(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サージアレスタであって、
電気プラントのアクティブなリード線に接続するための第１および第２の接続端子（１、２）であって、これらの間に、前記接続端子へ電気接続される１対の電極（４）を装備する防護エレメント（３）が挿入される、第１および第２の接続端子（１、２）と、
前記第１の端子（１）へ電気接続されるベース端（５ａ）と前記電極（４）へ電気接続されて保持される遠位端とを有する金属プレート（５）を備える前記第１の端子（１）と、前記防護エレメント（３）の電極（４）との間に配置される断路器であって、前記金属プレート（５）は、予め設定された閾値を超える短絡電流の存在下でこれを昇華させることに適する材料および断面で作られる、断路器と、
電気アークの発現を横断するように、前記金属プレート（５）の前記ベース端（５ａ）と前記防護エレメント（３）の前記電極（４）との間に存在する、長手方向に沿って長手方向に摺動可能に取り付けられる遮断スライダ（７）と、
前記遮断スライダ（７）のための摺動ガイド（６）であって、前記遮断スライダ（７）は、前記長手方向に、予め荷重された弾性手段（８）を介して、前記金属プレート（５）の一部に当接する遮断部分へ向かって付勢される、摺動ガイド（６）とを備え、
前記遮断スライダ（７）は、後端が開放されかつ前端が閉止されている、中空の細長い本体形状であって、前記予め荷重されている弾性手段（８）を部分的に収容することと、
前記遮断スライダ（７）には、前記中空本体の側壁に、その厚さを介して延びかつ前記遮断スライダ（７）の前記中空の細長い本体の外側と内側とを連通させる少なくとも１つの開口（１０）が装備されることを特徴とする、サージアレスタ。
【請求項２】
前記開口（１０）は、狭く長手方向に細長い開口の形状であることを特徴とする、請求項１に記載のサージアレスタ。
【請求項３】
前記開口（１０）は、前記摺動ガイド（６）の案内リブ（９）が係合しやすい前記遮断スライダ（７）の長手方向溝（７ａ）内に達成される、請求項２に記載のサージアレスタ。
【請求項４】
バルブ本体（１１）は、前記弾性手段（８）の後端と、ガス放電ノズル（６ａ）を装備する前記摺動ガイド（６）と一体の固定当接部との間に設けられる、請求項１、２または３に記載のサージアレスタ。
【請求項５】
前記遮断スライダ（７）は、四角形の横断面を有し、かつ前記開口（１０）は、前記遮断スライダ（７）の、前記金属プレート（５）の接続経路に実質的に平行な側面上にのみ存在する、請求項１〜４の何れか一項に記載のサージアレスタ。
【請求項６】
短絡過電流用断路器であって、
電気系のアクティブな導体へ接続するための第１および第２の端子（１、２）と、
前記第１の端子（１）へ電気接続されるベース端（５ａ）と前記第２の端子（２）へ電気接続されて保持される遠位端とを有する金属プレート（５）であって、前記金属プレート（５）は、予め設定された閾値を超える短絡電流の存在下でこれを昇華させることに適する材料および断面で作られる、金属プレート（５）と、
電気アークの発現を横断するように、前記金属プレート（５）の前記ベース端（５ａ）と前記第２の端子（２）との間に存在する、長手方向に沿って長手方向に摺動可能に取り付けられる遮断スライダ（７）と、
前記遮断スライダ（７）のための摺動ガイド（６）であって、前記遮断スライダ（７）は、前記長手方向に、予め荷重された弾性手段（８）を介して、前記金属プレート（５）の一部に当接する遮断部分へ向かって付勢される、摺動ガイド（６）とを備え、
前記遮断スライダ（７）は、後端が開放されかつ前端が閉止されている、中空の細長い本体形状であって、前記予め荷重されている弾性手段（８）を部分的に収容することと、
前記遮断スライダ（７）には、前記中空本体の側壁に、その厚さを介して延びかつ前記遮断スライダ（７）の前記中空の細長い本体の外側と内側とを連通させる少なくとも１つの開口（１０）が装備されることを特徴とする、断路器。
【請求項７】
前記開口（１０）は、狭く長手方向に細長いスロットの形状であることを特徴とする、請求項６に記載の断路器。
【請求項８】
前記開口（１０）は、前記摺動ガイド（６）の案内リブ（９）が係合しやすい前記遮断スライダ（７）の長手方向溝（７ａ）内に達成される、請求項６に記載の断路器。
