JP2009523204A - 光起電性の太陽屋根タイルのアセンブリシステム - Google Patents

光起電性の太陽屋根タイルのアセンブリシステム Download PDF

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Abstract

本発明は、一体化された光電池を備えるか又は備えていない複合タイル、構造物へタイルを設置するためのトラックシステム、及び光起電性タイルのための配線システムを備えたモジュールシステムを提供する。トラック及びタイルは複合材料で作製されている。タイル及びトラックの製造、並びに光電池の一体化に成形及び押出方法を用いることができる。トラックは構造物に固定される。タイルがトラックと相互連結されるように、当該タイル及びトラックは対になるような特徴を備えている。隣接するタイルは、重なり合うように設置される。光電池はタイルと一体成形されるか、又は当該タイルと組み合わされる。母線又はワイヤハーネスがトラックに組み込まれる。光起電性タイルがトラックと相互連結されると、光電池のコネクタは母線又はワイヤハーネスと係合して電気的接続を提供する。

Description

本発明は構造物を覆うタイルシステム、及び当該システムが取り付けられた屋根を有する構造物に関する。
光電池を居住用及び商業用の屋根構造物に固定するのに用いることができる多くの方法がある。最も一般的な光起電性の屋根製品は、独立型のソーラーパネルから構成されており、このソーラーパネルは、枠状の支持体を用いるか又は直接に、既存の屋根若しくは構造物に取り付けられる。これらの製品は、既存の屋根構造物の代わりとしてではなく、当該屋根構造物に追加して使用される。これらの光起電性配列のための配線系統は、従来の並列回路又は直列回路、及び標準的な圧着タイプ又は突起タイプの接続を用いている。
標準的な屋根製品として、プラスチック、発泡体及び金属を含む材料で作製された連結型の屋根板タイプの製品例が種々存在している。これらの材料は、焼結粘土、スレート、シーダー、アスファルト等のより伝統的な屋根板材料の代わりに使用されてきた。これらの代替的な材料は、寸法上の不安定さ、重量、環境上の懸念等の従来の設計の弱点を補うものであるが、伝統的な設置方法に関連する問題点を解決するものではない。プラスチック又は樹脂の屋根板の設置方法は、伝統的な屋根板の設置方法と類似しており、タイルを直接屋根に固定するか、又は屋根の貫(batten)に固定するのに釘を用いている。このタイプの典型的な製品は、例えば、カナダ特許第746203号、同第2301420号及び同第2219026号の各明細書中に見出すことができる。
光起電性の屋根システムの人気が年々高まるにつれて、プラスチック材料製の屋根板と太陽電池とを結合した多くの製品が紹介されている。太陽電池は光起電性であり、温水を供給するために水路に太陽熱を提供する装備がタイル中に含まれているものもある。光起電性システム用に、既存の屋根構造物に取り付けられる独立型のパネルが開発されてきた。光電池が屋根板に取り付けられた場合、設置方法は伝統的なままであり、全システムが屋根構造物に釘又はネジで取り付けられる。これらのシステムにおける電気配線の方法は、標準的な工業製品であるコネクタ及びハーネスを用いている。このタイプの典型的な製品は、カナダ特許第2335159号、同第1248582号及び同1077226号、並びに米国特許第6856496号の各明細書中に見出すことができる。
光起電性システム及び屋根製品における代替材料の使用は、すき間市場において商業的成功を収めることができた。従来から知られているシステムの明らかな欠点は、パネル同士及び屋根板同士のすべての配線接続と、パネルから家屋へのあらゆる供給のための接続とを、人力によって1つずつ行わなければならないということである。
光起電性システムを建物構造に組み込んだ多くの製品では、光起電性パネルを建物構造又は屋根に構造的に取り付けるためにレール又はトラック(track)タイプのシステムを利用している。これらの製品は、光起電用の配線のための導管又は配線管としてレールシステムを利用している。金属製又はプラスチック製のレールを使用することで、光起電性パネルのための構造的な枠組み及び取付け方法を得ることができるとともに、電気システムを環境的に保護するための閉じられた通路が提供される。このレールシステムにおける明らかに不都合な点は、光起電性パネルの組立が、機械的な留め具ないしはファスナ又は化学的な接着のいずれかにより行われることである。これらのシステムの電気的配線は、伝統的なワイヤハーネス及びコネクタであり、光起電性システムの建物構造への設置を簡略化するための解決策を提供するものではない。このタイプの典型的な製品は、米国特許第6065255号、同6111189号、同6465724号及び同7012188号の各明細書中に見出すことができる。
