JP4503682B1 - 熱交換器及びそれを搭載した空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】サイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器の凝縮水の排水性を、通風性を阻害することなく向上させる。
【解決手段】熱交換器１は、間隔を置いて平行に配置された２本のヘッダパイプ２、３と、ヘッダパイプ２、３の間に複数配置され、内部に設けた冷媒通路５をヘッダパイプ２、３の内部に連通させた偏平チューブ４と、偏平チューブ４同士の間に配置されたコルゲートフィン６を備える。熱交換器１の凝縮水が結集する側の面におけるコルゲートフィン６の端を偏平チューブ４の端からはみ出させ、そのはみ出し部分同士のなす隙間Ｇに線状の導水部材１０を挿入する。導水部材１０は、コルゲートフィン６の端から前記偏平チューブ側に表面張力が働きうる範囲内まで挿入する。
【選択図】図２

Description

本発明はサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器及びそれを搭載した空気調和機に関する。

複数のヘッダパイプの間に複数の偏平チューブを配置して偏平チューブ内部の複数の冷媒通路をヘッダパイプの内部に連通させるとともに、偏平チューブ間にコルゲートフィン等のフィンを配置したパラレルフロー型の熱交換器は、カーエアコンや建物用空気調和機の室外側ユニットなどに広く利用されている。

従来のサイドフロー方式パラレルフロー型熱交換器の一例を図１１に示す。図１１では紙面上側が垂直方向の上側、紙面下側が垂直方向の下側となる。熱交換器１は、２本の垂直なヘッダパイプ２、３を水平方向に間隔を置いて平行に配置し、ヘッダパイプ２、３の間に複数の水平な偏平チューブ４を垂直方向に所定ピッチで配置する。偏平チューブ４は金属を押出成型した細長い成型品であり、内部には冷媒を流通させる冷媒通路５が形成されている。偏平チューブ４は長手方向である押出成型方向を水平にする形で配置されるので、冷媒通路５の冷媒流通方向も水平になる。冷媒通路５は断面形状及び断面面積の等しいものが図１１の奥行き方向に複数個並び、そのため偏平チューブ４の垂直断面はハーモニカ状を呈している。各冷媒通路５はヘッダパイプ２、３の内部に連通する。隣り合う偏平チューブ４同士の間にはコルゲートフィン６が配置される。

ヘッダパイプ２と３、偏平チューブ４、及びコルゲートフィン６はいずれもアルミニウム等熱伝導の良い金属からなり、偏平チューブ４はヘッダパイプ２、３に対し、コルゲートフィン６は偏平チューブ４に対し、それぞれロウ付けまたは溶着で固定される。

熱交換器１では、冷媒出入口７、８はヘッダパイプ３の側にのみ設けられている。ヘッダパイプ３の内部には上下方向に間隔を置いて２枚の仕切板９ａ、９ｃが設けられており、ヘッダパイプ２の内部には仕切板９ａ、９ｃの中間の高さのところに仕切板９ｂが設けられている。

熱交換器１を蒸発器として使用する場合、冷媒は図１１に実線矢印で示すように下側の冷媒出入口７から流入する。冷媒出入口７から入った冷媒は、仕切板９ａでせき止められて偏平チューブ４経由でヘッダパイプ２に向かう。この冷媒の流れが左向きのブロック矢印で表現されている。ヘッダパイプ２に入った冷媒は仕切板９ｂでせき止められて別の偏平チューブ４経由でヘッダパイプ３に向かう。この冷媒の流れが右向きのブロック矢印で表現されている。ヘッダパイプ３に入った冷媒は仕切板９ｃでせき止められてさらに別の偏平チューブ４経由で再びヘッダパイプ２に向かう。この冷媒の流れが左向きのブロック矢印で表現されている。ヘッダパイプ２に入った冷媒は折り返してさらに別の偏平チューブ４経由で再びヘッダパイプ３に向かう。この冷媒の流れが右向きのブロック矢印で表現されている。ヘッダパイプ３に入った冷媒は冷媒出入口８から流出する。このように、冷媒はジグザグの経路を辿って下から上に流れる。ここでは仕切板の数が３の場合を示したが、これは一例であり、仕切板の数と、その結果としてもたらされる冷媒流れの折り返し回数は、必要に応じ任意の数を設定することができる。

