JP2015212545A - ターボ機械及び冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】常温での飽和蒸気圧が負圧である冷媒を用いた冷凍サイクル装置のための、高い信頼性を有するターボ機械を提供する。【解決手段】ターボ機械１ａは、常温での飽和蒸気圧が負圧である冷媒を用いた冷凍サイクル装置のためのターボ機械であって、回転軸１０ａと、回転軸１０ａを支持するための軸受２０と、を備えている。回転軸１０ａは、冷媒を回転軸１０ａと軸受２０との間を潤滑する潤滑剤として供給するための潤滑剤供給流路３０を有する。潤滑剤供給流路３０は、主流路３１及び副流路３２を含んでいる。主流路３１は、回転軸の端１１に形成された流入口３３から回転軸１０ａの軸方向に延びている。副流路３２は、主流路３１から分岐し回転軸１０ａの側面に形成された流出口まで延びている。【選択図】図１

Description

本開示は、ターボ機械に関し、特に常温（日本工業規格：２０℃±１５℃／ＪＩＳ Ｚ８７０３）での飽和蒸気圧が負圧（絶対圧で大気圧よりも低い圧力）である冷媒を用いた冷凍サイクル装置のためのターボ機械に関する。

従来、フロン冷媒又は代替フロン冷媒を用いた冷凍サイクル装置が広く利用されている。しかし、これらの冷媒は、オゾン層破壊又は地球温暖化等の問題を引き起こす。そこで、地球環境に対する負荷が極めて小さい冷媒として水を用いた冷凍サイクル装置が提案されている。

例えば、特許文献１には、図１１に示すように、圧縮機３０１、蒸発器３０２、凝縮器３０４、冷却塔３１６、及び冷却水ポンプ３１８を備えた冷凍機３００が記載されている。冷凍機３００では、水が冷媒として用いられている。圧縮機３０１は、回転軸３１０、羽根車３１２、及び軸受３２０を有する。圧縮機３０１では、水が、軸受３２０に潤滑剤として供給される。具体的に、冷却水ポンプ３１８の吐出圧を利用して凝縮器３０４に供給される冷却水の一部が軸受３２０に送られる。

国際公開２０１０／０１０９２５号

特許文献１に記載の冷凍機によれば、圧縮機の信頼性を高める余地を有している。そこで、本開示は、常温での飽和蒸気圧が負圧である冷媒を用いた冷凍サイクル装置のための、高い信頼性を有するターボ機械を提供する。

本開示は、
常温での飽和蒸気圧が負圧である冷媒を用いた冷凍サイクル装置のためのターボ機械であって、
回転軸と、
前記回転軸を支持するための軸受と、を備え、
前記回転軸は、前記回転軸の端に形成された流入口から前記回転軸の軸方向に延びている主流路及び前記主流路から分岐し前記回転軸の側面に形成された流出口まで延びている副流路を含み、前記冷媒を前記回転軸と前記軸受との間を潤滑する潤滑剤として供給するための潤滑剤供給流路を有する、ターボ機械を提供する。

上記のターボ機械は、高い信頼性を有する。

第１実施形態に係るターボ機械の断面図 図１のＩＩ‐ＩＩ線に沿った回転軸の断面図 変形例に係る回転軸の断面図 別の変形例に係る回転軸の断面図 さらに別の変形例に係る回転軸及び軸受の断面図 図５のＶＩ−ＶＩ線に沿った回転軸の断面図 さらに別の変形例に係る回転軸及び軸受の断面図 さらに別の変形例に係る回転軸及び軸受の断面図 図１のターボ機械を備えた冷凍サイクル装置の一例を示す構成図 図１のターボ機械を備えた冷凍サイクル装置の別の一例を示す構成図 変形例に係る凝縮機構を示す断面図 従来の冷凍機を示す構成図

（本発明の基礎となった知見）
本発明者らは、常温（日本工業規格：２０℃±１５℃／ＪＩＳ Ｚ８７０３）での飽和蒸気圧が負圧（絶対圧で大気圧よりも低い圧力）である冷媒を用いた冷凍サイクル装置のためのターボ機械であって、回転軸と、回転軸を支持する軸受と、を備え、冷媒を回転軸と軸受との間を潤滑する潤滑剤として供給する潤滑剤供給流路を有する、ターボ機械（以下、検討段階のターボ機械と呼ぶ）を検討した。その結果、以下の知見を得た。

検討段階のターボ機械は、軸受に潤滑剤として「潤滑油」ではなく、冷媒である「水」が供給される。そのため、検討段階のターボ機械は以下の点で優れていた。即ち、軸受に潤滑剤として「潤滑油」を供給する場合、潤滑油と水とが混ざり合って懸濁液が生じ、これにより潤滑性能が著しく低下する。或いは、この懸濁液が冷凍サイクル装置中に流出すると、潤滑油が熱抵抗となって冷凍サイクル装置の性能を低下させる。一方、検討段階のターボ機械は、軸受に潤滑剤として冷媒である「水」が供給される。そのため、潤滑油と水の懸濁液がもたらす上記問題が生じず、潤滑性能が著しく低下することを抑制できる。また、軸受の潤滑剤の廃棄を容易にし、ターボ機械の構成及び冷凍サイクル装置の構成を簡略にできる。

ところが、本発明者らは、検討段階のターボ機械は信頼性が十分でないことを見出した。その理由は次の通りである。常温での飽和蒸気圧が負圧である冷媒を用いた冷凍サイクル装置において、圧縮機の内部の圧力は冷媒の飽和蒸気圧に近い。このため、冷凍サイクル装置の冷媒が潤滑剤として圧縮機の軸受に供給される際には、既に冷媒は蒸発し易い状態となっている。特に、ターボ機械に用いられるすべり軸受においては、ターボ機械の回転軸の周速が高速であるので、発熱量が大きい。また、ターボ機械の回転軸の周速が大きくなるほど、回転軸の被支持面と軸受のすべり面との隙間が拡がる部分における潤滑剤の圧力が負圧になりやすい。このため、回転軸の回転数が大きくなるほど、潤滑剤として供給された冷媒にキャビテーションが発生しやすくなる。その結果、軸受において潤滑剤の量が不足して圧縮機の信頼性が損なわれる。