【請求項９】
バルブ本体（１１）は、前記弾性手段（８）の後端と、ガス放電ノズル（６ａ）を装備する前記摺動ガイド（６）と一体の固定当接部との間に設けられる、請求項６、７または８に記載の断路器。
【請求項１０】
前記遮断スライダ（７）は、四角形の横断面を有し、かつ前記開口（１０）は、前記遮断スライダ（７）の、前記金属プレート（５）の接続経路に実質的に平行な側面上にのみ存在する、請求項６〜９の何れか一項に記載の断路器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、断路器、およびサージリミッタと呼ばれる、または単にＳＰＤ（サージ防護デバイス）とも呼ばれる関連のサージアレスタに関し、具体的には、ＳＰＤが故障した場合の短絡を遮断するための断路デバイスまたは断路器を備える避雷器に関する。
【背景技術】
【０００２】
「サージアレスタ」とは、電気系のアクティブな導体と接地との間に介在して、そうでなければ電気系およびその装置に重大な損傷を生じさせる場合もあり得る過電流／過電圧のピーク−例えば、大気中の落雷および開閉動作によって発生するもの−を接地へ放電させる電気／電子デバイスを意味する。
【０００３】
実際に、直撃雷現象は、電気系に対する壊滅的な破壊的効果の主因であり、また、間接放電および開閉サージも、多くの損傷の原因であって、その起源の識別は容易ではないが、こうした効果は、高感受性プラントにとって、かつ運転連続性が不可欠である場合に等しく壊滅的である。これらの現象の持続時間は、数マイクロ秒から数百ミリ秒までと様々であるが、この超短時間で、極めて高いエネルギー含量を伝達する。これらの現象は、送電線へ接続されたプラントを保護し、延いてはその完全性および機能を保証するために、適切に遮断されなければならない。
【０００４】
これに関連して、電圧／電流比の点で可変（非線形）抵抗と同等の挙動を有するバリスタ形式のセキュリティエレメントを備える、最新の従来技術によるサージアレスタを参照する。例えば、短期間の過電圧／過電流ピークが存在する場合など、基準電圧がオーバーシュートした場合、バリスタは、急激にその抵抗を下げ、よって、前記ピークは、バリスタを介して接地へと容易に放電されることが可能であって、より高い抵抗を有するプラントの他のパーツへ伝播しない。サージアレスタの接続端子の接点は、バリスタの電極へ電気的に接合され、これらは、次に、各々相導体および保護導体および／または中性線へ接続される。避雷器の内部回路には、典型的には、バリスタとしての防護エレメントと直列に配置して「断路器」が設けられ、断路器は、防護エレメントが故障しかつ／または劣化した場合の防護機能を有する、それ自体知られる複雑な断路デバイスである。
【０００５】
熱断路器は、バリスタの電極と直列接続される様々な形状の導電体によって実質的に構成される。これは、典型的にはバリスタの電極へ、比較的低温（１２０〜１８０゜Ｃ）で溶融できる材料である低融点はんだドットを用いる溶接によって取り付けられる弾性金属プレートを備える複合ユニットから成る。弾性プレートは、弾性的に曲げられた、またはばねで荷重された状態で溶接されるが、偏向を画定する等のために弾性的に荷重された状態で配置されることから、バリスタの電極から離隔される傾向がある。この配置により、バリスタが、劣化の結果として、一時的でなく事実上連続的である多大な電流を接地へと放電し始めると、これは、ジュール効果によって加熱する傾向がある。この温度は、はんだドットへ伝達され、低融点合金の温度に達すると、はんだドットの保持力が損なわれ、金属プレートは、バリスタの電極との接触から放たれ、電気回路が開放されて安全状態が回復される。
【０００６】
したがって、所定の範囲内の短絡電流、典型的には数十アンペアの範囲内では、避雷器内の断路システムは、この断路を自律的に、即ち、避雷器自体と直列に配置される他の内部または外部デバイスを用いることなく、実行することができる。
【０００７】
しかしながら、避雷器の内部インピーダンスが突然ゼロに近い値に達し、結果として短絡が生じると、高強度電流が発生し、電気系内に受け入れ難い状態が生じる。
【０００８】
