(57)【要約】      （修正有）【課題】優れた断熱性能を有することができる断熱材及びそれを含む断熱部品の提供。【解決手段】複数本の中空パイプ１が束ねられた母材3の第１端を封止する一方、母材3の第２端側から各中空パイプ1の内部気体を吸引する。このように各中空パイプ1の内部圧力が減圧された状態の母材3を第１端側から加熱しながら紡糸することにより、母材3から細径繊維を生成する。また、紡糸の際、細径繊維内の空孔を封止する封止部を間歇的に細径繊維に形成することにより、断熱用細径繊維が製造される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
細径繊維の集合体である断熱材であって、
前記細径繊維の平均外径は１μｍ以上１０μｍ以下であり、
前記各細径繊維の断面において、前記各細径繊維には平均外径５００ｎｍ以下の複数の空孔が存在し、
前記各空孔の内部圧力は大気圧未満である断熱材。
【請求項２】
内部に複数の空孔を有するとともに、平均外径が１０μｍ以下の細径繊維を含む断熱材であって、
前記各空孔は、両端または前記両端に挟まれた中間区間における複数箇所が封止され、封止された前記各空孔の内部圧力が大気圧より減圧されている断熱材。
【請求項３】
前記空孔それぞれの内部圧力は、１０ｋＰａ以下であることを特徴とする請求項１または２記載の断熱材。
【請求項４】
前記細径繊維は、ガラスからなることを特徴とする請求項１または２記載の断熱材。
【請求項５】
それぞれが請求項１または２に記載の前記断熱材と同一構造の複数の部材の集合体を含む断熱部品であって、
前記集合体の外部が外被材によって覆われた構造、及び、前記集合体を構成する部材間がバインダーによって充填された構造、の少なくともいずれかの構造を備えた断熱部品。
【請求項６】
複数本のパイプが束ねられることで構成された、第１端と前記第１端に対向する第２端を有する母材を用意し、
前記母材の第１端側を封止し、
前記母材の第２端側から前記各パイプの内部気体を吸引することで、前記各パイプの内部圧力が大気圧より減圧された状態に設定し、
前記各パイプの内部圧力が減圧された前記母材の前記第１端側の軟化を開始し、軟化領域を前記第２端側に移動させつつ紡糸することで、前記母材から前記複数本のパイプが一体化した細径繊維を生成し、
紡糸中の前記細径繊維の軟化部分において、温度、捻回数、張力、前記各パイプの内部圧力、及び、外部圧力の少なくとも何れかを間歇的に変化させることにより、前記各パイプの内部に細径繊維に間歇的に複数の封止部を形成し、
前記封止部を形成する下流側で、前記細径繊維を固化し、
その結果、前記封止部により固定されかつ減圧された複数の空孔が前記各パイプの内部に間歇的に設けられた断熱用細径繊維を製造する断熱用細径繊維の製造方法。
【請求項７】
複数の長軸方向に延在する空孔を有する母材を用意し、前記母材を軟化させつつ前記長軸方向に紡糸することにより得られる断熱用細径繊維の製造方法であって、
前記母材を紡糸しつつ、紡糸された前記細径繊維に対して、前記各空孔を封止する封止部を形成する封止工程と、
前記各空孔の内部圧力が大気圧より減圧された条件下であって、かつ、前記各空孔が残存する条件下で、前記母材を紡糸する非封止工程と、
前記非封止工程の前後に、前記封止工程を有する断熱用細径繊維の製造方法。
【請求項８】
請求項７記載の断熱用細径繊維の製造方法において、
前記封止工程では、紡糸中の前記細径繊維の軟化部分において、温度、捻回数、張力、前記各空孔の内部圧力、及び、外部圧力の少なくとも何れかを間歇的に変化させることにより、前記各空孔の内部に間歇的に複数の封止部が形成され、
前記封止部を形成する下流側で、前記細径繊維を固化し、
その結果、前記封止部により固定されかつ減圧された複数の封止領域が前記各空孔の内部に間歇的に設けられている。
【請求項９】
加熱により膨張する多数の微小な発泡領域を含む母材を用意し、
前記母材を加熱することで前記発泡領域を膨張させ、前記微小な発泡領域に対応した多数の空孔を生成し、
