JP3824535B2 - 押出機スクリュー - Google Patents
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Description
(発明の分野)
本発明は概ね固体樹脂材料を処理する機械に関し、特に前記樹脂材料を混合し、融解する押出機を指向する。
【0002】
(発明の背景)
ポリマ樹脂材料の融解、混合および配合に使用する押出機スクリューは通常、3つの区間、つまり供給区間、計量区間、および供給区間と計量区間の間に配置された融解区間を使用する。通常、押出機スクリューは押出機バレル内に回転可能なように配置され、バレルはスクリューの供給区間に隣接するホッパ区間、およびホッパ区間の反対側でスクリューの計量区間に近い排出端を含む。運転中、固体樹脂材料がホッパ区間を通して導入され、スクリューの供給区間に供給される。固体樹脂材料は、次に融解区間に搬送され、ここで固体から溶融状態に変態する。溶融材料は、融解区間から計量区間へ移動し、押出機の排出端へと搬送される。
【0003】
歴史的に、従来の押出機スクリューは、スクリューの根元または本体区間の周囲に配置され、これと協働して通路を形成する1つの螺旋形フライトを備え、押出機に導入される樹脂材料が、通路に沿って搬送されている。材料は、融解区間に入ると、材料自身内の摩擦によって生じた熱、およびバレルを通して伝達された外部熱源からの熱によって融解し始める。融解材料は、押出機の内面に付着する融解薄膜を形成する。薄膜の厚さが押出機バレルとフライト間のクリアランスを超えると、フライトの前縁が融解薄膜をバレルの内面から掻き取り、溶融材料がフライトの前進する縁に沿ってプールを形成するようにする。材料が融解し続けるにつれ、通常は固体樹脂ベッドと呼ばれる固体の塊が固体材料の集塊へと破壊し、次にこれが溶融材料のプールと混合する。
【0004】
このようなことが発生すると、加熱されたバレルに曝されている固体材料の量が大幅に減少する。固体材料が、溶融材料のプールに混入した集塊の形態になるからである。したがって、混入した固体材料を融解するため、十分な熱が溶融プールを通して固体樹脂に移行しなければならない。大部分のポリマは良好な断熱特性を有し、断熱材として作用するので、固体樹脂ベッドが破壊すると、押出機の融解効率が低下する。
【0005】
融解効率を改善しようとして、溶融区間に第2フライトを組み込み、第2フライトが、スクリューの本体部分の周囲に延在して、第2フライトの前進面と1次フライトの後退面との間に固体樹脂の通路を形成する押出機スクリューが開発された。また、第2フライトの後退面と1次フライトの前進面との間には、溶融材料を搬送する融解物通路も形成された。スクリューの根元または本体区間の直径は、固体樹脂通路内で漸進的に増加し、融解区間に沿って通路の深さが融解物通路に沿って減少するので、融解物通路の深さが増加する。運転中は、固体樹脂ベッドと加熱バレル表面との境界面に形成された融解薄膜が、第2フライトを越えて融解物通路へと移動し、それによって固体樹脂ベッドの破壊が最小になる。
【0006】
このタイプのスクリューでは、固体材料が融解する速度は、加熱バレルの壁と接触した固体樹脂ベッドの表面積、およびバレル壁と固体樹脂ベッドの間に形成された融解薄膜の厚さによって決定された。バレル壁に接触する固体材料の表面積が増加すると、バレルから固体樹脂ベッドの露出表面への熱伝達が改善されるので、融解速度が上昇した。しかし、固体樹脂ベッドとバレル間の融解薄膜の厚さが増加すると、該融解薄膜が断熱材として作用するのでバレルから固体材料への熱伝達が低下し、融解速度が低下した。したがって、固体樹脂材料を溶融状態に変態させるために、これらの押出機スクリューの融解区間を非常に長く構成し、その結果、このようなスクリューを使用する押出機の製造費と運転費が双方とも増加した。
【0007】
以上に基づき、先行技術のスクリューの問題および欠点を克服する押出機スクリューを提供することが、本発明の全体的な目的である。
【0008】
スクリューに導入された固体材料が効率的な方法で融解され、混合される押出機スクリューを提供することが、本発明のより特定の目的である。
【0009】
(発明の概要)
