JP4958591B2 - 液体の蒸発式冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は，水等のような蒸発性を有する液体，つまり，冷熱用蒸発性液体を冷房箇所等のような負荷側に供給する場合に際し，前記冷熱用蒸発性液体を，その減圧での沸騰蒸発と，大気による冷却とを利用して，前記負荷側において必要とする所定温度に冷却するようにした冷却装置に関するものである。

先行技術としての特許文献１には，
「水等の冷熱用蒸発性液体を大気圧より低い減圧で沸騰蒸発する蒸発器と，この蒸発器にて発生した蒸気を水等の冷却用蒸発性液体にて凝縮する凝縮器と，冷房箇所等の負荷側に設置した冷熱用間接式熱交換器と，大気空気を冷却源とする冷却用熱交換器と，前記蒸発器における冷熱用蒸発性液体を前記冷熱用間接式熱交換器との間を循環する冷熱用循環手段と，前記凝縮器における冷却用蒸発性液体を前記冷却用熱交換器との間を循環する冷却用循環手段とを備え，更に，前記蒸発器から前記凝縮器への蒸気ダクト中にルーツ式圧縮機等の蒸気圧縮機を設けて成る蒸発式冷却装置。」
が記載されている。

この先行技術の蒸発式冷却装置においては，蒸発器における沸騰蒸発にて冷熱用蒸発性液体を，前記冷房箇所等の負荷側において必要とする所定温度に冷却し，この沸騰蒸発にて発生した蒸気を凝縮器に導いて，大気空気を冷却源とする冷却用蒸発性液体にて凝縮するというものであって，前記蒸発器で発生した蒸気を蒸気圧縮機にて圧縮して凝縮器に押し込むことにより，前記蒸発器と前記凝縮器との間に，前記蒸気圧縮機を使用しない場合よりも前記圧縮比の分だけ高い温度差を持たせることができるから，冷却源としての大気の温度が高い状態においても，負荷側に供給する冷媒用蒸発性液体の温度を，大気の温度よりも前記圧縮比に相当する温度差の分だけ低くすることができる。

例えば，前記蒸気圧縮機としてルーツ式圧縮機を使用した場合，蒸気の圧縮比を温度差で約１５℃程度にできることから，前記冷却用熱交換器の冷却源としての大気における温度が夏期等において，この大気にて冷却された後の冷却用蒸発性液体の温度，つまり，凝縮器に供給される冷却用蒸発性液体の温度が最高で３２〜３５℃になるとしても，負荷側に供給する蒸発性液体を，約１７〜２０℃の低い温度にまで確実に冷却することができる。
特開２００６−９７９８９号公報

前記先行技術の蒸発式冷却装置は，前記したように，大気を冷却源とするものであるが，大気の温度は，四季において相違し，大気の温度が低くなる冬季等においては，凝縮器側の温度が，前記冷房箇所等の負荷側に供給する冷媒用蒸発性液体の温度，つまり，冷媒用蒸発性液体の負荷側において必要とする所定温度よりも下がる場合があり，このように，凝縮器側の温度が負荷側において必要とする所定温度，つまり，蒸発器側の温度よりも低くなった状態においては，蒸発器で発生した蒸気を，前記蒸気圧縮機を使用することなく凝縮器に導いて凝縮することができる。

しかし，前記した先行技術の蒸発式冷却装置においては，その蒸気圧縮機における回転数をインバーターを使用して蒸発器側における温度が，負荷側において必要とする所定温度を維持するように自動制御している場合，及び，前記の自動制御を行わない場合のいずれの場合においても，前記蒸発器から凝縮器への蒸気圧縮機を常時運転するという構成にしているから，前記したように，冬季等において凝縮器側の温度が蒸発側における所定温度よりも低くなった状態においては，前記蒸気圧縮機が無駄に運転されることになり，この無駄な運転によりランニングコストが嵩むという問題があった。

このランニングコストの低減を図るには，凝縮器の温度が蒸発側の所定温度よりも低くなった場合に，前記蒸気圧縮機の運転を停止するように構成すれば良いが，この構成にした場合には，蒸発器から凝縮器への蒸気の流れが，前記蒸気圧縮機の運転停止によって殆ど閉ざされた状態になって，蒸発器での沸騰蒸発が止まることになるから，前記蒸発器での沸騰蒸発による冷熱用蒸発性液体の冷却を持続することができず，ひいては，冷熱用蒸発性液体の温度が，負荷側における熱負荷を受けて上昇し，負荷側に供給する冷熱用蒸発性液体における温度を，当該負荷側において必要とする所定温度に維持することができないという事態を招来する。