前記発泡領域が膨張するとともに前記加熱により軟化した母材を大気圧未満の圧力下において紡糸し、細径繊維を生成し、
前記母材を紡糸する下流側で、前記細径繊維を冷却して固化し、
前記母材を紡糸する際、発泡時の前記母材の前記加熱の温度、前記圧力を調整することで、発泡により生じた各空孔の内部圧力が、前記固化した状態下の細径繊維で、大気圧未満となるように制御された細径繊維を生成する断熱用細径繊維の製造方法。
【請求項１０】
前記母材は、ガラスからなることを特徴とする請求項６〜９の何れか一項記載の断熱用細径繊維の製造方法。
【請求項１１】
請求項６〜１０の何れか一項記載の断熱用細径繊維を断熱材の一部又は全部とする断熱材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、断熱材、及び断熱材を含む断熱部品、断熱用細径繊維の製造方法、及び断熱材の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
断熱部品としては様々な形態が知られており、例えば特許文献１〜３に記載された形態の断熱材、断熱部品が知られている。
【０００３】
上記特許文献１には、従来の技術として、石英ガラス枠中に石英ガラスウールが充填され、かつ、該石英ガラス枠の内部が減圧された状態で封止された断熱部品が記載されている。また、特許文献１には、それぞれが減圧された独立の気泡からなる非晶質の高純度石英ガラス発泡体により構成された断熱材が開示されている。
【０００４】
上記特許文献２には、石英ガラスからなる中空の外殻内に粒状のシリカ多孔体が充填され、かつ、該外殻が真空封止された断熱部品が開示されている。上記特許文献３には、無機繊維集合体からなる芯材がガスバリア性の外被材で被われ、かつ、該外被材の内部が減圧された状態の断熱部品が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−２５２０７４号公報
【特許文献２】特開２０００−２０３８５５号公報
【特許文献３】特許第３５１３１４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
発明者は、上述の従来の断熱部品を検討した結果、以下のような課題を発見した。
【０００７】
すなわち、上記特許文献１に従来の技術として記載された断熱部品では、石英ガラスウールが充填された石英ガラス枠が減圧状態で封止された構成となっている。そのため、石英ガラス枠の大型化に伴って石英ガラス枠の内部と外部との気圧差に起因して石英ガラス枠が破壊される可能性が増す。したがって、この断熱部品の大型化は困難であった。
【０００８】
上記特許文献１に開示された断熱部品は、外殻に石英ガラス発泡体を封入する場合、その外殻の形状に合わせて石英ガラス発泡体を加工する必要がある。しかしながら、その石英ガラス発泡体の加工は困難であり、また、形状の自由度が低い。
【０００９】
上記特許文献２に開示された断熱部品は、中空の外殻内にシリカ多孔体が充填された状態で、該外殻内が真空封止されている。そのため、当該断熱部品の形状が外殻形状によって決定されてしまい、形状の自由度が低い。
【００１０】
上記特許文献３に開示された断熱部品の場合、ガスバリア性の外被材として柔軟性のある材料を使用すれば形状の自由度が増加する。一方で、外被材が破損すると真空破壊による断熱性能劣化の危険性があるため、形状の自由度と断熱性能との間にトレードオフの関係が存在する。
【００１１】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、優れた断熱性能を有することができる断熱材及びそれを含む断熱部品を提供することを目的としている。また、大きさ及び形状の自由度が高く、かつ、断熱性能に優れた断熱材及び断熱用細径繊維を容易に製造することができる方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本実施形態に係る断熱材の一例は、上述の製造方法により得られた複数の細径繊維の集合体であってもよい。この場合、各細径繊維の平均外径は１μｍ以上１０μｍ以下であり、その断面において各細径繊維には平均外径５００ｎｍ以下の複数の空孔が存在し、また、各空孔の内部圧力は大気圧未満であるのが好ましい。
