KR100770699B1 - 일체식 압력 조절 장치를 위한 포핏 밸브 시일 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 일체식 압력 조절 장치의 포핏 밸브용 시일, 이 포핏 밸브 시일을 사용하는 밸브 시스템, 및 포핏 밸브에서 이물질을 제거하여 청소하는 방법에 관한 것이다. 포핏 밸브는 하우징에 있어서의 개구를 통한 유체 유동을 허용하는 개방 위치와 상기 개구를 통한 유체 유동을 방지하는 폐쇄 위치 사이에서 이동가능하다. 시일은 하우징에 고정된 제 1 시일링 표면 (702) 및 포핏 밸브에 직면하는 제 2 시일링 표면(704)을 가지고 있는 환형 보디를 포함한다. 환형 립(706)은 시일로부터 경사지게 돌출되어 있고 폐쇄 위치에서 포핏 밸브에 의해 탄성적으로 변형되고, 그것에 의해 포핏 밸브의 시일링 표면의 이물질을 제거하여 청소한다.
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포핏 밸브, 시일, 환형 립, 환형 보디, 채널, 일체식 압력 조절 장치

Description

일체식 압력 조절 장치를 위한 포핏 밸브 시일{POPPET VALVE SEAL FOR AN INTEGRATED PRESSURE MANAGEMENT APPARATUS}
본 발명은 압력을 조절하고 연료 시스템에 있어서의 누출을 탐지하는 일체식 압력 조절 시스템을 위한 포핏 밸브 시일에 관한 것이다. 또한 본 발명은 연료 탱크에 있어서의 헤드스페이스, 헤드스페이스로부터 휘발 연료 증기를 수집하는 캐니스터, 퍼지 밸브, 및 모든 관련 호스에 대한 누출 진단을 수행하는 일체식 압력 조절 시스템을 위한 포핏 밸브 시일에 관한 것이다.
종래의 차량용 압력 조절 시스템에 있어서, 연료 탱크로부터 새나가는 연료 증기는 캐니스터에 저장된다. 증기 처리 시스템의 연료 탱크, 캐니스터 또는 기타 구성요소에 있어서 누출부가 있으면, 일부 증기 연료는 누출부를 통해서 유출되고 캐니스터에 저장되지 않고 대기로 새나갈 수 있다. 그래서, 누출을 탐지하는 것이 바람직하다.
그와 같은 종래의 압력 조절 시스템에 있어서, 과도한 연료 증기는 엔진 정지 후에 즉각 축적되고, 그것에 의해 연료 증기 조절 시스템에 정압을 야기한다. 그래서, 이 과도한 연료 증기를 캐니스터를 통해서 배출 또는 "블로우-오프(blow-off)"하고 연료 증기 조절 시스템에 진공 형성을 조장하는 것이 바람직하다. 유사 하게, 높은 유동율로 탱크에서 공기가 유출되게 함으로써, 탱크 재급유 동안 정압을 경감하는 것이 바람직하다. 통상적으로 이것을 탑재 재급유 증기 회복(onboard refueling vapor recovery:ORVR)이라 한다.
센서 또는 스위치는 소정 압력이 존재함을 신호한다. 특히, 센서/스위치는 소정 진공이 존재함을 신호한다. 여기에서 사용될 때, "압력"은 대기압에 대하여 측정된다. 그래서, 정압은 대기압보다 큰 압력이고 부압 또는 "진공"은 대기압보다 작은 압력이다.
본 발명은 일체식 압력 조절 장치의 포핏 밸브를 위한 시일을 제공함으로써 달성된다. 포핏 밸브는 하우징에 있어서의 개구를 통한 유체 유동을 허용하는 개방 위치와 상기 개구를 통한 유체 유동을 방지하는 폐쇄 위치 사이에서 이동한다. 상기 시일은 축을 둘러싸고, 하우징에 고정되고 개구를 둘러싸도록 되어 있는 제 1 시일링 표면과 포핏 밸브에 대향하도록 되어 있는 제 2 시일링 표면을 가지고 있는 환형 보디; 및 제 2 시일링 표면으로부터 돌출하고 폐쇄 위치에서 포핏 밸브에 의해 탄성 변형하도록 되어 있고, 개방 위치에서 축방향으로 비스듬히 돌출되어 있는 환형 립을 포함한다.
