KR20040066028A - 냉동장치 - Google Patents
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Abstract
가스주입은 토출온도가 충분히 내려가지 않고, 주입량을 증가시키면 실린더내에 액냉매가 유입하여 액압축되어, 신뢰성을 보증할 수 없었다.
적어도 압축기, 방열기, 제 1 밸브장치, 증발기를 고리형상으로 접속하여 냉동 사이클의 주회로를 구성하고, 운전중에 상기 방열기로 초임계상태가 될 수 있는 냉매를 봉입하여, 상기 방열기출구의 상기 냉매를 상기 압축기의 실린더내에 주입하는 주입배관을 구비한 것을 특징으로 하는 냉동장치.
Description
본 발명은 에어컨디셔너 등에 사용하고 있는 냉동장치에 관한 것이다.
종래의 냉동장치는, 도 4에 도시한 것이 있다(예를 들면 특허문헌 1 참조). 도 4에 있어서, 부호 1은 압축기, 2는 실외 열교환기, 3은 실내 열교환기, 4는 어큐뮬레이터, 5는 4방향밸브이다. 또한, 실외 열교환기(2)와 실내 열교환기(3)는 냉매로(17)를 통해 접속되어 있지만, 이 냉매로(17)에는 제 1 팽창밸브(11)와 제 2 팽창밸브(12)와 제 3 팽창밸브(13)가 직렬로 연결되어 있다.
제 1 팽창밸브(11)와 제 2 팽창밸브(12)의 사이의 냉매로(17)에는 기액분리용의 리시버(7)가 연결되어 있다. 내부 열교환기(8)는, 고압측 열전도부(8a)와 저압측 열전도부(8b)를 구비하고 있으며, 제 2 팽창밸브(12)와 제 3 팽창밸브(13) 사이의 냉매로(17)에는 내부 열교환기(8)의 고압측 열전도부(8a)가 연결되어 있다. 또한, 이 내부 열교환기(8)의 저압측 열전도부(8b)는 그 일끝단이 냉매로(14)에, 그 다른 끝단이 냉매로(15)에 각각 접속되어 있다. 또, 냉매로(14)는 4방향밸브 (5)의 출구측 배관이고, 냉매로(15)는 어큐뮬레이터(4)에의 입구측 배관이다. 또한, 리시버(7)의 기상부(氣相部)는, 제어밸브(10)를 구비한 냉매로(16)를 통해 압축기(1)의 압축실에 접속되어 있다. 그리고, 이 종래의 냉동장치는, 냉매로서 이산화탄소를 사용하고 있다.
냉동장치의 냉방운전시의 동작을, 도 5에 나타내는 「P(압력)-h(엔탈피)선도」를 병용하여 설명한다.
냉방운전시, 압축기(1)로부터 토출된 CO2냉매(가스냉매)는, 4방향밸브(5)를 통해 실외 열교환기(2)에 도입되고, 실외 열교환기(2)에서 초임계영역으로 방열된다(도 5의 점 D∼점 E의 영역). 실외 열교환기(2)로부터 유출하는 초임계상태의CO2냉매는, 제 1 팽창밸브(11)에서 1차팽창되어(점 E∼점 F의 영역), 기액(氣液) 2상(二相)상태로 리시버(7)에 도입되고, 여기서 기액분리된다(점 G 및 점 H).
그리고, 리시버(7)로 분리된 액냉매는, 완전히 개방된 상태에 있는 제 2 팽창밸브(12)를 통하여 내부 열교환기(8)의 고압측 열전도부(8a)에 유입하여, 고압측 열전도부(8a)의 입구(점 H)로부터 출구(점 I)를 향하여 흐르는 동안에, 저압측 열전도부(8b)의 입구(점 K)로부터 출구(점 A)를 향해 흐르는 가스냉매로 내부열교환을 한 후, 제 3 팽창밸브(13)에서 2차팽창(점 I∼점 J의 영역)된다. 그 후, 실내 열교환기(3)로 보내져, 실내 열교환기(3)의 입구(점 J)부터 출구(점 K)를 흐르는 동안에 증발하여, 가스냉매가 된다. 한편, 이 가스냉매는 다시 압축기(1)에 흡입되어 압축되지만, 그 흡입온도는, 실내 열교환기(3)의 출구온도(점 K에 대응하는 온도)보다도, 내부 열교환기(8)에서의 내부열교환에 의한 승온분(「d」로 나타낸다)만큼 높은 온도(즉, 점 A에 대응하는 온도)가 된다. 또한, 리시버(7)로 분리된 가스냉매는, 냉매로(16)를 통해 압축기(1)의 압축행정중에 있는 압축실에 주입된다 (점 G 참조).
