KR101355161B1 - 브이피에스에이 방식의 산소발생기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 VPSA 방식의 산소발생기에 관한 것으로서, 고순도의 산소 생산을 위해 공기 중의 질소를 흡착하는 제올라이트(Zeolite)가 내부에 충전되는 제1 및 제2 흡착탑; 상기 제1 및 제2 흡착탑의 하부 영역에 배치되는 크로스 밸브; 외부 공기가 유입되는 라인을 형성하며, 상기 크로스 밸브의 일측과 연결되는 외부 공기 유입라인; 상기 크로스 밸브와 상기 제1 흡착탑에 연결되는 제1 공기 유입라인; 상기 크로스 밸브와 상기 제2 흡착탑에 연결되는 제2 공기 유입라인; 및 상기 크로스 밸브를 제어하여, 상기 외부 공기 유입라인과 제1 공기 유입라인이 개방될 때, 상기 제2 공기 유입라인이 닫히고, 상기 외부 공기 유입라인과 제2 공기 유입라인이 개방될 때, 상기 제1 공기 유입라인을 닫히도록 컨트롤하는 컨트롤러를 포함를 포함한다.

Description

브이피에스에이 방식의 산소발생기{Oxygen generator by vacuum pressure swing adsorption}
본 발명은, 브이피에스에이 방식의 중소형 산소발생기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 흡착탑 상·하부에 생산, 균압, 세정, 가압 등 여러 가지 배관을 복잡하게 구비하고 있는 종전의 일반적인 산소발생기 구조와는 달리 생산배관을 제외한 균압배관과 세정배관 및 그 부속밸브들을 제거하고 하부배관을 단순화시킴으로써 종전 구조에 비하여 동등한 성능을 유지하면서도 제품의 경량화 및 소형화, 비용의 절감, 제품 수명의 연장을 달성할 수 있을 뿐만 아니라 유지보수가 간편해질 수 있는 VPSA 방식의 산소발생기에 관한 것이다.
산소발생기는 일반적으로 외부의 공기를 흡착탑 내부로 전송해 주는 공기압 축기나 송풍기, 그리고 압축공기의 온도와 습기를 조절해 주는 냉각기와 건조기, 공기나 산소를 저장할 수 있는 저장탱크 및 압축공기로부터 산소와 질소를 분리해 주는 흡착탑 등으로 이루어져 있으며, 이외에 별도의 장비 구성이나 배치 및 운용방법에 따라 PSA(Pressure Swing Adsorption)방식, VSA(Vacuum Swing Adsorption)방식, VPSA(Vacuum Pressure Swing Adsoption) 방식 등으로 나누어진다.
각각의 산소발생 방식은 별도의 장비구성에 따른 운용방법 및 질소와 산소의 분리 압력조건에 따라서 각각의 명칭을 구분해 놓았을 뿐 흡착탑 내부에 공급된 압축공기로부터 흡착제(Zeolite Molecular Sieve)를 이용하여 산소와 질소를 분리해 내는 공기분리방식이라는 점에서는 서로 같고, 그 분리공정 또한 가압→가압·생산→균압→탈착·세정→균압→가압의 형태로써 대동소이하다.
도 1을 참조하면, 종래 일반적인 방식에 따른 산소발생기 구조가 도시되는데, 종전의 산소발생기는 흡착탑 하부에 가압공기의 이송을 위한 하부배관(10)과 흡착탑 상부에 생산된 산소를 이송하기 위한 산소배관(11), 균압을 위한 균압배관(12) 및 세정을 위한 세정배관(13)이 구비되어 각 배관마다 자동밸브를 장착하여 배관 관로의 개/폐를 조정하게 된다. 이러한 기술은 대한민국 특허청 출원번호 제20-2004-0023310호 등에도 개시되어 있다.
