(57)【要約】【課題】構造が簡単で安価なポンプ逆転水車を用いても、流す水を効率良く発電に利用できるポンプ逆転水車を用いた発電設備を提供する。【解決手段】上水槽１０と下水槽２０とを連結する配管３０中に二台のポンプ逆転水車４０，５０を直列と並列に切り換えられるように設置する。制御手段６０によって上水槽１０から下水槽２０に流す水の流量が少ない場合は直列に、多い場合は並列に切り換える。ポンプ逆転水車４０，５０に連結した発電機４１，５１によって発電する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上水槽と下水槽とを連結する配管中にポンプ逆転水車を設置し、上水槽から下水槽に水を流すことでポンプ逆転水車を回転駆動してポンプ逆転水車に連結した発電機によって発電するポンプ逆転水車を用いた発電設備において、
前記ポンプ逆転水車を複数台設置し、これら複数台のポンプ逆転水車を前記配管によって直列と並列に切り換えられるように接続するとともに、制御手段によって上水槽から下水槽に流す水の流量が少ない場合又は有効落差が大きい場合は直列に、流量が多い場合又は有効落差が小さい場合は並列に切り換えることを特徴とするポンプ逆転水車を用いた発電設備。
【請求項２】
上水槽と下水槽とを連結する配管中にポンプ逆転水車を設置し、上水槽から下水槽に水を流すことでポンプ逆転水車を回転駆動してポンプ逆転水車に連結した発電機によって発電するポンプ逆転水車を用いた発電設備において、
前記ポンプ逆転水車を流れる水の流量を調整する流量調節手段と、制御手段とを有し、
前記制御手段は、ポンプ逆転水車の二次側の圧力を目標の圧力とするのに必要なポンプ逆転水車における必要落差を求め、前記必要落差によって最適出力が得られるポンプ逆転水車の最適回転数及びポンプ逆転水車を通過する水の最適流量を求め、ポンプ逆転水車を流れる水が前記最適流量になるように前記流量調節手段を制御するとともに、ポンプ逆転水車を前記最適回転数で回転するように前記発電機の負荷を調節して制御することを特徴とするポンプ逆転水車を用いた発電設備。
【請求項３】
上水槽と下水槽とを連結する配管中にポンプ逆転水車を設置し、上水槽から下水槽に水を流すことでポンプ逆転水車を回転駆動してポンプ逆転水車に連結した発電機によって発電するポンプ逆転水車を用いた発電設備において、
前記ポンプ逆転水車を複数台設置し、これら複数台のポンプ逆転水車を前記配管によって直列と並列に切り換えられるように接続するとともに、制御手段によってポンプ逆転水車の二次側の圧力を目標の圧力とするのに必要なポンプ逆転水車における必要落差を求め、前記必要落差が大きい場合は直列に、前記必要落差が小さい場合は並列に切り換えることを特徴とするポンプ逆転水車を用いた発電設備。
【請求項４】
前記各ポンプ逆転水車を流れる水の流量を調整する流量調整手段を各ポンプ逆転水車の一次側に設けたことを特徴とする請求項３に記載の発電設備。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポンプ逆転水車を用いた発電設備に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
水力発電設備、特に小出力の水力発電設備の中には、発電用の水車として、ポンプをそのまま逆転させて使用するポンプ逆転水車を用いる場合がある。本来の水車は可動式のガイドベーンを設置する等、構造が複雑で高価なため、エネルギー効率は良いのであるが、それ以上にコストが高くなり、小規模の水力発電所に使用するには経済性が劣るからである。そこで汎用のポンプをそのまま水車（ポンプ逆転水車）として使用することで設備費を大幅に削減し、これによって経済的コストの低い発電設備を建設しているのである。
【０００３】
