JP2011033290A - 熱交換器、空気調和装置およびヒートポンプシステム - Google Patents

Abstract

【課題】大型化することなく熱交換量を増加する、または熱交換器性能を向上することができる熱交換器を提供する。
【解決手段】本発明の熱交換器は、第１冷媒が流れる第１冷媒流路５０１ａを有する扁平状の第１扁平管５０１と、第２冷媒が流れる第２冷媒流路５０２ａを有する扁平状の第２扁平管５０２とを備え、第１扁平管５０１と第２編の扁平管５０２とは冷媒の流れ方向が平行となるように配置され、第２冷媒流路５０２ａの内面に溝が形成されている。
【選択図】図２

Description

この発明は、低温流体と高温流体とを熱交換させて高温流体から低温流体に熱を伝える熱交換器、これを用いた空気調和装置およびヒートポンプシステムに関するものである。

従来の熱交換器においては、第１流体（冷媒）が流動する流路を備えた第１伝熱管と、第２流体（水）が流動する流路を備えた第２伝熱管とが熱接触して第１流体と第２流体との間で熱交換させるものであって、第１伝熱管及び第２伝熱管の外形断面が扁平状に形成され、第１伝熱管と第２伝熱管との扁平面を合わせてコイル状に巻いているものがある（例えば、特許文献１）。

特開２００２−１０７０６９（第２頁〜第３頁、図１）

特許文献１に記載される熱交換器において、熱交換量の増加または熱交換器性能の向上のために、長さ方向に長くしてコイル状に巻くと、熱交換器が大型化するという問題がある。
また、第１伝熱管及び第２伝熱管の流路の断面積及び水力直径を小さくするとともに、流路数を増加させて、内表面積、つまり伝熱面積を増加させて、単位長さ当たりの熱交換量を増加させる方法も考えられる。しかしながら、第２流体である水は、ヒートポンプで使用されるフロン、炭化水素、二酸化炭素などの第１流体である冷媒に比べて、流体の粘度が大きく、水力直径が小さくなるとレイノルズ数が小さくなって、流れが層流化し、伝熱性能が著しく低下するという問題がある。

さらに、第１伝熱管及び第２伝熱管のそれぞれの長さ方向を短くし、短くした分だけ並列流路として流路数を増加させれば、大幅に小型化できるが、第２伝熱管を流れる流量が低下し、レイノルズ数が小さくなるので、伝熱特性が低下し、ついには流れが層流化し、伝熱性能が著しく低下するという問題がある。
したがって、熱交換量の増加または熱交換器性能の向上のためには、長さ方向に長くしてコイル状に巻くほかないが、熱交換器が大型化するという問題は残る。特に、熱交換器の設置場所が天井裏などの場合には、一方向（天井裏の場合は高さ方向）に対する制約が厳しいので、設置するのが困難となるという問題もある。

本発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、大型化することなく熱交換量を増加する、または熱交換器性能を向上することができる熱交換器、空気調和装置およびヒートポンプシステムを提供することを目的としている。

この発明による熱交換器は、第１冷媒が流れる第１冷媒流路を有する扁平状の第１扁平管と、第２冷媒が流れる第２冷媒流路を有する扁平状の第２扁平管とを備え、前記第１扁平管と前記第２扁平管とは冷媒の流れ方向が平行となるように配置され、前記第２冷媒流路の内面に溝が形成されているものである。
この発明による空気調和装置は、圧縮機および熱源側熱交換器を有する１又は複数の室外機と、利用側熱交換器を有する複数の室内機と、前記室外機および前記室内機とそれぞれ別系統で配管接続され、前記室外機との間で循環する冷媒と、前記冷媒と異なるものであって前記室内機との間で循環する熱媒体とを熱交換させる上記熱交換器とを備えたものである。
この発明によるヒートポンプシステムは、上記熱交換器を備えたものである。

この発明の熱交換器によれば、大型化することなく熱交換量を増加する、または熱交換器性能を向上することができる。また、この発明の空気調和装置およびヒートポンプシステムによれば、装置を大型化することなく性能を向上することができる。

この発明の実施の形態１による熱交換器を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１による熱交換器の冷媒の流れ方向に垂直な断面を示す断面図である。 この発明の実施の形態１による熱交換器の第２扁平管の冷媒の流れ方向に垂直な断面を示す断面図および第２扁平管の内面を示す展開図である。 この発明の実施の形態１による熱交換器の第２扁平管における他の例の内面を示す展開図である。 この発明の実施の形態２による空気調和装置の概略構成を示す冷媒回路図である。 この発明の実施の形態２による空気調和装置の冷房主体運転モードにおける冷媒の流れを示す冷媒回路図である。 この発明の実施の形態２による空気調和装置の弁ブロックユニットの概略構成を示す冷媒回路図である。 この発明の実施の形態２による空気調和装置の熱媒体変換機の配置構造を示す斜視図および弁ブロックユニットを示す斜視図である。 この発明の実施の形態３によるヒートポンプシステムの概略構成を示す冷媒回路図である。

図１は、この発明の実施の形態１による熱交換器を示す斜視図であり、図２は、この発明の実施の形態１による熱交換器の冷媒の流れ方向に垂直な断面を示す断面図である。図において、同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、このことは、明細書の全文において共通することである。

図１および図２に示すように、熱交換器１５は、全体として扁平状（板状）の第１扁平管５０１と、扁平状の第２扁平管５０２とをそれぞれ複数備え、第１扁平管５０１は第１冷媒が流れる第１冷媒流路５０１ａを内部に複数有し、第２扁平管５０２は第２冷媒である水が流れる第２冷媒流路５０２ａを有する。第１扁平管５０１と第２扁平管５０２とは、冷媒の流れ方向が平行となるように接合部５０７を介して接合されており、第１扁平管５０１の両端には１対の円筒状の第１出入口ヘッダー５０３，５０４の円筒面が接続され、第２扁平管５０２の両端には１対の円筒状の第２出入口ヘッダー５０５，５０６の円筒面が接続されている。
なお、図１に示す矢印の位置は、外部配管と第１出入口ヘッダー５０３，５０４および第２出入口ヘッダー５０５，５０６との接続位置を示し、実線の矢印位置の場合または破線の矢印位置の場合がある。実線の矢印位置の場合または破線の矢印位置の場合のいずれの場合でも、外部との接続配管が互いに干渉しないように設けられている。

