(57)【要約】【課題】ＮＯｘの還元率を向上させることが可能な排気浄化装置を提供する。【解決手段】ＮＯｘを捕捉可能な捕捉体を備えた捕捉部と、捕捉体にプラズマを形成可能な放電部と、放電部へ電気エネルギーを供給可能な給電部と、放電部の動作を制御可能な制御手段と、を有し、捕捉部を流通する流体を排出する内燃機関における空燃比が理論空燃比よりも小さい時に、放電部が作動し、捕捉体にプラズマが形成される、排気浄化装置とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＮＯｘを捕捉可能な捕捉体を備えた捕捉部と、前記捕捉体にプラズマを形成可能な放電部と、該放電部へ電気エネルギーを供給可能な給電部と、前記放電部の動作を制御可能な制御手段と、を有し、
前記捕捉部を流通する流体を排出する内燃機関における空燃比が、理論空燃比よりも小さい時に、前記放電部が作動し、前記捕捉体にプラズマが形成されることを特徴とする、排気浄化装置。
【請求項２】
さらに、前記捕捉部を流通する流体へと供給されるオゾンを生成可能なオゾン生成部が備えられ、
前記内燃機関における空燃比が理論空燃比よりも大きい時に、前記オゾン生成部が作動し、オゾンが生成されることを特徴とする、請求項１に記載の排気浄化装置。
【請求項３】
前記オゾン生成部は、前記給電部から電気エネルギーを供給されることを特徴とする、請求項２に記載の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気ガスには、ＮＯｘ等に代表される化学物質（以下において、単に「ＮＯｘ」ということがある。）が含まれており、この化学物質は大気汚染の一因と考えられている。それゆえ、大気汚染を抑制するためには、排気ガスから上記化学物質を除去することが重要である。
【０００３】
大気汚染の一因になる化学物質を排気ガスから除去する技術としては、例えば、化学物質を触媒に吸着させることによって排気ガスを浄化する排気浄化装置等が知られている。
【０００４】
このような排気浄化装置に関する技術として、例えば特許文献１には、エンジンの排気通路に配設された排気ガス浄化触媒と、この排気ガス浄化触媒の上流の排気通路に活性酸素成分を供給可能な活性酸素成分供給手段と、エンジンの始動後に、排気ガスの温度が排気ガス浄化触媒の活性化温度以下のときに活性酸素成分供給手段を作動させる活性酸素成分供給制御手段と、エンジンの始動後に、空燃比が理論空燃比を挟んでリッチ側とリーン側とに振れるように制御する空燃比制御手段と、この空燃比制御手段による制御によって空燃比が理論空燃比よりもリーン側にあるときは、リッチ側にあるときに比べて、活性酸素成分供給制御手段による活性酸素成分の供給量を減量する活性酸素成分供給量調整手段とを備えた排気ガス浄化装置が開示されている。また、特許文献２には、プラズマ発生部、該プラズマ発生部内で発生したプラズマを電界によってプラズマ発生部外に引き出す電極、及び、プラズマ発生部と電極との間に配設されたハニカムを有し、ハニカム内の中空管を通る排ガス流れ方向とプラズマ発生部及び電極を結ぶ方向とが同一方向となるように配置され、ハニカムの内部が担持触媒からなる排ガス浄化装置が開示されている。また、特許文献３には、固体電解質からなる基板の少なくとも一方の面上に連続した電極が形成され、該連続した電極の一端から他端に電気が導通されるように電源が接続されたＮＯｘ分解用電気化学素子に電圧を印加し、ＮＯｘを接触させてＮＯｘを電気分解するＮＯｘ浄化方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−３６０２９号公報
【特許文献２】特開２００８−２４８８５２号公報
