JP2005273923A - 空気調和機 - Google Patents

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Shoji Takaku
昭二 高久
Ryoichi Takato
亮一 高藤
Hisashi Daisaka
恒 台坂
Ichiro Fujibayashi
一朗 藤林
Atsushi Otsuka
厚 大塚
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Abstract

【課題】
室内熱交換器配管途中に除湿弁を備えた空気調和機において、室内熱交換器の配管内冷媒圧力損失を低減し、冷房運転時の室内熱交換性能を向上させ、エネルギー効率の高い空気調和機を提供する。
【解決手段】
室内熱交換器配管途中に除湿弁を備えた空気調和機において、冷房運転の際に冷媒を第1室内熱交換器9の入口近傍において分岐管11により2パスA方向と2パスB方向へ分流し、それぞれ2パスA方向に流れた冷媒を除湿弁12Aへ、2パスB方向へ流れた冷媒を除湿弁12Bへ流し、2パスA方向に流れた冷媒と2パスB方向へ流れた冷媒を第1室内熱交換器9の出口部において一度も合流させることなく、第2室内熱交換器10に流入させるように複数の除湿弁を備えた。
【選択図】 図2

Description

本発明は、特に室内機に凝縮器と蒸発器を設置することで除湿運転可能な空気調和機に関する。
一般家庭で多く使用されている空気調和機としては、室内機と室外機が別体で構成されたセパレートタイプであり、室内機内には空気と冷媒を熱交換させるための熱交換器と空気を送り出す送風機が、室外機内には空気と冷媒を熱交換させるための熱交換器と送風機、冷媒を循環させる圧縮機および冷媒を減圧する減圧機等が設置されている。これらの室内機と室外機の間に接続配管を用いて冷媒流路を接続することで冷凍サイクルが構成され、室内機と室外機の間で冷媒が循環される。
この構成の空気調和機において、冷媒流路切替え弁等により冷媒の流れ方向を変えることにより冷房運転、暖房運転および除湿運転を行っており、これらの各運転条件に関して省エネルギー化を図るための研究が盛んに行われている。
省エネルギー化の有効な手段としては、室内熱交換器の大型化や室内ファンの高風量化、配管内の冷媒圧力損失低減等があり、特に冷房能力の大きいタイプの空気調和機に関しては配管内冷媒の圧力損失を低減することで熱交換器を大型化することなく、性能を向上させる工夫がなされている。
ところで、空気調和機による除湿方法としてはいくつかの方式があり、弱冷房運転により除湿する方法や室内機内にヒーターを設置し冷房運転時にヒーター通電することにより吹き出し空気温度を下げずに除湿する方法、また室内熱交換器の配管途中に冷媒を減圧するための除湿弁を備え、除湿運転時に室内熱交換器を凝縮器部分と蒸発器部分に分担させ運転することにより、ヒーター等を設置することなく吐出空気温度を調節することのできるサイクル再熱除湿方式等がある。
これらの除湿方式に着目すると、近年除湿方式としては室内熱交換器配管途中に除湿弁を設けた除湿方式が多くなってきており、この除湿弁を具備した室内熱交換器構成での性能向上を図る研究が多くなされている。
室内熱交換器冷媒配管途中に除湿弁を備えた構成での性能向上を図った例として、特許文献1が知られている。この特許文献1には、冷房サイクルで説明すると、除湿運転時に凝縮器として作用する熱交換器に入って2つの流路に分流(2パス)され、この熱交換器で合流して除湿用絞り装置を通過した後2つに分流(2パス)されて、除湿運転時に蒸発器として作用する熱交換器に入力される。そして、この熱交換器から出力されて合流し、圧縮機に戻る冷媒回路(冷凍サイクル)が記載されている。
特開2003−254555
