空調

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空調歴史etエアコンの種類

エアコン(また、A / Cエアコンは)を除去する処理であるおよび制御湿度(ならびに除去塵埃をより快適な室内環境を実現するために、いくつかの場合には)、建物や車両内の空気の。これは、電動装置(「エアコン」)を使用して、パッシブ冷却または換気冷却によって実現できます。空調は、暖房、換気、および空調(HVAC)を提供するシステムと技術のファミリーのメンバーです。

建物外の空調コンデンサーユニット
シングルルーム用の窓に取り付けられたエアコン

通常、蒸気圧縮冷凍機を使用するエアコンのサイズは、車両内で使用される小型ユニットから、建物全体を冷却できる大型ユニットまでさまざまです。[1] [2] 冷房だけでなく暖房にも使用できる空気熱源ヒートポンプは、より涼しい気候でますます一般的になっています。

よるIEA、2018年のように、16億個の空調ユニットがインストールされた数は2050年までに56億に成長すると予測グローバルでビルのエネルギー使用量の推定20%を占めている[3]国連のために呼ばれますパッシブ冷却、蒸発冷却、選択的シェーディング、ウィンドキャッチャー、より優れた断熱などの技術を使用して、気候変動緩和するために、より持続可能する技術。エアコンに使用されている冷媒は、オゾン層を破壊し、気候変動を悪化させています

エアコンは先史時代にまでさかのぼります。古代エジプトの建物は、さまざまなパッシブ空調技術を使用していました。[4]これらは、イベリア半島から北アフリカ、中東、および北インドに至るまで広まった。[5]同様の技術が他の場所の暑い気候で開発されました。[さらなる説明が必要]

パッシブ技術は、20世紀に流行しなくなり、電動A / Cに取って代わられるまで、広く普及していました。伝統的な建物の工学的研究からの情報を使用して、受動的な技術が復活し、21世紀の建築設計のために修正されています。[6] [5]

商業オフィスビルの外にあるエアコンの配列

エアコンにより、建物の屋内環境は、外部の気象条件や内部の熱負荷の変化にほとんど関係なく、比較的一定に保たれます。それらはまた、深い計画の建物を作成することを可能にし、人々が世界のより暑い地域で快適に暮らせることを可能にしました。[要出典]

開発

1558年、ジャンバッティスタデッラポルタは、人気の科学書「ナチュラルマジック」で、氷を硝酸カリウム(当時は「ナイトレ」と呼ばれていました)と混合することにより、氷を氷点よりはるかに低い温度に冷却する方法を説明しました。[7] [8] [9] 1620年、コルネリウスドレベルは、ウェストミンスター寺院の大広間の一部をトラフとバットの装置で冷やし、イングランドのジェームズ1世のために「夏を冬に変える」ことを示しました。[10]科学コミュニケーションを信じるデラ・ポルタのように、ドレベルの現代のフランシス・ベーコンはデモに出席していなかったかもしれないが、同じ年の後半に出版された本の中で、彼はそれを「人工凍結の実験」と述べ、「硝石(またはむしろその精神)は非常に冷たいので、雪または氷に加えられたときの硝石または塩は後者の寒さを強めます、硝石はそれ自身の寒さに加えることによって、しかし塩は雪の寒さに活動を供給することによって。」[7]

1758年、ケンブリッジ大学の化学教授であるベンジャミンフランクリンとジョンハドリーは、物体を急速に冷却する手段としての蒸発の原理を探求する実験を行いました。フランクリンとハドリーは、揮発性の高い液体(アルコールやエーテルなど)の蒸発を利用して、水の凝固点を超えて物体の温度を下げることができることを確認しました。彼らは、水銀温度計の電球を対象として、蒸発を加速するために使用されるベローズを使用して実験を行いました。彼らは、周囲温度が18°C(64°F)である間に、温度計の電球の温度を-14°C(7°F)に下げました。フランクリンは、それらが水0の凍結点を通過した直後のことを留意°C(32°F)、温度計の球の表面上の、氷の質量が約たこと形成された氷の薄膜(6ミリメートル1 / 4 厚さで) -14°C(7°F)に達して実験を停止したとき。フランクリンは、「この実験から、暖かい夏の日に男性を凍死させる可能性があることがわかるかもしれない」と結論付けた。[11]

