KR101381431B1 - 배기열 회수장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 배기파이프에 장착되는 배기열 회수장치에 있어서, 내부에 공간이 형성되도록 배기파이프에 결합되며, 냉각수가 내부로 출입가능하도록 구성된 하우징;과 하우징 내에서 배기파이프와 연결되어 입구에서 출구로 배기가스가 유동하되, 상기 출구와 이격되어 외측과 개통되도록 바이패스홀이 타공된 메인파이프;와 하우징 내에서 메인파이프가 내부에 배치되도록 결합되는 워머파이프;와 절곡된 판 모양으로서 사이에 공간이 형성되도록 상기 워머파이프에 결합되며, ATF가 내부로 출입가능하도록 구성된 워머플레이트;와 일측이 상기 하우징 내에서 바이패스홀과 연결되도록 장착된 서브파이프; 및 상기 메인파이프의 출구를 개폐하도록 장착된 밸브조립체;를 포함하고, 상기 서브파이프의 타측은 메인파이프와 워머파이프 사이의 공간과 개통되도록 구성되어, 메인파이프의 출구가 폐쇄되면 바이패스홀로 유입된 배기가스는 서브파이프를 경유하여 메인파이프와 워머파이프 사이의 공간을 통해 배출된다.
상기와 같은 구성의 본 발명은 배기가스와의 열교환을 통해 냉각수 및 ATF(또는 ATF 를 대신하여 엔진오일과 같이 워밍업이 요구되는 다른 오일류)을 동시에 신속하게 가열할 수 있는 효과가 있다.

Description

배기열 회수장치{EXHAUST APPARATUS FOR EXHAUST-HEAT RECOVERY}
본 발명은 배기열 회수장치에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 배기가스의 배기열을 이용하여 차가운 냉각수는 물론 ATF(Automatic Transmission Fluid: 오토미션오일)를 신속하게 가열할 수 있는 배기열 회수장치에 관한 것이다.
겨울철 차가운 기온에 노출된 차량은 엔진의 정상작동 및 연료의 연소효율을 증가시키기 위해서 주행 전 또는 주행 초기 시 워밍 업(warming up)이 요구된다.
배기열 회수 장치는 겨울철 초기 주행 시, 버려지는 배기열로 차가운 냉각수를 신속하게 가열하는 장치로서 엔진의 워밍 업 시간을 단축하여 엔진 내부의 마찰 손실 저감을 통해 연비를 개선하기 위해 개발된 바 있다.
종래의 배기열 회수장치의 기본적인 구조는 엔진에서 생성된 배기가스가 유동하는 배기파이프의 소정의 위치에 직경이 확장된 통 모양의 하우징을 장착하고, 상기 하우징 내에 (엔진 및 라디에이터를 순환하는) 냉각수가 출입할 수 있는 출입라인을 추가적으로 부설한 후, 개폐에 따라서 배기가스의 유동경로를 바꿀 수 있도록 바이패스밸브(bypass valve)를 하우징 내부에서 상기 배기파이프에 장착하여 차가운 냉각수가 흐르는 파이프의 외측으로 배기가스를 유동시킴으로서 열교환이 이뤄지도록 구성되었었다.
한편, 차량의 오토미션의 성능 및 수명은 ATF(Automatic Transmission Fluid: 오토미션오일)의 온도에 영향을 받는다.
즉, 기온이 낮은 겨울철에 ATF 의 온도가 (정상범위의 온도 보다) 낮은 상태에서 주행할 경우 오토미션에 무리가 갈 수 있었으며 변속충격 및/또는 연비 감소 등의 문제가 발생할 수 있었으므로 주행 전 또는 주행 초기에 이를 정상범위 온도까지 신속하게 가열할 필요가 있었다.
따라서, 본 발명은 배기가스를 이용하여 냉각수 뿐만 아니라 ATF 또한 신속하게 가열시킬 수 있는 배기열 회수장치를 제공하는 것에 주목적이 있다.