そこで、本発明者らは、軸受における冷媒の蒸発及びキャビテーションの発生を抑制するために、潤滑剤として軸受に供給される冷媒に十分に高い静圧を付与することを検討した。例えば、潤滑剤供給流路に潤滑剤としての水を供給するために、冷却水ポンプの吐出圧を利用することを検討した。ところが、潤滑剤として軸受に供給される冷媒に十分に高い静圧を付与するためには、高い性能を有する冷却水ポンプを設置する必要があること、及びこれによりターボ機械のコストが増大することが判明した。

そこで、本発明者らは鋭意検討したところ、作動流体として、常温での飽和蒸気圧が負圧の冷媒（例えば、水）を用いる場合、ターボ機械は回転体の回転数として極めて高い回転数が必要になる点に着眼した。即ち、作動流体として常温での飽和蒸気圧が負圧である冷媒を用いる冷凍サイクル装置では、作動流体として常温での飽和蒸気圧が正圧である冷媒を用いる冷凍サイクル装置に比して、ターボ機械においてより高い圧力比を実現することが要求される。そのため、ターボ機械は回転体の回転数として極めて高い回転数が必要になる。極めて高い回転数が生み出す遠心力を冷媒の加圧に利用できれば、高い性能を有する冷却水ポンプを用いなくとも潤滑剤として軸受に供給される冷媒に十分に高い静圧を付与することができるのではないかと考えた。上記知見に基づき、本発明者らは、以下に説明する各態様の発明を想到するに至った。

本開示の第１態様にかかるターボ機械は、
常温での飽和蒸気圧が負圧である冷媒を用いた冷凍サイクル装置のためのターボ機械であって、
回転軸と、
前記回転軸を支持する軸受と、を備え、
前記回転軸は、前記回転軸の内部に、前記回転軸の端に形成された流入口から前記回転軸の軸方向に延びている主流路及び前記主流路から分岐し前記回転軸の側面に形成された流出口まで延びている副流路を含む潤滑剤供給流路を有し、
前記潤滑剤供給流路は、前記回転軸の回転に伴って、前記冷媒を前記流出口から流出して前記回転軸と前記軸受との間を潤滑する潤滑剤として供給するものである。

第１態様によれば、潤滑剤としての冷媒が、回転軸の回転に伴って潤滑剤供給流路を通り加圧された状態で軸受に供給される。このため、潤滑剤として供給される冷媒の圧力が高まり、軸受において、潤滑剤である冷媒の蒸発又はキャビテーションの発生が抑制される。また、第１態様にかかるターボ機械は、常温での飽和蒸気圧が負圧である冷媒を用いた冷凍サイクル装置のためのものであり、冷媒を回転軸と軸受との間を潤滑する潤滑剤として供給するための潤滑剤供給流路を有する。前述の通り、作動流体として、常温での飽和蒸気圧が負圧の冷媒を用いる場合、ターボ機械は回転体の回転数として極めて高い回転数が必要になる。そのため、第１態様によれば、高い回転数が生み出す遠心力を冷媒の加圧に利用できるので、潤滑剤供給流路を通って軸受に供給される潤滑剤に高い圧力を加えることができる。これにより、軸受における潤滑剤の不足が防止され、ターボ機械の信頼性が高まる。また、潤滑剤としての冷媒を潤滑剤供給流路に供給するための、ターボ機械の外部のポンプに要求される性能を抑えることができるので、外部のポンプを小型化でき、又は、冷凍サイクル装置のコストを低減できる。

例えば、作動流体として水を用いる場合、１０ｋＷ級の冷凍能力を持った冷凍機では、ターボ機械の回転体の回転数は、７．５〜９万ｒｐｍ程度と極めて高くなる。この際、回転軸と軸受との間に供給される冷媒液の圧力は、設計にもよるが、およそ、０．５〜１ＭＰａＡ程度となる。一方で、第１態様のターボ機械を用いない場合、すなわち、例えば、回転軸が潤滑剤供給流路を備えない、上述した検討段階のターボ機械を用いる場合、軸受における冷媒の蒸発及びキャビテーションの発生を抑制するためには、ターボ機械の外部のポンプの吐出圧として、２００〜４００ＫＰａＡが必要となる。一方で、第１態様のターボ機械の外部のポンプの吐出圧は５０〜８０ＫＰａＡ程度である。このように、第１態様によれば、ターボ機械の外部のポンプに要求される性能を抑えることができるので、外部のポンプを小型化でき、又は、冷凍サイクル装置のコストを低減できる。

本開示の第１態様は、特許文献１に開示の冷凍機３００に比して、以下の点で優れている。例えば、冷凍機３００では、冷却水ポンプ３１８の吐出圧を利用して潤滑剤としての水が軸受３２０に送られており、圧縮機３０１の信頼性が冷却水ポンプ３１８の性能に依存する。冷却水ポンプ３１８の性能によっては、軸受３２０に潤滑剤として供給する水の圧力が不足してしまう可能性がある。この場合、潤滑剤の蒸発又は潤滑剤におけるキャビテーションの発生によって軸受３２０における潤滑剤の量が不足して圧縮機３０１の信頼性が低下する可能性がある。また、圧縮機３０１の信頼性を高めるために、冷却水ポンプ３１８が高い性能を有している必要があり、冷却水ポンプ３１８に多大なコストがかかってしまう。

これに対し、本開示のターボ機械は、回転軸の端に形成された流入口から回転軸の軸方向に延びている主流路及び前記主流路から分岐し回転軸の側面に形成された流出口まで延びている副流路を含み、冷媒を回転軸と軸受との間を潤滑する潤滑剤として供給する潤滑剤供給流路を有する。これにより、回転軸の回転に伴う遠心力によって、潤滑剤供給流路中の冷媒を加圧することができ、回転軸と軸受との間に加圧された冷媒を供給することができる。すなわち、潤滑剤供給流路は、回転軸の回転を利用したポンプ機構として機能するため、高い性能を有する冷却水ポンプを用いなくとも、キャビテーションの発生を抑制することができる。

本開示の第２態様において、第１態様にかかるターボ機械の前記副流路は、前記主流路の中心軸線と交わり且つ前記中心軸線に対して垂直な直線に沿って伸びていてもよい。第２態様によれば、副流路を形成するときの回転軸の加工が容易である。