光起電性パネルを相互に接続するバスウェーとして機能するレールを組み合わせることが米国特許第6201180号明細書において考慮されている。この設計は、光起電性パネルの電気出力を直流から交流に変えるための手段を提供している。前記バスウェーは、電気導管と一致するぎぼし形めす端子用いた光起電性パネルの電気的接続を可能にし、また、複数の独立する光起電性パネルを相互に接続することができる。このシステムは、光起電性パネルの電気的な相互接続に対する解決策を提供しているが、光起電性の屋根タイルの構造的な固定システムを提供していない。
屋根又は他の構造物製品に対し簡単で且つモジュール式の設置方法を提供するために拡張可能な技術を結合させることが望まれている。さらなる要望は、電気を生成するためにかかる製品と光電池とを効果的に一体化させることである。複合材料製タイルおよびモジュール式設置システムと光電池との継ぎ目のない一体化は、再生可能なエネルギ代替物とリサイクル可能な材料とを非常に高い設計上の柔軟性をもって結合することができる重要な商業的製品となり得る。
第1の実施の形態は、特別な理由のためにタイルを採用する構造物に用いられるタイルとトラックのアセンブリである。そのような適用の一例は、屋根を必要とする構造物である。タイルとトラックのアセンブリは、タイルを構造物に取り付けて屋根を形成するための効率的で低コストの方法を提供する。なお、屋根が例示されているが、壁の一部、又は他の構造物にも同様にしてタイルを取り付けることができる。
本発明の第2の実施の形態は、光電池を効果的に一体化することができる拡張可能なモジュール式システムへのニーズに向けられている。本発明のタイルとトラックのアセンンブリは光電池と組み合わせることができ、特に、光電池を含むタイルとトラックのアセンブリが屋根構造物として採用される場合に適用される。複合材料を用いることにより、例えば自動車産業部門に由来する成形プロセスを利用して、複合タイルを高い寸法精度で成形することができる。スクラップをリサイクルすることで廃棄物を減らすために、これらの複合材料をリサイクルされたポリマーと組み合わせることができる。成形材料の選択における柔軟性は、従来の屋根製品がもっていた問題を克服することができる多くの添加物の使用を可能にする。極端な条件下において製品が発火する可能性を低減させるために、防火剤を添加することができる。コケや有機物の形成を防ぎつつ耐候性を確保するために添加物を添加することができる。ポリマー材料を使用すると製品を非常に軽量化することができ、当該製品の取扱い及び設置が容易且つ安全になる。また、従来の屋根製品に比べて輸送コストを大幅に小さくすることができる。さらに、トラック用として、おそらくはポリマー材料と組み合わせた形で、例えば共押し出し方法を用いることにより金属材料を用いることができる。
本発明の一態様に係るタイルは、少なくとも1箇所、好ましくは少なくとも2箇所にスナップ式係止部を有している。スナップ式係止部によりトラックへのタイルの設置が簡略化されるが、このトラックも複合ポリマー材料から、好ましくは押出成形により作製することができる。タイルが確実に保持され、また、タイルがトラックに強固に拘束されるものの当該トラックの長手方向に沿って摺動できるように、スナップ式係止部はトラックと係合する。タイルは簡単に所定の場所にスナップ係合させることができ、また、必要に応じてトラックに対して摺動することができるので、トラックを使用することでタイルの設置が簡略化及びモジュール化される。建物構造物への設置はトラックを介して行われるが、このトラックは、建物構造物上で適切なトラック間距離を保つために、おそらくは治具を用いて釘又はネジにより簡単に既存の屋根構造物に固定することができる。トラックはポリマー材料を押出成形することで作製することができるので、当該トラックの断面寸法を非常に高い精度で制御することができ、これによりスナップ式係止部との非常にタイトな係合が可能になる。押出成形プロセスによりトラックを連続的に製造することが可能になり、所望長さのトラックを提供することができる。トラックは、連続性を保つために長手方向に接合することができる。タイルと同様に、構造上の剛性及び耐候性を確保するのに必要な充てん剤及びリサイクルされた内容物を含む樹脂材料を用いてトラックを成形することができる。
