JP2024043718A - 冷却システム、制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】気体を冷媒として用いる冷却システムについて、より適切に被冷却負荷の温度の変動を抑制することが可能な技術を提供する。【解決手段】一実施形態に係る冷却システム１は、乾燥空気を圧縮する空気圧縮機１０及びコンプレッサ３２と、空気圧縮機１０及びコンプレッサ３２により圧縮された乾燥空気と冷却水との間で熱交換を行うアフタークーラ２０，４０と、アフタークーラ４０を通過した乾燥空気を断熱膨張させる膨張タービン３４と、膨張タービン３４から吐出された乾燥空気を被冷却負荷６０に供給する経路Ｌ７と、被冷却負荷６０と熱交換が行われた後の乾燥空気を空気圧縮機１０に送る経路Ｌ８～Ｌ１０と、経路Ｌ７から乾燥空気を分岐させ経路Ｌ９に合流させる経路Ｌ１２と、経路Ｌ１２に設けられ、経路Ｌ１２の乾燥空気の流量を調整する調整弁Ｖ１２と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、冷却システム等に関する。

従来、乾燥空気等の気体を冷媒として用いて、被冷却負荷を冷却する冷却システムが知られている（例えば、特許文献１）。

特許文献１では、冷媒としての乾燥空気を圧縮させて熱交換器で冷却した後、膨張タービンにより断熱膨張させることで、寒冷エネルギを発生させ、被冷却負荷を冷却している。

国際公開第２０２０／０８４７２５号

ところで、被冷却負荷の温度変動は抑制されることが望ましい。

しかしながら、被冷却負荷の温度変動を抑制するためには、例えば、膨張タービンの入口の圧力、入口のエンタルピ、及び断熱効率等の条件を調整する必要が生じ、その結果、その制御は実質上困難となる可能性がある。

また、被冷却負荷の温度変動を抑制するために、例えば、膨張タービンの流量を変化させる方法もある。

しかしながら、膨張タービンは、機械効率上、一定回転での運転が望ましいことから、機械効率の低下を招来する可能性がある。

そこで、上記課題に鑑み、気体を冷媒として用いる冷却システムについて、より適切に被冷却負荷の温度の変動を抑制することが可能な技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本開示の一実施形態では、
気体を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機により圧縮された気体とそれより低温の流体との間で熱交換を行う第１の熱交換器と、
前記第１の熱交換器を通過した気体を断熱膨張させる膨張タービンと、
前記膨張タービンから吐出された気体を被冷却負荷に供給する第１の経路と、
前記被冷却負荷と熱交換を行われた後の気体を前記圧縮機に送る第２の経路と、
前記第１の経路から気体を分岐させ前記第２の経路に合流させるバイパス経路と、
前記バイパス経路に設けられ、前記バイパス経路の空気の流量を調整する調整弁と、を備える、
冷却システムが提供される。

また、本開示の他の実施形態では、
上記の冷却システムを制御する制御装置であって、
前記被冷却負荷の温度に応じて、前記調整弁の開度を調整する、
制御装置が提供される。

上述の実施形態によれば、気体を冷媒として用いる冷却システムについて、より適切に被冷却負荷の温度の変動を抑制することができる。

冷却システムの第１例を示す図である。 比較例に係る冷却システムを示す図である。 冷却システムの第２例を示す図である。

以下、図面を参照して実施形態について説明する。

［冷却システムの第１例］
図１、図２を参照して、本実施形態に係る冷却システム１の第１例について説明する。

図１は、冷却システム１の第１例を示す図である。図２は、比較例に係る冷却システム１Ｃを示す図である。

尚、比較例に係る冷却システム１Ｃ（図２）では、本実施形態の冷却システム１と共通の構成に同一の符号を付している。また、図２では、図１の制御装置１００に相当する構成の記載が省略されている。

図１に示すように、冷却システム１は、空気圧縮機１０と、アフタークーラ２０と、タービン・コンプレッサユニット３０と、アフタークーラ４０と、寒冷回収熱交換器５０と、被冷却負荷６０と、サクションクーラ７０とを含む。また、冷却システム１に関連する構成として、制御装置１００と、温度センサ１１０とが設けられる。

