(57)【要約】【課題】特定の箇所のサージ防護素子に負荷が集中することを抑制した避雷器を得ること。【解決手段】避雷器５０は、第１のサージ防護素子１１で構成された第１の素子部１２と、第１の素子部１２の外側を囲む第１の外被部１３とを備える第１のサージ防護ユニット１と、第１のサージ防護素子１１よりも断面積が大きく、バリスタ電圧が第１のサージ防護素子１１よりも高い第２のサージ防護素子２１で第１の素子部１２よりも短く構成された第２の素子部２２と、第２の素子部２２の外側を囲む第２の外被部２３とを備える第２のサージ防護ユニット２と、を有し、第１のサージ防護ユニット１と第２のサージ防護ユニット２とは直列に接続される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のサージ防護素子で構成された第１の素子部と、前記第１の素子部の外側を囲む外被部とを備える第１のサージ防護ユニットと、
前記第１のサージ防護素子よりも断面積が大きく、バリスタ電圧が前記第１のサージ防護素子よりも高い第２のサージ防護素子で前記第１の素子部よりも短く構成された第２の素子部と、前記第２の素子部の外側を囲む第２の外被部とを備える第２のサージ防護ユニットと、を有し、
前記第１のサージ防護ユニットと前記第２のサージ防護ユニットとは直列に接続されることを特徴とする避雷器。
【請求項２】
前記第１のサージ防護ユニットを系統側に、前記第２のサージ防護ユニットをグラウンド側に配置したことを特徴とする請求項１に記載の避雷器。
【請求項３】
前記第１のサージ防護素子及び前記第２のサージ防護素子は、酸化亜鉛素子であることを特徴とする請求項１又は２に記載の避雷器。
【請求項４】
前記第１のサージ防護素子の断面積を基準にした場合の前記第２のサージ防護素子の断面積の倍率と、前記第１の素子部の長さを基準にした場合の前記第２の素子部の長さの倍率とが、逆数の関係にあることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の避雷器。
【請求項５】
バリスタ特性を有する第１のサージ防護素子と、バリスタ特性を有し、前記第１のサージ防護素子よりも断面積が大きく、バリスタ電圧が高い第２のサージ防護素子とを直列に接続した素子部と、
前記第１のサージ防護素子及び前記第２のサージ防護素子の外側を覆う外被部とを有することを特徴とするサージ防護ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サージを処理する避雷器及びサージ防護ユニットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ポリマー形を始めとする避雷器は、酸化亜鉛素子の外部に絶縁物で外被を形成した低定格電圧のサージ防護ユニットを複数組み合わせ、積層することで高定格電圧品を構成している。避雷器には常時対地電圧が印加されているが、サージ防護ユニットを積層して避雷器の長さが長くなると、酸化亜鉛素子とグラウンドとの間の浮遊容量により、酸化亜鉛素子が分担する電圧が不均一になり、一部の酸化亜鉛素子が高い電圧を分担することになる。一部の酸化亜鉛素子が高い電圧を分担することは、避雷器の長寿命化を実現する上で好ましくない。
【０００３】
そのため、系統に接続される充電部に均圧環を配置し、均圧環と酸化亜鉛素子間に浮遊容量を設けることで、素子の電圧分担を均一化する方法がとられている。しかしながら、均圧環を用いると、避雷器を設置するための相間距離及び接地間距離が均圧環の分長く必要になるため、小スペースへの配置といったニーズに対応できない場合がある。
【０００４】