本開示の第３態様は、第１態様にかかるターボ機械の前記副流路の前記流出口は、前記主流路の中心軸線（Ｐ）と前記副流路の前記主流路側の開口の中心（３４ｃ）とを結ぶ直線が前記回転軸の側面と交わる点（Ａ）に対し、前記回転軸の回転方向後方に位置することとしてもよい。第３態様によれば、潤滑剤としての冷媒が潤滑剤供給流路を流れているときに、潤滑剤としての冷媒の圧力低下が小さく、潤滑剤供給流路における冷媒の流れにキャビテーションが発生しにくい。

本開示の第４態様において、第１態様又は第３態様にかかるターボ機械の前記副流路は、前記回転軸の軸方向に沿って前記副流路を見たときに、前記副流路における、前記副流路の前記主流路側の開口と前記流出口との間の位置から前記流出口に向かって前記回転軸の回転方向後方に広がっていてもよい。第４態様によれば、潤滑剤としての冷媒が潤滑剤供給流路を流れているときに、潤滑剤としての冷媒の圧力低下が小さく、潤滑剤供給流路における冷媒の流れにキャビテーションが発生しにくい。

本開示の第５態様において、第１態様〜第４態様のいずれか１つの態様にかかるターボ機械の前記潤滑剤供給流路は、前記回転軸の軸方向に沿って配置された複数の前記副流路を含んでいてもよい。第５態様によれば、潤滑剤供給流路を通って軸受へ供給される潤滑剤としての冷媒の量が増加する。これにより、軸受の冷却能力を向上させることができる。

本開示の第６態様において、第１態様〜第５態様のいずれか１つの態様にかかるターボ機械の前記副流路の中心軸線は、前記回転軸の軸方向に対して垂直な方向から前記副流路を見たときに、前記主流路の中心軸線に対して前記回転軸の軸方向に傾斜していてもよい。第６態様によれば、主流路をできるだけ長く形成して回転軸を冷却する性能を向上させつつ、潤滑剤を適切に軸受に供給できる位置に流出口を形成できる。また、場合によっては、主流路をできるだけ短く形成して回転軸の加工を簡略化しつつ、潤滑剤を適切に軸受に供給できる位置に流出口を形成できる。

本開示の第７態様において、第１態様〜第６態様のいずれか１つの態様にかかるターボ機械は前記流入口側で前記軸受に隣接し、前記潤滑剤としての前記冷媒が貯留された貯留部をさらに備え、前記回転軸の前記端に形成された前記流入口は、前記貯留部に貯留された前記潤滑剤としての前記冷媒に浸っていてもよい。第７態様によれば、貯留部に貯留された潤滑剤によって軸受及び回転軸を冷却できる。

本開示の第８態様にかかる冷凍サイクル装置は、常温における飽和蒸気圧が負圧である冷媒を循環させる主回路であって、冷媒液を貯留するとともに前記冷媒液を蒸発させる蒸発機構と、冷媒蒸気を圧縮する圧縮機である第１態様〜第７態様のいずれか１つの態様にかかるターボ機械と、冷媒蒸気を凝縮させるとともに冷媒液を貯留する凝縮機構とを有し、前記蒸発機構、前記ターボ機械、及び前記凝縮機構がこの順に接続された主回路と、吸熱側送液ポンプ及び吸熱用熱交換器を有し、前記蒸発機構に貯留された冷媒液が前記吸熱側送液ポンプによって前記吸熱用熱交換器に供給され、前記吸熱用熱交換器で吸熱した冷媒が前記蒸発機構に戻るように構成された蒸発側循環回路と、放熱側送液ポンプ及び放熱用熱交換器を有し、前記凝縮機構に貯留された冷媒液が前記放熱側送液ポンプによって前記放熱用熱交換器に供給され、前記放熱用熱交換器で放熱した冷媒が前記凝縮機構に戻る凝縮側循環回路と、前記蒸発側循環回路における前記吸熱側送液ポンプの出口より下流の位置で前記蒸発側循環回路から分岐し、又は、前記凝縮側循環回路における前記放熱側送液ポンプの出口より下流の位置で前記凝縮側循環回路から分岐し、前記潤滑剤供給流路に前記冷媒を供給する上流側供給流路と、を備えた、ものである。

第８態様によれば、吸熱側送液ポンプ又は放熱側送液ポンプによって加圧された冷媒が上流側供給流路を通って潤滑剤供給流路に供給されるので、軸受に供給される潤滑剤としての冷媒の圧力をさらに高めることができる。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明は本開示の一例に関するものであり、本開示はこれらによって限定されるものではない。

＜ターボ機械＞
図１に示すように、ターボ機械１ａは、回転軸１０ａと、軸受２０とを備えている。ターボ機械１ａは、常温での飽和蒸気圧が負圧である冷媒を用いた冷凍サイクル装置のためのターボ機械である。ターボ機械１ａは、典型的には、ターボ圧縮機である。ターボ機械１ａは、例えば、遠心型、軸流型、又は斜流型の流体機械として構成されている。軸受２０は、回転軸１０ａを支持するための軸受であり、例えば、回転軸１０ａの半径方向（ラジアル方向）の荷重を支持するすべり軸受である。回転軸１０ａには、羽根車１２が取り付けられている。また、回転軸１０ａは、モータ（図示省略）に接続されている。モータの駆動によって回転軸１０ａ及び羽根車１２が回転する。これにより、冷凍サイクル装置の冷媒は、ターボ機械１ａの内部に吸い込まれ、圧縮された状態でターボ機械１ａから吐出される。冷媒は、常温での飽和蒸気圧が負圧である限り特に限定されないが、例えば、水、アルコール、又はエーテルを主成分として含む冷媒が挙げられる。ターボ機械１ａは、冷凍サイクル装置の冷媒の飽和蒸気圧に近い圧力で運転されている。ターボ機械１ａの入口の圧力は、例えば、０．５〜５ｋＰａＡの範囲にある。ターボ機械１ａの出口の圧力は、例えば、５〜１５ｋＰａＡの範囲にある。

回転軸１０ａは、潤滑剤供給流路３０を有する。潤滑剤供給流路３０は、冷凍サイクル装置の冷媒を回転軸１０ａと軸受２０との間を潤滑する潤滑剤として供給するための流路である。冷凍サイクル装置の運転中において、潤滑剤供給流路３０は、冷凍サイクル装置の冷媒液によって満たされている。潤滑剤供給流路３０は、主流路３１及び副流路３２を含む。主流路３１は、図１に示すように、回転軸１０ａの端１１に形成された流入口３３から回転軸１０ａの軸方向に延びている。副流路３２は、主流路３１から分岐し回転軸１０ａの側面に形成された流出口３５まで延びている。図１に示すように、副流路３２は、流出口３５が軸受２０のすべり面と向かい合うように、形成されている。図２において、潤滑剤供給流路３０は、回転軸１０ａの周方向に並んだ４つの副流路３２を含んでいるが、潤滑剤供給流路３０は、１つの副流路３２又は回転軸１０ａの周方向に並んだ２〜３又は５つ以上の副流路３２を含んでいてもよい。

