JP6490033B2 - 燃料供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料タンク内の燃料をエンジンへ圧送する燃料供給装置に関する。

燃料供給装置には、ポンプを駆動制御するための制御回路が搭載されているが、電子部品の発熱により、高温になると電気特性が低下するため、制御回路を冷却するための機構が必要となる。一方、燃料タンク内の燃料は、制御回路の発熱に対しては冷媒として使用することが可能である。そこで、制御回路に取り付けた放熱板の一端を燃料タンク内の燃料中に浸漬する燃料供給装置（例えば、特許文献１参照。）が提案されている。また、圧送する際の余剰な燃料を燃料タンクに戻すための流路（リターン流路）を形成する部材に制御部を取り付ける燃料供給装置（例えば、特許文献２参照。）が提案されている。

特開２００７−２８５２６７号公報（段落００３０〜００３９、図１、図３） 特開２００９−２２８４６６号公報（段落００１３〜００２４、図１〜図３）

しかしながら、放熱板を燃料中に浸漬する構成では、燃料タンク内の燃料の貯留量によって放熱板が燃料と接する面積が変化するため、放熱特性が変化する。また、リターン流路の部材に制御部を取り付ける構成でも、エンジンでの燃料消費量に応じてリターン流路に流れる燃料の流量が変化するため、放熱特性が変化する。そのため、制御回路の温度が所定以上に上昇して、回路部品が破壊され、ポンプの駆動が不能となって、安定したエンジンへの燃料圧送ができなくなる。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、信頼性の高い燃料供給装置を得ることを目的とする。

本発明の燃料供給装置は、燃料タンクに貯留された燃料を吸い上げ、加圧して吐出する燃料ポンプ、
前記燃料ポンプが吐出した燃料をエンジンに向けて送出するために吐出方向に伸びる燃料流路と、前記燃料流路から分岐し、前記エンジンで消費されなかった余剰燃料を前記燃料流路から前記燃料タンクに戻すためのリターン流路とが形成されている配管部材、
前記燃料ポンプの駆動を制御するための制御回路を有し前記制御回路の放熱面が前記燃料流路を形成する部分に密着して配置された制御基板、を備え、
前記放熱面に対応した部分の前記燃料流路の断面は、前記放熱面よりも幅の広い、均一な扁平形状をなして形成されていることにより、前記燃料の流速が一定となることを特徴とする。

本発明の燃料供給装置によれば、放熱面に対応した部分の燃料流路は流速が変化することなく一定であり、面内をむらなく冷却することができる。

本発明の実施の形態１にかかる燃料供給装置の構成を説明するための、制御基板と燃料の流れとの関係を示すフロー模式図である。 本発明の実施の形態１にかかる燃料供給装置の全体構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１にかかる燃料供給装置の構成を説明するための、筐体内の燃料流路と制御基板が近接する部分を示す垂直方向及び水平方向の断面模式図である。 本発明の実施の形態１にかかる燃料供給装置の制御基板の電子部品配置と燃料流路の分岐点の位置関係を示す模式図である。

実施の形態１．
図１〜図４は、本発明の実施の形態１にかかる燃料供給装置の構成について説明するためのもので、図１は本発明の特徴的部分である冷却対象としての制御基板と冷媒としての燃料の流れとの関係を示すフロー模式図、図２は燃料供給装置の全体構成を示す斜視図、図３は配管部材として機能する筐体内の燃料流路と制御基板が近接する部分を示す垂直方向及び水平方向の断面模式図で、図３（ａ）は図２のＡ−Ａ線による断面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ線による断面図である。また、図４は燃料供給装置の制御基板の電子部品配置と燃料流路の分岐点の位置関係を示す模式図である。

本発明の実施の形態１にかかる燃料供給装置１の特徴は、図１に示すように、燃料ポンプ４から吐出された燃料を冷媒として、燃料ポンプを駆動する制御基板８を冷却するための流路構成にある。しかし、その詳細な説明の前に、燃料供給装置１としての基本構成について説明する。

