(57)【要約】【課題】蓄熱型電気床暖房装置の加熱量の不足を補正する方法を提供する。【解決手段】電気床暖房パネルを構成する蓄熱材は、蓄熱期間において前記面状発熱体への通電加熱により実質的に融解状態となり、続く通電しない暖房期間の放熱により、前記蓄熱期間において蓄熱した潜熱の大部分を放熱して凝固状態に相変化し、暖房期間内の短時間の通電による追い焚きにより、少なくとも一部が融解し、再放熱する程度の限定された量で構成されており、前記追い焚き開始温度は前記凝固温度以下であり、停止温度は前記融解温度以上、かつ蓄熱期間の上限温度以下に設定されている蓄熱式電気床暖房装置の温度制御方法。【選択図】        図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
断熱材からなる薄板上に、面状発熱体と薄い蓄熱材を積層し、更にその上面を覆って金属板からなる均熱板を設けて電気床暖房パネルを形成し、この電気床暖房パネルを基礎床板上に配置し、前記電気床暖房パネル上に床板を敷設した床暖房装置において、前記蓄熱材は、蓄熱期間において前記面状発熱体への通電加熱により実質的に全体が融解し、続く暖房期間の放熱により、前記蓄熱期間に蓄熱した潜熱の大部分を放熱して凝固状態に相変化し、暖房期間内の短時間の通電による追い焚きにより、少なく一部が融解する温度に加熱され、再放熱する程度の限定された量で構成されていることを特徴とする蓄熱式電気床暖房装置。
【請求項２】
前記蓄熱材を含む電気床暖房パネルの厚さは、床材の規定厚さ、あるいは床材と共に使用されるダミーボードの厚さに対応していることを特徴とする請求項１記載の蓄熱式電気床暖房装置。
【請求項３】
断熱材からなる薄板上に、面状発熱体と薄い蓄熱材を積層し、更にその上面を覆って金属板からなる均熱板を設けて電気床暖房パネル形成し、この電気床暖房パネルを家屋の基礎床板上に配置し、更にその電気床暖房パネル上に床板を敷設した電気床暖房装置において、前記蓄熱材は、蓄熱期間において前記面状発熱体への通電加熱により実質的に融解状態となり、続く通電しない暖房期間の放熱により、前記蓄熱期間において蓄熱した潜熱の大部分を放熱して凝固状態に相変化し、暖房期間内の短時間の通電による追い焚きにより、少なくとも一部が融解し、再放熱する程度の限定された量で構成されており、前記追い焚き開始温度は前記凝固温度以下であり、停止温度は前記融解温度以上、かつ蓄熱期間の上限温度以下に設定されていることを特徴とする蓄熱式電気床暖房装置の温度制御方法。
【請求項４】
前記追い炊き開始温度と停止温度からなる制御範囲を形成しており、この制御範囲は複数個設定されていることを特徴とする請求項３記載の蓄熱式電気床暖房装置の温度制御方法。
【請求項５】
前記追い炊き開始温度と停止温度からなる制御範囲を形成しており、前記追い炊き開始温度が２４℃前後に設定されていることを特徴とする請求項３記載お蓄熱式電気床暖房装置の温度制御方法。
【請求項６】
前記追い炊き開始温度と停止温度からなる制御範囲を形成しており、この制御範囲は予め複数決定され、その制御範囲を使用者が任意に選定できるように構成されていることを特徴とする請求項３記載の蓄熱式電気床暖房装置の温度制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄熱式電気床暖房装置において、最小の電気料金で運転できる床暖房装置とその温度制御方法を提供するものである。
【背景技術】
【０００２】
床暖房装置は、室内の空気を汚染したり、塵を伴なった空気を攪乱することがなく、しかも人体が接触ないし接近している場所から熱線を放射して、人体や空気を加熱するものであり、極めて清潔ある上に静かな家屋の暖房方式として次第に普及しつつあり、特に高層マンションにおける安全で清潔な暖房手段として多く採用されている。
【０００３】
床暖房装置としては、発熱体に通電して加熱する電気加熱式のものとガスを燃焼させた加熱した温水を床下に埋めたパイプ内を流通させる温水加熱式のものとがある。
【０００４】