熱交換器１を凝縮器として使用する場合は、冷媒の流れが逆になる。すなわち冷媒は図１１に点線矢印で示すように冷媒出入口８からヘッダパイプ３に入り、仕切板９ｃでせき止められて偏平チューブ４経由でヘッダパイプ２に向かい、ヘッダパイプ２では仕切板９ｂでせき止められて別の偏平チューブ４経由でヘッダパイプ３に向かい、ヘッダパイプ３では仕切板９ａでせき止められてさらに別の偏平チューブ４経由で再びヘッダパイプ２に向かい、ヘッダパイプ２で折り返してさらに別の偏平チューブ４経由で再びヘッダパイプ３に向かい、冷媒出入口７から点線矢印のように流出するという、ジグザグの経路を辿って上から下に流れる。

熱交換器を蒸発器として用いた場合、低温となった熱交換器表面に大気中の水分が凝結して凝縮水が発生する。パラレルフロー型熱交換器では、偏平チューブやコルゲートフィンの表面に凝縮水が留まると空気流通路の断面積が水によって狭められてしまい、熱交換性能が低下する。

凝縮水は、気温が低いと熱交換器の表面で霜と化す。霜が氷にまで進むこともある。本明細書では、そのような霜や氷が溶けた水、いわゆる除霜水も含めた意味で「凝縮水」の語を用いるものとする。

凝縮水の滞留は、特にサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器において問題となる。特許文献１に、サイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器からの排水を促進する方策が提案されている。

特許文献１記載の熱交換器では、凝縮水の結集側にコルゲートフィンと接触する排水ガイドを配置している。排水ガイドは線形部材からなり、偏平管に対して傾斜配置され、両端の少なくとも一つが熱交換器の下端側あるいは側端側に導かれている。

特開２００７−２８５６７３号公報

特許文献１記載の排水ガイドは、それ自体がコルゲートフィンの間を通る空気の流れを遮っており、熱交換性能の低下要因となっている。本発明はこの問題に鑑みなされたものであり、サイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器の凝縮水の排水性を、通風性を阻害することなく向上させることを目的とする。また、そのサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器を搭載した、能力の高い空気調和機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、間隔を置いて平行に配置された複数のヘッダパイプと、前記複数のヘッダパイプの間に複数配置され、内部に設けた冷媒通路を前記ヘッダパイプの内部に連通させた偏平チューブと、前記偏平チューブ同士の間に配置されたコルゲートフィンとを備えたサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器において、凝縮水が結集する側の面における前記コルゲートフィンの端を前記偏平チューブの端からはみ出させ、そのはみ出し部分同士のなす隙間に線状の導水部材を挿入し、前記コルゲートフィンの端にたまった凝縮水が、自身の表面張力により前記導水部材との間に生じるブリッジ現象で流れ落ちるようにしたことを特徴としている。

この構成によると、コルゲートフィンの端に凝縮水がたまったとき、凝縮水の表面張力でコルゲートフィンの端と導水部材の間にブリッジ現象が生じ、ブリッジ現象の連鎖で凝縮水は流れ落ちる。このため、凝縮水によりコルゲートフィンの通風性が損なわれず、良好な熱交換性能を享受することができる。また、導水部材はコルゲートフィンのはみ出し部分同士のなす隙間に入り込んでいるから、導水部材自身が通風を遮ることもない。

上記構成の熱交換器において、前記導水部材が吸水性部材からなり、前記コルゲートフィンの端に接触していることが好ましい。

この構成によると、導水部材を容易に調達でき、また、凝縮水の表面張力を容易に働かせることができる。

上記構成の熱交換器において、前記導水部材が非吸水性部材からなり、前記凝縮水の表面張力の働く当該部材の部分が、前記コルゲートフィンの端からはみ出していないことが好ましい。

