JP5145465B1 - Underground heat exchange system - Google Patents
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Abstract
【課題】限られた土地を有効に活用して、地中熱交換を行うことができる地中熱交換システムを提供する。
【解決手段】所定の透水性を有し、地中熱熱交換ユニット120が埋設される熱交換器設置溝150を建屋の下に配置して、外部から熱交換器設置溝150に水を供給する水供給手段300を設けて、熱交換効率を高める。
【選択図】図1An underground heat exchange system capable of exchanging underground heat by effectively utilizing limited land is provided.
A heat exchanger installation groove 150 having a predetermined water permeability and in which the underground heat exchange unit 120 is embedded is arranged under the building, and water is supplied to the heat exchanger installation groove 150 from the outside. Water supply means 300 is provided to increase heat exchange efficiency.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、地中熱と熱交換させた熱媒体をヒートポンプサイクルに利用する地中熱交換システムに関し、さらに詳しく言えば、限られた土地を有効に利用して、地中熱交換を行うことができる地中熱交換システムに関する。
The present invention is a heat medium ground heat and is heat exchanged relates geothermal heat exchanger system that utilizes the heat pump cycle and, more particularly, by effectively utilizing the limited land, performing the underground heat exchanger The present invention relates to an underground heat exchange system that can
例えば、特許文献1に記載されている地中熱交換システムでは、地中に埋設された熱交換器に熱媒体を循環させる一次側熱交換回路と、空気調和機などの二次側熱交換回路とを有し、一次側熱交換回路と二次側熱交換回路とを互いに熱的に接続にして、二次側回路で発生した熱と地中熱とを熱交換するようにしている。
For example, in the land in a heat exchange system that is described in Patent Document 1, the primary side heat exchange circuit for circulating a heat medium in the heat exchanger embedded in the ground, the secondary heat exchange circuit such as an air conditioner And the primary side heat exchange circuit and the secondary side heat exchange circuit are thermally connected to each other so as to exchange heat between the heat generated in the secondary side circuit and the underground heat.
ところで、従来の熱交換システムは、地中熱との熱交換を行うための地中熱熱交換器を地中に設けられた熱交換器設置溝の中に埋めている。通常、熱交換器設置溝は、雨などの水が浸透することによって、熱交換効率が高められるため、屋外の地中内に設置されていることが多い。 By the way, the conventional heat exchange system has buried the underground heat exchanger for performing heat exchange with underground heat in the heat exchanger installation groove | channel provided in the underground. Usually, heat exchanger installation grooves are often installed outdoors in the ground because heat exchange efficiency is enhanced by the penetration of water such as rain.
しかしながら、この種の熱交換システムは、熱交換器設置溝を屋外に敷設するため、必然的に敷設用地が必要となる。そのため、都市部の住居や農業用ハウスなど土地が限られる場所においては、この熱交換システムを組み込むことは、困難であった。 However, since this type of heat exchange system lays the heat exchanger installation groove outdoors, an installation site is inevitably required. For this reason, it has been difficult to incorporate this heat exchange system in places where land is limited such as urban dwellings and agricultural houses.
そこで、本発明の課題は、限られた土地を有効に活用して、地中熱交換を行うことができる地中熱交換システムを提供することにある。 Then, the subject of this invention is providing the underground heat exchange system which can utilize a limited land effectively and can perform underground heat exchange.
