(57)【要約】【課題】  流水が羽根板に作用すると裏面では渦や逆流を発生し周回の妨げになるのを、解決する高効率の水車式の水力発電装置を提供すること。【解決手段】  水車本体は第１水車と第2水車が自在に回転する軸に設置され、第1水車の周方向に沿って設けられている複数の第1羽根板と、第２水車の周方向に沿って設けられている複数の第２羽根板とが備わり、各前記第1羽根板及び各前記第2羽根板は、前記水車本体の回転方向において互いに交互に配設されているが、各前記第1羽根板及び各前記第2羽根板は、流水を中央に寄せる傾斜と曲面を持たせたことにより、渦や逆流を解消する構成になっているのと、一度作用した水は流れが遅くなり傾斜の方向に流れるが、側面からの水流も取り込み、勢いを増して次の羽根板に作用をすることを交互に繰り返す機能を備えた水車式の水力発電装置である。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
河川や水路に設置して流水の作用を受ける水力発電装置であって、第1水車と、第2水車と、前記第１水車及び前記第２水車を回転自在に支持する軸とを有する水車本体を備え、前記第１水車は、その周方向に沿って複数配設される第１羽根板を有しており、前記第２水車は、その周方向に沿って複数配設される第２羽根板を有しており、各前記第１羽根板及び各前記第２羽根板は、前記水車本体の回転方向において互いに交互に配設されている高効率の水力発電装置。
【請求項２】
前記第1羽根板は前記軸に設置された第一内輪から周方向に沿って配設された第１棒と前記軸に設置された第２内輪から周方向に沿って配設された第２棒とで支持され、前記第２羽根板は前記軸に設置された第３内輪から周方に沿って配設された第３棒と、第４内輪から周方向に沿って配設され第４棒とで支持されており、前記第1羽根板は前記第１棒及び前記第２棒により流水の流下方向に対して傾斜した状態で配設されており、前記第２羽根板は、第３棒及び第４棒により前記第１羽根板の傾斜方向とは逆向きに傾斜した状態で配設されている、請求項１に記載の水力発電装置。
【請求項３】
前記第1羽根板は前記第１棒及び前記第２棒により支持され、前記第２羽根板は前記第３棒及び前記羽根４により支持されており、前記第１羽根板は、前記第１棒及び前記第２棒との接続部近傍において、滑らかな曲面を有するように構成しており、前記第２羽根板は前記第３棒及び前記第４棒との接続近傍において、滑らかな曲面を有している請求項１又は請求項２に記載の水力発電装置。
【請求項４】
前記第1羽根板と前記第2羽根板のそれぞれに関し４つの端縁が異なる角度を持って傾斜を有している請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の高効率の水力発電装置。
【請求項５】
前記第1羽根板と前記第2羽根板の表面を流水の抵抗を少なくする加工を施し、裏面は膨らます、流線型とするなどにより、流路に差を持たす構造を施こした請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の高効率の水力発電装置。
【請求項６】
前記第１棒を周方向に沿うよう配設している前記第１内輪と、前記第２棒を周方向に沿うよう配設している前記第２内輪との組み合わせにより前記棒が平行又は先広がり又は先細りになり前記第１羽根板を支持し、前記第３棒を周方向に沿うよう配設している前記第３内輪と、前記第４棒を周方向に沿うよう配設している前記第４内輪との組み合わせにより前記棒が平行又は先広がり又は先細りになり前記第２羽根板を支持する請求項１に記載の高効率の水力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は小河川や水路の流水のエネルギーで発電する水車式の水力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
全国に小河川水、各種水路に豊富な水が流れている。手軽に発電していわゆる地産地消に利用が可能と期待されている。
【０００３】
水路による小水力発電はかつて村落に有った水車小屋の復活や過疎の町を再興したり安全や防犯にも適するが、従来の水車式の水力発電装置では期待する電力が少なく利用価値が得られにくい。
【０００４】
従来から水車として親しまれていた機構は、水の作用を受ける羽根板が流水に対して直角に向かわせていたので、流入した水が左右に分かれてから、裏側で渦を発生する、羽根板に向かって逆流することから、先行している羽根板に作用をすることが出来ないのと、大きくて重たい、効率が低くい、などにより、水路における再生エネルギーの利用を妨げていた。
【０００５】
