(57)【要約】支柱の重量増加を伴うことなく、支柱内の狭小なスペースに設置することができるとともに、その固有振動数を変化させることができる風力発電用風車の制振装置を提供する。支柱の高さ方向に沿って延びるとともに、前記支柱の上部に設けられた梁１５，１６に、第１のユニバーサルジョイント３１を介して吊り下げられた揺動ロッド２３と、前記揺動ロッド２３の上端部外表面から、周方向に沿って径方向外側に延びるフランジ部２４と、前記揺動ロッド２３に取り付けられ、かつ、前記揺動ロッド２３の軸方向に沿って昇降可能な重錘２５と、を備えた振子２１と、前記梁１５，１６に、第２のユニバーサルジョイント３２を介してその上端部が取り付けられ、前記フランジ部２４に、第３のユニバーサルジョイント３３を介してその下端部が取り付けられる複数本の減衰装置２２と、を備えている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力発電用風車の支柱の内部に格納して設置される風力発電用風車の制振装置であって、
鉛直方向に沿って延びるとともに、前記支柱の上部に設けられた梁に、第１のユニバーサルジョイントを介して吊り下げられた揺動ロッドと、
前記揺動ロッドの上端部から、水平方向に沿って外側に延びるフランジ部と、
前記揺動ロッドに取り付けられ、かつ、鉛直方向に沿って昇降可能な重錘と、を備えた振子と、
前記梁に、第２のユニバーサルジョイントを介してその上端部が取り付けられ、前記フランジ部に、第３のユニバーサルジョイントを介してその下端部が取り付けられる複数本の減衰装置と、を備えていることを特徴とする風力発電用風車の制振装置。
【請求項２】
前記振子と前記減衰装置とを備えた振子式ＴＭＤを少なくとも二基備え、
隣り合う前記重錘同士が、連結装置を介して互いに連結されていることを特徴とする請求項１に記載の風力発電用風車の制振装置。
【請求項３】
前記梁は、前記支柱の最上部に設けられたトップフロアを支持する梁であることを特徴とする請求項１または２に記載の風力発電用風車の制振装置。
【請求項４】
前記トップフロアの直下で、かつ、作業員が前記減衰装置にアクセス可能な位置に、メンテナンスフロアが設けられていることを特徴とする請求項３に記載の風力発電用風車の制振装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の風力発電用風車の制振装置を具備していることを特徴とする風力発電用風車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電用風車に適用されて好適な制振装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、風力発電用風車は、その発電効率の向上および発電量の増大を図るために大型化し、そのハブ高さ（地面からハブ中心までの高さ）が１００ｍを超えるものが実現に向けて設計されている。
しかしながら、ハブ高さが１００ｍを超えるものでは、支柱（タワー）の一次固有振動数が、ローターヘッドおよび風車回転翼の回転に伴う共振域と合致し、支柱の疲労荷重が大幅に増加してしまうおそれがある。そのため、支柱の疲労荷重を低減させるために支柱の肉厚を厚くしなければならず、支柱の重量が大幅に増加してしまうといった問題点があった。【０００３】
そこで、このような問題点を回避するため、例えば、特許文献１に開示された制振装置を用いて、支柱の一次固有振動数が、ローターヘッドおよび風車回転翼の回転に伴う共振域と合致しても応答を低減することもできる。
【特許文献１】特開２００８−３１７３５号公報
【発明の開示】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示された制振装置を風力発電用風車に適用した場合、ダンパー（減衰装置）の一端が支柱の内壁面に固定されることになる。そのため、当該支柱の内壁面を補強しなければならず、支柱の重量が増加してしまうといった問題点があった。
また、制振装置を風力発電用風車に適用するにあたっては、美観を損ねるような構造とならないようにするとともに、支柱内の狭小なスペースに設置しなければならないため、制振装置をできるだけ小型化する必要がある。