上述した課題を解決するため、本発明は、所定の熱媒体と地中熱との間で熱交換する地中熱熱交換器を有し、上記地中熱熱交換器にて熱交換された上記熱媒体をヒートポンプ装置との間でさらに熱交換し、上記ヒートポンプ装置を用いて所定の建屋の冷暖房および/または給湯を行う地中熱交換システムにおいて、上記地中熱熱交換器が埋設される熱交換器設置溝が上記建屋の下の透水性を有する地中内に細長いスリット状に形成されており、上記地中熱熱交換器として熱交換チューブを平面的に多列もしくは螺旋状に配設してなる平面型の熱交換器が用いられ、上記熱交換器設置溝内に上記平面型の地中熱熱交換器がほぼ垂直に設置されているとともに、上記地中熱熱交換器に対してその上方から水を供給する給水パイプが配置されており、上記給水パイプに上記建屋の外部から水を供給する水供給手段が接続されていることを特徴としている。
In order to solve the above-described problems, the present invention has a ground heat exchanger that exchanges heat between a predetermined heat medium and ground heat, and the heat is exchanged by the ground heat exchanger. In the underground heat exchange system in which the heat medium is further subjected to heat exchange with a heat pump device, and air conditioning and / or hot water supply of a predetermined building is performed using the heat pump device, the underground heat exchanger is embedded. The heat exchanger installation groove is formed in a long and narrow slit shape in the water-permeable underground below the building, and the heat exchange tubes are arranged in multiple rows or spirals as the underground heat exchanger. A planar heat exchanger is used, and the planar underground heat exchanger is installed almost vertically in the heat exchanger installation groove, and the underground heat exchanger is On the other hand, there is a water supply pipe that supplies water from above It is characterized in that water supply means for supplying an external water of the building to the water feed pipe is connected.
また、本発明において、上記給水パイプに結束体を介して上記地中熱熱交換器が連結されていることが好ましい。Moreover, in this invention, it is preferable that the said underground heat exchanger is connected to the said water supply pipe through the binding body.
また、上記水供給手段として、上記建屋の外に設けられた雨樋から上記給水パイプに水を送る第1水供給回路および/または貯水タンクに蓄えられた水を上記給水パイプに送る第2水供給回路を備えていることが好ましい。
In addition, as the water supply means, a first water supply circuit for sending water from a rain gutter provided outside the building to the water supply pipe and / or a second water for sending water stored in the water storage tank to the water supply pipe preferably includes a supply circuits.
本発明には、さらに別の態様として、上記建屋の屋根および/または上記建屋の周囲には、太陽光発電パネルが設置されており、上記太陽光発電パネルには、パネル表面に水をまく散水手段と、上記パネル表面に散水された水を回収する水回収手段とが設けられており、上記水回収手段より上記給水パイプに水が供給される態様も含まれる。
In another aspect of the present invention, a photovoltaic power generation panel is installed on the roof of the building and / or around the building, and the solar power generation panel is sprinkled with water on the panel surface. Means and a water recovery means for recovering water sprayed on the panel surface are provided, and a mode in which water is supplied from the water recovery means to the water supply pipe is also included.
本発明によれば、地中熱熱交換器が埋設される熱交換器設置溝を建屋の下の透水性を有する地中内に細長いスリット状として形成し、地中熱熱交換器として熱交換チューブを平面的に多列もしくは螺旋状に配設してなる平面型の熱交換器を用い、熱交換器設置溝内に平面型の地中熱熱交換器をほぼ垂直に設置するとともに、地中熱熱交換器に対してその上方から水を供給する給水パイプを配置し、給水パイプに建屋の外部に設けられている水供給手段から水を供給するようにしたことにより、限られた土地を有効に利用して、熱交換を行うことができる。
According to the present invention, the heat exchanger installation groove in which the underground heat exchanger is embedded is formed as a long and narrow slit in the underground having water permeability under the building, and heat exchange is performed as an underground heat heat exchanger. using a flat-type heat exchanger formed by arranged in a planar manner the multi-row or spiral tube, it established substantially vertically flat underground heat exchanger to the heat exchanger placed in the groove, the land The water supply pipe that supplies water from above to the medium heat exchanger is arranged, and water is supplied to the water supply pipe from the water supply means provided outside the building. It is possible to perform heat exchange by effectively using.
また、複数の熱交換器設置溝を互いに平行となるように配置することにより、長方型ハウスなどの下に熱交換器設置溝を効率的に組み込むことができる。また、複数の熱交換器設置溝を放射状に配置することにより、ドーム型ハウスような円形の土地の下に熱交換器設置溝を効率的に組み込むことができる。
Further, the Rukoto be placed so as to be mutually parallel heat exchanger installation groove of multiple, it may incorporate a heat exchanger installation groove under such rectangular type house efficiently. Further, by arranging the plurality of heat exchanger installation grooves radially, the heat exchanger installation grooves can be efficiently incorporated under a circular land such as a dome-shaped house.