第１扁平管５０１はアルミ、アルミ合金、銅または銅合金で構成され、第２扁平管５０２は銅または銅合金などの水に対して耐食性を有する材料で構成される。また、第１扁平管５０１に接続される第１出入口ヘッダー５０３，５０４は、第１扁平管５０１と同様のアルミ、アルミ合金、銅または銅合金で製造され、第２扁平管５０２に接続される第２出入口ヘッダー５０５，５０６は、第２扁平管５０２と同様の銅または銅合金などの水に対して耐食性を有する材料で製造される。なお、第２扁平管５０２は、第１扁平管５０１と対向する面が平面状であればよい。
第１扁平管５０１と第２扁平管５０２との間に設けられる接合部５０７は、比較的高融点の接合材を用いたろう付け、比較的低融点の接合材を用いたはんだ付け、樹脂材を用いた接着、またはグリースを用いた接着などで構成される。

図３（ａ）は、この発明の実施の形態１による熱交換器の第２扁平管の冷媒の流れ方向に垂直な断面を示す断面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す第２扁平管５０２をＡ−Ａ部で切開して内面を展開した展開図である。図３に示すように、第２扁平流路５０２ａの内面には、第２扁平管５０２の管軸方向に平行に延在する溝である縦溝が形成されている。
また、図４は、この発明の実施の形態１による熱交換器の第２扁平管における他の例の内面を示す展開図である。図４に示すように、第２扁平流路５０２ａの内面には、第２扁平管５０２の管軸方向に傾斜して延在する溝であるらせん溝が形成されている。

この発明の実施の形態１の熱交換器１５においては、図３または図４に示すように、第２扁平管５０２の内面に溝を形成することよって、内面の表面積が増大し、第２扁平管５０２の伝熱特性が向上する。このため、熱交換器１５の性能の向上または小型化を図ることができる。

ここで、第２扁平管５０２の内面、つまり、第２冷媒流路５０２ａの内面にらせん溝を形成する場合、特に著しく伝熱特性が向上することを発明者らは見出した。
第２冷媒流路５０２ａは扁平形状であるので、水力直径ｄｅ（扁平流路の形状を矩形で近似すると、第２扁平管５０２の第２扁平流路２ａの幅Ｘ、高さＹより、２ＸＹ／（Ｘ＋Ｙ）と表される）に対する溝高さｈの割合ｈ／ｄｅが相対的に大きくなる。このため、溝によって旋回流がより強められるとともに、管軸方向の流れに対しても、溝の表面の凹凸による乱れの促進効果が加わり、より広いレイノルズ数の範囲で伝熱特性が向上する。また、扁平形状であるため、水力直径の大きさの割には、流路断面積が比較的大きくとれるため、旋回流が妨げられることもない。

つまり、（１）式で定義される第２扁平管５０２の扁平率εが大きいほど、また溝高さｈが大きいほど、伝熱特性が向上する。なお、この効果は、縦溝では発生しない。

第２扁平管５０２の扁平率εが小さいと、伝熱促進効果が小さく、また第１扁平管５０１との接合面積も小さくなるため、伝熱特性が低下する。好適な第２扁平管５０２の扁平率εについて、Ｘ＝５〜２０（ｍｍ）、ｈ＝０．１〜０．６（ｍｍ）で試験した結果、（２）式程度もしくはそれ以上が望ましい。

さらに、第２扁平管５０２の扁平率εが増加しすぎると、冷媒の流速の増加、圧力損失の増加を招くため、上限は、（３）式で表わされるように、流速が１．５〜２ｍ／ｓ以下となる扁平率εとすることが望ましい。なお、（３）式において、Ｑは流量（ｍ^３／ｓ）、Ｎは並列流路を構成している第２扁平管５０２の数を表す。

この発明の実施の形態１の熱交換器１５においては、第２冷媒流路５０２ａの内面にらせん溝を設けることによって、より広いレイノルズ数の範囲で伝熱特性が向上させることができる。このため、第２冷媒流路５０２ａの断面積及び水力直径を小さくするとともに、流路数を増加させて内表面積（伝熱面積）をより増加させてレイノルズ数が小さくなっても、伝熱性能が低下することがない。したがって、この発明の実施の形態１の熱交換器１５においては、断面積及び水力直径を小さくするとともに、流路数を増加させれば、単位長さ当たりの熱交換量を増加させることもできる。

また、この発明の実施の形態１の熱交換器１５においては、レイノルズ数が小さくなっても、伝熱性能が低下することがないので、長さ方向を短くし、長さを短くした分だけ並列流路として流路数を増加させれば、大幅にコンパクト化することもできる。特に、熱交換器１５の設置場所が天井裏などの一方向（天井裏の場合は高さ方向）に対する制約が厳しい場合にも、設置が容易となるという効果を奏する。

実施の形態２．
図５は、この発明の実施の形態２による空気調和装置の概略構成を示す冷媒回路図である。
この発明の実施の形態２による空気調和装置１００は、実施の形態１に示した熱交換器１５を備えている。以下では、熱交換器１５を熱媒体間熱交換器１５ａ，１５ｂと呼ぶ。
図５に基づいて、空気調和装置１００の詳しい構成について説明する。図５に示すように、室外機１と熱媒体変換機３とは、第１熱媒体間熱交換器１５ａ及び第２熱媒体間熱交換器１５ｂを介して接続されている。また、熱媒体変換機３と室内機２とは、第１熱媒体間熱交換器１５ａ及び第２熱媒体間熱交換器１５ｂを介して接続されている。以下、空気調和装置１００に設けられている各構成機器の構成及び機能について説明する。

［室外機１］
室外機１には、圧縮機１０と、冷媒流路切替装置である四方弁１１と、熱源側熱交換器１２と、アキュムレーター１７とが冷媒配管４で直列に接続されて収容されている。また、室外機１には、第１接続配管４ａ、第２接続配管４ｂ、逆止弁１３ａ、逆止弁１３ｂ、逆止弁１３ｃ、及び、逆止弁１３ｄが設けられている。第１接続配管４ａ、第２接続配管４ｂ、逆止弁１３ａ、逆止弁１３ｂ、逆止弁１３ｃ、及び、逆止弁１３ｄを設けることで、室内機２の要求する運転に関わらず、熱媒体変換機３に流入させる熱源側冷媒（第１冷媒）の流れを一定方向にすることができる。