しかしながらポンプ逆転水車にはガイドベーンが設置されておらず、また設置されていても固定式である為、流量や有効落差の変動（変流量・変落差）によって、そのポンプ逆転水車の基準要項以外の運転点で運転しなければならないような場合は効率が悪くなり、場合によってキャビテーション発生により運転が不可能な状態が生じる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の点に鑑みてなされたものでありその目的は、たとえ構造が簡単で安価なポンプ逆転水車を用いても、流す水を効率良く発電に利用できるポンプ逆転水車を用いた発電設備を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本願の請求項１に記載の発明は、上水槽と下水槽とを連結する配管中にポンプ逆転水車を設置し、上水槽から下水槽に水を流すことでポンプ逆転水車を回転駆動してポンプ逆転水車に連結した発電機によって発電するポンプ逆転水車を用いた発電設備において、前記ポンプ逆転水車を複数台設置し、これら複数台のポンプ逆転水車を前記配管によって直列と並列に切り換えられるように接続するとともに、制御手段によって上水槽から下水槽に流す水の流量が少ない場合又は有効落差が大きい場合は直列に、流量が多い場合又は有効落差が小さい場合は並列に切り換えることを特徴とするポンプ逆転水車を用いた発電設備である。
【０００６】
本願の請求項２に記載の発明は、上水槽と下水槽とを連結する配管中にポンプ逆転水車を設置し、上水槽から下水槽に水を流すことでポンプ逆転水車を回転駆動してポンプ逆転水車に連結した発電機によって発電するポンプ逆転水車を用いた発電設備において、前記ポンプ逆転水車を流れる水の流量を調整する流量調節手段と、制御手段とを有し、前記制御手段は、ポンプ逆転水車の二次側の圧力を目標の圧力とするのに必要なポンプ逆転水車における必要落差を求め、前記必要落差によって最適出力が得られるポンプ逆転水車の最適回転数及びポンプ逆転水車を通過する水の最適流量を求め、ポンプ逆転水車を流れる水が前記最適流量になるように前記流量調節手段を制御するとともに、ポンプ逆転水車を前記最適回転数で回転するように前記発電機の負荷を調節して制御することを特徴とするポンプ逆転水車を用いた発電設備である。
【０００７】
本願の請求項３に記載の発明は、上水槽と下水槽とを連結する配管中にポンプ逆転水車を設置し、上水槽から下水槽に水を流すことでポンプ逆転水車を回転駆動してポンプ逆転水車に連結した発電機によって発電するポンプ逆転水車を用いた発電設備において、前記ポンプ逆転水車を複数台設置し、これら複数台のポンプ逆転水車を前記配管によって直列と並列に切り換えられるように接続するとともに、制御手段によってポンプ逆転水車の二次側の圧力を目標の圧力とするのに必要なポンプ逆転水車における必要落差を求め、前記必要落差が大きい場合は直列に、前記必要落差が小さい場合は並列に切り換えることを特徴とするポンプ逆転水車を用いた発電設備である。
【０００８】
本願の請求項４に記載の発明は、前記各ポンプ逆転水車を流れる水の流量を調整する流量調整手段を各ポンプ逆転水車の一次側に設けたことを特徴とする請求項３に記載の発電設備である。
【０００９】
これらの発明によって、ポンプ逆転水車として構造が簡単で安価なもの（例えば可動のガイドベーンを有さないもの）を採用しても、変流量・変落差に対応でき、流す水を効率良く発電に利用でき、経済的に有効な発電設備を構成できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
〔第一実施形態〕
