DE2151468A1

DE2151468A1 - Isolation zur Verringerung der Waermeuebertragung zwischen einer Flaeche und einer Fluessigkeit

Info

Publication number: DE2151468A1
Application number: DE19712151468
Authority: DE
Inventors: Mcgrew Jay Lininger
Original assignee: Martin Marietta Corp
Current assignee: Martin Marietta Corp
Priority date: 1970-10-16
Filing date: 1971-10-15
Publication date: 1972-04-20
Also published as: GB1370349A; FR2111455A5; US3755056A; JPS5511638B1; DE2151468C2; GB1370350A

Description

Paienianwälie

Dr.-Ing. Wilhelm Reichel DipHng. Wolfgang Reiche!

6 Frankfurt a. M. 1 Pcnksiraße 13

6843 HARIESSA CORPOPlATIOIT, Denver, USA

Isolation cur Verringerung der Wärmeübertragung zwischen einer Fläche und einer Flüssigkeit

D-o vorliegende Erfindung betrifft eine thermische Isolation, insbesondere eine Isolation zur Verringerung der Wärmeübertragung zwischen einer Fläche und einer Plüssigkeit,

In der deutschen Patentanmeldung P 21 23 720.7 ist eine thermische Isolation für Flüssigkeiten mit niedriger Temperatur beschrieben, die eine zellenförmige Struktur aufweist, welche eine Anzahl getrennter Zellen bildet, in denen eine Gassäule zv/ischen einer Behälterwand und dem Flüssigkeitskörper ausgebildet wird. Eine Kapillarabdeckung verschließt in wesentlichen die Flüssigkeitsseite einer jeden Zelle, wobei die Abdeckung wenigstens eine Kapillaröffnung pro Zelle aufweist. Die Kapillaröffnungen sind so angeordnet, daß eine stabile oder beständige kapillare Gas- Flüssigkeits-Zwischenfläche oder Membrane an der Kapillaröffnung ausgebildet wird. Diese Gassäulen und ihre zugeordneten stabilen Gas- Flüssigkeits-Zwischenflächen isolieren die Flüssigkeit von den Behälterwänden und tragen außerdem

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die Flüssigkeit in dem Behälter.

■-ο

Y.'enngleich die auf der zellenförmigen Struktur ruhenden Belastungen wegen der Unterstützung verhältnismäßig klein, sind, die durch die Gassäulen erzeugt wird, treten die Bslastungen in der Hauptsache aufgrund des großen Temperaturunterschiedes auf, der quer zur Isolation vorhanden ist, sowie aufgrund nechanischer Belastung, insbesondere wenn der Behälter gefüllt wird.

Derartige Belastungen können einen Einfluß auf die Arbeitsweise der Isolation haben; zum Beispiel ist die Größe der Kapillaroffnungen in der Kapillarabdeckung von Wichtigkeit bei der Erzeugung und Aufraunterhaltung der Gas-Flussigkeits— Zwischenfläche. Auf der sehr dünnen und biegsamen Kapillar— abdeckung ruhende Belastungen können eine Erweiterung ader ein Aufreißen der öffnungen bewirken, wodurch die Gas-Flüssigkeit s-Zwischenf lache nachteilig beeinflußt wird. Y/enn ferner die Kapillarabdeckung oder eins dar Zellenwände einer Spannung unterworfen wird, die eine Verformung oder Verbiegung derselben bewirkt, wenn nicht eine Vorkehrung zur Aufnahme dieser Verformung oder Verbiegung vorgesehen ist, wird dieser auf die nächstfolgende oder benachbarte Zelle usw. quer über die gesamte zellenförmige Struktur übertragen. Die Verformung ader Verbiegung neigt während dieser Übertragung dazu, sich zu verstärken, so daß eine relativ groSe Gesamtverformung oder Ver— biegung in der Struktur auftreten kann, die eine physikalische oder körperliche Beschädigung derselben verursachen kann.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine thermische Isolation für eine Flüssigkeit nit einecj niedrigen Siedepunkt geschaffen, die gekennzeichnet ist durch eine zellenförmige Einrichtung sowie einer Anzahl getrennter Zellen, die so

