JP2019073049A - 車両用熱交換器のシャッター構造 - Google Patents

車両用熱交換器のシャッター構造 Download PDF

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Abstract

【課題】簡易な構成で車両用熱交換器の必要な部位のみを冷却可能なシャッター構造を提供する。【解決手段】車両用熱交換器10、11の通風量を調整する車両用熱交換器のシャッター構造において、車両用熱交換器10、11の車両前方側または車両後方側に配置されるスクリーン21と、スクリーン21を巻取ることで、スクリーン21を車両用熱交換器10、11に対して移動させることが可能な巻取り部22、23とを設け、スクリーン21の一部に開口部21aを形成する。開口部21aは、開口態様が異なる複数の開口パターンを有している。【選択図】図1

Description

本発明は、車両用熱交換器のシャッター構造に関する。
従来より、車両用熱交換器の通風量を調整するために、車両用熱交換器にシャッターを設けることが知られている。このような熱交換器用シャッターとして、特許文献1では、並列配置した複数のブレードをモータによって開閉するグリルシャッターが提案されている。
特開2008−106982号公報
しなしながら、特許文献1のシャッターでは、ブレードの開閉を1個のモータで行っているため、全ブレードが同じ角度で同時に開閉する。このため、一部のブレードのみを開放することができない。
例えばハイブリッド車両もしくは水冷式インタークーラを備える車両では、複数系統の冷却水回路が設けられており、天地方向で2個のラジエータが積層して2段重ねに配置されることがある。このような構成のラジエータに、特許文献1のシャッターを用いると、積層されたラジエータのうち一部のラジエータのみを冷却することができない。特許文献1のシャッターにおいて、一部のブレードを開放可能とするためには、ブレードを開閉するモータが複数必要となる。
また、従来のシャッターでは、シャッターを開く機会が増える。このため、熱交換器を通過する空気量が多くなり、結果としてCd値を低減可能な状況が少なくなる。
本発明は上記点に鑑み、簡易な構成で車両用熱交換器の必要な部位のみを冷却可能なシャッター構造を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明は、熱交換媒体と外気との熱交換を行う車両用熱交換器(10、11)の通風量を調整する車両用熱交換器のシャッター構造であって、車両用熱交換器の車両前方側または車両後方側に配置されるスクリーン(21)と、スクリーンを巻取ることで、スクリーンを車両用熱交換器に対して移動させることが可能な巻取り部(22、23)とを備え、スクリーンの一部に開口部(21a)が形成されていることを特徴とする。
本願発明によれば、スクリーンを巻取るロール式のシャッター構造を用いることで、スクリーンを1個の駆動部で移動させることができる。また、スクリーンの一部に開口部を設けることで、複数の熱交換器のうち一部の熱交換器のみ、あるいは1つの熱交換器の一部のみを適切に冷却することが可能となる。これにより、簡易な構成で車両用熱交換器の必要な部位のみを冷却可能とすることができる。
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
第1実施形態の車両用冷却装置の斜視図である。 第1実施形態の熱交換器の正面図である。 第1実施形態の車両用冷却装置の側面図である。 第1実施形態のスクリーンの斜視図である。 第1実施形態の熱交換器およびスクリーンの正面図である。 第1実施形態の熱交換器と変形例のスクリーンを示す図である。 第1実施形態の車両用冷却装置の使用状態を示す図である。 第1実施形態の車両用冷却装置の使用状態を示す図である。 第2実施形態の送風装置の正面図である。 第2実施形態のスクリーンを部分的に示す正面図である。
(第1実施形態)
以下、本発明の第1実施形態について説明する。本実施形態の車両用冷却装置は、エンジンおよび走行用電動モータから車両走行用の駆動力を得るハイブリッド車両に搭載されている。エンジンの駆動力は、車両走行用として用いられるのみならず、発電機を作動させるためにも用いられる。発電機にて発電された電力を電池に蓄わえることができる。電池から出力される直流電力は、インバータで交流電力に変換して走行用モータに供給される。
