(57)【要約】【課題】ドッグボーン型熱交換器における長孔の欠点を解決し、熱交換効率を向上させ、且つ着霜及び除霜性に優れた経済的な熱交換器を提供する。【解決手段】プレートフィンに設けた長孔の長手方向の片側に矩形部カラーを縁立し、円弧部カラーとは分断させた形状としたことにより、着霜及び除霜特性は維持したまま、除霜時の水滴が明らかに溜まらない構造となり除霜の効率性と熱交換性を向上できる熱交換効率を飛躍的に向上させることができる熱交換器およびそれを用いた冷却システムおよび冷蔵庫。【選択図】図３
2014222144.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直管部及び曲管部が連続して蛇行状に曲げ加工された冷媒チューブと、
矩形部及び前記矩形部の両側短辺に設けた円弧部からなる長穴を板面に複数設けたプレートフィンと、を備え、
前記プレートフィンを複数相互に間隔を有して配置し、前記長穴に前記冷媒チューブを貫通させた熱交換器であって、
前記プレートフィンにおいて、前記矩形部の長手方向の片側及び前記円弧部に前記プレートフィンの一面に対して切り起こしたカラーを設け、前記カラーのうち前記矩形部に成形した矩形部カラーと、前記円弧部に成形した円弧部カラーとは分断されていることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記矩形部カラーの高さが、前記円弧部カラーの高さより高いことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記矩形部カラーは、前記プレートフィンの一面と同じ水平面にしたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記プレートフィンを鉛直に設置した場合、鉛直線に対して、前記矩形部カラーが延伸する直線がなす角度は、４５度以下０度以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記冷媒チューブは、アルミニウム製あるいはアルミニウム合金製であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記プレートフィンは、冷媒の流れ方向の上流側に位置するプレートフィン同士の間隔が、下流側に位置するプレートフィン同士の間隔より広いことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項７】
前記プレートフィンの中の少なくとも一枚は、すべての直管部を通過させたことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項８】
圧縮機と、凝縮器と、減圧装置と、蒸発器と、前記蒸発器に強制通風させる送風機とを備えている冷却システムにおいて、請求項１から７のいずれか一項に記載の熱交換器を前記蒸発器として用いたことを特徴とする冷却システム。
【請求項９】
請求項８の冷却システムにより庫内を冷却し除霜手段を備えて前記蒸発器の除霜を行うことを特徴とする冷蔵庫。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、家庭用あるいは業務用冷蔵庫、さらにはショーケース等において、冷却器（蒸発器）として用いられる所謂ドッグボーン型フィンアンドチューブ式熱交換器およびそれを用いた冷却システムおよび冷蔵庫に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、例えば家庭用冷蔵庫においては本体の外寸を固定し、庫内容量を大きくする傾向にあり、これに起因して冷却システム関連部品は、年々コンパクト化が要求されている。また、業務用冷蔵庫においては、省エネルギーモデルの発売が本格化し、これに起因して冷却システム関連部品のさらなる高効率化が要求されている。
【０００３】
そのような中で、熱交換器もコンパクト化や高効率化の要求が高まっている。
【０００４】
一方で、原材料高騰により部品材料の合理化の要求も高まり、熱交換器性能を高めることと併せて、材料の薄肉合理化が求められている。
【０００５】
