JP2004281652A - Power controller - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータを可変速駆動するインバータやスイッチング電源などのパワー制御装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、パワーエレクトロニクスの進歩に伴い、あらゆる分野でパワー制御装置が使用されてきている。例えば、冷蔵庫や空気調和機などにおいて省エネルギー等の目的でインバータが使用されたり、また炊飯器等においても誘導過熱が使用されている。
【0003】
従来のパワー制御装置としては、特にそのパワー素子での放熱の改善がなされたものがある(例えば、特許文献1参照。)。
【0004】
以下、図面を参照しながら上記従来のパワー制御装置を説明する。
【0005】
図7は、従来のパワー制御装置の断面図である。図7に示すように、パワー変換器101が大型の放熱器102に取付けられ、第一基板103が第一スペーサー104により放熱器102に固定されている。第一基板103はパワー変換器101と電気的に接続されており、平滑コンデンサ105や制御電源を作り出す電圧レギュレータ106などが実装されている。
【0006】
第二基板107にはマイコン(図示せず)等の主に制御部品が実装されており、第二スペーサー108により第一基板103に固定されている。カバー109はこれらの回路を被うように取付けられている。
【0007】
以上のように構成された従来のパワー制御装置について、以下その動作を説明する。
【0008】
発熱が大きい部品であるパワー変換器101からの熱を、放熱器102に伝達して放熱することでパワー変換器101を冷却する。
【0009】
【特許文献1】
特開平9−283883号公報
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の構成は、パワー変換器101で発生した熱は放熱器102で放熱されるが、パワー変換器101を平面的に配置しているために大型の放熱器102が必要となり、そのスペースが大型化するという欠点があった。
【0011】
本発明は従来の課題を解決するもので、発熱部品を垂直方向に配置しL型放熱器に取付けることにより、小型化できるパワー制御装置を提供することを目的とする。
【0012】
また、上記従来の構成は、他の発熱部品はその放熱のために小型のヒートシンクが必要となる。ここでいう他の放熱部品とは例えば制御回路に電源を供給する電源回路の部品などで、例えば電圧を安定させる電圧レギュレータ106などがそれにあたる。このように小形とはいえヒートシンクが別途必要となるため、回路全体に大型化し、組立てのための工数が多くかかり、コストが高くつくという欠点があった。
【0013】
本発明の他の目的は、メインの発熱部品の放熱器を使用して準発熱部品も有効に放熱させることにより、補助となるヒートシンクを省略し、小型で低コストなパワー制御装置を提供することである。
【0014】
また、上記従来の構成は、他の発熱部品の熱はたとえ放熱を行ったとしてもカバー109内で放熱を行うので内部の温度が上昇する。特に電解コンデンサ105は影響を受けやすく、一般的には10℃温度が高くなると寿命が半分になるといわれるように、その寿命が影響を受ける。従って寿命を確保するために、より性能の高く、コストも高い電解コンデンサが必要になるという欠点があった。
【0015】
本発明の他の目的は、温度影響が大きい部品に対して温度を低下させ、信頼性を向上させると共に、小型化、低コスト化が実現できるパワー制御装置を提供することである。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項1に記載の発明は、部品を実装する基板と、前記基板に垂直方向に実装された発熱部品と、前記発熱部品に熱的に接するように取付けられたL型放熱器と、前記L型放熱器の側面と上面で囲まれたスペースに配置した電子部品と、前記基板に実装された準発熱部品とからなり、部品を実装した前記基板を収納するケース本体と、前記ケース本体を密閉するケースカバーとを備えたものであり、L型放熱器の空間スペースに電子部品を配置するため、小型化が図れるという作用を有する。
【0017】
請求項2に記載の発明は、請求項1記載の発明において、電子部品の中に電解コンデンサを含むとしたものであり、大型部品である電解コンデンサがL型放熱器の空間スペースを最大限に活用できるので、更に小型化が図れるという作用を有する。
【0018】
