(57)【要約】【課題】年間を通じて太陽熱を利用することが出来る、高効率なヒートポンプ式冷温水冷房暖房装置を提供する。【解決手段】タンク温度検知手段によって検出された温度が太陽熱集熱部温度検出手段によって検出された温度より低い場合に、熱源用三方弁を駆動してヒートポンプサイクルによる沸き上げから太陽熱集熱装置による沸き上げに切り替えることにより、太陽熱を給湯だけでなく暖房にも熱源として利用する事が出来る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を加熱および冷却するヒートポンプサイクルと、前記ヒートポンプサイクル内において冷媒を圧縮する圧縮機と、前記ヒートポンプサイクル内において大気中の熱の吸収および、大気中への熱の放出を促進する送風ファンと、前記ヒートポンプサイクルの冷媒と水と熱交換して高温水または冷水にする水冷媒熱交換器と、湯水を貯える貯湯タンクと、室内を暖冷房する暖房端末、冷房端末と、太陽熱集熱装置と、前記貯湯タンクと太陽熱集熱装置と前記暖房端末および冷房端末を接続する循環回路と、前記循環回路に水冷媒熱交で加熱された湯水を循環させるヒートポンプサイクル側循環ポンプと、前記循環回路に前記貯湯タンクに貯えた湯水を循環させるタンク側循環ポンプと、前記水冷媒熱交換器から前記循環回路へ向かう出湯温度を検出する出湯温度検出手段と、前記循環回路から前記水冷媒熱交換器へ戻って来る入水の温度を検出する入水温度検出手段と、前記貯湯タンク内の湯水の温度を検出するタンク温度検出手段と、前記太陽熱集熱装置と、太陽熱集熱部温度検出手段と、熱源としてのヒートポンプサイクルまたは太陽熱集熱装置に接続する流路を切り替える熱源用三方弁を備え、前記タンク温度検知手段によって検出された温度が前記太陽熱集熱部温度検出手段によって検出された温度より低い場合に、前記熱源用三方弁を駆動してヒートポンプサイクルによる沸き上げから太陽熱集熱装置による沸き上げに切り替えることを特徴とするヒートポンプ式冷温水冷房暖房装置。
【請求項２】
前記貯湯タンク内の湯水を沸き上げるタンクヒーターと、前記貯湯タンクまたは暖房端末、冷房端末に接続する流路を切り替える端末用三方弁を備え、冷房時には端末用三方弁を駆動しヒートポンプサイクルによる冷房を行い、タンクヒーターまたは、太陽熱集熱装置にて前記貯湯タンクを沸き上げる事を特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式冷温水冷房暖房装置。
【請求項３】
前記貯湯タンク内部を上下に分割する仕切り板を備え、前記太陽熱集熱装置と前記貯湯タンクとの接続部を前記貯湯タンクの下方に配置したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒートポンプ式冷温水冷房暖房装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプを用いて生成した冷・温水で冷房および暖房を行うヒートポンプ式冷温水冷房暖房装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、石油やガスなどの燃焼系の燃料を熱源とした暖房機器の利用が大半を占めていたが、近年では、ヒートポンプ技術を利用した暖房市場が急激に拡大している。また、従来の空気調和機においてもヒートポンプ技術を利用して、冷房と暖房の双方を利用することができるものもある。
【０００３】
しかしながら、従来の空気調和機だけでは、暖房時に足元が暖まりにくい等の課題があり、それを解消するためにヒートポンプ技術を利用した温水暖房装置が開発されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の温水暖房装置では、高温冷媒と温水とを熱交換して、熱交換して昇温した温水を床暖房パネル等の暖房端末へ送り、暖房を行っている。
