KR102485678B1 - 금속 고정점을 실현하기 위한 히트파이프 블록 및 이를 포함하는 전기로 - Google Patents

금속 고정점을 실현하기 위한 히트파이프 블록 및 이를 포함하는 전기로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 금속 고정점(fixed point)을 실현하기 위한 히트파이프 블록에 관한 것으로, 보다 상세하게는 싱글 히팅 존 전기로에서 온도차없이 균일한 온도를 유지할 수 있는 금속 고정점을 실현하기 위한 히트파이프 블록 및 이를 포함하는 전기로에 관한 것이다. 이를 위해, 내부에 금속 고정점을 수용할 수 있는 내관(240); 내관(240)의 상단에 조립되는 상부홀더(210); 내관(240)의 하단에 조립되는 하부홀더(220); 및 상부홀더(210)와 하부홀더(220) 사이에 조립되는 적어도 하나의 히트파이프(230);를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 고정점을 실현하기 위한 히트파이프 블록이 제공된다.

Description

금속 고정점을 실현하기 위한 히트파이프 블록 및 이를 포함하는 전기로{Heat pipe block to realize metal fixed-points and a furnace therewith}
본 발명은 금속 고정점(fixed point)을 실현하기 위한 히트파이프 블록에 관한 것으로, 보다 상세하게는 싱글 히팅 존 전기로에서 온도차없이 균일한 온도를 유지할 수 있는 금속 고정점을 실현하기 위한 히트파이프 블록 및 이를 포함하는 전기로에 관한 것이다.
일반적으로, 온도계 교정용 항온조는 안정도가 필수적이다. 안정적이고 균일한 온도 유지를 위해, 액체 항온조(Liquid Bath)나 쓰리-존 히팅 전기로를 이용한다. 특히 액체 항온조는 뛰어난 안정도와 균일도 때문에 온도센서 교정에 적합하고 불확도를 최소화할 수 있다. 액체항온조는 ITS-90(International Temperature Scale of 1990) 고정점인 수은, 물의 삼중점(0.01 ℃)으로부터 갈륨과 인듐(156.5985 ℃) 고정셀을 포함하여 주석(231.928 ℃)까지의 고정점 교정에 사용이 가능하며, 통상 -40℃ ~ 300℃ 범위이다. 쓰리-존 히팅 전기로는 3개의 히터를 사용하며, 별도의 온도조절기로 각각의 히터의 온도를 제어하기 때문에 분포도가 좋아 고온 금속 고정점 교정에 사용하고 있으며, 주로 200 °C ~ 1100 ℃까지 넓은 범위에서 사용할 수 있다.
그러나 전술한 액체 항온조나 쓰리-존 히팅 전기로는 다수의 히팅 부재를 포함하고 있어서 비용이 많이 드는 단점이 있다(예 : 수천만원 단위). 반면, 싱글 히팅-존 전기로는 가격이 저렴하나 온도분포가 커서 불확도가 높은 단점이 있다. 도 1은 금속 고정점을 실현하기 위한 종래의 전기로의 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 용기(140)의 사시도이다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 전기로(100)는 단열부(110)로 둘러 쌓여지고 내부에는 하나의 히터(120)가 구비된다. 히터(120)는 웰(well, 130)의 하부로부터 10 ~ 30 cm 이격된 채 설치된다. 용기(140)는 스테인레스 재질이며 작업자에 의해 삽입과 인출이 가능하다.
용기(140)의 내부는 금속의 고정점 셀(fixed-point cell)이 위치하고, 그 내부에 교정 대상인 온도계(160)가 구비된다. 이러한 종래의 싱글 히팅-존 전기로는 높이 방향을 따라 약 10℃의 온도차가 발생한다. 특히 응고점 곡선(도 10 참조)이 시간에 따라 계속 온도가 떨어지는 현상이 발생하여 고정점으로써 사용하기가 불가능했다.
1. 대한민국 특허등록 제 10-1050170 호(적외선 검출기 교정을 위한 측체 조립체), 2. 대한민국 특허등록 제 10-2012785 호(적외선 센서 교정용 흑체 시스템 및 이를 위성에 설치하는 방법).
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 상대적으로 가격이 저렴한 싱글 히팅-존 전기로와 히트파이프를 결합하여 안정적이며 온도 구배가 거의 없이 균일한 온도 영역을 구현할 수 있는 금속 고정점을 실현하기 위한 히트파이프 블록 및 이를 포함하는 전기로를 제공하는 것이다.
