JP6755140B2 - バタフライ弁 - Google Patents

Description

本発明は、芯材を内包する弁体を有するバタフライ弁に関するものである。

塩酸等の腐食性流体の流れを開閉するためにもバタフライ弁が用いられている。そのようなバタフライ弁の耐食性及び耐薬品性を高めるために、弁体を合成樹脂材料から形成することが従来行われている。また、近年、弁体を合成樹脂材料から形成したバタフライ弁の口径の大型化及び使用温度範囲の高温化が特に求められている。ただし、合成樹脂材料製の弁体は、バタフライ弁を流通する流体の温度が高くなるにつれて、あるいはバタフライ弁の口径が大型化するにつれて、必要な強度を得ることが次第に難しくなる。特に、弁体が、２本の分割された弁軸によって支持されるタイプの場合、弁軸を支持する弁体の軸受穴に生じる応力が高くなり、その結果、軸受穴の変形という問題が生じることがある。

上述した問題に対処するために、特許文献１に記載されているように、合成樹脂製の弁体を、その内部に封入した金属製の芯材で補強することも従来行われている。

特許第３８７７８８５号公報

特許文献１のバタフライ弁の弁体は、その内部に金属製の芯材が配置されることにより補強されているが、腐食性流体の流れの開閉には用いることができないようにみえる。というのも、特許文献１の弁体は、軸受穴の開口周縁部を含めた外面の大部分が合成樹脂材料で覆われているとはいえ、流体が流入する可能性のある軸受穴において金属製の芯材が露出しているからである。なお、軸受穴は通常はシートリング等のシール部材と軸受穴の開口周縁部とによってシールされているが、合成樹脂の開口周縁部が高温によりあるいは経年劣化により変形して軸受穴のシールが破られることがしばしば発生する。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであって、強度と耐食性及び耐薬品性とを兼ね備えた弁体を有するバタフライ弁を提供することを目的としている。

上述の目的を達成するために、本発明によると、本体と、弁軸と、本体に対して回転可能な弁体とを具備するバタフライ弁であって、弁体は、芯材と、その芯材を包囲して弁体の輪郭を形成する合成樹脂材料からなる輪郭形成部材とから一体的に形成されて、弁軸を支持する軸受穴を有しており、輪郭形成部材は軸受穴の内周面の少なくとも一部を形成する軸受内周部を有しており、輪郭形成部材は軸受内周部も含めて連続的に形成されており、芯材が輪郭形成部材の軸受内周部を弁体の回転軸線の半径方向外側から支持する軸受補強部を有する、バタフライ弁が提供される。

本発明によるバタフライ弁においては、弁体の軸受穴の少なくとも一部は、芯材が露出することなく合成樹脂材料からなる軸受内周部によって形成される一方で、軸受内周部は、芯材の一部である軸受補強部によって半径方向外側から支持される。そのため、軸受穴の軸受内周部によって形成された部分は、充分な耐食性を有する一方で、たとえ高温の流体の流れを開閉する場合であっても変形し難く、その結果、その部分で流体をシールしている場合には高いシール性を維持することが可能になる。また、軸受内周部を形成する合成樹脂材料が周囲の合成樹脂材料と連続していることも軸受穴の変形の抑制に寄与する。

本発明の実施形態によるバタフライ弁の閉弁時の正面部分断面図である。 前記バタフライ弁の弁体の部分断面を含む斜視図である。 図１のＡ部の拡大図である。 前記弁体が内包する芯材の部分断面を含む斜視図である。 本発明の実施形態の第１の変形例における芯材の（ａ）平面図と（ｂ）Ｂ−Ｂ断面図である。 第１の変形例における弁体の上部の部分断面を含む正面図である。 本発明の実施形態の第２の変形例における芯材の（ａ）平面図と（ｂ）Ｃ−Ｃ断面図である。 第２の変形例における弁体の上部の部分断面を含む正面図である。 本発明の実施形態の第３の変形例における芯材の（ａ）平面図と（ｂ）Ｄ−Ｄ断面図である。 第３の変形例における弁体の上部の部分断面を含む正面図である。 第４の変形例における弁体の上部の正面断面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態によるバタフライ弁１０について説明する。
図１は、本発明の実施形態によるバタフライ弁１０の正面部分断面図であって、弁体３０が流路を閉鎖している状態を示している。このバタフライ弁１０は、上下２箇所に突出部を有するが概ね環状の本体１１と、円板状の弁体３０と、回転軸線Ｒ上に配置された上側の第１弁軸１３及び下側の第２弁軸１４と、本体１１と弁体３０との間をシールする略円筒状のシートリング１２と、複数のＯリング１６が装着されて弁軸の各々に外挿された合成樹脂製のブッシュ１５と、上側の第１弁軸１３に連結されたハンドル部１７と、それに連結された歯車機構部１８と、本体１１の底部に配置されて下側の第２弁軸１４を支持する弁軸ホルダ１９とを主要な構成要素として具備する。なお、図１ではハンドル部１７と歯車機構部１８は断面にされていない。