이와 같이 압축기(1)의 압축실에 가스냉매가 주입되어, 이 가스냉매가 압축실내의 가스냉매에 혼합하는 것으로, 해당 압축실내에서의 가스냉매의 냉각과 고밀도화가 촉진되기 때문에, 상술한 바와 같이, 내부열교환에 의해서 압축기(1)의 흡입온도가 상승하고 있어, 이 높은 흡입온도로부터 압축이 시작됨에도 불구하고, 압축실내의 가스냉매의 온도는, 가스주입시의 점 B에 대응하는 온도로부터 점 C에 대응하는 온도까지 일단 저하하고, 이 저하한 온도로부터 다시 승압승온되어, 점 D에대응하는 온도가 토출온도가 된다. 따라서, 이 토출온도는, 가스주입에 따르는 온도저하의 영향을 받기 때문에, 가스주입이 이루어지지 않고 점 A에서 점 D0까지 압축되는 경우의 온도(점 D0에 대응하는 온도)보다도 저온으로 할 수 있는 것이며, 압축기(1)의 높은 신뢰성을 가능하게 하는 것이다.
[특허문헌 1]
일본 특허공개2001-296067호 공보(제 8 페이지, 도 4, 도 5)
그러나, 이러한 종래의 방식으로는, 외기 온도가 낮은 경우의 난방운전 등, 압축기(1)의 압축비, 즉 도 5의 점 D의 토출압력과 점 A의 흡입압력의 비가 큰 경우에는, 냉매인 이산화탄소의 특성상, 토출온도가 매우 높아지고, 그 때문에 리시버(7)로 분리한 가스냉매를 압축기(1)에 주입하더라도 토출온도가 충분히 내려가지 않아 압축기(1)의 신뢰성이 충분하지 않았다.
또한, 그것을 피하기 위해서, 제어밸브(10)를 더욱 개방하여 냉매의 주입유량을 증가시키고자 하면, 리시버(7)내에서 분리한 액냉매도 주입하게 되고, 그 때문에 압축기(1)의 압축행정중의 압축실에 액냉매가 유입하여, 비압축성의 액냉매를 압축하게 되기 때문에, 압축실을 형성하는 실린더나 축받이 등의 마모를 촉진하고, 신뢰성을 보증할 수 없었다.
본 발명은 상기 종래의 문제점을 해결하기 위해서 이루어진 것으로서, 이산화탄소를 냉매로서 사용하여 고압축비로 운전을 하더라도, 압축기의 토출온도를 확실하게, 더구나 안전하게 저하시킬 수 있는 냉동장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 냉동장치의 구성도.
도 2는 본 발명의 본 실시형태에 있어서의 냉동 사이클을 나타내는 P-h선도.
도 3은 본 발명의 실시형태 2에 있어서의 구성도.
도 4는 종래의 냉동장치에 있어서의 냉동장치의 구성도.
도 5는 종래의 냉동장치에 있어서의 냉동 사이클을 나타내는 P-h선도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
21 : 압축기 22 : 방열기
23 : 제 1 밸브장치 24 : 증발기
25,26 : 팬 27 : 제 2 밸브장치
28 : 온도 센서 29 : 제어장치
30 : 4방향밸브 31 : 실외 열교환기
32 : 실내 열교환기 33, 34 : 역지밸브
[과제를 해결하기 위한 수단]
상기 종래의 과제를 해결하기 위해서 본 발명은, 방열기출구의 초임계상태의 냉매를 압축기의 실린더내에 주입하는 주입배관을 구비하였기 때문에, 방열기를 나온 엔탈피가 낮은 초임계상태의 냉매를 직접 압축기에 주입하기 때문에, 소량의 냉매라도 압축기의 토출온도를 저하시키는 효과가 크고, 더구나, 액냉매가 아니라 초임계상태의 냉매를 주입하기 때문에, 액압축 등이 일어나지 않아 신뢰성이 향상한다.
