(57)【要約】【課題】廃熱利用装置において用いられる回転電機に付随する変換器を冷却する効果を高める。【解決手段】ランキンサイクル回路は、膨張機７２、凝縮器、ギヤポンプ６７、及びボイラによって構成されている。駆動ギヤ６５及び従動ギヤ６６と共にギヤポンプ６７を構成するポンプ室６４には吐出通路４７が接続されている。吐出通路４７の途中には収容室４４が設けられており、収容室４４には整流器６８が収容されている。整流器６８は、オルタネータ４３に電気的に接続されており、オルタネータ４３にはバッテリ４５が整流器６８を介して電気的に接続されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
循環冷媒流路を流れる冷媒に廃熱源の廃熱を伝達する第１熱交換器と、前記第１熱交換器を通過した冷媒を利用して回転電機の駆動軸に回転力を付与する膨張機と、前記膨張機を通過した冷媒から熱を奪う第２熱交換器と、前記第１熱交換器より上流、かつ前記第２熱交換器より下流の前記循環冷媒流路に設けられて液冷媒を送り出すポンプとを備えた廃熱利用装置において、
前記回転電機で生じる交流電気を直流電気に変換する変換器が前記回転電機を収納する回転電機ハウジング外の液冷媒通路に設けられている廃熱利用装置。
【請求項２】
前記液冷媒通路は、前記循環冷媒流路の一部である請求項１に記載の廃熱利用装置。
【請求項３】
前記変換器は、前記ポンプの吐出側の前記循環冷媒流路に設けられている請求項１及び請求項２のいずれか１項に記載の廃熱利用装置。
【請求項４】
前記ポンプの吐出側の前記循環冷媒流路に分岐接続し、且つ前記回転電機ハウジング内に接続する分岐通路が設けられており、
前記第１熱交換器より下流、かつ前記第２熱交換器より上流の前記循環冷媒流路と前記回転電機ハウジング内とを接続する流出通路が設けられており、
前記変換器は、前記分岐通路の分岐部より下流の前記循環冷媒流路に設けられている請求項３に記載の廃熱利用装置。
【請求項５】
前記流出通路は、前記膨張機よりも下流、かつ前記第２熱交換器より上流の前記循環冷媒流路と前記回転電機ハウジング内とを接続する請求項４に記載の廃熱利用装置。
【請求項６】
前記変換器は、前記ポンプの吸入側の前記循環冷媒流路に設けられている請求項１及び請求項２のいずれか１項に記載の廃熱利用装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、廃熱源の廃熱を利用して回転電機の駆動軸に回転力を付与する膨張機を備えた廃熱利用装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転電機である発電機のコイルの温度が上昇すると、電気抵抗が増大し、発電効率が低下する。そのため、発電機のコイルを冷却することが望ましい。特許文献１に開示のランキンサイクルシステムでは、膨張機及び発電機を収納する密閉容器内にポンプから液状の作動流体（液冷媒）が送り込まれ、発電機が冷却される。
【０００３】
発電機で生じた交流電気を直流電気に変換する場合には整流器が用いられるが、整流器も冷却する必要がある。
整流器の設置場所としては、発電機のコイルを収納する密閉容器（ハウジング）内が一般的に考えられる。特許文献１では、膨張機及び発電機を収納する密閉容器内にポンプから液状の作動流体（液冷媒）が送り込まれ、発電機が冷却される。従って、密閉容器内に整流器を設置すれば、発電機と共に整流器も作動流体によって冷却される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１７４４９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、密閉容器内に整流器を設置したとしても、整流器が常に液冷媒に浸っている状態にはならない。そのため、整流器を冷却する効果は高くない。
