JP2008501885A - ヒート・エンジン - Google Patents
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Abstract
本発明は、第1温度レベルで大気と熱交換する第1大気熱交換器(1)と、第2温度レベルで大気と熱交換する第2大気熱交換器(2)と、高圧作動媒体を受け取る第1高圧タンク(11)と、高圧作動媒体を受け取る第2高圧タンク(12)と、一方の高圧タンク(11、12)からの作動媒体から機械的な作動を生成する作動機械(31)と、工程の進行を制御する制御装置(42)とからなるヒート・エンジンに関する。前第1高圧タンク(11)が、前記大気熱交換器(1、2)から間隔を空けて設けられるとともに前記第1大気熱交換器(1)に接続可能な第1熱交換器(21)を備える一方、前記第2高圧タンク(12)が、前記大気熱交換器(1、2)から間隔を空けて設けられるとともに前記第2大気熱交換器(2)に接続可能な第2熱交換器(21)を備えることにより、高い効率と大きな順応性を得ることができる。
Description
本発明は、第1温度レベルで大気と熱交換する第1大気熱交換器と、第2温度レベルで大気と熱交換する第2大気熱交換器と、高圧作動媒体を受け取る第1高圧タンクと、高圧作動媒体を受け取る第2高圧タンクと、これらの高圧タンクの一方から排出される作動媒体から機械的エネルギーを生成する作動機械と、工程の進行を制御する制御装置とからなるヒート・エンジン(熱機関)に関する。
自然発生する温度差を利用することにより機械的な作動を得ることが可能であることが知られている。この目的のために、ソーラーシステムまたは地対空熱交換器からの熱を用いることができる。
建築物用ソーラーシステムがアメリカ特許第5,259,363A号から公知であり、これは、加熱目的で熱を得ることに加えて、電力を得るためのタービンを有している。タービンは従来の循環工程の一環であり、この工程では、作動流体が熱を供給することによって蒸発した後、タービンで膨張し、圧縮されて、供給ポンプにより再び作動圧となる。このようなシステムは最適な条件下では確かに有効であるが、環境条件が変動する場合や最適でない場合は、相対的に順応性がほとんどない。
WO02/075154Aは、太陽熱及び/または大気熱によってガスを圧縮する装置を示している。この装置では、大気との熱交換のための収集器としても設計された高圧熱交換器が用いられている。高圧熱交換器は太陽熱収集器として構成することができる。作動機械として気圧シリンダが設けられており、高圧熱交換器の高圧部からの高圧媒体を膨張させる。均圧化が達成された後、新たな作動サイクルを開始できるよう、高圧熱交換器の高圧部内の処理済作動媒体が補給される。この種の公知の装置を用いて、熱、冷却材、及び機械的エネルギーを同時に使用または生成することが可能であるが、これらの工程の効率は非常に悪い上に、異なる要件及び大気状態に対して行なうことのできる調節に関する順応性も非常に限定されている。公知の解決方法のさらなる不都合は、大気熱交換器として用いられる収集器が高圧タンクとしても構成されているため、非常に頑強な機械的構成を備えていることが必要となることである。これにより、製作上の労力がかなり増加することになる。
CH647590Aは、低度の熱源から有効なエネルギーを得るための方法及び装置を記載している。この装置の実施例では、分子ふるい沸石が補給された高圧タンクを設けることができる。
本発明の目的は、これらの不都合を解消し、利用可能な温度レベルを最適に利用できるとともに効率のよい上記の種類のヒート・エンジンを提供することにある。さらに、構造的に簡素な構成が達成できる。本発明の別の目的は、高い効率と高い順応性を可能にする方法を提供することにある。
本発明によると、第1高圧タンクが、大気熱交換器から間隔を空けて設けられるとともに前記第1大気熱交換器に接続可能な第1熱交換器を備え、第2高圧タンクが、大気熱交換器から間隔を空けて設けられるとともに第2大気熱交換器に接続可能な第2熱交換器を備え、作動機械に機械的に連結された圧縮器が設けられており、この圧縮器は高圧圧縮器として設けられていることが好ましい。従って、作動媒体を必要に応じて保存したり処理をすべく、これを高圧にすることが可能である。
