ES2325774T3 - Refrigeracion de avionica. - Google Patents

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Abstract

Un sistema de refrigeración de la aviónica que comprende un circuito (A) de refrigeración de la aviónica, que funciona con un refrigerante líquido; un circuito (B) de combustible; y un ciclo (C) de refrigeración de vapor que funciona con un refrigerante, caracterizado porque el circuito (A) de refrigeración de la aviónica transfiere calor extraído de la aviónica al circuito (B) de combustible, por lo cual se descarga el calor en el combustible, y el ciclo (C) de refrigeración de vapor transfiere el calor que no puede ser descargado en el combustible del circuito (B) de combustible al aire a presión dinámica.

Description

Refrigeración de aviónica.
Campo técnico
Un circuito de refrigeración de aviónica y/o de electrónica de potencia que funciona con un refrigerante que está conectado de manera flexible con un ciclo de refrigeración por vapor por medio de un circuito de combustible.
Antecedentes
El campo técnico de la presente invención versa acerca de la refrigeración de aviónica y/o electrónica de potencia, es decir, electrónica diseñada para su uso en vehículos aeroespaciales, como electrónica de aeronaves. La aviónica tiene que estar refrigerada constantemente o se sobrecalentará. Normalmente se utilizan ciclos de refrigeración de combustible o de aire para refrigerar la aviónica. En casos excepcionales se utilizan circuitos de refrigeración de vapor.
Los circuitos de refrigeración de aire utilizan aire comprimido del motor de la aeronave, que es convertido para ser adecuado para una refrigeración de la aviónica (temperatura, presión y humedad), y para mantener el entorno de la cabina cómodo y presurizado. La refrigeración por aire de la aviónica consume mucha energía. El coeficiente de rendimiento es de aproximadamente 0,10-0,25, es decir, para extraer una carga de calor de 10 kW en la aviónica se necesita haber tomado 40-100 kW del motor.
Los circuitos de refrigeración de combustible utilizan el combustible de la aeronave para una refrigeración directa de la aviónica o por medio de un circuito de refrigeración aparte, en el que se transfiere el calor de la aviónica al combustible en un intercambiador de calor. Los sistemas de refrigeración de combustible son normalmente muy efectivos energéticamente. Una potencia de 1-2 kW puede ser suficiente para hacer funcionar un sistema que debe extraer una carga de calor de 10 kW. Sin embargo, solo se puede transferir una cantidad limitada de calor al combustible, sin alcanzar el límite superior de la temperatura del combustible, o que la temperatura del combustible aumente de forma que se vuelva no apto para la refrigeración de la aviónica.
Las investigaciones han mostrado que los ciclos de refrigeración de vapor son los sistemas más efectivos energéticamente para la refrigeración de la aviónica. En general, el coeficiente de rendimiento es de 1-3 (es decir, se necesitan tomar 3-10 kW del motor para extraer una carga de calor de 10 kW de la aviónica).
Los ciclos de refrigeración de los tipos anteriores también se pueden combinar entre sí en diversas configuraciones. Un ejemplo de un sistema combinado de refrigeración de tales características es el sistema para un control ambiental en una aeronave mostrado en la patente U.S. nº 6 948 331, que incluye un número de ciclos de refrigeración conectados entre sí. Uno de los ciclos es un bucle de refrigeración de la aviónica, mediante el cual el calor extraído de la aviónica es transferido a un flujo de aire de un ciclo de refrigeración de aire ambiental. Se utilizan un ciclo de refrigeración de vapor y un intercambiador de calor aire/combustible para transferir calor desde el flujo de aire a un flujo de combustible, que es conducido subsiguientemente al motor. Este sistema está adaptado a las distintas condiciones que se dan cuando el motor está en marcha o no. Sin embargo, no tiene en cuenta las condiciones que pueden surgir debidas a variaciones en la carga de calor de la aviónica. El sistema también es bastante complicado.
Por lo tanto, el objeto de la presente invención es proporcionar un sistema simple y flexible de refrigeración de la aviónica, que está adaptado para tener en cuenta las variaciones en la carga de calor de la aviónica.
Se logra el objeto mediante el sistema de refrigeración según se define en la reivindicación adjunta 1.
