(57)【要約】【課題】貯湯タンク内の温度分布を考慮して貯湯熱量を算出することができ、貯湯熱量の算出精度を高めることができるコージェネレーションシステムを提供することを目的とする。【解決手段】全体を制御する制御装置５と、エンジン発電機等の排熱装置３０１の排熱により熱交換を行って湯水を加熱し、温度成層を形成して貯湯タンク１０１に貯湯を行う貯湯系統１とを有するコージェネレーションシステムにおいて、貯湯タンクにおける各部位の湯水温度を計測する複数の貯湯温度センサ１０３〜１０６を備え、制御装置は、貯湯タンクにおける湯水の温度分布の経験値に基づき、複数の貯湯温度センサが計測した各部位の湯水温度に重み係数を掛けて貯湯タンクにおける温度成層の各層の貯湯熱量を算出する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
全体を制御する制御装置と、エンジン発電機等の排熱装置の排熱により熱交換を行って湯水を加熱し、温度成層を形成して貯湯タンクに貯湯を行う貯湯系統とを有するコージェネレーションシステムにおいて、
前記貯湯タンクにおける各部位の湯水温度を計測する複数の貯湯温度センサを備え、
前記制御装置は、前記貯湯タンクにおける湯水の温度分布の経験値に基づき、前記複数の貯湯温度センサが計測した前記各部位の湯水温度に重み係数を掛けて前記貯湯タンクにおける前記温度成層の各層の貯湯熱量を算出することを特徴とするコージェネレーションシステム。
【請求項２】
前記貯湯タンクはＶリットルのタンクであり、前記貯湯タンクを上方から下方へｎ分割して上方から下方へ第１層、第２層、・・・、第ｎ層を形成し、第１層の上端位置、第１層と第２層との境界位置、第２層と第３層との境界位置、・・・、第ｎ−１層と第ｎ層との境界位置および第ｎ層の下端位置に各部位の湯水温度を計測する第１〜第ｎ＋１のｎ＋１個の貯湯温度センサを備え、
前記制御装置は、前記第１〜第ｎ＋１の貯湯温度センサの温度（摂氏）をＴ１、Ｔ２、Ｔ３、・・・、Ｔｎ＋１とし、第１層、第２層、第３層、・・・、第ｎ層における前記重み係数をＫ１、Ｋ２、Ｋ３、・・・、Ｋｎとし、給水温度をＴｉとしたとき、前記貯湯タンクにおける貯湯熱量を｛（Ｋ１×Ｔ１＋（１−Ｋ１）×Ｔ２−Ｔｉ）×Ｖ／ｎ＋（Ｋ２×Ｔ２＋（１−Ｋ２）×Ｔ３−Ｔｉ）×Ｖ／ｎ＋（Ｋ３×Ｔ３＋（１−Ｋ３）×Ｔ４−Ｔｉ）×Ｖ／ｎ＋・・・＋（Ｋｎ×Ｔｎ＋（１−Ｋｎ）×Ｔｎ＋１−Ｔｉ）×Ｖ／ｎ｝×４１８６．０５に基づいて算出することを特徴とする請求項１に記載のコージェネレーションシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、都市ガス、ＬＰガス等を用いてガスエンジン発電機や燃料電池発電機を運転し電気を発生し、副産物として発生した熱を貯湯式の湯水の加熱に利用するコージェネレーションシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
コージェネレーションシステムにおいては、ガスエンジン発電機等の排熱装置の排熱により熱交換を行って湯水を加熱し、加熱した湯水を貯湯タンクに供給して貯湯タンク内に温度成層を形成する貯湯系統があり、この貯湯系統の貯湯タンクにおける貯湯熱量を正確に推定することは、給湯能力や運転開始時間決定等の点から極めて重要なことである。
【０００３】
従来、貯湯タンクにおける貯湯熱量Ｑは、貯湯タンク内に配設された１個の貯湯温度センサの温度から算出していた。例えば、その貯湯温度センサの温度をＴＳとしたときの給水温度Ｔｉと貯湯タンク容量Ｖリットルから、
Ｑ＝（ＴＳ−Ｔｉ）×Ｖ×４１８６．０５（Ｊ）・・・・・（１）
