(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
自己潤滑性と耐熱性を有する合成樹脂で形成され、胴部に自己潤滑性材料からなるピストンリングが嵌合されているピストンを、金属製のシリンダ内に嵌合してなる無給油式往復作動流体機械において、前記ピストンの頂壁に、ピストン自体よりも強度が大きな材料からなる補強板を埋設するとともに、前記補強板の周縁部に、ピストンの胴部内へ突入する補強筒を一体的に設け、さらに、前記補強筒の先端に、補強板とほぼ平行をなし、かつピストンの胴部におけるピン孔の一部を囲む受支片を一体的に設け、前記補強筒と受支片とを前記胴部内に埋設したことを特徴とする無給油式往復作動流体機械。
【請求項２】
補強板に、補強筒を超えて径方向に延びる周辺板を一体的に設けたことを特徴とする請求項１記載の無給油式往復作動流体機械。
【請求項３】
自己潤滑性と耐熱性を有する合成樹脂で形成され、胴部に自己潤滑性材料からなるピストンリングが嵌合されているピストンを金属製のシリンダ内に嵌合してなる無給油式往復作動流体機械において、前記ピストンの頂壁の下面に、ピストン自体よりも強度が大きな材料からなる補強板を重合するとともに、前記補強板の周縁部に一体的に設けた補強筒を、その内面がピストンの胴部の内面に露出するようにして前記胴部内へ突入し、さらに、前記補強筒の先端に、補強板とほぼ平行をなし、かつピストンの胴部におけるピン孔の一部を囲む受支片を一体的に設け、この受支片をピストンの胴部内へ埋設したことを特徴とする無給油式往復作動流体機械。
【請求項４】
補強板に、補強筒を超えて径方向に延びる周辺板を一体的に設けたことを特徴とする請求項３記載の無給油式往復作動流体機械。
【請求項５】
補強板の外周面に多数の凹凸を設けてなる請求項１〜４のいずれかに記載の無給油式往復作動流体機械。
【請求項６】
補強板の少くとも片面を粗面としてなる請求項１〜５のいずれかに記載の無給油式往復作動流体機械。
【請求項７】
補強板の周縁より、求心方向を向く多数の切込溝を設けてなる請求項１〜６のいずれかに記載の無給油式往復作動流体機械。
【請求項８】
補強板の少くとも片面に、径方向を向く多数の突条を形成してなる請求項１〜７のいずれかに記載の無給油式往復作動流体機械。
【請求項９】
補強板の少くとも片面に、多数の環状の突溝を形成してなる請求項１〜８のいずれかに記載の無給油式往復作動流体機械。
【請求項１０】
補強板の少くとも片面に、多数の環状の凹溝を形成してなる請求項１〜８のいずれかに記載の無給油式往復作動流体機械。
【請求項１１】
補強板の少くとも片面に、多数の環状の突条と多数の径方向を向く突条を形成してなる請求項１〜１０のいずれかに記載の無給油式往復作動流体機械。
【請求項１２】
補強板を金属からなるものとした請求項１〜１１のいずれかに記載の無給油式往復作動流体機械。
【請求項１３】
補強板を、ピストン自体よりも強度の高い樹脂からなるものとした請求項１〜１１のいずれかに記載の無給油式往復作動流体機械。
【請求項１４】
補強板を、多孔板からなるものとしたことを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の無給油式往復作動流体機械。
【請求項１５】
補強板を、網目板からなるものとしたことを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の無給油式往復作動流体機械。
【請求項１６】
補強板を、繊維状材料を編成したものとした請求項１〜１３のいずれかに記載の無給油式往復作動流体機械。
【請求項１７】
補強板を、セラミックからなるものとしてなる請求項１〜１３のいずれかに記載の無給油式往復作動流体機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クランクロッドとピストンピンを介して、ピストンをシリンダ内で往復運動させることにより、流体を加圧もしくは減圧するようにした流体機械において、前記ピストンを無給油式としたものの改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
図２５は、一般的な無給油式往復作動流体機械の要部を示す。
【０００３】
外周面に冷却フィン(50)を設けたアルミ合金からなるシリンダ(51)内に、外周適所に自己潤滑性のピストンリング(52)が嵌合され、かつ胴部に径方向に設けたピン孔(53)(53)に、図示しない動力により往復運動させられるコネクティングロッド(54)の先端における環部(55)に固嵌したピストンピン(56)の両端部を枢支した合成樹脂製の自己潤滑性のピストン(57)を、摺動自在に嵌合してある。
