(57)【要約】【課題】テープ状の複数の単位線材を接続した超電導線材を用い、空間均一性の高い磁場を形成可能な超電導コイル、このコイルを用いた超電導マグネット、及び超電導コイルの製造方法を提供することを課題とする。【解決手段】本発明は、テープ状の超電導線材２２がその厚さ方向を螺旋の径方向に向けた状態でソレノイド状に多層巻きされた超電導コイル２０であって、超電導線材２２は、複数の単位線材２４がその長手方向に接続されることによって構成され、当該コイル２０の各層は単一の単位線材２４がソレノイド状に巻き回されることによって構成され、超電導線材２２における単位線材２４、２４同士が接続される接続部２６は、当該コイル２０の端部において、径方向内側の層を構成する単位線材２４の端部とその外側の層を構成する単位線材２４の端部とがその厚さ方向に互いに重ね合わされていることを特徴とする。【選択図】図１３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
テープ状の超電導線材がその厚さ方向を螺旋の径方向に向けた状態でソレノイド状に多層巻きされた超電導コイルであって、
前記超電導線材は、複数のテープ状の単位線材がその長手方向に接続されることによって構成され、
当該コイルの各層は、単一の前記単位線材が前記ソレノイド状に巻き回されることによって構成され、
前記超電導線材における前記単位線材同士が接続される接続部は、当該コイルのコイル軸方向の端部において、径方向内側の層を構成する単位線材の端部とその外側の層を構成する単位線材の端部とがその厚さ方向に互いに重ね合わされた状態で接続されている超電導コイル。
【請求項２】
請求項１に記載の超電導コイルにおいて、
前記超電導線材は、前記接続部を複数有し、各接続部では前記単位線材の端部同士がハンダを介して接続され、これら複数の接続部は、当該コイルにおけるコイル軸方向の一方側の端部において、当該コイルの径方向に重ならないような当該コイルの周方向の異なる位置にそれぞれ設けられる超電導コイル。
【請求項３】
請求項２に記載の超電導コイルにおいて、
前記複数の接続部は、当該コイルにおけるコイル軸方向の両端部に分散して設けられる超電導コイル。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の超電導コイルと、
前記超電導コイルを構成する前記超電導線材が巻き付けられる巻枠と、を備える超電導マグネット。
【請求項５】
テープ状の超電導線材がその厚さ方向を螺旋の径方向に向けた状態でソレノイド状に多層巻きされた超電導コイルを製造する方法であって、
単一のテープ状の単位線材を前記ソレノイド状に巻き回して前記超電導コイルの所定の層を形成する工程と、
前記超電導コイルのコイル軸方向の端部において、前記所定の層を形成した単位線材の端部に、その径方向外側の層を構成するテープ状の単位線材の端部をその厚さ方向に互いに重ね合わせて接続することによって前記超電導線材を構成すると共に、この接続した単一の単位線材を前記所定の層上において巻き回して前記外側の層を形成する工程と、を備える超電導マグネットの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テープ状の超電導線材を用いた超電導コイル、このコイルを用いた超電導マグネット、超電導コイルの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年開発が進められている酸化物超電導導体は、金属系の超電導導体と比較して臨界温度が高く、発生させる磁場も強い等の特徴を有し、冷却が容易であることから、その応用範囲が広がりつつある。
【０００３】
この酸化物超電導導体を用いた超電導コイルが、特許文献１に開示されている。この超電導コイルは、図１１に示されるように、超電導マグネット１００に用いられる。具体的に、超電導マグネット１００は、巻枠１０１と、この巻枠１０１に設けられる超電導コイル１０２と、を備える。超電導コイル１０２は、酸化物超電導導体によって形成されたテープ状の線材（超電導線材）１０３を、巻枠１０１上において、その厚み方向が螺旋の径方向を向くようにソレノイド状に多層巻きすることによって形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２０９０１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
