JPH04301121A - 内燃機関用フィルタ再生装置 - Google Patents

内燃機関用フィルタ再生装置

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JPH04301121A
JPH04301121A JP3066322A JP6632291A JPH04301121A JP H04301121 A JPH04301121 A JP H04301121A JP 3066322 A JP3066322 A JP 3066322A JP 6632291 A JP6632291 A JP 6632291A JP H04301121 A JPH04301121 A JP H04301121A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はディーゼルエンジンから
排出される排気ガス中に含まれるパティキュレート(粒
子状物質)を捕集する内燃機関用フィルタを再生する装
置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】欧米および日本などのいわゆる先進国の
高度な経済成長は地球上の文明に大きく貢献してきた。 しかしながら、先進国の経済成長を中心とした化石燃料
エネルギの浪費は地球の大気を汚染してきた。
【0003】地球環境保全に関して、今日では地球温暖
化対策すなわちCO2 低減対策が大きくクローズアッ
プされているが、森林破壊を招く酸性雨の対策も無視で
きない。
【0004】酸性雨は硫黄酸化物や窒素酸化物などの大
気汚染物質が汚染源となって生じる自然現象であり、近
年世界各国でこのような大気汚染物質の排出規制がコ・
ジェネレーションなどの固定発生源や自動車などの移動
発生源に対して強化される動きにある。特に、自動車の
排気ガスに関する規制は従来の濃度規制から総量規制へ
移行され規制値自体も大幅な削減がなされようとしてい
る。
【0005】自動車の中でもディーゼル車は窒素酸化物
と同時にパティキュレートの排出規制の強化が行われる
。燃料噴射時期遅延などの燃焼改善による従来の排気ガ
ス中の汚染物質低減対策だけでは排出ガス規制値を達成
することは不可能とされ、現状では排気ガスの後処理装
置の付設が不可欠である。この後処理装置はパティキュ
レートを捕集するフィルタを有するものである。
【0006】ところが、パティキュレートが捕集され続
けるとフィルタは目詰まりを生じて捕集能力が大幅に低
下するとともに排気ガスの流れが悪くなってエンジン出
力の低下あるいはエンジンの停止といったことに至る。
【0007】したがって、現在世界中でフィルタの捕集
能力を再生させるための技術開発がすすめられているが
、今だ実用には至っていない。
【0008】パティキュレートは600℃程度から燃焼
することが知られている。パティキュレートをこの高温
度域に昇温するためのエネルギを発生する手段として、
バーナ方式、電気ヒーター方式あるいはマイクロ波方式
などが考えられているが、いずれの方式においてもフィ
ルタに捕集されたパティキュレート量を検出し効率よく
フィルタ再生を実行する必要がある。
【0009】フィルタに捕集されたパティキュレート量
を電磁波を利用して検出する方法としては、たとえば特
開昭59−7249号公報がある。同公報に開示されて
いる装置を図6に示す。同図において、1は排気ガスが
流れる排気管、2は排気管の一部に設けられた加熱室、
3は加熱室内に収納され排気ガス中に含まれるパティキ
ュレートを濾過捕集するフィルタ、4は加熱室内に給電
するマイクロ波を発生するマイクロ波発生手段、5はマ
イクロ波発生手段の発生したマイクロ波を加熱室内に放
射するアンテナ、6はアンテナ5から放射されて加熱室
2中に存在するマイクロ波を検出する加熱室内に直線的
に伸びたアンテナである。
【0010】同公報によれば、上記した構成によりパテ
ィキュレートを捕集したフィルタの誘電率変化に対応し
た加熱室内のマイクロ波特性変化を利用してアンテナ6
が検出するマイクロ波量によって捕集量の検出を行うも
のである。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
