(57)【要約】【課題】  重量式発電に於いて、重量物降下による発電量に対する、重量物を降下場所より元に戻す上昇エネルギーの損失を軽減、解消する重量式発電方法を提供する。【解決手段】  水を溜めたバケットが降下するとき、ラック・アンド・ピニオン装置によるラックはバケットに固着形成され、該ラックは固定設置された回転歯車と噛み合い、回転歯車を反時計周りに回転を与え、第１ラックと回転歯車を介して噛み合っている第２装置第２ラックは第２バケットと共に上昇に転じ、前記第１バケットが下降しバケット開放突起部に到達すると同時に第１バケット内の水が排水され、と同時に上昇し終え水を導入された第２装置第２バケットが下降に転じることで上下運動として繰り返し、回転歯車を回転させ、発電装置に連結させことで発電する水力を利用した重量発電装置。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１装置の第１ラックが固着形成された水を溜めた第１バケットが降下するとき、前記第１ラックは固定設置された回転歯車と噛み合い、前記回転歯車を反時計周りに回転を与え、前記第１ラックと前記回転歯車を介して噛み合っている第２装置第２ラックは固着形成された第２バケットと共に上昇に転じ、前記第１バケットが下降しバケット開放突起部に到達すると同時にバケット内の水が排水され、と同時に上昇し終え水を導入された前記第２装置第２バケットが下降に転じることを上下運動として繰り返し、前記回転歯車を回転させ、発電装置に連結させ発電することを特徴とする水力重量発電装置。
【請求項２】
各装置バケット昇降手段工程の底部に置かれた密閉空タンク頂部に形成された前記バケット開放突起部へ下降到達時に前記バケット底部の地点を開放突起部に押し上げられると開放して排水された水は装置内に留まり、密閉空タンクを浮力により前記バケットと共に上昇せしめ、前記バケットが上部連結具に保持されるとしたことで浮力によって重量物上昇エネルギー損失を解消することを特徴とする請求項１記載の水力重量発電装置。
【請求項３】
装置上部に保持された前記バケット内には、水位により上昇、下降するフロートが内装され、前記バケットを保持すること、又は解除する両機能を持つことを特徴とする請求項１及び請求項２記載の水力重量発電装置。
【請求項４】
前記第１装置・前記第２装置のバケット昇降ストロークの変更により、ラック・アンド・ピニオン装置の設置高低の変化により前記ラックが上下に分離し、発電に介する駆動装置全体が変更となり、発電用プーリーに動力を伝えるためのピニオンとなる上部回転歯車と発電用プーリーを駆動する上部チェーンと下部チエーンとを介するピニオンとなる下部回転歯車を装備し、夫々の回転歯車にはワンウエイクラッチが装着され前記第１ラックと前記第２ラックを連結して、第１バケット２、第２バケット２が交互に昇降下降を繰り返す正逆回転動力を同一方向回転に変え、発電用プーリーから増速機、発電機に伝える機構を持つことを特徴とする請求項１記載の水力重量発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、河川、水路、農業用水等の水を導入し重量化して位置エネルギー変換による電気エネルギー生成を行う、水の重さを利用した重量発電に関する。
【背景技術】
【０００１】  再生可能エネルギーについては、東日本大震災以降、原子力発電に頼らない自然エネルギーの利用拡大が行なわれ、水力、バイオマス、風力、太陽光等の新エネルギー発電技術が急速に推し進められ、特に太陽光発電に関しては、１，９５０年代にアメリカのベル研によって開発され、人工衛星に太陽光発電が搭載されてから急速なコストダウンが行われ爆発的な拡大を見せ、再生可能エネルギーのトップを走っている現状である。しかしながら、太陽光パネルの製造に欠かせないレアメタル等の採掘、それらの抽出に係るエネルギー使用による環境汚染の問題、又、メガソーラーの設置に利用される土地の問題など大きな課題を抱えている。風力に関しては巨大な風車が自然災害による破損事故が起こり、さらに風車ブレードから発する超音波の発生で人的被害の報告も増えている。【０００３】  こうした中、歴史の長い水力発電は安定的で、安心感のある電力供給施設として国民に利益を与えている。ダムなどの建設により自然破壊、集落等の水没など、周辺地域への諸問題を残すもので、今後大規模なダム建設は非常に難しいものになる。