전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 배기파이프에 장착되는 배기열 회수장치에 있어서, 내부에 공간이 형성되도록 배기파이프에 결합되며, 냉각수가 내부로 출입가능하도록 구성된 하우징;과 상기 하우징 내에서 배기파이프와 연결되어 입구에서 출구로 배기가스가 유동하되, 상기 출구와 이격되어 외측과 개통되도록 바이패스홀이 타공된 메인파이프;와 상기 하우징 내에서 메인파이프가 내부에 배치되도록 결합되는 워머파이프;와 절곡된 판 모양으로서 사이에 공간이 형성되도록 상기 워머파이프에 결합되며, ATF가 내부로 출입가능하도록 구성된 워머플레이트;와 일측이 상기 하우징 내에서 바이패스홀과 연결되도록 장착된 서브파이프; 및 상기 메인파이프의 출구를 개폐하도록 장착된 밸브조립체;를 포함하고, 상기 서브파이프의 타측은 메인파이프와 워머파이프 사이의 공간과 개통되도록 구성되어, 메인파이프의 출구가 폐쇄되면 바이패스홀로 유입된 배기가스는 서브파이프를 경유하여 메인파이프와 워머파이프 사이의 공간을 통해 배출되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 배수열 회수장치는 냉각수가 하우징 내부로 유입되는 냉각수유입라인에 부설되는 서모스탯장치를 더 포함하여 구성된다. 상기 서모스탯장치는 하우징 내부로 유입되는 냉각수의 온도가 미리 정해진 기준온도 보다 저온일 때 밸브조립체가 메인파이프의 출구를 폐쇄하고, 미리 정해진 기준온도 보다 고온일 때 밸브조립체가 메인파이프의 출구를 개방하도록 밸브조립체와 연동도록 구성된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 상기 서모스탯장치는, 유입구를 통해 들어온 냉각수가 유출구를 통해 배출되도록 냉각수유입라인에 장착되는 케이싱;과 상기 케이싱 내부에서 활주가능하도록 장착된 샤프트;와 상기 샤프트를 탄성적으로 가압하도록 케이싱 내부에 장착된 압축스프링; 및 상기 케이싱 내부에서 샤프트의 일측과 연결되되 냉각수와 접촉하도록 배치되고 냉각수의 수온에 따라 부피가 팽창하는 열감응매질;을 포함하고, 상기 열감응매질의 팽창에 따른 샤프트의 활주에 의해 밸브조립체의 동작이 제어된다.
그리고, 상기 밸브조립체는, 상기 샤프트의 활주에 따라서 축회전이 가능하도록 장착된 로드; 및 판 모양으로 형성되며 로드에 결합되어 상기 로드의 축회전에 따라 메인파이프의 출구를 개폐하는 게이트;를 포함한다.
아울러, 상기 로드는 일측과 타측 각각에 배기가스의 누출을 방지하기 위한 서스부시가 결합되어 하우징파이프의 내부에 장착되며, 상기 서스부시는 유연성을 갖도록 다공성 메쉬(mesh) 구조를 갖도록 제조되되, (녹는점이 높아 열변형량이 억제되고 밀도를 증대시키도록) 흑연을 함유하는 재질로 제조된다.
또한, 본 발명의 배기열 회수장치는, 메인파이프의 출구에서 배출된 배기가스의 역류를 방지하되, 서브파이프를 경유하여 메인파이프와 워머파이프 사이의 공간을 통해 배출된 배기가스는 통과시키는 역류차단플레이트가 메인파이프와 하우징 사이에 장착된다.
상기와 같은 구성의 본 발명은 배기가스와의 열교환을 통해 냉각수 및 ATF(또는 ATF 를 대신하여 엔진오일과 같이 워밍업이 요구되는 다른 오일류)을 동시에 신속하게 가열할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 서모스탯장치는 밸브조립체와 연동하도록 구성되고, 온도에 따라 부피가 팽창하는 열감응매질을 포함하므로 밸브조립체를 제어하기 위한 별도의 (전기적) 제어장치를 삭제할 수 있다.
