JP7350888B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

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Description

本開示は、冷凍サイクル装置に関する。
従来、ビル用マルチエアコンなどの冷凍サイクル装置では、室外空気と冷媒の熱交換量を調整し成績係数(COP:Coefficient Of Performance)を向上させるために、分割された室外熱交換器を備えるものがある。
また、冷房運転と暖房運転とが可能な冷凍サイクル装置では、冷媒回路に流路切替弁を備えている。流路切替弁が冷媒回路を冷房回路と暖房回路との間で切り替えることにより、冷凍サイクル装置は運転の変更が可能となる。流路切替弁は、たとえば、弁本体とともにパイロット電磁弁を備える。このような流路切替弁では、パイロット電磁弁を通して弁本体の高圧と低圧の圧力室が、それぞれ圧縮機の吐出側の高圧配管および圧縮機の吸入側の低圧配管に接続されている。回路切替時には、パイロット電磁弁を作動させることにより、弁本体の左右の圧力室に充満された冷媒の高低圧が入れ替わる。この2つの圧力室の差圧が弁本体を切替える動力として作用することにより、冷媒回路を冷房回路と暖房回路との間で切り替えることができる。
国際公開第2017/138108号
国際公開第2017/138108号(特許文献1)に記載された冷凍サイクル装置では、室外熱交換器が分割された冷媒回路を有し、冷房運転と暖房運転を切り替える際に、複数の流路切替弁を切り替える必要がある。一部の流路切替弁が切り替わると、冷房運転と暖房運転との間の切替過程において、高圧配管から低圧配管へ冷媒が直接流れるバイパス回路が形成され、流路切替弁の動力源である差圧が低下する。差圧が低下すると、やがて流路の切り替えが停止し、運転がうまく切り替わらない場合がある。
本開示は、上記のような課題を解決する実施の形態を説明するためになされたもので、切り替え性能が改善された冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。
本開示は、冷凍サイクル装置に関する。冷凍サイクル装置は、冷媒膨張機構および室内熱交換器に接続され、冷媒回路を構成する圧縮機、第1室外熱交換器および第2室外熱交換器と、冷媒回路において、圧縮機と第1室外熱交換器と第2室外熱交換器と室内熱交換器との間に接続され、圧縮機によって圧縮された冷媒の冷媒回路における流通方向を切り替える流路切替機構とを備える。冷媒回路において、第1室外熱交換器および第2室外熱交換器は冷媒が並行して流れるように配置される。冷凍サイクル装置は、第2室外熱交換器に流れる冷媒量を調整する流量調整機構をさらに備える。冷房運転と暖房運転との切替時に、流量調整機構によって、一時的に第2室外熱交換器への冷媒流路を閉止した状態としつつ、流路切替機構によって冷媒の流通方向が切り替えられる。
本開示の冷凍サイクル装置によれば、冷房運転と暖房運転などの間の運転の切り替え時に流路切替機構の切替に必要な差圧が確保されるため、スムーズに運転を切り替えることができる。
実施の形態1における冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。 冷房運転時の流路切替弁の状態を示す図である。 暖房運転時の流路切替弁の状態を示す図である。 低容量冷房運転時の冷凍サイクル装置100の状態を示す図である。 暖房運転時の冷凍サイクル装置100の状態を示す図である。 冷房運転から暖房運転への移行動作を説明するためのフローチャートである。 図6のステップS1において流量調整機構7が閉止された状態を示す図である。 図6のステップS7において流路切替弁2および流路切替弁3の切替が完了した状態を示す図である。 低容量冷房運転から暖房運転への移行動作の手順を示すフローチャートである。 暖房運転から低容量冷房運転への移行動作の手順を示すフローチャートである。 冷房運転から低容量冷房運転への移行動作の手順を示すフローチャートである。 低容量冷房運転から冷房運転の移行動作の手順を示すフローチャートである。 差圧が低下する場合の第1制御例を示す波形図である。 差圧が上昇する場合の制御例を示す波形図である。 差圧が低下する場合の第2制御例を示す波形図である。 流量調整機構7の閉止と圧縮機1の運転周波数の変更を組み合わせた状態で流路切替弁2,3を切り替える制御の手順を示すフローチャートである。 流量調整機構7の閉止と圧縮機1の運転周波数の変更を組み合わせた状態で流路切替弁2,3を切り替えた場合の制御例を示す波形図である。 実施の形態2における冷房運転から暖房運転への移行動作を説明するためのフローチャートである。 図18のステップS73において流路切替弁3の切替が完了した状態を示す図である。 実施の形態2における、低容量冷房運転から暖房運転への移行動作を説明するためのフローチャートである。 実施の形態2における、暖房運転から低容量冷房運転への移行動作を説明するためのフローチャートである。 実施の形態2における冷房運転から低容量冷房運転の移行動作を説明するためのフローチャートである。 低容量冷房運転から冷房運転の移行動作を説明するためのフローチャートである。 実施の形態3における冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。 冷房運転時の流路切替弁202の状態を示す図である。 暖房運転時の流路切替弁202の状態を示す図である。 実施の形態3の冷凍サイクル装置における低容量冷房運転時の冷媒の流れを示す図である。 実施の形態3の冷凍サイクル装置における暖房運転時の冷媒の流れを示す図である。 実施の形態3の冷凍サイクル装置における低容量暖房運転時の冷媒の流れを示す図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。以下では、複数の実施の形態について説明するが、各実施の形態で説明された構成を適宜組み合わせることは出願当初から予定されている。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
実施の形態1.