のような捕集量検出の原理および構成において以下のよ
うな課題があり、フィルタの再生を効率よく実行するた
めの精度のよい捕集量検出の達成が困難である。最大の
理由はフィルタが捕集したパティキュレートのマイクロ
波に対する特性に起因する。前述した従来技術はパティ
キュレートを捕集したフィルタの静的な特性すなわち、
フィルタ存在空間の誘電率の変化のみに着目した原理に
基づくものであった。パティキュレートはその主成分は
炭素で有り、濾過捕集できる構造を有するフィルタにあ
ってはフィルタが存在する空間の実効的な誘電率を変化
させることに加えてパティキュレート自体のマイクロ波
吸収性によりフィルタ存在空間は誘電損失の増大が生じ
る。パティキュレートの増大に伴なうこのような物理的
な現象に従って、フィルタを収納した加熱室のマイクロ
波の分布特性はフィルタ存在空間に集中した分布特性に
なる。したがって、加熱室内へのマイクロ波給電部と加
熱室内に生じるマイクロ波を検出する検出部とをフィル
タを仲介して設ける構成においてはマイクロ波検出部の
検出信号の変化が上記した誘電率変化と誘電損失変化と
の両者によって生じる複雑な変化を検出するために捕集
量を精度よく検出することが困難であった。
【0012】また、マイクロ波検出手段を加熱室内に存
在させる構成はパティキュレート燃焼熱に対する耐熱性
の確保あるいは配設位置の限定および配設構成の複雑さ
等のために信頼性の確保が困難であった。
【0013】本発明は上記課題を解決するもので、電磁
波を利用した改善されたパティキュレート捕集量検出手
段を提供しフィルタの再生性能の保証およびフィルタ耐
久性能を確保する内燃機関用フィルタ再生装置を提供す
ることを目的としたものである。
【0014】
【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため、内燃機関の排気ガスを排出する排気管に設け
られた加熱室と、前記加熱室内に収納され前記排気ガス
中に含まれるパティキュレートを捕集するフィルタと、
前記パティキュレートを加熱する加熱手段と、前記加熱
室に給電される電磁波を発生する電磁波発生手段と、前
記加熱室の壁面に設けられた結合孔と、前記加熱室の外
部の前記結合孔の近傍に設けられ前記加熱室内の電磁波
を検出する電磁波検出手段と、前記電磁波検出手段の検
出信号に基づいて前記加熱手段を制御する制御部とを備
えた構成としている。
【0015】また、内燃機関の排気ガスを排出する排気
管に設けられた加熱室と、前記加熱室内に収納され前記
排気ガス中に含まれるパティキュレートを捕集するフィ
ルタと、前記加熱室に給電され前記パティキュレートを
誘電加熱するマイクロ波を発生するマイクロ波発生手段
と、前記加熱室の壁面に設けられた結合孔と、前記加熱
室の外部の前記結合孔の近傍に設けられ前記加熱室内の
マイクロ波を検出するマイクロ波検出手段と、前記マイ
クロ波検出手段の検出信号に基づいて前記マイクロ波発
生手段を制御する制御部とを備えた構成としている。
【0016】さらに加熱室へのマイクロ波給電部はフィ
ルタの排気ガス流流入側に設けられ、結合孔は排気ガス
の流れる方向のフィルタの外周に対面する領域またはそ
の領域の排気ガス上流側加熱室壁面に設けている。
【0017】さらにまた、電磁波またはマイクロ波検出
手段の検出した電力を検波する検波回路を備え、電磁波
またはマイクロ波発生手段が発生する電磁波またはマイ
クロ波の周波数はISM周波数帯としている。
【0018】
【作用】本発明は上記の構成により、フィルタを収納し
た加熱室に電磁波またはマイクロ波が給電された状態に
おいて、加熱室に生じる固有な電磁波分布に応じた加熱
室全体の情報を代表させた情報として検出することがで
きる。より詳細に現象を説明すると以下のようになる。 加熱室内の電磁波分布はフィルタに捕集されたパティキ
ュレートの量によって変化する。捕集量の増加によって
フィルタ内に存在する電磁波またはマイクロ波の量は増
大する。加熱室壁面には電磁波またはマイクロ波による
表皮電流が流れるが加熱室壁面に設けた結合孔によって
その表皮電流の流路が分断されるので結合孔には加熱室
