(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両前方から取り込んだ車両走行風を車両後方に排出するダクトの空気通路内を流れる風を利用して発電する車載用風力発電装置であって、
前記空気通路内に配置されると共に半円筒形の風受け凹曲面が形成された複数枚の羽根を有するサボニウス型の風車と、
前記風車の回転によって発電する発電機と、
前記風車の風上側に前記ダクトと一体的に配置された防風部材と、
前記風車の風下側に前記ダクトと一体的に配置された風向変更部材と、を備え、
前記防風部材は、前記羽根の回転外側端の回転軌道上で最も風上に位置する最風上点と、該最風上点から該回転軌道上を１／４回転軌道分後退した上境界点と、の間の略全部を覆うように該回転軌道に沿って且つ該回転軌道と所定の間隔を隔てて配置された略１／４円筒防風曲面を有すると共に、
前記風向変更部材は、前記最風上点から前記回転軌道上を１／４回転軌道分前進した下境界点と、該回転軌道上で最も風下に位置する最風下点と、の間の少なくとも該下境界点から１／８回転軌道分を覆うように該回転軌道に沿って且つ該回転軌道と所定の間隔を隔てて配置された部分円筒風向変更曲面を有し、
前記部分円筒風向変更曲面と前記回転軌道との間隔が、風上側端で広く風下側端で狭い徐変間隔とされていることを特徴とする車載用風力発電装置。
【請求項２】
前記略１／４円筒防風曲面と前記回転軌道との間隔が、風上側端で狭く風下側端で広い徐変間隔とされていることを特徴とする請求項１に記載の車載用風力発電装置。
【請求項３】
前記風車は、該風車の回転軸方向に分割された複数個の分割風車の集合体よりなり、
前記分割風車と該分割風車に隣接する分割風車とが、各該分割風車の各前記羽根の回転方向の位相を互いにずらして配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の車載用風力発電装置。
【請求項４】
前記羽根は、該羽根の前記回転外側端と該羽根の回転内側端とを繋ぐと共に該羽根の回転方向に向かって前記風受け凹曲面よりも大きく湾曲した風除け凸曲面を備え、
前記羽根の断面形状は、前記風受け凹曲面と前記風除け凸曲面とにより囲まれた略三日月形を呈していることを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか一つに記載の車載用風力発電装置。
【請求項５】
前記風車が、電気自動車又はハイブリッド電気自動車の二次電池を冷却するための風を送る前記ダクトの前記空気通路内に配置されていることを特徴とする請求項１〜４のうちのいずれか一つに記載の車載用風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両走行風を利用して発電する車載用風力発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
車載用風力発電装置に用いられる風車は、風向に対する回転軸の方向によって水平軸型と垂直軸型とに大別される。水平軸型風車は、車両走行風の風向に水平な回転軸をもつ風車であり、例えば、特許文献１には、回転軸に直角な複数の羽根を有するプロペラ型風車を搭載した車載用風力発電装置が開示されている。プロペラ型風車は高回転・高発電効率であることから、車両が高速走行しているときの発電装置としての期待が大きい。ところが、プロペラ型風車は、回転トルクが小さいことにより弱風での起動性が悪く、風車の回転には車速４０ｋｍ／ｈ以上（風速約１１ｍ／ｓ以上）が必要となる。
【０００３】
一方、垂直軸型風車は、車両走行風の風向に垂直な回転軸をもつ風車であり、例えば、特許文献２には、回転軸に沿って延びる複数の羽根を有するサボニウス型風車を搭載した車載用風力発電装置が開示されている（図１２参照）。サボニウス型風車は、プロペラ型風車よりも高風速時の発電効率が低いものの、構造が単純で壊れにくく、また、回転トルクが大きいことにより、弱風での起動性がよく、車速４０ｋｍ／ｈ未満でも発電することが可能である。さらに、車両の停車時においても外気微風力（自然風）により発電することが可能である。
【０００４】
図１２に示すように、サボニウス型風車９２は、回転軸を車幅方向に向けて、車両９０のボンネット内の空気通路９１内に配置されている。また、サボニウス型風車９５は、回転軸を車幅方向に向けて、車両９０の屋根に設けられた空気通路９４内に配置されている。サボニウス型風車９２及び９５は、羽根の回転外側端の回転軌道上で最も風上に位置する最風上点よりも下方の受風面Ａに風を受けてｒ方向に回転する。受風面Ａは風向に直交する面であり大きさは羽根の回転外側端の回転半径に相当する。最風上点よりも上方で風を受けると回転方向ｒとは逆回転の回転トルクが発生するため、防風部材９３及び９６によって最風上点よりも上方に風が当たるのを防止している。
【０００５】
なお、サボニウス型風車とは、厳密には、中空円筒を縦半分に切って、これら半分割された円筒をその分割面に沿って左右互い違いにずらしかつ分割面と垂直な方向から視て一部同士が重なり合うように組み合わせた形で相対させ、半分割された円筒（羽根）の間を風が通り抜けるようにしたものである。しかし、本発明では、特許文献２のように回転軸に沿って延びる複数の羽根を有しかつ羽根の回転内側端が回転軸に取り付けられてなる風車もサボニウス型風車という。
【０００６】
車両は、常に高速で走行できるわけではなく、特に都市部では信号停止や渋滞の影響により、平均的な車速は４０ｋｍ／ｈ未満である。また、例え車両が高速で走行していたとしても、車速に等しい高風速の風を車両内に取り込めるわけではない。このような状況を勘案すると、強風領域でのみ発電が可能なプロペラ型風車よりも、弱風からの発電が可能なサボニウス型風車の方が、通常の車両の使用状況では、車両走行中のトータル発電量が大きくなると考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−１５０９８６号公報
