KR20140131450A - 스털링 냉동기용 피스톤 링 유닛 - Google Patents

스털링 냉동기용 피스톤 링 유닛 Download PDF

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김태완
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현대자동차주식회사
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Abstract

스털링 냉동기용 피스톤 링 유닛이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 스털링 냉동기용 피스톤 링 유닛은 차량의 엔진으로부터 구동력을 전달받아 작동되며, 내부에 충진된 작동유체를 피스톤의 왕복 운동을 통해 압축하는 압축부와, 상기 압축부에서 압축된 작동유체를 피스톤의 왕복 이동을 통해 팽창시키는 팽창부와, 상기 압축부와 상기 팽창부를 유체적으로 연통시키는 재생부를 포함하고, 상기 작동유체의 등온압축, 등적과정 및 등온팽창의 반복을 통해 상기 팽창부에서 흡열하고 압축부에서는 발열하는 스털링 냉동기에서 상기 압축부와 팽창부에 구비된 압축실과 팽창실에서 왕복 이동하는 피스톤의 효율을 향상시키기 위한 스털링 냉동기용 피스톤 링 유닛에 있어서, 상기 피스톤의 선단부 외주면에 형성되는 링 홈; 상기 링 홈에 형성되는 적어도 하나 이상의 장착홈; 상기 링 홈에 장착되는 피스톤 링; 및 상기 링 홈과 상기 피스톤 링의 사이에서 상기 장착홈에 장착되며, 상기 피스톤 링에 탄성력을 제공하는 탄성부재를 포함한다.

Description

스털링 냉동기용 피스톤 링 유닛{PISTON RING UNIT FOR STIRLING REFRIGERATOR}
본 발명은 스털링 냉동기용 피스톤의 피스톤 링 유닛에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스털링 냉동기에서 압축실 또는 팽창실의 보어와 피스톤 사이의 간극이 발생하는 것을 미연에 방지하여 피스톤의 작동효율을 향상시키도록 하는 스털링 냉동기용 피스톤 링 유닛에 관한 것이다.
일반적으로 자동차의 에어컨 시스템은 외부의 온도변화에 관계없이 자동차 실내의 온도를 적당한 온도로 유지하여 쾌적한 실내환경을 유지할 수 있도록 하는 것이다.
이러한 에어컨 시스템은 냉매를 압축하는 압축기와, 상기 압축기에서 압축된 냉매를 응축시키는 응축기와, 상기 응축기에서 응축되어 액화된 냉매를 급속히 팽창시키는 팽창밸브, 및 상기 팽창밸브에서 팽창된 냉매를 증발시키면서 냉매의 증발 잠열을 이용하여 상기 에어컨 시스템이 설치된 실내로 송풍되는 공기를 냉각하는 증발기 등을 주요한 구성요소로 포함한다.
그러나 종래의 에어컨 시스템은 순환되는 작동유체인 냉매로서 CFC/HCFC계 화합물을 사용하고 있는 바, 이들은 화학적으로 매우 안정적이어서 대기 중으로 누출되었을 때 분해되지 않고 성층권에 도달하고, 여기서 햇빛의 자외선에 반응하여 염소 원자가 분리되며, 이 염소원자는 오존과 반응하여 일산화염소를 생성시키면서 점차 오존층을 파괴하게 되는 단점이 있다.
이와 같이 냉매에 의한 환경오염을 방지하기 위해 최근에는 냉매를 대신하여 내부에 충진된 작동유체로서 헬륨가스나 질소가스를 사용하고, 이 작동유체의 등온 압축, 등적 과정, 등온 팽창, 및 등적 과정을 반복 수행하면서 등온 팽창 시, 발생하는 흡열반응을 통해 작동유체를 초저온 상태로 냉각하여 차량의 냉방에 이용하기 위한 스털링 냉동기에 대한 개발이 이루어지고 있다.
그러나 상기와 같은 스털링 냉동기에서 작동유체를 압축 및 팽창하기 위해서는 스털링 냉동기 내부에 구비된 피스톤이 압축실과 팽창실로 각각 왕복 이동 시, 압축 및 팽창 효율을 향상시키기 위해 피스톤의 외주면과 압축실 및 팽창실 내면과의 사이를 최소한의 간격으로 유지해야 하나, 균등한 간극을 유지하지 못함에 따라, 압축실과 팽창실에서 작동유체의 원활한 압축 및 팽창이 이루어지지 못하는 문제점이 있다.