圧縮機１０は、熱源側冷媒を吸入し、その熱源側冷媒を圧縮して高温・高圧の状態にするものであり、たとえば容量制御可能なインバータ圧縮機等で構成するとよい。四方弁１１は、暖房運転時における熱源側冷媒の流れと冷房運転時における熱源側冷媒の流れとを切り替えるものである。熱源側熱交換器１２は、暖房運転時には蒸発器として機能し、冷房運転時には凝縮器として機能し、図示省略のファン等の送風機から供給される空気と熱源側冷媒との間で熱交換を行ない、その熱源側冷媒を蒸発ガス化又は凝縮液化するものである。アキュムレーター１７は、圧縮機１０の吸入側に設けられており、過剰な冷媒を貯留するものである。

逆止弁１３ｄは、熱媒体変換機３と四方弁１１との間における冷媒配管４に設けられ、所定の方向（熱媒体変換機３から室外機１への方向）のみに熱源側冷媒の流れを許容するものである。逆止弁１３ａは、熱源側熱交換器１２と熱媒体変換機３との間における冷媒配管４に設けられ、所定の方向（室外機１から熱媒体変換機３への方向）のみに熱源側冷媒の流れを許容するものである。逆止弁１３ｂは、第１接続配管４ａに設けられ、逆止弁１３ｄの上流側から逆止弁１３ａの上流側の方向のみに熱源側冷媒の流通を許容するものである。逆止弁１３ｃは、第２接続配管４ｂに設けられ、逆止弁１３ｄの下流側から逆止弁１３ａの下流側の方向のみに熱源側冷媒の流通を許容するものである。

第１接続配管４ａは、室外機１内において、逆止弁１３ｄの上流側における冷媒配管４と逆止弁１３ａの上流側における冷媒配管４とを接続するものである。第２接続配管４ｂは、室外機１内において、逆止弁１３ｄの下流側における冷媒配管４と逆止弁１３ａの下流側における冷媒配管４とを接続するものである。なお、図５では、第１接続配管４ａ、第２接続配管４ｂ、逆止弁１３ａ、逆止弁１３ｂ、逆止弁１３ｃ、及び、逆止弁１３ｄを設けた場合を例に示しているが、これに限定するものではなく、これらを必ずしも設ける必要はない。

［室内機２］
室内機２には、それぞれ利用側熱交換器２６が搭載されている。この利用側熱交換器２６は、配管５を介して熱媒体変換機３の熱媒体流量調整装置２４及び熱媒体流路切替装置２３と接続するようになっている。この利用側熱交換器２６は、図示省略のファン等の送風機から供給される空気と熱媒体（第２冷媒）との間で熱交換を行ない、空調対象域に供給するための暖房空気あるいは冷房空気を生成するものである。

図５では、４台の室内機２が熱媒体変換機３に接続されている場合を例に示しており、紙面下から室内機２ａ、室内機２ｂ、室内機２ｃ、室内機２ｄとして図示している。また、室内機２ａ〜２ｄに応じて、利用側熱交換器２６も、紙面下側から利用側熱交換器２６ａ、利用側熱交換器２６ｂ、利用側熱交換器２６ｃ、利用側熱交換器２６ｄとして図示している。なお、室内機２の接続台数を図５に示す４台に限定するものではない。

［熱媒体変換機３］
熱媒体変換機３は、気液分離器１４と、絞り装置１６ｅと、２つの熱媒体間熱交換器１５（第１熱媒体間熱交換器１５ａ、第２熱媒体間熱交換器１５ｂ）と、４つの絞り装置１６と、２つの熱媒体送出装置２１と、４つの熱媒体流路切替装置２２と、４つの熱媒体流路切替装置２３と、４つの熱媒体流量調整装置２４と、が設けられている。

気液分離器１４は、室外機１と接続する１本の冷媒配管４と、第１熱媒体間熱交換器１５ａ及び第２熱媒体間熱交換器１５ｂと接続する２本の冷媒配管４とに接続され、室外機１から供給される熱源側冷媒を蒸気状冷媒と液冷媒とに分離するものである。絞り装置１６ｅは、絞り装置１６ａ及び絞り装置１６ｂを接続している冷媒配管４と、気液分離器１４と、の間に設けられ、減圧弁や絞り装置として機能し、熱源側冷媒を減圧して膨張させるものである。絞り装置１６ｅは、開度が可変に制御可能なもの、たとえば電子式膨張弁等で構成するとよい。

２つの熱媒体間熱交換器１５（第１熱媒体間熱交換器１５ａ及び第２熱媒体間熱交換器１５ｂ）は、凝縮器又は蒸発器として機能し、熱源側冷媒と熱媒体とで熱交換を行ない、室外機１で生成された冷熱又は温熱を室内機２に供給するものである。熱源側冷媒の流れに対して、第１熱媒体間熱交換器１５ａは、気液分離器１４と絞り装置１６ｄとの間に設けられている。熱源側冷媒の流れに対して、第２熱媒体間熱交換器１５ｂは、絞り装置１６ａと絞り装置１６ｃとの間に設けられている。

４つの絞り装置１６（絞り装置１６ａ〜１６ｄ）は、減圧弁や絞り装置として機能し、熱源側冷媒を減圧して膨張させるものである。絞り装置１６ａは、絞り装置１６ａと第２熱媒体間熱交換器１５ｂとの間に設けられている。絞り装置１６ｂは、絞り装置１６ａと並列となるように設けられている。絞り装置１６ｃは、第２熱媒体間熱交換器１５ｂと室外機１との間に設けられている。絞り装置１６ｄは、第１熱媒体間熱交換器１５ａと絞り装置１６ａ及び絞り装置１６ｂとの間に設けられている。４つの絞り装置１６は、開度が可変に制御可能なもの、たとえば電子式膨張弁等で構成するとよい。

２つの熱媒体送出装置２１（第１熱媒体送出装置２１ａ及び第２熱媒体送出装置２１ｂ）は、ポンプ等で構成されており、配管５を導通する熱媒体を加圧して循環させるものである。第１熱媒体送出装置２１ａは、第１熱媒体間熱交換器１５ａと熱媒体流路切替装置２２との間における配管５に設けられている。第２熱媒体送出装置２１ｂは、第２熱媒体間熱交換器１５ｂと熱媒体流路切替装置２２との間における配管５に設けられている。なお、第１熱媒体送出装置２１ａ及び第２熱媒体送出装置２１ｂの種類を特に限定するものではなく、たとえば容量制御可能なポンプ等で構成するとよい。