しかしながら、従来の室内熱交換器配管途中に除湿弁(除湿用絞り装置)を備えた構成の空気調和機は、冷房運転の際に前記除湿弁の冷媒上流側熱交換器で冷媒パス配列が多パスに分かれていても、除湿弁に流入する冷媒は合流し1パスとなり、除湿弁の冷媒下流側で再度多パスに分かれるという構成となっている。このため、除湿弁前後の1パス部の冷媒圧力損失が大きく、冷房性能を低下させていた。また、除湿運転の場合、除湿弁の下流側冷媒の状態はガス成分の多い気液二相流状態であり、その状態で一度に多パスに分流させることから安定した冷媒分配が困難であった。
本発明の目的は、除湿運転時に凝縮器として作用する熱交換器と蒸発器として作用する熱交換器と、これら熱交換器との間の流路に設けられた除湿用絞り装置とを室内機内に備えた空気調和機において、冷房性能の低下を抑制する空気調和機を提供することにある。
上記目的は、圧縮機、四方弁、膨張弁、除湿運転時に蒸発器部分となる第1室内熱交換器と凝縮器部分になる第2室内熱交換器を有する室内熱交換器、これら第1室内熱交換器と第2室内熱交換器との間の管路に配設された除湿用絞り装置と、室外熱交換器を冷媒配管で接続して形成された冷媒回路を備えた空気調和機において、冷房運転時における前記除湿用絞り装置の上流側に配置された前記第1室内熱交換器の冷媒配管パス配列を2パス以上とし、これらパス毎に前記除湿用絞り装置を配置することにより達成される
また、上記目的は、圧縮機、四方弁、膨張弁、除湿運転時に蒸発器部分となる第1室内熱交換器と凝縮器部分になる第2室内熱交換器を有する室内熱交換器、これら第1室内熱交換器と第2室内熱交換器との間の管路に配設された除湿用絞り装置と、室外熱交換器を冷媒配管で接続して形成された冷媒回路を備えた空気調和機において、冷房運転時における前記除湿用絞り装置の上流側に配置された前記第1室内熱交換器の冷媒配管パス配列を2パス以上とし、これらパス毎に前記除湿用絞り装置を配置し、これら除湿用絞り装置の下流側に配置された前記第2室内熱交換器のパス数を前記第1室内熱交換器のパス数よりも多くすることにより達成される。
また上記目的は、圧縮機、四方弁、膨張弁、除湿運転時に蒸発器部分となる第1室内熱交換器と凝縮器部分になる第2室内熱交換器を有する室内熱交換器、これら第1室内熱交換器と第2室内熱交換器との間の管路に配設された除湿用絞り装置と、室外熱交換器を冷媒配管で接続して形成された冷媒回路を備えた空気調和機において、冷房運転時における前記除湿用絞り装置の上流側に配置された前記第1室内熱交換器の冷媒配管パス配列を2パス以上とし、これらパス毎に設けられた前記除湿用絞り装置と、前記第1室内熱交換器の冷房運転時の冷媒流れ方向上流に設けられ冷媒パス配列が1パスの補助熱交換器と、前記第1室内熱交換器とこの補助熱交換器との間の管路に設けられた分岐管とを備えることにより達成される。
また、上記目的は、圧縮機、四方弁、膨張弁、除湿運転時に蒸発器部分となる第1室内熱交換器と凝縮器部分になる第2室内熱交換器を有する室内熱交換器、これら第1室内熱交換器と第2室内熱交換器との間の管路に配設された除湿用絞り装置と、室外熱交換器を冷媒配管で接続して形成された冷媒回路を備えた空気調和機において、冷房運転時における前記除湿用絞り装置の上流側に配置された前記第1室内熱交換器の冷媒配管パス配列を2パス以上とし、これらパス毎に配置された前記除湿用絞り装置とを備え、これら除湿用絞り装置の下流側に配置された前記第2室内熱交換器のパス数を前記第1室内熱交換器のパス数よりも多くし、前記除湿用絞り装置が動作したときに夫々の除湿用絞り装置の冷媒流れ下流に位置する熱交換器の熱負荷に応じて各除湿用絞り装置の冷媒流路抵抗を設定することにより達成される。
本発明によれば、除湿運転時に凝縮器として作用する熱交換器と蒸発器として作用する熱交換器と、これら熱交換器との間の流路に設けられた除湿用絞り装置とを室内機内に備えた空気調和機において、冷房性能の低下を抑制する空気調和機を提供することができる。
