KR0124504B1 - 전열교환기용소자의 제조법 - Google Patents

전열교환기용소자의 제조법

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도시미 쿠마
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Abstract

본 발명은 전열교환기용소자를 제조하는 방법을 제공한다. 금속시이트, 플라스틱시이트 또는 무기섬유종이에 표면에 평균미세구멍직경 4Å-6Å인 무기질흡착제입자를 고착하고, 파장 2.5-5.0mm, 파고 1.0-2.6mm인 파형시이트와 평시이트를 교대로 적층하여 전열교환기용소자를 성형한다. 발포제를 함유하는 접착제를 사용할 수도 있는데, 이 경우 발포제가 다수의 연통공극을 형성하므로 접착제층에 매설된 무기질흡착제입자가 호흡할 수 있다.

Description

전열교환기용소자의 제조법
제1도는 본 발명의 제1공정을 나타내는 일부절결설명도.
제2도는 본 발명에 의해 얻어진 전열교환기용소자를 나타내는 사시설명도.
제3도는 전열교환기용소자의 사용상태를 나타내는 수직단면도.
제4도는 평면파형시이트의 일부를 나타내는 사시설명도.
제5도는 시이트의 표면에 고착한 흡착제의 평균미세구멍직경을 변화시켰을 때의 벤젠 및 톨루엔의 이행율(%) 및 이행량(ppm)의 변화를 나타내는 그래프.
제6도는 파형시이트의 파장 및 파고를 변화시킨 경우의 전열교환기용소자의 전열교환율 η(%) 및 정압손실 △p(mmAq)의 변화를 나타내는 그래프.
제7도는 시이트의 표면에 고착한 친수성제올라이트의 양을 변화시켰을 때의 열교환율 η의 변화를 나타내는 그래프.
제8도는 제올라이트 흡착제의 평균미세구멍직경의 현열교환율 ηs(%) 및 잠열교환율 ηx(%)와의 관계를 나타내는 그래프.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
2 : 접착제5 : 흡습제입자
14 : 시이트16 : 평면형상시이트
17 : 파형시이트19 : 소투과구멍
26 : 전열교환기용소자
본 발명은, 금속, 플라스틱 등의 시이트에 흡습제입자(desiccant particle)를 고착해서, 벌집(honeycomb)형상으로 성형하여 이루어지는 전열교환기용소자(total heat energy exchangerelement)의 제조법에 관한 것이다.
본 발명의 출원자는 일본특공소 62-19302호 공보에서, 미리 방식코우팅(anti-corrosion coating)을 실시한 금속 또는 플라스틱시이트의 표면에 접착제를 도포한 다음에, 조해성이 없는 흡습제입자를 그 일부를 접착제층에 매설시키고 다른 부분을 노출시킨 상태로 부착시켜서 접착제와 흡습제를 고온으로 소성(塑性)시켜 전열교환기용소자를 얻는 방법을 제안하였다.
상기한 특허에서 사용하는 조해성이 없는 흡습제의 예로서는, 실리카에어로겔(aerogel), 활성탄, 합성제올라이트가 열거되고 있는데, 실리카에어로겔의 흡습에 관여하는 미세구멍의 직경은 10Å~수십 Å의 범위에 걸쳐 있고, 활성탄에서는 10Å~수십 Å 범위에 걸쳐 있다.
제올라이트, 합성제올라이트는 분자체(molecular sieve)라고 불리우는 바와 같이 좁은 범위의 미세구멍분포를 나타내지만, 종류에 따라 그 미세구멍의 직경은 수 Å~십수Å의 범위에 걸쳐 있다.
따라서, 상기한 특허의 전열교환시용소자를 벌집형상으로 형성하여 얻은 전열교환기용소자에 의해 공기를 처리하여 전열교환을 행하는 경우, 외기(外氣) 또는 환기(還氣)중의 수증기를 흡착 및 탈착함과 동시에 외기 또는 환기에 포함되는 각종의 악취물질도 흡착 또는 탈착하며, 급기(給氣)에 이 악취물질이 혼입하여 오는 것이 종종 있어서, 실내의 공기를 오염시켜 건강에 악영향을 미치고 있었다.