そこで、特許文献１に開示される発明のように、避雷器の中で、異なる素子径を組合せ、素子径が大きく静電容量が大きい素子を上部に配置することで、均圧環といった電圧分担補整用部品を省略する方法が考えられていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実開平５−１１９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示される発明では、雷などサージ処理時は、抵抗の低い大径の素子の方が、分担する電圧及び処理エネルギーが小さくなる。したがって、特許文献１に開示される発明は、分担する電圧及び処理エネルギーの均一化のためには追加部品が必要になるため、合理的な手法とは言えなかった。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、特定の箇所のサージ防護素子に負荷が集中することを抑制した避雷器を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、第１のサージ防護素子で構成された第１の素子部と、第１の素子部の外側を囲む第１の外被部とを備える第１のサージ防護ユニットと、第１のサージ防護素子よりも断面積が大きく、バリスタ電圧が第１のサージ防護素子よりも高い第２のサージ防護素子で第１の素子部よりも短く構成された第２の素子部と、第２の素子部の外側を囲む第２の外被部とを備える第２のサージ防護ユニットと、を有する。第１のサージ防護ユニットと第２のサージ防護ユニットとは、直列に接続される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、特定の箇所のサージ防護素子に負荷が集中することを抑制した避雷器を得られるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１に係る避雷器の構成を示す図
【図２】実施の形態１に係る避雷器の等価回路の構成を示す図
【図３】実施の形態１に係るサージ防護ユニットの電圧電流特性を示す図
【図４】実施の形態１に係る避雷器の別の構成を示す図
【図５】実施の形態１に係る避雷器の系統からの距離と電圧分担率との関係を示す図
【図６】実施の形態１に係る避雷器の別の構成を示す図
【図７】実施の形態１に係る避雷器の別の構成を示す図
【図８】本発明の実施の形態２に係るサージ防護ユニットの構成を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明の実施の形態に係る避雷器を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１２】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る避雷器の構成を示す図である。避雷器５０は、複数のサージ防護素子を積層した第１のサージ防護ユニット１と第２のサージ防護ユニット２とを直列に接続して構成されている。第１のサージ防護ユニット１の上端部は、系統に接続される。第２のサージ防護ユニット２の下端部はグラウンドに接続される。
【００１３】
第１のサージ防護ユニット１は、バリスタ特性を示す第１のサージ防護素子１１を複数積層した第１の素子部１２と、第１のサージ防護素子１１の外側を覆う第１の外被部１３とを有している。以下、第１の素子部１２を構成する第１のサージ防護素子１１同士を区別する必要がある場合には、第１のサージ防護素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄという。第２のサージ防護ユニット２は、バリスタ特性を示す第２のサージ防護素子２１を複数積層した第２の素子部２２と、第２のサージ防護素子２１の外側を覆う第２の外被部２３とを有している。以下、第２の素子部２２を構成する第２のサージ防護素子２１同士を区別する必要がある場合には、第２のサージ防護素子２１ａ，２１ｂという。
【００１４】
バリスタ特性とは、ある電圧以下では絶縁物に近い性質を示し、ある電圧を超えると急激に電気抵抗が減少する性質である。なお、バリスタ特性によってサージ防護素子の電気抵抗が急激に減少する電圧は、サージ防護素子のバリスタ電圧と称されている。
【００１５】
