(57)【要約】【課題】バンプフォイルに弾性変形に特化した動作を行わせるとともに、周方向に均一な弾性力を確保することを可能にする。【解決手段】バンプフォイル５８は、複数のバンプフォイル片５９を備え、前記バンプフォイル片５９は、内周面５６ａに固定される底部５９ａと、前記底部５９ａの両端から前記内周面５６ａの内方に突出し、それぞれの端部が周方向に互いに逆方向に向かって円弧状に湾曲する第１弾性片部５９ｂ及び第２弾性片部５９ｃとを有する。第１弾性片部５９ｂの内周面５６ａからの高さは、第２弾性片部５９ｃの前記内周面５６ａからの高さよりも高く設定される。互いに隣接するバンプフォイル片５９は、一方の第１弾性片部５９ｂの端部が、他方の第２弾性片部５９ｃの端部と径方向に重なり合って配置される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円環状のベアリングケースと、
前記ベアリングケースの内周面に取り付けられるバンプフォイルと、
前記内周面に前記バンプフォイルよりも内方に位置して取り付けられるトップフォイルと、
を備える動圧気体ジャーナル軸受であって、
前記バンプフォイルは、単一の又は２分割された金属片部材で構成される複数のバンプフォイル片を備え、
前記バンプフォイル片は、前記内周面に固定される底部と、
前記底部の両端から前記内周面の内方に突出し、それぞれの端部が周方向に互いに逆方向に向かって円弧状に湾曲する第１弾性片部及び第２弾性片部と、
を有し、前記第１弾性片部の前記内周面からの高さは、前記第２弾性片部の前記内周面からの高さよりも高く設定され、
前記バンプフォイル片は、前記内周面に周方向に等間隔ずつ離間し、且つ前記第１弾性片部と前記第２弾性片部とが交互に配列されるとともに、
互いに隣接する前記バンプフォイル片は、一方の前記バンプフォイル片の前記第１弾性片部の前記端部が、他方の前記バンプフォイル片の前記第２弾性片部の前記端部と径方向に重なり合って配置され、
前記トップフォイルは、前記第２弾性片部の前記端部に重なる前記第１弾性片部の前記端部に接触するように、前記周方向に延在する金属板部材で構成されることを特徴とする動圧気体ジャーナル軸受。
【請求項２】
請求項１記載の動圧気体ジャーナル軸受において、前記内周面には、一組の隣接する前記バンプフォイル片同士の間隔が、他の隣接する前記バンプフォイル片同士の間隔よりも大きく設定されることにより、一組の隣接する前記バンプフォイル片同士の間にトップフォイル取り付け部が設けられるとともに、
前記トップフォイルの一端には、前記内周面に向かって折れ曲がって前記トップフォイル取り付け部に固定される折れ曲がり端部が設けられることを特徴とする動圧気体ジャーナル軸受。
【請求項３】
請求項２記載の動圧気体ジャーナル軸受において、前記トップフォイルの前記折れ曲がり端部は、前記バンプフォイル片の前記第２弾性片部の端部側で折れ曲がることを特徴とする動圧気体ジャーナル軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、円環状のベアリングケースと、前記ベアリングケースの内周面に取り付けられるバンプフォイルと、前記内周面に前記バンプフォイルよりも内方に位置して取り付けられるトップフォイルとを備える動圧気体ジャーナル軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、圧縮空気を効率的に供給する過給機として、遠心型圧縮機が採用されている。例えば、エンジンに圧縮空気を供給する補機として、あるいは、燃料電池に酸化剤ガスである圧縮空気を供給する補機として、利用されている。
【０００３】
この種の遠心型圧縮機では、相当に高速で回転させることが望まれており、高速軸受として、例えば、特許文献１に開示されている流体力学的流体膜式ジャーナル軸受が知られている。
【０００４】
このジャーナル軸受は、図１０に示すように、円環状の保持部材１を備えており、前記保持部材１内には、回転軸であるジャーナル２が収容されている。保持部材１とジャーナル２との間隙には、平滑な第１のフォイル要素３が配置されている。第１のフォイル要素３は、その母線に沿って分割された円筒形を有しており、その分割部の縁部に沿って保持部材１に形成されたキー溝４内に嵌め込まれたキー５に固定されている。