또한 본 발명은 일체식 압력 조절 장치를 통해서 유체 유동을 제어하기 위한 밸브 시스템에 의해 달성된다. 이 밸브 시스템은 개구를 가지고 있는 하우징; 하우징에 대하여 축을 따라서 이동가능하고, 개구를 통한 유체 유동을 허용하는 개방 위치와 개구를 통한 유체 유동을 방지하는 폐쇄 위치 사이에서 이동가능한 포핏; 및 하우징과 폐쇄 위치의 포핏 사이의 경계부의 개구를 둘러싸고, 축 및 포핏을 향하여 비스듬히 돌출되어 있는 환형 립을 가지고 있는 시일을 포함한다.
또한 본 발명은 일체식 압력 조절 시스템의 하우징의 개구에 대하여 가동식 포핏 밸브를 시일링하는 방법에 의해 달성된다. 이 방법은 포핏 밸브 및 하우징 사이의 경계부에 위치하고 포핏 밸브의 이동에 대하여 비스듬히 돌출되어 있는 환형 립을 가지고 있는 시일을 제공하는 단계; 및 포핏 밸브로 개구를 폐쇄할 때 환형 립을 변형시키는 단계를 포함하고, 이 변형 단계는, 포핏 밸브에서 이물질을 제거하는 단계를 포함한다.
본 명세서에 포함되어 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면은 본 발명을 예시하고 있고, 상기의 일반적인 설명과 하기의 상세한 설명과 함께, 본 발명의 특성을 설명하게 된다.
동일한 참조 부호는 유사한 특성을 나타내기 위해 사용된다.
도 1은 일체식 압력 조절 시스템의 작동을 도시하는 개략도.
도 2는 일체식 압력 조절 시스템의 제 1 실시예의 단면도.
도 3은 일체식 압력 조절 시스템의 제 2 실시예의 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 포핏 밸브 시일의 저면도.
도 5는 도 4에 있어서의 V-V 선에 따른 단면도.
도 1을 참조하면, 예를 들면, 엔진(도시 생략)을 위한 연료 시스템(10)은 연 료 탱크(12), 엔진의 흡입 매니폴드와 같은 진공원(14), 퍼지 밸브(a purge valve)(16), 목탄 캐니스터(a charcoal canister)(18), 및 일체식 압력 조절 시스템(an integrated pressure management system:IPMA)(20)을 포함한다.
IPMA(20)는, 제 1 소정 압력(진공) 레벨이 존재함을 신호(22)하는 기능, 제 1 소정 압력 레벨 이하의 값에 있는 압력을 경감(24)하는 기능, 제 2 압력 레벨 이상의 압력을 경감(26)하는 기능, 및 목탄 캐니스터(18)를 대기압(A)에 제어가능하게 연결하는 기능을 포함하여 복수의 기능을 수행한다.
예를 들어, 엔진이 꺼진 후에, 연료 시스템(10)이 경험하는 냉각의 고정에 있어서, 탱크(12) 및 목탄 캐니스터(18)에 진공이 야기된다. 제 1 소정 압력 레벨에서 진공의 존재는 연료 시스템(10)의 완전성이 만족할 만하다는 것을 나타낸다. 그래서, 신호(22)는 연료 시스템(10)의 완전성, 즉 누출이 없다는 것을 나타낸다. 이어서 제 1 소정 압력 레벨 이하의 압력 레벨을 경감(24)하는 것은 연료 탱크(12)의 완전성을 보호, 즉, 연료 시스템(10)에 있어서의 진공으로 인해 연료 탱크가 붕괴되는 것을 방지한다. 또한 압력 레벨을 경감(24)하는 것은 "더러운 "공기가 탱크(12) 내로 유입되는 것을 방지한다.
엔진이 꺼진 후에 즉각, 압력을 경감(26)하는 것은 연료 기화로 인한 과도한 압력을 블로우 오프(blow off)하고, 그것에 의해 냉각 동안 발생하는 소정의 진공 형성을 용이하게 한다. 블로우 오프 동안, 연료 시스템(10) 내부의 공기는 연료 입자가 유지되는 동안 배출된다. 유사하게, 연료 탱크(12)의 재급유 과정에 있어서, 압력을 경감(26)하는 것은 공기가 높은 유동율로 연료 탱크(12)에서 유출되게 한다.