「エアコン」という用語の造語でクレジットされている ウィリス・キャリア

19世紀には、圧縮技術の多くの開発が含まれていました。1820年、英国の科学者で発明家のマイケルファラデーは、液化アンモニアを蒸発させると、アンモニアを圧縮して液化すると空気が冷える可能性があることを発見しました。[12] 1842年、フロリダの医師ジョン・ゴリーはコンプレッサー技術を使用して氷を作成し、フロリダ州アパラチコーラの病院で患者の空気を冷却するために使用しました。彼は最終的に製氷機を使用して建物の温度を調整することを望み[12] [13]、都市全体を冷却できる集中空調を構想しました。ゴリーは1851年に特許を取得しましたが、主な後援者の死後、彼は自分の発明を実現することができませんでした。[要出典] 1851年、ジェームズハリソンはオーストラリアのジーロングで最初の機械式製氷機を作成し、1855年に1日あたり3トンの氷を生成するエーテル蒸気圧縮冷凍システムの特許を取得しました。[14] 1860年、ハリソンは2番目の製氷会社を設立し、その後、英国への氷冷牛肉の販売というアメリカの利点とどのように競争するかについての議論に加わった。[14]

電気は効果的なユニットの開発を可能にしました。1901年、アメリカの発明家ウィリスH.キャリアは、最初の近代的な電気空調ユニットと見なされるものを製造しました。[15] [16] [17] [18] 1902年、彼はニューヨークのブルックリンにあるSackett-Wilhelms Lithographing&PublishingCompanyに最初の空調システムを設置しました。[19]彼の発明は、温度と湿度の両方を制御し、印刷工場で一貫した用紙寸法とインクの位置合わせを維持するのに役立ちました。その後、Carrierは他の6人の従業員とともに、The Carrier Air Conditioning Company of Americaを設立しました。これは、2020年に53,000人の従業員を雇用し、186億ドルの価値がある事業です。[20] [21]

1906年、ノースカロライナ州シャーロットのStuart W. Cramerは、繊維工場の空気に湿気を加える方法を模索していました。クレイマーは「エアコン」という用語を作り出し、その年に彼が提出した特許クレームで「ウォーターコンディショニング」に類似したものとして使用しました。これは、テキスタイルの加工を容易にするためのよく知られたプロセスです。彼は湿気と換気を組み合わせて「調整」し、工場内の空気を変えて、繊維工場で必要な湿度を制御しました。ウィリス・キャリアはこの用語を採用し、彼の会社の名前に取り入れました。[22]

家庭用エアコンはすぐに離陸しました。1914年、最初の家庭用エアコンがミネアポリスのチャールズギルバートゲイツの家に設置されました。[12] 1933年に建てられたメドウモントハウスは、セントラルエアコンを備えた米国で最初の個人住宅であると考えられています。[要出典]

さらに、自動車メーカーは、車両にエアコンを使用する方法を模索し始めました。1933年は、最初の自動車用エアコンシステムが販売された年でもありました。[23] 1935年、クライスラーモーターズは最初の実用的なセミポータブルエアコンユニットを発表しました。[24] 1939年、パッカードは自動車にエアコンユニットを提供した最初の自動車メーカーになりました。[25]

20世紀後半の革新により、より多くのユビキタスなエアコンの使用が可能になりました。1945年、マサチューセッツ州リンのロバートシャーマンは、空気を冷却、加熱、加湿、除湿、ろ過する携帯型の窓内エアコンを発明しました。[26] 1960年代後半までに、米国で新しく建てられた住宅のほとんどにセントラルエアコンが設置されていました。この時期のボックスエアコンユニットもより安価になり、フロリダ州とアリゾナ州の人口が増加しました。[要出典]

国際開発は国全体で富を増加しており、地球温暖化が増加温度を持っている、エアコンのグローバルな使用が増加しています。2018年までに、推定16億台の空調ユニットが世界中に設置され[27]、国際エネルギー機関は、この数が2050年までに56億台に増加すると予測しています。[3] 1995年から2004年の間に、中国の都市世帯の割合はエアコンは8%から70%に増加しました。[28] 2015年の時点で、ほぼ1億世帯、つまり米国の世帯の約87%が空調システムを備えていました。[29] 2019年には、米国で建設された新しい一戸建て住宅の90%にエアコンが含まれていると推定されました(南部の99%から西部の62%の範囲)。[30] [31]