第１のサージ防護素子１１及び第２のサージ防護素子２１の材料には、酸化亜鉛を適用できるがこれに限定はされない。酸化亜鉛を材料に用いたサージ防護素子は、微視的には酸化亜鉛の結晶粒子と、結晶粒子を取り囲む高抵抗の粒界層とからなるバリスタが直列又は並列につながった複合構造であり、酸化亜鉛の結晶の粒子径を変えたり、添加する物質を変えて粒界層の組成を変更したりすることによって、サージ防護素子の製造時にバリスタ電圧を調整可能である。酸化亜鉛結晶粒子径及び粒界層の組成が同じであれば、同じ断面積のサージ防護素子のバリスタ電圧は、サージ防護素子の長さに比例することが知られている。
【００１６】
第１の外被部１３及び第２の外被部２３は、絶縁材料で笠状に形成されており、第１のサージ防護素子１１及び第２のサージ防護素子２１の表面に異物が付着することを防止している。第１の外被部１３及び第２の外被部２３の材料には、ポリマー、ガラス又はセラミックを適用できるが、これに限定はされない。
【００１７】
第１のサージ防護素子１１と第２のサージ防護素子２１とは、断面積が異なっており、第１のサージ防護素子１１の断面積Ｓ１は、第２のサージ防護素子２１の断面積Ｓ２よりも小さくなっている。また、第１のサージ防護ユニット１の第１の素子部１２と第２のサージ防護ユニット２の第２の素子部２２とでは、第１のサージ防護ユニット１の第１の素子部１２の長さＬ１は、第２のサージ防護ユニット２の第２の素子部２２の長さＬ２よりも長くなっている。すなわち、第２のサージ防護ユニット２の第２の素子部２２は、第１のサージ防護ユニット１の第１の素子部１２よりも断面積は大きく、長さは短い。また、第１のサージ防護素子１１のバリスタ電圧Ｖ１と第２のサージ防護素子２１のバリスタ電圧Ｖ２とは、Ｖ１＜Ｖ２の関係にある。
【００１８】
実施の形態１においては、第２のサージ防護素子２１の断面積Ｓ２は、第１のサージ防護素子１１の断面積Ｓ１のＡ倍である。なお、Ａ＞１である。第１のサージ防護素子１１の長さと第２のサージ防護素子２１の長さとは同じである。したがって、第１の素子部１２に用いられるサージ防護素子１１の素子数は、第２の素子部２２に用いられるサージ防護素子２１の素子数よりも多い。
【００１９】
また、実施の形態１においては、第１のサージ防護素子１１の断面積Ｓ１を基準にした場合の第２のサージ防護素子２１の断面積Ｓ２の倍率と、第１のサージ防護ユニット１の第１の素子部１２の長さＬ１を基準にした場合の第２のサージ防護ユニット２の第２の素子部２２の長さＬ２の倍率とは、逆数の関係にある。すなわち、第２のサージ防護素子２１の断面積Ｓ２が第１のサージ防護素子１１の断面積Ｓ１のＡ倍であるならば、第２のサージ防護ユニット２の第２の素子部２２の長さＬ２は、第１のサージ防護ユニット１の第１の素子部１２の長さＬ１のＡ分の１である。したがって、第１のサージ防護ユニット１の第１の素子部１２と第２のサージ防護ユニット２の第２の素子部２２とは、体積が等しくなっている。
【００２０】
定常時には、系統からグラウンドに避雷器５０を通じて微弱電流が流れる。サージ防護素子が担当する電圧は、サージ防護素子の静電容量と、サージ防護素子とグラウンドとの間の浮遊容量との関係により定まる。図２は、実施の形態１に係る避雷器の等価回路の構成を示す図である。図２中に破線で示す部分は、第１のサージ防護素子１１及び第２のサージ防護素子２１とグラウンドとの間の浮遊容量によって空気中に形成される回路である。最上段の第１のサージ防護素子１１ａに系統から流入した電流の一部は、第１のサージ防護素子１１ａとグラウンドとの間の浮遊容量によって空気中に形成されるコンデンサ６１を伝ってグラウンドに流れる漏れ電流となる。すなわち、第１のサージ防護素子１１ａに流入した電流のうち、漏れ電流とならなかった分だけが、一段下の第１のサージ防護素子１１ｂに流入する。同様に、コンデンサ６２，６３，６４，６５を伝ってグラウンドに流れる漏れ電流も存在するため、第１のサージ防護素子１１に流れる電流は、第１のサージ防護素子１１ａ、第１のサージ防護素子１１ｂ、第１のサージ防護素子１１ｃ、第１のサージ防護素子１１ｄ、第２のサージ防護素子２１ａ、第２のサージ防護素子２１ｂの順に小さくなる。このため、系統に近い第１のサージ防護素子１１ａが高い電圧を分担することになる。
