(57)【要約】【課題】建築構造物における輻射空調において、温熱快適性に関する次の問題点を解決する。１）輻射式冷暖房装置のある方向だけに冷暖房効果があり、反対側には冷暖房効果がないので、十分な温熱快適環境を実現できない。２）輻射式冷暖房装置を動作させても、十分な時間が経過するまでは、または、壁等の断熱性が不十分の場合、輻射式冷暖房装置を含まない壁・天井・床面は、適温にならないので、周壁平均温が適温にならず、十分な温熱快適環境を実現できない。【解決手段】赤外線を透過する不透明樹脂と、赤外線を反射する金属層を積層して形成したシートにフレネルミラー型の微細加工を施し、壁紙等の内装材として空調する室内に展張し、輻射空調装置による輻射温熱および輻射冷熱を所期の位置に反射させて、周壁平均温を適切に設定することで、温熱快適環境を実現する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フレネルミラー型の加工が施された赤外線反射層を含む熱輻射用のレフレクター。
【請求項２】
前記赤外線反射層に積層された、赤外線を透過する赤外線透過層をさらに含む、請求項１に記載のレフレクター。
【請求項３】
前記赤外線透過層と前記赤外線反射層とを積層して形成されたシートにフレネルミラー型の加工が施された構造である、請求項２に記載のレフレクター。
【請求項４】
前記赤外線透過層は、不透明または半透明の樹脂製である、請求項２または３に記載のレフレクター。
【請求項５】
前記赤外線透過層は、ポリエチレン製またはポリプロピレン製またはポリスチレン製である、請求項４に記載のレフレクター。
【請求項６】
前記赤外線反射層は、アルミニウム製、銀製、または金製である、請求項１から５のいずれか一項に記載のレフレクター。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載のレフレクターを含む、内装材。
【請求項８】
前記レフレクターに指向性が付与されている、請求項７に記載の内装材。
【請求項９】
前記レフレクターが、室内の熱源から輻射される赤外線を当該室内の他の特定個所に向けて反射する構造である、請求項８に記載の内装材。
【請求項１０】
請求項７から９のいずれか一項に記載の内装材を用いた輻射式冷暖房システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱輻射用のレフレクター、該レフレクターを含む内装材、および該内装材を用いた輻射式冷暖房システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
（気温と周壁平均温度の等価性）
室内空気・周壁平均温の組み合わせと人体エクセルギー消費の関係についての非特許文献１中の図９に、横軸を室内空気温とし、縦軸を周壁平均温として、快適な温熱環境であることを示すＰＭＶ＊＝０のラインが、おおよそ右下がり傾き−１の直線としてプロットされている（転載した本明細書に添付した図１参照）。周壁平均温とは、室内壁面（ここでは、天井、床、ドア、窓も壁面に含める）の温度を各壁面の面積で荷重平均して算出した温度である。同図より、少なくとも同図の縦軸、横軸の範囲において、室内空気温が高くとも低くとも、周壁平均温を適切に設定できれば、ＰＭＶ＊＝０の快適な温熱環境を実現できる、つまり、温熱快適性に対して室内空気温と周壁平均温は、等価な効果を持つ、ということが理解される。
【０００３】
しかし、人体が感じる温熱快適性に、壁の温度が気温と同じだけの寄与があるとは、一般には、認識されていないようである。多くの場合、室内壁面だけを能動的に制御することはできず、また、定常状態においては気温と壁温は、ほぼ同一温度に平衡するためであろうと考えられる。この点、環境工学では、温熱快適性に対する壁温の重要性は古くからよく知られており、壁温を積極的に制御することで、つまり、壁面と人体との輻射伝熱を利用して、室内を空調する方法が既に提案され、実用化されている。
