KR102564860B1 - 에어 포일 저널 베어링 - Google Patents

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KR102564860B1
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Abstract

본 발명의 에어 포일 저널 베어링은, 로터가 배치되는 중공이 형성되고 내주면에서 오목하게 키홈이 형성되며, 길이방향 양측이 개방되게 형성된 베어링 하우징; 상기 베어링 하우징의 내측에 구비되어 원주방향을 따라 형성되고, 요철 형상의 탄성 범프들이 형성되며, 일단이 상기 베어링 하우징에 결합된 범프 포일; 상기 베어링 하우징의 키홈에 삽입되며, 길이방향 양단이 베어링 하우징에 고정된 키; 및 상기 범프 포일의 내측에 구비되어 원주방향을 따라 형성되며, 일단이 상기 키에 결합되어 고정된 탑 포일; 을 포함하여 이루어져, 탑 포일과 결합된 키가 반경방향 안쪽으로 처지는 것을 방지하여 탑 포일의 형태를 유지시킴으로써, 로터 및 탑 포일의 열 상승을 방지하여 내구성을 향상시킬 수 있는 에어 포일 저널 베어링에 관한 것이다.

Description

에어 포일 저널 베어링 {Air foil journal bearing}
본 발명은 고속으로 회전되는 로터와 포일 사이에 공기가 유입되어 압력을 형성함으로써 로터가 포일에서 부상되며 로터의 반경방향 하중을 지지하는 에어 포일 저널 베어링에 있어서, 로터 및 포일의 열 상승을 방지하여 내구성을 향상시킬 수 있는 에어 포일 저널 베어링에 관한 것이다.
베어링은 회전축을 일정한 위치에 고정시키며 동시에 축의 자중과 축에 걸리는 하중을 지지하면서 축이 회전될 수 있도록 하는 기계요소이다.
그리고 베어링 중 에어 포일 베어링은 로터의 고속 회전에 따라 로터와 접하는 포일 사이에 점성을 가지는 유체인 공기가 유입되어 압력을 형성함으로써 하중을 지지하는 베어링이다.
이러한 에어 포일 베어링 중 에어 포일 저널 베어링은 로터의 반경방향 하중을 지지하도록 구성되는 베어링이다.
일례로 종래의 에어 포일 저널 베어링(10)은 도 1 및 도 2와 같이 회전하는 로터(4)를 지지 하는 하우징(5), 하우징(5)의 내면을 따라 장착되는 탑 포일(2) 및 범프 포일(1)로 구성된다. 그리고 탑 포일(2)은 하우징(5)의 키홈 내에 삽입 설치된 스페이서 블락(키, 3)에 일단이 점용접 등의 방식으로 부착되어 하우징(5)의 내부에 설치되며, 탑 포일(2)의 내주면이 베어링면(21)을 형성하게 된다. 또한, 범프 포일(1)은 일단이 하우징(5)의 키홈 내에 삽입 설치된 스페이서 블락(키, 3) 또는 하우징(5)의 내면에 점용접 등의 방식으로 부착되어 탑 포일(2)을 지지한다. 또한, 범프 포일(1)은 일체로 형성될 수도 있으며, 여러 개로 분할되어 설치될 수 있다. 도시된 바와 같이 범프 포일은 세 개의 부분(1, 1', 1")으로 나누어져 각각이 스페이서 블락(3, 3', 3")에 부착될 수 있다.
그런데 로터(4)가 회전함에 따라 로터(4)와 탑 포일(2)간의 마찰 및 진동이 발생하며, 이에 따라 탑 포일에 힘이 가해지게 되어 탑 포일에 부착된 스페이서 블락이 하우징의 키홈으로부터 반경방향 안쪽으로 약간 빠져나오는 키 처짐 현상이 발생할 수 있다. 여기에서 탑 포일(2)의 내주면과 로터(4)의 외주면 사이의 간극은 일반적으로 0.2mm 정도로 매우 작으며, 이 간극의 변화는 포일들 및 로터의 온도 상승과 밀접한 관련이 있다.