本発明は、スクリュー本体および軸方向に延在する押出機部分を含む、軸方向に延在する押出機スクリューに存する。押出機部分は、3つの区間、つまり押出機スクリューの入口端にある供給区間、スクリューの出口端にある計量区間、および供給区間と計量区間の間にあるバリア区間によって形成される。少なくとも1つの螺旋形1次フライトがスクリュー本体の周囲に延在し、スクリュー本体と同軸である。押出機スクリューのこの2つの部分、例えば1次フライトおよびスクリュー本体は、供給区間内で協働し、固体樹脂材料を供給区間からバリア区間へと搬送する第1固体樹脂通路を形成する。
【0010】
本発明の押出機スクリューのバリア区間は、バリア区間の冒頭にある1次フライトから、バリア区間の長手方向に沿ってスクリュー本体の周囲に延在する少なくとも1つの螺旋形2次フライトを含む。第1螺旋形回転面が、1次フライトと2次フライトの間でスクリュー本体によって形成される。少なくとも1つの螺旋形の3次フライトが、スクリュー本体から延在し、バリア区間の長手方向に沿って1次フライトと2次フライトの間に配置される。第2螺旋形回転面が2次フライトと3次フライトの間で形成され、第3螺旋形回転面が1次フライトと3次フライトの間で形成される。各螺旋形回転面は、押出機スクリューのバリア区間に沿って軸方向に延在する。
【0011】
前記スクリューの軸線の周りに回転する螺旋形通路内に周期的に形成されたカム様形状が、それぞれスクリューの区間に広がる第2螺旋形回転面と第3螺旋形回転面によって形成される。各カム様形状は、根元、山、スクリューの回転方向に根元から山へと半径方向外側に延在する第1表面部分、および山から根元へと半径方向内側に延在する第2表面部分を含む。
【0012】
本発明の好ましい実施形態では、第1螺旋形回転面が1次および2次フライトと協働して、融解状態の樹脂材料を押出機スクリューのバリア区間に沿って搬送する融解物通路を形成する。搬送される融解材料の量は、バリア区間に沿って下流方向に増加するので、融解物通路の深さが漸進的に増加し、溶融材料の増加する体積に十分対応する。
【0013】
融解物通路に加えて、2つの固体樹脂通路が押出機スクリューのバリア区間に形成される。第2固体樹脂通路が、2次および3次フライトと第2螺旋形回転面との協働によって形成される。以下で詳細に説明するように、押出機スクリューの運転中、バリア区間に沿って下流方向へと、第2固体樹脂通路内の固体樹脂の体積が減少するので、第2固体樹脂通路の深さは、下流方向に減少する。第3固体樹脂通路は、第3螺旋形回転面と協働する3次および1次フライトによって形成される。第2固体樹脂通路と同様に、第3固体樹脂通路の深さは、バリア区間に沿って下流方向に減少する。
【0014】
押出機スクリューの運転中、第3固体樹脂通路内の固体樹脂は、固体樹脂ベッドで生成する剪断、およびスクリューが回転自在に配置された押出機バレルから伝達された熱の結果として上部融解層を形成する。第3固体樹脂通路内のカム様形状は、剪断が増加する区域を提供し、これが再配向および混合を引き起こすことによって通路内の固体樹脂の融解が強化される。材料がバリア区間に沿って移動するにつれ、溶融層、さらにある量の融解していない固体材料が3次フライト上を移動し、第2固体樹脂通路に入る。第2固体樹脂通路のカム様形状も、剪断が増加する区域を提供することによって混入した固体樹脂が再配向または混合し、次に融解する。溶融材料は第2固体樹脂通路から2次フライト上を溶融通路へと移動する。
【0015】
2次および3次フライトの両方が、1次フライトによって形成された外径より小さい外径を形成する。これによって、上述したように材料が2次および3次フライト上を移動することができる。また、固体樹脂材料の融解をさらに促進するため、1次、3次および2次フライトのピッチは、本発明の押出機スクリューのバリア区間に沿って変化することが好ましいが、本発明はそれに制限されるものではない。
【0016】
(好ましい実施形態の詳細な説明)
図1に示すように押出機10は、点線で示した概ね円筒形の内腔壁16によって形成された内腔14を有するバレル12を含む。バレル12は、歯車箱18に装着され、それに隣接するホッパ区間20を含む。軸方向に延在する押出機スクリュー22が、内腔14内に配置され、回転自在に歯車箱18に結合される。押出機スクリュー22は3つの区間に分割される。つまり「F」の参照符号を付けた寸法で示され、押出機スクリュー22の入口端26に位置する供給区間24、「M」の参照符号を付けた寸法で示され、押出機スクリューの出口端28に位置する計量区間28、および「B」の参照符号を付けた寸法で示され、供給区間と計量区間の間に配置されたバリア区間30である。