本体１１は、挿通された第１及び第２弁軸１３，１４を、ブッシュ１５を介して回転可能に支持するために、本体軸受部２１，２２を上部及び下部に有している。本実施形態の本体１１は、合成樹脂成形品として形成されており、本体軸受部２１，２２の周囲の内部には補強のための金属製のインサート部材２３が含まれている。本体１１の上部に連結されたハンドル部１７は、水平に延びるハンドル軸の回転トルクを垂直に延びる第１弁軸１３に伝達するための歯車機構部１８を有する。なお、歯車機構部１８は円筒ウォームとウォームホイールとから構成される従来型のものであるのでその内部の図示は省略する。ハンドル部１７に加えられた回転トルクを第１弁軸１３によって弁体３０に伝達するために、第１弁軸１３は、ブッシュ１５を介して本体１１により回転可能に支持される一方で弁体３０に対しては回転不能に接続されている。このため、第１弁軸１３の下端部とそれが挿入されて嵌合する弁体３０の後述する第１小径穴部３３ｂの横断面は非円形に形成されている。一方、第２弁軸１４は、本体１１に対しても弁体３０に対しても回転可能にブッシュ１５を介して支持されている。したがって第２弁軸１４の横断面形状はどこでも円形に形成されている。

図２は、本実施形態によるバタフライ弁１０の弁体３０の部分断面を含む斜視図である。弁体３０は円板状の外形を形成する合成樹脂製の輪郭形成部材３１と、輪郭形成部材３１によって包囲された金属製の芯材３２とから一体に形成されている。本実施形態における弁体３０は、芯材３２が予めセットされた射出成形用の金型に、輪郭形成部材３１を構成する合成樹脂材料を射出して成形されたものである。前記合成樹脂材料として、本実施形態では、高い耐薬品性を有するＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）が用いられている。但し、本発明においては、他の合成樹脂材料、例えばＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＦＡ（パーフルオロアルコキシアルカン）等が用いられた実施形態も可能である。一方、芯材３２は、本実施形態では鋳造用のアルミニューム合金から形成されている。但し、芯材３２の材料は、これに限定されることはなく、輪郭形成部材３１よりも高い機械的強度を有するのであれば、他の金属材料であっても、さらには非金属材料であってもよい。

弁体３０は、上側の第１弁軸１３を支持するための第１軸受穴３３と下側の第２弁軸１４を支持するための第２軸受穴３４とを有し、それら第１及び第２軸受穴３３，３４は回転軸線Ｒに同軸に形成されている。第１軸受穴３３は、ブッシュ１５が挿入されてブッシュ１５を介して第１弁軸１３を支持する、開口端を含む相対的に大径の第１大径穴部３３ａと、第１大径穴部３３ａから更に回転軸線Ｒ方向の内部に延びる相対的に小径の第１小径穴部３３ｂとから構成されている。第１大径穴部３３ａの内周面は輪郭形成部材３１により形成されるのに対して、第１小径穴部３３ｂの内周面は芯材３２から形成されている。第１小径穴部３３ｂにはブッシュ１５は挿入されず、第１弁軸１３の先端側の部分が直接挿入されて嵌合する。また、本実施形態では、第１小径穴部３３ｂの横断面形状は、第１弁軸１３からの回転トルクの伝達が可能であるように非円形の二重Ｄ形、換言すると、円形の対向する２つの円弧部分を弦に置き換えた形状、に形成されている。

