JP2013249966A - Heat pump type water heater - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ヒートポンプサイクルによって給湯用流体を加熱するヒートポンプ式給湯機に関する。 The present invention relates to a heat pump type water heater that heats a hot water supply fluid by a heat pump cycle.
従来より、圧縮機から吐出された高温高圧冷媒と加熱対象流体とを熱交換器にて熱交換させて、加熱対象流体を加熱するヒートポンプサイクルが知られている。例えば、特許文献1には、ヒートポンプサイクルを用いて加熱対象流体としての給湯水を加熱するヒートポンプ式給湯機が開示されている。 Conventionally, a heat pump cycle is known in which heat is exchanged between a high-temperature and high-pressure refrigerant discharged from a compressor and a fluid to be heated in a heat exchanger to heat the fluid to be heated. For example, Patent Literature 1 discloses a heat pump type hot water heater that heats hot water as a fluid to be heated using a heat pump cycle.
また、暖房専用用途として、ヒートポンプ式給湯機の加熱対象流体に不凍液を使用することが考えられている。不凍液は融点が低いため、0℃以下の温度領域でも使用可能であるが、低温になるほど粘度は高くなる傾向がある。このため、不凍液をヒートポンプ式給湯機の加熱対象流体として用いる場合には、低温環境下での起動時に粘度が高くなるため、熱交換器に必要な流量が確保できない。この状態でヒートポンプサイクルの圧縮機を起動させると、熱交換器に高温高圧冷媒が流入した際に熱交換器には充分な量の加熱対象流体が存在しないため、ヒートポンプサイクルの冷媒の圧力と温度が急激に上昇し、機器が破損するおそれがある。 In addition, as a dedicated heating application, it is considered to use an antifreeze liquid as a heating target fluid of a heat pump water heater. Since the antifreeze has a low melting point, it can be used in a temperature range of 0 ° C. or lower, but the viscosity tends to increase as the temperature decreases. For this reason, when using antifreeze as a fluid to be heated in a heat pump type hot water heater, the viscosity increases at the time of start-up in a low-temperature environment, and thus the flow rate required for the heat exchanger cannot be secured. When the heat pump cycle compressor is started in this state, when the high-temperature and high-pressure refrigerant flows into the heat exchanger, there is not a sufficient amount of fluid to be heated in the heat exchanger. May rise suddenly and damage the equipment.
これに対し、加熱対象流体を循環させるポンプを高揚程のものに変更するとともに、温度による加熱対象流体の粘性変化を考慮した制御を行うことが考えられるが、加熱対象流体として水を用いる従来のヒートポンプ式給湯機に対して大幅な仕様変更が必要となるという問題がある。 On the other hand, it is possible to change the pump for circulating the fluid to be heated to one having a high head and to perform control in consideration of the viscosity change of the fluid to be heated depending on the temperature. There is a problem that a large specification change is required for the heat pump type water heater.
本発明は上記点に鑑み、温度によって粘性が変化する加熱対象流体を使用可能なヒートポンプ式給湯機を提供することを目的とする。 In view of the above points, an object of the present invention is to provide a heat pump type water heater that can use a fluid to be heated whose viscosity changes depending on temperature.
