(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心空洞と第１周縁における流体入口と第２周縁における流体出口とを有する環状板の積層体とで構成され、
前記環状板の少なくとも１枚が、上流から下流に向かって内径が漸減するように丸み又はテーパ状に形成された入口と急拡大する出口とを有するオリフィスを備え、かつ、このオリフィスは該入口と該出口との間では下流方向に拡大せずに一定の幅で形成されると共に、該出口に接続する連通路とで構成される少なくとも１つの減圧段階を形成しており、
各減圧段階が積層体内で隣接する環状板に形成した別の減圧段階に連通しており、複数の減圧段階が直列に連結して流体入口から流体出口に至る減圧流路を形成している流体減圧装置。
【請求項２】
前記中心空洞に可動プラグが係合し、前記積層体内で複数の環状板が少なくとも１つの軸方向流路を形成し、積層体内の異なる軸方向高さにおける流体の圧力差を漸減するようにした請求項１記載の流体減圧装置。
【請求項３】
前記軸方向流路が積層体の中心空洞に向かって開放し、積層体内の異なる軸方高さにある環状板と可動プラグとの間の流体圧の差を漸減するようにした請求項２記載の流体減圧装置。
【請求項４】
前記軸方向流路が、積層体の中心空洞より半径方向外側に位置している請求項２記載の流体減圧装置。
【請求項５】
前記減圧流路が、直列に連結した複数の減圧段階で構成され、積層体内で隣接する環状板の間でジグザグに形成され、半径方向流れ成分と軸方向流れ成分とを含んでいる請求項１記載の流体減圧装置。
【請求項６】
前記減圧流路が、直列に連結した複数の減圧段階で構成され、積層体内で隣接する環状板の間でジグザグに形成られ、減圧流路を形成する環状板の数が減圧流路内の減圧段階の数に等しい請求項１記載の流体減圧装置。
【請求項７】
前記減圧流路が、同一の環状板を周方向にずらして積層することによって形成されている請求項１記載の流体減圧装置。
【請求項８】
前記減圧流路が、複数の非同一環状板を積層して形成されている請求項１記載の流体減圧装置。
【請求項９】
前記連通路に流体を排出するオリフィスの数が、減圧流路に沿って増加する請求項１記載の流体減圧装置。
【請求項１０】
前記オリフィスの流路面積が流路に沿って増加する請求項１記載の流体減圧装置。
【請求項１１】
前記環状板が、前記第１周縁と第２周縁の間で複数の減圧流路を並列に形成している請求項１記載の流体減圧装置。
【請求項１２】
前記連通路が、前記オリフィスの幅の３．５倍以上の幅を有している請求項１記載の流体減圧装置。
【請求項１３】
各減圧段階の動圧損失が７５％以上である請求項１記載の流体減圧装置。
【請求項１４】
各減圧段階の圧力回復が２５％以下である請求項１記載の流体減圧装置。
【請求項１５】
前記減圧流路が、交互に変わる半径方向流れ成分と軸方向流れ成分とを含み、軸方向流れ成分が片方向である請求項１記載の流体減圧装置。
【請求項１６】
前記減圧流路が、交互に変わる半径方向流れ成分と軸方向流れ成分とを含み、次の軸方向流れ成分の方向が逆向きとなる請求項１記載の流体減圧装置。
【請求項１７】
流体の流路を有する弁箱、
前記流路内の弁シート、
前記弁シートに対して移動可能であり前記流路内の流量を調節する弁プラグ、及び
前記流路内に組み込まれて、流体の圧力を減少させる減圧装置を備えた流量調節弁において、
前記減圧装置が、前記弁プラグが移動する中心空洞を有する環状板を積層して形成され、第１周縁に流体入口を有し、第２周縁に流体出口を有する環状板の集積体であり、
前記環状板のいずれかが、上流から下流に向かって内径が漸減するように丸み又はテーパ状に形成された入口と急拡大する出口とを有するオリフィスを備え、かつ、このオリフィスは該入口と該出口との間では下流方向に拡大せずに一定の幅で形成されると共に、オリフィスの流体出口に連結した連通流路とからなる少なくとも１つの減圧段階を有し、
各減圧段階が、積層体内で隣接する環状板の１つに形成された別の減圧段階と連通し、複数の減圧段階が直列に連結されて積層体の流体入口から出口に至る減圧流路が形成されている流量調節弁。
【請求項１８】
前記環状板に、積層体内の異なる軸方向高さに対し流体圧力が漸減させるための少なくとも１つの軸方向流路が形成されている請求項１７記載の流量調節弁。
【請求項１９】
前記軸方向流路が、積層体の中心空洞に向かって開放され、集積体内の異なる軸方向高さに対し環状板と可動プラグとの間の圧力を漸減させる請求項１８記載の流量調節弁。
【請求項２０】
前記軸方向流路が、集積体の中心空洞の半径方向外側に位置する請求項１８記載の流量調節弁。
【請求項２１】
前記減圧流路が、直列に連結された複数の減圧段階で構成され、集積体内で隣接する環状板の間で交互に変わる半径方向流れ成分と軸方向流れ成分を含んでいる請求項１７記載の流量調節弁。
【請求項２２】
前記減圧流路が、直列に連結された複数の減圧段階で構成され、積層体内で重なる環状板内を順番に通過する半径方向流れ成分と軸方向流れ成分を含み、減圧流路を形成する環状板の数が減圧流路内の減圧段階の数と等しい請求項１７記載の流量調節弁。
【請求項２３】
前記減圧流路が、同一環状板を周方向にずらせて形成されている請求項１７記載の流量調節弁。
【請求項２４】
前記減圧流路が、複数の非同一環状板で形成されている請求項１７記載の流量調節弁。
【請求項２５】
前記連通路に流体を排出するオリフィスの数が、減圧流路に沿って増加する請求項１７記載の流量調節弁。
【請求項２６】
前記オリフィスの流路面積が減圧流路に沿って増加する請求項１７記載の流量調節弁。
【請求項２７】
前記環状板が、第１周縁と第２周縁の間に複数の減圧流路を形成している請求項１７記載の流量調節弁。
【請求項２８】
前記連通路が、オリフィスの幅の３．５倍以上の幅を有している請求項１７記載の流量調節弁。
【請求項２９】
