KR101386863B1 - 단극 발전기와 영구자석 여자기를 갖는 초전도 발전 시스템 - Google Patents

단극 발전기와 영구자석 여자기를 갖는 초전도 발전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 단극 발전기와 영구자석 여자기를 갖는 초전도 발전 시스템에 관한 것으로서, 영구자석으로 이루어진 회전형 여자기 계자와 고정형 여자기 전기자로 이루어진 여자기; 고정형 초전도 계자 권선을 가지는 단극형 방식의 초전도 계자와 고정형 초전도 전기자로 이루어진 초전도 발전기; 상기 초전도 발전기의 고정된 초전도 계자 권선을 냉각시키는 고정된 냉각 장치; 및 상기 고정형 여자기 전기자 권선의 출력을 상기 냉각 장치로 분배하고, 상기 고정형 여자기 전기자 권선의 출력을 상기 고정된 초전도 계자 권선에 필요한 전력으로 변환하여 공급하는 전력 변환부를 포함한다.

Description

단극 발전기와 영구자석 여자기를 갖는 초전도 발전 시스템{SUPER CONDUCTING ELECTRIC POWER GENERATION SYSTEM WITH HOMOPOLAR GENERATOR AND PERMANENT MAGNET EXCITER}
본 발명의 실시예는 초전도 발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 극저온 냉각 장치가 구비된 초전도 발전 시스템에 단극형 초전도 발전기의 계자 권선과 영구자석 여자기 출력이 발생하는 전기자 권선을 고정함으로써, 높은 제어 신뢰성을 확보할 수 있으며 냉각 장치의 전원 공급 및 냉매 공급을 단순화시켜 극저온 냉각 장치에 안정적으로 전원을 공급하면서도 열손실 최소화를 통해 초전도 계자 코일을 고효율로 냉각할 수 있는 단극 발전기와 영구자석 여자기를 갖는 초전도 발전 시스템에 관한 것이다.
일반적인 상전도 발전기와 초전도 기기의 여자기는 주발전기의 계자 코일에 여자용 전력을 인가하기 위한 용도로만 사용된다. 일반적인 상전도 발전기와 초전도 발전기는 극저온 냉각 시스템의 구동을 위한 전력으로 외부 전원을 사용하고 있다.
여기서, 일반적인 상전도 발전기의 계자 권선은 회전자에 고정되어 회전하고 있다. 여자기의 전기자 권선 역시 회전하고 있다. 그러므로 고정된 극저온 냉각 시스템의 구동 전력을 여자기에서 공급하는 경우 브러시와 같은 별도의 기계적 장치로 필요한 실정이다.
이때, 여자기의 회전 전기자에서 발생하는 교류 전력을 회전하는 초전도 계자에 직류 전력으로 변환하여 공급하기 위한 전력변환시스템이 필요하다. 전력변환시스템은 회전축에 장착되어 회전하기 때문에 무선 제어를 통해 여자기 출력을 제어해야 한다.
회전기기 정지부에 장착된 극저온 냉각시스템은 냉각 대상인 회전부의 초전도 코일을 냉각해야 한다. 그러므로 극저온 냉각시스템은 냉매 공급을 위한 로터리 실링(Rotary Sealing)을 자성 유체 씰(Ferro Fluid Seal)이 필요하다.
또한, 회전하는 초전도 계자 코일의 극저온 냉각을 위한 전도 냉각 방식의 극저온 냉각 시스템은 강제 순환 방식일 경우에 냉매 순환 펌프 및 냉매 관로가 필요하다.
한편, 극저온 냉각 시스템은 외부 전원을 인가받아 냉동기, 압축기 및 냉각펌프를 구동하여 액체 질소를 초전도 발전기의 계자 코일로 전송하여 냉각시킨다. 이때, 초전도 선재는 극저온으로 냉각된 상태로 운전된다.
일반적인 상전도 발전기의 여자기는 주로 브러쉬리스(Brushless) 타입의 여자기를 사용하여 계자 코일의 자속 생성을 위한 전력을 발생시킨다.
회전하는 여자기 전기자 코일에서 발생한 교류 전력은 축에 부착된 AC-DC 정류회로를 거쳐 직류 전력으로 변환되어 주발전기의 회전 계자 코일로 인가된다.
계통 부하의 변화에 따른 주발전기의 일정한 출력 전압을 유지하기 위해 전압 센서를 통해 출력 전압을 계측하고 자동전압조정장치에서 여자기의 고정된 계자 전류의 크기를 제어할 수 있다.
