(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
扁平形状に形成され、熱交換対象物と熱交換する熱媒体が内部を流通する流路管（３）と、
前記流路管の内部に配置され、熱交換対象物と熱媒体との伝熱面積を増大させる板状のインナーフィン（３４）と、を備え、
前記インナーフィンは、前記インナーフィンの厚み方向から見て波形状に形成され、前記熱媒体が流通する主流路を複数の細流路に分割する複数のウェーブフィン（３４０ｃ）を有し、
前記複数のウェーブフィンのうち隣り合う２つのウェーブフィンの間に、前記２つのウェーブフィンに挟まれた細流路を前記インナーフィンの厚み方向に縮流する突起部（３６）が形成されており、
前記流路管が、対向する２つの外殻プレート（３１、３２）と、前記２つの外殻プレートの間において、前記２つの外殻プレートと対向するように配置された中間プレート（３３）と、を有し、
前記インナーフィンが、前記２つの外殻プレートの一方と前記中間プレートとの間に配置され、
前記突起部が、前記中間プレートに形成されていることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記複数のウェーブフィンはそれぞれ、凸部（３４０ｄ）と凹部（３４０ｅ）が連結部（３４０ｆ）を介して交互に並ぶことにより前記インナーフィンの厚み方向から見て波形状に形成され、
前記凸部が、前記インナーフィンの厚み方向に垂直な断面形状が一方の向きに凸の曲線状であり、
前記凹部が、前記インナーフィンの厚み方向に垂直な断面形状が前記一方の向きと反対の向きに凸の曲線状であり、
前記連結部が、前記インナーフィンの厚み方向に垂直な断面形状が直線状であり、
前記突起部が、前記インナーフィンの厚み方向に垂直で、かつ、前記流路管の長手方向に垂直な方向において、隣り合う２つの前記連結部で挟まれた部分に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ウェーブフィンを有する熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
熱交換器は、熱媒体と熱交換対象物との熱交換により、熱交換対象物を加熱または冷却するものである。熱交換器の性能を向上させるためには、例えば特許文献１に示される熱交換器のように、ウェーブフィンを用いる方法がある。ウェーブフィンは、伝熱面積を増大させることにより熱交換器の性能を向上させる部品である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−９８２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ウェーブフィンにより形成された波形状の流路を熱媒体が流通すると、流れが蛇行する際に剥離が発生する。剥離部は流れが遅く、伝熱促進への寄与が小さいため、この点において熱交換器の性能を改善する余地がある。
【０００５】
本発明は上記点に鑑みて、熱交換器の性能を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、扁平形状に形成され、熱交換対象物と熱交換する熱媒体が内部を流通する流路管（３）と、流路管の内部に配置され、熱交換対象物と熱媒体との伝熱面積を増大させる板状のインナーフィン（３４）と、を備え、インナーフィンは、インナーフィンの厚み方向から見て波形状に形成され、熱媒体が流通する主流路を複数の細流路に分割する複数のウェーブフィン（３４０ｃ）を有し、複数のウェーブフィンのうち隣り合う２つのウェーブフィンの間に、２つのウェーブフィンに挟まれた細流路をインナーフィンの厚み方向に縮流する突起部（３６）が形成されており、流路管が、対向する２つの外殻プレート（３１、３２）と、２つの外殻プレートの間において、２つの外殻プレートと対向するように配置された中間プレート（３３）と、を有し、インナーフィンが、２つの外殻プレートの一方と中間プレートとの間に配置され、突起部が、中間プレートに形成されていることを特徴としている。