図1に示すように、本実施形態の車両用冷却装置は、第1熱交換器10、第2熱交換器11、シャッター装置20等を備えている。図1では、紙面手前側が車両前方側であり、紙面奥側が車両後方側である。図1では図示を省略しているが、熱交換器10、11の車両後方側に送風装置が設けられている。この送風装置によって、熱交換器10、11に外気が送風される。
本実施形態の熱交換器10、11は、冷却水(熱交換媒体)と外気とを熱交換して冷却水を冷却するラジエータである。本実施形態では、複数の熱交換器10、11を備えており、これらの熱交換器10、11には、異なる冷却水回路の冷却水が流通する。
本実施形態の車両用冷却装置には、複数の冷却水回路が設けられている。本実施形態の冷却水回路には、エンジン冷却水が循環するエンジン冷却水回路、インバータ冷却水が循環するインバータ冷却水回路が含まれている。第1熱交換器10は、エンジン冷却水回路に設けられており、エンジン冷却水が流通する。第2熱交換器20は、インバータ冷却水回路に設けられており、インバータ冷却水が流通する。つまり、複数の熱交換器10、11には、それぞれ別系統の冷却水が流通するようになっている。
第1熱交換器10および第2熱交換器11は同様の構成を備えているので、第1熱交換器10の構成についてのみ説明する。図2に示すように、第1熱交換器10は、コア部10aと、コア部10aの両端部に組み付け配置されるヘッダタンク10dとを有している。
コア部10aは、チューブ10bおよびフィン10cからなる。チューブ10bは内部を冷却水が流れる管状部材である。複数のチューブ10bは並列して配置されている。本実施形態では、チューブ10bの長手方向が水平方向となり、チューブ10bの積層方向が鉛直方向となるように配置されている。フィン10bは、隣接するチューブ10aの間に接合されており、伝熱面積を増大させて冷却水と空気との熱交換を促進している。
ヘッダタンク10dは、チューブ10bの両端部において、複数のチューブ10aと連通している。ヘッダタンク10dは、チューブ10aが挿入接合されるコアプレート10eと、コアプレート10eとともにタンク空間を構成するタンク本体部10fとを有している。
図1〜図3に示すように、第1熱交換器10と第2熱交換器11は、積層して配置されている。第1熱交換器10と第2熱交換器11は、チューブ積層方向が一致している。本実施形態では、第1熱交換器10が鉛直方向上側、第2熱交換器11が鉛直方向下側に配置されている。第1熱交換器10および第2熱交換器11は、車両前後方向からみて重なり合わないように配置されている。
図1に示すように、シャッター装置20は、スクリーン21を備えている。スクリーンは柔軟性を有するシート状部材であり、例えばフッ素樹脂シートを好適に用いることができる。本実施形態では、スクリーン21は、少なくとも熱交換器10、11のコア部10a、11aを覆うように配置されている。
シャッター装置20は、熱交換器10、11に対してスクリーン21を移動させることで、熱交換器10、11の通風量を調整できる。本実施形態では、スクリーン21は上下方向に移動可能となっている。
本実施形態のシャッター装置20は、スクリーン21を巻取ることでスクリーン21が移動可能なロール式構造となっている。本実施形態では、スクリーン21の両端部に巻取り部22、23が設けられている。第1巻取り部22はスクリーン21の上側端部に設けられ、第2巻取り部23はスクリーン21の下側端部に設けられている。第1巻取り部22は第1熱交換器10の上方に位置し、第2巻取り部23は第2熱交換器11の下方に位置している。
第1巻取り部22には、モータ24の回転軸24aが接続されている。モータ24は、第1巻取り部22を回転駆動する駆動部である。モータ24を作動させることで、第1巻取り部22を回転させることができる。モータ24は、スクリーン21を巻取る方向とスクリーン21を送り出す方向に第1巻取り部22を回転駆動することができる。
第2巻取り部23には、バネ部材25が設けられている。バネ部材25としては、例えばねじりバネを用いることができる。バネ部材25は、第2巻取り部23にスクリーン21を巻取る方向にバネ力を作用させる。
第1巻取り部22にスクリーン21を巻取るようにモータ24を作動させることで、第2巻取り部23から第1巻取り部22に向かう方向にスクリーン21を移動させることができる。モータ24の回転を停止させることで、スクリーン21を停止させることができる。第1巻取り部22からスクリーン21を送り出すようにモータ24を作動させることで、第1巻取り部22から第2巻取り部23に向かう方向にスクリーン21を移動させることができる。