請求項3に記載の発明は、請求項1から請求項2のいずれか一項に記載の発明において、準発熱部品を前記L型放熱器に熱的に接するように取付けたものであり、準発熱部品の放熱を発熱部品の放熱器を使用して行なうので、準発熱部品の補助となるヒートシンクが省略でき、小型で低コストが図れるという作用を有する。
【0019】
請求項4に記載の発明は、請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の発明において、前記ケースフタを金属板とし、前記L型放熱器の上面と前記ケースフタとの間を熱的に接するように取付けたものであり、L型放熱器の発熱がケースフタへ熱伝導するので、ケース内部の温度上昇を抑えることができるという作用を有する。
【0020】
請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の発明において、前記L型放熱器の上面と前記ケースフタとの間を熱的に接するために高熱伝導性材料を用いたものであり、放熱器とケースフタの平面粗度や組立て作業による接触面のばらつきを吸収することができ、最大限に効率よく放熱できるという作用を有する。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるパワー制御装置の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【0022】
(実施の形態1)
図1は本発明の実施の形態1によるパワー制御装置の断面図である。
【0023】
図1において、1は基板であり、電子部品2、準発熱部品3やマイコン(図示せず)等を含む制御回路が実装されている。ここでいう準発熱部品3とは制御用電源安定化のための電圧レギュレータなどをさす。
【0024】
4は発熱部品であり、一般的にパワー制御装置ではメインの動作を行なうパワー素子であり、MOSFET、IGBTなどが使われる。また発熱部品4としては整流用のダイオードなどもこれらの部品の一つである。この発熱部品4は基板1上に垂直方向に実装されている。
【0025】
5はL型放熱器であり、発熱部品4とL型の側面で熱的に十分接触しており、発熱部品4で発生した熱を拡散させ、放熱する役目をする。L型放熱器5の側面と上面で囲まれた空間には、電子部品2を配置している。
【0026】
6はケース本体であり、各部品を実装した基板1をスペーサ7により固定し、内部に収納する。8はケースフタであり、ケース本体の開口部に取付けられ、塵埃などの侵入を防ぐ。
【0027】
図2は本発明の実施の形態1によるパワー制御装置の一例の回路図である。ここではパワー制御装置の一例として、モータを可変速駆動するインバータについて説明する。
【0028】
図2において、9は商用電源であり、日本の一般家庭の場合、100V50Hzまたは60Hzが一般的に使用されている。
【0029】
10はコンバータであり、商用電源9の交流電圧を直流電圧に変換する。コンバータ10は4個の整流ダイオード11a〜11dをブリッジ接続して、商用電源9の全波整流を行なう。また電解コンデンサ12はブリッジ接続された整流ダイオード11a〜11dの正電圧出力と負電圧出力に接続され、全波整流された電圧を平滑して直流電圧を得る。
【0030】
13はインバータであり、コンバータ10の直流電圧出力を入力として任意周波数、任意電圧の三相交流に変換する。インバータ13はIGBT14a〜14fを各々三相ブリッジ接続しており、また各々のIGBT14a〜14fには並列に高速ダイオード14g〜14lが接続されている。高速ダイオード14g〜14lはIGBT14a〜14fがオフしたときの環流電流を流す働きをする。
【0031】
15はモータであり、インバータ13の三相交流出力で駆動される。このモータ15はインバータ13の出力周波数に応じた回転数で回転する。
【0032】
16は制御回路であり、マイコンなどを使用してインバータ13を駆動するための波形を生成したり、インバータ13の異常動作を検出(検出回路は図示せず)して、保護動作などを行なう。
【0033】
17は電源回路で、コンバータ10の直流出力を入力とし、制御回路16を動作させる電源(例えば5V)を出力する。ここで電源回路17はスイッチング電源を使用しており、MOSFET18a、スイッチングトランス18b、ダイオード18c、コンデンサ18d、電圧レギュレータ18eなどが使用されている。
【0034】
ここで、図2と図1の対比で更に詳細な説明を加える。
【0035】
図1における発熱部品4は、図2における整流ダイオード11a〜11dやIGBT14a〜14f、高速ダイオード14g〜14lであり、特にモータ15を駆動する電力が通過する素子なので、損失が大きく発熱も大きい。これらの発熱部品4は全て基板1に垂直方向に実装されている。
【0036】