그런데, 상기한 종전의 산소발생기의 경우, 흡착탑 상·하부 인입/토출 및 생산공정에 관여하는 배관 또는 밸브들이 상, 하, 수직으로 복잡하게 얽혀 있어 제품의 경량화 및 소형화가 현실적으로 어려우며, 그에 따른 비용의 증대, 밸브 및 관련 부품의 사용연한에 따른 제품수명의 저하, 그리고 유지보수의 시간과 비용 증대라는 여러 가지 문제가 발생될 수 있으므로 이러한 점을 감안한 구조로의 보완이 요구된다.
대한민국특허청 출원번호 제20-2004-0023310호
본 발명의 목적은, 종전의 일반적인 산소발생기 구조와는 달리 생산배관을 제외한 균압배관과 세정배관 및 그 부속밸브들을 제거하고 하부배관을 단순화시킴으로써 종전 구조에 비하여 동등한 성능을 유지하면서도 제품의 경량화 및 소형화, 비용의 절감, 제품 수명의 연장을 달성할 수 있을 뿐만 아니라 유지보수가 간편해질 수 있는 VPSA 방식의 산소발생기를 제공하는 것이다.
상기 목적은, 고순도의 산소 생산을 위해 공기 중의 질소를 흡착하는 제올라이트(Zeolite)가 내부에 충전되는 제1 및 제2 흡착탑; 상기 제1 및 제2 흡착탑의 하부 영역에 배치되는 크로스 밸브; 외부 공기가 유입되는 라인을 형성하며, 상기 크로스 밸브의 일측과 연결되는 외부 공기 유입라인; 상기 크로스 밸브와 상기 제1 흡착탑에 연결되는 제1 공기 유입라인; 상기 크로스 밸브와 상기 제2 흡착탑에 연결되는 제2 공기 유입라인; 및 상기 크로스 밸브를 제어하여, 상기 외부 공기 유입라인과 제1 공기 유입라인이 개방될 때, 상기 제2 공기 유입라인이 닫히고, 상기 외부 공기 유입라인과 제2 공기 유입라인이 개방될 때, 상기 제1 공기 유입라인을 닫히도록 컨트롤하는 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 VPSA 방식의 산소발생기에 의해 달성된다.
상기 제1 흡착탑의 상부에 연결되어 상기 제1 흡착탑을 통해 산소가 배출되는 라인을 형성하는 제1 산소 배출라인; 상기 제2 흡착탑의 상부에 연결되어 상기 제2 흡착탑을 통해 산소가 배출되는 라인을 형성하는 제2 산소 배출라인; 상기 제1 산소 배출라인 상에 마련되는 제1 체크밸브; 및 상기 제2 산소 배출라인 상에 마련되는 제2 체크밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 체크밸브에는 미세통공이 형성될 수 있다.
상기 제1 및 제2 공기 유입라인, 그리고 상기 제1 및 제2 산소 배출라인 상에는 볼밸브가 각각 마련될 수 있다.
상기 제1 및 제2 흡착탑의 주변에 배치되며, 상기 제1 및 제2 흡착탑 내에서 질소로 포화된 제올라이트를 세정시키기 위한 동력을 발생시키는 진공펌프; 상기 진공펌프와 상기 크로스 밸브에 연결되는 질소 배출라인; 및 상기 질소 배출라인 상에 마련되는 제3 체크밸브를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 종전의 일반적인 산소발생기 구조와는 달리 생산배관을 제외한 균압배관과 세정배관 및 그 부속밸브들을 제거하고 하부배관을 단순화시킴으로써 종전 구조에 비하여 동등한 성능을 유지하면서도 제품의 경량화 및 소형화, 비용의 절감, 제품 수명의 연장을 달성할 수 있을 뿐만 아니라 유지보수가 간편해질 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 산소발생기의 시스템 구성도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 VPSA 방식의 산소발생기의 시스템 구성도,
도 3은 제1 체크밸브의 사시도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 VPSA 방식의 산소발생기의 제어블록도이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 VPSA 방식의 산소발생기의 시스템 구성도, 도 3은 제1 체크밸브의 사시도, 그리고 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 VPSA 방식의 산소발생기의 제어블록도이다.
