JP5640932B2 - ロータリバルブ - Google Patents

Description

本発明はロータリバルブに関する。

ロータリバルブに関し、本発明と関連性があると考えられる技術が例えば特許文献１、２で開示されている。特許文献１、２では流体入口と、少なくとも２つの流体出口とを備える本体を含み、流体出口を通る流体の分配を制御するために種々の角度位置を取ることができる調節部材が一体に回転するようになっているシールリングによって囲まれている制御弁が開示されている。調節部材はシールリングとの間に小さな隙間をおいて囲まれており、この隙間に巻き込まれる流体の圧力によって保持されるようになっている。

特開２０１１−２１７５３号公報 特表２００６−５１２５４７号公報

ロータリバルブでは回転弁体の周囲から流体漏れが発生し得る。これに対し、流体漏れを防止するには例えば回転弁体が設けられるハウジングと回転弁体との間に回転弁体と一体となって回転可能なシール部材を設けることができる。ところが、シール部材とハウジングとが接触している状態で回転弁体の回転動作が行われる場合、ハウジングに設けられた通路部の開口エッジでシール部材の摩耗が促進される虞がある。

また、シール部材で回転弁体周りのシールを行うには例えば特許文献１、２が開示する制御弁のようにハウジングに向かってシール部材を押圧する流体の圧力をシール部材に作用させることが考えられる。ところがこの場合、流体の圧力が高まるとともに回転弁体の駆動に要する駆動力も高まることから、回転弁体を駆動するにあたって相応の出力を発生させることが可能なアクチュエータが必要になる虞がある。結果、ロータリバルブの小型化や省電力化が妨げられる虞がある。またこの場合、流体の圧力が低下するとシール機能も低下する虞がある。

本発明は上記課題に鑑み、シール部材の摩耗を抑制できるとともに回転弁体の駆動に要する力を低減でき、同時にシール機能も確保可能なロータリバルブを提供することを目的とする。

本発明は流体を流通させる通路部を有するハウジングと、前記ハウジングに設けられ、前記通路部を流通する流体の流通を回転動作で制御する回転弁体と、前記ハウジングおよび前記回転弁体間に前記回転弁体と一体となって回転可能に設けられ、第１および第２の突起部を両端部に有するシール部材と、前記回転弁体および前記シール部材間に設けられ、前記シール部材を前記ハウジングに向かって付勢する弾性部材と、前記回転弁体の回転動作に応じて前記第１の突起部を案内する第１の溝部、および前記第２の突起部を案内する第２の溝部と、を備え、前記第１および第２の溝部が径方向内側に向かって後退した後退部を有し、前記後退部が前記回転弁体の回転動作時に前記シール部材を前記ハウジングから離間させるように前記第１および第２の突起部を案内するロータリバルブである。

本発明は前記通路部のうち、前記回転弁体よりも上流側の部分における流体の圧力が所定値よりも高い場合に前記シール部材が前記ハウジングから離間するように、前記第１および第２の溝部において、少なくとも前記通路部のうち、前記回転弁体よりも上流側の部分に対応する部分の溝幅が径方向内側に向かって広く形成されている構成とすることができる。

本発明によれば、シール部材の摩耗を抑制できるとともに回転弁体の駆動に要する力を低減でき、同時にシール機能も確保できる。

ロータリバルブの概略構成図である。 回転弁体ユニットの側面図である。 回転弁体ユニットの上面図である。 シール部材の外観図である。 実施例１のハウジングの要部を示す図である。 実施例１のギヤボックス部の要部を示す図である。 ロータリバルブの冷却液の流通制御を示す図である。 実施例１のシール部材の動作説明図である。 実施例２のハウジングの要部を示す図である。 実施例２のギヤボックス部の要部を示す図である。 実施例２のシール部材の動作説明図である。

図面を用いて、本発明の実施例について説明する。

図１はロータリバルブ１０Ａの概略構成図である。図１ではロータリバルブ１０Ａとともにウォータポンプ（以下、Ｗ／Ｐと称す）１も示している。ロータリバルブ１０Ａは第１の通路部１１と第２の通路部１２と回転弁体１３と駆動部１４とサーモスタット１５とを備えている。また、入口部Ｉｎ１、Ｉｎ２と出口部Ｏｕｔ１、Ｏｕｔ２とを備えている。出口部Ｏｕｔ１はエンジンのシリンダヘッドに、出口部Ｏｕｔ２はエンジンのシリンダブロックにそれぞれ接続される。