の外部方向に漏洩する電磁場が発生する。この漏洩電磁
場の電界強度は上記した加熱室内の電磁場分布によって
変化するが、フィルタのパティキュレート捕集量が増大
するにつれて相対的に減少する。電磁波またはマイクロ
波検出手段はこの漏洩電磁場内に配設され、この漏洩場
と結合してその漏洩量を検出する。
【0019】この検出法は表皮電流分布の変化および漏
洩量を総合して検出するため結合孔近傍の電磁場特性を
精度よく検出でき、等価的にフィルタに捕集されたパテ
ィキュレートの量を精度よく検出できる。また、検出部
が加熱室の外部にあるため検出部の耐熱性あるいは配設
に関する構成上の諸課題を解消することができる。
【0020】また、このような検出法によれば加熱室は
電磁波またはマイクロ波の周波数帯における共振現象を
気にせずにフィルタ構造に対応した最適な加熱室の構造
を設計することができる。
【0021】さらにまた、検出手段は加熱室の外部に設
ける構成によりフィルタ収納空間の周辺に位置する加熱
室壁面にも配設できる。この場合、結合孔からの排気ガ
スのリーク防止対策を不要にできる構成が可能となる。
【0022】
【実施例】以下本発明の実施例を添付図面を参照して説
明する。
【0023】図1において、7は内燃機関の排気ガス(
排出方向は図中矢印で示す)を排出する排気管、8は排
気管の途中に設けられた加熱室、9は加熱室内に収納さ
れ排気ガスが通過する間に排気ガス中に含まれるパティ
キュレートを捕集するフィルタ、10は加熱室に給電す
るマイクロ波を発生させるマイクロ波発生手段(電磁波
発生手段)、11はフィルタ9の排気ガス流の流入側の
加熱室壁面より加熱室にマイクロ波を放射する放射手段
、12、13は加熱室8を限定するマイクロ波遮蔽作用
を有する電波遮蔽手段、14は加熱室8の壁面に設けら
れた結合孔、15は結合孔の近傍に設けられ加熱室内の
マイクロ波を検出するマイクロ波検出手段(電磁波検出
手段)、16はマイクロ波検出手段の検出した電力の検
波信号が入力されるとともにその入力信号に基づいてマ
イクロ波発生手段を制御する制御部、17はフィルタ9
の外周に設けられフィルタを加熱室8の中に支持する断
熱材である。
【0024】このような構成において電磁波またはマイ
クロ波が加熱室8に給電されると加熱室にはフィルタが
捕集したパティキュレート量に応じた固有の電磁波分布
が生じる。捕集量の増大にともなってフィルタ9内部に
存在する電磁波またはマイクロ波の波長はフィルタの誘
電率の増加により圧縮される。この波長圧縮により、加
熱室の排気ガス流方向の電磁波分布は変化する。
【0025】一方、加熱室に生じる電磁波分布の二つ目
の特徴は電磁波エネルギがパティキュレート量の増大に
ともなってパティキュレートにより多く吸収されること
である。これはパティキュレートの誘電損失に起因する
。捕集量が増大することで電磁波は誘電体であるフィル
タ内により多く蓄積されようとするし、さらにはフィル
タが捕集したパティキュレートにそのエネルギを与えて
パティキュレートに選択的にエネルギを与える。このエ
ネルギが大きいとパティキュレートは短時間に加熱させ
る。
【0026】このようなパティキュレート捕集量の増大
に伴うフィルタの等価的な誘電率変化および誘電損失変
化により加熱室壁面に生じる表皮電流の分布が変化する
【0027】図2は結合孔近傍の電磁場特性を示すとと
もに電磁波検出原理を示すものである。加熱室壁面18
に生じた表皮電流19を分断するように結合孔であるス
リット20が設けられる。電流の連続性より、スリット
20の加熱室外部側(図2においては紙面の上側)には
漏洩電磁場(図において漏洩電界)が生じる。この漏洩
電磁場と効果的に結合した電磁波検出手段であるアンテ
ナ21により結合孔近傍の加熱室内に生じた電磁波量を
検出する。
【0028】電磁波検出手段であるアンテナ21はスリ
ット孔であり、従来の直線状アンテナが局所的な情報し
か提供できないのに比べて加熱室全体の電磁波特性に従
った情報を提供できる。
【0029】また、検出部を加熱室の外部に設ける構成
により検出部の耐熱性あるいは取り付けに関する構成上
の諸課題を解消できる。
