KR20080071165A - 복수 개의 전기 화학 전지들을 구비하는 전기 발전 모듈 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 복수 개의 기본 전기 화학 전지들(4; basic electrochemical cells)과, 상기 기본 전기 화학 전지들을 지지하기 위한 플레이트들(8)을 구비하고, 상기 지지 플레이트들은 두 개의 연속된 기본 전지들을 위한 스페이서들(spacers)을 형성하며, 기본 전기 화학 전지들과 지지 플레이트들의 상대적인 위치를 압력에 의해 유지하도록 형성되는 장착 수단(loading means)을 구비하는, 전기 발생 모듈에 관한 것이다.
Description
본 발명은 차량의 전기 발생 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 복수 개의 전기 화학 전지들을 구비하며 전기 자동차나 하이브리드(hybrid) 자동차에 적합한 전기 발생 모듈에 관한 것이다.
하이브리드 추진(propulsion)이나 견인(traction) 차량에는 일반적으로 복수 개의 에너지원들을 이용할 수 있도록 하기 위해 내연 견인 기관(internal combustion traction engine)과 차량에 탑재된 전기 발생 모듈에 의해 구동되는 전기 견인 기관(electric traction engine)이 구비된다.
하이브리드 자동차 또는 전기 자동차를 위한 이러한 전기 발생 모듈들, 또는 배터리들은 복수 개의 동일한 조립체들을 구비할 수 있다. 각각의 조립체(assembly)는 전극에서 발생하는 화학 반응에 의해 전기 에너지를 생성시키는 것을 가능하게 하는 기본 전기 화학 전지들(basic electrochemical cells)을 구비한다.
이와 같은 기본 전기 화학 전지들은 에너지와 경제의 모든 관점에서 특별히 유익하다. 그러나 이러한 전지들의 각각은 상대적으로 작은 두께와, 상대적으로 낮 은 기계적 저항(mechanical resistance)을 갖는데, 이로 인해 모듈이 생산될 때에 전지들의 조립과 전지들의 상대적인 위치 조정이 어렵다.
이러한 모듈들의 생산을 용이하게 하기 위해 다양한 해결책들이 이미 고안되었다. 그래서 일본 특허공개공보 제2004-227921호는 하부 베어링 수단과 상부 베어링 수단을 갖는 적층된 기본 전기 화학 전지용 지지대를 기술한다. 각각의 베어링 수단은 십자 모양(cross)을 이루도록 서로 조립되는 두 개의 직선 바(bar)들을 구비하고, 베어링 수단의 각각의 단부에는 고정용 블록이 마련된다. 베어링 수단의 고정용 블록들은 다른 베어링 수단의 고정용 블록들과 협동한다.
그러므로 바들과 고정용 블록들은 전지들의 주된 표면들에 의해 하나의 전지가 다른 전지 위에 적용되도록 하기 위해 서로 미리 용접된 기본 전기 화학 전지들을 위한 지지대를 형성한다. 기본 전지들을 용접하는 기술에 대한 더 상세한 내용은, 일본 특허공개공보 제2004-253262호의 초록을 참조할 수 있다.
이와 같은 기본 전기 화학 전지용 지지대는 특별히 오래 걸리고 어려우며 비용이 많이 드는 예비적 기본 전지 용접 작업을 필요로 하는 배치를 제안하는 단점을 갖는다. 또한 판형 베어링들을 서로에 대해 조립하는 것은 효과적인 냉각을 허용하지 않는다.
그러므로 본 발명의 목적은 이러한 단점을 해결하여, 특별히 안전하고 신속하며 효과적인 방식으로 기본 전기 화학 전지들(basic electrochemical cells)이 조립되는 것을 가능하게 하며, 모듈의 효율과 수명을 증가시키도록 상기 전지들을 냉각시키는 것을 용이하게 하는 전기 발생 모듈을 제안하는 데 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 복수 개의 기본 전기 화학 전지들을 구비하는 전기 발생 모듈은, 상기 기본 전기 화학 전지들을 위한 지지 플레이트들을 구비하고, 상기 지지 플레이트들은 두 개의 연속된 기본 전지들을 위한 스페이서들(spacers)을 형성하며, 상기 기본 전기 화학 전지들과 지지 플레이트들의 상대적인 위치 조정을 압력에 의해 유지하도록 형성되는 장착 수단(loading means)을 구비한다.