【０００４】
図４は、従来のヒートポンプ式冷温水冷房暖房装置の構成図である。
【０００５】
図４に示すように、従来のヒートポンプ式冷温水冷房暖房装置は、圧縮機１０１と、水冷媒熱交換器１０２の冷媒流路と、減圧装置１０３と、蒸発器１０４とを、順次冷媒配管１０５で環状に接続して冷凍サイクル１０６を構成しており、さらに、四方弁１１３を設け、冷房時には、圧縮機１０１からの冷媒を水冷媒熱交換器１０２に送り、水冷媒熱交換器１０２の水流路（図示せず）の冷水を冷房端末１１１に送ることができる。
【０００６】
循環ポンプ１０９で、冷水を供給しているときは、三方弁１１４で、貯湯タンク１１５に送らずに、冷房端末１１１に送るよう切り替えられ、また、暖房端末１０８途中の経路にも２方弁１１８を設け、暖房端末１０８が結露しないように配慮する。また暖房時には、暖房端末１０８途中の２方弁１１８を開にして暖房を行うのと、三方弁１１４を切り替えることにより、暖房と給湯をそれぞれ交互に行うことができる。貯湯タンク１１５の水は、直接加熱せず、給湯熱交換器１１２を介して加熱される。
【０００７】
ソーラー熱交換ユニット１２７と、ソーラーポンプユニット１２８および太陽熱集熱部１２４からなる太陽熱集熱装置を利用する場合は、集熱部サーミスタ１２５で検出された温度が貯湯タンク１１５内の水よりも高い場合にソーラー１次側循環ポンプ１２３およびソーラー２次側循環ポンプ１２１を駆動し給湯熱交換器１１２を介して給湯用の湯水を加熱する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−３９３０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記従来のヒートポンプ式冷温水冷房暖房装置の構成では、
特に太陽熱を利用してタンクを沸き上げる場合において、内部熱交換器を介して給湯用の湯水を沸き上げるため、集熱部が高温となるような夏場の晴天という限られた気候条件でしか太陽熱を利用できないという課題があった。
【００１０】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、年間を通じて太陽熱を利用することが出来る、高効率なヒートポンプ式冷温水冷房暖房装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
ヒートポンプユニット、熱交換ユニット、内部熱交換器のない給湯暖房タンクユニット、熱交換ユニット、太陽熱集熱装置、熱源を切り替える三方弁を備え、タンク温度が太陽熱集熱部温度より低い場合に、前記熱源用三方弁を駆動してヒートポンプサイクルによる沸き上げから太陽熱集熱装置による沸き上げに切り替えることにより太陽熱を給湯だけでなく暖房の熱源としても利用することができる。
【発明の効果】
【００１２】
太陽熱を給湯だけでなく暖房の熱源としても利用することで給湯を含めた高効率なヒートポンプ式冷温水冷房暖房システムを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ式冷温水冷房暖房装置の構成図
【図２】（ａ）同ヒートポンプ式冷温水冷房暖房装置の熱交換ユニットの正面図（ｂ）同熱交換ユニットの斜視図
【図３】同ヒートポンプ式冷温水冷房暖房装置のリモコン装置の正面図
【図４】従来のヒートポンプ式冷温水冷房暖房装置の構成図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
