KR100257489B1 - 분무노즐 - Google Patents

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페이 마오 치엔
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도날드 이. 오키페
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    • F23D11/383—Nozzles; Cleaning devices therefor with swirl means

Abstract

고농도의 방울을 포함하는 스프레이나 안개를 만들도록 설계된 분사노즐 그러한 분사는 예를 들어 기체 터빈 엔진에서처럼 연소챔버에서 연소시키기 위해 액체연료와 공기를 혼합하는데 특히 유용하다. 새로운 설계는 노즐 내에 축상으로 정렬된 한 쌍의 소용돌이 챔버를 포함한다. 연료나 다른 액체는 일반적으로 접선이고 라미나 흐름패턴으로 제1이나 전방 소용돌이 챔버로 들어가고 상호 연결된 구멍을 통해 제2 또는 후방챔버로 간다. 급격한 액체와 공기혼합은 제2챔버에서 일어나고 혼합물은 상호 연결된 구멍, 제1챔버와 방출구멍을 통해 흡출된 스프레이처럼 방출된다.

Description

분무노즐
제1도는 본 발명에 따라 제1 및 제2와류챔버들을 가진 단순 형태의 분무노즐 또는 분무장치에 관한 확대단면도.
제2도는 노즐이 작동할 때 발생되는 분무형태 및 중앙의 와류를 추가로 도시한 제1도의 노즐에 관한 도면.
제3도는 본 발명을 따르는 제2실시예의 확대단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10,110 : 노즐 16 : 후방단부
18 : 전방단부 20 : 니브(nib)
22 : 방출오리피스 24,25 : 돌출측부
32,54 : 와류챔버 38,40 : 시트(seat)
50 : 개구부 58 : 바닥면
본 발명은 액체를 분무화하기 위한 노즐(nozzle)들에 관련되고, 좀더 구체적으로 단순한 압력분무장치 또는 분무노즐(spray nozzle)로부터 방출되는 유체내부에 거품형성을 향상시키는 장치에 관련된다.
종래기술을 따르는 상기 형태의 노즐들이 공지되어 있다. 와류챔버(swirl chamber)로서 알려진 내부공간이 단순 분무노즐 또는 분무장치의 주요 특징을 형성한다. 일반적으로 한쪽단부에서 밀폐된 기저면을 가지고 다른 한쪽 단부에서 테이퍼(taper)형태 또는 구모양의 표면을 가진 원통형구조로 성기 와류 챔버가 구동된다. 테이퍼 형태 또는 구형 표면의 정점부 그는 정점부근처에서 와류챔버로부터 유체가 유출되는 유출구가 방출오리피스(discharge orifice)에 의해 형성된다. 한 개 또는 두 개이상의 슬롯들에 의해 가압상태의 액체가 원통축의 접선방향을 향해 와류챔버내부로 유입될 수 있다. 와류챔버내부에서 와류(whirlpool)의 특성을 가진 와류유체유동이 접선방향의 상기 슬롯들에 의해 형성되고, 다음에 와류효과에 의해 중심의 저압영역이 형성되며, 상기 저압영역에 의해 외부의 공기가 방출오리피스를 거쳐 와류챔버로 유입된다. 상기 방법에 의해 형성된 저압영역은 중심에서 와류(vortex)을 형성하고, 상기 와류내부에서 공기코아(air core)가 와류액체에 의해 둘러싸인다. 와류챔버의 내용물이 방출오리피스를 통해 연속적으로 방출될 때, 중심의 와류내부에서 공기 및 액체가 상호 작용하면, 크기가 작은 다수의 액체방울들로 이루어진 액체분무가 발생된다. 종래기술의 일부 노즐에 있어서, 방출오리피스를 통과하기 전에, 상기 와류챔버로부터 외부를 향해 또 다른 챔버로 유체가 측방향으로 유동한다. 그러나 두 개의 챔버들로 구성된 상기 노즐들은 본 발명의 구조적 또는 기능적 특징들을 가지지 못한다.
