(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
周面に固定軸歯車を有する固定軸と、
それぞれ遊び歯車を介して前記固定軸歯車と接続し、前記固定軸の周りを旋回する第１の遊星歯車及び第２の遊星歯車と、
前記第１の遊星歯車に固定された第１の半回転翼回転軸と、
前記第２の遊星歯車に固定された第２の半回転翼回転軸と、
前記第１の半回転翼回転軸及び前記第２の半回転翼回転軸にそれぞれ固定された第１の半回転翼及び第２の半回転翼と、
前記第１の半回転翼回転軸及び前記第２の半回転翼回転軸がそれぞれ摺動可能に接続されるとともに、前記固定軸を軸にして回転する翼旋回用歯車と、
前記翼旋回用歯車と直接或いは間接的に噛み合って回転可能な出力歯車と、
前記出力歯車の回転で発電するエネルギー変換装置と、を備え、
前記第１の遊星歯車及び前記第２の遊星歯車のそれぞれ歯数は前記固定軸歯車の歯数の２倍であり、
前記第１の遊星歯車及び前記第２の遊星歯車がそれぞれ前記固定軸の周りを１周旋回したとき、前記第１の半回転翼及び前記第２の半回転翼はそれぞれ半回転自転し、
前記第１の半回転翼及び前記第２の半回転翼はそれぞれ前記第１の半回転翼回転軸及び前記第２の半回転翼回転軸から前記第１の半回転翼回転軸及び前記第２の半回転翼回転軸に垂直な方向の端部までの長さが前記第１の半回転翼回転軸及び前記第２の半回転翼回転軸から前記固定軸までの長さよりも長く形成され、
前記第１の半回転翼及び前記第２の半回転翼が受ける流体の力で前記第１の半回転翼及び前記第２の半回転翼が自転することにより前記第１の遊星歯車及び前記第２の遊星歯車を旋回させるとともに翼旋回用歯車を回転させ、
前記翼旋回用歯車の回転により前記出力歯車を回転させて前記エネルギー変換装置により発電させる、
ことを特徴とする発電装置。
【請求項２】
前記第１の半回転翼回転軸、前記第２の半回転翼回転軸、前記固定軸が同一平面上に配置されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記第１の半回転翼と前記第２の半回転翼のなす角度が直角である、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の発電装置。
【請求項４】
前記第１の半回転翼及び前記第２の半回転翼は、それぞれ前記第１の半回転翼回転軸及び第２の半回転翼回転軸の軸方向の端部に、流体を導く翼端板を備える、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項５】
流体の流れを変え前記第１の半回転翼及び前記第２の半回転翼へと導く導入部材を備える、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
これまでの発電装置は化石燃料等を用い、電気エネルギーに変換する手法が主であった。しかし、化石燃料等の資源は有限であり、また、地球温暖化の原因となる二酸化炭素、或いは光化学スモッグや酸性雨の原因となる窒素酸化物が生じ、地球環境の悪化を招くことになる。
【０００３】
このような状況の中、地球環境の保護の観点から自然エネルギー、例えば、水力や風力などの流体のエネルギーから電気エネルギーを得る手法が種々開発されている。
【０００４】
特許文献１及び特許文献２には、複数の回転翼が回転軸の周囲に設置された風水力発電装置が開示されている。風水力を複数の回転翼が受けて、回転翼が回転軸の周りを公転する。回転翼と回転軸とは接続部材を介して接続しているため、回転軸が自転する。この回転軸の回転エネルギーを電気エネルギーに変換して取り出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−４２９７６号公報
