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  • 引用文献
  • 法律状态
  • 优先权
    • 专利摘要:
    Die Erfindung betrifft eine Druck-/Vakuum-Kolbenpumpe mit einem hin- und herlaufenden Kolben in einem Zylinder, der eine Leckageöffnung aufweist, der einen kleinen Durchmesser, bevorzugt einen Durchmesser von etwa 0,05 Inch, aufweist und es erlaubt, dass ein Teil der Arbeitsluft in das Pumpengehäuse während zumindest eines Teils des Kolbenhubs ausleckt. Die Leckageöffnung verläuft koplanar zur Antriebswelle und der Mittenlinie des Zylinders. Außerdem kommt sie zwischen dem Kolbenkopf und dem Ventilkopf während des größten Teils des Kolbenhubs, jedoch unter der Kolbenbodendichtung und abgeschlossen von der Arbeitskammer zu liegen, wenn der Kolben sich im oberen Totpunkt befindet. Während vorübergehender Ausschaltperioden der Pumpe lässt der Leckage-Pfad Hochdruck- oder Vakuumgas in den Zylinder ausströmen, wodurch ein Motor mit geringem Drehmoment die Pumpe zuverlässig erneut zu starten vermag.
    公开号:DE102004004358A1
    申请号:DE200410004358
    申请日:2004-01-29
    公开日:2004-10-14
    发明作者:Gary S. Plymouth Hueppchen
    申请人:Thomas Industries Inc；
    IPC主号:F04B35-04
    专利说明:
    [0001] DieseAnmeldung beansprucht Prioritätaus der vorläufigenUS-Anmeldung Nr.60/446 322, eingereicht am 6. Februar 2003.
    [0002] DieseErfindung betrifft Kolbenpumpen und insbesondere betrifft sie Hochdruck-bzw. Vakuumpumpen mit verbesserter Wiederstartbarkeit.
    [0003] BestimmtePumpanwendungen erfordern, dass die Pumpe in Ein-/Ausschalt-Zyklen arbeiten. Bei Hochdruck-oder Vakuumanwendungen kann in der Größenordnung von 100 psi odermehr das Luftvolumen in der Arbeitskammer bzw. den Arbeitskammerndes Pumpzylinders bzw. der Pumpzylinder den Hin- und Herlauf desKolbens bzw. der Kolben signifikant derart beeinträchtigen,dass ein Wiederstarten der Pumpe ein großes Drehmoment erfordert. Hierbeieingesperrte Luft kann den Pumpenantriebsmotor übermäßig belasten und vorschnellenMotorverschleiß hervorrufen,ein schwieriges, inkonsistentes und gestörtes Wiederstarten hervorrufenoder teure Motoren mit höheremStartdrehmoment notwendig machen.
    [0004] Essind auch zahlreiche Versuche unternommen worden, das Wiederstartenproblemloser oder konsistenter zu machen. Eine technische Lösung siehtvor, einen größeren Motorzu verwenden, der fürden normalen Betrieb signifikant zu groß ist, der jedoch ein hohesStartdrehmoment bereitstellt, das ausreicht, den Widerstand dereingesperrten Zylinderluft zu überwinden.Eine weitere signifikant wirksamere Technik besteht darin, einenLeckage-Pfad an der Ansaugöffnung(oder der Auslassöffnung, wennVakuum angesaugt wird) in der Ventilplatte der Pumpe zu erzeugen.Dies kann dadurch erfolgen, eine Innenseite der Ventilplatte ander Ansaugöffnungschrägzu stellen, so dass das Klappenventil zur Steuerung der Strömung durchdie Öffnungnicht vollständigschließtund die Ansaugöffnungverschließt,woraufhin ein Zylinder-Schwellendruckerreicht wird. Diese Technik erlaubt es, dass ein Antriebsmotormit relativ geringem Drehmoment (der dadurch kostengünstigerist) verwendet werden kann. Dies erfordert jedoch eine ziemlichteure und zeitaufwendige maschinelle Bearbeitung der Ventilplattezur Bildung der Schrägfläche. Außerdem kann hierdurchdas Klappenventil am Ansaugende ermüden und der Durchsatz der Abluftströmung kannsignifikant verringert werden, was für bestimmte Anwendungen ungeeignetist, die spezifische bzw. minimale Durchsätze erfordern.