この構成によると、凝縮水の排水性が向上するのに加え、輸送時の振動や冷凍機の振動が伝わっても、導水部材が隙間から脱落しにくくなる。

上記構成の熱交換器において、前記導水部材は、前記隙間の入口から奥まで届く奥行きを有することが好ましい。

この構成によると、導水部材を隙間の奥まで押し込むだけで、コルゲートフィンの端に接触するように導水部材を取り付けることができるから、組立が容易である。また導水部材の体積が大きくなり、凝縮水誘引性能が強化される。さらに、輸送時の振動や冷凍機の振動が伝わっても、導水部材が隙間から脱落しにくくなる。

また本発明は、上記構成の熱交換器を室外機に搭載した空気調和機であることを特徴としている。

この構成によると、室外機の熱交換器の通風性が凝縮水によって損なわれにくい、能力の高い空気調和機を提供することができる。

また本発明は、上記構成の熱交換器を室内機に搭載した空気調和機であることを特徴としている。

この構成によると、室内機の熱交換器の通風性が凝縮水によって損なわれにくい、能力の高い空気調和機を提供することができる。

本発明によると、コルゲートフィンの端にたまった凝縮水の表面張力が偏平チューブ側にある導水部材に対し働くことになり、コルゲートフィンの端に形成されている凝縮水のブリッジが破壊される。ブリッジの破壊は連鎖的に生じ、凝縮水は速やかに排水される。その上、導水部材自体はコルゲートフィンの通風を遮らない場所に位置するから、凝縮水が発生してもコルゲートフィンの通風性が低下しにくく、常に良好な熱交換性能を確保できる。

本発明の実施形態に係る熱交換器の部分正面図である。 図１の熱交換器の部分拡大断面図である。 図１の熱交換器の部分拡大斜視図である。 図１の熱交換器の変形態様を示す部分拡大断面図である。 導水部材の他例を示す斜視図である。 導水部材のさらに他例を示す斜視図である。 導水部材のさらに他例を示す斜視図である。 導水部材のさらに他例を示す斜視図である。 本発明に係る熱交換器を搭載した空気調和機の室外機の概略断面図である。 本発明に係る熱交換器を搭載した空気調和機の室内機の概略断面図である。 従来のサイドフロー方式パラレルフロー型熱交換器の概略構造を示す垂直断面図である。

以下本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。なお、図１１の従来構造と機能的に共通する構成要素には図１１で用いたのと同じ符号を付し、説明は省略するものとする。

図１から図３には、サイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器１の一部の構造が示されている。熱交換器１の、凝縮水の結集側の面には、線状の導水部材１０が複数本、所定間隔で配置される。導水部材１０は繊維（好ましくは合成繊維）の集合体、いわゆる紐からなる。

図２及び図３に示すように、コルゲートフィン６の端は偏平チューブ４の端からはみ出している。そのはみ出し部分同士のなす隙間Ｇに、導水部材１０が挿入される。挿入の深さは、コルゲートフィン６の端にたまった水と導水部材１０の間に表面張力が保たれる程度とする。なお、この実施形態では、コルゲートフィン６のはみ出し部分同士のなす隙間Ｇの全てに導水部材１０が挿入される。

導水部材１０をこのように配置したことにより、コルゲートフィン６に結集した凝縮水は導水部材１０に誘引されてコルゲートフィン６から速やかに排水される。そのメカニズムは次の通りである。

コルゲートフィン６の端に凝縮水がたまると、水の表面張力により、コルゲートフィン６の端面にブリッジ現象（水の膜が張ること）が生じる。コルゲートフィン６の端面だけでなく、コルゲートフィン６の下に挿入された導水部材１０とコルゲートフィン６の端との間にもブリッジ現象が生じる。また、導水部材１０と、その下に位置するコルゲートフィン６の端にたまった凝縮水との間でもブリッジ現象が生じる。このようなブリッジ現象の連鎖により、上部から下部まで続く導水路が形成され、コルゲートフィン６の間にブリッジした凝縮水を流れ落ちさせることが可能となる。

コルゲートフィン６の間に、またコルゲートフィン６の端と導水部材１０の間に働く凝縮水の表面張力は、コルゲートフィン６のピッチ、偏平チューブ４の配列ピッチ、コルゲートフィン６のはみ出し量などをパラメータとして、様々な値をとる。コルゲートフィン６の端と導水部材１０の間で確実に凝縮水の表面張力が働くよう、実験に基づき導水部材１０の挿入量を決めることが望ましい。