일부 적용예들에 대하여, 크기가 작은 액체방울들로 이루어진 분무형태가 매우 만족스럽다. 가스터빈엔진 오일버너(oil burner)등의 연소영역내부로 오일울 분무시키는 적용예들에 대하여, 다른 특징을 가진 분무형태가 선호된다. 특히 연소와 관련된 적용예에 대하여, 통기(aeration)화된 분무를 제공하는 것이 바람직하다. 포착된 공기체적을 둘러싸는 박막의 액체로 거품들이 구성되고, 상기 거품을 포함한 분무를 발생시켜 통기된 분무가 형성된다. 분무들이 거품들을 포함하면, 연소특성들이 향상된다고 알려져 있다. 이것은 점화 및 연소가 이루어지는 분무내부에서 공기 및 연료의 혼합상태가 향상되고 화학양론적 비율이 더욱 바람직하게 변화하기 때문이다. 그러나 종래기술을 따르는 단순형태의 노즐 또는 노즐내부로 공기가 주입되어야만 하는 공지기술의 노즐설계에 따르면, 바람직한 정도의 거품형성이 용이하게 얻어질 수 없다.
따라서 본 발명의 목적은 간단하고 경제적으로 제조되고, 방출되는 분무 내에서 거품이 상당히 높은 구성비율로 신뢰성 있게 형성되도록 개선된 노즐을 제공하는 것이다.
본 발명의 주요특징에 따르면, 제1와류챔버로부터 축방향 및 후방으로 이격되고 둘러싸인 구조의 제2와류챔버를 가지고, 또는 제1와류챔버 내부에 형성된 와류가 제2와류챔버내부를 향해 축방향으로 연장 구성되도록 제1와류챔버 및 제2와류챔버 사이에 유체유동통로를 가지는 단순 형태의 흡기식 분무장치(aspirating atomizer) 또는 분무노즐이 제공된다.
본 발명의 상기 목적 및 다른 목적들, 특징 및 장점들이 첨부된 도면들을 참고로 하여 상세히 설명된다.
제1도를 참고할 때, 본 발명을 따르는 노즐(10)이 유체관(14)을 가진 몸체(12)로 구성되고, 상기 유체관(14)이 후방단부(16)로부터 전방단부(16)까지 축방향으로 연장 구성된다. 방출오리피스(22)를 가진 니브(nib)(20)가 유체관(14)내부에서 몸체(13)의 전방단부(18)를 향해 구성된다. 상기 니브(20)를 몸체(12)내부에 위치 설정하기 위하여, 전방을 향하는 주변부의 돌출측부(24)가 상기 니브(20)에 포함되고, 상기 유체관(14)의 내부면 위에서 후방을 향해 상호 작용하는 돌출측부(25)가 상기 돌출측부(25)와 결합한다.
유체관(14)내부에서 분배기(26)가 방출오리피스(22) 및 니브(20)의 후방으로 구성된다. 분배기(26)의 전방면(28)이 니브(20)의 후방면과 결합한다. 따라서 몸체(12)상의 돌출측부(25) 및 분배기(26)의 전방면(28)사이에 상기 니브(20)가 확고하게 고정된다. 둘러싸이는 구조를 가지고 방출오리피스(22)와 상호 작용하는 제1와류챔버(32)가 니브(20) 및 분배기(26) 사이에 형성되도록, 상기 니브(20) 및 분배기(26)가 구성된다. 분배기(26)와 상기 전방면(28)내부에 구성된 한 개 또는 두 개이상의 슬롯(slot)(34)들이 유동경로를 제공하고, 유체관(14)의 전방부내측에 위치한 유체가 상기 슬롯(34)들에 의해 제1와류챔버(31)로 유입될 수 있다. 다음에 설명되는 목적을 위해 상기 제1와류챔버(33)내부에서 와류유체를 형성하는 유체의 유동방향이 종래기술에 따라 상기 슬롯(34)들에 의해 정해진다.