다만, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위하여, 내부에 금속 고정점을 수용할 수 있는 내관(240); 내관(240)의 상단에 조립되는 상부홀더(210); 내관(240)의 하단에 조립되는 하부홀더(220); 및 상부홀더(210)와 하부홀더(220) 사이에 조립되는 적어도 하나의 히트파이프(230);를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 고정점을 실현하기 위한 히트파이프 블록이 제공된다.
또한, 상부홀더(210)는 내관(240)의 외측으로 노출되는 상부고정홈(215)을 더 포함하고, 하부홀더(220)는 내관(240)의 외측으로 노출되는 하부고정홈(225)을 더 포함하며, 히트파이프(230)는 상부고정홈(215)과 하부고정홈(225) 사이에서 조립된다.
또한, 히트파이프(230)는 내관(240)의 외측 둘레를 따라 복수개가 구비된다.
또한, 히트파이프(230)를 내부에 수용하는 외관(250)을 더 포함한다.
또한, 내관(240)과 외관(250) 사이에는 에폭시 충진부(260)가 더 포함된다.
또한, 내관(240)과 외관(250) 중 적어도 하나는 구리 또는 알루미늄을 포함한다.
또한, 외관(250)은 볼트에 의해 상부홀더(210)와 하부홀더(220)에 조립된다.
또한, 히트파이프(230)는 구리 또는 스테인레스로 제작되며, 내부에 물을 포함한다.
또한, 금속 고정점은 인듐(In) 금속 고정점 또는 주석(Sn) 금속 고정점이다.
또한, 히트파이프(230)는 일단에 상부첨두(232)를 갖고, 타단에 하부첨두(234)를 갖는 봉 형상이다.
또한, 본 발명의 목적은 또 다른 실시예로써, 전술한 히트파이프 블록을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기로에 의해서도 달성될 수 있다.
또한, 싱글 히팅 존(single heating zone) 전기로일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 저렴한 비용으로 안정적이며 온도 구배가 거의 없이 균일한 온도 영역을 구현할 수 있는 금속 고정점을 실현할 수 있다.
특히, 히트파이프를 저렴하게 구입할 수 있기 때문에 전체 제작비는 종래에 비해 1/10 ~ 1/20로 낮춰질 수 있다.
다만, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니된다.
도 1은 금속 고정점을 실현하기 위한 종래의 전기로의 단면도,
도 2는 도 1에 도시된 용기(140)의 사시도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 금속 고정점을 실현하기 위한 히트파이프 블록(200)의 사시도,
도 4는 도 3에 도시된 히트파이프(230)의 사시도,
도 5는 도 3의 히트파이프 블록(200)에 히트파이트(230) 하나가 조립된 상태의 사시도,
도 6은 도 3에 도시된 히트파이프 블록(200)에 조립되는 외관(250)의 사시도,
도 7은 본 발명에 따라 외관(250)이 조립된 히트파이프 블록(200)의 단면 사시도,
도 8은 본 발명에 따라 외관(250)이 조립된 히트파이프 블록(200)의 투시 사시도,
도 9는 전기로의 깊이에 따른 온도차를 나타내는 그래프,
도 10은 종래의 용기(140)를 사용한 전기로에 대해 시간별 온도 프로파일을 나타내는 그래프,
도 11은 본 발명에 따른 히트파이프 블록(200)을 사용한 전기로에 대해 시간별 온도 프로파일을 나타내는 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
실시예의 구성
이하, 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예의 구성을 상세히 설명하기로 한다. 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 금속 고정점을 실현하기 위한 히트파이프 블록(200)의 사시도이고, 도 4는 도 3에 도시된 히트파이프(230)의 사시도이며, 도 5는 도 3의 히트파이프 블록(200)에 히트파이트(230) 하나가 조립된 상태의 사시도이다.
도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 내관(240)은 중공의 구리관 또는 알루미늄관이고, 외경은 약 54mm, 내경은 50 mm, 길이는 약 370 mm 이다. 내관(240)의 내부에는 금속 고정점이 주입되는데 일 예로는 인듐(In) 금속 고정점 또는 주석(Sn) 금속 고정점이다. 특히 주석 금속 고정점인 경우 순도가 99.9999%이며, 887g의 주석(Sn)을 흑연 도가니에 충진한 다음, 16cm의 침지 깊이를 갖는 파이렉스 튜브 내에 밀봉하여 제작하였다. 이러한 주석 금속 고정점은 (한국표준과학연구원)기준셀에 비해 1.18 mK의 불확도를 갖고 있다.
