(57)【要約】自動車に搭載された多段スターリング機関１の２個のシリンダ４、５内にディスプレーサピストン６、７とパワーピストン８、９とがそれぞれ摺動自在に直列に嵌装され、自動車に搭載された内燃機関の排気ガスである加熱流体が、シリンダ４、５を直列に流れてスターリング機関内の作動流体であるヘリウムガスを加熱する。２個のシリンダ４、５は、相互に向きを揃えて配置され、それらシリンダ４、５の中間に、加熱器１６、１７と、再生熱交換器１６、１７と、冷却器２０、２１が配設される。かかる構成により、偏平でコンパクトなスターリング機関が得られる。
2004101983.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体を内蔵し、かつ内部にディスプレーサピストンとパワーピストンとが摺動自在に直列に嵌装された複数個のシリンダと、複数個のシリンダの内部の作動流体を加熱するために、それぞれのシリンダに関連して設けられ、加熱源からの高温の加熱流体を受ける複数個の加熱器と、前記加熱流体を複数個の加熱器内を直列に流すように設けられた加熱流体流路とを備える多段スターリング機関であって、
前記複数個の加熱器と、前記複数個のシリンダ内の作動流体をそれぞれ冷却する複数個の冷却器と、前記加熱器および冷却器の間に配設された複数個の再生器とからなる複数個の熱交換器が設けられ、前記複数個の加熱器は前記複数個のシリンダの一端にそれぞれ接続されるとともに、前記複数個の冷却器は前記複数個のシリンダの他端にそれぞれ接続され、前記複数個の熱交換器は、前記複数個のシリンダ間に配置されたことを特徴とする多段スターリング機関。
【請求項２】
前記複数個のシリンダ内のディスプレーサピストンおよびパワーピストンに連結された出力軸と、該出力軸に連結された発電機と、前記出力軸と前記発電機を密封状に収容するケースとを備えることを特徴とする請求項１記載の多段スターリング機関。
【請求項３】
前記ケースは、多段スターリング機関のケースの一部を構成することを特徴とする請求項２記載の多段スターリング機関。
【請求項４】
前記加熱流体は、内燃機関から排出される排気ガスであり、前記加熱流体流路は、該排気ガスを流すために前記複数のシリンダのうちの一つのシリンダの両側を迂回して当該一つのシリンダに関連する加熱器の両側部に接続された上流側排気管を含むことを特徴とする請求項１記載の多段スターリング機関。
【請求項５】
前記加熱流体流路は、前記加熱器で作動流体と熱交換した排気ガスを流す下流側排気管を有し、該下流側排気管は、該加熱器に隣接したシリンダの両側を迂回した後、下流側で集合する排気集合管に接続されたことを特徴とする請求項１記載の多段スターリング機関。
【請求項６】
前記複数個のシリンダは互いに平行に配置されていることを特徴とする請求項１記載の多段スターリング機関。
【請求項７】
前記複数のシリンダ内のディスプレーサピストンおよびパワーピストンに連結された出力軸は同一軸上に位置し、その同一軸上に前記発電機が配設されたことを特徴とする請求項２記載の多段スターリング機関。
【請求項８】
前記複数個の熱交換器が一体化されたことを特徴とする請求項１記載の多段スターリング機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、加熱流体が複数個のシリンダを直列に加熱するコンパクトな多段スターリング機関に関し、特に、自動車に搭載される内燃機関の排気ガスを加熱流体とした車載用多段スターリング機関に関する。
【背景技術】  スターリング機関を大別すると、図７Ａないし図７Ｄに示されるように次の４つの形式に大別される。
（１）図７Ａに示すように、直列に接続された加熱器Ｈ、再生熱交換器Ｒおよび冷却器Ｃを介して２個のシリンダＳ１、Ｓ２の頂部空間が連通され、各シリンダＳ１、Ｓ２にそれぞれパワーシリンダＰＰ１、ＰＰ２が摺動自在に嵌装されたα形スターリング機関、