酸化物超電導導体は、製造上の制約から金属系の超電導導体のように長尺な線材を形成することが困難なため、大型のコイルを形成する際には、それぞれ長さ寸法の決まった複数の酸化物超電導線材（単位線材）１０３を直列に接続した線材を用いてコイルが形成される。
【０００６】
テープ状の酸化物超電導線材１０３、１０３同士は、その端部同士を厚さ方向に重ねてハンダ付けすることによって接続されているため、この接続部の厚さは他の部位の厚さに比べて２倍以上になっている。このため、複数の酸化物超電導線材１０３を接続した線材によって形成された超電導コイル１０２では、図１２に示すように、接続部１０４の周囲で巻き乱れ（第ｎ層の接続部１０４の外側に巻かれた第ｎ＋１層の酸化物超電導線材１０３の部位１０６が、この部位１０６と同じ第ｎ＋１層を構成する酸化物超電導線材１０３の前記部位１０６以外の部位１０８に対して径方向の位置がずれる等）が生じる。このように、超電導コイル１０２において、酸化物超電導線材１０３の局所的な巻き乱れが生じると、当該超電導コイル１０２によって形成される磁場の空間均一性が低下する。
【０００７】
そこで、本発明は、上記問題に鑑み、テープ状の複数の単位線材を接続した超電導線材を用い、空間均一性の高い磁場を形成可能な超電導コイル、このコイルを用いた超電導マグネット、及び超電導コイルの製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解消すべく、本発明は、テープ状の超電導線材がその厚さ方向を螺旋の径方向に向けた状態でソレノイド状に多層巻きされた超電導コイルであって、前記超電導線材は、複数のテープ状の単位線材がその長手方向に接続されることによって構成され、当該コイルの各層は、単一の前記単位線材が前記ソレノイド状に巻き回されることによって構成され、前記超電導線材における前記単位線材同士が接続される接続部は、当該コイルのコイル軸方向の端部において、径方向内側の層を構成する単位線材の端部とその外側の層を構成する単位線材の端部とがその厚さ方向に互いに重ね合わされた状態で接続されている。
【０００９】
かかる構成によれば、多層巻きされた超電導コイルのコイル軸方向の端部において、径方向内側の層を構成する単一の単位線材の端部と、その外側の層を構成する単一の単位線材の端部とを重ね合わせて接続することにより、この接続部の厚さに起因する超電導線材の巻き乱れを抑えることができる。即ち、コイル軸方向の中間部に接続部が設けられると、超電導線材における接続部と他の部位との厚さの違いによって、外側の層を構成する超電導線材に巻き乱れが生じる（図１２参照）が、超電導コイルのコイル軸方向の端部において、内側の層を構成する単一の単位線材の端部と、その外側の層を構成する単一の単位線材の端部とを重ね合わせて接続部を構成することにより（図１３参照）、接続部と他の部位との厚さの差を埋めるための絶縁材等を挿入しなくても接続部の厚さに起因する超電導線材の巻き乱れを抑えることができる。その結果、当該超電導コイルによれば、空間均一性の高い磁場を形成することができる。
【００１０】
本発明に係る超電導コイルにおいては、前記超電導線材は、前記接続部を複数有し、各接続部では前記単位線材の端部同士がハンダを介して接続され、これら複数の接続部は、当該コイルにおけるコイル軸方向の一方側の端部において、当該コイルの径方向に重ならないような当該コイルの周方向の異なる位置にそれぞれ設けられることが好ましい。
【００１１】
かかる構成によれば、超電導コイルのコイル軸方向端部において、通電時にハンダの抵抗によって発熱する接続部を周方向に分散させることができ、これにより、前記発熱に起因する断線を防ぐことができる。
【００１２】
また、前記複数の接続部は、当該コイルにおけるコイル軸方向の両端部に分散して設けられることが好ましい。
