JP7074312B2 - ラック装置およびコンピュータシステム - Google Patents

Description

本発明は、電子機器収納用のラック装置および当該ラック装置を使用したコンピュータシステムに関する。

従来から、空調設備が整ったデータセンタ内に設置され、規格化されたサーバ装置、ネットワーク装置、ディスク装置などの電子機器を内部に複数載置して集積度を高めた電子機器収納用のラック装置が知られている。典型的には、ＥＩＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ａｌｌｉａｎｃｅ：米国電子工業会）規格の１９インチラックである。

例えば、特許文献１は、ラック装置内へ吸引する空気の温度変化には追従せず、ファンの動作を安定させ、ラック装置内の電子機器の発熱量や位置（高さ）に応じた温度変化には追従し、ファンを細やかに制御するラック装置を開示する。このラック装置は、データセンタ内に設置され、空調設備により冷却された空気をラック装置の前面から吸入し、電子機器内の熱を吸収し熱くなった空気を背面から外部へ排出するファンと、前面から吸入する空気の温度を検知する第一センサと、背面から排出する空気の温度を検知する第二センサと、第一センサが検知した温度と第二センサが検知した温度との差に基づき、ファンの回転を制御する制御部とを備える。

このラック装置では、データセンタに設けられた空調設備の冷却能力を用いることを前提としている。すなわち、このラック装置は、主にコールドアイル側に存する当該空調設備により冷やされた冷たい空気をラック装置の前面から吸入し、内部の電子機器を冷却し、熱くなった空気をホットアイル側に排出する。その熱くなった空気は、データセンタの空調設備により冷やされて再度コールドアイルに戻されて循環する。

特開２０１２－２３０４３８号公報

近年、ＩＴ市場では、ＩｏＴ化（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ）に伴う、人工知能（ＡＩ：Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ）やビッグデータの活用が加速している。従来は、人工知能やビッグデータを処理するサーバはクラウド上のデータセンタに設置され、当該サーバにデータを送信する端末や装置はデータが発生する現場に設置されるというように、設置される場所がはっきり分かれていた。

しかし、直近では、データセンタのサーバが膨大なデータを処理したりＡＩの複雑な計算をしたりするための計算量が過大となってきており、計算量を分散させるため所謂エッジ側（データが発生する近傍に配置される端末や装置の側）に人工知能を処理できる機能を持たせるソリューションを提供する動きが出てきている。

そこで、本発明は、データセンタなどのように空調設備が整っていない通常のオフィス環境や工場はもちろん屋外に設置された場合であっても、大量の熱を発生する高密度な電子機器を収納し、当該電子機器の運用環境を維持するラック装置および当該ラック装置を使用したコンピュータシステムを提供するものである。

上記課題を解決するために、規格化された複数の電子機器を内部に収容するように構成された規格化されたラック装置であって、複数の電子機器の内部の熱が排出される第一面側に吸気面と、複数の電子機器が空気を吸入する第二面側に排気面とを備え、吸気面から吸入した空気を冷却し排気面から排出する水冷式の冷却器と、冷却器の媒体である液体を通し、外部のチラーと接続するためのパイプと、ラック装置の全面を気密性を有して覆うと共に、パイプを気密性を有して貫通させ、断熱構造を有するカバーと、第二面側に設けられるカバーの内面側に設けられ、排気面から排出される空気を整流するための流路と、第一面側および第二面側の空気圧差を検出する圧力センサと、を備え、冷却器は、圧力センサが検出した空気圧差に基づき自身の冷却を制御することを特徴とするラック装置が提供される。
これによれば、ラック装置の表面であるカバーにおいて断熱構造を有しかつ気密性を有
して備えると共に、内部に冷却器を有し、当該冷却器の排気面側に排出される空気を整流するための流路を備えることで、屋外などに配置された場合であっても、大量の熱を発生する高密度な電子機器の運用環境を維持するラック装置を提供することができる。また、これによれば、カバーが気密性を有して備えられていることから、電子機器の空気の排出側かつ冷却器の吸気面が存する第一面側と、電子機器の空気の吸入側かつ冷却器の排気面が存する第二面側との間で、空気圧の差を圧力センサが検出し、その空気圧差に基づき冷却を制御することで、第一面側と第二面側の空気圧のアンバランスを是正することができる。