【特許文献２】特開２００２−２４２８１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１及び特許文献２では、回転軸が中心に存在するため、各回転翼の面積が小さいものになっている。装置における風や水の流れを受ける受圧面積が小さくなってしまい、回転効率に問題があるとともに、受圧面積に対して装置が大型化してしまうという問題があった。
【０００７】
本発明は上記事項に鑑みてなされたものであり、その目的は、回転効率が高い発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る発電装置は、
周面に固定軸歯車を有する固定軸と、
それぞれ遊び歯車を介して前記固定軸歯車と接続し、前記固定軸の周りを旋回する第１の遊星歯車及び第２の遊星歯車と、
前記第１の遊星歯車に固定された第１の半回転翼回転軸と、
前記第２の遊星歯車に固定された第２の半回転翼回転軸と、
前記第１の半回転翼回転軸及び前記第２の半回転翼回転軸にそれぞれ固定された第１の半回転翼及び第２の半回転翼と、
前記第１の半回転翼回転軸及び前記第２の半回転翼回転軸がそれぞれ摺動可能に接続されるとともに、前記固定軸を軸にして回転する翼旋回用歯車と、
前記翼旋回用歯車と直接或いは間接的に噛み合って回転可能な出力歯車と、
前記出力歯車の回転で発電するエネルギー変換装置と、を備え、
前記第１の半回転翼及び前記第２の半回転翼はそれぞれ前記第１の半回転翼回転軸及び前記第２の半回転翼回転軸から前記第１の半回転翼回転軸及び前記第２の半回転翼回転軸に垂直な方向の端部までの長さが前記第１の半回転翼回転軸及び前記第２の半回転翼回転軸から前記固定軸までの長さよりも長く形成され、
前記第１の半回転翼及び前記第２の半回転翼が受ける流体の力で前記第１の半回転翼及び前記第２の半回転翼が自転することにより前記第１の遊星歯車及び前記第２の遊星歯車を旋回させるとともに翼旋回用歯車を回転させ、
前記翼旋回用歯車の回転により前記出力歯車を回転させて前記エネルギー変換装置により発電させる、
ことを特徴とする。
【０００９】
また、前記第１の遊星歯車及び前記第２の遊星歯車のそれぞれ歯数が前記固定軸歯車の歯数の２倍であり、
前記第１の遊星歯車及び前記第２の遊星歯車がそれぞれ前記固定軸の周りを１周旋回したとき、前記第１の半回転翼及び前記第２の半回転翼はそれぞれ半回転自転することが好ましい。
【００１０】
また、前記第１の半回転翼回転軸、前記第２の半回転翼回転軸、前記固定軸が同一平面上に配置されていることが好ましい。
【００１１】
また、前記第１の半回転翼と前記第２の半回転翼のなす角度が直角であることが好ましい。
【００１２】
また、前記第１の半回転翼及び前記第２の半回転翼は、それぞれ前記第１の半回転翼回転軸及び第２の半回転翼回転軸の軸方向の端部に、流体を導く翼端板を備えることが好ましい。
【００１３】
また、流体の流れを変え前記第１の半回転翼及び前記第２の半回転翼へと導く導入部材を備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る発電装置は、半回転翼の端部から半回転翼回転軸までの垂直方向の長さが半回転翼回転軸から固定軸までの長さよりも長く形成されている。発電装置の流体の受圧面積における半回転翼が占める面積の割合が高いので回転効率が高い。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態に係る発電装置の斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ’線でケースを切断して発電装置の内部構造を示した内部構造図である。
