JP2014085078A - 空気調和装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】冷房運転している室内機の室内熱交換器での凝縮水の氷結を抑制しつつ、安定した冷房運転を行う空気調和器を提供する。
【解決手段】室内熱交入口温度センサ12で検知した室内熱交換器10の温度に応じて、圧縮機4の駆動制御を段階的に変更し、室内熱交換器10の温度が低下するほど、冷媒流量を減少させる。これにより、室内熱交換器10の温度低下が緩やかになり室内熱交換器10での凝縮水の氷結を抑制しつつ、冷房能力の低下を最小限に抑えることができる。また、室内熱交換器10の温度が下降している時よりも温度が上昇している時の方が温度閾値を高く設定することで、室内膨張弁9の制御が安定する。
【選択図】図1

Description

本発明は、室外機と室内機とが複数の冷媒配管で接続された空気調和装置に係わり、より詳細には、室内熱交換器で発生した凝縮水の氷結を防ぎつつ安定して冷房運転が行える空気調和機に関するものである。
従来、ヒートポンプを利用した空気調和装置が開発されている。このような空気調和装置は、圧縮機と室外熱交換器と室外膨張弁とを備えた室外機と、室内熱交換器と室内膨張弁とを備えた室内機とが冷媒配管で接続され、室内熱交換器で冷媒と室内の空気とを熱交換することで、室内の温度を使用者が設定した温度になるようにコントロールしている。
上記のような空気調和装置は、周囲の環境や設置状態により空調運転に影響が及ばないように様々な工夫がなされている。例えば、特許文献1に示すものは、室内熱交換器と室内膨張弁を有する複数台の室内機と、圧縮機と室外熱交換器と室外膨張弁とを有する室外機と、室内機ガス配管を高圧ガス配管あるいは低圧ガス配管のいずれかに切換える冷暖切換ユニットとを備えたマルチ型空気調和装置において、室内機の室内膨張弁を制御することで当該室内機に必要な冷媒流量を確保し、他の室内機の運転状態に影響されず安定して冷房運転を行うことを可能としている。
特開2005−300006号公報
特許文献1に記載しているような空気調和装置では、居住区域の空調に加えて、サーバールーム等、発熱量が多い機器が設置されている空間の冷房を通年において行う場合がある。このような場合は、機器の保全のために当該機器が設置されている空間を安定して冷房する必要がある。
一方、冷房運転している室内機の室内熱交換器に温度の低い冷媒が多量に流れ、室内熱交換器で生成された凝縮水がフィンの隙間に付着し、この凝縮水が冷却されて、フィンの隙間で氷結する虞がある。フィンの隙間が氷で塞がれるとこれが通風抵抗となり、室内熱交換器で熱交換が十分に行えないという問題が発生する。
さらに、室内熱交換器全体で凝縮水の氷結が進むと、室内熱交換器で風量が大きく減少して蒸発圧力が大きく低下し、これにより蒸発できなかった冷媒が圧縮機に吸入されるいわゆる液戻りが発生する虞がある。
通常、室内熱交換器で凝縮水の氷結が発生した場合、空気調和装置は融解制御を行って室内熱交換器に付着した氷を溶かすことで、室内熱交換器における風量低下を防いでいる。具体的には、空気調和装置は室内熱交換器に流れる冷媒の温度が0℃以下である状態が所定時間継続すれば凝縮水が氷結したと判断し、室内熱交換器に対応する室内膨張弁を閉じることで室内熱交換器に流れる冷媒を遮断すると共に、室内ファンを継続して運転することで室内熱交換器に付着した氷を溶かす。
しかしながら、寒冷地や冬季の朝晩等、外気温度が非常に低い場合には、冷房運転している室内機の室内熱交換器を流れる冷媒の温度も低くなるため、融解制御を実行して氷を溶かしてもすぐに当該室内機で凝縮水が氷結する虞がある。従って前述したような通年にわたって冷房運転を行う室内機では、冬季に融解制御が断続的に行われる虞があり、安定して冷房運転が行えないという問題があった。
