(57)【要約】      （修正有）【課題】本発明は、波力や水力のエネルギーを効率よく収容するタービンを提供する。本タービンには、波浪における往流、復流が持つエネルギーの双方を収容することを条件として課す。また、発電装置には、設置場所が至便であること、および、保守が容易であること、を条件として課す。【解決手段】本タービン内部の左右に上下二個のギヤーを持つ垂直回転軸２１，２３を配置し、左右ギヤーを連結する上下二本の連鎖の間に、複数のブレード６３を垂直に嵌め込む。これらブレード６３は遥動可能であるが、ブレード６３と連動する鎖上のストッパーにより、その変動角度は制限される。このときブレード６３は自らの方向を自動的に選んで、往流、復流から同じ方向の力を得る。また、本タービンは左右上下に拡幅可能であり、流体流エネルギーの異方的分布に適応できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上下二枚のギヤーの取り付けられた垂直回転軸を配置し、左右のギヤーを連結する上下二本の連鎖間にブレードが嵌め込まれるが、このブレード自身は左右両端のうちの一端の上下において鎖より突起した（または鎖辺縁に陥入する）支持軸で支持され、この支持軸を回転軸として回転出来るものの、その角度は鎖に接続されているストッパーにより制限されているために、往復流および非往復流の双方に適用可能となる発電用タービン。
【請求項２】
ギヤーの取り付けられている垂直回転軸を増設し、これらギヤー間をブレードの嵌め込まれた連鎖を延伸して連結したり、また、上下2連の鎖にさらに多連の鎖を上下に加えてブレードを多層に嵌め込んだりして、エネルギーの異方的分布に応じて左右上下に拡幅できる発電用タービン。
【請求項３】
本発明によるタービンによって得られる回転を発電機に引き込むことにより、発電機を流体中に没入させることなく、また、浅瀬や河川などのように異方的に分布しているエネルギーを効率よく収容して発電することができる発電装置。
【請求項４】
船体様浮体の中腹辺りに、吃水線以下で且つ波浪が生じている深さを上下幅とする空洞を横断的に開けて本発明によるタービンを設置し、このように設置させて得られたタービンの回転を、吃水線より上に位置する発電機に取り込み発電する発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自然エネルギーの一種である波力エネルギーおよび水力エネルギーを利用して機械的回転を得るためのタービンを考案し、これを用いた発電装置を提供するものである。このタービンでは、波力及び水力が持つ特性を積極的に考慮することにより、それらのエネルギーを効率よく収容するための工夫が為される。
【背景技術】
【０００２】
現在、人類はCO２排出による地球温暖化や化石燃料の枯渇などの極めて深刻な問題に直面しており、文明生活を持続可能とするためには、波力エネルギーのような自然エネルギーを有効に利用することが求められている。実際に、従来からのダム建設による水力発電に加えて、太陽光発電や風力発電も実用が進みつつある。しかし、波力エネルギーやダム建設を伴わない水力エネルギーの発電への利用は、多くの努力や試みが為されているものの未だ広く利用できる段階ではない。そこで、これら波力エネルギーや水力エネルギーを効率よく収容するタービンを開発し、発電に供することは大変意義深いと考えられる。
【０００３】
現在までに考案されている波力および水力エネルギー収容機構には、（１）海面の上下運動を用いて空気流を生じさせるもの、（２）浮体を用いて海面の上下運動を機械的往復運動に変換するもの、（３）海面以下に沈めた回転体（タービン）を潮流などの海流によって回転させるもの、（４）波浪を海岸に設置している施設に取り込んでそのエネルギーを取り込むもの、などがある。本発明におけるエネルギー収容機構は（３）に述べられたものと関連しているが、この機構に限って見ても、プロペラ方式、ダリウス方式、サポニウム方式などが既に提案されている。これらの方式は元来風力エネルギーの利用に際して考えられて来たものであり、波力エネルギーや水力エネルギーに利用する機構としては収容効率を上げる上で十分とは言えない。
【０００４】
本発明は、プロペラ方式のように、羽根板（ブレード）を持つタービンを波力および水力用に改良することを意図しているが、これに関連すると思われる先行技術として、クロスフロー水車、全流向型縦軸水車、揺動羽根水車などがある。