【０００４】
なお、前記合成樹脂製のピストン(57)は、黒鉛等の摺動性を高める耐熱材料と、炭素繊維等の強度を高めるための材料を混入した自己潤滑性の樹脂系複合材で形成されている（特許文献１）。
【０００５】
このように、ピストンを、自己潤滑性と耐熱性を有する合成樹脂製とすると、運転が長期に亘って、ピストンリングが摩耗し、ピストンの外周が直接シリンダの内面に接触するに至っても、直ちにかじりや焼付きを起こすことはなく、以後かなりの時間に亘って運転を継続することができるという利点が得られる。
【特許文献１】特開平４−２１４９７０号公報
【特許文献２】特開平５−１２４０５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、前記のような合成樹脂の強度は、通常、従来のピストンの材料であるアルミ合金のそれの約１／２ないし１／４であるので、アルミ合金製のピストンを備える流体機械と同等の作動圧を受けさせるためには、ピストンの頂壁の厚さを単純計算では、アルミ合金製のものに比して、２〜４倍まで厚くしなければならないこととなる。
【０００７】
すなわち、例えば外径１００mm、長さ８０mm、胴部肉厚約９mmのアルミ合金製のピストンの頂壁の厚さが約７mmであるとすると、同じ外径の合成樹脂製のピストンでは、頂壁の厚さを約１４〜２８mmとしなければならないこととなる。
【０００８】
このように、従来のものに比して頂壁の厚さが異常に大きいピストンでは、次に述べるような問題が発生するおそれがある。
【０００９】
成形時、頂壁の内部に巣や不均質部等の欠陥が発生し、強度が低下する。
【００１０】
ピン孔からピストンの頂面までの長さが長くなり、ピストンの往復摺動時の首振り現象が大となって、ピストンリングの摩耗は大となるとともに、比較的短時間の中に、ピストンがシリンダの内面を叩打するようになって、運転音が高くなる。
【００１１】
このような首振り現象を解消させるためには、ピン孔からピストンの頂面までの長さが大となったのに対応して、ピン孔からピストンの下縁までの長さを大としなければならないが、このようにすれば、流体機械の全高は大となるとともに、重量および価格も大となることは明かである。
【００１２】
従って合成樹脂製ピストンにおいては、頂壁の厚さをできるだけ増すことなく、頂壁の強度を、シリンダ内において加えられる圧力に耐えうるものとすることが必要である。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、ピストンの外形や寸度を、全くもしくは殆ど変えることなく、その頂壁の強度を増大させたピストンを備える無給油式往復作動流体機械を得ることを目的とするもので、その具体的手段は次の如くである。
（１）自己潤滑性と耐熱性を有する合成樹脂で形成され、胴部に自己潤滑性材料からなるピストンリングが嵌合されているピストンを、金属製のシリンダ内に嵌合してなる無給油式往復作動流体機械において、前記ピストンの頂壁に、ピストン自体よりも強度が大きな材料からなる補強板を埋設するとともに、前記補強板の周縁部に、ピストンの胴部内へ突入する補強筒を一体的に設け、さらに、前記補強筒の先端に、補強板とほぼ平行をなし、かつピストンの胴部におけるピン孔の一部を囲む受支片を一体的に設け、前記補強筒と受支片とを前記胴部内に埋設する。
【００１４】
（２）上記(１)項において、補強板に、補強筒を超えて径方向に延びる周辺板を一体的に設ける。
【００１５】
（３）自己潤滑性と耐熱性を有する合成樹脂で形成され、胴部に自己潤滑性材料からなるピストンリングが嵌合されているピストンを金属製のシリンダ内に嵌合してなる無給油式往復作動流体機械において、前記ピストンの頂壁の下面に、ピストン自体よりも強度が大きな材料からなる補強板を重合するとともに、前記補強板の周縁部に一体的に設けた補強筒を、その内面がピストンの胴部の内面に露出するようにして前記胴部内へ突入し、さらに、前記補強筒の先端に、補強板とほぼ平行をなし、かつピストンの胴部におけるピン孔の一部を囲む受支片を一体的に設け、この受支片をピストンの胴部内へ埋設する。
【００１６】
（４）上記(３)項において、補強板に、補強筒を超えて径方向に延びる周辺板を一体的に設ける。
【００１７】
（５）上記(１)〜(４)項のいずれかにおいて、補強板の外周面に多数の凹凸を設ける。
【００１８】
（６）上記(１)〜(５)項のいずれかにおいて、補強板の少くとも片面を粗面とする。
