KR101544769B1 - 연약 사질지반 확장형 시료채취장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 동력과 연결되어 회전연동 하는 제 1부분과 상기 제 1부분의 회전에 대하여 고정이 가능하도록 하나 이상의 베어링을 매개로 상기 제 1부분의 하부에 연결되는 제 2부분을 갖는 동력전달부; 중공이 형성된 관형상으로 상단부가 상기 제 1부분에 결합되어 상기 제 1부분과 일체로 회전연동을 하는 외관; 상기 외관의 내부에 배치되며 중공이 형성되어 내부에 시료가 채취되도록 하며, 상기 제 2부분에 결합되는 내관; 상기 외관 하단에 동일방향으로 경사구배를 가지고 돌출 형성되되 일단부는 내부로 돌출되어 상기 내관 하단과 대향하며 끝단이 상기 내관의 내주연과 연하도록 구성된 복수의 절삭날;을 포함하는 것을 특징으로 하는 시료채취장치에 관한 것이다.

Description

연약 사질지반 확장형 시료채취장치{Extension type Sample Extracting Apparatus For sandy soil}
본 발명은 구조에 의해 지반에서 교란을 최소화한 시료를 채취할 수 있는 장치에 관한 것이다.
지반조사를 위해 토양시료를 채취하는 장치는 작동원리, 채취방법 및 관의 구조 등에 따라 다양하게 분류되며, 역학적 실험을 하기 위해서는 원상태의 지반이 필요하여 시료의 교란을 최소화하여야 한다.
이중 대한민국 특허등록 제10-0949102호에서는 샘플링 유니트의 작동이 유압에 의해 작동되므로 압입속도가 빠르고 일정한 속도로 조작할 수 있어 고품질의 시료를 확보할 수 있는 장점이 있다.
그러나 이러한 종래의 장치는 입자의 크기가 작은 점토나 실트의 경우에는 고품질의 시료를 확보할 수 있으나 상대적으로 입자가 큰 모래나 자갈이 혼합된 지반에서 시료를 채취하고자 하는 경우에는 압입하는 과정에서 장비가 모래, 자갈 등에 충격을 받아 장비고장, 시료교란 등의 문제가 있다.
대한민국 특허등록 제10-0949102호
본 발명은 앞에서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 지반을 구성하는 입자의 입경에 상관없이 교란이 최소화 된 시료를 채취할 수 있는 장치를 제공하고자 함이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 시료채취장치는 동력과 연결되어 회전연동 하는 제 1부분과 상기 제 1부분의 회전에 대하여 고정이 가능하도록 하나 이상의 베어링을 매개로 상기 제 1부분의 하부에 연결되는 제 2부분을 갖는 동력전달부; 중공이 형성된 관형상으로 상단부가 상기 제 1부분에 결합되어 상기 제 1부분과 일체로 회전연동을 하는 외관; 상기 외관의 내부에 배치되며 중공이 형성되어 내부에 시료가 채취되도록 하며, 상기 제 2부분에 결합되는 내관; 상기 외관 하단에 동일방향으로 경사구배를 가지고 돌출 형성되되 일단부는 내부로 돌출되어 상기 내관 하단과 대향하며 끝단이 상기 내관의 내주연과 연하도록 구성된 복수의 절삭날;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로 복수의 절삭날은 동일방향으로 경사구배가 형성되며 상기 외관 하단에 돌출형성 되어 절삭날 간에는 배출유로가 형성되되, 각각의 배출유로는 상기 외관의 회전방향과 반대방향으로 경사구배가 형성되어 절살날에 의한 절삭물이 절삭날 외측으로 상기 배출유로를 통해 토출되는 것을 특징으로 한다.
