(57)【要約】      （修正有）【課題】所望の非線形性の大部分を失うことなく、圧力低下が小さいフローリストリクタを提供する。【解決手段】少なくとも１つの導入部、少なくとも１つの導出部、及び流路を有する第１のディスクと、流路を有さない第２のディスクとを備えるフローリストリクタであって、第１のディスク及び第２のディスクは互いに積み重ねられる。また、マスフローコントローラは、入力部、出力部、流路、圧力トランスデューサ及び上記フローリストリクタを備えている。【選択図】図２
2011257004.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの導入部、少なくとも１つの導出部、並びに、前記導入部及び導出部を繋げる流路を有する第１のディスクと、
流路を有さない第２のディスクとを備え、
複数の第１のディスク及び複数の第２のディスクが交互に積み重ねられて積層構造をなすものであり、
前記第１のディスク及び前記第２のディスクが非焼結金属からなり、
前記第１のディスクに形成された貫通孔により前記導入部、前記導出部及び前記流路が構成されるとともに、前記第１のディスクの厚みにより前記流路の断面積が調整されることを特徴とするフローリストリクタ。
【請求項２】
入力部と、出力部と、流路と、圧力トランスデューサと、フローリストリクタとを備えたマスフローコントローラであって、
前記フローリストリクタが、少なくとも１つの導入部、少なくとも１つの導出部、並びに、前記導入部及び導出部を繋げる流路を有する第１のディスクと、流路を有さない第２のディスクとを備え、
複数の第１のディスク及び複数の第２のディスクが交互に積み重ねられて積層構造をなすものであり、
前記第１のディスク及び前記第２のディスクが非焼結金属からなり、
前記第１のディスクに形成された貫通孔により前記導入部、前記導出部及び前記流路が構成されるとともに、前記第１のディスクの厚みにより前記流路の断面積が調整されることを特徴とするマスフローコントローラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
１．説明
Ｉ．Ａ．関連出願
本出願は、同時係属中の２０４年２月２７日に出願された米国仮特許出願第６０／５４８，１０９号に基づく優先権を主張するものであり、当該出願の開示内容は本件出願に援用する。また、本出願は、同時係属中のダニエル  マッド等による”Higher accuracy pressure based flow controller”と題する米国出願第１０／６５２，５０６号の一部係属出願である。この一部係属出願は２００２年８月２８日に出願された仮出願第６０／４０６，５１１号を優先権の基礎としており、これら両出願の内容を本件出願に援用する。
【０００２】
Ｉ．Ｂ．分野
本開示は、例えばマスフローコントローラの一部として流量測定に用いられるフローリストリクタに関する技法を教示する。本開示は、フローリストリクタ内に清浄であり性能の変動なく形成される流路を設けるのに役立つ。
【背景技術】
【０００３】
Ｉ．Ｃ．背景
１．導入
フローリストリクタは、マスフローコントローラを含む多くの用途で用いられる。従来のフローリストリクタは、焼結合金又はフィルタから成り、これらの流れ抵抗は、製造プロセスにおいて性能の許容設計値範囲に反して制御することはできない。設計者は多くの場合、適切なフローリストリクタを得るために既製品から適したフローリストリクタを選択する必要がある。さらに、フローリストリクタは、流量測定の使用時に非線形特性を示すことができる。
【０００４】
従来のフローリストリクタは、焼結合金又は網状エレメントから作製される。これらのフローリストリクタは、流量制御装置の流れ圧力の緩衝器として用いられる。例えば、流量計は、フローリストリクタの差圧及び流れ特性を利用することができる。
【０００５】
焼結合金材料製のこのタイプのフローリストリクタの場合、多孔度を制御することが困難である。さらに、このような製品は、或る特定の範囲の流れ抵抗を得るために既製品から選択しなければならない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