上記水供給手段は、上記建屋の外に設けられた雨樋から上記熱交換器設置溝に水を送る第1水供給回路と、水タンクに蓄えられた水を上記熱交換器設置溝に送る第2水供給回路との少なくとも一方を備えていることにより、建屋の下に埋設された熱交換器設置溝に水を供給することができ、熱交換器設置溝でのエネルギー変換効率を高めることができる。 The said water supply means sends the water stored in the 1st water supply circuit which sends water to the said heat exchanger installation groove from the rain gutter provided outside the said building, and the water stored in the water tank to the said heat exchanger installation groove By providing at least one of the second water supply circuit, water can be supplied to the heat exchanger installation groove buried under the building, and the energy conversion efficiency in the heat exchanger installation groove is increased. Can do.
また、太陽光発電パネルの発電効率を上げる方法の1つとして、パネル表面に散水することが知られているが、パネル表面に散水した水を回収して、地中熱熱交換器に供給することにより、排水を有効活用してさらに省エネを図ることができる。 In addition, as one of the methods for increasing the power generation efficiency of the photovoltaic power generation panel, it is known that water is sprayed on the panel surface. The water sprayed on the panel surface is collected and supplied to the underground heat exchanger. As a result, the wastewater can be effectively used to further save energy.
次に、本発明の熱交換システムの実施形態について図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。 Next, an embodiment of the heat exchange system of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited to this.
図1および図2に示すように、この熱交換システムは、地中熱との間で熱交換を行う一次側熱交換回路100と、所定のヒートポンプ装置(この例では空気調和機1)の一部に組み込まれる二次熱交換回路200と、一次側熱交換器100に水を供給する水供給ユニット300とを備えている。
As shown in FIGS. 1 and 2, this heat exchange system includes a primary
一次側熱交換回路100は、地中に埋設される地中熱熱交換器110と、二次熱交換回路200との間で熱交換を行うための熱交換ユニット120と、地中熱熱交換器110と熱交換ユニット120との間で熱媒体を循環させる循環パイプ130とを備えている。循環パイプ130には、熱媒体を一方向に循環させるポンプ140が設けられている。
The primary side
この例において、熱媒体は、不凍液を混ぜた水が用いられるが、これ以外に熱伝導性のよい液体があれば、仕様に応じて適宜選択可能である。 In this example, water mixed with antifreeze liquid is used as the heat medium, but any other liquid having good heat conductivity can be selected as appropriate according to the specifications.
図4を併せて参照して、地中熱熱交換器110は、農業用ビニールハウス10の下に敷設された熱交換器設置溝150の内部に敷設されている。この例において、熱交換器設置溝150は、長さL(30000mm)、幅W(800mm)の細長いスリット状に開口され、地表面から深さD(3000mm)まで掘り下げられた底から高さH(1500mm)の長方形空間に形成されている。
Referring also to FIG. 4, the
熱交換器設置溝150は、その内部に透水性を確保するため砂が充填されている。この例において、熱交換器設置溝150には、水はけのよい川砂が充填されているが、これ以外にも例えば砕石など、熱交換器設置溝150が透水性を備えることができれば、仕様に応じて任意に選択される。
The heat
熱交換器設置溝150の上部には、熱交換器設置溝150を掘り起こした際に出た残土が充填されている。この例において、残土層(地表面から熱交換器設置溝150の上面までの高さ)は1500mmである。残土層の厚さは、任意に選択されてよい。
The upper portion of the heat
図3を参照して、地中熱熱交換器110は、2本の中空なメインパイプ111,112と、メインパイプ111,112の間に架け渡すように連結された複数の熱交換チューブ113とを備えている。
Referring to FIG. 3, the
各メインパイプ111,112はともに、塩化ビニル製の硬質な管材からなり、いずれか一端(メインパイプ111は下端、メインパイプ112は上端)が閉塞されている。
