(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製の円筒状側壁と、この円筒状側壁の軸方向両端を電磁波的に閉じる金属製の端部側壁とで構成される空胴共振器と、
この空胴共振器内に同軸的に配設され、流体に接する円管とを具備し、
前記空胴共振器の円筒状側壁における軸方向の中間位置に設けられた結合スロットにマイクロ波導波管が結合され、
前記空胴共振器内に、大きさが円周に沿って一定で軸方向に対しても変化せず、向きが中心軸に平行な軸対称マイクロ波電界が形成され、
前記円管は、マイクロ波を吸収して昇温する材質からなり、その昇温に伴って前記流体の化学反応を進行させることを特徴とするマイクロ波加熱装置。
【請求項２】
金属製の円筒状側壁と、この円筒状側壁の軸方向両端を電磁波的に閉じる金属製の端部側壁とで構成される空胴共振器と、
この空胴共振器内に同軸的に配設され、流体に接する円管とを具備し、
前記空胴共振器の円筒状側壁における軸方向の中間位置に設けられた結合スロットにマイクロ波導波管が結合され、
前記空胴共振器内に、大きさが円周に沿って一定で軸方向に対しても変化せず、向きが中心軸に平行な軸対称マイクロ波電界が形成され、
前記円管の流体に接する少なくとも一部が、マイクロ波を吸収して昇温する昇温物質を担持し、この昇温物質が前記空胴共振器内に発生するマイクロ波電界によって加熱され、それによって前記流体の化学反応を進行させることを特徴とするマイクロ波加熱装置。
【請求項３】
前記円管の流体に接する少なくとも一部が、前記流体の化学反応を促進するための触媒を担持することを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロ波加熱装置。
【請求項４】
流体に接する前記円管が、誘電体からなる外側円管によって同軸的に包囲され、これら両円管が前記空胴端部側壁と気密となるように構成されることによって、外側円管と円管との間に他の流体を収容する流体収容空間が形成され、かつ円管は少なくとも一部がポーラスであり、円管内に収容された前記流体と流体収容空間内に収容された他の流体とが、円管のポーラスな部位を介して合流可能に構成されることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載のマイクロ波加熱装置。
【請求項５】
金属製の円筒状側壁と、この円筒状側壁の軸方向両端を軸線直交面により電磁波的に閉じる金属製の端部側壁とで構成される空胴共振器と、
この空胴共振器内に同軸的に配設され、内部に流体を収容するマイクロ波低損失の誘電体からなる円管とを具備し、
前記空胴共振器の円筒状側壁における軸方向の中間位置に設けられた結合スロットにマイクロ波導波管が結合され、
このマイクロ波導波管は、各一対の長辺と短辺とを有する方形導波管からなり、長辺を前記空胴共振器の軸線直交方向に向けて空胴共振器に結合され、終端が導波管の管軸方向に対し直角な短絡板で短絡され、空胴共振器の円筒状側壁と一体化されており、
前記結合スロットは、前記短絡板の中央に設けられ、空胴共振器の管軸方向に長い長辺と管軸直交方向に短い辺を持つ細長の方形をなし、
前記空胴共振器の円筒状側壁の直径は、前記マイクロ波導波管の長辺の長さより小さく構成され、
それによって、前記空胴共振器内に、TM010のシングルモードで共振するマイクロ波電界を発生させて、前記流体の化学反応を進行させることを特徴とするマイクロ波加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、物質にマイクロ波を照射し、これを加熱するマイクロ波加熱装置に係り、特にマイクロ波加熱によって円管状の誘電体、またはこの円管に接する流体を加熱し、それによって化学反応を促進するマイクロ波加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ波は、電子レンジを始め、産業用の加熱炉の加熱源として広く利用されている。マイクロ波は、物質に含まれる水を加熱するだけでなく、極性をもつ誘電物質に作用してこれを選択的に加熱するので、被加熱物の直接加熱が可能で、短時間で効率よく被加熱物を加熱する能力を持っている。
