JP2007263092A - 圧縮機用制御弁 - Google Patents

Abstract

【課題】内部可変制御式の圧縮機用制御弁において、高圧圧力が所定の圧力より高くならないようにする。
【解決手段】パワーエレメント１２が吸入圧力Ｐｓを感知して弁部１１が吐出室からクランク室へ供給する冷媒の流量を制御する圧縮機用制御弁１０において、弁部１１の弁体１７を、これを駆動するパワーエレメント１２とは作用的に分離可能に構成し、吐出圧力Ｐｄとクランク室の圧力Ｐｃとの差圧が所定の圧力より高くなると、差圧制御弁として機能するようにした。これにより、弁部１１が吸入圧力Ｐｓに応じて弁孔１６を開閉するよう動作しているときに、差圧が所定の圧力より高くなると、差圧制御弁が単独で動作して開弁するようになるので、吐出圧力Ｐｄが異常高圧になることはない。
【選択図】図１

Description

本発明は圧縮機用制御弁に関し、特に自動車用空調装置の冷凍サイクルを構成する圧縮機に設けられて冷媒の吐出容量を制御するのに好適な内部可変制御式の圧縮機用制御弁に関する。

自動車用空調装置の冷凍サイクルでは、一般に負荷に応じて冷凍能力を制御するのに可変容量圧縮機が用いられている。可変容量圧縮機がその容量を可変にする方法として、制御を可変容量圧縮機内の機械的構造のみにより行う内部可変制御式と、ソレノイドなどを用い、各種センサ出力の演算結果に基づいて電気的に制御する外部可変制御式とがある。ここでは、内部可変制御式の圧縮機用制御弁について説明する。

内部可変制御式の圧縮機用制御弁は、可変容量圧縮機の吸入圧力を感知する感圧部材を備えたパワーエレメントと、その感圧部材によって検知された圧力に応じて可変容量圧縮機の吐出圧力からクランク室へ供給する圧力を生成する弁部とを備えている。感圧部材としてはベローズを用いた圧縮機用制御弁、または金属薄板等からなるダイヤフラムを用いた圧縮機用制御弁（たとえば、特許文献１参照）が知られている。

図６は従来の内部可変制御式のダイヤフラムを用いた圧縮機用制御弁の構成例を示す中央縦断面図である。
内部可変制御式の圧縮機用制御弁は、弁部１０１と、この弁部１０１を駆動制御するパワーエレメント１０２とを備えている。

弁部１０１のボディ１０３には、可変容量圧縮機の吐出室に連通されて吐出圧力Ｐｄの冷媒が送り込まれるポート１０４と、可変容量圧縮機のクランク室に連通されて制御された圧力Ｐｃの冷媒をクランク室へ送り出すポート１０５と、可変容量圧縮機の吸入室に連通されて吸入圧力Ｐｓを受けるポート１０６とが設けられている。ポート１０４とポート１０５とを連通する冷媒通路には、ボディ１０３と一体に形成された弁座にポート１０４の側から着座するようボール弁体１０７が配置されている。このボール弁体１０７は、スプリング１０８によって閉弁方向に付勢されている。また、ボディ１０３には、その軸線位置に、一端がボール弁体１０７に当接してパワーエレメント１０２の駆動力を弁部１０１へ伝達する伝達部材１０９が軸線方向に進退自在に保持されている。

パワーエレメント１０２は、外側ハウジング１１１と内側ハウジング１１２との間を仕切るように薄膜状のダイヤフラム１１３を挟んで構成されている。すなわち、外側ハウジング１１１と内側ハウジング１１２とは、ダイヤフラム１１３の外周縁部を挾持した状態でかしめ加工により固着され、外側ハウジング１１１とダイヤフラム１１３とによって気密室を形成している。この外側ハウジング１１１の気密室には、ダイヤフラム１１３に当接配置されたスプリング受け用のディスク１１４と、このディスク１１４をダイヤフラム１１３に対して弁部１０１の方向に付勢するスプリング１１５とが配設されている。一方、内側ハウジング１１２は、外側ハウジング１１１を接合した状態でボディ１０３の端部に螺合されている。内側ハウジング１１２の中には、ボディ１０３から延出した伝達部材１０９の他端が嵌合されたディスク１１６が配置されており、ダイヤフラム１１３の軸線方向の変位を弁部１０１へ伝達するようにしている。