<冷凍サイクル装置100の構成>
図1は、実施の形態1における冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。図1には、冷房運転時の冷媒回路と冷媒の流れが示される。冷凍サイクル装置100は、室外機50と、室内機60とを備える。室外機50と室内機60とは、冷媒を流通させる二本の配管26,28で接続されている。
室外機50は、圧縮機1と、第1室外熱交換器4と、第1ファン14と、第2室外熱交換器5と、第2ファン15と、流量調整機構6,7と、流路切替機構20と、制御装置30とを備える。室内機60は、冷媒膨張機構8と、室内熱交換器9と、ファン19とを含む。
流路切替機構は、さまざまな構成が考えられるが、本実施の形態では、流路切替弁2,3を含んで構成される例が示される。流路切替弁2は、四方弁であり、流路切替弁3は四方弁の1ポートが閉止された三方弁である。
冷凍サイクル装置100の冷媒回路は、圧縮機1から吐出された冷媒が、流路切替機構20、配管22,23、第1室外熱交換器4、第2室外熱交換器5、配管24,25、流量調整機構6,7、配管26、冷媒膨張機構8、配管27、室内熱交換器9、配管28を通過した後、流路切替機構20を再度通過し、圧縮機1へと至るように構成される。
<流路切替機構20の流路切替弁の構成>
図2は、冷房運転時の流路切替弁の状態を示す図である。図2においては、代表として流路切替弁2について説明するが、流路切替弁3についても構造は同様である。流路切替弁3については、接続先を示す参照符号を括弧内に示す。
流路切替弁2は、圧縮機1の吐出口に接続された配管21と、圧縮機1の吸入口に接続された配管29とに接続されている。圧縮機1が作動しているときは、配管21を流通する冷媒の圧力は、配管29を流通する冷媒の圧力よりも高い。流路切替弁2には、弁本体とは別にパイロット電磁弁を用いた圧力切替部145が設けられている。弁本体と圧力切替部145とは、高圧接続管131、低圧接続管132、第1連通流路147a、第2連通流路147bによって接続されている。高圧接続管131は、流路切替弁2の流路2aの入口側に繋がる配管21と接続される。低圧接続管132は、流路切替弁2の流路2bの出口側に繋がる配管29と接続される。
なお、流路切替弁3については、高圧接続管131は、流路切替弁3の流路3aの入口側に繋がる配管21と接続され、低圧接続管132は、流路切替弁3の流路3bの出口側に繋がる配管29と接続される。
したがって、高圧接続管131には、高圧冷媒が導入される。また、低圧接続管132には、低圧冷媒が導入される。
図2に示すように、流路切替弁2は、第1容器133内に形成される第1圧力室134および第2圧力室135を有する。第1圧力室134および第2圧力室135のいずれか一方には、高圧接続管131からの高圧冷媒が導入され、他方には低圧接続管132からの低圧冷媒が導入される。第1圧力室134および第2圧力室135に導入される高圧冷媒と低圧冷媒は、入れ替えることが可能である。流路切替弁2は、第1容器133内を第1圧力室134に仕切る第1仕切部136と、第1容器133内を第2圧力室135に仕切る第2仕切部137とを有する。第1容器133において、第1仕切部136と第2仕切部137と間には弁体室140が形成される。流路切替弁2は、第1仕切部136と第2仕切部137とを弁体室140において連結する連結部138を有する。流路切替弁2は、連結部138の途中に設けられた弁体139を有する。
第1仕切部136と第2仕切部137との間の距離は、連結部138および弁体139によって固定長とされている。したがって、第1容器133内における第1圧力室134の容積と第2圧力室135の容積との合計は、一定であり、一方が増加すると他方は減少するように相補に容積が増減するように構成されている。弁体139は、第1仕切部136および第2仕切部137に連動してスライド可能に配置される。
流路切替弁2の場合は、第1容器133における弁体室140には、流路2a,2bを構成する4つの配管21,22,28および29が接続されている。具体的には、流路切替弁2は、流路2aの入口側に繋がる配管21と、流路2bの出口側に繋がる配管29と、流路2bの入口側に繋がる配管28と、流路2aの出口側に繋がる配管22とを有する。
なお、流路切替弁3の場合には、弁体室140には、流路3a,3bを構成する4つの配管21,22,28および29が接続されている。流路切替弁3の場合には、配管21は流路3aの入口側に繋がり、配管29は、流路3bの出口側に繋がり、配管28は、流路3bの入口側に繋がり、配管22は、流路3aの出口側に繋がる。
流路切替弁2に接続されている4つの配管21,22,28,29のうち3つの配管22,28,29は、弁体139のスライド範囲内において並んで配置されている。配管29は、配管22と配管28との間に配置されている。流路切替弁3の場合には、弁体139のスライド範囲内において、第1容器133は、配管22の代わりに配管23に接続され、配管28の代わりに閉止された管に接続される。
図2においては、弁体139は、流路切替弁2の場合は、流路2bの出口側に繋がる配管29と流路2bの入口側に繋がる配管28とを内部で疎通させる。また、流路切替弁3の場合は、弁体139は、流路3bの出口側に繋がる配管29と流路3bの入口側に繋がる配管28とを内部で疎通させる。
弁体139の外側において、配管21と、配管22,28のいずれか一方とが弁体室140を介して繋がっている。このため、第1容器133における第1仕切部136と第2仕切部137との間の弁体室140内には、高圧冷媒が流通する。弁体室140内に高圧冷媒が流通することにより、弁体139が第1容器133の内壁に押し付けられ、低圧冷媒が流通している弁体139内への高圧冷媒の流入が防止される。
図3は、暖房運転時の流路切替弁の状態を示す図である。図3においては、図2に示した状態から図3に示す状態に弁体139がスライドし、流路切替弁2には流路2c,2dが形成され、流路切替弁3には流路3c,3dが形成される。
流路切替弁2の場合、弁体139は、流路2dの出口側に繋がる配管29と流路2dの入口側に繋がる配管22とを内部で疎通させる。流路切替弁3の場合、弁体139は、流路3dの出口側に繋がる配管29と流路3dの入口側に繋がる配管23とを内部で疎通させる。
弁体139は、スライド範囲内で、第1圧力室134および第2圧力室135の冷媒圧力の差圧に応じて、移動可能に構成される。流路切替弁2および流路切替弁3は、図2に示した状態と図3に示した状態との間で切替自在である。
図3に示した状態においても、第1容器133における第1仕切部136と第2仕切部137との双方の間の弁体室140内には、配管21からの高圧冷媒が流通する。弁体室140内に高圧冷媒が流通することにより、弁体139が第1容器133の内壁に押し付けられ、低圧冷媒が流通している弁体139内への高圧冷媒の流入が防止される。