しかしながら中小河川に設置する小型水力発電（マイクロ発電含む）に関しては、２００７年に資源エネルギー庁は、将来的に着実な開発の導入ができるように法改正され、さらに「農業用水等を利用する小規模な水力発電所」等の条項が追加されたことにより、農業用水路での小規模な発電設備の設置が可能となり、再生エネルギー発電における小型水力発電の開発が進められてきている。小型水力発電に関する技術上の問題はほぼ解決されていると言われているが、まだ上限には達してはいない。少ない水流、水量の確保で比較的簡単に水力発電が可能な機器が多数提案されており、夫々少ない発電量であっても施設数量が各地区に増設されれば大きなエネルギー供給施設に変わるものとなり、自然エネルギーの環境に配慮された電気エネルギーの未来が窺われる。【０００４】
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２７５８７４
【特許文献２】特開２０１６−８５９４
【特許文献３】特開２００２−２８６１１２
【参考文献１】
不服２０１０−０１７２２４
【参考文献２】
（インターネット）重力蓄電装置の力学的考察重力再生エネルギー研究所  武笠  敏夫
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  しかしながら、国営事業において、農政局農業水利事業所の小型水力発電施設導入で県営事業も含めて、活発な開発が進められているが、農業用水利は平坦部が多く、落差工事や、水量の導入工事等の経費が発電量による電力料金で賄えるのか問題が残る。あるいは水量が農繁期以外は極端に減少する時期にも十分な発電が可能なのか問題もある。【０００７】  水力発電機の機能、運転は、技術上ほぼ完成開発されたといわれているが、設置に関しては、自然条件等の法的制約が有り、今後解決しなければならない課題は多い。【０００８】  さらに、自然エネルギーの分野で「重力式発電」の開発が行われている。旧来から重力式発電、重量式発動機など提案されているが、位置エネルギーの交換比率が低く、発電機能の効率化が求められている。以下、従来からの重力発電に関する諸問題を考察する。【０００９】  参考文献１では、確かに重量物の降下により発電はされているが、その重量物を元の位置に戻すべき必要エネルギーが発電する量より多くの外部電力を必要とするため、発明とは認められない旨、拒絶査定が審決されている。
参考文献２では、「重力蓄電装置の力学的考察」として位置エネルギー変換を重力蓄電装置としてエネルギー貯蔵装置を提案している。つまり、重量物を電気で言えばバッテリーに値するものであって、揚水発電の理屈である。装置はいたって簡単で、ワイヤーで吊り下げられた重量物を電力で上部（高所）設置場所に吊り上げ、必用な時に落下させることで落下時重量のエネルギーで発電機を作動するものである。落下発電実験は、「自由落下ではなく、等速運動として調整した」とされる重量物を吊り上げるときのエネルギーとを換算した下記の実験結果報告が記載されている。
実験１、高速落下によるものでエネルギー変換率は５３，４％。
実験２、低速落下のよるものでエネルギー変換率は３５，０％。
十分な発電効率が得られないため、エコエネルギーとして解決する課題が多い。【００１０】  上記参考文献１、及び参考文献２、について明らかな課題は、重量物を少ないエネルギーで上部設置場所に揚げることができるかが技術開発の課題となる。【００１２】  また、この分野において水の重量を利用した発電装置が提案されている。特許文献１によれば、山中、又は傾斜地に２本の立抗を設け、各立抗に昇降装置を夫々設け、この２個の昇降容器を前記２本の立抗の上部でワイヤーやチェーンやロープ等の連結体により連結して一方の昇降容器の水の重量で降下により他方の昇降容器が上昇するよう構成し、上下運動を繰り返すことで回転に変え、発電機を作動させる発電装置が提案されているが、設置に関しては、ボーリング掘削機で抗を設け、さらにその抗底部に排水装置、横坑による排水設備等の機構が必要で実施にはかなり難航すると思われる。【００１３】  特許文献２には、用水路から取り入れた水を水槽に貯め、該水槽の昇降手段による発電装置が提案されている。