本発明は，これらの問題を解消した蒸発式冷却装置を提供することを技術的課題とするものである。

この技術的課題を達成するため請求項１は，
「冷熱用蒸発性液体を大気圧より低い減圧で沸騰蒸発する蒸発器と，この蒸発器にて発生した蒸気を冷却用蒸発性液体にて凝縮する凝縮器と，負荷側に設置した冷熱用間接式熱交換器と，大気空気を冷却源とする冷却用熱交換器と，前記蒸発器における冷熱用蒸発性液体を前記冷熱用間接式熱交換器との間を循環する冷熱用循環手段と，前記凝縮器における冷却用蒸発性液体を前記冷却用熱交換器との間を循環する冷却用循環手段とを備え，更に，前記蒸発器から前記凝縮器への蒸気ダクト中に蒸気圧縮機を設け成る蒸発式冷却装置において，
前記蒸気ダクトに，前記蒸気圧縮機を迂回するバイパス蒸気通路を設けて，このバイパス蒸気通路に開閉弁を設け，前記凝縮器側の温度が前記蒸発器側の温度よりも低くなったとき，前記蒸気圧縮機の運転を停止する一方，前記開閉弁を開くように構成した。」
ことを特徴としている。

請求項２は，
「前記請求項１の記載において，前記開閉弁が開いているときにおける開度を，前記凝縮器側の温度又は前記蒸発器側の温度に応じて，この温度が下がると小さく，この温度が上がると大きくするように制御する。」
ことを特徴としている。

請求項３は，
「前記請求項１の記載において，前記冷却用循環手段に，前記冷却用熱交換器を迂回するバイパス循環管路を設け，このバイパス循環管路に，前記凝縮器側の温度が前記蒸発器側の温度よりも低くなったとき開くようにした制御弁を設け，この制御弁が開いているときにおける開度を，凝縮器側の温度又は前記蒸発器側の温度に応じて，この温度が下がると大きく，この温度が上がると小さくするように制御する。」
ことを特徴としている。

前記請求項１に記載した構成において，冬季等において，大気の温度が低くなることで凝縮器側の温度が前記蒸発器側の温度よりも低い温度にまで下がったとき，前記蒸気圧縮機が運転停止することにより，温度が低い状態でのランニングコストの低減を達成することができる。

その一方で，前記蒸気圧縮機を迂回するバイパス蒸気通路中の開閉弁が開くことにより，前記蒸発器において発生した蒸気は前記バイパス蒸気通路を通って凝縮器に流れることになるから，前記蒸発器における沸騰蒸発が，前記蒸気圧縮機の運転停止で止まることを確実に防止でき，ひいては，前記蒸発器における沸騰蒸発による冷熱用蒸発性液体の冷却を持続できることにより，前記蒸発器から負荷側に供給する冷熱用蒸発性液体の温度が，前記蒸気圧縮機の運転停止で所定温度を越えて上昇することを確実に阻止できる。

次に，前記請求項１の記載を前提として請求項２に記載した構成にすることにより，凝縮器側の温度又は前記蒸発器側の温度が下がると，前記開閉弁の開度が小さくなって，蒸発器から凝縮器に流れる蒸気の流量が減少されるから，これにより低い側への温度低下を防止できる一方，凝縮器側の温度又は前記蒸発器側の温度が上がると，開閉弁の開度が大きくなって，蒸発器から凝縮器に流れる蒸気の流量が増加されるから，これにより高い側への温度上昇を防止できて，負荷側に供給する冷熱用蒸発性液体の温度を所定温度に維持することができる。

また，前記請求項１の記載を前提として請求項３に記載した構成にすることにより，前記開閉弁が開くと同時に，冷却用循環手段におけるバイパス循環管路における制御弁が開いて，前記凝縮器から冷却用熱交換器への冷却用蒸発性液体の一部が，バイパス循環管路を介して直接に前記凝縮器に戻り，前記凝縮器に戻る冷却用蒸発性液体の温度が上昇するから，前記凝縮器における凝縮性能は，前記バイパスする流量の分だけ低下するようになる。

