JP2005053777A - 放電セル用冷却器 - Google Patents

Abstract

【課題】 冷却能力を低下させることなく厚さを薄くできる放電セル用冷却器を提供する。
【解決手段】 平坦な金属板２２，２２を板厚方向に積層しその金属板２２，２２間に冷媒流路Ｄを形成した薄板タイプの冷却器とする。薄板の両面間を貫通し、且つ内部に形成された冷媒流路Ｄの両端部にそれぞれ連通する一対の冷媒出入口２２ａ，２２ａにより、冷媒流路Ｄに直角な方向から冷媒の供給・排出を行う。冷媒流路Ｄは金属板２２，２２のほぼ全幅にわたって形成されており、両端部で幅を徐々に狭めて冷媒出入口２２ａ，２２ａに繋がる。
【選択図】 図４

Description

本発明は放電式オゾン発生装置の放電セルユニットに使用される放電セル用冷却器に関し、更に詳しくは放電セルユニットの薄型化に有効な薄板タイプの放電セル用冷却器に関する。

放電式のオゾン発生装置は、放電セル部と電源部からなり、セル構造によって板型と管型に大別される。板型オゾン発生装置のセル構造を図６に示す従来例により説明する。

図６に示された放電セルＡは、一対の端板１，１間に複数のセルユニットＢ，Ｂ・・を多段に重ね合わせた構造になっている。各セルユニットＢは、所定の隙間をあけて配置された高圧電極２及び接地電極３と、これらの間に配置された一対の誘電体４，４と、誘電体４，４間に形成された放電空隙５とにより構成されている。高圧電極２及び接地電極３は、隣接するセルユニットＢ，Ｂ間で共用されている。高圧電極２及び接地電極３は又、冷却器として使用するために、冷却水が流通する空洞をもつジャケット構造になっている。各セルユニットＢの放電空隙５に所定の高電圧を印加して酸素ガス等の原料ガスを通すことにより、放電空隙５でオゾンが生成される。

このような板型のオゾン発生装置用放電セルでは、同一性能のままで放電セルを小型化したり、放電セルを大型化することなく性能向上を図ることが重要である。このような性能向上の方法は幾つかあり、その一つは各セルユニットＢの放電空隙５での温度上昇を抑制して、オゾン発生効率を高めることである。このために高圧電極２及び接地電極３はジャケット構造の冷却器とされて、放電空隙５を両面側から全面的に冷却する。他の方法としてはセルユニットＢの薄型化がある。仮に各セルユニットＢの厚さが１／２に低減されれば、同一スペースに２倍の数のセルユニットＢが配置され、性能は２倍に向上する。

しかしながら、従来の板型オゾン発生装置用放電セルでは、セルユニットの薄型化が困難である。その大きな理由として、セルユニット中に占める冷却器の厚さが大きいことがある。この冷却器は、放電空隙５を全面的に冷却するために、内部を冷却水が流通するジャケット構造になっている。ジャケット構造は、薄板からなる誘電体等の他の構成部材と較べて本質的に厚みが大きく、冷却器の薄型化を阻害する大きな原因になっている。しかも、冷却水の導入・排出のために側面に取り付けられる継手６の相互干渉等ために、継手６の太さ以上に冷却器の厚さを薄くするのは困難な状況である。

これらのために、セルユニット中に占める冷却器の厚さは大きく、セルユニットの現状以上の薄型化は困難である。

本発明の目的は、冷却能力を低下させることなく厚さを大幅に薄くでき、もってオゾン発生装置の大幅な性能向上を可能にする放電セル用冷却器を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の放電セル用冷却器は、一対の電極の間に誘電体を介して形成された放電空隙でオゾンを発生させる放電セルユニットにおいて、前記放電空隙を冷却するために放電空隙に沿って設けられる面状の冷却器であって、平坦な金属板を板厚方向に積層しその金属板間に冷媒流路を形成した薄板タイプであり、且つその薄板の両面間を貫通し、且つ内部に形成された冷媒流路の両端部にそれぞれ連通する一対の冷媒出入口により、前記冷媒流路に直角な方向から冷媒の供給・排出を行うと共に、前記冷媒流路が両端部で幅を狭めて前記冷媒出入口に繋がる構成である。