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r...geordnet nind, Ci-Ji eic civi Isoliergas enthalten, wobei cine :;"xi".illn.jcöri:iunc, die sich zwischen den Innenrauia einer ^odc-n 2elle und einor Fläche der !eolation erstreckt, so angeordnet ict, daß sie in Anlage sit der Flüssigkeit steht, und wenigstens einige der V.'ände einer jeden Zelle nicht ebenfläehig sind, vsz su erinöglichen, daß sich die Wände während der 3eratcung der Isolation ungehindert in eine eoenflächige Pora

können.

Die SrfincLung "wird nun anhand der "beiliegenden Abbildungen ausführlich beschrieben, wobei alle aus der Beschreibung und den Abbildungen hervorgehenden 3inzelheiten oder Merlanale ::ux* Lösung der Aufgabe im Sinns der Erfindung beitragen können und axt äea V/illen zur Patentierung in die Anmeldung vairden. 15g zeigen:

l'igur 1 eine perspektivische Ansicht eines 2eils der isolation gemäß der Erfindung;

Figur 2 einen ochiiitt in vergrößerten HaSstab entlang der Linie 2-2 der Figur 1;

I'igur 3 eine Draufsicht der Streifen, aus denen die Eelle förmige Struktur der Isolation ausgebildet ist;

Figur 4 eine Ceildraufsieht der"Isolation und

Figuren 5a bis 5d

die Art und V.'eise, nach der die Isolation hergestellt wird.

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Wie in Figur 1 gezeigt ist, ist die Isolation 10 an einer ■ Fläche, z.B. einer Wand 12 eines Gefäßes oder anderen Behälters befestigt.

Die Isolation 10 weist eine zellenförmige Struktur 14 mit einer Anzahl getrennter Zellen 16 und einer Kapillarabdeckung 18 auf, welche zweckmäßig aus "MYLAR" (eingetragenes Warenzeichen) hergestellt ist und sich quer über die Zell'en erstreckt, sowie a.B. durch einen Klebstoff 19 an der zellenf örmigen Struktur 14 befestigt ist. Ein Füllstoff (nicht gezeigt), wie z.B. Gesteinswolle oder Polysterinschnitzel, kann." in diesen Zellen untergebracht sein, um die Strahlung und Konvektionsströmungen zu verringern. Kapillar öffnungen, Löcher oder Poren 20 sind in der Abdeckung 18 ausgebildet, wobei jede Öffnung einer der Zellen 16 zugeordnet ist. Weitere Einzelheiten der Struktur 14 und der Abdeckung 18 sind in der oben erwähnten deutschen Patentanmeldung aufgeführt.

Die Struktur der Konstruktion 14 unterscheidet sich von der in der oben erwähnten Anmeldung beschriebenen dadurch» daß ein Überschuß an Wandmaterial vorhanden ist, um eine Ausdehnung und Zusammenziehung der einzelnen Zellen unabhängig von benachbarten Zellen zu ermöglichen. Dies wird in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel dadurch erreicht, daß Eau ein jedes Viertel oder 90°-Segment der Zellenwand in eine im allgemeinen S-förmige Gestalt ausformt bzw. ausbildet. Wie in Figur 4 gezeigt ist, erstrecken sich die Viertel-Segmente einer jeden Zelle zwischen den Punkten A,B; B,C; A,D; und D,C. So enthält zum Beispiel das Viertelsegment der Zellenwand, die sich zwischen den Punkten A und B erstreckt und mit 24 gekennzeichnet ist, einen ersten bogenförmigen Teil 25, der sich in Bezug auf dio Zelle nach