그리고, 본 발명의 서스부시는 (밸브조립체의 로드가 회전할 때 마찰력에 의한 간섭을 최대한 억제하기 위해 소정의 유연성을 부여하도록) 다공성 메쉬 구조를 갖되, 흑연을 함유하여 배기가스의 외부유출을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명은 역류차단플레이트가 메인파이프와 하우징 사이에 장착되어 메인파이프의 출구에서 배출된 배기가스의 역류를 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배기열 회수장치가 배기파이프에 장착된 모습 및 상기 배기열 회수장치가 길이방향을 따라 절개된 모습이 도시된 도면,
도 2 는 본 발명의 배기열 회수장치에서 냉각수의 유동경로를 표시한 도면,
도 3 은 워머파이프와 워머플레이트 사이에서 ATF의 유동경로를 표시한 도면,
도 4 는 도 1 에 표기된 A-A 을 따라 절개된 단면모습을 도시한 도면,
도 5 는 밸브조립체의 개폐에 따른 배기가스의 유동경로를 비교하여 도시한 도면,
도 6 은 저온의 냉각수 유입 시 서모스탯장치의 동작상태를 나타낸 도면,
도 7 은 고온의 냉각수 유입 시 서모스탯장치의 동작상태를 나타낸 도면,
도 8 은 밸브조립체의 단면모습을 도시한 도면.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배기열 회수장치를 더욱 상세히 설명한다.
도 1 을 참조하면, 본 발명의 배기열 회수장치는 배기가스가 생성되는 엔진과 배기가스가 차량외부로 배출되는 엔드파이프 사이에서 소정의 위치에 배치되도록 배기파이프에 장착된다. 따라서, 본 발명의 회수장치에서 배기가스가 유입되는 입구측은 엔진측을 향하고, 배기가스가 유출되는 출구측은 엔드파이프측을 향하도록 구성된다.
본 발명의 하우징(50)은, 내부에 공간이 형성되도록 배기파이프에 결합되며 도 2 에 도시된 바와 같이 냉각수가 내부로 출입가능하도록 구성된다. 즉, 상기 하우징은 배기파이프 보다 직경이 확대된 파이프 형상으로서 냉각수유입라인(1a) 및 냉각수유출라인(1b)이 연결된다.
상기 하우징(50) 내부의 중앙에 장착되는 메인파이프(10)는 배기파이프와 일체로 형성되거나 상기 배기파이프와 용접을 통해 연결된다. 즉, 상기 메인파이프(10)는 하우징(50) 내에서 배기파이프와 연결되어 입구에서 출구로 배기가스가 유동하도록 구성되며, 출구 근방에는 상기 출구와 이격되어 외측과 개통되도록 바이패스홀(11)이 타공된다.
그리고, 메인파이프(10)가 중간에 삽입되도록 즉, 하우징(50) 내에서 상기 메인파이프(10)가 내부에 배치되도록 메인파이프(10)의 직경보다 더 큰 내경을 갖는 워머파이프(20)가 결합된다. 따라서, 메인파이프(10)와 워머파이프(20) 사이에는 (배기가스가 유동할 수 있는) 통로가 길이방향을 따라 형성된다.
아울러, 상기 워머파이프(20)의 외주면에는 워머플레이트(30)가 장착된다. 상기 워머플레이트(30)는 워머파이프(20)와의 사이에서 (ATF가 배기가스와 열교환이 이뤄질 수 있도록) 소정의 공간이 형성된 절곡된 판 모양으로 형성된다. 그리고, 상기 워머플레이트(30)는 도 3 에 도시된 바와 같이 ATF가 내부로 출입가능하도록 ATF유입라인(2a)과 ATF유출라인(2b)이 연결된다.
한편, 상기 하우징(50) 내에는 메인파이프(10)와 이격되어 상기 메인파이프(10)의 둘레를 따라 나란하게 다수 개의 서브파이프들(40)이 장착된다. 그리고, 상기 서브파이프들(40)의 일측(더 상세하게는 메인파이프의 출구측에 인접한 끝단)은 바이패스홀(11)과 개통되어 배기가스가 유입될 수 있도록 메인파이프(10)와 연결된다.
