CN115449893A - 单晶炉冷却系统 - Google Patents
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Abstract
本申请属于单晶生产技术领域,具体涉及单晶炉冷却系统。单晶炉冷却系统包括:单晶炉设置有连通单晶炉的内腔和单晶炉外部空间的冷却通道以及控制冷却通道开启或者关闭的控制单元;冷却装置设置于单晶炉的外部,冷却装置包括冷源端,冷源端用于吸收单晶炉的内腔热量;当控制单元使得冷却通道开启时,冷却装置支配冷源端沿冷却通道进入到单晶炉的内腔;当冷却装置支配冷源端移出单晶炉的内腔后,控制单元使得冷却通道关闭。相比自然冷却的方式而言,本案能够更为快速地吸收单晶炉内部的热量,从而缩短单晶炉的冷却时间;另外,相比直接开启单晶炉而言本案能够在一定程度上减少氧气进入到单晶炉的内腔,进而延缓单晶炉内部的保温材料的氧化。
Description
技术领域
本申请属于单晶生产技术领域,具体涉及单晶炉冷却系统。
背景技术
在直拉单晶的生产工艺结束后,此时炉内的温度依旧较高,为此需要降低炉内的温度以使得后续生产加工使用。
如果直接将单晶炉提前打开冷却,则炉内的保温材料在高温以及氧气环境下容易被氧化,这影响了单晶炉的使用寿命;其次自然冷却的效率相对较低,影响了单晶炉后续的使用并且存在一定的安全隐患。
发明内容
本申请的一个发明目的在于,提供了一种单晶炉冷却系统,其能够缩短单晶炉的冷却时间,同时还可以较好地延缓炉内保温材料的氧化。
根据本申请的实施例,第一方面提供了单晶炉冷却系统,包括:
单晶炉,设置有连通所述单晶炉的内腔和所述单晶炉外部空间的冷却通道以及控制所述冷却通道开启或者关闭的控制单元;
冷却装置,设置于所述单晶炉的外部,所述冷却装置包括冷源端,所述冷源端用于吸收所述单晶炉的内腔热量;
当所述控制单元使得所述冷却通道开启时,所述冷却装置支配所述冷源端沿所述冷却通道进入到所述单晶炉的内腔;
当所述冷却装置支配所述冷源端移出所述单晶炉的内腔后,所述控制单元使得所述冷却通道关闭。
进一步,所述单晶炉冷却系统还包括可伸缩的罩体管,所述罩体管的一端罩设于所述冷却通道位于所述单晶炉的外部空间的一侧,所述罩体管的另一端设置于所述冷却装置,所述冷源端位于所述罩体管的内腔,所述罩体管用于将所述冷源端与外部环境隔离。
进一步,所述单晶炉的内腔底侧设置有坩埚,所述冷却通道设置在所述单晶炉的侧壁;
所述冷却通道在竖直方向的高度高于所述坩埚的开口,且所述冷却通道的横截面积大于所述冷源端的横截面积;
当所述冷却装置支配所述冷源端移动至所述单晶炉的内腔时,部分的所述冷源端能够位于所述坩埚的开口处。
进一步,所述冷源端呈弧形且凹向所述坩埚,所述冷却装置支配所述冷源端转动时,能够使得所述冷源端的部分位于所述坩埚内。
进一步,所述冷却装置包括旋转组件,所述旋转组件的一端被驱动转动,所述旋转组件的另一端设置所述冷源端,当所述旋转组件转动时,带动所述冷源端转动。
进一步,所述冷却装置还包括底座,所述旋转组件包括旋臂;
所述底座设置于靠近所述单晶炉的底侧,所述旋臂的一端与所述底座铰接,所述旋臂的另一端设置所述冷源端;
所述冷源端的圆弧中心点与所述旋臂绕所述底座的旋转中心重合。
进一步,所述冷源端包括管道,所述管道呈回形排布且凹向所述坩埚;所述管道在靠近所述旋臂的一侧设置有相互连通的进入口和排出口;
所述进入口用于输送冷却介质,所述冷却介质在所述管道中流通时能够吸收所述坩埚内的热源并从所述排出口流出。
进一步,所述冷却装置还包括驱动元件,所述驱动元件带动所述旋臂绕所述底座转动。
进一步,所述控制单元为插板阀门;和/或所述罩体管为波纹管;和/或所述驱动元件为电机。
进一步,所述单晶炉冷却系统还包括箱体,所述箱体具有朝上的开口且在竖直方向上的高度低于所述冷却通道,所述冷却装置被设置于所述箱体内腔。