지지체(36)에 의하여 니브(20) 및 분배기(26)가 조립위치 내에 지지되고, 몸체(12)내부의 유체관(14)내부에서 지지된다. 일반적으로 원통형 부재로서 구성되는 지지체가 전방을 향하는 씨트(seat)(38)를 가지고, 지지체(26)위에서 후방을 향해 상호 작용하는 씨트(40)가 상기 씨트(38)에 대해 지지된다. 지지체(26)의 외측주변부상에 구성된 나사산(42)이 유체관(14)의 내벽 상에 구성되고 짝을 이루는 나사산(44)과 나사 체결되어, 유체관(14)내부에서 지지체(36)의 종방향축 주위에서 지지체(36)가 회전될 때, 몸체(12)에 대하여 상기 지지체(36)는 축방향을 향해 전방으로 운동한다. 종래기술에 따라 몸체(12), 니브(20), 분배기(26) 및 지지체(36)가 확고하게 결합된 조립체를 구성하기 위하여, 지지체(36)의 축방향전방부가 니브(20)를 향해 분배기(26)를 이동시키고, 다음에 돌출측부(25)위에 니브(20)를 확고하게 고정시킨다. 나사산(42,44)들에 의해 지지체(36)가 전방을 향해 용이한 회전운동을 하도록, 횡방향요홈(46)이 상기 지지체(36)에 제공되고, 스크류드라이버(screwdriver) 또는 다른 적합한 수단이 상기 횡방향요홈(46)과 용이하게 결합된다.
제1도의 실시예에 있어서, 나사산(42,44)들이 나사체결되는 영역에서 유체관(14)의 폭이 지지체(36)에 의해 완전히 점유되기 때문에, 유체관(14)을 통과하는 액체유동이 지지체(36)에 의해 방해된다. 유체관(14)을 통해 액체의 소요유동을 허용하도록, 중심의 구멍(48) 및 횡방향으로 구성된 한 개 또는 두 개이상의 개구부(50)들이 상기 지지체(36)에 제공되고, 나사산(42)의 전방부가 구성된 위치에서 상기 개구부(50)들이 중심의 구멍(48)으로부터 외부로 지지체(36)를 통해 연장 구성된다. 공지된 상기 구성에 의하면 후방단부(16)에서 유체관(14)으로 유입되는 유체가 구멍(48) 및 개구부(50)들을 통해, 지지체(36)의 전방부분 및 분배기(26)의 후방부분을 둘러싸는 해당부분으로 유입되고 다음에 상기 유체가 슬롯(34)들로 유입되고 챔버(32)내부로 유입된다. 니브(20)를 구성하는 원형의 후방면(30)에 의해 제1와류챔버(32)의 경계가 형성되고, 한 개 또는 두 개이상의 슬롯(34)들을 통해 가압상태의 액체가 제1와류챔버(32)내부로 유입될 때, 종래기술에 따라 상기 액체가 제1와류챔버(32)내부에서 와류운동을 하게 된다. 제1와류첨버(32)내부에서 액체가 층류형태로 유동할 때, 제1와류챔버(32)의 종방향축을 따라 액체는 중심의 저압영역을 형성한다. 상기 저압영역에 의하여, 상대적으로 고압인 노즐(10)외부로부터 방출오리피스(22)를 통해 노즐의 후방으로 공기가 유입된다. 제1와류챔버(32)내부에서 와류액체 및 유입된 공기가 조합되어, 축을 따라 액체 및 공기를 서로 혼합하는 와류가 발생된다.
종래기술에 있어서 분배기(26)의 정면부(53)가 일반적으로 평평하거나 경미하게 오목한 형상으로 구성되어, 제1와류챔버(32)의 하부로서 작용한다. 따라서, 종래기술의 단순한 분무기 내부에 형성되는 와류의 최대 길이는 분배기(26)의 정면부(53) 및 방출오리피스(22)사이의 축방향길이와 동일하다. 종래기술에 따라 상기 제한된 길이 내에서 공기 및 액체가 혼합되면, 주로 액체방울들로 이루어지고 극소수의 거품들로 구성된 분무가 형성되는 것으로 알려져 있다. 종래기슬의 단일 와류챔버내부에 형성된 와류유동은 주로 층류특성을 가지고, 층류유동환경 내에서만 상기 와류가 존재하기 때문에, 분무들이 상기 특징을 가지는 것으로 알려져 있다.