그리고, 게이트(88)의 회동에 따라 메인파이프(10)의 출구를 개폐하도록 상기 게이트(88)가 장착된 밸브조립체(80)가 부설된다. 아울러, 상기 밸브조립체(80)와 연동하도록 구성된 서머스탯장치(70)가 냉각수가 하우징(50) 내부로 유입되는 냉각수유입라인(1a)에 장착된다. 즉, 상기 서모스탯장치(70)는 하우징(50) 내부로 유입되는 냉각수의 온도가 미리 정해진 기준온도 보다 저온일 때 메인파이프(10)의 출구를 폐쇄하도록 밸브조립체(80)를 조작하고, 미리 정해진 기준온도 보다 고온일 때 메인파이프(10)의 출구를 개방하도록 밸브조립체(80)와 연동하도록 구성된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 배기열 회수장치는 도 2 와 도 3 및 도 4 에 도시된 바와 같이, 하우징(50) 내부에서 배기가스와 열교환이 이뤄질 수 있도록 냉각수 및 ATF 가 유동가능하도록 구성되되, 서브파이프(40)의 타측(더 상세하게는 메인파이프의 입구측에 인접한 끝단)은 (도 1 에 표시된 챔버를 통해) 메인파이프(10)와 워머파이프(20) 사이의 공간과 개통되도록 구성된다. 그리고, 메인파이프(10)의 출구가 폐쇄되면 바이패스홀(11)로 유입된 배기가스는 서브파이프(40)를 경유하여 (도 1 에 표시된 제2챔버를 통해) 메인파이프(10)와 워머파이프(20) 사이의 공간을 지나 엔드파이프측으로 배출된다.
상기와 같이 구성된 배기열 회수장치는, 도 5 에 도시된 바와 같이, 메인파이프(10)의 출구가 개방됐을 때 배기가스는 엔드파이프측을 향하여 배기파이프로 배출된다. 하지만, 메인파이프(10)의 출구가 닫혔을 때, 배기가스는 메인파이프(10)의 출구측 근방에 위치한 바이패스홀(11)을 통하여 서브파이프들(40)로 유입되고 서브파이프(40)를 경유하여 메인파이프(10)와 워머파이프(20) 사이의 공간을 지나 배기파이프로 배출된다. 즉, 도 4 에 표시된 바(⊙: 그림에서 앞으로 나오는 방향, ⓧ: 그림에서 안으로 들어가는 방향)와 같이, 배기가스는 하우징(50) 내부를 유동하게되며 이와 같은 유동 시 냉각수 및 ATF 와 열교환이 이뤄지게 된다.
한편, 본 발명의 배기열 회수장치는 메인파이프(10)와 하우징(50) 사이에서 배기가스의 역류를 방지하는 역류차단플레이트(60)가 장착된다. 즉, 상기 역류차단플레이트(60)는 서브파이프(40)를 경유하여 메인파이프(10)와 워머파이프(20) 사이의 공간을 통해 배출된 배기가스는 통과시키되, 메인파이프(10)의 출구를 통해 배출된 배기가스는 메인파이프(10)와 워머파이프(20) 사이의 공간으로 침투하지 못하도록 구성된다.
도 6 과 도 7 에는 본 발명에 따른 서모스탯장치(70)의 작동모습이 도시되었다. 상기 서모스탯장치(70)는 냉각수유입라인(1a)에 연결되어 냉각수와 접촉되도록 장착되며, 케이싱(71), 샤프트(75), 압축스프링(74) 및 열감응매질(72)을 포함하여 구성된다. 상기 케이싱(71)은 내부에 소정의 공간이 형성된 실린더 모양으로 유입구를 통해 들어온 냉각수가 유출구를 통해 배출되도록 냉각수유입라인(1a)에 장착된다. 그리고, 상기 케이싱(71) 내부에는 샤프트(75)가 길이방향을 따라서 활주가능하도록 장착되며 상기 샤프트(75)를 탄성적으로 가압하도록 압축스프링(74)이 케이싱(71) 내부에 장착된다.
