JP2006266141A - 往復動型流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】 製造コストの上昇を招くことなく、斜板とシュー並びにシューとピストンとの間の潤滑を大きく改善した往復動型流体機械を提供する。
【解決手段】 往復動型流体機械として斜板式圧縮機は、ミスト状の潤滑オイルを含む冷媒の圧縮に使用され、PF2 C4又はPF2 C1からなる樹脂製のシュー６６を備え、シュー６６はピストン側の半球形状のシュー面５２と、斜板側の平坦なシュー面５４と、これらシュー面５２，５４のそれぞれに同心的に形成された複数の環状のシュー溝５６ａ，５６ｂとを有する。
【選択図】 図５

Description

本発明は往復動型流体機械に係わり、特に、往復動型流体機械として車両用の冷凍回路に組込まれる斜板式又はスワッシュリング式の冷媒圧縮機に関する。

この種の冷媒圧縮機は例えば特許文献１に開示されている。この公知の冷媒圧縮機は、クランク室内に回転可能に配置された斜板を備えている。斜板の外周縁はピストンのテールに一対のシューを介して作動的に係合されており、ピストンは斜板の回転に伴い、シリンダボア内を往復運動する。
より詳しくは、一対のシューは、ピストンテールのシューソケットに受け取られ、斜板の回転を許容しつつ斜板の外周縁を挟み込んでいる。
欧州特許第1172555号明細書

一般的に、シューは鋼材料からなり、鍛造、熱処理及び仕上げ処理を経て成形されている。シューを形成する鋼材料は、斜板やピストンを形成する材料に比べて硬い。それ故、斜板や、ピストンのシューソケットの摩耗を低減するため、斜板の外周縁部及びシューソケットには耐摩耗性のコーティング膜が必要不可欠となる。このようなコーティング膜は特殊な材料から形成されるため、シューの製造コストを高める大きな要因となっている。

本発明の目的は、斜板やシューソケットに特殊且つ高価なコーティング膜を必要とせず、シューと斜板との間並びにシューとシューソケットとの間の潤滑を大きく改善した往復動型流体機械を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明の往復動型流体機械は、ハウジングであって、ミスト状の潤滑オイルを含む作動流体が供給される室及びこの室に開口したシリンダボアを有するハウジングと、前記室に回転可能に収容された板状又はリング状のスワッシュ部材と、シリンダボアに嵌合されたピストンであって、ピストンは前記スワッシュ部材の回転を前記ピストンの往復運動に変換する変換機構とを備えている。本発明の場合、変換機構は、ピストンの軸線方向に離間した一対のシューソケットと、各シューソケットのそれぞれに揺動自在に受け取られ、スワッシュ部材の回転を許容しつつ前記スワッシュ部材の外周縁を挟み付けるシューとを含み、これらシューはその外面に複数の溝を有する（請求項１）。

具体的には、シューは半球形状をなし、シューソケットに摺接する半球形状のシュー面と、スワッシュ部材に摺接する平坦なシュー面を有する（請求項２）。好ましくは、溝は少なくとも一方のシュー面に形成されている（請求項３）。
上述したシューの溝は、流体機械の作動中、作動流体に含まれるオイルミストを捕獲し、その内部に潤滑オイルを蓄える。このようにして溝内に蓄えられた潤滑オイルは、シューとシューソケットとの間、又は、シューとスワッシュ部材との間の潤滑に使用され、シューの摺動抵抗を低減する。

更に、シューは、少なくとも一方のシュー面の中央に形成された凹所を更に含むことができる（請求項４）。このような凹所もまた潤滑オイルを蓄え、潤滑オイルの備蓄量が増加する。
シューは、鋼材料又は添加材料が混合されたフェノール樹脂から形成されているのが好ましい（請求項５，６）。この場合、添加材料は、グラファイト粉末材料及びガラスボールの少なくとも一方を含むことができる（請求項７）。

シューが樹脂から形成される場合、シューは圧縮成形又は射出成形により形成可能である。シューが射出成形により形成される場合、上述した凹所は一方の前記型に設けられ、射出ゲート又はイジェクトピンのガイド孔を有した突起により形成される（請求項８）。