【００２１】
仮に、第１のサージ防護素子１１を２段重ねてサージ防護ユニットを形成した場合、避雷器の全長が避雷器５０よりも長くなるため、第１のサージ防護素子１１とグラウンドとの間には、避雷器５０よりも多くのコンデンサが浮遊容量によって形成されることになる。実施の形態１に係る避雷器５０においては、第２のサージ防護ユニット２の第２の素子部２２は、第１のサージ防護ユニット１の第１の素子部１２よりも短いため、第１のサージ防護ユニット１を二つ直列に接続した避雷器と比較すると、第１のサージ防護素子１１及び第２のサージ防護素子２１とグラウンドとの間の浮遊容量の影響が軽減され、第１のサージ防護ユニット１の第１の素子部１２が負担する電圧と第２のサージ防護ユニット２の第２の素子部２２が負担する電圧とが均一化される。したがって、実施の形態１に係る避雷器５０は、均圧環を省略した構造とすることが可能である。したがって、実施の形態１に係る避雷器５０は、小スペースへの設置が可能である。
【００２２】
また、実施の形態１に係る避雷器５０においては、サージ処理時には、第２のサージ防護素子２１よりも断面積が小さい第１のサージ防護素子１１が用いられた第１のサージ防護ユニット１の方が、第２のサージ防護素子２１が用いられた第２のサージ防護ユニット２よりも大電圧を分担する。しかし、第１のサージ防護ユニット１の第１の素子部１２は第２のサージ防護ユニット２の第２の素子部２２よりも長いため、単位長さ当たりの電圧は、第１のサージ防護ユニット１と第２のサージ防護ユニット２とで同レベルとなる。
【００２３】
また、実施の形態１に係る避雷器５０においては、サージ処理時には、第２のサージ防護素子２１よりも断面積が小さい第１のサージ防護素子１１が用いられた第１のサージ防護ユニット１の方が、第２のサージ防護素子２１が用いられた第２のサージ防護ユニット２よりも大きいエネルギーを分担する。しかし、第１のサージ防護ユニット１の第１の素子部１２は第２のサージ防護ユニット２の第２の素子部２２よりも素子数が多いため、素子体積当たりのエネルギーストレスは、第１のサージ防護ユニット１と第２のサージ防護ユニット２とで同レベルとなる。
【００２４】
図３は、実施の形態１に係るサージ防護ユニットの電圧電流特性を示す図である。横軸は電流を表し、縦軸は電圧を示す。説明の簡略化のために、ある断面積のサージ防護素子を２段重ねた静電容量と、同じ断面積でバリスタ電圧が高いサージ防護素子単独の静電容量とが同じであるとする。また、バリスタ電圧が高いサージ防護素子のバリスタ電圧は、バリスタ電圧が低い方のサージ防護素子のバリスタ電圧の２倍であるとする。図３の実線は、ある断面積のサージ防護素子を２段重ねたサージ防護ユニットの電圧電流特性を示し、図３中の破線は、同じ断面積でバリスタ電圧が高いサージ防護素子を用いたサージ防護ユニットの電圧電流特性を示す。バリスタ電圧が高いサージ防護素子を用いたサージ防護ユニットは、系統電圧程度の電圧であれば、バリスタ電圧が低いサージ防護素子を２段重ねたサージ防護ユニットと同じレベルの電流が流れる。一方、雷サージを処理する際には、同じ電圧であっても、バリスタ電圧が高いサージ防護素子を用いたサージ防護ユニットには、バリスタ電圧が低いサージ防護素子を２段重ねたサージ防護ユニットよりも大電流が流れる。すなわち、雷サージを処理する際の電圧では、バリスタ電圧が高いサージ防護素子を用いたサージ防護ユニットの方が抵抗は小さい。したがって、バリスタ電圧が高いサージ防護素子とバリスタ電圧が低いサージ防護素子とを組み合わせることで、サージ処理時のサージ防護ユニットの発熱を抑えることができる。
【００２５】
