JP2008524505A - 軸方向で駆動されるピストンシリンダユニット - Google Patents

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Abstract

本発明は、軸方向で駆動されるピストンシリンダユニットであって、シリンダ(2)が設けられており、ピストン(3)が設けられており、該ピストン(3)が、ピストン(3)とシリンダ(2)とにより包囲されるシリンダ容積(18)が最大である第1のピストン位置と、このシリンダ容積が最小である第2のピストン位置との間でシリンダ(2)の軸方向で往復運動可能であり、ピストン(3)とシリンダ(2)との間に流体支承部が設けられており、該流体支承部がピストン(3)をシリンダ(2)内に軸方向で運動可能に支承し、かつピストン(3)の周囲を少なくともピストン(3)の軸方向延在長さの一部にわたって包囲するピストン側の支承面(38)を規定し、シリンダの軸方向でまたはそれに対して実質的に平行に往復運動可能な駆動部材(50)が設けられており、該駆動部材(50)がピストン(3)にピストンロッド(4)を介して機械的に結合されており、ピストンロッド(4)が、シリンダ軸線(X)と駆動部材(50)の運動方向を規定する長手方向軸線(Y)との間の半径方向ずれまたは傾きを許可し、かつ補償するように構成されている形式のものに関する。本発明では、ピストンロッド(4)に、第1の駆動装置側のジョイント区分(40)が設けられており、ピストンロッド(4)に、第2のピストン側のジョイント区分(42)が設けられており、かつ第2のピストン側のジョイント区分(42)が、ピストン(3)の後側の、ピストントップ(16)とは反対側の領域に設けられているようにした。

Description

本発明は、請求項1の上位概念部に記載した特徴を有する、軸方向で駆動されるピストンシリンダユニット、つまり;
−シリンダが設けられており、
−ピストンが設けられており、該ピストンが、ピストンとシリンダとにより包囲されるシリンダ容積が最大である第1のピストン位置と、このシリンダ容積が最小である第2のピストン位置との間でシリンダの軸方向で往復運動可能であり、
−ピストンとシリンダとの間に流体支承部が設けられており、該流体支承部がピストンをシリンダ内に軸方向で運動可能に支承し、かつピストンの周囲を少なくともピストンの軸方向延在長さの一部にわたって包囲するピストン側の支承面を規定し、
−シリンダの軸方向でまたはそれに対して実質的に平行に往復運動可能な駆動部材が設けられており、該駆動部材がピストンにピストンロッドを介して機械的に結合されており、
−ピストンロッドが、シリンダ軸線と駆動部材の運動方向を規定する長手方向軸線との間の半径方向ずれまたは傾きを許可し、かつ補償するように構成されている
形式の、軸方向で駆動されるピストンシリンダユニットに関する。
この種のピストンシリンダユニットは、US5525845号明細書により公知である。この公知のピストンシリンダユニットは、リニア駆動装置により駆動されるピストンを有している。その際、ピストンはリニア駆動装置にピストンロッドを介して結合されている。このピストンロッドは軸方向では剛性であり、横方向、つまり半径方向では可撓性である。ピストンロッドのこの設計により、駆動装置軸線がシリンダ軸線に対して平行に延びていなくても、ピストンが摩擦なしにシリンダの空気軸受内で案内されることが達成されるはずである。ピストンロッドの、この非固有の可撓の設計はしかし、横方向力がピストンに入力することに至りかねない。この横方向力はシリンダ内でのピストンの傾倒またはシリンダ軸線に対するピストン軸線の横方向へのずれを惹起する。このことは、ピストン外周とシリンダ内周との間の支承ギャップにおける非対称性に至る。その結果、流体軸受(Fluidlager)は、ピストン外周とシリンダ内周との間の間隔がより大きくなる領域で、支承流体の圧力がこの箇所で低下することにより弱化される。この圧力低下はしかし、シリンダ容積内で圧縮された流体が、その圧力がより高くなるとすぐに、この弱化された箇所で支承ギャップ内に進入し、ここで支承ギャップをさらに拡張することを可能にし、最終的には、ピストンの、半径方向で対向して位置する箇所で、ピストンとシリンダ内壁との当接、ひいては望ましくない摩擦が発生する。