本発明の実施の形態１にかかる燃料供給装置１は、車両用の燃料タンク２００の内部に配置され、燃料タンク２００内の燃料３００を吸い上げて加圧し、タンク外にあるエンジン１００に供給するための、いわゆるインタンク式の燃料供給装置である。具体的には、少なくとも入口部分が燃料３００中に浸漬され、燃料３００中の異物を取り除くためのサクションフィルタ６と、サクションフィルタ６の出口部分に接続され、異物を取り除かれた燃料３００を吸い上げて圧送する燃料ポンプ４と、燃料ポンプ４を駆動制御する制御基板８と、燃料ポンプ４の吐出側に接続され、燃料ポンプ４が吐出した燃料３００のうち、エンジン１００で消費しきれなかった余剰な燃料３００を、背圧を保ちながら燃料タンク２００に排出するプレッシャレギュレータ５と、を備えている。

なお、制御基板８を収納するとともに、燃料流路中を流れる燃料３００内に制御基板８で発生した熱を逃がす放熱経路を形成する制御ユニット７については、後ほど詳しく説明するとして、装置の筐体となる部材について説明する。

燃料供給装置１の筐体となる部材は、大きく分けて２つであり、ひとつは、図２に示すように、燃料タンク２００の上部に設けられた図示しない開口を塞ぐ蓋となる円盤状の天板部２ｔと、天板部２ｔの径方向の中間部分から下方に延びる側壁部２ｆとを有する樹脂製の蓋部材２である。そして、もうひとつは、燃料ポンプ４とプレッシャレギュレータ５を水平方向に離した状態でそれぞれを個別に覆うとともに、燃料ポンプ４を覆う部分を蓋部材２に接合することにより、燃料ポンプ４を燃料タンク２００内の所定位置に固定するポンプケース３である。

そして、蓋部材２には、図３に示すように、内部に制御基板８を収納するとともに、燃料流路（主流路Ｆｓ、リターン流路Ｆｒ、吐出流路Ｆｍ）を形成する制御ユニット７が接合されている。制御ユニット７のうち、コネクタ７ｓやエンジン１００への吐出配管７ｅは、天板部２ｔのタンク外に位置する部分から露出している。また、燃料タンク２００の内側においては、継手部９により、制御ユニット７のリターン流路Ｆｒとプレッシャレギュレータ５とが接続されている。さらに、燃料ポンプ４の上流側に接続されるサクションフィルタ６は、ポンプケース３の下方に配置される。

上述した筐体（蓋部材２、ポンプケース３）のほか、制御ユニット７および継手部９は、アセタール樹脂（ＰＯＭ：Poly Oxy Methylene）のような熱可塑性樹脂を用い、射出成形により形成したものである。

燃料ポンプ４の内部には、電動モータと、電動モータと同軸上に直結されたインペラと、インペラを軸方向の両側から挟み込み、それぞれＣ型の流路が形成されたポンプケースが組み込まれている。インペラの両側のＣ型流路のうち、一方の流路には回転方向の始点側に外側に連通する第一の連通孔が形成され、他方の流路には回転方向の終点側に外側に連通する連通孔が形成され、第一の連通孔がサクションフィルタ６に接続されている。そのため、インペラを回転させることにより、流路内の流体に運動エネルギーが与えられ、サクションフィルタ６を介して燃料３００を吸入し、昇圧した状態で吐出することができる。ここで、燃料ポンプ４に内蔵される電動モータはブラシレスモータであり、制御基板８からの駆動電流により、回転子の磁極に合わせて転流制御が行われることで、所望の回転制御を行うことができる。

制御基板８は、図４に示すように、ガラス・エポキシのプリント基板８１に外部との電気接続を行うための電極８３等の導電パターンが形成されるとともに、コンデンサなどの電子部品８２がはんだ付により表面実装されている。制御基板８は、図示しないＥＣＵ（Engine Control Unit）から入力される信号に基づいて、燃料ポンプ４に供給する電力を制御する。また、制御基板８には、図示しない液面検出器が出力する検出信号を処理し、処理した信号をＥＣＵに出力する。このとき回路を流れる電流によって、電子部品８２の中でも、パワー部品であるＩＣ８２ｐ（Integrated Circuit：集積回路）の発熱により、温度が上昇する。温度が所定以上に上昇すると、ＩＣ８２ｐの、とくに、内部のスイッチング素子であるトランジスタが破壊され、燃料ポンプ４へ電力を出力することができなくなり、燃料３００の吐出が不能となる。そのため、制御基板８からの出力を安定させるために、ＩＣ８２ｐの温度を所定以下に保つための冷却構造（放熱経路）が必要となる。