冷却システム１は、乾燥空気を冷媒として用いる空気冷媒式であり、被冷却負荷６０を冷却する。

尚、冷却システム１は、冷媒として乾燥空気とは異なる他の気体を用いてもよい。例えば、他の気体は、窒素、酸素、ヘリウム等である。

乾燥空気は、冷却システム１の運転に支障が無い露点まで水蒸気が除去された空気である。乾燥空気に含まれる水蒸気の量は、例えば、所定基準以下になるように予め調整される。

空気圧縮機１０は、経路Ｌ１から流入する乾燥空気を圧縮し、経路Ｌ２に吐出する。

経路Ｌ１には、冷却システム１を循環する乾燥空気が経路Ｌ１０から戻される。また、経路Ｌ１には、開閉弁Ｖ１が設けられ、開閉弁Ｖ１を通じて、冷却システム１の外部から経路Ｌ１に乾燥空気を補充することが可能である。経路Ｌ１の乾燥空気は、例えば、２℃～１０℃の温度範囲にある。

アフタークーラ２０は、経路Ｌ２の乾燥空気と、外部から供給される冷却水との間で熱交換を行い、経路Ｌ３に乾燥空気を流出させる。これにより、アフタークーラ２０は、空気圧縮機１０により圧縮された相対的に温度が高い乾燥空気を相対的に温度が低い冷却水によって冷却することができる。

タービン・コンプレッサユニット３０は、コンプレッサ３２と、膨張タービン３４とを含む。

コンプレッサ３２及び膨張タービン３４の回転軸は、連結されており、膨張タービン３４は、流入する乾燥空気によって回転駆動され、コンプレッサ３２は、膨張タービン３４の回転エネルギによって駆動される。

コンプレッサ３２は、経路Ｌ３から流入する乾燥空気を圧縮し、経路Ｌ４に吐出する。

アフタークーラ４０は、経路Ｌ４の乾燥空気と、外部から供給される冷却水との間で熱交換を行い、経路Ｌ５に乾燥空気を流出させる。これにより、アフタークーラ４０は、コンプレッサ３２により圧縮された相対的に温度が高い乾燥空気を相対的に温度が低い冷却水によって冷却することができる。

経路Ｌ５には、経路Ｌ１１の一端が連結される。

寒冷回収熱交換器５０は、経路Ｌ５の乾燥空気と、被冷却負荷６０と熱交換を行った後の経路Ｌ８の乾燥空気との間で熱交換を行い、経路Ｌ５からの乾燥空気を経路Ｌ６に流出させると共に、経路Ｌ８からの乾燥空気を経路Ｌ９に流出させる。これにより、寒冷回収熱交換器５０は、経路Ｌ８の相対的に低い温度の乾燥空気の寒冷エネルギを回収し、経路Ｌ５の相対的に高い温度の乾燥空気を冷却することができる。寒冷回収熱交換器５０を通過後の経路Ｌ６の乾燥空気の温度は、例えば、２０℃～３０℃の温度範囲にある。また、寒冷回収熱交換器５０は、経路Ｌ８の乾燥空気の温度を空気圧縮機１０に吸入可能な温度範囲に向けて回復させることができる。

膨張タービン３４は、経路Ｌ６から流入する乾燥空気を断熱膨張させ、経路Ｌ７に流出させる。これにより、膨張タービン３４は、経路Ｌ６の乾燥空気の温度を低下させ、経路Ｌ７に流出させることができる。経路Ｌ７の乾燥空気の温度は、例えば、－７０℃～－４０℃の温度範囲にある。

経路Ｌ６には、その開度によって膨張タービン３４の負荷（乾燥空気の流量）を調整可能な調整弁Ｖ６が設けられる。また、経路Ｌ７には、経路Ｌ１２の一端が接続される。

被冷却負荷６０は、経路Ｌ７から流入する乾燥空気により冷却される。本例では、被冷却負荷６０は、経路Ｌ７から流入する乾燥空気と、被冷却流体との間で熱交換を行うことで、被冷却流体を冷却し、熱交換後の乾燥空気を経路Ｌ８に流出させる。被冷却負荷６０は、例えば、超低温冷凍庫であり、被冷却流体は、庫内の空気である。