【特許文献２】特開２００２−３５９９０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したサボニウス型風車９２及び９５は、空気通路内を流れる一方向からの風を、羽根の回転外側端の回転半径に相当する受風面Ａのみで受けて回転する。したがって、受風面Ａが狭いため、十分な回転トルクが得られているとは言い難い。
【０００９】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、車両走行風を利用して発電する車載用風力発電装置において、弱風での起動性に優れると共に発電効率が高い車載用風力発電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】
【００１０】
以下、上記課題を解決するのに適した各手段につき、必要に応じて作用効果等を付記しつつ説明する。
【００１１】
（１）本発明の車載用風力発電装置は、車両前方から取り込んだ車両走行風を車両後方に排出するダクトの空気通路内を流れる風を利用して発電する車載用風力発電装置であって、前記空気通路内に配置されると共に半円筒形の風受け凹曲面が形成された複数枚の羽根を有するサボニウス型の風車と、前記風車の回転によって発電する発電機と、前記風車の風上側に前記ダクトと一体的に配置された防風部材と、前記風車の風下側に前記ダクトと一体的に配置された風向変更部材と、を備え、
前記防風部材は、前記羽根の回転外側端の回転軌道上で最も風上に位置する最風上点と、該最風上点から該回転軌道上を１／４回転軌道分後退した上境界点と、の間の略全部を覆うように該回転軌道に沿って且つ該回転軌道と所定の間隔を隔てて配置された略１／４円筒防風曲面を有すると共に、前記風向変更部材は、前記最風上点から前記回転軌道上を１／４回転軌道分前進した下境界点と、該回転軌道上で最も風下に位置する最風下点と、の間の少なくとも該下境界点から１／８回転軌道分を覆うように該回転軌道に沿って且つ該回転軌道と所定の間隔を隔てて配置された部分円筒風向変更曲面を有し、
前記部分円筒風向変更曲面と前記回転軌道との間隔が、風上側端で広く風下側端で狭い徐変間隔とされていることを特徴とする。
【００１２】
このような構成によると、風向変更部材は、最風上点から回転軌道上を１／４回転軌道分前進した下境界点と、回転軌道上で最も風下に位置する最風下点と、の間の少なくとも下境界点から１／８回転軌道分を覆うように回転軌道に沿って且つ回転軌道と所定の間隔を隔てて配置された部分円筒風向変更曲面を有している。これにより、ダクトの空気通路内に進入した風は、下境界点を越えたときに部分円筒風向変更曲面に沿って風向が曲げられるため、下境界点を越えた羽根の風受け凹曲面に対して風を送り込むことができる。すなわち、本発明の車載用風力発電装置に備わるサボニウス型の風車は、実質的に多方向から風を受けている。
【００１３】
したがって、本発明の車載用風力発電装置に備わるサボニウス型の風車は、図１２に示した従来のサボニウス型風車９２及び９５に比べて、より長い間、羽根の風受け凹曲面に風を受けることができる。これにより、風車の回転トルクが向上するため、弱風での起動性が向上すると共に発電効率が向上する。
【００１４】
このように、本発明の車載用風力発電装置は、弱風での起動性に優れているため、車両の停車時においても外気微風力により良好に発電を行うことが可能である。また、本発明の車載用風力発電装置に備わるサボニウス型の風車は、風が車両前方からダクトに取り込まれても、車両後方からダクトに取り込まれても、同一方向に回転する。したがって、車両の停車中に車両前方及び車両後方のいずれの方向から受ける外気微風力に対しても発電を行うことが可能である。
【００１８】
本発明の車載用風力発電装置において、前記部分円筒風向変更曲面と前記回転軌道との間隔が、風上側端で広く風下側端で狭い徐変間隔とされている。
【００１９】
このような構成によると、風向変更部材の部分円筒風向変更曲面と、羽根の回転外側端の回転軌道との間隔が、風上側端で広く風下側端で狭い徐変間隔とされている。したがって、ダクトの空気通路の開口が風車の風上側で大きくなっていることにより、より多くの風を風車に取り込むことができる。また、羽根の回転外側端が下境界点に近づいた場合であっても、羽根の回転外側端と部分円筒風向変更曲面との隙間から回転方向前方の羽根に向けて風を取り込むことができる。
【００２０】
また、部分円筒風向変更曲面と前記回転軌道との間隔が、風上側端で広く風下側端で狭い徐変間隔とされている場合には、部分円筒風向変更曲面と回転軌道との間隔が一定間隔とされている場合よりも、部分円筒風向変更曲面に沿って風向を曲げる際の風向の変化量を大きくすることができるため、実質的に風車により多方向から風を送り込むことが可能となり、風車の回転トルクの更なる向上が望める。
【００２１】
ここで、部分円筒風向変更曲面と回転軌道との間隔を、風上側端で風車の直径に対して５〜２０％程度、風下側端で風車の直径に対して０．５〜５％程度とすることが好ましい。車両に搭載可能な直径１００〜１５０ｍｍ程度の風車を想定すると、この間隔を風上側端で５〜２０ｍｍ、風下側端で０．５〜５ｍｍとすることが好ましい。風上側端の間隔が５ｍｍよりも小さい場合には、上述した風上側端の間隔を広くした効果が得られにくく、風上側端の間隔が２０ｍｍよりも大きい場合には、風向の変化量が大きくなるため風速の低下や風の流れが乱れる虞がある。風下側端の間隔を０．５〜５ｍｍにする理由については以下のとおりである。この間隔が０．５ｍｍよりも小さい場合には、風車の回転中に部分円筒風向変更曲面と羽根の回転外側端とが接触する虞があり、この間隔が５ｍｍよりも大きい場合には、この隙間からの風の漏洩が大きくなるため、風車内への風の取り込み量が減少する。
【００２２】
（２）前記（１）で述べた本発明の車載用風力発電装置において、好ましくは、前記略１／４円筒防風曲面と前記回転軌道との間隔が、風上側端で狭く風下側端で広い徐変間隔とされていることを特徴とする。
【００２３】
