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技術 鉄道車両、車両用電力変換装置及び方法

出願人 株式会社東芝東芝インフラシステムズ株式会社
発明者 内田寿幸尾谷浩昭牧野友由
出願日 2015年8月28日 (4年2ヶ月経過) 出願番号 2017-537065
公開日 2018年3月8日 (1年8ヶ月経過) 公開番号 WO2017-037795
状態 特許登録済
技術分野 電動機の制御一般
主要キーワード 冷却用ブロワ タップ切替器 被冷却装置 定格入力電圧 タップ切替 回生ブレーキ動作 最大印加電圧 三次コイル
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (8)

課題・解決手段

トランスは、架線一次巻線電気的に接続され、被冷却装置としての電力変換装置は、トランスの二次巻線に接続され、被冷却装置としての駆動用モータは、電力変換装置に接続され、冷却装置は、トランスの三次巻線に接続され、電力変換装置により昇圧された駆動用モータの回生電力が、架線からの電力にトランスを介して重畳されて供給され、被冷却装置の冷却動作を行うので、鉄道車両において、車載装置の停止あるいは出力制御を招くことを抑制することができる。

概要

背景

従来、架線から供給される電力を受けて走行する鉄道車両が知られている。
このような鉄道車両においては、電圧変換器電力変換器及び駆動装置等の車載装置の温度が所定の基準温度よりも高くなった場合等には、温度上昇を抑制して車載装置の保護を図るため、各車載装置を停止させたり、出力制御を行ったりする必要があった。

概要

トランスは、架線に一次巻線電気的に接続され、被冷却装置としての電力変換装置は、トランスの二次巻線に接続され、被冷却装置としての駆動用モータは、電力変換装置に接続され、冷却装置は、トランスの三次巻線に接続され、電力変換装置により昇圧された駆動用モータの回生電力が、架線からの電力にトランスを介して重畳されて供給され、被冷却装置の冷却動作を行うので、鉄道車両において、車載装置の停止あるいは出力制御を招くことを抑制することができる。

目的

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、車載装置の停止あるいは出力制御を招くことを抑制することが可能な鉄道車両、車両用電力変換装置及び方法を提供する

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請求項1

架線一次巻線電気的に接続されるトランスと、前記トランスの二次巻線に接続された被冷却装置としての電力変換装置と、前記電力変換装置に接続された被冷却装置としての駆動用モータと、前記トランスの三次巻線に接続され、前記電力変換装置により昇圧された前記駆動用モータの回生電力が、前記架線からの電力に前記トランスを介して重畳されて供給され、前記被冷却装置の冷却動作を行う冷却装置と、を備えた鉄道車両

請求項2

前記被冷却装置の温度を検出する温度検出装置を有し、前記電力変換装置は、前記被冷却装置の温度が所定の基準温度を超えた場合に、前記駆動用モータの回生電力を昇圧する、請求項1記載の鉄道車両。

請求項3

架線に一次巻線が電気的に接続されるトランスと、前記トランスの二次巻線に接続された被冷却装置としての電力変換装置と、前記電力変換装置に接続された被冷却装置としての駆動用モータと、前記トランスの三次巻線は、複数のタップを有し、前記三次巻線の出力電圧が所定の基準電圧に近づくように前記タップが切り替えられて、前記駆動用モータの回生電力が、前記架線からの電力に前記トランスを介して重畳されて供給され、前記被冷却装置の冷却動作を行う冷却装置と、を備えた鉄道車両。

請求項4

前記被冷却装置の温度を検出する温度検出装置を有し、前記トランスは、前記被冷却装置の温度が所定の基準温度を超えた場合に、前記タップが切り替えられる、請求項3記載の鉄道車両。

請求項5

前記トランスの三次巻線の出力電圧を検出する電圧検出装置と、前記電圧検出装置の検出結果に基づいて前記タップを切り替えるタップ切替部と、を備えた請求項4記載の鉄道車両。

請求項6

架線に一次巻線が電気的に接続されるトランスと、前記トランスの二次巻線に接続された被冷却装置と、前記被冷却装置の温度を検出する温度検出装置と、前記被冷却装置の冷却動作を行う冷却装置と、前記トランスの三次巻線と前記冷却装置との間に電気的に接続され、前記被冷却装置の温度が所定の基準温度を超えた場合に、前記三次巻線の電圧を所定の電圧に昇圧して供給する電力変換装置と、を備えた鉄道車両。

