JPWO2009028099A1 - ターボ分子ポンプ - Google Patents

Abstract

ターボ分子ポンプは、ポンプ吸気側からポンプ排気側に向かって外径が小さくなるように配置された複数段の回転翼と、複数段の回転翼に対して回転軸方向に交互に配設され、半円状に２分割された複数段の固定翼とを備えるターボ分子ポンプにおいて、複数段の回転翼の最大外径よりも外径が小さな回転翼の下流側に配置される固定翼は、固定翼外周部に設けられた円弧状のリブと、リブからポンプ吸気側へと立設され、回転翼の径方向先端に近接して対向する円弧状の壁部とを有し、内径が最大外径よりも大きく、壁部を有する固定翼を所定位置に位置決めするスペーサリングを備える。

Description

本発明は、ターボ分子ポンプに関する。

近年、ターボ分子ポンプにおいては、高排気性能への要求に応えるために、回転体の高速回転化が進んでいる。しかし、高速回転化すると回転体の内部応力が問題となるため、内部応力を低減するために排気側に近い回転翼の外径を小さくして、遠心力による翼の引っ張り応力を低減させる必要がある。また、大きな排気速度を生じさせるためには、吸気口側に近い回転翼を長くする必要がある。これらのことから、吸気側から排気側にかけて回転翼の外径を小さくするような翼形状が標準的になりつつある。

ところが、排気口側の回転翼の外径を小さくすると、従来のように回転体を組み付けた後に、排気口側の固定翼およびスペーサリングを順に積層することが不可能となる。そのため、スペーサリングの形状を工夫することで、予め装着されたスペーサリング間に、固定翼を組み付けるのに十分な隙間を形成できるようにした構造のターボ分子ポンプが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−２６９２号公報

しかしながら、上述したターボ分子ポンプでは、固定翼を着脱するたびに、先に組み付けたスペーサリングを軸方向の一方に寄せて保持する必要がある。そのため、作業効率の低下を招くとともに、スペーサリング保持用の治具が必要となる。

本発明によるターボ分子ポンプは、ポンプ吸気側からポンプ排気側に向かって外径が小さくなるように配置された複数段の回転翼と、複数段の回転翼に対して回転軸方向に交互に配設され、半円状に２分割された複数段の固定翼とを備えるターボ分子ポンプにおいて、複数段の回転翼の最大外径よりも外径が小さな回転翼の下流側に配置される固定翼は、固定翼外周部に設けられた円弧状のリブと、リブからポンプ吸気側へと立設され、回転翼の径方向先端に近接して対向する円弧状の壁部とを有し、内径が最大外径よりも大きく、壁部を有する固定翼を所定位置に位置決めするスペーサリングを備えた。
本発明によるターボ分子ポンプおいて、壁部の外周面にポンプ吸気側が細くなるように形成された第１のテーパ面と、第１のテーパ面と同一傾きを有するようにスペーサリングの内周面に形成され、位置決め時に第１のテーパ面に当接して半円状に２分割された固定翼をそれぞれポンプ回転軸方向に付勢する第２のテーパ面とを備えるようにしても良い。
本発明によるターボ分子ポンプおいて、壁部を有する固定翼の全てをスペーサリングにより一括して位置決めするようにしても良い。
本発明によるターボ分子ポンプおいて、リブの厚さ寸法の下限公差域ＡＨ、第２のテーパ面の大径部直径寸法の公差下限値ＡＤ、および第１のテーパ面の大径部直径寸法の公差上限値Ａｄが、式「ＡＨ≦（ＡＤ−Ａｄ）」を満たすようにすることが好ましい。

