(57)【要約】【課題】太陽熱を利用し秋と冬と春の期間、日射後、長時間室内を快適な温度範囲に保ち、快適な居住環境を安価に提供する。【解決手段】太陽熱を、床下に配置され、断熱層４２で覆われ、断熱層４２に開口部４３がある蓄熱部１３に蓄熱し、コントローラ８４からの信号により放熱コントロール装置１４が断熱カバーで開口部４３を覆う面積を変えることにより蓄熱部１３の放熱量をコントロールする。コントローラ８４は、室内温度の変化により起こり、ヒステリシス特性を持って遷移する暖房状態を算出し、その暖房状態で断熱カバーの位置を変え、放熱量をコントロールする。蓄熱体４１で暖められた暖かい空気は開口部４３と放熱コントロール装置１４を通って上昇し床板に密着した金属シートを暖め、家を熱効率良く暖房する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を熱媒体として熱を伝達する熱伝達装置が、太陽熱を集熱する集熱部の熱を、熱を蓄える蓄熱部に伝達し、前記蓄熱部の熱により室内を暖房する太陽熱暖房システムにおいて、開口部のある断熱層で覆われた前記蓄熱部が床下に配置され、前記蓄熱部の放熱量をコントロールする放熱コントロール装置が前記開口部の上に配置され、コントローラが室内温度センサからの入力により前記放熱コントロール装置を介して前記蓄熱部の放熱量をコントロールすることを特長とする太陽熱暖房システム
【請求項２】
金属シートが床板の下面に密着し、前記開口部の上を通って敷かれている請求項１記載の太陽熱暖房システム
【請求項３】
前記放熱コントロール装置が前記開口部の上を移動可能な断熱カバーと、前記断熱カバーを移動させるカバーコントロール部と、前記断熱カバーの位置をデジタル信号で出力する位置検出部から構成されている請求項１記載の太陽熱暖房システム
【請求項４】
前記コントローラが、室内温度の変化によりヒステリシス特性を持って遷移する暖房状態を算出し、前記暖房状態により前記放熱コントロール装置を介して前記蓄熱部の放熱量をコントロールする請求項１記載の太陽熱暖房システム
【請求項５】
前記コントローラが年月日を出力するカレンダ機能を有し、前記カレンダ機能の出力により室内の設定温度を設定する請求項１記載の太陽熱暖房システム
【請求項６】
前記コントローラが年月日を出力するカレンダ機能を有し、前記カレンダ機能の出力により前記蓄熱部の蓄熱体の最高温度を設定する請求項１記載の太陽熱暖房システム
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、太陽エネルギーを利用して居室等の暖房を行う太陽熱暖房システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の、液体を熱媒体として熱を伝達する熱伝達装置が、太陽熱を集熱する集熱部の熱を、熱を蓄える蓄熱体に伝達し、前記蓄熱体の熱により室内を暖房する太陽熱暖房システムには、前記蓄熱体の熱により床暖房するもの（例えば、特許文献１、２、３、５参照。）がある。また前記蓄熱体の熱により暖めた空気を室内に送り室内を暖房するもの（例えば、特許文献３、４参照。）もある。
【０００３】以下、図９、図１０により従来例の太陽熱暖房システムについて説明する。図９は蓄熱体の熱により床暖房する従来例の太陽熱暖房システムであり、集熱部２００に集熱された太陽熱は熱伝達部２０１により蓄熱部２０２の蓄熱体２０５に蓄熱される。熱伝達部２０１は熱媒体菅２０３と熱媒体菅２０３に充填されている熱媒体と循環ポンプ２０４から構成されている。熱媒体菅２０３は集熱部２００と蓄熱体２０５と接触する部分は金属で構成されている。集熱部２００の温度が蓄熱体２０５の温度より高い時に循環ポンプ２０４が駆動し、前記熱媒体は集熱部２００で暖められ、蓄熱体２０５を暖めることにより太陽熱が蓄熱体２０５に蓄熱される。蓄熱体２０５に蓄熱された熱は循環ポンプ２０７と熱媒体菅２０６により、床２０８を暖め、室内の暖房に使われる。循環ポンプ２０７は室内温度が設定温度より低い時に熱媒体菅２０６に充填された熱媒体を循環させる。熱媒体菅２０６は床２０８と蓄熱体２０５と接触する部分は金属で構成されているので前記熱媒体は蓄熱体２０５で暖められ、床２０８を暖め、室内を暖める。