上記目的を達成するため、本発明の請求項1に記載の発明では、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機(15)から吐出された高温冷媒と給湯用流体とを熱交換させる熱交換器(18)を有するヒートポンプサイクル(13)と、前記熱交換器(18)にて加熱された給湯用流体を貯える貯湯タンク(11)、および、前記貯湯タンク(11)から流出した給湯用流体を前記熱交換器(18)へ圧送する圧送手段(14)を有する給湯用流体循環回路(12)と、前記給湯用流体の温度を検出する温度検出手段(21、22)と、前記温度検出手段(21、22)で検出した給湯用流体の温度に基づいて前記圧送手段(14)および前記圧縮機(15)の作動を制御する制御手段(20)とを備え、
前記給湯用流体は、所定温度以下での粘度が水より高い流体であり、前記制御手段(20)は、前記圧縮機(15)より先に前記圧送手段(14)の作動を開始し、前記給湯用流体の温度が前記所定温度を上回った場合に、前記圧縮機(15)の作動を開始することを特徴としている。
In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a heat exchanger that exchanges heat between the high-temperature refrigerant discharged from the compressor (15) that compresses and discharges the refrigerant and the hot water supply fluid ( 18), a hot water storage tank (11) for storing hot water supply fluid heated by the heat exchanger (18), and a hot water supply fluid flowing out of the hot water storage tank (11). A hot water supply fluid circulation circuit (12) having a pumping means (14) for pumping to the heat exchanger (18), a temperature detection means (21, 22) for detecting the temperature of the hot water supply fluid, and the temperature detection means ( Control means (20) for controlling the operation of the pressure feeding means (14) and the compressor (15) based on the temperature of the hot water supply fluid detected in 21, 22),
The hot water supply fluid is a fluid having a higher viscosity than water at a predetermined temperature or less, and the control means (20) starts the operation of the pressure feeding means (14) before the compressor (15), When the temperature of the hot water supply fluid exceeds the predetermined temperature, the operation of the compressor (15) is started.
このように、低温起動時に圧縮機(15)に先だって圧送手段(14)を運転開始することで、給湯用流体の温度を上昇させ、これに伴い給湯用流体の粘度を低下させることができる。そして、給湯用流体の温度が所定温度Aを上回った時点で圧縮機(15)の運転を開始することで、熱交換器(16)において充分な流量の給湯用流体が確保でき、高温冷媒の有する熱量を熱交換器(16)で給湯用流体に確実に放熱させることができる。これにより、熱交換器(16)にて給湯用流体の流量が不足して冷媒の温度と圧力が急激に上昇するという不具合を防止することができる。この結果、給湯用流体として水を用いた従来のヒートポンプ式給湯機の圧送手段を変更することなく、温度によって粘性が変化する加熱対象流体を使用することができる。 Thus, by starting the operation of the pumping means (14) prior to the compressor (15) at the time of low temperature startup, the temperature of the hot water supply fluid can be raised, and the viscosity of the hot water supply fluid can be lowered accordingly. Then, by starting the operation of the compressor (15) when the temperature of the hot water supply fluid exceeds the predetermined temperature A, a sufficient flow rate of hot water supply fluid can be secured in the heat exchanger (16), and the high temperature refrigerant The amount of heat it has can be reliably radiated to the hot water supply fluid by the heat exchanger (16). Thereby, the malfunction that the flow rate of the hot water supply fluid is insufficient in the heat exchanger (16) and the temperature and pressure of the refrigerant rapidly increase can be prevented. As a result, it is possible to use a fluid to be heated whose viscosity changes depending on the temperature without changing the pumping means of a conventional heat pump type water heater using water as a hot water supply fluid.