複合材料の使用及びトラック設置方法を、光起電性システムと効果的に組み合わせることができる。高精度の成形方法を使用することにより、光電池(又は太陽電池)の積層成形又はインサート成形が可能になる。これにより、電池が適切にタイルに固定されるように、構造的に強く且つシールされた光電池用の凹所を提供することができる。このようにタイル設計を柔軟に行うことができるので、別体の光起電性モジュールをタイル内に配設することも可能となる。同様の基本コンセプトをトラックに用いることができる。光起電性の複合タイル用の電気的接続を提供するために、例えば、トラックと共押出することにより、母線又は配線ケーブルを当該トラック上に配置することができる。光電池の裏面に突起、突出物又は貫通タイプのコネクタを含ませることで、コネクタが複合タイルの下方に位置することになり、タイルがトラック上にスナップ係合されたときに、当該コネクタが押出成形されたワイヤ又は母線と係合する。また、光電池の電気的接続をスナップ式係止部により行うこともでき、この場合、スナップ式係止部は少なくとも2つの突出部を有しており、各突出部は、トラックのワイヤケーブル又は母線と電気的に接続するように取り外し自在に固定される構成とすることができる。突出部は、前述した貫通タイプのものとすることができる。
トラックを別のトラックと接合する場合、一方のトラックの母線又はワイヤケーブルを他方のトラックの母線又はワイヤケーブルと電気的に接続するために連結片を用いることができる。かかる連結片は、2つのトラックの接続部に構造的剛性を与えるために用いることもできる。
本発明の一実施の形態においては、これらの要素を、効果的なモジュール式の光起電性及び/又は複合式のタイル屋根システムと組み合わせることが提供される。複合材料の成形方法を用いることにより、タイル及びトラックを高い公差で製造してタイトで強固な係合を確保することができ、また、タイルを相互連結するシステムにおいて水分の浸入を防ぐためにシール可能なタイルを得ることができる。このことは、製造精度が低いことから係合を確保するとともにシールを保つためには多くの重なり長さが必要であった従来の屋根製品に対する明らかな利点である。従来のかかる要求事項は、製品の使用可能な面積を大幅に減少させ、或る表面を覆うのにより多くの製品を使用しなければならなかった。本発明のタイルは、これを克服し、使用可能な面積を最大化している。成形方法は、また、設計における柔軟性を大きくしている。タイルは、必要に応じて、種々の質感、模様、色、又はサイズをもつものとすることができる。従来の製品では、通常、同レベルの設計の柔軟性を得ることができない。
トラックを用いることにより、既存の光起電性及び複合パネル又はタイルに比べ、タイル及び光起電性システムの設置が、はるかに簡単になり、且つ、モジュール化される。例えば治具を用いることにより、トラックを、構造物の任意のマーキングされた場所に容易に固定することができる。一旦配置されると、タイル又は光起電性タイルは、スナップ係合によりトラック上の所定箇所に係合される。同じ列の隣接するタイルは、相互に連結される方法により重なって配設される。本発明におけるタイル構成によれば、2つのタイル間に耐候性のシールを形成するのに必要な重なり量は、従来のタイルを用いる場合に必要な重なり量に比べて小さい。光電池が配置されると、母線又はワイヤケーブル接続を用いて、電気システムの接続を同じトラックを用いて行うことができる。本システムが既存の屋根システム及び光起電性システムに比べて有利な点はたくさんある。タイル及びトラックは軽量であり、重いアスファルトやこけら製品に比べて、輸送及び取扱いのためのコストがはるかに小さくなる。個々のタイル又は光起電性パネルを屋根構造物に機械的に固定する必要はなく、トラックだけを屋根構造物に固定すればよいので、設置時間を大幅に短縮することができる。電気システムをトラックに含ませることにより、多くの既存の光起電性屋根システムに見られるような、別のワイヤハーネス又は複雑な配線の束を屋根構造物の下方に配設する必要性がなくなる。
