JP2006329120A - 減圧弁の劣化診断方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】減圧弁の劣化状態を診断するための劣化診断方法において、減圧弁の劣化した箇所が特定できるようにする。
【解決手段】本発明の減圧弁劣化診断装置9は、下流側遮断弁5を閉じて減圧弁3に圧力変動を与え、このときの減圧弁3における圧力の変動波形を通常時の変動波形と比較して減圧弁3の劣化状態を診断し、特に変動波形のピーク値の大きさやピーク値に達するまでの時間に基づいて減圧弁3の劣化箇所を特定することを特徴とする。
【選択図】 図1
【解決手段】本発明の減圧弁劣化診断装置9は、下流側遮断弁5を閉じて減圧弁3に圧力変動を与え、このときの減圧弁3における圧力の変動波形を通常時の変動波形と比較して減圧弁3の劣化状態を診断し、特に変動波形のピーク値の大きさやピーク値に達するまでの時間に基づいて減圧弁3の劣化箇所を特定することを特徴とする。
【選択図】 図1
Description
本発明は、配管を流れるガスの圧力を調整する減圧弁の劣化状態を診断する減圧弁の劣化診断方法に係り、特に減圧弁の劣化した箇所を特定することができる減圧弁の劣化診断方法に関する。
従来、減圧弁あるいは圧力レギュレータの故障を診断するための装置としては、例えば特開平9−26100号公報(特許文献1)が知られている。この従来例では、ガスが流れている場合と流れていない場合とで圧力レギュレータの出口における圧力を検出し、この圧力差によって圧力レギュレータの腐食を判断している。
また、内燃機関における圧力調整弁の故障診断装置の従来例としては、例えば特開平10−9035号公報(特許文献2)が知られている。この従来例では、燃料配管内における圧力の変動幅を検出し、この変動幅が所定値を超えているときに圧力調整弁の故障と判断している。
特開平9−26100号公報
特開平10−9035号公報
上述した特許文献1に開示された従来例では、ガスが流れているときと流れていないときの圧力差によって腐食(劣化)を判断しているので、圧力レギュレータの劣化は判断できても、圧力レギュレータのどの箇所で劣化が起きているのかまでは特定することができないという問題点があった。また、圧力を連続してモニタする必要があるため、故障の検出までに時間がかかってしまうという問題点もあった。
また、上述した特許文献2に開示された従来例は、劣化を検出するものではなく、故障を検出するためのものなので、圧力異常が発生するまでは圧力調整弁の劣化を検出することができないという問題点があった。
上述した課題を解決するために、本発明に係わる減圧弁の劣化診断方法は、ガス供給配管を流れるガスの圧力を調節する減圧弁の劣化状態を診断する減圧弁の劣化診断方法であって、前記減圧弁に対してオーバーシュート及びアンダーシュートとなる圧力変動を与え、このときの状態量の変動波形に基づいて前記減圧弁の劣化状態を診断することを特徴とする。
本発明によれば、減圧弁にオーバーシュート及びアンダーシュートとなる圧力変動を与え、このときの状態量の変動波形に基づいて減圧弁の劣化状態を診断するようにしたので、変動波形のピーク値やピーク値に達するまでの時間などの変位を分析することにより、減圧弁における劣化の有無だけでなく、劣化箇所を速やかに特定することができる。これによれば、減圧弁に異常が発生して故障となる前に減圧弁の劣化を検知することができるので、減圧弁の故障による燃料電池本体のトラブルを未然に防ぐことができる。
以下、本発明に係わる減圧弁の劣化診断方法を実施するための構成を備えたガス供給システムについて説明する。このガス供給システムは、例えば燃料電池車などの車両に搭載され、燃料ガスタンクから燃料電池スタックに燃料ガスを供給するガスの供給システムである。
図1は、実施例1に係るガス供給システムの構成を示すブロック図である。図1に示すように、本実施例に係わるガス供給システム1は、供給されるガスを貯蔵するタンク2と、タンク2から供給されたガスの圧力を所定の圧力にまで減圧する減圧弁3と、減圧弁3の上流側に設置され、ガスの供給を遮断する上流側遮断弁4と、減圧弁3の下流側に設置され、ガスの供給を遮断する下流側遮断弁5と、タンク2から供給されるガスの流量を調整する流量調整弁6と、減圧弁3の上流側の圧力を検出する上流側圧力センサ7と、減圧弁3の下流側の圧力を検出する下流側圧力センサ8と、減圧弁3に圧力変動を与えて減圧弁3の劣化状態を診断する減圧弁劣化診断装置9とを備えて構成されている。