図４は、実施の形態１に係る避雷器の別の構成を示す図である。図４に示す避雷器５１は、第１のサージ防護ユニット１の上に第２のサージ防護ユニット２が重ねられており、第２のサージ防護ユニット２の上端部が系統に接続され、第１のサージ防護ユニット１の下端部がグラウンドに接続される。
【００２６】
断面積が大きい第２のサージ防護ユニット２を系統側に配置した避雷器５１も、第１のサージ防護ユニット１を二つ直列に接続した避雷器と比較して、全長が短くなる。したがって、第２のサージ防護ユニット２を系統側に配置した避雷器５１も、特定の箇所のサージ防護素子に負荷が集中することを抑制し、長寿命化を実現することが可能である。また、図２に示したように、第１のサージ防護素子１１及び第２のサージ防護素子２１とグラウンドとの間の浮遊容量によって空気中に形成されるコンデンサへの漏れ電流が生じるため、グラウンドに近い側では避雷器５１内を流れる電流は小さくなるため、断面積が大きい第２のサージ防護ユニット２を系統側に配置することにより、避雷器５１内を流れる電流は、断面積が大きい部分に大きい電流が流れることになり、特定の箇所のサージ防護素子に負荷が集中することを抑制できる。
【００２７】
図５は、実施の形態１に係る避雷器の系統からの距離と電圧分担率との関係を示す図である。ここでは、断面積Ｓ１の第１のサージ防護素子１１を用いた第１のサージ防護ユニット１を二つ直列に接続した避雷器において、避雷器全体に均等に電圧を分担する場合の電圧分担率を１にして正規化している。なお、図５の横軸は、第１のサージ防護ユニット１を二つ直列に接続した避雷器の素子部の長さＬの３２分の１の長さで素子部を分割した場合に、系統側から何番目の部分であるかを示している。ここで、避雷器の最上部は系統に接続され、最下部はグラウンドに接続されるものとする。
【００２８】
第２のサージ防護素子２１の断面積Ｓ２が第１のサージ防護素子１１の断面積Ｓ１の１．３倍であり、かつ第２の素子部２２の長さが第１の素子部１２の長さの４分の３である実施例１では、第２のサージ防護ユニット２の最上部で電圧分担率が最大となっており、値は０．９９となっている。また、第２のサージ防護ユニット２の断面積Ｓ２が第１のサージ防護ユニット１の断面積Ｓ１の２倍であり、かつ第２の素子部２２の長さが第１の素子部１２の長さの２分の１である実施例２では、第２のサージ防護ユニット２の最上部で電圧負担率が最大となっており、値は０．８７となっている。一方、第１のサージ防護ユニット１を二つ直列に接続した比較例では、最上部で電圧負担率が最大となっており、値は１．１７である。
【００２９】
したがって、バリスタ電圧が高く断面積が大きいサージ防護素子とバリスタ電圧が低く断面積が小さいサージ防護素子とを組み合わせて用いることで、電圧分担を均一化し、避雷器中の特定の箇所のサージ防護素子が他の箇所のサージ防護素子よりも早く劣化してしまうことを防止できる。
【００３０】
実施の形態１に係る避雷器５０は、第１のサージ防護ユニット１及び第２のサージ防護ユニット２が分担する電圧を均一にすることができる。
【００３１】
上記の説明においては、第１のサージ防護素子１１の断面積Ｓ１を基準にした場合の第２のサージ防護素子２１の断面積Ｓ２の倍率と、第１のサージ防護ユニット１の第１の素子部１２の長さＬ１を基準にした場合の第２サージ防護ユニット２の第２の素子部２２の長さＬ２の倍率とは、逆数の関係にあるとしたが、必ずしも逆数でなくてもよい。
【００３２】
上記の説明においては、バリスタ電圧、断面積及び長さが異なる素子部を有するサージ防護ユニットを二つ組み合わせ、直列に接続して避雷器を構成したが、サージ防護ユニットを三つ以上組み合わせ、直列に接続して避雷器を構成してもよい。三つ以上のサージ防護ユニットを組み合わせる場合には、同じサージ防護ユニットを複数用いてもよいし、全て異なるサージ防護ユニットを用いてもよい。
【００３３】