【０００４】図１０は蓄熱体の熱により空気を暖め室内に送る従来例の太陽熱暖房システムであり、集熱部２００に集熱された太陽熱は熱伝達部２０１により蓄熱部２０２の蓄熱体２０５に蓄熱される。熱伝達部２０１は熱媒体菅２０３と熱媒体菅２０３に充填されている熱媒体と循環ポンプ２０４から構成されている。熱媒体菅２０３は集熱部２００と蓄熱体２０５と接触する部分は金属で構成されている。集熱部２００の温度が蓄熱体２０５の温度より高い時に循環ポンプ２０４が駆動し、熱媒体は集熱部２００で暖められ、蓄熱体２０５を暖めることにより太陽熱が蓄熱体２０５に蓄熱される。熱交換器２１０は蓄熱部２０２の内部に設けられ、吸気ダクト２１２からの空気を暖める。熱交換器２１０によって暖められた空気は送風器２１３でダクト２１１を通して各部屋に送られる。送風器２１３は室内の温度が設定温度より低い時に駆動する。
【特許文献１】特願２０００−３２３９１７（特開２００２−１３０６９９）（図１）
【特許文献２】特願２０００−３２３９１６（特開２００２−１３０７００）（図１）
【特許文献３】特願平３−１３９１９（特開平５−３２２３１９）（図４）
【特許文献４】特願平８−２９８０３（特開平９−１９６４７４）（図１）
【特許文献５】特願２００１−２２６９９５（特開２００３−３５４９６）（図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
蓄熱体に蓄熱した太陽熱により床暖房する方法は床暖房が高価であるので太陽熱暖房システムが高価となる。また、床暖房は特殊なパネルを使う必要があり、従来の床板を使えなく、床の材料の選択肢が少ない。
【０００６】蓄熱体に蓄熱した太陽熱により空気を暖め室内に送る方法は各部屋へ温風を送るダクトが必要であり、家の構造が複雑で高価になる。また、部屋に空気を送るので部屋の空気が動き、窓等からの放熱が空気が静止している場合に比べて増加し、暖房の熱効率が下がる。
【０００７】本発明は前記従来例の不具合を解消し、安価で、床の材料の選択肢があり、家の構造が簡単で、熱効率がよく、秋と冬と春の期間、日射後、長時間室内を快適な温度に保つ太陽熱暖房システムを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明によれば、液体を熱媒体として熱を伝達する熱伝達装置が、太陽熱を集熱する集熱部の熱を、熱を蓄える蓄熱部に伝達する。断熱層で覆われた前記蓄熱部が床下に配置され、前記断熱層の一部に開口部があり、前記蓄熱部の放熱量をコントロールする放熱コントロール装置が前記開口部の上に配置されている。コントローラが室内温度センサからの入力により前記放熱コントロール装置を介して前記蓄熱部の放熱量をコントロールし、室内温度を設定温度付近に保つ。前記室内温度センサの検出温度が設定温度より低い時、前記コントローラが前記放熱コントロール装置を介して前記蓄熱部の放熱量をより多くする。一方、前記室内温度センサの検出温度が設定温度より高い時、前記コントローラが前記放熱コントロール装置を介して前記蓄熱部の放熱量をより少なくする。前記蓄熱部は床下に設置されており、前記蓄熱体で暖められた暖かい空気は前記開口部と前記放熱コントロール装置を通って上昇し床を暖め、更に室内の床に接触している空気を暖め、床で暖められた空気は上昇し室内を暖める。これにより室内の温度は設定温度に近い温度に保たれ、設定温度を適温に設定することにより室内の温度は適温に保たれる。