이에 더하여 상기 절삭날은 상기 외관의 회전방향을 기준으로 전면에는 하단부에 외관 하단과 직교하는 절삭면이 형성되며 상단부에는 후면방향으로 경사면이 형성되는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로 상기 외관 내주연과 상기 내관 외주연 간에는 유격이 형성되며 상기 외관 내주연 하단부에는 편심방지베어링이 상기 내관 외주연에 접하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로 상기 외관 하단부 외주연에 장착되는 플랜지와 상기 플랜지의 하면에서 상기 절삭날보다 길게 동일방향으로 경사구배를 형성하며 돌출되는 복수의 외측절삭날로 구성된 사전절삭부가 구성되되, 복수의 외측절삭날은 동일방향으로 경사구배가 형성되어 외측절삭날 간에는 외측배출유로가 형성되며 각각의 외측배출유로는 상기 외관의 회전방향과 반대방향으로 경사구배가 형성되어 외측절삭날에 의한 절삭물이 외측절삭날 외측으로 상기 외측배출유로를 통해 토출되는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로 상기 내관은 원형관 형상의 본체와 상기 본체 상단부에 삽입되는 삽입관과 상기 삽입관 상단에 일체로 형성되어 상기 제 2부분에 결합되는 결합부로 구성되며, 상기 삽입관의 하단부에 부착되는 스프링과 상기 스프링에 부착되며 센서가 내재된 가압판으로 형성된 감지부가 구성되어 내관의 내부로 채취되는 시료가 가압판에 도달하는 경우 상기 센서의 신호에 의해 동력을 제어하여 외관의 회전이 정지되도록 하는 것을 특징으로 한다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명은 구조에 의해 비교적 입자가 큰 자갈, 모래 등이 혼합된 지반에서도 원지반 상태의 교란을 최소화 한 고품질의 시료를 채취할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 기본 예를 나타내는 사시도이고,
도 2는 도 1에 도시된 기본 예의 분해사시도이고,
도 3은 도 1에 도시된 기본 예의 절개사시도이고,
도 4는 본 발명의 일 실시 예의 작동상태도이고,
도 5는 본 발명의 일 구성인 절삭날의 작동상태를 나타내는 개략도이고,
도 6은 본 발명의 다른 실시 예의 작동상태도이고,
도 7은 본 발명의 또 다른 실시 예의 작동상태도이다.
아래에서는 본 발명에 따른 양호한 실시 예를 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 시료채취장치(100)는 시료가 채취되는 내관(130)이 지반을 굴착하는 외관(120)의 회전과 상관없이 회전하지 않고 수직하방으로 유동함으로써 특히 입자가 비교적 큰 자갈, 모래 등이 혼합된 지반의 경우도 교란이 최소화 된 시료가 채취되도록 하는데 기술적 특징이 있다.
본 발명은 도 1 내지 도 3에서 보는 바와 같이 동력전달부(110), 외관(120), 내관(130) 및 절삭날(140)을 기본 구성으로 하여 이루어짐에 특징이 있다.
상기 동력전달부(110)는 도 1에서 보는 바와 같이 동력(m)에 연결되어 외관(120)을 회전시킴과 동시에 이러한 외관(120)의 회전과 무관하게 내관(130)을 고정시키도록 하는 구성에 해당한다.
상기 동력전달부(110)는 도 1 등에서 보는 바와 같이 상단부가 상기 동력(m)에 연결되는 제 1부분(111)과 상기 제 1부분(111)의 하부에 배치되어 하부측이 상기 내관(130)과 연결되는 제 2부분(112) 및 상기 제 1부분(111)과 상기 제 2부분(112)을 상호 연결하는 적어도 하나 이상의 베어링(113)으로 구성된다.
이러한 구성에 의해 제 1부분(111)이 회전하더라도 베어링(113)에 의해 상기 제 2부분(112)은 고정되게 되는 것이다.
상기 베어링(113)은 하나 이상이 적층되어 구성되는데 도 2 등에서는 2개의 베어링이 적층된 예를 제시하고 있다.
상기 제 1부분(111)은 도 2에서 보는 바와 같이 하단부에 둘레방향으로 나사부(114)가 구비되어 상기 외관(120)의 상단부 내주연에 형성된 나사부(122)와 결합되는 것이다. 이에 따라 동력에 의해 제 1부분(111)에 전달된 회전은 외관(120)에도 전달되는 것이다.
상기 외관(120)은 상기에서 언급한 바와 같이 회전력이 부여되어 일체로 연동하는 절삭날(140)에도 회전력이 부과되도록 하는 것이며, 내관(130)을 보호하는 기능을 수행토록 하는 것이다.
