JP2015505601A - モジュラー流体制御システム - Google Patents

Abstract

各モジュールがマニホールド部分（１７）、およびモジュールが機械的に固定される（１２）支持要素（１４）を含む複数の流体制御モジュール（１１）を有するモジュラー流体制御システム。このマニホールドの隣接ユニットはそれらの間を連絡するために機械的ではなく空圧で接続されている。そのような配置では、モジュールをアレイの中から隣のユニットを妨害せずに取り外すことができる。【選択図】 図４

Description

本発明は、流体の流れ（ガスおよび／または液体）を制御するためのモジュラー流体制御システムに関する。

流体制御システムにおいて、パイプを使用した多数のバルブの接続（従来技術の図１を指す）は広く使用されているが、労力を要し、しかも漏れやすい。より複雑なシステムは広いスペースを取り、そして維持することが難しい。

バルブマニホールド（従来技術の図２を指す）は上記の問題を回避するために広く使用されているが、重く、設計および製造が高価で、しかも各形状について個別の設計を必要とし、そして形成することができるバルブの数および回路の複雑さはかなり限定されることが多い。

従来技術のモジュラーマニホールドまたはバルブシステムは、漏れのない流体の接続を提供するために一緒に強固に固定されなければならないか、管あるいは他の可動性接続（ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）を必要とし、これはスペース、時間および設計に経費がかかり、そのためマニホールドにより提供されるほとんどの利点が無効になる。

多数の接続が収納装置の外側または別のデバイスに必要とされる場合、すべてのポートの配列（ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）は、コンポーネント間のトレランスの蓄積によりモジュール設計に問題を生じる可能性があり、これにより一般に位置の変動を要する配管が必要になり、上記のような経費および複雑さを導入することになる。

さらにパイロット式バルブを制御するために、電気的に制御されるバルブを追加することが経費を上げ、これは特にＡＴＥＸ耐圧防爆設計の場合にあてはまる。

本発明は従来技術で確認された欠点を取扱い、そしてそれにより配管または別のマニホールドを最少にするか、または必要としないモジュラー流体制御システムを提供することを目的とする。

広い観点では、本発明は各モジュールがマニホールド部分を含む複数の流体制御モジュール、およびモジュールを支持するための支持要素から構成され、これにより複数のモジュールを支持要素に機械的に固定するように配置できると同時に、該マニホールド部分が相互に空圧で接続されているモジュラー流体制御システムを提供する。

本発明の好適な態様は、回路を形成するために強固な接続を必要としない変動する形状のグリッドアレイのバルブを提供し、これにより複雑な配管またはマニホールドの必要性を回避し、そして寸法、複雑さ、経費およびメンテナンスを減らす、モジュラー形式のセルフマニホールディング（バルブ）システム（ｍｏｄｕｌａｒ，ｓｅｌｆ−ｍａｎｉｆｏｌｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ）を提供する。

本発明のこの文脈において「セルフマニホールディング」とは、流体制御モジュールが
、流体を隣接するユニットに向けるための一体的なマニホールド通路を有することが要件と解釈され、すなわち追加／外部のマニホールドコンポーネントを必要としない。

本発明は小型で、丈夫な、軽量の設定可能なスケーラブル（ｓｃａｌａｂｌｅ）システムを提供し、これにより多数のバルブを廉価に製造、接続、制御そして維持できる。

流体制御システムコンポーネントの従来技術の例を具体的に説明する。 本発明のモジュラー流体制御システムの側面および断面図を具体的に説明する。 シール断面の詳細な図を具体的に説明する。 本発明のモジュラー流体制御システムのアレイの全体図を具体的に説明する。 支持要素の図を具体的に説明する。 本発明のモジュラー流体制御システムのコンポーネントのさらなる例を具体的に説明する。 さらにまた本発明のモジュラー流体制御システムのコンポーネントの例を具体的に説明する。

図３および４は、２以上のモジュラーユニットのアレイを形成することができ、それによりバルブまたはユニットが流体媒質を隣接するバルブまたはユニットへ送るためのマニホールドとして役立つ本発明のセルフマニホールディングバルブ接続システムを具体的に説明する。別に、または加えて、本システムは流体媒質を隣のバルブまたはユニットから受けてその作動を可能にすることができる。