各減圧段階の動圧損失が７５％以上である請求項１７記載の流量調節弁。
【請求項３０】
各減圧段階の圧力回復が２５％以下である請求項１７記載の流量調節弁。
【請求項３１】
前記減圧流路が、交互に変わる半径方向流れ成分と軸方向流れ成分を含み、軸方向流れが片方向である請求項１７記載の流量調節弁。
【請求項３２】
前記減圧流路が、交互に変わる半径方向流れ成分と軸方向流れ成分を含み、軸方向流れが両方向である請求項１７記載の流量調節弁。
【請求項３３】
前記第１周縁が弁プラグに接する積層体の内周縁であり、前記第２周縁が積層体の外周縁である請求項１７記載の流量調節弁。
【請求項３４】
中心空洞と第１周縁の流体入口と第２周縁に流体出口とを有する環状板積層体として構成され、
いずれかの環状板が、上流から下流に向かって内径が漸減するように丸み又はテーパ状に形成された入口と急拡大する出口とを有するオリフィスを備え、かつ、このオリフィスは該入口と該出口との間では下流方向に拡大せずに一定の幅で形成されると共に、該出口につながる連通路とで構成される少なくとも１つの減圧段階を形成し、各減圧段階の圧力回復が２５％以下であり、
各減圧段階が、積層体内で隣接する１つの環状板に形成される別の減圧段階に接続しており、複数の減圧段階が直列に配列し、流体入口から流体出口に至る減圧流路が形成されている流体減圧装置。
【請求項３５】
中心空洞と第１周縁の流体入口と第２周縁の流体出口とを有する環状板の積層体として構成され、
いずれかの環状板が、上流から下流に向かって内径が漸減するように丸み又はテーパ状に形成された入口と急拡大する出口とを有するオリフィスを備え、かつ、このオリフィスは該入口と該出口との間では下流方向に拡大せずに一定の幅で形成されると共に、該出口に接続する連通路とからなる少なくとも１つの減圧段階を有し、各減圧段階の動圧損失が７５％以上であり、
各減圧段階が、積層体内で隣接する１つの環状板に形成した別の減圧段階に接続し、流体入口から流体出口に至る減圧流路が形成されている流体減圧装置。
【請求項３６】
中心空洞と第１周縁の流体入口と第２周縁の流体出口とを有する環状板積層体として構成され、
いずれかの環状板が、上流から下流に向かって内径が漸減するように丸み又はテーパ状に形成された入口と急拡大する出口とを有するオリフィスを備え、かつ、このオリフィスは該入口と該出口との間では下流方向に拡大せずに一定の幅で形成されると共に、該出口に接続する連通路とからなる少なくとも１つの減圧段階を有しており、
各減圧段階が、積層体内で隣接する１つの環状板に設けた別の減圧段階に接続して、複数の減圧段階が直列に配設されて流体入口から流体出口に至る減圧流路が形成され、
前記環状板が、積層体内の異なる軸方向高さにおいて圧力を漸減させる軸方向流路を有している流体減圧装置。
【請求項３７】
中心空洞と第１周縁の流体入口と第２周縁の流体出口とを有する環状板積層体として構成され、
いずれかの環状板が、上流から下流に向かって内径が漸減するように丸み又はテーパ状に形成された入口と急拡大する出口とを有するオリフィスを備え、かつ、このオリフィスは該入口と該出口との間では下流方向に拡大せずに一定の幅で形成されると共に、該出口につながる連通路とからなる少なくとも１つの減圧段階を形成し、
各減圧段階が、積層体内で隣接する１つの環状板に形成した別の減圧段階と連通し、複数の減圧段階が直列に連結して流体入口から流体出口に至る減圧流路を形成し、減圧流路が、隣接する２つの環状板の間で交互に変わる半径方向流れ成分と軸方向流れ成分を含んでいる流体減圧装置。
【請求項３８】
中心空洞と第１周縁の流体入口と及び第２周縁の流体出口とを有する環状板積層体として構成され、
いずれかの環状板が、上流から下流に向かって内径が漸減するように丸み又はテーパ状に形成された入口と急拡大する出口とを有するオリフィスを備え、かつ、このオリフィスは該入口と該出口との間では下流方向に拡大せずに一定の幅で形成されると共に、該出口に連通する連通路とからなる少なくとも１つの減圧段階を有し、
各減圧段階が、積層体内で隣接する１つの環状板に形成された別の減圧段階と連通して、複数の減圧段階が直列に連結し、流体入口から流体出口に至る減圧流路を形成しており、減圧流路が、半径方向流れ成分と積層体内で重なる環状板を順番に通り抜ける軸方向流れ成分とを含み、減圧段階を形成した環状板の数と減圧流路内の減圧段階の数とが等しくなっている流体減圧装置。
【請求項３９】
中心空洞と第１周縁の流体入口と第２周縁の流体出口とを有する環状板積層体として構成され、
いずれかの環状板が、上流から下流に向かって内径が漸減するように丸み又はテーパ状に形成された入口と急拡大する出口とを有するオリフィスを備え、かつ、このオリフィスは該入口と該出口との間では下流方向に拡大せずに一定の幅で形成されると共に、該出口に連通する連通路とからなる少なくとも１つの減圧段階を形成しており、連通路の幅がオリフィスの幅の３．５倍以上であり、
各減圧段階が、積層体内で隣接する環状板の１つに形成した別の減圧段階と連通し、複数の減圧段階が直列に連結して、流体入口から流体出口に至る減圧流路が形成されている流体減圧装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体エネルギーの消散装置、詳しくは、流体が通過する積層板を含みキャビテーションを防止する流体減圧装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
流体減圧装置は弁でよく使用される。よく知られた流体減圧装置として流量調節弁内に組み込まれた環状板の積層体がある。環状板の積層体は「バルブトリム」又は「バルブケージ」と呼ばれ、中心空洞と外周の間に複数の流路が形成されている。弁体が中心空洞内を移動し、弁入口と弁出口の間で連通する流路の数を決める。このような装置は、流れの方向変化や流路の面積増減により減圧を行う。しかし従来の減圧装置では、流路設計に流体力学の原理が充分に利用されておらず、減圧の際、静圧が流体の蒸気圧以下となることがある。