이러한 외관(120)은 상,하가 개방된 중공이 형성된 원형관 형상으로 도 2 등에서 보는 바와 같이 상,하 유닛으로 나누어 유닛 간 나사결합에 의해 형성되도록 할 수 있다.
상기 내관(130)은 상기 외관(120)의 내부에 배치되어 시료가 내부로 채취도록 하는 구성으로 내관(130)의 경우도 중공이 형성된 원형관 형상으로 구성된다. 상기 내관(130)은 상단이 상기 제 2부분(112)과 결합되도록 하여 상기 외관(120)의 회전에 무관하게 상기 내관(130)이 연동(고정)되도록 하는 것이다.
이를 위해 본 발명에서는 도 2 등에서 보는 바와 같이 상기 내관(130)을 구성함에 있어 원형관 형상의 본체(131)와 상기 본체(131) 상단부에 삽입되는 삽입관(132)과 상기 삽입관(132) 상단에 일체로 형성되어 상기 제 2부분(112)에 결합되는 결합부(133)로 구성되는 예를 제시하고 있다.
상기 절삭날(140)은 상기 외관 하단에 동일방향으로 경사구배를 가지고 돌출 형성되되 일단부는 내부로 돌출되어 상기 내관(130) 하단과 대향하며 끝단이 상기 내관(130)의 내주연과 연하도록 복수로 구성됨에 특징이 있다.
상기 외관(120)과 일체로 회전연동을 하며 복수의 절삭날(140)이 내관(130)으로 채취되는 시료의 외경부분의 토사를 굴삭하게 되는 것이다. 이러한 작동에 의해 시료는 원지반의 상태를 거의 그대로 유지하며 상기 내관(130)의 내부로 채취되도록 하는 것이다.
이를 위해 복수의 절삭날(140)은 도 5에서 보는 바와 같이 동일방향으로 경사구배가 형성되며 상기 외관(120) 하단에 돌출형성 되어 절삭날(140) 간에는 배출유로(143)가 형성되되, 각각의 배출유로(143)는 상기 외관(120)의 회전방향과 반대방향으로 경사구배가 형성되어 절삭날(140)에 의한 절삭물이 절삭날(140) 외측으로 상기 배출유로(143)를 통해 토출되는 것을 특징으로 한다.
즉 도 5에서 보는 바와 같이 상기 절삭날(140)은 외관(120) 하단(하면)에 동일경사구배를 형성하면서 하방향으로 돌출되도록 구성되고 일단부가 내관(130) 방향으로 돌출되어 내관(130) 내주연과 연하도록 하는데, 도면에서 보는 바와 같이 외관(120)이 시계방향으로 회전하는 경우 각각의 절삭날(140) 및 각각의 배출유로(143)는 반대방향으로 경사구배가 형성되도록 하여(회전방향의 반대방향으로 경사진 형상) 각각의 절삭날(140)에 의해 타격, 절삭되어진 절삭물이 배출유로(143)를 타고 절삭날(140) 외측으로 배출되도록 하는 것이다.
이와 같이 구성하는 이유는 절삭된 절삭물이 절삭날(140)의 내측으로 유도되는 경우는 내관(130)으로 유입될 시료에 절삭물이 타격, 가압을 하게 되어 채취될 시료의 교란을 발생케 하므로 이를 방지하기 위해 절삭날(140)에 의한 절삭물은 절삭날(140) 외측으로 토출되게 하는 것이다.
여기서 "절삭물"이라함은 상기 절삭날(140)에 의해 입자간 점성을 잃은 토사, 비교적 입자가 큰 경우 토사로부터 분리된 입자, 절삭된 입자 등으로 정의한다.
이와 같이 절삭날(140)의 구조를 한정하여 절삭날(140)에 의해 절삭된 절삭물이 채취되는 시료에 영향을 주지않도록 하기 위해 본 발명에서는 도 5에서 보는 바와 같이 절삭날(140)의 형상에 있어서도 상기 외관(120)의 회전방향을 기준으로 전면에는 하단부에 외관(120) 하단과 직교하는 절삭면(141)이 형성되도록 하고 상단부에는 후면방향으로 경사면(142)이 형성되도록 하는 예를 제시하고 있다.
