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技術 冷凍サイクルの制御装置、冷凍サイクル、及び冷凍サイクルの制御方法

出願人 三菱重工サーマルシステムズ株式会社
発明者 竹田猛志村上健一佐藤仁宣
出願日 2014年10月31日 (5年4ヶ月経過) 出願番号 2014-222897
公開日 2016年5月23日 (3年10ヶ月経過) 公開番号 2016-090102
状態 特許登録済
技術分野 不可逆サイクルによる圧縮式冷凍機械
主要キーワード 放熱器内 ガスインジェクション 臨界域 単段圧縮 高圧センサ 超臨界域 気体冷媒 蒸発器ファン
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (7)

課題

超臨界域冷媒を用いる冷凍サイクルにおいて、より効率の良い運転を可能とする、ことを目的とする。

解決手段

冷凍サイクル10は、高圧圧縮機12B、低圧圧縮機12A、ガスクーラ14、第1膨張弁16、第2膨張弁20、及び蒸発器22がこの順に冷媒配管24により接続され、超臨界域で冷媒を用いる。そして、冷凍サイクル10の制御装置46は、ガスクーラ14で冷媒と熱交換を行う外気温度及び冷凍サイクル10に要求される運転状態に基づいて、ガスクーラ14の出口圧力及びガスクーラ14に対する風量を制御する。

概要

背景

冷凍サイクルとして、CO2等の超臨界域冷媒を使用するものが開発されている。
このような冷凍サイクルでは、蒸発器内圧力から中間圧力まで圧縮する低圧圧縮機と、中間圧力から放熱器内圧力まで圧縮する高圧圧縮機の2段で圧縮する2段圧縮が行われ、放熱器出口冷媒の一部を高圧圧縮機の吸入側抽気ガスインジェクション)するものがある。

超臨界域で冷媒を使用する冷凍サイクルにおいて、効率を高くするために、特許文献1には、放熱器の出口側でのCO2温度とCO2圧力との関係が、最適制御線で示される温度と圧力との関係となるように、高圧側の減圧弁を制御することが開示されている。

概要

超臨界域で冷媒を用いる冷凍サイクルにおいて、より効率の良い運転を可能とする、ことを目的とする。冷凍サイクル10は、高圧圧縮機12B、低圧圧縮機12A、ガスクーラ14、第1膨張弁16、第2膨張弁20、及び蒸発器22がこの順に冷媒配管24により接続され、超臨界域で冷媒を用いる。そして、冷凍サイクル10の制御装置46は、ガスクーラ14で冷媒と熱交換を行う外気温度及び冷凍サイクル10に要求される運転状態に基づいて、ガスクーラ14の出口圧力及びガスクーラ14に対する風量を制御する。

目的

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、超臨界域で冷媒を用いる冷凍サイクルにおいて、より効率の良い運転を可能とする、冷凍サイクルの制御装置、冷凍サイクル、及び冷凍サイクルの制御方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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請求項1

圧縮機、放熱器膨張弁、及び蒸発器がこの順に冷媒配管により接続され、超臨界域冷媒を用いる冷凍サイクル制御装置であって、前記放熱器で冷媒と熱交換を行う外気の温度及び前記冷凍サイクルに要求される運転状態に基づいて、前記放熱器の出口圧力を決定し、前記放熱器に対する風量を制御する冷凍サイクルの制御装置。

請求項2

前記外気の温度及び前記冷凍サイクルに要求される必要能力又は成績係数に基づいて、前記放熱器の出口圧力を決定する高圧決定手段と、前記外気の温度及び要求される冷媒の蒸発温度に基づいて、前記放熱器に対する風量を決定する風量決定手段と、を備える請求項1記載の冷凍サイクルの制御装置。

請求項3

前記放熱器と前記蒸発器との間に、前記膨張弁が2つ以上設けられ、前記放熱器の出口圧力は、前記放熱器側に設けられた前記膨張弁によって調整される請求項1又は請求項2記載の冷凍サイクルの制御装置。