さらに、複数の電子機器が第一面側に排出した空気を冷却器へ流すためのファンをさらに備えることを特徴としてもよい。
これによれば、電子機器が排出した熱い空気を強制的に冷却器の吸気面へ流すことで、大量の熱を発生する高密度な電子機器の運用環境をより効率的に維持することができる。

さらに、冷却器は複数の電子機器より下方に設けられ、ファンは第一面側に排出される空気を下方へ流すことを特徴としてもよい。
これによれば、水冷式冷却器の漏水があっても電子機器より下方に設けておけば安全であるところ、ファンが、熱い空気が上昇することを抑制し、強制的に冷却器の吸気面へ流すことで、大量の熱を発生する高密度な電子機器の運用環境をより効率的に維持することができる。

さらに、冷却器は、圧力センサが検出した空気圧差が最小となるように制御することを特徴としてもよい。
これによれば、第一面側と第二面側の空気圧差が最小となるように制御することで、電子機器自身の冷却能力を妨げることなく最大の冷却能力を引き出すことができる。

さらに、流路は、第二面側に設けられるカバーの内面と該内面に縦方向に設けられた整流板とから構成されることを特徴としてもよい。
これによれば、流路をカバーの内面と該内面に縦方向に設けられた整流板とから構成することで、容易に整流するための機構を提供することができる。

さらに、ラック装置は、ＥＩＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ａｌｌｉａｎｃｅ）規格の１９インチラックであることを特徴としてもよい。
これによれば、本発明に係るラック装置を業界標準である１９インチラックに適用することができる。

上記課題を解決するために、上述したラック装置と、ラック装置に搭載されるサーバ装置と、ラック装置に搭載されるネットワーク装置と、を有することを特徴とするコンピュータシステムが提供される。
これによれば、表面であるカバーにおいて断熱構造を有しかつ気密性を有して備えると共に、内部に冷却器を有し、当該冷却器の排気面側に排出される空気を整流するための流路を備えるラック装置の内部にサーバ装置等を収納することで、屋外などに配置された場合であっても運用環境が維持されたコンピュータシステムを提供することができる。その結果、所謂エッジ側に人工知能を処理できるコンピュータシステムを提供することができる。

以上説明したように、本発明によれば、データセンタなどのように空調設備が整っていない通常のオフィス環境や工場はもちろん屋外に設置された場合であっても、大量の熱を発生する高密度な電子機器を収納し、当該電子機器の運用環境を維持するラック装置および当該ラック装置を使用したコンピュータシステムを提供することができる。

本発明に係る第一実施例のラック装置および当該ラック装置を使用したコンピュータシステムを示す側断面図。 本発明に係る第一実施例のラック装置および当該ラック装置を使用したコンピュータシステムにおいて、第二面側のカバーを開けた場合を示す斜視図。 本発明に係る第二実施例のラック装置および当該ラック装置を使用したコンピュータシステムを示す側断面図。

以下では、図面を参照して、各実施例について説明する。
＜第一実施例＞
図１および図２を参照して、本実施例のラック装置１００およびコンピュータシステム１を説明する。コンピュータシステム１は、ラック装置１００と、ラック装置１００に搭載されるサーバ装置２と、ラック装置１００に搭載されるネットワーク装置３と、ラック装置１００に搭載される無停電電源装置４とを有する。これらの装置は、いずれもＥＩＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ａｌｌｉａｎｃｅ：米国電子工業会）規格に準拠した装置である。ラック装置１００は、所謂１９インチラックと呼ばれ、ラック装置１００本体に設置される装置の幅が１９インチ（約４８２．６ｍｍ）、その高さが１．７５インチ（約４４．４５ｍｍ：「１Ｕ」と呼ぶ）の倍数（１Ｕ、２Ｕ、…、ｎＵ：ｎは正の整数）となるように設定されている。ラック装置１００がＥＩＡ規格の１９インチラックであることにより、本発明に係るラック装置１００を業界標準である１９インチラックに適用することができる。