【００１９】
（７）上記(１)〜(６)項のいずれかにおいて、補強板の周縁より、求心方向を向く多数の切込溝を設ける。
【００２０】
（８）上記(１)〜(７)項のいずれかにおいて、補強板の少くとも片面に、径方向を向く多数の突条を形成する。
【００２１】
（９）上記(１)〜(８)項のいずれかにおいて、補強板の少くとも片面に、多数の環状の突溝を形成する。
【００２２】
（10）上記(１)〜(８)項のいずれかにおいて、補強板の少くとも片面に、多数の環状の凹溝を形成する。
【００２３】
（11）上記(１)〜(10)項のいずれかにおいて、補強板の少くとも片面に、多数の環状の突条と多数の径方向を向く突条を形成する。
【００２４】
（12）上記(１)〜(11)項のいずれかにおいて、補強板を金属からなるものとする。
【００２５】
（13）上記(１)〜(11)項のいずれかにおいて、補強板を、ピストン自体よりも強度の高い樹脂からなるものとする。
【００２６】
（14）上記(１)〜(13)項のいずれかにおいて、補強板を、多孔板からなるものとる。
【００２７】
（15）上記(１)〜(13)項のいずれかにおいて、補強板を、網目板からなるものとする。
【００２８】
（16）上記(１)〜(13)項のいずれかにおいて、補強板を、繊維状材料を編成したものとする。
【００２９】
（17）上記(１)〜(13)項のいずれかにおいて、補強板を、セラミックからなるものとする。
【発明の効果】
【００３０】
各請求項へ記載の発明の効果は、次のとおりである。
請求項１：−補強板の存在により、ピストンの頂壁の局部的変形は防止されるとともに、その強度、特に剪断および曲げに対する耐力は大となり、かつ作動に伴って、ピストンの頂壁の上面に作用する圧力は、補強板により頂壁に広く分布されるので、ピストンの頂壁の強度は著しく増大する。
【００３１】
そのため、ピストンは合成樹脂製であるにも拘わらず、頂壁の薄肉化を図ることができ、ひいてはピストン全体を軽量化することができる。
【００３２】
さらに補強板により、ピストンの頂壁の熱膨張が抑制される。特に補強板を熱伝導性のよいものとすれば、ピストンの頂壁の熱は分散され、その過熱は防止される。
【００３３】
ピストンの頂壁に作用する上方からの力は、補強筒を介して、ピストンの胴部へ効果的に伝えられ、かつ補強板の剛性も大となるので、その変形は抑えられる。
【００３４】
また、ピストンの頂壁に作用する垂直荷重は、補強板とほぼ平行をなす受支片によっても受けられるので、ピストンの強度は、より大となるとともに、その変形は効果的に抑えられる。
【００３５】
請求項２：−頂壁の上面から作用する力および熱は、頂壁の広範囲に亘って分布伝達されるので、ピストンの機械的および熱的強度は増大する。
【００３６】
請求項３：−請求項１の発明の効果に加えて、補強板の下面はピストンの頂壁から露出しているので、頂壁の放熱および熱分布はより良好となる。
また、ピストンの頂壁に上方から作用する力は、補強筒を介して、ピストンの胴部へ効果的に伝えられ、かつ補強板の剛性も大となって、頂壁全体としての強度は増し、頂壁全体としての薄肉化を図ることができる。
さらに、頂壁の上面から作用する力は、頂壁の広範囲に亘って分布伝達されるので、ピストンの機械的および熱的強度は増大する。
【００３７】
請求項４：−補強板の面積は大となるので、頂壁に対する補強板の固定保持強度は大となり、かつ補強筒によっても荷重は受けられる。
【００３８】
請求項５：−頂壁に対する固定板の周方向の固定保持強度は大となる。
【００３９】
請求項６：−補強板の剛性が大となるとともに、その頂壁に対する周方向の固定保持強度は大となる。
【００４０】
請求項７：−頂壁に対する補強板の周方向の固定保持強度は大となる。
【００４１】
請求項８：−頂壁に対する補強板の周方向の固定保持強度は大となる。
【００４２】
請求項９：−頂壁に対する補強板の径方向の固定保持強度は大となる。
【００４３】
請求項１０：−頂壁に対する補強板の径方向の固定保持強度は大となる。
【００４４】
請求項１１：−補強板の径方向および周方向の固定保持強度は大となる。
【００４５】
請求項１２：−頂壁における熱分布はきわめて良好となる。
【００４６】
請求項１３：−材料を適切に選ぶことにより、ピストンの頂壁と補強板は、事実上一体化し、強度的および熱分布的に有利となる。
【００４７】
請求項１４：−樹脂材料が孔に食い込むので、補強板の固定保持強度は大となる。
【００４８】
請求項１５：−樹脂材料が網目に食い込むので、補強板の固定保持強度は大となる。
【００４９】