【０００４】
（床暖房）
床内側に温調用配管を設置し温水を循環することで暖房を行う、床暖房システムが実用化されている。床暖房の場合、足裏等からの接触伝熱による暖房効果も無視できないと考えられるが、ここでは、輻射暖房の効果に着目する。
【０００５】
（輻射式空調パネル）
垂直壁内側または天井裏側に温調用配管を配置し、冷水または温水を循環することで、輻射式冷暖房を行うことも提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１７−１０２１９１号公報
【特許文献２】特開２０００−８８２５７号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】室内空気・周壁平均温の組み合わせと人体エクセルギー消費の関係、伊澤康一、小溝隆裕、宿谷昌則  日本建築学会環境系論文集  第５７０号、２９−３５、２００３年８月
【非特許文献２】冬場の住居内の温度管理と健康について（地方独立行政法人  東京都健康長寿医療センター）平成２５年１２月２日
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、前述のごとき従来の技術には、以下に説明するような課題がある。
【０００９】
（現状の輻射式冷暖房の課題１：温調の実情）
先に、室内空気温と周壁平均温は、等価な効果を持つと述べたが、現状の空調は気温を制御する対流式エアコンが主流であり、床暖房や輻射式空調パネルは、導入されていても補助的な役割しか担っていないように見受けられる。輻射式冷暖房は、周壁平均温で効果が算定されるので、現状のように、床面だけ、天井面だけ、あるいは、垂直壁面の一部、つまり室内の６面の一部の温度だけを制御するのでは、周壁平均温を十分に上げたり下げたりできないのは明らかである。室内の６面すべてを温調できればよいが、設備コスト上、一般に実現は難しい。制御する面の温度を、十二分に加熱したり、冷却したりすれば、残りの面が気温と平衡していても、計算上の周壁平均温を、室内の温熱快適性が好ましく計算されるように設定はできる。しかし、その場合、足裏が触れる床面温度が高くなりすぎたり、壁面に結露が生じたりするなどの弊害が懸念される。また、壁面の温度ばらつきは１０Ｋ以内が望ましいとされる環境工学上の規範から外れ、温熱快適性を阻害するおそれも考えられる。したがって、壁面等の極端な温度設定は無理であり、温調する面が、室内表面の一部に限られる条件では、輻射式冷暖房は補助的な役割しか担うことができないと考えられる。
【００１０】
（現状の輻射式冷暖房の課題２：冷暖房効果の偏り）
床暖房や天井全面に配置された輻射式冷暖房パネルであれば、人体から見た輻射面について、ある程度大きな立体角が確保されるが、壁面１面に設置された輻射式冷暖房パネルの場合、人体の片側だけしか冷暖房の効果にあずかれないので違和感が残り、十分な温熱快適性が得られない。
【００１１】
（現状の輻射式冷暖房の課題３：低応答速度）
現行の輻射冷暖房パネル等は、その設計上、輻射伝熱で冷暖房効果を得ようとするものであるが、多かれ少なかれ空気への熱伝導や空気の対流を引き起こすので、しだいに気温も冷却または加熱されるものである。輻射冷暖房パネル等の熱出力が十分あれば、気温が適当になり、さらには温調されていない壁面等も気温と平衡し、全体として温熱快適な空間を実現できる構成もありえる。しかしながら、部屋の初期温度が、高かったり低かったりした場合、輻射冷暖房パネルで快適な定常状態に至るまでには、長い時間を要す。
【００１２】
そこで、本発明は、前述のごとき各種課題を鑑み、室内の熱源から輻射される赤外線を効率よく反射させ、室内の所定領域がより短時間で快適な定常状態に至るようにした熱輻射用のレフレクター、該レフレクターを含む内装材、および該内装材を用いた輻射式冷暖房システム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】