    [0005] Esbesteht deshalb ein Bedarf an einer Hochdruck-/Vakuumpumpe mit verbesserterWiederstartbarkeit.
    [0006] Dievorliegende Erfindung stellt eine Kolbenpumpe mit einem Gehäuse bereit,das einen internen Hohlraum festlegt, in welchem ein Zylinder angeordnetist, der einen zylindrischen Durchsatz festlegt, in welchem einKopf eines Zylinders hin- undherläuft, umdas Volumen einer Arbeitskammer des Zylinders zu verändern. DerZylinder weist eine Leckageöffnungauf, die eine Kommunikation zwischen der Arbeitskammer und einemUmgebungsatmosphärendruckwährendzumindest eines Teils eines Kolbenhubs bereitstellt.
    [0007] DieLeckageöffnungist derart angeordnet, dass sie zwischen dem Kolbenkopf und demVentilkopf währenddes größten Teilsdes Kolbenhubs zu liegen kommt. Bevorzugt weist die Leckage öffnung eineMittenlinie auf, die in einer Ebene liegt, welche die Wellenachseund die Mittenlinie des Zylinders bevorzugt parallel zur Wellenachseund senkrecht zur Zylinder-Mittenlinieschneidet. Die Leckageöffnung istaußerdemneben einem oberen Ende des Zylinders innerhalb eines Abstands vonweniger als etwa 0,2 Inch angeordnet; stärker bevorzugt liegt ihre Mitte etwa0,05 Inch vom oberen Ende des Zylinders entfernt. Der Kolbenkopfumfasst eine Dichtung, die mit einem Innendurchmesser des Zylindersgleitend zusammenpasst. Das Zentrum der Leckageöffnung sollte nicht mehr alsetwa 0,1 Inch, bevorzugt etwa 0,05 Inch, unter der Kolbenbodendichtungzu liegen kommen, wenn der Kolben sich im oberen Totpunkt befindet,so dass der Kolbenboden an der Öffnung vorbeiläuft,und diese in der Nähedes Totpunkts vorübergehendverschließt.
    [0008] DieLeckageöffnungkann unterschiedlich groß seinund unter einer mehr weniger großen Distanz vom Oberende desZylinders fürverschieden bemessene Zylinder angeordnet sein. Größe und Ort derLeckageöffnungsind üblicherweiseunabhängig vondem Kolbenhub. Üblicherweiseerhöhteine Vergrößerung derLeckageöffnungdie zuverlässigeWiederstartbarkeit und verringert den Durchsatz der Pumpe, während eineAnordnung der Leckageöffnungweiter entfernt von der Oberseite des Zylinders (wobei in diesemFall die Kolbendichtung im Totpunkt zu liegen kommt) die zuverlässige Wiederstartbarkeit verringertund den Durchsatz erhöht.Ungeachtet der Zylindergröße solltedie Leckageöffnungeine ähnlicheGrößenordnungaufweisen und näherzum oberen Ende des Zylinders als zum unteren Ende zu liegen kommen.
    [0009] Dieerfindungsgemäße Pumpemit der Leckageöffnungin dem Zylinder ermöglichtein Ausströmenlassendes Arbeitsgases aus dem Zylinder zur Außenseite des Zylinders. DasAusströmenlas sen erfolgtdiskontinuierlich derart, dass der bevorzugte Ort für die Leckageöffnung einsolcher ist, dass der Kolbenboden an der Leckageöffnung von unten nach obenbei jedem Hub zum Totpunkt hin vorbeiläuft. Dieses diskontinuierlicheAusströmenlassenverläuft derart,dass währendvorübergehendbelastungsfreier Perioden der Pumpe der Zylinder ausreichend druckfreigemacht werden kann, um ein rasches Wiederstarten der Pumpe miteinem Antriebsmotor relativen geringen Drehmoments zu ermöglichen.Die Leckageöffnungkann außerdemeine einfache Durchgangsbohrung sein, die durch einen raschen undkostengünstigenBohrvorgang gebildet werden kann.
