KR101371492B1 - 써모스탯을 구비한 엔진 및 그 시스템 - Google Patents

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이필기
김규환
박재석
김용정
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 써모스탯을 구비한 엔진시스템은, 일측은 제1유로와 연결되고, 타측은 제2유로와 연결되고, 이들 사이는 제3,4유로와 연결되는 써모스탯케이싱, 일측에는 상기 제1유로를 개폐하는 메인밸브가 형성되고, 타측에는 상기 제2유를 개폐하는 클로징밸브가 형성되고, 상기 클로징밸브와 간격을 두고 바이패스밸브가 형성되는 밸브가이드, 상기 밸브가이드를 탄성적으로 지지하여, 상기 메인밸브가 상기 제1유로를 차단하고, 상기 클로징밸브가 상기 제2유로를 차단하도록 하는 탄성부재, 냉각수의 온도에 따라서 상기 메인밸브가 상기 제1유로를 개방하고, 상기 클로징밸브가 상기 제2유로를 개방하도록 상기 밸브가이드를 움직이도록 배치되는 구동부, 및 상기 구동부를 제어하여 냉각수의 온도와 흐름을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
따라서, 써모스캣케이싱에서 라디에이터와 연결되는 제1유로를 차단한 상태에서 엔진과 연결되는 제2유로를 차단하고, 냉각수가 엔진, 히터, 및 써모스탯을 순환하도록 함으로서 냉각수의 온도를 보다 신속하게 히팅할 수 있다. 결국, 연료소모를 줄이고 배기가스의 품질을 더욱 향상시킬 수 있다.

Description

써모스탯을 구비한 엔진 및 그 시스템{ENGINE HAVING THERMOSTAT AND THE SYSTEM THEREOF}
본 발명은 과열을 방지하기 위해서 순환되는 냉각수의 온도에 따라서 냉각수의 유로를 전환하여 냉각수의 온도를 능동적으로 제어하는 써모스탯을 구비한 엔진 및 그 시스템에 관한 것이다.
자동차용 써모스탯은 엔진과 라디에이터 사이에 설치되어 있으며, 냉각수의 온도변화에 따라 자동적으로 개폐되면서 라디에이터로 흐르는 유량을 조절함으로써 냉각수를 설정 온도 범위로 유지한다.
기계식 써모스탯은 냉각수의 온도에 따라서 왁스가 팽창하고, 이러한 팽창력에 의해서 피스톤이 밸브의 개폐 변위를 일으킨다.
이러한 기계식 써모스탯은 규정 온도로 설정된 개폐온도에 따라 동작하는 방식으로, 미리 정해진 온도에서만 단순하게 밸브를 개폐하는 방식으로, 차량의 주행 환경이나 여건 등의 변화에 적극적으로 대처하지 못한다.
기계식 써모스탯이 갖는 단점을 보완하면서 엔진의 냉각수 온도를 최적의 상태로 유지하기 위한 전자식 써모스탯이 제시되고 있다.
이러한 전자식 써모스탯은 차량의 부하상태 등과 같은 주행환경에 따라 엔진의 냉각수 온도를 능동적으로 제어함으로써, 최적의 냉각수 온도를 유지할 수 있으며, 기계식 써모스탯에 비하여 연비 개선 효과와 배기가스 저감 효과를 기대할 수 있다.
써모스탯의 밸브를 개폐하기 위해서 온도감응형이면서 전자적으로 능동 제어되는 구동부가 적용되고 있으며, 이러한 구동부는 왁스, 반유체, 러버피스톤, 백업플레이트, 및 메인피스톤 등을 포함하고 있다.
여기서, 상기 왁스, 상기 반유체, 상기 러버피스톤, 상기 백업플레이트, 및 상기 메인피스톤은 순차적으로 길이방향으로 배치되어 실링구조를 형성하는 동시에 상기 왁스의 팽창에 따라서 상기 메인피스톤이 전후방으로 움직이는 구조를 갖는다.
