(57)【要約】  絶縁対象物の外表面を覆うコロナ放電防止構造の製造方法は、高分子重合体に、導電性粉末および非導電性ナノ粒子が添加されたコロナ放電防止テープを製造するテープ製造ステップ（Ｓ１０）と、絶縁対象物に主絶縁テープを巻回する主絶縁ステップ（Ｓ２０）と、主絶縁テープを巻回した絶縁対象物の外表面にコロナ放電防止テープを巻回する巻回ステップ（Ｓ３０）とを有する。テープ製造ステップ（Ｓ１０）は、高分子重合体に導電性粉末および非導電性ナノ粒子を添加し混合剤を生成する混合剤生成ステップ（Ｓ１１）と、繊維強化布に混合剤を塗布する塗布ステップ（Ｓ１２）と、加熱乾燥ステップ（Ｓ１３）および裁断ステップ（Ｓ１４）を有することでもよい。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁対象物の外表面を覆うコロナ放電防止構造の製造方法であって、
高分子重合体に、導電性粉末および非導電性ナノ粒子が添加されたコロナ放電防止テープを製造するテープ製造ステップと、
前記絶縁対象物に主絶縁テープを巻回する主絶縁ステップと、
前記主絶縁テープを巻回した前記絶縁対象物の外表面に前記コロナ放電防止テープを巻回する巻回ステップと、
を有することを特徴とするコロナ放電防止構造製造方法。
【請求項２】
前記テープ製造ステップは、
前記高分子重合体に、導電性粉末および非導電性ナノ粒子が添加された混合剤を生成する混合剤生成ステップと、
繊維強化布に、前記混合剤を塗布する塗布ステップと、
前記混合剤が塗布された繊維強化布を加熱して乾燥する加熱乾燥ステップと、
前記加熱乾燥ステップの後に繊維強化布をテープ状に裁断し繊維強化テープとする裁断ステップと、
を有することを特徴とする請求項１に記載のコロナ放電防止構造製造方法。
【請求項３】
前記繊維強化布は、ガラスクロスであることを特徴とする請求項２に記載のコロナ放電防止構造製造方法。
【請求項４】
前記塗布ステップは、前記繊維強化布を、カーボンブラックおよび前記非導電性ナノ粒子が混練された液体状の樹脂中を通過させるステップを有することを特徴とする請求項２または請求項３に記載のコロナ放電防止構造製造方法。
【請求項５】
前記非導電性ナノ粒子は、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化ホウ素およびカーボンナノチューブの少なくとも一つを用いることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のコロナ放電防止構造製造方法。
【請求項６】
前記導電性粉末は、カーボンブラックであることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載のコロナ放電防止構造製造方法。
【請求項７】
絶縁対象物の外表面を覆って当該絶縁対象物でのコロナ放電を防止するコロナ放電防止構造であって、
絶縁対象物の外表面に施された主絶縁部と、
前記主絶縁部の外表面に沿ってテープ状に巻回された繊維強化布と、
前記繊維強化布内に散在する導電性粉末と、
前記繊維強化布内に散在する非導電性ナノ粒子と、
を有することを特徴とするコロナ放電防止構造。
【請求項８】
軸方向に延びたロータシャフトと、前記ロータシャフトの径方向外側に設けられた回転子鉄心とを有する回転子と、
前記回転子鉄心の径方向外側に間隙をあけて設けられた円筒状の固定子鉄心と、前記固定子鉄心の内面に周方向に互いに間隔をあけて形成され前記固定子鉄心の軸方向の両端まで延びる複数のスロット内および前記固定子鉄心の軸方向外側に配された固定子巻線導体と、を有する固定子と、
前記ロータシャフトの前記回転子鉄心の軸方向の両側のそれぞれで前記ロータシャフトを回転可能に軸支する２つの軸受と、
前記回転子鉄心および前記固定子を収納するフレームと、
前記固定子導体を電気的に絶縁するために前記固定子導体に施された主絶縁部と、
前記主絶縁部の外側に施されたコロナ放電防止構造と、
