3조-프리즌브레이크

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 배기식 건조기용 제습 장치

영문 : Dehumidifier for ventilation type clothes Dryer

과제 팀명

프리즌브레이크

지도교수

나영승 교수님

개발기간

2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 기계정보공학과 2019XXX0** 주**(팀장)

서울시립대학교 기계정보공학과 2018XXX0** 김**

서울시립대학교 기계정보공학과 2018XXX0** 윤**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

본 개발 과제는 미니 건조기에서 배출되는 습기를 효율적으로 흡수하는 제습 장치를 설계하고, 잔여 습기를 활용해 의류의 주름을 펴는 스타일러 기능을 결합한 다기능 장치를 개발하는 것을 목표로 합니다. 이 장치는 좁은 공간에서도 효과적으로 사용 가능하도록 컴팩트한 디자인과 흡습·재활용 기능을 갖추며, 옷걸이 형태로 연결되어 의류 관리의 편리함을 제공합니다. 이를 통해 쾌적한 실내 환경 유지와 동시에 다목적 가전의 실용성을 극대화하는 것이 특징입니다.

개발 과제의 배경

1인 가구 증가로 원룸 등 좁은 공간에서 미니 건조기의 사용이 늘어나고 있지만, 배출 습기로 인한 실내 습도 상승과 그로 인한 불편함이 주요 문제로 대두되고 있습니다. 이를 해결하기 위해 배출 습기를 효율적으로 흡수하고, 잔여 습기를 활용해 의류 주름을 펴는 스타일러 기능을 통합한 제습 장치를 개발함으로써, 사용 공간의 쾌적함을 유지하고 의류 관리 편의성을 제공할 수 있습니다. 이러한 솔루션은 사용자 만족도를 높이고, 공간 활용성을 극대화하며, 환경 친화적인 설계를 통해 지속 가능성까지 고려한 혁신적인 제품을 제안합니다.

개발 과제의 목표 및 내용

본 개발 과제의 목표는 미니 건조기에서 배출되는 습기로 인한 실내 습도 상승 문제를 해결하고, 이를 활용한 추가 기능으로 소비자 편의성을 증대시키는 제습 장치를 개발하는 것입니다. 이를 위해 배출 습기를 효율적으로 흡수하는 시스템을 설계하고, 잔여 습기를 활용하여 의류 주름을 펴는 스타일러 기능을 통합합니다. 특히, 옷걸이 형태의 구조를 채택하여 실용성과 공간 활용성을 높이고, 사용자에게 쾌적한 환경과 편리한 의류 관리 솔루션을 제공하는 혁신적인 제품을 구현하는 것을 목표로 합니다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

가. State of art

1. 제습 기술

- 흡습 소재: 실리카겔, 제올라이트, 활성탄 등과 같은 흡습 소재가 주로 사용되며, 이들은 높은 흡습 성능과 재사용 가능성을 제공함. 최근에는 친환경 및 재활용이 가능한 소재로의 전환이 활발히 진행되고 있음. - 흡착식 및 응축식 제습기: 흡착식을 기반으로 한 소형 제습기가 공간 제약을 최소화하며 활용되고 있으며, 고효율 히트펌프 기술과 결합된 응축식 제습기가 에너지 효율성을 높이고 있음.

2. 의류 관리 기술

- 스팀 스타일러: 스팀을 이용해 옷의 주름을 제거하고 냄새를 제거하는 기술이 LG 스타일러, 삼성 에어드레서 등으로 상용화되어 있음. 이러한 기술은 스팀 분사 방식과 내부 공기 순환을 결합해 고급 기능을 제공함. - 소형 의류 관리기: 소형화된 의류 관리기가 협소한 공간에서도 사용 가능하도록 개발되고 있으며, 주로 휴대성과 에너지 효율성을 중점으로 한 제품이 증가 추세.

3. 소형 가전의 통합 기술

- 미니 건조기와 유사한 소형 가전제품에서 다기능 통합 기술이 주목받고 있음. 예를 들어, 건조와 살균, 공기 정화 기능을 결합한 제품이 출시되고 있으며, 좁은 공간에서의 활용성을 높이는 방향으로 개발이 진행 중. - IoT(사물인터넷) 기술과 결합된 스마트 가전 기술이 빠르게 발전하며, 사용자 편의성을 높이고 제품의 에너지 효율을 강화하는 데 기여하고 있음.