加熱には周波数が２，４５０MHｚのマイクロ波を使用するのが一般的である。この周波数のマイクロ波は、波長が１２cm程度であるため、通常、加熱温度にムラが生じ、これを均一化することが求められている。加熱均一化の目的を果たすために、マイクロ波の反射を時間的に変化させたり、被加熱物を移動させる等を行って、マイクロ波と物質の相互の位置関係を時間的に変える手段が一般に用いられている。
一方、化学反応を促進する場合、加熱は品質を左右する重要な操作因子であり、また、最もエネルギーを消費する操作の一つである。
一般に加熱は、反応装置内に物質を置いて行われる。この場合、反応装置全体を加熱しなければならず、多大な無駄なエネルギーを消費する要因となっている。また、触媒反応の場合、重要なのは触媒とその触媒の近傍にある物質の温度であり、そのような部分のみを選択的に加熱加熱することが望ましいが、このようなことが従来の加熱手段で不可能であったことも、加熱に余計なエネルギーを消費する要因となっていた。
化学反応を促進するための加熱操作をマイクロ波加熱により行う技術が近年提案されている。例えば、特許文献１には、マイクロ波発生器、マイクロ波をアプリケータに誘導する導波路、処理されるサンプルを保持するアプリケータと、これらの導波路、サンプル、アプリケータと協働して共振空胴を形成する回転可能なデフレクタを含むマイクロ波加熱装置が開示されている。このシステムは加熱プロセス中にデフレクタを回転させ、誘電率が変動するサンプルに対し、単一モードの共振条件を満たすように工夫している。デフレクタはマイクロ波の反射を計測してそれを利用して調整されるが、この方法では、共振状態のほかに負荷変動に伴うインピーダンスの変化も含んでしまうので的確な方法とは言えない。
ところで、一般に、化学反応を促したい流体を流す管は通常、円形断面を呈している。このような流体にマイクロ波を照射して選択加熱が行えれば、エネルギー消費の大幅な削減が期待できる。マイクロ波による流体加熱については、通常の用途、例えば水負荷のような形態では特に均一加熱の必要はないが、化学反応を主目的とする用途では、一般に、温度が反応に大きく関係するので、均一に加熱することが強い要求となってくる。しかし、流体を流通させる円管あるいはこれに接する流体に対して、マイクロ波による均一加熱を実行できる加熱装置に関する文献は、出願人の調査の限りにおいて見出すことができない。
【特許文献１】特表２００３−５２３６１２公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
この発明は、上記のような背景と要求のもとになされたものであり、マイクロ波によって、円管に接する流体を高効率で均一に加熱する新しい手段を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するための、本発明に係る第１のマイクロ波加熱装置は、マイクロ波が導入される空間を円筒状の空胴共振器内に形成し、その中にマイクロ波を吸収して昇温する材質の誘電体円管を同軸的に配設する。空胴共振器内に、大きさが円周に沿って一定で軸方向に対しても変化せず、向きが中心軸に平行な軸対象マイクロ波電界を発生させることによって円管を加熱し、これに接する流体の化学反応を促進させる。
【０００９】
本発明に係る第２のマイクロ波加熱装置は、円管の少なくとも一部に、マイクロ波を吸収して昇温する昇温物質を塗工、含浸、膜生成するなどして担持させ、これを空胴共振器内に発生するマイクロ波電界によって、回転対称的に加熱し、円管に接する流体の化学反応を促進するようにした。
【００１０】
本発明に係る第３のマイクロ波加熱装置は、上記第１又は第２のマイクロ波加熱装置において、円管の少なくとも一部に、流体の化学反応を促進するための触媒を塗工、含浸、膜生成するなどして担持させ、流体の化学反応を促進するようにした。
【００１２】