請求項7

前記被冷却装置としての駆動用モータを有し、前記電力変換装置は、前記駆動用モータの回生電力が、前記架線からの電力に前記トランスを介して重畳されて供給される、請求項6記載の鉄道車両。

請求項8

架線に一次巻線が電気的に接続され、二次巻線に被冷却装置が接続され、三次巻線に前記被冷却装置を冷却する冷却装置が接続されるトランスと、前記トランスの二次巻線に接続されて、鉄道車両の駆動用モータが接続される電力変換装置と、を備えた車両用電力変換装置であって、前記電力変換装置は、前記二次巻線及び前記三次巻線を介して、前記駆動用モータの回生電力を前記架線からの電力に重畳して前記冷却装置に供給する、車両用電力変換装置。

請求項9

架線に一次巻線が電気的に接続され、二次巻線に被冷却装置が接続され、三次巻線に前記被冷却装置を冷却する冷却装置が接続されるトランスと、前記トランスの二次巻線に接続されて、鉄道車両の駆動用モータが接続される電力変換装置と、を備えた車両用電力変換装置であって、前記トランスの三次巻線は、複数のタップを有し、前記電力変換装置は、前記三次巻線の出力電圧が所定の基準電圧に近づくように前記タップを切り替え、前記駆動用モータの回生電力を、前記架線からの電力に前記トランスを介して重畳されて前記冷却装置に供給する、車両用電力変換装置。

請求項10

架線に一次巻線が電気的に接続され、二次巻線に被冷却装置が接続され、三次巻線に前記被冷却装置を冷却する冷却装置が接続されるトランスと、前記トランスの二次巻線に接続されて、鉄道車両の駆動用モータが接続される電力変換装置と、を備えた車両用電力変換装置で実行される方法であって、前記駆動用モータの回生電力を前記冷却装置の駆動電力に変換する過程と、前記二次巻線及び前記三次巻線を介して、前記駆動電力を前記架線からの電力に重畳して前記冷却装置に供給する過程と、を備えた方法。

請求項11

架線に一次巻線が電気的に接続され、二次巻線に被冷却装置が接続され、三次巻線に前記被冷却装置を冷却する冷却装置が接続されるトランスと、前記トランスの二次巻線に接続されて、鉄道車両の駆動用モータが接続される電力変換装置と、を備えた車両用電力変換装置で実行される方法であって、前記トランスの三次巻線は、複数のタップを有し、前記駆動用モータの回生電力を前記冷却装置の駆動電力に変換する過程と、前記三次巻線の出力電圧が所定の基準電圧に近づくように前記タップを切り替える過程と、前記二次巻線及び前記三次巻線を介して、前記駆動電力を前記架線からの電力に重畳して前記冷却装置に供給する過程と、を備えた方法。

技術分野

0001

本発明の実施形態は、鉄道車両車両用電力変換装置及び方法に関する。

背景技術

0002

従来、架線から供給される電力を受けて走行する鉄道車両が知られている。
このような鉄道車両においては、電圧変換器電力変換器及び駆動装置等の車載装置の温度が所定の基準温度よりも高くなった場合等には、温度上昇を抑制して車載装置の保護を図るため、各車載装置を停止させたり、出力制御を行ったりする必要があった。

先行技術

0003

特開平8−65811号公報

発明が解決しようとする課題

0004

しかしながら、従来技術においては、車載装置の停止あるいは出力制御がなされるため、編成全体の出力が低下し、鉄道車両の定時運行に支障が出る虞もあった。

0005

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、車載装置の停止あるいは出力制御を招くことを抑制することが可能な鉄道車両、車両用電力変換装置及び方法を提供することを目的としている。

課題を解決するための手段

0006

実施形態の鉄道車両のトランスは、架線に一次巻線電気的に接続され、被冷却装置としての電力変換装置は、トランスの二次巻線に接続され、被冷却装置としての駆動用モータは、電力変換装置に接続され、冷却装置は、トランスの三次巻線に接続され、電力変換装置により昇圧された駆動用モータの回生電力が、架線からの電力にトランスを介して重畳されて供給され、被冷却装置の冷却動作を行う。