4. 친환경 기술

- 제습 및 스팀 기술에서 에너지 소비를 줄이고, 지속 가능한 소재를 사용하는 기술 개발이 가속화되고 있음. - 배출된 습기를 재활용하거나 폐열을 활용하는 시스템이 환경 친화적인 방향으로 주목받고 있음.

나. 기술 로드맵

<1개월차>

요구사항을 분석하고 설계 방향을 설정한다. 이를 통해 흡습 및 스팀 시스템의 기본 설계를 진행하며, 프로토타입을 제작한다.

<2~3개월차>

흡습 시스템과 스팀 시스템을 통합하여 성능을 테스트하고, 제습 및 주름 제거 기능의 효율성을 검증한다. 테스트 결과를 바탕으로 시스템을 개선하여 기능을 최적화한다.

<4개월차>

최종적으로 시제품을 제작하여 통합적인 성능 및 안정성을 검증한다. 이후 피드백을 반영하여 최종 제품을 보완한다.

다. 특허조사

1. 의류처리장치 (KR20110137467A)

위 특허는 의류의 건조, 탈취, 주름 제거 및 살균이 용이한 의류처리장치에 관한 것이다. 의류를 수용하는 공간에 공기 또는 수분을 공급하는 장치와 의류를 흔들어 주름을 제거하는 무빙행거를 포함한다.

2. 의류처리장치 (KR20120078279A)

위 특허는 다양한 형태의 옷걸이를 수용할 수 있으며, 옷걸이에 거치된 의류에 충격력을 제공하여 주름 제거와 탈취를 수행하는 의류처리장치에 관한 것이다.

3. 의류 건조기 (WO2020/111664)

위 특허는 드럼에서 유출되는 공기 중의 린트를 제거하는 린트 제거장치를 포함한 의류 건조기에 관한 것이다. 린트가 부착되도록 마련된 필터부와 필터부에 부착된 린트를 밀어내는 스크류를 포함한다.

4. 의류처리장치 및 그 제어방법 (WO2021/182767)

위 특허는 세탁건조기와 건조기가 적층된 일체형 세탁기에 있어서, 내부 공기를 순환시키는 순환덕트와 필터부를 포함하며, 필터부를 응축수 외에도 외부 급수원을 이용하여 청소할 수 있는 기술에 관한 것이다.

라. 특허전략

1. 기술 보호를 위한 핵심 특허 확보

핵심 기술 선점: 미니 건조기의 배출 습기를 흡수하는 제습 장치와 잔여 습기를 활용한 스타일러 기능을 결합한 기술을 중심으로 특허 출원한다.

흡습 시스템 설계 (예: 흡습 소재, 구조, 공기 흐름 제어 기술)

잔여 습기를 활용한 주름 제거 방식 (예: 스팀 발생 및 분사 방식, 열 순환 구조)

기술적 차별성 강조: 기존 특허와 차별화된 구조나 기능(소형화, 에너지 효율성, 공간 활용성 등)을 명확히 정의한다.

2. 특허 포트폴리오 구축

세부 기술 특허화: 단일 특허로 보호하기 어려운 경우, 기술을 세부적으로 나누어 각각 출원한다.

흡습 소재 및 재사용 기술

스팀 분사 및 온도 조절 기술

옷걸이 형태의 기구적 설계

연계 기술 보호: 기존 건조기, 의류 관리기, 제습기와의 연계성을 고려한 기술 보호를 위해 관련 특허를 확보한다.

3. 경쟁 특허 분석 및 회피 설계

경쟁사 특허 분석: 관련된 기존 특허를 철저히 분석하여 중복되지 않는 영역을 파악하고, 회피 설계를 통해 특허 침해 가능성을 최소화한다.

특허 경계 설정: 기존 기술의 약점을 보완하거나, 기존 기술이 보호하지 않는 범위를 전략적으로 포함한다.