本発明に係る第４のマイクロ波加熱装置は、上記第１ないし第３のマイクロ波加熱装置において、円管を誘電体からなる外側円管で同軸的に包囲させ、この両円管を空胴端部側壁と気密となるように構成することによって、外側円管と円管との間に他の流体を収容する流体空間を形成し、かつ円管は流体空間内において少なくとも一部をポーラスにし、円管内に収容された流体と流体空間内に収容された他の流体とを、円管のポーラスな部位を介して合流可能となるように構成した。
【００１６】
本発明に係る第５のマイクロ波加熱装置は、マイクロ波が導入される空間を円筒状の空胴共振器内に形成し、その中に、マイクロ波低損失の誘電体の円管を同軸的に配設する。空胴共振器内に、円周に沿って一定で軸方向に対しても変化せず、電気力線が軸方向に向かう電界を発生させ、これにより円管内に収容された流体の化学反応を進行させる。空胴共振器の円筒状側壁における軸方向の中間位置に結合スロットを介してマイクロ波導波管を結合する。このマイクロ波導波管は、各一対の長辺と短辺とを有する方形導波管から構成し、長辺を空胴共振器の軸線直交方向に向けて空胴共振器に結合し、終端を導波管の管軸方向に対し直角な短絡板で短絡し、空胴共振器の円筒状側壁と一体化する。結合スロットは、短絡板の中央に設け、空胴共振器の管軸方向に長い長辺と管軸直交方向に短い短辺を持つ細長の方形とする。結合スロットの長辺は、マイクロ波導波管の短辺の長さに等しく構成する。空胴共振器の円筒状側壁の直径は、マイクロ波導波管の長辺の長さより小さく構成する。それによって、空胴共振器内に、TM010のシングルモードのマイクロ波電界を発生させ、円管内の流体の化学反応を進行させる。
【発明の効果】
【００１７】
第１の発明においては、空胴共振器内において、円周に沿って一定で、軸方向に向かう電界を発生させ、流体に接する円管の均一で効率的な回転対称加熱を可能とした。
【００２２】
第２の発明においては、例えば、円管内に収容された流体がマイクロ波を吸収しない物質であるような場合でも、円管が担持する昇温物質が選択的に加熱されるので、これによって円管内の流体等の被加熱物を間接加熱することができるとともに、回転対称的に化学反応を行わせることができる。
【００２３】
第３の発明においては、円管が担持する触媒により、流体の化学反応を促進することができる。
【００２４】
第４の発明においては、異なる２流体を隔てる円管をポーラスなものとすることにより、このポーラスな部位を介して２流体を合流させ化学反応を行わせることができる。
【００２５】
第５の発明においては、空胴共振器内に、TM010のシングルモードのマイクロ波電界を発生させ、それにより円管内の流体の化学反応を進行させる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
図面を参照してこの発明の一実施形態を説明する。図１はこの発明の基本構造を示す説明図、図２は誘電体円管の内表面におけるマイクロ波電界を示す説明図、図３は誘電体内外における電界の連続性を示す説明図、図４は空胴共振器の軸方向端部に設けた開口の詳細を示す断面図、図５は空胴共振器の周波数調整機構を示す説明図、図６は空胴共振器と導波管の結合方法の一実施例を示す斜視図、図７は空胴共振器と導波管の結合スロットを示す正面図、図８は空胴共振器と導波管の他の結合方法の一実施例を示す説明図、図９、図１０はそれぞれ加熱装置の他の実施形態を示す説明図である。
【００３１】
図１において、マイクロ波の空胴共振器１は、金属製の円筒状側壁２と、その軸線方向両端を電磁波的に密閉する端部側壁３で構成される。液体、気体のような流体Ａを収容する誘電体の円管４は、空胴共振器１内に同軸的に配置される。空胴共振器１内には、導波管５からマイクロ波が導入され、内部にTE010モードかTM010モード、もっと一般的には、TE0ns、TM0nsモードが励起される。これにより、誘電体円管４と共に、内部の流体Ａがマイクロ波によって間接的または直接的に加熱される。ここにn、sは整数である。TE010モードを励起した場合、電界は円周に沿うかあるいはこの円周と同軸的に分布しており、円周に沿って、また軸方向に対して大きさが変化せず、TM010モードの場合、電界は軸方向に向かい、円周に沿って、また軸方向に対し大きさが変化しない。