DE1183987B - Elektrischer Waermeschalter mit zwei gasgefuellten Hohlkoerpern an den Enden eines mit fluessigem Metall gefuellten Rohres - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: H 02 c

Deutsche Kl.: 21c-40/05

Nummer: 1183 987

Aktenzeichen: T 16431 VIII d/21 c

Anmeldetag: 20. März 1959

Auslegetag: 23. Dezember 1964

Elektrischer Wärmeschalter mit zwei gasgefüllten Hohlkörpern an den Enden eines mit flüssigem
Metall gefüllten Rohres

Anmelder:
Telefunken

Patentverwertungsgesellschaft m. b. H.,
Ulm/Donau, Elisabethenstr. 3

Als Erfinder benannt:
Dr. Hans Awender, Berlin-Nikolassee;
Erhard Becker, Berlin-Lichtenrade;
Manfred Franke, Berlin-Lankwitz

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Wärmeschalter mit zwei gasgefüllten Hohlkörpern an den Enden eines teilweise mit flüssigem Metall als bewegliches Schaltmittel gefüllten Rohres, vorzugsweise Kapillarrohres, und mit einem innerhalb der Gasfüllung des ersten Hohlkörpers befindlichen und unmittelbar auf diese einwirkenden Heizkörper sowie einem Mittel zur Vorbereitung der Rückführung des beweglichen Schaltmittels durch Erwärmung des zweiten Hohlkörpers.

Derartige Schalter können als Thermorelais benutzt werden, indem beispielsweise dem einen Gasraum Wärme durch elektrische Heizung zugeführt wird. Sie können aber auch zur Überwachung von Wärmevorgängen benutzt werden, indem beispiels-

weise der eine Gasraum mit einem Körper veränder-

licher Temperatur in Kontakt gebracht wird und da- _

durch die Verlagerung des flüssigen Metalls in dem

rohrförmigen Verbindungskörper zwischen den bei- Hohlkörpers am anderen Ende des Rohres kalt geden Gasräumen gesteuert wird. Wenn man den einen 20 blieben ist.

Gasraum z. B. über geeignete optische Hilfseinrich- Für einen schnell arbeitenden Schalter ergibt sich

daher die Aufgabe, diese unerwünschte Ausschaltverzögerung nach Möglichkeit zu verringern. Dadurch soll jedoch weder die Ansprechempfindlichkeit verringert noch die Einschaltverzögerung vergrößert werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist es bereits bekannt, in den unter der Heizwirkung sich füllenden Verdrängungsraum eine elastische Membran einzubauen,

den Schalter eine verhältnismäßig große Trägheit der 30 welche durch das Quecksilber gespannt wird. Die Arbeitsweise besitzen, welche Verzögerungen beim Spannung der Membran bewirkt, daß nach dem Aus-Einschaltvorgang und beim Ausschaltvorgang zur schalten der Heizung das Quecksilber schneller in Folge haben. Die Einschaltverzögerung kann dadurch seine Ruhelage zurückkehrt. Durch diese Maßnahme verhältnismäßig klein gehalten werden, daß man wird jedoch die Ansprechempfindlichkeit des Schalinnerhalb des ersten Gasraumes einen unmittelbar 35 ters verringert.

auf die Gasfüllung einwirkenden Heizkörper anord- Bei einem mit Aktivkohle als Gasspeicher in den