また、図1における準発熱部品3は、図2におけるMOSFET18a、ダイオード18c、電圧レギュレータ18eなどであり、パワーとしては制御回路16を駆動させる電力のみであるので、損失は前記発熱部品4ほど大きくはないが、うまく放熱させないと温度上昇が大きい様な部品で、基板1に実装されている。
【0037】
また、図1における電子部品2は、図2におけるマイコンを含む制御回路16やIGBT14a〜14fを駆動するためのドライブ回路(図示せず)などであり、L型放熱器5の側面と上面で囲まれたスペースにおいて、基板1に実装させている。
【0038】
以上のように構成されたパワー制御装置について、更に詳しく説明する。
【0039】
発熱部品4はパワー制御を行なうメインの電力を扱う素子であるため、非常に損失が大きく発熱も大きい。例えば500Wの出力を得るとき、変換効率が95%であるとしても、25Wの損失が発生することになる。
【0040】
このような大きな損失による発熱を有効的に放熱させるには、大型の放熱器を用いる必要がある。発熱部品4で発生した発熱はL型放熱器5で、ケース内に放熱させる。
【0041】
このようにすることにより、発熱部品4からの熱は放熱され、L型放熱器5の側面と上面で囲まれた空間スペースに電子部品2が配置できる。
【0042】
以上のように本実施の形態のパワー制御装置は、発熱部品4からの発熱をL型放熱器5を通して放熱することができる。また、L型放熱器5は熱拡散に有効である表面積が大きく、ブロック型よりも基板1での実装面積が少なくでき、側面と上面との囲まれたスペースに電子部品2が配置でき、小型化が著しく向上する。
【0043】
(実施の形態2)
図3は本発明の実施の形態2によるパワー制御装置の断面図である。
【0044】
図3において、図1に示した実施の形態1と同一構成については、同一符号を付してその詳細な説明は省略する。
【0045】
本実施の形態は、実施の形態1における電子部品2に電解コンデンサ12を含むようにする。
【0046】
このようにすることにより、L型放熱器5の側面と上面に囲まれたスペースに大型の電解コンデンサ12を実装することができる。尚、このとき電解コンデンサ12外郭とL型放熱器5の側面及び上面との空間距離は、3mm以上とすることが望ましい。
【0047】
以上のように本実施の形態のパワー制御装置は、電子部品2の実装位置に電解コンデンサ12を含むようにしたので、空間スペースを最大限に活用することができ、大幅な小型化が可能にできる。
【0048】
(実施の形態3)
図4は本発明の実施の形態2によるパワー制御装置の断面図である。
【0049】
図4において、図1〜3に示した実施の形態1〜2と同一構成については、同一符号を付してその詳細な説明は省略する。
【0050】
本実施の形態は、実施の形態1〜2における準発熱部品3をL型放熱器5に、発熱部品4とともに熱的に接するように取付ける。
【0051】
このようにすることにより、準発熱部品3から発生する熱は、L型放熱器5を使用して放熱されることになる。
【0052】
以上のように本実施の形態のパワー制御装置は、メインの発熱部品4の放熱器を使用して準発熱部品3も有効に放熱させることにしたので、準発熱部品3の補助となるヒートシンクを省略でき、低コスト化が図れるだけでなく、不要となるヒートシンクのスペースに他の部品が配置でき、小型化が可能にできる。
【0053】
(実施の形態4)
図5は本発明の実施の形態4によるパワー制御装置の断面図である。
【0054】
図5において、図1〜4に示した実施の形態1〜3と同一構成については、同一符号を付してその詳細な説明は省略する。
【0055】
本実施の形態は、実施の形態1〜3におけるケースフタ8を金属板とし、L型放熱器5の上面とケースフタ8との間を熱的に接するように取付ける。
【0056】
このようにすることにより、発熱部品4あるいは準発熱部品3から発生する熱は、L型放熱器5からケースフタ8と熱伝導し、ケース外へと放熱されることになる。
【0057】
以上のように本実施の形態のパワー制御装置は、ケースフタ8を金属板とし、L型放熱器5の上面とケースフタ8との間を熱的に接するようにしたので、小さなL型放熱器5で十分に放熱させることができ、装置の小型化が可能になる。
【0058】
また、ケース内の温度上昇を低くすることができるので、温度影響の受けやすい部品、特に電解コンデンサ12の熱影響を少なくすることができ、電解コンデンサ12の寿命が向上する。従って同一寿命で良い場合は、更に寿命の短い安価な電解コンデンサ12を使用することができる。
【0059】
(実施の形態5)
図6は本発明の実施の形態4によるパワー制御装置の断面図である。
【0060】
