(57)【要約】【課題】プレス加工された金属板からなる三次元形状の翼を持つ羽根車を低コストで提供する。【解決手段】羽根車１は、金属板からなる主板３と、金属板からなる複数の翼５を備える。複数の翼５のそれぞれは、羽根車１の回転軸線ＣＡに対して傾斜した表面を持つ三次元部５Ａと、羽根車１の回転軸線ＣＡと平行な表面を持つ二次元部５Ｂを有し、二次元部５Ｂは、プロジェクション溶接により形成された第１溶接部１０により主板３に固定されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプに使用される羽根車であって、
金属板からなる主板と、
金属板からなる複数の翼を備え、
前記複数の翼のそれぞれは、前記羽根車の回転軸線に対して傾斜した表面を持つ三次元部と、前記羽根車の回転軸線と平行な表面を持つ二次元部を有し、
前記二次元部は、プロジェクション溶接により形成された第１溶接部により前記主板に固定されている、羽根車。
【請求項２】
前記羽根車は、金属板からなる、流体入口を有した側板をさらに備えており、
前記二次元部は、プロジェクション溶接により形成された第２溶接部により前記側板に固定されている、請求項１に記載の羽根車。
【請求項３】
前記翼の長手方向に沿った前記二次元部の長さは、前記翼の長手方向に沿った前記三次元部の長さよりも大きい、請求項１または２に記載の羽根車。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の羽根車と、
前記羽根車が固定された回転軸と、
前記羽根車を収容するケーシングを備えたポンプ。
【請求項５】
ポンプに使用される羽根車の製造方法であって、
主板および複数の翼をそれぞれ金属板から作成し、前記複数の翼のそれぞれは、前記羽根車の回転軸線に対して傾斜した表面を持つ三次元部と、前記羽根車の回転軸線と平行な表面を持つ二次元部を有しており、
プロジェクション溶接により前記二次元部を前記主板に接合する、方法。
【請求項６】
流体入口を有する側板を金属板から作成し、
プロジェクション溶接により前記二次元部を前記側板に接合する工程をさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
プロジェクション溶接により前記二次元部を前記主板に接合する前記工程と、プロジェクション溶接により前記二次元部を前記側板に接合する前記工程は同時に行われる、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
レーザースポット溶接により前記三次元部の一部を前記主板に接合する工程をさらに含む、請求項５乃至７のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポンプに使用される羽根車に関し、特に流体の流れ方向に沿って捻られた三次元形状の翼を持つ羽根車に関する。さらに、本発明は、そのような羽根車を備えたポンプに関する。さらに、本発明は、そのような羽根車の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体機械であるポンプは、流体に運動エネルギーを付与するための羽根車を備える。羽根車は、一般に、回転軸に固定された主板（裏側シュラウドともいう）と、主板に固定された複数の翼を有する。各翼は、羽根車の中心軸線の周りに等間隔で配列されており、隣り合う２つの翼の間に流体の流路が形成される。羽根車が回転すると、流体は、羽根車の流体入口から羽根車に流入し、翼間の流路を流れ、そして、羽根車の外周から流出する。
【０００３】
流体の流れ解析によれば、流体の流れ方向に沿って捻られた三次元形状を持つ翼は、羽根車の理想的な性能を達成することが知られている（例えば、特許文献１，２参照）。三次元形状の翼を持つ羽根車は、樹脂成形、鋳造などにより製造される。一方、プレス加工された金属板を用いて、三次元形状の翼を持つ羽根車を製造することもある。この場合は、三次元形状の翼は、溶接により主板に固定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】実開平５−８９８９３号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１３／０１６４１３６号明細書
