JP7260265B2 - 空調システム - Google Patents

Description

本開示は、空調システムに関する。

例えば、特許文献１に記載の空調システムでは、省電力モードにて冷房能力を制御可能である。当該省電力モードは、ファン消費電力が目標ファン電力より大きい場合には冷房能力を増大させ、ファン消費電力が目標ファン電力より小さい場合には冷房能力を減少させる制御モードである。

ファン消費電力は、冷却用電動ファンの消費電力である。電動ファンは、ＣＰＵ等の情報処理ユニットを冷却するための送風機である。目標ファン電力は、予め設定された電動ファンについての目標消費電力である。

特開２０１８－５４９４号公報

特許文献１に記載の空調システムを効果的に実現するには、簡便、かつ、精度良くファン消費電力に相当する物理量を検出することが望ましい。本開示は、特許文献１に記載の空調システムを簡便、かつ、精度良く実行可能な空調システムの一例を開示する。

情報処理ユニットを冷却するための電動ファンを有する情報通信技術用機器が設置されたサーバ室内の空調を行う空調システムは、例えば、以下の構成要件のうち少なくとも１つを備えることが望ましい。

すなわち、当該構成要件は、サーバ室内に冷風を供給する空調装置（４）と、情報通信技術用機器から排出される空気の温度（以下、サーバ吹出温度という。）を検出する第１温度検出部（Ｓ１）と、情報通信技術用機器に供給されるサーバ室内空気の温度（以下、サーバ吸込温度という。）を検出する第２温度検出部（Ｓ２）と、空調装置（４）で生成する冷房能力を制御する制御装置（７）であって、省動力モードにて空調装置（４）を制御可能な制御装置（７）とである。

そして、電動ファン（１Ａ）の消費電力の上昇変化率が予め設定された上昇変化率以上となるときの「サーバ吹出温度」を目標温度（Ｔａ）としたとき、省動力モードは、温度検出部（Ｓ１）が検出した温度が目標温度（Ｔａ）以下となり、かつ、サーバ吸込温度が予め設定された上限温度以下となるように冷房能力を変化させる制御モードである。

つまり、当該空調システムは、「サーバ吹出温度」をファン消費電力に相当する物理量とし、当該「サーバ吹出温度」が目標温度（Ｔａ）となるように冷房能力を変化させる。これにより、当該空調システムでは、簡便、かつ、精度良くファン消費電力に相当する物理量を検出することが可能となり得る。

因みに、上記各括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的構成等との対応関係を示す一例であり、本開示は上記括弧内の符号に示された具体的構成等に限定されるものではない。

第１実施形態に係る空調システムの概念図である。 第１実施形態に係る空調システムの制御系ブロック図である。 第１実施形態に係る空調システムの制御を示すフローチャートである。 設定温度と空調装置の消費電力との関係を示すグラフである。 外気温度をパラメータとして、サーバ吸込温度とサーバ室の消費電力との関係を示すグラフである。 サーバ吸込温度と冷却ファンの消費電力との関係を示すグラフである。 サーバ吹出温度と冷却ファンの消費電力との関係を示すグラフである。 第２実施形態に係る空調システムの制御系ブロック図である。

以下の「発明の実施形態」は、本開示の技術的範囲に属する実施形態の一例を示すものである。つまり、特許請求の範囲に記載された発明特定事項等は、下記の実施形態に示された具体的構成や構造等に限定されるものではない。

少なくとも符号が付されて説明された部材又は部位は、「１つの」等の断りがされた場合を除き、少なくとも１つ設けられている。つまり、「１つの」等の断りがない場合には、当該部材は２以上設けられていてもよい。

（第１実施形態）
１．空調システムの構成
本実施形態は、通信機器室やサーバ室等（以下、サーバ室という。）の空調を行う空調システムに本開示を適用したものである。本開示に示された空調システムは、少なくとも符号が付されて説明された部材又は部位等の構成要素を備える。

サーバ室には、図１に示されるように、少なくとも１台の情報通信技術用機器（以下、ＩＣＴ装置という。）１及び少なくとも１台の室内空調機３等が設置されている。室内空調機３は、サーバ室内に冷風を供給してサーバ室内の空気を冷却する。