여자기 전기자 코일에서 발생한 교류 전력을 직접 제어하는 경우 회전축에 AC-DC-DC 전력변환시스템의 장착이 필요하다. 또한, 자동전압조정장치에서 무선으로 여자기의 회전하는 전기자 권선의 출력을 직접 제어하는 방식이 사용된다.
한편, 일반적인 초전도 발전기 시스템은 초전도 발전기에 필요한 극저온 냉각 시스템을 구동하기 위한 외부 전원 필요하여 비상 발전기로의 적용이 불가능하다는 단점이 있다.
그리고 이러한 초전도 발전기 시스템은 극저온 냉각 시스템의 구동 전력을 여자기에 공급하기 위한 브러시와 같은 별도의 기계적 장치를 사용하여 시스템 수명 저하 및 유지보수 비용을 유발할 수 있다.
초전도 발전기 시스템은 회전하는 전력변환시스템의 무선 제어를 통해 여자기 출력을 제어하는 경우 신뢰성을 저하시킬 수 있다.
회전기기의 정지부에 장착된 극저온 냉각시스템이 냉각 대상인 회전부의 초전도 코일을 냉각해야 하므로 냉매 공급을 위한 로터리 실링(Rotary Sealing)을 위한 자성 유체 씰(Ferro Fluid Seal)이 필요하여 제품 비용을 상승시키는 요인으로 작용할 수 있다.
회전하는 초전도 계자 코일의 극저온 냉각을 위한 전도 냉각 방식의 극저온 냉각 시스템은 강제 순환 방식일 경우에 냉매 순환 펌프 및 냉매 관로가 필요하여 시스템 복잡화, 전도 냉각에 따른 열 손실이 발생 및 냉각 시간을 증가시킬 수 있다.
문헌 1: 대한민국특허청 등록특허공보 등록번호 제10-0888030호 문헌 2: 대한민국특허청 등록특허공보 등록번호 제10-0465023호
본 발명의 실시 예들은 극저온 냉각 장치가 구비된 초전도 발전 시스템에 단극형 초전도 발전기의 계자 권선과 영구자석 여자기 출력이 발생하는 전기자 권선을 고정함으로써, 높은 제어 신뢰성을 확보할 수 있으며 냉각 장치의 전원 공급 및 냉매 공급을 단순화시켜 극저온 냉각 장치에 안정적으로 전원을 공급하면서도 열손실 최소화를 통해 초전도 계자 코일을 고효율로 냉각할 수 있는 단극 발전기와 영구자석 여자기를 갖는 초전도 발전 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 제1 측면에 따르면, 영구자석으로 이루어진 회전형 여자기 계자와 고정형 여자기 전기자로 이루어진 여자기; 고정형 초전도 계자 권선을 가지는 단극형 방식의 초전도 계자와 고정형 초전도 전기자로 이루어진 초전도 발전기; 상기 초전도 발전기의 고정된 초전도 계자 권선을 냉각시키는 고정된 냉각 장치; 및 상기 고정형 여자기 전기자 권선의 출력을 상기 냉각 장치로 분배하고, 상기 고정형 여자기 전기자 권선의 출력을 상기 고정된 초전도 계자 권선에 필요한 전력으로 변환하여 공급하는 전력 변환부를 포함하는 단극 발전기와 영구자석 여자기를 갖는 초전도 발전 시스템이 제공될 수 있다.
