(57)【要約】【課題】簡便な方法で、冷凍装置に付加された冷媒ポンプの流量制御を行うことができるガスヒートポンプ式冷凍装置及びその制御方法を提供する。【解決手段】ガスエンジン駆動式の圧縮機１、凝縮器５、受液器７、膨張弁９及び蒸発器１１を備えたガスヒートポンプ式冷凍装置において、ガスエンジン冷却水が供給される廃熱回収用熱交換器１３と、受液器７に溜まる液冷媒を、圧縮機１及び蒸発器１１をバイパスして、冷媒ポンプ１９を介して廃熱回収用熱交換器１３に導き、当該廃熱回収用熱交換器１３で熱交換した冷媒を凝縮器５に導く第１回路２３と、この第１回路２３に設けられた第１電動弁２１と、冷媒ポンプ１９の吐出冷媒を受液器７に戻す第２回路２４と、この第２回路２４に設けられた第２電動弁２５と、２つの電動弁２１，２５の弁開度を調節することにより冷媒ポンプ１９から廃熱回収用熱交換器１３に吐出する冷媒流量を圧縮機１の負荷に応じて適正な値に制御する制御手段３１とを備えた。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスエンジン駆動式の圧縮機、凝縮器、受液器、膨張弁及び蒸発器を備えたガスヒートポンプ式冷凍装置において、
ガスエンジン冷却水が供給される廃熱回収用熱交換器と、
前記受液器に溜まる液冷媒を、前記圧縮機及び前記蒸発器をバイパスして、冷媒ポンプを介して前記廃熱回収用熱交換器に導き、当該廃熱回収用熱交換器で熱交換した冷媒を前記凝縮器に導く第１回路と、
この第１回路に設けられた第１電動弁と、
前記冷媒ポンプの吐出冷媒を前記受液器に戻す第２回路と、
この第２回路に設けられた第２電動弁と、
前記２つの電動弁の弁開度を調節することにより前記冷媒ポンプから前記廃熱回収用熱交換器に吐出する冷媒流量を圧縮機の負荷に応じて適正な値に制御する制御手段とを備えたことを特徴とするガスヒートポンプ式冷凍装置。
【請求項２】
前記２つの電動弁を、それぞれステッピングモータによって細かな流量調節を可能な電動弁としたことを特徴とする請求項１記載のガスヒートポンプ式冷凍装置。
【請求項３】
前記制御手段が、凝縮器の入口の過熱度を監視し、電動弁を適切な開度に調節し、当該過熱度を目標過熱度に制御することで、冷媒ポンプから廃熱回収用熱交換器に吐出する冷媒流量を調節することを特徴とする請求項１又は２記載のガスヒートポンプ式冷凍装置。
【請求項４】
ガスエンジン駆動式の圧縮機、凝縮器、受液器、膨張弁及び蒸発器を備えたガスヒートポンプ式冷凍装置の制御方法において、
ガスエンジン冷却水が供給される廃熱回収用熱交換器と、前記受液器に溜まる液冷媒を、前記圧縮機及び前記蒸発器をバイパスして、冷媒ポンプを介して前記廃熱回収用熱交換器に導き、当該廃熱回収用熱交換器で熱交換した冷媒を前記凝縮器に導く第１回路に設けられた第１電動弁と、前記冷媒ポンプの吐出冷媒を前記受液器に戻す第２回路に設けられた第２電動弁とを備え、
前記２つの電動弁の弁開度を調節することにより前記冷媒ポンプから前記廃熱回収用熱交換器に吐出する冷媒流量を圧縮機の負荷に応じて適正な値に制御することを特徴とするガスヒートポンプ式冷凍装置の制御方法。
【請求項５】
