiele beziehenden Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
  • Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel für einen Wasserstoffgastank nach der Erfindung mit einem äußeren Tankbehälter und mehreren, verschachtelt in dem äußeren Behälter untergebrachten inneren Tankbehältern,
  • Fig. 2 ein Detail des Tanks von Fig. 1,
  • Fig. 3 ein weiteres Detail des Tanks von Fig. 1,
  • Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel für einen Tank nach der Erfindung mit zwei kugelförmigen, ineinander verschachtelten Tankbehältern, und
  • Fig. 5 ein drittes Ausführungsbeispiel für einen Tank nach der Erfindung, der durch eine Anordnung aus drei kugelförmigen Tankbehältern gebildet ist.
  • Gemäß Fig. 1 sind ein äußerer Tankbehälter 1 und eine Anordnung aus sechs Tankbehältern 2 ineinander verschachtelt. Zwischen den Füllräumen der Tankbehälter 2 bestehen Leitungsverbindungen 3. Abweichend von der Schemadarstellung in Fig. 1 weist der Tankbehälter sich leicht nach innen wölbende Wände auf.
  • An den äußeren Tankbehälter 1 ist eine Leitung 4 angeschlossen, die sich dreifach verzweigt. Eine der Zweigleitungen führt zu einem elektromechanisch betreibbaren Ein-/Auslassventil 5, von dem eine Leitung b abgeht, die zu einem Verbraucher führt. Am Ende einer weiteren Zweigleitung ist ein Auslassventil 7 angeordnet. Eine dritte Zweigleitung führt zu einer Notauslasseinrichtung 8, von der ein Abblasrohr 9 wegführt.
  • An die Anordnung untereinander verbundener Tankbehälter 2 ist eine Leitung 10 angeschlossen, die Druckdicht durch die Behälterwand des äußeren Tankbehälters 1 geführt ist und sich dreifach verzweigt. Ein erster Zweig endet an einem wie das Ventil 5 elektromechanisch betreibbaren Ein-/Auslassventil 11, von dem eine weitere, zu einem Verbraucher führende Leitung 12 abgeht. Die Leitung 12 und die Leitung 6 sind an einer gemeinsamen Tanköffnung (nicht gezeigt) zusammengeführt. Eine zweite Verzweigung der Leitung 10 endet an einem Auslassventil 18 und eine dritte Zweigleitung an der Notauslasseinrichtung 8.
  • Bei 13 und 14 sind Drucksensoren angeordnet, von denen der Sensor 13 den Gasdruck im äußeren Tankbehälter 1 und der Sensor 14 den Gasdruck in den inneren Tankbehältern 2 misst.
  • Den äußeren Tank, die Ventile 5 und 11 sowie die Notauslasseinrichtung 8 umgibt eine flexible Umhüllung 15, innerhalb der ein weiterer Sensor 16 zum Aufspüren von Gas angeordnet ist, welches aus dem Tankbehälter 1 in die flexible Umhüllung 15 hinein austritt.
  • Die flexible Umhüllung 15 umgibt ein geschnürtes Netz (nicht gezeigt), gegen das sich die Umfüllung ausdehnen kann, wobei die Netzschnürung gestrafft wird. Die Straffung ließe sich zur Betätigung eines Notauslassventils nutzen.
  • Die Sensoren 13, 14 und 1b sind mit einer Steuereinrichtung 17 verbunden, welche Signale der Sensoren empfängt und auswertet. Über die Steuereinrichtung 17 lassen sich die Ein-/Auslassventile 5 und 11 sowie die Auslassventile 7 und 18 betätigen.
  • Wie aus Fig. 2 hervorgeht, stehen von den kugelförmigen Wänden 19 der miteinander verbundenen Tankbehälter 2 jeweils Verbindungsansätze 20 vor, die über ihre ebenen, durch eine Strichlinie 21 angedeuteten Stirnflächen miteinander verschweißt sind.
