(57)【要約】  内側管と外側管との間に配設された中空のセラミック微小球を有する二重壁の排気系部品及びその製造方法。中空のセラミック微小球の粒度分布は、嵩容積に基づいて、少なくとも９０パーセントの中空のセラミック微小球の寸法が１５０マイクロメートル未満であるような分布である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内側管と、該内側管を囲む外側管と、該内側及び外側管を連結する第１及び第２の環状シール部であって、該内側及び外側管とともに、包囲された空洞を画定する第１及び第２の環状シール部と、空洞内に詰められた中空のセラミック微小球であって、粒度分布が、嵩容積に基づいて、少なくとも９０パーセントの中空のセラミック微小球の寸法が１５０マイクロメートル未満であるような分布である中空のセラミック微小球と、を含む断熱二重壁の排気系部品。
【請求項２】
前記内側管がステンレス鋼、鋼鉄、又は合金鋼を含む、請求項１に記載の断熱二重壁の排気系部品。
【請求項３】
前記第１及び第２のシール部が金属フランジを含む、請求項１に記載の断熱二重壁の排気系部品。
【請求項４】
嵩容積に基づいて、少なくとも９０パーセントの前記中空のセラミック微小球の寸法が１１０マイクロメートル未満である、請求項１に記載の断熱二重壁の排気系部品。
【請求項５】
前記中空のセラミック微小球の真密度は０．７〜２．２グラム／ミリリットルの範囲である、請求項１に記載の断熱二重壁の排気系部品。
【請求項６】
前記中空のセラミック微小球の真密度は２．０〜２．１グラム／ミリリットルの範囲である、請求項１に記載の断熱二重壁の排気系部品。
【請求項７】
断熱二重壁の排気系部品が、断熱二重壁の排気管、触媒コンバータ組立体の断熱二重壁のエンドコーン、触媒コンバータ組立体の断熱二重壁のスペーサリング、断熱二重壁のマフラ、及び断熱二重壁のテール管からなる群から選択される、請求項１に記載の断熱二重壁の排気系部品。
【請求項８】
機関に連結されて該機関からの排気ガスが内側管を通して送られるようになっている、請求項１に記載の断熱二重壁の排気系部品。
【請求項９】
前記排気系部品が触媒コンバータの上流に配設される、請求項８に記載の断熱二重壁の排気系部品。
【請求項１０】
前記部品が断熱二重壁の排気管を含む、請求項８に記載の断熱二重壁の排気系部品。
【請求項１１】
前記部品が触媒コンバータ組立体の断熱二重壁のエンドコーンを含む、請求項８に記載の断熱二重壁の排気系部品。
【請求項１２】
部品が断熱二重壁のテール管を含む、請求項８に記載の断熱二重壁の排気系部品。
【請求項１３】
断熱二重壁の排気系部品を製造する方法であって、
内側管を用意する工程と、
該内側管を外側管内に少なくとも部分的に閉じ込める工程と、
該内側及び外側管を連結して、少なくとも１つの開口部を有する充填可能な空洞を形成する工程と、
充填可能な空洞に中空のセラミック微小球を少なくとも部分的に充填する工程であって、該中空のセラミック微小球の粒度分布は、嵩容積に基づいて、少なくとも９０パーセントの該中空のセラミック微小球の寸法が１５０マイクロメートル未満であるような分布である、工程と、
前記少なくとも１つの開口部を密封して中空のセラミック微小球を包囲する工程と、を含む方法。
【請求項１４】
前記内側管と外側管とが少なくとも１つのシール部によって連結され、該内側管と、外側管と、前記少なくとも１つのシール部と、開口部とが、充填可能な空洞を形成する、請求項１３に記載の断熱二重壁の排気系部品を製造する方法。
【請求項１５】
前記少なくとも１つのシール部が金属フランジを含む、請求項１４に記載の断熱二重壁の排気系部品を製造する方法。
【請求項１６】
前記内側管がステンレス鋼、鋼鉄、又は合金鋼を含む、請求項１３に記載の断熱二重壁の排気系部品を製造する方法。
【請求項１７】
嵩容積に基づいて、少なくとも９０パーセントの前記中空のセラミック微小球の寸法が１１０マイクロメートル未満である、請求項１３に記載の断熱二重壁の排気系部品を製造する方法。
【請求項１８】