２．従来の焼結フローリストリクタの問題
焼結エレメントは、サーマルマスフローコントローラのリストリクタ構造ほど清浄ではないと考えられる。
【０００７】
焼結エレメントの性能は多くの場合、５ＳＬＭを超える流れで低下する。焼結エレメントリストリクタは、そこを通る流れが（層性ではなく）音性を帯びるとき、所望の非線形性の大部分を失う。これは、より多くの流れがフローリストリクタを通ることによって水力直径が大きくなることに起因する。
【０００８】
焼結エレメントは多くの場合、マスフローコントローラに対する入口圧力が低くなると動作しない。これにより、入口圧力を高くする必要が生じるが、これは多くの場合、既存の市場で広く受け入れられることを阻む。したがって、圧力低下が小さいことが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
ＩＩ．概要
本開示は、上記欠点の一部を克服するとともに、関連技術のフローリストリクタ及びマスフローコントローラにおいて上述の利点の一部を確実にする技法を提供する。
【００１０】
本開示の一態様によれば、少なくとも１つの導入部、少なくとも１つの導出部、及び流路を有する第１のディスクと、流路を有さない第２のディスクとを備えるフローリストリクタが提供される。第１のディスク及び第２のディスクは互いに積層される。
【００１１】
別の態様によれば、入力部と、出力部と、流路と、圧力トランスデューサと、上記フローリストリクタとを備えるマスフローコントローラが提供される。
【００１２】
本開示のさらに別の態様は、第１のディスクに少なくとも１本の流路を形成することを含むことを特徴とするフローリストリクタを製造する方法である。流路を含まない第２のディスクが、第１のディスクの上に重ねられる。
【００１３】
本開示の上記目的及び利点は、添付図面を参照してその好ましい実施形態を詳細に説明することによって、より明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】（ａ）〜（ｃ）はディスクの例示的な実施形態を示す。
【図２】積み重ねディスクリストリクタの例示的な実施形態を示す。
【図３】６種類のガスに関する、積み重ねリストリクタを有するＭＦＣの例示的な実施形態の流れデータを示すグラフを示す。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は３つのフローディスク例のうちの１つの例示的な実施形態を示す。
【図５】リストリクタタイプのいくつかの可能な組み合わせ例を示す表を示す。
【図６】比較のために多孔性金属リストリクタ及びチューブリストリクタのデータを示す。
【図７】拡散接合前の、１０個のＦ１＿２４ディスク例の流れ非線形性及び変動性を示す。
【図８Ａ】拡散接合前の別のタイプのディスクの非線形性及び変動性を示す。
【図８Ｂ】読み取りバンドの１％以内まで性能が著しく向上する、２番ディスクの別の例示的な実施形態からのデータを示す。
【図９】比較のために焼結エレメントディスクリストリクタの流れ曲線及び変動性を示す。
【図１０】３００ＳＣＣＭリストリクタの後拡散接合を示す。
【図１１】３個の３００ｓｃｃｍディスクがリストリクタに積み重ねられた、９００ＳＣＣＭリストリクタの後拡散接合を示す。
【図１２Ａ】同じフローカテゴリにおけるリストリクタごとの変動を示す。
【図１２Ｂ】同じフローカテゴリにおけるリストリクタごとの変動を示す。
【図１３】マスフローコントローラを９００ｓｃｃｍリストリクタを用いて作製し、同じ較正及び設定点を有する６種類のガスで動作させた結果を示す。
【図１４】本開示のディスクリストリクタの例示的な実施形態の試験結果及びシミュレーション結果を示す２つのグラフを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
ＩＶ．詳細な説明
ＩＶ．Ａ．概要
