(57)【要約】【課題】ラックマウントサーバシステムのサーバモジュールやデスクトップＰＣのＰＣモジュールなどのようなシステムモジュールの冷却方法において、モジュールが高性能化、薄型化、高密度実装化しても、モジュールの信頼性確保に十分な冷却を可能にし、特に液冷方式を採用したモジュールに搭載された高発熱部品の放熱を円滑に行う冷却技術を提供する。【解決手段】ラックマウントサーバシステムのサーバモジュールにおいては、装置筐体１の内部に、ＣＰＵやＬＳＩ等の発熱部３と、この発熱部３を冷却液を循環させて冷却し、この冷却液を冷媒の潜熱を利用して冷却する熱交換器を含む冷却装置筐体３２と、発熱部３に電源を供給する装置電源などを有して構成され、液冷方式の冷却液を冷媒の潜熱を利用した熱交換器で冷却する冷却装置を実装することで、サーバモジュールの装置単体で閉じた冷却システムを構成できる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の温度に発熱する第１の発熱部と、
前記第１の発熱部を冷却液を循環させて冷却し、前記冷却液を冷媒の潜熱を利用して冷却する熱交換器を含む冷却装置と、
前記第１の発熱部および前記冷却装置に電源を供給し、第３の温度に発熱する装置電源とを有することを特徴とするシステムモジュール。
【請求項２】
請求項１記載のシステムモジュールにおいて、
前記熱交換器は、前記冷媒用のラジエータおよび冷却ファンを含み、
前記冷却ファンは前記ラジエータおよび前記装置電源を冷却することを特徴とするシステムモジュール。
【請求項３】
請求項２記載のシステムモジュールにおいて、
第２の温度に発熱する第２の発熱部を有し、
前記冷却ファンは前記第２の発熱部を冷却することを特徴とするシステムモジュール。
【請求項４】
請求項３記載のシステムモジュールにおいて、
前記第１の発熱部および前記第２の発熱部の少なくとも一方に密着して前記冷却液が循環する受熱部を有し、
前記冷却装置の筐体と前記受熱部は１対の自動開閉バルブ付き流体継手で接続され、前記１対の自動開閉バルブ付き流体継手の少なくとも一方はフレキシブルな接続チューブに接続されていることを特徴とするシステムモジュール。
【請求項５】
請求項１記載のシステムモジュールにおいて、
前記熱交換器は、ペルチェモジュールを含み、
前記冷却液のタンクに前記ペルチェモジュールの吸熱側を密着させ、前記ペルチェモジュールの放熱側にヒートシンクを密着させ、前記タンク自身を冷却して前記冷却液を冷却することを特徴とするシステムモジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、システムモジュールの冷却技術に係わり、例えばラックマウントサーバシステムのサーバモジュールやデスクトップＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）のＰＣモジュールなどのようなシステムモジュールの冷却方法に適用して有効な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年では、サーバ等の情報処理装置のシステム構成・収納および設置において、ラックマウント方式が主流となっている。ラックマウント方式とは、各々の機能を持った装置を特定の規格に基づき形成されたラックキャビネットに段積み搭載するもので、各装置の選択・配置を自由に行え、システム構成の柔軟性・拡張性に優れ、システム全体の占有面積も縮小できるという利点がある。
【０００３】
特に、サーバ関連ではＩＥＣ規格（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ）／ＥＩＡ規格（Ｔｈｅ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ  Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）に規定された１９インチラックキャビネットが主流となっており、装置を搭載するための支柱の左右間口寸法を４５１ｍｍ、搭載における高さ寸法を１Ｕ（１ＥＩＡ）＝４４．４５ｍｍという単位で規定されている。