한편, 냉각수가 차가운 상태에서 냉각수는 라디에이터를 순환하지 않고, 엔진과 써모스캣의 바이패스를 순환하게 됨으로써 냉각수가 히팅되도록 한다.
그러나, 연료소모를 줄이고 배기가스의 품질을 향상시키기 위해서 냉각수를 더욱 빠르게 히팅하는 연구가 지속되고 있다.
본 발명의 목적은 엔진과 써모스탯을 순환하는 냉각수의 온도를 더욱 신속하게 히팅함으로서 연료소모를 줄이고 배기가스의 품질을 향상시키는 써모스탯을 구비한 엔진 및 그 시스템을 제공하는 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명의 실시예에 따른 써모스탯을 구비한 엔진시스템은, 일측은 제1유로와 연결되고, 타측은 제2유로와 연결되고, 이들 사이는 제3,4유로와 연결되는 써모스탯케이싱, 일측에는 상기 제1유로를 개폐하는 메인밸브가 형성되고, 타측에는 상기 제2유를 개폐하는 클로징밸브가 형성되고, 상기 클로징밸브와 간격을 두고 바이패스밸브가 형성되는 밸브가이드, 상기 밸브가이드를 탄성적으로 지지하여, 상기 메인밸브가 상기 제1유로를 차단하고, 상기 클로징밸브가 상기 제2유로를 차단하도록 하는 탄성부재, 냉각수의 온도에 따라서 상기 메인밸브가 상기 제1유로를 개방하고, 상기 클로징밸브가 상기 제2유로를 개방하도록 상기 밸브가이드를 움직이도록 배치되는 구동부, 및 상기 구동부를 제어하여 냉각수의 온도와 흐름을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 메인밸브가 상기 제1유로를 차단한 상태에서 상기 클로징밸브가 상기 제2유로를 차단할 수 있다.
상기 제1유로는 라디에이터와 연결되는 라디에이터배출유로이고, 상기 제2유로는 엔진의 일측과 연결되는 엔진배출유로이고, 상기 제3유로는 엔진의 타측과 연결되는 엔진유입유로이고, 상기 제4유로는 히터와 연결되는 히터배출유로일 수 있다.
상기 구동부는, 온도에 따라서 수축 또는 팽창하도록 왁스케이스에 충진되는 왁스, 및 상기 왁스의 팽창에 의해서 전후방으로 움직여서 상기 밸브가이드를 움직이는 메인피스톤을 포함할 수 있다.
상기 메인밸브가 상기 제1유로를 차단하고, 상기 클로징밸브가 상기 제2유로를 차단한 상태에서, 상기 히터를 통과한 냉각수가 상기 히터배출유로를 통해서 상기 써모스탯케이스 안으로 흘러들어가고, 다시 상기 엔진유입유로를 통해서 상기 엔진으로 공급될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 냉각수의 온도가 설정치 보다 낮은 경우에 상기 히터를 작동시켜 상기 냉각수를 히팅할 수 있다.