そして，前記制御弁における開度は，凝縮器側の温度又は前記蒸発器側の温度が下がると大きくなることで，前記バイパス循環管路を介して直接に前記凝縮器に戻る冷却用蒸発性液体の温度が高くなり，前記凝縮器における凝縮性能が低下するから，これにより低い側への温度低下を防止できる一方，前記制御弁における開度は，凝縮器側の温度又は前記蒸発器側の温度が上昇すると小さくなることで，前記バイパス循環管路を介して直接前記凝縮器に戻る冷却用蒸発性液体の温度が低下し，前記凝縮器における凝縮性能が増加するから，これにより高い側への温度上昇を防止できて，負荷側に供給する冷熱用蒸発性液体の温度を所定温度に維持することができる。

以下，本発明の実施の形態を図面について説明する。

図１は，第１の実施の形態を示す。

この図１において，符号１は，密閉構造にした蒸発器を，符号２は，同じく密閉構造にした凝縮器を各々示し，凝縮器２には，当該凝縮器２及び前記蒸発器１内の両方を大気圧より低い減圧にするための真空ポンプ３等の真空発生装置が接続されている。

前記蒸発器１内に入れた水等の冷熱用蒸発性液体は，循環ポンプ４にて汲み出し冷熱用循環管路５を介して冷熱用間接式熱交換器６に送られたのち，冷熱用循環管路７を介して再び前記蒸発器１内の上部にノズル８から噴出するように戻るという循環を行うように構成されている。

また，前記凝縮器２内に入れた水等の冷却用蒸発性液体は，循環ポンプ９にて汲み出し冷却用循環管路１０を介して密閉型に構成した冷却用熱交換器１１に送られたのち，冷却用循環管路１２を介して再び前記凝縮器２内の上部にノズル１３から噴出するように戻るという循環を行うように構成されている。

この場合，前記冷熱用間接式熱交換器６は，室内における冷房箇所等のように，所定温度の冷熱用蒸発性液体を必要とする負荷側１４に設置されている。

一方，前記密閉型の冷却用熱交換器１１は，屋外に設置した通風塔１５内に密閉構造の伝熱管１１ａを設けて，この伝熱管１１ａの内部と前記凝縮器２との間を冷却用蒸発性液体が循環するように構成する一方，前記通風塔１５内において，前記伝熱管１１ａの外側を，ポンプ１６にて循環する水を散布することに加えて，フアン１７にて大気の空気を強制通風するように構成している。

なお，前記蒸発器１と前記凝縮器２の相互間は，その各々における水等の蒸発性液体が互いに往来するように，底部における連通路１８を介して接続されている。

また，前記蒸発器１の上部と前記凝縮器２の上部の間は，蒸気ダクト１９を介して接続され，この蒸気ダクト１９の途中には，前記蒸発器１内において発生した蒸気を前記凝縮器２に向かって圧縮する蒸気圧縮機における一つの例であるところのルーツ式圧縮機２０が設けられている。

このルーツ式圧縮機２０は，回転数を変更できるようにした電動モータ２１又は内燃機関等の動力源からの直接又はベルト等を介しての動力伝達にて回転するように駆動されている。

更に，前記蒸気ダクト１９には，前記ルーツ式圧縮機２０を迂回するバイパス蒸気通路２２が設けられ，このバイパス蒸気通路２２の途中には，開閉弁２３を設けている。

また，図１において，符号２４は，コントローラであり，このコントローラ２４は，前記蒸発器１又は前記冷熱用循環管路５，７に設けた温度センサー２５，及び前記凝縮器２又は冷却用循環管路１０，１２に設けた温度センサー２６を入力として，前記バイパス蒸気通路２２を，以下に述べるように開閉制御する構成である。

すなわち，先ず，前記コントローラ２４は，前記凝縮器２側の温度（凝縮器２内の温度又は冷却用蒸発性液体の温度）が，蒸発器側の温度（蒸発器内の温度又は冷熱用蒸発性液体の温度）以上である状態のときには，前記ルーツ式圧縮機２０における回転数を，前記凝縮器２側の温度又は蒸発器１側の温度に応じて，この温度が高くなると加速し，この温度が低くなると減速するように制御する。