【０００９】請求項２記載の本発明によれば、床板の下面に密着している金属シートは前記開口部の上を通って敷かれているので前記開口部からの暖かい空気は前記金属シートを暖め、前記金属シートは熱伝導率が高いので熱を前記金属シート全体に伝達する。これにより前記開口部が局部的であり、床下に梁がある場合でも家の床全体の温度をほぼ均一にできる。更に、前記金属シートは局部的に入る窓からの日射の熱を床を介して家全体に伝達し、局部的な温度上昇を抑え快適な温度環境を提供する。また、暖房する場所にのみ前記金属シートを配置することにより熱効率の良い暖房をすることができる。
【００１０】請求項３記載の本発明によれば、放熱コントロール装置が前記開口部の上を移動可能な断熱カバーと、前記断熱カバーを移動させるカバーコントロール部と、前記断熱カバーの位置をデジタル信号で出力する位置検出部から構成されている。前記開口部の上の前記断熱カバーを移動させることにより前記蓄熱体の放熱量を変える。前記断熱カバーが前記開口部を覆う面積が小さくなれば前記蓄熱体の放熱量が多くなり、前記断熱カバーが前記開口部を覆う面積が大きくなれば前記蓄熱体の放熱量が小さくなる。前記位置検出部は前記断熱カバーが特定の位置にいる時に特定のデジタル信号を出力する。前記コントローラはカバーコントロール部を介して前記断熱カバーを移動し、所定のデジタル信号を受信した時にカバーコントロール部を介して前記断熱カバーの移動を停止することにより、前記断熱カバーを所定の位置に移動することができる。これにより、前記コントローラは前記断熱カバーの位置をコントロールすることにより前記蓄熱体からの放熱量をコントロールできる。前記コントローラは前記断熱カバーの位置の検出をデジタル信号で行うので前記コントローラを容易に、安価に作成できる。
【００１１】請求項４記載の本発明によれば、前記コントローラは、前記暖房状態の間の遷移は室内温度の変化により起こり、ヒステリシス特性をもって遷移する前記暖房状態を算出する。前記コントローラは、前記暖房状態により前記放熱コントロール装置を介して前記蓄熱部の放熱量をコントロールする。前記暖房状態はデジタルであるので前記蓄熱部の放熱量を強、中、弱のようにデジタル的にコントロールできるので前記コントローラを容易に、安価に作成できる。前記暖房状態の遷移にヒステリシス特性をもたせることにより、前記遷移の頻度を下げ、前記断熱カバーの移動の頻度を下げる。
【００１２】請求項５記載の本発明によれば、前記コントローラが年月日を出力するカレンダ機能を有し、前記カレンダ機能の出力により、月日により変わる室内の快適な温度に室内の設定温度を設定することにより、暖房時は常に室内を適温にするように室温をコントロールできる。
【００１３】請求項６記載の本発明によれば、前記コントローラが前記年月日を出力するカレンダ機能を有し、特定の地域の平均外気温度は年々変化は少ないので、前記カレンダ機能の出力から、前記蓄熱体の最高温度（特定の日の暖房に必要な熱量から算出される前記蓄熱体の温度）を設定し、前記コントローラは前記蓄熱体の温度が前記最高温度になるまで前記循環ポンプを駆動した後前記循環ポンプを停止する。これにより前記循環ポンプを駆動する時間を減らし消費電力を少なくでき、前記循環ポンプの故障を減らす。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面について本発明の実施の形態を詳細にに説明する。図１は本発明の太陽熱暖房システムの１実施形態を示す断面図である。