図面の簡単な説明

0007

図1は、第1実施形態にかかる鉄道車両の電気系統概要構成図である。
図2は、架線電圧と三次巻線電圧の関係説明図である。
図3は、回生電力重畳の概念説明図である。
図4は、第1実施形態の変形例の説明図である。
図5は、第2実施形態にかかる鉄道車両の電気系統の概要構成図である。
図6は、第3実施形態にかかる鉄道車両の電気系統の概要構成図である。
図7は、第4実施形態にかかる鉄道車両の電気系統の概要構成図である。

実施例

0008

次に図面を参照して、好適な実施形態について説明する。
[1]第1実施形態
図1は、第1実施形態にかかる鉄道車両の電気系統の概要構成図である。
第1実施形態の鉄道車両(電気車)10は、図1に示すように、架線(き電線)11から交流電力が供給されるパンタグラフ12と、線路13を介して接地された車輪14と、の間に、遮断器15及びトランス16の一次巻線(一次コイル)16Aが直列に接続されている。

0009

トランス16の二次巻線(二次コイル)16Bには、車両用制御装置17を介して駆動用モータ18が接続されている。このモータ18は、回生ブレーキ時発電機として回生電力を供給する電力源となる。

0010

トランス16の三次巻線(三次コイル)16Cには、低圧車載機器群19が接続されている。この三次巻線16Cには、三次巻線16Cの出力電圧を測定し、検出電圧を後述する制御部23に出力するための電圧検出器(PT:Potential transformer)27が設けられている。

0011

上記構成において、遮断器15は、車両用制御装置17により制御される。
また、車両用制御装置17は、架線11からトランス16の一次巻線16A、二次巻線16Bを介して変圧された交流電力を直流電力に変換するコンバータ21と、コンバータ21が出力した直流電力を再び交流電力に変換するインバータ22と、車両制御部30の制御下で、コンバータ21及びインバータ22を制御する制御部23と、を備えている。

0012

また低圧車載機器群19は、複数並列接続され、それぞれがコンバータ21、インバータ22あるいはモータ18等の被冷却装置を冷却する冷却装置としての冷却用ブロワ(Blower)25を備えている。

0013

上記構成において、コンバータ21及びインバータ22は、制御部23の制御下でモータ18から供給される回生電力の電力変換を行って、トランス16の二次巻線16Bを介し、三次巻線16Cに架線11から供給される電力に回生電力を重畳して供給する。

0014

次に第1実施形態の動作を説明する。
この場合において、遮断器15は、車両制御部30により閉状態オン状態)とされているものとする。

0015

鉄道車両(電気車)10のパンタグラフ12に架線(き電線)11から交流電力が供給されると、遮断器15及びトランス16の一次巻線16Aを介して、車輪14に向けて電流が流れる。

0016

この結果、トランス16の二次巻線16Bには、一次巻線16Aとの巻線比に応じた電圧が発生する。さらにトランス16の三次巻線16Cには、一次巻線16Aとの巻線比に応じた電圧が発生する。
このとき、二次巻線16Bに供給された交流電力は、コンバータ21により一旦、直流電力に変換されてインバータ22に供給される。

0017

インバータ22は、コンバータ21が出力した直流電力を再び交流電力に変換して、モータ18に供給され、モータ18により車輪14が駆動されて、鉄道車両10は走行することとなる。

0018

図2は、架線電圧と三次巻線電圧の関係説明図である。
図2に示すように、架線電圧と、三次巻線電圧とは比例関係にある。
このとき、冷却用ブロワ25の回転数は、三次巻線16Cの電圧に比例している。
従って、冷却用ブロワ25の回転数は、架線電圧に比例して増減することとなる。
また、冷却用ブロワ25は、架線電圧の想定される電圧範囲で動作可能な設計とされているが、当該電圧範囲内で電圧が高いほど、内蔵する冷却ファンの回転数が増加し、冷却能力は高くなる。
逆に言えば、架線電圧が下がると、冷却用ブロワ25の冷却ファンの回転数が減少し、冷却能力は低くなるということである。
そこで、本第1実施形態においては、回生ブレーキ時に、モータ18から供給される回生電力を、コンバータ21及びインバータ22により電力変換し、トランス16の二次巻線16Bを介して、三次巻線16Cに架線11から供給される電力に重畳することにより、冷却用ブロワに供給される電圧を高くして、冷却用ブロワ25の冷却能力を高くしているのである。

