(57)【要約】【課題】無脈動ポンプにおいて、機械系のがた等により生じる吐出期間初期の吐出量の減少を精度よく抑制する。また、流体を無駄に排出しないようにする。【解決手段】ダイアラムポンプ１２の吐出期間の初期における吐出量の減少を、その期間の直前にプランジャ１６を吐出方向に駆動してポンプ室１８の容積を減少することによって防止する。このポンプ室容積の減少を、想定される吐出量の減少量より大きく設定し、実際の減少量と大きく設定された減少量の差分を、ポンプ室内の圧力により容積が変化する容積調整機構４０の容積変化により相殺する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
往復運動子の運動によるポンプ室容積の増減によって流体を吸込み、吐出する往復動ポンプを複数備え、個々の往復動ポンプの吐出流量を合計した合成吐出流量が一定となるように往復運動子を運動させる無脈動ポンプであって、
往復運動子は、各往復動ポンプにおける吐出開始時に発生する吐出量の減少を補償するために、吐出期間の前に、吐出量の想定される減少量に対して過剰にポンプ室容積を減少させる補償運動を行い、
さらに、各往復動ポンプは、ポンプ室の圧力変化により、ポンプ室内の流体の排出を伴わずにポンプ室の容積を変化させる容積調整機構を有し、この調整室の容積変化により、往復運動子の前記補償運動により生じるポンプ室容積の減少量が減殺される、
無脈動ポンプ。
【請求項２】
往復運動子の運動によるポンプ室容積の増減によって流体を吸込み、吐出する往復動ポンプを複数備え、個々の往復動ポンプの吐出流量を合計した合成吐出流量が一定となるように往復運動子を運動させる無脈動ポンプであって、
往復運動子は、各往復動ポンプにおける吐出開始時に発生する吐出量の減少を補償するために、吐出期間の前に、吐出量の想定される減少量に対して過剰にポンプ室容積を減少させる補償運動を行い、
さらに、各往復動ポンプは、ポンプ室の圧力変化により、ポンプ室の容積を変化させる容積調整機構を有し、この容積調整機構による容積変化の量は、往復運動子の前記補償運動により生じるポンプ室容積の減少量の過剰分を相殺するよう調整可能である、
無脈動ポンプ。
【請求項３】
請求項２に記載の無脈動ポンプであって、
容積調整機構は、摺動体を有し、この摺動体のストロークによりポンプ室の容積変化を生じされるものであり、ストローク量が調整されることにより容積変化の量が調整される、
無脈動ポンプ。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載された無脈動ポンプであって、前記複数の往復動ポンプは、ポンプ室を区切るダイアフラムに、往復運動子の運動を作動流体を介して伝え、このダイアフラムを往復運動させるダイアフラムポンプであり、容積調整機構は、ダイアフラムで仕切られ、前記作動流体で満たされた作動流体室に設けられている、無脈動ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、往復動ポンプを複数備え、各ポンプの合成吐出流量を一定とする無脈動ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
往復動ポンプは、プランジャなどの往復運動子の往復動により、取扱い流体の吸込み、吐出を交互に繰り返す。よって、往復動ポンプ単体では、流体は脈動をもって吐出される。この脈動をなくすために複数の往復動ポンプを用い、これらの合成した吐出流量を一定とする無脈動ポンプが知られている。
【０００３】
下記、特許文献１には、２個の往復動ポンプを用いた無脈動ポンプが示されている。このポンプは、いずれか一方の往復動ポンプのみが取扱い流体を吐出する期間と、双方の往復動ポンプが同時に吐出する期間を繰り返して、流体の吐出を行う。一方のみによる吐出期間においては、一定の流量が吐出されるように往復運動子の運動が制御される。また、双方の往復動ポンプによる吐出期間においては、合成された吐出流量が一定になるように、また前記一方のみの時の流量と等しくなるように、双方のポンプの往復運動子の運動が制御される。