その一例として、プレートフィンに加工された、所謂ドッグボーン型の長孔に、サーペンタイン状の冷媒チューブを挿入してなり、且つ、経済的なアルミニウムパイプを用いることが可能で、高効率化要素を備えた、ドックボーン型熱交換器が知られている（例えば、特許文献１及び、特許文献２参照）。
【０００６】
図１０乃至図１２は、上記特許文献１に記載された従来の熱交換器を示すものである。
【０００７】
図１３は、上記特許文献２に記載された従来の熱交換器を示すものである。
【０００８】
上記従来の熱交換器１０１の構成は、直管部及び曲管部が連続して所定のピッチで蛇行状に曲げ加工された冷媒チューブ１０２と、長孔１０４を板面に複数設けたプレートフィン１０３を具備し、前記プレートフィン１０３を複数相互に間隔を有して配置し、前記長孔１０４に前記冷媒チューブ１０２を貫通させたもので、前記プレートフィン１０３において、前記長孔１０４の矩形部長手方向の両側に、切り起こし可能なカラー成形部１０４ｂを設けたものである。
【０００９】
以上のように構成された熱交換器１０１について、以下その動作を説明する。
【００１０】
まず、図１２のプレートフィン１０３を用いた熱交換器１０１については、図１２のプレートフィン１０３の長孔１０４に冷媒チューブ１０２を挿入させると、冷媒チューブ１０２の曲げＲ部が通過するときにカラー成形部１０４ｂは弾性変形し、前記Ｒ部が通過後、弾性で元のフラット状態あるいは、その中間状態に戻る。よって、長孔１０４の矩形部の面積を極力小さくすることができるので、伝熱面積が増大し熱交換器の性能が向上するというものである。
【００１１】
次に、図１３のプレートフィン１０３を用いた熱交換器１０１については、長孔１０４に矩形部両端カラー１０４ｂと円弧部カラー１０４ａをバーリング加工で一体成形したものである。この場合も長孔１０４の矩形部の面積を極力小さくすることができるので、伝熱面積が増大し熱交換器の性能が向上するというものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特許第２８１１６０１号公報
【特許文献２】特開２００２−２４３３８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、従来の特許文献１の構成では、プレートフィン１０３の長孔１０４に冷媒チューブ１０２を挿入させると、冷媒チューブ１０２の曲げＲ部が通過するときにカラー成形部１０４ｂは弾性変形し、前記Ｒ部が通過後、弾性で元のフラット状態あるいは、その中間状態に戻るためには、プレートフィン１０３にある程度の強度が必要となり、一般的には板厚を大きくする必要がある。つまり、従来の特許文献１では、長孔１０４の円弧部にカラー成形部が存在していないのは、プレートフィン１０３の板厚が大きいと考えられ、カラー成形部をあえて付ける必要がないからだと思われる。したがって、プレートフィン１０３の板厚を薄くすることができないので材料コストが増大するという課題を有していた。
【００１４】
また、従来の特許文献２の構成では、長孔１０４に矩形部両端カラー１０４ｂと円弧部カラー１０４ａをバーリング加工で一体成形したので、一見、円弧部と矩形部の加工を同時に１回で済ませることができるので金型が安価になるように思えるが、円弧部先端は材料が伸びる加工で、矩形部先端は材料が伸びない加工であり、それらの継ぎ目部分の形状を安定させるには、材料特性及び金型に工夫が必要であり、加工性的には難しくなる。さらに、熱交換器１０１を蒸発器として用いた場合は、円弧部カラー１０４ａと矩形部カラー１０４ｂの継ぎ目部分に水滴が溜まり易くなり、除霜後のウエットスタート時の冷却性能が低下するのはもちろん、着霜目詰まりによる不冷の要因にも成り得るという課題を有していた。
【００１５】