図4に示すように、スクリーン21の一部に開口部21aが形成されている。開口部21aでは、シート面の一部に穴が開いた状態となっている。スクリーン21における開口部21aが形成された部位は、連結部21bによってシート面がつながっている。開口部21aは、開口面積、開口位置、開口形状等の開口態様が異なる複数の開口パターンが設けられている。
スクリーン21の開口部21aを通過した外気が熱交換器10、11に供給される。このため、熱交換器10、11に対してスクリーン21を移動させることで、熱交換器10、11に対する開口部21aの位置が変わり、熱交換器10、11の通風量の調整を行うことができる。
また、開口部21aの開口面積を調整することで、開口部21aを通過する風量を調整でき、熱交換器10、11における開口部21aに対応する部位の通風量を調整できる。開口部21aの開口面積、開口位置、開口形状等は任意に設定可能であり、熱交換器10、11の必要冷却量に応じて設定することできる。熱交換器10、11の必要冷却量は、熱交換器10、11の必要通風量と言い換えることができる。開口部21aは、車両用冷却装置が搭載される車種毎に最適化すればよい。
スクリーン21には、開口部21aの有無、開口部21aの開口面積等が異なる複数の領域が形成されている。これら複数の領域には、閉鎖領域A、中間開放領域B、最大開放領域Cが含まれている。
閉鎖領域Aは、開口部21aが形成されておらず、スクリーン21のシート面が全面に存在しており、熱交換器10、11に外気を通過させない領域である。中間開放領域21dおよび最大開放領域21eは、開口部21aが設けられ、熱交換器10、11に外気を通過させる領域である。
中間開放領域Bおよび最大開放領域Cでは、開口部21aの開口パターンが異なっている。具体的には、最大開放領域Cの方が中間開放領域Bよりも開口部21aの開口面積が大きくなっている。このため、最大開放領域Cの方が中間開放領域Bよりも熱交換器10、11の通風量が多くなる。図4に示す例では、最大開放領域Cは、連結部21bが紐状になっており、開口部21aの開口面積が最大になっている。
本実施形態では、スクリーン21の開口部21aは、熱交換器10、11の熱歪みを考慮して形成されている。この点について図5、図6を用いて説明する。なお、図5、図6では、第1熱交換器10のみを図示し、第2熱交換器11の図示を省略している。
図5に示すように、熱交換器10には、複数のチューブ10bが並列配置されている。スクリーン21の開口部21aを通過した外気が一部のチューブ10bのみに当たると、隣接するチューブ10bの温度差が大きくなる可能性がある。隣接するチューブ10bの温度差が大きくなると、チューブ10b間の熱膨張差に起因する熱歪みが発生し、チューブ10bが破損するおそれがある。
このため、本実施形態では、隣接するチューブ10bの温度差ができるだけ小さくなるように、スクリーン21の開口部21aを形成している。本実施形態の開口部21aは、熱交換器10のチューブ10bの長手方向と角度をずらして形成されている。本実施形態では、開口部21aが長方形となっており、開口部21aの長手方向がチューブ10bの長手方向とずれている。
開口部21aの長手方向は、チューブ10b、11bの長手方向とずれていればよい。本実施形態では、図5に示すように、開口部21aの長手方向がチューブ10b、11bの長手方向に対して直交しており、開口部21aの長手方向がチューブ10b、11bの積層方向と一致している。また、図6の変形例に示すように、開口部21aの長手方向がチューブ10b、11bの長手方向に対して斜めになっていてもよい。
開口部21aは、隣接するチューブ10b、11bに跨るように形成されている。図5、図6に示す例では、開口部21aは熱交換器10のすべてのチューブ10aに跨るように形成されているが、必ずしもすべてのチューブ21aに跨るように形成されている必要はない。
開口部21aは、隣接するチューブ10b、11bに当たる風量差が所定値以下となるように形成すればよい。換言すれば、開口部21aは、隣接するチューブ10b、11bの温度差が所定値以下となるように形成すればよい。