【図３】図１のＡ−Ａ’断面図である。
【図４】図２のＢ−Ｂ’方向を見た場合の半回転翼、半回転翼回転軸、遊星歯車、遊び歯車及び固定軸の配置関係を示す状態図である。
【図５】（Ａ）及び（Ｂ）は流体の作用を受けた際の半回転翼、半回転翼回転軸、遊星歯車、遊び歯車の動きを示す状態図である。
【図６】（Ａ）及び（Ｂ）は流体の作用を受けた際の半回転翼、半回転翼回転軸、遊星歯車、遊び歯車の動きを示す状態図である。
【図７】流体の作用を受けた際の半回転翼、半回転翼回転軸、遊星歯車、遊び歯車の動きを示す状態図である。
【図８】半回転翼の外周軌跡及び半回転翼回転軸の軌跡を示す模式図である。
【図９】他の実施の形態に係る発電装置の斜視図である。
【図１０】図９のＣ−Ｃ’断面図であり、流体の流れを説明する図である。
【図１１】他の実施の形態に係る発電装置の半回転翼、半回転翼回転軸、遊星歯車、遊び歯車及び固定軸の配置関係を示す状態図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本実施の形態に係る発電装置について、図を参照しつつ説明する。図１〜図３に示すように、発電装置１は、ケース１０内に設置された、周面に固定軸歯車２１を有する固定軸２０と、半回転翼３０ａ、３０ｂがそれぞれ固定されるとともに遊星歯車３１ａ、３１ｂがそれぞれ固定された半回転翼回転軸３２ａ、３２ｂと、翼旋回用歯車４０と、固定軸歯車２１と遊星歯車３１ａ、３１ｂとをそれぞれ接続する遊び歯車５０ａ、５０ｂと、出力歯車６０が固定された出力軸６１と、エネルギー変換装置７０とから構成される。発電装置１は、河川の水の流れによるエネルギー等を回収し、電気エネルギーに変換する装置である。
【００１７】
ケース１０は、後述の各要素が設置されるベースであり、排水路や橋脚等、流体が流れる種々の箇所に取り付けられ得る。
【００１８】
ケース１０は断面視で略コの字型をしており、一部に固定軸２０が固定されている。ケース１０の側板からケース１０内方に突出した固定軸２０は、ケース１０の側板側に固定軸歯車２１が配置され、ケース１０の内側が凹凸のない摺動面である。
【００１９】
半回転翼３０ａ、３０ｂは矩形の平板であり、その寸法はいずれも同じである。半回転翼３０ａ、３０ｂの中央部に、それぞれ円柱状の半回転翼回転軸３２ａ、３２ｂが固定されている。なお、半回転翼３０ａ、３０ｂの形状は矩形の平板に限定されない。
【００２０】
半回転翼３０ａから突出した半回転翼回転軸３２ａの端部には、端部側から順に遊星歯車３１ａ、翼旋回用歯車４０が配置されている。半回転翼回転軸３２ａと遊星歯車３１ａとは、不図示の固定部材等で固定されている。したがって、半回転翼３０ａ、遊星歯車３１ａ及び半回転翼回転軸３２ａは一体化している。また、半回転翼回転軸３２ａと翼旋回用歯車４０とは、翼旋回用歯車４０に設けられた滑り軸受け４２ａを介して接続されており、半回転翼回転軸３２ａは翼旋回用歯車４０に摺動可能に軸支されている。
【００２１】
半回転翼回転軸３２ｂも半回転翼回転軸３２ａと同様に、端部側から順に遊星歯車３１ｂ、翼旋回用歯車４０ｂが配置されている。半回転翼回転軸３２ｂと遊星歯車３１ｂとは、不図示の固定部材等で固定されている。したがって、半回転翼３０ｂ、遊星歯車３１ｂ及び半回転翼回転軸３２ｂは一体化している。また、半回転翼回転軸３２ｂと翼旋回用歯車４０とは、翼旋回用歯車４０に設けられた滑り軸受け４２ｂを介して接続されており、半回転翼回転軸３２ｂは翼旋回用歯車４０に摺動可能に軸支されている。