電気加熱式の装置は、１）発泡合成樹脂板などの断熱板上に形成された蛇行条の溝内にニクロム線からなる発熱ケーブルを配置したもの、２）合成樹脂板と金属板との積層板を使用し、金属板を発熱パターンに加工した発熱シートを使用したもの、３）更に、温度に対して敏感に抵抗値が増加方向に変化する特性、即ち、「ＰＴＣ特性」を持つ熱可塑性合成樹脂からなる面状発熱体を使用したものがある。
【０００５】
前記１）と２）の床暖房装置は、温度制御のために多数の温度センサーを所定の場所に設ける必要があり、従って、その温度センサーが配置されている場所にタンスや敷物などの放熱を阻害する家具などが配置された場合は、温度が異常に上昇し、場合によっては火災を発生させる危険性があり、従って家具などの配置が制限され、居住する人の都合で簡単に変更できないという問題がある。また、発熱体に釘などの金属片が打ち込まれた時にはショートや電気ショックや漏電事故が発生する可能性があり、最近は次第にこの種の用途には使用されないようになっている。
【０００６】
３）の「ＰＴＣ特性」を持つ面状発熱体は、ポリエチレン、ポリプロビレン、アクリル樹脂などの熱可塑性樹脂に所定量のカーボン微粉末を添加混合してシート状に押出成形したものであり、特殊な条件で限定された押出成形方法を採用することによって表面層にカーボンが多く偏在し、断面中央部分にはカーボンの含有量が少なく、柔軟性のあるものを製造することができる。この面状発熱体は主要原料は熱可塑性樹脂であることから、電気的にショートするとその部分が瞬時に溶融して通電状態が解消して自動的に安全を確保できる（例えば特許文献１、２、３参照）。
【０００７】
また、その放熱面の上方に家具などが配置されてその部分の温度が上昇した場合でも、その温度上昇に応じて抵抗値が増加するので自動的に電流が制限され、その部分の温度上昇が抑制されることになり、火災などが発生する危険性がなく、安全性が確保できる。
【０００８】
温水加熱式床暖房装置は、断熱材の上面に形成された溝内にパイプを配置し、屋外に設置したボイラより温水あるいは熱媒体をポンプによって供給循環させるようになっていることから、火災に対する安全性は高く、また、暖房費も比較的安価で、暖房コストが低いことから多く普及されてきた。
【０００９】
しかし、この温水加熱式床暖房装置は、パイプに沿って線状に発熱すること、室内全体を温めるためにかなり高温の熱媒体を供給する必要がある上に、パイプ内を熱媒体が流動するにしたがって次第に温度が低下することから、部屋全体の温度にムラを発生し易い。また、ボイラや配管の寿命が８年程度であり、配管の上に家具などを配置することができないという制約もある。更に、パイプを嵌入支持する部分とその下方の断熱板の厚さの合計が少なくとも５〜１０ｃｍはあるので、床構造に占める部分が厚く、そのために床構造の設計に制約を受けことが多い。
【００１０】
周知のように夜間電力は、昼間電力の料金に比較して約三分の一程度の安価であり、大幅な電気料金の節約となる。このようなことから、床暖房装置の構造内に潜熱型の蓄熱材を配置し、夜間電力によってその蓄熱材を加熱して融解して潜熱を蓄熱しておき、それを昼間に放熱する電気床暖房装置の温度制御方法が特公平４−１２３７０号公報が提案されている（特許文献４参照）。
【特許文献１】特許第１３７６７８９号公報（特公昭６１−３２４４２号公報）
【特許文献２】特開平４−７７２１０号公報
【特許文献３】特開平７−２７３５２号公報
【特許文献４】特公平４−１２３７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１に記載された発明は、面状発熱体のカバーのピンホールの有無を確認した上でコンクリート内に埋設する方法を示すものであり、コンクリートの床構造に適用することを前提とするものである。また、特許文献２と３に記載された発明は、２本の根太の間にチヤンネル部材を支持させ、その中に発熱体や蓄熱材などを収容するもので、狭い間隔で根太が配置されている日本家屋に特別に製造されたチヤンネルを使用するもので、一般的な構造ではない。