室内熱交換器配管経路途中に除湿弁を具備し、除湿弁を閉じることで除湿運転することのできる空調和機において、除湿弁を複数備えることにより除湿弁前後の冷媒配管を含めた冷媒圧力損失を低減し、冷房性能を向上させるという目的を実現した。以下、その実施例を説明する。
図1は本発明の一実施例に係る空気調和機のサイクル構成図である。冷房運転時の冷媒の流れで説明すると、圧縮機1にて高温・高圧ガスにされた冷媒は四方弁2を介して室外熱交換器3に流入し、室外熱交換器3において室外送風ファン4により送られる空気と熱交換し液冷媒に凝縮され、減圧器5の絞り作用により低温・低圧二相流冷媒になる。そして、低温・低圧となった二相流冷媒は室内熱交換器6に流入し、室内送風ファン7により送られる空気と熱交換して蒸発しガス冷媒となって四方弁2を介して再び圧縮機1に戻る。
このとき室内熱交換器6は、除湿運転の際に冷媒を減圧することのできる除湿弁8により第1室内熱交換器9と第2室内熱交換器10に分割されている。除湿運転時には除湿弁8を絞ることで、除湿弁8を挟んで冷媒の流れ方向に対して上流側である第1室内熱交換器9は凝縮器となり、下流側の第2室内熱交換器10は蒸発器となる。
図2は、横長の室内機内に設置された室内熱交換器の縦断面図である。図面向かって左側が室内機の前面側、右側が背面側で家屋の壁側である。図示しないが、この熱交換器の下部であって室内機正面から見てラップする位置に室内ファンである貫流ファンが室内熱交換器の横幅一杯設けられている。この図の断面で示されているように、背面側の背面熱交換器と前面上部熱交換器とで断面形状が逆V字状に形成され、前面上部熱交換器の下にこの例では2つの前面下部熱交換器が設けられている。前面の最下部の熱交換器と背面熱交換器の下方にはドレン水を受ける露受皿が設けられている。また、貫流ファンが回転することで空気流が生成され、近年では、逆V字状の頂部上方に室内機奥行き方向及び幅方向に設けられた上部吸込口から室内の空気が取り入れられ、室内機下部に設けられた吹出口から空気が吹出されるようになっている。この場合は、前面熱交換器の前面に設けられた前面パネルには開口が設けられていない。しかし、前面パネルをグリル化しても差し支えない。なお、説明が簡単になるように、本図にはサイクル部品以外の構造は図示していない。
この構成の室内熱交換器において冷媒の流れを冷房サイクルにおける冷媒循環方向の順に説明する。圧縮機1、四方弁2、室外熱交換器3、及び減圧器5を流れてきた冷媒は、図2に示す如く、背面熱交換器である第1室内熱交換器9の冷媒配管入口近傍において分岐管11によって2パスに分流され、一方は図中A方向、他方はB方向へ流れる。
本図では、A方向、B方向と便宜的に示したが、実際は、熱交換器の側端部から冷媒が流入し幅方向に流れ、反対側の端部でUベント管により折り返され、数段の折り返しを繰り返し、A方向では最上部、B方向では最下部に到達の後、風上側の列に移り、数段折り返しを繰り返して端部からこの熱交換器のパスを抜ける構成となっている。そして、A方向に流れた冷媒とB方向へ流れた冷媒は第1室内熱交換器9の冷媒出口部において合流することなく、それぞれA方向に流れた冷媒はA方向のパスを形成する冷媒管に接続された除湿弁12Aへ、同様にB方向へ流れた冷媒は除湿弁12Bへ流れる。除湿弁12A、12Bを出た後に更にそれぞれ分岐管11A、分岐管11Bにより多パス化され、第2室内熱交換器10に流入し、第2室内熱交換器10の冷媒出口近傍で全て合流する。本実施例では、背面熱交換器である第1室内熱交換器9にてA方向のパスからの冷媒管は、分岐管11Aにて更に2パスに分岐され、第2室内熱交換器10の前面下部熱交換器を上下に分流して第2室内熱交換器10を出る。一方、B方向のパスからの冷媒管は、分岐管11Bにて更に2パスに分岐され、第2室内熱交換器10に接続される。このうち一方は、第2室内熱交換器10の前面上部熱交換器に管路が形成され、他方は、第2室内熱交換器10の前面上部熱交換器と前面下部熱交換器に跨って管路が形成されている。A方向パスおよびB方向パス共に第2室内熱交換器10を出て分岐管11Cにて合流する。暖房サイクルの場合はこの逆の経路である。