엔진이 켜져 있는 동안, 캐니스터(18)를 대기(A)에 제어가능하게 연결(28)하는 것은 퍼지 유동(purge flow)의 확인을 허용하고 신호(22) 수행의 확인을 허용한다. 엔진이 꺼져 있는 동안, 제어가능하게 연결(28)하는 것은 엔진을 위한 컴퓨터가 냉각 동안에 발생되는 진공을 모니터하는 것을 허용한다.
도 2는, 목탄 캐니스터(18) 상에 장착되어 있는 IPMA(20)의 제 1 실시예를 도시하고 있다. IPMA(20)는 "베이어닛(bayonet)" 스타일 부착부(32)에 의해 목탄 캐니스터(18)의 보디에 장착될 수 있는 하우징(30)을 포함한다. 시일(34)은 목탄 캐니스터(18) 및 IPMA(20) 사이에 개재된다. 이 부착부(32)는, 스냅 핑거(a snap finger)(33)와 조합하여, 현장에서 IPMA(20)를 정비하는 것을 쉽게 한다. 물론, IPMA(20) 및 보디(18) 사이에, 예를 들면, 나사식 부착부, 상호잠금 포개어겹치기식 부착부 등의 상이한 스타일의 부착부가 도시되어 있는 배요넷 부착부(32)를 대신할 수 있다. 대안적으로, 보디(18) 및 하우징(30)은 공통의 동질 재료로 일체식으로 형성될 수 있고, (예를 들면, 접착제를 사용하여) 함께 영구 결합될 수 있고, 또는 보디(18) 및 하우징(30)은 파이프 또는 가요성 호스와 같은 중간 부재를 통해서 상호연결될 수 있다.
하우징(30)은 메인 하우징 피스(30a) 및 하우징 피스 커버(30b 및 30c)의 조립체일 수 있다. 2개의 하우징 피스 커버(30b, 30c)가 도시되어 있지만, 예를 들면, 시일링되어야 하는 하우징 피스 사이에 잠재적인 누출 지점의 수를 줄이기 위해서 하우징 피스의 수를 최소화하는 것이 바람직하다. 하우징 피스 커버의 수를 최소화하는 것은 메인 하우징 피스(30a)를 통하는 유체 유동 경로 형상 및 유동 경로의 포트를 통해서 IPMA(20)의 필요 구성요소를 통합하는데 있어서의 제작 효율에 크게 의존한다. 하우징(30)의 추가적인 특성 및 그 내부로의 구성요소의 통합은 이하에서 설명한다.
신호(22)는 제 1 소정 압력 레벨에서 진공이 목탄 캐니스터(18)에 존재할 때 발생한다. 압력 작동식 장치(36)는 하우징(30)에 있어서의 내부 챔버를 분리한다. 밸브(40)에 상호연결되어 작동하는 다이어프램(38)을 포함하는 압력 작동식 장치(36)는, 하우징(30)의 내부 챔버를 상측 부분(42) 및 하측 부분(44)으로 분리한다. 상측 부분(42)은 제 1 포트(46)를 통해서 대기압과 유체 연통한다. 하측 부분(44)은 하우징(30)과 목탄 캐니스터(18) 사이의 제 2 포트(48)와 유체 연통한다. 또한 하측 부분(44)은 제 1 및 제 2 신호 통로(50, 52)를 통해서 분리 부분(44a)과 유체 연통한다. 제 1 신호 통로의 개구부를 목탄 캐니스터(18) 방향으로 배향하는 것은 부분(44, 44a) 사이에 유체 연통을 제공하는데 있어서 예기치 않은 잇점을 낳는다. 제 2 신호 통로(52)를 위한 하우징 피스(30a, 30b) 사이의 시일링은 제 2 신호 통로(52)가 침투하는 다이어프램(38)의 돌출부(38a)에 의해 제공될 수 있다. 가지부(52a)는, 다이어프램(38)의 시일 비드를 통해서, 분리 부분(44a)과 유체 연통을 제공한다. 고무 플러그(50a)는 하우징 부분(30a)이 성형된 후에 설치된다. 분리 부분(44a)에 있어서의 진공의 결과로서 생성되는 힘은 다이어프램(38)이 하우징부(30b) 방향으로 변위되게 한다. 이 변위는 탄성 요소(54), 예를 들면, 리프 스프링(leaf spring)에 의해 대항된다. 탄성 요소(54) 의 가압은, 예를 들면, 1 inchH2O의 소정의 진공 레벨이 프린트 배선판(60)에 장착될 수 있는 스위치(58)를 가압하도록 조정 나사(56)에 의해 조정될 수 있다. 이어서, 프린트 배선판은 하부징부(30c)에 의해 지지되는 출구 터미널(64)에 중간 리드 프레임(62)을 통해서 전기적으로 접속된다. O-링(66)은 하부징부(30a)에 대하여 하부징부(30c)를 시일링한다. 진공이 해제될 때, 즉, 부분(44, 44a)에 있어서의 압력이 상승할 때, 탄성 요소(54)는 스위치(58)로부터 멀어지는 방향으로 다이어프램(38)을 밀고, 이것에 의해 스위치(58)는 리셋된다.