즉, 키 처짐 현상이 발생하여 탑 포일과 로터 사이의 간극이 줄어들면 탑 포일과 로터의 온도가 상승하여 과열될 수 있으며, 이에 따라 탑 포일 및 로터가 손상 또는 파손되어 에어 포일 저널 베어링의 내구성이 저하되며 수명이 감소하는 문제점이 있다..
KR 10-2005-0105752 A (2005.11.08.)
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 하우징의 키홈에 탑 포일을 결합시키는 키가 반경방향 안쪽으로 처지는 것을 방지하여 탑 포일의 형태를 유지시킴으로써, 로터 및 탑 포일의 열 상승을 방지하여 로터 및 탑 포일의 파손이 방지되며 이에 따라 내구성을 향상시킬 수 있는 에어 포일 저널 베어링을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 에어 포일 저널 베어링은, 로터가 배치되는 중공이 축방향으로 관통 형성되고, 내주면에서 오목하게 키홈이 형성되며, 상기 키홈에서 반경방향 바깥쪽으로 이격된 위치의 축방향 양단에 오목하게 걸림 구멍이 형성되어 반경방향으로 상기 키홈과 걸림 구멍 사이에 걸림턱이 형성된 베어링 하우징; 상기 베어링 하우징의 내측에 구비되어 원주방향을 따라 형성되고, 요철 형상의 탄성 범프들이 형성되며, 상기 베어링 하우징에 결합된 범프 포일; 상기 베어링 하우징의 키홈에 삽입되고, 몸체의 축방향 양단에서 상측으로 한 쌍의 걸림 후크가 연장 형성되며, 상기 베어링 하우징의 걸림턱에 상기 한 쌍의 걸림 후크가 걸려 고정된 키; 및 상기 범프 포일의 내측에 구비되어 원주방향을 따라 형성되며, 일단이 상기 키에 결합되어 고정된 탑 포일; 을 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 키의 걸림 후크는, 상기 몸체의 축방향 양단에서 연장 형성된 한 쌍의 지지대; 및 상기 한 쌍의 지지대의 자유단에서 각각 서로 마주보는 방향으로 돌출 형성된 걸림 돌기; 를 포함할 수 있다.
또한, 상기 지지대는 탄성 재질로 형성될 수 있다.
또한, 상기 베어링 하우징의 걸림턱의 축방향 길이는 상기 키의 한 쌍의 지지대 사이의 거리에 대응되게 형성될 수 있다.
또한, 상기 베어링 하우징의 걸림턱의 축방향 양단은 각각 상기 베어링 하우징의 대응되는 축방향 측면보다 축방향 내측으로 이격되게 형성될 수 있다.
또한, 상기 베어링 하우징의 걸림턱 및 상기 키의 걸림 후크는 축방향 양측이 비대칭으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 걸림턱은 축방향 일측의 높이가 축방향 타측의 높이보다 크게 형성되며, 상기 키의 걸림 후크는 상기 걸림턱에 대응되는 길이로 형성되어 결합될 수 있다.
그리고 본 발명의 에어 포일 저널 베어링은 로터가 배치되는 중공이 축방향으로 관통 형성되고, 내주면에서 오목하게 키홈이 형성되며, 상기 키홈에서 반경방향 바깥쪽으로 이격된 위치에서 축방향으로 베어링 하우징의 양쪽 측면을 관통하는 걸림 구멍이 형성되어 반경방향으로 상기 키홈과 걸림 구멍 사이에 걸림턱이 형성된 베어링 하우징; 상기 베어링 하우징의 내측에 구비되어 원주방향을 따라 형성되고, 요철 형상의 탄성 범프들이 형성되며, 상기 베어링 하우징에 결합된 범프 포일; 상기 베어링 하우징의 키홈에 삽입되고, 몸체의 축방향 일단에서 상측으로 연결부가 연장 형성되고 상기 연결부에서 축방향 타단쪽을 향해 걸림 후크가 연장 형성되며, 상기 베어링 하우징의 걸림턱에 걸림 후크가 걸려 고정된 키; 및 상기 범프 포일의 내측에 구비되어 원주방향을 따라 형성되며, 일단이 상기 키에 결합되어 고정된 탑 포일; 을 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 키의 걸림 후크는, 상기 연결부에서 축방향 타단쪽으로 연장 형성된 지지대; 및 상기 지지대의 자유단에서 하측을 향해 돌출 형성된 걸림 돌기; 를 포함할 수 있다.
