JP6585487B2 - 流路可変機構とそれを備えたエゼクタ - Google Patents

Description

本願は、流路の断面積を増減させる流路可変機構と、その流路可変機構を備えたエゼクタに関する。

例えば特許文献１に一般的なエゼクタが開示されている。このエゼクタでは、第１流体（駆動流体）がノズルから吸引室に噴射されることによって吸引室に負圧（圧力降下）が発生し、この負圧により第２流体（吸引流体）が吸引室に吸引される。そして、第１流体および第２流体は混合されディフューザから吐出される。ディフューザには、流路断面積が最小の平行流路（最狭部）と、下流にいくに従って流路断面積が大きくなる拡大流路とが上流側から順に設けられている。第１流体および第２流体の混合流体は、ディフューザの平行流路では流速が概ね音速となり、拡大流路を流れる際に減速および昇圧される。この状態において、吸引室の圧力（吸入圧力）とディフューザから吐出される流体の圧力（吐出圧力）とは一定の関係で維持される。つまり、エゼクタでは平行流路が圧力の臨界位置となり、吸入圧力が吐出圧力よりも低い値で維持される。

特開平７−１３９５００号公報

ところで、上述したようなエゼクタでは、供給先における運転条件（混合流体の使用量や使用圧力）の変更等によって吐出圧力が上昇してしまい、この吐出圧力の上昇により第２流体の吸入流量（吸引量）を確保できなくなる場合がある。即ち、吐出圧力が所定値を超えると、平行流路における流速が音速よりも低下して圧力の臨界位置がなくなるため、吸入圧力が吐出圧力とほぼ同等の値まで上昇してしまう。そのため、吸引室に第２流体が吸引されにくくなり、第２流体の吸入流量が著しく減少する。

そこで、平行流路に流量調整バルブを設け、このバルブによって平行流路の流路断面積を減少させることにより、平行流路における流速を上昇させることが考えられる。しかしながら、この方策では、一定の長さを有する平行流路において僅かな区間で流路断面積が減少するだけであるため、流速を音速に維持して圧力の臨界位置を安定して形成することが困難であった。そのため、平行流路のような一定の長さを有する流路において全長に亘って流路断面積を増減し得る機構が強く望まれていた。

本願に開示の技術は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、一定の長さを有する流路において全長に亘って流路断面積を増減し得る流路可変機構およびそれを備えたエゼクタを提供することにある。

本願の流路可変機構は、複数の流路壁と、複数のアーム部と、複数の連結軸と、回転板とを備えている。上記複数の流路壁は、流路軸方向に延びる板状に形成され、上記流路軸周りに互いに接して配置され内側に流路を形成すると共に、幅方向における端部が上記流路軸方向に延びる軸に回転自在に支持されている。上記複数のアーム部は、上記各流路壁の外側面に設けられている。上記複数の連結軸は、上記流路軸方向に延びると共に上記各アーム部に連結されている。上記回転板は、上記流路軸と同軸に上記複数の流路壁の外周側に設けられ、上記流路軸周りに回転自在な環状板である。そして、上記回転板は、上記流路軸周りに円弧状に延びると共に一端から他端へいくに従って上記流路軸に近づくように形成され、上記各連結軸が摺動可能に挿入された複数の案内孔を有している。そして、本願の流路可変機構は、上記回転板を回転させることにより、上記流路壁が回転して上記流路の断面積を増減させるものである。

また、本願のエゼクタは、ノズルと、吸引室と、ディフューザとを備えている。上記ノズルは、第１流体が噴出するものである。上記吸引室は、上記ノズルが収容され、該ノズルから上記第１流体が噴出することによって生じる負圧により第２流体が吸引されるものである。上記ディフューザは、平行流路と、該平行流路の下流端に連なり、下流にいくに従って流路断面積が大きくなる拡大流路とを有し、上記吸引室の上記第１流体および上記第２流体が混合して吐出されるものである。そして、本願のエゼクタは、上記平行流路の流路断面積を増減させる上述した流路可変機構を備えているものである。

