(57)【要約】      （修正有）【課題】加工しやすい半導体ヒーターを用いた火災のおそれがない加熱装置であって、本来半導体ヒーターが上昇しうる最高到達温度以上に加熱させることのできる半導体ヒーターによる加熱装置を提供する。【解決手段】ヒーターによる加熱装置は、半導体ヒーターを用いた加熱装置において、金属製の内部管内３に、線状の半導体ヒーター４が１又は２本以上挿入され、金属製の外周管２内に、前記半導体ヒーター４を内挿した内部管４が２本以上収容される。この場合、外周管２と内部管３の間又は／及び内部管３と半導体ヒーター４の間に、熱伝導材５が充填されたものとし、外周管２内に収容される内部管３同士を連結する保持具が取り付けられたものとすることもできる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ヒーターを用いた加熱装置において、
金属製の内部管内に、線状の半導体ヒーターが１又は２本以上挿入され、
金属製の外周管内に、前記半導体ヒーターを内挿した内部管が２本以上収容されたことを特徴とするヒーターによる加熱装置。
【請求項２】
請求項１記載のヒーターによる加熱装置において、
外周管と内部管の間、又は／及び内部管と半導体ヒーターの間に、熱伝導材が充填されたことを特徴とするヒーターによる加熱装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２記載のヒーターによる加熱装置において、
外周管内に収容される内部管同士を連結する保持具が取り付けられたことを特徴とするヒーターによる加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、ヒーターによる加熱装置に関するものであり、より具体的には半導体ヒーターを用いた加熱装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体ヒーターは、ＰＴＣ（ｐｏｓｉｔｉｖｅ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）と呼ばれる正の温度特性をもつサーミスタを備えたものであり、通電すると温度上昇するが、同時に電流を通しにくくするため一定の温度を超えて上昇することがないという特徴を有し、自己温度制御ヒーターとも呼ばれている。半導体ヒーターは、少ない消費電力で一定の温度を保つものであり、エネルギーの有効活用を重視する昨今では、最も注目されているヒーターのひとつである。
【０００３】
従来の半導体ヒーターは、図６に示すように２本の導線Ｂを平行に配置し、これらの間にＰＴＣ特性を有する架橋性ポリマーに導電性カーボンが混入された発熱体Ｃを形成した、いわゆる平型半導体ヒーターＡが一般的であった。しかしながら、この平型の半導体ヒーターは、後に説明する丸型のものよりも発熱面積が大きいため消費電力量が多く、また物が接触すると火災になりやすく、平型であるために加工も容易でないという問題を抱えていた。
【０００４】
そこで特許文献１では、断面視円形の丸型自己温度制御ヒーター（以下便宜上、「丸型半導体ヒーター」という。）を提案している。この丸型半導体ヒーターは、ひも状のコアを中心に据え、この周りに２本の導線Ｂが配置され、この導線Ｂの間には絶縁材が配置され、さらにＰＴＣ特性を有する導電性ポリマーがコアの周囲に設けられて、これらを絶縁被覆層で円形に覆って小径の円形断面を形成したものである。このように自己温度制御ヒーターを小径の円形断面にすることによって、従来の平型半導体ヒーターＡが抱える加工し難いという問題点が解消された。
【０００５】
また、特許文献２では、金属製パイプ内に半導体ヒーターを封入した「半導体ヒートパイプ」が提案されている。この「半導体ヒートパイプ」は、電磁波の発生を抑制することを課題として提案された技術であるが、可撓性のある半導体ヒーターは外力に対して脆弱で損傷しやすいという弱点を抱えており、金属製パイプ内に封入することでこの弱点を克服しうるという効果も備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１７３１９５号公報