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inrj.cn Icruirai;, sowie einen zweiten "bogenförmigen Teil 26, der sich von der Zelle weg nach, außen krümmt. Jeder Punkt entlang der Teile 25» 26 iiat, gemessen von der Längsachse 27 dor Zolle aus, einen Radius, der sich, von dem Radius dos am nächsten benachbarten Punktes in diesem Seil oder Λο schnitt der Wand unterscheidet. Der Abstand zwischen den zwei Punkten A, B entlang einer geraden Linie 32, ist erheblich langer, als der Abstand zwischen den gleichen zwei Punkten, gemessen entlang der Seitenfläche dieses Segments 24· der Zellenwand. Infolge der gekrümmten Gestalt des Segments 24 ist demzufolge mehr I-iaxerial i:i diesem enthalten, als wenn das Segment 24 geradlinig ausgebildet wäre.; und das überschüssige Material ermöglicht es, daß sich die Y/aiid 24 quer zu der Achse der Zelle ausbiegen kann, ohne d aß der Abstand zwischen den Punkten A und B verändert wird. \ienn die Isolation 10 in einen Behälter eingebaut wird, und eine Flüssigkeit mit niedrigem Siedepunkt in den Behälter eingegossen wird und die Isolation berührt, verringert sich die Temperatur der Isolation, insbesondere der Teil derselben, der mit der Flüssigkeit in Berührung steht, sofort, und das Material, aus dem die zellenförmige Struktur hergestellt ist, sucht sich zusammenzuziehen. Aufgrund des in den Zellenwänden vorgesehenen überschüssigen Ϊ-Iaterials erzeugt die Zusammenziehung keinerlei unerwünschte Spannung in dem Material, und zwar trotz der Tatsache, daß der gesamte Bodenrand einer jeden Zelle fest an der Behälterwand angebracht ist. Statt dessen neigt das Yiertelsegment dazu, sich aus der in vollen Linien in Figur 4 gezeigten Position heraus in eine Position geradeaus zu richten, die durch die Linie 32 dargestellt wird. Das Material hat ferner bei der Zusammenziehung nur eine minimale Neigung, z.B. die Punkte A und B zusammenzuziehen, was zu einer großen Gesamtverformung der Isolationsstruktur aufgrund der Tatsache führen würde, daß dies von Zelle su Zelle verstärkt würde.

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zellenförmige Struktur wird vorzugsweise aus einer Violaaiil von einzelnen Kateriaistreifen hergestellt, die anschließend su der in Figur 4 gezeigten Konstruktion zusammengebaut werden. Wie in Figur 3 gezeigt ist, sind jeweils zwei derartige Streifen 30,32 etwa sinusförmig ausgeführt, und sie weisen gekrümmte Abschnitte 30a, 30b und 32a, 32b auf, welche sich an jeder Seite der neutralen Achsen, 31, der Streifen in entgegengesetzten Sichtungen, erstrecken. Die Streifen werden zusammengebaut, in dem man den einen Streifen von dem anderen, wie in Figur 3 gezeigt ist, so versetzt, daß jeder Abschnitt 30a des einen Streifens in Anlage mit einem entsprechenden Abschnitt 32b des anderen Streifens kommt und durch einen Klebstoff 34 an diesem befestigt ist. Die Fläche oder der Bereich, auf die der Klebstoff 34 aufgetragen wird, ist verhältnismäßig klein, so daß die Zellenwände unmittelbar neben dem Klebstoff frei bleiben und sich ausbiegen können.

Wenngleich die Zellenwände in einer sinusförmigen Gestalt dargestellt sind, können bei alternativen Ausführungen auch andere nicht ebenflächige Formen vorgesehen werden.

Zwecks Aufhebung der Spannungen, die auf der Kapillarabdeckung 18 ruhen, wird ferner eine Vorkehrung dadurch getroffen, daß man für jede.Zelle 16 einen Überschuß an Abdeckmaterial vorsieht. Wie in Figur 2 gezeigt ist, ist die Kapillarabdeckung 18 nicht ebenflächig, und sie v/eist über jede der Zellen To eine konkave Form auf, so daß der Abstand quer über die Zelle, gemessen entlang der Oberfläche der Abdeckung 18, größer ist, als die entsprechende Breite der Zelle. Dieser Überschuß an Material ermöglicht der Abdeckung 18 einer jeden Zelle, wenn sie in Berührung ait der Flüssigkeit mit niedrigem Siedepunkt kommt, sich aus der in vollen linien in Figur 2 gezeigten Position heraus in die Position auszubiegen, die in gestrichelten Linien ge—

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seigt ist. Dadurch kann die Kapillarabdeckung 13 Spannungen aufnehmen, die auf jeder einzelnen Zolle lasten, ohne daß diese Spannungen auf benachbarte Zellen übertragen v/erden.