【０００５】
クロスフロー水車は、波浪における往復流の双方を発電に利用することを意図して、往流、復流によって羽根車の使用部位を変更する。全流向型縦軸水車は、流体流の方向によって羽根の方向が変化し、回転軸の同一方向回転に寄与する羽根のみが流体流を受け止め、そうでない羽根は流体流の方向と平行になるように工夫されている。その結果、任意の方向を持つ流体流に適用することができる。また、揺動羽根水車では、流体流の方向に従って、方向が揺動できる羽根を組み込むことにより、波浪における流体の上下動をタービンの一方向の回転に利用する。
【０００６】
これらの装置では、波浪の一部をやり過ごしたり、装置自身の一部を無効にするなどの工夫がされている。しかし、その結果、流体流エネルギーの一部を放棄する、また、利用しようとする波浪の範囲に比して装置が大きくなりすぎるなどの問題点が生じ、タービン（従って、発電機）のエネルギー収容効率を上げるうえで最善とは言えない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許公開２００３−１２０４９９
【特許文献２】特許公開２００２−３６４５１３
【特許文献３】特許公開  平１０−２８８１３９
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】「新エネルギー大辞典」茅  陽一監修、工業調査会出版、ｐ．593（上原春男分担執筆）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
（１）現在しばしば採用される波力発電方式としては、海面の上下によって海面に接する空気に圧力を生じ、これにより生ずる空気流を利用して空気タービンを回すもの、海面の上下変化を浮体に伝えて浮体内部でエネルギーを収容するものなどがある。また、河川において広く行われている水力発電においては、ダムに貯水することにより大きな落差を人工的に作り、この落差間を流れ落ちる水流をタービンの駆動に用いている。これらの発電方式では、流体流が持つエネルギーのうち、位置エネルギーの一部を主として使用していることになる。しかし、流体流は流体の位置エネルギーばかりでなくその運動エネルギーも併せ持っている。流体の密度が空気の密度に比べて大変大きく、また、浅瀬などにおける波浪のエネルギーは波高も小さく運動エネルギーの割合が大きいので、タービンの性能を向上させるためには、流体流が持つ運動エネルギーを出来るだけ直接的に収容することが望ましい。
【００１０】
（２）波浪は、局所的に見れば往復流となっている。それにも拘わらず一定方向のタービンの回転を得るために、片側方向の流れをやり過ごす、往流復流に応じてタービンの片側のみを選択して働かせる、などの方式が考案されている。これらの方式では、流体流運動エネルギーの半分を放棄したり、タービンが占有する面積に比して流体流入口の面積が半減したりしている。従って、往流、復流の双方を同等に活用することは、タービンの性能向上において重要である。  
【００１１】
（３）波浪は海面に発生する表面波であり、その振幅は海面より深さ方向に進むにつれて速やかに減衰する。また、河川における水流は多くの場合川幅方向に拡がって流れている。これらのことは、波力エネルギー、水力エネルギーともに、それらのエネルギー分布は流体流の方向に垂直で静止流体表面に平行な方向に広く拡がっていることを意味する。タービンの性能を向上させるためには、このように極めて異方的に分布するエネルギーを効率よく収納するものでなければならない。
【００１２】
（４）発電システムは、エネルギー収容効率の高いタービンを組み込むことに加えて、設置場所の至便性や稼動時保守の容易さをも持つことが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
これらの条件を満たすことを可能にするタービンとして、静止流体表面に垂直な、複数の回転軸を有し、流体流の方向に垂直で水平方向に拡張された前後開口部（流体流入口と流出口）を持つ構造体を考案し、これを流体中で作動させることにより得られた回転を、流体に没入させることのない発電機に取り込むことにより発電する発電システムを提案する。
【００１４】
