KR20150020109A - 분사 밸브용 밸브 조립체 및 분사 밸브 - Google Patents

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루이지 가지울로
마르코 메치
니콜라 라나코네
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콘티넨탈 오토모티브 게엠베하
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Abstract

본 발명은 분사 밸브용 밸브 조립체(1)에 관한 것으로서, 그 밸브 조립체는 중심의 길이방향 축선(L)을 포함하며 유체 입구 부분(18) 및 유체 출구 부분(19)을 갖춘 공동(3)을 포함하는 밸브 본체(2)와, 중공형이고 공동(3) 내에서 축방향으로 이동가능한 밸브 니들(7)로서, 폐쇄 위치에서 유체 출구 부분(19)을 통한 유체 유동을 방지하고 추가의 위치들에서 유체 출구 부분(19)을 통해 유체를 방출하며, 유체가 유체 입구 부분(18)으로부터 중공형 밸브 니들(7)로 유동할 수 있도록 배열되는 밸브 니들(7), 및 밸브 니들(7)을 가동시키도록 구성되는 작동기 조립체를 포함한다. 작동기 조립체는 공동(3) 내에서 축방향으로 이동가능한 전기자(8)를 포함한다. 상기 밸브 니들(7)은 전기자(8)와 유체 출구 부분(19) 사이에 축방향으로 위치되는 하나 이상의 제 1 오리피스(16), 및 전기자(8)의 축방향 범위 및/또는 유체 입구 부분(18) 쪽으로 지향하는 전기자(8)의 축방향 단부로부터 시작하는, 전기자(8)의 반대방향으로 연장하는 축방향 범위 내에 위치되는 하나 이상의 제 2 오리피스(17)를 포함한다. 상기 제 1 및 제 2 오리피스(16,17)들은 중공형 밸브 니들(7)과 공동(3) 사이에서 유체 유동을 허용하도록 구성된다. 상기 밸브 니들(7) 및 전기자(8)는 제 1 갭(9)이 밸브 니들(7)과 전기자(8) 사이에 존재하도록 배열되며, 상기 제 1 갭(9)은 중공형 밸브 니들(7)로부터 제 2 오리피스(17)를 통해 제 1 갭(9)으로 그리고 추가로 공동(3)으로의 유체 유동을 허용하도록 충분히 크다.

Description

분사 밸브용 밸브 조립체 및 분사 밸브 {VALVE ASSEMBLY FOR AN INJECTION VALVE AND INJECTION VALVE}
본 발명은 분사 밸브용 밸브 조립체 및 분사 밸브에 관한 것이다.
분사 밸브들은 특히 내연기관용으로 넓게 확산되어 사용되며, 여기서 분사 밸브들은 연료를 내연 기관의 흡기 매니폴드 내측으로 투여하거나 내연 기관의 실린더의 연소실 내측으로 직접적으로 투여하도록 배열될 수 있다.
분사 밸브들은 다양한 연소 기관들에 대한 다양한 요구들을 만족시키기 위해서 다양한 형태로 제작된다. 그러므로, 유체가 투여되는 방식에 책임이 있는 예를 들어 분사 밸브의 길이, 분사 밸브의 직경 및 또한 다양한 요소들이 넓은 범위에서 변화될 수 있다. 그에 더하여, 분사 밸브들은 예를 들어, 전자기 작동기 또는 피에조 전기 작동기일 수 있는 분사 밸브의 니들을 가동시키기 위한 작동기를 수용할 수 있다.
원하지 않는 배출물들의 생성을 고려하여 연소 공정을 향상시키기 위해서, 각각의 분사 밸브는 매우 높은 압력들 하에서 유체들을 투여하는데 적합할 수 있다. 압력들은 가솔린 엔진의 경우에 예를 들어, 최대 200 바 또는 심지어 최대 500 바의 범위일 수 있으며 디젤 엔진의 경우에 최대 2000 바 및 그 초과의 범위일 수 있다.
