(57)【要約】【課題】急激な温度変化を繰り返し受けてもセラミックチューブ１４の固着強度向上と耐熱衝撃性の維持とを両立させる。【解決手段】ユニット容器内に一対の耐火プレート１１、１２を設け、一対の耐火プレート１１、１２の間に複数本の長尺状のセラミックチューブ１４を取り付け、出湯口９側のセラミックチューブ１４の一端１４ａを耐火セメント２２で耐火プレート１２に固定し、セラミックチューブ１４の他端１４ｂファイバー系モルタル２１で耐火プレート１１に取付け、セラミックチューブ１４の固着強度向上と耐熱衝撃性の維持とを両立させる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入湯口と出湯口を有する金属濾過装置であって、
内部に設けられる出湯側側板及び入湯側側板と、
一端が開口し他端が有底状の長尺状をなし、一端が出湯側側板に取り付けられると共に他端が入湯側側板に取り付けられるセラミックチューブと
を備え、
セラミックチューブの開口側の端部を出湯側耐火材により出湯側側板に取り付けると共に、セラミックチューブの有底状側の端部を入湯側耐火材により入湯側側板に取り付け、
出湯側耐火材の固着強度をセラミックチューブの引張強度よりも高くし、入湯側耐火材の固着強度をセラミックチューブの引張強度よりも低くした
ことを特徴とする金属濾過装置。
【請求項２】
請求項１に記載の金属濾過装置において、
出湯側耐火材は耐火セメントであり、入湯側耐火材はファイバー系モルタルである
ことを特徴とする金属濾過装置。
【請求項３】
請求項１もしくは請求項２に記載の金属濾過装置において、
入湯側耐火材の固着強度はセラミックチューブの引張強度の２分の１から３分の１とされている
ことを特徴とする金属濾過装置。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の金属濾過装置において、
セラミックチューブに向けて洗浄ガスを噴出する洗浄ガス噴出手段をユニット容器の底部に備えたことを特徴とする金属濾過装置。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれかに記載の金属濾過装置において、
セラミックチューブは、アルミナ質ポーラスチューブ製のセラミックチューブであることを特徴とする金属濾過装置。
【請求項６】
出湯側側板及び入湯側側板と、
一端が開口し他端が有底状の長尺状をなし、一端が出湯側側板に取り付けられると共に他端が入湯側側板に取り付けられるセラミックチューブと
を備え、
セラミックチューブの開口側の端部を出湯側耐火材により出湯側側板に取り付けると共に、セラミックチューブの有底状側の端部を入湯側耐火材により入湯側板に取り付け、
出湯側耐火材の固着強度をセラミックチューブの引張強度よりも高くし、入湯側耐火材の固着強度をセラミックチューブの引張強度よりも低くした
ことを特徴とするフィルタカセット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属溶湯の濾過を行う金属濾過装置及びフィルタカセットに関し、セラミックチューブの固着強度向上と耐熱衝撃性の維持とを両立させることを企図したものである。
【背景技術】
【０００２】
金属、例えば、アルミニウムやアルミニウム合金の溶湯を鋳型に注湯して所望の鋳造品を鋳造している。鋳造に際し鋳型に金属溶湯を注湯する前に、金属溶湯を金属濾過装置で濾過し、溶湯中に含まれている介在物（有害又は不必要な異物）を除去している。金属濾過装置は、一対の側板の間に複数のセラミックチューブを備えたフィルタカセットに金属溶湯を流通させ、セラミックチューブに金属溶湯を通すことにより介在物を除去して清浄な金属溶湯を得ている（例えば、下記特許文献１参照）。
【０００３】
このような金属濾過装置にあっては、柔軟性のあるファイバー系モルタルを介して一対の側板にセラミックチューブを取り付けることが考えられる。このようなファイバー系モルタルでセラミックチューブを取り付けた金属濾過装置ではセラミックチューブが膨張により破壊される虞を低減するものの、振動によりファイバー系モルタルが破壊される虞があった。出湯側のファイバー系モルタルが破壊されると、金属溶湯が濾過されないことになり、金属溶湯の品質に重大な影響を及ぼしてしまう。