Resumen de la invención
La presente invención proporciona un sistema de refrigeración de aviónica, que comprende un circuito de refrigeración de la aviónica, que funciona con un refrigerante líquido; un circuito de combustible; y un ciclo de refrigeración de vapor, que funciona con un refrigerante. El circuito de refrigeración de la aviónica transfiere el calor extraído de la aviónica al circuito de refrigeración de combustible, por lo cual se descarga el calor en el combustible, y el ciclo de refrigeración de vapor transfiere calor que no puede ser descargado en el combustible desde el circuito de combustible al aire a presión dinámica. Preferentemente, el circuito de combustible comprende un flujo de combustible, que está conectado al tanque de combustible, y que puede estar aislado del tanque de combustible. Preferentemente, esto se lleva a cabo mediante el cierre de una válvula, aunque son concebibles otros medios.
En un primer modo de funcionamiento, cuando la temperatura del combustible en el tanque de combustible se encuentra por debajo de una primera temperatura umbral (T1), únicamente se encuentran en funcionamiento el circuito de refrigeración de la aviónica y el circuito de combustible, y el flujo de combustible se encuentra en comunicación con el tanque de combustible, es decir, el combustible del circuito de combustible está comunicándose directamente con el combustible del tanque de combustible. En un segundo modo de funcionamiento, cuando la temperatura del combustible en el tanque de combustible se encuentra por encima de dicha primera temperatura umbral (T1) y por debajo de una segunda temperatura umbral (T2), que es superior que la primera temperatura umbral, se encuentran en funcionamiento el circuito de refrigeración de la aviónica y el circuito de combustible y el flujo de combustible se encuentra en comunicación con el tanque de combustible, y el ciclo de refrigeración de vapor se encuentra en funcionamiento con una capacidad reducida. En este modo, el ciclo de refrigeración de vapor asiste al circuito de combustible al transferir calor que no puede ser traspasado por el combustible al aire a presión dinámica. En un tercer modo de funcionamiento, cuando la temperatura en el tanque de combustible se encuentra por encima de dicha segunda temperatura umbral (T2), se encuentran en funcionamiento el circuito de refrigeración de la aviónica y el circuito de combustible, y el circuito de combustible se encuentra aislado del combustible en el tanque de combustible, y el ciclo de refrigeración de vapor se encuentra en funcionamiento a plena capacidad. Por lo tanto, en este modo todo el calor transferido por la aviónica es transferido al aire a presión dinámica, por medio del circuito de combustible y del ciclo de refrigeración de vapor. La primera temperatura umbral puede ser preferentemente entre 35-45ºC, y la segunda temperatura umbral puede ser preferentemente entre 45-55ºC.
La invención también versa acerca de un procedimiento para refrigerar la aviónica, en el que se extrae el calor de la aviónica en un refrigerador de aviónica y es transferido a un flujo de combustible para ser descargado en el combustible de un tanque de combustible, y el calor que no puede ser descargado en el combustible es transferido al aire a presión dinámica por medio de un ciclo de refrigeración de vapor.
Breve descripción de los dibujos
La Fig. 1 es un diagrama esquemático del sistema de refrigeración de la aviónica conforme a la invención.
La Fig. 2 es un diagrama esquemático de un sistema de refrigeración de la aviónica similar al de la Fig. 1, que incluye además una válvula para la reducción de la caída de presión.
Descripción detallada de la invención
La presente invención versa acerca de un sistema de refrigeración de la aviónica, que combina refrigeración de combustible y refrigeración de refrigerante. El sistema no produce ningún aire acondicionado y, por lo tanto, es más adecuado para aeronaves en las que no se necesita ningún aire acondicionado, como aeronaves no tripuladas. También puede ser adecuado como un complemento para ciclos de convencionales de refrigeración de aire en caso de una elevada carga de calor, para grandes aeronaves, como aeronaves de transporte o de pasajeros, que pueden ser luego provistas tanto de un sistema de aire acondicionado como de un sistema aparte de refrigeración de la aviónica.