상기 전력 변환부는, 상기 여자기의 고정형 여자기 전기자 권선에서 생성된 3상 교류 전력을 3상 풀브릿지 다이오드 회로를 이용하여 직류 전력으로 변환하는 교류-직류 변환기; 및 상기 교류-직류 변환기에서 변환된 직류 전력을 상기 초전도 발전기의 일정 전압 출력 제어를 위해 상기 초전도 계자 권선에 필요한 전력으로 변환하여 공급하는 직류-직류 변환기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전력 변환부는, 상기 초전도 발전기의 출력 제어를 위해 상기 초전도 발전기의 초전도 계자 권선의 계자 전류를 검출하는 전류 센서; 상기 초전도 발전기의 출력 제어를 위해 상기 초전도 발전기의 초전도 전기자 권선의 출력 전압을 검출하는 전압 센서; 및 상기 전류 센서에 측정된 계자 전류와 상기 전압 센서에서 측정된 출력 전압을 이용하여 상기 초전도 발전기의 출력이 일정하도록 제어하는 제어 신호를 상기 직류-직류 변환기로 출력하는 자동전압조정부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 냉각 장치는, 오-링을 이용한 실링 방식을 통해 상기 초전도 발전기의 고정형 초전도 계자 권선을 직접 냉각하는 냉각 챔버를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 초전도 발전기는, 톱니 형상을 갖고 회전하는 철심 회전자와 상기 철심 회전자에 자속을 생성하고 고정된 형태를 가지는 초전도 계자 권선을 포함하는 초전도 계자; 및 원통 형태의 고정자 철심 코어와 부하에 전력을 공급하는 고정형 초전도 전기자 권선을 포함하는 초전도 전기자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 여자기는, 회전축과 결합하여 계자 자속을 발생하는 표면 부착형 영구자석을 갖는 철심 회전자; 및 상기 여자기의 출력을 발생하는 3상 전기자 권선을 갖는 고정자 코어를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예는 초전도 발전기에 필수적인 극저온 냉각 시스템이 고정되어 외부 전원 없이 자가발전이 가능하므로 초전도 발전기 운전의 신뢰성을 높일 수 있으며, 외부 전력 계통이 없이 단독 계통으로 운전되는 섬 혹은 선박의 발전기로 사용할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시 예는 여자기의 계자가 표면부착형 영구자석 타입으로 이루어져서 초전도 발전기 출력을 여자기의 고정자 계자 측으로 피드백 받는 회로가 필요 없고 단순히 초전도 발전기 전기자 코일의 출력 전압을 계측하여 교류-직류-직류 컨버터에서 여자기의 전기자 출력을 직접 제어할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시 예는 단극형 초전도 발전기의 계자 권선과 영구자석 여자기 출력이 발생하는 전기자 권선이 고정된 형태로 구현되어 여자기의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하고 그 크기를 제어하기 위한 전력 변환부도 외부에 고정 가능하여 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시 예는 영구자석 여자기의 출력을 고정된 전기자 권선에서 발생시켜 냉각 시스템에 전력 공급을 위한 기계 장치(예컨대, 3상 브러시) 없이도 초전도 발전기를 냉각시킴으로써, 냉각 장치의 전원 공급 수단을 단순화시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시 예는 초전도 코일을 회전하지 않는 정지부에 장착하여 직접냉각으로 열손실 최소화를 통해 초전도 계자 코일을 고효율로 냉각할 수 있으며, 이를 통해 냉각 시간을 줄이고, 극저온 냉각 장치에 연결하기 때문에 로터리 실링(Rotary Sealing)을 위한 자성 유체 씰이 필요 없고 일반 실링(예컨대, 오-링(O-ring)의 사용이 가능하여 냉매 공급 시스템을 단순화시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시 예는 초전도 발전기 계자 권선과 전기자 권선이 고정되어 전류 및 전압 센서를 통해 검출함으로써, 계자 전류와 전기자 전압의 계측 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 단극 발전기와 영구자석 여자기를 갖는 초전도 발전 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 도 1의 초전도 발전기의 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 구성 및 그에 따른 작용 효과는 이하의 상세한 설명을 통해 명확하게 이해될 것이다. 본 발명의 상세한 설명에 앞서, 동일한 구성요소에 대해서는 다른 도면 상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호로 표시하며, 공지된 구성에 대해서는 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 구체적인 설명은 생략하기로 함에 유의한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 단극 발전기와 영구자석 여자기를 갖는 초전도 발전 시스템의 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 초전도 발전 시스템(100)은 여자기(110), 초전도 발전기(120), 전력 변환부(130) 및 냉각 장치(140)를 포함한다. 여기서, 여자기(110)는 여자기 전기자(111) 및 여자기 계자(112)를 포함한다. 초전도 발전기(120)는 초전도 전기자(121) 및 초전도 계자(122)를 포함한다.
초전도 발전 시스템(100)을 살펴보면, 단극형 초전도 발전기(120)의 초전도 계자 권선과 영구자석 여자기(110)의 출력이 발생하는 전기자 권선은 고정되어 있다. 이를 통해 초전도 발전 시스템(100)은 여자기(110)의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하고 그 크기를 제어하기 위한 전력 변환부(130)가 외부에 고정 가능하여 신뢰성 면에서 우수하다. 또한, 초전도 발전 시스템(100)에서 영구자석 여자기(110)의 출력이 고정된 전기자 권선에서 발생하기 때문에 냉각 장치(140)에 전력 공급을 위한 기계 장치(예컨대, 3상 브러시)가 불필요하다. 또한, 초전도 발전 시스템(100)에서 초전도 계자 권선이 회전하지 않는 정지부에 장착되어 극저온을 위한 냉각 장치(140)와 연결되기 때문에 로터리 실링(Rotary Sealing)을 위한 자성 유체 씰이 필요 없고 일반적인 실링(예컨대, 오링(O-ring))의 사용이 가능하다. 또한, 초전도 발전 시스템(100)은 전력 변환부(130)를 이용하여 한 대의 여자기(110)로 극저온 냉각 장치(140)와 초전도 발전기 계자 권선의 전원을 공급하므로 비상 발전기로의 적용이 가능하다. 초전도 발전 시스템(100)은 선박용 디젤 발전기와 같이 외부 전력 계통과 별개로 구성된 전력시스템을 위한 발전 시스템으로 적용이 가능하다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 단극 발전기와 영구자석 여자기를 갖는 초전도 발전 시스템(100)의 구성요소 각각에 대하여 살펴보기로 한다.
