JP5710312B2 - 超電導コイル装置 - Google Patents

Description

本発明は、テープ状の超電導線材を巻き回して構成される超電導コイルが複数積層された超電導コイル装置に関する。

超電導コイルを構成する超電導線材の種類には、高温超電導線材や金属系超電導線材がある。これらの線材は、丸形状とテープ形状がある。

従来、特許文献１に、テープ状の高温超電導線材を巻き回した超電導コイルが開示されている。特許文献１の超電導コイルは、テープ状の高温超電導線材の幅方向をコイルの中心軸方向と一致させて同一平面上に巻き回される。この超伝導コイルは、最内周、および最外周において平板状の電極と半田接続される。

また、近年においてはテープ状の高温超電導線材として、テープ状の金属基板上に中間層を介して形成された、ＲＥ系酸化物超電導層（ＲＥはＹやＧｄなどの希土類元素）を有する多層構造の次世代高温超電導線材が盛んに開発されている。ＲＥ系酸化物超電導層は、厚さがミクロンオーダーと非常に薄いため層間剥離しやすいという特徴を持つ。

特開２００８−１４０９３０号公報

超電導コイルへ電流を流すために、上述した平板状の電極を、外部の電極などと接続するための常電導線と接続する電極（以下、単に「入出力電極」という。）として使用する場合、一般に冷凍機伝導冷却方式で想定されるような大電流を流すためには、入出力電極を大きくせざるを得ない。そのため、超電導コイルと入出力電極とを半田接続する際の加熱量や加熱時間が増加し、超電導コイルの臨界電流が劣化しやすい。

また、入出力電極に常電導線を取り付ける際のハンドリングや通電時の電磁力が原因で、超電導コイルと入出力電極との接続部には引張り力が働く。この引張り力により、高温超電導線材が剥がれて超電導コイルの臨界電流が劣化しやすいという課題があった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、超電導コイルの臨界電流を劣化させることなく安定に通電可能な超電導コイル装置を提供することを目的とする。

本発明に係る超電導コイル装置は、上述した課題を解決するために、巻枠と、前記巻枠の周方向の一部に設けられたコイル電極と、末端が前記コイル電極に電気的に接続されるとともに前記巻枠の外周に超電導線材を巻き回して形成される複数の超電導コイルが軸方向に積層された超電導コイル部と、一つの前記超電導コイルの内周側において、前記コイル電極に電気的に接続され、かつ少なくとも一つの他の前記超電導コイルの前記巻枠内周面に機械的に固定される入力電極と、前記入力電極と電気的に接続された前記超電導コイル以外の一つの前記超電導コイルの内周側において、前記コイル電極に電気的に接続され、かつ他の少なくとも一つの前記超電導コイルの前記巻枠内周面に機械的に固定される出力電極と、前記超電導コイル間を電気的に接続するコイル間電極と、を備えたことを特徴とする。

本発明に係る超電導コイル装置においては、超電導コイルの臨界電流を劣化させることなく安定に通電することができる。

第１実施形態における超電導コイル装置の外観斜視図。 図１の超電導コイル装置の平面図。 図２の超電導コイル装置のIII−III矢視断面図 図２の超電導コイル装置のIV−IV矢視断面図。 第１実施形態の変形例としての超電導コイル装置の外観斜視図。 第２実施形態における超電導コイル装置の平面図。 図６の超電導コイル装置のVII−VII矢視断面図。 図６の超電導コイル装置のVIII−VIII矢視断面図。 第２実施形態の変形例としての巻枠などを示す平面図。 （Ａ）は第３実施形態における超電導コイル装置の平面図、（Ｂ）は超電導コイル装置の底面図。 図１０（Ａ）の超電導コイル装置のXI−XI矢視断面図。 図１０（Ａ）の超電導コイル装置のXII−XII矢視断面図。 （Ａ）は第３実施形態の変形例としての超電導コイル装置の平面図、（Ｂ）は超電導コイル装置の底面図。 （Ａ）は第４実施形態における超電導コイル装置の平面図、（Ｂ）は超電導コイル装置の底面図。 図１４（Ａ）の超電導コイル装置のXV−XV矢視断面図。 第５実施形態の超電導コイル装置の平面図。 図１６の超電導コイル装置のXVII−XVII矢視断面図。 図１６の超電導コイル装置のXVIII−XVIII矢視断面図。 図１６の超電導コイル装置のXIX−XIX矢視断面図。