前記中空のセラミック微小球の真密度が０．７〜２．２グラム／ミリリットルの範囲である、請求項１３に記載の断熱二重壁の排気系部品を製造する方法。
【請求項１９】
前記中空のセラミック微小球の真密度が２．０〜２．１グラム／ミリリットルの範囲である、請求項１３に記載の断熱二重壁の排気系部品を製造する方法。
【請求項２０】
前記断熱二重壁の排気系部品が、断熱二重壁の排気管、触媒コンバータ組立体の断熱二重壁のエンドコーン、触媒コンバータ組立体の断熱二重壁のスペーサリング、断熱二重壁のマフラ、及び断熱二重壁のテール管からなる群から選択される、請求項１３に記載の断熱二重壁の排気系部品を製造する方法。
【請求項２１】
二重壁の排気系部品における断熱材としての中空のセラミック微小球の使用であって、該中空のセラミック微小球の粒度分布が、嵩容積に基づいて、少なくとも９０パーセントの該中空のセラミック微小球の寸法が１５０マイクロメートル未満であるような分布である、使用。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
自動車に使用される触媒コンバータは、典型的には高温において最も効率的に動作する。機関の始動の際、触媒コンバータ温度は、それが一般に「着火」と呼ばれているプロセスを適切に実行するのに十分に上昇する必要がある。「着火」は、通常、触媒コンバータが５０パーセント効率に達する温度として定義される。汚染物質の種類に応じて、これは典型的には約２００〜３００℃の範囲で生ずる。着火時間を低減させる一方法は、触媒コンバータに到達する排気ガスの温度を上昇させることである。この問題に対処するために、及び／又は精度の高い車両部品（例えば、エレクトロニクス、プラスチック部品など）を、車両排気によって発せられる熱から保護するために、種々の二重壁の排気系部品（例えば、排気マニホールド、触媒コンバータに取り付けるためのエンドコーン、排気管、又は管）が開発されている。このような部品は、一般に外側管内に内側管を有する。内側管と外側管との間に形成されるこの環状間隙は、開放のままにされるか又は例えば、セラミックファイバーマットのような断熱材料で充填されてよい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００２】
最近、典型的にはガソリン機関（例えば、２００〜３００℃）より冷たい排気ガスを発生する、ディーゼル機関に触媒コンバータを使用する傾向がある。それ故に、触媒コンバータの上流で排気ガス温度を維持することがディーゼル機関の場合には望ましい。
【０００３】
二重壁を有する排気系部品を効果的に断熱することは、例えば、その部品がその中に曲がり部を有する場合、及び／又は内側管と外側管との間に形成される環状間隙が一様でない場合、特に困難となり得る。これは典型的に、２つの管の間にシート形状のどんなものでもはめ合わせることが難しくなる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
一態様においては、本発明は、内側管と、内側管を囲む外側管と、内側及び外側管を連結する第１及び第２の環状シール部であって、内側及び外側管とともに、包囲された空洞を画定する第１及び第２の環状シール部と、空洞内に詰められた中空のセラミック微小球であって、粒度分布が、嵩容積に基づいて、少なくとも９０パーセントの中空のセラミック微小球の寸法が１５０マイクロメートル未満であるような分布である中空のセラミック微小球と、を含む断熱二重壁の排気系部品を提供する。
【０００５】
幾つかの実施形態においては、触媒コンバータの上流に配設されてもよいこの断熱二重壁の排気系部品は、機関からの排気ガスが内側管を通して送られるように、ガソリン又はディーゼル機関に連結されている。幾つかの実施形態では、断熱二重壁の排気系部品は、断熱二重壁の排気管、触媒コンバータ組立体の断熱二重壁のエンドコーン、触媒コンバータ組立体の断熱二重壁のスペーサリング、断熱二重壁のマフラ、断熱二重壁のテール管からなる群から選択される。
【０００６】