【００１５】太陽光が集熱部１１の屋根板１５に当たり、集熱部１１の温度を上げ、集熱部１１に熱的に導通した熱伝達装置１２の金属の熱媒体管３１と集熱部温度センサ８１の温度を上げる。コントローラ８４は集熱部温度センサ８１の検出した温度が蓄熱体温度センサ８３の検出した温度より高くなった時ポンプドライバ３６を介して循環ポンプ３５を駆動し連結されている熱媒体管３１と３２と３３と３４の中に充填されている液体の熱媒体を循環させる。前記熱媒体は金属の熱媒体管３１を通る時に集熱部１１と熱交換して熱を吸収し、温度が上昇し、熱媒体管３２を通って金属の熱媒体管３３で蓄熱体４１と熱交換して熱を放出する。これにより集熱部１１に吸収された太陽熱は蓄熱体４１に伝達され保存される。ポンプドライバ３６はコントローラ８４の信号から循環ポンプ３５を駆動する信号を出力する。
【００１６】集熱部温度センサ８１の検出した温度が蓄熱体温度センサ８３の検出した温度より低い時は循環ポンプ３５は停止状態であり、前記熱媒体は静止状態であり、更に、熱媒体管３２と３４は断熱材で作られていて、更に、熱媒体管３２と３４は蓄熱部１３の近くで下がっているため、蓄熱体４１からの熱伝達装置１２による放熱は極めて少ない。
【００１７】基礎コンクリート１７の上に配置されている蓄熱部１３は蓄熱体４１と断熱層４２で構成されており、蓄熱体４１は開口部４３と４４以外は断熱層４２で覆われている。蓄熱部１３の内部には熱交換するための熱媒体管３３と蓄熱体４１の温度を検出する蓄熱体温度センサ８３が配置されている。放熱コントロール装置１４は開口部４３の上に配置され蓄熱体４１から放熱される熱量をコントロールする。蓄熱体４１で暖められ、放熱コントロール装置１４を通過した暖かい空気は上昇し床１６を暖め、更に室内の床１６に接触している空気を暖め、暖められた空気は上昇し室内を暖める。蓄熱体４１の熱は床１６を通って室内を暖房するため、床１６の熱抵抗は小さくする必要があり、床１６の熱抵抗が大き過ると室内を適温に暖房できない。従来から使われている床板は熱抵抗が小さいので床１６の材料として使用できる。
【００１８】図２は放熱コントロール装置１４の１実施形態を示す。放熱コントロール装置１４は断熱カバー５１とコントロールボックス５３と軸５２から構成され、固定されたコントロールボックス５３は断熱カバー５１を移動し、開口部４３と４４を一部又は全部覆うことができる。蓄熱体４１からの放熱量を大きく変化させる場合、開口部４３と４４の形状を三角形にすることにより、形状が長方形の場合に比べて断熱カバー５１の移動量を少なくできる。
【００１９】図３は断熱カバー５１を４個所の異なった位置に移動できるコントロールボックス５３の１実施形態を示す。前記カバーコントロール部はコントロールボックス５３から位置検出部７１を除いた部分を指す。図４は位置検出部７１の１実施形態を示し、小穴６４が位置センサ７２の直下に来た時の断面図である。モータ５７の回転はモータ５７の軸に付いているギヤ５９と軸５２に付いているギヤ５８により軸５２を水平方向に移動させる。軸５２には小穴６１と６２と６３と６４と、大穴６５と６６と６７と６８があり、小穴６２と大穴６５の中心は位置検出部７１に並行であり、小穴６３と大穴６７の中心は位置検出部７１に並行であり、小穴６４と大穴６６と６８の中心は位置検出部７１に並行である。位置検出部７１は固定板７０と固定板７０に取り付けられている位置センサ７２と７３と７４と光源７５から構成されている。位置センサ７２と７３と７４はフォトダイオードで構成され、穴が直下に来た時に光源７５からの光を受光し、デジタル値１を出力する。位置センサ７２は小穴６１と６２と６３と６４を検出し、位置センサ７３は大穴６５と６６を検出し、位置センサ７４は大穴６７と６８を検出する。位置センサ７２と７３と７４の出力はケーブル５６とコネクタ５４を通してコントローラ８４に送信される。コントローラ８４は位置センサ７２の出力がデジタル値１の時の位置センサ７３と７４の出力のデジタル値により断熱カバー５１の位置を検出する。モータコントローラ６０はコントローラ８４からのデジタル信号をコネクタ５４とケーブル５５を介して受信し、モータ５７を駆動する信号に変換する。コントローラ８４からのデジタル信号には回転方向と駆動と停止があり、軸５２を左と右の両方向に移動できる。