또한, 본 발명은 4방향밸브의 전환에 의하여 냉난방 운전되는 경우에도, 역지밸브를 사용하는 것으로 실외 열교환기 출구 또는 실내 열교환기 출구의 초임계상태의 냉매를 압축기의 실린더내에 주입하도록 구성하였기 때문에, 엔탈피가 낮은 초임계상태의 냉매를 직접 압축기에 주입할 수 있어, 압축기의 토출온도를 크게 저감할 수 있는 동시에, 초임계상태의 냉매이기 때문에, 액압축 등이 일어나지 않아 신뢰성이 향상한다.
[발명의 실시형태]
이하, 본 발명에 관한 냉동장치를 구체적인 실시예에 의해 설명한다.
(실시형태 1)
도 1은 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 냉동장치의 구성도를 나타낸다.
도 1에 있어서, 부호 21은 압축기, 22는 방열기, 23은 제 1 밸브장치, 24는증발기이다. 25는 방열기(22)용 팬, 26은 증발기(24)용 팬이다. 이 냉동장치는, 방열기(22)의 출구측의 배관으로부터 분기시킨 배관을 압축기(21)의 실린더내(도시하지 않음)에 접속하고, 분기시킨 배관의 중간에 제 2 밸브장치(27)를 설치하고 있으며, 방열기(22)의 출구측의 냉매가 압축기(21)의 실린더내에 주입되는 구성으로 되어 있다.
온도 센서(28)는 압축기(21)의 토출가스온도를 검지한다. 제어장치(29)는, 그 토출가스온도와 설정치를 비교하여 제 2 밸브장치(27)의 개방도를 제어한다.
본 실시형태에 있어서의 냉동장치는 냉매로서 이산화탄소를 사용하고 있다.
이 냉동장치의 동작을 도 2에 나타내는 「P(압력)-h(엔탈피)선도」를 병용하여 설명한다.
압축기(21)로 고압까지 압축되어 토출된 냉매(이산화탄소)는 방열기(22)에 도입되어, 팬(25)에 의해서 공기와 열교환되고, 초임계영역에서 방열된다(도 2의 점 D∼점 E의 영역). 방열기(22)로부터 유출하는 초임계상태의 이산화탄소냉매는, 제 1 밸브장치(23)에서 팽창되어(점 E∼점 F의 영역), 증발기(24)에서 팬(26)에 의해서 공기와 열교환되어 증발하여 가스냉매가 된다(점 F∼점 A의 영역).
이 가스냉매는, 다시 압축기(21)에 흡입되어(점 A) 압축된다.
한편, 온도 센서(28)로 검지한 압축기(21)의 토출가스온도가, 제어장치(29)에 미리 설정하고 있는 온도보다도 높은 경우, 제어장치(29)는 제 2 밸브장치(27)의 개방도를 크게 하여 냉매가 흐르도록 지령을 한다.
이 경우, 방열기(22)로부터 유출한 초임계상태의 냉매(점 E)의 일부는, 제 2밸브장치(27)를 지나, 압축기(21)의 실린더내에 주입된다.
그리고, 실린더내에서 압축된 흡입가스(점 A)가 점 B까지 압축되고, 여기서, 주입된 냉매와 혼합되며, 점 C의 상태까지 온도가 저하하여, 더욱 압축되어 고압의 상태(점 D)가 된다.
본 실시형태에서는, 엔탈피가 낮은 점 E의 초임계상태의 냉매를 직접주입하기 때문에, 점 D의 상태는 주입하지 않은 경우의 토출가스온도(점 D ')과 비교하여, 온도를 크게 저하시킬 수 있고, 온도상승에 의한 압축기(21)의 신뢰성저하를 방지할 수 있다.