本発明に係る超電導コイル装置の各実施形態について、図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態における超電導コイル装置１の外観斜視図である。図２は、図１の超電導コイル装置１の平面図である。図３は、図２の超電導コイル装置１のIII−III矢視断面図である。図４は、図２の超電導コイル装置１のIV−IV矢視断面図である。

超電導コイル装置１は、超電導コイル部２と、入出力電極３ａ、３ｂと、外側電極４とを有する。

超電導コイル部２は、２個の超電導コイル２ａ、２ｂを軸方向に積層した積層コイル形状である。超電導コイル２ａ、２ｂは、テープ状の超電導線材を同一平面状に巻き回して形成される（いわゆる、パンケーキコイル）。

超電導線材は、例えば複数のテープ状の部材が積層された多層構造を有し、一般的にＣｏａｔｅｄ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒと呼ばれる。超電導線材は、金属基板（ハステロイ（登録商標）など）と、この金属基板上に中間層（多結晶薄膜など）を介して形成されたＲＥ系酸化物超電導層（ＲＥはＹやＧｄといった希土類元素）と、この超電導層の上に形成された保護金属層（金、銀など）とで構成されている。また、超電導線材は、保護金属層の上にさらに安定化金属層（銅、ステンレスなど）が形成されていてもよい。

入出力電極３ａ、３ｂは、常電導線（図示せず）を介して超電導コイル装置を励磁する電源などと接続される。入出力電極３ａ、３ｂは、超電導コイル部２内周側の所定位置において超電導コイル２ａ、２ｂと接続される。入出力電極３ａ、３ｂは、いわゆる口出線に相当する。なお、入出力電極３ａ、３ｂは、いずれか一方が正極としての入力電極、他方が負極としての出力電極となる。

図３に示すように、入出力電極３ａは、電気接続層６を介して超電導コイル２ａと電気的に接続される。電気接続層６は、例えば半田付け、超音波溶接、抵抗溶接、導電性接着剤、銀蝋付けまたは電子ビーム溶接により形成される層である。電気的な接続方法は、導電性や接続強度の面から半田接続が好ましい。また、入出力電極３ａは、固着層７を介して超電導コイル２ｂと機械的に固定される。固着層７（接着剤）は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂などの熱硬化性樹脂や粘着性の絶縁テープ、または非粘着性の絶縁テープを熱硬化性樹脂で接着して形成されることが好ましい。

図４に示すように、入出力電極３ｂは、固着層７を介して超電導コイル２ａと機械的に固定される。また、入出力電極３ｂは、電気接続層６を介して超電導コイル２ｂと電気的に接続される。

すなわち、入出力電極３ａは、軸方向の最上位層に配置される超電導コイル２ａと電気的に接続される一方、その他の超電導コイル２ｂとは機械的に接続される。入出力電極３ｂは、軸方向の最下位層に配置される超電導コイル２ｂと電気的に接続される一方、その他の超電導コイル２ａとは機械的に接続される。

外側電極４は、超電導コイル部２の最外周側の所定位置において超電導コイル２ａと超電導コイル２ｂとを電気的に接続する。外側電極４は、コイル間を接続するコイル間電極として機能する。これにより、超電導コイル装置１は、入出力電極３ａを正極とした場合、入出力電極３ａ、超電導コイル２ａ、外側電極４、超電導コイル２ｂ、入出力電極３ｂの順に電流を流す。

この超電導コイル装置１においては、入出力電極３ａ、３ｂは超電導コイル２ａ、２ｂとの電気的な接続のみならず、電気的に接続されない超電導コイル２ｂ、２ａと機械的に固定される。このため、入出力電極３ａ、３ｂに常電導線を取り付ける際のハンドリングによる引張り力や通電時の電磁力に起因して、超電導コイル２ａ、２ｂより超電導線材が剥がれる恐れが低減される。この結果、超電導コイル装置１は、臨界電流を劣化させることなく安定的に通電が可能となる。

