(57)【要約】【課題】信頼性の高い揚水装置の提供。【解決手段】本発明の揚水装置は、上流側となる一端側から流入した流水を下流側となる他端側から排水できるように構成され一端側から他端側に向かうにつれてテーパー状に径が縮小するように構成された筒状のダクトと、ダクトの内側において他端側に配置されダクトの一端側から流入した流水の圧力を高める揚水機構と、揚水機構に接続されダクトに流入した流水の一部を排出する揚水管とを備え、揚水機構は、ダクトの内側に配置され一端側から他端側に向かってテーパー状に径が縮小するように構成される筒状のコーン体と、コーン体の内面に沿ってコーン体の周方向に環状に配置された複数の流路と揚水管の内部と連通する流水集束室とが形成されるようにコーン体の内面に沿って周方向に設けられた複数の隔壁部材と、流水集束室に設けられコーン体の軸心に沿って延びるスクリューバーとを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上流側となる一端側から流入した流水を下流側となる他端側から排水できるように構成され、前記一端側から前記他端側に向かうにつれて、テーパー状に径が縮小するように構成された筒状のダクトと、
前記ダクトの内側において、前記他端側に配置され、前記ダクトの前記一端側から流入した流水の圧力を高める揚水機構と、
前記揚水機構に接続され、前記ダクトに流入した流水の一部を排出する揚水管とを備え、
前記揚水機構は、
前記ダクトの内側に配置され、前記一端側から前記他端側に向かってテーパー状に径が縮小するように構成され、軸方向の両側に開口部を有する筒状のコーン体と、
前記コーン体の内面に沿って、前記コーン体の周方向に環状に配置された複数の流路と、前記複数の流路の径方向内側に設けられ、前記揚水管の内部と連通する流水集束室とが形成されるように、前記コーン体の内面に沿って周方向に設けられた複数の隔壁部材と、
前記流水集束室に設けられ、前記コーン体の軸心に沿って延びるスクリューバーと
を備え、
前記複数の隔壁部材のうち、前記コーン体の周方向で隣接する２つの隔壁部材の間の流路の、前記コーン体の軸方向に垂直な方向に切断した断面形状が、前記コーン体の軸心に向かって幅が細くなる略扇状となるように構成され、
前記流路の断面積が、前記他端側に向かって小さくなるように構成され、
前記複数の流路のそれぞれが、前記流水集束室と、スリット状の隙間を介して径方向に連通している、揚水装置。
【請求項２】
前記流水収集束室の長さ方向に垂直な断面形状が略円形であり、該流水収集束室は前記揚水管との接続部に向って縮径するように構成されている、請求項１記載の揚水装置。
【請求項３】
前記スクリューバーは尖型テーパー状のバーに螺旋状の溝が形成されたリードスクリューである、請求項１または２に記載の揚水装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、河川、湖沼、水路、海等、の水中に設置され、流水エネルギー（河流、潮流、海流）を利用して、筒状のダクト内部に設けられた揚水機構で流水を集束し水面上へ揚水する揚水装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、図９に示されるように、筒状の流水増速ダクト１０１内に設けられた水流コーン体１０２の先端に揚水機構１０３が設けられた揚水装置１００が示されている。水流コーン体１０２は、河川等の水を先端側（ＵＳ側）から吸引して後端側（ＤＳ側）から放出するものであり、円錐状に形成された筒状をなす。また、水流コーン体１０２の内周面は、先端側に窄んだ漏斗状に形成されている。揚水装置１００は、上流側に揚水機構１０３が設けられた水流コーン体１０２の径方向外側に、筒状の流水増速ダクト１０１を備えている。流水増速ダクト１０１は、ダクト流入開口部１０１１からダクト排出開口部１０１２に向かって、水流コーン体１０２との間の空間が狭くなるように構成され、流水増速ダクト１０１と水流コーン体１０２との間を通過する流水は下流側に向かって速度が上昇する。
【０００３】
