JP2021021418A - 密封構造 - Google Patents

Abstract

【課題】スプリングの力を支持するフランジが高い耐久性を有する密封装置の提供。【解決手段】密封構造は、棒体１４の軸線方向に往復運動可能に案内する円筒状のガイド１８と、ガイドが取り付けられる支持体２と、ガイドの端部を覆う密封装置３０と、密封装置を支持体に押し付ける圧縮コイルスプリング２９を有する。密封装置は、弾性環３４と剛性環３６を有する。弾性環は、棒体の外周面が摺動可能に接触するリップ４４、４６を有する。剛性環は、円筒部５４とフランジ５８を有する。フランジは、径方向外側ほど、円筒部の端部を含む円筒部の軸線に直交する平面から離れるように傾斜しており、支持体に接触する第１の面６０と、第１の面と反対側にあり圧縮コイルスプリングで押圧される第２の面６２を有する。圧縮コイルスプリングは、円筒部の周囲に配置されており、圧縮コイルスプリングのフランジ側の端部の座巻が第２の面と面接触する傾斜平面を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、例えばバルブステムシールのような密封装置を有する密封構造に関する。

自動車、船舶、農機などに使用されるガソリンエンジン、ディーゼルエンジンなどの内燃機関の吸気ポートおよび排気ポートには、それぞれ吸気バルブおよび排気バルブが配置されている。各バルブは、バルブステムと、バルブステムを軸線方向に往復運動可能に案内するバルブステムガイドを有する。バルブステムとバルブステムガイドの間の間隙へのエンジンオイルが侵入することを制限するためにバルブステムシール（密封装置）が使用されている。バルブステムシールは、周囲のエンジンオイルがバルブステムとバルブステムガイドの間の間隙に流入することを許容し、バルブステムとバルブステムガイドを潤滑する。但し、エンジンオイルによる白煙の発生を低減または防止し、エンジンオイルの消費を削減するため、バルブステムシールは、バルブステムとバルブステムガイドの間の間隙へのエンジンオイルの流入量を適切に抑制する。

バルブステムシールには、上記の間隙を通じて、内燃機関の燃焼室の高い圧力が与えられることが知られている。特に、排気ポートに設けられるバルブステムシールには、排気工程での高い圧力が与えられる。

特許文献１は、弾性体から形成された部分と金属環を備えるバルブステムシールを開示する。金属環の一端に形成されたフランジは、スプリングリテーナー部として機能する。スプリングリテーナー部には、バルブステムを常に持ち上げる方向にバルブステムに力を与えるコイルスプリングの端部が接触させられている。スプリングリテーナー部には、コイルスプリングから反力が与えられるため、上記の高い圧力が与えられても、バルブステムシールがバルブステムガイドから外れることが抑制されると考えられる。

特開２００９−２５７４０１号公報

スプリングの力を支持する上記のフランジは、高い耐久性を持つことが望ましい。

そこで、本発明は、スプリングの力を支持するフランジが高い耐久性を有する密封構造を提供する。

本発明のある態様に係る密封構造は、円筒形部分を有する棒体を前記棒体の軸線方向に往復運動可能に案内する円筒状のガイドと、前記ガイドが取り付けられる支持体と、前記ガイドの端部を覆う密封装置と、前記密封装置を前記支持体に押し付ける圧縮コイルスプリングを有する。前記密封装置は、弾性材料から形成された弾性環と、前記弾性環を補強するよう前記弾性環に固着され剛性材料から形成された剛性環を有する。前記弾性環は、前記棒体の外周面が摺動可能に接触するリップを有する。前記剛性環は、前記ガイドの端部の径方向外側に配置される円筒部と、前記円筒部の前記リップとは反対側の端部から径方向外側に広がるフランジを有する。前記フランジは、径方向外側ほど、前記円筒部の端部を含む前記円筒部の軸線に直交する平面から離れるように傾斜しており、前記支持体に接触する第１の面と、前記第１の面と反対側にあり前記圧縮コイルスプリングで押圧される第２の面を有する。前記圧縮コイルスプリングは、前記円筒部の周囲に配置されており、前記圧縮コイルスプリングの前記フランジ側の端部の座巻が前記第２の面と面接触する傾斜平面を有する。