【００１３】
かかる構成によれば、他の部位に比べて厚さの大きな接続部がコイル軸方向の両端部に振り分けられる（分散される）ため、一方の端部だけに外径の巻き太りが生じるのを防ぐことができる。
【００１４】
また、上記課題を解消すべく、本発明は、超電導マグネットであって、上記のいずれかの超電導コイルと、前記超電導コイルを構成する前記超電導線材が巻き付けられる巻枠と、を備える。
【００１５】
かかる構成によれば、多層巻きされた超電導コイルのコイル軸方向の端部において、径方向内側の層を構成する単一の単位線材の端部と、その外側の層を構成する単一の単位線材の端部とを重ね合わせて接続することにより、この接続部の厚さに起因する超電導線材の巻き乱れを抑えることができる。このため、当該超電導マグネットによれば、空間均一性の高い磁場が形成できる。
【００１６】
また、上記課題を解消すべく、本発明は、テープ状の超電導線材がその厚さ方向を螺旋の径方向に向けた状態でソレノイド状に多層巻きされた超電導コイルを製造する方法であって、単一のテープ状の単位線材を前記ソレノイド状に巻き回して前記超電導コイルの所定の層を形成する工程と、前記超電導コイルのコイル軸方向の端部において、前記所定の層を形成した単位線材の端部に、その径方向外側の層を構成するテープ状の単位線材の端部をその厚さ方向に互いに重ね合わせて接続することによって前記超電導線材を構成すると共に、この接続した単一の単位線材を前記所定の層上において巻き回して前記外側の層を形成する工程と、を備える。
【００１７】
かかる構成によれば、多層巻きされた超電導コイルのコイル軸方向の端部において、径方向内側の層（所定の層）を構成する単一の単位線材の端部と、その外側の層を構成する単一の単位線材の端部とを重ね合わせて接続することにより、この接続部の厚さに起因する超電導線材の巻き乱れが抑えられた超電導コイルが形成される。
【発明の効果】
【００１８】
以上より、本発明によれば、テープ状の複数の単位線材を接続した超電導線材を用い、空間均一性の高い磁場を形成可能な超電導コイル、このコイルを用いた超電導マグネット、及び超電導コイルの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本実施形態に係る超電導マグネットの正面図である。
【図２】前記超電導マグネットの巻枠の正面図である。
【図３】超電導線材を説明するための図である。
【図４】前記超電導線材における接続部を説明するための部分拡大図である。
【図５】超電導コイルにおける各接続部の周方向の位置を説明するための図である。
【図６】超電導コイルにおける各接続部の周方向の位置を説明するための部分拡大断面図である。
【図７】径方向において接続部が重なった状態を説明するための部分拡大断面図である。
【図８】前記超電導コイルの第ｎ層を形成する工程を説明するための図である。
【図９】接続部を形成した後、超電導コイルの第ｎ＋１層を形成する工程を説明するための図である。
【図１０】ダミー線を説明するための図である。
【図１１】従来の超電導マグネットを説明するための図である。
【図１２】超電導線材の接続部による巻き乱れを示す一部拡大断面図である。
【図１３】超電導コイルにおける超電導線材の接続部が形成される位置を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施形態について、図１〜図７を参照しつつ説明する。
【００２１】
図１は、本実施形態に係る超電導マグネットの正面図である。図２は、超電導マグネットの巻枠の正面図である。図３は、超電導線材を説明するための図であり、図４は、超電導線材における接続部を説明するための部分拡大図である。図５は、超電導コイルにおける各接続部の周方向の位置を説明するための図であり、図６は、超電導コイルにおける各接続部の周方向の位置を説明するための部分拡大断面図である。図７は、径方向において接続部が重なった状態を説明するための部分拡大断面図である。
【００２２】
本実施形態に係る超電導マグネット１０は、巻枠１２と、超電導コイル２０と、を備える。
