JP2008075919A - チラー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】広い温度範囲にわたって安定して運転でき、クーラントの温度を精度良く制御できるチラー装置を提供する
【解決手段】冷凍回路１の冷媒と冷媒液回路２のクーラントとを熱交換器３において熱交換させて冷媒液回路２の負荷２９を冷却または加熱するチラー装置であって、冷凍回路１は、熱交換器３からの冷媒が、圧縮機１１に導入されて圧縮された後、凝縮器１２および電子膨張弁１３を経て熱交換器３に還流するように構成されており、電子膨張弁１３の上流側と熱交換器３の下流側とを接続して、凝縮器１２からの冷媒を電子膨張弁１３および熱交換器３を通らずに圧縮機１１に導入する第１バイパス回路１４を設け、第１バイパス回路１４の冷媒の流量を調整する温度制御弁１４ａを第１バイパス回路１４に設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、所定の温度のクーラントを負荷に送り、負荷の温度を調節するためのチラー装置に関するものである。

従来より、冷凍回路の冷媒と負荷側の冷媒液回路のクーラントとを熱交換器において熱交換させて、所定の温度のクーラントで冷媒液回路の負荷を冷却または加熱するチラー装置が知られている（例えば、下記特許文献１，２）。
特開平１０−２２０９４７号（図８） 特開２００３−２８５１５号（図４）

図３（ａ）は、前記特許文献１に開示されたチラー装置の一例を示す。
このチラー装置は、負荷２９において温度が上昇した冷媒液（クーラント）を冷却するための冷凍回路１と、冷凍回路１によって冷却した冷媒液を所定の温度に調節した後、負荷２９に供給して循環させる冷媒液回路２とを備えている。前記冷凍回路１は、適宜の冷媒を圧縮して高温高圧のガスとする圧縮機１１と、このガスを冷却凝縮して高圧の冷媒液とする凝縮器１２と、この冷媒液を減圧して低温化する減圧器９７と、減圧した冷媒を蒸発させる蒸発器３ａと、アキュムレータ９６とを順次直列に接続して構成されている。

前記冷媒液回路２は、ヒータ２３を組み込んだ冷媒液のタンク２１と、ヒータ２３で所定の温度に加熱した冷媒液を負荷２９に供給して循環させるポンプ２２と、前記負荷２９と、負荷２９によって温度が上昇した冷媒液を冷却する熱交換器３とを順次直列に接続したものとして構成されている。そして、負荷２９によって温度が上昇した冷媒液は、熱交換器３に設けた蒸発器３ａを流れる冷凍回路１の冷媒によって冷却される。タンク２１は、その出口近くの冷媒液の温度を検出して信号を出力する温度センサ２４を備え、負荷２に供給される冷媒液の温度は、温度センサ２４が検出した温度と所定の設定温度とを対比してヒータ２３の通電量を制御する温度コントローラ１０５によって調節される。

このチラー装置では、クーラントが比較的高温で循環している場合や周囲温度が高い場合に、過熱した冷媒が圧縮機１１に流入することがあるが、この際、圧縮機１１の保護回路が働いて圧縮機１１が停止されることがある（例えば、４０℃以上で保護回路が働く）。そのため、広い温度範囲にわたって安定して圧縮機１１を運転できず、クーラントの温度や周囲温度により冷却能力が安定しないという問題がある。

また、このチラー装置では、冷凍回路１の圧縮機１１は常時１００％の一定出力で運転されており、また、蒸発器３ａに導入される冷媒の流量は減圧器９７により一定となっている。したがって、この装置では熱交換器３における冷却量は一定であり、ヒータ２３による加熱量を変動することで負荷に供給されるクーラントの温度を調節することになる。そのため、クーラントを昇温させる場合は冷凍回路１による冷却能力以上のヒータ加熱能力が求められるので、広い範囲にわたってクーラントの温度を制御するには大型のヒータが必要になり、装置の大型化、消費電力の多さ、精度の低下等の問題がある。