各モジュラーユニット１１は継合手段１２を含み、これは支持要素／取付板１４の開口部１３に受け入れられる下側（挿入端）面から延びており、そして適切な手段により正しい位置に固定される。各モジュラーユニット１１は隣接するユニットに近接しているが、機械的に締められていないことに留意されたい。しかしユニット１１間のこの近接により、マニホールド通路１７の第一開放末端１６でシール１５は、隣接するモジュール１１の第二開放末端１８に対して密閉する。このように通り路がユニット間に形成される。別の形態では、継合の雄部分が板１４から延びてユニット１１の対応する開口部により受けられることができる。

説明する本発明の形態では、一旦継合１２が緩められれば組立てられたアレイからユニット１１を容易に引き出すことができるように、各ユニット１１は上側面から延びている引手ハンドルＨを有する。好ましくはこの形状には、これから説明するバルブ、センサーおよびフィルターを備えた供給モジュールを含むことができる。またそのようなコンポーネントは取付板１４に対して機械的に締め、そして隣接のコンポーネントと空圧により連絡するために配置することができる。

図３および４は単純な通り路１７を説明するが、出口が隣のユニットの入口と並ぶことができる限り、モジュラーユニット１１には様々な内部通路を設けることができる。

例として、図５では好適なシール１５の断面を具体的に説明するが、これは図４に示すような多くの可能な形状の１つである。シール１５は好ましくは、挿入／取り外し中に隣接するモジュールを妨害するのではなくシールを折り畳み易くするための角度／曲線の接触面１５Ａを有する。適切な形状は、構造物の材料と組み合わせて、空圧による接続が漏れることなくモジュール間に樹立されるように、良好な密閉が維持できるようにする。

システム中の流体媒質は、流体力を供給してバルブ１９を作動し、バルブのパイロッティングを可能にする。これはパイロット供給（ｐｉｌｏｔ ｓｕｐｐｌｙ）として工業的に一般に知られている。別法で、または加えて、供給媒質は外部デバイスに推進力を提供するか、または該媒質を外に供給するためのバルブの出力媒質であることができる。このパイロット媒質は出力媒質と同じ流体および／または圧でよく、あるいはガス状媒質というより液体のような異なる圧または異なる媒質でよい。

セルフマニホールディングバルブおよび他のユニットのアレイは、隣接するバルブの隣接面を通って供給されるパイロット供給または出力供給またはパイロットおよび出力の両供給路を有することができる多くの補足的形状を備えることができる。したがってバルブは、バルブの同じかまたは異なる軸および面から供給されることができる１もしくは２もしくは３以上のチャンネルを介してセルフマニホールディングされ得る。

本発明はセルフマニホールディングバルブを構成するが、他の形状の範囲も含むので、このようなユニットを本明細書では「モジュール」、「セルフマニホールディングバルブ」、「セルフマニホールディングユニット」または単に「ユニット」と称する。しかし制御システムにおけるバルブアレイの厳密な形状および目的は、本発明に関してはあまり重要ではない。

製造コストを下げ、そしてより広い範囲の機能性を可能にするために、同じかまたは類似の本体区分を、異なる内部コンポーネントまたはポート間の異なる流路を用いて使用することができる。

モジュールは同じかまたは類似の本体区分に、流体デバイスで一般に使用される様々な機能／コンポーネントを取り込むことができる。そのような任意選択の例には：
・電気磁気的に操作されるバルブ
・２／２ポペットバルブ、３／２ポペットバルブのような他のバルブと組み合わせた１もしくは２もしくはそれ以上の電気磁気的に操作されるパイロットバルブ
・シャトルバルブ―“ＯＲ”バルブとしても知られている
・フィルター
・除湿器
・圧力センサー
・流量センサー
・湿度センサー
・圧力調節機
・流量調節機
・背圧バルブ
・背圧調節機
・リストリクター
・逆止弁
・流量調整器

更なる機能を本発明の別の態様で有用に採用することができる。

すでに述べたように、本発明で言及した目的は、経費および／または漏れ経路および／または複雑さおよび／または露出面および／または組立時間およびまたはサイズおよび／または重量を下げ、および／または信頼性および／または環境的耐性である。これは単純化したモジュラー構造により達成される。