そこで、本発明の実施の形態１にかかる燃料供給装置１においては、制御ユニット７に、燃料流路と放熱経路および電気経路を形成するため、以下のように構成した。制御ユニット７は、図３に示すように、主部材７ａ、挿入部材７ｂ、カバー部材７ｃをそれぞれ別々に射出成形した後に、組み合わせるようにした。

主部材７ａには、コネクタ７ｓやエンジン１００への吐出配管７ｅ、燃料流路を形成するために挿入部材７ｂを挿入するための流路空間Ｓｆ、および制御基板８を設置するための設置空間Ｓｓを設けるようにしている。流路空間Ｓｆと設置空間Ｓｓとを仕切る仕切壁７ａｆは、制御基板８を設置する領域が一定厚みの平板状に形成されている。そして、制御基板８の電極８３と接合するための端子７ｔｘと端子７ｔｉ（燃料ポンプ４向け）をインサートするようにして、射出成形により形成している。端子７ｔｘは、上述したＥＣＵと電気接続するための端子で、一端がタンク外に位置するコネクタ７ｓの内部で露出し、他端が設置空間Ｓｓ内の図中ｚ方向の正側の端部で露出している。端子７ｔｉは、燃料ポンプ４と電気接続するための端子で、一端がタンク内の燃料ポンプ４に向かって突出して図示しないリード線等で燃料ポンプ４と接続され、他端が設置空間Ｓｓ内の図中ｚ方向の負側の端部で露出している。

挿入部材７ｂは、主部材７ａの流路空間Ｓｆの図中ｚ方向の負側の開口から挿入することで、流路空間Ｓｆを、仕切壁７ａｆに接し図中ｚ方向の正側に向かう主流路Ｆｓと、挿入部材７ｂ内で図中ｚ方向の負側に向かうリターン流路Ｆｒに分離する。このとき、流路空間Ｓｆの図中ｚ方向の正側の端部は、吐出配管７ｅに形成され、図中ｙ方向に向かう吐出流路Ｆｍに連通している。主流路Ｆｓの上流側、つまり図中ｚ方向の負側の端部は、燃料ポンプ４の吐出口に接続されており、リターン流路Ｆｒの下流側、つまり、図中ｚ方向の負側の端部は、継手部９に接続されている。

主流路Ｆｓの流れ方向に略垂直な断面形状は、図３（ｂ）に示すように、制御基板８の放熱面のエリアに対応する部分が、均一な幅の扁平形状をなしており、少なくとも仕切壁７ａｆに対向する側は平坦になっている。そして、主流路Ｆｓからリターン流路Ｆｒと吐出流路Ｆｍに分岐する分岐点Ｐｓ（図１）が、図４に示すように、制御基板８のある位置Ｐｓ２より下流側に位置するように設定している。なお、主流路Ｆｓとリターン流路Ｆｒの各部材との接続部分におけるシール処理等については、Ｏリング等の一般的なシール部材を用いて行っており、詳細については記載を省略する。

制御基板８は、設置空間Ｓｓに対し、制御基板８の電子部品８２が実装された回路面の裏側にあたる放熱面が仕切壁７ａｆに対向するようにして設置する。このとき、放熱面に形成された電極８３（図４で示す部分の裏側）を端子７ｔｉと端子７ｔｘにはんだ付けすることで、ＥＣＵや燃料ポンプ４との電気接続が可能となるとともに、機械的に設置空間Ｓｓ内に固定される。このとき、放熱面と仕切壁７ａｆとの間には、一定間隔のギャップが形成されるが、この状態で、ポッティングにより、制御基板８をウレタン樹脂の封止体７ｐにより覆う。これにより、回路面や放熱面が覆われ、とくに放熱面と仕切壁７ａｆとのギャップが隙間なく充填される。なお、ポッティングは、カバー部材７ｃを被せた後、設置空間Ｓｓ全体を充填するように行っている。また、仕切壁７ａｆには、回路面を対向させるようにしても、つまり、回路面側から放熱させるようにしてもよい。