【０００５】
さらに、風力発電用風車を組み立てていく際、支柱のみが完成した段階、支柱の上端にナセルが設置された段階、ナセルにローターヘッドおよび風車回転翼が取り付けられ、風力発電用風車の全体が完成した段階で、支柱の固有振動数は、その都度変化していく（小さくなっていく）。そのため、それにあわせて制振装置の固有振動数を変化させることができると好適である。
【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、支柱の重量増加を伴うことなく、支柱内の狭小なスペースに設置することができるとともに、その固有振動数を変化させることができる風力発電用風車の制振装置を提供することを目的とする。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明に係る風力発電用風車の制振装置は、風力発電用風車の支柱の内部に格納して設置される風力発電用風車の制振装置であって、鉛直方向に沿って延びるとともに、前記支柱の上部に設けられた梁に、第１のユニバーサルジョイントを介して吊り下げられた揺動ロッドと、前記揺動ロッドの上端部から、水平方向に沿って外側に延びるフランジ部と、前記揺動ロッドに取り付けられ、かつ、鉛直方向に沿って昇降可能な重錘と、を備えた振子と、前記梁に、第２のユニバーサルジョイントを介してその上端部が取り付けられ、前記フランジ部に、第３のユニバーサルジョイントを介してその下端部が取り付けられる複数本の減衰装置と、を備えている。
【０００８】
本発明に係る風力発電用風車の制振装置によれば、支柱１次振動の減衰を増加させる効果があり、減衰増加により風車回転翼の回転に伴う支柱１次の振動・振幅を抑制する効果がある。これにより、支柱の重量増加を回避することができ、ハブ高さが１００ｍを超える風力発電用風車を容易に設計することができる。
【０００９】
また、制振装置の一部（例えば、ダンパー（減衰装置））が支柱の内壁面に固定されることはないので、当該支柱の内壁面を補強する必要がなくなり、支柱の重量増加を回避することができる。
【００１０】
さらにまた、重錘を揺動ロッドの軸方向に沿って昇降させることにより、制振装置の固有振動数が変化することになる。すなわち、風力発電用風車を組み立てていく際、支柱のみが完成した段階、支柱の上端にナセルが設置された段階、ナセルにローターヘッドおよび風車回転翼が取り付けられ、風力発電用風車の全体が完成した段階に応じて、支柱の固有振動数がその都度変化させられることになる。これにより、風力発電用風車を安全、かつ、速やかに組み立てていくことができる。
【００１１】
上記風力発電用風車の制振装置において、前記振子と前記減衰装置とを備えた振子式ＴＭＤを少なくとも二基備え、隣り合う前記重錘同士が、連結装置を介して互いに連結されているとさらに好適である。
【００１２】
このような風力発電用風車の制振装置によれば、一方の振子式ＴＭＤを構成する減衰装置の一部または全部が故障した場合（機能しなくなった場合）でも、連結装置を介して連結されたもう一方の振子式ＴＭＤにより制振される（連結装置４１を介して連結されたもう一方の振子式ＴＭＤ１８がフェールセーフとして働く）ことになる。これにより、当該制振装置の信頼性を向上させることができる。
【００１３】
上記風力発電用風車の制振装置において、前記梁は、前記支柱の最上部に設けられたトップフロアを支持する梁であるとさらに好適である。
【００１４】
このような風力発電用風車の制振装置によれば、減衰効果が最も得られる位置に設置されることになるので、当該制振装置のさらなる小型化を図ることができる。
【００１５】
上記風力発電用風車の制振装置において、前記トップフロアの直下で、かつ、作業員が前記減衰装置にアクセス可能な位置に、メンテナンスフロアが設けられているとさらに好適である。
【００１６】
このような風力発電用風車の制振装置によれば、減衰装置を容易、かつ、迅速にメンテナンスすることができ、メンテナンスの作業性を向上させることができる。
【００１７】
本発明に係る風力発電用風車は、支柱の重量増加を伴うことなく、支柱内の狭小なスペースに設置することができるとともに、その固有振動数を変化させることができる風力発電用風車の制振装置を具備している。