【０００４】
ここで、本発明者が本発明の前提として検討した、従来のラックマウントサーバシステムの冷却方法において、ラックキャビネットへのサーバモジュールの実装状態を図７に示す。従来のラックマウントサーバシステムは、複数のサーバモジュールをラックキャビネット１０に搭載して構成される。ラックキャビネット１０は、外郭をなす４方の柱と、サーバモジュールを搭載する為の柱である４方のマウントアングル１１からなる。
【０００５】
サーバモジュールの装置筐体１は、搭載金具８によって、マウントアングル１１に取り付けられる。装置筐体１の内部には主基板２が実装され、この主基板２の上にＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）やＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ  Ｓｃａｌｅ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ）等の発熱部３が実装されている。発熱部３の上には放熱フィン４が密着されており、その放熱フィン４の上流に冷却ファン５が実装され、放熱フィン４に風を当てる構造となっている。
【０００６】
また、サーバモジュールの装置筐体１の内部には、装置電源３９が実装され、装置電源３９の上流にも、この装置電源３９に風を当てる電源用ファン４４が実装されている。
【０００７】
さらに、通常、サーバモジュールの装置前面には、磁気記憶装置等のデバイス６が実装されている。また、装置後面には、外部との接続コネクタ７等が実装されている。
【０００８】
上記の実装により、風の流れは、装置筐体１の内部に実装された冷却ファン５によって、デバイス６の隙間をぬって装置正面から外気を吸気し、放熱フィン４にて発熱部３を冷却したのち接続コネクタ７等の隙間をぬって、装置後面あるいは側面に排気される。また、装置電源３９についても、風の流れは、電源用ファン４４によって装置電源３９を冷却したのち、接続コネクタ７等の隙間をぬって、装置後面あるいは側面に排気される。
【０００９】
以上のように、従来のラックマウントサーバシステムにおいては、サーバモジュールの装置筐体１の内部に冷却ファン５、電源用ファン４４を実装した装置前面より吸気し、装置後面または側面に排気して発熱部３、装置電源３９を冷却する強制空冷方式が主であった。なお、このようなラックマウント方式の強制空冷方式に関しては、例えば特許文献１等に記載されている。
【００１０】
【特許文献１】
特開２０００−２６１１７２号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記のようなラックマウント方式では、サーバモジュールの各装置の上下にも同様にその他の装置が搭載されるケースがあり、吸排気を装置の天面・底面で行っても吸排気口が塞がれ、効果が期待できない。さらに、装置側面に吸気口を設けた場合、装置の排気により暖められたラックキャビネット内の空気を吸気することとなり、冷却効率を低下させる要因となる。よって、ラックマウント方式の強制空冷方式では、装置前面から吸気し、装置後面および側面から排気する必要がある。
【００１２】
また、近年、ラックマウント方式では、ラックキャビネットにおけるサーバモジュールの高密度搭載や省スペース化のため、装置の薄型化が進み、装置内部に実装できる冷却ファンも小型で風量の少ないものしか実装できなくなっており、加えて、装置前面には磁気記憶装置等のデバイスが実装され、装置後面には外部との接続コネクタ等が配置されるため、吸排気面積が著しく小さくなってきている。
【００１３】
さらに、ラックマウント方式では、サーバモジュールの高性能化に伴い、ＣＰＵやＬＳＩ等の高速化、ＣＰＵのマルチ構成化、磁気記憶装置等のデバイスの高回転化やアレイ化などが進み、発熱量も増加している。このため、強制空冷のための必要風量を確保することが困難になってきている。
【００１４】