또한, 작동유체의 원활한 압축 및 팽창이 이루어지지 못함에 따라, 스털링 냉동기의 전체적인 효율이 저하되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 스털링 냉동기에서 압축실 또는 팽창실의 보어와 피스톤의 외주면 사이에 간격이 발생되는 것을 미연에 방지함으로써, 피스톤의 압축 및 팽창 효율 향상을 통해 스털링 냉동기의 전체적인 효율을 향상시키도록 하는 스털링 냉동기용 피스톤 링 유닛을 제공하고자 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 스털링 냉동기용 피스톤 링 유닛은 차량의 엔진으로부터 구동력을 전달받아 작동되며, 내부에 충진된 작동유체를 피스톤의 왕복 운동을 통해 압축하는 압축부와, 상기 압축부에서 압축된 작동유체를 피스톤의 왕복 이동을 통해 팽창시키는 팽창부와, 상기 압축부와 상기 팽창부를 유체적으로 연통시키는 재생부를 포함하고, 상기 작동유체의 등온압축, 등적과정 및 등온팽창의 반복을 통해 상기 팽창부에서 흡열하고 압축부에서는 발열하는 스털링 냉동기에서 상기 압축부와 팽창부에 구비된 압축실과 팽창실에서 왕복 이동하는 피스톤의 효율을 향상시키기 위한 스털링 냉동기용 피스톤 링 유닛에 있어서, 상기 피스톤의 선단부 외주면에 형성되는 링 홈; 상기 링 홈에 형성되는 적어도 하나 이상의 장착홈; 상기 링 홈에 장착되는 피스톤 링; 및 상기 링 홈과 상기 피스톤 링의 사이에서 상기 장착홈에 장착되며, 상기 피스톤 링에 탄성력을 제공하는 탄성부재를 포함한다.
상기 피스톤은 내부에 공간이 없는 중실 피스톤으로 형성될 수 있다.
상기 장착홈은 상기 링 홈의 원주방향을 따라 일정각도 이격된 위치에 형성될 수 있다.
상기 각 장착홈은 상기 피스톤의 중심을 향하여 수직하게 형성될 수 있다.
상기 피스톤 링은 양단이 상호 분리되어 겹쳐진 상태로, 상기 링 홈에 장착될 수 있다.
상기 피스톤 링은 원형의 링 형상으로 탄성력을 가지며, 일단과 타단에 내측면이 상호 마주하게 배치되어 겹쳐지는 연장단이 각각 형성될 수 있다.
상기 피스톤 링은 상기 압축실 또는 상기 팽창실의 보어와 상기 피스톤의 외주면 사이에 간격이 발생할 경우, 상기 탄성부재의 탄성력에 의해 그 직경이 증가되어 상기 압축실 또는 상기 팽창실의 각 보어에 밀착될 수 있다.
상기 탄성부재는 일단이 상기 장착홈의 내면에 지지되고 타단은 상기 피스톤 링의 내주면에 지지되는 코일 스프링으로 형성될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 스털링 냉동기용 피스톤 링 유닛에 의하면, 스털링 냉동기에서 압축실 또는 팽창실의 보어와 피스톤의 외주면 사이에 간격 발생 시, 탄성부재가 피스톤 링에 지속적으로 탄성력을 제공하여 피스톤 링을 보어에 밀착시킴으로써, 피스톤과 보어 사이에 간격이 발생되는 것을 방지하여 피스톤의 압축 및 팽창 작동효율을 향상시키고, 스털링 냉동기의 전체적인 효율을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 피스톤이 장시간 구동될 경우, 피스톤의 외주면에 마모가 발생되더라도, 탄성부재의 지속적인 탄성력이 피스톤 링에 제공됨으로써, 압축실과 팽창실 내부의 기밀유지 능력이 저하되는 것을 방지하는 효과도 있다.
또한, 피스톤 링이 탄성부재에 의해 압축실과 팽창실의 보어와 밀착된 상태로 상기 피스톤과 함께 왕복 이동됨에 따라, 피스톤의 외주면이 압축실과 팽창실의 내주면과 직접적으로 접촉되는 것을 방지하여 마찰력을 감소시킴으로써, 피스톤의 왕복 이동 시, 기계적 효율을 향상시키는 효과도 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 스털링 냉동기용 피스톤 링 유닛이 적용되는 스털링 냉동기의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스털링 냉동기용 피스톤 링 유닛이 적용된 스털링 냉동기의 부분 절개 사시도이다.
도 3은 도 2의 A-A 선에 따른 단면도이다.