本発明の課題は、上位概念部に記載した形式のピストンシリンダユニットを改良して、駆動装置軸線とピストン軸線との間の横方向のずれ時またはこれらの両軸線相互の傾き時にも、流体軸受の確実な機能、ひいてはシリンダ内でのピストンの確実な案内が保証されているようにすることである。
この課題は、請求項1の特徴部に記載した特徴、つまり;
−ピストンロッドに、第1の駆動装置側のジョイント区分が設けられており、
−ピストンロッドに、第2のピストン側のジョイント区分が設けられており、かつ
−第2のピストン側のジョイント区分が、ピストンの後側の、ピストントップとは反対側の領域に設けられている
という特徴により解決される。
ピストンロッドに両ジョイント区分を設けたことにより、まず、ピストンロッドが所定の場所で、軸線の側方へのずれを補償するために必要なフレキシビリティを得ることになる。ピストンロッドのピストン側のジョイントを、ピストンの後側の、ピストントップとは反対側の領域に本発明により配置したことにより、ピストンに入力する横方向力は、後側のピストン領域において半径方向で流体軸受により支持され、それにより、ピストンの前側の、ピストントップ側の周縁部からは遠く離れている。その結果、流体軸受はこの前側のピストン領域で、この有害な横方向力の影響を受けないか、受けたとしても僅かである。ピストンが、本発明によるピストンシリンダユニットにおいて、ピストンロッドによりピストンに導入される横方向力に基づいてその前側のピストントップ側の領域で、背景技術では流体軸受の有害な弱化に至る横方向ずれを受ける危険は、本発明によるピストンシリンダユニットではほぼ排除されている。
有利には、第2のピストン側のジョイント区分が、ピストンの長手方向軸線の方向で、ピストン側の支承面の後側の領域のレベルに位置する場所に設けられている。それにより、場合によりピストンロッドからピストンに導入される横方向力がこの箇所で直接ピストン側の支承面で流体軸受に支持されることが保証される。
有利には、それぞれのジョイント区分が少なくとも1つの軸線の周りを旋回可能である。しかし、それぞれのジョイント区分が、それぞれ互いに直角を成す2つの軸線の周りを旋回可能であっても有利である。
特に有利な構成は、ボールジョイントの可動性を有するジョイント区分を有している。それにより、周方向でのピストンの特別な方向付けなしに、駆動軸線とシリンダ軸線との間の、半径方向に関して任意のずれが受容され得る。
有利には、流体支承部が、シリンダの内周壁に設けられた複数の、流体のための流出ノズルを有している。
その際、特に有利な構成では、流出ノズルが、ピストンがその第2のピストン位置にあるとき、第1の流出ノズルが、ピストン側の支承面の、ピストン長手方向延在長さに関して前側の領域に圧縮流体を供給し、第2の流出ノズルが、ピストン側の支承面の、ピストン長手方向延在長さに関して中央または後側の領域に圧縮流体を供給するように配置されている。
その際、流出ノズルがピストン側の支承面の前側および後側の領域に設けられていると、ピストンの圧縮位置で、ピストンの特に均等な支持が、その長手方向延在長さにわたって達成される。しかし、第1の流出ノズルがピストン側の支承面の前側の領域に、第2の流出ノズルが中央の領域に設けられていても有利である。それにより、支承重心(Lagerschwerpunkt)は前側に、つまりピストントップに向かって延在している。それにより、ピストンとシリンダとの間のリングギャップの前側の端部の領域、つまりシリンダ容積側で、より高い圧力がピストンとシリンダとの間の流体軸受内に形成される。この高い圧力はシリンダ容積内の圧縮圧力により高い抵抗を提供し、それにより、ピストンへの横方向力の入力時にもさらに良好に、圧縮された圧縮流体がシリンダ容積から支承ギャップに進入することを阻止する。
別のオプショナルな構成では、流出ノズルが、ピストンがその第1のピストン位置にあるとき、第2の流出ノズルが、ピストン側の支承面の、ピストン長手方向延在長さに関して前側の領域に圧縮流体を供給し、第3の流出ノズルが、ピストン側の支承面の、ピストン長手方向延在長さに関して後側の領域に圧縮流体を供給するように配置されている。オプショナルに後側の領域に設けられた第3の流出ノズルは、その引き戻された位置での、特に横方向力の入力時のピストンの改善された支持を達成することができる。
