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JP2022162184A - 熱媒体循環システム - Google Patents

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Shunji Moriwaki
由樹 山岡
Yoshiki Yamaoka
常子 今川
Tsuneko Imagawa
繁男 青山
Shigeo Aoyama
和彦 町田
Kazuhiko Machida
和人 中谷
Kazuto Nakatani
潤 吉田
Jun Yoshida
泰彬 坂東
Yasuaki Bando
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Abstract

Figure 2022162184000001
【課題】本開示は、漏洩した冷媒を安全に屋外大気中に拡散して、より安全性を向上する熱媒体循環システムを提供する。
【解決手段】本開示における熱媒体循環システムは、圧縮機、利用側熱交換器、膨張手段、および熱源側熱交換器が環状に接続された冷媒回路と、圧縮機から吐出された冷媒により利用側熱交換器で冷却または加熱される熱媒体が循環する熱媒体回路と、熱媒体を循環させる循環装置と、熱媒体を電気的に加熱する加熱装置と、循環する熱媒体回路内の気体を熱媒体回路外に排出する脱気装置と、制御装置と、を備え、可燃性冷媒を用いている。加熱装置は、循環装置の下流側でかつ上方側に配設され、脱気装置は加熱装置の下流側でかつ上方側に配設されている。
【選択図】図1

Description

本開示は、熱媒体循環システムに関する。
特許文献1は、可燃性冷媒が着火に至ることを防止するヒートポンプ装置を開示する。このヒートポンプ装置は、熱媒体回路における冷媒放出弁を、筐体の外部に設ける。
国際公開第2018/047265号
本開示は、利用側熱媒体回路に漏洩した可燃性冷媒を安全に屋外大気中に拡散する熱媒体循環システムを提供する。
本開示における熱媒体循環システムは、圧縮機、利用側熱交換器、膨張装置、および熱源側熱交換器が環状に接続され、可燃性冷媒を用いた冷媒回路と、圧縮機から吐出された冷媒により利用側熱交換器で冷却または加熱される熱媒体が循環する熱媒体回路と、熱媒体回路において、少なくとも、熱媒体回路内の熱媒体を循環させる循環装置と、熱媒体を電気的に加熱する加熱装置と、熱媒体回路内の気体を分離して屋外に排出する脱気装置と、制御装置と、を備えている。加熱装置は、循環装置の下流側でかつ上方側に配設され、脱気装置は加熱装置の下流側でかつ上方側に配設される。
本開示における熱媒体循環システムは、安全に屋外大気中に可燃性冷媒が排出される。これにより、安全性がさらに向上する。
実施の形態1における熱媒体循環システムの構成図 実施の形態1における熱媒体循環システムの圧力―エンタルピー線図(P-h線図) 実施の形態1における熱媒体循環システムの制御系の構成図 実施の形態1における熱媒体回路内の冷媒ガスが屋外大気中に排出される状態の模式図 実施の形態1における熱媒体循環システムの冷媒漏洩検知と遮断弁の制御動作を説明するためのフローチャート
本開示は、加熱装置を循環装置の下流側でかつ上方側に配設するとともに、脱気装置を加熱装置の下流側でかつ上方側に配設する構成とする。これにより、熱媒体回路に漏洩した冷媒を安全に屋外大気中に放出する熱媒体循環システムを提供する。
以下、図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、または、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が必要以上に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。
(実施の形態1)
以下、図1~図5を用いて、実施の形態1を説明する。
[1-1.構成]
[1-1-1.熱媒体循環システムの構成]
図1において、熱媒体循環システム100は、冷媒回路110と、熱媒体回路120と、制御装置130と、を備える。