【００１３】
課題１は、壁、天井、床の温度を、低コストで設定できれば解決しうる。ここで、輻射伝熱を考えているので、壁、天井、床の、それら自体の温度を変えなくとも、等価的に温度を変えられればよい。簡単な実験で例示する。図２に示す位置関係で、高反射率の金属半球の焦点位置に氷を置き、放射温度計で金属半球の温度をはかると、金属半球自体の温度は、室温であるにもかかわらず、その示度は０℃となる。これを敷衍（ふえん）し、冷却された物体または加熱された物体の温度を、部屋全体に反射させることを考えて見る。図３に示すように、仮に、部屋（図３において符号Ｒ１で示す）が回転楕円体形状であり、その内面が高反射率であるとし、回転楕円体のひとつの焦点に冷却または加熱された黒体Ｂを置き、人体Ａが他方の焦点にあったとする。人体位置から放射温度計で壁面温度を測ると、回転楕円体内面が気温と平衡していても、いたるところ黒体Ｂの温度と一致することになる。これで原理的には、周壁平均温を簡単に制御できるようになり、課題１は解決できると考えられる。さらに、人体の場所は、回転楕円体の焦点近傍に制限されるが、人体が感じる輻射温度はあらゆる方向に一定であり、冷暖房効果に偏りがなくなることとなり、課題２も原理的には解決可能となる。また、人体が感じる輻射温度は、反射面自体の温度に依存しないので、反射面自体の温度が冷やされたり暖められたりするのを待たずとも、黒体Ｂの冷却応答速度または加熱応答速度が大きければ、即応性の高い冷暖房効果が得られる。課題３も、併せて原理的に解決可能なことが判った。
【００１４】
しかしながら、回転楕円体は、ふつうの直方体状の部屋の形とは馴染まないものである。そこで、図４に示すように、高反射率の反射面は直方体状の部屋Ｒ２の壁面、天井面、床面のそれぞれの表面に配置し、巨視的にみた反射面は壁面等に平行であるが、微視的にみた反射面の法線を適切に設定し、輻射つまり赤外線の方向を回転楕円体の場合と同様になるようにする。これは、フレネルミラーとして知られる構造で実現できる。フレネルミラーの説明と応用例は、例えば特許文献１として挙げる特開２０１７−１０２１９１号公報に見ることができる。同文献中の説明図を、図５として引用する。同文献でのフレネルミラー採用目的は、自動車の計器類を、無限遠方に、反射投影することである。
【００１５】
本発明は前述のごとき種々の検討を経て想到するに至ったもので、フレネルミラー型の構造を採用することで、赤外線を設定する方向に反射させる。赤外線を反射するフレネルミラー型の構造を直方体状の部屋の壁面、天井面、床面に、適切に配置することで、部屋の形状が直方体状であっても、回転楕円体の場合と同様に、２つの焦点を形成することが可能であり、回転楕円体状の部屋の場合と同様に、課題１から課題３までを、原理的に解決することが可能である。
【００１６】
本発明の一態様は、フレネルミラー型の加工が施された赤外線反射層を含む熱輻射用のレフレクターである。
【００１７】
レフレクターは、赤外線反射層に積層された、赤外線を透過する赤外線透過層をさらに含むものであってもよい。また、レフレクターは、赤外線透過層と赤外線反射層とを積層して形成されたシートにフレネルミラー型の加工が施された構造であってもよい。赤外線透過層は、不透明または半透明の樹脂製であってもよい。赤外線透過層は、例えばポリエチレン製またはポリプロピレン製またはポリスチレン製である。赤外線反射層は、例えばアルミニウム製、銀製または金製である。
【００１８】
本発明の一態様に係る壁紙等の内装材は前述のごときレフレクターを含む。レフレクターに指向性が付与されていてもよい。レフレクターが、室内の熱源から輻射される赤外線を当該室内の他の特定個所に向けて反射する構造であってもよい。
【００１９】