本発明は上記従来の課題を解決するもので、ドッグボーン型熱交換器におけるプレートフィンの長孔部の伝熱面積を有効活用する上で、着霜・除霜の信頼性を考慮した高効率且つ経済的な熱交換器とそれを用いた冷却システムを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器は、直管部及び曲管部が連続して蛇行状に曲げ加工された冷媒チューブと、矩形部及び前記矩形部の両側短辺に設けた円弧部からなる長穴を板面に複数設けたプレートフィンと、を備え、前記プレートフィンを複数相互に間隔を有して配置し、前記長穴に前記冷媒チューブを貫通させた熱交換器であって、前記プレートフィンにおいて、前記矩形部の長手方向の片側及び前記円弧部に前記プレートフィンの一面に対して切り起こしたカラーを設け、前記カラーのうち前記矩形部に成形した矩形部カラーと、前記円弧部に成形した円弧部カラーとは分断されているものである。
【００１７】
これにより、冷媒チューブを挿入するときに、冷媒チューブのＲ部が長孔を通過する際に、長孔矩形部のカラー成形部と接触することが無くなり、プレートフィンの強度を上げるために板厚を大きくする必要がなくなる。また、長孔の矩形部カラーと円弧部カラーを一体化成形するには、プレートフィンの伸縮性が必要になり、薄肉品では加工が困難となる。よって、カラー成形の加工性も容易になる。さらに、円弧部カラーと矩形部カラーの継ぎ目部分に水滴が溜まり難くなるので、プレートフィンの長孔部の伝熱面積を有効活用できるのはもちろん、着霜目詰まりの回避、除霜後の冷却性能の維持も可能となり、高い信頼性を実現し、高効率且つ経済的な熱交換器およびそれを用いた冷却システムおよび冷蔵庫を提供することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の熱交換器およびそれを用いた冷却システムおよび冷蔵庫は、ドッグボーン型熱交換器におけるプレートフィンの長孔部の伝熱面積を有効活用できるのはもちろん、着霜・除霜の信頼性を考慮した高効率且つ経済的な熱交換器およびそれを用いた冷却システムおよび冷蔵庫を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態１における熱交換器の側面図
【図２】同実施の形態１における熱交換器の正面図
【図３】同実施の形態１におけるプレートフィンの斜視図
【図４】同実施の形態１におけるプレートフィンの断面図
【図５】本発明の実施の形態２におけるプレートフィンの斜視図
【図６】同実施の形態２におけるプレートフィンの断面図
【図７】本発明の実施の形態３における熱交換器のプレートフィン部分拡大斜視図
【図８】同実施の形態３における熱交換器のプレートフィン部分拡大斜視図
【図９】本発明の実施の形態４における冷却システムの模式図
【図１０】従来の熱交換器の側面図
【図１１】同熱交換器の正面図
【図１２】従来のプレートフィンの斜視図
【図１３】従来のプレートフィンの斜視図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
請求項１に記載の発明は、直管部及び曲管部が連続して蛇行状に曲げ加工された冷媒チューブと、矩形部及び前記矩形部の両側短辺に設けた円弧部からなる長穴を板面に複数設けたプレートフィンと、を備え、前記プレートフィンを複数相互に間隔を有して配置し、前記長穴に前記冷媒チューブを貫通させた熱交換器であって、前記プレートフィンにおいて、前記矩形部の長手方向の片側及び前記円弧部に前記プレートフィンの一面に対して切り起こしたカラーを設け、前記カラーのうち前記矩形部に成形した矩形部カラーと、前記円弧部に成形した円弧部カラーとは分断されているものである。
【００２１】
かかる構成とすることにより、冷媒チューブを挿入するときに、冷媒チューブのＲ部が長孔を通過する際に、長孔矩形部のカラー成形部と接触することが無くなり、プレートフィンの強度を上げるために板厚を大きくする必要がなくなる。また、長孔の矩形部カラーと円弧部カラーを一体化成形するには、プレートフィンの伸縮性が必要になり、薄肉品では加工が困難となる。よって、カラー成形の加工性も容易になる。さらに、円弧部カラーと矩形部カラーの継ぎ目部分に水滴が溜まり難くなるので、プレートフィンの長孔部の伝熱面積を有効活用できるのはもちろん、着霜目詰まりの回避、除霜後の冷却性能の維持も可能となり、高い信頼性を実現し、高効率且つ経済的な熱交換器を提供することができる。
【００２２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の熱交換器において、前記矩形部カラーの高さが、前記円弧部カラーの高さより高いものである。