以上のように、本願の流路可変機構によれば、回転板を回転させることによって案内孔が変位する。つまり、案内孔は流路軸を中心として公転する。そうすると、連結軸は案内孔の端部へ向かって相対的に変位する。ここで、案内孔は一端から他端へいくに従って流路軸に近づくように形成されているため、連結軸は案内孔の変位方向（回転板の回転方向）に応じて流路軸に近づいたり遠ざかったりする。つまり、連結軸は案内孔によって流路軸に近づく方向または遠ざかる方向へ変位される。この連結軸の変位に伴い、アーム部が変位して流路壁が正方向または逆方向に回転する。こうして複数の流路壁が回転することにより、複数の流路壁によって形成された流路の断面積を増減させることができる。つまり、流路軸方向に延びる流路壁全体が回転するため、流路の全長に亘って流路断面積を増減させることができる。

また、本願のエゼクタによれば、吸引室に噴出した第１流体と吸引室に吸引された第２流体とが混合してディフューザから吐出される。第１流体および第２流体の混合流体は、ディフューザの平行流路では流速が概ね音速となり、拡大流路を流れる際に減速および昇圧される。ディフューザにおいて、平行流路は流路断面積が最小となる部分（いわゆる「のど部」）である。この状態において、吸引室の圧力（吸入圧力）とディフューザから吐出される流体の圧力（吐出圧力）とは一定の関係で維持される。つまり、エゼクタでは平行流路が圧力の臨界位置となり、吸入圧力は吐出圧力よりも低い値で維持される。

ここで、外部条件の変更により吐出圧力が上昇して所定値を超えると、平行流路における流速が音速よりも低下する。そうすると、エゼクタでは、圧力の臨界位置がなくなり、吸入圧力が吐出圧力とほぼ同等の値まで次第に上昇してゆく。この吸入圧力の上昇により、第２流体の吸入流量が著しく減少してしまう。そこで、本願のエゼクタによれば、平行流路の流路断面積を増減させる流路可変機構を設けるようにしたため、吐出圧力の上昇時に流路可変機構によって平行流路の流路断面積を減少させることにより、平行流路における流速を音速に維持することができる。これにより、平行流路において圧力の臨界位置が安定して確保することができるので、吐出圧力が上昇しても吸入圧力の上昇をできるだけ抑えることができる。したがって、第２流体の吸入流量の減少を抑えることができる。

図１は、実施形態に係るエゼクタの概略構成を示す縦断面図である。 図２は、実施形態に係る流路可変機構の流路最大状態を示す横断面図である。 図３は、実施形態に係る流路可変機構の要部について流路最大状態を示す横断面図である。 図４は、実施形態に係る流路可変機構の流路最小状態を示す横断面図である。 図５は、実施形態に係る流路可変機構の要部について流路最小状態を示す横断面図である。

以下、本願の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本願に開示の技術、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

図１に示すように、本実施形態のエゼクタ１は、高圧蒸気（第１流体）を噴出させることによって低圧蒸気（第２流体）を吸引し、これら蒸気を混合して吐出する蒸気エゼクタである。つまり、本実施形態のエゼクタ１において、高圧蒸気は駆動流体であり、低圧蒸気は吸引流体である。本実施形態のエゼクタ１には、本願の請求項に係る流路可変機構４０が設けられている。

〈エゼクタの全体構成〉
エゼクタ１は、上流側から順に、入口流路１０と、吸引室２０と、ディフューザ３０とを備えている。入口流路１０は、上下流方向（図１において左右方向）に延びる流路である。入口流路１０は、上流側に高圧蒸気の流入口１１が設けられており、下流端にノズル１２が設けられている。入口流路１０は、高圧蒸気が流入口１１から流入してノズル１２の開口１３から噴出される。吸引室２０には、入口流路１０の下流端が接続され、ノズル１２が収容されている。また、吸引室２０には、低圧蒸気の吸引口２１が設けられている。吸引室２０は、ノズル１２から高圧蒸気が噴出することによって生じる負圧（圧力降下）により低圧蒸気が吸引口２１から吸引される。つまり、吸引室２０では、高圧蒸気のジェットポンプ効果によって生じる負圧により、低圧蒸気を吸引するための吸引力が発生する。

