(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒ポンプと、減圧弁と、蒸発器及び室内側送風機を備えた室内機と、室外側凝縮器及び室外側送風機を備えた室外機と、を備え、これら要素を結ぶ冷媒配管内に充填した冷媒を循環させて冷凍サイクルを構成する冷媒ポンプ式空調機において、
減圧弁開度の制御により、室内吹き出し温度を所望の範囲に管理することを特徴とする冷媒ポンプ式空調機の吹き出し温度制御方法。
【請求項２】
請求項１に記載の冷媒ポンプ式空調機において、
室内側送風機の風量制御により、室内吹き出し温度を所望の範囲に管理し、
室内側送風機の風量制御によっても、室内吹き出し温度を所望の範囲に管理できないときは、さらに、
減圧弁の開度制御を行うことを特徴とする冷媒ポンプ式空調機の吹き出し温度制御方法。
【請求項３】
請求項１又は２において、さらに、
冷媒ポンプの循環量制御により、蒸発器側の冷媒過熱度を適正範囲に管理することを特徴とする冷媒ポンプ式空調機の室内機吹き出し温度制御方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
室内機吸い込み温度が許容上限温度（Ｔｍ）を超える場合には、室内吹き出し温度に関わらず、減圧弁の開度を最大とすることを特徴とする冷媒ポンプ式空調機の室内機吹き出し温度制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空調機の運転制御方法に係り、特に、冷媒ポンプにより冷媒を循環させて冷凍サイクルを構成する空調機の室内機吹き出し温度制御技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
室内機と室外機とを冷媒配管で結び、冷媒ポンプにより冷媒を循環させて冷凍サイクルを構成する空調機（以下、冷媒ポンプ式空調機ともいう）が公知である（例えば、特許文献１）。さらに圧縮サイクルと冷媒ポンプサイクルを切り替えて使用可能な空調機も実用に供されている。このような空調機を圧縮式空調機と組み合わせることにより、夏期等の外気温が高いときは圧縮式空調機又は圧縮サイクルにより運転し、冬期等の外気温が低いときは冷媒ポンプ式空調機を併用する運転が可能となる。このような運転方式の採用により、圧縮式空調機のみのシステムと比較して通年の消費電力を減少させることが可能となり、省エネ性に優れた空調システムが実現できる。
本願出願人は、かかる冷媒ポンプ式空調機に関して、室外側送風機の風量を変化させて冷媒圧力を制御し、外気温度低下時における室内熱交換器の霜付着による冷房能力低下を防止する技術を開示している（上記文献）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−５５４４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
冷媒ポンプ式空調機においては、室内側吹き出し温度は外気温による成り行き制御が一般的であり、上述のような圧縮式空調機と組み合わせた空調システムにおいては、吹き出し温度が空調機間で不均一となるが、従来、特に問題視されていなかった。
しかしながら、近年、データセンター（情報通信機械室）においては二重床方式を採用するケースが多く、この場合、二重床内の温度不均一が問題となる。特に、クローズドラックは、近接空調機の吹き出し温度の影響を直接受けるため、床内温度均一化が強く求められる。このため、冷媒ポンプ式空調機についても、吹き出し温度制御の必要性が高まっている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上記各課題を解決するためのものであって、以下の内容をその要旨とする。すなわち、本発明に係る空調機の吹き出し温度制御方法は、