ターボ機械１ａの運転中に、回転軸１０ａが高速で回転する。この回転軸１０ａの回転に伴う遠心力によって、潤滑剤供給流路３０における冷凍サイクル装置の冷媒が加圧された状態で回転軸１０ａと軸受２０との間に供給される。具体的に、流入口３３から主流路３１に流入した冷凍サイクル装置の冷媒液が、主流路３１を軸方向に流れる。その後、冷媒液は、副流路３２に導かれ、副流路３２を通って流出口３５から流出する。回転軸１０ａと軸受２０との間に供給された冷媒液は、回転軸１０ａと軸受２０とを潤滑する。このように、潤滑剤供給流路３０は、回転軸１０ａの回転を利用したポンプ機構として機能し、潤滑剤としての冷媒液が所定の圧力で回転軸１０ａと軸受２０との間に供給される。上記の通り、ターボ機械１ａは、冷凍サイクル装置の冷媒の飽和蒸気圧に近い圧力で運転される。しかし、潤滑剤供給流路３０が回転軸１０ａの回転を利用したポンプ機構として機能するので、回転軸１０ａと軸受２０との間に供給される冷媒液の圧力が高い。このため、回転軸１０ａと軸受２０との間に供給された潤滑剤としての冷媒液の蒸発、又は、この潤滑剤におけるキャビテーションの発生が抑制される。また、回転軸１０ａの回転数が増大するほど、潤滑剤供給流路３０を通って軸受２０に供給される潤滑剤の圧力が高まる。これにより、軸受２０における潤滑剤の不足が防止されるので、ターボ機械１ａは高い信頼性を有する。

また、ターボ機械１ａの回転軸１０ａが回転する限り、潤滑剤を軸受２０に供給することができる。例えば、停電などで回転軸１０ａを駆動するモータ（図示省略）への電力の供給が停止した場合でも、回転軸１０ａが回転していれば軸受２０に潤滑剤を供給できるので、回転軸１０ａを安全に停止できる。

ターボ機械１ａは、ケーシング５０を備えている。ケーシング５０の内部には、貯留部４０が形成されている。すなわち、ターボ機械１ａは、貯留部４０をさらに備えている。貯留部４０は、潤滑剤を貯留するための空間である。貯留部４０には、潤滑剤が貯留されている。貯留部４０は、流入口３３側で軸受２０に隣接している。また、回転軸１０ａの端１１が、貯留部４０に貯留された潤滑剤に浸っている。ケーシング５０には、供給孔４１及び排出孔４２が形成されている。冷凍サイクル装置の特定箇所の冷媒が、例えば、ターボ機械１ａの外部のポンプによって供給孔４１を通って貯留部４０に供給され、貯留部４０に潤滑剤として貯留される。また、排出孔４２を通って貯留部４０から冷媒が排出され、冷凍サイクル装置の特定箇所に戻される。貯留部４０に貯留された潤滑剤は、回転軸１０ａの回転によって、潤滑剤供給流路３０を通って軸受２０へ連続的に供給される。また、貯留部４０に貯留された潤滑剤によって軸受２０及び回転軸１０ａが冷却される。

上記のように、冷凍サイクル装置は、冷凍サイクル装置の特定箇所から潤滑剤としての冷媒を潤滑剤供給流路３０へ供給するために、ターボ機械１ａの外部にポンプを備えていることが望ましい。この場合、外部のポンプの吐出圧力は、流入口３３における冷媒の圧力が飽和蒸気圧以上となるように定められていることが望ましい。これにより、潤滑剤供給流路３０においてキャビテーションの発生を抑制して軸受２０への潤滑剤の供給量が不足することを防止できる。また、潤滑剤としての冷媒が、潤滑剤供給流路３０を通過することによって、高い圧力で回転軸１０ａと軸受２０との間に供給されるので、この外部のポンプに要求される性能を抑えることができる。これにより、外部のポンプを小型化でき、又は、冷凍サイクル装置のコストを低減できる。

例えば、作動流体として水を用いる場合、１０ｋＷ級の冷凍能力を持った冷凍機では、ターボ機械の回転体の回転数は、７．５〜９万ｒｐｍ程度と極めて高くなる。この際、回転軸と軸受との間に供給される冷媒液の圧力は、設計にもよるが、およそ、０．５〜１ＭＰａＡ程度となる。一方で、本開示のターボ機械を用いない場合、すなわち、例えば、回転軸が潤滑剤供給流路を備えない、上述した検討段階のターボ機械を用いる場合、軸受における冷媒の蒸発及びキャビテーションの発生を抑制するためには、ターボ機械の外部のポンプの吐出圧として、２００〜４００ＫＰａＡ必要となる。一方で、本実施形態のターボ機械の外部のポンプの吐出圧は５０〜８０ＫＰａＡ程度である。このように、本実施形態によれば、ターボ機械の外部のポンプに要求される性能を抑えることができるので、外部のポンプを小型化でき、又は、冷凍サイクル装置のコストを低減できる。

図２に示すように、副流路３２は、副流路３２の主流路３１側の開口３４の中心と前記流出口３５の中心との距離が最短となるように形成されている。副流路３２は、真直ぐに延びるように形成されている。また、副流路３２は、副流路３２の主流路３１側の開口３４の中心と前記流出口３５の中心とを結ぶ直線が、主流路３１の中心軸線上の特定の点を通り、かつ、主流路３１の中心軸線に直交するように、形成されている。このため、副流路３２を形成するときの回転軸１０ａの加工が容易である。

（変形例）
上記のターボ機械１ａは、様々な観点から変更が可能である。以下に、ターボ機械１ａの変形例について説明する。上記のターボ機械１ａにおける構成要素と同一又は対応する変形例の構成要素には、同一の符号を付し詳細な説明を省略する。

