JP4659514B2 - 電動式コントロールバルブ - Google Patents

Description

この発明は、電動式コントロールバルブに関し、特に、電動式コントロールバルブの機械的なストッパ機構に関するものである。

冷凍サイクル装置における冷媒流量等を制御する電動式コントロールバルブとして、固定配置の雌ねじ部材と、前記雌ねじ部材とねじ係合した雄ねじ部材と、前記雄ねじ部材に設けられ弁ポートの開度を調整する弁体とを具備し、前記雄ねじ部材がステッピングモータのロータによって回転駆動されることにより、前記雄ねじ部材が前記ロータと共に送りねじ式に軸線方向に変位することに伴って前記弁体が同方向に移動し、その軸線方向位置に応じて前記弁体が前記弁ポートの実効開口面積を増減する型式のものが知られている。

この型式の電動式コントロールバルブにおける全閉ストッパ機構として、ステッピングモータのロータの端面に突起形状の可動側ストッパが設けられ、固定受け座等の固定側部材に突起形状の固定側ストッパが設けられ、ロータの弁閉方向の回転に伴う送りねじ式の軸線方向の降下移動によって、つまり可動側ストッパの螺旋移動によって可動側ストッパが固定側ストッパに戸当たり式に当接することにより、ロータおよびロータに雄ねじ部材を介して連結されている弁体の全閉方向の移動を規制するものがある（例えば、特許文献１）。

このストッパ機構は、構造が簡単であると云う利点がある。しかし、このストッパ機構においては、ストッパ作用時に、可動側ストッパが固定側ストッパに当接する高さ寸法（面積）は、雌ねじ部材と雄ねじ部材とによる送りねじピッチにより決まるから、送りねじピッチが小さいと、充分なストッパ当接面積が得られない。このため、ステッピングモータの回転トルクに対してストッパ強度が不足し、充分な耐久性を確保できなくなる虞れがある。

このことに対して、送りねじピッチを大きくしてストッパ当接高さ寸法を確保しょうとすると、ステッピングモータの１パルス当たりの弁開度変化量が大きくなるため、分解能が大きくなり、弁開度制御精度が低下する。また、ステッピングモータの必要トルクも大きくなる。
特開平１１−２２８４７号公報

この発明が解決しようとする課題は、送りねじピッチが小さくても、充分なストッパ当接高さ寸法を確保でき、弁開度制御精度と充分なストッパ強度、耐久性とを両立することである。

この発明による電動式コントロールバルブは、固定配置の雌ねじ部材と、前記雌ねじ部材とねじ係合した雄ねじ部材と、前記雄ねじ部材に設けられ弁ポートの開度を調整する弁体とを具備し、前記雄ねじ部材が電動モータのロータによって回転駆動されることにより、前記雄ねじ部材が前記ロータと共に送りねじ式に軸線方向に変位することに伴って前記弁体が同方向に移動し、その軸線方向位置に応じて前記弁体が前記弁ポートの実効開口面積を増減する電動式コントロールバルブにおいて、固定ストッパ片を有する固定配置の固定ストッパ部材と、前記固定ストッパ片と当接可能な可動ストッパ片を有し、前記ロータに回転可能に且つ軸線方向に変位可能に設けられた可動ストッパ部材と、前記ロータに固定され、軸線方向に変位を与えるカム形状の端面カム面と、前記端面カム面の両端に各々設けられて前記可動ストッパ片が当接することにより前記ロータに対する前記可動ストッパ部材の回転角範囲を所定角度に規制するカム側ストッパ面とを有する端面カム部材と、前記可動ストッパ部材を前記端面カム面の側に付勢するばね手段とを具備し、前記可動ストッパ部材は、前記可動ストッパ片が前記固定ストッパ片に当接していない状態下では、前記可動ストッパ片と前記端面カム面との係合関係によって前記ロータと連れ回りし、前記ロータの回転に伴う軸線方向移動によって前記可動ストッパ片が固定ストッパ片に当接することによって回転停止し、この回転停止状態下では、前記ロータが前記可動ストッパ部材に対して相対的に回転変位し、これに伴い前記端面カム面と前記可動ストッパ片とのカム係合位置が変更されることにより、前記可動ストッパ片と共に前記可動ストッパ部材が軸線方向に変位し、前記可動ストッパ片が前記固定ストッパ片に当接してストッパ作用を行う状態下では、前記可動ストッパ部材の軸線方向の変位により前記可動ストッパ片が前記固定ストッパ片に当接する当接面積が増大する。