本発明は、廃熱利用装置において用いられる回転電機に付随する整流器を冷却する効果を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、循環冷媒流路を流れる冷媒に廃熱源の廃熱を伝達する第１熱交換器と、前記第１熱交換器を通過した冷媒を利用して前記回転電機の駆動軸に回転力を付与する膨張機と、前記膨張機を通過した冷媒から熱を奪う第２熱交換器と、前記第１熱交換器より上流、かつ前記第２熱交換器より下流の前記循環冷媒流路に設けられて液冷媒を送り出す送り出し手段とを備えた廃熱利用装置を対象とし、請求項１の発明では、前記回転電機で生じる交流電気を直流電気に変換する変換器が前記回転電機を収納する回転電機ハウジング外の液冷媒通路に設けられている。
【０００７】
変換器が液冷媒通路内の液冷媒に常に浸されているため、変換器の冷却効果が高い。
好適な例では、前記液冷媒通路は、前記循環冷媒流路の一部である。
好適な例では、前記変換器は、前記ポンプの吐出側の前記循環冷媒流路に設けられている。
【０００８】
変換器の発熱による液冷媒の加熱は、ポンプの吐出側で行なわれるため、キャビテーションに起因する冷媒の送り出し効率の低下は生じない。
好適な例では、前記ポンプの吐出側の前記循環冷媒流路に分岐接続し、且つ前記回転電機ハウジング内に接続する分岐通路が設けられており、前記第１熱交換器より下流、かつ前記第２熱交換器より上流の前記循環冷媒流路と前記回転電機ハウジング内とを接続する流出通路が設けられており、前記変換器は、前記分岐通路の分岐部より下流の前記循環冷媒流路に設けられている。
【０００９】
変換器によって加熱された液冷媒が回転電機ハウジング内へ送られることはない。
好適な例では、流出通路は前記膨張機よりも下流、かつ前記第２熱交換器より上流の前記循環冷媒流路と前記回転電機ハウジング内とを接続する。
【００１０】
第１熱交換器よりも下流であっても、膨張機よりも下流側の方が膨張機より上流側より圧力が小さく、流出通路を介して回転電機ハウジング内から循環冷媒流路に液冷媒を戻し易い。
【００１１】
好適な例では、前記変換器は、前記送り出し手段の吸入側の前記循環冷媒流路に設けられている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、廃熱利用装置において用いられる回転電機に付随する変換器を冷却する効率を向上することができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施形態を示す部分側断面図。
【図２】廃熱利用装置を示す模式図。
【図３】（ａ）は、部分拡大側断面図。（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ線断面図。
【図４】第２の実施形態の廃熱利用装置を示す模式図。
【図５】第２の実施形態の部分側断面図。
【図６】第２の実施形態の部分拡大断面図。
【図７】第３の実施形態を示す部分拡大断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を具体化した第１の実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。
図２に示すように、廃熱利用装置１１は、廃熱源としてのエンジン１２（燃焼機関）と、ランキンサイクル回路１３とを備えている。
【００１５】
ランキンサイクル回路１３では、エンジン１２からの廃熱によって加熱される冷媒が循環する。廃熱利用装置１１を構成する廃熱回収機器３４は、ランキンサイクル回路１３の一部を構成している。
【００１６】
図１に示すように、廃熱回収機器３４を構成する全体ハウジング３５は、筒状をなすセンターハウジング３６と、センターハウジング３６の前端〔図１において左端〕に連結された回転電機ハウジングとしての発電機ハウジング３７と、センターハウジング３６の後端〔図１において右端〕に連結されたリヤハウジング３９とから構成されている。
【００１７】