サクションクーラ７０は、経路Ｌ９から流入する乾燥空気と、外部から供給される冷却水との間で熱交換を行い、乾燥空気を経路Ｌ１０に流出させる。これにより、サクションクーラ７０は、相対的に温度が高い冷却水によって、相対的に温度が低い乾燥空気の温度を上昇させ、空気圧縮機１０で吸入可能な温度範囲まで回復させることができる。

経路Ｌ１１は、上述の如く、一端で経路Ｌ５から分岐し、他端で経路Ｌ９に合流するバイパス経路である。

経路Ｌ１１には、その開度によって経路Ｌ５の圧力を調整可能な調整弁Ｖ１１が設けられる。これにより、調整弁Ｖ１１は、制御装置１００の制御下で、膨張タービン３４の入口の圧力を所定の圧力範囲に維持することができる。所定の圧力範囲は、例えば、膨張タービン３４の入口の圧力が略一定であると判断可能な範囲である。

経路Ｌ１２は、一端で経路Ｌ７から分岐し、他端で経路Ｌ９に合流するバイパス経路である。

経路Ｌ１２には、その開度によって経路Ｌ７から経路Ｌ１２に分流する乾燥空気の流量を調整可能な調整弁Ｖ１２が設けられる。これにより、調整弁Ｖ１２は、制御装置１００の制御下で、経路Ｌ１２に分流する乾燥空気の量を調整することで、経路Ｌ７を通じて、被冷却負荷６０に供給される乾燥空気の流量を調整することができる。その結果、調整弁Ｖ１２は、被冷却負荷６０に供給される寒冷エネルギ量を調整することができる。

制御装置１００は、冷却システム１の制御を行う。

制御装置１００の機能は、任意のハードウェア、或いは、任意のハードウェア及びソフトウェアの組み合わせ等により実現される。例えば、制御装置１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリ装置、補助記憶装置、及びインタフェース装置を含むコンピュータである。メモリ装置は、例えば、ＳＲＡＭ（Static Random Access memory）やＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）である。補助記憶装置は、例えば、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）やフラッシュメモリである。インタフェース装置は、接続機器ごとの通信形式の相違に応じて、複数の種類のインタフェース装置を含んでもよい。インタフェース装置は、例えば、温度センサ１１０等の外部機器から各種データを受信する。各種データには、温度センサ１１０の出力データ等の制御用の測定データを含む。また、各種データには、制御用のプログラムが含まれる。制御用のプログラムは、例えば、インタフェース装置を通じて制御装置１００に接続される記録媒体から制御装置１００（補助記憶装置）にインストールされる。また、制御用のプログラムは、インタフェース装置により接続される所定の通信回線を通じて、外部装置（例えば、サーバ装置）からダウンロードされ、制御装置１００（補助記憶装置）にインストールされてもよい。

制御装置１００は、冷却システム１に組み込まれてもよいし、冷却システム１とは別に設けられてもよい。

例えば、制御装置１００は、冷却システム１の何れかの構成要素に隣接して設置される制御盤である。また、冷却システム１が設置される施設内に設置される制御用の端末装置やエッジコントローラやエッジサーバである。また、制御装置１００は、冷却システム１が設置される施設の外部に設置されるオンプレミスサーバやクラウドサーバであってもよい。

温度センサ１１０は、被冷却負荷６０の被冷却流体の出口温度、即ち、経路Ｌ７の乾燥空気の寒冷エネルギにより冷却された後の被冷却流体の温度を測定する。温度センサ１１０の出力は、所定の通信回線を通じて、制御装置１００に取り込まれる。

例えば、制御装置１００は、膨張タービン３４の流量負荷に関する状態量に応じて、調整弁Ｖ６に制御指令を送信し、調整弁Ｖ６の開度を調整する。これにより、制御装置１００は、膨張タービン３４の流量負荷を調整することができる。制御装置１００は、例えば、経路Ｌ６の調整弁Ｖ６の出口と膨張タービン３４の入口との間に設置される流量センサの出力に基づき、膨張タービン３４の流量負荷に関する状態量を取得することができる。

