JP7059141B2 - 分析装置及び容器供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、鉄鋼や非鉄金属、セラミックス等の試料に含まれる炭素（Ｃ）、硫黄（Ｓ）等の無機物中の元素を分析する分析装置及びこれに用いられる容器供給装置に関するものである。

従来の元素分析装置としては、特許文献１に示すように、試料を収容した容器（ボート）を加熱炉に配置して、当該加熱炉で加熱されて燃焼した試料から生じるガスを分析するものがある。この元素分析装置の加熱炉は、側壁に試料を出し入れする開口部が形成されており、当該開口部から水平方向に容器を配置するための空間が延びた構成とされている。

そして、特許文献１に示すように、加熱炉内に容器を自動で充填する自動機（オートサンプラ）は、１本のロッドを用いて加熱炉外にあるボートを１ストロークで加熱炉内に移動させる構成としてある。

しかしながら、このように１ストロークで容器を充填する構成では、１ストロークの長さが長くなってしまい、自動機の外形寸法が大きくなってしまうという問題がある。その結果、自動機及び当該自動機を含む元素分析装置の設置面積が大きくなってしまう。

特開平６－２７３２８８号公報

そこで本発明は上記問題点を解決すべくなされたものであり、試料を収容した容器を加熱炉内に移動させる機構をコンパクトにすることをその主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係る分析装置は、側壁に形成された開口部から水平方向に延びる空間を有する加熱炉と、試料を収容した容器を前記加熱炉外の待機位置から前記加熱炉内の燃焼位置に前記開口部を介して供給する容器供給機構と、前記加熱炉で加熱されて燃焼した前記試料から生じるガスを分析するガス分析計とを備え、前記容器供給機構は、前記待機位置にある前記容器を前記待機位置及び前記燃焼位置の間の中間位置に移動させる第１移動部と、前記中間位置にある前記容器を前記燃焼位置に移動させる第２移動部とを有することを特徴とする。

このようなものであれば、加熱炉外の待機位置から加熱炉内の燃焼位置に供給する容器供給機構が、待機位置から中間位置に移動させる第１移動部と、中間位置から燃焼位置に移動させる第２移動部とを有しているので、各移動部における移動量を、待機位置から燃焼位置に一挙に移動させる構成に比べて小さくすることができる。その結果、容器供給機構をコンパクトにすることができるだけでなく、分析装置をコンパクトにすることができる。

容器の移動領域を小さくするためには、前記待機位置、前記中間位置及び前記燃焼位置は同一直線上であることが望ましい。

第１移動部及び第２移動部の構成を簡単にするためには、前記第１移動部は、前記容器を前記待機位置から前記中間位置に直線状に押し出すものであり、前記第２移動部は、前記容器を前記中間位置から前記燃焼位置に直線上に押し出すものであることが望ましい。

容器移動機構の平面視における設置面積を小さくするためには、前記第１移動部及び前記第２移動部は上下に配列されていることが望ましい。

燃料後の容器の廃棄を簡単にするためには、前記第２移動部は、前記容器を前記中間位置と前記燃焼位置との間で往復移動させるものであり、分析装置は、前記第２移動部により前記燃焼位置から前記中間位置に戻された前記容器を廃棄する廃棄機構をさらに備えることが望ましい。

廃棄機構の構成を簡単にするとともに、中間位置に戻された燃焼済みの容器を即座に廃棄できるようにするためには、前記廃棄機構は、上部に開口を有する廃棄部と、前記廃棄部の開口を閉塞する開閉蓋と、前記開閉蓋を下げることによって前記開口を開閉するアクチュエータとを備え、前記開閉蓋の上面に前記中間位置が設定されており、前記アクチュエータが前記開閉蓋を下げることによって前記中間位置にある容器が前記廃棄部に廃棄されることが望ましい。

本発明の分析装置は、前記加熱炉及び前記ガス分析計を備える分析ユニットと、前記容器供給機構を備える供給ユニットとを備え、前記分析ユニット及び前記供給ユニットは互いに着脱可能に構成されていることが望ましい。
この構成であれば、分析ユニットに供給ユニットを接続した状態では、自動的に容器を供給することができるし、分析ユニットから供給ユニットを離脱した状態では、手動で容器を供給することができる。また、分析ユニット、供給ユニットのメンテンナンスもしやすくなる。