상기 바이패스밸브는 상기 클로징밸브에서 상기 메인밸브 측으로 설정된 거리를 두고 형성되고, 상기 구동부가 상기 밸브가이드를 움직이지 않은 경우에는, 상기 제어부는, 상기 메인밸브가 상기 제1유로를 폐쇄하고 상기 클로징밸브가 상기 제2유로를 폐쇄하며, 상기 구동부가 상기 밸브가이드를 설정된 중간작동상태로 움직이면, 상기 메인밸브가 상기 제1유로를 개방하고, 상기 클로징밸브가 상기 제2유로를 개방하며, 상기 구동부가 상기 밸브가이드를 설정된 최대작동상태로 움직이면, 상기 메인밸브가 상기 제1유로를 최대로 개방하고, 상기 바이패스밸브가 상기 제2유로를 폐쇄할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 냉각수의 온도가 설정치 이상으로 판단되면, 상기 히터의 가동을 중지하고, 히팅라인조절밸브를 통해서 상기 히터로 공급되는 냉각수의 흐름을 차단할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 냉각수의 온도가 설정치 미만으로 판단되면, 상기 히터를 가동하고, 히팅라인조절밸브를 통해서 상기 히터로 공급되는 냉각수의 흐름을 조절할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 써모스탯을 구비한 엔진은, 일측은 제1유로와 연결되고, 타측은 제2유로와 연결되고, 이들 사이는 제3,4유로와 연결되는 써모스탯케이싱, 일측에는 상기 제1유로를 개폐하는 메인밸브가 형성되고, 타측에는 상기 제2유를 개폐하는 클로징밸브가 형성되고, 상기 클로징밸브와 간격을 두고 바이패스밸브가 형성되는 밸브가이드, 상기 밸브가이드를 탄성적으로 지지하여, 상기 메인밸브가 상기 제1유로를 차단하고, 상기 클로징밸브가 상기 제2유로를 차단하도록 하는 탄성부재, 및 냉각수의 온도에 따라서 상기 메인밸브가 상기 제1유로를 개방하고, 상기 클로징밸브가 상기 제2유로를 개방하도록 상기 밸브가이드를 움직이도록 배치되는 구동부를 포함할 수 있다.
상기 메인밸브가 상기 제1유로를 차단한 상태에서 상기 클로징밸브가 상기 제2유로를 차단할 수 있다.
상기 구동부는, 온도에 따라서 수축 또는 팽창하도록 왁스케이스에 충진되는 왁스, 및 상기 왁스의 팽창에 의해서 전후방으로 움직여서 상기 밸브가이드를 움직이는 메인피스톤을 포함할 수 있다.
상기 메인밸브가 상기 제1유로를 차단하고, 상기 클로징밸브가 상기 제2유로를 차단한 상태에서, 상기 히터를 통과한 냉각수가 상기 히터배출유로를 통해서 상기 써모스탯케이스 안으로 흘러들어가고, 다시 상기 엔진유입유로를 통해서 상기 엔진으로 공급될 수 있다.
상기 바이패스밸브는 상기 클로징밸브에서 상기 메인밸브 측으로 설정된 거리를 두고 형성되고, 상기 구동부가 상기 밸브가이드를 움직이지 않은 경우에는, 상기 메인밸브가 상기 제1유로를 폐쇄하고 상기 클로징밸브가 상기 제2유로를 폐쇄하며, 상기 구동부가 상기 밸브가이드를 설정된 중간작동상태로 움직이면, 상기 메인밸브가 상기 제1유로를 개방하고, 상기 클로징밸브가 상기 제2유로를 개방하며, 상기 구동부가 상기 밸브가이드를 설정된 최대작동상태로 움직이면, 상기 메인밸브가 상기 제1유로를 최대로 개방하고, 상기 바이패스밸브가 상기 제2유로를 폐쇄할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 써모스탯을 구비한 엔진시스템은, 써모스캣케이싱에서 라디에이터와 연결되는 제1유로를 차단한 상태에서 엔진과 연결되는 제2유로를 차단하고, 냉각수가 엔진, 히터, 및 써모스탯을 순환하도록 함으로서 냉각수의 온도를 보다 신속하게 히팅할 수 있다.
따라서, 연료소모를 줄이고 배기가스의 품질을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 써모스탯을 구비한 엔진시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 써모스탯의 구조를 전체적으로 보여주는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 써모스탯의 구조를 보여주는 단면 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 써모스탯이 작동되는 3가지 상태를 보여주는 단면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 특허의 이해를 돕기 위해서 구성요소를 기재 및 설명하였으며, 도면에 기재되지 않은 다른 구성요소들은 당업자에게 잘 알려진 공지된 기술을 참조하며, 그에 대한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 써모스탯을 구비한 엔진시스템의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 써모스탯을 구비한 엔진시스템은 엔진(130), 써모스탯(100), 히터(120), 엔진배출유로(122), 엔진유입유로(128), 히터배출유로(124), 라디에이터배출유로(126), 및 히팅라인조절밸브(150)를 포함한다.