本発明は、上記の問題点を解決し、冷房運転している室内機の室内熱交換器での凝縮水の氷結を抑制しつつ、安定した冷房運転を行う空気調和機の提供を目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明の空気調和装置は、室内熱交換器と室内熱交換器温度検出手段とを有する室内機と、圧縮機と室外熱交換器とを有する室外機と、室内熱交換器温度検出手段で検知した室内熱交換器の温度を取り込みこれを用いて圧縮機の駆動制御を行う制御手段とを有するものであって、制御手段は、室内機が冷房運転しているとき、取り込んだ室内熱交換器の温度が予め定められた第1温度閾値より高い場合は、通常制御(蒸発器として機能している室内熱交換器の冷媒の蒸発温度が目標値である目標蒸発温度になるように圧縮機を駆動する制御)を行い、室内熱交換器の温度が第1温度閾値以下の場合は、取り込んだ室内熱交換器の温度に応じて圧縮機の駆動制御を行う。
上記のように構成した本発明の空気調和装置によれば、室内機が冷房運転しているときに、室内熱交換器の温度が第1温度閾値以下であれば、室内熱交温度に応じて圧縮機の駆動を制御することで、室内熱交換器への冷媒流量を減少させる。これにより、当該室内熱交換器の温度が下がることを防ぎ、室内熱交換器での凝縮水の氷結を抑制する。その結果融解制御を実施する頻度が少なくなるので、安定して冷房運転を行うことができる。
本発明の実施例である空気調和装置の冷媒回路図であり、冷房運転を行う場合の冷媒の流れを示す冷媒回路図である。 本発明の実施例における、圧縮機の駆動制御を定めた氷結セーブ制御テーブルである。 本発明の実施例における、圧縮機の駆動制御を示すフローチャートである。
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいて詳細に説明する。実施例としては、1台の室外機と1台の室内機が冷媒配管で接続された空気調和装置を例に挙げて説明する。尚、本発明は以下の実施形態に限定されることはなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。
図1に示すのは、本実施例における空気調和装置1である。空気調和装置1は、圧縮機4、流路切換手段である四方弁5、室外熱交換器6、室外膨張弁7、室外ファン8を有する室外機2と、室内膨張弁9、室内熱交換器10、室内ファン11を有する室内機3と、室外機2と室内機3を繋ぐ液接続配管14とガス接続配管15とを備え、室外ファン8と室内ファン11を除く各構成が順次冷媒配管で接続されて冷媒回路が形成されている。
まずは、室外機2の各構成を説明する。圧縮機4は、インバータにより回転数が制御される図示しないモータによって駆動されることで運転容量を可変できる容量可変型圧縮機である。圧縮機4の吐出側、吸入側は、四方弁5に冷媒配管で接続されている。
四方弁5は、冷媒の流れる方向を切換えるための弁であり、a、b、c、dの4つのポートを備えている。ポートaは圧縮機4の吐出側と、ポートbは室外熱交換器6と、ポートcは圧縮機4の吸入側と、ポートdはガス接続配管15の一端と、それぞれ冷媒配管で接続されている。
室外熱交換器6は、冷媒と室外空気との熱交換を行うものであり、一方の冷媒出入り口が四方弁5のポートbと、他方の冷媒出入り口が室外膨張弁7とそれぞれ冷媒配管で接続される。また、室外膨張弁7は、室外熱交換器6への冷媒流量を調整するものであり、図示しないパルスモータにより駆動され、パルスモータに与えるパルス数によって弁の開度が調整される。室外膨張弁7は、一方のポートが室外熱交換器6と冷媒配管で接続され、他方のポートが液冷媒配管14と接続される。
室外ファン8は、室外熱交換器6の近傍に配置され、図示しないファンモータによって回転することで、室外機2内に外気を取り込み、室外熱交換器6で冷媒と熱交換させた室外空気を室外機2外に放出する。
また、室外機2には、図示しない通信部を含む制御手段である室外制御部20が備わっており、後述する室内熱交温度Tの室内機3からの取り込み等、室内機3と随時運転情報のやり取りを行っている。