üie konkave Poria der Abdeckung 13 gewährleistet ferner, daß die Größe der Kapillar öffnung en 20 ir: v;es entliehen konstant bleibt, und zwar auch dann, versa die Abdeckung 18 Spannungen unterworfen ist, die von der Berührung mit der Flüssigkeit herrühren. Y/enn die Abdeckung 13 quer über jede Zelle 16 straff gespannt gehalten v.'ird, erzeugt jede Temperatur-Änderung in der Abdeckung 18 Spannungen in dieser, welche die Größe der Öffnung 20 verändern und die G-as-Flüssigkeitsliwischenfläche nachteilig beeinträchtigen,

ils ist außerdem eine zusätzliche Vorkehrung getroffen, um jegliche Erweiterung oder ein Aufreißen der Öffnungen 20 infolge von Spannungen auszuschließen, die auf die Abdeckung 18 ausgeübt v/erden» Hau bedient sich hierau einer Verstärkung '-JO₁ die sich rund um eine jede Öffnung 20 erstreckt", Wie in der Zeichung dargestellt ist, weist diese Verstärkung einen verdickten Abschnitt der Abdeckung auf, der die Fora einer ringförmigen Rippe hat.

Die Isolation kann stufenweise hergestellt werden, wie dies in den figuren 5a bis pd dargestellt ist. Zahlreiche Streifen 30, 52, die vorher in die gewünschte Gestalt oder Form gebracht werden können und an deren Flächen Klebstoff 34 aufgetragen v.'ird, die in Berührung ait benachbarten Stx"eifen kommen, werden zusanaengefügt, wobei Dan den Klebstoff aushärten läßt, uc die grundlegende zellexiförnige Struktur (5a) auszubilden. Anschließend wird Klebstoff auf die oberen Ränder der Struktur (Fijur*5b) aufgetragen} und eine "KYLAH¹¹—Folie wird auf die zellenförmige Struktur aufgelegt

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und in Eingriff ait dem Ills'!: st off gebracht, wodurch dio Abdeckung ausgebildet v/ird. Hierauf wird ein Druckunterschied quer zu der Folie erzeugt, und ^.,^rar ^veckmäßig vermittels eines Vakuums, ur_d die Folie vird erwärmt (Figur 5c). Die kombinierte Einwirkung vor. 7/ärme und Vclruun versenkt die Polie über jeder Zelle, in dem die Folie über ihre Elastisitätsgrense hinaus ausgedehnt und us einen kleinen Abstand in die Zelle hineinn;e30~en v.'ird. Das YakuuL'j v/ird erzeugt, nachdem der Klebstoff abgebunden hat und die Folie an der zellenförmigen Struktur befesuigt hat, so daß die Dehnung der jfolie nur in jeder einzelnen Zelle stattfindet. Anschließend bohren zahlreiche erv/ämte !Tadeln A-^> die Löcher 20 in der versenkten Folie (Figur Sd). Die !.'adeln 40 schmelzen die Folie in dein Eereich unmittelbar ΐ.ζ'ζοτι. dem auegestochenen Loch und bev/irken, daß das IIvLiiststoffmaterial von ö.e:'ii Loch wegflie.1t und die ringförmige Verstärkung oder den Hingwulst 55 ausbildete. Die !Tadeln v/erden dann zurückgezogen, und die Isolation ist gebrauchsfertig.

Die im einseinen beschriebene r^ola^ion ist relativ einfach und preiswert, und sie kann aus verhältnismäßig preiswerten KateriaZi;n hergestellt werden.