【００１８】
本発明に係る風力発電用風車によれば、ハブ高さが１００ｍを超える風力発電用風車の大型化に対応することができる。
【００１９】
本発明に係る風力発電用風車の制振装置によれば、支柱の重量増加を伴うことなく、支柱内の狭小なスペースに設置することができるとともに、その固有振動数を変化させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係る風力発電用風車の制振装置を具備した風力発電用風車の概略を示す側面図であって、支柱の左側方から見た図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る風力発電用風車の制振装置を具備した風力発電用風車の支柱内の様子を示す断面図であって、支柱の左側方から見た図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る風力発電用風車の制振装置の構成を示す図である。
【図４】図３の要部を拡大して示す図である。
【図５】トップフロアの下面に配置された縦梁および横梁、およびこれら梁に取り付けられたユニバーサルジョイントの位置関係を説明するための図であって、トップフロアを上方から見た図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る風力発電用風車の制振装置の全体構成を模式的に示す斜視図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る風力発電用風車の制振装置の全体構成を模式的に示す図であって、支柱の前方から見た図である。
【図８】図７のＡ−Ａ矢視断面図である。
【図９】連結装置の要部を拡大して示す図であって、支柱の前方から見た図である。
【図１０】他の実施形態に係るトップフロアの下面に配置された縦梁および横梁、およびこれら梁に取り付けられたユニバーサルジョイントの位置関係を説明するための図であって、トップフロアを上方から見た図である。
【図１１】別の実施形態に係るトップフロアの下面に配置された縦梁および横梁、およびこれら梁に取り付けられたユニバーサルジョイントの位置関係を説明するための図であって、トップフロアを上方から見た図である。
【符号の説明】
【００２１】
１  風力発電用風車
３  支柱（タワー）
１１  制振装置（風力発電用風車の制振装置）
１２  トップフロア
１３  エレベータ停止フロア（メンテナンスフロア）
１５  横梁
１６  縦梁
１８  振子式ＴＭＤ
２１  振子
２２  オイルダンパー（減衰装置）
２３  揺動ロッド
２４  フランジ部
２５  重錘
３１  （第１の）ユニバーサルジョイント
３２  （第２の）ユニバーサルジョイント
３３  （第３の）ユニバーサルジョイント
４１  連結装置
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の一実施形態に係る風力発電用風車の制振装置について、図１から図９を参照しながら説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る風力発電用風車の制振装置を具備した風力発電用風車の概略を示す側面図であって、支柱の左側方から見た図、図２は本実施形態に係る風力発電用風車の制振装置を具備した風力発電用風車の支柱内の様子を示す断面図であって、支柱の左側方から見た図、図３は本実施形態に係る風力発電用風車の制振装置の構成を示す図、図４は図３の要部を拡大して示す図、図５はトップフロアの下面に配置された縦梁および横梁、およびこれら梁に取り付けられたユニバーサルジョイントの位置関係を説明するための図であって、トップフロアを上方から見た図、図６は本実施形態に係る風力発電用風車の制振装置の全体構成を模式的に示す斜視図、図７は本実施形態に係る風力発電用風車の制振装置の全体構成を模式的に示す図であって、支柱の前方から見た図、図８は図７のＡ−Ａ矢視断面図、図９は連結装置の要部を拡大して示す図であって、支柱の前方から見た図である。【００２３】