또한, 상기 지지대는 탄성 재질로 형성될 수 있다.
또한, 상기 베어링 하우징의 걸림턱의 축방향 길이는 상기 키의 지지대와 걸림 돌기 사이의 거리에 대응되게 형성될 수 있다.
또한, 상기 베어링 하우징의 걸림턱의 축방향 양단은 각각 상기 베어링 하우징의 대응되는 축방향 측면보다 축방향 내측으로 이격되게 형성될 수 있다.
본 발명의 에어 포일 저널 베어링은 하우징의 키홈에 탑 포일을 결합시키는 키가 반경방향 안쪽으로 처지지 않도록 하우징에 고정되어 탑 포일의 형태가 유지되며, 이에 따라 로터 및 탑 포일의 열 상승이 방지되어 로터 및 탑 포일의 내구성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 키를 비대칭으로 형성하여 탑 포일이 오조립되는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.
도 1 및 도 2는 종래의 에어 포일 저널 베어링을 나타낸 단면도 및 사시도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 에어 포일 저널 베어링을 나타낸 분해사시도 및 조립사시도이다.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 에어 포일 저널 베어링의 부분 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 에어 포일 저널 베어링의 키를 베어링 하우징에 결합하는 과정을 나타낸 부분 정면단면도이다.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 에어 포일 저널 베어링을 나타낸 부분 정면단면도이다.
도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 에어 포일 저널 베어링의 키를 베어링 하우징에 결합하는 과정을 나타낸 부분 정면단면도이다.
이하, 상기한 바와 같은 본 발명의 에어 포일 저널 베어링 및 에어 포일 스러스트 베어링을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
<실시예 1>
도 3 및 도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 에어 포일 저널 베어링을 나타낸 분해사시도 및 조립사시도이며, 도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 에어 포일 저널 베어링의 부분 사시도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 제1실시예에 따른 에어 포일 저널 베어링은 크게 베어링 하우징(100), 범프 포일(200), 탑 포일(300) 및 키(400)를 포함하여 구성될 수 있다.
베어링 하우징(100)은 중앙 부분에 축방향으로 양쪽 측면을 관통하는 중공(110)이 형성되며, 중공(110)과 연통된 키홈(120)이 형성될 수 있다. 키홈(120)은 중공(110)이 형성된 베어링 하우징(100)의 내주면의 상측에서 반경방향 바깥쪽으로 오목하게 길이방향을 따라가며 연속된 형태의 키홈(120)이 형성될 수 있다. 그리고 베어링 하우징(100)에는 걸림 구멍(130)이 형성될 수 있고, 걸림 구멍(130)은 키홈(120)에서 반경방향 바깥쪽으로 이격된 위치에 형성될 수 있으며, 걸림 구멍(130)은 베어링 하우징(100)의 축방향 양쪽 측면에서 각각 축방향 안쪽으로 오목한 형태로 형성될 수 있다. 일례로 걸림 구멍(130)은 도시된 바와 같이 베어링 하우징(100)의 축방향 양쪽 측면을 관통하는 홀 형태로 형성될 수 있다. 이외에도 걸림 구멍(130)은 베어링 하우징(100)의 축방향 양쪽 측면에서 각각 축방향 안쪽으로 오목한 홈 형태로 형성되어 양쪽의 걸림 구멍들 사이가 막혀있는 형태가 될 수도 있다. 또한, 베어링 하우징(100)에는 키홈(120)과 걸림 구멍(130)의 사이에 걸림턱(140)이 형성될 수 있고, 일례로 걸림턱(140)은 베어링 하우징(100)에 걸림 구멍(130)을 뚫어서 키홈(120)과 걸림 구멍(130) 사이에 남아있는 살 부분이 걸림턱(140)으로 형성될 수 있다.