net, der entweder als Widerstandsdraht durch elek- beiden Hohlkörpern arbeitenden Wärmerelais ist es trischen Strom oder als Absorptionskörper durch die auch bekannt, zur Erzielung einer gewissen Unsymauf ihm vereinigte Strahlung geheizt wird. Wenn die metrie der Ruhelage des Quecksilbers den zweiten Gasfüllung in dem ersten Hohlraum durch den er- 40 Hohlkörper vorzuheizen. Nachteilig sind dabei der wähnten Heizkörper längere Zeit erwärmt worden ist, durch die Vorheizung bedingte Stromverbrauch und geht auch Wärme auf die Wandung des die Gasfül- die Herabsetzung der Ansprechempfindlichkeit sowie lung umgebenden Hohlkörpers über. Die Wärme- die Vergrößerung der Einschaltverzögerung. Bei dem kapazität dieses Hohlkörpers ist erheblich größer als gleichen Relais wurde auch zur Begrenzung der Ausdie des Gases, was bei allen derartigen Schaltern zu 45 lenkung des Quecksilberfadens ein besonderer, bei einer unerwünschten Verzögerung des Ausschalt- der maximalen Auslenkung geöffneter Kontakt bevorganges führt. Wird nämlich die primäre Heizung nutzt, um den Heizstrom für den Heizwiderstand des durch den im ersten Gasraum befindlichen Heizkör- ersten Hohlkörpers auszuschalten. Mit dieser Anordper unterbrochen, so kehrt das flüssige Metall nur nung wurde jedoch nicht die Aufgabe gelöst, die mit einer erheblichen Verzögerung in seine Ruhe- 50 Rückkehr des ausgelenkten Quecksilberfadens in lage zurück, weil die Wand des ersten Hohl- seine Ruhelage beim Wegfall der Heizung des ersten körpers erwärmt ist, während die Wand des zweiten Hohlkörpers zu beschleunigen.

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tungen durch eine Strahlungsquelle beeinflussen läßt, können derartige Schalter auch zur Überwachung der Strahlung, beispielsweise der Sonnenscheindauer, benutzt werden.

Als flüssiges Metall wird im allgemeinen Quecksilber verwendet, welches sich in einem die beiden Hohlkörper verbindenden Kapillarrohr befindet. Es ist bekannt, daß alle auf Wärmevorgängen beruhen-

Bei einem als Gasspürgerät ausgebildeten Wärmeschalter, also bei einem Gerät für eine verhältnismäßig langsame Arbeitsweise, ist es bereits bekannt, zur Vermeidung indifferenter Einstellungen des Quecksilberfadens eine durch den ausgelenkten Faden selbst betätigte konstante, gegebenenfalls einstellbare Gegenheizung des zweiten Hohlraumes so vorzusehen, daß dadurch die Rückführung des Quecksilberfadens bei Wegfall der primären Heizung vorZeichnung näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen Schalter, welcher zur Überwachung einer Strahlungsquelle geeignet ist;

F i g. 2 zeigt einen Schalter als thermisches Kontaktrelais;

F i g. 3 stellt ein ähnliches Kontaktrelais dar, welches von einer Schutzhülle umgeben ist; F i g. 4 zeigt schematisch die Anordnung einer

zugsweise einem synthetisch hergestellten Kunststoff, ausgefüllt sein. Wenn dieser Kunststoff eine geeignete Wärmeleitfähigkeit besitzt, kann er ebenfalls die Funktion der Wärmebrücke zwischen den Hohlkörperwandungen übernehmen.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, zum Zwecke der Verbesserung der Erschütterungsfestigkeit derartiger Schalter die Hohlkörper mit einem Gas von einem höheren als Atmosphärendruck zu füllen. Beibereitet wird. Dabei besteht aber die Gefahr, daß bei io spielsweise kann der Druck der Gasfüllung zwischen schwacher primärer Heizung der Quecksilberfaden 2 und 30 atü betragen. Die erwähnte Schutzhülle zurückgetrieben wird, bevor die primäre Heizung trägt dann zur Verbesserung der Betriebssicherheit wegfällt. Außerdem ist bei diesem Gerät nachteilig, derartiger Schalter wesentlich bei, da sie das Umherdaß die Einschaltung erst nach entsprechender Er- fliegen von Splittern beim Zerspringen eines Schalterwärmung der Wandung des Hohlkörpers erfolgt, da 15 gefäßes verhindern.