冷媒回路110は、蒸気圧縮式冷凍サイクルであり、圧縮機111と、利用側熱交換器112と、膨張装置113と、熱源側熱交換器114と、が配管116で接続されて構成されている。冷媒回路110は、冷媒として可燃性冷媒であるプロパンを用いている。
また、冷媒回路110には、温水を生成する加熱運転と、冷水を生成する冷却運転と、を切り換えるための四方弁115が設けられている。
熱媒体回路120は、利用側熱交換器112と、熱媒体の搬送装置である搬送ポンプ121と、床暖房のパネルなどの利用側端末122と、熱媒体の回路を選択的に切り替えるための第1の切替弁124aおよび第2の切替弁124bと、が熱媒体配管126で接続されて構成されている。熱媒体回路120は、熱媒体として水又は不凍液を用いている。
また、熱媒体回路120は、利用側端末122と並列に貯湯タンク123を備えている。利用側端末122と貯湯タンク123とは、第1の切替弁124aから分岐し、第2の切替弁124bに合流する熱媒体配管126で接続されている。
また、熱媒体回路120において、搬送ポンプ121の下流側には搬送ポンプ121の設置位置より上方側にヒーターエレメント150が配設された加熱装置127が備えられている。搬送ポンプ121から流出した熱媒体が加熱装置127の下部から流入し、上部から流出するように熱媒体配管126が加熱装置127に接続されている。
さらに、加熱装置127の流れ方向下流側でかつ、熱媒体回路120の最も高い位置(最も上方側)には、熱媒体回路120内を流通する気体を屋外に排出可能な脱気装置128が設けられている。脱気装置128の排出口は、屋外大気中に開口している。
また、熱媒体回路120における搬送ポンプ121と、利用側熱交換器112の間には、熱媒体の流動を停止させる第1の遮断弁129aが設けられ、利用側熱交換器112と第1の切替弁124aの間には、第2の遮断弁129bが設けられている。
図1では、加熱運転時の冷媒の流れ方向を実線矢印で、冷却運転時の冷媒の流れ方向を破線矢印で示している。
図2を用いて、加熱運転および冷却運転における冷媒の状態変化を説明する。
加熱運転時は、圧縮機111から吐出される高圧冷媒(a点)は、四方弁115を介して利用側熱交換器112に流入し、利用側熱交換器112を流通する熱媒体に放熱する。
利用側熱交換器112で放熱した後の高圧冷媒(b点)は、膨張装置113にて減圧されて膨張した後に、熱源側熱交換器114に流入する。熱源側熱交換器114に流入する低圧冷媒(c点)は、外気から吸熱して蒸発し、再び四方弁115を介して圧縮機111の吸入側(d点)に戻る。
一方、冷却運転時は、圧縮機111から吐出される高圧冷媒(a点)は、四方弁115を介して熱源側熱交換器114に流入し、熱源側熱交換器114で外気に放熱する。熱源側熱交換器114で放熱した後の高圧冷媒(b点)は、膨張装置113にて減圧されて膨張した後に、利用側熱交換器112に流入する。利用側熱交換器112に流入する低圧冷媒(c点)は、利用側熱交換器112を流通する熱媒体から吸熱して蒸発し、再び四方弁115を介して圧縮機111の吸入側(d点)に戻る。
次に、熱媒体回路120における熱媒体の状態変化を説明する。まず、加熱運転時は、熱媒体が利用側熱交換器112で加熱され、搬送ポンプ121により循環する。そして、熱媒体は、利用側端末122で放熱して利用側負荷の加熱に利用される。利用側端末122で放熱し温度低下した熱媒体は、再び利用側熱交換器112で加熱される。
ここで、利用側熱交換器112での加熱量が、利用側負荷を十分に加熱できる熱量に満たない場合は、加熱装置127のヒーターエレメント150に通電し、加熱装置に流入する熱媒体を直接加熱する。
また、利用側熱交換器112で加熱された高温の熱媒体は、第1の切替弁124a、第2の切替弁124bの切り替えによって、貯湯タンク123に循環させる。貯湯タンク123の上部から貯湯タンク123に導入され、貯湯タンク123の下部から低温の熱媒体が導出されて利用側熱交換器112で加熱される。