범프 포일(200)은 절곡부(210) 및 절곡부(210)에서 원주방향을 따라 연장 형성된 요철 형상의 탄성 범프(220)들을 포함하여 구성될 수 있다. 범프 포일(200)은 베어링 하우징(100)의 중공(110) 내측에 배치되며, 범프 포일(200)은 원주방향 일단이 반경방향 외측으로 절곡된 절곡부(210)가 키홈(120)에 삽입되어 결합될 수 있다. 그리고 범프 포일(200)은 두께가 얇은 판형으로 형성되되 반경방향 내측으로 볼록하게 돌출된 다수개의 탄성 범프(220)들이 원주방향을 따라 이격되어 배치될 수 있다. 또한, 범프 포일(200)들은 베어링 하우징(100)에 결합된 절곡부(210)를 기준으로 시계 방향으로 연장된 형태로 형성될 수 있다. 또한, 범프 포일(200)은 복수로 구성되어 범프 포일(200)들이 원주방향으로 서로 이격되게 배열될 수도 있으며, 범프 포일(200)이 두겹 이상으로 겹쳐져 구성될 수도 있다. 이외에도 범프 포일은 다양하게 형성될 수 있다.
탑 포일(300)은 절곡부(310) 및 하중 지지부(320)를 포함하여 구성될 수 있다. 범프 포일(200)의 내측에 구비되고 원주방향을 따라 형성되며, 원주방향 일단이 반경방향 외측으로 절곡된 절곡부(310)가 형성되어 절곡부(310)가 키홈(120)에 삽입될 수 있다. 그리고 탑 포일(300)의 내측에는 로터(500)가 삽입되어 배치될 수 있으며, 하중 지지부(320)는 요철이 없이 매끈한 곡면으로 형성되고 내주면에는 로터(500)의 회전 시 접촉에 의한 마찰을 줄일 수 있도록 테프론 등으로 코팅막이 형성될 수 있다. 그리하여 로터(500)가 탑 포일(300)의 내측에서 회전될 때 유동되는 공기의 압력에 의해 로터(500)가 탑 포일(300)에서 이격된 상태가 되도록 부상되어 로터(500)가 원활하게 회전될 수 있다. 또한, 탑 포일(300)은 절곡부(310)를 기준으로 반계방향으로 연장 형성될 수 있다.
키(400)는 베어링 하우징(100)의 키홈(120)에 삽입되고, 축방향 양측에 형성된 걸림 후크가 베어링 하우징(100)의 걸림턱(140)에 걸려서 키(400)가 축방향 및 반경방향으로 이탈되지 않고 베어링 하우징(100)에 고정될 수 있다. 그리고 키(400)는 몸체(410) 및 한 쌍의 걸림 후크를 포함하여 구성될 수 있고, 한 쌍의 걸림 후크는 각각 지지대(420) 및 걸림 돌기(430)를 포함할 수 있다. 몸체(410)는 축방향 및 반경방향의 길이(가로 길이 및 세로 길이)에 비해 두께가 상대적으로 얇은 직사각 판 형태로 형성될 수 있다. 지지대(420)는 각각 몸체(410)의 축방향 양단에서 반경방향 바깥쪽인 상측으로 연장 형성되고, 지지대(420)들의 자유단에서 서로 마주보는 방향으로 각각 걸림 돌기(430)가 돌출 형성될 수 있다. 또한, 키(400)는 전체가 탄성 재질로 형성될 수 있으며, 키(400)의 일부분인 지지대(420)만 탄성 재질로 형성되거나 지지대(420)와 걸림 돌기(430)만 탄성 재질로 형성될 수도 있다. 또한, 키(400)는 탑 포일(300)의 절곡부(310)의 일측면에 용접 등으로 결합되어 키(400)와 탑 포일(300)이 일체의 조립체로 형성될 수 있다.