【特許文献２】特開２００１−２４８９８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１の丸型半導体ヒーターは、小径の円形断面であることから加工しやすいという利点はあるものの、その主な構成材であるポリマーの強度は脆弱で損傷しやすく、利用場所によっては金属製の保護管内に収容して設置しなければならない。しかしながら、この丸型半導体ヒーターを保護管内に収容した場合、小径断面であるが故に放熱面積が小さくすなわち発熱量が少ないこともあって、丸型半導体ヒーター表面の温度に比べると保護管の表面は極端に低温となり、加熱装置としての機能を有効に発揮できなかった。
一方、保護管に収容せずに直接この丸型半導体ヒーターを例えば床下に設置する場合、繰り返し荷重により丸型半導体ヒーターが損傷し、圧壊するおそれがあるばかりでなく、丸型半導体ヒーターは周辺の床材を集中的に加熱してしまうため火災のおそれもあった。
【０００８】
また特許文献２では金属製パイプ内に半導体ヒーターを封入しており、半導体ヒーターが保護され損傷等のおそれはがないという利点はあるものの、後に説明するようにパイプ内に半導体ヒーターを挿入しただけの単管形式では、半導体ヒーターから放出された熱はパイプ内で大きく失われ、その結果パイプ表面では十分に温度が上がらないことがわかった。（特許文献２でも、半導体ヒートパイプを多数並べたヒートパネルを提案している。）
【０００９】
本願発明の課題は、加工しやすい半導体ヒーターを用い、火災のおそれがなく、半導体ヒーターを金属製の管で保護できるとともに、半導体ヒーターからの熱量を大きく失うことなく、保護管の大きな放熱面積を利用して周辺温度を効果的に上昇させることのできるヒーターによる加熱装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願発明のヒーターによる加熱装置は、半導体ヒーターを用いた加熱装置において、金属製の内部管内に、線状の半導体ヒーターが１又は２本以上挿入され、金属製の外周管内に、前記半導体ヒーターを内挿した内部管が２本以上収容されたものである。
【００１１】
本願発明のヒーターによる加熱装置は、請求項１記載のヒーターによる加熱装置において、外周管と内部管の間、又は／及び内部管と半導体ヒーターの間に、熱伝導材が充填されたものである。
【００１２】
本願発明のヒーターによる加熱装置は、請求項１又は請求項２記載のヒーターによる加熱装置において、外周管内に収容される内部管同士を連結する保持具が取り付けられたものである。
【発明の効果】
【００１３】
本願発明のヒーターによる加熱装置には次のような効果がある。
（１）半導体ヒーターから放出される熱は、一旦外周管内で蓄熱された上で外周管の表面から放熱されるため、半導体ヒーターから放出された熱が大きく失われることなく効率よく周辺温度を上昇させることができる。
（２）上記の結果、効率的に電力を消費することができる。
（３）半導体ヒーターは金属製の内部管で保護され、さらにその外周を金属製の外周管で保護されているので、不測の荷重が作用しても半導体ヒーターが損傷等するおそれがない。（４）金属製の二重管式を採用しているので、火災になる心配がない。
（５）線状の半導体ヒーターを使用するので、いわゆる平型半導体ヒーターに比べ加工し易い。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本願発明のヒーターによる加熱装置の内部を示す斜視図。
【図２】（ａ）は、本願発明のヒーターによる加熱装置の断面図。（ｂ）は、熱伝導材が充填された本願発明のヒーターによる加熱装置の断面図。（ｃ）は、保持具が取り付けられた本願発明のヒーターによる加熱装置の断面図。