제1도에 도시된 본 발명의 실시에에 있어서, 전체적으로 분배기(26)의 몸체 내부에 제2와류챔버(54)가 구성된다. 상기 제2와류챔버(54)는 원형벽(55), 바닥면(58) 및 내부오리피스(56)로 구성되고, 상기 내부오리피스(56)는 정면부(53)를 통해 상기 와류챔버(53)와 상호작용하며, 상기 내부오리피스(56)는 방출오리피스(22)와 측방향으로 일직선상에 배열된다. 상기 제1 및 제2와류챔버(32,54)들 사이의 상호작용이 이루어지는 내부오리피스(56)를 가지고, 축방향으로 상기 제1와류챔버(32)의 후방에 위치하는 제2와류챔버(54)가 제공되면, 제2도에서 길이가 더 긴 와류(A)가 용이하게 형성된다고 알려져 있다. 이와 관련하여, 분배기(26)의 정면부(53) 및 방출오리피스(22)사이의 거리보다 상기 와류(A)의 축방향 길이가 더 크다.
제2도를 참고할 때, 상기 제1와류챔버(32)를 통해 축방향으로 상기 와류(A)가 제2와류챔버(54)로 연장 구성된다. 상기 제1 및 제2와류챔버(32,54)들 내부의 유체유동형태들은 사실상 서로 다르다. 슬롯(34)과 같은 통로수단을 통해 유체가 제1와류챔버(32)내부로 직접 유동하여 제1와류챔버(32)의 와류형태가 형성되기 때문에 제1와류챔버(32)내부의 유동은 사실상 층류특성을 가진다. 대조적으로 제2와류챔버(54)내부로 직접 유동하는 유체는 존재하지 않는다. 오히려 와류(A)에 의하여 내부오리피스(56)을 통해 공기 및 액체가 제2와류챔버(54)내부로 유입된다. 제1와류챔버(32)내부의 유체유동형태에 대하여 제2와류챔버(54)내부의 유체유동형태는 더욱 무질서하고 비층류(nonlaminar)적인 특성을 가진다. 전형적으로 제2와류챔버(54)내부의 공기와류는 고도의 난류(turbulance) 및 통기(aeration)형상을 형성하면서(제2도에서 화살표로 도시된) 동적인 사인곡선형태(dynamic sinuous fashion)로 운동한다. 한정된 축방향길이를 형성하는 바닥면(53)의 구성 및 위치에 의해 제2와류챔버(54)의 특징이 형성되고 상기 제2와류챔버(54)에 의해 와류의 작용이 바람직하게 변화된다. 구체적으로 본 발명의 구조를 가진 노즐에 의해, 제2도에서 작은 원들이 V자 형상을 이루며 거품의 구성비율이 높은 분무방울이 상기 방출오리피스(22)로부터 발생된다. 내부오리피스(56)의 직경이 방출오리피스(22)의 직경과 동일하거나 경미하게 더 크게 구성 가능한 반면에, 지금까지 기록된 실험결과들에 따르면, 내부오리피스(56)의 직경이 방출오리피스(22)의 직경보다 작게 구성될 때. 우수한 성능이 얻어진다. 제2와류챔버(54)의 축방향길이가 제2와류챔버(54)의 폭 또는 지름과 동일하거나 더 크게 구성 가능한 반면에 제2와류챔버(54)의 축방향길이가 제2와류챔버(54)의 직경보다 작게 구성될 때, 우수한 성능이 얻어진다.
제3도의 제2실시예에 있어서 동일한 구성요소들이 동일부호로 도시된다. 분무노출(110)은 유체관(114)을 가진 몸체(12)로 구성되고, 니브(120) 및 분배기(126)로 구성되며, 상기 유체관(114)은 몸체(12)의 후방단부(16)로부터 전방단부(18)까지 연장 구성되고, 상기 니브(120)는 방출오리피스(22)를 가지고 상기 유체관(114)내부에서 몸체(12)를 전방단부(18)를 향하도록 위치하며, 상기 분배기(126)는 유체관(114)내부 및 니브(120)의 후방에 위치한다. 제1와류챔버(132)가 방출오리피스(22)의 바로 후방에 위치하고, 분배기(126)내부에서 제2와류챔버(54)가 상기 제1와류챔버(132)의 바로 후방에 위치하며, 내부오리피스(56)를 통해 제2와류챔버(56)가 제1와류챔버(132)와 상호 작용한다. 제1도를 참고할 때, 슬롯 또는 슬롯(34)들이 비스듬하게 경사진 각도로 구성되는 반면에, 제1도의 유체관(14) 및 제3도의 유체관(114)을 비교해 보면, 제1와류챔버(132)로 방출되는 액체는 한 개 이상의 통로(134)를 통해 방출되고, 와류챔버(132)내부로 방출되는 액체는 제1도의 슬롯(34)들과 같이 비스듬한 방향으로 방출되는 것이 아니라 노즐(110)의 축에 대해 수직방향으로 방출된다. 모든 면에서 제1도 및 제3도의 노즐들은 동일한 기능을 가진다.
