KR102474772B1 - 압축기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압축기에 관한 것으로서, 임펠러와 모터의 입구에 구비된 래비린스 씰(labyrinth seal)의 블레이드를 통하여 냉각을 위한 팽창 가스가 모터로 유입되도록 하는 압축기에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 회전에 의하여 가스를 가압하는 임펠러와, 상기 임펠러에 결합되고, 모터 하우징의 내부에 구비되어 회전 동력을 상기 임펠러로 전달하는 로터와, 상기 임펠러와 상기 로터의 사이에 구비되어 상기 임펠러에 의해 가압된 가스가 상기 모터 하우징의 내부로 유입되는 것을 제한하는 래비린스 씰을 포함하되, 상기 래비린스 씰은 단일의 블레이드를 포함한다.

Description

압축기{Compressor}
본 발명은 압축기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 임펠러와 모터의 입구에 구비된 래비린스 씰(labyrinth seal)의 블레이드를 통하여 냉각을 위한 팽창 가스가 모터로 유입되도록 하는 압축기에 관한 것이다.
가스 터빈 엔진은 연료를 연소시켜 터빈을 회전시킬 수 있다. 연료의 연소는 연소기에 의하여 수행될 수 있는데, 연소가 수행됨에 있어서 많은 양의 공기를 필요로 한다.
연소기에 충분한 공기를 공급하기 위하여 압축기가 이용될 수 있다. 압축기는 대량의 공기를 압축하여 연소기에 공급하고, 연소기는 공급된 공기를 이용하여 연료를 연소시킬 수 있다.
모터는 고정자와 회전자를 포함할 수 있다. 고정자에 대하여 회전자가 회전하면서 열이 발생될 수 있다. 고정자와 회전자간의 열을 제거하기 위하여 모터는 별도의 냉각 수단을 구비하여야 하고, 이로 인하여 전체적인 압축기의 크기 및 중량이 증가할 수 있다.
따라서, 별도의 냉각 수단을 구비하지 않고도 고정자와 회전자간의 열을 제거하는 발명의 등장이 요구된다.
한국 공개특허공보 10-2017-0083261호 (2017.07.18)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 임펠러와 모터의 입구에 구비된 래비린스 씰(labyrinth seal)의 블레이드를 통하여 냉각을 위한 팽창 가스가 모터로 유입되도록 하는 압축기를 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 압축기는 회전에 의하여 가스를 가압하는 임펠러와, 상기 임펠러에 결합되고, 모터 하우징의 내부에 구비되어 회전 동력을 상기 임펠러로 전달하는 로터와, 상기 임펠러와 상기 로터의 사이에 구비되어 상기 임펠러에 의해 가압된 가스가 상기 모터로 유입되는 것을 제한하는 래비린스 씰을 포함하되, 상기 래비린스 씰은 단일의 블레이드를 포함한다.
상기 로터의 일단에는 베어링 디스크가 구비되고, 상기 래비린스 씰은 상기 임펠러 및 상기 베어링 디스크의 사이에 구비된다.
상기 로터의 일단에는 상기 래비린스 씰과의 사이에 링형 슬릿을 형성하는 차폐 링이 구비되고, 상기 링형 슬릿을 통과한 가스는 팽창하여 냉각된 상태로 상기 모터 하우징의 내부로 유입된다.
상기 차폐 링의 직경은 상기 로터의 직경에 비하여 작게 형성된다.
상기 차폐 링에 접하는 상기 블레이드의 내측에는 카본 링이 구비된다.
상기 차폐 링에 접하는 상기 블레이드의 내측에는 일정 크기 이상의 탄성력을 갖는 탄성 링이 구비된다.
상기 탄성 링은 원반의 형태를 갖고, 상기 가압된 가스에 의하여 변형되어 상기 링형 슬릿을 형성한다.
상기 모터 하우징과 상기 로터는 에어 포일 베어링(air foil bearing)에 의하여 연결된다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 데이터 처리 장치 및 방법에 따르면 임펠러와 모터의 입구에 구비된 래비린스 씰(labyrinth seal)의 블레이드를 통하여 냉각을 위한 팽창 가스가 모터로 유입되도록 함으로써 별도의 냉각 수단을 구비하지 않고도 모터의 열을 제거하는 장점을 제공한다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압축기의 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압축기의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 래비린스 씰의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 래비린스 씰의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 압축기의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 래비린스 씰과 차폐 링의 사이에 슬릿이 형성된 것을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 가스가 모터 하우징의 내부로 유입되는 것을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 가스가 슬릿을 통과하는 것을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 래비린스 씰의 사시도이다.