上記のような排水メカニズムにより、凝縮水でコルゲートフィン６の通風性が損なわれることがなく、常に良好な熱交換性能を享受することができる。また、導水部材１０はコルゲートフィン６のはみ出し部分同士のなす隙間に入り込んでいるから、導水部材１０自身が通風を遮ることもない。

導水部材１０が繊維の集合体である場合、個々の繊維が吸水性であれば、乾燥状態の繊維が水に接触すると、繊維内部に水が吸収される。その結果、繊維の見かけ上の線径が太くなるという現象が生じる。繊維自身は吸水性を持たなくても、それが毛糸のような束であれば、繊維同士の隙間の毛細管現象で、吸水性を備えることになる。このように、繊維自身の性質、あるいは繊維束としての性質で吸水性を備える導水部材１０では、吸水すると、繊維表面に水の膜が生じる。

導水部材１０の繊維表面に水膜が形成されている状態で、コルゲートフィン６の端に凝縮水がたまり、ブリッジ現象が生じると、ブリッジ現象を起こした凝縮水は、導水部材１０の繊維表面の水膜と表面張力により合体する。つまり、コルゲートフィン６でブリッジ現象を起こした凝縮水の表面張力を破壊することが可能になる。

導水部材１０の下に位置するコルゲートフィン６にあっても、その端で凝縮水のブリッジ現象が生じれば、ブリッジ現象を起こした凝縮水は、導水部材１０の繊維表面の水膜と表面張力により合体する。このため、導水部材１０の繊維表面の水膜を仲立ちとして、ブリッジを形成している水膜が次々に連絡し、水路が形成されることになる。その結果凝縮水は、ブリッジ現象を生じはするものの、その水膜は速やかに破壊され、スムーズに排水される。

繊維束に限らず、吸水性部材（例えば連続気泡の発泡樹脂）からなる導水部材１０は、吸水すると表面に水膜を生じる。このため、繊維束からなる導水部材１０と同様、ブリッジ現象を生じた凝縮水に対し水膜破壊作用を及ぼし、凝縮水をスムーズに排水することができる。

上記のように、吸水性部材からなる導水部材１０による排水メカニズムでは、導水部材１０が水を吸収し、その表面に水の膜が張っていることが重要である。そのため、吸水性の導水部材１０にあっては、図２に示すように、それがコルゲートフィン６の端に接触していることが望ましい。また、導水部材１０をコルゲートフィン６の端から多少はみ出させるのがよい。そのようにすれば、導水部材１０とコルゲートフィン６の接触面積が増加し、水を容易に吸収できる。さらに、コルゲートフィン６の端にブリッジした水とも接触しやすくなる。

導水部材１０は吸水性部材に限られない。非吸水性部材であっても、コルゲートフィン６の端でブリッジ現象を生じた凝縮水が表面張力を働かせ得るという条件を満たすものであれば、導水部材１０として用いることができる。図５から図８に、そのような導水部材１０の例を示す。

図５に示す導水部材１０は、金属や合成樹脂の線材を二重らせんの形に巻いたものである。

金属のような非吸水性部材からなる導水部材１０では、吸水性部材からなる導水部材１０と多少排水のメカニズムが異なる。図５の導水部材１０を代表例として、その点を説明する。

凝縮水が導水部材１０に働かせる表面張力でブリッジの水膜を破壊するのは、図５の導水部材１０も同じである。しかしながら図５の導水部材１０は非吸水性であって、内部に水を吸収するということがない。このため、導水部材１０の位置は、水を容易に吸収できる位置である必要はなく、コルゲートフィン６の端のブリッジ水膜から凝縮水が表面張力を働かせ得る箇所でありさえすればよい。図５の導水部材１０の場合、二重らせんのらせん溝に対して表面張力が働き、導水路が形成されることになる。