このような圧縮機用制御弁において、ダイヤフラム１１３は、ポート１０６を介して吸入圧力Ｐｓを感知しており、その吸入圧力Ｐｓの変化に従って軸線方向に変位する。その変位は、伝達部材１０９を介してボール弁体１０７に伝達され、弁部１０１のリフト量が決められ、吐出室からクランク室へ供給される冷媒の流量が制御される。これにより、圧縮機用制御弁は、吸入圧力Ｐｓが所定の値になるようにクランク室の圧力Ｐｃを制御して可変容量圧縮機から吐出される冷媒の吐出容量を可変する。

この圧縮機用制御弁は、主として冷媒にＨＦＣ−１３４ａを使用した冷凍サイクルに用いられている。ところが、地球温暖化に係る環境問題から、冷媒にＨＦＣ−１３４ａから二酸化炭素を使用することが提案されている。冷媒に二酸化炭素を使用した冷凍サイクルにおいても、可変容量圧縮機を制御する内部可変制御式の圧縮機用制御弁は、上記の圧縮機用制御弁と同じ原理で動作するように構成されている。すなわち、圧縮機用制御弁は、吸入圧力Ｐｓを感知してクランク室の圧力Ｐｃを制御し、これによって吐出容量を可変しているのである。
特開２００４−２１８４４３号公報（図２）

しかしながら、ＨＦＣ−１３４ａを冷媒とする冷凍サイクルでは、可変容量圧縮機によって圧縮された冷媒は、凝縮器において凝縮されるために、高圧側の吐出圧力が急激に上昇することはないが、二酸化炭素を冷媒とする冷凍サイクルでは、ガスクーラにおいて凝縮することなく、気体状態のままであることから、吐出圧力が急激に上昇して高圧回路にとって危険とされる所定の圧力を超えてしまうことがあるという問題点があった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、内部可変制御式の圧縮機用制御弁において、高圧圧力が所定の圧力より高くならないようにすることを目的とする。

本発明では上記問題を解決するために、可変容量圧縮機の吐出容量を変化させる圧縮機用制御弁において、前記可変容量圧縮機の吐出室からクランク室へ供給される冷媒の流量を制御する弁部と、前記可変容量圧縮機の吸入圧力を感知して前記弁部の開度を制御するパワーエレメントと、を備え、前記弁部は、前記吐出室から吐出された冷媒の吐出圧力と前記クランク室の圧力との差圧が所定値より大きくなると開弁して前記吐出室から吐出された冷媒を前記クランク室へ供給する差圧制御弁の機能を有していることを特徴とする圧縮機用制御弁が提供される。

このような圧縮機用制御弁によれば、吐出圧力とクランク室の圧力との差圧が所定の値を超えると、弁部は差圧制御弁として機能して開弁するので、吐出圧力は減圧されることになる。そのため、高圧が異常に高くなってしまうことを防止することができる。

本発明の圧縮機用制御弁は、可変容量圧縮機の吐出室からクランク室へ供給される冷媒の流量を制御する弁部が差圧制御弁の機能を有しているので、吐出圧力とクランク室の圧力との差圧が所定の圧力を超えると開弁するので、吐出圧力が異常に高くなるのを確実に防止することができるという利点がある。

以下、本発明の実施の形態を、二酸化炭素を冷媒とする冷凍サイクルの可変容量圧縮機を制御する内部可変制御式の圧縮機用制御弁であって、感圧部材にダイヤフラムを用いた圧縮機用制御弁に適用した場合を例に、図面を参照して詳細に説明する。

図１は第１の実施の形態に係る圧縮機用制御弁の構成を示す中央縦断面図、図２は第１の実施の形態に係る圧縮機用制御弁が全閉になった状態を示す断面図、図３は第１の実施の形態に係る圧縮機用制御弁が異常高圧で動作した状態を示す断面図である。

この第１の実施の形態に係る圧縮機用制御弁１０は、可変容量圧縮機の吐出室からクランク室へ供給する冷媒の流量を制御する弁部１１と、その弁部１１を開閉制御するパワーエレメント１２とを備えている。