【０００３】
同一の孔パターンを使用し、斜め半径方向流路を形成する積層バルブトリムが、１９７０年９月２２日、カムニス(Cummnis)に付与された米国特許第3,529,628号に記載されている。しかし環状板の開口が極めて不規則で、開口間に予測できない抵抗流路が生じる。流路が流体力学の原理が効果的に利用した設計となっていない。さらにカムニス特許には、弁プラグと積層体中心孔の間の環状空間の加圧して、加圧された半径方向流路とそれに続く加圧されない流路の間で生じる損傷の防止については何も言及していない。
【０００４】
１９７８年１１月１４日バウマン(Baumann)に付与された米国特許第4,125,129号にも同一環状板を積層したバルブトリムが開示されており、図１４、図１８、図１９に示されるように、同一環状板を周方向に角度をずらして積層し上下方向流路を形成している。しかし円形孔を絞りオリフィスとするため流量が著しく制限され、角のある孔入口で著しい縮流が生じ、過剰な圧力回復が生じる。同様の同一環状板を選択的にオーバーラップさせ、同一面内で水平方向に絞りを行う四角形断面流路を半径方向に形成したものが、１９８２年１１月２日バウマン(Baumann)に付与された米国特許第4,356,843号に記載されている。
【０００５】
バウマン(Baumann外）に付与され１９９８年６月２３日に発行された米国特許第5,769,122号には、流線形入口から長くて広い安定チャンバーに続く絞り部を有する板を含み、絞り部の後で外向き半径方向流路が２つの平面上で形成される流体減圧装置が開示されている。同特許の図１０、１１に示された構成、及び図７のオリフィス６２は、例えば、流速の漸減による高い圧力回復ができ、ガスを超音速にまで加速するのに適しているが、キャビテーションが生じるため液体には適用できない。'122特許は、また１つの水平面内にいくつかの制限物を設けて少なくとも５０％の障害のない圧力回復を可能としている。
【０００６】
シュタインケ(Steinke)に付与され、１９９７年１１月１８日に発行された米国特許第5,687,763号には、一対の同一板の開口部の間に形成され半径方向流路内に複雑な曲がりを有する流量調節装置が開示されている。圧力降下は、オリフィスによらず急激な曲がりによって生じる。さらに弁プラグとケージの中心孔との隙間に沿った圧力漸減については配慮されていない。
【０００７】
上記従来の減圧装置にはいくつかの問題がある。これらはキャビテーションに限らず、減圧不十分であったり、弁プラグとケージ中心孔と隙間で圧力が漸減されず、また流量が小さく製造が難しい。従って新規で改良された減圧装置が望まれる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１形態では、流体減圧装置が提供される。この流体減圧装置は、中心空洞を有する環状板積層体、第１周縁の流体入口、及び第２周縁の流体出口を有している。いずれかの環状板には、充分な丸み又は充分なテーパをもつ入口と急拡大する出口とを有するオリフィスと、オリフィス出口に連通する連通路とからなる少なくとも１つの減圧段階が形成されている。各減圧段階は、積層体内で隣接する１つの環状板の別の減圧段階に連通する。複数の減圧段階が直列に連結して流体入口と流体出口の間に減圧流路を形成する。
【０００９】
流体減圧装置は、中心空洞内を移動可能なプラグと共に使用される。環状板には、積層体内の異なる高さにおいて流体圧力を漸減させる少なくとも１つの軸方向流路を形成することが望ましい。軸方向流路は、環状板の積層体の中心空洞の開放してもよく中心空洞の半径方向外側に位置してもよい。
【００１０】
ある実施形態では、減圧流路が直列に連結された複数の減圧段階によって形成され、積層体内で隣接する環状板の間で交互に変わる半径方向流れ成分と軸方向流れ成分とが含まれる。環状板の積層体には、複数の減圧流路を並列に形成することが望ましい。別の実施形態では、減圧流路が直列に連結された複数の減圧段階で形成され、積層体内で重なり合った環状板を順次通過する半径方向流れ成分と軸方向流れ成分とが含まれる。環状板の積層体には、複数の減圧流路が並列に形成されることが望ましい。この実施形態では減圧流路を形成する環状板の数と減圧流路内の減圧段階の数とが等しくなっている。
【００１１】
オリフィスの数及び／又は連通路に流体を排出するオリフィス流域の数は、減圧流路に沿って増加する。環状板は、その入口と出口の間において、複数の減圧流路を並列に形成することが望ましい。各減圧段階の動圧損失が７５％以上であり、それに対応する圧力回復が２５％以下であることが望ましい。連通路の幅はオリフィスの幅の３．５倍以上であることが望ましい。１つの連通路に複数のオリフィスから流体が流入する場合は、連通路の幅がオリフィスの合計幅の３．５倍以上であることが望ましい。
【００１２】
本発明の別の形態として流量調節弁が提供される。この流量調節弁は、流路を有する弁箱、流路内の弁シート、弁シートに対して移動して流路内の流量を調節する弁プラグ、及び流路内に設けられ流体圧力を低減する減圧装置を備えている。減圧器の構成は前記のとおりである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の理解を容易にするため、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
【００１４】