ダクトレススプリット型エアコンの蒸発器、室内機、ターミナル側
液冷式チラーを使用した中央冷水プラントで使用される冷却塔

ミニスプリットおよびマルチスプリットシステム

ダクトレスシステム(またはミニスプリット)システムは、通常、空調および加熱された空気を、ダクトなしで分散方式で建物の1つまたはいくつかの部屋に供給します。[32]マルチゾーンまたはマルチスプリットシステムは、ダクトレスシステムの一般的なアプリケーションであり、最大8つの部屋(ゾーンまたは場所)を互いに独立して調整でき、それぞれに独自の屋内ユニットがあり、同時に単一の屋外ユニットから調整できます。 。マルチスプリットシステムの主な問題は、外部ユニットを内部ユニットに接続するための冷媒ラインの長さです。[要出典]

最初のミニスプリットシステムは、1945年から1968年に日本の三菱電機と東芝によって販売されました。そこでは、その開発は小さな家のサイズによって動機付けられました。[33] [34] [35]マルチゾーンダクトレスシステムは1973年にダイキンによって発明され、可変冷媒フローシステム(より大きなマルチスプリットシステムと考えることができます)も1982年にダイキンによって発明されました。どちらも最初のものでした。日本で販売されています。[36]エアハンドラーからの中央プラント冷却と比較した場合、可変冷媒フローシステムは、大きな冷気ダクト、エアハンドラー、およびチラーの必要性を排除します。代わりに、冷たい冷媒がはるかに小さなパイプを介して調整対象のスペースの室内ユニットに輸送されるため、天井を落としたときのスペースが少なくなり、構造への影響が少なくなります。また、スペースの個別の独立した温度制御が可能になります。室内ユニットは建物全体に広げることができます。[37]可変冷媒流量室内ユニットは、未使用のスペースで個別にオフにすることもできます。[要出典]

ダクトレススプリットエアコンは、イスラエルで最も一般的なタイプのエアコンであり、初期コストが低く(ダクト式中央システムと比較して)、静かな操作(ウィンドウエアコンと比較して)、使いやすさとメンテナンスのしやすさが好まれています。彼らはまた、イスラエルで最大の住宅用電気エネルギー消費者でもあります。

ダクト中央システム

スプリットシステムセントラルエアコンは、2つの熱交換器で構成されています。外部ユニット(コンデンサー)から熱が環境に放出され、内部熱交換器(ファンコイルユニットまたはエバポレーター)とパイプ冷媒が2つの間を循環します。次に、FCUは、換気ダクトによって冷却されるスペースに接続されます。[38]

中央プラントの冷却

大規模な中央冷却プラントでは、冷気を直接これらにダクトで送るのではなく、冷却するスペースの近くまたはスペース内のエアハンドラーまたはファンコイルユニットにポンプで送る冷水などの中間冷却剤を使用して、冷気をダクトまたは調整するスペースに送ります。プラントからのスペース。これは、空気の密度と熱容量が低く、非現実的に大きなダクトが必要になるために行われません。冷水は、冷凍サイクルを使用して水を冷却するプラント内のチラーによって冷却され、冷却塔を使用して液冷チラーでも熱を大気に伝達することがよくあります。チラーは空冷式でも液冷式でもかまいません。[要出典]

ポータブルユニット

ポータブルシステムは、恒久的に固定された設置済みユニットと同様に、柔軟なパイプを介して屋外ユニットに接続された車輪付きの屋内ユニットを備えています。[要出典]

モノブロックまたは空対空のホースシステムは、エアダクトを介して外部に排出されます。モノブロックタイプは、バケットまたはトレイに水を収集したときに完全停止します。空対空タイプは、水を再蒸発してダクトホースを通してそれを放電し、継続的に実行することができます。このようなポータブルユニットは、室内の空気を吸い込み、単一のダクトを通して屋外に排出します。[要出典]

多くのポータブルエアコンは、除湿機能だけでなく熱も備えています。[39]