図３（ｂ）は、前記特許文献２に開示されたチラー装置の一例を示す。
このチラー装置は、負荷２９から還流する冷媒液を所定の温度に冷却して負荷２９に供給する冷媒液回路２と、該冷媒液を冷却するための冷凍回路１と、負荷２９に供給する冷媒液の温度を制御するための制御部１０５とを備えている。前記冷凍回路１は、圧縮機１１、凝縮器１２、第１電子膨張弁１３および蒸発器３ａを直列に接続するメイン回路９０と、該メイン回路９０に設けられた圧力センサ９５及び温度センサ９４と、凝縮器１２及び第１電子膨張弁１３をバイパスして圧縮機１１の下流側と熱交換器３の上流側とを接続し、上記圧縮機１１から吐出される高温の冷媒の一部を蒸発器３ａに供給する第２電子膨張弁９２を有するホットガスバイパス回路９１とを備えている。

前記冷媒液回路２は、冷媒液のタンク２１と、負荷２９から還流する冷媒液を前記蒸発器３ａで冷却する熱交換器３と、所定の温度に調整された冷媒液を負荷２９に供給して循環させるポンプ２２と、冷媒液の温度を検出する温度センサ２４とを備えているが、ヒータは設けられていない。前記制御部１０５は、温度センサ、圧力センサの信号によって、上記電子膨張弁１３，９２の開度を個別に制御する。

このチラー装置においても、前記図３（ａ）と同様に、過熱した冷媒が圧縮機１１に流入して圧縮機１１が停止されることがあるため、広い温度範囲にわたって安定して圧縮機１１を運転できず、クーラントの温度や周囲温度により冷却能力が安定しないという問題がある。

また、この装置は、制御部１０５により第１及び第２の電子膨張弁１３，９２の開度を制御して冷凍回路１の冷凍能力を制御し、これにより負荷２に供給する冷媒液の温度を制御するため、前記図３（ａ）の装置における所定の温度の冷媒液にするためのヒータ２７が不要となる。しかし、この装置は、第１及び第２の電子膨張弁１３，９２の開度を制御して蒸発器の冷媒を調節するだけで、つまり、冷凍回路１の冷凍能力を制御するだけで冷媒液の温度を制御しているために、フィードバック制御しても応答が遅いので、温度制御の精度が低下するという問題があった。

本発明はかかる問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的の１つは、広い温度範囲にわたって安定して運転でき、クーラントの温度を精度良く制御できるチラー装置を提供することである。

本発明のある態様のチラー装置は、冷凍回路の冷媒と冷媒液回路のクーラントとを熱交換器において熱交換させて、所定の温度のクーラントで冷媒液回路の負荷を冷却または加熱するチラー装置であって、前記冷凍回路は、熱交換器からの冷媒が、圧縮機に導入されて圧縮された後、凝縮器および電子膨張弁を経て前記熱交換器に還流するように構成されており、前記電子膨張弁の上流側の導管と前記熱交換器の下流側の導管とを接続して、前記凝縮器からの冷媒を前記電子膨張弁および前記熱交換器を通らずに前記圧縮機に導入する第１バイパス回路を設け、前記凝縮器から前記第１バイパス回路を通って前記圧縮機に導入される冷媒の流量を調整して、前記圧縮機に流入する冷媒の温度を低下させる温度制御弁を前記第１バイパス回路に設けたことを特徴とする。

本態様によれば、クーラントが高温の場合や周囲温度が高い場合でも、温度制御弁を開いて、凝縮器において冷却された冷媒を第１バイパス回路を通って圧縮機に導入することで、圧縮機の冷媒が過熱するのを防止でき、圧縮機を安定して運転できる。したがって、広い温度範囲にわたってクーラントの温度を制御できる。

本発明の別のある態様においては、前記圧縮機の上流側の導管と下流側の導管とを接続して、前記圧縮機から吐出された冷媒を前記凝縮器、前記電子膨張弁および前記熱交換器を通らずに前記圧縮機の上流側に導入する第２バイパス回路を更に設け、前記第２バイパス回路を通って前記圧縮機に導入される冷媒の流量を調整して、前記圧縮機に流入する冷媒の圧力を上昇させる圧力制御弁を前記第２バイパス回路に設けている。

電子制御弁を絞って凝縮器から熱交換器に導入される冷媒の流量を減少させる場合、圧縮機に流入する冷媒の量が少なくなり、そのため、圧縮機の冷媒の圧力が圧縮機の許容範囲よりも小さくなり、圧縮機が停止するおそれがある。本態様の圧力制御弁は、圧縮機の冷媒の圧力が所定の許容範囲よりも小さくなるのを防止して圧縮機の安定運転を図るものである。

