KR100945806B1 - 대향 스프링 구조의 벨로우즈를 구비한 전자식 팽창밸브 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기존의 균일한 주름 구조를 갖는 벨로우즈를 대향 스프링 구조로 형성함으로써, 밸브실 내의 유동 냉매 제어시의 히스테리시스 특성을 개선할 수 있도록 하는 대향 스프링 구조의 벨로우즈를 구비한 전자식 팽창밸브에 관한 것이다.

이를 위한 본 발명의 대향 스프링 구조의 벨로우즈를 구비한 전자식 팽창밸브는, 전동식 스텝모터와 다수의 기어로 구성된 감속기어장치가 그 내부에 구비된 케이스와 밸브실과 밸브시트와 유출구 및 유입구가 형성된 밸브본체와, 감속기어장치의 회전 운동을 직선 운동으로 변환하는 포지셔너와, 밸브본체 내에 구비되어 포지셔너의 직선 운동에 연동하여 유출구와 유입구 사이를 개방 또는 폐쇄하도록 밸브로드와 밸브헤드로 구성되는 밸브체와, 밸브로드와 밸브실 사이를 실링하여 밸브실 내로 유입된 냉매가 케이스 내부로 유입되는 것을 방지하는 벨로우즈를 포함하는 전자식 팽창밸브에 있어서, 상기 벨로우즈는, 원형관과 원형관의 상단부와 하단부에 각각 주름부를 갖는 대향 스프링 구조로 형성된 것이다.

전자식 팽창밸브, 대향 스프링, 상쇄, 히스테리시스, 밸브

Description

대향 스프링 구조의 벨로우즈를 구비한 전자식 팽창밸브{ELECTRONIC EXPANSION VALVE WITH OPPOSED SPRING STRUCTURE BELLOWS}

본 발명은 전자식 팽창밸브에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존의 균일한 주름 구조를 갖는 벨로우즈를 대향 스프링 구조로 형성함으로써, 밸브실 내의 유동 냉매 제어시의 히스테리시스 특성을 개선할 수 있도록 하는 대향 스프링 구조의 벨로우즈를 구비한 전자식 팽창밸브에 관한 것이다.

일반적으로 전자식 팽창밸브는 스테핑 모터와 같은 구동 장치의 구동을 통해 밸브로드를 상하 직선 운동시켜 유입관 및 유출관에 대한 선택적인 개폐를 제어함으로써 냉매의 유량을 제어하는 것이다.

이러한 전자식 팽창밸브는 통상 고효율의 열펌프, 에어컨 및 공기조화기 등에 이용되는 것이다.

전자식 팽창밸브 기술에 대한 특허가 국내공개특허 제2006-0073427호에 "전동밸브"라는 제목으로 개시된 바 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 전동밸브를 설명하기 위한 구성 단면도이다.

도 1을 참조하면, 종래의 전동밸브는, 캔부(100)와, 밸브부(200), 및 벨로우 즈(300)와, 포지셔너(400)를 포함한다.

캔부(100)는 전동모터의 출력을 감속시켜 포지셔너(400)에 전달하는 로터(110)와 기어감속장치(120)를 수용하는 금속재의 캔(100A)과, 캔(100A)의 개구부(100B)와 그 캔의 개구부(100B)를 씰링하는 씰구조부재(100C)와, 캔(100A)의 개구부(100B)를 밀봉하는 씰구조부재(100C)의 일부에 캔(100A) 내부의 고압을 개방하는 고압개방부(100D)로 구성된다.

밸브부(200)는 밸브실(200A)과 밸브시트(200B)를 갖는 밸브본체(200C)와, 밸브본체(200C)내에 장비되는 밸브체(200D)와, 밸브체(200D)를 조작하는 밸브로드(200E)로 구성된다.

벨로우즈(300)는 밸브실(200A)과 밸브로드(200E) 내부와의 사이를 씰링하고, 포지셔너(400)는 전동모터와 감속기어장치에 의한 회전운동을 직선운동으로 변환시킨다.

이러한 구성에 따라, 전동모터에 제어펄스가 인가되면 로터(110)가 회전하고, 로터에 직결된 감속기어장치(120)는 포지셔너(400)를 거쳐 밸브로드(200E)의 상하운동을 제어한다.