<圧力切替部145の構成>
流路切替弁2は、高圧接続管131と低圧接続管132に導入される高圧冷媒および低圧冷媒を切り替える圧力切替部145を有する。流路切替弁3に対しても、流路切替弁2に用いられる圧力切替部とは別の同様な構成の圧力切替部が設けられる。
圧力切替部145は、高圧接続管131および低圧接続管132が接続された第2容器146を有する。圧力切替部145は、第2弁体148を有する。第2弁体148は、第2容器146内に配置され、スライドするように構成される。このスライド範囲内において、第2弁体148の内部は、低圧接続管132の接続部と常時疎通する。また、第1圧力室134に連通した第1連通流路147aの接続部と第2圧力室135に連通した第2連通流路147bの接続部とのいずれか一方が第2弁体148の内部に疎通する。
圧力切替部145は、第2弁体148をスライドさせる駆動部149を有する。駆動部149は、電磁石150と、通電された電磁石150に吸引されるプランジャ151と、プランジャ151の吸引方向に反発するバネ152と、によって構成されている。第2弁体148とプランジャ151との間には、連結棒153が設けられている。電磁石150は、供給される電力によってプランジャ151を電磁石150側に吸引する。第2弁体148は、プランジャ151と連動する。バネ152は、棒状の電磁石150の周囲に配置される。バネ152は、弾性力によって第2弁体148およびプランジャ151を電磁石150から遠ざけるように配置されている。
圧力切替部145には、第1圧力室134に連通した第1連通流路147aと、第2圧力室135に連通した第2連通流路147bと、が接続されている。
図2に示す状態では、電力が制御装置30によって圧力切替部145の電磁石150に供給されている。この場合、バネ152の反発力に対抗して第2弁体148が電磁石150側に吸引される。これにより、低圧接続管132の接続部と第2圧力室135に連通した第2連通流路147bの接続部とが第2弁体148の内部にて疎通する。このとき、高圧接続管131の接続部と第1圧力室134に連通した第1連通流路147aの接続部とが第2弁体148の外側にて疎通する。
一方、図3に示す状態では、制御装置30が圧力切替部145の電磁石150に電力を供給していない。この場合、バネ152の反発力によって第2弁体148が電磁石150側から遠ざかる。これにより、低圧接続管132の接続部と第1圧力室134に連通した第1連通流路147aの接続部とが第2弁体148の内部にて疎通する。このとき、高圧接続管131の接続部と第2圧力室135に連通した第2連通流路147bの接続部とが第2弁体148の外側にて疎通する。
図2、図3に示した2つの状態のいずれにおいても、圧力切替部145の第2容器146内かつ第2弁体148の外側に高圧冷媒が流通することにより、第2弁体148が第2容器146の内壁に押し付けられ、低圧冷媒が流通している第2弁体148内への高圧冷媒の流入が防止されている。
<冷房運転>
冷房運転時は、図1および図2に示すように流路切替弁2および流路切替弁3により圧縮機1の吐出側と第1室外熱交換器4および第2室外熱交換器5が連通する。具体的には、流路切替弁2の流路2aおよび流路2b並びに流路切替弁3の流路3aおよび流路3bが連通状態に設定される。また、流路切替弁2の流路2cおよび2d並びに流路切替弁3の流路3cおよび3dが閉止状態に設定される。
圧縮機1で高温高圧にされた蒸気冷媒は流路切替弁2および流路切替弁3を通過し、それぞれ第1室外熱交換器4および第2室外熱交換器5に流入する。第1室外熱交換器4および第2室外熱交換器5はこのとき凝縮器として機能する。高温高圧の蒸気冷媒が、冷媒よりも低温の室外空気へ放熱を行なうことにより凝縮し、高圧の液冷媒となる。この高圧の液冷媒は、流量調整機構6,7を通過する際に流量が調整される。その後、高圧の液冷媒は冷媒膨張機構8で膨張し、低温低圧の気液二相冷媒となり、室内熱交換器9に流入する。室内熱交換器9はこのとき蒸発器として機能する。低圧低温の気液二相冷媒は、冷媒よりも高温の室内空気から吸熱を行なうことにより蒸発し、低圧の蒸気冷媒となる。その後、低圧の蒸気冷媒は、流路切替弁2を再度経由し、圧縮機1に吸入される。以降同様の過程で冷媒は冷凍サイクルを循環する。
また、室内温度よりも室外温度が低い場合の冷房運転(例えば、外気7℃、室内25℃)で運転効率を向上させるために、室外機の能力を落として冷房運転を行なう場合がある。このような冷房運転を以下において低容量冷房運転と言うことにする。
図4は、低容量冷房運転時の冷凍サイクル装置100の状態を示す図である。図4に示すように流路切替弁2により圧縮機1の吐出側と第1室外熱交換器4が連通し、流路切替弁3により圧縮機の吸入側と第2室外熱交換器5が連通する。具体的には、流路切替弁2の流路2aおよび流路2b並びに流路切替弁3の流路3cおよび流路3dが開かれる。また、流路切替弁2の流路2cおよび流路2d並びに流路切替弁3の流路3aおよび流路3bが閉じられる。その後、流量調整機構7は閉止され、低容量冷房運転では、第2室外熱交換器5には冷媒が流入しない。これにより、第2室外熱交換器5の熱交換容量が低減される。
<暖房運転>
図5は、暖房運転時の冷凍サイクル装置100の状態を示す図である。
暖房運転は、図5のように流路切替弁2および流路切替弁3により圧縮機1の吐出側と室内熱交換器9が連通する。具体的には、暖房運転では、流路切替弁2および流路切替弁3において、流路2cおよび流路3c並びに流路2dおよび流路3dが開かれる。また、流路切替弁2および流路切替弁3において、流路2aおよび流路3a並びに流路2bおよび流路3bが閉じられる。
圧縮機1において高温高圧に圧縮された蒸気冷媒は、流路切替弁2を通過し、室内熱交換器9に流入する。室内熱交換器9はこのとき凝縮器として機能する。冷媒よりも低温の室内空気へ放熱を行なうことによって、高温高圧の蒸気冷媒は凝縮し、高圧の液冷媒となる。冷媒膨張機構8を通過することで、高圧の液冷媒は膨張し冷温低圧の気液二相冷媒となる。冷温低圧の気液二相冷媒は、流量調整機構6,7を通過した後、第1室外熱交換器4および第2室外熱交換器5に流入する。第1室外熱交換器4および第2室外熱交換器5は、このとき蒸発器として機能する。冷媒よりも高温の室外空気から吸熱を行なうことによって、低圧低温の気液二相冷媒は蒸発し、低圧の蒸気冷媒となる。その後、低圧の蒸気冷媒は、流路切替弁2、流路切替弁3を経由し、圧縮機1に吸入され、以降同様の過程で冷凍サイクルを循環する。
<冷房運転と暖房運転の移行>
図6は、冷房運転から暖房運転への移行動作を説明するためのフローチャートである。なお、暖房運転から冷房運転への移行動作も同様に図6のように制御される。