압력 경감(24)은, 부분(44, 44a)에서의 진공이 증가할 때, 즉, 압력이 스위치(58)를 가동하기 위한 조정 레벨 이하로 감소할 때 발생한다. 목탄 캐니스터(18) 및 하측 부분(44)에 있어서의 진공은, 상측 부분(42)이 항상 대기압(A)에 또는 근방에 있으므로 연속적으로 밸브(40)에 작용한다. 예를 들면, 6 inchH2O의 제 1 소정 레벨 이하의 어떤 진공값에서, 이 진공은 제 2 탄성 요소(68)의 대항력을 극복하고 립 시일(70)로부터 멀어지는 방향으로 밸브(40)를 변위시킨다. 립 시일(70) 도 4 및 5를 참조하여 이하에서 보다 상세하게 설명한다. 이 변위는 폐쇄 형상으로부터 밸브(40)를 개방하고, 그래서 하측 부분(44) 내로 상측 부분(42)을 통해서 대기가 유입되는 것을 허용한다.
즉, 밸브(40)의 개방 형상에 있어서, 제 1 및 제 2 포트(46, 48)는 유체 연통한다. 이 방식으로, 연료 시스템(10)에 있어서의 진공이 조절된다.
개방 형상으로 폐쇄 위치로부터 밸브(40)를 유사하게 변위시키도록 제어가능하게 연결(28)하는 것은 솔레노이드(72)에 의해 제공될 수 있다. 정지 위치에서, 제 2 탄성 요소(68)는 폐쇄 형상으로 밸브(40)를 변위시킨다. 밸브(40)에 고정될 수 있는, 철 함유 전기자(74)는 높은 자속 밀도 및 큰 인입력(pull-in force)을 야기하는 테이퍼 팁을 가지고 있다. 코일(76)은 O-링(80)에 의해 목탄 캐니스터(18)로부터 단절되어 있는 고체 철 함유 코어(78)를 둘러싼다. 플럭스 경로는 플럭스를 전기자(74) 방향으로 역으로 초점을 맞추는 역할을 하는 철함유 스트랩(82)에 의해 완성된다. 코일(76)이 자화될 때, 그 결과의 플럭스는 코어(78) 방향으로 밸브(40)를 당긴다. 전기자(74)는 제 2 탄성 요소(68) 내부에 안착하는 튜브(84)에 의해 코어(78)를 접촉하는 것이 방지될 수 있고, 그것에 의해 자기 잠금(magnetic lock-up)을 방지한다. 솔레노이드(72)가 개방 형상으로 밸브(40)를 유지하는데에는 아주 적은 전력이 필요하기 때문에, 전력은 펄스-폭 변조에 의해 원래 전력의 10%로 감소될 수 있다. 전력이 코일(76)로부터 제거될 때, 제 2 탄성 요소(68)는 밸브(40)의 통상의 폐쇄 형상으로 전기자(74) 및 밸브(40)를 민다.
