(57)【要約】【課題】電力消費量と海水による汚損を低減して運転コストが安く稼働率の高い海洋深層水の冷熱利用システムを提供する。【解決手段】内部に作動液１６を保有し一端が海中の海洋深層水３に浸漬され他端が海上または地上に設けられた冷却すべき熱負荷系（１，６，８）に接続されたヒートパイプ４を備え、作動液１６の蒸発と凝縮および流動によって冷却すべき熱負荷系（１，６，８）の熱を海洋深層水３に移動させるようにした構成とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に作動液を保有し一端が海中の海洋深層水に浸漬され他端が海上または地上に設けられた冷却すべき熱負荷系に接続されたヒートパイプを備え、前記作動液の蒸発と凝縮および流動によって前記冷却すべき熱負荷系の熱を前記海洋深層水に移動させるようにしたことを特徴とする海洋深層水の冷熱利用システム。
【請求項２】
前記冷却すべき熱負荷系は、常用水を貯留する常用水タンクと、前記常用水または前記常用水によって冷却された流体によって冷却されるファンコイルユニットとを備えていることを特徴とする請求項１記載の海洋深層水の冷熱利用システム。
【請求項３】
前記冷却すべき熱負荷系は、住宅または船舶または低温栽培ハウスであることを特徴とする請求項１記載の海洋深層水の冷熱利用システム。
【請求項４】
ヒートパイプを介して地熱源に接続された蒸気発生器と、前記蒸気発生器で発生した水蒸気によって駆動されるタービンとを備え、前記タービンの復水冷却系が前記冷却すべき熱負荷系を構成することを特徴とする請求項１記載の海洋深層水の冷熱利用システム。
【請求項５】
内部に毛細管作用物体を保有し一端が海中の海洋深層水に浸漬され他端が海上または地上に設けられた熱交換器に接続された吸上げ配管を備え、前記毛細管作用物体の毛細管作用によって前記海洋深層水を吸い上げて前記熱交換器に供給するようにしたことを特徴とする海洋深層水の冷熱利用システム。
【請求項６】
前記熱交換器内を減圧する減圧装置を備えていることを特徴とする請求項５記載の海洋深層水の冷熱利用システム。
【請求項７】
海洋深層水によって冷却する熱交換器を備え、前記熱交換器に海洋深層水を流す配管にバイパス管と弁を設けて前記弁の開閉切替操作によって前記熱交換器の伝熱管を逆洗するようにしたことを特徴とする海洋深層水の冷熱利用システム。
【請求項８】
地上に設けられた冷却すべき熱負荷系に海洋深層水を供給する取水管を地中敷設したことを特徴とする海洋深層水の冷熱利用システム。
【請求項９】
前記取水管の途中に氷または雪を貯蔵した氷室を設けたことを特徴とする請求項８記載の海洋深層水の冷熱利用システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、海洋深層水の冷熱を利用して住居の冷房や食物の保冷等を行う海洋深層水の冷熱利用システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、住居の冷房や食物の保冷等を行う冷却装置では電気動力を使ったコンプレッサーが用いられており、コンプレッサーを駆動するために大量の電力を消費している。また、火力発電システムや原子力発電システムでは海面近くの海水を復水器の冷却に用いているが、長期にわたる運転で海水によって伝熱管が汚損されて圧損が増大しポンプ動力が増加する。また伝熱管の汚損に伴い熱交換性能が低下する。さらに伝熱管の洗浄頻度が高く経費がかさむ上に、発電システムの運転稼働率の低下を招くという問題がある。
【０００３】
一方、近年、海洋深層水の有する各種の特長が注目されており、上記のような熱負荷系を海洋深層水によって冷却するという発明が公開されている（下記特許文献１，２，３参照）。
【特許文献１】特開平７−９９８６２号公報
【特許文献２】特開２０００−８７５７９号公報