또한, 주입한 초임계상태의 냉매는, 액냉매가 아니기 때문에 압축성이 있다. 요컨대, 예를 들면 온도 20℃, 압력 6MPa의 액냉매는, 단열압축되어 압력이 초임계의 30MPa가 된 경우, 밀도는 약 10%밖에 커지지 않고, 거의 압축되지 않지만, 예를 들면 온도 35℃, 압력 8MPa의 초임계상태의 이산화탄소냉매는, 압력이 마찬가지로 30MPa까지 단열압축되면, 그 밀도는 약 60% 커지고, 압축성이 크다.
그 때문에 만일 일시적으로 다량의 초임계상태의 냉매가 주입되어, 실린더내나 축받이 내에 혼입한 경우에도, 내부의 용적감소 등에 의한 이상한 압력상승은 일어나기 어렵고, 압축기(21) 내부의 각 미끄럼동작부의 마모가 일어나는 것을 피할 수 있기 때문에, 신뢰성이 향상한다.
또, 본 실시형태에서는, 제 2 밸브장치(27)의 개방도는, 온도 센서(28)로 검지한 압축기(21)의 토출가스온도와, 제어장치(29)에 미리 설정하고 있는 온도의 온도차에 관련하여 개폐 제어시키지만, 고압이나 저압을 검지하여, 이들 압력에 관련하여 개폐 제어시켜도 되고, 이들도 본 발명의 하나의 실시형태이다.
(실시형태 2)
도 3은 본 발명의 실시형태 2에 있어서의 냉동장치의 구성도를 나타낸다.
도 3에 있어서, 도 1과 같은 기능을 가진 것은 같은 부호를 붙이고, 설명을 생략한다.
본 실시형태에 있어서의 냉동장치는, 냉난방운전을 전환하는 4방향밸브(30)를 설치하고, 실외 열교환기(31), 제 1 밸브장치(23), 실내 열교환기(32)를 접속하여 냉동 사이클의 주회로를 구성하고 있다.
또한, 실외 열교환기(31)와 제 1 밸브장치(23)의 사이의 배관으로부터 분기시킨 배관을, 압축기(21)의 실린더내(도시하지 않음)에 접속하여, 분기시킨 배관의 중간에 역지밸브(33)를 압축기(21)의 방향(도 3의 실선화살표방향)으로만 흐르도록 접속하고 있다. 또한, 실내 열교환기(32)와 제 1 밸브장치(23)의 사이의 배관으로부터 분기시킨 배관을, 압축기(21)의 실린더내(도시하지 않음)에 접속하여, 분기시킨 배관의 중간에 역지밸브(34)를 압축기(21)의 방향(도 3의 파선화살표 방향)으로만 흐르도록 접속하고 있다.
또한, 역지밸브(33)의 출구측의 배관과 역지밸브(34)의 출구측의 배관은, 합류하여 공통의 배관으로 구성되며, 이 배관에는 제 2 밸브장치(27)가 접속되어 있다.
이와 같이 본 실시형태에 의한 냉동장치는, 냉방운전시에는 실외 열교환기 (31)와 제 1 밸브장치(23)의 사이의 냉매가 압축기(21)의 실린더내에 주입되고, 난방운전시에는 실내 열교환기(32)와 제 1 밸브장치(23)의 사이의 냉매가 압축기(21)의 실린더내에 주입되는 구성으로 되어 있다.
본 실시형태에 있어서는, 냉동장치는, 냉매로서 이산화탄소를 사용하고 있다.
이 냉동장치의 동작을, 실시형태 1에서 설명한 도 2에 나타내는 「P(압력)-h(엔탈피)선도」를 병용하여 설명한다.
냉방 운전시에는, 압축기(21)로 고압까지 압축되어 토출된 냉매(이산화탄소)는, 4방향밸브(30)를 통하여 실선화살표방향으로 흘러 실외 열교환기(31)에 도입되고, 팬(25)에 의해서 보내지는 실외의 공기와 열교환하여, 초임계영역에서 방열된다(도 2의 점 D∼점 E의 영역). 실외 열교환기(31)로부터 유출하는 초임계상태의 이산화탄소 냉매는, 제 1 밸브장치(23)에서 팽창되고(점 E∼점 F의 영역), 실내 열교환기(32)에서 팬(26)에 의해서 보내지는 실내의 공기와 열교환하여 냉방운전을 하며, 증발하여 가스냉매가 된다(점 F∼점 A의 영역).