また、例えば、制御装置１００は、膨張タービン３４の入口の圧力に関する状態量に応じて、調整弁Ｖ１１に制御指令を送信し、調整弁Ｖ１１の開度を調整する。これにより、制御装置１００は、上述の如く、膨張タービン３４の圧力を所定の圧力範囲に維持させることができる。制御装置１００は、例えば、経路Ｌ４～Ｌ６や膨張タービン３４の入口に設置される圧力センサの出力に基づき、膨張タービン３４の入口の圧力に関する状態量を取得することができる。

また、例えば、制御装置１００は、被冷却負荷６０（被冷却流体）の温度に関する状態量に応じて、調整弁Ｖ１２に制御指令を送信し、調整弁Ｖ１２の開度を調整する。所定の温度範囲は、被冷却負荷６０に必要な性能に応じて予め規定される。これにより、制御装置１００は、経路Ｌ７を通じて被冷却負荷６０に供給される乾燥空気の流量を調整することができ、その結果、被冷却負荷６０（被冷却流体）の温度変動を抑制し、被冷却負荷６０（被冷却流体）の温度を所定の温度範囲に維持することができる。制御装置１００は、温度センサ１１０の出力に基づき、被冷却負荷６０（被冷却流体）の温度に関する状態量を取得することができる。

制御装置１００は、例えば、温度センサ１１０の温度が上昇すると、調整弁Ｖ１２の開度を小さくし、温度センサ１１０の温度が低下すると、調整弁Ｖ１２の開度を大きくする形で、被冷却流体の温度を所定の温度範囲に維持させることができる。

例えば、図２に示すように、比較例に係る冷却システム１Ｃでは、経路Ｌ１２及び調整弁Ｖ１２が設けられない。そのため、冷却システム１Ｃは、被冷却負荷６０の温度変動を抑制するために、例えば、膨張タービン３４の入口の圧力、入口のエンタルピ、及び断熱効率等の条件を調整する必要が生じ、その結果、その制御は実質上困難となる可能性がある。また、冷却システム１Ｃは、被冷却負荷の温度変動を抑制するために、例えば、膨張タービン３４の流量を変化させる方法もあるが、膨張タービン３４は、機械効率上、一定回転での運転が望ましく、機械効率の低下を招来する可能性がある。

これに対して、本例では、冷却システム１は、経路Ｌ１２及び調整弁Ｖ１２の作用によって、より容易且つより適切に被冷却負荷６０の温度変動を抑制することができる。

［冷却システムの第２例］
次に、図３を参照して、本実施形態に係る冷却システム１の第２例について説明する。

本例では、上述の第１例と同じ或いは対応する構成には同一の符号を付し、上述の第１例と異なる部分を中心に説明する。

図３に示すように、本例では、冷却システム１は、上述の第１例と同様、空気圧縮機１０と、アフタークーラ２０と、タービン・コンプレッサユニット３０と、アフタークーラ４０と、寒冷回収熱交換器５０と、被冷却負荷６０と、サクションクーラ７０とを含む。また、本例では、上述の第１例と同様、冷却システム１に関連する構成として、制御装置１００と、温度センサ１１０とが設けられる。

一方、本例では、冷却システム１は、上述の第１例と異なり、熱交換器８０を含む。また、本例では、上述の第１例と異なり、経路Ｌ１２の調整弁Ｖ１２より上流の箇所には、経路Ｌ１３の一端が連結される。また、本例では、経路Ｌ５は、上述の第１例と異なり、上流側の経路Ｌ５Ａと、下流側の経路Ｌ５Ｂとを含む。

尚、経路Ｌ１３は、経路Ｌ１２から分岐する代わりに、経路Ｌ７から分岐するように構成されてもよい。

熱交換器８０は、経路Ｌ１３の乾燥空気と、経路Ｌ５Ａの乾燥空気との間で熱交換を行い、経路Ｌ１３からの乾燥空気を経路Ｌ１４に流出させると共に、経路Ｌ５Ａからの乾燥空気を経路Ｌ５Ｂに流出させる。これにより、熱交換器８０は、経路Ｌ５Ａの相対的に温度が高い乾燥空気を経路Ｌ１３の相対的に温度が低い乾燥空気によって冷却することができる。また、熱交換器８０は、経路Ｌ１３の乾燥空気の温度を空気圧縮機１０に吸入可能な温度範囲に向けて回復させることができる。