TE010とTM010では、後者の方が空胴の大きさをより大きくできる利点をもっている。ｎは半径方向、sは中心軸方向に対し、変化する次数を示す。誘電体円管２の半径方向の一部、例えば内面を選択的に加熱するような用途や、誘電体円管２内を通る被加熱流体が層流でない場合にnは1である必要はないが、一般的にはｎ=1であることが望ましい。流体の場合、加熱されながら円管４内を軸方向に流れるので、周期的な加熱が行われることになる。したがって、この場合、ｓは0である必要はない。しかしながら、例えば円管の内面に触媒を塗工するような用途では、ｓ＝0であることが要求される。
【００３２】
図２において、矢印６は、空胴共振器１内にTM010モードを励起したときに発生する軸方向電界の向きを示している。図は軸方向に向かう電気力線を一つ選んで代表的に表示したものであるが、このモードの電気力線の大きさは円周に沿っても軸方向に対しても変化せず一定である。また矢印７は、TE010モードを励起した際に発生する円周に沿う電界を示しており、同様に電気力線の大きさは円周に沿っても軸方向に対しても変化せず一定である。rが図示の値と異なる部分の電気力線は7と同軸的になっている。
【００３３】
図３において、８は誘電体、矢印９は電界を示している。電磁波の境界条件から、誘電体８の内外のマイクロ波は、誘電体表面に対する平行成分が連続で、垂直成分に関しては、誘電体外の誘電率と電界の積と誘電体内の誘電率と電界の積が連続である。したがって、被加熱物の誘電率が外部の誘電率に比較して大きい場合、両者の比に応じて誘電体８内の電荷が弱くなる。すなわち、図３（ａ）のように誘電体表面に平行な電界は誘電体８の内外で大きさが等しいが、図３（ｂ）のように、誘電体表面に垂直となる電界は、誘電体外の物質の比誘電率が1、誘電体自身の比誘電率をεとすると、誘電体外の電界の大きさの1/εに弱まる。図３（ｃ）のように、誘電体表面に対し斜めに入射する電界は、平行成分が連続で、垂直成分が1/εとなるので向きが変化する。マイクロ波による加熱は電界の2乗に比例するから、これを考慮すると、境界の電界の向きは境界面に平行でなければならない。この要件を満たすために、被加熱物が円筒面を持つ場合、電界を軸方向に向けるか円周に沿うようにする必要がある。上記TE010、TM010モードの電界はこの条件を満足している。
【００３４】
図４に示す実施形態において、１は円筒状空胴共振器で、円筒状側壁２と端部側壁３からなる。４は誘電体円管で、空胴共振器１内に同軸的に配設される。端部側壁３の中心には、電磁波が十分遮断状態となる径を持つ円形の小さい開口３ａがある。なお、誘電体円管４の外径は端部側壁３の開口３ａの内径と一致させる必要はないが、図では説明の便宜上、等しく描いてある。また、一般には円管４が開口３ａを貫通する必要はないが、この実施形態では被加熱物流体Ａを流通させる用途を想定しているので貫通するようになっている。
【００３５】
開口３ａは、電磁波が遮断状態となるのに十分な程に小さく設定される。開口３ａを包囲する鍔状の金具１０を端部側壁３の外側に付設して実効的に端部側壁３の厚さを増すことにより、確実に電波漏れを抑制する効果を増すことができる。誘電体円管４内には図の上下方向に流体が流れるようになっている。
円管４をマイクロ波電力の無損失な部材で構成すれば、円管４内の流体Ａを直接加熱することができる。流体Ａの誘電率が大きいと、実効的に寸法を大きくした効果が出るので、その分、円管４や空胴共振器１の径方向の寸法を小さくしなければならない。流体Ａ内の電界は半径方向で変化するが、TE010 やTM010の場合、その変化は比較的小さく、したがって径方向に対してもほぼ均一な加熱ができる。なお、電界の径方向の分布状態は、流体の誘電率や誘電損によっても相応の影響を受ける。
【００３６】
円管４がマイクロ波を吸収して昇温する材質である場合は、内部に流れる流体Ａを間接加熱することができる。熱は順調に流体Ａに伝達される。円管４自身が円周方向にも軸方向にもほぼ均等に加熱されるので、流体Ａが層流で流体自身の熱伝導が悪くない限りほぼ均一に間接加熱される。