すなわち、本態様では、所定の場合に圧力制御弁を開いて圧縮機から吐出された高圧の冷媒を圧縮機の上流側に導入することで、圧縮機の冷媒の圧力を上昇させることができる。したがって、前記電子膨張弁が絞られて熱交換器から導入される冷媒の量が減少した場合でも、圧力制御弁を開いて圧縮機の冷媒の圧力を許容範囲内に保つことができる。

なお、圧力制御弁は前記温度制御弁と共に設けられてもよいし、前記温度制御弁を設けずに圧力制御弁が単体で設けられてもよい。圧力制御弁は、圧縮機の入口および／または出口の圧力センサの検出圧力に基づいて制御されてもよい。

本発明の別の好ましい態様においては、前記冷媒液回路には、前記クーラントを加熱して昇温させるヒータと、前記クーラントの温度を検出する温度センサとが設けられ、前記温度センサで検出された検出温度と所定の設定温度との差に応じて前記電子膨張弁の開度を調整することで、前記熱交換器におけるクーラントの冷却量を制御することが可能である。

この場合、電子膨張弁の開度を調整することにより熱交換器を流れる冷媒の流量を調整して冷凍回路による冷却量を調整してヒータで加熱するので、クーラントを昇温させる場合には、前記冷却量を低下させた状態でヒータで加熱するようにできる。そのため、前記図３（ｂ）のように冷却量のみを調整する装置よりも応答速度の良好な装置とすることができ、温度制御の精度が向上する。また、従来の一定冷却量の冷凍回路に比べて、ヒータによる必要加熱量が減るので、ヒータを小型化でき、省電力化を図り得る。ヒータの小型化によって、温度制御の精度を更に向上させ得る。

以下、本発明の実施例を図面にしたがって説明する。
全体構成：
図１に示すように、本チラー装置は、フロンなどの冷媒が循環する冷凍回路１と、ブラインなどのクーラント（冷媒液）が循環する負荷側の冷媒液回路２と、前記冷凍回路１および冷媒液回路２に接続された制御装置５（図２）とを備える。本装置は、前記冷凍回路１の冷媒と冷媒液回路２のクーラントとを熱交換器３において熱交換させて、所定の温度のクーラントで冷媒液回路２の負荷２９を冷却または加熱するものである。

冷凍回路：
前記冷凍回路１は、メイン回路Ｍと第１および第２バイパス回路１４，１５とを備える。
メイン回路Ｍは、圧縮機１１と、凝縮器１２と、電子膨張弁（主制御弁）１３と、熱交換器３とを、導管により順次接続して構成されている。メイン回路Ｍの圧縮機１１の上流側には、圧縮機１１の入口側の冷媒の圧力および温度を検出する第１圧力温度センサ１８が設けられている。メイン回路Ｍの圧縮機１１の下流側には、圧縮機１１の出口側の冷媒の圧力および温度を検出する第２圧力温度センサ１９が設けられている。

メイン回路Ｍでは、熱交換器３（蒸発器）において気体となった冷媒は、圧縮機１１で圧縮されて凝縮器１２に圧送され、凝縮器１２の冷却ファン１２ａにより冷却されて液化する。凝縮器６で冷却、液化された冷媒は電子膨張弁１３を通って低圧化された状態で熱交換器３に送られ、ここで再び気化して熱を奪うことで熱交換器３内のクーラントを冷却する。このように、冷凍回路１のメイン回路Ｍは、矢印Ｘ１に示すように、熱交換器３からの冷媒が、圧縮機１１に導入されて圧縮された後、前記凝縮器１２および電子膨張弁１３を経て前記熱交換器３に還流するように構成されている。電子膨張弁１３は、通過する冷媒を膨張させて冷媒の圧力を低下させて熱交換器３に導入するものである。電子膨張弁１３は、後述する温度センサの検出温度や設定温度に応じて開度を調整して、メイン回路Ｍの熱交換器３における冷媒の流量を制御する。