第１の発明は、冷媒を加熱および冷却するヒートポンプサイクルと、前記ヒートポンプサイクル内において冷媒を圧縮する圧縮機と、前記ヒートポンプサイクル内において大気中の熱の吸収および、大気中への熱の放出を促進する送風ファンと、前記ヒートポンプサイクルの冷媒と水と熱交換して高温水または冷水にする水冷媒熱交換器と、湯水を貯える貯湯タンクと、室内を暖冷房する暖房端末、冷房端末と、太陽熱集熱装置と、前記貯湯タンクと太陽熱集熱装置と前記暖房端末および冷房端末を接続する循環回路と、前記循環回路に水冷媒熱交で加熱された湯水を循環させるヒートポンプサイクル側循環ポンプと、前記循環回路に前記貯湯タンクに貯えた湯水を循環させるタンク側循環ポンプと、前記水冷媒熱交換器から前記循環回路へ向かう出湯温度を検出する出湯温度検出手段と、前記循環回路から前記水冷媒熱交換器へ戻って来る入水の温度を検出する入水温度検出手段と、前記貯湯タンク内の湯水の温度を検出するタンク温度検出手段と、前記太陽熱集熱装置と、太陽熱集熱部温度検出手段と、熱源としてのヒートポンプサイクルまたは太陽熱集熱装置に接続する流路を切り替える熱源用三方弁を備え、前記タンク温度検知手段によって検出された温度が前記太陽熱集熱部温度検出手段によって検出された温度より低い場合に、前記熱源用三方弁を駆動してヒートポンプサイクルによる沸き上げから太陽熱集熱装置による沸き上げに切り替えることにより、太陽熱を給湯だけでなく暖房にも熱源として利用する事が出来る。
【００１５】
第２の発明は、特に第１の発明において、前記貯湯タンクまたは暖房端末、冷房端末に接続する流路を切り替える端末用三方弁を備え、冷房時には端末用三方弁を駆動しヒートポンプサイクルによる冷房を行い、太陽熱集熱装置にて前記貯湯タンクを沸き上げることにより、冷房時も自然エネルギーとしての太陽熱を利用して前記貯湯タンク内の湯水を沸き上げることが出来る
第３の発明は、特に第１、または第２の発明において前記貯湯タンク内部を上下に分割する仕切り板を備え、前記太陽熱集熱装置と前記貯湯タンクとの接続部を前記貯湯タンクの下方に配置したことにより、第１および第２の発明のような運転をした際に、前記貯湯タンクの上部をタンクヒーター等によって前記タンク温度検知手段によって検出された温
度より高温に沸き上げられていた場合でも、太陽熱で加熱された温水はタンク下部のみを加熱するので、タンク上部の高温水を冷やすことを防ぐことが出来る。
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００１７】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ式冷温水冷房暖房装置について、図１〜３を用いて説明する。
【００１８】
図１は、本実施の形態１におけるヒートポンプ式冷温水冷房暖房装置の構成図である。図１において、本実施の形態におけるヒートポンプ式冷温水冷房暖房装置は、ヒートポンプユニットＡと、熱交換ユニットＢと、給湯暖房タンクユニットＣの３つのユニットで構成され、ヒートポンプユニットＡは、屋外に設置され、熱交換ユニットＢおよび給湯暖房タンクユニットＣは屋内に設置される。
【００１９】
そして本実施の形態におけるヒートポンプ式冷温水冷房暖房装置は、冷媒を圧縮して高温冷媒を吐出する圧縮機１と、水と高温冷媒とを熱交換して温水を生成する水冷媒熱交換器２と、冷媒を減圧する減圧装置３と、空気と冷媒とで熱交換を行う蒸発器４ａと、冷媒の流路を変更する四方弁５とを備えている。
【００２０】
そして、圧縮機１、水冷媒熱交換器２、減圧装置３、蒸発器４ａ、四方弁５を冷媒配管６で環状に接続してヒートポンプサイクル３９を構成している。さらに、蒸発器４ａに送風を行い、空気と冷媒との熱交換を促進させる送風ファン４ｂを設けている。なお、水冷媒熱交換器２の形態としては、プレート式や二重管方式のいずれの形態であっても問題はない。
【００２１】
また、水冷媒熱交換器２を、熱交換ユニットＢ内に配置し、圧縮機１、減圧装置３、蒸発器４ａ、四方弁５をヒートポンプユニットＡ内に配置することによって、屋内と屋外とは、冷媒配管６で接続されることになるため、ヒートポンプ式冷温水冷房暖房装置が寒冷地に設置された場合であっても、ヒートポンプ式冷温水冷房暖房装置内部の水が凍結する恐れが低い。３７は、熱交換ユニットＢ内部と外気を遮断する外装である。