【０００７】
これによれば、突起部により縮流が発生し、流れが増速する。そのため、増速した流れにより剥離部を吹き飛ばし、剥離の発生を抑制して、熱交換器の性能を向上させることができる。
【０００８】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態における熱交換器を用いた積層型熱交換器の正面図である。
【図２】図１のII−II線における断面図である。
【図３】図２のIII−III線における断面図である。
【図４】図２のIV方向における流路管の矢視図である。
【図５】中間プレートの一面側にインナーフィンが搭載された様子を示す図である。
【図６】インナーフィンにおける第１フィンが形成された領域の斜視図である。
【図７】図８のVII−VII線における断面図である。
【図８】図２のIII−III線における断面図である。
【図９】従来の熱交換器における細流路の断面図である。
【図１０】従来の熱交換器における剥離の様子を示す断面図である。
【図１１】図７のXI−XI線における断面図、および、図８のVII−VII線における断面図である。
【図１２】図８のVII−VII線における断面図である。
【図１３】突起部を形成する位置と熱伝導の経路との関係を示す断面図である。
【図１４】図８のVII−VII線における断面図である。
【図１５】図１１に相当する図であって、突起部を形成する位置と熱伝達の良い部分との関係を示す断面図である。
【図１６】図８に相当する図であって、他の実施形態における細流路の断面図である。
【図１７】他の実施形態における突起部の形状を示す断面図および斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
【００１１】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。ここでは、本実施形態の熱交換器を用いて構成された積層型熱交換器１により熱交換対象物として複数の電子部品２を冷却する冷却器を構成する例について説明するが、本実施形態の熱交換器を他の用途に用いてもよい。また、本実施形態の熱交換器を加熱のために用いてもよい。電子部品２は、例えば、走行用電動機に対して三相交流電圧を出力するインバータ回路に適用されるパワーカードである。
【００１２】
本実施形態の熱交換器は、流路管３と、流路管３の内部に配置されたインナーフィン３４と、を備えている。積層型熱交換器１は、図１に示すように、複数の流路管３を、隣り合う流路管３との間に形成される隙間に電子部品２を配設した状態で積層配置して構成されている。
【００１３】
流路管３は、電子部品２と熱交換する熱媒体が内部を流通するものである。熱媒体としては、例えば、エチレングリコール系の不凍液を混入した水、水やアンモニア等の自然冷媒等を用いることができる。図２に示すように、流路管３は、短手方向の一対の周縁部が長手方向に沿って並行に延在すると共に、長手方向の周縁端部の形状が半円を描くように、半円弧形状となっている。なお、流路管３の積層方向に垂直で、かつ、流路管３の長手方向に垂直な方向を、流路管３の短手方向とする。また、図３に示すように、流路管３は、長手方向と直交する流路断面が扁平形状に形成されている。
【００１４】
なお、図２は図１のII−II線における断面図であるが、流路管３の形状を明確にするために、電子部品２の図示を省略している。また、図２には、流路管３の内部に配置されているインナーフィン３４を点線で示してある。
【００１５】
流路管３は、アルミニウムや銅等の高い熱伝導性を有する金属製のプレートを積層し、これらのプレートを接合して構成されている。流路管３は、図３に示すように、一対の外殻プレート３１、３２と、中間プレート３３と、２つのインナーフィン３４とを有する。そして、外殻プレート３１、３２および中間プレート３３の間に、熱媒体が流通する媒体流路３０が形成されている。
【００１６】