一方、冷却運転時は、熱媒体が利用側熱交換器112で冷却され、搬送ポンプ121で循環することにより、利用側端末122で吸熱して利用側負荷の冷却に利用される。利用側端末122で吸熱し温度上昇した熱媒体は、再び利用側熱交換器112で冷却される。
制御装置130は、熱媒体循環システム100の筐体内に設けられ、圧縮機111の回転数や、膨張装置113の絞り量制御、四方弁115の切り替え、搬送ポンプ121の回転数、第1の切替弁124a、第2の切替弁124bの切り替え、加熱装置127の印加電圧などを蒸気圧縮式冷凍サイクルの効率が高くなるように制御する。
[1-1-2.制御装置の構成]
次に、図3を用いて制御装置130の構成を説明する。制御装置130は、マイコンやメモリなどを搭載したコントローラ131と、装置の運転停止や生成する熱媒体の温度設定などを入力するユーザインタフェース132と、圧縮機111の吐出側配管に設けられ吐出側圧力を検出する高圧側圧力センサー133と、吐出冷媒温度を検出する吐出温度センサー134と、熱源側熱交換器114の冷媒配管に設けられ熱源側熱交換器114を流通する冷媒の飽和温度を検出する熱源側熱交温度センサー135と、熱媒体循環システム100の筐体外面に設けられ外気温度を検出する外気温度センサー136と、熱媒体回路120に設けられた、利用側熱交換器112に流入する熱媒体の温度を検出する入水温度センサー137と、利用側熱交換器112から流出する熱媒体の温度を検出する出水温度センサー138と、脱気装置128から排出される可燃性ガスの濃度を検出するガスセンサー139と、で構成されている。
[1-2.動作]
以上のように構成された熱媒体循環システム100について、その動作を以下説明する。
[1-2-1.冷却および加熱運転動作]
コントローラ131は、ユーザインタフェース132の入力情報に基づき、加熱運転または冷却運転を行う。運転時においては、コントローラ131は、外気温度センサー136の検知値と、出水温度センサー138の検知値と、ユーザインタフェース132の出水温度設定値に基づき決定された回転数で圧縮機111を制御する。また、コントローラ131は、高圧側圧力センサー133の検知値と、熱源側熱交温度センサー135の検知値に基づき決定された吐出温度目標値となるように、吐出温度センサー134の検知値と比較しながら、膨張装置113の絞り量を制御する。
また、コントローラ131は、運転時においては、出水温度センサー138の検知値と、入水温度センサー137の検知値の差分が所定の温度差となるように、搬送ポンプ121の回転数を制御する。
さらに、加熱運転時には、コントローラ131は、出水温度センサー138の検出値が出水温度設定値となるように、加熱装置127のヒーターエレメント150の印加電圧を制御する。
[1-2-2.冷媒漏洩時の冷媒排出と運転動作]
図4に基づいて、熱媒体回路120中に冷媒が漏洩した時の運転動作を説明する。
図4は、熱媒体中に混入した冷媒ガスが脱気装置128で分離され、屋外大気中に排出される流れを模式的に示したものである。
例えば、利用側熱交換器112内部の冷媒流路と熱媒体流路の隔壁に亀裂が生じ、熱媒体回路120中に冷媒が漏洩した場合には、冷媒ガスは熱媒体に混入した状態で搬送ポンプ121に流入し、加圧されて熱媒体回路120内を循環する。搬送ポンプ121から流出した冷媒ガスは加熱装置127を流通した後、脱気装置128に流入する。脱気装置128に流入した冷媒ガスは、流路径の拡大による流速低下とガスの浮力により熱媒体と分離され、脱気装置128の上部に滞留する。それにより脱気装置128内部の熱媒体液面が低下し、フロート弁が降下して、排出口から滞留した冷媒ガスが屋外大気中に排出される。
そして、大気中に排出された冷媒ガスは拡散され、可燃空間の生成が抑制される。
なお、加熱装置127の熱媒体出口部152は加熱装置127のヒーターエレメント150よりも高い位置(上方側)に設けてもよい。また、加熱装置127の熱媒体入口部151は、熱媒体出口部152より低い位置(下方側)に設けてもよい。
また、加熱装置127のヒーターエレメント150は、ヒーターエレメント150の表面温度が冷媒の発火点未満の温度となるように加熱されることが好ましい。