唯、降下した水槽を上部に押し上げる力が油圧によるもので、その油圧を作動させる上昇用エネルギーと、発電エネルギーとを使用した後、さらに、同装置にはラックアンドピニオン装置に発電用車軸が設けられているが、参考文献２による重力発電を行う重量物の降下時機能の指摘がないため、自由落下とすると発電が瞬時であり、重量物の落下抵抗を増すため減速機等が使用されるが、該発明のラックアンドピニオン装置の車軸は下降時に発電回転するが、上昇時には減速装置が抵抗となり十分な回転力を得られないと思われる。該発電装置電源による油圧ポンプの作動のエネルギー損失が大きく、目的とする発電設備外部に電気を供給する余剰電力が出力し難い課題が有ると思われる。【００１４】  以上記載した如く、さまざまな発電装置が提案されているが、大規模な工事、あるいは開発技術時の問題等が、特に動力資源となる重量物の高所設置場所への移動、上昇エネルギーの損失部分が解決されない課題として残っている。【００１５】  本発明は上記記載の課題を解決するために考察し発明されたものである。河川、沼地の水利等を利用し、水の重量を利用した発電装置は、水位の大きな落差を必要とせず、日射量の少ない、あるいは風の少ない山間地等の電源確保には最適であり、普通トラックにて運搬可能であり、大規模な工事を必要とせず、簡易に設置可能な発電設備、発電方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】  本発明は、水の重量を利用した物で、複数のバケットに水を溜め、夫々のバケットに交互に入水したその重量による位置エネルギー変換による発電する装置である。【００１７】水路、河川、湖水、沼によりに取り入れる水利と、その水利より水の供給を得るバケットと、バケットを支持する昇降手段と、これら装置を内装する強固な略立方体に形成した柱部にはバケット昇降を誘導する複数のガイドレールが設置され、装置内には水を留める空間部を有し、第１装置体工程と連動する同一のバケットを装備する同一の第２装置体を直列に配し、第一装置のバケットが水の重量により下降し、一方の第２装置の空バケットが上昇するように連続して上下運動を繰り返す装置として構成され、互いに連動に係る連結装置は、発電装置に直結する回転歯車と同一方向回転装置とを持ち、回転歯車は第１装置のラックと第２装置のラックを連結し、夫々のラックの上下運動を正転、逆転を繰り返す回転に変え、さらに回転歯車（ピニオン）の正転、逆転を同一方向回転に変換し、増速機、発電装置を作動して発電を促すものである。【００１８】  当該複数のバケットは、ラック・アンド・ピニオンの作動方法により昇降し、ラックはバケットに固着直結され、バケットは装置附随のガイドレール沿って、上下に稼動し、第１装置のバケットの該ラックと第２装置のラックは平行に縦型で設置され、夫々のラックは相対し、回転歯車（ピニオン）を挟む形態で互いのラックが上下運動を行い、装置柱部に固定された回転歯車（ピニオン）に正、逆の回転に変え、発電装置に連結する装置である。【００１９】  第１装置の最上部に保持されたバケットに水を溜め、保持具が解除され、その重量で下降し、ラックは固定回転歯車（ピニオン）に作用し、該固定歯車（ピニオン）の回転力は第２装置では逆回転となり、第２装置ラックを上昇せしめる。そして第２装置下部に在るバケットを第２装置最上部に押し上げ略固定され、該バケットに水を溜め、重量により下降する。この段階で、排水された第１装置の空バケットが上昇に転ずる、ことを繰り返すことにより回転歯車により発電装置を介して発電する水力重量発電装置である。【００２０】  該バケットには、フロート装置が内装され、水が満杯になると同時に浮力上昇したフロートが水槽とバケットの連結を解除して該バケットの下降を促すなどの連結装置を配したフロートが内装されている。又、該バケットの底部はある点を下方より押し上げると底部が開放され、内部の水が瞬時に排水される装置が形成されている。【００２１】  上記に記載した第１、第２装置の原型となる単独で機能する発電装置であって、昇降を繰り返す作動による水力重量発電装置である。水を満杯したバケットの重量で下降したバケットは、浮力により上下可能な密閉空タンクに下降到達と同時にバケット下部開閉装置で開放排水され、排水された水は装置内に留まり、密閉空タンクに浮力を与え、同時に空バケットを上昇せしめ、該バケットが重量発電装置最上部に連結すると同時に装置空間に留まった水は装置外に排水されると上昇保持されている該バケットが満杯により下降する。ことを繰り返して、ラック・アンド・ピニオン装置を介して発電装置を可動することを特徴とする水��重量発電装置である。