図１は本発明の第一実施形態にかかるポンプ逆転水車を用いた発電設備の概略構成図である。同図に示すようにこのポンプ逆転水車を用いた発電設備は、上水槽１０と下水槽２０とを連結する配管３０中に、配管３０−１，２，３によって直列と並列に切り換えられるように二台のポンプ逆転水車４０，５０を接続して構成されている。即ち配管３０はその途中において三本の配管３０−１，２，３を並列に連結するように接続しており、両側の配管３０−１，３にそれぞれポンプ逆転水車４０，５０を接続している。中央の配管３０−２と、その上流側及び下流側の所定位置にはそれぞれ開閉弁Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３が取り付けられており、これら開閉弁Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３によって流路切換機構が構成されている。これら開閉弁Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３は下記する制御手段６０からの制御信号によって開閉制御される。配管３０の配管３０−１が分岐する上流側の部分には圧力センサＰ１が設置され、配管３０の配管３０−３が合流した下流側の部分にも圧力センサＰ２が設置され、さらに圧力センサＰ１近傍部分には流量計Ｆが設置されている。なお圧力センサＰ１から上水槽１０までの配管３０と圧力センサＰ２から下水槽２０までの配管の長さは実際はかなり長く、この部分を流れる流体の流速によってその管路損失が大きく異なる。そして各圧力センサＰ１，Ｐ２と流量計Ｆの出力信号は制御手段６０に入力される。一方制御手段６０からは各開閉弁Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３にその開閉信号を出力して配管３０の直並列状態を切り換えるとともに、両ポンプ逆転水車４０，５０にそれぞれ連結した可変速発電機４１，５１の負荷設定器４３，５３に制御信号を出力して可変速発電機４１，５１に最も効果的な負荷が掛かるようにする。そして可変速発電機４１，５１の出力はパワーコンディショナー７０を介して場内の電源系統、又は商用の電源系統に接続される。
【００１１】
以上のように構成された発電設備において、目標値設定器８０を用いて制御手段６０に上水槽１０から下水槽２０に流す流体の流量（又は圧力センサＰ１部分の一次圧又は圧力センサＰ２部分の二次圧）の目標値を入力することにより、予め制御手段６０に記憶しておいた水車性能データから制御手段６０は前記ポンプ逆転水車４０，５０を直列と並列の何れの状態に接続するのが適正かを判断し、適正と判断した接続状態となるように各開閉弁Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３を開閉制御する。なお水車性能により、必要に応じてバイパス弁Ｖ４によるバイパス回路への分流も行なう。
【００１２】
例えば流量の目標値が小流量の場合は、ポンプ逆転水車４０，５０で利用できる水の落差は高落差（有効落差が大きい状態）になっている。これは上水槽１０から配管３０−１，２，３までの長い配管３０と配管３０−１，２，３から下水槽２０までの長い配管３０における損失が小さいからである。そしてこのときは、図２に示すように、開閉弁Ｖ２，Ｖ３を閉じて開閉弁Ｖ１を開き、これによって二台のポンプ逆転水車４０，５０を直列接続（直列系統）とする。直列接続とするのは、前述のように上水槽１０から配管３０−１，２，３までの長い配管３０と配管３０−１，２，３から下水槽２０までの長い配管３０における損失が小さいので、その分水車に利用できる有効落差が増え、これによってポンプ逆転水車４０，５０を二段直列接続してその高落差、小流量を有効利用するためである。
【００１３】
一方流量の目標値が大流量の場合は、ポンプ逆転水車４０，５０で利用できる水の落差は低落差（有効落差が小さい状態）になっている。これは上水槽１０から配管３０−１，２，３までの長い配管３０と配管３０−１，２，３から下水槽２０までの長い配管３０における損失が大きいからである。そしてこのときは、図３に示すように、開閉弁Ｖ２，Ｖ３を開いて開閉弁Ｖ１を閉じ、これによって二台のポンプ逆転水車４０，５０を並列接続（並列系統）とする。並列接続とするのは、前述のように上水槽１０から配管３０−１，２，３までの長い配管３０と配管３０−１，２，３から下水槽２０までの長い配管３０における損失が大きいので、その分水車に利用できる有効落差が減り、これによってポンプ逆転水車４０，５０を並列接続してその低落差、大流量を有効利用するためである。なお落差は低くなっているため、ポンプ逆転水車４０，５０は一段で対応可能である。