つぎに、図１〜図４を用いて動作について説明する。
燃料供給装置１を稼働させると、図示しないＥＣＵからの指令を受け、燃料ポンプ４を駆動するための電力が制御基板８から出力される。すると、燃料ポンプ４は、サクションフィルタ６を介して燃料タンク２００内に貯留された燃料３００を吸い上げ、加圧して送出する。燃料ポンプ４から送出された燃料３００は、主流路Ｆｓを流れ、吐出配管７ｅ内に形成された吐出流路Ｆｍを経由して、エンジン１００に向けて吐出される。一方、燃料ポンプ４から送出される燃料３００の流量は、エンジン１００で消費される燃料３００の流量よりも多くなるように設定されているが、プレッシャレギュレータ５を経て燃料タンク２００に戻るようにリターン流路Ｆｒに流出する。これにより、燃料ポンプ４の送出量をエンジンの消費量に追随させることなく、エンジン１００に必要な量の燃料３００を一定圧で供給することが可能になる。

このとき、制御基板８のパワー部品であるＩＣ８２ｐの発熱により、制御基板８の温度が上昇する。しかし、上述したように、放熱面から主流路Ｆｓを流れる燃料３００までの間には、放熱面のほぼ全面に亘って、隙間が無く、伝熱距離となる厚みが均一な樹脂の層（封止体７ｐおよび仕切壁７ａｆ）を介した放熱経路が形成されている。また、放熱面を主流路Ｆｓに投影させた領域においては、ｙ軸方向の位置によって流速が変化することなく一定である。つまり、放熱面から主流路Ｆｓ中を流れる燃料３００の間に、放熱面のエリアに亘って熱伝達係数が均一な放熱経路Ｈｆ（図１）が形成されており、面内をむらなく冷却することができる。なお、本実施の形態１にかかる燃料供給装置１においては、放熱経路Ｈｆに対応する封止体７ｐの厚みは１ｍｍ、仕切壁７ａｆの厚みは１．５ｍｍである。

ここで、燃料３００は、上述したように、主流路Ｆｓから吐出流路Ｆｍとリターン流路Ｆｒに分岐して流れる。例えば、車両のエンジン最大要求流量が４０Ｌ／ｈ、アイドリング時のエンジン１００の燃料消費流量が５Ｌ／ｈとすると、吐出流路Ｆｍを流れる流量は最大で３５Ｌ／ｈ変動し、それに伴いリターン流路Ｆｒに流れる流量も同様に変動する。しかし、本実施の形態にかかる燃料供給装置１のように、分岐点Ｐｓを制御基板８のある位置Ｐｓ２より下流側に位置するようにすれば、燃料ポンプ４から吐出される流量が一定である限りにおいて、主流路Ｆｓに流れる流量は変化しない。つまり、制御基板８を冷却するための冷媒流量が一定になり、冷却能力が変動しないので、安定した燃料圧送が行える。

なお、上記実施の形態においては、分岐点Ｐｓを制御基板８の放熱面のある流れ方向における下流端の位置Ｐｓ２より下流に位置させる例を示したが、これにこだわる必要はない。例えば、分岐点Ｐｓを少なくとも発熱源であるＩＣ８２ｐのようなパワー部品の流れ方向における下流端Ｐｓ１（図４）より下流に位置させるようにしてもよい。また、同様に、ｙ軸方向におけるエリアについても、少なくともパワー部品が存在する範囲において、均一な伝熱距離を形成するように、仕切壁７ａｆ（主流路Ｆｓの平坦部）を設けても、安定な冷却性能により、燃料圧送特性を安定させることができる。一方、制御基板８の放熱面側にヒートスプレッダを設けた場合のように、面内方向での伝熱性能が高い基板を用いる場合は、放熱面全体に放熱経路Ｈｆを形成するようにした方が望ましい。

変形例．
上記実施の形態１においては、一体成型した制御ユニットの設置面に制御基板を搭載した後にポッティングにより封止する例を示したが、これに限ることはない。例えば、本変形例にかかる燃料供給装置においては、制御基板と一体で制御ユニットを形成するようにした。