別の態様においては、本発明は、断熱二重壁の排気系部品を製造する方法であって、内側管を用意する工程と、内側管を外側管内に少なくとも部分的に閉じ込める工程と、内側及び外側管を連結して、少なくとも１つの開口部を有する充填可能な空洞を形成する工程と、充填可能な空洞に中空のセラミック微小球を少なくとも部分的に充填する工程であって、この中空のセラミック微小球の粒度分布は、嵩容積に基づいて、少なくとも９０パーセントの中空のセラミック微小球の寸法が１５０マイクロメートル未満であるような分布である工程と、少なくとも１つの開口部を密封して中空のセラミック微小球を包囲する工程と、を含む方法を提供する。
【０００７】
幾つかの実施形態では、内側管及び外側管は、少なくとも１つのシール部によって連結され、ここで、内側管と、外側管と、該少なくとも１つのシール部と、開口部とが充填可能な空洞を形成する。
【０００８】
幾つかの実施形態においては、嵩容積に基づいて、少なくとも９０パーセントの中空のセラミック微小球の寸法が、１４０、１３０、１２０、又は１１０マイクロメートル未満である。幾つかの実施形態においては、嵩容積に基づいて、中空のセラミック微小球の真密度は、０．７〜２．２グラム／ミリリットルの範囲であるか、又は２．０〜２．１グラム／ミリリットルの範囲でさえある。
【０００９】
幾つかの実施形態では、内側管及び外側管の少なくとも一方がステンレス鋼、鋼鉄、又は合金鋼を含む。
【００１０】
本発明によって、熱及び音の絶縁特性が、断熱二重壁の排気系部品に付与され、また本発明は、内側管と外側管との間の環状間隙内に容易に詰められる。さらに、多くの実施形態では、これらの利点は市販の及び経済的な材料を用いて実現することができる。
【００１１】
本明細書で使用される場合には、用語：
「管」とは、円筒形、先細りにした、平坦にした、及び／又は曲げたものであってよく、その長さに沿ってさまざまな断面形状及び／又はサイズを有してよいチューブをいう；例えば、この用語「管」は触媒コンバータ用の典型的なエンドコーンを含む；
「排気管」とは、排気マニホールドと触媒コンバータ又はマフラとの間の管をいう；
「排気系部品」とは、バーナー又は機関からの排気ガスを導くように設計される部品をいう；及び
「テール管」とは、マフラの下流にあり且つ直接大気に逃がす管をいう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
例示の自動車の排気系が、図１に示されている。通常運転では、機関１２は排気ガス１１を排気マニホールド１４内に導入する。排気ガス１１は、排気系１０を通過してテール管１９から放出される。排気マニホールド１４は、第１の排気管１５に連結される。触媒コンバータ組立体１７は、第１及び第２の排気管１５、１６の間に配設されている。第２の排気管１６は、マフラ１８に連結され、マフラ１８はテール管１９に連結されている。
【００１３】
本発明に係わる１つの例示の断熱二重壁の排気系部品が、図２に示されている。図２を参照すると、断熱二重壁の排気管２０が、内側管２２と、内側管２２を囲んでいる外側管２４と、内側及び外側管２２、２４を連結し且つ内側及び外側管２２、２４と合わせて包囲された空洞２９を画定する第１及び第２の環状シール部２３、２５とから構成される。中空のセラミック微小球２６が、包囲された空洞２９内に配設されている。中空のセラミック微小球２６の粒度分布は、少なくとも９０パーセントの中空のセラミック微小球の寸法が１５０マイクロメートル未満であるような分布である。内側管２２が内部空間２１を囲んでおり、自動車の排気系において排気管が使用される場合はそこを通って排気ガスが流れる。
【００１４】
