(57)【要約】【課題】風車にてロータヘッドや主軸を取り外すことなく主軸受を交換することが風力発電装置を提供することを目的とする。【解決手段】風力発電装置は、少なくとも１つの風車翼を備えるハブと、ハブに一端が接続する主軸１と、主軸１を支持する少なくとも１つの主軸受２とを備え、主軸受２は転がり軸受であって、主軸受２の内輪５は、半径方向内側で主軸２に接すると共に軸方向の貫通孔５１Ａを有する第１部材５１と、半径方向外側でころ４の軌道面を有する第２部材５２とに分割され、主軸１は、ハブ側が大径となる段差部１Ａを備えると共に、段差部１Ａの壁面にはねじ穴１Ｂを有し、第１部材５１は、貫通孔５１Ａを貫通しねじ穴１Ｂに螺合するボルト５３によって、主軸１に締結されることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの風車翼を備えるハブと、
前記ハブに一端が接続する主軸と、
前記主軸を支持する少なくとも１つの主軸受と、
を備え、
前記主軸受は転がり軸受であって、該主軸受の内輪は、半径方向内側で前記主軸に接すると共に軸方向の貫通孔を有する第１部材と、半径方向外側で転動体の軌道面を有する第２部材とに分割され、
前記主軸は、前記ハブ側が大径となる段差部を備えると共に、該段差部の壁面にはねじ穴を有し、
前記第１部材は、前記貫通孔を貫通し前記ねじ穴に螺合するボルトによって、前記主軸に締結されることを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
前記第１部材は、前記ボルト締結によって半径方向に膨脹することを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
【請求項３】
前記第１部材の外周面は、前記貫通孔に対応した位置の外径が、その他の位置の外径よりも小さく形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の風力発電装置。
【請求項４】
前記主軸受の外輪は、
転動体の軌道面が形成された本体部と、軸方向端部にて転動体側に突出し、前記本体部に対して着脱可能であるつば部と、
を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロータと接続された主軸を支持する主軸受を有する風力発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
風力発電において使用される風車は、タワー、ナセル、ロータヘッド及び複数枚の翼などからなる。翼は、ロータヘッド内部のハブに接続された主軸を軸心にして回転する。主軸は、ナセル内の台座に設置された主軸受によって支持される。
特許文献１には、ダイレクトドライブ型の風力発電装置において、主軸受を容易に交換するため、回転軸に形成されたテーパ面に内輪を内輪固定部材によって押し付ける技術が開示されている。また、特許文献２には、鉄道車両を駆動する回転電機における軸受の着脱作業を容易化するための技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１６３４２０号公報
【特許文献２】特許第４７３１６３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、風力発電に使用される風車のうち洋上風車は、海上に建設されるため設置場所へのアクセスが容易ではない。特に、主軸を支持する主軸受などの大型部品の交換には、クレーン船が必要になり多大なコストが掛かることから、洋上風車では陸上風車よりも更に部品の交換容易性が求められている。
【０００５】