【０００４】
さらに、特許文献１のポンプにおいては、各往復動ポンプの吐出開始初期における流量の減少についても補償するように構成され、更にはこの補償量についても調整可能となっている。吐出開始初期における流量の減少、すなわち容積効率の低下は、往復運動子の機械的な駆動部のがた、作動流体により動力伝達を行う場合の流体中に残留するエア、取扱い流体中の残留エア、エア抜き弁による漏れ、ポンプの吸込側、吐出側に設けられる逆止弁の漏れなどが原因となっている。前記公報のポンプにおいては、吐出期間の開始前に、取扱い流体を吐出する方向に往復運動子を駆動制御する。ただし、このとき実際には取扱い流体は吐出されない。この吐出期間前の往復運動子は、想定される補償量に対して、より以上の吐出量となるように制御される。そして、補償量の過剰分については、エア抜き弁より作動流体を排出して、補償量が適正なものとなるように調整される。エア抜き弁には、エアと共に排出される作動流体の量を調節する機構が設けられており、ポンプの動作条件に応じて変化する容積効率に対応して排出量が調整される。
【０００５】
【特許文献１】特開平８−１１４１７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述の特許文献１に記載の無脈動ポンプは、ダイアフラムポンプであり、プランジャの往復運動を作動流体を介してダイアフラムに伝達している。そして、無脈動とするために、作動流体の一部がエア抜き弁から排出される。排出された分の作動流体は、補給されなければならない。補給される作動流体は、大気圧下で蓄えられていたものであり、空気を溶存しており、繰り返し加圧される環境で用いると、溶存していた空気が分離し、気泡が生じる。気泡が発生すると、気泡が膨脹、収縮し、ポンプの往復運動子の運動が正確に伝達されなくなり、吐出流に脈動が生じる場合がある。
【０００７】
また、ダイアフラムを用いず、プランジャの往復運動が直接取扱い流体に伝達される形式の無脈動ポンプにおいては、エア抜き弁より取扱い流体が漏れ、効率が悪くなる。
【０００８】
本発明は、作動流体または取扱い流体の漏れ量を減少させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の無脈動ポンプは、当該無脈動ポンプを構成する各々の往復動ポンプの吐出期間の初期において発生する吐出量の減少を補償するために、吐出期間の前に吐出量の想定される減少量に対し過剰にポンプ室容積を減少させ、ポンプ室にこの減少量を減殺する容積調整機構を設けている。
【００１０】
また、本発明の他の形態の無脈動ポンプは、当該無脈動ポンプを構成する各々の往復動ポンプの吐出期間の初期において発生する吐出量の減少を補償するために、吐出期間の前に吐出量の想定される減少量に対し過剰にポンプ室容積を減少させ、この過剰分をポンプ室の容積を変化させて相殺する。ポンプ室の容積を変化させるために、ポンプ室の圧力変化により、ポンプ室の容積を変化させる容積調整機構が設けられている。容積調整機構によるポンプ室容積の変化量は、前記のポンプ室容積減少の過剰分と一致させることができるように、調整可能となっている。
【００１１】
容積調整機構は、摺動体を有し、この摺動体のストロークによりポンプ室の容積変化を生じされるものとすることができ、ストローク量が調整されることによりポンプ室容積の減少量の過剰分が相殺される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。図１は、本実施形態に係る無脈動ポンプ１０の概略構成を示す図である。無脈動ポンプ１０は、二つのダイアフラムポンプ１２Ａ，１２Ｂを含む。これらのダイアフラムポンプ１２Ａ，１２Ｂは同一の構造を有しており、以下において、これらを区別する必要がないときには、符号としてＡまたはＢを省略した「１２」を用いて説明する。
【００１３】