【０００４】
また、従来の金属濾過装置にあっては、介在物がセラミックチューブの表層付近に堆積し長期の使用により目詰まりをおこしてしまう。このため、容器の下部から間欠的に不活性ガス等の洗浄ガスを吹き込んでセラミックチューブの目詰まりを抑制するようにしている場合がある。洗浄ガスが吹き込まれる際には金属溶湯の温度は低下し、洗浄ガスを停止させた際には金属溶湯の温度が上昇する。このため、セラミックチューブが温度変化により膨張・収縮し、側板との間に隙間が生じる虞があった。セラミックチューブと側板の間の固着強度を向上させることで側板との間の隙間の発生を抑えることはできるが、固着部におけるセラミックチューブに亀裂が生じる虞が発生する。
【０００５】
【特許文献１】特許第３３１７５０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、振動や急激な温度変化を繰り返し受けてもセラミックチューブの固着強度向上と耐熱衝撃性の維持とを両立させることができる金属濾過装置及びフィルタカセットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための本発明の第１の態様は、入湯口と出湯口を有する金属濾過装置であって、内部に設けられる出湯側側板及び入湯側側板と、一端が開口し他端が有底状の長尺状をなし、一端が出湯側側板に取り付けられると共に他端が入湯側側板に取り付けられるセラミックチューブとを備え、セラミックチューブの開口側の端部を出湯側耐火材により出湯側側板に取り付けると共に、セラミックチューブの有底状側の端部を入湯側耐火材により入湯側板に取り付け、出湯側耐火材の固着強度をセラミックチューブの引張強度よりも高くし、入湯側耐火材の固着強度をセラミックチューブの引張強度よりも低くしたことを特徴とする金属濾過装置にある。
【０００８】
本発明の第１の態様では、出湯口側の出湯側側板にはセラミックチューブの引張強度よりも高い固着強度を有する出湯側耐火材によりセラミックチューブの開口端が取り付けられ、固着強度が維持されて温度変化による膨張・収縮が生じても隙間が生じることがなく介在物の混入が抑制され、振動や温度変化による膨張・収縮はセラミックチューブの引張強度よりも低い固着強度を有する入湯側耐火材により入湯側側板に取り付けられたセラミックチューブの有底状側の端部側で吸収される。このため、振動や急激な温度変化を繰り返し受けてもセラミックチューブの固着強度向上と耐熱衝撃性の維持とを両立させることができる。
【０００９】
そして、本発明の第２の態様は、第１の態様に記載の金属濾過装置において、出湯側耐火材は耐火セメントであり、入湯側耐火材はファイバー系モルタルであることを特徴とする金属濾過装置にある。
【００１０】
本発明の第２の態様では、耐火セメント及びファイバー系モルタルを用いてセラミックチューブの固着強度向上と耐熱衝撃性の維持とを両立させることができる。
【００１１】
また、本発明の第３の態様は、第１もしくは第２の態様に記載の金属濾過装置において、入湯側耐火材の固着強度はセラミックチューブの引張強度の２分の１から３分の１とされていることを特徴とする金属濾過装置にある。
【００１２】
本発明の第３の態様では、セラミックチューブの破壊を防止しつつセラミックチューブの固着強度向上と耐熱衝撃性の維持とを両立させることができる。
【００１３】
また、本発明の第４の態様は、第１〜第３のいずれかの態様に記載の金属濾過装置において、セラミックチューブに向けて洗浄ガスを噴出する洗浄ガス噴出手段をユニット容器の底部に備えたことを特徴とする金属濾過装置にある。
【００１４】
本発明の第４の態様では、洗浄ガスの噴出による急激な温度変化を繰り返し受けてもセラミックチューブの固着強度向上と耐熱衝撃性の維持とを両立させることができる。
【００１５】
また、本発明の第５の態様は、第１〜第４のいずれかの態様に記載の金属濾過装置において、セラミックチューブは、アルミナ質ポーラスチューブ製のセラミックチューブであることを特徴とする金属濾過装置にある。