本発明によれば、排気口側の固定翼およびスペーサリングを順に積層することが容易となり、作業効率の向上を図ることができる。

本発明の一実施の形態によるターボ分子ポンプを示す断面図である。 ４段目の固定翼１１Ａから８段目の固定翼１１Ｂまでを示す拡大図である。 （ａ）は固定翼１１Ｂの平面図、（ｂ）はＣ−Ｃ断面図ある。 固定翼１１Ｂの組み付けを説明する図である。 比較例における固定翼の組み付けを説明する図である。 図５に続く組み付け手順を示す図である。 第１の実施の形態の変形例を示す図である。 スペーサリング１００による固定翼１１Ｃの位置決め固定を説明する図である。 ターボ分子ポンプの第２の実施の形態を示す図である。 第２の実施の形態の変形例を示す図である。 固定翼１１Ｅとスペーサリング１０２の組み付け手順を示す図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
−第１の実施の形態−
図１は、本発明によるターボ分子ポンプの一実施の形態を示す図であり、磁気軸受式ターボ分子ポンプ１の断面図である。ポンプ１のケーシング２の内部には回転体４が設けられ、回転体４には回転軸３がボルト締結されている。回転軸３は、ベース５のステータコラムに設けられた上下一対のラジアル磁気軸受６およびスラスト磁気軸受７によって非接触式に支持され、モータＭにより回転駆動される。回転体４には、複数段の回転翼８および回転円筒部９が形成されている。

一方、ケーシング２内にはリング状のスペーサ１０が複数積層され、そのスペーサ１０によって上下に挟まれるように複数段の固定翼１１Ａ，１１Ｂが設けられている。上側の１段目から４段目までは固定翼１１Ａが設けられ、５段目から８段目までは固定翼１１Ｂが設けられている。さらに、固定翼１１Ｂの下方（下流側）には、内周面に螺旋溝が形成された固定円筒部１２が設けられている。

図１に示すターボ分子ポンプ１では、軸方向に交互に配置された複数段の回転翼８と複数段の固定翼１１Ａ，１１Ｂとによりタービン翼部が構成され、回転円筒部９と固定円筒部１２とによりモレキュラードラッグポンプ部が構成される。回転円筒部９は固定円筒部１２の内周面に近接して設けられており、固定円筒部１２の内周面には螺旋溝が形成されている。モレキュラードラッグポンプ部では、固定円筒部１２の螺旋溝と高速回転する回転円筒部９とにより、粘性流による排気作用が発生する。

図１に示すタービン翼部とモレキュラードラッグポンプ部とを結合させたターボ分子ポンプ１は、広域型ターボ分子ポンプと称されている。吸気口１３から流入したガスはタービン翼部によって図示下方（下流側）へと叩き飛ばされ、下流側に向かって排気される。そのガスは、さらにモレキュラードラッグポンプ部によって圧縮され、排気口１４から排出される。

図２は、図１の４段目の固定翼１１Ａから８段目の固定翼１１Ｂまでを示す拡大図である。固定翼１１Ａは、同一厚さを有する円弧状の外側リブ部１１０および内側リブ部１１１と、リブ１１０，１１１の間に形成された複数のタービンブレード１１２を有している。これらの固定翼１１Ａは、外側リブ部１１０を一対のスペーサリング１０で上下から挟み込むことにより位置決め固定される。

１段目から４段目までの回転翼８は外形寸法が全て等しく、それらの径方向先端は、僅かな隙間を介してスペーサリング１０の内周面に対向している。この隙間はガスの逆流の要因となるので、小さければ小さいほど良い。また、５および６段目の回転翼８の外径寸法は４段目の回転翼８よりも小さく、７段目および８段目と下がるにつれて回転翼８の外径寸法は順に小さくなっている。

５〜８段目の回転翼８に対応する固定翼１１Ｂの外側リブ部１１３には、内側リブ部１１１と同一厚さの被挟持部１１３ａと、吸気口側（図示上側）に突出するように厚くなったステータ壁部１１３ｂとが形成されている。固定翼１１Ｂは、被挟持部１１３ａを一対のスペーサリング１０で上下から挟み込むことにより位置決め固定される。

一方、位置決め固定された固定翼１１Ｂのステータ壁部１１３ｂは、僅かな隙間を介して固定翼８の先端に対向する。すなわち、ステータ壁部１１３ｂの内周面は、１〜４段目の回転翼８の先端が対向するスペーサリング内周面と同様の機能を果たしており、隙間を小さく保つことによりガス逆流の抑制を図っている。固定翼８の先端隙間はどの段も等しく設定されているので、ステータ壁部１１３ｂの径方向厚さｔ１は、６，７，８段と下段になるほど厚くなっている。また、ステータ壁部１１３ｂの軸方向（上下方向）の高さｔ２は、固定翼１１Ｂの翼間隙間より若干小さく設定されている。

