JP3915538B2 - Water heater - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、給湯機に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来の給湯機としては、図6に示すように、熱源側サイクル81と、給湯側サイクル82とを備えるものがある。熱源側サイクル81は冷媒回路を備え、この冷媒回路は、圧縮機83に、順次、水熱交換器84と、膨張弁85と、空気熱交換器86等が接続されて構成される。また、給湯側サイクル82は、貯湯タンク87と循環路88とを備える。そして、この循環路88に水循環用ポンプ89と熱交換路90とが介設されている。この場合、熱交換路90は水熱交換器84にて構成される。
【0003】
冷媒回路の冷媒としては、近年、環境上の問題等から、超臨界で使用する超臨界冷媒(例えば、炭酸ガス)を用いる場合がある。従って、この炭酸ガスを使用した単純サイクルでは、モリエル線図が図7に示すものとなる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記給湯機では、圧縮機83を駆動させると共に、ポンプ89を駆動(作動)させると、給湯側サイクル82においては、貯湯タンク87の取水口から貯溜水(温湯)が循環路88に流出し、これが熱交換路90を流通して、湯入口から貯湯タンク87の上部に返流される。
【0005】
また、熱源側サイクル81においては、図7に示すように、▲1▼の状態の高圧冷媒が圧縮機83から吐出され、この高圧冷媒が水熱交換器84に導入される。水熱交換器84では、熱交換路90と通過する水と熱交換を行う。これによって、この通過する水は加熱される(沸き上げられる)。そして、この熱交換により、高圧冷媒は水に対して放熱し、そのエンタルピが▲1▼から▲2▼の状態にまで低下する。この▲2▼の状態の高圧冷媒は、膨張弁85へ送られる。この膨張弁85では、高圧冷媒が減圧され、その圧力が▲2▼から▲3▼の状態まで低下する。そして、この▲3▼の状態の冷媒は、空気熱交換器86へ導入される。空気熱交換器86では、この低圧冷媒が空気と熱交換を行う。この熱交換により、低圧冷媒は吸熱して蒸発して、そのエンタルピが▲3▼の状態から▲4▼の状態にまで増大する。この▲4▼の状態の低圧冷媒が圧縮機83へ送られる。
【0006】
このため、超臨界で使用する超臨界冷媒(例えば、炭酸ガス)を用いる場合には、▲3▼と▲4▼とのエンタルピ差は小さく冷凍サイクル効率が悪いことになっていた。従って、大量の湯の沸き上げを必要とする給湯機では、大型化され、製造コスト及びランニングコスト高となっていた。
【0007】
この発明は、上記従来の欠点を解決するためになされたものであって、その目的は、COPが向上し、省エネ、電気料金の低減を図れる給湯機を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
そこで請求項1の給湯機は、冷媒に超臨界で使用する超臨界冷媒を用いた冷媒回路にて、温湯を沸き上げる給湯機であって、下部側に設けた給水口から水道水が供給され、上部側に設けた給湯口から高温の温湯を出湯する貯湯タンク3を設け、貯湯タンク3の取水口4からの貯溜水が循環路6の熱交換路8を流通し、これによって高温冷媒と循環路6の循環水とで熱交換が行われて循環水が加熱されると共に、湯入口5から貯湯タンク3に返流され、また、この貯湯タンク3の湯が床暖パネル54を加熱して貯湯タンク3に戻る床暖房を行うべく構成して成り、さらに上記冷媒回路に膨張機12を備え、この膨張機12で発生した動力の回収を可能としたことを特徴としている。
【0009】
請求項1の給湯機では、冷媒回路に膨張機12を備えているので、冷凍サイクルの膨張過程が等エントロピー変化となり、この膨張機12で発生した動力の回収が可能となると共に、蒸発能力が増大する。これによって、COPが向上する。さらに、冷媒に超臨界で使用する超臨界冷媒を用いるので、オゾン層の破壊、環境汚染等の問題がなく、地球環境にやさしい給湯機となる。また、この給湯機では、効率良く沸き上げた湯を、床暖房に使用するので、効率のよい床暖房を行うことができる。
【0010】
請求項2の給湯機は、上記動力を、上記冷媒回路の圧縮機10に入力することを特徴としている。
【0011】
