JP2018071685A - 弁装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】弁体が振動することを抑制できる弁装置を提供する。【解決手段】逆止弁16は、充填路13内に固定された弁座33と、充填路13内に水素ガスが流通可能な空間44を設けて固定された有底筒状のケース34と、ケース34内に収容され、弁座33に対して接離する弁体35とを備える。ケース34は、弁体35が軸方向移動可能に嵌合する筒状部41を有し、弁座33と反対側の軸方向端部に設けられた筒状部41の底部42によって弁体35の軸方向移動可能な範囲を規定するように構成される。弁体35は、弁座33の弁孔37を閉塞可能な頭部51と、円柱状の軸部52と、筒状部41に対する接触領域が軸方向移動可能な全範囲に亘って一定となるように形成された摺動部53とを有する。【選択図】図2

Description

本発明は、弁装置に関する。
従来、燃料電池自動車等に搭載されるガスタンクには、タンク内部に貯蔵された高圧の水素ガスの給排を制御するための弁装置が取り付けられている。こうした弁装置は、ガスタンクの内外を連通するガス流路が形成されたボディを備えており、ガス流路のうち、外部の供給元(水素ステーションの水素タンク等)から水素ガスをガスタンクに充填するための充填路には、水素ガスが逆流することを防止する逆止弁が設けられている。
具体的には、例えば特許文献1に記載の弁装置では、図10に示すように、ボディ71に形成された充填路72の開口部分は、逆止弁73を収容するように他の部分よりも拡径されている。逆止弁73は、充填路72内に固定された円環状の弁座74と、充填路72内における弁座74よりも奥側(図10中、左側)に配置された弁体75と、弁体75を弁座74側に付勢するコイルバネ等の付勢部材76とを備えている。弁体75は、頭部81と、小径筒部82と、大径筒部83とを有しており、弁座74側(図10中、右側)からこの順に設けられている。小径筒部82の外径は大径筒部83の外径よりも小さく設定されるとともに、小径筒部82にはその内外に貫通する横孔84が形成されている。大径筒部83の外径は、充填路72の内径よりも僅かに小さく設定されることで、弁体75が充填路72内を軸方向移動可能となっている。
こうした弁装置では、水素ガスを充填しない時には、弁体75がガスタンク内部の水素ガスの圧力(タンク内圧)及び付勢部材76の付勢力により付勢され、頭部81が弁座74の弁孔85を閉塞することで、逆止弁73が閉弁状態となる。一方、水素ガスの充填時には、図示しない継手を介して外部から充填される水素ガスの圧力(充填圧)により、付勢部材76の付勢力に抗して弁体75が弁座74から離座することで逆止弁が開弁状態となる。そして、弁孔85から充填路72内に入った水素ガスは、図中の矢印で示すように、横孔84を介して弁体75内を通過し、充填路72の奥側へと流れてガスタンクに充填される。
特開2016−75373号公報
ところで、充填開始初期等、ガスタンク内の水素ガスの貯蔵量が少なく、タンク内圧が充填圧に比べて小さい場合には、タンク内圧と充填圧との差圧により、弁体75が付勢部材76の付勢力に抗して開弁方向の移動端(充填路72の段差面)にしっかりと押さえつけられる。一方、水素ガスの貯蔵量が多くなり、タンク内圧が充填圧に近づいて差圧が小さくなると、付勢部材76の付勢力によって弁体75が弁座74に近接するようになる。この状態では、弁体75に作用する差圧と付勢部材76の付勢力とが略釣り合っており、弁体75が充填路72内で比較的動き易くなる。また、弁体75が充填路72内で摺動可能となるように弁体75(大径筒部83)と充填路72との間には僅かながらクリアランスが設けられていることから、弁体75がその内部を通過する水素ガスの流れの影響を受けることで振動(チャタリング)が発生する虞があった。
本発明の目的は、弁体が振動することを抑制できる弁装置を提供することにある。