ディフューザ３０は、上下流方向に延びる流路である。ディフューザ３０は、吸引室２０に接続され、高圧蒸気および低圧蒸気の出口流路を構成している。ディフューザ３０は、上流側から順に連なる、絞り流路３１、平行流路３２および拡大流路３３を有している。絞り流路３１は、上流端が吸引室２０に接続され、下流端に平行流路３２が連なって（接続されて）いる。絞り流路３１は、吸引室２０においてノズル１２（入口流路１０）と対向する位置に接続されている。絞り流路３１は、下流にいくに従って流路断面積（流路径）が小さくなっている。平行流路３２は、流路断面積（流路径）が一定の流路であり、下流端に拡大流路３３が連なって（接続されて）いる。拡大流路３３は、下流にいくに従って流路断面積（流路径）が大きくなっている。ディフューザ３０は、直線状の流路であり、平行流路３２の流路断面積が最小となっている。つまり、ディフューザ３０において平行流路３２はいわゆる「のど部」を構成している。ディフューザ３０は、吸引室２０に噴出された高圧蒸気と吸引室２０に吸引された低圧蒸気とが混合して吐出されるものであり、混合蒸気が拡大流路３３を流れる際に混合蒸気を減速および昇圧するものである。

〈エゼクタの動作〉
上述したエゼクタ１では、入口流路１０に流入した高圧蒸気がノズル１２から吸引室２０内に噴出されると共に、その高圧蒸気の噴出によって低圧蒸気が吸引口２１から吸引室２０内に吸引される。そして、吸引室２０の高圧蒸気および低圧蒸気は混合してディフューザ３０から吐出される。ディフューザ３０から吐出された蒸気は、使用箇所に供給される。高圧蒸気および低圧蒸気の混合蒸気は、ディフューザ３０の平行流路３２（のど部）では流速が概ね音速となり、拡大流路３３を流れる際に減速および昇圧される。この状態のエゼクタ１では、吸入圧力とディフューザ３０から吐出される混合蒸気の圧力（以下、吐出圧力という。）とは一定の関係で維持される。つまり、エゼクタ１では平行流路３２が圧力の臨界位置となり、吸入圧力は吐出圧力よりも低い値で維持される。

〈流路可変機構の構成〉
流路可変機構４０は、ディフューザ３０に設けられ、平行流路３２の流路断面積（流路径）を増減させて流量を調整するものであり、いわゆる流量調整機構を構成している。流路可変機構４０は、絞り流路３１を構成する配管のフランジ３５と、拡大流路３３を構成する配管のフランジ３６とに挟まれて設けられている。図２〜図５にも示すように、流路可変機構４０は、複数対（本実施形態では、４対）の流路壁４１およびアーム部４３と、２つの回転板４５と、回転筒４８とを備えている。

４つの流路壁４１は、平行流路３２の流路軸Ｐ方向（上下流方向）に延びるやや厚めの板状部材である。４つの流路壁４１は、互いが流路軸Ｐを囲うように流路軸Ｐ周りに配置されて内側に平行流路３２を形成している（図２および図４参照）。つまり、平行流路３２は４つの流路壁４１によって形成されており、４つの流路壁４１によって囲まれた面積が平行流路３２の流路断面積であり、流路壁４１の長さ（流路軸Ｐ方向の長さ）が平行流路３２の長さである。流路壁４１の内側面には円弧面が形成されており、この円弧面に別の流路壁４１の端部が接している。そして、流路壁４１は、別の流路壁４１と接する端部とは反対側の端部が、流路軸Ｐ方向に延びて設けられた固定軸４２に回転自在に支持されている。つまり、流路壁４１は固定軸４２周りに回転自在となっている。なお、固定軸４２は円形の軸部材である。４つのアーム部４３は、流路軸Ｐ方向に延びるやや厚めの板状部材である。アーム部４３は、流路壁４１の外側面に該外側面から突出して設けられている（図２および図４参照）。また、アーム部４３は、流路軸Ｐ方向の長さが流路壁４１の長さよりも短くなっており、流路壁４１における流路軸Ｐ方向の中央に設けられている（図１参照）。