【０００５】
第１のフォイル要素３と保持部材１との間には、波板状のばね６が配置されている。ばね６は、第１のフォイル要素３と同様に、分割された円筒形を有し、キー５に前記第１のフォイル要素３とは反対側に固定されている。第１のフォイル要素３及びばね６の半径方向内側には、これらと同心上に第２のフォイル要素７が、クーロン減衰を向上させる目的で配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭５８−９９５１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記のジャーナル軸受では、ジャーナル２が回転する際に、このジャーナル２の軸芯が偏心すると、前記ジャーナル２が摺接する第１のフォイル要素３及び第２のフォイル要素７を介してばね６が円周方向に伸縮する。従って、ばね６は、保持部材１の内周面に摺接し、前記内周面との間に摩擦が惹起される。これにより、ばね６は、摩擦によって自由な弾性変形が阻害され、周方向に均一なバネレートが得られないという問題がある。
【０００８】
本発明はこの種の課題を解決するものであり、バンプフォイルに弾性変形に特化した動作を行わせるとともに、周方向に均一な弾性力を確保することが可能な動圧気体ジャーナル軸受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】
【０００９】
本発明は、円環状のベアリングケースと、前記ベアリングケースの内周面に取り付けられるバンプフォイルと、前記内周面に前記バンプフォイルよりも内方に位置して取り付けられるトップフォイルとを備える動圧気体ジャーナル軸受に関するものである。
【００１０】
バンプフォイルは、単一の又は２分割された金属片部材で構成される複数のバンプフォイル片を備え、前記バンプフォイル片は、内周面に固定される底部と、前記底部の両端から前記内周面の内方に突出し、それぞれの端部が周方向に互いに逆方向に向かって円弧状に湾曲する第１弾性片部及び第２弾性片部とを有している。
【００１１】
そして、第１弾性片部の内周面からの高さは、第２弾性片部の前記内周面からの高さよりも高く設定され、バンプフォイル片は、前記内周面に周方向に等間隔ずつ離間し、且つ前記第１弾性片部と前記第２弾性片部とが交互に配列されている。互いに隣接するバンプフォイル片は、一方の前記バンプフォイル片の第１弾性片部の端部が、他方の前記バンプフォイル片の第２弾性片部の端部と径方向に重なり合って配置されている。
【００１２】
一方、トップフォイルは、第２弾性片部の端部に重なる第１弾性片部の端部に接触するように、周方向に延在する金属板部材で構成されている。
【００１３】
また、この動圧気体ジャーナル軸受は、内周面には、一組の隣接するバンプフォイル片同士の間隔が、他の隣接する前記バンプフォイル片同士の間隔よりも大きく設定されることにより、一組の隣接する前記バンプフォイル片同士の間にトップフォイル取り付け部が設けられるとともに、トップフォイルの一端には、前記内周面に向かって折れ曲がって前記トップフォイル取り付け部に固定される折れ曲がり端部が設けられることが好ましい。
【００１４】
さらに、トップフォイルの折れ曲がり端部は、バンプフォイル片の第２弾性片部の端部側で折れ曲がることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明では、バンプフォイルを構成する複数のバンプフォイル片は、底部がベアリングケースの内周面に固定されるとともに、互いに隣接する一方のバンプフォイル片の第１弾性片部の端部と、他方のバンプフォイル片の第２弾性片部の端部とは、径方向に重なり合っている。このため、各バンプフォイル片は、ばね構造を有しており、トップフォイルが、端部同士の重なり部位に接触する際、前記バンプフォイル片がベアリングケースの内周面に摺接して摩擦が惹起されることがない。
【００１６】