【００２２】
２つの遊星歯車３１ａ、３１ｂは同じ構造である。遊星歯車３１ａ、３１ｂの歯数は固定軸２０に形成された固定軸歯車２１の歯数の２倍である。
【００２３】
翼旋回用歯車４０は、中心に円形の穴が形成された円盤状の歯車であり、その穴に固定軸２０の摺動面が挿入されて配置されている。そして、翼旋回用歯車４０と固定軸２０とはベアリング４１を介して摺動可能に配置されており、翼旋回用歯車４０は、固定軸２０を軸にして回転可能である。
【００２４】
翼旋回用歯車４０には、遊び歯車回転軸５１ａ、５１ｂが配置されており、遊び歯車回転軸５１ａ、５１ｂにはそれぞれ遊び歯車５０ａ、５０ｂが摺動可能に設置されている。遊び歯車５０ａ、５０ｂはいずれも同様の構造であり、それぞれ固定軸歯車２１と遊星歯車３１ａ、３１ｂとを接続する。遊び歯車回転軸５１ａ、５１ｂと翼旋回用歯車４０とは連結されその位置関係が変わらないことから、遊び歯車回転軸５１ａ、５１ｂは、翼旋回用歯車４０の回転に同調してそれぞれ固定軸２０の周りを旋回する。遊び歯車５０ａ、５０ｂは、アイドルギアとも呼ばれ、遊星歯車３１ａ、３１ｂの回転量（自転角度）を調節する機能を有する。即ち、遊星歯車３１ａ、３１ｂの歯数が固定軸歯車２１の歯数の２倍に設定されているので、後述するように、遊星歯車３１ａ、３１ｂが固定軸２０のまわり一周（３６０°）旋回した際、遊星歯車３１ａ、３１ｂが半回転（１８０°）自転するように調節する機能を有する。
【００２５】
また、出力歯車６０が翼旋回用歯車４０と噛み合うように配置されている。出力歯車６０の中心には、出力軸６１が固定されている。
【００２６】
そして出力軸６１の端部はケース１０の側板から突出し、エネルギー変換装置７０に接続している。エネルギー変換装置７０は、磁石、コイル等が組み合わせられて、磁力の作用により発電させる装置等である。
【００２７】
図４に、図２のＢ−Ｂ’方向に見た半回転翼３０ａ、３０ｂ、半回転翼回転軸３２ａ、３２ｂ、遊星歯車３１ａ、３１ｂ、固定軸２０、固定軸歯車２１、及び、遊び歯車５０ａ、５０ｂの配置関係を示している。このように各軸の方向から見て、半回転翼回転軸３２ａ、３２ｂは固定軸２０を中心にして対向配置されている。言い換えれば、半回転翼回転軸３２ａと固定軸２０と半回転翼回転軸３２ｂは同一直線上に配置されている。このため、半回転翼３０ａと半回転翼３０ｂも固定軸２０を中心にして同一直線上に配置されている。更に言えば、半回転翼回転軸３２ａと固定軸２０と半回転翼回転軸３２ｂは同一平面上に位置している。そして、半回転翼３０ａと半回転翼３０ｂのなす角度が略直角である。そして、この角度は、後述するように、動作時においても維持される。
【００２８】
そして、半回転翼３０ａ、３０ｂは、半回転翼回転軸３２ａ、３２ｂから端部までの長さ（それぞれの半回転翼回転軸３２ａ、３２ｂから垂直な方向への半回転翼３０ａ、３０ｂ端部までの長さ）Ｌ１が半回転翼回転軸３２ａ、３２ｂから固定軸２０までの長さ（それぞれの半回転翼回転軸３２ａ、３２ｂから垂直な方向への固定軸２０の中心軸までの軸間長さ）Ｌ２よりも長い。
【００２９】
続いて、図５〜図７を参照して、発電装置１の作用について説明する。なお、図５〜図７では、各歯車等の公転を実線矢印で、自転を破線矢印で示している。
【００３０】
まず、図５（Ａ）の状態において、紙面上左方向へ流体の流れを受けると、主として半回転翼３０ａに流れの力Ｆが作用する。この流れの力Ｆを受けて半回転翼３０ａが図面上左方向へ押される。
【００３１】