このような構成によると、防風部材の略１／４円筒防風曲面と、羽根の回転外側端の回転軌道との間隔が、風上側端で狭く風下側端で広い徐変間隔とされている。したがって、この間隔が風上側端で狭くなっていることにより風車の最風上点よりも上方への風の進入を防止することができる。これにより、風車の回転方向とは逆回転の回転トルクの発生を抑えることができる。また、ダクトの空気通路の開口が風車の風下側で大きくなっていることにより、風車からの風の排出を阻害することがない。
【００２４】
ここで、略１／４円筒防風曲面と回転軌道との間隔を、風上側端で風車の直径に対して０．５〜５％程度、風下側端で風車の直径に対して５〜２０％程度とすることが好ましい。車両に搭載可能な直径１００〜１５０ｍｍ程度の風車を想定すると、この間隔を風上側端で０．５〜５ｍｍ、風下側端で５〜２０ｍｍとすることが好ましい。風上側端の間隔が０．５ｍｍよりも小さい場合には、風車の回転中に略１／４円筒防風曲面と羽根の回転外側端とが接触する虞があり、風上側端の間隔が５ｍｍよりも大きい場合には、上述した風の進入を防止する効果が得られにくい。また、風下側端の間隔が５ｍｍよりも小さい場合には、上述した風の排出が阻害されるのを防止する効果が得られにくく、風下側端の間隔が２０ｍｍよりも大きい場合には、略１／４円筒防風曲面の曲がりが急となることによって、曲がり損失による風速の低下や風の流れが乱れる虞がある。
【００２５】
ダクトの空気通路内の圧力損失を小さくするためには、風車の風上側と風下側との空気通路の開口面積を等しくすることが好ましい。よって、略１／４円筒防風曲面と回転軌道との風下側端における間隔を、部分円筒風向変更曲面と回転軌道との風上側端における間隔と等しくするのが好ましい。
【００２６】
（３）前記（１）〜（２）で述べた本発明の車載用風力発電装置において、好ましくは、前記風車は、該風車の回転軸方向に分割された複数個の分割風車の集合体よりなり、前記分割風車と該分割風車に隣接する分割風車とが、各該分割風車の各前記羽根の回転方向の位相を互いにずらして配置されていることを特徴とする。
【００２７】
このような構成によると、分割風車とこの分割風車に隣接する分割風車とが、各分割風車の各羽根の回転方向の位相を互いにずらして配置されている。互いに隣り合う分割風車の羽根の位相が等しい場合には、各分割風車の各羽根の風受け凹曲面で同時に風を受けるため大きな正回転の回転トルクが発生するものの、各羽根の風受け凹曲面の裏面にも同時に風を受けるため各分割風車で同時に風車の回転方向とは逆回転の回転トルクが発生する。したがって、風車の回転トルクが不安定となる。
【００２８】
一方、互いに隣り合う分割風車の羽根の位相をずらした場合には、各分割風車の各羽根の風受け凹曲面が時間差をおいて風を受けるため、常にいずれか一方の分割風車の風受け凹曲面は風を受けている状態となり、風車の回転トルクが安定する。
【００２９】
（４）前記（１）〜（３）で述べた本発明の車載用風力発電装置において、好ましくは、前記羽根は、該羽根の前記回転外側端と該羽根の回転内側端とを繋ぐと共に該羽根の回転方向に向かって前記風受け凹曲面よりも大きく湾曲した風除け凸曲面を備え、前記羽根の断面形状は、前記風受け凹曲面と前記風除け凸曲面とにより囲まれた略三日月形を呈していることを特徴とする。
【００３０】
このような構成によると、風車の羽根の断面形状は、風受け凹曲面と風除け凸曲面とにより囲まれた略三日月形を呈している。このような立体的な羽根形状は、風受け凹曲面に沿って流れる風よりも風除け凸曲面に沿って流れる風の方が早く流れている場合に、羽根に揚力が作用することが知られている。そして、この揚力により風車の回転トルクの向上が期待できる。ところが、風除け凸曲面が風車の回転方向前方に張り出しているため、羽根の回転外側端が下境界点に近づいた場合には、この風除け凸曲面が障壁となることによって、回転方向前方の風受け凹曲面が風を受けにくくなる。これにより、風受け凹曲面が風を受けることによって発生する回転トルクが低下する虞がある。
【００３１】
ここで、前記（１）及び（２）で述べた本発明の車載用風力発電装置において略三日月形の羽根を適用する場合には、羽根の回転外側端が下境界点に近づいた場合であっても、羽根の回転外側端と部分円筒風向変更曲面との隙間から風車内に風を取り込むことができる。このため、風除け凸曲面に沿って流れる風が途切れることがなく、また、回転方向前方の羽根の風受け凹曲面に風を取り込みやすい。したがって、風受け凹曲面が風を受けることによって発生する回転トルクを低下させることなく、羽根に作用する揚力により風車の回転トルクを向上させることができる。
【００３２】
また、前記（３）で述べた本発明の車載用風力発電装置において略三日月形の羽根を適用する場合には、常にいずれか一方の分割風車の風受け凹曲面は風を受けている状態となる。これと同様に、常にいずれか一方の分割風車には揚力が作用している状態となる。これにより、風車の回転トルクの安定と回転トルクの向上が望める。
【００３３】
（５）本発明の車載用風力発電装置において、好ましくは、前記風車が、電気自動車又はハイブリッド電気自動車の二次電池を冷却するための風を送る前記ダクトの前記空気通路内に配置されていることを特徴とする。
【００３４】
このような構成によると、風車が、電気自動車又はハイブリッド電気自動車の二次電池を冷却するための風を送るダクトの空気通路内に配置されている。したがって、風力発電を行うための専用のダクトを設ける必要がなく経済的である。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、車両走行風を利用して発電する車載用風力発電装置において、弱風での起動性に優れると共に発電効率が高い車載用風力発電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本実施形態の車載用風力発電装置を備える車両を模式的に説明する側面図である。
