JP2013253753A - データセンタ用外気冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】
空調システムによる送風量を必要最小限に制御し、加湿及び除湿に必要な消費電力を抑制する。
【解決手段】
外気を取り込むためのミキシングルームと、コールドアイルとホットアイルとに分離されたサーバルームとを備え、両アイル間にサーバ等のIT機器が設置され、外気を取り込むための外気導入ファン、前記各空間の空気を循環させるための経路及び空調ファンを備え、外気を室内へ取り込んで冷却を行う外気冷却システムにおいて、前記ミキシングルーム、コールドアイル、ホットアイルに室内外の差圧を検出する差圧センサーを備え、測定した各空間と外気との差圧を所定値以下とするよう外気導入ファン及び空調ファンの回転数を制御するデータセンタ向け外気冷却システム。
【選択図】 図１

Description

本発明は複数のサーバ、ストレージ、ルータ等のIT機器が設置され、温度及び湿度の管理が要求されるデータセンタ用冷却システムに関する。

近年、情報処理技術が進歩し、あらゆる分野でIT化が進むにつれ、各種の情報を大量に処理するデータセンタの必要性が高まっている。一般的にデータセンタ内には多数のIT機器が設置されるために総発熱量が大きく、近年ではサーバ等の高集積化によりますます発熱量が増大している。

一方、これらのIT機器を正常に稼働させるには適切に空調を行って、データセンタ内を所定の温度及び湿度に保つ必要がある。したがって現状では、データセンタを冷却するために多大な空調電力が必要となっている。このため電力コストの削減の観点から、空調システムを高効率化し、空調電力を削減できる冷却システムが求められている。

そこで、近年では高効率な空調システムとして、例えば特許文献１、２のような、外気を直接取り込んで冷却に用いる外気冷却システムが注目を集めている。

一般に上記の外気冷却システムでは、データセンタを外気と接するように建設し、外気の温湿度を常時モニターし、温湿度条件によって次の３つの冷却モードを切り替えて運用する。第一に全外気モードとして、温度と湿度が適正な条件においては外気を直接データセンターに取りこんでIT機器へ送風し冷却を行う。第二に外気混合モードとして、外気が低温である場合、外気を一定量取り込み、またIT機器の排熱より高温となった排気を循環させ、両者を適切な割合で混合させ、また必要であれば加湿機により加湿することで適温適湿とし、IT機器へ送風して冷却を行う。第三に全循環モードとして、外気条件が高温、または非常に低湿である場合には外気の取り込みをやめ、設置された冷却コイル及び加湿器等により通常の空調を行う。

上記の制御方式により、全外気モード及び外気混合モードで運用する場合には空調電力を構成する主な要素(冷却電力、除湿・加湿電力、ファン電力)の内、最も大きな割合を占める冷却電力が不要となるために大幅な電力削減が可能となる。

特開２０１０−２６１６９６号公報 特開２０１１−２４２０１１号公報

ところで、サーバ、ストレージ等のIT機器は、通常IT機器内部に冷却ファンを備え、自身の負荷あるいは内部の部品温度や周囲の環境温度をモニターし、それによってファン回転数を自動制御している。このため従来のデータセンタ(従来の外気冷却システムも含む)では、個別のIT機器の急激な負荷上昇等により必要風量が増加する場合にそなえ、一般的にはIT機器の通常動作時の必要風量に対して有る程度大きなマージンをもって空調システムによる送風量を設定している。

しかし、上記のような風量制御を行うと外気冷却システムにおいては、以下の示すような特有の問題を生じ、空調電力を余分に消費するという課題があった。

第一の問題は、外気混合モード及び全外気モードでは、外気が低湿である場合、取り込んだ外気を加湿機によって加湿してIT機器に送風する。必要な加湿量は送風量に比例するため、空調システムの送風量マージンが大きいほど加湿のために余分な空調電力を消費することになる点である。

第二の問題は、全循環モードにおいては、外気が取り込みに適さないため、本来であればデータセンタの室内は外気から密閉されている事が望ましい。しかし外気冷却システムでは外気を取り込む必要性から、データセンタが外気と接して建てられ、外気導入口も設置されている。そのため外気冷却を行わないデータセンターと比較して室内の気密性確保が困難である。