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Claims

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f'\ J isolation zur Verringerung der v/ärmeü'bertragung zwischen einer Fläche und einex* flüssigkeit,
dadurch, gekennzeichnet, da3 die Isolation eine zellenförmige Struktur mit wenigstens einer Zelle- aufweist, die zellenförmige Struktur derart angeordnet ist, daß sie auf der fläche abstützbar ist, so daß sich die Zelle zwischen der FL~oho und dox· Flüssigkeit erstreckt, und eine Verschlui3eir.rich.tung für &a.s Lnde dor Zelle so angeordnet ist, daß sie neben, der Flüssigkeit liegt, und daß die Verschlußeinrichtung einen Überschuß an Material enthält, um eine Bewegung wenigstens eines Teils derselben relativ zu der zellenförmigen Struktur aufgrund von üenpera-"uuränderungen zu ermöglichen, denen die Verschlußeinrichtung unterworfen ist.

2. Isolation zur Verringerung der Wärmeübertragung zwischen einer Fläche und einer Flüssigkeit,
dadurch gekennzeichnet, daß die Isolation eine zellenförmige Struktur mit wenigstens einer Zelle aufweist, daß die zellenförmige Struktur so angeordnet ist, daß sie auf der zu isolierenden Fläche abstützbar ist, so daß sich die Zelle zwischen der Fläche und der Flüssigkeit erstreckt, daß eine das Ende der Zelle verschließende Verschlußeinrichtung so angeordnet ist, daß sie neben der Flüssigkeit liegt und daß die Verschlußeinrichtung eine Öffnung aufweist, die mit dem Innenraun der Zelle kommuniziert, u.j eine stabile G-as-Flüssigkeits-"■./ischvjnfläv^he zwischen dor Flüssigkeit und dem Gas innerhalb der Zolle auszubilden, und daß sich eine Verstärkungseinrichtung rund um diese Öffnung erstreckt,

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3. Isolation nach Anspruch 2,
"dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungseinrichtung eine im allgemeinen ringförmige Rippe auf v/eist, die sich rund uü dia Öffnung erstreckt«

4. Isolation nach einem der Ansprüche 1 "bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschluß einrichtung einen biegsamen AId de drang s bogen aufweist, der sich quer über die Zelle erstreckt.

5. Isolation nach Anspruch 3»
dadurch gekennzeichnet, daß der Abdeckbogen an dem Umfang der Zelle befestigt ist und sich das überschüssige Material in dem Seil desselben befindet, der sich quer über die Zelle erstreckt.

6. Isolation nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die zellenförmige Struktur eine Anzahl von Zellen aufweist, die Verschlußeinrichtung einen biegsamen Abdeckbogeii umfaßt, der sich quer über jede der Zellen erstreckt und Öffnungen aufweist, die mit jeder Zelle komnuniaieren, und daß jeder Teil des Abdeckbogens, der sich quer über eine jede der Zellen erstreckt, in seine entsprechende Zelle hineingebogen ist, v/o durch der Überschuß an Material erzeugt wird.

7. Isolation nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß eine im allgemeinen ringförmige Verstärkungsrippe sich rund um eine jede öffnung erstreckt.

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8, .isolation nach einem oder mehreren der \^rcrhergeilenden Ansprüche,

dadurch 3e kenn -zeich net, ua^ die/ öler jede Zelle der zellc.if crr.igeri oirul.tur durch. ^T.-.'lir.äe begrenzt ist, und die l/ände ii] allgc-einen eine bojonföraige Gestalt aufweisen, v/o durch der Abstand zwischen 2v;ei Punkten, die ua 90° run>I ura den Umfang der Zelle, geaesce:: entlang der Zellenv/and, auseinanderliefen, v/esentiicli grüior ist als der Abstand, genessen entlang einer geraden Linie zwischen den zwei Punkten.