본 발명의 선호되는 실시예들이 도면을 참조로 상세히 설명되는 반면에 분무노즐 또는 분무장치분야의 당업자들에 의해 또 다른 수정예들이 구성될 수 있다. 예를 들어, 필요하다면 니브(nib) 및 노즐몸체와 같은 여러 가지 개별적인 구성요소들이 일체로 구성 가능하다. 또한 여러 가지 노즐구성 요소들 사이에 가스켓(gasket) 및 씰(seal)들을 이용하는 것이 종종 적합할 수 있다. 그러나 상기 구성요소들은 본 발명의 일부분으로서 구성되지 않고 또한 용이한 이해를 위해 도면들 및 명세서에서 설명되지 않는다. 따라서 상기 명세서는 제한적이라기 보다는 실례로서 해석되어야 하며, 본 발명의 범위는 하기 청구범위에 의해 형성된다.

Claims (15)

  1. 후방단부(16)로부터 전방단부(18)까지 연장구성되는 유체관(14)을 가진 몸체(12)가 구성되고, 상기 유체관(14)의 전방단부(13)에 방출오리피스(22)가 구성되며, 노즐내부에서 상기 방출오리피스(22)의 후방에 제1와류챔버(32)가 구성되고, 상기 제1와류챔버(32) 내부에서 공기와류를 형성하기 위해, 상기 유체관(14)으로부터 상기 제1와류챔버(32)내부로 가압유체를 안내하기 위한 노즐내부의 유체안내수단이 구성되며, 상기 제1와류챔버(32)의 후방에 위치하고 축방향으로 위치하며, 내부오리피스(56)를 가지고 상기 내부오리피스(56)에 대해 서로 이격되어 마주보게 위치한 바닥면(58)을 가진 제2와류챔버(54)가 구성되고, 상기 내부오리피스(56)가 상기 제1와류챔버(32) 및 제2와류챔버(54)사이에 위치하며, 상기 제1와류챔버(32)내부에 형성되는 상기 공기와류가 상기 내부오리피스(56)에 의해 상기 제2와류챔버(54)내부를 향해 축방향으로 연장 구성되는 것을 특징으로 하는 분무노즐.
  2. 제1항에 있어서, 내부오리피스(56)의 직경이 방출오리피스(22)의 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 분무노즐.
  3. 제1항에 있어서, 제2와류챔버(54)의 축방향길이가 제2와류챔버(54) 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 분무노즐.
  4. 제1항에 있어서, 상기 유체안내수단은 한 개 이상의 슬롯(34)들로 구성된 유체통로를 가지고, 상기 노즐의 종방향 축에 대해 경사각을 이루며 접선방향을 향해 유체가 상기 제1와류챔버(32) 내부로 유입되는 방향으로 상기 슬롯(34)들이 구성되는 것을 특징으로 하는 분무노즐.
  5. 제1항에 있어서, 상기 유체안내수단은 한 개이상의 슬롯(34)들로 구성된 유체통로를 가지고, 상기 노즐의 종방향 축에 대해 수직을 이루며 접선방향을 향해 유체가 상기 제1와류챔버(32)내부로 유입되는 방향으로 상기 슬롯(34)들이 구성되는 것을 특징으로 하는 분무노즐.