上記請求項2の給湯機では、膨張機12で発生した動力を、上記冷媒回路の圧縮機に入力することができるので、圧縮機10を駆動させる外部入力を低減することができる。これによって、膨張機構に膨張弁を使用したものと同一の能力を発揮させる場合には、圧縮機10の小型化を図ることができる。
【0012】
請求項3の給湯機は、上記膨張機12と圧縮機10とは共通の駆動軸を有し、この膨張機12で発生した動力を上記駆動軸19を介して圧縮機10に伝達することを特徴としている。
【0013】
上記請求項3の給湯機では、膨張機12で発生した動力を、膨張機12と圧縮機10との共通の駆動軸19にて圧縮機10に伝達するので、膨張機12で発生した動力を圧縮機10に確実に伝達することができる。
【0016】
請求項4の給湯機は、上記冷媒回路にて沸き上げられた温湯を、浴槽等への給湯と、床暖房とに使用することを特徴としている。
【0017】
上記請求項4の給湯機では、効率良く沸き上げた湯を、浴槽等への給湯と、床暖房に使用するので、効率のよい給湯及び床暖房を行うことができる。
【0018】
【発明の実施の形態】
次に、この発明の給湯機の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。図1はこの給湯機の簡略図を示す。この給湯機は、給湯側サイクル1と熱源側サイクル2とを備える。給湯側サイクル1は、貯湯タンク3を備え、この貯湯タンク3に貯湯された温湯が図示省略の浴槽等に供給される。すなわち、貯湯タンク3には、その下部側に給水口(図示省略)が設けられると共に、その上部側に給湯口(図示省略)が設けられている。そして、給水口から貯湯タンク3に水道水が供給され、給湯口から高温の温湯が出湯される。また、貯湯タンク3には、その下部側に取水口4が開設されると共に、その上部側に湯入口5が開設され、取水口4と湯入口5とが循環路6にて連結されている。そして、この循環路6に水循環用ポンプ7と熱交換路8とが介設されている。
【0019】
そして、加熱側サイクル(ヒートポンプ式加熱源)2は冷媒回路を備え、この冷媒回路は、圧縮機10と、熱交換路8を構成する水熱交換器11と、減圧機構としての膨張機12と、空気熱交換器13とを順に接続して構成される。すなわち、圧縮機10の吐出管14を水熱交換器11に接続し、水熱交換器11と膨張機12とを冷媒通路15にて接続し、膨張機12と空気熱交換器13とを冷媒通路16にて接続し、空気熱交換器13と圧縮機10と冷媒通路17にて接続している。また、冷媒としては、冷媒に超臨界で使用する超臨界冷媒(例えば、炭酸ガス、その他、エチレン、エタン、酸化窒素等)を用いる。
【0020】
ところで、上記冷媒回路では、圧縮機10と膨張機12とが一体とされた圧縮・膨張ユニット体18が使用されている。すなわち、圧縮・膨張ユニット体18は、図2に示すように、冷媒を臨界圧以上に圧縮して送り出す圧縮機10と、冷媒を膨張させる膨張機12と、圧縮機10及び膨張機12に駆動軸19を通じて動力を供給する電動機(モータ)20とがケーシングA内に密封状態で収納されたものである。このため、圧縮機10、電動機20、及び膨張機12はこの共通の駆動軸19により連結されている。
【0021】
この場合、ケーシングAの内部が、圧縮機10及び電動機20側の第1空間部21と、膨張機12側の第2空間部22とに断熱材23等にて区画されている。そして、圧縮機10としては、いわゆる揺動ピストン型ロータリ圧縮機にて構成され、第1・第2シリンダ機構24、25を備える。すなわち、第1・第2シリンダ機構24、25は、それぞれ、上記駆動軸19に装着されるクランク軸26、27と、このクランク軸26、27に外嵌されるピストン28、29と、このピストン28、29が収納されるシリンダ室30、31を有するシリンダ32、33とを備える。
【0022】
第1シリンダ機構24のシリンダ32は、シリンダ本体34と、このシリンダ本体34の一方の端面に装着される蓋部材35と、シリンダ本体34の他方の端面に装着される介在体36等にて構成される。この蓋部材35は上記駆動軸19の一端部を支持している。また、第2シリンダ機構25のシリンダ33は、シリンダ本体38と、上記介在体36と、シリンダ本体38のモータ20側の端面に装着される蓋部材39等にて構成される。そして、各シリンダ本体34、38には吸入ポート40、41が連設されている。
【0023】