上記構成の他に、室外機2には、図示しないが、冷媒の状態や各構成の温度、外気温度を検出するための温度センサや圧力センサ等の各種センサがそれぞれ設けられており、室外制御部20は、各センサで検知した結果や室内機3から送られてくる要求能力等の運転情報に応じて、圧縮機4の駆動制御や四方弁5の切換制御、室外膨張弁7の開度制御、室外ファン8の駆動制御等を行う。
次に、室内機3の各構成について説明する。室内熱交換器10は、冷媒と室内空気との熱交換を行うものであり、一方の冷媒出入り口が室外機2と接続されるガス冷媒配管15と、他方の冷媒出入り口が室内膨張弁9とそれぞれ冷媒配管で接続される。また、室内膨張弁9は、室内熱交換器10への冷媒流量を調整するものであり、図示しないパルスモータにより駆動され、パルスモータに与えるパルス数によって弁の開度が調整される。室内膨張弁9は、一方のポートが室内熱交換器10と冷媒配管で接続され、他方のポートが液冷媒配管14と接続される。
室内ファン11は、室内熱交換器10の近傍に配置され、図示しないファンモータによって回転することで、室内機3内に室内空気を取り込み、室内熱交換器10で冷媒と熱交換させた室内空気を室内機3外に放出する。
また、室内機3には、図示しない通信部を含む室内制御部30が備わっており、室外機2と随時運転情報のやり取りを行っている。
上記構成の他に、室内機3には、室内熱交換器10が蒸発器として機能しているときに、冷媒の蒸発温度を検知する室内熱交入口温度センサ12と、蒸発後のガス冷媒温度を検知する室内熱交出口温度センサ13を備えている。室内熱交入口温度センサ12は、室内膨張弁9と室内熱交換器10との間の冷媒配管に設けられ、室内熱交出口温度センサ13は、ガス冷媒配管15と室内熱交換器10の間に設けられる。室内制御部30は、室内熱交入口温度センサ12や室内熱交出口温度センサ13が取り込んだ冷媒温度や室外機3から送られてくる高圧飽和温度を用いて、室内膨張弁9の開度制御や室内ファン11の駆動制御を行う。
図1は、空気調和装置1が冷房運転しているときの冷媒の循環方向を矢印で示している。冷房運転時、室外熱交換器6は凝縮器として機能し、室内熱交換器10は蒸発器として機能させるため、四方弁5はポートaとポートbが、ポートcとポートdがそれぞれ連通するよう切換えられ、圧縮機4から吐出された高温高圧のガス冷媒は、四方弁5を通過し、室外熱交換器6で室外空気との熱交換により凝縮し液冷媒となる。この液冷媒は全開となっている室外膨張弁7を通過し、室外機2から流出する。
室外機2から流出した液冷媒は、室内機3に流入し所定の弁開度とされた室内膨張弁9で減圧され、室内熱交換器10で室内空気との熱交換により蒸発してガス冷媒となる。室内膨張弁9の弁開度は、室内熱交入口温度センサ12と室内熱交出口温度センサ13で検知した温度の差温、つまり室内熱交換器10における冷媒過熱度に応じて制御される。室内熱交換器10から流出したガス冷媒はガス冷媒配管15を流れて室外機2に戻り、四方弁5を介して圧縮機4に吸入され、再び圧縮される。
次に、図1及び図2を用いて本発明に関わる圧縮機4の駆動制御について説明する。
図2は、室内熱交換器10の温度(以下、室内熱交温度Tと記載する)に応じて複数の異なる圧縮機4の駆動制御を定めた氷結セーブ制御テーブル100である。室外制御部20は室内制御部30とやり取りしている運転情報の中から室内熱交換器10の温度を取り込んでいる。この氷結セーブ制御テーブル100は、予め試験等により求められて室外制御部20に記憶されているものであり、室内熱交温度Tの低下による、凝縮水の氷結を抑制するための圧縮機4の駆動制御が定められたものである。なお、氷結セーブ制御テーブル100は、室内制御部30に記憶されてもよい。