또, 흡착제를 고착하는 시이트, 특히 금속시이트, 예를들어 알루미늄 스테인레스강, 동, 황동 등은 모두 전열교환기의 운전중 발화할 위험성은 없지만, 모두 고가이므로 가능한 한 그 사용량을 줄여 원가를 저감할 필요가 있으며, 또 불필요하게 두꺼운 시이트를 사용하면, 벌집의 단면적에 대한 기체가 통과하는 단면적의 비율(개공율)이 작게 되어서 기체의 통과저항, 즉 압력손실이 증대하고, 역으로 시이트가 너무 얇으면, 기계적으로 약하게 되어 제조시 및 사용시에 여러가지 지장을 발생하며, 특히 파형으로 시이트가 찢어져서 성형이 불가능하게 되는 결점을 발생한다.
또, 시이트를 파형으로 성형하고, 벌집형상으로 적충하여 소자를 얻은 경우의 소투과구멍의 단면의 크기, 즉 파형시이트의 파(波)의 크기도 중요해서, 소투과구멍의 단면이 지나치게 크면, 전열교환시에 교환의 매체로 되는 시이트의 전체표면적이 작게 되어서 통과하는 공기와의 접촉면적이 작게 되어 전열교환효율이 저하하고, 역으로 소투과구멍의 단면이 너무 작으면, 처리해야 할 공기 또는 그외의 기체가 소자를 통과할 때의 저항, 즉 압력손실이 증대해서, 큰 동력을 필요로 하여 경제적인 운전이 불가능하게 된다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결한 것으로서, 두께 0.02-0.15mm의 금속, 플라스틱등의 시이트표면에 평균미세구멍직경 4Å-6Å의 친수성제올라이트 또는 그외의 무기질흡착제, 즉 수증기분자는 흡착하지만 일반적으로 발생하는 악취물질의 분자는 흡착하기 어려운 흡착제의 입자를 고착하고, 시이트를 파장 2.5-5.0mm, 파고 1.0-2.6mm로 파형성형해서, 평면형상시이트와 파형시이트를 교대로 적층하여 다수의 소투과 구멍을 보유하는 구조의 전열교환기용소자를 제조하는 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.
[실시예1]
제1도는 본 발명의 방법에 사용하는 장치의 개략도로서, 부호(1)는 접착제(2)의 용기, 부호(3)는 건조용 히이터, 부호(4)는 흡착제(5)의 용기이고, 흡착제입자(5)는 팬(6)에 의해 노즐(7)(8)로부터 챔버(chamber)(9)내의 시이트표면에 공기와 함께 제트류(jet stream)로서 분사된다.
부호(10)는흡착제입자(5)의 보급용호퍼(hopper), 부호(11)는 건조용히이터, 부호(12)는 챔버(9)내에 부설한 흡착제입자(5)의 환류로, 부호(13)는 건조용히이터이다.
두께 30μ인 알루미늄시이트(14)의 양면에 폴리초산비닐계 접착제(2)를 로울러(15)의 간극을 조절하는 것에 의해 10~30mm 두께로 도포하고, 건조용히이터(3)에 의해 접착제를 반건조, 즉 제올라이트입자가 접착제층내에 매설되지 않을 정도의 점성을 접착제가 띠고, 단 고화하지 않은 사이에 챔버(9)내로 도입하고, 시이트의 양면에 입도(粒度) 100μ 이하인 친수성제올라이트입자(토요소다(주)제 Zeolum A-4, 미세구멍의 직경 4Å)를 제트류에 의해 분사해서 표면적 1m2당 표리(表裏) 합계 12g 전후의 합성제올라이트를 임시로 고정시킨다.
그후, 건조용히이터(11), 바람직하게는 원적외선히이터에 의해 100~250℃의 고온으로 단시간에, 예를들어, 10초 이내 가열하여 접착제를 완전하게 건조고화함과 동시에 무기질흡착제입자의 미세구멍에 흡착되고 있는 가스를 방출하는 것에 의해 접착제층의 표면까지 통기구멍을 형성해서, 흡착제입자의 흡착특성을 저해하지 않도록 한다.