小河川や水路などに設置される水力発電装置は落差が２ｍ程度以上、多量の水量も必要なことから、条件に見合う適所が少なく、開削や堰き止めの大掛かりな工事が必要であった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の水車でエネルギー変換効率を低くしているのは、水流の作用を受ける羽根板と流体である水との関係に十分な考慮がなされていないので、羽根板が流水に入る瞬間には水面と衝突し、出る時は水の重量と表面張力で引き下げられ、離脱時に衝撃、振動などの負の作用を発生するだけでなく、周回に脈動を生み不安定な回転運動となり、はずみ車で強制的に平準化している程である。
【０００７】
羽根板が流水に対して堰き止める形で相対していることにより、水流の作用を受け左右に分流するが、水速が早くなって裏面に回り込み渦を発生、また裏面に向かう逆流もみられ、負の作用を生じている。
【０００８】
複数枚の羽根板が流水中において周回している状態では先頭の一枚のみが作用を受けるがその他は淀んだあるいは渦を生じた逆流の中にあり作用を受けていないと見られる状態にあり効率を低下していると思われるが、古来より変わっていない。
【０００９】
一般的な小河川や水路などを利用する他の水力発電装置は水量,高低差、水速などの条件に制約あり、陸中にある流速が毎秒２ｍ以下の遅い水路などが大半である場所には不向きであり、設置場所の限定や大掛かりな土木工事と時間が必要であった。
【００１０】
他の水力発電方式は諸条件が合えば高い効率が得られるものの複雑な形状をなしており、高度な技術や装置が必要であり、恒久的な設備と工事となる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の第一の手段は、河川や水路に設置して流水の作用を受ける水力発電装置であって、第1水車と、第2水車と、前記第１水車及び前記第２水車を回転自在に支持する軸とを有する水車本体を備え、前記第１水車は、その周方向に沿って複数配設される第１羽根板を有しており、前記第２水車は、その周方向に沿って複数配設される第２羽根板を有しており、各前記第１羽根板及び各前記第２羽根板は、前記水車本体の回転方向において互いに交互に配設されおり、水流が前記第1羽根板に作用し分水され、前記第2羽根板に作用することができる。
【００１２】
また、第二の手段は、第一の手段において、前記第1羽根板は前記軸に設置された第一内輪から周方向に沿って配設された第１棒と前記軸に設置された第２内輪から周方向に沿って配設された第２棒とで支持され、前記第２羽根板は前記軸に設置された第３内輪から周方に沿って配設された第３棒と、第４内輪から周方向に沿って配設され第４棒とで支持されており、前記第1羽根板は前記第１棒及び前記第２棒により流水の流下方向に対して傾斜した状態で配設されており、前記第２羽根板は、第３棒及び第４棒により前記第１羽根板と傾斜方向とは逆向きに傾斜した状態で配設されているから、水流の分水量が傾斜により多くなり減速も少なくすることができる。
【００１３】
また、第三の手段は、第一の手段または第二の手段において、前記第1羽根板は前記第１棒及び前記第２棒により支持され、前記第２羽根板は前記第３棒及び前記羽根４により支持されており、前記第１羽根板は、前記第１棒及び前記第２棒との接続部近傍において、滑らかな曲面を有するように構成しており、前記第２羽根板は前記第３棒及び前記第４棒との接続近傍において、滑らかな曲面を有していることにより、水流が羽根板の裏面に吸い込まれて、生じていた渦や逆流の負の作用を少なくすることができる。
【００１４】
また、第四の手段は、第一の手段から第三の手段のいずれか一つの手段において、前記第1羽根板と前記第2羽根板のそれぞれに関し、４つの端縁が異なる角度を持つ反りと傾斜を有していることから、水流の上層部と下層部において異なる水速に対応することが出来る。
【００１５】
また、第五の手段は、第一の手段から第四の手段のいずれか一つの手段において、前記第1羽根板と前記第2羽根板の表面を流水の抵抗を少なくする加工を施し、裏面は膨らみを持たす、流線型にする構造を施こすことにより、表面と裏面に流路の寸法距離の差を生じることから、側面の水流の吸い込みが増すことから、周回の速度を早くすることができる。
【００１６】