이와 같은 배치에 의하면, 전기 화학 전지들이 용이하고 신속하게 서로에 대해 상대적으로 위치 조정됨과 아울러 상기 전지들의 만족스런 냉각을 제공하는 전기 발생 모듈을 생산하는 것이 가능하다.
실제로, 이와 같은 플레이트의 설치는 전지들의 상대적인 위치 조정을 확실히 할 수 있을 뿐만 아니라 전지들의 사이에 일정한 간격을 유지하여, 예를 들어 공기와 같은 냉각 기체가 순환하게 할 수 있다.
또한 압력을 이용하여 기본 전지들과 지지 플레이트들의 상대적인 위치 조정을 유지하는 장착 수단의 사용은, 특별히 경제적인 장치를 제공함으로써 전지들을 서로 조립하기 위한 특별히 어렵고 비싼 용접과 같은 작업들을 회피할 방법을 제공한다.
바람직하게는 각각의 지지 플레이트는 나란히 배치되는 적어도 두 개의 기본 전지들에 연결된다.
바람직하게는 전기 발생 모듈은 상기 기본 전기 화학 전지들 및 연결된 지지 플레이트들의 사이에 설치되는 마찰 요소들(friction elements)을 구비한다. 이러한 마찰 요소들은 기본 전지들이 지지 플레이트들에 상대적으로 위치에 유지되게 하는 안전성을 증가시킨다.
바람직한 실시예로서, 상기 마찰 요소들은 상기 지지 플레이트들이고, 상기 지지 플레이트들은 상기 기본 전기 화학 전지들의 거칠기보다 실질적으로 큰 거칠기를 갖는다.
바람직하게는 전기 발생 모듈은 상측 기본 전기 화학 전지를 지지하도록 설치되는 적어도 하나의 탄성적으로 변형 가능한 요소를 구비할 수 있다.
이와 같은 탄성적으로 변형 가능한 요소의 사용은 기본 전기 화학 전지들과 지지 플레이트들과 장착 수단의 사이의 모든 차등 열팽창(differential thermal expansion)을 극복하는 것을 가능하게 한다. 나아가, 이와 같이 탄성적으로 변형 가능한 요소는 또한 기본 전지들의 두께 공차 결함(thickness tolerance defects)과 전지들의 충전이나 방전 상태에 따른 상술한 두께의 모든 변동을 흡수할 수 있다.
바람직하게는 상기 변형 가능한 요소는 유연성 합성 소재(flexible synthetic material)로 형성되고, 상기 지지 플레이트는 강성 합성 소재(rigid synthetic material)로 형성된다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 지지 플레이트들은 전기 전도 수단이나 절연 수단을 구비한다.
상술한 전기 전도 수단이나 절연 수단은 모듈의 설치를 단순화하기 위하여 지지 플레이트들과 일체로 형성될 수 있다.
바람직하게는 모듈은 상기 기본 전기 화학 전지들과 상기 지지 플레이트들의 상대적인 위치 조정을 위한 상기 장착 수단이 위에 설치되는 베이스(base)를 구비한다.
본 발명 및 본 발명의 장점은, 첨부된 도면들에 의해 도시되는 결코 제한적인 실시예가 아닌 일예에 관한 상세한 설명을 검토함으로써 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 전기 발생 모듈의 개략적인 상면도이다.
도 2 및 도 3은 각각 도 1의 전기 발생 모듈의 Ⅱ-Ⅱ 의 축과 Ⅲ-Ⅲ의 축에 대한 단면도들이다.
이제 도 1 내지 도 3을 참조하여, 도면 부호 1번으로 지시되며 특별히 전기 자동차나 하이브리드 자동차용으로 의도된 전기 발생 모듈의 일 실시예에 관한 설명이 주어진다.