또, 건조히이터(13)에 의해 고온(150~220℃)에서 연속적으로 소성을 행하여서 도포한 접착제층을 고화하여 안정화시킨다. 그다음에 공기로 불어내거나, 수세 등의 적당한 방법(미도시)으로 접착고정화하지 않은 합성제올라이트입자를 제거하여 합성제올라이트입자를 고착한 알루미늄시이트(16)를 연속적으로 얻는다.
시이트의 이행속도 0.2-0.5m/sec이다.
이렇게 하여 합성제올라이트를 고착한 알루미늄시이트(16)를 파형으로 성형하고, 제2도 및 제4도에 표시하는 바와 같이 평면형상시이트(16)와 파형시이트(17)를 교대로 접착하면서 제2도에 표시하는 바와 같이 보스(18)에 소망의 크기로 감아서, 다수의 소투과구멍(19)이 양끝면 사이로, 관통한 원통형상으로 성형한다.
원통의 양끝면에 반경방향으로 몇줄의 홈을 파서 설치하여 그 부분에 보강용 스포우크(spoke)(20)(20)를 매설고착하고, 원주면에는 외주강판(21)을 감는다.
그리고, 스포우크(20)(20)의 한쪽 끝은 보스(18)의 양끝면에 다른쪽 끝은 외주강판(21)에 볼트체결등 적당한 수단에 의해 고착하고, 외주강판(21)의 양끝 가장자리에 띠판(belt plate)(22)(22)을 감아서 고착하고, 양쪽 띠판(22)(22) 사이에 연결띠판(23)(23)을 팽팽하게 설치하여 고정해서 전열교환기용소자를 얻는다.
[실시예2]
흡습제로서 입도 100μ 이하인 친수성합성제올라이트입자(유니온쇼오와(주)제 Molecular Sieve 4A, 미세구멍직경 4Å)를 30% 이하 함유하고, 가열에 의해 분해하여 기체, 바람직하게는 이산화탄소를 발생하는 발포제, 예를들어 탄산수소나트륨 또는 탄산암모늄을 약 10% 이하 함유하는 폴리초산비닐계 접착제를 두께 30μ인 알루미늄시이트의 양면에 10-30μ 두께로 도포하고, 접착제를 반건조후 완전하게 건조하지 않은 사이에 다시 100-250℃의 온도로 격심하게 가열하여 발포제를 분해발포시킨 후, 실시예1과 동일한 알루미늄시이트를 파형으로 성형해서, 제2도에 표시하는 바와 같이 평면형상시이트와 파형시이트를 교대로 적층하고, 부속부품을 부착하여 전열교환기용소자를 얻는다.
다른 공정을 사용할 수도 있는데, 예를들어 발포제를 혼입한 접착제를 도포하고, 실시예 1과 동일하게 흡습제입자를 분사하여 고온가열해서 고착하여도 좋다.
상기한 실시예에 있어서, 시이트재료로서는 알루미늄 이외에 알루미늄합금, 스테인레스강, 동, 황동 등의 금속, 폴리염화비닐, 폴리프로필렌, 폴리에스테르 등의 플라스틱, 종이 등 파형으로 성형할 수 있는 것에서 적절히 선택할 수 있다.
종이로서는 고온의 공기에 접촉된 경우에 발화할 위험이 없는 무기섬유를 주성분으로 하는 종이, 예를들어 섬유직경이 약 5μ, 섬유길이 1~5mm인 세라믹섬유 50~90%, 펄프 30~50%, 지력(紙力)증강제 10-20%의 조성으로 이루어진 세라믹섬유종이를 사용한다.
접착제로서는 폴리초산비닐, 에폭시수지, 실리콘수지, 아크릴수지 등을 사용한다.
흡착제로서는 물분자는 흡착하지만 악취물질, 특히 건물내의 변소, 취사장등에서 발생하는 악취성분 및 유기용제증기는 흡착하기 어려운 것을 선택할 필요가 있다.
물분자의 직경은 2.8-3.2Å, 벤젠 및 톨루엔의 직경은 6.7Å 등으로 악취성분 및 유기용제증기의 분자직경은 모두 물분자의 직경보다 크므로 수증기를 악취성분 혹은 유기용제증기의 존재하에 선택흡착하기 위해서는 친수성의 무기질흡착제, 즉 평균미세구멍직경이 약 4Å-6Å인 제올라이트 등의 무기질흡착제를 사용하면 좋다. 또, 평균미세구멍직경이 3Å인 흡착제, 예를들어 3Å형 제올라이트는 그 미세구멍직경이 물분자의 직경과 거의 동일하므로 흡착한 수분의 탈착에는 가열을 필요로 하기 때문에, 전열교환기에 사용한 경우는 잠열교환효율이 극히 낮아서, 평균미세구멍직경이 4Å 이상인 것을 사용한다.