第１の通路部１１はＷ／Ｐ１の冷却液出口部とエンジンとの間に設けられ、流体であるエンジンの冷却液を流通させる。第２の通路部１２はＷ／Ｐ１の冷却液入口部とラジエータとの間に設けられ、冷却液を流通させる。通路部１１、１２は並べて配置されている。通路部１１、１２は並べて配置された状態でＷ／Ｐ１に端部で接続されている。そして、第１の通路部１１はＷ／Ｐ１の冷却液出口部に、第２の通路部１２はＷ／Ｐ１の冷却液入口部にそれぞれ接続されている。第１の通路部１１ではＷ／Ｐ１側が上流側、第２の通路部１２ではＷ／Ｐ１側が下流側となっている。通路部１１、１２はハウジングＨを構成している。

第１の通路部１１は回転弁体１３の下流側で出口部Ｏｕｔ１、Ｏｕｔ２に連通している。第２の通路部１２は回転弁体１３の下流側で入口部Ｉｎ１に連通している。また、回転弁体１３の上流側および下流側で入口部Ｉｎ２に連通している。第２の通路部１２は回転弁体１３よりも下流側の部分と入口部Ｉｎ２とを連通する第１の連通部Ｂ１と、回転弁体１３よりも上流側の部分と入口部Ｉｎ２とを連通する第２の連通部Ｂ２とを備えている。なお、図示の都合上、図１では第１の通路部１１のうち、回転弁体１３の下流側で出口部Ｏｕｔ１、Ｏｕｔ２に連通する部分それぞれを同位相に設けているように示しているが、これらは実際には互いに異なる位相に設けられている。これは通路部１１、１２の上流側の部分および下流側の部分についても同様である。

回転弁体１３は第１の通路部１１と第２の通路部１２とに介在するように設けられている。そしてこれにより、ハウジングＨに設けられている。回転弁体１３は第１の通路部１１を流通する冷却液の流通と、第２の通路部１２を流通する冷却液の流通とを回転動作で制御する。回転弁体１３は第１の通路部１１に介在する第１の弁体部Ｒ１と、第２の通路部１２に介在する第２の弁体部Ｒ２とを備えている。弁体部Ｒ１、Ｒ２の内部は個別に空洞になっており、周壁部に設けられた開口部が弁体部Ｒ１、Ｒ２を介した冷却液の流通を可能にする。回転弁体１３は第１の通路部１１を流通する冷却液の流通と第２の通路部１２を流通する冷却液の流通とを禁止、許可することを含め、これら流通の制限、制限の解除を行うことができる。

駆動部１４はアクチュエータ１４ａとギヤボックス部１４ｂとを備えており、回転弁体１３を駆動する。アクチュエータ１４ａは具体的には例えば電動モータである。アクチュエータ１４ａは例えば油圧制御弁によって電子制御可能な油圧アクチュエータであってもよい。サーモスタット１５は第１の連通部Ｂ１に設けられている。サーモスタット１５は冷却液の温度が所定値よりも高い場合に開弁するとともに、所定値以下である場合に閉弁する。

図２は回転弁体１３とシール部材１９と弾性部材２０との組み合わせ品である回転弁体ユニットの側面図である。図３は回転弁体ユニットの上面図である。図４はシール部材１９の外観図である。図２、図３ではシール部材１９を断面で示している。図３では説明の都合上、回転弁体１３およびシール部材１９間の隙間を誇張して示している。

ロータリバルブ１０Ａはさらにシール部材１９と弾性部材２０を備えている。シール部材１９の材質は例えばＰＴＦＥなどの樹脂やゴム或いはこれらの組み合わせである。シール部材１９は円筒状の形状を有しており、回転弁体１３の周囲に組み付けられる。シール部材１９は連結部Ｃで回転弁体１３と機械的に連結されることで、回転弁体１３と一体となって回転可能に設けられている。弾性部材２０は回転弁体１３およびシール部材１９間に設けられ、シール部材１９をハウジングＨに向かって付勢する。弾性部材２０は例えばスプリングである。