すると、図５（Ｂ）に示すように、半回転翼３０ａが固定されている半回転翼回転軸３２ａには、遊星歯車３１ａが固定され、また、翼旋回用歯車４０が摺動可能に接続されているため、半回転翼３０ａは図面上時計回りに自転する。また、遊星歯車３１ａは遊び歯車５０ａを介して固定軸歯車２１に接続しているため、図面上時計回りに自転しながら固定軸２０の周りを旋回（公転）する。更には、翼旋回歯車４０も固定軸２０を支点に図面上時計回りに自転する。
【００３２】
半回転翼回転軸３２ｂも翼旋回用歯車４０に同様に接続されているため、翼旋回用歯車４０の自転にともなって、半回転翼３０ｂ、遊星歯車３１ｂも上記と同様の動きをする。
【００３３】
上記の回転が進むと、図６（Ａ）、（Ｂ）に示すように、半回転翼３０ｂが流れの上流側に位置する。そして、主として半回転翼３０ｂに流れの力Ｆが作用する。そして、継続して上記と同様に回転が進行する。
【００３４】
そして、図７に示すように、翼旋回用歯車４０がそれぞれ半回転（１８０°）自転すると、図５（Ａ）に示す状態から、二つの半回転翼３０ａ、３０ｂが丁度入れ替わった状態となる。半回転翼３０ａ、３０ｂはいずれも９０°自転している。遊星歯車３１ａ、３１ｂの歯数が固定軸歯車２１の歯数の２倍に設定されていること、そして、遊び歯車５０ａ、５０ｂによる遊星歯車３１ａ、３１ｂの自転角度が規制されることにより、上述のように半回転翼３０ａ、３０ｂが固定軸２０を軸に半回転（１８０°）旋回すると、半回転翼３０ａ、３０ｂが９０°自転する仕組みである。
【００３５】
したがって、翼旋回用歯車４０が一回転（３６０°）自転すると、半回転翼３０ａ、３０ｂはそれぞれ図５（Ａ）に示した配置に戻る。このように、翼旋回用歯車４０が一回転（３６０°）自転した場合、半回転翼３０ａ、３０ｂは半回転（１８０°）自転することになる。
【００３６】
このようにして、半回転翼３０ａ、３０ｂ、半回転翼回転軸３２ａ、３２ｂ、遊星歯車３１ａ、３１ｂ、翼旋回用歯車４０は、流体の流れを受け続けている際は継続してそれぞれ動き続ける。
【００３７】
以上のように、翼旋回用歯車４０が回転するので、これらに噛み合っている出力歯車６０も回転する。そして出力歯車６０の回転に伴って出力軸６１も回転する。
【００３８】
出力軸６１に接続されたエネルギー変換装置７０は、出力軸６１の回転エネルギーを電気エネルギーに変換し、発電する。
【００３９】
図８に半回転翼３０ａ、３０ｂの外周軌跡及び半回転翼回転軸３２ａ、３２ｂの軌跡を模式的に示している。遊星歯車３１ａ、３１ｂの歯数が固定軸歯車２１の歯数の２倍であるため、二つの半回転翼３０ａ、３０ｂは、それぞれ固定軸２０の周りを一周旋回すると半回転自転すること、また、二つの半回転翼３０ａ、３０ｂは相互の面のなす角度が直角を維持しつつ回転することから、半回転翼回転軸３２ａ、３２ｂの移動に要する占有空間が小さい。また、発電装置１の三方の寸法は、いずれも半回転翼３０ａ、３０ｂの幅及び長さの１．５倍程度に設計することができるので、流体の受圧面積に対して小型の発電装置１を実現できる。
【００４０】
また、図４に示したように、半回転翼３０ａ、３０ｂの端部から半回転翼回転軸３２ａ、３２ｂまでの垂直方向の長さＬ１が半回転翼回転軸３２ａ、３２ｂから固定軸２０までの長さＬ２よりも長く形成されているので、発電装置１に作用する流体の受圧面積中、半回転翼３０ａ、３０ｂが占める面積の割合が高く、また、旋回する半回転翼回転軸３２ａ、３２ｂの旋回中心は理論上、半回転翼３０ａ、３０ｂの回転芯であるので回転効率が高い。このため、良好な発電能力を発揮する発電装置１を実現している。
【００４１】
このように、発電装置１は小型で回転効率の高い特性を有するため、様々な流体の流れがある場所に設置して発電することができる。例えば、工場排水が流れる流路に設置して発電すること、暗渠や用水路などに設置して自家発電を行うこと、河川の橋脚や岸壁等に設置して発電させ、近辺に設置されている街路灯に電力を供給することが可能である。
