(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パイプ壁（２）とパイプ外側（２１）上に一周するフィン（３）とを有する金属の熱交換器パイプ（１）であって、前記フィンがフィン脚部（３１）、フィン側面（３２）およびフィン尖端（３３）を有し、その場合にフィン脚部（３１）がパイプ壁（２）から実質的に径方向に張り出しており、かつフィン側面（３２）に、フィン側面（３２）に横に配置されている、付加的な構造部材が設けられており、その場合に実質的に軸方向と径方向に延びる第１の材料突出部（４１）が、実質的にパイプ（１）の軸方向と周方向に延びる第２の材料突出部（４２）に隣接しており、その場合に第１と第２の材料突出部（４１、４２）が共通の境界線（４３）を有している、前記金属の熱交換器パイプであって、
境界線（４３）に沿った第１の材料突出部（４１）の軸方向の延びが、第２の材料突出部（４２）の軸方向の延びよりも小さく、第１の材料突出部（４１）が、フィン尖端（３３）から第２の材料突出部（４２）へ向かって延びており、
第１の材料突出部（４１）の最大の軸方向の延びが、フィン尖端（３３）と第２の材料突出部（４２）との間の領域内にあることとし、第１の材料突出部（４１）の軸方向の延びが、フィン尖端（３３）から第２の材料突出部（４２）へ向かって小さくなる金属の熱交換器パイプ（１）において、第１の材料突出部（４１）の輪郭が外方に向かって膨出する弧状部分を有し、最大の軸方向の延び（Ｘｍ）がその弧状部分に形成されている人の耳の形状をしており、軸方向の延びが、フィン尖端（３３）と第２の材料突出部（４２）の間で、前記した最大の軸方向延び（Ｘｍ）に加え、少なくとも１つの他の局所的最大値を有していることを特徴とする金属の熱交換器パイプ（１）。
【請求項２】
境界線（４３）に沿った第１の材料突出部（４１）の軸方向の延びが、第２の材料突出部（４２）の軸方向の延びの最大で半分の大きさであることを特徴とする請求項１に記載の金属の熱交換器パイプ（１）。
【請求項３】
パイプ壁（２）とパイプ外側（２１）上に一周するフィン（３）とを有する金属の熱交換器パイプ（１）であって、前記フィンがフィン脚部（３１）、フィン側面（３２）およびフィン尖端（３３）を有し、その場合にフィン脚部（３１）がパイプ壁（２）から実質的に径方向に張り出しており、かつフィン側面（３２）に、フィン側面（３２）に横に配置されている、付加的な構造部材が設けられており、その場合に実質的に軸方向と径方向に延びる第１の材料突出部（４１）と実質的にパイプ（１）の軸方向と周方向に延びる第２の材料突出部（４２）が形成されている、前記金属の熱交換器パイプにおいて、
第１の材料突出部（４１）がそれぞれ点（４４）において第２の材料突出部（４２）に隣接し、かつ
この点（４４）において、第１の材料突出部（４１）の軸方向の延びがゼロに等しい、
ことを特徴とする金属の熱交換器パイプ（１）。
【請求項４】
第１の材料突出部（４１）が、フィン尖端（３３）から第２の材料突出部（４２）へ向かって延びていることを特徴とする請求項３に記載の金属の熱交換器パイプ（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１、７および９のそれぞれの前文に記載された、特にパイプ外側の蒸気を液化ないし凝縮するための、金属の熱交換器パイプに関する。
【背景技術】
【０００２】
熱伝達は、多くの技術的プロセスにおいて、たとえば冷熱および空調技術において、あるいは化学およびエネルギ技術において、生じる。熱交換器内である媒体から熱が他の媒体へ伝達される。これらの媒体は、通常、壁によって分離されている。この壁は、熱伝達面として、かつ媒体を分離するために、用いられる。
【０００３】
２つの媒体の間で熱移送を可能にするためには、熱を放出する媒体の温度が、熱を吸収する媒体の温度よりも高くなければならない。この温度差を、駆動する温度差と称する。駆動する温度差が高くなるほど、熱伝達面積の単位あたりそれだけ多くの熱を伝達することができる。他方ではしばしば、駆動する温度差を小さく抑えることが望まれる。というのは、それがプロセスの効率にとって利点を有するからである。
【０００４】
