JP2012162997A - プロペラファン - Google Patents

Abstract

【課題】プロペラファンの空力性能を低下させることなく、羽根の強度を向上させるリングを有するプロペラファンを提供することを目的とする。
【解決手段】プロペラファンは、回転軸線ｙ回りに回転するボス７と、ボス７に対して放射状に固定された複数の羽根３と、隣り合う羽根３間を接続するリング５と、を有し、リング５は、流体が流入する上流側の先端に、回転軸線ｙに対して所定角度を有して傾斜する傾斜部１１を備えた剥離抑制部９を有している。剥離抑制部９は、傾斜部１１に接続され、下流側に向けて回転軸線ｙ方向に沿うように転向する転向部１３が設けられていることが好ましい。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転軸線回りに回転する中心体と、該中心体に対して放射状に固定された複数の羽根と、隣り合う前記羽根間を接続する接続部材を有するプロペラファンに関するものである。

流体に圧力を加えて送風する装置として、プロペラファンがある。このプロペラファンは、例えばエンジンのラジエータや空調機等に用いられているが、これらの機器はプロペラファンの他にも様々な機器を搭載しているため、プロペラファンを設置するスペースは限られており、プロペラファンの省スペース化、軽量化が求められている。プロペラファンの省スペース化、軽量化を実現する手段の一つとして、プロペラファンの羽根を薄幅化する方法がある。具体的には、羽根を薄幅化し、空力性能を維持するために羽根枚数を増加させる。
しかしながら、この羽根を薄幅化する方法の問題点として、羽根一枚ごとの寸法が小さくなるにしたがい、羽根の剛性が低下するとともに強度が低下してしまう。
このような、羽根の薄幅化に起因する問題への対策として、羽根の剛性および強度を維持するために、特許文献１に示されるように、隣接する羽根同士を連結するリングをプロペラファンに設ける方法がある。

特開２０１０−９６０８４号公報

しかしながら、特許文献１に示される羽根同士をリングで連結する方法には、リング先端（上流端）における流れの剥離が発生し、空力性能が低下するという問題点がある。以下、この問題点を具体的に説明する。図１５は、プロペラファン１０１のボス（中心体）１０７に放射状に設けられた複数の羽根１０３が、リング（接続部材）１０５により連結されていることを示す図である。そして図１６は、図１５におけるプロペラファン１０１のＮ−Ｎ矢視断面図である。
プロペラファン１０１に、周囲環境要因等により、回転軸線に対して角度を有するＸ方向から流体が流入する場合がある。図１７は、図１５におけるＮ−Ｎ矢視方向から、プロペラファン１０１にＸ方向から流入した流体がリング１０５に衝突した場合のリング１０５と流れの方向の関係を示している。図１７に示す回転軸線ｚに水平に延在する断面を有するリング１０５先端に衝突した流れは、矢印ｘが示すように、リング１０５の上流側から剥離し、渦が発生する。この渦が、プロペラファン１０１を通過する流体の流れの抵抗となり、その結果、プロペラファン１０１の空力性能が低下する。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、プロペラファンの空力性能を低下させることなく、羽根の強度を向上させるリングを有するプロペラファンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のプロペラファンは以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかるプロペラファンは、回転軸線回りに回転する中心体と、該ボスに対して放射状に固定された複数の羽根と、隣り合う前記羽根間を接続する接続部材と、を有し、前記接続部材は、流体が流入する上流側の先端に、前記回転軸線に対して所定角度を有して傾斜する傾斜部を備えた剥離抑制部を有することを特徴とする。

プロペラファンは、回転軸線を中心に回転する中心体を有し、中心体には、複数枚の板状の羽根が放射状に固定されている。それぞれの羽根には接続部材が設けられ、この接続部材を介して、隣接する羽根と接続されている。この接続部材において、流体が流入する上流側の端部である先端には、剥離抑制部が設けられている。剥離抑制部は、回転軸線に対して所定角度を有して傾斜する傾斜部を備えている。この傾斜部によって、傾斜部に沿う方向から流入する流体の追従性を向上させ、剥離を抑制することができる。よって、流れの剥離を抑制することができ、接続部材によるプロペラファンの剛性および強度の向上と、ファンの空力性能維持を両立することができる。
傾斜部の傾斜方向は、流入する流れに応じて決定されるが、プロペラファンの場合、一般に、上流側が外周方向に向くように傾斜させることが好ましい。
なお、接続部材としては、隣り合う全ての羽根間を接続することが好ましく、この場合、接続部材の全体形状は略リング形状となる。

