(57)【要約】【課題】装置全体のコストを低減させることができる電気車用蓄電池ユニットを提供することである。【解決手段】実施形態の電気車用蓄電池ユニットは、１以上の蓄電部と、温度検出部と、消火器と、制御部とを持つ。蓄電部は、電気車に搭載され電力を蓄える。温度検出部は、前記蓄電部に取り付けられ、前記蓄電部の温度を検出する。消火器は、前記蓄電部に向けて消火剤を噴射する。制御部は、前記温度検出部の検出結果に基づいて、前記蓄電部の充放電を制御すると共に前記消火器に消火剤を噴射させる制御を行う。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気車に搭載され電力を蓄える１以上の蓄電部と、
前記蓄電部に取り付けられ、前記蓄電部の温度を検出する温度検出部と、
前記蓄電部に向けて消火剤を噴射する消火器と、
前記温度検出部の検出結果に基づいて、前記蓄電部の充放電を制御すると共に前記消火器に消火剤を噴射させる制御を行う制御部と、
を備える電気車用蓄電池ユニット。
【請求項２】
一端において前記消火器における前記消火剤の供給経路と内部が連通し、所定の温度以上の温度で破裂することで、内部の消火剤が前記蓄電部に拡散される筒状部材を、更に備える、
請求項１記載の電気車用蓄電池ユニット。
【請求項３】
前記所定の温度は、前記制御部が前記消火器に消火剤を噴射させる温度以上の温度である、
請求項２項記載の電気車用蓄電池ユニット。
【請求項４】
前記筒状部材は、前記一端と反対側の他端が閉じられている、
請求項２または３記載の電気車用蓄電池ユニット。
【請求項５】
前記筒状部材は、前記蓄電部に対して上方側に設けられる、
請求項２から４のうちいずれか１項記載の電気車用蓄電池ユニット。
【請求項６】
一端において前記消火剤の供給経路と内部が連通する複数の前記筒状部材を備える、
請求項２から５のうちいずれか１項記載の電気車用蓄電池ユニット。
【請求項７】
前記消火器における前記消火剤の貯留部の内部の圧力を検出し、前記内部の圧力の検知結果を他装置に出力する圧力センサを、更に備える、
請求項１から６のうちいずれか１項記載の電気車用蓄電池ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電気車用蓄電池ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、安全弁を備えた一または複数の電池を収納した電池収納容器と、温度センサと消火装置とを備えた電池装置が知られている。この電池装置は、電池収納容器の外部に取り付けられた温度センサにより検知された温度に基づいて、電池の周囲を不燃性雰囲気とする。従来の技術では、装置全体のコストが高くなる場合があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２５７００６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、装置全体のコストを低減させることができる電気車用蓄電池ユニットを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態の電気車用蓄電池ユニットは、１以上の蓄電部と、温度検出部と、消火器と、制御部とを持つ。蓄電部は、電気車に搭載され電力を蓄える。温度検出部は、前記蓄電部に取り付けられ、前記蓄電部の温度を検出する。消火器は、前記蓄電部に向けて消火剤を噴射する。制御部は、前記温度検出部の検出結果に基づいて、前記蓄電部の充放電を制御すると共に前記消火器に消火剤を噴射させる制御を行う。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】実施形態の電力変換ユニット２０を搭載した電気車システム１の概要構成図。
【図２】蓄電池ユニット６０の機能構成の一例を示す図。
【図３】チューブ９４の配置の一例を示す図。