熱伝達面を構造化することによって熱伝達を改良できることが、知られている。それによって平坦な表面におけるよりも、熱伝達面の単位あたり、より多くの熱を伝達することができる。さらに、駆動する温度差を減少させて、それによってプロセスをより効率的に構成することが可能である。
【０００５】
熱交換器のしばしば使用される実施形態は、多管式熱交換器である。しばしば、この装置内へ、その内側もその外側も構造化されているパイプが挿入される。多管式熱交換器のための構造化された熱交換器パイプは、通常、少なくとも１つの構造化された領域と滑らかな終端片および場合によっては滑らかな中間片を有している。滑らかな終端片ないし中間片が、構造化された領域を画成している。パイプを問題なく多管式熱交換器内へ組み込むことができるようにするためには、構造化された領域の外径が、滑らかな終端片と中間片の外径よりも大きくてはならない。
【０００６】
パイプ外側で凝縮する場合の熱伝達を向上させるために、種々の措置が知られている。しばしば、パイプの外表面にフィンが取り付けられる。それによってまず、パイプの表面積が増大され、従って凝縮が強化される。熱伝達のためには、フィンが平坦なパイプの壁材料から成形されると、特に効果的である。というのは、その場合にはフィンとパイプ壁との間に最適な接触が存在するからである。フィンが滑らかなパイプの壁材料から変形プロセスによって形成されている、フィン付きパイプは、一体的に圧延されたフィンパイプとも称される。
【０００７】
今日では、液化器用の商業的に入手できるフィンパイプは、パイプ外側に、インチあたり３０から４５フィンのフィン密度を有するフィン構造を有している。これは、約０．８５から０．５５ｍｍのフィン分布に相当する。フィン密度を増大させて出力をさらに向上させることには、多管式熱交換器内で生じる氾濫効果によって限界が与えられる：フィンの間隔が小さくなるにつれて、毛管現象によってフィンの中間室に復水があふれ、フィンの間の小さくなる通路によって復水の流出が阻止される。
【０００８】
フィン尖端に切り欠きを形成することによって、パイプの表面積をさらに増大させることは、従来技術である。さらに、切り欠きによって付加的な構造が生じ、それが凝縮プロセスを積極的に調節する。フィン尖端の切り欠きのための例が、特許文献１と２から知られている。
【０００９】
さらに、液化器パイプにおいて、フィン密度を変えずにフィンの間のフィン側面の領域に付加的な構造部材を設けることによって、出力増大を得ることができることが、知られている。この種の構造は、歯車状の工具によってフィン側面に形成することができる。その場合に生じる材料突出部が、隣接するフィンの中間室内へ突出する。この種の構造の実施形態が、特許文献３、４、５および６に見られる。これらの公報に記載されている材料突出部は、パイプの軸方向と周方向に延びる。特許文献７においては、材料突出部を、それらが１つまたは複数の凸状に湾曲された面によって画成されるように、成形することが、提案される。特許文献８と９においては、実質的に軸方向と径方向に延びるフィン側面に設けられた、付加的な材料突出部が示されている。これらの材料突出部は、周方向の材料突出部の端縁に配置されており、かつそれに対して略垂直に形成されている。従って径方向に延びる各材料突出部は、周方向に延びる材料突出部と共通の境界線を有している。この境界線に沿って、２つの材料突出部の軸方向の延びは等しい。それによってフィン側面に、それぞれ３つの材料突出部とフィン側面によって画成される、ポケット状の構造が生じる。このポケット状の構造内に、毛管力によって復水が効果的に集まる。それによってそれ以上の蒸気の凝縮が阻止されて、パイプの性能が低下する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許公報ＵＳ３３２６２８３
【特許文献２】米国特許公報ＵＳ４６６０６３０
【特許文献３】独国特許公報ＤＥ４４０４３５７Ｃ２
【特許文献４】中国特許公報ＣＮ１０１００４３３５Ａ
【特許文献５】米国特許公報ＵＳ２００７／０１３１３９６Ａ１
【特許文献６】米国特許公報ＵＳ２００８／０１９６８７６Ａ１
【特許文献７】米国特許公報ＵＳ２０１０／０２８８４８０Ａ１
【特許文献８】中国特許公報ＣＮ１０１００４３３７Ａ