【００１３】
本実施形態に係る断熱材の他の例は、内部に複数の空孔を有し、平均外径が１０μｍ以下の細径繊維を含む。この場合、各空孔は、両端または前記両端に挟まれた中間区間における複数箇所が封止され、封止された各空孔それぞれの内部圧力が大気圧より減圧されている。
【００１４】
本実施形態に係る断熱材の各例において、各空孔の内部圧力は、１０ｋＰａ以下であるのが好ましい。また、断熱材を構成する細径繊維は、ガラスからなるのが好ましい。
【００１５】
本実施形態に係る断熱部品の一例は、それぞれが上述のような構造を有する断熱材（本実施形態に係る断熱材）と同一構造の複数の部材の集合体を含む。さらに、当該断熱部品は、集合体の外部が外被材によって覆われた構造、及び、集合体を構成する部材間がバインダーによって充填された構造、の少なくともいずれかの構造を備えるのが好ましい。
【００１６】
本実施形態に係る断熱細径繊維の製造方法の一例は、複数本のパイプが束ねられることで構成された、第１端と該第１端に対向する第２端を有する母材を利用する。この母材は、第１端側が封止される一方、第２端側から各パイプの内部気体を吸引（suction）することで、各パイプの内部圧力が大気圧より減圧された状態に設定される。当該製造方法は、各パイプの内部圧力が減圧された母材の第１端側の軟化を開始し、軟化領域を第２端側も移動させつつ紡糸することで、該母材から細径繊維を生成する。また、紡糸の中（紡糸自体は続行されている）、細径繊維には間歇的に（一定間隔ごとに）複数の封止部が形成される。この封止部の形成は、例えば、紡糸中の細径繊維の軟化部分において、温度、捻回数、張力、パイプそれぞれの内部圧力、及び、外部圧力の少なくとも何れかを間歇的に変化させることにより、行われる。その結果、封止部により固定されかつ減圧された複数の空孔が各パイプの内部に間歇的に設けられた断熱用細径繊維が製造される。
【００１７】
また、本実施形態に係る断熱用細径繊維の製造方法が、複数の長軸方向に延在する空孔を有する母材を用意し、この母材を軟化させつつ長軸方向に紡糸することにより得られる断熱用細径繊維を製造してもよい。この場合、当該製造方法は、封止工程と、非封止工程を備え、非封止工程の前後において封止工程が行われる。なお、封止工程では、母材を紡糸しつつ、紡糸された細径繊維に対して、各空孔を封止する封止部が形成される。また、非封止工程では、各空孔の内部圧力が大気圧より減圧された条件下であって、かつ、各空孔が残存する条件下で、母材が紡糸される。なお、封止工程では、紡糸中の細径繊維の軟化部分において、温度、捻回数、張力、各空孔の内部圧力、及び、外部圧力の少なくとも何れかを間歇的に変化させることにより、各空孔の内部に間歇的に複数の封止部が形成される。また、封止部を形成する下流側で、細径繊維が固化され、その結果、封止部により固定されかつ減圧された複数の封止領域が各空孔の内部に間歇的に設けられる。
【００１８】
さらに、本実施形態に係る断熱用成形繊維の製造方法の更に他の例は、加熱により膨張する多数の微小な発泡領域を含む母材を利用する。当該製造方法は、母材を加熱することで発泡領域を膨張させ、前記微小な発泡領域に対応した多数の空孔を生成する。そして、発泡領域が膨張するとともに加熱により軟化した母材を大気圧未満の圧力下において紡糸することで、細径繊維が生成される。また、母材を紡糸する下流側では、細径繊維が冷却され固化される。母材を紡糸の際、発泡時の母材の加熱温度、圧力を調整することで、発泡により生じた各空孔の内部圧力が、固化した状態下の細径繊維で、大気圧未満となるように制御された細径繊維が生成される。
【００１９】