シール部材１９はロータリバルブ１０Ａにおいて、第１の通路部１１および回転弁体１３（具体的には第１の弁体部Ｒ１）の間に設けられるとともに、第２の通路部１２および回転弁体１３（具体的には第２の弁体部Ｒ２）の間に設けられる。そしてこれにより、ハウジングＨおよび回転弁体１３間に設けられる。シール部材１９は両端部に第１および第２の突起部Ｐ１、Ｐ２を有している。突起部Ｐ１、Ｐ２は円柱状の形状を有し、周方向の位置が互いに等しくなるように設けられている。シール部材１９には、回転弁体１３の周壁部に設けられた開口部に対応させて開口部が設けられている。

図５はハウジングＨの要部を示す図である。図６はギヤボックス部１４ｂの要部を示す図である。ハウジングＨのうち、回転弁体１３を収容する部分の下面には第１の溝部Ｄ１が設けられている。ギヤボックス部１４ｂの下面のうち、回転弁体１３に対向する部分には第２の溝部Ｄ２が設けられている。回転弁体１３の回転動作に応じ、第１の溝部Ｄ１は第１の突起部Ｐ１を案内し、第２の溝部Ｄ２は第２の突起部Ｐ２を案内する。溝部Ｄ１、Ｄ２は回転弁体１３の回転軸に沿って見た場合に互いに重なり合うように設けられている。

溝部Ｄ１、Ｄ２は回転弁体１３に対して同心状に設けられている円弧部分を有するとともに、径方向内側に向かって後退した後退部を有している。後退部は具体的には径方向内側に向かって窪んだ窪み部分となっている。円弧部分はシール部材１９をハウジングＨに接触させた状態で突起部Ｐ１、Ｐ２を案内する。窪み部分は回転弁体１３の回転動作時にシール部材１９をハウジングＨから離間させるように突起部Ｐ１、Ｐ２を案内する。なお、図５、図６では説明の都合上、円弧部分に対して窪み部分を誇張して示している。

溝部Ｄ１、Ｄ２は具体的には窪み部分を９０°毎に有している。また、隣り合う窪み部分同士それぞれの間の部分に円弧部分を有している。円弧部分は隣り合う窪み部分それぞれと滑らかに接続されている。ロータリバルブ１０Ａは第１の溝部Ｄ１が設けられたギヤボックス部１４ｂと第２の溝部Ｄ２が設けられたハウジングＨとを備えることで、溝部Ｄ１、Ｄ２を備えている。

図７はロータリバルブ１０Ａの冷却液の流通制御を示す図である。ポート１は第１の通路部１１のうち、回転弁体１３よりも上流側の部分が形成するポート、ポート２は第１の通路部１１のうち、回転弁体１３よりも下流側の部分、且つ出口部Ｏｕｔ１に連通する部分が形成するポート、ポート３は第１の通路部１１のうち、回転弁体１３よりも下流側の部分、且つ出口部Ｏｕｔ２に連通する部分が形成するポート、ポート４は第２の通路部１２のうち、回転弁体１３の上流側の部分が形成するポート、ポート５は第２の通路部１２のうち、回転弁体１３の下流側の部分が形成するポートである。ポート６は第１の連通部Ｂ１が第２の通路部１２のうち、回転弁体１３よりも下流側の部分に形成するポートである。

ロータリバルブ１０Ａはポート１から５の開閉によって、例えば冷却液の流通を停止させる流通停止、シリンダブロックで冷却液の淀みを発生させるブロック淀み、適温範囲内で相対的に高温の冷却液を全開で流通させる高温全開、適温範囲内で相対的に低温の冷却液を全開で流通させる低温全開の４つの流通制御を行うことができる。この点、ポート１から５の開閉は回転弁体１３によって行われ、ポート６の開閉はサーモスタット１５により行われる。このため、図６ではポート６についてはサーモスタット１５による冷却液の流通制御が回転弁体１３の回転動作に関わらず有効であることを示している。

流通停止では、回転弁体１３がポート１を遮断することで、冷却液の流通を停止させるようにしている。このとき、回転弁体１３は同時にポート２、４、５を遮断するとともにポート３を開放するようにしている。ブロック淀みでは、回転弁体１３がポート１、２を開放するとともにポート３、４、５を遮断することで、シリンダヘッドに冷却液を流通させつつ、シリンダブロックへの冷却液の流通を停止するようにしている。