複数の容器に収容された試料を連続的に分析するためには、複数の前記容器がセットされるストッカを更に備え、前記容器供給機構は、前記ストッカにセットされた前記容器を前記加熱炉に供給するものであることが望ましい。

試料を収容した容器をストッカに装填しやすくするためには、前記ストッカは、前記容器供給機構から着脱可能に構成することが考えられる。このとき、複数の容器を装填したストッカを容器供給機構に装着する際に、容器から試料が溢れたりする恐れがある。この問題を好適に解決するためには、前記ストッカの上面には、前記複数の容器を覆うカバー体が着脱可能に設けられていることが望ましい。この構成であれば、ストッカにセットされた容器にダストが入らないようにすることができる。また、ストッカの中で容器が倒れるのを防止することもできる。

以上に述べた本発明によれば、試料を収容した容器を加熱炉内に移動させる機構をコンパクトにすることができる。

本実施形態の分析装置の構成を模式的に示す図である。 同実施形態のストッカ及びカバー体を示す断面図である。 同実施形態の供給ユニットの外観構成を模式的に示す斜視図である。 同実施形態の測定準備及び一次押し出しを示す模式図である。 同実施形態の二次押し出し及び測定を示す模式図である。 同実施形態の容器の回収を示す模式図である。 同実施形態の容器の廃棄を示す模式図である。

以下、本発明の一実施形態に係る分析装置について、図面を参照しながら説明する。

＜装置構成＞
本実施形態の分析装置１００は、例えば、金属等の試料を加熱して燃焼させ、それによって生じたガスから当該試料に含まれる炭素（Ｃ）、硫黄（Ｓ）等の元素を分析するものである。

具体的にこの分析装置１００は、図１に示すように、試料Ｗが収容された容器２が配置される加熱炉３と、加熱炉３で加熱されて燃焼した試料Ｗから生じるガスを分析するガス分析計４と、加熱炉３に容器２を供給する容器供給機構５とを備えている。

容器２は、内部に例えば粉末状の試料Ｗが収容されるものであり、本実施形態の容器２は、上部に開口を有する長尺状をなすものであり、具体的には磁気燃焼ボートである。なお、容器２の形状はこれに限られず、種々の形状とすることができる。

加熱炉３は、その内部で、試料Ｗが収容されていない容器２を空焼きしたり、試料Ｗが収容された容器２を加熱し、試料Ｗを加熱してガスを発生させるものである。

具体的に加熱炉３は、側壁に形成された開口部３Ｈから水平方向に延びる空間３Ｓを有し、当該空間３Ｓに容器２が配置されるものであり、容器２が出し入れされる炉本体３１と、当該炉本体３１の周囲に設けられて炉本体３１を加熱する電気抵抗体３２と、当該電気抵抗体３２に電力を供給して通電発熱させる電源回路３３とを備えている。なお、本実施形態では、加熱炉３の前壁に開口部３Ｈが形成されており、当該開口部３Ｈから奥行き方向に空間３Ｓが形成されている。

炉本体３１は、例えば円筒状のセラミック成形体であり、内部に容器２を収容可能な空間３Ｓを有するものである。炉本体３１の一方の端部は開口部３Ｈに連通している。また、炉本体３１の他方の端部には、試料Ｗから発生したガスをガス分析計４に導出するためのガス導出口が設けられている。なお、炉本体３１の加熱方式としては、電気抵抗炉に電流を流して抵抗加熱（ジュール発熱）させるものであっても良く、この場合に炉本体３１は導電性を有する金属から形成される。その他、炉本体３１内に収容された容器又は試料を誘導加熱する方式であっても良い。

ガス分析計４は、加熱炉３で生じたガスを分析して、試料Ｗに含まれる各成分の含有量を求めるものである。本実施形態では、例えば、非分散型赤外線吸収法（ＮＤＩＲ法）を用いて分析するものである。具体的にこのガス分析計４は、図示しない非分散型赤外線検出器を有しており、加熱炉３から導出されたガスに含まれるＣＯ_２、ＣＯ、ＳＯ_２等を検出することで、試料Ｗに含まれる炭素（Ｃ）や硫黄（Ｓ）等の含有量を求めるものである。