이로써, 밸브시트(200B)와 밸브체(200D)의 여닫음 정도가 조절되어 냉매의 유동량이 정밀제어하게 제어된다.

여기서, 벨로우즈(300)는 전동모터와 감속기어장치의 전진 추력을 전달받아 주름이 늘어나게 되는데, 인가된 추력에 상응하는 응력분포는 벨로우즈(300) 주름 각각에 균일한 응력 분포를 보이지만 실제 변위량은 밸브로드(200E)와 접합된 벨로 우즈(300) 끝단 부위에서 상대적으로 크게 나타난다.

그리고, 밸브로드(200E)와 일체화된 밸브체(200D)가 밸브시트(200B)를 여닫는 과정에서 냉매가 밸브실 내부에서 냉매액의 케비테이션으로 인하여 미세한 진동이 발생하고, 이 진동이 벨로우즈(300) 주름 사이에서 외란을 일으킬 수 있다.

즉, 벨로우즈(300)의 끝단 부위에서 상대적으로 큰 변위량이 발생하고 밸로우즈(300) 주름 사이에서 미세 진동으로 인해 외란이 일어날 경우, 밸브 개방과 폐쇄의 반복 동작에 있어서, 완전개방과 완전폐쇄를 제외한 중간 개도 위치에서는 동작할 때마다 서로 다른 개도 값이 설정되어 히스테리시스 특성이 저하되는 문제가 있다.

또한, 전자식 팽창밸브의 밸브몸체 내부의 밸브실의 공간은 고압의 냉매로부터 모터 구동부를 보호하면서 소비동력을 최소화하기 위하여 최대한 협소하게 설계되야 하는데, 종래 발명 전자식 팽창밸브는 감속기어장치가 도 2에 도시된 바와 같이 캔의 중심에서 벗어나 배치된다.

이에 따라, 최종 출력단이 중심에서 편심되어 있고, 편심으로 인하여 밸브실 직경 크기 변경이 제한적이기 때문에 밸브본체 체결부위가 매우 협소하여 가공과 조립성이 떨어지는 단점이 있다.

상기 배경기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 종래의 균일한 주름 구조를 갖는 벨로우즈를 대향 스프링 구조로 벨로우즈 관의 상부와 하부에만 주름부가 형성된 벨로우즈를 이용함으로써, 상부 벨로우즈와 하부 벨로우즈의 히스테리시스 특성이 서로 상쇄되어, 히스테리시스 특성이 향상되도록 하는 대향 스프링 구조의 벨로우즈를 구비한 전자식 팽창밸브를 제공함에 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 대향 스프링 구조의 벨로우즈를 구비한 전자식 팽창밸브는, 전동식 스텝모터와 다수의 기어로 구성된 감속기어장치가 그 내부에 구비된 케이스와 밸브실과 밸브시트와 유출구 및 유입구가 형성된 밸브본체와, 감속기어장치의 회전 운동을 직선 운동으로 변환하는 포지셔너와, 밸브본체 내에 구비되어 포지셔너의 직선 운동에 연동하여 유출구와 유입구 사이를 개방 또는 폐쇄하도록 밸브로드와 밸브헤드로 구성되는 밸브체와, 밸브로드와 밸브실 사이를 실링하여 밸브실 내로 유입된 냉매가 케이스 내부로 유입되는 것을 방지하는 벨로우즈를 포함하는 전자식 팽창밸브에 있어서, 상기 벨로우즈는, 원형관과 원형관의 상단부와 하단부에 각각 주름부를 갖는 대향 스프링 구조로 형성된 것이다.

상기 벨로우즈의 주름부는 상기 원형관의 내경 방향으로 형성되거나, 상기 원형관의 외경 방향으로 형성될 수 있다.

상기 벨로우즈의 상단부 주름과 하단부 주름은 서로 다른 스프링 상수를 갖 도록 형성될 수 있다.

상기 다수의 기어중 상기 포지셔너에 회전력을 전달하는 최종 출력 기어는 상기 케이스의 중심부에 설치됨이 바람직하다.

