JP2020118440A - Gas water heater - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、酸素濃度を検出するA/Fセンサを備えたガス給湯器に関する。 The present invention relates to a gas water heater provided with an A/F sensor that detects oxygen concentration.
主に北米等で使用されているガス給湯器には、ベンチュリ管を用いてガスを燃焼室に供給するものがある。この場合、大気圧等によりベンチュリ管の前後における圧力差が変化すると、燃焼効率が悪化してガス給湯器の省エネルギー性能が低下する問題がある。特許文献1は、ガスの供給系統に対してではないが、ベンチュリ管を用いたガス給湯器の一例である。
Some gas water heaters mainly used in North America or the like use a venturi pipe to supply gas to a combustion chamber. In this case, if the pressure difference before and after the Venturi tube changes due to atmospheric pressure or the like, there is a problem that the combustion efficiency deteriorates and the energy saving performance of the gas water heater deteriorates.
上記の問題に対して、ガスの供給系統に比例弁を用いると共に、酸素濃度を検出するA/Fセンサを用いてガス噴射制御を行うことで、燃焼効率の最適化を図る技術が考案されている。しかしながら、図10に示すように、A/Fセンサの精度は、経年劣化により信号出力の線形性がドリフトすることを主要因として悪化する。そのため、大気中において、A/Fセンサの線形性を補正する必要がある。 To solve the above problems, a technique has been devised to optimize combustion efficiency by using a proportional valve in a gas supply system and performing gas injection control using an A/F sensor that detects oxygen concentration. There is. However, as shown in FIG. 10, the accuracy of the A/F sensor deteriorates mainly due to drift of the linearity of the signal output due to deterioration over time. Therefore, it is necessary to correct the linearity of the A/F sensor in the atmosphere.
ところが、給湯器は継続的に燃焼を行うことで湯を保温するため、燃焼室の酸素濃度は低下している状態にある。したがって、A/Fセンサの線形性を大気中において補正することが困難であるという事情がある。 However, since the hot water heater keeps the hot water by continuously burning, the oxygen concentration in the combustion chamber is in a lowered state. Therefore, it is difficult to correct the linearity of the A/F sensor in the atmosphere.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、継続的に使用される環境下で、A/Fセンサを用いて燃焼管内の酸素濃度を検出する構成においても、信号出力の線形性を精度よく補正できるガス給湯器を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to output a signal even in a configuration in which an oxygen concentration in a combustion pipe is detected using an A/F sensor in an environment where it is continuously used. It is to provide a gas water heater that can accurately correct the linearity of the.
請求項1記載のガス給湯器によれば、ガス供給管を介して供給されるガスは吸気された大気と共に、噴射部を介して給湯タンクに内蔵される燃焼管内に噴射される。制御部は、ガス供給管の先端に配置される比例弁を制御すると共に、A/Fセンサにより検出される酸素濃度に基づいて燃焼管内の燃焼状態を制御して給湯タンク内に給水された水を加熱する。そして、制御部は、燃焼管内の混合気体に点火した後の消火から再点火するまでの間に大気を供給するパージ処理を行い、センサ補正部は、そのパージ処理が終了した後に、A/Fセンサにより検出される酸素濃度に基づいて、当該センサの信号出力特性の線形性を補正する。このように構成すれば、センサ補正部は、パージ処理により燃焼管内に酸素が供給された状態でA/Fセンサの線形性を補正できるので、精度の高い補正を行うことが可能になる。 According to the gas water heater of the first aspect, the gas supplied through the gas supply pipe is injected into the combustion pipe built into the hot water supply tank together with the inhaled atmosphere through the injection unit. The control unit controls the proportional valve arranged at the tip of the gas supply pipe, and controls the combustion state in the combustion pipe based on the oxygen concentration detected by the A/F sensor to control the water supplied to the hot water tank. To heat. Then, the control unit performs a purge process of supplying the atmosphere between extinguishing after igniting the mixed gas in the combustion tube and re-ignition, and the sensor correction unit performs A/F after the purge process is completed. The linearity of the signal output characteristic of the sensor is corrected based on the oxygen concentration detected by the sensor. According to this structure, the sensor correction unit can correct the linearity of the A/F sensor in a state where oxygen is supplied into the combustion pipe by the purging process, and thus the correction can be performed with high accuracy.