ダイアフラムポンプ１２は、シリンダブロック１４と、シリンダブロック１４内を往復運動するプランジャ１６を含み、さらにシリンダブロック１４およびプランジャ１６と共に、閉じた空間であるポンプ室１８を形成するシリンダヘッド２０を含む。ポンプ室１８には、これをプランジャ１６側とシリンダヘッド２０側とに二分するダイアフラム２２が配置されている。以降、ダイアフラム２２で分けられたポンプ室１８のプランジャ側を作動流体室２４、シリンダヘッド側を取扱い流体室２６と記す。プランジャ１６は、モータ２８に駆動されるカム３０により往復運動を行う。このプランジャ１６の運動は、作動流体室２４を満たす作動流体を介してダイアフラム２２に伝達される。これによって、ダイアフラム２２がたわんで往復運動し、ポンプ室１８、特に取扱い流体が吸い込まれ、吐出される取扱い流体室２６の容積変化が生じる。
【００１４】
取扱い流体室２６には、吸込管３２と吐出管３４が接続されており、これらの管には、それぞれ吸込側逆止弁３６、吐出側逆止弁３８が設けられている。また、作動流体室２４には、作動流体室２４の容積の調整を行う容積調整機構４０が設けられている。容積調整機構４０の構造の詳細、その動作については後述する。
【００１５】
前述のように、カム３０によって制御されるプランジャ１６の往復運動は、作動流体室２４を介してダイアフラム２２に伝達され、取扱い流体室２６の容積変化を生じさせる。取扱い流体室２６の容積が増加するときには、吸込側逆止弁３６は取扱い流体が取扱い流体室２６に吸い込まれることを許容し、吐出側逆止弁３８は、吐出管３４からの逆流を阻止するように機能する。取扱い流体室２６の容積が減少するときは、逆に、吸込側逆止弁３６が取扱い流体の吸込管３２への逆流を阻止し、吐出側逆止弁３８は吐出管３４への取扱い流体の流れを許容するように作用する。
【００１６】
図２は、二つのダイアフラムポンプ１２Ａ，１２Ｂのプランジャ１６Ａ，１６Ｂの速度ｖの時間変化を示す図である。二つのプランジャ１６Ａ，１６Ｂの速度波形は、実線と破線で示されており、位相が１８０°ずれているのみで、形状は同一である。流体の吐出において損失がないとすれば、プランジャの速度と吐出流量は比例する。
【００１７】
個々のダイアフラムポンプ１２の運動は、速度ｖが正である吐出期間Ｐｄと、速度ｖが負である吸込期間Ｐｓと、さらに吐出期間Ｐｄが始まる前の吸込期間Ｐｓとの間の期間である補償期間Ｐｃを繰り返す。吐出期間Ｐｄは、プランジャ１６がポンプ室１８内に進出し、その容積を縮小するように運動し、ポンプ室１８内の取扱い流体を吐出する期間である。また、吸込期間Ｐｓは、プランジャ１６が後退し、ポンプ室１８の容積を拡大するように運動し、ポンプ室１８内に吸込管３２より取扱い流体を吸い込む期間である。補償期間Ｐｃは、吐出期間Ｐｄ初期における吐出量の減少に対応するために設けられた期間であり、プランジャ１６の速度は正であるが、この期間における取扱い流体の吐出はない。補償期間Ｐｃについては、後に詳述する。
【００１８】
吐出期間Ｐｄは、さらに一方のダイアフラムポンプ１２のみで取扱い流体の吐出を行う単独吐出期間Ｐｄ１と、双方のポンプ１２の吐出を合成する合成吐出期間Ｐｄ２とからなる。合成吐出期間Ｐｄ２の合成された吐出流量は、単独吐出期間Ｐｄ１の吐出流量に一致する。この結果、二つのダイアフラムポンプ１２Ａ，１２Ｂの合成吐出流量は常に一定となる。
【００１９】
図３は、プランジャ１６の速度ｖと、そのプランジャ１６に対応するダイアフラムポンプ１２の吐出流量ｑの詳細を示す図である。補償期間Ｐｃを設けなかった場合、プランジャ１６の速度ｖは実線で示すように吐出期間Ｐｄの開始と共に増速するが、実際の吐出流量ｑは、破線で示すように吐出期間Ｐｄの開始初期において、吐出しなくなる場合も含め、減少する。このときの吐出量の減少は図中斜線を施した部分の面積Ｓｓに相当する。この減少は、各種の損失によって生じるものであり、無脈動ポンプ１０の無脈動性を阻害する場合がある。また、この吐出量の減少量は、ある程度予想することができるが、当該ポンプの運転条件、ポンプの個体差などから正確に予測することは難しい。
【００２０】