（２）図７Ｂに示すように、１個のシリンダＳ内にディスプレーサピストンＤＰとパワーピストンＰＰとが直列に嵌装され、ディスプレーサピストンＤＰで仕切られたシリンダ内部の２つの空間ＳＡ、ＳＢが、直列に接続された加熱器Ｈ、再生熱交換器Ｒおよび冷却器Ｃを介して連通されてなるβ形スターリング機関、
（３）図７Ｃに示すように、ディスプレーサピストンＤＰが嵌装されたディスプレーサシリンダＤＳと、パワーピストンＰＰが嵌装されたパワーシリンダＰＳとからなり、ディスプレーサピストンＤＰで仕切られたディスプレーシリンダ内部の２つの空間ＤＳＡ、ＤＳＢが、直列に接続された加熱器Ｈ、再生熱交換器Ｒおよび冷却器Ｃを介して連通されるとともに、冷却器Ｃに接続されるディスプレーサシリンダＤＳの一方の内部空間ＤＳＢが、パワーシリンダＰＳの頂部空間ＰＳＡに連通されてなるγ形スターリング機関、
（４）図７Ｄに示すように、相互に縦横平行に４個のシリンダＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４が配置され、隣り合うシリンダの一方のシリンダ頂部空間ＳＡと他方のシリンダ底部空間ＳＢとを接続する管路Ｐに加熱器Ｈ、再生熱交換機Ｒおよび冷却器Ｃがそれぞれ直列に介装され、４個のシリンダＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４の中央に図示されない回転傾斜板が配置され、この回転傾斜板に４個のシリンダＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４のパワーピストンＰＰ１、ＰＰ２、ＰＰ３、ＰＰ４が連結されてなるダブルアクティング形スターリング機関、
水冷式内燃機関に２個のβ形スターリング機関が付設された特開平１−２９４９４６号公報に記載の装置における廃熱利用装置では、一方のβ形スターリング機関は、前記水平式内燃機関の冷却水を熱源として動作し、他方のβ形スターリング機関は、前記水冷式内燃機関の排気ガスを熱源として動作するようになっていた。
前述した廃熱利用装置においては、２個のβ形スターリング機関の熱源が、冷却水と排気ガスであるため、配管が複雑化し、しかも、高い密封性が要求される結果、装置全体の小型軽量化と、コストダウンが困難であった。
また、一方のβ形スターリング機関は、排気ガスより低温の１００℃程度の冷却水を熱源としているため、スターリング機関のシリンダは２個であっても、出力および効率が低かった。
本発明は、上述の難点を克服し、軽量・コンパクトで、信頼性が高く低コストで、しかも出力・効率の高い多段スターリング機関を提供することを目的とする。
【発明の開示】
上記目的を達成するため、本発明は、作動流体を内蔵し、かつ内部にディスプレーサピストンとパワーピストンとが摺動自在に直列に嵌装された複数個のシリンダと、複数個のシリンダの内部の作動流体を加熱するために、それぞれのシリンダに関連して設けられ、加熱源からの高温の加熱流体を受ける複数個の加熱器と、前記加熱流体を複数個の加熱器内を直列に流すように設けられた加熱流体流路とを備える多段スターリング機関であって、前記複数個の加熱器と、前記複数個のシリンダ内の作動流体をそれぞれ冷却する複数個の冷却器と、前記加熱器および冷却器の間に配設された複数個の再生器とからなる複数個の熱交換器が設けられ、前記複数個の加熱器は前記複数個のシリンダの一端にそれぞれ接続されるとともに、前記複数個の冷却器は前記複数個のシリンダの他端にそれぞれ接続され、前記複数個の熱交換器は、前記複数個のシリンダ間に配置されたことを特徴とする多段スターリング機関が提供される。
本発明の多段スターリング機関では、高温の加熱流体を複数個の多段スターリング機関の加熱源とし、複数個のシリンダ内の作動流体をそれぞれ加熱する複数個の加熱器を前記加熱流体が直列に流れて、前記作動流体が加熱されるようになっているので、１個のシリンダのみの単段のスターリング機関に比べて、加熱流体のエネルギを多く回収してスターリング機関全体の出力を増大させることができる。
また、加熱器、再生器および冷却器よりなる熱交換器が複数個のシリンダ間に配置されているため、小型軽量化が可能となり、さらに、加熱流体が１種類であるため、構造が単純化されてコストダウンが可能となる。