본 발명은 벨로우즈를 상부와 하부에만 주름부가 형성된 대향 스프링 방식으로 형성하여, 끝단부에서만 큰 변위가 발생하고 주름 사이에서 발생하는 미세 진동으로 인한 외란으로 인해 발생하는 히스테리시스 특성이 저하를 방지함으로써, 신뢰성을 높일 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명은 포지셔너에 최종 회전력을 전달하는 최종단 기어를 중심부에 이동시켜 형성함으로써, 밸브실의 직경면적을 증가시킬 수 있어 조립공정상의 용이성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 대향 스프링 구조의 벨로우즈를 구비한 전자식 팽창밸브 단면도이고, 도 3은 도 2의 "A"부 확대도로서, 본 발명은 케이스(1)와, 포지셔너(41), 밸브본체(5), 벨로우즈(8)를 포함한다.

여기서, 케이스(1)는 케이스본체(12)와 케이스본체(12)의 상부에 결합되는 캔(11)으로 구성된다.

케이스본체(12)는 내부에 감속기어장치(2)가 수용될 수 있도록 소정의 공간부(121)가 형성되며, 그 상부와 하부가 개방된다. 그리고, 케이스본체(12)의 상부 외주연에는 돌출부(122)가 형성된다.

캔(11)은 하부가 개방되고 하단부 둘레가 케이스본체(12) 상부의 돌출부(122)와 고정 결합될 수 있도록 절곡부(111)가 형성된다.

이에 따라, 캔(11)의 절곡부(111)를 케이스본체(12)의 상부의 돌출부(122)에 고정 결합시킴으로써 캔(11)과 케이스본체(12)가 일체로 결합된다.

이때, 캔(11)과 케이스본체(12) 내부로의 이물질 침입을 효과적으로 밀봉하기 위하여 케이스본체(12) 상부의 돌출부(122)와 캔(11)의 절곡부(111) 사이에 탄성씰(13)을 삽입함이 바람직하다.

그리고, 캔(11)의 내부에는 감속기어장치(2)를 회전시키기 위한 전동식 스텝모터(3)가 구비된다.

감속기어장치(2)는 제 1 기어(21), 제 2 기어(22), 제 3 기어(23), 제 4 기어(24), 제 5 기어(25) 및 제 6 기어(26)로 다단으로 순차 연결되어, 전동식 스텝모터(3)로부터의 회전력을 제 1 기어(21)에서 전달받아 각 기어가 순차로 회전되어, 제 6 기어(26)를 통해 최종 회전력을 출력한다.

한편, 케이스본체(12)의 하부 개방부에는 포지셔너홀더(4)가 밀착 결합된다.

포지셔너홀더(4)의 수직 중앙은 관통되고, 관통부의 내주연에 암나사부(42)가 형성되며, 암나사부(43)에는 외주연에 수나사부(411)가 형성된 포지셔너(41)가 관통 결합된다.

이 포지셔너(41)는 그 상부가 감속기어장치(2)의 제 6 기어(26)에 관통 결합되어, 제 6 기어(26)의 회전력을 상하 직선운동으로 변환하여 후술하는 밸브로드(71)를 가압함으로써, 밸브로드(71)의 직선 운동에 의해 냉매의 흐름이 제어되도 록 하는 것이다.

포지셔너(41)의 하부면에는 반원형으로 돌출된 돌기부(412)가 형성되며, 포지셔너(41)가 직선운동하게 되면 이 돌기부(412)가 후술하는 밸브로드(71)를 가압하게 된다.

또한, 포지셔너(41)의 상단부와 하단부에는 위치 결정용 E링(43)이 결합되어 포지셔너의 위치 이탈을 방지한다.

즉, 포지셔너(41)의 상단부는 제 6기어(26)와의 결합부에 상부 E링(43a)이 결합되고, 하단부는 포지셔너 외주연에 하부 E링(43b)이 결합됨으로써, 포지셔너(41)가 상승 최고점 또는 하강 최저점을 초과하여도 포지셔너홀더(4)의 조립 위치가 이탈되는 것이 방지된다.

