(57)【要約】【課題】流体流入口１、連結ダクト２、流体噴出ノズル３で構成された純流体素子において、連結ダクトの抵抗を下げて小型化可能な純流体素子を実現する。【解決手段】連結ダクト２を曲線で構成し、更に左右対称の２本の流路で構成している。連結ダクト２を曲線で構成することで、ダクト内の流体抵抗を低減し、更に連結ダクト２を左右に分ける事で、ダクトの合流点での流れの強化（流速の増加）を図っている【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体流入口、連結ダクト、流体噴出ノズルで構成され、噴出しノズル部の圧力差により連結ダクト内の流体を駆動し、その結果圧力差が反転し、再び流体が駆動されることで発振する純流体素子において、前記連結ダクトを複数個の流路により構成したことを特徴とする純流体素子。
【請求項２】
前記連結ダクトを、対称な２本の流路とし、２本の中央に流体流入口、流体噴出ノズルを配置したことを特徴とする請求項１記載の純流体素子。
【請求項３】
前記連結ダクトを、曲面で構成もしくは連結ダクト内に導風板を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の純流体素子。
【請求項４】
流体流入口、連結ダクト、流体噴出ノズルで構成され、噴出しノズル部の圧力差により連結ダクト内の流体を駆動し、その結果圧力差が反転し、再び流体が駆動されることで発振する純流体素子において、前記連結ダクト内にガイドベーンを備えたことを特徴とする純流体素子。
【請求項５】
前記連結ダクトを連結ダクト裏板、連結ダクト表板で挟まれた空間で構成し、前記連結ダクト裏板に流体流入口、連結ダクト表板に流体噴出ノズルを備えたことを特徴とする請求項１乃至４記載のいずれかに記載の純流体素子。
【請求項６】
前記噴出ノズルと接続された円板状の隔壁を有する事を特徴とする請求項１乃至４記載のいずれかに記載の純流体素子。
【請求項７】
前記隔壁に通気孔を備えたことを特徴とする請求項６記載の純流体素子。
【請求項８】
前記噴出しノズルは、上流側より下流側の断面積が小さい事を特徴とする請求項１乃至７記載のいずれかに記載の純流体素子。
【請求項９】
流体流入口、連結ダクト、流体噴出ノズルで構成され、噴出しノズル部の圧力差により連結ダクト内の流体を駆動し、その結果圧力差が反転し、再び流体が駆動されることで発振する純流体素子において、前記流体流入口、連結ダクト、流体噴出ノズルを円柱もしくは球形の筐体内に実装したことを特徴とする純流体素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばスプリンクラーのようにノズルより流出する流体の速度を、特定の周期で変動させる装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ノズルより流出する流体の速度を変化させるためには、ノズル付近の流路形状を変化させる事により、ノズルから噴出した流体の軌道を変えて速度を制御している。特に、電気的な駆動機構等を用いずに流体を制御する構造として、例えばジェットバス用のノズル（特許文献１参照）やパルスエアージェット生成装置（特許文献２参照）のような機構が用いられている。
これは、ノズルの流出位置付近に流体力により駆動される機構を備え、流体力の作用で機構が動く事により流路形状を変化させ、流体の軌道を変えて速度を制御する仕組みである。
【０００３】
この他、フリップフロップノズル（非特許文献１参照）のように、流路形状を変えずに流体の速度を変化させる手段もある。
これは、ノズル部より噴出する流体により生ずる差圧を利用して、流体の運動方向を変化させるものである。流体の運動方向の変化により、差圧が反転する構成とすることにより、再び流体の運動方向を変化させ、これが繰り返される事で、流速を特定の周期で変動させる事を可能としている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−６２３５４公報  『ジェットバス用のノズル装置及び該ノズル装置を使用したジェットバス』  Ｐ９〜Ｐ１１
【特許文献２】
特開平１０−５２６５４公報  『パルスエアージェット生成装置』  Ｐ７
【非特許文献１】
航空宇宙学会・流体力学会第３２  回流体力学講演会  『フリップフロップノズル噴流の自励振動』