上記課題を解決する弁装置は、高圧ガスが貯蔵されるガスタンクに設けられ、該ガスタンクの内外に連通するガス流路が形成されたボディと、前記ガス流路のうち、ガスを前記ガスタンクに充填するための充填路に設けられた逆止弁とを備え、前記逆止弁は、前記充填路内に固定された弁座と、前記充填路内に該充填路の内周面との間にガスが流通可能な空間を設けて固定された有底筒状のケースと、前記ケース内に収容され、前記弁座に対して接離する弁体とを備え、前記ケースは、前記弁体が軸方向移動可能に嵌合する筒状部を有し、前記弁座と反対側の軸方向端部に設けられた前記筒状部の底部によって前記弁体の軸方向移動可能な範囲を規定するように構成され、前記弁体は、前記弁座の弁孔を閉塞可能な頭部と、前記筒状部に対する接触領域が軸方向移動可能な全範囲に亘って一定となるように形成された摺動部とを有する。
上記構成によれば、弁孔から充填路内に入ったガスは、ケースと充填路との間の空間を通過し、充填路の奥側へと流れてガスタンクに充填されるため、ガスが弁体の内部を通過する場合に比べ、弁体にガスの流れの影響が及び難くなる。そのため、タンク内圧と充填圧との差圧が小さくなり、充填路内で弁体が比較的容易に移動できるようになっても、弁体が振動することを抑制できる。また、摺動部は、筒状部に対する接触領域が軸方向移動可能な全範囲に亘って一定となるように形成されているため、例えば弁体が往復動する際に摺動部が筒状部から出没する場合と異なり、弁体とケースとの食いつきを防止でき、例えば摩耗粉の発生を抑制できる。
上記弁装置において、前記摺動部は、該摺動部の外周面全体が前記筒状部の内周面に接触することが好ましい。
上記構成によれば、摺動部の外周面全体が筒状部の内周面に面接触し、摺動部と筒状部との間に大きな隙間が形成されない。そのため、ガスが摺動部と筒状部との間を通って底部側に流れることを抑制でき、ケース内での弁体の挙動を安定させることができる。
上記弁装置において、前記頭部の外周面は、前記弁座側に向かって先細となるテーパ状のテーパ面を有し、前記テーパ面は、前記弁体が前記弁座から最も離間した後退端にある状態で、該テーパ面の延長線が前記筒状部における前記弁座側の端縁よりも前記底部側を通るように形成されることが好ましい。
上記構成によれば、弁体が弁座から離間した後退端にある状態で、弁体とケースの筒状部との間の隙間にガスが溜まり易くなる。そして、弁体とケースの筒状部との間の隙間に入り込んだガスの圧力により、弁体に対してその軸心側(径方向内側)に押圧する力が作用するとともに、該弁体を底部側に押圧する力が軸心から離れた位置に作用するため、弁体の挙動をより安定させることができる。
上記弁装置において、前記頭部の外周面は、前記弁座側に向かって先細となるテーパ状のテーパ面を有し、前記テーパ面は、前記弁体が前記弁座から最も離間した後退端にある状態で、該テーパ面の延長線が前記筒状部における前記弁座側の端縁よりも該弁座側を通るように形成されることが好ましい。
上記構成によれば、弁体が弁座から離間した後退端にある状態で、弁孔から充填路内に入ったガスが弁体の頭部に当たり、テーパ面に沿って流れることで、筒状部の内周面にほとんど当たらずにケース外周側の空間に流れようになる。これにより、ガスの流れを円滑化でき、例えば乱流の発生を抑制できる。
本発明によれば、弁体が振動することを抑制できる。
弁装置の概略構成図。 第1実施形態の閉弁状態での逆止弁近傍の部分断面図。 第1実施形態の開弁状態での逆止弁近傍の部分断面図。 第1実施形態のケースの斜視図。 第1実施形態の逆止弁の断面図(図2のV−V断面図)。 第1実施形態のケース及び弁体の寸法関係を示す模式図。 第2実施形態の閉弁状態での逆止弁近傍の部分断面図。 第2実施形態の開弁状態での逆止弁近傍の部分断面図。 第2実施形態のケース及び弁体の寸法関係を示す模式図。 従来の開弁状態での逆止弁近傍の部分断面図。
(第1実施形態)
以下、弁装置の第1実施形態を図面に従って説明する。
図1に示す弁装置1は、高圧(例えば、70MPa)の水素ガスが貯蔵されたガスタンク2の取付口3に取り付けられるものである。弁装置1は、アルミ合金製のボディ4と、外部の供給元(例えば、水素ステーションの水素タンク等)から延びる供給配管5を接続するための供給側継ぎ手6と、送出先(例えば、燃料電池等)へ延びる送出配管7を接続するための送出側継ぎ手8とを備えている。ボディ4は、ガスタンク2の外部に配置される扁平箱状の本体部11、及び取付口3に挿入される取付部12を有している。取付部12は、本体部11の底面11aに対して略直交する方向(図1中、下側)に延びる円柱状に形成されている。