弁部１１のボディ１３は、可変容量圧縮機の吐出室に連通されて吐出圧力Ｐｄが送り込まれるポート１４と、クランク室に連通されて制御された圧力Ｐｃを送り出すポート１５とが設けられている。ボディ１３の軸線位置には、ポート１４とポート１５とを連通する弁孔１６が形成されており、その下流側には、その弁孔１６を開閉するボール形状の弁体１７が配置されている。

弁体１７は、弁体受け部材１８を介してばね１９により閉弁方向に付勢されている。ばね１９の一端は、ボディ１３のポート１５が形成された先端部に嵌合されていて中央に開口部を有するばね受け部材２０によって受けられている。ばね１９のばね荷重は、ばね受け部材２０を嵌合するときの軸線位置を変更することによって調整され、したがって、ばね受け部材２０は荷重調整手段を構成している。

一方、パワーエレメント１２は、浅いばね収容部２１を有する蓋状の外側ハウジング２２と、図の下側開口部にフランジ部を有する円筒状の内側ハウジング２３と、これらの間に配置されて感圧部を構成する薄い金属性のダイヤフラム２４とを有し、これらの外周縁部は全周溶接により互いに固着されている。外側ハウジング２２のばね収容部２１には、同形状の皿ばね２５が複数枚、図示の例では４枚の皿ばね２５が積層されて配置されている。

内側ハウジング２３は、ボディ１３の図の下端部に嵌合されて、パワーエレメント１２を弁部１１に固定している。内側ハウジング２３は、可変容量圧縮機の吸入室に連通されてダイヤフラム２４が吸入圧力Ｐｓを受けるようポート２６が設けられている。

さらに、ボディ１３には、一端が弁体１７に当接され、他端がディスク２７を介してダイヤフラム２４に当接された伝達部材２８が摺動可能に挿通され、軸線方向に進退自在に保持されている。この伝達部材２８は、弁体１７との当接部分が弁孔１６を貫通するようその内径よりも小さな外径を有し、ボディ１３によって保持されている保持部分が弁孔１６の内径よりも大きな外径を有している。伝達部材２８の保持部分の外径を弁孔１６の内径よりも大きくしたことにより、径の差の分だけ吐出圧力Ｐｄを閉弁方向に受ける面積が増えるので、冷凍負荷が大きくて弁部１１を流れる冷媒の流量が多いときに、この伝達部材２８は、ダイヤフラム２４の側へ付勢する荷重が増えることになる。これは、吐出圧力Ｐｄが高くなるに従って、この圧縮機用制御弁１０のセット値Ｐｓｅｔを小さくする方向へ補正するセット値補正手段を構成するもので、圧縮機へ吸入される冷媒の流量が多いときに蒸発器と圧縮機との間に生じる圧力損失を考慮した流量制御を可能にしている。

また、弁部１１は、弁体１７が弁孔１６の下流側にてばね１９により閉弁方向に付勢された状態で配置された構成にしたことにより、吐出圧力Ｐｄとクランク室の圧力Ｐｃとの差圧によって動作する差圧制御弁の機能を有していることになる。

さらに、ボディ１３および内側ハウジング２３の外側において、ポート１４とポート１５との間にＯリング２９が周設され、ポート１４とポート２６との間にはＯリング３０が周設されている。これにより、圧縮機用制御弁１０が可変容量圧縮機に装着されたときに、Ｏリング２９が吐出室とクランク室とを流体的に隔離するようシールし、Ｏリング３０がクランク室と吸入室とを流体的に隔離するようシールする。

次に、以上の構成の圧縮機用制御弁１０の動作について説明する。ここでは、一例として、圧縮機用制御弁１０のセット値Ｐｓｅｔは４ＭＰａに設定され、吐出圧力Ｐｄが１２ＭＰａを超えることがないようにした場合について説明する。