経路Ｌ１４は、熱交換器８０から流出する乾燥空気を経路Ｌ９に合流させる。

経路Ｌ１４には、その開度によって経路Ｌ１２から経路Ｌ１３，Ｌ１４に分流する乾燥空気の流量を調整可能な調整弁Ｖ１４が設けられる。これにより、調整弁Ｖ１４は、制御装置１００の制御下で、経路Ｌ７から被冷却負荷６０を迂回して経路Ｌ９に合流する乾燥空気のうちの熱交換器８０を通過する乾燥空気の流量を調整することができる。

尚、調整弁Ｖ１４に代えて、熱交換器８０よりも上流の経路Ｌ１３に同様の調整弁が設けられてもよい。

例えば、制御装置１００は、被冷却負荷６０（被冷却流体）の温度に関する状態に応じて、調整弁Ｖ１２，Ｖ１４に制御指令を送信し、調整弁Ｖ１２，Ｖ１４の開度を調整する。これにより、制御装置１００は、経路Ｌ７を通じて被冷却負荷６０に供給される乾燥空気の流量を調整することができ、その結果、被冷却負荷６０（被冷却流体）の温度変動を抑制し、被冷却負荷６０の温度を所定の温度範囲に維持することができる。

また、制御装置１００は、経路Ｌ１０の乾燥空気の温度に関する状態量に応じて、調整弁Ｖ１２，Ｖ１４に制御指令を送信し、調整弁Ｖ１２，Ｖ１４の開度を調整してもよい。これにより、制御装置１００は、経路Ｌ７から被冷却負荷６０を迂回して経路Ｌ９に合流する乾燥空気の流量のうちの熱交換器８０を通過して温度が上昇する乾燥空気の流量の比率を調整することができる。そのため、制御装置１００は、調整弁Ｖ１２，Ｖ１４の開度を調整することにより、経路Ｌ１０の乾燥空気の温度を空気圧縮機１０に吸入可能な温度条件を満足するように制御することができる。制御装置１００は、例えば、経路Ｌ１０や経路Ｌ１に設置される温度センサの出力に基づき、経路Ｌ１０の乾燥空気の温度に関する状態量を取得することができる。

［作用］
次に、本実施形態に係る冷却システム及び制御装置の作用について説明する。

本実施形態では、冷却システムは、圧縮機と、第１の熱交換器と、膨張タービンと、第１の経路と、第２の経路と、バイパス経路と、調整弁と、を備える。圧縮機は、例えば、上述の空気圧縮機１０やコンプレッサ３２である。第１の熱交換器は、例えば、上述のアフタークーラ２０，４０である。膨張タービンは、例えば、上述の膨張タービン３４である。第１の経路は、例えば、上述の経路Ｌ７である。第２の経路は、例えば、上述の経路Ｌ８，Ｌ９である。バイパス経路は、例えば、上述の経路Ｌ１２や経路Ｌ１３である。調整弁は、例えば、上述の調整弁Ｖ１２や調整弁Ｖ１４である。具体的には、圧縮機は、気体を圧縮する。気体は、例えば、乾燥空気、窒素、酸素、ヘリウム等である。また、第１の熱交換器は、圧縮機により圧縮された気体とそれより低温の流体との間で熱交換を行う。また、膨張タービンは、第１の熱交換器を通過した空気を断熱膨張させる。また、第１の経路は、膨張タービンから吐出された気体を被冷却負荷に供給する。被冷却負荷は、例えば、上述の被冷却負荷６０である。また、第２の経路は、被冷却負荷と熱交換が行われた後の気体を圧縮機に送る。また、バイパス経路は、第１の経路から気体を分岐させ第２の経路に合流させる。そして、調整弁は、バイパス経路に設けられ、バイパス経路の気体の流量を調整する。

これにより、冷却システムは、バイパス経路を通じて、被冷却負荷を迂回させて気体を圧縮機に戻すことができる。また、冷却システムは、バイパス経路の調整弁を用いて、バイパス経路を迂回させる気体の流量を調整することができる。そのため、冷却システムは、調整弁を用いて、例えば、被冷却負荷の温度変動に合わせて、膨張タービンでの空気の断熱圧縮により生じる寒冷エネルギのうちの被冷却負荷に供給する量を調整することができる。よって、冷却システムは、より適切に被冷却負荷の温度の変動を抑制することができる。