이들 도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 VPSA 방식의 산소발생기는 대기 중에 포함되어 있는 질소 등을 흡착하여 높은 순도의 산소를 생산할 수 있도록 한 것으로서, 제1 및 제2 흡착탑(111,112)의 하부 배관을 크로스 밸브(120)를 이용하여 단순화시키는 한편 제1 및 제2 흡착탑(111,112)의 상부 배관을 볼밸브(B)와 더불어 제1 및 제2 체크밸브(171,172)를 이용하여 단순화시킨 구성을 갖는다.
이처럼 본 실시예에 따른 VPSA 방식의 산소발생기는 종전과 달리 흡착탑의 상·하부 배관이 단순화되기 때문에 종래보다 경량화, 소형화가 가능하며, 제조비용이 절감될 뿐만 아니라 제품 수명도 연장되고 설치 및 유지보수를 용이하게 수행할 수 있는 이점이 있다. 본 실시예의 VPSA 방식의 산소발생기는 병원, 양어장, 수처리장치 등 다양한 용도로 사용될 수 있다.
제1 및 제2 흡착탑(111,112)은 제올라이트(Zeolite)가 내부에 충전되는 장소를 이룬다. 대기, 즉 외부 공기는 대략 79%의 질소와 21%의 산소로 이루어져 있는데, 외부 공기를 제1 및 제2 흡착탑(111,112)으로 유입시킴에 따라 제1 및 제2 흡착탑(111,112) 내의 제올라이트가 질소를 흡착 분리함에 따라 대략 90% ~ 95% 순도의 산소를 발생시킬 수 있도록 한다.
크로스 밸브(120)는 유체의 흐름이 4방향으로 제어될 수 있는 밸브로서, 제1 및 제2 흡착탑(111,112)의 하부 영역에 배치되어 하부배관을 단순화시키는 역할을 담당한다.
이러한 크로스 밸브(120)에는 외부 공기 유입라인(130), 제1 공기 유입라인(131), 제2 공기 유입라인(132), 그리고 질소 배출라인(182)이 각 방향에서 연결된다.
외부 공기 유입라인(130)은 대기인 외부 공기가 유입되는 라인을 형성한다. 외부 공기는 외부 공기 유입라인(130)을 따라 유입되면서, 애프터 쿨러와 에어 드라이어 및 필터를 차례로 거쳐서 유입될 수 있다. 즉 애프터 쿨러를 통해 유입되는 외부 공기의 온도가 저감되며, 애프터 쿨러의 쿨링을 통해 발생될 수 있는 습기는 에어 드라이어에 의해 제거되며, 필터는 외부 공기로부터 이물질을 제거하여 크로스 밸브(120)로 유입시킨다.
제1 공기 유입라인(131)은 크로스 밸브(120)와 제1 흡착탑(111)에 연결된다. 제2 공기 유입라인(132)은 크로스 밸브(120)와 제2 흡착탑(112)에 연결된다. 그리고 질소 배출라인(182)은 진공펌프(181)와 크로스 밸브(120)에 연결된다. 제1 및 제2 공기 유입라인(131,132) 상에는 볼밸브(B)가 각각 마련된다. 볼밸브(B)는 제1 및 제2 공기 유입라인(131,132)의 관로 개구를 조절하는 수단이다.
외부 공기 유입라인(130)은 항상 개방되어 외부 공기를 크로스 밸브(120)로 유입시키는 반면 제1 공기 유입라인(131)과 제2 공기 유입라인(132)은 선택적으로 개방된다.
즉 전자 제어될 수 있는 크로스 밸브(120)는 외부 공기 유입라인(130)과 제1 공기 유입라인(131)이 개방되도록 제어될 때, 제2 공기 유입라인(132) 상의 공기 흐름은 단속된다. 반대로 크로스 밸브(120)가 외부 공기 유입라인(130)과 제2 공기 유입라인(132)이 개방되도록 제어될 때, 제1 공기 유입라인(131) 상의 공기 흐름은 단속된다.