0019

図3は、回生電力重畳の概念説明図である。
図3の例は、架線11の電圧が、20kV〜30kVの範囲で変動することが想定される場合である。

0020

図3中、太実波線で示すように、架線11の電圧が変動している場合であって、時刻t2〜時刻t3、時刻t4〜時刻t5、時刻t6〜時刻t7の時間帯のようにモータ18が回生ブレーキ動作を行っている場合には、制御部23は、電圧検出器27の検出電圧を監視することにより、三次巻線16Cの出力電圧が冷却用ブロワ25の定格入力電圧許容範囲を超えないように、モータ18から供給される回生電力を、コンバータ21及びインバータ22に電力変換させて二次巻線16Bに供給させる。

0021

これにより、回生電力は、図3斜線領域として示すように、架線11から供給される電力に重畳されて、三次巻線16Cから出力される。
すなわち、三次巻線16Cに接続された冷却用ブロワ25に供給される電圧を高くすることができる。

0022

この結果、本第1実施形態によれば、冷却用ブロワ25が内蔵する冷却ファンの回転数が増加し、冷却用ブロワ25の冷却能力が向上し、電圧変換器、電力変換器及び駆動装置等の被冷却装置である車載装置の温度が所定の基準温度よりも高くなることを抑制し、ひいては、車載装置の停止あるいは出力制御を回避できる。

0023

また、被冷却装置である車載装置の停止が余儀なくされた場合であっても、温度上昇量を抑制でき、早期に冷却が可能となって停止時間を短縮することができる。
よって、編成全体の出力の低下をすることもなく、鉄道車両の定時運行をより確実に行える。

0024

[1.1]第1実施形態の変形例
以上の説明においては、回生ブレーキ時には、常時、冷却用ブロワ25に印加する電圧を高くしていたが、本変形例は、被冷却装置である車載装置(コンバータ21、インバータ22及びモータ18)の温度計測を行い、車載装置の温度が所定の基準温度よりも高くなると予測される場合に冷却用ブロワ25に印加する電圧を高くする場合のものである。

0025

図4は、第1実施形態の変形例の説明図である。
図4において、図1と同様の部分に同一の符号を付すものとする。
図4において、図1と異なる点は、コンバータ21の温度を測定して制御部23に通知する温度センサTS1、インバータ22の温度を測定して制御部23に通知する温度センサTS2及びモータ18の温度を測定して制御部23に通知する温度センサTS3を、設けた点である。

0026

上記構成によれば、コンバータ21、インバータ22あるいはモータ18の温度が、それぞれに対応する所定の基準温度を超えると予測される場合にのみ、冷却用ブロワ25に印加する電圧を高くして、冷却能力を高くする。

0027

したがって、本変形例によれば、第1実施形態の効果に加えて、冷却用ブロワ25に印加される電圧が必要以上に高くなるのを抑制できるので、冷却用ブロワ25の寿命延ばすことができる。

0028

[2]第2実施形態
図5は、第2実施形態にかかる鉄道車両の電気系統の概要構成図である。
図5において、図1と同様の部分には、同一の符号を付すものとする。
第2実施形態の鉄道車両(電気車)10は、図5に示すように、架線(き電線)11から交流電力が供給されるパンタグラフ12と、線路13を介して接地された車輪14と、の間に、遮断器15及びトランス16の一次巻線(一次コイル)16Aが直列に接続されている。

0029

トランス16の二次巻線(二次コイル)16Bには、車両用制御装置17を介して駆動用のモータ18が接続されている。
トランス16の三次巻線(三次コイル)16Cは、複数(図5の例の場合3個)のタップTP1〜TP3を備え、タップ切替器28を介して低圧車載機器群19が接続されている。さらに三次巻線16Cには、三次巻線16Cの出力電圧を検出し、検出電圧を制御部23に出力する電圧検出器27が設けられている。