【図２】本実施形態の車載用風力発電装置を模式的に説明する説明図であって、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図を示している。
【図３】本実施形態の車載用風力発電装置の風車内の風の流れを説明する斜視図であって、羽根の回転外側端が下境界点にある状態を示している。
【図４】本実施形態の車載用風力発電装置の風車内の風の流れを説明する斜視図であって、羽根の回転外側端が下境界点を越えて前進した状態を示している。
【図５】比較形態の車載用風力発電装置の風車内の風の流れを説明する断面図であって、（ａ）は羽根の回転外側端が下境界点にある状態、（ｂ）は羽根の回転外側端が下境界点を越えて前進した状態、（ｃ）は羽根の回転外側端が（ｂ）の状態からさらに前進した状態を示している。
【図６】本実施形態の車載用風力発電装置の風車内の風の流れを説明する断面図であって、（ａ）は羽根の回転外側端が下境界点にある状態、（ｂ）は羽根の回転外側端が下境界点を越えて前進した状態、（ｃ）は羽根の回転外側端が（ｂ）の状態からさらに前進した状態を示している。
【図７】実施例１〜４及び比較例１及び２の構造を説明する一覧図である。
【図８】実施例１の構造を説明する側面図である。
【図９】実施例３の構造を説明する側面図である。
【図１０】実施例１〜４及び比較例１及び２の風車の回転加速時における風速と回転数との関係を示すグラフである。
【図１１】実施例１〜４及び比較例１及び２の風車の回転減速時における風速と回転数との関係を示すグラフである。
【図１２】従来の車載用風力発電装置を備える車両を模式的に説明する側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、本発明の車載用風力発電装置の実施形態について図面を参照しつつ詳しく説明する。
【００３８】
図１に本実施形態の車載用風力発電装置を備える車両を模式的に説明する側面図を示す。また、図２に本実施形態の車載用風力発電装置を模式的に説明する説明図を示す。ここで、図２（ａ）は車載用風力発電装置の上面図、図２（ｂ）は車載用風力発電装置の側面図を示している。
【００３９】
図１に示すように、本実施形態の車載用風力発電装置１は、車両２のフロント部分に配置されている。車両２は電気自動車であり、車両２のフロア下部には走行用のバッテリ４（二次電池）が装備されている。車両２には、前方から取り込んだ風Ｗを、バッテリ４を冷却するための風と、車内を換気するための風とに分岐するダクト３が設けられている。この風は、バッテリ４を冷却した後、又は車内を換気した後、車両２の後方に排出される。
【００４０】
車載用風力発電装置１は、ダクト３の空気通路３ａ内に配置された風車１０と、風車１０の回転によって発電するＤＣモータ２０（発電機）と、風車１０の風上側にダクト３と一体的に配置された防風部材３０と、風車１０の風下側にダクト３と一体的に配置された風向変更部材４０とを備えている。
【００４１】
図２に示すように、風車１０はサボニウス型風車であり、風車１０の回転軸１２方向に分割された第一分割風車１０ａと第二分割風車１０ｂとの結合体よりなる。第一分割風車１０ａ及び第二分割風車１０ｂは、回転軸１２方向に延びる３枚の羽根１１を有する同一構造よりなり、第一分割風車１０ａ及び第二分割風車１０ｂの各羽根１１の位相を等しくした状態で、第一分割風車１０ａの各羽根１１と第二分割風車１０ｂの各羽根１１とが中間円板１３ｃを介して接合されている。
【００４２】
また、第一分割風車１０ａの各羽根１１の中間円板１３ｃと異なる側には、端部円板１３ａが接合されており、第二分割風車１０ｂの各羽根１１の中間円板１３ｃと異なる側には、端部円板１３ｂが接合されている。このように端部円板１３ａ及び１３ｂと中間円板１３ｃとにより、羽根１１のスパン長を短くすることによって、羽根１１がたわみにくくなっている。
【００４３】
各羽根１１は半円弧状に湾曲した板部材であり、羽根１１の凹面側が風を受ける風受け凹曲面１１ａ、羽根１１の凸面側が風を除ける風除け凸曲面１１ｂとなっている。また、羽根１１の両端のうち回転軸１２から遠い側を回転外側端１１ｃ、回転軸１２に近い側を回転内側端１１ｄと呼ぶ。回転軸１２は、回転外側端１１ｃと回転内側端１１ｄとを結ぶ線上にあり、３枚の各羽根１１の各回転外側端１１ｃは、回転外側端１１ｃの回転軌道Ｔｏの全周を３等分した１２０°刻みに配置されている。
【００４４】
２本の回転軸１２が端部円板１３ａ及び１３ｂのそれぞれの中心に接合されており、ダクト３の壁面に設けられた図略のベアリングによって、各回転軸１２が回転可能に支持されている。
【００４５】
ダクト３の外側には、風車１０の回転をＤＣモータ２０に伝達するためのタイミングプーリ１４が配置されており、タイミングプーリ１４は、一方の回転軸１２に電磁クラッチ１６を介して接合されている。電磁クラッチ１６をＯＮ／ＯＦＦすることによって、風車１０の回転をＤＣモータ２０に伝達するか否かを制御することが可能となっている。
【００４６】
発電機２０は、風車１０よりも前方のダクト３の上部に横付けでボルト固定されている。発電機２０の回転軸２１にはタイミングプーリ２２が取り付けられており、風車１０の回転軸１２に取り付けられたタイミングプーリ１４と、発電機２０の回転軸２１に取り付けられたタイミングプーリ２２とがタイミングベルト１５により連結されている。
【００４７】
発電機２０で発電された電気は、キャパシタ２３を経由して、電圧１２Ｖの補助バッテリ２４に蓄電される。補助バッテリ２４に蓄電された電気は、インパネのメーター類のランプや各種センサー類に供給される電力として利用される。また、この電気は、昇圧回路２５（ＤＣ／ＤＣコンバータ）により電圧５０Ｖに変換された後、走行用のバッテリ４に充電される。
【００４８】
防風部材３０は、ダクト３と一体的に形成されている。防風部材３０は、羽根１１の回転外側端１１ｃの回転軌道Ｔｏ上で最も風上に位置する最風上点Ｐ１と、最風上点Ｐ１から回転軌道Ｔｏ上を１／４回転軌道分後退した上境界点Ｐ２との間の全部を覆うように回転軌道Ｔｏに沿って配置されている。したがって、防風部材３０は１／４円筒状を呈しており、風車１０に対向する面を１／４円筒防風曲面３１（略１／４円筒防風曲面）と呼ぶ。