この態様においては、圧縮コイルスプリングの力を支持するスプリングリテーナーまたはスプリングシートとしてフランジを使用することができる。フランジは、径方向外側ほど、円筒部の端部を含む円筒部の軸線に直交する平面から離れるように傾斜している。圧縮コイルスプリングのフランジ側の座巻は、フランジの第２の面と面接触する傾斜平面を有する。したがって、フランジの第１の面は支持体に接触し、フランジの第２の面は圧縮コイルスプリングのフランジ側の座巻の傾斜平面に面接触する。このように、フランジが支持体と圧縮コイルスプリングの座巻の間にしっかり挟まれ、フランジの第２の面が圧縮コイルスプリングの座巻の傾斜平面に広い面積で面接触することにより、フランジの変形が抑制され、フランジの耐久性が向上する。

好ましくは、前記支持体は、前記フランジの前記第１の面に面接触する傾斜した支持面を有する。

この場合には、フランジの第１の面は支持体の傾斜した支持面に面接触し、フランジの第２の面は圧縮コイルスプリングの座巻の傾斜平面に面接触する。このように、フランジの両側がしっかりと支持体と圧縮コイルスプリングの座巻に面接触することにより、フランジの変形が抑制され、フランジの耐久性がさらに向上する。

本発明の他の態様に係る密封構造は、円筒形部分を有する棒体を前記棒体の軸線方向に往復運動可能に案内する円筒状のガイドと、前記ガイドが取り付けられる支持体と、前記ガイドの端部を覆う密封装置と、前記密封装置を前記支持体に押し付ける圧縮コイルスプリングを有する。前記密封装置は、弾性材料から形成された弾性環と、前記弾性環を補強するよう前記弾性環に固着され剛性材料から形成された剛性環を有する。前記弾性環は、前記棒体の外周面が摺動可能に接触するリップを有する。前記剛性環は、前記ガイドの端部の径方向外側に配置される円筒部と、前記円筒部の前記リップとは反対側の端部から径方向外側に広がるフランジを有する。前記フランジは、径方向外側ほど、前記円筒部の端部を含む前記円筒部の軸線に直交する平面から離れるように傾斜しており、前記支持体に接触する第１の面と、前記第１の面と反対側にあり前記圧縮コイルスプリングで押圧される第２の面を有する。前記圧縮コイルスプリングは、前記円筒部の周囲に配置されている。前記支持体は、前記フランジの前記第１の面に面接触する傾斜した支持面を有する。

この態様においては、圧縮コイルスプリングの力を支持するスプリングリテーナーまたはスプリングシートとしてフランジを使用することができる。フランジは、径方向外側ほど、円筒部の端部を含む円筒部の軸線に直交する平面から離れるように傾斜している。フランジの第２の面は圧縮コイルスプリングに接触し、フランジの第１の面は支持体の傾斜した支持面に面接触する。このように、フランジが支持体と圧縮コイルスプリングの間にしっかり挟まれ、フランジの第１の面が支持体の傾斜した支持面に広い面積で面接触することにより、フランジの変形が抑制され、フランジの耐久性が向上する。

本発明の実施形態に係る密封構造が使用される内燃機関の一部の断面図である。 実施形態に係る密封構造を示す部分断面図である。 実施形態に係る密封構造の一部を破断して示す斜視図である。 比較例に係る密封構造の一部を破断して示す斜視図である。 実施形態の変形例に係る密封構造を示す部分断面図である。

以下、添付の図面を参照しながら本発明に係る実施形態を説明する。図面の縮尺は必ずしも正確ではなく、一部の特徴は誇張または省略されることもある。

図１に示すように、実施形態に係る密封構造が使用される内燃機関１は、シリンダーヘッド２を備える。シリンダーヘッド２は、シリンダー（図示せず）の上方に配置されている。シリンダーの内部にはピストン（図示せず）が往復運動可能に配置されている。シリンダーヘッド２と、シリンダーとピストンは、燃焼室４を画定する。シリンダーヘッド２には、吸気ポート６と排気ポート８が形成されており、吸気ポート６と排気ポート８には、それぞれ吸気バルブ１０と排気バルブ１２が配置されている。