図1の冷房運転中に流路切替弁2よりも流路切替弁3が先に切り替わると、圧縮機1の吐出ガスが流路切替弁2、第1室外熱交換器4、流量調整機構6,7、第2室外熱交換器5、流路切替弁3を順に通過し、圧縮機1の吸入側へ流れる高圧部と低圧部とを膨張機構による減圧なしにバイパスする回路が形成される。この回路により、流路切替弁2,3の切替に必要な圧縮機1の吐出側と吸入側の差圧が低下し、切替動力が低下する。
この閉回路を遮断するため、図6のステップS1に示すように、制御装置30は、まず流量調整機構7を閉止する。
図7は、図6のステップS1において流量調整機構7が閉止された状態を示す図である。図7においては、流量調整機構7が閉止されたことにより、第2室外熱交換器5を通過していた冷媒が遮断される。
続いて、図6のステップS2において、制御装置30は、流路切替弁3の切替を開始する。流路切替弁3は、図2に示す状態から図3に示す状態に向けて弁体139が移動する。この過程において、流路切替弁3の内部で配管21から配管29へバイパスする経路が一時的に形成される。たとえば、図2の状態から弁体139がわずかに第1圧力室134に向けて移動すると、配管28の接続口が弁体139で完全に閉止されない状態で、弁体室140と連通する。すると、配管21、弁体室140、配管28の入口部、弁体139の内部、配管29の順に冷媒が流れるバイパス経路が形成される。したがって、弁体139の移動中は、差圧はある程度低下する。ただし、流量調整機構7が閉止されているので、差圧の低下量はわずかで済み、弁体139が完全に移動し、流路切替弁3の切り替えが完了すると差圧の低下分は元に戻る。
ステップS3においては、制御装置30は、圧力センサ10,11の検出値の差によって差圧を監視する。
制御装置30は、ステップS3における流路切替弁の切り替え可否の確認を、図1の高圧部の圧力センサ10と低圧部の圧力センサ11を用いて行なう。制御装置30は、流路切替弁内で生じる一時的な内部バイパスで差圧が判定値よりも低下している場合は、切り替えが途中であると判断する。一方、制御装置30は、判定値以上の差圧が確保されている場合には、切替が完了したと判断する(ステップS4)。
その後、制御装置30は、ステップS5において流路切替弁2の切替を開始し、同様にステップS6で差圧を監視し、現在の差圧が判定値以上となったことによって、流路切替弁2の切替が完了したと判断する(ステップS7)。
図8は、図6のステップS7において流路切替弁2および流路切替弁3の切替が完了した状態を示す図である。
図8のように、流路切替弁2および流路切替弁3の切替が完了すると、最後にステップS8において流量調整機構7を開放し、図5に示した暖房運転に移行する。以上図6に示した動作順序で切替を行なうことによって、流路切替弁2,3の切替動力となる差圧を確保した状態で冷房運転から暖房運転へ移行することができる。
なお、図6においては、流路切替弁3を先に切り替え、その後流路切替弁2を切り替えたが、切替順は逆でもよい。すなわち、流路切替弁2を先に切り替え、その後流路切替弁3を切り替えてもよい。
暖房運転から冷房運転への移行動作においても、図6に示した動作順序で切り替えを実施する。
<低容量冷房運転と暖房運転の移行>
図9は、低容量冷房運転から暖房運転への移行動作の手順を示すフローチャートである。図4に示した低容量冷房運転中に、ステップS11において、流路切替弁2の切替を開始する。そして、ステップS12において現在の差圧が判定値以上となるまで待って、ステップS13において流路切替弁2の切替が完了する。このときの状態は、図8に示すようになる。
流路切替弁2が切替完了した後、最後にステップS14において流量調整機構7を開放し、図5に示した暖房運転に移行する。
図10は、暖房運転から低容量冷房運転への移行動作の手順を示すフローチャートである。図5に示した暖房運転を実行中の状態から、ステップS21において、流量調整機構7が全閉状態とされる。このときの状態は、図8に示すようになる。そして、ステップS22において、流路切替弁2の切替を開始し、ステップS23において現在の差圧が判定値以上となるまで待つ。ステップS24において流路切替弁2の切替が完了すると、図4に示した低容量冷房運転に移行する。
<冷房運転と低容量冷房運転の移行>
図11は、冷房運転から低容量冷房運転への移行動作の手順を示すフローチャートである。図1に示した冷房運転を実行中の状態から、ステップS31において、流量調整機構7が全閉状態とされる。このときの状態は、図7に示すようになる。そして、ステップS32において、流路切替弁3の切替を開始し、ステップS33において現在の差圧が判定値以上となるまで待つ。ステップS34において流路切替弁3の切替が完了すると、図4に示した低容量冷房運転に移行する。
図12は、低容量冷房運転から冷房運転の移行動作の手順を示すフローチャートである。図4に示した低容量冷房運転中に、ステップS41において、流路切替弁3の切替を開始し、ステップS42において現在の差圧が判定値以上となるまで待つ。ステップS43において流路切替弁3の切替が完了すると、図7に示す状態になる。
流路切替弁3が切替完了した後、最後にステップS44において流量調整機構7を開放し、図1に示した冷房運転に移行する。
<圧縮機と流量調整機構を併用した弁切り替え>
流路切替弁は切り替えにある程度の差圧が必要であるが、差圧が増加しすぎると、流路切替弁内部で生じる急激な圧力変動により連結部138または弁体139が破損する恐れがある。また、切り替え制御の途中に、高圧部の圧力の増加または低圧部の圧力の低下が大きいと、冷媒回路を保護するための制御が作動することも考えられる。図13、図14、図15を用いてこれらの問題を説明する。
図13は、差圧が低下する場合の第1制御例を示す波形図である。図13に示すように、圧縮機1の運転周波数を最大周波数で一定とし、かつ流量調整機構7を開放した状態で流路切替弁2,3を切り替えると、流路切替弁3の切り替え後に時刻t3~t4において差圧が低下した状態で流路切替弁2を切り替えるため、切り替えが途中で停止する可能性がある。
図14は、差圧が上昇する場合の制御例を示す波形図である。図14に示すように、圧縮機1の運転周波数を最大周波数で一定とし、流量調整機構7を閉止した状態で切り替えると、時刻t2~t5において、差圧が上昇する。このときに、流路切替弁2,3を切り替えると、切替に必要な圧力に対して、差圧が過大である可能性があり、流路切替弁2,3の内部破損につながる恐れがある。差圧が過大となることを防止するには、圧縮機1の運転周波数を下げることが考えられる。