그러나, 분사 밸브의 개방 단계 중에 그리고 폐쇄 단계 이후에, 압력 맥동들이 유체 가속에 의해 밸브 본체에서 발생할 수 있다. 이들 압력 맥동들은 샷-대-샷(shot-to-shot) 불안정성 및 부품-대-부품(part-to-part) 변동성들의 원인이 되는 순간 질량 유동 및 분사기 선형성(injector linearity)에 부정적인 영향을 줄 수 있다.
그러므로, 본 발명의 목적은 안정적이고 신뢰성 있는 기능을 촉진시키기는 밸브 조립체를 명시하고자 하는 것이다.
이러한 목적은 독립 청구항의 특징들을 갖는 밸브 조립체에 의해 달성된다. 밸브 조립체 및 그 밸브 조립체를 포함하는 분사 밸브의 유리한 실시예들이 종속항들에 주어진다.
분사 밸브용 밸브 조립체는 일 양태에 따라서 명시된다. 밸브 조립체는 중심의 길이방향 축선을 포함하는 밸브 본체를 포함한다. 밸브 본체는 유체 입구 부분 및 유체 출구 부분을 갖춘 공동을 포함한다. 밸브 조립체는 중공형이고 공동 내에서 축방향으로 이동가능한 밸브 니들을 더 포함한다. 밸브 니들은 밸브 본체에 대해 특히 축방향으로 변위가능하다. 밸브 니들은 유체가 폐쇄 위치에서 유체 출구 부분을 통해 유동하는 것을 방지하며 추가의 위치들에서 유체 출구 부분을 통해 유체를 방출함으로써 유체가 유체 입구로부터 중공형 밸브 니들로 유동할 수 있다.
밸브 조립체는 밸브 니들을 가동시키도록 구성되는 작동기 조립체를 더 포함하며 공동 내에서 축방향으로 이동할 수 있는 전기자를 더 포함한다. 전기자는 밸브 본체에 대해 축방향으로 변위가능하다.
밸브 니들을 가동시키기 위해서, 전기자는 밸브 니들과 기계식으로 상호작용하도록 편리하게 작동할 수 있다. 예를 들어, 전기자는 밸브 니들에 대해 축방향으로 변위가능하며 밸브 니들은 폐쇄 위치의 반대 방향으로 밸브 니들에 대해 전기자의 축방향 변위를 제한하기 위한 리테이너를 가진다. 이런 방식으로, 전기자는 전기자가 폐쇄 위치의 반대인 축방향으로 이동될 때 전기자에 의해 밸브 니들을 취하도록 작동할 수 있다.
리테이너는 밸브 니들의 중공형 샤프트와 일체인(in one piece) 칼라일 수 있다. 대체 실시예에서, 리테이너는 중공형 샤프트에 고정되는 별개의 리테이너 요소이다. 개량예에서, 밸브 니들은 리테이너와 대향하는 전기자의 측에 있으며 리테이너의 반대인 축방향으로 밸브 니들에 대해 전기자의 축방향 변위를 제한하도록 작동할 수 있는 방식으로 그리고 전기자가 리테이너와 디스크 요소 사이에서 밸브 니들에 대해 예정된 축방향 유격을 가지는 방식으로 위치되는 - 특히 밸브 니들의 샤프트에 고정되는 - 디스크 요소를 가진다.
밸브 니들은 전기자와 유체 출구 부분 사이에 축방향으로 위치되는 하나 이상의 제 1 오리피스를 포함한다. 밸브 니들은 전기자의 축방향 범위 및/또는 유체 입구 부분 쪽으로 지향하는 전기자의 축방향 단부로부터 시작하는, 전기자의 반대방향으로 연장하는 축방향 범위 내에 위치되는 하나 이상의 제 2 오리피스를 더 포함한다. 제 1 및 제 2 오리피스들은 중공형 니들과 공동 사이에서 유체 유동을 허용하도록 구성된다. 제 1 및 제 2 오리피스들은 특히 중공형 샤프트의 원주 측벽 내에 제공된다. 제 2 오리피스는 특히 유체 출구 부분 쪽을 향하는 방향으로 리테이너 다음에 위치된다.