この構成によれば、薄板の両面間を貫通する一対の冷媒出入口を用いて冷媒流路に直角な方向から冷媒の供給・排出を行うことにより、冷却器の側面から継手が排除され、隣接する冷却器間での継手の相互干渉が回避される。冷媒流路が冷媒出入口に繋がる連結部分の絞り込みにより、放電セルユニットを厚み方向に積層する場合も各ユニット内の冷却器を冷却水が並列に通過し、大量の冷却水が均等供給されると共に、各冷却器において大きな流路面積が確保でき、全面的な冷却が可能になる。これらにより、冷却器の冷却能力を低下させることなく大幅な薄型化が可能になり、２ｍｍ以下の厚みも可能になる。その結果、冷却器を使用するセルユニット、更にはそのセルユニットを厚み方向に積層して構成される積層体が著しく薄型化される。

冷媒流路の構成としては、金属板のほぼ全幅にわたって形成するのが冷却能の点から好ましく、また複数のリブにより幅方向で複数に分割するのが機械的強度、整流効果及びこれによる冷却能の点から好ましい。

冷却器の厚さはセルユニットの薄型化の点からは薄いほどよく、５ｍｍ以下が好ましく、２ｍｍ以下が特に好ましい。厚さの下限については、極端な厚さ軽減は組立時の剛性低下を招き、組立性を低下させるので、０．５ｍｍ以上が好ましい。冷却器内に形成される冷媒流路の深さは、冷却器の厚さをＴとして（０．２〜０．８）×Ｔが好ましい。冷媒流路が深いと加工コストが嵩み、浅すぎる場合は流路圧損が問題になる。

冷却器を構成する金属板の材質としては、耐腐食性に優れたステンレス鋼、アルミ合金、チタン合金等が好ましい。

積層された金属板間に冷媒流路を形成する方法としては、２枚の金属板を積層する場合に対向面の少なくとも一方に溝部を形成する方法や、３枚の金属板を積層する場合に中間の金属板をガスケット状のスペーサとして両端の金属板間に冷媒流路を形成する方法などがある。対向面に溝部を形成する方法としては、エッチング処理に代表される化学的方法と、研削や鍛造に代表される機械的方法がある。特に好ましいのは、浅く広い溝部を高精度かつ簡単に形成できるエッチング処理である。ガスケット状のスペーサは例えば打ち抜きにより作製することができる。

セルユニットの薄型化のためには、更に冷却器が接地電極を兼ねる構成や、高圧電極を非冷却とするのが有効である。高圧電極を非冷却とした場合は、放電空隙のギャップ量を０．８ｍｍ以下、特に好ましくは０．２ｍｍ以下に制限して、放電空隙の冷却を促進することが推奨される。

セルユニットを厚み方向に複数段に積層して構成された積層体は、隣接するセルユニット間で冷却器を共用する構成が薄型化のために好ましい。

積層体は又、冷却器に設けられた一対の冷媒出入口を利用して、放電セル内に積層方向に連続する一対の冷媒主流路を形成し、一方の冷媒主流路から供給された冷媒を各セルユニットの冷却器内の冷媒流路に並列的に通過させて他方の冷媒主流路に排出する構成が、小型化を図る点から好ましい。

具体的には、例えば各セルユニットを構成する薄板タイプの冷却器をスペーサを介して積層方向に重合すると共に、スペーサに冷却器の一対の冷媒出入口に対応する一対の冷媒通過孔を設け、一対の冷媒通過孔により積層方向に連続する一対の冷媒主流路を形成する。スペーサは、隣接する薄板タイプの冷却器間を、前記冷媒主流路の周囲で水密にシールするシールリングを一対の冷媒通過孔内に保持する構成が好ましい。シールリングとしてはフッ素樹脂やフッ素ゴムからなるＯリング、中空の金属Ｏリング等を用いることができる。

本発明の放電セル用冷却器は、平面状の薄板タイプとし、且つ薄板の両面間を貫通する一対の冷媒出入口により冷却器内の冷媒流路に直角な方向から冷媒の供給・排出を行うと共に、冷媒流路が両端部で幅を狭めて冷媒出入口に繋がる構成としたので、冷却能力を低下させることなく大幅な薄型化が可能であり、これによるセルユニットの薄型化により、小型で高性能なオゾン発生装置の構築を可能にする。