本発明によるタービンの内部構造には次の工夫が為される。まず、左右両端において支持されている垂直回転軸に、同じ中心軸を持ち、垂直回転軸と一体となって回転する上下二個のギヤーを、羽根板（ブレード）の上下幅だけ隔てて取り付ける。左右における上ギヤー同士および下ギヤー同士をそれぞれの鎖で連結する。これら上下二本の鎖の間隔に長方形類似の形を持つブレードを、鎖方向に適切な距離だけ隔てながら垂直に取り付ける（図２）。この取り付けにおいては、ブレード自身の左右両端のうちの一方にブレード回転軸を付加しておき、このブレード回転軸の上下に開けられている孔状軸受けに、前もって鎖に取り付けられている突起状支持軸を嵌め込む。または、ブレード回転軸から上下に伸びる支持軸を鎖辺縁に取り付けられている軸受けに差し込む。この工夫によって、上下鎖によって支えられながらブレード回転軸の周りに回転することのできるブレードを取り付けたことになる（図５、図６）。しかし、このブレードの回転は、流体流の方向によって自動的に制御されなければならない。それを可能にするために、前もってブレードの上下にこれに垂直な制御板を取り付け、これら制御板の（回転軸とは反対側の）端にブレード下辺稜を中心線とする円弧形の導路（リードギャップ）を開けておき、同時にこのリードギャップがブレードと交わる位置にもブレードに切り込みを入れて置く。これら上下二ヶ所のリードギャップに、前もって鎖に固定されている突起状制限子（ストッパー）を嵌め込む（図５、図6）。この工夫により、ブレードは流体流の方向に従って自動的にその方向を選択した後、流体流の運動量を直接的に受け取る。その結果、往流、複流のいずれもがブレードに同一方向の力を与え、この力がギヤーの同一方向の回転を与えることができる（図7）。なお、鎖を延伸したり、回転軸を追加したりして、開口部を左右に拡幅することにより、幅広く1次元的に分布する流体流のエネルギーを効率よく収容することができる。また、ブレード層を上下に重ねて多層にすることにより、深さ方向に分布する流体流エネルギーも収容することができる。
【００１５】
以上のように、揺動可能なブレードを左右のギヤーに渡された上下二本の鎖間に垂直に配列するというタービンの立体構造が、求められた課題を解決することを可能にする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によるタービンは、流体流が持つ運動エネルギーを直接に収納すること、波浪における往流、復流の双方を同等に活用すること、および、エネルギー分布の異方性に対応できることによって、波力および水力エネルギーを効率よく収納することができる。このことは、とりもなおさず、本タービンの使用による発電のコストを低減することができる。一般に、自然エネルギーの存在密度は低く且つ広範囲に分布しているために、発電コストは高くなることが避けられないが、本発明は、そのような自然エネルギーの利用促進に寄与するものと期待される。
【００１７】
本発明による装置は、流体流エネルギーの分布に応じて、流体流の流入出口を矩形（またはそれに類似形）にすることができる。このことは、風車類似の円形の装置に比して、設置場所への制限が少なく、本装置の設置を大変容易にするものと予想される。                  
【００１８】
本発明によるタービンにおいては、流体流によって最終的に駆動された回転の軸の方向は静止流体表面と鉛直を成している。この回転軸を発電機に引き込む時、発電機は流体の外部に設置することができる。このことは、発電機の設置、保守、送電に好都合である。
【００１９】
沿岸部のような比較的浅い海域では、波浪における流体流は深さ方向の流れ成分が減少し水平方向の流れ成分が増加するために、その運動エネルギーは流体の水平方向の運動に集まる傾向がある。本発明によるタービンは流体の垂直方向の運動のない往復流に適したものであるので、これを沿岸部で波浪が水平方向の運動を多く含むような箇所に設置することは、流体流運動エネルギーを収納するうえで有利であるだけでなく、設置費用も低いという利点を持つ。加えて、発生させた電力を陸地まで送電することも容易である。
【００２０】
河川において、ダム建設による人工的落差のある場所ではなく、自然地形を流れる水流は、その位置エネルギーを殆ど運動エネルギーに変えていると言ってもよい。本発明によるタービンはそのような非往復流にも適用できる。タービンの水流入出口を川幅方向に延伸することにより、川幅方向に拡がって流れる水流を取り込むことができる。この利点のために、川幅全体に拡がる水力エネルギーを収容することが可能であるので、比較的急流で流量豊富な河川を選ぶことにより、ダム建設に依ることなく発電をすることができる。