밸브 니들 및 전기자는 제 1 갭이 밸브 니들과 전기자 사이에 존재하도록 배열되며, 여기서 제 1 갭은 중공형 밸브 니들로부터 제 2 오리피스를 통해 제 1 갭으로 그리고 공동으로, 더 구체적으로 중공형 밸브 니들을 둘러싸는 공동의 부분으로 유체 유동을 허용하도록 - 즉, 특히 충분히 크게 - 제공된다. 환언하면, 제 2 오리피스는 제 1 갭을 통해 중공형 밸브 니들을 둘러싸는 밸브 본체 유압 체적에 연결된다. 유체의 대부분은 특히 유체 입구 부분으로부터 유체 출구 부분으로 중공형 밸브 니들, 특히 중공형 샤프트를 통해 이송된다.
분사 밸브가 개방될 때, 유체는 분사기 내에서 가속되기 시작한다. 파이프 내측에서의 유체 가속은 파이프 및 파이프에 연결되는 체적들 내에서의 압력 맥동들의 원인이 된다. 압력 맥동들의 크기는 파이프 길이에 비례한다. 분사기 내의 압력 맥동들은 그 내부로 유체 입구로부터의 유체가 유동하는 중공형 밸브 니들의 제 1 부분에 의해 생성된다. 중공형 밸브 니들의 이러한 제 1 부분은 유체 출구의 방향으로의 유체 입구로부터 중공형 밸브 니들 내의 제 1 개구, 예를 들어 제 1 오리피스(존재한다면, 다른 유체 출구)로 연장한다. 니들의 제 1 부분의 길이가 길면 길수록 압력 맥동들의 크기가 더 크다. 본 발명은 그를 따라 전기자가 축방향으로 이동하여 폐쇄 위치와 추가 위치 사이로(예를 들어, 폐쇄 위치와 완전 개방 위치 사이로)밸브 니들을 이동시키는 밸브 니들의 축방향 범위 내에 위치되는 제 2 오리피스의 도입으로 밸브 니들의 제 1 부분의 길이의 감소를 초래하는 개념을 이용한다. 그에 의해서 압력 맥동들의 크기는 유선속(fluid flux)의 어떠한 상당한 감소 없이도 감소된다.
제 2 오리피스의 위치는 바람직하게 공동의 유체 입구 부분에 가깝다. 이는 밸브 니들의 제 1 부분의 길이가 가능한 한 짧음을 보장하며 그에 대응하여 압력 맥동들의 크기가 가능한 한 낮음을 보장한다.
본 발명의 유리한 실시예에서, 리테이너는 유체 입구로부터의 유체가 중공형 밸브 니들의 내측으로 유동하는 밸브 니들의 단부에 가까운 밸브 니들의 외측 표면에 고정식으로 커플링된다. 리테이너는 리테이너에, 그리고 따라서 니들이 폐쇄 위치 쪽으로 편향되도록 밸브 니들에 힘을 가하는 제 1 스프링 요소에 차례로 연결된다. 이런 경우에 제 2 오리피스는 바람직하게, 유체 유동 방향으로 리테이너에 가깝게 위치된다. 제 2 오리피스는 바람직하게 리테이너와 제 1 오리피스 사이에 위치된다.
본 발명의 추가의 유리한 실시예에서, 디스크 요소는 전기자와 공동의 유체 출구 부분 사이에서 밸브 니들의 외측 표면에 고정식으로 커플링된다. 디스크 요소는 전기자가 디스크 요소와 접촉함으로써 정지부에 도달되기 이전에 - 특히 전기자와 디스크 요소 사이의 갭으로부터 압착될 유체에 의한 유압력들로 인해 - 그의 속도를 감소시킴으로써 전기자에 대한 감쇄 효과를 제공하도록 작동 가능할 수 있다.
리테이너 및 디스크 요소를 포함하는 본 발명의 추가의 유리한 실시예에서, 제 2 오리피스는 바람직하게 리테이너와 디스크 요소 사이에 위치된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 제 1 갭은 횡단면이 환형이다. 예를 들어, 전기자는 중심 개구를 가지며 그 개구를 통해서 밸브 니들의 중공형 샤프트가 연장하며 중심 개구의 직경은 양자가 축방향으로 중복되는 영역 내의 중공형 샤프트의 외경보다 더 크다. 대안으로 또는 추가로, 제 1 갭은 제 2 오리피스를 공동 체적에 유압식으로 연결하는 하나 또는 그 초과의 채널들로 구성된다.
