(57)【要約】【課題】キャビテーションの発生を抑制するとともに自吸性能を向上させることができる遠心ポンプを提供すること。【解決手段】羽根車３１は、円盤状のハブ３２と、このハブ３２の盤面３２ａに放射状に設けられた４枚の羽根３３とからなる。これらの複数の羽根３３は、それぞれ回転中心３４に対して渦巻き状に形成される。各羽根３３は、ボリュートの内周面に対向する外周面３３ｂと、前曲面３３ｃと、裏面３３ｄと、回転方向後端側を形成する回転方向後端面３３ｅと、軸方向端面３３ａとからなる。羽根３３の裏面３３ｄは、外周面３３ｂに沿って形成されている。羽根３３は、回転方向前端側から回転方向後端側にわたって、外周面３３ｂと裏面３３ｄとの間が幅Ｗ１で一定となるように形成されている。また、羽根３３は、外周面３３ｂのなかの、回転方向後端部３３ｆは、窪んだ段差面３３ｇに形成されている。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプケース内にボリュートが配置され、ボリュート内に羽根車が回転自在に設けられ、前記羽根車を回転することにより前記ボリュート内に吸い込んだ流体を前記ボリュートから前記ポンプケース内に送り出し、送り出した流体を前記ポンプケースの外部へ吐出する遠心ポンプにおいて、
前記羽根車は、円盤状のハブと、このハブの盤面に放射状に設けられた複数の羽根とからなり、
前記複数の羽根は、それぞれ回転中心に対して渦巻き状に形成されるとともに、前記ボリュートの内周面に対向する外周面を有し、
この外周面のなかの、回転方向後端部は、窪んだ段差面に形成されていることを特徴とする遠心ポンプ。
【請求項２】
前記各段差面のなかの、回転方向後端は、前記各羽根の回転方向後端面に対しエッジ状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の遠心ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボリュート内に羽根車が回転自在に設けられ、羽根車を回転することによりボリュート内に吸い込んだ流体を吐出する遠心ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
遠心ポンプのなかには、ボリュートの内部に回転軸が回転自在に突出され、突出させた回転軸に羽根車が設けられたものがある。羽根車を回転することにより、ボリュート内の流体が送り出される。羽根車が回転する際、羽根車の羽根の進行方向の水には押す力が働くので、部分的に高圧になる。一方、羽根の裏側では、水に引っ張る力が働くので、部分的に低圧になる。このため、減圧沸騰を起こして気泡が発生する、いわゆるキャビテーションが生じる。このキャビテーションの対策を施した技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
特許文献１で知られている技術では、羽根車は、回転軸から放射状に且つ若干回転方向に傾斜して複数の羽根が延びている。各羽根は直線状に形成され、羽根の端部には、回転方向に対して進行方向側の面に傾斜面が形成されている。この傾斜面により、羽根の端部における急激な流れの変化が抑えられ、キャビテーションの発生が抑制される。
【０００４】
ところで、自吸式の遠心ポンプでは、自吸運転の際、羽根車の羽根の端部に発生する旋回流によって、ボリュート内の空気を巻き込んで自吸を行う。しかし、特許文献１の羽根車では、傾斜面によって流れが滑らかになり、羽根の端部に発生する旋回流が小さくなる。