die Wärmequelle, welche die Einschaltung verursacht, Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die

an der Außenseite der Hohlkörperwand wirksam wird. Die die Rückführung vorbereitende Anordnung ist außerdem nicht nachträglich anbringbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die erwähnte Verzögerung beim Ausschaltvorgang zu vermeiden, ohne dabei eine zusätzliche Heizung mit den vorerwähnten Nachteilen und erhöhter Strombelastung vorhandener Kontakte in Kauf zu nehmen oder

den Einschaltvorgang zu verzögern. Es wird da- 25 Mehrzahl von Kontaktrelais; bei von der Erkenntnis ausgegangen, daß die un- F i g. 5 ist eine Kurvendarstellung, die zur Erläute-

erwünschte Verzögerung beim Ausschaltvorgang rung der Wirkungsweise der Erfindung dient, durch die ungleiche Erwärmung der beiden eine rela- In F i g. 1 ist mit 1 ein Glaskörper bezeichnet, der

tiv hohe Wärmekapazität besitzenden Hohlkörper aus einem Kapillarrohr mit an den Enden angesetzten verursacht wird. Während der erste Hohlkörper nach 30 kugelförmigen Hohlkörpern besteht. Mit 2 ist ein einer längeren Einschaltung erwärmt ist, hat sich die Quecksilberfaden bezeichnet, der innerhalb des Ka-Temperatur der Wand des zweiten Hohlkörpers pillarrohres beweglich angeordnet ist. Dieser Queckgegenüber dem Ruhezustand kaum geändert. Erfin- silberfaden stellt sich entsprechend der Druckdiffedungsgemäß wird angestrebt, die Temperaturen der renz zwischen den beiden Hohlkörpern so ein, daß Wandungen der beiden Hohlkörper während einer 35 die Druckdifferenz ausgeglichen wird. 3 und 4 sind längeren Einschaltdauer in einfacher, zuverlässiger zwei Kontaktdrähte, welche in die Glaswand der Weise annähernd auszugleichen. Kapillare derartig eingeschmolzen sind, daß der

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird Quecksilberfaden 2 bei entsprechender Verlagerung dadurch gelöst, daß bei dem eingangs beschriebenen eine Verbindung zwischen ihnen herstellen kann. 5 elektrischen Wärmeschalter mit einem Mittel zur Vor- 40 ist eine Sammellinse, welche die von einer nicht darbereitung der Rückführung des beweglichen Schalt- gestellten Strahlungsquelle ausgehende, durch die einmittels durch Erwärmung des zweiten Hohlkörpers gezeichneten Pfeile angedeutete Strahlung sammelt erfindungsgemäß als solches Mittel eine wärme- und auf den Rezeptor 6 richtet, der sich in der Mitte leitende Brücke vorgesehen ist, welche wenigstens an des rechten Hohlraumes befindet. Dieser Hohlraum beiden Außenwänden der Hohlkörper mit gutem 45 ist auf seiner Innenseite mit einer spiegelnden Metall-Wärmekontakt anliegt. schicht überzogen, die mit 7 bezeichnet ist. Für den Bei einer bevorzugten Ausführungsform eines Durchgang der Strahlung ist ein Fenster in der VerSchalters nach der Erfindung besteht diese Brücke Spiegelung vorgesehen.

aus einem Blechstreifen, der mit seinen Enden an die Wenn auf den rechten Hohlraum keine Strahlung

Wandungen der genannten Hohlkörper angelegt ist. 50 einwirkt, so gleicht sich die Temperatur der Gas-Bei einer anderen Ausführungsform wird jeder Hohl- räume an den Enden der Kapillare mit der Zeit vollkommen aus. Der Quecksilberfaden 2 nimmt dann die in der Zeichnung dargestellte Lage ein. Sobald die Strahlungsquelle wirksam wird, sobald also beispiels-55 weise die vorher von Wolken abgedeckte Sonne frei wird, tritt die Strahlung durch das Fenster in der Verspiegelung 7 in den rechten Hohlraum ein und heizt den Rezeptor 6 auf. Dieser gibt seine Wärme rasch an die umgebende Gasfüllung ab und erwärmt diese. Da unterstützenden Schutzhülle umgeben. Diese Schutz- 60 infolgedessen der Druck steigt, wird der Quecksilberhülle kann auch die erwähnte metallische Brücke für faden nach links verlagert und schließt eine leitende