図６により具体的に説明するような本発明の１つの態様は、Ｘ×Ｙグリッド上に構築される二次元のバルブアレイであり、ここで出力バルブの１もしくは複数の行、および１もしくは複数の列、ならびに各行または列の一端にソレノイドバブル２０が存在する。

各行は単一のパイロットソレノイドバルブにより制御され、そして各列には単一の供給ソレノイドバルブが供給されている。供給ユニット（図１４の符号５３で示されている）は、ソレノイドバルブの各バンク（ｂａｎｋ）に流体媒質を提供することができ、これは次いで流体媒質をそのアレイの残りに提供することになる。

別法でまたは追加して、供給ユニットは圧力センサーを取り込んで、高圧がこの供給に、および１もしくは複数のソレノイドまたはパイロット操作式バルブユニットの出力に存在することを測定することができる。

別法でまたは追加して、供給ユニットは流体媒質の濾過をソレノイドパイロットユニットに提供して、混入に対する抵抗を改善するか、またはそうではなく流体媒質を粒状または小滴侵入物から保護することができる。

上記態様の一例は、８列の出力バルブ（それぞれ１０個のバルブを備えている）を含む８０アレイの「通常は閉じている」出力バルブを形成する８×１０の出力バルブのグリッドを構成することができる。

この例では単一のソレノイドバルブが流体媒質を各列へ供給し、そして単一のソレノイドバルブが供給する流体のパイロット圧が各行のバルブを作動することができる。実際には８個の供給バルブが存在し、そして１０個のパイロットバルブが８０個の出力バルブを制御する。

８個の「供給」ソレノイドバルブのそれぞれが１列１０個の出力バルブを与え、そしてその列のバルブに媒質を供給し、または媒質の供給を断つことができるように、電気的手段によりスイッチを入れ、そして切ることができる。

１０個のパイロットソレノイドバルブのそれぞれは、１行８個の出力バルブを与え、そしてその行のバルブに流体圧を供給し、または流体圧の供給を断つことができるように、電気的手段によりスイッチを入れ、そして切ることができる。この流体圧はその行のすべての出力バルブを開き、そして閉じるために作動する。

供給ソレノイドバルブから流体媒質を供給するチャンネルは、出力バルブのその列内のすべてのバルブに供給するためにｙ軸に平行して流動すると考えることができる。各パイロットソレノイドバルブは、出力バルブのその行のすべての出力バルブに流体圧を供給すると考えることができる。この例の流体圧はｘ軸に対して平行に軸に沿ってかけられ、そしてその行のすべてのバルブが開くようにする。

この例に従い、出力バルブからの出力流または圧は、媒質が該バルブに供給され、そして該バルブを操作するためにパイロットの信号が該バルブに適用される両方の場合にのみ生じることになる。この例では、アレイ内の任意の単一のバルブは、その列に関する供給ソレノイドバルブの操作、およびバルブが存在する行のパイロットソレノイドバルブの操
作により操作することができる。

バルブの配置はグリッドアレイに限定されず、そしてセルフマニホールディングソレノイドバルブは別の出力バルブを使用せずにソレノイドバルブのアレイとして使用できることが分かる。そのようなバルブのアレイは１次元アレイまたはセルフマニホールディングバルブのラインと名付けることができ、そして２以上の一緒に接続されたバルブを備えることができ、そしてマニホールドまたは流体媒質の別の供給を必要とせずに隣接するバルブへ流体媒質を供給し、および／またはそれからの流体媒質を受ける。

単一ラインのバルブの例は、流体圧を提供してバルブを操作し、そして出力圧および／または流れをバルブから提供する両方のために、流体媒質の単一の共通の供給を使用することができる。あるいは単一ラインのバルブは、バルブを作動するための流体圧を提供するために１つの流体媒質の供給を使用し、そしてバルブから出力媒質を提供するために別の流体媒質のチャンネルを使用することができる。

セルフマニホールディングユニットおよびセルフマニホールディングバルブのすべての形状は、アレイ中の多数のバルブがセルフマニホールディング機能を有するユニットの核心的概念を変更しないことが分かるので、一般に本発明の範囲内であると考えられる。