    [0010] Dievorliegende Erfindung stellt demnach eine Pumpe mit hochgradig zuverlässiger Wiederstartbarkeitbereit, die fürHochdruck- oder Vakuumanwendungen mit Ein-/Ausschalt-Zyklen besondersgeeignet ist. Die verbesserte Wiederstartbarkeit der Pumpe wirddurch einen einfachen Bohrvorgang ohne Notwendigkeit teurer Maschinen-Bearbeitungsvorgänge bereitgestellt.Da der Leckagepfad in dem Zylinder an einem geeigneten Ort zu liegenkommt, werden Durchsatzverluste ebenso verringert wie eine Ventilermüdung.
    [0011] Dievorstehend genannten sowie weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindungerschließensich aus der nachfolgenden Beschreibung. In dieser Beschreibungwird auf die anliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die Teil derBeschreibung bilden und in denen illustrativ eine bevorzugte Ausführungsformder Erfindung gezeigt ist. Diese Ausführungsform definiert nichtnotwendigerweise den vollen Umfang der Erfindung dar, der durchdie Ansprüchefestgelegt ist, die den Umfang der Erfindung festlegen.
    [0012] 1 zeigt eine aufgeschnitteneSeitenansicht einer Kolbenpumpe in Übereinstimmung mit der vorliegendenErfindung bei entfernter Gehäuseabdeckung,um innere Bestandteile freizulegen,
    [0013] 2 zeigt eine Teilschnittansichtentlang der Linie 2-2 unter Darstellung eines Kolbens in einem Zylinderder Pumpe in der Nähedes Hubbeginns, und
    [0014] 3 zeigt eine ähnlicheAnsicht wie 2 unterDarstellung des Kolbens im Totpunkt.
    [0015] 1 und 2 zeigen eine Hochdruck-/Vakuum-Kolbenpumpe 10 miteinem einzigen Zylinder mit verbesserter Wiederstartbarkeit in Übereinstimmung mitder vorliegenden Erfindung. Die Pumpe 10 umfasst allgemeinein Gehäuse 12 zurAufnahme eines Motors 14 mit einer drehbaren Antriebswelle 16,die sich entlang einer Wellenachse 17 in die Kurbelkammer 18 indem Gehäuse 12 hineinerstreckt. Auf der Welle 16 ist ein Lüfter 20 angebracht,und eine Verbindungsstange 22 eines Kolbens 24,der einen vergrößerten kreisförmigen Kopf 26 aufweist,der im Innern des Zylinders 28 in dem Gehäuse so angeordnetist, dass er allgemein senkrecht zur Welle 16 verläuft; d.h.,die Wellenachse 17 verläuftim wesentlichen senkrecht zur Mittenlinie 29 des Zylinders 28. EineKolbenbodendichtung 30 ist zwischen dem Kopf 26 undeinem Halter 32 eingeschlossen. Die Kolbenbodendichtung 30 istso bemessen, dass sie am Innendurchmesser des Zylinders 28 gleitverschiebbar dichtanliegt, wenn der Kolben 24 durch Drehung der Welle 16 inAuf- und Abwärtsrichtunghin- und herläuft.Eine Ventilplatte 34 mit ge eigneten Ansaug- und Auslassventilen(nicht gezeigt), gesteuert durch dünne Metallklappenventilen (nichtgezeigt), ist an der Oberseite des Gehäuses 12 angebrachtund gegenübereinem oberen Ende 36 des Zylinders 28 abgedichtet.Ein Ventilkopf 38 ist auf der Ventilplatte 34 angebrachtund weist Ansaug- undAuslassanschlüsse 40 und 42 zurVerbindung mit Ansaug- undAuslassleitungen (nicht gezeigt) auf, die für die gewünschte Anwendung erforderlichsind.