한편, 밸브본체(5)는 밸브실(51)과 밸브실(51) 하단에 형성된 밸브시트(52)와 밸브시트(52)의 일측과 하단에 각각 형성된 유입구(53) 및 유출구(54)로 이루어진다.

이때, 유입구(53)와 유출구(54)에는 각각 유입관(531)과 유출관(541)이 연결된다.

밸브본체(5)는 육각너트(6)에 의해 케이스본체(12) 하단에 일체로 결합된다.

이를 위하여, 케이스본체(12) 하단부의 포지셔너홀더(4) 외주연에는 사각홈부(44)가 형성되고, 육각너트(6)의 내경 상부에는 단차부(61)가 형성되어, 사각홈부(44)와 단차부(61) 사이에는 사각지지링(62)이 삽입된다.

이에 따라, 케이스본체(12)과 육각너트(6)와 밸브본체(5)가 일체로 결합된 다.

이때, 육각너트(6)의 하단부 내경에는 암나사부(63)가 형성되고, 밸브본체(5) 상부의 외경에는 수나사부(55)가 형성되어, 암나사부(63)와 수나사부(55)의 결합에 의해 밸브본체(5)와의 결합력이 높아질 뿐만 아니라 원주방향과 케이스본체(12) 방향으로 자유 섭동이 가능해진다.

밸브실(51)은 밸브본체(5)에 형성된 소정의 공간부로서 그 내부에는 밸브체(7)가 구비된다.

밸브체(7)는 포지셔너(41)의 직선 운동에 연동하여 직선운동하는 밸브로드(71)와 밸브헤드(72)로 구성된다. 이때, 밸브로드(71)의 상단부는 포지셔너(41)의 하부면에 형성된 돌기부(412)가 밀착되는 돌기 지지면(711)이 형성된다.

한편, 밸브실(51)에는 밸브로드(71)와 밸브실 사이를 실링하여 밸브실(51) 내로 유입된 냉매가 케이스(1) 내부로 유입되는 것을 방지하는 벨로우즈(8)가 구비된다.

이때, 벨로우즈(8)는 그 상단부가 밸브본체(5) 상단부와 지지링(84)에 의해 결합되고, 그 하단부가 밸브로드(71)의 하단부에 결합된다.

또한, 벨로우즈(8)는 냉매에 대한 내화학성을 고려하여 인청동 계열의 합금으로 제작됨이 바람직하다.

이에 따라, 밸브로드(71)가 포지셔너(41)의 직선운동에 의해 가압되면 밸브로드(71)가 하강함과 동시에 벨로우즈(8)의 주름이 펴지고, 밸브로드(71)가 상승하면 이와 동시에 벨로우즈(8)의 주름이 접혀지게 된다.

이로써, 밸브헤드(72)와 밸브시트(52) 사이의 간격이 조정되면서 밸브실(51)을 통하는 냉매의 유량이 조절되는 것이다.

본 발명의 특징적인 양상에 따라 벨로우즈(8)는 원형관(81)과 원형관(81)의 상단부와 하단부에 외경방향으로 각각 주름부가 형성된 상부 벨로우즈(82)와 하부 벨로우즈(83)를 갖는 대향 스프링 구조로 형성됨이 바람직하다.

즉, 종래에는 주름부가 연속적으로 형성된 벨로우즈를 이용하므로 벨로우즈 끝단 부위에서 상대적으로 큰 변위량 및 미세 진동으로 발생하여, 히스테리시스 특성이 저하되는 문제가 있었으나, 본 발명은 벨로우즈(8)의 주름부를 상단부와 하단부에만 형성함으로써 서로 다른 스프링 상수를 갖고 밸브 유로 내에서 개폐 작동되기 때문에 히스테리시스 특성이 개선된다.

이에, 본 발명은 원하는 히스테리시스 특성을 얻기 위하여 상부 벨로우즈(82)와 하부 벨로우즈(83)의 주름을 서로 다르게 형성할 수 있다.

또한, 본 발명은 다수의 기어(20) 중 포지셔너(41)에 회전력을 전달하는 최종 출력 기어인 제 6 기어(26)가 도 4에 도시된 바와 같이 케이스(1)의 중심부에 설치된다.