まず、吸入圧力Ｐｓがセット値Ｐｓｅｔよりも十分に低いときには、図１に示したように、パワーエレメント１２のダイヤフラム２４は、皿ばね２５の積層体による付勢力によって弁部１１の側に変位しており、その変位は、伝達部材２８を介して弁部１１の弁体１７に直接伝達されている。これにより、圧縮機用制御弁１０は、吸入圧力Ｐｓに応じた弁開度に制御され、可変容量圧縮機は、容量可変の状態になっている。すなわち、吸入圧力Ｐｓが図１に示す状態から高くなると、ダイヤフラム２４は、皿ばね２５の積層体による付勢力に抗して図の下方へ変位し、弁部１１の弁開度は小さくなって、クランク室の圧力Ｐｃが低下する。これにより、可変容量圧縮機は、その吐出容量を増加させる方向へ制御される。逆に、吸入圧力Ｐｓが図１に示す状態から低くなると、ダイヤフラム２４は、皿ばね２５の積層体による付勢力により図の上方へ変位し、弁部１１の弁開度は大きくなって、クランク室の圧力Ｐｃが増加する。これにより、可変容量圧縮機は、その吐出容量を減少させる方向へ制御される。

このような可変容量圧縮機の容量制御状態のときに、吸入圧力Ｐｓが急激に上昇するようなことがあると、弁部１１は吐出圧力Ｐｄとクランク室の圧力Ｐｃとの差圧によって動作する。すなわち、弁部１１がたとえば９ＭＰａ以上の差圧で動作するようにばね１９のばね荷重が設定されているとすると、吐出圧力Ｐｄが急激に上昇して、吐出圧力Ｐｄとクランク室の圧力Ｐｃとの差圧が９ＭＰａ以上（Ｐｄ‐Ｐｃ≧９ＭＰａ）になると、弁部１１は、図１に示した容量制御状態からさらに開弁して、可変容量圧縮機の吐出容量を減少させる方向へ制御し、これによって吐出圧力Ｐｄを低下させるようにする。

また、図１の容量制御状態から吸入圧力Ｐｓが上昇していくと、ダイヤフラム２４および皿ばね２５の積層体は、その中央部が図の下方へ押し下げられていき、たとえば、吸入圧力Ｐｓがセット値Ｐｓｅｔの４ＭＰａに等しくなると、中央部が図の上方へ湾曲していた皿ばね２５は、平らな状態に変形される。このとき、圧縮機用制御弁１０は、弁体１７が弁孔１６を閉じて全閉状態になる。これにより、クランク室の圧力Ｐｃが急減するので、可変容量圧縮機は、吐出容量をその最大容量まで増加させる方向へ制御される。

さらに吸入圧力Ｐｓが上昇してセット値Ｐｓｅｔを超えると、図２に示したように、皿ばね２５は中央部分が反転してダイヤフラム２４はさらに図の下方へ変位する。その結果、伝達部材２８は弁体１７から離れてパワーエレメント１２とは作用的に分離されるようになり、弁部１１は独立した差圧制御弁の構成になる。

このとき、圧縮機用制御弁１０は全閉状態になるので、可変容量圧縮機は、その最大容量で運転している状態になる。可変容量圧縮機が最大容量で運転しているときには、吐出圧力Ｐｄも高い状態が続いているので、異常高圧になりやすい。このようなときに、吐出圧力Ｐｄが急激に上昇して、吐出圧力Ｐｄとクランク室の圧力Ｐｃとの差圧が９ＭＰａ以上になると、弁部１１は、図３に示したように開弁して、可変容量圧縮機の吐出容量を減少させる方向へ制御し、これによって吐出圧力Ｐｄを低下させることになる。なお、差圧が９ＭＰａになるまでは、クランク室への冷媒の供給はないので、その圧力Ｐｃは吸入圧力Ｐｓに近い値を有している。そのため、相対値である差圧（Ｐｄ‐Ｐｃ）の下限値は、セット値Ｐｓｅｔの４ＭＰａに概ね等しく、上限値は、圧力Ｐｃに差圧の９ＭＰａが上乗せされることになるので、４＋９＝１２ＭＰａとなり、これにより、圧縮機用制御弁１０の高圧側の圧力（吐出圧力Ｐｄ）の上限は、１２ＭＰａに制限されることになる。

図４は第２の実施の形態に係る圧縮機用制御弁の構成を示す中央縦断面図である。この図４において、図１ないし図３に示した構成要素と同じ構成要素には同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