次に，前記コントローラ２４は，前記凝縮器２側の温度が蒸発器１側の温度よりも低い状態になったときには，前記ルーツ式圧縮機２０の運転を停止する一方，前記開閉弁２３を開くように作動する。これに加えて，前記開閉弁２３が開いているときにおける開度を，前記凝縮器２側の温度又は前記蒸発器１側の温度に応じて，この温度が下がると小さく，この温度が上がると大きくするように制御する。

この構成において，前記凝縮器２側の温度が蒸発器１側の温度以上である状態のときには，ルーツ式圧縮機２０が運転され，バイパス蒸気通路２２における開閉弁２３が閉じていることにより，前記蒸発器１において冷熱用蒸発性液体の沸騰蒸発が行われ，この沸騰蒸発にて冷却された冷熱用蒸発性液体は，この蒸発器１から負荷側１４に冷熱として供給され，冷房等に使用されることで温度が高くなったのち前記蒸発器１に戻って沸騰蒸発にて冷却されることを繰り返す。

前記蒸発器１における沸騰蒸発にて発生した蒸気は，全て，ルーツ式圧縮機２０にて圧縮されたのち凝縮器２に送り込まれ，この凝縮器２において，当該凝縮器２と，大気の空気を冷却源とする冷却用熱交換器１１との間を循環する冷却用蒸発性液体によって冷却されて凝縮される。

この場合において，前記蒸発器１における冷熱用蒸発性液体の温度は，凝縮器２側の温度，ひいては，その冷却源としての大気温度の変化によって変動することに加えて，負荷１４側における熱負荷の増減によっても変動するが，前記ルーツ式圧縮機２０における回転数を，前記凝縮器２側の温度又は蒸発器１側の温度に応じて，この温度が高くなると加速し，この温度が低くなると減速するように制御するという構成にしていることにより，前記負荷１４に供給する冷熱用蒸発性液体の温度を，当該負荷１４において必要とする所定温度（例えば，冷房の場合には，２０℃）に維持できる。

そして，季節の変化等により，冬季等において，大気温度が低くなることで，前記凝縮器２側の温度が，蒸発器１側の温度よりも低くなる状態になった場合には，前記ルーツ式圧縮機２０が運転停止される一方，前記バイパス蒸気通路２２における開閉弁２３が開いて，前記蒸発器１において発生した蒸気は，前記バイパス蒸気通路２２を通って凝縮器２側に流れることになるから，前記蒸発器１における沸騰蒸発が，前記ルーツ式圧縮機２０の運転停止で止まることを確実に防止でき，ひいては，前記蒸発器１における沸騰蒸発による冷熱用蒸発性液体の冷却を持続できることにより，前記蒸発器１から負荷１４側に供給する冷熱用蒸発性液体の温度が，前記ルーツ式圧縮機２０の運転停止で所定温度を越えて上昇することを確実に阻止できる（このような運転状態を，ルーツ式圧縮機２０を運転停止することで，フリークーニングと称する）。

この場合（フリークーニング）においても，前記蒸発器１における冷熱用蒸発性液体の温度は，凝縮器２側の温度，ひいては，その冷却源としての大気温度の変化によって変動することに加えて，負荷１４側における熱負荷の増減によっても変動するが，前記開閉弁２３が開いているときにおける開度を，前記凝縮器２側の温度又は前記蒸発器１側の温度に応じて，この温度が下がると小さく，この温度が上がると大きくするように制御するという構成にしていることにより，前記負荷１４に供給する冷熱用蒸発性液体の温度を，当該負荷１４において必要とする所定温度（例えば，冷房の場合には，２０℃）に維持できる。

なお，前記ルーツ式圧縮機２０を運転し且つ前記開閉弁２３を閉じている状態から，前記ルーツ式圧縮機２０を運転停止して前記開閉弁２３を開くに切り換えるときにおける温度は，前記蒸発器１における蒸気のバイパス蒸気通路２２を通って凝縮器２への流れを確保するために，前記凝縮器２側の温度が蒸発器１側の温度よりも約５℃以上に低い温度に設定することが好ましく，例えば，負荷１４において必要とする所定温度が２０℃である場合には，前記凝縮器２側の温度が，１５℃以下に下がったときに，前記ルーツ式圧縮機２０を運転停止して前記開閉弁２３を開くに切り換えるように構成する。