La combinación de la refrigeración de combustible y de la refrigeración de refrigerante conforme a la invención proporciona un rendimiento energético muy elevado. La idea de la invención es un sistema que proporciona una conexión conveniente de los ciclos de refrigeración, de forma que se utiliza la refrigeración de combustible a temperaturas bajas en el tanque de combustible, y se utiliza una combinación de refrigeración de combustible y de refrigeración de refrigerante a temperaturas intermedias del combustible, y solo se utiliza la refrigeración de refrigerante a temperaturas elevadas del combustible.
En la presente invención, la aviónica se refrigera por medio de un refrigerante líquido, tal como PAO (polialfaolefinas) u otras mezclas glicólicas. De ese modo, se puede mantener la temperatura de entrada a un nivel favorable en comparación con la refrigeración de aire, para la que es más o menos una exigencia la temperatura baja (aproximadamente 0ºC) para reducir los niveles de flujo. La refrigeración líquida es muy efectiva para refrigerar la aviónica que tiene un pequeño equipo de aviónica de elevada densidad energética, que genera grandes cantidades de calor. Existe una tendencia creciente para dichos equipos de aviónica, y por lo tanto, la demanda para una refrigeración líquida aumentará en el futuro. Los equipos de refrigeración para su uso en una refrigeración líquida también tienen un menor peso, ocupan menos espacio y requieren menos energía para la circulación del refrigerante, en comparación con la refrigeración de aire.
Se describirá ahora el sistema de refrigeración de la aviónica haciendo referencia a la Fig. 1, que muestra el sistema de manera esquemática. Se hace hincapié en que se pretende que todas las temperaturas dadas más adelante sirvan como ejemplos de niveles posibles de temperatura, y no se deben considerar de ninguna manera como limitantes del principio básico del sistema de refrigeración. En la práctica, las temperaturas serán escogidas al considerar las condiciones reales. El sistema comprende los siguientes componentes, o subsistemas:
A)
un circuito de refrigeración de la aviónica, por ejemplo PAO como un refrigerante
B)
un circuito de combustible para la conexión flexible del ciclo de refrigeración de la aviónica y del ciclo de refrigeración de vapor
C)
un ciclo de refrigeración de vapor, que incluye un condensador de aire a presión dinámica
El circuito (A) de refrigeración de la aviónica transfiere el calor generado por la aviónica a un flujo de combustible del circuito (B) de combustible. El ciclo (C) de refrigeración de vapor transfiere calor desde el flujo de combustible al circuito (B) de combustible. El circuito (B) de combustible transfiere calor del circuito de refrigeración de la aviónica al tanque 7 de combustible, y al ciclo (C) de refrigeración de vapor.
El circuito (A) de refrigeración de la aviónica comprende un compartimento 1 de aviónica, en el que se refrigera la aviónica, y un intercambiador 2 de calor, en el que se refrigera el refrigerante. El circuito (A) de refrigeración utiliza un refrigerante líquido, tal como PAO, que circula entre el compartimento 1 de aviónica y el intercambiador 2 de calor. En el compartimento de aviónica, se transfiere calor de la aviónica al refrigerante. El refrigerante fluye normalmente a través de las placas o de los conductos refrigerantes que se encuentran en contacto térmico con la fuente de calor. Se obtendría la refrigeración más eficiente si el refrigerante es dirigido a través de la aviónica dando como resultado un contacto directo con la fuente de calor. Se conduce el refrigerante por medio de una bomba hasta un intercambiador 2 de calor, en el que se transfiere el calor del refrigerante a un flujo 6 de combustible en el tanque de combustible. Entonces, se hace circular el refrigerante de nuevo al compartimento 1 de aviónica para una refrigeración continua de la aviónica. El intercambiar 2 de calor está ubicado dentro del tanque de combustible y también forma una parte del circuito de combustible. El circuito de refrigeración de la aviónica está en funcionamiento en todo momento.
El circuito (B) de combustible está ubicado completamente dentro del tanque de combustible. El calor eliminado de la aviónica en el compartimento 1 de aviónica es transmitido al flujo 6 de combustible por medio del intercambiador 2 de calor en el circuito de combustible. El combustible del tanque de combustible entra al circuito de combustible a través de una entrada 12 del circuito de combustible y es conducido en el circuito por medio de una bomba 8. La bomba 8 se encuentra en funcionamiento en todo momento. El flujo de combustible sale del circuito de combustible a través de una salida 13 del circuito de combustible, y luego se dispersa en el tanque de combustible. El flujo 6 de combustible del circuito de combustible se comunica con el combustible del tanque 7 de combustible por medio de una válvula 5.