【００１６】
第５の態様では、アルミナ質ポーラスチューブ製のセラミックチューブを用いて金属溶湯の濾過を行うことができる。
【００１７】
上記目的を達成するための本発明の第６の態様は、出湯側側板及び入湯側側板と、一端が開口し他端が有底状の長尺状をなし、一端が出湯側側板に取り付けられると共に他端が入湯側側板に取り付けられるセラミックチューブとを備え、セラミックチューブの開口側の端部を出湯側耐火材により出湯側側板に取り付けると共に、セラミックチューブの有底状側の端部を入湯側耐火材により入湯側板に取り付け、出湯側耐火材の固着強度をセラミックチューブの引張強度よりも高くし、入湯側耐火材の固着強度をセラミックチューブの引張強度よりも低くしたことを特徴とするフィルタカセットにある。
【００１８】
第６の態様では、出湯口側の出湯側側板にはセラミックチューブの引張強度よりも高い固着強度を有する出湯側耐火材によりセラミックチューブの開口端が取り付けられ、固着強度が維持されて温度変化による膨張・収縮が生じても隙間が生じることがなく介在物の混入が抑制され、振動や温度変化による膨張・収縮はセラミックチューブの引張強度よりも低い固着強度を有する入湯側耐火材により入湯側側板に取り付けられたセラミックチューブの有底状側の端部側で吸収される。このため、振動や急激な温度変化を繰り返し受けてもセラミックチューブの固着強度向上と耐熱衝撃性の維持とを両立させることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の金属濾過装置は、振動や急激な温度変化を繰り返し受けてもセラミックチューブの固着強度向上と耐熱衝撃性の維持とを両立させることができる金属濾過装置及びフィルタカセットとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１には本発明の一実施形態例に係る金属濾過装置の側断面、図２にはフィルタカセットの断面、図３には図２中の要部詳細状況、図４には施工条件の結果を示してある。また、図５には耐火材とセラミックチューブの破壊強度、図６には耐火材の物性、図７には荷重試験の説明、図８、図９には衝撃試験の説明、図１０には衝撃試験の結果を示してある。
【００２１】
図１に示すように、金属濾過装置１は、ユニット容器２内にフィルタカセット３が備えられ、フィルタカセット３は前内壁４と後内壁５との間にくさび６を介して保持されている。前内壁４側のユニット容器２には入湯口７が設けられ、入湯口７から金属溶湯（例えば、アルミニウム溶湯）が供給される。
【００２２】
後内壁５を挟んでフィルタカセット３と反対側のユニット容器２には出湯室８が設けられ、出湯室８には出湯口９が設けられている。入湯口７から供給されたアルミニウム溶湯はフィルタカセット３を流通することで濾過され、出湯室８に送られて出湯口９から出湯され鋳型に送られる。
【００２３】
また、ユニット容器２の底部にはフィルタカセット３に向けて不活性ガス（例えば、アルゴンガス）の洗浄ガスを噴出する洗浄ガス噴出手段１０が設けられている。金属溶湯の濾過が行われると、異物がフィルタカセット３の後述するセラミックチューブの表層付近に堆積し、長期の使用により目詰まりをおこしてしまう。このため、洗浄ガス噴出手段１０から間欠的に不活性ガス等の洗浄ガスを吹き込んでセラミックチューブの目詰まりを抑制している。
【００２４】
フィルタカセット３は、一対の側板１１（入湯側側板）、１２（出湯側側板）を備え、前内壁４にはくさび６を介して側板１１が保持され、後内壁５にはパッキンを介して側板１２が保持されている。側板１１、１２は炭化珪素質耐火物プレートで形成されている。側板１１、１２の間には、１本でもよいが、通常、複数本（例えば、４段で１８本）の長尺状のセラミックチューブ１４が設けられ、セラミックチューブ１４はアルミナ質ポーラスチューブで形成されている。セラミックチューブ１４としては、アルミナ質、炭化珪素質のものが挙げられるが、熱間強度や耐アルミ反応性の観点から、アルミナ質ポーラスチューブ製のセラミックチューブが好ましい。
【００２５】