なお、ここでは車両に搭載されたガス供給システムに本実施例の減圧弁劣化診断装置9を設置した例として説明するが、車両に搭載されたシステムでなくても、減圧弁の設置されたガス供給システムであれば、どのようなシステムであってもよい。
次に、図1で示した各構成要素について説明する。
タンク2は高圧のガスを貯蔵する高圧ガス貯蔵容器であり、例えば燃料電池車であれば水素ガスを貯蔵しており、天然ガス車両であればCNG(圧縮天然ガス)を貯蔵している。
減圧弁3は、タンク2から供給されたガスの圧力を所定の圧力にまで減圧して調整している。ここで、減圧弁3の構造を図2に示す。図2に示すように、減圧弁3は、ガスの流量を制御する弁体21と、弁体21の動きをコントロールするバネ22、23と、弁体21においてガスをシールするOリング24と、減圧弁3内に大気を導入する大気連通部25とを備え、弁体21の開度を制御して供給されたガスの流量を制御し、これによってガスの圧力を所定の圧力にまで減圧している。
上流側遮断弁4は、減圧弁劣化診断装置9によってその開閉が制御され、タンク2から減圧弁3へ供給されるガスを遮断する。
下流側遮断弁5は、減圧弁劣化診断装置9によってその開閉が制御され、減圧弁3を通過したガスを遮断する。
流量調整弁6は、減圧弁劣化診断装置9によってその開度が制御され、減圧弁3の劣化診断が実施されているときに必要となるガスの流量を調整している。
上流側圧力センサ7は、上流側遮断弁4と減圧弁3との間のガスの圧力を検出し、検出した値を減圧弁劣化診断装置9に出力している。
下流側圧力センサ8は、減圧弁3と下流側遮断弁5との間のガスの圧力を検出し、検出した値を減圧弁劣化診断装置9に出力している。後述の劣化診断処理において、減圧弁3に圧力変動を与えたときに生じるオーバーシュート及びアンダーシュートの変動波形は、この下流側圧力センサ8により検出される。
減圧弁劣化診断装置9は、上流側遮断弁4と下流側遮断弁5と流量調整弁6を制御して減圧弁3に圧力変動を与え、この圧力変動によって生じた減圧弁3における圧力の変動波形を上流側圧力センサ7及び下流側圧力センサ8で検出して、その変動波形に基づいて減圧弁3の劣化状態を診断している。この減圧弁劣化診断装置9は、CPU、ROM、RAMなどを備えたマイクロコンピュータにより構成され、減圧弁劣化診断プログラムに従って後述のフローチャートに示すような劣化診断処理を実行している。
次に、本実施例の減圧弁劣化診断装置9による劣化診断処理を図3のフローチャートに基づいて説明する。
図3に示すように、まずガス供給システム1が搭載されている車両の運転状態を判断するために、車両が起動時の状態であるか否かを判断し(ステップS301)、起動時の状態でないときには停車中(アイドル時)であるか否かを判断する(ステップS302)。そして、車両の起動時あるいは停車中である場合には、上流側圧力センサ7による検出値P1が所定値α以上であるか否かを判定し(ステップS303)、検出値P1が所定値αより小さいときには流量調整弁6を開いてガスの流量を増やして減圧弁3におけるガスの圧力を上昇させる(ステップS304)。
こうして上流側圧力センサ7の検出値P1が所定値α以上になるか、あるいはステップS301及びステップS302において車両起動時でも停車中でもないと判断されて車両が走行中であると判断されたときには(ステップS305)、続いて上流側圧力センサ7の検出値P1が一定であるか否かを判断する(ステップS306)。
ここで、検出値P1が一定のときには下流側遮断弁5を一定時間T1の間だけ閉じてから開放するように制御して減圧弁3に圧力変動を与える(ステップS307)。次に、ステップS307における処理が実施されたときの減圧弁3における圧力の変動波形を図4に示す。
図4に示すように、下流側遮断弁5を閉じると、減圧弁3の圧力は上昇を始めてオーバーシュートする。そして、一定時間T1が経過して下流側遮断弁5を開放すると減圧弁3の圧力は下降して今度はアンダーシュートしてから最初の値に戻っていく。このように、下流側遮断弁5を一定時間閉じて減圧弁3に圧力変動を与えるようにした場合は、下流側遮断弁5だけの一系統の制御で圧力変動を発生させることができる。