【００１２】
しかし、前記公知技術は最近建設されているマンションのように、コンクリート床構造に多くの加工できないという制約かあり、場合には適用できない上に、コンクリートに発熱体を埋設するものは簡単に点検したり、修理したりすることができない。また、根太の間にチャンネルを配置する構造の装置は極めて限定されたものである上に、発熱体の配置にも制限を受けるなどの問題がある。
【００１３】
（夜間電力の利用と蓄熱材）
特許文献４に記載された発明は、室温に対応して通電時間を調節する電気床暖房装置の制御方法を提供するものであり、安価な夜間電力を効率的に利用できる意味において有効な方法である。しかし、この床暖房装置は、夜間電力によって昼間の暖房を十分にまかなうことができる熱容量を持つ蓄熱材を内蔵する床暖房装置に適用できるものである。
【００１４】
この床暖房装置の場合は、面状発熱体の上に敷設するマット状の蓄熱材の量を暖房に必要な熱量に対応して多くする必要があることから、その厚さが厚くならざるを得ない。従って、通常の床材を使用した床暖房装置に適合したものとすることができない。
【００１５】
蓄熱材の量が必要とする放熱量を供給するのに不十分な場合を考えて見ると、昼間の暖房期間に蓄熱材が融解して保有していた全部の潜熱などを放熱して相変化して固化した場合は、暖房が不十分となることから、昼間に通電して“追い炊き”が必要となる。つまり、蓄熱材の全部が固化したものを加熱して再溶融しようとすると、また、蓄熱材の全体を溶融するだけの大きな融解潜熱を供給する必要があり、このような事態を避ける意味からも前記のように大量の蓄熱材が使用されているのである。
【００１６】
（蓄熱材の相変化）
蓄熱材として例えば、硫酸ナトリウム１０水塩（Ｎａ2 ＳＯ4 ・１０Ｈ2 Ｏ）を使用した場合は、その融点が２８℃前後であり、潜熱（融解熱および凝固熱）が大きく、約４０〜４５ｋｃａｌ／ｋｇ、平均で４２ｋｃａｌ／ｋｇである。従って、この蓄熱材が潜熱を全部放出して固化すると、この潜熱分あるいはそれ以上の加熱を必要とする。
【００１７】
このことは、床暖房において重要な意味を持っている。つまり、面状発熱体の上に積層されている蓄熱材が熱量を大量に吸収する「断熱層」を形成することになり、従って、この蓄熱材が全部融解するまでは、面状発熱体が発生する熱量を吸収することになり、その結果、この蓄熱材の上面側、即ち、床板側に熱エネルギーを放出ないし伝達しないという本質的な問題を発生するのである。
【００１８】
このことを蓄熱材の相変化の熱エネルギーの移動より考えてみると、室温に保持されている固体の蓄熱材を加熱して融解させる場合は、溶融温度である２８℃まではその蓄熱材を加熱するための顕熱を必要とし、その後は蓄熱材の全部を融解させるための潜熱を必要とする。そしてこの蓄熱材が融解を開始すると全部が融解するまでその温度上昇がない。つまり、面状発熱体に通電して「追い焚き」しても、その熱エネルギーは蓄熱材が吸収してしまうので、床暖房するための熱エネルギーとして作用しないのである。このような熱エネルギーの移動現象を考慮して特許文献４に記載された発明においては放熱エネルギーを考慮して温度制御が行なわれているのである。
【００１９】
従来の床暖房装置のように、発熱体と蓄熱材をコンクリートの中に埋めたり、特殊構造のチャンネルを準備する構造のものにおいては蓄熱材の量は夜間電力により、大量（床暖房をするのに必要以上の）の熱量を蓄熱するように設計されていたのである。
【００２０】
（床暖房装置の構造上の制約）
次の重要な問題は、床暖房装置の施工方法である。
【００２１】
所定の室内に従来の構造の床暖房装置を組上げる場合は、基礎床の仕上げ工程、床暖房装置の組立工程、配線工程、床仕上げ工程など各種の異なる作業工程が必要であり、それに応じた種類の作業者や技術者が必要となる。そのために一つの工程が終了するまで他の工程の施工を待たなければならないことになり、工事の期間が長くなる上に、それに要する費用も増加することになり、これが電気式床暖房装置の価格を高くしていた一因でもある。