本開示の非焼結フローリストリクタは、ブライト鋼板の厚さに対応して形成される流路を有する。流路は、エッチングプロセスによって形成される。流路を有するこのような１枚の板に、エッチング路を有さない別の板が被せられる。この種の流路エレメントをサンドイッチ状に重ねて、所望の流量を得る。ディスク形の流路エレメントは、拡散接合を用いて、流路を有さないエレメントに取り付けられる。
【００１６】
例示的な実施形態では、窓とも呼ばれる流路の断面積は、板厚及び板厚内のエッチングの深さによって決まる。このような窓の数を増減させることによって、フローリストリクタ内の流量及び差圧の調整を制御することができる。さらに、エッチングの幅及び板厚を変えることで、流路の断面積を制御することができる。
【００１７】
フローリストリクタ内の流量及び差圧は、エッチングが施された板の数及び板厚を増減させることによっても制御することができる。
【００１８】
このようなフローリストリクタは、低流量域での動作を可能にする非線形特性を有するため、低圧で動作する圧力計による圧力測定の誤差が減る。
【００１９】
このようなフローリストリクタは、あらゆる流体材料に適用可能であり、流体流量測定のために圧力計との様々な組み合わせで用いることができる。
【００２０】
ＩＶ．Ｂ．例示的な実施形態
例示的な実施形態を図１に示す。本開示の積層型ディスクリストリクタの図示の実施形態は、フローディスク及びスペーサディスクから成る。フローディスクは、エッチングで完全に貫通除去した部分（例えば部分１００）を有する。これらのエッチング除去部分は通常、一定の幅であり、内側位置１１０から外側位置１２０まで延びる。
【００２１】
スペーサディスク（図１（ｂ））は、エッチング貫通部分を有さない。これらは、図２に示すフローディスクの両面に配置される。フローディスクのエッチング部分がフローディスクの真上及び真下のスペーサディスクに隣接することによって、流路が形成される。スペーサディスクは通常、流路の開始位置１１０よりも大きな内径１３０と、流路の終端位置１２０よりも小さな外径とを有することで、ガスが流路に出入りすることを可能にする。
【００２２】
このような貫通エッチングされたフローディスクとスペーサディスクとの組み合わせにより、流路水力直径のより良好な制御が得られる。当然の結果として、リストリクタごとの変動のより良好な制御が得られる。
【００２３】
代替的な実施態様は、本質的に直線状ではなく図１（ｃ）に示すように湾曲した流路を辿るフローディスクである。これにより、フローディスクの直径が限られている場合、流路（複数可）の長さを最大にすることができる。
【００２４】
さらに別の代替的な実施形態では、流路がアルキメデススパイラル（すなわち、極座標表記でｒ＝ｄα）のパターンを辿る最適な幾何学的形状が用いられる。
【００２５】
別の実施形態では、主に圧縮性の層流が得られて、デバイスが有益な非線形を示すようになる。これにより、より広いダイナミックレンジが可能になる。
【００２６】
例示的な実施形態では、１本の流路又は複数の流路が１つのディスクにレイアウトされる。流路は同一であっても同一でなくてもよい。次に、スペーサディスクをフローディスク間に交互に挟んで、複数のディスクを互いに積み重ねる。これにより、大きなダイナミックレンジに及ぶいくつかの異なるリストリクタの作製の基礎が得られる。このようなダイナミックレンジが利用可能であることで、必要とされる較正作業が減る。
【００２７】
上記のように、複数のフローディスクを、小さなタブによって保持された１枚の板にエッチングすることができる。板は、フローディスク及びスペーサディスクの両方に共通のツーリングホールを含むことができる。
【００２８】
フローディスク及びスペーサディスクは、互いに対してディスクの正しい位置を確保するためにツーリングピンによって位置合わせされる。板は、適切な相対位置で互いに拡散接合されるまで板を所定位置に保持するために、スポット溶接されるか又は他の手段によって保持される。
【００２９】
代替的な実施形態では、ディスクは拡散接合以外の他の手段（例えば、機械的締着）によってつなぎ合わせることができる。
【００３０】