제 2 오리피스를 통해 중공형 니들을 빠져나가는 유체가 공동 내의 유체에 유압식으로 연결되는 것을 보장하기 위해서, 즉 제 2 오리피스로부터의 유체가 밸브 니들과 전기자 사이의 제 1 갭을 통해 유동하는 것을 보장하기 위해서, 전기자와 밸브 니들 사이의 직경 틈새는 바람직하게 0.01 mm 내지 0.1 mm 범위, 특히 0.025 mm 내지 0.05 mm 범위이다. 예를 들어, 그 틈새는 0.05 mm의 값을 가진다.
본 발명의 추가의 유리한 실시예에서, 전기자는 전기자의 외측 표면 상의 외측 전기자 가이드에 이동가능하게 커플링된다. 전기자의 외측 표면은 특히 외측 원주 표면, 즉 특히 밸브 본체의 원주 측벽에 인접하고 길이방향 축선으로부터 이격된 표면이다. 외측 전기자 가이드는 밸브 본체의 원주 측벽의 일부에 의해 표시될 수 있으며 특히, 축방향으로 전기자를 안내하도록 작동할 수 있다. 외측 전기자 가이드는 충분한 크기의 제 1 갭이 전기자와 밸브 니들 사이에 유지되며 전기자가 밸브 니들에 대략 평행하게 유지되는 것을 보장한다.
밸브 니들은 또한, 예를 들어 밸브 본체와 기계식으로 상호작용하는 리테이너에 의해서 축방향으로 안내될 수 있다. 유리하게, 밸브 니들의 축방향 안내는 제 1 갭의 만족스런 크기가 특히 쉽게 유지되는 그러한 방식으로 전기자의 축방향 안내와 무관할 수 있다.
다른 양태에 따라서, 전술한 실시예들 중의 하나에 따른 밸브 조립체를 갖춘 분사 밸브가 명시된다.
밸브 조립체 및 분사 밸브의 유리한 실시예들 및 개량예들이 도면들과 관련하여 아래에서 설명된 전형적인 실시예들로부터 자명해질 것이다.
도면들에서,
도 1은 길이방향 단면도로 밸브 조립체의 전형적인 실시예를 도시하며,
도 2는 도 1의 밸브 조립체의 전형적인 실시예의 확대 단면도를 도시한다.
도 1은 분사 밸브용 밸브 조립체(1)를 도시한다. 분사 밸브는 연료를 내연 기관의 연소실 내측으로 투여하기 위한 유체 분사 밸브, 특히 연료 분사 밸브이다.
밸브 조립체(1)는 중심 길이방향 축선(L)을 갖춘 밸브 본체(2)를 포함한다. 밸브 본체(2)는 극편(4)(pole piece)이 내부에 위치되는 유체 입구 부분(18) 및 밸브 시트(6)가 배열되는 유체 출구 부분(19)을 갖춘 공동(3)을 포함한다.
중공형 밸브 니들(7)은 폐쇄 위치와 완전 개방 위치 사이에서 축방향으로 이동되도록 공동(3) 내에 배열된다. 밸브 니들(7)은 중공형 샤프트 및 그 샤프트의 한 단부에 고정되는 밸브 볼(5)을 가진다. 밸브 니들(7)은 유체 출구 부분을 밀봉하기 위해 시트(6)와 접촉하는 밸브 볼(5)에 의해서 폐쇄 위치에서 유체 출구 부분(19)을 통한 유체 유동을 방지한다. 완전 개방 위치에서, 밸브 볼(5)은 밸브 니들(7)이 유체 출구 부분(19)을 통해 유체를 방출하도록 시트(6)로부터 멀리 이격된다. 도 1 및 도 2에서, 밸브 니들(7)은 완전 개방 위치에 그려져 있다.
밸브 니들(7)은 제 1 갭(9)이 밸브 니들(7)의 외측 표면과 전기자(8) 사이에 존재하도록 전기자(8)에 커플링된다. 제 1 간극의 폭은 전기자(8)와 축방향으로 중복되는 밸브 본체(2)의 그 부분에 의해 표시되는 외측 전기자 가이드에 의해 유지된다.