【0017】
運転中、固体樹脂材料は、供給ホッパ32を通じてバレル12のホッパ区間20に導入される。固体樹脂材料は、押出機スクリュー22の供給区間24に沿って前進し、バリア区間30に入る。以下で詳細に説明するように、固体樹脂材料は、バリア区間30に沿って前進するにつれ、融解状態に変態し、次に押出機スクリュー22の計量区間28に供給される。溶融材料は、計量区間に入ると、前進して押出機を出るが、これは通常、バレル12の出口端36に装着されたダイ34を通る。
【0018】
図2および図3を参照すると、押出機スクリュー22は、スクリューの長手方向に沿って軸方向に延在する押出部分を有する概ね円筒形のスクリュー本体38を有する。第1前進面42および第1後退面44を有する螺旋形の1次フライト40が、スクリュー本体38の周囲に延在し、これと同軸である。押出機バレル12(図1)に導入される固体樹脂材料を供給する第1固体樹脂通路46は、供給区間「F」内では、スクリュー本体38と1次フライト40の第1前進面42および後退面44との協働によって形成される。本発明の図示の実施形態では、第1固体樹脂通路46は、図2aおよび図2bの「df」の参照符号を付けた寸法で概略的に示すように、押出機スクリュー22の供給区間「F」で一定の深さを有する。また、1次フライト40のピッチは、バリア区間では、供給区間の1次フライトのピッチに対して増加する。
【0019】
図2を参照すると、押出機スクリュー22の供給区間「F」とバリア区間「B」との共通部分は、「P」の参照符号を付けた点で生じ、ここで螺旋形の2次フライト48は1次フライト40から成長する。つまりここから延在する。2次フライト48は、スクリュー本体38の周囲でスクリュー本体38に沿って軸方向にバリア区間「B」の長さだけ延在することによって第1固体樹脂通路46(図3)を図4に示すように第2固体樹脂通路50と溶融物通路52とに分割するが、その動作については以下で詳細に説明する。
【0020】
図4を参照すると、第2固体樹脂通路50は、1次フライト40の第1後退面44と、2次フライト48によって形成された前進面54と、スクリュー本体38との協働によって形成される。同様に、融解物通路52は、1次フライト40の第1前進面42と、2次フライト48によって形成された第2後退面58と、スクリュー本体38によって形成され、第1前進面と第2後退面との間に配置された螺旋形の第1螺旋形回転面60との協働によって形成される。
【0021】
図2に戻ると、第2固体樹脂通路50は、第2固体樹脂通路50が、バレル区間の「S」の参照符号が付いた区画によって示された距離だけ、バリア区間「B」に沿って軸方向に延在し、ここで3次フライト62がスクリュー本体38から、その周囲にバリア区間「B」に沿って延在する。図5で最もよく分かるように、3次フライト62は第2固体樹脂通路50を分割することによって第2固体樹脂通路が再画定され、第3固体樹脂通路64が生成される。
【0022】
第2固体樹脂通路50は、3次フライト62の第3後退面68と、2次フライト48の第2前進面54と、スクリュー本体38によって画定され、第3後退面と第2前進面との間に配置された第2螺旋形回転面70との協働によって形成される。同様に、「S」の参照符号が付いた区間の端部で、および押出機スクリュー22のバリア区間「B」の残りの長手方向にわたって、第3固体樹脂通路64が、1次フライト40の第1後退面44と、3次フライト62によって形成された前進面66と、スクリュー本体38によって形成され、第1後退面と第3前進面との間に配置された第3螺旋形回転面67とによって形成される。
【0023】
図4から図7に示し、図2cで概略的に示すように、第1螺旋形回転面60は、図2において矢印Aによって示された下流方向に、バリア区間「B」の長手方向に沿って減少する外径を形成し、したがって融解物通路52は、dmの参照符号が付いた寸法で示され、下流方向に増加する深さを形成する。また、2次フライト48のピッチは1次フライト40のピッチより大きいので、融解物通路52によって形成され、wmの参照符号が付いた寸法によって示された深さが、下流方向に増加する。