【特許文献９】米国特許公報ＵＳ２００９／０２６０７９２Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の課題は、パイプ側の熱伝達と圧力降下を変えず、かつ同じ製造コストにおいて、従来技術に対して出力の増大した、パイプ外側において蒸気を凝縮する熱交換器パイプを形成することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は請求項１、３の特徴によって表される。他の従属する請求項が、本発明の好ましい実施形態と展開に関する。
【００１３】
本発明は、パイプ軸、パイプ壁およびパイプ外側上で一周するフィンを有する熱交換器パイプを有している。フィンは、フィン脚、フィン側面およびフィン尖端を有しており、その場合にフィン脚はパイプ壁から実質的に径方向に張り出している。フィン側面には、付加的な構造部材が設けられており、その構造部材はフィン側面に横に配置されている。実質的に軸方向と径方向に延びる第１の材料突出部は、実質的にパイプの軸方向と周方向に延びる第２の材料突出部に隣接しており、その場合に第１と第２の材料突出部は、共通の境界線を有している。本発明によれば、この境界線に沿った第１の材料突出部の軸方向の延びは、第２の材料突出部の軸方向の延びよりも小さい。
【００１４】
従って本発明は、熱交換器内で使用するための構造化されたパイプに関するものであって、それにおいて熱を放出する媒体が液化され、ないしは凝縮される。液化器として、しばしば多管式熱交換器が使用され、その中で純粋物質または混合物の蒸気がパイプ外側上で凝縮されて、その場合にパイプ内側を流れる液体を加熱する。
【００１５】
その場合に本発明は、フィン側面に横に材料突出部の形式の付加的な構造部材を形成することによって、液化器パイプにおいて出力上昇を得ることができる、という考えから出発している。この材料突出部は上方のフィン側面の材料から、歯車状の工具によってフィンの材料が切削のように持ち上げられて、変位されるが、フィン側面からは分離されないことによって、成形される。材料突出部は、フィンと堅固に結合されたままである。材料突出部は、２つのフィンの間の中間室内へフィン側面から軸方向に延びている。材料突出部によってフィンの表面積が増大される。さらに、材料突出部の、フィン側面とは逆の端縁が、凸状のエッジとなり、そこにおいて凝縮プロセスが効果的に行われる。
【００１６】
歯車状の工具の歯は、その作業領域内で好ましくは対称の台形形状を有している。歯のエッジにおける内側角度は、９０°より幾分大きく、好ましくは９５°と１１０°の間である。歯の台形形状に基づいて、歯車状の工具による材料変位は、パイプの径方向にも、周方向にも行われる。従って１つの作業ステップにおいて、実質的に軸方向と径方向に延びる第１の横方向の材料突出部と、実質的にパイプの軸方向と周方向に延びる第２の横方向の材料突出部が形成される。ここで実質的にというのは、軸方向ないし径方向ないし周方向からのわずかな変位も一緒に含まれるということである。特に歯車状の工具の幾何学配置に基づいて、第１の横方向の材料突出部は、径方向から２０°まで変位して延びることができる。さらに、特に第２の材料突出部は、湾曲した形状を有することができる。第２の材料突出部は、好ましくは、フィンの略半分の高さに配置されている。フィンの高さは、パイプ壁からフィン尖端まで測定され、好ましくは０．５ｍｍと１．５ｍｍの間である。
【００１７】
第１の材料突出部が第２の材料突出部に隣接し、その場合に境界線において約９０°より大きい角度が形成されている。第１と第２の材料突出部の径方向の延びに従って、フィン側面に、第１と第２の横方向の材料突出部によって画成されるポケット状の構造が生じる。このポケット状の構造内には毛管力に基づいて復水が効果的に集まるので、第１と第２の横方向の材料突出部は、毛管力が減少されるように形成されなければならない。復水を引き留める大きい毛管力は、凹状に形成された構造に生じる。凹状のエッジは、第１の横方向の材料突出部が第２の横方向の材料突出部に隣接する場所に形成される。
【００１８】