ターボ機械１ａの回転軸１０ａは、図３に示す回転軸１０ｂのように変更されてもよい。回転軸１０ｂにおいて、副流路３２は、流出口３５が、点Ａに対し、回転軸１０ｂの回転方向後方に位置するように形成されている。点Ａは、主流路３１の中心軸線Ｐと副流路３２の主流路側の開口３４の中心３４ｃとを結ぶ、主流路３１の中心軸線Ｐに垂直な直線Ｑが回転軸１０ｂの側面と交わる点である。図３において、ターボ機械１ａの動作中に、回転軸１０ｂは右回り（時計回り）方向に回転する。主流路３１を流れていた冷媒が副流路３２に流入するとき、冷媒の流れの変化に伴って潤滑剤としての冷媒の圧力が低下し、潤滑剤供給流路３０にける冷媒の流れにキャビテーションが発生する可能性がある。回転軸１０ｂにおいて、副流路３２が上記のように形成されていると、主流路３１を流れていた冷媒が副流路３２に流入するときに、冷媒の流速の変化が小さく潤滑剤としての冷媒の圧力低下が抑制される。このため、潤滑剤供給流路３０における冷媒の流れにキャビテーションが発生しにくい。

ターボ機械１ａの回転軸１０ａは、図４に示す回転軸１０ｃのように変更されてもよい。回転軸１０ｃにおいて、流入口３３側から回転軸１０ｃの軸方向に沿って副流路３２を見る。このとき、副流路３２は、副流路３２における、副流路３２の主流路３１側の開口３４と流出口３５との間の位置から流出口３５に向かって回転軸１０ｃの回転方向後方に曲がっている。図４において、ターボ機械１ａの動作中に、回転軸１０ｃは、右回り（時計回り）方向に回転する。副流路３２がこのように形成されていると、潤滑剤としての冷媒が副流路３２を流れているときに、冷媒の流速の変化が小さく、潤滑剤としての冷媒の圧力低下が抑制される。このため、潤滑剤供給流路３０における冷媒の流れにキャビテーションが発生しにくい。図４に示すように、副流路３２は、副流路３２が曲がっている位置から流出口３５に向かって、副流路３２の流路断面積が拡大するように形成されている。これにより、副流路３２における潤滑剤としての冷媒が、流出口３５を通って流出しやすい。

ターボ機械１ａの回転軸１０ａは、図５及び図６に示す回転軸１０ｄのように変更されてもよい。図５に示すように、回転軸１０ｄにおいて、潤滑剤供給流路３０は、回転軸１０ｄの軸方向に沿って配置された複数の副流路３２を含む。これにより、潤滑剤供給流路３０を通って軸受２０へ供給される潤滑剤としての冷媒の量が増加する。また、軸受２０に供給される冷媒の量が回転軸１０ｄの軸方向にばらつくことを抑制できる。この場合、図６に示すように、潤滑剤供給流路３０は、回転軸１０ｄの周方向に並んだ複数（図６では４つ）の副流路３２からなる副流路グループを有する。さらに、潤滑剤供給流路３０は、回転軸１０ｄの軸方向に並んだ複数の副流路グループを有する。図６に示すように、回転軸１０ｄの軸方向に並んだ複数の副流路グループにおいて、一つの副流路グループに属する複数の副流路３２は、別の副流路グループに属する複数の副流路３２に対して、回転軸１０ｄの周方向に対してずれている。具体的に、一つの副流路グループに属する複数の副流路３２は、別の副流路グループに属する複数の副流路３２に対して、約４５°ずれている。これにより、軸受２０に供給される冷媒の量が回転軸１０ｄの周方向にばらつくことを抑制できる。なお、回転軸１０ｄにおいて、副流路３２は、図３及び図４に示すように形成されてもよい。

ターボ機械１ａの回転軸１０ａは、図７Ａに示す回転軸１０ｅ又は図７Ｂに示す回転軸１０ｆのように変更されてもよい。回転軸１０ｅ又は回転軸１０ｆにおいて、副流路３２は、副流路３２の中心軸線Ｌが主流路３１の中心軸線Ｐに対して回転軸１０ｅ又は回転軸１０ｆの軸方向に傾斜するように形成されている。回転軸１０ｅの軸方向において、流出口３５が副流路３２の主流路３１側の開口３４よりも流入口３３に近いように、副流路３２が形成されている。このように副流路３２が形成されていると、主流路３１をできるだけ長く形成して回転軸１０ｅを冷却する性能を向上させることができるとともに、潤滑剤を軸受２０に供給するのに望ましい位置に流出口３５を形成できる。例えば、回転軸１０ｅの軸方向における軸受２０の中央付近に流出口３５を形成できる。

回転軸１０ｆの軸方向において、流出口３５が副流路３２の主流路３１側の開口３４よりも流入口３３から遠いように、副流路３２が形成されている。このように副流路３２が形成されていると、主流路３１をできるだけ短く形成して回転軸１０ｆの加工を簡略化しても、潤滑剤を軸受に供給するのに望ましい位置に流出口３５を形成できる。例えば、回転軸１０ｆの軸方向における軸受２０の中央付近に流出口３５を形成できる。

＜冷凍サイクル装置＞
次に、上記のターボ機械１ａを備えた冷凍サイクル装置について説明する。

図８に示すように、冷凍サイクル装置１００ａは、主回路５と、蒸発側循環回路６と、凝縮側循環回路７と、上流側供給流路９１ａとを備えている。主回路５は、蒸発機構２と、ターボ機械１ａと、凝縮機構４を有する。蒸発機構２は、冷媒液を貯留するとともに冷媒液を蒸発させる。蒸発機構２は、例えば、断熱性及び耐圧性を有する容器によって形成されている。ターボ機械１ａは、冷媒蒸気を圧縮する圧縮機である。凝縮機構４は、冷媒蒸気を凝縮させるとともに冷媒液を貯留する。凝縮機構４は、例えば、断熱性及び耐圧性を有する容器によって形成されている。主回路５は、蒸発機構２、ターボ機械１ａ、及び凝縮機構４がこの順に接続された回路である。蒸発機構２の出口とターボ機械１ａの入口とが流路５ａによって接続されている。ターボ機械１ａの出口と凝縮機構４の入口とが流路５ｂによって接続されている。凝縮機構４の出口と蒸発機構２の入口とが流路５ｃによって接続されている。主回路５には、例えば、水、アルコール、又はエーテルを主成分とする冷媒が充填されており、大気圧よりも低い負圧状態に保たれている。冷凍サイクル装置１００ａは、例えば、冷房専用の空気調和装置を構成している。