【００２３】
巻枠１２は、胴部１４と、一対のフランジ部１６、１６とを備える。胴部１４は、円筒形状を有し、非磁性材料によって形成される。フランジ部１６は、胴部１４の軸方向の両端（図２において左右方向の両端）に設けられ、胴部１４の外周面から径方向外側に向かって突出する。本実施形態の胴部１４は、フランジ部１６の内面間の距離が、例えば、２００ｍｍであり、外径が、例えば、６００ｍｍである。
【００２４】
超電導コイル２０は、テープ状の超電導線材２２がその厚さ方向を螺旋の径方向に向けた状態でソレノイド状に多層巻きされることによって形成される。具体的には、テープ状の超電導線材２２が一対のフランジ部１６、１６間の領域においてその厚さ方向を巻枠１２の径方向に向けた状態（フラットワイズ状態）で胴部１４の外周面上においてソレノイド状に多層に巻き重ねられ、これにより、超電導コイル２０が構成される。
【００２５】
超電導線材２２は、テープ状の複数の単位線材２４、２４、…を直列に接続することによって形成される。各単位線材２４は、Ｂｉ（ビスマス）系やＹ（イットリウム）系の酸化物材料によって形成され、例えば、長さが約４００ｍ、幅が４ｍｍ、厚さが０．５ｍｍである。
【００２６】
超電導線材２２は、単位線材２４の端部同士が接続された部位である複数の接続部２６を有する。この接続部２６は、単位線材２４の端部同士がハンダ２８を介して（挟んで）互いの厚さ方向に重ね合わされ、その周囲に絶縁テープ３０が巻き付けられた構造を有する。このため、超電導線材２２において、接続部２６は、他の部位に比べて２倍以上の厚さ（厚さ寸法）を有する。また、接続部２６での電気抵抗を抑えるため、本実施形態では、単位線材２４の端部同士の接続に銀を含むハンダ２８が用いられ、単位線材２４の端部同士が長手方向に５ｃｍ以上重ね合わされ、対向する面の略全体がハンダ２８によって接続されている。
【００２７】
超電導コイル２０の各層は、単一の単位線材２４によって構成されている。即ち、超電導コイル２０において、各層のコイル軸方向の端部に接続部２６が設けられ、各層のコイル軸方向の途中（中間位置）には接続部２６が形成されていない。
【００２８】
具体的に、各接続部２６は、超電導コイル２０のコイル軸方向の端部において、上下（径方向における内外）に隣接する２つの層（第ｎ層と第ｎ＋１層）において、径方向内側（下側）の層である第ｎ層を構成する単位線材２４の端部と、その外側（上側）の層である第ｎ＋１層を構成する単位線材２４の端部とが互いの厚さ方向に重ね合わされた状態で接続されることによって形成されている。
【００２９】
この接続部２６は、超電導コイル２０のコイル軸方向の端部において、各層に設けられてもよく、数層毎に設けられてもよい。
【００３０】
これら複数の接続部２６、２６、…は、超電導コイル２０のコイル軸方向の両端部（図１において左右方向の両端部）に分散して設けられる。このように、接続部２６がコイル軸方向の両端部に振り分けられることによって、超電導コイル２０の一方の端部だけに偏った外径の巻き太りを防ぐことができる。例えば、１つの単位線材２４によって連続して偶数層が形成される場合、超電導コイル２０のコイル軸方向の一方の端部にのみ接続部２６が形成されるため、当該端部の外径が他方の端部の外径よりも太くなる（一方の端部に巻き太りが生じる）。これに対し、１つの単位線材２４によって連続して奇数層が形成される場合、超電導コイル２０の両端部に接続部２６が形成されるため、一方の端部だけに偏った外径の巻き太りが生じない。
【００３１】
尚、接続部２６が超電導コイル２０の両端部に分散して設けられる場合に、各端部に設けられる接続部２６の数は同じでなくてもよい。超電導コイル２０によって形成される磁場の空間均一性が許容範囲内であれば、超電導コイル２０の両端に振り分けられる接続部２６の数が異なっていてもよい。
【００３２】