本体部11には、供給配管5から流入する水素ガスをガスタンク2内に充填するための充填路13、及び送出配管7を介して水素ガスを送出先に送出するための送出路14が形成されている。取付部12には、充填路13及び送出路14のそれぞれに接続されるとともにガスタンク2内に開口する接続路15が形成されている。つまり、本実施形態では、充填路13、送出路14及び接続路15によってガスタンク2の内外を連通するガス流路が構成されている。充填路13には、ガスタンク2内に充填された水素ガスが逆流して外部に放出されることを防止する逆止弁16が設けられ、送出路14には、送出先への水素ガスの供給を制御する電磁弁17が設けられている。そして、弁装置1では、供給側継ぎ手6に供給配管5が連結されることで充填路13に供給配管5が接続され、送出側継ぎ手8に送出配管7が連結されることで送出路14に送出配管7が接続される。
図2に示すように、本体部11の側面11bには、側面11bに対して略直交する方向(図2中、左右方向)に延びる丸孔状の取付穴21が形成されている。取付穴21は、側面11bに開口する第1取付穴22と、第1取付穴22の奥側(図2中、左側)に隣接する第2取付穴23とを有している。第1取付穴22と第2取付穴23とは同一の軸線La上に形成され、第1取付穴22の内径は第2取付穴23の内径よりも大きく形成されている。第1及び第2取付穴22,23の内周面には、それぞれ雌ネジが形成されている。そして、第1取付穴22には供給側継ぎ手6が螺着され、第2取付穴23には円柱状のプラグ24が螺着されている。なお、第1取付穴22の底面と供給側継ぎ手6との間は、図示しないシール部材が挟み込まれることにより、気密に封止されている。また、プラグ24には、軸方向に貫通し、供給側継ぎ手6内に連通する連通孔25が形成されている。
充填路13は、本体部11の側面11b近傍において、第1及び第2取付穴22,23と同軸上に延びる直管状に形成されており、第2取付穴23の底面に開口している。したがって、充填路13は、第2取付穴23に螺着されたプラグ24の連通孔25に接続され、連通孔25を介して供給側継ぎ手6内に連通する。そして、充填路13における第2取付穴23側の開口部分には、逆止弁16が設けられている。
充填路13における取付穴21側の開口部分は、逆止弁16を収容するように他の部分よりも大きな内径に設定されている。具体的には、充填路13の開口部分は、充填路13の奥側から順に円筒状の内周面を有する第1収容部31、及び第1収容部31に連続するとともに取付穴21(第2取付穴23)の底面に開口した円筒状の内周面を有する第2収容部32を備えている。第1及び第2収容部31,32は、内径がこの順で大きくなるとともに、それぞれ取付穴21及び充填路13と同一の軸線La上に配置されるように形成されている。
逆止弁16は、弁座33と、ケース34と、弁体(ポペット)35と、コイルバネ等の付勢部材36とを備えている。
弁座33は、ポリイミド樹脂等の弾性材料により構成されている。弁座33は、弁孔37を有する円環状に形成されている。弁座33は、第2収容部32に嵌合され、第2取付穴23に螺着されたプラグ24により、第2収容部32の底面との間に挟み込まれることで充填路13内に固定されている。なお、弁孔37は、弁座33が第2収容部32に嵌合された状態で、軸線La上に配置されるように形成されている。
図2〜図5に示すように、ケース34は、有底筒状に形成されている。ケース34は、筒状部41と、この筒状部41の底部42と、複数の足部43とを有しており、弁座33側(図2中、右側)からこの順に設けられている。ケース34の軸方向長さは、第1収容部31の軸方向長さと略等しく設定されている。これにより、筒状部41の開口端は弁座33に当接し、各足部43の先端は第1収容部31の底面に当接している。