また、ステップS306で検出値P1が一定でないときには上流側遮断弁4を一定時間T2の間だけ閉じてから開放するように制御する(ステップS308)。これによって、図5に示すように上下に安定していなかった減圧弁3の圧力は上流側遮断弁4を一端閉じて開放した後から安定することになる。したがって、この後にステップS307で下流側遮断弁5の開閉を行なって減圧弁3に圧力変動を与えたときの検出精度を向上させることができる。
こうしてステップS307において減圧弁3に圧力変動を与えることによって、減圧弁劣化診断装置9は、そのときの圧力変動量の変動波形を下流側圧力センサ8を通じて検出する。そして、予め記録されている通常時の変動波形と比較して減圧弁3の劣化状態を診断する(ステップS309)。
本実施例では、上流側圧力センサ7による検出値P1が所定値α以上のときに劣化診断の処理に移行するようにしているため、ステップS307で圧力変動を減圧弁3に与えたときに、減圧弁3における圧力変動代が大きくなって、変動波形の検出精度を向上させることができる。
とくに、検出値P1が所定値αより小さいときには流量調整弁6を開いてガスの流量を増やして減圧弁3を流れるガスの圧力を強制的に上昇させるようにしているため、車両の状態に応じて必要なタイミングで劣化診断を実施することができる。
さらには、上流側圧力センサ7の検出値P1が所定値α以上で一定となったときに劣化診断の処理に移行するようにしているため、ガスの圧力が安定した状態で圧力変動を与えることができ、且つ圧力変動のピーク値を大きくすることができるので、変動波形の検出精度をより向上させることができる。
次に、図6〜図9に基づいて、減圧弁劣化診断装置9による減圧弁3の劣化状況の診断方法を説明する。
まず、図6に示すように、検出した変動波形のピーク値が通常時のピーク値(範囲)を超えているときには、図2で示した減圧弁3のバネ22、23にへたりなどの劣化が生じていると判断する。この例では、検出した圧力変動量をガス温度で補正し、補正した圧力変動量の変動波形に基づいて劣化状態を診断するようにしてもよい。この場合には、温度センサを設置してガスの温度を検出できるようにし、複数の温度に対応した複数の圧力波形から温度に応じた圧力波形を選択して劣化状態を診断する。このように、検出した圧力変動量をガス温度で補正することによって、外気温に影響されることなしにバネ22、23の劣化をより正確に判断することができる。
また、図4に示すように、下流側遮断弁5を閉じて圧力上昇させる場合には、図11に示すように、配管内の圧力の変化を、配管内のガス質量の変化として捉えることができる。したがって、状態量として検出した圧力を、診断開始の圧力と診断開始からのある時間での圧力差、およびガス温度と配管容積とを用いて、気体の状態方程式により配管内のガス質量に変換することにより、ガス質量の変化によりバネ22、23の劣化状態を診断することができる。このようにすれば、ガス温度に対応する圧力波形を複数用意しなくても劣化診断を行うことができる。
また、図7に示すように、検出した変動波形のピーク値が通常時のピーク値(範囲)に達していないときには、図2で示した減圧弁3の大気連通部25の詰まりと判断する。この例では、検出した圧力変動量をガス温度で補正し、補正した圧力変動量の変動波形に基づいて劣化状態を診断するようにしてもよい。この場合には、温度センサを設置してガスの温度を検出できるようにする。このように、検出した圧力変動量をガス温度で補正することによって、外気温に影響されることなしに大気連通部25の劣化による詰まりをより正確に判断することができる。また、上記と同様に、状態量として検出した圧力変動量を、ガス温度と配管容積とを用いて質量の変化に変換した場合は、質量の変化により大気連通部25の劣化状態を診断することができる。
さらに、図8に示すように、検出した変動波形のピーク値(範囲)に達するまでの時間が通常時よりも所定時間遅れたときには、図2で示した減圧弁3のOリング24が固着しているか、あるいは弁体21が固着していると判断する。