本発明では、前記複数個のシリンダ内のディスプレーサピストンおよびパワーピストンに連結された出力軸と、該出力軸に連結された発電機とを設け、前記出力軸と前記発電機をケース内に密封状に収容する構成をとることができる。
かかる構成により、多段スターリング機関の出力軸のシールが不要となり、シールに伴う摩擦が削減されて、出力および耐久性が向上するとともに、原子量の小さなヘリウムの如き漏洩性の高い気体を作動流体とすることができて、流動抵抗が低下し、しかも作動流体の漏洩による運転コストの増大を回避することが可能となる。
本発明では、前記ケースは、多段スターリング機関のケースの一部を構成するようにすることができる。これにより、構成部材を単純節減化して、小型軽量化を図ることができるとともに、コストダウンを推進できる。
好適には、前記加熱流体は、内燃機関から排出される排気ガスであり、前記加熱流体流路は、該排気ガスを流すために前記複数のシリンダのうちの一つのシリンダの両側を迂回して当該一つのシリンダに関連する加熱器の両側部に接続された上流側排気管を含むようにする。
かかる構成により、高温の排気ガスを加熱流体とし、かつこの加熱流体を複数個の加熱器でも複数段に亘って加熱源として利用するため、排気エネルギを有効かつ効率良く電気エネルギに変換することができ、また、多段スターリング機関の厚みや、隣接するシリンダ間隔と縮小して、小型化を図ることができる。
好適には、前記加熱流体流路は、前記加熱器で作動流体と熱交換した排気ガスを流す下流側排気管を有し、該下流側排気管は、該加熱器に隣接したシリンダの両側を迂回した後、下流側で集合する排気集合管に接続されるようにする。
これにより、多段スターリング機関の厚みや、隣接するシリンダ間隔を縮小して、小型化を図ることができる。
本発明の一形態によれば、前記複数個のシリンダは互いに平行に配置される。また、前記複数のシリンダ内のディスプレーサピストンおよびパワーピストンに連結された出力軸は同一軸上に位置し、その同一軸上に前記発電機が配設される。また、前記複数個の熱交換器が一体化される。
【図面の簡単な説明】  図１は、本発明に係るスターリング機関の一実施形態をの側面図である。
図２は図１の平面図である。
図３は図１の正面図である。
図４は、図２のＩＶ−ＩＶ線に沿って裁断した縦断側面図である。
図５は、他の実施形態の図４と同様な縦断側面図である。
図６は、さらに他の実施形態の図４と同様な縦断側面図である。
図７Ａないし図７Ｄは、従来のスターリング機関の種類を大別して示した説明図である。
【発明を実施するための最良の形態】  以下、図１ないし図４を参照して本発明に係るスターリング機関の一実施形態について説明する。
本実施形態のスターリング機関１は２段式であり、図示されない自動車に搭載される内燃機関に付設される。スターリング機関１は、該内燃機関より排出された後、図示されない排気浄化装置により浄化された排気ガスを熱源とし、また、前記内燃機関に付設されたクーラで冷却された冷却水を冷源とし、作動流体は、ヘリウム（Ｈｅ２）ガスである。
２段スターリング機関１は、図１、図２および図４に示されるように、第１段スターリング機関２と第２段スターリング機関３とよりなる。この第１段スターリング機関２および第２段スターリング機関３は、それぞれ、第１シリンダ４および第２シリンダ５を有し、第１シリンダ４および第２シリンダ５は、それぞれ上下鉛直方向に指向する。第１シリンダ４および第２シリンダ５の間には、第１熱交換器４０および第２熱交換器４１が設けられている。第１シリンダ４および第２シリンダ５は、第１熱交換器４０および第２熱交換器４１の長手方向の寸法の和に略等しい間隔を存して平行に配置され、図４に示すように、第１シリンダ４および第２シリンダ５の上部には、それぞれ第１ディスプレーサピストン６および第２ディスプレーサピストン７が摺動自在に嵌装され、さらに、その下方にそれぞれ第１パワーピストン８および第２パワーピストン９が摺動自在に嵌装され、第１ディスプレーサピストン６および第２ディスプレーサピストン７のピストンロッド６ａ、７ａは第１パワーピストン８および第２パワーピストン９を摺動自在に貫通している。