請求項１６：−樹脂材料が繊維の間に食い込むので、補強板の固定保持強度は大となる。
【００５０】
請求項１７：−補強板が熱によってほとんど変形することはなく、応力の分布は、均一かつ適切に行われる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５１】
各請求項に記載の発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
なお、本発明の実施の形態は、図５、図７、図１２、および図１４〜図２４に示すものであるが、説明の都合上、その他の図面に示すものを、本発明に関連する参考図として説明する。
【００５２】
図１は、請求項１記載の発明の構成要件の一部を備えるピストンの第１参考例を示す。
ピストン(１)は、自己潤滑性と耐熱性を有する合成樹脂からなり、その胴部(２)の外側面の上端付近には、自己潤滑性材料からなるピストンリング(３)が嵌合される環状溝(４)が形成され、かつその下方において胴部(２)には、径方向に対向するピン孔(５)(５)が穿設されている。
【００５３】
ピストン(１)の頂壁(６)内には、鉄、ステンレススチール、チタンその他の金属（請求項１２）、またはピストン(１)よりも強度の高いカーボンファイバー入り樹脂その他の樹脂（請求項１３）またはセラミック（請求項１７）からなり、周縁部(7a)が胴部(２)の上方へ達する扁平円板状の補強板(７)が、一体的に埋設されている。
補強板(７)の周縁部(7a)が胴部(２)の上方へ達しないようにすることもある。
【００５４】
図２以下の説明においては、図１におけると同様の個所には、同様の符号を付すに止め、異なる個所についてのみ説明する。
【００５５】
図２は、ピストンの第２参考例を示す。
ピストン(１)の頂壁(６)に埋設され、胴部(２)の上方へ達する補強板(８)の周縁部には、下方へ向かって湾曲するフランジ(９)が形成されている。
【００５６】
図３は、ピストンの第３参考例を示す。
周縁部(10a)がピストン(１)の胴部(２)の上方へ達する補強板(10)は、頂壁(６)の外方へ向かって凸曲する湾曲板となっている。
【００５７】
図４は、ピストンの第４参考例を示す。補強板(11)の周縁部には、ピストン(１)の胴部(２)内へ突入する補強筒(12)が一体的に形成されている。
【００５８】
図５は、請求項１記載の発明の実施の形態を示す。図４に示す補強筒(12)の下端に、ピストン(１)の胴部(２)におけるピン孔(５)の上半部を囲む下向半円筒状の受支片(13)を一体的に設け、胴部(２)に埋設してある。
【００５９】
図６は、ピストンの第５参考例を示す。
図４に示したものの補強板(11)の外周に、補強筒(12)の外方へ突出する周辺板(11a)を連設してある。
【００６０】
図７は、請求項１に従属する請求項２記載の発明の実施の形態を示す。図６に示したものの補強筒(12)の下端に、胴部(２)におけるピン孔(５)の上半部を囲む下向半円筒状の受支片(15)を一体的に設けてある。
【００６１】
図８は、ピストンの第６参考例を示す。補強板(16)は、頂壁(６)の下面に重合固着され、その周縁部(16a)は、胴部(２)の上方へ達している。しかし、周縁部(16a)の位置は限定されない。補強板(16)は、ピストン(１)の成形時に、一体的に固着される。
【００６２】
図９は、ピストンの第７参考例を示す。図８に示すものにおいて、補強板(17)の周縁部を下方へ向かって湾曲させてフランジ(18)を形成してある。
【００６３】
図１０は、ピストンの第８参考例を示す。ピストン(１)の頂壁(６)の下面に重合され、周縁部(19a)がピストン(１)の胴部(２)の上方へ達する補強板(19)は、頂壁(６)の外方へ向かって凸曲する湾曲板となっている。
【００６４】
図１１は、ピストンの第９参考例を示す。
図８に示すものにおいて、補強板(20)の周縁部に、ピストン(１)の胴部(２)内へ突入する補強筒(21)が一体的に形成されている。補強筒(21)の内面は胴部(２)の内面に露出している。
【００６５】
図１２は、請求項３記載の発明の実施の形態を示す。図１１に示したものの補強筒(21)の下端に、胴部(２)におけるピン孔(５)の上半部を囲む下向半円筒状の受支片(22)を一体的に設けてある。
【００６６】
図１３は、ピストンの第１０参考例を示す。補強板(20)の周辺部(23)は、補強筒(21)を超えて、径方向外側へ延びている。
【００６７】
図１４は、請求項３に従属する請求項４記載の発明の実施の形態を示す。図１２に示す補強板(20)の周辺部(23)を、補強筒(21)を超えて外方へ延出させてある。