気密性を確保できないために外気が高温高湿で全循環モードとなっている場合には、高温高湿の外気が室内に侵入し、冷却及び除湿のために余分な空調電力が必要となる。また、外気が低湿度の場合には低湿度の外気が侵入するために定期的に加湿器を作動させる必要が生じ、やはり余分な空調電力が必要となる。

外気侵入量は室内と外気との圧力差に比例するため、外気侵入量を減少するには、IT機器の必要風量と、空調システムによる送風量の差(風量差が大きいほど室内に圧力分布が生じる)をできるだけ小さくする必要がある。

上記課題を解決するため、本発明によるデータセンタ向け外気冷却システムは、外気を取り込むためのミキシングルームと、コールドアイルとホットアイルとに分離されたサーバルームとを備え、両アイル間にサーバ等のIT機器が設置され、外気を取り込むための外気導入ファン、前記各空間の空気を循環させるための経路及び空調ファンを備え、外気を室内へ取り込んで冷却を行う外気冷却システムにおいて、前記ミキシングルーム、コールドアイル、ホットアイルに室内外の差圧を検出する差圧センサを備え、測定した各空間と外気との差圧を所定量以下とするよう外気導入ファン及び空調ファンの回転数を制御することを特徴とする。

本発明によれば、IT機器の必要風量に対して、外気導入ファン及び空調ファンの回転数を必要最小限に抑制でき、ファン電力を低減できる。

また、外気を導入する場合には外気導入ファンの回転数を制御することで、排気のミキシングルームへの戻り割合に応じて外気導入量を必要最小限に制御することができ、外気に対して必要な加湿量を必要最小限に抑制でき、加湿器の消費電力を低減できる。

さらに、外気を取り込まない循環冷却時に、データセンタ室内外の圧力差を小さくすることで外気取り込み口及びデータセンタ建屋の微小な隙間等から侵入する外気を抑制することで、従来必要だった侵入した外気を除湿又は加湿又は冷却するために消費される電力を低減できる。

以上の効果により、本発明によってデータセンタ向け外気冷却システムにおいて大幅な空調電力の低減を実現できる。

本発明の実施例によるデータセンタ向け外気冷却システムの説明図である。 外気の状態に応じた冷却方式及び設定温度を説明する空気線図である。 全外気モードでの冷却風の流れを示す説明図である。 外気混合モードでの冷却風の流れを示す説明図である。 全循環モードでの冷却風の流れを示す説明図である。 加湿器の制御方式の説明図である。 各ファンPID制御方式を説明するための図である。 還気ダンパー、排気ダンパーのPID制御方式を説明するための図である。 冷却コイル系の説明図である。 三方弁のPID制御方式を説明するための図である。 外気の状態に応じた空調モード選択のフローチャートである。 図２の各温湿度エリアで設定する空調モード及び目標温度を示す表である。

以下、実施例を図面を用いて説明する。

本発明によるデータセンタ用外気冷却システム１について、図１を参照して説明する。

本実施例によるデータセンタ向け外気冷却システム１はデータセンタ建屋１０内が、ミキシングルーム１５と、サーバルーム１１１とに分割されており、サーバルーム１１１はさらにコールドアイル１１０とホットアイル１１３とに分割される。

ミキシングルーム１５には外気１１を取り込む外気導入ファン１３と、加湿器１６とを備え、ミキシングルーム１５とコールドアイル１１０との間には室外機１７と接続された冷却コイル１８と、入気ファン１９とを備える。外気導入ファン１３の外側には外気の粉塵や塩、臭い等を除去するためのフィルター１２が設置され、内側には逆流防止装置１４が設置される。

サーバルーム１１１にはサーバ、ストレージ、ルータなどの複数のIT機器１１２がIT機器内蔵ファンによる気流が同方向に流れるように入気面をコールドアイル１１０に、排気面をホットアイル１１３に向けて設置される。

ホットアイル１１３とミキシングルーム１５は排気ダクト１１４で接続されており、排気ダクト１１４内には排気ファン１１５を備え、また排気ダクト１１４はホットアイル１１３からの排気をミキシングルーム１５へ循環させる経路及びその経路上に還気ダンパー１１６-aを備え、ホットアイル１１３からの排気を外気へ排出する経路、及びその経路上に設置される排気ダンパー１１６-bを備え、還気ダンパー１１６-a及び排気ダンパー１１６-bの開度を変更することで排気を循環・排出する割合を自由に制御できる。