아울러, 상기 써모스탯(100)은 써모스탯케이스(140)를 포함하고, 상기 써모스탯케이스(140)는 상기 엔진배출유로(122), 상기 히터배출유로(124), 상기 라디에이터배출유로(126), 및 상기 엔진유입유로(128)와 각각 연결된다.
상기 엔진(130)을 냉각시키기 위해서 냉각수가 사용되고, 상기 써모스탯(100)은 상기 냉각수의 온도가 설정치보다 낮을 경우에 냉각수가 상기 히터(120)와 상기 엔진(130)을 순환하도록 한다.
상기 써모스탯(100)은 상기 냉각수의 온도가 설정치보다 높을 경우에 냉각수가 상기 엔진(130)과 상기 라디에이터(110)를 순환하도록 한다.
좀 더 상세하게 설명하면, 차가운 냉각수는 상기 히터(120), 상기 히터배출유로(124), 상기 써모스탯(100), 상기 엔진유입유로(128)를 통해서 순환하고, 냉각수는 상기 히터(120)를 통해서 신속하게 히팅된다.
본 발명의 실시예에서, 상기 히터배출유로(142)에 히팅라인조절밸브(150)가 설치될 수 있고, 상기 히팅라인조절밸브(150)는 냉각수를 상기 히터(120)로 선택적으로 공급한다.
아울러, 뜨거운 냉각수는 상기 라디에이터(110), 상기 써모스탯(100), 및 상기 엔진(130)을 순환하고, 냉각수는 상기 라디에이터(110)를 통해서 냉각된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 써모스탯의 구조를 전체적으로 보여주는 단면도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 써모스탯의 구조를 보여주는 단면 사시도이다.
도 1에서 설명된 구성요소 및 유사내용에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 써모스탯(100)은 메인밸브(240), 왁스케이스(207), 밸브가이드(230), 탄성부재(270), 바이패스밸브(265), 클로징밸브(260), 피스톤지지부(250), 메인피스톤(220), 러버피스톤(215), 반유체(210), 왁스(205), 글로우히터(200)를 포함한다.
상기 밸브가이드(230)에서 상단부에는 상기 메인밸브(240)가 형성되고, 상기 메인밸브(240)는 상기 라디에이터배출유로(126)를 차단한다. 아울러, 그 하단부에는 상기 클로징밸브(260)가 형성되고, 상기 클로징밸브(260)는 상기 엔진배출유로(122)를 차단한다.
상기 클로징밸브(260)와 인접하여 상기 메인밸브(240) 측에는 상기 바이패스밸브(265)가 형성된다. 상기 클로징밸브(260)와 상기 바이패스밸브(265) 사이의 거리는 설계사양에 따라서 변경될 수 있다.
상기 탄성부재(270)는 상기 밸브가이드(230)를 상부로 탄성지지하여, 상기 메인밸브(240)가 상기 라디에이터배출유로(126)를 차단하도록 하고, 상기 클로징밸브(260)가 상기 엔진배출유로(122)를 차단하도록 한다.
아울러, 상기 밸브가이드(230)를 움직이는 구동부는 상기 왁스케이스(207), 상기 글로우히터(120), 상기 왁스(205), 상기 반유체(210), 상기 러버피스톤(215), 상기 메인피스톤(220), 및 상기 피스톤가이드(225) 중 적어도 하나로 구성된다.
상기 글로우히터(200) 또는 주변 냉각수의 온도에 따라서 상기 왁스(205)의 온도가 상승되면, 상기 왁스(205)가 팽창하여 상기 반유체(210), 및 상기 러버피스톤(215)을 통해서 상기 메인피스톤(220)을 하부로 움직인다.
상기 메인피스톤(220)이 하부로 움직이면, 상기 밸브가이드(230)와 일체로 형성된 상기 피스톤지지부(250)를 하부로 누르고, 상기 밸브가이드(230)가 하부로 이동한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 써모스탯이 작동되는 3가지 상태를 보여주는 단면도이다.