また、図9に示すように、圧力変動を開始したときの圧力値(P2)が通常時の圧力値(P1:第1の所定値)よりも高く、且つ検出した変動波形におけるピーク値が通常時のピーク値(第2の所定値)を超えているときには、図2で示した減圧弁3の弁体21が磨耗しているか、あるいは異物を噛み込んで隙間が開いていると判断する。
このように、減圧弁劣化診断装置9は検出した変動波形(点線)と通常時の変動波形(太線)とを比較することにより、減圧弁3の劣化状態を診断して、減圧弁3の劣化箇所を特定する。なお、本実施例では、下流側遮断弁5を閉じたときのオーバーシュート及びアンダーシュートを検出するようにしているが、オーバーシュートまたはアンダーシュートのみでも劣化診断は可能である。本実施例のようにオーバーシュートとアンダーシュートを含めた変動波形で比較するようにした場合は、より正確な劣化診断を行うことができる。
一方、検出した変動波形が通常時の変動波形と同様になった場合には異常がないと判断して劣化診断処理を終了する。
また、減圧弁劣化診断装置9はステップS309において、図6〜図9に示すような劣化診断により劣化と判断したときには(NG)、予め設定した回数、例えばA回だけ繰り返し劣化状態を診断するように、A回以上診断を行なったか否かを判断する(ステップS310)。一方、劣化診断で劣化と判断しないときは(OK)、劣化診断処理を終了する。
そして、ステップS310において、A回に満たない場合にはステップS303に戻って上述の処理を繰り返し行い、すでにA回の診断を行なっているときには、A回の平均値を算出して(ステップS311)、再び減圧弁3の劣化状態を診断する(ステップS312)。そして、その診断結果や検出したデータを記録して(ステップS313)、劣化診断処理を終了する。
上述した実施例では、上流側圧力センサ7及び下流側圧力センサ8を設置して減圧弁3における状態量として圧力変動量を検出し、この変動波形に基づいて減圧弁3の劣化状態を診断する例について示したが、状態量として流量変動量を検出し、この変動波形に基づいて劣化状態を診断するようにしてもよい。この場合には、上流側圧力センサ7及び下流側圧力センサ8の代わりに流量計をそれぞれ設置する。
また、図10に示すように、圧力や流量などの状態量の所定区間での変化率(dP0/dt、dP1/dt)を算出し、これらを比較することで劣化状態の診断を行なうようにしてもよい。
また、本実施例では、上流側遮断弁4を開いた状態で下流側遮断弁5を一定時間だけ閉じることで圧力変動を与える例について示したが、上流側遮断弁4を閉じてガスの圧力が一定値となったときに、下流側遮断弁5を一定時間だけ閉じることで圧力変動を与えるようにしてもよい。
このように、上流側遮断弁4及び下流側遮断弁5を閉じるタイミングを制御することで圧力変動を発生させるようにした場合は、ガスの流量に関わらず、意図的に減圧弁3の下流側に圧力変動を発生させることができるので、車両の状態に応じて必要なタイミングで劣化診断を実施することができる。とくに、ガスの圧力が一定値となったタイミングで圧力変動を与えることにより、変動波形の検出精度を向上させることができる。
また、減圧弁3に圧力変動を与えるのに遮断弁を用いずに、流量調整弁6を一定時間閉じることで圧力変動を発生するようにしてもよい。
以上説明したように、本実施例の減圧弁劣化診断装置9では、減圧弁3にオーバーシュート及びアンダーシュートとなる圧力変動を与え、このときの状態量の変動波形に基づいて減圧弁3の劣化状態を診断するようにしたので、変動波形のピーク値やピーク値に達するまでの時間などの変位を分析することにより、減圧弁3における劣化の有無だけでなく、劣化箇所を速やかに特定することができる。このように、本実施例においては、減圧弁3に異常が発生して故障となる前に減圧弁3の劣化を検知することができるので、減圧弁3の故障による燃料電池本体のトラブルを未然に防ぐことができる(請求項1の効果)。
また、本実施例の減圧弁劣化診断装置9では、状態量の変動波形におけるピーク値が所定値を超えたときに減圧弁3の劣化と判断するので、減圧弁3のバネ22、23の劣化を検出することができる(請求項2の効果)。
さらに、本実施例の減圧弁劣化診断装置9では、状態量の変動波形においてピーク値に達するまでの時間が所定の時間よりも遅れたときに減圧弁3の劣化と判断するので、減圧弁3のOリング24の固着あるいは弁体21の固着を検出することができる(請求項3の効果)。