第１バイパス回路１４は、電子膨張弁１３の上流側の導管と熱交換器３の下流側（圧縮機１１の上流側）の導管とを接続して、矢印Ｘ２に示すように、凝縮器１２からの冷媒を電子膨張弁１３および熱交換器３を通らずに圧縮機１１に導入することを可能とするものである。第１バイパス回路１４には、該第１バイパス回路１４を通って圧縮機１１に導入される冷媒の流量を調整するための温度制御弁１４ａが設けられている。この温度制御弁１４ａは、常閉の弁であり、後述する所定の場合に開かれて、凝縮器１２からの低温の冷媒を直接圧縮機１１の上流側に導入することで、圧縮機１１を流れる冷媒の温度を低下させる。

第２バイパス回路１５は、圧縮機１１の上流側の導管と下流側の導管とを接続して、矢印Ｘ３に示すように、圧縮機１１から吐出された冷媒を凝縮器１２、電子膨張弁１３および熱交換器３を通らずに圧縮機１１の上流側に導入することを可能とするものである。第２バイパス回路１５には、該第２バイパス回路１５を通って圧縮機１１に導入される冷媒の流量を調整するための圧力制御弁１５ａが設けられている。この圧力制御弁１５ａは常閉の弁であり、後述する所定の場合に開かれて圧縮機１１から吐出された高圧の冷媒を圧縮機１１の上流側に導入することで、圧縮機１１に流入する冷媒の圧力を上昇させる。

なお、前記圧縮機１１としては、常時一定出力の圧縮機が用いられてもよいし、出力を増減可能なインバータ式の圧縮機を用いてもよい。なお、本装置は電子膨張弁１３の開度を調整するため、高価なインバータ式の圧縮機を用いずに冷却量を調整できる。
前記電子膨張弁１３、各制御弁１４ａ，１５ａとしては、各センサで検出された温度や圧力に応じて、開度が調整可能な制御弁が用いられてもよい。

冷媒液回路：
冷媒液回路２は、クーラントを貯留するタンク２１と、タンク２１内のクーラントを循環させるためのポンプ２２と、熱交換器３と、クーラントを加熱して昇温させるヒータ２３と、負荷２９とを、導管により順次接続して構成されている。冷媒液回路２のヒータ２３の下流側には、クーラントの温度を検出するクーラント温度センサ２４が設けられている。クーラント温度センサ２４は、熱交換器３で冷却されヒータ２３で加熱された後であって、負荷２９に導入される直前のクーラントの温度を検出する。

冷媒液回路２は、前記熱交換器３で冷却されたクーラントをヒータで加熱し、所定の設定温度にして負荷２９に導入することで、負荷２９の温度を所定の温度に調節する。この冷媒液回路２では、温度センサ２４を負荷２９の直前で検出しているので、負荷２９に導入されるクーラントの温度安定性が高い。
また、前記ヒータ２３は、前記小型の制御用タンク２３ａに収容されており、ヒータ２３は該制御用タンク２３ａ内のクーラントを加熱する。そのため、大型のタンクのクーラントを加熱する場合に比べて温度ムラによる影響が少なくなり、温度制御の精度が向上する。

制御装置：
制御装置５（図２）は、例えば、マイクロコンピュータからなり、前記冷凍回路１や前記冷媒液回路２の制御を行う。制御装置５は、弁を制御する弁制御手段（第１制御手段）５１およびヒータを制御するヒータ制御手段（第２制御手段）５２などを有する。

制御装置５には、冷凍回路１の第１および第２圧力温度センサ１８，１９や、冷媒液回路２のクーラント温度センサ２４が接続されており、各センサから冷凍回路１の冷媒の温度や圧力、冷媒液回路２のクーラントの温度が制御装置５に出力される。また、制御装置５には、クーラントの設定温度を入力する入力部７が接続されている。

また、制御装置５の弁制御手段５１は、冷凍回路１の電子膨張弁１３、温度制御弁１４ａおよび圧力制御弁１５ａに接続されており、前記設定温度や検出された温度や圧力に応じて、各弁の開度を制御する。制御装置５のヒータ制御手段５２は、冷媒液回路２のヒータに接続されており、前記設定温度や検出された温度に応じて、ヒータへの通電量を制御する。