【発明の効果】
【００２２】  背景技術にも記載したが、本発明の効果は、重量利用発電の課題である、発電に供する重量物の昇降に係る、特に上昇時使用エネルギーの損失がほぼ解消されることである。
以下、次のような効果がある。
▲１▼  発電必要量に係るエネルギーより過大重量をバケットに与えることが可能で、空バケットの上昇エネルギーの使用負担を軽減、又は必要としなくなる。
▲２▼  該装置を多数連結することで、外部供給以外の余剰電力の発生を生じさせ、そのエネルギーで揚水ポンプを作動させ、該装置より下方にある水利の利用で、自力による揚水発電が可能となる。
したがって、水利の落差の無い箇所で、又水の有る所であれば発電が可能となり、山間地の融雪、照明など、さまざまな利用価値が生ずるものとなりうる。
▲３▼  水力発電は流水力、及びその落差をエネルギーに変換して電力を発生させるが、設置場所が限られている。本発明では、豊富な水があれば発電が可能となり、設置場所は水力発電より広範囲な箇所に設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本実施形態に係る基本構成となる単独使用時の正面図（断面）である。
【図２】水を溜めるバケットに固着する発電に係るラック・アンド・ピニオン、及び、同一方向回転装置の模式図である。
【図３】本実施形態に係る第１装置、第２装置の連結形態に於けるバケット昇降動作の最小ストロークを示した模式図である。
【図４】本実施形態に係る第１装置、第２装置の連結形態であって、バケット昇降動作のストロークを変更可能とする歯車、ベルト、チェーン等連結の模式図である。
【図５】［図４］に係る、ラック・アンド・ピニオンによる発電車軸回転を同一にする装置（特許文献３）の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】  以下、本発明を実施するための形態について図面を用いて説明する。本発明の昇降手段は同一形状のバケットであり、水の重量のみで作動する場合を特に例として説明する。又、図１には、回転増速機、及び発電機が記載されているが、図２〜図５は回転増速機、及び発電機の図面による記載は省略されている。
【第１実施形態】
【００２５】  図１は、本発明の基本となる単独重量発電装置Ａの正面視による断面図である。
当該装置は強固な略立方体に内装され、浮力をつくる排水された水を留める空間９を有しバケット２には、水が溜まるまでバケットを支持する装置（図示せず）を解除する機能を持つフロート１０により連結解除され、満杯のバケット２は固着されたラック３と共に下降し、回転歯車６を回し、増速機５１、発電機５２を作動しながらバケット２がバケット開放突起部５に到達するとバケット２の水が発電装置Ａの水溜め空間９に開放排水され、水溜め空間９に留まった水の浮力によって密閉空タンク４がバケット２を上昇させて、バケット保持装置に連結すると水溜め空間９の水は装置Ａの外部に排水１３され、密閉空タンク４は下降すると同時に再びバケット２に水槽より水が導入され満杯バケット２は下降する。この様な構成で上昇下降を繰り返して発電を行う形態である。
【００２６】  このとき発電歯車６はラック３の下降時のみ回転し、ラック３が上昇するときはワンウエイクラッチ７によって空転する。よって、第１実施形態の発電装置はラック３下降時のみに発電機能が働く構成になっている。
【００２７】  したがって、重量物発電の課題である重量物の上昇時エネルギーの損失を招くことなく浮力とバケット２との連携により連続した上下運動により安定した発電が可能となる。
しかしながら、バケット２が密閉空タンク４に押し上げられる状況の中で回転歯車６がワンウエイクラッチ７を使用することなく回転エネルギーを発電に変換することが可能となるような浮力上昇力を増強する方法の課題が残る。
【００２８】  ここで第１実施形態の工程を整理すると、当該装置最上部に複数の連結保持具により保持されたバケット２に水源より水が導入され、バケット２内フロート１０が上昇し、満杯地点に達するとフロートの浮力によりバケット２は連結具より開放され、増速機等の抵抗により略等速運動下降する。