さらに、第六の手段は、第一の手段において、前記第１棒を周方向に沿うよう配設している前記第１内輪と、前記第２棒を周方向に沿うよう配設している前記第２内輪との組み合わせにより前記棒が平行又は先広がり又は先細りになり前記第１羽根板を支持し、前記第３棒を周方向に沿うよう配設している前記第３内輪と、前記第４棒を周方向に沿うよう配設している前記第４内輪との組み合わせにより前記棒が平行又は先広がり又は先細りになり前記第２羽根板を支持することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、同一軸に設置された2つの水車の羽根板が回転方向において互いに交互に配設されているのと、羽根板の形状と傾斜によりに、流水が各々に作用しながら抜けていくことにより、負の作用である渦や逆流を低減させることに加えて、合流をする度に加速と水車本体の際の流水を吸い込むことにより、新たな勢力を得て作用を繰り返す機能を持ち、特殊な材料や技術を必要としない経済的で、小河川や水路などおいて設置が容易な、高効率の水力発電装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】水車本体で各羽根板が傾斜と曲面を持つ正面図である。
【図２】2つの水車が軸を中心に互いに交互に配設された側面図である。
【図３】各羽根板が傾斜と曲面を持ち、交互に配設された先端を展開した説明図である。
【図４】第1水車と第2水車が間隔をもって配設された正面図である。
【図５】第1水車と第2水車の一部が重複し配設された正面図である。
【図６】水車本体が第1羽根板と第2羽根板に傾斜を持っている透視図である。
【図７】水車本体の第1水車の第１羽根板が複数の棒で平行に支持されている側面図である。
【図８】水車本体の第2水車と第2羽根板が棒で支持され、交互の位置の側面図である。
【図９】第１羽根板を支持する棒が先細りの図である。
【図１０】第１羽根板を支持する棒が末広がりの図である。
【図１１】交互に配設された羽根板に繰り返し作用する水流の状態の説明図である。
【図１２】適切な間隔の羽根板に作用と合流と吸込みをしながら流れる状態の説明図である。
【図１３】一部が重複する羽根板でも作用があまり変わらない流れの状態の説明図である。
【図１４】傾斜している例の羽根板の斜視図である。
【図１５】羽根板が傾斜と曲面をあわせ持つ例の説明図である。
【図１６】羽根板が傾斜と異なる曲面をあわせ持つ例の説明図である。
【図１７】羽根板が傾斜と反りと曲面をあわせ持つ例の説明図である。
【図１８】羽根板の４端縁の傾斜角度が異なる反りと曲面をあわせ持つ例の説明図である。
【図１９】羽根板が傾斜と流線型と曲面をあわせ持つ例の説明図である。
【図２０】実施形態の羽根板においてそれぞれに流水が作用をする状態の説明図である。
【図２１】水路において実施例の水力発電装置の正面図である。
【図２２】水路において実施例の水力発電装置の側面図である。
【図２３】実施過程における図５を補足する図である。
【図２４】実施過程における図6を補足する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
水路に跨げ流水を利用する本発明の2つの水車と羽根板に傾斜と曲面を持たせた水力発電装置の実施形態を図面にも基づいて説明するが、これらによってこの発明は限定されるものではない。また、水車に流入する方向を紙面において縦方向の上が上流、下を下流とし、また羽根板は第1羽根板と第2羽根板の総称とし、流水は水路などを流れるエネルギーを持っており、水は総称です。矢印←は水の流れ方向を示し、波状の線は流れ具合の仮想を図で示す。
【００２０】
以下、本発明の実施するための形態を図に基づいて説明する。図２１と図２２に示すように、この実施形態の水力発電装置は、水車本体の軸の両端に自在に回転する軸受３１，３２を装着し、水車取付け枠３０に固定する。枠から突出した軸の片側にプーリ３３を固着し、上部に取り付けた発電機軸３６にプーリ３４を取り付け、ベルトで駆動する。プーリ３３とプーリ３４は適切な増速で効率よく電力が得られる比率に設定された水力発電装置である。水車取付け枠３０に水路４０の幅に応じた板３７を固着し前記水路４０を跨ぐように設置する。この時、水力発電装置の自在に周回する水車の羽根板が水面より上に少し残る程度に、下は底と接触しない適切な位置に調整する。
【００２１】
図１に示すように、水車を同一軸に河川や水路幅に合った適切な間隔で2台並べ１組とする水力発電装置であって、水車本体は第1水車１０および第2水車１１を回転自在に支持する軸１とを有する水車本体を備え、図７に示すように、第1水車１０は、その周方向に沿って複数配設される第１羽根板１２を有しており、図８に示すように、第２水車１１その周方向に沿って複数配設される第２羽根板１２を有しており、各第１羽根板１２及び各第２羽根板１３は、水車本体の回転方向において互いに交互に配設されている構造である。
【００２２】
図２に示すように、水車本体において第1羽根板１２は軸１に設置された第一内輪２から
周方向に沿って配設された第１棒４と軸１に設置された第２内輪３から周方向に沿って配設さ