【００２２】
また、本実施の形態では、冷媒をＲ４１０Ａとして説明するが、これに限定されることはなく、例えばＲ４０７Ｃ等のフロン系冷媒を用いることができる。
また、給湯暖房給湯暖房タンクユニットＣ内には、湯水を貯える貯湯タンク７を有している。熱交ユニットＢ内に配置された冷温水循環ポンプ９を駆動することによって、貯湯タンク７の下方部の水出口１０から低温水を水冷媒熱交換器２へ送り、水冷媒熱交換器２で冷媒と熱交換して温水が生成されている。また、水冷媒熱交換器２で生成された温水は、貯湯タンク７の中間部の湯入口１１へ戻されている。また、貯湯タンク７はステンレスを用いている。
【００２３】
以上のように、本実施の形態では、冷温水循環ポンプ９と、水冷媒熱交換器２と、熱交換器８とで、湯水を循環させる循環回路３８を構成している。
【００２４】
また、水冷媒熱交換器２の水側入口には、入水温度を検出する温度センサ１２ａと、水冷媒熱交換器２の水側出口には、出湯温度を検出する温度センサ１２ｂとを設けている。また、沸き上げサイクル内に湯水が流れていることを検出するためのフロースイッチ１３を設けている。
【００２５】
図２（ａ）は、同ヒートポンプ式冷温水冷房暖房装置の熱交換ユニットの構成正面図、図２（ｂ）は、同熱交換ユニットの構成斜視図である。
【００２６】
図２（ａ）（ｂ）に示すように、本実施の形態では、熱交換ユニットＢ内で、フロースイッチ１３が冷温水循環ポンプ９よりも上方に配置させている。このように冷温水循環ポンプ９よりもフロースイッチ１３を上方に配置することで、フロースイッチ１３で湯水の流れを検知しなければ、冷温水循環ポンプ９が正常に動作していないことを検出することができる。
【００２７】
また、沸き上げサイクル内の圧力調整を行うための膨張タンク１４および過圧逃し弁１５が設けられており、膨張タンク１４で、内部の容積を変化させ圧力調整を行い、さらに沸き上げサイクル内に異常が発生して内圧が上昇した場合、過圧逃し弁１５の設定圧力よりも高くなると膨張した湯水を排水することができる。
【００２８】
また、貯湯タンク７の中央には、貯湯タンク内部を上下に分割する仕切り板があり、上部に給湯用タンクヒーター１６が配置されている。この給湯用タンクヒーター１６は、水冷媒熱交換器２で加熱された湯で貯湯タンク７内部を加熱するが、さらに高温の湯をためるために用いられる。給湯用タンクヒーター１６で加熱された湯の温度は、温度センサ１７で検知され、設定された温度に達すると給湯用タンクヒーター１６を停止させる。もし、温度センサ１７に異常を生じた場合には、温度過昇防止装置１８を設けて、給湯用タンクヒーター１６を停止させるように配慮している。
【００２９】
また貯湯タンク７は沸き上げによる内圧上昇を防止するため、安全弁２０ａ、２０ｂを設けている。
【００３０】
以上のように構成された本実施の形態におけるヒートポンプ式冷温水冷房暖房装置の動作、作用について説明する。
【００３１】
まず、沸き上げ運転について説明する。まず、使用者は、熱交換ユニットＢに入力端末として設けられているリモコン装置３０で、水冷媒熱交換器２における湯水の沸き上げ温度Ｔｈ（例えば、５５℃）を設定する。そして沸き上げ運転が開始されると、冷温水循環ポンプ９が駆動し、貯湯タンク７内の温水が水冷媒熱交換器２へ供給される。そして、温度センサ１２ｂで検出される温度が沸き上げ温度Ｔｈを超えるまで、ヒートポンプサイクルによる沸き上げ運転が継続される。なお、貯湯タンク７内の温水をヒートポンプサイクルで沸き上げる時には、圧縮機１から吐出する高温冷媒が、水冷媒熱交換器２へ流入する流路となるように四方弁５が切り替わっている。
【００３２】