請求項2記載のガス給湯器によれば、電流検出部は、A/Fセンサに流れる電流を検出する。そして、センサ補正部は、パージ処理が開始されると、電流検出部により検出された電流値に基づき燃焼管内の酸素濃度の検出を開始し、その酸素濃度が閾値以上に上昇していると判断すると補正を開始する。これにより、センサ補正部は、燃焼管内の酸素濃度が確実に上昇した状態で補正を行うことができる。 According to the gas water heater of the second aspect, the current detector detects the current flowing through the A/F sensor. Then, when the purge process is started, the sensor correction unit starts detection of the oxygen concentration in the combustion pipe based on the current value detected by the current detection unit, and determines that the oxygen concentration has risen above the threshold value. Then, the correction starts. As a result, the sensor correction unit can perform the correction in a state where the oxygen concentration in the combustion pipe is reliably increased.
請求項3記載のガス給湯器によれば、センサ補正部は、パージ処理の実行が開始されてから一定時間が経過しても酸素濃度が閾値に達していなければ、制御部に対してパージ処理の実行期間の延長を指示する。これにより、制御部は、センサ補正部からの指示を受けて不足しているパージ処理の実行期間を延長することができる。
According to the gas water heater of
請求項4記載のガス給湯器によれば、センサ補正部は、前記一定時間が経過する前に酸素濃度が閾値以上になると、制御部に対してパージ処理の実行期間の短縮を指示する。これにより、制御部は、センサ補正部からの指示を受けて過剰なパージ処理の実行期間を短縮することができる。 According to the gas water heater of the fourth aspect, the sensor correction unit instructs the control unit to shorten the execution period of the purge process when the oxygen concentration becomes equal to or higher than the threshold value before the elapse of the fixed time. As a result, the control unit can shorten the execution period of the excessive purge process in response to the instruction from the sensor correction unit.
以下、一実施形態について図1から図9を参照して説明する。図1は、本実施形態のガス給湯器1の構成を示す。給湯タンク2の内部には、給水管3を介して図示しない水道より水が給水される。給湯タンク2は、燃焼管4を内蔵しており、燃焼管4の内部でガスの燃焼が行われることで水が加熱されて湯になる。湯は、排出管5を介して外部に供給される。排出管5には、湯の温度を検出するための温度センサ16が配置されている。
Hereinafter, one embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 9. FIG. 1 shows the configuration of a
給湯タンク2には、吸気管6が接続されており、吸気管6の内部にはブロア7が配置されている。ブロア7は、吸気管6の外部にあるブロア制御部8により駆動制御され、外部より大気を吸気する。吸気管6の途中部位には、ガス供給管9が比例弁10を介して接続されている。比例弁10は、ガス供給管9の外部にある比例弁制御部11により駆動制御される。これにより、吸気管6内へのガス供給量が調整される。
An intake pipe 6 is connected to the hot
吸気管6内部のガスと大気との混合気体は、噴射部12を介して燃焼管4に供給される。燃焼管4内の混合気体は、図示しないイグナイタにより点火されて燃焼される。燃焼管4は、給湯タンク2の図中上部において吸気管6に接続され、給湯タンク2の下方に延びる主部4aと、給湯タンク2の下方から上方に延びる折返し部4bと、そこから主部4aの周囲を螺旋状に囲んで再び下方に至る螺旋状部4cとを備えている。螺旋状部4cには排気管13が接続されており、燃焼後の気体が給湯タンク2の外部に排気される。
The mixed gas of the gas inside the intake pipe 6 and the atmosphere is supplied to the combustion pipe 4 via the
燃焼管4の内部において噴射部12の図中右側方には、A/Fセンサ14が配置されている。A/Fセンサ14には、給湯タンク2の外部にある電流計測部15が接続されている。電流計測部15は、図5に示すように、A/Fセンサ14を駆動した状態で当該センサ14に流れる電流値を計測することで、燃焼管4内部の酸素濃度を測定する。また、制御部に相当する電流計測部15は、A/Fセンサ14の信号出力特性の線形性を補正する処理も行う。電流計測部15は、電流検出部に相当する。
An A/
統括制御部17は、ブロア制御部8,比例弁制御部11及び電流計測部18と通信を行い、各制御部等を統括的に制御する。また、温度センサ16が検出した温度は、統括制御部17に入力される。電流計測部15及び統括制御部17は、センサ補正部に相当する。尚、以降において「パージ処理」とは、一般的なガス給湯器において行われる、ガスに点火した直後の不完全燃焼による鎮火を防止するため、燃焼室内に酸素,大気を供給する処理を言う。