図1に示すように、車両用冷却装置には、制御装置30が設けられている。制御装置30は、CPU、ROMおよびRAM等を含む周知のマイクロコンピュータとその周辺回路から構成され、そのROM内に記憶された空調制御プログラムに基づいて各種演算、処理を行う。
制御装置30の入力側には、エンジン冷却水の水温を検出する第1水温センサ31、インバータ冷却水の水温を検出する第2水温センサ32が接続されている。制御装置30の出力側には、モータ22が接続されている。制御装置30は、モータ22の作動を制御することで、熱交換器10、11に対するスクリーン21の位置を制御することができる。
制御装置30は、第1水温センサ31で検出したエンジン冷却水の水温と、第2水温センサ32で検出したインバータ冷却水の水温に基づいて、モータ22の作動を制御する。これにより、第1熱交換器10の必要冷却量および第2熱交換器11の必要冷却量に応じてスクリーン21の位置を調整し、第1熱交換器10の通風量および第2熱交換器11の通風量を調整することができる。
熱交換器10、11の通風量制御を図7、図8を用いて説明する。図7、図8は、熱交換器10、11の必要冷却量とスクリーン21の状態との関係を示している。図7、図8に示すスクリーン21の各状態の切替は、制御装置30がモータ22を制御することによって行われる。
図7の上段は、第1熱交換器10および第2熱交換器11の必要冷却量がゼロの場合を示している。この場合には、スクリーン21は、閉鎖領域Aが第1熱交換器10および第2熱交換器11に対応する位置にある。このため、第1熱交換器10および第2熱交換器11は通風量がゼロとなっている。
図7の中段は、第1熱交換器10の必要冷却量がゼロであり、第2熱交換器11の必要冷却量が中間値である場合を示している。この場合には、スクリーン21は、閉鎖領域Aが第1熱交換器10に対応する位置にあり、中間開放領域Bが第2熱交換器11に対応する位置にある。このため、第1熱交換器10は通風量がゼロとなり、第2熱交換器11は通風量が中間値となっている。
図7の下段は、第1熱交換器10の必要冷却量がゼロであり、第2熱交換器11の必要冷却量が最大値である場合を示している。この場合には、スクリーン21は、閉鎖領域Aが第1熱交換器10に対応する位置にあり、最大開放領域Cが第2熱交換器11に対応する位置にある。このため、第1熱交換器10は通風量がゼロとなり、第2熱交換器11は通風量が最大値となっている。
図8の上段は、第1熱交換器10および第2熱交換器11の必要冷却量が中間値の場合を示している。この場合には、スクリーン21は、中間開放領域Bが第1熱交換器10および第2熱交換器11に対応する位置にある。このため、第1熱交換器10および第2熱交換器11は通風量が中間値となっている。
図8の下段は、第1熱交換器10および第2熱交換器11の必要冷却量が最大値の場合を示している。この場合には、スクリーン21は、最大開放領域Cが第1熱交換器10および第2熱交換器11に対応する位置にある。このため、第1熱交換器10および第2熱交換器11は通風量が最大値となっている。
以上説明した本実施形態では、熱交換器10、11の通風量を調整するシャッター装置20として、スクリーン21を巻取って移動させることができるロール式シャッター装置を採用し、スクリーン21の一部に開口部21aが形成されている。これにより、1個のモータ24でスクリーン21を移動させることで、複数の熱交換器10、11のうち一部の熱交換器10、11のみを冷却することが可能となり、各熱交換器10、11の通風量を適切に調整することができる。
また、本実施形態のシャッター装置20では、複数の熱交換器10、11のうち冷却不要な熱交換器10、11はスクリーン21のシート面で覆われている。このため、不要な外気が熱交換器10、11に供給されず、Cd値を低減可能な状況を多く作り出すことができる。
また、本実施形態のシャッター装置20では、スクリーン21に形成した開口部21aを介して熱交換器10、11に外気が供給される。このため、開口部21aの開口面積、開口位置、開口形状等の開口態様が異なる開口パターンを複数設けることで、熱交換器10、11の通風量をきめ細かく調整することが可能となる。
また、本実施形態のシャッター装置20では、スクリーンの開口部21aをチューブ長手方向とずらして形成し、隣接するチューブ10b、11bに当たる風量差が所定値以下となるようにしている。これにより、開口部21aを通過した外気が複数のチューブ10b、11bのうち一部のチューブ10b、11bのみに当たることを抑制できる。この結果、隣接するチューブ10b、11bの温度差が大きくなることを抑制でき、熱交換器10、11で熱歪みが発生することを抑制できる。