結果的には、この状態を解消するために断路デバイスが介入しなければならない。しかしながら、標準的な断路器で達成される断路は、必ずしも十分ではないことに留意されたい。実際に、電流が流れている電気回路の開放時に、電気アークが生成される可能性もあることは、考慮されるべきであり、これは、回路自体の連続性を維持しようとする。アークがそれ自体で消滅しなければ、または、断路器がアークを停止できなければ、避雷器（過熱して火災および／または爆発の可能性がある）および関連する電気プラントの双方に危険な状況が生じる。
【０００９】
典型的には、過去、ｋＡｒｍ級の著しい短絡電流を遮断することができるデバイスは、避雷器自体と直列に配置された過電流保護、例えばヒューズまたは回路ブレーカ、で構成された。
【００１０】
より最近では、同じ出願人名義の欧州特許第２７９０１９２号明細書に記載されている、１つのデバイスが、バリスタの緩慢な劣化に対処する断路容量を含み、また重要な短絡電流に対処する相対的な自消能力を有する回路開放手段をも含む、という極めて効果的な解決法が提供されている。
【００１１】
このシステムは、満足のいくものであったが、出願人は、性能に改善の余地があると述べている。
【００１２】
簡潔に言えば、欧州特許第２７９０１９２号明細書に記載されている避雷器は、通常の動作状態において、上に押さえつけられる遮断スライダを保持するような幾何学的形状を有する導体材料製の可撓金属プレートから成る断路器を備え、遮断スライダは、短絡の間に存在すると思われる電気アークを遮断して停止させることに適する幾何学的形状を有するスライダまたは移動キャリッジの形状を有し、スライダの適切な長手方向リセスには、その動作中にスライダへ押しエネルギーを供給することに適するプレロード式ばねが挿入され、これは、拘束手段として作用する断路器自体の存在によって圧縮して保持される。
【００１３】
高い短絡電流が発生すると、断路器の金属プレートが昇華してスライダが解放され、スライダは次に、形成された可能性のある電気アークを遮断して停止するという事実によって、回路の中断が生じる。
【００１４】
しかしながら、導電プレートの昇華は、２つの効果を生じること、即ち、一方で、スライダをその正常な動作位置に保持する拘束手段が除去され、よって、スライダがばねの潜在的弾性エネルギーの運動エネルギーへの変換によって動けるようになるという望ましい効果、但し一方で、主電圧と共にアークチャンバ、即ち断路器のはんだドットと金属プレートの残根部分との間の空洞、の全体内部における電気アークをトリガしかつ拡散する結果となる、プラズマと呼ばれる導電性のガス塊が形成されるという望ましくない効果、が生じることが判明している。
【００１５】
要約すると、アークチャンバにおけるプラズマの発現は、温度および圧力の瞬間的上昇を引き起こす。
【００１６】
同時に、スライダの解放は、電気アークの消滅をもたらすプロセスをトリガする（欧州特許第２７９０１９２号明細書に十分に詳述されている）が、このような動作は、圧力および温度がデバイス内で爆発効果を生じるまで過度に高くなることを防止するに足る高速で行われなければならない。
【００１７】
短絡電流が増加するにつれて、ばねの潜在的弾性エネルギーだけでは、避雷器ハウジングの機械的強度に適合するタイムスパン内で作動時間を短縮し、次に電気アークを消滅させる等のためにスライダへ推力を与えるには不十分であり得ることが分かっている。
【００１８】
具体的には、電気アークにより生成されるプラズマの高圧は、スライダの前端面へ、スライダの動きに対抗する、ばねによって生成される方向とは反対方向に、長手方向の反推力をかけることが留意されている。この圧力がこの反推力を生成する限り、スライダは、ばねによって付勢されるものの、デバイスハウジングの機械的強度に適合するタイムスパン内にアークを消滅させるに足る高速で移動することができない。この現象の臨界は、プラズマ圧力により生成される反推力が、短絡電流の２乗で増加し、逆に、ばねによってかけられる推力が、この電流に対して不変量である、という事実に固有のものである。
【００１９】
この現象は、スライダ自体の裏側のスライダ案内チャンバ内に穿孔される圧力排出孔を設けることによっても十分には緩和されない。
【００２０】