도 10은 도 9에 도시된 래비린스 씰에 의하여 가스가 이동하는 것을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 래비린스 씰의 사시도이다.
도 12는 도 11에 도시된 래비린스 씰에 의하여 가스가 이동하는 것을 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압축기의 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압축기의 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 압축기(10)는 모터 하우징(100), 로터(200), 베어링 디스크(300), 차폐 링(400), 지지 디스크(500), 임펠러(700) 및 나선 케이스(800)를 포함하여 구성된다.
모터 하우징(100)은 고정자(미도시)와 로터(200)를 수용하여 로터(200)의 회전 공간을 제공할 수 있다. 모터 하우징(100)의 내부에는 고정자가 고정 결합될 수 있다.
로터(200)는 고정자의 자기력 변화에 의하여 회전할 수 있다. 로터(200)는 원 기둥의 형상을 갖고, 내부에는 영구 자석이 구비될 수 있다. 고정자가 변화하는 자기력을 제공함에 따라 로터(200)는 회전할 수 있게 된다.
로터(200)의 말단에는 임펠러(700)와의 결합을 위한 결합 로드(210)가 구비될 수 있다. 로터(200)는 결합 로드(210)를 통하여 임펠러(700)에 결합되고, 모터 하우징(100)의 내부에서 발생된 회전 동력을 임펠러(700)로 전달할 수 있다.
로터(200)의 일단에는 베어링 디스크(300)가 구비될 수 있다. 구체적으로, 베어링 디스크(300)는 임펠러(700)가 결합되는 로터(200)의 일단에서 결합 로드(210)에 결합될 수 있다. 베어링 디스크(300)는 로터(200)와 함께 일체형으로 회전할 수 있다.
베어링 디스크(300)는 로터(200)와 모터 하우징(100)간의 마찰을 완화시키는 역할을 수행한다. 본 발명의 실시예에 따른 압축기(10)는 에어 포일 베어링(air foil bearing)으로 로터(200)와 모터 하우징(100)을 연결할 수 있다. 베어링 디스크(300)는 에어 포일 베어링의 일측일 수 있다. 모터 하우징(100)에는 베어링 디스크(300)를 수용하는 디스크 수용 공간(미도시)이 구비되는데, 베어링 디스크(300)는 디스크 수용 공간에 직접적으로 접촉하지 않고 회전할 수 있다.
차폐 링(400)은 래비린스 씰(600)의 관통홀(H)에 배치되어 임펠러(700)측에서 발생된 가압 가스가 모터 하우징(100)의 내부로 유입되는 것을 제한하는 역할을 수행한다. 차폐 링(400)은 로터(200)의 일단에 구비될 수 있다. 구체적으로, 차폐 링(400)은 베어링 디스크(300)에 결합되어 베어링 디스크(300)와 함께 회전할 수 있다.
지지 디스크(500)는 모터 하우징(100)에 고정 결합되어 로터(200)의 일단을 지지하는 역할을 수행한다. 로터(200)는 지지 디스크(500)에 지지되어 모터 하우징(100)에 대하여 회전할 수 있다. 지지 디스크(500)는 래비린스 씰(600)을 포함할 수 있다. 래비린스 씰(600)은 임펠러(700)와 로터(200)의 사이에 구비되어 임펠러(700)에 의해 가압된 가스가 모터 하우징(100)의 내부로 유입되는 것을 제한하는 역할을 수행한다.
로터(200)에 결합된 차폐 링(400)은 래비린스 씰(600)의 내측에서 회전할 수 있다. 차폐 링(400)이 래비린스 씰(600)에 근접한 상태로 회전함에 따라 가압 가스가 모터 하우징(100)으로 유입되는 것이 제한될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 래비린스 씰(600)은 단일의 블레이드(610)를 포함할 수 있다. 하나의 블레이드(610)만으로 구성되기 때문에 임펠러(700)에 의해 가압된 가스 중 일부는 래비린스 씰(600)과 차폐 링(400)의 사이를 관통할 수 있다. 래비린스 씰(600)과 차폐 링(400)의 사이를 관통한 가스는 모터 하우징(100)의 내부로 유입되어 모터 하우징(100) 내부의 냉각에 이용될 수 있다.