請求項4

圧縮機、放熱器、膨張弁、及び蒸発器がこの順に冷媒配管により接続され、超臨界域で冷媒を用いる冷凍サイクルであって、請求項1から請求項3の何れか1項記載の制御装置を備える冷凍サイクル。

請求項5

圧縮機、放熱器、膨張弁、及び蒸発器がこの順に冷媒配管により接続され、超臨界域で冷媒を用いる冷凍サイクルの制御方法であって、前記放熱器で冷媒と熱交換を行う外気の温度及び前記冷凍サイクルに要求される運転状態に基づいて、前記放熱器の出口圧力を決定し、前記放熱器に対する風量を制御する冷凍サイクルの制御方法。

技術分野

0001

本発明は、冷凍サイクル制御装置、冷凍サイクル、及び冷凍サイクルの制御方法に関するものである。

背景技術

0002

冷凍サイクルとして、CO2等の超臨界域冷媒を使用するものが開発されている。
このような冷凍サイクルでは、蒸発器内圧力から中間圧力まで圧縮する低圧圧縮機と、中間圧力から放熱器内圧力まで圧縮する高圧圧縮機の2段で圧縮する2段圧縮が行われ、放熱器出口冷媒の一部を高圧圧縮機の吸入側抽気ガスインジェクション)するものがある。

0003

超臨界域で冷媒を使用する冷凍サイクルにおいて、効率を高くするために、特許文献1には、放熱器の出口側でのCO2温度とCO2圧力との関係が、最適制御線で示される温度と圧力との関係となるように、高圧側の減圧弁を制御することが開示されている。

先行技術

0004

特開平10−115470号公報

発明が解決しようとする課題

0005

しかしながら、特許文献1に記載の冷凍サイクルでは、放熱器(ガスクーラ)に設けられているファン回転数に関する制御は行われておらず、ファンの回転数は最大値で一定にされていると考えられる。
このため、特許文献1に記載の冷凍サイクルでは、ファンに対して必要以上に動力が使用され、効率の良い運転が実現されない場合がある。

0006

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、超臨界域で冷媒を用いる冷凍サイクルにおいて、より効率の良い運転を可能とする、冷凍サイクルの制御装置、冷凍サイクル、及び冷凍サイクルの制御方法を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0007

上記課題を解決するために、本発明の冷凍サイクルの制御装置、冷凍サイクル、及び冷凍サイクルの制御方法は以下の手段を採用する。

0008

本発明の第一態様に係る冷凍サイクルの制御装置は、圧縮機、放熱器、膨張弁、及び蒸発器がこの順に冷媒配管により接続され、超臨界域で冷媒を用いる冷凍サイクルの制御装置であって、前記放熱器で冷媒と熱交換を行う外気の温度及び前記冷凍サイクルに要求される運転状態に基づいて、前記放熱器の出口圧力を決定し、前記放熱器に対する風量を制御する。

0009

本構成に係る冷凍サイクルは、圧縮機、放熱器、膨張弁、及び蒸発器がこの順に冷媒配管により接続され、超臨界域で冷媒を用いる。
超臨界域における冷媒は、臨界域のように飽和圧力飽和温度との関係が一意に決定せず、飽和温度が同じでも異なる飽和圧力となり得、同じ飽和温度でも飽和圧力が異なると比エンタルピは異なる。すなわち、放熱器の出口温度は外気の温度に依存するが、放熱器の出口圧力は外気の温度のみにより決定されない。

0010

そこで、外気の温度と冷凍サイクルに要求される運転状態に基づいて、放熱器の出口圧力が決定され、放熱器に対する風量が制御される。すなわち、放熱器の出口圧力は、外気の温度のみによって決定されるものではないため、外気の温度と冷凍サイクルに要求される運転状態に基づいて、最適となるように制御される。

0011

さらに、放熱器に対する風量も、外気の温度と冷凍サイクルに要求される運転状態に基づいて、すなわち、放熱器の必要能力を満たすように制御される。なお、風量制御は、放熱器に備えられるファンの回転数を制御することによって行われる。