具体的には、制御基板８に、実施の形態１で説明した端子７ｔｘと７ｔｉに対応する端子を接合した後、少なくとも回路面を保護するために、一次封止をする。このとき一次封止を行う封止体７ｐには、次の成形工程において、変形等に耐えるため、エポキシ樹脂のような熱硬化性樹脂を用いる。封止体７ｐによりパッケージ化された制御基板８を実施の形態１で示したような制御ユニット７（の主部材７ａ）にインサート成形する。

この場合においても、実施の形態１と同様に、分岐点Ｐｓの位置を制御基板８、あるいは少なくともパワー部品が存在するエリアより下流にすることで、安定した冷却性能を有することができる。また、主流路Ｆｓに平坦部を設け、放熱面と主流路Ｆｓまでの放熱経路を実施の形態１のように均一な厚みの層にすることで、さらに、制御基板８の面内における温度分布も均一化することが可能になる。

また、上記実施の形態１において、燃料ポンプ４に内蔵されるモータはブラシレスモータであり、制御基板８に形成された駆動回路が転流制御を行うことによって、モータの駆動を制御している。しかし、これに限ることはなく、モータがブラシ付モータであり、ブラシ付きモータの駆動に必要な制御回路を設けた制御基板を用いる場合にも制御基板を安定的に冷却し、燃料圧送特性を安定させることができる。

なお、上記実施の形態や変形例においては、冷却性能の安定という観点からは、放熱面のうち、実質的に放熱可能な領域が、分岐点Ｐｓよりも上流側の部分に密着しておればよい。つまり、少なくとも放熱面（回路面を放熱面として使用する場合も含む）が、分岐点Ｐｓよりも上流側の部分に密着しておればよい。

このように、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で他の種々の実施形態に適用可能である。例えば、成形に用いる樹脂もＰＯＭに限らず、ＰＰＳ（Poly Phenylene Sulfide）のような他の樹脂でもよく、ポッティングや一次封止に用いる樹脂も種々変更が可能である。また、燃料供給装置１自体も燃料タンクの天面につけるものでも底面につけるものでもよく、インタンク式に限らず、インライン式でもよい。

以上のように、本発明の実施の形態１および変形例にかかる燃料供給装置１によれば、燃料タンク２００に貯留された燃料３００を吸い上げ、加圧して吐出する燃料ポンプ４と、燃料ポンプ４の駆動を制御するための制御回路が形成された制御基板８と、燃料ポンプ４が吐出した燃料３００をエンジン１００に向けて送出するための燃料流路（主流路Ｆｓ、吐出流路Ｆｍ）と、燃料流路（主流路Ｆｓ、吐出流路Ｆｍ）から分岐し、エンジン１００で消費されなかった余剰燃料を燃料流路（主流路Ｆｓ、吐出流路Ｆｍ）から燃料タンク２００に戻すためのリターン流路Ｆｒと、を形成する配管部材として機能する制御ユニット７と、を備え、制御基板８の放熱面が、配管部材（制御ユニット７）のうち、燃料流路（主流路Ｆｓ、吐出流路Ｆｍ）における燃料ポンプ４からリターン流路Ｆｒへの分岐点Ｐｓに至るまでの区間（主流路Ｆｓ）を形成する部分（仕切壁７ａｆ）と密着しているように構成したので、制御基板８（特にパワー部品であるＩＣ８２ｐ）を冷却するための冷媒として機能する燃料３００の流量をエンジンでの消費量の変動に左右されず、一定に保つことができる。そのため、冷却能力が変動しないので、電子部品８２の破壊を防ぎ、安定して燃料ポンプ４を駆動させ、信頼性の高い燃料供給装置１を得ることができる。

とくに、制御基板８の放熱面のうち、制御回路を構成するパワー部品（ＩＣ８２ｐ）が搭載された領域（例えば、Ｐｓ１よりも上流側）が、配管部材（制御ユニット７）のうち、燃料流路（主流路Ｆｓ、吐出流路Ｆｍ）における燃料ポンプ４からリターン流路Ｆｒへの分岐点Ｐｓに至るまでの区間（主流路Ｆｓ）を形成する部分（仕切壁７ａｆ）と密着しているように構成したので、より効率的に冷却することができる。

