JP6954103B2 - 添加剤噴射弁の冷却装置 - Google Patents
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Description
本発明は、添加剤を噴射する噴射弁を冷却液により冷却する冷却装置に関する。
従来、この種の冷却装置において、噴射弁の先端部の温度が上昇し易いため、噴射弁の先端部まで冷却水(冷却液)を誘導するガイドを設けた冷却装置がある(特許文献1参照)。
ところで、特許文献1に記載の冷却装置では、冷却水の通路内において噴射弁に気泡が付着した場合に、気泡が断熱層として作用し、噴射弁を冷却する効率が低下するおそれがある。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その主たる目的は、冷却液の通路内において、添加剤噴射弁に付着した気泡を離脱させ易くすることのできる添加剤噴射弁の冷却装置を提供することにある。
上記課題を解決するための第1の手段は、
添加剤を噴射する噴射弁(10)を冷却液により冷却する冷却装置(20)であって、
前記噴射弁の外周を囲んで前記噴射弁に沿って延び、前記噴射弁を中心として回転可能に支持された回転部材(33)を備え、
前記噴射弁の外周面と前記回転部材の内周面との間の隙間により、前記冷却液が流通する通路が形成されており、
前記回転部材には、前記冷却液の流れを受けることで、前記噴射弁を中心として前記回転部材を回転させる回転付与部(33d及び33da、33ab、33ac、33ad、33ae、33e)が設けられている。
添加剤を噴射する噴射弁(10)を冷却液により冷却する冷却装置(20)であって、
前記噴射弁の外周を囲んで前記噴射弁に沿って延び、前記噴射弁を中心として回転可能に支持された回転部材(33)を備え、
前記噴射弁の外周面と前記回転部材の内周面との間の隙間により、前記冷却液が流通する通路が形成されており、
前記回転部材には、前記冷却液の流れを受けることで、前記噴射弁を中心として前記回転部材を回転させる回転付与部(33d及び33da、33ab、33ac、33ad、33ae、33e)が設けられている。
上記構成によれば、冷却装置では添加剤を噴射する噴射弁が冷却液により冷却される。回転部材は、噴射弁の外周を囲んで噴射弁に沿って延び、噴射弁を中心として回転可能に支持されている。噴射弁の外周面と回転部材の内周面との間の隙間により、冷却液が流通する通路が形成されている。ここで、噴射弁の外周面と回転部材の内周面との間の隙間により形成された冷却液の通路内において、噴射弁に気泡が付着することがある。
この点、回転部材には、冷却液の流れを受けることで、噴射弁を中心として回転部材を回転させる回転付与部が設けられている。このため、回転付与部が冷却液の流れを受けると、回転可能に支持された回転部材が噴射弁を中心として回転する。そして、冷却液の粘性により回転部材に冷却液が引っ張られ、噴射弁に沿って流れる冷却液に噴射弁を中心とした旋回流が生じる。したがって、この旋回流により噴射弁に付着した気泡を離脱させ易くすることができ、ひいては噴射弁の冷却効率が低下することを抑制することができる。
第2の手段では、前記噴射弁の外周を囲んで前記噴射弁に沿って延び、移動しないように固定された固定部材(31)を備え、前記噴射弁の外周面と前記固定部材の内周面との間の隙間により、前記冷却液が流通する通路が形成されており、前記回転部材における前記噴射弁の先端部(10a)と反対側の端部(33c)と、前記固定部材における前記噴射弁の先端部側の端部(31a)とが嵌合して前記噴射弁の周方向に相対摺動可能となっている。
上記構成によれば、噴射弁の外周面と固定部材の内周面との間の隙間によって形成された通路に、冷却液が流通する。そして、回転部材における噴射弁の先端部と反対側の端部と、固定部材における噴射弁の先端部側の端部とが嵌合しており、これらの端部が噴射弁の周方向に相対摺動する。このため、固定部材により噴射弁を中心として回転部材を回転可能に支持するとともに、固定部材と回転部材との間から冷却液が漏れることを抑制することができる。
第3の手段では、前記回転付与部は、前記冷却液の運動エネルギの一部を、前記噴射弁を中心として前記回転部材が回転する回転エネルギに変換する。