この電動式コントロールバルブは、好ましくは、前記端面カム面のカム形状は、互いに軸線方向に変位した高位カム面部および低位カム面部と、前記高位カム面部と前記低位カム面部とを接続する傾斜カム面部とを有し、前記高位カム面部と前記低位カム面部との軸線方向の変位量分、前記可動ストッパに軸線方向の変位を与えるカム形状である。

この電動式コントロールバルブは、好ましくは、前記端面カム部材は前記ロータの端面に一体形成されている。

この発明による電動式コントロールバルブによれば、ロータの回転に伴う軸線方向移動によって可動ストッパ片が固定ストッパ片に当接して回転停止すると、ロータが可動ストッパ部材に対して相対的に回転変位することにより、端面カム面と可動ストッパ片とのカム係合位置が変更され、可動ストッパ片が軸線方向に変位し、この軸線方向変位によって可動ストッパ片が固定ストッパ片に当接する当接面積（高さ寸法）が増大する。

これにより、送りねじピッチが小さくても、充分なストッパ当接高さ寸法を確保でき、充分な弁開度制御精度と充分なストッパ強度、耐久性とが両立する。

この発明による電動式コントロールバルブの一つの実施形態を、図１〜図１３を参照して説明する。

電動式コントロールバルブは、カップ形状の弁ハウジング１１を有する。弁ハウジング１１には横継手として弁室１２に連通する入口継手１３がろう付け部１４によって気密にろう付け固定されている。弁ハウジング１１の底部には突き出し管状の出口ポート１５が形成されている。出口ポート１５は弁ハウジング１１の中心軸線位置にあり、出口ポート１５には下継手として出口継手１６がろう付け部１７によって気密にろう付け固定されている。

出口ポート１５には弁座部材１８がろう付け部１９、２０によって気密にろう付け固定されている。弁座部材１８は弁室１２内にあり、弁室１２と出口継手１６とを連通接続する弁ポート２１を有する。

弁室１２内には弁座部材１８に固定された筒状の雌ねじ部材２２がある。雌ねじ部材２２の側周部には連通孔２３が開口形成されている。雌ねじ部材２２の上部には弁ポート２１と同心に雌ねじ２４が形成されている。

雌ねじ２４には軸状の雄ねじ部材２５の雄ねじ２６がねじ係合している。雄ねじ部材２５は、下部に、テーパ軸状の弁体２７を一体形成されている。弁体２７は、雄ねじ部材２５が回転することにより、雌ねじ２４と雄ねじ２６とのねじ係合によって送りねじ式に軸線方向（上下方向）に移動し、軸線方向位置に応じて弁ポート２１の実効開口面積を増減する。

これにより、入口継手１３より、弁室１２、連通孔２３、弁ポート２１を経て出口継手１６へ流れる流体の流量が、弁体２７の軸線方向位置によって計量制御される。

弁ハウジング１１の上部にはステッピングモータ３０のキャン状のロータケース３１が溶接によって気密に固定装着されている。ロータケース３１は弁室１２と連通する気密なロータ室３２を画定している。

ロータ室３２にはロータ３３が回転可能に且つ軸線方向に移動可能に配置されている。ロータ３３は、樹脂成形品であり、外周面部３４を多極着磁されている。ロータ３３は中心部にボス部３５を有し、ボス部３５に形成されたボス孔３６に雄ねじ部材２５の上部２８がロータ軸として貫通挿入されている。

雄ねじ部材２５の上端には連結部材２９が固定装着されている。連結部材２９は、図２、図３に示されているように、ヨーク形状をなしていて、ボス部３５の外周面部に形成されている平行二面取り部３７に係合している。この係合によってロータ３３と雄ねじ部材２５とがトルク伝達関係で接続され、ロータ３３の回転が雄ねじ部材２５に伝達される。

ロータケース３１の外周部には筒状のステータコイルユニット３８が取り付けられている。ステータコイルユニット３８は、内部の詳細構造の図示を省略しているが、ステッピングモータ用のものとして、内部に、磁極歯、巻線部（ステータコイル）、電気配線部等を有する周知の気密モールド構造のものである。

