JP6774670B1 - 防水扉装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 水位上昇時に防水扉が浮き上がり開口部を堰き止める防水扉装置において、外部から防水扉に加わる衝撃が緩和されるような防水扉装置を提供することを目的とする。【解決手段】 水より小さい比重を有し、開口部の下辺に沿って設けられた揺動軸４１ａを中心に倒伏姿勢から起立姿勢まで揺動可能に設けられた防水扉１０と、防水扉１０の片面と地盤とをつなぐとともに、中間に折れ曲がり可能な関節部２０ｃを形成するよう二つのリンク部材２０ａ，２０ｂが連結されてなるリンク機構２０と、防水扉１０の揺動に伴う関節部２０ｃの移動を規制する規制手段３０とを備え、二つのリンク部材２０ａ，２０ｂのうち少なくともいずれかが弾性的に伸縮可能であり、防水扉１０が倒伏姿勢から起立姿勢までの間の少なくともいずれかの姿勢にある場合にリンク機構２０に弾性エネルギーが蓄積される。【選択図】 図３

Description

本発明は、水位上昇時に開口部を通る水を堰き止める防水扉装置に関する。

地下空間や生活空間の入り口等の通路を流れる水を堰き止める装置として、浮力により防水扉が起立して通路を堰き止める浮力式防水装置が知られている（特許文献１参照）。特許文献１に記載の防水装置は主に市街地で利用されており、短時間で猛烈に降る雨により急な増水が発生した場合でも、人の操作を必要とせず、浮力により防水扉が自動的に起立して水を堰き止めて、通路への水の流入を防止する。防水扉は浮力により起立するため、空圧や油圧等の駆動源を必要とせず、浮力式防水装置はシンプルな構成となっている。

浮力式防水装置は市街地だけでなく、海岸沿いの堤防の開口部等に設置して陸閘として利用することも可能である。これにより、高潮等で潮位が増したときでも防水扉が自動的に起立して開口部を通る水を堰き止め、海水の侵入を防止することができる。

その一方で、陸上における豪雨による増水とは異なり、海には常に波浪が存在する。そのため、浮力式防水装置を海岸沿いに陸閘として設置した場合、防水扉には海の波が打ちつけるなどして衝撃が加わり、防水装置及びその周辺の構造物が破損するおそれが生じる。浮力式防水装置を海岸沿いに設置する場合には、波浪により生じる衝撃を緩和する手段が必要となる。

衝撃を緩和する手段を備える防水装置として、ガスシリンダを備えた水門（特許文献２参照）や、油圧の回路を切り替える弁を備えた水門（特許文献３参照）が知られている。しかし、特許文献２，３に開示された防水装置はいずれも、水門を駆動する装置を緩衝手段として利用したものである。この技術を浮力式防水装置に適用しようとすると、別途空圧装置や油圧装置が必要となるため、駆動源を必要とせずシンプルな構成であるというメリットを活かすことができない。

また、浮力式防水装置の防水扉は浮力及び水圧で揺動するため、水位の上昇及び低下に応じて防水扉が急激に起立したり倒伏することがある。その場合も、防水扉の急激な起立や倒伏に際しても衝撃的な荷重が作用し、これにより防水扉及び周辺の構造物が破損するおそれが生じる。

特開２０１６−１４２０３０号公報 特表２０１３−５４０２１７号公報 特開平７−２０７６４８号公報

上記問題点を鑑みて、本発明は、水位上昇時に防水扉が浮き上がり開口部を堰き止める防水扉装置において、外部から防水扉に加わる衝撃が緩和されるような防水扉装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、水位上昇時に防水扉が浮き上がり開口部を通る水を堰き止める防水扉装置であって、水より小さい比重を有し、前記開口部の下辺に沿って設けられた揺動軸を中心に倒伏姿勢から起立姿勢まで揺動可能に設けられた防水扉と、前記防水扉の片面と地盤とをつなぐとともに、中間に折れ曲がり可能な関節部を形成するよう二つのリンク部材が連結されてなるリンク機構と、前記防水扉の揺動に伴う前記関節部の移動を規制する規制手段とを備え、前記二つのリンク部材のうち前記関節部と前記地盤との間の下部リンク部材が、長手方向に伸縮するよう配置されたコイルばねを有し弾性的に伸縮可能であり、前記防水扉が前記倒伏姿勢から前記起立姿勢までの間の少なくともいずれかの姿勢にある場合に前記リンク機構に弾性エネルギーが蓄積され、前記規制手段が、前記地盤に対して固定された平面を有し、前記防水扉が前記起立姿勢から所定の角度倒れるまでは前記関節部の外周と前記平面は離れており、前記防水扉が前記起立姿勢から前記所定の角度倒れたときに前記関節部の外周が前記平面に接触し、この状態からさらに倒れると前記関節部が前記平面に沿って移動するとともに前記下部リンク部材が伸長することを特徴とする防水扉装置である。