【００２２】
本発明者は、前記従来技術の組立工程上の問題を解決するために、通常の床仕上げ板材と同様な床暖房装置の構造を開発した結果、床仕上げ材と同様な寸法の装置とすることが必要であることを認識し、その床暖房装置の構造ないし電気床暖房パネルを開発した。本発明はこの床暖房装置の構造ないし電気床暖房パネルの利用方法を提案するものである。
【００２３】
また、蓄熱材を構成要素とする電気床暖房装置において、電力料金を最小に抑制するためには、夜間電力を有効に使用して蓄熱し、中間にその熱量を効果的に放出する蓄熱式電気床暖房装置の制御方法を提案するものである。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明は、この蓄熱式電気床暖房装置とその制御方法を提案することを目的とするものであり、本発明の蓄熱式電気床暖房装置は次のように構成されている。
【００２５】
１）断熱材からなる薄板上に、面状発熱体と薄い蓄熱材を積層し、更にその上面を覆って金属板からなる均熱板を設けて電気床暖房パネルを形成し、この電気床暖房パネルを基礎床板上に配置し、前記電気床暖房パネル上に床板を敷設した床暖房装置において、
前記蓄熱材は、蓄熱期間において前記面状発熱体への通電加熱により実質的に全体が融解し、続く暖房期間の放熱により、前記蓄熱期間に蓄熱した潜熱の大部分を放熱して凝固状態に相変化し、暖房期間内の短時間の通電による追い焚きにより、少なく一部が融解する温度に加熱され、再放熱する程度の限定された量で構成されていることを特徴としている。
【００２６】
２）前記蓄熱材を含む電気床暖房パネルの厚さは、床材の規定厚さ、あるいは床材と共に使用されるダミーボードの厚さに対応していることを特徴としている。
【００２７】
本発明に係る床暖房装置の制御方法は次のように構成されている。
【００２８】
３）断熱材からなる薄板上に、面状発熱体と薄い蓄熱材を積層し、更にその上面を覆って金属板からなる均熱板を設けて電気床暖房パネル形成し、この電気床暖房パネルを家屋の基礎床板上に配置し、更にその電気床暖房パネル上に床板を敷設した電気床暖房装置において、前記蓄熱材は、蓄熱期間において前記面状発熱体への通電加熱により実質的に融解状態となり、続く通電しない暖房期間の放熱により、前記蓄熱期間において蓄熱した潜熱の大部分を放熱して凝固状態に相変化し、暖房期間内の短時間の通電による追い焚きにより、少なくとも一部が融解し、再放熱する程度の限定された量で構成されており、前記追い焚き開始温度は前記凝固温度以下であり、停止温度は前記融解温度以上、かつ蓄熱期間の上限温度以下に設定されていることを特徴としている。
【００２９】
４）前記追い炊き開始温度と停止温度からなる制御範囲を形成しており、この制御範囲は複数個設定されていることを特徴としている。
【００３０】
５）前記追い炊き開始温度と停止温度からなる制御範囲を形成しており、前記追い炊き開始温度が２４℃前後に設定されていることを特徴としている。
【００３１】
６）前記追い炊き開始温度と停止温度からなる制御範囲を形成しており、この制御範囲は予め複数決定され、その制御範囲を使用者が任意に選定できるように構成されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００３２】
本発明は、蓄熱式電気床暖房装置の制御方法を提案するもので、昼間の電気料金に比較安価な夜間電力を使用して蓄熱材を融解して十分に蓄熱しておき、昼間にこの蓄熱された熱エネルギーを殆んどを放出し、更に不足する熱エネルギーを“追い炊き”によって賄おうとするものである。
【００３３】
本発明における温度制御においては、“追き炊き開始温度”と“追き炊き終了温度”との差である「ディフアレエンシヤル：Ｄｅｆ」を通常の温度制御の範囲を超えた範囲を特に採用している。
【００３４】
即ち、追い炊き開始温度を暖房設定温度ないしこれに近い温度に設定し、そして追い炊き終了温度を蓄熱材の融解温度を超え、更にこの蓄熱材に必要とする潜熱が十分に与えられる範囲としている。しかし、この終了温度は、夜間電力を使用して蓄熱材の全てを溶融して潜熱に対応する熱エネルギーを得るための設定温度より低く設定される。
