JP3222728B2 - 湿気交換器用エレメント、湿気交換器媒体及びその製造方法 - Google Patents

湿気交換器用エレメント、湿気交換器媒体及びその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は可逆的に湿気を吸収
することのできる固体吸着剤を有する湿気交換エレメン
ト内に気体を通すことによって、除湿気体、例えば乾燥
空気を連続的に供給することのできる湿気交換器に関す
るものである。湿気交換媒体は無機繊維紙のハニカム基
材上に形成されたシリケートエーロゲル内に特定の金属
を含ませることによって作成される。
【０００２】
【従来の技術】米国特許第４，８７１，６０７号、４，
８８６，７６９号および４，９１１，７７５号において
は、湿気交換器は回転体状あるいはブロック状の、波形
紙と平らなライナー紙のラミネートに含浸させたシリカ
やシリカーアルミナ型のエーロゲルによって形成され
る。米国特許第４，９１１，７７５号に記載されている
ように、複数枚のセラミック繊維紙を水ガラス溶液に軟
浸し、適切に乾燥し、貼り合わせた後、適当に波形にし
て、波形ラミネートシートとすることができる。このラ
ミネートシートを巻いたり積層したりして、ハニカム基
材を形成し、そのハニカム基材を水ガラス溶液およびア
ルミニウム塩で処理して、アルミニウムシリケートヒド
ロゲルを形成する。そのハニカム基材を水洗乾燥してヒ
ドロゲルからエーロゲルを形成する。
【０００３】米国特許第４，８５３，２０２号、４，９
３８，９３９号および５，０１１，５９１号には大小の
気孔を有する結晶性チタンシリケート分子篩いゼオライ
トが開示されている。このような結晶性材料は高価であ
り、製造が困難であり、除湿エレメント内に均一に組み
込むのが困難であり、また使用後の再生が容易でない。
【０００４】湿気交換器の効率を高めるために、エーロ
ゲルの吸湿性を高めるとともに、ゲル基材の使用後の再
生に要するエネルギーを低下させることが望まれてい
る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記のような事情に鑑
みて、本発明は吸着効率が高く、使用後に容易に再生す
ることができる湿気交換器を提供することを目的とする
ものである。
【０００６】さらに本発明は湿気交換器の製造工程を改
良することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の湿気交換器用エ
レメントは、無機繊維の紙からなる波形シート、この波
形シートに重ね合わされ、その波形シートの山部との接
点において接着された、無機繊維の紙からなるフラット
シート、および前記各シートの表面に接着されるととも
に前記無機繊維に含浸されたエーロゲルからなる吸着剤
からなり、前記エーロゲルがチタンもしくはチタンとア
ルミニウムの珪酸塩からなることを特徴とするものであ
る。
【０００８】湿気交換媒体は上記湿気交換器用エレメン
トを捲回して接着してなるハニカム基材や、複数の上記
エレメントを積層して接着してなるハニカム基材によっ
て形成される。
【０００９】なお、本明細書において「半乾燥」とは、
積層体中の水ガラスの固形分が含浸された水ガラスの総
重量の４５から５５％である状態を称するものとする。
【００１０】湿気交換媒体は、珪酸ナトリウム水ガラス
を含浸した後半乾燥した、無機繊維の紙からなる波形シ
ートに、珪酸ナトリウム水ガラスを含浸した後半乾燥し
た、無機繊維の紙からなるフラットシートを重ね合わせ
てその波形シートの山部とフラットシートの接点を接着
して積層体を形成し、少なくとも１枚の前記積層体から
ハニカム基材を形成し、少なくともチタンの無機塩を含
む酸性溶液で前記ハニカム基材を浸軟して前記珪酸ナト
リウム水ガラスをチタンを含むシリケートヒドロゲルに
転換し、前記ハニカム基材を洗浄乾燥して前記チタンを
含むシリケートヒドロゲルをシリケートエーロゲルに転