具体的には、上記複数の異なる圧縮機4の駆動制御とは、第1駆動制御と、第2駆動制御と、第3駆動制御とであり、これらが本実施例の氷結セーブ制御である。氷結セーブ制御テーブル100には、第1温度閾値、第2温度閾値、第3温度閾値と複数の温度閾値が設けられており、室外制御部20は、氷結セーブ制御テーブル100を参照し、室内機から取り込んだ室内熱交温度Tに対応した各駆動制御を実行する。各温度閾値の大小関係は、第1温度閾値>第2温度閾値>第3温度閾値としている。また、氷結セーブ制御テーブル100は、室内熱交換器10の温度が下降している時よりも温度が上昇している時の方が第1温度閾値、第2温度閾値、第3温度閾値を高く設定する。これは、各駆動制御の頻繁な切り換わりを防止するために、各駆動制御の開始温度と終了温度を異ならせるためである。
以下に、各制御内容について詳細に説明する。
第1駆動制御は、室内熱交温度Tが下降しているとき(以下、「下降時」と記載)は室内熱交温度Tが5℃超/10℃以下である場合、および、室内熱交温度Tが上昇しているとき(以下、「上昇時」と記載)は室内熱交温度Tが7℃以上/12℃未満である場合に実行される制御であり、圧縮機4を最小回転数で駆動するものである。ここで、最小回転数とは、圧縮機4の使用回転数範囲(圧縮機の製造業者が品質を保証できる範囲)をもとに予め定めた最小の回転数である。尚、上記「下降時」の10℃および「上昇時」の12℃が、本実施例における第1温度閾値であり、上記「下降時」の5℃および「上昇時」の7℃が、本実施例における第2温度閾値である。第2温度閾値は各々第1温度閾値より低い温度とされている。
通常、圧縮機4の回転数は、冷媒の蒸発温度が運転状態(外気温度や室内機の要求能力など)に合わせて決まる目標蒸発温度になるように回転数を制御する。室内熱交温度Tが第1温度閾値以下となって第1駆動制御が実行される時に、圧縮機4の回転数が上記最小回転数ではない場合、圧縮機4の回転数を最小回転数まで徐々に低下させ、冷媒流量を徐々に減少させる。これにより、室内熱交温度Tの低下が緩やかになり、凝縮水が氷結する温度となり難くなるので、氷結を抑制しつつ冷房運転を継続できる。
第2駆動制御は、室内熱交温度Tの「下降時」は室内熱交温度Tが1℃超/5℃以下である場合、および、室内熱交温度Tの「上昇時」は室内熱交温度Tが5℃以上/7℃未満である場合に、実行される制御であり、圧縮機4の駆動制御を、第1駆動制御における最小回転数とする状態と停止とする状態とを所定の間隔で切換える制御である。尚、上記「下降時」の1℃および「上昇時」の5℃が、本実施例における第3温度閾値であり、各々第2温度閾値より低い温度とされている。
第2駆動制御を実行することで、第1駆動制御実行時と比べて室内熱交換器10への冷媒流量が減少する。これにより、第1駆動制御実行時と比べて冷房能力は低下するものの、室内熱交温度Tの低下を抑制し凝縮水の氷結を抑制することができる。尚、第2駆動制御において、圧縮機4の回転数を最小回転数とする状態と停止とする状態とを切り換える間隔は、圧縮機4の冷媒吐出側圧力と冷媒吸入側圧力が均圧し、圧縮機4が差圧起動とならない間隔(例えば、60秒間)とされる。
第3駆動制御は、室内熱交温度Tの「下降時」は室内熱交温度Tが1℃以下となった場合、および、室内熱交温度Tの「上昇時」は室内熱交温度Tが5℃未満である場合に、実行される制御であり、圧縮機4を停止とする制御である。
以上説明したように、室内熱交温度Tに応じて第1駆動制御、第2駆動制御、第3駆動制御を実行し、圧縮機4の駆動制御を段階的に変化させることによって、室内熱交換器10に流れる冷媒流量を徐々に減少あるいは増加させることができ、室内熱交換器10での凝縮水の氷結を防止しつつ、冷房運転を継続することができる。
また、前述したように、室内熱交温度Tの「下降時」の各閾値より「上昇時」の各閾値を高く設定している。これにより、第1駆動制御、第2駆動制御、第3駆動制御の各制御が頻繁に切換わることを防止できるので、室内熱交換器10での凝縮水の氷結を適切に防ぎつつ安定した冷房運転を実現できる。
次に、室外制御部20が圧縮機4の駆動制御を行う場合の具体的な動作について、図3に示すフローチャートを参照しながら説明する。