図３は、本発明に係わる断熱二重壁のエンドコーンと、断熱二重壁のスペーサリングとを備える例示の触媒コンバータ組立体３０を示す。入口エンドコーン３４は、入口３５を有し且つ第１の触媒要素３８を保持する第１の取付マット４２において終端する。出口エンドコーン３６は、出口３７を有し且つ第２の触媒要素３９を保持する第２の取付マット４３において終端する。断熱二重壁のスペーサリング４０は、第１及び第２の取付マット４２、４３の間に配設される。一般に缶又はケーシングとも称される、筐体３２は、当該技術分野においてこの目的のために既知である任意の好適な材料で作製されることができ、典型的には金属；例えば、ステンレス鋼で作製される。第１及び第２の触媒要素３８、３９は、ハニカムモノリシック構造体、典型的にはセラミック又は金属のいずれかで形成される。触媒要素３８、３９を囲んでいるのは、一般に膨張性材料で作製される第１及び第２の取付マット４２、４３である。第１及び第２の取付マット４２、４３は、高温排気ガスが汚染防止装置を通って流れるときに筐体３２、３３と触媒要素３８、３９との間の間隙が幅広になるときに、それぞれ触媒要素３８、３９の十分な保持力を維持すべきである。
【００１５】
入口エンドコーン３４は、第１の外側管４６と、第１の内側管４８とを有する。出口エンドコーン３６は、第２の外側管５６と、第２の内側管５８とを有する。入口エンドコーン３４は、包囲された第１の空洞５５を画定する第１及び第２のエンドシール部５１、５２を有する。出口エンドコーン３６は、包囲された第１の空洞６５を画定する第３及び第４のエンドシール部６１、６２を有する。スペーサリング４０は、それぞれ第３の内側及び外側管５３、５４と、第３の包囲された空洞５９を画定する第５及び第６エンドシール部５７、６７とを有する。包囲された空洞５５、６５、５９は、中空のセラミック微小球６０で充填される。
【００１６】
内側及び外側管は、内燃機関からの排気ガス放出に伴う高温に耐えることができる任意の材料で作製されてよい。典型的には、内側管及び外側管は、例えば、鋼鉄、ステンレス鋼、又は合金鋼（例えば、ウエストヴァージニア州ハンチントン（Huntington）のスペシャル・メタル・コーポレーション社（Special Metals Corp.）から「インコネル（INCONEL）」の商品名で入手可能な）のような金属からなる。
【００１７】
第１及び第２のシール部は、内側管と外側管との間の包囲された空洞を形成する役割を果たす任意の形態を有する。シール部の例としては、フランジ、カラー、溶接部及びクリンプが挙げられ、場合により溶接部又はシーラント、ガラス及びセラミックの１つ以上を組み合わせたものが挙げられる。第１及び第２のシール部は、内燃機関からの排気ガス放出に伴う高温に耐えることができる任意の材料で作製されてよい。シール部には、包囲された空洞から中空のセラミック微小球を逃がしてしまうような穴が本質的に無いものとすべきである。シール部に好適な材料の例として、セラミック及びセラミックマット（例えば、触媒コンバータモノリスを保持するセラミックマット）、ガラス、及び金属が挙げられる。幾つかの実施形態では、シール部は、例えば、内側管又は外側管から延在する金属フランジを含んでよい。
【００１８】
本発明に係わる断熱二重壁の排気系部品は、各種排気系部品に加工されてよい。例としては、断熱二重壁の排気管、触媒コンバータ組立体の断熱二重壁のエンドコーン及びスペーサリング、断熱二重壁の触媒コンバータ組立体全体、断熱二重壁の排気マニホールド、並びに断熱二重壁のテール管が挙げられる。本発明を実施する際に中空のセラミック微小球を用いることで、通常は、比較的低い密度及び熱伝導率の利益を受ける。さらに、中空のセラミック微小球は通常、比較的高い熱安定度を有しているため、車両排気系（ガソリン機関の車両排気系を含む）のすべての部品における断熱材として用いるのに好適である。
【００１９】
本発明に係わる断熱二重壁の排気系部品は、例えば、汎用機関とともに、又は、例えば、乗用車、トラック、若しくはオートバイのような、自動車に搭載される機関とともに用いられてよい。
【００２０】
断熱二重壁の排気系部品の１つ以上が、例えば、自動車の排気系に使用され且つ結合されることができる。
【００２１】