本実施形態では、上記の加熱炉３及びガス分析計４はユニット化されており、１つの分析ユニット１００Ｘを構成する。この分析ユニット１００Ｘは、キャスターなどにより移動可能に構成されていてもよい。

容器供給機構５は、容器２を加熱炉３の側壁に形成された開口部３Ｈを介して供給するものであり、加熱炉３外に設定された待機位置Ｐから加熱炉３内に設定された燃焼位置Ｑに移動させるものである。

具体的に容器供給機構５は、容器２を多段階（以下では２段階）に分けて移動させるものであり、待機位置Ｐの容器２を待機位置Ｐ及び燃焼位置Ｑの間の中間位置Ｒに移動させる第１移動部５１と、中間位置Ｒの容器２を燃焼位置Ｑに移動させる第２移動部５２とを有する。

ここで、待機位置Ｐ、中間位置Ｒ及び燃焼位置Ｑは、この順で同一直線上である。
待機位置Ｐは、加熱される前の容器２がセットされる位置であり、本実施形態では、複数の容器２がセットされるストッカ６上の位置である。
中間位置Ｒは、容器２全体が炉本体３１に入る直前の位置であり、容器２全体が炉本体３１に入る前の位置であってもよいし、容器２の一部が炉本体３１に入った状態の位置であっても良い。
燃焼位置Ｑは、炉本体３１の空間３Ｓにおいて所定の加熱温度となる位置であり、例えば炉本体３１の中央部とすることが考えられる。

第１移動部５１は、容器２を待機位置Ｐから中間位置Ｒに直線状に押し出すものである。具体的に第１移動部５１は、容器２を押し出す作動子５１１と、当該作動子５１１を駆動する例えばモータやエアシリンダ等のアクチュエータ５１２とを有する。本実施形態では、作動子５１１が直線状に進退するものであってもよいし、直線状に伸縮するものであっても良い。

第２移動部５２は、第１移動部５１とは別に設けられ、容器２を中間位置Ｒから燃焼位置Ｑに直線状に押し出すものである。具体的に第２移動部５２は、容器２を押し出す作動子５２１と、当該作動子５２１を駆動する例えばモータやエアシリンダ等のアクチュエータ５２２とを有する。本実施形態では、作動子５２１が直線状に進退するものであってもよいし、直線状に伸縮するものであっても良い。

ここで、第１移動部５１の作動子５１１の長さと第２移動部５２の作動子５２１の長さとは異なる。本実施形態では、第２移動部５２が容器２を炉本体３１の奥まで押し出す必要があるので、第２移動部５２の方が第１移動部５１よりも長い。

また、第２移動部５２は、燃焼位置Ｑの容器２を中間位置に戻すこともできる。このため、第２移動部５２の作動子５２１の先端部には、容器２を引っ掛けるための引掛け部５２１ｘが形成されている。なお、第２移動部５２により容器２を戻す位置は中間位置Ｒに限られず、その他の位置であってもよいし、第２移動部５２によって戻された容器２をさらに第１移動部５１により中間位置Ｒ又はその他に位置に戻すようにしても良い。また、作動子５２１の先端部に引掛け部５２１ｘを形成する他、容器２を挟む挟み部を設けても良い。

これら第１移動部５１及び第２移動部５２は上下に配列されている。ここでは、第１移動部５１が下であり、第２移動部５２が上である構成を示しているが、逆であっても良い。

そして、容器供給機構５は、第１移動部５１及び第２移動部５２をそれぞれ昇降移動させる第１昇降移動部５３及び第２昇降移動部５４を備えている。各昇降移動部５３、５４は、上下に延びるリニアガイド機構と例えばモータやエアシリンダ等のアクチュエータとを備えている。第１昇降移動部５３は、第１移動部５１により容器２を押し出す場合に、当該第１移動部５１を退避した位置から所定の押し出し高さに移動させる（上げる）ものである。第２昇降移動部５４は、第２移動部５２により容器２を押し出す場合に、当該第２移動部５２を退避した位置から所定の押し出し高さに移動させる（下げる）ものである。