一方において、本発明の重要な特徴は、高い効率を得るために高圧下にある作動媒体を熱エネルギーに変換するために使用することができるということである。他方で、収集器、つまり大気熱交換器が間隔を空けて設けられていることにより、加熱と冷却とを直接切り換えることが可能であるため、かなり早い作動サイクルが達成される。本発明によるシステムの別の利点は、作動媒体が実質的に高圧タンク間を往復流動するため、高圧タンクを作動媒体で補給するための供給ポンプを必要としないということである。大気熱交換器には低圧媒体が流動するだけなので、従来の太陽熱収集器や対地空熱交換器などを用いることができ、構造上の構成が簡素化され、コストが削減される。
本発明の格別な利点は、構成部材を別々に設けることによって、そのときに利用可能な温度レベルの利用に関して高い順応性を達成することができるということである。
構造に関して特に好適である本発明の解決方法は、作動機械がタービンとして設けられた場合に見られる。作動機械はリバーシブル、つまり両方向に作動できるよう構成されるため、回路に載置される構成要素が削減される。
第1高圧タンクが第1熱交換器に加えて第5熱交換器を備えている場合、第2高圧タンクが第2熱交換器に加えて第6熱交換器を備えている場合に、効率を上げることができる。この点に関しては、第1大気熱交換器が第5及び第6熱交換器に選択的に接続可能であり、第2大気熱交換器が第1及び第2熱交換器に選択的に接続可能である場合に、特に有利である。回路は、第5及び第6熱交換器を備えた第1大気熱交換器が閉鎖熱運搬サイクル(閉鎖型の熱サイクル)に設けられ、第1及び第2熱交換器を備えた第2大気熱交換器が別の閉鎖熱運搬サイクルに設けられるように構成されるのが好ましい。第1及び第2熱交換器は、第1及び第2高圧タンクに交互に熱を供給するために通常作動状態において用いられる一方、第5または第6熱交換器を介して2つの高圧タンクの他方から熱が奪われる。夜間など特別な条件下では、例えば太陽熱収集器などの通常は熱を吸収するために用いられる大気熱交換器を介して放熱され、例えば地対空交換器として構成することのできる別の大気熱交換器を介して熱が吸収されることに留意すべきである。本発明による装置が格別な順応性を有する結果、機械的な作動において熱変換するためにこのような異常な大気状態を利用することも可能である。また、特に、建築物や設備などを加熱または冷却するための大気熱交換器を設けることも可能である。
使用時の順応性は、作動機械に選択的に接続可能な第3高圧タンク及び第4高圧タンクが設けられているということでさらに増加する。熱の供給及び排出は、第3高圧タンクが第3熱交換器を備え、第4高圧タンクが第4熱交換器を備えていると、好適に行われる。
本発明の特に好適な実施例では、第3熱交換器及び第4熱交換器が圧縮器に選択的に接続可能となっている。さらに、第3熱交換器及び第4熱交換器は、別の作動機械に選択的に接続可能となっている。
さらに別の実施例では、第3高圧タンクは、第3熱交換器に加えて第7熱交換器を備えるとともに、第4高圧タンクは、第4熱交換器に加えて第8熱交換器を備えており、この第7熱交換器と第8熱交換器は特に、高圧熱運搬サイクルにおいて、圧縮器及び作動機械に接続可能となっている。このように、多岐にわたる大気状態の利用に関して、これまでにはなかった可変性を達成することができる。エネルギーの要求が利用可能なエネルギーを超えるような短い期間は、別の高圧バッファ保存装置を備えることで、好適に埋めることができる。
本発明はさらに、熱エネルギーを機械的な作動に変換する方法に関しており、この方法においては、第1温度レベルにおいて第1大気熱交換器によって熱が大気から吸収され、高圧タンクに存在する高圧の作動媒体に搬送されるとともに、第2大気熱交換器が、第2温度レベルにおいて熱を大気と交換し、高圧の作動媒体が作動機械において膨張する。
この方法は、本発明によると、第1高圧タンクが前記大気熱交換器及び第2大気熱交換器に、交互に熱接続されるようになっていることを特徴としている。短いサイクル時間で高い効率を得ることができるのである。