【0024】
依然として図4から図7を参照し、図2aで概略的に図示されるように、第2および第3螺旋形回転面70および67は、それぞれ下流方向に漸進的に増加する外径を形成し、したがって第2および第3固体樹脂通路が、ds2、ds3の参照符号が付いた寸法によって示され、下流方向に漸進的に減少する深さを画定する。また、2次および3次フライト48および62のピッチは、1次フライト40のピッチと異なり、そのため第2および第3固体樹脂通路50および64によって形成され、ws2およびws3の参照符号が付いた寸法で示された幅が、それぞれバリア区間「B」に沿って下流方向に減少する。
【0025】
図5から図7を参照し、図8で概略的に図示されるように、第2および第3螺旋形回転面70および67は、それぞれ概ね参照番号72によって示され、前記スクリューの軸線の周りに回転する螺旋形通路内に周期的に形成された一連の連続カム様形状を形成する。各カム様形状72は、根元74および山76を有する押出機スクリュー22の区画によって形成される。1つの区画が、第2および第3螺旋形回転面70および67に沿って180°以上延在しないことが好ましいが、本発明はそれに関して制限されるものではない。というのは、区間の角度範囲は、本発明のより広義の態様から逸脱することなく変化することができる。また、第2螺旋形回転面のカム様形状によって形成された山は、第3螺旋形回転面のカム様形状によって形成された対応する山に対して偏る。各山76は、図2において矢印Rによって示されたように、スクリューの回転方向に根元74から山76へと半径方向外側に延在する第1表面部分78と、山から根元へと半径方向内側に延在する第2表面部分80とを含む。各山76は、2次または3次フライト48および62のそれぞれ1つに対する高さも画定し、本発明の好ましい実施形態では、フライトの最外面と同一線上にあるか、その下にある。2次および3次フライト48および62のそれぞれ1つの外径に対する各山の高さは、1つの山と次の連続する山とで異なることが好ましいが、本発明はこれに制限されるものではない。というのは、山の高さは、本発明のより広義の態様から逸脱することなく、全て一様にすることができる。
【0026】
図1から図7を参照し、本発明の押出機スクリュー22の動作について詳細に説明する。固体樹脂材料は、通常は粉砕再生材料、ペレットおよび/または粉末の形態であり、ホッパ32を通して供給され、押出機バレル12のホッパ区間20に入る。固体樹脂材料は、第1固体樹脂通路46に収集され、押出機スクリュー22が矢印Rによって示された方向に回転した結果、固体樹脂材料が供給区間「F」に沿ってバリア区間へと搬送される。材料が供給区間「F」に沿って移動するにつれ、1次フライト40の前進面42がこの中の固体材料と係合し、そのため固体樹脂ベッド内の材料が融解し始める。この融解作用は、押出機スクリュー22の供給区間にある1次フライト40の前進面に隣接して融解物のプールが形成されるのを促進する。
【0027】
押出機スクリュー22の1次融解部分であるバリア区間「B」に入ると、最初は第2固体樹脂通路50に沿って搬送されている固体樹脂ベッドが、バレル12の加熱された内腔壁16で融解し続ける。第2固体樹脂通路50内の材料の融解は、部分的には加熱バレル12から材料に伝達された熱によるものであり、バレルと押出機スクリュー22間の材料の剪断にもよるものである。溶融材料が融解するにつれ、これは2次フライト48上を移動して融解物通路52に入る。これは、2次フライト48が、スクリュー本体38から2次フライトの外周面まで測定した高さhs(図4)を形成する結果であり、これは1次フライト40の対応する高さhpとほぼ等しい。
【0028】