水流コーン体１０２の後端側（ＤＳ側）の縁部には周方向に沿って略Ｖ字ウェーブ状の切込部１０２１が複数形成されており、水流コーン体１０２の内部を流れる水流は、流水増速ダクト１０１と水流コーン体１０２の間を流れる水流に、切込部１０２１を介して合流する。この結果水流コーン体１０２の内部を流れる流水の速度が上昇する。揚水機構１０３には、水流コーン体１０２内で回転する羽根車１０２２と同軸で接続されており羽根車１０２２の回転に伴って回転する揚水用羽根車１０３１と、揚水用羽根車１０３１の回転に伴って上方へ送出される水の通路となる揚水管１０３２とが備えられている。水流コーン体１０２の内部を流れる流水の速度が上昇することにより、より効率的に羽根車１０２２を多く回転させることができ、揚水能力は向上する。すなわち、水流エネルギーの利用効率を高めることができ、河川等の流水による水力エネルギーを効率よく揚水に活用できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第６２６７８２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１の揚水装置１００は、流水増速ダクト１０１と水流コーン体１０２との間を流れる低圧化された流水に、水流コーン体１０２の内部を流れる流水が吸引されて合流することにより高速化した水流コーン体１０２の内部を流れる流水が間接的に揚水用羽根車１０３１を回転させ、一定の揚水効果を得るものである。しかしながら、特許文献１の揚水装置１００では揚水機構１０３に可動部材である羽根車１０３１、１０２２が用いられていることから定期的に保守点検が要求される。すなわち、揚水装置１００は水中で使用されるものであることから、回転部品である羽根車１０３１、１０２２には、水中に含まれる異物が絡み付き回転軸に巻き込む可能性があり、これにより羽根車１０３１、１０２２の回転が阻害され、揚水能力が低下する虞がある。
【０００６】
そこで、本発明はかかる問題点に鑑みて効率よく水流エネルギーを揚水に利用し得る、故障率が低く信頼性の高いメンテナンスが容易な揚水装置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】
【０００７】
本発明の揚水装置は、上流側となる一端側から流入した流水を下流側となる他端側から排水できるように構成され、前記一端側から前記他端側に向かうにつれて、テーパー状に径が縮小するように構成された筒状のダクトと、前記ダクトの内側において、前記他端側に配置され、前記ダクトの前記一端側から流入した流水の圧力を高める揚水機構と、前記揚水機構に接続され、前記ダクトに流入した流水の一部を排出する揚水管とを備え、前記揚水機構は、前記ダクトの内側に配置され、前記一端側から前記他端側に向かってテーパー状に径が縮小するように構成され、軸方向の両側に開口部を有する筒状のコーン体と、前記コーン体の内面に沿って、前記コーン体の周方向に環状に配置された複数の流路と、前記複数の流路の径方向内側に設けられ、前記揚水管の内部と連通する流水集束室とが形成されるように、前記コーン体の内面に沿って周方向に設けられた複数の隔壁部材と、前記流水集束室に設けられ、前記コーン体の軸心に沿って延びるスクリューバーとを備え、前記複数の隔壁部材のうち、前記コーン体の周方向で隣接する２つの隔壁部材の間の流路の、前記コーン体の軸方向に垂直な方向に切断した断面形状が、前記コーン体の軸心に向かって幅が細くなる略扇状となるように構成され、前記流路の断面積が、前記他端側に向かって小さくなるように構成され、前記複数の流路のそれぞれが、前記流水集束室と、スリット状の隙間を介して径方向に連通していることを特徴とする。
【０００８】
上記揚水装置は、前記流水収集束室の長さ方向に垂直な断面形状が略円形であり、該流水収集束室は前記揚水管との接続部に向って縮径するように構成されていることが好ましい。
【０００９】