図１に示すように、風力発電用風車１は、基礎２上に立設される支柱（タワー）３と、支柱３の上端に設置されるナセル４と、略水平な軸線周りに回転可能にしてナセル４に設けられるローターヘッド５と、ローターヘッド５の回転軸線周りに放射状に取り付けられた複数枚、例えば、３枚の風車回転翼６とを備えている。そして、ローターヘッド５の回転軸線方向から風車回転翼６にあたった風の力が、ローターヘッド５を回転軸線周りに回転させる動力に変換されるようになっている。【００２４】
ナセル４の上部には、周辺の風速値を測定する風速計７と、風向を測定する風向計８と、避雷針（図示せず）とが備えられている。
ナセル４の内部には、いずれも図示を省略しているが、ローターヘッド５と同軸の増速機を介して連結された発電機が設置されている。すなわち、ローターヘッド５の回転を増速機で増速して発電機を駆動することにより、発電機より発電機出力が得られるようになっている。【００２５】
図２に示すように、本実施形態に係る風力発電用風車の制振装置（以下、「制振装置」という。）１１は、例えば、支柱３内の最上部に設けられたトップフロア１２の下面１４を支持する横梁１５および縦梁１６（図３から図７参照）から吊り下げられるようにして設置されている。ここで、トップフロア１２の下面１４とは、トップフロア１２の直下に設けられたエレベータ停止フロア（メンテナンスフロア）１３の天井面のことである。
なお、図２中の符号１７は、支柱３の高さ方向（長手方向）に沿って支柱３の最下部から最上部にわたって設けられた「ラダー」と呼ばれる部分を示しており、このラダー１７の内部には、図示しないエレベータが昇降するようになっている。【００２６】
図６、図７に示すように、本実施形態に係る制振装置１１は、複数台（本実施形態では二台（二基））の振子式ＴＭＤ（Tuned Mass Damper：チューンド・マス・ダンパー）１８を備えている。
各振子式ＴＭＤ１８は、一つの振子２１と、複数本（本実施形態では四本）のオイルダンパー（減衰装置）２２とを備えている。
図３、図４、図６、図７の少なくともいずれか一図に示すように、振子２１は、揺動ロッド２３と、フランジ部（鍔部）２４と、重錘２５とを備えている。揺動ロッド２３は、支柱３（図１、図２参照）の高さ方向に沿って延びている。フランジ部２４は、揺動ロッド２３の上端部外表面（外周面）から、周方向に沿って径方向外側に延びる（揺動ロッド２３の軸方向（長手方向）と直交する平面、すなわち、水平面に沿って外方に延びている。重錘２５は、揺動ロッド２３に取り付けられ、かつ、揺動ロッド２３の軸方向、すなわち、鉛直方向に沿って昇降可能に構成されている。【００２７】
なお、図３中に実線で示す重錘２５は、振子長さ（ユニバーサルジョイント３１の中心から、重錘２５の高さ方向（図３において上下方向）における中心までの距離）を３ｍとした場合を示している。
また、図３中に二点鎖線（仮想線）で示す重錘２５は、振子長さ（ユニバーサルジョイント３１の中心から、重錘２５の高さ方向（図３において上下方向）における中心までの距離）を７ｍとした場合を示している。【００２８】
一方（左方）の振子式ＴＭＤ１８を構成する揺動ロッド２３は、図５に示すように、（第１の）ユニバーサルジョイント（自在継手）３１を介して吊り下げられている。このユニバーサルジョイント３１は、支柱３の高さ方向に沿って延びる支柱３の中心軸線に直交するとともに、支柱３の横（左右）方向（図５において左右方向）に沿って延び、かつ、支柱３の左半分（図５において左半分）に位置する横梁１５の中央部下面に取り付けられている。また、他方（右方）の振子式ＴＭＤ１８を構成する揺動ロッド２３は、図５に示すように、ユニバーサルジョイント３１を介して吊り下げられている。このユニバーサルジョイント３１は、支柱３の高さ方向に沿って延びる支柱３の中心軸線に直交するとともに、支柱３の横方向に沿って延び、かつ、支柱３の右半分（図５において右半分）に位置する横梁１５の中央部下面に取り付けられている。【００２９】
支柱３の左半分に位置する横梁１５の中央部には、横梁１５を含む平面内において横梁１５と連続するようにして直交する縦梁１６が接続（接合）されている。また、支柱３の右半分に位置する横梁１５の中央部には、横梁１５を含む平面内において横梁１５と連続するようにして直交する縦梁１６が接続（接合）されている。
