JP6824834B2 - 作業機の冷却制御システム及び作業機 - Google Patents

Description

本発明は、ホイルローダ、スキッドステアローダ、コンパクトトラックローダ等の作業機の冷却制御システム及び作業機に関する。

従来、作業機の冷却制御システムとして特許文献１が知られている。特許文献１の作業機の冷却制御システムは、冷却流体を冷却するために外気を冷却風として導入する冷却ファンの回転数を制御する制御装置を備え、流体温度を検知する流体温度センサと、外気の温度を検知する外気温センサと、流体温度と外気の温度との差分を算出し、差分の大きさに応じて冷却ファンの目標回転数を設定している。

特開２００７−２５５２１６号公報

さて、特許文献１で採用している冷却制御システムは、ビスカスクラッチ（流体継手）によってエンジンからの動力が伝達される構造（粘性クラッチファン構造）である。粘性クラッチファン構造では、粘度の高いシリコンオイルの量によって、ファンに伝達するトルクが変化し、冷却ファンの回転数を変更する。粘性クラッチファン構造では、制御装置から冷却ファンの目標回転数を変更したとしても、冷却ファンの実際の回転数が変更できないことがあった。

本発明は、上記したような従来技術の問題点を解決すべくなされたものであって、ファンの目標回転数の変更に伴ってファンの実回転数を簡単に変更することができる作業機の冷却制御システム及び作業機を提供することを目的とする。

この課題を解決するための本発明の技術手段は、以下に示す点を特徴とする。
作業機の冷却制御システムは、出力軸を有する原動機と、前記原動機の出力軸の回転動力によって回転するファンと、前記ファンが装着されたハウジングと、前記原動機の出力軸の回転動力によって回転し、且つ、前記ハウジングとの間に形成されたギャップに導入された流体によって当該ハウジングと共に回転するロータと、前記ギャップに導入する前記流体の導入量を設定する流体設定部と、前記ファンの実回転数を検出するファン回転検出装置と、前記ファンの目標回転数を取得する目標回転取得部と、前記ファンの実回転数とファンの目標回転数との差分に対して比例制御を行う比例制御部と、前記差分に対して積分制御を行う積分制御部と、前記差分に対して微分制御を行う微分制御部と、前記ファンの回転数における不安定領域である第１範囲を記憶する記憶部と、前記ファンの目標回転数を変更する目標変更部と、を備え、前記積分制御部は、前記差分が閾値以上である場合に前記積分制御を行わず、前記差分が閾値未満になった場合に前記積分制御を開始し、前記目標変更部は、前記記憶部に記憶された前記第１範囲を参照し、前記ファンの目標回転数が前記第１範囲外である場合には前記ファンの目標回転数を変更せず、前記ファンの目標回転数が前記第１範囲内である場合に前記第１範囲の上限値又は下限値に、予め定められた設定値を加算又は減算することで前記ファンの目標回転数を変更する。

作業機の冷却制御システムは、前記原動機の実回転数を検出する原動回転検出装置を備え、前記目標変更部は、前記原動回転検出装置で検出された原動機の実回転数から所定回転数を減算した減算値を前記ファンの目標回転数に設定する。
作業機の冷却制御システムは、前記目標変更部は、前記減算値が前記第１範囲内である場合には、前記第１範囲の下限値に予め定められた設定値を減算し、前記減算した値を前記ファンの目標回転数に設定する。

作業機は、上述した作業機の冷却制御システムを備えている。

本発明によれば、ファンの目標回転数の変更に伴ってファンの実回転数を簡単に変更することができる。

作業機の冷却制御システムを示す図である。 エンジンと冷却装置との関係を示す図である。 ファンの回転数の応答改善処理を行わなかった場合の試験結果を示す図である。 ファンの回転数の応答改善処理を行った場合の試験結果を示す図である。 冷却制御システムにおけるファン不安定領域を示す図である。 制御ブロック図を示す図である。 ホイルローダの全体図である。

以下、本発明に係る作業機の冷却制御システム及びこの冷却制御システムを備えた作業機の好適な実施形態について、適宜図面を参照しながら説明する。
図６は、ホイルローダの全体図である。
まず、作業機として、ホイルローダを例にあげ説明する。なお、作業機は、ホイルローダに限定されず、コンパクトトラックローダ、スキッドステアローダ、バックホー等であっても、その他の作業機であってもよい。