前述したように、タイル及びトラックシステムを他の構造物にも好適に使用することができる。タイルとトラックを相互接続するシステムは、建物の壁のような他の部位においても使用することができる。屋根の場合と同じくこれらの応用例においても、建物のデザインに応じて、屋根、壁などの全体をタイルで構成することができる。システム設計に柔軟性があるので、トラックを強固に固定することができるあらゆる構造物に設置することが可能である。本発明において他の実施の形態も可能であり、また、本発明は他の建造物にも使用することができ、この場合、トラックによる相互連結を用いて光起電性タイルを容易に構造物の表面に設置できることは、利点であると考えられる。
図1に示されるように、複数のタイル1が、トラックシステム2を用いて屋根構造物3に固定される。トラックシステム2は、複合タイルを縦に配置するために工事者によりマーキングされた位置において、釘又はネジで屋根構造物に取り付けられる。予め切断された長さのトラックを互いに隣接するように配設し、自由端を接合し固定しることにより、1つの連続した長さのトラックを形成することができる。あるいは、当該技術分野において知られているクリップ固定具を用いて、互いに対になるトラックの端部を固定することもできる。タイルは、押出成形されたトラックにスナップ式に配置され、当該トラックから取り外すこともできるし、また、トラックの長手方向に沿って摺動させることもできる。隣り合うタイルは、図1に示されるように、互いに重なり合うのが好ましい。所望の範囲をカバーするために充分な数のタイル及びトラックが屋根構造物に設置される。
図2Aはタイル1を示している。タイルは、隣接するタイルと重なり合うための、突起30を備えた棚状部20を有している。タイルの側面が図2Bに示されており、同図は、スナップ式係止部50の詳細を示している。タイルのスナップ式係止部は、後述するように、トラックと係合する。タイルの他の側面が図2Cに示されている。前記突起30は、所定位置に配列されているので、タイルを設置するに際し、各突起を対応するタイルのチャネル内に容易に嵌合することができる。また、かかる嵌合により、隣接するタイル同士の接続を耐せん断性のあるものとすることができる。
図3は、図2に示されるタイルの裏面の等角図である。タイルのスナップ式係止部50及び棚状部の突起30が示されている。タイルの剛性を高めるために必要に応じて内側リブ60を設けてもよい。タイルの壁部70は、隣接するタイル間に水が浸入するのを防ぐために、隣接するタイルの壁部(図示せず)と重なり合う。
図4Aはトラックの側面又は断面を示している。押出成形されたトラックに配設されたスナップ式係止部80は、図2及び3に示されるように、タイルのスナップ式係止部50と係合する。トラック2の等角図が図4Bに示されている。長手方向のトラック長さ91は変更可能であり、特別な要求に基づいて設定することもできるし、また、標準化の要求に基づいて設計することもできる。図4Bに示される長さ91は図示するためのものに過ぎず、発明を実施するに際しては、トラック2の幅に比べて非常に長い長さ91が必要になることが理解されるであろう。
図5は、タイル1とトラック2の係合の拡大断面を示している。タイルのスナップ式係止部50とトラックのスナップ式係止部80とが係合される前の断面が図示されている。タイルのスナップ式係止部50は凹部51及びリップ部53を有している。トラックのスナップ式係止部80は、それぞれがリップ部83を備えた一対の突出部81を有している。図5Bは、係合後のタイル及びトラックを示しており、タイルはトラックと結合されている。本実施の形態では、タイルのスナップ式係止部50のリップ部53は、設置する際に前記トラックのスナップ式係止部80の突出部81をそらせている。完全に設置されると、トラックのスナップ式係止部80の突出部81は、凹部51内において跳ね返り、これによりリップ部53及び81が互いに係合し、タイルを強固にトラックに保持する。タイルを取り外すために、当該タイルをトラックの端部から滑り出させることができる。また、前記突出部81をリップ部から分離する力を与えつつタイルを手で操作することもできる。図6は、トラック2と係合しているタイル1の等角図を示している。このようなスナップ式の係止は、種々の技術分野において知られており、適宜のスナップ式の係止を本発明において採用して、タイル及びトラックに結合及び摺動機能を与えることができる。一例として、突出部をタイルに設け、凹部をトラックに設けることができる。タイルとトラックを摺動可能に結合する他の手段を用いることができる。例えば、タイルがトラックに沿って摺動できるように当該タイルとトラックに適当に溝を形成することができる。ファスナによるタイルとトラックとの連結を可能にするチャネルを設けることができ、このファスナはトラックとタイルの接続を維持するとともに、タイルがトラックに対し移動する際に前記チャネル内を摺動する。この実施の形態では、ファスナがリップ部による係合に取って代わり、トラックとタイルの接続を維持する。