The
次に、本実施形態の作用について図2から図9を参照して説明する。図2は、統括制御部17を中心に実行される燃焼制御を示すフローチャートである。統括制御部17は、イグナイタによりガスに点火すると(S40)、温度センサ16により水の温度を計測する(S41)。そして、計測した温度が設定温度未満か否かを判断して(S42)、設定温度未満であれば(YES)ガスの燃焼状態を継続し(S43)、設定温度以上であれば(NO)消火を行う(S44)。
Next, the operation of this embodiment will be described with reference to FIGS. 2 to 9. FIG. 2 is a flowchart showing combustion control executed mainly by the integrated
それから、パージ処理を実行する条件が成立しているか否かを判断し(S45)、条件が成立していれば(YES)パージ処理を実行し(S46)、条件が成立してなければ(NO)ステップS41に戻る。ここで、「パージ処理を実行する条件」とは、各製品の仕様や、製品の運転状況運転環境等に応じて静的又は動的に設定される。尚、「毎回消火する度に実行する」という条件でも良い。ステップS44の実行後に、ステップS42で「YES」と判断した際には、ステップS43にてイグナイタによるガスの点火が行われる。以上のように制御される結果、イグナイタの消火,点火が繰り返されて、給湯タンク2内の水の温度は、図3に示すように、設定温度を間に挟んで上下に変動する。
Then, it is determined whether or not the condition for executing the purge process is satisfied (S45), and if the condition is satisfied (YES), the purge process is executed (S46), and if the condition is not satisfied (NO). ) Return to step S41. Here, the “condition for executing the purging process” is statically or dynamically set according to the specifications of each product, the operating status of the product, the operating environment, and the like. The condition of "execute every time the fire is extinguished" may be used. After executing step S44, when it is determined to be “YES” in step S42, ignition of gas is performed by the igniter in step S43. As a result of the control as described above, the extinction and ignition of the igniter are repeated, and the temperature of the water in the hot
このように温度が上下に変動する期間において、消火から次回の点火までの間にパージ処理を開始し、前記次回の点火までにパージ処理を完了する構成としても良い。また、上記の温度変動期間では、例えば5〜10秒間隔で温度センサ16が湯の温度を測定することで、消火・点火を実施している。したがって、上記の間隔に相当する一定期間の経過後に、消火されている状態であればパージ処理を実行する構成としても良い。
In such a period in which the temperature fluctuates up and down, the purge process may be started between the extinguishing and the next ignition, and the purge process may be completed by the next ignition. Further, in the above temperature fluctuation period, the
図4は、ステップS46におけるパージ処理を示すフローチャートである。電流計測部15は、パージ処理の実施時間を計測するためのカウンタをゼロクリアする(S2)。このとき、比例弁制御部11は、比例弁10を全閉してガスの供給を停止し、ブロア制御部8はブロア7を駆動する。これにより、燃焼管4内には大気のみが供給されてパージ処理が開始される。それから、例えば数秒〜数10秒程度の一定時間の経過待ちをする(S3)。
FIG. 4 is a flowchart showing the purging process in step S46. The
一定時間が経過するとカウンタをインクリメントして(S4)、そのカウンタの値が「10」を超えたか否かを判断する(S5)。カウンタ値が「10」以下であれば(NO)、A/Fセンサ14に流れている電流値を検出して燃焼管4内の酸素濃度を計測する(S6)。そして、前回に計測した酸素濃度と今回計測した酸素濃度との差の絶対値が、閾値である0.3%未満か否かを判断する(S7)。酸素濃度の差が0.3%以上であれば(NO)、前回の酸素濃度に今回計測した酸素濃度を代入してから(S8)ステップS3に移行する。
When a certain time has elapsed, the counter is incremented (S4), and it is determined whether the value of the counter exceeds "10" (S5). If the counter value is "10" or less (NO), the current value flowing in the A/
ステップS3〜S8のループを実行している間にカウンタ値が「10」を超えると(S5;YES)、既定の時間でパージ処理を実行しても燃焼管4内の酸素濃度の差が0.3%以上にならないことを示す。そこで、電流計測部15は、ブロア制御部8と協働して次回に実施するパージ処理時間の延長処理を行う(S9)。その詳細については後述する。