図６に示すように、ホイルローダ１は、アーティキュレート式の作業機であり、機体２と、前方で作業が可能な作業装置３とを有している。機体２には前輪５及び後輪６が設けられている。機体２には、支持フレーム４が設けられている。作業装置３は、リフトアーム９とバケット１０とを有する。リフトアーム９は、その基端側が支持フレーム４に幅方向の軸心（横軸）回りに揺動自在に支持されている。リフトアーム９はリフトシリンダ１２の伸縮によって作動される。即ち、リフトシリンダ１２を伸縮すると、リフトアーム９は上下方向に揺動する。バケット１０は、リフトアーム９の先端側に横軸回りに揺動自在に支持されている。バケット１０は、バケットシリンダ１３の伸縮によって上下方向に回動する。なお、バケット１０は着脱自在に設けられていて、バケット１０の代わりに、スイーパー、モアー、ブレーカ等の予備アタッチメントをリフトアーム９の先端側に取り付け可能とされている。

機体２には、運転席１４と、ステアリング１６と、作業装置３を操作する操作装置１７と、原動機１８とが設けられている。原動機１８は、ディーゼルエンジン（エンジン）である。なお、原動機１８は、電動モータであってもよいし、電動モータとエンジンとの両方から構成されていてもよい。ホイルローダ１には、原動機１８の出力軸１９の回転動力により作動する油圧ポンプが設けられている。油圧ポンプは、ホイルローダ１に装備された油圧アクチュエータ（リフトシリンダ１２、バケットシリンダ１３等）やバケット１０の代わりに装着されるアタッチメントの油圧アクチュエータに作動油を供給可能である。また、ホイルローダ１には、ＨＳＴ（静油圧式トランスミッション）等の走行装置が設けられている。

次に、ホイルローダ１に設けられた作業機の冷却制御システムについて説明する。
図１、２に示すように、作業機の冷却制御システムは、冷却装置２０を備えている。冷却装置２０は、原動機１８を動力源として駆動する装置であって、粘性の流体を用いた粘性式のクラッチファンである。冷却装置２０は、回転軸２１と、ロータ２２と、ハウジング（ケース）２３と、流体設定部（流体設定装置）２４と、ファン２５とを有している。

回転軸２１は、エンジン１８の出力軸１９の回転動力により回転する軸である。例えば、エンジン１８の出力軸１９には、当該出力軸１９と共に回転するプーリ３０が設けられている。また、回転軸２１にも、当該回転軸２１と共に回転するプーリ３１が設けられている。プーリ３０とプーリ３１とには、ベルト（駆動ベルト）３２が掛けられ、プーリ３０の回転動力が駆動ベルト３２を介してプーリ３１に伝達される。即ち、回転軸２１は、エンジン１８の出力軸１９の回転動力によって回転する。

ロータ２２は、回転軸２１に固定されていて、回転軸２１と共に回転する。ロータ２２は、円盤状であって、外面に環状のラビリンス部（溝部）２２ａが形成されている。ロータ２２はハウジング２３に収容されている。
ハウジング２３は、回転軸２１に軸受３３を介して回転自在に支持されている。ハウジング２３の外側には、複数枚の羽根を有するファン２５が装着されている。したがって、ハウジング２３を回転させることによってファン２５を回転させることができる。

ハウジング２３は、ロータ２２のラビリンス部２２ａに近接する壁部２３ａを有している。ハウジング２３の壁部２３ａと、ロータ２２のラビリンス部２２ａとの間には、ギャップ（作動ギャップ）２３ｂが形成されている。ギャップ２３ｂに粘性の流体（例えば、シリコン油）を導入することによって、ロータ２２の回転動力がハウジング２３に伝達される。ハウジング２３はロータ２２の回転動力によって回転する。