아울러, 상기 케이싱(71) 내부에서 샤프트(75)의 일측에는 열감응매질(72)이 냉각수와 접촉하도록 배치된다. 상기 열감응매질(72)은 냉각수의 수온에 따라 부피가 팽창하도록 구성된다. 즉, 상기 열감응매질(72)은 냉각수의 수온이 (미리셋팅된 기준온도 보다) 낮은 온도일 경우, 도 6 에 도시된 바와 같이 팽창하지 않지만, (미리셋팅된 기준온도 보다 높은) 고온의 냉각수에 노출되면 도 7 에 도시된 바와 같이 길이가 팽창하게 된다. 이때, 샤프트(75)는 피스톤부재(73)를 통해 열감응매질(72)과 연결되어 상기 열감응매질(72)의 팽창에 따라 압축스프링(74)의 탄성력을 극복하고 활주하게 된다.
본 발명의 밸브조립체(80)는 상기 샤프트(75)의 활주 위치에 따라 개폐가 이뤄지도록 구성된다. 상기 밸브조립체(80)는, 상기 샤프트(75)의 활주에 따라서 축회전이 가능하도록 장착된 로드(82) 및 메인파이프(10)의 출구를 폐쇄할 수 있는 원판 모양으로 형성되며 상기 로드(82)에 결합되어 상기 로드(82)의 축회전에 따라 메인파이프(10)의 출구를 개폐하는 게이트(88)를 포함한다.
상기 로드(82)는 하우징파이프(81) 내에 끼워져 그 내부에서 회동가능하도록 장착되되, 상기 하우징파이프(81) 내부에서 로드(82)의 양측 각각에는 배기가스의 누출을 방지하기 위한 서스부시(85, 86)가 결합된다. 상기 서스부시(85, 86)는 로드(82)의 회전시 소정의 탄성 및/또는 유연성을 부여하도록 다공성 메쉬(mesh) 구조를 갖도록 제조되되, (밀도를 증대시켜 배기가스의 배출을 최대한 억제하도록) 흑연을 함유하는 재질로 제조된다. 아울러, 로드(82)의 회전시 탄성력이 가지해도록 스프링(84)이 하우징파이프(81) 내에 추가적으로 장착될 수 있으며 상기 게이트(88)는 로드(82)에 타공된 볼트홀(87)에 끼워져 볼팅 체결되거나 용접 등을 통하여 장착이 이뤄진다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 배기열 회수장치는, 차가운 냉각수가 유입됐을 경우, 배기가스가 메인파이프(10)의 전방측 입구에서 후방측으로 이동후, 압축스프링(74)의 탄성력에 의해 닫혀진 게이트(88)에 의해 바이패스홀(11)로 유입된다. 바이패스홀(11)로 유입된 배기가스는 (도 1 에 표시된 챔버를 거처서) 각각의 서브파이프들(40)로 유입된다. 상기 서브파이프들(40)을 이동하는 동안 배기가스는 냉각수와 열교환이 이뤄진다. 그리고, (서브파이프를 메인파이프와 워머파이프 사이의 공간으로 개통하도록 도 1 에 표기된 제2챔버를 경유하여) 상기 배기가스가 서브파이프(40)의 전방측에서 다시 메인파이프(10)와 워머파이프(20) 사이로 유동하는 동안, 배기가스는 워머플레이트(30)와 접촉하며 ATF와 열교환을 한다. 한편, 상기 ATF는 (도 4 에 도시된 바와 같이) 안쪽 및 바깥쪽을 지나는 배기가스와 열교환이 이뤄짐으로서(즉, 더 넓은 전열면적이 확보됨으로서), 워밍업 시간을 신속하게 단축시킬 수 있다.
아울러, 상기와 같은 열교환이 진행되어 냉각수가 일정온도까지 가열된 경우, 전술한 바와 같은 열감응매질(72)의 부피팽창에 의해 게이트(88)가 열리게 되며, 배기가스는 (바이패스홀로 유입되지 않고) 메인파이프(10)의 출구로 빠져나가게 된다. 이때, 배기가스의 일부가 바이패스홀(11)로 유입된다할지라도, 내부의 배압에 의해 서브파이프(40)까지는 진입하지 못하고 챔버에 머물게 되므로 냉각수 및 ATF 로의 열전달은 최소화 된다.