즉, 종래의 종전 전자식 팽창밸브에서 밸브실(200A;도1참조)의 위치좌표는 도 5에 도시된 바와 같이 (X, Y)이므로 케이스본체(100A)의 중심에서 좌측으로 편심되어 있다.

다시 말해, 도 1과 도 5를 참조하면, 포지셔너(400)에 최종 출력을 전달하는 제 6기어(120d)의 중심축은 밸브실(200A;도1참조)의 중심축과 일치되므로, 제 6기 어(120d)의 중심축이 케이스본체(100A)의 중앙으로부터 많이 편심되면 밸브실(200A;도1참조)의 직경(φd)을 협소하게 구성할 수밖에 없다. 여기서, 미설명 부호 120a,120b,120c는 다수의 기어를 의미하고, 500은 리드단자 삽입구를 의미한다.

결과적으로, 제 6 기어(120d)의 편심으로 인하여 밸브실(200A;도1참조) 내부가 협소하게 되고, 밸브실(51) 내부를 구성하는 부품을 조립을 복잡하게 한다.

그러나, 본 발명은 케이스본체(12) 내의 제 6 기어(26)의 위치를 도 4에 도시된 바와 같이 (X', Y') 위치로 이동시킴으로써, 중심에 가깝게 배치시킴으로써, 밸브실(51)의 직경 면적을 종전 발명의 직경(φd) 크기에서 본 발명의 밸브실 직경(φd')으로 50%이상 늘릴 수가 있다.

이와 같이 밸브실(51)의 직경 면적을 증가시키면 밸브실(51)과 연통되는 유입구(53)와 유출구(54)의 용량을 함께 조절할 수 있으므로 냉매압에 대한 벨로우즈(8)의 스프링 상수는 그대로 유지하면서도, 대용량의 냉매용 전자식 팽창밸브에 적용 및 양산할 수 있다.

아울러, 다수의 기어(20)와 를 동일한 방향과 변위로 함께 이동하므로 필요로 하는 감속기어비를 그대로 유지할 수 있다. 여기서, 리드단자 삽입구는 도면의 도시 방향에 의해 나타나지 않으나 참조번호 "9"의 방향을 따른다.

도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 대향 스프링 구조의 벨로우즈를 구비한 전자식 팽창밸브 단면도이고, 도 7은 도 6의 "B"부 확대도로서, 본 발명의 제 2 실시예는 상술한 본 발명의 제 1 실시예와 벨로우즈의 형상에만 차이를 가지는 것으로서, 벨로우즈의 형상을 제외한 나머지 구성에 대한 설명은 상술한 제 1 실시예 의 설명으로 대체하도록 한다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예는 벨로우즈(8)가 원형관(81)과 원형관(81)의 상단부와 하단부에 내경 방향으로 각각 상부 벨로우즈(82)와 하부 벨로우즈(83)를 갖는 대향 스프링 구조로 형성된다.

도 8은 본 발명에 따른 대향 스프링 구조의 벨로우즈를 구비한 전자식 팽창밸브의 벨로우즈 히스테리시스 성능을 비교한 그래프도이다.

도 8을 참조하면,“가”는 본 발명의 벨로우즈의 상부 벨로우즈(82)의 히스테리시스 특성(A)의 상승 구간을 나타내고, “나”는 하부 벨로우즈(83)의 하부 벨로우즈의 히스테리시트 특성(B)의 상승구간을 나타내며, "다"는 상부 벨로우즈(82)와 하부 벨로우즈(83) 사이의 히스테리시스 특성이 서로 상쇄된 최종 히스테리시스 특성(C)의 상승 구간을 나타낸다.

그리고, “라”는 상부 벨로우즈(82)의 히스테리시스 특성(A)의 하강구간을 나타내고, “마”는 하부 벨로우즈(83)의 히스테리시트 특성(B)의 하강구간을 나타내며, “바”는 상부 벨로우즈(82)와 하부 벨로우즈(83) 사이의 히스테리시스 특성이 서로 상쇄된 최종 히스테리시스 특성(C)의 하강 구간을 나타낸다.