図１は、本発明の流体減圧装置を組み込んだ流量調節弁の断面図である。流量調節弁１０には、入口１６と出口１８との間を結ぶ流路２０を有する弁箱１４が含まれる。流量調節弁１０内にはバルブケージ又はバルブトリムとして知られている流体減圧装置２４が組み込まれている。減圧装置２４は、シートリング３０とリテイナー３６と取付ボルト３８とからなる従来の取付手段によって弁内に組み込まれる。流体減圧装置２４は、中心空洞を有する環状板の積層体として形成される。積層体の中心空洞内をプラグ３２が移動して、中心空洞から積層体の外部に流れる流体の流量を調節する。
【００１５】
本発明の第１実施形態の流体減圧装置が図２〜図９に示されており、類似部分に同一符号を付してある。流体減圧装置２４は、環状板５２と位置決めピン５４を含む積層体５０で構成されている。位置決めピン５４は各環状板５２の位置決め孔を通り、以下に述べるように積層体内での各環状板の正しい位置を維持する。各環状板５２は積層体外周の溶接５６又はろう付けによって相互に固定されている。積層体５０は弁１０内でシートリング３０とリテイナー３６（図１）の間で保持されている。積層体５０は中心空洞５８を有し、第１周縁即ち内周縁６０が減圧装置の流体入口となり第２周縁即ち外周縁６２が流体出口となる。内周縁６０は弁プラグ３２の外面と接している。後述のように積層体５０内には、内周縁６０の流体入口から外周縁６２の流体出口の間に複数の減圧流路が形成されている。積層体５０に対して弁プラグ３２が上下運動すると内周縁６０の流体入口の数が増減して流体減圧装置を通過する流体の流量が増減する。
【００１６】
図２〜図９の実施形態に示した積層体５０は、同一環状板５２で構成され、後述のように配置して入口と出口の間に複数の減圧流路を形成する。各減圧流路は、図２〜図９の実施形態においては、５枚の環状板５２を互いに周方向に角度をずらせて積層し、連続した５つの減圧段階を形成している。６枚の環状板５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ，５２ｅ及び５２ｆの底部から見た斜視図を図５に示す。各環状板５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ，５２ｅ及び５２ｆには、第１減圧段階７０、第２減圧段階７２、第３減圧段階７４、第４減圧段階７６及び第５減圧段階７８が形成されている。各減圧段階は、後述のように、１つ又は複数のオリフィスとそれに続く１つ又は複数の連通路を含んでいる。第２、第３、及び第４減圧段階には各段階のオリフィスにつながる移行流路が含まれている。各減圧段階は、各環状板に対して周方向に４０゜ずれている。５つの減圧段階は、環状板５２の周方向に反復し５つの減圧段階が前部で３つのパターンを形成している。周方向のずれと反復パターンとにより、第１減圧段階７０と第４減圧段階７６とが周方向に重なり、第２減圧段階７２と第５減圧段階７８とが周方向に重なっている。
【００１７】
積層体５０の内周縁６０から外周縁６２に至る減圧流路は、図５に示すように環状板５２を周方向にずらして積層して形成する。図２〜図９の実施形態では減圧流路を形成するのに５枚の同一環状板５２を使用する。さらに図２〜図９の実施形態では積層体内に６つの周方向ずれによる反復形状が形成される。６枚の同一環状板を周方向にずらせた基本形態を図５に示す。環状板５２には位置決め孔８０、８２、８４、８６、８８及び９０が互いに周方向に４０゜ずらして形成されている。図５に示すように、位置決めピン５４は、環状板５２ａの位置決め孔８０、環状板５２ｂの位置決め孔８２、環状板５２ｃの位置決め孔８４、環状板５２ｄの位置決め孔８６、環状板５２ｅの位置決め孔８８、及び環状板５２ｆの位置決め孔９０をそれぞれ通過する。図５の形態は積層体内で反復される。
【００１８】
周方向ずれにより、環状板５２ａの第１減圧段階７０の各出口と次の環状板５２ｂの第２減圧段階の各入口とが重なり、第２減圧段階７２の各出口と次の環状板５２cの第３減圧段階の各入口とが重なり、第３減圧段階７４の出口が次の環状板５２ｄの第４減圧段階の各入口とが重なり、第４減圧段階７６の出口と次の環状板５２ｅの第５減圧段階の各入口とが重なり、流体は第５減圧段階から積層体５０の外周縁６２に排出される。
【００１９】
図２〜図９に図示された５段階積層体５０の減圧流路１３０が図３に示されている。図３には、第１減圧段階７０、第２減圧段階７２、第３減圧段階７４、第４減圧段階７６及び第５減圧段階７８の流路が重なった減圧流路１３０を図示されている。減圧流路１３０が多数のサブ流路で形成されていることがわかる。特に、第１減圧段階７０には２個のオリフィスが、第２減圧段階７２には２個のオリフィスが、第３減圧段階７４には３個のオリフィスが、第４の減圧段階７６には４個のオリフィスが、第５減圧段階７８には６個のオリフィスが含まれている。積層体内の５枚の環状板のグループには、周方向に並列した３個の減圧流路１３０が形成される。
【００２０】
図４からよくわかるように、積層体５０の５枚の環状板を通過する減圧流路１３０の流れには、内周縁６０から環状板５２ａの第１減圧段階７０を通る半径方向オリフィス絞り成分、環状板５２ａから５２ｂに至る軸方向流れ成分、環状板５２ｃの第３減圧段階７４を通る半径方向オリフィス絞り成分、環状板５２ｃから５２ｄに至る軸方向流れ成分、環状板５２ｄの第４減圧段階７６を通る半径方向オリフィス絞り成分、環状板５２ｄから５２ｅに至る軸方向流れ成分、及び
第５減圧段階７８を通って外周縁６２に至る半径方向オリフィス絞り成分が含まれている。このように減圧流路１３０は積層体５０の５枚の環状板の間で形成され、半径方向オリフィス絞り成分と軸方向流れ成分とが含まれ、流れ方向は全体として積層体５０の断面に対して斜め方向に向いている。
【００２１】
図２、図３及び図５に示すように、第１減圧段階７０には連通路に連結する２つのオリフィスが含まれ、第２減圧段階７２にはより大きな１つの連通路に連結する２つのオリフィスが含まれ、第３減圧段階７４には１つの比較的広幅の連通路に連結する３つのオリフィスが含まれ、第４減圧段階７６には、２対のオリフィスが含まれ、各対が比較的広幅の１つの連通路に連結しており、第５減圧段階７８には積層体５０の外周縁６２に連結した６つのオリフィスが含まれている。このように減圧流路に沿ってオリフィスの数が増加する（第１及び第２減圧段階の間を除く）。