상기한 실시예에 의해 얻어진 원통형의 전열교환기용소자는 종래품과 같이 제3도에 표시하는 바와 같이 축(24)에 의해 회전구동 가능하게 케이싱(25)에 수납되고, 소자(26)의 양끝면을 외기영역, 급기영역, 환기영역, 배기영역으로 구분하도록 덕트(27)(28) 및 덕트(29)(30)을 설치하고, 소자(26)를 약 10-15r.p.m의 속도로 구동회전하여 외기(OA)와 환기(RA)를 송입하여 소자(26)의 소투과구멍(19)의 벽을 통해 양쪽 공기 사이의 전열교환을 행하여, 급기(SA)를 공급하고 배기(EA)를 배출한다.
제5도는, 전기한 실시예 1에 따라서 두께 30μ인 알루미늄시이트의 양면에 흡착제를 시이트의 표면적 1m2당 표리 합계 15g의 비율로 고착하고, 파장(p)을 3.4mm, 파고(h)를 1.8mm(제4도 참조), 소장의 두께(t)(제3도참조)를 200mm로 하고, 흡착제로서 친수성합성제올라이트인 Zeolum A-4(미세구멍직경 4Å) 및 Zeolum F-9(미세구멍직경 10Å)(대조예)를 사용하여 전열교환기용소자를 제조해서 벤젠, 톨루엔(분자직경 6.7Å)을 각각 300ppm 혼입하고, 온도 25℃, 절대습도 10g/kg으로 한 공기를 환기로서 송입한 경우의 급기 중에의 벤젠 및 톨루엔의 이행율(%) 및 이행량(ppm)을 측정한 결과를 나타낸다.
도시한 바와 같이, 미세구멍직경이 10Å인 친수성합성제올라이트 또는 실리카겔을 사용했을 경우에는, 환기중의 벤젠, 톨루엔은 소자에 흡착되어 급기중으로 이행하여 그 농도가 인간의 후각으로 감지할 수 있는 농도(벤젠에서 1.5ppm, 톨루엔에서 0.48ppm, 히로시 호리구찌저, 1971년 6월 25일 산쿄오출판주식회사 발행 공해와 독·위험물(유기편) 제458페이지)를 상회할 가능성이 생긴다.
이것에 대해 미세구멍직경 4Å인 친수성합성제올라이트가 사용되는 경우에는, 급기중에 악취물질이 이행하여 그 농도가 인간의 후각으로 감지할 수 있는 농도를 넘을 염려가 없어서, 예를들어 건물내의 취사장, 변소의 공기 및 인체로부터 발생하는 각종의 악취가스를 포함하는 공기를 환기로 하는 경우에, 이 악취가스가 전열교환기를 통해 급기중으로 이행하는 것을 대부분 방지할 수 있다.
제올라이트의 외표면적은 미세구멍표면을 포함한 전체표면적의 약 1%에 불과하므로, 내부로 들어갈 수 없는 큰 분자가 외표면에 흡착하는 양은 0.2-1.0중량% 정도이다.
다음에 전기한 실시예 1에 따라 두께 30μ인 알루미늄시이트를 사용하여 시이트의 표면적 1m2당 표리양면에 합계 15g의 Zeolum A-4를 부착시켜서, 파장(p) 및 파고(h)를
로 하고, 소자의 두께(t)를 200m로 하여 얻어진 전열교환기에 온도 35℃, 절대습도 15g/kg인 외기(OA)와, 온도 25℃, 절대습도 10g/kg인 환기(RA)를 통하게 하여 전열교환을 행했을 경우의 전열교환효율 η(%)을 제6도(a)에, 정압손실 △p(mmAq)을 제6도(b)에 나타낸다.
도면에서 횡축은 외기(OA)와 환기(RA)의 소자(26)입구에 있어서의 풍속(m/sec)을 나타낸다.