上記の点からして、図５の導水部材１０は、コルゲートフィン６の端に接触している必要はない。そのため、コルゲートフィン６の端のブリッジ水膜から凝縮水が表面張力を働かせ得る箇所という条件を満たす範囲で、導水部材１０を隙間Ｇの奥に挿入することができる。導水部材１０を隙間Ｇの奥に挿入したことにより、表面張力の働く部分がコルゲートフィン６の端からはみ出していないこととなれば、凝縮水の排水性が向上するのに加え、輸送時の振動や冷凍機の振動が伝わっても、導水部材１０が隙間Ｇから脱落しにくくなる

導水部材１０に対して働く凝縮水の表面張力は、らせん溝の幅や、導水部材１０の直径などをパラメータとして、様々な値をとる。コルゲートフィン６の端と導水部材１０の間で確実に凝縮水の表面張力が働くよう、実験に基づき導水部材１０の挿入量を決めることが望ましい。

図６に示す導水部材１０は、金属や合成樹脂の線材をコイルスプリングの形に巻いたものである。この形状の導水部材１０では、凝縮水の表面張力はコイルスプリングの隙間に対して働くことになる。

図７に示す導水部材１０は、金属や合成樹脂の板材を襞ピッチの細かいコルゲート板としたものである。この形状の導水部材１０では、凝縮水の表面張力はコルゲート板のピッチ間隙間に対して働くことになる。

図８に示す導水部材１０は、金属や合成樹脂のロッドの外周にらせん溝を刻んでドリルビットの形状としたものである。この形状の導水部材１０では、凝縮水の表面張力はらせん溝に対して働くことになる。

これまでに述べた吸水性部材と非吸水性部材の他、スポンジ等の多孔性物質（吸水性部材）、紐を三つ編みにしたもの、チェーンなど、様々な吸水性部材や非吸水性部材であって、凝縮水の表面張力を働かせ得るものを、導水部材として使用することができる。

図４に示す変形態様では、導水部材１０は隙間Ｇの入口から奥まで届く奥行きとされている。このようにしておけば、導水部材１０を隙間Ｇの奥まで押し込むだけで、コルゲートフィン６の端でブリッジ現象を生じた凝縮水が表面張力を働かせ得る位置に導水部材１０を取り付けることができるから、導水部材１０の挿入深さに気を配る必要がなく、組立作業が楽である。また導水部材１０の見かけ上の体積が大きくなり、凝縮水が表面張力を働かせやすくなる。さらに、輸送時の振動や冷凍機の振動が伝わっても、導水部材１０が隙間から脱落しにくくなる。

上記熱交換器１は、セパレート型空気調和機の室外機または室内機に搭載することができる。図９には室外機への搭載例を、図１０には室内機への搭載例を示す。

図９の室外機２０は平面形状略矩形の板金製筐体２０ａを備え、筐体２０ａの長辺側を正面２０Ｆ及び背面２０Ｂとし、短辺側を左側面２０Ｌ及び右側面２０Ｒとしている。正面２０Ｆには排気口２１が形成され、背面２０Ｂには背面吸気口２２が形成され、左側面２０Ｌには側面吸気口２３が形成される。排気口２１は複数の水平なスリット状開口の集合からなり、背面吸気口２２と側面吸気口２３は格子状の開口からなる。正面２０Ｆ、背面２０Ｂ、左側面２０Ｌ、右側面２０Ｒの４面の板金部材に図示しない天板と底板が加わって六面体形状の筐体２０ａが形成される。

筐体２０ａの内部には、背面吸気口２２及び側面吸気口２３のすぐ内側に熱平面形状Ｌ字形の熱交換器１が配置される。熱交換器１と室外空気との間で強制的に熱交換を行わせるため、熱交換器１と排気口２１の間に送風機２４が配置される。送風機２４は電動機２４ａにプロペラファン２４ｂを組み合わせたものである。送風効率向上のため、筐体２０ａの正面２０Ｆの内面にはプロペラファン２４ｂを囲むベルマウス２５が取り付けられる。筐体２０ａの右側面２０Ｒの内側の空間は背面吸気口２２から排気口２１へと流れる空気流から隔壁２６で隔離されており、ここに圧縮機２７が収容されている。