さらに、本実施形態の分析装置１００は、第２移動部５２により燃焼位置Ｑから中間位置Ｒに戻された容器２を廃棄する廃棄機構７をさらに備えている。

廃棄機構７は、加熱炉３により加熱された容器２を廃棄するものであり、上部に開口を有する廃棄部７１と、廃棄部７１の開口を閉塞する開閉蓋７２と、開閉蓋７２を下げることによって開口を開閉するアクチュエータ７３とを備えている。ここで、開閉蓋７２の上面に中間位置Ｒが設定されており、アクチュエータ７３が開閉蓋７２を下げることによって中間位置Ｒにある容器２が廃棄部７１に廃棄される。なお、廃棄部７１は、容器であってもよいし、外部の廃棄容器（不図示）に接続される廃棄流路であっても良い。

また、本実施形態の容器供給機構５は、ストッカ６にセットされた容器２を加熱炉３に供給するものであり、当該ストッカ６には、複数の容器２がセットされる。

ストッカ６は、図２に示すように、複数の容器２を収容する収容空間６ｓを有しており、それらの長手方向が一致するように並べて収容するものである。また、ストッカ６は、容器供給機構５から着脱可能に構成されている。

このため、ストッカ６には、収容された複数の容器２を覆うカバー体８が着脱可能に設けられている。カバー体８は、ストッカ６の上面において複数の容器２を覆う上板部８１と、当該上板部８１の一端に接続された側板部８２とを有している。上板部８１及び側板部８２にはそれぞれ取っ手８３が設けられている。

これらストッカ６及びカバー体８の間には、カバー体８を着脱可能にするための固定構造８４が設けられている。この固定構造８４は、カバー体８の側板部８２の内面に設けられた挿し込みピン８４１と、ストッカ６の側面に形成され、挿し込みピン８４１が挿し込まれる挿し込み部８４２とからなる。挿し込み部８４２に挿し込みピン８４１を挿し込むことによって、ストッカ６に対してカバー体８が固定され、カバー体８に設けられた取っ手８３を持つことによって、ストッカ６を持ち運びすることができる。

また、本実施形態では、上記の容器供給機構５及び廃棄機構７はユニット化されており、１つの供給ユニット１００Ｙ（容器供給装置）を構成する。この供給ユニット１００Ｙは、キャスターなどにより移動可能に構成されている。そして、供給ユニット１００Ｙは、上記の分析ユニット１００Ｘと着脱可能に構成されている。

また、供給ユニット１００Ｙは、図３に示すように、容器供給機構５及びストッカ６を収容する筐体９を有している。当該筐体９には、メンテナンス用に開閉可能なカバー９１と、ストッカ６を出し入れして容器２を補充するための開閉扉９２とが設けられている。開閉扉９２には、筐体９の内部（特にストッカ６内の容器２）の状態を観察するための観察用窓９２１が設けられている。また、開閉扉９２は、ストッカ６にカバー体８が取り付けられた状態では、カバー体の取っ手８３が引っ掛かって閉まらないように構成されている。

また、筐体９の側壁には、分析ユニット１００Ｘの炉本体３１の内部の状態を観察するための観察用窓９３が設けられている。当該観察用窓９３は、容器供給機構５の容器供給側とは反対側の側壁において、加熱炉３の開口部３Ｈの前方に対応する位置に形成されている。これにより、各昇降移動部５３、５４により第１移動部５１及び第２移動部５２が上下に退避した位置にある状態で、観察用窓９３から炉本体３１の内部の状態を観察することができる。

次に容器供給機構５による容器２の供給動作及び廃棄動作について図４～図７を参照して説明する。
（１）測定準備及び一次押し出し（図４参照）
まず、ストッカ６にセットされた容器２の１つが待機位置Ｐとなるようにストッカ６を図示しない水平移動機構により移動させる。この状態で、容器供給機構５の第１昇降移動部５３が、第１移動部５１を退避した位置から所定の押し出し高さに移動させて、第１移動部５１の作動子５１１が、容器２を待機位置Ｐから中間位置Ｒに押し出す。その後、第１移動部５１は作動子５１１を戻し、第１昇降移動部５３は、第１移動部５１を退避した位置に戻す。