を備えた回転電機であって、
前記コロナ放電防止構造は、
前記主絶縁部の外表面に沿ってテープ状に巻回された繊維強化布と、
前記繊維強化布内に散在する導電性粉末と、
前記繊維強化布内に散在する非導電性ナノ粒子と、
を有することを特徴とする回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コロナ放電防止構造製造方法、コロナ放電防止構造およびこれを用いた回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
絶縁体に電界が加わり、不平等電界部分が生じ、その部分の電界が絶縁強度限界電圧を超えると、その部分に局部破壊が生ずる。この局部破壊が樹枝状に進展すると電気トリーとなる。電気トリーは、電極と絶縁体との間のエア・ギャップや、異物、絶縁体中の異物・突起物・ボイド、特にコロナ放電防止層直下の空隙など、高電界集中部が起点となると考えられている。【０００３】
ここで、コロナ放電防止層とは、特に高い電圧部分を対象とする絶縁構造の場合に、さらにその外側から、マイカ絶縁テープの重なり部分に空隙が生じないように、コロナ放電防止のために、半導電体テープを最外層に巻回している部分である。【０００４】
近年、インバータの利用が進んでいるが、インバータ駆動電動機では、繰り返し、インバータサージを含むインパルス電圧が作用する状態で使用することにより、コイル導線の絶縁材料の寿命が大幅に低下する可能性がある。このため、たとえば、定格電圧３．３ｋＶ用のインバータ駆動電動機には、通常の定格電圧６．６ｋＶ用の絶縁を使用するような仕様とせざるを得ず、この場合はコロナ放電防止テープを使用せざるを得ない。【０００５】
回転電機に使用される導電体の絶縁構造の例として、たとえばコイルの導線は、通常、絶縁材料を有する絶縁体で覆われている。ここで、比較的高温に達する導体については、比較的高温に耐える絶縁階級の高い絶縁材料としてケイ酸塩鉱物の一種であるマイカ（雲母）を用いたマイカ絶縁構造の場合が多い。【０００６】
このような絶縁材料の健全性について、特にコロナ放電防止層の健全性に関しては、たとえば、国際電気標準会議（ＩＥＣ：Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｉｎｉｃａｌ  Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ）による、事故防止のための新たな絶縁試験手法を規定した国際規格制定のための動きがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１５／０１０１８４５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
たとえば、高圧型巻き電動機において、その絶縁寿命を大きく左右するのは、固定子鉄心の内部に配された主絶縁とターン絶縁であるが、コイル表面に配置されるコロナ放電防止層が消失するなど大きな問題が生ずる等問題があれば電動機の信頼性に大きく支障をきたす。これらには、いずれもマイカ絶縁構造が多用されている。【０００９】
また、主絶縁としてのマイカ絶縁構造では、マイカ絶縁テープをエポキシ樹脂で含浸することにより形成される場合が多い。マイカ絶縁テープは、マイカとエポキシガラス層で構成されている。このように構成されたマイカ絶縁テープを、コイル導体に巻回した上で、エポキシ樹脂で含浸することにより、マイカ絶縁構造による絶縁処理がなされる。【００１０】
最外層のコロナ放電防止層を含めて含浸処理をした場合であっても、コロナ防止層は最外層にあるためその周囲にボイドが発生し、この部分は、放電が発生しやすく、放電に強い材料が望まれる部分である。【００１１】
しかしながら、環境空気中の湿分等の影響により、コロナ放電を抑える効果が期待したほど現れない場合もあった。【００１２】