れた第２棒５とで支持され、第２羽根板１３は軸１に設置された第３内輪６から周方に沿って
配設された第３棒８と、第４内輪７から周方向に沿って配設され第４棒９とで支持されており、
第1羽根板１２は第１棒４とで支持されており、第1羽根板１２は、第1棒４及び第2棒５に
より流水の流下方向に対して傾斜した状態で配設されており、第2羽根板１３は、第3棒８及
び第4棒９により第1羽根板と傾斜方向とは、逆向きに傾斜した状態で、配設される。例えば
前記第1羽根板１２は第２棒５とで支持される部分において105度の大きな曲げで施す。第２
棒５とで支持される部分において裏面から105度の大きな曲げを施すことで流下方向に１５度
の傾斜となる。第2羽根板は棒3と棒4により第1羽根板とは逆向き図３、図6で示すように
傾斜した状態で配設されている。
【００２３】
上記第1羽根板１２は、第1棒４及び前記第2棒５により支持され、第2羽根板１２は第3棒
８及び第4棒９により支持されており、第1羽根板１２は、第1棒４及び第2棒５との接続部
近傍において、滑らかな曲面を有する、第2羽根板は第3棒８及び前記第4棒９との接続近傍
において、滑らかな曲面を有し図３で示す構成になっている。
【００２４】
そして図１４から図１９に示すように上記羽根板に反りや膨らみや流線型にすることにより、河川や水路に適応した、より効率のよい水力発電装置を構築することができる。
【００２５】
この時図７で示すように、周方向に配設されている第１棒４と第２棒５は第１羽根板１２を平行に沿い支持しているのは、第１内輪２と第2内輪３が平行になるよう構成されていることによる。同様に第３内輪６と第４内輪７も第３棒８と第４棒９を平行に支持しているが、羽根板の図１４から図１９に示すような形状においても内輪１と内輪２及び内輪３と内輪４の組み合わせを図９で示すように、先細りと、図１０で示すように末広がりで支持することもできる。
【００２６】
以下、上記構成の動作を説明する。このような高効率の水車式の水力発電装置は全国にある河川や各種の水路などにおいて容易に利用することができる。また、図4と図5で示すようにこの水力発電装置は軸上に２つの水車を適せつな間隔で配設することを基本とするが、複数の水車を設置することも可能であるのと、羽根板の枚数を増加する、大きな構造にすることにより、流水の持つエネルギー条件を満たすための適切な対応をすることにより、出力を増強することが容易にできる高効率の水力発電装置の構築が可能である。
【００２７】
従来の水車構造における羽根板の上流面は、流水を堰き止め、左右に分流している作用の過程で、裏面においては渦が生じ、水流が羽根板にひかれて逆流することから、先行していた羽根板は負の作用を受けることになる。また、羽根板が流水に対して水平であることから、入水する時は同時であり、水面を激しく叩き、飛沫が立つ、出る時は表面張力で下方にひかれるが、離れると同時に大きく振動することになり、回転運動をそがいする脈動が含まれ、騒音も伴うことから効率が低い状態であった。
【００２８】
軸上に2つの水車を設置し、羽根板を交互に配設したのを基本構成にしたことにより、流水の作用を最初に受ける羽根板が均等に分流するが、一部が先行している隣接の羽根板に加速しながら流水と合流して作用をすることが可能になり、これらを交互に繰り返すことができる。
【００２９】
上記の交互に配設された羽根板に傾斜を付けたことにより、分水の割合が多くなり流水との合流による水速が増して作用をすることを、繰り返すことが可能になったのと、裏面での渦が小さくなり、羽根板にひかれる逆流も少なくなったことに加えて、流水の中に入る時と出る時に羽根板に傾斜を持たしたので、角度にしたがい水中に出入りすることから滑らかな周速運動となり、負の作用も大きく減少することになった。
【００３０】
そして図３に示すように羽根板に傾斜と曲面を付けたことによる水抵抗の減少と、羽根板に向かう流水の大半が曲面によって仕切られ傾斜部に導き作用するが、流下方向の曲面で他の羽根板に向かうよう導かれた水と流水の合流による水速がさらに早くなり作用するが、側面の流水も羽根板の曲面が吸い込み合流に加わせることを、繰り返し作用するように制御することが可能になったのを図１１と図１２と図１３で示した。又、実施形態の図２０で示すように羽根板の数量に係わらず、負の作用である渦や逆流が減少し、流水に出入りする際の脈動も極端に減少した高効率の水力発電装置となった。
【００３１】
水車式の水力発電装置においてしばしば必要とされる、負の作用で生じた脈動を平準化するための高価で重量のある特殊技術と設備を必要とするフライホールを省略することができたのと、滑らかで静かな運転が可能になったことで、羽根板や支持する棒などの機構の振動が減少したことにより、構造体の軽量化と装置の長寿命化をもたらし、長期間の安定運行を可能にした。