この第２の実施の形態に係る圧縮機用制御弁３１は、第１の実施の形態に係る圧縮機用制御弁１０にセット値Ｐｓｅｔを調整する手段を付加した構成になっている。すなわち、パワーエレメント１２を構成する外側ハウジング２２は、カップ状のばね収容部３２が一体に形成され、その中に、ばね３３を収容している。このばね３３は、皿ばね２５に当接するよう配置されたディスク３４とばね収容部３２の閉止端面に当接するよう配置されたディスク３５との間に介装され、皿ばね２５を弁部１１の開弁方向に付勢している。ばね３３のばね荷重は、ばね収容部３２の閉止端面３６を外側から押し込んで変形させることにより、ディスク３５の軸線方向の位置を変更することで調整している。これにより、この圧縮機用制御弁３１のセット値Ｐｓｅｔが調整され、圧縮機用制御弁３１が制御しようとする吸入圧力Ｐｓの値を正確に設定することができる。

同様に、異常高圧を検出するために吐出圧力Ｐｄとクランク室の圧力Ｐｃとの差圧を設定しているばね１９についても、ボディ１３にばね受け部材２０を嵌合するときの軸線位置を変更することによって、ばね荷重を調整している。

図５は第３の実施の形態に係る圧縮機用制御弁の構成を示す中央縦断面図である。この図５において、図１ないし図４に示した構成要素と同じ構成要素には同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

この第３の実施の形態に係る圧縮機用制御弁４０は、第１の実施の形態に係る圧縮機用制御弁１０では、高圧圧力が低いときに冷媒の流量を制御する主弁と高圧圧力が高いときに開弁する差圧制御弁とを兼ねた構成であるのに対し、主弁と差圧制御弁とを別々に構成にしている。

この圧縮機用制御弁４０では、ボディ１３の図の上部が吐出圧力Ｐｄの冷媒が送り込まれるポート１４になっていて、制御された圧力Ｐｃの冷媒をクランク室へ送り込むためのポート１５は、ボディ１３の中央側部に設けられている。ボディ１３のポート１４が形成されている端部には、ストレーナ４１が冠着されている。ボディ１３の軸線位置には、ポート１４とポート１５とを連通する弁孔４２が形成されており、その下流側には、その弁孔４２を開閉する弁体４３が配置され、ばね４４によって閉弁方向に付勢されている。この弁孔４２と、弁体４３と、ばね４４とは、吐出圧力Ｐｄとクランク室の圧力Ｐｃとの差圧が所定の値、すなわち９ＭＰａより高くなると開弁する差圧制御弁を構成している。

差圧制御弁の弁体４３には、軸線方向に貫通した冷媒通路が形成されており、そのパワーエレメント１２の側の開口端には、弁孔１６を有する弁座形成部材４５が嵌合されている。また、ボディ１３のパワーエレメント１２の側の開口端には、ガイド４６が嵌合されている。このガイド４６は、伝達部材２８をその軸線方向に進退自在に保持する機能とともに、ばね４４の受け部材およびばね荷重調整部材の機能を有している。弁体４３に形成された冷媒通路内には、弁体１７が配置され、ばね４７によって伝達部材２８の端面に常に当接されるよう付勢されている。

以上の構成の圧縮機用制御弁４０においても、吸入圧力Ｐｓに応じて弁体１７が弁孔１６を開閉するよう動作しながら、吐出圧力Ｐｄとクランク室の圧力Ｐｃとの差圧が急激に増加して９ＭＰａより高くなると差圧制御弁が開弁して吐出圧力Ｐｄを減圧させる。

以上の実施の形態では、この圧力制御弁は、二酸化炭素を冷媒とする冷凍サイクルの可変容量圧縮機を制御する制御弁に適用して好適であるが、ＨＦＣ−１３４ａを冷媒とする冷凍サイクルの可変容量圧縮機を制御する制御弁にも適用できることはもちろんである。このとき、皿ばね２５は、吸入圧力Ｐｓの値に応じて枚数が減らされる。

また、上記の実施の形態では、感圧部材にダイヤフラムを用いた内部可変制御式の圧縮機用制御弁に適用した場合について説明したが、感圧部材にベローズを用いた内部可変制御式の圧縮機用制御弁にも同様に適用することができる。

第１の実施の形態に係る圧縮機用制御弁の構成を示す中央縦断面図である。 第１の実施の形態に係る圧縮機用制御弁が全閉になった状態を示す断面図である。 第１の実施の形態に係る圧縮機用制御弁が異常高圧で動作した状態を示す断面図である。 第２の実施の形態に係る圧縮機用制御弁の構成を示す中央縦断面図である。 第３の実施の形態に係る圧縮機用制御弁の構成を示す中央縦断面図である。 従来の内部可変制御式のダイヤフラムを用いた圧縮機用制御弁の構成例を示す中央縦断面図である。

