JP2011231900A - High pressure tank and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高圧タンク及び高圧タンクの製造方法に関する。 The present invention relates to a high-pressure tank and a method for manufacturing a high-pressure tank.
高圧タンク等の高圧容器は、鉄等に比べ軽量であって強靱性を有するFRP(Fiber Reinforced Plastic)部材が用いられ、ライナー表面にFRP部材からなるFRP層が形成されている。ここで、FRP部材は、例えば、繊維と樹脂を含み、プラスチックが強化されたものである。 A high-pressure container such as a high-pressure tank uses an FRP (Fiber Reinforced Plastic) member that is lighter and tougher than iron or the like, and an FRP layer made of an FRP member is formed on the liner surface. Here, the FRP member includes, for example, a fiber and a resin and is reinforced with plastic.
FRP層を形成する方法として、例えば、フィラメントワインディング法(以下「FW法」ともいう)が知られており、このフィラメントワインディング法は、樹脂を含浸した繊維を、円筒状の基材に巻き付けて、FRP層を形成する方法である。FRP層を形成したのち、通常、熱硬化処理が施される。 As a method for forming the FRP layer, for example, a filament winding method (hereinafter also referred to as “FW method”) is known. In this filament winding method, a fiber impregnated with a resin is wound around a cylindrical substrate, This is a method of forming an FRP layer. After forming the FRP layer, usually a thermosetting treatment is performed.
また、特許文献1には、タンクライナの外周部に巻廻した強化繊維を樹脂で固化させた高圧ガスタンクにおいて、前記樹脂の少なくとも一部に熱伝導性の高い粉末を混入させて、タンク壁の熱伝導率を高め、高圧ガスタンク内に水素ガスを充填する際の発熱を放散させることが提案されている。ここで、熱伝導性の高い粉末として、銅粉が例示されている。 In Patent Document 1, in a high-pressure gas tank in which reinforcing fibers wound around the outer periphery of a tank liner are solidified with a resin, powder having high thermal conductivity is mixed into at least a part of the resin, It has been proposed to increase heat conductivity and dissipate heat generated when hydrogen gas is filled into a high-pressure gas tank. Here, copper powder is illustrated as a powder with high thermal conductivity.
水素ガスが加圧充填された高圧タンクでは、高圧タンク内が加圧されているため、口金部近傍のライナーとFRP層との間及び口金部とFRP層との間がシールされた状態になっている。一方、高圧タンクのライナーとして樹脂ライナーを用いた場合、高圧タンク内の加圧された水素ガスは微量ながら徐々に樹脂ライナーを透過していくため、樹脂ライナーを透過した水素ガスは、樹脂ライナーとFRP層との間に滞留してしまう場合がある。このような状態で高圧タンクが減圧されると、口金部近傍の樹脂ライナーとFRP層との間及び口金部とFRP層との間に隙間が生じ、樹脂ライナーとFRP層との間に滞留していた高濃度の水素ガスが、一度に、口金部とFRP層との隙間から放出されることになる(図7,8参照)。 In a high-pressure tank filled with hydrogen gas under pressure, since the inside of the high-pressure tank is pressurized, the space between the liner near the base and the FRP layer and the space between the base and the FRP layer are sealed. ing. On the other hand, when a resin liner is used as the liner for the high-pressure tank, the pressurized hydrogen gas in the high-pressure tank gradually permeates through the resin liner, though a small amount. There is a case where it stays between the FRP layer. When the high-pressure tank is depressurized in such a state, gaps are generated between the resin liner in the vicinity of the base part and the FRP layer and between the base part and the FRP layer, and stay between the resin liner and the FRP layer. The high-concentration hydrogen gas that has been discharged is released from the gap between the base and the FRP layer at once (see FIGS. 7 and 8).
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、水素ガスが充填された加圧状態の高圧タンクにおいて、樹脂ライナーとFRP層との間の水素ガスの滞留を抑制する高圧タンク及び高圧タンクの製造方法を提供する。 The present invention has been made in view of the above problems, and in a pressurized high-pressure tank filled with hydrogen gas, the high-pressure tank and the high-pressure tank for suppressing the retention of hydrogen gas between the resin liner and the FRP layer are provided. A manufacturing method is provided.