図３は固定翼１１Ｂを示す図であり、（ａ）は一対の固定翼１１Ｂの平面図、（ｂ）は固定翼１１ＢのＣ−Ｃ断面図である。固定翼１１Ｂは、回転翼８間に径方向から差し込むように組み付けるために、半円形状に２分割されている。符号Ｅで示される隙間領域は固定翼１１Ｂを２分割した際の分割代であり、カッティングソーの厚さにほぼ等しい寸法である。このように、固定翼１１Ｂは２分割構造であるため、一対の固定翼１１Ｂをスペーサリング１０で位置決め固定した際に、最大で分割隙間Ｅだけの隙間が生じた状態で固定されてしまうおそれがある。

図４は、スペーサリング１０および固定翼１１Ｂの組み付け手順を説明する図である。先ず、ロータ４が締結された回転軸３をベース５のステータコラムに取り付ける。この際、後述するようにポンプ全体を逆さにして回転軸３をベース５に取り付ける。次いで、ポンプ全体を正立状態（図１に示す状態）に戻し、図４（ａ）に示すように、最下段（８段目）の固定翼１１Ｂを、ロータ４の側方から回転翼間に挿入するようにベース５上に載置する。

次に、図４（ｂ）に示すように、リング状のスペーサリング１０をロータ４に外挿するように下方に移動し、ロータ４の上方から固定翼１１Ｂの外側リング部１１３に形成された被挟持部１１３ａ上に載置する。すなわち、ポンプ吸気口側から装着することができる。図４（ｃ）に示すように、７段目の固定翼１１Ｂも８段目と同様にロータ４の側方から挿入するようにスペーサリング１０上に載置する。その後、スペーサリング１０を上方から側方から挿入するように固定翼１１Ｂの被挟持部１１３ａ上に載置する。

同様にして、図２に示す６段目および５段目の固定翼１１Ｂを、順に組み付ける。５段目よりも上側の４段目から１段目の固定翼１１Ａは従来のターボ分子ポンプと同様の構造であり、組み付け手順の説明は省略する。固定翼１１Ａ，１１Ｂおよびスペーサリング１０の組み付けが済んだならば、ケーシング２をベース５にボルト締結する。その結果、スペーサリング１０により固定翼１１Ａ，１１Ｂが所定の位置に位置決め固定される。

《比較例》
図５および図６は、本実施の形態のターボ分子ポンプに対する比較例を示す図である。ここでは、上述した特開２００７−２６９２号公報に記載されているターボ分子ポンプと同様の構造とした場合の、組み付け手順を示した。図５（ａ）に示すように、５〜８段目の回転翼８ｂの外径寸法は１〜４段目の回転翼８ａよりも小さくなっている。一方、固定翼１１に関しては、本実施形態と異なり外形寸法が全て同一となっており、本実施の形態のようにステータ壁部１１３ｂは形成されていない。そして、５〜８段目の固定翼１１は、スペーサリング３０ａ〜３０ｄによって位置決め固定される。

この構造のターボ分子ポンプでは、ベース５のステータコラムにロータ４が締結された回転軸３を取り付けた後では、スペーサリング３０ａ〜３０ｄを組み付けることができない。そこで、ベース５に回転軸３を取り付ける前に、図５（ｂ）に示すように、スペーサリング３０ａ〜３０ｄをベース５上に載置する。その後、回転軸３をベース５のステータコラムに挿入し、図６（ａ）のようにポンプ全体を逆さにして回転軸３をベース５に取り付ける。

ポンプ全体を逆さにすると、ベース５上に載置したスペーサリング３０ａ〜３０ｄは、スペーサリング３０ａ〜３０ｄの内径寸法よりも大きな外形寸法を有する４段目の回転翼８ａ上に積み重なるようになる。そして、スラストディスク１５を回転軸３の下端部分に装着してナット１６で固定したら、下側のスラスト電磁石１７をベース５に装着し、回転数センサが取り付けられたプレート１８をベース５に固定する。最後に、プレート１８を覆う裏蓋１９をベース５にボルト固定する。