【図４】電力変換ユニット２０の各機器の状態と、制御装置１００の制御状態との時間的変化の一例を示すタイミングチャート。
【図５】表示盤１３０に表示されるインターフェース画像ＩＭの一例を示す図。
【図６】第１の実施形態の変形例１のチューブ９４−１から９４−３の配置の一例を示す図。
【図７】第１の実施形態の変形例２の消火装置８２およびチューブ９４−１から９４−５の配置の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、実施形態の電気車用蓄電池ユニットを、図面を参照して説明する。
【０００８】
（第１の実施形態）
［全体構成］
図１は、実施形態の電力変換ユニット２０を搭載した電気車システム１の概要構成図である。電力変換ユニット２０が搭載された電気車は、交流電力の供給源である架線Ｐに集電器１０が接触することにより、架線Ｐから電力供給を受けて走行する。
【０００９】
電気車システム１は、主要な構成要素として、集電器１０と、変圧器１２と、車輪Ｗと、電力変換ユニット２０と、モータＭａと、負荷Ｌと、制御装置１００とを備える。
【００１０】
集電器１０には、架線Ｐから交流電力が供給される。変圧器１２は、集電器１０から出力された交流電力の電圧を所望の電圧に変換する。所望の電圧に変換された交流電力は、電力変換ユニット２０に出力される。
【００１１】
電力変換ユニット２０は、第１コンバータ３０と、フィルタコンデンサ３２と、インバータ３４と、第１コンバータ制御部４０と、インバータ制御部４２とを有する。
【００１２】
第１コンバータ３０は、変圧器１２から供給される単相交流電圧を直流電圧に変換する。第１コンバータ３０は、例えばＰＷＭ（Pulse Width Modulation）コンバータである。第１コンバータ制御部４０は、制御装置１００から取得した制御信号に基づいて、交流電圧を所望の直流電圧に変換させるための制御信号を第１コンバータ３０に出力する。フィルタコンデンサ３２は、第１コンバータ３０から出力された直流電圧の脈動成分を平滑化する。
【００１３】
インバータ３４は、第１コンバータ３０側から供給される直流電圧を用いて、三相の交流電圧を生成し、生成した交流電圧に応じた電力をモータＭに供給する。また、インバータ３４は、モータＭａが回生運転することによって発電された電力を直流の回生電力に変換する。インバータ制御部４２は、制御装置１００から取得した制御信号に基づいて、直流電圧を所望の交流電圧に変換させるための制御信号をインバータ３４に出力する。また、インバータ制御部４２は、制御装置１００から取得した制御信号に基づいて、モータＭａにより発電された電力を直流の回生電力に変換するための制御信号をインバータ３４に出力する。
【００１４】
モータＭは、三相交流によってロータを回転させ、駆動力を出力する。モータＭの出力する駆動力は、図示しない歯車等の連結機構を介して車輪Ｗに伝達され、電気車を走行させる。モータＭは、例えば、かご型三相誘導電動機である。なお、車輪Ｗは、線路Ｒを介して接地される。
【００１５】
また、電力変換ユニット２０は、第２コンバータ５０と、第２コンバータ制御部５２と、蓄電池ユニット６０とを有する。第２コンバータ５０は、変圧器１２から供給される単相交流電圧を直流電圧に変換する。第２コンバータ制御部５２は、制御装置１００から取得した制御信号に基づいて、交流電圧を所望の直流電圧に変換させるための制御信号を第２コンバータ５０に出力する。
【００１６】
蓄電池ユニット６０は、第２コンバータ５０により出力された電力を取得し、取得した電力を蓄える。また、蓄電池ユニット６０は、第１コンバータ３０の出力側の第１の電気線の接点Ａ、および第２の電気線の接点Ｂに接続される。蓄電池ユニット６０は、インバータ３４により出力された回生電力を取得し、取得した電力を蓄える。なお、蓄電池ユニット６０の機能構成については後述する。
【００１７】
負荷Ｌは、蓄電池ユニット６０により蓄えられた電力を消費する。
【００１８】