また、デスクトップＰＣのＰＣモジュールなどにおいても、前述したラックマウント方式のサーバモジュールと同様に、ＰＣモジュールの高性能化に伴って発熱量も増加しているため、強制空冷のための必要風量を確保することが困難になってきている。
【００１５】
そこで、本発明の目的は、ラックマウントサーバシステムのサーバモジュールやデスクトップＰＣのＰＣモジュールなどのようなシステムモジュールの冷却方法において、モジュールが高性能化、薄型化、高密度実装化しても、モジュールの信頼性確保に十分な冷却を可能にし、特に液冷方式を採用したモジュールに搭載された高発熱部品の放熱を円滑に行う冷却技術を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、ラックマウントサーバシステムのサーバモジュールやデスクトップＰＣのＰＣモジュールなどのようなシステムモジュールにおいて、第１の温度に発熱する第１の発熱部と、この発熱部を冷却液を循環させて冷却し、この冷却液を冷媒の潜熱を利用して冷却する熱交換器を含む冷却装置と、第１の発熱部および冷却装置に電源を供給し、第３の温度に発熱する装置電源とを有するものである。
【００１７】
さらに、本発明のシステムモジュールは、熱交換器が冷媒用のラジエータおよび冷却ファンを含み、冷却ファンがラジエータおよび装置電源を冷却するものである。さらに、第２の温度に発熱する第２の発熱部を有し、冷却ファンが第２の発熱部を冷却するものである。
【００１８】
また、本発明のシステムモジュールは、第１の発熱部および第２の発熱部の少なくとも一方に密着して冷却液が循環する受熱部を有し、冷却装置の筐体と受熱部が１対の自動開閉バルブ付き流体継手で接続されているものである。さらに、１対の自動開閉バルブ付き流体継手の少なくとも一方がフレキシブルな接続チューブに接続されているものである。
【００１９】
また、本発明のシステムモジュールは、熱交換器がペルチェモジュールを含み、冷却液のタンクにペルチェモジュールの吸熱側を密着させ、放熱側にヒートシンクを密着させ、タンク自身を冷却して冷却液を冷却するものである。さらに、ヒートシンク用の冷却ファンを有し、冷却ファンがヒートシンクを冷却するようにしたものである。
【００２０】
【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ながら詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００２１】
以下においては、主にサーバモジュールを有するラックマウントサーバシステムを例に説明するが、ＰＣモジュールを有するデスクトップＰＣなどにも適用することができる。
【００２２】
まず、図１により、本発明の一実施の形態であるラックマウントサーバシステムのサーバモジュールの概略構成の一例を説明する。図１は本実施の形態であるラックマウントサーバシステムのサーバモジュールの概略構成図を示す。
【００２３】
本実施の形態であるラックマウントサーバシステムのサーバモジュールは、装置筐体１の内部に、ＣＰＵやＬＳＩ等の発熱部３と、この発熱部３を冷却液を循環させて冷却し、この冷却液を冷媒の潜熱を利用して冷却する熱交換器を含む冷却装置筐体３２などを有して構成される。
【００２４】
冷却装置筐体３２には、発熱部３に密着する受熱部２１に冷却液を循環させるポンプ２３およびタンク２４と、このタンク２４に内蔵され、冷媒が循環する冷却部３３、エキスパンションバルブ３４、コンプレッサ３５、冷媒冷却ファン３７および冷媒用ラジエータ３８からなる熱交換器などを有している。
【００２５】
冷却装置筐体３２の外部の受熱部２１と、冷却装置筐体３２の内部のポンプ２３およびタンク２４は、配管により接続された流体経路を形成しており、受熱部２１にはポンプ２３により冷却液を循環し、このポンプ２３の上流には冷却液のバッファとしてタンク２４が配置されている。また、ポンプ２３の配置は、発熱部３の下流側に配置すると高温になった冷却液を吸水することになり、ポンプ寿命や性能に悪影響を及ぼすため、発熱部３の上流側に配置している。
【００２６】