この吐出量の減少を補うために、前述の補償期間Ｐｃが設けられており、このときプランジャ１６は、進出方向に運動し、機械的駆動部分のがた、ポンプ室１８内のエア、逆止弁３６，３８の漏れなどによる損失を埋めるように、あらかじめ作動流体、取扱い流体に圧力を加える。
【００２１】
この、損失を補償するためのプランジャ１６の運動（以下、補償運動と記す）は、取扱い流体を吐出する方向の運動となるが、このときには吐出は行われない。このときのプランジャ１６の補償運動によって減少するポンプ室１８の容積は、図中に示す台形部分の面積Ｓｃに相当する。このプランジャの補償運動によるポンプ室１８の容積減少分の面積Ｓｃは、理想的には、損失による吐出量の減少量の面積Ｓｓと等しくするべきである。しかし、損失による吐出量減少が生じることはあらかじめ想定されるが、その量（Ｓｓ）は、実際にはポンプの設計時点で見込むことが難しく、またポンプの運転圧力などの運転条件によっても変動する。補償運動によるポンプ室容積減少量（Ｓｃ）は、プランジャ１６の動き、すなわちカム３０のプロフィールにより与えられるが、このプロフィールを後から変更するのは手間を要し、また運転条件の変化に対応して適宜変更することも困難である。
【００２２】
本実施形態の無脈動ポンプ１０においては、あらかじめ補償運動によるポンプ室容積減少量（Ｓｃ）を、損失による吐出量の減少量（Ｓｓ）の想定される最大値以上に設定し、これらの差分（Ｓａ）に相当するポンプ室容積を容積調整機構４０により相殺する。すなわち、容積調整機構４０は、補償運動において過剰に減少されたポンプ室容積（Ｓａに相当）を、増加させるように機能する機構である。したがって、補償期間におけるポンプ室容積減少量（Ｓｃ）から差分（Ｓａ）を引いた量（Ｓｔ）によって、損失による吐出量の減少量（Ｓｓ）が補償される。
【００２３】
図４は、容積調整機構４０の一例を示す断面図である。容積調整機構４０は、シリンダブロック１４に結合されるケース４２、ケース４２内を摺動する調整ピストン４４を有している。ケース４２は、調整ピストン４４が摺動する円柱状の空間が形成された胴体部４６と、胴体部４６の先端に結合された先端部４８を含む。胴体部４６内部には、当該胴体部４６と、調整ピストン４４と、先端部４８に囲まれた空間である調整室５０が形成される。この調整室５０の容積は、調整ピストン４４の摺動により増減する。先端部４８の外周には、シリンダブロック１４にあけられたねじ穴と結合するねじ部５２が設けられ、また内部には、調整室５０とポンプ室１８を連通する連通孔５４が形成されている。ケース４２の図中上端には、調整ロッド５６がねじ結合しており、その先端が、調整ピストン４４に向けて延びている。ケース４２とねじ結合するために設けられた調整ロッド５６の外周のねじには、ロックナット５８が係合されており、ケース４２自身とロックナット５８によりダブルナットが形成され、調整ロッド５６が固定される。また、調整ロッド５６には、ケース４２の内部の空間を、大気圧側に連通する連通孔５９が形成されている。
【００２４】
調整ピストン４４は、ケース４２内を、先端部４８と調整ロッド５６に規定された範囲で摺動する。すなわち、調整ピストン４４は、先端部４８の図中上側の端面に当接する位置と、調整ロッド５６の図中下側の端面に当接する位置との間で摺動する。したがって、調整ロッド５６の位置を変えることにより、調整ピストン４４の移動量、すなわちストローク量を変えることができ、調整室５０の容積の最大値を変更することができる。
【００２５】
摺動ピストンの周面には、ケース４２の内壁面との間のシールを行うシールリング６０が少なくとも一つ設けられる。図示する実施形態において、シールリング６０は２個設けられている。シールリング６０は、例えばＯリング、または円周上の１箇所の切り欠きを有する内燃機関のピストンリングのような形状のリングなどを用いることができる。
【００２６】