임펠러(700)는 회전에 의하여 가스를 가압하는 역할을 수행한다. 임펠러(700)는 로터(200)의 회전 동력을 전달받아 회전할 수 있다. 임펠러(700)는 로터(200)의 결합 로드(210)에 결합되어 로터(200)로부터 회전 동력을 전달받을 수 있다. 임펠러(700)는 너트(220)에 의하여 결합 로드(210)에 결합될 수 있다. 이를 위하여 결합 로드(210)에는 너트(220)와의 결합을 위한 나사산이 형성될 수 있다.
나선 케이스(800)는 가스의 이동 경로를 제공하는 역할을 수행한다. 나선 케이스(800)는 가스 유입구(810), 가스 배출구(820) 및 가스 이송관(830)을 포함할 수 있다. 가스 유입구(810)는 가스의 유입 경로를 제공하고, 가스 배출구(820)는 가스의 배출 경로를 제공할 수 있다.
가스 유입구(810)를 통하여 유입된 가스는 임펠러(700)에 의하여 가압될 수 있다. 가압된 가스는 가스 이송관(830)을 통하여 이송되고, 가스 배출구(820)를 통하여 배출될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 래비린스 씰의 사시도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 래비린스 씰의 단면도이다.
래비린스 씰(600)은 원반의 형태를 갖고 차폐 링(400)과 조합하여 가스의 이동을 제한할 수 있다. 래비린스 씰(600)은 지지 디스크(500)의 일면에 부착될 수 있다. 로터(200)는 래비린스 씰(600)을 경유하여 지지 디스크(500)에 지지될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 래비린스 씰(600)은 단일의 블레이드(610)를 포함할 수 있다. 블레이드(610)가 하나이기 때문에 임펠러(700)에서 발생된 가스 중 일정량은 래비린스 씰(600)과 차폐 링(400)의 사이를 통하여 모터 하우징(100)의 내부로 유입될 수 있다.
래비린스 씰(600)은 결합 로드(210) 및 차폐 링(400)의 관통을 위한 관통홀(H)을 구비할 수 있다. 관통홀(H)에 인접한 블레이드(610)의 일측은 관통홀(H)을 향하여 두께가 감소할 수 있다. 관통홀(H)의 가장자리를 형성하는 블레이드(610)의 말단은 그 두께가 상대적으로 작을 수 있는 것이다.
도 4는 래비린스 씰(600)의 좌측면 전체가 평면이고, 우측면에 경사면이 포함된 것을 도시하고 있다. 이하, 전체가 평면인 래비린스 씰(600)의 일측면을 제 1 면이라 하고, 경사면이 포함된 래비린스 씰(600)의 타측면을 제 2 면이라 한다.
제 1 면은 임펠러(700)를 향하는 면이고, 제 2 면은 모터 하우징(100)을 향하는 면일 수 있다. 임펠러(700)에 의하여 가압된 가스는 제 1 면에서 제 2 면으로 이동할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 압축기의 단면도이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 래비린스 씰과 차폐 링의 사이에 슬릿이 형성된 것을 나타낸 도면이며, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 가스가 모터 하우징의 내부로 유입되는 것을 나타낸 도면이다.
도 5 및 도 7을 참조하면, 로터(200)는 모터 하우징(100)의 내부에 수용되고, 고정자(900)의 자력 변화에 의하여 회전할 수 있다.
로터(200)의 내부에는 영구 자석(230)이 구비될 수 있다. 고정자(900)가 변화하는 자력을 형성함에 따라 로터(200)가 회전할 수 있게 된다. 임펠러(700)는 로터(200)와 함께 회전하여 가스를 가압할 수 있다.
가스 유입구(810)를 통하여 유입된 가스는 임펠러(700)의 회전력에 의하여 가압되고, 가압된 가스는 가스 이송관(830)을 따라 이동하다가 가스 배출구(820)를 통하여 배출될 수 있다.