冷却装置筐体３２の内部の熱交換器は、冷媒を用いた方式であり、タンク２４に内蔵された冷却部３３と、エキスパンションバルブ３４、コンプレッサ３５および冷媒用ラジエータ３８が配管により接続された流体経路を形成している。この熱交換器では、コンプレッサ３５にて気化した冷媒を圧縮により高圧にしたのち冷媒用ラジエータ３８に送られ、冷媒冷却ファン３７にて冷却される。この冷却された冷媒は液化し、エキスパンションバルブ３４に送られ、ここで再び気化され、冷却部３３を低温にし、再びコンプレッサ３５に戻される。
【００２７】
次に、図２〜図４により、本実施の形態であるサーバモジュール、このサーバモジュールを搭載したラックマウントサーバシステムの具体的な構造の一例を説明する。それぞれ、図２はサーバモジュールの実装状態の斜視図、図３はサーバモジュールの冷却装置と受熱部の実装形態の斜視図、図４はサーバモジュールをラックキャビネットに搭載したラックマウントサーバシステムの斜視図を示す。
【００２８】
本実施の形態であるサーバモジュールは、前記図１に示した概略構成において、たとえば図２に示すように、装置筐体１の内部に主基板２が実装され、この主基板２の上にＣＰＵやＬＳＩ等の発熱部３が実装されている。この発熱部３の上には、装置内部配管２２を通じて冷却液が循環する受熱部２１が密着されている。この受熱部２１は、熱伝達率の高い材料を用い、冷却液が極力広い面積で接するように蛇行した流路を形成し、冷却装置の冷却装置筐体３２の外部に設けられている。
【００２９】
冷却装置の冷却装置筐体３２の内部には、受熱部２１に接続されるポンプ２３およびタンク２４と、このタンク２４に内蔵される冷媒による熱交換器の冷却部３３や、冷媒用のコンプレッサ３５、エキスパンションバルブ３４、冷媒冷却ファン３７および冷媒用ラジエータ３８などが設けられている。
【００３０】
このように、冷却装置は、タンク２４に冷媒による熱交換器の冷却部３３が内蔵されており、このタンク２４内の冷却液を冷却部３３により冷却し、受熱部２１が密着する発熱部３に対して、常に低温の冷却液をポンプ２３によって供給して冷却することが可能な構造となっている。
【００３１】
さらに、冷却装置筐体３２の内部には、冷却制御回路３６が設けられ、この冷却制御回路３６によって、コンプレッサ３５の回転数や、エキスパンションバルブ３４の冷媒の噴霧量を調整して、冷却液の温度を制御することが可能となっている。
【００３２】
また、冷却装置筐体３２の内部には、サーバモジュール内の発熱部３や冷却装置などの各部に電源を供給し、高発熱部のある装置電源３９が実装され、冷却装置筐体３２の外部に対して熱的に隔離されている。この装置電源３９は、冷媒冷却ファン３７の上流側に設けられ、冷媒冷却ファン３７により、冷媒用ラジエータ３８を冷却するとともに、装置電源３９も冷却される構造となっている。
【００３３】
さらに、冷却装置筐体３２の外部において、装置筐体１の前面には、磁気記憶装置等のデバイス（発熱部）６が実装され、装置全体の中でデバイス６からも吸気することで、デバイス６も冷媒冷却ファン３７で冷却されるようになっている。
【００３４】
このサーバモジュールにおいては、たとえばＣＰＵやＬＳＩ等の発熱部３の発熱を第１の温度、磁気記憶装置等のデバイス６の発熱を第２の温度、装置電源３９の発熱を第３の温度とすると、
第３の温度＞第１、第２の温度＞気温
の関係となっている。
【００３５】
本実施の形態のサーバモジュールにおいて、冷却装置と受熱部との接続は、たとえば図３に示すように、冷却装置筐体３２と受熱部２１は、１対の自動開閉バルブ付き流体継手２５で接続されており、着脱時に冷却液が漏れない構造となっている。すなわち、この自動開閉バルブ付き流体継手２５は、接続継手内にバルブを内蔵しており、継手のオス側、メス側にそれぞれバルブがあり、接続すると互いにバルブを押し合うことによってバルブが開き、離脱するとばねの力でバルブを閉じる機能を持つものである。
【００３６】
さらに、１対の自動開閉バルブ付き流体継手２５の少なくとも一方、たとえば受熱部２１側は、フレキシブルな接続チューブ２６で受熱部２１につながる装置内部配管２２に接続され、このフレキシブルな接続チューブ２６によって発熱部３に受熱部２１を実装する際の自由度を持たせている。