２つの回転板４５は、環状の板部材であり、流路軸Ｐ周りに配置された４つの流路壁４１に挿入されて該流路壁４１の外周側に配置されている。つまり、流路可変機構４０には、上流側と下流側の２か所に流路軸Ｐと同軸の回転板４５が設けられている。回転板４５には、４つの案内孔４６が形成されている。４つの案内孔４６は、回転板４５の周方向において互いに等間隔で設けられている。案内孔４６は、流路軸Ｐ周りに円弧状に延びる長孔であり、一端から他端（図２〜図５において右回り）にいくに従って流路軸Ｐに近づくように延びている。そして、２つの回転板４５は流路軸Ｐを回転中心として回転自在に設けられている。なお、図２および図４では、上流側から視た断面図を示し、回転板４５は下流側のものを示す。

また、流路可変機構４０は、アーム部４３と２つの回転板４５とを連結する連結軸４４を備えている。つまり、本実施形態では４つの連結軸４４が設けられている。連結軸４４は、流路軸Ｐ方向に延びる円形の軸部材である。連結軸４４は、中央部がアーム部４３の先端部（突出端部）に挿入されて固定され、両端部が２つの回転板４５の案内孔４６に摺動可能（変位可能）に挿入されている（図３および図５参照）。連結軸４４の外径は、案内孔４６の幅と概ね同じ大きさである。

図１に示すように、絞り流路３１側のフランジ３５および拡大流路３３側のフランジ３６には、平行流路３２側に突出する環状部３５ａ，３６ａが形成されている。流路可変機構４０では、４つの流路壁４１は環状部３５ａ，３６ａの内周側に位置し、４つのアーム部４３および２つの回転板４５は２つの環状部３５ａ，３６ａの間に位置している。流路壁４１の長さ（流路軸Ｐ方向の長さ）はそして、流路可変機構４０では、環状部３５ａ，３６ａの外周側に回転筒４８が設けられている。回転筒４８は、流路壁４１と略同じ長さの円筒部材である。回転筒４８の内径は、環状部３５ａ，３６ａの外径と略同じであり、回転板４５の外径よりも若干大きい。回転筒４８は、流路軸Ｐを回転中心Ｐとして回転自在に設けられている。

流路可変機構４０では、回転筒４８を回転板４５と固定（連結）する２つの固定ピン５１が設けられている。回転筒４８には径方向に貫通する２つの貫通孔４９が形成される一方、２つの回転板４５には外縁部に凹部４７が形成されている（図２〜図５参照）。回転筒４８において、２つの貫通孔４９は、流路軸Ｐ方向に並び、２つの回転板４５に対応する位置に設けられている。固定ピン５１は、回転筒４８の貫通孔４９を貫通し、先端部が回転板４５の凹部４７に挿入されている。この固定ピン５１により、回転筒４８が回転板４５と固定（連結）され、回転筒４８と回転板４５とが一体で回転する。なお、流路可変機構４０では、回転筒４８と環状部３５ａ，３６ａとの間をシールするためのＯリング３７が設けられている。これにより、流路可変機構４０において平行流路３２からの蒸気漏れが防止される。

〈流路可変機構の動作〉
流路可変機構４０では、手動で回転筒４８を回転させることにより、平行流路３２の流路断面積が増減される。なお、以下で言及する「右回り」および「左回り」とは上流側から視た方向を示し、案内孔４６の「前端」および「後端」とは上流側から視て右回りに回転した際の回転方向前方側の端部および回転方向後方側の端部を示すものとする。

例えば、図２に矢印で示すように、回転筒４８が右回りに回転されると、２つの回転板４５が回転筒４８と共に右回りに回転する。これにより、回転板４５の案内孔４６が右回りに変位する。つまり、案内孔４６は流路軸Ｐを中心として右回りに公転する。そうすると、連結軸４４は案内孔４６の後端へ向かって相対的に変位する。ここで、案内孔４６は後端にいくに従って流路軸Ｐから遠ざかるように形成されているため、連結軸４４は案内孔４６の右回りの変位によって流路軸Ｐから遠ざかる方向に変位する。つまり、連結軸４４は案内孔４６によって流路軸Ｐから遠ざかる方向へ案内される。この連結軸４４の変位に伴い、アーム部４３が流路軸Ｐから遠ざかる方向に変位する。アーム部４３が流路軸Ｐから遠ざかる方向に変位すると、それに伴って、流路壁４１が左回りに回転する。その際、流路壁４１は端部が別の流路壁４１の円弧面を摺動しながら回転する。こうして４つの流路壁４１が左回りに回転すると、４つの流路壁４１によって囲まれた空間が大きくなるので、平行流路３２の流路断面積が増大する。