【００２９】  装置底部に置かれた密閉空タンク４頂部に形成されたバケット開放突起部５へ到達時にバケット２底部の地点を開放突起部５に押し上げられると開放して排水された水は装置内に留まり、密閉空タンク４を浮力によりバケット２と共に上昇せしめ、バケット２が上部連結具に保持されると同時に水溜め空間９に留まっている水は装置下部に装備された排水口１３より排水され、密閉空タンク４が排水と共に降下し、底部に到達すると排水口１３は閉鎖される。を繰り返す。以上が第１実施形態の発電機能工程である。
【第２実施形態】
【００３０】  図３は、第１実施形態の装置を連結した形態を断面的に表したものである。第１実施形態と同一のバケット２であるが第２実施形態の説明に当たり、最初に水を導入したバケット２を第一バケット２として一方は第二バケット２として、又ラック３も同様に第一ラック３、一方を第２ラック３に変更して説明することとする。
【００３１】  第一バケット２に水を導入Ｗ満杯とすると、第１バケット２内フロート１０の浮力上昇力によりバケット連結保持具が解除され、重量を得た第１バケット２に固着された第一ラック３は増速機、発電機等の抵抗により略等速運動で降下を始める。ラック・アンド・ピニオンのピニオンに当たる回転歯車６が回転（反時計周り）し増速機５１を介して発電機５２を作動させながら連結された一方の第二ラック３と固着形成された空の第二バケット２を回転歯車が逆回転（時計周り）し上昇せしめる。第１実施形態と同様に満杯の第一バケット２はバケット２開放突起物５に到達した時点で、一方の第二バケット２は上昇を終えてバケット連結保持具により略固定されると同時に、第一バケット２の満杯水はバケット開放突起物５によって開放され、第１実施形態同様な工程を経て排水口により排水される。と同時に一方の第二バケット２が水利から導入Ｗ満杯となり下降を始めると空になった第一バケット２は上昇する、と、したがって両ラック３の上下運動の連続となることで同時に回転歯車６は正回転、逆回転と連続して作動するが、同一方向回転ギアボックスＧ（特許文献３）によって増速機５１、及び発電機５２を回転調整しながら同一方向に回転させることができることで第１バケット２、第二バケット２の両方が個々に連動しながら上昇、下降を繰り返し運動することで発電を中止することなく連続発電が可能となった。
【００３２】  この様に、本発明は重量物利用発電に於いて課題となっている重量物を上昇せしめるに必要なエネルギーの損失が解消されるに至る。
【００３３】  又、第２実施形態の構成をさらに複数連結して可動することで計画された外部への供給電力量以上の発電能力がある構成とし、その余剰発電で揚水ポンプの作動で上部水利に水が供給可能となれば第１、第２実施形態による排水の再利用することが可能となり、水流、水量の少ない、河川、農業用水等での電源の確保が可能となる。ただし、永久機関と成りうることは叶わず、条件として、常にある程度水量の確保は必須である。第１実施形態の装置構成を、特に空バケット２を押し上げる密閉空タンク４を第２実施形態に同様配して、複数連結構成することで可能となる。
【第３実施形態】
【００３４】  続いて図４・図５について説明する。３図第２実施形態に於いてストロークＳは省略しているが、４図ストロークＬと共に説明する。
【００３５】  上記記載したと同様に第一バケット２、第二バケット２の上昇下降は同一の可動とするが可動ストロークの範囲の違いがある。つまり、第２実施形態のストロークＳは第１実施形態の密閉空タンク４が在ることを想定したものであって、４図第３実施形態に於いては、密閉空タンク４を除去した時のストロークＬとなる。
【００３６】  バケット２夫々の作動は第２実施形態とほぼ同様である。唯、第一、第２バケット２は水の満杯状態で下降し、装置最下部に到達すると、バケットに固着されたラック３の位置をバケット２の最下部と近似した位置に変更し、夫々のバケット２が下降時にラック３が装置底部、又は地面が障害とならないように固着形成する。