이와 같이 구성되는 이유는 외관(120)이 회전함에 따라 우선 상기 절삭면(141)이 토사를 타격함으로써 절삭물이 생성되도록 하고 이러한 절삭물은 상기에서 언급한 바와 같이 배출유로(143)에 의해 절삭날(140)의 외측으로 유도되도록 하면서 상기 경사면(142)에 의해 절삭물은 하방향으로 유도되도록 하는 것이다.
절삭물을 하방향으로 유도하는 이유는 절삭물이 절삭날(140) 외측으로만 유도되는 경우 외관(120) 및 내관(130) 사이 간극에 절삭물이 유입되어 회전에 부하가 발생되는 등 장비고장이 유발될 수 있어 이와 같이 절삭날(140)의 형상을 한정하여 절삭물이 하부로 유도되도록 하는 것이다.
결과적으로 절삭날(140)에 의한 절삭물은 절삭날(140) 외측 및 하부로 토출되도록 하여 절삭물에 의해 장비고장을 방지하면서 채취될 시료에 교란이 발생되는 것을 방지토록 하는 것이다.
한편 도 4에서 보는 바와 같이 상기 외관(120) 내주연과 상기 내관(130) 외주연 간에는 유격이 형성도록 하는 것이 타당한데, 이렇게 유격을 형성케 하는 이유는 상기 외관(120)의 회전에 상기 내관(130)의 영향을 받지 않도록 하는 것으로 이러하 유격에 의해 특히 외관(120) 하단부에서 내관(130)에 편심이 발생될 수 있는 소지가 있다.
이렇게 편심이 발생되면 내관(130)이 지반에 삽입되는 과정에서 시료에 교란이 발생될 수 있으며, 외관(120)에 내관(130)이 접하여 내관(130)에도 회전력이 발생되는 경우가 발생하며 이러한 경우도 당연히 채취되는 시료에 교란이 발생되는 문제가 있다.
이에 본 발명에서는 도 4에서 보는 바와 같이 상기 외관(120) 내주연 하단부에는 편심방지베어링(124)이 상기 내관(130) 외주연에 접하도록 하여 외관(120)과 내관(130) 사이에 유격이 유지되도록 하고 내관(130)에 회전력이 전달되는 것을 방지토록 하는 것이다.
한편 모래, 자갈 등이 혼합되어 비교적 입자가 큰 토사로 이루어진 지반의 경우 내관(130) 내주연과 일치하는 절삭날(140)에 의해 절삭이 이루어지는 경우 도 6에서 보는 바와 같이 채취되는 시료에도 교란이 미치는 부분(C부분)이 존재하게 된다.
이는 입자간 점착력 등에 기인하는 것으로 채취되는 시료의 외주부분을 절삭함에 따라 채취되는 시료의 외주와 접하는 내측부분(C부분)에도 어느 정도 교란이 발생되는 것이다.
이에 본 발명에서는 도 6에서 하나의 실시 예를 제시하여 채취되는 시료에서 교란이 발생되는 부분(C부분)을 최소화 하도록 하는 것이다. 즉 채취되는 시료를 최대한 원지반의 상태를 유지하도록 하는 것이다.
본 실시 예에서는 도 6 등에 도시된 기본 예에 사전절삭부(150)가 더 구성되도록 하는 것으로 이러한 사전절삭부(150)는 외관(120)에 착탈이 가능하도록 하여 지반의 상태에 따라 선택적으로 운용이 되도록 하는 것이다.
상기 사전절삭부(150)는 상기 외관(120) 하단부 외주연에 장착되는 플랜지(151)와 상기 플랜지(151)의 하면에서 상기 절삭날(140)보다 길게 동일방향으로 경사구배를 형성하며 돌출되는 복수의 외측절삭날(152)로 구성된다.