回転軸３のベース５への取り付けが済んだならば、ポンプ全体を図６（ｂ）のように正立させて最下段（８段目）の固定翼１１を組み付ける。８段目の固定翼１１を組み付ける際には、スペーサリング３０ａ〜３０ｄを破線矢印のように上方に持ち上げてスペーサリング３０ｄとベース５との間に隙間を形成し、半割の固定翼１１を側方から差し込んでベース５上に載置する。スペーサリング３０ａ〜３０ｄの内周寸法と回転翼８ｂの外形寸法との差は僅かであるため、回転翼８ｂと干渉しないようにスペーサリング３０ａ〜３０ｄを上方に移動させるための治具等が必要になる。

７段目の固定翼１１を組み付ける場合には、スペーサリング３０ａ〜３０ｃを上方に持ち上げてスペーサリング３０ｃおよび３０ｄ間に隙間を形成し、半割の固定翼１１を側方から差し込むようにする。６および５段目の固定翼１１に関しても、同様に組み付ける。４段目以上の固定翼１１に関しては、内径が回転翼８ａの外径よりも大きなスペーサリング１０で固定するので、固定翼１１、スペーサリング１０、固定翼１１、スペーサリング１０のように順に積み重ねれば良い。

このように、図５，６に示した従来のターボ分子ポンプでは、スペーサリング３０ａ〜３０ｄの内径寸法が回転翼８ａの外形寸法よりも小さいため、回転軸３をベース５に取り付ける前にスペーサリング３０ａ〜３０ｄを装着する必要がある。さらに、下段の固定翼１１を組み付ける際に、固定翼８ｂに干渉しないようにスペーサリング３０ａ〜３０ｄを上方に移動させて固定翼挿入のための隙間を作る必要があり、作業性が悪い。また、スペーサリング３０ａ〜３０ｄは上下に移動可能なため、ポンプ逆転時に、スペーサリング３０ａ〜３０ｄが回転翼８ａに積み重なるように当接した際に、衝撃や重みで回転翼が変形するおそれがある。

一方、本実施の形態のターボ分子ポンプでは、固定翼１１Ｂに形成されたステータ壁部１１３ｂがスペーサリング３０ａ〜３０ｄの内周面と同様の機能を有していて、固定翼１１Ｂの位置決め固定するスペーサリング１０の内径寸法は固定翼１１Ａの外形寸法よりも大きく設定されている。そのため、ポンプ全体を正立させた状態で、ポンプ吸気口側から固定翼１１Ｂを着脱することができ、ロータ４が締結された固定軸をベース５に取り付ける際に下段のスペーサリング１０を予め装着しておく必要もないので、作業性の向上を図ることができる。

なお、図２の符号Ｄで示す部分においては、上下一対のスペーサリング１０は嵌め合い構造となっている。そのため、図３（ａ）に示すように外側リブ部１１３に隙間が生じていても、この隙間からスペーサリング１０の外周側にガスが逆流することはない。

［変形例］
図７は、上述した第１の実施の形態の変形例を示す図である。図７に示す変形例では、図２の固定翼１１Ｂの代わりに固定翼１１Ｃを用い、固定翼１１Ｃを位置決め固定するスペーサリング１０をスペーサリング１００で置き換えた。固定翼１１Ｃは、ステータ壁部１１３ｂの外周側にテーパ面１１３Ｔを形成した点が固定翼１１Ｂと異なり、その他の形状は固定翼１１Ｂと同じである。一方、スペーサリング１００には、固定翼１１Ｃのテーパ面１１３Ｔと当接するテーパ面１００Ｔが形成されている。テーパ面１１３Ｔとテーパ面１００Ｔとは、同一テーパ形状を有している。

図８はテーパ面１１３Ｔ，１００Ｔの作用効果を説明する図である。図８（ａ）は、固定翼１１Ｃ上に載置された状態のスペーサリング１００を示す。一方、図８（ｂ）は、スペーサリング１００により固定翼１１Ｃが位置決め固定された状態を示しており、ケーシング１２をベース５にボルト締結すると、積層されたスペーサリング１００がベース方向（図示下方）に押圧される。