【００４９】
１／４円筒防風曲面３１と回転軌道Ｔｏとの間隔を１ｍｍの一定間隔としている。この防風部材３０によって、風車１０の最風上点Ｐ１よりも上方への風Ｗの進入を防止することができる。なお、風Ｗの進入防止及び部材の成形精度の観点から、１／４円筒防風曲面３１と回転軌道Ｔｏとの間隔を０．５〜５ｍｍの一定間隔とするのが好ましい。
【００５０】
風向変更部材４０は、ダクト３と一体的に形成されている。風向変更部材４０は、最風上点Ｐ１から回転軌道Ｔｏ上を１／４回転軌道分前進した下境界点Ｐ３と、回転軌道Ｔｏ上で最も風下に位置する最風下点Ｐ４との間の全部を覆うように回転軌道Ｔｏに沿って配置されている。したがって、風向変更部材４０は１／４円筒状を呈しており、風車１０に対向する面を１／４円筒風向変更曲面４１（部分円筒風向変更曲面）と呼ぶ。
【００５１】
１／４円筒風向変更曲面４１と回転軌道Ｔｏとの間隔を１ｍｍの一定間隔としている。この風向変更部材４０によって、風Ｗの方向が変化するため、後述するように、下境界点Ｐ３を越えた羽根１１の風受け凹曲面１１ａに対して風Ｗを送り込むことができる。なお、風Ｗの漏洩防止及び部材の成形精度の観点から、１／４円筒風向変更曲面４１と回転軌道Ｔｏとの間隔を０．５〜５ｍｍの一定間隔とするのが好ましい。また、風向変更部材４０による風向変更の効果を得るためには、少なくとも下境界点Ｐ３から１／８回転軌道分を覆うように風向変更部材４０を配置するのが好ましい。
【００５２】
図３及び図４に風車１０内の風Ｗの流れを説明する斜視図を示す。図３に示すように、羽根１１の回転外側端１１ｃが下境界点Ｐ３にある状態において、風上側からダクト３の空気通路３ａに侵入した風Ｗは、最下方にある羽根１１の風受け凹曲面１１ａに当たって、風受け凹曲面１１ａに沿って風向が曲げられる。そして、この風Ｗは風車１０の回転中心付近を通過した後、他の羽根１１の風受け凹曲面１１ａに当たって、この風受け凹曲面１１ａに沿って風向がさらに曲げられて風車１０の風下側に排出される。したがって、図３に示すように、風Ｗは風車１０内をＳ字を描いて通過する。図３に示す風Ｗの流れは、従来のサボニウス型風車と何等変わりはない。
【００５３】
本実施形態の車載用風力発電装置１の最大の特徴は、図４に示すように、羽根１１の回転外側端１１ｃが下境界点Ｐ３を越えて前進した状態であっても、この羽根１１の風受け凹曲面１１ａに風Ｗを取り込める点にある。風上側からダクト３の空気通路３ａに侵入した風Ｗは、下境界点Ｐ３と回転外側端１１ｃとの間の風向変更部材４０の１／４円筒風向変更曲面４１に当たって、１／４円筒風向変更曲面４１に沿って風向が曲げられる。これにより、下境界点Ｐ３を越えて前進した羽根１１の風受け凹曲面１１ａに風Ｗを取り込むことが可能となっている。すなわち、１／４円筒風向変更曲面４１によって、羽根１１の回転外側端１１ｃがさらに延長されて羽根１１の風受け凹曲面１１ａが拡張されたのと同等の作用が生まれている。
【００５４】
このような、１／４円筒風向変更曲面４１の作用について、図５及び６に基づいてさらに詳しく説明する。図５は、本実施形態の比較形態として、風向変更部材４０を備えていない車載用風力発電装置の風車１０内の風Ｗの流れを説明する断面図を示している。
【００５５】
図５に示す比較形態の車載用風力発電装置において、風車１０の構造は本実施形態と同一の構造であり、ダクト３００の構造が本実施形態のダクト３の構造と異なっている。ダクト３００には、本実施形態と同一構造の防風部材３０が形成されているものの、風向変更部材４０は形成されていない。したがって、風下側の空気通路開口Ｈ２は、風上側の空気通路開口Ｈ１の２倍の大きさとなっている。
【００５６】
図５（ａ）に示すように、羽根１１の回転外側端１１ｃが下境界点Ｐ３にある状態において、風車１０は受風面Ａで風Ｗを受ける。そして、風Ｗは、風上側に向いた羽根１１の風除け凸曲面１１ｂに当たって、有効受風面Ｂ１まで通風面積が絞られることにより風速が強まった後、取込風Ｗ１として羽根１１の風受け凹曲面１１ａに取り込まれる。そして、取込風Ｗ１が風車１０内を通過することにより、風車１０に正回転の回転トルクが作用する。このとき、風上側に向いた羽根１１の風除け凸曲面１１ｂに当たった風Ｗが逆戻風Ｗ３となることによって、風車１０に回転方向ｒとは逆回転の回転トルクが作用する。風車１０に作用する正回転の回転トルクは、逆回転の回転トルクよりも大きいために、風車１０は止まることなく回転する。
【００５７】
図５（ｂ）に示すように、羽根１１の回転外側端１１ｃが下境界点Ｐ３を越えて前進した状態においては、回転外側端１１ｃと下境界点Ｐ３との間に風上側から風下側に貫通した隙間ができるため、風Ｗの一部がこの隙間から抜ける漏洩風Ｗ２となる。このとき、有効受風面Ｂ２は、上述した有効受風面Ｂ１よりも小さいため、風受け凹曲面１１ａに取り込まれた取込風Ｗ１によって発生する回転トルクは、図５（ａ）の状態における回転トルクよりも小さくなる。
【００５８】
図５（ｃ）に示すように、羽根１１の回転外側端１１ｃが図５（ｂ）の状態からさらに前進した状態においては、回転外側端１１ｃと下境界点Ｐ３との間の隙間がさらに大きくなる。図５（ｃ）に示すように、下境界点Ｐ３を通過した羽根１１の回転外側端１１ｃから風Ｗの風向に平行に引いた線（図中の一点鎖線）が、下境界点Ｐ３を通過する前の羽根１１の風除け凸曲面１１ｂの接線となるとき、漏洩風Ｗ２が最も多くなる。そして、この状態においては、下境界点Ｐ３を通過した羽根１１の回転外側端１１ｃに風Ｗが取り込まれない。
【００５９】
一方、図５（ｃ）に示すように、風車１０の風上側に、風車１０内へ風Ｗが進入する有効受風面Ｂ３が形成され、有効受風面Ｂ３から取り込まれた風Ｗが逆戻風Ｗ３となって、風車１０内の羽根１１の風除け凸曲面１１ｂに当たるため風車１０に逆回転の回転トルクが作用する。したがって、図５（ｃ）に示す状態は、風車１０に逆回転の回転トルクが卓越した状態となるため、風車１０の回転にブレーキがかかることとなる。