また、本実施例の減圧弁劣化診断装置9では、状態量の変動波形におけるピーク値が所定値に達しなかったときに減圧弁3の劣化と判断するので、減圧弁3の大気連通部25の詰まりを検出することができる(請求項4の効果)。
さらに、本実施例の減圧弁劣化診断装置9では、圧力変動開始時における状態量の値が第1の所定値よりも高く、状態量の変動波形におけるピーク値が第2の所定値を超えたときに減圧弁3の劣化と判断するので、弁体21の磨耗あるいは異物の噛み込みによる隙間の発生を検出することができる(請求項5の効果)。
また、本実施例の減圧弁劣化診断装置9では、減圧弁3の劣化を診断するための状態量として圧力変動量を用いているため、圧力センサを設置することによって減圧弁3における変動波形を容易に検出することができ、これによって減圧弁3の劣化状態を検出することができる(請求項6の効果)。
さらに、検出した圧力変動量をガス温度で補正するようにした場合は、補正した圧力変動量の変動波形に基づいて劣化状態を診断することができるため、外気温に影響されることなしにバネ22、23の劣化をより正確に判断することができる(請求項7の効果)。
また、状態量として検出した圧力変動量を、ガス温度と配管容積とを用いて質量流量に変換して用いるようにした場合は、質量流量により大気連通部25の劣化状態を診断することができる(請求項8の効果)。
さらに、本実施例の減圧弁劣化診断装置9において、減圧弁3の劣化を診断するための状態量として流量変動量を用いた場合は、流量計を設置することによって減圧弁3における変動波形を容易に検出することができ、これによって減圧弁3の劣化状態を検出することができる(請求項9の効果)。
また、本実施例の減圧弁劣化診断装置9では、下流側遮断弁5を一定時間閉じて減圧弁3に圧力変動を与えるようにしているため、下流側遮断弁5だけの一系統の制御で圧力変動を発生させることができる(請求項10の効果)。
また、上流側圧力センサ7による検出値P1が所定値α以上のときに劣化診断の処理に移行するようにしているため、減圧弁3における圧力変動代が大きくなって、変動波形の検出精度を向上させることができる(請求項11の効果)。
また、検出値P1が所定値αより小さいときには流量調整弁6を開いてガスの流量を増やして減圧弁3を流れるガスの圧力を強制的に上昇させるようにしているため、車両の状態に応じて必要なタイミングで劣化診断を実施することができる(請求項12の効果)。
さらに、上流側圧力センサ7の検出値P1が所定値α以上で一定となったときに劣化診断の処理に移行するようにしているため、ガスの圧力が安定した状態で圧力変動を与えることができ、且つ圧力変動のピーク値を大きくすることができるので、変動波形の検出精度をより向上させることができる(請求項13の効果)。
また、上流側遮断弁4及び下流側遮断弁5を閉じるタイミングを制御することで圧力変動を発生させるようにしているため、ガスの流量に関わらず、意図的に減圧弁3の下流側に圧力変動を発生させることができるので、車両の状態に応じて必要なタイミングで劣化診断を実施することができる(請求項14の効果)。
さらに、ガスの圧力が一定値となったタイミングで圧力変動を与えることにより、変動波形の検出精度を向上させることができる(請求項15の効果)。
また、本実施例の減圧弁劣化診断装置9では、減圧弁3の劣化診断を複数回実施し、その平均値に基づいて減圧弁3の劣化診断を行うので、より信頼性のある診断結果を得ることができる(請求項16の効果)。
1 ガス供給システム
2 タンク
3 減圧弁
4 上流側遮断弁
5 下流側遮断弁
6 流量調整弁
7 上流側圧力センサ
8 下流側圧力センサ
9 減圧弁劣化診断装置
21 弁体
22、23 バネ
24 Oリング
25 大気連通部
2 タンク
3 減圧弁
4 上流側遮断弁
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9 減圧弁劣化診断装置
21 弁体
22、23 バネ
24 Oリング
25 大気連通部
Claims (16)
- ガス供給配管を流れるガスの圧力を調節する減圧弁の劣化状態を診断する減圧弁の劣化診断方法であって、