上記構成によれば、回転付与部により、冷却液の運動エネルギの一部が、噴射弁を中心として回転部材が回転する回転エネルギに変換される。したがって、噴射弁を中心として回転部材を回転させることができる。
具体的には、第4の手段では、前記回転付与部は、前記回転部材の内周側及び外周側の少なくとも一方に環状に突出する突出部(33d)と、前記噴射弁の軸線方向に前記突出部を貫通して前記噴射弁の周方向に傾斜した複数の貫通孔(33da)とにより構成されている。こうした構成によれば、貫通孔は噴射弁の軸線方向に突出部を貫通して噴射弁の周方向に傾斜しているため、貫通孔を冷却液が通過することにより、噴射弁を中心として回転部材を回転させる力が作用する。このため、噴射弁を中心として回転部材を回転させることができる。
第5の手段では、第4の手段において、前記突出部は、前記軸線方向において前記噴射弁の先端部側への前記回転部材の移動を規制する規制部(35)に当接している。このため、第4の手段の作用効果を奏するとともに、規制部に当接させる部分として突出部を機能させることができる。
具体的には、第6の手段では、前記回転付与部は、前記回転部材の内周面及び外周面の少なくとも一方に沿って螺旋状に形成された複数の溝(33ab、33ac)により構成されている。こうした構成によれば、螺旋状に形成された溝を冷却液が通過することにより、噴射弁を中心として回転部材を回転させる力が作用するため、噴射弁を中心として回転部材を回転させることができる。
具体的には、第7の手段では、前記回転付与部は、前記回転部材の内周面及び外周面の少なくとも一方に沿って螺旋状に形成された複数の羽根(33ad、33ae)により構成されている。こうした構成によれば、螺旋状に形成された羽根に冷却液が当たることにより、噴射弁を中心として回転部材を回転させる力が作用するため、噴射弁を中心として回転部材を回転させることができる。
具体的に、第8の手段では、前記回転付与部は、前記回転部材の外周面から前記噴射弁の径方向に放射状に突出した複数の羽根(33e)により構成されており、前記冷却液が流入する流入ポート(21c)を、前記流入ポートから流入した前記冷却液が前記噴射弁の周方向から前記羽根に当たる位置に備える。こうした構成によれば、回転部材の外周面から噴射弁の径方向に突出した羽根に、噴射弁の周方向から冷却液が当たる。これより、噴射弁を中心として回転部材を回転させる力が作用するため、噴射弁を中心として回転部材を回転させることができる。
第9の手段では、前記回転部材は、前記噴射弁の先端部の外周部分から前記噴射弁に沿って延びている。
上記構成によれば、回転部材は噴射弁の先端部の外周部分から噴射弁に沿って延びているため、噴射弁の先端部付近において冷却液に噴射弁を中心とした旋回流を生じさせることができる。このため、温度が上昇し易い噴射弁の先端部に付着した気泡を、離脱させ易くすることができる。
以下、内燃機関の排気通路内に尿素(添加剤)を噴射する噴射弁の冷却装置に具現化した一実施形態について、図面を参照して説明する。
図1,2に示すように、冷却装置20(添加剤噴射弁の冷却装置)は、噴射弁10に取り付けられている。噴射弁10は、円柱状に形成されている。噴射弁10は、尿素を先端部10aから噴射する。
冷却装置20は、本体21、第1管22、第2管23、固定部材31、回転部材33、第1ばね35、第2ばね37、取付部材24等を備えている。冷却装置20は、取付部材24により、内燃機関の排気管に取り付けられる。
本体21は、噴射弁10の径よりも大きい径の円筒状に形成されている。本体21の第1端部21aは、噴射弁10の先端部10aの外周面に接合されている。本体21の第2端部21bは、噴射弁10の拡径部10b(基端部)の外周面に接合されている。本体21には、第1ポート21c及び第2ポート21dが形成されている。第1ポート21cには、上記第1管22が接続されている。第2ポート21dには、上記第2管23が接続されている。第2ポート21dは、第1ポート21cよりも上方に配置される。すなわち、第2ポート21dは、第1ポート21cよりも上方に設けられる。