本発明は、このような知見に基づいてなされたものであり、絶縁構造における耐コロナ放電特性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】
【００１３】
上述の目的を達成するため、本発明は、絶縁対象物の外表面を覆うコロナ放電防止構造の製造方法であって、高分子重合体に、導電性粉末および非導電性ナノ粒子が添加されたコロナ放電防止テープを製造するテープ製造ステップと、前記絶縁対象物に主絶縁テープを巻回する主絶縁ステップと、前記主絶縁テープを巻回した前記絶縁対象物の外表面に前記コロナ放電防止テープを巻回する巻回ステップと、を有することを特徴とする。【００１４】
また、本発明は、絶縁対象物の外表面を覆って当該絶縁対象物でのコロナ放電を防止するコロナ放電防止構造であって、絶縁対象物の外表面に施された主絶縁部と、前記主絶縁部の外表面に沿ってテープ状に巻回された繊維強化布と、前記繊維強化布内に散在する導電性粉末と、前記繊維強化布内に散在する非導電性ナノ粒子と、を有することを特徴とする。【００１５】
また、本発明は、軸方向に延びたロータシャフトと、前記ロータシャフトの径方向外側に設けられた回転子鉄心とを有する回転子と、前記回転子鉄心の径方向外側に間隙をあけて設けられた円筒状の固定子鉄心と、前記固定子鉄心の内面に周方向に互いに間隔をあけて形成され前記固定子鉄心の軸方向の両端まで延びる複数のスロット内および前記固定子鉄心の軸方向外側に配された固定子巻線導体と、を有する固定子と、前記ロータシャフトの前記回転子鉄心の軸方向の両側のそれぞれで前記ロータシャフトを回転可能に軸支する２つの軸受と、前記回転子鉄心および前記固定子を収納するフレームと、前記固定子導体を電気的に絶縁するために前記固定子導体に施された主絶縁部と、前記主絶縁部の外側に施されたコロナ放電防止構造と、を備えた回転電機であって、前記コロナ放電防止構造は、前記主絶縁部の外表面に沿ってテープ状に巻回された繊維強化布と、前記繊維強化布内に散在する導電性粉末と、前記繊維強化布内に散在する非導電性ナノ粒子と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、絶縁構造における耐コロナ放電特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施形態に係る回転電機の構成を示す縦断面図である。
【図２】実施形態に係る絶縁構造およびテープ巻き導体を説明する斜視図である。
【図３】実施形態に係る絶縁構造製造方法の手順を示すフロー図である。
【図４】実施形態に係る絶縁構造製造方法におけるコロナ放電防止テープの製造のステップＳ１１の状態を示す立断面図である。
【図５】実施形態に係る絶縁構造製造方法におけるコロナ放電防止テープの製造のステップＳ１２およびステップＳ１３の状態を示す立断面図である。
【図６】実施形態に係る絶縁構造の最終状態を示す断面図である。
【図７】実施形態に係る回転電機の巻線組み込み一体物の構成を示す縦断面図である。
【図８】実施形態に係る絶縁構造製造方法におけるステップＳ５０の前半の段階の状態を示す立断面図である。
【図９】実施形態に係る絶縁構造製造方法におけるステップＳ５０の後半の段階の状態を示す立断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る絶縁構造、絶縁構造製造方法およびこれを用いた回転電機について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。
【００１９】
以下では、回転電機の固定子巻線導体に絶縁構造を適用した場合を例にとって説明するが、絶縁対象物は固定子巻線導体に限定されない。すなわち、高電圧が付加される導体の外表面を覆う絶縁構造であれば適用可能である。
【００２０】
図１は、実施形態に係る回転電機の構成を示す縦断面図である。回転電機１００は、回転子１０、固定子２０、これらの径方向外側を囲うフレーム６およびフレーム６の軸方向の両側に設けられた軸受ブラケット７を有する。