高温全開では、回転弁体１３がポート１、３を開放するとともにポート２、４、５を遮断することで、シリンダブロックに相対的に高温の冷却液を流通させつつ、シリンダヘッドへの冷却液の流通を停止するようにしている。低温全開では、回転弁体１３がポート１、３、４、５を開放するとともにポート２を遮断することで、シリンダブロックに相対的に低温の冷却液を流通させつつ、シリンダヘッドへの冷却液の流通を停止するようにしている。高温全開はエンジンの低負荷時に、低温全開はエンジンの高負荷時にそれぞれ行うことができる。

次にロータリバルブ１０Ａの作用効果について説明する。図８はロータリバルブ１０Ａにおけるシール部材１９の動作説明図である。突起部Ｐ１、Ｐ２は具体的には溝部Ｄ１、Ｄ２のうち、ポート１に対応する円弧部分に位置する場合に、ポート１を閉じて水止めするように設けられている。このため水止め時には、突起部Ｐ１、Ｐ２が溝部Ｄ１、Ｄ２のうち、ポート１に対応する円弧部分に位置するとともに、シール部材１９とハウジングＨとが互いに接触した状態になっている。

突起部Ｐ１、Ｐ２は溝部Ｄ１、Ｄ２のうち、ポート３に対応する円弧部分に位置する場合に、ポート１を開くとともにポート３を閉じてブロック淀みを行うように設けられている。そして、ポート３は具体的にはポート１から回転弁体１３の回転方向前方側に９０°ずれた位置に設けられている。このため、水止めからブロック淀みへの移行中には、突起部Ｐ１、Ｐ２が溝部Ｄ１、Ｄ２のうち、ポート１、３間に設けられた窪み部分に位置する。そしてこれにより、シール部材１９が径方向内側に向かって押し込まれる結果、ポート１、３の開口エッジのうち、回転方向前方側に位置する部分それぞれとの間に隙間を生じさせる。このとき、連結部Ｃはポート１の手前に位置している。

ブロック淀みでは、突起部Ｐ１、Ｐ２が溝部Ｄ１、Ｄ２のうち、ポート３に対応する円弧部分に位置する結果、シール部材１９とハウジングＨとが再び接触した状態となる。このとき、冷却液は回転弁体ユニットを介してポート１から図示しないポート２へと流通する。

このようにロータリバルブ１０Ａは溝部Ｄ１、Ｄ２を備えることで、回転弁体１３の回転動作時に例えばシール部材１９とポート１、３の開口エッジとの間に隙間を生じさせることができる。結果、シール部材１９の摩耗を抑制できる。また、ロータリバルブ１０Ａは溝部Ｄ１、Ｄ２を備えることで、シール部材１９をハウジングＨに押し付けようとする弾性部材２０の力や流体の圧力が存在していても、回転弁体１３の回転動作時にシール部材１９をハウジングＨから離間させるように突起部Ｐ１、Ｐ２を案内することで、シール部材１９のフリクションを低減できる。結果、回転弁体１３の駆動に要する力も低減できる。

さらにロータリバルブ１０Ａは弾性部材２０を備えることで、シール部材１９をハウジングＨに押し付けようとする流体の圧力が低下した場合であってもシール性能を確保できる。この点、弾性部材２０は具体的には突起部Ｐ１、Ｐ２が溝部Ｄ１、Ｄ２のうち、ポート１に対応する円弧部分に位置する場合にポート１に対向する位置に設けられている。

ロータリバルブ１０Ａは複数（具体的にはここでは９０°毎に計４つ）の後退部である窪み部分を有するとともに、隣り合う窪み部分同士それぞれの間の部分にシール部材１９とハウジングＨとを接触させた状態で突起部Ｐ１、Ｐ２を案内する円弧部分を有する溝部Ｄ１、Ｄ２を備え、各円弧部分に対応させて複数のポートを設けることで、周方向において隣り合うポート間それぞれに窪み部分を設けている。そしてこれにより、回転弁体１３の回転動作時に各ポートとの間で発生するシール部材１９の摩耗抑制を駆動力の低減とともに図ることができる。