このような構成にすることで、冷房運転時に第1室内熱交換器9の冷媒出口から第2室内熱交換器10の冷媒入口までの冷媒配管経路におけるガス化しつつある冷媒の圧力損失を低減でき、冷房性能を向上させることができる。また、従来除湿弁の冷媒下流側でガス成分の多い二相流冷媒を一度に多パス化していたのに対して、前記第1室内熱交換器9内の入口近傍の分岐管11でガス成分の少ない二相流冷媒を分岐することで、前記除湿弁12Aおよび12Bの冷媒下流側において従来よりも冷媒を一度に多パスに分岐させることがなくなるため、安定した冷媒分配をさせることが可能となる。
これは第1室内熱交換器9の冷媒パス配列が3パス以上で構成されている場合においても、第1室内熱交換器9の最大パス数と同じ数の除湿弁を使用することで、同様の効果が得られる。
図3は上記実施例の変形例である。本変形例は、上記実施例における室内熱交換器の一部として第1室内熱交換器9の冷媒上流側に補助熱交換器13を設置した例である。他の構成は上記実施例と同じである。
補助熱交換器13は1パスの状態であり、補助熱交換器13の出口近傍で分岐管11により2パスに分配され、その後前述した経路と同じ経路をたどる。また、この補助熱交換器13は、第2室内熱交換器10の前面上部熱交換器の風上に配置してある。これは暖房運転時のサブクールが良好に取れるようにするためである。
このような構成にすることにより、冷房運転時、補助熱交換器13において配管内冷媒の流れを整流させることができるため、組み立て時の配管形状のバラツキに対して分岐管11にて分流した冷媒のパスバランスを安定させることができる。この補助熱交換器13が存在しない状態で、冷房運転時に、冷媒配管から分岐管11に冷媒を流入させると、この冷媒は減圧直後であるので気液二相流であるため、分岐管11に接続された分岐前の冷媒配管の形状のバラツキによって、分岐後の一方の冷媒配管には気体冷媒が、他方の冷媒配管には液冷媒が多くなってしまう現象が確認されている。冷媒の分配比率が悪いと、極端な場合、一方の経路は早く蒸発が終了してしまい、他方の経路は蒸発しきれずに液冷媒が室外機(圧縮機)に戻ってしまう。このような状態では、当然ながら、熱交換器の効率が悪い。
本実施例では、冷房運転時、室外機からの配管と分岐管11との間に補助熱交換器13を配置した。この補助熱交換器13は、前述した室内熱交換器と同様、図面垂直方向にフィン内を数段の伝熱管が通されている。当然、空気調和機の室内機ユニット幅方向に補助熱交換器13は長いため、伝熱管は直線部分が多くなる。この直線部分で気液二相流の冷媒が気体と液体が十分に混合して、その後分岐管11に至るため分配比率がよくなり、熱交換器の熱交換性能が向上する。
次に、上記した除湿弁12A、12Bの配置に付き図4を用いて説明する。本図は室内熱交換器を向かって右側面から見た場合の図(背面側から見た図)である。室内熱交換器は室内送風ファン7を挟んで前面側熱交換器14Aと背面側熱交換器14Bが対向するように構成され、除湿弁12Aと除湿弁12Bを共に背面側熱交換器14Bの空気流入方向に対して風上側に配置した場合の例である。
このような配置にすることで、前記室内熱交換器の伝熱面積を減少させることなく、限られた室内機内に複数の除湿弁を配置することができる。
次に図5を用いて除湿弁12A、12Bを駆動するためのコイルへの結線について説明する。除湿弁12Aおよび12Bには除湿運転時に弁を作動させるため、それぞれコイル15Aおよび15Bが備えられており、それぞれのコイル15Aおよび15Bには室内電気品基板16とコイルをつなぐための配線17Aおよび17Bが接続されている。このとき、除湿弁12Aを作動させる為のコイル配線17Aと除湿弁12Bを作動させる為のコイル配線17Bをそれぞれのコイルから室内電気品基板に至る経路途中で合流させ、前記室内電気品基板16上の1箇所のコネクタ18にて接続することにより、室内電気品基板16の回路を簡略化できると共に、電気品自体の省スペース化が図れる。