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
(第1実施形態)
以下、本発明の第1実施形態について図1〜図3に基づいて説明する。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図1に示すように、ヒートポンプ式給湯機10は、貯湯タンク11内の給湯用流体を循環させる給湯用流体循環回路12、および、加熱対象流体としての給湯用流体を加熱するためのヒートポンプサイクルであるヒートポンプサイクル13を備えている。本実施例では、給湯用流体として不凍液が用いられている。不凍液は、プロピレングリコールを主成分として含有する液体であり、0℃以下の低温環境下でも使用可能であるが、温度が低くなるほど粘度が高くなるという特性を有している。
As shown in FIG. 1, a heat pump type
給湯用流体を貯留する貯湯タンク11は、耐食性に優れた金属(例えば、ステンレス)で形成され、断熱構造を有し、高温の給湯用流体を長時間保温することができるタンクである。貯湯タンク11に貯留された給湯用流体は、貯湯タンク11の上部に設けられた流出口から出湯され、床暖房等の暖房用途に用いられる。また、貯湯タンク11内の下部に設けられた流入口からは暖房に用いられた給湯用流体が再循環するようになっている。
The hot
給湯用流体循環回路12には、給湯用流体を循環させる圧送手段としての給湯用流体ポンプ14が配置されている。給湯用流体ポンプ14は、回転数を変化させることで圧送する給湯用流体の流量を変化させることができるように構成されており、制御装置20から出力される制御信号によって、その作動が制御される。そして、制御装置20が給湯用流体ポンプ14を作動させると、給湯用流体は、貯湯タンク11の下方側に設けられた給湯用流体出口11a→給湯用流体ポンプ14→後述する熱交換器16の給湯用流体通路16a→貯湯タンク11の上方側の給湯用流体入口11bの順に循環する。
The hot water supply
ヒートポンプサイクル13は、圧縮機15、熱交換器16、膨張弁17、蒸発器18等を順次配管で接続した冷凍サイクルである。このヒートポンプサイクル13では、冷媒として二酸化炭素を採用しており、圧縮機15から吐出された高圧冷媒の圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界冷凍サイクルを構成している。
The
圧縮機15は、ヒートポンプサイクル13において冷媒を吸入し、臨界圧力以上となるまで圧縮して吐出するものである。圧縮機15としては、例えば固定容量型の電動圧縮機を用いることができる。
The
圧縮機15の冷媒吐出口には、熱交換器16の冷媒通路16b入口側が接続されている。熱交換器16は、給湯用流体が通過する給湯用流体通路16aと圧縮機15から吐出された高温高圧冷媒が通過する冷媒通路16bとを有して構成される熱交換器であって、圧縮機15から吐出された高温高圧冷媒の有する熱量を給湯用流体に放熱させて、給湯用流体を加熱する加熱用熱交換器である。なお、本実施形態のヒートポンプサイクル13では、前述の如く、超臨界冷凍サイクルを構成しているので、熱交換器16の冷媒通路16bを通過する冷媒は、凝縮することなく超臨界状態のまま放熱する。
The refrigerant discharge port of the
熱交換器16の冷媒通路16b出口側には、膨張弁17の入口側が接続されている。膨張弁17は熱交換器16の冷媒通路16bから流出した高圧冷媒を減圧膨張させる可変絞り機構である。
The inlet side of the
膨張弁17の出口側には、蒸発器18が接続されている。蒸発器18は、膨張弁17にて減圧された低圧冷媒と図示しない送風ファンにより送風された外気(室外空気)とを熱交換させることによって、低圧冷媒を蒸発させて吸熱作用を発揮させる吸熱用の熱交換器である。
An
なお、給湯用流体循環回路12の構成機器のうち、貯湯タンク11については、タンクユニット200として構成され、屋内に配置されている。また、給湯用流体循環回路12の給湯用流体ポンプ14やヒートポンプサイクル13の各構成機器15〜18等は、ヒートポンプユニット300として一体的に構成され、屋外に配置されている。このため、給湯用流体ポンプ14にて圧送される給湯用流体の温度は、外気温の影響を受けることとなる。
Of the components of the hot water supply
次に、本実施形態の制御装置20について説明する。制御装置20は、CPU、ROMおよびRAM等を含む周知のマイクロコンピュータとその周辺回路から構成されている。制御装置20の出力側には、給湯用流体ポンプ14、圧縮機15等が接続され、これらの作動を制御する。また、制御装置20の入力側には、給湯用流体循環回路12における給湯用流体ポンプ14に流入する給湯用流体の温度(以下、「給湯用流体温度」という)を検出する第1温度センサ21、熱交換器16から流出する給湯用流体の温度を検出する第2温度センサ22等が接続されている。第1温度センサ21は、給湯用流体循環回路12における貯湯タンク11より下流側で給湯用流体ポンプ14の上流側に設けられ、第2温度センサ22は給湯用流体循環回路12における熱交換器16の下流側に設けられている。これらの温度センサ21、22は、雰囲気温度(外気温)に応じて変化する給湯用流体温度を検出するように構成されている。
Next, the
次に、上記の構成における本実施形態のヒートポンプ式給湯機10の作動を図2、図3を用いて説明する。なお、図2に示す制御処理は、ヒートポンプ式給湯機10に外部から電源が供給された状態で、図示しない操作パネルから沸き上げ運転開始要求信号が出力されることによりスタートする。
Next, the operation of the heat pump