図15は、差圧が低下する場合の第2制御例を示す波形図である。図15に示すように、圧縮機1の運転周波数を最低周波数に下げ、かつ流量調整機構7を開放した状態で流路切替弁2,3を切り替えると、流路切替弁3の切り替え後に時刻t3~t4において差圧が低下した状態で流路切替弁2を切り替えるため、切り替えが途中で停止する可能性がある。
よって、これらを防止するために、流量調整機構7を閉止した状態で、圧縮機1を最低周波数で運転させ差圧を適切にした状態で流路切替弁を切り替えるのが良い。
図16は、流量調整機構7の閉止と圧縮機1の運転周波数の変更を組み合わせた状態で流路切替弁2,3を切り替える制御の手順を示すフローチャートである。
図16のステップS51においては、まず最初に圧縮機1の運転周波数が最低周波数に設定される。ここで、最低周波数は、圧縮機1を運転させるために設定可能な運転周波数の下限である。続いて、ステップS52に示すように、制御装置30は、流量調整機構7を閉止する。さらにステップS53において、制御装置30は、流路切替弁3の切替を開始する。
ステップS54においては、制御装置30は、圧力センサ10,11の検出値の差によって差圧を監視する。
制御装置30は、流路切替弁内で生じる一時的な内部バイパスで差圧が判定値よりも低下している場合は、切り替えが途中であると判断する。一方、制御装置30は、判定値以上の差圧が確保されている場合には、切替が完了したと判断する(ステップS55)。
その後、制御装置30は、ステップS56において流路切替弁2の切替を開始し、同様にステップS57で差圧を監視し、現在の差圧が判定値以上となったことによって、流路切替弁2の切替が完了したと判断する(ステップS58)。
流路切替弁2および流路切替弁3の切替が完了すると、ステップS59において流量調整機構7を開放する。最後に、ステップS60において、低下させていた圧縮機1の運転周波数を通常制御時の周波数に戻す。
以上図16に示した動作順序で切替を行なうことによって、流路切替弁2,3の切替動力となる差圧を適切な圧力とした状態で冷房運転から暖房運転へ移行することができる。
なお、図16においては、流路切替弁3を先に切り替え、その後流路切替弁2を切り替えたが、切替順は逆でもよい。すなわち、流路切替弁2を先に切り替え、その後流路切替弁3を切り替えてもよい。
暖房運転から冷房運転への移行動作においても、図16に示した動作順序で切り替えを実施することができる。
図17は、流量調整機構7の閉止と圧縮機1の運転周波数の変更を組み合わせた状態で流路切替弁2,3を切り替えた場合の制御例を示す波形図である。
図17のように、圧縮機1の運転周波数を時刻t1~t6において最低周波数とし、時刻t2~t5において流量調整機構7を閉止した状態とすると、時刻t2~t5における差圧は、適切な差圧に調整される。したがって、故障を招くような過剰な差圧が生じることなく、差圧が不足することなく、適切な状態で流路切替弁2,3を切り替えることが可能となる。
実施の形態2.
実施の形態2では、実施の形態1と同事項の説明が省略され、その特徴部分のみが説明されている。実施の形態2では、冷房運転から暖房運転に切り替える際に、流量調整機構7を開いたままの状態で圧縮機1の周波数を調整することにより差圧を維持つつ、流路切替弁を切り替える。
<冷房運転と暖房運転の移行>
図18は、実施の形態2における冷房運転から暖房運転への移行動作を説明するためのフローチャートである。ステップS71において、制御装置30は、最初に流路切替弁3の切替を開始する。切替途中は差圧が低下するため、ステップS72において制御装置30は切替に必要な適切な差圧となるよう圧縮機1の周波数を調整する。そしてステップS73において流路切替弁3の切替が完了する。
図19は、図18のステップS73において流路切替弁3の切替が完了した状態を示す図である。図19においては、流路切替弁3が切り替えられたことによって、第1室外熱交換器4を通過した冷媒の一部が第2室外熱交換器5を経由して圧縮機1に戻ってしまうバイパス経路が形成されている。このときの差圧の低下を補うために、圧縮機1の運転周波数が予め高められているので、続いて流路切替弁2を切り替えるための差圧は確保されている。
流路切替弁3の切替完了後、続いて、ステップS74において制御装置30は、流路切替弁2の切り替えを開始する。ステップS75において、切替に必要な適切な差圧となるよう圧縮機1の周波数の調整が行なわれているため、ステップS76において、流路切替弁2を切り替えが問題なく完了する。
暖房運転から冷房運転への移行動作も図18と同様に実施することができる。
<冷房運転と低容量冷房運転の移行>
図20は、実施の形態2における、低容量冷房運転から暖房運転への移行動作を説明するためのフローチャートである。ステップS81において、制御装置30は、流路切替弁2の切り替えを開始する。ステップS82において、制御装置30は、切替に必要な適切な差圧となるよう圧縮機1の周波数を調整し、図8に示した状態となるように流路切替弁2を切り替える。ステップS83における切替完了後、ステップS84において、制御装置30は、流量調整機構7を開放する。
図21は、実施の形態2における、暖房運転から低容量冷房運転への移行動作を説明するためのフローチャートである。最初にステップS91において制御装置30は図8に示した状態となるように流量調整機構7を閉止する。次にステップS92において制御装置30は、流路切替弁2の切り替えを開始する。ステップS93において制御装置30は切替に必要な適切な差圧となるよう圧縮機1の周波数を調整し、ステップS94において流路切替弁2の切り替えを完了する。
<冷房運転と低容量冷房運転の移行>
図22は、実施の形態2における冷房運転から低容量冷房運転の移行動作を説明するためのフローチャートである。最初に、ステップS101において、制御装置30は、図7に示した状態となるように流量調整機構7を閉止する。次にステップS102において、制御装置30は、流路切替弁3の切り替えを開始する。ステップS103において、制御装置30は、切替に必要な適切な差圧となるよう圧縮機1の周波数を調整し、ステップS104において流路切替弁3の切替を完了する。
図23は、低容量冷房運転から冷房運転の移行動作を説明するためのフローチャートである。最初にステップS111において、制御装置30は、流路切替弁3の切り替えを開始する。ステップS112において、制御装置30は、切替に必要な適切な差圧となるよう圧縮機1の周波数を調整し、図7に示した状態となるように流路切替弁3を切り替える。ステップS113における切替完了後、ステップS114において、制御装置30は、流量調整機構7を開放する。
以上説明したように、実施の形態2では、バイパス経路によって差圧が低下する場合に圧縮機1の運転周波数を増加させて差圧を適切に保つため、流路切替弁2,3の切替を問題なく完了することができる。
実施の形態3.