【００６８】
図１５は、請求項５記載の補強板の例を示す。補強板(24)の外周面には、多数の凹凸(25)が刻設されている。
【００６９】
図１６は、請求項６記載の補強板の例を示す。補強板(26)の片面又は両面は粗面(27)とされている。
【００７０】
図１７は、請求項７記載の補強板の例を示す。補強板(28)には、外周から求心方向を向く多数の切込溝(29)が設けられている。
【００７１】
図１８は、請求項８記載の補強板の例を示す。補強板(30)の表裏面の一方もしくは双方には、径方向を向く多数の突条(31)が設けられている。
【００７２】
図１９は、請求項９記載の補強板の例を示す。補強板(32)の表裏面の一方もしくは双方には、多数の環状の突条(33)が設けられている
【００７３】
図２０は、請求項１０記載の補強板の例を示す。補強板(34)の表裏面の一方もしくは双方には、多数の環状の凹溝(35)が設けられている
【００７４】
図２１は、請求項１１記載の補強板の例を示す。補強板(36)の表裏面の一方もしくは双方に、多数の環状の突条(37)と径方向の突条(38)を設けてある。
【００７５】
図２２は、請求項１４記載の発明による補強板の例を示すもので、この補強板(39)は多孔のものである。
【００７６】
図２３は、請求項１５記載の発明による補強板の例を示すもので、この補強板(40)は、金属または高張力の樹脂の鋼板からなっている。
【００７７】
図２４は、請求項１６記載の発明による補強板の例を示すもので、この補強板(41)は、金属または高張力樹脂の繊維を編成して形成されている。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】請求項１記載の発明の構成要件の一部を備えるピストンの第１参考例を示す縦断正面図である。
【図２】ピストンの第２参考例を示す縦断正面図である。
【図３】ピストンの第３参考例を示す縦断正面図である。
【図４】ピストンの第４参考例を示す縦断正面図である。
【図５】請求項１記載の発明の実施形態を示す縦断正面図である。
【図６】ピストンの第５参考例を示す縦断正面図である。
【図７】請求項１に従属する請求項２記載の発明の実施形態を示す縦断正面図である。
【図８】ピストンの第６参考例を示す縦断正面図である。
【図９】ピストンの第７参考例を示す縦断正面図である。
【図１０】ピストンの第８参考例を示す縦断正面図である。
【図１１】ピストンの第９参考例を示す縦断正面図である。
【図１２】請求項３記載の発明の実施形態を示す縦断正面図である。
【図１３】ピストンの第１０参考例を示す縦断正面図である。
【図１４】請求項３に従属する請求項４記載の発明の実施形態を示す縦断正面図である。
【図１５】請求項５に記載の補強板を例示する斜視図である。
【図１６】請求項６に記載の補強板を例示する斜視図である。
【図１７】請求項７に記載の補強板を例示する斜視図である。
【図１８】請求項８に記載の補強板を例示する斜視図である。
【図１９】請求項９に記載の補強板を例示する斜視図である。
【図２０】請求項１０に記載の補強板を例示する斜視図である。
【図２１】請求項１１に記載の補強板を例示する斜視図である。
【図２２】請求項１４に記載の補強板を例示する斜視図である。
【図２３】請求項１５に記載の補強板を例示する斜視図である。
【図２４】請求項１６に記載の補強板を例示する斜視図である。
【図２５】公知の一般的な無給油式往復作動流体機械の要部を示す縦断正面図である。
【符号の説明】
【００７９】
(１)ピストン
(２)胴部
(３)ピストンリング
(４)環状溝
(５)ピン孔
(６)頂壁
(７)補強板
(7a)周縁部
(８)補強板
(９)フランジ
(10)補強板
(10a)周縁部
(11)補強板
(11a)周辺板
(12)補強筒
(13)受支片
(14)脚片
(15)受支片
(16)補強板
(16a)周縁部
(17)補強板
(18)フランジ
(19)補強板
(19a)周縁部
(20)補強板
(21)補強筒
(22)受支片
(23)周辺部
(24)補強板
(25)凹凸
(26)補強板
(27)粗面
(28)補強板
(29)切込溝
(30)補強板
(31)突条
(32)補強板
(33)突条
(34)補強板
(35)凹溝
(36)補強板
(37)(38)突条
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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