サージアレスタの他の構成は、米国特許出願公開第２０１１０１７０２１７号明細書、国際公開第２００７／０９３５７２号パンフレット、独国特許出願公開第１０２００６０４２０２８明細書、米国特許出願第２０１２００５０９３５号明細書および欧州特許第２７２５５８８号明細書にも開示されているが、これらの何れも、上述の技術的課題に対処する有益な示唆を提供するものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２１】
【特許文献１】欧州特許第２７９０１９２号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１１０１７０２１７号明細書
【特許文献３】国際公開第２００７／０９３５７２号パンフレット
【特許文献４】独国特許出願公開第１０２００６０４２０２８明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２０１２００５０９３５号明細書
【特許文献６】欧州特許第２７２５５８８号明細書
【発明の概要】
【００２２】
したがって、本発明の目的は、従来技術の問題点を解決する断路器を提供することにあり、即ち、サージアレスタ内に、昇華可能な内部薄層および電気アーク遮断のためのスライダを提供する機能上の全ての利点を全て失うことなく、断路器自体の一部の昇華により生成されるプラズマの圧力が避雷器の寿命にとって危険な限度に近づくことを回避できるようにする断路器を設けることが必要である。
【００２３】
この目的は、添付の特許請求の範囲にて必須用語で記載されている特徴によって達成される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
本発明のさらなる特徴および利点は、非限定的な例として与えられかつ添付の図面に示されている好ましい実施形態の以下の詳細な説明からより明らかとなるであろう。
【図１Ａ】装備された状態で断路器が静止しているサージアレスタの、一部を切り取った概略側面図である。
【図１Ｂ】図１Ａの線Ｂ−Ｂに沿った断面図である。
【図２】断路器がストロークの終わりに達して回路の開放を完了した状態にある、本発明によるサージアレスタの図１に類似する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１に、本明細書において引例として含まれる欧州特許第２７９０１９２号明細書からそれ自体知られるサージアレスタの構成を示す。
【００２６】
サージアレスタは、モジュールＣとして参照される箱形の本体またはハウジング内に、単一の標準モジュール内に収容されかつ電気プラント用配電盤内に配線されるような寸法で収容される。このハウジングＣには、それ自体知られる方法で、対向する２つの端子−位相リード線を接続するための第１の端子１、および保護または中性のリード線を接続するための第２の端子２−が収容されていて、これらの間に、本図ではプレート３により概略示される防護エレメント（典型的には、バリスタ）が配置され、その反対の両面に各々導電電極が配置されている（図面には、電極４のみが示されていて、反対側のもう一方は、図では見えない）。
【００２７】
電極４は、相端子１へ電気的に接続され、一方で対向電極は、接地または中性端子２へ接続される。電極４（図１Ａ）と端子１との接続は、断路器の一エレメントを構成する導体によって実現される。具体的には、断路器のこの導体は、可撓性薄層またはプレート５の形状であって、弾性的に予荷重され、かつ５ｄで示される点で適切な低融点はんだドットにより電極４へ接合される。
【００２８】
低融点はんだの製造に使用される材料および可撓性プレートの正確な構成は、この文脈に無関係であり、よってここでは詳細しない。
【００２９】
可撓性プレート５は、好ましくは、銅と同等またはそれより低い導電性を有する金属材料を用いて、薄い厚さ（約１０分の数ミリメートル、例えば０．２〜０．３ｍｍ）および縮小された断面で製造される。
【００３０】
より低い導電性（＝導電率）を有する材料が使用される場合、厚さは、例えば０．５〜１ｍｍまで増加することができる。例示的な導電率は、ＩＡＣＳ（国際軟銅規格）＜６０であってもよく、この場合、材料は、好ましくは、その導電率（銅ＩＡＣＳ＜９０）を改変して弾性を与えるため等の元素を有する銅合金から製造される。