実施の形態3では、実施の形態1および2と同事項の説明が省略され、その特徴部分のみが説明されている。実施の形態1および2では、流路切替機構20は、流路切替弁2および3によって構成され、流路切替弁2としては方弁が用いられ、流路切替弁3としては方弁が用いられていた。実施の形態3では、流路切替機構の他の構成について説明する。
<冷凍サイクル装置200の構成>
図24は実施の形態3における冷凍サイクル装置の冷媒回路図である。図24には、冷房運転時の冷媒回路と冷媒の流れが示される。冷凍サイクル装置200は、室外機250と、室内機260とを備える。室外機250と室内機260とは、冷媒を流通させる二本の配管で接続されている。
室外機250は、圧縮機201と、第1室外熱交換器204と、第2室外熱交換器205と、流量調整機構206,207と、流路切替機構220とを備える。室内機260は、冷媒膨張機構218,228,238と、室内熱交換器219,229,239と、三方弁246,247,248と、気液分離器242と、流量調整弁208,243とを含む。
流路切替機構は、実施の形態3では、流路切替弁202,203を含んで構成される例が示される。流路切替弁202は、六方弁であり、流路切替弁203は四方弁の1ポートに逆止弁が接続された弁である。
図24に示す冷房運転では、圧縮機201から吐出された冷媒が、流路切替機構220、配管222,223、第1室外熱交換器204、第2室外熱交換器205、流量調整機構206,207、配管226、を通過した後に流路切替機構220を再度通過する。そして冷媒は、気液分離器242、冷媒膨張機構218,228,238、室内熱交換器219,229,239、三方弁246,247,248を通過した後、流路切替機構220を再度通過し、圧縮機201へと至る。
図面が複雑になるのを避けるため、図1の制御装置30は、図24には記載していないが、流路切替機構220を制御する制御装置は同様に設けられている。図27以降の図においても同様である。
<流路切替機構220の流路切替弁の構成>
流路切替機構220を構成する弁のうち流路切替弁203は、四方弁であり、その構造は図2、図3で説明した構造と同じであるので説明は繰り返さない。流路切替機構220を構成する弁のうち流路切替弁202は、六方弁であり同様な差圧で弁体が駆動される。その構造について簡単に説明する。
図25は、冷房運転時の流路切替弁202の状態を示す図である。図26は、暖房運転時の流路切替弁202の状態を示す図である。図25、図26において、接続先を示すポートP1~P6は、図24に対応している。
流路切替弁202は、圧縮機201の吐出口に接続されたポートP1と、圧縮機201の吸入口に接続されたポートP2とを有する。ポートP1を流通する冷媒の圧力は、ポートP2を流通する冷媒の圧力よりも高い。この圧力差が流路切替弁202の切替に必要な差圧となる。
流路切替弁202は、さらに、容器333内に形成される第1圧力室334および第2圧力室335を有する。図25、図26には図示しないが、図2の圧力切替部145と同様な切替部によって、第1圧力室334および第2圧力室335のいずれか一方には、ポートP1と同様の高圧冷媒が導入され、他方にはポートP2と同様の低圧冷媒が導入される。流路切替弁202は、さらに、容器333内を第1圧力室334に仕切る第1仕切部336および容器333内を第2圧力室335に仕切る第2仕切部337を有する。流路切替弁202は、さらに、第1仕切部336と第2仕切部337とを双方の間の弁体室340において双方を連結する連結部338を有する。流路切替弁302は、さらに、連結部338の途中に設けられた弁体339を有する。
第1仕切部336と第2仕切部337との間の距離は、連結部338および弁体339によって固定長とされている。したがって、容器333内における第1圧力室334の容積と第2圧力室335の容積との合計は、一定であり、一方が増加すると他方は減少するように相補に容積が増減するように構成されている。弁体339は、第1仕切部336および第2仕切部337に連動してスライド可能に配置される。
冷房運転時には、流路切替弁202中の弁体339は図25に示した状態に設定される。この場合、ポートP1からポートP6に冷媒が流れ、ポートP5からポートP3に冷媒が流れ、ポートP4からポートP2に冷媒が流れるように流路が形成される。
暖房運転時には、流路切替弁202中の弁体339は図26に示した状態に設定される。この場合、ポートP1からポートP3に冷媒が流れ、ポートP4からポートP5に冷媒が流れ、ポートP6からポートP2に冷媒が流れるように流路が形成される。
以上のように、流路切替機構220において、流路切替弁202,203を切り替えるとともに、流量調整機構207を開閉することによって、実施の形態1と同様に、冷房運転、低外気温時の低容量冷房運転、暖房運転、高外気温時の暖房運転(弱)の間で運転切替を行なうことが可能となる。
図24には、実施の形態3の冷凍サイクル装置における冷房運転時の冷媒の流れが示される。図24における流路切替弁202をOFF状態、流路切替弁203の状態をOFF状態とする。流量調整機構207は開状態である。
図27は、実施の形態3の冷凍サイクル装置における低容量冷房運転時の冷媒の流れを示す図である。図27においては流路切替弁202がOFF状態に制御され、流路切替弁203の状態がON状態に制御され、流量調整機構207は閉状態に制御される。これにより、図27に示した場合には、第2室外熱交換器205には冷媒が流れなくなる。
図28は、実施の形態3の冷凍サイクル装置における暖房運転時の冷媒の流れを示す図である。図28においては流路切替弁202がON状態に制御され、流路切替弁203の状態がON状態に制御され、流量調整機構207は開状態に制御される。
図28に示す暖房運転では、圧縮機1から吐出された冷媒が、気液分離器242、冷媒膨張機構218,228,238、室内熱交換器219,229,239、三方弁246,247,248を通過した後、流路切替機構220を再度通過する。そして、冷媒は、配管226、流量調整機構206,207、第1室外熱交換器204、第2室外熱交換器205、配管222,223、を通過した後に流路切替機構220を再度通過し、圧縮機201へと至る。