換することによって製造される。
【００１１】本発明の一実施の形態では、前記ハニカム
基材をまず酸性溶液で浸軟して前記珪酸ナトリウム水ガ
ラスをシリケートヒドロゲルに転換した後、チタン塩浴
で浸軟してチタンを含むシリケートヒドロゲルを形成す
る。
【００１２】また他の実施の形態では、前記ハニカム基
材をチタンの無機塩とアルミニウムの無機塩の酸性溶液
で浸軟して、前記洗浄乾燥後に、チタンおよびアルミニ
ウムを含むシリケートエーロゲルを形成する。
【００１３】
【発明の効果】このようにして形成した湿気交換媒体は
吸水性が良好であり、機械的強度に優れているととも
に、吸湿した後の除湿基材の再生に要するエネルギーが
少なくて済む。
【００１４】
【発明の実施の形態】図１において、湿気交換器用エレ
メント１０はフラットシート１１および波形シート１２
を備えている。波形シート１２は段（波）の高さ約１〜
２．６ｍｍ、段（ピッチ）の長さ約２．５〜４．２ｍ
ｍ、段高／段ピッチ比（アスペクト比）約０．２〜２．
０である。両シートは、約７０〜１００％、望ましくは
９０％の耐熱性無機繊維（繊維径約３〜１５μ）で形成
された多孔性の紙からなっている。耐熱性繊維として
は、例えば、セラミック繊維、スラグ繊維、カーボンフ
ァイバー、グラスファイバー等がある。さらにその紙は
有機パルプ等の天然あるいは合成のバインダーを約２０
％まで含んでもよい。木材パルプ、植物パルプ、合成パ
ルプ、あるいはこれらの混合物等のパルプを約１１％未
満含むのが望ましい。
【００１５】各シートは一般に厚さ約０．１から０．４
ｍｍ、望ましくは０．１７から０．１８ｍｍである。ま
た各シートは嵩密度が通常１００ｇ／ｍ2 以下、望まし
くは３５ｇ／ｍ2 以下である。
【００１６】フラットシート１１と波形シート１２とを
重ね合わせて波形シート１２の山部を接着剤（半乾燥し
た水ガラスが望ましい）でフラットシート１１に接着
し、図１、図２に示すように片面が波形の、幅約５０か
ら６００ｍｍの波形紙部材１０を形成する。この波形紙
部材１０を図２に示すように芯の周りに巻き付けて、図
３に示すような円筒形のハニカム基材１４を形成する。
あるいは、複数の波形紙部材１０を図４に示すように重
ね合わせて、ブロック状のハニカム基材１５を形成して
もよい。
【００１７】紙に接着剤として珪酸ナトリウム水ガラス
を含浸させて、有機成分が約１１％未満の紙を使用する
のが望ましい。その水ガラスはチタンシリケートもしく
はチタンーアルミニウムシリケートエーロゲルに転換さ
れ、湿気交換器用の活性吸着剤とされる。
【００１８】使用前にハニカム基材を加熱（４００〜６
００°Ｃ）して有機成分、すなわち接着剤やパルプ）を
除去する必要はない。紙の繊維中の有機成分を約１０％
未満とし、有機接着剤を使用しないことによって、その
ハニカム構造体を、残留有機物を焼きとばさずに湿気交
換器として使用することができる。本発明の湿気交換器
媒体は比較的低温、通常６０°Ｃから１７５°Ｃ、で一
般の湿気交換材料よりも少ないエネルギーで再生するこ
とができる。本発明の湿気交換器媒体は最終的な有機成
分含有率が低いことと再生温度が低いことによって、従
来の湿気交換材料と異なり、自立燃焼の虞も、過剰の煙
を発生する虞もない。
【００１９】その含浸紙を半乾燥して、シートの接着性
を強め、後の行程でのゲル形成の際の段の収縮を小さく
するとともに、湿気交換エレメントとしての構造に、よ
り高い均一性を与える。
【００２０】半乾燥された水ガラスを含有するシートの
ハニカム基材は、そのハニカム基材を、可溶性チタン塩
の酸性溶液で浸軟し、チタンシリケートヒドロゲルを形
成し、そのチタンシリケートヒドロゲルを洗浄して乾燥
してチタンシリケートエーロゲルを形成することによっ
て、極めて効率の高い吸着剤に変換することができる。
【００２１】あるいは、そのハニカム基材を酸性浴内で
浸軟してシリカヒドロゲルを形成し、さらにそのゲル基