上記目的を達成するために、本発明の高圧タンク及び高圧タンクの製造方法は以下の特徴を有する。 In order to achieve the above object, the high-pressure tank and the manufacturing method of the high-pressure tank of the present invention have the following characteristics.
(1)樹脂ライナーと、樹脂ライナーに形成された微小球を含む中間層と、樹脂を含浸した繊維を中間層に巻回して形成されたFRP層と、を有する高圧タンクである。 (1) A high-pressure tank having a resin liner, an intermediate layer including microspheres formed on the resin liner, and an FRP layer formed by winding a fiber impregnated with resin around the intermediate layer.
水素ガスが加圧充填された高圧タンクにおいて、樹脂ライナーを透過した微量の水素ガスは、ガス排出経路となる樹脂ライナーに形成された微小球を含む中間層を介して高圧タンクの口金部に移動し、高圧タンクの外に安定的に放出される。これにより、加圧状態の高圧タンクにおいて、樹脂ライナーとFRP層との間の水素ガスの滞留が抑制される。 In a high-pressure tank filled with hydrogen gas, a small amount of hydrogen gas that has passed through the resin liner moves to the base of the high-pressure tank through an intermediate layer containing microspheres formed on the resin liner that serves as a gas discharge path. And is stably discharged out of the high-pressure tank. Thereby, in the pressurized high-pressure tank, stagnation of hydrogen gas between the resin liner and the FRP layer is suppressed.
(2)上記(1)に記載の高圧タンクにおいて、前記微小球が、微小中空球である。 (2) In the high-pressure tank according to (1), the microsphere is a micro hollow sphere.
微小中空球は強度が高いので、高圧下であっても潰れることなく、樹脂ライナーとFRP層との間に形成された中間層が、ガス排出経路として機能し続けることができる。 Since the micro hollow sphere has high strength, the intermediate layer formed between the resin liner and the FRP layer can continue to function as a gas discharge path without being crushed even under high pressure.
(3)上記(2)に記載の高圧タンクにおいて、前記微小中空球が、マイクロバルーンである。 (3) In the high-pressure tank described in (2) above, the micro hollow sphere is a micro balloon.
マイクロバルーンは、微小中空球の中でも高強度であるため、高圧下であっても潰れることなく、樹脂ライナーとFRP層との間に形成された中間層が、ガス排出経路として機能し続けることができる。 Since the microballoon has high strength among micro hollow spheres, the intermediate layer formed between the resin liner and the FRP layer can continue to function as a gas discharge path without being crushed even under high pressure. it can.
(4)樹脂ライナーに微小球を含む樹脂を塗布して中間層を形成する工程と、樹脂を含浸した繊維を中間層に巻回してFRP層を形成する工程と、を有する高圧タンクの製造方法である。 (4) A method for manufacturing a high-pressure tank, comprising: a step of applying a resin containing microspheres to a resin liner to form an intermediate layer; and a step of winding an impregnated fiber around the intermediate layer to form an FRP layer. It is.
FRP層の形成前に、微小球を含む樹脂を樹脂ライナーに塗布して、ガス排出経路として機能する中間層を形成するので、加圧時の高圧タンクにおいて、樹脂ライナーから微量の水素ガスが透過したとしても、透過した水素ガスは中間層を介して高圧タンクの口金部に移動し、高圧タンクの外に安定的に放出される。これにより、樹脂ライナーとFRP層との間に水素ガスが滞留することが抑制される。 Before forming the FRP layer, a resin containing microspheres is applied to the resin liner to form an intermediate layer that functions as a gas discharge path, so that a small amount of hydrogen gas can permeate from the resin liner in the high-pressure tank during pressurization. Even so, the permeated hydrogen gas moves to the base of the high-pressure tank through the intermediate layer, and is stably released out of the high-pressure tank. Thereby, it is suppressed that hydrogen gas retains between a resin liner and a FRP layer.
(5)上記(4)に記載の高圧タンクの製造方法において、前記ライナーに塗布される樹脂及び繊維に含浸される樹脂は、未硬化の状態の熱硬化性樹脂である。 (5) In the method for manufacturing a high-pressure tank described in (4) above, the resin applied to the liner and the resin impregnated in the fiber are uncured thermosetting resins.