【0030】さらには、このような誘電率変化と誘電損
失変化に基づく検出法によれば、加熱室は電磁波の周波
数帯における共振現象を気にせずにフィルタ構造に対応
した最適な加熱室構成を採ることができる。
【0031】さらにまた、パティキュレートの加熱手段
としてISM周波数帯(工業・科学・医事用に割り当て
られた周波数帯であり、915MHz、2450MHz
、5800MHzなど)の電磁波を利用することで加熱
手段の出力を用いて捕集量検出を実行することができる
【0032】電磁波検出手段によって検出された電磁波
量は検波されて制御信号として取り扱いが容易なように
直流化される。図3は検波回路の構成例を示す。図にお
いて破線はプリント基板22の裏面の回路を示しこのパ
ターンが電磁波検出手段であるアンテナ23(図2のア
ンテナに相当)を構成している。アンテナ23に検出さ
れた電磁波はスルーホール24を経て検波回路に導かれ
ショットキーバリアダイオード25などの回路部品で構
成された検波回路26で直流に検波されリード線27、
28より出力されて制御部に入力される。
【0033】つぎに、図4を用いて検波回路の動作を説
明する。アンテナ23より伝送された電磁波の中心周波
数に対してマイクロストリップラインLB 29、LL
 30はインピーダンスが無限大となり、一方マイクロ
ストリップラインCs31はアースに対してショート(
インピーダンスが零)となるように設計されている。従
って電磁波は抵抗RD 32とショットキーバリアダイ
オード25を介してCs31によりアースされる。この
時ショットキーバリアダイオード25により整流された
正方向(図中の右方向)の出力は直流として負荷抵抗R
L 32に流れる。直流の閉ループを形成するため抵抗
RB 33にも同じ電流が流れる。負荷抵抗32に流れ
た電流により得られた半波整流波形は抵抗RH 34と
コンデンサCH 35で平滑されてリード線27、28
より出力される。
【0034】つぎに図5について説明する。図1と異な
る構成は結合孔36をフィルタ9の周辺の加熱室壁面に
設けたことである。なお、図1と同一部材は同一番号で
示す。この構成により、フィルタ外周に設けられた断熱
材17によって結合孔からの排気ガス流の漏れを何等手
段を講じることなく防止できる。
【0035】なお、この結合孔36の位置はフィルタを
流れる排気ガスに対して精度よく捕集量の検出が行える
位置に選択される。
【0036】このような構成からなる装置のフィルタ再
生プロセスについて説明する。内燃機関の排気ガス流は
通常フィルタ9に配流される。この捕集サイクルにおい
て適当な時間間隔で電磁波発生手段(マイクロ波発生手
段)10が動作しその状態において加熱室内の電磁波(
マイクロ波)量検出が行われる。この検出信号に基づい
てフィルタ9に捕集されたパティキュレート量が検出さ
れる。パティキュレート捕集量が予め決められた量に達
するとフィルタ9を流れる排気ガスが停止される。この
場合通常排気ガスは別の排気管に配流される。
【0037】その後、フィルタ再生プロセスが開始する
。この再生制御指令は制御部16より発せられる。この
制御部の指令に基づいて、パティキュレートを加熱する
加熱手段(マイクロ波発生手段もその手段である。)が
動作を開始する。マイクロ波発生手段を加熱手段として
以降の説明をする。加熱源であるマイクロ波がフィルタ
9を収納した加熱室8に給電されフィルタに捕集された
パティキュレートが加熱される。マイクロ波給電の初期
にはフィルタを流れる気体はほぼ完全に遮断されている
。これによってフィルタ全域のパティキュレートはフィ
ルタを流れる能動的な気体流による冷却を受ける事なく
マイクロ波加熱によってその燃焼可能温度域に向かって
効率よく温度上昇していく。
【0038】マイクロ波加熱が進み、予め決められた時
間を経ると排気ガス以外の気体(通常の場合空気)が加
熱室内に供給される。この時の予め決められた時間とは
加熱室に給電するマイクロ波エネルギ量、予め決めたパ
ティキュレート捕集量領域などによって最適な時間が設
定される。
【0039】また、フィルタに供給される気体の初期流
量は、加熱されたパティキュレートの燃焼促進はするが