【００１４】
そして制御手段６０は、負荷設定器４３，５３に制御信号を出力して効率的な可変速発電機４１，５１の回転数となるように可変速発電機４１，５１の負荷調整を行なうことも可能である。
【００１５】
なお上記設備の運転中、圧力センサＰ１，Ｐ２と流量計Ｆより制御手段６０に流量とポンプの有効落差の現在値を取り込み、前記制御が適正に行なわれているか否かをフィードバック制御してもよい。
【００１６】
以上のように、複数台のポンプ逆転水車４０，５０を制御手段６０によって直列と並列とを切り換えるように構成したので、たとえ構造が簡単で安価なポンプ逆転水車４０，５０を用いても、流す水の流量に応じて効率良く発電を行なうことができ、年間発生電力量を増やし、経済性を向上することができる。
【００１７】
なおこの実施形態では複数台のポンプ逆転水車４０，５０にそれぞれ可変速発電機４１，５１を接続したが、複数台のポンプ逆転水車４０，５０に対して一台の可変速発電機を接続したタンデム型とすれば、さらに経済性が向上する。
【００１８】
〔第二実施形態〕
図４は本発明の第二実施形態にかかるポンプ逆転水車を用いた発電設備の概略構成図である。この発電設備は、上下水道設備中の水を送水する配管途中に設置される発電設備であり、発電設備から吐出される水の水圧（二次圧）が一定になるように制御する発電設備である。同図に示すようにこのポンプ逆転水車を用いた発電設備は、ダムや浄水場等からなる上水槽１１０と浄水場や家屋用貯水槽等からなる下水槽１２０とを連結する配管１３０中に、ポンプ逆転水車１４０を接続して構成されている。配管１３０にはポンプ逆転水車１４０をバイパスするバイパス配管１３１が並列に接続されている。そしてポンプ逆転水車１４０の上流側の配管１３０とバイパス配管１３１とにはそれぞれ開度の調節ができる構造の電動弁（流量調節手段）Ｖ１１，Ｖ１２が取り付けられている。電動弁Ｖ１１は水車入口弁であり、電動弁Ｖ１２はバイパス弁である。またポンプ逆転水車１４０には可変速発電機１４１が連結されている。また上水槽１１０と下水槽１２０にはそれぞれ水位計１６１，１６３が設置されている。
【００１９】
この発電設備は制御手段２００によって制御される。制御手段２００は、ポンプ逆転水車１４０の二次側（即ち吐出側）の圧力が所望の設定値になるように制御すると同時に、その状態で最適なポンプ逆転水車１４０の出力を得るように制御するものである。以下具体的に説明する。
【００２０】
図５は制御手段２００における制御の概略フロー図である。図４においてまず、目標値設定器１７０から制御手段２００にポンプ逆転水車１４０の二次側（即ち吐出側）圧力として所望の目標値が設定されると、制御手段２００は、両水位計１６１，１６３より得られる上水槽１１０と下水槽１２０間の水位差と、予め入力しておいた管路常数（損失）をもとに、ポンプ逆転水車１４０の二次側の圧力を前記目標値にするのに必要なポンプ逆転水車１４０における必要落差（必要減圧量）を求める（ステップ１）。次に、求めた必要落差によって最適出力（この実施形態においては最大出力）が得られるポンプ逆転水車１４０の最適回転数とポンプ逆転水車１４０を通過する水の最適流量とを求める（ステップ２）。ポンプ逆転水車１４０の落差と出力と回転数と流量との関係を示すデータは予め制御手段２００に記憶しておく。例えば図６に示すように、多数の回転数Ｎｋ（ｋ＝１〜ｎ）についてそれぞれ「流量Ｑ−落差Ｈ」と「流量Ｑ−出力Ｐ」の関係を示すデータを記憶しておき、各回転数Ｎｋ（ｋ＝１〜ｎ）について前記必要落差Ｈにおける出力Ｐとそのときの流量Ｑとを求め、最も大きい出力Ｐのときの流量Ｑと回転数Ｎｋとを求め、これらを最適出力、最適流量、最適回転数とする。
【００２１】