本発明による方法の好適な改変例では、第2高圧タンクが前記第1大気熱交換器及び第2大気熱交換器に、交互に熱接続されることにより、前記第1高圧タンクが大気熱交換器と熱接続されるとともに、前記第2高圧タンクが他方の大気熱交換器と熱接続されるようになっている。
この方法は、特に、第1作動サイクルにおいて、前記作動媒体が第1熱交換器を介して前記第1高圧タンク内で加熱されることにより、前記第1熱交換器が前記第1大気熱交換器と接続される一方、同時に、前記第2高圧タンクが第6熱交換器を介して冷却されるとともに、前記第6熱交換器が前記第2大気熱交換器と接続されるようになっており、第2作動サイクルにおいて、前記第2高圧タンク内の前記作動媒体が第2熱交換器を介して加熱されることにより、前記第2熱交換器が前記第1大気熱交換器と接続される一方、同時に、前記第1高圧タンクが第5熱交換器を介して冷却されるとともに、前記第5熱交換器が前記第2大気熱交換器と接続されるように、交互に実施される。
添付の図面に示す実施例を参照しながら、本発明をさらに詳しく説明する。
図1は、本発明の基本的概念を概略的に示す回路線図である。
図2は、図1の回路の改変例である。
図3は、回路線図における本発明の好適な実施例を示す。
図1は、本発明の基本的概念を概略的に示す回路線図である。
図2は、図1の回路の改変例である。
図3は、回路線図における本発明の好適な実施例を示す。
図1は本発明の基本的概念を概略的に示している。第1大気熱交換器1は、例えば太陽熱収集器として構成されている。第2大気熱交換器2は地熱収集器である。本発明においては、100メートル以上の深さの穿孔された孔に設けられた深い収集器であるか、広い表面積にわたって、約1メートルまたは2メートルの深さに埋設された浅い収集器であるかは重要ではない。第1高圧タンク11及び第2高圧タンク12が大気熱交換器1、2から間隔を空けて設けられており、これらのタンクはそれぞれ、第1熱交換器21及び第2熱交換器22を有している。切換バルブ51により、第1大気熱交換器1は、第1熱交換器21または第2熱交換器22に選択的に確実に接続される。同時に、第2大気熱交換器2は、他方の熱交換器22、21に接続される。図外の循環ポンプにより、作動媒体は、第1及び第2大気熱交換器1、2の熱運搬サイクルに確実に搬送される。また、制御装置42によって、切換バルブ51の最適な切換が確実になる。それぞれの熱交換器21、22により高圧タンク11、12の一方を加熱する結果、前記高圧タンク12、11内の内圧が増圧するため、他方の高圧タンク12、11との圧力差が生じる。この圧力差は、例えばタービンとして構成された作動機械31により機械的作動に変換することができる。圧力が均衡になると、切換バルブ51が逆に切り換わり、他方の高圧タンク12、11が加熱されて、作動機械31により異なる方向に膨張が生じる。作動機械31は可逆構成を備えて設けられているか、あるいは、バルブ52、53、54、55により、高圧タンク11、12と作動機械31との間に作動媒体が確実に案内されるようになっている。
図2の実施例において、冷却材サイクルが、第1大気熱交換器1、第1熱交換器21、第2大気熱交換器2及び第2熱交換器22が、順次閉サイクルで切り換わるように設けられている。可逆循環ポンプ3は、前記循環の作動媒体を2方向のいずれかに選択的に圧送することができる。循環ポンプ3が矢印4の方向に駆動すると、第1熱交換器21を介した第2大気熱交換器2からの熱は第1高圧タンク11を加熱するために用いられ、そのことにより、作動媒体が冷たい方の大気熱交換器2に流入し、その後第2熱交換器22を介して第2高圧タンク12を冷却する。循環ポンプ3が、作動媒体を矢印5の方向へ搬送するために逆に切り換わると、第1大気熱交換器1から流入する作動媒体が、第2熱交換器22を介して第2高圧タンク12を加熱し、その後第2大気熱交換器2を経た後、第1熱交換器21を介して第1高圧タンク11を冷却する。これ以外の回路構成は、図1のものにほぼ対応する。本実施例では、専用のバルブがなくても、2つの高圧タンク11、12の加熱と冷却との切換を行うことができる。