여자기(110)는 영구자석으로 이루어진 회전형 여자기 계자(112)와 고정형 여자기 전기자(111)로 이루어진다. 여기서, 상기 여자기는 표면부착형 영구자석 타입의 여자기 계자를 포함할 수 있다. 구체적으로 살펴보면, 여자기(110)는 회전축과 결합하여 계자 자속을 발생하는 표면 부착형 영구자석을 갖는 철심 회전자와 여자기(110)의 출력을 발생하는 3상 전기자 권선을 갖는다. 극저온 냉각 장치(140)의 냉각 부하 및 초전도 코일의 용량에 따라 초전도 발전 시스템(100)의 설계 시 여자기 용량이 선정될 수 있다. 여자기(110)는 회전형 여자기 계자(112)에 영구자석을 이용하여 계자를 만들어주며 고정형 여자기 전기자(111)에서 전력이 출력되는 회전 계자 타입이다. 여기서, 여자기 계자(112) 및 여자기 전기자(111)는 원가대비 실용성이 높은 규소강판을 사용한 코어와 구리 도선을 이용하여 권선된 형태로 구현될 수 있다. 초전도 발전기(120)의 고정된 초전도 계자 권선에 인가되는 전력과 고정된 냉각 장치(140)에 인가되는 전력은 브러시(Brush)와 같은 별도의 장치 없이 직접 공급될 수 있다.
초전도 발전기(120)는 고정형 초전도 계자 권선을 가지는 단극형 방식의 초전도 계자(122)와 고정형 초전도 전기자(121)로 이루어진다.
전력 변환부(130)는 고정형 여자기 전기자 권선의 출력을 냉각 장치(140)로 분배하고, 고정형 여자기 전기자 권선의 출력을 고정된 초전도 계자 권선에 필요한 전력으로 변환하여 공급한다.
구체적으로 살펴보면, 전력 변환부(130)는 교류-직류 변환기 및 직류-직류 변환기를 포함한다. 교류-직류 변환기는 여자기(110)의 고정형 여자기 전기자 권선에서 생성된 3상 교류 전력을 3상 풀브릿지 다이오드 회로를 이용하여 직류 전력으로 변환한다. 그리고 직류-직류 변환기는 교류-직류 변환기에서 변환된 직류 전력을 초전도 발전기(120)의 일정 전압 출력 제어를 위해 초전도 계자 권선에 필요한 전력으로 변환하여 공급한다.
또한, 전력 변환부(130)는 초전도 발전기(120)의 출력 제어를 위해 전류 센서, 전압 센서 및 자동전압조정부를 더 포함할 수 있다. 전류 센서는 초전도 발전기(120)의 출력 제어를 위해 초전도 발전기(120)의 초전도 계자 권선의 계자 전류를 검출한다. 그리고 전압 센서는 초전도 발전기(120)의 출력 제어를 위해 초전도 발전기(120)의 초전도 전기자 권선의 출력 전압을 검출한다. 이후, 자동전압조정부는 전류 센서에서 측정된 계자 전류와 전압 센서에서 측정된 출력 전압을 이용하여 초전도 발전기(120)의 출력이 일정하도록 제어하는 제어 신호를 직류-직류 변환기로 출력한다.
냉각 장치(140)는 초전도 발전기(120)의 고정된 초전도 계자 권선을 냉각시킨다. 냉각 장치(140)는 오-링(O-ring)을 이용한 실링(Sealing) 방식을 통해 초전도 발전기(120)의 고정형 초전도 계자 권선을 직접 냉각할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 도 1의 초전도 발전기의 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 초전도 발전기(120)는 초전도 계자 권선(202)을 가지는 초전도 계자(122)와 초전도 전기자 권선(201)을 가지는 초전도 전기자(121)를 포함한다.
여기서, 초전도 계자(122)는 톱니 형상을 갖고 회전하는 철심 회전자와 철심 회전자에 자속을 생성하고 고정된 형태를 가지는 초전도 계자 권선(202)을 포함한다.