【図３】（ａ）は、１本の半導体ヒーターが外周管に直接収容されたケースを示す断面図。（ｂ）は、１本の半導体ヒーターが内部管に挿入され、これが外周管に収容されたケースを示す断面図。（ｃ）は、１本の半導体ヒーターが内部管に挿入され、これが外周管に収容され、さらに外周管の空隙部分に熱伝導材が充填されたケースを示す断面図。（ｄ）は、外周管に、半導体ヒーターが内挿された内部管が２本収容されたケースを示す断面図。（ｅ）は、外周管に、半導体ヒーターが内挿された内部管が２本収容され、さらに外周管の空隙部分に熱伝導材が充填されたケースを示す断面図。（ｆ）は、外周管に、半導体ヒーターが内挿された内部管が３本収容され、さらに外周管の空隙部分に熱伝導材が充填されたケースを示す断面図。
【図４】（ａ）は、植物の周辺温度を加温しながら栽培する従来方法を示す説明図。（ｂ）は、本願発明のヒーターによる加熱装置を用いて植物の周辺温度を加温しながら栽培する方法を示す説明図。
【図５】（ａ）は本願発明のヒーターによる加熱装置を利用してロードヒーティングを行う方法を示す断面図。    （ｂ）は、本願発明のヒーターによる加熱装置を利用してロードヒーティングを行う方法を示す平面図。    （ｃ）は、本願発明のヒーターによる加熱装置を利用してロードヒーティングを行う方法を示す部分詳細平面図。
【図６】従来の平型半導体ヒーターを示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（実施形態）
本願発明のヒーターによる加熱装置の実施形態を図１に基づいて説明する。図１は、加熱装置１の内部構造を示す斜視図である。この図に示すように加熱装置１は、外周管２の内部に複数本（図では３本）の内部管３が収容されており、さらにこの内部管３にはそれぞれ半導体ヒーター４が内挿されている。
【００１６】
半導体ヒーター４は、図２（ａ）に示すように断面が円形であり、断面の径に対してその長さが極端に長い、いわゆる線状（ロープ状、ひも状）の形状となっている。また半導体ヒーター４は、導線と発熱体から構成されており、導線には銅線をはじめ、銀線、金線、アルミ線、白金線、合金線、各種メッキ線など、導電性に富む材質のものが用いられる。
【００１７】
発熱体は、ＰＴＣ特性を備えたポリマーと導電性のあるカーボンから構成されており、このポリマーには絶縁性の架橋性ポリマーが通常用いられ、導電性カーボンにはカーボンブラックが用いられている。ポリマーと導電性カーボンからなる発熱体と導線の外周を被覆層で覆い、半導体ヒーター４は形成されている。この被覆層の材質としては、テフロン（登録商標）及びゴムの合成材、テフロン（登録商標）及びシリコンの合成材、その他シリコン材が利用されている。なお、半導体ヒーター４は、市販されているものを用いることができる。
【００１８】
半導体ヒーター４の導線に通電すると、導電性カーボンを通じて発熱体内にも電気が流れ、このときＰＴＣ特性を備えたポリマーは温度上昇を始める。ポリマーは、温度上昇とともに膨張を始め導電性カーボンの通電面積を圧迫していき、最終的には導電性カーボンは通電できない状態となり、これ以上ポリマーは温度上昇しなくなる。ポリマーの温度が下降すると、ポリマーが収縮し導電性カーボンの通電面積が回復されるため、再びポリマーは温度上昇する。このように、半導体ヒーター４は特別な制御を必要とせず、一定の温度を保ち続けることができるという特性を備え、自己温度制御ヒーターと呼ばれる所以でもある。
【００１９】
この維持される一定温度、換言すれば半導体ヒーター４の最高到達温度は、半導体ヒーター４の規格によって定められ、例えば市販されている半導体ヒーター４のうち２０Ｗ／ｍのものは５５℃、３０Ｗ／ｍでは７０℃、４０Ｗ／ｍでは９０℃、５０Ｗ／ｍでは１３０℃である。
【００２０】
図１に示すように、半導体ヒーター４は金属製の内部管３の内部に挿入されている。この内部管３は熱伝導率の高い材質のものがより好ましく、たとえばアルミ製の管が好適である。内部管３は半導体ヒーター４を収容できる内空面積が必要であり、例えば半導体ヒーター４の外径が８ｍｍの場合、内部管３の内径は１０ｍｍ程度が必要である。図１では、内部管３に１本の半導体ヒーター４を挿入しているが、これに限らず内径の大きい内部管３の中に複数の半導体ヒーター４を挿入することもできる。
【００２１】