中空のセラミック微小球（通常は、実質的に球状である）は、中空コアがセラミックシェルの中に入っているものである。幅広い種類の中空のセラミック微小球が市販されており、そうでなければ、当該技術分野で知られる方法によって入手可能である。有用な中空のセラミック微小球の粒度分布は、嵩容積に基づいて、少なくとも９０パーセントの中空のセラミック微小球の寸法が１５０、１２０、１１０、１００、９０マイクロメートル未満であるか、さらに小さいような分布である。幾つかの実施形態においては、嵩容積に基づいて、５０パーセント超の中空のセラミック微小球の寸法が、３０、４０、５０、６０、８０、９０マイクロメートルより大きくてもよいし、さらに１００マイクロメートルより大きくてもよい。粒度の等級分けは、例えば、ふるい分け又は風力分級のような、当該技術分野において周知の方法によって達成されることができる。
【００２２】
通常、中空のセラミック微小球の真密度（すなわち、詰め込み効率の影響がない状態での密度であり、例えば、空気比重びん法又はアルキメデス法によって決定してもよい）は、０．５〜３．０グラム／ミリリットル、より典型的には０．７〜２．２グラム／ミリリットル、さらにより典型的には２．０〜２．１グラム／ミリリットルの範囲であるが、これらの範囲の外側の真密度を用いてもよい。
【００２３】
市販の中空のセラミック微小球の例には、ミネソタ州セントポール（St. Paul）のスリーエム・カンパニー社（3M Company）から商品名「ジーオスフェアズ（ZEEOSPHERES）」（例えば、等級がＧ−２００、Ｇ−４００、Ｇ−６００、Ｇ−８００、又はＧ−８５０）、及び商品名「ゼットライト（Z-LIGHT）」（例えば、等級がＧ−３１２５、Ｇ−３１５０、又はＧ−３５００）として入手可能なものが挙げられる。中空のセラミック微小球の混合物はまた、例えば、高い詰め込み効率を有する寸法の二峰性分布を生成するために使用されてもよい。複数の断熱二重壁の排気系部品が排気系で使用される場合、各部品は、異なる寸法及び／又は物理特性の中空のセラミック微小球を用いてもよい。
【００２４】
理論に拘束されることを望むわけではないが、断熱粒子がもっと大きい場合と比べると、本発明の中空のセラミック微小球はサイズが非常に小さいため、二重壁の空洞内に捕捉される空気の対流が低減され、その結果、内側管と外側管との間の熱伝達の速度が小さくなると考えられている。
【００２５】
本発明に係わる断熱二重壁の排気系部品は、例えば、本発明に係わる中空のセラミック微小球を従来の断熱材料の代わりに用いることを除いて、断熱二重壁の排気系部品を製造するための当該技術分野で知られる技術によって製造することが可能である。例えば、第１の工程において、内側管は外側管の中に少なくとも部分的に配設されてよい。第２の工程において、充填可能な空洞が、第１のシール部（例えば、上記のような）を形成することによって内側管と外側管との間に形成される。これらの第１の又は第２の工程のいずれかに引き続いて、内側管及び外側管のいずれか又は両方が曲げられるか、ないしは別の方法で所望の形状に変形されてよい。中空のセラミック微小球を、（例えば、注ぐことか又は吹き込むことによって）充填可能な空洞内に導入し、この導入は、任意的に、充填中に振動させて所望の（例えば通常は高い）詰め込み密度が実現することを補助しながら行なう。充填可能な空洞を一旦所望の程度まで充填すると、第２のシール部が内側管と外側管との間に形成され、この第２のシール部は、中空のセラミック微小球を、内側及び外側管と第１及び第２のシール部とによって画定される包囲された空洞内に閉じ込める働きをする。
【００２６】
別の方法では、中空のセラミック微小球を導入する前に、両方のシール部を配置することができる。これは典型的には外側管に、好適な穴を開けることによって達成さることができ、これは次いで内側管及び外側管とシール部との間の空洞を充填した後に密封される。
【００２７】
本発明の目的及び利点を以下の非限定的な実施例によりさらに例示するが、これらの実施例の中で挙げた特定の材料及びその量、並びに他の条件及び詳細は、本発明を不当に限定するように解釈されるべきではない。
【実施例】
【００２８】