次に、膨張機12は、この場合、揺動ピストン型膨張機にて構成される。すなわち、上記駆動軸19に装着されるクランク軸43と、このクランク軸43に外嵌されるピストン44と、このピストン44が収納されるシリンダ室45を有するシリンダ46とを備える。シリンダ46は、シリンダ本体47と、上記駆動軸19の他端部を支持する支持体48と、断熱材23側の仕切プレート49等で構成することができる。また、シリンダ本体47には吐出ポート50が連設され、さらに、シリンダ室45には吸入管51が接続されている。
【0024】
上記のように構成された圧縮・膨張ユニット体18の圧縮機10は、モータ20によって駆動される。すなわち、駆動軸19を回転駆動させることによって、この駆動軸19に連設されたクランク軸26、27を回動させて、ピストン28、29をシリンダ室30、31内で揺動運動をさせる。そのため、この揺動運動に従って吸入ポート40、41からシリンダ室30、31内に冷媒を吸入し、この冷媒を、このシリンダ室30、31でピストン28、29が揺動することによって、臨界圧力以上の所定圧力まで圧縮し、この高温高圧となった冷媒を、ケーシングAに設けられた吐出ポート42から吐出配管14へと吐出する。
【0025】
また、膨張機12では、駆動軸19を回転駆動させることによって、この駆動軸19に連設されたクランク軸43を回動させて、ピストン44をシリンダ室45内で揺動運動をさせる。そのため、この揺動運動に従って吸入管52からシリンダ室45内に冷媒を吸入し、この冷媒を、このシリンダ室45でピストン44が揺動することによって、冷媒を膨張させ、その膨張した冷媒を吐出ポート50から冷媒通路16へ流出させる。
【0026】
上記のように構成された給湯機によれば、圧縮機10を駆動させる(モータ20を通電することによって、駆動軸19を回転駆動させる)と共に、水循環用ポンプ13を駆動(作動)させると、圧縮機10からの高圧高温の冷媒が水熱交換器11に流入すると共に、貯湯タンク3の取水口4からの貯溜水(低温水)が循環路6の熱交換路8を流通する。これによって、高圧高温の冷媒と循環路6の循環水とで熱交換が行われ、この循環水は加熱され(沸き上げられ)、湯入口5から貯湯タンク3に返流(流入)され、貯湯タンク3に高温の温湯を貯湯することができる。
【0027】
この際の冷媒回路の冷凍サイクルは図3のようになる。すなわち、▲1▼の状態の高圧冷媒が圧縮機10から吐出され、この高圧冷媒が水熱交換器11に導入される。水熱交換器11では熱交換路14と通過する水との熱交換を行う。この熱交換により、高圧冷媒は水に対して放熱し、そのエンタルピが▲1▼から▲2▼の状態にまで低下する。この▲2▼の状態の高圧冷媒は、膨張機12へ送られる。この膨張機12では、高圧冷媒が減圧され、その圧力が▲2▼から▲3▼´の状態まで低下する。この際、膨張機構として膨張機12を使用しているので、等エントロピー変化となって、この▲3▼´と▲3▼(▲3▼は、膨張機12を使用せずに膨張弁を使用した減圧状態である)のエンタルピ差の動力回収が可能となる。そして、この▲3▼´の状態の冷媒は、空気熱交換器13へ導入される。空気熱交換器13では、この低圧冷媒が空気と熱交換を行う。この熱交換により、低圧冷媒は吸熱して蒸発してそのエンタルピが▲3▼´の状態から▲4▼の状態にまで増大する。この▲4▼の状態の低圧冷媒が圧縮機10へ送られる。なお、図3の網掛け部は単純サイクルの場合を示している。
【0028】
この場合、上記動力回収は、上記駆動軸19によって圧縮機10へ伝達され、この圧縮機10の駆動力に伝達される。すなわち、圧縮機10としては、図3に示すように、▲4▼から▲1▼までの入力を必要とし、このうち、▲3▼´から▲3▼の差分を、回収して▲4▼から▲4▼´までの入力値として圧縮機10の入力に使用することができ、圧縮機10への外部からの入力を低減することができる。このため、COPが向上して、省エネ、電気料金の低減を図ることができる。しかも、蒸発能力も増加するので、膨張弁を使用したものよりも小型の圧縮機を使用しても、同一の能力を得ることができ、製造コスト及びランニングコストの低減を図ることができる。
【0029】