半導体ヒーター４が内挿された内部管３は、さらに金属製の外周管２の内部に収容されている。この場合、半導体ヒーター４が内挿された内部管３を２本以上外周管２内に収容（図では３本収容）すると、後に説明するように外周管２内での蓄熱効果が飛躍的に向上する。この外周管２には、汎用的な一般構造用炭素鋼管（通称、単管パイプ）の利用が可能で、汎用品を使うことで製品コストを抑えることができる。一般的な単管パイプの内径は４３．８ｍｍ（外径４８．６ｍｍ）であり、アルミ製の内部管３（外径１２ｍｍ）３本を十分収容することができる。なお、外周管２として熱伝導率の高い例えばアルミ製の管を用いると、製品のコストは上がるものの発熱効率が向上し、より性能の高い加熱装置１とすることもできる。
【００２２】
図２（ａ）に示すように、半導体ヒーター４が内挿された内部管３を収容しても、外周管２の内部にはなお空隙が残る。この空隙部分には、図２（ｂ）に示すように熱伝導材５を充填（中詰め）することができる。これにより半導体ヒーター４からの放熱は、熱伝導材５を介してより効率的に外周管２の外周へ伝達されることが期待できる。この熱伝導材５は、熱伝導率が高く、かつ外周管２内の空隙部の複雑な形状にも追随して変形しうるものが適しており、一例としてアルミ不織布が挙げられる。その他、鉄鋼スラグや、やや高価ではあるがアルミ箔なども熱伝導材５として用いることができる。
【００２３】
熱伝導材５は、外周管２内部の空隙部に限らず、内部管３内に半導体ヒーター４を挿入した後に残る空隙部分に充填（中詰め）することもできる。特に、半導体ヒーター４の外径に比して内部管３の内径が比較的大きい場合には有効である。
【００２４】
外周管２内部には複数の内部管３を収容するため、内部管３の本数分だけ内部管３の挿入作業が生じることとなる。とくに外周管２の管長が比較的長いと、この挿入作業を繰り返し行うことは手間や時間がかかり、ひいては製品コストを引き上げる一因となる。あるいは先に挿入した内部管３が撓んだり、折曲がったり、種々変形することによって、後から挿入する内部管３が入りにくいという問題もある。このような場合、図２（ｃ）に示すように内部管３に保持具６を取り付けることができる。保持具６で複数（図では３本）の内部管３を連結することによって、内部管３同士の間隔を維持し（いわゆるスペーサーの機能）、しかも複数の内部管３を束ねた状態にすることができるので、内部管３の挿入作業も１回で完了し、後続の内部管３が挿入し難いといった煩わしさも解消される。
【００２５】
この保持具６は、内部管３の軸方向に対して間隔をあけて取り付け、樹脂製や金属製などとすることができる。内部管３への取り付けは、保持具６が金属製の場合は溶接により行い、樹脂製の場合は接着により行いあるいは取り付け部を環状にして内部管３の周囲を掴むように把持する構造としてもよい。保持具６を内部管３へ取り付けるにあたっては、その他の従来技術を用いても構わない。前記のとおり、保持具６は内部管３を外周管２内に挿入する前に取り付けることが望ましいが、内部管３を挿入した後に手や治具が届く範囲で保持具６を取り付けてもよい。
【００２６】
（本願発明のヒーターによる加熱装置の検証）
本願発明の発明者は、半導体ヒーター４を金属製管内に収容すると蓄熱効果が期待できるという仮説を立て、半導体ヒーター４と金属製の管を種々組み合わせて実験を重ねた。その結果、二重管形式で半導体ヒーター４を収容すると蓄熱効果が発揮され、さらに外周管２内に半導体ヒーター４が内挿された内部管３を２本以上収容すると蓄熱効果が飛躍的に高まり、外周管２の表面温度上昇が他例に比べ顕著であるという事実を突き止めた。以下、その実証実験について図３（ａ）〜（ｆ）を用いて説明する。
【００２７】
実験には以下の材料を用いた。
・半導体ヒーター４：４０Ｗ／ｍ、外径８ｍｍ、最高到達温度９０℃（表面温度）
・内部管３：アルミ製、内径は１０ｍｍ（外径１２ｍｍ）
・外周管２：一般構造用炭素鋼管、内径は４３．８ｍｍ（外径４８．６ｍｍ）
【００２８】
図３（ａ）は、１本の半導体ヒーター４を内部管３に挿入することなく、直接外周管２に収容したケースである。これをケース１とする。
図３（ｂ）は、１本の半導体ヒーター４を内部管３に挿入し、これを外周管２に収容したケースである。これをケース２とする。