第2固体樹脂通路50内の材料が距離「S」だけ搬送されると、3次フライトが導入されて、固体樹脂通路50を第2固体樹脂通路50と第3固体樹脂通路64に分割する。溶融材料は、概ね混入されたある量の固体樹脂とともに第2固体樹脂通路から3次フライト62上を移動し、これはhsおよびhpより小さい高さhtを形成し、さらに第2固体樹脂通路50に入る。材料が2次フライト48上を移動して融解物通路52に入る前に、混入した固体樹脂が確実に融解するよう、上記で説明したように、第2および第3固体樹脂通路の山が高い剪断の区域を生成し、これは固体樹脂通路内にある材料の内容を再配向し、さらに融解速度を上昇させる。第2および第3固体樹脂通路50,64内の内容が山の間にある場合、溶融材料および再配向された固体樹脂は密接に接触し、固体樹脂の融解をさらに向上させる。
【0029】
融解物通路52は、バリア区間「B」に沿って下流方向に深さも幅も増加する。そうする必要があるのは、固体樹脂材料が融解するにつれ、溶融材料の体積が増加し、それと同時に融解物通路の容積が増加する必要があるからである。同様に、第2および第3固体樹脂通路50および64の深さは、バリア区間「B」に沿って下流方向に減少する。そうするのは、固体樹脂材料の量がバリア区間に沿って減少するので、融解を促進するために、加熱したバレル12との接触を維持しなければならないからである。固体樹脂材料の融解をさらに向上させるため、本発明の好ましい実施形態では、1次、2次および3次フライト40、48および62のピッチが変化可能である。
【0030】
押出機スクリュー22のバリア区間「B」と融解区間「M」との共通部分で、2次および3次フライト48および62が終了し、したがって計量区間は1次フライト40のみを含む。樹脂材料は、計量区間「M」では全て溶融状態であることが好ましく、ここで押出機10(図1)から搬出される。
【0031】
好ましい実施形態を図示し、説明してきたが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、様々な変更および置換を実行することができる。したがって、本発明は例示的に説明されたのであり、制限的ではないことが理解される。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明による押出機スクリューを使用する押出機の側面断面図である。
【図2】 本発明の押出機スクリューの側面図である。
【図2a】 図2の押出機スクリューによって形成される第1および第3固体樹脂通路の深さを、概略的に示す。
【図2b】 図2の押出機スクリューによって形成された第1および第2固体樹脂通路の深さを、概略的に示す。
【図2c】 図2の押出機スクリューによって形成された溶融チャネルの深さを概略的に示す。
【図3】 本発明の押出機スクリューによって形成された第1固体樹脂通路を示す、図2の線3−3に沿って切り取った部分断面図である。
【図4】 本発明の押出機スクリューによって形成された第1固体樹脂通路および融解物通路を示す、図2の線4−4に沿って切り取った部分断面図である。
【図5】 本発明の押出機スクリューによって形成された第2および第3固体樹脂通路、および融解物通路を示す、図2の線5−5に沿って切り取った部分断面図であり、断面は、カム様形状とそれに対応するカム様形状の根元のうち一方のピークで切り取られている。
【図6】 図5の位置から押出機スクリューの位相が180°進んだ位置で見た第2および第3固体樹脂通路、および融解物通路を示す部分断面図である。
【図7】 バリア区間の下流端における、図2の線7−7に沿って切り取った部分断面図である。
【図8】 図2で示す押出機のバリア区間にあるカム様形状を示す、展開された本発明の押出機スクリューの部分図である。
Claims (12)
- 軸方向に延在する押出機スクリューで、スクリュー本体を有し、該スクリュー本体は、前記スクリューの入口端にある供給区間、前記スクリューの出口端にある計量区間、および前記供給区間と計量区間との間にあるバリア区間と、前記スクリュー本体の周囲に、該スクリュー本体と同軸で延在する少なくとも1つの螺旋形1次フライトとを含み、前記1次フライトと前記スクリュー本体とが協働して、前記供給区間から前記バリア区間へと樹脂材料を搬送するため、前記供給区間に通路を形成し、前記バリア区間が、さらに、
前記1次フライトから前記スクリュー本体の周囲に延在する螺旋形2次フライトを備え、前記スクリュー本体が、前記1次フライトと2次フライトの間に第1螺旋形回転面を形成し、さらに、