従って、バンプフォイルは、弾性変形に特化した動きが可能になり、前記バンプフォイルの減衰力を良好に制御することができる。しかも、各バンプフォイル片は、ばね構造となり、円周方向の抵抗が削減されて支持機能を向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る動圧気体ジャーナル軸受を組み込む遠心型圧縮機の断面説明図である。
【図２】前記遠心型圧縮機の要部断面説明図である。
【図３】前記遠心型圧縮機の、図２中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】前記遠心型圧縮機を構成するスラストエア軸受の斜視説明図である。
【図５】前記スラストエア軸受の断面説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る動圧気体ジャーナル軸受の断面説明図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る動圧気体ジャーナル軸受の断面説明図である。
【図８】前記動圧気体ジャーナル軸受を構成するバンプフォイルの斜視説明図である。
【図９】前記バンプフォイルを構成するバンプフォイル片の斜視説明図である。
【図１０】特許文献１に開示されている流体力学的流体膜式ジャーナル軸受の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る動圧気体ジャーナル軸受を組み込む遠心型圧縮機（過給機）１０は、ケーシング１２を備える。このケーシング１２内には、回転軸ユニット１４が回転自在に装着される。
【００１９】
回転軸ユニット１４は、図１及び図２に示すように、円環状の永久磁石１６と、前記永久磁石１６の外周に設けられ、該永久磁石１６を収納（例えば、焼き嵌め）する円筒状の保護環１８とにより構成されるロータ２０、前記ロータ２０の軸方向端部の両方（少なくとも一方）に設けられるベアリングシャフト２２、２４、前記ベアリングシャフト２２の前記ロータ２０側と反対の軸方向端部に設けられるインペラ２６とを備える。
【００２０】
インペラ２６は、遠心圧縮部２８を構成するとともに、テンションシャフト３０の大径部３０ａに端面が当接する。テンションシャフト３０には、インペラ２６側からベアリングシャフト２２、ロータ２０及びベアリングシャフト２４の順に配置され、これらが、前記テンションシャフト３０に螺合する固定部材３２により一体的に保持される。
【００２１】
固定部材３２には、回転軸ユニット１４の回転時に矢印Ａ１方向に発生するスラスト力を緩和する機能を有するキャンセラー機構３４が設けられる。図１に示すように、キャンセラー機構３４は、加圧室３６内を矢印Ａ方向に摺動自在なキャンセラーディスク３８を備える。この加圧室３６には、通路４０を介してインペラ２６の回転により発生する空気が流入される。
【００２２】
ケーシング１２内には、ロータ２０の外周に位置して円環状のステータ４２が装着される。このステータ４２及びロータ２０によりモータ部４６が構成される。
【００２３】
ロータ２０を構成する保護環１８は、高剛性が要求されており、ニッケル系超合金、例えば、インコネル（スペシャルメタル社の商品名）により構成される。ステータ４２の外周側には、複数の冷却水流路４８が周回形成される。
【００２４】
図２に示すように、保護環１８は、ベアリングシャフト２２、２４が設けられる端面に、永久磁石１６の端面１６ａ、１６ｂよりも軸方向外方に突出する円筒状突起部１８ａ、１８ｂを設ける。
【００２５】
ベアリングシャフト２２は、軸方向一端に開放される円筒形状部２２ａを有し且つ軸方向他端に径方向内方に突出する底部２２ｂを形成する。ベアリングシャフト２４は、同様に軸方向一端に開放される円筒形状部２４ａを有し且つ軸方向他端に径方向内方に突出する底部２４ｂを有する。
【００２６】
ベアリングシャフト２２の底部２２ｂは、保護環１８の一方の円筒状突起部１８ａに接触し、ベアリングシャフト２４の底部２４ｂは、前記保護環１８の他方の円筒状突起部１８ｂに接触する。底部２２ｂ、２４ｂと永久磁石１６の端面１６ａ、１６ｂとは、それぞれ距離Ｓ１、Ｓ２だけ離間する。