本発明の一態様に係る輻射式冷暖房システムは、前述のごとき内装材を用いたシステムである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、室内の熱源から輻射される赤外線を効率よく反射させ、室内の所定領域がより短時間で快適な定常状態に至るようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】室内空気・周壁平均温の組み合わせと人体エクセルギー消費の関係について非特許文献１から転載した、横軸を室内空気温、縦軸を周壁平均温としたグラフである。
【図２】壁、天井、床についてそれら自体の温度を変えなくとも等価的に温度を変えるための実験例を説明する図である。
【図３】仮に部屋が回転楕円体形状でありその内面が高反射率であるとした場合について説明するための図である。
【図４】高反射率の反射面を直方体状の部屋の壁面、天井面、床面のそれぞれの表面に配置する概念について説明する図である。
【図５】特許文献１の図３から転載した図（ウインドシールド１０に含まれるフレネルミラー形成部１０ａの構成および光路の例を示す光路図）である。
【図６】アルミニウム、銀、金の分光反射率について説明するグラフである。
【図７】黒体の輻射スペクトルを示すグラフである。
【図８】ポリエチレン薄膜、ポリプロピレン薄膜、ポリスチレン薄膜の赤外線領域での高い透過性について説明するグラフである。
【図９】赤外線反射機能を有する輻射冷暖房用壁紙の構成例を示す図である。
【図１０】特許文献２に示された遠赤外線を用いた面暖房システムの一例を示す図である。
【図１１】図１０の面暖房システムにおいて、反射面が一方の極端である鏡面反射の場合について説明する図である。
【図１２】図１０の面暖房システムにおいて、反射面が他方の極端である拡散反射の場合について説明する図である。
【図１３】本発明の実施例１における内装材の構成例を示す図である。
【図１４】表面に微多孔性ポリエチレンフィルムを接着して赤外線透過層を形成した内装材について示す図である。
【図１５】背面側に反射形成面と切り返し面とが形成された表面材を示す図である。
【図１６】表面材の背面側にアルミニウムを蒸着する工程を表す図である。
【図１７】背面側に反射面保護層が形成された表面材を示す図である。
【図１８】実施例２の内装材において、表面材の表面側から入射した赤外線が該表面材を透過し、表面材と反射面保護層との境界で反射して出射する様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。
【００２３】
図９に、部屋の内装材を構成するレフレクターの一例を示す。レフレクターによって構成される内装材は、熱源を有する部屋における新規な輻射式冷暖房システムを構成しうる（図１０〜図１２等参照）。
【００２４】
本実施形態のレフレクター２０は、内装材基材１２の表面の、フレネルミラー型の加工が施された赤外線反射層２２と、該赤外線反射層２２に積層された赤外線透過層２４とを含む。本実施形態では、内装材基材１２の表層にもフレネルミラー型の加工を施す（図９参照）。内装材基材１２の表層に設けられるレフレクター２０は、赤外線反射層２２と赤外線透過層２４とを積層して形成されたシートにフレネルミラー型の加工が施された構造であってもよい。
【００２５】
赤外線反射層２２は、赤外線に対して高い反射率を有する物質、例えばアルミニウム板によって形成されうる。参考資料として、図６にアルミニウムの分光反射率を示す。また、図７に黒体の輻射スペクトルを示す。室温から数１００℃の黒体が輻射する赤外線の大半に対して、アルミニウムが高い反射率を有することが判る。図６には、銀または金はアルミニウム以上の高い反射率を有することが示されているが、材料コストの観点から、アルミニウムを用いることが好適である。
【００２６】