次に、冷媒の遮断動作を説明する。第1の遮断弁129a、第2の遮断弁129bは、電磁式開閉弁である。制御装置130が冷媒の漏洩を検知した場合に、電磁コイルに通電されて第1の遮断弁129a、第2の遮断弁129bが閉じ、熱媒体回路120内における熱媒体の循環が停止される。
このときの動作を、図5に示すフローチャートを用いて、より詳細に説明する。まず、使用者によるユーザインタフェース132の操作により、加熱運転または冷却運転の開始が指示される(ステップS1)。そして、その指示により、制御装置130は、圧縮機111、搬送ポンプ121を運転し、回転数を制御するとともに、膨張装置113の開度を調整する(ステップS2)。次に、制御装置130は、ガスセンサー139に脱気装置128の排出口近傍の冷媒濃度Crを検出させる(ステップS3)。そして、制御装置130は、あらかじめ設定された冷媒濃度CaとCrを比較し、冷媒濃度Crが冷媒濃度Ca以上であるか否かを判定する(ステップS4)。
冷媒濃度Crが冷媒濃度Ca未満の場合には(ステップS4でNO)、制御装置130は、脱気装置128から冷媒が排出されていない状態であり、冷媒が熱媒体回路120に漏洩していないと判断し、運転を継続する。
一方、冷媒濃度Crが冷媒濃度Ca以上の場合には(ステップS4でYES)、制御装置130は、脱気装置128から冷媒が排出される状態であり、冷媒ガスが熱媒体回路120に漏洩していると判断する。そして、制御装置130は、圧縮機111および搬送ポンプ121の運転を停止(ステップS5)させる。次いで、制御装置130は、第1の遮断弁129aと第2の遮断弁129bとに通電して弁を閉止方向に動作させ、熱媒体の流動を停止させる(ステップS6)。
[1-3.効果等]
以上のように、本実施の形態において、熱媒体循環システム100は、冷媒回路110と、熱媒体回路120と、搬送ポンプ121と、加熱装置127と、脱気装置128と、を備える。冷媒回路110は、圧縮機111、利用側熱交換器112、膨張装置113、および熱源側熱交換器114が環状に接続された、可燃性冷媒の蒸気圧縮式冷凍サイクルである。熱媒体回路120は、利用側負荷を加熱および冷却する液体の熱媒体が循環するものである。搬送ポンプ121は熱媒体回路120内の熱媒体を循環させるものである。加熱装置127は熱媒体を電気的に加熱するものである。脱気装置128は熱媒体回路120中の気体を選択的に熱媒体回路120外の屋外大気中に排出するものである。
加熱装置127は、搬送ポンプ121の下流側でかつ上方側に配設され、脱気装置128は加熱装置127の下流側でかつ上方側に配設される。
これにより、搬送ポンプ121が加熱装置127の上流側かつ下方側にあるので、加熱装置127内において加熱により析出される熱媒体中の溶存空気や漏洩冷媒が、搬送ポンプ121に流入してエア噛みが生じ、ポンプが停止することによる可燃性ガスの滞留が抑制できる。
また、脱気装置128が加熱装置127の下流側かつ上方側にあるので、析出した気体が加熱装置127内に滞留することなく脱気装置128内に導かれ、屋外に排出することができる。
そのため、利用側熱交換器112から可燃性冷媒が熱媒体回路120内に漏洩した場合においても、確実に屋外大気中に可燃性冷媒が排出される。これにより、安全性がさらに向上する。
本実施の形態のように、加熱装置127の熱媒体出口部152は加熱装置127のヒーターエレメント150よりも上方側に配設され、加熱装置127の熱媒体入口部151は、熱媒体出口部152よりも下方側に配設されてもよい。
これにより、熱媒体が加熱装置127の上方側に向けて流れるので、利用側熱交換器112から可燃性冷媒が熱媒体回路120内に漏洩した場合において、加熱装置127の容器上部に可燃性冷媒および空気が滞留することが抑制される。また、滞留が発生した場合においても、ヒーターエレメント150より高い位置までしか滞留しない。
そのため、滞留したガスがヒーターの表面に直接的に接触しない。これにより、安全性がさらに向上する。
本実施の形態のように、加熱装置127のヒーターエレメント150は、表面温度が冷媒回路110に封入されている可燃性冷媒の発火点よりも低い温度となるように加熱されてもよい。