また、各室内及び外気導入口外には複数の温度センサー１１８と、湿度センサー１１９と、外気との圧力差を測定する差圧センサー１２０とが設置される。各センサーの測定値は建屋外に設置される制御装置１１７にて収集され、制御装置１１７はそれらの測定値に基づいて下記に述べるように各装置を制御する。この時、制御に用いられる各センサーの測定値は、取り込む外気１１、及びセンサーの設置される各部屋１５・１１０・１１３それぞれの平均値が測定されることが望ましく、センサーの設置場所は前もった調査により平均値に近い値が測定できるとされた代表点１箇所の測定値、または代表点複数箇所にセンサーを設置し、その平均値(あるいは部屋の平均値により近い値となるよう統計処理を行った値)を測定値とすることが望ましい。

図２に外気の状態に応じた空調モード及び設定温度を説明する空気線図を示す。図１１に外気の状態に応じた空調モード選択のフローチャートを示す。外気の温度、湿度情報を収集した制御装置１１７は、測定した外気温度及び外気相対湿度から絶対湿度を計算（１１０１）し、図２の空気線図に従って、測定した外気の状態に該当する温湿度エリア(Ａ〜Ｈ)を選択し、該当温湿度エリアにおける空調モードとコールドアイルの目標温度を図１２に示す空調モード及び目標温度設定表に従って設定する（１１０３）。なお、本実施例では目標とするコールドアイル環境を温度１２℃以上２８℃未満、相対湿度３０％以上７０％未満としている。

以下、各空調モードにおける制御方式を説明する。

[全外気モード]
外気の温湿度が図２のHエリア内に相当する場合、空調モードは全外気モードとなる。Hエリアの条件は外気温度が１５[℃]以上２６[℃]未満、かつ外気相対湿度が３０[％]以上６５[％]未満かつ外気絶対湿度が１２．１３[g/kg(DA)]未満である。目標とするコールドアイル環境よりもHエリアを狭く取っているのはモード遷移時のオーバーシュートを吸収するためである。

図３に全外気モード時の冷却風の流れを示す。全外気モードでは外気１１はIT機器１１２を冷却するのに好適な温湿度であるため、還気ダンパー１１６-aを完全に閉じ、冷却コイル１８及び室外機１７を作動せず、外気１１を直接取り込み排気をすべて室外に排出することで、空調電力として必要な電力消費元が外気導入ファン１３、入気ファン１９、排気ファン１１５及び低湿時の加湿器１６のみとなるため、通常のデータセンタの冷却方式(後に述べる全循環モードのように冷却コイルを用いて冷却する方式)と比較して大幅に電力消費が削減できる。

以下に加湿器１６及び外気導入ファン１３、入気ファン１９、排気ファン１１５の詳しい制御方式を示す。

外気を導入する場合には外気導入ファン１３を稼働して、外気１１をフィルター１２を通してミキシングルーム１５に導入する。この時ミキシングルーム１５では図６に示すように加湿器１６はコールドアイル１１０の相対湿度が第一の設定値(SHc1[%]とする。本実施例では４０[％]）を下回ると稼働し、第二の設定値(SHc2[%]とする。本実施例では５０[％])を上回ると停止するよう制御装置１１７によって制御される。

また、ミキシングルームに設置された差圧センサの測定値(MPm[Pa]とする。)を設定値(SPm[Pa]とする。本実施例では0[Pa])に近づけるように図７の左側のグラフに示すような外気導入ファンのファン回転数のPID制御を行う。

PID制御とは一般的なフィードバック制御の一種であり、測定値と目標値の差分に比例した制御を行うP動作(Proportional:比例の略)と、長時間に及ぶ目標値からのずれを修正するために差分の積分に比例した制御を行うI動作(Integral:積分の略)と、急激な変化を抑制するために差分の微分に比例した制御を行うD動作(Differential:微分ンの略)との３動作を組み合わせたものである。

具体的には、制御装置１１７は設定された一定時間間隔(例えば１秒)で、ミキシングルーム差圧値MPm[Pa]を参照し、MPm[Pa]が設定値SPm[Pa]より大きい場合、これはミキシングルームに流入する風量が流出する風量より大きいということであるため、外気導入ファンのファン回転数を低下させる。逆にMPm[Pa]がSPm[Pa]より小さい場合は回転数を増加させる。