【特許文献３】特開昭５２−３３１０２号公報
【特許文献４】特表２００５−５３７４２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、三次元形状の翼は、主板の法線方向に対して傾いているため、翼を主板に固定するためにスポット溶接を採用することができない。すなわち、三次元形状の翼に主板を押し付けると、翼が倒れたり、折れ曲がることがある。このような問題を避けるために、レーザー溶接を用いて、三次元形状の翼が主板に固定される。レーザー溶接は、主板を翼に強く押し付けることなく、翼を主板に接合することができる。しかしながら、レーザー溶接は、スポット溶接に比べて溶接時間およびコストがかかる。結果として、羽根車の量産性が上げられず、羽根車全体の製造時間および製造コストが上昇してしまう。
【０００６】
そこで、本発明は、プレス加工された金属板からなる三次元形状の翼を持つ羽根車を低コストで提供する。また、本発明は、そのような羽根車を備えたポンプを提供する。さらに、本発明は、プレス加工された金属板からなる三次元形状の翼を持つ羽根車の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一態様では、ポンプに使用される羽根車であって、金属板からなる主板と、金属板からなる複数の翼を備え、前記複数の翼のそれぞれは、前記羽根車の回転軸線に対して傾斜した表面を持つ三次元部と、前記羽根車の回転軸線と平行な表面を持つ二次元部を有し、前記二次元部は、プロジェクション溶接により形成された第１溶接部により前記主板に固定されている、羽根車が提供される。
【０００８】
一態様では、前記羽根車は、金属板からなる、流体入口を有した側板をさらに備えており、前記二次元部は、プロジェクション溶接により形成された第２溶接部により前記側板に固定されている。
一態様では、前記翼の長手方向に沿った前記二次元部の長さは、前記翼の長手方向に沿った前記三次元部の長さよりも大きい。
【０００９】
一態様では、上記羽根車と、前記羽根車が固定された回転軸と、前記羽根車を収容するケーシングを備えたポンプが提供される。
【００１０】
一態様では、ポンプに使用される羽根車の製造方法であって、主板および複数の翼をそれぞれ金属板から作成し、前記複数の翼のそれぞれは、前記羽根車の回転軸線に対して傾斜した表面を持つ三次元部と、前記羽根車の回転軸線と平行な表面を持つ二次元部を有しており、プロジェクション溶接により前記二次元部を前記主板に接合する、方法が提供される。
【００１１】
一態様では、前記方法は、流体入口を有する側板を金属板から作成し、プロジェクション溶接により前記二次元部を前記側板に接合する工程をさらに含む。
一態様では、プロジェクション溶接により前記二次元部を前記主板に接合する前記工程と、プロジェクション溶接により前記二次元部を前記側板に接合する前記工程は同時に行われる。
一態様では、前記方法は、レーザースポット溶接により前記三次元部の一部を前記主板に接合する工程をさらに含む。
【発明の効果】
【００１２】
二次元部は、羽根車の中心軸線と平行である。したがって、プロジェクション溶接を行うときに、主板を翼に対して押し付けても、翼は傾かず、翼が折れ曲がることもない。プロジェクション溶接は、レーザー溶接に比べて安価であり、かつプロジェクション溶接が施される領域は、レーザー溶接が施される領域に比べて極めて小さい。結果として、羽根車を安価にかつ短時間で製造することができ、かつ量産性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】羽根車の一実施形態を示す断面図である。
【図２】図１に示す羽根車を吸込側から見た上面図である。
【図３】プロジェクション溶接される前の翼を示す側面図である。