（１）冷媒ポンプと、減圧弁と、蒸発器及び室内側送風機を備えた室内機と、室外側凝縮器及び室外側送風機を備えた室外機と、を備え、これら要素を結ぶ冷媒配管内に充填した冷媒を循環させて冷凍サイクルを構成する空調機（冷媒ポンプ式空調機）において、減圧弁開度の制御により、室内吹き出し温度を所望の範囲に管理することを特徴とする。
【０００６】
本発明の作用は以下の通りである。図６を参照して、冷媒ポンプ式空調機において、冷媒は凝縮器において外気と熱交換して冷却され、液状態で冷媒ポンプに導かれ、ここで昇圧されて蒸発器に導かれる。ここで冷房対象である室内空気から熱を奪って蒸発し、冷媒ガスとなって凝縮器に戻る。以上の冷媒循環により、冷凍サイクルを構成している。
冷媒ポンプ式空調機の冷凍サイクルＲは、ｐ−ｈ線図上に図７の通り示される。ここに、Ａ→Ｂは室外機凝縮器における凝縮工程、Ｂ→Ｃは冷媒ポンプによる昇圧工程、Ｃ→Ｄは減圧弁における減圧工程、Ｄ→Ｅは冷媒配管通過時の圧損工程、である。
蒸発圧力Ｐｅが決まると、蒸発温度Ｔｅは一義的に定まる。また、室内側吹き出し温度ＴｂはＴｂ＝Ｔｅ＋αであるから、吹き出し温度を下げるためには、蒸発圧力を下げる必要がある。すなわち、図８に示すようにサイクルを低圧側にシフト（Ｒ→Ｒ’）させて、蒸発圧力をＰｅ→Ｐｅ’にすればよいことになる。
蒸発圧力を下げるための一方策として、減圧弁開度の調節がある。具体的には、減圧弁開度を絞ることによりＣＤ間の差圧がΔＰからΔＰ’に増加し、蒸発圧力はＰｅ’（Ｐｅ’＜Ｐｅ）となる。これに対応して、蒸発温度は低温側（Ｔｅ→Ｔｅ’）に変化することになる。
逆に、室内側吹き出し温度を上げるためには、蒸発圧力を上げて蒸発温度を高くする必要がある。このためには図９に示すように。サイクルＲを高圧側Ｒ”にシフトさせればよい。具体的には、低圧側にシフトさせる場合とは逆に、減圧弁開度を大きくしてＣＤ間の差圧をΔＰ”に減少させて、蒸発圧力をＰｅ”（Ｐｅ”＞Ｐｅ）に上げる。これに対応して、蒸発温度は高温側（Ｔｅ→Ｔｅ”）に変化することになる。
【０００７】
（２）上記空調機において、室内側送風機の風量制御により、室内吹き出し温度を所望の範囲に管理することを特徴とする。
蒸発圧力を制御する他の方法として、室内側送風機の風量調整によることもできる。具体的には、室内吹き出し温度が上限閾値を超える場合には、室内側送風機の風量を下げて蒸発器における熱交換を抑制し、蒸発温度を低温側にシフトさせる。
室内吹き出し温度が下限閾値を下回る場合には、室内側送風機の風量を上げて熱交換を促進し、蒸発温度を高温側にシフトさせる制御を行う。
以上の制御により、（１）と同様の吹き出し温度管理が可能となる。
【０００８】
（３）上記（２）の発明において、室内側送風機の風量制御によっても、室内吹き出し温度を所望の範囲に管理できないときは、さらに、減圧弁の開度制御を行うことを特徴とする。
室内側送風機の風量制御と減圧弁の開度制御を併せて行うことにより、より効果的に吹き出し温度を制御することが可能となる。
【０００９】
（４）上記各発明において、さらに、冷媒ポンプの循環量制御により、蒸発器側の冷媒過熱度を適正範囲に管理することを特徴とする。具体的には、過熱度が過剰に高いときは冷媒ポンプの周波数を上昇させ、過熱度が不足しているときは冷媒ポンプの周波数を低下させることにより制御できる。
蒸発器出口にて冷媒が飽和温度に達していない（過熱度がとれていない）場合、冷媒は気液の状態で室内機から室外機へ移動する。その際、室内機と室外機を連絡する冷媒配管が逆勾配の場合、配管途中で液溜まりを生じて冷媒が適正に循環せず、十分な性能を発揮しないことが懸念される。