交換容易性の一つの指標は、タワートップ上で部品を交換できるかどうかである。しかし、従来、主軸受は、焼き嵌めによって主軸と一体化されているうえに、主軸は翼が接続されたハブに接続されていることから、主軸受を交換する場合、ナセルごとタワー下に降ろして交換作業をするなどしていた。また、上述のとおり、主軸受は交換が困難であることを前提として、耐久性を考慮した設計が行われているため、サイズが大きくなり、タワートップ上が重くなっていた。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、風車にてロータヘッドや主軸を取り外すことなく主軸受を交換することが可能な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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の風力発電装置は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る風力発電装置は、少なくとも１つの風車翼を備えるハブと、前記ハブに一端が接続する主軸と、前記主軸を支持する少なくとも１つの主軸受とを備え、前記主軸受は転がり軸受であって、該主軸受の内輪は、半径方向内側で前記主軸に接すると共に軸方向の貫通孔を有する第１部材と、半径方向外側で転動体の軌道面を有する第２部材とに分割され、前記主軸は、前記ハブ側が大径となる段差部を備えると共に、該段差部の壁面にはねじ穴を有し、前記第１部材は、前記貫通孔を貫通し前記ねじ穴に螺合するボルトによって、前記主軸に締結されることを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、内輪の第１部材に形成された貫通孔にボルトが貫通し、主軸の段差部の壁面に形成されたねじ穴にボルトが螺合することによって、ボルト結合により主軸と内輪の第１部材が一体化される。その結果、主軸回転時は、主軸と主軸受の内輪が同時に回転する。一方、主軸受の部品を交換する際、ボルト結合を解除することによって、一体化されていた主軸と内輪の第１部材を個別に扱うことができるようになる。したがって、内輪が主軸に焼き嵌めされて嵌め合わされている場合と異なり、風車の主軸受の部品を容易に交換できるようになる。
また、内輪の第２部材は、転動体の軌道面を有するため、転動体によって疲労しやすいが、第１部材と別部材であって、個別に扱うことができるため、疲労した第２部材のみを交換できる。
【０００９】
上記発明において、前記第１部材は、前記ボルト締結によって半径方向に膨脹してもよい。
この構成によれば、主軸と第１部材を固定するときのボルト締結によって第１部材が半径方向に膨脹し、膨脹した第１部材が第２部材を押圧することによって、第１部材と第２部材が互いに固定されて一体化する。第１部材を半径方向に膨脹するには、例えば、ボルト頭と主軸によって第１部材を挟む方法や、ボルト軸の外周面と第１部材の貫通孔の内周面をテーパ形状にする方法などがある。
【００１０】
上記発明において、前記第１部材の外周面は、前記貫通孔に対応した位置の外径が、その他の位置の外径よりも小さく形成されてもよい。
この構成によれば、貫通孔にボルトを締め込んだとき、第１部材の貫通孔の周囲が半径方向に膨脹することから、貫通孔の周囲以外の外径とほぼ等しい径となり、第１部材の外周面が真円に近い状態に変形する。第１部材の外周面が真円に近くなることから、第２部材の外周面である軌道面の変形に影響を及ぼさず、主軸受の耐久性を低下させることがない。
【００１１】
上記発明において、前記主軸受の外輪は、転動体の軌道面が形成された本体部と、軸方向端部にて転動体側に突出し、前記本体部に対して着脱可能であるつば部とを有してもよい。
この構成によれば、外輪のつば部は、外輪の軸方向端部で転動体側に突出しており、通常、転動体を軌道面に保持している。そして、つば部を取り外すことによって、転動体を軸方向に引き抜くことができるため、転動体の交換が容易になる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、主軸受の内輪がボルト結合によって主軸に固定されており、ボルト結合を解除することによって、内輪を主軸に対して移動させることができることから、風車にてロータヘッドや主軸を取り外すことなく主軸受を交換することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係る主軸受を示す縦断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る軸受ハウジングを示す斜視図である。