【００２７】
ベアリングシャフト２２、２４の外周面に対向し、前記ベアリングシャフト２２、２４を保持するフォイル式気体軸受５０が設けられる。フォイル式気体軸受５０は、ベアリングシャフト２２、２４の径方向の位置を保持する第１の実施形態に係るジャーナルエア軸受（動圧気体ジャーナル軸受）５２ａ、５２ｂと、前記ベアリングシャフト２２の軸方向の位置を保持するスラストエア軸受５４とを備える。
【００２８】
ベアリングシャフト２２、２４は、ジャーナルエア軸受５２ａ、５２ｂを構成するとともに、例えば、保護環１８と同一材料であるニッケル系超合金により構成される。各ジャーナルエア軸受５２ａ、５２ｂは、ベアリングシャフト２２、２４の外周に所定の隙間を設けて配置される円環状のベアリングケース５６Ａ、５６Ｂを備える。ベアリングケース５６Ａ、５６Ｂは、ベアリングシャフト２２、２４を回転自在に支持するとともに、回転不能に固定される。
【００２９】
図３に示すように、ベアリングケース５６Ａの内周面５６ａには、波板形状のバンプフォイル５８と平板形状のトップフォイル６０との順に配置される。バンプフォイル５８は、端面視Ｕ字状の単一の金属片部材で構成される複数のバンプフォイル片５９を備える。
【００３０】
バンプフォイル片５９は、内周面５６ａに溶接等により固定される底部５９ａと、前記底部５９ａの両端から前記内周面５６ａの内方に突出し、それぞれの端部が周方向に互いに逆方向に向かって円弧状に湾曲する第１弾性片部５９ｂ及び第２弾性片部５９ｃとを有する。第１弾性片部５９ｂの内周面５６ａからの高さｈ１は、第２弾性片部５９ｃの前記内周面５６ａからの高さｈ２よりも高く設定される（ｈ１＞ｈ２）。
【００３１】
各バンプフォイル片５９は、内周面５６ａに周方向（矢印Ｃ方向）に等間隔ずつ離間し、且つ第１弾性片部５９ｂと第２弾性片部５９ｃとが交互に配列される。互いに隣接するバンプフォイル片５９は、一方の前記バンプフォイル片５９の第１弾性片部５９ｂの端部が、他方の前記バンプフォイル片５９の第２弾性片部５９ｃの端部と径方向に重なり合って配置される。トップフォイル６０は、各第２弾性片部５９ｃの端部に重なる各第１弾性片部５９ｂの端部に接触するように、周方向に延在する金属板部材で構成される。
【００３２】
ベアリングケース５６Ａの内周面５６ａには、一組の隣接するバンプフォイル片５９同士の間隔が、他の隣接する前記バンプフォイル片５９同士の間隔よりも大きく設定されることにより、一組の隣接する前記バンプフォイル片５９間にトップフォイル取り付け部６１が設けられる。
【００３３】
トップフォイル６０の一端には、内周面５６ａに向かって折れ曲がってトップフォイル取り付け部６１に、溶接等により固定される折れ曲がり端部６０ａが設けられる。この折れ曲がり端部６０ａは、バンプフォイル片５９の第２弾性片部５９ｃの端部側で折れ曲がっている。トップフォイル６０の他端は、自由端を構成する。なお、ベアリングケース５６Ｂは、上記のベアリングケース５６Ａと同様に構成される。
【００３４】
図１及び図２に示すように、ベアリングシャフト２２の外周部には、スラストエア軸受５４を構成する大径フランジ部６２が設けられる。大径フランジ部６２を挟んで軸方向両側には、リング部材６４ａ、６４ｂが配置される。
【００３５】
図４に示すように、リング部材６４ａ、６４ｂには、互いに大径フランジ部６２に対向する面に、波板形状のバンプフォイル６６と平板形状のトップフォイル６８とが設けられる。バンプフォイル６６及びトップフォイル６８は、リング部材６４ａ、６４ｂの内周面を周回して、それぞれ円環状に複数配置される。
【００３６】
図５に示すように、各バンプフォイル６６は、一端６６ａがリング部材６４ａ、６４ｂに溶接されるとともに、他端６６ｂが自由端を構成する。各トップフォイル６８は、一端６８ａがリング部材６４ａ、６４ｂに溶接される一方、他端６８ｂが自由端となっている。
【００３７】
図２に示すように、インペラ２６の軸方向端部２６ａは、ベアリングシャフト２２の円筒形状部２２ａに同軸的に嵌合する（インロー構造）。ベアリングシャフト２２、２４は、それぞれの底部２２ｂ、２４ｂが保護環１８の円筒状突起部１８ａ、１８ｂに同軸的に嵌合する（インロー構造）。
