JP5230938B2 - ターボ分子真空ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、ターボ分子真空ポンプに関する。

セラミックボールベアリングに装着された回転部材を有する比較的安価なターボ分子真空ポンプが、一般の適用例で知られている。これにもかかわらず、このようなターボ分子真空ポンプは、特定の使用、例えば半導体の製造、即ちガラスファーバーへのコーテングの使用、若しくは電子顕微鏡の使用において、十分に丈夫でないか信頼できない。

このような状況においては、中に回転部材が磁気ベアリングに装着されているターボ分子真空ポンプを使用することが好ましい。これら磁気ベアリングは、超高速回転スピードを実現可能にし、信頼性並びに丈夫さを有し、潤滑油がないために汚染のリスクがない。

かくして、例えば米国特許第４０２３９２０号に開示されているように、能動の“５つの軸”の磁気ベアリングを有する、即ち、以下のような１つのアキシャル磁気ベアリングと２つのラジアル磁気ベアリングとを有するターボ分子真空ポンプが知られている。これらベアリングは、ターボ分子真空ポンプのロータの軸方向並びに径方向の位置を検出するための検出器と、参照の矩形のフレームの３つの軸に沿った平行移動若しくは２つの傾斜軸を中心とした傾斜におけるロータの変位を直すための電気サーボ制御回路とに関連付けられている。

代表的には、能動の磁気ベアリングを有する従来のターボ分子真空ポンプは、図３に示された構造を有している。

垂直ロータ２０が、巻線７１を有する電気モータ７の両側に位置された第１のラジアル磁気ベアリング１と第２のラジアル磁気ベアリング２とにより容器内で装着されている。各ラジアル磁気ベアリング１，２は、容器１０内に固定状態で装着され、かつロータ２０に位置されたアーマチュアと協働するステータの部分を形成している電磁石の巻線１１，２１を有している。上方のラジアル磁気ベアリング１は、下方のラジアル磁気ベアリング２よりも大きなサイズであり得るが、ロータ２０が、また、垂直以外の位置に配置され得ることに気付くべきである。

ロータ２０の径方向の位置を検出するための径方向検出器４、５が、ラジアル磁気ベアリング１，２近くに位置されている。これら径方向検出器４，５は、例えば巻線４１,５１を有する誘導性タイプであり得るが、同様に、例えば静電性タイプ若しくは光学タイプであっても良い。

ステータの巻線３１ａ，３１ｂを備えたアキシャル磁気スラストベアリング３が、ロータの下端部に配置され、ロータ２０の軸に対して垂直なロータアーマチュアと協働する。軸方向検出器６が、ロータ２０の軸位置を検出し、また、容器１０に固定された固定プレート１５上にロータ２０の下端部近くで位置されている。

上述された部材（電気モータ７、ラジアル磁気ベアリング１、２、アキシャル磁気ベアリング３、径方向検出器４、５、並びに軸方向検出器６）の全ては、容器１０で規定されたチャンバ１６中に位置されている。容器内には、圧力が数ミリバール(mbar)ないし１ミリバールの１/１０００のオーダの主真空領域がある。代表的には５４個の接続部を有する気密で耐漏洩のコネクタ８０が、モータ７と、ベアリング１，２，並びに３と、検出器４，５とに電力を供給し、かつ制御するための電線を、耐漏洩の状態で容器１０の壁中に通し、またこれらを、代表的に５４本の電線を有する接続ケーブル８３に接続させるために、必要である。この接続ケーブルは、容器１０の外側で通常の周囲環境に、ポンプ本体から遠い若しくは近い距離のところに位置されている制御ユニット９１ないし９４にポンプ内の電気部材を接続している。

前記制御ユニット９１ないし９４は、ケーブル８１によって電源に接続された一般的な電源回路９１と、真空ポンプの外部のシステムと接続するようにインターフェースケーブル８２によって外部のシステムに接続されたインターフェース回路９２と、電気モータ７を制御するための回路９３と、アキシャル磁気ベアリング３並びにラジアル磁気ベアリング１，２を制御するための回路９４とを一般的に有している。

前記接続ケーブル８３と耐漏洩のコネクタ８０とは、多くの電線、即ち接続部（代表的には５４本の電線）を有するためにコストがかかっているコンポーネントである。これら電線は、ターボ分子真空ポンプのロータのための磁気支持機構のコストに十分見合っている。