制御装置１００は、監視制御部１１０と、操作盤１２０と、表示盤１３０とを含む。監視制御部１１０は、例えば、制御装置１００が備えるＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサがプログラムメモリに格納されたプログラムを実行することで機能するソフトウェア機能部である。また、監視制御部１１０は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等のハードウェア機能部であってもよい。
【００１９】
監視制御部１１０は、通信線を介して第１コンバータ制御部４０、インバータ制御部４２、第２コンバータ制御部５２、および蓄電池ユニット６０と通信する。図１に示す点線は通信線示す。監視制御部１１０は、電気車の状態や、操作盤１２０から入力された信号（ノッチ数など）等に基づいて、電力変換ユニット２０を制御するための制御信号を生成し、電力変換ユニット２０に制御信号を出力する。
【００２０】
操作盤１２０は、例えば電気車の主電源であるマスタースイッチや、運転手が種々の操作を行うマスターコントローラなどを含む。マスターコントローラに対してなされた操作量を示す信号、或いは操作に基づいて決定される制御信号は、監視制御部１１０に入力される。表示盤１３０は、監視制御部１１０の指示に基づいて、蓄電池ユニット６０の異常や、車両の速度などを含む車両に関する各種情報を表示する。
【００２１】
［蓄電池ユニットの機能構成］
図２は、蓄電池ユニット６０の機能構成の一例を示す図である。蓄電池ユニット６０は、蓄電池モジュール６２−１から６２−ｎと、ＢＭＵ（Battery Management Unit；制御部）７０と、アクチュエータ８０と、消火装置８２とを含む。以下、蓄電池モジュール６２−１から６２−ｎを、区別しない場合は、蓄電池モジュール６２と称する。また、蓄電池モジュール６２−１から６２−ｎに含まれる構成は同一であるため、ハイフン（-）以下の符号は省略して説明する。
【００２２】
各蓄電池モジュール６２は、複数の電池セル６４（例えば６４−１−１から６４−１−ｍ）と、温度センサ６６（例えば６６−１から６６−ｎ）とを含む。「ｍ」および「ｎ」は、２以上の整数である。電池セル６４は、例えばリチウムイオン電池である。また、蓄電モジュール６２は、不図示の電圧検出部や、電流検出部等を含む。蓄電池モジュール６２に含まれる、電池セル６４、温度センサ６６、電圧検出部、および電流検出部は、例えば共通の筐体内に収容される。すなわち、温度センサ６６は、蓄電池モジュール６２に取り付けられている。温度センサ６６は、例えば電池セル６４の電極部などに取り付けられる。
【００２３】
筐体には、例えば、不図示の正極端子と、負極端子と、信号端子とが設けられる。正極端子は、各電池セル６４の正極側に接続され、負極端子は、各電池セル６４の負極側に接続される。正極端子および負極端子は、例えば、負荷Ｌ、および第１コンバータ３０の回生電力の出力側（図１の接点ＡおよびＢ）に接続される。信号端子は、例えば、制御装置１００と接続される。
【００２４】
温度センサ６６は、電池セル６４の温度を検出し、検出結果をＢＭＵ７０に出力する。
【００２５】
ＢＭＵ７０は、ＣＰＵ等のプロセッサにより実現される。また、ＢＭＵ７０は、ＬＳＩやＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ等のハードウェア機能部であってもよい。ＢＭＵ７０は、電圧検出部、または電流検出部の検出結果に基づいて、蓄電池モジュール６２を制御する。ＢＭＵ７０は、蓄電池モジュール６２の充放電を制御したり、各蓄電池モジュール６２に設けられた放電回路（不図示）などを制御して電圧のバランスを調整したりする。また、ＢＭＵ７０は、温度センサ６６の検出結果に基づいて、蓄電池モジュール６２の異常を判定する。更に、ＢＭＵ７０は、温度センサ６６の検出結果に基づいて、消火装置８２に消火剤を噴射させる。この場合、ＢＭＵ７０は、アクチュエータ８０のオン信号を出力する。アクチュエータ８０は、オン信号を取得すると、消火装置８２に設けられたバルブ８６を開弁させる。