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１、２に示されたように、流路形状を変えて流速を変化させる場合、次の問題がある。
第一は流体の持つエネルギの一部を機構を駆動するエネルギに使用するためにエネルギの損失が増大し、流速が低下する事。
第二は機構が動く事で、軸受け部等より発塵が生じ流体を汚染する可能性があり、例えば薬品や食品、高清浄度クリーンルーム等への適用が困難である事。
第三は機構の保守が不可欠である事。
第四は機構を構成するためにノズルの部品点数の増大、製造行程の複雑化によりコストが増大する事。
第五は軸受け等機構部の耐久性等の問題により高温、低温流体や強酸、強アルカリ性の流体、また塵埃で汚染された気体や、ゴミを含んだ河川水等への適用は困難で、使用可能な流体が制限される事等が挙げられる。
【０００６】
これに対し、非特許文献１の例では、可動機構が無いため上記のような問題はない。但し、ノズル部に生じた差圧を駆動力として連結ダクト内に流れを作り、差圧を反転させる原理上、ある程度の流量が必要となる。即ち、僅かな差圧で流量を作るために、連結ダクトの流体抵抗を下げる必要があり、そのために連結ダクトの流路断面積が増大し、装置全体が大型化する事が問題となる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、可動機構を用いずに流体の速度を変化させる手法に関し、装置を小型化しても安定して発振する純流体素子を提供する事を目的とする。そのために、流体流入口、連結ダクト、流体噴出ノズルで構成され、噴出しノズル部の圧力差により連結ダクト内の流体を駆動し、その結果圧力差が反転し、再び流体が駆動されることで発振する純流体素子において、前記連結ダクトを複数個の流路により構成した。また、前記連結ダクトを、対称な２本の流路とし、２本の中央に流体流入口、流体噴出ノズルを配置した。また、前記連結ダクトを、曲面で構成もしくは連結ダクト内に導風板を設けた。
【０００８】
以上の構成により、連結ダクトの流体抵抗が減少し、ダクト内を通る流れが強化されるため、装置を小型化しても安定して発振する純流体素子が実現できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施例の形態を図面を用いて説明する。
図１は本発明の一実施例を備えた純流体素子の斜視図である。
図２は従来（非特許文献１）の純流体素子を説明するための斜視図である。
図３はこれらのノズル部分を説明するための断面図である。
図１，図２，図３において、流体流入口１、連結ダクト２、流体噴出ノズル３（図３では便宜上、ノズルの上側板を３ａ、下側板を３ｂで表現した）で構成されている。図中の破線は流体の流れを表している。
【００１０】
本純流体素子の動作を以下に示す。
流体流入口１より流入した流体は、連結ダクト２を横断し流体噴出ノズル３へ到達してノズルより流出が、この際、流体の性質により、上側板３ａもしくは下側板３ｂのいずれか一方に沿って流出する。
図３に示すように、下側板３ｂに沿って流出した場合、点Ｂ付近に渦を生じ、点Ａ付近に比較して低圧の状態となる。この結果、連結ダクトを介して点Ａから点Ｂへの流れが生ずる。この流れにより、点Ａ、点Ｂの圧力差は徐々に低下し、圧力差はゼロとなるが、連結ダクト内の流れは慣性により流れ続け、その結果、点Ａ、点Ｂの圧力が逆転する。それに伴い、下側板３ｂに沿って流れていた主流が剥がれ、上側板３ａに沿って流れる様になる。その後、連結ダクト内を通る流れも、圧力差に従って逆転し、今度は点Ｂから点Ａに向かい連結ダクト内を流れる。以上の動作が自動的に繰り返される事で、一定周期で流速が変動する流れが作られる。
【００１１】
以上の発振動作を安定に行わせるためには、連結ダクトの流路抵抗を低減し、且つ、連結ダクトより、点Ａ、点Ｂに流出する流れを強くする必要がある。この目的より、図１に示す一実施例では、連結ダクト２を曲線で構成し、更に左右対称の２本の流路で構成している。連結ダクト２を曲線で構成することで、ダクト内の流体抵抗を低減し、更に連結ダクト２を左右に分ける事で、ダクトの合流点での流れの強化（流速の増加）を図っている。
【００１２】
図４、図５は流れのシミュレーションにより得られた連結ダクト２内の断面の流速分布を等高線で示したもので、図４は本発明にかかる連結ダクト、図５は従来例の連結ダクトである。
条件として、点Ａより一定流速（１ｍ／ｓ）で流れが流入した場合の流速分布を示している。
