(57)【要約】【課題】この発明は、日射及び放射を考慮した高い温度抑制効果を有し、座屈等のトラブル発生を未然に防止できる軌道、軌道の温度管理装置、及び軌道の温度管理方法を提供する。【解決手段】列車が走行するレールＲをレール支持体１上に有する軌道１０であって、レールＲの表面に被覆材３を形成し、該被覆材３は、日射によりレールＲに受ける熱吸収量と、レールＲから放射される熱排出量との関係に基づきその被覆領域２が設定される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
列車が走行するレールをレール支持体上に有する軌道であって、
前記レールの表面には被覆材が設置されており、
前記被覆材による被覆領域は、日射により前記レールに受ける熱吸収量と、前記レールから放射される熱排出量との関係に基づき設定されたことを特徴とする軌道。
【請求項２】
前記被覆材は前記レールに塗布された白色塗料であることを特徴とする請求項１に記載の軌道。
【請求項３】
前記被覆材は、放射による熱排出量が日射による吸熱量よりも大きい領域に設置されたことを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の軌道。
【請求項４】
前記被覆材は少なくとも前記レールの腹部側面に設けられたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の軌道。
【請求項５】
列車が走行するレールをレール支持体上に有する軌道の温度管理装置であって、
前記レールの表面に有する複数の被覆領域のそれぞれに設けられる被覆材と、
日射条件により前記レールに受ける熱吸収量と、前記レールから放射される熱排出量との関係に基づき、前記被覆材の被覆領域をいずれかに決定する分析手段と、を有することを特徴とする軌道の温度管理装置。
【請求項６】
前記分析手段は、放射による熱排出量が日射による吸熱量よりも大きい領域を、前記被覆材の被覆領域として選択することを特徴とする請求項５に記載の軌道の温度管理装置。
【請求項７】
前記被覆材は前記レールに塗布された白色塗料であることを特徴とする請求項５又は６のいずれか１項に記載の軌道の温度管理装置。
【請求項８】
列車が走行するレールをレール支持体上に有する軌道の温度管理方法であって、
前記レールの表面に有する複数の被覆領域のそれぞれに設けられた被覆材毎に、日射により前記レールに受ける熱吸収量と、前記レールから放射される熱排出量との関係を求める測定工程と、
前記測定工程で得た、前記レールからの放射による熱排出量が、日射による吸熱量よりも大きいか否かとの関係から、前記被覆材のいずれかの被覆領域を選択する分析工程と、
前記分析工程の分析結果に基づき選択された被覆領域に被覆材を設置する設置工程と、を有することを特徴とする軌道の温度管理方法。
【請求項９】
前記被覆材は前記レールに塗布される白色塗料であることを特徴とする請求項８に記載の軌道の温度管理方法。
【請求項１０】
前記被覆材は少なくとも前記レールの腹部側面に設けられることを特徴とする請求項８又は９のいずれか１項に記載の軌道の温度管理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、日射によるレールの過度な温度上昇を防止及び管理することができる軌道、軌道の温度管理装置及び温度管理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
夏季に著大なレール軸力の発生が予見される箇所では、高反射率塗料をレール表面に塗布してレール温度の上昇を抑制することが、有効な座屈対策法の一つとして考えられる。
【０００３】
これに関連した技術として、以下の特許文献１に示される鉄道用レールの温度上昇抑制方法が知られている。
この温度上昇抑制方法は、レールとこれを支持する支持面とを備えた軌道において、該レールの側面に、塗膜の日射反射率、及び色空間内のＬａｂ表色系が所定値の範囲内にある塗料を塗布するものであって、当該塗料の塗布により夏季高温時における鉄道用レールの温度上昇を抑制する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１９６４６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１で示す技術では、レールの側面に所定成分の塗料を塗布することで、該レールの温度上昇を抑制する効果が示されるものの、日射及び放射を考慮した温度抑制効果の検討までは行われていない。
このため、状況によっては、レールに不必要に塗布された塗料の影響により、該レールに含有された熱の放出が阻害され、その結果、塗料の塗布が原因となって、レール温度が反対に上昇して、座屈等の不具合が発生することもある。
【０００６】