前記剥離抑制部は、前記傾斜部に接続され、下流側に向けて前記回転軸線方向に沿うように転向する転向部が設けられていることが好ましい。

傾斜部に転向部を接続し、この転向部によって、下流側に向けて回転軸線方向に沿うような形状とした。この転向部によって、流れが転向する際にはたらく慣性力を小さくすることができ、また、コアンダ効果を生じさせることができる。

前記剥離抑制部は、鈍頭形状であることが好ましい。

剥離抑制部を、曲面で構成される鈍頭形状とする。これにより、多方向から流体が流入した場合や、流体が流入する角度が変化した場合でも、流れの剥離を抑制することができる。

前記剥離抑制部は、板状体とされた接続部材の先端部を曲成することによって形成されていることが好ましい。

剥離抑制部は、板状体とされた接続部材の先端部すなわち上流側を曲成したものである。シミュレーション等により算出可能な流体の流入角度と接続部材の先端部の回転軸線方向における角度が回転軸線に対して略同等となる角度で、接続部材の先端部を曲成する。また、接続部材全体を剥離抑制部とし、回転軸線方向において接続部材全体に、上流側から下流側へ傾斜する面を設けてもよい。
これにより、接続部材において、上流側の先端の角度と流体が流入する角度の偏差が低減され、流体が接続部材に流入する際の流れの剥離を抑制できるので、プロペラファンの空力性能の低下をさらに防ぐことができる。また、接続部材全体が剥離抑制部であり、上流側から下流側へ傾斜する面を有することで、接続部材に流入した流体の流れの転向がより円滑に行われ、空力性能の低下をさらに防ぐことができる。

前記接続部材の内周側には、隣り合う前記羽根間を接続する第二の接続部材が設けられ、前記第二の接続部材の下流側の後端は回転軸線方向へ傾斜し、前記接続部材と前記第二の接続部材との間隔が、流体が流入する上流側の先端よりも、流体が流出する下流側の先端の方が広いことが好ましい。

接続部材と第二の接続部材のうち、内周側に設けられた部材の面の下流側の後端を、内周側へ傾斜させ、接続部材と第２の接続部材の間で流体が流入する面積よりも流体が流出する面積を広くする。
プロペラファン等の回転体においては、内周方向よりも外周方向における流体の流速が速く、流速が速いほど流れのエネルギー損失が大きくなり、すなわち、空力性能が低下する。流体が流入する面積よりも流体が流出する面積を広くすることで、流体が流出する側における流体の流速は、流体が流入する側における流速よりも遅くなり、外周方向における流れのエネルギー損失を低減することができる。また、外周側の流速が遅くなることで、内周側の流速が速くなり、流速分布が均一化される。これらにより、空力性能を維持することができる。さらに、下流側での流速が遅くなることで、下流側における静圧が上がる。これにより、プロペラファンが発生させる圧力が上がり、空力性能が向上する。

前記接続部材は、流体の流入する側の端部が外周方向に湾曲され、流体の流出する側の端部が内周方向に湾曲されていることが好ましい。

接続部材は、回転軸の半径方向の断面において、流体の流入する側の端部が外周方向に湾曲され、流体の流出する側の端部が内周方向に湾曲された略Ｓ字形に形成されている。これにより、接続部材によって区画された外周側では、流入する流体の流速よりも流出する流体の流速が遅くなる。一方で、接続部材によって区画された内周側では、流入する流体の流速よりも流出する流体の流速が速くなる。
これにより、羽根の内周側と外周側における流速分布の均一化、外周側の流体のエネルギー損失の低減、下流側の静圧上昇による空力性能の向上といった効果を、接続部材のみで得ることができる。よって、低コストで効率的に、プロペラファンの強度維持と空力性能の向上を実現できる。