前述のフレネルミラー加工が施されたアルミニウム板を、部屋の壁面、天井面、床面に敷き詰めることができるが、ただ、それだけだと、部屋全面が金属反射面となり、落ち着いて居住するには適しづらい。この点をふまえ、本実施形態では、赤外線反射層２２に、例えば、可視域では白色不透明であり赤外域では透明である薄いシート状素材からなる赤外線透過層２４を積層する。一例として、ポリエチレン微多孔薄膜は、見た目は白色半艶消しの落ち着いた外観であり、かつ、図８に示すように赤外線領域で高い透過性を持っている。フレネルミラー加工が施されたアルミニウムの層をポリエチレン微多孔薄膜でカバーすれば、目視外観上は白色半艶消しでありながら、反射方向を制御した高反射率の赤外線反射板として機能する。図８に示すように、ポリプロピレン薄膜、ポリスチレン薄膜、ポリテトラフルオロエチレン薄膜も赤外線領域で高い透過性を持っており、これらの微多孔薄膜も本発明のカバー部材として好適である。
【００２７】
赤外線反射は、アルミニウム板の表面で起こる。アルミニウム板は、アルミニウム箔のように薄くてもよく、あるいはアルミニウム箔が張り付けられた板状のものであってもよい。さらには、ポリエチレン微多孔薄膜の裏面側にアルミニウムを蒸着してレフレクター２０が形成されていてもよい。
【００２８】
前述のポリエチレン微多孔薄膜の層とアルミニウムの層を積層したシートは、適度な厚さと柔軟性を有する内装材基材１２の表面に貼りつけ、全体として内装材１０をなすように構成すると、取り扱いや壁面等への施工が容易となり好ましい。また、既存の壁に後付けできる構造の内装材１０を例えば壁紙として構成すれば、新築のみならず既設の建物に対しても本実施形態に係る輻射式冷暖房システムを後付けして設置することが可能となる。
【００２９】
また、ポリエチレン微多孔薄膜の孔に、染料を適度に染み込ませることで、赤外線反射層２２の赤外線反射機能をほとんど妨害せずに、内装材１０の表面に淡い色彩や薄い模様等の意匠を持たせることが可能である。
【００３０】
部屋の内装材１０を構成するレフレクター２０には、指向性が付与されていることが好ましい。本実施形態では、室内の特定の位置の熱源から輻射される赤外線が、当該室内の他の特定個所に向けて反射する構造のレフレクター２０によって内装材１０を構成している（図４参照）、特定個所とは、スポット温調したい領域であり、より具体的には、居住者や部屋の利用者らがより長く位置する個所である。
【００３１】
前述のごとき熱輻射用のレフレクター２０を含む内装材１０、および該内装材１０を用いた輻射式冷暖房システムによれば、以下に例示するごとき利点を得ることが可能である。
【００３２】
＜住宅のトイレや浴室に隣接する脱衣室に適用した場合＞
住宅全体の断熱性が十分に高くない場合、リビングルームや寝室が空調されていても、その効果はトイレや脱衣室にはほとんど及ばないので、特に冬季における寒い日には、寒い空間に、半身あるいは全身がさらされることになる。これは、ヒートショックを起こすリスクがあり、非特許文献２によれば、日本国内１年間で、約１７０００人が、ヒートショックに関連し入浴中に急死しているとされている。これを防ぐため、対流式エアコン等を脱衣室に設置する例もあるが、脱衣室が十分暖房されるまでには、少なくとも数分は要するので、あらかじめ起動する必要がある。トイレや脱衣室に輻射式ストーブを設置すれば、手軽に即応性高く暖房が可能であるが、輻射式ストーブのある側半面しか暖房効果が及ばないので、効果は限定的であり、反対側反面は冷気にさらされるので十分な快適性が得られない。
【００３３】
この点、前述のごとき熱輻射用のレフレクター２０を含む内装材１０を脱衣室またはトイレの壁表面および天井表面に展張し、応答性の高い輻射式ストーブまたは輻射式クーラーと組み合わせることで、方向性の偏りがすくない適切な周壁平均温の快適な温熱環境を、輻射式ストーブまたは輻射式クーラーの起動から間をおかずに、実現することができる。最近の輻射暖房装置の応答速度は0.2秒から数秒と大変速いものがあり、これを利用すれば、すぐに、ほぼ全方向から、体を温めることができることができ、快適であり、かつ、ヒートショックに関連するリスクを低減することができる。
【００３４】
＜先行発明との比較＞