  • Koaxial zu den Verbindungsansätzen 20 sind in den Behälterwänden Durchgänge gebildet, in welche zur Verstärkung der Verbindungen 3 eine Metallhülse 22 mit Aufweitungen 23 an beiden Enden eingeführt ist.
  • Aus Fig. 3 geht die genauere Struktur der Behälterwände 19 hervor. Auf eine gasdichte Innenlage 24 aus einem Kunststoff sind sich kreuzend aus Kohlefasern und Kunststoff bestehende Fadenstränge aufgewickelt, wobei die Stränge untereinander unter Bildung einer durchgehenden Außenlage 25 miteinander verschweißt sind. Eine Schweißverbindung ist ferner zwischen der Außenlage 25 und der Innenlage 24 hergestellt. Die Verschweißung der Stränge und Lagen erfolgte in dem gezeigten Ausführungsbeispiel durch intervallweise Temperung u. a. unter Einwirkung von Infrarotstrahlung auf die gebildeten Wicklungen.
  • Eine ähnliche Wandstruktur wie die Tankbehälter 2 weist auch der Außenbehälter 1 auf. Von den Behälterinnenwänden des Tankbehälters 1 erstrecken sich als Zuganker wirkende Stränge 26. Die Stränge 26 sind Teil eines Haltegerüsts, in welches die Anordnung von Tankbehältern 2 federnd eingehängt ist. Bei der Herstellung des Tankbehälters 1 bildet das Haltegerüst einen Träger, der wie die Innenlage 24 mit Kohlefasern enthaltenden Fadensträngen umwickelt wird. Vorzugsweise besteht das Haltegerüst aus schlaufenarfig in der Form einer Acht gebogenen Strängen.
  • Zum Befüllen des vorangehend beschriebenen Tanks mit Wasserstoff, der z. B. zum Betrieb einer Brennstoffzelle dient, wird das Gas zunächst über die genannte gemeinsame Tanköffnung bei geöffneten Ein-/Auslassventilen 5 und 11 sowohl in den Tankbehälter 1 als auch in den Tankbehälter 2 eingefüllt, bis im Tankbehälter 1 der maximal zulässige Druck Pm1 erreicht ist. Das Ein-/Auslassventil 5 wird dann geschlossen und die Befüllung der Tankbehälter 2 bis zum maximal zulässigen Druck Pm2 in den Tankbehältern 2 fortgeführt.
  • In dem betreffenden Ausführungsbeispiel sind die Wandfestigkeiten des Tankbehälters 1 und der Tankbehälter 2 so bemessen, dass der maximale Innendruck Pm2', dem die miteinander verbundenen Tankbehälter 2 als solche ohne Außendruckbeaufschlagung widerstehen, gleich dem maximalen Innendruck Pm1 ist. Da der Druck Pm1 die Tankbehälter 2 entlastet, gilt: Pm2 = 2 × Pm1.
  • Während der Entnahme von Wasserstoffgas aus dem Tank sind die Ein-/Auslaßventile 5 und 11 geöffnet und so eingestellt, dass die dem Tankbehälter 1 und der Anordnung aus den Tankbehältern 2 entnommenen Gasmengen in einem solchen Verhältnis stehen, dass sich das Verhältnis der Innendrücke des Tankbehälters 1 und der Tankbehälter 2 nicht ändert. Diese Drücke werden durch die Sensoren 13 und 14 ständig gemessen und in der Steuereinrichtung 17 ausgewertet. Weicht das Verhältnis der Drücke, das hier 1 : 2 beträgt, um einen vorgegebenen Betrag von diesem Sollwert ab, so deutet dies auf eine Undichtigkeit z. B. in der Anordnung von Tankbehältern 2 hin. Je nach Ausmaß der Abweichung kann die Steuereinrichtung die Auslassventile 7 und 18 betätigen, wobei zuerst das Auslassventil 18 geöffnet wird. Hat der Druck in den inneren Tankbehältern 2 den Druck im äußeren Tankbehälter 1erreicht, so wird auch das Auslassventil 7 geöffnet und das Gas aus dem Tankbehälter über beide Ventile weiter abgeblasen.