【００２２】
図６は第１減圧段階７０の部分図である。図示の形状は減圧流路の各減圧段階に共通した特徴を備えている。減圧段階には連通路１０２に流入するオリフィス１００が含まれる。オリフィス１００は流れの収縮を最小限とするための充分な丸みをもつ入口によって特徴づけられる。即ち、高い流量と急速な放出１１２と連通路１０２の対向壁１１４とにより、圧力回復を２５％以下まで減少させるべく、動圧損失を７５％より大きくなるようにしてある。全般にわたり各減圧段階のオリフィス入口は充分な丸み又は充分なテーパを有している。上記のように、連通路１０２は隣接する環状板の第２減圧段階７２に接続している。図２９に示し後で述べるように、連通路又は移行流路内の静圧が、流体の動圧によって蒸気圧に達しないよう、後続の減圧段階におけるオリフィス及び／又はオリフィス領域の数を増加させている。
【００２３】
第３減圧段階７４を図７に示す。第３減圧段階は、第１及び最後の減圧段階と違って、１つ又は複数の移行流路を含む。第３減圧段階７４には、各オリフィス１３４を通じて連通路１３６につながる移行流路１３２が含まれる。各オリフィス１３４は充分なテーパーをもつ入口と急拡大する出口によって特徴づけられる。連通路１３６は、接続する各オリフィス１３４の合計幅の少なくとも３．５倍の周方向幅を持つことが望ましい。移行流路１３２には、隣接する環状板に形成された前段の減圧段階の連通路から流体が流入しオリフィス１３４を通って連通路１３６に排出される。連通路１３６からは、流体が、隣接する環状板に形成された後続の減圧段階の移行流路に排出される。集積体の最後の減圧段階（図２〜図９の実施形態では第５減圧段階）では、移行流路からオリフィスを通って、流体が、集積体の外周縁６２の外部空間に排出される。
【００２４】
流体力学の法則により、例えばオリフィス１００等のオリフィスから、流体が例えば連通路１０２に排出されるとき動圧損失が生じる。この動圧損失は次式で計算できる。
【００２５】
Ｋ＝（１−ｄ12/ｄ22）2
ここで、Ｋは動圧損失係数、ｄ1はオリフィス幅、ｄ2は排出領域、即ち連通路１０２の幅である（図６参照）。例えば、ｄ2＝２ｄ1の場合Ｋは0.56である。しかしこの比が３：１の場合Ｋ＝0.79となる。各減圧段階の動圧損失が７５％以上あり、それに応じた圧力回復が２５％以下であることが望ましい。
【００２６】
本発明では、連通路１０２の幅ｄ2とオリフィスの幅ｄ1の比が３．５以上となっている。１つの連通路に複数のオリフィスから流体が排出される場合は、オリフィスの合計幅に対する連通路の幅が３．５以上であることが望ましい。この比により、各減圧段階当たり０．８０以上の損失が生じ、図２〜図９の５段減圧の実施形態では０．９８の損失が生じる。この高い損失係数により環状板間の流路における静圧が流体の蒸気圧以上に保たれ、キャビテーションが効果的に防止される。さらにこの構成により各減圧段階における低い圧力回復、即ち２０％以下の圧力回復が得られる。連通路１０２の半径方向寸法ｒ1を環状板５２の厚みと同等とすることが望ましい。
【００２７】
本発明のさらなる特徴として、図８、図９に示すように、積層体５０が、１つ又は複数の軸方向又は「上下方向」の流路を持つことが望ましい。但し、弁が図１に示す方向に配置されたときのみ流れが上下方向となる。図２〜図９の実施形態では、環状板５２に複数の狭い上下方向流路１２０と、中心空洞５８に向かって開口した複数の広い上下方向流路１２２が形成されている。環状板５２が上記のように重ね合わされ、狭い流路１２０と広い流路が上下方向、即ち軸方向に重なり流路１２４を形成する。図９に示す上下方向流路１２４では、狭い上下方向流路１２０と広い上下方向流路１２４とが交互に重なり、狭い上下方向流路１２０が広い上下方向流路１２２とが交互に重なり、それに続く狭い上下方向流路が周方向にずれている。狭い流路１２０が絞り流路を形成し、それに続く広い流路１２２が膨張流路、又は連通路を形成している。別の形態では、上下方向流路、１つ又は複数の上下方向流路１２０及び／又は１つ又は複数の広い上下方向流路１２２が、連接する環状板の間で重なり、これによる性能低下は殆どない。図２に示す環状板５２には、この種の上下方向流路が設けられている。
【００２８】
図８に示すように、上下方向流路１２４は、積層体５０の内周縁６０と弁プラグ３２の間の半径方向境界に沿って設けられている。積層体５０の上部のリテイナー３６には、上下方向流路１２４の上端と最上部の環状板のある減圧段階とを連通する環状チャンネル１２５が設けられ、それで排出路を形成している。
【００２９】
上下方向流路１２４を連通する流れでは、積層体の異なる高さにおいて流体の圧力が漸減する。従ってプラグ３２の表面と積層体の内周縁６０の間の積層体がプラグ３２に覆われない領域で選択的加圧が行われる。この構成により弁内で差圧の全体が積層体のある部分の環状板に作用するのが防止される。
【００３０】
環状板の積層体２２０を含む減圧装置２４の第２形態が図１０〜図１３に示されている。環状板２００は、第１減圧段階２１０、第２減圧段階２１２、第３減圧段階２１４、第４減圧段階２１６、及び第５減圧段階２１８を含む５段階構成となっている。各減圧段階は、環状板５２の各減圧段階の場合と同じ形態をとっている。しかし環状板５２と違って、第１減圧段階２１０、第３減圧段階２１４、及び第５減圧段階２１８が第１半径方向に向いている。また、第２減圧段階２１２と第４減圧段階とが、第２半径方向に向いている。第１、第３、及び第５の減圧段階は、第２及び第４減圧段階に対して周方向に４０゜ずれている。５段階の減圧パターンが環状板２００の周方向に反復され、５つの減圧段階がそれぞれ３つのパターンを有している。５つの減圧段階は無孔領域２４２によって分離されている。