前記接続部材には、開口部が形成されていることが好ましい。

回転軸線方向に沿って延在する開口部により、剥離抑制部または面部上の流体の流れの方向を整えることができる。よって、流速分布が不均一であることにより発生する渦や剥離を抑制し、空力性能を維持することができる。
なお、開口部としては、回転軸線方向に沿って延在するスリットとしても良いし、多数形成された例えば円形状の穴としても良い。

前記剥離抑制部または前記接続部材は、少なくとも内周側の表面に球状の凹部を有することが好ましい。

羽根に流入した流体は、ディンプル等の凹部において乱流となる。これにより、流れの剥離を抑制し、エネルギー損失を抑制し、空力性能を維持することが可能である。

これにより、プロペラファンの空力性能を低下させることなく、羽根の強度を向上させるリングを有するプロペラファンを提供することができる。

本発明の第１実施形態にかかるプロペラファンの正面図である。 図１に示すプロペラファンのＭ−Ｍ断面矢視図である。 図１または図２に示すプロペラファンのリング（接続部材）の断面図である。 本発明の第２実施形態にかかるプロペラファンの羽根の断面図である。 図４に示すプロペラファンのリング（接続部材）の断面図である。 本発明の第２実施形態にかかるプロペラファン変形例における羽根の断面図である。 図６に示すプロペラファンのリング（接続部材）の断面図である。 本発明の第３実施形態にかかるプロペラファンの正面図である。 図８に示すプロペラファンを外周側からみた部分拡大側面図である。 図８に示すプロペラファンの変形例を外周側からみた部分拡大側面図である。 本発明の第４実施形態にかかるプロペラファンの羽根の断面図である。 本発明の第４実施形態にかかるプロペラファンの変形例における羽根の断面図である。 本発明の第４実施形態にかかるプロペラファンの変形例における羽根の断面図である。 本発明の各実施形態にかかるプロペラファンの変形例における羽根の断面図である。 従来のプロペラファンの正面図である。 図１５に示すプロペラファンのＮ−Ｎ断面図である。 図１６に示すリング（接続部材）の断面拡大図である。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１乃至図３を用いて説明する。
図１は、ボス（中心体）７を中心として回転するプロペラファン１を、流体が流入する側すなわち上流側から見た図である。

ボス７は、例えば円筒形状であり、円形断面の中心を通る回転軸線を中心として、周方向に回転する。羽根３は板状体であり、長手方向の一端の断面をボス７の側面に対向させ、回転軸線に対して羽根３の長手方向を放射状にして固定されている。羽根３の幅方向は、ボスボス７の周方向に対して角度を有している。隣接する羽根３は、リング（接続部材）５により互いに接続されている。リング５は、たとえば略リング形状で、その中心はプロペラファン１の回転中心と同一である。

図２は、図１のプロペラファン１のＭ−Ｍ断面の矢視図である。
リング５の上流側の先端には、剥離抑制部９が設けられている。剥離抑制部９は、その上流側先端が傾斜部（傾斜面）１１であり、傾斜部１１は、回転軸線に対して所定の角度を有する。剥離抑制部９において、傾斜部１１の流体が流出する側すなわち下流側には、転向部（転向面）１３が設けられている。転向部１３は、傾斜部１１の面と連続的であり、また、リング５の面と連続的な、下流側に向けて回転軸線方向へ無段階に転向する曲面を有する。傾斜部１１と転向部１３は、剥離抑制部９の内周側と外周側にそれぞれ設けられ、剥離抑制部９は、内周側と外周側にそれぞれ突出した曲面により構成される鈍頭形状である。流体は、矢印Ａの示す方向からすなわち外周側から内周側に向かう方向に羽根３に流入し、剥離抑制部９の上流側の先端すなわち傾斜部１１に衝突する。