本体21の内部には、円筒状の固定部材31が収納されている。固定部材31は、第1ポート21cから第2ポート21dまでの範囲内に設けられている。固定部材31の第1ポート21c側の一端部31aが、本体21に固定されている。一端部31aと本体21との間はシールされている。固定部材31の内部に、噴射弁10の一部、詳しくは先端部10aを含まない一部が挿入されている。すなわち、固定部材31は、噴射弁10の外周を囲んでおり、噴射弁10に沿って延びている。固定部材31の内周面と噴射弁10の外周面との間には、所定の隙間が形成されており、この所定の隙間が冷却水の通路になっている。
本体21の内部には、円筒状の回転部材33が収納されている。回転部材33は、噴射弁10の先端部10aから固定部材31の一端部31aまでの範囲内に設けられている。すなわち、回転部材33は、噴射弁10の先端部10aの外周部分から噴射弁10に沿って延びている。回転部材33の内部に、噴射弁10の一部、詳しくは先端部10aを含む一部が挿入されている。すなわち、回転部材33は、噴射弁10の外周を囲んでおり、噴射弁10に沿って延びている。回転部材33は、先端側(第1端部21a側)から順に、第1円筒部33a、円錐部33b、第2円筒部33cを備えている。第1円筒部33aの先端部33aaと本体21の第1端部21aとの間には、第1隙間g1が形成されている。
第1円筒部33a及び第2円筒部33cは、円筒形に形成されている。第1円筒部33aの径は、第2円筒部33cの径よりも小さくなっている。円錐部33bは、円錐の筒状に形成されている。円錐部33bは、第1円筒部33aと第2円筒部33cとを接続している。円錐部33bの径は、第1円筒部33a側から第2円筒部33c側へ向かって拡大している。第1円筒部33a、円錐部33b、及び第2円筒部33cの各内周面と噴射弁10の外周面との間には、所定の隙間が形成されており、この所定の隙間が冷却水の通路になっている。また、第1円筒部33a、円錐部33b、及び第2円筒部33cの各外周面と本体21の内周面との間には、所定の隙間が形成されており、この所定の隙間が冷却水の通路になっている。
第1円筒部33a、円錐部33b、及び第2円筒部33cの各外周面と本体21の内周面との間の所定の隙間により、第1通路が構成されている。第1通路は、第1ポート21cに接続され、噴射弁10の先端部10aの外周まで延びている。第1円筒部33a、円錐部33b、第2円筒部33c、及び固定部材31の各内周面と噴射弁10の外周面との間の所定の隙間により、第2通路が構成されている。第2通路は、上記第1通路に接続され、先端部10aの外周から噴射弁10に沿って延びて、第2ポート21dに接続されている。そして、第1通路及び第2通路により、冷却液通路が構成されている。
第1円筒部33aと円錐部33bとの境界部には、内周側に環状に突出する突出部33dが形成されている。噴射弁10の外周面と突出部33dの内周面との間には、冷却水の流れの上流側及び下流側の両隣よりも小さい隙間が形成されている。すなわち、突出部33d(絞り部)は、第2通路において、所定位置の通路面積を、所定位置の両隣の位置の通路面積よりも減少させている。突出部33dには、噴射弁10の軸線方向に貫通する複数の貫通孔33daが形成されている。貫通孔33daの詳細については後述する。なお、噴射弁10の外周面と突出部33dの内周面とが当接していてもよい。
第1円筒部33aの内部には、第1ばね35が収納されている。第1ばね35(規制部)は、噴射弁10の外周面と第1円筒部33aの内周面との間に配置されている。第1ばね35は、本体21の第1端部21aと突出部33dとの間に配置されている。噴射弁10の外周面と第1ばね35との間には隙間が形成されており、第1円筒部33aの内周面と第1ばね35との間には隙間が形成されている。第1ばね35は、ばね係数k1のコイルばねにより形成されている。
第1ばね35のばね係数k1は、十分大きく設定されている。このため、第1ばね35は、回転部材33に作用する重力によって突出部33dにより押されてもほとんど縮まず、第1端部21aの方向への回転部材33の移動が第1ばね35により規制される。