    [0016] Wiein 1 bis 3 gezeigt, erstreckt sich eine Leckageöffnung 44,bevorzugt eine einfache Bohrung, quer durch die Wandung des Zylinders 28 unter Bereitstellungeiner Verbindung zwischen dem Innern des Zylinders 28 unddem Innern des Gehäuses 12.Die Leckageöffnung 44 istin der Nähedes oberen Endes 36 des Zylinders 28 derart angeordnet, dasssie zwischen dem Kolben 24 und der Ventilplatte 34 während desgrößten Teilsdes Kolbenhubs, tatsächlichwährendnahezu des gesamten Kolbenhubs zu liegen kommt, wie in 2 gezeigt. In einer bevorzugtenAusführungsformist die Leckageöffnung 44 derartangeordnet, dass ihre Mittenlinie 45 in einer Ebene zuliegen kommt, welche die Wellenachse 17 ebenso wie dieMittenlinie 29 des Zylinders 28 enthält, parallelzur Wellenachse 17 und senkrecht zur Mittenlinie 29 verlaufend.Die Leckageöffnung 44 ist außerdem bevorzugtso angeordnet, dass die Kolbenbodendichtung 30 unter ihrzu liegen kommt, mit der Ausnahme, wenn der Kolben 24 sichdem oberen Totpunkt (seiner höchstenPosition) nähert,wie in 3 gezeigt, inwelcher Position der Kolbenboden 30 über die Leckageöffnung 44 hinausläuft unddie Verbindung zur Arbeitskammer schließt. In dieser Weise befindetsich die Leckageöffnung 44 während demgrößten Teilder Zeit auf der Arbeitsseite des Kolbenkopfs 26 und siekommt ausschließlichauf der arbeitsfreien Seite des Kolbenkopfs 26 zu liegen, während ersich in der Nähedes oberen Totpunkts befindet. Mit anderen Worten liegt die Lecka geöffnung 44 über demKolbenkopf 26, wenn der Kurbelwinkel in etwa zwischen 10 und350° liegt.Dies erlaubt es, dass die Leckageöffnung 44 die Arbeitsluft ausdem Zylinder 28 währendnahezu des gesamten Kolbenhubs ausströmen lässt. Das Auslecken bzw. Ausströmen erfolgtdiskontinuierlich, insofern als keine Leckage bei Kurbelwinkelnbei oder in der Nähe desTotpunkts stattfindet.
    [0017] DieLeckageöffnung 44 istrelativ klein (im Vergleich zum Volumen des Zylinders 28),so dass währenddes stabilen Betriebs der Pumpe 10 mit hohen Drehzahlenausreichend Druck oder Vakuum zur Bereitstellung hoher Durchsätze erzieltwerden kann. Wenn die Pumpe 10 ausgeschaltet wird odermit geringer Drehzahl arbeitet, wie etwa beim Starten, erlaubt dieLeckageöffnung 24 einrasches Ausströmen derArbeitsluft in den Zylinder 28 und aus dem Zylinder 28 heraus,so dass die hin- und herlaufende Bewegung des Kolbens 24 wenigerbeeinträchtigtwird, was ein rasches Wiederstarten mit einem Motor geringen Drehmomentsermöglicht.Da die Leckageöffnung 44 sichauf der Arbeitsseite des Kolbens während nahezu seines vollständigen Hubsbefindet, kommt dann, wenn die Pumpe 10 gestoppt wird,der Kolbenboden 30 mit größter Wahrscheinlichkeit unter derLeckageöffnung 44 zuliegen, was ein Ausströmenlassender komprimierten Luft in dem Zylinder 28 ermöglicht,um den nächstenWiederstart vorzubereiten. Wenn die Pumpte 10 gestopptwird und der Kolben 24 aufhört, durch den Motor angetriebenzu werden, wirkt die restliche Arbeitsluft in dem Zylinder 28 dahingehend,den Kolben 24 hinunter zum unteren Totpunkt oder in dieNähe desunteren Totpunkts zwangsweise zu bewegen. Die macht es noch wahrscheinlicher,dass die Leckageöffnung 44 mitder Arbeitskammer des Zylinders 28 in Verbindung steht. Dadurchstellt die Leckageöffnung 44 konsistentdie erforderliche Ausströmfunktionbereit, um ein konsistenes Wiederstarten der Pumpe selbst dann zuge währleisten,wenn ein Motor geringen Drehmoments verwendet wird.