第２軸受穴３４も、ブッシュ１５が挿入されてブッシュ１５を介して第２弁軸１４を支持する、開口端を含む相対的に大径の第２大径穴部３４ａと、第２大径穴部３４ａから更に回転軸線Ｒ方向の内部に延びる相対的に小径の第２小径穴部３４ｂとから構成されている。第２大径穴部３４ａは第１軸受穴３３の第１大径穴部３３ａと同じ構造及び寸法で形成されている。一方、第２小径穴部３４ｂは、第２弁軸１４との間で回転トルクを伝達しないので円形の横断面形状を有していて、この点で第１軸受穴３３の第１小径穴部３３ｂと異なっている。

第１軸受穴３３と第２軸受穴３４とは、それらの第１小径穴部３３ｂと第２小径穴部３４ｂの横断面形状が異なることを除いて前述したとおり同様の構成を有しているので、以下においては、第１軸受穴３３を代表にして説明する。弁軸については第１弁軸１３を代表にする。また、記載を簡潔にするために、各構成要素の名称に含まれる序数の「第１」を省略して説明する。但し、「第１」と「第２」を識別する必要がある場合にはこの限りではない。

ブッシュ１５は、本実施形態では、腐食性流体に対して高い耐性を有するポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を材料として作られている。ブッシュ１５は、流体が、弁体３０の内部に侵入しないように、及び弁軸１３に触れないようにするために複数のＯリング１６を備えている。特に、図３に示されるように、軸受穴３３の大径穴部３３ａに挿入されるブッシュ１５の部分には４つのＯリング１６が配置されている。しかしながら、例えば、弁軸１３が高い耐食性を有する材料から製作され、したがって流体が弁軸１３に接触することが許容されるなら、及びＯリングに回転トルクが作用することが許容されるなら、ブッシュ１５を用いない実施形態も可能である。その場合は、弁軸にＯリング用の溝を形成して、Ｏリングを弁軸に直接装着すればよい。実際、弁軸１３は旋削加工により製作できるので、その材料として高い耐食性を有する例えばステンレス鋼のような材料を選択することも可能である。

軸受穴３３の大径穴部３３ａの内周面は前述したとおり輪郭形成部材３１で形成されているが、図３で詳細に示されるように、大径穴部３３ａの内周面よりも半径方向外側には芯材３２の円筒状の部分が配置されている。本明細書では、芯材３２の前記円筒状の部分３５を「軸受補強部」と呼ぶ。また、大径穴部３３ａの内周面と円筒状の軸受補強部３５との間の輪郭形成部材３１の円筒状の部分３６を「軸受内周部」と呼ぶ。芯材３２の軸受補強部３５は軸受内周部３６を補強するために設けられている。流体から弁体３０に作用する圧力に基づいて弁体３０に発生するせん断力と曲げモーメントを大径穴部３３ａが支持するとき、弁軸１３から大径穴部３３ａ及び軸受内周部３６に作用する力を軸受補強部３５が支持するので、軸受内周部３６の変形が抑えられて、ブッシュ１５との間のＯリング１６によるシールを確実に維持することが可能になる。特に、本実施形態では、弁軸１３が小径穴部３３ｂによっても支持されるので、軸受内周部３６に作用する力がより低減されることが理解されよう。

このように、前記せん断力及び曲げモーメントの支持には軸受補強部３５が大きく貢献するので、軸受内周部３６の肉厚を薄くすることができる。その結果、弁体３０の軸受穴３３の外側寸法の増大とそれに伴う開弁時の流路抵抗の増大を避けることが可能になる。図示されないが、図３から回転軸線Ｒ周りで９０度回転した断面で見た場合でも、軸受内周部３６の肉厚は、軸受補強部３５の外周側の輪郭形成部材３１の肉厚よりも薄く形成されている。

次に、芯材３２の部分断面を含む斜視図である図４を参照して、芯材３２についてより詳しく以下に説明する。芯材３２は、回転軸線Ｒに沿って延びる棒状の中心部３７と、回転軸線Ｒを含む平面に概ね沿って、前記中心部３７の両側で左右対称に延びる２つの主補強部３８とを有する。棒状の中心部３７の上端部及び下端部にはそれぞれ前述の軸受補強部３５が設けられている。