そして、回転筒４８および回転板４５が更に右回りに回転し、案内孔４６がその後端と連結軸４４とが接するまで変位すると、連結軸４４は流路軸Ｐから最も遠ざかる位置に変位する（図２および図３の状態）。この状態では、一例として図２に示すように、固定ピン５１が最上位から所定角度θ１だけ左回りに回転した位置にある。こうして連結軸４４が流路軸Ｐから最も遠ざかる位置に変位すると、各流路壁４１の左回りの回転量が最大となり、平行流路３２の流路断面積が最大となる。

また、図４に矢印で示すように、回転筒４８が左回りに回転されると、２つの回転板４５が回転筒４８と共に左回りに回転する。これにより、回転板４５の案内孔４６が左回りに変位する。つまり、案内孔４６は流路軸Ｐを中心として左回りに公転する。そうすると、連結軸４４は案内孔４６の前端へ向かって相対的に変位する。ここで、案内孔４６は前端にいくに従って流路軸Ｐに近づくように形成されているため、連結軸４４は案内孔４６の左回りの変位によって流路軸Ｐに近づく方向に変位する。つまり、連結軸４４は案内孔４６によって流路軸Ｐに近づく方向へ案内される。この連結軸４４の変位に伴い、アーム部４３が流路軸Ｐに近づく方向に変位する。アーム部４３が流路軸Ｐに近づく方向に変位すると、それに伴って、流路壁４１が右回りに回転する。その際、流路壁４１は端部が別の流路壁４１の円弧面を摺動しながら回転する。こうして４つの流路壁４１が右回りに回転すると、４つの流路壁４１によって囲まれた空間が小さくなるので、平行流路３２の流路断面積が減少する。

そして、回転筒４８および回転板４５が更に左回りに回転し、案内孔４６がその前端と連結軸４４とが接するまで変位すると、連結軸４４は流路軸Ｐから最も近づく位置に変位する（図４および図５の状態）。この状態では、一例として図４に示すように、固定ピン５１が最上位から所定角度θ２（＞θ１）だけ左回りに回転した位置にある。こうして連結軸４４が流路軸Ｐから最も近づく位置に変位すると、各流路壁４１の右回りの回転量が最大となり、平行流路３２の流路断面積が最小となる。以上のように、流路可変機構４０では、回転筒４８を回転させることにより、平行流路３２の流路断面積を調整（増減）することができる。

例えば、混合蒸気の供給先である使用箇所において、運転状況が変動して、使用蒸気量が一時的に減少したり、使用蒸気圧力が一時的に上昇操作されたりすると、エゼクタ１の吐出流量が減少し吐出圧力が上昇する。そして、吐出圧力が所定値を超えると、平行流路３２における流速が音速よりも低下して圧力の臨界位置がなくなるため、吸入圧力が吐出圧力とほぼ同等の値まで次第に上昇してゆく。このまま何らの措置も講じなければ、吸入圧力の上昇により低圧蒸気の吸入流量が著しく減少してしまう。この場合、本実施形態では、流路可変機構４０によって平行流路３２の流路断面積を減少させることにより、平行流路３２における混合蒸気の流速が音速に維持される。これにより、平行流路３２において圧力の臨界位置が安定して確保されるので、吐出圧力が上昇しても吸入圧力は元の低い値に回復する。つまり、吐出圧力が上昇しても吸入圧力の上昇が抑えられる。その結果、吸入流量の減少を抑制することができるので、吸収比が小さいエゼクタ１を提供することができる。吸収比とは、吸入流量に対する入口流路１０の流量の割合である。

また、本実施形態のエゼクタ１は、図１に示すように、ノズル１２から吸引室２０に噴出される高圧蒸気の噴出量を調整する調整弁１５が入口流路１０に設けられている。調整弁１５は、弁体１６と、弁軸１７と、ハンドル１８とを有している。弁体１６は、入口流路１０に収容され、先端が円錐状に形成されている。弁軸１７は、上下流方向に延びる軸部材であり、入口流路１０に挿入されている。弁軸１７は、内方端が弁体１６に接続され、外方端がハンドル１８に接続されている。調整弁１５では、ハンドル１８を正逆方向に回転させることにより、弁体１６の先端がノズル１２の開口１３に出入りする。これにより、ノズル１２の開口１３の面積が増減され、高圧蒸気の噴出量が調整される。