流体支承部がガス圧軸受(Gasdrucklager)により形成されており、流出ノズルがガス流出ノズルにより形成されていると特に有利である。特に有利な実施形態は空気軸受(Luftlager)である。
有利には、それぞれ複数の流出ノズルがノズル装置を形成する。
有利には、ノズル装置がピストンシリンダユニットの軸方向で互いに間隔を置いており、有利には環状にシリンダ軸線の周りに形成されている。それにより、特に均等な流体クッションまたはガスクッションがピストンとシリンダとの間に形成される。
各ノズル装置(ノズルリング)が、周方向で均等に互いに間隔を置いた複数の流出ノズルを有していても、特に均等な流体クッションまたはガスクッションをピストンとシリンダとの間に形成するために有利である。
有利には、流出ノズルが、エネルギに富んだビームにより穿孔された微細孔(Mikroloch)により形成されており、微細孔が有利には円錐形に形成されており、その最も狭い横断面が、シリンダ側の支承面への開口に置かれている。こうして形成された微細孔は高い均等性および高い支持能力の流体クッションまたはガスクッションを形成する。
有利には、これらの微細孔がレーザビームにより穿孔される。
圧縮流体が、流出ノズルの供給のために、シリンダ容積の圧縮により発生された流体流から、例えば出口通路から分岐されると、ピストンシリンダユニットの簡単な構造が達成されることができ、同時にその際、流出ノズルに供給する圧縮流体のための付加的な圧力発生器が省略されることができる。このことはこの種のピストンシリンダユニットの安価な製作に寄与する。
このピストンシリンダユニットは、ピストンが、往復駆動のために、リニア駆動装置の運動可能な部分により負荷されていると特に有利である。
本発明によるピストンシリンダユニットの特に際立った有利な使用は、圧縮流体を発生させるコンプレッサ、有利にはリニアモータにより駆動されるリニアコンプレッサでの使用である。
本発明について以下に一例をもとに図面を参照しながら詳説する。
図1:引き戻された位置にあるピストンを備えた本発明によるピストンシリンダユニットを示す図である。
図2:圧縮位置の近傍にあるピストンを備えた同じピストンシリンダユニットを示す図である。
図1には、シリンダ2とピストン3とを備えたピストンシリンダユニット1の縦断面図が示されている。シリンダ2にはシリンダ孔10が設けられている。シリンダ孔10内には、ピストン3がシリンダ孔10の長手方向軸線Xの方向で往復運動可能にかつ自由に案内されて収容されている。シリンダ孔10の、シリンダヘッド23に形成されたヘッド側の端壁12と、シリンダ孔10の内周壁14と、ピストントップ16とは、シリンダ容積18を画定する。
シリンダ孔10のヘッド側の端壁12には、概略的に示した弁20を備えた入口通路22が開口している。同様にヘッド側の端壁12には出口通路24が設けられている。出口通路24は相応の弁26を有している。この出口通路もシリンダ孔10に開口している。
図2で見て左へのピストン3の運動時、入口通路22および入口弁20を通して、流体がシリンダ室18内に吸い込まれ、右へのピストン3の運動時、この流体は圧縮された状態で出口弁26および出口通路24を通して吐き出される。図示のピストンシリンダユニット1は、吐き出された流体がガス状であるピストン作業機械の部分である。このことは例えばコンプレッサの場合に該当する。しかし、本発明は原則的に別のピストン作業機械、例えばポンプでも使用可能である。
吐き出されたガス状の流体の一部は出口通路24から、シリンダヘッド23内およびシリンダ2のケーシング21内に設けられている接続通路28を通して、やはりシリンダ2のケーシング21内に設けられていてシリンダ孔10を環状に包囲するリング通路30,32,34へと導かれる。リング通路30,32,34はシリンダ孔10の長手方向軸線Xの方向で互いに間隔を置いている。各リング通路30,32,34には多数の微細孔30′,32′,34′が設けられている。微細孔30′,32′,34′はシリンダ孔10の周囲にわたって均等に分配されてそれぞれのリング通路30,32,34をシリンダ孔10の内部に接続し、その際、シリンダの内壁14を貫通する。各リング通路30,32,34の微細孔30′,32′,34′はしたがってそれぞれの環状のノズル装置30″,32″,34″を形成する。接続通路28を通してリング通路30,32,34に導かれる圧縮ガスはそれにより、微細孔30′,32′,34′を通して流出し、シリンダ2の内周壁14に設けられたシリンダ側の支承面15と、ピストン3の外周壁36に設けられたピストン側の支承面38との間に、ピストンを側方から支持するガスクッションを形成することができる。