초전도 전기자(121)는 원통 형태의 고정자 철심 코어와 부하에 전력을 공급하는 고정형 초전도 전기자 권선(201)을 포함한다.
이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 명세서에 개시된 실시 예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.
본 발명은 극저온 냉각 장치가 구비된 초전도 발전 시스템에 단극형 초전도 발전기의 계자 권선과 영구자석 여자기 출력이 발생하는 전기자 권선을 고정함으로써, 높은 제어 신뢰성을 확보할 수 있으며 냉각 장치의 전원 공급 및 냉매 공급을 단순화시켜 극저온 냉각 장치에 안정적으로 전원을 공급하면서도 열손실 최소화를 통해 초전도 계자 코일을 고효율로 냉각할 수 있다. 이러한 점에서 기존 기술의 한계를 뛰어 넘음에 따라 관련 기술에 대한 이용만이 아닌 적용되는 장치의 시판 또는 영업의 가능성이 충분할 뿐만 아니라 현실적으로 명백하게 실시할 수 있는 정도이므로 산업상 이용 가능성이 있는 발명이다.
100: 초전도 발전 시스템 110: 여자기
111: 여자기 전기자 112: 여자기 계자
120: 초전도 발전기 121: 초전도 전기자
122: 초전도 계자 130: 전력 변환부
131: 전압 센서 132: 전류 센서
140: 냉각 장치 141: 냉각 챔버

Claims (6)

  1. 영구자석으로 이루어진 회전형 여자기 계자와 고정형 여자기 전기자로 이루어진 여자기;
    고정형 초전도 계자 권선을 가지는 단극형 방식의 초전도 계자와 고정형 초전도 전기자로 이루어진 초전도 발전기;
    상기 초전도 발전기의 고정된 초전도 계자 권선을 냉각시키는 고정된 냉각 장치; 및
    상기 고정형 여자기 전기자 권선의 출력을 상기 냉각 장치로 분배하고, 상기 고정형 여자기 전기자 권선의 출력을 상기 고정된 초전도 계자 권선에 필요한 전력으로 변환하여 공급하는 전력 변환부를 포함하고,
    상기 전력 변환부는 상기 초전도 발전기의 출력 제어를 위해 상기 초전도 발전기의 초전도 계자 권선의 계자 전류를 검출하는 전류 센서; 상기 초전도 발전기의 출력 제어를 위해 상기 초전도 발전기의 초전도 전기자 권선의 출력 전압을 검출하는 전압 센서; 상기 전류 센서에 측정된 계자 전류와 상기 전압 센서에서 측정된 출력 전압을 이용하여 상기 초전도 발전기의 출력이 일정하도록 제어하는 제어 신호를 출력하는 자동전압조정부를 더 포함하는 단극 발전기와 영구자석 여자기를 갖는 초전도 발전 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력 변환부는,
    상기 여자기의 고정형 여자기 전기자 권선에서 생성된 3상 교류 전력을 3상 풀브릿지 다이오드 회로를 이용하여 직류 전력으로 변환하는 교류-직류 변환기; 및
    상기 교류-직류 변환기에서 변환된 직류 전력을 상기 초전도 발전기의 일정 전압 출력 제어를 위해 상기 초전도 계자 권선에 필요한 전력으로 변환하여 공급하는 직류-직류 변환기
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 단극 발전기와 영구자석 여자기를 갖는 초전도 발전 시스템.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 장치는,
    오-링을 이용한 실링 방식을 통해 상기 초전도 발전기의 고정형 초전도 계자 권선을 직접 냉각하는 냉각 챔버
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단극 발전기와 영구자석 여자기를 갖는 초전도 발전 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 초전도 발전기는,
    톱니 형상을 갖고 회전하는 철심 회전자와 상기 철심 회전자에 자속을 생성하고 고정된 형태를 가지는 초전도 계자 권선을 포함하는 초전도 계자; 및
    원통 형태의 고정자 철심 코어와 부하에 전력을 공급하는 고정형 초전도 전기자 권선을 포함하는 초전도 전기자
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 단극 발전기와 영구자석 여자기를 갖는 초전도 발전 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 여자기는,
    회전축과 결합하여 계자 자속을 발생하는 표면 부착형 영구자석을 갖는 철심 회전자; 및
    상기 여자기의 출력을 발생하는 3상 전기자 권선을 갖는 고정자 코어
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 단극 발전기와 영구자석 여자기를 갖는 초전도 발전 시스템.
KR1020120110792A 2012-10-05 2012-10-05 단극 발전기와 영구자석 여자기를 갖는 초전도 발전 시스템 KR101386863B1 (ko)

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