４つの熱媒体流路切替装置２２（熱媒体流路切替装置２２ａ〜２２ｄ）は、三方弁で構成されており、熱媒体の流路を切り替えるものである。熱媒体流路切替装置２２は、室内機２の設置台数に応じた個数（ここでは４つ）が設けられるようになっている。熱媒体流路切替装置２２は、三方のうちの一つが第１熱媒体間熱交換器１５ａに、三方のうちの一つが第２熱媒体間熱交換器１５ｂに、三方のうちの一つが熱媒体流量調整装置２４に、それぞれ接続され、利用側熱交換器２６の熱媒体流路の入口側に設けられている。なお、室内機２に対応させて、紙面下側から熱媒体流路切替装置２２ａ、熱媒体流路切替装置２２ｂ、熱媒体流路切替装置２２ｃ、熱媒体流路切替装置２２ｄとして図示している。

４つの熱媒体流路切替装置２３（熱媒体流路切替装置２３ａ〜２３ｄ）は、三方弁で構成されており、熱媒体の流路を切り替えるものである。熱媒体流路切替装置２３は、室内機２の設置台数に応じた個数（ここでは４つ）が設けられるようになっている。熱媒体流路切替装置２３は、三方のうちの一つが第１熱媒体間熱交換器１５ａに、三方のうちの一つが第２熱媒体間熱交換器１５ｂに、三方のうちの一つが利用側熱交換器２６に、それぞれ接続され、利用側熱交換器２６の熱媒体流路の出口側に設けられている。なお、室内機２に対応させて、紙面下側から熱媒体流路切替装置２３ａ、熱媒体流路切替装置２３ｂ、熱媒体流路切替装置２３ｃ、熱媒体流路切替装置２３ｄとして図示している。

４つの熱媒体流量調整装置２４（熱媒体流量調整装置２４ａ〜２４ｄ）は、二方弁で構成されており、熱媒体の流路を切り替えるものである。熱媒体流量調整装置２４は、室内機２の設置台数に応じた個数（ここでは４つ）が設けられるようになっている。熱媒体流量調整装置２４は、一方が利用側熱交換器２６に、他方が熱媒体流路切替装置２２に、それぞれ接続され、利用側熱交換器２６の熱媒体流路の入口側に設けられている。なお、室内機２に対応させて、紙面下側から熱媒体流量調整装置２４ａ、熱媒体流量調整装置２４ｂ、熱媒体流量調整装置２４ｃ、熱媒体流量調整装置２４ｄとして図示している。

また、熱媒体変換機３には、２つの第１熱媒体温度検出手段３１と、２つの第２熱媒体温度検出手段３２と、４つの第３熱媒体温度検出手段３３と、４つの第４熱媒体温度検出手段３４と、第１冷媒温度検出手段３５と、冷媒圧力検出手段３６と、第２冷媒温度検出手段３７と、第３冷媒温度検出手段３８と、が設けられている。これらの検出手段で検知された情報は、空気調和装置１００の動作を制御する図示省略の制御装置に送られ、圧縮機１０や熱媒体送出装置２１の駆動周波数、配管５を流れる熱媒体の流路の切替等の制御に利用されることになる。

２つの第１熱媒体温度検出手段３１（第１熱媒体温度検出手段３１ａ及び第１熱媒体温度検出手段３１ｂ）は、熱媒体間熱交換器１５から流出した熱媒体、つまり熱媒体間熱交換器１５の出口における熱媒体の温度を検出するものであり、たとえばサーミスター等で構成するとよい。第１熱媒体温度検出手段３１ａは、第１熱媒体送出装置２１ａの入口側における配管５に設けられている。第２熱媒体温度検出手段３１ｂは、第２熱媒体送出装置２１ｂの入口側における配管５に設けられている。

２つの第２熱媒体温度検出手段３２（第２熱媒体温度検出手段３２ａ及び第２熱媒体温度検出手段３２ｂ）は、熱媒体間熱交換器１５に流入する熱媒体、つまり熱媒体間熱交換器１５の入口における熱媒体の温度を検出するものであり、たとえばサーミスター等で構成するとよい。第２熱媒体温度検出手段３２ａは、第１熱媒体間熱交換器１５ａの入口側における配管５に設けられている。第２熱媒体温度検出手段３２ｂは、第２熱媒体間熱交換器１５ｂの入口側における配管５に設けられている。

４つの第３熱媒体温度検出手段３３（第３熱媒体温度検出手段３３ａ〜３３ｄ）は、利用側熱交換器２６の熱媒体流路の入口側に設けられ、利用側熱交換器２６に流入する熱媒体の温度を検出するものであり、サーミスター等で構成するとよい。第３熱媒体温度検出手段３３は、室内機２の設置台数に応じた個数（ここでは４つ）が設けられるようになっている。なお、室内機２に対応させて、紙面下側から第３熱媒体温度検出手段３３ａ、第３熱媒体温度検出手段３３ｂ、第３熱媒体温度検出手段３３ｃ、第３熱媒体温度検出手段３３ｄとして図示している。

４つの第４熱媒体温度検出手段３４（第４熱媒体温度検出手段３４ａ〜３４ｄ）は、利用側熱交換器２６の熱媒体流路の出口側に設けられ、利用側熱交換器２６から流出した熱媒体の温度を検出するものであり、サーミスター等で構成するとよい。第４熱媒体温度検出手段３４は、室内機２の設置台数に応じた個数（ここでは４つ）が設けられるようになっている。なお、室内機２に対応させて、紙面下側から第４熱媒体温度検出手段３４ａ、第４熱媒体温度検出手段３４ｂ、第４熱媒体温度検出手段３４ｃ、第４熱媒体温度検出手段３４ｄとして図示している。

第１冷媒温度検出手段３５は、第１熱媒体間熱交換器１５ａの熱源側冷媒流路の出口側に設けられ、第１熱媒体間熱交換器１５ａから流出した熱源側冷媒の温度を検出するものであり、サーミスター等で構成するとよい。冷媒圧力検出手段３６は、第１熱媒体間熱交換器１５ａの熱源側冷媒流路の出口側に設けられ、第１熱媒体間熱交換器１５ａから流出した熱源側冷媒の圧力を検出するものであり、圧力センサーなどで構成するとよい。

