JP5936092B2 - 封止構造及びガス噴射弁 - Google Patents

Description

本発明は、ガス燃料などを噴射する内燃機関のインジェクタ等に用いられる封止構造及びこの封止構造を用いたガス噴射弁に関する。

ガス噴射弁においては、燃料である水素ガス等の噴射流体の噴射を制御するために作動流体の油圧を用いている。すなわち、ガス噴射弁においては、作動流体の油圧によってニードル弁を駆動して噴射流体の噴射を断続するものである。この場合、作動流体及び噴射流体は、例えば作動油と水素ガス等の気体、作動油と液体燃料のように異なる特性を有しているため、これらの混合を防止する必要がある。

図９は、作動流体と噴射流体の混合を防止した構造の従来のガス噴射弁１００を示す（特許文献１参照）。

図９において、ガス噴射弁１００は、弁本体部１１０と、弁本体部１１０の先端側に接続部材１２０を介して連結されたノズル１３０と、ノズル１３０の内部に上下動可能に設けられたニードル弁１４０とを備えている。

弁本体部１１０は、作動流体及び噴射流体が供給されるものであり、作動流体流入口１１１と噴射流体流入口１１２とが別個に形成され、作動流体流入口１１１には作動流体通路１１３が連通し、噴射流体流入口１１２には噴射流体通路１１４が連通している。

弁本体部１１０の内部には、ニードル弁１４０に連結された作動杆１５０が上下動可能に設けられている。作動杆１５０の上端部には、ばね調整ねじ１６１によってばね力が調整されたばね１６０が当接しており、ばね１６０によって作動杆１５０は常にニードル弁１４０が閉じる下方向に付勢されている。

ノズル１３０は、弁本体部１１０の作動流体通路１１３と連通する作動流体連通路１３１が形成されており、作動流体連通路１３１の先端部は作動流体貯留室１３２となっている。

図９のガス噴射弁１００において、作動流体貯留室１３２が弁本体部１１０に形成されるものであり、作動流体貯留室１３２は作動杆１５０の周囲に位置するように設けられている。従って、図９のガス噴射弁１００における作動流体は作動杆１５０の油圧を作用させるようになっている。

ノズル１３０には、ニードル弁１４０へのシールを行うためのシール流体貯留室１３３が形成されている。ガス噴射弁１００において、シール流体貯留室１３３がニードル弁１３０の周囲に設けられることによりシール流体貯留室１３３を境として作動流体と噴射流体とを区画してこれらの流体の混合を防止する。

ノズル１３０の先端部には、噴射流体を噴射する噴射孔１３５が形成されており、噴射孔１３５よりも上部には噴射流体蓄圧室１３７が形成されている。

ニードル弁１４０は、噴射孔１３５を開閉する弁シート部１４１を下端部に有しており、作動杆１５０の下端部に取り付けられて上下動することにより噴射孔１３５を開閉して噴射流体の噴射を断続する。

図９のガス噴射弁１００において、噴射流体は常時、噴射流体流入口１１２から噴射流体貯留室１３７に供給されている。この状態で作動流体を作動流体流入口１１１から供給して作動流体貯留室１３２に導入して油圧を作動杆１５０に作用させる。この場合、作動流体の油圧がばね１６０の付勢力に打ち勝ってニードル弁１３０又は作動杆１５０を押し上げるため、ニードル弁１３０が上方に移動して弁シート部１４１が噴射孔１３５から離れて噴射孔１３５が開く。これにより、噴射流体が噴射孔１３５から外部に噴射される。

このような作動において、シール流体貯留室１３３は内部のシール流体がノズル１３０とニードル弁１４０と間の隙間を上下に分断しており、これらの隙間を流動する作動流体及び噴射流体の混合を防止している。

従来のガス噴射弁１００では、作動流体と噴射流体との混合を防止するためにシール流体を用い、シール流体をシール流体貯留室１３３に供給しているが、この供給は常時、行う必要がある。しかもシール流体の供給経路を設ける必要があるため、構造が複雑化すると共にシール流体への制御が必要となっている。