特許文献２に示された遠赤外線を用いた面暖房システムでは、図１０に示されるように、遠赤外線ヒータ３４を設置する部屋３２の天井材３８および壁材４０に、特定波長、たとえば３〜１０μｍ程度の遠赤外線を反射する遠赤外線反射面３６を形成し、遠赤外線ヒータ３４より部屋３２内に輻射される遠赤外線４２をこの遠赤外線反射面３６によって反射する、としている。これにより、暖房される部屋３２のどの位置にいても、遠赤外線反射面によって反射された遠赤外線４４による輻射熱を全身に受けることができ、快適でエネルギー効率の良い暖房が可能となる、という旨が開示されている。同文献に記載の発明では、反射面の光学特性について、波長に関する言及はあるが、鏡面反射か拡散反射か、あるいはその折衷的な反射かについての言及はない。ここで、反射面の違いの影響について考察する。
【００３５】
反射面が一方の極端である鏡面反射の場合を図１１に示す。入射角と反射角は、反射面の法線を挟んで等しいという反射に関するＳｎｅｌｌの法則により、放出された赤外線の大半は被加熱対象（人体）には1回の反射では到達できず、繰り返し反射の過程で、部屋全体を暖めることになる。反射面が他方の極端である拡散反射の場合を図１２に示す。Ｌａｍｂｅｒｔの余弦法則により、赤外線は四方に拡散し、この場合も、部屋全体を暖めることになる。
【００３６】
部屋全体を輻射式ストーブで暖められることは、一面ではメリットであるが、ひと一人を暖めるスポット的な暖房を志向した場合には、非効率的であり、十分な暖房効果を得るためには、より大出力の輻射式ストーブが必要となり、経済的ではない
【００３７】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。
【実施例１】
【００３８】
本発明者らは、熱輻射用のレフレクター２０を含む内装材１０を実際に作成した。以下に実施例１として説明する（図１３、図１４参照）。
【００３９】
まず、内装材基材１２を、その表面が反射面１２ｒと切り返し面１２ｓとが連なる形状となるように形成した（図１３参照）。次に、内装材基材１２の反射面１２ｒと切り返し面１２ｓにアルミニウムを蒸着して赤外線反射層２２を形成した。その後、当該赤外線反射層２２の表面に微多孔性ポリエチレンフィルムを接着し、赤外線透過層（表面材）２４を形成した（図１４参照）。本例では、反射面１２ｒの近傍に形成された帯状の表面材接着面１２ｔにおいて、接着材で微多孔性ポリエチレンフィルムを接着した（図１３参照）。
【実施例２】
【００４０】
本発明者らは、熱輻射用のレフレクター２０を含む内装材１０を、上記の実施例１とは別の方法で作成した。以下に実施例２として説明する（図１５〜図１８参照）。
【００４１】
まず、赤外線透過層２４を形成する表面材の背面側（すなわち内装材１の表面になる面とは反対側の面）を、反射形成面２４ｒと切り返し面２４ｓとが連なる形状に形成した（図１５参照）。次に、表面材の背面の反射形成面２４ｒと切り返し面２４ｓにアルミニウムを蒸着し（図１６参照）、さらに、反射面保護層２６を形成した（図１７参照）。
【００４２】
本実施例２の内装材１０において、赤外線透過層２４を形成する表面材の表面側から入射した赤外線は、該表面材を透過し、表面材と反射面保護層２６との境界で反射して出射する（図１８参照）。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、住宅等の新規建築、住宅のリフォーム等において、熱輻射用のレフレクター、該レフレクターを含む内装材、および該内装材を用いた輻射式冷暖房システムに適用して好適なものである。
【符号の説明】
【００４４】
１０…内装材、１２…内装材基材、２０…レフレクター、２２…フレネルミラー微細加工アルミ箔（赤外線反射層）、２４…微多孔性ポリエチレンフィルム（赤外線透過層）
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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