蒸発側循環回路６は、吸熱側送液ポンプ６１及び吸熱用熱交換器６２を有する。また、蒸発側循環回路６は、蒸発機構２に貯留された冷媒液が吸熱側送液ポンプ６１によって吸熱用熱交換器６２に供給され、吸熱用熱交換器６２で吸熱した冷媒が蒸発機構２に戻るように構成されている。蒸発側循環回路６において、蒸発機構２と吸熱側送液ポンプ６１の入口とが流路６ａによって接続されている。吸熱側送液ポンプ６１の出口と吸熱用熱交換器６２の入口とが流路６ｂによって接続されている。また、吸熱用熱交換器６２の出口と蒸発機構２とが流路６ｃによって接続されている。蒸発機構２において冷媒が蒸発することにより降温した蒸発機構２の内部の冷媒液が吸熱側送液ポンプ６１によって吸熱用熱交換器６２に圧送される。冷媒液は、吸熱用熱交換器６２において加熱され蒸発機構２に戻される。なお、流路６ｃには、吸熱用熱交換器６２において吸熱された冷媒を減圧させるための減圧機構を備えていてもよい。吸熱用熱交換器６２は、冷媒が吸熱用熱交換器６２において吸熱することによって室内の空気を冷却する。

凝縮側循環回路７は、放熱側送液ポンプ７１及び放熱用熱交換器７２を有する。また、凝縮側循環回路７は、凝縮機構４に貯留された冷媒液が放熱側送液ポンプ７１によって放熱用熱交換器７２に供給され、放熱用熱交換器７２で放熱した冷媒が凝縮機構４に戻るように構成されている。凝縮側循環回路７において、凝縮機構４と放熱側送液ポンプ７１の入口とが流路７ａによって接続されている。放熱側送液ポンプ７１の出口と放熱用熱交換器７２の入口とが流路７ｂによって接続されている。また、放熱用熱交換器７２の出口と凝縮機構４とが流路７ｃによって接続されている。放熱用熱交換器７２において間接的に冷却された冷媒が流路７ｃを通って凝縮機構４に導かれる。これにより、ターボ機械１ａで圧縮された冷媒蒸気を冷却して凝縮させる。この凝縮により昇温した凝縮機構４における冷媒液は、放熱側送液ポンプ７１によって放熱用熱交換器７２に圧送され、放熱用熱交換器７２において間接的に冷却された後、再び凝縮機構４に戻される。放熱用熱交換器７２において、冷媒が室外の空気に対して放熱する。

上流側供給流路９１ａは、蒸発側循環回路６における吸熱側送液ポンプ６１の出口より下流の位置で蒸発側循環回路６から分岐している。上流側供給流路９１ａは、ターボ機械１ａの潤滑剤供給流路３０に冷媒を供給するための流路である。例えば、上流側供給流路９１ａは、蒸発側循環回路６における吸熱側送液ポンプ６１の出口と吸熱用熱交換器６２の入口との間で蒸発側循環回路６から分岐している。また、上流側供給流路９１ａは、潤滑剤供給流路３０に連通するように、ターボ機械１ａに接続されている。例えば、上流側供給流路９１ａを通った冷媒は、供給孔４１を通過して貯留部４０に供給される。このように、吸熱側送液ポンプ６１によって加圧された冷媒が上流側供給流路９１ａを通って潤滑剤供給流路３０に潤滑剤として供給される。この場合、吸熱側送液ポンプ６１の吐出圧力は、潤滑剤供給流路３０の流入口３３において冷媒の圧力が飽和蒸気圧以上であるように定められていることが望ましい。上流側供給流路９１ａが、蒸発側循環回路６における吸熱側送液ポンプ６１の出口と吸熱用熱交換器６２の入口との間で蒸発側循環回路６から分岐していると、比較的低温の冷媒を潤滑剤供給流路３０に供給できる。これにより、潤滑剤によって、回転軸１０ａ及び軸受２０を冷却する能力を高めることができる。

上流側供給流路９１ａは、蒸発側循環回路６における吸熱用熱交換器６２の出口と蒸発機構２との間で蒸発側循環回路６から分岐していてもよい。この場合でも、冷凍サイクル装置１００ａの冷媒の一部を潤滑剤として潤滑剤供給流路３０に供給できる。

冷凍サイクル装置１００ａは、戻し流路９２ａをさらに備えている。戻し流路９２ａは、上流側供給流路９１ａを通って潤滑剤供給流路３０に供給された冷媒を主回路５に戻すための流路である。戻し流路９２ａは、例えば、排出孔４２を介して貯留部４０に連通している。また、戻し流路９２ａは、蒸発機構２に接続されている。貯留部４０に貯留されている冷媒は、排出孔４２を通って戻し流路９２ａに導かれ、戻し流路９２ａを流れて蒸発機構２の内部に戻される。戻し流路９２ａは、凝縮機構４に冷媒を戻すように凝縮機構４に接続されてもよい。

冷凍サイクル装置１００ａは、例えば、冷房暖房切り替え可能な空気調和装置を構成していてもよい。この場合、室内に配置された室内熱交換器及び室外に配置された室外熱交換器が四方弁を介して蒸発機構２及び凝縮機構４に接続されている。冷房運転のとき、室内熱交換器が吸熱用熱交換器６２として機能し、室外熱交換器が放熱用熱交換器７２として機能する。暖房運転のとき、室内熱交換器が放熱用熱交換器７２として機能し、室外熱交換器が吸熱用熱交換器６２として機能する。冷凍サイクル装置１００ａは、例えば、チラーを構成していてもよい。吸熱用熱交換器６２は、例えば、冷媒の吸熱により空気以外の気体又は液体を冷却してもよい。また、放熱用熱交換器７２は、例えば、冷媒の放熱により空気以外の気体又は液体を加熱してもよい。吸熱用熱交換器６２及び放熱用熱交換器７２は、間接式の熱交換器である限り、特に限定されない。

冷凍サイクル装置１００ａは、図９に示す冷凍サイクル装置１００ｂのように変更されてもよい。冷凍サイクル装置１００ｂは、特に説明する場合を除き、冷凍サイクル装置１００ａと同一の構成を有する。冷凍サイクル装置１００ｂの構成要素のうち、冷凍サイクル装置１００ａの構成要素と同一又は対応する構成要素には、同一の符号を付し詳細な説明を省略する。冷凍サイクル装置１００ａに関する説明は、技術的に矛盾しない限り、冷凍サイクル装置１００ｂにもあてはまる。

