JP5072523B2 - 気液分離器及び空気調和器 - Google Patents

Description

この発明は、気液分離器、及びそれを搭載した空気調和器に関するものである。

冷凍サイクルにおいて、凝縮器で凝縮された冷媒液は、膨張弁によって減圧され、冷媒蒸気と冷媒液が混在する気液二相状態となって蒸発器に流入する。冷媒が気液二相状態で蒸発器に流入すると、冷媒が蒸発器を通過する際の圧力損失が大きくなり、空気調和器のエネルギ効率が低下する。
このため、冷媒が蒸発器に流入する手前に、気液分離器を用いて冷媒蒸気を冷媒液から分離し、冷媒液のみを蒸発器に流すことにより、冷媒が蒸発器を通過する際の圧力損失を低減させ、空気調和器のエネルギ効率を向上させることができる。

従来の気液分離器として、例えば冷凍サイクルに使われる圧縮機から吐出される油を冷媒から分離する気液分離器が知られている（例えば特許文献１）。
この気液分離器では、流入配管と流出配管とを円筒形状の容器上部に取り付け、流入配管の側面に流出穴を形成することにより、流入配管を容器側面に取り付ける方法に比べて加工時間を節約している（例えば特許文献１）。

特許第３５９３５９４号公報（図１６）

空気調和器において、この気液分離器を冷媒蒸気を冷媒液から分離するための分離器として搭載し、冷媒が蒸発器を通過する際の圧力損失を低減させようとした場合に、冷媒流入配管の下端部に形成された抜け穴から流出した冷媒液が、容器の底に溜まった冷媒液に、大きな下向きの速度成分をもって衝突してしまう。
その結果、容器の底に溜まった冷媒液の液面が大きく波立つため、液滴が液面から飛散し、冷媒蒸気とともにそのまま容器の外へ流出してしまい、気液分離効率が低下してしまうという問題点があった。

この発明は、かかる問題点を解決することを課題とするものであって、容器内の液面の乱れが減少して、液面から飛散する液滴が減少し、気液分離効率が向上した気液分離器を得ることを目的とする。

また、蒸発器を通過する際の圧力損失が低減され、エネルギ効率が向上した空気調和器を得ることを目的とする。

この発明に係る気液分離器は、容器と、この容器の頂壁を上下方向に貫通して設けられ、側面に穴が形成された流体流入配管と、この流体流入配管の直下に設けられた液体流出配管と、この液体流出配管と前記流体流入配管との間に設けられ、開口面積が流体流入配管の径と比較して小さい絞り穴を有する絞りと、前記容器の上部に設けられた気体流出配管とを備えている。

この発明に係る空気調和器は、気液分離器で、膨張弁から送られた冷媒を、冷媒液と冷媒蒸気とに分離し、分離された冷媒液は蒸発器に送られるようになっている。

この発明の気液分離器によれば、絞りの絞り穴を通過した液体は、液体流出配管内に流下し、液体が容器の底に溜まった液面に滴下することはなく、液面の乱れが減少して、液面から飛散する液滴が減少し、気液分離効率が向上するという効果がある。

また、この発明の空気調和器によれば、蒸発器を通過する際の圧力損失が低減され、エネルギ効率が向上するという効果がある。

以下、この発明の各実施の形態について図に基づいて説明するが、各図において同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における気液分離器２０が搭載された空気調和器の冷凍サイクル図である。
この空調調和器では、冷房運転では、冷媒が、凝縮器である屋外熱交換器１７で外気により冷却されて、凝縮される。凝縮された冷媒液は、膨張弁２１で減圧され、冷媒蒸気と冷媒液が混在する気液二相状態となって気液分離器２０に流入する。気液分離器２０では冷媒蒸気と冷媒液とに分離され、冷媒液のみが蒸発器である屋内熱交換器１８に流入する。この屋内熱交換器１８では、冷媒は屋内から熱を奪って冷媒蒸気の相状態になり、四方弁１９を通じて圧縮機１６に流入する。冷媒蒸気は、圧縮機１６で圧縮され、液相に相変化した後、再び屋外熱交換器１７に流入する。
一方、気液分離器２０で分離された冷媒蒸気は、バイパス配管２５を通じて四方弁１９の上流側で屋内熱交換器１８からの冷媒蒸気と合流する。
このバイパス配管２５には、電磁弁２２、逆止弁２４が取り付けられ、またバイパス配管２５の下流には毛細管２３が形成されている。