図6において、図5に示した実施の形態4と同一構成については、同一符号を付してその詳細な説明は省略する。
【0061】
本実施の形態は、実施の形態4におけるL型放熱器5の上面とケースフタ8との間の熱的接触に高熱伝導性材料18を用いたものである。
【0062】
このようにすることにより、発熱部品4あるいは準発熱部品3から発生する熱は、L型放熱器5から高熱伝導性材料18、そしてケースフタ8と熱伝導し、ケース外へと放熱されることになる。
【0063】
以上のように本実施の形態のパワー制御装置は、L型放熱器5の上面とケースフタ8の間に高熱伝導性材料18を挿入したので、L型放熱器5およびケースフタ8の表面粗度や組立てばらつきによる熱伝導の不均一が解消でき、高効率な放熱が行なえるので、装置の小型化が更に可能になる。
【0064】
【発明の効果】
以上説明したように請求項1に記載の発明は、部品を実装する基板と、前記基板に垂直方向に実装された発熱部品と、前記発熱部品に熱的に接するように取付けられたL型放熱器と、前記L型放熱器の側面と上面で囲まれたスペースに配置した電子部品と、前記基板に実装された準発熱部品とを備えたことにより、非常に容易な手段で発熱部品の放熱が行なうことができ、従来より小型化が可能になるという効果がある。
【0065】
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明に加えて、電子部品の中に電解コンデンサを含むことにより、L型放熱器の上面と側面で囲まれたスペースに大型部品である電解コンデンサを配置することができ、装置の実装体積が小さくできるという効果がある。
【0066】
また、請求項3に記載の発明は、請求項1から請求項2に記載の発明に加えて、準発熱部品をL型放熱器に熱的に接するように取付けたことにより、準発熱部品の放熱補助のためのヒートシンクを不要にでき、小型化、低コスト化ができるという効果がある。
【0067】
また、請求項4に記載の発明は、請求項1から請求項3に記載の発明に加えて、ケースフタを金属板とし前記L型放熱器の上面と前記ケースフタとの間を熱的に接するように取付けたことにより、放熱器の一面とケースフタとの間に高熱伝導性材料を介したことにより、放熱器を小さくして装置の小型化が実現できるとともに、ケース内の温度を外部に放熱するので、電解コンデンサに与える熱影響が非常に小さくなり、寿命が著しく延びることになる。従って、寿命の短い電解コンデンサが使用でき、低コスト化が可能にできるという効果がある。
【0068】
また、請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の発明に加えて、L型放熱器の上面と前記ケースフタとの間を熱的に接するために高熱伝導性材料を用いたことにより、接触ばらつきによる熱伝導の低下を防ぐことができ、更に高効率な放熱が可能にできるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1によるパワー制御装置の断面図
【図2】同実施の形態1によるパワー制御装置の一例の回路図
【図3】本発明の実施の形態2によるパワー制御装置の断面図
【図4】本発明の実施の形態3によるパワー制御装置の断面図
【図5】本発明の実施の形態4によるパワー制御装置の断面図
【図6】本発明の実施の形態5によるパワー制御装置の断面図
【図7】従来のパワー制御装置の断面図
【符号の説明】
1 基板
2 電子部品
3 準発熱部品
4 発熱部品
5 L型放熱器
6 ケース本体
8 ケースカバー
12 電解コンデンサ
19 高熱伝導性材料[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a power control device such as an inverter or a switching power supply that drives a motor at a variable speed.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the progress of power electronics, power control devices have been used in various fields. For example, an inverter is used in a refrigerator or an air conditioner for the purpose of energy saving or the like, and induction heating is used in a rice cooker or the like.