その結果、圧縮機１から吐出される高温冷媒が、水冷媒熱交換器２へ流入し、湯水へと放熱することによって高温水を生成することができる。なお、水冷媒熱交換器２内では、水と冷媒とは対向流にして熱交換効率を向上させている。
【００３３】
図４にヒートポンプサイクルによる給湯用の湯水を貯える著等タンクの沸き上げ時の貯湯タンク内水温と圧縮機回転数の特性を示した。温度センサ１２ｂで検出する水冷媒熱交換器２から出湯する湯水の温度が、沸き上げ温度Ｔｈを少し上回ると（例えば、５６℃）、圧縮機１の回転数を下限まで小さくして能力を下げ、上側の送風ファンの回転数を下限まで下げ、下側の送風ファンを停止して入熱を下げる。
【００３４】
そして温度センサ１２ｂで検出する温度が、沸き上げ温度Ｔｈよりも所定温度Ｔａ（例えば、２℃）だけ高くなると、圧縮機１の運転を停止して沸き上げ運転を終了する。そして、貯湯タンク７は、沸き上げ温度Ｔｈの湯水で満たされることになる。
【００３５】
なお、水冷媒熱交換器２で生成された高温水は、暖房用温水部７ｂへ戻されるが、仕切り板３４の周囲と貯湯タンク７との間にできた隙間を通って、給湯用温水部７ａも沸き上げ温度Ｔｈの湯水で満たされる。このとき、制御装置３２では、圧縮機１の運転を停止した時に温度センサ１２ａで検出した入水温度Ｔｉを記憶しておく。
【００３６】
また、ヒートポンプサイクルによる沸き上げ運転が終了した後も、冷温水循環ポンプ９を駆動させて、貯湯タンク７内の温水を水冷媒熱交換器２へ循環させている。これは沸き上げ運転停止中であっても、温度センサ１２ａおよび温度センサ１２ｂで貯湯タンク７内の温水の温度を検出しておく必要があり、貯湯タンク７内の温水の温度が低下するとすぐにヒートポンプサイクルによる沸き上げ運転を再開しなければならないからである。
【００３７】
そして、給湯運転停止中も、冷温水循環ポンプ９を駆動して、温度センサ１２ａで貯湯タンク７内の温水を常時検出しており、温度センサ１２ｂで検出する温度が、圧縮機１の運転を停止した時に記憶した入水温度Ｔｉよりも所定温度Ｔｂ（例えば、５℃）だけ小さくなった時に圧縮機１の運転を再開し、沸き上げ運転を開始する。
【００３８】
例えば、沸き上げ温度Ｔｈに５５℃を設定すると、温度センサ１２ｂで検出する温度が５７℃（＝５５℃＋２℃）を超えたときに、圧縮機１の運転を停止する。そして、圧縮機１の運転を停止した時の温度が５３℃であったとすると、入水温度Ｔｉが５３℃であると記憶する。
【００３９】
そして、圧縮機１の運転が停止後も、冷温水循環ポンプ９の駆動を行い、温度センサ１２ｂが検出する温度が、入水温度Ｔｉよりも所定温度Ｔｂ（例えば、５℃）小さくなったときに圧縮機１の運転を再開する。また、本実施の形態に示した所定温度Ｔａ、Ｔｂは、一つの実施例であって、本実施の形態に限定されることはない。
【００４０】
また、熱交換ユニットＢに設けられているリモコン装置３０では、タンクヒーター１６による沸き上げ温度を設定できるようになっている。図３は、リモコン装置３０の正面図である。図３に示すように、リモコン装置３０には、操作部３０ａ、表示部３０ｂを有しており、操作部３０ａを操作して温度を設定することができる。本実施の形態では、操作部３０ａを操作することによって、沸き上げ温度Ｔｋ、タンク温度Ｔｕを設定および表示することができる。
【００４１】
そして、本実施の形態では、ヒートポンプサイクルによる沸き上げ温度Ｔｋよりも高い温度Ｔｕに設定することができる。例えば、リモコン装置３０で、沸き上げ温度Ｔｋを５５℃に設定し、リモコン装置３０で沸き上げ温度Ｔｕを７５℃に設定すると、水冷媒熱交換器２で沸き上げ温度Ｔｈ（５５℃）まで沸き上げ、さらに給湯用タンクヒーター１６で７５℃まで沸き上げ運転を行う。
【００４２】
次に、給湯用タンクヒーター１６による沸き上げ運転について説明する。
【００４３】