未硬化の状態の熱硬化性樹脂を用いることで、熱硬化後の樹脂ライナーと中間層とFRP層の密着性を向上させることができる。 By using the uncured thermosetting resin, it is possible to improve the adhesion between the heat-cured resin liner, the intermediate layer, and the FRP layer.
(6)上記(4)又は(5)に記載の高圧タンクの製造方法において、前記微小球が、微小中空球である。 (6) In the method for manufacturing a high-pressure tank according to (4) or (5), the microsphere is a microhollow sphere.
微小中空球は、微小中実球に比べ強度が高いので、得られた高圧タンクにおいて、高圧下であっても潰れることなく、樹脂ライナーとFRP層との間に形成された中間層が、ガス排出経路として機能し続けることができる。 Since the micro hollow sphere has higher strength than the micro solid sphere, the intermediate layer formed between the resin liner and the FRP layer does not collapse even under high pressure in the obtained high pressure tank. It can continue to function as a discharge route.
(7)上記(6)に記載の高圧タンクの製造方法において、前記微小中空球が、マイクロバルーンである。 (7) In the method for manufacturing a high-pressure tank according to (6), the micro hollow sphere is a micro balloon.
マイクロバルーンは、微小中空球の中でも高強度であるため、得られた高圧タンクにおいて、高圧下であっても潰れることなく、樹脂ライナーとFRP層との間に形成された中間層が、ガス排出経路として機能し続けることができる。 Since the microballoon has high strength among micro hollow spheres, the intermediate layer formed between the resin liner and the FRP layer does not collapse in the high-pressure tank obtained, even under high pressure, and the gas is discharged. Can continue to function as a route.
本発明によれば、水素ガスが充填された加圧状態の高圧タンクにおいて、樹脂ライナーとFRP層との間の水素ガスの滞留が抑制される。 According to the present invention, the retention of hydrogen gas between the resin liner and the FRP layer is suppressed in a pressurized high pressure tank filled with hydrogen gas.
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図7に示すように、例えば、従来の高圧タンクにおいて、水素ガスが充填されている時、高圧タンク内は加圧されているため、口金部16近傍の樹脂ライナー12とFRP層22との間及び口金部16とFRP層22との間がシールされた状態になる。一方、高圧タンク内の加圧された水素ガスは微量ながら徐々に樹脂ライナー12を透過していき(図7の矢印で示すように)、樹脂ライナー12を透過した水素ガスは、樹脂ライナー12とFRP層22との間80に滞留してしまう場合がある。このような状態で高圧タンクが減圧されると、図8に示すように、口金部16近傍の樹脂ライナー12とFRP層22との間及び口金部16とFRP層22との間に隙間が生じ、加圧時に樹脂ライナー12とFRP層22との間に滞留していた高濃度の水素ガス90が、一度に、口金部16とFRP層22との隙間82から放出されることになる。
As shown in FIG. 7, for example, in a conventional high-pressure tank, when the hydrogen gas is filled, the inside of the high-pressure tank is pressurized, so that there is a gap between the
そこで、以下に、水素ガスが充填された加圧状態の高圧タンクにおける樹脂ライナーとFRP層との間の水素ガスの滞留を抑制する、本発明の高圧タンク及び高圧タンク製造方法の一例を挙げる。なお、以下に示すものは一例であって、これに限定されるものではない。 Therefore, an example of the high-pressure tank and the high-pressure tank manufacturing method of the present invention that suppresses the stagnation of hydrogen gas between the resin liner and the FRP layer in the pressurized high-pressure tank filled with hydrogen gas will be described below. In addition, what is shown below is an example, Comprising: It is not limited to this.