第2円筒部33cにおいて円錐部33b寄りの部分には、外周側に環状に張り出した張出部33cbが形成されている。第2円筒部33c(回転部材33における噴射弁10の先端部10aと反対側の端部)は、固定部材31の一端部31a(固定部材31における噴射弁10の先端部10a側の端部)に摺動可能に嵌合している。すなわち、回転部材33は、固定部材31により噴射弁10を中心として回転可能に支持されている。第2円筒部33cの外周面と固定部材31の一端部31aの内周面との間からは、冷却水が漏れない、若しくは冷却水の漏れ量が少なくなっている。一端部31aの端面と張出部33cbとが当接している、若しくは一端部31aの端面と張出部33cbとの間に微小な隙間が形成されている。
図3は回転部材33の平面図であり。図4は図3のIV-IV線断面図である。なお、図2の回転部材33は、図3のII-II線断面に相当する。
図3に示すように、回転部材33の突出部33dには、周方向において所定の間隔毎に貫通孔33daが形成されている。貫通孔33daは、噴射弁10の軸線方向に突出部33dを貫通している。図4に示すように、貫通孔33daは、回転部材33(噴射弁10)の周方向に傾斜している。なお、突出部33d及び貫通孔33daにより、回転付与部が構成されている。
図2に示すように、冷却装置20に正方向(第1方向)に冷却水を流すと、同図に矢印で示すように冷却水が流通する。冷却水を正方向に流す場合は、第1管22へ冷却水が流入して、第2管23から冷却水が流出する。ここで、噴射弁10の外周面と回転部材33の内周面との間の隙間により形成された冷却液の通路内において、噴射弁10に気泡が付着することがある。その場合、気泡が断熱層として作用し、噴射弁10を冷却する効率が低下するおそれがある。特に、噴射弁10の先端部10aの温度は上昇し易いため、先端部10aに付着した気泡を速やかに離脱させることが望ましい。
この点、回転部材33の突出部33dには、複数の貫通孔33daが形成されている。このため、貫通孔33daを冷却水が通過することにより、噴射弁10を中心として回転部材33を回転させる力が作用する。このため、突出部33d及び貫通孔33daが冷却水の流れを受けると、回転可能に支持された回転部材33が噴射弁10を中心として回転する。冷却水を正方向に流した場合は、図3において左回りに回転部材33が回転する。すなわち、貫通孔33daを冷却水が通過することにより、冷却水の運動エネルギの一部が、噴射弁10を中心として回転部材33が回転する回転エネルギに変換される。
回転部材33が回転すると、冷却水の粘性により回転部材33に冷却水が引っ張られる。このため、噴射弁10の軸線方向に流れる冷却水を、回転部材33と共に噴射弁10の周方向へ移動させる力が作用する。したがって、噴射弁10に沿って流れる冷却水に、噴射弁10を中心とした旋回流が生じる。
また、冷却装置20に逆方向(第2方向)に冷却水を流すと、同図に矢印で示す方向と逆方向に冷却水が流通する。冷却水を逆方向に流す場合は、第2管23へ冷却水が流入して、第1管22から冷却水が流出する。この場合も、貫通孔33daを冷却水が通過することにより、噴射弁10を中心として回転部材33を回転させる力が作用する。このため、突出部33d及び貫通孔33daが冷却水の流れを受けると、回転可能に支持された回転部材33が噴射弁10を中心として回転する。冷却水を逆方向に流した場合は、図3において右回りに回転部材33が回転する。このため、噴射弁10の軸線方向に流れる冷却水を、回転部材33と共に噴射弁10の周方向へ移動させる力が作用する。したがって、噴射弁10に沿って流れる冷却水に、噴射弁10を中心とした旋回流が生じる。
以上詳述した本実施形態は、以下の利点を有する。
・回転部材33には、冷却水の流れを受けることで、噴射弁10を中心として回転部材33を回転させる突出部33d及び貫通孔33daが設けられている。このため、突出部33d及び貫通孔33daが冷却水の流れを受けると、回転可能に支持された回転部材33が噴射弁10を中心として回転する。そして、冷却水の粘性により回転部材33に冷却水が引っ張られ、噴射弁10に沿って流れる冷却水に噴射弁10を中心とした旋回流が生じる。したがって、この旋回流により噴射弁10に付着した気泡を離脱させ易くすることができ、ひいては噴射弁10の冷却効率が低下することを抑制することができる。