締着された機構は、望ましくないガスを抜くか又はゆっくりと乾燥させる接合面を有する。ディスクの拡散接合は、金属面同士を接合して望ましくない接合面をなくす。
【００３１】
厚さが０．００２インチ（約０．０５０８ｍｍ）を超える推奨ディスクを焼きなまして、プロセス中の結晶粒の成長を最小限に抑えることができ、０．００２インチ（約０．０５０８ｍｍ）未満のディスクを５０％以上加工硬化させてディスクの剛性を高めることによって、取り扱い性を向上させることができる。
【００３２】
上記のように、ディスクリストリクタは、スペーサディスク間に交互に配置されたフローディスクから成る。３つのフローディスク例を図４に示す。これらは、各ディスクの流路の数のみが互いに異なる。ディスクＦ１．１、Ｆ１．８、及びＦ１．２２を図４（ａ）〜図４（ｃ）に示す。
【００３３】
リストリクタの所望の流量定格に応じて、例示的なリストリクタ全てのサイズを２，５００ＳＣＣＭ以下になるように作製するために、１つ〜３つのフローディスクが含まれる。このような例示的な構成では、最小の４０ＳＣＣＭリストリクタは１本の流路を有し、２，５００ｓｃｃｍリストリクタは６６本の流路を有することになる。
【００３４】
流量を多くするにはより多くのフローディスクを積み重ね、１０ＳＬＭは２６４本の流路を有していたが、全ての１０ＳＬＭのリストリクタスタックの高さは２ｍｍであるため、同じＭＦＣ（マスフローコントローラ）ベースでの互換性が得られる。
【００３５】
図５は、リストリクタの例のタイプを示す表を示す。
【００３６】
ＩＶ．Ｃ．リストリクタの非線形性
このようなリストリクタ設計では、非線形の流れが得られるとともに、圧縮性流れも得られる。比較すると、サーマルＭＦＣの層流エレメントは圧力低下が小さいように設計されており、ＬＦＥ（層流エレメント）にわたる圧力低下は、ライン圧力と比較して著しくはない。このようなサーマルＭＦＣでは、ガス密度はその経路に沿って大きく変化せず、流れは非圧縮性であるとみなすことができる。
【００３７】
層流では、粘性力が優勢であり、平行な流れライン間の剪断速度に比例する。非圧縮性流れの場合、この比例粘性関係から、標準的なサーマルＭＦＣで既知である圧力低下と流量との間の単純でよく知られた線形関係が得られる。例えば、流れを２倍にするとエレメントにわたる圧力低下も２倍になる。
【００３８】
圧縮性流れでは、この単純な線形関係はもはや当てはまらない。しかしながら、流れと、入口圧力と、排気圧力との間の非線形関係は、単純な非圧縮性流れの理論を有限差分法と組み合わせることによって効果的にシミュレートすることができる。一般的な支配方程式の展開は、シミュレーション結果を観察し、条件の工学的重ね合わせを適用して排気圧力の効果を決定することによって行われる。
【００３９】
圧縮性流れ下での理想的な層流エレメントの解析結果は、以下のように要約される。
【００４０】
１．真空内への質量流量は、幾何学的定数×絶対入口圧力の２乗に等しい。
【００４１】
Ｍｖａｃ＝ＫＧｅｏ×Ｋｇａｓ  ｐｒｏｐ＝ｆ（ｔ）×Ｐ２ｉｎｌｅｔ
【００４２】
２．非真空条件への質量流量は、絶対入口圧力の２乗及び絶対排気圧力対絶対入口圧力の比の関数である。特に、非真空排気質量流量は、この圧力比の逆正弦の余弦で減少する。
【００４３】
Ｍｎ＿ｖａｃ＝Ｍｖａｃ×ｃｏｓ（ａｓｉｎ（Ｐｅｘｈ／Ｐｉｎｌｅｔ））＝ＫＧｅｏ×Ｐ２ｉｎｌｅｔ×ｃｏｓ（ａｓｉｎ（Ｐｅｘｈ／Ｐｉｎｌｅｔ））
【００４４】
ディスクリストリクタの例示的な実施形態に関する試験データから得られる流れ曲線と、層流理論のみに依拠した数値シミュレーションによって生成される流れ曲線とは、本開示のリストリクタを通る流れが主に圧縮性の層流であるという結論を裏付けるものである。
【００４５】
図１４は、本開示のディスクリストリクタの例示的な実施形態の試験結果及びシミュレーション結果を示す２つのグラフを示す。
【００４６】
本開示のディスクリストリクタの主な機構は圧縮性の層流であるが、二次機構が存在し、これが試験データとシミュレーションとの間の偏差に関与する。
【００４７】