なお、第１実施形態においては、パンケーキ形状の超電導コイルを２つ積層したいわゆるダブルパンケーキ方式としたが、積層される超電導コイルの個数は３以上であってもよい。

また、図５に示すように、超電導コイルの形状がＤ字形状などの非円形のコイル形状であっても、上述した超電導コイル装置１と同様の効果を得ることができる。

［第２実施形態］
本発明に係る超電導コイル装置の第２実施形態を添付図面に基づいて説明する。第１実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図６は、第２実施形態における超電導コイル装置２１の平面図である。図７は、図６の超電導コイル装置２１のVII−VII矢視断面図である。図８は、図６の超電導コイル装置２１のVIII−VIII矢視断面図である。

第２実施形態の超電導コイル装置２１が第１実施形態の超電導コイル装置１と異なる点は、各超電導コイル２ａ、２ｂに巻枠３１ａ、３１ｂ、およびコイル電極３２ａ、３２ｂが設けられた点である。

巻枠３１ａ、３１ｂは、超電導コイル２ａ、２ｂの内周側に配置され、超電導線材の巻軸となる。巻枠３１ａ、３１ｂは、ガラス繊維強化プラスチックや補強型ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などの絶縁材から形成されることが好ましい。

コイル電極３２ａ、３２ｂは、それぞれ巻枠３１ａ、３１ｂの周方向の一部に設けられる。コイル電極３２ａ、３２ｂは、それぞれ超電導コイル２ａ、２ｂの超電導線材の末端と薄い電気接続層（図示せず）を介して電気的に接続される。コイル電極３２ａ、３２ｂのコイル内周側の面は、入出力電極３ａ、３ｂとの接続の観点から平面となっている。

次に、超電導コイル部２と入出力電極３ａ、３ｂとの接続について説明する。

入出力電極３ａは、コイル電極３２ａを介して超電導コイル２ａと電気的に接続される。入出力電極３ａとコイル電極３２ａとは、薄い電気接続層（図示せず）を介して接続される。また、入出力電極３ａは、固着層７と巻枠３１ｂとを順次介して超電導コイル２ｂと機械的に固定される。

入出力電極３ｂは、固着層７と巻枠３１ａとを順次介して超電導コイル２ａと機械的に固定される。また、入出力電極３ｂは、薄い電気接続層（図示せず）とコイル電極３２ｂとを順次介して超電導コイル２ｂと電気的に接続される。

この超電導コイル装置２１は、入出力電極３ａ、３ｂと超電導コイル２ａ、２ｂとをコイル電極３２ａ、３２ｂを介して間接的に接続することができる。このため、入出力電極３ａ、３ｂを半田接続などにより接続する際の超電導コイル２ａ、２ｂへの加熱量を低減できる。

また、コイル電極３２ａ、３２ｂと入出力電極３ａ、３ｂは、平面対平面で接続されるため、曲面で接続する場合に比べて接続作業が容易であり、接続作業時間が短縮できる。この結果、超電導コイル２ａ、２ｂへの加熱時間も短縮でき、臨界電流の劣化を防止することができる。

なお、図９に示すように、第２実施形態の超電導コイル装置２１は、製造性の観点から、巻枠４１の一部を外周が平面状となるよう切欠き、その切欠きにコイル電極４２を設けてもよい。この場合、切り欠かれた巻枠４１の一部に切欠き相当の部材４３を取り付けることで、超電導コイルは円形状を保持することができる。

［第３実施形態］
本発明に係る超電導コイル装置の第３実施形態を添付図面に基づいて説明する。第１および第２実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図１０（Ａ）は第３実施形態における超電導コイル装置５１の平面図、（Ｂ）は超電導コイル装置５１の底面図である。図１１は、図１０（Ａ）の超電導コイル装置５１のXI−XI矢視断面図である。図１２は、図１０（Ａ）の超電導コイル装置５１のXII−XII矢視断面図である。