本申请中的单晶炉冷却系统,当需要对单晶炉进行冷却时,此时设置于单晶炉上的控制单元开启冷却通道,冷却装置能够支配冷源端沿冷却通道进入到单晶炉的内腔,从而来降低单晶炉的内腔温度;当冷却装置完成对单晶炉的内腔冷却后,冷却装置再支配冷源端从单晶炉的内腔移出,控制单元关闭冷却通道。
相比自然冷却的方式而言,本案将冷源端支配进入到单晶炉内部,能够更为快速地吸收单晶炉内部的热量,从而缩短单晶炉的冷却时间;另外,本案在冷却通道开启后,冷却装置的部分能够位于冷却通道内,也即能够对冷却通道进行封堵,相比直接开启单晶炉而言本案能够在一定程度上减少氧气进入到单晶炉的内腔,进而延缓单晶炉内部的保温材料的氧化。
附图说明
图1为本申请一实施例中单晶炉冷却系统的结构示意图;
图2为本申请一实施例中单晶炉冷却系统的其中一状态时的示意图;
图3为图2中单晶炉冷却系统的另一状态时的示意图;
图4为本申请一实施例中冷却装置的结构示意图。
附图标号说明:
100、单晶炉;110、冷却通道;120、控制单元;130、坩埚;
200、冷却装置;210、冷源端;211、管道;2111、进入口;2112、排出口;
220、旋转组件;221、旋臂;230、底座;
300、罩体管;400、箱体。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本申请进行进一步详细说明。应当理解,此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请,并不用于限定本申请。
需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想。
本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等,均仅用以配合说明书所揭示的内容,以供熟悉此技术的人士了解与阅读,并非用以限定本发明可实施的限定条件,任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整,在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下,均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”、“纵向”、“横向”、“水平”、“内”、“外”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,亦仅为了便于简化叙述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如背景中介绍,在直拉单晶的生产工艺结束后,此时炉内的温度依旧较高,为此需要降低炉内的温度以使得后续生产加工使用。如果直接将单晶炉提前打开冷却,则炉内的保温材料在高温以及氧气环境下容易被氧化,这影响了单晶炉的使用寿命;其次自然冷却的效率相对较低,影响了单晶炉后续的使用并且存在一定的安全隐患。
为了较好地解决这一问题,研究人员提出一种单晶炉冷却系统,其能够在一定程度上缩短单晶炉的冷却时间,同时能够较好地延缓单晶炉内保温材料的氧化问题。
参阅图1所示,图1为一实施例中单晶炉100冷却系统的结构示意图。单晶炉100冷却系统包括单晶炉100和冷却装置200,其中单晶炉100的内腔能够生产单晶,比如单晶炉100的内腔包括坩埚130,硅料在坩埚130内融化后能够生产单晶,在单晶生产的过程中单晶炉100内腔的温度较高,为了后续单晶生产以及避免安全隐患,例如高温的单晶炉100可能烫伤工人,需要尽快降低单晶炉100的温度;冷却装置200中包括冷源端210,冷源端210能够伸入到单晶炉100的内腔,从而吸收单晶炉100的内腔温度。
本实施例的方案为,当需要对单晶炉100冷却时,冷却装置200能够支配冷源端210进入到单晶炉100的内腔,通过冷源端210吸收单晶炉100的内腔温度从而缩短单晶炉100的冷却时间。