動作：
次に、本チラー装置の制御動作について説明する。
クーラントの温度制御：
冷凍回路１によるクーラントの冷却量および冷媒液回路２のヒータ２３によるクーラントの加熱量は、前記入力部７から入力された設定温度と前記クーラント温度センサ２４で検出された検出温度との温度差に基づいて制御装置５により制御される。すなわち、前記制御装置５の弁制御手段５１は、前記温度差に基づいて電子膨張弁１３の開度を調整して冷凍回路１による冷却量を増減し、ヒータ制御手段５２は、前記温度差に基づいてヒータ２３への通電量を調整して、ヒータ２３による加熱量を増減し、これにより、クーラントの温度がフィードバック制御される。

設定温度が検出温度より高い場合には、冷凍回路１による冷却量よりもヒータ２３による加熱量が大きくなるように、電子膨張弁１３の開度およびヒータ２３への通電量が制御されて、クーラントが昇温される。一方、設定温度が検出温度より低い場合には、冷凍回路による冷却量よりもヒータ２３による加熱量が小さくなるように、電子膨張弁１３の開度およびヒータ２３への通電量が制御されて、クーラントが冷却される。この制御は、温度差に対応して予め定められたマップに基づいて電子膨張弁１３の開度とヒータ２３の通電量の双方を変動させて行われてもよい。あるいは、一方を所定値に固定した上で、他方を変動させて行われてもよい。この場合、フィードバック制御の応答速度を考慮して、ヒータ２３の通電量を変動させるのが好ましい。

温度制御弁の制御：
クーラントが高温で循環している場合や、周囲温度が高い場合などに圧縮機１１に流入する冷媒の温度が圧縮機１１の許容範囲を超えるおそれがある。前記温度制御弁１４ａ（図１）は、かかる事態を防止して圧縮機１１の安定運転を図るためのものであり、所定の場合に開かれて、凝縮器１２の下流側の低温の冷媒を第１バイパス回路１４を経由して圧縮機１１の上流側の導管に導入して、圧縮機１１に流入する冷媒の温度を低下させる。温度制御弁１４ａの開閉は下記のように制御装置５（図２）により制御される。

制御装置５は、第１圧力温度センサ１８により検出された圧縮機１１の入口の冷媒の温度（入口温度）が所定の第１基準温度より高いか否かを判別する共に、第２圧力温度センサ１９により検出された圧縮機１１の出口の冷媒の温度（出口温度）が所定の第２基準温度より高いか否かを判別する。

通常の場合、すなわち、入口温度が第１基準温度よりも低く、かつ、出口温度が第２基準温度よりも低い場合は、圧縮機１１に導入される冷媒の温度は圧縮機１１の許容範囲を超えないので、温度制御弁１４ａは閉状態に制御される。

一方、入口温度が第１基準温度よりも高い場合、または、出口温度が第２基準温度よりも高い場合、あるいは、その双方が満たされる場合、圧縮機１１に導入される冷媒の温度が圧縮機１１の許容範囲を超えて上昇してしまう可能性があるため、これを防止するために、温度制御弁１４ａを開状態に制御し、圧縮機１１に流入する冷媒の温度を低下させる。この開状態は、入口温度が第１基準温度よりも低く、かつ、出口温度が第２基準温度よりも低い状態となるまで継続する。

なお、本実施例では、入口温度および出口温度の双方に基づいて温度制御弁１４ａを制御するようにしたが、入口温度または出口温度のどちらか一方のみに基づいて温度制御弁１４ａの開閉を制御してもよい。

圧力制御弁の制御：
前記電子膨張弁１３の開度を絞って熱交換器３からの冷媒が減少した場合に、圧縮機１１に流入する冷媒の圧力が過小になり圧縮機１１の許容範囲を超えるおそれがある。前記圧力制御弁１５ａ（図１）は、かかる事態を防止して圧縮機の安定運転を図るためのものであり、所定の場合に開かれて、圧縮機１１から吐出される高圧の冷媒を再び圧縮機の上流側に流入させることで、圧縮機１１に流入する冷媒の圧力を上昇させる。圧力制御弁１５ａの開閉は下記のように制御装置５（図２）により制御される。

制御装置５は、第１圧力温度センサ１８により検出された圧縮機１１の入口の冷媒の圧力（入口圧力）が所定の第１基準圧力より高いか否かを判別する。通常の場合、すなわち、入口圧力が第１基準圧力よりも高い場合は、圧縮機１１に導入される冷媒の圧力は圧縮機１１の許容範囲を超えないので、圧力制御弁１５ａは閉状態に制御される。