サーバ装置２、ネットワーク装置３および無停電電源装置４は、ＥＩＡ規格に準じて、ラック装置１００の幅に適合し、高さが１Ｕの倍数となるように設定されており、これらの複数の電子機器が上下方向に積層状態でラック装置１００内に載置される。サーバ装置２は、プロセッサ、メモリ、入出力装置などのハードウェアや、オペレーティングシステム、アプリケーションなどのソフトウェアを含むコンピュータ装置であって、クライアントからの要求に対して何らかのサービスを提供する機能を果たすコンピュータ装置である。サーバ装置２は、いかなるハードウェアやソフトウェアを含んでいてもよく、人工知能用に特化した半導体を備えていてもよい。

ネットワーク装置３は、ラック装置１００を外部のネットワークに接続するための装置であり、たとえばインターネットや専用線に接続するための装置である。ネットワーク装置３は、比較的近傍に存在し様々な対象の状態を検出するセンサ類（図示せず）と接続されると共に、クラウド上に存在するデータセンタ内の大規模なサーバ群（図示せず）と接続されてもよい。サーバ装置２は、ネットワーク装置３経由でセンサ類からの大量のデータを収集し、処理し、また、ネットワーク装置３を経由してクラウド上のサーバ群とデータや処理を共有し、処理することができる。また、無停電電源装置４は、ラック装置１００への電力の供給が止まるなどの停電によって電力が断たれた場合にも電力を供給し続ける電源装置である。

ラック装置１００は、上述したように、規格化されたサーバ装置２などの複数の電子機器を内部に収容するように構成された規格化されたラック装置である。ラック装置１００は、ラック装置１００の本体内に設けられ、上記サーバ装置２などの電子機器を支持するための骨組みとなるフレーム７０と、フレーム７０に取り付けられる天板、底板、第一面側Ｓ１の前板、第二面側Ｓ２の後板、および左右一対の側板から筐体状に形成されたカバー２０と、ラック装置１００の内部を冷却する水冷式の冷却器１０を含む冷却ユニット１２と、冷却器１０の媒体である液体（冷媒）を通し、ラック装置１００の外部に設けられるチラー（図示せず）と接続するためのパイプ４０と、第二面側Ｓ２に設けられるカバー２０の内面側に設けられ、冷却ユニット１２の排気面Ｏｕｔから排出される空気を整流するための流路３０と、を備える。フレーム７０は、上記電子機器を強固に支持すべく、少なくとも第一面側Ｓ１と第二面側Ｓ２に左右一対の枠組みを有する。

カバー２０は、これを構成する天板、底板、前板、後板、および左右一対の側板、並びにこれらの結合部や接触部には、気密性を有するように形成され、ラック装置１００の全面を気密性を有して覆うように構成される。また、カバー２０は、パイプ４０や外部との電気配線等も気密性を有して貫通させることが好ましい。また、カバー２０は、ラック装置１００の内部と外部の温度差を遮断する断熱構造２１を有する。本実施例における断熱構造２１は、カバー２０の内面側に発泡ウレタンなどの断熱部材を張り詰めた構造である。しかし、この断熱構造２１は、いかなる構造であってよく、たとえば他に、カバー２０の外面側に断熱塗料を塗布した構造、カバー２０の内部に隙間等の断熱層を有する構造等であってもよい。なお、ラック装置１００がオフィス環境に設置されることを考慮し、カバー２０は、電子機器の騒音が外部に漏れないような遮音構造や、外部からの電磁波を遮蔽するとともに内部から外部への電磁波漏洩を防止するために適度な板厚を有する鋼板材などの電磁波シールド構造を備えてもよい。

カバー２０の第一面側Ｓ１の前板とフレーム７０の第一面側Ｓ１の左右一対の枠組みとの間は、上記電子機器が排出した空気を冷却ユニット１２の方へ流通させる空間を有するように構成される。また、同様に、カバー２０の第二面側Ｓ２の後板とフレーム７０の第二面側Ｓ２の左右一対の枠組みとの間は、冷却ユニット１２が排出した空気を上記電子機器の方へ流通させる空間を有するように構成される。なお、第一面側Ｓ１に設けられる空間は、上記電子機器等の結線などを行うためにも利用される。