【図４】図１に示す羽根車を製造する方法を示すフローチャートである。
【図５】羽根車の他の実施形態を示す断面図である。
【図６】図５に示す羽根車を吸込側から見た上面図である。
【図７】プロジェクション溶接される前の翼を示す側面図である。
【図８】図５に示す羽根車を製造する方法を示すフローチャートである。
【図９】羽根車のさらに他の実施形態を示す断面図である。
【図１０】図９に示す羽根車を吸込側から見た上面図である。
【図１１】プロジェクション溶接される前の翼を示す側面図である。
【図１２】上記実施形態に係る羽根車を備えたポンプ装置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、羽根車の一実施形態を示す断面図である。図１に示す羽根車１は、液体を圧送するためのポンプに使用される遠心羽根車である。羽根車１は、ポンプの回転軸が挿入される貫通孔３ａを有する主板３と、主板３に固定された複数の翼５と、流体入口７ａを有する側板７とを備えている。側板７は表側シュラウド、主板３は裏側シュラウドとも呼ばれる。
【００１５】
複数の翼５は、貫通孔３ａの周囲に等間隔で配列されており、かつ放射状に延びている。これら翼５は、主板３と側板７との間に配置されている。主板３、側板７、および複数の翼５は、いずれも金属板から構成されている。金属板の一例として、ステンレス鋼からなる金属板が挙げられる。各翼５は、プレス加工された金属板から構成されている。主板３および側板７も、プレス加工された金属板から構成されている。
【００１６】
図２は、図１に示す羽根車１を吸込側から見た上面図である。羽根車１の構造の説明のために、図２では側板７の図示は省略されている。複数の翼５のそれぞれは、各翼５の長手方向に沿って捻れた形状を有している。より具体的には、各翼５は、羽根車１の回転軸線ＣＡに対して傾斜した表面を持つ三次元部５Ａと、羽根車１の回転軸線ＣＡと平行な表面を持つ二次元部５Ｂを有している。三次元部５Ａは滑らかに二次元部５Ｂに接続されている。三次元部５Ａは、翼５の長手方向（すなわち液体の流れ方向）に沿って捻れた部位である。二次元部５Ｂは、三次元部５Ａに接続されているが、翼５の長手方向に沿って捻れた形状を有していない。
【００１７】
本実施形態では、三次元部５Ａは、羽根車１の半径方向において、二次元部５Ｂの内側に位置している。翼５の長手方向に沿った二次元部５Ｂの長さは、翼５の長手方向に沿った三次元部５Ａの長さよりも大きい。三次元部５Ａと二次元部５Ｂは一体的な構成物であり、一枚の金属板から構成されている。このような三次元部５Ａと二次元部５Ｂを有する翼５は、金属板をプレス加工することで作成することができる。
【００１８】
翼５は、プロジェクション溶接によって形成された第１溶接部１０により主板３に固定されている。図１に示すように、各翼５と主板３との第１溶接部１０は複数ある。本実施形態では、３つの第１溶接部１０によって各翼５と主板３とが互いに固定されているが、第１溶接部１０の数は本実施形態に限定されない。第１溶接部１０は、二次元部５Ｂと主板３との接触部上（すなわち二次元部５Ｂの一方の縁部）にあり、三次元部５Ａと主板３との接触部にはない。
【００１９】
同様に、翼５は、プロジェクション溶接によって形成された第２溶接部１１により側板７に固定されている。図１に示すように、各翼５と側板７との第２溶接部１１は複数ある。本実施形態では、３つの第２溶接部１１によって各翼５と側板７とが互いに固定されているが、第２溶接部１１の数は本実施形態に限定されない。第２溶接部１１は、二次元部５Ｂと側板７との接触部上（すなわち二次元部５Ｂの他方の縁部）にあり、三次元部５Ａと側板７との接触部にはない。
【００２０】