압력을 경감(26)하는 것은, 하측 부분(44)에 정압이 있을 때, 예를 들면, 탱크(12)가 재급유될 때 제공된다. 특히, 밸브(40) 개방 형상으로 변위되어 탱크(12)로부터 공기가 새나가도록 하기 위한 아주 낮은 제한 경로를 제공한다.
목탄 캐니스터(18), 및 하측 부분(44)이 대기압 이상의 정압을 받을 때, 제 1 및 제 2 신호 통로(50, 52)는 분리 부분(44a)에 이 정압을 전달한다. 이어서, 이 정압은 밸브(40) 쪽으로 다이어프램(38)을 하향 변위시킨다. 다이어프램 핀(39)은 다이어프램(38)의 변위를 밸브(40)에 전달하고, 그것에 의해 립 시일(70) 에 대하여 개방 형상으로 밸브(40)를 변위시킨다. 그래서, 재급유로 인한 목탄 캐니스터(18)에 있어서의 압력은 하측 부분(44)을 통하고, 립 시일(70)을 지나고, 상측 부분(42)을 통하고, 그리고 제 2 포트(46)를 통해서 새나가는 것이 허용된다.
또한 압력을 경감부(26)는 엔진이 꺼져 있는 임의의 상황 동안 연료 탱크(12)에 있어서의 압력을 조절하는데 유용하다. 연료 탱크(12)에 있어서의 정압의 양을 제한함으로써, 낮아지는 진공 효과가 곧 발생한다.
도 3은, 제 1 및 제 2 신호 통로(50, 52)가 제거되어 있고, 도 2에 도시된 바와 같이 제 2 신호 통로(52)에 의한 돌출부(38a)의 침투와 유사하게 중간 리드 프레임(62)이 다이어프램(38)의 돌출부(38b)를 침투하는 것을 제외하고, 도 2에 도시된 제 1 실시예와 대체적으로 유사한 본 발명의 제 2 실시예를 도시한다. 하측 부분(44)으로부터의 신호는 솔레노이드(72) 및 하우징(30) 사이의 공간을 통해서, 중간 리드 프레임(62) 및 하우징(30) 사이의 공간을 통해서, 그리고 돌출부(38b)에 있어서의 관통부를 통해서 뻗어 있는 경로를 통하여 분리 부분(44a)에 전달된다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 립 시일(70), 즉, 포핏 밸브 시일은, 축(X)을 둘러싸고 제 1 시일링 표면(702) 및 제 2 시일링 표면(704)을 가지고 있는 환형 보디로 될 수 있다. 제 1 시일링 표면(702)은 하우징(30)에 고정되고 유체가 제 1 및 제 2 포트(46, 48)사이에서 유동하는 개구를 둘러싼다. 제 2 시일링 표면(704)은 대체적으로 밸브(40), 예를 들면, 포핏 밸브에 대향하고 있다.
환형 립(706)은 폐쇄 위치에서, 즉, 포트(46, 48) 사이의 유체 유동이 방지될 때 제 2 시일링 표면(704)으로부터 돌출하고 포핏 밸브(40)에 의해 탄성 변형한다. 환형 립(706)은 밸브(40)의 개방 위치에서, 즉, 포트(46, 48) 사이의 유체 유동이 허용될 때 축(X) 방향으로 경사지게 돌출한다. 환형 립(706)은 환형 팁(708)이 축(X)에 대하여 최소 단면을 둘러싸도록 중공 절두체 형상일 수 있다. 바람직한 실시예에 따르면, 중공 절두체의 벽 두께는 1 밀리미터 미만이고, 가장 바람직하게는 대략 0.3 밀리미터이다.
본 발명에 따르면, 포핏 밸브(40)가 폐쇄 위치로 이동함에 따라, 환형 립(706)의 팁(708)은 포핏 밸브(40)의 시일링 표면에 축적될 수 있는 임의의 이물질(부스러기)을 제거한다. 특히, 포핏 밸브(40)는 팁(708)이 축(X) 방향으로 반경방향으로 수축하는 환형 립(706)을 탄성적으로 변형시키고, 그것에 의해 임의의 이물질을 제거한다.