【特許文献３】特開２００４−１８３９６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の諸発明においては海洋深層水の低温性をおもに利用しているが、海洋深層水をポンプ等によって汲み上げる構成であるので相変らず多くの動力を消費するという問題がある。
【０００５】
本発明は上記従来技術の課題を解決するためになされたものであり、電力消費量と海水による汚損を低減して運転コストが安く稼働率の高い海洋深層水の冷熱利用システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために請求項１の発明は、内部に作動液を保有し一端が海中の海洋深層水に浸漬され他端が海上または地上に設けられた冷却すべき熱負荷系に接続されたヒートパイプを備え、前記作動液の蒸発と凝縮および流動によって前記冷却すべき熱負荷系の熱を前記海洋深層水に移動させるようにした構成とする。
【０００７】
請求項５の発明は、内部に毛細管作用物体を保有し一端が海中の海洋深層水に浸漬され他端が海上または地上に設けられた熱交換器に接続された吸上げ配管を備え、前記毛細管作用物体の毛細管作用によって前記海洋深層水を吸い上げて前記熱交換器に供給するようにした構成とする。
【０００８】
請求項７の発明は、海洋深層水によって冷却する熱交換器を備え、前記熱交換器に海洋深層水を流す配管にバイパス管と弁を設けて前記弁の開閉切替操作によって前記熱交換器の伝熱管を逆洗するようにした構成とする。
請求項８の発明は、地上に設けられた冷却すべき負荷系に海洋深層水を供給する取水管を地中敷設した構成とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、電力消費量と海水による汚損を低減して運転コストが安く稼働率の高い海洋深層水の冷熱利用システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の第１ないし第１３の実施の形態の海洋深層水の冷熱利用システムを図面を参照して説明する。
【００１１】
（第１の実施の形態）
本実施の形態の海洋深層水の冷熱利用システムは図１に示すように、地上または海上に設けられた常用水タンク１と、上端が常用水タンク１内に突出し下端が海洋の表層水２を貫通して海洋深層水３中に浸漬して設けられたヒートパイプ４と、前記常用水タンク１に一次配管５によって接続された熱交換器６と、この熱交換器６に二次配管７によって接続されたファンコイルユニット８とを備えている。ファンコイルユニット８は、二次配管７に設けられたコイルに対しファン１７による冷風１８を得るものである。
【００１２】
常用水タンク１は壁面に断熱材１１を備え、内部に常用水１２を貯留している。ヒートパイプ４は断熱材１３とウィック１４を備え、上端と下端は端栓１５ａ，１５ｂによって封止され、内部に作動液１６を保有している。作動液１６としては水、アルコール、フロン等を用いる。
【００１３】
このように構成された本実施の形態の海洋深層水の冷熱利用システムにおいて、ファンコイルユニット８によって冷却される熱量Ｑｘが熱交換器６を介して常用水タンク１内の常用水１２に移行する。ヒートパイプ４内の作動液１６は上部の端栓１５ａを介して常用水１２の熱を受けて蒸発し、蒸気はヒートパイプ４内を下降し下部の端栓１５ｂを介して海洋深層水３によって冷却される。図では、ヒートパイプ４の上部端栓１５ａにおける常用水からの吸収熱量をＱｉ、下部端栓１５ｂにおける放出熱量をＱｏとそれぞれ表記している。凝縮し液体となった作動液１６はウィック１４の毛細管現象でヒートパイプ４の上部に戻る。このようにして、ファンコイルユニット８によって冷却される熱量はヒートパイプ４を介して海洋深層水３に放出される。
【００１４】