この空調調和器が暖房運転では、電磁弁２２は閉じられ、また冷媒の流れ方向は、冷房運転との時と逆方向に流れる。
このときには、屋外熱交換器１７が蒸発器として機能し、屋外から熱を奪い、屋内熱交換器１８が凝縮器として機能して、熱を屋内に放出する。

図２は図１の気液分離器２０を示す正面図である。
この気液分離器２０は、円筒形状の容器１と、この容器１の頂壁１ａの中心部を上下方向に貫通し冷房運転時に冷媒蒸気と冷媒液が混在した流体である冷媒が流入する冷媒流入配管２と、この冷媒流入配管２と同軸上に一体に形成されているとともに容器１の底壁１ｂを貫通し上記冷媒液が流出する冷媒液流出配管４と、容器１の側壁１ｃの上部を貫通し上記冷媒蒸気が流出する冷媒蒸気流出配管３と、この冷媒流入配管２と冷媒液流出配管４との境界部の内部に設けられた絞り９とを備えている。

図３は図２に示した、冷媒流入配管２及び冷媒液流出配管４を示す正面図である。
冷媒流入配管２及び冷媒液流出配管４は１本の配管を絞り加工することにより形成されており、冷媒液流出配管４の直径ｄ３は、冷媒流入配管２の直径ｄ２よりも大きい。
また、冷媒流入配管２には、容器１の底壁１ｂから冷媒流入配管２及び冷媒液流出配管４を貫通する際に、冷媒流入配管２が容器１から突出する長さを規定するための、径がｄ２からｄ１にさらに小さい冷媒流入配管絞り部１３が形成されている。

冷媒流入配管２の側面には、容器１の上側に対向して油戻り穴１４が形成され、油戻り穴１４の下側には横穴５が２箇所間隔をあけて形成されている。
各横穴５は、容器１の側壁１ｃに対して略垂直に指向しており、横穴５から吹き出す冷媒は容器１の側壁１ｃに対して略垂直に衝突する。
冷媒液流出配管４の側面の中央部には、一箇所冷媒液が流通する流通穴１１が形成されている。冷媒液流出配管４は、冷房運転時に冷媒蒸気を吸込まないようにするために、流通穴１１が容器１の底壁１ｂにできるだけ接近するように容器１に取り付けされている。

図４は図３に示した絞り９を示す斜視図である。
絞り９は円柱形状をした単一部材であり、その中央部には上下方向に貫通した直径数ｍｍの絞り穴１０が形成されている。
絞り９は、直径ｄ３の冷媒液流出配管４の下端部の開口部から直径ｄ２に絞られた冷媒流入配管２の下端部まで挿入され、冷媒液流出配管４をかしめてくぼみ１２を形成することで、冷媒流入配管２と冷媒液流出配管４との境界部に固定される。
なお、絞り穴１０は、冷媒蒸気８が通過せず、冷媒液７ｃのみが通過するようにするために、例えば冷媒流入配管２の直径ｄ２＝６ｍｍに対して、絞り穴１０の直径は約２ｍｍで、絞り穴１０の直径は冷媒流入配管２の直径の１／３以下にすることが、好ましい。

次に、気液分離器２０の動作について説明する。
空気調和器の冷房運転時においては、流体である冷媒は、気体である冷媒蒸気と液体である冷媒液の気液二相の状態で冷媒流入配管２に流入する。
冷媒流入配管２内では、図５に示すように、冷媒は、冷媒流入配管２の内壁面に沿って冷媒液７ａが流下し、冷媒流入配管２の中央部を冷媒蒸気８が流下する。流下した冷媒液７ａのうち、最初の横穴５及び次の横穴５を通過した冷媒液７ａは、冷媒流入配管２内の冷媒蒸気８とともに、図５の矢印６に示すように、それぞれ横穴５を通じて冷媒流入配管２の外側に吹き出される。
そのうち、横穴５から吹き出された冷媒液７ｂは、容器１の側壁１ｃに対して略垂直に衝突した後冷媒液７ｄとなり、その後内壁面に沿って流下して、容器１の底に溜まった冷媒液７ｅに合流する。
また、横穴５から吹き出された冷媒流入配管２内の冷媒蒸気８ａは、図２の点線で示すように上向き方向に進み、冷媒蒸気流出配管３を通って容器１から流出し、その後バイパス配管２５を通じて四方弁１９の上流側で屋内熱交換器１８で冷媒液から相変化した冷媒蒸気と合流する。