【００３１】
図１０〜図１３の実施形態では、５つの減圧段階の流路が同じ環状板２００に形成されている。環状板２００には、互いに周方向に４０゜ずれた位置決め孔２３０、２３２及び２３４が設けられている。積層体２２０内では、位置決めピン５４が、第１の環状板２００ａの位置決め孔２３０と、第２の環状板２００ｂの位置決め孔２３２と、第３の環状孔２００ｃの位置決め孔２３４とを通過する。こうして環状板２００ａ、２００ｂ及び２００ｃは互いに周方向に４０゜ずれている。この構成により、減圧流路２４０は、図１１、図１２に示すように環状板２００ａと２００ｂの間をシグザグに通過する。図１２に示すように、環状板２００ｃの無孔領域２４２と環状板２００ｄの無孔領域２４２とが減圧流路２４０の上部と底部をカバーしている。積層体内の３枚の同一環状板が、図１１、図１２に示す減圧流路を形成している。
【００３２】
図１２に示すように、減圧流路２４０には、内周縁６０から環状板２００ａの第１減圧段階２１０を通る半径方向流れとオリフィス絞り成分、環状板２００ａの第１減圧段階２１０から環状板２００ｂの第２減圧段階２１２に至る軸方向流れ成分、環状板２００ｂの減圧段階２１２を通る半径方向のオリフィス絞り成分、環状板２００ｂの第２減圧段階２１２から環状板２００ａの第３減圧段階に至る軸方向流れ成分、環状板２００ａの第３減圧段階２１４を通る半径方向のオリフィス絞り成分、環状板２００ａの第３減圧段階２１４から環状板２００ｂの第４減圧段階２１６に至る軸方向流れ成分、環状板２００ｂの第４減圧段階２１６を通る半径方向のオリフィス絞り成分、環状板２００ｂの第４減圧段階２１６から環状板２００ａの第５減圧段階２１８に至る軸方向流れ成分、及び環状板２００ａの第５減圧段階２１８から積層体２２０の外周縁６２に至る半径方向のオリフィス絞り成分が含まれている。環状板２００ａと２００ｂの間をジグザグに通過する流路２４０は、互いに逆方向の軸方向流れ成分を有している。流れ方向は、全体として積層体２２０の中心に対して半径方向であり、図１のような弁配置においては「水平方向」といえる。
【００３３】
図１３に示すように、環状板２００には、さらに、狭い上下方向流路２５０と、中心空洞５８に向かって開放した広い上下方向流路２５２とが設けられ、積層体２２０内に上下方向流路２５４が形成されている。リテイナー３６には、上下方向流路２５４を、積層体２２０の最上部の環状板の第４減圧段階と結ぶ環状流路２５６が設けられている。
【００３４】
本発明の積層体の第３実施形態で使用する環状板３００が図１４に示されている。環状板３００は、図１０に示した環状板２００と同様の減圧段階を有し同様に積層されている。特に、環状板３００には、第１減圧段階２１０、第２減圧段階２１２、第３減圧段階２１４、第４減圧段階２１６及び第５減圧段階２１８が含まれている。環状板３００は、上記のような上下方向流路がない点で環状板２００と異なっている。従って環状板３００を使用した積層体では、図１１、図１２に示し、また上記のように、２枚の環状板の間で水平方向の減圧流路が形成される。しかし積層体には上下方向流路がない。
【００３５】
本発明の積層体の第４実施形態で使用する環状板４００を図１５に示す。環状板４００は積層体内で使用され、各減圧流路が５つの減圧段階を有し、２枚の２０枚の環状板の間に形成される。環状板４００は図１０に示した環状板２００と同様で同じようにして積層される。環状板４００には、第１減圧段階２１０、第２減圧段階２１２、第３減圧段階、第４減圧段階２１６、及び第５減圧段階２１８が含まれている。環状板４００は、図１１及び１２に示すように、５段階の水平減圧流路を形成するのに使用される。環状板４００は、上下方向流路を形成するための狭い上下方向方向流路２５０を有するが、広い上下方向流路がない点で環状板２００と異なる。
【００３６】
本発明の積層体の第５実施形態に使用する環状板５００を図１６に示す。環状板５００は、図１０に示した環状板２００と同様に、第１減圧段階２１０、第２減圧段階２１２、第３減圧段階２１４、第４減圧段階２１６、及び第５減圧段階２１８を有し、環状板２００と同様に積層される。環状板５００は、図１１と図１２に示すように第５減圧段階の水平流路を形成すべく使用される。環状板５００は上下方向流路を形成するための広い流路２５２を有するが、狭い上下方向流路がない。従って環状板５００を使用した積層体の上下方向流路は、環状板２００又は環状板４００を使用した積層体に比べて大容量の流体を流すことができる（環状板３００には上下方向流路がない）。
【００３７】
本発明の積層体の第６実施形態に使用する環状板６００を図１７に示す。積層体内の減圧流路を図１８及び図１９に示す。環状板６００には、第１減圧段階６１０、第２減圧段階６１２、第３減圧段階６１４、第４減圧段階６１６、及び第５減圧段階６１８が含まれている。５つの減圧段階は環状板６００に周方向に反復され、５つの減圧段階には全部で３つのパターンが形成される。各減圧段階は流量以外の点で上記の減圧段階のような一般流れと同じ性質を有する。減圧段階６１０は１つのオリフィス、第２減圧段階は１つのオリフィス、第３減圧段階６１４は２つのオリフィス、第４減圧段階は３つのオリフィス、第５減圧段階は５つのオリフィスを有している。環状板６００には、位置決め孔６３０、６３２及び６３４が、それぞれ周方向に４０゜ずれた位置に設けられている。図１８及び図１９に示すように、積層体内の３枚の環状板が減圧流路６４０を形成する。位置決めピン５４が、環状板６００ａの位置決め孔６３０を通り、環状板６００ｂの位置決め孔６３２を通り、環状板６００ｃの位置決め孔６３４を通る。環状板６００ｃの無孔領域６４２が環状板６００ｂの第２及び第４減圧段階をカバーする。