図1及び図2は、本発明の基本的な機能原理を概略的に示したものであり、多くの改変が可能である。従って、2つ以上の高圧タンク11、12を設け、所定の切換サイクルに従ってこれらを大気熱交換器1、2に接続し、よって、これらを加熱または冷却することが可能である。本発明のその他の実施例を図3に示す。
図3において、第1高圧タンク11には、第1熱交換器21と第5熱交換器25とが設けられている。第2高圧タンク12には、第2熱交換器22と第6熱交換器26とが設けられている。第1大気熱交換器1は、バルブ56、57を介して、第5熱交換器25と第6熱交換器26とに選択的に接続することができる。作動機械31は、バルブ52、53を介して第1高圧タンク11及び第2高圧タンク12と接続されている。2つの高圧タンク11、12に加熱と冷却とが交互に行なわれる結果、作動機械31は、作動媒体が膨張するように、高圧の高圧タンク11、12により、低圧の他方の高圧タンク12、11へと駆動可能である。作動媒体の圧力は、およそ200バールの大きさであり、これは、300バール以上に上げることができる。
第1及び第2高圧タンク11、12は、バルブ61、62、63、64を備えた高圧系を介して、第3高圧タンク13及び第4高圧タンク14に接続している。第3高圧タンク13は、第3熱交換器23と第7熱交換器27とを有しており、第4高圧タンク14は、第4熱交換器24と第8熱交換器28とを有している。第3、第4、第7、第8熱交換器23、24、27、28は、バルブ65、66を介して圧縮器32に接続されており、この圧縮器は作動機械31によって駆動される。
いくつかの高圧バッファ保存装置41が、バルブ61、62、63、64を介して高圧タンク11、12、13、14に接続されており、さらに第7及び第8熱交換器27、28に接続されている。さらに、高圧サイクルは、下流側でバルブ67、68を介して第3及び第4熱交換器23、24に接続されている別の作動機械33で、第7及び第8熱交換器27、28に接続されている。
本発明による装置の作用特徴をより以下の通りより詳細に説明する。
高圧タンク11、12には、初期に例えば200バールの等しい圧力の作動媒体が補充されている。作動媒体は、空気であってもよいが、他の適切な気体であってもよい。第1大気熱交換器1に対する日射により、あるいは他の加熱により、この大気熱交換器1の温度が上昇すると仮定すると、大気熱交換器2の温度は、例えば建築物や土壌内の陰に位置するため、下降することになる。第1作動サイクルでは、バルブ56及び59は開いており、バルブ57及び58は閉じている。そのため、第1高圧タンク11は第1熱交換器21を介して加熱され、第2高圧タンク12は第6熱交換器26を介して冷却されるのである。温度の上昇により上昇した第1高圧タンク11の圧力は作動機械31を経て処理され、作動媒体が第2高圧タンク12に供給される。作動機械31は、圧縮器32に機械的に連結されており、この圧縮器は、作動媒体を高圧に圧縮し、これを第1〜第7及び/または第8熱交換器27、28に案内し、ここで圧縮熱が第3及び/または第4高圧タンク13、14に搬送される。作動媒体は、高圧バッファ保存装置41に高圧で保存される。
第1及び第2高圧タンク11、12間の加熱切換えは、上記の通りすでに詳細に述べた。何回かのサイクルの後、第3及び/または第4高圧タンク13、14の温度及び圧力は、作動媒体が膨張して、別の作動機械33を経て処理される程度まで上昇する。膨張し、冷却された作動媒体は、第3及び/または第4熱交換器23、24を介して案内され、それぞれの高圧タンク13、14を冷却する。個別制御する場合は、建築物や設備を冷却するのに使用される冷却材を生成することができる。
本発明では、熱エネルギーを、効率よく最大限の順応性をもって、機械的な作動に変換することができる。
Claims (32)
- 第1温度レベルで大気と熱交換する第1大気熱交換器(1)と、
第2温度レベルで大気と熱交換する第2大気熱交換器(2)と、
高圧の作動媒体を受け取る第1高圧タンク(11)と、
高圧の作動媒体を受け取る第2高圧タンク(12)と、
一方の高圧タンク(11、12)からの作動媒体の膨張から機械的な作動を得る作動機械(31)と、
工程を制御する制御装置(42)と、からなるヒート・エンジンであって、