追加の機能性を提供するために、２以上のセルフマニホールディングバルブのアレイ内にさらにチャンネルを提供できることは明白である。セルフマニホールディングバルブに提供される追加のチャンネルの１例は、バルブからのフィードバックのチャンネルである。１つの態様では、出力がモニターできる手段を提供するために、シャトルバルブが各もしくは任意のソレノイドバルブに、または各もしくは任意の出力バルブに提供される。

シャトルバルブまたは“ＯＲ”バルブは、１もしくは両方の入力が高圧を体験した場合に出力を提供するデバイスである。このデバイスは電気的“ＯＲゲート”に喩えられるが、液体またはガス状流体圧と作動する。高圧入力は、他の入力チャンネルに有意な影響を及ぼさずに出力チャンネルに伝わる。これは“ＯＲバルブ”および“ＯＲゲート”の周知機能である。

本発明のこの態様では、ソレノイドバルブまたは出力バルブからの出力が、チャンネルの下の他の方向の圧力に実質的な影響を及ぼすことなく、出力チャンネルを一方向に加圧することができる手段をシャトルバルブが提供する。この手段により、任意のモニターされているバルブが出力を提供する場合、高圧信号が出力チャンネルで観察されることになる。

本発明のそのような態様では、単一の圧力センサーが互いに妨害し合うバルブ無しにすべてのバルブからすべての出力をモニターすることができる。

本発明の代替的態様は、行または列の寄せ集めにより定められるものではない特定のバンクのバルブおよび／または特定の行のバルブおよび／または特定の群のバルブの別のモニタリングが必要となる可能性がある。この態様の例は、３つの圧力センサーを持つＡ、ＢおよびＣと標識された３つの出力チャンネルを有することができる。このセルフマニホールディングバルブのアレイからのすべてのパイロットバルブは、チャンネルａに接続することができ、そして任意の該パイロットバルブが作動し、そしてこれにより高圧出力を提供することがチャンネルＡを加圧し、そしてチャンネルａに接続されたセンサーにセンサー出力を提供する。チャンネルＢに接続された別のセンサーは、“ＯＲバルブ”を介してチャンネルＢに接続されたすべての出力バルブの操作をモニターすることができる。この例でチャンネルＣに接続された第三の圧力センサーは、すべての供給バルブの出力をモ
ニターすることができ、そしてこれにより供給バルブが流体媒質を出力バルブに提供しているかを確認する信号を与える。

１より多くのモニタリングチャンネルの使用、およびモニタリングチャンネルの選択および寄せ集めは、多数のディスクリートなバルブを寄せ集め、そしてモニターする能力を提供することになり、一方、必要なセンサーの数を最少にすることになる。

代替的例は、１からソレノイドバルブを含めアレイ中に存在するバルブの数の異なる数のモニタリングチャンネルを使用することができる。圧の存在または不存在によりモニターすることができる任意の出力を、この手段によるシャトル／“ＯＲ”バルブの使用によりモニターすることができる。

別法でまたは追加して、セルフマニホールディングモジュールは単純な押出しマニホールドで使用するか、または特注の複雑なマニホールドを使用して追加の機能または嵌合の容易さ、またはコスト上の利点を、マニホールドの単純化を介して提供することができる。換言すると、モジュールが取付けられる支持要素について様々な選択が存在する。

別法でまたは追加して、該モジュールに更なる複雑さまたは接続を可能にするためにセルフマニホールディングモジュールは１もしくは複数の面での配管を介する接続を有することができる。

別法でまたは追加して、セルフマニホールディングモジュールは、モジュール用の支持要素としての後板を交換し、そして１次元（直線）アレイにモジュールを一緒にロックするために役立つＤＩＮレールにより支持されることができる。モジュール間の空圧による接続は別の方法で維持される。

本発明のさらなる態様および好適な特徴は、添付する図面で具体的に説明する。

図７はモジュール用（この図には見えない）の支持要素を備えた後板１４の等角図を具体的に説明し、モジュールを保持するためのピン（これは継合メカニズム１２として機能する）の配置／保持、およびバルブからの気流用の穴４０を表す。単純な端板４１はモジュールから開いたポートをブランクオフするために提供され得る。

図８は先細りのピン１２の等角クローズアップ図を具体的に説明し、各ピンは保持するねじを受けるためのねじ山中空区分１２Ａを有する。

図９は、空圧操作のセルフマニホールディングバルブ１１のアレイ、パイロット式セルフマニホールディングバルブ４３ａ、４３ｂ、および結合配線およびセンサーのセルフマニホールディングモジュール４４を備えたキャビネット４２の正面図を示す。