なお、本実施形態に係る断熱用細径繊維の製造方法の各例で使用される母材は、好ましくはガラスからなる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、大きさ及び形状の自由度が高く断熱性能が優れた断熱用細径繊維、断熱材を容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】母材の断面構造を示す図である。
【図２】母材の側面構造を示す図である。
【図３】母材から細径繊維を作製するための装置の構成を示す図である。
【図４】図３の装置により製造された細径繊維の断面構造を示す図である。
【図５】発泡材料を含む母材の側面構造と、その母材から得られる細径繊維の断面構造を示す図である。
【図６】複数の細径繊維を含む断熱部材の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明に係る断熱用細径繊維の製造方法等の各実施形態を、図１〜６を参照しながら、詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２３】
本実施形態に係る製造方法の一例では、先ず、図１に示されるように、複数本（例えば４００本）の中空パイプ１を束ね、束ねられたパイプ１をさらに中空パイプ２に挿入し、そして、これらパイプ１、２を加熱により相互に融着させることにより、母材３が得られる。ここで用いられる各パイプ１の内径は略同一であり、外径も略同一であり、また、長さも略同一である。パイプ１及びパイプ２は、それぞれ石英ガラスからなる。なお、パイプ２が用いられることなく、断面形状が略円形となるように複数本のパイプ１が束ねられた状態で、これらパイプ１を加熱により相互に融着させることにより、母材が製造されてもよい。
【００２４】
上述のように製造された母材３の第１端３ａ側を加熱しながら引き伸ばすことにより、図２に示されたように、第１端３ａ側が封止された母材３Ａが得られる。母材３Ａの第２端３ｂ側において、パイプ１の各空孔は開いている。図３に示されたように、母材３Ａの第２端３ｂは第１減圧部１１に接続され、この第２端３ｂ側から第１減圧部１１により各パイプ１の内部気体（空気）は吸引（suction）される。これにより、パイプ１の各内部は、大気圧より減圧された状態になる。そして、母材３Ａの第１端３ａ側が第２減圧部１３により減圧環境下に設定されることにより、パイプ１の各内部が大気圧よりも減圧された状態のまま潰れることなく保たれる。この状態で、母材３Ａの第１端３ａ側が加熱部１２により加熱される。この加熱により軟化した母材３Ａの第１端３ａを紡糸することにより、該母材３Ａから細径繊維４が精製される。このとき、母材３Ａの軟化した第１端３ａに与えられる張力は、張力印加部１４により設定される。
【００２５】
この紡糸（延伸）に際しては、第１減圧部１１により減圧された各パイプ１の内部圧力、加熱部１２により加熱された母材３Ａの第１端３ａ側の温度、第２減圧部１３により減圧された母材３Ａの第１端３ａ側における細径繊維４の周囲圧力、張力印加部１４により母材３Ａの第１端３ａ側の軟化部分において細径繊維４に与えられる張力、及び、母材３Ａの第１端３ａ側の軟化部分において細径繊維４に与えられる捻回数、のうち少なくとも何れかが間歇的に制御される。
【００２６】
第１減圧部１１による減圧の度合いを上げることで各パイプ１内をより負圧にする、加熱部１２の加熱温度を上昇させ細径繊維をより軟化させる、第２減圧部１３の圧力を上げることで第１端３ａ側の周囲において細径繊維４に加わる圧力を上昇させ各パイプ１にかかる差圧を上昇させる、張力印加部１４による張力を上げることで母材３Ａの第１端３ａ側の先端の軟化部分において細径繊維４に与えられる張力を上昇させる、及び、細径繊維４に捻回を与えることで母材３Ａの第１端３ａ側の軟化部分に捻回を伝える、のいずれか一つ以上の制御動作を行うことにより、細径繊維４内の各空孔に封止部が形成される。
【００２７】
この制御による影響は、一番軟化した状態となる、母材３ａの先端に近い部分の細径繊維が受ける。これにより、紡糸方向（延伸方向）に間歇的に空孔が封止された細径繊維４が得られる。細径繊維４の長手方向に沿って、複数の空孔が封止された封止部の間に空孔が残された非封止部が形成される。細径繊維４は、例えば外径５μｍの円形断面において４００本のパイプ１に相当する複数の非封止部の空孔を有している。