これにより、当該空気を介して各ＩＣＴ装置１が冷却される。室内空調機３は、室外空調機５等と共に空調装置４を構成する。室外空調機５は、室内空調機３にて吸熱した熱を室外に放熱する。

つまり、空調装置４は、サーバ室から回収した熱を室外に放出して冷熱を生成する。本実施形態に係る空調装置４は、サーバ室の床から室内に冷風を供給する。ＩＣＴ装置１から熱を回収して温度が上昇した温風は、天井から空調装置４に吸引される。

因みに、本実施形態に係る空調装置４は、室内空調機３と室外空調機５との間でフロン等の冷媒を循環させて冷房能力を発揮する蒸気圧縮式冷凍機により構成された個別分散方式の空調装置である。つまり、１つ又は複数の室内空調機３により構成されたグループ毎に、熱源機である冷凍機が設けられている。

各ＩＣＴ装置１は、情報処理を実行する演算ユニット（以下、情報処理ユニットという。）、及び電動式の冷却ファン１Ａ（図２参照）を有する。冷却ファン１Ａは、情報処理ユニット等の電気部品に室内空気を供給する。

冷却ファン１Ａは、（ａ）情報処理ユニットによる情報処理量の上昇、（ｂ）ＩＣＴ装置１内を流通する空気の温度上昇、及び（ｃ）情報処理ユニットの温度上昇等に応じて送風量が増加させる。

ＩＣＴ装置１内を流通する空気の温度とは、ＩＣＴ装置１に供給される室内空気の温度（以下、サーバ吸込温度という。）、又はＩＣＴ装置１から排出される空気の温度（以下、サーバ吹出温度という。）である。

各ＩＣＴ装置１には、図２に示されるように、少なくとも吹出温度センサＳ１が設けられている。吹出温度センサＳ１は、サーバ吹出温度を検出する。なお、各ＩＣＴ装置１には、吸込温度センサＳ２も設けられている。吸込温度センサＳ２は、サーバ吸込温度を検出する。

各ＩＣＴ装置１には、各冷却ファン１Ａの回転数を制御するファン制御部（図示せず。）が設けられている。各ファン制御部は、例えば、吸込温度センサＳ２の検出温度を利用して冷却ファン１Ａの回転数を制御する。

つまり、各冷却ファン１Ａは、空調装置４の制御装置７からの直接的な制御指令を受けることなく稼働する。なお、各ファン制御部は、冷却ファン１Ａの回転数を示す信号（以下、ファン周波数ともいう。）を外部に出力可能である。

制御装置７は、空調装置４が発揮する冷房能力を制御する。制御装置７は、図２に示されるように、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭ等を有するコンピュータにて構成されている。当該制御装置７は、ＲＯＭ等の不揮発性記憶部に予め記憶されたプログラム（ソフトウェア）に従って空調装置４の作動を制御する。

制御装置７には、各吹出温度センサＳ１及び各吸込温度センサＳ２の出力信号、並びに吹出空気温度検出部Ｓ３からの出力信号が入力されている。吹出空気温度検出部Ｓ３は、室内空調機３から吹き出す空気、つまり冷風の温度（以下、冷風温度Ｔｃという。）を検出する。なお、本実施形態に係る各吹出温度センサＳ１、各吸込温度センサＳ２及び吹出空気温度検出部Ｓ３は、サーミスター等の温度センサにて構成されている。

２．制御装置の制御作動
制御装置７は、少なくとも省動力モード制御にて空調装置４の冷房能力を制御することが可能である。制御装置７は、サーバ室の保守管理人による手動操作がされない限り、原則として、省動力モード制御を自動実行する。なお、保守管理人による手動操作がされたときには、設定温度制御が実行される。

２．１ 設定温度制御
設定温度制御においては、制御装置７は、冷風温度Ｔｃが設定温度Ｔｓｅｔとなるように、空調装置４の冷房能力を増減又は維持する。設定温度Ｔｓｅｔは、制御目標温度であって、特定の空気温度（例えば、２７℃）、又は当該特定の温度を含む所定範囲の空気温度（例えば、２５℃～２９℃）をいう。

そして、制御装置７は、冷風温度Ｔｃが設定温度Ｔｓｅｔより高い場合には、冷房能力を現時の冷房能力より増大させる。制御装置７は、冷風温度Ｔｃが設定温度Ｔｓｅｔより低い場合には、冷房能力を現時の冷房能力より減少させる。制御装置７は、冷風温度Ｔｃが設定温度Ｔｓｅｔであるときは、現時の冷房能力を維持する。