図２、図３に示すように、セラミックチューブ１４は、一端１４ａが開口し、他端１４ｂが有底状とされている。側板１１には挿入穴１５が形成され、挿入穴１５にはセラミックファイバー製のパッキン１６を介してセラミックチューブ１４の他端１４ｂが嵌合されている。一方、側板１２には出湯室８（図１参照）につながる孔１７が形成され、孔１７に対応してパッキン１３を介してセラミックチューブ１４の一端１４ａが嵌合されている。
【００２６】
図３に示すように、直径がＤｍｍのセラミックチューブ１４の両端はパッキン１３、１６の厚さＳの幅が軸方向の伸び代とされている。また、セラミックチューブ１４の端部は隙間Ｒの長さが側板１１、１２に保持され、隙間Ｒの部位周囲に側板１２とセラミックチューブ１４を固着するための耐火材が介在される。
【００２７】
そして、セラミックチューブ１４の他端１４ｂは入湯側耐火材としてのファイバー系モルタル２１により側板１１に取り付けられている。ファイバー系モルタル２１は弾性力を有し、セラミックチューブ１４の膨張・収縮を吸収できるようになっている。セラミックチューブ１４の一端１４ａ（濾過された金属溶湯の出口側）は出湯側耐火材としての耐火セメント２２により側板１２に固定されている。耐火セメント２２は固着強度が高く、セラミックチューブ１４が膨張・収縮しても隙間が生じないようになっており、振動によってもファイバー系モルタルのように破壊されない。
【００２８】
図５に示すように、ファイバー系モルタル２１は、接着部の破壊までの力（固着強度）が、例えば、１００ｋｇｆを下回り、弱い固着力を有している。また、セラミックチューブ１４の引張り破壊荷重（引張強度）は、例えば、２００ｋｇｆ〜３００ｋｇｆであり、ファイバー系モルタル２１の固着強度がセラミックチューブ１４の引張り破壊荷重の２分の１から３分の１とされていることが、耐熱衝撃性を確保する観点から好ましい。
【００２９】
ファイバー系モルタル２１は、セラミックファイバーと無機バインダーを含有したもので、セラミックファイバーとしてアルミナ−シリカ系のセラミックファイバーである。更に、例えば、セラミックファイバーを１０ｗｔ％〜２０ｗｔ％含有し、図６に示すように、トータルのアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）の含有率が８０％以上であり、シリカ（ＳｉＯ２）が１０％以上となっている。
【００３０】
また、図５に示すように、耐火セメント２２は、接着部の破壊までの力（固着強度）が、例えば、８００ｋｇｆであり、強い固着力を有している。耐火セメント２２としては、骨材粒度が細かい耐火セメントが好ましい。更に、図６に示すように、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）が６０％程度、シリカ（ＳｉＯ２）が４０％程度の耐火セメントが好ましい。
【００３１】
また、図６に示すように、ファイバー系モルタル２１の圧縮強度は、例えば、常温及び８００℃の処理後で、共に１１ｋｇｆ／ｃｍ２となっている。更に、耐火セメント２２の圧縮強度は、例えば、常温で１００ｋｇｆ／ｃｍ２であり、８００℃の処理後で２００ｋｇｆ／ｃｍ２となっている。
【００３２】
側板１１（入湯側側板）の圧縮強度より、側板１２（出湯側側板）の圧縮強度の方が高いことが、熱によるセラミックチューブ１４の膨張・収縮に伴うセラミックチューブ１４の破損、セラミックチューブ１４の側板１１、１２からの外れを防止する観点から好ましい。即ち、側板１１の圧縮強度が低いとその部分でセラミックチューブ１４の熱変動による長さ方向（軸方向）の変動を吸収することができ、側板１２の圧縮強度が高いと出湯側でのセラミックチューブ１４の外れを防止できる。その好ましい値は、それぞれ、２〜３０ｋｇｆ／ｃｍ２（常温）、５０〜２００ｋｇｆ／ｃｍ２（常温）である。
【００３３】
図５に示した値の荷重試験は、図７に示した試験装置により実施した。即ち、直径がＤ１ｍｍ（例えば、１００ｍｍ）の試験片１０１（セラミックチューブ）を鏡板１０２（側板：耐火プレート）の保持部１０３に保持し、試験片１０１の周囲を耐火材１０４で固着した。保持部１０３の直径はＤ２ｍｍ（例えば、１０４ｍｍ）であり、試験片１０１の保持長さはＲｍｍ（例えば、２６ｍｍ）とされ、試験片１０１の端部には厚さＳｍｍ（例えば、４ｍｍ）のパッキン１０５が介在されている。この状態で、荷重を試験片１０１にかけて破壊までの力を測定した。