ウィンドウユニットとパッケージ端末

パッケージ化端末エアコン(PTAC)は、貫通壁、及び窓エアコンは類似しています。PTACシステムは、電気ストリップ、ガス、またはその他のヒーターを直接使用するか、冷媒の流れを逆にして内部を加熱し、外気から熱を引き出してエアコンをヒートポンプ。それらは壁の特別なスリーブの助けを借りて壁の開口部に設置することができ、壁と同じ高さのカスタムグリルと窓のエアコンも窓に設置できますが、カスタムグリルはありません。[40]

パッケージエアコン

パッケージエアコン(自己完結型ユニットとも呼ばれます)[41] [42]は、分割された中央システムのすべてのコンポーネントを単一のハウジングに統合し、場合によってはダクトを介して冷却対象のスペースに空気を送る中央システムです。 。それらの構造に応じて、屋外または屋内、屋根(屋上ユニット)[43] [44]は、建物の内部または外部から調整対象の空気を吸い込み、水、冷媒[45]、または空冷します。多くの場合、室外機は空冷式で、室内機は冷却塔を使用して液冷式です。[38] [46] [47] [48] [49] [50]

動作原理

冷凍サイクルの簡単な定型化された図:1)  凝縮コイル、2)  膨張弁、3)  蒸発器コイル、4)  コンプレッサー

従来のACシステムの冷却は、蒸気圧縮サイクルを使用して行われます。蒸気圧縮サイクルでは、ガスと液体の間の冷媒の強制循環と相変化を使用して熱を伝達します。蒸気圧縮サイクルは、単一の、またはパッケージ化された機器内で発生する可能性があります。または、蒸発器側のターミナル冷却装置(エアハンドラーのファンコイルユニットなど)および凝縮器側の冷却塔などの排熱装置に接続されているチラー内。空気源ヒートポンプ空調システムと共有多くの構成要素が、含まれて逆転弁ユニットを加熱するのに使用されることを可能にするだけでなく、空間を冷却します。[51]

蒸発器コイルの表面が周囲の空気の露点よりも大幅に低い場合、空調設備はシステムによって処理される空気の絶対湿度を下げます。占有スペース用に設計されたエアコンは、通常、占有スペースで30%から60%の相対湿度を達成します。[52]

最新の空調システムのほとんどは、ファンが減速されている間にコンプレッサーが作動して蒸発器の温度を下げ、より多くの水を凝縮する除湿サイクルを備えています。除湿器は、同じ使用する冷凍サイクルを同じ空気経路に蒸発器および凝縮器の両方を組み込んでいます。空気は最初に蒸発器コイルを通過して冷却され[53]、除湿されてから凝縮器コイルを通過して再び暖められてから、再び部屋に放出されます。[要出典]

外気が内気よりも冷たく、コンプレッサーを使用する必要がない場合は、フリークーリングを選択できることがあり、その結果、これらの時間の冷却効率が高くなります。これは、季節的な熱エネルギー貯蔵と組み合わせることもできます。[54]

パフォーマンス

成績係数空調システムの(COP)が必要とされる作業に提供有用な加熱又は冷却の比です。[55] [56] COPが高いほど、運用コストは低くなります。通常、COPは1を超えます。ただし、正確な値は、動作条件、特にシンクとシステム間の絶対温度と相対温度に大きく依存し、多くの場合、予想される条件に対してグラフ化または平均化されます。[57]米国のエアコン設備の電力は、「冷凍トン」で表されることが多く、それぞれが24時間で溶ける1ショートトン(2,000ポンド(910 kg)の氷)の冷却電力にほぼ等しくなります。。この値は、1時間あたり12,000 BTU IT、つまり3,517ワットに相当します。[58]住宅用中央空気システムの容量は通常1〜5トン(3.5〜18 kW)です。[引用が必要]

エアコンの効率は、多くの場合、2008年の標準AHRI 210/240、単一空調および空気源の性能評価で空調、暖房、および冷凍研究所によって定義されている季節エネルギー効率比(SEER)によって評価されます。ヒートポンプ装置[59]同様の基準は、ヨーロッパの季節エネルギー効率比(ESEER)です。[要出典]

健康への影響

暑い天候では、エアコンは防ぐことができ熱中症、脱水過度の発汗、およびに関連する他の問題温熱療法を。[60] 熱波は、先進国で最も致命的なタイプの気象現象です。空調(ろ過、加湿、冷却、消毒を含む)を使用して、病院の手術室や、患者の安全と福祉にとって適切な雰囲気が重要なその他の環境で、清潔で安全な低アレルギー性の雰囲気を提供できます。アレルギーのある人、特にカビのある人が家庭で使用することをお勧めすることがあります。[要出典]