２．２ 省動力モード制御
＜省動力モードの概要＞
省動力モードにおいては、制御装置７は、サーバ吹出温度が目標温度Ｔａ以下となるように空調装置４の冷房能力を変化させる。目標温度Ｔａとは、冷却ファン１Ａの消費電力の上昇変化率が予め設定された上昇変化率以上となるときのサーバ吹出温度である。

本実施形態に係る目標温度Ｔａは、後述するように、例えば、（ａ）冷却ファン１Ａの下限回転数時のサーバ吹出温度」に相当するサーバ吹出温度、又は（ｂ）当該サーバ吹出温度を含む所定範囲の温度である。

冷却ファン１Ａの下限回転数は、冷却ファン１Ａの仕様である。なお、目標温度Ｔａは、試験や数値シミレーション、又は過去の実績に基づく経験値等により決定される値であってもよい。

省電力モードの実行時においては、制御装置７は、サーバ吹出温度が目標温度Ｔａより大きい場合には冷房能力を増大させ、サーバ吹出温度が目標温度Ｔａより小さい場合には冷房能力を減少させる。

具体的には、制御装置７は、省電力モードの実行時においては、サーバ吹出温度が目標温度Ｔａより高い場合には設定温度Ｔｓｅｔを低下させ、サーバ吹出温度が目標温度Ｔａより低い場合には設定温度Ｔｓｅｔを上昇させる。

サーバ吹出温度が目標温度Ｔａである場合には、制御装置７は、現時の冷房能力を維持又は冷房能力を増大させる。なお、本実施形態に係る制御装置７は、当該場合には、設定温度Ｔｓｅｔを低下させる。

本実施形態に係る制御装置７は、省動力モードの実行時に用いるサーバ吹出温度として、例えば、各吹出温度センサＳ１で検出されたサーバ吹出温度の平均値、中央値、最大値及び最小値等のうちいずれかの値を用いている。

制御装置７は、吸込温度センサＳ２が検出した温度、つまりサーバ吸込温度が予め設定された上限温度Ｔｓｕ以下となるように、省動力モードを実行する。上限温度Ｔｓｕは、ＩＣＴ装置１の製造メーカ等により予め決められた温度であって、ＩＣＴ装置１を正常稼働可能な上限温度である。

したがって、制御装置７は、サーバ吹出温度が目標温度Ｔａより低い場合であっても、サーバ吸込温度が上限温度Ｔｓｕである場合には、現時の設定温度Ｔｓｅｔを維持又は低下させる。

さらに、制御装置７は、予め設定された上限温度Ｔｓｅｔｕ以下の範囲で設定温度Ｔｓｅｔを上昇又は降下させる。上限温度Ｔｓｅｔｕは、製造メーカ等により指定された上限温度Ｔｓｕに基づいて決定される温度である。

＜省動力モード制御フローの一例＞
図３は、省動力モード制御フローの一例を示している。なお、括弧内の符号は、図３に示された制御ステップを示す。

省動力モードが実行されると、制御装置７は、サーバ吹出温度を取得した後（Ｓ１）、当該取得したサーバ吹出温度が目標温度Ｔａより低いか否かを判定する（Ｓ２）。制御装置７は、サーバ吹出温度が目標温度Ｔａより低いと判定した場合には（Ｓ２：ＹＥＳ）、設定温度Ｔｓｅｔを上昇させる（Ｓ５）。

制御装置７は、サーバ吹出温度が目標温度Ｔａより低くない、つまりサーバ吹出温度が目標温度Ｔａ以上であると判定した場合には（Ｓ２：ＮＯ）、設定温度Ｔｓｅｔを低下させる（Ｓ７）。

＜室内空調機が同一サーバ室内に複数設置されている場合＞
同一サーバ室内に複数の室内空調機３が設置されている場合、制御装置７は、特定のＩＣＴ装置１（冷却ファン１Ａ）と関連性が高い室内空調機３の設定温度Ｔｓｅｔを変更することにより、当該ＩＣＴ装置１についての省動力モードを実行する。