請求項１〜５の往復動型流体機械は、その外面に溝を有したシューを使用しているのでシューソケットとシューとの間、又は、シューとスワッシュ部材との間に流体的な潤滑系が提供され、シューの潤滑を良好に行うができる。この結果、シューソケットやスワッシュ部材のためのコーティング膜を容易且つ安価に形成することができる。
請求項６〜８の往復動型流体機械は樹脂製のシューを使用しているので、シューソケットやスワッシュ部材のためのコーティング膜が不要となる。また、樹脂製のシューはピストンの慣性質量を小さくし、ピストンの動的バランスの改善に寄与する。更に、シューは射出成形のみにより、最終製品として形成可能となる。

図１は往復動型流体機械としての斜板式圧縮機を示す。この圧縮機は車両の空調システム、即ち、空調システムに組み込まれる冷凍回路の冷媒圧縮機として好適する。
圧縮機は円筒状のハウジング１０を備え、このハウジング１０は図１でみて左側からフロントケーシング１２、シリンダブロック１４及びシリンダヘッド１６を含む。これらフロンケーシング１２、シリンダブロック１４及びシリンダヘッド１６は複数の連結ボルト１８を介して互いに連結されている。図１には１本の連結ボルト１８のみが示されている。

フロントケーシング１２はその内部にシリンダブロック１４と協働してクランク室２０を気密に規定する。このクランク室２０の中央には駆動軸２２が配置され、この駆動軸２２の両端はフロントケーシング１２及びシリンダブロック１４に軸受を介して回転自在に支持されている。
図１から明らかなように、駆動軸２２の一端はフロントケーシング１２の外側に突出し、動力伝達経路を介して車両のエンジン（図示しない）に接続されている。駆動軸２２がエンジンからの動力を受取ったとき、駆動軸２２は一方向に回転される。

クランク室２０には円形の斜板２４が収容され、この斜板２４は駆動軸２２に結合され、駆動軸２２と一緒に回転される。駆動軸２２に対する斜板２４の傾斜角は一定に維持されているか、又は、クランク室２０内の圧力Ｐ_Cにより可変される。なお、斜板２４の傾斜角が可変される場合、斜板２４は駆動軸２２に角度可変カプラを介して結合される。
一方、シリンダブロック１４はその内部に複数のシリンダボア２６を規定しており、これらシリンダボア２６はシリンダブロック１４の周方向に等間隔を存して配置されている。シリンダボア２６は駆動軸２２の軸線と平行に延び、シリンダブロック１４を貫通する。更に、シリンダブロック１４の径方向でみて、各シリンダボア２６の軸線と駆動軸２２の軸線との間の距離は同一である。

各シリンダボア２６内にはピストン２８が摺動自在に嵌合され、ピストン２８はそのシリンダボア２６内を往復動自在である。各ピスント２８は前述した斜板２４の外周縁に対し、一対のシュー３０を介して作動的に係合されている。より詳しくは、各ピストン２８はピストンテール３２を有し、このピストンテール３２はシリンダボア２６からクランク室２０に常時突出し、その内部に第１実施例の一対のシュー３０を保持している。

斜板２４が回転されたとき、各ピストン２８は一対のシュー３０を介してシリンダボア２６内を往復運動する。このようなピストン２８の往復運動は、作動流体、即ち、冷媒の吸入、圧縮及び吐出プロセスを実行する。なお、この種の圧縮機に使用される冷媒はミス状の潤滑オイルを含んでおり、このオイルミストは圧縮機内における各機構部の潤滑に使用される。

より詳しくは、シリンダブロック１４とシリンダヘッド１６との間にはバルブプレート３４が配置されている。シリンダブロック１４とバブルプレート３４との間にはシリンダガスケット（図示しない）が挟み込まれており、バルブプレート３４とシリンダヘッド１６との間にはヘッドガスケット（図示しない）が挟み込まれている。
シリンダヘッド１６はその内部に吸入室３６及び吐出室３８を気密に規定し、これら吸入室３６及び吐出室３８は互いに分離されている。この実施例の場合、吸入室３６はシリンダヘッド１６内の中央に位置付けられ、吐出室３８は吸入室３６を囲む環状をなしている。なお、吸入室３６は冷凍回路の蒸発器に接続され、蒸発器から吸入圧Ｐ_Sの冷媒が供給される。一方、吐出室３８は冷凍回路の凝縮器に接続され、この凝縮器に吐出圧Ｐ_Dの冷媒を供給する。