また、制御基板８のパワー部品（ＩＣ８２ｐ）が搭載された領域と燃料流路（主流路Ｆｓ）の内壁との間隔が一定になるよう、配管部材（制御ユニット７）の制御基板８と密着する部分（仕切壁７ａｆ）が平坦に形成されているように構成すれば、放熱面と主流路Ｆｓまでの放熱経路を均一な厚みの層にすることができ、制御基板８の面内における温度分布も均一化することが可能になる。

燃料ポンプ４は駆動源としてブラシレスＤＣモータを搭載し、パワー部品（ＩＣ８２ｐ）は、ブラシレスＤＣモータの回転子の磁極に合わせて転流制御を行う部品であるので燃料ポンプ４の回転駆動をより安定させることができる。

また、制御基板８を封止する封止体７ｐが、配管部材（制御ユニット７）と制御基板８との間に充填されているので、空隙等を抑え、伝熱係数が安定した伝熱経路を形成することができる。

あるいは、変形例のように配管部材（制御ユニット７）のうちの少なくとも一部（主部材７ａ）は、制御基板８を内包する樹脂による一体成型体であるので、組立が容易になる。

その際、封止体７ｐはエポキシ樹脂のような熱硬化性樹脂により構成され、配管部材（主部材７ａ）を構成する樹脂は、ＰＯＭやＰＰＳのような熱可塑性樹脂であれば、制御基板８を構成する電子部品８２を痛めることなく、容易に一体成型が可能になる。

１：燃料供給装置、 ４：燃料ポンプ、 ５：プレッシャレギュレータ、
７：制御ユニット（配管部材）、
７ａ：主部材、 ７ａｆ：仕切壁、 ７ｐ：封止体、
８：制御基板、 ９：継手部（配管部材）、
８２：電子部品、 ８２ｐ：ＩＣ（パワー部品）、
２００：燃料タンク、 ３００：燃料、
Ｈｆ：放熱経路、 Ｆｓ：主流路（燃料流路）、Ｆｍ：吐出流路（燃料流路）、 Ｆｒ：リターン流路、 Ｐｓ：分岐点。

Claims (7)

1. 燃料タンクに貯留された燃料を吸い上げ、加圧して吐出する燃料ポンプ、
   前記燃料ポンプが吐出した燃料をエンジンに向けて送出するために吐出方向に伸びる燃料流路と、前記燃料流路から分岐し、前記エンジンで消費されなかった余剰燃料を前記燃料流路から前記燃料タンクに戻すためのリターン流路とが形成されている配管部材、
   前記燃料ポンプの駆動を制御するための制御回路を有し前記制御回路の放熱面が前記燃料流路を形成する部分に密着して配置された制御基板、
   を備え、
   前記放熱面に対応した部分の前記燃料流路の断面は、前記放熱面よりも幅の広い、均一な扁平形状をなして形成されていることにより、前記燃料の流速が一定となることを特徴とする燃料供給装置。
2. 前記放熱面のうち、前記制御回路を構成するパワー部品が搭載された領域が、前記燃料流路を形成する部分に密着していることを特徴とする請求項１に記載の燃料供給装置。
3. 前記制御基板の前記燃料流路を形成する部分と密着している領域と前記燃料流路の内壁との間隔が一定になるよう、密着する部分が平坦に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料供給装置。
4. 前記燃料ポンプは駆動源としてブラシレスＤＣモータを搭載し、
   前記制御基板を構成するパワー部品として、前記ブラシレスＤＣモータの回転子の磁極に合わせて転流制御を行う部品が搭載されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料供給装置。
5. 前記制御基板を封止する封止体が、前記燃料流路を形成する部分と前記制御基板との間に充填されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料供給装置。
6. 前記配管部材は、一体成形体である主部材の流路空間に挿入部材を挿入して形成されており、前記挿入部材は前記リターン流路を、前記流路空間の前記挿入部材以外の空間は前記燃料流路を形成しており、さらに前記主部材に前記制御基板を樹脂で内包していることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料供給装置。
7. 前記封止体は熱硬化性樹脂により構成され、
   前記配管部材を構成する樹脂は、熱可塑性樹脂であることを特徴とする請求項５に記載の燃料供給装置。

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