  6. 후방단부(16)로부터 전방단부(18)까지 연장 구성되는 유체관(14)을 가진 몸체(12)가 구성되고, 상기 유체관(14)의 전방단부(18)에 방출오리피스(22)가 구성되며, 노즐 내부에서 상기 방출오리피스(22)의 후방에 분배기(26)가 구성되며, 상기 노즐내부에서 상기 방출오리피스(22) 및 상기 분배기(26)사이에 위치하고 원형의 벽을 가진 제1와류챔버(32)가 구성되며, 상기 제1와류챔버(32)내부에서 공기와류를 형성하기 위해, 상기 유체관(14)으로부터 상기 제1와류챔버(32)내부로 가압유체를 안내하기 위한 노즐내부의 유체안내수단이 구성되며, 상기 노즐내부에서 상기 분배기(26)내부에 형성되고, 원형벽(55) 및 내부오리피스(56)를 가지고 상기 내부오리피스(56)에 대해 서로 이격되어 마주보게 위치한 바닥면(58)을 가진 제2와류챔버(54)가 구성되고 상기 내부오리피스(56)가 상기 제1와류챔버(32) 및 제2와류챔버(54) 사이에 위치하며 상기 제1와류챔버(32)내부에 형성되는 상기 공기와류가 상기 내부오리피스(56)에 의해 상기 제2와류챔버(54)내부를 향해 축방향으로 연장 구성되는 것을 특징으로 하는 분무노즐.
  7. 제6항에 있어서, 내부오리피스(56)의 직경이 방출오리피스(22)의 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 분무노즐.
  8. 제6항에 있어서, 제2와류챔버(54)의 축방향길이가 제2와류챔버(54)의 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 분무노즐.
  9. 제6항에 있어서, 상기 유체안내수단은 한 개 이상의 슬롯(34)들로 구성되고 상기 분배기(26)는 전방을 향하는 표면내부에 상기 슬롯(34)들이 형성되며, 상기 제1와류챔버(32)를 형성하는 벽에 대해 접선방향을 향하고 상기 노즐의 종방향 축에 대해 경사각을 이루며 유체가 상기 제1와류챔버(32)내부로 유입되는 방향으로 상기 슬롯(34)들이 구성되는 것을 특징으로 하는 분무노즐.
  10. 제6항에 있어서, 상기 유체안내수단은 한 개이상의 슬롯(34)들로 구성되고, 상기 제1와류챔버(32)를 형성하는 벽에 대해 접선방향을 향하고 상기 노즐의 종방향 축에 대해 수직을 이루며 유체가 상기 제1와류챔버(32)내부로 유입되는 방향으로 상기 슬롯(34)들이 구성되는 것을 특징으로 하는 분무노즐.
  11. 몸체(12) 및 노즐의 방출단부에 방출오리피스(22)가 구성되고, 상기 방출오리피스(22)의 축방향 및 내측방향으로 원형의 벽을 가진 제1와류챔버(32)로 구성되며, 노즐의 유입단부로부터 유체관을 통해 유체를 이동시키고. 상기 유체가 가압상태를 이루며, 상기 원형의 벽에 대해 접선방향을 따라 제1와류챔버(32)로 유입되는 수단이 구성되는 분무노즐에 있어서, 원형벽(55)을 가지고, 상기 제1와류챔버(32)의 축방향 및 후방으로 제2와류챔버(54)가 구성되고 상기 제1와류챔버(32)내부에서 상기 유체에 의해 형성되는 공기와류가 축방향을 향해 상기 제2와류챔버(54) 내부로 연장될 수 있도록, 상기 제1와류챔버(32) 및 제2와류챔버(54)사이에 위치하고, 상기 제1와류챔버(32) 및 제2와류챔버(54)를 연결하는 내부오리피스(56)가 구성되는 것을 특징으로 하는 분무노즐.
  12. 제11항에 있어서, 내부오리피스(56)의 직경이 방출오리피스(22)의 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 분무노즐.
  13. 제11항에 있어서, 제2와류챔버(54)의 축방향길이가 제2와류챔버(54)의 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 분무노즐.
  14. 제11항에 있어서, 상기 노즐의 종방향 축에 대해 경사각을 이루며 유체가 상기 제1와류챔버(32)내부로 유입되는 것을 특징으로 하는 분무노즐.
  15. 제11항에 있어서, 상기 노즐의 종방향 축에 대해 수직을 이루며 유체가 상기 제1와류챔버(32)내부로 유입되는 것을 특징으로 하는 분무노즐.
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