    [0018] Ineiner bevorzugten Ausführungsformnutzt die Pumpe 10 einen Motor mit geringem Drehmoment,der ein Startdrehmoment von 8 Unzen-Fuß bereitstellt und die Pumpe 10 stelltmit etwa 60 psi eine Durchsatzleistung von ungefähr 0,5 CFM bereit. Der Zylinder 28 weisteinen Innendurchmesser von 2,25 Inch und eine Wandungsdicke von0,125 Inch auf. Der Kolbenhub beträgt etwa 0,32 Inch. In diesemFall misst der Durchmesser der Leckageöffnung bevorzugt nicht mehrals 0,1 Inch, stärkerbevorzugt etwa 0,05 Inch. Die Leckageöffnung 44 kommt bevorzugt innerhalbvon etwa 0,5 Inch vom oberen Ende 36 des Zylinders 28 zuliegen, stärkerbevorzugt nicht weniger als etwa 0,2 Inch vom oberen Ende 36 undnicht mehr als etwa 0,1 Inch, bevorzugt etwa 0,05 Inch, unter derKolbenbodendichtung 30, wenn der Kolben 24 sichim oberen Totpunkt befindet. Die vorstehend genannten Abmessungensind von der horizontalen Mittenlinie der Leckageöffnung 44 ausgenommen.
    [0019] Eswird bemerkt, dass dies lediglich ein Beispiel einer bevorzugtenPumpenanwendung ist. Die Leckageöffnung 24 kannunterschiedlich bemessen sein und kann mit einer größeren oderkleineren Distanz vom oberen Ende des Zylinders 28 für unterschiedlichbemessene Zylinder, Betriebsdrücke und/oderDurchsatzerfordernisse zu liegen kommen. Ungeachtet dieser Parametersollte die Leckageöffnung 44 inderselben Größenordnungliegen und näherzum oberen Ende des Zylinders als zum gegenüberliegenden (unteren) Endezu liegen kommen.
    [0020] Wievorstehend angeführt,fluchtet die Leckageöffnung 44 mitder Antriebswellenachse 17. Es hat sich herausgestellt,dass dies den größten Durchsatzergibt (dieser ist etwa 25% größer alsdann, wenn die Leckageöffnungsenkrecht zur Wellenachse zu liegen kommt). Außerdem wurde empirisch ermittelt,dass, währenddie zuverlässigeWiederstartbarkeit verbessert ist, eine tiefer liegende Anordnung derLeckageöffnung 44 (weiterentfernt von der Oberseite des Zylinders 28 und der Kolbenbodendichtung 30 imTotpunkt) die Durchsatzleistung signifikant verringert wird. DiePosition der Leckageöffnung 44 ist üblicherweiseunabhängigvom Kolbenhub. Der Durchmesser der Leckageöffnung 44 kann abhängig vonden Strömungsanforderungender Anwendung variieren, wobei bevorzugt ein minimaler Durchmesserbeibehalten wird, um zu verhindern, dass Schmutz die Leckageöffnung 44 verstopft.Eine Vergrößerung desDurchmessers der Leckageöffnung 44 führt üblicherweisezu einer Verbesserung der zuverlässigenWiederstartbarkeit, jedoch zu einer Verringerung des Durchsatzesder Pumpe.
    [0021] DieErfindung ist anhand einer illustrativen Ausführungsform zur Offenbarungihres praktikablen betriebsmäßigen Aufbausim einzelnen erläutertworden, durch welchen Aufbau die Erfindung in vorteilhafter Weisein die Praxis umgesetzt werden kann. Die erläuterte Vorrichtung ist jedochausschließlichillustrativen Charakters und die neuartigen Merkmale der Erfindungkönnenin anderen strukturellen Formen verkörpert sein, ohne vom Umfangder Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können die präzise Größe und der genaue Ort der Leckageöffnung abhängig vonden Durchsatz- und Druckanforderungen der Anwendung variieren. Während lediglich eineeinzige Leckageöffnungvorstehend erläutert undvorliegende gezeigt ist, liegt es im Umfang der Erfindung, dassder Zylinder mehrere Leckageöffnungenin unterschiedlichen Positionen in dem Zylinder aufweisen. Während eineAnwendung bei 60 psi erläutertwurde, kann die Verbesserung der zuverlässigen Wiederstartbarkeit unddes Durchsatzes bei Anwendungen mit höherem Druck und höherem Vakuumvon 100 psi oder einem noch höherenDruck verwirklicht werden. Um die Öffentlichkeit vom vollen Umfangder Erfindung zu unterrichten, wird auf die nachfolgenden Ansprüche verwiesen.