流路３０は、冷却ユニット１２の排気面Ｏｕｔが排出した空気を上記電子機器の方へ流通させる第二面側Ｓ２に設けられ、排気面Ｏｕｔが排出した冷気が上記電子機器の方へ向かいやすいように構成されている。すなわち、流路３０は、冷却ユニット１２の排気面Ｏｕｔから排出される空気を整流するために設けられる。本実施例のラック装置１００は、第二面側Ｓ２に設けられるカバー２０の内面と、その内面に縦方向に設けられ、空気の流れＡＦを整流するための整流板として仕切り板３１とから構成される（図２参照）。このように、流路３０をカバー２０の内面とその内面に縦方向に設けられた整流板（仕切り板３１）とから構成することで、容易に整流するための機構を提供することができる。

本実施例の場合、３つの仕切り板３１により、２つの流路３０が設けられているが、冷却ユニット１２の冷却ファン１１が図１の紙面奥行方向に２つ配置されていることを前提としており、この２つの冷却ファン１１からそれぞれ排出された冷気の流れＡＦは、流路３０にガイドされて滞りなく上記電子機器の方へ向かう。なお、流路３０は、仕切り板３１により構成されることに限定されず、たとえば、断熱構造２１として提供される発泡ウレタンに縦方向の溝を設けて整流機能を有するようにしてもよい。

冷却ユニット１２は、冷却器１０と冷却ファン１１を内部に含む。本実施例の冷却ユニット１２は、ラック装置１００内部の最も下方に配置されているが、これに限定されず、たとえば、最も上方に配置されてもよいし、上記電子機器の間の中段に配置されてもよい。ただし、冷却器１０は水冷式なので、漏水事故を考慮すると、電子機器を水から保護するために電子機器より下方に配置することが好ましい。

冷却器１０は、パイプ４０を介して外部に配置されたチラーと接続されており、上記電子機器により暖められた空気を通過させることで空気を冷却し、空気から除去した熱をチラーに送り、冷媒を循環させることで、ラック装置１００内部を冷却し続ける。チラーや冷媒の種類は特に限定されない。冷却器１０は、複数の上記電子機器の内部の熱が排出される第一面側Ｓ１に吸気面Ｉｎと、上記電子機器が空気を吸入する第二面側Ｓ２に排気面Ｏｕｔとを備え、吸気面Ｉｎから吸入した空気を冷却し排気面Ｏｕｔから排出する。

このように、ラック装置１００の表面であるカバー２０において断熱構造２１を有しかつ気密性を有して備えると共に、内部に冷却器１０を有し、冷却器１０の排気面Ｏｕｔ側に排出される空気を整流するための流路３０を備えることで、屋外などに配置された場合であっても、大量の熱を発生する高密度な電子機器の適正な運用環境を維持するラック装置１００を提供することができる。

また、ラック装置１００の内部にサーバ装置等の電子機器を収納することで、屋外などに配置された場合であってもかかる電気機器の適正な運用環境が維持されたコンピュータシステム１を提供することができる。その結果、所謂エッジ側に人工知能を処理できるコンピュータシステム１を提供することができる。

＜第二実施例＞
図３を参照し、本実施例のラック装置１００Ａおよびコンピュータシステム１Ａを説明する。なお、重複記載を避けるため、上記実施例と同じ構成には同じ符号を付し説明を省略し、異なる点を中心に説明する。

ラック装置１００Ａは、ラック装置１００Ａの本体内に設けられ、上記サーバ装置２などの電子機器を支持するための骨組みとなるフレーム７０と、フレーム７０に取り付けられる天板、底板、第一面側Ｓ１の前板、第二面側Ｓ２の後板、および左右一対の側板から筐体状に形成されたカバー２０と、ラック装置１００Ａの内部を冷却する水冷式の冷却器１０Ａを含む冷却ユニット１２と、冷却器１０Ａの冷媒を通し、ラック装置１００Ａの外部に設けられるチラーと接続するためのパイプ４０と、第二面側Ｓ２に設けられるカバー２０の内面側に設けられ、冷却ユニット１２から排出される空気を整流するための流路３０と、複数の上記電子機器が第一面側Ｓ１に排出した空気を冷却器１０Ａへ流すためのファン５０と、第一面側Ｓ１および第二面側Ｓ２の空気圧差を検出する圧力センサ６０と、を備える。