本実施の形態における高圧タンクの構造の一例を図1に示す。図1に示すように、高圧タンク10は、中空の樹脂ライナー12の両側に口金部16が設けられ、樹脂ライナー12の外周には外層14が設けられている。
An example of the structure of the high-pressure tank in the present embodiment is shown in FIG. As shown in FIG. 1, in the high-
さらに、図1の一点破線で囲んだX部分を拡大した図2を用いて、口金部16付近の断面について説明する。図2に示すように、口金部16の先端付近を覆うように外層14が設けられ、口金部16の突起部に当接するように樹脂ライナー12が配置されている。
Further, a cross section near the
さらに、図2の一点破線で囲んだY部分を拡大した図3を用いて、本実施の形態における外層14の構成の一例を説明する。図3に示すように、樹脂ライナー12には、微小球24を含む中間層20が設けられ、中間層20には、樹脂を含浸した繊維を巻回してなるFRP層22が設けられ、外層14は、中間層20とFRP層22とからなる。
Furthermore, an example of the configuration of the
樹脂ライナー12の材質は、特に制限されるものではなく、例えば、ナイロン樹脂、ポリエチレン樹脂やポリプロピレン樹脂その他の硬質樹脂が挙げられる。
The material of the
また、本実施の形態における中間層20は、微小球24と、樹脂ライナー12及びFRP層22との接着性を確保するための樹脂26とからなる。
Further, the
微小球24は、微小中実球であっても、微小中空球であってもよいが、好ましくは微小中空球である。微小中空球は、微小中実球に比べ軽量で且つより強度が高いので、高圧下であっても潰れることなく、その結果、樹脂ライナー12とFRP層22との間に形成された中間層20は、ガス排出経路として機能し続けることができる。
The
微小中空球として、例えば、マイクロスフィア、マイクロバルーン、ホローバブル、シンタクティックフォーム材などが挙げられるが、本実施の形態では、マイクロバルーンが好適である。マイクロバルーンとして、例えば、ガラスマイクロバルーン、シリカマイクロバルーン、シラスマイクロバルーン、カーボンマイクロバルーン、フェノールマイクロバルーン、塩化ビニールマイクロバルーン、アルミナマイクロバルーン、ジルコニアマイクロバルーンなどが挙げられるが、本実施の形態では、ガラスマイクロバルーンが好適である。 Examples of the fine hollow sphere include a microsphere, a microballoon, a hollow bubble, and a syntactic foam material. In this embodiment, a microballoon is preferable. Examples of the microballoon include glass microballoon, silica microballoon, shirasu microballoon, carbon microballoon, phenol microballoon, vinyl chloride microballoon, alumina microballoon, zirconia microballoon, and the like in this embodiment. Glass microballoons are preferred.
本実施の形態で用いるガラスマイクロバルーンの径は、50μmから300μmが好適である。ガラスマイクロバルーンの径が50μm未満の場合、中間層20の強度は高いものの、高圧タンクの加圧時に樹脂ライナー12を透過してくる水素ガスは、中間層20に沿って口金部16に移動し難くなり、高圧タンクの外に排出され難くなる。一方、ガラスマイクロバルーンの径が300μmを超えると、高圧タンクの加圧時に樹脂ライナー12を透過してくる水素ガスは、中間層20に沿って口金部16に移動し易くなるものの、中間層20の強度が低下してしまう。本実施の形態では、上述の範囲の径を有し、高強度のガラスマイクロバルーンがより好ましい。
The diameter of the glass microballoon used in the present embodiment is preferably 50 μm to 300 μm. When the diameter of the glass microballoon is less than 50 μm, the strength of the
中間層20に用いる樹脂26として、熱硬化性樹脂を用いることが好ましい。熱硬化性樹脂は、以下に示す樹脂と硬化剤との混合物からなる。
A thermosetting resin is preferably used as the
樹脂としては、硬化剤との反応により熱硬化する樹脂であれば如何なる樹脂でもよいが、例えば、フェノール樹脂、尿素樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ビスマレイミド樹脂、ポリウレタン樹脂、ジアリルフタレート樹脂、エポキシ樹脂等が挙げられる。主剤として、好ましくは、エポキシ樹脂であり、直鎖型であっても分岐型であってもよい。 The resin may be any resin as long as it is thermosetting by reaction with a curing agent. For example, phenol resin, urea resin, unsaturated polyester resin, vinyl ester resin, polyimide resin, bismaleimide resin, polyurethane resin, Examples include diallyl phthalate resin and epoxy resin. The main agent is preferably an epoxy resin, which may be linear or branched.