本発明によれば、歯車状の工具による材料変位は、パイプの周方向におけるよりも径方向に強く表れる。特別な利点は、その場合に境界線に沿った第１の材料突出部の軸方向の延びが、第２の突出部の軸方向の延びよりも小さいことにある。従って小さいポケット状の構造しか形成されない。従って材料突出部の間のポケット状の構造内には、極めてわずかな量の復水しか留められない。特に形成されるポケット状の構造は、特許文献８と９に示される構造よりも隆起がはるかに少ない。従って本発明に基づいて形成された第１と第２の材料突出部においては、より多くの露出した表面が凝縮のために提供され、復水はフィンの間の通路からより迅速に流出することができる。従って、本発明に基づいて形成された熱交換器パイプにおいては、凝縮の際の熱伝達が向上し、パイプの性能が改良される。
【００１９】
さらに、第１の材料突出部がフィン尖端で始まって、第２の材料突出部へ向かって延びていると、効果的である。製造プロセスに基づいて、第１の材料突出部は径方向においては、第２の材料突出部までよりもさらに延びることはできない。従って第１の材料突出部の径方向の延びは、それがフィン尖端で始まる場合に最大となる。その場合にパイプの表面積と凸状のエッジの長さは、著しく増大されるが、小さいポケット状の構造しか形成されない。
【００２０】
特に好ましい実施形態は、第１の材料突出部の最大の軸方向の延びがフィン尖端の領域内にある場合に、存在する。それによって一方で、パイプの表面積が第１の材料突出部によって著しく増大され、他方では、わずかな復水しか留められない、小さいポケット状の構造しか形成されない。
【００２１】
第１の材料突出部の軸方向の延びが、フィン尖端から第２の材料突出部へ向かって小さくなると、特に効果的である。従って材料突出部は、パイプ軸の方向へ細くなる。それによって一方で、パイプの表面積が第１の材料突出部によって著しく増大され、他方では毛管力が効果的に調節されるので、ポケット状の構造内にはわずかな復水しか留められない。
【００２２】
それに対して、第１の材料突出部の軸方向の延びが、フィン尖端と第２の材料突出部の間で他の局所的な最大値を有することも可能である。第１の材料突出部のこの種の形態においては、大きな表面積と凸状のエッジの大きい長さが得られる；しかし、第２の材料突出部の領域内のポケット状の構造は、小さい領域のみにわたって延びる。
【００２３】
好ましくは、境界線に沿った第１の材料突出部の軸方向の延びは、第２の材料突出部の軸方向の延びの最大で半分の大きさである。それによってフィン側面におけるポケット状の構造は、わずかな隆起しかもたないことが達成される。
【００２４】
本発明の他の視点は、第１の材料突出部がパイプ軸の方向に細くなって、点のみでまだ第２の材料突出部と隣接する、熱交換器パイプを含んでいる。この境界点において、第１の材料突出部の軸方向の延びは、ゼロに等しい。それによってポケット状の構造の大きさがさらに減少される。その場合にこれは、さらにわずかな復水しか集められない。
【００２５】
さらに、好ましくは、第１の材料突出部がフィン尖端から第２の材料突出部へ向かって延びている。得られる表面積増大は、特に第１の材料突出部がフィン尖端で始まっている場合に、最大となる。
【００２６】
本発明の他の視点は、第１の材料突出部が第２の材料突出部から離隔して配置されている、熱交換器パイプを含んでいる。これは、第１の材料突出部の径方向の延びがフィン尖端から第２の材料突出部まで達していないことによって、実現することができる。その場合に第１の材料突出部は、どの点においても第２の材料突出部とは接触しない。この場合には、ポケット状の構造内に復水を保持する毛管力は、最小になる。
【００２７】
本発明の好ましい形態において、第１の材料突出部がフィン尖端から径方向に延びており、第１の材料突出部の径方向の延びは、フィン尖端からの第２の材料突出部の径方向の距離よりも小さくすることができる。ここでも、得ることのできる表面積増大は、特に、第１の材料突出部がフィン尖端で始まっている場合に、最大となる。
【００２８】
本発明の実施例を、図式的な図面を用いて詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】材料突出部を有する本発明に係る熱交換器パイプのフィン部分の一部を示す斜視図である。