ハウジング２３は、貯蔵室２３ｃと、流路２３ｄとを有している。貯蔵室２３ｃは、シリコン油を一時的に貯蔵する室であって、回転軸２１の先端側に設けられている。流路２３ｄは、貯蔵室２３ｃとギャップ２３ｂとを連通する循環型の流路である。即ち、流路２３ｄは、ギャップ２３ｂの出側２３ｂ１と貯蔵室２３ｃとを繋ぎ、ギャップ２３ｂの入側２３ｂ２と貯蔵室２３ｃとを繋ぐ流路である。したがって、ギャップ２３ｂに導入されたシリコン油は、流路２３ｄを通過して貯蔵室２３ｃに入った後、貯蔵室２３ｃから流路２３ｄに入って、ギャップ２３ｂに戻ることが可能である。

流体設定部（流体設定装置）２４は、ギャップ２３ｂに導入するシリコン油の導入量を設定する装置である。流体設定装置２４は、流路２３ｄの中途部を閉鎖可能な電磁弁である。即ち、流体設定装置２４は、コイル（ソレノイド）と、コイルの励磁によって移動可能なピンと、ピンの先端に設けられた弁体とを有している。流体設定装置２４のピン及び弁体は、流路２３ｄ内に設けられ、ビンの移動によって流路２３ｄの内部を開放又は閉鎖可能である。流体設定装置２４を作動させて開度を変更すれば、貯蔵室２３ｃから流体設定装置２４を通過してギャップ２３ｂに導入される導入量を調整することができる。

ギャップ２３ｂに入ったシリコン油は、流路２３ｄを通過して貯蔵室２３ｃに入る。ここで、流体設定部２４によって流路２３ｄを完全に閉鎖した状態では、シリコン油は、貯蔵室２３からギャップ２３ｂに流入することができない。流体設定部２４の弁体を開けば、貯蔵室２３ｃのシリコン油は、流体設定部２４を通過して、ギャップ２３ｂに流入することができる。ギャップ２３ｂに導入されたシリコン油の導入量によって、ファン２５（ハウジング２３）の回転数を変更することができる。

例えば、ギャップ２３ｂへのシリコン油の導入量を多くすることによって、ファン２５の実際の回転数（実回転数）を、エンジン１８の実際の回転数（実回転数）と略一致するまで上昇させることができる。また、ギャップ２３ｂへのシリコン油の導入量を少なくすることによって、エンジン１８の回転軸１９からロータ２２を介してハウジング２３に伝達するトルクが小さくなる。即ち、ギャップ２３ｂへのシリコン油の導入量を少なくすることによって、エンジン１８の実回転数に対するファン２５の実回転数の比率が減少する。

冷却装置２０の制御は、ＣＰＵ等で構成された制御装置４０で行う。制御装置４０は、流体設定装置２４に制御信号を出力して当該流体設定装置２４の開度を変更することによって、ファン２５の回転数を制御する。即ち、制御装置４０は、ファン２５の目標回転数とファン２５の実回転数とが一致するように、流体設定装置２４を制御する。
さて、図１に示すように、制御装置４０は、第１検出装置（原動回転検出装置）４１と、第２検出装置４３と、比例制御部４４と、積分制御部４５と、微分制御部４６とを備えている。第１検出装置４１は、エンジン１８の実際の回転数（実回転数）を検出する装置である。即ち、第１検出装置４１は、出力軸１９の付近に設けられ、エンジン１８の出力軸１９の実回転数を検出する。第２検出装置４３は、ファン２５（ハウジング２３）の実回転数を検出する装置である。即ち、ファン２５又はハウジング２３の近傍に設けられ、ファン２５の実回転数を検出する。

比例制御部４４、積分制御部４５及び微分制御部４６は、制御装置４０を構成する電気・電子部品、当該制御装置４０に組み込まれたプログラム等から構成されている。図５は、制御装置４０の制御ブロックを示している。図５に基づいて、比例制御部４４、積分制御部４５及び微分制御部４６について説明する。
図５に示すように、制御装置４０は、第２検出装置４３で検出されたファンの実回転数(Ｆ２)と、ファンの目標回転数（Ｆ１）との差分（Ｆ１−Ｆ２）を求める。比例制御部４４は、ファンの実回転数Ｆ２とファンの目標回転数Ｆ１との差分（Ｆ１−Ｆ２）に対して、予め設定された設定された比例ゲインを掛けて（乗算して）比例制御（Ｐ制御）を行う。