吸気バルブ１０と排気バルブ１２の各々は、円筒形のバルブステム（棒体）１４と、バルブステム１４の下端に取り付けられたバルブヘッド１６を有する。各バルブは、バルブステム１４の軸線方向に往復運動可能であって、往復運動に伴って、バルブヘッド１６がポート６または８を開閉する。シリンダーヘッド２には、各バルブステム１４の往復運動を案内する円筒状のバルブステムガイド（ガイド）１８が固定されており、バルブステムガイド１８にバルブステム１４が挿入されている。

各バルブステム１４の上端には、カムフォロワー２０が取り付けられている。カムフォロワー２０の上面には、カムシャフト２２に取り付けられたカム２４が接触する。

また、各バルブステム１４の上端には、スプリングシート２６が取り付けられている。スプリングシート２６と、シリンダーヘッド２に形成されたスプリングシート２８との間には、コイルスプリング２９が圧縮状態で配置されている。圧縮コイルスプリング２９の弾性復元力は、バルブステム１４を常に上方に持ち上げる方向に働く。

上記構成において、カムシャフト２２の回転によってカム２４が、圧縮コイルスプリング２９の弾性復元力に抗して、カムフォロワー２０を押し下げると、バルブステム１４が下降して、ポート６または８が開かれる。カムシャフト２２の回転によって、カム２４がカムフォロワー２０を押し下げる力が減少すると、圧縮コイルスプリング２９の弾性復元力によって、バルブステム１４が上昇して、ポート６または８が閉じられる。

バルブステムガイド１８の端部およびバルブステム１４の中央部は、バルブステムシール（密封装置）３０で覆われている。バルブステムシール３０は、周囲の油室３２のエンジンオイルがバルブステム１４とバルブステムガイド１８の間の間隙（図２の間隙Ｇａ）に流入することを許容し、バルブステム１４とバルブステムガイド１８を潤滑する。但し、エンジンオイルによる白煙の発生を低減または防止し、エンジンオイルの消費を削減するため、バルブステムシール３０は、バルブステム１４とバルブステムガイド１８の間の間隙へのエンジンオイルの流入量を適切に抑制する。

図２を参照して、バルブステムシール３０とバルブステムガイド１８を有する密封構造をさらに詳しく説明する。図２は、バルブステム１４およびバルブステムガイド１８に接触させられた使用状態のバルブステムシール３０を示す。バルブステムシール３０およびバルブステムガイド１８は円筒状の形状を有するが、図２においては、それらの左側部分のみが示されている。

バルブステムガイド１８の内周面は、バルブステム１４の外周面と間隙Ｇａをおいて配置されている。バルブステムシール３０には、間隙Ｇａを通じて、燃焼室４の高い圧力（以下、「背圧」と呼ぶ）が与えられる。特に、排気ポート８に設けられるバルブステムシール３０には、排気工程での高い背圧が与えられる。

バルブステムシール３０は、弾性環３４と剛性環３６を有する二重構造である。弾性環３４は、弾性材料（例えばエラストマー）から形成されている。剛性環３６は、剛性材料（例えば金属）から形成され、弾性環３４に密着させられて、弾性環３４を補強する。

弾性環３４は、弾性環円筒部３８、内側円環部４０、および連結円環部４２を備える。弾性環円筒部３８は、バルブステムガイド１８の端部の径方向外側に配置され、弾性環円筒部３８には、バルブステムガイド１８が締まり嵌め方式で嵌め入れられる。したがって、弾性環円筒部３８の内周面は、バルブステムガイド１８の外周面に面接触する。内側円環部４０は、弾性環円筒部３８の上方に配置され、弾性環円筒部３８よりも小さい外径および内径を有する。連結円環部４２は、弾性環円筒部３８の上端と内側円環部４０を連結する。

内側円環部４０には、メインリップ４４と、背圧リップ４６と、複数の突起４８が形成されている。メインリップ４４と背圧リップ４６には、バルブステム１４の外周面が摺動可能に接触する。メインリップ４４は、主に油室３２のエンジンオイルが過剰にバルブステムガイド１８に向けて流入しないように設けられている。背圧リップ４６は、バルブステム１４とバルブステムガイド１８の間の間隙Ｇａを通じてバルブステムシール３０に与えられる背圧を受ける。背圧リップ４６は、過剰な背圧によってメインリップ４４が過剰に変形しないように設けられている。複数の突起４８は、バルブステム１４を囲むように、周方向に間欠的に配置されている。これらの突起４８は、バルブステムシール３０をバルブステムガイド１８に装着した場合に、バルブステムシール３０がバルブステム１４に対して偏心していても、メインリップ４４と背圧リップ４６がバルブステム１４の全周にわたってほぼ均等な接触圧で接触するように、設けられている。