前記凝縮器の入口の過熱度を監視し、前記２つの電動弁を適切な開度に調節して、当該過熱度を目標過熱度に制御することで、冷媒ポンプから廃熱回収用熱交換器に吐出する冷媒流量を調節することを特徴とする請求項４記載のガスヒートポンプ式冷凍装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスエンジン冷却水の廃熱回収用熱交換器を備えたガスヒートポンプ式冷凍装置及びその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ガスエンジン駆動式の圧縮機、凝縮器、受液器、膨張弁及び蒸発器を備えたガスヒートポンプ式冷凍装置であって、ガスエンジン冷却水が供給される廃熱回収用熱交換器と、受液器に溜まる液冷媒を、圧縮機及び蒸発器をバイパスして、冷媒ポンプを介して廃熱回収用熱交換器に導き、廃熱回収用熱交換器で熱交換した冷媒を凝縮器に導く第１回路と、第１回路に設けられた第１電動弁とを備えた空気調和装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この種のものでは、圧縮機をバイパスして冷媒ポンプが冷媒を凝縮器に導くため、ガスエンジンの動力を減らすことができる。
【０００４】
さて、圧縮機は空調負荷に応じて容量制御されるが、従属する冷媒ポンプも、それに応じて容量制御される必要がある。仮に、流量制御がなく、冷媒ポンプが定速で作動し続けると、例えば、圧縮機が低回転時、エンジンから発生する廃熱が少ないにもかかわらず、冷媒ポンプが定格時の流量で送液することになり、室外熱交換器に必要な冷媒流量が不足してその室外熱交換器の圧力が下がり、安定した運転ができなくなる。冷媒ポンプの流量制御では、どのような部品を用いて制御するか、どのような制御フローで制御するかが重要になる。
【０００５】
ところで、ポンプという分野での比較の対象として、水ポンプ（遠心ポンプ）では、吐出側に設けた弁を絞ることにより、流量を減少させることが可能である。これは、図７に示すように、弁を絞っても揚程（差圧）が急激に上昇せず、ポンプの電動機にかかる負荷が急激に上昇することがないからである。
【０００６】
しかし、ここで対象とする冷媒ポンプは定量ポンプであり、この定量ポンプは、図８に示すように、弁を絞っても、流量の変化は水ポンプほど大きくはなく、しかも、弁を絞れば絞るほど、揚程は上げることはできても、電動機にかかる負担が激増することになる。
【０００７】
【特許文献１】
特開平３−１０５１７４号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このように、ポンプの流量可変の方法は、弁を絞ることが簡単であるが、弁を絞ることはエネルギーの損失であると共に、弁の調節だけでは流量調節範囲が狭いという問題がある。別の手段として、ポンプの回転数を周波数調整装置（インバータ）により調整する方法があるが、周波数調整装置は高価になるという問題がある。流量制御の点では、流量センサやフロートセンサ等を設け、現在流量と目標流量との差を把握する方法があるが、冷媒用の流量センサは極めて高価で、しかも大型化するという問題がある。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、上述した従来の技術が有する課題を解消し、簡便な方法で、冷凍装置に付加された冷媒ポンプの流量制御を行うことができるガスヒートポンプ式冷凍装置及びその制御方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、ガスエンジン駆動式の圧縮機、凝縮器、受液器、膨張弁及び蒸発器を備えたガスヒートポンプ式冷凍装置において、ガスエンジン冷却水が供給される廃熱回収用熱交換器と、前記受液器に溜まる液冷媒を、前記圧縮機及び前記蒸発器をバイパスして、冷媒ポンプを介して前記廃熱回収用熱交換器に導き、当該廃熱回収用熱交換器で熱交換した冷媒を前記凝縮器に導く第１回路と、この第１回路に設けられた第１電動弁と、前記冷媒ポンプの吐出冷媒を前記受液器に戻す第２回路と、この第２回路に設けられた第２電動弁と、前記２つの電動弁の弁開度を調節することにより前記冷媒ポンプから前記廃熱回収用熱交換器に吐出する冷媒流量を圧縮機の負荷に応じて適正な値に制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のものにおいて、前記２つの電動弁を、それぞれステッピングモータによって細かな流量調節を可能な電動弁としたことを特徴とする。