以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の放電セル用冷却器を用いたオゾン発生装置用放電セルの一例についてその構造を示す縦断正面図、図２は同放電セルの縦断側面、図３は同放電セルの分解斜視図、図４は同放電セルに使用されている冷却器の分解斜視図である。いずれの図面でも図示の都合上厚み方向が誇張されている。

本実施形態では、オゾン発生装置用放電セルＡに本発明の放電セル用冷却器が使用されている。オゾン発生装置用放電セルＡは、上下の端板１０ａ，１０ｂ間に板型のセルユニットＢ，Ｂ・・を多段に積層した構造になっている。具体的には、端板１０ａ，１０ｂ間に、接地電極を兼ねる面状の冷却器２０と、高圧電極ユニット３０とを交互に重ね合わせて複数本のボルト４０，４０・・により一体化することで、セルユニットＢ，Ｂ・・が複数段に積層されている。

多段に積層されたセルユニットＢ，Ｂ・・の両側部には、積層方向に貫通する一対の主流路Ｃ１，Ｃ２が形成されている。放電セルＡ外から一方の主流路Ｃ１に供給された冷媒としての冷却水は、接地電極を兼ねる冷却器２０，２０・・内の冷媒流路Ｄ，Ｄ・・を並列に通過し、他方の主流路Ｃ２から放電セルＡ外へ排出される。冷媒流路Ｄ，Ｄ・・は積層方向に直角であり、ここでは水平方向である。

放電セルＡを構成する部材の詳細は以下の通りである。

上段の端板１０ａの両側部には、円形の冷媒通過孔１１，１１が設けられている。冷媒通過孔１１，１１の下端部内面には、Ｏリングからなるシールリング１３，１３が嵌合する環状の切り欠き部が設けられており、冷媒通過孔１１，１１の周囲複数箇所にはボルト４０の通し孔が設けられている。下段の端板１０ｂの両側部上面には、Ｏリングからなるシールリング１４，１４が嵌合する円形の凹部１２，１２が設けられている。凹部１２，１２の周囲複数箇所にはボルト４０の通し孔が設けられている。

接地電極を兼ねる冷却器２０は、図３に詳しく示すように、両側部に円形をした２つの冷媒出入口２１，２１を有している。冷媒出入口２１，２１は、後述する導電性スペーサ３１，３１の冷媒通過孔３１ａ，３１ａと共に前記主流路Ｃ１，Ｃ２を形成する。冷媒出入口２１，２１の周囲複数箇所には、ボルト４０の通し孔が設けられている。

この冷却器２０は、図４に示すように、平坦な金属製の薄板２２，２２を板厚方向に水密に接合した平面状の薄板タイプである。接合方法としてはろう付け、拡散接合、溶接、接着剤による接合等が用いられる。薄板２２，２２の両側部には、冷媒出入口２１，２１を形成するために円形の透孔２２ａ，２２ａが設けられており、透孔２２ａ，２２ａの周囲複数箇所にはボルト４０の通し孔が設けられている。

薄板２２，２２の各対向面には、一方の透孔２２ａから他方の透孔２２ａへかけて浅い溝部２２ｂがエッチング処理により形成されている。溝部２２ｂの両端部を除く部分は、薄板２２のほぼ全幅にわたって形成されており、且つ複数のリブ部２２ｃ，２２ｃ・・により幅方向で複数に分割されている。溝部２２ｂの両端部は、幅を徐々に幅を狭めて透孔２２ａ，２２ａの周方向一部に部分的に繋がっている。そして、薄板２２，２２を接合することにより、それぞれの透孔２２ａ，２２ａが合体して、冷媒出入口２１が形成される。また、それぞれの溝部２２ｂ，２２ｂが合体して、一方の冷媒出入口２１から他方の冷媒出入口２１に達する冷媒流路Ｄが形成される。

隣接する冷却器２０，２０間に配置された高圧電極ユニット３０は、図３に示すように、導電性材料からなる両側一対のスペーサ３１，３１を有している。各スペーサ３１には、冷却器２０の冷媒出入口２１，２１に連通する円形の冷媒通過孔３１ａ，３１ａが、両面間を貫通して設けられている。冷媒通過孔３１ａ，３１ａの両端部内面には、Ｏリングからなるシールリング３６，３６が嵌合する環状の切り欠き部が設けられており、冷媒通過孔３１ａ，３１ａの周囲複数箇所にはボルト４０の通し孔が設けられている。