【００２１】
回転子１０は、長手方向に延びたロータシャフト１１と、ロータシャフト１１の径方向外側に設けられた回転子鉄心１２を有する。ロータシャフト１１は、両端付近をそれぞれ軸受５によって回転可能に軸支されている。軸受５は、それぞれ軸受ブラケット７により固定支持されている。
【００２２】
固定子２０は、回転子鉄心１２の径方向外側に間隙をあけて配された固定子鉄心２１と、固定子鉄心２１内を貫通する固定子巻線２２を有する。
【００２３】
固定子鉄心２１の内面に沿って、互いに周方向に間隔をあけて軸方向の両端まで複数の固定子スロット（図示せず）が形成されている。固定子スロット内には、固定子巻線２２用の導体２４（図２）が配されている。
【００２４】
図２は、実施形態に係る絶縁構造およびテープ巻き導体を説明する斜視図である。
【００２５】
固定子巻線２２を構成する複数の固定子巻線導体２４は、７体が積層され、それが２列に並んで、１４体で積層導体２３を形成している。なお、積層数が７体、列数が２列は例であり、これらに限定されず、７体以外、１列あるいは３列以上でもよい。それぞれの固定子巻線導体２４には、その外側にターン絶縁２５が施され、ターン絶縁２５により覆われている。したがって、積層導体２３の外面もターン絶縁２５により覆われている。
【００２６】
ターン絶縁２５が施された積層導体２３の外側には、主絶縁として主絶縁テープ４０が巻回され、積層導体２３の外側に主絶縁部４９が形成されて、テープ巻き導体５０となる。
【００２７】
さらに最外層には、コロナ放電防止テープ８０が巻かれている。コロナ放電防止テープ８０は、固定子巻線導体２４の表面と、固定子鉄心２１の電位を同一とし、固定子鉄心２１との間での放電を抑える目的で使用される。
【００２８】
コロナ放電防止テープ８０をらせん状に巻回する場合に、図２では、前回のターンに隣接するように巻回する場合を示しているが、一部が重なるように巻回する方法でもよい。
【００２９】
図３は、実施形態に係る絶縁構造製造方法の手順を示すフロー図である。
【００３０】
まず、コロナ放電防止テープ８０を製造する（ステップＳ１０）。また、主絶縁テープ４０を、絶縁対象物である積層導体２３の周囲に巻回する（ステップＳ２０）。ステップＳ１０およびステップＳ２０の後に、巻回した主絶縁テープ４０の外表面に、コロナ放電防止テープ８０を用いてテーピングを行う（ステップＳ３０）。この後に、コロナ放電防止テープ８０の巻回までを終えた積層導体２３を固定子鉄心２１に組み込み後述する巻線組み込み一体物９０（図８）に組み立て（ステップＳ４０）る。その後、組み立てた巻線組み込み一体物９０を含浸装置６０に入れて高分子重合体の含浸を行う（ステップＳ５０）。
【００３１】
以下に、コロナ放電防止テープ８０の製造ステップＳ１０の詳細を説明する。
【００３２】
まず、高分子重合体８４に導電性粉末８２および非導電性ナノ粒子８３が混合された混合剤を準備する（ステップＳ１１）。高分子重合体８４は、たとえば、不飽和ポリエステル樹脂、あるいはエポキシ樹脂などである。
【００３３】
図４は、コロナ放電防止テープの製造のステップＳ１１の状態を示す立断面図である。すなわち、容器８７に貯留された高分子重合体８４に、導電性粉末８２および非導電性ナノ粒子８３を添加する。添加しながら、撹拌翼８７ａにより高分子重合体８４を撹拌する。このようにして、混合剤８５（図５）を生成する。
【００３４】
なお、高分子重合体８４に代えて、ワニスなど、高分子重合体８４を溶剤に溶かしたものでもよい。
【００３５】
また、導電性粉末８２としては、たとえば、カーボンブラックを用いることができる。カーボンブラックは、直径が３ｎｍないし５００ｎｍ程度の炭素の微粒子であり工業的に生産される。なお、導電性粉末８２としては、カーボンブラックに限定されず、カーボンナノチューブなど他の導電性物質でもよい。絶縁材であり誘電体である高分子重合体８４に導電性粉末８２を混入させることにより、たとえば１００Ω・cm程度の低抵抗体にし、鉄心と電位を同一にすることができ、主絶縁と固定子鉄心２２間の放電を防止することができる。