【００３８】
図１９に示すように、減圧流路６４０は環状板６００ａと６００ｂの間をジグザグに通過する。特に減圧流路６４０は、内周縁６０から環状板６００ａの第１減圧段階６１０を通り、環状板６００ｂの第２減圧段階６１２を通り、環状板６００ａの第３減圧段階６１４を通り、環状板６００ｂの第４減圧段階６１８を通り、環状板６００ａの第５減圧段階６１８を通って外周縁６２に達する。
【００３９】
環状板６００には、さらに内周縁６０から半径方向外方に離隔した上下方向流路６５０が設けられている。環状板６００が、上記のように周方向に４０゜ずれているとき、上下方向流路６５０が第１減圧段階６１０出口の連通路、及び第２減圧段階６１２の移行流路とと重なり、図１９に示すように、上下方向流路６６０が形成される。上下方向流路６６０は各減圧流路６４０の第２減圧段階に接続し、積層体内で上向きの段階的減圧が行われる。
【００４０】
以上に述べた積層体の実施形態では、同一の環状板を積層して流体減圧装置を形成している。積層体の第７実施形態では、図２０〜図２２に示すように３枚の非同一の環状板が使用される。図２０に示す環状板７００には、第１減圧段階７１０、第３減圧段階７１４及び第５減圧段階７１８が同一の周方向位置に設けられる。第１、第３及び第５減圧段階は、環状板７００の周囲で９回反復されている。図２１に示す環状板７０２には、第２減圧段階７１２と第４減圧段階７１６が同一の周方向位置に設けられている。第２及び第４段階は環状板７０２の周りで９回反復されている。図２２に示す環状板７０４には、内周縁６０から半径方向外側の位置に上下方向流路７５０が設けられ、環状板７０４の周りに分布している。各環状板７００、７０２及び７０４には位置決めピンを通すための位置決め孔７３０が設けられている。環状板７００、７０２及び７０４には、図１８及び図１９に示すように、５段階の水平方向減圧流路と上下方向流路が形成されている。
【００４１】
非同一環状板７００、７０２及び７０４を使用した図２０〜図２２に示す実施形態は、図１７〜図１９の実施形態の並列した３つの減圧流路に比べて、各環状板に９つの減圧流路が設けられている点で、図１７〜図１９の実施形態と異なる。従って図２０〜図２２の実施形態は図１７〜１９の実施形態に比べてより大きな流量を扱うことができる。
【００４２】
本発明の積層体の第８実施形態を図２３〜図２５に示す。第８実施形態では、４段階の減圧段階を有する環状板を使用する。環状板８００には第１減圧段階８１０、第１減圧段階８１０と周方向に４０゜ずれた第２減圧段階８１２、第２減圧段階８１２と周方向に４０゜ずれた第３減圧段階８１４、及び第３段階から周方向に４０゜ずれた第４減圧段階８１６が含まれている。４段階のパターンは、環状板８００の周りで３回反復され、各パターンの第１段階８１０が隣接パターンの第４段階８１６と重なっている。
【００４３】
環状板８００には、さらに位置決め孔８３０、８３２及び８３４が周方向に４０゜ずらして設けられている。図２４及び図２５に示す積層体は、環状板８００ａの位置決め孔８３０、環状板８００ｂの位置決め孔８３２、環状板８００ｃの位置決め孔８３４、及び環状板８００ｄの位置決め孔８３０をそれぞれ通る位置決めピン５４によって組み立てられている。積層体内の４枚の環状板が減圧流路８４０を形成する。減圧流路８４０は、内周縁６０から、環状板８００ａの第１減圧段階８１０、環状板８００ｂの第２減圧段階８１２、環状板８００ｃの第３減圧段階８１４、及び環状板８００ｄの第４減圧段階８１６を通って外周縁６２にまで伸びている。図２５に示すように減圧流路８４０は「斜め方向」に形成され、積層体内の４枚の環状板の間を順次半径方向外向き且つ上向きに伸びている。隣接する環状板の各段階（第４段階を除く）からは、次の段階に流体が上向きに排出される。図２４に示すように、減圧流路８４０には、第１段階における２つのオリフィス、第２段階８１２における２つのオリフィス、第３段階８１４における３つのオリフィス、及び第４段階８１６における４つのオリフィスが含まれている。
【００４４】
環状板８００には、狭い上下方向流路８５０と積層体の中心空洞に向かって開放された広い上下方向流路８５２とが設けられている。環状板８００が上記のように積層されると、図８及び図９に示したような上下方向流路が形成される。
【００４５】
本発明の積層体の第９実施形態が図２６〜図２８に示されている。図２６〜図２８の実施形態では３段階の環状板が使用される。環状板９００には、第１減圧段階９１０、第１減圧段階９１０と周方向に４０゜ずれた第２減圧段階９１２、及び第２減圧段階９１２と周方向に４０゜ずれた第３減圧段階が設けられている。３段階パターンは、環状板９００の周りに３回反復されている。３枚の環状板９００の積層体では、図２７及び図２８に示すように、３段階の減圧流路が形成されている。環状板８００には位置決め孔９３０、９３２及び９３４が含まれている。環状板９００ａは位置決め孔９３０を通る位置決めピン５４を有し、環状板９００ｂは位置決め孔９３４を通る位置決めピン５４を有している。
第１段階９１０は２つのオリフィス、第２段階９１２は２つのオリフィス、第３段階９１４は３つのオリフィスを有している。図２８に示すように、減圧流路９４０は、内周縁６０から、環状板９００ａの第１段階９１０、環状板９００ｂの第２段階、及び環状板９００ｃの第３段階９１４を通って外周縁６２にまで伸びている。減圧流路９４０は、積層体内を半径方向外方且つ上向きに伸びる「斜め方向」を有する。
【００４６】
環状板９００には狭い上下方向流路９５０と、積層体の中心空洞に隣接する広い上下方向流路９５２とが設けられている。環状板９００が上記のように積層されると、図８及び図９に示すように積層体の内部で上下方向流路が形成される。
【００４７】
要約すると、この積層体は次の特徴を有している。
【００４８】