【００２１】
本発明によるタービンは、装置設置における安定性において次の利点を持つ。本タービンの流体流入口から入って来た流体は、最初にブレードに衝突して運動量を与えるが、その反作用として流体流は最初のブレードが得た運動量とは反対方向の負の運動量を得る。このようにして進行する流体流は、流出口側にあるブレードに再び衝突してブレードから正の運動量を受け取った後、タービンより流出する。その結果、流体流はタービンの回転軸の回りの回転を与えているものの、タービン全体に流体流方向に垂直な方向の運動量を与えることはない。このことのために、本タービンを流体中に設置する場合、その安定対策の工事を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】装置全体の概観（概念図）を示す。
【図２】ドラム付近の内部構造（概念図）を示す。
【図３】ドラム付近の内部支持体（概念図）を示す。
【図４】ギヤーの取り付けられた回転軸（概念図）を示す。
【図５】制御板が取り付けられたブレード（概念図）を示す。（a）は支持軸陥入型を、また、（b）は支持軸突起型を示す。
【図６】ブレードが連結される鎖部分（概念図）を示す。（a）は支持軸陥入型ブレード用鎖部分を、また、（ｂ）は支持軸突起型ブレード用鎖部分を示す。
【図７】流体往復流を受けているときのブレード面角度分布（概念図）を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明による装置の製作においては、設置場所の地形、気象、その場所での波浪、水流の性質（波の振幅、水流の速度など）などを考慮して設計しなければならない。従って、ここでは装置の具体的な設計例を示すことはしない。むしろ、装置製作、実施において予想される一般的な要点を図に即しながら述べる。
【００２４】
図1について説明する。4本の支柱１1で支えられたキャビネットの両端にドラム様のもの１３，１４があり、この内部に回転軸２１、２３とこれらを中心軸とするギヤーがそれぞれの上下に取り付けられている。キャビネットの前面には、流体流導入出板１５で囲まれた流入出口が開けられており、流体がここより流入出する。これより流入した流体は先ず流入口側に位置しているブレード６３に衝突し、ブレードの方向を変えるが、その角度は制御板６５にあるリードギャップ（導孔）に差し込まれているストッパー（突起状の制限子）によって制限されている。流体流はブレードの方向を変えた後、右方向に力を与える。その後、後面にある流出口側付近に位置しているブレードに再び衝突する。ここでもブレードの方向を変えながら左方向の力を与えた後、キャビネットより流出する。ブレードに与えられた力は鎖を通してギヤーに届き偶力を与え回転軸２１、２３の周りの回転を生む。得られた回転は、発電機１７に伝えられ、発電する。
【００２５】
装置前後の流体流入出口の縦幅は、設置場所における波浪または水流の深さに合わせて製作する。これら流体流が起こっている深さが十分にある場合には、縦方向に伸ばしたブレードからなる単一層では、強度や安定性が維持できない場合も考えられる。その場合には、ギヤー及び水平方向に走る鎖を2段以上に増加し、過大でないブレード層を多段に装着する。流入出口の横幅についても、ギヤー付き回転軸を付け足して行くことにより、装置の安定性を維持しながら拡げていくことができる。流体流入調節板は、流体が装置に流入することなく漏洩することを防ぐとともに、タービンに流入する流体の速度を上げる効果を持つ。
【００２６】
図2について説明する。キャビネットの上下基盤３１，３２に固定されて一体となっているキャビネット補強体３６は、アーム３４、さらに回転軸支持のための円柱３３に連続している。この円柱に開けられている縦穴を回転軸２１が貫通し回転軸は回転可能である。この回転軸が円柱より出た部分の上下には回転軸と一致する中心軸を持つギヤー２５，２６が組み込まれて回転軸と一体となっている。ギヤーには鎖７１，７２が巻き付けられており、また、上下の鎖間には、適切な間隔をおいてブレード６３が垂直に嵌め込まれている。
【００２７】