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 에어 포일 저널 베어링의 키를 베어링 하우징에 결합하는 과정을 나타낸 부분 정면단면도이다.
도 6을 참조하면, 키(400)와 탑 포일(300)이 일체의 조립체로 형성된 상태에서, 이 조립체를 베어링 하우징(100)의 내부에 축방향으로 삽입한 다음, 키(400)를 반경방향 바깥쪽인 상측으로 밀어 올려서 걸림 후크의 지지대(420)가 축방향 바깥쪽으로 벌어진 후 원래의 상태로 형태가 복원되어 걸림 돌기(430)가 걸림 구멍(130)에 삽입되어 걸리도록 조립될 수 있다.
그러므로 본 발명의 에어 포일 저널 베어링은 하우징의 키홈에 탑 포일을 결합시키는 키가 반경방향 안쪽으로 처지지 않도록 베어링 하우징에 용이하게 고정될 수 있다. 이에 따라 키 및 탑 포일이 베어링 하우징에 고정되어 탑 포일의 형태가 유지될 수 있으며, 그 결과 로터 및 탑 포일의 열 상승이 방지되어 로터 및 탑 포일의 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 베어링 하우징(100)의 걸림턱(140)의 축방향 길이는 키(400)의 한 쌍의 지지대(420) 사이의 거리에 대응되게 형성될 수 있다. 즉, 키(400)의 한 쌍의 지지대(420) 사이로 걸림턱(140)이 잘 삽입될 수 있도록 한 쌍의 지지대(420) 사이의 거리가 걸림턱(140)의 축방향 길이보다 크거나 같게 형성될 수 있다.
또한, 베어링 하우징(100)의 걸림턱(140)의 축방향 양단은 베어링 하우징(100)의 축방향 측면보다 축방향 안쪽으로 이격된 위치에 형성될 수 있다. 즉, 걸림턱(140)이 베어링 하우징(100)의 축방향 측면에서 안쪽으로 오목하게 들어가 있는 형태로 형성될 수 있다. 그리하여 키(400)의 몸체(410) 및 한 쌍의 지지대(420)가 베어링 하우징(100)의 축방향 측면보다 바깥쪽으로 돌출되지 않게 형성될 수 있다.
<실시예 2>
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 에어 포일 저널 베어링을 나타낸 부분 정면단면도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 제2실시예에 따른 에어 포일 저널 베어링은 베어링 하우징(100)의 걸림턱(140)의 축방향 양측 및 키(400)의 걸림 후크의 축방향 양측이 비대칭으로 형성될 수 있다. 일례로 걸림턱(140)의 축방향 일측의 높이(H1)가 축방향 타측의 높이(H2)보다 크게 단차진 형태로 형성되고, 키(400)의 걸림 후크는 걸림턱(140)에 대응되는 길이로 형성되어, 키와 탑 포일을 일체로 결합하여 베어링 하우징(100)에 결합할 때 탑 포일의 방향이 잘못 조립되는 오조립을 방지할 수 있다.
그리고 나머지 구성은 상기한 제1실시예와 동일하게 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 제2실시예에서도 키 및 탑 포일이 베어링 하우징에 고정되어 탑 포일의 형태가 유지될 수 있으며, 그 결과 로터 및 탑 포일의 열 상승이 방지되어 로터 및 탑 포일의 내구성을 향상시킬 수 있다.