4. 출원 전략 및 특허 활용 전략

주요 시장인 한국 내에서 초기 특허를 확보하고, 생산 및 유통 기반을 보호한다.

차별화된 마케팅: 특허 기술을 활용한 제품의 독창성과 기술적 우위를 강조하여 시장에서 경쟁력을 확보한다.

분쟁 대비: 확보된 특허를 통해 경쟁사의 침해를 방지하고, 필요시 법적 대응 근거로 활용한다.

시장상황에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

동일한 기능을 가지는 제품이 없어서 유사 제품군을 통해 비교하였다. 기존의 제품들은 소형 제습기, 대형 건조기, 전력을 사용하지 않는 제습제이지만, 우리가 만들고자 하는 제품은 미니 건조기의 열기가 빠지는 곳에 부착하여 배출되는 습기를 제거하며 방향 효과까지 할 수 있는 제품이다.

<스마트 룸드라이어 Thin>

Airberry의 스마트 룸드라이어 Thin은 소형 제습기이다. 작은 크기의 전자제품으로 제습이 필요한 집 안의 공간에 두며 펠티에 저온제습 기술을 사용하여 뜨거운 바람을 내보내지 않는다. 전력을 사용하는 전자 제품이고 가격이 개당 25만원으로 크게 저렴하지 않은 가격으로 판매 중이다.

<삼성전자 그랑데 DV17T8520BV>

삼성전자의 그랑데 건조기는 대형 의류 건조기이다. 대형 의류 건조기인 만큼 가장 좋은 의류 건조 기능을 가지고 있지만, 비싼 가격과 커다란 크기 등의 이유로 1인 가구는 구매하기 부담스러운 제품이다. 의류에서 제거된 습기는 물로 응축되어 배출된다.

한양화학 물 먹는 하마

한양화학의 물 먹는 하마 제품은 설치용 제습제로 염화칼슘을 이용한 제품이다. 일반적으로 2~3개월 정도 쓰면 교체해야하지만 전력을 사용하지 않고 저렴한 가격으로 많은 가정에서 사용하는 제품이다.

마케팅 전략 제시

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

1. 효율적인 습기 제거

  - 제습 장치는 미니 건조기에서 발생하는 습기를 효과적으로 제거하여, 사용 공간의 습도를 낮출 수 있습니다. 이는 특히 원룸과 같은 작은 공간에서 더욱 중요한데, 높은 습도는 생활 환경을 불쾌하게 만들고, 곰팡이나 세균의 번식 환경을 조성할 수 있습니다. 따라서, 제습 장치를 통해 보다 쾌적한 실내 환경을 유지할 수 있게 됩니다.

2. 사용 편의성 향상

  - 제습 장치는 간단한 설치와 직관적인 조작 방식을 제공하여, 기술에 익숙하지 않은 사용자도 손쉽게 사용할 수 있도록 설계됩니다. 사용자는 복잡한 설정 없이 버튼 하나로 작동할 수 있으며, 자동 모드와 수동 모드를 선택할 수 있어 다양한 상황에 맞춰 효율적으로 사용할 수 있습니다. 이러한 편리함은 고객 만족도를 높이고, 재구매율을 증가시킬 수 있습니다.

3. 에너지 효율성

  - 제습 장치의 도입은 에너지 소비를 최소화하면서도 효과적인 건조 환경을 제공할 수 있는 가능성을 열어줍니다. 기존의 대형 건조기보다 낮은 전력 소모로 같은 수준의 효율성을 달성할 수 있으며, 이는 사용자에게 장기적인 비용 절감 효과를 가져올 것입니다. 또한, 에너지 효율적인 디자인은 환경 보호에도 기여하여, 지속 가능한 소비를 촉진하는 데 도움을 줄 수 있습니다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

1. 경제적 비용 절감

  - 미니 건조기와 제습 장치를 함께 사용함으로써, 전기료와 유지비용을 절감할 수 있는 효과를 기대할 수 있습니다. 특히, 1인 가구가 늘어남에 따라 소규모 가전제품의 수요가 증가하고 있으며, 이와 함께 에너지 효율적인 제품에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 따라서, 제습 장치는 이러한 소비자들의 경제적 부담을 경감시켜 줄 수 있는 역할을 하게 됩니다.