以上のように、上記実施形態の流路可変機構４０によれば、回転板４５を回転させることによって案内孔４６が変位し、それに伴って、連結軸４４が案内孔４６の前端または後端へ向かって相対的に変位する。ここで、案内孔４６は後端（一端）から前端（他端）へいくに従って流路軸Ｐに近づくように形成されているため、連結軸４４を案内孔４６の変位方向（即ち、回転板４５の回転方向）に応じて流路軸Ｐに近づいたり遠ざかったりさせることができる。この連結軸４４の変位に伴い、アーム部４３が変位して流路壁４１が右回りまたは左回りに回転する。こうして複数の流路壁４１が回転することにより、複数の流路壁４１によって形成された平行流路３２の流路断面積を増減させることができる。つまり、流路軸Ｐ方向に延びる流路壁４１の全体が回転するため、平行流路３２の全長に亘って流路断面積を増減させることができる。

また、上記実施形態のエゼクタ１によれば、ディフューザ３０における平行流路３２を流路可変機構４０により構成して平行流路３２の流路断面積を増減させるようにした。これにより、吐出圧力の上昇時に平行流路３２の流路断面積を減少させることで、平行流路３２における混合蒸気の流速を音速に維持することができ、平行流路３２において圧力の臨界位置を安定して確保することができる。したがって、吐出圧力の上昇による吸入流量の減少をできるだけ抑えることができ、従来よりも吸入流量を確保することができる。

なお、上記実施形態の流路可変機構４０では、流路壁４１を４つ設けた形態について説明したが、それ以外の数量であってもよい。その場合、アーム部４３、連結軸４４および案内孔４６の数量は流路壁４１と同数設けられる。

また、上記実施形態の流路可変機構４０では、回転板４５を上流側および下流側の何れか一方だけに設けるようにしてもよい。つまり、回転板４５は１つであってもよい。

また、上記実施形態の流路可変機構４０は、エゼクタ１の平行流路３２に適用した場合について説明したが、本願の流路可変機構は、その他のシステムや機器における流路に適用するようにしてもよい。

また、上記実施形態のエゼクタ１では、第１流体および第２流体として、高圧蒸気および低圧蒸気を用いた形態について説明したが、本願に開示の技術は、その他の流体を用いた場合でも同様に適用することができる。

本願に開示の技術は、流路の断面積を増減させる流路可変機構およびエゼクタについて有用である。

１ エゼクタ
１２ ノズル
２０ 吸引室
３０ ディフューザ
３２ 平行流路（流路）
３３ 拡大流路
４０ 流路可変機構
４１ 流路壁
４３ アーム部
４４ 連結軸
４５ 回転板
４６ 案内孔
Ｐ 流路軸

Claims (2)

1. 流路軸方向に延びる板状に形成され、上記流路軸周りに互いに接して配置され内側に流路を形成すると共に、幅方向における端部が上記流路軸方向に延びる軸に回転自在に支持された複数の流路壁と、
   上記各流路壁の外側面に設けられた複数のアーム部と、
   上記流路軸方向に延びると共に上記各アーム部に連結された複数の連結軸と、
   上記流路軸と同軸に上記複数の流路壁の外周側に設けられ、上記流路軸周りに回転自在な環状板であり、上記流路軸周りに円弧状に延びると共に一端から他端へいくに従って上記流路軸に近づくように形成され、上記各連結軸が摺動可能に挿入された複数の案内孔を有する回転板とを備え、
   上記回転板を回転させることにより、上記流路壁が回転して上記流路の断面積を増減させる
   ことを特徴とする流路可変機構。
2. 第１流体が噴出するノズルと、
   上記ノズルが収容され、該ノズルから上記第１流体が噴出することによって生じる負圧により第２流体が吸引される吸引室と、
   平行流路と、該平行流路の下流端に連なり、下流にいくに従って流路断面積が大きくなる拡大流路とを有し、上記吸引室の上記第１流体および上記第２流体が混合して吐出されるディフューザと、
   上記平行流路の流路断面積を増減させる請求項１に記載の流路可変機構とを備えている
   ことを特徴とするエゼクタ。
   

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