【００３８】
ケーシング１２内には、図１に示すように、モータ部４６を構成する保護環１８とステータ４２との間に、冷媒用流通路７０が形成される。この流通路７０の入口側及びキャンセラー機構３４の通路４０は、遠心圧縮部２８のコンプレッサ出口７２に連通している。インペラ２６が回転することにより圧縮された空気は、コンプレッサ出口７２から流通路７０の入口側及びキャンセラー機構３４の通路４０に送風される。
【００３９】
このように構成される遠心型圧縮機１０の動作について、以下に説明する。
【００４０】
先ず、電動機を構成するステータ４２に通電することにより、ロータ２０を構成する永久磁石１６及び保護環１８は、テンションシャフト３０と一体に回転する。このため、テンションシャフト３０に保持されているインペラ２６は、比較的高速で回転し、遠心圧縮部２８を介して大気から空気の吸引が行われる。
【００４１】
インペラ２６により吸引された空気は、遠心圧縮部２８により圧送され、例えば、図示しない燃料電池の酸化剤ガス供給系に送られる。燃料電池には、図示しない燃料ガス供給系から燃料ガス（水素ガス）が供給される。従って、カソード側に供給される空気とアノード側に供給される水素との反応により、発電が行われる。
【００４２】
遠心圧縮部２８により吸引される空気の一部は、圧縮されてコンプレッサ出口７２からケーシング１２内の流通路７０に供給される。この流通路７０を通過してモータ部４６を冷却した冷却風は、外部に排出される。
【００４３】
また、遠心圧縮部２８により吸引される空気の一部は、圧縮されてコンプレッサ出口７２からキャンセラー機構３４を構成する通路４０を通って加圧室３６に供給される。従って、加圧室３６に配設されるキャンセラーディスク３８には、インペラ２６から離間する方向（矢印Ａ２方向）に押圧力が付与される。これにより、インペラ２６の回転によって、矢印Ａ１方向に作用するスラスト力は、キャンセラー機構３４により緩和される。
【００４４】
この場合、第１の実施形態では、図３に示すように、バンプフォイル５８は、端面視Ｕ字状の単一の金属片部材で構成される複数のバンプフォイル片５９を備えている。各バンプフォイル片５９は、内周面５６ａに等間隔ずつ離間して固定される底部５９ａの両端から、それぞれ高さが異なる第１弾性片部５９ｂ及び第２弾性片部５９ｃが前記内周面５６ａの内方に突出し、隣接する端部同士が径方向に重なり合って配置されている。
【００４５】
このため、各バンプフォイル片５９は、ばね構造を有しており、トップフォイル６０が、端部同士の重なり部位に接触する際、前記バンプフォイル片５９がベアリングケース５６Ａの内周面５６ａに摺接して摩擦が惹起されることがない。
【００４６】
従って、バンプフォイル５８は、弾性変形に特化した動きが可能になり、前記バンプフォイル５８の減衰力を良好に制御することができるという効果が得られる。
【００４７】
しかも、各バンプフォイル片５９は、ばね構造となり、円周方向の抵抗が削減されて支持機能を向上させることが可能になる。また、バンプフォイル片５９の材質や厚さを選択することにより、減衰力の調整が容易に遂行される。
【００４８】
さらに、トップフォイル６０の一端には、折れ曲がり端部６０ａが設けられるとともに、この折れ曲がり端部６０ａは、バンプフォイル片５９の第２弾性片部５９ｃの端部側で、すなわち、第１弾性片部５９ｂよりも高さの低い端部側で折れ曲がっている。これにより、折れ曲がり端部６０ａに過度の負荷が作用することがなく、トップフォイル６０全体の剛性を良好に維持することができる。
【００４９】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る動圧気体ジャーナル軸受であるジャーナルエア軸受８０の断面説明図である。
【００５０】
なお、第１の実施形態に係るジャーナルエア軸受５２ａと同様の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００５１】