本発明にかかる、図４の連結ダクトでは、流路全域に渡り大きな淀みは無いが、従来例の図５の連結ダクトでは、数ヶ所に低流速域が存在し流れが淀んでおり、連結ダクトの流路抵抗が大きい事がわかる。また、点Ｂにおける最大流速を見ると、図４では合流の効果により、２．５ｍ／ｓ以上の流速が生じているが、図５では２ｍ／ｓ程度の流速に留まっている。以上本発明によれば、連結ダクトの流路抵抗が低減し、且つ連結ダクトより、点Ａ、点Ｂに流出する流れが強化されるため、小型化しても安定して発振する純流体素子が実現できる。
【００１３】
次に、本発明の他の実施形態を図６、図７に従い説明する。
図６は本発明の一実施例にかかる純流体素子の構成部品を説明する斜視図である。
図７は図６の部品を組み合わせた状態を説明する断面図である。
図６，図７において、連結ダクトを２分割構造とし、連結ダクト裏板４に流体流入口１を、連結ダクト表板６に流体噴出ノズル３をそれぞれ形成している。この連結ダクト裏板４と連結ダクト表板６をパッキン５を挟んで密着し、取付用ツメ７により固定する構造である。以上の構造とする事により、３点の部品で本流体素子を構成することができる。
【００１４】
図８は本発明にかかる純流体素子をエアシャワー装置に適用した実施例である。
図８において、対象者は、入口ドア８よりシャワー室９に入場しエアシャワーにより除塵を行う。１０は加圧室であり、送風機１１によりフィルタ１２を介し気体が送り込まれ加圧される構造となっている。加圧室１０とシャワー室９は圧力隔壁１３により遮られている。圧力隔壁１３には、複数個の流体噴出ノズル３及び加圧室１０側には取付用ツメ７が形成されており、裏側より、パッキン５を介して連結ダクト裏板４を取り付ける構造となっている。このように、圧力隔壁１３上に流体噴出ノズル３を形成した構成とする事で、部品点数を大幅に削減する事ができる。また、分解、清掃等も容易に行う事ができる。
【００１５】
次に、本発明の他の実施形態を図９、図１０に従い説明する。
図９は本発明の他の実施例を備えた純流体素子の斜視図である。
図１０は図９の純流体素子を取り付けた状態を説明する断面図である。
図９，図１０において、流体噴出ノズル３の出口部分に円形の隔壁１４を備えている。１５は取り付け対象物であり例えばエアシャワー装置の圧力隔壁である。１６及び１７は取り付け部品であり、隔壁１４を回転自在なように両側より挟んで固定する。
【００１６】
図１１は本発明にかかる純流体素子をエアシャワー装置に適用した実施例であり、１８は本発明にかかる純流体素子である。図１０に示した構造で圧力隔壁１３に純流体素子を取り付けることにより、ユーザが自由に振動方向を調整することが可能となる。なお、本実施例では、噴出ノズル３を隔壁１４の中央付近に配置しているが、偏心した位置への配置も可能である。
【００１７】
図１２、図１３は、エアシャワー装置の気流の分布を複数ノズルを対象として模式的に矢印で示した図である。図１２は従来のエアシャワー装置における気流の分布、図１３は純流体素子により得られる気流の分布である。図１２に示すように従来ノズル１９より噴射される噴流は単調である。それに対し純流体素子をノズルとして用いた場合、図１３に示す様に各ノズルより噴出する流れが、それぞれ独立に揺動する。製作誤差や取り付け位置の違いにより発振周波数がそれぞれ異なるため、タイミングにより噴流同士が合流し、流速を増加させる作用がある。エアシャワー装置の除塵性能は、流速と比例関係に有り、揺動する噴流の相乗効果により、除塵性能の向上が見込める。
【００１８】
次に、本発明の他の実施形態を図１４、図１５に従い説明する。
図１４は他の実施例を備えた純流体素子の正面図である。
図１５は図１４の断面図である。
図１４，図１５において、隔壁１４に対し通風孔２０をノズル上側板３ａ、ノズル下側板３ｂ近傍に複数個穿孔した形状となっている。隔壁１４の裏側全体（流体流入口１側）を加圧する事で、流体噴出ノズル３より揺動する主流２１に加えて、通風孔２０より支流２２が噴射される。この結果、主流の流速が増加し噴流が遠方まで到達するようになる。また、吐き出しノズル近傍の流体を清浄化する作用もある。
【００１９】
図１６は支流２２のある場合と無い場合の噴流のシミュレーション結果であり、流速分布を等高線で示している。支流の効果により、噴流の到達距離が増大している事がわかる。
【００２０】