도 4에 도시된 바와 같이 히트파이프(230)는 봉재이며, 상단은 상부첨두(232)를 형성하고 하단은 하부첨두(234)를 형성한다. 히트파이프(230)는 구리(Cu)로 제조되며 내부에 물(water)을 포함한다. 히트파이프(230)의 길이는 약 300 ~ 400 mm이고, 외경은 약 6 ~ 10 mm 이다. 이러한 히트파이프(230)는 내관(230) 둘레에 15 ~ 30 개 정도가 등간격으로 배치된다.
상부홀더(210)는 황동으로 제작될 수 있으며, 내관(240)의 상단에 조립되는 중공형상이다. 상부홀더(210)의 외경에는 외관(250)과의 볼트 조립을 위한 볼트공이 형성되어 있다. 상부홀더(210)에는 내관(240)의 외측으로 노출되는 상부고정홈(215)이 더 함몰 형성되어 있다. 상부고정홈(215)은 하부고정홈(225)에 대면하도록 형성될 수도 있고, 외면에서 반경방향으로 함몰되어 형성될 수도 있다. 이러한 상부고정홈(215)에 히트파이프(230)의 상부첨두(232)가 끼워져 조립된다.
하부홀더(220)는 황동으로 제작될 수 있으며, 내관(240)의 하단을 마감하며 조립된다. 하부홀더(220)의 외경에는 외관(250)과의 볼트 조립을 위한 볼트공이 형성되어 있다. 하부홀더(220)에는 내관(240)의 외측으로 노출되는 하부고정홈(225)이 더 함몰 형성되어 있다. 하부고정홈(225)은 상부고정홈(215)에 대면하도록 형성될 수도 있고, 외면에서 반경방향으로 함몰되어 형성될 수도 있다. 이러한 하부고정홈(225)에 히트파이프(230)의 하부첨두(234)가 끼워져 조립된다.
도 6은 도 3에 도시된 히트파이프 블록(200)에 조립되는 외관(250)의 사시도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 외관(250)은 중공의 구리관 또는 알루미늄관이다. 외관(250)의 내부로는 상부홀더(210), 내관(240), 히트파이프(230) 및 하부홀더(220)가 조립된다. 외관(250)의 외경은 약 80mm, 내경은 75 mm, 길이는 약 386 mm 이다. 외관(250)의 상부볼트공(252)은 볼트에 의해 상부홀더(210)에 조립되고, 하부볼트공(254)도 볼트에 의해 하부홀더(220)에 조립된다.
도 7은 본 발명에 따라 외관(250)이 조립된 히트파이프 블록(200)의 단면 사시도이고, 도 8은 본 발명에 따라 외관(250)이 조립된 히트파이프 블록(200)의 투시 사시도이다. 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 내관(240)과 외관(250) 사이 중 히트파이프(230)를 제외한 빈 공간은 높은 열전도율(3 ~ 7 W/mㆍk)의 에폭시 충진부(260)로 채워진다. 이러한 에폭시 충진부(260)는 더욱 균일한 온도 영역을 형성하도록 한다.
실시예의 동작
이하, 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예의 동작을 상세히 설명하기로 한다. 도 1과 같은 싱글 히팅-존 전기로에서 히터(120)가 발열됨에 따라 하부홀더(220)를 통해 히트파이프(230)로 열이 전달된다. 이때, 히트파이프(230)의 특성상 내관(240)의 외면 전체를 균일하게 가열하게 된다. 히트파이프(230)와 히트파이프(230) 사이는 에폭시 충진부(260)에 의해 온도차를 최소화할 수 있다. 히트파이프(230)는 가급적 많이 설치할수록 그리고 가급적 좁은 간격으로 설치할수록 균일한 내관(240)의 가열이 이루어진다.
내관(240)의 높이 방향에 따른 온도 구배가 최소화됨에 따라 내부의 금속 고정점(150)은 고정점으로서의 기능을 수행할 수 있다. 이로써, 금속 고정점(150)에 끼워지는 온도계에 대해 정확한 온도오차를 파악할 수 있어 정확한 교정이 가능해진다.
비교 실험
도 9는 전기로의 깊이에 따른 온도차를 나타내는 그래프이다. 도 9에서 수평축은 전기로의 바닥으로부터의 깊이를 나타내고, 수직축은 온도차를 나타낸다. 도 9에서 검은 원점의 마크는 종래의 용기에서 측정한 온도차이고, 청색 삼각형의 마크는 본 발명에 따른 히트파이프 블록을 적용한 경우의 온도차이며, 붉은 사각형의 마크는 본 발명의 히트파이프 블록 내부에 주석 고정점을 넣은 경우의 온도차이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 종래의 용기(검은 원점의 마크)는 15cm의 깊이에서 온도차가 약 -9.5℃에 달해서 고정점으로 사용할 수 없을 만큼 온도차가 컸다.