対応配置された複数の微細孔30′を備えた第1のリング通路30は、図2に示すように、ピストンが圧縮位置の近傍に存在するとき、つまりシリンダ容積18が最小化されているときのみ、ピストンが微細孔30′を遮蔽することになる領域に置かれている。この場合、ピストン3は前側の第1の微細孔30′を支承面38の前側の領域3″でもって遮蔽する。
シリンダ容積18が最大である図1に示した位置で、微細孔30′は、シリンダ2の内周壁14とピストンの外周壁36との間のガスクッションの形成に寄与しない。微細孔30′の著しく小さな横断面に基づいて、それにより発生する圧力損失はただし僅かである。しかし、ピストン3が微細孔30′を遮蔽するときのみ、第1のリング通路30を圧縮ガスで負荷する弁装置(図示せず)が設けられていてもよい。
第2のリング通路32は、対応配置された複数の微細孔32′が常にピストン3により遮蔽されているように配置されている。その結果、微細孔32′は、ピストン3の軸方向の全運動行程にわたって、シリンダ2の内周壁14とピストン3の外周壁36との間のガスクッションの形成に寄与する。
第3のリング通路34はシリンダ孔10のヘッド側の端壁12から最も遠方もしくは後方にある。第3のリング通路34に対応配置された複数の微細孔34′はそれにより、ピストン3が、引き戻されてシリンダ容積18が最大である位置の領域にあるときのみ、ピストン3により、より詳細にいえばピストンの支承面38の後側の領域3′により遮蔽されている。対応配置された複数の微細孔34′を備えた第3のリング通路34の設置はオプショナルであり、シリンダ孔10内でのピストン3の滑動特性のさらなる改善のためだけに役立つ。
それぞれ環状のノズル装置30″,32″,34″を形成する、対応配置された微細孔30′,32′,34′を備えたリング通路30,32,34の間には、同様に構成された別の環状のノズル装置がシリンダ孔10の内壁14に設けられていることができる。
ピストン3は、リニア駆動装置5の、軸線Yに沿って長手方向で往復振動可能な駆動部材50により駆動される。リニア駆動装置5は図面には概略的にのみ示されている。可動な駆動部材50はピストン3にピストンロッド4を介して機械的に結合されている。ピストンロッド4は軸方向で非弾性であり、それにより、軸方向力を駆動部材50からピストン3に伝達することができる。この力伝達は、駆動部材50の長手方向軸線Yと、ピストン3の長手方向軸線X′と、シリンダ2の長手方向軸線Xとが一致しているときは問題ない。
リニア駆動装置5が正確にピストンシリンダユニット1に対して方向付けられていない場合、駆動部材50の長手方向軸線Yは、シリンダ2の長手方向軸線Xに対して傾けられているか、または平行にずらされていることができる。このことは、ピストン3の軸線X′も正確にはシリンダ2の軸線Xに整合されていないことに至る。その結果、背景技術では、ピストン3はシリンダ2内に軽微に傾いて置かれており、それにより、場合によってはガス圧軸受によっても支持され得ない、ピストンとシリンダとの間の接触が生じる。
この理由から、ピストンロッド4には第1の駆動装置側のジョイント区分40と第2のピストン側のジョイント区分42とが設けられている。これらのジョイント区分40,42は、図示の例では、残りのピストンロッド区分に対して減じられた直径を有する区分として構成されている。ピストンロッド4はしたがってジョイント区分40,42において、残りのピストンロッド区分よりもフレキシブルである。その結果、ピストンロッド4はジョイント区分40,42で可撓である。それにより、軸線Yおよび軸線Xの誤整合時、ピストンロッド4はこれらの両軸線相互の角度ずれまたは図面にdで示したこれらの両軸線相互の横方向のずれを受容する。それにより、ピストン3の長手方向軸線X′は実質的にシリンダの軸線Xに整合されている。その際、僅かな横方向力がピストンに導入される。この横方向力は実質的にピストン3の軸線X′に対して直角に作用し、シリンダ側の支承面15とピストン側の支承面38との間のガス圧軸受により形成されるガスクッションにより支持されることができる。