一方、蒸発器出口にて冷媒過熱度が過度に高いと、蒸発器において顕熱熱交換の割合が高くなるため、過熱度が適正な場合と比較して熱交換効率が低下する。
これらを回避するため、冷媒過熱度を適正範囲に維持するものである。
【００１０】
本発明の作用は以下の通りである。図１０を参照して、冷媒ポンプ標準周波数において昇圧幅ΔＰのときの冷凍サイクルをＲ，周波数上昇により昇圧幅ΔＰ’としたときの冷凍サイクルをＲ’とし、蒸発器入口Ｅ，Ｅ’における冷媒圧力Ｐｓ、Ｐｓ’のときの冷媒温度をＴｓ、Ｔｓ’とする。それぞれの飽和点における飽和温度はＴｅ、Ｔｅ’であるから，両サイクルの過熱度はそれぞれ、
ΔＴｅ＝Ｔｓ−Ｔｅ、
ΔＴｅ’＝Ｔｓ’−Ｔｅ’
で示される。同図よりΔＴｅ’＜ΔＴｅであるから、冷媒ポンプ循環量の増加により過熱度小となる。逆に、循環量減少により過熱度大となる。
【００１１】
（５）上記各発明において、室内機吸い込み温度が許容上限温度（Ｔｍ）を超える場合には、室内吹き出し温度に関わらず、減圧弁開度を最大とすることを特徴とする。
室内吹き出し温度を目標温度範囲に維持しても、所定の冷房能力が維持されないと支障を生じる場合がある。例えば、ラック内のＩＣＴ装置が高負荷で稼動している場合には、冷気風量が確保されないと、たとえ吸い込み温度が低くても高温障害等による稼動停止を招くおそれがある。
本発明は、減圧弁開度が絞られることによる管内抵抗の増加により、冷媒循環量が少なくなることを回避し、冷房能力確保を優先するものである。
【発明の効果】
【００１２】
上記各発明によれば、冷媒ポンプ式空調機において室内側吹き出し温度制御が可能となる。
これにより、圧縮式空調機と組み合わせた空調システムにおいて、吹き出し温度の均一化が可能となる。特に、二重床方式、かつ、クローズドラックを収容するデータセンターにおいて、二重床内の温度を均一でき、省エネ性とＩＣＴ装置の安定的稼動確保の両立が可能という効果がある。
また、対人空調の場合においては不快感の低減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第一の実施形態に係る空調システム１の構成を示す図である。
【図２】第一の実施形態の吹き出し温度制御フローを示す図である。
【図３】第二の実施形態の吹き出し温度制御フローを示す図である。
【図４】第三の実施形態の吹き出し温度制御フローを示す図である
【図５】第四の実施形態の吹き出し温度制御フローを示す図である。
【図６】本発明に係る冷媒ポンプ式空調機の構成を示す図である。
【図７】冷媒ポンプ式空調機の冷凍サイクルを示す図である。
【図８】減圧弁開度を絞ったときの（室内側送風機風量を上げた）ときの、冷凍サイクルの変化を示す図である。
【図９】減圧弁開度を開けた（室内側送風機風量を下げた）ときの、冷凍サイクルの変化を示す図である。
【図１０】冷媒ポンプ循環量と凝縮器における過熱度の関係を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明に係る空調システムの各実施形態について、図１乃至９を参照してさらに詳細に説明する。重複説明を避けるため、各図において同一構成には同一符号を用いて示している。なお、本発明の範囲は特許請求の範囲記載のものであって、以下の実施形態に限定されないことはいうまでもない。
（第一の実施形態）
図１を参照して、本実施形態に係る空調システム１は、情報通信機械室（データセンター）５内に収容される複数のサーバラック３（以下、ラック３と略称）を、冷媒ポンプ式空調機２により冷却するシステムである。なお、機械室５内には圧縮式空調機も含め、複数の空調機が配置されているが、ここでは図示を省略してある。
【００１５】