【００３６】
ナノ粒子は、一般的に、粒径が数百ｎｍ程度のものまでを含むといわれているが、本実施形態で用いる非導電性ナノ粒子８３は、１００ｎｍ以下の粒径のもの、すなわち数１０ｎｍ程度以下のものとする。ここでは、１００ｎｍ以下のものをナノ粒子と呼ぶこととする。
【００３７】
非導電性ナノ粒子８３としては、たとえば、非導電性物質である二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、窒化ホウ素（ＢＮ）などを用いることができる。
【００３８】
１００ｎｍ以下の粒径のものの製法としては、化学的に、より微細なものから成長させて製造する方法がある。あるいは、１００ｎｍより大きな粒径のものを粉砕して１００ｎｍ以下のものを製造してもよい。また、高分子重合体８４内での凝集を防止するために、表面修飾を行ってもよい。
【００３９】
次に、繊維強化布８１に混合剤８５を塗布する（ステップＳ１２）。繊維強化布８１は、たとえばガラスクロスである。図５は、コロナ放電防止テープの製造のステップＳ１２およびステップＳ１３の状態を示す立断面図である。容器８７内で生成された混合剤８５内に、繊維強化布８１を浸漬させる。この結果、繊維強化布８１の内部および表面に混合剤８５が付着する。混合剤８５が付着した繊維強化布８１は、ローラ８９ａ、８９ｂにより絞られて、過剰な混合剤８５は滴下し、受け８７ｂにより回収され容器８７内に戻る。
【００４０】
次に、混合剤８５が付着した繊維強化布８１を、ローラ８９ａ、８９ｂにより加熱・乾燥装置８８に送り、加熱・乾燥装置８８で加熱し乾燥させる。この結果、コロナ放電防止クロス８６が生成される（ステップＳ１３）。
【００４１】
次に、コロナ放電防止クロス８６をテープ状に切断して、コロナ放電防止テープ８０（図６）を製造する（ステップＳ１４）。
【００４２】
図６は、実施形態に係る絶縁構造の最終状態を示す断面図である。積層導体２３に、主絶縁テープ４０が、２層に巻回されている。さらにその外側に、コロナ放電防止テープ８０が巻回されている。
【００４３】
積層されているそれぞれの主絶縁テープ４０同士の間に積層方向の間隙を生じないように、コロナ放電防止テープ８０は、主絶縁テープ４０を外側から縛り付けるように巻回される。コロナ放電防止テープ８０が巻回された後に、後述するように、全体に高分子重合体８４が含浸した状態となる。
【００４４】
図７は、実施形態に係る回転電機の巻線組み込み一体物の構成を示す縦断面図である。巻線組み込み一体物９０は、固定子鉄心２１、固定子巻線２２およびこれらの径方向外側に配されたフレーム６を有する。
【００４５】
固定子巻線２２は、テープ巻き導体５０（図２）を、複数のスロット（図示せず）内に収納した上で結線することにより形成される。スロットは、固定子鉄心２１の内側表面に周方向に間隔をもって固定子鉄心２１の軸方向の両端まで延びるように形成される。
【００４６】
次に、巻線組み込み一体物９０への高分子重合体の含浸、固化を行う（ステップＳ５０）。図８は、絶縁構造製造方法におけるステップＳ５０の前半の段階の状態を示す立断面図である。すなわち、真空引きステップの状態を示す立断面図である。具体的には、まず、巻線組み込み一体物９０を、含浸装置６０の容器６１内に収納する。なお、巻線組み込み一体物９０の出し入れは、たとえば、容器６１が上下に分割可能で図示しないフランジで上下を結合させるような構成とする。
【００４７】
高分子重合体供給配管６３上の高分子重合体供給弁６３ａおよび真空排気配管６２上の真空排気弁６２ａを閉じて、容器６１を密閉状態とした後に、たとえば、真空ポンプ（図示せず）に接続された真空排気配管６２上の真空排気弁６２ａを開き、容器６１内を真空引きする。この結果、容器６１内に収納された巻線組み込み一体物９０内のテープ巻き導体５０の主絶縁テープ４０内の各空間部も真空引きされる。