【００２６】
消火装置８２は、消火剤の貯留部である筐体８４と、内部管８５と、バルブ８６と、圧力センサ８８とを含む。筐体８４内には、例えば、消火薬剤と、ガス（例えば窒素ガス）とが貯留される。消火薬剤は、水系消火薬剤であってもよいし、粉末消火薬剤であってもよい。また、筐体８４内には、筐体８４の外部に一部が突出した内部管８５が設けられている。筐体８４の外部に突出する内部管８５には、バルブ８６が連結されている。
【００２７】
また、バルブ８６には吐出管９０の一端が連結されている。吐出管９０の一端とは反対側の他端（バルブ８６との連結側とは反対側の端部）には消火薬剤を噴射する噴射口９２が設けられる。この噴射口９２の噴射方向は、蓄電池モジュール６２が配置された方向である。
【００２８】
バルブ８６は、内部管８５と、吐出管９０との間に設けられる。バルブ８６が閉弁されることで、筐体８４の内部と大気との連通が遮断され、筐体８４は密閉される。筐体８４内にはガスが貯留されているため、バルブ８６が閉弁されている状態では、筐体８４内は所定の圧力（大気圧より高い圧力）が維持される。バルブ８６は、アクチュエータ８０によって開弁される。バルブ８６が開弁されることにより、筐体８４内に貯留されているガスと消火薬剤とが内部管８５および吐出管９０を通って、噴射口９２に供給され、噴射口９２から消火薬剤が噴射される。例えば噴射口９２から噴射される消火薬剤は、泡状になって蓄電池モジュール６２に降りかかる。
【００２９】
圧力センサ８８は、通信線を介して、制御装置１００と通信する。圧力センサ８８は、筐体８４内の圧力を検出する。
【００３０】
また、蓄電池ユニット６０において、チューブ９４（筒状部材）が、消火装置８２に連結されている。チューブ９４の一端は、消火装置８２の筐体８４から外部に突出した内部管８５と内部が連通する。チューブ９４の一端とは反対側の他端は閉じられている。なお、チューブ９４は、消火薬剤の供給経路から分岐されていればよく、例えば吐出管９０に内部が連通されてもよい。
【００３１】
チューブ９４は、例えば各蓄電池モジュール６２の上方（鉛直上向き側）を通過するように配置される。チューブ９４は、例えばポリアミド等の合成樹脂で形成される。チューブ９４は、例えば容易に折り曲げることができる程度の柔軟性を有する。これにより、蓄電池ユニット６０において、チューブ９４を容易に配設させることができる。
【００３２】
チューブ９４は、所定の温度以上で溶解する。これによって、チューブ９４の内圧によってチューブ９４が破裂し、内部に貯留されている消火剤が蓄電池モジュール６２に向けて拡散される。例えばある蓄電池モジュール６２が所定の温度となった場合、その上方に配設されたチューブ９４が溶解する。そして、この蓄電池モジュール６２に向けて消火剤が拡散される。
【００３３】
［チューブの配置］
図３は、チューブ９４の配置の一例を示す図である。以下、ＸＹＺ座標を用いて説明する。また、図３では吐出管９０や、噴射口９２等の構成を省略する。図示する例では、ｎ×ｍ個の蓄電池モジュール６２がマトリクス状に配置されている。図示の例では、ｍ＝５である。チューブ９４は、ある行の蓄電池モジュール６２の上方（マイナスＺ方向）に架け渡された後、マイナスＹ方向に折り曲げられ、次の行の蓄電池モジュール６２の上方に架け渡されることを繰り返し、各蓄電池モジュール６２の上方に一部が存在するように配置される。
【００３４】
また、例えば、蓄電池ユニット６０には、支持部材６５−１から６５−１２が設けられてもよい。以下、支持部材６５−１から６５−１２を区別しない場合は、支持部材６５と称する。支持部材６５は、例えば各蓄電池モジュール６２の間に設けられる。支持部材６５は、例えば蓄電池モジュール６２が配置された筐体の天井部に固定される。支持部材６５は、チューブ９４を支持することにより、振動等によってチューブ９４が所望の位置からずれることを抑制する。