（２）二次押し出し及び測定（図５参照）
次に、容器供給機構５の第２昇降移動部５４が、第２移動部５２を退避した位置から所定の押し出し高さに移動させて、第２移動部５２の作動子５２１が、容器２を中間位置Ｒから分析位置である燃焼位置Ｑに押し出す。その後、第２移動部５２は作動子５２１を戻し、第２昇降移動部５４は、第２移動部５２を退避した位置に戻す。また、加熱炉３の開口部３Ｈに設けられたシャッタ（不図示）が閉じて、分析シーケンスが開始される。

（３）容器２の回収（図６参照）
分析終了後、開口部３Ｈのシャッタが開く。容器供給機構５の第２昇降移動部５４が、第２移動部５２を退避した位置から所定の押し出し高さに移動させて、第２移動部５２の作動子５２１、容器２を燃焼位置Ｑから中間位置Ｒに引っ張り出す。このとき、第２昇降移動部５４は、作動子５２１の引掛け部５２１ｘが容器２の縁部に引っかかるように第２移動部５２を上下動させる。また、本実施形態では、引掛け部５２１ｘが確実に容器２の縁部に引っかかるように、作動子５２１により容器２を燃焼位置Ｑから若干押して位置調整した後に、第２昇降移動部５４が第２移動部５２を上下動させる構成としてある。また、第２昇降移動部５４は、第２移動部５２が容器２を中間位置Ｒに戻した後に、第２移動部５２を退避した位置に戻す。

（４）容器２の廃棄（図７参照）
第２移動部５２により分析後の容器２が中間位置Ｒに戻された後に、廃棄機構７の開閉蓋７２が開くことによって、容器２が廃棄される。そして、次の容器２を測定すべく、上記の（１）の工程に戻る。

＜本実施形態の効果＞
本実施形態の分析装置１００によれば、加熱炉３外の待機位置Ｐから加熱炉３内の燃焼位置Ｑに供給する容器供給機構５が、待機位置Ｐから中間位置Ｒに移動させる第１移動部５１と、中間位置Ｒから燃焼位置Ｑに移動させる第２移動部５２とを有しているので、各移動部５１、５２における移動量を、待機位置Ｐから燃焼位置Ｑに一挙に移動させる構成に比べて小さくすることができる。その結果、容器供給機構５をコンパクトにすることができ、分析装置１００全体をコンパクトにすることができる。

また、本実施形態では、第１移動部５１及び第２移動部５２に分けたことによって、各作動子５１１、５２１の長さを短くすることができ、それらの撓みによる不具合（例えば容器の位置決め不良や、周辺部材への接触）を低減することができる。さらに、中間位置Ｒが容器２全体が炉本体３１に入る直前の位置としてあるので、第１移動部５１の作動子５１１に与えられる熱影響を低減することができ、耐熱性に優れた高価な材料を用いる必要がなくなる。なお、第２移動部５２の作動子５２１は、炉本体３１に挿入されるため熱影響の問題があるが、第２移動部５２の作動子５２１に耐熱性に優られた材料を用いることによってそれを低減することができる。耐熱性に優れた材料を用いた場合であっても、従来よりも作動子の長さが短いので、コストを削減することができる。

＜その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

前記実施形態では、２つの移動部５１、５２を用いて待機位置Ｐから燃焼位置Ｑに２段階で移動させる構成としたが、３つ以上の移動部を用いて待機位置Ｐから２つ以上の中間位置Ｒを介して燃焼位置Ｑに移動させる構成としても良い。

前記実施形態では、待機位置Ｐ、中間位置Ｒ及び燃焼位置Ｑは、一直線上であったが、一直線上でなくても良い。この場合であっても、移動部の構成を簡単にするために、各位置間の移動は、直線移動であることが望ましい。

前記実施形態では、１つのストッカ６に複数の容器２をセットして加熱炉３に供給する例を示したが、複数のストッカを多段に設置して、より多くの容器２を連続測定できるようにしても良い。この場合、容器供給機構に対してストッカを水平移動させる機構だけでなく、容器供給機構に対してストッカを上下移動させる機構を設けることが考えられる。

前記実施形態では、第１移動部による容器の移動と第２移動部の容器の移動とは、炉本体３１との位置関係で設定されているが、例えば、待機位置Ｐから燃焼位置Ｑまでの距離を均等に分割したものであっても良いし、温度によって分割したものであっても良い。