If the counter value exceeds “10” while executing the loop of steps S3 to S8 (S5; YES), the difference in oxygen concentration in the combustion pipe 4 is 0 even if the purging process is executed for a predetermined time. It shows that it does not exceed 3%. Therefore, the
また、ステップS3〜S8のループを実行している間に酸素濃度の差が0.3%未満に低下すると(S7;YES)、既定時間のパージ処理を終了する前に燃焼管4内の酸素濃度の差が0.3%未満になったことを示す。そこで、電流計測部15は、次回に実施するパージ処理の時間の短縮処理を行う(S10)。その詳細についても後述する。それから、キャリブレーションの実施条件が成立していれば(S11;YES)A/Fセンサ14のキャリブレーションを実行する(S12)。キャリブレーションの実施条件も各製品の仕様等に応じて異なるが、例えば数日が経過した後ユーザにより最初にガス給湯器1が使用され、点火が行われたこと等を条件とする。
Further, when the difference in oxygen concentration decreases to less than 0.3% while executing the loop of steps S3 to S8 (S7; YES), the oxygen in the combustion pipe 4 is terminated before the purging process for the predetermined time is completed. It shows that the difference in concentration was less than 0.3%. Therefore, the
図5は、パージ処理の実行に伴い燃焼管4内の酸素濃度が変化する状態を示す。横軸は酸素濃度のサンプル数を示し、縦軸は酸素濃度のパーセンテージである。サンプリング間隔は、例えば0.3秒程度である。尚、酸素濃度のサンプリングは、図4に示すパージ処理に並行して常時実施されている。 FIG. 5 shows a state in which the oxygen concentration in the combustion tube 4 changes with the execution of the purging process. The horizontal axis represents the number of oxygen concentration samples, and the vertical axis represents the oxygen concentration percentage. The sampling interval is, for example, about 0.3 seconds. The sampling of the oxygen concentration is always performed in parallel with the purging process shown in FIG.
また、図6は、パージ処理の実行時間の初期値を決定する一例を示しており、測定済みの酸素濃度のサンプルについて濃度差の変化割合を参照し、どれだけの長さでパージ処理を実行すれば酸素濃度の差が十分小さくなるかにより決定する。図7は、A/Fセンサ14の吸気管6側と燃焼管4側との酸素濃度が等しくなっている状態でキャリブレーションが実行されるイメージを示している。
Further, FIG. 6 shows an example of determining the initial value of the execution time of the purging process, referring to the change rate of the concentration difference for the sample of the measured oxygen concentration, and performing the purging process for how long. It is determined depending on whether the difference in oxygen concentration is sufficiently small. FIG. 7 shows an image in which the calibration is executed in a state where the oxygen concentrations on the intake pipe 6 side and the combustion pipe 4 side of the A/
図8は、ステップS9におけるパージ時間延長処理の詳細を示すフローチャートである。ここで、ステップS9の実行を開始する時点までにサンプリングしていた酸素濃度のサンプルをd1,d2,d3,…,dNとし、各サンプルの差分dS1,dS2,…,d(N−1)を
dS1=d2−d1,dS2=d3−d2,…,dS(N−1)=dN−d(N−1)
と定義する。更に、dRateを、
dS1/dS2,dS2/dS3,…,dS(N−2)/dS(N−1)
これらの平均値と定義する。
FIG. 8 is a flowchart showing details of the purge time extension process in step S9. Let d1, d2, d3,..., dN be the oxygen concentration samples that have been sampled by the time the execution of step S9 is started, and the differences dS1, dS2,. dS1=d2-d1, dS2=d3-d2,..., dS(N-1)=dN-d(N-1)
It is defined as. In addition, dRate
dS1/dS2, dS2/dS3,..., dS(N-2)/dS(N-1)
It is defined as the average value of these.