空調機２は、蒸発器２ｆ、減圧弁２ｄ及び室内側送風機２ｇを備えた室内機２ａと、凝縮器２ｅ、室外側送風機を２ｈを備えた室外機２ｂと、冷媒ポンプ２ｊと、これらを接続する冷媒配管２ｉと、を主要構成として備えている。蒸発器２ｆには、後述の冷媒温度、冷媒圧力計測用のセンサＳ３、Ｓ４が配設されている。
運転時において冷媒配管２ｉ内を循環する冷媒は、凝縮器２ｅにおいて外気と熱交換して冷却凝縮し、液状態で冷媒ポンプ２ｊに吸引される。ここで昇圧された後、減圧弁２ｄで減圧されて蒸発器２ｆに送られ、冷房対象である室内空気に冷熱を与えて自らは蒸発し、ガス状態で凝縮器２ｅに戻る。
【００１６】
機械室５内部は、床パネル５ｄ及び天井パネル５ｅにより、中央の機械室空間５ａと、床パネル５ｄ下部の二重床空間５ｃと、天井パネル５ｅ上部の天井空間５ｂと、に区画されている。室内機２ａと二重床空間５ｃ又は天井空間５ｂとは、それぞれ往き側ダクト２ｋ又は戻り側ダクト２ｍを介して結ばれている。往き側ダクト２ｋ及び戻り側ダクト２ｍには、それぞれ吹き出し温度及び戻り空気温度計測用のセンサＳ１、Ｓ２が配設されている。
ラック３内には、複数のＩＣＴ装置３ａが格納されている。各サーバ３ａから発生する熱は、それぞれの冷却ファン（図示せず）により、前面から吸気した空気とともに背面に排気される。機械室５内には、開口床面５ｈから吸気して上面から排気するクローズドラック３ｂも収容されている。
【００１７】
かかる構成により、機械室５内の各ラックの冷却は以下のように行われる。すなわち、空調機２に戻された室内空気は、蒸発器２ｆにおいて冷気となり、送風機２ｇにより往き側ダクト２ｋを介して二重床空間５ｃに送出される。さらに、穴あきパネル５ｆを通過してコールドアイル６に供給され、各ラック３内に吸込まれてサーバ３ａを冷却し、高温排気となってホットアイル７に排出される。冷気の一部は開口床面５ｈを介してクローズドラック３ｂに供給され、高温排気となり上面から排出される。高温排気は機械室空間５ａ内を上昇して、天井パネル５ｅの吸込口５ｇから天井空間５ｂに導かれ、戻り側ダクト２ｍを通過して空調機２に戻される。
【００１８】
空調システム１の運転制御は、制御部４の指令により行われる。制御部４は、信号線４ｂを介してセンサＳ１−Ｓ４から送られる循環空気温度、冷媒圧力情報に基づいて、空調機２の機器制御部２ｎに対して、後述の各運転制御実行を指令するように構成されている。さらに、制御部４は、冷媒蒸気圧テーブルを備えており、後述の蒸発圧力・温度、凝縮圧力・温度、過熱度等の演算を可能に構成されている。
【００１９】
空調システム１は以上のように構成されており、次に図２をも参照して、本実施形態における行われる吹き出し温度制御フローについて説明する。なお、以下の制御は制御部４からの指令により行われる。
初期状態において、冷媒ポンプ周波数及び減圧弁開度はデフォルト値に設定されている（Ｓ１０１）。その状態から、所定の時間間隔で吹き出し温度（Ｔｂ）が温度センサＳ１により計測される（Ｓ１０２）。次いで、Ｔｂが上限閾値（ＴＨ）と下限閾値（ＴＬ）の範囲内に治まっているか否かの判定が行われる（Ｓ１０３）。両閾値内の場合には（Ｓ１０３においてＹ）、次回まで現状運転条件が維持される。
Ｓ１０３においてＴｂ＞ＴＨの場合には、吹き出し温度が高すぎると判定され、減圧弁２ｄの開度が１段階絞られる（Ｓ１０４）。なお、最低開度に至った場合には、その状態が維持される。各操作において最低、最高段階に至るまで1段階ずつ変化させることについては、以下、同様である。
上記操作により、上述の図８に示すように蒸発圧力が低下するため、冷凍サイクルはＲからＲ’にシフトし、蒸発温度はＴｅからＴｅ’に低下する。これに伴い、吹き出し温度Ｔｂも低下する。