不十分に維持された水冷却塔は、レジオネラ症の原因となる感染性病原体であるレジオネラ・ニューモフィラなどの微生物の成長と拡散を促進する可能性があります。冷却塔が(通常は塩素処理によって)清潔に保たれている限り、これらの健康被害を回避または軽減することができます。ニューヨーク州は、レジオネラ菌から保護するための冷却塔の登録、保守、およびテストの要件を体系化しています。[61]

環境への影響

いくつかの国がハイドロフルオロカーボンの消費と生産を削減するためのキガリ改正をまだ批准していないため、冷媒はオゾン層破壊や気候変動などの深刻な環境問題を引き起こし続けています。[62]

現在の空調は、世界の建物のエネルギー消費量の20%を占めており、気候変動と技術の取り込みによる空調の使用量の予想される増加は、大幅なエネルギー需要の増加を促進します。[63] [64]が継続的エアコンの代替は、木、建築用シェード、ウィンドウを使用して(とウィンドウコーティングを使用して)減少させるために、太陽ゲインを減少させるためにシェードを操作する、受動的冷却、パッシブソーラー冷却自然換気を含む太陽ゲイン。[要出典]

2018年、国連は、気候変動を緩和するために技術をより持続可能にすることを求めました。[65] [66]

経済効果

エアコンは人口動態にさまざまな変化を引き起こしました。特に1970年代以降の米国の人口動態は次のとおりです。

  • 春の出生率は1970年代まで他の季節よりも低かったが、その後この差はその後30年間で減少した[67]。
  • 夏の熱波にさらされた地域で高かった夏の死亡率も均等になりました。[要出典]
  • サンベルトは、それは前世紀の初めにアメリカ人のわずか24%が住んでいた時に、今米国の総人口の30%を歓迎しています。[68]

プレスや大規模な工場などの対象産業に利益をもたらすように最初に設計された本発明は、空調設備のある場所で生産性が24%近く向上すると主張する研究により、公的機関や行政機関に急速に広まりました。[69]

パッシブ空調で設計された建物は、一般に、エネルギー需要の少ない従来のHVACシステムを備えた建物よりも建設および保守に費用がかかりません。[70]パッシブ方式では、1時間あたり数十回の空気交換と数十度の冷却を実現できますが、サイト固有の微気候を考慮に入れる必要があり、建物の設計が複雑になります。[5]

建物の快適性を高め、温度を下げるために、多くの手法を使用できます。これらには、蒸発冷却、選択的遮光、風、熱対流、および蓄熱が含まれます。[要出典]

パッシブ換気

通常のアースシップの換気システム 。
ドッグトロットハウスは、自然換気を最大化するように設計されています。
パッシブベンチレーションは、機械システムを使用せずに、室内に空気を供給したり、室内から空気を除去したりするプロセス です。これは、自然の力から生じる圧力差の結果としての屋内空間への外気の流れを指し ます。建物で発生する自然換気には、 風による換気浮力による換気の2種類があります 。風による換気は、建物または構造物の周囲の風によって生成されるさまざまな圧力と、建物内の流れを可能にする開口部が周囲に形成されることから発生します。浮力による換気は、内部と外部の温度差から生じる方向性のある浮力の結果として発生します。 [71]内部と外部の温度差を生み出す内部の熱増加は、人からの熱を含む自然のプロセスによって生み出され、風の影響は変動するため、自然換気された建物は「呼吸建物」と呼ばれることもあります。

パッシブ冷却

伝統的な イランの太陽冷却設計
パッシブクーリングは、エネルギー消費が少ないかまったくない状態で室内の熱的快適性を向上させるために、建物内の熱取得制御と熱放散に焦点を当てた建物設計アプローチです 。 [72] [73]このアプローチは、熱が内部に入るのを防ぐ(熱増加防止)か、建物から熱を取り除く(自然冷却)ことによって機能します。 [74]自然冷却は、熱を放散するための機械システムではなく、自然環境から得られるオンサイトエネルギーを、建物コンポーネント(建物の外皮など)の建築設計と組み合わせて利用します 。 [75]したがって、自然冷却は、建物の建築設計だけでなく、サイトの天然資源がヒートシンクとしてどのように使用されるか(つまり、熱を吸収または放散するすべてのもの)に依存します 。敷地内のヒートシンクの例としては、上層大気(夜空)、外気(風)、および地球/土壌があります。
伝統的な建築で使用される短いウィンドキャッチャーまたは マルカフのペア 。風が上強制的にダウン 風上側と葉 風下側( 通風)。風がない場合、循環は入口(ほこりを捕らえるようにも設計されています)の蒸発冷却で駆動できます。中心に、A shuksheika( 屋根ランタンベント)、シェードに使用 qa'aそれから熱風上昇(可能にしながら、下に スタック効果)。 [4]