これにより、利用側熱交換器112から可燃性冷媒が熱媒体回路120内に漏洩した場合においても、さらに安全性が向上する。
本実施の形態のように、制御装置130は、熱媒体回路120内に可燃性冷媒が漏洩したと判断した場合に、第1の遮断弁129aおよび第2の遮断弁129bを閉止するように制御してもよい。
これにより、第1の遮断弁129aおよび第2の遮断弁129bが閉止するので、冷媒ガスが混入した熱媒体の循環が、より迅速に止まり、可燃性冷媒が利用側端末へ移動することが抑制される。そのため、安全性がさらに向上する。
本実施の形態のように、制御装置130は、脱気装置128の排気口近傍に配設されたガスセンサー139のガス濃度検知値が予め設定されたガス濃度より高くなった場合に熱媒体回路120内に可燃性冷媒が漏洩したと判断してもよい。
これにより、確実に可燃性冷媒が漏洩したことが判断できるので、さらに安全性が向上する。
本実施の形態のように、可燃性冷媒は、R32若しくはR32を70重量パーセント以上含む混合冷媒、またはプロパン若しくはプロパンを含む混合冷媒であってもよい。
これにより、地球温暖化係数(GWP)が低く、冷媒が漏洩した場合にも環境への悪影響を抑制することができる、そのため、環境性が向上する。
(他の実施の形態)
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態1を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。また、上記実施の形態1で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。
そこで、以下、他の実施の形態を例示する。
実施の形態1では、熱媒体循環システムの一例として冷暖房給湯機を説明した。熱媒体循環システムは、液体を冷却または加熱できるものであればよい。したがって、熱媒体循環システムは、冷暖房給湯機に限定されない。ただし、熱媒体循環システムとして冷暖房給湯機を用いれば、住宅の年間熱需要に対応することができる。また、熱媒体循環システムとして冷温水チラーを用いてもよい。熱媒体循環システムとして冷温水チラーを用いれば、工場などで使用する加熱や冷却の熱負荷に対応することができるので、工場の省エネ性を向上することができる。
実施の形態1では、脱気装置128の一例として、フロート弁を使用したエアパージバルブを説明した。脱気装置128は、熱媒体中に気体が混入した時に気体が熱媒体回路から排出されるものであればよい。したがって、脱気装置128は、エアパージバルブに限定されない。ただし、脱気装置128としてエアパージバルブを用いれば、設置工事における熱媒体充填時など、熱媒体回路内の空気を抜く目的と共用できるので安価にできる。また、脱気装置128として熱媒体回路の圧力上昇時に熱媒体と冷媒ガスを同時に排出する圧力逃し弁を用いてもよい。脱気装置128として圧力逃し弁を用いれば、熱媒体回路内への冷媒漏洩時における圧力上昇が抑制でき、配管の破損が抑制できるなどの信頼性が高くなるという効果がある。
実施の形態1では、漏洩検知センサーの一例として冷媒濃度センサーを説明した。漏洩検知センサーは、冷媒回路中から熱媒体回路内に冷媒が漏洩したことが判断できるものであればよい。したがって、漏洩検知センサーは、冷媒濃度センサーに限定されない。ただし、漏洩検知センサーとして冷媒濃度センサーを用いれば、簡素な構成で実現することができる。また、漏洩検知センサーとして、冷媒排出装置の開弁をマイクロスイッチやホールICで検出してもよい。冷媒排出装置の開弁を検出すれば、構造が簡素であるので小型軽量にすることができるという効果がある。
実施の形態1では、加熱装置127の一例として、ヒーターエレメント150が容器に内装された構成を説明した。加熱装置127のヒーターエレメント150は、加熱装置に流入する熱媒体が加熱される構成であればよい。したがって、ヒーターエレメント150の設置位置は、加熱装置127の容器内に限定されない。ただし、ヒーターエレメント150を容器内に設置すれば、直接的に熱媒体を加熱できるので熱交換効率を高くできる。また、加熱装置127のヒーターエレメント150は、加熱装置の容器外表面に設置してもよい。加熱装置の容器外表面に設置すれば、熱媒体回路内に冷媒が漏洩した場合に、ヒーターエレメント150の表面に冷媒ガスが直接的に接することがない。