また、本実施形態のシャッター装置20では、制御装置30が温度センサ31、32で検出した冷却水の温度の温度に基づいてモータ24によるスクリーン21の巻取りを制御し、車両用熱交換器10、11に対するスクリーン21の位置を制御している。これにより、熱交換器10、11の必要冷却量に応じて熱交換器10、11の通風量を適切に調整することができる。
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態を図9、図10を用いて説明する。上記第1実施形態と同様の部分については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
上記第1実施形態では、熱交換器10、11の必要冷却量に応じてスクリーン21の開口部21aを形成したが、熱交換器10、11の風速分布に応じてスクリーン21の開口部21aを形成している。
車両用冷却装置は、図9に示す送風装置40を備えている。送風装置40は、熱交換器10、11の車両後方側に配置されている。送風装置40は、ファン41と、ファンモータ42と、シュラウド43とを備えている。図9に示す例では、ファン41およびファンモータ42が2組設けられている。
ファン41は、空気を送風する軸流式の送風ファンであり、回転軸を中心に回転するように構成されている。ファン41は、回転軸の周囲に複数のブレードが円形に配置されている。ファンモータ42は、ファン41に回転動力を与える電動機であり、ファンモータ42の回転軸にファン41が固定されている。
シュラウド43には、ファン41に対応して円形の開口部が形成されている。シュラウド43の開口部には、複数のステー44によってファンモータ42が固定されている。シュラウド43は、ファンモータ42を保持すると共に、ファン41により誘起される空気流れが熱交換器10、11を通過するように空気流れをガイドする。
送風装置40では、ファン41によって空気流れが発生する一方、ファンモータ42では空気流れが発生しない。このため、熱交換器10、11では、ファン41に対応する部位の風速が速くなり、ファンモータ42に対応する部位の風速が遅くなる。つまり、熱交換器10、11では、送風装置40の送風によって風速分布が生じる。
本第2実施形態では、スクリーン21の開口部21aを熱交換器10、11の風速分布に応じて形成している。具体的には、熱交換器10、11で風速が所定値以上となる部位に対応してスクリーン21の開口部21aを形成している。本第2実施形態において、風速が所定値以上となる部位は、熱交換器10、11におけるファン41に対応する部位である。
図10に示す例では、スクリーン21に複数の扇形状の開口部21aが円形に配置されている。開口部21aの位置および形状は、ファン41に対応している。そして、風速が低くなるファンモータ42に対応する部位には開口部21aを形成していない。
以上説明した本第2実施形態では、熱交換器10、11における風速が速い部位のみに対応してスクリーン21の開口部21aを形成している。これにより、Cd値を確保したまま、熱交換器10、11の冷却を効率よく行うことができる。
(他の実施形態)
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。また、上記各実施形態に開示された手段は、実施可能な範囲で適宜組み合わせてもよい。
(1)上記各実施形態では、シャッター装置20を熱交換器10、11の車両前方側に配置したが、これに限らず、シャッター装置20を熱交換器10、11の車両後方側に配置してもよい。
(2)上記各実施形態では、スクリーン21を移動させるモータ24を熱交換器10、11の上側に配置したが、これに限らず、モータ24を熱交換器10、11の下側に配置してもよく、モータ24を熱交換器10、11の右側または左側に配置してもよい。モータ24を熱交換器10、11の右側または左側に配置する場合には、スクリーン21は左右方向に移動することとなる。
(3)上記各実施形態では、回転式のモータ24で巻取り部22を回転させてスクリーン21を移動させるようにしたが、これに限らず、直線運動するリニアモータを用いてスクリーン21を移動させるようにしてもよい。