本実施の形態の海洋深層水の冷熱利用システムは電気で駆動するコンプレッサーや海水を循環する熱交換器を用いないので、電力消費量と機器の海水による汚損を低減することができる。海底１０００ｍからの湧昇流として得られる無尽蔵にある海洋深層水を低熱源として利用するので、清浄性のため伝熱管への付着物は無く伝熱性能の低下が小さい。また、表層水に比べ低温性のため冷却性能が高い。また、海水を使用した場合の高濃度塩分による熱交換器の腐食を防ぐことができるため熱交換器は高価で製作性の悪いチタン材を使わなくて良い。ヒートパイプの作動液と真空度を適正に選定することにより熱交換性能を良好に維持し熱交換器の洗浄頻度を下げることができる。
【００１５】
なお、ここでファンコイルユニット８は冷風１８を得る一手段として熱交換器６の二次配管７側に配置したものとして説明したが、二次配管７の構成はこれに限定されず、熱交換器６により二次配管７側に設置される熱負荷系が冷却される構成であればよい。
【００１６】
（第２の実施の形態）
図２は本実施の形態の海洋深層水の冷熱利用システムを示し、常用水タンク１とファンコイルユニット８の間に熱交換器を備えず、配管１９で接続した構成である。その他の構成は第１の実施の形態におけると同じである。
【００１７】
このように構成された本実施の形態の海洋深層水の冷熱利用システムにおいて、ファンコイルユニット８によって冷却される熱量Ｑｘが配管１９を介して常用水タンク１内の常用水１２に移行する。ヒートパイプ４内の作動液１６は上部の端栓１５ａを介して常用水１２の熱を受けて蒸発し、蒸気はヒートパイプ４内を下降し下部の端栓１５ｂを介して海洋深層水３によって冷却される。凝縮し液体となった作動液１６はウィック１４の毛細管現象でヒートパイプ４の上部に戻る。このようにして、ファンコイルユニット８によって冷却される熱量はヒートパイプ４を介して海洋深層水３に放出される。
【００１８】
本実施の形態の海洋深層水の冷熱利用システムは電気で駆動するコンプレッサーや海水を循環する熱交換器を用いないので、電力消費量と機器の海水による汚損を低減することができる。
【００１９】
（第３の実施の形態）
本実施の形態の海洋深層水の冷熱利用システムは図３に示すように、陸地２１に設けられた住宅２２と、上端が住宅２２内に突出し下端が海洋の表層水２を貫通して海洋深層水３中に浸漬して設けられたヒートパイプ４を備えている。ヒートパイプ４は断熱材１３とウィック１４を備え、上端と下端は端栓１５ａ，１５ｂによって封止され、内部に作動液１６を保有している。
【００２０】
このように構成された本実施の形態の海洋深層水の冷熱利用システムにおいては、住宅２２から吸収された熱量Ｑｉが上部の端栓１５ａを通してヒートパイプ４に流入する。ヒートパイプ４内では第１の実施の形態におけると同様の現象を生じ、下部の端栓１５ｂを通して海洋深層水に熱量Ｑｏが放出される。このようにして住宅２２が冷却される。
【００２１】
本実施の形態の海洋深層水の冷熱利用システムは電気で駆動するコンプレッサーや海水を循環する熱交換器を用いないので、電力消費量と機器の海水による汚損を低減することができる。
【００２２】
（第４の実施の形態）
図４は本実施の形態の海洋深層水の冷熱利用システムを示し、魚介類保冷庫２５を備えた船舶２３の客室２４内にヒートパイプ４の上部の端栓１５ａを設けた構成である。その他の構成は第３の実施の形態におけると同じである。
【００２３】
このように構成された本実施の形態の海洋深層水の冷熱利用システムにおいては、客室２４や保冷庫２５から吸収された熱量Ｑｉが上部の端栓１５ａを通してヒートパイプ４に流入する。ヒートパイプ４内では第１の実施の形態におけると同様の現象を生じ、下部の端栓１５ｂを通して海洋深層水に熱量Ｑｏが放出される。このようにして客室２４と保冷庫２５が冷却される。
【００２４】
本実施の形態の海洋深層水の冷熱利用システムは電気で駆動するコンプレッサーや海水を循環する熱交換器を用いないので、電力消費量と機器の海水による汚損を低減することができる。
【００２５】
（第５の実施の形態）