9. Isolation zur Verringerung der V.arneübertragung zwischen einer Fläche und einer flüssigkeit,

dadurch gekennzeichnet, da2 aie Isolation eine selleniörnige Struktur aufweist, die co angeordnet ist, daß sie auf der zu isolierenden Pläche abstüt^oar ist, und da3 sie eine Anzahl von ;;änden aufv/eist, die zahlreiche aneinander angrenzende getrennte Zellen begrenzen, daß die Wände, die jede Zelle begrenzen, Abschnitte aufweisen, die der nächst "benachbarter. Zelle gemeinsam sind, v.'coei die gemeinsacen Abschnitte der Zellenv/änäe eine nicht eboiiflächige Pom und einen Überschi:2 an Material auiv/eisen, u_: eino Belegung derselben quer zu dar Längeachse der Seile in Abhängigkeit von 2er:peraturänaerungen in dieser zu ermöglichen.

'Q. Isola-ion nach Anspruch 9»

adurch g e k e η η ζ e i c h η e

da.i die r.icht ebenflächigen Abschnitte der Zellenvrand in allgemeinen eine S-fÖn:ige Gestalt aufweisen.

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'11. Thermische Isolation für eine Flüssigkeit mit niedrigem Siedepunkt,

gekennzeichnet durch eine zellenförmige Einrichtung sowie einer Anzahl getrennter Zellen, die so angeordnet sind, daß sie ein Isoliergas enthalten, wobei eine Kapillar öffnung,, die sich zwischen dem Innenraum einer jeden Zelle und einer Fläche der Isolation erstreckt, so angeordnet ist, daß sie in Anlage mit der Flüssigkeit steht, und wenigstens einige der Wände einer jeden Zelle nicht ebenflächig sind, um zu ermöglichen, daß sich die Wände während der Benutzung der Isolation ungehindert in eine ebenflächige Form zusammenziehen können.

12. Verfahren zur Herstellung einer thermischen Isolationseinrichtung,

gekennzeichnet durch folgende Schritte;

Ausbildung einer zellenförmigen Struktur, die wenigstens eine Zelle begrenzt, Befestigen eines Abdeckbogens an der zellenförmigen Struktur um ein Ende der Zelle zu verschließen und Erzeugen eines Druckunterschieds quer zu dem Abdeckbogen, der sich quer über die Zelle erstreckt, um den Teil des Abdeckbogens dauerhaft zu verformen, der sich quer über die Zelle und von einer Sinsenkung in der Zelle aus erstreckt.

13. Verfahren nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, daß der Druckunterschied durch ein Vakuum erzeugt wird, das in der Zelle ausgebildet wird, wodurch, der Teil des Abdeckungsbogens in die Zelle hineingezogen wird.

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~ 13 -

14. Verfahren nach Anspruch 13,
gekennzeichnet durch Ausbilden einer Öffnung in dem Abdeckbogen und Schmelzen eines Teils des Abdeckbogens, um eine Rippe rund um diese Öffnung auszubilden.

15. Verfahren zur Herstellung einer thermischen Isolationseinrichtung,

gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Ausbildung einer zellenförmigen Struktur, die wenigstens eine Zelle begrenzt, Anbringen eines biegsamen Abdeckbogens über der zellenförmigen Struktur, um das eine Ende der Zelle zu verschließen, Ausbilden einer Öffnung in dem Abdeckbogen über der Zelle und Schmelzen eines Teils des I-Iaterials rund um die Öffnung, um eine Rippe oder einen Wulst rund um diese Öffnung auszubilden.

16. Verfahren nach Anspruch 15>
dadtirch gekennzeichnet, daß die Öffnung gleichzeitig mit dem Schmelzvorgang des Materials ausgebildet wird, indem der Abdeckbogen mit einer erwärmten Nadel durchstochen wird.

17. Verfahren nach Anspruch 15 oder Anspruch 16, gekennzeichnet durch Ausdehnen des Abdeckbogens, um eine Einsenkung in dem Teil des Abdeckbogens auszubilden, indem die Öffnung ausgebildet wird.

18. Thermische Isolation, hergestellt nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17.

Re/Pu/Gr.

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