(4)上記各実施形態では、シャッター装置20で通風量を調整する熱交換器10、11としてハイブリッド車両のエンジン冷却水やインバータ冷却水を冷却するためのラジエータを用いた例について説明したが、本発明を異なる種類の熱交換器に適用してもよい。例えば、過給機で加圧された過給気を冷却する水冷式インタークーラを備える車両であれば、本発明の熱交換器として過給気と熱交換した冷却水を冷却するラジエータを用いることができる。あるいは、本発明の熱交換器として、冷凍サイクルの冷媒を凝縮させるコンデンサを用いることができる。
シャッター装置20で通風量を調整する熱交換器は、同種の熱交換媒体が流通する熱交換器の組み合わせ(例えばラジエータとラジエータ、コンデンサとコンデンサ)でもよく、異なる種類の熱交換媒体が流通する熱交換器の組み合わせ(例えばラジエータとコンデンサ)でもよい。
(5)上記各実施形態では、シャッター装置20で通風量を調整する複数の熱交換器10、11を上下方向に積層するようにしたが、これに限らず、複数の熱交換器10、11を左右方向に並べて配置してもよい。
また、複数の熱交換器10、11の必要冷却量がそれぞれ異なる場合には、複数の熱交換器10、11を車両前後方向に配置してもよい。この場合、必要冷却量が大きい熱交換器を車両前方側に配置し、必要冷却量が小さい熱交換器を車両後方側に配置すればよい。
(6)上記各実施形態では、シャッター装置20で複数の熱交換器10、11の通風量を調整するようにしたが、これに限らず、シャッター装置20で1つの熱交換器の通風量を調整するようにしてもよい。この場合、1つの熱交換器に複数種類の熱交換媒体が流通する構成でもよく、1つの熱交換器に1種類の熱交換媒体が流通する構成でもよい。
1つの熱交換器に複数種類の熱交換媒体が流通する構成では、熱交換器の内部が複数の部位に仕切られており、複数の熱交換器が一体化した構成とみなすことができる。このため、異なる熱交換媒体が流通する部位毎に通風量の制御を行えばよい。
1つの熱交換器に1種類の熱交換媒体が流通する構成では、熱交換器に必要冷却量が異なる複数の部位が存在する場合に、部位毎の通風量を異ならせればよい。例えば熱交換器では、冷却水の流入側の温度が高くなり、冷却水の流出側の温度が低くなることが通常であるので、冷却水の流入側の通風量を多くし、冷却水の流出側の通風量を少なくすればよい。
10 第1熱交換器
11 第2熱交換器
20 シャッター装置
21 スクリーン
21a 開口部
22 第1巻取り部
23 第2巻取り部
24 モータ
30 制御装置
40 送風装置

Claims (6)

  1. 熱交換媒体と外気との熱交換を行う車両用熱交換器(10、11)の通風量を調整する車両用熱交換器のシャッター構造であって、
    前記車両用熱交換器の車両前方側または車両後方側に配置されるスクリーン(21)と、
    前記スクリーンを巻取ることで、前記スクリーンを前記車両用熱交換器に対して移動させることが可能なスクリーン巻取り部(22、23)とを備え、
    前記スクリーンの一部に開口部(21a)が形成されている車両用熱交換器のシャッター構造。
  2. 前記開口部は、開口態様が異なる複数の開口パターンを有している請求項1に記載の車両用熱交換器のシャッター構造。
  3. 前記車両用熱交換器は複数設けられており、前記複数の車両用熱交換器は、異なる前記熱交換媒体が流通する請求項1または2に記載の車両用熱交換器のシャッター構造。
  4. 前記車両用熱交換器は、前記熱交換媒体が流通する複数のチューブ(10b、11b)を備えており、
    前記開口部は、前記複数のチューブのうち隣接するチューブに当たる風量差が所定値以下となるように形成されている請求項1ないし3のいずれか1つに記載の車両用熱交換器のシャッター構造。
  5. 前記開口部の開口面積を調整することで、前記車両用熱交換器における当該開口部に対応する部位の通風量を調整可能となっている請求項1ないし4のいずれか1つに記載の車両用熱交換器のシャッター構造。
  6. 前記車両用熱交換器に外気を通過させる送風装置(40)を備え、
    前記送風装置を作動させることで、前記車両用熱交換器を通過する外気の風速分布が発生し、
    前記開口部は、前記車両用熱交換器を通過する外気の風速が所定値以上となる部位に対応して形成されている請求項1ないし5のいずれか1つに記載の車両用熱交換器のシャッター構造。
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