  • Dieser Abblasvorgang kann durch die Steuereinrichtung 17 auch eingeleitet werden, wenn der Gassensor 16 aus dem äußeren Tankbehälter 1 infolge Undichtigkeit in die flexible Umhüllung 15 austretendes Gas registriert.
  • Bei Fehlfunktion der elektronischen Abblassteuerung sorgt die mechanische Notauslasseinrichtung 8 für ein Abblasen des Gases aus dem Tank, die z. B. dann anspricht, wenn der Druck im Tankbehälter 1 infolge Undichtigkeit der Tankbehälter 2 einen zulässigen Wert überschreitet.
  • Es versteht sich, dass die Behälter 1 und 3 auch nacheinander und abwechselnd entleert werden können, wobei dem Behälter 1 eine Reservetankfunktion zu kommt.
  • Es wird nun bezug auf Fig. 4 genommen, wo gleiche oder gleichwirkende Teile mit der gleichen Bezugszahl wie bei dem vorangehenden Ausführungsbeispiel bezeichnet sind, wobei dieser Bezugszahl jeweils der Buchstabe a beigefügt ist.
  • Das Ausführungsbeispiel von Fig. 4 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 bis 3 unter anderem dadurch, dass nur zwei Behälter 1a und 2a ineinander verschachtelt sind, wobei sowohl der äußere Behälter 1a als auch der innere Behälter 2a kugelförmig ausgebildet ist. Der innere Behälter 2a dient zur Aufbewahrung eines giftigen Gases, welches über ein Ventil 5a in den inneren Behälter 2a bis zum maximalen Druck Pm2 eingefüllt wird. Der äußere Behälter 1a in dem betreffenden Ausführungsbeispiel Stickstoffgas bis zum maximalen Druck Pm1 auf. Auch hier soll gelten: Pm2 = 2Pm1. Natürlich können die Drücke von diesem Verhältnis abweichen. Ferner wäre es denkbar, dass der Druck Pm1 kleiner als der äußere Luftdruck ist und z. B. gegen Null geht. Ein im äußerem Tankbehälter 1a angeordneter Sensor 27 spürt giftiges Gas auf, dessen Existenz im Stickstoffgas auf eine Undichtigkeit des inneren Behälters 2 hinweist.
  • Abweichend von der beschriebenen Verwendung könnte der Innenbehälter 2 z. B. auch zur Aufbewahrung von flüssigen Gasen, z. B. Helium oder Wasserstoff, dienen, wobei der Außenbehälter 1, der gegebenenfalls mit Wärmetauschern versehen ist, für eine thermische Isolation des verflüssigten Gases sorgt. Durch z. B. vier bis zehn ineinander geschachtelte Behälter ergibt sich für flüssige Gase im innersten Behälter eine wirksame, Kondensation auf dem Außenbehälter vermeidende Isolation mit einer vorteilhaften Temperatur- und Druckabstufung von Behälter zu Behälter. Die Gasentnahme kann stufenweise über die einzelnen Behälter erfolgen.
  • Es wird nun bezug auf Fig. 5 genommen, wo gleiche oder gleichwirkende Teile mit derselben Bezugszahl wie bei den vorangehenden Ausführungsbeispielen bezeichnet sind und der betreffenden Bezugszahl jeweils der Buchstabe b beigefügt ist.
  • In dem Ausführungsbeispiel von Fig. 5 ist ein Tank aus insgesamt drei, bei 3b miteinander verbundenen Tankbehältern 28 bis 30 gebildet. Die kugelförmigen Tankbehälter 28 bis 30 sind in der gleichen Weise auch unter Wicklung von Kunststoff-Kohlenfasersträngen hergestellt wie die Tankbehälter 2 des Ausführungsbeispiels von Fig. 1 bis 3. Es könnten auch andere Materialien verwendet werden.