積分制御部４５は、ファンの実回転数Ｆ２とファンの目標回転数Ｆ１との差分（Ｆ１−Ｆ２）に対して、積分開始タイミング変更処理が実行されて設定された積分ゲイン（０か正の定数Ｂ）を掛けて（乗算して）積分制御（Ｉ制御）を行う。
微分制御部４６は、ファンの実回転数Ｆ２とファンの目標回転数Ｆ１との差分（Ｆ１−Ｆ２）に対して、予め設定された設定された微分ゲインを掛けて（乗算して）微分制御（Ｄ制御）を行う。

このように、制御装置４０は、ＰＩＤ制御によって制御値（操作量）を決定して、当該制御値に対応する制御信号を流体設定装置２４のコイルに出力することにより、ファンの回転を設定する。なお、制御信号は、制御値に応じてデューティ比が設定された信号であって、制御装置４０は、ＰＷＭ制御によって、流体設定装置２４の開度を設定する。
さて、ＰＩＤ制御において、少なくとも積分制御（Ｉ制御）を含む制御を実行すると、ファンの実回転数Ｆ２とファンの目標回転数Ｆ１との差分（Ｆ１−Ｆ２）であるＰ成分を積分計算して算出した積分成分（Ｉ成分）が過度に積算されて、ファンの実回転数Ｆ２の遷移が不安定になる場合がある、即ち、過度な積分成分の積算によってＰＩＤ制御系が安定せず、ファンの目標回転数Ｆ１が変更されるとファンの実回転数Ｆ２がオーバシュートを起こしてしまう。その結果、ファンの実回転数Ｆ２がファンの目標回転数Ｆ１に追従するための時間が長くなったり、ファンの実回転数Ｆ２が振動することにより騒音（うなり音）が発生する場合がある。

そのため、積分制御部４５は、差分が閾値以上である場合に積分制御を行わず、差分が閾値未満になった場合に積分制御を開始する。
例えば、積分制御部４５は、ファンの目標回転数Ｆ１(ｒｐｍ)とファンの実回転数Ｆ２（ｒｐｍ）との差分の絶対値が予め定められた閾値Ａよりも大きい場合、例えば、予め記憶部４７に記憶された積分ゲインを用いずに、当該処理で用いる制御ゲインを零にセットすることで、実質的に積分制御を実行しない。また、積分制御部４５は、ファンの目標回転数Ｆ１(ｒｐｍ)とファンの実回転数Ｆ２（ｒｐｍ）との差分の絶対値が予め定められた閾値Ａよりも小さくなった場合、予め記憶部４７に記憶された積分ゲインによって積分制御を実行する。

これにより、オーバーヒート時においてファンの目標回転数Ｆ１を急に上昇させようとしても、ファンの目標回転数Ｆ１(ｒｐｍ)とファンの実回転数Ｆ２（ｒｐｍ）との差分の絶対値が閾値Ａよりも大きいと判断されて積分制御が実行されないため、積分成分（Ｉ成分）が過度に積算されることを防止することができる。その結果、ファンのうなり音等が発生することを防止することができる。

さて、図４は、冷却システムにおいて従来のＰＩＤ制御を実行した場合のファンの目標回転数Ｆ１に対するファンの実回転数Ｆ２の時間変化を示している。ファンの目標回転数Ｆ１は、油温、水温、エアコン使用有無等に応じて変更しているが、図４に示すように、ある特定の領域Ｌでは、ファンの実回転数Ｆ２が振動してしまうことがある。即ち、ファンの実回転数Ｆ２が振動する不安定領域（領域）Ｌが存在する。制御装置４０は、少なくとも積分制御（Ｉ制御）を含むＰＩＤ制御において、ファンの目標回転数Ｆ１の変更時におけるファンの実回転数Ｆ２の応答性および安定性を向上させる処理（不安定区間回避処理）を行っている。

以下、不安定区間回避処理について詳しく説明する。
制御装置４０の記憶部４７は、ファンの目標回転数Ｆ１における不安定領域Ｌである第１範囲を記憶している。不安定領域Ｌ１は、ファンの目標回転数Ｆ１を最小から最大まで変化させてファンの実回転数Ｆ２の挙動を測定することにより求めた範囲である。
制御装置４０は、目標変更部４８を備えている、目標変更部４８は、制御装置４０を構成する電気・電子部品、当該制御装置４０に組み込まれたプログラム等から構成されている。