【００４８】
図９は、ステップＳ５０の後半の段階の状態を示す立断面図である。容器６１内が真空引きされた後に、真空排気配管６２上の真空排気弁６２ａを閉じて、高分子重合体供給配管６３上の高分子重合体供給弁６３ａを開き、含浸用高分子重合体４７を容器内に供給する。含浸用高分子重合体４４の供給は、テープ巻き導体５０が含浸用高分子重合体４４に十分に浸漬するまで行う。高分子重合体４４は、たとえば、不飽和ポリエステル樹脂、あるいはエポキシ樹脂などである。
【００４９】
巻線組み込み一体物９０が含浸用高分子重合体４４に十分に浸漬する状態となったら、高分子重合体供給配管６３から加圧ガス６５を容器６１内に供給し、容器６１内を加圧する。ここで、加圧ガス６５は、含浸用高分子重合体４４と反応性のないたとえば不活性ガスなどを用いる。この結果、含浸用高分子重合体４４が、主絶縁テープ４０内、主絶縁テープ４０同士の間隙、および主絶縁テープ４０とコロナ放電防止テープ８０との間隙に浸透する。こののち、含浸した高分子重合体を固化させる。固化は、高分子重合体がエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂の場合は、加熱等により昇温させて行う。
【００５０】
以上の手順により、繊維強化布８１内に導電性粉末８２および非導電性ナノ粒子８３が散在するコロナ放電防止テープ８０が製造される。コロナ放電防止テープ８０内には、導電性粉末８２が散在するため、半導電性を有する。また、非導電性ナノ粒子８３が散在することにより、万一コロナ放電が起きた場合にもナノ粒子があることで耐コロナ放電特性が向上する。
【００５１】
また、この部分は、放電が発生しやすく、放電に強い材料が望まれる部分であるが、高分子重合体８４に非導電性ナノ粒子８３を混在させた場合は、耐熱性が向上する上に耐放電特性も向上する。
【００５２】
以上のように、本実施形態によれば、絶縁構造における耐コロナ放電特性の向上等の効果を得ることができる。
【００５３】
［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態を説明したが、実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。さらに、実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。
【００５４】
実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００５５】
５…軸受、６…フレーム、７…軸受ブラケット、１０…回転子、１１…ロータシャフト、１２…回転子鉄心、２０…固定子、２１…固定子鉄心、２２…固定子巻線、２３…積層導体、２４…固定子巻線導体、２５…ターン絶縁、３０…絶縁構造、４０…主絶縁テープ、４１…主絶縁層、４２…繊維強化部、４３…接合用高分子材、４７…含浸用高分子重合体、４９…主絶縁部、５０…テープ巻き導体、６０…含浸装置、６１…容器、６２…真空排気配管、６２ａ…真空排気弁、６３…高分子重合体供給配管、６３ａ…高分子重合体供給弁、６５…加圧ガス、８０…コロナ放電防止テープ、８１…繊維強化布、８２…導電性粉末、８３…非導電性ナノ粒子、８４…高分子重合体、８５…混合剤、８６…コロナ放電防止クロス、８７…容器、８７ａ…撹拌翼、８７ｂ…受け、８８…加熱・乾燥装置、８９ａ、８９ｂ…ローラ、１００…回転電機
【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】
2018002974.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
2018002974.tif 000012
2018002974.tif 000013