材をチタン塩浴内で浸軟してチタンをヒドロゲルに移行
させた後、ヒドロゲルを洗浄して乾燥してエーロゲルを
形成してもよい。
【００２２】チタン塩の酸性溶液やチタン塩浴にアルミ
ニウム塩を加えて、エーロゲル内にアルミニウムを取り
入れてもよい。乾燥したチタンシリケートエーロゲルは
約１から３％のチタンを二酸化チタンとして含有し、９
５から９７％の二酸化珪素を含有するのが望ましい。他
の実施の形態では、エーロゲルは二酸化チタンの形の約
１から３％のチタンと、アルミナの形の２から３％のア
ルミニウムと、９２から９６％の二酸化珪素とから形成
するのが望ましい。
【００２３】乾燥されたハニカム基材は所望の寸法に加
工される。メラミン、ラテックス、ナイロン、テフロ
ン、コロイドシリカ、フェノール樹脂等の靱性コーテイ
ングをハニカム基材の外側に施し、硬化させて、耐磨耗
性を向上させるとともに、構造の強度を増大させるよう
にしてもよい。シリケートゲル基材もしくはアルミナシ
リケートゲル基材中にチタンが存在すると、吸湿性が向
上するとともに、使用後に基材を再生するのに必要なエ
ネルギーが低下することがわかった。一般に、ゲル中に
チタンが存在することによって、ゲル基材の吸湿性は約
２０％程度までのオーダーで向上し、基材を再生するの
に必要なエネルギーは５から１０％のオーダーで低下す
る。
【００２４】さらに、基材中にチタンが存在すると、湿
気交換器の機械的強度も高くなる。テストの結果によれ
ば、機械的強度は破裂強さで３８％程度向上する。
【００２５】ある実施の形態では、湿気交換エレメント
は無機繊維を主成分とする、望ましくは８９％超の無機
繊維を含む含浸紙で製造される。その無機繊維としては
珪酸ナトリウム水ガラス（３７．６％固体、３．２２Ｓ
ｉＯ2 ／Ｎａ2 Ｏ）で連続させたファイバーグラス繊維
であるのが望ましい。紙を水ガラス浴に通してシートと
してもよい。水ガラス接着剤はガラス繊維紙と高い化学
親和性を有し、複合シートの表面および繊維間の空間に
湿り気を与える。必要ならば、水ガラスをプリントロー
ルから紙に転写してもよい。
【００２６】望ましくは、固形分が乾量で１８０ｇ／ｍ
2 （湿量で４８０ｇ／ｍ2 ）程度となるように水ガラス
を紙に含浸させる。その後、そのコーテイングされた２
枚のシートをトンネル乾燥機を通して所望の固形分含有
率とする。１枚のシートは一対の歯付き波形ローラの間
を通し、高さ約２ｍｍの段をピッチ約３．３ｍｍ、高さ
／ピッチ比約０．６１で形成する。この段付きシートを
フラットシートに重ねて接着して、複合シートとする。
【００２７】複数枚のこの複合シートを積層して、図４
のようにブロック状のハニカム基材１５とするか、１枚
の複合シートを芯のまわりに巻いて図３のように円筒形
のハニカム基材１４とする。
【００２８】水ガラスからエーロゲル吸着剤を形成する
ために、複合段付きシート構造体（ハニカム基材）１
４、１５はチタン塩を含む酸性浴に高温下で浸漬され
る。一般に、その酸性浴は濃硫酸と硫酸チタン塩とで形
成される。水ガラスと酸性化チタン塩は反応してシート
上にチタンシリケートヒドロゲルを形成する。副生成物
の硫酸ナトリウムおよび紙の中に支持されていない過剰
の硫酸チタンとチタンシリケートは洗浄して除去され
る。得られたハニカム基材を加熱、乾燥して、その主成
分、すなわちチタンシリケートエーロゲルが得られる。
【００２９】水ガラス含浸基材から良好なゲル基材を形
成するためには、酸性浴の温度とpHは相互に関連する重
要なファクターであり一緒に考慮しなければならないこ
とがわかった。そのため、およびその他の理由で、酸性
浴の温度は通常２０°Ｃら６０°Ｃの間、望ましくは３
５°Ｃから４５°Ｃに制御される。一般に、反応時間は
２０分から９０分である。反応中、pHは約０．５から
３、望ましくは約１．５から２．５に制御される。
【００３０】ゲルか反応中、pHが高い水ガラスで酸が中
和されるため酸性浴のpHは次第に高くなってくる。pHを