と算出していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように、上記従来のコージェネレーションシステムでは、１個の貯湯温度センサの温度から貯湯タンクにおける貯湯熱量を算出しており、貯湯タンク内の温度分布は考慮されておらず、貯湯熱量の算出精度が低いという問題点を有していた。また、算出精度が低いため運転開始時間の誤差が大きく開始時間が早すぎて省エネルギー性に欠けたり、また、開始時間が遅すぎて給湯温度が低すぎるという問題点を有していた。
【０００５】
本発明は、上記問題点を解消するため、貯湯タンク内の温度分布を考慮して貯湯熱量を算出することができ、貯湯熱量の算出精度を高めることができ、省エネルギー性等に優れたコージェネレーションシステムを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明のコージェネレーションシステムは、全体を制御する制御装置と、エンジン発電機等の排熱装置の排熱により熱交換を行って湯水を加熱し、温度成層を形成して貯湯タンクに貯湯を行う貯湯系統とを有するコージェネレーションシステムにおいて、貯湯タンクにおける各部位の湯水温度を計測する複数の貯湯温度センサを備え、制御装置は、貯湯タンクにおける湯水の温度分布の経験値に基づき、複数の貯湯温度センサが計測した各部位の湯水温度に重み係数を掛けて貯湯タンクにおける温度成層の各層の貯湯熱量を算出する構成を備えている。
これにより、貯湯タンク内の温度分布を考慮して貯湯熱量を算出することができ、貯湯熱量の算出精度を高めることができるコージェネレーションシステムが得られる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載のコージェネレーションシステムは、全体を制御する制御装置と、エンジン発電機等の排熱装置の排熱により熱交換を行って湯水を加熱し、温度成層を形成して貯湯タンクに貯湯を行う貯湯系統とを有するコージェネレーションシステムにおいて、貯湯タンクにおける各部位の湯水温度を計測する複数の貯湯温度センサを備え、制御装置は、貯湯タンクにおける湯水の温度分布の経験値に基づき、複数の貯湯温度センサが計測した各部位の湯水温度に重み係数を掛けて貯湯タンクにおける温度成層の各層の貯湯熱量を算出することとしたものである。
この構成により、温度成層をなす貯湯タンクにおいては各成層部分で温度分布が異なることを考慮した重み係数を各層の貯湯熱量の算出に適用することができるので、重み係数を考慮することなく１つの温度だけで貯湯熱量を算出した従来のシステムに比べて遥かに高精度に貯湯熱量を算出することができるという作用を有する。
【０００８】
請求項２に記載のコージェネレーションシステムは、請求項１に記載のコージェネレーションシステムにおいて、貯湯タンクはＶリットルのタンクであり、貯湯タンクを上方から下方へｎ分割して上方から下方へ第１層、第２層、・・・、第ｎ層を形成し、第１層の上端位置、第１層と第２層との境界位置、第２層と第３層との境界位置、・・・、第ｎ−１層と第ｎ層との境界位置および第ｎ層の下端位置に各部位の湯水温度を計測する第１〜第ｎ＋１のｎ＋１個の貯湯温度センサを備え、制御装置は、第１〜第ｎ＋１の貯湯温度センサの温度（摂氏）をＴ１、Ｔ２、Ｔ３、・・・、Ｔｎ＋１とし、第１層、第２層、第３層、・・・、第ｎ層における重み係数をＫ１、Ｋ２、Ｋ３、・・・、Ｋｎとし、給水温度をＴｉとしたとき、貯湯タンクにおける貯湯熱量を｛（Ｋ１×Ｔ１＋（１−Ｋ１）×Ｔ２−Ｔｉ）×Ｖ／ｎ＋（Ｋ２×Ｔ２＋（１−Ｋ２）×Ｔ３−Ｔｉ）×Ｖ／ｎ＋（Ｋ３×Ｔ３＋（１−Ｋ３）×Ｔ４−Ｔｉ）×Ｖ／ｎ＋・・・＋（Ｋｎ×Ｔｎ＋（１−Ｋｎ）×Ｔｎ＋１−Ｔｉ）×Ｖ／ｎ｝×４１８６．０５に基づいて算出することとしたものである。