0030

タップ切替器28は、タップ切替を行うタップ切替スイッチ28Aを有し、制御部23の制御下でタップTP1〜TP3のうちからいずれか一つのタップを選択して接続する。

0031

次に第2実施形態の動作を説明する。
この場合において、遮断器15は、車両制御部30により閉状態(オン状態)とされているものとする。

0032

鉄道車両(電気車)10のパンタグラフ12に架線(き電線)11から交流電力が供給されると、遮断器15及びトランス16の一次巻線16Aを介して、車輪14に向けて電流が流れる。

0033

この結果、トランス16の二次巻線16Bには、一次巻線16Aとの巻線比に応じた電圧が発生する。さらにトランス16の三次巻線16Cには、一次巻線16Aとの巻線比に応じた電圧が発生することとなるので、初期状態において、制御部23は、タップ切替スイッチ28Aを制御して最も電圧が低くなるタップTP1を選択している。これは、三次巻線16Cの出力電圧が必要以上に高くならないようにするためである。

0034

そして、制御部23は、第1実施形態と同様に、回生ブレーキ時に、モータ18から供給される回生電力を、コンバータ21及びインバータ22により電力変換を行い、トランス16の二次巻線16Bを介して、三次巻線16Cに架線11から供給される電力に重畳して、冷却用ブロワに供給される電圧を高くする。

0035

このとき制御部23は、三次巻線16Cの出力電圧が所定の閾値電圧よりも低い場合には、タップ切替スイッチ28Aを制御してタップTP2を選択させる。
さらに制御部23は、タップTP2を選択しても、三次巻線16Cの出力電圧が所定の閾値電圧よりも低い場合には、タップ切替スイッチ28Aを制御してタップTP3を選択させる。

0036

これにより、回生電力は、図3に斜線領域として示したように、架線11から供給される電力に重畳されて、三次巻線16Cから出力されることとなるが、可能な限り三次巻線16Cに接続された冷却用ブロワ25に供給される電圧が高くなるように、制御部23は、タップ切替スイッチ28Aの制御を行うこととなる。

0037

この結果、本第2実施形態によれば、第1実施形態の効果に加えて、より広い電圧範囲において冷却用ブロワ25の冷却能力を向上させることができ、電圧変換器、電力変換器及び駆動装置等の車載装置の温度が所定の基準温度よりも高くなることを抑制し、ひいては、車載装置の停止あるいは出力制御を回避できる。
本第2実施形態においても、第1実施形態の変形例と同様の適用が可能である。

0038

[3]第3実施形態
本第3実施形態は、三次巻線16Cの出力電圧を静止型インバータAPU:Auxiliary Power Unit)により回生電力も有効利用しつつ、一定電圧に昇圧して、常に冷却用ブロワを高冷却状態に維持する実施形態である。

0039

図6は、第3実施形態にかかる鉄道車両の電気系統の概要構成図である。
図6において、図1と同様の部分には、同一の符号を付すものとする。
第6実施形態の鉄道車両(電気車)10は、図6に示すように、架線(き電線)11から交流電力が供給されるパンタグラフ12と、線路13を介して接地された車輪14と、の間に、遮断器15及びトランス16の一次巻線(一次コイル)16Aが直列に接続されている。

0040

トランス16の二次巻線(二次コイル)16Bには、車両用制御装置17を介して駆動用のモータ18が接続されている。
トランス16の三次巻線(三次コイル)16Cは、静止型インバータ40を介して低圧車載機器群19が接続されている。

0041

次に第3実施形態の動作を説明する。
この場合において、遮断器15は、車両制御部30により閉状態(オン状態)とされているものとする。

0042

鉄道車両(電気車)10のパンタグラフ12に架線(き電線)11から交流電力が供給されると、遮断器15及びトランス16の一次巻線16Aを介して、車輪14に向けて電流が流れる。