気体流の方向へのパティキュレートの燃焼領域の拡がり
を抑制する程度の気体流量を送風するものである。
【0040】この場合マイクロ波加熱分布によりパティ
キュレートの温度が燃焼可能温度域に至っていないフィ
ルタ領域が生じることがありこの供給気体によって昇温
を妨げられる可能性があるが、送風流量が上述のように
ごく微量であることからその領域の温度低下はほとんど
回避できる。
【0041】この供給気体はマイクロ波加熱されたパテ
ィキュレートの温度が燃焼可能温度域に達していれば燃
焼を促進させるものである。したがってこの燃焼によっ
て生じた発熱がマイクロ波加熱による発熱に加わってフ
ィルタ内を伝熱し燃焼可能領域の拡大をはかることがで
きる。
【0042】この後、供給気体の流量が増大され燃焼可
能領域をフィルタの長手方向(排気ガス流が流れる方向
)に移動させる。
【0043】この後適当な時期に供給気体流の流れ方向
を反転させる。この気体流制御によってフィルタ内に生
じているパティキュレート燃焼熱がフィルタの排気ガス
流入側のフィルタ端面方向に伝熱される。この燃焼熱は
フィルタ端面部で生じる熱輻射量を凌駕する熱量をフィ
ルタ端面に供給する。この熱量によりフィルタ端面部は
パティキュレート燃焼可能温度に達しフィルタ端面部の
パティキュレート燃焼が実行される。排気ガス上流側の
フィルタ端面部の再生が終了するとふたたび供給気体の
流れ方向が反転されフィルタを流れる気体流の方向は排
気ガス流の方向と同一方向となる。この状態がフィルタ
の完全な再生の完了まで継続される。
【0044】この状態において適当な時間経過後にマイ
クロ波の給電を停止することができる。この停止時期は
予め決められた所定時間によって制御されるが、電磁波
量(マイクロ波量)の検出信号に基づいて制御すること
もできる。その後適当な時期に気体供給が停止される。 マイクロ波発生手段の動作停止は気体供給の停止と同一
時刻もしくはより早い時刻に実行される。しかし通常は
マイクロ波給電停止の後、予め決められた所定時間、気
体供給を制御することによりフィルタ全域をより完全に
再生することができる。
【0045】この所定時間の決定において再生度合を検
出するための手段、たとえばフィルタ下流の燃焼排熱温
度の検出、フィルタ圧損の検出などを利用することも可
能である。
【0046】以上のような再生制御プロセスによりフィ
ルタ再生が完了するとその後適当な時期にいま再生した
フィルタに排気ガスを流入することができる。
【0047】フィルタ再生を効果的に実行する制御内容
は予め決められている。上記した捕集量検出方法によれ
ば予め決めた捕集量に達したことを精度よく検出してパ
ティキュレートを加熱する加熱手段の動作制御を実行す
ることによりフィルタ再生(すなわち、パティキュレー
トを加熱して燃焼させることによるフィルタ再生)性能
を十分に保証することができる。
【0048】なお、捕集量検出の周期は予め決定した時
間毎に実行してもよいが、パティキュレート捕集量の増
大にともなって検出周期を短縮していく方法がより好ま
しい。このような検出周期を可変させることによりフィ
ルタ再生プロセスにおける再生性能をより十分に保証さ
せることができる。
【0049】また、実施例では示さなかったが電磁波(
マイクロ波)検出手段は加熱室内への電磁波(マイクロ
波)給電部に対してフィルタを挟んだ加熱室空間(通常
はフィルタの排気ガス排出側の加熱室空間)に設けるこ
とができる。
【0050】さらには、本発明実施例ではパティキュレ
ートを加熱する加熱手段としてマイクロ波発生手段とし
て示しているが、他のたとえばバーナあるいは電気ヒー
ターの発生する高温風を利用することができる。
【0051】
【発明の効果】以上説明したように本発明の内燃機関用
フィルタ再生装置によれば、以下の効果が得られる。 (1)捕集量増加に伴って変化するパティキュレートを
含んだフィルタの等価的な誘電率と誘電損失を総合的に
結合孔より取り出すことができ、高い精度でもって捕集
量を検出する方法を提供できる。 (2)直線状のアンテナに比べてスリット形状からなる
結合孔による電磁波量の検出は高精度な捕集量検出方法
を提供する。 (3)検出部を加熱室の外部に設ける構成により、検出