外殻プレート３１、３２は、流路管３の外殻を構成する板部材であり、外殻プレート３１、３２を通して電子部品２と熱媒体との熱交換が行われる。中間プレート３３は、長方形状の２枚の板部材を積層することで構成され、外殻プレート３１、３２の間に、外殻プレート３１、３２それぞれと対向するように配置されている。中間プレート３３の長手方向の両端部には、後述する突出管部３５の開口部に対応して、円形の開口部が形成されている。
【００１７】
インナーフィン３４は、熱媒体と電子部品２との伝熱面積を増大させる部品である。インナーフィン３４は、例えば、アルミニウム等の高い熱伝導性を有する金属製の板状のプレートをプレス加工して形成される。インナーフィン３４の詳細については後述する。
【００１８】
流路管３は、外殻プレート３１と中間プレート３３との間、外殻プレート３２と中間プレート３３との間にそれぞれインナーフィン３４を配置し、外殻プレート３１、３２、中間プレート３３の周縁部の内側をろう材により接合することで構成されている。また、インナーフィン３４は、外殻プレート３１、３２に対してろう材により接合されている。なお、中間プレート３３は、その周縁部が外殻プレート３１、３２の間に狭持されていてもよい。
【００１９】
図２に示すように、流路管３の長手方向の両側には、突出管部３５が設けられている。突出管部３５は、隣り合う流路管３を連結するものであり、図４に示すように、流路管３の積層方向に開口すると共に、流路管３の積層方向に突出した円筒状とされている。複数の流路管３のうち、積層方向の最も外側に位置する一対の流路管３以外の流路管３には、積層方向の両側に突出管部３５が設けられている。一方、複数の流路管３のうち、積層方向の最も外側に位置する一対の流路管３には、隣り合う流路管３に対向する一面にだけ突出管部３５が設けられている。複数の流路管３は、突出管部３５同士を嵌合させると共に、突出管部３５の側壁同士を接合することにより連結されている。これにより、隣り合う流路管３は、互いの媒体流路３０が連通している。
【００２０】
流路管３の長手方向の両側に設けられた一対の突出管部３５のうち、一方を供給ヘッダ部１１、他方を排出ヘッダ部１２とする。供給ヘッダ部１１は、流路管３の媒体流路３０へ熱媒体を供給するものであり、排出ヘッダ部１２は、流路管３の媒体流路３０から熱媒体を排出するものである。
【００２１】
図１に示すように、複数の流路管３のうち、積層方向の最も外側に配置される一対の流路管３の一方には、媒体導入部４および媒体導出部５が接続されている。媒体導入部４は、熱媒体を積層型熱交換器１に導入するためのものであり、媒体導出部５は、熱媒体を積層型熱交換器１から導出するためのものである。媒体導入部４および媒体導出部５は、ろう付け等の接合技術により流路管３に接合されている。
【００２２】
インナーフィン３４の構成について図５〜図８を用いて説明する。インナーフィン３４は、複数の第１フィン３４０と、複数の第２フィン３４１とを有している。図５に示すように、インナーフィン３４のうち、複数の第１フィン３４０が形成された領域を領域３４ｂ、領域３４ｂより熱媒体流れ上流側の端部を端部３４ａ、下流側の端部を端部３４ｃとする。
【００２３】
第１フィン３４０は、熱媒体が流通する主流路を複数の細流路に分割するものであり、図６に示すように、流路管３の長手方向と直交する断面形状が波形状となっており、波形の頂点付近は外殻プレート３１、３２、中間プレート３３と接している。第１フィン３４０のうち、外殻プレート３１または３２と接する部分を頂部３４０ａ、中間プレート３３と接する部分を底部３４０ｂ、頂部３４０ａと底部３４０ｂを接続する部分を壁面部３４０ｃとする。
【００２４】
図７に示すように、壁面部３４０ｃは、凸部３４０ｄと凹部３４０ｅが連結部３４０ｆを介して交互に並ぶことにより、流路管３の積層方向、つまり、インナーフィン３４の厚み方向から見て波形状とされている。
【００２５】
凸部３４０ｄは、流路管３の積層方向に垂直な断面形状が流路管３の短手方向の一方の向きに凸の曲線状とされており、凹部３４０ｅは、流路管３の積層方向に垂直な断面形状が流路管３の短手方向の他方の向きに凸の曲線状とされている。連結部３４０ｆは、流路管３の積層方向に垂直な断面形状が直線状とされている。