【００３１】
このようなプレートは、有利に、予め設定された約数ｋＡｒｍ、例えば３〜１６ｋＡｒｍ（指標であって、拘束値ではない）の電流量を上回る短絡電流で動作されると、急速に昇華する、即ち固体から気体状態に移行することが考えられる。
【００３２】
プレート５（図１Ａ）の硬質の当接壁とバリスタ３を収容するための内部ハウジングとの間には、スライダ７がアークを遮断しかつ圧縮するように摺動式に収容されるガイド６が画定される。具体的には、スライダ７は、２つの平行する閉込め壁１１ａおよび１１ｂによって長手方向に案内される。さらに、好ましくは、スライダ７は、反対の両側に、ガイド６内に配置される対応する長手方向リブ９に係合してその上を摺動するための一対の長手方向溝７ａを装備する。
【００３３】
スライダ７は、静止状態（図１Ａに示す）にされている間にガイド６内で長手方向に摺動するように、片側をガイド６の底壁１３に当て、かつ反対側を可撓性プレート５の一部に当てて取り付けられる。スライダ７は、底壁１３とスライダ７の本体との間に予め圧縮されて取り付けられるばね８（図２に見える）等の弾性エレメントにより、プレート５へと（矢印Ｆ）付勢されて取り付けられる。
【００３４】
具体的には、デバイスの内部空間を活用するために、スライダ７は、ばね８の大部分が挿入される長手方向の空洞を有する。
【００３５】
好ましくは、スライダ７は、一方の前端（図中の下端）が閉じられ、もう一方の後端が開放された筒体として製造される。
【００３６】
この構造により、スライダ７は、前端に当接しかつばね８の推力に対向するプレート部分５によって保持される。
【００３７】
代わりに、プレート５の保持作用が解除されると、短絡電流によるその昇華の結果、スライダ７が解放されてばね８により矢印Ｆの方向へ押され、その電気アーク消滅機能が実行されて端壁に当接するその走行が終了する。
【００３８】
スライダ７は、閉込め案内壁１１ａおよび１１ｂとの十分な接触面積、ならびにアーク消滅機能にとって有利な高い沿面距離を確保しなければならないことから、かなりの長さ、例えば約数十ｍｍの長さでなければならないことに留意されたい。スライダ７と壁１１ａおよび１１ｂとの間に必要な摺動クリアランスに起因して、沿面距離が十分に拡張されなければ、スライダ７と案内壁１１ａおよび１１ｂとの間で電気アークがオン状態に留まってスライダの周りを循環し得る危険性が高まり、アーク消滅にとってより効果的ではなくなる。したがって、電気アークの伝搬方向に垂直であるスライダの側壁は、可能な限り拡張されることが適切である。
【００３９】
スライダのこのかなりの長さは、一部には、プラズマの圧力フロントがスライダの後側に到達しかつばね８に対向する前側に生成される推力をリバランスするまでに長い距離を移動しなければならず、その結果、スライダ動作のタイミングが長くなり、ケーシング内部に発現するエネルギーがより大きくなってデバイスが爆発する危険性があることから、プラズマの発現によって生じる問題の原因となる。
【００４０】
本発明によれば、この問題は、スライダ７の筒体の対向する壁の一方または双方に、スライダ外部の環境と、ばね８を収容するその長手方向の空洞内の環境とを連通させる１つまたは複数の開口１０（図２に見える）を設けることによって解決される。
【００４１】
このように、プラズマがアークチャンバ内へ拡散すると、圧力フロントが開口１０を介してスライダ７の長手方向の空洞に達してこれに入り、スライダ７の前端面に作用する圧力のリバランスが自動的かつ即座に決定されるが、これは、スライダばねの潜在的弾性エネルギーがプラズマ圧力によってそれ以上阻害されず、スライダを動作方向Ｆに移動させるその有効性を短時間で実行できるための有利な条件である。
【００４２】
先に述べた効果を有する、スライダと案内壁との間の沿面距離に対する悪影響を回避するために、好ましくは、前記開口１０は、四角形断面を有するスライダの上側および下側測面（即ち、添付図面のライング面に平行な面）上に位置決めされる。言い替えれば、開口１０は、電気アークが自然に伝播される経路であるプレートの拡張経路に平行な側面上に配置される。
【００４３】