また、上記揚水装置の前記スクリューバーは、尖型テーパー状のバーに螺旋状の溝が形成されたリードスクリューであり得る。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の揚水装置によれば、流水エネルギーを効率的に利用し揚水することが可能な揚水装置が提供される。回転軸や羽根車といった可動機構を備えずとも揚水が可能であり、簡単な構造で信頼性が高く軽量かつメンテナンスが容易な揚水装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態の揚水装置を示す部分断面図である。
【図２】図１の揚水装置を先端側から見た図である。
【図３】本発明の一実施形態の揚水装置における揚水機構のコーン体を部分的に除去した状態の図である。
【図４】図３の揚水機構の断面図である。
【図５】図３の揚水機構を先端側から見た図である。
【図６】図３の揚水機構を後端側から見た図である。
【図７】図４のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。
【図８】流路内における流水の挙動を説明する流路の模式図である。
【図９】従来の揚水装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照し、本発明の一実施形態の揚水装置を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態はあくまで一例であり、本発明の揚水装置は、以下の実施形態に限定されるものではない。
【００１３】
図１に本発明の一実施形態の揚水装置Ｐが示され、図２には揚水装置を流水の上流側となる一端側（ＵＳ側）から見た図が示されている。この揚水装置Ｐは、上流側となる一端側から流入した流水を下流側となる他端側（ＤＳ側）から排水できるように構成され一端側から他端側に向かうにつれてテーパー状に径が縮小するように構成された筒状のダクト４と、ダクト４の内側において他端側に配置されダクト４の一端側から流入した流水の圧力を高める揚水機構１と、揚水機構１に接続されダクト４に流入した流水の一部を水面Ｗ上へと排出（揚水）する揚水管２とを備えている。揚水機構１は、その外周を被覆するように、ダクト４の内側に配置され一端側から他端側に向かってテーパー状に径が縮小するように構成され軸方向の両側に開口部を有する筒状のコーン体１ａを有している。揚水装置Ｐは係留手段を介して河川等の水中の所定の位置で保持される。本実施形態では、揚水装置Ｐはフロート５を用いて水面Ｗから所定の深さに保持され、ダクト４に結合されているロープＲが河川の外部に設けられた固定構造物に固定されることで、所定の位置で保持される。揚水装置Ｐが設置される水面からの深さは、ダクト４及びフロート５に結合された支柱６の長さによって適宜調整され得る。
【００１４】
図１の矢印Ｆ１は、ダクト４の内側を流れる流水（ダクト内流入水）を示し、矢印Ｆ１１は揚水機構１内に上流側から吸い込まれ、その内部を通過する流水（コーン内流入水）を示す。また、矢印Ｆ２はダクト４の外側を流れる流水（ダクト外流水）を示している。矢印Ｆ１２は揚水機構１を通じ、詳しくは後述する揚水機構１のコーン内流入水Ｆ１１を集束する作用により集束され揚水管２を通じて水面Ｗより高い位置に揚水される圧力水を示している。ダクト４は、一端側（ＵＳ側）及び他端側（ＤＳ側）が開口した筒状に形成され、一端側にはダクト流入開口部４ａが形成され、流水をダクト４内に導入するように構成されている。また、ダクト４には、図１に示されるように、他端側にダクト流出開口部４ｂが形成され、ダクト４内に流入した流水を他端側から排出できるように構成されている。揚水装置Ｐは、例えば河川の上流側にダクト流入開口部４ａを向け、下流側にダクト流出開口部４ｂを向けて設置される。
【００１５】
ダクト４は、ダクト流入開口部４ａからダクト流出開口部４ｂに向かって、軸方向（筒の長さ方向）に垂直な断面が小さくなるようにテーパー状に形成されている。なお、本実施形態では、図１及び図２に示されるように、筒状のダクト４は、軸方向に垂直な断面が略円形となるように構成され、全体として中空の（筒状の）略円錐台形状となっているが、ダクト４は、断面を略矩形状等、多角形状とされても構わない。