また、支柱３の左半分に位置する横梁１５の中央から左右方向に等距離いった横梁１５の下面には、オイルダンパー２２の上端部が取り付けられる（第２の）ユニバーサルジョイント（自在継手）３２がそれぞれ一つずつ取り付けられている。支柱３の左半分に位置する横梁１５の中央から縦（前後）方向（図５において上下方向）に等距離いった縦梁１６の下面には、オイルダンパー２２の上端部が取り付けられるユニバーサルジョイント３２がそれぞれ一つずつ取り付けられている。支柱３の右半分に位置する横梁１５の中央から左右方向に等距離いった横梁１５の下面には、オイルダンパー２２の上端部が取り付けられるユニバーサルジョイント３２がそれぞれ一つずつ取り付けられている。支柱３の右半分に位置する横梁１５の中央から縦方向に等距離いった縦梁１６の下面には、オイルダンパー２２の上端部が取り付けられるユニバーサルジョイント３２がそれぞれ一つずつ取り付けられている。【００３０】
図３、図４、図６、図７に示すように、フランジ部２４は、平面視円形状を呈する（略）円盤状の部材である。ユニバーサルジョイント３２の直下に位置する（ユニバーサルジョイント３２と対向する）フランジ部２４の上面には、オイルダンパー２２の下端部が取り付けられる（第３の）ユニバーサルジョイント（自在継手）３３（図３、図４参照）がそれぞれ一つずつ取り付けられている。【００３１】
図３、図４に示すように、重錘２５は、例えば、同じ内径、同じ外径、同じ重さの環状（ドーナツ状）の重りを、揺動ロッド２３の軸方向に沿って複数枚（本実施形態では１５枚）積層したものであり、本実施形態では、重錘２５の総重量は、３．３トンに設定されている。
また、本実施形態では、振子長さ（ユニバーサルジョイント３１の中心から、重錘２５の高さ方向（図３において上下方向）における中心までの距離）を３ｍとした場合、制振装置１１の固有振動数が０．３Ｈｚ、揺動ロッド２３の先端（下端）の振り幅（ストローク）が±３００ｍｍになる。また、振子長さを７ｍとした場合、制振装置１１の固有振動数が０．２Ｈｚ、揺動ロッド２３の先端（下端）の振り幅（ストローク）が±２００ｍｍになるように設定されている。
なお、図３、図４中の符号３４は、重錘２５を位置決めし、重錘２５の落下を防止する位置決め（落下防止）機構（例えば、ピン）である。【００３２】
図６、図７、図８に示すように、一方の振子式ＴＭＤ１８を構成する重錘２５と、他方の振子式ＴＭＤ１８を構成する重錘２５とは、連結装置４１を介して互いに連結されている。
連結装置４１は、複数本（本実施形態では二本）の連結棒（フラットバー）４２と、連結棒４２の各端部と重錘２５の外表面（外周面）とを連結する複数個（本実施形態では四個）の連結具４３（図９参照）とを備えている。【００３３】
連結棒４２は、図６、図８に示すように、制振装置１１を下方（または上方）から見たときに、互いに所定の角度（例えば、６０度）で交差し、図７に示すように、制振装置１１を前方（または後方）から見たときに、互いに平行になるようにして配置されている。また、連結棒４２の各端部には、球面（滑り）軸受４４が連結されている（取り付けられている）。【００３４】
図９に示すように、各連結具４３は、上下二枚（一組）のアイプレート４５，４６と、ボルト（ピン）４７と、ナット４８とを備えている。アイプレート４５，４６は、重錘２５の外表面から対応する連結棒４２の端部を上下から挟み込むようにして突出している。ボルト（ピン）４７は、アイプレート４５，４６に設けられた貫通穴（図示せず）および球面軸受４４の内輪（図示せず）に設けられた貫通穴（図示せず）に挿通される。ナット４８は、ボルト４７の先端（下端）に螺合される。【００３５】
本実施形態に係る制振装置１１よれば、支柱１次振動の減衰を増加させる効果があり、減衰増加により風車回転翼の回転に伴う支柱１次の振動・振幅を抑制する効果がある。これにより、支柱３の重量増加を回避することができ、ハブ高さが１００ｍを超える風力発電用風車１を容易に設計することができる。【００３６】
また、制振装置１１の一部（例えば、ダンパー（減衰装置））が支柱３の内壁面に固定されることはないので、当該支柱３の内壁面を補強する必要がなくなり、支柱３の重量増加を回避することができる。【００３７】