모터 하우징(100)의 내부 공간에는 에어 포일 베어링(110)이 구비될 수 있다. 로터(200)는 모터 하우징(100)의 내부 표면과 직접적으로 접촉하지 않은 상태에서 회전할 수 있다.
도 6을 참조하면, 래비린스 씰(600)과 차폐 링(400)은 링형 슬릿(SL)을 형성할 수 있다.
슬릿(SL)의 폭은 래비린스 씰(600)의 블레이드(610)의 말단과 차폐 링(400)의 표면간의 거리로서, 그 크기는 상대적으로 작을 수 있다.
임펠러(700)에 의하여 가압된 가스의 일부는 슬릿(SL)을 통하여 모터 하우징(100)의 내부로 유입될 수 있다. 슬릿(SL)의 폭이 작기 때문에 가압 가스의 대부분은 가스 배출구(820)를 통하여 배출되지만 일부 가압 가스가 모터 하우징(100)의 내부로 유입될 수 있는 것이다.
도 7은 임펠러(700)에 의하여 가압된 가스 중 일부가 모터 하우징(100)의 내부로 유입되는 것을 도시하고 있다. 모터 하우징(100)의 내부로 유입된 가스는 고정자(900)와 로터(200)의 냉각에 이용될 수 있다.
로터(200)의 일단에는 베어링 디스크(300)가 구비되고, 래비린스 씰(600)은 임펠러(700) 및 베어링 디스크(300)의 사이에 구비될 수 있다. 이에, 래비린스 씰(600)을 통과한 가스는 베어링 디스크(300)를 통하여 모터 하우징(100)의 내부로 유입될 수 있다. 이 때, 가스에 의하여 베어링 디스크(300)가 냉각될 수 있다.
차폐 링(400)의 직경은 로터(200)의 직경에 비하여 작게 형성될 수 있다. 이에, 베어링 디스크(300)의 전체 면적 중 래비린스 씰(600)을 통과한 가스에 노출되는 면적이 증가하고, 이로 인하여 베어링 디스크(300)의 냉각 효율이 향상될 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 가스가 슬릿을 통과하는 것을 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 임펠러(700)에 의하여 가압된 가스 중 일부는 슬릿(SL)을 통과할 수 있다.
전술한 바와 같이, 슬릿(SL)의 크기는 상대적으로 작을 수 있다. 또한, 임펠러(700)에서 발생된 가스는 가압된 것으로서 상대적으로 높은 압력을 가질 수 있다. 이에, 가압 가스는 높은 압력으로 슬릿(SL)을 통과할 수 있다. 슬릿(SL)을 통과한 가스는 래비린스 씰(600)과 베어링 디스크(300)의 사이에 형성된 공간(SP)에서 팽창할 수 있다. 링형 슬릿(SL)을 통과한 가스는 팽창하여 냉각된 상태로 모터 하우징(100)의 내부로 유입될 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 래비린스 씰의 사시도이고, 도 10은 도 9에 도시된 래비린스 씰에 의하여 가스가 이동하는 것을 나타낸 도면이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 래비린스 씰(601)은 블레이드(611) 및 카본 링(621)을 포함할 수 있다.
카본 링(621)은 블레이드(611)의 내측에 구비되어 차폐 링(400)에 접할 수 있다. 카본 링(621)은 래비린스 씰(601)의 관통홀(H)의 가장자리를 따라 형성될 수 있다.
카본 링(621)은 차폐 링(400)에 접하거나 미세하게 이격될 수 있다. 카본 링(621)이 차폐 링(400)에 접하거나 미세하게 이격됨에 따라 임펠러(700)측의 공간과 모터 하우징(100)의 내부간의 차단율이 증가할 수 있다.
로터(200)가 회전하면서 모터 하우징(100)에 진동이 발생할 수 있다. 진동이 발생하는 경우 카본 링(621)과 차폐 링(400)간의 접촉이 일시적으로 해제될 수 있다. 즉, 카본 링(621)과 차폐 링(400)간의 이격 거리가 증가하여 슬릿(SL)이 형성될 수 있는 것이다.