結果、ボリュート内の空気の巻き込み量が小さくなり、自吸性能が低下し好ましくない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６４−７３１６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、キャビテーションの発生を抑制するとともに自吸性能を向上させることができる遠心ポンプを、提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に係る発明によれば、ポンプケース内にボリュートが配置され、ボリュート内に羽根車が回転自在に設けられ、前記羽根車を回転することにより前記ボリュート内に吸い込んだ流体を前記ボリュートから前記ポンプケース内に送り出し、送り出した流体を前記ポンプケースの外部へ吐出する遠心ポンプにおいて、前記羽根車は、円盤状のハブと、このハブの盤面に放射状に設けられた複数の羽根とからなり、前記複数の羽根は、それぞれ回転中心に対して渦巻き状に形成されるとともに、前記ボリュートの内周面に対向する外周面を有し、この外周面のなかの、回転方向後端部は、窪んだ段差面に形成されていることを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載のごとく、好ましくは、各段差面のなかの、回転方向後端は、各羽根の回転方向後端面に対しエッジ状に形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１に係る発明では、羽根車は、円盤状のハブと、このハブの盤面に放射状に設けられた複数の羽根とからなり、複数の羽根は、それぞれ回転中心に対して渦巻き状に形成されるとともに、ボリュートの内周面に対向する外周面を有する。外周面のなかの、回転方向後端部は、窪んだ段差面に形成されているので、外周面から段差面に切り替わる部分と段差面の後端部において旋回流を発生させることができる。結果、大きな旋回流を発生させてボリュート内の空気を巻き込むことができるので、自吸性能を向上させることができる。
【００１０】
また、各羽根は、外周面のなかの、回転方向後端部は、窪んだ段差面に形成されているので、ボリュートの内周面に近づく部分において、流体の遮断を段階的に分けて緩和することができ、キャビテーションの発生を抑制することができる。すなわち、キャビテーションの発生を抑制するとともに自吸性能を向上させることができる。
【００１１】
請求項２に係る発明では、各段差面のなかの、回転方向後端は、各羽根の回転方向後端面に対しエッジ状に形成されているので、流れを変化させて大きな旋回流を発生させることができる。結果、自吸性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る遠心ポンプを示す斜視図である。
【図２】図１の遠心ポンプの断面図である。
【図３】図１のポンプケースを破断した状態を示す斜視図である。
【図４】図２の４−４線断面図である。
【図５】図４の羽根車の平面図である。
【図６】図５の６部拡大図である。
【図７】図５の７−７線断面図である。
【図８】図１の遠心ポンプの作用図である。
【図９】図５の羽根車の作用図である。
【図１０】図９の段差面における旋回流の作用図である。
【図１１】図９の段差面におけるキャビテーションの作用図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明を実施するための形態を添付図に基づいて以下に説明する。
【実施例】
【００１４】
実施例に係る遠心ポンプについて説明する。
図１、図２に示されるように、遠心ポンプユニット１０は、エンジン１４および遠心ポンプ２０を覆うように枠状に形成されたフレーム１１と、このフレーム１１のベース１２に設けられた遠心ポンプ２０とを有する。
【００１５】
エンジン１４は、ベース１２にシリンダブロック１５が設けられ、シリンダブロック１５に遠心ポンプ２０のポンプケース２２が設けられ、シリンダブロック１５からポンプケース２２内にクランク軸１６の端部１６ａが突出されている。
【００１６】
クランク軸１６は、端部１６ａの近傍部位１６ｂがメカニカルシール１７に回転自在に支持され、端部１６ａが遠心ポンプ２０の羽根車３１に連結されている。このため、エンジン１４を駆動してクランク軸１６（以下、回転軸１６という。）を回転することにより、回転軸１６で羽根車３１が回転される。
【００１７】
遠心ポンプ２０は、シリンダブロック１５に仕切部材２１を介してボルト止めされたポンプケース２２と、ポンプケース２２の内部に設けられて回転軸１６の端部１６ａに連結された羽根車３１と、羽根車３１を覆うボリュート４０とを有する。