전기 발생 모듈(1)은 위에서 보면 일반적으로 사각형 형상을 가지며, 이와 같은 경우 각각 복수 개의 동일한 기본 전기 화학 전지들(4)이 마련되며 서로 연결되는 두 개의 조립체들(2, 3)을 구비한다. 전지들(4)은 조립체들(2, 3)의 각각을 위해 두 개의 동일한 수직 방향의 줄을 형성하도록 배치된다. 그러므로 한 줄의 전지들(4)은 전지들의 쌍을 형성하기 위해 다른 줄의 전지들과 정렬되며 수평하게 배치된다. 도 1에 있어서, 바닥 좌측 영역에는 조립체(2)의 전지들(4)의 하나의 줄이 도시되지 않았다.
에너지를 생산하기 위해, 각각의 전지(4)는 통상적으로 전해질(7)에 의해 분리되는 캐소드(5; cathode)와 애노드(6; anode)를 구비한다. 전해질(7)은 리튬염(lithium salt)을 갖는 유기 용제(organic solvent)의 액체 전해질 고분자로 적신 막(membrane) 유형의 고분자 분리판(polymer separator)일 수 있다.
도 2 및 도 3에서의 명확성을 위해, 조립체들(2, 3)은 각각 8 개의 기본 전지들(4)로 표시되었다. 명백하게는, 일반적으로 완전하게 구현되는 전지들의 개수는 실질적으로 상이하다. 사실상, 차량을 끌기 위해 필요한 동력은 수십 킬로와트(kilowatts)인데, 이는 많은 수의 전지들(4)이 적층되는 것을 요구한다.
모듈(1)의 어셈블리(2)를 위해, 기본 전지들(4)의 각 쌍은 이들 전지들(4)의 지지를 제공하기 위해, 또한 이들 전지들의 상대적인 위치 조정을 확실히 하기 위해 연결되는 플레이트(8)를 구비한다. 일반적으로 사각 형 형상인 지지 플레이트들(8)은 컴팩트한 장치(1)를 얻기 위하여 전지들(4)의 두께에 비하여 상대적으로 작은 두께를 갖는다. 상술한 두께는 예를 들어 밀리미터(millimeter)의 수준일 수 있다.
플레이트(8)는 지지 프레임(9)과, 단일 조립체를 형성하기 위해 예를 들어 스냅-체결(snap-fitting)에 의해 상기 프레임 위에 결합되는 두 개의 실질적으로 유사한 측면 부재들(10, 11; side pieces)을 구비한다.
일반적으로 사각 프레임(9)에는 프레임의 긴 측면 가장 자리를 연결하는 제1 중앙 스트립(12; strip)과 프레임의 짧은 측면 가장 자리를 연결하며 각각이 상기 긴 가장자리들의 하나의 근처에 배치되는 제2 및 제3 스트립들(13, 14)이 마련된다. 그러므로 제1 스트립(12)은 동일한 두 개의 개구부들(9a)의 범위를 정한다. 도 1에서는 개구부들 중 하나만 보인다. 이들 개구부들(9a)은 특별히 전지들(4)의 연결 단자들(connecting terminals)에 대한 통로를 제공한다.
반대측 조립체(3)의 긴 측면 가장자리의 높이에서, 프레임(9)에는 외측으로 연장하는 수직방향 림(15; rim)과, 상기 프레임의 주된 표면들의 일측 면의 위로 연장하는 수직방향 접힘부(16; fold)를 구비한다. 림(15)과 접힘부(16)는 프레임(9)의 전체 길이에 걸쳐 연장한다. 접힘부(16)는 프레임의 상기 가장자리의 외부 측면 위에 마련된다. 림(15)은 상기 가장자리의 내부 측면에 배치되고, 상부 테이퍼 표면을 구비한다.
또한 프레임(9)은 긴 반대되는 측면의 가장자리 상에 상술한 림 및 접힘부와 유사한 림(19)과 접힘부(20)를 구비한다. 림들(15, 19)의 테이퍼 표면들은 전지들(4)의 바닥면을 지지하도록 의도된 것이며, 접힘부들(16, 20)은 상기 바닥면을 위한 지지대를 형성한다.