請求項１に記載の発明によれば、防水扉に作用した衝撃をリンク機構の弾性エネルギーとして蓄積することで衝撃が緩和され、シンプルな構成のリンク機構によって弾性エネルギーを蓄積することができ、シンプルな構成で関節部の移動を規制し、関節部の移動を規制することで防水扉が倒伏姿勢にあるとき弾性エネルギーが蓄積される防水扉装置を提供することができる。

請求項２に記載の発明は、前記防水扉の自重により、前記下部リンク部材が自然長より伸長した状態で、前記防水扉が前記倒伏姿勢をとることを特徴とする請求項１に記載の防水扉装置である。

請求項２に記載の発明によれば、倒伏姿勢から防水扉が起き上がる際に、すみやかに揺動が開始する防水扉装置を提供することができる。

請求項３に記載の発明は、前記防水扉が前記起立姿勢から前記所定の角度倒れたときに前記下部リンク部材が前記平面と平行となることを特徴とする請求項１又は２に記載の防水扉装置である。

請求項３に記載の発明によれば、防水扉の揺動が滑らかで安定する防水扉装置を提供することができる。

本発明によれば、防水扉に作用した衝撃が緩和される防水扉装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る防水扉装置を示す図であって、防水扉が倒伏姿勢にある状態を示す概略側面図である。 本発明の実施形態に係る防水扉装置を示す図であって、防水扉が倒伏姿勢からθ１起き上がった状態を示す概略側面図である。 本発明の実施形態に係る防水扉装置を示す図であって、防水扉が倒伏姿勢からθ２起き上がった状態を示す概略側面図である。 本発明の実施形態に係る防水扉装置を示す図であって、防水扉が倒伏姿勢からθ３起き上がって起立姿勢にある状態を示す概略側面図である。 本発明の実施形態に係る防水扉装置の弾性エネルギーを説明する図であって（ａ）は防水扉の傾斜角θと下部リンク部材のコイルばねの自然長からの縮み量の関係を概略的に示すグラフであり、（ｂ）は防水扉の傾斜角θと下部リンク部材が蓄積する弾性エネルギーの関係を概略的に示すグラフである。

（実施形態）
次に、本発明を適用した防水扉装置の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な実施形態であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。

本発明の実施形態に係る防水扉装置の動作及び構成について、図１〜４に基づき説明する。図１〜４は、本発明の実施形態に係る防水扉装置を示す概略側面図であって、図１は防水扉が倒伏姿勢にある状態、図２は防水扉が倒伏姿勢からθ１起き上がった状態、図３は防水扉が倒伏姿勢からθ２起き上がった状態、図４は防水扉が倒伏姿勢からθ３起き上がって起立姿勢にある状態をそれぞれ示す。

まず、本発明に係る浮力式防水装置の基本的な動作について、図１〜４を参照して説明する。図１に示すように、防水扉装置１００の防水扉１０は、倒伏姿勢において地盤４０に設けられた凹部４０ｂに収容されており、防水扉１０の上面１０ａは地面４０ａと同一面となっている。防水扉１０の比重は水より小さく設定されており、また防水扉１０はヒンジ金具４１の揺動軸４１ａを中心に回転して揺動可能となっている。

防水扉１０の設置場所において水位が上昇すると、グレーチング４２を通って凹部４０ｂの中に水が流入する。凹部４０ｂの中に水が十分にたまると、防水扉１０の比重は水より小さいため浮力が作用し、防水扉１０は揺動軸４１ａを中心として、図における反時計方向に回転し始める。図２は、防水扉１０が、上面１０ａと地面４０ａのなす角である傾斜角がθ１となるまで起き上がった状態を示している。