ファン５０は、第一面側Ｓ１の中段に設けられ、ファン５０より上方にある電子機器が排出した空気を吸引すると共に、その吸引した空気とファン５０より下方にある電子機器が排出した空気を冷却器１０Ａの方へ押し流すような空気の流れＡＦを形成するように機能する。なお、ファン５０が設けられる位置は、中段に限らず、上段の方であってもよいし、冷却ユニット１２の直上辺りであってもよい。このようなファン５０を有することで、電子機器が排出した熱い空気を強制的に冷却器１０Ａの吸気面Ｉｎへ流すことで、大量の熱を発生する高密度な電子機器の運用環境をより効率的に維持することができる。また、本実施例においては、冷却器１０Ａは複数の電子機器より下方に設けられているので、ファン５０は、電子機器が第一面側Ｓ１に排出した熱い空気を下方へ流すことになる。このように、漏水事故を考慮すると水冷式の冷却器１０Ａは電子機器より下方に配置されることが多いが、ファン５０が、熱い空気が上昇することを抑制し、強制的に冷却器１０Ａの吸気面Ｉｎへ流すことで、大量の熱を発生する高密度な電子機器の運用環境をより効率的に維持することができる。

圧力センサ６０は、第一面側Ｓ１および第二面側Ｓ２に備えられ、第一面側Ｓ１および第二面側Ｓ２の空気の圧力の差を検出する。なお、本実施例では、圧力センサ６０は、第一面側Ｓ１および第二面側Ｓ２の両側に備えられているが、第一面側Ｓ１および第二面側Ｓ２の空気圧差を検出することができる限り、備えられる場所に限定されない。

サーバ装置２などにおいて処理量が大きくなると、これら電子機器内での発熱が大きくなり、それぞれの電子機器に設けられている電子機器内ファンが熱をそれぞれの電子機器内から排出するために高速に回転し始める。そうすると、それぞれの電子機器は、第二面側Ｓ２の空間の空気を吸入し、第一面側Ｓ１へ空気を排出することとなり、仮に冷却ファン１１がこれに特に対応しなければ、第一面側Ｓ１の空気圧は、第二面側Ｓ２の空気圧より高くなる。この状態を放置すると、それぞれの電子機器内から熱を排出できなくなるため、処理が正常に行われなくなる場合が生じてしまう。

本実施例における冷却器１０Ａは、圧力センサ６０が検出した空気圧差に基づき自身の冷却を制御する。すなわち、冷却器１０Ａは、上述したように、電子機器内の処理量が大きくなるなどして第一面側Ｓ１の空気圧が第二面側Ｓ２の空気圧より高くなった場合、冷却ファン１１をより高速回転させて、第一面側Ｓ１にある冷却器１０Ａの吸気面Ｉｎから第二面側Ｓ２にある排気面Ｏｕｔへの空気の流れの流量を大きくし、それぞれの電子機器内から熱を排出できなくなる状況を回避する。また、冷却器１０Ａは、チラーとの循環流量を多くしたり、冷媒自体の温度を低温にしたりするなど、自身の冷却能力を高めてもよい。本発明に係るラック装置１００Ａは、カバー２０が気密性を有して備えられていることから、電子機器の空気の排出側かつ冷却器１０Ａの吸気面Ｉｎが存する第一面側Ｓ１と、電子機器の空気の吸入側かつ冷却器１０の排気面Ｏｕｔが存する第二面側Ｓ２との間で空気圧の差が生ずる場合があるが、その差を圧力センサ６０が検出し、その空気圧差に基づき冷却を制御することで、第一面側Ｓ１と第二面側Ｓ２の空気圧のアンバランスを是正することができる。そして、両者の空気圧のアンバランスを是正することで、電子機器の適正な運用環境を効果的に維持することができる。