【００１２】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載のものにおいて、前記制御手段が、凝縮器の入口の過熱度を監視し、電動弁を適切な開度に調節し、当該過熱度を目標過熱度に制御することで、冷媒ポンプから廃熱回収用熱交換器に吐出する冷媒流量を調節することを特徴とする。
【００１３】
請求項４記載の発明は、ガスエンジン駆動式の圧縮機、凝縮器、受液器、膨張弁及び蒸発器を備えたガスヒートポンプ式冷凍装置の制御方法において、ガスエンジン冷却水が供給される廃熱回収用熱交換器と、前記受液器に溜まる液冷媒を、前記圧縮機及び前記蒸発器をバイパスして、冷媒ポンプを介して前記廃熱回収用熱交換器に導き、当該廃熱回収用熱交換器で熱交換した冷媒を前記凝縮器に導く第１回路に設けられた第１電動弁と、前記冷媒ポンプの吐出冷媒を前記受液器に戻す第２回路に設けられた第２電動弁とを備え、前記２つの電動弁の弁開度を調節することにより前記冷媒ポンプから前記廃熱回収用熱交換器に吐出する冷媒流量を圧縮機の負荷に応じて適正な値に制御することを特徴とする。
【００１４】
請求項５記載の発明は、請求項４記載のものにおいて、前記凝縮器の入口の過熱度を監視し、前記２つの電動弁を適切な開度に調節して、当該過熱度を目標過熱度に制御することで、冷媒ポンプから廃熱回収用熱交換器に吐出する冷媒流量を調節することを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を説明する。
【００１６】
図１は、空気調和装置の暖房運転時の冷媒回路を示す。この空気調和装置は、室外機１００と、３台の室内機２００とからなる。１は圧縮機を示し、この圧縮機１はベルト掛けされたガスエンジン３で駆動されている。圧縮機１で圧縮された冷媒は、実線矢印で示す方向に流れ、四方弁４を経て、複数の室内熱交換器（凝縮器）５Ａ〜５Ｃに分流しそこで凝縮し、受液器７、膨張弁９を経て、室外熱交換器（蒸発器）１１に至り、ここでガス化され、四方弁４、アキュームレータ１２を経て圧縮機１に戻される。５Ｆ、１１Ｆは送風機を示す。
【００１７】
この冷媒回路は、廃熱回収用熱交換器１３を備え、この廃熱回収用熱交換器１３では、ガスエンジン３の冷却水から熱を回収し、この熱を、上記冷媒回路を流れる冷媒の一部に与えて熱効率を向上させる。
【００１８】
すなわち、廃熱回収用熱交換器１３には、冷却水ポンプ１５、三方弁１６等を含む冷却水回路１７と、受液器７から分岐し、冷媒が破線矢印で示す方向に流れ、過冷却熱交換器１８、冷媒ポンプ１９、吐出弁（第１電動弁）２１を経て、廃熱回収用熱交換器１３に至り、凝縮器５Ａ〜５Ｃの入口に連なる冷媒加熱回路（第１回路）２３とが接続されている。１８Ａは送風機である。
【００１９】
また、冷媒ポンプ１９と吐出弁２１との間からはバイパス管（第２回路）２４が延び出して、このバイパス管２４には吐出冷媒を受液器７に戻すバイパス弁（第２電動弁）２５が接続されている。各弁２１，２５には、きめ細かい制御が可能なステッピングモータが使用されている。
【００２０】