さらに水位が上昇すると、防水扉１０には浮力が作用するとともに、水を堰き止めていることから、図における右から左に向けて水圧が作用するため、揺動軸４１ａを中心として反時計方向にさらに回転する。図３は、防水扉１０が、傾斜角がθ２となるまで起き上がった状態を示している。

そしてさらに水位が上昇すると、防水扉１０に作用する浮力及び水圧により、防水扉１０は揺動軸４１ａを中心として反時計方向にさらに回転し、回転の限度となる起立姿勢に到達する。図４は、防水扉１０が、傾斜角がθ３となるまで起き上がり、起立姿勢となった状態を示している。このとき防水扉１０は、防水扉１０より右側にある水を堰き止めている。

水位が低下すると、防水扉１０に作用する水圧及び浮力が低下し、防水扉１０の自重により揺動軸４１ａを中心として図における時計方向に回転していく。時計方向に限度まで回転すると、図１に示す倒伏姿勢となる。

次に防水扉装置１００の具体的な構成について、傾斜角がθ２となった状態の図３に基づき説明する。防水扉装置１００は、海岸沿いの堤防等の水が通る開口部に設置されており、水より小さい比重を有する防水扉１０を備えている。防水扉１０は平面視で矩形であり、その一辺がヒンジ金具４１を介して地盤４０と結合されている。ヒンジ金具４１の揺動軸４１ａは開口部の底辺に沿うよう配置されており、防水扉１０は揺動軸４１ａを中心に回転して揺動する。なお防水扉１０において揺動軸４１ａに垂直な二つの側辺は、開口部の側壁に隙間なく接触し水密となっている。

防水扉装置１００は、防水扉１０と地盤４０とをつなぐリンク機構２０を備えている。リンク機構２０は上部リンク部材２０ａと下部リンク部材２０ｂが関節部２０ｃで折れ曲がるよう構成されている。上部リンク部材２０ａは防水扉１０のブラケット１０ｂと、ヒンジピン２９を介して回転可能に結合されており、下部リンク部材２０ｂは地盤４０のブラケット４０ｃと、ヒンジピン２８を介して回転可能に結合されている。リンク機構２０は、防水扉１０の揺動に追随して動くとともに防水扉１０の揺動を制限する。またリンク機構２０は、防水扉１０の姿勢に応じて弾性エネルギーを内部に蓄積する。リンク機構２０の動き及び弾性エネルギーの詳細については後述する。

地盤４０には先述のように凹部４０ｂが設けられており、防水扉１０が倒伏姿勢にあるとき、防水扉１０及びリンク機構２０は凹部４０ｂに収容され、防水扉１０の上面１０ａは地面４０ａと同一面となる（図１参照）。凹部４０ｂの内部には、先述のブラケット４０ｃが設けられている。また凹部４０ｂには、先述したように水が流入するためのグレーチング４２が設けられている。

また、凹部４０ｂの底部には、リンク機構２０の関節部２０ｃの移動を規制する規制手段が設けられている。規制手段として水平な平面３０が形成されており、防水扉１０が揺動すると、それにしたがってリンク機構２０は折れ曲がって関節部２０ｃが移動するところ、関節部２０ｃの外周２０ｄが平面３０に接触することで、関節部２０ｃの移動が規制される。関節部２０ｃの移動が規制されることで、リンク機構２０に弾性エネルギーが蓄積される。規制手段たる平面３０の作用の詳細については後述する。

次にリンク機構２０の構成の詳細について説明する。リンク機構２０は、上部リンク部材２０ａと下部リンク部材２０ｂを有しており、関節部２０ｃで折れ曲がるよう構成されている。上部リンク部材２０ａはアーム２１から構成され、上端はヒンジピン２９を介して防水扉１０のブラケット１０ｂと回転可能に連結されている。