【００６０】
以上に述べたように、図５に示す比較形態の車載用風力発電装置においては、風Ｗを風車１０の回転に変換する効率に優れているとは言えない。一方、図６に示す本実施形態の車載用風力発電装置１においては、以下に述べるとおり、風Ｗを風車１０の回転に変換する効率に優れている。
【００６１】
図６（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）における羽根１０の回転状態は、図５（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）における羽根１０の回転状態と同じである。図６（ａ）における有効受風面Ｃ１は、図５（ａ）における有効受風面Ｂ１に等しい大きさである。したがって、図５（ａ）及び図６（ａ）において、風車１０に作用する回転トルクに差はない。
【００６２】
図６（ｂ）に示す状態においては、図５（ｂ）で示した回転外側端１１ｃと下境界点Ｐ３との間の隙間が、風向変更部材４０の１／４円筒風向変更曲面４１によって塞がれているため、図６（ｂ）における有効受風面Ｃ２は、図５（ｂ）における有効受風面Ｂ２よりも大きい。よって、図６（ｂ）に示す状態においては、漏洩風Ｗ２が発生することがほとんどなく、ダクト３に進入した風Ｗのほぼ全てが取込風Ｗ１として風車１０内に取り込まれる。したがって、図６（ｂ）に示す本実施形態の車載用風力発電装置１の風車１０には、図５（ｂ）に示す比較形態の車載用風力発電装置の風車１０よりも大きな回転トルクが作用している。
【００６３】
図６（ｃ）に示す状態においては、上述した比較形態の有効受風面Ｂ３と同様に有効受風面Ｃ３が形成され、有効受風面Ｃ３から取り込まれた風Ｗが逆戻風Ｗ３となって、風車１０に逆回転の回転トルクが作用する。ところが、上述した図６（ｂ）に示す状態と同様に、回転外側端１１ｃと下境界点Ｐ３との間の隙間が、風向変更部材４０の１／４円筒風向変更曲面４１によって塞がれているため、比較形態の車載用風力発電装置においては形成されなかった有効受風面Ｃ４が形成される。この有効受風面Ｃ４から風受け凹曲面１１ａに取り込まれた取込風Ｗ１によって発生する正回転の回転トルクは、上述した逆戻風Ｗ３による逆回転の回転トルクよりも大きいため、風車１０は止まることなく回転する。
【００６４】
このような本実施形態の構成によると、風向変更部材４０は、下境界点Ｐ３と最風下点Ｐ４との間の全部を覆うように回転軌道Ｔｏに沿って且つ回転軌道Ｔｏと一定間隔を隔てて配置された１／４円筒風向変更曲面４１を有している。これにより、ダクト３の空気通路３ａ内に進入した風Ｗは、下境界点Ｐ３を越えたときに１／４円筒風向変更曲面４１に沿って風向が曲げられるため、下境界点Ｐ３を越えた羽根１１の風受け凹曲面１１ａに対して風Ｗを送り込むことができる。すなわち、本実施形態の車載用風力発電装置１に備わるサボニウス型の風車１０は、実質的に多方向から風を受けている。
【００６５】
したがって、本実施形態の車載用風力発電装置１に備わるサボニウス型の風車１０は、図１２に示した従来のサボニウス型風車９２及び９５に比べて、より長い間、羽根１１の風受け凹曲面１１ａに風を受けることができる。これにより、風車１０の回転トルクが向上するため、弱風での起動性が向上すると共に発電効率が向上する。
【００６６】
このように、本実施形態の車載用風力発電装置１は、弱風での起動性に優れているため、車両２の停車時においても外気微風力により良好に発電を行うことが可能である。また、サボニウス型の風車１０は、風が車両２の前方からダクト３に取り込まれても、車両２の後方からダクト３に取り込まれても、同一の回転方向ｒに回転する。さらに、本実施形態においては、図２（ｂ）で示したように、防風部材３０及び風向変更部材４０が同一形状で回転軸１２に関して互いに対称な位置に配置されているため、風車１０は、車両２の前方及び後方のいずれの方向から風を受けても等しく回転する。したがって、車両２の停車中に車両２の前方及び後方のいずれの方向から受ける外気微風力に対しても良好に発電を行うことが可能である。
【００６７】
また、本実施形態においては、車載用風力発電装置１の風車１０が、電気自動車の走行用のバッテリ４を冷却するための風を送るダクト３の空気通路内３ａに配置されている。したがって、風力発電を行うための専用のダクトを設ける必要がなく経済的である。
【実施例】
【００６８】
本実施例は、本発明の車載用風力発電装置の各実施形態について、弱風での起動性及び発電効率を実験により検証したものである。図７に実施例１〜４及び比較例１及び２の構造を説明する一覧図を示す。
【００６９】
実施例１は、本発明の車載用風力発電装置１の参考例である。図８に実施例１の構造を説明する側面図を示す。風車１０は、羽根１１の回転外側端１１ｃの回転軌道Ｔｏの直径φ１＝１３５ｍｍ、回転内側端１１ｄの回転軌道Ｔｉの直径φ２＝４５ｍｍとされている。また、羽根１１の風受け凹曲面１１ａの半径Ｒ１＝４５ｍｍとされている。
【００７０】
防風部材３０の１／４円筒防風曲面３１と回転軌道Ｔｏとの間隔は１ｍｍの一定間隔であり、最風上点Ｐ１における間隔Ｓ１及び上境界点Ｐ２における間隔Ｓ２は、いずれも１ｍｍとされている。また、風向変更部材４０の１／４円筒風向変更曲面４１と回転軌道Ｔｏとの間隔は１ｍｍの一定間隔であり、下境界点Ｐ３における間隔Ｓ３及び最風下点Ｐ４における間隔Ｓ４は、いずれも１ｍｍとされている。
【００７１】
ダクト３の風上側の空気通路開口Ｈ１と風下側の空気通路開口Ｈ２とは等しい大きさとされており、Ｈ１＝Ｈ２＝６８．５ｍｍとされている。実験方法は、この空気通路開口Ｈ１から風車１０に向かって所定風速の風を送り、風速を変化させつつ、風車１０の回転加速時及び回転減速時における風速（ｍ／ｓ）と回転数（ｒｐｍ）との関係を検証するものである。
【００７２】