本実施の形態の海洋深層水の冷熱利用システムは、図５に示すように、ヒートパイプ４の上部の端栓１５ａを野菜や高山植物２８を低温栽培する低温栽培ハウス２６内に設けた構成である。ヒートパイプ４の構成および下部の端栓１５ｂの配置は第１、第２の実施の形態におけると同じである。
本実施の形態によれば、低減された電力消費量とメンテナンスで低温栽培野菜あるいは高山植物を栽培する海洋深層水の冷熱利用システムを提供することができる。
【００２６】
（第６の実施の形態）
図６は本実施の形態の海洋深層水の冷熱利用システムを示し、ヒートパイプ４の上端に端栓１５ａを包囲する冷却材タンク２９を設け、この冷却材タンク２９から野菜や高山植物２８を栽培する土壌２７中に伝熱管３２を設けて、冷却材タンク２９内の冷却材３０を循環ポンプ３１によって伝熱管３２内に循環させるようにした構成である。その他の構成は第５の実施の形態におけると同じである。
本実施の形態によれば、低減された電力消費量とメンテナンスで低温栽培野菜あるいは高山植物を栽培する海洋深層水の冷熱利用システムを提供することができる。
【００２７】
（第７の実施の形態）
本実施の形態の海洋深層水の冷熱利用システムは図７に示すように、地上に設けられた常用水タンク１と、上端が常用水タンク１内に突出し下端が海洋の表層水２を貫通して海洋深層水３中に浸漬して設けられたヒートパイプ４と、前記常用水タンク１に一次配管５によって接続された熱交換器６と、この熱交換器６に二次配管７によって接続された蒸気発生器３６およびタービン３７を備えている。蒸気発生器３６には地熱源３４との間にヒートパイプ３５が設けられ、タービン３７には発電機３８が接続されている。
【００２８】
本実施の形態の海洋深層水の冷熱利用システムにおいては、ヒートパイプ４によって常用水タンク１内の常用水の温度は海洋深層水３の温度近くまで低温に保たれる。ヒートパイプ３５は地中深くの地熱源３４の熱を地表に取り出し、蒸気発生器３６においてこの高温を利用して低沸点流体を沸騰させ蒸気を発生させる。発生した蒸気によってタービン３７を回転させて発電機３８によって発電を行う。熱交換器６は、二次配管７を流れる蒸気と熱交換することによって蒸気を凝縮させる。
【００２９】
本実施の形態の海洋深層水の冷熱利用システムは、熱交換器６の冷却のために海洋深層水３を用いることによって、表層水２を用いるのに比べて低温であるため熱交換器６の冷却性能が向上すると同時に、熱交換器６の配管の汚損や腐食を抑制することができる。また冷却水の低温源として海洋深層水の冷熱を、蒸気発生のための高温源として地熱を、それぞれヒートパイプ４および３５で地上にて取り出して利用するため、発電コストを低減することができる。
【００３０】
（第８の実施の形態）
本実施の形態の海洋深層水の冷熱利用システムは図８に示すように、火力、原子力等の発電設備に設けられた蒸気発生器３６において発生しタービン３７を回転させた後の蒸気を凝縮させる復水器３９に冷却配管４０が設けられており、この冷却配管４０は海中深くの海洋深層部まで導かれており、低温の海洋深層水３を地上までくみ上げて復水器３９の冷却水として用いる。
【００３１】
本実施の形態の海洋深層水の冷熱利用システムは、復水器３９の冷却水として海洋深層水３を用いることによって、表層水の場合に比べて復水器３９の冷却性能が向上すると同時に、復水器３９の配管の汚損や腐食を抑制することができる。
【００３２】
（第９の実施の形態）
本実施の形態の海洋深層水の冷熱利用システムは図９に示すように、熱交換器４４に海洋深層水３を供給する吸上げ配管４３には、一部内部を切り欠いて示すように、配管内部に金網４２が充填されている。また熱交換器４４には、熱交換を行う伝熱管４５とドレン配管４６が設けられている。吸上げ配管４３の下端は、海面１０下の海洋深層水３まで導かれている。海洋深層水３は吸上げ配管４３内に入り、金網４２による毛細管現象により熱交換器４４内部まで導かれる。海洋深層水３は熱交換器４４内に貯留され、伝熱管４５内の流体と熱交換を行う。貯留された海洋深層水３は、ドレン配管４６の上端部より熱交換器４４外に排出される。ドレン配管４６により、熱交換器４４内の海洋深層水３のレベルは一定に保たれる。