さらに好ましくは、開口１０は、図２に明示されているように、対向する溝７ａ内に位置決めされる細いスリットの形状である。
【００４４】
このように、プラズマの圧力フロントは、溝７ａによって直に導かれ、開口１０を介してスライダ７の空洞に入り、かつ一方で、これは、スライダ７の前面にかかる圧力を平衡させ（ばね８の有効作用を可能にする）、もう一方で、スライダ７内部の圧力を上げることにより、後側へのみ逃げることができる矢印Ｆに従った方向の反応効果を生み出し、スライダ７の望ましい推進をさらにアシストする。
【００４５】
実際に、電気アークにより発生する、送りチャネルを介してスライダの内部チャンバ内へ運ばれる高温ガスは、内燃機関のシリンダ内のガス膨張に類似する現象によって自然に膨張する傾向がある。
【００４６】
ガスの膨張によって発生する推力は、適切には、ガスの逃げを適切に案内する構造によってスライダ速度を上げるために活用される。本発明のさらなる好ましい特徴によれば、スライダの背面に配置されてばね８の後端の支持体を形成する、逆止弁に類似するバルブ本体１１が実際に提供される。バルブ１１は、ばね８によって、排気ガスを外部へ通気するための、ハウジングＣの当接壁に形成されるノズル６ａに当接して保持され、ガスがスライダ自体に対するそのリバランスおよび押出機能を完了する前にスライダ７の空洞から逃げることを防止する。
【００４７】
好ましくは、バルブ１１は、ばね８のコイル間にシャンクが挿入されるポペット体の形状である。
【００４８】
したがって、こうして考えられたシステムは、圧力下のプラズマを適切に運搬し、かつ問題の一部（即ち、プラズマ圧力の巨大エネルギー）をその解決において変換することができる。
【００４９】
圧力に対して可変ではない力をかけることができるばね８と比較して、プラズマのこのアジュバント効果は、それがシステム全体の機械的強度の限界内にある限り、有利に、電流の二乗の関数であり、即ち、短絡電流および結果的に生じるアーク圧力が高いほど、高温ガスがスライダ上へアーク消滅を可能にする方向にかける推力が大きくなる。
【００５０】
要するに、避雷器上の内部断路システムは、以下の３原理の組合せによって、短絡電流消滅の実現を可能にする。
【００５１】
−スライダの内部チャンバにおけるプラズマ熱力学：スライダの内部空洞またはチャンバに進入するプラズマは、スライダ自体をタイムリーに介入させる条件を作り出すことによって、圧力のリバランスを可能にし、さらに、高温ガスの膨張は、プレロード式ばねによって加えられる推力に追加の推力を提供する、
−スライダの形状に起因する動力学：スライダの動きは、電気アークを延伸しかつ圧縮し、電気アークを拘束経路へと押しやる、
−電気アークの電気力学：電気アークの延伸および圧縮は、その電気抵抗を高め、かつその結果、その電圧を、駆動エネルギー（即ち、主電圧）の電圧に一致するまで高め、その結果、短絡電流が急激に減少して最終的に消滅する。
【００５２】
上述の説明から十分に理解されるように、本発明の構成は、単純であるにも関わらず、導電性プレートの昇華に起因する重大な量の導電性プラズマを発現させる高い短絡電流の存在下であっても、断路器デバイスにより、アークの安全な遮断に極めて有効である。
【００５３】
しかしながら、本発明は、先に例示した特定の配置によって限定されると考えられるべきではなく、この配置は、本発明の単なる例示的な実装を表すものであって、避雷器の内部または外部において様々な変形が可能であり、以下の特許請求の範囲により規定される本発明自体の範囲から逸脱することなく、全てが当業者により実現可能であることは、理解される。
【００５４】
例えば、上述のデバイスは、プラントの短絡電流（Ｉｓｃ）がＳＰＤの断路デバイスの主電流（Ｉｆｉ）の自消能力より大きい場合に必要とされるべき過電流リミッタと調和するような大きさにされる。
【００５５】
さらに、上述の断路デバイス（断路器）は、特殊なエンクロージャ（ハウジング）内に実装されて、サージアレスタの有無に関わらず、独立した短絡開閉デバイスとして使用されることも可能である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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