ピストンロッド4のピストン側のジョイント区分42はピストン3の後側の領域3′に配置されている。後側の領域はその際、ピストン側の支承面38に直角を成す中央平面Mに関してピストントップ16とは反対側の領域として定義されている。前側のピストン領域3″は相応に、中央平面Mと、ピストン3の前側のピストントップ側の端部との間の領域である。
前記横方向力は、ピストンロッド4からジョイント区分42の領域でピストン長手方向軸線X′に直角を成して作用するので、ピストン側の支承面38の、この領域に位置する区分により、ガスクッション、ひいてはシリンダ側の支承面15に対して支持される。その際、ガスクッション、つまりピストン側の支承面38とシリンダ側の支承面15との間に形成されるリング室の若干の変形が発生するとき、この変形は実質的に局所的にピストン3の後側の領域3′で、ピストン3の前側の領域3″にはほとんど影響を及ぼすことなく発生する。それにより、ピストン3の前側の領域3″でのピストン3とシリンダ2との間の環状の支承ギャップのこの種の変形に基づいて圧縮ガスがシリンダ容積18から支承ギャップ内に非対称的に流入し、ピストンをそれにより側方に移動させるか、または側方に傾倒させ得る危険は極めて僅かである。
軸方向で駆動されるピストンシリンダユニットの本発明による構成は、後側のピストン領域3′におけるピストン側のジョイント区分42の特別な位置により、シリンダ2内でのピストン3の改善された案内を可能にし、より高い運転信頼性に至る。前側の第1のノズル装置30″はこのより高い運転信頼性を、流体軸受によりこの箇所に形成されるガスクッションをピストンシリンダユニットの圧縮された状態で強化することにより助成する。
本発明は、上の実施例に限定されるものではない。上の実施例は、本発明の核を成す思想の一般的な説明のためだけに役立つ。権利範囲の枠内で、本発明による装置はむしろ、上で説明した実施形態とは異なる実施形態を取ることもできる。装置はその際特に、請求項のそれぞれの個別的な特徴から成る組み合わせである特徴を有していることができる。
特許請求の範囲、明細書および図面の符号は、本発明のよりよい理解のためだけに役立ち、権利範囲を制限するものではない。
引き戻された位置にあるピストンを備えた本発明によるピストンシリンダユニットを示す図である。 圧縮位置の近傍にあるピストンを備えた同じピストンシリンダユニットを示す図である。

Claims (17)

  1. 軸方向で駆動されるピストンシリンダユニットであって、
    −シリンダ(2)が設けられており、
    −ピストン(3)が設けられており、該ピストン(3)が、ピストン(3)とシリンダ(2)とにより包囲されるシリンダ容積(18)が最大である第1のピストン位置と、このシリンダ容積が最小である第2のピストン位置との間でシリンダ(2)の軸方向で往復運動可能であり、
    −ピストン(3)とシリンダ(2)との間に流体支承部が設けられており、該流体支承部がピストン(3)をシリンダ(2)内に軸方向で運動可能に支承し、かつピストン(3)の周囲を少なくともピストン(3)の軸方向延在長さの一部にわたって包囲するピストン側の支承面(38)を規定し、
    −シリンダの軸方向でまたはそれに対して実質的に平行に往復運動可能な駆動部材(50)が設けられており、該駆動部材(50)がピストン(3)にピストンロッド(4)を介して機械的に結合されており、
    −ピストンロッド(4)が、シリンダ軸線(X)と駆動部材(50)の運動方向を規定する長手方向軸線(Y)との間の半径方向ずれまたは傾きを許可し、かつ補償するように構成されている
    形式のものにおいて、
    −ピストンロッド(4)に、第1の駆動装置側のジョイント区分(40)が設けられており、
    −ピストンロッド(4)に、第2のピストン側のジョイント区分(42)が設けられており、かつ
    −第2のピストン側のジョイント区分(42)が、ピストン(3)の後側の、ピストントップ(16)とは反対側の領域に設けられている
    ことを特徴とする、軸方向で駆動されるピストンシリンダユニット。