前記1次フライトと2次フライトの間に配置されて、前記スクリュー本体の周囲に延在する螺旋形3次フライトを備え、前記スクリュー本体が、前記2次フライトと3次フライトの間で第2螺旋形回転面を形成して、前記1次フライトと3次フライトの間に第3螺旋形回転面を形成し、前記第2および第3螺旋形回転面が前記バリア区間に沿って軸方向に延在し、前記1次フライト、2次フライト、螺旋形3次フライトはこの順に並んで配置され、
前記第2および第3螺旋形回転面が、前記スクリューの軸線の周りに回転する螺旋形通路内に連続的に形成されたカム様形状を備え、各カム様形状が、根元と、山と、前記根元から前記山へとスクリューの回転方向で半径方向外側に延在する第1表面部分と、前記山から前記根元へと半径方向内側に延在する第2表面部分とによって形成され、
前記第1螺旋形回転面は実質的に平坦であり、いかなる表面のうねりもない、軸方向に延在する押出機スクリュー。 - 前記1次、3次および2次フライトがそれぞれ、前記バリア区間の長手方向に変化するピッチを形成する、請求項1に記載の軸方向に延在する押出機スクリュー。
- 前記1次、3次および2次フライトが、外径を形成する周面を含み、
前記3次および2次フライトの外径が、前記1次フライトの外径より小さく、したがって前記スクリューを使用する押出機の運転中、前記スクリューが回転すると、樹脂材料が前記3次および前記2次フライトの外径を越えて移動する、請求項1に記載の軸方向に延在する押出機スクリュー。 - 前記3次フライトによって画定された外径が、前記2次フライトによって画定された外径より小さい、請求項1に記載の軸方向に延在する押出機スクリュー。
- 前記山がそれぞれ、前記3次および2次フライトのそれぞれ1つの前記周面によって画定された前記外径と同一線上にある、請求項3に記載の軸方向に延在する押出機スクリュー。
- 前記山がそれぞれ、前記3次および前記2次フライトのそれぞれ1つの前記周面によって画定された前記外径より下にある、請求項3に記載の軸方向に延在する押出機スクリュー。
- 前記山の高さが、前記第3次フライトと2次フライトそれぞれの前記外径に対して、1つの山と次の連続する山とで変化可能である、請求項5に記載の軸方向に延在する押出機スクリュー。
- 前記スクリューの前記区間がそれぞれ前記第2および第3螺旋形回転面に沿って延在する角度範囲は180°未満である、請求項1に記載の軸方向に延在する押出機スクリュー。
- 前記第1螺旋形回転面が、前記バリア区間に沿って下流方向に漸進的に減少する外径を形成し、
前記1次フライト、前記2次フライト、および前記第1螺旋形回転面が、協働して融解物通路を形成し、前記押出機スクリューの運転中、溶融樹脂材料が前記2次フライト上を移動して前記融解物通路に入り、ここで前記バリア区間に沿って前記計量区間へと移動する、請求項1に記載の軸方向に延在する押出機スクリュー。 - 前記第3螺旋形回転面が、前記バリア区間に沿って既知の率で下流方向に漸進的に増加する外径を画定し、
前記1次フライト、前記3次フライト、および前記第3螺旋形回転面が、協働して第3固体樹脂通路を形成し、したがって前記押出機スクリューの運転中、前記供給区間から前記第3固体樹脂通路へと供給される固体樹脂材料が、さらに前記バリア区間に沿って移動する、請求項1に記載の軸方向に延在する押出機スクリュー。 - 前記第2螺旋形回転面の外径が、前記第3螺旋形回転面の前記外径が増加する率より低い率で、前記バリア区間に沿って前記下流方向に漸進的に増加し、
前記3次フライト、前記2次フライト、および前記第2螺旋形回転面が、協働して第2固体樹脂通路を形成し、したがって前記押出機スクリューの運転中、溶融樹脂材料と固体樹脂材料との組合せが前記3次フライト上を移動して前記第2固体樹脂通路に入り、ここで前記カム様形状が前記溶融樹脂材料および固体樹脂材料に剪断力を与えることによって前記溶融材料および固体材料を再配向して、前記固体材料の混合および融解を促進する、請求項9に記載の軸方向に延在する押出機スクリュー。 - 前記第2螺旋形回転面の前記カム様形状によって形成された前記山がそれぞれ、前記第3螺旋形回転面の前記カム様形状によって形成された対応する山に対して偏る、請求項1に記載の軸方向に延在する押出機スクリュー。
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