ブレード自身の縦幅、横幅は、設置場所における流体流の性質に基づいて決められる。起動のし易さは、ギヤー回転軸のまわりの慣性モーメントばかりでなく鎖およびブレードの質量にも依存しているので、これらの質量は強度を保ちながら小さくする工夫をしなければならない。従って、鎖自身の縦幅は強度を保つ条件と質量を小さくする条件の兼ね合いで選択される。
【００２８】
図3について説明する。この図は、図２に示されている装置内部構造を理解し易くするために、ギヤーの取り付けられている回転軸および上下の鎖、ブレードを取り除いた後の構造支持体のみを、見取り図として示したものである。支持体の全体は、キャビネットの上基盤３１及び下基盤３２に連結されて一体となっている。ギヤー支持軸３３には回転軸を通す穴３７が開けられている。ギヤー回転軸支持柱３３はアーム３４,上下キャビネット補強体３５、３６を通して上下基盤に連なっている。ギヤー回転軸は、穴３８，３７を貫通し、回転軸支持穴３９に達する。
【００２９】
図４について説明する。ドラム内部にある回転軸２１は、流体流によって駆動された回転を、発電機に伝える。回転軸と一体となっている上下ギヤー２５，２６の中心は回転軸の中心と一致している。また、ギヤー２５，２６間の距離は、ブレードを嵌め込むことができるように選ばれる。
【００３０】
ギヤー回転軸の周りの大きな慣性モーメントは起動をし難くするので、強度を保ちながら質量の小さい材質で作ることが望まれる。また、ギヤーの構造については、図のようにギヤーの中心と外周を連結する骨組みを残し他の部分を切り取り、穴を開けると、強度を保ちながら慣性モーメントを減少させることができる。ブレードから鎖を通して伝わる力は、ギヤーに回転のための偶力を与える。この偶力を大きくするためにギヤー半径を大きくすることは、起動性を良くするうえで有効である。
【００３１】
図5について説明する。流体流を受けるブレード６３の両端のうちの一端は肉厚な回転軸となっている。ブレード６３の上下には、これと垂直に制御板６４，６５が取り付けられている。制御板６４，６５には、鎖からのストッパーを差し込むリードギャップ６６が開けられている。また、ストッパーがブレードの表裏に移動することができるように、ブレード上下に切込み６７が入っている。ブレードの型（a）では、ブレード回転軸上下に、ブレードを支える支持軸７５（図６）を差し込むことのできる軸受孔６８がある。ブレードの型（b）では、支持軸６９が突起しており、鎖辺縁にとりつけられている支持軸受孔７６（図６）に差し込まれる。
【００３２】
ブレードおよび鎖は軽量にして十分な強度を持つことが望まれる。ブレードの型（a）、（b）のいずれかは、その条件のもとに選ばれる。ブレードは、流体流の方向に応じて定められた角度の範囲内を回転する。この応答を良くするためには、ブレードの回転軸の周りの慣性モーメントを小さくしなければならない。そのためには、ブレードを薄くし、軽い材料を使用することが望まれる。ブレードの横幅を小さくすることも慣性モーメントを小さくすることができるが、適切な横幅は往復流の周期も考慮して選定されなければならない。
【００３３】
図６について説明する。鎖７１は、鎖架橋７２が上下の架橋の位置で折り曲げ可能な連結子７３で連結されることによって構成されている。鎖には、間隔をおいてストッパー７４が取り付けられており、リードギャップ６６（図５）に差し込まれる。（a）では支持軸７５が鎖架橋より突起しており、支持軸受孔６８（図５）に差し込まれる。（ｂ）では、支持軸受孔７６が鎖辺縁に取り付けられており、支持軸６９（図５）が差し込まれる。鎖が装置両端のギヤーを周回するとき、距離７４−７５または７４−７６が短くなることを考慮して、リードギャップ６６（図５）は必要十分に開けられる必要がある。
【００３４】
鎖を構成する架橋より伸びる突起（支持軸およびストッパー）には、ブレードが流体流より受けた力が集中するので、十分な強度が必要である。必要な強度は、流体流の速度に依存する。流体流によっては、（a）に示されているような簡潔な構造では十分な強度を与えることが出来ないことが予想される。その場合には、（b）に示されているように、架橋対からなる単位に鎖の外側方向に新たに架橋や辺縁を付け加えて、これらに支持軸およびストッパーを設ける。
【００３５】
図７について説明する。往流８１復流８２を受けているとき、ブレード６３は支持軸７５を支点としてそれぞれに適切な角度を自動的に選ぶ。しかし、その角度はストッパー７４によって制限されている。このとき、往流、復流ともに、ブレードに水平方向の同じ力８３，８４を与える。