この構成により、ｎ層の温度成層をなす貯湯タンクにおける各層の重み係数を上層から順にＫ１、Ｋ２、Ｋ３、・・・、Ｋｎと定め、この重み係数Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、・・・、Ｋｎと各層に関する温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、・・・、Ｔｎ＋１とを用いて各層の貯湯熱量を正確に算出することができるので、従来のシステムに比べて遥かに高精度に貯湯熱量を算出することができるという作用を有する。
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について、図１、図２を用いて説明する。
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１によるコージェネレーションシステムを構成する貯湯系統を示す構成図である。
【００１０】
図１において、１は温度成層を形成して貯湯を行う貯湯系統、２はお湯を供給する給湯系統、３はガスエンジン発電機の排熱を利用して（例えばウォータージャケットからの湯を利用して）貯湯系統１における湯水の加熱等を行うエンジン排熱系統、４は給湯のお湯を加熱するための補助加熱系統、５は全体を制御する制御装置である。
【００１１】
貯湯系統１は、貯湯タンク１０１、循環ポンプ（貯湯ポンプ）１０２、逆流防止の逆止弁１０２ａ、湯水の温度を計測する貯湯温度センサ１０３〜１０６、通水水量を連続的に制御する水量制御弁１０７、通水のオン、オフ制御を行う給水弁１０８、循環する湯水の温度を計測する循環湯温度センサ１０９、温度成層を形成するためのじゃま板１１０、１１１、熱の供給側１１５と受給側１１６とから成る熱交換器１１４、循環ポンプ１０２から吐出される湯水をバイパスする貯湯弁１２４を有する。
【００１２】
給湯系統２は、逆流防止の逆止弁１２２、通水水量を連続的に制御する水量制御弁１１３、貯湯タンク１０１からの湯と給水口１１８からの水とを混合する混合弁１１２、お湯供給の給湯口１１７、圧力調整の減圧弁１１９、給水温度を計測する給水温度センサ１２０、水量を計測する水量センサ１２１、排水口１２３を有する。
【００１３】
エンジン排熱系統３は、都市ガス・ＬＰガス等を用いて発電と排熱を行う（すなわち電気と熱を併給する）排熱装置としてのガスエンジン発電機３０１、排熱ポンプ３０２を有する。
補助加熱系統４は、方向性のある水流センサ（方向性水流センサ、図示せず）を有する補助熱源４０１、加熱温度センサ４０２を有する。
ここで、ガスエンジン発電機３０１から熱交換器１１４へ供給される湯の温度は７５〜８０℃程度である。
【００１４】
以上のように構成されたコージェネレーションシステムについて、貯湯系統１および給湯系統２の動作を説明する。
貯湯動作においては、貯湯ポンプ１０２は図示しないモータにより駆動され、また熱交換器１１４は熱交換を行い、給水弁１０８は開放状態（オン状態）となっていて、水量制御弁１０７は、貯湯タンク１０１の上部から貯湯タンク１０１内に流入する湯水の量が適量となるように、その開度を制御される。熱交換器１１４の受給側１１６で熱交換されて加熱された湯は循環湯温度センサ１０９を経て循環ポンプ１０２から貯湯タンク１０１へ供給され、水量制御弁１０７→給水弁１０８→熱交換器１１４→貯湯ポンプ１０２→貯湯タンク１０１というように循環する。この循環ポンプ１０２→貯湯タンク１０１→水量制御弁１０７→給水弁１０８→熱交換器１１４の循環路を第１の循環路と呼ぶ。循環ポンプ１０２から貯湯タンク１０１への供給量は、水量制御弁１０７の開度により制御されるが、貯湯タンク１０１内で温度成層を形成するように５０リットル／時間程度に制御される。水量制御弁１０７で制御可能な水量の分解能は１００リットル／時間程度であるので、この分解能を例えば１０リットル／時間程度に向上させるために貯湯弁１２４でバイパスさせる。すなわち、貯湯弁１２４で９０リットル／時間をバイパスさせれば、分解能は１０リットル／時間となる。