また、複数の接続部２６、２６、…は、超電導コイル２０の各端部において、超電導コイル２０の径方向に重ならないような周方向の異なる位置（ずれた位置）に設けられる。具体的に、例えば、図５及び図６に示されるように各層に接続部２６が設けられている場合、径方向の中心側に向かって見たときに、重ならない、即ち、外側の層の接続部２６の電流の流れ方向における下流側端部（図５における下側端部）と、内側の層の接続部２６の上流側端部（図５における上側端部）との間に隙間が生じ若しくは一致するように配置される。これにより、通電時に発熱する部位（接続部）２６を周方向に分散させることができ、その結果、前記発熱に起因する超電導線材２２の断線を防ぐことができる。即ち、ハンダ２８の有する電気的抵抗によって通電時（励磁時）に接続部２６が発熱するため、図７に示されるように径方向において接続部２６、２６同士が重なっていると、熱が逃げ難く当該部位が高温になって断線する恐れがあるが、上記のように径方向に重ならないように各接続部２６を周方向の異なる位置に設けることによって発熱部（接続部２６）の局所的な集中が防がれ、これにより、前記発熱に起因する断線を防ぐことができる。
【００３３】
また、超電導線材２２において接続部２６の厚さが他の部位の厚さと比べて２倍以上であるため、複数の接続部２６、２６、…が径方向に重ならないように設けられることで、当該部位（超電導コイル２０のコイル軸方向端部）のコイル軸方向視の形状が歪むのを防ぐことができる。即ち、径方向において複数の接続部２６、２６、…が重なると、その位置の直径が周方向の他の位置の直径に比べて大きくなるが、周方向に接続部２６を分散させることによって特定の直径だけが大きくなることを防ぐことができる。
【００３４】
次に、超電導マグネット１０の製造方法について、図８〜図１０を参照しつつ説明する。図８は、超電導コイルの第ｎ層を形成する工程を説明するための図である。図９は、接続部を形成した後、超電導コイルの第ｎ＋１層を形成する工程を説明するための図である。図１０は、ダミー線を説明するための図である。
【００３５】
テープ状の単一の単位線材２４が、巻枠１２の胴部１４の外周面上において、軸方向における一方の端部（図８における左側端部）から他方の端部（図８における右側端部）に向けてフラットワイズのソレノイド状に巻回され、これにより、超電導コイル２０の第１層が構成される。
【００３６】
単位線材２４が胴部１４の他方の端部まで巻き回わされると、単位線材２４の余っている部位が切断される。尚、一条の単位線材２４が、複数の層を連続して形成することができる長さを有していれば、第１層が巻き終わっても、余っている単位線材を切断することなく第２層、第３層、…を連続して形成してもよい。即ち、複数の層（第１層、第２層、第３層、…）が一条の単位線材２４によって連続して形成されてもよい。
【００３７】
第１層の単位線材２４の端部（図８における右側の端部）の径方向外側面にハンダ２８が塗布される。このハンダ２８が塗布された部位に第２層を構成するための単位線材２４の端部を重ね、熱を加えて接続（ハンダ付け）する。その後、ハンダ付けされた部位が絶縁被覆（例えば、絶縁テープ３０によって被覆等）され、これにより、第１層を構成する単位線材２４と第２層を構成する単位線材２４とが直列に接続される。
【００３８】
続いて、第２層を構成する単一の単位線材２４が、第１層の径方向外側（上側）において、軸方向における他方の端部（図９における右側端部）から一方の端部（図９における左側端部）に向けてフラットワイズのソレノイド状に巻回され、これにより、超電導コイル２０の第２層が構成される。
【００３９】
第２層が巻き終わると、第１層を構成する単位線材２４の端部と第２層を構成する単位線材２４の端部とを接続して接続部２６を形成したのと同様に、余っている部位が切断され、第２層を構成する単位線材２４の端部と、第３層を構成する単位線材２４の端部とが接続される。
【００４０】
接続された第３層を構成する単位線材２４が、第２層の径方向外側（上側）において、軸方向における一方の端部（図９における左側端部）から他方の端部（図９における右側端部）に向けてフラットワイズのソレノイド状に巻回され、これにより、超電導コイル２０の第３層が構成される。
【００４１】