一定に保つように濃酸を加えてもよい。
【００３１】酸性浴の温度とpHはシートの含水率、ゲル
の所望の気孔サイズ、ゲルの気孔率、および所望のゲル
基材強度に応じて選択される。濃酸はゲル基材中に気孔
を形成させるとともにその気孔を分散させる。
【００３２】アルミニウム塩を使用すると、その存在に
よって気孔の壁が安定化される傾向があり、それによっ
てゲルの長時間安定度が増大する。文献によればアルミ
ニウムの存在によってゲルの効率ないし性能が向上する
といわれているが、これについては明確な証明は得られ
ていない。
【００３３】浴内のチタン塩濃度は１ｗｔ％超程度から
溶解度の限界までの間で変えることができる。
【００３４】ハニカム基材を酸性浴に対して静かに上げ
下げして、少なくとも約１５分間酸性溶液をゲル基材内
を循環させるとよい結果が得られることがわかった。ハ
ニカム基材を上げ下げする替わりにポンプで酸性溶液を
循環させてもよい。
【００３５】酸性浴を使用する替わりに、酸性溶液をゲ
ル基材内を循環させてもよい。また、ハニカム基材を、
酸性溶液の滝の下を通すことによってヒドロゲルを形成
してもよい。
【００３６】また、ハニカム基材をまず濃硫酸に浸漬し
てヒドロゲルを形成した後、硫酸チタン溶液にハニカム
基材を浸漬してヒドロゲル内にチタンを取り入れてもよ
い。
【００３７】一般に、本発明で使用する酸としては濃硫
酸が望ましい。しかしながら、硝酸、燐酸、塩酸も使用
することができる。使用する酸に応じて、チタンとアル
ミニウムの硫酸塩、硝酸塩、燐酸塩、あるいは塩化物が
使用され、チタンもしくはチタンとアルミニウムがゲル
内に取り入れられる。
【００３８】酸性化したチタン塩浴にアルミニウム塩を
加えてアルミニウムをゲル構造内に取り入れてもよい
し、チタン溶液とアルミニウム溶液にヒドロゲルを浸漬
してアルミニウムをゲル構造内に取り入れてもよい。
【００３９】ゲル基材内の気孔サイズは、湿気交換媒体
の満足すべき条件に応じて選択される。気孔サイズが均
一である必要があるときには、酸性浴のpHを一定に維持
する必要がある。気孔サイズにばらつきがある方がよい
場合には、酸性浴のpHは適当に調整すればよい。例え
ば、湿気交換媒体の気体流入側では、気孔サイズは低温
高湿度の条件下で水分を吸収するように気孔サイズを調
整すればよい。このためには、気孔サイズが大きい方が
効果的である。湿気交換媒体の気体流出側では、高温乾
燥環境で効果的に水分を除去できるように気孔サイズを
小さくする。
【００４０】上述のように、気孔サイズは一部は酸性浴
のpHで、一部は酸性浴の温度で制御することができる。
したがって、酸性浴のpHを変えることによって気孔サイ
ズを必要に応じて大きくしたり、小さくしたりすること
ができる。エーロゲルの気孔サイズ分布は基材の一方の
側で、気孔が小さくなるように酸性浴のpHを０．５から
１．５に維持し、基材の他方の側で、気孔が大きくなる
ように酸性浴のpHを１．５から３．０に維持することに
よって制御できる。
【００４１】酸性浴内で、副生成物として水ガラスから
生成するナトリウム塩の最大濃度は、少なくとも数個の
ハニカム基材を一つの酸性浴で処理できるように制御す
るのが望ましい。
【００４２】ハニカム基材をヒドロゲルに転換した後、
洗浄して、副生成物と過剰の反応体を除去する。その
後、適当な流速と温度のエアーでハニカム基材を乾燥
し、エーロゲルを形成する。このときのエアーの流速と
温度はそれほど問題にならない。一般的に、温度は約１
７５°Ｃ、流速は２００フィート／分でよい。
【００４３】注目すべきことは、ゲル形成の間に、段高
さが約１５％程度まで、約２ｍｍから約１．７ｍｍ、低
くなることがあることである。水ガラスを含浸させた後
ゲルを形成する前に、コーテイングされたシートを半乾
燥させると、段の正味の収縮量を減らすことができ、よ
り均一な構造の湿気交換媒体を得ることができる。
【００４４】
【実施例】以下に示す実施例は本発明の望ましい実施例