入気ファン１９及び排気ファン１１５も、それぞれコールドアイル１１０、ホットアイル１１３の外気との差圧が設定値(SPc[Pa]及びSPh[Pa]とする。例えば０[Pa])となるように、図７の中央のグラフ及び右側のグラフに示すようなファン回転数のPID制御を行う。

上記外気導入ファン１３、入気ファン１９、排気ファン１１５のファン回転数の差圧制御により、IT機器１１２への入気風量はIT機器内部ファンがフリーエアー状態で流す風量（すなわちIT機器の必要風量）に対して丁度必要十分な量となり、IT機器個々の負荷変動等により必要風量が変動した場合も、直ちに追従して必要十分な風量を供給できる。これにより差圧制御をしない従来のデータセンタ向け空調システムと比較して空調ファン電力を削減できる。

さらに外気が低湿時に稼働させる加湿器１６の消費電力も、入気風量が必要最低限の量となることで、加湿機による必要加湿量も必要最小限の量に削減できる。

[外気混合モード]
外気の温湿度が図２のA、G、Fエリアに該当する場合、空調モードは外気混合モードとなる。Aエリアの条件は外気温度が１５[℃]未満、かつ外気相対湿度が３０[％]以上かつ外気絶対湿度が6.34[g/kg(DA)]未満である。Gエリアの条件は外気絶対湿度が6.34[g/kg(DA)]以上かつ8.89[g/kg(DA)]未満かつ外気相対湿度65[％]以上、または外気相対湿度65[％]未満かつ外気温度15[℃]未満かつ外気絶対湿度6.34[g/kg(DA)]以上である。Fエリアの条件は外気絶対湿度8.89[g/kg(DA)]以上かつ外気絶対湿度12.13[g/kg(DA)]未満かつ外気相対湿度65[％]以上である。各エリア時の目標コールドアイル温度はエリアA：15[℃]、エリアG：21[℃]、エリアF：26[℃]であり、設定温度を変えている理由は、第一に外気条件が各エリアからHエリアに移行し、全外気モードへ移行する際の温度又は湿度のオーバーシュートを小さくするためであり、第二に必要な加湿量を低減するためである。

図４に外気混合モード時の冷却風の流れを示す。外気混合モード時には外気を直接取り込んでITの冷却用いるには温度が低すぎる(Aエリア)か、または湿度が高すぎる(A,G,Fエリア)ため、還気ダンパー１１６-aを制御して排気の内の適当な割合をミキシングルーム１５に循環させ、取り込んだ外気１１と混合し、また必要ならば加湿器１６により加湿することでコールドアイル１１０への入気をIT機器１１２の冷却に適する温湿度とする。冷却コイル１８及び室外機１７は動作しないため、全外気モードと同様に大幅に電力が削減できる。

外気取り込み時の外気導入ファン１３、入気ファン１９、排気ファン１１５と加湿器１６の制御方式は全外気モードと同様である。

還気ダンパー１１６-aに対して図8の左側のグラフに示すようにコールドアイル温度の測定値MTcを設定値STcに近づけるようにダンパー開度のPID制御を行う。

即ち、測定値MTcが設定値STcより大きい場合、ダンパー開度を小さくして排気を循環させる量を減少させる。逆に測定値MTcが設定値STcより小さい場合はダンパー開度を大きくして排気を循環させる量を増加させる。

また、排気ダンパー１１６-bに対しては図8の右側のグラフに示すように還気ダンパー１１６-aに対する制御の逆の制御を行う。

即ち、測定値MTcが設定値STcより大きい場合、ダンパー開度を大きくして排気を外部へ排出する量を増加させる。逆に測定値MTcが設定値STcより小さい場合はダンパー開度を小さくして排気を外部へ排出する量を減少させる。

上記空調ファンの差圧制御は、外気混合モードにおいても全外気モードと同じく空調ファンの消費電力及び加湿器の消費電力を削減できる。さらに外気混合モードではIT機器１１２の必要風量のみならず、還気ダンパー１１６-aの開度に応じても必要な外気導入量は変化するのに対し、空調ファンの差圧制御により即座に入気風量を追従できるため、従来の外気導入ファン回転数を固定する方式と比較して大幅に空調ファンの消費電力及び加湿器の消費電力を削減できる。