【００２６】
このような凸部３４０ｄ、凹部３４０ｅ、連結部３４０ｆにより壁面部３４０ｃを構成することで、壁面部３４０ｃは、流路管３の積層方向から見て、流路管３の長手方向に三角波形状に屈曲する形状となっている。壁面部３４０ｃは、本発明のウェーブフィンに相当する。
【００２７】
第２フィン３４１は、第１フィン３４０とともに細流路を形成するものであり、流路管３の長手方向と平行となるように、端部３４ａ、端部３４ｃに形成されている。第２フィン３４１は、流路管３の長手方向と直交する断面形状が波形状となっているとともに、流路管３の積層方向から見て直線形状となっている。
【００２８】
インナーフィン３４において、端部３４ａに形成された第２フィン３４１と、第１フィン３４０と、端部３４ｃに形成された第２フィン３４１により連続する１本のフィンが構成されている。
【００２９】
図７、図８に示すように、第１フィン３４０、第２フィン３４１により形成された複数の細流路には、熱媒体が流れる際にインナーフィン３４の厚み方向に縮流を発生させる突起部３６が複数個形成されている。突起部３６は、中間プレート３３を構成する２枚の板部材に円錐台形状のディンプルを設けることにより形成されている。
【００３０】
図８に示すように、流路管３の内部には、中間プレート３３、頂部３４０ａ、壁面部３４０ｃで囲まれた細流路と、外殻プレート３１または３２と、底部３４０ｂ、壁面部３４０ｃで囲まれた細流路が形成され、これらの細流路が交互に並んでいる。本実施形態では、中間プレート３３にディンプルを設けることにより、上記の細流路のうち、中間プレート３３、頂部３４０ａ、壁面部３４０ｃで囲まれた細流路にのみ突起部３６が形成されている。つまり、本実施形態では、突起部３６が形成された細流路と突起部３６が形成されていない細流路とが交互に並んでいる。
【００３１】
また、図７に示すように、突起部３６は、流路管３の短手方向において、連結部３４０ｆに挟まれた部分に形成されている。流路管３の短手方向において隣り合う２つの連結部３４０ｆに挟まれた部分を領域３４ｄとすると、１つの細流路において、突起部３６が形成された領域３４ｄと、突起部３６が形成されていない領域３４ｄとが交互に並んでいる。
【００３２】
上記した構成において、熱媒体は媒体導入部４から直接、あるいは、供給ヘッダ部１１を通って流路管３に流れ込み、流路管３から直接、あるいは排出ヘッダ部１２を通って媒体導出部５から導出される。このとき、電子部品２と熱媒体との熱交換により、電子部品２が冷却される。
【００３３】
流路管３においては、熱媒体は、複数形成された波形状の細流路を蛇行して流れる。図９、図１０は、突起部３６が形成されていない従来の熱交換器の断面図である。図９（ａ）は、図９（ｂ）のIX−IX線における断面図であり、図９（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、図７、図８に相当する図である。また、図１０は、図１１（ｂ）に相当する図である。図９（ａ）、（ｂ）に示すように突起部３６が形成されていない従来の熱交換器では、図１０の矢印Ａ１で示すように熱媒体が蛇行して流れる際に、剥離が発生する。剥離は、図１０の領域Ｒ１で示すように、熱媒体が２つの凸部３４０ｄまたは２つの凹部３４０ｅにより形成されたカーブを通り過ぎたとき、カーブの内側だった方の壁面部３４０ｃ付近に発生する。剥離部は流れが遅く、伝熱促進への寄与が小さいため、剥離の発生により熱交換器の性能が低下する。
【００３４】
これに対し、本実施形態では、図１１（ａ）に示すように、突起部３６が形成された細流路では、突起部３６により流路管３の積層方向に縮流が発生し、矢印Ａ２で示される流れが矢印Ａ３で示される流れに変化して、熱媒体の流れが増速する。そのため、図１１（ｂ）の領域Ｒ２で示すように、増速した流れにより剥離部が吹き飛ばされ、剥離の発生が抑制されて、インナーフィン３４と熱媒体とが接する部分のうち、伝熱促進に寄与する部分の面積が増加する。これにより、熱交換器の性能が向上する。