実開昭６３−４３６５号公報

噴射流体と作動流体とを区画する封止部材には、噴射流体の圧力及び作動流体の圧力が反対方向から作用しており、これらの間で圧力差が発生すると、小さい圧力側に封止部材が変形する。すなわち、封止部材は大きな圧力に押されて小さな圧力側に変形し、この変形によって封止部材収容溝からはみ出てニードル弁とノズルとの間の隙間に噛み込むように動作する。このような封止部材の変形や噛み込みがあると、封止部材に局所的な過大応力が発生し、長期間の使用において擦れて損傷したり、表面に傷が発生して封止能力が低下する原因となる。

また、上記従来の方式では、作動流体及び噴射流体の混合を完全に回避することが困難である。

そこで、本発明は、封止部材の変形やはみ出しを防止して封止能力の低下を抑制し、作動流体と噴射流体の混合を確実に回避できることが可能な封止構造及びこの封止構造を用いたガス噴射弁を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、ノズル端の噴射孔を開閉してガス燃料の噴射を断続するニードル弁と、このニードル弁で開閉される噴射孔から噴射される前記ガス燃料を供給する噴射流体供給部と、前記ニードル弁に設けられ噴射流体供給部によって供給された前記ガス燃料の圧力を、前記噴射孔を開放する方向に受ける噴射流体受圧部と、前記ニードル弁が前記噴射孔を閉じる方向に前記ニードル弁を押圧可能な作動流体を供給する作動流体供給部と、前記噴射孔を閉じる方向にニードル弁を押圧する状態から作動流体を排出してニードル弁への押圧が解除される状態に作動流体の流れを切り換える電磁弁と、前記ニードル弁の外周の周方向全域に設けられた封止部材収容溝に装着され前記ニードル弁が支持されるノズル本体の内壁との間に設けられて前記ガス燃料が供給される領域と前記作動流体が供給される領域との間を区画し両者の混合を阻止するＯリングと、前記Ｏリングの前記収容溝からのはみ出しを防止するために、前記Ｏリングを挟んだ前記噴射流体受圧部の反対側に調整作動流体供給部を設け、この調整作動流体供給部で供給された調整作動流体と前記ガス燃料との圧力差が所定の値以下になるように前記調整作動流体の圧力を調整する圧力調整手段を設け、この圧力調整手段は、前記調整作動流体供給部の調整作動流体通路に臨むように設けられたボールとこのボールを前記調整作動流体の通路側に押圧するスプリングとを備えて構成されており、前記調整作動流体供給部への調整作動流体の供給が、作動流体供給部に供給された作動流体の分流でなされるように構成されているガス噴射弁である。

本発明の封止構造によれば、第１の圧力領域と第２の圧力領域とを区画する封止部材に対し、圧力調整手段が第１の流体と第２の流体との圧力差を所定範囲の値に設定するため、封止部材に反対方向から作用する圧力の圧力差が小さくなり、封止部材が収容溝からはみ出ることを防止できる。このため、封止部材が擦れて損傷したり、表面傷を発生することがなく、封止力が低下することを抑制できる。

本発明のガス噴射弁によれば、噴射流体が供給される領域（噴射流体供給領域）と作動流体が供給される領域（作動流体供給領域）とを区画する封止部材に対し、噴射流体との圧力差が所定範囲の圧力の調整作動流体を調整作動流体供給部が噴射流体供給側と反対側から供給する。この供給により噴射流体供給領域と作動流体供給領域との間の圧力差が小さくなるため、封止部材は隙間へのかみ込みが発生することがなくなり、封止部材が擦れて損傷したり、表面傷を発生することがなく、封止力が低下することを抑制できる。

本発明の第１実施形態のガス噴射弁を示す平面図であり、図２のＥ−Ｅ線で示す平面図である。 図１におけるＢ−Ｂ線断面図である。 図１におけるＣ−Ｃ線断面図である。 要部を示す断面図である。 本発明の第２実施形態のガス噴射弁を示し、図２に対応した断面である。 本発明の第２実施形態のガス噴射弁を示し、図３に対応した断面である。 本発明の第３実施形態のガス噴射弁を示し、図２に対応した断面である。 本発明の第３実施形態のガス噴射弁を示し、図２に対応した断面である。 従来のガス噴射弁の第１例を示す断面図である。

以下、本発明を図示する実施形態により具体的に説明する。なお、各実施形態において、同一の部材には同一の符号を付して対応させてある。

図１〜図４は、本発明の第１実施形態のガス噴射弁１を示し、図１は、図２のＥ−Ｅ線で示す部分の平面図、図２は、図１のＢ−Ｂ線断面図、図３は、Ｃ−Ｃ線断面図、図４は要部の断面図である。