接続ケーブルのコストを下げるために、制御ロックのある外部部材をポンプに近づけることが提案されている。しかし、数十の電線、即ち接続部を有する耐漏洩のコネクタを使用する必要性がまだあり、従って、ポンプ内の多数の部材（モータ、ベアリングの巻線、位置検出器）が、制御ユニット９１ないし９４の外部回路に接続される必要がある場合に非常にコストがかかる。

本発明は、上述された欠点に対処している。本発明は、ターボ分子真空ポンプが、磁気支持機構のタイプの強化さ並びに信頼性といった利点の全てを有する能動の磁気ベアリングで形成されることを可能にしている。それでありながら、製造コストは非常に減じられ、このコストは、セラミックボールベアリングを有するターボ分子真空ポンプの製造コストに近い。

本発明において、これら目的は、能動の磁気ベアリングを有するターボ分子真空ポンプによって果たされる。このポンプは、主真空チャンバを規定している容器と、この容器内に装着されたロータと、このロータを前記容器に対して回転させるための電気モータと、少なくとも１つのアキシャル磁気ベアリングと、前記ロータを前記容器に支持させるための少なくとも１つのラジアル磁気ベアリングと、前記容器に対する前記ロータの軸方向の位置を検出するための少なくとも１つの軸方向検出器と、前記容器に対する前記ロータの径方向の位置を検出するための少なくとも１つの径方向検出器と、前記容器の壁中に装着された気密で耐漏洩の電気コネクタと、前記電気モータ、前記アキシャル磁気ベアリング、前記ラジアル磁気ベアリングに関連付けられ、離れた外部の電気回路との接続を与える少なくとも１つの電気ケーブルとを有している。このポンプは、前記電気モータ、アキシャル磁気ベアリング、並びにラジアル磁気ベアリングに関連付けられ、離れた外部の電気回路は、前記電気モータと、前記アキシャル磁気ベアリングと、前記ラジアル磁気ベアリングとに電力を供給するための一般的な電源回路を有することを特徴としている。このポンプは、また、前記軸方向検出器と前記径方向検出器とによって出力される信号をベースにして、前記アキシャル磁気ベアリングと前記ラジアル磁気ベアリングを制御するための回路が、所定の樹脂中に埋め込まれ、主真空チャンバ内で前記容器中に位置されていることを特徴としている。さらに、このポンプは、前記耐漏洩の電気コネクタと、前記離れた外部の電気回路との接続を与えている前記電気ケーブルとは、各々が、１０本未満の複数の接続電線を有していることとを特徴としている。

前記離れた外部の電気回路は、この真空ポンプの外部のシステムに接続インターフェースを与えている回路を更に有することができる。

両検出器と、ラジアル磁気ベアリングと、アキシャル磁気ベアリングとの接続部が、真空容器の耐漏洩の壁を貫通していない場合、接続部の少ない耐漏洩のコネクタを使用することが可能であり、かくしてコストが減じられる。同様に、外部の接続ケーブルは、少ないワイヤーのみを有し、従って製造コストを減じる。さらに、比較的小さい電力の電気回路は、低コスト並びに便利な方法で、主真空チャンバ内に組み込まれることができる。

好ましい実施形態において、このターボ分子真空ポンプは、この真空ポンプが、前記容器の外側でこの容器の底壁に装着されている、前記モータを制御するための回路を有している。接続用の前記電気ケーブルは、耐漏洩の電気コネクタと前記電気モータを制御するための回路との間の第１の接続ケーブルと、前記電気モータを制御するための回路と前記離れた外部の電気回路との間の第２の接続ケーブルとを有している。前記第１の接続ケーブルは、１０本未満の複数の接続電線を有し、一方、前記第２の接続ケーブルは、５本未満の複数の接続電線を有している。

このような配置によって、第２の接続ケーブルのワイヤーの数を更に減じることが可能であり、従って、所定の距離離れたところに位置された外部の電気回路との接続を与えるために、欠点もなく長くさせることができる。