一方、Ｓ１０３においてＴｂ＜ＴＬの場合には、吹き出し温度が低すぎると判定され、減圧弁２ｄの開度が１段階開けられる（Ｓ１０５）。上記操作により、上述の図９に示すように蒸発圧力が上昇するため、冷凍サイクルはＲからＲ”にシフトし、蒸発温度はＴｅからＴｅ”に上昇する。これに伴い、吹き出し温度Ｔｂも上昇する。
【００２０】
以上の工程に引き続いて、温度センサＳ３、圧力センサＳ４の計測値に基づき、蒸気圧テーブルを用いて冷媒過熱度（ΔＴｓ）の演算が行われる（Ｓ１０６）。次いで、ΔＴｓが上限閾値（Ｔ１）と下限閾値（Ｔ２）の範囲内に治まっているか否かの判定が行われる（Ｓ１０７）。Ｔ１≧ΔＴｓ≧Ｔ２の場合には（Ｓ１０７においてＹ）、過熱度適正と判定され、次回まで現状運転条件が維持される。
ΔＴｓ＞Ｔ１の場合には過熱度過剰と判定され、冷媒ポンプ２ｊの周波数が１段階上げられる（Ｓ１０８）。これに伴い上述の図１０に示すように、冷凍サイクルはＲからＲ’に移行し、蒸発温度は上昇する。その結果、吹き出し温度Ｔｂも上昇する。また、一方、ΔＴｓ＜Ｔ２の場合には過熱度不足と判定され、冷媒ポンプ２ｊの周波数が１段階下げられる（Ｓ１０９）。これに伴い、図１０と逆の作用により吹き出し温度Ｔｂは低下する。
【００２１】
なお、本実施形態では冷媒ポンプサイクル専用の空調機２を用いる例を示したが、冷媒ポンプサイクルと圧縮サイクルを切り替えるタイプの空調機を用いる態様とすることもできる。
【００２２】
（第二の実施形態）
次に、本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態は、上述の実施形態において減圧弁開度を増減したときに、蒸発圧力が想定外の挙動を示した場合には、操作前の状態に戻す制御形態に関する。本実施形態の構成は、空調システム１と同一であるので重複説明を省略する。
次に、図３を参照して、本実施形態における吹き出し温度制御フローについて説明する。
Ｓ２０１からＳ２０５までのフローは、第一の実施形態のＳ１０１からＳ１０５までのフローと基本的に同一である。但し、Ｓ２０１において、蒸発器圧力Ｐｅをも計測している点が追加されている。
Ｓ２０３においてＴｂ＞ＴＨの場合には、吹き出し温度が高すぎると判断され、減圧弁２ｄの開度が１段階絞られる（Ｓ２０４）。その後、再度、蒸発器圧力Ｐｅ’が計測される（Ｓ２０６）。さらに、従前の蒸発器圧力Ｐｅと比較され（Ｓ２０７）、Ｐｅ’＞Ｐｅの場合には減圧弁開度が調整前の開度に戻される（Ｓ２０８）。Ｐｅ’≦Ｐｅの場合には（Ｓ２０７においてＮ）、現状開度が維持される。
一方、Ｓ２０３においてＴｂ＜ＴＨの場合には、吹き出し温度が低すぎると判断され、減圧弁２ｄの開度が１段階開けられる（Ｓ２０５）。その後、再度、蒸発器圧力Ｐｅ’が計測される（Ｓ２０９）。さらに、従前の蒸発器圧力Ｐｅと比較され（Ｓ２１０）、Ｐｅ’＜Ｐｅの場合には減圧弁開度が調整前の開度に戻される（Ｓ２１１）。Ｐｅ’≧Ｐｅの場合には（Ｓ２１０においてＮ）、現状開度が維持される。
【００２３】
（第三の実施形態）
さらに、本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態は室内側送風機の風量制御及び減圧弁の開度制御により、吹き出し温度を管理する形態に係る。本実施形態の構成についても、空調システム１と同一であるので重複説明を省略する。
図４を参照して、初期状態において室内側送風機２ｇの回転数及び減圧弁２ｄの開度はデフォルト値に設定されている（Ｓ３０１）。その状態から、所定の時間間隔で吹き出し温度（Ｔｂ）が計測される（Ｓ３０２）。次いで、Ｔｂが上限閾値（ＴＨ）と下限閾値（ＴＬ）の範囲内に治まっているか否かの判定が行われる（Ｓ３０３）。両閾値内の場合には（Ｓ３０３においてＹ）、次回まで現状運転条件が維持される。
【００２４】