Each of the
熱交換チューブ113は、合成樹脂製の可撓性を有する細いチューブからなり、その両端が各メインパイプ111,112の外周に軸線方向に形成された図示しない連通孔に差し込まれ、メインパイプ111,112の管内同士に連通している。熱交換チューブ113のほぼ中間には、熱交換チューブ113の並びを整え、かつ撓まないようにするための、補強桟114が設けられている。
Heat exchange tubes 11 3 comprises a thin tube with a synthetic resin flexible, both ends are inserted into the communication hole (not shown) formed in the axial direction on the outer periphery of the
これによれば、一方のメインパイプ111から注入された熱媒体は、熱交換チューブ113を通って他方のメインパイプ112の下端から吐出され、その際、熱交換チューブ113で地中熱との間で熱交換が行われる。
According to this, the heat medium injected from one of the
この例において、地中熱熱交換器110は、アメリカのマイタルテック社製のハイパーループ(米国登録商標)が好適に用いられている。なお、少なくとも熱交換が行われる構造を備えていればよい。
In this example, as the
また、図6に示すように、通常の熱交換チューブ110aを熱交換器設置溝150の深さに合わせて螺旋状にした状態で埋設して、その上に給水パイプ115を配置するようにしてもよい。このような態様も本発明に含まれる。
Further, as shown in FIG. 6, a normal
また、この例において、熱交換器設置溝150は、細長いスリット状に開口されているが、これ以外に、熱交換器設置溝150を平面状に開口して、その中に地中熱熱交換器110をほぼ水平な状態で配置してもよい。その場合、1つの熱交換器設置溝150に対して複数の地中熱熱交換器110を積層して配置してもよい。このような態様も本発明に含まれる。
Further, in this example, the heat
地中熱熱交換器110にはさらに、地中熱熱交換器110の上部から水を供給する給水パイプ115が設けられている。給水パイプ115は、塩ビ製のパイプからなり、地中熱熱交換器110の上端に架け渡されている。
The
給水パイプ115は、一端が後述する水供給ユニット300に接続され、他端が閉塞されており、その周縁には軸線方向に沿って一定間隔で水吐出孔116が設けられている。給水パイプ115は、地中熱熱交換器110の熱交換チューブ112に結束帯117を介して一体的に括り付けられている。
One end of the
この例において、給水パイプ115は塩ビ製のストレート管が用いられているが、水を供給することができればよく、例えば散水用チューブなどがもちいられてもよく、その形態は仕様に応じて任意に変更されてよい。
In this example, the
熱交換ユニット120は、図5(a)に示すように、所定の冷媒循環回路を有し、一方の凝縮器側に一次冷媒の循環パイプ130が接続され、他方の膨張器側に二次熱交換回路200の循環パイプ210が接続されることによって相互の熱交換を行うようになっている。
As shown in FIG. 5A, the
この例において、熱交換ユニット120は、図5(a)に示す構成であるが、これ以外に、図5(b)に示すように、熱交換ユニット120の放熱器側をダイレクトに屋内に設置して、一次冷媒と二次冷媒とを直接熱交換してもよい。
In this example, the
さらには、図5(c)に示すように、熱媒体を水や冷媒ガスに代えて、空気でおこなうようにしてもよい。熱交換ユニット120は、一次側の熱媒体と二次側の熱媒体とが熱交換可能な構成であれば、仕様に応じて任意に設計されてよい。
Further, as shown in FIG. 5C, the heat medium may be air instead of water or refrigerant gas. The
循環パイプ130は、屈曲可能なチューブからなり、循環ポンプ140を介して熱媒体が一方向に流れて循環するようになっている。循環パイプ130は、内部に熱媒体が搬送可能であれば、その具体的な仕様は任意に選択されてよい。
The
二次熱交換回路200は、空気調和機1の熱媒体が循環する冷凍サイクル回路からなる。この例では、空気調和機1の循環パイプ210と、ハウス10内に設置された室内機ユニット220とを有し、その一部に熱交換ユニット120が組み込まれている。
The secondary
なお、本発明において、二次熱交換回路200の具体的な構成は任意であってよく、循環パイプ210および室内機ユニット220の構成は,仕様に応じて任意に変更されてよい。
In the present invention, the specific configuration of the secondary
水供給ユニット300は、ハウス10の外の側面に沿って形成された側溝310と、一端が側溝310に接続され、他端が上述した給水パイプ115に接続される水供給パイプ320とを備えている。
The
これによれば、雨などが降った際の水を側溝310に溜めて、水供給パイプ320を介して給水パイプ115から、ハウス10の下に埋設された地中熱熱交換器110に水を供給することができ、熱交換効率をより一層高めることができる。
According to this, the water when raining or the like is accumulated in the
また、側溝310は、雨が降った際にしか水を溜めることができない。そこで、本発明では、例えば雨水を溜めておく水タンクなどからなる水供給ユニット330をさらに備え、そこからポンプ350を介して水を給水パイプ115に送る第2の水供給パイプ340が設けられている。