以上を繰り返すことによって、超電導線材２２（複数の単位線材２４、２４、…が接続された線材）が巻き重ねられ、複数層のソレノイド状の超電導コイル２０が形成される。このとき、例えば、第ｎ層の巻き終わりに接続部２６が設けられると、その下側（径方向内側）の層（第ｎ−１層）の接続部２６と径方向において重なる場合には、下側の層の接続部２６よりも巻き回し方向における手前の位置において第ｎ層を構成する単位線材２４を切断し、この位置において、前記切断した（第ｎ層を構成する）単位線材２４の端部と第ｎ＋１層を構成する単位線材の端部との接続を行なう。この場合、第ｎ層を構成する単位線材２４の端部（前記切断した位置）から第ｎ層の巻き終わりの位置までの間には、図１０に示されるように、前記切断した位置と第ｎ層の巻き終わりの地位との間隔に対応する長さのダミー線３２が配置される。これにより、第ｎ層を巻き終わる前に接続部２６を形成しても、超電導コイル２０の内部に隙間ができることを防ぐことができ、前記隙間に起因する巻き乱れ等を防ぐことができる。
【００４２】
このダミー線３２は、単位線材２４と同じ幅及び厚さを有するテープ状の部材であり、本実施形態では、例えば、超電導コイル２０を構成する単位線材２４と同じ線材を所定の長さに切断して用いている。
【００４３】
以上のようにして製造された超電導マグネット１０によれば、超電導線材２２が多層巻きされた超電導コイル２０のコイル軸方向の端部において、内側の層（例えば、第ｎ層）を構成する単一の単位線材２４の端部と、その外側の層（例えば、第ｎ＋１層）を構成する単一の単位線材２４の端部とを重ね合わせて接続することにより、この接続部２６の厚さに起因する超電導線材２２の巻き乱れを抑えることができる。即ち、コイル軸方向の中間部に接続部が設けられると、超電導線材２２における接続部２６と他の部位との厚さの違いによって、外側の層（例えば、第ｎ＋１層）を構成する超電導線材２２に巻き乱れが生じる（図１２参照）が、超電導コイル２０のコイル軸方向の端部において、内側の層（例えば、第ｎ層）を構成する単位線材２４の端部と、その外側の層（例えば、第ｎ＋１層）を構成する単位線材２４の端部とを重ね合わせて接続部２６を構成することにより（図１３参照）、接続部２６と他の部位との厚さの差を埋めるための絶縁材等を挿入しなくても接続部２６の厚さに起因する超電導線材２２の巻き乱れを抑えることができる。その結果、当該超電導コイル２０（当該コイル２０を用いた超電導マグネット１０）によれば、空間均一性の高い磁場を形成することができる。
【００４４】
尚、本発明の超電導コイル、このコイルを用いた超電導マグネット、超電導コイルの製造方法は、上記実施形態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内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００４５】
上記実施形態では、接続部２６が超電導コイル２０の各層にそれぞれ設けられているが、この構成に限定されず、数層毎に設けられてもよい。この場合でも、通電時に発熱する部位（接続部）２６を周方向に分散させて前記発熱に起因する断線を防ぐために、複数の接続部２６、２６、…は、超電導コイル２０の径方向に重ならないような周方向の異なる位置（ずれた位置）に設けられることが好ましい。
【００４６】
また、上記実施形態では、複数の接続部２６は、超電導コイル２０においてコイル軸方向の両端部に設けられているが、一方の端部のみに設けられてもよい。
【００４７】
また、上記実施形態のテープ状の超電導線材２２は、Ｂｉ（ビスマス）系やＹ（イットリウム）系の酸化物材料（酸化物超電導導体）によって形成されているが、金属系の超電導導体によって形成されてもよい。
【符号の説明】
【００４８】
１０   超電導マグネット
１２   巻枠
２０   超電導コイル
２２   超電導線材
２４   単位線材
２６   接続部
２８   ハンダ
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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