主補強部３８は、棒状の中心部３７から横に延びる５つの横材３８ａと、それら横材３８ａを接続するために回転軸線Ｒ方向に延びる２つの縦材３８ｂとから格子状に形成されている。５つの横材３８ａは、その長さが弁体３０の円形の外径に応じて異なっており、また中心部３７の外径とほぼ等しい幅の基部を有し、基部から先端に向けて先細になるようにテーパが付けられている。芯材３２はこのように形成されているので、比較的軽量かつ少ない材料で、流体から弁体３０に作用する力を効果的に支えることができる。

第１軸受穴３３の第１小径穴部３３ｂと第２軸受穴３４の第２小径穴部３４ｂは、本実施形態では、回転軸線Ｒに同軸に延びる縦穴３９によって連通している。芯材３２のこの縦穴３９には金属製のパイプ部材４１が埋め込まれている。パイプ部材４１の材料は、芯材３２の材料よりも高い縦弾性係数及び引張り強さを有する。また、パイプ部材４１は、本実施形態では、芯材３２を鋳造するときに鋳ぐるみされて芯材３２に組み入れられたものである。この縦穴３９とパイプ部材４１によって、芯材３２の強度を低下させることなく、芯材３２の軽量化及び鋳造性の向上が実現可能である。但し、前記縦穴３９のあけられていない芯材の実施形態も本発明において可能である。

軸受補強部３５には、本実施形態では、その内周面と外周面とを連通する貫通穴３５ａが複数設けられている。これら貫通穴３５ａは、芯材３２を金型（図示せず）にセットして輪郭形成部材３１を射出成形する際に、軸受内周部３６を形成する合成樹脂材料の通路となるように設けられたものである。射出成形時において、軸受内周部３６を形成する合成樹脂材料は、軸受補強部３５の外周側からその端面を乗り越えるルートだけでなく、前記貫通穴３５ａを通るルートによっても軸受内周部３６を形成するための円筒状の空隙に流れ込むことができる。そのため、軸受内周部３６の厚さが薄く、したがって前記空隙の幅が狭い場合、あるいは大径穴部３３ａの深さ（従って前記空隙の深さ）が深い場合であっても、合成樹脂材料は前記空隙に確実に流れ込み、充填不足を生じることなく軸受内周部３６を成形することが可能になる。特に、本実施形態のように、芯材３２が比較的少ない材料で形成され、弁体３０に占める輪郭形成部材３１の割合が比較的大きくなるように弁体３０が形成されている場合は、前記隙間に合成樹脂材料が流れ込みにくくなりやすいので、貫通穴３５ａを設けることは特に効果的である。ただし、本発明においてはこのような貫通穴３５ａは必須ではない。例えば、軸受内周部３６の厚さが比較的厚い場合あるいは軸受穴３３の大径穴部３３ａの深さが比較的浅い場合にはこのような貫通穴３５ａがなくとも充填不足は生じないであろう。

本発明によるバタフライ弁１０においては、弁体３０の軸受穴３３の大径穴部３３ａは、金属製の芯材３２が露出することなく合成樹脂材料からなる輪郭形成部材３１によって形成される一方で、内部、つまり半径方向外側には芯材３２からなる軸受補強部３５が配置されている。そのため、軸受穴３３の大径穴部３３ａは、充分な耐食性を有する一方で、たとえ高温の流体の流れを開閉する場合であっても変形を起こすことがなく、したがって高いシール性を維持することができる。特に、大径穴部３３ａの開口周縁部の変形を効果的に抑えることが可能になるので、ブッシュ１５に装着されたＯリングと大径穴部３３ａの内周面との間のシール性はもとより、前記開口周縁部とシートリング１２との間のシール性も確実に維持することができる。また、軸受内周部３６を形成する合成樹脂材料が周囲の合成樹脂材料と連続していることも軸受穴３３の大径穴部３３ａの変形の抑制に寄与している。