【００２８】
なお、細径繊維４に対して、その長手方向に沿って間歇的に空孔を封止するには（封止部の形成）、上述の方法に限定されない。例えば、両端が封止された状態の紡糸後の一連長の細径繊維を束状態に集合させ、束の一部を部分的に加熱し、束状態の細径繊維群を一括して軟化させる。このように軟化した状態の細径繊維群に対して、側方から圧力を加えて又は長手方向に張力を加えて、該細径繊維群の空孔を潰すことにより、空孔を間歇的に封止することも可能である。
【００２９】
母材３Ａから細径繊維４を生成する際、加熱部１２による母材３Ａの加熱部分（第１端３ａ側）は、長手方向に間歇的な封止構造が設けられ、かつ、大気圧により空孔部分が潰れない程度にガラス繊維が硬化する温度になった後に、大気圧環境下に晒される。減圧状態で封止された空洞部分（非封止部）は、その体積を保ったまま常温まで冷却され、この結果、空孔部分の内圧はさらに低下する。通常、その内圧を大気圧の約１０分の１である１０ｋＰａ以下まで減圧することも可能である。また、４００本のパイプ１に相当する空孔が外径５μｍの繊維断面中に存在しているので、図４（ａ）に示されるように、細径繊維４の断面（細径繊維４の長手方向に直交する平面に一致）における平均空孔１１０の径を２５０ｎｍ程度にできる。また、図４（ｂ）は、細径繊維４の断面（細径繊維４の長手方向を含む平面に一致）であり、上述のように、細径繊維４には、その長手方向に沿って間歇的に（一定間隔を空けて周期的に）、各空孔１１０が封止された封止部４２０が形成されており、封止部４２０の間には各空孔１１０が空洞状態で残った非封止部が存在している。
【００３０】
以上のようにして製造された、それぞれが石英ガラスならなる複数の細径繊維４を集合させることで、断熱材が製造される。このように細径繊維４が集合された断熱材では、細径繊維４の平均外径が１μｍ以上１０μｍ以下であり、その断面において各細径繊維４の平均外径５００ｎｍ以下の複数の空孔が存在し、そして、各空孔１１０の内部圧力が、大気圧以下、例えば１０ｋＰａ以下であるのが好ましい。細径繊維４の平均外径を１０μｍ以下としたのは、内部に空孔を有さない従来のグラスウールの外径範囲が１０μｍ以下であり、万一空孔１１０が潰れた場合でも従来グラスウールと同等の断熱性能は最低限維持することが可能だからである。空孔１１０の平均外径は、５００ｎｍ以下とすることで、空孔１１０内の対流による熱伝導が効果的に抑制できる。各空孔１１０の内部圧力値１０ｋＰａ以下は、延伸温度から常温への冷却のみで実現可能な圧力よりも有意に低い値である。この設定により、各空孔１１０内の対流による熱伝導を謳歌的に抑制することができる。
【００３１】
なお、上述の実施形態の例では、複数本の石英ガラス製のパイプ１を使用した母材３から細径繊維４を製造する場合が示されている。しかしながら、他の例として、複数の空孔を有する母材の周囲及び複数の空孔の内部のうち少なくとも何れかを大気圧より減圧した状態で母材を用意する。そして、この母材を加熱しながら紡糸（延伸）することで、複数の空孔の少なくとも一部が残存した細径繊維を製造することも可能である。なお、このような細径繊維（断熱材）の製造は、例えば図３に示された装置によっても実施可能である。
【００３２】
具体的に当該製造方法は、封止工程と、非封止工程を備え、非封止工程の前後において封止工程が行われる。封止工程では、母材を紡糸することにより得られた細径繊維に対して、各空孔を封止する封止端（封止部）が形成される。また、非封止工程では、各空孔の内部圧力が大気圧より減圧された条件下であって、かつ、各空孔が残存する条件下で、母材が紡糸される。
【００３３】