공동(3)의 유체 입구 부분(18) 내에 위치되는 밸브 니들(7)의 샤프트 단부는 예를 들어, 용접에 의해서 리테이너(10)에 고정식으로 커플링된다. 밸브 니들(7)은 리테이너(10)를 통해서 제 1 스프링 요소(11)에 부착된다. 스프링 요소는 다른 힘들이 밸브 니들에 작용하지 않을 때 밸브 니들(7)을 폐쇄 위치에 유지한다. 전기자(8)는 리테이너(10)와의 기계적 상호작용에 의해서 제 1 스프링 요소(11)의 힘과는 반대로 밸브 니들(7)을 개방 위치로 이동시킨다. 전기자(8)는 작동기 조립체의 코일(12)에 의해 발생된 전자기 힘에 의해 이동된다. 제 2 스프링(13)은 전기자(8)를 리테이너(10) 쪽으로 편향시키기 위해서 전기자(8)에 부착된다. 특히, 전기자(8)는 자기 또는 다른 힘이 가해지지 않을 때 제 2 스프링(13)에 의해 리테이너(10)와 접촉되게 푸시된다.
- 하이드로 디스크(hydro disc)로서 또한 명명될 수 있는 - 디스크 요소(14)는 밸브 니들(7)의 중공형 샤프트의 외측 표면에 고정식으로 부착되며 그와 같은 위치에서는 전기자(8)의 속도를 감소시킬 수 있으며 최종적으로는 밸브 니들(7)이 폐쇄 위치에서 정지하며 전기자(8)가 그의 관성으로 인해 리테이너(10)로부터 분리되어 유체 출구 부분(19) 쪽으로 더 이동할 때 전기자를 정지시킨다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 개방 위치의 하이드로 디스크(14)와 전기자 사이에는 제 2 갭(15)이 있다. 이러한 제 2 갭(15)은 제 1 갭(9)으로부터 반경방향 외측으로 연장하고 공동(3) 체적에 연결된다.
밸브 니들(7)은 밸브 조립체의 하이드로 디스크(12)와 유체 출구 사이에 축방향으로 위치되는 다수의 제 1 오리피스(16)들 및 하이드로 디스크(14)와 리테이너(10) 사이에 축방향으로 위치되는 다수의 제 2 오리피스(17)들을 포함한다.
본 예에서 제 2 오리피스(17)들은 리테이너(10) 아래에 부분적으로 배열되며, 즉 제 2 오리피스(17)들은 리테이너(10)에 의해 적어도 부분적으로 커버된다. 이런 방식으로, 제 2 오리피스(17)들로부터의 유체 유동은 반경 방향의 반대로 그리고 유체 출구 부분(19) 쪽으로 유리하게 편향될 수 있다.
제 1 갭(9)은 형상이 환형이나 이와는 달리, 제 2 오리피스(17)들로부터 유동하는 유체를 제 2 스프링 요소(13)의 부근에 있는 공동(3) 내의 유체에 연결하는 하나 또는 그 초과의 채널들로 구성될 수 있다. 제 1 갭(9)은 제 2 오리피스(17)들로부터 제 2 갭(15)으로 축방향으로 연장한다. 따라서, 유체는 밸브 니들(7)의 중공형 사프트로부터 샤프트의 측벽 내의 제 2 오리피스(17)들을 통해 유동할 수 있으며, 전기자(8) 및 샤프트를 따라서 제 1 갭(9)을 통해 축방향으로 추가로 유동될 수 있으며 그 후에 전기자(8)의 바닥 표면을 따라서 그리고 디스크 요소(14)를 따라서 제 2 갭(15)을 통해 반경방향으로 유동될 수 있다.