また、調整ピストン４４は、ばね６２などの付勢部材により、先端部４８に向けて付勢されている。調整ピストン４４の背面、すなわち調整室５０に面している側の反対側の面には大気圧が作用しており、調整ピストン４４は、ポンプ室１８の圧力による力と、大気圧およびばね６２の付勢力による力の大小により摺動する。例えば、ダイアフラムポンプ１２が吸込行程である場合など、ポンプ室１８の圧力が低圧のときには、調整ピストン４４は、先端部４８の端面に当接し、調整室５０の容積は最小となっている。この状態が図５に示されている。
【００２７】
容積調整機構４０の動作について説明する。ダイアフラムポンプ１２が吸込期間Ｐｓにあるときには、ポンプ室１８の圧力が低く、調整ピストン４４は、図５の状態、すなわちポンプ室１８に向けて進出した位置となる。吐出期間Ｐｄにおいては、ポンプ室１８内の圧力により図４の状態、すなわちポンプ室に対して後退した位置となる。吸込期間Ｐｓから吐出期間Ｐｄへの移行期間すなわち補償期間Ｐｃにおいて、調整ピストン４４は、進出位置から後退位置へと移動する。この移動により、過剰に設定されているポンプ室容積減少量（Ｓｃ）を、調整室５０の容積分、減殺する。この調整室５０の容積を、ポンプ室容積減少量（Ｓｃ）と損失による吐出量の減少量（Ｓｓ）の差分（Ｓａ）に等しくなるように、調整ロッド５６の調整を行う。
【００２８】
この調整によって、損失による吐出量の減少量（Ｓｓ）の、個々のダイアフラムポンプ１２による個体差に対応することができる。また、運転条件、経年変化などにより前記減少量（Ｓｓ）が変化したとしても、対応することができる。
【００２９】
なお、吐出期間Ｐｄにおいて後退位置となった調整ピストン４４が、吸込期間Ｐｓにおいて確実に進出位置に復帰するのであれば、ばね６２を省略することもできる。また作動流体に十分な粘性があるなど、調整ピストン４４とケース４２の内壁の隙間からの作動流体の漏れがない、または微少であれば、また前記の隙間より空気等の外部からの流体が侵入しなければ、流体がシールリング６０を省略することもできる。調整ピストン４４は、進出位置にあるとき、また後退位置にあるときには、そのいずれかの端面で、作動流体が排出され得る流路を塞いでいるので、作動流体の漏れ、外部からの流体の浸入は発生しない。また、調整ピストン４４が摺動中においては、作動流体の粘性が十分に高ければ、隙間を流れる作動流体より、ピストン自身の移動速度が速く、漏れが抑制できる。
【００３０】
図６−８は、容積調整機構の変形例、特に調整ピストンの形態を主に変形した例の要部を示す図である。これらの図において、図４等に示される容積調整機構４０と同様に構成については同一符号を付し、説明を省略する。また、動作についても、前述した容積調整機構４０と同様の動作となるので、説明は省略する。
【００３１】
図６の容積調整機構７０においては、調整ピストン７２が、両端に円錐状のテーパ部７４ａ，７４ｂを有している。このテーパ部が、連通孔５４，５９を塞ぐ。また、外周部にシールリングは設けられていない。
【００３２】
図７の容積調整機構８０は、調整ピストン４４に代えて、スライダ８２、ボール８４ａ，８４ｂを設けている。スライダ８２の外周と、ケース４２の内壁との隙間が十分に小さくされており、作動流体等の漏れが抑制されている。スライダ８２の中心には、軸線方向に延びる貫通孔８６が設けられており、スライダ８２よりポンプ室１８側（図において下側）に、気泡が混入した場合、これを大気圧側に逃がすよう構成されている。ボール８４ａ，８４ｂは、対象に当接したとき、連通孔５４，５９を塞ぎ、またスライダ８２の貫通孔８６も塞ぐ。これらのボール８４ａ，８４ｂの直径は、作動流体のシールはスライダ８２が担っているので、ケース４２の内壁の直径より十分小さくてよい。
【００３３】
図８の容積調整機構９０は、容積調整機構８０の外形が円柱状のスライダ８２に代えて、球のスライダ９２を採用している。ケース４２の内壁とのシールは、スライダ９２が担い、端面の連通孔５４，５９の閉鎖は、ボール８４ａ，８４ｂが担う。
【００３４】