【００２３】
かかる構成とすることにより、長孔矩形部のフィン素材をより有効に活用でき、伝熱面積が増えるので、性能が向上する。また、矩形部のカラー高さを高くすることで、境界層前縁効果と乱流促進効果で、性能が向上する。よって高性能な熱交換器を提供することができる。
【００２４】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の熱交換器において、前記矩形部カラーは、
前記プレートフィンの一面と同じ水平面にしたものである。
【００２５】
請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の熱交換器において、前記プレートフィンを鉛直に設置した場合、鉛直線に対して、前記矩形部カラーが延伸する直線がなす角度は、４５度以下０度以上であるものである。
【００２６】
かかる構成とすることにより、蒸発器として使用する場合に除霜時の水滴が、流れ落ちやすくなるので、水滴がより溜まり難くなり、着霜時に風路閉塞し難くなり、冷却能力の低下が遅くなる。また、着霜目詰まりの回避、除霜後の冷却性能の維持も可能となり、高い信頼性を実現し、高効率且つ経済的な熱交換器を提供することができる。
【００２７】
請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の熱交換器において、前記冷媒チューブは、アルミニウム製あるいはアルミニウム合金製であるものである。
【００２８】
請求項６に記載の発明は、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の熱交換器において、前記プレートフィンは、冷媒の流れ方向の上流側に位置するプレートフィン同士の間隔が、下流側に位置するプレートフィン同士の間隔より広いものである。
【００２９】
請求項７に記載の発明は、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の熱交換器において、前記プレートフィンの中の少なくとも一枚は、すべての直管部を通過させたものである。
【００３０】
請求項８に記載の発明は、圧縮機と、凝縮器と、減圧装置と、蒸発器と、前記蒸発器に強制通風させる送風機とを備えている冷却システムにおいて、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載した熱交換器を蒸発器として用いた冷却システムである。
【００３１】
請求項９に記載の発明は、請求項８の冷却システムにより庫内を冷却し除霜手段を備えて蒸発器の除霜を行う冷蔵庫である。
【００３２】
かかる構成とすることにより、冷却システムおよび冷蔵庫として、省エネ特性に優れたものとなり、高効率且つ経済的な冷却システムおよび冷蔵庫を提供することができる。
【００３３】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００３４】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における熱交換器の側面図、図２は、同熱交換器の正面図、図３は、プレートフィンの斜視図、図４は、図３のＡ−Ａ線による同プレートフィンの側面からの断面図である。
【００３５】
図１、図２、図３及び図４において、熱交換器１は、内部を冷媒が流動する冷媒チューブ２と、所定間隔毎に配置された複数のプレートフィン３を具備している。
【００３６】
冷媒チューブ２は、アルミ製あるいはアルミ合金製の一本の管体を、直管部と曲管部が連続し、列（左右）方向Ｘおよび段（上下）方向Ｙにおいて複数となるよう蛇行状に曲げ加工されたサーペンタインチューブであり、曲管部を形成する接続管を用いることなく一本の冷媒流路を形成している。
【００３７】
そして、プレートフィン３に形成された長孔４を冷媒チューブ２の曲管部が貫通するこ
とにより、冷媒チューブ２の直管部がプレートフィン３と密着した構成となっている。
【００３８】