具体的,单晶炉100设置有连通单晶炉100的内腔和单晶炉100外部空间的冷却通道110以及控制冷却通道110开启或者关闭的控制单元120。
需要说明的是,当需要对单晶炉100冷却时,控制单元120应使得冷却通道110开启,而在其它情况下应保持冷却通道110关闭。控制单元120可以是控制阀,例如控制单元120可以包括插板阀门,其可以通过电信号来控制插板阀门的工作,从而使得冷却通道110的开启或者关闭。
冷却装置200设置于单晶炉100的外部,其中冷却装置200包括冷源端210,冷源端210用于吸收单晶炉100的内腔热量。当控制单元120使得冷却通道110开启时,冷却装置200能够支配冷源端210沿冷却通道110进入到单晶炉100的内腔以快速地降低单晶炉100的温度;当冷却装置200支配冷源端210移出单晶炉100的内腔后,控制单元120使得冷却通道110关闭。
需要说明的是,在设计过程中,冷却通道110的延伸方向可以根据单晶炉100内的待冷却区域来调整,例如冷却通道110可以沿水平方向延伸或者沿水平向上延伸或者水平向下延伸,同时冷却通道110的横截面积应大于冷源端210的横截面积,以使得冷源端210能够穿过冷却通道110,进而到达单晶炉100的内腔。
针对冷源端210的吸热原理,这里提供一种可行的实施方式。冷源端210可以采用冷却介质在管道流动时来吸热,例如采用水、冷却油或者冷气在管道内流动来吸热。冷源端210应该也具备耐高温、轻质化同时以及能够使得冷却介质进行热交换等特点,例如采用水冷时,冷源端210可以包括铜管,通过向铜管内持续输送冷水,冷水在铜管内的流动来吸收单晶炉100的内腔温度,从而缩短单晶炉100的冷却时间。
在本实施例中,当需要对单晶炉100进行冷却时,此时设置于单晶炉100上的控制单元120开启冷却通道110,冷却装置200能够支配冷源端210沿冷却通道110进入到单晶炉100的内腔,从而来降低单晶炉100的内腔温度;当冷却装置200完成对单晶炉100的内腔冷却后,冷却装置200再支配冷源端210从单晶炉100的内腔移出,控制单元120关闭冷却通道110。
相比自然冷却的方式而言,本案将冷源端210支配进入到单晶炉100内部,能够更为快速地吸收单晶炉100内部的热量,从而缩短单晶炉100的冷却时间;另外,在冷却通道110开启后,冷却装置200的部分能够位于冷却通道110内,也即能够对冷却通道110进行封堵,相比直接开启单晶炉100而言本实施例的方案能够在一定程度上减少氧气进入到单晶炉100的内腔,进而延缓单晶炉100内部的保温材料的氧化。
研究人员考虑,当冷却装置200的部分进入到冷却通道110时,能够在一定程度上对冷区通道进行封堵,但是依旧会存在空气沿冷却通道110与冷却装置200之间的间隙穿过并进入到单晶炉100的内部,为此需要进一步地阻止空气从该间隙中进入。
具体的,在一实施例中,可参阅1至图3所示,单晶炉100还包括可伸缩的罩体管300,其中罩体管300的一端罩设于冷却通道110位于单晶炉100的外部空间的一侧,而罩体管300的另一端设置于冷却装置200,冷源端210位于罩体管300的内腔,罩体管300用于将冷源端210与外部环境隔离。
在本实施例中,罩体管300的一端罩设于冷却通道110,另一端设置于冷却装置200,当控制单元120未开启冷却通道110时,此时可以理解为罩体管300相对的两端近似于封闭状态,位于罩体管300内的冷源端210与外部环境隔离;而当控制单元120开启冷却通道110时,此时罩体管300的一端与冷却通道110连通,冷却装置200支配冷源端210移动,此时罩体管300逐渐压缩,参阅图3所示;当冷源端210离开单晶炉100内腔时,冷却装置200支配冷源端210从单晶炉100的内腔移出,此时罩体管300由压缩状态恢复为原始状态,参阅图2所示。罩体管300可以是波纹管,其中波纹管的横截面积应大于冷源端210的横截面积,以使得冷源端210能够在波纹管的内腔移动。