次に，図２は，第２の実施の形態を示す。

この第２の実施の形態は，前記第１の実施の形態のように開閉弁２３が開いているときにおける開度を凝縮器２側の温度又は前記蒸発器１側の温度に応じて制御するという構成にすることに代えて，前記凝縮器２と前記密閉型の冷却用熱交換器１１とを接続する冷却用循環管路１０，１２に，前記冷却用熱交換器１１を迂回するバイパス循環管路２７を設け，このバイパス循環管路２７に制御弁２８を設け，この制御弁２８及び前記開閉弁２３を，前記コントローラ２４によって，前記凝縮器２側の温度が前記蒸発器１側の温度よりも低くなったとき開くように制御することに加えて，前記制御弁２８が開いているときにおける開度を，凝縮器２側の温度又は前記蒸発器１側の温度に応じて，この温度が下がると大きく，この温度が上がると小さくするように制御するよう構成したものであり，その他の構成は，前記第１の実施の形態の場合と同様である。

この構成によると，季節の変化等により，冬季等において，大気温度が低くなることで，前記凝縮器２側の温度が，蒸発器１側の温度よりも低くなる状態になった場合に，前記開閉弁２３が開くと同時に，バイパス循環管路２７における制御弁２８が開いて，前記凝縮器２から冷却用熱交換器１１への冷却用蒸発性液体の一部が，前記バイパス循環管路２７を介して直接に前記凝縮器２に戻り，前記凝縮器２に戻る冷却用蒸発性液体の温度が上昇するから，前記凝縮器２における凝縮性能は，前記バイパスする流量の分だけ低下する。

そして，前記制御弁２８における開度は，凝縮器２側の温度又は前記蒸発器１側の温度が下がると大きくなることで，前記バイパス循環管路２７を介して直接に前記凝縮器２に戻る冷却用蒸発性液体の温度が高くなり，前記凝縮器２における凝縮性能が低下するから，これにより低い側への温度低下を防止できる一方，前記制御弁２８における開度は，凝縮器２側の温度又は前記蒸発器１側の温度が上昇すると小さくなることで，前記バイパス循環管路２７を介して直接に前記凝縮器に戻る冷却用蒸発性液体の温度が低下し，前記凝縮器２における凝縮性能が増加するから，これにより高い側への温度上昇を防止できて，負荷１４側に供給する冷熱用蒸発性液体の温度を所定温度に維持することができる。

次に，図３は，第３の実施の形態を示す。

前記第１の実施の形態及び第２の実施の形態は，前記凝縮器２に対する冷却用蒸発性液体を前記密閉型の冷却用熱交換器１１にて冷却する場合であったが，この第３の実施の形態は，前記冷却用蒸発性液体の冷却に，開放型の冷却用熱交換器１１′を使用した場合であり，その他の構成は，前記第１の実施の形態又は前記第２の実施の形態の場合と同様である。

すなわち，この第３の実施の形態における開放型の冷却用熱交換器１１′は，二次側冷却用液体を入れた流体室２９内に伝熱管１１ｂを設けて，この伝熱管１１ｂの内部と前記凝縮器２との間を，前記凝縮器２に対する冷却用蒸発性液体が循環するようにして，前記流体室２９内において，前記凝縮器２に対する冷却用蒸発性液体と，前記流体室３４内に入れた二次側冷却用液体との間で間接的な熱交換を行うように構成する一方，フアン３１による強制通風の通風塔３０内に，ラシヒリング等の充填層３２を設け，この通風塔３０の底に溜まる前記二次側冷却用液体を循環ポンプ３３にて汲み出して，前記流体室２９内に供給し，次いで，この流体室２９内における二次側冷却用液体を前記通風塔３０内における充填層３２に対してノズル３４にて散布して，この充填層３２を流下するという循環を行うことにより，前記二次側冷却用液体を，前記通風塔３０内における大気空気との直接接触にて冷却し，この冷却した二次側冷却用液体により，前記凝縮器２と前記伝熱管１１ｂ内との間を循環する冷却用蒸発性液体の冷却を行うように構成したものである。