次回パージ延長処理では、カウンタC,nをゼロに設定し(S20)、差分の予測値をrDiffとすると、
rDiff=dn−d(n−1)
を求める(S21)。次に、予測値rDiffが0.3未満となったか否かを判断し(S22)、0,3以上であれば(NO)、予測値rDiffを
rDiff=rDiff*dRate
により更新し、カウンタC,nをそれぞれインクリメントする(S23)。それから、ステップS21に戻る。
In the next purge extension process, the counters C and n are set to zero (S20), and the difference predicted value is set to rDiff.
rDiff=dn-d(n-1)
Is calculated (S21). Next, it is determined whether or not the predicted value rDiff is less than 0.3 (S22), and if it is 0 or 3 (NO), the predicted value rDiff is set to rDiff=rDiff*dRate.
And the counters C and n are respectively incremented (S23). Then, the process returns to step S21.
ステップS21〜S23のループを実行している間に予測値rDiffが0.3未満になると(S22;YES)、その時点のカウンタCの値にサンプリング間隔を乗じた分だけパージ処理時間を延長する指示をブロア制御部8に通知する(S24)。
When the predicted value rDiff becomes less than 0.3 while executing the loop of steps S21 to S23 (S22; YES), the purge processing time is extended by the amount of the value of the counter C at that time multiplied by the sampling interval. The
図9は、ステップS10におけるパージ時間短縮処理の詳細を示すフローチャートである。先ず、ステップS10に移行した時点におけるカウンタの値が「10」未満か否かを判断する(S31)。「10」未満であれば(YES)、その値「10」とカウンタ値との差にサンプリング間隔を乗じた時間をブロア制御部8に送信する(S32)。これに基づいて、ブロア制御部8は次回のパージ処理の実行時間を短縮する。それから、A/Fセンサ14のキャリブレーションを実行する(S33)。一方、ステップS31においてカウンタの値が「10」以上であれば(NO)、実行時間は短縮できないので(S34)そのままステップS33に移行する。
FIG. 9 is a flowchart showing details of the purge time shortening process in step S10. First, it is determined whether the value of the counter at the time of shifting to step S10 is less than "10" (S31). If it is less than "10" (YES), the time obtained by multiplying the difference between the value "10" and the counter value by the sampling interval is transmitted to the blower controller 8 (S32). Based on this, the
以上のように本実施形態のガス給湯器1によれば、ガス供給管9を介して供給されるガスは吸気された大気と共に、噴射部12を介して給湯タンク2に内蔵される燃焼管4内に噴射される。比例弁制御部11は、ガス供給管9の先端に配置される比例弁10を制御すると共に、A/Fセンサ14により検出される酸素濃度に基づいて燃焼管4内の燃焼状態を制御して給湯タンク2内に給水された水を加熱する。
As described above, according to the
そして、ブロア制御部8は、燃焼管4内の混合気体に点火した後の消火から再点火するまでの間に当該燃焼管4内に大気を供給するパージ処理を行い、電流計測部15は、そのパージ処理が終了した後にA/Fセンサ14の信号出力特性の線形性をキャリブレーションする。このように構成すれば、電流計測部15は、パージ処理により燃焼管内に酸素が供給された状態でA/Fセンサ14の線形性を補正できるので、精度の高い補正を行うことが可能になる。また、パージ処理の実行に伴ってキャリブレーションを効率的に実行できる。
Then, the
また、電流計測部15は、A/Fセンサ14に流れる電流を検出し、パージ処理が開始されると、検出した電流値に基づき燃焼管4内の酸素濃度の検出を開始し、その酸素濃度が閾値以上に上昇していると判断するとキャリブレーションを開始する。これにより、燃焼管4内の酸素濃度が確実に上昇した状態でキャリブレーションを行うことができる。
Further, the
また、電流計測部15は、パージ処理の実行が開始されてから一定時間が経過しても酸素濃度が閾値に達していなければ、ブロア制御部8に対してパージ処理の実行期間の延長を指示する。これにより、ブロア制御部8は、電流計測部15からの指示を受けて不足しているパージ処理の実行期間を延長することができる。
In addition, the
更に、電流計測部15は、前記一定時間が経過する前に酸素濃度が閾値以上になると、ブロア制御部8に対してパージ処理の実行期間の短縮を指示する。これにより、ブロア制御部8は、電流計測部15からの指示を受けて過剰なパージ処理の実行期間を短縮することができる。
Further, the
本発明は上記した、又は図面に記載した実施形態にのみ限定されるものではなく、以下のような変形又は拡張が可能である。
酸素濃度の閾値は0.3%に限ることなく、個別の設計に応じて適宜変更すれば良い。
パージ時間の延長処理や短縮処理については、必要に応じて行えば良い。
The present invention is not limited to the embodiments described above or illustrated in the drawings, and the following modifications or expansions are possible.