ケース34の外周面は、円筒の一部を平坦に切り欠いた形状をなしており、第1収容部31(充填路13)の内周面31aと等しい曲率を有する断面円弧状の湾曲面34aと平面状の流路面34bとが、等角度間隔で複数(本実施形態では、各4つ)設けられている。各湾曲面34a及び各流路面34bは、筒状部41の軸方向全域に亘って形成されている。このように各湾曲面34aが充填路13の内周面と略等しい曲率を有するため、ケース34は、充填路13内に挿入されることで充填路13内に固定され、流路面34bと内周面31aとの間に水素ガスが流通可能な空間44が形成される。一方、筒状部41の内周面41aは、円筒状に形成されている。また、筒状部41には、筒状部41を仮想的に延長した端面から流路面34bを略U字状に切り欠き、複数の横孔45aを有する横孔形成部45が形成されている。筒状部41の底部42には、その中央に軸方向に貫通した貫通孔46が形成されるとともに、底部42の内底面には、付勢部材36を設置するための設置穴47が貫通孔46と同軸上に形成されている。各足部43は、略三角柱状に形成されており、底部42の外底面における角部分(四隅)に設けられている。
弁体35は、ケース34内に摺動可能に収容されている。弁体35は、頭部51と、軸部52と、摺動部53とを有しており、弁座33側からこの順に設けられている。頭部51は、弁座33側に向かって先細となるように一定角度で傾斜したテーパ状に形成されており、頭部51の外周面は、その全体がテーパ面51aとされている。なお、頭部51の最も大きな部分での外径は、筒状部41の内径よりも小さくかつ弁孔37の内径よりも大きく形成され、頭部51の最も小さな部分での外径は、弁孔37の内径よりも小さく形成されている。そして、弁体35は、弁座33に着座して頭部51が弁孔37を閉塞することにより逆止弁16を閉弁状態とし、弁座33から離間して弁孔37を開くことにより逆止弁16を開弁状態とする。このように弁体35は、頭部51が弁座33に着座する位置である前進端と、摺動部53がケース34の底部42に当接する位置である後進端との間を軸方向移動可能になっている。つまり、底部42は、筒状部41における弁座33と反対側の軸方向端部に設けられており、弁体35の軸方向移動可能な範囲(後進端)を規定している。
軸部52は、頭部51の最も大きな部分での外径と略等しい外径を有する円柱状に形成されている。また、軸部52は、摺動部53側端部にテーパ状に拡径した部位を有している。摺動部53は、円柱状に形成されるとともに、ケース34の底部42側に開口した設置穴54を有している。摺動部53の外径は、軸部52の外径よりも大きく、筒状部41の内径と略等しく設定されている。これにより、摺動部53の外周面53aは、筒状部41の内周面41aに面接触し、軸部52の外周面52aと筒状部41の内周面41aとの間には円環状の隙間が形成されている。つまり、本実施形態では、摺動部53の外周面53aの略全体が筒状部41に対する接触領域となる。
そして、図6に示すように、摺動部53の軸方向長さは、筒状部41に対する接触領域が軸方向移動可能な全範囲(前進端から後進端の間)に亘って一定(不変)となるように設定されている。換言すれば、筒状部41の軸方向長さは、摺動部53の軸方向長さに、弁体35が往復動可能な軸方向距離(ストローク)を加えた長さ以上に設定されている。さらに、テーパ面51aの軸線Laに対する傾斜角θ1は、摺動部53が底部42に接触した状態、すなわち弁体35が弁座33から最も離間した後進端にある状態で、テーパ面51aの延長線Le1が筒状部41の弁座33側の端縁41bよりも底部42側の位置を通るように形成されている。
付勢部材36は、設置穴47,54内に自然長から軸方向に圧縮された状態で挿入されている。これにより、弁体35は、付勢部材36によって弁座33側に付勢されている。
図2に示すように、このように構成された弁装置1では、ガスタンク2に水素ガスを充填しない時は、弁体35がガスタンク2内部の水素ガスの圧力(タンク内圧)及び付勢部材36の付勢力により付勢され、頭部51が弁座33の弁孔37を閉塞する(閉弁状態)。一方、図3に示すように、水素ガスの充填時には、図示しない継手を介して外部から充填される水素ガスの圧力(充填圧)により、弁体35が弁座33から離座する(開弁状態)。そして、弁孔37から充填路13内に入った水素ガスは、横孔45aを介してケース34と充填路13の内周面との間の空間44を通過し、各足部43間を介して充填路13の奥側へと流れてガスタンク2に充填される。