【図３】風車を示す斜視図である。
【図４】図１のIV−IV線で切断した拡大断面図であり、主軸受の全円周のうち略１／４を示している。
【図５】本発明の一実施形態に係る主軸受を示す概略図であり、主軸受の取り外し過程を示す。
【図６】本発明の一実施形態に係る主軸受を示す概略図であり、主軸受の取り外し過程を示す。
【図７】本発明の一実施形態に係る主軸受の内輪の第１部材を示す断面図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る主軸受の内輪の第１部材を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明の一実施形態に係る風車用主軸受について、図面を参照して説明する。
風力発電装置において使用される風車１１は、例えば図３に示すように、タワー１２、ナセル１３、ロータヘッド１４及び複数枚の翼１５などからなる。翼１５は、旋回輪軸受を介してロータヘッド１４内部のハブ（図示せず。）に接続され、翼長方向に延在する翼軸周りに回転（揺動）可能である。これにより、翼１５のピッチ角度が調整される。
【００１５】
翼１５は、風を受けることによって、ロータヘッド１４内部のハブ（図示せず。）に接続された主軸１を軸心にして回転する。主軸１の一端は、ハブと接続され、主軸１の他端は、ナセル１３の内部に設けられた増速機や油圧ポンプ／モータを介して、あるいは直接的に発電機（図示せず。）に接続される。主軸１は、ナセル１３において軸受ハウジング６（図２参照）内で主軸受２（図１参照）によって支持されている。軸受ハウジング６は、ナセル１３の台座７上に設置され、例えば、上半部と下半部に分割可能である。
【００１６】
主軸１には、図１に示すように、複数の主軸受２が設置され、主軸１のラジアル荷重に対しては、円筒ころ軸受２１が設けられ、主軸１のアキシアル荷重に対しては、円すいころ軸受２２が設けられる。図１に示す例では、円筒ころ軸受２１はロータヘッド１４側と発電機側に一つずつ設けられ、円すいころ軸受２２は発電機側の円筒ころ軸受２１よりも更に発電機側に一つ設けられる。円筒ころ軸受２１、円すいころ軸受２２のいずれも、外輪３と、ころ４（転動体）と、内輪５を有する。
【００１７】
外輪３は、リング形状であり、軸受ハウジング６の内周面に沿って設置される。外輪３は、軸方向の両端部には、外輪３の軸心側、すなわち、ころ４側に突出したつばを有する。つばは、ころ４が軸方向に移動することを防止し、ころ４を軌道面上に保持する。
【００１８】
外輪３は、図１の円筒ころ軸受２１で示すように、軸方向に分割されて、本体部３１とつば部３２を備えてもよい。つば部３２は、発電機側で本体部３１に対してボルト３３によって結合され、ボルト３３を緩めることによって本体部３１から取り外すことができる。これにより、軸方向に発電機側からころ４の取出しが容易になる。図１に示す円すいころ軸受２２の外輪３は、軸受ハウジング６に対して支持部材３４を介して固定されている。支持部材３４は、軸受ハウジング６に対して着脱可能であり、主軸受２の交換の際に、取り外される。
【００１９】
ころ４は、図４に示すように、外輪３と内輪５の間に設置される。ころ４は、周方向に沿ってほぼ均等間隔で複数個設置される。円筒ころ軸受２１の場合、ころ４は円筒形状であり、円すいころ軸受２２の場合、ころ４は円すい台形状である。
【００２０】
内輪５は、図１に示すように、主軸１に対してボルト結合によって固定される。内輪５は、主軸１の外周面に沿って設置される。内輪５は、半径方向に分割されて、複数のリング形状の部材（第１部材５１と第２部材５２）からなる。第１部材５１と第２部材５２は、図４に示すように、同心円状に配置される。
【００２１】