好ましくは、第１の接続ケーブルは、８本未満の複数の接続電線を有し、一方、第２の接続ケーブルは、４本未満の複数の接続電線を有している。

好ましくは、前記アキシャル磁気ベアリングとラジアル磁気ベアリングとを制御するための回路は、前記容器の底壁に位置されている。

このような状況において、特定の一実施形態では、このポンプの外部の冷却回路が、前記アキシャル磁気ベアリングとラジアル磁気ベアリングとを制御するための回路を収容している前記容器の部分を囲んでいる。

好ましい特定の実施形態において、前記アキシャル磁気ベアリングとラジアル磁気ベアリングとを制御するための回路は、前記容器の壁に面した下面と、前記容器の内部に面した上面とを有するプレートを備えている。前記下面は、前記アキシャル磁気ベアリングとラジアル磁気ベアリングとに電力を供給するための複数の電源コンポーネントを支持している。前記上面は、前記軸方向検出器と径方向検出器とによって出力される信号を処理するための複数のコンポーネントを支持している。

前記アキシャル磁気ベアリングとラジアル磁気ベアリングとを制御するための回路は、アルミニウムハウジング内に位置されることができる。前記電気コンポーネントは、気泡のない樹脂中に埋め込まれている。

組立ては、前記アキシャル磁気ベアリングとラジアル磁気ベアリングとを制御するための回路が、前記容器内で、この容器の着脱可能な底壁上に装着されている場合に、特に簡単である。容器の底壁は、例えば、アルミニウムで形成されることができる。

他の特徴並びに効果は、添付図面を参照した、一例として与えられている特別な実施形態の以下の説明から明らかである。

図１は、本発明のターボ分子真空ポンプの特別な実施形態の図である。図３に示されているターボ分子真空ポンプの部材に類似若しくは一致したこの真空ポンプの部材には、数字の１若しくは１０が前に付けられたのと同じ（１００を加えたに等しい）参照符号が与えられている。かくして、図１のラジアル磁気ベアリング１０１，１０２は、図３のラジアル磁気ベアリング１，２に対応している。同様に、アキシャル磁気スラストベアリング１０３、径方向検出器１０４，１０５、軸方向検出器１０６、並びに電気モータ１０７は、アキシャル磁気スラストベアリング３、径方向検出器４，５、軸方向検出器６、並びに電気モータ７に夫々対応しているので、これら部材は、再び説明されない。

図１の真空ポンプは、主真空領域にされるチャンバ１１６を規定している耐漏洩の容器１１０を有している。このチャンバ中には、ロータ１２０が収容され、このロータは、電気モータ１０７によって回転され、能動の磁気支持機構(suspension)によって支持されている。図１の真空ポンプの一般的な構造は、図３の従来の真空ポンプの構造に類似したままである。両方の図において、ロータ１２０によって駆動される、真空ポンプの部材は、通常のものであり、かくして省略されている。垂直シリンダー形態のロータ１２０の構造は、単なる一例として与えられているのであって、ロータの他の形態は、例えば、米国特許第４０２３９２０号にあるようなベル形状のロータが選択されることもできる。

上述されているように、前記電気モータ１０７並びにこれの巻線１７１の構造と、前記ラジアル磁気ベアリング１０１，１０２並びにこれらの巻線１１１，１２１の構造と、前記アキシャルベアリング１０３並びにこれの巻線１３１ａ，１３１ｂの構造と、径方向検出器１０４，１０５並びにこれらの巻線１４１，１５１の構造と、前記支持部１１５によって支持されている軸方向検出器１０６の構造とは、全てが、通常のままであり得る。

本発明は、駆動部材（モータ１０７）、支持部材（ベアリング１０１，１０２，１０３）、若しくは検出部材（検出器１０４，１０５，１０６）のコイルと、機能部の制御ユニットの回路１９１，１９２，１９３，１９４との間の接続を最適にすることを可能にしている。これら回路は、元のままであるが、ポンプの製造を全体的に容易かつ安価にする特定の方法で配置されている。

本発明において、このターボ分子真空ポンプ本体は、電気モータ１０７と、アキシャル磁気ベアリング１０３と、ラジアル磁気ベアリング１０１，１０２とに電力を供給するための一般的な電源回路１９１から、所定の距離離れたところに保持されている。この電源回路１９１は、真空ポンプの環境を乱さないように通常の主電源に接続され、高電圧を発生させる。この電源回路は、また、２又は３つの電線のみ有しているということから安価である接続ケーブル１８３を必要としている。