１．積層体内には、内周縁６０に入口を有し外周縁６２に出口を有する複数の減圧流路が形成されている。可動の弁プラグの位置によって流路を流れる流体の量が決まる。
【００４９】
２．減圧流路は、連続した複数の減圧段階で構成される。各減圧段階は、隣接する環状板の別の減圧段階に接続する。減圧段階は２枚の環状板の間でシグザグに設けることができる。最後の段階を除き、各段階は、オリフィスから連通路に流れる半径方向流、それに続く隣接環状板の次の段階に続く上下方向流を含む（最後の段階はオリフィスから積層体の外周縁に流れる半径方向流のみである）。
【００５０】
３．各段階には１つ又は複数のオリフィスが含まれる。各オリフィスは充分な丸み又は充分なテーパを形成した入口と急拡大する出口を有する。最終段階を除き、各段階では、オリフィスから周方向に比較的広幅で半径方向に狭い連通路に向けて流体が流れる。最終段階では、オリフィスから積層体の周囲空間に向けて流体が排出される。第１段階以外の各段階には隣接環状板の前段階の連通路から流体を受け入れる１つ又は複数の移送流路を含む。第１段階には積層体の中心空洞から流体が流入する。各連通路の周方向幅は対応するオリフィスの幅の少なくとも３．５倍であることが望ましい。１つの連通路に複数のオリフィスから流体が流入する場合は、連通路の幅とオリフィスの合計幅の比が３．５以上であることが望ましい。連通路の半径方向幅は環状板の厚みにほぼ等しいことが望ましい。オリフィスの数及び／又はオリフィスの断面積は、流路が内周縁６０から外周縁６２に向かうに従い増加する。各段階は、動圧損失が７５％以上であり、それに応じて圧力回復が２５％以下であり、それによってキャビテーションのリスクを低減する。
【００５１】
図２９に示され５段階の水平方向流路を付与する環状板２００を使用した積層体の性能が計算された。積層体の中央空洞の圧力に対する静圧の％比率が積層体内の流路長さの関数としてプロットされている。各段階は、比較的低い圧力回復に続く圧力降下が示されている。キャビテーションは第５段階の最終オリフィスにおいてのみ発生する可能性がある。しかしキャビテーションは積層体や環状板から離れた部分で発生するため悪影響はない。減圧流路２４０の各流路と各段階における圧力レベルが図３０に概略の線図で示されている。上記の積層体は内周縁から外周縁に至る流路を採用している。しかし、環状板を積層体の外周縁から内周縁に向かうように配置することもできる
以上、本発明の望ましい実施形態について述べたが、これらに対して当業者が、請求の範囲に記載された本発明の範囲を逸脱することなく、各種の変形や改良を加えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の集積体形式の流体減圧装置を組み込んだ弁の側断面図である。
【図２】図１の２−２線に沿った集積体の第１実施形態と弁プラグの底部から見た断面図である。
【図３】  図２の集積体の一部拡大図である。
【図４】  図３の４−４線に沿った集積体と弁プラグとの部分断面図であり、斜め方向流路を示す。
【図５】  集積体内の６枚の環状板を底部から見た分解斜視図であり、環状板の位置関係を示す。
【図６】  図５に示したオリフィスと連通路の部分拡大平面図である。
【図７】  図５に示した第３減圧段階の部分拡大平面図である。
【図８】  図２の８−８線に沿った集積体と弁プラグとの部分拡大した側断面図であり、上下方向流路を示す。
【図９】  図８の９−９線に沿った集積体の部分拡大断面図である。
【図１０】  本発明の第２実施形態に使用する５段階環状板の底面図である。
【図１１】  図１０に示す環状板積層体の部分拡大図である。
【図１２】  図１１の１２−１２線に沿った積層体の部分断面図である。
【図１３】  図１１に示す積層体と弁プラグの部分断面図である。
【図１４】  本発明の第３実施形態の積層体に使用する５段階環状板の底面図である。
【図１５】  本発明の第４実施形態の積層体に使用する５段階環状板の底面図である。
【図１６】  本発明の第５実施形態の積層体に使用する５段階環状板の底面図である。
【図１７】  本発明の第６実施形態の積層体に使用する５段階環状板の底面図である。
【図１８】  図１７に示す環状板を使用した積層体の部分拡大断面図である。
【図１９】  図１８の１９−１９線に沿った積層体と弁プラグの部分拡大断面図である。
【図２０】  ３枚の非同一環状板を用いた本発明の第７実施形態の集積体の第１環状板の底面図である。
【図２1】  ３枚の非同一環状板を用いた本発明の第７実施形態の集積体の第２環状板の底面図である。
【図２２】  ３枚の非同一環状板を用いた本発明の第７実施形態の集積体の第３環状板の底面図である。
【図２３】  本発明の第８実施形態の集積体に使用する４段階環状板の底面図である。
【図２４】  図２３の環状板を用いた集積体の部分拡大図である。
【図２５】  図２４の２５−２５線に沿った集積体の部分拡大断面図である。
【図２６】  本発明の第９実施形態の集積体に使用する３段階環状板の底面図である。
【図２７】  図２６に示す環状板を用いた集積体の部分拡大図である。
【図２８】  図２７の２８−２８線に沿った集積体の部分拡大断面図である。
【図２９】  本発明の集積体の第２実施形態における、距離を関数とした静圧の百分率を示すグラフである。
【図３０】  本発明の集積体の第２実施形態における減圧流路の概略線図である。
【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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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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