裏面に一体化された光起電性(photovoltaic(PV))の電池、すなわち光電池が搭載された透明なPVタイル10が図7A〜8に示されている。図7Aに示されるように、PVタイル10は光電池(図示せず)を収容するための凹部85を有している。図7Bは、PVタイル10の凹部(図示せず)に搭載された光電池90を示している。PVタイル10の他の構成は、先に図示したタイル1と同じであり、同一の参照符号を用いている。図8において、PVタイル10の裏面(すなわち、屋根構造物と対向する面)は、当該PVタイル10から突出する光電池用コネクタ100を有するものとして図示されている。
図9は、前出した図に示されたものと同様のトラック2を示している。光電池90は、例えば端子接続を介して、トラックに取り付けられている。図10は、トラック2に係合されたPVタイル10の裏面の等角図である。光電池(図示せず)は、光電池コネクタ100の機械的な嵌合により、図9に示されるように、母線110に電気的に接続される。
図11Aは、母線110を備えたトラック2とPVタイル10の係合前の状態を示している。図11Bは、母線110を備えたトラック2とPVタイル10の係合後の状態を示している。光電池コネクタ100は母線110と係合している。タイルとトラックの係合は、図5A及び5Bに示される方法と同様にして行われる。図9に示されるように、母線110がトラックに配置されており、光電池コネクタ100は、かかる母線と機械的及び電気的接続により係合される。タイルがトラックにスナップ結合されるのと同様にして、当該タイルがトラックに押し込まれると、光電池コネクタも母線に押し込まれる。PVタイル10は、このようにして、トラック2に着脱自在及び摺動自在に結合される。
図12A〜12Cは、一体化されたワイヤハーネス130にPVタイルを接続するのに用いられるコネクタアセンブリ120の一例を示している。コネクタアセンブリ120は、断面(図12A)及び側面(12B)で示されている。コネクタアセンブリ120は、突出部124を備えた本体122を有しており、本実施の形態では、2つのコネクタアセンブリ120が図示されているが、使用されるトラック2の異なる形状に応じて、その数を変更することができる。突出部は、トラックと協働してコネクタアセンブリ120を強固に当該トラックに結合させるように配置されている。トラック2に搭載されたコネクタアセンブリ120が図12Cに示されている。コネクタアセンブリ120がタイル及びトラックに配置されると、当該コネクタアセンブリ120の貫通する接点126が、トラック内に存在するワイヤハーネス130と係合する。コネクタアセンブリ120には、光電池のための配線接続125が内蔵されている。配線接続125は、光電池(図示せず)に半田付けされており、トラックのワイヤハーネス130と係合する前記接点126に内部で接続されている。
図13は、PVタイル10をトラック2に電気的に接続する手段の一例を示している。この図は、ワイヤハーネス130と一体化されたトラック2と係合している、一体化された光電池90を備えたPVタイル10の拡大図である。コネクタアセンブリ120はタイルとトラックの間に位置している。配線接続125は、内部で光電池90に半田付けされている。この配線接続125は、コネクタアセンブリ120内において接点126に接続されている。タイルがトラックに係合されると、貫通する接点126は、ワイヤハーネス内に突出して、光電池とワイヤハーネスとの間の電気的接続を行う。もちろん、例えば配線された突起や突出物のような他の手段によりPVタイル10とトラック2の電気的接続を行うこともできる。光電池からの電力を運ぶさらに他の手段として、標準的なワイヤハーネスとコネクタや、トラックシステムの外部に位置する適宜の接続手段を挙げることができる。
以上、前述した本発明の目的のすべてを達成することができる好ましい実施の形態を用いて本発明を開示したが、本発明は、構造物、特に屋根を構成するために搭載される新規の且つ改良されたトラックとタイルのアセンブリであって1又は2以上の光電池を含むアセンブリを提供するものである。
もちろん、当業者であれば、本発明が意図している精神及び範囲から離れることなく、本発明の教示からの種々の変更、修正及び改変を行うことができる。本発明は、添付した請求の範囲の表現によってのみ限定されるべきである。