一方、横穴５から吹き出さずに絞り９まで流下した冷媒液７ａは、絞り穴１０を通過して冷媒液流出配管４内に流入する。このとき、絞り穴１０の開口面積は、横穴５の開口面積に比べて十分に小さいために、冷媒液７ａのみが絞り穴１０を通過し、冷媒蒸気８が絞り穴１０を通過することはない。
冷媒液流出配管４と容器１とは流通穴１１を介して連通しており、冷媒液流出配管４内では、容器１の底に溜まった冷媒液７ｅとほぼ同じ液面高さの冷媒液７ｆが溜まっている。この冷媒液７ｆに絞り穴１０を通過した後の冷媒液７ｃが合流し、合流した冷媒液７ｆ，７ｃは冷媒液流出配管４を通って、容器１から流出し、引き続き屋内熱交換器１８に流入する。

また、空気調和器が暖房運転時には、冷媒配管内を流れる冷媒の方向は冷房運転時と逆方向であり、また電磁弁２２は閉じられている。
気液分離器２０では、凝縮器である屋内熱交換器１８で凝縮された過冷却状態の冷媒液が、液単相の状態で冷媒液流出配管４から容器１に流入し、冷媒流入配管２から流出して蒸発器である屋外熱交換器１７に送られる。
このとき、電磁弁２２は閉じており、冷媒蒸気流出配管３から圧縮機１６に通じる通路は閉止されている。
容器１内には、冷媒液流出配管４からの余剰の冷媒液が流通穴１１を通じて、貯留される。この冷媒液には圧縮機１６の潤滑油である冷凍機油が混入しており、容器１内では冷媒液に対して非相溶の冷凍機油による分離層が冷媒液上に形成される。この分離層に対応して冷媒流入配管２には油戻り穴１４が形成されており、冷凍機油は油戻り穴１４を通じて容器１から冷媒流入配管２内に流入し、冷媒配管を通じて圧縮機１６に戻る。

以上説明したように、この実施の形態による気液分離器２０によれば、冷媒流入配管２と冷媒液流出配管４との境界部に絞り９を設け、冷房運転時において、冷媒流入配管２内に流入した冷媒液は絞り９の絞り穴１０を通じて冷媒液流出配管４に流れ込むようになっている。
このように、冷媒流入配管２から流出した冷媒液７ｃは、容器１の底に溜まった冷媒液７ｅに直接衝突することはなく、絞り９を通過した直後に冷媒液流出配管４に流れ込むために、冷媒液７ｃの滴下に起因した、容器１に溜まった冷媒液７ｅの液面の乱れが減少する。
従って、冷媒液７ｅの液面から飛散する液滴が減少し、飛散した液滴が上方向に速度成分を有する冷媒蒸気８ａとともに冷媒蒸気流出配管３から容器１の外部に流出する現象は減少し、気液分離効率を向上させることができる。
また、絞り９を通過後の冷媒液７ｃは、横穴５から放出された冷媒蒸気８ａと接することはない。
従って、冷媒液７ｃが冷媒蒸気８ａにより冷媒液流出配管４を通じて屋内熱交換器１８に運ばれることはなく、気液分離効率をさらに向上せることができる。

また、冷媒流入配管２及び冷媒液流出配管４は、１本の配管を絞り加工することで、一体に形成されており、容器１の頂壁１ａと底壁１ｂとの２点で固定されている。
従って、容器１と、冷媒流入配管２及び冷媒液流出配管４との取り付け強度が高くなり、配管振動等に対する強度信頼性を高めることができる。
さらに、冷媒流入配管２及び冷媒液流出配管４を容器１にロウ付けする際の位置決め、及び加工が容易となる。