  2. 第2のピストン側のジョイント区分(42)が、ピストン(3)の長手方向軸線(X′)の方向で、ピストン側の支承面(38)の後側の領域のレベルに位置する場所に設けられている、請求項1記載の、軸方向で駆動されるピストンシリンダユニット。
  3. それぞれのジョイント区分(40,42)が少なくとも1つの軸線の周りを旋回可能である、請求項1または2記載の、軸方向で駆動されるピストンシリンダユニット。
  4. それぞれのジョイント区分(40,42)が、それぞれ互いに直角を成す2つの軸線の周りを旋回可能である、請求項3記載の、軸方向で駆動されるピストンシリンダユニット。
  5. それぞれのジョイント区分(40,42)がボールジョイントの可動性を有している、請求項3または4記載の、軸方向で駆動されるピストンシリンダユニット。
  6. 流体支承部が、シリンダ(2)の内周壁(14)に設けられた複数の、流体のための流出ノズルを有している、請求項1から5までのいずれか1項記載の、軸方向で駆動されるピストンシリンダユニット。
  7. 流出ノズル(30′,32′)が、ピストンがその第2のピストン位置にあるとき、第1の流出ノズル(30′)が、ピストン側の支承面(38)の、ピストン長手方向延在長さに関して前側の領域に圧縮流体を供給し、第2の流出ノズル(32′)が、ピストン側の支承面(38)の、ピストン長手方向延在長さに関して中央または後側の領域に圧縮流体を供給するように配置されている、請求項1から6までのいずれか1項記載の、軸方向で駆動されるピストンシリンダユニット。
  8. 流出ノズル(32′,34′)が、ピストンがその第1のピストン位置にあるとき、第2の流出ノズル(32′)が、ピストン側の支承面(38)の、ピストン長手方向延在長さに関して前側の領域に圧縮流体を供給し、第3の流出ノズル(34′)が、ピストン側の支承面(38)の、ピストン長手方向延在長さに関して後側の領域に圧縮流体を供給するように配置されている、請求項1から7までのいずれか1項記載の、軸方向で駆動されるピストンシリンダユニット。
  9. 流体支承部がガス圧軸受、有利には空気軸受により形成されており、流出ノズルがガス流出ノズル(30′32′34′)により形成されている、請求項1から8までのいずれか1項記載の、軸方向で駆動されるピストンシリンダユニット。
  10. それぞれ複数の流出ノズル(30′;32′;34′)がノズル装置(30″;32″;34″)を形成する、請求項1から9までのいずれか1項記載の、軸方向で駆動されるピストンシリンダユニット。
  11. ノズル装置(30″,32″,34″)がピストンシリンダユニット(1)の軸方向で互いに間隔を置いており、有利には環状にシリンダ軸線(X)の周りに形成されている、請求項10記載の、軸方向で駆動されるピストンシリンダユニット。
  12. 各ノズル装置(30″,32″,34″)が、周方向で均等に互いに間隔を置いた複数の流出ノズル(30′,32′,34′)を有している、請求項10または11記載の、軸方向で駆動されるピストンシリンダユニット。
  13. 流出ノズル(30′,32′,34′)が、エネルギに富んだビームにより穿孔された微細孔により形成されており、微細孔が有利には円錐形に形成されており、その最も狭い横断面が、シリンダ側の支承面(15)への開口に置かれている、請求項1から12までのいずれか1項記載の、軸方向で駆動されるピストンシリンダユニット。
  14. 微細孔がレーザビームにより穿孔されている、請求項13記載の、軸方向で駆動されるピストンシリンダユニット。
  15. 圧縮流体が、流出ノズル(30′,32′,34′)の供給のために、シリンダ容積(18)の圧縮により圧縮された流体流から分岐されている、請求項1から14までのいずれか1項記載の、軸方向で駆動されるピストンシリンダユニット。
  16. ピストン(3)が、往復駆動のために、リニア駆動装置(5)の運動可能な駆動部材(50)により負荷されている、請求項1から15までのいずれか1項記載の、軸方向で駆動されるピストンシリンダユニット。
  17. 圧縮流体を発生させるコンプレッサにおいて、請求項1から16までのいずれか1項記載の少なくとも1つの、軸方向で駆動されるピストンシリンダユニット(1)が設けられていることを特徴とする、圧縮流体を発生させるコンプレッサ。
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