  • Die aus den drei unterschiedlichen Behältern 28 bis 30 gebildete Anordnung ist in ihren Umrissen an einen Einbauraum 31 angepaßt, der z. B. innerhalb einer Fahrzeugkarosserie gebildet ist. Aufgrund der in bezug auf Druckbelastung vorteilhaften Kugelform der einzelnen Tankbehälter 27 bis 30 wird der Einbauraum 31 besser genutzt als durch einen Tank, der nur aus einem Behälter besteht, dessen Konturen an den Einbauraum 31 angepaßt sind.
  • Es versteht sich, dass die vorangehend beschriebenen Tanks nicht auf Verwendung für die genannten Substanzen beschränkt und auch für andere Substanzen verwendbar sind, wobei selbst innerhalb eines Tanks unterschiedliche Flüssigkeiten oder/und Gase aufbewahrt werden können.

Claims (17)

1. Tank für unter Druck stehende Flüssigkeiten oder/und Gase, gekennzeichnet durch mehrere Behälter (1, 2), von denen wenigstens zwei ineinander verschachtelt sind, wobei die Innenwandseite des äußeren Behälters (1) und die Außenwandseite des inneren Behälters (2) unter Flüssigkeit- bzw. Gasdruck stehen.
2. Tank nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Behälter (1, 2) mit einer einzigen Tanköffnung verbindbar sind.
3. Tank nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Behälter (2) unverschachtelt untereinander verbunden und innerhalb eines einzigen äußeren Behälters (1) angeordnet sind.
4. Tank nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren inneren Behälter (2) untereinander in Verbindung stehen.
5. Tank nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenbehälter (2) eine Form aufweist, die gegenüber der Form des äußeren Behälters eine höhere spezifische, auf das Füllvolumen und die Behälterwandstärke bezogene Druckbelastung zulässt.
6. Tank nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Behälter (2) eine Kugel- oder/und Zylinderform oder eine an diese Formen angenäherte Form aufweist.
7. Tank nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anordnung von mehreren inneren Behältern (2) in ihren Umrissen an die Form des äußeren Behälters (1) angepasst ist.
8. Tank nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Behälterwand durch einen Verbund aus verschiedenen Materialien gebildet ist.
9. Tank nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kohlenstofffaser-Polymer-Verbund gebildet ist.
10. Tank nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Behälterwand (19) unter Umwicklung eines das Füllvolumen umgebenden Trägers (24, 26) mit, vorzugsweise untereinander zu verschweißenden, insbesondere Kohlefaser enthaltenden, Strängen gebildet ist.
11. Tank nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (26) durch flexible, in der Form einer Acht gebogene Stränge gebildet ist.
12. Tank nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Überwachungseinrichtung (13, 14, 17) vorgesehen ist, welche Änderungen der Relation des Drucks an der Wandaußenseite des inneren Behälters und zum Druck an dessen Wandinnenseite erfasst.
13. Tank nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Überwachungseinrichtung (15 bis 17) vorgesehen ist, welche ein den äußeren Behälter (1) umgebende Umhüllung (15) und einen in der Umhüllung angeordneten Sensor (16) aufweist, welcher aus dem äußeren Behälter (1) in die Umhüllung (15) austretende Flüssigkeit oder austretendes Gas registriert.
14. Tank nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Umhüllung (15) gegen ein geschnürtes Netz unter Spannung der Netzschnürung ausdehnbar ist.
15. Tank nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinrichtung (13, 14, 17; 15, 16, 17) mit einer die elektromechanischen Auslassventile (7, 18) aktivierenden Steuereinrichtung (17) verbunden ist.
16. Tank nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine auf Änderung des Drucks im äußeren oder/und inneren Behälter reagierende, durch Druckkraft mechanisch öffnende Notauslasseinrichtung (8) vorgesehen ist.
17. Tank für unter Druck stehende Flüssigkeiten oder/und Gase, gekennzeichnet durch eine Anordnung aus mehreren Behältern (28 bis 30) mit jeweils einer Behälterform, welche gegenüber der Umrissform der BehäIteranordnung eine höhere spezifische, auf das Füllvolumen und die Behälterwandstärke bezogene Druckbelastung zulässt.
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