・噴射弁10の外周面と固定部材31の内周面との間の隙間によって形成された通路に、冷却水が流通する。そして、回転部材33における噴射弁10の先端部10aと反対側の端部(第2円筒部33c)と、固定部材31における噴射弁10の先端部10a側の端部(一端部31a)とが嵌合しており、これらの端部が噴射弁10の周方向に相対摺動する。このため、固定部材31により噴射弁10を中心として回転部材33を回転可能に支持するとともに、固定部材31と回転部材33との間から冷却水が漏れることを抑制することができる。
・突出部33d及び貫通孔33daにより、冷却水の運動エネルギの一部が、噴射弁10を中心として回転部材33が回転する回転エネルギに変換される。したがって、噴射弁10を中心として回転部材33を回転させることができる。
・貫通孔33daは噴射弁10の軸線方向に突出部33dを貫通して噴射弁10の周方向に傾斜しているため、貫通孔33daを冷却水が通過することにより、噴射弁10を中心として回転部材33を回転させる力が作用する。このため、噴射弁10を中心として回転部材33を回転させることができる。
・突出部33dは、軸線方向において噴射弁10の先端部10a側への回転部材33の移動を規制する第1ばね35に当接している。このため、第1ばね35に当接させる部分として突出部33dを機能させることができる。
・回転部材33は噴射弁10の先端部10aの外周部分から噴射弁10に沿って延びているため、噴射弁10の先端部10a付近において冷却水に噴射弁10を中心とした旋回流を生じさせることができる。このため、温度が上昇し易い噴射弁10の先端部10aに付着した気泡を、離脱させ易くすることができる。
・冷却水に噴射弁10を中心とした旋回流を生じさせることにより、冷却水の流速において噴射弁10の軸線方向の成分に旋回方向の成分が加算されるため、噴射弁10に対する冷却水の総合的な流速を向上させることができる。したがって、噴射弁10の冷却効率を向上させることができる。
なお、上記実施形態を、以下のように変更して実施することもできる。上記実施形態と同一の部分については、同一の符号を付すことにより説明を省略する。
・回転部材33が、噴射弁10の先端部10aの外周部分よりも拡径部10b側から、噴射弁10に沿って延びている構成を採用することもできる。
・突出部33d及び第1ばね35を、回転部材33の内周側に代えて外周側に設けることもできる。そして、突出部33dに貫通孔33daを形成することもできる。こうした構成によっても、上記実施形態に準じた作用効果を奏することができる。また、回転部材33の内周側及び外周側に、複数の貫通孔33daの形成された突出部33d及び第1ばね35を設けることもできる。その場合、回転部材33の内周側と外周側とで、回転部材33を同一方向に回転させる力が作用するように、複数の貫通孔33daを形成すればよい。なお、第1ばね35は、回転部材33の内周側及び外周側の一方のみに設けられていてもよい。
・図5は回転部材33の変更例の正面図であり、図6は図5のVI-VI線断面図である。同図に示すように、回転部材33の外周面に沿って螺旋状の複数の溝33ab(回転付与部)が形成され、回転部材33の内周面に沿って螺旋状の複数の溝33ac(回転付与部)が形成されていてもよい。こうした構成によれば、螺旋状に形成された溝33ab,33acを冷却水が通過することにより、噴射弁10を中心として回転部材33を回転させる力が作用するため、噴射弁10を中心として回転部材33を回転させることができる。したがって、上記実施形態に準じた作用効果を奏することができる。なお、回転部材33に溝33ab,33acの一方のみを形成してもよい。
・図7は回転部材33の他の変更例の正面図であり、図8は図7のVIII-VIII線断面図である。同図に示すように、回転部材33の外周面に沿って螺旋状の複数の羽根33ad(回転付与部)が形成され、回転部材33の内周面に沿って螺旋状の複数の羽根33ae(回転付与部)が形成されていてもよい。こうした構成によれば、螺旋状に形成された羽根33ad,33aeに冷却水が当たることにより、噴射弁10を中心として回転部材33を回転させる力が作用するため、噴射弁10を中心として回転部材33を回転させることができる。したがって、上記実施形態に準じた作用効果を奏することができる。なお、回転部材33に羽根33ad,33aeの一方のみを形成してもよい。