さらに、第１シリンダ４および第２シリンダ５の下端面に、１対のカムシャフトホルダー１０、１１がそれぞれ一体に付設され、このカムシャフトホルダー１０、１１にそれぞれカムシャフト１２、１３が回転自在に枢支され、第１ディスプレーサピストン６のピストンロッド６ａおよび第１パワーピストン８のピストンロッド８ａ（図示されず）は、周知のクロスヘッド機構、ロンビック機構またはスコッチヨーク機構の如き連結機構１４を介してカムシャフト１２に連結されるとともに、第２ディスプレーサピストン７のピストンロッド７ａおよび第２パワーピストン９のピストンロッド９ａ（図示されず）は、前述したような連結機構１５を介してカムシャフト１３に連結され、第１ディスプレーサピストン６および第２ディスプレーサピストン７は、第１パワーピストン８および第２パワーピストン９に対してそれぞれ約９０°進んだ位相差に設定され、しかも両第１ディスプレーサピストン６、第２ディスプレーサピストン７の間には１８０°の位相差に設定されている。
さらにまた、カムシャフト１２、１３の中間に位置して発電機３０が配置され、この発電機３０の回転軸３０ａ、３０ｂはそれぞれカムシャフト１２、１３に一体に直結されており、第１段スターリング機関２および第２段スターリング機関３が稼動状態になると、発電機３０は回転駆動されるようになっている。
第１シリンダ４および第２シリンダ５の中間に位置して、前記第１熱交換器４０および第２熱交換器４１が前後（図４では左右）に配設され、第１熱交換器４０には、上方から下方に亘って第１加熱器１６、第１再生熱交換器１８、第１冷却器２０が配置されるとともに、第２熱交換器４１には、上方から下方に亘って第２加熱器１７、第２再生熱交換器１９、第２冷却器２１が配設され、第１熱交換器４０の第１加熱器１６、第１再生熱交換器１８、第１冷却器２０内では、高圧ヘリウムガスが上下方向へ流動することができるヘリウムガス流路が形成され、また、第２熱交換器４１の第２加熱器１７、第２再生熱交換器１９、第２冷却器２１内も同様にヘリウムガス流路が形成されている。
そして、第１ディスプレーサピストン６で上下に第１シリンダ４内空間が仕切られて形成された第１上部シリンダ室２２および第１下部シリンダ室２３は、この第１上部シリンダ室２２および第１下部シリンダ室２３に隣接した連通路２４、２５と、第１加熱器１６、第１再生熱交換器１８、第１冷却器２０とを介して連通し、また、第２ディスプレーサピストン７で上下に第２シリンダ５内空間が仕切られて形成された第２上部シリンダ室２６および第２下部シリンダ室２７は、この第２上部シリンダ室２６および第２下部シリンダ室２７に隣接した連通路２８、２９と、第２加熱器１７、第２再生熱交換器１９、第２冷却器２１とを介して連通し、これらの第１上部シリンダ室２２、第１下部シリンダ室２３、連通路２４、２５と第２上部シリンダ室２６、第２下部シリンダ室２７、連通路２８、２９とには、それぞれ１００気圧程度の高圧ヘリウムガスが充填されている。
また、第１シリンダ４、第２シリンダ５、第１冷却器２０、第２冷却器２１の下方に位置したクランク室３１を密閉するクランクケース３２は、上下に２分割され、ボルト３９でもってクランクケース３２の上方部分と下方部分とが相互に一体に結合され、このクランク室３１内には、前記カムシャフト１２、１３、連結機構１４、１５、発電機３０が収納されている。
さらに、図２に示されるように、前述した図示されない内燃機関より排出され、排気浄化装置（図示されず）にて浄化された排気ガスを導く排気管３３は、第２段スターリング機関３の反対側から第１段スターリング機関２に向って水平に延長し、第１段スターリング機関２の手前側から左右に分岐され、この分岐された分岐排気管３４は、第１シリンダ４の頂部を迂回して第１加熱器１６の左右両側壁を貫通して第１加熱器１６の排気ガス通路に接続され、第１加熱器１６、第２加熱器１７内では、第１加熱器１６の排気ガス通路と第２加熱器１７の排気ガス通路とは水平方向に連通し、第２加熱器１７の左右両側側壁に分岐排気管３５の上流端部が接続され、分岐排気管３５は、第２シリンダ５の頂部を迂回して集合して排気集合管３６に接続され、排気集合管３６の下流端は、図示されない消音器に接続されている。