次に制御手段２００は、ポンプ逆転水車１４０を流れる水が前記最適流量になるように前記電動弁（流量調節手段）Ｖ１１の開度を調節・設定すると同時に、ポンプ逆転水車１４０を前記最適回転数で回転するように前記可変速発電機１４１の負荷設定器１４３に制御信号を出力してその負荷を調節・制御する（ステップ３）。なおポンプ逆転水車１４０において、通過不可能な水量域に関しては、電動弁（流量調節手段）Ｖ１２を所定開度だけ開いてバイパスし、水量を確保する。なお最大水量が水車許容通過水量以下であれば、バイパス配管１３１及び電動弁Ｖ１２は不要である。
【００２２】
以上のように制御することにより、ポンプ逆転水車１４０の二次側の圧力を所望の設定値に近づけると同時に、その状態で最適なポンプ逆転水車１４０の出力が得られる。
【００２３】
なお上記制御を行う際に、配管１３０に設置した流量計Ｆ１１によって配管１３０中を実際に流れる水の流量を測定し、さらにポンプ逆転水車１４０の一次側と二次側に設置した圧力センサＰ１１，Ｐ１２によってポンプ逆転水車１４０の一次側と二次側の圧力を測定し、これらの測定値を制御手段２００にフィードバックすることで前記制御精度を安定・向上させるようにしても良い。
【００２４】
〔第三実施形態〕
図７は本発明の第三実施形態にかかるポンプ逆転水車を用いた発電設備の概略構成図である。この発電設備も前記第二実施形態と同様に上下水道設備中の水を送水する配管途中に設置される発電設備であり、発電設備から吐出される水の圧力（二次圧）が一定になるように制御する発電設備である。同図において前記図４に示す第二実施形態と同一部分には同一符号を付してその詳細な説明は省略する。この実施形態において前記第二実施形態と相違する点は、ポンプ逆転水車１４０の他に、別のポンプ逆転水車１４５を用意し、一方配管１３０の途中において三本の配管１３０−１，２，３を並列に連結するように接続し、両側の配管１３０−１，３にそれぞれポンプ逆転水車１４０，１４５を接続し、中央の配管１３０−２とその上流側及び下流側の所定位置にそれぞれ開閉弁Ｖ２１，Ｖ２２，Ｖ２３を取り付け、これら開閉弁Ｖ２１，Ｖ２２，Ｖ２３によって配管１３０−１，２，３を直列と並列に切り換える流路切換機構を構成した点である。開閉弁Ｖ２１，Ｖ２２，Ｖ２３は制御手段２００からの制御信号によって開閉制御される。またポンプ逆転水車１４５にも可変速発電機１４６と負荷設定器１４７とが取り付けられている。
【００２５】
そしてまず目標値設定器１７０から制御手段２００に両ポンプ逆転水車１４０，１４５の二次側（即ち吐出側）圧力として所望の目標値が設定されると、制御手段２００は、両水位計１６１，１６３より得られる上水槽１１０と下水槽１２０間の水位差と、予め入力しておいた管路常数（損失）をもとに、両ポンプ逆転水車１４０，１４５の二次側の圧力を前記目標値にするのに必要な両ポンプ逆転水車１４０，１４５における必要落差（必要減圧量）を求める。そして制御手段２００は前記求めた必要落差に近づけるには両ポンプ逆転水車１４０，１４５を直列と並列の何れの接続状態にした方が良いかを判断し、その接続状態に切り換える。即ち具体的には求めた必要落差が大きい場合は開閉弁Ｖ２２，２３を閉、開閉弁Ｖ２１を開にすることで両ポンプ逆転水車１４０，１４５を直列に接続し、また前記必要落差が小さい場合は開閉弁Ｖ２２，２３を開、開閉弁Ｖ２１を閉にすることで両ポンプ逆転水車１４０，１４５を並列に切り換える。これによって両ポンプ逆転水車１４０，１４５の二次側圧力を目標値に近づけることができる。
【００２６】
なおさらに、前記開閉弁Ｖ２１，Ｖ２２，Ｖ２３の少なくとも一つを第二実施形態と同様に開度調節ができる構造の電動弁とすれば、その開度を調節・設定することで、ポンプ逆転水車１４０，１４５を流れる水を所望の最適流量にすることができ、またポンプ逆転水車１４０，１４５を所望の最適回転数で回転するように可変速発電機１４１，１４６の負荷設定器１４３，１４７に制御手段２００から制御信号を出力すればその負荷を調節・制御することができる。
【００２７】
以上のように制御しても、ポンプ逆転水車１４０，１４５の二次側の圧力を所望の目標値に近づけると同時に、その状態で最適なポンプ逆転水車１４０，１４５の出力が得られる。