両側のスペーサ３１，３１間には、平板状の高圧電極３２が中段部に位置して設けられている。高圧電極３２は、電源との接続のために、前方へ突出した端子部３２ａを有している。高圧電極３２の上下にはガラス板等からなる平板状の誘電体３３，３３が設けられている。誘電体３３，３３は所定の隙間をあけて上下の冷却器２０，２０に対向することにより、上下の冷却器２０，２０との間に横長の放電空隙３４，３４を形成する。放電空隙３４，３４における各ギャップ量の管理のために、誘電体３３と冷却器２０の間には複数の間隙保持部材３５，３５・・が設けられている。間隙保持部材３５，３５・・は放電空隙におけるガス流通を阻害しないために、スペーサ３１，３１間に並列配置されている。また、高圧電極３２とスペーサ３１，３１の間の短絡を防止するために、各間には絶縁材３７，３７が設けられている。

なお、端板１０ａ，１０ｂ、冷却器２０を構成する薄板２２，２２、スペーサ３１，３１及び高圧電極３２は、いずれも耐腐食性に優れたステンレス鋼からなる。

本発明の放電セル用冷却器を用いたオゾン発生装置用放電セルＡの組立方法は以下の通りである。

下段の端板１０ｂの上にシールリング１４，１４を介して冷却器２０を載せる。その上に、高圧電極ユニット３０を構成する。高圧電極ユニット３０の各スペーサ３１にはシールリング３６，３６を装着しておく。以後、冷却器２０と高圧電極ユニット３０を交互に載せ、最後の冷却器２０の上にシールリング１３，１３を介して上段の端板１０ｂを載せる。端板１０ａ，１０ｂの両側部をそれぞれ複数本のボルト４０，４０，４０により積層方向に締結する。これにより、放電セルＡの組立が完了する。

組立の完了した放電セルＡでは、端板１０ａ，１０ｂ間にセルユニットＢ，Ｂ・・が多段に積層される。即ち、下段の端板１０ｂに接する１段目の冷却器２０と、その上の１段目の高圧電極ユニット３０における高圧電極３２と、その下の誘電体３３と、更にその下の放電空隙３４とで、１段目のセルユニットＢが形成される。１段目の高圧電極ユニット３０における高圧電極３２と、その上の誘電体３３と、更にその上の放電空隙３４と、２段目の冷却器２０とで、２段目のセルユニットＢが形成される。２段目の冷却器２０と、その上の２段目の高圧電極ユニット３０における高圧電極３２と、その下の誘電体３３と、更にその下の放電空隙３４とで、３段目のセルユニットＢが形成される。

このように、組立の完了した放電セルＡでは、隣接するセルユニットＢ，Ｂ間で冷却器２０及び高圧電極ユニット３０の高圧電極３２を共用しつつ、端板１０ａ，１０ｂ間にセルユニットＢ，Ｂ・・が多段に積層される。セルユニットＢ，Ｂ・・を構成する冷却器２０，２０・・は、両側のスペーサ３１，３１を介して電気的に相互接続され、上下の端板１０ａ，１０ｂとも電気的に接続されている。高圧電極３２，３２・・はこれらから電気的に絶縁されている。

各冷却器２０の両側に設けられた冷媒出入口２１，２１と、各高圧電極ユニット３０のスペーサ３１，３１に設けられた冷媒通過孔３１ａ，３１ａが、シールリング３６，３６を介して合体することにより、セルユニットＢ，Ｂ・・の積層体の両側部には、積層方向に貫通する一対の主流路Ｃ１，Ｃ２が形成される。主流路Ｃ１，Ｃ２の各下端は、下段の端板１０ｂ及びシールリング１３，１３により閉止されている。主流路Ｃ１，Ｃ２の各上端は、上段の端板１０ａに設けられた冷媒通過孔１１，１１を介して、端板１０ａの上方に連通している。そして主流路Ｃ１，Ｃ２は、その間に多段配置された冷却器２０，２０・・の各薄板２２，２２間に形成された水平方向（積層方向に直角な方向）の冷媒流路Ｄを介して連通している。