【特許文献３】特開２００８−６８１８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示されている技術では、排気ガス浄化触媒（以下において、「触媒」という。）を用いている。そのため、空燃比が理論空燃比よりも大きい時（以下において、「リーン燃焼時」ということがある。）に、ＮＯｘを触媒へ捕捉（吸着）させることによって排気ガスを浄化することが可能になり、空燃比が理論空燃比よりも小さい時（以下において、「リッチ燃焼時」ということがある。）に、触媒に捕捉されたＮＯｘを還元することが可能になると考えられる。しかしながら、リッチ燃焼時に生成される還元種の還元力では、触媒とＮＯｘとの結合を十分に切断するには至らない。そのため、特許文献１に開示されている技術では、触媒に捕捉されたＮＯｘを十分に還元することが困難であるという問題があった。かかる問題は、特許文献２に開示されている技術や特許文献３に開示されている技術を用いても、解決することが困難であった。
【０００７】
そこで本発明は、ＮＯｘの還元率を向上させることが可能な排気浄化装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
本発明は、ＮＯｘを捕捉可能な捕捉体を備えた捕捉部と、捕捉体にプラズマを形成可能な放電部と、該放電部へ電気エネルギーを供給可能な給電部と、放電部の動作を制御可能な制御手段と、を有し、捕捉部を流通する流体を排出する内燃機関における空燃比が理論空燃比よりも小さい時に、放電部が作動し、捕捉体にプラズマが形成されることを特徴とする、排気浄化装置である。
【０００９】
ここに、「放電部の動作を制御可能な制御手段」とは、制御手段によって放電部の動作が直接制御される形態のほか、放電部に接続された他の機器の動作を制御することによって放電部の動作が間接的に制御される形態をも含む概念である。
【００１０】
上記本発明において、さらに、捕捉部を流通する流体へと供給されるオゾンを生成可能なオゾン生成部が備えられ、捕捉部を流通する流体を排出する内燃機関における空燃比が理論空燃比よりも大きい時に、オゾン生成部が作動し、オゾンが生成されることが好ましい。
【００１１】
本発明において、オゾン生成部の動作制御形態は、制御手段によって直接制御される形態のほか、オゾン生成部に接続された他の機器の動作を制御することによって間接的に制御される形態とすることも可能である。
【００１２】
また、オゾン生成部が備えられる上記本発明において、オゾン生成部は、上記給電部から電気エネルギーを供給されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の排気浄化装置では、空燃比が理論空燃比よりも小さいリッチ燃焼時に、流体に含まれるＮＯｘを捕捉する捕捉体にプラズマが形成されるように、放電部の動作が制御手段によって制御される。リッチ燃焼時に捕捉体にプラズマを形成することにより、プラズマによって、捕捉体に捕捉されているＮＯｘと補足体との結合を切断することが容易になるので、捕捉体に捕捉されていたＮＯｘに占める捕捉体から除去されたＮＯｘの割合（ＮＯｘの還元率）を向上させることが可能になる。したがって、本発明によれば、ＮＯｘの還元率を向上させることが可能な、排気浄化装置を提供することができる。
【００１４】
また、本発明の排気浄化装置において、空燃比が理論空燃比よりも大きいリーン燃焼時にオゾンが生成されることにより、上記効果に加えて、ＮＯｘの浄化効率を向上させることが可能になる。
【００１５】
また、本発明の排気浄化装置において、捕捉部へ電気エネルギーを供給する給電部から、オゾン生成部へと電気エネルギーが供給されることにより、上記効果に加えて、電源定格を低減することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の排気浄化装置１０を説明する図である。
【図２】排気浄化装置１０に備えられる捕捉体及び放電部の形態例を示す図である。
【図３】本発明の排気浄化装置２０を説明する図である。
【図４】本発明の排気浄化装置２０の制御方法を説明するフローチャートである。