이 가스냉매는, 4방향밸브(30)를 통하여, 다시 압축기(21)로 흡입되어(점 A) 압축된다.
한편, 역지밸브(33,34)의 방향성에 의해, 제 2 밸브장치(27)가 닫혀 있는 경우에는, 제 1 밸브장치(23)를 바이패스하여 냉매가 흐르는 경우는 없다.
한편, 온도 센서(28)로 검지한 압축기(21)의 토출가스온도가, 제어장치(29)에 미리 설정되어 있는 온도보다도 높은 경우, 제어장치(29)는 제 2 밸브장치(27)의 개방도를 크게 하여 냉매가 흐르도록 지령을 한다.
이 경우, 실외 열교환기(31)를 나온 초임계상태의 냉매(점 E)의 일부는, 역지밸브(33) 및 제 2 밸브장치(27)를 지나, 압축기(21)의 실린더내에 주입된다.
그리고, 실린더내에서 압축된 흡입가스(점 A)가 점 B까지 압축되고, 여기서 주입된 냉매와 혼합되며, 점 C의 상태까지 온도가 저하하여, 더욱 압축되어 고압의 상태(점 D)가 된다.
본 실시형태에서는, 엔탈피가 낮은 점 E의 초임계상태의 냉매를 직접 주입하기 때문에, 점 D의 상태는 주입하지 않은 경우의 토출가스온도(점 D')와 비교하여, 온도를 크게 저하시킬 수 있고, 온도상승에 의한 압축기(21)의 신뢰성 저하를 방지할 수 있다.
또한, 주입한 초임계상태의 냉매는, 실시형태 1에서 설명한 바와 같이 액냉매가 아니기 때문에 압축성이 있다. 그 때문에, 만일 일시적으로 다량의 초임계상태의 냉매가 주입되어, 실린더내나 축받이 내에 혼입한 경우에도 내부의 용적감소 등에 의한 이상한 압력상승은 일어나기 어렵고, 압축기(21)내부의 각 미끄럼동작부의 마모가 일어나는 것을 피할 수 있기 때문에, 신뢰성이 향상한다.
한편, 난방운전시에는, 압축기(21)로 고압까지 압축되어 토출된 냉매(이산화탄소)는, 4방향밸브(30)를 지나 파선화살표방향으로 흘러 실내 열교환기(32)에 도입되고, 팬(26)에 의해 보내지는 실내의 공기와 열교환하여 난방운전을 하여, 초임계영역에서 방열된다(도 2의 점 D∼점 E의 영역). 실내 열교환기(32)로부터 유출하는 초임계상태의 이산화탄소 냉매는, 제 1 밸브장치(23)에서 팽창되고(점 E∼점 F의 영역), 실외 열교환기(31)에서 팬(25)에 의해서 보내지는 실외의 공기와 열교환하며, 증발하여 가스냉매가 된다(점 F∼점 A의 영역).
이 가스냉매는, 4방향밸브(30)를 통하여, 두 번째 압축기(21)에 흡입되어(점 A) 압축된다.
한편, 역지밸브(33, 34)의 방향성에 의해, 제 2 밸브장치(27)가 닫혀 있는 경우에는, 제 1 밸브장치(23)를 바이패스하여 냉매가 흐르는 경우는 없다.
한편, 온도 센서(28)로 검지한 압축기(21)의 토출가스온도가, 제어장치(29)에 미리 설정되어 있는 온도보다도 높은 경우, 제어장치(29)는 제 2 밸브장치(27)의 개방도를 크게 하여 냉매가 흐르도록 지령을 한다.
이 경우, 실내 열교환기(32)를 나온 초임계상태의 냉매(점 E)의 일부는, 역지밸브(34) 및 제 2 밸브장치(27)를 지나, 압축기(21)의 실린더내에 주입된다.
그리고, 이 경우의 냉매의 상태를 나타내는 「P(압력)-h(엔탈피)선도」는, 냉방운전시와 같기 때문에, 여기서는 설명은 생략한다.
이 경우, 특히 낮은 외기 온도일 때의 난방운전 등, 고온의 바람이 필요한 경우에는, 토출압력이 상승하여 흡입압력이 저하하고, 토출온도가 매우 상승하기 때문에, 본 발명에 의해서 확실하게 토출온도를 저하시켜, 압축기(21) 내부의 각 미끄럼동작부의 마모가 일어나는 것을 피할 수 있으므로, 신뢰성이 향상한다.