이러한 크로스 밸브(120)는 컨트롤러(150)에 의해 그 동작이 컨트롤된다. 컨트롤러(150)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 중앙처리장치(151, CPU), 메모리(152, MEMORY), 서포트 회로(153, SUPPORT CIRCUIT)를 포함할 수 있다.
중앙처리장치(151)는 본 실시예에서 제1 및 제2 라인밸브(141,142)의 동작을 컨트롤하기 위해서 산업적으로 적용될 수 있는 다양한 컴퓨터 프로세서들 중 하나일 수 있다.
메모리(152, MEMORY)는 중앙처리장치(151)와 연결된다. 메모리(152)는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체로서 로컬 또는 원격지에 설치될 수 있으며, 예를 들면 랜덤 액세스 메모리(RAM), ROM, 플로피 디스크, 하드 디스크 또는 임의의 디지털 저장 형태와 같이 쉽게 이용가능한 적어도 하나 이상의 메모리이다.
서포트 회로(153, SUPPORT CIRCUIT)는 중앙처리장치(151)와 결합되어 프로세서의 전형적인 동작을 지원한다. 이러한 서포트 회로(153)는 캐시, 파워 서플라이, 클록 회로, 입/출력 회로, 서브시스템 등을 포함할 수 있다.
본 실시예에서 컨트롤러(150)는 크로스 밸브(120)의 동작을 컨트롤하는 일련의 프로세스 등은 메모리(152)에 저장될 수 있다.
전형적으로는 소프트웨어 루틴이 메모리(152)에 저장될 수 있다. 소프트웨어 루틴은 또한 다른 중앙처리장치(미도시)에 의해서 저장되거나 실행될 수 있다.
본 발명에 따른 프로세스는 소프트웨어 루틴에 의해 실행되는 것으로 설명하였지만, 본 발명의 프로세스들 중 적어도 일부는 하드웨어에 의해 수행되는 것도 가능하다. 이처럼, 본 발명의 프로세스들은 컴퓨터 시스템 상에서 수행되는 소프트웨어로 구현되거나 또는 집적 회로와 같은 하드웨어로 구현되거나 또는 소프트웨어와 하드웨어의 조합에 의해서 구현될 수 있다.
제1 및 제2 흡착탑(111,112) 각각의 상부에는 제1 및 제2 흡착탑(111,112) 각각을 통해 산소가 배출되는 라인을 형성하는 제1 및 제2 산소 배출라인(161,162)이 마련된다.
이러한 제1 및 제2 산소 배출라인(161,162) 상에는 볼밸브(B)와 제1 및 제2 체크밸브(171,172)가 각각 마련된다. 제1 및 제2 산소 배출라인(161,162) 상의 볼밸브(B) 역시 제1 및 제2 산소 배출라인(161,162)의 관로 개구를 조절하는 수단이다.
제1 및 제2 체크밸브(171,172)는 제1 및 제2 산소 배출라인(161,162) 중 어느 하나를 통해 산소가 배출될 때 배출되는 공기가 통과하게 된다. 이러한 제1 및 제2 체크밸브(171,172)에는 도 3처럼 미세통공(H)이 형성된다. 미세통공(H)의 역할은 후술된다.
한편, 제1 및 제2 흡착탑(111,112) 내에서 질소로 포화된 제올라이트를 세정시키는 세정작업의 진행을 위해 진공펌프(181), 질소 배출라인(182) 및 제3 체크밸브(183)가 마련된다.
진공펌프(181)는 제1 및 제2 흡착탑(111,112)의 주변에 배치되며, 제1 및 제2 흡착탑(111,112) 내에서 질소로 포화된 제올라이트를 세정시키기 위한 동력을 발생시키는 부분이고, 질소 배출라인(182)은 진공펌프(181)와 크로스 밸브(120)에 연결되어 질소가 흐르는 라인을 이룬다. 그리고 제3 체크밸브(183)는 질소 배출라인(182)을 통해 질소가 배출될 때 통과하고 그 역방향으로는 공기의 흐름이 차단되는 밸브이다.
이하, 본 실시예에 따른 VPSA 방식의 산소발생기의 작용을 설명한다.