下部リンク部材２０ｂは、アーム２３、ロッド２４、ピストン２５、コイルばね２６及びシリンダー２７から構成されている。アーム２３とロッド２４は一直線上に並び、アーム２３の下端はロッド２４の上端と剛結合されている。ロッド２４の下端には円板状のピストン２５が剛結合されており、ピストン２５は円筒状のシリンダー２７の中に収容されている。ロッド２４は、シリンダー２７の蓋２７ａに設けられた貫通孔を通り、長手方向に進退可能に配置されている。シリンダー２７の内部にはコイルばね２６が収容されており、コイルばね２６はピストン２５と蓋２７ａに挟まれて圧縮ばねとして機能する。コイルばね２６は図３に示す自然長の状態から縮んだ場合（図４参照）に復元力が発生し、弾性エネルギーを蓄積する。シリンダー２７の下端はヒンジピン２８を介してブラケット４０ｃと回転可能に連結されている。

下部リンク部材２０ｂの上端すなわちアーム２３の上端は、上部リンク部材２０ａすなわちアーム２１の下端とヒンジピン２２を介して回転可能に連結されている。アーム２１とアーム２３とが連結されている部分が、リンク機構２０の関節部２０ｃを形成している。上部リンク部材２０ａ及び下部リンク部材２０ｂの端部がそれぞれヒンジピンで回転可能に連結されていることで、リンク機構２０は関節部２０ｃで折れ曲がることが可能となる。なお、アーム２１の下端及びアーム２３の上端には、ヒンジピン２２を中心にアールが形成されている。

下部リンク部材２０ｂは、圧縮ばねであるコイルばね２６を有するため、その全長（ヒンジピン２２からヒンジピン２８までの距離）は弾性的に伸長することが可能となる。図３に示す状態は下部リンク部材２０ｂの自然長の状態であり、この状態の防水扉１０に対して図における右から左に向けて外力が作用すると、下部リンク部材２０ｂが弾性的に伸長して防水扉１０が反時計方向に回転し、図４に示す起立姿勢となる。図４に示す起立姿勢は、コイルばね２６が圧縮限度まで縮められた状態であり、下部リンク部材２０ｂが最も伸長した状態である。下部リンク部材２０ｂが自然長さから伸長した状態では、コイルばね２６はピストン２５及び蓋２７ａにより圧縮されており、ピストン２５及び蓋２７ａに対して復元力（自然長に戻ろうとする力）を作用している。すなわち、下部リンク部材２０ｂは全体として長手方向に伸縮するばねとして働く。

次に、防水扉１０の揺動とリンク機構２０の動きの関係について、図３に示すように傾斜角θ２の状態を基準にして説明する。このときの下部リンク部材２０ｂの長さは自然長である。図３に示す状態では、水位が十分に高く、防水扉１０が浮力及び水圧により反時計方向に回転しようとするモーメントと、自重により時計方向に回転しようとするモーメントが平衡している。水位が上昇すると、浮力及び水圧が増し、防水扉１０はモーメントが釣り合う位置まで反時計方向に回転する。さらに水位が上昇すると、防水扉１０は反時計方向にさらに回転し、下部リンク部材２０ｂが最も伸長した状態となり図４の起立姿勢（傾斜角θ３）に到達して、そこで揺動が止まる。

図４に示す起立姿勢においては、コイルばね２６は圧縮限度まで縮められた状態であり、下部リンク部材２０ｂには弾性エネルギーが蓄積されている。この状態におけるリンク機構２０は、防水扉１０を倒す方向に力を加えている。

図３に示す状態から水位が低下すると、防水扉１０は、自重により時計方向に回転する。このとき、下部リンク部材２０ｂの長さは自然長であり、これより短くならないので、リンク機構２０は関節部２０ｃで折れ曲がって、防水扉１０が時計方向に回転していく。そして関節部２０ｃは、ヒンジピン２８を中心とする円弧状の経路をたどり下に移動していく。