도 4는 본 발명의 본 발명의 실시예에 따른 스털링 냉동기용 피스톤 링 유닛의 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 스털링 냉동기용 피스톤 링 유닛의 작동 상태도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
이에 앞서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 스털링 냉동기용 피스톤 링 유닛이 적용되는 스털링 냉동기의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스털링 냉동기용 피스톤 링 유닛이 적용된 스털링 냉동기의 부분 절개 사시도이며, 도 3은 도 2의 A-A 선에 따른 단면도이고, 도 4는 본 발명의 본 발명의 실시예에 따른 스털링 냉동기용 피스톤 링 유닛의 분해 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 스털링 냉동기용 피스톤 링 유닛(10)이 적용되는 상기 스털링 냉동기(100)는 차량의 엔진(미도시)으로부터 구동력을 풀리(101)를 통해 전달받아 회전되는 회전 샤프트(103)를 통해 작동되며, 내부에 충진된 작동유체를 피스톤(107)의 왕복 운동을 통해 압축하는 압축부(110)와, 상기 압축부(110)에서 압축된 작동유체를 피스톤(107)의 왕복 이동을 통해 팽창시키는 팽창부(120)와, 상기 압축부(110)와 상기 팽창부(120)를 유체적으로 연통시키는 재생부(130)를 포함하여 구성된다.
이러한 스털링 냉동기(100)는 작동유체의 등온압축, 등적과정 및 등온팽창의 반복을 통해 압축부(110)에서 발열하여 작동유체의 온도가 상승하고, 온도가 상승된 작동유체를 연결배관(140)을 통해 연결된 재생부(130)에서 재생시킨 후, 상기 팽창부(120)에서 흡열을 통해 작동유체의 온도를 초저온 상태로 낮추게 된다.
여기서, 상기 팽창부(120)에서 온도가 낮아진 작동유체는 차량에 구비된 내부 열교환기를 순환하는 다른 작동유체와 열교환되며, 열교환을 통해 냉각된 다른 작동유체가 차량의 실내로 유입되는 외기를 냉각시킴으로써, 차량의 냉방이 이루어지게 된다.
여기서, 상기 피스톤(107)은 상기 압축부(121)에서 작동유체가 압축되면, 상기 팽창부(123)에서 팽창이 이루어지도록 상기 압축부(110)와 팽창부(120)를 관통하여 설치된 상기 회전 샤프트(103) 상에 상호 설정 위상을 가지며, 압축부(110)와 팽창부(120)에 각각 구비되는 한 쌍의 경사판(105)을 통해 장착된다.
그리고 상기 압축부(110)와 팽창부(120)는 피스톤(107)이 왕복 이동되면서 작동유체를 압축 또는 팽창시키기 위한 압축실(111)과 팽창실(121)이 구비된다.
이와 같은 구성을 갖는 스털링 냉동기(100)에서 본 발명의 실시예에 따른 스털링 냉동기용 피스톤 링 유닛(10)은 압축실(111) 또는 팽창실(121)의 보어와 피스톤(107)의 외주면 사이에 간격이 발생되는 것을 미연에 방지함으로써, 피스톤(107)의 압축 및 팽창 효율 향상을 통해 스털링 냉동기(100)의 전체적인 효율을 향상시킬 수 있는 구조로 이루어진다.
이를 위해, 본 발명의 실시예에 따른 스털링 냉동기용 피스톤 링 유닛(10)은 압축실(111)과 팽창실(121)에서 왕복 이동하는 피스톤의 효율을 향상시키기 위한 것으로, 도 2와 도 3에서 도시한 바와 같이, 링 홈(11), 장착홈(13), 피스톤 링(15), 및 탄성부재(17)를 포함하여 구성된다.
먼저, 상기 링 홈(11)은 상기 피스톤(107)의 선단부 외주면에 원주방향을 따라 형성된다.
본 실시예에서, 상기 장착홈(13)은 적어도 하나 이상으로 구성되며, 상기 링 홈(11)에 형성된다.
여기서, 상기 장착홈(13)은 상기 링 홈(11)의 원주방향을 따라 일정각도 이격된 위치에 형성되며, 상기 피스톤(107)의 중심을 향하여 수직하게 형성될 수 있다.
이러한 장착홈(13)은 상기 링 홈(11)의 원주방향으로 90°각도로 이격된 위치에 각각 형성되어 4 개로 구성된다.
한편, 본 실시예에서, 상기 피스톤(107)은 내부에 빈 공간이 없는 중실 피스톤으로 형성될 수 있다.
그리고 상기 피스톤 링(15)은 상기 링 홈(11)에 장착된다.
여기서, 상기 각 피스톤 링(15)은 양단이 상호 분리되어 겹쳐진 상태로, 상기 링 홈(11)에 장착될 수 있다.