【００３７】
また、本実施の形態のように、主基板２の上に発熱部３が複数ある場合には、装置内部配管２２の接続方法としては直列接続と並列接続が挙げられるが、直列接続は、上流側の発熱部３により冷却液が上昇し、下流側の発熱部３の冷却に悪影響を及ぼすため、本実施の形態では並列接続によって複数の発熱部３に接続されている。
【００３８】
本実施の形態のサーバモジュールは、たとえば図４に示すように、複数台のサーバモジュールがラックキャビネット１０に搭載され、ラックマウントサーバシステムとして構成される。
【００３９】
ラックキャビネット１０は、箱型をなし、内部にサーバモジュールを搭載する際に取り付けるための柱であるマウントアングル１１を４方に設けている。サーバモジュールの装置筐体１は、一般のラックマウント方式の装置と同様、ラックキャビネット１０のマウントアングル１１に搭載金具８を介して搭載される。
【００４０】
なお、ラックキャビネット１０には、前述したような、液冷方式の冷却液を冷媒の潜熱を利用して冷却する熱交換器を含む冷却装置を実装したサーバモジュールと同様に、一般の空冷方式のサーバモジュールもマウントアングル１１に搭載金具８を介して搭載することができるので、液冷方式のサーバモジュールと空冷方式のサーバモジュールの混載も可能である。
【００４１】
次に、図５および図６により、本発明の一実施の形態であるラックマウントサーバシステムにおいて、別のサーバモジュールの概略構成、具体的な構造の一例を説明する。それぞれ、図５は別のサーバモジュールの概略構成図、図６は別のサーバモジュールの実装状態の斜視図を示す。
【００４２】
図５に示すサーバモジュールは、前記図１のサーバモジュールと異なり、熱交換器としてペルチェモジュール４０を用いて冷却液を冷却するようにしたものである。すなわち、このサーバモジュールは、装置筐体１の内部に、ＣＰＵやＬＳＩ等の発熱部３と、この発熱部３を冷却液を循環させて冷却し、この冷却液をペルチェモジュール４０を利用して冷却する熱交換器を含む冷却装置筐体３２などを有して構成される。
【００４３】
冷却装置筐体３２には、発熱部３に密着する受熱部２１に冷却液を循環させるポンプ２３およびタンク２４と、このタンク２４に吸熱側が密着するペルチェモジュール４０、このペルチェモジュール４０の放熱側に密着するヒートシンク４２および冷却ファン４３からなる熱交換器と、装置電源３９と、ペルチェモジュール４０を制御するペルチェモジュール制御回路４１などを有している。
【００４４】
この冷却装置の場合、冷却液のバッファ用のタンク２４の上部にペルチェモジュール４０の吸熱側を密着させ、反対面である放熱側にはヒートシンク４２を密着させ、タンク２４自身を冷却することで、内部の冷却液を冷却する。タンク２４は、熱伝導性の高い材料、たとえば銅などで形成されている。また、ペルチェモジュール４０は、ヒートシンク４２によって熱を拡散させ、冷却ファン４３によって冷却される構造となっている。
【００４５】
従って、本実施の形態であるラックマウントサーバシステムのサーバモジュールの冷却方法によれば、以下のような効果を得ることができる。
【００４６】
（１）サーバモジュールの装置筐体１内に、液冷方式の冷却液を冷媒の潜熱を利用した熱交換器で冷却する冷却装置を実装することで、サーバモジュールの装置単体で閉じた冷却システムを構成できるので、通常のラックマウント方式のサーバモジュールと同等に搭載することができる。また、その他の付随設備を必要とすることがない。
【００４７】
（２）ラックキャビネット１０に冷却装置を実装する必要がなく、ラックキャビネット１０の全てにサーバモジュールを搭載することができる。
【００４８】
（３）通常の液冷装置は外気によって冷却液を冷却するが、本実施の形態のサーバシステムでは冷媒の潜熱を利用しているので、高い冷却性能が得られる。すなわち、従来の液冷方式（冷却液を空冷する方法）に比較し、冷媒により冷却液を冷却するので、気温以下にすることもでき、従来の液冷方式よりも発熱部の冷却性能を高くすることができる。また、冷媒の気化量によって冷却温度を調整できるので、冷却能力のコントロールが容易にできるようになる。