밸브 니들(7)이 폐쇄 위치로부터 추가의 위치로 전기자(8)가 극편(4)과 맞닿는 완전 개방 위치 쪽으로 떨어지도록 변위될 때, 유체는 극편(4) 내측에 있는 공동(3)의 유체 입구 부분(18)을 통해 중공형 밸브 니들(7)의 내측으로 유동한다. 유체의 대부분은 중공형 니들(7)을 통해 유동하며, 제 1 오리피스(16)들을 통해 밸브 니들(3)을 둘러싸는 공동(3)의 부분으로 중공형 밸브 니들(7)을 이탈하며 밸브 니들(7)이 폐쇄 위치로부터 떨어지는 축방향으로 변위될 때, 즉 밸브 볼(5)이 시트(6)로부터 떨어지게 이격될 때 유체 출구 부분(19)에서 공동(3)으로부터 방출된다. 유체의 작은 부분은 제 2 오리피스(17)들을 통해 밸브 니들(7)을 빠져나가며 제 1 및 제 2 갭(9,15)들을 통해서 밸브 니들(7)의 외측 표면과 밸브 본체(2)의 내측 표면 사이의 공동(3)의 부분으로 유동한다. 제 2 오리피스(17)들의 위치는 압력 맥동들의 크기 감소를 유도한다.

Claims (6)

  1. 분사 밸브용 밸브 조립체(1)로서,
    중심의 길이방향 축선(L)을 포함하고, 유체 입구 부분(18) 및 유체 출구 부분(19)을 갖춘 공동(3)을 포함하는 밸브 본체(2)와,
    중공형이고 공동(3) 내에서 축방향으로 이동가능한 밸브 니들(7)로서, 폐쇄 위치에서 유체 출구 부분(19)을 통한 유체 유동을 방지하고 추가 위치들에서 유체 출구 부분(19)을 통해 유체를 방출하며, 유체가 유체 입구 부분(18)으로부터 중공형 밸브 니들(7)로 유동할 수 있도록 배열되는, 밸브 니들(7), 및
    밸브 니들(7)을 가동시키도록 구성되는 작동기 조립체로서, 공동(3) 내에서 축방향으로 이동가능한 전기자(8)를 포함하는 작동기 조립체를 포함하며,
    상기 밸브 니들(7)은 전기자(8)와 유체 출구 부분(19) 사이에 축방향으로 위치되는 하나 이상의 제 1 오리피스(16)를 포함하며,
    상기 밸브 니들(7)은 전기자(8)의 축방향 범위 및/또는 유체 입구 부분(18) 쪽으로 지향하는 전기자(8)의 축방향 단부로부터 시작하는, 전기자(8)의 반대방향으로 연장하는 축방향 범위 내에 위치되는 하나 이상의 제 2 오리피스(17)를 포함하며,
    상기 제 1 및 제 2 오리피스(16,17)들은 중공형 밸브 니들(7)과 공동(3) 사이에서 유체 유동을 허용하도록 구성되며,
    상기 밸브 니들(7) 및 전기자(8)는 제 1 갭(9)이 밸브 니들(7)과 전기자(8) 사이에 존재하도록 배열되며, 상기 제 1 갭(9)은 중공형 밸브 니들(7)로부터 제 2 오리피스(17)를 통해 제 1 갭(9)으로 그리고 추가로 공동(3)으로의 유체 유동을 허용하도록 제공되는,
    분사 밸브용 밸브 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 밸브 니들(7)은 폐쇄 위치의 반대 방향으로 밸브 니들(7)에 대한 전기자(8)의 축방향 변위를 제한하기 위한 리테이너(10), 및 상기 리테이너(10)와 대향하는 전기자(8)의 측에 있으며 리테이너(10)의 반대의 축방향 방향으로 밸브 니들(7)에 대한 전기자(8)의 축방향 변위를 제한하도록 작동하는 방식으로 그리고 상기 전기자(8)가 리테이너(10)와 디스크 요소(14) 사이에 밸브 니들(7)에 대한 예정된 축방향 유격을 갖는 방식으로 위치되는 디스크 요소(14)를 가지는,
    분사 밸브용 밸브 조립체.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 갭(9)은 횡단면이 환형이거나 하나 또는 그 초과의 채널들로 구성되는,
    분사 밸브용 밸브 조립체.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 갭(9)은 대략 0.05 mm의 폭인,
    분사 밸브용 밸브 조립체.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기자(8)의 외측 표면에 이동가능하게 커플링되는 외부 전기자 가이드를 더 포함하는,
    분사 밸브용 밸브 조립체.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 밸브 조립체(1)를 갖춘 분사 밸브.
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