図３（ｃ）は、１本の半導体ヒーター４を内部管３に挿入し、これを外周管２に収容し、さらに外周管２の内部の空隙部分に熱伝導材５としてアルミ不織布を充填（中詰め）したケースである。これをケース３とする。
図３（ｄ）は、半導体ヒーター４が内挿された内部管３を２本、外周管２に収容したケースである。これをケース４とする。
図３（ｅ）は、半導体ヒーター４が内挿された内部管３を２本、外周管２に収容し、さらに外周管２の内部の空隙部分に熱伝導材５としてアルミ不織布を充填（中詰め）したケースである。これをケース５とする。
図３（ｆ）は、半導体ヒーター４が内挿された内部管３を３本、外周管２に収容し、さらに外周管２の内部の空隙部分に熱伝導材５としてアルミ不織布を充填（中詰め）したケースである。これをケース６とする。
【００２９】
常温の実験室内で、上記６ケースそれぞれについて半導体ヒーター４に１００Ｖを印加した。通電後、半導体ヒーター４の表面温度は９０℃になるが、これが如何に熱伝播されるかを調べるため、外周管２内部の空隙部分と外周管２の表面で温度を計測した。外周管２内部の空隙部分を温度計測することで、蓄熱効果の優劣も測ることができる。なお、温度計測はいずれも通電後約５０分後である。以下、表１に結果を示す。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
ケース１の結果をみると、半導体ヒーター４の表面温度は９０℃に達したにもかかわらず、外周管２の表面では４５．５℃まで大きく温度が下がっている。これは、半導体ヒーター４から放出された熱が外周管２の表面に達するまでに、外周管２の内部で大きく失われたものと考えられる。
【００３２】
一方、ケース２の結果をみると、半導体ヒーター４を内部管３に挿入しただけであるにもかかわらず、外周管２の表面温度がケース１の４５．５℃よりも５２．３℃と７℃ほど上昇している。特に注目すべきは、外周管２の内部が７８．６℃（ケース１）から９２．４℃（ケース２）と著しく上昇している事実である。これは、半導体ヒーター４を内部管３に挿入しさらに外周管２で覆った、いわゆる二重管形式にすると蓄熱効果が高まることを示している。
【００３３】
ケース４およびケース５は、２本の内部管３を外周管２に収容したケースである。これをみると、外周管２の内部、表面ともに、ケース２や３に比べ飛躍的に温度が上昇していることがわかる。これは、ケース２におけるケース１からの温度上昇（外周管２内部で７８．６℃→９２．４℃）と比較すると、ケース４におけるケース２からの温度上昇（外周管２内部で９２．４℃→１２０．７℃）が極めて顕著であることがわかる。
【００３４】
以上の結果から、外周管２の中に、半導体ヒーター４が内挿された内部管３を２本収容すると飛躍的に蓄熱効果が上がることがわかる。なお、ケース４（内部管３を２本）とケース６（内部管３を３本）とを比較しても、外周管２内部の温度において大きな変化はみられなかった。言い換えると、外周管２に収容される内部管３の本数が多いほど蓄熱効果が上がるわけではなく、内部管３の本数を１本から２本に増加させたときにはじめて劇的に効果が現れる、ということを証明するものである。すなわち蓄熱効果を発揮するためには、半導体ヒーター４が内挿された内部管３を外周管２に収容する二重管形式であって、外周管２の中には複数の内部管３を収容する、ということが重要な技術要素であることが証明された。
【００３５】
なお、ケース４（アルミ不織布なし）とケース５（アルミ不織布あり）を比較しても、外周管２の表面温度において大きな変化はみられなかった。熱導電性の高いアルミ不織布を充填したほうが外周管２の表面に熱を伝達しやすいはずであるが、アルミ不織布を充填しないケース４と結果に大差がないということは、ケース４の蓄熱効果がアルミ不織布による熱伝導効果と同等であることを証明するものである。
【００３６】
（ヒーターによる加熱装置の使用例１）
本願発明のヒーターによる加熱装置の第１の使用例を図４（ａ）、（ｂ）に基づいて説明する。図４（ｂ）は、本願発明のヒーターによる加熱装置を利用して植物を栽培する方法を示すものである。
【００３７】