この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、日射及び放射を考慮した高い温度抑制効果を有し、座屈等のトラブル発生を未然に防止することができる軌道、軌道の温度管理装置及び軌道の管理方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明では、列車が走行するレールをレール支持体上に有する軌道であって、前記レールの表面には被覆材が設置されており、前記被覆材は、日射により前記レールに受ける熱吸収量と、前記レールから放射される熱排出量との関係に基づきその被覆領域が設定されることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明は、列車が走行するレールをレール支持体上に有する軌道の温度管理装置であって、前記レールの表面に有する複数の被覆領域のそれぞれに設けられる被覆材と、日射条件により前記レールに受ける熱吸収量と、前記レールから放射される熱排出量との関係に基づき、前記被覆材の被覆領域をいずれかに決定する分析手段と、を有することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、列車が走行するレールをレール支持体上に有する軌道の管理方法であって、前記レールの表面に有する複数の被覆領域のそれぞれに設けられた被覆材毎に、日射により前記レールに受ける熱吸収量と、前記レールから放射される熱排出量との関係を求める測定工程と、前記測定工程で得た、前記レールからの放射による熱排出量が、日射による吸熱量よりも大きいか否かとの関係から、前記被覆材のいずれかの被覆領域を選択する分析工程と、前記分析工程の分析結果に基づき選択された被覆領域に被覆材を設置する設置工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、日射によりレールに受ける熱吸収量と、該レールから放射される熱排出量との関係に基づき被覆材の被覆領域が設定される。これにより本発明では、当該被覆領域上の被覆材が有する高い温度抑制効果により、座屈等のトラブル発生を未然に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る軌道のモデルを示す正断面図である。
【図２】レールの熱収支計算モデルを示す図である。
【図３】レールと太陽の位置関係を示す図であって、（ａ）は条件１、（ｂ）は条件２をそれぞれ示している。
【図４】レールと空気との熱伝達率を示すグラフである。
【図５】レール頭頂面付近の中心温度を示すグラフである。
【図６】定常状態でのレール温度分布を示す図であって、（ａ）は条件１、（ｂ）は条件２をそれぞれ示している。
【図７】レール表面に塗布する白色塗料の塗布範囲を示す図である。
【図８】白色塗料の塗布範囲に対応した熱収支を示すグラフである。
【図９】白色塗料の塗布範囲をグループ分けした場合の熱収支を示すグラフである。
【図１０】本発明の第１実施形態に係る温度管理装置の概略構成図である。
【図１１】本発明の第２実施形態に係る温度管理装置の概略構成図である。
【図１２】1次元軌道の構造解析モデル例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る軌道１０について、図１〜図１０を参照して説明する。
この軌道１０は、図１に示されるように列車が走行するレールＲをレール支持体１上に有するものであって、レールＲの表面の被覆領域２には、日射によるレールＲの温度上昇を抑制するための被覆材３が設置されている。
この被覆材３は、日射によりレールＲに受ける熱吸収量と、レールＲから放射される熱排出量との関係に基づき、多数ある被覆領域２（符号(1)〜(10)：図７参照）の中の一つ又は複数箇所に設置される。
なお、被覆材３は、レールＲに白色塗料を塗布することで形成される他、レールＲに金属製の反射板を貼付することでも形成される。また、レール支持体１として、バラスト、枕木、軌道パッド、コンクリートスラブ等が設けられているが、図面では詳細が省略されている。  
【００１３】
以下に、レールＲ上の多数ある被覆領域２の一つ又は複数箇所に、被覆材３を設置するための手順について説明する。
【００１４】
まず、レール（例えば、６０ｋｇレール）の形状をソリッド要素等の構造解析で忠実に再現し、レールの要素表面を傾斜面の集合と見なし、文献（新エネルギー・産業技術総合開発機構：ＮＥＤＯ 標準気象データベースの解説書，２０１５）の方法を用いてレールの要素表面への日射量Ｉを要素毎に算出する。
これにレールの熱吸収率αr（＝０.８４）を乗じてレールが吸収する熱量αrＩを求める。日射は、図２に符号Ａ１〜Ａ３で示されるように、直達日射、散乱日射、地表面反射日射を考慮するが、これら符号Ａ１〜Ａ３の日射量は、上記文献に基づき、法線面直達日射ＩDnと水平面散乱日射ＩSｈにより定義することができ、ここでは８月中旬の快晴時を模擬して以下の数式１、数式２のように決定する。