측면 부재(10)는 일반적으로 직사각형 플레이트의 형상을 취하며, 접힘부(16)로부터 외측을 향하여 프레임(9)을 확장시킨다. 측면 부재는 외측의 긴 가장자리와 짧은 가장자리의 주위에 마련되는 수직 포위부(17)를 구비한다. 수직 포위부(17)는 측면 부재(10)의 주된 표면들의 일측 표면을 확장시킨다. 또한 측면 부재(10)는 포위부(19)의 근처에 마련되며 각각의 전지들의 줄들 중 어느 하나에 연결되는 두 개의 공간들(19)을 구비한다.
측면 부재(11)는 또한 직사각형 플레이트의 형상을 취하지만, 그러나 측면 부재(10)의 구조와는 약간 상이한 구조를 갖는다. 실제로, 측면 부재(11)는 조립체(2)의 한 쌍의 전지들(4) 뿐만 아니라, 조립체(3)의 대응하는 한 쌍의 전지들(4)을 위해 사용되도록 의도되었다. 그러므로 측면 부재(11)는 모듈의 조립체들(2, 3)에 공통이다. 따라서 부재(11)는 짧은 가장자리들의 주변에 마련되는 두 개의 수직 포위부들(도면 부호 없음)을 구비한다. 측면 부재(11)는 또한 측면 부재(10)의 공간들에 유사한 방식으로 배치되는 두 개의 공간들(23)을 구비한다.
조립체(3)의 설계는 조립체(2)의 설계와 동일하다. 명백히, 모듈(1)의 조립체들의 개수는 필요한 동력이나 에너지에 따라 변경될 수 있다.
이제 어셈블리(2)의 지지 플레이트들(8)과 기본 전지들(4)의 상대적인 배치에 관한 설명을 한다.
바닥 지지 플레이트(8)는 블록들(25 내지 28)을 통해 베이스(24)를 지지하도록 설치된다. 블록들(25 내지 28)은 각각 접힘부(16)와, 지지대(17)와, 스트립(13)과, 스트립(14)과, 접힘부(20)의 바닥면들을 지지한다. 두 개의 바닥 전지들(4)의 바닥의 주된 표면은 스트립들(12 내지 14)과 림들(15, 19)의 상부 표면을 갖는 상기 플레이트의 수평면에 대하여 지지한다.
바로 다음으로 더 높은 지지 플레이트(8)는 접힘부들(16, 20)의 바닥면들과 스트립들(12 내지 14)의 바닥면들 통해 두 개의 바닥 전지들(4)의 상부 주된 표면들을 각각 지지한다. 그러므로 상기 플레이트(8)는 바닥의 기본 전지의 바로 위에서 전지(4)를 위한 지지대를 형성하며, 또한 이들 전지들의 사이에 실질적으로 일 정한 유격을 유지하기 위하여 상기 전지들의 사이에 스페이서(spacer)를 형성함으로써 기체가 냉각을 목적으로 순환하도록 허용한다.
조립체(2)의 6 개의 다른 지지 플레이트들(8)과 전지들(4)의 위치 결정은 상술한 내용과 유사하다. 또한 조립체(3)의 지지 플레이트들(8)과 기본 전지들(4)의 상대적인 배치는 조립체(2)의 배치와 유사하다.
여러 가지 전지들(4)을 전기적으로 서로 연결하기 위해서, 각각의 부재들(10, 11)의 공간들(18, 23)의 내측의 각각에 전도 수단 또는 절연 수단(20, 30)이 고정된다. 전도 수단 또는 절연 수단(29, 30)의 사용은 전지들(4)이 전기적으로 직렬 연결되었는지 병렬 연결되었는지에 따라 정해진다.
이를 위하여 각 전지(4)는 전지의 각각의 단부들에 연결되며, 대응하는 전지의 폭보다 약간 작은 폭을 갖는 금속 박판 형상을 취하는 두 개의 연결 탭들(31, 32; tabs)을 구비한다. 도면들에서의 명확함을 위하여, 여기에서 탭들(31, 32)은 전해질(7)에 연결된다. 명백하게, 사실상 각 전지(4)가 탭들(31, 32)이 연결되는 외부 재킷(outer jacket; 미도시됨)을 구비하는 것을 생각하는 것은 쉽다.
수단(30)은 조립체(2)의 전지들(4)을 조립체(2)의 전지들과 전기적으로 연결하기 위해 사용된다. 그러므로 프레임(9)은 전지들(4)을 위한 지지대로서 사용되고, 부재들(10, 11)은 상기 전지들의 서로에 대한 전기적인 연결을 위해 마련된다.