この実施形態のガス噴射弁１は、弁本体部３と、弁本体部３の先端側に接続部材４を介して連結されたノズル５と、ノズル５の内部に上下動可能に設けられたニードル弁６とを備えている。又、弁本体部３の内部には、ニードル弁６と同軸的に作動杆７が設けられ、作動杆７の上部には駆動制御部６６が配置されている。

図１及び図２に示すように、弁本体部３及びノズル５には、噴射流体供給部１１と、作動流体供給部１３とが設けられている。

噴射流体供給部１１は、第１の流体としての噴射流体を供給する部分であり、第１の流体が供給されることから、噴射流体供給部１１は第１の流体が充填される第１の圧力領域となる。なお、この実施形態においては、第１の圧力領域は後述する噴射流体蓄圧室１７が対応するものである（図４参照）。

図２に示すように、噴射流体供給部１１は、弁本体部３に形成された噴射流体流入口１４と、噴射流体流入口１４と連通した状態で弁本体部３の長さ方向に沿って設けられた噴射流体通路１５とを備えている。

又、噴射流体供給部１１は、噴射流体通路１５と連通するようにノズル５に形成された噴射流体連通路１６を備えている。噴射流体連通路１６の終端部には、噴射流体蓄圧室１７が連通している。噴射流体蓄圧室１７は、ニードル弁６に対して噴射流体の圧力を作用させるものである。噴射流体蓄圧室１７によって噴射流体の圧力が作用することによりニードル弁６には上方への移動力が付与される。

図２に示すように、作動流体供給部１３は、噴射流体流入口１４と略反対側となるように弁本体部３に形成された作動流体流入口１８と、作動流体流入口１８と連通するように弁本体部３に形成された作動流体通路１９とを有している。作動流体通路１９の終端部は、弁本体部３内において作動杆７の上部周囲に開口しており、プレート６７の絞り孔６８、圧力制御室６９を経由して作動杆７に対して、作動流体の圧力を作用させるようになっている。作動流体の圧力が作用することにより、作動杆７は下方への移動力が付与され、段付き部７０での上方向への力、噴射流体による上方向の力との合力が下向きに付与されてニードル弁６が下方向へ移動するようになっている。

ノズル５は、弁本体部３と同軸的に延びるノズル本体２１を有し、ノズル本体２１には上述した噴射流体蓄圧室１７が形成されている。噴射流体蓄圧室１７は、ノズル本体２１の径方向に延びた溝状となるように形成されている。ノズル本体２１の内部は、ニードル弁６を収容するニードル弁収容部２４となっている。ノズル本体２１の先端部には、噴射流体が噴射される噴射孔２２が形成されており、噴射孔２２よりも上方には径が細くなる狭幅部２３が形成されている。

ニードル弁６とニードル弁収容部２４の直径隙間は封止部材収容溝３１より上は５μｍ以下が好ましく、また封止部材収容溝３１より下はこれより若干大きくする。この結果調整作動流体の消費量の軽減が可能となり、ニードル弁６の往復運動の安定化と作動流体によるニードル弁６とニードル弁収容部２４の隙間への潤滑による耐久性が向上する。

ニードル弁６は、ノズル本体２１におけるニードル弁収容部２４上に上下方向に移動可能に収容される。ニードル弁６は、上部から下部に向って作動杆連結部２７、中間摺動部２８、弁本体２９が順に一体に連設された形状となっている。

作動杆連結部２７は、下方から弁本体部３の内部に挿入されることにより、作動杆７の下端面と対面する。これにより、作動杆７の下方向への移動力がニードル弁６に伝達されると共に、ニードル弁６の上方向への移動が作動杆７に伝達される。中間摺動部２８は、作動杆連結部２７よりも大径となった状態でノズル本体２１のニードル弁収容部２４に挿入される。

図２〜図４に示すように、この中間摺動部２８には、後述する封止部材９を収容するための封止部材収容溝３１が形成されている。封止部材収容溝３１は、ニードル弁６における中間摺動部２８の外周の周方向全域にわたって形成されている。