さらに、重錘２５を揺動ロッド２３の軸方向に沿って昇降させることにより、制振装置１１の固有振動数が変化することになる。すなわち、風力発電用風車１を組み立てていく際、支柱３のみが完成した段階、支柱３の上端にナセル４が設置された段階、ナセル４にローターヘッド５および風車回転翼６が取り付けられ、風力発電用風車１の全体が完成した段階に応じて、支柱３の固有振動数がその都度変化させられることになる。これにより、風力発電用風車１を安全、かつ、速やかに組み立てていくことができる。【００３８】
さらにまた、一方の振子式ＴＭＤ１８を構成するオイルダンパー２２の一部または全部が故障した場合（機能しなくなった場合）でも、連結装置４１を介して連結されたもう一方の振子式ＴＭＤ１８により制振される（連結装置４１を介して連結されたもう一方の振子式ＴＭＤ１８がフェールセーフとして働く）ことになる。これにより、当該制振装置１１の信頼性を向上させることができる。【００３９】
さらにまた、本実施形態に係る制振装置１１は、減衰効果が最も得られるトップフロア１２からつりさげられることになるので、当該制振装置１１のさらなる小型化を図ることができる。【００４０】
さらにまた、トップフロア１２の直下で、かつ、作業員が立って手を上に延ばすと、オイルダンパー２２のメンテナンスをすることができる位置、すなわち、アクセス可能な位置に、エレベータ停止フロア（メンテナンスフロア）１３が設けられている。これにより、オイルダンパー２２を容易、かつ、迅速にメンテナンスすることができ、メンテナンスの作業性を向上させることができる。【００４１】
一方、本実施形態に係る風力発電用風車１は、支柱３の重量増加を伴うことなく、支柱３内の狭小なスペースに設置することができるとともに、その固有振動数を変化させることができる制振装置１１を具備している。これにより、ハブ高さが１００ｍを超える風力発電用風車の大型化に対応することができる。【００４２】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜必要に応じて変形・変更実施可能である。
例えば、上述した実施形態では、二基の振子式ＴＭＤ１８を備えた制振装置１１を一具体例として挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図１０に示すように、一つのユニバーサルジョイント３１を介して一基の振子式ＴＭＤ１８を吊り下げた構成とすることもできる。この場合、ユニバーサルジョイント３１は、縦梁１６の中央部で、かつ、横梁１５の中央部下面に取り付けられている。縦梁１６は、支柱３の高さ方向に沿って延びる支柱３の中心軸線に直交するとともに、支柱３の縦（前後）方向（図１０において上下方向）に沿って延びる梁である。横梁１５は、支柱３の高さ方向に沿って延びる支柱３の中心軸線に直交するとともに、支柱３の横（左右）方向（図１０において左右方向）に沿って延びる梁である。【００４３】
また、図１１に示すように、三つのユニバーサルジョイント３１を介して一基の振子式ＴＭＤ１８を吊り下げた構成とすることもできる。この場合、ユニバーサルジョイント３１の一つ目は、縦梁１６の前半部で、かつ、この縦梁１６の前半部に直交する横梁１５の中央部下面に取り付けられている。
ユニバーサルジョイント３１の二つ目は、横梁１５の右半部で、かつ、この横梁１５の中央部に直交する縦梁１６の中央部下面に取り付けられている。ユニバーサルジョイント３１の三つ目は、横梁１５の左半部で、かつ、この横梁１５の中央部に直交する縦梁１６の中央部下面に取り付けられている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2012090259.tif 000009
【図８】
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【図９】
2012090259.tif 000011
【図１０】
2012090259.tif 000012
【図１１】
2012090259.tif 000013
【国際調査報告】
2012090259.tif 000014
2012090259.tif 000015
2012090259.tif 000016
2012090259.tif 000017