上記構成では、暖房運転時に、冷媒ポンプ１９を駆動して、冷媒加熱回路２３中の吐出弁２１を開くことにより、冷媒が、廃熱回収用熱交換器１３を流れ、ここで、ガスエンジン３の冷却水から熱を回収し、冷媒加熱された後に、ポイントＡで、圧縮機１からの冷媒と合流して、夫々の凝縮器５Ａ〜５Ｃの入口に流入する。これによれば、冷媒ポンプ１９の駆動によって、ガスエンジン３による動力を減少させることができる。
【００２１】
上記構成では、圧縮機１が、空調負荷に応じて容量制御される場合、従属する冷媒ポンプ１９も、それに応じて容量制御される必要がある。ところが、容量一定ポンプの場合、冷媒ポンプ１９が定速で作動し続けると、例えば、圧縮機１が低回転時、ガスエンジン３から発生する廃熱は少ないにもかかわらず、冷媒ポンプ１９が定格時の流量で送液することになり、室外熱交換器１１に流れる冷媒量が減少し、外気との熱交換が悪くなって室外熱交換器１１の圧力が下がり、着霜が生じて、安定した運転ができなくなる。
【００２２】
本実施形態では、吐出弁２１、及びバイパス弁２５の弁開度を制御するコントローラ（制御手段）３１が設けられる。
【００２３】
図２は、エンジンヒートポンプの電源投入から停止までの処理の要部を示す制御フローチャートであり、電源投入時には、吐出弁２１とバイパス弁２５の位置出しのための初期化が行われる（Ｓ１）。電源投入後における冷媒ポンプ１９の起動前には、冷媒ポンプ１９を冷媒が逆流しないように吐出弁２１が全閉にされており、また、冷媒ポンプ１９が起動した時に、冷媒ポンプ１９に過大な負荷がかからないように、バイパス弁２５が全開にされているからである。冷媒ポンプ１９の運転時期が判断され（Ｓ２）、運転時期に至れば、冷媒ポンプ１９が起動され（Ｓ３）、冷媒ポンプ１９の流量制御が実行される（Ｓ４）。
【００２４】
冷媒ポンプ１９の停止時期が判断され（Ｓ５）、停止時期に至らなければ、冷媒ポンプ１９の流量制御が継続され（Ｓ４）、停止時期に至れば、冷媒ポンプ１９の停止制御が実行される（Ｓ６）。
【００２５】
図３は、Ｓ４の冷媒ポンプ流量制御のフローチャートを示す。ここでは、室内熱交換器５に入る手前の管路の冷媒過熱度を計算することによって、流量がどの程度流れているか判断し、この過熱度を現在の負荷より決定される目標の過熱度に近付けるように、弁２１，２５の開度を調節し、冷媒ポンプ１９から廃熱回収用熱交換器１３に吐き出される冷媒流量を調節する。
【００２６】
初めに、バイパス弁２５が全開かどうかが判断される（Ｓ１０）。起動初期では、バイパス弁２５が全開のため、冷媒流量を増やすために、徐々に吐出弁２１を開く。ついで、室内熱交換器５に入る手前の管路における現在の過熱度ＳＨと、目標の過熱度ＳＨとの差ΔＴを計算し（Ｓ１１）、この値の大きさと正負により、吐出弁２１の操作量σを決定する（Ｓ１２）。
【００２７】
ΔＴが正である時は、過熱気味であるため、吐出弁２１を開き、冷媒流量を増やすし、逆にΔＴが負である時は、湿り気味であるため、吐出弁２１を絞り、冷媒流量を減らす（Ｓ１３）。吐出弁２１の操作量σの大きさは、ΔＴの絶対値の大きさに依存し、それが大きければ、操作量σは大きく、小さければ操作量σは小さくなる。この吐出弁２１を操作した後、当該吐出弁２１が全開であるかどうか判断し（Ｓ１４）、吐出弁２１が全開でない場合、次ぎの操作をバイパスして、１回のサイクルを終了する。
【００２８】
Ｓ１４で、吐出弁２１が全開まで達すると、バイパス弁２５の操作に入る。すなわち、室内熱交換器５に入る手前の管路における現在の過熱度ＳＨと、目標の過熱度ＳＨとの差ΔＴを計算し（Ｓ１５）、この値の大きさと正負により、バイパス弁２５の操作量σを決定する（Ｓ１６）。ΔＴが正である時は、過熱気味であるため、バイパス弁２５を絞り、吸込みに戻る冷媒を減らし、廃熱回収用熱交換器１３に流れる冷媒流量を増やし、逆にΔＴが負である時は、湿り気味であるため、バイパス弁２５を開いて、冷媒流量を減らす（Ｓ１７）。バイパス弁２５の操作は吐出弁２１の操作と逆である。