次に、図4は、図1に示した給湯機の簡略図に床暖房ユニット53を付加したこの発明の実施の形態を示し、この場合、貯湯タンク3に貯湯された湯を、床暖房に使用している。すなわち、この給湯機は、床暖パネル52を有する床暖房ユニット53を備える。床暖パネル52の内部には、循環パイプ54が配設され、この循環パイプ54の入口54aに往き配管56が接続され、循環パイプ54の出口54bに戻り配管57が接続されている。また、往き配管56は貯湯タンク3の上部の給湯口58に接続され、戻り配管57は貯湯タンク3の下部の返流口59に接続されている。そして、往き配管56に循環用ポンプ60が介設されている。なお、他の構成は、図1に示した空気調和機と同様であるので、同一部分を同一の符号で示してその説明を省略する。
【0030】
従って、循環用ポンプ60を駆動することによって、貯湯タンク3の湯が給湯口58から流出して、往き配管56を介して循環パイプ54を流れ、戻り配管57を介して返流口59から貯湯タンク3に戻る。この際、この循環パイプ54を流れる湯によって、床暖パネル52が暖められ、床暖房を行うことができる。
【0031】
従って、この図4の給湯機では、給湯側ユニット1及び熱源側ユニット2は図1と同様の構成であるので、給湯機として、COPが向上して、省エネ、電気料金の低減を図ることができる。しかも、蒸発能力も増加するので、膨張弁を使用したものよりも小型の圧縮機を使用しても、同一の能力を得ることができ、製造コスト及びランニングコストの低減を図ることができる。そして、このように効率良く沸き上げた湯を床暖房に利用することができ、全体として、高効率のシステムを構成することができる。ところで、現状の電気料金は深夜(例えば、23時から7時までの時間帯)の電気料金単価が昼間に比べて安価に設定されているので、この貯湯タンク3に湯を貯めるための運転をこの深夜に行えば、節電を図ることができる。
【0032】
また、図5に示すように、往き配管56等に浴槽等へ給湯を行う配管61を接続することによって、床暖房に加え、浴槽等への給湯(以下、単に給湯と呼ぶ場合がある)も可能となる。この場合、往き配管56において、配管61の合流部62よりも下流側に開閉バルブ63を介設すると共に、配管61に開閉バルブ64を介設している。これによって、床暖房のみを行う場合と、給湯のみを行う場合と、床暖房及び給湯を行う場合とに切換ることができる。なお、他の構成は、図1に示した空気調和機と同様であるので、同一部分を同一の符号で示してその説明を省略する。
【0033】
すなわち、開閉バルブ63を開状態とすると共に、開閉バルブ64を閉状態とすれば、床暖房のみを行うことができ、開閉バルブ63を閉状態とすると共に、開閉バルブ64を開状態とすれば、給湯のみを行うことができ、開閉バルブ63、64を開状態とすれば、床暖房及び給湯を行うことができる。
【0034】
従って、この図5の給湯機によれば、上記図4の給湯機と同様、給湯機として、COPが向上して、省エネ、電気料金の低減を図ることができる。しかも、蒸発能力も増加するので、膨張弁を使用したものよりも小型の圧縮機を使用しても、同一の能力を得ることができ、製造コスト及びランニングコストの低減を図ることができる。しかも、このように効率良く沸き上げた湯を床暖房及び浴槽等への給湯に利用することができ、全体として、きわめて高効率のシステムを構成することができる。そして、この床暖房及び給湯に使用する湯を深夜に沸き上げておけば、電気料金を大幅に節約することができ、ユーザにとっては好適の給湯機となる。なお、図5の給湯機に給湯には、台所や洗面所等への給湯も含まれる。
【0035】
以上にこの発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。例えば、膨張機12として、圧縮機10と駆動軸19が共通化されていないものであってもよい。すなわち、膨張機12で発生した動力を、一旦、電気エネルギに変換して取出し、この電気エネルギを圧縮機10の駆動電力として入力する等の構成であってもよい。また、膨張機12としては、スクロール式の膨張機であってもよい。ここで、スクロール式の膨張機とは、固定スクロールと、旋回スクロールとを備えたものであり、その流入口から高圧の冷媒が流入すると、冷媒は旋回スクロールに旋回動力を生じさせながら次第に減圧膨張し、その流出口から流出する。このため、このようなスクロール式の膨張機でも発生した動力を、圧縮機1へ伝達して、この圧縮機1の駆動に利用することができるようにすればよい。さらに、膨張機12としては、その他、歯車型、スクリュ−型等の各種の膨張機も使用することができる。なお、圧縮機10としても、スクロール式やスクリュ−式等の各種の圧縮機を使用することができる。