次に、リング５と、剥離抑制部９と衝突した流体の流れの関係を、図３を用いて説明する。
剥離抑制部９に衝突した流体は、矢印ａの示す方向へ流れる。剥離抑制部９が鈍頭形状であり、剥離抑制部９の上流側先端である傾斜部１１は流入する流体に対して曲面であるため、流体と傾斜部１１の間でコアンダ効果が発生する。コアンダ効果とは、曲面に接近した流体が、曲面に沿って流れる現象である。このコアンダ効果により、流体は傾斜部１１に沿って剥離抑制部９に流入し、転向部１３上を、転向部１３の面の形状に沿いながら、すなわち無段階に回転軸線方向へと流れの角度を転向する。
このように構成されたプロペラファン１では、リング５に衝突した流体の流れが転向する角度が小さくなるため、流れは剥離抑制部９およびリング５の表面に追従するので、流れの剥離を抑制することができ、プロペラファンの空力性能を維持することができる。また、剥離抑制部９が鈍頭形状であるため、流入する角度が多方向の流体に対して、曲面に流入させることができる。よって、多方向から流入する流体に対して、流れの剥離を抑制することができる。

また、リング５の下流側を鋸歯状に形成したセレーション形状としてもよい。
このように構成されたプロペラファン１では、セレーションによって生成される渦がリング５よりも下流における流体の圧力変動の強度を減少させ、騒音を低減することができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について、図４乃至図７を用いて説明する。
図４に示すプロペラファン１の羽根３は、羽根３がボス７に設けられ、傾斜部１１と転向部１３を有する剥離抑制部９を設けられたリング５により隣接する羽根３と接続される点で第１実施形態と共通する。したがって、これらの構成については同一符号を付しその説明を省略する。本実施形態は、第１実施形態に比べて、剥離抑制部９が板状体とされたリング５の上流側を曲成したものである点で相違する。

図４は、図１に示すプロペラファン１のＭ−Ｍ矢視図である図２と同様に、ボス７に設けられた羽根３の、プロペラファン１の半径方向断面を示している。流体は、矢印Ｂが示す方向に流入する。矢印Ｂが示す方向は、適用される環境に応じてシミュレーション等により求められ、典型的には、第１実施形態と同様に、同図に示したように外周側から内周側に向かって流れる方向となる。剥離抑制部９は、板状体であるリング５の上流側端部を、所定の角度で曲成することにより設けられる。所定の角度とは、流体が羽根３に流入し、リング５の上流側の先端すなわち傾斜部１１に衝突する角度に略等しい角度であり、リング５の長手方向に対する矢印Ｂの流入角度に相当する。これにより、板状体である傾斜部１１の面の角度は、流体の流入する角度と平行となる。

次に、リング５と、剥離抑制部９と衝突した流体の流れの関係を、図５を用いて説明する。
剥離抑制部９に衝突した流体は、矢印ｂの示す方向へ流れる。剥離抑制部９の上流側の先端すなわち傾斜部１１の面と、流体の流入する方向は平行であるので、流体は流れの向きを変えずに傾斜部１１に流入し、その面に沿って流れ、傾斜部１１と連続する転向部１３に流入する。傾斜部１１と転向部１３は連続的であるので、流れの方向は変わらない。転向部１３に流入した流体は、転向部１３の面に沿って、無段階に転向しながらリング５の長手方向に平行な角度となり、リング５の面に沿って流れる。
このように構成されたプロペラファン１においては、流体が流入する方向と、流体が流入する傾斜部１１の角度の偏差が少ないため、流体の流れの方向が殆ど変わらず、傾斜部１１に衝突する際に流体の流れが剥離することをさらに抑制できる。

また、図６に示すように、リング５の幅方向（主流流れ方向）全体を曲成し、その全体を剥離抑制部９とすることが好ましい。
図６において、剥離抑制部９に流体が矢印Ｃの示す方向に流入した場合のリング５と、剥離抑制部９と衝突した流体の流れの関係を、図７を用いて説明する。
剥離抑制部９に流入した流体は、矢印ｃの示す方向へ、剥離抑制部９の面に沿って流れる。傾斜部１１と傾斜部１３の面がリング５の面全体を占めるため、傾斜部１１と傾斜部１３の傾斜の角度は緩やかになり、したがって、面に沿って流れる流体の流れも、緩やかな角度で転向する。
角度の転向が緩やかになることで、面に対する流れの追従性が向上する。また、リング５の面全体で流れの剥離を抑制できる。よって、流体の流れの剥離をさらに抑制することができる。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について、図８乃至図１０を用いて説明する。
図８に示すプロペラファン１は、羽根３がボス７に設けられ、傾斜部１１と転向部１３を有する剥離抑制部９を設けられたリング５により隣接する羽根３同士が接続される点で第２実施形態と共通する。したがって、これらの構成については同一符号を付しその説明を省略する。本実施形態は、第２実施形態に比べて、リング５に開口部が設けられている点で相違する。