インターフェースケーブル１８２を介して真空ポンプの外部のシステムに接続用インターフェースを与えている回路１９２は、この回路の真空ポンプとの接続が、１本の電線、若しくは多くても２本の電線のみの存在を必要とするので、同様に、外部にとどまることができる。

対照的に、前記電気モータを制御するための回路１９３は、前記容器の外側で、容器１１０の底壁に装着されることが好ましい（図１並びに２）。この結果、モータを制御する回路１９３と離れた外部の回路１９１，１９２との間の接続ケーブル１８３は、２若しくは３つのみの電線を有する必要があり、一方、前記モータを制御する回路１９３と耐漏洩のコネクタ１８０との間の接続ケーブル１８４は、わずか５ないし７本の電線を有する必要があり、この接続ケーブル１８４は、長さが非常に短い。電気モータを制御する回路１９３によって発生される熱は、電力損が、数十ワットないし数百ワットのオーダであれば、容易に放射されることができる。

本発明において、前記回路１９４は、前記軸方向検出器１０６と径方向検出器１０４，１０５とによって出力される信号をベースにして、前記アキシャル磁気ベアリング１０３とラジアル磁気ベアリング１０１，１０２とを制御する。この回路１９４は、主真空チャンバ１１６内で容器１１０中に位置されたユニット２０６（図２）に配置されている。このため、検出器１０４，１０５，並びに１０６と、能動の磁気ベアリング１０１，１０２，並びに１０３との間の接続の全ては、容器１１０内でなされ、１若しくは２本のみの電線が、これら部材に電力を供給するのに必要とされる。かくして、前記耐漏洩のコネクタ１８０は、１０個未満の複数の接続部で容易に間に合わせることができ、例えば、５ないし７個の接続部で、より容易に間に合わせることを確実にしている。

特に図２に見られ得るように、前記複数の磁気ベアリングのための制御回路１９４は、アルミニウムで形成され得ることが好ましい金属ユニット２０６内に配置されている。この金属ユニットは、図２に象徴的に示されている接続手段２０７によって容器１１０の底壁２０２上に固定されている。この底壁２０２は、また、アルミニウムで形成されることができ、接続手段２０４を使用した着脱可能な方法で、容器１１０の垂直壁２０１に固定されることが好ましい。ガスケット２０５が、容器１１０の底壁２０２と垂直壁２０１との間にシールを与えている。

かくして、着脱可能な底壁２０２の外側底面は、モータを制御するための回路１９３を支持することができ、一方、底壁の内側上面は、複数の磁気ベアリングを制御するための回路１９４を支持している。

このポンプの外面の冷却回路２０３が、磁気ベアリングの制御回路１９４が中に収容されている容器１１０の部分を囲んでいることが好ましい。この冷却回路は、通常のものであることができ、冷却液を循環させるためのチューブを有している。

前記耐漏洩のコネクタ１８０は、底壁２０２中に、若しくは、図２に示されているように、容器１１０の垂直壁２０１の下部中に配置されることができる。図２において、耐漏洩のコネクタ１８０が、容器１１０中へと貫通している最小数の電線、詳細には、モータ１０７に電力を供給するための実質的に２本の電線２２１並びに２２２と、ベアリングの制御回路１９４に電力を供給するための１若しくは２本の電線２２３とを有し、また、真空ポンプの外部のシステムに接続用インターフェースを備えた接続部を与える電線も有して良いことは理解され得る。

前記ベアリングを制御するための回路１９４は、また、比較的多くの電線２２４，２２５を有するコネクタ２２０によって、磁気ベアリングの巻線１１１，１２１，１３１ａ，１３１ｂと、検出器１０４，１０５，並びに１０６とに接続されている。これら接続部は、全てが容器１１０内に配置されており、従って、コネクタ２２０は、耐漏洩性である必要がなく、電源用電線２２３との接続を与えているコネクタ２１０がそうであり得るように、簡単な方法で形成されることができる。