を示すものであり、本発明の範囲を限定するものではな
い。
【００４５】実施例１ 本発明の湿気交換器用エレメントの湿気吸収力と機械的
強度の向上を実証するために、嵩密度３５ｇ／ｍ2 、有
機物含有量１１％未満のグラスファイバー紙で吸着剤の
サンプルを形成した。そのサンプルに水ガラス（３７．
６％固体、３．２２ＳｉＯ2 ／Ｎａ2 Ｏ）を含浸させ
て、乾量で１８０ｇ／ｍ2 とし、固形分が５５ｗｔ％と
なるように半乾燥し、pH１．５の硫酸チタン、硫酸、硫
酸アルミニウム溶液と３０分間反応させた。浴温度は４
３゜Ｃとした。そのサンプルを洗浄乾燥して、チタンシ
リケートエーロゲル（以下、ＴｉＧｅｌと称する）を形
成した。
【００４６】比較サンプルを、上記と同様の水ガラス含
浸グラスファイバー紙を硫酸アルミニウムと硫酸の溶液
とpH１．５、４５゜Ｃで１時間反応させて得たアルミナ
シリケートエーロゲル（３〜５％、Ａｌ2 Ｏ3 、９５〜
９７％ＳｉＯ2 ）から調製した。その比較サンプルを洗
浄して乾燥した（以下、ＳｉＧｅｌと称する）。全ての
サンプルを除湿ホイールに加工した。
【００４７】本発明の吸収剤（ＴｉＧｅｌ）による除湿
ホイールと比較用のアルミナシリケート吸収剤（ＳｉＧ
ｅｌ）による除湿ホイールの両方をまず２２０゜Ｆ、８
０ｇｒ／ｌｂで平衡に達するまで再生し、標準温度（２
０゜Ｃ）、標準湿度（５０％ＲＨ）で同一時間空気流に
さらした。
【００４８】各サンプルの正味の重量増加を測定した。
吸湿量は３、４、５、６、１０、１５分間隔で測定し
た。結果を表１に示す。
【００４９】
【表１】
【００５０】表１から明らかなように、本発明のチタン
シリケートエーロゲルによる除湿ホイールは従来のアル
ミナシリケートエーロゲルによる除湿ホイールよりも吸
湿量が多かった。
【００５１】また両サンプルの機械的強度を試験した。
波形シートを平たく押しつぶすのに要する力（ピストン
で加重）を各サンプルの５カ所で測定した。本発明のチ
タンシリケートエーロゲルサンプルの圧縮強さは３６±
４ｐｓｉであり、従来のアルミナシリケートエーロゲル
サンプルの圧縮強さは２６±３ｐｓｉであった。
【図面の簡単な説明】
【図１】湿気交換器エレメントを構成するシートを示す
斜視図
【図２】波形シートとフラットシートからなるエレメン
トを捲回してなるハニカム基材を示す斜視図
【図３】図２に示す捲回エレメントを使用した回転型の
ハニカム湿気交換器の斜視図
【図４】平行流れ型ブロック湿気交換器の斜視図
【符号の説明】
１０ エレメント １１ フラットシート １２ 波形シート １４ 円筒形のハニカム基材 １５ ブロック状のハニカム基材
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−111422（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−310636（ＪＰ，Ａ) 特公 平５−81831（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭43−10061（ＪＰ，Ｂ１) 実公 平６−28173（ＪＰ，Ｙ２) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B01D 53/26 - 53/28

Claims (15)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 無機繊維の紙からなる波形シート、この
    波形シートに重ね合わされ、その波形シートの山部との
    接点において接着された、無機繊維の紙からなるフラッ
    トシート、および前記各シートの表面に接着されるとと
    もに前記無機繊維に含浸されたエーロゲルからなる吸着
    剤からなり、前記エーロゲルがチタンもしくはチタンと
    アルミニウムの珪酸塩からなることを特徴とする湿気交
    換器用エレメント。