상기 구동부가 작동되지 않은 초기작동상태(lift=0mm)에서, 상기 라디에이터배출유로(126)와 상기 엔진배출유로(122)는 상기 메인밸브(240)와 상기 클로징밸브(260)에 의해서 차단된다.
여기서, 냉각수는 상기 엔진(130), 상기 히터(120), 및 상기 써모스탯(100)을 순환한다. 즉, 냉각수는 상기 엔진(130), 상기 히터(120), 상기 히터배출유로(124), 및 상기 엔진유입유로(128)를 순환한다. 냉각수의 온도에 따라서 상기 히팅라인조절밸브(150)는 개방되고, 상기 히터(120)를 작동될 수 있다.
그리고, 상기 구동부가 중간(50%)으로 작동되는 중간작동상태(lift=5mm)에서, 상기 메인밸브(240)는 상기 라디에이터배출유로(126)를 약 50% 개방하고, 상기 클로징밸브(260)와 상기 바이패스밸브(265)는 상기 엔진배출유로(122)를 약 50% 개방된다.
여기서, 냉각수의 일부는 상기 엔진(130), 상기 라디에이터(110), 상기 라디에이터배출유로(126), 상기 써모스탯(100), 및 상기 엔진유입유로(128)를 순환하고, 나머지는 상기 엔진(130), 상기 엔진배출유로(122), 상기 엔진유입유로(128), 및 상기 써모스탯(100)을 순환한다. 상기 히팅라인조절밸브(150)는 폐쇄되고, 상기 히터(120)는 작동되지 않는다.
그리고, 상기 구동부가 최대(100%)로 작동되는 최대작동상태(lift=10mm)에서, 상기 메인밸브(240)는 상기 라디에이터배출유로(126)를 100% 개방하고, 상기 바이패스밸브(265)는 상기 엔진배출유로(122)를 폐쇄한다.
여기서, 냉각수는 상기 엔진(130), 상기 라디에이터(110), 상기 라디에이터배출유로(126), 상기 써모스탯(100), 및 상기 엔진유입유로(128)를 순환한다. 아울러, 상기 히팅라인조절밸브(150)는 폐쇄되고, 상기 히터(120)는 작동되지 않는다.
본 발명의 실시예에서, 상기 라디에이터배출유로(126)는 제1유로, 상기 엔진배출유로(122)는 제2유로, 상기 엔진유입유로(128)는 제3유로, 및 상기 히터배출유로(124)는 제4유로로 지칭될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 써모스탯(100)은 엔진의 냉각수 배출구에 배치되는 냉각수배출구에 적용될 수 있고, 상기 써모스탯(100)은 엔진의 냉각수 유입구에 배치되는 냉각수유입구에 적용될 수 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
100: 써모스탯 110: 라디에이터
120: 히터 122: 엔진배출유로
124: 히터배출유로 126: 라디에이터배출유로
128: 엔진유입유로 130: 엔진
140: 써모스탯케이스 150: 히팅라인조절밸브
200: 글로우히터 205: 왁스
207: 왁스케이스 210: 반유체
215: 러버피스톤 220: 메인피스톤
225: 피스톤가이드 230: 밸브가이드
240: 메인밸브 250: 피스톤지지부
260: 클로징밸브 265: 바이패스밸브
270: 탄성부재

Claims (9)

  1. 일측은 제1유로와 연결되고, 타측은 제2유로와 연결되고, 이들 사이는 제3,4유로와 연결되는 써모스탯케이싱;
    일측에는 상기 제1유로를 개폐하는 메인밸브가 형성되고, 타측에는 상기 제2유를 개폐하는 클로징밸브가 형성되고, 상기 클로징밸브와 간격을 두고 바이패스밸브가 형성되는 밸브가이드;
    상기 밸브가이드를 탄성적으로 지지하여, 상기 메인밸브가 상기 제1유로를 차단하고, 상기 클로징밸브가 상기 제2유로를 차단하도록 하는 탄성부재;
    냉각수의 온도에 따라서 상기 메인밸브가 상기 제1유로를 개방하고, 상기 클로징밸브가 상기 제2유로를 개방하도록 상기 밸브가이드를 움직이도록 배치되는 구동부; 및
    상기 구동부를 제어하여 냉각수의 온도와 흐름을 제어하는 제어부; 를 포함하는 써모스탯을 구비한 엔진시스템.