この磁気ベアリングの制御回路１９４は、容器１１０の壁に面した下面と容器１０の内部に面した上面とを有するプレート２０８を備えることができる。前記下面は、アキシャル磁気ベアリング１０３とラジアル磁気ベアリング１０１，１０２とに電力を供給するための電源コンポーネント２１２を支持しており、前記上面は、軸方向検出器１０６と径方向検出器１０４，１０５とによって出力される信号を処理するためのコンポーネント２１１を支持している。このような配置によって、磁気ベアリングの制御回路１９４によって発生される熱は、容易に放出される。

この磁気ベアリングの制御回路１９４は、ポンプの主真空領域内に回路を組み込むことによって容器の基本的な形状を変形させる必要がないように、１００ワット以下のオーダの比較的小さい電力を与えている。磁気ベアリングの制御回路１９４を支持している（複数の）電子カード２０８が、前記金属底壁２０２上に直接装着され、従ってこれのためのハウジングを構成するか、若しくは、真空ポンプの底壁２０２と接触した金属ユニット２０６を介して金属底壁に装着されるので、必要とされる制限された程度の冷却を与えることは十分である。この冷却は、容器１１０の底壁近くの一般的なポンプ冷却システム２０３の存在によって増大されることができる。

この磁気ベアリングの制御回路１９４は、シール機能と温度を均一にする機能とを果たし、また、圧力が突然変化し得る真空中に位置されているという欠点を軽減するために伝熱機能も果たし得るように、予め脱気された気泡のない樹脂２０９中に埋め込まれている。

この磁気ベアリングの制御回路１９４は、ターボ分子真空ポンプの主真空内で互いに選択的に一体的であるので、耐漏洩のコネクタ１８０の接続部の数は、かくして、代表的な数である５４個の接続部から、５ないし７個の接続部（これら接続部は、モータへの電力供給並びに制御、磁気ベアリングへの電力供給、そしてインターフェースユニット１９２との接続を与えるために必要とされる）に減じられることができる。メンテナンスは、底壁２０２を単に外すことによって容易になされる。真空中に配置されている磁気ベアリングの制御回路１９４のコンポーネントは、ポンプを閉成している底壁中に埋め込まれ、かつこの埋め込まれていることによって、温度と温度均一性との改善が果たされ得るために、突然の真空圧力の変化から保護されている。

当然、別の実施形態が想定され得る。例えば、モータを制御するための回路１９３は、離れたままで、電源回路１９１並びにインターフェース回路１９２近くに設けられることができる。このような状況においては、１つのみの接続ケーブル１８４が、より少ない（８個未満の）接続部を有する耐漏洩のコネクタ１８０と、離れた回路１９１,１９２,１９３との間にある。そして、この接続ケーブル１８４は、わずか７本の電線を有することができ、かくして、コストを安くすませることができる。

能動の磁気ベアリングが装着された、本発明のターボ分子真空ポンプの一例を示した軸方向の断面図である。 本発明の特定の実施形態において、真空ポンプの容器内に組み込まれた能動の磁気ベアリングを制御するための回路を示した詳細図である。 従来のターボ分子真空ポンプの一例の軸方向の断面図である。

Claims (9)