【００２９】
このようなサイクルを繰り返すことにより、室内熱交換器５に入る手前の管路における過熱度ＳＨを目標の過熱度ＳＨに近付ける。この目標の過熱度ＳＨは現在の負荷より決定され、圧縮機１の負荷が高い時は目標過熱度が高く、負荷が低い時は目標過熱度が低い。
【００３０】
図４，図５は冷媒ポンプの特性曲線を示す。
【００３１】
バイパス弁２５が全閉で、バイパス管２４を通じて吸込み側に戻る冷媒がない場合、冷媒ポンプの特性曲線は曲線１になる。これは、図８に示す定量ポンプの特性に等しい。バイパス弁２５を全開にしている時の冷媒ポンプの特性曲線は曲線４で、曲線１に対して揚程が少ない。吐出弁２１を一定の弁開度にして、バイパス弁２５を全開から全閉まで調節した場合、揚程変化は曲線２に従う。このように、バイパス弁２５を用いた流量調節は可能となる。
【００３２】
しかし、バイパス弁２５の全開時の流量より絞る必要がある場合、これだけでは制御できず、吐出弁２１を絞る必要がある。
【００３３】
図５では、曲線１が、図２のＳ４における冷媒ポンプ流量制御時のポンプ揚程変化を示している。この構成では、両方の弁２１，２５を同時に中間値で制御しない。すなわち、図５に示すように、流量が小さい範囲（点２〜点３）では、バイパス弁２５を全開のまま、吐出弁２１での制御とし、全閉（点２）から全開（点３）まで変化させ、中〜定格領域（点３〜点４）では、吐出弁２１を全開のまま、バイパス弁２５での制御とし、全開（点３）から全閉（点４）まで変化させ、これにより流量を滑らかに変化させる。
【００３４】
ここでは、吐出弁２１を絞ることがポンプに余計な負荷をかけることになるため、吐出弁２１を極力絞らないという考えに基づいている。吐出弁２１を絞る時は、低流量が必要な時である。
【００３５】
廃熱回収用熱交換器１３へエンジン冷却水が流れて、この廃熱回収用熱交換器１３が冷媒を加熱して蒸発させ過熱ガス冷媒とするのは、ガスヒートポンプ式空気調和装置の暖房運転時である。
【００３６】
図６を参照し、この暖房運転時、圧縮機１から吐出された冷媒（図６の点Ｂ）は、四方弁４を経た後、廃熱回収用熱交換器１３により加熱された過熱ガス冷媒（図６の点Ｉ）と合流し（図６の点Ｃ）、室内熱交換器５Ａ、５Ｂ、５Ｃにて凝縮されて（図６の点Ｄ）、室内を暖房する。室内熱交換器５Ａ、５Ｂ、５Ｃにて凝縮された液冷媒は受液器７に至り（図６の点Ｅ）、その一部が廃熱回収系へ流れる。この一部の液冷媒は、廃熱回収系の過冷却熱交換器１８にて過冷却状態となり（図６の点Ｆ）、冷媒ポンプ１９に吸い込まれて昇圧され（図６の点Ｇ）、２つの弁２１，２５にて、上記のように流量調整されて（図６の点Ｈ）、廃熱回収用熱交換器１３へ流入する。この廃熱回収用熱交換器１３にて冷媒は、前述の如く過熱ガス冷媒となって（図６の点Ｉ）、室内熱交換器５Ａ、５Ｂ、５Ｃへ向かって流れる冷媒と合流する。受液器７に至った冷媒の大部分は、膨張弁９にて減圧され（図６の点Ｊ）、室外熱交換器１１にて低温の外気から熱を得て蒸発し（図６の点Ｋ）、四方弁４を通り（図６の点Ａ）、アキュムレータ１２を経て圧縮機１へ戻される。
【００３７】
一般に、油などの定量ポンプでは、ポンプの吐出側から吸込み側に通ずる回路を備え、そこにリリーフ（安全）弁が設けられ、過圧縮になると、自動的に開いてポンプを保護する保護機能を有する。この冷媒ポンプ１９も同じ定量ポンプであるため、同じように保護機能を有しながら、吐出口から、吸込み側（受液器７）に戻す配管２４にバイパス弁２５を設け、吐出口から吸込み側に液を戻して、実質的な流量を下げる方法は極めて有効である。