実施例２は、本発明の請求項１又は２を具現化した実施例である。実施例２は、実施例１における防風部材３０及び風向変更部材４０を、防風部材６０及び風向変更部材７０に変更した実施例である。実施例２における風車１０の構造は、実施例１と同一であるため説明を省略する。実施例２における防風部材６０及び風向変更部材７０の形状は、図９に示す実施例３の構造を説明する側面図に示されているとおりである。
【００７３】
防風部材６０の１／４円筒防風曲面６１と回転軌道Ｔｏとの間隔は、風上側端で狭く風下側端で広い徐変間隔とされている。最風上点Ｐ１における間隔Ｓ１＝１ｍｍ、上境界点Ｐ２における間隔Ｓ２＝１０ｍｍとされている。また、風向変更部材７０の１／４円筒風向変更曲面７１と回転軌道Ｔｏとの間隔は、風上側端で広く風下側端で狭い徐変間隔とされている。下境界点Ｐ３における間隔Ｓ３＝１０ｍｍ、風下点Ｐ４における間隔Ｓ４＝１ｍｍとされている。ダクト３の風上側の空気通路開口Ｈ１と風下側の空気通路開口Ｈ２とは等しい大きさとされており、Ｈ１＝Ｈ２＝７７．５ｍｍとされている。実験方法は、実施例１と同様である。
【００７４】
実施例３は、本発明の請求項１、２又は４を具現化した実施例である。実施例３は、実施例２における風車１０を、風車５０に変更した実施例である。実施例３における防風部材６０及び風向変更部材７０の構造は、実施例２と同一であるため説明を省略する。図９に実施例３の構造を説明する側面図を示す。風車５０は、羽根５１の回転外側端５１ｃの回転軌道Ｔｏの直径φ１＝１３５ｍｍ、回転内側端５１ｄの回転軌道Ｔｉの直径φ２＝４５ｍｍとされている。また、羽根５１の風受け凹曲面５１ａの半径Ｒ１＝４５ｍｍとされている。
【００７５】
実施例３における羽根５１は、羽根５１の回転外側端５１ｃと羽根５１の回転内側端５１ｄとを繋ぐと共に羽根５１の回転方向ｒに向かって風受け凹曲面５１ａよりも大きく湾曲した風除け凸曲面５１ｂを備えている。したがって、羽根５１の断面形状は、風受け凹曲面５１ａと風除け凸曲面５１ｂとにより囲まれた略三日月形を呈している。
【００７６】
風除け凸曲面５１ｂは、回転外側端５１ｃと回転内側端５１ｄとから対称的に延びる半径Ｒ２＝Ｒ３＝６７．５ｍｍの２つの曲面と、この２つの曲面の交点を半径Ｒ４＝１８ｍｍで面取りした構造よりなる。回転外側端５１ｃから延びる曲面は、回転外側端５１ｃの回転軌道Ｔｏ上に配置されている。半径Ｒ４＝１８ｍｍで面取りが施されていることによって、風除け凸曲面５１ｂは滑らかな曲面により連続しているため、風除け凸曲面５１ｂに沿って流れる風が乱れにくい。実験方法は、実施例１と同様である。
【００７７】
実施例４は、本発明の請求項１、２又は３を具現化した実施例である。実施例４は、実施例３における風車５０の第一分割風車５０ａと第二分割風車５０ｂとを風車５０の回転方向に位相をずらした実施例である。その他の構造については、実施例３と同様であるため説明を省略する。実施例４において、第一分割風車５０ａの羽根５１と、第二分割風車５０ｂの羽根５１とは、位相が６０°ずれている。すなわち、第一分割風車５０ａ及び第二分割風車５０ｂの合計６枚の羽根５１は、風車５０の回転方向ｒに均等に配置されている。実験方法は、実施例１と同様である。
【００７８】
比較例１は、図５で示した比較形態の車載用風力発電装置を具現化した比較例である。比較例１のダクト３００には、実施例１と同一構造の防風部材３０が形成されているものの、風向変更部材４０は形成されていない。したがって、風下側の空気通路開口Ｈ２は、風上側の空気通路開口Ｈ１の２倍の大きさとなっおり、Ｈ１＝６８．５ｍｍ、Ｈ２＝１３７ｍｍとされている。比較例１における風車１０の構造は、実施例１と同一であるため説明を省略する。ダクト３００と回転軌道Ｔｏとの間隔は、下境界点Ｐ３において間隔Ｓ０＝１ｍｍとされている。実験方法は、実施例１と同様である。
【００７９】
比較例２は、比較例１の風車１０を、実施例３で述べた風車５０に変更した比較例である。風車５０の構造及びダクト３００の構造については、上述しているため説明を省略する。実験方法は、実施例１と同様である。
【００８０】
図１０に実施例１〜４及び比較例１及び２の風車の回転加速時における風速と回転数との関係を示すグラフを示す。また図１１に実施例１〜４及び比較例１及び２の風車の回転減速時における風速と回転数との関係を示すグラフを示す。これらのグラフは、横軸を風速（ｍ／ｓ）、縦軸を風車の回転数（ｒｐｍ）としている。車両走行風がダクト内に減衰することなく進入すると仮定した場合には、風速１〜９ｍ／ｓは、車速３．６〜３２．４ｋｍ／ｈに相当する。図１０及び１１のグラフにおいて、風速が弱い段階で風車が回転するほど弱風での起動性がよいと判断し、また、同じ風速で回転数が大きいほど発電効率が高いと判断することができる。
【００８１】
図１０に示すように、風車の回転加速時においては、実施例１〜４の全てが、比較例１及び２よりも弱風での起動性及び発電効率に優れている。
【００８２】
比較例２においては、比較例１の板状の羽根１１を略三日月形の羽根５１に変更したことによって、比較例１よりも発電効率が低下している。この理由は、風車５０の回転中に羽根５１の風除け凸曲面５１ｂが障壁となることによって、回転方向前方の風受け凹曲面５１ａが風を受けにくくなることと、風が風車５０内に進入しにくいことによって、風除け凸曲面５１ｂに沿って流れる風が途切れて、羽根５１に揚力が作用しにくくなるためであると推測できる。
【００８３】
実施例１においては、１／４円筒風向変更曲面４１の作用によって、下境界点Ｐ３を越えた羽根１１の風受け凹曲面１１ａに対して風を送り込むことができる。このため、風速１．４ｍ／ｓ程度（車速５ｋｍ／ｈ程度）の弱風から風車１０が回転を初め、比較例１よりも弱風での起動性及び発電効率に優れている。
【００８４】
実施例２においては、実施例１よりも風速が上がったときの発電効率が向上している。この理由は、実施例２においては、風向変更部材７０の１／４円筒風向変更曲面７１と回転軌道Ｔｏとの間隔が、風上側端で広く風下側端で狭い徐変間隔とされていることによって、実施例１よりも、多くの風を風車１０に取り込むことができると共に、実施例１よりも、１／４円筒風向変更曲面７１に沿って風向を曲げる際の風向の変化量を大きくすることができるためと推測できる。