屋根構造物への3枚のタイル及びトラックの配置の一実施の形態を示す図である。 タイル製品の設計例を示す図である。 タイル製品の裏面の一例を示す図である。 トラックの設計例を示す図である。 トラックとタイルの係合の一例を示す図である。 トラックとタイルの係合の一例を示す図である。 一体化された光電池を備えたタイルの一例を示す図である。 一体化された光電池を備えたタイルの一例を示す図である。 母線とトラックのアセンブリの一例を示す図である。 光電池と母線及びトラックの係合の一例を示す図である。 光電池と母線及びトラックの係合の一例を示す図である。 タイルとトラックの配線ハーネスの係合の一例を示す図である。 タイルとトラックの配線ハーネスの係合の一例を示す図である。

Claims (15)

  1. 構造物を覆うタイルシステムであって、
    前記構造物に固定される少なくとも1つのトラックを含むタイル搭載用トラックシステムと、
    少なくとも1枚のタイルと、
    前記少なくとも1つのトラックに沿って摺動できるように前記少なくとも1枚のタイルを当該トラックに固定する手段と
    からなることを特徴とするタイルシステム。
  2. 前記少なくとも1枚のタイルが、光電池を備えている請求項1に記載のシステム。
  3. 前記少なくとも1つのトラックが導電体を有しており、前記システムが、光電池を前記導電体に電気的に接続する手段をさらに備えている請求項2に記載のシステム。
  4. 前記電気的に接続する手段が、分離型の配線された突起、突出物及び貫通するコネクタのうちの1つを含んでいる請求項3に記載のシステム。
  5. 前記少なくとも1枚のタイルを前記少なくとも1つのトラックに固定するのにスナップ式係止部が用いられ、このスナップ式係止部は、前記少なくとも1枚のタイルがトラックに沿って摺動すること及び当該少なくとも1枚のタイルがトラックから取り除かれることを許容するように構成されている請求項1に記載のシステム。
  6. 前記少なくとも1枚のタイルを前記少なくとも1つのトラックに固定するのにスナップ式係止部が用いられ、このスナップ式係止部は、前記少なくとも1枚のタイルがトラックに沿って摺動することを許容するように構成されており、且つ、電気的な接続手段を用いた光電池と導電体との電気的接続を容易にしつつ前記少なくとも1枚のタイルの前記少なくとも1つのトラックへの固定を許容するように構成されている請求項2に記載のシステム。
  7. 前記少なくとも1枚のタイル及び前記少なくとも1つのトラックが、金属、ポリマー、熱可塑性エラストマー材料、又はこれらの組み合わせからなる請求項1に記載のシステム。
  8. 前記少なくとも1枚のタイル及び前記少なくとも1つのトラックが、成形方法により形成されてなる請求項7に記載のシステム。
  9. 前記光電池が前記少なくとも1枚のタイルに固定されてなる請求項2に記載のシステム。
  10. 前記光電池が、一体成形、積層成形、インサート成形、アプリケット成形、ポスト成形、又はこれらの組み合わせにより前記少なくとも1枚のタイルに固定されてなる請求項9に記載のシステム。
  11. 前記少なくとも1つのトラックが第1のスナップ式係止部を有しており、前記少なくとも1枚のタイルが第2のスナップ式係止部を有しており、当該第1及び第2のスナップ式係止部が固定及び摺動のために係合されてなる請求項6に記載のシステム。
  12. 前記第1のスナップ式係止部が少なくとも1対の突出物を有しており、前記第2のスナップ式係止部が、前記少なくとも1枚のタイルと前記少なくとも1つのトラックとの接続を維持するために前記突出物を受け入れる凹部を有している請求項11に記載のシステム。
  13. 前記電気的な接続手段が、タイルに搭載され且つ第3のスナップ式係止部及び接続ピンを有するコネクタからなっており、前記第1及び第3のスナップ式係止部が、前記コネクタを摺動自在にトラックに固定するとともに前記接続ピンとトラックの母線との間の電気的接続を維持するように構成されている請求項11に記載のシステム。
  14. 屋根を有する構造物であって、当該屋根に請求項1記載のシステムが搭載されてなることを特徴とする構造物。
  15. 前記少なくとも1枚のタイルが光電池を含んでなる請求項14に記載の構造物。
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