前記減圧弁に対してオーバーシュート及びアンダーシュートとなる圧力変動を与え、このときの状態量の変動波形に基づいて前記減圧弁の劣化状態を診断することを特徴とする減圧弁の劣化診断方法。 - 前記状態量の変動波形におけるピーク値が所定値を超えたときに前記減圧弁の劣化と判断することを特徴とする請求項1に記載の減圧弁の劣化診断方法。
- 前記状態量の変動波形においてピーク値に達するまでの時間が所定の時間よりも遅れたときに前記減圧弁の劣化と判断することを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載の減圧弁の劣化診断方法。
- 前記状態量の変動波形におけるピーク値が所定値に達しなかったときに前記減圧弁の劣化と判断することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の減圧弁の劣化診断方法。
- 前記圧力変動開始時における状態量の値が第1の所定値よりも高く、且つ前記状態量の変動波形におけるピーク値が第2の所定値を超えたときに前記減圧弁の劣化と判断することを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の減圧弁の劣化診断方法。
- 前記状態量は圧力変動量であることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の減圧弁の劣化診断方法。
- 前記状態量として検出した圧力変動量をガス温度で補正することを特徴とする請求項2または4のいずれかに記載の減圧弁の劣化診断方法。
- 前記状態量として検出した圧力変動量を、診断開始圧力と診断開始からある時間での圧力との差圧、およびガス温度と配管容積とを用いて、配管内のガス質量の変動量に変換し、当該質量の変動波形におけるピーク値に基づいて前記減圧弁の劣化を診断することを特徴とする請求項6に記載の減圧弁の劣化診断方法。
- 前記状態量は流量変動量であることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の減圧弁の劣化診断方法。
- 前記減圧弁のガス供給下流側に設置された遮断弁を一定時間閉じることにより前記減圧弁に対して圧力変動を与えることを特徴とする請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の減圧弁の劣化診断方法。
- 前記減圧弁を流れるガスの圧力が所定値以上のときに、前記減圧弁の劣化診断を実施することを特徴とする請求項1から請求項10のいずれか1項に記載の減圧弁の劣化診断方法。
- 前記減圧弁を流れるガスの圧力が所定値未満のときには、当該減圧弁のガス供給下流側に設置された流量調整弁を一定以上の開度とし、ガスの流量を増やしてガスの圧力を上昇させた状態で前記減圧弁のガス供給下流側に設置された遮断弁を一定時間閉じることを特徴とする請求項11に記載の減圧弁の劣化診断方法。
- 前記減圧弁のガス供給下流側に設置された流量調整弁を一定以上の開度とした状態で、前記減圧弁のガス供給上流側に設置された遮断弁と減圧弁との間に設置された圧力センサの値が所定値以上で一定となったときに、前記減圧弁のガス供給下流側に設置された遮断弁を一定時間閉じることをことを特徴とする請求項11または請求項12のいずれかに記載の減圧弁の劣化診断方法。
- 前記減圧弁のガス供給上流側に設置された遮断弁及びガス供給下流側に設置された遮断弁を閉じるタイミングを制御することにより圧力変動を発生させることを特徴とする請求項1から請求項9、並びに請求項11から請求項13のいずれか1項に記載の減圧弁の劣化診断方法。
- 前記減圧弁のガス供給上流側に設置された遮断弁を閉じてガスの圧力が一定値となったときに前記減圧弁のガス供給下流側に設置された遮断弁を一定時間閉じることにより圧力変動を発生させることを特徴とする請求項14に記載の減圧弁の劣化診断方法。
- 前記減圧弁の劣化診断を複数回実施し、その平均値に基づいて前記減圧弁の劣化診断を行うことを特徴とする請求項1から請求項15のいずれか1項に記載の減圧弁の劣化診断方法。
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2005
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