2. 사회적 편의 증대

  - 1인 가구의 증가에 따라 생활 공간의 효율적 사용이 더욱 중요해지고 있습니다. 제습 장치를 통해 공간 활용도를 높이고, 생활의 질을 향상시키는 데 기여할 수 있습니다. 또한, 미니 건조기를 사용하는 소비자들에게 맞춤형 솔루션을 제공함으로써 그들의 생활 패턴에 적합한 제품을 공급할 수 있습니다. 이는 궁극적으로 소비자 만족도를 높이고, 브랜드 충성도를 증가시키는 결과로 이어질 것입니다.

3. 환경적 책임

  - 제습 장치를 통해 습기 문제를 해결함으로써 곰팡이 및 세균 번식을 예방할 수 있습니다. 이는 건강한 생활 환경을 조성하는 데 큰 역할을 할 뿐만 아니라, 소비자들의 환경에 대한 인식을 제고하는 데도 기여할 것입니다. 친환경적인 소비 패턴을 촉진함으로써, 지속 가능한 발전을 위한 사회적 책임을 다하는 기업 이미지도 구축할 수 있습니다. 이러한 노력은 소비자들에게 긍정적인 영향을 미치고, 브랜드의 신뢰도를 높이는 데 도움을 줄 것입니다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

추진체계

1. 기획 및 설계 단계

•	아이디어 발굴 및 기획: 김동민이 전체적인 프로젝트 아이디어를 기획하고, 초기 방향성을 설정합니다.
•	모델 및 열교환 설계: 김상래가 열교환기의 구체적인 설계와 모델링을 진행하며, 제품의 기술적 기반을 다집니다.
•	배관 설계: 주민정이 열교환기에 적합한 배관 시스템을 설계하여 전체 구조를 효율적으로 통합합니다.

2. 구현 단계

•	스타일러 기능 구현 및 기구 설계: 김상래는 스타일러 기능을 추가하며, 김동민은 전체적인 기구 설계를 통해 제품의 조립성과 사용자 편의성을 극대화합니다.

3. 제작 및 테스트 단계

•	시제품 제작 및 성능 테스트: 전원이 협력하여 시제품을 제작하며, 설계 단계에서 도출된 이론적 결과를 검증합니다.

4. 특허 및 보고서 작성 단계

•	특허 출원: 주민정이 프로젝트 산출물에 대해 특허 출원을 진행합니다.
•	최종 보고서 작성: 전원이 협력하여 프로젝트 결과를 정리하고 보고서를 작성하여 발표 준비를 완료합니다.

설계

설계사양

제품의 요구사항

설계 사양

1. 거시적인 기능 분할

1. 습기 관리 기능: 습기 흡수 및 배출 조절

2. 의류 관리 기능: 주름 제거 및 탈취 제공

3. 편의성 기능: 필터 교체 및 관리의 용이성

4. 경제성 기능: 공간 효율성과 제작 비용 절감

2. 각 분할된 기능에 따른 사양 확정

3. 설계사양의 변수별 중요도 계수

개념설계안

1. 설계 개요

건조기 외부에 열교환기를 추가로 설치하여 냉수를 이용해 배기구에서 배출되는 습한 공기를 제습할 수 있다. 또한 이때 열교환기를 지나 배출되는 공기는 온도가 낮아진 상태이지만 상대습도는 100%이기 때문에 습기를 옷에 머금게 하기 적당할 것이다.

제습제를 통해 제습을 진행할 방식이다. 이때 온도가 낮아지지 않기 때문에 덥고 습한 공기가 옷을 통과해 주름진 옷을 다림질하는 효과를 극대화할 수 있다.

2. 제작 재료

3. 필터 종류

1. 1회용 필터 기반 습기 흡수 시스템

개념 설명: 건조기 내부에 1회용 습기 흡수 필터를 장착하여 배출되는 습기를 포집하고, 필터가 포화 상태에 도달하면 교체하여 사용하는 방식입니다. 이 필터는 습기 흡수 성능이 뛰어난 소재로 만들어져, 사용 후 손쉽게 교체할 수 있습니다.