また、更に他の例として、本実施形態に係る製造方法は、加熱により膨張する発泡材料（正確には、発泡領域であり、以下この語を使う）を含む母材を利用することも可能である。ここでいう発泡領域の一例としては、母材を構成する石英ガラス中に敢えて発生させた個々に独立した気泡を指す。また、母材中に独立気泡を形成する手段としては、スス体を焼結して透明石英ガラスの母材とする際に、一部に未焼結部分（スス間に空間が残留する）を残すように焼結条件を調整して形成する方法がある。図５（ａ）には、発泡領域３００を含み、第１端３１ａと第２端３１ｂを有する母材３Ｂが示されている。この母材３Ｂは、図３の製造装置により紡糸され、図５（ｂ）に示す断面構造を有する細径繊維４Ａが得られる。この細径繊維４Ａ内には、母材加熱時に膨張によって顕在化した、それぞれが独立している複数の空孔３１０が存在し、各空孔３１０の内部圧力は大気圧以下となるように圧力制御されている。
【００３４】
なお、図３に示された装置を利用した紡糸時の設定条件としては、例えば、第２減圧部１３により大気圧より減圧した環境下に母材３Ｂの第１端３１ａ側が設置される。加熱部１２が母材３Ｂの第１端３１ａ側を加熱した状態で、張力印加部１４が母材３Ｂ（例えば上記特許文献１に開示されたような石英ガラス発泡体に相当）を紡糸することにより、図５（ｂ）に示された断面構造を有する細径繊維４Ａが生成される。このように製造された細径繊維４Ａにおいて、膨張により顕在化した空孔３１０は、紡糸により、当該細径繊維４Ａの長手方向に沿って伸びた形状となり、その内部圧力は大気圧以下である。また、この紡糸の際に、母材３Ｂの加熱温度、圧力が制御される。母材３Ｂの材料としては、石英ガラスに限定されず、適切な温度・圧力・張力制御を行うことにより空孔を有する細径繊維が作製可能な材料であればよい。
【００３５】
上記のように製造された複数の石英ガラス製細径繊維を集合させることにより構成された本実施形態に係る断熱部品の一例は、断熱処理が必要な部分に直接設置され、例えば、断熱処理が必要な部分が閉空間であれば、その部分に詰め込まれる。あるいは、本実施形態に係る断熱部品の他の例は、適切なバインダーで複数の細径繊維４が一体化されてなるものとして製造され、断熱処理が必要な部分に設置される。あるいは、本実施形態に断熱部品の更に他の例は、複数の細径繊維４が適切な外被材内に収納・封止されてなるものとして製造され、断熱処理が必要な部分に設置される。このように、本実施形態の断熱部品（又は断熱部材）は、サイズ・形態・設置方法の自由度が高い。
【００３６】
図６には、本実施形態に係る断熱部品の種々の構成例を示す図である。例えば、図６（ａ）の構成では、断熱部品１００Ａは、上述のように製造された複数の細径繊維４（４Ａ）を含み、これら細径繊維４（４Ａ）の集合体が、束ねられた状態で外被材５００によって覆われた構造を有する。一方、図６（ｂ）の構成では、断熱部品１００Ｂは、上述のように製造された複数の細径繊維４（４Ａ）を含み、これら細径繊維４（４Ａ）の間がバインダー５１０によって充填された構造を有する。
【００３７】
なお、細径繊維４の集合体を外被材５００内に収納して封止する場合（図６（ａ））、外被材５００内を減圧することにより、各細径繊維４内の空孔だけでなく細径繊維４間の空間も減圧されることになる。この構成によれば、断熱性能を一層高めることが可能になる。万一外被材５００が破損して外被材５００内の圧力が上昇した場合でも、各細径繊維４内の空孔は依然として減圧状態であるので、一定レベルの断熱性能は維持される。さらに、衝撃等により各細径繊維４内の空孔壁面の一部が破損し、空孔内の圧力が上昇した場合でも、各細径繊維４内の空孔は、各細径繊維４の長手方向に沿って間歇的に封止されているので、一つの空孔の圧力上昇による断熱性能の劣化は極めて限定的なものとなる。
【符号の説明】
【００３８】
１…パイプ、２…パイプ、３、３Ａ、３Ｂ…母材、４、４Ａ…細径繊維、１１…減圧部、１２…加熱部、１３…減圧部、１４…張力印加部、１００Ａ、１００Ｂ…断熱部品、００、３１０…発泡領域、５００…外被材、５１０…バインダー。
【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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