【図２】材料突出部の本発明に係る実施形態を有する熱交換器パイプのフィンを通る断面図である。
【図３】材料突出部の好ましい実施形態を有する熱交換器パイプのフィンを通る断面図である。
【図４】材料突出部の特に好ましい実施形態を有する熱交換器パイプのフィンを通る断面図である。
【図５】材料突出部の他の好ましい実施形態を有する熱交換器パイプのフィンを通る断面図である。
【図６】点のみで接触する第１と第２の材料突出部を有する熱交換器パイプのフィンを通る断面図である。
【図７】互いに離隔した第１と第２の材料突出部を有する熱交換器パイプのフィンを通る断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
すべての図において、互いに相当する部分には、同一の参照符号が設けられている。
【００３１】
図１は、本発明に係る材料突出部４１と４２を有する熱交換器パイプ１のフィン部分の一部を斜視図で示している。パイプ外側２１のうちの、一周する、一体的に形成されたフィン３の一部のみが示されている。フィン３は、パイプ壁２に取り付けられたフィン脚部３１、フィン側面３２およびフィン尖端３３を有している。その場合にフィン３は、パイプ壁２から径方向に張り出している。フィン側面３２には、材料突出部４１と４２として形成されている、付加的な構造部材が設けられている。形成されている材料突出部は、２つのグループに分割されている：第１の材料突出部４１は、実質的にパイプ１の軸方向と径方向に延びている。第２の材料突出部４２は、実質的にパイプの軸方向と周方向に延びている。図１には、５つの第１の材料突出部４１と３つの第２の材料突出部４２が示されている。第１の材料突出部４１は第２の材料突出部４２に隣接しており、その場合に境界線４３において９０°より大きい角度が形成されている。材料突出部４１と４２によって、パイプ１の表面積が増大される。さらに、材料突出部４１と４２の、フィン側面とは逆の端縁は凸状のエッジ５２を描いており、そのエッジにおいて凝縮プロセスが効果的に行われる。
【００３２】
図１から図５に示すように、境界線４３に沿った第１の材料突出部４１の軸方向の延びｘ１は、第２の材料突出部４２の軸方向の延びｘ２よりも小さい。それによってフィン側面３２には、わずかに隆起したポケット状の構造５１しか生じない。従って本発明に係る熱交換器パイプ１においては、復水はポケット状の構造５１内にほとんど集まらず、復水は迅速に流出する。パイプ１の表面は、著しい熱抵抗となる復水フィルムによっては、ほとんど覆われない。これが、凝縮プロセスを支援して、パイプの性能が向上する。
【００３３】
図２は、本発明に係る熱交換器パイプ１の好ましい実施形態を横断面で示しており、それにおいて第１の材料突出部４１はフィン尖端３３の近傍で始まっており、パイプ１の径方向に第２の材料突出部４２まで延びている。製造プロセスに基づいて、第１の材料突出部４１は第２の材料突出部４２までより大きく延びることはできない。従って第１の材料突出部４１の径方向の延びは、それがフィン尖端３３で始まる場合に、最大となる。その場合に、パイプ１の表面と凸状のエッジ５２の長さは、著しく増大される。図２に示すように、第２の材料突出部４２は、好ましくは、フィン３の略半分の高さに取り付けられている。従って第１の材料突出部４１の径方向の延びは、図２に示す場合において、フィンの高さの半分と略同一である。
【００３４】
図３は、本発明に係る熱交換器パイプ１の特に好ましい実施形態を横断面で示している。第１の材料突出部４１の最大の軸方向の延びＸｍは、フィン尖端３３の領域内にある。さらに、第１の材料突出部４１の軸方向の延びＸ１は、フィン尖端３３から第２の材料突出部４２へ向かって小さくなる。従って第１の材料突出部４１は、パイプ軸の方向へ細くなっている。従って一方で、パイプ１の表面積は、第１の材料突出部４１によって、図２に示す場合よりもさらに増大されており、他方では、小さいポケット状の構造５１のみが形成され、その構造はわずかな復水しか留められない。
【００３５】
本発明に係る熱交換器パイプ１の、図４に示す実施形態において、第１の材料突出部４１は耳の形状を有している。それらは、その効率において、図３に示す実施形態の第１の材料突出部４１と比較し得る。第１の材料突出部４１の最大の軸方向の延びＸｍは、図３に示す実施形態におけるよりも、フィン尖端３３からさらにわずかに離れている。