第２冷媒温度検出手段３７は、第２熱媒体間熱交換器１５ｂの熱源側冷媒流路の入口側に設けられ、第２熱媒体間熱交換器１５ｂに流入する熱源側冷媒の温度を検出するものであり、サーミスター等で構成するとよい。第３冷媒温度検出手段３８は、第２熱媒体間熱交換器１５ｂの熱源側冷媒流路の出口側に設けられ、第２熱媒体間熱交換器１５ｂから流出した熱源側冷媒の温度を検出するものであり、サーミスター等で構成するとよい。

熱媒体を導通する配管５は、第１熱媒体間熱交換器１５ａに接続されるもの（以下、配管５ａと称する）と、第２熱媒体間熱交換器１５ｂに接続されるもの（以下、配管５ｂと称する）と、で構成されている。配管５ａ及び配管５ｂは、熱媒体変換機３に接続される室内機２の台数に応じて分岐（ここでは、各４分岐）されている。そして、配管５ａ及び配管５ｂは、熱媒体流路切替装置２２及び熱媒体流路切替装置２３で接続されている。熱媒体流路切替装置２２及び熱媒体流路切替装置２３を制御することで、配管５ａを導通する熱媒体を利用側熱交換器２６に流入させるか、配管５ｂを導通する熱媒体を利用側熱交換器２６に流入させるかが決定されるようになっている。

この空気調和装置１００では、圧縮機１０、四方弁１１、熱源側熱交換器１２、第１熱媒体間熱交換器１５ａ、及び、第２熱媒体間熱交換器１５ｂが、冷媒配管４で順に直列に接続されて冷凍サイクル回路を構成している。また、第１熱媒体間熱交換器１５ａ、第１熱媒体送出装置２１ａ、及び、利用側熱交換器２６が、配管５ａで順に直列に接続されて熱媒体循環回路を構成している。同様に、第２熱媒体間熱交換器１５ｂ、第２熱媒体送出装置２１ｂ、及び、利用側熱交換器２６が、配管５ｂで順に直列に接続されて熱媒体循環回路を構成している。つまり、熱媒体間熱交換器１５のそれぞれに複数台の利用側熱交換器２６が並列に接続され、熱媒体循環回路を複数系統としているのである。

すなわち、室外機１と熱媒体変換機３とが、熱媒体変換機３に設けられている第１熱媒体間熱交換器１５ａ及び第２熱媒体間熱交換器１５ｂを介して接続されている。そして、熱媒体変換機３と室内機２とが、第１熱媒体間熱交換器１５ａ及び第２熱媒体間熱交換器１５ｂで接続され、第１熱媒体間熱交換器１５ａ及び第２熱媒体間熱交換器１５ｂで冷凍サイクル回路を循環する一次側の冷媒である熱源側冷媒と熱媒体循環回路を循環する二次側の冷媒である熱媒体とが熱交換するようになっている。

ここで、冷凍サイクル回路及び熱媒体循環回路に使用する冷媒の種類について説明する。
冷凍サイクル回路には、たとえばＲ４０７Ｃ等の非共沸混合冷媒、Ｒ４１０Ａ等の擬似共沸混合冷媒、又はＲ２２等の単一冷媒等を使用することができる。また、二酸化炭素や炭化水素等の自然冷媒を使用してもよい。熱源側冷媒として自然冷媒を使用することにより、冷媒漏洩による地球の温室効果を抑制できる効果がある。

熱媒体循環回路は、上述したように室内機２の利用側熱交換器２６に接続されている。そのために、空気調和装置１００では、熱媒体が、室内機２が設置される部屋等に漏洩した場合に配慮して、熱媒体に安全性の高いものを使用することを前提としている。したがって、熱媒体には、たとえば水や不凍液、水と不凍液の混合液等を使用することができる。この構成によれば、低い外気温度でも凍結や腐食による冷媒漏れを抑制でき、高い信頼性を得られる。また、電算室等の水分を嫌う場所に室内機２が設置される場合においては、熱媒体として熱絶縁性の高いフッ素系不活性液体を使用することもできる。

この空気調和装置１００は、各室内機２からの指示に基づいて、その室内機２で冷房運転あるいは暖房運転が可能になっている。つまり、空気調和装置１００は、室内機２の全部で同一運転をすることができるともに、室内機２のそれぞれで異なる運転をすることができるようになっている。以下に、空気調和装置１００が実行する４つの運転モードには、駆動している室内機２の全てが冷房運転を実行する全冷房運転モード、駆動している室内機２の全てが暖房運転を実行する全暖房運転モード、冷房負荷の方が大きい冷房主体運転モード、及び、暖房負荷の方が大きい暖房主体運転モードが存在する。各運転モードのうち、冷房と暖房とが混在し、冷房負荷が主に占める冷房主体運転モードについて説明する。

［冷房主体運転モード］
図６は、この発明の実施の形態２による空気調和装置の冷房主体運転モードにおける冷媒の流れを示す冷媒回路図である。
図６では、利用側熱交換器２６ａで温熱負荷が発生し、利用側熱交換器２６ｂ〜２６ｄで冷熱負荷が発生している場合を例に冷房主体運転モードについて説明する。なお、図６では、太線で表された配管が冷媒（熱源側冷媒及び熱媒体）の循環する配管を示す。また、熱源側冷媒の流れ方向を実線矢印で、熱媒体の流れ方向を破線矢印で示している。

まず始めに、冷凍サイクル回路における熱源側冷媒の流れについて説明する。
低温・低圧の冷媒が圧縮機１０によって圧縮され、高温・高圧のガス冷媒となって吐出される。圧縮機１０から吐出された高温・高圧のガス冷媒は、四方弁１１を通り、熱源側熱交換器１２に流入する。そして、熱源側熱交換器１２で室外空気に放熱しながら凝縮し、気液二相冷媒となる。熱源側熱交換器１２から流出した気液二相冷媒は、逆止弁１３ａを通って室外機１から流出し、冷媒配管４を通って熱媒体変換機３に流入する。熱媒体変換機３に流入した気液二相冷媒は、気液分離器１４へ流入し、ガス冷媒と液冷媒とに分離される。