さらに、冷却器１０Ａは、圧力センサ６０が検出した空気圧差が最小となるように制御してもよい。このように、第一面側Ｓ１と第二面側Ｓ２の空気圧差が最小となるように制御することで、電子機器自身の冷却能力を妨げることなく最大の冷却能力を引き出すことができる。すなわち、第一面側Ｓ１と第二面側Ｓ２の空気圧差が最小であれば、電子機器が通常のデータセンタのサーバルーム内に設置された状態（通常の大気圧環境）となるので、ラック装置１００Ａ内の気密性が保たれた環境においても電子機器自身の冷却能力によりそれぞれの電子機器を冷却することができる状態を維持することができる。

また、電子機器内の処理量が大きい状態から小さい状態になるなどして第二面側Ｓ２の空気圧が第一面側Ｓ１の空気圧より高くなった場合、冷却ファン１１を低速に回転させるなどして、処理量を小さい状態に戻してもよい。これにより、ラック装置１００Ａは、無駄な電力を消費することを防止することができる。

また、圧力センサ６０に加えて、第一面側Ｓ１および／または第二面側Ｓ２の空気の温度を検出する温度センサ（図示せず）を備えてもよい。温度センサにより第一面側Ｓ１や第二面側Ｓ２の空気の温度またはそれらの差を検出することで、より複雑な制御を行うことが可能になる。

なお、本発明は、例示した実施例に限定するものではなく、特許請求の範囲の各項に記載された内容から逸脱しない範囲の構成による実施が可能である。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、数量、適用例、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。

１ コンピュータシステム
２ サーバ装置（電子機器）
３ ネットワーク装置（電子機器）
４ 無停電電源装置（電子機器）
１００ ラック装置
１０ 冷却器
１１ 冷却器ファン
１２ 冷却器ユニット
２０ カバー
２１ 断熱構造
３０ 流路
３１ 仕切り板（整流板）
４０ パイプ
５０ ファン
６０ 圧力センサ
７０ フレーム
Ｉｎ 吸気面
Ｏｕｔ 排気面
Ｓ１ 第一面側
Ｓ２ 第二面側
ＡＦ 空気の流れ

Claims (7)

1. 規格化された複数の電子機器を内部に収容するように構成された規格化されたラック装置であって、
   前記複数の電子機器の内部の熱が排出される第一面側に吸気面と、前記複数の電子機器が空気を吸入する第二面側に排気面とを備え、前記吸気面から吸入した空気を冷却し前記排気面から排出する水冷式の冷却器と、
   前記冷却器の媒体である液体を通し、外部のチラーと接続するためのパイプと、
   前記ラック装置の全面を気密性を有して覆うと共に、前記パイプを気密性を有して貫通させ、断熱構造を有するカバーと、
   前記第二面側に設けられる前記カバーの内面側に設けられ、前記排気面から排出される空気を整流するための流路と、
   前記第一面側および前記第二面側の空気圧差を検出する圧力センサと、
   を備え、
   前記冷却器は、前記圧力センサが検出した空気圧差に基づき自身の冷却を制御することを特徴とするラック装置。
2. 前記複数の電子機器が前記第一面側に排出した空気を前記冷却器へ流すためのファンをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のラック装置。
3. 前記冷却器は前記複数の電子機器より下方に設けられ、前記ファンは前記第一面側に排出される空気を下方へ流すことを特徴とする請求項２に記載のラック装置。
4. 前記冷却器は、前記圧力センサが検出した空気圧差が最小となるように制御することを特徴とする請求項１に記載のラック装置。
5. 前記流路は、前記第二面側に設けられる前記カバーの内面と該内面に縦方向に設けられた整流板とから構成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のラック装置。
6. 前記ラック装置は、ＥＩＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ａｌｌｉａｎｃｅ）規格の１９インチラックであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のラック装置。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載のラック装置と、
   前記ラック装置に搭載されるサーバ装置と、
   前記ラック装置に搭載されるネットワーク装置と、
   を有することを特徴とするコンピュータシステム。

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