「関係性が高い」とは、例えば、以下の手法により判断される。
すなわち、制御装置７は、室内空調機３から吹き出す冷風温度変化に対するサーバ吸込温度の変化の割合が大きいほど「当該室内空調機３と当該ＩＣＴ装置１との関係性が高い」と判断する。

同一サーバ室内に、複数の室内空調機３及び仕様の異なる複数種類のＩＣＴ装置１が設置されている場合であって、ＩＣＴ装置１毎に目標温度Ｔａが異なる場合、制御装置７は、目標温度Ｔａ毎に適切な設定温度Ｔｓｅｔを設定して省動力モードを実行する。

つまり、本実施形態に係る制御装置７は、（ａ）複数の室内空調機３の中から対象となるＩＣＴ装置１と関連性が高い室内空調機３を選択し、（ｂ）その選択された室内空調機３の設定温度Ｔｓｅｔを変更制御することにより、対象となるＩＣＴ装置１についての省動力モードを実行する。

なお、特定の室内空調機３が複数のＩＣＴ装置１と関連性が高い場合には、制御装置７は、省費電力効果が高いと見込まれるＩＣＴ装置１との関連性を優先した省動力モードを実行する。省費電力効果とは、冷却ファン１Ａの消費電力及び空調装置４の消費電力の低下量が大きい場合、又は当該消費電力の値が小さい場合等をいう。

３．本実施形態に係る空調装置の特徴
＜冷却ファンの消費電力と目標電力との関係＞
省電力モードの実行時においては、以下の説明に示されるように、冷却ファン１Ａの消費電力Ｗｆが当該冷却ファン１Ａについての目標電力Ｗｔｆとなるように冷房能力が制御されることが望ましい。

すなわち、サーバ吸込温度を下げるには、制御装置７は、冷房能力を増大させて冷風温度Ｔｃを低下させる必要がある。つまり、サーバ吸込温度を下げると、空調装置４の消費電力が増大する可能性が高い（図４参照）。

ＩＣＴ装置１の消費電力は、主に情報処理ユニット等での消費電力と冷却ファン１Ａの消費電力との和である。サーバ吸込温度が下がると、少なくとも、冷却ファン１Ａの回転数が低下して冷却ファン１Ａの消費電力が低下する。

図５は、外気温度をパラメータとして、サーバ吸込温度とサーバ室の消費電力との関係を示す実験結果である。サーバ室の消費電力は、主にＩＣＴ装置１の消費電力（以下、ＩＣＴ電力という。）と空調装置４の消費電力（以下、空調電力という。）の和である。

当該実験結果に示されるように、サーバ吸込温度が特定の温度（以下、特定温度という。）付近になると、外気温度によらず、サーバ室の消費電力が最小となる。つまり、図５に示される実験結果は、「設定温度Ｔｓｅｔを上昇させて空調装置４の冷房能力を低下させても、サーバ室の消費電力が低下しない場合がある」ことを示している。

なお、特定温度は、ＩＣＴ装置１毎に決まる固定温度にならない場合がある。つまり、特定温度は、例えばＣＰＵの稼働率等に応じて変動する。換言すれば、特定温度は、特定の上限温度と特定の下限温度と間にある温度の総称である（図６参照）。

冷却ファン１Ａの消費電力Ｗｆは、冷却ファン１Ａの回転数の増減に応じて増減変化する。図６に示されるように、少なくとも冷却ファン１Ａの消費電力Ｗｆは、下限回転数時の消費電力を下回ることはない。

そして、ＩＣＴ電力のうち冷却ファン１Ａの消費電力が占める割合が比較的大きいため、サーバ吸込温度が特定温度となっているときは、冷却ファン１Ａが下限回転数で回転していると推定可能である。

したがって、目標電力Ｗｔｆを「ＩＣＴ装置１の仕様であって、冷却ファン１Ａの下限回転数時の消費電力」に相当する電力等として定義し、省電力モードの実行時においては、消費電力Ｗｆが目標電力Ｗｔｆとなるように冷房能力を制御すれば、消費電力を低減することが可能となる。

＜冷却ファンの消費電力と空気の温度との関係＞
図６に示されるように、サーバ吸込温度は特定温度を越えると、温度の上昇変化率が急激に大きくなる。図７に示されるように、サーバ吹出温度も特定温度に相当するサーバ吹出温度を越えたときから温度上昇変化率が急激に大きくなる。