第１部材５１は、主軸１側、すなわち内輪５の内周側に位置する。第２部材５２は、ころ４側、すなわち内輪５の外周側に位置し、外周面にて複数のころ４と接触する。第１部材５１の中心に形成された開口部５１Ｂには、主軸１が貫通して設けられる。図１に示すように、第１部材５１のロータヘッド１４側の外周面には、ストッパー５７を設置又は形成してもよく、第２部材５２の位置決めができるようにされている。
【００２２】
第１部材５１には、ボルト５３が貫通する貫通孔５１Ａが形成される。貫通孔５１Ａは、第１部材５１の周方向に複数個形成される。貫通孔５１Ａの開口方向は、軸線方向に対して平行である。
【００２３】
また、主軸１は、軸線方向に径が異なる部分が形成されることによって段差部１Ａが形成される。段差部１Ａの壁面（主軸１の軸線方向に対して垂直な面）に接触して第１部材５１が設置される。そして、主軸１の段差部１Ａの壁面には、第１部材５１の貫通孔５１Ａに対応して、ねじ穴１Ｂが形成される。ねじ穴１Ｂの軸線方向は、主軸１の軸線方向に対して平行である。ねじ穴１Ｂの開口方向は、発電機側である。
【００２４】
そして、第１部材５１の貫通孔５１Ａにボルト５３を通過させて、ねじ穴１Ｂにボルト軸５５に形成された雄ねじ部５５ａをねじ込むことによって、第１部材５１が主軸１に対して固定される。なお、１本のボルト５３によって、二つの第１部材５１を主軸１に固定してもよい。図１の例では、発電機側の円筒ころ軸受２１と円すいころ軸受２２の両方の第１部材５１が１本のボルト５３によって主軸１に固定されている。また、二つの第１部材５１の間には離隔部材５６が設置される。図１に示す円すいころ軸受２２の内輪５の第１部材５１と第２部材５２は、円すいころ軸受２２の発電機側端面に設けられる板状部材５８を介してボルト５３のボルト頭５４によって固定されている。
【００２５】
第１部材５１がボルト５３のボルト頭５４と主軸１に挟まれて、軸方向に圧縮されることによって、第１部材５１は、半径方向に５００μｍ程度膨脹する。その結果、第１部材５１の外周面と第２部材５２の内周面とが密着して、第１部材５１と第２部材５２が互いに半径方向の圧力を受けて固定される。これにより、内輪５を構成する第１部材５１と第２部材５２が一体化した部材となる。
【００２６】
一方、第１部材５１においてボルト５３によるボルト結合を解除することによって、半径方向の膨脹が元に戻る。したがって、第１部材５１と第２部材５２の間の接触圧が減少し、互いに緩んだ状態になる。
【００２７】
なお、上記実施形態では、主軸１の段差部１Ａにねじ穴１Ｂが形成されて、主軸１の発電機側からボルト５３を挿入する場合について説明したが、本発明はこの例に限定されない。例えば、主軸１の段差部１Ａから軸線方向に平行にボルト軸を突出させてもよい。そして、段差部１Ａから突出したボルト軸を第１部材５１の貫通孔５１Ａに通過させ、発電機側からナットで第１部材５１を締め付けるようにしてもよい。ボルト軸を段差部１Ａから突出させる方法としては、段差部１Ａに形成したねじ穴１Ｂにロータヘッド１４側からスタッドボルトを挿入する方法がある。
【００２８】
また、ボルト５３のボルト軸５５は、図１において円柱形状である場合について示したが、本発明はこの例に限定されない。例えば、ボルト５３は、ボルト軸５５の先端側が細く、ボルト頭５４が太いテーパ形状でもよい。そして、第１部材５１の貫通孔５１Ａは、テーパ形状のボルト軸５５に合わせて、テーパ面を有するように形成される。これにより、ボルト５３が第１部材５１に挿入され主軸１にねじ込まれると、ボルト軸５５によって第１部材５１が半径方向に膨脹する。
【００２９】
次に、風力発電装置のメンテナンス時における主軸１からの主軸受２の取り外し方法及び取り付け方法について説明する。
風力発電装置が稼働している状態では、図１に示すように、内輪５は、第１部材５１が主軸１に対してボルト５３によって結合されている。また、第１部材５１が半径方向に膨脹して、第１部材５１の外周面と第２部材５２の内周面が接触し互いに圧力を受けることによって、第２部材５２が第１部材５１に対して固定されている。
【００３０】