【００４９】
（４）冷媒を液化するためにコンプレッサ３５で高圧・高温にするため、冷却装置を冷却装置筐体３２に実装し、サーバモジュールのその他の主要部品と分離することで、冷媒の液化時に発生する熱の影響を受け難くすることができる。
【００５０】
（５）高発熱部のある装置電源３９も、冷却装置筐体３２に実装し、冷媒冷却ファン３７の上流側に配置することで、装置電源３９も同時に冷却することができ、電源用ファンを持つ必要がなくなる。また、冷却装置筐体３２を装置の最下流側に配置することで、上流側のデバイス６などの冷却も行うことができる。
【００５１】
（６）冷却装置と受熱部２１をフレキシブルな接続チューブ２６で、自動開閉バルブ付き流体継手２５で着脱可能に接続させることで、主基板２上の発熱部３の位置に対し、自由度を設けることができる。また、分解保守作業も容易となる。
【００５２】
（７）冷媒による熱交換器に対し、ペルチェモジュール４０による熱交換器の場合、コンプレッサ３５やエキスパンションバルブ３４がないので、小型化が可能である。また、冷媒を密閉した冷媒配管などもないので、構造を簡素化することができる。
【００５３】
以上においては、ラックマウントサーバシステムのサーバモジュールを例に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、デスクトップＰＣのＰＣモジュールなど、液冷方式を採用したシステムモジュール全般に広く適用可能である。このデスクトップＰＣのＰＣモジュールなどのシステムモジュールに適用した場合においても、実装形態はシステムに応じて異なるものの、前述したサーバモジュールと同様の効果を得ることができる。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によれば、ラックマウントサーバシステムのサーバモジュールやデスクトップＰＣのＰＣモジュールなどのようなシステムモジュールの冷却方法において、モジュールが高性能化、薄型化、高密度実装化しても、モジュールの信頼性確保に十分な冷却を可能にし、特に液冷方式を採用したモジュールに搭載された高発熱部品の放熱を円滑に行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態であるラックマウントサーバシステムのサーバモジュールを示す概略構成図である。
【図２】本発明の一実施の形態において、サーバモジュールの実装状態を示す斜視図である。
【図３】本発明の一実施の形態において、サーバモジュールの冷却装置と受熱部の実装形態を示す斜視図である。
【図４】本発明の一実施の形態において、サーバモジュールをラックキャビネットに搭載したラックマウントサーバシステムを示す斜視図である。
【図５】本発明の一実施の形態において、別のサーバモジュールを示す概略構成図である。
【図６】本発明の一実施の形態において、別のサーバモジュールの実装状態を示す斜視図である。
【図７】従来の強制空冷方式によるラックマウントサーバシステムにおいて、ラックキャビネットへのサーバモジュールの実装状態を示す斜視図である。
【符号の説明】
１…装置筐体、２…主基板、３…発熱部、４…放熱フィン、５…冷却ファン、６…デバイス、７…接続コネクタ、８…搭載金具、９…発熱体、１０…ラックキャビネット、１１…マウントアングル、２１…受熱部、２２…装置内部配管、２３…ポンプ、２４…タンク、２５…自動開閉バルブ付き流体継手、２６…接続チューブ、３２…冷却装置筐体、３３…冷却部、３４…エキスパンションバルブ、３５…コンプレッサ、３６…冷却制御回路、３７…冷媒冷却ファン、３８…冷媒用ラジエータ、３９…装置電源、４０…ペルチェモジュール、４１…ペルチェモジュール制御回路、４２…ヒートシンク、４３…冷却ファン、４４…電源用ファン。
【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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