沸き上げ運転開始により、温度センサ21、22のセンサ信号に基づいて給湯用流体温度を検出し(S10)、給湯用流体温度が所定温度Aを上回っているか否かを判定する(S11)。ここで、所定温度Aについて説明する。上述のように、給湯用流体として不凍液を用いる場合には、低温環境下で粘度が高くなるため、給湯用流体ポンプ14を作動させても、熱交換器16に流入する給湯用流体の流量が少なくなる。このため、所定温度Aは、給湯用流体ポンプ14によって給湯用流体を循環させた場合に、熱交換器16に必要な給湯用流体の流量を確保できる程度に給湯用流体の粘度が低下する温度として設定される。所定温度Aは、給湯用流体として用いる不凍液の種類や濃度に基づいて設定すればよく、本実施形態では0℃としている。
When the boiling operation is started, the hot water supply fluid temperature is detected based on the sensor signals of the
S11の判定処理の結果、給湯用流体温度が所定温度Aを上回っていると判定された場合には(S11:YES)、給湯用流体ポンプ14によって給湯用流体を循環させた場合に、熱交換器16に必要な給湯用流体の流量を確保できるので、給湯用流体ポンプ14の運転を通常回転(第1回転数)にて開始し(S12)、圧縮機15の運転を開始する(S13)。
As a result of the determination process of S11, when it is determined that the hot water supply fluid temperature is higher than the predetermined temperature A (S11: YES), heat exchange is performed when the hot water supply fluid is circulated by the hot water
これにより、図3(a)に示すように、起動時の給湯用流体温度が所定温度Aを上回っている場合には、給湯用流体ポンプ14と圧縮機15が同時に運転開始することとなる。なお、起動直後は、給湯用流体を給湯用流体循環回路12に早期に循環させるために、給湯用流体ポンプ14を定常運転より回転数が高い起動運転にて作動させる。その後、給湯用流体ポンプ14は、起動運転よりも回転数が低い定常運転に移行させる。
As a result, as shown in FIG. 3 (a), when the hot water supply fluid temperature at the time of activation exceeds a predetermined temperature A, the hot water
一方、S11の判定処理の結果、給湯用流体温度が所定温度Aを上回っていないと判定された場合には(S11:NO)、給湯用流体ポンプ14によって給湯用流体を循環させた場合に、熱交換器16に必要な給湯用流体の流量を確保できないので、給湯用流体ポンプ14の運転を高回転(第2回転数)にて開始する(S14)。これにより、図3(b)に示すように、起動時の給湯用流体温度が所定温度A以下の場合には、給湯用流体ポンプ14のみが運転開始することとなる。なお、起動時の給湯用流体温度が所定温度A以下の場合には、給湯用流体(不凍液)の粘度が高くなっているので、流体ポンプの起動運転での回転数を図3(a)に示す起動時の給湯用流体温度が所定温度Aを上回っている場合よりも高回転としている。
On the other hand, as a result of the determination process of S11, when it is determined that the hot water supply fluid temperature does not exceed the predetermined temperature A (S11: NO), when the hot water
S14の処理で、給湯用流体ポンプ14の運転を開始することで、貯湯タンク11内で保温された高温の給湯用流体が循環を開始する。このため、当初は低温であった給湯用流体温度を徐々に上昇させていくことが可能となる。
By starting the operation of the hot water
次に、温度センサ21、22のセンサ信号に基づいて給湯用流体温度を検出し(S15)、給湯用流体温度が所定温度Aを上回っているか否かを判定する(S16)。そして、給湯用流体温度が所定温度Aを上回るまで、S15とS16の処理を繰り返し行い、給湯用流体温度が所定温度Aを上回った場合に(S16:YES)、圧縮機15の運転を開始する(S13)。
Next, the hot water supply fluid temperature is detected based on the sensor signals of the
以上説明した本実施形態の構成によれば、不凍液からなる給湯用流体の粘度が高くなっている低温起動時に、圧縮機15に先だって給湯用流体ポンプ14を運転開始することで、給湯用流体温度を徐々に上昇させ、これに伴い給湯用流体の粘度を低下させることができる。そして、給湯用流体温度が所定温度Aを上回った時点では、熱交換器16において充分な流量の給湯用流体が確保できる。このため、給湯用流体温度が所定温度Aを上回った時点で圧縮機15の運転を開始することで、高温高圧冷媒の有する熱量を熱交換器16で給湯用流体に確実に放熱させることができる。このため、熱交換器16にて給湯用流体の流量が不足して冷媒の温度と圧力が急激に上昇するという不具合を防止することができる。この結果、給湯用流体として水を用いた従来のヒートポンプ式給湯機の流体ポンプを変更することなく、給湯用流体として温度によって粘性が変化する不凍液を用いることができる。
According to the configuration of the present embodiment described above, the hot water
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態を図4、図5に基づいて説明する。上記第1実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, description thereof is omitted, and only different parts are described.