次に、本発明の他の実施形態を図１７に従い説明する。
図１７は非特許文献１の純流体素子における連結ダクト２の断面図である。各コーナーにガイドベーン２３を備えた構造となっている。本実施例のように各コーナーにガイドベーンを備える事により、図５に生じていた低流速域が縮小し、連結ダクト２の流体抵抗が低減し、安定して発振させる事が可能となる。
【００２１】
次に、本発明の他の実施形態を図１８に従い説明する。
図１８は他の実施例を備えた純流体素子の斜視図である。
図１９は図１８の断面図である。
図１８，図１９において、本実施例の特徴はノズル部の開口角がマイナス即ち絞った形状となっている点である。この効果として、主流とノズル下側板３ｂもしくはノズル上側板３ａで囲まれる体積が増大し、開口角がプラスのノズルに比較して点Ｂもしくは点Ａの位置に強い低圧域が形成されやすくなり発振が安定する。
【００２２】
次に、他の実施形態を図２０、図２１、図２２に従い説明する。
本実施例は、発振停止版２４により、純流体素子の発振を停止させる手段を示したものである。
図２０は他の実施例を備えた純流体素子の斜視図である。
図２１、図２２は図２０の断面図である。
図２０，図２１において、発振停止版２４は例えば金属もしくは樹脂等で形成され、ある程度の弾性を有し、且つ連結ダクトに掛けて固定できるようなツメを有している。発振停止版２４を流体噴出ノズル３に装着する事により、連結ダクト２が閉塞され、その結果連結ダクトを通る流れが阻止されるため発振が停止する。発振が停止した状態での噴流は最寄の壁面に沿って流れる性質があり、図２１に示すように発振停止板２４を装着した方向に噴出する。
図２２に示すように、発振停止版２４の形状を変える事により噴流の方向を制御する事ができる。
【００２３】
次に、本発明の他の実施形態を図２３に従い説明する。
本実施例は、ノズル延長板２５により、純流体素子の発振周波数を制御する手段を示したものである。
図２３は他の実施例を備えた純流体素子の断面図である。
図２３において、流体噴出ノズル３に対し、ノズル延長板２５を装着した状態を示している。ノズル延長板２５は例えば金属もしくは樹脂等で形成され、ある程度の弾性を有し、且つ連結ダクトに掛けて固定できるようなツメを有している。本実施例にかかる純流体素子の性質として、ノズル長Ｌの増大に伴い、発振周波数が低下する性質があり、ノズル延長板２５の長さＬを調整する事により、発振周波数を自在に制御する事ができる。
【００２４】
次に、本発明の他の実施形態を図２４に従い説明する。
本実施例は、ノズル開口角制御板２６により、純流体素子の発振周波数を制御する手段を示したものである。
図２４は他の実施例を備えた純流体素子の断面図である。
図２４において、流体噴出ノズル３に対し、ノズル開口角制御板２６を装着した状態を示している。ノズル開口角制御板２６は例えば金属もしくは樹脂等で形成され、ある程度の弾性を有し、且つ連結ダクトに掛けて固定できるようなツメを有している。本実施例にかかる純流体素子の性質として、ノズル開口角θの増大に伴い、発振周波数が低下する性質があり、ノズル開口角制御板２６の角度θを調整する事により、発振周波数を自在に制御する事ができる。
【００２５】
次に、本発明の他の実施形態を図２５、図２６に従い説明する。
図２５は本発明にかかる純流体素子であり、２７は円筒状容器内に実装した本発明にかかる純流体素子であり、２８は球状容器内に実装した本発明にかかる純流体素子である。２７、２８共に流体流入口１、連結ダクト２、流体噴出ノズル３を備え、図１に示す純流体素子同様に発振動作する。
図２６は例えばエアシャワー装置に取り付けた状態での断面図であり、２９は支持板であり、例えばエアシャワー装置の圧力隔壁１３である。３０は固定板であり、２７もしくは２８の純流体素子を、支持板２９と支持版３０とにより回転可能な状態に挟んで支持する構造である。
以上の構造により、取り付け後に純流体素子２７もしくは２８の方向を自在に変えることが可能となる。
【００２６】
次に、本発明の他の実施形態を図２７に従い説明する。
本実施例における純流体素子の形状は、基本的には図１０に示す純流体素子と同様であるが、流体噴出しノズル３の形状に特徴がある。具体的にはノズルのいずれか一方の開口角をθ１、もう一方の開口角をθ２として、中央を境界に、θ１、θ２が逆転する軸対象構造で構成されている。図示のようにθ２＞θ１とした場合、噴流は図中下側向きに流れやすくなり、その結果、隔壁１４には上向きの反力が生じる。