第３実施形態の超電導コイル装置５１が第２実施形態の超電導コイル装置２１と異なる点は、巻枠６１ａ、６１ｂの２箇所に切欠部６３が設けられた点である。切欠部６３は、巻枠６１ａ、６１ｂの内周側の所定位置に設けられ、入出力電極３ａ、３ｂの幅以上の幅を周方向に沿って有する。第３実施形態においては、２つの切欠部６３は、周方向における位相差が略１８０度となる位置（向かい合う対称的な位置）にそれぞれ設けられる。

入出力電極３ａ、３ｂは、巻枠６１ａ、６１ｂの切欠部６３で、薄い固着層（図示せず）を介して機械的に固定される。入出力電極３ａ、３ｂは、切欠部６３で固定されることによりコイル周方向において巻枠６１ａ、６１ｂにより拘束され、入出力電極３ａ、３ｂに働くコイル周方向の引張り力に対する超電導コイル装置１の機械強度が向上する。この結果、超電導コイル装置５１は、より安定的な通電が可能である。

通電時においては、入出力電極３ａ、３ｂは異なる極性となる。入出力電極３ａ、３ｂに高電圧がかかる場合、入出力電極３ａ、３ｂ間の距離、すなわち絶縁距離が短いと放電してしまい安定して通電できない恐れがある。これに対し、第３実施形態における超電導コイル装置５１は、入出力電極３ａ、３ｂのコイル周方向の位置が対称であるため、入出力電極３ａ、３ｂ間の距離が最長となる。これにより、入出力電極３ａ、３ｂの耐電圧性能が向上し、より安定的に通電可能となる。

さらに、巻枠６１ａ、６１ｂの切欠部６３に入出力電極３ａ、３ｂを固定した結果、コイル電極６２ａ、６２ｂと入出力電極３ａ、３ｂとの固定面を第２実施形態と比べて小さくすることができる。これにより、入出力電極３ａ、３ｂを半田接続する際の超電導コイル部２への加熱量は低減され、超電導コイルの臨界電流の劣化を防止することができる。

なお、入出力電極３ａ、３ｂを巻枠６１ａ、６１ｂ（切欠部６３）に対する固定方法は、固着層に代えて、または固着層で固着した後に図１３（Ａ）、（Ｂ）に示すようにネジ６５ａ、６５ｂを用いて固定してもよい。

ここで、図１３（Ａ）は第３実施形態の変形例としての超電導コイル装置７１の平面図、（Ｂ）は超電導コイル装置７１の底面図である。

図１３（Ａ）、（Ｂ）に示すようにネジ６５ａ、６５ｂを用いて、または固着層で固着させた後にネジ６５ａ、６５ｂを用いて入出力電極３ａ、３ｂを巻枠６１ａ、６１ｂに固着させたので、入出力電極３ａ、３ｂは、より強固に巻枠６１ａ、６１ｂ（超電導コイル２ａ、２ｂ）に固定される。入出力電極３ａ、３ｂに働く引張り力に対する超電導コイル装置１の機械強度は向上し、より安定的に通電を可能とすることができる。

［第４実施形態］
本発明に係る超電導コイル装置の第４実施形態を添付図面に基づいて説明する。第１〜第３実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図１４（Ａ）は第４実施形態における超電導コイル装置８１の平面図、（Ｂ）は超電導コイル装置８１の底面図である。図１５は、図１４（Ａ）の超電導コイル装置８１のXV−XV矢視断面図である。

第４実施形態の超電導コイル装置８１が第３実施形態の超電導コイル装置５１と異なる点は、入出力電極８３ａと入出力電極８３ｂとのコイル周方向の位置が一致する点と、４個の超電導コイル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを軸方向に積層した点とである。

入出力電極８３ａは、コイル電極６２ａを介して超電導コイル２ａと電気的に接続される。入出力電極８３ａとコイル電極６２ａとは、薄い電気接続層（図示せず）を介して接続される。入出力電極８３ａは、薄い固着層（図示せず）と巻枠９１ｂとを順次介して超電導コイル２ｂと機械的に接続される。