【００１６】
また、ダクト４の一端側（ＵＳ側）には、揚水装置Ｐを係留するためにロープＲが接続されるロープ接続部４１が設けられている。ダクト４の材料は、特に限定されないが、揚水装置Ｐの使用環境が屋外の水中であり紫外線の影響を受けやすいことを考慮すると、水圧に耐える程度の剛性を有し、かつ、耐食性及び耐候性の高い材料で形成されることが好ましく、例えばＰＶＣ、ポリカーボネート、アクリル、ＰＦＡ、などの樹脂が使用され得るが、耐食性の金属が用いられてもよい。このようなダクト４の内側におけるダクト流出開口部４ｂ側に、コーン体１ａに覆われている揚水機構１が配置される。
【００１７】
なお、揚水装置Ｐの全体の大きさは特に限定されないが、ダクト４の軸方向の長さは、たとえば、６００ｍｍ〜１０００ｍｍとすることができ、コーン体１ａの軸方向の長さは、たとえば、１７０ｍｍ〜２２０ｍｍとすることができ、また、ダクト４の外径（直径）は、たとえば、ダクト流入開口部４ａが３８０ｍｍ〜５５０ｍｍ、ダクト排出開口部４ｂが１６０ｍｍ〜２５０ｍｍとすることができる。また、コーン体１ａの外径（直径）は、たとえば、先端側の開口部が１８０ｍｍ〜２５０ｍｍ、後端側の開口部が１２０ｍｍ〜１９０ｍｍとすることができる。
【００１８】
次に、揚水機構１について説明する。図１及び図２に示されるように、揚水機構１は、ダクト４の内側にガイドベーン３を介して、その中心軸がダクト４の中心軸と略同軸となるように固定して設置される。ガイドベーン３はコーン体１ａ外面の長さ方向に沿って延びるように形成され、かつ、コーン体１ａの周方向に９０度間隔で４つ配置されている。ガイドベーン３のコーン体１ａの外面と接続している部分と反対側の部分はダクト４の内面と接続している。本実施形態では、揚水機構１の長さ方向（コーン体１ａの軸方向）の全体が、ダクト４に覆われるように構成されている。揚水機構１はダクト４内のダクト流出開口部４ｂ側寄りに設置される。コーン体１ａの下流ＤＳ側の開口部は、流水ダクト４の下流ＤＳ側の縁部となるダクト流出開口部４ｂよりも内側（上流ＵＳ側）に位置している。コーン体１ａの下流ＤＳ側の開口部の軸方向における位置は特に限定されないが、たとえば、ダクト流出開口部４ｂから約７０ｍｍ〜１００ｍｍ、好ましくは約７５ｍｍ〜９０ｍｍの位置とすることができる。
【００１９】
揚水機構１の下流ＤＳ側に取り付けられる揚水管２は、その先端部に揚水機構１と接続する径が大きく形成された部分である接続部２１（図４参照）を有しているが、他の部分は略同径の管である。揚水管２は揚水装置Ｐが水中に設置される際には、接続部２１と反対側の端部が水面Ｗより上に位置するように設けられ、その先端には任意の取水装置が接続され得る。
【００２０】
図３には、揚水機構１のコーン体１ａの一部が取り外された状態が示されており、図４には揚水機構１の断面図が示されている。揚水機構１はコーン体１ａの内側に複数配置された、略三角柱状の部材１１ａに、その長さ方向における両端に略三角錐状の部材１１ｂが組み合わされた隔壁部材１１と、隔壁部材１１の上端側の一部が取付けられたナット状部材１２と、ナット状部材１２の内壁に形成された溝に螺合されナット状部材１２と反対側に向かって尖った略円錐状のハブ１３と、ハブ１３に取り付けられ先細りの螺旋状の形状を有し、コーン体１ａの軸心に沿って延びるスクリューバー１ｓとを有している。隔壁部材１１のナット状部材１２に取り付けられた部分の長さ方向における反対側の一部は、揚水管２の接続部２１の外周に取付けられている。隔壁部材１１、ナット状部材１２、ハブ１３、及びスクリューバー１ｓは、上述のダクト４と同じく、耐食性、耐候性を有する材料で形成され、その形成及び他部材との接続には耐水性の接着剤が用いられ得る。
【００２１】