0043

この結果、トランス16の二次巻線16Bには、一次巻線16Aとの巻線比に応じた電圧が発生する。
さらに、トランス16の三次巻線16Cには、一次巻線16Aとの巻線比に応じた電圧の電力が出力される。また、回生ブレーキ時には制御部23の制御下でモータ18から供給される回生電力の電力変換を行って、トランス16の二次巻線16Bを介し、三次巻線16Cに架線11から供給される電力に回生電力を重畳した電圧が出力される。
そして、静止型インバータ40は、印加された電圧を冷却用ブロワ25の許容最大印加電圧あるいは許容最大印加電圧に対して、所定の電圧変動を見込んだ所定電圧低い一定電圧に昇圧して、冷却用ブロワ25に供給する。
したがって、本第3実施形態によっても、第2実施形態と同様に、第1実施形態と比較してより広い電圧範囲で、冷却用ブロワ25の冷却能力を向上させることができ、電圧変換器、電力変換器及び駆動装置等の車載装置の温度が所定の基準温度よりも高くなることを抑制し、ひいては、車載装置の停止あるいは出力制御を回避できる。
本第3実施形態においても、第1実施形態の変形例と同様の適用が可能である。

0044

[4]第4実施形態
上記各実施形態においては、架線が交流架線の場合であったが、本第4実施形態は、架線が交流架線あるいは直流架線のいずれであっても対応可能な実施形態である。
図7は、第4実施形態にかかる鉄道車両の電気系統の概要構成図である。
図7の第4実施形態が図1の第1実施形態と異なる点は、遮断器15と排他的に閉状態とされる遮断器50を、コンバータ21とインバータ22とを電気的に接続する高電位側電流線LPに接続し、コンバータ21とインバータ22とを電気的に接続する低電位側電流線LMを車輪14及び線路13を介して接地した点である。

0045

上記構成において、架線11が交流架線の場合には、遮断器50を開状態オフ状態)とし、遮断器15を閉状態(オン状態)とすることにより、第1実施形態と同一の動作をすることとなる。
したがって、以下においては、架線11が直流架線の場合について、動作を説明する。
この場合において、遮断器15は、車両制御部30により開状態(オフ状態)とされ、遮断器50は、閉状態(オン状態)とされる。

0046

この結果鉄道車両(電気車)10のパンタグラフ12に架線(き電線)11から直流電力が供給されると、遮断器50を介して、インバータとして機能するコンバータ21及びインバータ22に直流電流が流れ込む。

0047

これにより通常状態においては、インバータ22は、コンバータ21が出力した直流電力を再び交流電力に変換して、モータ18に供給し、モータ18により車輪14が駆動されて、鉄道車両10は走行することとなる。

0048

これと並行して、コンバータ21は、制御部23の制御下で、直流架線としての架線11から供給される直流電力の電力変換を行って、交流電力をトランス16の二次巻線16B及び一次巻線16Aを介し、三次巻線16Cに供給する。
この結果、三次巻線16Cに接続された冷却用ブロワ25に交流電力が供給され、冷却用ブロワ25は被冷却装置の冷却を行うこととなる。

0049

また、回生ブレーキ時には制御部23の制御下でモータ18から供給される回生電力は、インバータ22は、電力変換を行って、直流電力を直流架線である架線11からの供給直流電力に重畳して、インバータとして機能するコンバータ21に供給する。

0050

この結果、トランス16の二次巻線16Bを介し、三次巻線16Cに架線11から供給される電力に回生電力を重畳した電圧が出力される。
すなわち、回生ブレーキ時には、三次巻線16Cに接続された冷却用ブロワ25に供給される電圧を高くすることができる。

0051

この結果、本第4実施形態によれば、直流架線を走行する場合でも、回生ブレーキ時には、冷却用ブロワ25が内蔵する冷却ファンの回転を増加させることができる。
したがって、冷却用ブロワ25の冷却能力が向上し、圧変換器、電力変換器及び駆動装置等の被冷却装置である車載装置の温度が所定の基準温度よりも高くなることを抑制し、ひいては、車載装置の停止あるいは出力制御を回避できる。

0052

また、被冷却装置である車載装置の停止が余儀なくされた場合であっても、温度上昇量を抑制でき、早期に冷却が可能となって停止時間を短縮することができる。
よって、編成全体の出力の低下をすることもなく、鉄道車両の定時運行をより確実に行える。
本第4実施形態においても、第1実施形態の変形例と同様の適用が可能である。

0053

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

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