시일(70)은 상대적으로 탄성인 부분(710) 및 상대적으로 탄성인 부분(710)을 보강하는 상대적으로 강성인 부분(712)을 포함할 수 있다. 바람직한 실시예에 따르면, 탄성인 부분(710)은 고무, 플루로실리콘, 또는 기타 탄성중합체일 수 있고, 강성인 부분(712)은 나일론일 수 있다. 탄성인 부분(710)은 강성인 부분(712) 상에 성형될 수 있고, 또한 강성인 부분(712)은 성형 동안 탄성인 부분(710)의 반경방향 내측 부분(71Oa)과 반경방향 외측 부분(71Ob)을 연결하는 적어도 하나의 채널(714)(도 4에는 8개가 도시)을 포함할 수 있다. 강성인 부분(712)은 하우징(30)과 짝을 이루도록 맞물리는 시트(712a)를 포함할 수 있다.
본 발명을 임의의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 개시된 실시예에 다양한 수정, 대안 및 변경이, 첨부한 청구범위 및 그 균등물에 한정된 본 발명의 기술사상 및 기술영역을 일탈하지 않고 가능하다. 따라서, 본 발명은 설명된 실시예에 한정되는 것이 아니라, 이하의 청구범위에 의해 한정되는 전 범위를 가진다.
본 발명에 의하면 압력을 조절하고 연료 시스템에 있어서의 누출을 탐지하는 일체식 압력 조절 시스템을 위한 포핏 밸브 시일이 제공되고, 또한 연료 탱크에 있어서의 헤드스페이스, 헤드스페이스로부터 휘발 연료 증기를 수집하는 캐니스터, 퍼지 밸브, 및 모든 관련 호스에 대한 누출 진단을 수행하는 일체식 압력 조절 시스템을 위한 포핏 밸브 시일이 제공된다.

Claims (15)

  1. 하우징의 개구를 통한 유체의 유동을 허용하는 개방 위치와 상기 개구를 통한 유체의 유동을 방지하는 폐쇄 위치 사이에서 이동가능한 포핏 밸브용 시일로서,
    축을 둘러싸고 있으며, 하우징에 고정되어 상기 개구를 둘러싸도록 되어 있는 제 1 시일링 표면과 포핏 밸브에 대향하도록 되어 있는 제 2 시일링 표면을 가지고 있는 환형 보디로 구성되어 있고,
    제 2 시일링 표면으로부터 돌출되어 있으며 폐쇄 위치에서는 포핏 밸브에 의해 탄성적으로 변형되도록 되어 있고, 개방 위치에서는 축을 향하여 비스듬히 돌출되어 있는 환형 립을 포함하는 포핏 밸브 표면의 시일링 표면에서 이물질을 제거하는 수단을 포함하고 있고,
    환형 보디는 상대적으로 탄성인 부분 및 이 상대적으로 탄성인 부분을 보강하는 상대적으로 강성인 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 포핏 밸브용 시일.
  2. 제 1 항에 있어서, 환형 립은 환형 보디에 대하여 말단 끝부에 환형 팁을 포함하고, 상기 환형 팁은 포핏 밸브가 폐쇄 위치로 이동함에 따라 포핏 밸브를 문지르는 식으로 맞물리도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 포핏 밸브용 시일.
  3. 제 1 항에 있어서, 환형 립은 중공 절두체인 것을 특징으로 하는 포핏 밸브용 시일.
  4. 제 3 항에 있어서, 중공 절두체는 1 밀리미터 미만의 벽 두께를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 포핏 밸브용 시일.
  5. 제 4 항에 있어서, 벽 두께는 0.3 밀리미터인 것을 특징으로 하는 포핏 밸브용 시일.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서, 상대적으로 탄성인 부분은 상대적으로 강성인 부분 상에 성형되어 있는 것을 특징으로 하는 포핏 밸브용 시일.
  8. 제 7 항에 있어서, 상대적으로 강성인 부분은 축에 대하여 반경방향으로 뻗어 있는 적어도 하나의 채널을 포함하고, 상대적으로 탄성인 부분은 성형하는 동안 상기 적어도 하나의 채널을 채우는 것을 특징으로 하는 포핏 밸브용 시일.
  9. 제 8 항에 있어서, 상대적으로 강성인 부분은 하우징과 맞물리도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 포핏 밸브용 시일.
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