例示的な実施形態の実際のデータに最も一致するのは、
【００４８】
Ｍｖａｃ＝ＫＧｅｏ×Ｐ１．８５ｉｎｌｅｔ
という方程式であって、
【００４９】
Ｍｖａｃ＝ＫＧｅｏ×Ｐ２．０ｉｎｌｅｔ
ではない。
【００５０】
冪数が２．０ではなく１．８５である理想的な方程式からのこの偏差は、これらの機構を証明する。シミュレーション及び一般方程式で説明されない二次機構は、以下のものを含む。
【００５１】
１．層流は、ＬＦＥに入ってから十分に発達するのに限られた距離を要する。当該技術分野における以前の研究では、入口から５０水力直径の距離に達するまで層流がＬＦＥ内で完全に発達しないことが示唆されている。
【００５２】
レイノルズ数がガス流がほぼ層流形態であることを示していても、ガス速度による位置運動エネルギー、（１／２）ｍＶ２の項が大きくなると、局所的な乱れがさらなる寄生運動損失を引き起こし得る。（さらなる詳細は、Drexelによる米国特許で見ることができる）このような場合、著者らは、このさらなる運動損失が、以下で分かるようにＳＦ６及びＣＦ４の流れ曲線がより軽量のガスの流れ曲線のスカラー倍（相対粘度のみによって決まる）からわずかにずれる原因であると推測する。この作用を説明するために、運動損失の項を既存のシミュレーションに加えてこの作用に近似させることができる。
【００５３】
最後に、層流の様相は、ガスの平均自由行程が流路の水力直径の大部分となる時点までＬＦＥの一部のライン圧力が低下すると衰え始める。このような状況では、質量流量は純粋な層流理論と比較して減少する。この流量減少の推定値が存在し、これは通常、ガスの平均自由行程対流路の水力直径の比に適合される。したがって、分子流の影響が既存のシミュレーションに加えられ得る。
【００５４】
流路のＬ／Ｄ比を増大させると、二次的な非層流作用に対して層流力が増大する。設計パッケージサイズ及び部品費が許す限り、この比を最大にして、理想的な層流エレメントにより近い性能を有するリストリクタを得るべきである。
【００５５】
圧縮性流れの圧力低下が大きくても大幅に層流を維持するようにリストリクタの幾何学的形状を設計すれば、非線形の流れ曲線を利用することができる。この有益な非線形性を用いると、サーマルＭＦＣが示すようなフルスケール誤差特性の％ではなく読み取り誤差特性の％を示すマスフローコントローラを開発することができる。
【００５６】
流路の有効（水力）直径が比較的小さく長さが比較的長いことにより、圧縮性ガス流に関連する圧力低下が大きくても維持できる層流が得られる。
【００５７】
サーマルＭＦＣの層流エレメントは、圧力低下が小さいように設計されており、全体の圧力低下はリストリクタのライン圧力と比較して小さく、ガス流はこのようなサーマルＭＦＣでは非圧縮性であるとみなすことができる。
【００５８】
しかしながら、本開示の構造は、圧縮性流れを意図的に促す。リストリクタをＭＦＣ制御弁の下流に配置してＭＦＣから真空に排気する設計の結果として、層流エレメントにわたる圧力低下は、リストリクタの絶対上流圧力の１００％ではないとしても大きな割合と等しい。
【００５９】
これら大きな圧力低下を有する層流を維持するためには、圧縮性層流リストリクタの流路の有効直径がサーマルＭＦＣリストリクタ設計に見られる直径よりもはるかに小さい必要がある。本開示のディスクリストリクタはこの課題を果たす。
【００６０】
非圧縮性層流の場合、
質量流量ｍは体積流量Ｑ×密度ｒであり、圧力低下ｄＰに比例する。
【００６１】
Ｍ＝Ｑ×ｒ
【００６２】
密度は、ガスの絶対圧力Ｐａｂｓに反比例する。
【００６３】
ｒ∝１／Ｐａｂｓ
【００６４】
圧力低下は体積流量×絶対粘度ｍに比例する。
【００６５】
ｄＰ∝Ｑ×ｈ、したがってＱ∝ｄＰ／ｍ
【００６６】
項の置換及び結合によって以下を得ることができる。
【００６７】
Ｍ＝Ｋ  ｄＰ／ｍ×１／Ｐａｂｓ＝Ｋ／ｍ×ｄＰ／Ｐａｂｓ
【００６８】
粘度が圧力とともにわずかに変化し、所与のガスで一定であるとみなされ得るとすると、質量流量は圧力低下に比例し、ライン圧力に反比例する。
【００６９】