ファン

扇子は先史時代から存在しています。建物に組み込まれている大規模な人力のファンには、パンカが含まれます。

漢王朝の2世紀の中国人発明者DingHuanは、直径3 m(10フィート)の7つの車輪を備え、囚人が手動で動力を供給する空調用の回転式ファンを発明しました。[76] 99、151、233 747において、皇帝Xuanzong(R 712から762)の唐(618-907)を有していたクールホール梁淀涼殿皇居に内蔵)、唐楡林は、エアコン用の水力のファンホイールと、噴水からの上昇するジェット気流を備えていると説明しています。その後の宋王朝(960–1279)の間に、書面による情報源は、エアコンの回転ファンがさらに広く使用されていると述べました。[76]134、151

熱緩衝

夜間や冬の寒い地域では、蓄熱を利用しています。熱は土または石積みに蓄えられるかもしれません。組積造を加熱または冷却するために、空気が組積造を通過して引き込まれます。[6]

冬の夜間に氷点下になる地域では、雪と氷を集めて氷室に保管し、後で冷却に使用することができます。[6]この技術は、中東では3、700年以上前のものです。[77]冬の間に屋外の氷を収穫し、夏に使用するために輸送および保管することは、1600年代初頭に裕福なヨーロッパ人によって行われ[7]、1600年代の終わりにかけてヨーロッパとアメリカ大陸で人気を博しました。[78]この慣行は、機械式圧縮サイクル製氷機に置き換えられました(以下を参照)。

蒸発冷却

蒸発冷却器

乾燥した暑い気候では、空気取り入れ口に水を配置することで蒸発冷却効果を利用できます。これにより、ドラフトが空気を水の上に引き込み、次に家に引き込みます。このため、暑く乾燥した気候の建築の噴水は、寒い気候の建築の暖炉のようなものであると言われることがあります。[4]蒸発冷却はまた、空気をより湿度の高いものにします。これは、乾燥した砂漠気候で有益な場合があります。[79]

非常に乾燥した気候では、湿地冷却器または砂漠冷却器と呼ばれることもある蒸発冷却器は、暑い時期の涼しさを改善するために人気があります。蒸発冷却器は、水に浸した大きなスポンジなどの湿ったパッドを通して外気を引き込む装置です。乾球温度計で測定した、流入する空気の顕熱が減少します。流入する空気の温度は下がりますが、湿度も高くなるため、全熱(顕熱と潜熱)は変わりません。流入する空気の顕熱の一部は、ウェットクーラーパッド内の水の蒸発によって潜熱に変換されます。流入する空気が十分に乾燥している場合、結果はかなり大きくなる可能性があります。[要出典]

蒸発冷却器は、居住者の空気をできるだけ冷やすために使用できる乾燥空気があまりない高湿度の時間帯には、機能していないように感じる傾向があります。他のタイプのエアコンとは異なり、蒸発冷却器は、空気がそのエアダクトシステムを介して家の内部に到達する前に空気を冷却するクーラーパッドを介して送られる外気に依存しています。この冷却された外気は、開いたドアや窓などの排気口から家の中の暖かい空気を押し出すことができるようにする必要があります。[80]これらのクーラーはコストが低く、機械的に理解および保守が簡単です。[要出典]

  • カセットエアコン
  • クランクケースヒーター
  • エネルギー回収換気
  • エネルギーラベル
  • 接地結合熱交換器
  • ハイドロニクス
  • 氷貯蔵エアコン
  • 家電リスト
  • ルーバー
  • 深層水源冷却
  • トロンブ壁
  • 熱音響冷蔵庫
  • 統一された機械的コード
  • 作動流体

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