本実施形態では、軸受穴３３の小径穴部３３ｂにおいては芯材３２が露出しているが、これは、大径穴部３３ａの上述した高いシール性により、流体が小径穴部３３ｂに侵入することは通常は考えなくてよいからである。しかしながら、本発明において、弁体の軸受穴３３の大径穴部３３ａだけでなく小径穴部３３ｂの内周面も輪郭形成部材３１から形成した実施形態も可能である。この場合、小径穴部３３ｂの軸受内周部への合成樹脂材料の充填を促進するために、例えば前述した貫通穴３５ａを小径穴部３３ｂの周囲の芯材３２の中心部３７にもあけることが好ましい。また、芯材３２の中心部３７に縦穴３９があけられていない実施形態の場合、小径穴部３３ｂは有底穴として形成されるので、その小径穴部３３ｂの内周面だけでなく底面も輪郭形成部材で形成されてよい。

一方、軸受穴３３の大径穴部３３ａの一部、例えば上半分だけ、が輪郭形成部材３１で形成され、大径穴部３３ａの残りの部分が芯材３２で形成される実施形態も可能である。

次に、本発明の前述の実施形態の第１の変形例について図５及び図６を参照して以下に説明する。図５の（ａ）は、第１の変形例の芯材１３２の平面図であり、図５の（ｂ）は、（ａ）のＢ‐Ｂ断面図であって、芯材１３２の上部を示している。図６は、輪郭形成部材１３１が射出成形された弁体１３０の上部の部分断面正面図である。第１の変形例は、前述の実施形態とは、弁体１３０の芯材１３２の軸受補強部１３５の形状が異なっている。第１の変形例の軸受補強部１３５は、その端面から回転軸線Ｒ方向に延びる複数の切欠き１３５ａを有する。図５に示される例では、８個の矩形状に形成された切欠き１３５ａが設けられている。これら切欠き１３５ａによって軸受補強部１３５の内周面と外周面とが連通するので、輪郭形成部材１３１の射出成形時に、これらの切欠き１３５ａを通って合成樹脂材料が流れることができ、したがってそれによって軸受内周部１３６への合成樹脂材料の充填が促進される。

次に、本発明の前述の実施形態の第２の変形例について図７及び図８を参照して以下に説明する。図７の（ａ）は、第２の変形例の芯材２３２の平面図であり、図７の（ｂ）は、（ａ）のＣ‐Ｃ断面図であって、芯材２３２の上部を示している。図８は、輪郭形成部材２３１が射出成形された弁体２３０の上部の部分断面正面図である。第２の変形例の軸受補強部２３５は、その円筒の端面を起点として回転軸線Ｒ方向に延びる複数の溝２３５ａを内周面に有する。図７に示される例では、８個の矩形断面を有する溝２３５ａが設けられている。これら溝２３５ａによって、輪郭形成部材２３１の軸受内周部２３６に厚さの厚い部分が形成され、その結果、輪郭形成部材２３１の射出成形時に、軸受内周部２３６への合成樹脂材料の充填が促進される。

次に、本発明の前述の実施形態の第３の変形例について図９及び図１０を参照して以下に説明する。図９の（ａ）は、第３の変形例の芯材３３２の平面図であり、図９の（ｂ）は、（ａ）のＤ‐Ｄ断面図であって、芯材３３２の上部を示している。図１０は、輪郭形成部材３３１が射出成形された弁体３３０の上部の部分断面正面図である。第３の変形例の軸受補強部３３５は、その円筒の端面に向かうにつれて連続的に拡径している。このように軸受補強部３３５が拡径することによって、輪郭形成部材３３１の軸受内周部３３６に厚さの厚い部分が形成され、その結果、輪郭形成部材３３１の射出成形時に、軸受内周部３３６への合成樹脂材料の充填が促進される。また、図９では、軸受補強部３３５は連続的に拡径しているが、軸受補強部３３５が段階的に拡径するさらなる変形例も可能である。

次に、本発明の前述の実施形態の第４の変形例について図１１を参照して以下に説明する。第４の変形例は、前述の実施形態及び変形例とは、軸受内周部４３６の製造方法が異なっている。第４の変形例の弁体４３０の軸受内周部４３６は、射出成形によって形成されるのではなく、合成樹脂製のブッシュ４３６’を圧入して溶着することにより形成されている。このため第４の変形例では、当初の弁体４３０の輪郭形成部材４３１は軸受内周部４３６を有しない。軸受内周部４３６は、合成樹脂材料製のブッシュ４３６’が芯材４３２の軸受補強部４３５の内周側に圧入され、さらに、周囲の輪郭形成部材４３１と開口側の端部Ｅで溶着されて一体化されることにより形成される。これによれば、軸受内周部の材料の流動性あるいは充填性を考慮する必要がない。なお、ブッシュ４３６’が周囲の輪郭形成部材４３１と溶着ではなく接着されて一体化されるさらなる変形例も本発明において可能である。