この状態から風力発電装置の稼働を停止し主軸受２をメンテナンスする場合、まず、主軸１と発電機側の装置との連結を外し、主軸受２を収容している軸受ハウジング６の上半部を取り外して主軸受２を露出させる。その後、第１部材５１の貫通孔５１Ａを貫通して主軸１に締結している複数本のボルト５３を緩める。これにより、第１部材５１の主軸１に対する固定を解除できる。また、第１部材５１の半径方向の膨脹が元に戻り、第１部材５１と第２部材５２間の接触圧が低減する。これにより、第１部材５１と第２部材５２を個別に軸方向に取り外すことができる。
【００３１】
また、本体部３１とつば部３２がボルト３３によって締結されている外輪３は、ボルト３３によるボルト結合を解除することによって、つば部３２が本体部３１から取り外される。これにより、外輪３ところ４とを個別に軸方向に取り外すことが可能となる。
【００３２】
以上より、内輪５の第１部材５１と第２部材５２、外輪３の本体部３１及びころ４が主軸１に沿って移動でき、交換を要する場合は、第１部材５１、第２部材５２、ころ４及び外輪３の本体部３１のうち該当する部材を移動させて、主軸１から取り外す。
【００３３】
なお、主軸受２には、主軸１からの上向きの荷重は作用し難いので、外輪３の本体部３１は、上方で外輪３の軌道面が分割されていても、その分割結合線は、ころ４の転がりに影響を与えない。したがって、外輪３は上方で周方向に分割されてもよい。これにより、外輪３を分割部材によって扱うことが可能になるため、外輪３の交換が容易になる。また、外輪３の本体部３１は、軌道面の一部にしか荷重を受けていないことから、荷重を受けていた部分が、交換が必要な程度に摩耗などした場合であっても、外輪３を交換するのではなく、周方向に回転させて、荷重を受けていなかった健全な軌道面が荷重を受けるようにするだけでもよい。
【００３４】
反対に、メンテナンスによって取り外されていた主軸受２を主軸１に取り付ける場合は、まず、第１部材５１を主軸１の外周面の所定の場所に設置する。次に、第２部材５２を主軸１に通して第１部材５１の外周面に設置する。
【００３５】
また、外輪３の本体部３１を、軸受ハウジング６の所定の場所に設置しておく。そして、ころ４を第２部材５２の外周面と外輪３の本体部３１の内周面との間に挿入する。さらに、ボルト５３を第１部材５１の貫通孔５１Ａに貫通させて、主軸１のねじ穴１Ｂにボルト５３をねじ込む。ボルト５３を本締めすることによって、第１部材５１は、主軸１に対して固定されるとともに、第１部材５１が半径方向に膨脹する。その結果、第１部材５１と第２部材５２との間の接触圧によって、第１部材５１と第２部材５２が一体化する。
【００３６】
次に、１本の主軸１に設置されている複数の主軸受２の取り外し方について説明する。
まず、図５に示すように、軸受ハウジング６の上半部が外された状態で、例えば油圧ジャッキ６０−１を用いて、主軸１のロータヘッド１４側の位置を支持する。そして、ロータヘッド１４側の主軸受２−１においてボルト５３によるボルト結合を緩めて、第１部材５１と第２部材５２の固定を解除する。この状態で、主軸受２−１のうち交換が必要な部材（例えば第２部材５２又はころ４等）を軸方向に移動させる。第２部材５２の場合、主軸１に沿って発電機側の主軸受２−２の近傍まで移動させる。ころ４の場合、外輪３と内輪５の間から主軸１の軸線方向に引き抜く。
【００３７】
次に、図６に示すように、別の油圧ジャッキ６０−２を用いて、主軸１の発電機側の位置を支持する。これにより、二つのジャッキ６０−１，６０−２によって主軸１が支持される。そして、発電機側の主軸受２−２においてボルト５３によるボルト結合を緩めて、第１部材５１と第２部材５２の固定を解除する。その後、ロータヘッド１４側及び発電機側の主軸受２−１，２−２の第２部材５２を発電機側に移動させたり、発電機側の主軸受２−２のころ４を、外輪３と内輪５の間から主軸１の軸線方向に引き抜いたりする。
【００３８】
なお、外輪３の本体部３１については、内輪５の第２部材５２と同様に、軸線方向に移動させて主軸１から引き抜いてもよい。または、円筒ころ軸受２１の外輪３は、台座７に固定された部材であり、主に円周上の軌道面の一部でしか荷重を支持していない。したがって、必ずしも外輪３を交換する必要はなく、円周方向に回転させ、荷重を支持していなかった健全な部分を新たな荷重支持部にしてもよい。