1. 能動の磁気ベアリングを有するターボ分子真空ポンプであって、主真空チャンバ（１１６）を規定している容器（１１０）と、この容器（１１０）内に装着されているロータ（１２０）と、このロータ（１２０）を前記容器（１１０）に対して回転させるための電気モータ（１０７）と、前記ロータ（１２０）を前記容器（１１０）に回転可能に支持させるための少なくとも１つのアキシャル磁気ベアリング（１０３）並びに少なくとも１つのラジアル磁気ベアリング（１０１，１０２）と、前記容器（１１０）に対する前記ロータ（１２０）の軸方向の位置を検出するための少なくとも１つの軸方向検出器（１０６）と、前記容器（１１０）に対する前記ロータ（１２０）の径方向の位置を検出するための少なくとも１つの径方向検出器（１０４，１０５）と、前記容器（１１０）の壁中に装着された気密で耐漏洩の電気コネクタ（１８０）と、前記電気モータ（１０７）、前記アキシャル磁気ベアリング（１０３）、前記ラジアル磁気ベアリング（１０１，１０２）に関連付けられた外部の電気回路（１９１，１９２）との接続を与える少なくとも１つの電気ケーブル（１８３，１８４）とを具備し、
   前記外部の電気回路（１９１，１９２）は、前記容器（１１０）の外にこの容器とは離れて設けられ、また、
   この外部の電気回路は、前記電気モータ（１０７）と、前記アキシャル磁気ベアリング（１０３）と、前記ラジアル磁気ベアリング（１０１，１０２）とに電力を供給するための電源回路（１９１）を有し、
   前記軸方向検出器（１０６）と前記径方向検出器（１０４，１０５）とによって出力される信号をベースにして、前記アキシャル磁気ベアリング（１０３）と前記ラジアル磁気ベアリング（１０１，１０２）とを制御するための制御回路（１９４）が所定の樹脂（２０９）中に埋め込まれ、主真空チャンバ（１１６）内で前記容器（１１０）中に位置されており、
   前記耐漏洩の電気コネクタ（１８０）と、前記離れた外部の電気回路（１９１，１９２）との接続を与えている前記電気ケーブル（１８３，１８４）とは、各々が、１０本未満の複数の接続電線を有しており、また、
   前記容器の外側でこの容器（１１０）の底壁（２０２）に装着されている、前記モータを制御するための制御回路（１９３）を更に具備しており、
   前記電気ケーブル（１８３，１８４）は、前記耐漏洩の電気コネクタ（１８０）と前記電気モータを制御するための制御回路（１９３）とを接続する第１の接続ケーブル（１８４）と、前記電気モータを制御するための制御回路（１９３）と前記外部の電気回路（１９１，１９２）とを接続する第２の接続ケーブル（１８３）とを有しており、
   前記第１の接続ケーブル（１８４）は、１０本未満の複数の接続電線を有し、前記第２の接続ケーブルは、５本未満の複数の接続電線を有していることを特徴とするのターボ分子真空ポンプ。
2. 第１の接続ケーブル（１８４）は、８本未満の複数の接続電線を有し、第２の接続ケーブル（１８３）は、４本未満の複数の接続電線を有していることを特徴とする請求項１のターボ分子真空ポンプ。
3. 前記アキシャル磁気ベアリング（１０３）とラジアル磁気ベアリング（１０１，１０２）とを制御するための前記制御回路（１９４）は、前記容器（１１０）の底壁上に位置されていることを特徴とする請求項１又は２のターボ分子真空ポンプ。
4. 前記アキシャル磁気ベアリング（１０３）とラジアル磁気ベアリング（１０１，１０２）とを制御するための前記制御回路（１９４）を収容している前記容器（１１０）の部分を囲んでいる外部の冷却回路（２０３）を更に具備することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１のターボ分子真空ポンプ。
5. 前記アキシャル磁気ベアリング（１０３）とラジアル磁気ベアリング（１０１，１０２）とを制御するための前記制御回路（１９４）は、前記容器（１１０）の底壁に面した下面と、前記容器（１１０）の内部に面した上面とを有するプレート（２０８）を備え、前記下面は、前記アキシャル磁気ベアリング（１０３）とラジアル磁気ベアリング（１０１，１０２）とに電力を供給するための複数の電源コンポーネント（２１２）を支持し、前記上面は、前記軸方向検出器（１０６）と径方向検出器（１０４，１０５）とによって出力される信号を処理するための複数のコンポーネント（２１１）を支持していることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１のターボ分子真空ポンプ。
6. 前記アキシャル磁気ベアリング（１０３）とラジアル磁気ベアリング（１０１，１０２）とを制御するための制御回路（１９４）は、前記容器内の金属ユニット（２０６）内に位置されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１のターボ分子真空ポンプ。
7. 前記アキシャル磁気ベアリング（１０３）とラジアル磁気ベアリング（１０１，１０２）とを制御するための制御回路（１９４）は、前記容器内で、この容器（１１０）の着脱可能な底壁（２０２）上に装着されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１のターボ分子真空ポンプ。
8. 前記容器（１１０）の底壁は、アルミニウムで形成されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１のターボ分子真空ポンプ。
9. 前記少なくとも１つのラジアル磁気ベアリング（１０１，１０２）は、前記電気モータ（１０７）の両側に位置された２つのラジアル磁気ベアリング（１０１，１０２）を含んでいることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１のターボ分子真空ポンプ。

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