【数１】
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【数２】
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【００１５】
なお、本例では、太陽とレールの位置関係は、太陽高度ｈを４５°とし、太陽方位とレール長手方向とが直交する「条件１」（図３（ａ）参照）と、太陽方位とレール長手方向とが平行となる「条件２」（図３（ｂ）参照）の２通り設定し、レールの敷設方向による影響を検討する。
【００１６】
一方、レールからの熱排出については、図２に符号Ｂ１〜Ｂ３で示されるように、軌道パッドへの熱伝導、自然対流による熱伝達、レール表面からの放射を考慮し、これらの各熱流束ＪＣ，ＪＴ，ＪＲをそれぞれ数式３〜数式５で算出する。
なお、数式３は、外気温ｔeとレール温度ｔの平均「ｔs＝（ｔ+ｔe）／２」で表わせる枕木温度ｔsの温度勾配が、軌道パッド上面から下面の間で一定であると仮定した場合における、枕木直上での熱伝導の式を示すものであって、さらに枕木間のレールと軌道パッドが接していない箇所を考慮するため３（≒枕木間隔約６００ｍｍ／軌道パッドサイズ約２００ｍｍ）で除している。
【数３】
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【数４】
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【数５】
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【００１７】
ここで、λp：軌道パッドの熱伝導率（０.２５Ｗ／（ｍＫ））、Ｌ：軌道パッドの厚さ（０.０１ｍ）、α：レール-空気間の熱伝達率（図４参照）、εr：レールの放射率（０.８４）、σ：ステファンボルツマン定数（５.６７×１０-８Ｗ／（ｍ２Ｋ４））であり、レールの熱伝導率λr：は５０Ｗ／（ｍＫ）、レールの比熱crは、４６１Ｊ／（ｋｇ℃）とする。
【００１８】
そして、以上のような日射量Ｉ（ＩDn，ＩSｈ）で示される熱吸収、及び熱流束Ｊ（ＪC，ＪＴ，ＪR）で示される熱排出がなされるレールＲについて、太陽光となる光線を照射した場合の過渡熱伝導について試験した。
なお、この過渡熱伝導についての試験は、外気温とレールの初期温度を３３℃と設定して行ない、その試験結果を図５及び図６に示す。
また、実験では、太陽とレールの位置関係として太陽高度ｈを４５°とし、太陽方位とレール長手方向が直交する「条件１」（図３（ａ））と、平行となる「条件２」（図３（ｂ））の２通りを設定し、レールの敷設方向による影響を検討した。
【００１９】
そして、試験の結果、図５に示すように、レール温度は初期温度から概ね４時間で定常状態となり、定常状態のレール温度は「条件１」では５５℃、「条件２」では４２℃となった。ここで、「条件１」のレール温度は４時間で５２℃を越えたが、これは太陽の位置が変わらないという条件の下であり、実際には４時間で太陽方位は１００°以上変化するため（「条件１」から太陽方位が９０°変化すると「条件２」となる）、レール温度はこれよりも低くなると考察される。
各条件１，２で試験を行った際の定常状態でのレール温度分布を図６（ａ）（ｂ）にそれぞれ示す。
【００２０】
次に、レールＲの被覆領域２（符号(1)〜(10)で示す）に白色塗料を塗った「塗料の塗布による効果の検証」について、図７〜図９を参照して説明する。
【００２１】
なお、図７で示されるように、レールＲの被覆領域２として、レールの熱吸収が高い太陽側のレール底部上面とレール腹部（符号(2)及び(3)で示す）、両側のレール底部上面とレール腹部（符号(2),(3),(9)及び(10)で示す）、太陽と反対側のレール底部上面とレール腹部（符号(9)及び(10)で示す）を設定した。また、符号(1)は底部底面、符号(6)は頭部上面を示している。
そして、レール表面を符号(1)〜(10)にそれぞれ分割した領域にて、太陽光の影響を受け易い「条件１」下にて、レールＲの被覆領域２に反射率０.２の白色塗料を部分的に塗布した場合の５０℃における熱収支と定常状態のレール温度を求め、その結果を、図８及び図９に示した。
【００２２】
なお、これらの図において、図８は、被覆領域２の各箇所（符号(1)〜(10)で示される箇所）の熱収支を示し、図９は、被覆領域２の各箇所（符号(1)〜(10)で示される箇所）をグループ分けした場合の熱収支及び温度変化を示している（後述する）。
【００２３】
図８に示される、レール表面を符号(1)〜(10)の領域に分割した際の、「条件１」のレール温度５０℃における各領域の熱収支を参照して分かるように、熱吸収量は符号(2)で示されるレール底部上面（太陽側）と、符号(3)で示されるレール腹部（太陽側）とで大きくなり、また、熱排出のほとんどが放射によるものであることが理解できる。