長孔４は、矩形部と円弧部を有し、該矩形部の両側短辺に前記円弧部がそれぞれ連続して形成された長穴状に形成されている。また、円弧部には、冷媒チューブ２の直管部と密着固定するための縁立成形された円弧部カラー４ａが設けられており、矩形部長手方向の両端にも、略垂直に縁立成形された矩形部カラー４ｂが設けられている。
【００３９】
以上のように構成された熱交換器１について、以下その動作、作用を説明する。
【００４０】
まず、冷媒チューブ２と複数のプレートフィン３を組立てる際に、冷媒チューブ２の曲管部がプレートフィン３の長孔４に挿入され通過していく。長孔４の矩形部カラー４ｂが略垂直に縁立成形されていることで、冷媒チューブ２の曲管部が、矩形部カラー４ｂと接触することなく通過できる。矩形部カラー４ｂが縁立されていないと、冷媒チューブ２の曲管部が通過するときに矩形部カラー４ｂを押し広げながら通過することになり、プレートフィン３の板厚を大きくするなどして強度を上げておかないと挿入することができない。よって、プレートフィン３の板厚を薄肉化する等の材料合理化が可能となる。
【００４１】
なお、一般的に、冷媒チューブ２の曲管部は偏平加工され、長孔４の矩形部の巾に挿入できるサイズになっており、冷媒チューブ２と複数のプレートフィン３が組立てられた後、冷媒チューブ２を液圧拡管等により拡径し、複数のプレートフィン３と密着固定される際に、元の直径程度に偏平が戻される。
【００４２】
さらに、長孔４の矩形部カラー４ｂと円弧部カラー４ａを一体化成形するには、プレートフィンの伸縮性が必要になり、薄肉品では加工が困難なので、矩形部カラー４ｂと円弧部カラー４ａが分断していることで、加工が容易となり、よって同様に、プレートフィン３の板厚を薄肉化する等の材料合理化が可能となる。
【００４３】
また、矩形部カラー４ｂと円弧部カラー４ａが分断していることで、円弧部カラー４ａと矩形部カラー４ｂの継ぎ目部分に水滴が溜まり難くなる。水滴が溜まると、冷却運転時、水滴を核として霜が成長・肥大化し、隣のプレートフィン３まで到達し、風路を閉塞させる時間が早まることになる。すると冷却能力が低下し冷えなくなる。さらに除霜しても霜が解けきらない可能性もあり、これを繰り返して霜が氷に変化し、熱交換器全体が氷の塊になって完全に冷えない現象も発生する。よって、プレートフィン３の長孔４により消失している伝熱面積を有効活用できるのはもちろん、着霜目詰まりの回避、除霜後の冷却性能の維持も可能となり、高い信頼性を実現し、高効率且つ経済的な熱交換器を提供することができる。
【００４４】
また、図３で示す通り、長孔４の矩形部カラー４ｂの高さＨｂと、長孔４の円弧部カラー４ａの高さＨａを、同等の高さにすることで、円弧部カラー４ａと矩形部カラー４ｂを同時にバーリング加工することが容易になる。カラー高さが同じ場合、バーリング型のパンチ・ダイとプレートフィン素材との摩擦抵抗を、円弧部と矩形部で同等の高さにできる。よって、金型の加工バランスがよくなり、金型寿命が延びる。したがって、安価な熱交換器を提供することができる。
【００４５】
また、図１、図３で示すように、熱交換器１の設置上下方向に対して、長孔４の長手方向の矩形部カラー４ｂの角度θを、４５度以下にすることで、蒸発器として使用する場合に除霜時の水滴が、流れ落ちやすくなるので、水滴がより溜まり難くなり、着霜時に風路閉塞し難くなり、冷却能力の低下を抑制することができる。また、着霜目詰まりの回避、除霜後の冷却性能の維持も可能となり、高い信頼性を実現し、高効率且つ経済的な熱交換器を提供することができる。
【００４６】
（実施の形態２）
図５は、実施の形態２におけるプレートフィンの斜視図、図６は、図５のＢ−Ｂ線による同プレートフィンの側面からの断面図である。なお、先の実施の形態１と同様の構成要件については、同一の符号を付して説明する。
【００４７】
図５、図６に示すプレートフィン３は、長孔４の矩形部カラー４ｂの高さＨｂを、長孔４の円弧部カラー４ａの高さＨａより高くしたものである。
【００４８】
以上のように構成されたプレートフィン３を使った熱交換器１の動作、作用を、以下に説明する。
【００４９】
まず、長孔４の矩形部カラー４ｂの高さＨｂを、長孔４の円弧部カラー４ａの高さＨａより高くしたことで、長孔４を成形する際にプレス切断される矩形部のフィン素材を極限まで有効に活用することができる。よって、伝熱面積が増えるので、性能が向上する。また、材料スクラップの量も削減でき資源を有効に使うことができる。