９１−ｃｍ（３０−インチ）長さのステンレス鋼二重壁管が組み立てられた。内側管は、６３．５ｍｍ（２  １／２インチ）の外径（ＯＤ）及び６０．３ｍｍ（２  ３／８インチ）の内径（ＩＤ）を有した。外側管は、７６．２ｍｍ（３．０インチ）のＯＤ及び７３．０ｍｍ（２  ７／８インチ）のＩＤを有した。これの結果、４．７５ｍｍの環状間隙が生じた。管は、所定位置に溶接されたステンレス鋼で製造された環状シール部で一方の端部で連結された。管の他方の端部は、取り外し可能且つ４個のマシンスクリューで管へ締結できる環状ステンレス鋼製シール部を有した。この環状間隙は、内側管の周りで一様であった。
【００２９】
管には熱電対が装備された。各熱電対は、管の入口端部（入口端部は溶接されたシール部を有する端部であった）から４５．７ｃｍ（１８インチ）であった。３．１８−ｍｍ（１／８−インチ）シース熱電対が、ガス温度を測定するために管中心線上に位置づけられた。第２の熱電対が、内側管のＯＤに溶接された。第３の熱電対が、外側管のＯＤに溶接された。すべての熱電対が、管の入口端部から４６ｃｍ（１８インチ）に位置づけられた。
【００３０】
管は、まず最初に取り外し可能な環状シール部は所定位置にあるが、二重壁を有する管が空気のみを含有する状態で試験された。管を天然ガスバーナーに連結した。バーナーは、ガス温度が４００℃〜９００℃で動作され、温度は、１００℃刻みで増やすことを、ガス温度が安定して管のＯＤが平衡状態に達するまで行なった。ガス流量は１９０標準立方フィート／分（ＳＣＦＭ）であった。１標準立方フィートとは、１０１．３３ｋＰａ（１４．６９６ポンド／平方インチ）（ｐｓｉ）の圧力における２８リットル（１立方フィート）のガスに含有される１５．５℃（６０°Ｆ）のときのガスの量である。
【００３１】
再び室温まで冷却した後、取り外し可能なシール部が取り外され、「Ｇ−８５０ジーオスフェアズ（ZEOSPHERES）」セラミック微小球としてスリーエム・カンパニー社（3M Company）から入手可能な中空のセラミック微小球（真密度＝２．１グラム／ミリリットル；熱伝導率＝２ワット／（メーターケルビン）（Ｗ／ｍＫ）；サイズ範囲（１０容積パーセンタイル、ｍｍ）＝０．０１２；サイズ範囲（５０容積パーセンタイル、ｍｍ）＝０．０４；サイズ範囲（９０容積パーセンタイル、ｍｍ）＝０．１）が、二重壁管の環状の空間内に注ぎ込まれた。管を充填しているときに、管が中空のセラミック微小球で完全に満たされるまで、中空のセラミック微小球をぎっしり詰めるために管をテーブル上で数回軽く叩いた。そして、取り外し可能な環状シール部を所定の位置にネジで締め、中空のセラミック微小球で満たされた管を、空の管の場合と同じ方法で試験した。この手順も、「Ｇ−３１５０ゼットライトスフェアズ（Z-LIGHT SPHERES）」セラミック微小球としてスリーエム・カンパニー社（3M Company）から入手可能な中空のセラミック微小球（真密度＝０．７グラム／ミリリットル；熱伝導率＝０．２Ｗ／ｍＫ；サイズ範囲（１０容積パーセンタイル、ｍｍ）＝０．０５５；サイズ範囲（５０容積パーセンタイル、ｍｍ）＝０．１０５；サイズ範囲（９０容積パーセンタイル、ｍｍ）＝０．１３５）を用いることを除いて、繰り返した。
【００３２】
試験の結果が表１（下記）に報告されており、ここで、用語「ＮＡ」は「該当なし」を意味する。
【００３３】
【表１】
2009540216.tif 000003
【００３４】
本発明の種々の修正及び変更が本発明の範囲及び精神を逸脱せずに当業者によって行われてもよく、及び本発明は本明細書に記載された例示的な実施形態に不当に限定されるべきではないことを理解すべきである。
【００３５】
理想化されているこれらの図面は、単に例示的且つ非限定的であることを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】例示の自動車排気系の概略図。
【図２】中空のセラミック微小球を含有する例示の二重壁断熱された排気管を示す長手方向の断面図。
【図３】中空のセラミック微小球を含有する二重壁断熱されたエンドコーンを有する例示の触媒コンバータ組立体を示す、長手方向の切り取り図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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