センターハウジング３６に一体形成された隔壁３６１と発電機ハウジング３７の前端壁３７１とには駆動軸４０が軸受５１，５２を介して回転可能に支持されており、発電機ハウジング３７内の駆動軸４０にはロータ４１が固定されている。発電機ハウジング３７の内周面にはステータ４２がロータ４１を取り囲むように固定されている。駆動軸４０、コイル４２１を備えたステータ４２及びロータ４１は、ブラシレス式のオルタネータ４３（発電機）を構成する。駆動軸４０は、オルタネータ４３のロータ軸である。オルタネータ４３は、ロータ４１が回転することによってステータ４２のコイル４２１に電力を生じさせる機能を有する。
【００１８】
駆動軸４０は、前端壁３７１を貫通して外部に突出しており、駆動軸４０の突出端部にはプーリ５７が止着されている。プーリ５７にはベルト５９が巻き掛けられている。ベルト５９は、エンジン１２の回転出力軸であるクランク軸６８〔図２参照〕に止着されたプーリ６９〔図２参照〕に巻き掛けられている。
【００１９】
センターハウジング３６の後部内にはサイドプレート６２が隔壁３６１に対向するように固設されている。隔壁３６１とサイドプレート６２との間にはポンプ室６４が区画されている。駆動軸４０は、隔壁３６１及びサイドプレート６２を貫通している。
【００２０】
図３（ａ），（ｂ）に示すように、ポンプ室６４内には駆動軸４０に止着された駆動ギヤ６５と、駆動ギヤ６５に噛合する従動ギヤ６６とが配設されている。ポンプ室６４、駆動ギヤ６５及び従動ギヤ６６は、ギヤポンプ６７を構成する。図３（ｂ）に示すように、駆動ギヤ６５及び従動ギヤ６６は、ポンプ室６４内を吸入室６４１と吐出室６４２とに区画する。
【００２１】
図１に示すように、センターハウジング３６の後部内には支持ブロック６３が固設されている。支持ブロック６３には回転軸７０が軸受７１によって回転可能に支持されている。回転軸７０は、駆動軸４０と同軸上で駆動軸４０に連結されている。
【００２２】
支持ブロック６３とリヤハウジング３９との間にはスクロール式の膨張機７２が設けられている。
次に、膨張機７２の構成を説明する。
【００２３】
回転軸７０の後端には偏心軸７３が設けられている。偏心軸７３は、回転軸７０の回転により回転軸７０の回転軸線の周りを公転する。偏心軸７３には可動スクロール７４がブッシュ７５及び軸受７６を介して回転可能に支持されている。可動スクロール７４は、軸受７６に支持された可動側端板７４１と、可動側端板７４１から突設された渦巻状の可動側渦巻壁７４２とを備えている。
【００２４】
センターハウジング３６の後部内には固定スクロール７７が可動スクロール７４と対向するように固設されている。固定スクロール７７は、固定側端板７７１と、固定側端板７７１から支持ブロック６３に向けて突設された渦巻状の固定側渦巻壁７７２とを備えている。可動スクロール７４の可動側渦巻壁７４２と、固定スクロール７７の固定側渦巻壁７７２とは、互いに噛み合わされて容積変更可能な膨張室７８を区画する。
【００２５】
固定側端板７７１とリヤハウジング３９との間には供給室７９が区画されており、固定側端板７７１の中央部には供給口７７３が供給室７９に連通するように形成されている。リヤハウジング３９には導入ポート３９１が形成されている。サイドプレート６２と支持ブロック６３との間には排出室８０が形成されている。膨張室７８の冷媒は、排出室８０へ排出される。センターハウジング３６の周壁には排出ポート３６２が排出室８０に連通するように形成されている。
【００２６】
次に、廃熱利用装置１１におけるランキンサイクル回路１３について説明する。
図２に示すように、ランキンサイクル回路１３は、廃熱回収機器３４を構成する膨張機７２、凝縮器２９、廃熱回収機器３４を構成するギヤポンプ６７、第１ボイラ２０、及び第２ボイラ２１によって構成されている。
【００２７】