気液分離器１４で分離されたガス冷媒は、第１熱媒体間熱交換器１５ａに流入する。第１熱媒体間熱交換器１５ａに流入したガス冷媒は、熱媒体循環回路を循環する熱媒体に放熱しながら凝縮液化し、液冷媒となる。第１熱媒体間熱交換器１５ａから流出した液冷媒は、絞り装置１６ｄを通る。一方、気液分離器１４で分離された液冷媒は、絞り装置１６ｅを経由し、第１熱媒体間熱交換器１５ａで凝縮液化して絞り装置１６ｄを通った液冷媒と合流し、絞り装置１６ａで絞られて膨張し、低温・低圧の気液二相冷媒となって第２熱媒体間熱交換器１５ｂに流入する。

この気液二相冷媒は、蒸発器として作用する第２熱媒体間熱交換器１５ｂで熱媒体循環回路を循環する熱媒体から吸熱することで、熱媒体を冷却しながら、低温・低圧のガス冷媒となる。第２熱媒体間熱交換器１５ｂから流出したガス冷媒は、絞り装置１６ｃを経由した後、熱媒体変換機３から流出し、冷媒配管４を通って室外機１に流入する。室外機１に流入した冷媒は、逆止弁１３ｄを通って、四方弁１１及びアキュムレーター１７を介して、圧縮機１０へ再吸入される。なお、絞り装置１６ｂは冷媒が流れないような小さい開度となっており、絞り装置１６ｃは全開状態となっており、圧力損失が起きないようにしている。

次に、熱媒体循環回路における熱媒体の流れについて説明する。
第１熱媒体送出装置２１ａで加圧され流出した熱媒体は、熱媒体流路切替装置２２ａを介して、熱媒体流量調整装置２４ａを通り、利用側熱交換器２６ａに流入する。そして、利用側熱交換器２６ａにおいて室内空気に熱を与え、室内機２が設置されている室内等の空調対象域の暖房を行なう。また、第２熱媒体送出装置２１ｂで加圧され流出した熱媒体は、熱媒体流路切替装置２２ｂ〜２２ｄを介して、熱媒体流量調整装置２４ｂ〜２４ｄを通り、利用側熱交換器２６ｂ〜２６ｄに流入する。そして、利用側熱交換器２６ｂ〜２６ｄにおいて室内空気から吸熱し、室内機２が設置されている室内等の空調対象域の冷房を行なう。

暖房運転に利用される熱媒体は、熱媒体流量調整装置２４ａの作用により、空調対象域で必要とされる空調負荷を賄うのに必要な流量だけが利用側熱交換器２６ａに流入する。そして、暖房運転を行なった熱媒体は、熱媒体流路切替装置２３ａを通って、第１熱媒体間熱交換器１５ａへ流入し、再び第１熱媒体送出装置２１ａへと吸い込まれる。

冷房運転に利用される熱媒体は、熱媒体流量調整装置２４ｂ〜２４ｄの作用により、空調対象域で必要とされる空調負荷を賄うのに必要な流量だけが利用側熱交換器２６ｂ〜２６ｄに流入する。そして、冷房運転を行なった熱媒体は、熱媒体流路切替装置２３ｂを通って、第２熱媒体間熱交換器１５ｂへ流入し、再び第２熱媒体送出装置２１ｂへと吸い込まれる。

図７は、この発明の実施の形態２による空気調和装置の弁ブロックユニットの概略構成を示す冷媒回路図である。
図７に基づいて、弁ブロックユニット３００の構成を説明する。実施の形態２では、図７の破線で囲んだ部分をブロック化し、弁ブロックユニット３００として構成している。図７からも分かるように、弁ブロックユニット３００は、熱媒体流路切替装置２２、熱媒体流路切替装置２３、熱媒体流量調整装置２４、冷房行き主管３０７、暖房行き主管３０８、冷房戻り主管３０５、暖房戻り主管３０６、第１枝管３０１、及び、第２枝管３０２で構成されている。

なお、冷房行き主管３０７、暖房行き主管３０８、冷房戻り主管３０５、暖房戻り主管３０６、第１枝管３０１、及び、第２枝管３０２のそれぞれは、上述した配管５の一部を構成するものである。また、第１枝管３０１は、負荷側（室内機２）へ熱媒体を導く流路を構成し、第２枝管３０２は、負荷側（室内機２）から熱媒体が戻ってくる流路を構成している。

熱媒体流路切替装置２２及び熱媒体流路切替装置２３が弁体を有している少なくとも１つの流路切替手段に相当する。冷房行き主管３０７が熱媒体流路切替装置２２により選択的に熱媒体の導通が切り替えられる第１配管に相当する。暖房行き主管３０８が熱媒体流路切替装置２２により選択的に熱媒体の導通が切り替えられる第２配管に相当する。冷房戻り主管３０５が熱媒体流路切替装置２３により選択的に熱媒体の導通が切り替えられる第１配管に相当する。暖房戻り主管３０６が熱媒体流路切替装置２３により選択的に熱媒体の導通が切り替えられる第２配管に相当する。

すなわち、実施の形態２に係る弁ブロックユニット３００は、熱媒体流路切替装置２２、冷房行き主管３０７、暖房行き主管３０８、及び、枝管３０１で１つの組が、熱媒体流路切替装置２３、冷房戻り主管３０５、暖房戻り主管３０６、及び、枝管３０２で１つの組が形成される弁ブロックが４つ連結されて構成されているのである。なお、図７では、弁ブロックユニット３００内に熱媒体流量調整装置２４が設けられている状態を例に示しているが、この熱媒体流量調整装置２４は必須のものではなく、また枝管３０２側に設けるようにしてもよい。

図８（ａ）は、この発明の実施の形態２による空気調和装置の熱媒体変換機の配置構造を示す斜視図である。また、図８（ｂ）は、この発明の実施の形態２による空気調和装置の弁ブロックユニットを示す斜視図である。
図８の熱媒体変換機３は、複数の弁ブロック３５０を連結させた弁ブロックユニット３００を有しており、複数台の室内機２に、それぞれ熱媒体を分岐させることができる。上述の実施の形態で説明した弁ブロック３５０を連結させることで、熱媒体を各室内機２に分岐及び合流させるための装置、配管を一体化して簡素化し、さらに配管位置等を工夫することで熱媒体変換機３の薄型化を実現している。また、複数台の熱媒体送出装置２１を有している。熱媒体送出装置２１は、例えば第１熱媒体間熱交換器１５ａで加熱された熱媒体と第２熱媒体間熱交換器１５ｂで冷却された熱媒体とを循環させるために、それぞれ半数ずつ用いられる。