前述したバルブプレート３４は各シリンダボア２６内にそのピストン２８と協働して圧縮室４０を形成し、この圧縮室４０は吸入弁及び吐出弁を介して吸入室３６及び吐出室３８に連通可能である。より詳しくは、吸入弁及び吐出弁は前述したシリンダガスケット及びヘッドガスケットと一体に形成されたリード弁体を含み、バルブプレート３４の吸入孔４２及び吐出孔４４を開閉する。これら吸入孔４２及び吐出孔４４は圧縮室４０毎に割り当てられ、そして、吐出弁はそのリード弁体の開度を制限するリテーナ（図示しない）を更に含んでいる。

今、ピストン２８がクランク室２０に向けて移動されるとき、吸入弁が開かれ、吸入室３６内の冷媒が吸入孔４２を通じて圧縮室４０に冷媒が吸入される。この後、ピストン２８がバルブプレート３４に向けて移動されるとき、圧縮室４０内の冷媒は加圧され、そして、冷媒の圧力が吐出弁の締切圧、即ち、吐出圧Ｐ_Dを越えたとき、吐出弁が開かれる。この時点にて、圧縮室４０内の高圧の冷媒が吐出孔４４を通じて吐出室３８に吐出される。

なお、斜板２４の傾斜角が制御される場合、前述したクランク室２０は吸入室３６にオリフィス通路を介して接続される一方、吐出室３８に制御弁を備えた圧力制御通路を介して接続されている。従って、クランク室２０内の圧力は、吐出室３８から供給される冷媒の供給量と、クランク室２０から吸入室３６に逃げる冷媒の排出量とのバランスにより決定される。この結果、斜板２４の傾斜角は制御弁の開度により制御可能となり、これにより、圧縮機の容量は斜板２４の傾斜角により可変される。

図２は、ピストンテール３２を詳細に示す。
ピストンテール３２はＵ字形状をなし、一対のシューホルダ４６を有する。これらシューホルダ４６はピストン２８の軸線方向に離間し、ブリッジ４８を介して互いに連結されている。ピストン２８の往復運動中、ブリッジ４８はフロントケーシング１２の内周面に摺接し、ピストン２８の軸線回りに回転を阻止する。

一対のシューホルダ４６は互いに対向する内面を有し、これら内面にシューソケット５０がそれぞれ形成されている。これらシューソケット５０は半球状の凹面から形成されている。
一方、一対のシュー３０は半球形状をなし、シューソケット５０に嵌め合わせ可能な半球形のシュー面５２と、斜板２４に摺接する平坦なシュー面５４とを有する。それ故、シュー３０は対応するシューソケット５０に受け取られた状態で、シューソケット５０の凹面に従って回転自在且つ揺動自在である。

シュー面５２，５４の少なくとも一方には複数のシュー溝５６が形成されている。図３及び図４から明らかなように各シュー溝５６は環状をなし、シュー面５２，５４のそれぞれに２本ずつ同心的に配置されている。
更に、シュー面５２，５４の中央には円形の凹所、即ち、オイルリザーバ５８，６０がそれぞれ形成されている。

上述したシュー３０は鋼材料として、例えばボールベアリング鋼(SUJ2:JIS規格)から形成され、この形成プロセスには鍛造、熱処理及び仕上げ加工が含まれる。一方、ピストン２８、つまり、シューソケット５０や斜板２４はアルミニウム合金から形成されている。それ故、シュー３０の硬度はシューソケット５０及び斜板２４に比べて高い。このため、シューがSUJ2から形成される場合、図２に示されるようにシューソケット５０及び斜板２４の外周縁部の両面には耐摩耗性のコーティング膜６２、６４がそれぞれ形成されている。

圧縮機の作動中、クランク室２０内に供給された冷媒中のオイルミストはシュー３０のシュー面５２に付着する。付着したオイルミストはシュー３０の運動に起因してシュー３０の半球形状のシュー面５２とシューソケット５０、即ち、コーティング膜６２との間に移送され、これらシュー面５２とコーティング膜６２との間を潤滑しながら、シュー溝５６ａ及びオイルリザーバ５８に捕獲される。従って、シュー溝５６ａ及びオイルリザーバ５８内には潤滑オイルが常時蓄えられ、蓄えられた潤滑オイルはシュー面５２とコーティング膜６２との間に供給される。