【００３４】
耐火材として耐火セメント２２を用いた場合の固着力は、ファイバー系モルタル２１の固着力よりも強く、ファイバー系モルタル２１の固着強度がセラミックチューブ１４の引張り破壊荷重の２分の１から３分の１とされている。そして、耐火セメント２２の固着強度はセラミックチューブ１４の引張強度の２〜４倍以上とされており、耐火セメント２２の固着強度はファイバー系モルタル２１の固着強度の８倍以上とされている。これは、耐火セメント２２とセラミックチューブ１４の固着が強固であり、強い力が作用した場合に接着部が外れる前にセラミックチューブ１４が破損することになる。また、ファイバー系モルタル２１の固着力が弱いので、力が作用した場合にセラミックチューブ１４は破損せずに接着部が破損することになる。
【００３５】
ファイバー系モルタル２１及び耐火セメント２２は塗布量が増加すると破壊強度が高くなる。ファイバー系モルタル２１の塗布量は、１００ｋｇｆの破壊強度を得るためには２０〜３０ｇ程度必要であり、１００ｋｇｆを下回る破壊強度を得るために最大で２０〜３０ｇ程度のファイバー系モルタル２１が用いられる。また、耐火セメント２２の塗布量は、８００ｋｇｆの破壊強度を得るためには４０〜５０ｇ程度必要であり、８００ｋｇｆの破壊強度を得るために４０〜５０ｇ程度の耐火セメント２２が用いられる。
【００３６】
試験片１０１と略同程度の寸法のセラミックチューブ１４の場合の衝撃試験の結果を図８乃至図１０に基づいて説明する。
【００３７】
図８に示すように、長さＬのアーム１１１の先端に木片１１２が取り付けられた試験アームを用い、落差Ｈ１でアーム１１１を回動させて木片１１２によりセラミックチューブ１４に繰り返し打撃を与えた。図９に示すように、木片１１２により衝撃を与える部位は、耐火材１１３により保持部１１４にセラミックチューブ１４を固着した部位から軸方向に距離Ｈ２（例えば、１００ｍｍ）離れた部位とした。図１０に示すように、両側の耐火材１１３をファイバー系モルタルとした場合、６００回の打撃で著しい損耗が認められた。打撃部位に近い側（図９中左側）の耐火材１１３を耐火セメントとした場合、１２００回の打撃で損耗は認められなかった。
【００３８】
このため、セラミックチューブ１４をファイバー系モルタル２１により側板１１に取り付けると共に、耐火セメント２２により側板１２に固定することにより、振動に対して損耗のない構造とすることができる。
【００３９】
上述した金属濾過装置１では、入湯口７からフィルタカセット３内に供給されたアルミニウム溶湯は、複数本のセラミックチューブ１４で形成された複雑な流路を通過すると共にセラミックチューブ１４の外周面から筒状の内部に送られて濾過されて介在物が除去される。濾過されて清浄な状態となったアルミニウム溶湯はセラミックチューブ１４の一端１４ａの開口から孔１７を通って出湯室８に送られ、出湯口９から出湯される。
【００４０】
濾過に際して除去された介在物はセラミックチューブ１４の表層に堆積し、アルミニウム溶湯の濾過が繰り返されると、セラミックチューブ１４の表層に堆積した介在物により所定の流量が確保できなくなる。このため、所定の期間毎にフィルタカセット３の洗浄が行われる。フィルタカセット３の洗浄に際しては、洗浄ガス噴出手段１０から洗浄ガス（アルゴンガス）を所定圧力で供給する。アルゴンガスは、多数の微小な気泡となってセラミックチューブ１４の表層に堆積した介在物を除去し、介在物を浮き上がらせる。
【００４１】
アルゴンガスが吹き込まれた際にはアルミニウム溶湯の温度が低下し、アルゴンガスを停止させた際にはアルミニウム溶湯の温度が上昇する。このため、セラミックチューブ１４が温度変化により膨張・収縮を繰り返す。
【００４２】
セラミックチューブ１４の他端１４ｂは弾性力を有するファイバー系モルタル２１により耐火プレート１１に取り付けられているので、セラミックチューブ１４の膨張・収縮が耐火プレート１１の取り付き部で吸収される。このため、セラミックチューブ１４が膨張・収縮しても、亀裂が生じる虞がなくなる。