図３は、プロジェクション溶接される前の翼５を示す側面図である。図３に示すように、主板３に接合される翼５の二次元部５Ｂの一方の縁部５ｃには、複数の突起１４（本実施形態では３つの突起１４）が形成されている。側板７に接合される翼５の二次元部５Ｂの他方の縁部５ｄには、複数の突起１５（本実施形態では３つの突起１５）が形成されている。主板３と翼５とをプロジェクション溶接により接合するときは、突起１４を主板３に接触させた状態で、主板３を翼５に対して押し付ける。そして、突起１４に電流を流して突起１４を溶解させ、凝固した金属材料によって主板３と翼５とが互いに固定される。凝固した金属材料は、主板３と翼５との第１溶接部１０（図１参照）を形成する。
【００２１】
側板７と翼５とをプロジェクション溶接により接合するときは、突起１５を側板７に接触させた状態で、側板７を翼５に対して押し付ける。そして、突起１５に電流を流して突起１５を溶解させ、凝固した金属材料によって側板７と翼５とが互いに固定される。凝固した金属材料は、側板７と翼５との第２溶接部１１（図１参照）を形成する。
【００２２】
二次元部５Ｂは、羽根車１の中心軸線ＣＡと平行、すなわち、主板３の法線方向および側板７の法線方向と平行である。したがって、プロジェクション溶接を行うときに、主板３および側板７を翼５に対して押し付けても、翼５は傾かず、翼５が折れ曲がることもない。プロジェクション溶接は、レーザー溶接に比べて安価であり、かつプロジェクション溶接が施される領域は、レーザー溶接が施される領域に比べて極めて小さい。結果として、羽根車１を安価にかつ短時間で製造することができ、かつ量産性を向上させることができる。
【００２３】
図３に示すように、主板３に接続される翼５の縁部５ｅの全体の長さをＬ１とし、縁部５ｅの内側端部から、最も内側にある突起１４までの距離（すなわち、縁部５ｅの内側端部から、最も内側にある第１溶接部１０までの距離）をＡ１とすると、Ａ１のＬ１に対する割合は、２５％以下である。同様に、側板７に接続される翼５の縁部５ｆの全体の長さをＬ２とし、縁部５ｆの内側端部から、最も内側にある突起１５までの距離（すなわち、縁部５ｆの内側端部から、最も内側にある第２溶接部１１までの距離）をＡ２とすると、Ａ２のＬ２に対する割合は、２５％以下である。
【００２４】
本実施形態では、三次元部５Ａは主板３および側板７に固定されていないが、Ａ１のＬ１に対する割合、およびＡ２のＬ２に対する割合は、２５％以下であるので、二次元部５Ｂと主板３の第１溶接部１０、および二次元部５Ｂと側板７の第２溶接部１１により、翼５の全体は主板３および側板７に強固に保持される。
【００２５】
図４は、図１に示す羽根車１を製造する方法を示すフローチャートである。ステップ１では、主板３、側板７、および図３に示す複数の翼５がそれぞれ金属板から作成される。主板３、側板７、および複数の翼５が作成される順序は特に限定されない。例えば、主板３、側板７、および複数の翼５の順に作成されてもよいし、あるいは主板３、側板７、および複数の翼５が同時に作成されてもよい。
【００２６】
主板３は全体として円形であり、その中心に貫通孔３ａを有している。このような形状の主板３を形成するために、本実施形態ではプレス加工により金属板から主板３が作成される。ただし、主板３の形状は円形に限定されず、複数の翼５を溶接するために必要な面積を有していれば、主板３は星型などの他の形状を有してもよい。側板７は全体として円形であり、その中心に流体入口７ａを有している。ただし、側板７の形状は円形に限定されず、複数の翼５を溶接するために必要な面積を有していれば、側板７は星型などの他の形状を有してもよい。図１から分かるように、側板７は、その外周側から流体入口７ａに向かって傾斜している。このような形状の側板７を形成するために、本実施形態ではプレス加工により金属板から側板７が作成される。各翼５は、二次元部５Ｂと三次元部５Ａを有した複雑な形状を有しているので、各翼５は、プレス加工により金属板から作成される。
【００２７】
ステップ２では、プロジェクション溶接により翼５の二次元部５Ｂが主板３に接合され、ステップ３では、プロジェクション溶接により翼５の二次元部５Ｂが側板７に接合される。一実施形態では、ステップ２として、プロジェクション溶接により翼５の二次元部５Ｂが側板７に接合され、ステップ３として、プロジェクション溶接により翼５の二次元部５Ｂが主板３に接合されてもよい。さらに、一実施形態では、羽根車１の製造工程を短縮するために、プロジェクション溶接により翼５の二次元部５Ｂは側板７および主板３に同時に接合されてもよい。