これによりコントローラ８４はモータ５７を駆動して、位置検出部７１からの出力のデジタル値が設定値になった時にモータ５７を停止し、断熱カバー５１を設定位置に移動する。小穴６４、６３、６２、６１が位置センサ７２の下にある時の断熱カバー５１の位置をそれぞれ放熱ＯＦＦ、放熱Ｌ、放熱Ｍ、放熱Ｈの位置とする。図４は放熱ＯＦＦの位置を示し、位置センサ７２と７３と７４はすべてデジタル信号１を出力している。ストッパー７６は小穴６１が位置センサ７２の左に移動しないように設置され、ストッパー７７は小穴６４が位置センサ７２の右に移動しないように設置されている。
【００２０】図５は暖房状態が４個ある場合の暖房状態の状態遷移図の１実施形態を示す。設定温度Ｔ１とＴ２とＴ３とＴ４とＴ５とＴ６は予め設定された温度であり、Ｔ２はＴ１より高く、Ｔ４はＴ３より高く、Ｔ６はＴ５より高い。初期の暖房状態は暖房ＯＦＦであり、室温が設定温度Ｔ１より低くなった時に暖房Ｌの状態に遷移する。前記暖房Ｌの状態の時、室温が設定温度Ｔ３より低くなった時に暖房Ｍの状態に遷移し、室温が設定温度Ｔ２より高くなった時に前記暖房ＯＦＦの状態に遷移する。前記暖房Ｍの状態の時、室温が設定温度Ｔ５より低くなった時に暖房Ｈの状態に遷移し、室温が設定温度Ｔ４より高くなった時に前記暖房Ｌの状態に遷移する。前記暖房Ｈの状態の時、室温が設定温度Ｔ６より高くなった時に前記暖房Ｍの状態に遷移する。
【００２１】図６はコントローラ８４のフローチャートの１実施形態を示す。電源投入後コントローラ８４は暖房状態を前記暖房ＯＦＦに設定し、断熱カバー５１を前記放熱ＯＦＦの位置に移動させる。次に室内温度センサ８２の入力により室内温度Ｔを算出し、室内温度Ｔが設定温度Ｔ１より低い場合は暖房状態を前記暖房Ｌに設定し、そうでない場合は室内温度Ｔを算出するループに戻る。暖房状態が前記暖房Ｌに設定された場合、コントローラ８４は断熱カバー５１を前記放熱Ｌの位置に移動させる。次に室内温度Ｔを算出し、室内温度Ｔが設定温度Ｔ３より低い場合は暖房状態を前記暖房Ｍに設定し、室内温度Ｔが設定温度Ｔ２より高い場合は暖房状態を前記暖房ＯＦＦに設定し、いづれでもない場合は室内温度Ｔを算出するループに戻る。暖房状態が前記暖房Ｍに設定された場合、コントローラ８４は断熱カバー５１を前記放熱Ｍの位置に移動させる。次に室内温度Ｔを算出し、室内温度Ｔが設定温度Ｔ５より低い場合は暖房状態を前記暖房Ｈに設定し、室内温度Ｔが設定温度Ｔ４より高い場合は暖房状態を前記暖房Ｌに設定し、いづれでもない場合は室内温度Ｔを算出するループに戻る。暖房状態が前記暖房Ｈに設定された場合、コントローラ８４は断熱カバー５１を前記放熱Ｈの位置に移動させる。次に室内温度Ｔを算出し、室内温度Ｔが設定温度Ｔ６より高い場合は暖房状態を前記暖房Ｍに設定し、そうでない場合は室内温度Ｔを算出するループに戻る。コントローラ８４は室内温度センサ８２からの入力を変換して室内温度を算出する。
【００２２】図７に室内の快適温度範囲の１実施形態を示す。室内の快適温度は季節により外気温が変わり、人が着る服装が変わるため変わる。図７によれば冬季の快適温度の下限値は１８度である。０．２度のヒステリシス特性を持つ場合の、設定温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６の設定値の一例はＴ１＝１９．０度、Ｔ２＝１９．２度、Ｔ３＝１８．６度、Ｔ４＝１８．８度、Ｔ５＝１８．２度、Ｔ６＝１８．４度である。
【００２３】図８は蓄熱体４１の最高温度の１実施形態を示す。冬季の間はできるだけ太陽熱を蓄えるために実質的に無制限である。春と秋は３０度程度に設定し、夏は蓄熱しない。これにより循環ポンプ３５を駆動する時間を減らし消費電力を少なくでき、循環ポンプ３５の故障を減らす。