一例として、一定の質量流量では、流れの絶対ライン圧力を減らす結果としてリストリクタにわたる圧力低下は２倍になる。
【００７０】
非圧縮性層流の特性を考察するために、圧縮性流れを、連続部分それぞれの出口が次の部分の入口と直列になった、一連の非圧縮性流れとみなすことができる。また、層流エレメントが真空まで排気されていると仮定する。
【００７１】
この場合、一連の組のリストリクタ部分の平均ライン圧力は、リストリクタへの入口圧力が低下すると低下する。その結果、リストリクタに対する有効ライン圧力が低下して、その組のｓｃｃｍあたりの増分圧力が上昇する。この結果は、流れ曲線の勾配（ｔｏｒｒ／ｓｃｃｍ）がリストリクタの絶対入口圧力の値に比例する、本開示のディスクリストリクタの観察された流れ特性とみごとに相関している。
【００７２】
ＩＶ．Ｄ．試験結果
十分に小さな直径を有するディスクフローリストリクタの一例を、大きな圧力低下で真空まで排気する層流を確保するように設計した。リストリクタをＭＦＣ内に配置し、リストリクタの流れ性能を調査した。図６は、比較のために多孔性金属リストリクタ及びチューブリストリクタのデータを示す。リストリクタディスクの有益な非線形性、流量、及び変動性を、拡散接合の前後に試験した。
【００７３】
図７は、拡散接合前の、１０個のＦ１＿２４ディスクの流れ非線形性及び変動性を示す。
【００７４】
同様に、図８Ａは、拡散接合前の別のタイプのディスクの非線形性及び変動性を示す。
【００７５】
同様に、図８Ｂは、読み取りバンドの１％以内まで性能が著しく向上する、２番ディスクの別の例示的な実施形態からのデータを示す。
【００７６】
図９は、比較のために焼結エレメントディスクリストリクタの流れ曲線及び変動性を示す。
【００７７】
図１０は、３００ＳＣＣＭリストリクタの後拡散接合を示す。見て分かるように、目標圧力低下及び非線形性は良好である。
【００７８】
同様に、図１１は、３個の３００ｓｃｃｍディスクがリストリクタに積み重ねられた、９００ＳＣＣＭリストリクタの後拡散接合を示す。これは、接合中の押圧が５００ポンドまで減っているため、垂直方向の積み重ねがリストリクタを通る流れに大きな影響を及ぼさないことを示す。
【００７９】
同じフローカテゴリにおけるリストリクタごとの変動を、８つのリストリクタカテゴリのうち６つについて図１２Ａ及び図１２Ｂに示す。単純な１ポイント試験を拡散接合リストリクタの試験として用いた。
【００８０】
見て分かるように、リストリクタカテゴリ内の標準偏差は、試験した６つのカテゴリ全てで約３％である。
【００８１】
１つの最終試験として、マスフローコントローラを９００ｓｃｃｍリストリクタを用いて作製し、同じ較正及び設定点を有する６種類のガスで動作させた。真空までの排気中に、上流ＣＤＧ圧力読み取り値をＭＦＣに問い合わせる（queering）ことによって、各ガスの流れ曲線を収集した。Ｍｏｌ  ＢｌｏｃをＭＦＣと直列に配置して、流れ基準として用いた。多様なガスごとに予想される変動が、層流理論から予想されるように依然として約＋／−２０％であることを確認することが目的であった。
【００８２】
結果を図１３に示す。
【００８３】
見て分かるように、著しく異なるガスタイプ間の変動は予想通りに小さく、全ての場合に有益な非線形性がある。
【００８４】
本発明に対する他の変更及び変形が、上記の開示及び教示から当業者には明らかとなるであろう。したがって、本発明の特定の実施形態のみを本明細書中で具体的に説明したが、本発明の精神及び範囲から逸脱せずに多くの変更を本発明に加えることができることが明らかとなるであろう。
【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８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2011257004.tif 000014
【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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