入出力電極８３ｂは、固着層７と巻枠９１ｃとを順次介して超電導コイル２ｃと機械的に固定される。入出力電極８３ｂは、コイル電極６２ｄを介して超電導コイル２ｄと電気的に接続される。

すなわち、入出力電極８３ａは、軸方向の最上位層に配置される超電導コイル２ａと電気的に接続される一方、他の超電導コイル２ｂとは機械的に固定される。入出力電極８３ｂは、軸方向の最下位層に配置される超電導コイル２ｄと電気的に接続される一方、他の超電導コイル２ｃとは機械的に接続される。

巻枠９１ａ〜９１ｄ、固着層７の寸法や、入出力電極８３ｂの超電導コイル２ｄとの接続箇所の形態は、同位置に配置された入出力電極８３ａ、８３ｂが接触しないように適宜設定される。

なお、超電導コイル２ｂと超電導コイル２ｃとは、内周側に設けられるコイル電極を介して外側電極４相当の内側電極（コイル間電極）により電気的に接続される。

この超電導コイル装置８１に通電された場合、入出力電極８３ａ、８３ｂにはそれぞれコイル径方向と垂直な方向に電磁力が働く。入出力電極８３ａと入出力電極８３ｂとは極性が異なるため、これらの電磁力は反対方向に働く。この電磁力は、入出力電極８３ａ、８３ｂのコイル周方向の位置が一致しているため相殺される。このため、入出力電極８３ａ、８３ｂは通電時の電磁力による影響を受けることなく安定的に通電可能となる。

［第５実施形態］
本発明に係る超電導コイル装置の第５実施形態を添付図面に基づいて説明する。第１〜第４実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図１６は、第５実施形態の超電導コイル装置１０１の平面図である。図１７は、図１６の超電導コイル装置１０１のXVII−XVII矢視断面図である。図１８は、図１６の超電導コイル装置１０１のXVIII−XVIII矢視断面図である。図１９は、図１６の超電導コイル装置１０１のXIX−XIX矢視断面図である。

超電導コイル部２は、軸方向に積層された４個の超電導コイル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄにより構成される。各超電導コイル２ａ〜２ｂは、巻枠１１１ａ〜１１１ｄを軸に巻き回される。各巻枠１１１ａ〜１１１ｄには、３箇所に切欠部６３が設けられる。各切欠部６３は、入出力電極３ａ、３ｂまたは内側電極１１４を配置するために設けられる。切欠部６３は、第３実施形態において説明した切欠部と同様に、入出力電極３ａ、３ｂおよび後述する内側電極１１４の幅以上の幅を周方向に沿って有する。例えば一つ目の切欠部６３の周方向の位置を０度と規定すると、二つ目の切欠部６３は９０度、三つ目の切欠部６３は１８０度の位置に設けられる。

図１７に示すように、入出力電極１０３ａは、巻枠１１１ａの切欠部６３に設けられたコイル電極６２ａを介して超電導コイル２ａに接続される。また、入出力電極１０３ａは、切欠部６３において薄い固着層を介して巻枠１１１ｂ〜１１１ｄ（超電導コイル２ｂ〜２ｄ）に対して機械的に固定される。

図１８に示すように、入出力電極１０３ｂは、巻枠１１１ｄの切欠部６３に設けられたコイル電極６２ｄを介して超電導コイル２ｄに接続される。また、入出力電極１０３ｂは、切欠部６３において薄い固着層を介して巻枠１１１ａ〜１１１ｃ（超電導コイル２ａ〜２ｃ）に対して機械的に固定される。

図１９に示すように、超電導コイル部２は、外側電極４および内側電極１１４（コイル間電極）によりコイル間において電気的に接続される。１層目と２層目との超電導コイル２ａ、２ｂは、最外周側において外側電極４により電気的に接続される。２層目と３層目との超電導コイル２ｂ、２ｃは、最内周側において内側電極１１４により電気的に接続される。３層目と４層目との超電導コイル２ｃ、２ｄは、最外周側において外側電極４により電気的に接続される。