【００３７】  図４について説明をする。第一バケット２に水を導入Ｗ満杯とすると、第１バケット２内フロート１０の浮力上昇力によりバケット連結保持具が解除され、重量を得た第１バケット２に固着された第一ラック３は増速機、発電機等の抵抗により略等速運動で降下を始める。ラック・アンド・ピニオンのピニオンに当たる回転歯車６が回転し増速機５１を介して発電機５２を作動させながら連結された一方の第二ラック３と固着形成された空の第二バケット２を逆方向に上昇せしめる。第１実施形態と第２実施形態同様に満杯の第一バケット２は装置最下部に形成された開放突起物５に到達した時点で、第二バケット２は上昇を終えてバケット連結保持具により略固定されると同時に、第一バケット２の満杯水はバケット開放突起物５によって開放され排水口により排水される。と同時に一方の第二バケット２が水利より水をＷ導入満杯となり下降を始めると空になった第一バケット２は重量差が逆転して上昇、と、したがって両ラック３が上下運動の連続となることで同時に回転歯車６は正回転、逆回転と連続して作動するが、同一方向回転ギアボックスＧ（特許文献３）によって増速機５１、及び発電機５２を回転調整しながら同一方向に回転させることができることで第１バケット２、第二バケット２の両方が個々に連動しながら上昇、下降を繰り返し運動することで発電を中止することなく連続した発電を行うことができる。
【００３８】  第３実施形態の工程を説明すると、上昇下降のストロークが水量、あるいは、設置場所の不具合等で変更され場合、密閉空タンク４を取り外した状態での発電工程である。さらに発電装置そのものを大型化すれば密閉空タンクを設置して上昇エネルギーの確保となる。
水力重量発電装置最上部に複数の連結保持具により保持された第１バケット２に水利より水が導入され、第１バケット２内フロート１０が上昇し、満杯地点に達するとバケット２内フロート１０の浮力上昇力によりバケット２は連結保持具より開放され、ラック・アンド・ピニオン装置の回転歯車を介して増速機５１、発電機５２等の抵抗が自由落下を抑制して略等速運動となり下降する。
【００３９】  水力重量発電装置最底部に設置されたバケット２開放突起部５へ第１バケット２が到達時にバケット２下部が開放排水され、と同時に上昇し終えて連結保持具に保持された第２バケット２に水が導入され、満杯状態で再び等速運動で下降する。を繰り返すこととなる。
【００４０】  ５図はストロークＳの変更によるラック・アンド・ピニオン装置が高低により分離し、発電に介する駆動装置が変更となり、回転歯車（変更され動力を受ける発電用プーリー３３となる）に動力を伝えるためのピニオンとなる上部回転歯車３０と発電用プーリー３３を駆動する上部チェーン３２と下部チエーン３４を介する下部回転歯車３５を装備し、夫々の回転歯車にワンウエイクラッチが装着され第１ラックと第２ラックを連結して、第１バケット２、第２バケット２が交互に昇降下降を繰り返す逆回転動力を同一方向回転に変え、発電用プーリーから増速機５１、発電機５２に伝える機構を持つ。
【００４１】以上で各実施形態の説明を終えるが、実施形態で説明されている各部、特徴の組み合わせのすべてが課題に係る解決手段に必須であるとは限らないものとする。また、変更された実施形態も本発明の技術範囲に含まれることは特許請求の範囲から明らかである。
【符号の説明】
【００４２】Ａ      水力重量発電装置原型
Ｂ      第１装置
Ｃ      第２装置
Ｇ      同一回転ギアボックス
Ｓ      第１及び第２実施形態バケットストローク
Ｌ      第３実施形態バケットストローク
Ｗ      水利より水を導入
１      各装置を内装する略立方体
２      バケット（第１バケット、第２バケット同じ）
３      ラック（第１ラック、第２ラック同じ）
４      密閉空タンク
５      バケット開放突起部
６      回転歯車
７      ワンウエイクラッチ
９      装置内水溜め空間
１０    連結解除フロート
１２    連結解除フロートガイドレール及びバケット保持具
１３    排水口
３０    上部回転歯車
３１    上部ワンウエイクラッチ
３２    上部回転用チエーン
３３    発電用プーリー
３４    下部回転用チエーン
３５    下部回転歯車
３６    下部ワンウエイクラッチ
【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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