ジャーナルエア軸受８０は、波板形状のバンプフォイル８２を備えるとともに、前記バンプフォイル８２は、端面視Ｕ字状の２分割された金属片部材で構成される複数のバンプフォイル片８４を備える。
【００５２】
バンプフォイル片８４は、それぞれ内周面５６ａに溶接等により固定される底部８６ａ、８８ａと、前記底部８６ａ、８８ａから前記内周面５６ａの内方に突出し、端部が周方向に互いに逆方向に向かって円弧状に湾曲する第１弾性片部８６ｂ及び第２弾性片部８８ｂとを有する。第１弾性片部８６ｂの内周面５６ａからの高さｈ１は、第２弾性片部８８ｂの前記内周面５６ａからの高さｈ２よりも高く設定される（ｈ１＞ｈ２）。
【００５３】
このように構成される第２の実施形態では、バンプフォイル８２が、単一の金属片部材で構成される複数のバンプフォイル片５９（第１の実施形態）に代えて、端面視Ｕ字状の２分割された金属片部材で構成される複数のバンプフォイル片８４を備えている。
【００５４】
このため、第２の実施形態では、バンプフォイル片８４は、ばね構造を有しており、弾性変形に特化した動きが可能になり、バンプフォイル８２の減衰力を良好に制御することができる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５５】
図７は、本発明の第３の実施形態に係る動圧気体ジャーナル軸受であるジャーナルエア軸受９０の断面説明図である。
【００５６】
ジャーナルエア軸受９０は、波板形状のバンプフォイル９２を備えるとともに、前記バンプフォイル９２は、端面視Ｕ字状乃至Ｖ字状の単一の金属片部材で構成される複数のバンプフォイル片９４を備える。
【００５７】
バンプフォイル片９４は、図７〜図９に示すように、ベアリングケース５６Ａの内周面５６ａに溶接等により固定される略平坦形状の底部９４ａと、前記底部９４ａの両端から前記内周面５６ａの内方に突出し、それぞれの端部が周方向に互いに逆方向に向かって円弧状に湾曲する第１弾性片部９４ｂ及び第２弾性片部９４ｃとを有する。第１弾性片部９４ｂの内周面５６ａからの高さｈ１は、第２弾性片部９４ｃの前記内周面５６ａからの高さｈ２よりも高く設定される（ｈ１＞ｈ２）。
【００５８】
このように構成される第３の実施形態では、バンプフォイル片５９（第１の実施形態）に代えて、バンプフォイル片９４を備えている。従って、バンプフォイル片９４は、ばね構造を有しており、弾性変形に特化した動きが可能になり、バンプフォイル９２の減衰力を良好に制御することができる等、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００５９】
１０…遠心型圧縮機                  １２…ケーシング
１４…回転軸ユニット                １６…永久磁石
１８…保護環                        ２０…ロータ
２２、２４…ベアリングシャフト      ２６…インペラ
３０…テンションシャフト            ３２…固定部材
３４…キャンセラー機構              ３６…加圧室
３８…キャンセラーディスク          ４０…通路
４２…ステータ                      ４６…モータ部
５０…フォイル式気体軸受
５２ａ、５２ｂ、８０、９０…ジャーナルエア軸受
５４…スラストエア軸受              ５６Ａ、５６Ｂ…ベアリングケース
５６ａ…内周面
５８、６６、８２、９２…バンプフォイル
５９、８４、９４…バンプフォイル片
５９ａ、８６ａ、８８ａ、９４ａ…底部
５９ｂ、５９ｃ、８６ｂ、８８ｂ、９４ｂ、９４ｃ…弾性片部
６０、６８…トップフォイル          ６０ａ…折れ曲がり端部
６１…トップフォイル取り付け部      ７０…流通路
【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】
2011169413.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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