ステッピングモータ３０は、ステータコイルユニット３８の巻線部にパルス通電が行われることにより、ロータ３３を、そのパルス数に応じた回転角度だけ回転させる。これにより、雄ねじ部材２５が回転し、この回転に伴い雌ねじ２４と雄ねじ２６とのねじ係合によって送りねじ式に雄ねじ部材２５およびロータ３３が軸線方向（上下方向）に移動し、弁体２７によって計量制御が行われる。

つぎに、本実施形態による電動式コントロールバルブのストッパ機構（全閉ストッパ機構）について説明する。ストッパ機構は、弁ハウジング１１に固定されたリング状の固定ストッパ部材４１と、ロータ３３に対して回転可能に且つ軸線方向に変位可能に設けられた可動ストッパ部材４２と、ロータ３３の下端部に一体に設けられた円環形状の端面カム部材４３と、ばね受け部材４４と、圧縮コイルばね４５とにより構成されている。

固定ストッパ部材４１は、所定の高さを有する固定ストッパ片４６を有し、図６〜図９に示されているように、固定ストッパ片４６の両端面が回転方向に見て互いに反対の向きの当たり面４６Ａ、４６Ｂになっている。

図１に示されているように、ばね受け部材４４は雄ねじ部材２５の上部２８の外周に遊嵌合しており、ばね受け部材４４のボス部４７の外周に、図４に示されている可動ストッパ部材４２のリング部４８が回転可能に嵌合している。可動ストッパ部材４２は、図６〜図９に示されているように、リング部４８より径方向外方に突出して固定ストッパ片４６の当たり面４６Ａ、４６Ｂと当接可能な可動ストッパ片４９を一体に有する。

可動ストッパ片４９の両端も回転方向に見て互いに反対の向きの当たり面４９Ａ、４９Ｂになっており、可動ストッパ部材４２の軸線方向位置に応じて、可動ストッパ片４９の時計廻り方向の回転により、図６及び図７に示されているように可動ストッパ片４９の一方の当たり面４９Ａが固定ストッパ片４６の一方の当たり面４６Ａに当接し、可動ストッパ片４９の反時計廻り方向の回転により、図８に示されているように可動ストッパ片４９の他方の当たり面４９Ｂが固定ストッパ片４６の他方の当たり面４６Ｂに当接する。

図１に示されているように、端面カム部材４３は樹脂製のロータ３３と一体成形されている。端面カム部材４３の端面カム面５０は可動ストッパ部材４２に軸線方向の変位を与えるカム形状をなしている。この端面カム面５０は、図４に示されているように、互いに軸線方向に変位した高位カム面部５０Ａおよび低位カム面部５０Ｂと、高位カム面部５０Ａと低位カム面部５０Ｂとを接続する傾斜カム面部５０Ｃとを有し、図５に示す高位カム面部５０Ａと低位カム面部５０Ｂとの軸線方向の変位量Ｄの範囲で、ロータ３３の回転位置に応じた量の軸線方向の変位を可動ストッパ４２に与える。

可動ストッパ部材４２は、可動ストッパ片４９が可動ストッパ片４９が後述する端面カム部材４３の高位カム面部５０Ａに対応する回転位置にある状態で、ロータ３３が時計廻り方向に回転した場合には（弁閉過程）には、可動ストッパ片４９が傾斜カム面部５０Ｃに当接（衝突）することにより、ストッパ部材４２に対して外部より回転を止める外力（回転阻止）が作用しない自由状態である限り、つまり、固定ストッパ４６に当接しない限り、ロータ３３と共に連れ回りする。

端面カム面５０の両端、つまり、高位カム面部５０Ａの端部と低位カム面部５０Ｂの端部とに、回転方向に互いに向き合うカム側ストッパ面５１と５２とが形成されている。このカム側ストッパ面５１、５２に可動ストッパ片４９の当たり面４９Ａ、４９Ｂが当接することにより、ロータ３３に対する可動ストッパ部材４２の回転角範囲が所定角度（端面カム面５０の範囲）に規制される。

なお、図４に示されているように、可動ストッパ部材４２は、可動ストッパ片４９に対して１８０度回転変位した位置に補助片５３を有し、端面カム部材４３の端面カム面５０から周方向に変位した部分には、補助片５３に対応して、端面カム面５０と同等の補助端面カム面５４が形成され、補助片５３が補助端面カム面５４に当接することにより、可動ストッパ部材４２の水平姿勢が保たれるようになっている。