  2. 【請求項２】 前記エーロゲルがチタンシリケートエー
    ロゲルであることを特徴とする請求項１記載の湿気交換
    器用エレメント。
  3. 【請求項３】 前記エーロゲルがチタンアルミニウムシ
    リケートエーロゲルであることを特徴とする請求項１記
    載の湿気交換器用エレメント。
  4. 【請求項４】 前記エーロゲルが約１から３重量％のチ
    タンを含むことを特徴とする請求項１記載の湿気交換器
    用エレメント。
  5. 【請求項５】 前記紙がグラスファイバー紙であること
    を特徴とする請求項１記載の湿気交換器用エレメント。
  6. 【請求項６】 前記波形シートおよびフラットシートが
    それぞれ厚さ０．１から０．４ｍｍであることを特徴と
    する請求項１記載の湿気交換器用エレメント。
  7. 【請求項７】 前記波形シートが段の高さが１〜２．６
    ｍｍ、段ピッチが２．５〜４．２ｍｍ、段高／段ピッチ
    比が０．２〜２．０であることを特徴とする請求項１記
    載の湿気交換器用エレメント。
  8. 【請求項８】 １枚のエレメントを捲回してなるハニカ
    ム基材もしくは複数のエレメントを積層してなるハニカ
    ム基材を備えた湿気交換媒体であって、前記各エレメン
    トが無機繊維の紙からなる波形シート、この波形シート
    に重ね合わされ、その波形シートの山部との接点におい
    て接着された、無機繊維の紙からなるフラットシート、
    および前記各シートの表面に接着されるとともに前記無
    機繊維に含浸されたエーロゲルからなる吸着剤からな
    り、前記エーロゲルがチタンもしくはチタンとアルミニ
    ウムの珪酸塩からなることを特徴とする湿気交換媒体。
  9. 【請求項９】 前記エーロゲルがチタンシリケートエー
    ロゲルであることを特徴とする請求項８記載の湿気交換
    媒体。
  10. 【請求項１０】 前記エーロゲルがチタンアルミニウム
    シリケートエーロゲルであることを特徴とする請求項８
    記載の湿気交換媒体。
  11. 【請求項１１】 湿気交換媒体を製造する方法であっ
    て、 珪酸ナトリウム水ガラスを含浸した後半乾燥した、無機
    繊維の紙からなる波形シートに、珪酸ナトリウム水ガラ
    スを含浸した後半乾燥した、無機繊維の紙からなるフラ
    ットシートを重ね合わせてその波形シートの山部とフラ
    ットシートの接点を接着して積層体を形成し、 少なくとも１枚の前記積層体からハニカム基材を形成
    し、 少なくともチタンの無機塩を含む酸性溶液で前記ハニカ
    ム基材を浸軟して前記珪酸ナトリウム水ガラスをチタン
    を含むシリケートヒドロゲルに転換し、 前記ハニカム基材を洗浄乾燥して前記チタンを含むシリ
    ケートヒドロゲルをシリケートエーロゲルに転換するこ
    とを特徴とする方法。
  12. 【請求項１２】 前記ハニカム基材をまず酸性溶液で浸
    軟して前記珪酸ナトリウム水ガラスをシリケートヒドロ
    ゲルに転換した後、チタン塩浴で浸軟してチタンを含む
    シリケートヒドロゲルを形成することを特徴とする請求
    項１１記載の方法。
  13. 【請求項１３】 前記ハニカム基材をチタンの無機塩と
    アルミニウムの無機塩の酸性溶液で浸軟して、前記洗浄
    乾燥後に、チタンおよびアルミニウムを含むシリケート
    エーロゲルを形成することを特徴とする請求項１１記載
    の方法。
  14. 【請求項１４】 前記酸性溶液を２０゜Ｃから６０゜Ｃ
    に維持することを特徴とする請求項１１記載の方法。
  15. 【請求項１５】 前記酸性溶液を３５゜Ｃから４５゜Ｃ
    に維持することを特徴とする請求項１４記載の方法。
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