【0036】
【発明の効果】
請求項1の給湯機によれば、この膨張機で発生した動力の回収が可能となると共に、蒸発能力が増大する。これによって、COPが向上して、無駄のない効率のよい運転が可能となる。さらに、冷媒に超臨界で使用する超臨界冷媒を用いるので、オゾン層の破壊、環境汚染等の問題がなく、地球環境にやさしい給湯機となる。また、この給湯機によれば、効率良く沸き上げた湯を、床暖房に使用するので、効率のよい床暖房を行うことができる。すなわち、給湯機として高効率のシステムを構成することができ、ランニングコストの低減を図ることができる。
【0037】
請求項2の給湯機によれば、圧縮機を駆動させる外部入力を低減することができる。これによって、膨張機構に膨張弁を使用したものと同一の能力を発揮させる場合には、圧縮機の小型化を図ることができ、製造コスト及びランニングコストの低減を達成できる。
【0038】
請求項3の給湯機によれば、膨張機で発生した動力を確実に圧縮機に伝達することができる。これによって、より効率の良い運転が可能となって、省エネ、電気料金の低減を図ることができる。
【0040】
請求項4の給湯機によれば、効率良く沸き上げた湯を、浴槽等への給湯と、床暖房に使用するので、効率のよい給湯及び床暖房を行うことができる。給湯機として高効率のシステムを構成することができ、ランニングコストの低減を図ることができる。しかも、ユーザは給湯及び床暖房にて快適に過ごすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の給湯機の実施の形態を示す簡略図である。
【図2】上記給湯機の圧縮機と膨張機の断面図である。
【図3】上記給湯機のモリエル線図である。
【図4】 図1の給湯機に対して床暖房ユニットを付設したこの発明の給湯機の実施の形態を示す簡略図である。
【図5】この発明の給湯機の別の実施の形態を示す簡略図である。
【図6】従来の給湯機の簡略図である。
【図7】従来の給湯機のモリエル線図である。
【符号の説明】
10 圧縮機
12 膨張機
19 駆動軸[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a water heater.
[0002]
[Prior art]
As a conventional hot water heater, there is one provided with a heat
[0003]
In recent years, a supercritical refrigerant (for example, carbon dioxide gas) used in a supercritical state may be used as a refrigerant in the refrigerant circuit due to environmental problems. Therefore, in a simple cycle using carbon dioxide, the Mollier diagram is as shown in FIG.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the hot water supply apparatus, when the
[0005]
Further, in the heat
[0006]
For this reason, when using a supercritical refrigerant (for example, carbon dioxide gas) used in supercriticality, the difference in enthalpy between (3) and (4) is small and the refrigeration cycle efficiency is poor. Therefore, in a water heater that requires boiling a large amount of hot water, the size of the water heater is increased, resulting in high manufacturing costs and running costs.