図１に示されているように、圧縮コイルばね４５は、ばね受け部材４４と雌ねじ部材２２の上部肩部２２Ａとの間に設けられており、ばね受け部材４４をロータ３３の下端面３３Ａの側に付勢している。

圧縮コイルばね４５の作用は、ばね受け部材４４のボス部４７の軸方向寸法によるが、可動ストッパ片４９が端面カム部材４３の高位カム面部５０Ａに対応する回転位置にある状態（図１、図１０参照）では、可動ストッパ片４９が高位カム面部５０Ａとばね受け部材４４の鍔部４４Ａとの間で、微小の軸線方向間隙を与えられた状態で、ばね受け部材４４をロータ３３の下端面３３Ａに押し付ける。したがって、この状態では、圧縮コイルばね４５のばね力が可動ストッパ部材４２に作用しない。

これに対し、可動ストッパ片４９が端面カム部材４３の傾斜カム面部５０Ｃ〜低位カム面部５０Ｂに対応する回転位置にある状態（図１１〜図１３参照）では、ばね受け部材４４がロータ３３の下端面３３Ａより離れ、圧縮コイルばね４５のばね力が可動ストッパ部材４２に作用し、可動ストッパ片４９を端面カム部材４３の端面カム面５０に押し付け、可動ストッパ片４９の上面４９Ｃと端面カム面５０との間に所定の摩擦抵抗を与えている。ここでの所定の摩擦抵抗とは、ストッパ部材４２に対して外部より回転を止める外力（回転阻止）が作用しない自由状態である限り、つまり、固定ストッパ４６に当接しない、可動ストッパ部材４２が摩擦抵抗によってロータ３３と共に連れ回りするのに充分な摩擦抵抗のことである。

なお、ばね受け部材４４のボス部４７の軸方向寸法を少し短くすることにより、可動ストッパ片４９が端面カム部材４３の高位カム面部５０Ａに対応する回転位置にある状態（図１、図１０参照）でも、ばね受け部材４４がロータ３３の下端面３３Ａより離れ、圧縮コイルばね４５のばね力が可動ストッパ部材４２に作用し、可動ストッパ片４９を端面カム部材４３の端面カム面５０に押し付けるように、設定することが可能である。

つぎに、この全閉ストッパ機構の動作について、図６〜図１３を参照して説明する。なお、図１０〜図１３では、図面の簡略化のために、ステータコイルユニット３８内部の詳細構造の図示を省略している。

弁閉過程では、ロータ３３の時計廻り方向の回転により、雄ねじ部材２５とロータ３３とが回転しながら軸線方向に降下する。この弁閉過程では、可動ストッパ片４９は、図６に示されているように、端面カム面５０の高位カム面部５０Ａに位置しており、可動ストッパ片４９が傾斜カム面部５０Ｃに当接（衝突）することにより、ロータ３３と共に可動ストッパ部材４２が時計廻り方向に回転する。

全閉位置近くになると、雄ねじ部材２５とロータ３３とが回転しながら軸線方向に降下していることにより、ロータ３３と同方向に回転している可動ストッパ部材４２の可動ストッパ片４９の一方の当たり面４９Ａが、固定ストッパ片４６の一方の当たり面４６Ａに当接し、それ以上の可動ストッパ部材４２の時計廻り方向の回転が阻止され、可動ストッパ部材４２が回転停止状態になる。この時の当たり面４９Ａと４６Ａの当接高さａは、雌ねじ２４、雄ねじ２６のねじリードによるが、０．１〜０．２ｍｍ程度でよい。

可動ストッパ片４９の当たり面４９Ａが固定ストッパ片４６の当たり面４６Ａに当接してストッパ作用を行う状態より更に、ロータ３３が時計廻り方向に回転することにより、図７に示されているように、ロータ３３と可動ストッパ部材４２との間で相対的な回転変位が生じ、可動ストッパ片４９が端面カム面５０の高位カム面部５０Ａの係合より離脱して傾斜カム面部５０Ｃを滑って低位カム面部５０Ｂと係合する箇所に位置するようになる。