장점: 재사용의 번거로움 없이 손쉽게 교체할 수 있어 위생적이며, 습기 제거가 확실합니다.

구조 설명: 건조기 내부 배출구에 필터를 장착하고, 필터는 탈부착이 용이하게 설계되어 습기 흡수 후 간단하게 교체 가능합니다.

2. 옷걸이형 스타일러 살균 및 주름개선

개념 설명: 미니 건조기에서 배출되는 습기를 활용하여 스타일러 기능을 수행하는 옷걸이형 제습 장치를 설계합니다. 이 장치는 진동 모터가 부착된 옷걸이 형태로, 옷을 매달아 놓으면 습기와 열을 활용해 주름을 펴고, 흡습 기능을 통해 의류의 탈취와 제습 기능도 제공합니다.

장점: 옷을 직접 매달아 스타일링하면서 습기 흡수와 탈취 기능을 동시에 제공하여 공간 활용성을 높입니다.

구조 설명: 옷걸이 중앙에 진동 모터와 습기 흡수 필터가 장착되어 있으며, 건조기에서 나오는 습기를 효율적으로 이용해 주름 제거와 의류 관리 기능을 수행합니다.

3. 통합형 제습 및 스타일러 시스템

개념 설명: 1번의 습기 흡수 시스템과 2번의 옷걸이형 스타일러 장치를 통합하여 하나의 제품으로 개발합니다. 이 통합 장치는 건조기 배출구에 장착되어 습기를 흡수하고, 흡수된 습기는 진동 옷걸이를 통해 의류 관리에 활용됩니다. 1회용 필터로 습기를 흡수하며, 진동을 통해 주름 제거와 탈취 기능을 동시에 제공하는 방식입니다.

장점: 별도의 장치가 필요 없이 건조기 배출구에 장착하는 것만으로 습기 제어와 의류 관리 기능을 함께 제공할 수 있습니다.

구조 설명: 배출구 근처에 습기 흡수 필터를 장착하고, 진동 옷걸이 시스템은 습기와 함께 작동하여 주름을 제거합니다. 사용된 필터는 쉽게 교체할 수 있습니다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

열 교환기 설계에서 건조기에서 나오는 유량을 계산하여 총 열전달에 필요한 면적을 구하는 것이 목표이다.

이를 구하기 위해 건조기에서 시간 당 배출하는 수분의 양을 실험을 통해 알아내었다. 한 시간에 0.5L의 수분이 모두 증발됨을 확인하였다. 또한, 건조기 배출구에서의 온도는 약 60도 정도로 알려져 있다. 60도에서 상대습도 100%인 공기는 130.5g/m^3의 수증기를 포함하며, 역산을 통해 체적 유량 계산할 수 있다.

위　공식을　통해　체적유량이 1.064L/s이므로　３시간에 11491.2L를　배출한다．　또한，　이상기체　상태　방정식을　통해　적절한　밀도를　예측할 수 있다.

PV=nRT

위　공식을　통해　구한　밀도로　계산한　공기의　질량　유량은　1.126g/s가　예상된다． 일반적인　600W　건조기에서　사용하는　블로어는　분당 50~100L 정도의　공기를　배출하므로　이는　타당한　예측이라고　볼　수　있다． 해당하는　질량　유량을　바탕으로　공기가　잃는　열량을　예측할　수　있다．　해당　유체의　열　교환기의　입구　온도를　６０도라고　생각하고，　１５도　낮아진　４５도의　출구　온도를　가진다면，　다음　공식을　통해　단위　시간당　열량을　구할　수　있다．

C_p m/t Δt=Q/t

여기서，　단위　시간당　열량은 16.97W, 대략　17W임을　알　수　있다． 알루미늄　튜브를　통해　해당　유체의　유로를　설계할　것이다．　시중에　판매하는　적절한　직경의　알루미늄　튜브인　내경 28mm,　외경이　30mm인　제품을　발견해　이를　사용할　것이다． 해당　튜브의　직경과　체적유량을　통해　유체의　속도를　계산할　수　있다．