第１ボイラ２０は、吸熱器２０２と放熱器２０１とを備える。ギヤポンプ６７におけるポンプ室６４〔図３（ａ），（ｂ）参照〕の吐出側には第１ボイラ２０の吸熱器２０２が第１流路２２を介して接続されている。放熱器２０１は、エンジン１２に接続された冷却水循環経路２３上に設けられている。冷却水循環経路２３上にはラジエータ２４が設けられている。車両のエンジン１２を冷却した冷却水（冷却流体）は、冷却水循環経路２３を循環して放熱器２０１及びラジエータ２４で放熱する。
【００２８】
第２ボイラ２１は、吸熱器２１２と放熱器２１１とを備える。第１ボイラ２０の吸熱器２０２の吐出側には第２ボイラ２１の吸熱器２１２が接続流路２５を介して接続されている。放熱器２１１は、エンジン１２に接続された排気通路２６上に設けられている。エンジン１２からの排気は、放熱器２１１で放熱した後、マフラ２７から排気される。ギヤポンプ６７から吐出された冷媒は、第１ボイラ２０及び第２ボイラ２１の吸熱器２０２，２１２と放熱器２０１，２１１との間での熱交換によりエンジン１２からの廃熱によって加熱される。
【００２９】
第２ボイラ２１の吸熱器２１２の吐出側には膨張機７２における導入ポート３９１〔図１参照〕が供給流路２８を介して接続されている。第１ボイラ２０及び第２ボイラ２１で加熱された高温高圧の冷媒は、供給流路２８を介して膨張機７２に導入されるようになっている。膨張機７２側の排出ポート３６２〔図１参照〕には凝縮器２９が排出流路３０を介して接続されている。膨張機７２で膨張した低圧の冷媒は、排出流路３０を介して凝縮器２９へ排出されるようになっている。凝縮器２９の下流側にはギヤポンプ６７のポンプ室６４〔図１参照〕が第２流路３１を介して接続されている。
【００３０】
第２流路３１、第１流路２２、接続流路２５、供給流路２８及び排出流路３０は、ランキンサイクル回路の循環冷媒流路を構成する。
図３（ｂ）に示すように、ポンプ室６４の吸入室６４１には吸入通路４６が接続されており、ポンプ室６４の吐出室６４２には吐出通路４７が接続されている。吸入通路４６は、第２流路３１の一部を構成しており、吐出通路４７は、第１流路２２の一部を構成する。ポンプ室６４、吐出通路４７及び吸入通路４６は、隔壁３６１の端面３６３に凹み形成されている。
【００３１】
吐出通路４７には分岐通路４８が分岐接続されており、分岐通路４８の終端には絞り部としての絞り通路４９が設けられている。絞り通路４９は、発電機ハウジング３７内の内部空間Ｋに開口している。
【００３２】
図２に示すように、ギヤポンプ６７は、循環冷媒流路の一部である第１流路２２と分岐通路４８との分岐部４８０と、第２熱交換器である凝縮器２９との間の循環冷媒流路に設けられている。つまり、ギヤポンプ６７は、第１熱交換器である第１ボイラ２０及び第２ボイラ２１より上流、かつ第２熱交換器である凝縮器２９より下流の循環冷媒流路に設けられている。循環冷媒流路は、内部空間Ｋ外を通過している。
【００３３】
図３（ａ）に示すように、センターハウジング３６の隔壁３６１及びサイドプレート６２には流出通路５０が貫設されている。流出通路５０の入口は、オルタネータ４３のロータ４１より下側に設けられている。内部空間Ｋは、流出通路５０を介して排出室８０に連通している。
【００３４】
ギヤポンプ６７のポンプ作用により、第２流路３１内の冷媒は、ポンプ室６４の吸入室６４１に吸入されて吐出室６４２へ送られる。吐出室６４２へ送られた冷媒の一部は、第１流路２２、第１ボイラ２０、第２ボイラ２１、膨張機７２及び凝縮器２９を通過してポンプ室６４の吸入室６４１へ還流する。吐出室６４２へ送られた冷媒の残りは、分岐通路４８及び絞り通路４９を経由して内部空間Ｋへ流入する。内部空間Ｋへ流入した冷媒は、流出通路５０、排出室８０、排出ポート３６２、排出流路３０及び凝縮器２９を通過してポンプ室６４の吸入室６４１へ還流する。
【００３５】