한편, 본 명세서에 개시된 본 발명의 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
10 : 메인파이프
11 : 바이패스홀
20 : 워머파이프
30 : 워머플레이트
40 : 서브파이프
50 : 하우징
60 : 역류차단플레이트
70 : 서모스탯장치
72 : 열감응매질
75 : 샤프트
80 : 밸브조립체
88 : 게이트

Claims (6)

  1. 배기파이프에 장착되는 배기열 회수장치에 있어서,
    내부에 공간이 형성되도록 배기파이프에 결합되며, 냉각수가 내부로 출입가능하도록 구성된 하우징;과
    하우징 내에서 배기파이프와 연결되어 입구에서 출구로 배기가스가 유동하되, 상기 출구와 이격되어 외측과 개통되도록 바이패스홀이 타공된 메인파이프;와
    하우징 내에서 메인파이프가 내부에 배치되도록 결합되는 워머파이프;와
    절곡된 판 모양으로서 사이에 공간이 형성되도록 상기 워머파이프에 결합되며, ATF가 내부로 출입가능하도록 구성된 워머플레이트;와
    일측이 상기 하우징 내에서 바이패스홀과 연결되도록 장착된 서브파이프; 및
    상기 메인파이프의 출구를 개폐하도록 장착된 밸브조립체;를 포함하고,
    상기 서브파이프의 타측은 메인파이프와 워머파이프 사이의 공간과 개통되도록 구성되어, 메인파이프의 출구가 폐쇄되면 바이패스홀로 유입된 배기가스는 서브파이프를 경유하여 메인파이프와 워머파이프 사이의 공간을 통해 배출되며,
    메인파이프의 출구에서 배출된 배기가스의 역류를 방지하되, 서브파이프를 경유하여 메인파이프와 워머파이프 사이의 공간을 통해 배출된 배기가스는 통과시키는 역류차단플레이트가 메인파이프와 하우징 사이에 장착된 것을 특징으로 하는 배기열 회수장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 냉각수가 하우징 내부로 유입되는 냉각수유입라인에 부설되는 서모스탯장치를 더 포함하여 구성되고,
    상기 서모스탯장치는 하우징 내부로 유입되는 냉각수의 온도가 미리 정해진 기준온도 보다 저온일 때 밸브조립체가 메인파이프의 출구를 폐쇄하고, 미리 정해진 기준온도 보다 고온일 때 밸브조립체가 메인파이프의 출구를 개방하도록 밸브조립체와 연동하는 것을 특징으로 하는 배기열 회수장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 서모스탯장치는,
    유입구를 통해 들어온 냉각수가 유출구를 통해 배출되도록 냉각수유입라인에 장착되는 케이싱;과
    상기 케이싱 내부에서 활주가능하도록 장착된 샤프트;와
    상기 샤프트를 탄성적으로 가압하도록 케이싱 내부에 장착된 압축스프링; 및
    상기 케이싱 내부에서 샤프트의 일측과 연결되되 냉각수와 접촉하도록 배치되고 냉각수의 수온에 따라 부피가 팽창하는 열감응매질;을 포함하고,
    상기 열감응매질의 팽창에 따른 샤프트의 활주에 의해 밸브조립체의 동작이 제어되는 것을 특징으로 하는 배기열 회수장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 밸브조립체는,
    상기 샤프트의 활주에 따라서 축회전이 가능하도록 장착된 로드; 및
    판 모양으로 형성되며 로드에 결합되어 상기 로드의 축회전에 따라 메인파이프의 출구를 개폐하는 게이트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기열 회수장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 로드는 일측과 타측 각각에 배기가스의 누출을 방지하기 위한 서스부시가 결합되어 하우징파이프의 내부에 장착되며,
    상기 서스부시는 다공성 메쉬(mesh) 구조를 갖도록 제조되되, 흑연을 함유하는 재질로 제조된 것을 특징으로 하는 배기열 회수장치.
  6. 삭제
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