【図５】本発明の排気浄化装置３０を説明する図である。
【図６】放電部の電力とＮＯｘ還元率との関係を示す図である。
【図７】オゾン濃度とＮＯｘ吸着量との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
ＮＯｘを触媒等の捕捉体（以下において、「触媒」ということがある。）へと吸着させることによって排気ガスを浄化する、内燃機関の排気浄化装置では、リーン燃焼時にＮＯｘを触媒へと吸着させ、触媒へと吸着させたＮＯｘをリッチ燃焼時に還元している。しかしながら、触媒に吸着させたＮＯｘは触媒と強く結合しているため、従来の技術では、リッチ燃焼時に、炭化水素や一酸化炭素等の還元種によってＮＯｘを十分に還元することは困難であり、特に、触媒が非活性である低温時に、ＮＯｘを還元することが困難であった。本発明者らは、鋭意研究の結果、触媒とＮＯｘとの結合を切断することによって、リッチ燃焼時のＮＯｘ還元率を向上させることが可能になり、ＮＯｘ還元時に触媒表面にプラズマを形成することによって、触媒とＮＯｘとの結合を切断することが容易になることを知見した。本発明は、かかる知見に基づいてなされたものである。
【００１８】
以下、図面を参照しつつ、本発明について説明する。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明は以下に示す形態に限定されるものではない。
【００１９】
図１は、第１実施形態にかかる本発明の排気浄化装置１０の形態を簡略化して示す図である。図１の矢印は、内燃機関から排出された排気ガスの流通方向を示している。図１に示す排気浄化装置１０は、ＮＯｘを捕捉可能な捕捉体として機能する触媒１を収容した捕捉部２と、触媒１にプラズマを形成可能な放電部３と、放電部３へ電気エネルギーを供給可能な給電部４と、放電部３の動作を制御可能な制御手段５と、捕捉部２を流通する流体の空燃比を検出可能なセンサ６と、を有している。捕捉部２は、内燃機関から排出された排気ガスが流入する流入口、及び、捕捉部２を流通した排気ガスが流出する流出口を有している。放電部３は、触媒１を狭持する一対の正電極３ａ及び負電極３ｂを有しており、給電部４から放電部３へと電気エネルギーが供給されることにより、正電極３ａと負電極３ｂとの間でプラズマが形成され、これによって、正電極３ａ及び負電極３ｂに狭持された触媒１の表面に、プラズマが形成される。制御手段５は、給電部４から放電部３への電気エネルギーの供給形態制御を通じて放電部３の動作制御を実行可能なＣＰＵ５ａと、該ＣＰＵ５ａに対する記憶装置とが設けられている。ＣＰＵ５ａは、マイクロプロセッサユニット及びその動作に必要な各種周辺回路を組み合わせて構成され、ＣＰＵ５ａに対する記憶装置は、例えば、給電部４の動作制御に必要なプログラムや各種データを記憶するＲＯＭ５ｂと、ＣＰＵ５ａの作業領域として機能するＲＡＭ５ｃ等を組み合わせて構成される。当該構成に加えて、さらに、ＣＰＵ５ａが、ＲＯＭ５ｂに記憶されたソフトウエアと組み合わされることにより、排気浄化装置１０における制御手段５が機能する。センサ６によって検出された空燃比に関する情報（出力信号）は、制御手段５の入力ポート５ｄを介して、入力信号としてＣＰＵ５ａへと到達する。ＣＰＵ５ａは、入力信号及びＲＯＭ５ｂに記憶されたプログラムに基づいて、出力ポート５ｅを介して、給電部４に対する動作指令を制御する。給電部４は、ＣＰＵ５ａから与えられた動作指令に応じて、触媒１の表面にプラズマを形成するのに必要な電気エネルギーを放電部３へと供給する。すなわち、排気浄化装置１０では、センサ６によって検出された空燃比が理論空燃比よりも小さい場合（リッチ燃焼時）に、ＣＰＵ５ａからの動作指令に基づいて作動する給電部４から放電部３へと電気エネルギーが供給されて放電部３が作動することにより、触媒１の表面にプラズマが形成される。触媒１の表面にプラズマを形成することにより、触媒１に吸着されたＮＯｘと触媒１との結合を容易に切断することが可能になる。したがって、本発明によれば、リッチ燃焼時に、触媒１から離脱したＮＯｘと還元種（炭化水素や一酸化炭素）との反応を促進することが可能になるので、ＮＯｘの還元率を向上させることが可能な、排気浄化装置１０を提供することができる。