次に、本発明の前述の実施形態の第５の変形例について以下に説明する。第５の変形例（図示せず）は、第１軸受穴の第１大径穴部が機械加工によって形成される。このため、第５の変形例では、輪郭形成部材の射出成形時に第１大径穴部の全てが合成樹脂材料で充填された弁体が準備され、その後、第１大径穴部が機械加工により穿孔される。これによれば、軸受内周部の材料の流動性あるいは充填性を考慮する必要がない。

前述の実施形態およびその変形例においては、第１軸受穴の第１大径穴部の横断面形状は円形であったが、その横断面形状が矩形、あるいはＤ形、あるいは二重Ｄ形、あるいはスプライン穴等の非円形で形成される実施形態も可能である。その場合には、第１小径穴部をなくすことが可能である。

１０ バタフライ弁
１１ 本体
１３ 第１弁軸
１４ 第２弁軸
１５ ブッシュ
３０ 弁体
３１ 輪郭形成部材
３２ 芯材
３３ 第１軸受穴
３３ａ 第１大径穴部
３３ｂ 第１小径穴部
３４ 第２軸受穴
３４ａ 第２大径穴部
３４ｂ 第２小径穴部
３５ 軸受補強部
３５ａ 貫通穴
３６ 軸受内周部

Claims (8)

1. 本体と、弁軸と、前記本体に対して回転可能な弁体とを具備するバタフライ弁であって、
   前記弁体は、芯材と、前記芯材を包囲して該弁体の輪郭を形成する合成樹脂材料からなる輪郭形成部材とから一体的に形成されたものであって、前記弁軸を支持する軸受穴を有しており、
   前記輪郭形成部材は、前記軸受穴の内周面の少なくとも一部を形成する軸受内周部を有しており、
   前記輪郭形成部材は、前記軸受内周部も含めて連続的に形成されており、
   前記芯材が、前記輪郭形成部材の前記軸受内周部を、前記弁体の回転軸線の半径方向外側から支持する軸受補強部を有しており、
   前記芯材が、前記回転軸線に沿って延びる棒状の中心部と、前記回転軸線を含む平面に概ね沿って前記棒状の中心部の両側で延びる主補強部と、前記軸受補強部とを有しており、
   前記主補強部が格子状に形成されている、バタフライ弁。
2. 前記芯材の前記軸受補強部が、該軸受補強部の内周面と外周面とを連通する貫通穴を有する、請求項１に記載のバタフライ弁。
3. 前記芯材の前記軸受補強部が、該軸受補強部の内周面と外周面とを連通する切欠き部を有する、請求項１に記載のバタフライ弁。
4. 前記芯材の前記軸受補強部が、該軸受補強部の前記回転軸線方向の端面を起点としてほぼ前記回転軸線方向に延びる溝を該軸受補強部の内周面に有する、請求項１に記載のバタフライ弁。
5. 前記芯材の前記軸受補強部が、該軸受補強部の前記回転軸線方向の端面に向かうにつれて連続的又は段階的に拡径している、請求項１に記載のバタフライ弁。
6. 前記輪郭形成部材の前記軸受内周部の肉厚が、前記芯材の前記軸受補強部より外周側の前記輪郭形成部材の部分の肉厚よりも小である、請求項２〜５のいずれか一項に記載のバタフライ弁。
7. 前記輪郭形成部材の前記軸受内周部と前記弁軸との間に、あるいは前記軸受内周部と前記弁軸に外挿されたブッシュとの間に、シール部材が配置されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載のバタフライ弁。
8. 前記芯材が鋳造品として形成されたものであり、
   前記芯材が、鋳ぐるみされたパイプ部材を前記棒状の中心部の内部に含んでおり、
   前記パイプ部材が前記芯材よりも硬質な材料からなるものである、請求項１〜７のいずれか一項に記載のバタフライ弁。

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