室外機２０の熱交換器１に凝縮水が発生すると、空気流通路の面積が凝縮水で狭められることにより熱交換性能が低下するだけでなく、外気温が氷点下であったりした場合には、凝縮水が凍結して熱交換器１の破損を招くことすらある。そのため室外機２０では、熱交換器１からの凝縮水の排水が重要な課題となる。

室外機２０では、熱交換器１の風上側が凝縮水の結集側となる。これは次の理由による。室外機２０においては、熱交換器１を傾けることなく、ほぼ垂直に立てて設置している。熱交換器１を蒸発器として使用した場合（例えば暖房運転時がこれに該当する）、風下側よりも風上側で熱交換が盛んに行われ、そこに凝縮水が溜まる。そのため、風上側が凝縮水の結集側ということになるのである。

風上側で結露した凝縮水は、風下側に流れることはあまりない。外気温が低い場合は、凝縮水は霜として熱交換器１に付着する。霜の量が増えれば除霜運転を余儀なくされるが、除霜運転中、送風機２４は停止しているので、霜が溶けた水は風の影響を受けることなく専ら重力で下に流れ落ちる。これらのことから、風上側の面に導水部材１０を配置することにより、凝縮水を速やかに排水し、熱交換性能の低下を防ぐことができる。

図１０の室内機３０は、上下方向に偏平な直方体形状の筐体３０ａを備える。筐体３０ａは、その背面に固定されたベース３１により図示しない室内壁面に取り付けられるものである。筐体３０ａは正面に吹出口３２を有し、上面には複数のスリットの集合または格子状に区切られた開口からなる吸込口３３を有する。吹出口３２にはカバー３４と風向板３５が設けられる。カバー３４も風向板３５も垂直面内で回動し、運転時には図１０に示す水平姿勢（開いた状態）となり、運転停止時には垂直姿勢（閉じた状態）となるものである。吸込口３３の内側には吸い込む空気に含まれる塵埃を捕集するフィルタ３６が配置される。

吹出口３２の内側には吹出気流形成用のクロスフローファン４０が軸線を水平にして配置される。クロスフローファン４０はファンケーシング４１に収容され、図示しない電動機により図１０の矢印方向に回転して、吸込口３３から流入し吹出口３２から吹き出される気流を形成する。

クロスフローファン４０の背後に熱交換器１が配置される。熱交換器１は、クロスローファン４０の側が高くなる傾斜状態で、ファンケーシング４１の上下幅範囲内に配置される。

室内機３０では、熱交換器１の風下側であり、下側でもある面が凝縮水の結集側となる。導水部材１０はこの風下側の面に配置される。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実施することができる。

本発明はサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器に広く利用可能である。

１ 熱交換器
２、３ ヘッダパイプ
４ 偏平チューブ
５ 冷媒通路
６ コルゲートフィン
Ｇ 隙間
７、８ 冷媒出入口
１０ 導水部材
２０ 室外機
３０ 室内機

Claims (6)

1. 間隔を置いて平行に配置された複数のヘッダパイプと、前記複数のヘッダパイプの間に複数配置され、内部に設けた冷媒通路を前記ヘッダパイプの内部に連通させた偏平チューブと、前記偏平チューブ同士の間に配置されたコルゲートフィンとを備えたサイドフロー方式のパラレルフロー型熱交換器において、
   凝縮水が結集する側の面における前記コルゲートフィンの端を前記偏平チューブの端からはみ出させ、そのはみ出し部分同士のなす隙間に線状の導水部材を挿入し、前記コルゲートフィンの端にたまった凝縮水が、自身の表面張力により前記導水部材との間に生じるブリッジ現象で流れ落ちるようにしたことを特徴とする熱交換器。
2. 前記導水部材が吸水性部材からなり、前記コルゲートフィンの端に接触していることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記導水部材が非吸水性部材からなり、前記凝縮水の表面張力の働く当該部材の部分が、前記コルゲートフィンの端からはみ出していないことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
4. 前記導水部材は、前記隙間の入口から奥まで届く奥行きを有することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の熱交換器を室外機に搭載したことを特徴とする空気調和機。
6. 請求項１から４のいずれか１項に記載の熱交換器を室内機に搭載したことを特徴とする空気調和機。

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