0012

このように、本構成は、外気の温度を基準として、冷凍サイクルに要求される運転状態に基づいて放熱器の出口圧力を決定し、放熱器に対する風量を制御するので、放熱器に備えられるファンの回転数を冷凍サイクルに要求される運転状態に応じた適正な回転数とでき、より効率の良い運転を可能とする。

0013

上記第一態様では、前記外気の温度及び前記冷凍サイクルに要求される必要能力又は成績係数に基づいて、前記放熱器の出口圧力を決定する高圧決定手段と、前記外気の温度及び要求される冷媒の蒸発温度に基づいて、前記放熱器に対する風量を決定する風量決定手段と、を備えてもよい。

0014

本構成によれば、高圧決定手段によって、外気の温度と冷凍サイクルに要求される必要能力又は成績係数に基づいて、放熱器の出口圧力の最適値が決定される。
また、風量決定手段によって、外気の温度及び要求される冷媒の蒸発温度に基づいて、放熱器に対する風量が決定される。より具体的には、外気の温度及び冷媒の蒸発温度から放熱器の必要能力が決定される。そして、放熱器の必要能力を満たすための放熱器に対する風量が決定される。

0015

これにより、本構成は、より最適な放熱器の出口圧力と放熱器に対する風量とを決定できる。

0016

上記第一態様では、前記放熱器と前記蒸発器との間に、前記膨張弁が2つ以上設けられ、前記放熱器の出口圧力が、前記放熱器側に設けられた前記膨張弁によって調整されてもよい。

0017

本構成によれば、2つの膨張弁によって2段膨張が行われ、第1膨張弁16及び第2膨張弁20によって2段膨張が行われ、放熱器に設けられた膨張弁を高圧圧力の制御に用いることができるので、放熱器の出口圧力をより精度高く制御できる。

0018

本発明の第二態様に係る冷凍サイクルは、圧縮機、放熱器、膨張弁、及び蒸発器がこの順に冷媒配管により接続され、超臨界域で冷媒を用いる冷凍サイクルであって、上記記載の制御装置を備える。

0019

本発明の第三態様に係る冷凍サイクルの制御方法は、圧縮機、放熱器、膨張弁、及び蒸発器がこの順に冷媒配管により接続され、超臨界域で冷媒を用いる冷凍サイクルの制御方法であって、前記放熱器で冷媒と熱交換を行う外気の温度及び前記冷凍サイクルに要求される運転状態に基づいて、前記放熱器の出口圧力を決定し、前記放熱器に対する風量を制御する。

発明の効果

0020

本発明によれば、超臨界域で冷媒を用いる冷凍サイクルにおいて、より効率の良い運転を可能とする、という優れた効果を有する。

図面の簡単な説明

0021

本発明の実施形態に係る冷凍サイクルの回路構成図である。
CO2の超臨界域を示すp−h線図である。
本発明の実施形態に係る制御装置のガスクーラ制御に関する機能を示す機能ブロック図である。
本発明の実施形態に係る外気温度と高圧圧力との関係を示した図である。
本発明の実施形態に係る外気温度と蒸気温度に応じたガスクーラの必要能力を示した図である。
本発明の実施形態に係るガスクーラ制御の流れを示すフローチャートである。

実施例

0022

以下に、本発明に係る冷凍サイクル10の一実施形態について、図面を参照して説明する。

0023

図1は、本実施形態に係る冷凍サイクル10の回路構成図である。
本実施形態に係る冷凍サイクル10は、一例としてCO2を冷媒とし、冷媒を超臨界域で用いる。

0024

また、冷凍サイクル10は、2段圧縮サイクルであり、低圧圧縮機12A、高圧圧縮機12B、ガスクーラ14、第1膨張弁16、レシーバ18、第2膨張弁20、及び蒸発器22がこの順に冷媒配管24により接続される。そして、レシーバ18において気液分離された気体冷媒を高圧圧縮機12Bの吸入側に供給するインジェクション管26が備えられる。