また、硬化剤は、熱硬化性樹脂を反応により得ることができれば如何なる硬化剤であっても良いが、例えば、脂肪族アミン、芳香族アミン、変性アミンなどの一級、二級、三級アミンであって、具体的には、ピペリジン、N,N−ジメチルピペラジン、トリエチレンジアミン、2,4,6−トリス(ジメチルアミノメチル)フェノール、ベンジルジメチルアミン、2−(ジメチルアミノメチル)フェノールなどのアミン系硬化剤や、ポリアミド樹脂、メルカプタン系硬化剤、トリアジンチオール等のチオール系硬化剤など挙げられる。 The curing agent may be any curing agent as long as the thermosetting resin can be obtained by reaction. For example, primary, secondary, and tertiary amines such as aliphatic amines, aromatic amines, and modified amines. Specifically, amines such as piperidine, N, N-dimethylpiperazine, triethylenediamine, 2,4,6-tris (dimethylaminomethyl) phenol, benzyldimethylamine, 2- (dimethylaminomethyl) phenol Examples include a curing agent, a polyamide resin, a mercaptan curing agent, and a thiol curing agent such as triazine thiol.
また、エポキシ樹脂としては、例えば、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールAD型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、グリシジルエステル型エポキシ樹脂等が挙げられる。なお、熱硬化性樹脂の硬化速度は、上述のエポキシ樹脂と硬化剤を適宜選択して配合することにより制御することができる。 Examples of the epoxy resin include bisphenol A type epoxy resin, bisphenol AD type epoxy resin, bisphenol F type epoxy resin, phenol novolac type epoxy resin, cresol novolac type epoxy resin, and glycidyl ester type epoxy resin. The curing rate of the thermosetting resin can be controlled by appropriately selecting and blending the above-described epoxy resin and curing agent.
本実施の形態において、中間層20は、強度と水素ガスの通気性を考慮し、上述したマイクロバルーンがほぼ一層並ぶ程度の厚みがより好ましいが、これに限定されるものではない。
In the present embodiment, considering the strength and hydrogen gas permeability, the
本実施の形態におけるFRP層22は、樹脂を含浸した繊維を中間層20に巻回して形成される。樹脂としては、上述した熱硬化性樹脂が好ましい。一方、繊維は、例えば、金属繊維、ガラス繊維、カーボン繊維、アルミナ繊維などの無機繊維や、アラミド繊維等の合成有機繊維や、綿等の天然有機繊維が用いられる。これらの繊維は、単独で使用しても良いし、混合して(混繊として)使用しても良い。本実施形態における繊維としては、カーボン繊維が好ましい。
The
次に、本発明の高圧タンクの製造方法の一例を図4から図6を用いて説明する。図6に示すように、本実施の形態の高圧タンクの製造方法は、微小球を含む樹脂を中空のライナーに塗布して中間層を形成する工程(S100)と、樹脂を含浸した繊維を中間層に巻回してFRP層を形成する工程(S102)と、を有する。さらに、樹脂として、上述した熱硬化性樹脂を用いた場合には、FRP層を巻回形成後に、加熱炉にて加熱して樹脂を硬化させる(S104)。また、樹脂ライナーの開口部であった箇所に口金部を設け、高圧タンクが形成される。 Next, an example of the manufacturing method of the high-pressure tank of this invention is demonstrated using FIGS. 4-6. As shown in FIG. 6, the manufacturing method of the high-pressure tank according to the present embodiment includes a step (S100) of applying a resin containing microspheres to a hollow liner to form an intermediate layer, and a fiber impregnated with the resin in the middle. And (F102) forming an FRP layer by winding the layer. Furthermore, when the above-described thermosetting resin is used as the resin, the FRP layer is wound and formed, and then heated in a heating furnace to cure the resin (S104). Moreover, a base part is provided in the location which was the opening part of the resin liner, and a high pressure tank is formed.