임펠러(700)에 가압된 가스는 카본 링(621)과 차폐 링(400)간의 슬릿(SL)을 통하여 모터 하우징(100)의 내부로 유입될 수 있다. 카본 링(621)과 차폐 링(400)간에 형성되는 슬릿(SL)은 진동에 의하여 발생되는 것이기 때문에 그 폭이 매우 작게 형성될 수 있다. 이로 인하여, 가압 가스의 팽창률이 증가하고, 가스의 온도 저감 효율의 향상될 수 있다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 래비린스 씰의 사시도이고, 도 12은 도 11에 도시된 래비린스 씰에 의하여 가스가 이동하는 것을 나타낸 도면이다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 래비린스 씰(602)은 블레이드(612) 및 탄성 링(622)을 포함할 수 있다.
탄성 링(622)은 블레이드(612)의 내측에 구비되어 차폐 링(400)에 접할 수 있다. 탄성 링(622)은 일정 크기 이상의 탄성력을 갖는 것으로서, 래비린스 씰(602)의 관통홀(H)의 가장자리를 따라 형성될 수 있다.
탄성 링(622)은 차폐 링(400)에 접할 수 있다. 탄성 링(622)이 차폐 링(400)에 접함에 따라 임펠러(700)측의 공간과 모터 하우징(100)의 내부가 완전히 차단될 수 있다.
탄성 링(622)은 원반의 형태를 가질 수 있다. 탄성 링(622)은 가압된 가스에 의하여 변형될 수 있다. 탄성 링(622)이 변형됨에 따라 탄성 링(622)과 차폐 링(400)의 사이에 링형 슬릿(SL)이 형성될 수 있다. 슬릿(SL)을 통과한 가압 가스는 팽창하여 온도가 저감된 상태로 모터 하우징(100)의 내부로 유입될 수 있다.
탄성 링(622)과 차폐 링(400)간에 형성되는 슬릿(SL)은 가압된 가스의 힘에 의해 형성되는 것이기 때문에 그 폭이 매우 작게 형성될 수 있다. 이로 인하여, 가압 가스의 팽창률이 증가하고, 가스의 온도 저감 효율이 향상될 수 있다.
이상과 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10: 압축기 100: 모터 하우징
200: 로터 210: 결합 로드
220: 너트 230: 영구 자석
300: 베어링 디스크 400: 차폐 링
500: 지지 디스크 600, 601, 602: 래비린스 씰
610, 611, 612: 블레이드 621: 카본 링
622: 탄성 링 700: 임펠러
800: 나선 케이스 810: 가스 유입구
820: 가스 배출구 830: 가스 이송관

Claims (8)

  1. 회전에 의하여 가스를 가압하는 임펠러;
    상기 임펠러에 결합되고, 모터 하우징의 내부에 구비되어 회전 동력을 상기 임펠러로 전달하는 로터;
    상기 임펠러와 상기 로터의 사이에 구비되어 상기 임펠러에 의해 가압된 가스가 상기 모터 하우징의 내부로 유입되는 것을 제한하는 래비린스 씰을 포함하되,
    상기 래비린스 씰은 단일의 블레이드를 포함하며,
    상기 로터의 일단에는 상기 래비린스 씰과의 사이에 링형 슬릿을 형성하는 차폐 링이 구비되고, 상기 링형 슬릿을 통과한 가스는 팽창하여 냉각된 상태로 상기 모터 하우징의 내부로 유입되는 압축기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 로터의 일단에는 베어링 디스크가 구비되고, 상기 래비린스 씰은 상기 임펠러 및 상기 베어링 디스크의 사이에 구비되는 압축기.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 차폐 링의 직경은 상기 로터의 직경에 비하여 작게 형성되는 압축기.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 차폐 링에 접하는 상기 블레이드의 내측에는 카본 링이 구비되는 압축기.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 차폐 링에 접하는 상기 블레이드의 내측에는 일정 크기 이상의 탄성력을 갖는 탄성 링이 구비되는 압축기.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 탄성 링은 원반의 형태를 갖고, 상기 가압된 가스에 의하여 변형되어 상기 링형 슬릿을 형성하는 압축기.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 모터 하우징과 상기 로터는 에어 포일 베어링(air foil bearing)에 의하여 연결되는 압축기.
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