<실시예 3>
도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 에어 포일 저널 베어링의 키를 베어링 하우징에 결합하는 과정을 나타낸 부분 정면단면도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 제3실시예에 따른 에어 포일 저널 베어링은 축방향으로 베어링 하우징(100)의 양쪽 측면을 관통하는 걸림 구멍(130)이 형성될 수 있다. 그리고 키(400)는 몸체의 축방향 일단에서 상측으로 연결부(440)가 연장 형성되고 연결부(440)의 단부에서 축방향 타단쪽을 향해 걸림 후크가 연장 형성될 수 있다. 또한, 걸림 후크는 지지대(450) 및 걸림 돌기(460)를 포함할 수 있으며, 지지대(450)는 연결부(440)의 단부에서 축방향 타단쪽까지 연장 형성되며 지지대(450)의 타단에서 하측으로 걸림 돌기(460)가 돌출 형성될 수 있다. 그리하여 탑 포일(300)과 키(400)를 일체로 결합한 상태에서 베어링 하우징(100)에 축방향으로 탑 포일(300) 및 키(400)를 밀어 넣어 지지대(450)가 상측으로 휘어진 후 원래의 상태로 형태가 복원되어 지지대(450) 및 걸림돌기(460)가 걸림턱(140)에 걸려 고정될 수 있다.
그리고 나머지 구성은 상기한 제1실시예와 동일하게 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 제3실시예에서도 키 및 탑 포일이 베어링 하우징에 고정되어 탑 포일의 형태가 유지될 수 있으며, 그 결과 로터 및 탑 포일의 열 상승이 방지되어 로터 및 탑 포일의 내구성을 향상시킬 수 있다. 또한, 본발명의 제3실시예에서는 베어링 하우징(100)에 범프 포일(200) 및 탑 포일(300)을 삽입하는 축방향과 동일하게 키(400)도 축방향으로 삽입하면 결합 및 고정이 완료되므로 조립이 용이할 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예들에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100 : 베어링 하우징
110 : 중공 120 : 키홈
130 : 걸림 구멍 140 : 걸림턱
200 : 범프 포일
210 : 절곡부 220 : 탄성 범프
300 : 탑 포일
310 : 절곡부 320 : 하중 지지부
400 : 키
410 : 몸체 420 : 지지대
430 : 걸림 돌기 440 : 연결부
450 : 지지대 460 : 걸림 돌기
500 : 로터

Claims (12)

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  8. 로터가 배치되는 중공이 축방향으로 관통 형성되고, 내주면에서 오목하게 키홈이 형성되며, 상기 키홈에서 반경방향 바깥쪽으로 이격된 위치에서 축방향으로 베어링 하우징의 양쪽 측면을 관통하는 걸림 구멍이 형성되어 반경방향으로 상기 키홈과 걸림 구멍 사이에 걸림턱이 형성된 베어링 하우징;
    상기 베어링 하우징의 내측에 구비되어 원주방향을 따라 형성되고, 요철 형상의 탄성 범프들이 형성되며, 상기 베어링 하우징에 결합된 범프 포일;
    상기 베어링 하우징의 키홈에 삽입되고, 몸체의 축방향 일단에서 상측으로 연결부가 연장 형성되고 상기 연결부에서 축방향 타단쪽을 향해 걸림 후크가 연장 형성되며, 상기 베어링 하우징의 걸림턱에 걸림 후크가 걸려 고정된 키; 및
    상기 범프 포일의 내측에 구비되어 원주방향을 따라 형성되며, 일단이 상기 키에 결합되어 고정된 탑 포일;
    을 포함하여 이루어지는 에어 포일 저널 베어링.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 키의 걸림 후크는,
    상기 연결부에서 축방향 타단쪽으로 연장 형성된 지지대; 및
    상기 지지대의 자유단에서 하측을 향해 돌출 형성된 걸림 돌기; 를 포함하는 에어 포일 저널 베어링.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 지지대는 탄성 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 에어 포일 저널 베어링.
  11. 삭제
  12. 제9항에 있어서,
    상기 베어링 하우징의 걸림턱의 축방향 양단은 각각 상기 베어링 하우징의 대응되는 축방향 측면보다 축방향 내측으로 이격되게 형성된 것을 특징으로 하는 에어 포일 저널 베어링.
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