【００３９】
以上により、主軸１がジャッキによって支持された状態で、ロータヘッド１４側及び発電機側の主軸受２−１，２−２の部材交換が可能になる。
【００４０】
次に、内輪５の第１部材５１について詳しく説明する。
第１部材５１は、ボルト５３によって締め付けられることによって、半径方向に膨脹する。ボルト５３が、例えば図４に示すように、円周上に配置される場合、ボルト５３を締め込むと、第１部材５１は、図７に示すように、貫通孔５１Ａに対応して、外周面が花びら（ｓｉｎ波）上に変形する。この変形は、第２部材５２の外周面である軌道面の変形に影響を及ぼし、主軸受２の耐久性を低下させるおそれがある。
【００４１】
そこで、第１部材５１には、図４に示すように、円周上にできるだけ密にボルト５３を配置するとよい。これにより、円周上にボルト数が少ない場合に比べて第１部材５１の変形量（ｓｉｎ波の振幅）を小さくすることができ、軌道面を真円に近い状態に保つことができる。
【００４２】
また、図８に示すように、第１部材５１の外周面を、予め図７のｓｉｎ波と位相を１８０°ずらしたｓｉｎ波に加工してもよい。すなわち、第１部材５１の外周面は、貫通孔５１Ａに対応した位置の外径が、その他の位置の外径よりも予め小さく形成されてもよい。これにより、貫通孔５１Ａにボルト５３を締め込んだとき、第１部材５１の貫通孔５１Ａの周囲が半径方向に膨脹することから、貫通孔５１Ａの周囲以外の外径とほぼ等しい径となり、第１部材５１の外周面が真円に近い状態に変形する。
【００４３】
以上より、ボルト５３を締め込んだときに第１部材５１の外周面が真円に近くなることから、第２部材５２の外周面である軌道面の変形に影響を及ぼさず、主軸受２の耐久性を低下させることがない。
【００４４】
本実施形態によれば、主軸１に対して主軸受２を取り外すことができ、かつ、主軸受２の各部材を分割できることから、各部材の交換等が容易になる。すなわち、従来、翼を含むロータヘッドは、主軸と主軸受が一体化されていることから、主軸受を交換する場合、ナセルごとタワー下に降ろして交換作業をするなどしなければならなかった。しかし、本実施形態では、ナセル１３内で交換作業を行うことができ、ナセル１３内に設置されているクレーンを用いる程度で済むため、メンテナンスにかかる手間やコストを大幅に低減できる。また、当初から交換を前提とした部材設計をすることができるため、各部材の小型化を図ることもできる。そして、タワートップ上の重量を軽量化できる。
【００４５】
さらに、主軸受２は、ころ４の軌道面である内輪５の第２部材５２の外周面及び外輪３の内周面の近傍で応力が高くなり疲労しやすい。本実施形態では、主軸受２の内輪５は、半径方向に分割されて、主軸１側の第１部材５１ところ４側の第２部材５２に分かれている。したがって、内輪５のうち第２部材５２のみを交換できるため、内輪５全体を交換するのではなく、疲労しやすい部品のみの交換が可能になる。
【００４６】
なお、上記実施形態では、内輪５が第１部材５１と第２部材５２に分割されている場合について説明したが、本発明はこの例に限定されない。ボルト結合による主軸１に対する内輪５の固定と解除が可能であれば、内輪５は、半径方向に分割されないで、単一の部材でもよい。
【符号の説明】
【００４７】
１  主軸
１Ａ  段差部
１Ｂ  ねじ穴
２  主軸受
３  外輪
４  ころ（転動体）
５  内輪
６  軸受ハウジング
１１  翼
２１  円筒ころ軸受
２２  円すいころ軸受
３１  本体部
３２  つば部
３３，５３  ボルト
５１  第１部材
５１Ａ  貫通孔
５２  第２部材
５５  ボルト軸
５５ａ  雄ねじ部
【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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