【００２８】
図５は、羽根車１の他の実施形態を示す断面図であり、図６は、図５に示す羽根車１を吸込側から見た上面図であり、図７はプロジェクション溶接される前の翼５を示す側面図である。図６では、側板７の図示は省略されている。特に説明しない本実施形態の構成は、図１乃至図３に示す実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。
【００２９】
図５に示すように、側板７と各翼５は、プロジェクション溶接によって形成された第２溶接部１１により互いに固定されているが、主板３と各翼５は、プロジェクション溶接によって形成された第１溶接部１０と、レーザースポット溶接によって形成された第３溶接部２０により互いに固定されている。レーザースポット溶接は、スポット領域（狭小領域）にレーザー光を照射して該スポット領域を溶接する技術である。
【００３０】
図７に示すように、この実施形態では、Ａ１のＬ１に対する割合、およびＡ２のＬ２に対する割合は、２５％よりも大きく、かつ４３％以下である。三次元部５Ａの長さは二次元部５Ｂの長さよりも短いが、翼５全体の長さに占める三次元部５Ａの長さの割合が大きいので、三次元部５Ａを主板３に固定することが好ましい。そこで、本実施形態では、三次元部５Ａの一部と主板３は、レーザースポット溶接によって接合されている。より具体的には、図７に示すように、主板３に接合される翼５の端部５ｅの内側端部と、最も内側にある突起１４との間にある三次元部５Ａのスポット領域２２がレーザー溶接される。
【００３１】
レーザー溶接は、主板３を翼５に対して強く押すことを必要としないので、三次元部５Ａを変形させずに三次元部５Ａを主板３に固定することができる。さらに、本実施形態のレーザー溶接は、レーザースポット溶接であるので、溶接される領域が小さく、溶接にかかるコストおよび時間を低く抑えることができる。
【００３２】
図８は、図５に示す羽根車１を製造する方法を示すフローチャートである。図４を参照したフローチャートの説明は、図８に示すフローチャートの説明にも適用される。ステップ１では、主板３、側板７、および図７に示す複数の翼５がそれぞれ金属板からプレス加工により作成される。ステップ２では、プロジェクション溶接により翼５の二次元部５Ｂが主板３に接合され、ステップ３では、プロジェクション溶接により翼５の二次元部５Ｂが側板７に接合される。一実施形態では、ステップ２として、プロジェクション溶接により翼５の二次元部５Ｂが側板７に接合され、ステップ３として、プロジェクション溶接により翼５の二次元部５Ｂが主板３に接合されてもよい。さらに、一実施形態では、羽根車１の製造工程を短縮するために、プロジェクション溶接により翼５の二次元部５Ｂは側板７および主板３に同時に接合されてもよい。
【００３３】
ステップ４では、レーザースポット溶接により、翼５の三次元部５Ａの一部が主板３に接合される。レーザースポット溶接が行われる前に、プロジェクション溶接により翼５は主板３および側板７に既に接合されているので、翼５の三次元部５Ａの主板３に対する位置決めが確立された状態で、レーザースポット溶接が行われる。
【００３４】
図９は、羽根車１のさらに他の実施形態を示す断面図であり、図１０は、図９に示す羽根車１を吸込側から見た上面図であり、図１１はプロジェクション溶接される前の翼５を示す側面図である。図１０では、側板７の図示は省略されている。特に説明しない本実施形態の構成は、図１乃至図３に示す実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。
【００３５】
本実施形態では、翼５の三次元部５Ａは、羽根車１の半径方向において、二次元部５Ｂの外側に位置している。本実施形態においても、プロジェクション溶接は、翼５の二次元部５Ｂに対して行われる。一実施形態では、翼５の三次元部５Ａは、羽根車１の半径方向において、二次元部５Ｂの内側および外側に設けられてもよい。