【００３６】
図５は、本発明に係る熱交換器パイプ１の他の好ましい実施形態を横断面で示している。第１の材料突出部４１の軸方向の延びＸ１は、フィン尖端３３と第２の材料突出部４２の間に他の局所的な最大値を有している。しかしそれにもかかわらず、第１の材料突出部４１の輪郭推移は、第１の材料突出部４１がリブ尖端３３から第２の材料突出部４２へ向かって細くなる傾向にあるように、選択されている。この好ましい形態においては、大きい表面積と凸状のエッジ５２の特に大きい長さが得られる。しかしそれにもかかわらず、第２の材料突出部４２の領域内のポケット状の構造５１は、小さい領域のみにわたって延びている。
【００３７】
図１から図５に示すように、境界線４３に沿った第１の材料突出部４１の軸方向の延びＸ１は、最大で、第２の材料突出部４２の軸方向の延びＸ２の半分の大きさである。それによって、フィン側面３２におけるポケット状の構造５１は、わずかな隆起しか持たない。
【００３８】
本発明の他の視点は、第１の材料突出部４１がパイプ軸の方向に次のように、すなわち図６に示すように、それが点４４においてのみ、まだ第２の材料突出部４２に隣接するようにして細くなる、熱交換器パイプ１を有している。本発明のこの視点は、図１−５に示す、第１の材料突出部４１と第２の材料突出部４２の間の境界線４３が、点４４まで減少している、いわば限界の場合を示している。第１の材料突出部４１の軸方向の延びＸ１は、この境界点４４においてゼロに等しい。それによって、ポケット状の構造５１の大きさが、さらに減少する。その場合にこれは、わずかな復水しか集められない。他方で、この場合においては、得られる表面積増大は、図１−５に示す場合よりも少ない。従って、第１の材料突出部４１は、図６に示す場合においては、フィン尖端３３で始まることが好ましい。
【００３９】
本発明の他の視点は、第１の材料突出部４１が第２の材料突出部４２から離隔して配置されている、熱交換器パイプ１を有している。この種の本発明に係る熱交換器パイプ１の好ましい実施形態が、図７に横断面で示されている。第１の材料突出部４１の径方向の延びは、フィン尖端３３から第２の材料突出部４２までは達していない。第１の材料突出部４１はどの点においても第２の材料突出部と接触しない。復水をポケット状の構造５１内に保持する毛管力は、この場合には最小である。他方で、この場合においては、図１−６に示す場合よりも小さい表面増大しか得られない。従って、図７に示す場合において、第１の材料突出部４１がフィン尖端３３で始まると、特に効果的である。
【００４０】
本発明に係る材料突出部４１と４２を成形するために使用される、歯車状の工具の沈み込みプロセスは、フィン側面３２の材料を周方向に非対称に押し出す。従って周方向に隣接する２つの第１の材料突出部４１は、異なる形状を有することができる。
【００４１】
さらに、本発明に係る解決は、フィン側面の上述した構造化が蒸気の凝縮のために好ましいだけでなく、他の熱伝達プロセスにおいても出力を向上させる作用を有することができることも、含んでいる。特に、液体を蒸発させる場合に、本発明に係る構造によって蒸発プロセスを強化することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１  熱交換器パイプ
２  パイプ壁
２１  パイプ外側
３  パイプ外側上のフィン
３１  フィン脚部
３２  フィン側面
３３  フィン尖端
４１  第１の材料突出部
４２  第２の材料突出部
４３  境界線
４４  境界点
５１  ポケット状の構造
５２  凸状のエッジ
Ｘ１  第１の材料突出部の軸方向の延び
Ｘ２  第２の材料突出部の軸方向の延び
Ｘｍ  第１の材料突出部の最大の軸方向の延び
【図１】
0005961279.tif 000002
【図２】
0005961279.tif 000003
【図３】
0005961279.tif 000004
【図４】
0005961279.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
0005961279.tif 000008