【００８５】
実施例３においては、実施例２よりも発電効率が向上している。この理由は、実施例２の板状の羽根１１を略三日月形の羽根５１に変更したことによって、羽根５１に作用する揚力により風車５０の回転トルクを向上させることができたためと推測できる。比較例１と比較例２との対比においては、板状の羽根１１を略三日月形の羽根５１に変更するだけでは、風車５０の回転トルクを向上させる効果が生まれなかったが、実施例３のように、風車５０に風が取り込まれやすい形状とすることによって、風車５０の回転トルクを向上させることができる。
【００８６】
実施例４においては、実施例３よりも弱風から風速４ｍ／ｓ程度（車速１４ｋｍ／ｈ程度）の風速までの範囲で発電効率が向上している。この理由は、第一分割風車５０ａの羽根５１と、第二分割風車５０ｂの羽根５１とは、位相が６０°ずれているため、風車５０の回転トルクが安定したためと推測できる。なお、実施例４において、風速を４ｍ／ｓ以上とすると、風車５０に振動が発生するため、風車５０の回転がこれ以上に上昇しない。風車５０に振動が発生する理由として、分割風車を２個としているため風車全体としてのバランスが偏っていることが考えられる。この場合、分割風車を３個として、風車全体のバランスを改善することもできる。
【００８７】
図１１に示すように、風車の回転減速時における風速と回転数との関係は、図１０で示した風車の回転加速時における関係と類似している。図１１に示すように、風車の回転減速時においても、実施例１〜４の全てが、比較例１及び２よりも弱風まで風車の回転が止まることがなく、弱風での回転持続性及び発電効率に優れている。
【００８８】
以上で述べたように、風車の回転加速時においては、実施例１〜４の全てが、比較例１及び２よりも弱風での起動性、回転持続性及び発電効率に優れている。よって、本発明の車載用風力発電装置は、信号停止や渋滞の影響により、平均的な車速が４０ｋｍ／ｈ未満となる都市部において、強風領域でのみ発電が可能なプロペラ型風車よりも、車両走行中のトータル発電量が大きくなるものと考えられる。
【００８９】
なお、本発明の車載用風力発電装置は、上述した実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者が行い得る変更、改良等を施した種々の形態にて実施することができることは言うまでもない。
【００９０】
例えば、本実施形態及び実施例１〜４においては、風向変更部材４０及び７０の部分円筒風向変更曲面を、回転軌道Ｔｏの１／４回転軌道分を覆う１／４円筒風向変更曲面４１又は７１としている。しかし、部分円筒風向変更曲面は、１／４回転軌道分を覆うことに限定されず、１／８〜１／４回転軌道分の範囲で自由に設定することができる。なお、部分円筒風向変更曲面を１／８回転軌道分よりも小さくすると、風向を大きく変化させることができなくなるため、上述した風向変更部材の効果が十分に得られなくなる。
【００９１】
また、本実施形態及び実施例１〜４においては、風車の羽根を３枚羽根としているが、羽根は２枚又は４枚以上としてもよい。
【００９２】
また、本実施形態及び実施例１〜４においては、車両走行風により発電を行うことを想定しているが、本発明の車載用風力発電装置は、車両走行風による発電に限らず、車両停車中の外気風力をダクト内に取り込んで発電することも可能である。また、車両の後方からダクト内に進入する外気風力により発電を行うことも可能である。
【符号の説明】
【００９３】
１      …  車載用風力発電装置      ２      …  電気自動車（車両）
３      …  ダクト                  ３ａ    …  空気通路
４      …  バッテリ（二次電池）
１０    …  風車                    １０ａ  …  第一分割風車
１０ｂ  …  第二分割風車            １１    …  羽根
１１ａ  …  風受け凹曲面            １１ｂ  …  風除け凸曲面
１１ｃ  …  回転外側端              １１ｄ  …  回転内側端
１２    …  回転軸                  ２０    …  ＤＣモータ（発電機）
３０    …  防風部材
３１    …  １／４円筒防風曲面（略１／４円筒防風曲面）
４０    …  風向変更部材
４１    …  １／４円筒風向変更曲面（部分円筒風向変更曲面）
５０    …  風車                    ５０ａ  …  第一分割風車
５０ｂ  …  第二分割風車            ５１    …  羽根
５１ａ  …  風受け凹曲面            ５１ｂ  …  風除け凸曲面
５１ｃ  …  回転外側端              ５１ｄ  …  回転内側端
６０    …  防風部材
６１    …  １／４円筒防風曲面（略１／４円筒防風曲面）
７０    …  風向変更部材
７１    …  １／４円筒風向変更曲面（部分円筒風向変更曲面）
Ｐ１    …  最風上点                Ｐ２    …  上境界点
Ｐ３    …  下境界点                Ｐ４    …  最風下点
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４…  間隔        Ｔｏ、Ｔｉ…  回転軌道
Ｗ      …  風                      ｒ      …  回転方向
【図１】
0005637388.tif 000002
【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】
0005637388.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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