そこで、本実施形態では、サーバ吹出温度の上昇変化率が予め設定された上昇変化率以上となるときのサーバ吹出温度を目標温度Ｔａとしている。つまり、本実施形態に係る目標温度Ｔａは、特定温度に相当するサーバ吹出温度である。

これにより、本実施形態に係る空調システムでは、ファン周波数を利用して冷却ファン１Ａの消費電力Ｗｆを検出する場合に比べて、当該消費電力Ｗｆの変化を、簡便かつ精度良く検出でき得る。延いては、空調システムの消費電力を低減することが可能となる。

図６及び図７に示されるように、サーバ吹出温度は、サーバ吸込温度に比べて、ＣＰＵ等の情報処理ユニットの稼働変化の影響を受け難い。つまり、サーバ吸込温度では、情報処理ユニットの稼働状況が増減すると、温度上昇変化率が大きく増減変化してしまう。

このため仮に、サーバ吸込温度を制御パラメータとする省動力モードでは、冷却ファン１Ａの消費電力Ｗｆの変化を、精度良く検出できない可能性がある。これに対して、本実施形態では、サーバ吹出温度を制御パラメータとする省動力モードであるので、冷却ファン１Ａの消費電力Ｗｆの変化を、精度良く検出でき得る。

（第２実施形態）
本実施形態は、図８に示されるように、冷却ファン１Ａの消費電力Ｗｆとサーバ吹出温度との関係を学習する学習部Ｌ１を備える。本実施形態に係る学習部Ｌ１は、予めＲＯＭに記憶されたソフトウェアがＣＰＵにて実行されることにより実現される。

以下の説明は、上述の実施形態との相違点に関する説明である。上述の実施形態と同一の構成要件等は、上述の実施形態と同一の符号が付されている。このため、本実施形態では、重複する説明は省略されている。

各冷却ファン１Ａには、当該冷却ファン１Ａの消費電力Ｗｆを検出するための消費電力検出部Ｓ４が設けられている。各消費電力検出部Ｓ４の検出信号は、学習部Ｌ１に入力されている。

本実施形態に係る各消費電力検出部Ｓ４は、冷却ファン１Ａの回転数を示す信号を出力する。学習部Ｌ１は、当該「回転数を示す信号」を利用して冷却ファン１Ａの消費電力Ｗｆを認識する。

学習部Ｌ１は、予め決められたタイミング又は予め決められた周期にて定期的に学習を実行する。学習部Ｌ１は、学習を実行する際には、設定温度Ｔｓｅｔを変化させるとともに、設定温度Ｔｓｅｔが変化したときのサーバ吹出温度及び冷却ファン１Ａの消費電力Ｗｆを記憶する。

学習部Ｌ１は、当該記憶したサーバ吹出温度及び消費電力Ｗｆを利用して消費電力Ｗｆとサーバ吹出温度との関係を学習していく。なお、具体的な学習方法は、不問である。学習部Ｌ１は、当該学習が完了する度に、学習結果を目標温度Ｔａに反映させる。

なお、本実施形態においても、空気の温度（具体的には、サーバ吹出温度）を制御パラメータとして省動力モードが実行される。その理由は、サーバ吹出温度は、情報処理ユニットの稼働変化の影響を受け難いからである。

（その他の実施形態）
上述の実施形態では、吸込温度センサＳ２から信号を利用してサーバ吸込温度を検出した。しかし、本開示はこれに限定されるものではない。すなわち、例えば、ＩＣＴ装置１の空気吸込口近傍に温度センサを配設し、当該温度センサを利用してサーバ吸込温度を検出してもよい。

上述の実施形態では、目標電力Ｗｔｆを「ＩＣＴ装置１の仕様であって、冷却ファン１Ａの下限回転数時の消費電力」に相当する電力等として定義した。しかし、本開示はこれに限定されるものではない。すなわち、例えば、サーバ室の消費電力が最小となるときの目標電力Ｗｔｆを予め実験や数値シミレーション等により求め、その求め値を目標電力Ｗｔｆとしてもよい。

上述の実施形態に係る空調装置４は、個別分散方式の空調装置であった。しかし、本開示はこれに限定されるものではない。すなわち、例えば、水等の媒体を介して１台の熱源機から複数の室内空調機に冷熱を分配供給する中央方式の空調装置４であってもよい。