【００３５】
制御範囲は、例えば高温側の追い炊き終了温度を４５℃と接待した場合のＤｅｆは、プラス・マイナス１℃とする。そして低温側の追い炊き開始温度の設定を２４℃とすると、マイナス０℃とプラス１４℃の範囲で低温側に大きく温度差を与えるように制御する点に特徴があり、この制御範囲の存在により、昼間の放熱期間において蓄熱材で固化した後においても再融解させて、床暖房に不足する熱エネルギーを最小限度の範囲で与えることができるのである。
【００３６】
前記のように、夜間だけではなく、昼間に追い炊きをすることによって、蓄熱材の量を少量とすることが可能となり、その結果、床板材と同程度の厚さと大きさの電気床暖房パネルを形成することができるのである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
図１は、本発明に蓄熱電気式床暖房装置の一例を示す図であって、部屋１０の基礎部であるコンクリート床１上に、基礎支持材２と支持ボルト３によって床下地材４を支持し、その上に捨張合板５を敷き、その上の部屋の周囲にダミーボード６を敷き、このダミーボード６で囲まれた所定の部分に電気式床暖房パネル７を、前記ダミーボード６と面一になるように配置する。次に、この暖房パネル７とダミーボード６の上面を覆って木質系床材８を敷き、更に壁面を覆って壁板材９を貼って床暖房施工を部屋を完成するのである。
【００３８】
前記ダミーボード６の厚さは、例えば１２ｍｍあるいは１８ｍｍである。従って、前記暖房パネル７もこの厚さであることが必要となる。
【００３９】
その構造は図２及び図３に示しているように、３尺×６尺（２尺×６尺）などの所定の寸方の断熱板１５（厚さ：２．３ｍｍ、３ｍｍ、アルミコート合板を使用することもできる）の端部や中央部の所定の位置に小根太１６（厚さ：９ｍｍ）を任意の手段で固定して基礎枠体を形成し、この断熱板１５の上に面状発熱体１７（厚さ：１．２ｍｍ・・２００Ｖ、５０Ｗ、１．５ｍｍ・・２００Ｖ、１００Ｗ）と薄い蓄熱材１８（厚さ：６〜７ｍｍ、硫酸ナトリウム１０水塩、過冷却防止剤、シリカ系増粘剤、硫酸バリウムで構成され、幅が２１０ｍｍ、長さが８２０ｍｍの袋の中に約０．９〜１．０ｋｇ充填する。）を積層配置する。そしてこの蓄熱材１８の上面にアルミ板１９（厚さ：０．４ｍｍ）を配置してその縁部を小根太１６の上に固定したり、あるいはこのアルミ板１９を２本の小根太１６の間に嵌合して電気式床暖房パネル７を完成する。
【００４０】
また、必要に応じてアルミコート合板を全面的に被覆してパネル７としたものもある。そしてこの床暖房パネル７の厚さは、床板材に合わせて１２ｍｍあるいは１８ｍｍに仕上げている。
【００４１】
面状発熱体１７の端部よりコード２１が延長され、このコード２１を構成する２本の電線には防水コネクター（メスとオス）がそれぞれ設けられ、簡単な操作で電気配線ができるようになっている。
（蓄熱式床暖房装置の制御方法）
図４と図５は縦の点線Ｘの部分で連続する温度制御の概要を示すグラフである。
【００４２】
このグラフは、ミサト株式会社が所有する冷凍機を付設した恒温室（縦×横×高さ：７×５×５ｍ）を使用し、この室内に前記構造の床暖房装置を設置し、室内を８℃前後に保持した状態において、面状発熱体に通電して蓄熱操作・放熱操作・追い焚き操作を行なった場合の実験例を示している。
Ｈ：面状発熱体の温度変化        Ｍ：蓄熱材の温度変化
Ｆ：床面上の温度変化            Ｒ：室温の変化
ｆ：発熱体なしの床面の温度
Ｔ：外気温度・・８℃（設定）
【００４３】
図４において横軸は時刻を示し、右側より左側に時刻が進行する。また、縦軸は前記記号の各部の温度を示している。
【００４４】
同図の下段に示す（イ）は、蓄熱熱期間であって、夜間電力を利用して２３時３０分から翌朝の７時までの間、面状発熱体１７に通電して潜熱型の蓄熱材１８を加熱してその相変化により溶融状態した場合の各部の温度変化の様子を示している。