0025

低圧圧縮機12Aは、蒸発器22からの冷媒を吸入し、この冷媒を圧縮して高圧圧縮機12Bへ吐出する。
高圧圧縮機12Bは、低圧圧縮機12Aに直列に接続され、低圧圧縮機12A及びインジェクション管26からの冷媒を吸入し、この冷媒を圧縮して、ガスクーラ14に向けて吐出する。

0026

ガスクーラ14は、高圧圧縮機12Bから吐出された高温高圧超臨界状態)の冷媒と、ガスクーラファン28によって通風される外気との間で熱交換を行い、冷媒を放熱する。

0027

第1膨張弁16は、ガスクーラ14において放熱した冷媒を断熱膨張させ、冷媒を減圧する。換言すると、第1膨張弁16は、ガスクーラ14の出口圧力(以下「高圧圧力」という。)を調整する。

0028

レシーバ18は、冷媒を気液分離する。液相の冷媒は、レシーバ18から蒸発器22へ流れる。一方、気相の冷媒は、レシーバ18からインジェクション管26を介して、高圧圧縮機12Bへ流れる。

0029

第2膨張弁20は、蒸発器22へ向かう冷媒をさらに断熱膨張させ、冷媒を減圧する。換言すると、第2膨張弁20は、蒸発器22の入口圧力を調整する。

0030

蒸発器22は、第2膨張弁20において減圧された冷媒と、蒸発器ファン30によって通風される空気との間で熱交換を行い、冷媒に熱を吸収させる。
蒸発器22は、一例として、アイスクリーム等を貯蔵する冷凍ショーケース32内に設けられて冷媒と冷凍ショーケース32内の雰囲気との間で熱交換を行う。これにより、冷凍ショーケース32内は、低温(例えば蒸発温度−45℃)に保たれる。

0031

なお、冷凍サイクル10は、外気温度センサ40及び高圧センサ42を備える。

0032

外気温度センサ40は、ガスクーラ14で熱交換を行う外気の温度(以下「外気温度」という。)を測定する。

0033

高圧センサ42は、ガスクーラ14の出口圧力(以下「高圧圧力」という。)を測定する。

0034

また、冷凍サイクル10は、その制御を司る制御装置46を備える。制御装置46は、高圧圧縮機12B、低圧圧縮機12A、第1膨張弁16、第2膨張弁20、ガスクーラファン28、及び蒸発器ファン30等を制御する。
なお、制御装置46は、例えば、CPU(Central Processing Unit)、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラム形式で記憶媒体等に記憶されており、このプログラムをCPUがRAM等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。なお、プログラムは、ROMやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク光磁気ディスクCD−ROM、DVD−ROM、半導体メモリ等である。

0035

ここで、制御装置46で実行されるガスクーラ制御について説明する。なお、本実施形態に係るガスクーラ制御は、高圧圧力及びガスクーラ14に対する風量(ガスクーラファン28の回転数)を制御する。

0036

上述したように、本実施形態に係る冷凍サイクル10では、CO2冷媒を超臨界域で用いる。超臨界域における冷媒は、臨界域のように飽和圧力と飽和温度との関係が一意に決定せず、図2に示されるように、飽和温度が同じでも異なる飽和圧力となり得、同じ飽和温度でも飽和圧力が異なると比エンタルピは異なる。すなわち、ガスクーラ14の出口温度は外気温度に依存するが、高圧圧力は外気温度のみにより決定されない。そして、ガスクーラ14の出口温度が同じでも、高圧圧力が異なると、冷凍効果にも影響が生じる。

0037

そこで、本実施形態に係る冷凍サイクル10では、外気温度と冷凍サイクル10に要求される運転状態に基づいて、高圧圧力を決定し、ガスクーラ14に対する風量を制御する。
すなわち、高圧圧力は、外気温度のみによって決定されるものではないため、外気温度と冷凍サイクル10に要求される運転状態に基づいて、最適となるように制御される。
さらに、ガスクーラ14に対する風量も、外気温度と冷凍サイクルに要求される運転状態に基づいて、すなわち、ガスクーラ14の必要能力を満たすように制御される。なお、風量制御は、ガスクーラファン28の回転数を制御することによって行われる。