【００３５】
このように、本実施形態の熱交換器を用いて構成された積層型熱交換器１では、突起部３６によりインナーフィン３４の厚み方向に縮流を発生させ、熱媒体の流れの増速により剥離の発生を抑制し、熱交換器の性能を向上させることができる。
【００３６】
また、突起部３６が形成された細流路では、剥離の抑制により熱伝達が改善されるものの、突起部３６により圧損が上昇する。これに対し、本実施形態では、突起部３６が形成されている細流路と、突起部３６が形成されていない細流路を設けている。そのため、例えばすべての細流路の幅が互いに等しい場合、図１２の矢印Ａ４、Ａ５の大きさで示すように、流量Ｑ１は、圧損のバランスをとるために流量Ｑ２より大きくなる。ここで、Ｑ１は突起部３６が形成されていない細流路を流れる熱媒体の流量、Ｑ２は突起部３６が形成されている細流路を流れる熱媒体の流量である。これにより、突起部３６が形成されていない細流路においても間接的に熱伝達が改善されるので、圧損の無駄な上昇を抑制し、すべての細流路に突起部３６を設ける場合に比べて、熱交換器の性能をさらに向上させることができる。
【００３７】
なお、本実施形態では、図１３（ｂ）に示すように、外殻プレート３１、３２側と中間プレート３３側のうち、中間プレート３３側に突起部３６を形成しているが、外殻プレート３１、３２側に突起部３６を形成してもよい。具体的には、図１３（ａ）に示すように、外殻プレート３１、３２をそれぞれ２枚のプレートを積層して構成し、インナーフィン３４に接するプレートにディンプルを設けることにより、外殻プレート３１、３２側に突起部３６を形成することができる。しかし、この場合、矢印Ａ６で示す経路において熱伝導が起こり、矢印Ａ７で示す経路において熱伝導が起こる場合、つまり、中間プレート３３側に突起部３６を形成した場合に比べて熱伝導の経路が長くなるため、熱交換器の性能向上の効果が小さくなる。そのため、中間プレート３３側に突起部３６を形成することが好ましい。なお、図１３（ａ）は図１３（ｂ）に相当する図であり、図１３（ｂ）は図７のXI−XI線における断面図である。
【００３８】
また、インナーフィン３４により形成された細流路のうち領域３４ｄ以外の部分、つまり、細流路を構成する波形の頂点付近に突起部３６を形成しても熱交換器の性能向上の効果は得られる。
【００３９】
しかし、領域３４ｄは図１４に示すように剥離の開始位置Ｐ１に近く、また、剥離の開始位置Ｐ１付近に縮流の開始点を設けることで効率よく剥離を吹き飛ばすことができる。ここで、剥離の開始位置Ｐ１は、突起部３６が形成されない場合に剥離が発生する領域Ｒ１の熱媒体流れの上流側における端部である。
【００４０】
また、壁面部３４０ｃのうち波形の頂点付近には、蛇行して流れる熱媒体が壁面部３４０ｃに衝突するため熱伝達の良い部分が存在するが、波形の頂点付近に突起部３６を形成した場合、突起部３６により熱媒体の衝突が妨げられて、この部分の面積が減少する。具体的には、図１５に示すように、波形の頂点付近に突起部３６を形成していない場合での熱伝達の良い部分を領域Ｒ３、突起部３６により熱媒体の衝突が妨げられる部分を領域Ｒ４とすると、領域Ｒ３と領域Ｒ４とが重なる分だけ、熱伝達の良い部分の面積が減少する。
【００４１】
そのため、流路管３の積層方向に垂直な断面での１つの細流路において、複数の直線Ｌ３、複数の直線Ｌ４のうち、直線Ｌ１または直線Ｌ２を挟まずに隣り合う直線Ｌ３、直線Ｌ４で挟まれた部分、つまり、領域３４ｄに突起部３６を形成することが好ましい。なお、図７に示すように、直線Ｌ１は、壁面部３４０ｃを構成する波形の頂点のうち１つの凸部３４０ｄに含まれる頂点と、この凸部３４０ｄとともに細流路のカーブを形成する凸部３４０ｄに含まれる頂点とを通る直線である。また、直線Ｌ２は、壁面部３４０ｃを構成する波形の頂点のうち１つの凹部３４０ｅに含まれる頂点と、この凹部３４０ｅとともに細流路のカーブを形成する凹部３４０ｅに含まれる頂点とを通る直線である。また、直線Ｌ３、Ｌ４は、それぞれ、壁面部３４０ｃを構成する波形の頂点付近において壁面部３４０ｃの丸みがなくなる部分、つまり、凸部３４０ｄ、凹部３４０ｅと連結部３４０ｆとの接続部を通り、直線Ｌ１、Ｌ２に平行な直線である。