図８の熱媒体変換機３は、弁ブロック３５０を８個、熱媒体送出装置２１を８台を搭載しているが、この数に限定するものではない。また、図８では示すことができないが、気液分離器１４、絞り装置１６等、図５等において熱媒体変換機３が有している装置、機器及び手段が搭載されているものとする。

熱媒体間熱交換器１５ａは、第１枝管３０１と第２枝管３０２との間にできる空間に差し込まれ配置される。また、熱媒体間熱交換器１５ｂは、戻り枝管３０２の下部にできる空間に差し込まれ配置される。例えば、上述した冷房主体運転モード等の場合、熱媒体間熱交換器１５ａは凝縮器として作用して熱媒体を加熱し、熱媒体間熱交換器１５ｂは蒸発器として作用して熱媒体を冷却する。このため、熱媒体間熱交換器１５ａと熱媒体間熱交換器１５ｂとは、重ね合わせて配置されると互いに熱干渉してしまい、大幅な性能低下に繋がる。そこで、熱媒体間熱交換器１５ａと熱媒体間熱交換器１５ｂとは、重ね合わせないようにして、行き枝管３０１と戻り枝管３０２とによって形成される空間を有効利用して配置される。

また、熱媒体間熱交換器１５ａは、熱媒体間熱交換器１５ｂよりも上側に配置される。熱媒体間熱交換器１５ｂは、冷房主体運転等の場合、蒸発器として作用するため、熱媒体間熱交換器１５ｂが周囲空気の温度より低くなり、結露が発生する可能性がある。結露水は、熱媒体変換機３の下部に落ち、ドレンパン（図示せず）に集められて熱媒体変換機３から放出されるが、熱媒体間熱交換器１５ｂが下側にあるため、他の機器等に結露水を滴下させることがなくなる。また、熱媒体間熱交換器１５ａが凝縮器として作用すると、周囲空気を暖めるため、上昇気流が発生するが、熱媒体間熱交換器１５ｂよりも上側にあるため、熱媒体間熱交換器１５ｂの蒸発器としての性能を低下させることがない。このような理由から、熱媒体間熱交換器１５ａは上側に配置され、熱媒体間熱交換器１５ｂは下側に設置されるのが性能観点から良い。

実施の形態２では、熱源側冷媒として上述したようにＲ４１０ＡやＲ４０４Ａ等の擬似共沸混合冷媒、Ｒ４０７Ｃ等の非共沸混合冷媒、化学式内に二重結合を含むＣＦ_３ ＣＦ＝ＣＨ_２ 等の地球温暖化係数が比較的小さい値とされている冷媒あるいはその混合物、又は、二酸化炭素やプロパン等の自然冷媒等を使用できる場合を例に説明しているが、ここに挙げた冷媒に限定するものではない。また、実施の形態２では、室外機１にアキュムレーター１７を設けた場合を例に説明したが、アキュムレーター１７を設けなくても、同様の動作をし、同様の効果を奏する。

また、一般的に、熱源側熱交換器１２及び利用側熱交換器２６には、ファン等の送風装置が設けられ、送風により凝縮あるいは蒸発を促進させる場合が多いが、これに限るものではない。たとえば、利用側熱交換器２６としては放射を利用したパネルヒータのような熱交換器を用いることができ、熱源側熱交換器１２としては水や不凍液により熱を移動させる水冷式のタイプの熱交換器を用いることができ、放熱あるいは吸熱ができる構造のものであればどんなタイプの熱交換器でも使用することができる。

熱媒体流路切替装置２２、熱媒体流路切替装置２３、及び、熱媒体流量調整装置２４が、利用側熱交換器２６のそれぞれに対応して設けられている場合を例に説明したが、これに限るものではない。たとえば、１台の利用側熱交換器２６に対し、それぞれを複数接続してもよい。このような場合には、同じ利用側熱交換器２６に接続されている熱媒体流路切替装置２２、熱媒体流路切替装置２３、及び、熱媒体流量調整装置２４を同じように動作させればよい。また、熱媒体間熱交換器１５が２つ設けられている場合を例に説明したが、当然、個数を限るものではなく、熱媒体を冷却又は／及び加熱できるように構成すれば、３つ以上設けるようにしてもよい。

さらに、第３熱媒体温度検出手段３３、及び、第４熱媒体温度検出手段３４が熱媒体変換機３の内部に配置される場合について示したが、これらのうち一部あるいは全部を室内機２内に配置するようにしてもよい。これらを熱媒体変換機３内に配置すると、熱媒体側の弁やポンプ等を同じ筐体内に集められるため、メンテナンスが容易であるという利点がある。一方、これらを室内機２内に配置すると、従来の直膨式の室内機における膨張弁と同様に扱うことができるため扱いやすく、かつ利用側熱交換器２６の近傍に設置されるため、延長配管の熱損失に影響されず、室内機２内の熱負荷の制御性がよいという利点がある。また、複数台の室内機２が接続されたシステムにおいて、１台の室内機２において、熱媒体流量調整置２４が故障しても、比較的容易に他の室内機を停止させずに、熱媒体調節装置２２を交換することができる

以上のように、この発明の実施の形態２の熱媒体変換機３によれば、平板状の熱交換器である熱媒体熱交換器１５を、行き枝管３０１と戻り枝管３０２とによりできる空間に差し込んで配置している。さらに、図１に示すように、ヘッダーと外部との接続配管が互いに干渉しないように設けられている。
したがって、筐体４００内に不必要な空間を設けることなく、スペースの有効利用を図ることができ、また、接続配管が干渉することないので配管の取りまわすための余計なスペースを必要とせず、熱媒体変換機３の薄型化をさらに図ることができる。このため、熱媒体変換機３の設置場所が、天井裏等、一方向（天井裏の場合は高さ方向）に対する制約が厳しい環境に設置される場合でも、スペースを有効利用することで、筐体４００内に、熱媒体変換機３の機器、手段を効率よく収容することができる。したがって、筐体４００の容積を少なくし、熱媒体変換機３の薄型化にさらに寄与することができる。
したがって、熱媒体熱交換器１５を備えた空気調和装置１００においては、装置を大型化することなく性能を向上することができる。