  2. 제1항에서,
    상기 메인밸브가 상기 제1유로를 차단한 상태에서 상기 클로징밸브가 상기 제2유로를 차단하는 것을 특징으로 하는 써모스탯을 구비한 엔진시스템.
  3. 제2항에서,
    상기 제1유로는 라디에이터와 연결되는 라디에이터배출유로이고, 상기 제2유로는 엔진의 일측과 연결되는 엔진배출유로이고, 상기 제3유로는 엔진의 타측과 연결되는 엔진유입유로이고, 상기 제4유로는 히터와 연결되는 히터배출유로인 것을 특징으로 하는 써모스탯을 구비한 엔진시스템.
  4. 제2항에서,
    상기 구동부는,
    온도에 따라서 수축 또는 팽창하도록 왁스케이스에 충진되는 왁스; 및
    상기 왁스의 팽창에 의해서 전후방으로 움직여서 상기 밸브가이드를 움직이는 메인피스톤; 을 포함하는 써모스탯을 구비한 엔진시스템.
  5. 제3항에서,
    상기 메인밸브가 상기 제1유로를 차단하고, 상기 클로징밸브가 상기 제2유로를 차단하면,
    상기 제어부는,
    상기 히터를 통과한 냉각수가 상기 히터배출유로를 통해서 상기 써모스탯케이스 안으로 흘러들어가고, 다시 상기 엔진유입유로를 통해서 상기 엔진으로 공급되도록 하는 것을 특징으로 하는 써모스탯을 구비한 엔진시스템.
  6. 제5항에서,
    상기 제어부는,
    상기 냉각수의 온도가 설정치보다 낮으면, 상기 히터를 작동시켜 상기 냉각수를 히팅하는 것을 특징으로 하는 써모스탯을 구비한 엔진시스템.
  7. 제2항에서,
    상기 바이패스밸브는 상기 클로징밸브에서 상기 메인밸브 측으로 설정된 거리를 두고 형성되고, 상기 구동부가 상기 밸브가이드를 움직이지 않으면,
    상기 제어부는,
    상기 메인밸브가 상기 제1유로를 폐쇄하고 상기 클로징밸브가 상기 제2유로를 폐쇄하며, 상기 구동부가 상기 밸브가이드를 설정된 중간작동상태로 움직이면, 상기 메인밸브가 상기 제1유로를 개방하고, 상기 클로징밸브가 상기 제2유로를 개방하며, 상기 구동부가 상기 밸브가이드를 설정된 최대작동상태로 움직이면, 상기 메인밸브가 상기 제1유로를 최대로 개방하고, 상기 바이패스밸브가 상기 제2유로를 폐쇄하는 것을 특징으로 하는 써모스탯을 구비한 엔진시스템.
  8. 제3항에서,
    상기 제어부는,
    상기 냉각수의 온도가 설정치 이상으로 판단되면, 상기 히터의 가동을 중지하고, 히팅라인조절밸브를 통해서 상기 히터로 공급되는 냉각수의 흐름을 차단하는 것을 특징으로 하는 써모스탯을 구비한 엔진시스템.
  9. 제3항에서,
    상기 제어부는,
    상기 냉각수의 온도가 설정치 미만으로 판단되면, 상기 히터를 가동하고, 히팅라인조절밸브를 통해서 상기 히터로 공급되는 냉각수의 흐름을 조절하는 것을 특징으로 하는 써모스탯을 구비한 엔진시스템.
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