외부 공기 유입라인(130)으로부터 유입되는 공기의 흐름은 컨트롤러(150)에 의해 크로스 밸브(120)를 지나면서 제1 및 제2 공기 유입라인(131,132) 중 어느 하나를 경유하여 제1 및 제2 흡착탑(111,112) 중 어느 하나로 향한다.
예컨대, 크로스 밸브(120)의 개폐 방향에 따라 외부 공기 유입라인(130)으로부터 유입되는 공기는 제2 공기 유입라인(132)을 통해 제2 흡착탑(112)으로 향할 수 있다.
이렇게 제2 흡착탑(112)으로 향하는 공기는 제2 흡착탑(112) 내에서 상승된다. 상승되는 공기는 제2 흡착탑(112)을 지나면서 제올라이트에 의하여 질소가 흡착되고 높은 순도의 산소가 제2 흡착탑(112)의 제2 산소 배출라인(162)을 통해 배출된다. 이때, 제2 산소 배출라인(162) 상의 제2 체크밸브(172)는 배출되는 공기를 통과시킨다.
한편, 이와 같은 방식으로 지속적으로 산소를 생산하다보면 제2 흡착탑(112) 내의 제올라이트가 질소로 포화되는 상태에 이르게 되는데, 이러한 상태에 이르면 사용 중인 제2 흡착탑(112)의 산소 생산을 중지하고 제2 흡착탑(112) 내의 제올라이트에 포화된 질소를 제거한 후 산소를 재생산해야 한다.
이때는 컨트롤러(150)에 의해 개방되지 않았던 크로스 밸브(120)의 방향이 절환되어 공기의 흐름이 바뀌면서 외부 공기 유입라인(130)으로부터 유입되는 공기는 제1 공기 유입라인(131)을 통해 제1 흡착탑(111)으로 향하게 된다.
이때, 크로스 밸브(120)는 제2 공기 유입라인(132)을 닫고 제1 공기 유입라인(131)을 개방하도록 절환되는 과정에서 자연스럽게 제1 및 제2 흡착탑(111, 112) 사이의 압력이 균등해져, 흡착탑의 역할 교대가 신속하고 안정적으로 이루어질 수 있어 종래의 산소발생기와 같이 별도의 균압배관이 요구되지 않게 된다. 즉 크로스 밸브(120)가 절환되는 과정에서 제2 흡착탑(112)에서는 압력이 하강하고, 제1 흡착탑(111)에서는 압력이 상승하여 상호 균등해진 후 크로스 밸브(120)의 절환이 완료되고 흡착탑의 역할 교대가 이루어지게 된다. 이는 크로스 밸브(120)가 제2 공기 유입라인(132)을 닫고 제1 공기 유입라인(131)을 개방하도록 절환될 때도 마찬가지이다.
한편, 산소의 생산이 중지된 제2 흡착탑(112)의 경우, 질소로 포화된 제올라이트를 세정시켜 질소를 제거해야만 한다.
세정작업을 위해, 종래에는 제1 흡착탑(111)의 가압 공기를 이용하여 세정을 수행하고 있지만 본 실시예의 경우, 컴프레서의 사용이 없고, 이에 따라 공기압도 크지 않기 때문에 진공펌프(181)를 사용하여 질소로 포화된 제올라이트를 세정시켜 질소를 제거하고 있는 것이다.
즉 진공펌프(181)가 동작되면 질소 배출라인(182) 상의 제3 체크밸브(183)를 경유하여 제2 흡착탑(112) 내의 포화된 질소가 질소 배출라인(182)을 따라 흡입되면서 제거될 수 있다. 이때, 타측 흡착탑, 즉 제1 흡착탑(111)으로부터 산소가 제2 흡착탑(112) 상부로 유입되어, 이른바 산소분위기를 조성함으로써, 제올라이트에 포화되어 있는 질소의 제거 효율을 높일 수 있게 된다. 따라서 제1 및 제2 체크밸브(171,172)에는 도 3처럼 미세통공(H)이 형성되어, 일측 흡착탑에서 생산되고 있는 산소를 타측 흡착탑으로 유입시킬 수 있도록 형성된다.