図９は、図８に示すプロペラファン１を外周側からみた部分拡大側面図である。リング５には、流体が矢印Ｄが示す方向（同図において左方）から流入する。リング５の表面には、開口部１５が設けられている。開口部１５は、本実施形態では、羽根３の幅方向に平行なスリット状としているが、この形状に限らず、例えば、多数の穴や、互いに平行ではない非パターン化されたスリットであってもよい。また、図１０に示すように、リング５の下流側端部に開口部があってもよい。開口部１５の位置や大きさは、例えば、プロペラファンの回転数とプロペラファンの半径の長さの関係により決定される。具体的には、プロペラファンの回転数とプロペラファンの半径の長さの関係から羽根３とリング５にかかる力が求められる。リング５は、この力を受けても羽根３が破断せず、また、リング５自体も破断しない強度を有している必要がある。この強度を有する範囲内で、開口部の位置や大きさが任意に決定される。
開口部１５が形成された位置には、リング５に対して流入した流体に対して障害となる構造物が存在せず、流体は開口部１５を通過する。したがって、半径方向成分を有する方向から流体がリング５に対して流入しても、開口部１５を通過するだけで、流体が障害物に接触することによる流れの剥離が起こらず、流れの剥離によるプロペラファンの空力性能の低下をさらに抑制することができる。

［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態について、図１１乃至図１３を用いて説明する。
図１１に示すプロペラファン１の羽根３は、羽根３がボス７に設けられ、傾斜部１１と転向部１３を有する剥離抑制部９を設けられたリング５により隣接する羽根３と接続される点で第２実施形態と共通する。したがって、これらの構成については同一符号を付しその説明を省略する。本実施形態は、第２実施形態に比べて、リング５の下流側の端部に、圧縮部材２１が設けられている点で相違する。

図１１は、ボス７に設けられた羽根３の、プロペラファン１の半径方向断面を示している。板状のリング５の下流側の端部は、リング５をプロペラファン１の内周方向に任意の角度で湾曲して設けられた下流側湾曲部２１が設けられている。このとき、下流側湾曲部２１の面は、リング５の面と連続的であることが好ましい。

羽根３の半径方向において、リング５を基準とした外周側では、上流側の流体が流入する部分の面積は、下流側の流体が流出する面積に比べて狭い。
具体的には、剥離抑制部９が外周側から内周側に向けて傾斜している上流側と、圧縮部材２１が内周側に向けて傾斜している下流側では、羽根３の上流側の外周側端部と剥離抑制部９の上流側先端の距離Ｌ_１が、羽根３の下流側の外周側端部と下流側湾曲部２１の下流側先端の距離Ｌ_２よりも短い。このため、流体が流入する面積よりも流体の流出する面積が大きくなるので、リング５の外周側の流速は、リング５が下流側湾曲部２１を有さない場合に比べて遅くなる。

一方で、リング５を基準とした内周側では、上流側の流体が流入する部分の面積は、下流側の流体が流出する面積に比べて広い。具体的には、リング５の内周側では、羽根３の上流側の内周側端部と剥離抑制部９の上流側先端の距離Ｌ_１１が、羽根３の下流側の内周側端部と下流側湾曲部２１の下流側先端の距離Ｌ_１２よりも長い。このため、流体が流入する面積よりも流体の流出する面積が小さくなるので、リング５の内周側の流速は、リング５が圧縮部材２１を有さない場合に比べて速くなる。

通常、羽根３における流速分布は、プロペラファン１の内周側ほど流速が遅く、外周側ほど流速が速い性質がある。しかし、このように構成されたプロペラファン１においては、剥離抑制部９と下流側湾曲部２１により、外周側の流速が遅くなり、内周側の流速が速くなるので、不均一であった流速分布の均一化を図ることができる。特に、外周側の流速が遅くなることで、流れの剥離によるエネルギー損失を抑制し、プロペラファン１の空力性能を維持することができる。