本実施の形態によれば、海洋深層水３を汲み上げるポンプが不要であり、電力や燃料の消費を低減することができる。
【００３３】
（第１０の実施の形態）
図１０は本実施の形態の海洋深層水の冷熱利用システムを示し、第９の実施形態においてさらに熱交換器４４に真空配管４７と真空ポンプ４８、および排水管４９と排水ポンプ５０を接続した構成である。
【００３４】
本実施の形態によれば、熱交換器４４内を大気圧より低圧にすることにより吸上げ配管４３の吸上げ力を高め、海洋深層水３の給水流量を大きくし、交換熱量を大きくすることができる。一方、海洋深層水３の排水は、熱交換器４４内を負圧にしたため、図９に示したドレン配管４６は使えなくなるので、排水管４９と排水ポンプ５０で強制的に排出する。
本実施の形態によれば、海洋深層水３を汲み上げるポンプが不要であり、電力や燃料の消費を低減することができる。
【００３５】
（第１１の実施の形態）
本実施の形態の海洋深層水の冷熱利用システムは図１１に示すように、熱交換用伝熱器５２の入口側に接続され他端が海洋深層水３中に浸漬した深層水取水管５３と、汲み上げポンプ５４と弁５８ａと、熱交換用伝熱器５２の出口側に接続された排水管５５と弁５８ｂを備えている。さらに熱交換用伝熱器５２を通らずに深層水取水管５３と排水管５５とを結ぶバイパス管５６ａ，５６ｂを備えている。バイパス管５６ａは弁５８ａの入口側と弁５８ｂの入口側で接続し、バイパス管５６ｂは弁５８ａの出口側と弁５８ｂの出口側で接続している。さらにバイパス管５６ｂには弁５８ｃが、バイパス管５６ｂには弁５８ｄが設けられている。また、熱交換用伝熱器５２にはポンプ６０を介して熱負荷系５７が接続している。
【００３６】
このように構成された本実施の形態の海洋深層水の冷熱利用システムにおいて、通常運転時は、汲み上げポンプ５４で汲み上げられた海洋深層水３は、深層水取水管５３と弁５８ａを経由して熱交換用伝熱器５２に供給され、熱交換用伝熱器５２で熱交換して熱負荷系５７を冷却して、排水管５５の弁５８ｂを経由して海面１０に戻される。このときの流れ方向を白抜き矢印で示す。一方、海洋深層水３は表層水２と比べて伝熱管等の配管の汚れが少ない流体であるが、とは言え長期間の運転中には僅かずつ汚れが堆積する恐れがある。そこで、本実施の形態では弁操作によって海洋深層水を通常運転時とは逆に流し、堆積した汚れを洗い流す。この逆洗時の流れ方向を黒塗り矢印で示す。
【００３７】
このように本実施の形態の海洋深層水の冷熱利用システムは、熱交換器の洗浄を伝熱管を取り外すことなくオンラインで行うことができるので、運転停止の回数が減少し稼働率が向上する。
【００３８】
（第１２の実施の形態）
本発明の第１２の実施の形態の海洋深層水の冷熱利用システムを図１２を用いて説明する。図１２は海洋を含む地形断面模式図である。陸地６４上の冷熱利用建屋６１内に図示しない熱交換用伝熱装置が設置されており、熱交換用伝熱装置の入口には図示しない汲み上げポンプと地中に埋設された深層水取水管６２が接続し、深層水取水管６２の下端は海洋深層水３内に浸漬している。
【００３９】
このように構成された本実施の形態の海洋深層水の冷熱利用システムは、深層水取水管６２が、地中に埋設されているので気温変化の影響を受けることが少なく比較的低温に一定維持され、汲み上げた海洋深層水の温度上昇が少なく熱交換用伝熱装置に導かれる。したがって、熱交換性能を良好に維持することが可能で、配管の断熱設備を省くことができるので無駄な資源を使わずに省エネルギー化を図ることができる。
【００４０】
（第１３の実施の形態）