【００３６】
上述した各実施形態に係る羽根車１は、主板３および側板７の両方を有する、いわゆるクローズド形の羽根車であるが、本発明は主板を持ち、側板を持たない、いわゆるセミオープン形の羽根車にも適用することができる。
【００３７】
図１２は、上記実施形態に係る羽根車を備えたポンプ装置を示す断面図である。図１２に示すポンプ装置は、ポンプ２８と、ポンプ２８を駆動するための電動機２９を備えている。ポンプ２８は、回転軸３０と、回転軸３０に固定された複数の羽根車１と、羽根車１が収容されたケーシング３５とを備えている。各羽根車１は、上述した実施形態のうちのいずれか１つの羽根車である。回転軸３０は、電動機２９に連結されている。電動機２９により回転軸３０が回転されると、羽根車１は回転軸３０とともに回転される。
【００３８】
ケーシング３５は、内ケーシング３５Ａと外ケーシング３５Ｂとを備えている。内ケーシング３５Ａは外ケーシング３５Ｂ内に配置されており、内ケーシング３５Ａの外面は外ケーシング３５Ｂによって覆われている。内ケーシング３５Ａの吸込側開口は、吸込ポート４０に連結されており、外ケーシング３５Ｂの吐出側開口は吐出ポート４１に連結されている。羽根車１の裏側には戻り羽根４６が配置されている。
【００３９】
羽根車１の回転に伴い、液体は吸込ポート４０を通じて羽根車１に吸い込まれる。羽根車１の外周から流出した液体は、戻り羽根４６によって次段の羽根車１に導かれる。最終段の羽根車１を出た液体は、内ケーシング３５Ａの端部に形成された複数の連通孔５０を通じて外ケーシング３５Ｂ内に流入する。液体は外ケーシング３５Ｂの内面と内ケーシング３５Ａの外面との間に形成された流路５１を通って吐出ポート４１に向かい、吐出ポート４１を通ってポンプ装置の外部に吐き出される。
【００４０】
ケーシング３５の吐出側開口端はケーシングカバー５２で塞がれている。ケーシングカバー５２には、メカニカルシール５５が固定されている。メカニカルシール５５は、ケーシングカバー５２と回転軸３０との間の隙間を封止する軸シールである。羽根車１の回転によって昇圧された液体の漏洩は、メカニカルシール５５によって防止される。
【００４１】
本実施形態では、羽根車１、内ケーシング３５Ａ、外ケーシング３５Ｂのそれぞれは、プレス加工された金属板の組立体である。より具体的には、金属の板をプレス加工することにより、羽根車１、内ケーシング３５Ａ、外ケーシング３５Ｂの各部品が成形され、これら部品を組み立てることで羽根車１、内ケーシング３５Ａ、外ケーシング３５Ｂが形成される。金属板の材料として金属は、ステンレス鋼などの耐腐食性のある金属である。本実施形態に係るポンプ２８は、複数の羽根車１を備えた多段ポンプである。一実施形態では、ポンプ２８は、１つの羽根車１を備えた単段ポンプであってもよい。
【００４２】
上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。
【符号の説明】
【００４３】
１      羽根車
３      主板
５      翼
５Ａ    三次元部
５Ｂ    二次元部
７      側板
１０      第１溶接部
１１      第２溶接部
１４      突起
１５      突起
２０      第３溶接部
２２      スポット領域
２８      ポンプ
２９      電動機
３０      回転軸
３５      ケーシング
３５Ａ    内ケーシング
３５Ｂ    外ケーシング
４０      吸込ポート
４１      吐出ポート
４６      戻り羽根
５０      連通孔
５１      流路
５２      ケーシングカバー
５５      メカニカルシール
【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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