さらにまた、図１に示すように、内燃機関を循環した冷却水を冷却するラジエータ（図示されず）に接続された冷却水管３７、または、このラジエータとは別体に形成されたラジエータ（図示されず）に接続された冷却水管３７は、第１段スターリング機関２の右方の側面（図３において）に沿って第２段スターリング機関３に向い水平に延長し、第１冷却器２０、第２冷却器２１の右方の側壁を、それぞれ並列に貫通して第１冷却器２０、第２冷却器２１の冷却水通路に接続され、第１冷却器２０、第２冷却器２１の左方側壁を冷却水戻管３８の上流部がそれぞれ並列に貫通して第２冷却器２１の冷却水通路に接続されている。
前記発電機３０で発電された電力は、前述した自動車走行用内燃機関に付設される図示されない補機、例えば圧縮機、冷却水ポンプ、潤滑油ポンプ、パワーステアリングポンプ等の駆動用モータに供給されるとともに、状況に応じてバッテリ（図示されず）に供給されるようになっている。
図１ないし図４に示す実施形態は前述したように構成されているので、図示されない内燃機関から排出されて排気浄化装置により浄化された排気ガスは、排気管３３から左右に分岐して１対の分岐排気管３４を流れ、第１加熱器１６の左右両側壁より第１加熱器１６内に流入し、第２加熱器１７を通過して、第１加熱器１６、第２加熱器１７内の高圧ヘリウムガスと熱交換した後、第２加熱器１７の左右両側壁から１対の分岐排気管３５にそれぞれ流れて排気集合管３６にて合流する。これに伴って第１加熱器１６、第２加熱器１７内を上下に流動する高圧ヘリウムガスは加熱される。
また、図示されないラジエータにおいて冷却された冷却水は、冷却水管３７からそれぞれ第１冷却器２０、第２冷却器２１の右側壁を貫通して第１冷却器２０、第２冷却器２１内に流入し、この第１冷却器２０、第２冷却器２１内の高圧ヘリウムガスと熱交換した後、第１冷却器２０、第２冷却器２１の左側壁から冷却水戻管３８に排出され、第１冷却器２０、第２冷却器２１内を上下に流動する高圧ヘリウムガスは冷却される。
第１ディスプレーサピストン６、第２ディスプレーサピストン７は、第１パワーピストン８、第２パワーピストン９に対しそれぞれ約９０°進んだ位相で往復運動し、また第１ディスプレーサピストン６、第２ディスプレーサピストン７間では１８０°の位相差となっているため、第１段スターリング機関２および第２段スターリング機関３において、第１上部シリンダ室２２、第２上部シリンダ室２６の容積と第１下部シリンダ室２３、第２下部シリンダ室２７の容積変化に対応して、ヘリウムガスが、第１加熱器１６、第２加熱器１７、第１再生熱交換器１８、第２再生熱交換器１９および第１冷却器２０、第２冷却器２１を通過して第１上部シリンダ室２２、第２上部シリンダ室２６と第１下部シリンダ室２３、第２下部シリンダ室２７との間で流動し、第１上部シリンダ室２２、第２上部シリンダ室２６の容積が増大する場合に、両第１上部シリンダ室２２、第１下部シリンダ室２３と連通路２４、２５内のヘリウムガスの圧力が増加し、この高圧に昇圧されたヘリウムガスの圧力により、第１パワーピストン８、第２パワーピストン９が下方へ押されて、カムシャフト１２、１３が回転し、発電機３０が駆動される。
発電機３０で発生した電力は、図示されない補機の駆動または図示されないバッテリの充電に供せられる。
図示されない排気浄化装置を排出して第１加熱器１６に流入した高温の排気ガスは、第１段スターリング機関２の加熱源として利用され、第１加熱器１６にてヘリウムガスと熱交換して温度低下した排気ガスが第２加熱器１７に流入して第２段スターリング機関３の加熱源として利用される。このように、高熱源として２段に亘って排気ガスが利用されるため、多段スターリング機関１全体の出力または効率が向上する。