körper von einer Klammer oder Schelle umfaßt, und die Klammern bzw. Schellen sind durch einen mit ihnen in Berührung stehenden Draht oder bandförmigen Wärmeleiter miteinander verbunden.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Hohlkörper des Schalters und vorzugsweise auch die Rohrverbindung zwischen ihnen von einer die Funktion einer solchen Brücke ausübenden oder

den Temperaturausgleich einschließen. Sie kann aber auch selbst die Funktion dieser Brücke ganz oder wenigstens teilweise übernehmen, indem die Wandung der Schutzhülle als Wärmeleiter zwischen den Hohlkörperwandungen dient. Der Zwischenraum zwischen der Schutzhülle und den Teilen des Schalters kann dabei mit einer geeigneten Substanz, vorVerbindung zwischen den Kontakten 3 und 4. In den Kreis dieser Kontakte können eine Stromquelle und ein Registriergerät eingeschaltet sein.

Wenn die Beheizung des rechten Hohlraumes längere Zeit andauert, so erwärmt sich nicht nur die Gasfüllung, was wegen der geringen Wärmekapazität des Gases sehr rasch geschieht, sondern auch die Wan-

dung des Hohlraumes selbst. Hört nun die Strahlung und damit die Beheizung auf, so kühlt sich das Gas nicht entsprechend schnell ab, weil noch ein verhältnismäßig großer Wärmevorrat in der Wandung des Hohlraumes gespeichert ist. Die Wärmekapazität dieser Wandung ist in jedem Fall mehrmals größer als die der Gasfüllung. Infolgedessen kehrt der Quecksilberfaden 2 nicht so schnell in seine Ruhelage zurück, wie er beim Einschalten der Heizung durch die Strahlung ausgelenkt wurde.

In F i g. 1 ist mit 8 eine sogenannte Wärmebrücke bezeichnet, welche den Zweck hat, Wärme von dem geheizten Hohlraum zu dem nicht geheizten Hohlraum zu transportieren. Dieser Wärmetransport wird natürlich verzögert wirksam, d. h. erst dann, wenn der rechte Hohlraum einige Zeit geheizt worden ist und Wärme auf die Wandung des Hohlraumes übertragen worden ist. Diese Wärme fließt dann in der gut wärmeleitenden Brücke 8 sehr schnell zu dem linken Hohlraum und erwärmt dessen Wandung ebenfalls. Durch diesen Vorgang wird die Wiederausschaltung der Einrichtung vorbereitet, indem nun auch das Gas in dem linken Hohlraum schon etwas erwärmt wird, jedoch nicht so stark, daß etwa ein Zurücktreiben des Quecksilberfadens 2 bewirkt wird, durch welches eine Trennung der Verbindung zwischen den Kontakten 3 und 4 erfolgen könnte, bevor die Heizung des rechten Hohlraumes beendet ist. Wenn dieses Ende der Heizperiode aber eintritt, so ist durch die Erwärmung des linken Hohlraumes die Rückkehr des Quecksilberfadens 2 in seine Ruhelage vorbereitet und erfolgt deswegen wesentlich schneller als ohne die Wirkung der Wärmebrücke 8.

F i g. 2 zeigt die Anwendung des Prinzips der Erfindung auf ein Gasdruck-Thermorelais, bei welchem der rechte, größere Gasraum mittels des Heizwiderstandes 9, der von Strom durchflossen wird, geheizt wird. Einander entsprechende Teile sind in den F i g. 1 und 2 mit den gleichen Bezugsziffern versehen. Bei dem in F i g. 2 gezeigten Relais ist der linke Gasraum wesentlich kleiner als der rechte. Die Gasräume sind von den zugehörigen Schellen 10 und 11 umgeben, und diese Schellen sind durch die Wärmebrücke 12 miteinander verbunden. Diese Brücke wird durch einen mit den Schellen verlöteten oder verschweißten Blechstreifen gebildet. Die Wirkung ist ähnlich, wie sie bereits für die Einrichtung nach F i g. 1 erläutert wurde. Nach der Einschaltung des Heizstromes für den Heizer 9 verlagert sich der Quecksilberfaden sehr schnell nach links, so daß die Verbindung zwischen den Kontakten 3 und 4 geschlossen wird. Nach längerer Einschaltung der Heizung nimmt die Wandung des rechten Hohlraumes eine gewisse Wärmemenge auf, durch die das Rückkehren des Quecksilberfadens in seine Ruhelage nach dem Ausschalten der Heizung verzögert wird. Diese Verzögerung wird durch die Anwendung der Wärmebrücke mit den Schellen 10 und 11 und der Verbindung 12 wesentlich verringert.