The threshold value of the oxygen concentration is not limited to 0.3% and may be appropriately changed according to the individual design.
The purging time extension process and the purging time reduction process may be performed as necessary.
図面中、1はガス給湯器、2は給湯タンク、4は燃焼管、6は吸気管、8はブロア制御部、12は噴射部、14はA/Fセンサ、15は電流計測部を示す。 In the drawings, 1 is a gas water heater, 2 is a hot water tank, 4 is a combustion pipe, 6 is an intake pipe, 8 is a blower control unit, 12 is an injection unit, 14 is an A/F sensor, and 15 is a current measurement unit.
Claims (4)
この給湯タンク内に配置され、ガスの燃焼を行う燃焼管と、
大気を吸気するための吸気管と、
ガス供給管を介して供給されるガスを前記吸気管の内部に供給する比例弁と、
前記吸気管の先端に配置され、ガスと大気との混合気体を前記燃焼管内に噴射させる噴射部と、
前記燃焼管内の酸素濃度を検出するA/Fセンサと、
前記比例弁を制御すると共に、前記A/Fセンサにより検出される酸素濃度に基づいて前記燃焼管内の燃焼状態を制御して給湯タンク内に給水された水を加熱する制御部と、
前記A/Fセンサの線形性を補正するセンサ補正部とを備え、
前記制御部は、前記燃焼管内の混合気体に点火した後の消火から再点火するまでの間に、当該燃焼管内に大気を供給するパージ処理を行い、
前記センサ補正部は、前記パージ処理が終了した後に、前記A/Fセンサにより検出される酸素濃度に基づいて、当該センサの信号出力の線形性を補正するガス給湯器。 Hot water supply tank,
A combustion tube that is placed in this hot water supply tank and burns gas,
An intake pipe for inhaling the atmosphere,
A proportional valve for supplying the gas supplied through the gas supply pipe to the inside of the intake pipe;
An injection unit that is disposed at the tip of the intake pipe and injects a mixed gas of gas and atmosphere into the combustion pipe,
An A/F sensor for detecting the oxygen concentration in the combustion pipe,
A controller that controls the proportional valve and controls the combustion state in the combustion pipe based on the oxygen concentration detected by the A/F sensor to heat the water supplied to the hot water tank.
A sensor correction unit that corrects the linearity of the A/F sensor,
The control unit performs a purging process of supplying the atmosphere into the combustion pipe from extinguishing after igniting the mixed gas in the combustion pipe to re-ignition.
The gas water heater which corrects the linearity of the signal output of the sensor based on the oxygen concentration detected by the A/F sensor after the purging process is completed.
前記センサ補正部は、前記制御部がパージ処理の実行を開始すると、電流検出部により検出された電流値に基づき前記燃焼管内の酸素濃度の検出を開始し、前記酸素濃度が閾値以上に上昇していると判断すると前記補正を開始する請求項1記載のガス給湯器。 A current detector for detecting a current flowing through the A/F sensor,
When the control unit starts execution of the purge process, the sensor correction unit starts detection of the oxygen concentration in the combustion pipe based on the current value detected by the current detection unit, and the oxygen concentration rises above a threshold value. The gas water heater according to claim 1, wherein the correction is started when it is determined that the correction is performed.
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JPH10505404A (en) * | 1994-08-25 | 1998-05-26 | レノックス・インダストリーズ・インコーポレイテッド | Combined water heater / heating system |
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- 2020-01-17 JP JP2020006018A patent/JP2020118440A/en active Pending
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