弁本体２９は、中間摺動部２８よりも小径となった状態で中間摺動部２８の先端部から同軸的に連設されており、中間摺動部２８の先端部には弁本体２９よりも大径の段部が形成され、この段部が噴射流体受圧部３３となっている。噴射流体受圧部３３は、封止部材収容溝３１よりもノズル先端側に位置することにより、ノズル本体２１における噴射流体蓄圧室１７に臨んでおり、噴射流体蓄圧室１７に供給された噴射流体の圧力を受けるようになっている。

ニードル弁６の弁本体２９の先端部は、ノズル本体２１の幅狭部２３に当接する先端弁部３４となっている。ニードル弁６が上下動することにより、先端弁部３４は幅狭部２３と当接及び離反する。先端弁部３４が幅狭部２３に当接することにより噴射孔２２が閉じた状態となり、噴射流体蓄圧室１７に供給された噴射流体が噴射孔２２側に流動することを阻止する。一方、先端弁部３４が幅狭部２３から離反することにより、噴射孔２２が開いた状態となり、噴射流体蓄圧室１７内の噴射流体が噴射孔２２から噴射する。

電磁弁８は、作動杆７の後端部に位置するように弁本体部３に取り付けられている。電磁弁８における作動杆７と反対側には、ばね３６が作動杆７と同軸的に設けられている。

図３に示すように、ガス噴射弁１には調整作動流体供給部１０が設けられる。調整作動流体供給部１０は、弁本体部３に形成された調整作動流体通路４２と、調整作動流体通路４２に連通するようにノズル５のノズル本体２１に形成された調整作動流体連通路４３とを有している。調整作動流体連通路４３の先端部には、調整作動流体貯留溝（凹み）４５が形成されている。

調整作動流体貯留溝４５は封止部材収容溝３１を挟んで噴射流体受圧部３３の反対側に形成された周溝からなり、調整作動流体が貯留可能となっている。

調整作動流体供給部１０は、第２の流体としての調整作動流体を供給する部分であり、第２の流体が供給されることから、調整作動流体供給部１０は第２の流体が充填された第２の圧力領域となる。なお、この実施形態において、第２の圧力領域は調整作動流体貯留溝（凹み）４５が対応するものである。

この実施形態において、図４に示すように、ニードル弁６とノズル５の内壁との間に隙間が形成されており、この隙間が第１の圧力領域としての噴射流体蓄圧室１７と、第２の圧力領域としての調整作動流体貯留溝４５とを連通する連通路４６となっている。ニードル弁６は、この連通路４６内を矢印Ｍ方向に沿って往復動する封止体となっている。封止部材９は、噴射流体蓄圧室１７と調整作動流体貯留溝４５との間の封止部材収容溝３１内に設けられた状態で封止部材収容溝３１の外壁及び連通路４６の内壁に密着することにより、噴射流体蓄圧室１７と調整作動流体貯留溝４５との間の連通路を区画し、噴射流体と調整作動流体及び作動流体とが混合することを阻止する。封止部材９としては、Ｏリング、その他の部材を用いることができる。

この実施形態において、調整作動流体供給部１０に供給される調整作動流体としては、作動流体供給部１３に供給された作動流体を分流して用いられる。これに限らず、作動流体を分流することなく、作動流体と独立した流体を調整作動流体供給部１０に供給しても良い。

調整作動流体供給部１０には、圧力制御部４１が設けられている。圧力制御部４１は、調整作動流体通路４２と臨むように設けられたボール４７と、ボール４７を調整作動流体通路４２側に押圧するスプリング４８と、スプリング４８を伸縮調整する調整ねじ４９とを備えている。圧力制御部４１においては、調整ねじ４９を調整することにより、調整作動流体の圧力が所定範囲となるように調整することができる。

圧力制御部４１による調整作動流体の圧力は、噴射流体受圧部３３に供給される噴射流体の圧力との差が所定範囲の圧力となるように調整される。この圧力差の設定では、正圧と負圧が発生するような差圧の設定を行うと、封止部材９が封止部材収容溝３１内で浮動し、封止性能が低下する。このため圧力差は正圧または負圧のどちらかの圧力が保持されるようにすることが好ましい。また、圧力差の上限は封止部材９の材質、形状、硬度等に影響を受ける。例えば材質ＮＢＲ、硬度ＩＲＨＤ７０を使用したＯリングでは差圧は５ＭＰａ以下が好ましい。