水位が低下するにつれて防水扉１０は時計方向に回転していき、図２に示すように防水扉１０が傾斜角θ１となると、関節部２０ｃの外周２０ｄが、規制手段の平面３０に接触する。関節部２０ｃはヒンジピン２８を中心とする円弧状の経路をたどって下に移動してきたが、下への移動はここで制限される。図２に示すように関節部２０ｃの外周２０ｄが平面３０に接触している状態でも、防水扉１０の自重は上部リンク部材２０ａの長手方向に伝わるため、防水扉１０は時計方向への回転を続けつつ関節部２０ｃは水平な平面３０に沿って図における左に移動し、コイルばね２６は圧縮されて短くなり下部リンク部材２０ｂが伸長する。そして図１に示すように防水扉１０が倒伏姿勢となり、防水扉１０の回転は終了する。なお、図２に示すように、関節部２０ｃの外周２０ｄが平面３０に接触したときに、下部リンク部材２０ｂと平面３０は平行となっており、防水扉１０がさらに時計方向に回転すると、外周２０ｄが平面３０の上を、図における左に向けて滑らかに移動する。

図１に示す倒伏姿勢においては、コイルばね２６は自然長から縮んだ状態であり、下部リンク部材２０ｂには弾性エネルギーが蓄積されている。この状態における下部リンク部材２０ｂは関節部２０ｃを図における右に移動させる力を加えており、関節部２０ｃが右に移動すると上部リンク部材２０ａは防水扉１０を反時計方向に回転させる。すなわち、倒伏姿勢においてリンク機構２０は防水扉１０を起立させる方向に力を加えている。

次に、防水扉１０の揺動によってリンク機構２０に蓄積される弾性エネルギーについて、図５に基づき説明する。図５は、本発明の実施形態に係る防水扉装置の弾性エネルギーを説明する図であって（ａ）は防水扉の傾斜角θと下部リンク部材のコイルばねの自然長からの縮み量の関係を概略的に示すグラフであり、（ｂ）は防水扉の傾斜角θと下部リンク部材が蓄積する弾性エネルギーの関係を概略的に示すグラフである。以下、図５と図１〜４を対照しつつ説明する。

先述の通り、防水扉１０は倒伏姿勢にある場合（図１参照）、下部リンク部材２０ｂのコイルばね２６は自然長より縮んでおり、弾性エネルギーが蓄積されている。この状態から防水扉１０が図における反時計方向に回転して起き上がるにつれて、コイルばね２６は自然長に戻っていき、傾斜角θ１となった場合に（図２参照）、コイルばね２６は自然長となり、弾性エネルギーがゼロとなる。そしてここから傾斜角θ２となるまでは（図３参照）、コイルばね２６は自然長のまま変わらず、弾性エネルギーはゼロである。傾斜角θ２の状態から防水扉１０が図における反時計方向に回転してさらに起き上がっていくと、コイルばね２６は自然長より縮んでいき、傾斜角θ３の起立姿勢となるまで（図４参照）コイルばね２６は縮み、蓄積される弾性エネルギーは大きくなっていく。

すなわち、本実施形態に係る防水扉装置１００は、防水扉１０が倒伏姿勢付近にある場合と起立姿勢付近にある場合に、リンク機構２０に弾性エネルギーが蓄積される。先述したように、起立姿勢付近にあるときは倒伏させる方向に弾性エネルギーを蓄積しており、倒伏姿勢付近にあるときは起立させる方向に弾性エネルギーを蓄積している。したがって、水位上昇により防水扉１０が倒伏姿勢から起き上がる場合、水位が十分に高くなく小さな浮力しか作用していなくても、蓄積されている弾性エネルギーを利用してすみやかに起立動作を始めることができる。また、水位低下により防水扉１０が起立姿勢から倒れる場合、水位の低下が十分でなく防水扉１０に水圧が作用していても、蓄積されている弾性エネルギーを利用して倒伏動作を始めることができる。

海岸沿いに陸閘として設置された防水扉に作用する水圧は、海の波浪により絶えず変動するが、本実施形態に係る防水扉装置１００においては、図３に示すように防水扉１０が傾斜角θ２にあって、図における右から左に向けて波が打ちつけた場合でも、防水扉１０の半時計方向への回転にともなってコイルばね２６が圧縮されるため、防水扉１０に作用する衝撃は緩和される。そのため防水扉装置１００及び周辺の構造物が破損するおそれは少なくなる。

また防水扉装置１００は、防水扉１０が起き上がって起立姿勢に移る場合、及び倒れていき倒伏姿勢に移る場合それぞれの局面で、外部からの力はコイルばね２６の圧縮を引き起こし、弾性エネルギーが蓄積される。これにより、防水扉１０が、起立動作を完了して起立姿勢をとるする際、及び倒伏動作を完了して倒伏姿勢をとる際に速度を落とすことができ、衝撃的な荷重を発生させることがなく、構造物の負担を軽減することができる。