【００３８】
本実施形態では、吐出弁２１にも、バイパス弁２５にも、きめ細かい制御が可能なステッピングモータを使用しているため、流量が低流量となった場合でも、円滑な制御が可能となる。
【００３９】
また、現在の流量を把握するための手法として、室内熱交換器（凝縮器）５の入口の過熱度を監視し、この結果に従い、弁２１，２５を適切な開度に調節し、冷媒ポンプ１９から熱交換器１３に吐出する冷媒の流量を調節することで、その過熱度を目標過熱度に制御する。すなわち、室内熱交換器５の入口の過熱度が目標過熱度より高い時は、冷媒流量が少ないことの表われであるから、この場合には、ポンプ１９の冷媒流量を増やし、逆に、目標過熱度より低い時は、流れ過ぎであるため、冷媒流量を減らす制御を実行する。従って、冷媒ポンプ１９から廃熱回収用熱交換器１３に吐出される冷媒の流量を、圧縮機１の流量の変化に応じて、適正な流量に制御できる。
【００４０】
冷媒ポンプ１９の流量調節手段として、当該冷媒ポンプ１９に特別な流量調節機構を設けることなく、電動弁２１，２５を２つ使用するだけの構造である。電動弁２１，２５を２つ使用したため、各電動弁の作用にあった制御方法をとることができる。つまり、廃熱回収用熱交換器１３に吐出する冷媒流量を増やす場合、まず、吐出弁２１を開けて、バイパス弁２５を閉めればよい。逆に、冷媒流量を減らす場合、まず、吐出弁２１を閉めて、バイパス弁２５を開ければよい。このように、冷媒ポンプ１９を搭載し、エンジンの廃熱を回収することにより、運転の省エネルギー化が図られる。
【００４１】
上記のように、蒸発器１１をバイパスし、エンジン廃熱で加熱蒸発させて、室内熱交換器５の手前の管路に合流させることにより、高圧（凝縮温度）を上げることが可能となり、暖房能力を従来のエンジン駆動のヒートポンプのサイクルよりも増大させることができる。
【００４２】
しかも、冷媒ポンプ１９の流量制御は、吐出弁２１とバイパス弁２５との２つの弁を同時に制御することがないため、簡易的な制御となり、また、配管の圧損の変化にも対応することができる。総じて、エンジンヒートポンプの効率的な運転が可能となり、ガス消費量の低減につながる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明では、簡便な方法で、冷凍装置に付加された冷媒ポンプの流量制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガスヒートポンプ式冷凍装置の一実施形態を示す暖房時回路。
【図２】電源投入から停止までの冷媒ポンプの制御例を示すフローチャート。
【図３】冷媒ポンプの流量制御を示すフローチャート。
【図４】冷媒ポンプの特性曲線図。
【図５】冷媒ポンプを流量制御する際のポンプ揚程の変化を示す図。
【図６】本実施形態のＰ−ｈ線図。
【図７】水ポンプの特性曲線図。
【図８】定量ポンプの流量特性を示す図。
【符号の説明】
１　圧縮機
３　ガスエンジン
４　四方弁
５Ａ〜５Ｃ　室内熱交換器（凝縮器）
７　受液器
９　膨張弁
１１　室外熱交換器（蒸発器）
１２　アキュームレータ
１３　廃熱回収用熱交換器
１８　過冷却熱交換器
１９　冷媒ポンプ
２１　吐出弁（第１電動弁）
２３　冷媒加熱回路（第１回路）
２４　バイパス管（第２回路）
２５　バイパス弁（第２電動弁）
３１　制御手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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