一方、冷媒中のオイルミストは斜板２４の外面、即ち、コーティング膜６４に付着するので、付着したオイルミストは斜板２４の回転によりシュー３０の平坦なシュー面５４にも同様に供給され、シュー面５４と斜板２４のコーティング膜６４との間を潤滑する。また、シュー面５４上のオイルミストは斜板２４の傾斜、つまり、シュー面５４の傾斜に起因してシュー面５４上を移送され、シュー面５４のシュー溝５６ｂ及びオイルリザーバ６０に捕獲される。従って、これらシュー溝５６ｂ及びオイルリザーバ６０にも潤滑オイルが蓄えられ、蓄えられた潤滑オイルはシュー面５４とコーティング膜６４との間に供給される。

シュー溝５６ａ，５６ｂ及びオイルリザーバ５８，６０を備えたシュー３０は、流体力学的な潤滑系を提供し、コーティング膜６２，６４の摩耗を大きく低減する。それ故、コーティング膜６２，６４の形成に特別な材料やプロセスを必要とせず、コーティング膜６２，６４を容易且つ安価に形成することができる。例えば、コーティング膜６２，６４として、グラファイトベースの材料やテフロン（登録商標）からなる単一層の膜、又は、ニッケル及びテフロン（登録商標）の二層構造の膜等を使用することができる。

本発明の圧縮機は、上述したSUJ2からなるシュー３０に代えて、図５に示される第２実施例の樹脂製のシュー６６を使用することもできる。この場合、シュー６６は添加材料が混合されたフェノール樹脂から形成される。第２実施例のシュー６６は、前述したシュー３０と同様な外形形状を有し、それ故、図５中、シュー３０のシュー溝５６ａ，５６ｂ及びオイルリザーバ５８，６０と対応するシュー６６の部位には同一の参照符号が付されている。

シュー６６もまたシュー溝５６ａ，５６ｂ及びオイルリザーバ５８，６０を有するので、第１実施例のシュー３０と同様な利点を発揮する。
付け加えて、シュー６６の硬度はSUJ2製のシュー３０に比べて十分に低いので、前述したコーティング膜６２，６４を省略することもできる。また、シュー６６はシュー３０よりも軽いので、ピストン２８の慣性質量が小さくなり、圧縮機の作動中、ピストンの動的バランスの改善に大きく寄与する。

シュー６６は、圧縮成形又は射出成形により成形することができ、図５中の１点鎖線は、シュー６６の成形に使用される型の分離ラインＰＬを示している。シュー６６が射出成形により成形される場合、具体的には、図６に示されるような型６８，７０が使用される。型６８の内面は、シュー６６のシュー面５２、シュー溝５６ａ及びオイルリザーパ５８を形成するプロファイルを有し、これに対し、型７０の内面はシュー６６のシュー面５４、シュー溝５６ｂ及びオイルリザーバ６０を形成するためのプロファイルを有する。

より詳しくは、型７０はその内面にオイルリザーパ６０を形成するための円形の突起７２を有し、この突起７２内に射出ゲート７４が形成されている。射出ゲート７４は突起７２の端面に開口した一端と、射出ノズル７６に接続された他端とを有する。射出ノズル７６は溶融したフェノール樹脂を添加剤とともに、射出ゲート７４を通じて型６８，７０間のキャビティに注入する。

一方、型６８はその内面にオイルリザーバ５８を形成するための円形の突起７８を有し、この突起７８内にはガイド孔８０が形成されている。ガイド孔８０は突起７８の端面に開口した一端と、型６８の背面に開口した他端とを有する。ガイド孔８０にはイジェクタピン８２が摺動自在に挿入されている。このイジェクタピン８２は、射出成形されたシュー６６を型６８から押し出すために使用される。

型６８，７０を使用してシュー６６が射出成形された後、シュー６６は付加的な後処理を必要としない。この点に関して詳述すれば、シュー６６が射出成形されたとき、前述した射出ゲート７４やガイド孔８０の開口端に対応したシュー６６の部位にバリが発生することもある。しかしながら、このようなバリはオイルリザーバ５８，６０の底に生じることから、バリがシュー６６のシュー面５２，５４から突出することはない。それ故、シュー６６の射出成形後、シュー６６は付加的なバリ取り加工を必要としない。