実施の形態1では、遮断弁の設置位置の一例として、搬送ポンプと利用側熱交換器の間や利用側熱交換器と切換弁の間に設置する回路を説明した。遮断弁は、冷媒が熱媒体回路に漏洩した時に、居住空間側に冷媒が流入しない位置に設置すればよい。したがって、遮断弁の設置位置は、搬送ポンプと利用側熱交換器の間や利用側熱交換器と切換弁の間に限定されない。ただし、遮断弁を排出装置の下流側に設置することで、遮断弁間の熱媒体回路内に存在する漏洩冷媒を、遮断した後も大気中に排出できるので、安全性が向上する。
本開示は、熱媒体回路に可燃性冷媒の漏洩が生じ得る熱媒体循環システムに適用可能である。具体的には、温水給湯暖房機、業務用チラーなどに、本開示は適用可能である。
100 熱媒体循環システム
110 冷媒回路
111 圧縮機
112 利用側熱交換器
113 膨張装置
114 熱源側熱交換器
115 四方弁
116 配管
120 熱媒体回路
121 搬送ポンプ
122 利用側端末
123 貯湯タンク
124a 第1の切替弁
124b 第2の切替弁
126 熱媒体配管
127 加熱装置
128 脱気装置
129a 第1の遮断弁
129b 第2の遮断弁
130 制御装置
131 コントローラ
132 ユーザインタフェース
133 高圧側圧力センサー
134 吐出温度センサー
135 熱源側熱交温度センサー
136 外気温度センサー
137 入水温度センサー
138 出水温度センサー
139 ガスセンサー
150 ヒーターエレメント
151 熱媒体入口部
152 熱媒体出口部

Claims (6)

  1. 圧縮機、利用側熱交換器、膨張装置、および熱源側熱交換器が環状に接続され、可燃性冷媒を用いた冷媒回路と、
    前記圧縮機から吐出された冷媒により前記利用側熱交換器で冷却または加熱される熱媒体が循環する熱媒体回路と、
    前記熱媒体回路において、少なくとも、前記熱媒体回路内の前記熱媒体を循環させる循環装置と、前記熱媒体を電気的に加熱する加熱装置と、前記熱媒体回路内の気体を分離して屋外に排出する脱気装置と、
    制御装置と、を備え、
    前記加熱装置は、前記循環装置の下流側でかつ上方側に配設され、前記脱気装置は前記加熱装置の下流側でかつ上方側に配設される、熱媒体循環システム。
  2. 前記加熱装置の熱媒体出口部は前記加熱装置の発熱部よりも上方側に配設され、前記加熱装置の熱媒体入口部は、前記熱媒体出口部よりも下方側に配設されている、請求項1に記載の熱媒体循環システム。
  3. 前記制御装置は、前記加熱装置の前記発熱部を、表面温度が前記可燃性冷媒の発火点未満の温度となるように加熱する、請求項1または2に記載の熱媒体循環システム。
  4. 前記熱媒体回路内への前記可燃性冷媒の漏洩を検知する冷媒漏洩検知センサーと、前記熱媒体回路において循環する前記熱媒体の流路を遮断する遮断弁と、をさらに備え、
    前記制御装置は、前記熱媒体回路内に前記可燃性冷媒が漏洩したと判断したときに、前記遮断弁を閉方向に動作させて、前記熱媒体の流動を停止させる、請求項1から3のいずれか1項に記載の熱媒体循環システム。
  5. 前記漏洩検知センサーは、前記脱気装置の排気口近傍に配設された冷媒濃度センサーであり、
    前記制御装置は、前記冷媒濃度センサーの検知値が所定値以上高くなったときに、前記熱媒体回路から前記可燃性冷媒が漏洩したと判断する、請求項4に記載の熱媒体循環システム。
  6. 前記可燃性冷媒は、R32若しくはR32を70重量パーセント以上含む混合冷媒、またはプロパン若しくはプロパンを含む混合冷媒である、請求項1から5のいずれか1項に記載の熱媒体循環システム。
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