図３に示すように、弁本体部３には排出部５１が形成されている。排出部５１は、弁本体部３の内部に上下方向に形成された排出通路５２と、上下方向の排出通路５２をとりまとめた排出口５３とによって形成されている。排出部５１は、作動流体供給部１３内の作動流体及び調整作動流体供給部１０内の調整作動流体を弁本体部３の外部に排出する。

次に、この実施形態の動作を説明する。

噴射流体は、噴射流体流入口１４から常時供給されており、噴射流体蓄圧室１７に常時充填された状態となっている。噴射流体蓄圧室１７に充填された噴射流体は、ニードル弁６の噴射流体受圧部３３に対して圧力を作用させている。電磁弁８が非作動となっているときは、以下に述べるように、噴射流体を噴射しない状態になる。

ばね３６のばね力がシャフトを介して球状部材をプレートに押付けている。このため圧力制御室６９からプレート６７中央の絞り孔６８を経由して作動流体が流失しない。このため、圧力制御室６９の圧力による下向きの力が発生する。また、作動杆７の段付き部７０には常時上向きの力が付与されている。この合力が下向きに作動杆７に働く。さらに、この合力が噴射流体受圧部３３による押し上げ力よりも大きくなっており、これによりニードル弁６は下方に移動した状態となり、噴射孔２２が閉じられ、噴射孔２２から噴射流体が噴射することがない。

次に、電磁弁８が作動すると、ばね３６が圧縮されて、圧力制御室６９の圧力が排出通路５２へと開放される。この結果段付き部７０の力が作動杆７を上方に移動し、ニードル弁６は上方向移動した状態となる。これにより、ニードル弁６は噴射流体受圧部３３に作用する噴射流体の圧力により上方へ移動し、先端弁部３４がノズル５の狭幅部２３から離れる。従って、噴射孔２２が開放され、噴射流体が噴射孔２２から噴射される。

以上の動作において、封止部材９を挟んだ調整作動流体貯留溝４５内の調整作動流体の圧力と、噴射流体蓄圧室１７内の噴射流体の圧力との圧力差が所定範囲（略等しいか５ＭＰａ以下の差圧）となるように設定されているため、封止部材９を挟んだ上下両側における調整作用流体の圧力と噴射流体の圧力とが均衡している。このように封止部材９両側の圧力が均衡することにより封止部材９が封止部材収容溝３１から連通路４６にはみ出すことがない。このため、封止部材９には局所的に過大応力が発生せず、長期間の使用においても、擦れて損傷したり、表面傷を発生することがなく、封止力が低下することを抑制できる。

次に、以上のガス噴射弁１に用いられる封止構造を図４により説明する。封止構造は、所定圧の第１の流体（噴射流体）が充填された第１の圧力領域（噴射流体蓄圧室１７）と、所定圧の第２の流体（調整作動流体）が充填された第２の圧力領域（調整作動流体貯留溝４５）とを連通する連通路４６内に設けられて連通路４６内を往復動する封止体（ニードル弁６）と、この封止体（ニードル弁６）の外周に設けた収容溝（封止部材収容溝３１）内に収容されて連通路４６の内壁に密着当接して第１の圧力領域（噴射流体蓄圧室１７）と第２の圧力領域（調整作動流体貯留溝４５）とを区画する封止部材９と、圧力調整手段（圧力制御部４１（図３参照））とを備えている。圧力調整手段は封止部材９を挟んで第１の圧力領域（噴射流体蓄圧室１７）側の第１の流体（噴射流体）と第２の圧力領域（調整作動流体貯留溝４５）側の第２の流体（調整作動流体）との圧力差を所定範囲の値に設定するものである。圧力調整手段は、第１の流体（噴射流体）の圧力と第２の流体（調整作動流体）の圧力差を所定の差圧となるように調整する。これにより、封止部材９を挟んだ両側の第１の流体と第２の流体の圧力が均衡し、封止部材９が連通路４６にはみ出すことがなく、封止部材９には局所的に過大応力が発生せず、長期間の使用においても、擦れて損傷したり、表面傷を発生することがなくなって、封止力が低下することを抑制できる。