또, 본 실시형태에서는, 냉난방운전시에 있어서, 제 2 밸브장치(27)의 개방도는, 온도 센서(28)로 검지한 압축기(21)의 토출가스온도와, 제어장치(29)에 미리 설정되어 있는 온도와의 온도차에 관련하여 개폐 제어시키지만, 고압이나 저압을 검지하여, 이들 압력에 관련하여 개폐 제어시켜도 좋고, 이들도 본 발명의 하나의실시형태이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 냉동장치는, 초임계상태의 냉매를 직접 압축기에 주입하기 때문에, 소량으로도 압축기의 토출온도를 저하시키는 효과가 크고, 더구나 액냉매보다도 압축성이 있는 초임계상태의 냉매이기 때문에, 실린더내나 축받이 내에 초임계상태의 냉매가 혼입한 경우에도, 종래의 압축기와 같은 이상한 압력상승은 일어나기 어렵고, 각 미끄럼동작부의 마모가 일어나는 것과 같은 경우는 피할 수 있어, 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
Claims (6)
- 적어도 압축기, 방열기, 제 1 밸브장치, 및 증발기를 고리형상으로 접속하여 냉동 사이클의 주회로를 구성하고, 운전중에 상기 방열기로 초임계상태가 될 수 있는 냉매를 상기 냉동 사이클에 봉입하여, 상기 방열기의 출구측의 초임계상태에 있는 냉매를 상기 압축기의 실린더내에 주입하는 주입배관을 구비한 것을 특징으로 하는 냉동장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 주입배관의 중간에 제 2 밸브장치를 설치하여, 상기 압축기의 토출온도가 소정치를 넘은 경우에 상기 제 2 밸브장치를 개방하는 것을 특징으로 하는 냉동장치.
- 적어도 압축기, 4방향밸브, 실외 열교환기, 제 1 밸브장치, 및 실내 열교환기를 구성요소로 하여 냉동 사이클의 주회로를 구성하고, 운전중에 상기 실외 열교환기 또는 상기 실내 열교환기로 초임계상태가 될 수 있는 냉매를 상기 냉동 사이클에 봉입하여, 상기 실외 열교환기와 상기 제 1 밸브장치 사이의 배관으로부터 분기시킨 배관에 제 1 역지밸브를 설치하고, 상기 실내 열교환기와 상기 제 1 밸브장치의 사이의 배관으로부터 분기시킨 배관에 제 2 역지밸브를 설치하며, 상기 제 1 역지밸브의 하류측 배관과 상기 제 2 역지밸브의 하류측 배관을 합류시켜 상기 압축기의 실린더내에 접속하고, 상기 제 1 역지밸브와 상기 제 2 역지밸브는, 냉매가각각 상기 압축기의 실린더내를 향해서만 흐르도록 설치하여, 상기 실외 열교환기와 상기 제 1 밸브장치 사이의 배관으로부터, 또는 상기 실내 열교환기와 상기 제 1 밸브장치 사이의 배관으로부터, 초임계상태에 있는 냉매를 상기 압축기의 실린더내에 주입하는 것을 특징으로 하는 냉동장치.
- 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 역지밸브의 하류측 배관과 상기 제 2 역지밸브의 하류측 배관의 합류 지점과, 상기 압축기의 실린더와의 사이의 배관에 제 2 밸브장치를 설치하여, 상기 압축기의 토출온도가 소정치를 넘은 경우에 상기 제 2 밸브장치를 개방하는 것을 특징으로 하는 냉동장치.
- 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉매로서 이산화탄소를 사용하는 것을 특징으로 하는 냉동장치.
- 적어도 압축기, 방열기, 제 1 밸브장치, 및 증발기를 고리형상으로 접속하여 냉동 사이클의 주회로를 구성하고, 운전중에 초임계상태가 될 수 있는 냉매를 상기 냉동 사이클에 봉입하여, 초임계상태의 냉매를 상기 압축기의 실린더내에 주입하는 것을 특징으로 하는 냉동장치.
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