이러한 피스톤 링(15)은 원형의 링 형상으로 탄성력을 가지며, 일단과 타단에 내측면이 상호 마주하게 배치되어 겹쳐지는 연장단(15a)이 각각 일체로 형성된다.
본 실시예에서, 상기 탄성부재(17)는 상기 링 홈(11)과 상기 피스톤 링(15)의 사이에서 상기 장착홈(13)에 장착되며, 상기 피스톤 링(15)에 탄성력을 제공하게 된다.
여기서, 상기 탄성부재(17)는 일단이 상기 장착홈(13)에 삽입된 상태로, 내면에 지지되고 타단은 상기 피스톤 링(15)의 내주면에 지지되는 코일 스프링으로 형성될 수 있다.
이러한 탄성부재(17)는 상기 각 장착홈(13)이 90°각도로 이격되어 상기 링 홈(11)의 둘레를 따라 형성되는 것에 대응하여 4개로 구성된다.
따라서, 상기 피스톤 링(15)은 상기 압축실(111) 또는 상기 팽창실(121)의 보어와 상기 피스톤(107)의 외주면 사이에 간격이 발생할 경우, 상기 각 탄성부재(17)가 장착홈(13)의 내면으로부터 상기 피스톤 링(15)의 내주면에 제공하는 탄성력에 의해 상기 연장단(15a)이 벌어지면서 그 직경이 증가되어 상기 압축실(111) 또는 상기 팽창실(121)의 각 보어에 밀착된다.
이에 따라, 상기 피스톤(107)은 상기 압축실(111) 또는 팽창실(121)에서 왕복 이동 시, 상기 피스톤 링(15)이 탄성부재(17)에 의해 직경이 증가되면서 상기 피스톤(107)의 외측으로 벌어져 압축실(111) 또는 팽창실(121)의 내주면과 밀착된 상태를 유지하게 됨으로써, 작동유체의 압축 또는 팽창 시에 기밀을 유지할 수 있어 그 작동효율이 향상된다.
한편, 본 실시예를 설명함에 있어, 상기 장착홈(13)이 90°각도로 이격되어 4개가 형성되며, 이에 대응하여 탄성부재(17)도 4개가 구비되는 것을 일 실시예로 하여 설명하고 있으나, 이에 한정된 것은 아니며, 상기 장착홈(13)의 위치 및 개수와 탄성부재(17)의 개수는 변경하여 적용할 수 있다.
이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 스털링 냉동기용 피스톤 링 유닛(10)의 작동 및 작용을 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 스털링 냉동기용 피스톤 링 유닛의 작동 상태도이다.
먼저, 상기 피스톤(107)은 상기 압축실(111) 또는 팽창실(121)의 내부에서 작동유체를 압축 또는 팽창시키기 위하여 왕복 이동을 할 경우, 상기 피스톤 링(15)은, 도 5의 (S1)과 같이, 상기 피스톤(107)과 피스톤 링(15) 사이에 개재되어 장착홈(13)에 장착된 탄성부재(17)의 탄성력을 제공받아 상기 압축실(111) 또는 팽창실(121)의 보어와 외주면이 밀착된 상태를 유지하게 된다.
이러한 상태에서, 상기 피스톤(107)이 무수히 많은 왕복 이동으로 인한 마모발생 등에 의해 상기 압축실(111) 또는 팽창실(121)의 보어와 상기 피스톤(107) 사이에 간극이 증가된다.
이 경우, 상기 피스톤 링(15)은, 도 5의 (S2)와 같이, 상기 피스톤(107)의 외주면과 상기 압축실(111) 또는 팽창실(121)의 보어 사이에 증가된 간극만큼 탄성부재(17)의 탄성력에 의해 상기 각 연장단(15a)이 상호 벌어지면서 상기 링 홈(13)으로부터 피스톤(107)의 외측을 향하여 그 직경이 증가되어 상기 압축실(111) 또는 팽창실(121)의 보어와 밀착된다.
즉, 상기 피스톤 링(15)은, 도 5의 (S1)과 (S2)에서 도시한 바와 같이, 상기 피스톤(107)의 압축 또는 팽창에 따른 왕복 이동 시, 상기 탄성부재(17)의 탄성력에 의해 항상 상기 압축실(111) 또는 팽창실(121)의 보어에 밀착된 상태로 기밀을 유지하게 된다.
이에 따라, 상기 각 피스톤 링(15)은 상기 압축실(111) 또는 팽창실(121) 내부의 작동유체가 피스톤(107)과 압축실(111) 또는 팽창실(121)의 보어 사이에 형성되는 간극으로 누유되는 것을 미연에 차단하고, 피스톤(107)이 보다 효율적으로 작동유체의 압축 및 팽창시키게 함으로써, 작동효율을 향상시키게 된다.