図１２は、図１１の変形例を示している。すなわち、リング５の内周側に第二のリング（第二の接続部材）１７が設けられている。第二のリング１７は、第二傾斜部３１と第二転向部３３を有する第二剥離抑制部３９を上流側端部に、第二下流側湾曲部１９を下流側端部に設けられた構成となっている。このような構成とされたプロペラファン１においては、羽根３の外周側端部とリング５の間を通過する流体と、リング５と第二のリング１７の間を通過する流体それぞれの流速を遅くすることができる。すなわち、多くの流体の流速を遅くすることで、流れの剥離に伴うエネルギー損失をさらに抑制し、プロペラファンの空力性能をさらに維持することができる。

また、図１３には他の変形例が示されており、同図に示すプロペラファンでは、リング５の下流側端部に下流側湾曲部２１を設けている。これにより、エネルギー損失の大きい外周側で、流体の流入する面積と流体の流出する面積の差をさらに大きくすることができ、エネルギー損失をさらに抑制することができる。

なお、上述した各実施形態に対して、図１４に示すように、表面にディンプル等の凹部４１を有するリング５としてもよい。凹部４１を設ける面は、特にリング５の内周側の面であるとよい。
このように構成された羽根に流入した流体は、凹部４１において乱流となる。これにより、流れの追従性が向上するので剥離が抑制され、それに伴いエネルギー損失が抑制され、プロペラファン１の空力性能を維持することが可能である。

凹部４１は、リング５の少なくとも内周側の面に設けることが好ましい。リング５の内周側では、以下の理由により、リング５の外周側に比べて流体の流れの剥離が発生しやすいからである。リング５の外周側では、傾斜部１１に流入した流体は、転向部１３において、矢印Ｑの示す方向すなわち流体の流入した方向に転向部１３が存在するため、流れが転向部１３に沿う。一方、リング５の内周側では、転向部１３において、矢印Ｑ示す方向すなわち流体の流入した方向には転向部１３が存在しない。そのため、外周側に流入した流体と比較して、内周側に流入した流体は、流体の流入した方向に剥離しやすい性質がある。

１ プロペラファン
３ 羽根
５ リング（接続部材）
７ ボス（中心体）
９ 剥離抑制部
１１ 傾斜部
１３ 転向部
１５ 開口部
１７ 第二のリング（第二の接続部材）
１９ 第二下流側湾曲部
２１ 下流側湾曲部
３１ 第二傾斜部
３３ 第二転向部
３９ 第二剥離抑制部
４１ 凹部

Claims (8)

1. 回転軸線回りに回転する中心体と、
   該中心体に対して放射状に固定された複数の羽根と、
   隣り合う前記羽根間を接続する接続部材と、を有し、
   前記接続部材は、流体が流入する上流側の先端に、前記回転軸線に対して所定角度を有して傾斜する傾斜部を備えた剥離抑制部を有することを特徴とするプロペラファン。
2. 前記剥離抑制部は、前記傾斜部に接続され、下流側に向けて前記回転軸線方向に沿うように転向する転向部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のプロペラファン。
3. 前記剥離抑制部は、鈍頭形状であることを特徴とする請求項１または２に記載のプロペラファン。
4. 前記剥離抑制部は、板状体とされた接続部材の先端部を曲成することによって形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のプロペラファン。
5. 前記接続部材の内周側には、隣り合う前記羽根間を接続する第二の接続部材が設けられ、
   前記第二の接続部材の下流側の後端は回転軸線方向へ傾斜し、
   前記接続部材と前記第２の接続部材との間隔が、流体が流入する上流側の先端よりも、流体が流出する下流側の先端の方が狭いことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のプロペラファン。
6. 前記接続部材は、流体の流入する側の端部が外周方向に湾曲され、流体の流出する側の端部が内周方向に湾曲されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のプロペラファン。
7. 前記剥離抑制部または前記接続部材は、少なくとも内周側の表面に球状の凹部を有することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のプロペラファン。
8. 前記接続部材には、開口部が形成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のプロペラファン。
   

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