部の耐熱性の保証および取り付け位置の自由さを提供で
きる。 (4)検出部をフィルタ収納空間の加熱室壁面領域に配
性できるので、結合孔からの排気ガスリークに対しての
特別な手段を不要にできる。 (5)加熱室内の総合的な情報に基づいた検出方法によ
り、加熱室は電磁波の周波数帯において共振現象を気に
せずにフィルタ構造に対応した最適な加熱室構造を選択
できる。 (6)パティキュレート加熱手段にマイクロ波を利用す
ることにより、その信号でもって捕集量検出が実行でき
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す内燃機関用フィルタ再
生装置の構成図
【図2】本発明の電磁波検出原理の説明図
【図3】本発
明の一実施例を示す検波回路の構成図
【図4】図3の検
波回路の等価回路図
【図5】本発明の他の実施例を示す内燃機関用フィルタ
再生装置の構成図
【図6】従来の内燃機関用フィルタ再生装置の構成図
【符号の説明】
7  排気管 8  加熱室 9  フィルタ 10  電磁波発生手段(マイクロ波発生手段(加熱手
段の一例)) 14,36  結合孔 15,21,23  電磁波検出手段(マイクロ波検出
手段) 16  制御部 26  検波回路

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】内燃機関の排気ガス中に含まれるパティキ
    ュレートを捕集するフィルタと、前記パティキュレート
    を加熱する加熱手段と、前記フィルタを収納する加熱室
    と、前記加熱室に給電される電磁波を発生する電磁波発
    生手段と、前記加熱室内の誘電率および誘電損失の実効
    的な変化に基づく電磁波変化量を検出する電磁波検出手
    段と、前記電磁波検出手段の検出信号に基づいて前記加
    熱手段を制御する制御部とを備えた内燃機関用フィルタ
    再生装置。
  2. 【請求項2】内燃機関の排気ガスを排出する排気管に設
    けられた加熱室と、前記加熱室内に収納され前記排気ガ
    ス中に含まれるパティキュレートを捕集するフィルタと
    、前記パティキュレートを加熱する加熱手段と、前記加
    熱室に給電される電磁波を発生する電磁波発生手段と、
    前記加熱室の壁面に設けられた結合孔と、前記加熱室の
    外部の前記結合孔の近傍に設けられ前記加熱室内の電磁
    波を検出する電磁波検出手段と、前記電磁波検出手段の
    検出信号に基づいて前記加熱手段を制御する制御部とを
    備えた内燃機関用フィルタ再生装置。
  3. 【請求項3】内燃機関の排気ガスを排出する排気管に設
    けられた加熱室と、前記加熱室内に収納され前記排気ガ
    ス中に含まれるパティキュレートを捕集するフィルタと
    、前記加熱室に給電され前記パティキュレートを誘電加
    熱するマイクロ波を発生するマイクロ波発生手段と、前
    記加熱室の壁面に設けられた結合孔と、前記加熱室の外
    部の前記結合孔の近傍に設けられ前記加熱室内のマイク
    ロ波を検出するマイクロ波検出手段と、前記マイクロ波
    検出手段の検出信号に基づいて前記マイクロ波発生手段
    を制御する制御部とを備えた内燃機関用フィルタ再生装
    置。
  4. 【請求項4】電磁波またはマイクロ波検出手段の検出し
    た電力を検波する検波回路を備えた請求項2または3記
    載の内燃機関用フィルタ再生装置。
  5. 【請求項5】加熱室へのマイクロ波給電部はフィルタの
    排気ガス流流入側に設けられ、結合孔は排気ガスの流れ
    る方向のフィルタの外周に対面する領域またはその領域
    の排気ガス上流側加熱室壁面に設けられた請求項2また
    は3記載の内燃機関用フィルタ再生装置。
  6. 【請求項6】電磁波またはマイクロ波発生手段が発生す
    る電磁波またはマイクロ波の周波数はISM周波数帯と
    した請求項2または3記載の内燃機関用フィルタ再生装
    置。
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