図１０は、図の底の右に結合供給およびセンサーモジュール４４（ビルトインバルブは含まず）、図の底および右にそれぞれ２組の大きいおよび小さいソレノイドパイロットバルブモジュール４３ａ、４３ｂ、および幾つかの空圧操作の空気パイロット式バルブモジュール１１を示す、図９に示したアレイの部分を構成するクローズアップ図である。

図１１は、マニホールド要素４５、追加のポート４６、基板（示さず）上の穴に配置される空気を通すための貫通孔４７、およびアレイ内での接続および容易な嵌合および取り外しを可能にする特注シール１５を加えることにより、セルフマニホールディングモジュールとして使用するために、標準的なバルブ設計から適合された、より大きいソレノイド操作バルブモジュール４３ａの等角図を表す。

図１２は、別々の供給およびパイロットポート４６、４７およびシール１５を備えた、より小さい２つの部分のモジュールの特注セルフマニホールディングバルブモジュール４３ｂの等角図を表す。

図１３は、支持要素１４の下に見ることができる空圧出力口４８を備えたバルブ板アッセンブリである。これに対して図１４はグリッドアレイ：アレイの縁にソレノイド制御バルブ２０を備えた出力バルブ１１のＸ×Ｙグリッドを具体的に説明する。底の右のセルフマニホールディングモジュールは、好ましくはバルブセンサーおよびバッファー容量の機能を含む。

図１５は、ユニット１１（図４におけるような）のアレイを断面で具体的に説明し、左上の供給バルブに対してロジカルまたはゲートシャトルバルブを備えた、より大きい供給バルブモジュールを示す。これにより追加の機能が供給モジュールに取り込まれる。

図１６は、パイロットから出力バルブモジュールへの接続内腔を示す断面図を示す。
基板に対する接続も既に記載したようなものと同じ種類のシール１５を使用できたことは注目に値する。

図１７は、モジュラーユニット１１が中間体Ｖまたは楔形コネクタブロック４９により空圧で連絡している本発明のさらなる態様を具体的に説明する。この説明の形態では、コネクタブロック４９は、支持要素（説明せず）に固定され得る真っ直ぐな楔形である。開口部５０は、ユニット１１の開口部１６／１７が連絡できるように楔４９の平らな面を通って延びる。シール１５はユニット開口部上または楔上に位置することができる。ユニット１１の挿入末端で、対応する傾斜と接触している楔の角度は、一般に圧迫を生じ、これで図４の「真っ直ぐ」な壁の態様よりも良く密封できるようになる。さらに、挿入中に折りたたまれることを回避するために設計された、より複雑なシール断面よりも標準的なｏ−リングを利用することができる。

真っ直ぐな楔の先細りの性質は、個々のユニット１１をアレイ内から取り外すことができるようにし、該ユニット１１の下部の継合メカニズムを基板から離すことを想定している。

類似の楔コネクタ５１を使用して、ユニット１１の上側間の連絡チャンネル５２を形成できることは明白である。説明する形態では、これらがより小さい形であるが、幾つかの変形も可能である。コネクタ５１はクランプ配置または他の適切な固定手段により正しい位置に保持されることができる。

バルブを取り外すことを可能にするためには、より小さいＶ形ブロック５１が取り外し可能になる必要があり、一方、より低い／大きいコネクタ５０は取付板に嵌合できるか、または必要に応じて別々に取り外し可能となることは明白である。そのような配置は本発明の「ブロックを組み立てる」性質と一致する。

産業上の利用性
本明細書に記載するすべてのコンポーネントは、経費的考察および性能要件に従い、入手可能な材料から製造できることは明らかである。

広い観点では、本発明は各モジュールがマニホールド部分を含む複数の流体制御モジュール、およびモジュールを支持するための支持要素から構成され、これにより複数のモジュールを支持要素に機械的に固定するように配置できると同時に、該マニホールド部分が相互に流体接続されているモジュラー流体制御システムを提供する。

Claims (19)