また貯湯弁１２４は循環ポンプ１０２や熱交換器１１４などと共に循環路（第２の循環路）を形成しており、第１の循環路における湯水の温度が低い場合には、給水弁１０８を閉鎖状態（オフ状態）として第２の循環路のみを形成し、熱交換器１１４による温度上昇を待つ。給湯口１１７の開放により貯湯タンク１０１内の貯湯量が減少した場合には、給水口１１８からの給水圧が貯湯タンク１０１の底部の水圧に対して相対的に高まり、給水が行われる。給水口１１８からの給水は減圧弁１１９や水量センサ１２１などを経由して行われる。
【００１５】
給湯時においては、貯湯タンク１０１内の湯は、補助熱源４０１と混合弁１１２と水量制御弁１１３を経由して給湯口１１７から供給される。補助熱源４０１は、貯湯温度センサ１０３の計測温度が低く、補助熱源４０１に内蔵の水流センサが水流を検知したときに、通水を加熱する。したがって、貯湯タンク１０１の貯湯の温度が低い場合には補助熱源４０１で加熱された湯が給湯口１１７から供給されることになり、低温湯が供給されることを防止することができる。
【００１６】
図２は、図１の貯湯タンク１０１における温度成層を示す説明図である。
図２において、５０１は貯湯タンク１０１の温度成層を構成する上層部、５０２は中層部、５０３は下層部である。ここでは貯湯タンク１０１は１５０リットルのタンクであり、貯湯タンク１０１を上方から下方へ５０リットル（５０Ｌ）で３分割して上層部５０１、中層部５０２および下層部５０３を形成している。上層部５０１の上端位置には第１の貯湯温度センサ１０３が配設され、上層部５０１と中層部５０２との境界位置には第２の貯湯温度センサ１０４、中層部５０２と下層部５０３との境界位置には第３の貯湯温度センサ１０５、下層部５０３の下端位置に第４の貯湯温度センサ１０６が配設されている。ここで、各貯湯温度センサ１０３、１０４、１０５、１０６の計測温度は摂氏Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４である。
【００１７】
図２で、上層部５０１における重み係数をＫ１とし、中層部５０２における重み係数をＫ２とし、下層部５０３における重み係数をＫ３とし、給水温度（給水温度センサ１２０の計測温度）をＴｉとしたとき、貯湯タンクにおける貯湯熱量Ｑ（Ｊ）は次式（２）のようになる。
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重み係数Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３は、貯湯タンク１０１の各層５０１、５０２、５０３における過去の温度分布データを考慮した経験値である。ここで、Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３の値としては例えばＫ１＝Ｋ２＝０．２、Ｋ３＝０．５である。Ｋ１＝Ｋ２＝０．２とは、上層部５０１においては温度Ｔ２の影響が温度Ｔ１の影響よりも大きいことを示す。これは、上層部５０１の８割の部分は温度Ｔ２に近く、２割の部分は温度Ｔ１に近いことを意味する。これは中層部５０２においても同様である。下層部５０３においては温度Ｔ３とＴ４の影響が同じであることを示す。
【００１８】
なお、本実施の形態では、熱と電気を発生するものとしてガスエンジン発電機３０１について記載したが、本発明はこれに限らず、同じく熱と電気を発生する燃料電池などについても同様に適用でき、同様の効果を奏するものである。また、貯湯タンク１０１内における温度成層を３層としたが、本発明はこれに限らず、貯湯熱量の算出式を簡略にするために２層としてもよく、算出精度を高めるために４層以上としてもよい。
【００１９】