F i g. 3 zeigt eine ähnliche Einrichtung, welche in einer Schutzhülle 13 untergebracht ist. Die Wärmebrücke befindet sich in Gestalt des Blechstreifens 8 ebenfalls innerhalb der Schutzhülle, welche beispielsweise aus einem Kunststoff hergestellt sein kann. Die Wärmeleitfähigkeit der Schutzhülle sowie des in die Zwischenräume zwischen dieser und der thermoelektrischen Kontakteinrichtung eingefüllten Materials unterstützt die Wirkung der Wärmebrücke.

F i g. 4 zeigt eine Anordnung, bei der mehrere Schutzhüllen in Form eines wabenartigen Körpers 14 miteinander vereinigt sind, so daß eine Mehrzahl von Kontakteinrichtungen in diesen Körper hineingesteckt werden kann. Derartige Anordnungen sind in elektrotechnischen Geräten zweckmäßig, bei denen eine gewisse Anzahl von Kontakteinrichtungen der beschriebenen Art benutzt werden soll. Es empfiehlt sich, den wabenartigen Körper 14 mit einigen überzähligen, zunächst leer bleibenden Fächern zu versehen, damit bei Reparaturen erforderlichenfalls eine oder mehrere Kontakteinrichtangen in diesen leeren Fächern untergebracht werden können. In F i g. 4 ist ein wabenartiger Körper mit Fächern von quadratischem Querschnitt dargestellt, der sich besonders einfach herstellen läßt. Wenn eine raumsparende Anordnung erwünscht ist, können aber auch Wabenkörper mit einem Sechseckquerschnitt der einzelnen Fächer verwendet werden.

F i g. 5 zeigt in einer Diagrammdarstellung die Temperaturverteilung längs des Glaskörpers der in F i g. 2 dargestellten Einrichtung. Die Kurve α zeigt den Verlauf der Temperatur in Celsiusgraden längs des Glaskörpers, wenn die Wärmebrücke 12 zwischen den Schellen 10 und 11 nicht vorhanden ist. Mit der Dauer der Heizung steigt also die Temperatur der Glaswandung des beheizten Hohlraumes auf einen erheblichen Wert an, und die Kurve α zeigt, daß das andere Ende des Glaskörpers mit dem linken Hohlraum verhältnismäßig kalt bleibt. Die Kurve b zeigt die zusätzliche Wärmeverteilung, welche sich der Kurve α überlagert, die durch die Wirkung der Wärmebrücke 12 zustande kommt. Über diese Brücke fließt von der Schelle 11 Wärme sehr schnell zu der Schelle 10 und heizt auch die Wandungen des linken Hohlraumes auf eine Temperatur auf, die nicht sehr viel unter der Temperatur der Wandungen des rechten Hohlraumes liegt. Bei länger andauernder Heizung wird also die Temperaturdifferenz der Wandüngen der Hohlkörper nahezu ausgeglichen, und es bleibt für die Verlagerung des Quecksilberfadens im wesentlichen die unmittelbare Wirkung des Heizers 9 auf die Gasfüllung des rechten Hohlraumes bestehen. Infolgedessen wird beim Ausschalten der Heizung auch der Quecksilberfaden 2 fast ebenso schnell in seine Ruhelage wieder zurückkehren, wie er beim Einschalten der Heizung nach vorherigem Temperaturausgleich in seine ausgelenkte Lage geführt wurde.