상기 플랜지(151)는 두께가 있는 원형링 형상으로 도 6에서 보는 바와 같이 상기 외관(120)의 외주연에 상호 대향하는 나사산(도면번호 도시되지 않음)을 구성하여 착탈이 가능하도록 한다. 이러한 착탈구조는 하나의 예로 다양하게 구성될 수 있음은 당연하다.
상기 외측절삭날(152)은 상기 플랜지(151) 하면에서 상기 절삭날(140)보다 길게 돌출형성되며, 복수의 외측절삭날(152)도 동일방향으로 경사구배를 형성하어 외측절삭날(152)) 간에는 외측배출유로(153)가 형성되며 각각의 외측배출유로(153)는 상기 외관(120)의 회전방향과 반대방향으로 경사구배가 형성되어 외측절삭날(153)에 의한 절삭물의 경우도 외측절삭날(152) 외측으로 상기 외측배출유로(153)를 통해 토출되도록 하는 것이다.
이와 같이 구성하는 이유는 상기 사전절삭부(150)가 상기 외관(120)의 회전과 일체로 회전연동을 하게 되면 상기 외측절삭날(152)에 의해 지반에 상기 외관(120)의 직경 외측으로 절삭이 되는데 이렇게 절삭이 되면 상기 절삭날(140)이 A부분에 대해 이어서 절삭을 하게 된다.
그런데 절삭날(140)에 의해서 절삭되는 A부분은 사전에 외측절삭날(152)이 A부분 외측을 절삭함에 따라 토사가 교란된 상태(입자간 점착력이 헐거워진 상태)가 되어 이렇게 느슨해진 A부분을 상기 절삭날(140)이 절삭하게 됨에 따라 시료가 채취되는 부분(B부분)에서 교란이 발생하는 부분(C부분)이 상기에서 언급한 기본 예의 경우보다 작아지게 되는 것이다.
즉 외측절삭날(152)에 의해 사전에 절삭날(140)에 의해 지반에서 절삭시킬 부분(A부분)에 대해 입자간 점성이 약해지도록 교란시켜 절삭날(140)에 의한 A부분의 절삭에 의해 시료가 채취되는 부분(B부분)에 영향을 미치는 영역(C부분)을 최소화 하여 채취되는 시료가 최대한 원지반의 물성을 유지토록 하는 것이다.
한편 도 1 등에 도시된 기본 예를 적용하는 경우 지반에서 시료를 채취하고자 하는 깊이에서 적정의 시료를 채취하는 것이 용이하지 않은 문제가 있을 수 있다.
즉 계획심도에 오차가 발생하는 경우 등에 더욱 깊이 굴착하게 되면 내관(130) 내부에 채취된 시료가 압착이 되어 채취된 시료에 교란이 발생되는 문제가 있을 수 있다.
이에 본 발명에서는 도 7에 도시된 실시 예를 제시하여 설계심도에 도달하면 회전 및 굴착이 자동적으로 정지되도록 하여 채취된 시료의 압착을 방지토록 한다.
본 실시 예에서는 도 7에서 보는 바와 같이 감지부(160)가 내관(130)의 내부에 구성되도록 하는데, 상기 감지부(160)는 상기 삽입관(132)의 하단부에 부착되는 스프링(161)과 상기 스프링(161)에 부착되며 센서(162)가 내재된 가압판(163)으로 형성된다.
이러한 구성에 의해 설계심도까지 절삭날(140)의 회전에 의해 굴착되어 내관(130)에서 본체(131)의 내부에 채취되는 시료가 상기 가압판(163)에 도달하면 상기 가압판(163)의 센서(162)가 이를 감지하여 도 1에 도시된 동력(m)을 제어함으로써 외관(120)의 회전을 정지시키는 것이다.
상기 센서(162)는 공지의 압력센서 등이 이용될 수 있으며, 센서(162)에 의한 센싱값이 동력(m)으로 전달됨에 있어서는 도면에 도시된 바는 없으나 무선 또는 유선에 의해 전달되어 동력(m)을 제어토록 할 수 있다.