以上のように本実施の形態によれば、制御装置５は、貯湯タンク１０１における湯水の温度分布の経験値に基づき、複数の貯湯温度センサ１０３〜１０６が計測した各部位の湯水温度に重み係数を掛けて貯湯タンク１０１における温度成層の各層の貯湯熱量を算出することにより、温度成層をなす貯湯タンク１０１においては各成層部分で温度分布が異なることを考慮した重み係数を各層５０１〜５０３の貯湯熱量の算出に適用することができるので、重み係数を考慮することなく１つの温度だけで貯湯熱量を算出した従来のシステムに比べて遥かに高精度に貯湯熱量Ｑを算出することができる。
【００２０】
また、貯湯タンク１０１は１５０リットルのタンクであり、貯湯タンク１０１を上方から下方へ５０リットルで３分割して上層部５０１、中層部５０２および下層部５０３を形成し、上層部５０１の上端位置、上層部５０１と中層部５０２との境界位置、中層部５０２と下層部５０３との境界位置および下層部５０３の下端位置に各部位の湯水温度を計測する第１〜第４の４個の貯湯温度センサ１０３〜１０６を備え、制御装置５は、第１〜第４の貯湯温度センサ１０３〜１０６の温度をＴ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４とし、上層部５０１における重み係数をＫ１とし、中層部５０２における重み係数をＫ２とし、下層部５０３における重み係数をＫ３とし、給水温度をＴｉとしたとき、貯湯タンク１０１における貯湯熱量Ｑを｛（Ｋ１×Ｔ１＋（１−Ｋ１）×Ｔ２−Ｔｉ）×５０＋（Ｋ２×Ｔ２＋（１−Ｋ２）×Ｔ３−Ｔｉ）×５０＋（Ｋ３×Ｔ３＋（１−Ｋ３）×Ｔ４−Ｔｉ）×５０｝×４１８６．０５に基づいて算出することにより、３層の温度成層５０１〜５０３をなす貯湯タンク１０１における各層の重み係数を上層部から順にＫ１、Ｋ２、Ｋ３と定め、この重み係数Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３と各層に関する温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４とを用いて各層の貯湯熱量を正確に算出することができるので、従来のシステムに比べて遥かに高精度に貯湯熱量を算出することができる。
すなわち、一般的には、貯湯タンクはＶリットルのタンクであり、貯湯タンクを上方から下方へｎ分割して上方から下方へ第１層、第２層、・・・、第ｎ層を形成し、第１層の上端位置、第１層と第２層との境界位置、第２層と第３層との境界位置、・・・、第ｎ−１層と第ｎ層との境界位置および第ｎ層の下端位置に各部位の湯水温度を計測する第１〜第ｎ＋１のｎ＋１個の貯湯温度センサを備え、制御装置は、第１〜第ｎ＋１の貯湯温度センサの温度（摂氏）をＴ１、Ｔ２、Ｔ３、・・・、Ｔｎ＋１とし、第１層、第２層、第３層、・・・、第ｎ層における重み係数をＫ１、Ｋ２、Ｋ３、・・・、Ｋｎとし、給水温度をＴｉとしたとき、貯湯タンクにおける貯湯熱量を｛（Ｋ１×Ｔ１＋（１−Ｋ１）×Ｔ２−Ｔｉ）×Ｖ／ｎ＋（Ｋ２×Ｔ２＋（１−Ｋ２）×Ｔ３−Ｔｉ）×Ｖ／ｎ＋（Ｋ３×Ｔ３＋（１−Ｋ３）×Ｔ４−Ｔｉ）×Ｖ／ｎ＋・・・＋（Ｋｎ×Ｔｎ＋（１−Ｋｎ）×Ｔｎ＋１−Ｔｉ）×Ｖ／ｎ｝×４１８６．０５に基づいて算出することにより、ｎ層の温度成層をなす貯湯タンクにおける各層の重み係数を上層から順にＫ１、Ｋ２、Ｋ３、・・・、Ｋｎと定め、この重み係数Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、・・・、Ｋｎと各層に関する温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、・・・、Ｔｎ＋１とを用いて各層の貯湯熱量を正確に算出することができるので、従来のシステムに比べて遥かに高精度に貯湯熱量を算出することができる。