La válvula 5 tiene dos posiciones distintas. En una primera posición, que también se conoce como la posición abierta, la válvula está colocada de forma que el combustible que circula en el circuito de combustible está en una comunicación directa con el combustible en el tanque de combustible. En una segunda posición, la válvula está colocada de forma que el combustible que circula en el circuito de combustible está aislado del combustible en el tanque de combustible. Esta posición se denomina la posición cerrada.
Siempre que la temperatura del combustible en el tanque sea lo suficientemente baja (por ejemplo, por debajo de los 40ºC, establecida como la temperatura umbral T1), todo el calor eliminado de la aviónica puede ser absorbido por el combustible. Entonces, el ciclo de refrigeración de vapor no se encuentra en funcionamiento y la válvula 5 se encuentra en su posición primera o abierta. Si la temperatura del combustible supera la temperatura umbral T1, se debe refrigerar el combustible para satisfacer el requerimiento de temperatura del circuito de refrigeración de la aviónica. Entonces, la refrigeración del flujo de combustible se lleva a cabo por el ciclo (C) de refrigeración de vapor, en el que se refrigera el flujo 6 de combustible en el evaporador 3. Siempre que la temperatura en el tanque de combustible no exceda una cierta temperatura predeterminada, el ciclo de refrigeración de vapor puede estar en funcionamiento a una capacidad parcial.
Se puede aislar el flujo 6 de combustible en el circuito de combustible del tanque de combustible al escoger la posición segunda o cerrada de la válvula 5. Entonces, el flujo de combustible transfiere el calor extraído de la aviónica directamente en el ciclo (C) de refrigeración de vapor. Los sensores 9, 10 de temperatura proporcionados en el flujo de combustible del circuito de combustible registran la temperatura del combustible después del intercambiador 2 de calor, y entre el intercambiador 2 de calor y el evaporador 3, respectivamente. El sensor 11 de temperatura proporcionado en el tanque de combustible registra la temperatura del combustible en el tanque de combustible, es decir, antes del evaporador. La capacidad del ciclo de refrigeración de vapor se escoge en base al nivel de temperatura del combustible que circula en el ciclo de refrigeración de combustible. El ciclo (C) de refrigeración de vapor sirve para mantener la temperatura del flujo 6 de combustible a un nivel apropiado (por ejemplo, por debajo de aproximadamente 40ºC), en la entrada del intercambiador 2 de calor. Para este fin, se refrigera el flujo 6 de combustible por medio del evaporador 3 del ciclo de refrigeración de vapor. El evaporador está ubicado dentro del tanque de combustible. En el evaporador 3, se evapora el refrigerante mediante el calor del flujo de combustible, mientras que se refrigera el flujo de combustible. El refrigerante evaporado es conducido por medio de un compresor a un condensador 4 (enfriador de aire a presión dinámica) en el que se condensa, por lo cual se elimina el calor del refrigerante al aire a presión dinámica. Entonces, se conduce el refrigerante condensado hasta el evaporador por medio de una válvula de expansión.
Como se ha indicado anteriormente, el sistema de refrigeración de la aviónica de la presente invención está adaptado para tres modos distintos de funcionamiento. El primer modo de funcionamiento se utiliza a temperaturas bajas de combustible, por debajo de una primera temperatura umbral T1 (por ejemplo, < 40ºC). En este modo, todo el calor eliminado de la aviónica puede ser descargado en el combustible, y solo las bombas accionadas eléctricamente del circuito de refrigeración de la aviónica y el circuito de combustible necesitan una fuente de alimentación.
En el segundo modo de funcionamiento, a temperaturas intermedias del combustible, superiores a la primera temperatura umbral T1 (por ejemplo, 40ºC) y menores a una segunda temperatura umbral T2 (por ejemplo, 55ºC), se puede descargar algo de calor en el combustible y se puede eliminar algo de calor del sistema por medio del sistema de refrigeración de vapor que transfiere el calor al aire a presión dinámica. El sistema del ciclo de vapor mantiene el nivel de temperatura en el circuito de refrigeración de la aviónica a la temperatura umbral establecida, por ejemplo 40ºC. En este modo, además de las bombas del ciclo de refrigeración de la aviónica y del ciclo de refrigeración de combustible, también necesita una fuente de alimentación en alguna medida el compresor accionado eléctricamente del sistema de refrigeración de vapor.