【００２０】
図２は、排気浄化装置１０に備えられる捕捉体及び放電部の形態例を説明する図であり、捕捉体及び放電部に備えられる電極のみを抽出して示している。図２（ａ）は、触媒１並びに正電極３ａ及び負電極３ｂの形態を示す図であり、図２（ｂ）は触媒１’並びに正電極３ｃ及び負電極３ｄの形態を示す図である。図２（ａ）に示す正電極３ａ及び負電極３ｂはメッシュ状の金属電極であり、メッシュ状の正電極３ａ及び負電極３ｂによって触媒１が狭持されている。これに対し、図２（ｂ）に示す正電極３ｃは棒状の金属電極、負電極３ｄは正電極３ｃを囲うように配置された円筒状の金属電極であり、触媒１’は負電極３ｄの内周面（正電極３ｃと対向する面）に配設されている。排気浄化装置１０では、例えば、捕捉体（触媒１、１’）及び放電部（正電極３ａ及び負電極３ｂを備える放電部３、又は、正電極３ｃ及び負電極３ｄを備える放電部）をこのような形態とすることにより、捕捉体の表面にプラズマを形成することが可能になる。このほか、例えば、特開２００８−２４８８５２号公報に開示されている形態とすること等によっても、捕捉体の表面にプラズマを形成することが可能になる。
【００２１】
図３は、第２実施形態にかかる本発明の排気浄化装置２０の形態を簡略化して示す図である。図３において、排気浄化装置１０と同様に構成されるものには、図１で使用した符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。図３に示す排気浄化装置２０は、ＮＯｘを捕捉可能な捕捉体として機能する触媒１を収容した捕捉部２と、触媒１にプラズマを形成可能な放電部３と、放電部３へ電気エネルギーを供給可能な給電部４と、放電部３の動作を制御可能な制御手段５と、捕捉部２を流通する流体の空燃比を検出可能なセンサ６と、捕捉部２を流通する排気ガスへと供給されるオゾンを生成可能なオゾン生成部２１と、を有している。図３に示すように、オゾン生成部２１は、捕捉部２よりも、捕捉部２を流通する排気ガスの流通方向上流側に配設されている。排気浄化装置２０において、制御手段５は、給電部４から放電部３への電気エネルギーの供給形態制御を通じて放電部３の動作制御を実行するとともに、給電部４からオゾン生成部２１への電気エネルギーの供給形態制御を通じてオゾン生成部２１の動作制御を実行するＣＰＵ５ａと、該ＣＰＵ５ａに対する記憶装置とが設けられている。ＣＰＵ５ａは、マイクロプロセッサユニット及びその動作に必要な各種周辺回路を組み合わせて構成され、ＣＰＵ５ａに対する記憶装置は、例えば、給電部４の動作制御に必要なプログラムや各種データを記憶するＲＯＭ５ｂと、ＣＰＵ５ａの作業領域として機能するＲＡＭ５ｃ等を組み合わせて構成される。当該構成に加えて、さらに、ＣＰＵ５ａが、ＲＯＭ５ｂに記憶されたソフトウエアと組み合わされることにより、排気浄化装置２０における制御手段５が機能する。センサ６によって検出された空燃比に関する情報（出力信号）は、制御手段５の入力ポート５ｄを介して、入力信号としてＣＰＵ５ａへと到達する。ＣＰＵ５ａは、入力信号及びＲＯＭ５ｂに記憶されたプログラムに基づいて、出力ポート５ｅを介して、給電部４に対する動作指令を制御する。給電部４は、ＣＰＵ５ａから与えられた動作指令に応じて、放電部３又はオゾン生成部２１へ電気エネルギーを供給する。放電部３へ電気エネルギーが供給されることにより放電部３が作動すると、触媒１の表面にプラズマが形成され、オゾン生成部２１へ電気エネルギーが供給されることによりオゾン生成部２１が作動すると、捕捉部２を流通する流体へと供給すべきオゾンが生成される。
【００２２】