【００１８】
また、遠心ポンプ２０は、ポンプケース２２のケース吸込口２５に連通された吸込ノズル３５と、ポンプケース２２および吸込ノズル３５間に上端部３６ａが挟持された開閉部３６と、ポンプケース２２のケース吐出口（ポンプケースの吐出口）２８に連通された吐出ノズル３７とを有する。
【００１９】
ポンプケース２２のケース開口部２３が仕切部材２１で閉塞され、仕切部材２１にボリュート４０が設けられることにより、ポンプケース２２、仕切部材２１およびボリュート４０でケース内流路３８が形成されている。特に、このケース内流路３８は、ポンプケース２２およびボリュート４０間に略環状に形成されている。
【００２０】
図２、図３に示されるように、ポンプケース２２は、ケース開口部２３が仕切部材２１で閉塞され、仕切部材２１に対峙する吸込側壁部２４と、吸込側壁部２４に形成されたケース吸込口２５と、ケース吸込口２５に連通された吸込通路部２６と、吸込側壁部２４の側縁に沿って環状（筒状）に形成された周壁部２７と、周壁部２７の上部に設けられたケース吐出口２８とを有する。
【００２１】
吸込側壁部２４の下方部位２４ｂ、すなわち吸込通路部２６の下部位２６ａの下方に突出部５１を有する。突出部５１は、吸込側壁部２４の下方部位２４ｂからケース内流路３８に向けて突出（膨出）されている。吸込側壁部２４の下方部位２４ｂに突出部５１を一体に形成することにより、突出部５１を別部材で形成する場合と比べて軽量化やコンパクト化を図ることができる。
【００２２】
図１〜図４に示されるように、突出部５１は、吸込側壁部２４の下方部位２４ｂからボリュート４０に向けて水平に張り出された頂部位５２と、頂部位５２から下方に向けて垂下されることによりボリュート４０に対向（対峙）する壁部位５３とを有する。
【００２３】
図４に示されるように、頂部位５２は、吸込通路部２６の下部位２６ａおよび上流側の周壁部２７ａ間に設けられた上流側頂部位５２ａと、吸込通路部２６の下部位２６ａおよび下流側の周壁部２７ｂ間に設けられた下流側頂部位５２ｂとを有する。上流側の周壁部２７ａは、ケース内流路３８のうちボリュート４０の開口部４８の上流側を形成する壁部である。下流側の周壁部２７ｂは、ケース内流路３８のうちボリュート４０の開口部４８の下流側を形成する壁部である。
【００２４】
上流側頂部位５２ａは、ケース吐出口２８の下流側で、かつ、ボリュート４０の開口部４８の上流側の範囲Ｈに設けられる。好ましくは、上流側頂部位５２ａは、範囲Ｈのうち吸込通路部２６の下部位２６ａに設けられている。
【００２５】
また、壁部位５３は、頂部位５２の縁辺から下方に向けて垂下されることにより、上辺が頂部位５２に沿って直線状に形成され、下辺が周壁部２７の下部に沿って湾曲状に形成され、半月状を呈する。壁部位５３にドレーン口５５が形成されている。ドレーン口５５にドレーンプラグ５４がねじ結合されることにより、ドレーン口５５がドレーンプラグ５４で閉塞されている。
【００２６】
また、吸込側壁部２４の下方部位２４ｂに突出部５１を設けることにより、ケース内流路３８の下部に流路絞部３９が形成されている。流路絞部３９は、ケース内流路３８の他の部位に比べて流路断面積が小さく形成されている。さらに、流路絞部３９は、羽根車３１の回転中心３４の下方、詳しくはボリュート吸込口４１の下側に設けられ、ボリュート４０の開口部４８に対して同じ高さに対応して配置される。よって、ボリュート４０の開口部４８が流路絞部３９に連通されている。
【００２７】
また、吸込側壁部２４にケース吸込口２５が設けられ、ケース吸込口２５に吸込通路部２６が連通されている。吸込通路部２６は、ボリュート４０の吸込口（ボリュート吸込口）４１に連通されている。ボリュート吸込口４１は、吸込通路部２６およびケース吸込口２５を経て吸込ノズル３５に連通されている。
【００２８】