複数の隔壁部材１１は筒状のコーン体１ａの内面に沿って周方向に複数設けられる。隔壁部材１１は、コーン体１ａの中心軸を中心として放射状に設けられている。複数の隔壁部材１１の、コーン体１ａの中心軸を向く面によって、後述する流水集束室１ｉを形成する筒状部分が形成される（図７参照）。また、隔壁部材１１の略三角柱状の部材１１ａのうち、コーン体１ａの中心軸を向く面を除いた２つの面は、図７に示されるように、径方向外側に向かうにつれて、互いの間隔が短くなるように延びて、コーン体１ａの内壁と接合している。コーン体１ａの周方向に隣接する２つの隔壁部材１１の間の空間が、コーン内流入水Ｆ１１の通路となる流路１ｆを画定し、流路１ｆは断面形状が略扇形とされ、流路１ｆの略扇形の断面形状における円弧部はコーン体１ａの内壁で構成され、直線部は互いに隣接する２つの隔壁部材１１の対向する面によって構成される。すなわち、流路１ｆはコーン体１ａの内面に沿ってコーン体１ａの周方向に環状に複数配置され、複数の隔壁部材１１のうちコーン体１ａの周方向で隣接する２つの隔壁部材の間の流路１ｆのコーン体１ａの軸方向に垂直な方向に切断した断面形状は、コーン体１ａの軸心に向かって幅が細くなる略扇状となるように構成される。
【００２２】
複数の放射状に配置された隔壁部材１１に取り囲まれた、コーン体１ａの中心側の空間は略円筒状とされ、この略円筒状の空間における、揚水管２の接続部２１とナット状部材１２とに挟まれた領域にはスクリューバー１ｓが配置され、流水集束室１ｉとして機能する。コーン体１ａの内面に沿って周方向に設けられた複数の隔壁部材１１によって形成される複数の流路１ｆの径方向内側には揚水管２の内部と連通する流水集束室１ｉが形成される。流路１ｆの根本の部分（断面形状おける略扇形のかなめにあたる部分）となる、流水集束室１ｉと流路１ｆとの境界部には、流路１ｆと流水集束室１ｉとが連通するスリット状の隙間１ｇが形成されている。すなわち、１つの隔壁部材１１の、コーン体１ａの中心軸を向く面と、隣接するもう１つの隔壁部材１１の、コーン体１ａの中心軸を向く面とは、コーン体１ａの周方向にわずかに隙間が形成されるように設けられ、その隙間が流路１ｆと流水集束室１ｉを連通するスリット状の隙間１ｇとなる。
【００２３】
流路１ｆ、及び、流水集束室１ｉは上流ＵＳ側から下流ＤＳ側に向けて断面積が縮小するテーパー状に形成される。すなわち、略円錐台形状のコーン体１ａは一端側から他端側へ向けて一定のテーパー角度で縮径するが、その内部に配される複数の隔壁部材１１の各々は、隔壁部材１１によって画定される流水集束室１ｉの断面積が上流ＵＳ側から下流ＤＳ側に向かって縮小し、かつ、流路１ｆの断面積が一端側から他端側に向かって小さくなるように、その略三角形の断面積が上流ＵＳ側から下流ＤＳ側に向かって小さくなるように形成される。このような構造にすることで、縮流効果を利用して水流エネルギーを効率的に揚水に利用することができる。
【００２４】
図４に示されるように、流路１ｆ内に流入したコーン内流入水Ｆ１１は、流路１ｆが下流ＤＳ側に向かってテーパー状にされていることにより発生する圧力１ｈを受け、コーン内流入水Ｆ１１の一部はスリット状の隙間１ｇを経て流水集束室１ｉへと流入する。流水集束室１ｉに流入しなかったコーン内流入水Ｆ１１の一部はコーン体１ａの下流ＤＳ側から揚水機構１の外へと排出されダクト内流入水Ｆ１と合流し、最終的にダクト流出開口部４ｂから揚水装置外へと排出される。
【００２５】
図７及び図８を参照し、流路１ｆから流水集束室１ｉへの流入に関して詳述する。図７には、図４におけるＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った断面図が示されており、図８には、断面形状が略扇形の流路１ｆの一つが立体的に模式図で示されている。図７に示されるように、流路１ｆの断面形状は、スリット状の隙間１ｇを基部とした略扇形に形成されており、図８に示されるように、この形状は流路１ｆの上流ＵＳ側（図８紙面の左側）から下流ＤＳ側（図８紙面の右側）に向けて相似形をなして縮小する。すなわち、流路１ｆの略扇形の広がり角度は上流ＵＳ側と下流ＤＳ側で変化はなく、コーン体１ａの内壁により画定される扇の円弧部の幅、及び、隔壁部材１１によって規定される扇の側部（直線部分）が、下流ＤＳ側に行くにしたがって縮小する。流路１ｆに上流ＵＳ側から流入したコーン内流入水Ｆ１１は流路１ｆが下流ＤＳ側に向かって細くなっていることから生じる縮流効果によって生じる圧力（扇形の円弧部からかなめ部に向かう圧力）１ｈに従って流水集束室１ｉへと流入する。