また、絞り９は単一部材であり、絞り穴１０の穴加工を精度よく行うことができる。
また、冷媒液流出配管４の直径ｄ３と冷媒流入配管２の直径ｄ２とを変えることで、絞り９の位置を簡単に特定することができる。
さらに、絞り９の下側に対応した冷媒液流出配管４の部位をかしめることにより、確実に絞り９を冷媒液流出配管４に固定することができ、冷媒が流れる際に絞り９のガタつきによる騒音の発生を防止することができる。

また、冷媒流入配管２の側壁に形成した横穴５から吹き出す冷媒の方向が、容器１の内壁面に対して略垂直であり、横穴５から吹き出た冷媒液７ｂが容器１の内壁面に最短距離で衝突する。
従って、冷媒液７ｂが途中、上方向に進む冷媒蒸気８ａにより運ばれ、冷媒蒸気８ａとともに冷媒蒸気流出配管３を通じて外部に流出することが防止されるので、気液分離効率が向上する。

なお、上記実施の形態では、横穴５が２個形成されているが、１個以上形成されていればよく、穴の直径は任意である。
また、上記実施の形態では、冷媒蒸気流出配管３は、容器１の側壁１ｃの上部を貫通して形成されているが、冷媒蒸気流出配管３の端面と側壁１ｃの内壁面とが一致するように形成されていてもよい。
また、図６に示すように、冷媒流入配管２の直径ｄ２と冷媒液流出配管４の直径ｄ３とを等しくし、絞り９の上側と下側に対応した冷媒液流出配管４の２箇所の部位をかしめて、くぼみ１２を形成することで、絞り９を冷媒液流出配管４の入口部に固定するようにしてもよい。
このものの場合には、冷媒流入配管２と冷媒液流出配管４とを同一径で加工することができるため、低コスト化を図ることができる。

また、図７に示すように、冷媒流入配管２と冷媒液流出配管４の境界部位に絞り加工を行って、絞り部１５を設けることで、絞り穴１０を形成するようにしてもよい。
このものの場合、単品である絞り９が不要となるため、部品点数を削減でき、さらなる低コスト化を実現できる。

また、図８に示すように、冷媒流入配管２の下側部の直径ｄ２を、冷媒流入配管２の入口部の直径ｄ１の約２倍の大きさにしてもよい。
このものの場合、図９に示すように、冷媒流入配管２の断面積が大きくなり、それに反比例して液膜の厚さが薄くなる。また、横穴５の開口面積の割合が、冷媒流入配管２の周側面面積に対して減少する。
従って、冷媒液７ａのうち、横穴５から吹き出す冷媒液７ｂの流量が減少し、それだけ冷媒液７ｂが途中、上方向に進む冷媒蒸気８ａにより運ばれ、冷媒蒸気８ａとともに冷媒蒸気流出配管３を通じて外部に流出する量が低減するので、気液分離器２０の気液分離効率が向上する。
なお、冷媒流入配管２の直径ｄ２を大きくした場合に、横穴５の径も大きくすることで、横穴５から吹き出す冷媒の圧力損失や流動音を低減させるようにしてもよい。

また、図１０に示すように、冷媒蒸気流出配管３を容器１の頂壁１ａに取り付けてもよい。これにより、容器１の側壁１ｃの曲面における加工がなくなるため、冷媒蒸気流出配管３の加工が容易となる。

また、図１１に示すように、冷媒流入配管２の横穴５から冷媒が吹き出す方向が、容器１の内壁面に対して接線方向となるように、冷媒流入配管２を容器１の内壁面に接近して設けるようにしてもよい。
このものの場合には、横穴５から吹き出す冷媒蒸気８ａ及び冷媒液７ｂは容器１内で旋回流を形成するが、冷媒蒸気８ａと冷媒液７ｂとの密度差により、冷媒液７ｂは冷媒蒸気８ａと比較して、より大きな遠心力が作用する、即ち冷媒液７ｂを容器１の内壁面側により大きな力が作用するので、それだけ冷媒液７ｂが途中、上方向に進む冷媒蒸気８ａにより運ばれ、冷媒蒸気８ａとともに冷媒蒸気流出配管３を通じて外部に流出する量が低減するので、気液分離器２０の気液分離効率が向上する。