冷凍サイクル装置１００ｂは、上流側供給流路９１ａ及び戻し流路９２ａに代えて、上流側供給流路９１ｂ及び戻し流路９２ｂを備えている。上流側供給流路９１ｂは、凝縮側循環回路７における放熱側送液ポンプ７１の出口より下流の位置で凝縮側循環回路７から分岐している。上流側供給流路９１ｂは、ターボ機械１ａの潤滑剤供給流路３０に冷媒を供給するための流路である。例えば、上流側供給流路９１ｂは、凝縮側循環回路７における放熱側送液ポンプ７１の出口と放熱用熱交換器７２の入口との間で凝縮側循環回路７から分岐している。また、上流側供給流路９１ｂは、潤滑剤供給流路３０に連通するように、ターボ機械１ａに接続されている。例えば、上流側供給流路９１ｂを通った冷媒は、供給孔４１を通過して貯留部４０に供給される。このように、放熱側送液ポンプ７１によって加圧された冷媒が上流側供給流路９１ｂを通って潤滑剤供給流路３０に潤滑剤として供給される。この場合、放熱側送液ポンプ７１の吐出圧力は、潤滑剤供給流路３０の流入口３３において冷媒の圧力が飽和蒸気圧以上であるように定められていることが望ましい。

上流側供給流路９１ｂは、凝縮側循環回路７において、放熱用熱交換器７２の出口と凝縮機構４との間で凝縮側循環回路７から分岐していてもよい。この場合でも、冷凍サイクル装置１００ｂの冷媒の一部を潤滑剤として潤滑剤供給流路３０に供給できる。

戻し流路９２ｂは、上流側供給流路９１ｂを通って潤滑剤供給流路３０に供給された冷媒を主回路５に戻すための流路である。戻し流路９２ｂは、例えば、排出孔４２を介して貯留部４０に連通している。また、戻し流路９２ｂは、凝縮機構４に接続されている。貯留部４０に貯留されている冷媒は、排出孔４２を通って戻し流路９２ｂに導かれ、戻し流路９２ｂを流れて凝縮機構４の内部に戻される。戻し流路９２ｂは、蒸発機構２に冷媒を戻すように蒸発機構２に接続されてもよい。

本実施形態によれば、ターボ機械において潤滑剤としての冷媒が、回転軸の回転に伴って潤滑剤供給流路を通り加圧された状態で軸受に供給される。このため、潤滑剤として供給される冷媒の圧力が高まり、軸受において、潤滑剤である冷媒の蒸発又はキャビテーションの発生が抑制される。また、本実施形態によれば、潤滑剤としての冷媒は、常温での飽和蒸気圧が負圧である冷媒である。前述の通り、作動流体として、常温での飽和蒸気圧が負圧の冷媒を用いる場合、ターボ機械は回転体の回転数として極めて高い回転数が必要になる。そのため、本実施形態の冷凍サイクル装置によれば、高い回転数が生み出す遠心力を冷媒の加圧に利用できるので、潤滑剤供給流路を通って軸受に供給される潤滑剤に高い圧力を加えることができる。これにより、軸受における潤滑剤の不足が防止され、ターボ機械の信頼性が高まる。また、潤滑剤としての冷媒を潤滑剤供給流路に供給するための、ターボ機械の外部のポンプに要求される性能を抑えることができるので、外部のポンプを小型化でき、又は、冷凍サイクル装置のコストを低減できる。

例えば、作動流体として水を用いる場合、ターボ機械の回転体の回転数は、７．５〜９万ｒｐｍ程度と極めて高くなる。この際、回転軸と軸受との間に供給される冷媒液の圧力は、設計にもよるが、およそ、０．５〜１ＭＰａＡ程度となる。一方で、本開示のターボ機械を用いない場合、すなわち、例えば、回転軸が潤滑剤供給流路を備えない、上述した検討段階のターボ機械を用いる場合、軸受における冷媒の蒸発及びキャビテーションの発生を抑制するためには、ターボ機械の外部のポンプの吐出圧として、３００〜５００ＫＰａＡ必要となる。一方で、本実施形態のターボ機械の外部のポンプ（図８の吸熱側送液ポンプ６１）の吐出圧は１５０〜１８０ＫＰａＡ程度である。このように、本実施形態によれば、ターボ機械の外部のポンプに要求される性能を抑えることができるので、外部のポンプを小型化でき、又は、冷凍サイクル装置のコストを低減できる。

（変形例）
冷凍サイクル装置１００ａ及び冷凍サイクル装置１００ｂは、様々な観点から変更が可能である。例えば、ターボ機械１ａは、複数段の圧縮機構を有していてもよい。この場合に、圧縮機構の間に冷媒を冷却するための中間冷却器が備えられていてもよい。ターボ機械１ａが、例えば、二段の圧縮機構を有する場合、一段目の圧縮機構から吐出される冷媒蒸気の温度は、例えば、１１０℃である。また、二段目の圧縮機構から吐出される冷媒蒸気温度は、例えば、１７０℃である。一段目の圧縮機構と二段目の圧縮機構との間に中間冷却器が設けられている場合、中間冷却器によって一段目の圧縮機構から吐出された冷媒蒸気が冷却される。この場合、二段目の圧縮機構に吸入される冷媒蒸気の温度は、例えば、４５℃である。

また、ターボ機械１ａと別の圧縮機とが直列に接続されていてもよい。この別の圧縮機は、容積型の圧縮機であってもよいし、ターボ圧縮機であってもよい。この場合に、ターボ機械１ａと別の圧縮機との間に中間冷却器が備えられていてもよい。

流路５ｃには、キャピラリ、膨張弁などの膨張機構が設けられていてもよい。

凝縮機構４において、図１０に示すようなエジェクタ４ｂを用いてもよい。図１０に示すように、エジェクタ４ｂは、第１ノズル８０、第２ノズル８１、混合部８２及びディフューザ部８３を有する。第１ノズル８０には流路７ｃが接続されている。流路７ｃを通って放熱用熱交換器７２から流出した冷媒液が駆動流として第１ノズル８０に供給される。第２ノズル８１には流路５ｂが接続されている。第１ノズル８０から噴射される冷媒液の温度は、放熱用熱交換器７２によって低下している。そのため、第１ノズル８０からの冷媒液の噴射により、混合部８２の圧力が流路５ｂの圧力より低くなる。その結果、流路５ｂを通じて、大気圧以下の圧力を有する冷媒蒸気が第２ノズル８１に連続的に吸い込まれる。