本発明の第１３の実施の形態の海洋深層水の冷熱利用システムを図１３を用いて説明する。冷熱利用建屋６１内に図示しない熱交換用伝熱装置が設置されており、熱交換用伝熱装置の入口には図示しない汲み上げポンプが設置されている。冷熱利用建屋６１の入口には氷を貯蔵した氷室６３が設けられている。熱交換用伝熱装置の入口に接続した深層水取水管６２がこの氷室６３内を通過し地中に埋設された状態で敷設されて海洋深層水３中に下端が浸漬している。氷室６３は雪を貯蔵してもよい。
【００４１】
このように構成された本実施の形態の海洋深層水の冷熱利用システムにおいては、汲み上げられた海洋深層水３は低温に維持された氷室６３内を通過するので低温に維持された状態で冷熱利用建屋６１に導かれる。したがって、熱交換性能を良好に維持することが可能で、配管の断熱設備を省くことができるので無駄な資源を使わずに省エネルギー化の効果をあげることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第１の実施の形態の海洋深層水の冷熱利用システムの構成を示す部分断面模式図。
【図２】本発明の第２の実施の形態の海洋深層水の冷熱利用システムの構成を示す部分断面模式図。
【図３】本発明の第３の実施の形態の海洋深層水の冷熱利用システムの構成を示す部分断面模式図。
【図４】本発明の第４の実施の形態の海洋深層水の冷熱利用システムの構成を示す部分断面模式図。
【図５】本発明の第５の実施の形態の海洋深層水の冷熱利用システムの構成を示す部分断面模式図。
【図６】本発明の第６の実施の形態の海洋深層水の冷熱利用システムの構成を示す部分断面模式図。
【図７】本発明の第７の実施の形態の海洋深層水の冷熱利用システムの構成を示す模式図。
【図８】本発明の第８の実施の形態の海洋深層水の冷熱利用システムの構成を示す模式図。
【図９】本発明の第９の実施の形態の海洋深層水の冷熱利用システムの構成を示す部分断面図。
【図１０】本発明の第１０の実施の形態の海洋深層水の冷熱利用システムの構成を示す部分断面図。
【図１１】本発明の第１１の実施の形態の海洋深層水の冷熱利用システムの構成および流体の流れを示す配管接続図。
【図１２】本発明の第１２の実施の形態の海洋深層水の冷熱利用システムの構成を示す断面図。
【図１３】本発明の第１３の実施の形態の海洋深層水の冷熱利用システムの構成を示す断面図。
【符号の説明】
【００４３】
１…常用水タンク、２…表層水、３…海洋深層水、４…ヒートパイプ、５…一次配管、６…熱交換器、７…二次配管、８…ファンコイルユニット、１０…海面、１１…断熱材、１２…常用水、１３…断熱材、１４…ウィック、１５ａ，１５ｂ…端栓、１６…作動液、１７…ファン、１８…冷風、１９…配管、２１…陸地、２２…住宅、２３…船舶、、２４…客室、２５…魚介類保冷庫、２６…低温栽培ハウス、２７…土壌、２８…野菜や高山植物、２９…冷却材タンク、３０…冷却材、３１…循環ポンプ、３２…伝熱管、３４…地熱源、３５…ヒートパイプ、３６…蒸気発生器、３７…タービン、３８…発電機、３９…復水器、４０…冷却配管、４２…金網、４３…吸上げ配管、４４…熱交換器、４５…伝熱管、４６…ドレン配管、４７…真空配管、４８…真空ポンプ、４９…排水管、５０…排水ポンプ、５２…熱交換用伝熱器、５３…深層水取水管、５４…汲み上げポンプ、５５…排水管、５６ａ，５６ｂ…バイパス管、５７…熱負荷系、５８ａ，５８ｂ，５８ｃ，５８ｄ…弁、６０…ポンプ、６１…冷熱利用建屋、６２…深層水取水管、６３…氷室、６４…陸地。
【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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【図１２】
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【図１３】
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