1. モジュラー流体制御システムであって、
   それぞれがマニホールド部分を含む複数の流体制御モジュールと；および
   該モジュールを支持するための支持要素と；
   を有し、これにより該複数のモジュールが該支持要素に機械的に固定されるように配置されると同時に、該マニホールド部分が相互に空圧で接続されている、該モジュラー流体制御システム。
2. 各流体制御モジュールが、隣接モジュールのマニホールド部分との液密シールを提供するために、マニホールド部分に合わせる密閉要素を含む、請求項１に記載のモジュラー流体制御システム。
3. 空圧接続を促進するために、モジュール間に位置することが可能な複数の中間コネクタ要素が存在する、請求項１または２に記載のモジュラー流体制御システム。
4. 中間コネクタ要素がその中を通る開口部を有する楔形であり、そして流体制御モジュールが該楔形を収容するために対応する傾斜部分を有し、さらに前記マニホールド部分、該楔形の開口部のいずれか、または両方に合わせる密閉要素を含む、請求項３に記載のモジュラー流体制御システム。
5. 前記支持要素が、流体制御モジュールの二次元アレイを支持するように構成された板要素を備えている請求項１から４のいずれか１項に記載のモジュラー流体制御システム。
6. 前記支持要素が、流体制御モジュールとの流体接続を確立するために１もしくは複数のポートを含む請求項１から５のいずれか１項に記載のモジュラー流体制御システム。
7. 前記支持要素が、流体制御モジュールを支持要素上に配置するための複数の配置要素を含む請求項１から６のいずれか１項に記載のモジュラー流体制御システム。
8. 前記流体制御モジュールを支持要素に固定するための複数の固定要素を含む請求項１から７のいずれか１項に記載のモジュラー流体制御システム。
9. 前記複数の流体制御モジュールが１もしくは複数のバルブモジュールおよび／または“ＯＲバルブ”を含む請求項１から８のいずれか１項に記載のモジュラー流体制御システム。
10. 少なくとも１つの流体パイロット式バルブモジュールを含む請求項９に記載のモジュラー流体制御システム。
11. 少なくとも１つのソレノイド操作バルブモジュールを含む請求項９または請求項１０に記載のモジュラー流体制御システム。
12. 前記支持要素が、流体制御モジュールの一次元アレイを支持するように構成されている線状要素を備えている、請求項１、２または３に記載のモジュラー流体制御システム。
13. 請求項１から１２のいずれか１項に記載のモジュラー流体制御システムとの使用に適するマニホールド部分を含む流体制御モジュール。
14. 請求項１から１３のいずれか１項に記載のモジュラー流体制御システムとの使用に適す
    る取付板。
15. 列ごとに供給バルブを、そして行ごとにパイロットバルブを使用するセルフマニホールディングバルブのグリッドアレイの形態であり、グリッド中の任意の列または列のセットがその列またはそのような列のバルブから流体媒質を選択的に供給されることができ、そして次に任意の行または行のセットが該グリッドの垂直列のバルブにより選択的に作動させることができ、グリッド中の単一バルブまたはバルブのサブセットに出力を提供する、請求項１から１１のいずれか１項に記載のモジュラー流体制御システム。
16. グリッドアレイ内の１もしくは複数のパイロットもしくは供給路、またはバルブのラインもしくは群に、制御バルブによりかけられた空気又は流体圧の存在をオブザーバーに示すように、セルフマニホールディングバルブアレイへの供給操作の可視的表示を取り込んだ終端モジュールを取り込んだ請求項１から１１または１５のいずれか１項に記載のモジュラー流体制御システム。
17. 流体媒質の前記セルフマニホールディングバルブの異なる面への、または該面からの移動を可能とし、これにより１つのバルブの構成を別のバルブの構成により先導できるようにする、設定可能な、または交互の入口／出口ポートを備えているセルフマニホールディングバルブを取り込んだ請求項１から１１、１５または１６のいずれか１項に記載のモジュラー流体制御システム。
18. コネクタ片または分岐Ｔ片の使用により、バルブなしで流れの方向を変えるために使用するモジュールを取り込んだ請求項１から１１のいずれか１項に記載のモジュラー流体制御システム。
19. 第３軸に１つのモジュールを積むために、モジュールまたは能力の３次元アレイを取り込んだ請求項１から１１のいずれか１項に記載のモジュラー流体制御システム。

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