이와 같이 본 발명의 상부 벨로우즈(82)와 하부 벨로우즈(83)를 갖는 대향 스프링 방식 벨로우즈를 이용함에 따라 각각 상승구간과 하강구간에서 서로 히스테리시스 특성이 상쇄됨으로써, 개선된 히스테리시스 특성을 갖게 된다.

　　

도 1은 종래 기술에 따른 전동밸브를 설명하기 위한 구성 단면도.

도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 대향 스프링 구조의 벨로우즈를 구비한 전자식 팽창밸브 단면도.

도 3은 도 2의 "A"부 확대도.

도 4는 본 발명에 따른 대향 스프링 구조의 벨로우즈를 구비한 전자식 팽창밸브의 감속기어장치 배치도.

도 5는 종래 기술에 따른 전자식 팽창밸브의 감속기어장치 배치도.

도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 대향 스프링 구조의 벨로우즈를 구비한 전자식 팽창밸브 단면도.

도 7은 도 6의 "B"부 확대도.

도 8은 본 발명에 따른 대향 스프링 구조의 벨로우즈를 구비한 전자식 팽창밸브의 벨로우즈 히스테리시스 성능을 비교한 그래프도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

1 : 케이스

11 : 캔

111 : 절곡부

12 : 케이스본체

121 : 공간부, 122 : 돌출부

13 : 탄성씰

2 : 감속기어장치

21 : 제 1 기어, 22 : 제 2 기어, 23 : 제 3 기어

24 : 제 4 기어, 25 : 제 5 기어, 26 : 제 6 기어

3 : 전동식 스텝모터

4 : 포지셔너홀더

41 : 포지셔너

411 : 수나사부

412 : 돌기부

42 : 암나사부

43 : 위치결정용 E링

43a : 상부 E링

43b : 하부 E링

44 : 사각홈부

5: 밸브본체

51 : 밸브실

52 : 밸브시트

53 : 유입구

531 : 유입관

54 : 유출구

541 : 유출관

55 : 수나사부

6 : 육각너트

61 : 단차부

62 : 사각지지링

63 : 암나사부

7 : 밸브체

71 : 밸브로드

711 : 지지면

72 : 밸브헤드

8 : 벨로우즈

81 : 원형관

82 : 상부 벨로우즈

83 : 하부 벨로우즈

84 : 지지링

Claims (5)

1. 전동식 스텝모터와 다수의 기어로 구성된 감속기어장치가 그 내부에 구비된 케이스와 밸브실과 밸브시트와 유출구 및 유입구가 형성된 밸브본체와, 감속기어장치의 회전 운동을 직선 운동으로 변환하는 포지셔너와, 밸브본체 내에 구비되어 포지셔너의 직선 운동에 연동하여 유출구와 유입구 사이를 개방 또는 폐쇄하도록 밸브로드와 밸브헤드로 구성되는 밸브체와, 밸브로드와 밸브실 사이를 실링하여 밸브실 내로 유입된 냉매가 케이스 내부로 유입되는 것을 방지하는 벨로우즈를 포함하는 전자식 팽창밸브에 있어서,

   상기 벨로우즈는;

   원형관과 원형관의 상단부와 하단부에 각각 주름부를 갖는 대향 스프링 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 대향 스프링 구조의 벨로우즈를 구비한 전자식 팽창밸브.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 벨로우즈의 주름부는 상기 원형관의 내경 방향으로 형성됨을 특징으로 하는 대향 스프링 구조의 벨로우즈를 구비한 전자식 팽창밸브.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 벨로우즈 주름부는 상기 원형관의 외경 방향으로 형성됨을 특징으로 하는 대향 스프링 구조의 벨로우즈를 구비한 전자식 팽창밸브.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 벨로우즈의 상단부 주름과 하단부 주름은 서로 다른 스프링 상수를 갖도록 형성됨을 특징으로 하는 대향 스프링 구조의 벨로우즈를 구비한 전자식 팽창밸브.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 다수의 기어중 상기 포지셔너에 회전력을 전달하는 최종 출력 기어는 상기 케이스의 중심부에 설치됨을 특징으로 하는 대향 스프링 구조의 벨로우즈를 구비한 전자식 팽창밸브.

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