前述した射出ゲート７４及びガイド孔８０は、型６８の突起７８及び型７０の突起７２にそれぞれ形成することも可能である。
前述したフェノール樹脂に混合される添加材料は、グラファイトの粉末材料及びガラスボールの少なくとも一方を含むことができる。グラファイトの粉末材料のみが混合されたフェノール樹脂はPF2 C4(ISO規格)と称され、グラファイトの粉末材料及びガラスボールの両方が混合されたフェノール樹脂はPF2 C1(ISO規格)と称されている。

PF2 C4は完全な等方性材料であるので、PF2 C4から射出成形されたシュー６６は残留ストレスを有していない。それ故、この後、シュー６６がアニール処理されても、シュー６６のサイズや形状に変化が生じることはない。この結果、正確なサイズ及び形状のシュー６６が射出成形のみで製造可能となり、シュー６６の製造コストを安価することができる。

一方、PF2 C1は完全ではないが、ほぼ等方性材料である。それ故、PF2 C1から射出成形されたシュー６６は残留ストレスを有する。このため、シュー６６がアニール処理された後、シュー６６のサイズや形状に変化が生じる。しかしながら、PF2 C1中にはガラスボールが混合されているので、これらガラスボールはシュー６６の上述した変化を効果的に阻止する。たとえ、シュー６６に上述の変化が発生しても、この変化はシュー６６の平坦なシュー面５４のみを仕上げ加工することで解消される。

図７は、所定の試験条件下にて圧縮機が作動されたとき、PF2 C4からなるシュー６６及びPF2 C3(ISO規格)からなる参照シューの摩擦係数の範囲及びその経年変化をそれそれ示す。なお、PF2 C3はガラス繊維が混合されたフェノール樹脂である。
図７から明らかなようにシュー６６の摩擦係数は殆ど変化せず、参照シューの摩擦係数に比べて約１／２である。なお、参照シューの摩擦係数は、試験開始直後に急激に増加されている。これは、試験開始前、参照シューの外面にフェノール樹脂の層のみが存在し、試験開始後、上述した参照シューの層が摩耗し、参照シューの外面にガラス繊維が露出したことに起因するものと考えられる。

図８は、異なる試験条件下でのシュー６６及び参照シューの摩擦係数の範囲及びその経年変化をそれぞれ示す。この場合にも、シュー６６の摩擦係数は参照シューの摩擦係数に比べて約１／２である。図８の場合、参照シューの摩擦係数は試験開始直後から高い。これは、参照シューの外面にガラス繊維が予め露出されていたためと考えられる。
なお、PF2 C3と同様に、PF2 C1からなるシュー６６の摩擦係数は参照シューに比べて十分に小さく、そして、その経年変化もまた殆ど変化しない。

本発明は、前述した第１及び第２実施例のシュー３０，６６に制約されるものではなく、種々の変形が可能である。
図９〜図１１は、第３実施例のシュー８４を示す。
シュー８４はシュー３０，６６に対してシュー溝の形状及び配置のみが異なる。より詳しくは、シュー８４における半球形状のシュー面５２には例えば１２個のシュー溝８６が形成されており、これらシュー溝８６はシュー面５２の周方向に分布され、シュー面５２の外周縁から中央のオイルリザーバ５８に向けて延びている。

図１０から明らかなように、１２個のシュー溝８６は４つのグループに分けられ、各グループはシュー面５２の周方向に等間隔を存して配置されている。シュー面５２の直径方向に離間した２つのグループ内にて、対応するシュー溝８６同士は図１０でみて同一の線上に位置付けられている。
一方、図１１に示されるようにシュー８４における平坦なシュー面５４には例えば８個のシュー溝が形成されており、これらシュー溝は、シュー面５４の周方向に等間隔を存して配置され、且つ、シュー面５４の径方向に延びる４つの径方向溝８８ａと、これら径方向溝８８ａ間にそれぞれ配置された４個のＬ字溝８８ｂとを含み、各Ｌ字溝８８ｂはそのコーナをオイルリザーバ６０に向けた姿勢を有する。図１１から明らかなように、シュー溝８８ａ，８８ｂは何れも、シュー面５４の外周縁に達していないことに留意すべきである。