また、この実施の形態１の気液分離器２０は、冷凍サイクルを構成する空気調和器に搭載されており、冷房運転時において、気液二相状態で流れる冷媒蒸気と冷媒液を分離し、冷媒液のみを蒸発器である屋内熱交換器１８に流すことができるため、冷媒が屋内熱交換器１８を通過する際の圧力損失を低減して、空気調和器のエネルギ効率を向上させることができる。

以下、空気調和器のエネルギ効率が向上することについて、冷凍サイクルの圧力とエンタルピとの関係を示す図１２を用いて詳述する。
図１２中のＡからＦの点は、図１中の冷凍サイクルにおける点ＡからＦにそれぞれ対応する。
冷房運転において、気液分離器２０を用いて気液分離を行わない場合には、電磁弁２２を閉じ、バイパス配管２５に冷媒が流れないようにする。
この場合には、圧縮機１６により高圧になった冷媒（Ａ点）は、屋外熱交換器１７で凝縮される（Ｂ点）。その後、膨張弁２１で減圧された後（Ｃ’点）、屋内熱交換器１８で蒸発し（Ｄ’点）、四方弁１９を通って、圧縮機１６に戻る。

一方、この実施の形態１に示す気液分離器２０を用いて気液分離をする場合には、電磁弁２２を開にして、バイパス配管２５上を冷媒蒸気が流れるようにする。圧縮機１６により高圧になった冷媒（Ａ点）は、屋外熱交換器１７で凝縮されて（Ｂ点）、膨張弁２１で減圧された後（Ｃ’点）、気液分離器２０で冷媒蒸気と冷媒液に分離される。冷媒液（Ｃ点）は、屋内熱交換器１８で蒸発し、冷媒蒸気（Ｆ点）は、電磁弁２２、逆止弁２４、毛細管２３からなるバイパス配管２５上を通り、Ｄ点で両者が合流する。合流した冷媒は、四方弁１９を通って圧縮機１６へ戻る。

図１２から分かるように、この実施の形態１の気液分離器２０を冷凍サイクルに搭載した場合、冷媒が蒸発器を通過する際の圧力損失（Ｄ点からＣ点の圧力差）を、気液分離器を搭載しない場合の圧力差（Ｄ’点からＣ’点の圧力差）よりも小さくすることができる。これにより、圧縮機１６の吸入圧力が、Ｄ’点からＤ点に上昇し、圧縮機１６が吸入圧力から吐出圧力（Ａ点）まで圧縮するのに必要な仕事が減少するため、空気調和器のエネルギ効率が向上する。

なお、この実施の形態１に示した気液分離器２０を、エジェクタを用いた冷凍サイクルに搭載した場合、空気調和器をコンパクトにできるとともに、エネルギ効率を向上させることができる。

実施の形態２．
図１３はこの発明の実施の形態２の気液分離器２０を示す正面図である。
この実施の形態では、冷媒流入配管２と冷媒液流出配管４とは、別部材で構成されている。
冷媒流入配管２は、例えば下端部をクロージング加工し、穴加工することで、絞り穴１０を有する絞り９が形成される。冷媒液流出配管４は、絞り穴１０の下流直下に設けられている。
その他の構成は、図１０に示した気液分離器２０と同じである。
また、気液分離器２０の動作も図１０に示した気液分離器２０と同じである。

この実施の形態では、冷媒流入配管２の下端部に絞り９を設け、絞り９を通過した冷媒液７ｃを、容器１の底に溜まった冷媒液７ｅに衝突することなく、すぐに冷媒液流出配管４に流れ込むようにしたため、容器１に溜まった冷媒液７ｅの液面の乱れが減少し、冷媒液７ｅから飛散する液滴が減少し、気液分離効率を向上させることができる。
また、冷媒流入配管２の下端部をクロージング加工して、穴加工することにより、絞り穴１０を有する絞り９を形成することができるため、加工が容易となる。
また、絞り穴１０を形成するための別部材が不要となるため、低コスト化を図ることができる。

なお、ここでは、冷媒流入配管２と冷媒液流出配管４を別体のままとしたが、冷媒流入配管２の下端部をクロージング加工した後に、冷媒液流出配管４とロウ付けしても構わない。
このとき、実施の形態１と同様に、容器１の頂壁１ａと底壁１ｂの２点で固定することができるため、容器１と冷媒流入配管２、冷媒液流出配管４の取り付け強度が高くなり、配管振動などに対する強度信頼性を高めることができる。
さらに、冷媒流入配管２と冷媒液流出配管４を容器１にロウ付けする際の位置決め、及び加工が容易となる。