これにより、可動ストッパ部材４２が圧縮コイルばね４５のばね力に抗して軸線方向変位量Ｄ分だけロータ３３に対して軸線方向に降下変位し、可動ストッパ片４９の当たり面４９Ａが固定ストッパ片４６の当たり面４６Ａに当接する高さ寸法が増大する。この高さ寸法ｂは、軸線方向変位量Ｄの設定によるが、１．２ｍｍ程度でよい。

この高さ寸法の増大によって、送りねじピッチが小さくても、充分なストッパ当接高さ寸法を確保でき、可動ストッパ片４９が固定ストッパ片４６に当接する当接面積が増大し、送りねじピッチが小さいことによって得られる充分な弁開度制御精度と、充分なストッパ当接面積を確保することによる充分なストッパ強度、耐久性とが両立する。

図７に示されているように、可動ストッパ片４９の一方の当たり面４９Ａが固定ストッパ片４６の当たり面４６Ａに当接し、端面カム部材４３の低位カム面部５０Ｂの側のカム側ストッパ面５２が可動ストッパ片４９の他方の当たり面４９Ｂに当接することにより、ロータ３３が時計廻り方向（弁閉方向）に回転することが阻止され、弁体２７の全閉位置が再現性よく決まる。

上述の全閉状態より弁開する場合には、ロータ３３を反時計廻り方向に回転させる。この回転により、可動ストッパ部材４２は、可動ストッパ片４９が低位カム面部５０Ｂと係合する箇所に位置したまま、圧縮コイルばね４５のばね力によって与えられる摩擦抵抗によってロータ３３と共に反時計廻り方向に回転する。全閉状態よりほぼ一回転すると、図８に示されているように、可動ストッパ片４９の当たり面４９Ｂが固定ストッパ片４６の反対側の当たり面４６Ｂに当接し、可動ストッパ部材４２の反時計廻り方向の回転が停止される。

これより更に、ロータ３３が反時計廻り方向に回転することにより、ロータ３３と可動ストッパ部材４２とで相対的な回転変位が生じ、図９に示されているように、可動ストッパ片４９が端面カム面５０の低位カム面部５０Ｂの係合より離脱して傾斜カム面部５０Ｃを滑って高位カム面部５０Ａと係合する箇所に位置するようになる。

これにより、可動ストッパ部材４２が軸線方向変位量Ｄ分だけロータ３３に対して軸線方向に上昇変位し、その途中で図１２に示すように、紙面手前側から固定ストッパ片４６の当たり面４６Ｂに当接している可動ストッパ片４９の当たり面４９Ｂの当接高さ寸法が短くなりつつ、最終的には、端面カム面５０の傾斜カム面部５０Ｃを滑って高位カム面部５０Ａと係合する箇所に可動ストッパ片４９が位置した段階で、図１３に示すように、可動ストッパ片４９の当たり面４９Ｂが固定ストッパ片４６の当たり面４６Ｂに当接している状態より離脱する。

これにより、可動ストッパ片４９が再びロータ３３と共に回転できる状態になり、可動ストッパ片４９の当たり面４９Ａが高位カム面部５０Ａ側のカム側ストッパ面５１に当接した状態で、可動ストッパ片４９がロータ３３と共に回転し、ロータ３３の回転に伴いロータ３３、可動ストッパ部材４２、雄ねじ部材２５、弁体２７が軸線方向に上昇変位し、弁開度が増大する。

なお、実施形態では、全閉ストッパ機構としたが、このストッパ機構は全開ストッパ機構として同様に構成することも可能である。

この発明による電動式コントロールバルブの一つの実施形態を示す縦断面図である。 図１の線Ａ−Ａに沿った断面図である。 この実施形態における雄ねじ部材とロータとの連結部を示す斜視図である。 この実施形態における全閉ストッパ機構の要部の分解斜視図である。 この実施形態における全閉ストッパ機構の端面カムの展開図である。 この実施形態における全閉ストッパ機構の動作を示す斜視図である。 この実施形態における全閉ストッパ機構の動作を示す斜視図である。 この実施形態における全閉ストッパ機構の動作を示す斜視図である。 この実施形態における全閉ストッパ機構の動作を示す斜視図である。 この実施形態における全閉ストッパ機構の動作を示す縦断面図である。 この実施形態における全閉ストッパ機構の動作を示す縦断面図である。 この実施形態における全閉ストッパ機構の動作を示す縦断面図である。 この実施形態における全閉ストッパ機構の動作を示す縦断面図である。