実施の形態３．
図９は、この発明の実施の形態３によるヒートポンプシステムの概略構成を示す冷媒回路図である。
この発明の実施の形態３によるヒートポンプシステムは、実施の形態１に示した熱交換器１５を備えている。

図９に示す冷凍空調装置は、温熱または冷熱を利用するヒートポンプシステムであり、第１冷媒が流れる第１冷媒回路、水である第２冷媒が流れる第２冷媒回路、および第１冷媒と第２冷媒との熱交換を行う熱交換器１５を有する。この例では、第１冷媒としてＲ４１０Ａ、第２冷媒として水を用いる。また、図９に示す四方弁１１の流路方向は、温熱利用・温水供給の場合を示している。

第１冷媒回路は、第１冷媒を圧縮する圧縮機１０、第１冷媒の流れ方向を切り替える四方弁１１、第１冷媒を膨張する絞り装置１６、室外の空気と第１冷媒とを熱交換する室外熱交換器１２、室外熱交換器１２に室外の空気を供給するファン４９および第１冷媒と第２冷媒とを熱交換する熱交換器１５を有する。第２冷媒回路は、第２冷媒を循環するポンプ４６、第２冷媒と空気、水などの利用側の冷媒とを熱交換する利用側熱交換器２６および第１冷媒と第２冷媒とを熱交換する熱交換器１５を有する。また、利用側熱交換器４５は、タンク４８内に設置し、タンク内に給水される水を加熱・冷却して取水する給湯・冷水システムとして利用した第１の利用側熱交換器４５ａと、ファンコイル、床暖房ヒーターまたは輻射冷房パネルなどである第２の利用側熱交換器４５ｂとを有する。

温熱利用・温水供給の場合には、第１冷媒回路においては、圧縮機１０で高温高圧となった第１冷媒は、四方弁１１を介して熱交換器１５に送られる。熱交換器１５の第１出入口ヘッダー５０３，５０４から流入した第１冷媒は、複数の第１冷媒流路５０１ａに分流され、第２冷媒と熱交換して放熱する。第２冷媒と熱交換した第１冷媒は、第１出入口ヘッダー５０３，５０４で合流され、絞り装置１６で減圧された後、室外熱交換器１２に送られる。室外熱交換器１２に送られた第１冷媒は、ファン４９からの空気と熱交換して蒸発し、圧縮機１０に戻る。第２冷媒回路においては、熱交換器１５の第２出入口ヘッダー５０５，５０６で分流され、第２冷媒流路５０２ａに送られた第２冷媒は、第１冷媒と熱交換して加熱される。第１冷媒と熱交換した第２冷媒は、第２出入口ヘッダー５０５，５０６で合流された後、ポンプ４６で利用側熱交換器４５に供給されて放熱する。

冷熱利用・冷水供給の場合には、第１冷媒回路においては、圧縮機１０で高温高圧となった第１冷媒は、四方弁１１を介して室外熱交換器１２に送られる。熱交換器１２でファン４９からの空気と熱交換し放熱した第１冷媒は、絞り装置１６で減圧された後、熱交換器１５に送られる。熱交換器１５の第１出入口ヘッダー５０３，５０４から流入した第１冷媒は、複数の第１冷媒流路５０１ａに分流され、第２冷媒と熱交換して蒸発する。第２冷媒と熱交換した第１冷媒は、第１出入口ヘッダー５０３，５０４で合流され、圧縮機１０に戻る。第２冷媒回路においては、熱交換器１５の第２出入口ヘッダー５０５，５０６で分流され、複数の第２冷媒流路５０２ａに送られた第２冷媒は、第１冷媒と熱交換して冷却される。第１冷媒と熱交換した第２冷媒は、第２出入口ヘッダー５０５，５０６で合流された後、ポンプ４６で利用側熱交換器４５に供給されて加熱される。
熱交換器１５では、第１冷媒と第２冷媒とを対向流とした方が熱交換効率はよいが、上記の冷熱利用・冷水供給の場合のとおり並行流としてもよい。

この発明の実施の形態１による熱交換器１５を備えたヒートポンプシステムにおいては、大型化することなく熱交換量を増加する、または熱交換器性能を向上することができる熱交換器を用いるので、装置を大型化することなく性能を向上することができる。
なお、この発明の実施の形態３によるヒートポンプシステムにおいては、四方弁を備え、温熱利用・温水供給と冷熱利用・冷水供給とを切り替えるようにしたが、四方弁がなく、温熱利用・温水供給または冷熱利用・冷水供給のどちらかの一方の機能のみを有するものでもよい。また、また、利用側熱交換器４５は、第１の利用側熱交換器４５ａおよび第２の利用側熱交換器４５ｂの両方を有するものを示したが、どちらか一方の利用側熱交換器のみを有するものでもよい。

１ 室外機、２ 室内機、３ 熱媒体変換機、１０ 圧縮機、１１四方弁、１４ 気液分離器、１５ 熱交換器、１６ 絞り装置、１７ アキュムレーター、４００ 筐体、５０１ 第１扁平管、５０１ａ 第１冷媒流路、５０２ 第２扁平管、５０２ａ 第２冷媒流路、５０３，５０４ 第１出入口ヘッダー、５０５，５０６ 第２出入口ヘッダー、５０７ 接合部。

Claims (5)

1. 第１冷媒が流れる第１冷媒流路を有する扁平状の第１扁平管と、
   第２冷媒が流れる第２冷媒流路を有する扁平状の第２扁平管とを備え、
   前記第１扁平管と前記第２編の扁平管とは冷媒の流れ方向が平行となるように配置され、
   前記第２冷媒流路の内面に溝が形成されていることを特徴とする熱交換器。
2. 溝は、第２扁平管の管軸方向に平行に延在することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 溝は、第２扁平管の管軸方向に傾斜して延在することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
4. 圧縮機および熱源側熱交換器を有する１又は複数の室外機と、
   利用側熱交換器を有する複数の室内機と、
   前記室外機および前記室内機とそれぞれ別系統で配管接続され、前記室外機との間で循環する冷媒と、前記冷媒と異なるものであって前記室内機との間で循環する熱媒体とを熱交換させる請求項１から３のいずれか１項に記載の熱交換器とを備えたことを特徴とする空気調和装置。
5. 請求項１から３のいずれか１項に記載の熱交換器を備えたことを特徴とするヒートポンプシステム。

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