En el tercer modo de funcionamiento, a temperaturas elevadas del combustible, superiores a la segunda temperatura umbral T2 (por ejemplo > 55ºC), se cierra la válvula 5 para el modo de temperatura baja y se conecta directamente el circuito de refrigeración de la aviónica con el ciclo de refrigeración de vapor, por lo cual todo el calor eliminado de la aviónica es llevado al exterior mediante el ciclo de refrigeración de vapor. En este modo, no se eleva la temperatura del combustible en el tanque de combustible, dado que el flujo 6 de combustible se encuentra en un ciclo cerrado en este modo y no tiene ningún contacto con el combustible en el tanque. Las bombas del circuito de refrigeración de la aviónica y del circuito de refrigeración de combustible, y el compresor accionado eléctricamente del ciclo de refrigeración de vapor necesitan una fuente de alimentación. En este modo, el compresor necesita la totalidad del suministro energético.
Cuando se necesita, se puede utilizar el ciclo de refrigeración de vapor para refrigerar el combustible en el tanque de combustible, cuando haya latitud para ello. Como se muestra en la Fig. 2, el circuito de combustible puede estar provisto de una válvula en el conducto del flujo de combustible, entre el evaporador del ciclo de refrigeración de vapor y el intercambiador de calor del combustible/PAO del circuito de refrigeración de la aviónica. En esta figura, no se muestran en detalle el circuito de refrigeración de la aviónica ni el sistema de refrigeración de vapor.
Las temperaturas del combustible dadas anteriormente, a las que funcionan los tres circuitos (A, B, C) en distintas constelaciones, son aproximadas. Bajo ciertas circunstancias pueden ser óptimas otras gamas de temperaturas.
Ejemplo
El siguiente ejemplo es un estudio del nivel de temperatura para el sistema combinado de ciclo de combustible y de vapor de la presente invención. El ejemplo, que se pretende únicamente con fines ilustrativos, muestra cómo interactúan los tres subsistemas del sistema de refrigeración a distintas temperaturas del combustible en el tanque de combustible.
El estudio se basó en los siguientes parámetros:
Características del fluido:
Capacidad térmica del combustible (cp) = 2140 J/(kg*K) a 40ºC
\quad
Capacidad térmica de las PAO (cp) = 1950 J/(kg*K) a 40ºC
Carga de calor de la aviónica:
10 kW (no se incluye el calor generado por las bombas)
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Se establecieron los requerimientos de temperatura del sistema según se muestran en la Tabla 1, en la que los números de referencia aluden a la Fig. 1.
\vskip1.000000\baselineskip
TABLA 1
1
El resultado del estudio se muestra en la Tabla 2. Los números de referencia aluden a la Fig. 1.
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TABLA 2
2
\vskip1.000000\baselineskip
El estudio muestra que a temperaturas del tanque de combustible de hasta 40ºC, el ciclo de refrigeración de vapor no necesita estar en funcionamiento, dado que se puede descargar todo el calor en el combustible. A una temperatura de combustible de 40-55ºC en el tanque de combustible, el ciclo de refrigeración de vapor funciona a capacidad parcial y a una temperatura del tanque de combustible de 55ºC, el ciclo de refrigeración de vapor funciona a plena
capacidad.
En este estudio, se escogió la capacidad del ciclo de refrigeración de vapor en base a la carga de calor (10 kW) de la aviónica.