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の請求項１に記載のコージェネレーションシステムによれば、全体を制御する制御装置と、エンジン発電機等の排熱装置の排熱により熱交換を行って湯水を加熱し、温度成層を形成して貯湯タンクに貯湯を行う貯湯系統とを有するコージェネレーションシステムにおいて、貯湯タンクにおける各部位の湯水温度を計測する複数の貯湯温度センサを備え、制御装置は、貯湯タンクにおける湯水の温度分布の経験値に基づき、複数の貯湯温度センサが計測した各部位の湯水温度に重み係数を掛けて貯湯タンクにおける温度成層の各層の貯湯熱量を算出することにより、温度成層をなす貯湯タンクにおいては各成層部分で温度分布が異なることを考慮した重み係数を各層の貯湯熱量の算出に適用することができるので、重み係数を考慮することなく１つの温度だけで貯湯熱量を算出した従来のシステムに比べて遥かに高精度に貯湯熱量を算出することができるという有利な効果が得られる。
【００２２】
請求項２に記載のコージェネレーションシステムによれば、請求項１に記載のコージェネレーションシステムにおいて、貯湯タンクはＶリットルのタンクであり、貯湯タンクを上方から下方へｎ分割して上方から下方へ第１層、第２層、・・・、第ｎ層を形成し、第１層の上端位置、第１層と第２層との境界位置、第２層と第３層との境界位置、・・・、第ｎ−１層と第ｎ層との境界位置および第ｎ層の下端位置に各部位の湯水温度を計測する第１〜第ｎ＋１のｎ＋１個の貯湯温度センサを備え、制御装置は、第１〜第ｎ＋１の貯湯温度センサの温度（摂氏）をＴ１、Ｔ２、Ｔ３、・・・、Ｔｎ＋１とし、第１層、第２層、第３層、・・・、第ｎ層における重み係数をＫ１、Ｋ２、Ｋ３、・・・、Ｋｎとし、給水温度をＴｉとしたとき、貯湯タンクにおける貯湯熱量を｛（Ｋ１×Ｔ１＋（１−Ｋ１）×Ｔ２−Ｔｉ）×Ｖ／ｎ＋（Ｋ２×Ｔ２＋（１−Ｋ２）×Ｔ３−Ｔｉ）×Ｖ／ｎ＋（Ｋ３×Ｔ３＋（１−Ｋ３）×Ｔ４−Ｔｉ）×Ｖ／ｎ＋・・・＋（Ｋｎ×Ｔｎ＋（１−Ｋｎ）×Ｔｎ＋１−Ｔｉ）×Ｖ／ｎ｝×４１８６．０５に基づいて算出することにより、ｎ層の温度成層をなす貯湯タンクにおける各層の重み係数を上層から順にＫ１、Ｋ２、Ｋ３、・・・、Ｋｎと定め、この重み係数Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、・・・、Ｋｎと各層に関する温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、・・・、Ｔｎ＋１とを用いて各層の貯湯熱量を正確に算出することができるので、従来のシステムに比べて遥かに高精度に貯湯熱量を算出することができるという有利な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１によるコージェネレーションシステムを示す構成図
【図２】図１の貯湯タンクにおける温度成層を示す説明図
【符号の説明】
１　貯湯系統
２　給湯系統
３　エンジン排熱系統
４　補助加熱系統
５　制御装置
１０１　貯湯タンク
１０２　循環ポンプ
１０２ａ、１２２　逆止弁
１０３、１０４、１０５、１０６　貯湯温度センサ
１０７、１１３　水量制御弁
１０８　給水弁
１０９　循環湯温度センサ
１１０、１１１　じゃま板
１１２　混合弁
１１４　熱交換器
１１５　熱の供給側
１１６　熱の受給側
１１７　給湯口
１１８　給水口
１１９　減圧弁
１２０　給水温度センサ
１２１　水量センサ
１２３　排水口
１２４　貯湯弁
３０１　ガスエンジン発電機
３０２　排熱ポンプ
４０１　補助熱源
４０２　加熱温度センサ
５０１　上層部
５０２　中層部
５０３　下層部
【図１】
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【図２】
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