より具体的に、排気浄化装置２０では、センサ６によって検出された空燃比が理論空燃比よりも小さい場合（リッチ燃焼時）には、ＣＰＵ５ａからの動作指令によって給電部４から放電部３へと電気エネルギーが供給されて放電部３が作動し、触媒１の表面にプラズマが形成される。触媒１の表面にプラズマを形成することにより、触媒１に吸着されたＮＯｘと触媒１との結合を容易に切断することが可能になる。したがって、本発明によれば、リッチ燃焼時にＮＯｘの還元率を向上させることが可能な、排気浄化装置２０を提供することができる。これに対し、センサ６によって検出された空燃比が理論空燃比以上である場合（リーン燃焼時）には、ＣＰＵ５ａからの動作指令によって給電部４からオゾン生成部２１へと電気エネルギーが供給されることによりオゾン生成部２１が作動してオゾンが生成され、捕捉部２へと流入する流体にオゾンが供給される。リーン燃焼時の排気ガスにオゾンを供給することにより、触媒１によるＮＯｘ吸着効率を向上させることが可能になる。したがって、本発明によれば、リーン燃焼時にＮＯｘの浄化効率を向上させることが可能な、排気浄化装置２０を提供することができる。すなわち、本発明によれば、リッチ燃焼時にＮＯｘの還元率を向上させることが可能であり、且つ、リーン燃焼時にＮＯｘの浄化効率を向上させることが可能な、排気浄化装置２０を提供することができる。
【００２３】
さらに、図３に示す排気浄化装置２０では、放電部３への電気エネルギーの供給、及び、オゾン生成部２１への電気エネルギーの供給が、給電部４からなされる。排気浄化装置２０では、複数箇所（放電部３、オゾン生成部２１）への給電が必要とされるものの、放電部３への給電は空燃比が理論空燃比よりも小さい場合に行われ、オゾン生成部２１への給電は空燃比が理論空燃比以上である場合に行われるため、同時に複数箇所へ給電する必要はない。そのため、排気浄化装置２０では、一つの給電部４から放電部３やオゾン生成部２１へ給電することが可能になる。かかる形態とすることにより、排気浄化装置を小型化することが可能になるほか、電源定格を低減して給電部４によって消費されるエネルギーを低減することが可能になる。したがって、本発明によれば、上記効果に加えて、小型化すること、及び、給電部４によって消費されるエネルギーを低減することが可能な、排気浄化装置２０を提供することができる。
【００２４】
図４は、排気浄化装置２０の制御方法を説明するフローチャートである。図４に示すように、排気浄化装置２０を制御する際には、内燃機関が作動中であるか否かが判断される（工程Ｓ１）。工程Ｓ１で否定判断がなされた場合には、排気ガスが発生しないため、排気浄化装置２０は作動されない。これに対し、工程Ｓ１で肯定判断がなされた場合には、排気ガスが発生するため、引き続き、センサ６によって検出された空燃比が理論空燃比よりも小さいか否かが判断される（工程Ｓ２）。工程Ｓ２で肯定判断がなされた場合には、リッチ燃焼時であるため、触媒１にプラズマを形成すべく、給電部４から放電部３へと電気エネルギーが供給されるように、ＣＰＵ５ａから給電部４へ向けて動作指令が出力される（工程Ｓ３）。これに対し、工程Ｓ２で否定判断がなされた場合には、リーン燃焼時であるため、捕捉部２を流通する排気ガスにオゾンを供給すべく、給電部４からオゾン生成部２１へと電気エネルギーが供給されるように、ＣＰＵ５ａから給電部４へ向けて動作指令が出力される（工程Ｓ４）。
【００２５】
本発明の排気浄化装置２０において、オゾン生成部２１は、オゾンを生成可能であればその形態は特に限定されるものではなく、公知のオゾン生成装置を適宜用いることができる。また、上記説明では、センサ６と放電部３との間にオゾン生成部２１が配設される形態の排気浄化装置２０を例示したが、本発明の排気浄化装置は当該形態に限定されるものではなく、図５に示す排気浄化装置３０のように、外部に配設されたオゾン生成部３１から、捕捉部２を流通する排気ガスへオゾンが添加される形態とすることも可能である。