次に除湿運転時の冷媒の流れについて図6を用いて説明する。除湿運転時の冷媒の流れで説明すると、圧縮機1、四方弁2、室外熱交換器3及び開状態となっている減圧器5を介して室内熱交換器に流入する冷媒は、第1室内熱交換器9入り口近傍にて、図2に示すものと同様、分岐管11により2パスA方向と2パスB方向に分流し、第1室内熱交換器9に流入する。この時、第1室内熱交換器9は凝縮器として作用する為、冷媒は空気と熱交換し液化していく。その後、液化した冷媒はそれぞれ除湿弁12Aおよび12Bにて減圧され、除湿弁12Aにて減圧された冷媒は分岐管11Aにてさらに4パスA方向と4パスB方向に分流し、第2室内熱交換器10に流入し、また除湿弁12Bにて減圧された冷媒は分岐管11Bにてさらに4パスC方向と4パスD方向に分流し、第2室内熱交換器10に流入する。この時、第2室内熱交換器10は蒸発器として作用する為、冷媒は空気と熱交換し蒸発しながらそれぞれ第2室内熱交換器10の出口である4パスA出口配管19A、4パスB出口配管19B、4パスC出口配管19C、4パスD出口配管19Dに至り、その後、合流管20にてすべての冷媒は合流する。
このような構成の室内熱交換器において、除湿運転をする際に前記4パスA出口配管19Aと4パスB出口配管19Bと4パスC出口配管19Cと4パスD出口配管19Dの冷媒温度をそれぞれ、Ta、Tb、Tc、Tdとすると、パスAである((Ta+Tb)/2)とパスBである((Tc+Td)/2)が概ね一致するように除湿弁12Aと12Bの冷媒減圧量を調整する。すなわち除湿弁12Aの冷媒減圧量をΔP1、除湿弁12Bの冷媒減圧量をΔP2とすると((Ta+Tb)/2)<((Tc+Td)/2)の場合(パスAよりもパスBがスーパーヒートしている)は、ΔP1>ΔP2となるように、すなわちパスBのスーパーヒートが解消するように(スーパーヒートしていない方のパスの除湿弁を絞ると冷媒はその分スーパーヒートしているパスへの冷媒分配量が増大するためスーパーヒートが解消される)、また、((Ta+Tb)/2)>((Tc+Td)/2)の場合(パスAがスーパーヒートしている)は、ΔP1<ΔP2となるように、すなわちパスBのスーパーヒートが解消されるように各除湿弁の減圧量を調整する。
本実施例では、パスAとパスBの冷媒温度平均値を比較したが、夫々の平均温度を設定値と比較して両者共適正なスーパーヒートが取れるように、夫々個別に各除湿弁の減圧量を調整しても良い。
また、冷媒温度の平均値ではなく、高い方の温度を検出値として採用しても良い。配管のバラツキで冷媒分配量が適正でないと、ガス冷媒が多い伝熱管の乾き度が大きくなってしまう。このため、パスA及びパスBのうち、より温度が高いパスへの冷媒循環量が多くなるように除湿弁の絞りを調整することでスーパーヒートが解消される。
このような構成にすることで、除湿運転の際に第2室内熱交換器10内で熱交換する冷媒のパスバランスをとることができ、除湿効率の向上を図ることができる。また、パスバランスを取ることで熱交換器を通過する空気の温度ムラを減少させることができ、室内機内部を通過する空気の通路において露付きを抑制することができる。すなわち、複数個の除湿弁が閉じた時にそれぞれの除湿弁の下流側に位置する熱交換器の熱負荷に応じて、各除湿弁の冷媒流路抵抗を設定したことにより、除湿運転時における除湿弁下流側の冷媒パスバランスを取り易くすることができ、除湿運転時の除湿効率を向上させることができる。
本発明に係る空気調和機のサイクル図である。 本発明の一実施例である空気調和機の室内熱交換器を示した図である。 上記一実施例の変形例を示した図である。 除湿弁の配置を示した図である。 除湿弁のコイルへの結線図である。 上記一実施例における除湿運転時の説明図である。
符号の説明