Bei der Beschreibung der Erfindung an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele wurden nur zwei in die Isolierstoffwand eingelassene Stromzuführungen, nämlich die zu den Kontakten 3 und 4 gehörenden, erwähnt. Es liegt jedoch innerhalb des Bereiches der Erfindung, im Bedarfsfalle mehr als zwei solche Kontakte mit eingelassenen Stromzuführungen längs des Weges des flüssigen Metalls vorzusehen. Solche Kontaktreihen können beispielsweise dazu dienen, mehrere Verbindungswege in zeitlicher Aufeinanderfolge zu schließen oder zu öffnen.

Bei der Konstruktion der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele nach F i g. 2 und 3 wurde danach gestrebt, die Vergrößerung der Kapazität der Kontakte 3 und 4 gegeneinander und gegen Erde durch den Einfluß der metallischen Brücke 12 bzw. 8 möglichst gering zu halten, um die Verwendung der Einrichtung auch als Thermorelais

für Schaltvorgänge in Hochfrequenzkreisen zu ermöglichen. Aus diesem Grunde wurde diese Brücke auf die erforderlichen Mindestmaße beschränkt und in möglichst großem Abstand von den Kontakten und ihren Zuleitungen angeordnet. Wenn jedoch eine Erhöhung der Kapazität keine schädlichen Folgen hat, wie in Gleichstrom- und Niederfrequenzschaltungen, kann die genannte Brücke wesentlich größere Oberflächenteile der Einrichtung berühren und dicht an die Kontaktzuführungen heranreichen. Beispielsweise kann sie durch eine durch Besprühen hergestellte Metallschicht auf dem Gefäß gebildet werden, wobei nur die Kontaktzuführungen zur Vermeidung von Kurzschlüssen ausgespart bleiben. Die Einrichtung kann auch einzeln oder in Gruppen in eine kompakte metallische Hülle in Blockform eingesetzt werden. Auch ist es möglich, die Einrichtung — wieder einzeln oder in Gruppen — in eine wärmeleitende Flüssigkeit einzutauchen. Wenn die Dielektrizitätskonstante der Flüssigkeit genügend ao klein ist, kann man diese Anordnung auch für Hochfrequenzschaltungen verwenden. Ist die Viskosität der Flüssigkeit gering, so tritt bei geeigneter Aufstellung der Anordnung derart, daß sich die geheizten Teile unten befinden, ein zusätzlicher Wärmetransport durch Konvektion auf, der im Sinne der Erfindung wirksam ist.

Claims (5)

Patentansprüche: 30

1. Elektrischer Wärmeschalter mit zwei gasgefüllten Hohlkörpern an den Enden eines teilweise mit flüssigem Metall als bewegliches Schaltmittel gefüllten Rohres, vorzugsweise Kapillarrohres, und mit einem innerhalb der Gasfüllung des ersten Hohlkörpers befindlichen und unmittelbar auf diese einwirkenden Heizkörper sowie einem Mittel zur Vorbereitung der Rückführung des beweglichen Schaltmittels durch Erwärmung des zweiten Hohlkörpers, dadurch gekennzeichnet, daß als solches Mittel eine wärmeleitende Brücke (8 bzw. 12) vorgesehen ist, welche wenigstens an beiden Außenwänden der Hohlkörper mit gutem Wärmekontakt anliegt.

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Blechstreifen (8) als Brücke mit seinen Enden an die Wandungen angelegt ist.

3. Schalter nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Hohlkörper von einer Klammer oder Schelle umgeben ist und die Klammern bzw. Schellen (10,11) durch einen mit ihnen in Berührung stehenden draht- oder bandförmigen Wärmeleiter (12) miteinander verbunden sind.

4. Schalter nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkörper und vorzugsweise auch die Rohrverbindung zwischen ihnen und gegebenenfalls eine metallische Brücke von einer die Funktion einer solchen Brücke unterstützenden oder auch allein ausübenden Schutzhülle (13) umgeben sind.

5. Schalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzhülle (13) rohrförmig ist und der Zwischenraum gegenüber den Teilen des Schalters mit einer Substanz, vorzugsweise einem synthetisch hergestellten Kunststoff, ausgefüllt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 383 687;
schweizerische Patentschrift Nr. 198 445;
USA.- Patentschrift Nr. 2 178 487.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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