また、本実施形態では、冷却システムは、第２の熱交換器を備えてもよい。第２の熱交換器は、例えば、上述の熱交換器８０である。また、バイパス経路は、第１のバイパス経路及び第２のバイパス経路を含んでもよい。第１のバイパス経路及び第２のバイパス経路は、例えば、経路Ｌ１２及び経路Ｌ１３，Ｌ１４である。また、調整弁は、第１のバイパス経路に設けられる第１の調整弁と、第２のバイパス経路に設けられる第２の調整弁とを含んでもよい。第１の調整弁及び第２の調整弁は、例えば、調整弁Ｖ１２及び調整弁Ｖ１４である。そして、第２の熱交換器は、第２のバイパス経路の空気と、圧縮機により圧縮された空気との間で熱交換を行ってもよい。

これにより、冷却システムは、熱交換器８０によって、被冷却負荷を迂回させる気体のうち、第２のバイパス経路を通過する気体の温度を圧縮機が吸入可能な温度範囲に向けて回復（上昇）させることができる。そのため、冷却システムは、第１の調整弁及び第２の調整弁の開度を調整することにより、第１のバイパス経路及び第２のバイパス経路を通じて、圧縮機に戻される気体の温度に関する温度条件をより適切に満足させることができる。

また、本実施形態では、制御装置は、上記の冷却システムを制御する。制御装置は、例えば、上述の制御装置１００である。そして、制御装置は、被冷却負荷の温度に応じて、調整弁の開度を調整してもよい。

これにより、制御装置は、被冷却負荷の温度に応じて、被冷却負荷の温度変動を抑制するように、調整弁の開度をより適切に調整することができる。

以上、実施形態について詳述したが、本開示はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１ 冷却システム
１０ 空気圧縮機
２０ アフタークーラ
３０ タービン・コンプレッサユニット
３２ コンプレッサ
３４ 膨張タービン
４０ アフタークーラ
５０ 寒冷回収熱交換器
６０ 被冷却負荷
７０ サクションクーラ
８０ 熱交換器
１００ 制御装置
１１０ 温度センサ
Ｌ１ 経路
Ｌ２ 経路
Ｌ３ 経路
Ｌ４ 経路
Ｌ５，Ｌ５Ａ，Ｌ５Ｂ 経路
Ｌ６ 経路
Ｌ７ 経路
Ｌ８ 経路
Ｌ９ 経路
Ｌ１０ 経路
Ｌ１１ 経路
Ｌ１２ 経路
Ｌ１３ 経路
Ｌ１４ 経路
Ｖ１ 開閉弁
Ｖ６ 調整弁
Ｖ１１ 調整弁
Ｖ１２ 調整弁
Ｖ１４ 調整弁

Claims (3)

1. 気体を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機により圧縮された気体とそれより低温の流体との間で熱交換を行う第１の熱交換器と、
   前記第１の熱交換器を通過した気体を断熱膨張させる膨張タービンと、
   前記膨張タービンから吐出された気体を被冷却負荷に供給する第１の経路と、
   前記被冷却負荷と熱交換が行われた後の気体を前記圧縮機に送る第２の経路と、
   前記第１の経路から気体を分岐させ前記第２の経路に合流させるバイパス経路と、
   前記バイパス経路に設けられ、前記バイパス経路の気体の流量を調整する調整弁と、を備える、
   冷却システム。
2. 第２の熱交換器を備え、
   前記バイパス経路は、第１のバイパス経路及び第２のバイパス経路を含み、
   前記調整弁は、前記第１のバイパス経路に設けられる第１の調整弁と、前記第２のバイパス経路に設けられる第２の調整弁とを含み、
   前記第２の熱交換器は、前記第２のバイパス経路の気体と、前記圧縮機により圧縮された気体との間で熱交換を行う、
   請求項１に記載の冷却システム。
3. 請求項１又は２に記載の冷却システムを制御する制御装置であって、
   前記被冷却負荷の温度に応じて、前記調整弁の開度を調整する、
   制御装置。

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