中間層の形成工程(図6のS100)の一例を図4に示す。図4に示すように、中空の樹脂ライナー12の口金部16用の開口部に回転軸30を通して仮固定し、回転軸30を回転させながら、ガラスマイクロバルーン等の微小球と低粘度の熱硬化性樹脂とからなる樹脂液50を塗布する。図4では、樹脂塗布機40を用いてスプレー塗装を行っているがこれに限るものではなく、例えば、刷毛塗り、ロール塗り、ロールコーターなどの塗装方法から適宜選択してもよい。樹脂液50に用いる低粘度の熱硬化性樹脂として、例えば、上述した硬化剤とエポキシ樹脂との混合物であって低粘度のものが好ましく、また未硬化の状態のものが好ましい。さらに、次工程の樹脂含浸繊維を巻回させることを考慮すると、硬化速度が比較的遅い熱硬化性樹脂がより好ましい。また、樹脂液50中の微小球と熱硬化性樹脂との比率は、中間層の強度と水素ガスの通気性を考慮して適宜選択される。
An example of the intermediate layer forming step (S100 in FIG. 6) is shown in FIG. As shown in FIG. 4, microspheres such as glass microballoons and low-viscosity thermosetting are performed by temporarily fixing the rotating
FRP層の形成工程(図6のS102)の一例を図5に示す。図5に示すように、回転軸30を回転させながら、塗布された樹脂が未硬化の状態の中間層18の外周に、繊維束ガイド(アイロ)70を介して、樹脂含浸繊維60をFW法を用いて巻回させる。ここで、樹脂含浸繊維60に含浸されている樹脂は、熱硬化性樹脂が好ましく、上述した硬化剤とエポキシ樹脂との混合物がより好ましい。
An example of the FRP layer forming step (S102 in FIG. 6) is shown in FIG. As shown in FIG. 5, the resin-impregnated
本発明は、高圧タンクを用いる用途であれば、いかなる用途にも有効であるが、特に車両用の燃料電池に燃料ガスを供給するための高圧タンクに供することができる。 The present invention is effective for any application as long as it uses a high-pressure tank, but can be used particularly for a high-pressure tank for supplying fuel gas to a fuel cell for vehicles.
10 高圧タンク、12 樹脂ライナー、14 外層、16 口金部、18 塗布された樹脂が未硬化の状態の中間層、20 中間層、22 FRP層、24 微小球、26 樹脂、30 回転軸、40 樹脂塗布機、50 樹脂液、60 樹脂含浸繊維、70 繊維束ガイド(アイロ)。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
樹脂ライナーに形成された微小球を含む中間層と、
樹脂を含浸した繊維を中間層に巻回して形成されたFRP層と、
を有することを特徴とする高圧タンク。 A resin liner;
An intermediate layer containing microspheres formed on a resin liner;
An FRP layer formed by winding a fiber impregnated with a resin around an intermediate layer;
A high-pressure tank characterized by comprising:
前記微小球が、微小中空球であることを特徴とする高圧タンク。 The high-pressure tank according to claim 1,
The high pressure tank, wherein the microsphere is a micro hollow sphere.
前記微小中空球が、マイクロバルーンであることを特徴とする高圧タンク。 The high-pressure tank according to claim 2,
The high pressure tank, wherein the micro hollow sphere is a micro balloon.
樹脂を含浸した繊維を中間層に巻回してFRP層を形成する工程と、
を有することを特徴とする高圧タンクの製造方法。 Applying a resin containing microspheres to a resin liner to form an intermediate layer;
Winding a fiber impregnated with resin around an intermediate layer to form an FRP layer;
A method for producing a high-pressure tank, comprising:
前記ライナーに塗布される樹脂及び繊維に含浸される樹脂は、未硬化の状態の熱硬化性樹脂であることを特徴とする高圧タンクの製造方法。 In the manufacturing method of the high-pressure tank according to claim 4,
The method for manufacturing a high-pressure tank, wherein the resin applied to the liner and the resin impregnated in the fiber are uncured thermosetting resins.
前記微小球が、微小中空球であることを特徴とする高圧タンクの製造方法。 In the manufacturing method of the high-pressure tank according to claim 4 or claim 5,
The method for producing a high-pressure tank, wherein the microsphere is a micro hollow sphere.
前記微小中空球が、マイクロバルーンであることを特徴とする高圧タンクの製造方法。 In the manufacturing method of the high-pressure tank according to claim 6,
The method for producing a high-pressure tank, wherein the hollow microsphere is a microballoon.
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