一方、入口圧力が第１基準圧力よりも低い場合、圧縮機１１に導入される冷媒の圧力が圧縮機１１の許容範囲を超えて低下してしまう可能性があるため、これを防止するために、圧力制御弁１５ａを開状態に制御し、これにより、圧縮機１１に流入する冷媒の圧力を上昇させる。この開状態は、入口圧力が第１基準圧力よりも高い状態となるまで継続する。

なお、本実施例では、入口圧力のみに基づいて圧力制御弁１５ａを制御するようにしたが、入口圧力と圧縮機１１の出口側の出口圧力の双方とに基づいて圧力制御弁１５ａを制御してもよい。
また、圧縮機１１から流出する冷媒の圧力が圧縮機１１の許容範囲を超えて上昇してしまうのを防止するために、第２圧力温度センサ１９により検出された出口圧力に基づいて前記電子膨張弁１３を制御してもよい。すなわち、制御装置５が、出口圧力が所定の第２基準圧力よりも低いか否かを判別して、出口圧力が第２基準圧力よりも高い場合、電子膨張弁１３の開度を小さくして圧縮機１１の冷媒の圧力を下げるように制御してもよい。

以上のとおり、図面を参照しながら好適な実施例を説明したが、当業者であれば、本明細書を見て、自明な範囲内で種々の変更および修正を容易に想定するであろう。
たとえば、冷媒液回路の各機器の配置は前記実施例のものに限られず、熱交換器やヒータをタンクの上流側に配置する構成としてもよい。
また、冷凍回路は、圧力制御弁を設けない構成としてもよい。
したがって、そのような変更および修正は、請求の範囲から定まる本発明の範囲内のものと解釈される。

本発明は、チラー装置に利用することができる。

本発明の実施例にかかるチラー装置を示す概略構成図である。 本チラー装置の制御の構成を示すブロック図である。 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ、従来例のチラー装置を示す概略構成図である。

符号の説明

１：冷凍回路
１１：圧縮機
１２：凝縮器
１３：電子膨張弁
１４：第１バイパス回路
１４ａ：温度制御弁
１５：第２バイパス回路
１５ａ：圧力制御弁
２：冷媒液回路
２３：ヒータ
２４：クーラント温度センサ
２９：負荷
３：熱交換器
５：制御装置

Claims (3)

1. 冷凍回路の冷媒と冷媒液回路のクーラントとを熱交換器において熱交換させて、所定の温度のクーラントで冷媒液回路の負荷を冷却または加熱するチラー装置であって、
   前記冷凍回路は、熱交換器からの冷媒が、圧縮機に導入されて圧縮された後、凝縮器および電子膨張弁を経て前記熱交換器に還流するように構成されており、
   前記電子膨張弁の上流側の導管と前記熱交換器の下流側の導管とを接続して、前記凝縮器からの冷媒を前記電子膨張弁および前記熱交換器を通らずに前記圧縮機に導入する第１バイパス回路を設け、
   前記凝縮器から前記第１バイパス回路を通って前記圧縮機に導入される冷媒の流量を調整して、前記圧縮機に流入する冷媒の温度を低下させる温度制御弁を前記第１バイパス回路に設けたことを特徴とするチラー装置。
2. 請求項１において、前記圧縮機の上流側の導管と下流側の導管とを接続して、前記圧縮機から吐出された冷媒を前記凝縮器、前記電子膨張弁および前記熱交換器を通らずに前記圧縮機の上流側に導入する第２バイパス回路を更に設け、
   前記第２バイパス回路を通って前記圧縮機に導入される冷媒の流量を調整して、前記圧縮機に流入する冷媒の圧力を上昇させる圧力制御弁を前記第２バイパス回路に設けたことを特徴とするチラー装置。
3. 請求項１もしくは２において、前記冷媒液回路には、前記クーラントを加熱して昇温させるヒータと、前記クーラントの温度を検出する温度センサとが設けられ、
   前記温度センサで検出された検出温度と所定の設定温度との差に応じて前記電子膨張弁の開度を調整することで、前記熱交換器におけるクーラントの冷却量を制御することが可能であるチラー装置。

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