図５及び図６は、本発明の第２実施形態のガス噴射弁１を示し、図５は、第１実施形態の図２に対応し、図６は、図３に対応している。

この実施形態では、封止リング６１をニードル弁６に設けるものであり、その他の構成は第１実施形態と同様である。封止リング６１は、ニードル弁６の中間摺動部２８における外周側に形成したリング溝６２に嵌め込まれることによりニードル弁６に取り付けられる。

リング溝６２は、封止部材９及び調整作動流体貯留溝４５よりも上部に位置するように形成されており、このリング溝６２に封止リング６１が嵌め込まれている。封止リング６１としては、合い口付きリング形状を用いることができる。封止リング６１を合い口付きとすることにより、ニードル弁６への装着が容易となっている。又、封止リング６１を設けることにより、ニードル弁６とニードル弁収容部２４の隙間の管理が容易となる。

図７及び図８は、本発明の第３実施形態のガス噴射弁１を示し、図７は、第１実施形態の図２に対応し、図８は、図３に対応している。

この実施形態では、ニードル弁６と作動杆７とが一体となっており、その他の構成は第１実施形態と同様である。すなわち、この実施形態では、長尺な直線状となっている一本の駆動体６５が弁本体部３及びノズル５の内部に挿入されている。駆動体６５の上部は、電磁弁８に臨んでおり、下部にはノズル５の幅狭部２３に当接する先端弁部３４が形成されている。又、封止部材９が嵌め込まれる封止部材収容溝３１はノズル５の噴射流体蓄圧室１７（図７参照）と、調整作動流体貯留溝４５（図８参照）との間に形成されている。

このような実施形態では、ニードル弁６及び作動杆７が一本の駆動体６５によって形成されるため、構造が簡単となり、組み立てが容易となるメリットがある。

１ ガス噴射弁
３ 弁本体部
５ ノズル
８ 電磁弁
９ 封止部材
１０ 調整作動流体供給部
１１ 作動流体供給部
１２ 噴射流体供給部
１７ 噴射流体蓄圧室
２１ ノズル本体
２２ 噴射孔
３１ 封止部材収容溝
３３ 噴射流体受圧部
３６ ばね
４１ 圧力制御部
４５ 調整作動流体貯留溝

Claims (1)

1. ノズル（５）端の噴射孔（２２）を開閉してガス燃料の噴射を断続するニードル弁（６）と、
   このニードル弁（６）で開閉される噴射孔（２２）から噴射される前記ガス燃料を供給する噴射流体供給部（１１）と、
   前記ニードル弁（６）に設けられ噴射流体供給部（１１）によって供給された前記ガス燃料の圧力を、前記噴射孔（２２）を開放する方向に受ける噴射流体受圧部（３３）と、
   前記ニードル弁（６）が前記噴射孔（２２）を閉じる方向に前記ニードル弁（６）を押圧可能な作動流体を供給する作動流体供給部（１３）と、
   前記噴射孔（２２）を閉じる方向にニードル弁（６）を押圧する状態から作動流体を排出してニードル弁（６）への押圧が解除される状態に作動流体の流れを切り換える電磁弁（８）と、
   前記ニードル弁（６）の外周の周方向全域に設けられた封止部材収容溝（３１）に装着され前記ニードル弁（６）が支持されるノズル本体（２１）の内壁との間に設けられて前記ガス燃料が供給される領域と前記作動流体が供給される領域との間を区画し両者の混合を阻止するＯリング（９）と、
   前記Ｏリング（９）の前記収容溝（３１）からのはみ出しを防止するために、前記Ｏリング（９）を挟んだ前記噴射流体受圧部（３３）の反対側に調整作動流体供給部（１０）を設け、この調整作動流体供給部（１０）で供給された調整作動流体と前記ガス燃料との圧力差が所定の値以下になるように前記調整作動流体の圧力を調整する圧力調整手段（４１）を設け、
   この圧力調整手段（４１）は、前記調整作動流体供給部（１０）の調整作動流体通路（４２）に臨むように設けられたボール（４７）とこのボール（４７）を前記調整作動流体の通路（４２）側に押圧するスプリング（４８）とを備えて構成されており、
   前記調整作動流体供給部（１０）への調整作動流体の供給が、作動流体供給部（１３）に供給された作動流体の分流でなされるように構成されていることを特徴とするガス噴射弁（１）。

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