【００５０】
また、矩形部カラー４ｂの高さＨｂを高くすることで、熱交換器１を通過する空気が矩形部カラー４ｂを通過する際に、境界層前縁効果と乱流促進効果が発生し、性能が向上する。よって高性能な熱交換器を提供することができる。
【００５１】
（実施の形態３）
図７、図８は、実施の形態３における熱交換器のプレートフィン部分拡大斜視図である。つまり、直管部及び曲管部が連続して所定のピッチで蛇行状に曲げ加工された冷媒チューブ２と、長孔４を板面に複数設けたプレートフィン３を具備し、プレートフィン３を複数相互に間隔を有して配置し、長孔４に冷媒チューブ２を貫通させた熱交換器１からプレートフィン３の部分を抜き取り拡大し斜視図で示したものである。
【００５２】
なお、先の実施の形態１と同様の構成要件については、同一の符号を付して説明する。
【００５３】
図７に示す通り、長孔４の矩形部長手方向両端に切り起こし成形されたカラー４ｂを、冷媒チューブ２貫通後に、強制的に曲げ戻してプレートフィン３の平面と同等の水平面にしたものである。これにより、熱交換器の設置上下方向と矩形部カラー４ｂは略平行すなわちおよそ平行に近い状態までとなり、蒸発器として使用する場合に除霜時の水滴が明らかに溜まらない構造となる。これにより、熱交換器の設置上下方向がフィンの平面に対し平行であれば、斜めに設置しても横に設置しても除霜水が溜まる構図にはならないので、熱交換器の設置方向に注意を払う設計をする必要が無くなり、除霜水の落下方向、風向に左右されない設計が可能となる。
【００５４】
なお、図８に示す通り、長孔４の矩形部長手方向片端に切り起こし成形されたカラー４ｂを、冷媒チューブ２貫通後に、強制的に曲げ戻してプレートフィン３の平面と同等の水平面にしてもよい。矩形部の両端よりも片端にカラーを成形したほうが、容易に曲げ戻しが可能である。
【００５５】
（実施の形態４）
図９は、実施の形態４における冷却システムの模式図である。本冷却システムは、圧縮機５と、凝縮器６と、減圧装置７と、蒸発器８と、蒸発器８に強制通風させる送風機９とを備えている。なお、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載した熱交換器を蒸発器８として用いた冷却システムである。
【００５６】
また、前記冷却システムにより庫内を冷却し除霜手段（除霜ヒーター）を備えて蒸発器の除霜を行い前記蒸発器として構成されているため除霜時の水滴が明らかに溜まらない構造となり除霜の効率性と熱交換性を向上できる冷蔵庫である。
【００５７】
前述の熱交換器はドッグボーン型熱交換器におけるプレートフィンの長孔部の伝熱面積を有効活用できるのはもちろん、着霜・除霜の信頼性を考慮した高効率且つ経済的な効果を有するを持つものであり、本冷却システムおよびこれを用いた冷蔵庫に搭載することにより、省エネ特性に優れたものとなり、高効率且つ経済的な冷却システムおよびこれを用いた冷蔵庫を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明にかかる熱交換器とそれを用いた冷却システムは、着霜・除霜の信頼性を考慮したコストパフォーマンスの高いものなので、冷蔵庫、自販機等のように家庭用から産業用に亘る冷凍機器の冷却器、あるいは放熱器として幅広く利用することができるものである。
【符号の説明】
【００５９】
１  熱交換器
２  冷媒チューブ
３  プレートフィン
４  長孔
４ａ  円弧部カラー
４ｂ  矩形部カラー
５  圧縮機
６  凝縮器
７  減圧装置
８  蒸発器
９  送風機
１０  除霜手段
【図１】
2014222144.tif 000003
【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】
2014222144.tif 000013
【図１２】
2014222144.tif 000014
【図１３】
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