給湯用タンクヒーター１６の運転を開始するときは、給湯用タンクヒーター１６よりも同じ位置に設けられた温度センサ１７で検出する温度が、沸き上げ温度Ｔｋよりも所定温度Ｔｃ（例えば、５℃）だけ低い温度を検出した時に給湯用タンクヒーター１６の出力をＯＮする。そして給湯用タンクヒーター１６によって貯湯タンク７上部の温水を温め、給湯用タンクヒーター１６と同じ位置に設けられた温度センサ１７で検出する温度が、沸き上げ温度Ｔｋよりも所定温度Ｔｄ（例えば、２℃）だけ高い温度を検出した時にタンクヒーター１６の出力をＯＦＦしている。
【００４４】
次に太陽熱集熱装置Ｄによる沸き上げ運転について説明する。太陽熱集熱装置Ｄの運転を開始するときは、太陽熱集熱部サーミスタで検出された温度よりも暖房用バックアップヒーター上部２８上部に設けられたソーラー用タンクサーミスタ２６で検出する温度が、沸き上げ温度Ｔｋよりも所定温度Ｔｃ（例えば、５℃）だけ低い温度を検出した時に熱源用三方弁を太陽熱集熱装置側に駆動し、太陽熱集熱装置Ｄの出力をＯＮする。そして熱源太陽熱集熱装置Ｄによって貯湯タンク７上部の温水を温め、暖房用バックアップヒーター上部２８上部に設けられたソーラー用タンクサーミスタ２６で検出する温度が、沸き上げ温度Ｔｋよりも所定温度Ｔｄ（例えば、２℃）だけ高い温度を検出した時に太陽熱集熱装置Ｄの出力をＯＦＦしている。
【００４５】
また、冷・暖房を行ううえで回路を切り替えるために途中に三方弁２１を設け、冷房を行う場合は三方弁２１を、冷房端末２２へ切り替える。冷房を行うときは、四方弁５が、蒸発器４ａ側へと切り替わり、水冷媒熱交換器２には、冷却された冷媒が流れ冷水を作る。
【００４６】
以上のように、本発明に係るヒートポンプ式冷温水冷房暖房装置は、高効率に太陽熱を利用できる給湯を含めたヒートポンプ式冷温水冷房暖房装置を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
以上のように、本発明にかかるヒートポンプ式冷温水冷房暖房装置は、暖房の熱源としても利用することで給湯を含めた高効率なあらゆるヒートポンプ式暖房装置にも適用できる。
【符号の説明】
【００４８】
１  圧縮機
２  水冷媒熱交換器
３  減圧装置
４ａ  蒸発器
４ｂ  送風ファン
５  四方弁
６  冷媒配管
７  貯湯タンク
８  熱交換器
９  冷温水１次循環ポンプ（循環ポンプ）
１０  水出口
１１  湯入口
１２ａ、１２ｂ  温度センサ
１３  フロースイッチ
１４  膨張タンク
１５  過圧逃し弁
１６  給湯用タンクヒーター
１７  温度センサ
１８  温度過昇防止装置
１９  給湯口
２０ａ、２０ｂ  安全弁
２１  端末用三方弁
２２  冷房端末
２３  暖房端末
２４  二方弁
２５  熱源用三方弁
２６  ソーラー用タンクサーミスタ
２７  制御部
２８  暖房用バックアップヒーター
３０  リモコン装置（入力端末）
３１  外気温サーミスタ
３２  制御装置
３３  給湯用水熱交換器
３４  給湯用１次側ポンプ
３５  暖房２次側循環ポンプ（暖房循環ポンプ）
３６  流量調整弁
３８  循環回路
３９  ヒートポンプサイクル
４０  ソーラー２次側循環ポンプ
４１  ソーラー１次側循環ポンプ
４２  ソーラー用水熱交換器
４３  ソーラー制御部
４４  太陽熱集熱部
４５  集熱部サーミスタ
Ａ  ヒートポンプユニット
Ｂ  熱交換ユニット
Ｃ  給湯暖房タンクユニット
Ｄ  ソーラー熱交換ユニット
【図１】
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【図４】
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【図２】
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【図３】
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