도면으로부터 명확하듯이, 파형시이트의 파의 파장이 2.5mm 미만, 예를들어 2.0mm, 파고가 1.0mm 미만, 예를들어 0.8mm인 경우에는 정압손실이 대단히 크게 되어 운전공기동력(γ·Q·H : 단 γ는 공기의 밀도, Q는 공기의 유량, H는 수두)이 크게 되어서, 에너지절약의 목적을 달성할 수 없다. 역으로 파의 파장이 5.0mm, 파고가 2.6mm를 넘는 경우에는 전열교환효율이 작게 되어서, 전열교환기를 작동하기 위한 에너지와 비교하여 에너지절감의 목적을 달성할 수 없다.
다음에 전기한 실시예에 따라서 두께 30μ인 알루미늄시이트를 사용하고, 시이트의 표면적 1m2당 표리합계 4g, 6g, 15g, 20g의 비율로 Zeolum A-4를 부착시켜서, 파장(p)을 3.4mm, 파고(h)를 1.8mm, 소자의 두께(t) 즉 소투과구멍의 길이를 200로 하여 얻어진 전열교환기용소자에 온도 35℃, 절대습도 15g/kg인 외기와, 온도 27℃, 절대습도 10g/kg인 환기를 1-4m/sec의 풍속으로 송입하여 전열교환을 행했을 때의 잠열교환효율 ηx(%) 및 현열교환율 ηs(%)을 제7도에 나타낸다.
현열교환효율은 시이트에 고착한 흡습제의 양에 관계없이 일정하다.
도면중 횡축은 외기 및 환기의 소자입구에 있어서의 풍속(m/sec)을 나타낸다.
도면으로부터 명확하듯이, 시이트의 표리면에 있어서 흡습제의 부착량이 합계 6g 이상인 경우에는, 잠열교환효율도 비교적 높아서, 예를들어 도시한 바와 같이 Zeolum A-4의 고착량이 6g/m2인 경우 2m/sec의 풍속에서 70%의 잠열교환효율을 나타내고, 전열교환효율
ηT=[(iOA-iSA)/ (iOA-iRA)]×100%
(i는 OA, SA, RA의 엔탈피를 나타냄)
도 따라서 높게 되지만, Zeolum A-4의 고착량이 합계 6g/m2미만, 예를들어 4g/m2인 경우에는 잠열교환효율이 낮아서, 예를들어 제7도에 표시하는 바와 같이 풍속 2m/sec인 경우 55%이므로, 전열교환효율도 낮음을 알 수 있다.
반대로 Zeolum A-4의 고착량이 20g/m2를 넘으면, 잠열교환효율의 상승을 한계점에 도달하게 되어 단순히 원가를 인상할 뿐이고 성능에 기여하는 효과가 없게 되고, 흡착제입자가 급기 또는 배기에 섞여서 비산할 우려가 있으며, 제올라이트 이외의 흡착제를 사용하는 경우에는 악취물질의 이행도 증대한다.
또한, 전기한 실시예 1에 따라서 두께 30μ인 알루미늄시이트를 사용하여, 미세구멍직경 3Å, 4Å, 6Å, 9Å의 제올라이트를 시이트의 표면적 1m2당 표리 양면에 합계 15g의 비율로 부착시키고, 다른 조건은 제7도의 경우와 동일하게 하여 얻어진 전열교환기용소자에 제7도의 경우와 동일조건으로 전열교환을 행했을 때의 잠열교환효율 ηx(%) 및 현열교환효율 ηs(%)을 제8도에 나타낸다.
현열교환효율은 시이트에 고착한 제올라이트의 미세구멍직경에 관계없이 일정하다.
도면으로부터 명확하듯이, 미세구멍직경 3Å인 제올라이트를 사용했을 경우에는 잠열교환효율이 낮으며, 따라서 전열교환효율
ηT=[(iOA-iSA)/ (iOA-iRA)]×100%
도 낮아서, 전열교환기용소자로서의 에너지절감효과가 없으며, 특시 고습도의 공기를 처리하는 경우에는 효과가 낮다.