따라서, 상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 스털링 냉동기용 피스톤 링 유닛(10)을 적용하면, 스털링 냉동기(100)에서 압축실(111) 또는 팽창실(121)의 보어와 피스톤(107)의 외주면 사이에 간격 발생 시, 탄성부재(17)가 피스톤 링(15)에 지속적으로 탄성력을 제공하여 피스톤 링(15)을 보어에 밀착시킴으로써, 피스톤(107)과 보어 사이에 간격이 발생되는 것을 방지하여 피스톤(107)의 압축 및 팽창 작동효율을 향상시키고, 스털링 냉동기(100)의 전체적인 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 피스톤(107)이 장시간 구동될 경우, 피스톤(107)의 외주면에 마모가 발생되더라도, 탄성부재(17)의 지속적인 탄성력이 피스톤 링(15)에 제공됨으로써, 압축실(111)과 팽창실(121) 내부의 기밀유지 능력이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 피스톤 링(15)이 탄성부재(17)에 의해 압축실(111)과 팽창실(121)의 보어와 밀착된 상태로 상기 피스톤(107)과 함께 왕복 이동됨에 따라, 피스톤(107)의 외주면이 압축실(111)과 팽창실(121)의 내주면과 직접적으로 접촉되는 것을 방지하여 마찰력을 감소시킴으로써, 피스톤(107)의 왕복 이동 시, 기계적 효율을 향상시킬 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
10 : 피스톤 링 유닛 11 : 링 홈
13 : 장착홈 15 : 피스톤 링
15a : 연장단 17 : 탄성부재

Claims (8)

  1. 차량의 엔진으로부터 구동력을 전달받아 작동되며, 내부에 충진된 작동유체를 피스톤의 왕복 운동을 통해 압축하는 압축부와, 상기 압축부에서 압축된 작동유체를 피스톤의 왕복 이동을 통해 팽창시키는 팽창부와, 상기 압축부와 상기 팽창부를 유체적으로 연통시키는 재생부를 포함하고, 상기 작동유체의 등온압축, 등적과정 및 등온팽창의 반복을 통해 상기 팽창부에서 흡열하고 압축부에서는 발열하는 스털링 냉동기에서 상기 압축부와 팽창부에 구비된 압축실과 팽창실에서 왕복 이동하는 피스톤의 효율을 향상시키기 위한 스털링 냉동기용 피스톤 링 유닛에 있어서,
    상기 피스톤의 선단부 외주면에 형성되는 링 홈;
    상기 링 홈에 형성되는 적어도 하나 이상의 장착홈;
    상기 링 홈에 장착되는 피스톤 링; 및
    상기 링 홈과 상기 피스톤 링의 사이에서 상기 장착홈에 장착되며, 상기 피스톤 링에 탄성력을 제공하는 탄성부재;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 스털링 냉동기용 피스톤 링 유닛.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 피스톤은
    내부에 공간이 없는 중실 피스톤으로 형성되는 것을 특징으로 하는 스털링 냉동기용 피스톤 링 유닛.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 장착홈은
    상기 링 홈의 원주방향을 따라 일정각도 이격된 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 스털링 냉동기용 피스톤 링 유닛.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 각 장착홈은
    상기 피스톤의 중심을 향하여 수직하게 형성되는 것을 특징으로 하는 스털링 냉동기용 피스톤 링 유닛.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 피스톤 링은
    양단이 상호 분리되어 겹쳐진 상태로, 상기 링 홈에 장착되는 것을 특징으로 하는 스털링 냉동기용 피스톤 링 유닛.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 피스톤 링은
    원형의 링 형상으로 탄성력을 가지며, 일단과 타단에 내측면이 상호 마주하게 배치되어 겹쳐지는 연장단이 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 스털링 냉동기용 피스톤 링 유닛.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 피스톤 링은
    상기 압축실 또는 상기 팽창실의 보어와 상기 피스톤의 외주면 사이에 간격이 발생할 경우, 상기 탄성부재의 탄성력에 의해 그 직경이 증가되어 상기 압축실 또는 상기 팽창실의 각 보어에 밀착되는 것을 특징으로 하는 스털링 냉동기용 피스톤 링 유닛.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 탄성부재는
    일단이 상기 장착홈의 내면에 지지되고 타단은 상기 피스톤 링의 내주면에 지지되는 코일 스프링으로 형성되는 것을 특징으로 하는 스털링 냉동기용 피스톤 링 유닛.
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