특히 상기 가압판(163)에 스프링(161)이 구성되는 이유는 시료가 가압판(163)에 접하여 센서(162)가 동력(m)을 제어하여 외관(120)의 회전을 정지시키더라도 관성에 의해 어느 정도 깊이까지는 하강을 하게 되는데 이러한 관성에 의한 하강의 경우 가압판(163)의 시료에 대한 가압을 상기 스프링(161)이 완화시키므로 시료압착에 의한 교란을 제어할 수 있게 되는 것이다.
상기와 같은 구성의 감지부(160)에 의해 본 실시 예는 계획심도에서 압착에 의한 교란이 발생되지 않은 시료를 채취할 수 있게 되는 것이다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않음은 물론이며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 기술적 지식을 가진 자에 의해 상기 기재된 내용으로부터 다양한 수정 및 변형이 가능할 수 있음은 물론이다.
100 : 시료채취장치 110 : 동력전달부
111 : 제 1부분 112 : 제 2부분
120 : 외관 130 : 내관
131 : 본체 132 : 삽입관
133 : 결합부 140 : 절삭날
143 : 배출유로 150 : 사전절삭부
151 : 플랜지 152 : 외측절삭발
153 : 외측배출유로 160 : 감지부
161 : 스프링 162 : 센서

Claims (6)

  1. 동력과 연결되어 회전연동 하는 제 1부분과 상기 제 1부분의 회전에 대하여 고정이 가능하도록 하나 이상의 베어링을 매개로 상기 제 1부분의 하부에 연결되는 제 2부분을 갖는 동력전달부;
    중공이 형성된 관형상으로 상단부가 상기 제 1부분에 결합되어 상기 제 1부분과 일체로 회전연동을 하는 외관;
    상기 외관의 내부에 배치되며 중공이 형성되어 내부에 시료가 채취되도록 하며, 상기 제 2부분에 결합되는 내관;
    상기 외관 하단에 동일방향으로 경사구배를 가지고 돌출 형성되되 일단부는 내부로 돌출되어 상기 내관 하단과 대향하며 끝단이 상기 내관의 내주연과 연하도록 구성된 복수의 절삭날;을 포함하되,
    복수의 절삭날은 동일방향으로 경사구배가 형성되며 상기 외관 하단에 돌출형성되어 절삭날 간에는 배출유로가 형성되되, 각각의 배출유로는 상기 외관의 회전방향과 반대방향으로 경사구배가 형성되어 절살날에 의한 절삭물이 절삭날 외측으로 상기 배출유로를 통해 토출되는 것을 특징으로 하는 시료채취장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 절삭날은 상기 외관의 회전방향을 기준으로 전면에는 하단부에 외관 하단과 직교하는 절삭면이 형성되며 상단부에는 후면방향으로 경사면이 형성되는 것을 특징으로 하는 시료채취장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 외관 내주연과 상기 내관 외주연 간에는 유격이 형성되며 상기 외관 내주연 하단부에는 편심방지베어링이 상기 내관 외주연에 접하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 시료채취장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 외관 하단부 외주연에 장착되는 플랜지와 상기 플랜지의 하면에서 상기 절삭날보다 길게 동일방향으로 경사구배를 형성하며 돌출되는 복수의 외측절삭날로 구성된 사전절삭부가 구성되되, 복수의 외측절삭날은 동일방향으로 경사구배가 형성되어 외측절삭날 간에는 외측배출유로가 형성되며 각각의 외측배출유로는 상기 외관의 회전방향과 반대방향으로 경사구배가 형성되어 외측절삭날에 의한 절삭물이 외측절삭날 외측으로 상기 외측배출유로를 통해 토출되는 것을 특징으로 하는 시료채취장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 내관은 원형관 형상의 본체와 상기 본체 상단부에 삽입되는 삽입관과 상기 삽입관 상단에 일체로 형성되어 상기 제 2부분에 결합되는 결합부로 구성되며,
    상기 삽입관의 하단부에 부착되는 스프링과 상기 스프링에 부착되며 센서가 내재된 가압판으로 형성된 감지부가 구성되어 내관의 내부로 채취되는 시료가 가압판에 도달하는 경우 상기 센서의 신호에 의해 동력을 제어하여 외관의 회전이 정지되도록 하는 것을 특징으로 하는 시료채취장치.
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