[0007]
The present invention has been made to solve the above-described conventional drawbacks, and an object of the present invention is to provide a hot water heater capable of improving COP, saving energy, and reducing electricity charges.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
Accordingly, the water heater of claim 1 is a water heater for boiling hot water in a refrigerant circuit using a supercritical refrigerant used supercritically as a refrigerant, and tap water is supplied from a water supply port provided on the lower side. The hot
[0009]
In the hot water heater of claim 1, since the refrigerant circuit is provided with the
[0010]
The water heater of
[0011]
In the hot water supply apparatus of the second aspect, since the power generated in the
[0012]
In the water heater of
[0013]
In the hot water supply apparatus according to the third aspect, since the power generated in the
[0016]
The water heater according to
[0017]
In the hot water supply apparatus according to the fourth aspect, since the hot water that has been efficiently boiled is used for hot water supply to a bathtub or the like and floor heating, efficient hot water supply and floor heating can be performed.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, specific embodiments of the water heater of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows a simplified diagram of this water heater. The water heater includes a hot water supply side cycle 1 and a heat
[0019]
And the heating side cycle (heat pump type heat source) 2 is provided with a refrigerant circuit, and this refrigerant circuit includes a
[0020]
Incidentally, in the refrigerant circuit, a compression /
[0021]
In this case, the inside of the casing A is partitioned by a
[0022]
The
[0023]
Next, the
[0024]
The
[0025]
In the
[0026]
According to the water heater configured as described above, when the
[0027]
The refrigeration cycle of the refrigerant circuit at this time is as shown in FIG. That is, the high-pressure refrigerant in the state (1) is discharged from the
[0028]
In this case, the power recovery is transmitted to the
[0029]
Next, FIG. 4 shows an embodiment of the present invention in which a
[0030]
Accordingly, by driving the
[0031]
Therefore, in the water heater of FIG. 4, the hot water supply side unit 1 and the heat
[0032]
Further, as shown in FIG. 5, by connecting a
[0033]
That is, if the opening / closing
[0034]
Therefore, according to the water heater shown in FIG. 5, as with the water heater shown in FIG. 4, the COP can be improved and energy saving and reduction of electricity charges can be achieved. Moreover, since the evaporation capacity is also increased, the same capacity can be obtained even if a compressor smaller than that using an expansion valve is used, and the manufacturing cost and running cost can be reduced. Moreover, the hot water that has been efficiently boiled in this manner can be used for floor heating and hot water supply to a bathtub or the like, and as a whole, an extremely efficient system can be configured. And if the hot water used for this floor heating and hot water supply is boiled in the middle of the night, an electricity bill can be saved greatly and it will become a suitable hot water heater for a user. Note that the hot water supply to the water heater in FIG. 5 includes hot water supply to a kitchen, a washroom, and the like.
[0035]
Although specific embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made within the scope of the present invention. For example, as the
[0036]
【The invention's effect】
According to the hot water supply apparatus of the first aspect, the power generated by the expander can be recovered and the evaporation capacity is increased. As a result, COP is improved and efficient operation without waste is possible. Furthermore, since a supercritical refrigerant used supercritically is used as the refrigerant, there is no problem of ozone layer destruction, environmental pollution, and the like, and the water heater becomes friendly to the global environment. Moreover, according to this water heater, since the hot water heated up efficiently is used for floor heating, efficient floor heating can be performed. That is, a high-efficiency system can be configured as a water heater, and the running cost can be reduced.
[0037]
According to the water heater of
[0038]
According to the water heater of
[0040]
According to the hot water supply apparatus of
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a simplified diagram showing an embodiment of a water heater according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a compressor and an expander of the water heater.
FIG. 3 is a Mollier diagram of the water heater.
4 is a simplified diagram showing an embodiment of a water heater of the present invention in which a floor heating unit is attached to the water heater of FIG . 1. FIG.
FIG. 5 is a simplified diagram showing another embodiment of the water heater according to the present invention.
FIG. 6 is a simplified diagram of a conventional water heater.
FIG. 7 is a Mollier diagram of a conventional water heater.
[Explanation of symbols]
10
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