図4に示すように、本第2実施形態のヒートポンプ式給湯機10では、給湯用流体循環回路12の給湯用流体を加熱するための補助熱源としてヒータ23が設けられている。ヒータ23は、給湯用流体循環回路12における給湯用流体ポンプ14の上流側に配置されており、ヒートポンプユニット300に含まれている。本実施形態では、ヒータ23として電気ヒータを用いている。
As shown in FIG. 4, in the heat pump
次に、本第2実施形態のヒートポンプ式給湯機10の作動を図5を用いて説明する。
Next, the operation of the heat pump
本第2実施形態では、S11の判定処理で給湯用流体温度が所定温度Aを上回っていないと判定され、S14の処理で給湯用流体ポンプ14の運転を高回転にて開始した後に、給湯用流体ポンプ14の運転開始から所定時間が経過したか否かを判定する(S17)。
In the second embodiment, the hot water supply fluid temperature is determined not to exceed the predetermined temperature A in the determination process of S11, and the operation of the hot water
この結果、所定時間が経過していないと判定された場合には(S17:NO)、S15の処理に移行する。一方、所定時間が経過したと判定された場合には(S17:YES)、ヒータ23を作動させ(S18)、S15の処理に移行する。
As a result, when it is determined that the predetermined time has not elapsed (S17: NO), the process proceeds to S15. On the other hand, when it is determined that the predetermined time has elapsed (S17: YES), the
次に、S16の判定処理で給湯用流体温度が所定温度Aを上回っていると判定された場合には、ヒータ23が作動中か否かを判定する(S19)。この結果、ヒータ23が作動中でないと判定された場合には(S19:NO)、S13の処理に移行する。一方、ヒータ23が作動中であると判定された場合には(S19:YES)、ヒータ23の作動を停止し(S20)、S13の処理に移行する。
Next, when it is determined in the determination process of S16 that the hot water supply fluid temperature is higher than the predetermined temperature A, it is determined whether or not the
以上説明した本第2実施形態の構成によれば、低温起動時に給湯用流体ポンプ14を運転開始してから所定時間経過しても給湯用流体温度が所定温度Aまで上昇しない場合に、ヒータ23で給湯用流体を加熱することで、給湯用流体温度を強制的に所定温度A以上に上昇させることができる。これにより、貯湯タンク11内の給湯用流体温度が低く、貯湯タンク11内の給湯用流体が循環することによっては給湯用流体温度が上昇しない場合であっても、給湯用流体温度を上昇させることができ、熱交換器16において充分な流量の給湯用流体が確保できる。
According to the configuration of the second embodiment described above, when the hot water supply fluid temperature does not rise to the predetermined temperature A even after a predetermined time has elapsed since the operation of the hot water
(他の実施形態)
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be variously modified as follows without departing from the spirit of the present invention.