なお、上記実施の形態１，２では、空気調和器に搭載され、冷媒液と冷媒蒸気とを分離する気液分離器２０について説明したが、勿論このものに限定されない。
例えば、圧縮機の下流側に配置して、圧縮機から冷凍サイクルに流出した冷媒蒸気から冷凍機油を分離し、冷凍機油を圧縮機に戻すための油分離器としてこの気液分離器を用いることができる。
このものの場合には、圧縮機の潤滑性を高めることができるとともに、冷媒に混じって冷凍サイクルに流出する冷凍機油の量を低減できるため、蒸発器や凝縮機の伝熱性能が向上し、空調機のエネルギ効率を高めることができる。

この発明の実施の形態１による気液分離器を空気調和器に搭載したときの冷凍サイクル図である。 図１の気液分離器を示す正面図である。 図２の冷媒流入配管及び冷媒蒸気流出配管を示す正面図である。 図２の絞りを示す斜視図である。 図３のＶ−Ｖ線に沿った矢視断面図である。 この発明の実施の形態１による冷媒流入配管及び冷媒蒸気流出配管の変形例を示す正面図である。 この発明の実施の形態１による冷媒流入配管及び冷媒蒸気流出配管の他の変形例を示す正面図である。 この発明の実施の形態１による冷媒流入配管及び冷媒蒸気流出配管の更に他の変形例を示す正面図である。 図８のＩＸ−ＩＸ線に沿った矢視断面図である。 この発明の実施の形態１による気液分離器の変形例を示す正面図である。 この発明の実施の形態１による気液分離器の他の変形例を示す正面図である。 この発明の実施の形態１による気液分離器を冷凍サイクルに搭載したときの冷凍サイクルの圧力とエンタルピとの関係を示す図である。 この発明の実施の形態２による気液分離器を示す正面図である。

符号の説明

１ 容器、２ 冷媒流入配管（流体流入配管）、３ 冷媒蒸気流出配管（気体流出配管）、４ 冷媒液流出配管（液体流出配管）、５ 横穴、７ａ〜７ｅ 冷媒液、８ 冷媒蒸気、９ 絞り、１０ 絞り穴、１１ 流通穴、１２ くぼみ、１３，１５ 絞り部、１４ 油戻り穴、１６ 圧縮機、１７ 屋外熱交換器、１８ 屋内熱交換器、１９ 四方弁、２０ 気液分離器、２１ 膨張弁、２２ 電磁弁、２３ 毛細管、２４ 逆止弁、２５ バイパス配管。

Claims (8)

1. 容器と、
   この容器の頂壁を上下方向に貫通して設けられ、流体が流入するとともに側面に流体の気体を外部に流出する穴が形成された流体流入配管と、
   この流体流入配管の直下に設けられているとともに側面に形成された流通穴を通じて前記容器と連通している液体流出配管と、
   この液体流出配管と前記流体流入配管との間に設けられ、開口面積が流体流入配管の径と比較して小さく前記流体の液体が通過する絞り穴を有する絞りと、
   前記容器の上部に設けられ前記気体を容器の外部に流出する気体流出配管とを備え、
   前記絞りを通過した前記液体が前記液体流出配管内の液面に流れ込むことを特徴とする気液分離器。
2. 前記流体流入配管と前記液体流出配管とは一体であることを特徴とする請求項１に記載の気液分離器。
3. 前記流体流入配管と前記絞りとが一体であることを特徴とする請求項１または２項に記載の気液分離器。
4. 前記絞りは、前記流体流入配管の下端部を絞り加工することで形成されていることを特徴とする請求項３に記載の気液分離器。
5. 前記流体流入配管は、前記穴が形成された部位の断面積が前記頂壁に接する部位の断面積よりも大きいことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の気液分離器。
6. 前記穴は、前記容器の内壁面に対して略垂直で指向していることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の気液分離器。
7. 前記穴は、前記容器の内側面に対して略接線方向に指向していることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の気液分離器。
8. 請求項１〜７の何れか１項に記載の気液分離器が搭載されたことを特徴とする空気調和器。

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