図２に示すように、バルブステム１４に接触すると、メインリップ４４と背圧リップ４６は変形し、バルブステム１４の外周面に全周にわたって接触する。但し、バルブステム１４とバルブステムガイド１８の間の間隙Ｇａに適量のエンジンオイルを供給するため、メインリップ４４とバルブステム１４の外周面の間には、微小な間隙（図示せず）が設けられ、背圧リップ４６とバルブステム１４の外周面の間にも、微小な間隙（図示せず）が設けられている。

不可欠ではないが、内側円環部４０の周囲には、ガータースプリング５０を巻きつけてもよい。この実施形態では、内側円環部４０の外周面にガータースプリング５０を受ける周溝５２が形成されている。ガータースプリング５０は、メインリップ４４および突起４８を内側に向けて押圧し、バルブステム１４に対するメインリップ４４および突起４８の接触圧を高める。

剛性環３６は、剛性環円筒部５４、円環部５６およびフランジ５８を備える。剛性環円筒部５４は、弾性環３４の弾性環円筒部３８の径方向外側に配置され、弾性環円筒部３８の外周面に固定されている。したがって、弾性環３４の弾性環円筒部３８は、剛性環３６の剛性環円筒部５４に全周にわたって包囲されており、半径方向への移動または膨張が拘束されている。

円環部５６は、剛性環円筒部５４のメインリップ４４の側の端部から径方向内側に広がる。円環部５６は、弾性環３４の内側円環部４０および連結円環部４２に固定されている。

フランジ５８は、剛性環円筒部５４のメインリップ４４の反対側の端部から径方向外側に広がる円環板である。フランジ５８は、上記の圧縮コイルスプリング２９の下端部が接触させられるスプリングリテーナーまたはスプリングシートとして使用される。したがって、剛性環円筒部５４の周囲に配置された圧縮コイルスプリング２９は、バルブステムシール３０のフランジ５８をシリンダーヘッド２に押し付ける。

フランジ５８は、径方向外側ほど、剛性環円筒部５４の端部を含む剛性環円筒部５４の軸線に直交する仮想的な平面Ｆから離れるように傾斜している。

フランジ５８は、第１の面６０と第２の面６２を有する。第１の面６０は、バルブステムガイド１８の軸線方向においてメインリップ４４とは反対側にあり、シリンダーヘッド２のスプリングシート２８の支持面２８Ａに接触する。第２の面６２は、バルブステムガイド１８の軸線方向においてメインリップ４４の側にあり、圧縮コイルスプリング２９に接触し、圧縮コイルスプリング２９で押圧される。フランジ５８は傾斜しており、第１の面６０は、仮想的な平面Ｆに対して傾斜角θで交差する母面を持つ円錐台形状を有し、第２の面６２も、仮想的な平面Ｆに対して傾斜角θで交差する母面を持つ円錐台形状を有する。実施形態において、第２の面６２は、第１の面６０に平行であるが、必ずしも平行でなくてもよい。

圧縮コイルスプリング２９の下端部（フランジ５８側の端部）の座巻２９Ａは、フランジ５８の第２の面６２に面接触させられる。このため、座巻２９Ａは、フランジ５８の第２の面６２と面接触する傾斜平面２９Ｂを有する。傾斜平面２９Ｂも、径方向外側ほど、剛性環円筒部５４の端部を含む剛性環円筒部５４の軸線に直交する仮想的な平面Ｆから離れるように傾斜している。すなわち、傾斜平面２９Ｂも仮想的な平面Ｆに対して傾斜角θで交差する母面を持つ円錐台形状を有する。