符号の説明

１１ 弁ハウジング
１２ 弁室
１３ 入口継手
１４、１７、１９、２０ ろう付け部
１５ 出口ポート
１６ 出口継手
１８ 弁座部材
２１ 弁ポート
２２ 雌ねじ部材
２２Ａ 上部肩部
２３ 連通孔
２４ 雌ねじ
２５ 雄ねじ部材
２６ 雄ねじ
２７ 弁体
２８ 上部
２９ 連結部材
３０ ステッピングモータ
３１ ロータケース
３２ ロータ室
３３ ロータ
３３Ａ 下端面
３４ 外周面部
３５ ボス部
３６ ボス孔
３７ 平行二面取り部
３８ ステータコイルユニット
４１ 固定ストッパ部材
４２ 可動ストッパ部材
４３ 端面カム部材
４４ ばね受け部材
４４Ａ 鍔部
４５ 圧縮コイルばね
４６ 固定ストッパ片
４６Ａ、４６Ｂ 固定ストッパ片当たり面
４６Ｃ 固定ストッパ片上面
４７ ボス部
４８ リング部
４９ 可動ストッパ片
４９Ａ、４９Ｂ 可動ストッパ片当たり面
４９Ｃ 可動ストッパ片上面
５０ 端面カム面
５０Ａ 高位カム面部
５０Ｂ 低位カム面部
５０Ｃ 傾斜カム面部
５１、５２ カム側ストッパ面
５３ 補助片
５４ 補助端面カム面

Claims (3)

1. 固定配置の雌ねじ部材と、前記雌ねじ部材とねじ係合した雄ねじ部材と、前記雄ねじ部材に設けられ弁ポートの開度を調整する弁体とを具備し、前記雄ねじ部材が電動モータのロータによって回転駆動されることにより、前記雄ねじ部材が前記ロータと共に送りねじ式に軸線方向に変位することに伴って前記弁体が同方向に移動し、その軸線方向位置に応じて前記弁体が前記弁ポートの実効開口面積を増減する電動式コントロールバルブにおいて、
   固定ストッパ片を有する固定配置の固定ストッパ部材と、
   前記固定ストッパ片と当接可能な可動ストッパ片を有し、前記ロータに回転可能に且つ軸線方向に変位可能に設けられた可動ストッパ部材と、
   前記ロータに固定され、軸線方向に変位を与えるカム形状の端面カム面と、前記端面カム面の両端に各々設けられて前記可動ストッパ片が当接することにより前記ロータに対する前記可動ストッパ部材の回転角範囲を所定角度に規制するカム側ストッパ面とを有する端面カム部材と、
   前記可動ストッパ部材を前記端面カム面の側に付勢するばね手段とを具備し、
   前記可動ストッパ部材は、前記可動ストッパ片が前記固定ストッパ片に当接していない状態下では、前記可動ストッパ片と前記端面カム面との係合関係によって前記ロータと連れ回りし、前記ロータの回転に伴う軸線方向移動によって前記可動ストッパ片が固定ストッパ片に当接することによって回転停止し、
   この回転停止状態下では、前記ロータが前記可動ストッパ部材に対して相対的に回転変位し、これに伴い前記端面カム面と前記可動ストッパ片とのカム係合位置が変更されることにより、前記可動ストッパ片と共に前記可動ストッパ部材が軸線方向に変位し、前記可動ストッパ片が前記固定ストッパ片に当接してストッパ作用を行う状態下では、前記可動ストッパ部材の軸線方向の変位により前記可動ストッパ片が前記固定ストッパ片に当接する当接面積が増大する電動式コントロールバルブ。
2. 前記端面カム面のカム形状は、互いに軸線方向に変位した高位カム面部および低位カム面部と、前記高位カム面部と前記低位カム面部とを接続する傾斜カム面部とを有し、前記高位カム面部と前記低位カム面部との軸線方向の変位量分、前記可動ストッパに軸線方向の変位を与えるカム形状である請求項１記載の電動式コントロールバルブ。
3. 前記端面カム部材は前記ロータの端面に一体形成されている請求項１または２記載の電動式コントロールバルブ。

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