図６は、実施の形態１に係る避雷器の別の構成を示す図である。図６に示す避雷器５２は、二つの第１のサージ防護ユニット１と一つの第２のサージ防護ユニット２とを組み合わせ、直列に接続して構成されている。避雷器５２は、第１のサージ防護ユニット１を三つ直列に接続した避雷器と比較すると、全長が短くなる。したがって、第１のサージ防護素子１１及び第２のサージ防護素子２１とグラウンドとの間の浮遊容量の影響が軽減され、第１のサージ防護ユニット１の第１の素子部１２が負担する電圧と第２のサージ防護ユニット２の第２の素子部２２が負担する電圧とが均一化される。
【００３４】
図７は、実施の形態１に係る避雷器の別の構成を示す図である。図７に示す避雷器５３は、第１のサージ防護ユニット１と、第２のサージ防護ユニット２と第３のサージ防護ユニット３とを組み合わせ、直列に接続して構成されている。第３のサージ防護ユニット３は、第１のサージ防護素子１１よりも断面積が大きく、第２のサージ防護素子２１よりも断面積が小さい第３のサージ防護素子３１を用いて構成されている。第３のサージ防護ユニット３の第３の素子部３２は、第１のサージ防護ユニット１の第１の素子部１２よりも短く、第２のサージ防護ユニット２の第２の素子部２２よりも長い。第３のサージ防護素子３１のバリスタ電圧は、第１のサージ防護素子１１のバリスタ電圧よりも高く、第２のサージ防護素子２１のバリスタ電圧よりも低い。第３の素子部３２は、第３の外被部３３で覆われている。第３の外被部３３は、絶縁材料で笠状に形成されている。第３の外被部３３の材料には、ポリマー、ガラス又はセラミックを適用できるが、これに限定はされない。
【００３５】
避雷器５３は、第１のサージ防護ユニット１を三つ直列に接続した避雷器と比較すると、全長が短くなる。したがって、第１のサージ防護素子１１、第２のサージ防護素子２１及び第３のサージ防護素子３１とグラウンドとの間の浮遊容量の影響が軽減され、第１のサージ防護ユニット１の第１の素子部１２が負担する電圧と、第２のサージ防護ユニット２の第２の素子部２２が負担する電圧と、第３のサージ防護ユニット３の第３の素子部３２が負担する電圧とが均一化される。
【００３６】
実施の形態２．
図８は、本発明の実施の形態２に係るサージ防護ユニットの構成を示す図である。実施の形態２に係るサージ防護ユニット４は、バリスタ特性を示す第１のサージ防護素子１１及び第２のサージ防護素子２１を複数積層した素子部４２と、素子部４２の外側を覆う外被部４３とを有している。サージ防護ユニット４の上端部は、系統に接続される。サージ防護ユニット４の下端部はグラウンドに接続される。
【００３７】
実施の形態２に係るサージ防護ユニット４は、一つのユニット内において、断面積が小さくバリスタ電圧が低い第１のサージ防護素子１１と、断面積が大きくバリスタ電圧が高い第２のサージ防護素子２１とが組合わされている。したがって、サージ防護ユニット４内での電圧分担の不均一が解消され、一部のサージ防護素子が劣化することを防止できる。
【００３８】
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
【符号の説明】
【００３９】
１  第１のサージ防護ユニット、２  第２のサージ防護ユニット、３  第３のサージ防護ユニット、４  サージ防護ユニット、１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ  第１のサージ防護素子、１２  第１の素子部、１３  第１の外被部、２１，２１ａ，２１ｂ  第２のサージ防護素子、２２  第２の素子部、２３  第２の外被部、３１  第３のサージ防護素子、３２  第３の素子部、３３  第３の外被部、４２  素子部、４３  外被部、５０，５１，５２，５３  避雷器、６１，６２，６３，６４，６５  コンデンサ。
【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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