Further, the
これによれば、雨が降らない時であっても、定期的に水を地中熱熱交換器110の供給することができ、常に熱交換効率の高い運転を行うことができる。なお、水給水ユニット330の水タンクは、例えば河川や湖なども含まれてよい。
According to this, even when it is not raining, water can be periodically supplied to the
この例において、熱交換器設置溝150はハウス10下に1ヶ所のみ設けられているが、これ以外に、例えば図7に示すように、ハウス10の下に複数、この例では4個所の熱交換器設置溝150を設けてもよい。複数の熱交換器設置溝150の接続方法は、直列回路、並列回路のいずれであってもよい。同様に給水パイプ115も直列回路でもよいし、並列回路でもよい。
In this example, only one heat
熱交換器設置溝150を複数設けた場合、全てをハウス10の下に設置する必要は無く、一部をハウス10(建屋)の外に設置してもよい。その場合、ハウス10の外壁面に沿って配置することが好ましい。
When a plurality of heat
次に、図8(a)〜(d)を参照しながら、地中熱熱交換器110の敷設手順の一例について説明する。まず、予め所定の大きさに掘られた熱交換器設置溝150に鉄筋や樹脂などからなるポールPを熱交換器設置溝150に沿って等間隔で配置する。
Next, an example of a procedure for laying the
次に、図8(b)に示すように、ポールPの間に挟むように地中熱熱交換器110を熱交換器設置溝150にセットしたのち、配管処理を行う。なお、地中熱熱交換器110を下に降ろす際、上述した給水パイプ115を吊り下げながら地中熱熱交換器110を降ろすことにより、真っ直ぐな状態で定位置にセットすることができる。
Next, as shown in FIG. 8 (b), after setting the
次に、図8(c)に示すように、地中熱熱交換器110が配置された状態で熱交換器設置溝150に砂を充填したのち、ポールPを抜き取る。これにより、図8(d)に示すように、熱交換器設置溝150の中央に地中熱熱交換器110を立てた状態で綺麗に埋設することができる。
Next, as shown in FIG.8 (c), after filling the heat exchanger installation groove |
次に、図9を参照しながら、本発明の地中熱交換システムの変形例について説明する。この例において、地中熱交換システムは、ドーム型ハウス10Aに組み込まれている。ドーム型ハウス10Aは、例えば中心から外側に向かって移動する放射状コンベアの上で野菜を成長させてゆき、最終的に外側に来た野菜を収穫するといった農業用途に用いられている。なお、ドーム型ハウス10Aの用途は任意であってよい。
Next, a modification of the underground heat exchange system of the present invention will be described with reference to FIG. In this example, the underground heat exchange system is incorporated in the dome-shaped
このドーム型ハウス10Aの下には、複数の熱交換器設置溝150が放射状に配置されている。各熱交換器設置溝150にはそれぞれ、地中熱熱交換器110が埋設されており、それらは配管130により連結されている。
A plurality of heat
これによれば、ドーム型ハウス10Aの下に熱交換器設置溝150を放射状に配置することで、限られた土地に熱交換器設置溝150を効率的に組み込むことができ、ひいては、効率的な地中熱交換システムが得られる。
According to this, by arranging the heat
この例において、地中熱交換システムは、農業用ハウスの下に敷設する例をとって説明したが、これ以外に、一般家屋や工場などの建屋の下に設置してもよい。さらには、畜産業の牛舎などの下に組み込むこともでき、本発明の熱交換システムは、熱交換器設置溝150が建屋の下に敷設されていれば、その他の使用形態も本発明に含まれる。
In this example, the geothermal heat exchange system has been described as an example of laying under an agricultural house, but in addition to this, it may be installed under a building such as a general house or a factory. Furthermore, the heat exchange system of the present invention can also be incorporated under a barn or the like of a livestock industry, as long as the heat
次に、図10を参照して、本発明の第2実施形態に係る地中熱交換システムについて説明する。第2実施形態において、地中熱交換システムは、建屋の屋根Rの上に太陽光発電装置400が組み込まれている。なお、上述した第1実施形態と同一もしくは同一と見なされる箇所には同じ参照符号を付し、その説明は省略する。
Next, with reference to FIG. 10, the underground heat exchange system which concerns on 2nd Embodiment of this invention is demonstrated. In the second embodiment, in the underground heat exchange system, the solar