前記第1高圧タンク(11)が、前記大気熱交換器(1、2)から間隔を空けて設けられると共に、前記第1大気熱交換器(1)に接続可能な第1熱交換器(21)を備え、
前記第2高圧タンク(12)が、前記大気熱交換器(1、2)から間隔を空けて設けられると共に、前記第2大気熱交換器(2)に接続可能な第2熱交換器(21)を備え、
前記作動機械(31)に機械的に連結された圧縮器(32)が設けられていることを特徴とするヒート・エンジン。 - 前記作動機械(31)が、タービンとして設けられていることを特徴とする請求項1に記載のヒート・エンジン。
- 前記圧縮器(32)が、高圧圧縮器として設けられていることを特徴とする請求項1又は2に記載のヒート・エンジン。
- 前記第1大気熱交換器(1)が、閉鎖熱運搬サイクルにおいて、前記第1熱交換器(21)及び前記第2熱交換器(22)の何れか一方又は双方に接続されていることを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載のヒート・エンジン。
- 前記第2大気熱交換器(2)が、閉鎖熱運搬サイクルにおいて、前記第1熱交換器(21)及び第2熱交換器(22)の何れか一方又は双方に接続されていることを特徴とする請求項1〜4の何れか一項に記載のヒート・エンジン。
- 前記作動機械(31)がリバーシブルであることを特徴とする請求項1〜5の何れか一項に記載のヒート・エンジン。
- 前記第1高圧タンク(11)が、前記第1熱交換器(21)に加えて第5熱交換器(25)を有し、
前記第2高圧タンク(12)が、前記第2熱交換器(22)に加えて第6熱交換器(26)を有していることを特徴とする請求項1〜6の何れか一項に記載のヒート・エンジン。 - 前記第1大気熱交換器(1)が、前記第5及び第6熱交換器(25、26)に選択的に接続可能であり、
前記第2大気熱交換器(2)が、前記第1及び第2熱交換器(21、22)に選択的に接続可能であることを特徴とする請求項7に記載のヒート・エンジン。 - 前記第5及び第6熱交換器(25、26)を備えた前記第1大気熱交換器(1)が一つの閉鎖熱運搬サイクルに設けられると共に、
前記第1及び第2熱交換器(21、22)を備えた前記第2大気熱交換器(2)が別の閉鎖熱運搬サイクルに設けられていることを特徴とする請求項8に記載のヒート・エンジン。 - 前記第1大気熱交換器(1)又は前記第2大気熱交換器(2)が、太陽熱収集器として設けられていることを特徴とする請求項1〜9の何れか一項に記載のヒート・エンジン。
- 前記第1大気熱交換器(1)又は前記第2大気熱交換器(2)が、地対空交換器として設けられていることを特徴とする請求項1〜10の何れか一項に記載のヒート・エンジン。
- 前記第1大気熱交換器(1)又は前記第2大気熱交換器(2)が、室内又は設備の加熱及び冷却の一方又は双方を行うための熱交換器として設けられていることを特徴とする請求項1〜11の何れか一項に記載のヒート・エンジン。
- 前記作動機械(31)に選択的に接続可能な第3高圧タンク(13)及び第4高圧タンク(14)がさらに設けられていることを特徴とする請求項1〜12の何れか一項に記載のヒート・エンジン。
- 前記第3及び第4高圧タンク(13、14)の一方又は双方が大気に対して絶縁されていることを特徴とする請求項13に記載のヒート・エンジン。
- 前記第3高圧タンク(13)が第3熱交換器(23)を有し、
前記第4高圧タンク(14)が第4熱交換器(24)を有していることを特徴とする請求項13又は14に記載のヒート・エンジン。 - 前記第3熱交換器(23)及び前記第4熱交換器(24)が前記圧縮器(32)に選択的に接続可能であることを特徴とする請求項15に記載のヒート・エンジン。
- 前記第3熱交換器(23)及び前記第4熱交換器(24)が別の作動機械(33)に選択的に接続可能であることを特徴とする請求項15又は16に記載のヒート・エンジン。
- 前記第3高圧タンク(13)が前記第3熱交換器(23)に加えて第7熱交換器(27)を有し、
前記第4高圧タンク(14)が前記第4熱交換器(24)に加えて第8熱交換器(28)を有していることを特徴とする請求項13〜17の何れか一項に記載のヒート・エンジン。 - 前記第7熱交換器(27)及び前記第8熱交換器(28)が、高圧熱運搬サイクルにおいて、前記圧縮器(32)及び前記作動機械(31、33)に接続可能であることを特徴とする請求項18に記載のヒート・エンジン。