第１ノズル８０から加速しながら噴射された冷媒液と、第２ノズル８１から膨張及び加速しながら噴射された冷媒蒸気は、混合部８２で混合される。そして、冷媒液と冷媒蒸気との間の温度差に起因する第１の凝縮と、冷媒液と冷媒蒸気との間のエネルギーの輸送及び冷媒液と冷媒蒸気との間の運動量の輸送に基づく昇圧効果に起因する第２の凝縮とによって、クオリティ（乾き度）の小さい冷媒混合物が生成される。この冷媒混合物のクオリティがゼロでない場合、冷媒混合物の流速が二相流の音速を超えることで急激な圧力上昇が起こり、さらに凝縮が促進される。生成した冷媒混合物は、液相状態又はクオリティの非常に小さい気液二相状態の冷媒である。その後、ディフューザ部８３は、冷媒混合物を減速することによって静圧を回復させる。このような構造のエジェクタ４ｂにおいて、冷媒の温度及び圧力が上昇する。

また、エジェクタ４ｂは、ニードルバルブ８４及びサーボアクチュエータ８５を備えている。ニードルバルブ８４及びサーボアクチュエータ８５は、駆動流としての冷媒液の流量を調整するための流量調整器である。ニードルバルブ８４によって、第１ノズル８０の先端のオリフィスの断面積を変更できる。サーボアクチュエータ８５によって、ニードルバルブ８４の位置が調節される。これにより、第１ノズル８０を流れる冷媒液の流量を調整できる。

本開示に係る冷凍サイクル装置は、家庭用エアコン又は業務用エアコンに特に有用である。また、本開示に係る冷凍サイクル装置は、チラー又はヒートポンプにも応用できる。

１ａ ターボ機械
２ 蒸発機構
４ 凝縮機構
５ 主回路
６ 蒸発側循環回路
７ 凝縮側循環回路
１０ａ〜１０ｆ 回転軸
１１ 回転軸の端
２０ 軸受
３０ 潤滑剤供給流路
３１ 主流路
３２ 副流路
３３ 流入口
３４ 副流路の主流路側の開口
３４ｃ 副流路の主流路側の開口の中心
３５ 流出口
４０ 貯留部
６１ 吸熱側送液ポンプ
６２ 吸熱用熱交換器
７１ 放熱側送液ポンプ
７２ 放熱用熱交換器

Claims (8)

1. 常温での飽和蒸気圧が負圧である冷媒を用いた冷凍サイクル装置のためのターボ機械であって、
   回転軸と、
   前記回転軸を支持する軸受と、を備え、
   前記回転軸は、前記回転軸の内部に、前記回転軸の端に形成された流入口から前記回転軸の軸方向に延びている主流路及び前記主流路から分岐し前記回転軸の側面に形成された流出口まで延びている副流路を含む潤滑剤供給流路を有し、
   前記潤滑剤供給流路は、前記回転軸の回転に伴って、前記冷媒を、前記流出口から流出して前記回転軸と前記軸受との間を潤滑する潤滑剤として供給するターボ機械。
2. 前記副流路は、前記主流路の中心軸線と交わり且つ前記中心軸線に対して垂直な直線に沿って伸びている、請求項１に記載のターボ機械。
3. 前記副流路の前記流出口は、前記主流路の中心軸線と前記副流路の前記主流路側の開口の中心とを結ぶ直線が前記回転軸の側面と交わる点に対し、前記回転軸の回転方向後方に位置する、請求項１に記載のターボ機械。
4. 前記副流路は、前記回転軸の軸方向に沿って前記副流路を見たときに、前記副流路における、前記副流路の前記主流路側の開口と前記流出口との間の位置から前記流出口に向かって前記回転軸の回転方向後方に広がっている、請求項１又は３に記載のターボ機械。
5. 前記潤滑剤供給流路は、前記回転軸の軸方向に沿って配置された複数の前記副流路を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載のターボ機械。
6. 前記副流路の中心軸線は、前記回転軸の軸方向に対して垂直な方向から前記副流路を見たときに、前記主流路の中心軸線に対して前記回転軸の軸方向に傾斜している、請求項１〜５のいずれか１項に記載のターボ機械。
7. 前記流入口側で前記軸受に隣接し、前記潤滑剤としての前記冷媒が貯留された貯留部をさらに備え、
   前記回転軸の前記端に形成された前記流入口は、前記貯留部に貯留された前記潤滑剤としての前記冷媒に浸っている、請求項１〜６のいずれか１項に記載のターボ機械。
8. 常温における飽和蒸気圧が負圧である冷媒を循環させる主回路であって、冷媒液を貯留するとともに前記冷媒液を蒸発させる蒸発機構と、冷媒蒸気を圧縮する圧縮機である請求項１〜７のいずれか１項に記載のターボ機械と、冷媒蒸気を凝縮させるとともに冷媒液を貯留する凝縮機構とを有し、前記蒸発機構、前記ターボ機械、及び前記凝縮機構がこの順に接続された主回路と、
   吸熱側送液ポンプ及び吸熱用熱交換器を有し、前記蒸発機構に貯留された冷媒液が前記吸熱側送液ポンプによって前記吸熱用熱交換器に供給され、前記吸熱用熱交換器で吸熱した冷媒が前記蒸発機構に戻る蒸発側循環回路と、
   放熱側送液ポンプ及び放熱用熱交換器を有し、前記凝縮機構に貯留された冷媒液が前記放熱側送液ポンプによって前記放熱用熱交換器に供給され、前記放熱用熱交換器で放熱した冷媒が前記凝縮機構に戻る凝縮側循環回路と、
   前記蒸発側循環回路における前記吸熱側送液ポンプの出口より下流の位置で前記蒸発側循環回路から分岐し、又は、前記凝縮側循環回路における前記放熱側送液ポンプの出口より下流の位置で前記凝縮側循環回路から分岐し、前記潤滑剤供給流路に前記冷媒を供給する上流側供給流路と、を備えた、
   冷凍サイクル装置。

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