（その他の実施形態）
先述の実施形態では、下部リンク部材２０ｂが弾性的に伸縮するよう構成されていたが、上部リンク部材の一部をコイルばねで構成するなどして弾性的に伸縮するよう構成することも可能である。このように構成することでも、防水扉の姿勢に応じてリンク機構に弾性エネルギーを蓄積させることができる。

また、先述の実施形態においては、関節部２０ｃの移動を規制する規制手段が水平な平面３０で構成されていたが、これに代えて任意の形状とすることができる。例えば水平面ではなく傾斜した平面としたり曲面とすることもでき、これにより関節部２０ｃの移動経路を設定することができ、関節部２０ｃの移動とコイルばね２６の縮み方との関係を設定することができる。また、関節部２０ｃの外周に接触することで関節部２０ｃの移動を規制する構成の規制手段に代えて、任意の方法で関節部２０ｃの移動を規制することができ、例えば関節部に突起を設け、その突起を案内するガイドレールを設ける構成とすることも可能である。

また、規制手段を変更することで、図５に示した防水扉の傾斜角θとコイルばねの縮み量及び弾性エネルギーの関係についても変更することができる。防水扉の傾斜角θとコイルばねの縮み量及び弾性エネルギーの関係については、上部リンク部材と下部リンク部材の長さ、コイルばねの長さ、コイルばねのばね係数等を適宜調整して設定することができる。また、防水扉装置を設置する環境に応じて、防水扉の重量を調整したり、防水扉に浮力材を付加するなどして、防水扉の挙動を設定することができる。

１００ 防水扉装置
１０ 防水扉
１０ａ 上面
１０ｂ ブラケット
２０ リンク機構
２０ａ 上部リンク部材
２０ｂ 下部リンク部材
２０ｃ 関節部
２０ｄ 外周
２１ アーム
２２ ヒンジピン
２３ アーム
２４ ロッド
２５ ピストン
２６ コイルばね
２７ シリンダー
２８ ヒンジピン
２９ ヒンジピン
３０ 平面（規制手段）
４０ 地盤
４０ａ 地面
４０ｂ 凹部
４０ｃ ブラケット
４１ ヒンジ金具
４１ａ 揺動軸
４２ グレーチング

Claims (3)

1. 水位上昇時に防水扉が浮き上がり開口部を通る水を堰き止める防水扉装置であって、
   水より小さい比重を有し、前記開口部の下辺に沿って設けられた揺動軸を中心に倒伏姿勢から起立姿勢まで揺動可能に設けられた防水扉と、
   前記防水扉の片面と地盤とをつなぐとともに、中間に折れ曲がり可能な関節部を形成するよう二つのリンク部材が連結されてなるリンク機構と、
   前記防水扉の揺動に伴う前記関節部の移動を規制する規制手段とを備え、
   前記二つのリンク部材のうち前記関節部と前記地盤との間の下部リンク部材が、長手方向に伸縮するよう配置されたコイルばねを有し弾性的に伸縮可能であり、前記防水扉が前記倒伏姿勢から前記起立姿勢までの間の少なくともいずれかの姿勢にある場合に前記リンク機構に弾性エネルギーが蓄積され、
   前記規制手段が、前記地盤に対して固定された平面を有し、
   前記防水扉が前記起立姿勢から所定の角度倒れるまでは前記関節部の外周と前記平面は離れており、
   前記防水扉が前記起立姿勢から前記所定の角度倒れたときに前記関節部の外周が前記平面に接触し、この状態からさらに倒れると前記関節部が前記平面に沿って移動するとともに前記下部リンク部材が伸長する
   ことを特徴とする防水扉装置。
2. 前記防水扉の自重により、前記下部リンク部材が自然長より伸長した状態で、前記防水扉が前記倒伏姿勢をとる
   ことを特徴とする請求項１に記載の防水扉装置。
3. 前記防水扉が前記起立姿勢から前記所定の角度倒れたときに前記下部リンク部材が前記平面と平行となる
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の防水扉装置。

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