また、第１段スターリング機関２および第２段スターリング機関３の第１シリンダ４および第２シリンダ５が相互に平行に配列され、この２個の第１シリンダ４と第２シリンダ５間に、第１加熱器１６、第２加熱器１７、第１再生熱交換器１８、第２再生熱交換器１９、第１冷却器２０、第２冷却器２１が鉛直面に沿って隙間なく配置され、これら第１シリンダ４、第２シリンダ５および第１冷却器２０、第２冷却器２１の下方にクランク室３１が形成され、このクランク室３１の中央に発電機３０が配置されているため、多段スターリング機関１全体の形状が扁平な（図４の紙面に直交する方向に関して薄い）直方体形状となって、コンパクトな形状に形成され、その結果、自動車における狭いエンジンコンパートメント内やフロアシート下方空間のデットスペースに無理なく収納設置されうる。
また、この多段スターリング機関１は、構造が比較的単純でコンパクトであるため、軽量化と低コスト生産が可能となる。
さらに、第１段スターリング機関２、第２段スターリング機関３、第１加熱器１６、第２加熱器１７、第１再生熱交換器１８、第２再生熱交換器１９、第１冷却器２０、第２冷却器２１および発電機３０が１個の密閉容器内に納められ、しかも、密閉容器を貫通する回転軸や摺動軸が存在しないため、１００気圧にも達し、分子量の小さな高圧ヘリウムガスが作動流体として用いられていても、大気中にヘリウムガスが放散する惧れがなく、ヘリウムガス散失による高価なヘリウムガスの補充の必要がなくなり、運転コストが低下する。それと同時に、作動流体が分子量の小さなヘリウムガスであるため、多段スターリング機関１内の作動流体の流動損失が少なく、この面でも出力、効率の向上が可能となる。
さらにまた、第１段スターリング機関２、第２段スターリング機関３の中間に発電機３０が配置されているため、第１段スターリング機関２、第２段スターリング機関３のカムシャフト１２、１３の長さが短縮されて、カムシャフト１２、１３の捩れが抑制され、カムシャフト１２、１３の軽量化と耐久性とを図ることができる。
図１ないし図４に示す実施形態では、第１熱交換器４０と第２熱交換器４１とは別体に構成されていたが、図５に示されるように、第１熱交換器４０と第２熱交換器４１のケーシングを一体化し、このケーシングの前後（図５では左右）方向の中央部にて上下鉛直方向に指向した仕切壁４２でもって、第１熱交換器４０と第２熱交換器４１との内部を仕切ってもよい。このように構成すれば、第１熱交換器４０、第２熱交換器４１を別体に構成せずに一体化できるので、部品点数を減少できるとともに構造を簡略化でき、小型化とコストダウンを同時に達成することができる。
また、図１ないし図４に示す実施形態では、上下に２分割されたクランクケース３２で囲まれたクランク室３１内に発電機３０が収納されていたが、図６に示すように、発電機３０における強度・剛性の高いケース３０ｃでもって、クランクケース３２の一部を構成してもよく、このような構造では、クランクケース３２の重量と材料を大巾に軽減でき、大巾な軽量化とコストダウンを図ることができる。なお、３０ｄは、発電機ケース３０ｃの内周面に配設された界磁で、発電機ケース３０ｃの中心部には、発電機３０の回転軸３０ａ、３０ｂと一体のロータ３０ｅが配置されている。
さらに、第１加熱器１６および第２加熱器１７において、排気ガスと接触する壁面に排気ガス浄化触媒を担持させ、これを排気浄化装置として兼用させてもよい。
さらにまた、前記実施形態では、本発明をβ形２段スターリング機関に適用したが、この段数が３段以上でもよく、また、ディスプレーサシリンダおよびパワーシリンダを複数対備えたいかなる型の多段スターリング機関にも本発明を適用することができる。
【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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【国際調査報告】
2004101983.tif 000010
2004101983.tif 000011