内側電極１１４は、入出力電極１０３ａと入出力電極１０３ｂとから等距離に配置される。内側電極１１４は、例えば銅や銀などの低抵抗金属や、超電導コイル２ａ〜２ｄを形成するテープ状の超電導線材よりも幅の広い超電導線材が好ましい。外側電極４は、第１実施形態の外側電極４とほぼ同様である。

複数の超電導コイルが積層された積層コイル部を有する超電導コイル装置は、各層の超電導コイルが経験する磁場分布が異なる。テープ状の高温超電導線材を使用する場合、最外層の超電導コイルにとって最も厳しい磁場分布となる。このため、超電導コイルを巻回した後、超電導コイルの超電導特性に応じて超電導コイル部の積層順を任意に入れ替え可能にすることが好ましい。

第５実施形態における超電導コイル装置１０１は、入出力電極１０３ａと入出力電極１０３ｂとから等距離に内側電極１１４を設けるように切欠部６３を設けた。これにより、超電導コイルを２層以上積層した場合にも巻枠１１１ａ〜１１１ｄは同じ形状とすることができる。

このため、予め積層順を決めた上で各超電導コイルを製造する必要がなく、また、形状に制限されることなく自由に超電導コイルの積層順を入れ替えることができる。この超電導コイル装置１０１は、上述した各実施形態の効果に加え、製造性をも向上させることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１、２１、５１、７１、８１、１０１ 超電導コイル装置
２ 超電導コイル部
２ａ〜２ｄ 超電導コイル
３ａ、３ｂ、８３ａ、８３ｂ、１０３ａ、１０３ｂ 入出力電極
４ 外側電極
６ 電気接続層
７ 固着層
３１ａ、３１ｂ、４１、６１ａ、６１ｂ、９１ａ〜９１ｄ、１１１ａ〜１１１ｄ 巻枠
３２ａ、３２ｂ、４２、６２ａ〜６２ｄ コイル電極
６３ 切欠部
６５ａ、６５ｂ ネジ
１１４ 内側電極

Claims (8)

1. 巻枠と、
   前記巻枠の周方向の一部に設けられたコイル電極と、
   末端が前記コイル電極に電気的に接続されるとともに前記巻枠の外周に超電導線材を巻き回して形成される複数の超電導コイルが軸方向に積層された超電導コイル部と、
   一つの前記超電導コイルの内周側において、前記コイル電極に電気的に接続され、かつ少なくとも一つの他の前記超電導コイルの前記巻枠内周面に機械的に固定される入力電極と、
   前記入力電極と電気的に接続された前記超電導コイル以外の一つの前記超電導コイルの内周側において、前記コイル電極に電気的に接続され、かつ他の少なくとも一つの前記超電導コイルの前記巻枠内周面に機械的に固定される出力電極と、
   前記超電導コイル間を電気的に接続するコイル間電極と、を備えたことを特徴とする超電導コイル装置。
2. 前記巻枠は、前記入力電極または前記出力電極の少なくとも一部を収容する切欠部を有する請求項１記載の超電導コイル装置。
3. 前記入力電極および前記出力電極は、前記超電導コイル部の周方向においてほぼ一致する位置に配置される請求項１記載の超電導コイル装置。
4. 前記入力電極および前記出力電極は、前記超電導コイル部の周方向において位相差がほぼ１８０度となる位置に配置される請求項１記載の超電導コイル装置。
5. 前記コイル間電極は、前記超電導コイル部の内周側であって、前記入力電極および前記出力電極から等距離となる位置に配置され、
   前記巻枠は、前記入力電極、前記出力電極および前記コイル間電極の少なくとも一部を収容する切欠部を有する請求項１記載の超電導コイル装置。
6. 前記コイル間電極は、金属板、または巻き回された前記超電導テープ線材よりも幅の広い超電導線材からなることを特徴とする請求項５記載の超電導コイル装置。
7. 前記コイル電極と前記入力電極または前記出力電極とは、平面である電気的な接続部で接続される請求項１記載の超電導コイル装置。
8. 前記入力電極および前記出力電極は、前記巻枠に対し接着剤、ネジ、または接着剤とネジとにより機械的に固定される請求項１記載の超電導コイル装置。

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