【００２６】
また、本発明の排気浄化装置１０、２０、３０において、触媒１は、オゾンを吸着可能な公知の触媒を適宜用いることができる。
【００２７】
本発明の排気浄化装置に関する上記説明では、捕捉体として触媒が備えられる形態を例示したが、本発明の排気浄化装置は当該形態に限定されるものではなく、公知のＮＯｘ吸着材等、ＮＯｘを捕捉し得る公知の捕捉体を適宜用いることができる。
【実施例】
【００２８】
５０秒間に亘るリーン燃焼を行って触媒１にＮＯｘを吸着させた後、１０秒間に亘るリッチ燃焼を行い、リッチ燃焼時に放電部３へと電気エネルギーを供給する給電部４の電力を３種類（０Ｗ、２Ｗ、３Ｗ）に変化させることにより、排気浄化装置１０における放電部３の作動とＮＯｘ還元率との関係を調査した。結果を図６に示す。給電部４の電力を２Ｗにした場合を実施例１、給電部４の電力を３Ｗにした場合を実施例２、給電部４の電力を０Ｗにした場合を比較例とする。図６の縦軸はＮＯｘ還元率［％］である。実施例１、実施例２、及び、比較例において、触媒１は０．２ｍｏｌ−Ｂａ／２％−Ｐｔ／Ａｌ２Ｏ３を用いた。また、排気ガスの温度は１５０℃、流量は１５Ｌ／ｍｉｎとし、排気ガス中のＮＯ濃度は１００ｐｐｍ、排気ガスの水分濃度は窒素濃度の３％であった。
【００２９】
図６に示すように、給電部４の電力を２ＷにするとＮＯｘ還元率が６０％を超え、給電部４の電力を３ＷにするとＮＯｘ還元率が７０％を超えた。これに対し、給電部４の電力を０Ｗにした場合のＮＯｘ還元率は３０％程度であった。すなわち、リッチ燃焼時に触媒にプラズマを形成する本発明の排気浄化装置１０によれば、リッチ燃焼時に触媒にプラズマを形成しない従来の排気浄化装置と比較して、ＮＯｘ還元率を２倍以上に増大させることができた。
【００３０】
次に、リーン燃焼時に捕捉部２を流通する排気ガスに含まれる、排気浄化装置２０のオゾン生成部２１によって生成されたオゾンの量（オゾン濃度）と、触媒１に吸着されたＮＯｘ量（ＮＯｘ吸着量）との関係を調査した。結果を図７に示す。図７の縦軸は、オゾン濃度が５００ｐｐｍである時のＮＯｘ吸着量を１とした場合のＮＯｘ吸着量であり、図７の横軸はオゾン濃度［ｐｐｍ］である。なお、触媒１は、（１）２ｇのＡｌ２Ｏ３、（２）Ｐｔ及びＡｌ２Ｏ３を合計で２ｇ、（３）Ｂａ、Ｐｔ、及び、Ａｌ２Ｏ３を合計で２ｇ、の３形態とし、図７の「●」は上記（１）の結果、「△」は上記（２）の結果、「■」は上記（３）の結果である。また、捕捉部２を流通する排気ガスは下記表１に示す条件とした。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
図７に示すように、触媒１が上記３形態の何れの形態であっても、オゾン濃度が増大するにつれて、ＮＯｘ吸着量が増大した。したがって、リーン燃焼時にオゾンを生成する本発明の排気浄化装置２０（排気浄化装置３０も同様）によれば、リーン燃焼時にオゾンを生成しない場合と比較して、ＮＯｘ吸着量を増大させることができた。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明の排気浄化装置は、自動車等に代表される内燃機関の排気ガスに含まれる化学物質を浄化する装置として利用することができる。
【符号の説明】
【００３４】
１、１’…触媒（捕捉体）
２…捕捉部
３…放電部
３ａ、３ｃ…正電極
３ｂ、３ｄ…負電極
４…給電部
５…制御手段
５ａ…ＣＰＵ
５ｂ…ＲＯＭ
５ｃ…ＲＡＭ
５ｄ…入力ポート
５ｅ…出力ポート
６…センサ
１０…排気浄化装置
２０…排気浄化装置
２１…オゾン生成部
３０…排気浄化装置
３１…オゾン生成部
【図１】
2011106422.tif 000004
【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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