[全循環モード]
外気の温湿度が図２のB、C、D、Eエリアに該当する場合、空調モードは全循環モードとなる。Bエリアの条件は外気相対湿度30%未満かつ外気温度21[℃]未満である。Cエリアの条件は外気相対湿度30[％]未満かつ外気温度21[℃]以上かつ26[℃]未満である。Dエリアの条件は外気温度26[℃]以上である。Eエリアの条件は外気温度26℃未満かつ外気絶対湿度12.13[g/kg(DA)]以上である。また、一部機器の故障等の理由で正常な外気冷却が行えなくなった場合も、エラーモードとして全循環モードとなる。

図５に全循環モード時の冷却風の流れを示す。全循環モードでは外気が高温(Dエリア)または高温多湿(D,Eエリア)または低湿(B,Cエリア)であるため、外気を取り込んでの冷却ができない。そのため排気ダンパー116-bを完全に閉じ(還気ダンパー116-aを完全に開け)て排気を全て循環させ、冷却コイル１８及び室外機１７によって排気を冷却し、また必要に応じて加湿器１６にて加湿を行うことで、コールドアイル１１０への入気をIT機器１１２の冷却に適する温湿度とする。

全循環モードでは外気導入ファン１３は停止し、排気ダンパー116-bは完全に閉じた状態で固定される。入気ファン１９及び排気ファン１１５は全外気モード時と同様に差圧制御を行い、加湿器１６の制御方法も全外気モード時と同様である。冷却コイル１８には室外機１７によって冷却された冷媒が送られ、冷却コイル１８を通過する空気と熱交換を行う。熱交換により加熱された冷媒は再び室外機１７に送られて冷却される。本実施例では室外機１７はコンプレッサー式等の空冷チラーであり、冷媒には水を用いる。図９に示すように室外機１７と冷却コイル１８をつなぐ配管には冷媒を循環させるポンプ９１と、冷却コイル１８をバイパスする経路９４と、冷却コイル通過流量とバイパス流量を調節できる三方弁９２-a・９２-bと、貯水タンク９３とを備える。全循環モードでは室外機１７は常に一定の水温を供給し、ポンプ９１は配管内に一定の流量を流すように制御しつつ、図１０に示すように、三方弁９２-a・９２-bの開度(三方弁開度100%で全ての水が冷却コイル内を流れる)を、コールドアイル温度測定値MTcを設定値STcに近づけるようにPID制御することによってコールドアイル１１０の温度を一定に保つよう冷却を行う。

即ち、測定値MTcが設定値STcより大きい場合、三方弁開度を大きくして冷却コイル通過流量を増加させる。逆に測定値MTcが設定値STcより小さい場合は三方弁開度を小さくして冷却コイル通過流量を減少させる。

理想としては、全循環モード時には建屋１０内の空気は外気１１から遮断されていることが望ましい。その理由は、第一に外気が高温の場合(D、Eエリア)には、高温の外気が室内に侵入するとその冷却のために電力を消費する。第二に、外気が高湿の場合(D、Eエリア)、高湿の外気が侵入すると冷却コイル１８による除湿のために電力を消費する。また、外気が低湿の場合(B、Cエリア)、低湿の外気が室内に侵入すると、定期的に加湿器１６を作動して加湿を行う必要が生じ、加湿器１６の消費電力が増大するためである。しかし実際には外気と室内を遮断しているのは逆流防止装置１３や、排気ダンパー１１６-b等の機械式稼働装置であり、これらは閉じている状態でも完全に空気や上記を密閉することは難しい、また排気ダクト１１４や建屋１０の外壁等も、建設時の施工に高い気密性及び断熱性を求めると建設コストが増大してしまうため、外気に面して建てられたデータセンタ建屋１０ではある程度の外気侵入は必ず生じてしまう。

しかし、微小な隙間を通じて流入する外気侵入量は、外気と室内との差圧に比例するため、本発明による差圧制御によって各部屋の外気との差圧を０付近に保つことで、外気侵入量を最小限に抑制できる。これにより差圧制御を行わない従来の外気冷却システムと比較して、データセンタの建設コストを低減しつつ加湿または除湿に要する消費電力を削減できる。