조립체(2)의 기본 전지들(4)과 적층된 플레이트들(8)의 상대적인 위치 조정을 유지하기 위해서, 모듈(1)은 또한 상기 플레이트들과 전지들을 압력으로 장착하는 수단을 구비한다. 장착 수단에는 상부 전지들(4)에 접촉하는 플랜지들(33, 34) 과, 플랜지들과 연결되는 장착 플레이트들(35, 36)과, 고정용 로드들(37, 38)이 마련된다.
플랜지들(33, 34)은 상부 측면 부재들(10, 11)을 덮도록 각각 조정되는 치수를 갖는다. 플랜지들은 상부 전지들(4)을 지지하고, 플랜지들의 각각은 상기 플랜지들의 상부면들이 상기 수단들(29, 30)의 상부 표면에 대해 상대적으로 아래측을 향해 수직하게 편이되도록 하기 위해 상부 수단(20, 30)이 통과하도록 하기 위한 공간들(부호 없음)을 구비한다.
각각의 플랜지(33, 34)는, 수단들(20, 30)의 치수보다 약간 큰 치수를 가지며 플랜지(33, 34)에 연결되어 상부 수단(29, 30)의 상부 표면들을 각각 지지하도록 배치되는 두 개의 플레이트들(35, 36)을 구비한다. 플레이트들(35, 36)과 상부 지지 수단(29, 30)의 사이에는 두 개의 인접한 전지들(4)의 줄들의 사이에 전기적인 접촉을 제공하기 위해 금속 바들(bars; 미도시됨)이 설치된다.
각각의 플레이트(35)를 위하여 여기에서는 4 개가 존재하는, 나사가 형성된 고정용 로드들(37)은 관통을 위한 목적으로 마련된 구멍들을 통해 상기 플레이트들과 플레이트들(8)을 관통하며, 지지 플레이트들(8)과 전지들을 각각 블록(25)의 평면에서 베이스(24)에 대하여 고정하기 위해 사용된다. 이를 위하여, 플레이트들(35)의 상부 표면들을 지지하는 상기 로드들에 너트들(39)이 설치된다.
유사하게, 플레이트들(8)과 전지들을 블록(28)의 평면에서 베이스(24)에 대하여 고정하기 위하여 플랜지(34)를 통과하는 로드들(38)과 너트들(40)이 사용된다. 그러므로 플랜지(34)는 부분적으로는 조립체(2)의 전지들을 고정하고 조립 체(3)를 고정하기 위해 사용된다. 플랜지(34)의 반대되는 측면에서, 조립체(3)는 또한 전지들(4)의 다른 단부를 고정하기 위한 다른 플랜지(미도시됨)를 구비한다.
모듈(1)의 각각의 조립체를 위해, 장착 수단에는 또한 탄성적으로 변형 가능한 요소들(42)을 통해 상부 전지들의 상부 표면들을 지지하는 두 개의 가로 압력 바들(41; transverse pressure bars)이 마련된다. 압력 바들(42)은 서로 동일하며, 프레임(9)의 긴 측면의 길이와 대략 일치하는 길이를 갖는다. 압력 바들은 블록들(26, 27)에 상대적으로 수직하게 정렬된다.
변형 가능한 요소들(42)은 압력 바들(41)의 길이와 같은 길이를 갖는 직사각형 스트립들(strips)의 형상을 갖는다. 바람직하게는 상기 변형 가능한 요소들은 유연성 합성 소재(flexible synthetic material), 예를 들어 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머(ethylene propylene diene monomer; EPDM)로 형성된다. 플레이트들(8)과 전지들(4)을 베이스(24)에 대한 고정을 유지하기 위해, 각각의 바들(41) 위에 설치되어 세 개가 존재하는 나사가 형성된 로드들(43)과 너트들(33)이 또한 제공된다. 여기에서 로드들(43)의 바닥 단부들은 블록들(26, 27)의 평면에 장착된다.