本実施例のように軸対象で構成している場合、この反力は、隔壁１４と反時計方向に回転させる回転力となる。取り付け部品１６、１７  により、隔壁１４を回転可能な状態で支持しておく事により上記回転力により純流体素子全体が回転する。この結果、より広範囲に振動する流れを作る事ができる。
【００２７】
なお本実施例では、本発明にかかる純流体素子の適用例としてエアシャワー装置を例にあげているが、噴流を伴う流体関連製品全般への適用が可能である。特に高温環境下、低温環境下等の可動機構の構成が困難な流体を制御する場合に適している。例えば、ジェットバス、エアコン、冷蔵庫、加熱調理機、食器洗い機、乾燥機、冷却機、燃焼機、スプリンクラー、攪拌機等への適用が考えられる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、連結ダクトの流路抵抗が低減し、且つ連結ダクトより、点Ａ、点Ｂに流出する流れが強化されるため、小型化しても安定して発振する純流体素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一実施例を備えた純流体素子の斜視図である。
【図２】図２は、非特許文献１に記載された従来の純流体素子の斜視図である。
【図３】図３は、純流体素子の断面図である。
【図４】図４は、本発明の一実施例である純流体素子のシミュレーション結果である。
【図５】図５は、図２に示した従来の純流体素子のシミュレーション結果である。
【図６】図６は、本実施例の構成部品を説明する斜視図である。
【図７】図７は、図６の構成部品を込みたてた状態を示す断面図である。
【図８】図８は、本実施例の純流体素子をエアシャワー装置に適用した実施例を示す斜視図である。
【図９】図９は、他の実施例を備えた純流体素子の斜視図である。
【図１０】図１０は、図９の純流体素子を取り付け状態における断面図である。
【図１１】図１１は、図９の純流体素子をエアシャワー装置に適用した状態を説明する斜視図である。
【図１２】図１２は、従来のエアシャワー装置における気流の分布図である。
【図１３】図１３は、純流体素子により得られる気流の分布図である。
【図１４】図１４は、他の実施例を備えた純流体素子の正面図である。
【図１５】図１５は、図１４の断面図である。
【図１６】図１６は、図１４の純流体素子のシミュレーション結果を示す図である。
【図１７】図１７は、非特許文献１に記載した従来の純流体素子における連結ダクトの断面図である。
【図１８】図１８は、他の実施例を備えた純流体素子の斜視図である。
【図１９】図１９は、図１８の断面図である。
【図２０】図２０は、他の実施例を備えた純流体素子の斜視図である。
【図２１】図２１は、図２０の断面図である。
【図２２】図２２は、図２０の断面図である。
【図２３】図２３は、本実施例にかかる純流体素子の断面図（ノズル延長板２５を装着）である。
【図２４】図２４は、本実施例にかかる純流体素子の断面図（ノズル開口角制御板２６を装着）である。
【図２５】図２５は、実施例にかかる純流体素子（円筒型容器、球形容器）の斜視図である。
【図２６】図２６は、図２５の断面図である。
【図２７】図２７は、本実施例にかかる純流体素子の断面図である。
【符号の説明】
１・・・流体流入口、２・・・連結ダクト、３・・・流体噴出ノズル、３ａ・・・ノズル上側板、３ｂ・・・ノズル下側板、４・・・連結ダクト裏板、５・・・パッキン、６・・・連結ダクト表板、７・・・ツメ、８・・・入口ドア、９・・・シャワー室、１０・・・加圧室、１１・・・送風機、１２・・・フィルタ、１３・・・圧力隔壁、１４・・・円形の隔壁、１５・・・取り付け対象物（隔壁）、１６、１７・・・取り付け部品、１８・・・本発明にかかる純流体素子、１９・・・従来ノズル、２０・・・通風孔、２１・・・揺動する主流、２２・・・支流、２３・・・ガイドベーン、２４・・・発振停止板、２５・・・ノズル延長板、２６・・・ノズル開口角制御板、２７・・・円筒状容器内に実装した本発明にかかる純流体素子、２８・・・球状容器内に実装した本発明にかかる純流体素子、２９・・・支持板、３０・・・固定板。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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