在本实施例中,通过设置罩体管300能够预先使得冷源端210与外部环境隔离,因此能够较好地避免在冷源端210移动至单晶炉100内腔后,外部环境中的空气进入到单晶炉100的内腔,更进一步地减少了炉内的保温材料的氧化。而罩体管300选择为可伸缩的结构,其能够使得罩体管300在冷源端210移动的过程中具备一定的伸缩性,从而可以随冷却装置200移动的过程适应性地缩短或者拉伸。
研究人员在研究单晶炉100的温度降低速率时,认为单晶炉100的坩埚130附近处的温度最高,因此应将冷源端210延伸至靠近坩埚130的附近,以提高冷源端210的吸热效率,从而能够更进一步地缩短单晶炉100的冷却时间。
具体的,在一实施例中,参阅图1和图2所示,单晶炉100的内腔底侧设置有坩埚130,其中冷却通道110设置在单晶炉100的侧壁;冷却通道110在竖直方向的高度高于坩埚130的开口,且冷却通道110的横截面积大于冷源端210的横截面积;当冷却装置200支配冷源端210移动至单晶炉100的内腔时,部分的冷源端210能够位于坩埚130的开口处。
需要说明的是,坩埚130内熔化硅料,因此坩埚130处的温度较高。将冷却通道110设置在单晶炉100的侧壁且在竖直方向的高度高于坩埚130的开口,其能够使得冷源端210移动至单晶炉100内后,冷源端210能够位于坩埚130的开口上方,进而对坩埚130的附近处的热量进行吸收;而冷却通道110的横截面积大于冷源端210的横截面积一方面能够使得冷源端210通过,另一方面能够使得冷源端210的部分能够在冷却通道110内具备转动空间,也即降低冷源端210与冷却通道110之间的干涉风险。
进一步地,为了使得冷源端210能够更好地进入到坩埚130内,以较好地吸收坩埚130内腔的温度,为此研究人员将冷源端210设置为弧形,当冷源端210进入到单晶炉100时,由于冷源端210呈弧形,因此在冷源端210移动的过程中朝向坩埚130的一端可以在移动过程中进入到坩埚130的内腔。
具体的,冷源端210呈弧形且凹向坩埚130,其中冷却装置200支配冷源端210转动时,能够使得冷源端210的部分位于坩埚130内。
在本实施例中,当需要对单晶炉100内的坩埚130冷却时,冷却装置200支配冷源端210转动,冷源端210的一端旋转进入到冷却通道110,此时冷源端210位于坩埚130开口的上方,当冷却装置200继续转动时,冷源端210也被支配继续转动,进而能够旋转至坩埚130内。冷源端210进入到坩埚130内后,能够更好地吸收坩埚130内的热量。
需要说明的是,将冷源端210设置为弧形且凹向坩埚130的开口的原因是冷源端210在旋转进入到单晶炉100的内腔后,冷源端210的一端能够朝向坩埚130的内腔,在继续旋转冷源端210时,冷源端210的一端能够逐渐地转动至坩埚130的内腔。这种设计结构简单,通过改变冷源端210的弯曲弧度,可以使得冷源端210能够进入到坩埚130的内腔。
在冷却装置200支配冷源端210转动时,研究人员想到可以设置旋转组件220来实现。其中旋转组件220具备旋转中心,在旋转组件220绕旋转中心转动的过程中能够带动冷源端210旋转。
具体的,参阅图1所示,冷却装置200包括旋转组件220,旋转组件220的一端被驱动转动,旋转组件220的另一端设置冷源端210,当旋转组件220转动时,带动冷源端210转动。
在本实施例中,旋转组件220的工作原理可以通过至少一根连杆的传动来实现,比如当旋转组件220包括一根连杆时,连杆的一端被驱动转动,连杆的另一端设置冷源端210,在连杆转动的过程中可以带动冷源端210转动;当然旋转组件220也可以包括两根或者两根以上的连杆,这样设计的好处时可以调整冷源端210的旋转中心以使得冷源端210能够以合适的角度旋转进入到坩埚130内。
进一步地,参阅图4,冷却装置200还包括底座230,旋转组件220包括旋臂221,其中底座230设置于靠近单晶炉100的底侧,旋臂221的一端与底座230铰接,旋臂221的另一端设置冷源端210。冷源端210的圆弧中线点与旋臂221在底座230的铰接处重合。