図３（ａ）に示すように、サイドプレート６２に対向する隔壁３６１の端面３６３には収容室４４が凹み形成されている。図３（ｂ）に示すように、収容室４４は、収容室４４が吐出通路４７に連通するように吐出通路４７の途中に設けられている。収容室４４には変換器としての整流器６８が収容されている。整流器６８は、オルタネータ４３に電気的に接続されており、オルタネータ４３にはバッテリ４５が整流器６８を介して電気的に接続されている。オルタネータ４３で生じた交流電気は、整流器６８で直流電気に変換され、整流器６８で変換された直流電気がバッテリ４５に蓄電されるようになっている。
【００３６】
次に、廃熱利用装置１１の作用について説明する。
エンジン１２が始動されると、ベルト５９及びプーリ５７を介してエンジン１２から駆動力が伝達されるために駆動軸４０が回転し、オルタネータ４３が発電する。オルタネータ４３によって発電された電気は、バッテリ４５に蓄えられる。
【００３７】
駆動軸４０が回転開始すると、ギヤポンプ６７の駆動ギヤ６５及び膨張機７２の回転軸７０が駆動軸４０と一体的に回転開始する。ギヤポンプ６７の駆動ギヤ６５の回転は、従動ギヤ６６に伝達され、駆動ギヤ６５及び従動ギヤ６６が噛合しながら互いに逆方向に回転する。これにより第２流路３１の冷媒がギヤポンプ６７を通過して第１流路２２へ送られる。
【００３８】
第１流路２２へ送られた冷媒の一部は、第１ボイラ２０の吸熱器２０２、接続流路２５、及び第２ボイラ２１の吸熱器２１２を通過して供給流路２８へ送られる。第１ボイラ２０の吸熱器２０２及び第２ボイラ２１の吸熱器２１２を通過する冷媒は、エンジン１２からの廃熱によって加熱される。
【００３９】
第１流路２２へ送られた冷媒の残りは、分岐通路４８及び絞り通路４９を経由して内部空間Ｋへ流入する。凝縮器２９を通過して第２流路３１を流れる冷媒は、冷却されて液化しており、ギヤポンプ６７から送り出された液冷媒は、低温である。従って、内部空間Ｋへ流入した低温の液冷媒は、内部空間Ｋ内でオルタネータ４３を冷却する。オルタネータ４３を冷却した冷媒は、流出通路５０を経由して排出室８０へ流出し、排出室８０へ流出した冷媒は、排出流路３０及び凝縮器２９を経由してギヤポンプ６７へ還流する。
【００４０】
第１ボイラ２０及び第２ボイラ２１（第１熱交換器）で加熱された高圧の冷媒は、導入ポート３９１から膨張機７２の供給室７９を経て膨張室７８に導入されて膨張する。この冷媒の膨張により膨張機７２が機械的エネルギー（回転付与力）を出力し、この回転付与力によって回転軸７０及び駆動軸４０の回転がアシストされる。膨張機７２は、冷媒を利用してオルタネータ４３の駆動軸４０に回転力を付与する。膨張して圧力が低下した冷媒は、排出流路３０へ排出される。排出流路３０へ排出された冷媒は、凝縮器２９を通過してギヤポンプ６７へ還流する。
【００４１】
次に、第１の実施形態の作用を説明する。
オルタネータ４３が発電している状態では、発電された交流電気が整流器６８で直流電気に変換され、整流器６８が発熱する。ギヤポンプ６７から吐出通路４７へ吐出された液冷媒は、収容室４４を通過する。収容室４４は、液冷媒で満たされており、収容室４４内の整流器６８は内部空間Ｋ外の収容室４４内で常に液冷媒に浸されて冷却される。
【００４２】
第１の実施形態では以下の効果が得られる。
（１）整流器６８は、液冷媒通路である収容室４４内で液冷媒に常に浸される。そのため、整流器６８を冷却する効果が高い。
【００４３】
（２）ギヤポンプ６７の吸入側で液冷媒が加熱されると、キャビテーションが生じて冷媒の送り出し効率が低下するおそれがある。しかし、整流器６８の発熱による液冷媒の加熱は、ギヤポンプ６７の吐出側で行なわれるため、キャビテーション発生に起因する冷媒の送り出し効率の低下は生じない。
【００４４】
（３）凝縮器２９にて冷却された液冷媒の一部は、分岐通路４８を経由して内部空間Ｋへ流れる。凝縮器２９にて低温化された液冷媒によってオルタネータ４３を冷却する構造は、オルタネータ４３を冷却する効率の向上に寄与する。
【００４５】