目標変更部４８は、ファンの目標回転数Ｆ１が記憶部４７に記憶された第１範囲Ｌ１内である場合に、ファンの目標回転数Ｆ１を第１範囲Ｌ１外の値に変更する。図４に示すように、目標変更部４８は、ファンの目標回転数Ｆ１が、第１範囲Ｌ１の上限値ａ、下限値ｂの範囲［ａ，ｂ］（ａ，ｂともに正の定数）に入った場合に、ファンの目標回転数Ｆ１を第１範囲外の値に変更する
目標変更部４８は、記憶部４７に記憶されたファンの目標回転数Ｆ１の領域［ａ，ｂ］を参照し、ファンの目標回転数Ｆ１が領域［ａ，ｂ］に含まれる場合、上限値ａに予め定められた設定値ｃを加算（ａ＋ｃ）して、加算値をファンの目標回転数Ｆ１に設定する。或いは、目標変更部４８は、ファンの目標回転数Ｆ１の領域［ａ，ｂ］を参照し、ファンの目標回転数Ｆ１が領域［ａ，ｂ］に含まれる場合、下限値ｂに設定値ｃを減算（ｂ-ｃ）して、減算値（第１減算値）をファンの目標回転数Ｆ１に設定する。上限値ａに対して加算する正の設定値ｃと、下限値ｂに対して減算する正の設定値ｃとは異なる値にしてもよい。この実施形態では、設定値ｃは５０ｒｐｍであるが、これに限定されない。

また、目標変更部４８は、記憶部４７に記憶されたファンの目標回転数Ｆ１の領域［ａ，ｂ］を参照し、ファンの目標回転数Ｆ１が領域［ａ，ｂ］に含まれない場合は、ファンの目標回転数Ｆ１は変更されないまま設定される。
なお、目標変更部４８によって変更されたファンの目標回転数Ｆ１が、冷却装置２０におけるファンの最大回転数超又は最小回転数以下になる場合は、ファンの目標回転数Ｆ１を最大回転数或いは最小回転数に固定するか、或いは、一時的に目標変更部４８よるファンの目標回転数Ｆ１の変更を実行しない。

上述した実施形態では、Ｉ成分の過剰な積算回避、ファンの目標回転数の不安定領域回避を行っているが、これに加えて、下記に示す応答改善処理を行ってもよい。
目標変更部４８は、ファンの目標回転数Ｆ１をエンジンの実回転数Ｅ１よりも予め低くすることで、ファンの目標回転数Ｆ１の変更時におけるファンの実回転数Ｆ２の応答性を向上させている。即ち、目標変更部４８は、第１検出装置４１で検出されたエンジンの実回転数Ｅ１から所定回転数を減算した減算値（第２減算値）を、ファンの目標回転数Ｆ１に設定することで、ファンの実回転数Ｆ２の応答性を向上させている。

具体的には、目標変更部４８は、エンジンの実回転数から、応答性に基づいて定めた所定回転数を減算した値を、ファンの目標回転数に設定する。即ち、目標変更部４８は、[ファンの目標回転数（第２減算値）Ｆ１(ｒｐｍ)＝エンジンの実回転数Ｅ１（ｒｐｍ）−所定回転数（ｒｐｍ）]に設定する。ここで、所定回転数とは、応答性に基づいて定めた回転数であって、張り付き現象を抑制することが可能な回転数（張付防止回転数）である。所定回転数は、様々な実験等によって定めた値で、少なくともファンの目標回転数Ｆ１をエンジンの実回転数Ｅ１よりも１５０ｒｐｍ低くすることにより、ファンの目標回転数の変更時においてファンの実回転数の応答性が向上する。

図３Ａ及び図３Ｂは、ファンの回転数の応答改善処理を行った場合と、応答改善処理を行わなかった場合との試験結果を比較したものである。試験では、両者とも条件は同じである。試験では、エンジンの実回転数を急激に低下させた後、短時間の間にエンジンの実回転数を変化させた。図３Ａに示すように、応答改善処理を行わなかった場合は、ファンの実回転数Ｆ２がエンジンの実回転数Ｅ１に追随してしまう。また、ファンの実回転数がファンの目標回転数Ｆ１の付近に達する際にハンチングが発生した。一方、図３Ｂに示すように、応答改善処理を行った場合は、ファンの実回転数Ｆ２はエンジンの実回転数Ｅ１に追随することがなく、ファンの実回転数Ｅ１はファンの目標回転数Ｆ１に略一致して、ハンチングも発生することはなかった。