例えば、上記各実施形態では、熱交換器16にて冷媒に加熱される加熱対象流体として不凍液を用いたが、加熱対象流体は所定温度A以下で水より粘度が高くなる流体であればよく、不凍液と異なる種類の流体であってもよい。
For example, in each of the above embodiments, the antifreeze liquid is used as the heating target fluid heated by the refrigerant in the
また、上記各実施形態のヒートポンプサイクル13では、冷媒として二酸化炭素を用いて超臨界冷凍サイクルを構成しているが、これに限らず、フロン系、HC系等の冷媒のように高圧圧力が臨界圧力を超えない冷媒を用いて亜臨界冷凍サイクルを構成してもよい。
In the
11 貯湯タンク
12 給湯用流体循環回路
13 ヒートポンプサイクル
14 流体ポンプ(圧送手段)
15 圧縮機
16 熱交換器
20 制御装置(制御手段)
21 第1温度センサ(温度検出手段)
22 第2温度センサ(温度検出手段)
23 ヒータ(加熱手段)
DESCRIPTION OF
15
21 1st temperature sensor (temperature detection means)
22 Second temperature sensor (temperature detection means)
23 Heater (heating means)
Claims (3)
前記熱交換器(18)にて加熱された給湯用流体を貯える貯湯タンク(11)、および、前記貯湯タンク(11)から流出した給湯用流体を前記熱交換器(18)へ圧送する圧送手段(14)を有する給湯用流体循環回路(12)と、
前記給湯用流体の温度を検出する温度検出手段(21、22)と、
前記温度検出手段(21、22)で検出した給湯用流体の温度に基づいて前記圧送手段(14)および前記圧縮機(15)の作動を制御する制御手段(20)とを備え、
前記給湯用流体は、所定温度以下での粘度が水より高い流体であり、
前記制御手段(20)は、前記圧縮機(15)より先に前記圧送手段(14)の作動を開始させ、前記給湯用流体の温度が前記所定温度を上回った場合に、前記圧縮機(15)の作動を開始させることを特徴とするヒートポンプ式給湯機。 A heat pump cycle (13) having a heat exchanger (18) for exchanging heat between the high-temperature refrigerant discharged from the compressor (15) that compresses and discharges the refrigerant, and the hot water supply fluid;
A hot water storage tank (11) for storing hot water supply fluid heated by the heat exchanger (18), and a pressure feeding means for pumping the hot water supply fluid flowing out of the hot water storage tank (11) to the heat exchanger (18) (14) a hot water supply fluid circulation circuit (12),
Temperature detecting means (21, 22) for detecting the temperature of the hot water supply fluid;
Control means (20) for controlling the operation of the pressure feeding means (14) and the compressor (15) based on the temperature of the hot water supply fluid detected by the temperature detection means (21, 22),
The hot water supply fluid is a fluid whose viscosity at a predetermined temperature or lower is higher than that of water,
The control means (20) starts the operation of the pressure feeding means (14) prior to the compressor (15), and when the temperature of the hot water supply fluid exceeds the predetermined temperature, the compressor (15 ) Is started, a heat pump type water heater.
前記制御手段(20)は、前記給湯用流体の温度が前記所定温度を上回っている場合には、前記圧送手段(14)を第1回転数で作動させ、前記給湯用流体の温度が前記所定温度以下の場合には、前記圧送手段(14)を前記第1回転数より高回転の第2回転数で作動させることを特徴とする請求項1に記載のヒートポンプ式給湯機。 The pumping means (14) is configured to change the flow rate of the hot water supply fluid pumped by changing the number of rotations,
When the temperature of the hot water supply fluid is higher than the predetermined temperature, the control means (20) operates the pressure feeding means (14) at a first rotational speed so that the temperature of the hot water supply fluid is the predetermined temperature. 2. The heat pump type hot water heater according to claim 1, wherein when the temperature is equal to or lower than the temperature, the pumping means is operated at a second rotation speed higher than the first rotation speed.
前記制御手段(20)は、前記圧送手段(14)の運転開始から所定時間が経過した時点で、前記給湯用流体の温度が前記所定温度に到達しない場合には、前記加熱手段(22)にて前記給湯用流体を加熱させることを特徴とする請求項1または2に記載のヒートポンプ式給湯機。 Heating means (22) for heating the hot water supply fluid;
When the predetermined time has elapsed from the start of operation of the pressure feeding means (14), the control means (20) causes the heating means (22) to turn on the heating means (22) if the temperature of the hot water supply fluid does not reach the predetermined temperature. The heat pump type hot water heater according to claim 1 or 2, wherein the hot water supply fluid is heated.
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