1…圧縮機、2…四方弁、3…室外熱交換器、4…室外送風ファン、5…減圧器、6…室内熱交換器、7…室内送風ファン、8…除湿弁、9…第1室内熱交換器、10…第2室内熱交換器、11,11A,11B…分岐管、12A,12B…除湿弁、13…補助熱交換器、14A…前面側熱交換器、14B…背面側熱交換器、15A,15B…コイル、16…室内電気品基板、17A,17B…コイル配線、18…コネクタ、19A,19B,19C,19D…4パス出口配管、20…合流管。

Claims (6)

  1. 圧縮機、四方弁、膨張弁、除湿運転時に蒸発器部分となる第1室内熱交換器と凝縮器部分になる第2室内熱交換器を有する室内熱交換器、これら第1室内熱交換器と第2室内熱交換器との間の管路に配設された除湿用絞り装置と、室外熱交換器を冷媒配管で接続して形成された冷媒回路を備えた空気調和機において、冷房運転時における前記除湿用絞り装置の上流側に配置された前記第1室内熱交換器の冷媒配管パス配列を2パス以上とし、これらパス毎に前記除湿用絞り装置を配置した空気調和機。
  2. 圧縮機、四方弁、膨張弁、除湿運転時に蒸発器部分となる第1室内熱交換器と凝縮器部分になる第2室内熱交換器を有する室内熱交換器、これら第1室内熱交換器と第2室内熱交換器との間の管路に配設された除湿用絞り装置と、室外熱交換器を冷媒配管で接続して形成された冷媒回路を備えた空気調和機において、冷房運転時における前記除湿用絞り装置の上流側に配置された前記第1室内熱交換器の冷媒配管パス配列を2パス以上とし、これらパス毎に前記除湿用絞り装置を配置し、これら除湿用絞り装置の下流側に配置された前記第2室内熱交換器のパス数を前記第1室内熱交換器のパス数よりも多くした空気調和機。
  3. 圧縮機、四方弁、膨張弁、除湿運転時に蒸発器部分となる第1室内熱交換器と凝縮器部分になる第2室内熱交換器を有する室内熱交換器、これら第1室内熱交換器と第2室内熱交換器との間の管路に配設された除湿用絞り装置と、室外熱交換器を冷媒配管で接続して形成された冷媒回路を備えた空気調和機において、冷房運転時における前記除湿用絞り装置の上流側に配置された前記第1室内熱交換器の冷媒配管パス配列を2パス以上とし、これらパス毎に設けられた前記除湿用絞り装置と、前記第1室内熱交換器の冷房運転時の冷媒流れ方向上流に設けられ冷媒パス配列が1パスの補助熱交換器と、前記第1室内熱交換器とこの補助熱交換器との間の管路に設けられた分岐管とを備えた空気調和機。
  4. 請求項1乃至3のいずれかにおいて、前記室内熱交換器は、室内送風ファンを挟んで前面側熱交換器と背面側熱交換器に対向するように配置され、前記複数の除湿用絞り装置を前記背面側熱交換器の空気流入方向に対して風上側に配置した空気調和機。
  5. 請求項1乃至3のいずれかにおいて、前記複数個の除湿用絞り装置は、弁と、弁を駆動せるためのコイルと、これらのコイルに電圧を印加する配線とを備え、前記複数個の除湿用絞り装置の弁を閉じることで除湿運転の冷媒回路が形成されるものであり、前記コイル配線を前記コイルから室内電気品基板に至る経路途中で合流させ、前記室内電気品基板上の1箇所のコネクタにて接続した空気調和機。
  6. 圧縮機、四方弁、膨張弁、除湿運転時に蒸発器部分となる第1室内熱交換器と凝縮器部分になる第2室内熱交換器を有する室内熱交換器、これら第1室内熱交換器と第2室内熱交換器との間の管路に配設された除湿用絞り装置と、室外熱交換器を冷媒配管で接続して形成された冷媒回路を備えた空気調和機において、冷房運転時における前記除湿用絞り装置の上流側に配置された前記第1室内熱交換器の冷媒配管パス配列を2パス以上とし、これらパス毎に配置された前記除湿用絞り装置とを備え、これら除湿用絞り装置の下流側に配置された前記第2室内熱交換器のパス数を前記第1室内熱交換器のパス数よりも多くし、前記除湿用絞り装置が動作したときに夫々の除湿用絞り装置の冷媒流れ下流に位置する熱交換器の熱負荷に応じて各除湿用絞り装置の冷媒流路抵抗を設定した空気調和機。
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