また、第１移動部及び第２移動部の配置は、上下に配列したものに限られず、左右に配列したものであっても良いし、周辺の構造に応じて種々選択することができる。

さらに、各移動部５１、５２の作動子５１１、５２１に例えばセラミックコーティンするなどの耐熱処理を施しても良い。

その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な実施形態の変形や組み合わせを行っても構わない。

１００ ・・・分析装置
１００Ｘ・・・分析ユニット
１００Ｙ・・・供給ユニット（オートサンプラ）
Ｗ ・・・試料
２ ・・・容器
３Ｈ ・・・開口部
３Ｓ ・・・空間
３ ・・・加熱炉
Ｐ ・・・待機位置
Ｑ ・・・燃焼位置
Ｒ ・・・中間位置
４ ・・・ガス分析計
５ ・・・容器供給機構
５１ ・・・第１移動部
５２ ・・・第２移動部
６ ・・・ストッカ
７ ・・・廃棄機構
７１ ・・・廃棄容器
７４ ・・・開閉蓋
７３ ・・・アクチュエータ
８ ・・・カバー体

Claims (10)

1. 側壁に形成された開口部から水平方向に延びる空間を有する加熱炉と、
   試料を収容した容器を前記加熱炉外の待機位置から前記加熱炉内の燃焼位置に前記開口部を介して供給する容器供給機構と、
   前記加熱炉で加熱されて燃焼した前記試料から生じるガスを分析するガス分析計とを備え、
   前記容器供給機構は、
   前記待機位置にある前記容器を前記待機位置及び前記燃焼位置の間の中間位置に前記容器の姿勢を保ったまま移動させる第１移動部と、
   前記中間位置にある前記容器を前記燃焼位置に前記容器の姿勢を保ったまま移動させる第２移動部とを有する、分析装置。
2. 前記待機位置、前記中間位置及び前記燃焼位置は同一直線上である、請求項１記載の分析装置。
3. 前記第１移動部は、前記容器を前記待機位置から前記中間位置に直線状に押し出すものであり、
   前記第２移動部は、前記容器を前記中間位置から前記燃焼位置に直線状に押し出すものである、請求項１又は２記載の分析装置。
4. 前記第１移動部及び前記第２移動部は上下に配列されている、請求項１乃至３の何れか一項に記載の分析装置。
5. 前記第２移動部は、前記容器を前記中間位置と前記燃焼位置との間で往復移動させるものであり、
   前記第２移動部により前記燃焼位置から前記中間位置に戻された前記容器を廃棄する廃棄機構をさらに備える、請求項１乃至４の何れか一項に記載の分析装置。
6. 前記廃棄機構は、上部に開口を有する廃棄部と、前記廃棄部の開口を閉塞する開閉蓋と、前記開閉蓋を下げることによって前記開口を開閉するアクチュエータとを備え、
   前記開閉蓋の上面に前記中間位置が設定されており、前記アクチュエータが前記開閉蓋を下げることによって前記中間位置にある容器が前記廃棄部に廃棄される、請求項５記載の分析装置。
7. 前記加熱炉及び前記ガス分析計を備える分析ユニットと、
   前記容器供給機構を備える供給ユニットとを備え、
   前記分析ユニット及び前記供給ユニットは互いに着脱可能に構成されている、請求項１乃至６の何れか一項に記載の分析装置。
8. 複数の前記容器がセットされるストッカを更に備え、
   前記容器供給機構は、前記ストッカにセットされた前記容器を前記加熱炉に供給するものである、請求項１乃至７の何れか一項に記載の分析装置。
9. 前記ストッカは、前記容器供給機構から着脱可能に構成されており、
   前記ストッカの上面には、前記複数の容器を覆うカバー体が着脱可能に設けられている、請求項８記載の分析装置。
10. 側壁に形成された開口部から水平方向に延びる空間を有し、当該空間に試料を収容した容器が配置される加熱炉に前記試料を供給する容器供給装置であって、
    前記容器を前記加熱炉外の待機位置から前記加熱炉内の燃焼位置に前記開口部を介して供給するものであり、
    前記待機位置にある前記容器を前記待機位置及び前記燃焼位置の間の中間位置に前記容器の姿勢を保ったまま移動させる第１移動部と、
    前記中間位置にある前記容器を前記燃焼位置に前記容器の姿勢を保ったまま移動させる第２移動部とを有する、容器供給装置。
    

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