この点、ロータリバルブ１０Ａは少なくとも３つの後退部である窪み部分を有する溝部Ｄ１、Ｄ２を備えることで、複数の供給先に冷却液を分配することを可能にしつつ、回転弁体１３の回転動作時に各ポートとの間で発生するシール部材１９の摩耗抑制を駆動力の低減とともに図ることができる。

また、ロータリバルブ１０Ａは９０°毎に計４つの後退部である窪み部分を有する溝部Ｄ１、Ｄ２を備えることで、第１の通路部１１における冷却液の流通と第２の通路部１２における冷却液の流通とを回転動作で同時に制御する回転弁体１３を備える場合に、例えば前述したような所定の冷却液の流通制御を窪み部分の数を抑えた上で成立させつつ、回転弁体１３の回転動作時に通路部１１、１２それぞれとの間で発生するシール部材１９の摩耗抑制を駆動力の低減とともに図ることができる。

第１の通路部１１における冷却液の流通と第２の通路部１２における冷却液の流通とを回転動作で同時に制御する回転弁体１３を備えるロータリバルブ１０Ａでは、通路部１１、１２それぞれの冷却液の流通を１軸の回転弁体１３で同時に制御する構成上、回転弁体１３の駆動に要する力が大きくなり易くなっている。このため、ロータリバルブ１０Ａはかかる回転弁体１３を回転弁体として備える場合に特に好適である。

図９はハウジングＨ´の要部を示す図である。図１０はギヤボックス部１４ｂ´の要部を示す図である。本実施例にかかるロータリバルブ１０ＢはハウジングＨの代わりにハウジングＨ´を備える点と、ギヤボックス部１４ｂの代わりにギヤボックス部１４ｂ´を備える点以外、ロータリバルブ１０Ａと実質的に同一である。このため、ロータリバルブ１０Ｂについては図示省略する。

ハウジングＨ´は第１の溝部Ｄ１の代わりに第１の溝部Ｄ１´を備える点以外、ハウジングＨと実質的に同一である。ギヤボックス部１４ｂ´は第２の溝部Ｄ２の代わりに第２の溝部Ｄ２´を備える点以外、ギヤボックス部１４ｂと実質的に同一である。溝部Ｄ１´、Ｄ２´は以下に示す点以外、溝部Ｄ１、Ｄ２と実質的に同一である。

すなわち、溝部Ｄ１´、Ｄ２´では少なくとも第１の通路部１１のうち、回転弁体１３よりも上流側の部分に対応する部分（ポート１に対応する円弧部分）の溝幅が径方向内側に向かって広く形成されている。そしてこれにより、第１の通路部１１のうち、回転弁体１３よりも上流側の部分における冷却液の圧力が所定値よりも高い場合にシール部材１９がハウジングＨ´から離間するようにしている。

溝部Ｄ１´、Ｄ２´では上述の溝幅が具体的には次のように形成されている。すなわち、突起部Ｐ１、Ｐ２が溝部Ｄ１´、Ｄ２´において第１の通路部１１のうち、回転弁体１３よりも上流側の部分に対応する部分（ポート１に対応する円弧部分）に位置する場合に、溝部Ｄ１´、Ｄ２´の内側の縁部に当接した状態で第１の通路部１１のうち、回転弁体１３の上流側の部分と下流側の部分（具体的にはここでは出口部Ｏｕｔ２に連通する部分）とを連通する隙間（ポート１とポート３とを連通する隙間）をシール部材１９およびハウジングＨ´間に形成するように径方向内側に向かって広く形成されている。

溝部Ｄ１´、Ｄ２´ではさらに具体的には第１の通路部１１のうち、回転弁体１３よりも上流側の部分に対応する部分（ポート１に対応する円弧部分）から、回転弁体１３の回転方向前方側で隣接する窪み部分（ポート１、３間に設けられた窪み部分）を介して、当該窪み部分に回転弁体１３の回転方向前方側で連なる部分（ポート３に対応する円弧部分）に至る範囲まで、溝幅が径方向内側に向かって広く形成されている。溝部Ｄ１´、Ｄ２´のうち、溝幅が広く形成されている部分の内側の縁部は、第１の通路部１１のうち、回転弁体１３よりも上流側の部分（ポート１）からの冷却液の圧力に応じて回転弁体１３を回転方向に沿って回転動作させる力を突起部Ｐ１、Ｐ２で発生させることが可能な形状に形成されている。