【００４５】
（ロ）は、前記期間により蓄熱材１８が保有する蓄熱エネルギーを昼間の暖房用に放熱している様子を示している。放熱は朝の７時から１０時まで順調に行なわれ、１０時過ぎに「潜熱発熱Ｓ」が発生している。つまり、融解状態の蓄熱材１８は放熱により次第に保有する熱エネルギー（顯熱）を放出し、前記潜熱発熱Ｓの部分で潜熱を放熱することから蓄熱材１８の温度が上昇している。斜線で示した部分が前記潜熱に相当するものである。      
【００４６】
（ハ）は、第１回の“追い炊き”期間であって、前記期間（ロ）で放熱が継続して蓄熱材１８の温度が下限の所定の温度（追い炊き開始温度ｔ1 ：２４℃あるいは２５℃）に到達すると、面状発熱体１７への通電により加熱され、上限の所定の温度（追い炊き停止温度ｔ2 ：３５℃）に到達すると通電が停止される。
【００４７】
この温度ｔ2 とｔ1 との差が、本発明で特に採用しているディフェレンシヤル温度（Ｄｅｆ）、即ち、制御範囲であり、この制御範囲は通常の温度制御の際に使用する範囲とは異なるものである。                                                                    
【００４８】
前記制御温度範囲を具体的に示すと、上限温度（追き炊き停止温度）を「４５℃」と設定した場合、「４５℃」プラス・マイナス「１℃」の狭い温度範囲となる。また、下限温度（追き炊き開始温度）を「２４℃」とすると、「２４℃」マイナス「０℃」、プラス「１４℃」の広い温度範囲に設定する。
【００４９】
例えば、追い焚き開始温度を常に「２４℃」に設定するとすれば、（設定温度−２４℃）がディフェレンシヤル温度（Ｄｅｆ）となる。異なる設定温度についてＤｅｆを決定し、発熱体に通電するＯＮ温度と通電を断つＯＦＦ温度を例示すると下記表１に示す通りである。
【００５０】
【表１】
2006145180.tif 000003
【００５１】
図５において、前記Ｄｅｆを採用した（ハ）の第１回の追い炊き期間を終了した後になだらかな放熱が行なわれ、（ニ）の期間の途中において蓄熱材などの温度が若干上昇する潜熱発熱が行なわれている様子が分かる。
【００５２】
そして（ホ）の期間は第２回の追い炊き期間であり、１９時頃に蓄熱材１８の温度が追い炊き開始温度ｔ1 となり、約１時間後の２０時頃に追い炊き停止温度ｔ2 に到達し、( ヘ) の期間が第２回の追い炊きによる蓄熱エネルギーを放熱する期間となる。この期間（ヘ）においても潜熱発熱が発生していることが理解できる。
【００５３】
前記のようにＤｅｆを採用した追い炊きにより、蓄熱材１８に対して暖房期間において蓄熱材１８を加熱する追い炊きがなされ、この蓄熱材１８が融解し、放熱時に潜熱発熱が発生し、これによって暖房効果が補正されることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】蓄熱式電気暖房装置の概略断面図である。
【図２】電気床暖房パネルの要部の断面図である。
【図３】２枚の面状発熱体を並列に使用した電気床暖房パネルの説明図である。
【図４】夜間電力を利用する蓄熱式電気床暖房制御方法のグラフである。
【図５】図５に連続した夜間電力を利用する蓄熱式電気床暖房制御方法のグラフである。
【符号の説明】
【００５５】
１  コンクリート床        ２  基礎支持材        ３  支持ボルト
４  床下地材              ５  捨て張合板        ６  ダミーボード
７  電気床暖房パネル      ８  木質系床材        ９  壁板材
１０  部屋                １６  小根太          １７  面状発熱体  
１８  蓄熱材              １９  アルミ板
【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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