組立が完了した放電セルＡは、図２に示すように、外側容器５０内に収容され、端板１０ａ，１０ｂの一方又は両方が電気的に接地される。また、放電セルＡの後方には、オゾン回収容器６０が取付けられる。オゾン回収容器６０は、前方に開口した受け皿であり、多段に積層されたセルユニットＢ，Ｂ・・の各放電空隙３４に跨がって、放電セルＡの後面にねじ止めされている。これにより、セルユニットＢ，Ｂ・・の各放電空隙３４は前方で外側容器５０内に連通し、後方でオゾン回収容器６０内に連通し、オゾン回収容器６０内はガス管６１を介して外側容器５０の外に連通している。

オゾンを発生させる場合は、主流路Ｃ１，Ｃ２の一方に冷却水を供給しつつ、セルユニットＢ，Ｂ・・の各高圧電極３２に所定の高電圧を印加し、この状態で、外側容器５０内に酸素ガス等の原料ガスを供給する。セルユニットＢ，Ｂ・・の各高圧電極３２に所定の高電圧を印加することにより、セルユニットＢ，Ｂ・・の各放電空隙３４で放電が生じる。外側容器５０内に供給された酸素ガス等の原料ガスは、セルユニットＢ，Ｂ・・の各放電空隙３４を前方から後方へ通過し、この時に放電に曝されることによりオゾンを発生する。このオゾンガスは、オゾン回収容器６０内に回収され、外側容器５０の外に導出される。

一方の主流路Ｃ１に供給された冷却水は、複数段に配置された冷却器２０，２０・・の各薄板２２，２２間に形成された水平方向の冷媒流路Ｄを並列に通過する。これにより、セルユニットＢ，Ｂ・・の各放電空隙３４は接地電極側から全面的に冷却される。冷却器２０，２０・・の各薄板２２，２２間を通過した冷却水は、他方の主流路Ｃ２から放電セルＡの外に排出される。

このような放電セルＡは以下のような特徴を有する。

セルユニットＢ，Ｂ・・を構成する複数の冷却器２０，２０・・が、平坦な薄板２２，２２を接合した薄板タイプである。冷却器２０と共に放電空隙３４を形成する高圧電極３２及び誘電体３３も平板状である。各冷却器２０の側面から冷却水の供給・排出を行わず、両側部に設けられた冷媒出入口２１，２１を通して、薄板２２，２２間の流路に直角な方向からこの供給・排出を行うため、隣接する冷却器２０，２０間での継手の相互干渉がない。これらのため、セルユニットＢが薄型化され、同一性能の場合は放電セルＡが小型化され、同一規模の場合は放電セルＡの性能が向上する。

冷却水は複数の冷却器２０，２０・・を並列に通過する。これにより、大量の冷却水が各冷却器２０へ均等に供給される。各冷却器２０は、薄板２２，２２間にほぼ全幅にわたって形成された冷媒流路Ｄにより、放電空隙３４を接地電極側から全面的に冷却する。これらにより、優れた冷却能が確保される。

高圧電極３２を非冷却としたので、その厚みが一層薄く、これもセルユニットＢの薄型化に寄与する。高圧電極３２を非冷却としても、放電空隙３４のギャップ量を０．５ｍｍ以下、好ましくは０．２ｍｍ以下に制限すれば、接地電極側からだけの冷却でも放電空隙３４が効率的に冷却され、オゾン発生効率の低下が抑制される。

接地電極側の誘電体を省略したので、セルユニットＢの薄型化が更に推進される。また、冷却器２０により放電空隙３４が効率的に冷却される。

図５は別の冷却器の分解斜視図である。この冷却器２０は、３枚の薄板２２，２２，２２を板厚方向に積層することにより構成されている。ここで、中間の薄板２２は、両端の薄板２２，２２間に冷媒流通路Ｄを形成するためのガスケット状のスペーサである。冷媒流通路Ｄは、ここではＵ字状に湾曲しており、その両端部は、冷却器２０の一方の側部に設けられた冷媒出入口２１，２１の周方向一部に、徐々に幅を狭めながら部分的に連通している。