図９は、さらに他の容積調整機構の変形例の要部を示す図である。容積調整機構１００は、シリンダブロック１４に設けられた段付き穴１０２と、段付き穴１０２の小径部分１０２ｂに摺動可能に配置される調整ピストン１０４を有している。図において、シリンダブロック１４の左側がポンプ室１８であり、段付き穴小径部分１０２ｂは、連通孔などを介さず直接ポンプ室１８側に開放している。調整ピストン１０４の先端（図中左端）は、ポンプ室１８に突出しており、これにより、段付き穴１０２内に空気等の気体が侵入し、残留することを防止している。また、段付き穴１０２の軸線を横方向に配置することによっても、空気等の残留が生じないようにしている。
【００３５】
調整ピストン１０４の、段付き穴の大径部分１０２ｂに位置する部分にはフランジ１０６が設けられ、これが段付き穴１０２の段付き肩部１０８に当接することによって、当該調整ピストン１０４の最も進出した位置が規定される。調整ピストン１０４の後退方向の位置決めは、段付き穴大径部分１０２ｂに設けられたねじ部と、不図示のナットにより、固定された調整ロッド１１０の端面によりなされる。フランジ１０６の、調整ロッド１１０に対向する面には、ばね受け１１２が配置され、このばね受け１１２と調整ロッド１１０の間にばね１１４が配置される。このばね１１４は、調整ピストン１０４を、ポンプ室１８側に向けて付勢している。
【００３６】
容積調整機構１００においては、これまで述べてきた容積調整機構４０等の調整室５０に相当する区画された部分はないが、調整ピストン１０４の移動によって、ポンプ室１８の容積変化が生じる点で、先述のものと同様の効果を得ることができる。そして、この容積調整機構１００は、ばね１１４の直径より調整ピストン１０４の直径を小さくすることができ、減殺すべき容積が小さい微少流量のポンプに好適である。
【００３７】
以上の各実施形態は、製作されたポンプが出荷され、所定の設備に設置された後、調整ピストン４４等の摺動体の移動量を調整可能なものである。しかし、ポンプ製作過程において、調整ロッド５６等を適切に調整し、これを固定した後、出荷するようにしてもよい。運転条件や経年変化に影響よりも、ポンプの個体差の影響が大きい場合、前記のように出荷後の調整を不要としてもよい。
【００３８】
本実施形態においては、ダイアフラムポンプ１２を２個設け、無脈動ポンプを構成したが、３個以上のダイアフラムポンプにより構成することもできる。また、ダイアフラムポンプ以外の往復動ポンプ、例えば複数のプランジャポンプにより構成することもできる。
【００３９】
各実施形態の容積調整機構は、作動流体室２４の容積を調整するように設けられることが好ましい。しかし、取扱い流体室２６に対し、設けることも原理的には可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本実施形態の無脈動ポンプの概略構成示す図である。
【図２】プランジャの速度を示す図である。
【図３】損失による吐出量の減少と、この減少量の補償についての説明図である。
【図４】容積調整機構の一例を示す図であり、調整ピストンが後退位置にある状態を示す図である。
【図５】図４の容積調整機構において、調整ピストンが進出位置にある状態を示す図である。
【図６】容積調整機構の他の例を示す図である。
【図７】容積調整機構のさらに他の例を示す図である。
【図８】容積調整機構のさらに他の例を示す図である。
【図９】容積調整機構のさらに他の例を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０  無脈動ポンプ、１２  ダイアフラムポンプ、１４  シリンダブロック、１６  プランジャ、１８  ポンプ室、２２  ダイアフラム、２４  作動流体室、２６  取扱い流体室、４０，７０，８０，９０，１００  容積調整機構、４２  ケース、４４，７２，１０４  調整ピストン（摺動体）、８２，９２  スライダ（摺動体）、８４ａ，８４ｂ  ボール（摺動体）。
【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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