上述したように、エンジンの実回転数Ｅ１から所定回転数を減算した減算値をファンの目標回転数Ｆ１にした場合に、当該ファンの目標回転数Ｆ１が領域［ａ，ｂ］に含まれる可能性がある。目標変更部４８は、第２減算値が領域［ａ，ｂ］内である場合には、領域［ａ，ｂ］における下限値ｂに予め定められた設定値ｄを減算し、減算した値をファンの目標回転数Ｆ１に設定する（ファンの目標回転数Ｆ１＝下限値ｂ−設定値ｄ）。

以上によれば、Ｉ成分の過剰な積算回避、ファンの目標回転数の不安定領域回避、張付き防止の処理を行っているため、回転軸２１、ロータ２２、ハウジング（ケース）２３、流体設定部（流体設定装置）２４及びファン２５を備えた冷却装置２０であっても、ファンの目標回転数の変更に伴ってファンの実回転数を簡単に変更することができる。
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 作業機
２ 機体
３ 作業装置
４ 支持フレーム
５ 前輪
６ 後輪
９ リフトアーム
１０ バケット
１２ リフトシリンダ
１３ バケットシリンダ
１４ 運転席
１６ ステアリング
１７ 操作装置
１８ 原動機
１９ 出力軸
２０ 冷却装置
２１ 回転軸
２２ ロータ
２２ａ ラビリンス部
２３ ハウジング
２３ａ 壁部
２３ｂ ギャップ
２３ｃ 貯蔵室
２３ｄ 流路
２４ 流体設定部（流体設定装置）
２５ ファン
３０ プーリ
３１ プーリ
３２ 駆動ベルト
３３ 軸受
４０ 制御装置
４１ 第１検出装置
４３ 第２検出装置
４４ 比例制御部
４５ 積分制御部
４６ 微分制御部
４７ 記憶部
４８ 目標変更部

Claims (4)

1. 出力軸を有する原動機と、
   前記原動機の出力軸の回転動力によって回転するファンと、
   前記ファンが装着されたハウジングと、
   前記原動機の出力軸の回転動力によって回転し、且つ、前記ハウジングとの間に形成されたギャップに導入された流体によって当該ハウジングと共に回転するロータと、
   前記ギャップに導入する前記流体の導入量を設定する流体設定部と、
   前記ファンの実回転数を検出するファン回転検出装置と、
   前記ファンの目標回転数を取得する目標回転取得部と、
   前記ファンの実回転数とファンの目標回転数との差分に対して比例制御を行う比例制御部と、
   前記差分に対して積分制御を行う積分制御部と、
   前記差分に対して微分制御を行う微分制御部と、
   前記ファンの回転数における不安定領域である第１範囲を記憶する記憶部と、
   前記ファンの目標回転数を変更する目標変更部と、
   を備え、
   前記積分制御部は、前記差分が閾値以上である場合に前記積分制御を行わず、前記差分が閾値未満になった場合に前記積分制御を開始し、
   前記目標変更部は、前記記憶部に記憶された前記第１範囲を参照し、前記ファンの目標回転数が前記第１範囲外である場合には前記ファンの目標回転数を変更せず、前記ファンの目標回転数が前記第１範囲内である場合に前記第１範囲の上限値又は下限値に、予め定められた設定値を加算又は減算することで前記ファンの目標回転数を変更する作業機の冷却制御システム。
2. 前記原動機の実回転数を検出する原動回転検出装置を備え、
   前記目標変更部は、前記原動回転検出装置で検出された原動機の実回転数から所定回転数を減算した減算値を前記ファンの目標回転数に設定する請求項１に記載の作業機の冷却制御システム。
3. 前記目標変更部は、前記減算値が前記第１範囲内である場合には、前記第１範囲の下限値に予め定められた設定値を減算し、前記減算した値を前記ファンの目標回転数に設定する請求項２に記載の作業機の冷却制御システム。
4. 請求項１〜３のいずれかの作業機の冷却制御システムを備えた作業機。

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