さらに、周壁部２７の上部２７ｃにケース吐出口２８が設けられ、ケース吐出口２８に吐出ノズル３７が連通されている。吐出ノズル３７の上部に流体供給口６１が設けられ、流体供給口６１が供給プラグ６２で閉塞されている。流体供給口６１は、ボリュート４０の上方に配置されている。
【００２９】
仕切部材２１は、回転軸１６と同軸上に支持孔２１ａが形成され、支持孔２１ａにメカニカルシール１７が同軸上に支持され、メカニカルシール１７に回転軸１６（端部１６ａの近傍部位１６ｂ）が回転自在に支持されている。
【００３０】
回転軸１６の端部１６ａは、メカニカルシール１７を介してボリュート４０の内部に突出されている。よって、ボリュート４０の内部の流体が、近傍部位１６ｂから外部に漏れることをメカニカルシール１７で機械的に制限可能である。
【００３１】
ボリュート４０の内部に突出された回転軸１６の端部１６ａに羽根車３１が設けられている。羽根車３１は、ボリュート４０の内部に設けられ、回転軸１６の端部１６ａに設けられた円盤状のハブ３２と、ハブ３２に設けられるとともに回転軸１６を中心として放射状に配列された複数の羽根３３とを備えている。複数の羽根３３は、ハブ３２のうち、メカニカルシール１７の反対側の盤面３２ａに設けられている。この羽根車３１は、ボリュート４０で覆われることによりボリュート４０の内部に収納されている。
【００３２】
ボリュート４０は仕切部材２１にボルト６６で取り付けられている。このボリュート４０は、ポンプケース２２の内部に設けられ、羽根車３１を収納可能に形成されたケーシングである。ボリュート４０および仕切部材２１でボリュート内流路６８が形成されている。このボリュート４０は、ポンプケース２２の吸込通路部２６に連通されたボリュート吸込口４１と、ボリュート吸込口４１（羽根車３１）の周囲に渦巻形に形成されたボリュート本体４２とを有する。
【００３３】
ボリュート本体４２は、羽根車３１の羽根３３の軸方向端面３３ａに対向する平面状の対向面４３を有する。
【００３４】
また、ボリュート本体４２は、下端部４２ａに開口部４８が形成され、左側上部４２ｂにボリュート吐出口（ボリュート４０の吐出口）４９が形成されている。開口部４８は、ケース内流路３８の呼び流体をボリュート４０の内部（すなわち、ボリュート内流路６８）に導くための開口である。
【００３５】
自吸運転の際、呼び流体は、供給プラグ６２を外し、流体供給口６１から供給される。ボリュート内流路６８に供給された呼び流体は、ボリュート内流路６８の気体とともにボリュート吐出口３９から吐出され、ケース内流路３８に導かれる。なお、呼び流体とは、遠心ポンプ２０の自吸運転の際に呼び水作用を奏する流体である。
【００３６】
詳細には、自吸運転の際、ケース内流路３８に供給された呼び流体は、羽根車３１が図４に示す矢印Ａのように回転することにより、開口部４８からボリュート内流路６８に吸い込まれる。ボリュート内流路６８に吸い込まれた流体に、ボリュート内流路６８の気体が気泡状に含まれる。気泡を含んだ流体は、矢印Ｂのようにボリュート吐出口４９から吐出される。この流体がケース内流路３８の上部３８ａに吐出されることにより、気泡状の気体は、呼び流体から分離され、ケース吐出口２８から吐出ノズル３７を経由して遠心ポンプ２０の外部に排出される。また、気泡状の気体が抜けた呼び流体は、矢印Ｃのように流れる。
【００３７】
一方、定常運転の際、ボリュート吸込口４１からボリュート内流路６８に導入された流体は、ボリュート吐出口３９から吐出され、ケース内流路３８に導かれる。ポンプケース２２と吸込ノズル３５との間には、開閉部３６の上部が揺動自在に狭持されている。開閉部３６が、図２に示す矢印のように揺動することで、吸込ノズル３５を開閉する。
【００３８】
詳細には、定常運転の際、羽根車３１が、図４に示す矢印Ａのように回転することにより、ボリュート吸込口４１からボリュート内流路６８に流体が吸入される。ボリュート内流路６８に吸入された流体は、矢印Ｂのようにボリュート吐出口４９から吐出される。ケース内流路３８に吐出された流体は、ケース吐出口２８を経由して、吐出ノズル３７に送られる。
【００３９】
次に羽根車について図４〜図７で説明する。