【００２４】太陽熱を集熱し蓄熱した熱で長時間暖房をするためには大きい熱容量を持つ蓄熱体４１が必要である。蓄熱体４１はコンクリートや水や不凍液等の顕熱材、又は顕熱材の組み合わせで構成できる。顕熱材で構築した場合は大容量の蓄熱体４１を構築すると体積が大きくなり、床下の設置が困難になる場合がある。また、蓄熱体４１を断熱層４２で覆うため蓄熱体４１の重量を断熱層４２が保持できない場合がある。蓄熱体４１の一部または全部に極めて熱容量の大きい潜熱材を使用することにより、大容量の蓄熱体４１の体積と重量を小さくし、床下に容易に設置でき、また断熱層４２の負荷を減らし、断熱層４２の材料の選択肢を広げることができる。
【００２５】液体を熱媒体として熱を伝達し、蓄熱体４１の熱で床１６を暖めるため蓄熱体４１の温度は比較的低温（３５度程度）で室内の温度を適温に保つことができる。そのため集熱部１１の温度は比較的低温で良いので特殊な太陽熱集熱器を使わなくても充分蓄熱できる。屋根板１５は従来から使われている金属材料を使える。屋根板１５は熱媒体菅３１と直接または金属を介して接触している。これにより、南側を向いた屋根全体を集熱部として使え、安価に大量の太陽熱を集熱できる。
【００２６】
【発明の効果】
以上のべたように、本発明の太陽熱暖房システムは、安価に構築でき、安価に運用でき、従来の床板等を使え、熱効率がよく長時間室内を快適な温度に保ち、室内と屋外に太陽熱集熱器や暖房の器具がなく、住居空間を有効に使え、家の外観を損ねない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の太陽熱暖房システムの１実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明で使用する放熱コントロール装置の１実施形態である。
【図３】本発明で使用するコントロールボックスの１実施形態である。
【図４】本発明で使用する位置検出部の１実施形態を示す断面図である。
【図５】本発明で使用する暖房状態の状態遷移図の１実施形態を示す。
【図６】本発明で使用するコントローラのフローチャートの１実施形態を示す。
【図７】本発明で使用する室内の適温範囲の１実施形態を示す。
【図８】本発明で使用する蓄熱体の最高温度の１実施形態を示す。
【図９】従来例の床暖房の太陽熱暖房システムを示す断面図である。
【図１０】従来例の温風を部屋に送る太陽熱暖房システムを示す断面図である。
【符号の説明】
１１  集熱部
１２  熱伝達装置
１３  蓄熱部
１４  放熱コントロール装置
１５  屋根板
１６、２０  床
１７  基礎コンクリート
１８、１９  壁
２１  天井断熱材
３１、３２、３３、３４  熱媒体管
３５  循環ポンプ
３６  ポンプドライバ
４１  蓄熱体
４２  断熱層
４３、４４  開口部
５１  断熱カバー
５２  軸
５３  コントロールボックス
５４  コネクタ
５５、５６  ケーブル
５７  モータ
５８、５９  ギヤ
６０  モータコントローラ
６１、６２、６３、６４  小穴
６５、６６、６７、６８  大穴
７０  固定板
７１  位置検出部
７２、７３、７４  位置センサ
７５  光源
７６、７７  ストッパー
８１  集熱部温度センサ
８２  室内温度センサ
８３  蓄熱体温度センサ
８４  コントローラ
２００  集熱部
２０１  熱伝達部
２０２  蓄熱部
２０３、２０６  熱媒体菅
２０４、２０７  循環ポンプ
２０５  蓄熱体
２０８  床
２１０  熱交換器
２１１  ダクト
２１２  吸気ダクト
２１３  送風器
Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６  設定温度
【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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