【００２８】
なお上記制御を行う際に、配管１３０に設置した流量計Ｆ１１によって配管１３０中を実際に流れる水の流量を測定し、さらに両ポンプ逆転水車１４０，１４５の一次側と二次側に設置した圧力センサＰ１１，Ｐ１２によってポンプ逆転水車１４０，１４５の一次側と二次側の圧力を測定し、これらの測定値を制御手段２００にフィードバックすることで前記制御精度を安定・向上させるようにしても良い。
【００２９】
〔第四実施形態〕
図８は本発明の第四実施形態にかかるポンプ逆転水車を用いた発電設備の概略構成図である。同図において前記図７に示す第三実施形態と同一部分には同一符号を付してその詳細な説明は省略する。この実施形態において前記第三実施形態と相違する点は、各ポンプ逆転水車１４０，１４５の上流側の配管１３０−１，３にそれぞれ流量調整弁Ｖ３１，Ｖ３２を取り付け、また両流量調整弁Ｖ３１，Ｖ３２の上流側の配管１３０−１，３が分岐する部分に逃し弁Ｖ３３を取り付けてその下流側の配管を開閉弁Ｖ２３の下流側に接続した点である。これら流量調整弁Ｖ３１，Ｖ３２と逃し弁Ｖ３３は、第三実施形態と同様に両ポンプ逆転水車１４０，１４５を直並列に切り換えて流量を好適なものに調整した上で、さらに両ポンプ逆転水車１４０，１４５に供給する水の流量を最適なものにするための流量調整手段を構成する。
【００３０】
以上のように制御すれば、第三実施形態に比べてさらにポンプ逆転水車１４０，１４５の二次側の圧力を所望の目標値に近づけることができると同時に、その状態で最適なポンプ逆転水車１４０，１４５の出力が得られる。
【００３１】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように本発明によれば、ポンプ逆転水車として構造が簡単で安価なもの（例えば可動のガイドベーンを有さないもの）を採用しても、変流量・変落差に対応でき、流す水を効率良く発電に利用でき、経済的に有効な発電設備を構成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施形態にかかるポンプ逆転水車を用いた発電設備の概略構成図である。
【図２】図１に示す発電設備の動作説明図である。
【図３】図１に示す発電設備の動作説明図である。
【図４】本発明の第二実施形態にかかるポンプ逆転水車を用いた発電設備の概略構成図である。
【図５】制御手段２００における制御の概略フロー図である。
【図６】ある回転数Ｎｋにおける「流量Ｑ−落差Ｈ」と「流量Ｑ−出力Ｐ」の関係を示す図である。
【図７】本発明の第三実施形態にかかるポンプ逆転水車を用いた発電設備の概略構成図である。
【図８】本発明の第四実施形態にかかるポンプ逆転水車を用いた発電設備の概略構成図である。
【符号の説明】
１０  上水槽
２０  下水槽
３０  配管
３０−１，２，３  配管
４０，５０  ポンプ逆転水車
４１，５１  可変速発電機（発電機）
４３，５３  負荷設定器
６０  制御手段
７０  パワーコンディショナー
８０  目標値設定器
Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３  開閉弁
１１０  上水槽
１２０  下水槽
１３０  配管
１３１  バイパス配管
１４０  ポンプ逆転水車
１４１  可変速発電機（発電機）
１４３  負荷設定器
１４５  ポンプ逆転水車
１４６  可変速発電機
１４７  負荷設定器
１６１，１６３  水位計
１７０  目標値設定器
２００  制御手段
２４０  ポンプ逆転水車
Ｖ１１，Ｖ１２  電動弁（流量調節手段）
Ｖ３１，Ｖ３２  流量調整弁（流量調整手段）
Ｖ３３  逃し弁（流量調整手段）
【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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