以上記述したように、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏することができる。
(1)弁孔37から充填路13内に入った水素ガスは、横孔45aを介してケース34と充填路13との間の空間44を通過し、充填路13の奥側へと流れてガスタンク2に充填されるため、水素ガスが弁体35の内部を通過する場合に比べ、弁体35に水素ガスの流れの影響が及び難くなる。そのため、タンク内圧と充填圧との差圧が小さくなり、弁体35に作用する差圧と付勢部材36の付勢力とが略釣り合うことで、充填路13内で弁体35が比較的容易に移動できるようになっても、弁体35が振動することを抑制できる。また、摺動部53は、筒状部41に対する接触領域が軸方向移動可能な全範囲に亘って一定(不変)となるように形成されているため、例えば弁体35が往復動する際に摺動部53が筒状部41から出没する場合と異なり、弁体35とケース34との間の食いつきを防止でき、例えば摩耗粉の発生を抑制できる。
(2)摺動部53の外周面53a全体が筒状部41の内周面41aに面接触し、摺動部53と筒状部41との間に大きな隙間が形成されない。そのため、水素ガスが摺動部53と筒状部41との間を通ってケース34の底部42側に流れることを抑制でき、ケース34内での弁体35の挙動を安定させることができる。
(3)頭部51のテーパ面51aを、弁体35が弁座33から最も離間した位置にある状態で、テーパ面51aの延長線Le1が筒状部41の弁座33側の端縁41bよりも底部42側を通るように形成した。そのため、図3に示すように、頭部51に当たった水素ガスの一部は、筒状部41と軸部52との間の円環状の隙間に溜まり易くなる。その結果、当該円環状の隙間に入り込んだ水素ガスの圧力により、弁体35に対してその軸心側(径方向内側)に押圧する力が作用するとともに、該弁体35を底部42側に押圧する力が軸心から離れた位置(弁体35の外周縁)に作用するため、弁体35の挙動をより安定させることができる。
(第2実施形態)
次に、弁装置の第2実施形態を図面に従って説明する。なお、説明の便宜上、同一の構成については上記第1実施形態と同一の符号を付してその説明を省略する。
図7及び図8に示すように、本実施形態のケース34では、横孔形成部61の軸方向長さが上記第1実施形態に比べて長く形成されており、横孔61aの軸方向長さも長く形成されている。また、弁体35では、弁孔37を閉塞可能な頭部62の傾斜角が大きく形成され、円柱状の軸部63の軸方向長さが上記第1実施形態に比べて長く形成されている。そして、図9に示すように、頭部62のテーパ面62aの軸線Laに対する傾斜角θ2は、弁体35が弁座33から最も離間した位置にある状態で、その延長線Le2が筒状部41における弁座33側の端縁よりも該弁座33側を通るように形成されている。
次に、本実施形態の作用効果について記載する。なお、本実施形態では、上記第1実施形態の(1),(2)の作用効果に加えて以下の効果を有する。
(4)頭部62のテーパ面62aを、弁体35が弁座33から最も離間した位置である後進端にある状態で、テーパ面62aの延長線Le2が筒状部41における弁座33側の端縁よりも該弁座33側を通るように形成した。そのため、図8に示すように、弁孔37から充填路13内に入った水素ガスが弁体35の頭部62に当たり、テーパ面62aに沿って流れることで、筒状部41の内周面41aにほとんど当たらずにケース34外周側の空間44に流れようになる。これにより、水素ガスの流れを円滑化でき、例えば乱流の発生を抑制できる。
なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の態様にて実施することもできる。
・上記各実施形態では、足部43を三角柱状に形成するとともに、底部42の外底面における角部分に形成したが、これに限らず、空間44から充填路13の奥側に水素ガスが流通可能であれば、その形状や数、配置等は適宜変更可能である。
・上記各実施形態では、横孔45a,61aを横孔形成部45,61の内外に貫通するとともに端面に開口した略U字状に形成したが、これに限らず、例えば横孔形成部45,61の内外に貫通した丸孔状に形成してもよい。