0038

このように、本実施形態に係る冷凍サイクル10は、外気温度を基準として、冷凍サイクル10に要求される運転状態に基づいてガスクーラ14の出口圧力を決定し、ガスクーラ14に対する風量を制御するので、ガスクーラファン28の回転数を冷凍サイクル10に要求される運転状態に応じた適正な回転数とできる。
なお、冷凍サイクル10に要求される運転状態とは、後述するように、例えば、冷凍サイクル10に要求される必要能力又は成績係数(COP)や要求される冷媒の蒸発温度である。

0039

図3は、本実施形態に係る制御装置46のガスクーラ制御に関する機能を示す機能ブロック図である。

0040

制御装置46は、高圧決定部50、圧縮機制御部52、第1膨張弁制御部54、風量決定部56、及びガスクーラファン制御部58を備える。

0041

高圧決定部50は、外気温度及び冷凍サイクル10に要求される必要能力又は成績係数(COP)に基づいて、高圧圧力を決定する。
上記外気温度として、外気温度センサ40による外気温度の測定値が高圧決定部50に入力される。

0042

圧縮機制御部52は、決定された高圧圧力(以下「決定高圧圧力」という。)で冷媒を吐出するように、低圧圧縮機12A及び高圧圧縮機12Bを制御する。

0043

第1膨張弁制御部54は、高圧圧力が決定高圧圧力となるように、第1膨張弁16に対して制御指令を出力し、高圧圧力の微調整を行う。具体的には、第1膨張弁制御部54は、入力される高圧センサ42の測定値と決定高圧圧力とを比較し、測定値が決定高圧圧力となるようにフィードバック制御によって第1膨張弁16を制御する。

0044

風量決定部56は、外気温度及び要求される冷媒の蒸発温度に基づいて、ガスクーラ14に対する風量を決定する。
冷媒の蒸発温度として、蒸発温度の設定値が高圧決定部50に入力される。

0045

ガスクーラファン制御部58は、風量決定部56によって決定された風量となるように、ガスクーラファン28の回転数を制御する。

0046

次に、高圧決定部50及び風量決定部56による具体的な処理について説明する。

0047

まず、図4は、本実施形態に係る外気温度(AT)と高圧圧力(HP)との関係の一例を示した図である。
図4に示されるように、本実施形態に係る制御装置46は、超臨界域の冷媒に対して、外気温度が高くなるにつれて高圧圧力を上昇させる一方、外気温度が臨界点に近い所定温度以下の場合には、高圧圧力を一定とする。
この理由は、超臨界域では、臨界点に近い温度では温度の変化に対する圧力の変化が小さいためである。このため、外気温度が臨界点に近い場合、高圧圧力は、低圧圧縮機12A及び高圧圧縮機12Bの動力が少なくて済む一定の圧力とされる。また、外気温度が高い場合は、高圧圧力は、温度変化による圧力変化が小さい領域における圧力とされる。これにより、高圧圧力の制御性簡易となる。

0048

そして、図4に示される外気温度と高圧圧力との関係は、冷凍サイクル10に要求される必要能力又は成績係数(COP)に応じて、シミュレーション等により、予め決定され、記憶されている。高圧決定部50は、図4の例に示される外気温度と高圧圧力との関係を示す情報に基づいて、高圧圧力を決定する。

0049

また、ガスクーラ14に対する風量は、ガスクーラ14の必要能力に基づく。
ガスクーラ14の必要能力は、図5に示されるように外気温度と蒸気温度(ET)から求められる。そして、ガスクーラ14の必要能力と風量は、相関関係がある。このため、風量決定部56は、図5の例に示される外気温度と蒸発温度とガスクーラ14の必要能力の関係から、ガスクーラ14の必要能力を求め、ガスクーラ14の必要能力に応じた風量を決定する。
なお、風量決定部56は、外気温度、要求される冷媒の蒸発温度、及びガスクーラ14に対する風量との関係を示した情報を予め記憶し、ガスクーラ14の必要能力を求めることなく、外気温度及び要求される冷媒の蒸発温度から直接的にガスクーラ14に対する風量を決定してもよい。