上述の実施形態に係る空調装置４は、サーバ室内から吸熱した熱を外気に放熱する空調装置であった。しかし、本開示はこれに限定されるものではない。すなわち、例えば、サーバ室内から吸熱した熱を地下水や地中に放熱してもよい。

上実施形態に係る空調装置４は、サーバ室の床から室内に冷風を供給し、サーバ室の天井から温風を吸引した。しかし、本開示はこれに限定されるものではない。すなわち、例えば、当該空調装置４は、サーバ室の壁から温風を吸引してサーバ室の天井から冷風を供給する構成、又はサーバ室の床から温風を吸引してサーバ室の天井から冷風を供給する構成等であってもよい。

上述の実施形態に係る消費電力検出部Ｓ４は、冷却ファン１Ａの回転数を利用して消費電力Ｗｆを検出した。しかし、本開示はこれに限定されるものではない。すなわち、例えば、冷却ファン１Ａへの通電電流値を利用して消費電力Ｗｆを検出してもよい。

上述の実施形態に係る設定温度Ｔｓｅｔは、冷風温度Ｔｃを意図するものであった。しかし、本開示はこれに限定されるものではない。
すなわち、例えば、室内空調機３に吸い込まれる室内空気の温度、つまりＩＣＴ装置１を冷却した後の温風の温度を設定温度Ｔｓｅｔとしてもよい。なお、温風の温度を設定温度Ｔｓｅｔとした場合、具体的な設定温度Ｔｓｅｔは、冷風温度Ｔｃを設定温度Ｔｓｅｔとした場合に比べて高い温度となる。

上述の実施形態では、サーバ吹出温度を制御パラメータとして省動力モードを実行する構成であった。しかし、本開示はこれに限定されるものではない。すなわち、サーバ吸込温度を制御パラメータとして省動力モードを実行する構成であってもよい。

第２実施形態に係る学習部Ｌ１は、予めＲＯＭに記憶されたソフトウェアがＣＰＵにて実行されることにより実現されていた。しかし、本開示はこれに限定されるものではない。すなわち、例えば、学習部Ｌ１がハードウェアにて構成されていてもよい。

さらに、本開示は、上述の実施形態に記載された発明の趣旨に合致するものであればよく、上述の実施形態に限定されるものではない。したがって、上述した複数の実施形態のうち少なくとも２つの実施形態が組み合わせられた構成、又は上述の実施形態において、図示された構成要件もしくは符号を付して説明された構成要件のうちいずれかが廃止された構成でもよい。

１… ＩＣＴ装置
１Ａ… 冷却ファン
３… 室内空調機
４… 空調装置
５… 室外空調機
７… 制御装置
１１… 制御部
Ｓ１… 吹出温度センサ
Ｓ２… 吸込温度センサ
Ｓ３… 吹出空気温度検出部

Claims (2)

1. 情報処理ユニットを冷却するための電動ファンを有する情報通信技術用機器が設置されたサーバ室内の空調を行う空調システムにおいて、
   前記サーバ室内に冷風を供給する空調装置と、
   前記情報通信技術用機器から排出される空気の温度（以下、サーバ吹出温度という。）を検出する第１温度検出部と、
   前記情報通信技術用機器に供給されるサーバ室内空気の温度（以下、サーバ吸込温度という。）を検出する第２温度検出部と、
   前記空調装置で生成する冷房能力を制御する制御装置であって、省動力モードにて前記空調装置を制御可能な制御装置とを備え、
   前記電動ファンの消費電力の上昇変化率が予め設定された上昇変化率以上となるときの前記「サーバ吹出温度」を目標温度としたとき、
   前記省動力モードは、前記第１温度検出部が検出した温度が前記目標温度以下となり、かつ、前記サーバ吸込温度が予め設定された上限温度以下となるように前記冷房能力を変化させる制御モードである空調システム。
2. 前記電動ファンの消費電力を検出する消費電力検出部と、
   前記消費電力検出部により検出された消費電力と前記第１温度検出部が検出した空気の温度とを利用して、当該消費電力と当該空気の温度との関係を学習する学習部と
   を備える請求項１に記載の空調システム。

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