[0003]
As a conventional power control device, there is a power control device in which heat radiation of the power element is particularly improved (for example, see Patent Document 1).
[0004]
Hereinafter, the conventional power control device will be described with reference to the drawings.
[0005]
FIG. 7 is a sectional view of a conventional power control device. As shown in FIG. 7, a
[0006]
Main control components such as a microcomputer (not shown) are mounted on the
[0007]
The operation of the conventional power control device configured as described above will be described below.
[0008]
The heat from the
[0009]
[Patent Document 1]
JP-A-9-283883
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described conventional configuration, the heat generated by the
[0011]
An object of the present invention is to solve the conventional problem, and an object of the present invention is to provide a power control device that can be downsized by arranging a heat-generating component in a vertical direction and attaching the heat-generating component to an L-shaped radiator.
[0012]
In the above-described conventional configuration, the other heat-generating components require a small heat sink for heat radiation. The other heat radiating component here is, for example, a component of a power supply circuit for supplying power to a control circuit, and corresponds to, for example, a
[0013]
Another object of the present invention is to provide a small-sized and low-cost power control device that uses a radiator of a main heat-generating component to effectively radiate quasi-heat-generating components, thereby omitting an auxiliary heat sink. It is.
[0014]
Further, in the above-described conventional configuration, even if the heat of the other heat-generating components is radiated, the heat is radiated in the
[0015]
It is another object of the present invention to provide a power control device capable of lowering the temperature of a component having a large temperature influence, improving reliability, and realizing miniaturization and cost reduction.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
The invention according to
[0017]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the electronic component includes an electrolytic capacitor, and the large-sized electrolytic capacitor maximizes the space of the L-shaped radiator. Since it can be used, there is an effect that the size can be further reduced.
[0018]
According to a third aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the quasi-heating component is attached so as to be in thermal contact with the L-shaped radiator. Since heat is radiated from the heat-generating component by using a heat-radiator of the heat-generating component, a heat sink that assists the quasi-heat-generating component can be omitted, and it is possible to reduce the size and cost.
[0019]
The invention according to
[0020]
According to a fifth aspect of the present invention, in the fourth aspect of the present invention, a high heat conductive material is used to thermally contact between the upper surface of the L-shaped radiator and the case lid. It has the function of absorbing the unevenness of the contact surface due to the surface roughness of the container and the case lid and the assembling work, and the heat can be efficiently dissipated to the maximum extent.
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of a power control device according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[0022]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a sectional view of a power control device according to
[0023]
In FIG. 1,
[0024]
[0025]
[0026]
[0027]
FIG. 2 is a circuit diagram of an example of the power control device according to the first embodiment of the present invention. Here, as an example of the power control device, an inverter that drives a motor at a variable speed will be described.
[0028]
In FIG. 2, reference numeral 9 denotes a commercial power supply, which is generally used at 100 V, 50 Hz or 60 Hz in the case of a general household in Japan.
[0029]
A
[0030]
An
[0031]
[0032]
A
[0033]
A
[0034]
Here, a more detailed description will be added by comparing FIG. 2 with FIG.
[0035]
1 are the rectifier diodes 11a to 11d, the IGBTs 14a to 14f, and the high-speed diodes 14g to 14l in FIG. 2. Particularly, since the power for driving the
[0036]
1 are the MOSFET 18a, the diode 18c, the voltage regulator 18e, and the like in FIG. 2, and the power is only the power for driving the
[0037]
The
[0038]
The power control device configured as described above will be described in more detail.