【００３７】
図５は共振周波数を調整する手段を示している。金属または誘電体製の周波数調整片１１を円筒状側壁のスロット２ａから空胴共振器１内に矢印の方向に沿って挿入することによって共振周波数を調整する。空胴共振器１の円筒状側壁２に流れる電流は軸方向であるから、側壁２が所定の厚みを有していれば、側壁にスロット状の開口２ａを設けても電磁波の漏れは十分小さい。周波数調整片１１を挿入するときは、これが一種のアンテナになって電波漏洩策が必要となる場合がある。その場合、例えば図４のフランジ金具７を開口２ａに沿って展開した形状の漏洩防止金具を付設するような対策が有効である。
【００３８】
調整片１１、平板状でも棒状でもよい。調整片１１が比較的小径の棒状である場合には、空胴共振器１の円筒状側壁２だけでなく、端部側壁３から挿入してもよい。
【００３９】
空胴共振器１に小さい穴を開けても、あるいは、特にTM010共振空胴の場合は軸方向にスロットを切ってもよいので、このような開口からループを挿入して空胴内の電磁界の大きさを検出することができる。この信号が最大となるように周波数調整片１１の位置を調整して同調をとることが可能である。このようにして、常に同調を確保できる。電気的なフィードバック系を使用すれば、自動調整が可能である。
【００４０】
図６の実施形態において、導波管５は、空胴共振器1の軸方向の中心部に結合している。このように軸方向に対称的に結合させることにより、TM010モードの近接モードであるTM011モードの発生を阻止でき、その分モード分離がよくなるという利点が生まれる。
【００４１】
図７は導波管５の正面から空胴共振器１を見た図である。導波管５は、終端が導波管の管軸方向に対し直角な短絡板１２で短絡されている。この短絡板１２は空胴共振器１の円筒状側壁２と一体化されており、中央に空胴共振器１の管軸方向に伸びる結合スロット１３が設けられている。このスロット１３により空胴共振器１内にTM010モードを発生する。
【００４２】
図８の実施形態においては、空胴共振器１に対し導波管１４が結合されている。この導波管１４は、通常、標準導波管より高さが低い扁平導波管で、図に示すように、空胴共振器１の軸方向の中間部に結合されている。電界は図の水平方向に向かっている。導波管１４の終端部には、結合のための開口１５設けられ、この開口１５を介して共振器１内にTE010モードが励起される。結合の位置を軸方向中間部としたのは隣接モードであるTE011が励起されないようにするためであり、これによってモード分離が改善される。開口１５の幅Wと高さHは目的のTE010モード分布が得られるように適切に定められる。
【００４３】
空胴共振器１にTE010モードを励起する方法としては、モード変換器を用いる方法がある。この場合は、空胴共振器１の軸方向端部側壁３にモード変換器を取り付け、この方向から空胴に電磁波を励起することになる。また、空胴共振器１の直径は、内部の誘電体の効果によって比較的小さくなるので、径を合わせるためテーパ、ステップ導波管、結合共振器等の直径を変換するデバイスが必要である。
【００４４】
図９は単一の流体Ａを誘電体円管４内に流通させる形態を示している。誘電体円管４の内面に、電磁波を吸収して昇温する触媒１６が塗工あるいは成膜され、又は含浸されている。空胴共振器１内に例えばTM010モードの電磁界を励起すると、触媒１６が流体Ａと共に均一に加熱される。適切に加熱された触媒１６は流体Ａに接してその化学反応を促進する。
【００４５】
図１０に示すように、円管４をポーラスな部材とし、その外側に第２の誘電体円管である外側円管１７を設け、その両端を閉塞する。外側円管１７は流体Ｂの入口１７ａ、出口１７ｂを有する。両円管４，１７間に流体の収容空間１８が形成される。第1の流体が円管４を通って図の上下方向に流れ、流体収容空間１８を流れる第2の流体Ｂが、ポーラスな円管４の側壁を透過して第1の流体Ａと合流する。流体収容空間１８内の第2の流体を適切に加圧すれば、第2の流体Ｂは円管2をスムーズに透過する。円管４に担持された触媒１６は、第1、第2の流体Ａ，Ｂ間の化学反応を促進する働きを担っている。触媒１６がマイクロ波を吸収しにくい物質である場合には、これに加えて、マイクロ波を吸収して昇温しやすい昇温物質を円管４に担持させることができる。触媒１６を担持させるのは、円管４の外表面だけでなく、内表面、またその組織内、内外両面であってもよい。