그러므로 상부 전지들(4)을 지지하는 이와 같은 요소들(42)의 설치는, 기본 전지들(4)과 지지 플레이트들(8)과 로드들(43)의 사이의 차등 열팽창(differential thermal expansion)을 극복함과 아울러 플레이트들(8)과 상기 전지들의 모든 변위(displacement)의 위험을 실질적으로 제한하기 위해 전지들(4)에 압력을 가하는 것을 가능하게 한다. 이러한 요소들(42)은 또한 전지들의 충전 상태나 방전 상태에 따라 전지들의 두께에 있어서의 모든 변동을 흡수하는 것을 가능하게 한다.
컴팩트한 모듈(1)을 유지하면서 플레이트들(8)이 전지들(4)에 대하여 위치에 유지되도록 하는 안전성을 증가시키기 위해서, 플레이트들(8)은 마찰에 의해 플레이트들에 대한 전지들(4)의 수평 위치 결정을 유지하도록 설계된 마찰 계수를 상기 플레이트들과 전지들(4)의 사이에 갖도록 강성 합성 소재(rigid synthetic material), 예를 들어 폴리프로필렌(polypropylene)으로 형성될 수 있다.
명백히, 전지들(4)과 플레이트들(8)의 사이에 배치되며 이와 같은 목적으로 마련되는 특정 요소들을 제공하는 것을 고려하는 것도 가능하다.
따라서 전기 발생 모듈은 특별히 용이하고 신뢰성이 있는 여러 가지 기본 전지들의 조립체를 얻는 것을 가능하게 하는데, 조립체의 전지들이 서로에 대해 특별히 이격되어 모듈의 최적의 작동을 얻도록 냉각 기체의 순환을 제공하는 것을 가능하게 한다. 또한 모듈의 조립체들의 개수와 상기 조립체들의 각각의 전지들의 개수는 요구되는 동력과 에너지에 따라 쉽게 변형될 수 있다.
Claims (9)
- 복수 개의 기본 전기 화학 전지들(4; basic electrochemical cells)을 구비하는 전기 발생 모듈로서:상기 기본 전기 화학 전지들을 위한 지지 플레이트들(8)을 구비하고, 상기 지지 플레이트들은 두 개의 연속된 기본 전지들을 위한 스페이서들(spacers)을 형성하며, 상기 기본 전기 화학 전지들과 지지 플레이트들의 상대적인 위치 조정을 압력에 의해 유지하도록 형성되는 장착 수단(loading means)을 구비하는 것을 특징으로 하는, 전기 발생 모듈.
- 제1항에 있어서,각각의 지지대 플레이트(8)는 나란히 배치되는 적어도 두 개의 기본 전기 화학 전지들(4)에 연결되는, 전기 발생 모듈.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 기본 전기 화학 전지들 및 연결된 지지 플레이트들의 사이에 설치되는 마찰 요소들(friction elements)을 구비하는, 전기 발생 모듈.
- 제3항에 있어서,상기 마찰 요소들은 상기 지지 플레이트들이고, 상기 지지 플레이트들은 상 기 기본 전기 화학 전지들의 거칠기보다 실질적으로 큰 거칠기를 갖는, 전기 발생 모듈.
- 상기 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,상측 기본 전기 화학 전지를 지지하도록 설치되는 적어도 하나의 탄성적으로 변형 가능한 요소를 더 구비하는, 전기 발생 모듈.
- 제5항에 있어서,상기 변형 가능한 요소는 유연성 합성 소재(flexible synthetic material)로 형성되고, 상기 지지 플레이트는 강성 합성 소재(rigid synthetic material)로 형성되는, 전기 발생 모듈.
- 상기 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,상기 지지 플레이트들(8)은 전기 전도 수단이나 절연 수단(29, 30)을 구비하는, 전기 발생 모듈.
- 상기 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,상기 기본 전기 화학 전지들과 상기 지지 플레이트들의 상대적인 위치 조정을 위한 상기 장착 수단이 위에 설치되는 베이스(24; base)를 구비하는, 전기 발생 모듈.
- 상기 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,상기 지지 플레이트들은, 상기 기본 전기 화학 전지들을 위한 지지 프레임(9)과 상기 기본 전기 화학 전지들을 전기적으로 서로 연결하기 위한 적어도 하나의 연결부(10, 11)의 조립체로 형성되는, 전기 발생 모듈.
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