レールの熱吸収率αr、反射率ρr、放射率εrには、以下の数式６で示される関係が成り立ち、かつレールの熱吸収と熱放射はそれぞれαr，εrに比例するため、レール表面に白色塗料を塗布することで、レールの熱吸収量と放射による熱排出量は同時に減少する。
【数６】
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【００２４】
よって、レール上の白色塗料は、日射による熱吸収が放射に比べて高い箇所に塗布することが効率的であり、放射が優位な箇所に塗布した場合はレール温度が逆に上昇する恐れがある。  
【００２５】
一方、図９には、被覆領域２の各箇所（符号(1)〜(10)で示される箇所）をグループ分けした場合の熱収支及び温度変化が示されている。
ここで、塗料を塗布する箇所として、レールの熱吸収が高い太陽側のレール底部上面とレール腹部（図７の符号(2)，(3)）、両側のレール底部上面とレール腹部（図７の符号(2),(3),(9),(10)）、太陽と反対側のレール底部上面とレール腹部（図７の符号(9),(10)）の３通りを設定し、５０℃における熱収支と定常状態のレール温度を算出した。
【００２６】
そして、図９の結果を参照して分かるように、符号（２），(3)の領域への塗料の塗布により熱吸収量が減少し、定常状態のレール温度が４６℃まで低下した。
また、符号(2)，(3)の領域に追加して、符号(9)及び(10)の領域に塗布した場合には、符号(2)，(3)の領域のみに塗布した場合よりもさらに熱吸収量が減少するが、熱排出量も同時に減少するため、定常状態のレール温度は４６℃と変わらない。符号(9)，(10)の領域に塗布した条件では、熱吸収量よりも熱排出量の減少が優位となるため、塗料を塗布しない条件よりもレール温度が１℃上昇した。
すなわち、白色塗料の塗布領域に、符号（2），(3)の領域又は符号(2),(3),(9)及び(10)の領域を選択することで、条件１で示される日射があった場合でも５０℃のレール温度を４６℃まで低下させることができ、一定の放熱効果が見込めることが確認された。
【００２７】
なお、上記例では、太陽高度ｈを４５°とし、太陽方位とレール長手方向が直交する（９０°となる）「条件１」にて、レールの被覆領域２に反射率０.２の白色塗料を部分的に塗布した場合の５０°Ｃにおける熱収支を示したが、これに限定されず、実際のレールの敷設状況に応じて複数の条件を設定しても良い。
例えば、太陽高度ｈを４５°とした上で、太陽方位とレール長手方向が交差する角度を、１５°刻みで、「１５°，３０°，４５°，６０°，７５°」とし、これら各角度において、レールからの放射による熱排出量が、日射による吸熱量よりも大きくなる被覆領域２（符号(1)〜(10)で示される箇所の１つ又は複数）を求め、その評価結果を図１０に示される温度管理装置１００のデータベース（符号１３参照）に記憶しておくと良い。
【００２８】
この温度管理装置１００は、図１０に示されるように、地理情報システム１１（ＧＩＳ：Geographic Information System）から得た地理データに基づき、レールが敷設される実際の地理状況を検出し、その検出結果に基づき、太陽方位とレール長手方向との位置関係を求める分析手段１２を有する。
【００２９】
なお、この分析手段１２では、レールＲの表面に有する複数の被覆領域２のそれぞれに設けられた被覆材３毎に、日射によりレールＲに受ける熱吸収量と、レールＲから放射される熱排出量との関係を求める測定工程と、測定工程で得た、レールＲからの放射による熱排出量が、日射による吸熱量よりも大きいか否かとの関係から、被覆材３のいずれかの被覆領域２を選択する分析工程と、分析工程の分析結果に基づき選択された被覆領域２に被覆材３を設置する設置工程と、を有する。
具体的には、この分析手段１２では、地理情報システム１１で求めた太陽方位とレール長手方向との位置関係に基づき、前述したデータベース１３から最適な白色塗料の被覆領域２（符号(1)〜(10)で示される箇所の１つ又は複数）を選択し、その選択結果に応じて、レール表面への白色塗料の塗布作業指示を出力する。
また、この分析手段１２での分析結果となる作業指示は、表示パネル１４にレールＲを模したイメージ図とともに表示すると良い。
【００３０】
以上詳細に示されるように第１実施形態に示される軌道１０によれば、日射によりレールＲに受ける熱吸収量と、該レールＲから放射される熱排出量との関係に基づき、被覆材３となる白色塗料の被覆領域２を設定した。
これにより第１実施形態に示される軌道１０では、当該被覆領域２上の被覆材３が有する高い温度抑制効果により、座屈等のトラブル発生を未然に防止することができる。
【００３１】
また、第１実施形態の温度管理装置１００では、地理情報システム１１から得た地理データに基づき、レールＲが敷設される実際の地理状況を検出し、その検出結果に基づき、太陽方位とレール長手方向との位置関係を求める分析手段１２を有するようにした。