図１２〜図１４は第４実施例のシュー９０を示す。
シュー９０の半球形状のシュー面５２は、前述した第３実施例のシュー溝８６を含む格子状の溝パターン９２を有する。また、シュー９０の平坦なシュー面５４もまた、前述した第３実施例のシュー溝８８ａ，８８ｂを含む格子状の溝パターン９４を有する。溝パターン９２，９４はオイルリザーパ５８，６０にそれぞれ接続されている。

第３及び第４実施例のシュー８４，９０は前述した鋼材料又は樹脂材料から形成され、シュー８４，９０の溝８６，８８及び溝パターン９２，９４は、第１及び第２実施例のシュー３０，６６のシュー溝５６と同様な流体的潤滑系を提供する。
更に、上述した第１〜第４実施例のシューが適用可能な圧縮機は図１に示したタイプに制約されるものでもないことは言うまでもない。また、本発明はスワッシュリング式の圧縮機にも適用可能である。

往復動型流体機械としての斜板式圧縮機を示した縦断面図である。 図１中、第１実施例のシューを保持するピストンテールの拡大断面図である。 図２のシューの平面図である。 図２のシューの底面図である。 第２実施例のシューを一部破断して示す側面図である。 図５のシューを射出成形するために使用される一対の型を示した断面図である。 圧縮機が所定の試験条件下にて作動されたとき、第２実施例のシュー及び参照のシューの摩擦係数の範囲及びその経年変化を示したグラフである。 試験条件が異なる場合での摩擦係数の範囲及びその経年変化を示したグラフである。 第３実施例のシューを示した側面図である。 図９のシューの平面図である。 図９のシューの底面図である。 第４実施例のシューを示した側面図である。 図１２のシューの平面図である。 図１２のシューの底面図である。

符号の説明

１２ フロントケーシング（ハウジング）
２４ 斜板
２６ シリンダボア
３０，６６，８４，９０ シュー（変換機構）
３２ ピストンテール（変換機構）
５０ シューソケット（変換機構）
５２，５４ シュー面
５６，８６，８８ シュー溝
５８，６０ オイルリザーバ（凹所）
６８，７０ 型
７２，７８ 突起
７４ 射出ゲート
８０ ガイド孔
８２ イジェクタピン
９２，９４ 溝パターン（シュー溝）

Claims (8)

1. 往復動型流体機械は、
   ハウジングであって、ミスト状の潤滑オイルを含んだ作動流体が供給される室及びこの室に開口したシリンダボアを有する、ハウジングと、
   前記室に回転可能に収容された板状又はリング状のスワッシュ部材と、
   前記シリンダボアに嵌合されたピストンであって、前記ピストンは前記スワッシュ部材の回転を前記ピストンの往復運動に変換する変換機構と
   を備え、
   前記変換機構は、
   前記ピストンの軸線方向に離間した一対のシューソケットと、
   前記各シューソケットのそれぞれに揺動自在に受け取られ、前記スワッシュ部材の回転を許容しつつ前記スワッシュ部材の外周縁を挟み付けるシューであって、その外面に複数の溝を有したシューと
   を含む。
2. 請求項１の往復動型流体機械において、
   前記シューは半球形状をなし、前記シューソケットに摺接する半球形状のシュー面と、前記スワッシュ部材に摺接する平坦なシュー面を有する。
3. 請求項２の往復動型流体機械において、
   前記溝は、少なくとも一方の前記シュー面に形成されている。
4. 請求項３の往復動型流体機械において、
   前記シューは、少なくとも一方のシュー面の中央に形成された凹所を更に含む。
5. 請求項１〜４の何れかの往復動型流体機械において、
   前記シューは鋼材料から形成されている。
6. 請求項１〜４の何れかの往復動型流体機械において、
   前記シューは、添加材料が混合されたフェノール樹脂から形成されている。
7. 請求項６の往復動型流体機械において、
   前記添加材料は、グラファイト粉末材料及びガラスボールの少なくとも一方を含む。
8. 請求項４の往復動型流体機械において、
   前記シューは一対の型を使用した射出成形により、添加材料が混合されたフェノール樹脂から成形され、
   前記凹所は、一方の前記型に設けられ、射出ゲート及びイジェクトピンのガイド孔の一方を有した突起により形成される。

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