Ｓ３０３においてＴｂ＞ＴＨの場合には、吹き出し温度が高すぎると判断され、室内側送風機２ｇの回転数が１段階下げられる（Ｓ３０４）。
その後、再度、吹き出し温度（Ｔｂ）が計測され（Ｓ３０５）、吹き出し温度が上限閾値以下に低下したか否かが判定される（Ｓ３０６）。閾値以下に治まった場合には（Ｓ３０６においてＹ）、次回まで現状運転条件が維持される。吹き出し温度高の状態（Ｔｂ＞ＴＨ）が解消されていない場合には、次いで減圧弁２ｄの開度が１段階絞られる（Ｓ３０７）。
【００２５】
Ｓ３０３においてＴｂ＜ＴＬの場合には、吹き出し温度が低すぎると判断され、室内側送風機２ｇの回転数が１段階上げられる（Ｓ３０８）。その後、再度、吹き出し温度（Ｔｂ）が計測され（Ｓ３０９）、吹き出し温度が下限閾値以上に上昇したか否かが判定される（Ｓ３１０）。閾値以上に治まった場合には（Ｓ３１０においてＹ）、次回まで現状運転条件が維持される。吹き出し温度低の状態（Ｔｂ＜ＴＬ）が解消されていない場合には、次いで減圧弁２ｄの開度が１段階開けられる（Ｓ３１１）。
【００２６】
なお、本実施形態においても、第一の実施形態と同様に、以上の工程に引き続いて、冷媒加熱度が過剰又は不足の場合には、冷媒ポンプ循環量の調整により過熱度を適正範囲に管理する形態とすることもできる。
【００２７】
（第四の実施形態）
さらに、図５をも参照して、本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態は、第一の実施形態において冷房能力確保を優先する制御に係る。
Ｓ４０１からＳ４０３までのフローは、第一の実施形態のＳ１０１からＳ１０３までのフローと同一である。Ｓ４０３においてＹ、すなわち、ＴＨ≧Ｔｂ≧ＴＬの場合には、次回まで現状運転条件が維持される。また、Ｔｂ＞ＴＨの場合には、減圧弁２ｄの開度が１段階絞られる（Ｓ４０７）。
Ｓ４０３においてＴｂ＜ＴＬの場合には、減圧弁２ｄの開度調整に先立ち、室内側吸込み温度（Ｔｒ）が計測され（Ｓ４０４）、Ｔｒが許容上限値（Ｔｍ）を超えているか否かの判定が行われる（Ｓ４０５）。許容上限値以内の場合には（Ｓ４０５においてＮ）、減圧弁２ｄの開度が１段階開けられる（Ｓ４０６）。これにより吹き出し温度は上昇傾向となる。
Ｓ４０５においてＹ、すなわちＴｒが許容上限値を超えている場合には冷房負荷が高い状態と判定し、能力確保を優先して吹き出し温度上昇のための減圧弁の制御は行わず、次回まで現状運転条件が維持される。
【００２８】
なお、本実施形態では、吸込み温度（Ｔｒ）に基づいて冷房負荷を判定する例を示したが、吹き出し温度、吸込み温度、室内側送風機風量（回転数より演算）より求める冷気供給量に基づいて判定する形態とすることもできる。
また、Ｓ４０５においてＴｒが許容上限値を超えている場合に、現状運転条件を維持する形態としたが、能力確保を確実にするため冷媒ポンプ周波数を高くする制御を行う形態とすることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明は、熱源、冷媒、空調方式、建築構造等の種類を問わず、冷媒ポンプ式空調機に広く適用可能である。
【符号の説明】
【００３０】
１・・・・空調システム
２・・・・冷媒ポンプ式空調機
２ａ・・・室内機
２ｂ・・・室外機
２ｄ・・・減圧弁
２ｅ・・・凝縮器
２ｆ・・・蒸発器
２ｇ・・・室内側送風機
２ｉ・・・冷媒配管
２ｊ・・・冷媒ポンプ
４・・・・制御部
Ｓ１〜Ｓ３・・・温度センサ
Ｓ４・・・圧力センサ
【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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