【００２６】
スクリューバー１ｓは、尖型テーパー状のバーに螺旋溝状のリードスクリューを形成したものであり、その中心軸が流水集束室１ｉの中心軸と略同軸となるように、流水集束室１ｉの上流ＵＳ側を閉塞するハブ１３のナット状部材１２に螺合している部分に取り付けられる。図４に示されるように、スクリューバー１ｓの先端の部分は揚水管２の接続部２１内にまで伸びて入り込んでいる。
【００２７】
スクリューバー１ｓによって、流水集束室１ｉにスリット１ｇから流入した圧力水Ｆ１１１は、その流れが渦流化されて揚水管２内へと流入し、圧力水Ｆ１２として揚水管２内を進行して水面上へと揚水される。渦流化されることで、流水は効率的に揚水管２内へと導入されることになり、流路１ｆにおける圧力１ｈを無駄なく揚水に利用すること、すなわち水力エネルギーの利用効率を向上させることが可能となる。
【００２８】
上述した実施形態の揚水装置を河川流内で使用して良好に揚水効果が得られることが確認されている。本発明の揚水装置は動力として水流を利用することから、別途電源などの動力を必要とせず、山間部などの動力源としての電力が確保されにくい場所においての利用に適している。また、回転子などの可動機構を備えずに揚水が可能であることから、メンテナンスが容易で比較的故障率が低く信頼性が高い。また耐食及び耐候性の材料を採用することでさらに信頼性を向上させることができる。
【００２９】
なお、上記実施形態の揚水装置Ｐでは、揚水機構１及びダクト４をそれぞれ１つのみ使用しているが、配置スペースや用途に応じて、複数の揚水機構１及びダクト４を連結して使用することも可能である。
【００３０】
また、ダクト４及びフロート５を折り畳み可能な材料から構成し、揚水管２を、継手構造を有する複数の管から構成してもよい。この場合、ダクト４、フロート５、及び揚水管２を携行時にコンパクトにすることができ、野営用等に活用することができる。
【符号の説明】
【００３１】
１          揚水機構
１１        隔壁部材
１２        ナット状部材
１３        ハブ
１ａ        コーン体
１ｆ        流路
１ｈ        圧力
１ｓ        スクリューバー
１ｉ        流水集束室
１ｇ        隙間
２          揚水管
２１        接続部
３          ガイドベーン
４          ダクト
４１        ロープ接続部
４ａ        ダクト流入開口部
４ｂ        ダクト流出開口部
５          フロート
６          支柱
１００      揚水装置
１０１      流水増速ダクト
１０１１    先端側開口部
１０１２    後端側開口部
１０２      水流コーン体
１０２１    切込部
１０２２    羽根車
１０３      揚水機構
１０３１    揚水用羽根車
１０３２    揚水管
Ｆ１        ダクト内流入水
Ｆ１１      コーン内流入水
Ｆ１１１    圧力水
Ｆ１２      圧力水
Ｆ２        ダクト外流水
Ｐ          揚水装置
Ｒ          ロープ
ＵＳ        上流
ＤＳ        下流
Ｗ          水面
【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】
2020112138.tif 000008
【図７】
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【図８】
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【図９】
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