そして、この分析手段１２では、地理情報システム１１で求めた太陽方位とレール長手方向との位置関係に基づき、データベース１３から最適な白色塗料の被覆領域２（符号(1)〜(10)で示される箇所の１つ又は複数）を選択し、その選択結果に応じて、レール表面への白色塗料の塗布作業指示を出力できることから、軌道座屈のリスクを低減するための作業を効率的に行うことが可能となる。
【００３２】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態に係る構成について、図１１及び図１２を参照して説明する。
図１１は、温度管理装置１００の分析手段１２の処理内容をさらに具体的に示すフローチャートであって、第１実施形態で示す白色塗料の塗布によるレールＲの温度上昇抑制処理に追加した処理（以下のステップＳ１〜Ｓ９）を行う。
【００３３】
以下、図１１の処理内容をステップＳ毎に説明する。
《ステップＳ１》
上述した数式１〜５に基づき、軌道１０に敷設するレールＲについて、日射量Ｉ（ＩDn，ＩSｈ）で示される熱吸収、及び熱流束Ｊ（ＪC，ＪＴ，ＪR）で示される熱排出をそれぞれ求める。
【００３４】
《ステップＳ２》
ステップＳ１で求めたレールＲの熱収支を発熱量Ｑ（ｘ，ｔ，Ｔ）として、以下の数式７で示される、レール長手方向をx軸とした１次元の熱伝導方程式から、レール温度の時間・空間分布を求める。
【数７】
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【００３５】
数式７の解法の一例として、時間微分を前進差分、空間微分を中心差分で近似することで、数値計算により容易に解くことができる。
【００３６】
《ステップＳ３》
ステップＳ２で求めたレール温度に基づき、以下のステップＳ４で示すレール温度を抑制する処理、又は以下のステップＳ５〜Ｓ９で示すレールＲを含む軌道１０を抑制する処理を行う。
【００３７】
《ステップＳ４》
レール温度上昇の抑制工法を模擬したレールＲの熱収支計算・熱伝導解析を行い、工法適用時のレール温度を求めて、その効果を定量的に評価する。
その工法の検討に際して、第１実施形態に示されるレールＲへの日射が大きい箇所に白色塗料を塗布する方法を用いる。
【００３８】
《ステップＳ５》
例えば、図１２の軌道１０に示されるような、レール長手方向をx軸とした１次元の線路構造解析モデルに、ステップＳ２で求めたレール温度を入力して熱膨張による荷重ｆ（ｘ,ｔ,Ｔ）を作用させる。
【００３９】
《ステップＳ６》
ステップＳ５で求めたレール温度、軸力、レール破断時開口量、及び伸縮継目部の伸縮ストロークから最適な設定温度を定める。また、低温時と高温時の両方の基準を満足できない場合は、設定温度を低温時の基準を満足できるような範囲に設定し、高温時に対しては、レール温度の上昇を抑制する工法を検討する。
《ステップＳ７》
ステップＳ６の工法の検討に際して、第１実施形態に示されるレールＲへの日射が大きい箇所に白色塗料を塗布する方法を用いる。
【００４０】
《ステップＳ８》
ステップＳ５の解析結果に基づき、レールＲのふく進量を求める。
《ステップＳ９》
ステップＳ８で求めたレールＲのふく進量から、アンチクリーパーなどのふく進対策が必要となる箇所を選定する。また、ふく進対策の効果は、ステップＳ５の線路の構造解析より評価する。
【００４１】
以上詳細に説明したように第２実施形態の分析手段１２でも、レールＲの熱収支から求めたレール温度の上昇予測に基づき、被覆材３となる白色塗料の被覆領域２（符号(1)〜(10)で示される箇所の１つ又は複数）を決定することができるので、軌道座屈のリスクを低減させることが可能となる。
さらに、第２実施形態に示される分析手段１２では、被覆材３となる白色塗料のレール表面への塗布により、軌道座屈のリスクを低減させるとともに、ふく進、レール破断時開口量、及び伸縮継目部の伸縮ストロークを最適に調整することができ、これにより鉄道軌道１０の状態を最適に維持することができる。
【００４２】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、日射によるレールの過度な温度上昇を防止及び管理することができる軌道、軌道の温度管理装置及び軌道の温度管理方法に関する。
【符号の説明】
【００４４】
１  レール支持体
２  被覆領域
３  被覆材
１０  軌道
１１  地理情報システム
１２  分析手段
１３  データベース
１４  表示手段
１００  温度管理装置
Ｒ  レール
【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８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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