符号の説明

１０ 圧縮機用制御弁
１１ 弁部
１２ パワーエレメント
１３ ボディ
１４，１５ ポート
１６ 弁孔
１７ 弁体
１８ 弁体受け部材
１９ ばね
２０ ばね受け部材
２１ ばね収容部
２２ 外側ハウジング
２３ 内側ハウジング
２４ ダイヤフラム
２５ 皿ばね
２６ ポート
２７ ディスク
２８ 伝達部材
２９，３０ Ｏリング
３１ 圧縮機用制御弁
３２ ばね収容部
３３ ばね
３４，３５ ディスク
３６ 閉止端面
４０ 圧縮機用制御弁
４１ ストレーナ
４２ 弁孔
４３ 弁体
４４ ばね
４５ 弁座形成部材
４６ ガイド
４７ ばね

Claims (8)

1. 可変容量圧縮機の吐出容量を変化させる圧縮機用制御弁において、
   前記可変容量圧縮機の吐出室からクランク室へ供給される冷媒の流量を制御する弁部と、
   前記可変容量圧縮機の吸入圧力を感知して前記弁部の開度を制御するパワーエレメントと、
   を備え、前記弁部は、前記吐出室から吐出された冷媒の吐出圧力と前記クランク室の圧力との差圧が所定値より大きくなると開弁して前記吐出室から吐出された冷媒を前記クランク室へ供給する差圧制御弁の機能を有していることを特徴とする圧縮機用制御弁。
2. 前記弁部は、前記吐出圧力の冷媒が送り込まれる第１ポートと流量制御された冷媒を前記クランク室へ送り出す第２ポートとの間に形成された弁孔と、前記弁孔の下流側に閉弁方向に付勢された状態で配置された弁体とを有し、前記パワーエレメントがセット値に等しい前記吸入圧力を感知したとき閉弁し、前記吸入圧力が前記セット値より大きいときには前記パワーエレメントから作用的に分離されて前記差圧制御弁を構成するようにしたことを特徴とする請求項１記載の圧縮機用制御弁。
3. 前記弁部は、前記弁体を閉弁方向に付勢するばねと、前記ばねのばね荷重を調整する荷重調整手段とを有していることを特徴とする請求項２記載の圧縮機用制御弁。
4. 前記パワーエレメントが前記吸入圧力を感知することによって軸線方向に変化する感圧部の変位を前記弁部へ伝達する伝達部材を備えていることを特徴とする請求項１記載の圧縮機用制御弁。
5. 前記伝達部材は、前記弁孔を介して延出されていて端面が前記弁体に当接している第１の部分と、ボディによって軸線方向に進退自在に保持されていて前記弁孔より大きな径を有していている第２の部分とを有していることを特徴とする請求項４記載の圧縮機用制御弁。
6. 前記パワーエレメントは、前記吸入圧力を感知するダイヤフラムと、前記ダイヤフラムの前記弁部が配置される側とは反対側にて前記ダイヤフラムに当接しつつこれを支持するように配置された皿ばねとを有していることを特徴とする請求項１記載の圧縮機用制御弁。
7. 前記パワーエレメントは、前記皿ばねのばね荷重を調整してセット値を調整するセット値調整手段を有していることを特徴とする請求項６記載の圧縮機用制御弁。
8. 前記弁部は、前記吐出圧力の冷媒が送り込まれる第１ポートと流量制御された冷媒を前記クランク室へ送り出す第２ポートとの間に形成された第１弁孔、および前記第１弁孔の下流側に閉弁方向に付勢された状態で配置された第１弁体を有する前記差圧制御弁と、前記第１弁体を軸線方向に貫通するように形成された冷媒通路に配置された第２弁孔、および前記第２弁孔の上流側に閉弁方向に付勢された状態で配置された第２弁体を有する主弁とを有し、前記第２弁体が前記第２弁孔の下流側から前記パワーエレメントによって駆動されることにより開度が制御されることを特徴とする請求項１記載の圧縮機用制御弁。
   

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