図3に示すフローチャートは、室外機2の室外制御部20が氷結セーブ制御テーブル100を参照して実行する圧縮機4の駆動制御に関する処理の流れを示すものであり、STはステップを表しこれに続く数字はステップ番号を表している。尚、図3では本発明に関わる処理を中心に説明しており、例えば、使用者の指示した設定温度や風量等の空調運転に関わる一般的な処理の流れ、運転条件に対応した冷媒回路の制御ついては説明を省略する。
また、図3に示すフローチャートでは、室内熱交温度Tが低下して第1温度閾値(10℃)以下となる場合、つまり、「下降時」から処理が開始される場合を示している。これは、本発明の解決する課題が、例えばサーバールームのように、通年において冷房を行う必要がある部屋に室内機が設置されている場合に発生する課題であり、このような部屋では、サーバーが熱源となり常に室温は高くなるので、冷房運転開始前の室内熱交温度Tは第1温度閾値より高くなる。そして、冷房運転が開始され室内熱交換器に冷媒が流れると、室内熱交温度Tが第1温度閾値より高い温度から第1温度閾値以下の温度に低下する。
室内機3が冷房運転を行っているとき、室外制御部20は、室内熱交入口温度センサ12が検知した室内熱交温度Tを室内機3から取り込む(ST1)。なお、室外制御部20は、室内機3から室内熱交温度Tを定期的(例えば30秒毎)に取り込んで記憶している。
次に、室外制御部20は、取り込んだ現在の室内熱交温度Tが10℃以下であるか否かを判断する(ST2)。室内熱交温度Tが10℃以下であれば(ST2−Yes)、室外制御部20は第1駆動制御を実行する(ST3)。室内熱交温度Tが10℃を超えていれば(ST2−No)、室外制御部20は、通常制御(ST14)を行って、ST1に処理を戻す。
次に室外制御部20は、第1駆動制御を実行している時に、室内熱交温度Tが12℃以上になったか否かを判断する(ST4)。室内熱交温度Tが12℃以上であれば(ST4−Yes)、室外制御部20は第1駆動制御を終了し(ST11)、ST14に処理を進める。室内熱交温度Tが12℃未満であれば(ST4−No)、室外制御部20は室内熱交温度Tが5℃以下であるか否かを判断する(ST5)。室内熱交温度Tが5℃を超えていれば(ST5−No)、室外制御部20は、ST3に処理を戻す。室内熱交温度Tが5℃以下であれば(ST5−Yes)、室外制御部20は第2駆動制御を実行する(ST6)。
次に室外制御部20は、第2駆動制御を実行している時に、室内熱交温度Tが7℃以上であるか否かを判断する(ST7)。室内熱交温度Tが7℃以上であれば(ST7−Yes)、室外制御部20は第2駆動制御を終了し(ST12)、ST3に処理を戻す。室内熱交温度Tが7℃未満であれば(ST7−No)、室外制御部20は、室内熱交温度Tが1℃以下であるか否かを判断する(ST8)。室内熱交温度Tが1℃を超えている場合は(ST8−No)、ST6に処理を戻す。室内熱交温度Tが1℃以下である場合は(ST8−Yes)、室外制御部20は第3駆動制御を実行する(ST9)。
次に室外制御部20は、室内熱交温度Tが5℃以上であるか否かを判断する(ST10)。室内熱交温度Tが5℃以上であれば(ST10−Yes)、室外制御部20は第3開度制御を終了し(ST13)、ST6に処理を戻す。室内熱交温度Tが5℃未満であれば(ST10−No)、室外制御部20はST9に処理を戻す。
以上説明した通り、本発明の空気調和機は、室内機が冷房運転しているときに、室内熱交換器の温度が第1温度閾値以下であれば、室内熱交温度に応じて圧縮機の駆動制御をすることで、室内熱交換器への冷媒流量を制御する。これにより、当該室内熱交換器への冷媒流量を減少させ、その温度が下がることを防ぎ、室内熱交換器での凝縮水の氷結を抑制する。その結果融解制御を実施する頻度が少なくなるので、安定して冷房運転を行うことができる。
なお、上述した実施例では、第1駆動制御、第2駆動制御、第3駆動制御を用いたが、これらの制御を全て用いた実施形態でなくてもよい。例えば、第1駆動制御と第3駆動制御、第2駆動制御と第3駆動制御といった組合せで実施してもよい。また、室内熱交換器の温度上昇時と下降時で制御を異ならせてもよい。例えば、温度下降時は、第1駆動制御、第2駆動制御、第3駆動制御を全て用いるが、温度上昇時は、第1駆動制御と第3駆動制御だけといった組合せで実施してもよい。