    [0022] Zusammenfassendist zugunsten der Erfindung festzustellen: Eine Hochdruck-/Vakuum-Kolbenpumpeweist einen hin- und herlaufenden Kolben in einem Zylinder auf,der eine kleine Leckageöffnung bevorzugtmit einem Durchmesser von 0,05 Inch aufweist, die es erlaubt, dassein Teil der Arbeitsluft währendzumindest eines Teils des Kolbenhubs zum Pumpengehäuse ausleckt.Die Leckageöffnungverläuftkoplanar mit der Antriebswelle und der Mittenlinie des Zylinders.Außerdemkommt sie zwischen dem Kolbenkopf und dem Ventilkopf während des größten Teilsdes Kolbenhubs zu liegen, jedoch unter der Kolbenbodendichtung undabgeschlossen von der Arbeitskammer, wenn er sich im oberen Totpunkt befindet.WährendvorübergehenderAusschaltperioden der Pumpe lässtder Leckage-Pfad Hochdruck- oder Vakuumgas in den Zylinder ausströmen, wodurchein Motor mit geringem Drehmoment die Pumpe zuverlässig wiederzu starten vermag.
    权利要求:
    Claims (10)
    [1] Kolbenpumpe mit einem Gehäuse, das einen internen Hohlraumfestlegt, in welchem ein Zylinder angeordnet ist, der einen zylindrischenDurchlass festlegt, in welchem ein Kopf eines Zylinders hin- und herläuft, umdas Volumen der Arbeitskammer des Zylinders zu verändern, dadurchgekennzeichnet, dass der Zylinder eine Leckageöffnung aufweist,die eine Verbindung zwischen der Arbeitskammer und dem Umgebungsatmosphärendruckwährendzumindest eines Teils des Kolbenhubs bereitstellt.
    [2] Kolbenpumpe nach Anspruch 1, wobei die Leckageöffnung derartangeordnet ist, dass sie zwischen dem Kolbenkopf und dem Ventilkopfwährend desgrößten Teilsdes Kolbenhubs zu liegen kommt.
    [3] Kolbenpumpe nach Anspruch 2, wobei die Leckageöffnung nebenbzw. in der Nähedes oberen Endes des Zylinders angeordnet ist.
    [4] Kolbenpumpe nach Anspruch 3, wobei die Leckageöffnung wenigerals etwa 0,2 Inch vom oberen Ende des Zylinders angeordnet ist.
    [5] Kolbenpumpe nach Anspruch 4, wobei der Kolbenkopfeine Bodendichtung aufweist, die mit einem Innendurchmesser desZylinders gleitbeweglich zusammenpasst, und wobei ein Zentrum derLeckageöffnungnicht mehr als etwa 0,1 Inch unter der Kolbenbodendichtung zu liegenkommt, wenn der Kolben sich im oberen Totpunkt befindet.
    [6] Kolbenpumpe nach Anspruch 5, wobei das Zentrum derLeckageöffnungetwa 0,05 Inch über demKolbenboden zu liegen kommt, wenn der Kolben sich im oberen Totpunktbefindet.
    [7] Kolbenpumpe nach Anspruch 1, wobei die Leckageöffnung einenkleineren Durchmesser als etwa 0,1 Inch aufweist.
    [8] Kolbenpumpe nach Anspruch 7, wobei die Leckageöffnung einenDurchmesser von etwa 0,05 Inch aufweist.
    [9] Kolbenpumpe nach Anspruch 1, wobei der Kolben miteiner Antriebswelle verbunden ist, die sich entlang einer Wellenachseerstreckt, und wobei die Leckageöffnungeine Mittenlinie aufweist, die in einer Ebene angeordnet ist, welchedie Wellenachse und eine Mittenlinie des Zylinders enthält.
    [10] Kolbenpumpe nach Anspruch 9, wobei die Leckageöffnungs-Mittenlinie parallelzur Wellenachse und senkrecht zur Zylinder-Mittenlinie verläuft.
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2007-08-30| 8128| New person/name/address of the agent|Representative=s name: HML, 80799 MUENCHEN |
    2008-11-20| 8139| Disposal/non-payment of the annual fee|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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