즉, 일 방향의 공기 흐름만을 허용하는 일반적인 체크밸브와는 달리 , 본 발명의 실시예에 따른 제1 및 제2 체크밸브(171,172)는 미세통공(H)이 형성되어 공기의 역방향 흐름을 일부 허용함으로써, 과도한 역류를 허용하지 않으면서도 일부의 공기를 흡입하여 세정공정에 이용할 수 있도록 함으로써, 상부 배관의 구조를 단순화시킴과 아울러 세정공정의 효율을 높일 수 있게 된다.
이와 같은 구조와 작용을 갖는 본 실시예에 따르면, 대기 중에 포함되어 있는 질소 등을 흡착하여 높은 순도의 산소를 생산할 수 있음은 물론 종전과 달리 상하부 배관의 구조를 단순화시켜 제품의 경량화, 소형화가 가능할 뿐만 아니라 설치 및 유지보수를 용이하게 수행할 수 있게 된다.
뿐만 아니라 흡착탑(111,112) 내에서 질소로 포화된 제올라이트를 세정시키는 세정작업 효율을 증가시킬 수 있게 된다.
이와 같이 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
111 : 제1 흡착탑 112 : 제2 흡착탑
120 : 크로스 밸브 130 : 외부 공기 유입라인
131 : 제1 공기 유입라인 132 : 제2 공기 유입라인
150 : 컨트롤러 161 : 제1 산소 배출라인
162 : 제2 산소 배출라인 171 : 제1 체크밸브
172 : 제2 체크밸브 181 : 진공펌프
182 : 질소 배출라인 183 : 제3 체크밸브

Claims (5)

  1. 고순도의 산소 생산을 위해 공기 중의 질소를 흡착하는 제올라이트(Zeolite)가 내부에 충전되는 제1 및 제2 흡착탑;
    상기 제1 및 제2 흡착탑의 하부 영역에 배치되는 크로스 밸브;
    외부 공기가 유입되는 라인을 형성하며, 상기 크로스 밸브의 일측과 연결되는 외부 공기 유입라인;
    상기 크로스 밸브와 상기 제1 흡착탑에 연결되는 제1 공기 유입라인;
    상기 크로스 밸브와 상기 제2 흡착탑에 연결되는 제2 공기 유입라인; 및
    상기 크로스 밸브를 제어하여, 상기 외부 공기 유입라인과 제1 공기 유입라인이 개방될 때, 상기 제2 공기 유입라인이 닫히고, 상기 외부 공기 유입라인과 제2 공기 유입라인이 개방될 때, 상기 제1 공기 유입라인을 닫히도록 컨트롤하는 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 VPSA 방식의 산소발생기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 흡착탑의 상부에 연결되어 상기 제1 흡착탑을 통해 산소가 배출되는 라인을 형성하는 제1 산소 배출라인;
    상기 제2 흡착탑의 상부에 연결되어 상기 제2 흡착탑을 통해 산소가 배출되는 라인을 형성하는 제2 산소 배출라인;
    상기 제1 산소 배출라인 상에 마련되는 제1 체크밸브; 및
    상기 제2 산소 배출라인 상에 마련되는 제2 체크밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 VPSA 방식의 산소발생기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 체크밸브에는 미세통공이 형성되는 것을 특징으로 하는 VPSA 방식의 산소발생기.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 공기 유입라인, 그리고 상기 제1 및 제2 산소 배출라인 상에는 볼밸브가 각각 마련되는 것을 특징으로 하는 VPSA 방식의 산소발생기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 흡착탑의 주변에 배치되며, 상기 제1 및 제2 흡착탑 내에서 질소로 포화된 제올라이트를 세정시키기 위한 동력을 발생시키는 진공펌프;
    상기 진공펌프와 상기 크로스 밸브에 연결되는 질소 배출라인; 및
    상기 질소 배출라인 상에 마련되는 제3 체크밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 VPSA 방식의 산소발생기.
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