【００４２】
また、水等の液体の流れがある箇所への設置のほか、気体等の流れがある箇所に発電装置１を設置してもよい。例えば、工場の排気ダクトや廃蒸気が噴出している箇所等が挙げられる。
【００４３】
また、発電装置１は小型に設定できるため、設置の態様についても自由度が高いという利点がある。このため、発電装置１を流体の流れがある箇所に複数設置することも容易である。複数の発電装置１を流体の流れのある幅の細い流路等に設置する場合では、多数の発電装置１を流体の流れ方向に直列に設置することができる。また、幅の広い流路等に設置する場合では、流れを横切るように設置してもよい。
【００４４】
更には、半回転翼回転軸３２ａ、３２ｂが水平になるように発電装置１を設置してもよく、或いは、半回転翼回転軸３２ａ、３２ｂが垂直になるよう設置して用いてもよい。
【００４５】
特に、河川等では、各歯車等が上方を向くように発電装置１を設置することで、各歯車等を河川の水に浸漬させずに設置することもできる。したがって、各歯車への注油等、発電装置１のメンテナンスを容易に行い得る。
【００４６】
また、図９に示すように、半回転翼３０ａ、３０ｂは、半回転翼回転軸３２ａ、３２ｂに直交する端部が湾曲した形状であってもよい。半回転翼３０ａ、３０ｂが水等の流体の力を受けやすくなり、回転効率の向上を為し得る。
【００４７】
さらに、図９に示すように、半回転翼３０ａ、３０ｂは、翼端板３３ａ、３３ｂを有していてもよい。翼端板３３ａ、３３ｂは、半回転翼回転軸３２ａ、３２ｂ方向の端部に配置される。各歯車等を上方にして、発電装置１を河川に設置され、ケース１０の下部が配置されない場合、水等の流体が半回転翼３０ａ、３０ｂの下方をすり抜けて、半回転翼３０ａ、３０ｂに流体の力がかかりにくくなるが、上記のように翼端板３３ａ、３３ｂを備えることで、半回転翼３０ａ、３０ｂへ流体が導かれやすくなり、回転効率の向上を為し得る。
【００４８】
さらに、図９に示すように、発電装置１は、流体導入部材１１を備えていてもよい。本実施の形態では、流体導入部材１１がケース１０の外方へと張り出して設置されている。図１０に示すように、水等の流体が半回転翼３０ａ、３０ｂへ向かいやすくなり、より多くの流体のエネルギーを得られることになる。
【００４９】
また、固定軸歯車２１と翼旋回用歯車３１ａ、３１ｂとを接続する遊び歯車５０ａ、５０ｂは、歯車の大きさや歯数の数に制限はない。たとえば、図１１に示すように、大きな径の遊び歯車５０ａであってもよく、固定軸歯車２１、遊び歯車５０ａ及び遊星歯車３１ａが直線状に並ばず、折れ線状に配置されていてもよい。また、奇数個の遊び歯車、例えば、３つの遊び歯車５０ｂ、５０ｃ、５０ｄが直列に配置されていてもよい。
【符号の説明】
【００５０】
１    発電装置
１０    ケース
１１    流体導入部材
２０    固定軸
２１    固定軸歯車
３０ａ，３０ｂ  半回転翼
３１ａ，３１ｂ  遊星歯車
３２ａ，３２ｂ  半回転翼回転軸
３３ａ，３３ｂ  翼端板
４０ａ，４０ｂ  翼旋回用歯車
４１    ベアリング
４２ａ，４２ｂ  滑り軸受け
５０ａ〜５０ｄ  遊び歯車
５１ａ、５１ｂ  遊び歯車回転軸
６０    出力歯車
６１    出力軸
７０  エネルギー変換装置
【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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