Q/t = Av

위　공식을　통해　공기의　속도는 1.72m/s임을　알　수　있고，　해당　유속과　공기의　온도，　튜브의　직경으로　레이놀즈　수를　계산할　수　있다．

Re=ρVD/μ

위　공식을　통해　레이놀즈　수는　2440,　천이　과정임을　알　수　있다．　또한，　해당　유체의　대류　열전달　계수를　구하기　위해　다음　식을　사용할　수　있다．６０도의　공기는 1.06kg/m^3의　밀도, 20.92 * 10^(-6) m^2/s의　동　점성　계수를　가진다는　사실을　바탕으로

h=Nu*K/D

Nu=0.023*Re^0.8*〖Pr〗^0.4

Pr=C_p μ/k

따라서，　프란틀　수는　0.809，　누셀트　수는　10.83 임을　구할　수　있고，　이를　통해　구한　대류　열전달　계수는 10.06W/m^2임을　예상　가능하다．　해당　레이놀즈　수　범위의　실제　공기의　대류　열전달　계수는　5~25W/m^2 K임을　생각하면　충분히　타당한　값임을　확인할　수　있다． 위에서　계산한　공기의　대류　열전달　계수와　단위시간당　잃는　열량으로　튜브의　표면적을　구할　수　있다． Q/t = hALMTD

여기서，　케이스에　들어가는　물의　양을　계산하기　위해　케이스의　설계를　통해　부피를　계산하면，　가로　350mm，　세로　150mm，　높이　380mm의　직육면체로　설계해　총　19kg의　물이　들어갈　것으로　예상된다．　여기서，　물이　얻는　열량과　공기가　잃는　열량이　같다는　예상　하에　다음과　같은　식을　유도할　수　있다．

Q=C_물 m(T-15)=C_공기 m(60-45)

여기서　최종　온도는　21.9도，　약　22도　정도로　예상할　수　있고，　이를　기반으로　LMTD를　구하면 LMTD=(ΔT1-ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)

즉，　32.78임을　알　수　있고，　따라서　열전달　표면적은 0.0516m^2, 튜브의　길이는　약 55cm 정도로 설계할　수　있다．

하지만，　계산된　열전달　계수와　유량　등의　불확실성，　응결된　수증기，　예상치　못한　성능　저하　등　여러　요인들이　실제　상황에서　발생할　수　있기　때문에　이를　고려하여　안전계수를　설정하듯　튜브의　길이를　대략　두　배인 1.2미터로　설정하여　여러 성능 저하 문제를 해결하고자　한다．

<Star-ccm+ 시뮬레이션 해석 결과>

수증기를 함유한 60 ℃ 공기가 1.72 m/s의 속도로 Inlet에 유입, 제품 케이스 안에 15 ℃의 물이 채워진다.

열전달의 결과, Outlet 공기의 온도는 약 45℃ 로 확인된다.

시뮬레이션은 정상 상태를 가정하여, 공기의 총 유량을 정지 기준으로 (건조기 약 3시간 가동 조건) 하여 수행하였다.

시뮬레이션의 방법은 “1. 정상 상태 가정”, “2. 비정상 상태로 해석 진행” 이렇게 두 가지 방법을 들 수 있다. 비정상 상태로 해석을 진행할 경우, 시간 항에 따른 해석을 수행할 수 있기에 본 제품의 시뮬레이션에 더 적합하나, 타임 스텝 사이즈 조정을 최대한으로 하더라도 해석 시간이 30일을 훌쩍 넘기게 되어 본 프로젝트와 적합하지 않다. 불가피하게 최대한 비슷한 조건으로 정상 상태로 가정하여 해석을 수행하였다.

해석 결과, 본 제품의 사양에 맞는 파이프의 길이 및 제품 케이스의 크기를 다음 장의 조립도에서와 같이 확립하였다.

해석 결과의 타당성은 Residual을 확인하여 검증하였다.

Residual 값이 1e-03 ~ 1e-06 이하로 떨어졌기에 본 시뮬레이션 결과는 타당함을 확인할 수 있다.

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

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완료작품의 평가

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향후계획

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특허 출원 내용

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