したがって、フランジ５８の第１の面６０はシリンダーヘッド２に接触し、フランジ５８の第２の面６２は圧縮コイルスプリング２９のフランジ５８側の座巻２９Ａの傾斜平面２９Ｂに面接触する。このように、フランジ５８がシリンダーヘッド２と圧縮コイルスプリング２９の座巻２９Ａの間にしっかり挟まれ、フランジ５８の第２の面６２が圧縮コイルスプリング２９の座巻２９Ａの傾斜平面２９Ｂに広い面積で面接触することにより、フランジ５８の変形が抑制され、フランジ５８の耐久性が向上する。

図示しないが、第２の面６２には、圧縮コイルスプリング２９がその軸線を中心に回転することを抑制するための回転止め（例えば、突起）を形成してもよい。

フランジ５８には、圧縮コイルスプリング２９から常に反力が与えられ、そのためバルブステムシール３０の全体は、常に下向きに押圧されている。したがって、バルブステム１４とバルブステムガイド１８の間の間隙Ｇａを通じて、バルブステムシール３０に高い背圧が与えられても、バルブステムガイド１８からバルブステムシール３０が外れにくい。このように、フランジ５８は、スプリングリテーナーまたはスプリングシートとして機能すると同時に、バルブステムシール３０の外れ止めとして機能する。

シリンダーヘッド２８は、フランジ５８の第１の面６０に面接触する傾斜した支持面２８Ａを有する。すなわち、支持面２８Ａも、仮想的な平面Ｆに対して傾斜角θで交差する母面を持つ円錐台形状を有する。したがって、フランジ５８の第１の面６０はシリンダーヘッド２の傾斜した支持面２８Ａに広い面積で面接触し、フランジ５８の第２の面６２は圧縮コイルスプリング２９の座巻２９Ａの傾斜平面２９Ｂに面接触する。このように、フランジ５８の両側がしっかりとシリンダーヘッド２と圧縮コイルスプリング２９の座巻２９Ａに面接触することにより、フランジ５８の変形が抑制され、フランジ５８の耐久性がさらに向上する

図３は、実施形態に係る密封構造の一部を破断して示す斜視図であり、図４は、比較例に係る密封構造の一部を破断して示す斜視図である。

比較例では、圧縮コイルスプリング２９の下端部（フランジ５８側の端部）の座巻２９Ａは平坦面２９Ｃを有し、平坦面２９Ｃは剛性環円筒部５４の軸線に直交する平面である。したがって、フランジ５８の第２の面６２と平坦面２９Ｃの間には、間隙ｇが生ずる。このため、圧縮コイルスプリング２９の伸縮に伴って、フランジ５８に繰り返し応力が加わり、フランジ５８は繰り返し変形する。

これに対して、実施形態では、フランジ５８の傾斜した第２の面６２が圧縮コイルスプリング２９の座巻２９Ａの傾斜平面２９Ｂに広い面積で面接触することにより、フランジ５８の変形が抑制される。さらに好ましくは、フランジ５８の傾斜した第１の面６０はシリンダーヘッド２の傾斜した支持面２８Ａに広い面積で面接触することにより、フランジ５８の変形がさらに抑制される。

以上、本発明の好ましい実施形態を参照しながら本発明を図示して説明したが、当業者にとって特許請求の範囲に記載された発明の範囲から逸脱することなく、形式および詳細の変更が可能であることが理解されるであろう。このような変更、改変および修正は本発明の範囲に包含されるはずである。

例えば、上記の実施形態においては、圧縮コイルスプリング２９の座巻２９Ａがフランジ５８の第２の面６２と面接触する傾斜平面２９Ｂを有し、シリンダーヘッド２８がフランジ５８の第１の面６０に面接触する傾斜した支持面２８Ａを有する。但し、シリンダーヘッド２８が傾斜平面２９Ｂを有し、座巻２９Ａの平面２９Ｂが剛性環円筒部５４の軸線に傾斜せずに直交してもよい。逆に、座巻２９Ａが傾斜平面２９Ｂを有し、平面２９Ｂが剛性環円筒部５４の軸線に傾斜せずに直交してもよい。

上記の実施形態においては、剛性環３６の剛性環円筒部５４がバルブステムガイド１８に直接接触することはなく、バルブステムガイド１８は弾性環３４の弾性環円筒部３８に嵌め入れられ、剛性環円筒部５４は弾性環円筒部３８を拘束する。しかし、図５に示すように、短い弾性環円筒部３８を有するバルブステムシール３０において、剛性環円筒部５４にバルブステムガイド１８を嵌め入れてもよい。