図８（ａ）に示すように、固定翼１１Ｃに形成されたテーパ面１１３Ｔの大径部の寸法ｄは、スペーサリング１００に形成されたテーパ面１００Ｔの大径部の寸法Ｄよりも大きく設定されている。そのため、位置決め固定時にスペーサリング１００が下方に押し下げられると、図８（ｂ）に示すように、テーパ面１１３Ｔ，１００Ｔの作用により一対の固定翼１１Ｃが中心方向（回転軸方向）に寄せられることになる。その結果、固定翼１１Ｃ間の隙間の寸法を小さくすることができ、軸方向のガス逆流を抑えることができる。

なお、位置決め固定時におけるスペーサリング１００の軸方向位置は、スペーサリング１００の挟持面１００ｂと固定翼１１Ｃの被挟持部１１３ａの上面とが当接することにより決まる。このときの固定翼１１Ｃの中心方向の移動量は寸法差（ｄ−Ｄ）なので、挟持面１００ｂと被挟持部１１３ａの上面との間に隙間を生じさせないでそれらを確実に当接させるためには、次式（１）を満たすことが必要である。Ｈは被挟持部１１３ａの寸法である。
（Ｈの下限公差域）≦（Ｄの公差下限値）−（ｄの公差上限値）

もちろん、寸法差（ｄ−Ｄ）を分割隙間Ｅよりも若干小さく設定して隙間の発生を許容し、挟持面１００ｂと被挟持部１１３ａの上面との確実な当接を図るようにしても良い。この場合も、隙間を小さく抑えることでガス逆流を低減することができる。さらに、固定翼１１Ｃを積層する際に、分割隙間部分の位相をずらしながら積層することで、ガス逆流の影響を低減することができる。なお、テーパ面１１３Ｔ，１００Ｔの角度αについては、容易に固定翼１１Ｃの中心方向への移動が容易にできるように、４５°〜９０°程度に設定するのが好ましい。

−第２の実施の形態−
図９は、本発明によるターボ分子ポンプの第２の実施の形態を説明する図であり、図２の場合と同様に４段目から８段目までの固定翼を示す拡大図である。なお、図９に示す部分以外の構成は第１の実施の形態と同様であり、以下では説明を省略する。第２の実施の形態では、５段目の固定翼には第１の実施の形態と同一形状の固定翼１１Ｂが用いられ、６〜８段目には固定翼１１Ｄが用いられている。

固定翼１１Ｄの外側リブ部１１３には、固定翼１１Ｂに設けられていた被挟持部１１３ａが形成されておらず、ステータ壁部１２３ｂだけが形成されている。固定翼１１Ｂの場合には、ステータ壁部１２３ｂの軸方向高さは固定翼間隔Ｈ２よりも小さく設定されているが、固定翼１１Ｄの場合には固定翼間隔Ｈ２と等しく設定されている。すなわち、ステータ壁部１２３ｂの軸方向高さによって固定翼間隔Ｈ２が決まる。

さらに、積層された４段分の固定翼１１Ｂ，１１Ｄは、スペーサリング１０１とベース５との間に一括して位置決め固定される。この場合、４段分の固定翼１１Ｂ，１１Ｄをロータ側方から一括して差し込むようにベース５上に載置した後、吸気口側からスペーサリング１０１を組み付けるだけで、４段分の固定翼の組み付けることができる。そのため、部品点数の削減とともに、組み付け作業の効率化が図れる。

［変形例］
図１０は、第２の実施の形態の変形例を示す図である。図９のスペーサリング１０１に代えて、内周面にテーパ面１０２Ｔが形成されたスペーサリング１０２を用い、固定翼１１Ｅのステータ壁部１２３ｂの外周面にテーパ面１２３Ｔを形成した。図９の場合と同様に４段分の固定翼１１Ｅはスペーサリング１０２の挟持部１０２ｂとベース５との間に挟持され位置決め固定される。

図７の場合と同様に、スペーサリング１０２を押し下げたとき各固定翼１１Ｅのテーパ面１２３Ｔにテーパ面１０２Ｔが当接し、各固定翼１１Ｅが中心方向に移動する。その結果、一対の半割固定翼１１Ｅの間の隙間が縮小され（図８参照）、この隙間を介したガス逆流を抑制することができる。

スペーサリング１０１に下端部分には、ベース５の外周面と嵌め合う垂直部１０２ａが形成されている。この垂直部１０２ａの内周面とベース５の外周面とが嵌め合うことにより、スペーサリング１０１はベース５のステータコラム中心軸と同軸に位置決めされる。また、この嵌め合い構造により、上述したカット部の隙間を介してスペーサリング１０２の外周側にガスが漏れ出るのを防止することができる。