【００３５】
［蓄電池ユニットの動作］
図４は、電力変換ユニット２０の各機器の状態と、制御装置１００の制御状態との時間的変化の一例を示すタイミングチャートである。本タイミングチャートでは、時刻ｔ１で、ある蓄電池モジュール６２内の温度が閾値Ｔｈ１以上となり、時刻ｔ２で、ある蓄電池モジュール６２の周辺の温度が閾値Ｔｈ２以上となったものとして説明する。
【００３６】
時刻ｔ１において、温度センサ６６により検出された温度が閾値Ｔｈ１以上となると、ＢＭＵ７０は、アクチュエータ８０にオン信号を出力し、遮断信号を電気車に設けられたリレー回路等に出力する。このリレー回路の一端は、蓄電池ユニット６０に電気的に接続され、他端は、負荷や各種機器に接続されている。
【００３７】
オン信号を取得したアクチュエータ８０は、消火装置８２のバルブ８６を開弁させる。これにより、消火装置８２は、消火薬剤を蓄電池モジュール６２に向けて噴射する。遮断信号が入力された各リレー回路は、蓄電池ユニット６０と各種機器とを導通状態から遮断状態に制御する。
【００３８】
上述したように、蓄電池ユニット６０に含まれる、いずれかの蓄電池モジュール６２の温度が上昇した場合、消火装置８２が消火薬剤を蓄電池モジュール６２に噴射するため、蓄電池ユニット６０の温度を低下、または温度上昇を抑制させることができる。また、リレー回路が作動によって、各種機器に過電圧等の影響を及ぼすことを防止することができる。
【００３９】
時刻ｔ２において、蓄電池モジュール６２の周辺の温度が閾値Ｔｈ２以上となると、チューブ９４が溶けて破損することで内圧によって破裂する。この破裂した箇所から温度が上昇した蓄電池モジュール６２に消火薬剤が拡散される。また、このとき、消火装置８２の筐体８４に貯留された消火薬剤がチューブ９４に流れ込むので、消火装置８２の噴射口９２、およびチューブ９４の破裂した箇所から温度が上昇した蓄電池モジュール６２に向けて消火薬剤が当てられる。この結果、より効果的に蓄電池ユニット６０の温度を低下、または温度上昇を抑制させることができる。
【００４０】
なお、チューブ９４が溶ける温度は、上述した閾値Ｔｈ２に限らず、閾値Ｔｈ１または閾値Ｔｈ１以下でもよい。また、遮断信号は、制御装置１００により出力されてもよい。この場合、制御装置１００は、オン信号が出力されたことを示す情報、または温度センサ６６により検出された温度が所定の温度以上になったことを示す情報をＢＭＵ７０から取得した場合、リレー回路等に遮断信号を出力する。
【００４１】
［圧力センサの動作］
また、圧力センサ８８の検出結果は、制御装置１００に送信される。圧力センサ８８は、例えば消火装置８２の筐体８４内の圧力が所定の圧力以下となったことを検出した場合、圧力低下信号を制御装置１００に送信する。所定の圧力とは、例えばバルブ８６が開弁した場合に、筐体８４内の消火薬剤が十分に噴射口９２から蓄電池モジュール６２に向けて噴射できない程度の圧力である。
【００４２】
制御装置１００の監視制御部１１０は、圧力低下信号を取得すると、表示盤１３０に消火装置８２の筐体８４内の圧力が低下したことを示す情報を表示させる。図５は、表示盤１３０に表示されるインターフェース画像ＩＭの一例を示す図である。インターフェース画像ＩＭには、例えば、消火装置８２の筐体８４内の圧力が低下していることを示す情報や、消火装置８２の点検等が必要なことを示す情報が表示される。これにより、利用者は、消火装置８２が使用される前に消火装置８２の異常を認識することができる。
【００４３】
また、消火装置８２が駆動して、筐体８４内の消火薬剤が噴射口９２から噴射した場合、圧力センサ８８の圧力が低下するため、前述したように表示盤１３０には、圧力が低下したことを示す情報が表示される。これにより、利用者は、消火薬剤の拡散の程度を推測することができる。
【００４４】