그러나, 본 발명에 따른 히트파이프 블록을 적용한 경우(청색 삼각형 마크)온도 구배가 약 6배 정도 향상되어 깊이에 따른 온도차(15cm의 깊이에서 약 -1.6℃)가 거의 없음을 확인하였다. 이로 인해 본 발명의 히트파이프가 균일한 열전도 성능을 발휘하고 있음을 추측할 수 있고, 이로 인해 내부가 균일한 온도 분포로 이루어졌음을 알 수 있다.
또한 본 발명의 히트파이프 블록 내부에 주석 고정점을 넣은 경우(붉은 사각형의 마크) 온도 구배가 더욱 향상되었으며, 15cm의 깊이에서 온도차가 약 -0.4℃에 불과함을 확인하였다.
도 10은 종래의 용기(140)를 사용한 전기로에 대해 시간별 온도 프로파일을 나타내는 그래프이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 히트파이프가 없는 경우 응고점 곡선이 시간에 따라 계속 온도가 떨어지는 현상이 발생하여 고정점(일정한 온도 유지점)으로는 활용 불가능임을 알 수 있었다.
반면, 도 11은 본 발명에 따른 히트파이프 블록(200)을 사용한 전기로에 대해 시간별 온도 프로파일을 나타내는 그래프이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 응고점 곡선이 일정하게 지속되는 평탄부가 나타났다. 이러한 평탄부에 대해 고정점으로 활용할 수 있음을 확인하였고, 백금저항온도계 또는 열전대 등의 온도센서 교정에 사용할 수 있다.
상술한 바와 같이 개시된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 상술한 실시예들에 기재된 각 구성을 서로 조합하는 방식으로 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다. 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다. 또한, 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함할 수 있다.
100 : 전기로,
110 : 단열부,
120 : 히터,
130 : 웰(well),
140 : 용기,
150 : 고정점셀(ficed-point cell),
160 : 온도계,
200 : 히트파이프 블록,
210 : 상부홀더,
215 : 상부고정홈,
220 : 하부홀더,
225 : 하부고정홈,
230 : 히트파이프,
232 : 상부첨두,
234 : 하부첨두,
240 : 내관,
250 : 외관,
252 : 상부볼트공,
254 : 하부볼트공,
260 : 에폭시 충진부.

Claims (10)

  1. 내부에 금속 고정점을 수용할 수 있는 내관(240);
    상기 내관(240)의 상단에 조립되는 상부홀더(210);
    상기 내관(240)의 하단에 조립되는 하부홀더(220);
    상기 상부홀더(210)와 상기 하부홀더(220) 사이에 조립되는 적어도 하나의 히트파이프(230);
    상기 히트파이프(230)를 내부에 수용하는 외관(250); 및
    상기 내관(240)과 상기 외관(250) 사이 중 상기 히트파이프(230)를 제외한 빈 공간에 채워지는 에폭시 충진부(260);를 포함하며,
    상기 상부홀더(210)는 상기 내관(240)의 외측으로 노출되는 상부고정홈(215)을 더 포함하고,
    상기 하부홀더(220)는 상기 내관(240)의 외측으로 노출되는 하부고정홈(225)을 더 포함하며,
    상기 히트파이프(230)는 상단의 상부첨두(232)가 상기 상부고정홈(215)에 끼워지는 것과 하단의 하부첨두(234)가 상기 하부고정홈(225)에 끼워지는 것을 통해 조립되고, 상기 내관(240)의 둘레를 따라 복수개로 구비되면서 등간격으로 배치되며, 구리 또는 스테인레스로 제작되면서 내부에 물을 포함하고,
    상기 금속 고정점은 인듐(In) 금속 고정점 또는 주석(Sn) 금속 고정점이되, 상기 주석(Sn) 금속 고정점인 경우 순도가 99.9999%이며, 주석(Sn)을 흑연 도가니에 충진한 다음, 파이렉스 튜브 내에 밀봉하는 것으로 제작되고,
    상기 에폭시 충진부(260)는 열전도율 3 ~ 7 W/mㆍk인 것을 특징으로 하는 금속 고정점을 실현하기 위한 히트파이프 블록.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 내관(240)과 상기 외관(250) 중 적어도 하나는 구리 또는 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 고정점을 실현하기 위한 히트파이프 블록.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1 항 및 제 6 항 중 어느 한 항에 의한 히트파이프 블록을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기로.
  10. 제 9 항에 있어서,
    싱글 히팅 존(single heating zone) 전기로인 것을 특징으로 하는 전기로.
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