[0039]
Since the heat-generating
[0040]
In order to effectively radiate the heat generated by such a large loss, it is necessary to use a large radiator. The heat generated by the
[0041]
By doing so, the heat from the heat-generating
[0042]
As described above, the power control device of the present embodiment can radiate the heat generated from the heat-generating
[0043]
(Embodiment 2)
FIG. 3 is a sectional view of a power control device according to
[0044]
3, the same components as those in the first embodiment shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
[0045]
In the present embodiment, the
[0046]
By doing so, a large
[0047]
As described above, the power control device according to the present embodiment includes the
[0048]
(Embodiment 3)
FIG. 4 is a sectional view of a power control device according to
[0049]
4, the same components as those in the first and second embodiments shown in FIGS. 1 to 3 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0050]
In this embodiment, the quasi-heat-generating
[0051]
By doing so, the heat generated from the
[0052]
As described above, the power control apparatus according to the present embodiment uses the radiator of the main heat-generating
[0053]
(Embodiment 4)
FIG. 5 is a sectional view of a power control device according to
[0054]
5, the same components as those in the first to third embodiments shown in FIGS. 1 to 4 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
[0055]
In the present embodiment, the
[0056]
By doing so, the heat generated from the heat-generating
[0057]
As described above, in the power control device of the present embodiment, the
[0058]
In addition, since the temperature rise in the case can be reduced, the heat effect of components that are easily affected by temperature, particularly the
[0059]
(Embodiment 5)
FIG. 6 is a sectional view of a power control device according to
[0060]
6, the same components as those of the fourth embodiment shown in FIG. 5 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
[0061]
In the present embodiment, the high thermal
[0062]
By doing so, the heat generated from the heat-generating
[0063]
As described above, in the power control device of the present embodiment, since the high thermal
[0064]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect of the present invention, there is provided a board on which components are mounted, a heat generating component vertically mounted on the board, and an L-shaped heat radiator mounted so as to be in thermal contact with the heat generating component. Radiator, electronic components arranged in a space surrounded by the side and upper surfaces of the L-shaped radiator, and a quasi-heat-generating component mounted on the substrate, heat radiation of the heat-generating component by a very easy means. Therefore, there is an effect that the size can be reduced as compared with the related art.
[0065]
According to a second aspect of the present invention, in addition to the first aspect of the present invention, an electronic component includes an electrolytic capacitor, so that a large-sized component is provided in a space surrounded by the upper surface and side surfaces of the L-shaped radiator. Therefore, there is an effect that the mounting volume of the device can be reduced.
[0066]
According to a third aspect of the present invention, in addition to the first and second aspects of the present invention, the quasi-heating component is attached to the L-shaped radiator so as to be in thermal contact with the radiator. There is an effect that a heat sink for assisting heat radiation can be eliminated, and miniaturization and cost reduction can be achieved.
[0067]
According to a fourth aspect of the present invention, in addition to the first to third aspects of the present invention, the case lid is made of a metal plate so that the upper surface of the L-shaped radiator and the case lid are in thermal contact with each other. By mounting a high heat conductive material between one surface of the radiator and the case lid, the size of the radiator can be reduced and the size of the device can be reduced, and the temperature inside the case can be radiated to the outside. Therefore, the thermal effect on the electrolytic capacitor is very small, and the life is significantly extended. Therefore, there is an effect that an electrolytic capacitor having a short life can be used, and the cost can be reduced.
[0068]
According to a fifth aspect of the present invention, in addition to the fourth aspect, a high thermal conductive material is used to thermally contact between the upper surface of the L-shaped radiator and the case lid. In addition, it is possible to prevent a decrease in heat conduction due to variation in contact, and it is possible to more efficiently release heat.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of a power control device according to a first embodiment of the present invention; FIG. 2 is a circuit diagram of an example of a power control device according to the first embodiment; FIG. 3 is a power control according to a second embodiment of the present invention; FIG. 4 is a cross-sectional view of a power control device according to a third embodiment of the present invention. FIG. 5 is a cross-sectional view of a power control device according to a fourth embodiment of the present invention. FIG. 7 is a cross-sectional view of a power control device according to a fifth embodiment.
DESCRIPTION OF
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