図29は、実施の形態3の冷凍サイクル装置における低容量暖房運転時の冷媒の流れを示す図である。図29においては流路切替弁202がON状態に制御され、流路切替弁203の状態がOFF状態に制御され、流量調整機構207は閉状態に制御される。これにより、図29に示した場合には、第2室外熱交換器205には冷媒が流れなくなる。
なお、図24,27~29においては、室内熱交換器219,229,239のすべてに冷媒を流しているが、各室内熱交換器が配置されている室の空調要求の有無によって、冷媒膨張機構218,228,238の一部を閉止して冷媒を流さないようにしてもよい。これにより、稼働する室内熱交換器の台数を変更することもできる。
図24,27~29においては、逆止弁が流路切替弁203のポートに接続されて冷媒の逆流を防いでいるが、図1に示すように、そのポートが閉止された四方弁を用いても良い。
図24,27~29に示した4状態の間の切替時においても、実施の形態1と同様に流量調整機構207の開閉を適宜行なうことにより、流路切替機構220の切替に必要な差圧を確保することができる。
すなわち、流路切替弁202と流路切替弁203の切り替え前に、流路切替弁203と直列に接続された第2室外熱交換器205の出口にある流量調整機構207を一時的に閉じることにより、差圧を確保する。冷凍サイクル装置200における流路切替弁202と流路切替弁203の状態は図24,27-29に示す4通り存在する。以下、4通りの状態の相互間における状態遷移の手順を簡単に述べる。
<A1:図24(冷房運転)から図27(冷房運転-弱)への切替>
(1) 第2室外熱交換器205の出口に存在する流量調整機構207を閉じる。
(2) 流量調整機構207の切替完了後、流路切替弁203を切り替える。
<A2:図27(冷房運転-弱)から図24(冷房運転)への切替>
(1) 流路切替弁203を切り替える。
(2) 第2室外熱交換器205の出口に存在する流量調整機構207を開く。
<B1:図24(冷房運転)から図29(暖房運転-弱)への切替>
(1) 第2室外熱交換器205の出口に存在する流量調整機構207を閉じる。
(2) 流量調整機構207の切替完了後、流路切替弁202を切り替える。
<B2:図29(暖房運転-弱)から図24(冷房運転)への切替>
(1) 流路切替弁202を切り替える。
(2) 第2室外熱交換器205の出口に存在する流量調整機構207を開く。
<C1:図24(冷房運転)から図28(暖房運転)への切替>
(1) 第2室外熱交換器205の出口に存在する流量調整機構207を閉じる。
(2) 流量調整機構207の切替完了後、
(2-1) 流路切替弁203と流路切替弁202のいずれか一方を最初に切り替える。
(2-2) 流路切替弁203と流路切替弁202のいずれか他方を次に切り替える。
(3) 第2室外熱交換器205の出口に存在する流量調整機構207を開く。
<C2:図28(暖房運転)から図24(冷房運転)への切替>
(1) 第2室外熱交換器205の出口に存在する流量調整機構207を閉じる。
(2) 流量調整機構207の切替完了後、
(2-1) 流路切替弁203と流路切替弁202のいずれか一方を最初に切り替える。
(2-2) 流路切替弁203と流路切替弁202のいずれか他方を次に切り替える。
(3) 第2室外熱交換器205の出口に存在する流量調整機構207を開く。
<D1:図27(冷房運転-弱)から図29(暖房運転-弱)への切替>
(1) 流路切替弁203と流路切替弁202のいずれか一方を最初に切り替える。
(2) 流路切替弁203と流路切替弁202のいずれか他方を次に切り替える。
<D2:図29(暖房運転-弱)から図27(冷房運転-弱)への切替>
(1) 流路切替弁203と流路切替弁202のいずれか一方を最初に切り替える。
(2) 流路切替弁203と流路切替弁202のいずれか他方を次に切り替える。
<E1:図27(冷房運転-弱)から図28(暖房運転)への切替>
(1) 流路切替弁202を切り替える。
(2) 第2室外熱交換器205の出口に存在する流量調整機構207を開く。
<E2:図28(暖房運転)から図27(冷房運転-弱)への切替>
(1) 第2室外熱交換器205の出口に存在する流量調整機構207を閉じる。
(2) 流量調整機構207の切替完了後、流路切替弁202を切り替える。
<F1:図29(暖房運転-弱)から図28(暖房運転)への切替>
(1) 流路切替弁203を切り替える。
(2) 第2室外熱交換器205の出口に存在する流量調整機構207を開く。
<F2:図28(暖房運転)から図29(暖房運転-弱)への切替>
(1) 第2室外熱交換器205の出口に存在する流量調整機構207を閉じる。
(2) 流量調整機構207の切替完了後、流路切替弁203を切り替える。
以上説明したように、実施の形態3においても、流路切替弁203と直列に接続された第2室外熱交換器205の出口に存在する流量調整機構207を流路切替弁203の切替前後に閉止することによって、第2室外熱交換器205を通過する高圧部から低圧部へのバイパス経路が閉止されるため、差圧が確保される。
(まとめ)
以下において、再び図面を参照して実施の形態1~3について、総括する。
図1に示す冷凍サイクル装置100は、冷媒膨張機構8および室内熱交換器9に接続され、冷媒回路を構成する圧縮機1、第1室外熱交換器4および第2室外熱交換器5と、冷媒回路において、圧縮機1と第1室外熱交換器4と第2室外熱交換器5と室内熱交換器9との間に接続され、圧縮機1によって圧縮された冷媒の冷媒回路における流通方向を切り替える流路切替機構20とを備える。冷媒回路において、第1室外熱交換器4および第2室外熱交換器5は冷媒が並行して流れるように配置される。冷凍サイクル装置100は、第2室外熱交換器5に流れる冷媒量を調整する流量調整機構7をさらに備える。冷房運転と暖房運転との切替時に、流量調整機構7によって、一時的に第2室外熱交換器5への冷媒流路を閉止した状態としつつ、流路切替機構20によって冷媒の流通方向が切り替えられる。