１０ データセンタ建屋
１１ 外気
１２ フィルター
１３ 外気導入ファン
１４ 逆流防止装置
１５ ミキシングルーム
１６ 加湿器
１７ 室外機
１８ 冷却コイル
１９ 入気ファン
１１０ コールドアイル
１１１ サーバルーム
１１２ IT機器
１１３ ホットアイル
１１４ 排気ダクト
１１５ 排気ファン
１１６-a 還気ダンパー
１１６-b 排気ダンパー
１１７ 制御装置
１１８ 温度センサー
１１９ 湿度センサー
１２０ 差圧センサー
９１ ポンプ
９２ 三方弁
９３ 貯水タンク
９４ バイパス経路

Claims (5)

1. 外気を取り込むためのミキシングルームと、コールドアイルとホットアイルとに分離されたサーバルームと、前記ホットアイルからの排気を前記ミキシングルームへ循環させる経路と、前記ホットアイルからの排気を外部に排出する経路とを備え、サーバを含むIT機器が前記コールドアイルと前記ホットアイルとの間に設置され、外気を前記ミキシングルームへ取り込むための外気導入ファンと、冷却風を前記コールドアイルに供給する入気ファンと、前記ホットアイルから排気を取り出す排気ファンとを備え、外気を室内へ取り込んで前記IT機器の冷却を行う外気冷却システムにおいて、前記ミキシングルーム、前記コールドアイル、前記ホットアイルに室内と外気との差圧を測定する差圧センサを設け、前記ミキシングルームで測定した差圧を所定値以下とするよう前記外気導入ファンのファン回転数を制御し、前記コールドアイルで測定した差圧が所定値以下とするよう前記入気ファンのファン回転数を制御し、前記ホットアイルで測定した差圧が所定値以下とするよう前記排気ファンのファン回転数を制御することを特徴とするデータセンタ向け外気冷却システム。
2. 前記ミキシングルームと前記コールドアイルの間に冷却コイルと前記入気ファンを備え、前記冷却コイルには室外冷却器によって冷却した冷媒が送られ、前記入気ファンは前記冷却コイルで冷却された前記ミキシングルームの空気を前記コールドアイルに供給し、外気が前記IT機器の冷却に適さない場合は外気を取り込まずに前記ミキシングルームの空気を前記コールドアイル、前記ホットアイル、前記ミキシングルームで循環させ、前記冷却コイルを用いて前記IT機器の冷却を行う事を特徴とする請求項１に記載のデータセンタ向け外気冷却システム。
3. 前記ミキシングルームに加湿器を備え、外部から取り込んだ外気あるいは循環された空気に対して、前記加湿機による加湿、または前記冷却コイルによる除湿を行って前記コールドアイルへの入気が前記IT機器の動作に適するよう湿度制御を行うことを特徴とする請求項１または２に記載のデータセンタ向け外気冷却システム。
4. 前記ミキシングルームと前記ホットアイルとが排気ダクトによって接続され、前記排気ダクトは前記ホットアイルからの排気を室外に放出するための経路を備え、前記排気ダクト内に前記ホットアイルからの排気を前記ミキシングルームと室外とに分配できる開閉ダンパを備え、前記開閉ダンパを制御して前記コールドアイルの入気が前記IT機器の冷却に適切な温湿度となるように外気と排気とを混合させることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のデータセンタ向け外気冷却システム。
5. 外気、前記ミキシングルーム、前記コールドアイル、前記ホットアイルの各々に温度を計測する温度センサ及び湿度を計測する湿度センサを備え、外気計測用の温度センサ及び湿度センサにより取得された外気の温度及び湿度に基づいて空調モード及びコールドアイル入気の設定温度及び設定湿度を決定し、決定された空調モードに従い、前記温度センサ、前記湿度センサ、前記差圧センサの計測値に基づいて前記設定温度及び設定湿度を満足するように前記外気導入ファン、前記入気ファン、前記排気ファンの回転数、前記冷却コイルの冷媒流量又は冷媒温度、前記加湿器の運転、前記開閉ダンパの開度の何れかまたは複数を制御する制御装置を備えることを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載のデータセンタ向け外気冷却システム。

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