図４、図５に示されるように、羽根車３１は、円盤状のハブ３２と、このハブ３２の盤面３２ａに放射状に設けられた４枚の羽根３３とからなる。これらの複数の羽根３３は、それぞれ回転中心３４に対して渦巻き状に形成される。各羽根３３は、ボリュート４０の内周面４４に対向する外周面３３ｂと、回転方向前端側を形成する前曲面３３ｃと、この前曲面３３ｃに連続し外周面３３ｂの裏側に形成される裏面３３ｄと、回転方向後端側を形成する回転方向後端面３３ｅと、軸方向端面３３ａとからなる。
【００４０】
図５に示されるように、羽根３３の裏面３３ｄは、外周面３３ｂに沿って形成されている。羽根３３は、回転方向前端側から回転方向後端側にわたって、外周面３３ｂと裏面３３ｄとの間が幅Ｗ１で一定となるように形成されている。また、羽根３３は、外周面３３ｂのなかの、回転方向後端部３３ｆは、窪んだ段差面３３ｇに形成されている。
【００４１】
なお、実施例では、羽根車３１の羽根３３は、回転方向前端側から回転方向後端側にわたって、外周面３３ｂと裏面３３ｄとの間の幅が一定となるように形成したが、これに限定されず、回転方向前端側の幅を広くし、回転方向後端側の幅を狭めるように形成しても差し支えない。さらに、羽根３３は、３次元的に湾曲させて形成しても差し支えない。
【００４２】
図６に示されるように、羽根３３の外周面３３ｂのなかの、回転方向後端部３３ｆは、裏面３３ｄと外周面３３ｂと間の幅がＷ１で設定される後端の第１の頂部３３ｈと、この第１の頂部３３ｈから段差面３３ｇに向かって延びる中間面３３ｊと、中間面３３ｊに接続される段差面３３ｇと、この段差面３３ｇの回転方向後端の第１の頂部３３ｋとを有する。
【００４３】
外周面３３ｂのなかの、裏面３３ｄと外周面３３ｂと間の幅がＷ１で設定される後端は、中間面３３ｊにたいしてエッジ状に形成されている。段差面３３ｇのなかの、回転方向後端は、回転方向後端面３３ｅに対しエッジ状に形成されている。
【００４４】
図７に示されるように、羽根車３１のハブ３２の軸方向の高さはＴ１であり、格羽根３３の軸方向の高さはＨ２である。なお、実施例では、各羽根３３は、回転方向前端側から回転方向後端側まで一定の高さＴ２で形成したが、これに限定されず、各羽根３３は、回転方向前端側の軸方向の高さと、回転方向後端側の軸方向の高さを変更しても差し支えない。
【００４５】
以上に述べた遠心ポンプの作用を次に説明する。
図８（ａ）〜図８（ｃ）は自吸運転を説明する図である。図８（ａ）に示されるように、ポンプケース２２内に呼び水を供給し、ポンプケース２２を呼び水で満たす。開閉部３６が閉じているため、ポンプケース内２２の呼び水が、吸込ノズル３５からホース７１に流れ落ちることはない。
【００４６】
図８（ｂ）に示されるように、羽根車３１を回転すると、ホース７１内の気体が呼び水に取り込まれ、流体が吸い上げられてホース７１内の液面の高さがＨ１となる。
【００４７】
図８（ｃ）に示されるように、ポンプケース２２内の呼び水に取り込まれた気体は、ポンプケース２２内の上部で分離され、吐出ノズル３７から矢印Ｄのように排出される。また、流体はさらに吸い上げられてホース７１内の液面の高さがＨ２となる。
【００４８】
図８（ｄ）は定常運転を説明する図である。図８（ｄ）に示されるように、ホース７１内の気体がすべて排出される。流体の運搬が開始され、流体は吐出ノズル３７から矢印Ｅのように排出される。
【００４９】
次に自吸運転時の羽根車の作用について説明する。
図９に示されるように、羽根車３１が回転すると、ボリュート４０内の呼び水には、羽根車３１の遠心力による力Ｆ１と、吸引の負圧による向心力Ｆ２とが作用する。呼び水は、羽根車３１の回転方向に沿って運ばれ、ボリュート吐出口４９のボリュート舌部４５の位置まで移動する。
【００５０】
次に自吸運転時の比較例と実施例の旋回流について説明する。
図１０（ａ）は比較例の羽根車による旋回流を説明する図であり、比較例の羽根車１００では、羽根１０１は、外周面１０２と回転方向後端面１０３との間に１つの頂部１０４を有する。羽根車１００が回転すると、羽根１０１の頂部１０４付近で旋回流Ｓ１が発生する。この旋回流Ｓ１によってボリュート内の空気が巻き込まれ、自吸運転が行われる。