上記の実施形態においては、密封装置は、バルブステム１４とバルブステムガイド１８とを密封するバルブステムシール３０である。しかし、本発明は、ピストン式の燃料ポンプのピストン（往復運動可能な棒体）とピストンガイドを密封する密封装置にも適用することができる。

弾性環３４の弾性環円筒部３８の内周面は、摩擦係数が小さくエラストマーより硬い樹脂材料でコーティングして、弾性環円筒部３８にバルブステムガイド１８を嵌め入れやすくしてもよい。このような樹脂材料としては、例えば、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）がある。

弾性環３４のメインリップ４４、背圧リップ４６および突起４８の少なくともいずれかをこのような樹脂材料でコーティングして、これらの摩耗を低減させてもよい。

上記の実施形態においては、圧縮コイルスプリング２９は、コイル径が一様な円筒形である。しかし、軸線方向において異なるコイル径を有する円錐コイルスプリング、たる形コイルスプリングなどの他の形状を有するコイルスプリングを使用してもよい。

２ シリンダーヘッド（支持体）
１４ バルブステム（棒体）
１８ バルブステムガイド（ガイド）
２８ スプリングシート（支持平面）
２８Ａ 支持面
２９Ａ 座巻
２９Ｂ 傾斜平面
３０ バルブステムシール（密封装置）
３２ 油室
３４ 弾性環
３６ 剛性環
４４ メインリップ
４６ 背圧リップ
５４ 剛性環円筒部
５８ フランジ
６０ 第１の面
６２ 第２の面

Claims (3)

1. 円筒形部分を有する棒体を前記棒体の軸線方向に往復運動可能に案内する円筒状のガイドと、
   前記ガイドが取り付けられる支持体と、
   前記ガイドの端部を覆う密封装置と、
   前記密封装置を前記支持体に押し付ける圧縮コイルスプリングを有し、
   前記密封装置は、弾性材料から形成された弾性環と、前記弾性環を補強するよう前記弾性環に固着され剛性材料から形成された剛性環を有し、
   前記弾性環は、前記棒体の外周面が摺動可能に接触するリップを有し、
   前記剛性環は、前記ガイドの端部の径方向外側に配置される円筒部と、前記円筒部の前記リップとは反対側の端部から径方向外側に広がるフランジを有し、
   前記フランジは、径方向外側ほど、前記円筒部の端部を含む前記円筒部の軸線に直交する平面から離れるように傾斜しており、前記支持体に接触する第１の面と、前記第１の面と反対側にあり前記圧縮コイルスプリングで押圧される第２の面を有しており、
   前記圧縮コイルスプリングは、前記円筒部の周囲に配置されており、前記圧縮コイルスプリングの前記フランジ側の端部の座巻が前記第２の面と面接触する傾斜平面を有する
   ことを特徴とする密封構造。
2. 前記支持体は、前記フランジの前記第１の面に面接触する傾斜した支持面を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の密封構造。
3. 円筒形部分を有する棒体を前記棒体の軸線方向に往復運動可能に案内する円筒状のガイドと、
   前記ガイドが取り付けられる支持体と、
   前記ガイドの端部を覆う密封装置と、
   前記密封装置を前記支持体に押し付ける圧縮コイルスプリングを有し、
   前記密封装置は、弾性材料から形成された弾性環と、前記弾性環を補強するよう前記弾性環に固着され剛性材料から形成された剛性環を有し、
   前記弾性環は、前記棒体の外周面が摺動可能に接触するリップを有し、
   前記剛性環は、前記ガイドの端部の径方向外側に配置される円筒部と、前記円筒部の前記リップとは反対側の端部から径方向外側に広がるフランジを有し、
   前記フランジは、径方向外側ほど、前記円筒部の端部を含む前記円筒部の軸線に直交する平面から離れるように傾斜しており、前記支持体に接触する第１の面と、前記第１の面と反対側にあり前記圧縮コイルスプリングで押圧される第２の面を有しており、
   前記圧縮コイルスプリングは、前記円筒部の周囲に配置されており、
   前記支持体は、前記フランジの前記第１の面に面接触する傾斜した支持面を有する
   ことを特徴とする密封構造。

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