また、表示盤１３０には、温度センサ６６により検出された温度が所定以上になった場合や、消火装置８２またはアクチュエータ８０が駆動した場合に、その旨を示す情報が表示されてもよい。この場合、ＢＭＵ７０は、その旨の情報を制御装置１００に送信する。
【００４５】
以上説明した第１の実施形態のＢＭＵ７０が、蓄電池モジュール６２の充放電を制御し、更に温度センサ６６の検出結果に基づいて、消火装置８２に消火薬剤を噴射させることにより、装置全体のコストを低減させることができる。
【００４６】
（第１の実施形態の変形例１）
以下、第１の実施形態の変形例１について説明する。第１の実施形態の変形例１のチューブ９４は、消火装置８２の上流側（バルブ８６側）付近から複数に分岐する。
【００４７】
図６は、第１の実施形態の変形例１のチューブ９４−１から９４−３の配置の一例を示す図である。蓄電池ユニット６０は、チューブ９４−１から分岐するチューブ９４−２および９４−３を含む。チューブ９４−１は、１行目の蓄電池モジュール６２の上方（マイナスＺ方向）に架け渡された後、マイナスＹ方向に折り曲げられ、２行目の蓄電池モジュール６２の上方に架け渡される。同様にチューブ９４−２は、３行目および４行目の蓄電池モジュール６２の上方架け渡される。チューブ９４−３は、５行目の蓄電池モジュール６２の上方架け渡される。
【００４８】
（第１の実施形態の変形例２）
以下、第１の実施形態の変形例２について説明する。図７は、第１の実施形態の変形例２の消火装置８２およびチューブ９４−１から９４−５の配置の一例を示す図である。この変形例２では、消火装置８２が複数の蓄電池モジュール６２のうち一部に対応して設けられ、それぞれの消火装置８２からチューブ９４が延出し、消火装置８２に対応する行の蓄電池モジュール６２の一部の上方に配設されている。
【００４９】
また、蓄電池ユニット６０には、消火装置８２−１から８２−５の一部または全部を駆動させるアクチュエータ８０が設けられてもよいし、消火装置８２−１から８２−５のそれぞれに対してアクチュエータ８０が設けられてもよい。また、ＢＭＵ７０は、消火装置８２−１から８２−５のうち、一部または全部を駆動させるようにアクチュエータ８０を制御してもよい。例えばＢＭＵ７０は、閾値Ｔｈ１以上の温度を検出した温度センサ６６が設けられた蓄電池モジュール６２に対して消火薬剤を噴射する消火装置８２を駆動させてもよいし、この消火装置８２に加えて、更に他の消火装置８２を駆動させてもよい。
【００５０】
以上説明した第１の実施形態の変形例２によれば、複数の消火装置８２が、蓄電池ユニット６０に設けられることにより、所望の蓄電池モジュール６２に、より確実に消火薬剤を当てることができる。
【００５１】
以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、電気車に搭載され電力を蓄える１以上の蓄電部と、蓄電部に取り付けられ、蓄電部の温度を検出する温度検出部と、蓄電部に向けて消火剤を噴射する消火器と、温度検出部の検出結果に基づいて、蓄電部の充放電を制御すると共に消火器に消火剤を噴射させる制御を行う制御部とを持つことにより、装置全体のコストを低減させることができる。
【００５２】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００５３】
１…電気車システム、２０…電力変換ユニット、３０…第１コンバータ、３４…インバータ、５０…第２コンバータ、４０…第１コンバータ制御部、４２…インバータ制御部、５２…第２コンバータ制御部、６０…蓄電池ユニット、６２…蓄電池モジュール、６４…電池セル、６６…温度センサ、８２…消火装置、８６…バルブ、８８…圧力センサ、９０…吐出管、９２…噴射口、１００…制御装置、１１０…監視制御部、１２０…操作盤、１３０…表示盤
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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