・上記各実施形態において、弁体35に軸部52,63を設けず、頭部51,62に続いて摺動部53が連続する構成としてもよい。
・上記各実施形態では、ケース34の外周面が、第1収容部31(充填路13)の内周面31aと略同一の曲率を有する断面円弧状の湾曲面34aを有する構成としたが、これに限らず、例えばケース34の外周面を多角形状とし、湾曲面を有さない構成としてもよい。
・上記各実施形態では、摺動部53の外周面53a全体が筒状部41の内周面41aに接触したが、これに限らず、外周面53aの断面形状と内周面41aの断面形状とを異なる形状とし、外周面53aが内周面41aに対して一部だけ接触するようにしてもよい。
・上記各実施形態では、付勢部材36にコイルバネを用いたが、これに限らず、例えば皿バネや弾性体等を用いてもよい。また、水素ガスの圧力により弁体35を弁座33側に付勢することが可能な場合には、付勢部材を設けなくともよい。
・上記各実施形態では、弁装置1を水素ガスが貯蔵されるガスタンク2に取り付けたが、これに限らず、水素ガス以外のガスが貯蔵されるガスタンクに取り付けてもよい。
次に、上記各実施形態及び別例から把握できる技術的思想について、それらの効果とともに以下に追記する。
(イ)前記充填路の内周面は円筒状に形成され、前記ケースの外周面は、前記充填路の内周面と等しい曲率を有する断面円弧状の湾曲面と、該ケースの軸方向全範囲に亘って延びる非円形状の流路面とを含む弁装置。上記構成によれば、ケースを充填路に挿入することで、該充填路の内周面と流路面との間にガスが流通可能な隙間を空けつつ、容易に該ケースを固定することができる。
1…弁装置、2…ガスタンク、4…ボディ、13…充填路(ガス流路)、14…送出路(ガス流路)、15…接続路(ガス流路)、16…逆止弁、31…第1収容部、32…第2収容部、33…弁座、34…ケース、34a…湾曲面、34b…流路面、35…弁体、36…付勢部材、37…弁孔、41…筒状部、42…底部、43…足部、44…空間、45,61…横孔形成部、45a,61a…横孔、51,62…頭部、51a,62a…テーパ面、52,63…軸部、53…摺動部、La…軸線、Le1,Le2…延長線、θ1,θ2…傾斜角。

Claims (4)

  1. 高圧ガスが貯蔵されるガスタンクに設けられ、該ガスタンクの内外に連通するガス流路が形成されたボディと、
    前記ガス流路のうち、ガスを前記ガスタンクに充填するための充填路に設けられた逆止弁とを備え、
    前記逆止弁は、
    前記充填路内に固定された弁座と、
    前記充填路内に該充填路の内周面との間にガスが流通可能な空間を設けて固定された有底筒状のケースと、
    前記ケース内に収容され、前記弁座に対して接離する弁体とを備え、
    前記ケースは、前記弁体が軸方向移動可能に嵌合する筒状部を有し、前記弁座と反対側の軸方向端部に設けられた前記筒状部の底部によって前記弁体の軸方向移動可能な範囲を規定するように構成され、
    前記弁体は、前記弁座の弁孔を閉塞可能な頭部と、前記筒状部に対する接触領域が軸方向移動可能な全範囲に亘って一定となるように形成された摺動部とを有する弁装置。
  2. 請求項1に記載の弁装置において、
    前記摺動部は、該摺動部の外周面全体が前記筒状部の内周面に接触する弁装置。
  3. 請求項1又は2に記載の弁装置において、
    前記頭部の外周面は、前記弁座側に向かって先細となるテーパ状のテーパ面を有し、
    前記テーパ面は、前記弁体が前記弁座から最も離間した後退端にある状態で、該テーパ面の延長線が前記筒状部における前記弁座側の端縁よりも前記底部側を通るように形成された弁装置。
  4. 請求項1又は2に記載の弁装置において、
    前記頭部の外周面は、前記弁座側に向かって先細となるテーパ状のテーパ面を有し、
    前記テーパ面は、前記弁体が前記弁座から最も離間した後退端にある状態で、該テーパ面の延長線が前記筒状部における前記弁座側の端縁よりも該弁座側を通るように形成された弁装置。
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