図１１は、組み付け手順を示したものである。初めに、図１１（ａ）に示すように４段分の固定翼１１Ｅをロータ側方から差し込むようにベース５の上に載置する。このとき、各ステータ壁部１２３ｂの外周垂直面１２３Ｅがベース５の外周面とほぼ一致するように載置する。

次に、図１１（ｂ）に示すように、スペーサリング１０２を吸気口側から組み付け、スペーサリング１０２のテーパ面１０２Ｔをステータ壁部１２３ｂのテーパ面１２３Ｔに当接させる。スペーサリング１０２を押し下げると、上側の固定翼１１Ｅから順に中心側に移動する。そして、挟持部１０２ｂが固定翼１１Ｅのステータ壁部１２３ｂの上面に当接するまで、スペーサリング１０２を押し下げる。その後、より上段の固定翼１１およびスペーサリング１０を吸気口側から順に積層し、ケーシング１２を装着してベース５に締結すると、スペーサリング１０，１０２により全ての固定翼が位置決め固定される。

上述したように、本発明によるターボ分子ポンプでは、２分割された固定翼にステータ壁部を形成し、全てのスペーサリングの内径を回転翼の最大外径よりも大きく設定しているので、ポンプを正立させた状態で、全ての固定翼およびスペーサリングの組み付け作業を行うことができる。その結果、ポンプ組み立ての作業効率の向上を図ることができる。また、ステータ壁部の外周およびスペーサリング内周に互いに当接するテーパ面を形成したことにより、スペーサリングによる固定翼の位置決め固定時に欠く固定翼が中心方向に付勢され、分割隙間の低減を図ることができる。その結果、分割隙間を通したガス逆流の低減を図ることができ、ポンプ性能の向上が図れる。

上述した実施の形態では、ステータ部が形成された固定翼をスペーサリングで位置決め固定するようにしたが、スペーサリングを用いる代わりに、ボルトやテープや接着剤などにより固定するようにしても良い。

なお、上述した実施の形態では磁気軸受式のターボ分子ポンプを例に説明したが、磁気軸受式に限らず種々のターボ分子ポンプに対して本発明を同様に適用することができる。さらに、モレキュラードラッグポンプ部を有さない全翼タイプのターボ分子ポンプにも同様に適用することができる。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

Claims (4)

1. ポンプ吸気側からポンプ排気側に向かって外径が小さくなるように配置された複数段の回転翼と、
   前記複数段の回転翼に対して回転軸方向に交互に配設され、半円状に２分割された複数段の固定翼とを備えるターボ分子ポンプにおいて、
   前記複数段の回転翼の最大外径よりも外径が小さな回転翼の下流側に配置される固定翼は、固定翼外周部に設けられた円弧状のリブと、前記リブからポンプ吸気側へと立設され、前記回転翼の径方向先端に近接して対向する円弧状の壁部とを有し、
   内径が前記最大外径よりも大きく、前記壁部を有する固定翼を所定位置に位置決めするスペーサリングを備えたことを特徴とするターボ分子ポンプ。
2. 請求項１に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   前記壁部の外周面にポンプ吸気側が細くなるように形成された第１のテーパ面と、
   前記第１のテーパ面と同一傾きを有するように前記スペーサリングの内周面に形成され、前記位置決め時に前記第１のテーパ面に当接して前記半円状に２分割された固定翼をそれぞれポンプ回転軸方向に付勢する第２のテーパ面とを備えたことを特徴とするターボ分子ポンプ。
3. 請求項１または２に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   前記スペーサリングは、前記壁部を有する固定翼の全てを一括して位置決めすることを特徴とするターボ分子ポンプ。
4. 請求項２に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   前記リブの厚さ寸法の下限公差域ＡＨ、前記第２のテーパ面の大径部直径寸法の公差下限値ＡＤ、および前記第１のテーパ面の大径部直径寸法の公差上限値Ａｄは、式「ＡＨ≦（ＡＤ−Ａｄ）」を満たすことを特徴とするターボ分子ポンプ。

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