【００４６】
また、特に円管４の誘電体損失を低くし、代わりに円管４の内部に流れる流体のマイクロ波損失を高くした場合でも境界条件によって、流体自身が円周に沿って、あるいは軸方向に関し均一に加熱される。TE010モードの場合は、中心軸上で電界がゼロになるので、半径方向の加熱が不均一になるが、TM010モードの場合は、中心に近づくにつれ電界が強くなる傾向を持っていて、全体として、円柱状の流体をほぼ均一加熱できることになる。この場合でも、円管４は流体の発熱によって、熱伝導で加熱されるので、内面に触媒を担持させておくと触媒の温度が上がり、流体の化学反応を促進させることができる。流体に化学反応させるべき物質を溶融もしくは混入し、または、必要に応じて触媒を溶融もしくは混入しておくと、マイクロ波の作用で化学反応が効率よくほぼ均一に進行する。この場合、誘電体としては、例えば、石英、テフロン（登録商標）などの熱伝導が悪く、マイクロ波損失の少ないを材料を選択できる。なお、このようなマイクロ波の吸収が少ない材料でも、わずかながら、マイクロ波を吸収して自ら昇温する。流体中の化学反応をおこさせる物質自身がマイクロ波を吸収して昇温しない場合は、エチレングリコール、水、アルコールのようなマイクロ波をよく吸収する溶媒を使ってもよい。このような構成によって、回転対称的に、また、軸方向、半径方向に対してもほぼ均一に流体を加熱でき、マイクロ波効果を与えて化学反応を促進できる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
この発明は、マイクロ波を用い、被加熱物を収容する誘電体円管の円周に沿って一定で管軸方向にもほぼ均一な電界を生じさせるので、誘電体円管を均一に加熱できるほか、それによって、誘電体円管の表面近傍を流れる流体を間接加熱し、あるいは収容する流体それ自体をも均一に加熱して流体の化学反応を均一に促進できる。化学反応装置の他、産業上広い応用展開が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】この発明の実施形態に係るマイクロ波加熱装置の断面図である。
【図２】この発明の実施形態に係るマイクロ波加熱装置の説明図である。
【図３】この発明の実施形態に係るマイクロ波加熱装置の説明図である。
【図４】この発明の実施形態に係るマイクロ波加熱装置の一部の断面図である。
【図５】この発明の実施形態に係るマイクロ波加熱装置の断面図である。
【図６】この発明の実施形態に係るマイクロ波加熱装置の斜視図である。
【図７】この発明の実施形態に係るマイクロ波加熱装置の正面図である。
【図８】この発明の他の実施形態に係るマイクロ波加熱装置の正面図である。
【図９】この発明の他の実施形態に係るマイクロ波加熱装置の説明図である。
【図１０】この発明のさらに他の実施形態に係るマイクロ波加熱装置の説明図である。
【符号の説明】
【００４９】
１  空胴共振器
２  円筒側壁
２ａ  スロット
３  端部側壁
３ａ  開口
４  誘電体円管
５  導波管
６  矢印（軸方向マイクロ波電界）
７  矢印（円周方向マイクロ波電界）
８  誘電体
９  矢印
１０  鍔状金具
１１  周波数調整片
１２  短絡板
１３  スロット
１４  導波管
１５  結合スロット
１６  触媒
１７  外側誘電体円管
１７ａ  流体入口
１７ｂ  流体出口
１８  流体収容空間
【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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