なお、上記実施形態では放電セルＡは角板型であるが、円板型や更に別の形状でもよく、放電セルＡの形状は問わない。高圧電極３２は薄板タイプの冷却器とすることができる。誘電体３３は放電空隙３４の接地電極側にも設けることができる。この構成によると、放電空隙３４への電極の露出が回避され、スパッタリングによるパーティクルの発生がなくなるので、半導体製造用として適する。

上下の端板１０ａ，１０ｂに接する冷却器２０，２０は、薄板２２を端板に接合することによっても構成できる。薄板２２，２２間の冷媒流路Ｄは、一方の薄板２２の表面に溝部２２ｂを設けるだけでも形成できる。つまり、薄板２２，２２の他方は単なる平板でもよい。

高圧電極ユニット３０内のスペーサ３１，３１に保持されるシールリング３６，３６は、上下２段に設けられているが、高圧電極ユニット３０の厚みが薄い場合（スペーサ３１，３１の厚みも薄い）は、各スペーサ３１の冷媒通過孔３１ａ内に１つのシールリング３１を保持して、このシールリング３１で上下の冷却器２０，２０との間をシールする構成でもよい。

本発明の放電セル用冷却器を用いたオゾン発生装置用放電セルの一例についてその構造を示す縦断正面図である。 同放電セルの縦断側面である。 同放電セルの分解斜視図である。 同放電セルに使用されている冷却器の分解斜視図である。 別の冷却器の分解斜視図である。 従来の冷却器を用いた放電セルの縦断正面図である。

符号の説明

Ａ 放電セル
Ｂ セルユニット
Ｃ１，Ｃ２ 主流路
Ｄ 冷媒流路
１０ａ，１０ｂ 端板
１１ 冷媒通過孔
１３，１４ シールリング
２０ 接地電極を兼ねる冷却器
２１ 冷媒出入口
２２ 薄板（金属板）
２２ｂ 溝部
３０ 高圧電極ユニット
３１ 導電性スペーサ
３１ａ 冷媒通過孔
３２ 高圧電極
３３ 誘電体
３４ 放電空隙
３６ シールリング
４０ ボルト
５０ 外側容器
６０ オゾン回収容器

Claims (10)

1. 一対の電極の間に誘電体を介して形成された放電空隙でオゾンを発生させる放電セルユニットにおいて、前記放電空隙を冷却するために放電空隙に沿って設けられる面状の冷却器であって、平坦な金属板を板厚方向に積層しその金属板間に冷媒流路を形成した薄板タイプであり、且つその薄板の両面間を貫通し、且つ内部に形成された冷媒流路の両端部にそれぞれ連通する一対の冷媒出入口により、前記冷媒流路に直角な方向から冷媒の供給・排出を行うと共に、前記冷媒流路が両端部で幅を狭めて前記冷媒出入口に繋がる構成であることを特徴とする放電セル用冷却器。
2. 厚みが５ｍｍ以下である請求項１に記載の放電セル用冷却器。
3. 前記冷媒出入口は円形であり、その周方向の一部に前記冷媒流路が連通することを特徴とする請求項１に記載の放電セル用冷却器。
4. 前記冷媒流路は前記金属板のほぼ全幅にわたって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の放電セル用冷却器。
5. 前記冷媒流路は複数のリブにより幅方向で複数に分割されていることを特徴とする請求項１に記載の放電セル用冷却器。
6. 前記冷媒流路は、積層された２枚の金属板の対向面の少なくとも一方に設けられた溝部により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の放電セル用冷却器。
7. 前記冷媒流路は、スペーサを介して積層された２枚の金属板の対向面間に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の放電セル用冷却器。
8. 前記放電セルユニットを厚み方向に複数段に積層して構成された積層体の各セルユニットに使用されることを特徴とする請求項１に記載の放電セル用冷却器。
9. 前記積層体は、隣接するセルユニット間で当該冷却器を共用する構成であることを特徴とする請求項８に記載の放電セル用冷却器。
10. 前記積層体は、薄板タイプの冷却器に設けられた一対の冷媒出入口を用いて積層方向に形成された一対の冷媒主流路を有し、一方の冷媒主流路から供給された冷媒を各セルユニットの冷却器内の冷媒流路に並列的に通過させて他方の冷媒主流路に排出する構成であることを特徴とする請求項８に記載の放電セル用冷却器。

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