0050

以上のように、図4に示されるような外気温度に応じた高圧圧力を示す情報、及び図5に示されるような外気温度と蒸発温度に応じたガスクーラ14の必要能力を示す情報を制御装置46が記憶することで、外気温度から高圧圧力及びガスクーラ14に対する風量を容易に決定できる。

0051

図6は、ガスクーラ制御の流れを示すフローチャートである。なお、ガスクーラ制御は、冷凍サイクル10の運転が開始すると共に開始される。

0052

まず、ステップ100では、高圧決定部50によって高圧圧力を決定する。

0053

次のステップ102では、風量決定部56によって風量を決定する。

0054

次のステップ104では、各種機器を制御する。
具体的には、圧縮機制御部52が、高圧決定部50で決定した高圧圧力で冷媒を吐出するように、低圧圧縮機12A及び高圧圧縮機12Bを制御する。また、ガスクーラファン制御部58が、風量決定部56で決定した風量となるように、ガスクーラファン28の回転数を制御する。

0055

ガスクーラファン28の回転数が制御され、ガスクーラ14に対する風量が変わると、高圧センサ42の測定値と決定高圧圧力とに偏差が生じる可能性がある。
そこで、次のステップ106では、高圧センサ42の測定値が決定高圧圧力となっているか否かを判定し、否定判定の場合にステップ108へ移行し、肯定判定の場合は所定の時間間隔でステップ106を繰り返す。

0056

ステップ108では、高圧センサ42の測定値が決定高圧圧力となるようにフィードバック制御によって、第1膨張弁制御部54が第1膨張弁16の開度を微調整し、ステップ106へ戻る。
このように、本実施形態に係る冷凍サイクル10は、第1膨張弁16及び第2膨張弁20によって2段膨張が行われ、第1膨張弁16を高圧圧力の制御に用いることができるので、ガスクーラ14の出口圧力をより精度高く制御できる。

0057

以上説明したように、本実施形態に係る冷凍サイクル10は、高圧圧縮機12B、低圧圧縮機12A、ガスクーラ14、第1膨張弁16、第2膨張弁20、及び蒸発器22がこの順に冷媒配管24により接続され、超臨界域で冷媒を用いる。そして、冷凍サイクル10の制御装置46は、ガスクーラ14で冷媒と熱交換を行う外気温度及び冷凍サイクル10に要求される運転状態に基づいて、ガスクーラ14の出口圧力を決定し、ガスクーラ14に対する風量を制御する。

0058

このように、本実施形態に係る冷凍サイクル10は、外気温度を基準として、冷凍サイクル10に要求される運転状態に基づいてガスクーラ14の出口圧力を決定し、ガスクーラ14に対する風量を制御するので、ガスクーラファン28の回転数を冷凍サイクル10に要求される運転状態に応じた適正な回転数とでき、より効率の良い運転が可能となる。

0059

以上、本発明を、上記実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に多様な変更又は改良を加えることができ、該変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。また、上記実施形態を適宜組み合わせてもよい。

0060

例えば、上記実施形態では、冷凍サイクル10を冷凍機に適用する形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、冷凍サイクル10を暖房及び冷房を行う空気調和装置に適用する形態としてもよい。

0061

また、上記実施形態では、冷凍サイクル10を一例として2段圧縮とする形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、冷凍サイクル10を単段圧縮とする形態としてもよい。

0062

また、上記実施形態では、第1膨張弁16及び第2膨張弁20の二つを用いて2段膨張する形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、膨張弁を一つ又は3つ以上とする形態としてもよい。

0063

また、上記実施形態で説明したガスクーラ制御の流れも一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲内において不要なステップを削除したり、新たなステップを追加したり、処理順序入れ替えたりしてもよい。

0064

10冷凍サイクル
12A低圧圧縮機
12B高圧圧縮機
14ガスクーラ
16 第1膨張弁
20 第2膨張弁
22蒸発器
24冷媒配管
46制御装置
50高圧決定部
56 風量決定部

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