【００４２】
（他の実施形態）
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。
【００４３】
例えば、上記第１実施形態では、中間プレート３３を構成する２枚の板部材それぞれにディンプルを設けて突起部３６を形成しているが、片方の板部材のみにディンプルを設け、外殻プレート３１、３２のうち一方の側の細流路にのみ突起部３６を形成してもよい。
【００４４】
また、上記第１実施形態では、突起部３６が形成された細流路と突起部３６が形成されていない細流路とが交互に並んでいるが、図１６に示すように、中間プレート３３と外殻プレート３１、３２にディンプルを設けて隣り合う細流路それぞれに突起部３６を形成してもよい。また、突起部３６が形成された２つの細流路の間に、突起部３６が形成されていない細流路を２つ以上設けてもよい。
【００４５】
また、上記第１実施形態では、流路管３は、一対の外殻プレート３１、３２と、中間プレート３３と、２つのインナーフィン３４とを有しているが、流路管３が、中間プレート３３を備えていなくてもよい。この場合、外殻プレート３１、３２に突起部３６を形成することで縮流を発生させることができる。また、中間プレート３３を１枚の板部材で構成してもよい。また、流路管３がインナーフィン３４を１つのみ有していてもよい。
【００４６】
また、上記第１実施形態では、突起部３６を円錐台形状としたが、突起部３６を、インナーフィン３４の厚み方向に縮流を発生させることのできる他の形状としてもよい。例えば、図１７（ａ）、（ｂ）に示すように、突起部３６をリブ形状としてもよい。また、図１７（ｃ）、（ｄ）に示すように、突起部３６の上面形状を楕円形状としてもよい。また、突起部３６を、中間プレート３３を切り起こしたウイングレット形状、または図１７（ｅ）、（ｆ）に示すように四面体形状としてもよい。なお、図１７（ａ）、（ｃ）、（ｅ）、（ｇ）は、図７に相当する図である。また、図１７（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）、（ｈ）では、中間プレート３３のうち頂部３４０ａ、壁面部３４０ｃとともに１つの細流路を形成する部分のみ図示している。また、図１７（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）、（ｈ）における中間プレート３３の両側の線は、中間プレート３３のうち壁面部３４０ｃと接している部分と接していない部分との境界線を示している。また、図１７（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）、（ｈ）では、頂部３４０ａ、壁面部３４０ｃの図示を省略している。
【００４７】
また、上記第１実施形態では、１つの細流路において、突起部３６が形成された領域３４ｄと、突起部３６が形成されていない領域３４ｄとが交互に並んでいるが、隣り合う領域３４ｄそれぞれに突起部３６を形成してもよい。また、突起部３６が形成された２つの領域３４ｄの間に、突起部３６が形成されていない領域３４ｄを２つ以上設けてもよい。また、１つの領域３４ｄに複数の突起部３６を形成してもよい。例えば、図１７（ｇ）、（ｈ）に示すように、１つの領域３４ｄに２つの突起部３６を形成してもよい。また、１つの細流路において隣り合う直線Ｌ１、直線Ｌ２の間に２つの突起部３６を形成してもよい。
【符号の説明】
【００４８】
３        流路管
３４      インナーフィン
３４０ｃ  壁面部
３６      突起部
【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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