（４）分岐通路４８及び絞り通路４９は、ギヤポンプ６７より下流の循環冷媒流路（つまり吐出通路４７）と内部空間Ｋとを連通している。隔壁３６１を貫通している分岐通路４８及び絞り通路４９は、分岐通路４８内の液冷媒の昇温回避の観点から短い方がよい。オルタネータ４３の存在領域である内部空間Ｋを区画する隔壁３６１の端面３６３にギヤポンプ６７を設けると共に、端面３６３に吸入通路４６及び吐出通路４７を設けた構成は、分岐通路４８及び絞り通路４９の短縮化に寄与する。又、分岐通路４８及び絞り通路４９の短縮化は、分岐通路４８及び絞り通路４９の形成容易化に有利である。
【００４６】
（５）エンジン１２の回転力によって発電するオルタネータ４３を廃熱利用によって発電する発電機として兼用するため、廃熱利用の新たな発電機が不要である。
次に、図４〜図６の第２の実施形態を説明する。第１の実施形態と同じ構成部には同じ符合を用い、その詳細説明は省略する。
【００４７】
図４は、廃熱回収装置を示す。回転電機としてのモータジェネレータ４３Ａは、モータとしてランキンサイクル作動開始時にはギヤポンプ６７を駆動すると共に、膨張機７２の回転によって発電する。
【００４８】
図５に示すように、廃熱回収機器３４Ａを構成する全体ハウジング６９は、センターハウジング３６と、センターハウジング３６の前端〔図５において左端〕に連結されたモータジェネレータハウジング３７Ａと、センターハウジング３６の後端〔図５において右端〕に連結されたリヤハウジング３９とから構成されている。
【００４９】
図６に示すように、収容室４４Ａが吸入通路４６の途中に設けられている。収容室４４Ａには変換器としてのインバータ６８Ａが収容されている。収容室４４Ａは、液冷媒で満たされており、収容室４４Ａ内のインバータ６８Ａは、モータジェネレータハウジング３７Ａの内部空間Ｋ外の液冷媒通路（収容室４４Ａ）内で常に液冷媒に浸されて冷却される。
【００５０】
第２の実施形態では、第１の実施形態における（１），（３），（４）項と同様の効果が得られる。
次に、図７の第３の実施形態を説明する。第１の実施形態と同じ構成部には同じ符合を用い、その詳細説明は省略する。
【００５１】
収容室４４は、分岐部４８０よりも下流の吐出通路４７上に形成されており、整流器６８が収容室４４に収容されている。
第３の実施形態では、整流器６８を冷却した液冷媒が分岐通路４８へ流入することがないため、オルタネータ４３の冷却効果が第１の実施形態の場合よりも向上する。
【００５２】
本発明では以下のような実施形態も可能である。
○液冷媒通路である分岐通路４８上に整流器６８を配設してもよい。
○送り出し手段を全体ハウジング３５，６９外に配設してもよい。
【００５３】
○ポンプとして、ギヤポンプに代えてロータリー式などの他の形式のポンプを採用してもよい。
前記した実施形態から把握できる技術思想について以下に記載する。
【００５４】
（イ）前記廃熱源は、燃焼機関であり、前記回転電機は、前記燃焼機関の回転出力軸の回転によって発電するオルタネータである請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の廃熱利用装置。
【符号の説明】
【００５５】
１１…廃熱利用装置。１２…廃熱源である燃焼機関としてのエンジン。２０，２１…第１熱交換器である第１ボイラ及び第２ボイラ。２９…第２熱交換器である凝縮器。３５，６９…全体ハウジング。３７…回転電機ハウジングとしての発電機ハウジング。３７Ａ…回転電機ハウジングとしてのモータジェネレータハウジング。４０…駆動軸。４３…回転電機としてのオルタネータ。４３Ａ…回転電機としてのモータジェネレータ。４６…循環冷媒流路の一部である液冷媒通路としての吸入通路。４７…循環冷媒流路の一部である液冷媒通路としての吐出通路。４８…液冷媒通路としての分岐通路。４８０…分岐部。５０…流出通路。６７…ポンプとしてのギヤポンプ。６８…整流器。６８Ａ…インバータ。７２…膨張機。Ｋ…内部空間。
【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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