상기한 데이터는 모두 시이트로서 알루미늄시이트를 사용했을 경우에 대하여 나타냈지만, 알루미늄 이외의 금속 또는 플라스틱의 시이트를 사용해도 거의 동일한 데이터가 얻어진다.
본 발명에 의해 얻어지는 전열교환기용소자는, 상기한 바와 같이, 시이트의 표면에 평균미세구멍직경 4Å-6Å인 친수성제올라이트 또는 다른 무기질흡착제의 입자를 고착하고, 평시이트(flat sheet)와 파장 2.5-5.0mm, 파고 1.0-2.6mm인 파형시이트를 교대로 적층하여 다수의 소투과구멍이 양끝면 사이로 관통하는 전열교환기용소자를 제조하였으므로, 습기 이외의 악취물질이 배기로부터 급기쪽으로 혼입하는 것을 방지하는 효과를 보유함과 아울러, 충분한 개공율(開孔率)을 보유한다. 또, 흡착제의 평균미세구멍직경을 4-6Å로 하였으므로 물분자를 용이하게 흡착 및 탈착할 수 있어서, 경제적으로 만족한 전열교환효율을 얻을 수 있음과 아울러, 압력손실이 적기 때문에 송풍을 위한 동력이 작아 운전비용이 낮으며, 염가로 제조할 수 있는 효과를 보유하는 것이다.

Claims (9)

  1. 시이트(14)의 표면에 접착제층을 개재하여 평균미세구멍직경 4-6Å인 무기질흡착제의 입자를 고착하고, 시이트를 파장 2.5-5.0mm, 파고 1.0-2.6mm로 파형으로 성형하고, 평면형상시이트(16)와 파형시이트(17)를 교대로 적층하여 다수의 소투과구멍(19)을 보유하는 소자를 형성하는 것을 특징으로 하는 전열교환기용소자의 제조법.
  2. 제1항에 있어서, 무기질흡착제가 친수성제올라이트인 것을 특징으로 하는 전열교환기용소자의 제조법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 무기질흡착제입자(5)의 일부를 접착제층에 매설시키고 다른 일부를 노출시킨 상태로 고착시키는 것을 특징으로 하는 전열교환기용소자의 제조법.
  4. 제3항에 있어서, 예비가열에 의해 반건조상태로 된 접착제층에 무기질흡착제의 입자를 내뿜어서 그 입자를 접착제층에 임시로 고정한 후, 접착제(2) 및 무기질흡착제(5)를 100-250℃의 고온으로 단시간 가열하여 접착제를 고화시킴과 아울러, 무기질흡착제의 미세구멍이 접착제로 막히지 않도록, 즉 무기질흡착제가 호흡할 수 있도록 고착하는 것을 특징으로 하는 전열교환기용소자의 제조법.
  5. 접착제에 평균미세구멍직경 4-6Å인 무기질흡착제입자 및 발포제를 혼입하여 시이트의 표면에 도포한 후, 접착제가 고화하지 않은 사이에 고온(100-250℃)으로 가열하여 접착제층에 발포제에 의한 다수의 연통공극을 형성시켜 무기질흡착제가 호흡할 수 있도록 고착하고, 시이트를 파장 2.5-5.0mm, 파고 1.0-2.6mm로 파형으로 성형해서, 평면형상시이트와 파형시이트를 교대로 적층하여 다수의 소투과구멍을 보유하는 소자를 형성하는 것을 특징으로 하는 전열교환기용소자의 제조법.
  6. 제1항에 있어서, 시이트가 금속, 플라스틱 또는 무기섬유종이로 이루어진 것을 특징으로 하는 전열교환기용소자의 제조법.
  7. 제1항에 있어서, 시이트의 표면적 1m2당 무기질흡착제의 양이 표리 합계 6-20g/m2으로 되도록 시이트표면에 고착시키는 것을 특징으로 하는 전열교환기용소자의 제조법.
  8. 제5항에 있어서, 시이트가 금속, 플라스틱 또는 무기섬유종이로 이루어진 것을 특징으로 하는 전열교환기용소자의 제조법.
  9. 제5항에 있어서, 시이트의 표면적 1m2당 무기질흡착제의 양이 표리 합계 6-20g/m2으로 되도록 시이트표면에 고착시키는 것을 특징으로 하는 전열교환기용소자의 제조법.
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