太陽光発電装置400は、屋根Rの上に設置された太陽光発電パネル410と、同太陽光発電パネル410の表面に水を散水する散水手段420と、太陽光発電パネル410に散水された水を回収する水回収手段430とを備えている。
The photovoltaic
太陽光発電パネル410は、一般的な太陽光発電に用いられる板状パネルであって、この例では建屋の屋根Rの上に設置されている。本発明において、太陽光発電パネル410の仕様は、任意に選択可能であり、その設置場所も屋根R以外に建屋の周辺に設置されていてもよい。
The photovoltaic
散水手段420は、貯水タンク421と、貯水タンク421の水を送水管423を介して圧送するポンプ422と、太陽光発電パネル410の表面に散水する散水パイプ424とを備えている。
The watering means 420 includes a
この例において、貯水タンク421には、水道水が貯められているが、これ以外に雨水などの中水を貯水してもよい。さらには、池や川の水が貯水されていてもよい。散水パイプ424は、円筒パイプの一部に水を吐出させる吐出孔を多数備えたものが用いられており、この例では農業用の点滴灌水パイプが用いられている。
In this example, tap water is stored in the
散水パイプ424は、傾斜して配置された太陽光発電パネル410の上流側に配置されており、散水パイプ424から散水された水が、太陽光発電パネル410の上流側から下流側に向かって自然に流れ落ちるようになっている。
The
水回収手段430は、太陽光発電パネル410の下流側に配置された樋431と、一端が樋431に接続され、他端が熱交換器設置溝150の内の給水パイプ115に接続される配水管432とを備えている。
The water recovery means 430 has a
樋431は、いわゆる雨樋からなり、太陽光発電パネル410を流れてきた水を効率的に受け止めて、回収するようになっている。この例において、水は樋によって431受け止められるようになっているが、水を回収することができれば、これ以外の構成であってもよい。
The
また、この例において、配水管432は、樋431と給水パイプ115とをダイレクトに接続しているが、回収した水を一端タンクに貯めるような構造であってもよく、回収された水が最終的に熱交換器設置溝150内の地中熱熱交換器110に供給される構造であれば、その他の変形例も本発明に含まれる。
In this example, the
1 空気調和機
100 一次側熱交換回路
110 地中熱熱交換器
120 熱交換ユニット
130 循環パイプ
150 熱交換器設置溝
200 二次側熱交換回路
300 水供給ユニット
400 太陽光発電装置
410 太陽光発電パネル
420 散水手段
430 水回収手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (6)
上記地中熱熱交換器が埋設される熱交換器設置溝が上記建屋の下の透水性を有する地中内に細長いスリット状に形成されており、上記地中熱熱交換器として熱交換チューブを平面的に多列もしくは螺旋状に配設してなる平面型の熱交換器が用いられ、上記熱交換器設置溝内に上記平面型の地中熱熱交換器がほぼ垂直に設置されているとともに、上記地中熱熱交換器に対してその上方から水を供給する給水パイプが配置されており、上記給水パイプに上記建屋の外部から水を供給する水供給手段が接続されていることを特徴とする地中熱交換システム。 A ground heat heat exchanger that exchanges heat between a predetermined heat medium and the ground heat, and further heats the heat medium that has been heat exchanged by the ground heat heat exchanger with a heat pump device. In the underground heat exchange system that exchanges and heats and / or supplies hot water of a predetermined building using the heat pump device,
A heat exchanger installation groove in which the geothermal heat exchanger is embedded is formed in an elongated slit shape in the underground having water permeability under the building, and a heat exchange tube as the geothermal heat exchanger Are used in a multi-row or spiral arrangement, and the flat underground heat exchanger is installed almost vertically in the heat exchanger installation groove. And a water supply pipe for supplying water from above to the geothermal heat exchanger is disposed, and water supply means for supplying water from the outside of the building is connected to the water supply pipe . Underground heat exchange system.
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