【００５１】
図１０（ｂ）は実施例の羽根車による旋回流を説明する図であり、実施例の羽根車３１が回転すると、羽根３３の段差面３３ｇ近傍において、吸引圧の低下により、呼び水が羽根車３１の中心側に入り込み、呼び水によって段差面３３ｇまで満たされる。第１の頂部３３ｈ付近で予備旋回流Ｓ２が発生し、第２の頂部３３ｋ付近で旋回流Ｓ３が発生する。これらの２つの予備旋回流Ｓ１、旋回流Ｓ２によってボリュート内の空気が大量に巻き込まれ、自吸運転が行われる。このように、実施例の羽根車３１は、比較例の羽根車１００に比較して大きな旋回流を発生させることができる。結果、自吸揚程が高くなっても、気液混合の性能を向上させることができる。
【００５２】
次に比較例と実施例のキャビテーションについて説明する。
図１１（ａ）は比較例の羽根車によるキャビテーションを説明する図であり、比較例の羽根車１００が回転すると、羽根１０１に沿って流体が矢印Ｓ４のように流れる。羽根１０１が、ボリュート１０５のボリュート舌部１０６近傍に移動すると、ボリュート舌部１０６によって流体の流れが急激に遮断され、キャビテーション（気泡）が発生する。
【００５３】
図１１（ｂ）は実施例の羽根車によるキャビテーションを説明する図であり、実施例の羽根車３１が回転すると、羽根３３に沿って流体が矢印Ｓ５のように流れる。羽根３３がボリュート舌部４５近傍に移動し、（ａ）に示した比較例の羽根１０１と同じ位相であっても、段差面３３ｇによって流体の逃げ道が残っているので、流体が矢印Ｓ６のように流れる。結果、ボリュート舌部４５による流体の遮断が緩和され、キャビテーション（気泡）の発生が抑制される。
【００５４】
以上に述べた遠心ポンプ２０をまとめて以下に記載する。
図５および図６に示されるように、外周面３３ｂのなかの、回転方向後端部３３ｆは、窪んだ段差面３３ｇに形成されているので、外周面３３ｂから段差面３３ｇに切り替わる部分と段差面３３ｇの後端部において旋回流を発生させることができる。結果、大きな旋回流を発生させてボリュート４０内の空気を巻き込むことができるので、自吸性能を向上させることができる。
【００５５】
また、各羽根３３は、外周面３３ｂのなかの、回転方向後端部３３ｆは、窪んだ段差面３３ｇに形成されているので、ボリュート４０の内周面４４に近づく部分において、流体の遮断を段階的に分けて緩和することができ、キャビテーションの発生を抑制することができる。すなわち、キャビテーションの発生を抑制するとともに自吸性能を向上させることができる。
【００５６】
図５および図６に示されるように、各段差面３３ｇのなかの、回転方向後端は、各羽根の回転方向後端面３３ｅに対しエッジ状に形成されているので、流れを変化させて大きな旋回流を発生させることができる。結果、自吸性能を向上させることができる。
【００５７】
尚、本発明では、羽根車３１の羽根３３の枚数を４枚としたが、これに限定されず、羽根３３の枚数は５枚、６枚等であっても差し支えない。また、羽根３３は、回転中心３４に対して渦巻き状に形成したが、これに限定されず、羽根３３全体を直線状に形成しても差し支えない。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明は、ボリュート内に羽根車が回転自在に設けられ、羽根車を回転することによりボリュート内に吸い込んだ流体を吐出する遠心ポンプに好適である。
【符号の説明】
【００５９】
２０…遠心ポンプ、２２…ポンプケース、３１…羽根車、３２…ハブ、３２ａ…盤面、３３…羽根、３３ｂ…外周面、３３ｅ…回転方向後端面、３３ｆ…外周面のなかの回転方向後端部、３３ｇ…段差面、３３ｈ…第１の頂部、３３ｋ…第２の頂部、３４…回転中心、４０…ボリュート、４４…内周面、４５…ボリュート舌部。
【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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