【００３６】
鎖に取り付けるブレードの枚数は、装置の大きさを規定するが、設置する場所、流体流の性質、およびキャビネットの強度などを考慮して選定する。ギヤーを周回中のブレードはギヤー回転力の増加に寄与していないので、ギヤー半径に対するギヤー間の距離の比を大きくすることは、エネルギー収容効率を上げるための一つの要素である。ブレードが揺動することのできる最大角（限度角）の最適値は、主にブレードの慣性モーメントと往復流の周期に依存していると考えられるが、実際には摩擦力も影響するので、実験によって決められることが望ましい。
【実施例１】
【００３７】
設置場所の候補として、沿岸に近く、海底がなだらかな場所が考えられる。この場所を取り巻く陸地形は、小さな湾状になっていて、外洋において発生した波浪が湾内で集約されているならばなお効果的である。また、この場所付近の海底の地形については、十分深い外洋で発達し海底によって減衰することなく接近してきた波浪が、設置場所付近での海底が急に浅くなっているために、波浪における楕円類似形の流体流が扁平な往復流に変形していると考えられる場所が望ましい。
【実施例２】
【００３８】
本発明による装置の設置場所としては、陸地形および海底地形によって潮流が激しくなっている場所も候補である。潮流は一日2往復という長時間周期往復流であり、本発明による装置が適用可能である。しかし、このような場所で使用される本装置の長所は、地形に応じてタービンを自由に伸縮できることである。このことは、風車様の円形タービンを海中に埋設する場合の困難性を見れば容易に分かる。
【実施例３】
【００３９】
河川において、川幅があり比較的落差のある地形を持つ（従って流れの激しい）場所が候補地として考えられる。このような場所にさほど高くはない堰を設け、その底部に拡幅された本装置を設置する。この場合、水流の方向は一方向であるが、タービン内部のブレードが自動的にその角度を調節するので、装置を川幅方向に拡幅できることがこの装置の利点である。人工的に大きな落差を作るダムによる発電に比べると大きな発電量は期待できないが、本装置使用の場合には、環境を破壊することなく、費用対効果の大きい発電が可能である。
【実施例４】
【００４０】
本装置を海上に設置する方法としては、発電機が装着された装置全体の左右両端に浮体を繋ぎ、この浮力によって装置を維持することが考えられる。この浮体としては、船体様のものであってもよい。この場合、船体の中腹部を横断的に繰り抜き、波浪が生じている領域辺りに本発明によるタービンを設置する。船体全体は底部および上部が構造上つながっており、強度は維持できるとともに、発電機は吃水線より上に位置する船上に設置することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１１        装置支柱4本
１３, １４  ギヤー格納ドラム
１５, １６  流体流入出調節板
１７        発電機
２１, ２３  ギヤー回転軸
２５, ２６  ギヤー
３１        キャビネット上基盤
３２        キャビネット下基盤
３３        ギヤー回転軸支持柱
３４        回転軸支持柱を支持するためのアーム
３５，３６  キャビネット補強体
３７，３８  ギヤー回転軸貫通孔
３９        ギヤー回転軸軸受
６１        ブレード回転軸
６３        ブレード
６４，６５  ブレード制御板
６６        ストッパー受けリードギャップ
６７        ストッパー通過孔
６８        ブレード支持軸軸受孔
６９        ブレード支持軸
７１        鎖
７２        鎖架橋
７３        鎖架橋連結子
７４        ストッパー
７５        ブレード型（a）用ブレード支持軸
７６        ブレード型（b）用ブレード支持軸受孔
８１        往流
８２        復流
８３, ８４  往復流よりブレードが受ける力
【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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