流路切替機構20は、圧縮機1の吸入口および吐出口との差圧を駆動源として流路を切り替えるように構成される。流量調整機構7によって第2室外熱交換器5への冷媒流路を閉止すると、冷媒が室内熱交換器9および冷媒膨張機構8をバイパスして第2室外熱交換器5を冷媒が通過する流路が遮断される。
図1に示すように、流路切替機構20は、第2室外熱交換器5と圧縮機1の吸入口および吐出口との間に接続された三方弁である流路切替弁3と、第1室外熱交換器と圧縮機と室内熱交換器との間に接続された四方弁である流路切替弁2とを含む。
図24に示すように、流路切替機構220は、第2室外熱交換器205と圧縮機201の吸入口および吐出口との間に接続された四方弁である流路切替弁203と、第1室外熱交換器204と圧縮機201と室内熱交換器219とに少なくとも接続された六方弁である流路切替弁202とを含む。
流量調整機構7,207は、電子膨張弁を備える。
流路切替機構20は、圧縮機1の吸入口および吐出口との差圧を駆動源として流路を切り替えるように構成される。冷凍サイクル装置100は、冷房運転と暖房運転との切替時に、一時的に圧縮機1の運転周波数を変更して、流路切替機構20を切替えるために必要な差圧を維持する。
実施の形態2で示した本開示の他の局面に係る冷凍サイクル装置は、冷媒膨張機構8および室内熱交換器9に接続され、冷媒回路を構成する圧縮機1、第1室外熱交換器4および第2室外熱交換器5と、冷媒回路において、圧縮機1と第1室外熱交換器4および第2室外熱交換器5と室内熱交換器9との間に接続され、圧縮機1によって圧縮された冷媒の冷媒回路における流通方向を切り替える流路切替機構20とを備える。流路切替機構20は、圧縮機1の吸入口および吐出口との差圧を駆動源として流路を切り替えるように構成される。冷凍サイクル装置100は、冷房運転と暖房運転との切替時に、一時的に圧縮機1の運転周波数を変更して、流路切替機構20を切替えるために必要な差圧を維持する。
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1,201 圧縮機、2,3,202,203,302 流路切替弁、2a,2b,2c,2d,3a,3b,3c,3d 流路、4,204 第1室外熱交換器、5,205 第2室外熱交換器、6,7,206,207 流量調整機構、8,218,228,238 冷媒膨張機構、9,219,229,239 室内熱交換器、10,11 圧力センサ、15 第1ファン、16 第2ファン、19 ファン、20,220 流路切替機構、21,22,23,24,25,26,27,28,29,222,223,226 配管、30 制御装置、50,250 室外機、60,260 室内機、100,200 冷凍サイクル装置、131 高圧接続管、132 低圧接続管、133 第1容器、134,334 第1圧力室、135,335 第2圧力室、136,336 第1仕切部、137,337 第2仕切部、138,338 連結部、139,339 弁体、140,340 弁体室、145 圧力切替部、146 第2容器、147a 第1連通流路、147b 第2連通流路、148 第2弁体、149 駆動部、150 電磁石、151 プランジャ、152 バネ、153 連結棒、208,243 流量調整弁、242 気液分離器、246,247,248 三方弁、P1,P2,P3,P4,P5,P6 ポート。

Claims (6)

  1. 冷媒膨張機構および室内熱交換器に接続され、冷媒回路を構成する圧縮機、第1室外熱交換器および第2室外熱交換器と、
    前記冷媒回路において、前記圧縮機と前記第1室外熱交換器と前記第2室外熱交換器と前記室内熱交換器との間に接続され、前記圧縮機によって圧縮された冷媒の前記冷媒回路における流通方向を切り替える流路切替機構とを備え、
    前記冷媒回路において、前記第1室外熱交換器および前記第2室外熱交換器は前記冷媒が並行して流れるように配置され、
    前記第2室外熱交換器に流れる冷媒量を調整する流量調整機構をさらに備え、
    前記第1室外熱交換器と前記第2室外熱交換器に同時に前記冷媒を流通させる冷房運転と前記第1室外熱交換器と前記第2室外熱交換器に同時に前記冷媒を流通させる暖房運転との切替時に、前記流量調整機構によって、一時的に前記第2室外熱交換器への冷媒流路を閉止した状態としつつ、前記流路切替機構によって前記冷媒の流通方向が切り替えられる、冷凍サイクル装置。
  2. 前記流路切替機構は、前記圧縮機の吸入口および吐出口との差圧を駆動源として流路を切り替えるように構成され、
    前記流量調整機構によって前記第2室外熱交換器への冷媒流路を閉止すると、前記冷媒が前記室内熱交換器および前記冷媒膨張機構をバイパスして前記第2室外熱交換器を通過する流路が遮断される、請求項1に記載の冷凍サイクル装置。
  3. 前記流路切替機構は、
    前記第2室外熱交換器と前記圧縮機の吸入口および吐出口との間に接続された三方弁と、
    前記第1室外熱交換器と前記圧縮機と前記室内熱交換器との間に接続された四方弁とを含む、請求項1または2に記載の冷凍サイクル装置。
  4. 前記流路切替機構は、
    前記第2室外熱交換器と前記圧縮機の吸入口および吐出口との間に接続された四方弁と、
    前記第1室外熱交換器と前記圧縮機と前記室内熱交換器とに少なくとも接続された六方弁とを含む、請求項1または2に記載の冷凍サイクル装置。
  5. 前記流量調整機構は、電子膨張弁を備える、請求項1~4のいずれか1項に記載の冷凍サイクル装置。
  6. 前記流路切替機構は、前記圧縮機の吸入口および吐出口との差圧を駆動源として流路を切り替えるように構成され、
    前記冷房運転と前記暖房運転との切替時に、一時的に前記圧縮機の運転周波数を変更して、前記流路切替機構を切替えるために必要な前記差圧を維持する、請求項1に記載の冷凍サイクル装置。
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