また、上述した実施例では、圧縮機が1台である場合を例に挙げて説明したが、圧縮機が複数台あってもよい。例えば、複数の室内機と、複数の圧縮機を備えた1台の室外機とが冷媒配管で接続されている空気調和機において、複数の室内機で室内熱交温度が第1温度閾値以下となれば、全ての圧縮機で氷結セーブ制御を実行するようにしてもよい。これにより、室内熱交温度が第1温度閾値以下となっているすべての室内機で、氷結を抑制でき、また、室内熱交温度が第1温度閾値以下となっていない室内機についても、室内熱交温度が第1温度閾値まで低下しないようにできる。
1 空気調和機
2 室外機
3 室内機
4 圧縮機
5 四方弁
6 室外熱交換器
7 室外膨張弁
8 室外ファン
9 室内膨張弁
10 室内熱交換器
11 室内ファン
12 室内熱交入口温度センサ
13 室内熱交出口温度センサ
14 液冷媒配管
15 ガス冷媒配管
20 室外制御部
30 室内制御部
100 氷結セーブ制御テーブル

Claims (4)

  1. 室内熱交換器と、同室内熱交換器の温度を検出する熱交温度検出手段とを有する室内機と、
    圧縮機と室外熱交換器とを有する室外機と、
    前記熱交温度検出手段で検知した前記室内熱交換器の温度を取り込み、前記圧縮機の駆動制御を行う制御手段と、を備えた空気調和機であって、
    前記室内熱交換器が蒸発器として機能しているとき、前記制御手段は、前記室内熱交換器の温度が予め定められた第1温度閾値より高い場合は、蒸発器として機能している室内熱交換器の冷媒の蒸発温度の目標値である目標蒸発温度に近づくように前記圧縮機の駆動制御を行い、前記室内熱交換器の温度が前記第1温度閾値以下の場合は、前記圧縮機を最小回転数で駆動する第1駆動制御を行う、
    ことを特徴とする空気調和機。
  2. 前記制御手段は、前記室内熱交換器の温度が前記第1温度閾値よりも低い第2温度閾値以下である場合には、前記圧縮機を最小回転数で駆動する状態と前記圧縮機を停止する状態を所定の間隔で切換える第2駆動制御を行う、
    ことを特徴とする請求項1に記載の空気調和機。
  3. 前記第1温度閾値と前記第2温度閾値とは、前記室内熱交換器の温度が下降している時よりも温度が上昇している時の方が高く設定されていることを特徴とする請求項2に記載の空気調和機。
  4. 室内熱交換器と、同室内熱交換器の温度を検出する熱交温度検出手段とを有する室内機と、
    圧縮機と室外熱交換器とを有する室外機と、
    前記熱交温度検出手段で検知した前記室内熱交換器の温度を取り込み、前記圧縮機の駆動制御を行う制御手段と、を備えた空気調和機であって、
    前記制御手段は、前記室内熱交換器の温度に応じて前記圧縮機の複数の駆動制御態様を定めた氷結セーブ制御テーブルを有し、
    前記氷結セーブ制御テーブルには、
    前記室内熱交換器の温度が予め定められた第1温度閾値以下である場合に実行する第1駆動制御と、前記室内熱交換器の温度が前記第1温度閾値よりも低い第2温度閾値以下である場合に実行する第2駆動制御と、前記室内熱交換器の温度が前記第2温度閾値よりも低い第3温度閾値以下である場合に実行する第3駆動制御とが定められ、
    前記第1駆動制御は、前記圧縮機を最小回転数で駆動するものであり、
    前記第2駆動制御は、前記圧縮機を最小回転数で駆動する状態と前記圧縮機を停止する状態とを所定の間隔で切換えるものであり、
    前記第3駆動制御は、前記圧縮機を停止するものであり、
    前記制御手段は、前記室内熱交換器の温度が前記第1温度閾値以下の時は、前記氷結セーブ制御テーブルを用いて前記圧縮機の駆動制御を行う、
    ことを特徴とする空気調和機。
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