この第３の実施の形態においては，前記凝縮器２内を大気圧よりも低い減圧に保った状態のもとで，「開放型の冷却用熱交換器１１′」を使用することができる。また，前記二次側冷却用液体として，不凍液を使用することにより，大気温度が氷点以下に下がった場合において，前記凝縮器２と冷却用熱交換器１１″との間を循環する冷却用蒸発性液体に凍結が発生することを確実に回避できる。

前記請求項１のうち「大気空気を冷却源とする冷却用熱交換器」には，前記第１及び第２の実施の形態において説明した「密閉型の冷却用熱交換器１１」は勿論のこと，前記第３の実施の形態において説明した「開放型の冷却用熱交換器１１′」を当然に含むものである。

そして，前記した第３の実施の形態においても，前記第１の実施の形態又は前記第２の実施の形態と同様に，蒸気ダクト１９のバイパス蒸気通路２２における開閉弁２３の温度制御を行うように構成するか，或いは，冷却用循環管路１０，１２のバイパス循環管路２７における制御弁２８の温度制御を行うように構成しても良いことは勿論である。

また，前記各実施の形態において，冷熱用蒸発性液体及び冷却用蒸発性液体としては，前記各実施の形態として説明した水か，又は各種の水溶液に限らず，アルコール等のようなその他の蒸発性液体を使用することができるほか，これら水等の蒸発性液体に不凍結剤，防蝕剤，防錆剤又は防スケール剤を適宜添加しても良いことはいうまでもない。

更にまた，蒸気圧縮機としては，前記各実施の形態で説明したルーツ式圧縮機に限らず，可変翼式圧縮機又はねじ式圧縮機等の回転型圧縮機を使用することができるほか，圧縮比が低くても良い場合には，遠心式（ブロワー）圧縮機を使用できる。

本発明の第１の実施の形態を示す図である。 本発明の第２の実施の形態を示す図である。 本発明の第３の実施の形態を示す図である。

符号の説明

１ 蒸発器
２ 凝縮器
３ 真空ポンプ
５，７ 冷熱用循環管路
６ 冷熱用間接式熱交換器
１０，１２ 冷却用循環管路
１１，１１′ 冷却用熱交換器
１４ 負荷側
１５，３０ 通風塔
１９ 蒸気ダクト
２０ ルーツ式圧縮機（蒸気圧縮機）
２２ バイパス蒸気通路
２３ 開閉弁
２４ コントローラ
２５，２６ 温度センサー
２７ バイパス循環管路
２８ 制御弁
２９ 流体室

Claims (3)

1. 冷熱用蒸発性液体を大気圧より低い減圧で沸騰蒸発する蒸発器と，この蒸発器にて発生した蒸気を冷却用蒸発性液体にて凝縮する凝縮器と，負荷側に設置した冷熱用間接式熱交換器と，大気空気を冷却源とする冷却用熱交換器と，前記蒸発器における冷熱用蒸発性液体を前記冷熱用間接式熱交換器との間を循環する冷熱用循環手段と，前記凝縮器における冷却用蒸発性液体を前記冷却用熱交換器との間を循環する冷却用循環手段とを備え，更に，前記蒸発器から前記凝縮器への蒸気ダクト中に蒸気圧縮機を設けて成る蒸発式冷却装置において，
   前記蒸気ダクトに，前記蒸気圧縮機を迂回するバイパス蒸気通路を設けて，このバイパス蒸気通路に開閉弁を設け，前記凝縮器側の温度が前記蒸発器側の温度よりも低くなったとき，前記蒸気圧縮機の運転を停止する一方，前記開閉弁を開くように構成したことを特徴とする液体の蒸発式冷却装置。
2. 前記請求項１の記載において，前記開閉弁が開いているときにおける開度を，前記凝縮器側の温度又は前記蒸発器側の温度に応じて，この温度が下がると小さく，この温度が上がると大きくするように制御することを特徴とする液体の蒸発式冷却装置。
3. 前記請求項１の記載において，前記冷却用循環手段に，前記冷却用熱交換器を迂回するバイパス循環管路を設け，このバイパス循環管路に，前記凝縮器側の温度が前記蒸発器側の温度よりも低くなったとき開くようにした制御弁を設け，この制御弁が開いているときにおける開度を，凝縮器側の温度又は前記蒸発器側の温度に応じて，この温度が下がると大きく，この温度が上がると小さくするように制御することを特徴とする液体の蒸発式冷却装置。

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