従来、植物７の周辺温度を加温しながら栽培する場合、図４（ａ）に示すように、培養土８（培養液）内に塩化ビニル管（通称、塩ビ管）９を埋設し、この中に１５〜１８℃の温水を循環させる加温方法を採用していた。しかしながら、この従来手法では、水を温水にするためのヒーターに加え、水を循環させる圧力装置が必要となり、その結果、設備に掛かる初期費用や、設備運転のための燃料費、維持費といった多くの費用が掛かることとなり、植物の出荷価格を高騰させる要因となっていた。
【００３８】
図４（ｂ）に示すように、培養土８内の塩ビ管９内に本願発明の加熱装置１を挿入し、植物７の周辺温度を加温しながら栽培することができる。この方法によれば、従来手法から大きな設備変更を伴うことなく、設備運転のための燃料費が電力消費だけに抑えられ、植物の出荷価格を下げることができる。さらに、商用電力に頼らず太陽光発電を利用することも可能である。
【００３９】
なお、加熱装置１に使用する半導体ヒーター４の規格は、栽培する植物や栽培時期、ハウスの状況など、種々の条件を勘案したうえで上昇させる温度を設計し、適宜選択することができる。
【００４０】
（ヒーターによる加熱装置の使用例２）
本願発明のヒーターによる加熱装置の第２の使用例を図５（ａ）〜（ｃ）に基づいて説明する。図５（ａ）〜（ｃ）は、本願発明のヒーターによる加熱装置を利用してロードヒーティングを行う方法を示すものである。
【００４１】
図５（ａ）は、アスファルト舗装の路面下に加熱装置１を設置した状態を示す断面図である。アスファルト舗装の表層１０の下に加熱装置１を保護する保護層１１が配置され、この中に複数（図では８列）の加熱装置１が、例えば１０ｃｍ間隔で配列されている。この保護層１１は３層に分かれており、上層と下層は輪荷重等に対抗するためコンクリートで構築され、中間の加熱装置１が配置された層は熱伝導性の高い材質で構築されている。なお上層と中間層、下層と中間層の間には断熱シートを設置することが望ましい。
【００４２】
８列の加熱装置１は、保護層１１内でそれぞれ独立して配列して、個々に通電する方法を採っても良いが、図５（ｂ）に示すように、外周管２及び内部管３は独立に配列するが内部管３に挿入する半導体ヒーター４は１本を折り返して使用する方法を採用しても良い。この場合、半導体ヒーター４に通電する電極を低減させる利点がある。
【００４３】
なお、外周管２や内部管３も折り返しの構造とすることもできるが、金属性であることから加工に手間がかかるため、図５（ｃ）に示すように半導体ヒーター４のみを曲線状に曲げて折り返した構造が望ましい。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本願発明のヒーターによる加熱装置は、家庭用暖房設備としての利用をはじめ、職場、学校、市町村役場などの公共施設、工場、車両や旅客機や船舶などの乗り物、商業施設、老健施設、体育施設、牛舎や豚舎や鶏舎といった家畜小屋、動物園、水族館、養魚場、プール、温浴施設、などあらゆる屋内用の暖房設備として利用することができる。
また、道路凍結を防止するためのロードヒーティングをはじめ、駐車場、鉄道ホーム、岸壁、飛行場などの凍結防止設備として利用するほか、屋根などの融雪設備として利用することもできる。
さらに、野菜や花卉の栽培、あるいは苗床などのためのハウス温室、果樹園、植物園などの暖房設備として利用するほか、野菜、果物、花、肉類、魚介類、海草、米や豆といった穀類の乾燥設備として利用するなど、様々な加熱装置として応用することができる。
【符号の説明】
【００４５】
１    加熱装置
２    外周管
３    内部管
４    半導体ヒーター
５    熱伝導材
６    保持具
７    植物
８    培養土（培養液）
９    塩化ビニル管（塩ビ管）
１０    （アスファルト舗装の）表層
１１    保護層
Ａ    平型半導体ヒーター
Ｂ    導線
Ｃ    発熱体
【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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