【００３２】
上記により水力発電装置が静かで滑らかな運行が可能になったのは、効率が高くなったことにより得られた結果であるが、周回する速度が上昇したことにもなるので、水車の回転速度が早くなり、発電機の出力も回転の二乗的に増加することとなる。
【００３３】
前記軸1の回転は流水の速度より、羽根板の周回する円周速度が遅くなる関係で、低速の回転になるので、発電機の仕様と本体の能力が整合する適切な増速機を介して希望する電圧、電流を取り出すことができる。
【００３４】
前記第１羽根板と前記第２羽根板を翼型や反りの形状に、あるいは翼型に反りを加える、加工が困難な場合は型を使用する等で、流水速度、高低差、流量や速度分布に細かく合わせられ、水路等の持っているエネルギーの多くを吸収する効率の高い小水力発電装置を提供することができる。
【００３５】
2つの水車は羽根板の傾斜する向きが異なるが、同一の部品を使用しており、多少の川幅の違いにおいては、水車の取付け間隔で調整が可能なことから、都度の設計が不要であることから標準化が容易に行うことが出来る。
【００３６】
大出力を希望する場合は、小河川や水路の水環境が満たされていることが必要ですが、流水域の幅に応じて、水車本体を大型化する、水車を同一軸に複数組を配設する、羽根板の枚数を多くする、前後に複数台を設置するなどで対応することが出来ます。
【００３７】
水力発電装置の設置は小河川や各種水路の水路肩に置くなどの簡易工事で良く、開削や堰き止めなどの大掛かりな土木工事が不要で設置費用を抑えた構造にすることが出来た。
【００３８】
水車の羽根板と羽根板に魚などが通れる隙間と水車本体と水路の壁との隙間があり、小さなゴミなや異物も通し、生態系にやさしなっているが、洪水、大雨、大風などで、水路などに大
きいゴミや異物が流れてくことを想定し、汎用的な除塵装置の備えは必要です。
【００３９】
水力発電装置に使用している部品は市販されているのを採用していることと、特別な技術、設備、経験などが必要でないかことから、運営や取扱いも容易であり、メンテナンス、サービスが廉価で素早い対応ができます。
【００４０】
従来から使用している木質などの材料で、水車で構築しても同様以上の効率や静粛性を得ることも可能なのと、２つの水車を採用した本発明は、多様性をもっており、多機能を有した水力発電装置の構築が可能になる。
【００４１】
装置を大型化して羽根板の枚数を増やすことで出力が増加しますが、周回軌道を無端鎖状で構成することにより、水の作用を受ける羽根板が多くなるので、より多くの出力が得られる。
【００４２】
高効率であるから、小型化により従来は、なしえなかった可搬型の水力発電装置も可能になり、必要なところにその都度設置し給電することが可能になる。
【００４３】
また、上述した実施形態は、１例を示しており、本発明の趣旨を損なわない範囲での種々の変更は可能であり、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。
【００４４】
本発明に係わる水車式小水力装置は入手が容易な材料を使用しており、部品点数も少なく特殊な技術や設備を必要としないので、小規模工場での継続生産や量産に適し経済性が高い。
【００４５】
国内はもとより、発展途上国においても容易に製造、設置、管理、指導などが可能であるから、導入経費が少なく、立ち上がりも短時間ですむ。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明に係わる水力発電装置は、近代農産業への終日給電、6次産業の支援、モニュメント、観光振興、農業山村、電力の地産地消、無配電地への充電スタンド、無配電地域の解消、小産業、養魚などにおいて利用ができる。
【符号の説明】
【００４７】
１  水車の周回する軸
２  第1内輪
３  第２内輪
４  第1内輪からでた棒
５  第２内輪からでた棒
６  第３内輪
７  第４内輪
８  第３内輪からでた棒
９  第４内輪からでた棒
１０  第1水車
１１  第2水車
１２第1羽根板
１３第2羽根板
３０本体枠
３１軸受
３２軸受
３３プーリ
３４プーリ
３５ベルト
３６発電機
３７本体枠取付板
４０水路
４１水力発電装置
４２凹型コンクリート構造
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2014227872.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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