次にロータリバルブ１０Ｂの作用効果について説明する。図１１はロータリバルブ１０Ｂにおけるシール部材１９の動作説明図である。水止め時には、突起部Ｐ１、Ｐ２は溝部Ｄ１´、Ｄ２´のうち、ポート１に対応する円弧部分に位置している。そして、ポート１における冷却液の圧力が低圧である場合には、シール部材１９とハウジングＨ´とは互いに接触した状態となっている。冷却液の圧力が低圧である場合は、具体的にはここでは冷却液の圧力に応じた作用力と弾性部材２０の力とが釣り合っている場合となっている。

冷却液の圧力が高まった場合（中圧の場合）、冷却液の圧力に応じて突起部Ｐ１、Ｐ２が内側に向かって押し込まれることで、シール部材１９とハウジングＨ´との間に隙間が生じる。そして、この隙間によってポート１、３が連通する。この状態で、冷却液の圧力に応じた作用力は突起部Ｐ１、Ｐ２が溝部Ｄ１´、Ｄ２´の内側の縁部から受ける反力（壁反力）と弾性部材２０の力との和と等しくなっている。冷却液の圧力はこの状態で所定値よりも高くなっている。

冷却液の圧力がさらに高まった場合（高圧の場合）、冷却液の圧力に応じた作用力が溝部Ｄ１´、Ｄ２´の内側の縁部に当接した突起部Ｐ１、Ｐ２で分力される結果、回転弁体１３を回転方向に沿って回転動作させる力が発生する。結果、回転弁体１３が回転方向に沿って回転動作する。ブロック淀みでは、突起部Ｐ１、Ｐ２が溝部Ｄ１´、Ｄ２´のうち、ポート３に対応する円弧部分に位置する結果、シール部材１９とハウジングＨ´とが再び接触した状態となる。

このようにロータリバルブ１０Ｂは少なくとも第１の通路部１１のうち、回転弁体１３よりも上流側の部分に対応する部分の溝幅が径方向内側に向かって広く形成されている溝部Ｄ１´、Ｄ２´を備えることで、ロータリバルブ１０Ａと比較してさらに冷却液の圧力が所定値よりも高まった場合に冷却液を自動的に流通させるフェールセーフ機能を実現することもできる。

ロータリバルブ１０Ｂは上述したように冷却液の圧力に応じて回転弁体１３を回転方向に沿って回転動作させる力を突起部Ｐ１、Ｐ２で発生させることが可能な形状に形成されている溝部Ｄ１´、Ｄ２´を備えることで、エンジン高回転時など冷却液の圧力が所定値よりもさらに高まった場合に水止めを自動的に解除するフェールセーフ機能を実現することもできる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

ロータリバルブ １０Ａ、１０Ｂ
第１の通路部 １１
第２の通路部 １２
回転弁体 １３
シール部材 １９
弾性部材 ２０

Claims (2)

1. 流体を流通させる通路部を有するハウジングと、
   前記ハウジングに設けられ、前記通路部を流通する流体の流通を回転動作で制御する回転弁体と、
   前記ハウジングおよび前記回転弁体間に前記回転弁体と一体となって回転可能に設けられ、第１および第２の突起部を両端部に有するシール部材と、
   前記回転弁体および前記シール部材間に設けられ、前記シール部材を前記ハウジングに向かって付勢する弾性部材と、
   前記回転弁体の回転動作に応じて前記第１の突起部を案内する第１の溝部、および前記第２の突起部を案内する第２の溝部と、を備え、
   前記第１および第２の溝部が径方向内側に向かって後退した後退部を有し、前記後退部が前記回転弁体の回転動作時に前記シール部材を前記ハウジングから離間させるように前記第１および第２の突起部を案内するロータリバルブ。
2. 請求項１記載のロータリバルブであって、
   前記通路部のうち、前記回転弁体よりも上流側の部分における流体の圧力が所定値よりも高い場合に前記シール部材が前記ハウジングから離間するように、前記第１および第２の溝部において、少なくとも前記通路部のうち、前記回転弁体よりも上流側の部分に対応する部分の溝幅が径方向内側に向かって広く形成されているロータリバルブ。
   

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