在本实施例中,底座230用于固定旋臂221的一端同时为旋臂221提供旋转中心,旋臂221转动的过程中带动冷源端210转动。其中旋臂221的转动可以通过驱动元件实现,例如冷却装置200还包括驱动元件,驱动元件能够带动旋臂221绕底座230转动,驱动元件可以是电机当然不限于此。
冷源端210的圆弧中心与旋臂221绕底座230的旋转中心重合,这样设计的好处是,一方面能够实现旋臂221的旋转带动冷源端210的转动,另一方面也能够确定底座230的位置、旋臂221的尺寸以及冷源端210弧形长度。
例如当单晶炉100的位置确定后,坩埚130的位置也能够确定。这里提供一种可行的设计方式,将冷源端210需要进入到坩埚130内的位置确定为第一位置点,参阅图4中的P1标记,将单晶炉100上的冷却通道110设置为第二位置点,参阅图4中的P2标记,将第一位置点P1和第二位置点P2连接,并确定连接线的中点,设置垂直于连接线且过中点的垂线并与地面相交,此时可以在该垂线靠近地面处选择第三位置点,参阅图4中的O标记,底座230与旋臂221的旋转中心可以设置第三位置点O。
通过调整第一位置点P1和第二位置点P2的位置,从而可以改变第三位置点O的位置。通过第三位置点O可以确定底座230的位置,在底座230位置确定后,第三位置点O与第二位置点P2之间的直线距离也即能够确定旋臂221的长度,参阅图4中的R标记;以第三位置点O为圆心,以旋臂221为半径,参阅图4中的R标记,旋臂221经过第二位置点P2和第一位置点P1时划过的弧线轨迹则可以确定冷源端210的弧形长度,当然冷源端210的弧形长度可以大于该轨迹长度。
另外,旋转组件220包括旋臂221时,此时罩体管300的一端设置在旋臂221,旋臂221的宽度应该大于罩体管300的横截面积,以使得旋臂221具有足够大的区域来封堵罩体管300的一端。
在一实施例中,参阅图2所示,冷源端210包括管道211,其中管道211呈回形排布且凹向坩埚130;管道211在靠近旋臂221的一侧设置有相互连通的进入口2111和排出口2112。管道211的进入口2111用于输送冷却介质,冷却介质在管道211中流通时能够吸收坩埚130内的热源并从管道211的排出口2112流出。
在本实施例中管道211呈回形排布时能够延缓冷却介质在管道211内流动时间,进而能够更好地吸收坩埚130内的热量。
需要说明的是,管道211应该具备耐高温、轻质化以及同时以及能够使得冷却介质进行热交换等特点。冷却介质可以是水,持续的冷水从进入口2111进入到管道211内,在吸收坩埚130的热量后再从排出口2112流出。冷源端210的进入口2111和排出口2112,可以从穿出旋臂221也可以在罩体管300设置与进入口2111和排出口2112尺寸向适配的孔,以使得外部的冷却介质能够沿进入口2111进入并从排出口2112流出。
在冷却装置200支配冷源端210移动时,为了避免在其移动的过程中造成安全隐患,研究人员增设了箱体400以收容冷却装置200。
具体的,参阅图2至图4所示,单晶炉100冷却系统还包括箱体400,其中箱体400具有朝上的开口且在竖直方向上的高度低于冷却通道110,冷却装置200设置于箱体400的内腔。
在本实施例中,箱体400用于在冷却装置200与外部环境之间形成隔离屏障,以较好地避免冷却装置200在带动冷源端210移动时对工作人员的伤害。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本申请构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本申请的保护范围。因此,本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.单晶炉冷却系统,其特征在于,包括:
单晶炉(100),设置有连通所述单晶炉(100)的内腔和所述单晶炉(100)外部空间的冷却通道(110)以及控制所述冷却通道(110)开启或者关闭的控制单元(120);
冷却装置(200),设置于所述单晶炉(100)的外部,所述冷却装置(200)包括冷源端(210),所述冷源端(210)用于吸收所述单晶炉(100)的内腔热量;
当所述控制单元(120)使得所述冷却通道(110)开启时,所述冷却装置(200)支配所述冷源端(210)沿所述冷却通道(110)进入到所述单晶炉(100)的内腔;
当所述冷却装置(200)支配所述冷源端(210)移出所述单晶炉(100)的内腔后,所述控制单元(120)使得所述冷却通道(110)关闭。
2.根据权利要求1所述的单晶炉冷却系统,其特征在于:所述单晶炉冷却系统还包括可伸缩的罩体管(300),所述罩体管(300)的一端罩设于所述冷却通道(110)位于所述单晶炉(100)的外部空间的一侧,所述罩体管(300)的另一端设置于所述冷却装置(200),所述冷源端(210)位于所述罩体管(300)的内腔,所述罩体管(300)用于将所述冷源端(210)与外部环境隔离。
3.根据权利要求2所述的单晶炉冷却系统,其特征在于:所述单晶炉(100)的内腔底侧设置有坩埚(130),所述冷却通道(110)设置在所述单晶炉(100)的侧壁;
所述冷却通道(110)在竖直方向的高度高于所述坩埚(130)的开口,且所述冷却通道(110)的横截面积大于所述冷源端(210)的横截面积;
当所述冷却装置(200)支配所述冷源端(210)移动至所述单晶炉(100)的内腔时,部分的所述冷源端(210)能够位于所述坩埚(130)的开口处。
4.根据权利要求3所述的单晶炉冷却系统,其特征在于:所述冷源端(210)呈弧形且凹向所述坩埚(130),所述冷却装置(200)支配所述冷源端(210)转动时,能够使得所述冷源端(210)的部分位于所述坩埚(130)内。
5.根据权利要求4所述的单晶炉冷却系统,其特征在于:所述冷却装置(200)包括旋转组件(220),所述旋转组件(220)的一端被驱动转动,所述旋转组件(220)的另一端设置所述冷源端(210),当所述旋转组件(220)转动时,带动所述冷源端(210)转动。
6.根据权利要求5所述的单晶炉冷却系统,其特征在于:所述冷却装置(200)还包括底座(230),所述旋转组件(220)包括旋臂(221);
所述底座(230)设置于靠近所述单晶炉(100)的底侧,所述旋臂(221)的一端与所述底座(230)铰接,所述旋臂(221)的另一端设置所述冷源端(210);
所述冷源端(210)的圆弧中心点与所述旋臂(221)绕所述底座(230)的旋转中心重合。
7.根据权利要求6所述的单晶炉冷却系统,其特征在于:所述冷源端(210)包括管道(211),所述管道(211)呈回形排布且凹向所述坩埚(130);所述管道(211)在靠近所述旋臂(221)的一侧设置有相互连通的进入口(2111)和排出口(2112);
所述进入口(2111)用于输送冷却介质,所述冷却介质在所述管道(211)中流通时能够吸收所述坩埚(130)内的热源并从所述排出口(2112)流出。
8.根据权利要求7所述的单晶炉冷却系统,其特征在于:所述冷却装置(200)还包括驱动元件,所述驱动元件带动所述旋臂(221)绕所述底座(230)转动。
9.根据权利要求8所述的单晶炉冷却系统,其特征在于:所述控制单元(120)为插板阀门;和/或所述罩体管(300)为波纹管;和/或所述驱动元件为电机。
10.根据权利要求5所述的单晶炉冷却系统,其特征在于:所述单晶炉冷却系统还包括箱体(400),所述箱体(400)具有朝上的开口且在竖直方向上的高度低于所述冷却通道(110),所述冷却装置(200)被设置于所述箱体(400)内腔。
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