El sistema de refrigeración de la presente invención tiene un bajo consumo de energía y es simple e incluye pocos componentes. A bajas temperaturas de combustible, el ciclo de refrigeración de vapor no está en funcionamiento, y entonces se necesita energía únicamente en las bombas de circulación para el refrigerante de la aviónica y para el flujo 6 de combustible. La capacidad de refrigeración del sistema está ajustada para igualar la carga de calor en el compartimento de aviónica, de forma que solo se extrae el calor que se genera realmente. Por lo tanto, el sistema funciona a máxima capacidad únicamente cuando es necesario. La combinación de los distintos ciclos de refrigeración permite una refrigeración efectiva de la aviónica, sin el riesgo de exceder el límite superior permitido de la temperatura del combustible. El sistema de refrigeración de vapor también puede estar dimensionado para tener una capacidad para una refrigeración adicional del combustible, además de la extracción de calor que se origina en la aviónica. En caso de un fallo en el ciclo de refrigeración de vapor, se puede utilizar el ciclo de refrigeración de combustible para una refrigeración de emergencia de la aviónica. En un modo de refrigeración de emergencia, a menudo se pueden aceptar temperaturas del combustible superiores al límite normal. Al poner en marcha el motor de la aeronave, normalmente la temperatura del combustible es baja y el volumen del combustible es grande. Entonces, se puede descargar todo el calor extraído de la aviónica en el combustible, y no se necesita el ciclo de refrigeración de vapor hasta que se ha elevado la temperatura del combustible hasta la primera temperatura umbral. A cargas temporales elevadas de calor, se puede utilizar el combustible como un acumulador de calor, lo que significa que se pueden reducir los requerimientos de la capacidad del ciclo de refrigeración de vapor.

Claims (8)

1. Un sistema de refrigeración de la aviónica que comprende un circuito (A) de refrigeración de la aviónica, que funciona con un refrigerante líquido; un circuito (B) de combustible; y un ciclo (C) de refrigeración de vapor que funciona con un refrigerante, caracterizado porque el circuito (A) de refrigeración de la aviónica transfiere calor extraído de la aviónica al circuito (B) de combustible, por lo cual se descarga el calor en el combustible, y el ciclo (C) de refrigeración de vapor transfiere el calor que no puede ser descargado en el combustible del circuito (B) de combustible al aire a presión dinámica.
2. El sistema conforme a la reivindicación 1, en el que el circuito (B) de combustible comprende un flujo (6) de combustible que está conectado al tanque (7) de combustible, y que puede ser aislado del tanque de combustible.
3. El sistema conforme a la reivindicación 1 o 2, en el que el sistema está funcionando en un primer modo de funcionamiento cuando la temperatura del combustible en el tanque (7) de combustible se encuentra por debajo de una primera temperatura umbral (T1), primer modo de funcionamiento en el que solo se encuentran en funcionamiento el circuito (A) de refrigeración de la aviónica y el circuito (B) de combustible, y el flujo (6) de combustible se encuentra en comunicación con el tanque de combustible.
4. El sistema conforme a una cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en el que el sistema está funcionando en un segundo modo de funcionamiento cuando la temperatura del combustible en el tanque (7) de combustible se encuentra por encima de dicha primera temperatura umbral (T1) y por debajo de una segunda temperatura umbral (T2), que es superior a la primera temperatura umbral, segundo modo de funcionamiento en el que se encuentran en funcionamiento el circuito (A) de refrigeración de la aviónica y el circuito (B) de combustible y el flujo (6) de combustible se encuentra en comunicación con el tanque de combustible, y el ciclo (C) de refrigeración de vapor se encuentra en funcionamiento con una capacidad reducida.
5. El sistema conforme a una cualquiera de las reivindicaciones 1-4, en el que el sistema está funcionando en un tercer modo de funcionamiento cuando la temperatura del combustible en el tanque (7) de combustible se encuentra por encima de dicha segunda temperatura umbral (T2), tercer modo de funcionamiento en el que se encuentran en funcionamiento el circuito (A) de refrigeración de la aviónica y el circuito (B) de combustible, y el flujo (6) de combustible se encuentra aislado del tanque de combustible, y el ciclo (C) de refrigeración de vapor se encuentra en funcionamiento a plena capacidad.
6. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones 3-5, en el que la primera temperatura umbral es entre 35-45ºC.
7. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones 3-6, en el que la segunda temperatura umbral es entre 45-55ºC.
8. Un procedimiento para la refrigeración de la aviónica caracterizado porque se extrae el calor de la aviónica en un refrigerador (1) de aviónica y se transfiere a un flujo (6) de combustible para ser descargado en el combustible de un tanque de combustible, y porque el calor que no puede ser descargado en el combustible se transfiere al aire a presión dinámica por medio de un ciclo de refrigeración de vapor.
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