【００４３】
一方、セラミックチューブ１４の一端１４ａは耐火セメント２２により耐火プレート１２に固定されているので、固着強度が高くセラミックチューブ１４が膨張・収縮しても固定部に隙間が生じない。また、振動により耐火セメント２２が破壊されることはない。このため、アルミニウム溶湯の出口側で固定部が浸食されて介在物が発生することがなくなり、セラミックチューブ１４の一端１４ａの開口から介在物が浸入する虞がなくなる。
【００４４】
従って、隙間が生じることが濾過品質を左右する出口側で、即ち、セラミックチューブ１４の一端１４ａでセラミックチューブ１４が強固に耐火プレート１２に固定されて隙間が生じる虞がなくなると共に、セラミックチューブ１４の膨張・収縮がファイバー系モルタル２１を介して他端１４ｂの耐火プレート１１の取り付き部で吸収される。
【００４５】
よって、上述した金属濾過装置１では、急激な温度変化を繰り返し受けてもセラミックチューブ１４の固着強度向上と耐熱衝撃性の維持とを両立させることができる。
【００４６】
図４に示すように、セラミックチューブ１４の一端１４ａを耐火セメント２２で耐火プレート１２に固定し、セラミックチューブ１４の他端１４ｂをファイバー系モルタル２１で耐火プレート１２に取り付けた場合、出口側での隙間の発生がなくよい結果（○）となり、耐衝撃性において亀裂の発生がなく良い結果（○）が得られた。
【００４７】
また、セラミックチューブ１４の両端をファイバー系モルタル２１で耐火プレート１１、１２に取り付けた場合、出口側での隙間が大きくなって難がある結果（×）となり、衝撃性において亀裂の発生がなく良い結果（○）となった。
【００４８】
更に、セラミックチューブ１４の両端を耐火セメント２２で耐火プレート１１、１２に取り付けた場合、出口側での隙間の発生がなくよい結果（○）となり、衝撃性において亀裂が発生して難がある結果（×）が得られた。
【００４９】
図４の結果からも明らかなように、本実施形態例では、急激な温度変化を繰り返し受けてもセラミックチューブの固着強度向上と耐熱衝撃性の維持とを両立させることができることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、金属溶湯の濾過を行う金属濾過装置の産業分野で利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の一実施形態例に係る金属濾過装置の側断面図である。
【図２】フィルタカセットの断面図である。
【図３】図２中の要部詳細図である。
【図４】施工条件の結果を表した表図である。
【図５】耐火材とセラミックチューブの破壊強度を表した表図である。
【図６】耐火材の物性を表した表図である。
【図７】荷重試験の説明図である。
【図８】衝撃試験の説明図である。
【図９】衝撃試験の説明図である。
【図１０】衝撃試験の結果を表した表図である。
【符号の説明】
【００５２】
１  金属濾過装置
２  ユニット容器
３  フィルタカセット
４  前内壁
５  後内壁
６  くさび
７  入湯口
８  出湯室
９  出湯口
１０  洗浄ガス噴出手段
１１  側板（入湯側側板：耐火プレート）
１２  側板（出湯側側板：耐火プレート）
１３  パッキン
１４  セラミックチューブ
１５  挿入穴
１７  孔
２１  ファイバー系モルタル（入湯側耐火材）
２２  耐火セメント（出湯側耐火材）
【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】
2007169709.tif 000007
【図６】
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【図７】
2007169709.tif 000009
【図８】
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【図９】
2007169709.tif 000011
【図１０】
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