- 高圧バッファ保存装置(41)がさらに設けられていることを特徴とする請求項1〜19の何れか一項に記載のヒート・エンジン。
- 第1温度レベルで、第1大気熱交換器(1)により熱が大気から吸収され、
高圧タンク(11、12)に存在する作動媒体に高圧で運搬されると共に、
第2大気熱交換器(2)が第2温度レベルで熱と大気を交換し、
高圧下の前記作動媒体が作動機械(31)内で膨張して、
熱エネルギーを機械的な作動に変換する方法であって、
第1高圧タンク(11)が前記大気熱交換器(1)及び前記第2大気熱交換器(2)に、交互に熱接続されるようになっており、
圧縮器(32)が、作動媒体又は別の作動媒体を圧縮する作動機械(31)によって駆動される、ことを特徴とする方法。 - 第2高圧タンク(12)が前記第1大気熱交換器(1)及び前記第2大気熱交換器(2)に、交互に熱接続されることにより、前記第1高圧タンク(11)が一方の大気熱交換器(1、2)と熱接続されると共に、前記第2高圧タンク(12)が他方の大気熱交換器(2、1)と熱接続されるようになっていることを特徴とする請求項21に記載の方法。
- 前記第1高圧タンク(11)の作動媒体が第1熱交換器(21)を介して加熱及び冷却されることにより、前記第1熱交換器(21)が前記第1大気熱交換器(1)及び前記第2大気熱交換器(2)と交互に接続されるようになっていることを特徴とする請求項21又は22に記載の方法。
- 前記作動媒体が第1熱交換器(21)を介して前記第1高圧タンク(11)内で加熱及び冷却されることにより、前記第1熱交換器(21)が前記第1大気熱交換器(1)及び前記第2大気熱交換器(2)に交互に接続されるようになっていることを特徴とする請求項21〜23の何れか一項に記載の方法。
- 第1作動サイクルにおいて、前記作動媒体が第1熱交換器(21)を介して前記第1高圧タンク(11)内で加熱されることにより、前記第1熱交換器(21)が前記第1大気熱交換器(1)と接続される一方、同時に、前記第2高圧タンク(12)が第6熱交換器(26)を介して冷却されると共に、前記第6熱交換器(26)が前記第2大気熱交換器(2)と接続されるようになっており、
第2作動サイクルにおいて、前記第2高圧タンク(12)内の前記作動媒体が第2熱交換器(22)を介して加熱されることにより、前記第2熱交換器(22)が前記第1大気熱交換器(1)と接続される一方、同時に、前記第1高圧タンク(11)が第5熱交換器(25)を介して冷却されると共に、前記第5熱交換器(25)が前記第2大気熱交換器(2)と接続されるようになっている、
ことを特徴とする請求項21〜24に何れか一項に記載の方法。 - 前記圧縮器(32)が、第3及び第4熱交換器(23、24)を介して、第3又は第4高圧タンク(13、14)に存在する作動媒体に交互に熱を運搬する作動媒体を加熱することを特徴とする請求項1〜25の何れか一項に記載の方法。
- 前記第1及び第2高圧タンク(11、12)からの作動媒体、又は選択的に前記第3及び第4高圧タンク(13、14)からの作動媒体が、別の作動機械で膨張することを特徴とする請求項21〜26に何れか一項に記載の方法。
- 高圧下の作動媒体が、別の高圧バッファ保存装置(41)に保存されることを特徴とする請求項21〜27の何れか一項に記載の方法。
- 作動媒体として圧縮空気が用いられ、これが、ポンプ、発電機、自動車などの別の作動機械を駆動するために用いられることを特徴とする請求項28に記載の方法。
- 前記熱交換器(21、22)の交互放熱が、搬送ポンプ(3)を逆駆動することによって行われることを特徴とする請求項21〜29の何れか一項に記載の方法。
- 前記圧縮の間に生成される熱が、建築物又は設備を加熱するために用いられることを特徴とする請求項21〜30の何れか一項に記載の方法。
- 前記膨張の間に生成される冷却材が、建築物又は設備を冷却するために用いられることを特徴とする請求項21〜31の何れか一項に記載の方法。
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