・図9は、回転部材33の他の変更例の斜視図である。同図に示すように、回転部材33は、外周面から回転部材33(噴射弁10)の径方向に放射状に突出した複数の羽根33e(回転付与部)を備えていてもよい。複数の羽根33eは、平板状に形成されており、第1円筒部33aの円錐部33b側の端部の外周面、及び円錐部33bの外周面から、回転部材33の周方向において所定間隔毎に突出している。
そして、図10の平面図に示すように、第1ポート21c(流入ポート)から流入した冷却水が噴射弁10の周方向から羽根33eに当たるように、第1ポート21cを配置する。第1ポート21cの延長方向(軸線)は、噴射弁10の中心軸線からずれている。こうした構成によれば、回転部材33の外周面から噴射弁10の径方向に突出した羽根33eに、噴射弁10の周方向から冷却水が当たる。これより、噴射弁10を中心として回転部材33を回転させる力が作用するため、噴射弁10を中心として回転部材33を回転させることができる。したがって、上記実施形態に準じた作用効果を奏することができる。
・噴射弁10の冷却装置20は、冷却液として冷却水以外の冷媒を採用してもよい。
・噴射弁10は、尿素以外の添加剤、例えば燃料などの還元剤を噴射してもよい。
10…噴射弁、20…冷却装置、33…回転部材、33d…突出部、33da…貫通孔、33ab…溝、33ac…溝、33ad…羽根、33ae…羽根、33e…羽根。
Claims (9)
- 添加剤を噴射する噴射弁(10)を冷却液により冷却する冷却装置(20)であって、
前記噴射弁の外周を囲んで前記噴射弁に沿って延び、前記噴射弁を中心として回転可能に支持された回転部材(33)を備え、
前記噴射弁の外周面と前記回転部材の内周面との間の隙間により、前記冷却液が流通する通路が形成されており、
前記回転部材には、前記冷却液の流れを受けることで、前記噴射弁を中心として前記回転部材を回転させる回転付与部(33d及び33da、33ab、33ac、33ad、33ae、33e)が設けられている、添加剤噴射弁の冷却装置。 - 前記噴射弁の外周を囲んで前記噴射弁に沿って延び、移動しないように固定された固定部材(31)を備え、
前記噴射弁の外周面と前記固定部材の内周面との間の隙間により、前記冷却液が流通する通路が形成されており、
前記回転部材における前記噴射弁の先端部(10a)と反対側の端部(33c)と、前記固定部材における前記噴射弁の先端部側の端部(31a)とが嵌合して前記噴射弁の周方向に相対摺動可能となっている、請求項1に記載の添加剤噴射弁の冷却装置。 - 前記回転付与部は、前記冷却液の運動エネルギの一部を、前記噴射弁を中心として前記回転部材が回転する回転エネルギに変換する、請求項1又は2に記載の添加剤噴射弁の冷却装置。
- 前記回転付与部は、前記回転部材の内周側及び外周側の少なくとも一方に環状に突出する突出部(33d)と、前記噴射弁の軸線方向に前記突出部を貫通して前記噴射弁の周方向に傾斜した複数の貫通孔(33da)とにより構成されている、請求項1〜3のいずれか1項に記載の添加剤噴射弁の冷却装置。
- 前記突出部は、前記軸線方向において前記噴射弁の先端部側への前記回転部材の移動を規制する規制部(35)に当接している、請求項4に記載の添加剤噴射弁の冷却装置。
- 前記回転付与部は、前記回転部材の内周面及び外周面の少なくとも一方に沿って螺旋状に形成された複数の溝(33ab、33ac)により構成されている、請求項1〜3のいずれか1項に記載の添加剤噴射弁の冷却装置。
- 前記回転付与部は、前記回転部材の内周面及び外周面の少なくとも一方に沿って螺旋状に形成された複数の羽根(33ad、33ae)により構成されている、請求項1〜3のいずれか1項に記載の添加剤噴射弁の冷却装置。
- 前記回転付与部は、前記回転部材の外周面から前記噴射弁の径方向に放射状に突出した複数の羽根(33e)により構成されており、
前記冷却液が流入する流入ポート(21c)を、前記流入ポートから流入した前記冷却液が前記噴射弁の周方向から前記羽根に当たる位置に備える、請求項1〜3のいずれか1項に記載の添加剤噴射弁の冷却装置。 - 前記回転部材は、前記噴射弁の先端部の外周部分から前記噴射弁に沿って延びている、請求項1〜8のいずれか1項に記載の添加剤噴射弁の冷却装置。
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