(57)【要約】【課題】排気ガス浄化性能の低下を抑えながら担体基材に担持される貴金属の量を低下することのできる排気ガス浄化用触媒を提供する。【解決手段】上流部６における温度と浄化率との関係を表す実線１０よりも右側に、下流部７に担持される貴金属の量を変化させたときの下流部７における温度と浄化率との関係を表す破線１１，１２，１３が描かれている。破線１１よりも破線１２のほうが下流部７に担持される貴金属の量は少なく、破線１２よりも破線１３のほうが下流部７に担持される貴金属の量は少ない。上流部６に流入する排気ガスの温度を１６８℃とし、排気ガスが上流部６を流通する間に浄化反応によって排気ガスの温度がΔＴ℃だけ上昇するものとすると、（１６８＋ΔＴ）℃で、下流部７での浄化率が飽和するのは破線１１及び１２の場合であり、少なくとも破線１２の場合の貴金属の量が下流部７に担持されていればよい。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
担体基材と、該担体基材の表面に形成されたコート層と、該コート層に担持された貴金属とを備える排気ガス浄化用触媒であって、
排気ガスの流れる方向に対して前記担体基材の上流側にある上流部に担持された貴金属の量は、排気ガスの流れる方向に対して前記担体基材の下流側にある下流部に担持された貴金属の量よりも多く、前記上流部及び前記下流部のそれぞれに担持される貴金属は同一であり、
前記下流部に担持される貴金属は、前記下流部に流入する排気ガスの温度で、前記下流部における排気ガスの浄化率が飽和するのに必要な量以上であり、
前記温度は、１６８℃で前記上流部に流入した排気ガスが前記上流部から流出したときの温度である、排気ガス浄化用触媒。
【請求項２】
酸化触媒である、請求項１に記載の排気ガス浄化用触媒。
【請求項３】
排気ガスの流れる方向に対して、前記下流部の長さが前記上流部の長さの１〜４倍としたときに、前記下流部に担持される貴金属の量は、前記上流部に担持される貴金属の量の０．７５倍以上である、請求項１または２に記載の排気ガス浄化用触媒。
【請求項４】
前記下流部に担持される貴金属の量は、前記上流部に担持される貴金属の量の０．８倍以下である、請求項３に記載の排気ガス浄化用触媒。
【請求項５】
前記上流部の長さは１０ｍｍ以上である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の排気ガス浄化用触媒。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、排気ガス浄化用触媒に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンから排出される排気ガス中には、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）等の汚染物質が含まれている。これらを水、二酸化炭素（ＣＯ２）、窒素（Ｎ２）等に浄化して大気中に排出するために、排気ガスが流通する排気管には、触媒装置が設けられている。これらの汚染物質を浄化する触媒成分には、白金（Ｐｔ）やパラジウム（Ｐｄ）等の貴金属が一般的に使用されている。大気汚染防止の観点から、昨今の規制の強化に伴い、触媒装置に使用される貴金属の量を増加する必要性が高まっているが、貴金属は非常に高価であるため、触媒装置のコストの上昇が問題となっている。
【０００３】
担体基材に担持する貴金属の量を低下することを目的としたものではないが、担体基材の上流側の部分よりも下流側の部分の方に担持される貴金属の量を少なくした排気ガス浄化用触媒が特許文献１に記載されている。この排気ガス浄化用触媒では、担体基材の上流側の部分に担持される貴金属の量が、担体基材全体に担持される貴金属の量の８０％以下となることが好ましいとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−２０２１０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の排気ガス浄化用触媒は、担体基材に担持される貴金属の量を低下することを目的とした発明ではないので、担体基材の上流側の部分に担持される貴金属の量と下流側の部分に担持される貴金属の量とを異なるようにしても、必ずしも担体基材全体に担持される貴金属の量が低下するものではない。仮に、上流側の部分に担持される貴金属の量を全担持量の８０％とし、下流側の部分に担持される貴金属の量を全担持量の２０％とすることで全担持量を低下しようとすれば、触媒装置全体の排気ガス浄化性能が低下してしまう可能性を否定できない。
【０００６】
この発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、排気ガス浄化性能の低下を抑えながら担体基材に担持される貴金属の量を低下することのできる排気ガス浄化用触媒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】
この発明に係る排気ガス浄化用触媒は、担体基材と、担体基材の表面に形成されたコート層と、コート層に担持された貴金属とを備える排気ガス浄化用触媒であって、排気ガスの流れる方向に対して担体基材の上流側にある上流部に担持された貴金属の量は、排気ガスの流れる方向に対して担体基材の下流側にある下流部に担持された貴金属の量よりも多く、上流部及び下流部のそれぞれに担持される貴金属は同一であり、下流部に担持される貴金属は、下流部に流入する排気ガスの温度で、下流部における排気ガスの浄化率が飽和するのに必要な量以上であり、下流部に流入する排気ガスの温度は、１６８℃で上流部に流入した排気ガスが上流部から流出したときの温度である。下流部に担持された貴金属の量を、上流部に担持された貴金属の量より少なくしても、下流部に流入する排気ガスの温度で、下流部における排気ガスの浄化率が飽和するのに必要な量以上にすることにより、上流部に担持された貴金属による排気ガスの浄化反応の反応熱によって、下流部に流入する排気ガスの温度は、下流部での浄化率が飽和状態となる温度以上となる。
ここで浄化率は温度が高いほど上がるが、ある温度以上になるとそれ以上浄化率が上がらなくなる。本発明において飽和状態とは、その触媒において十分に温度が高い状態での排気ガスの浄化率を１００とした場合の９０以上の状態とする。浄化率は浄化目的のガス成分の浄化率でよく、例えば自動車エンジンの酸化触媒であれば、ＨＣ、ＣＯのうち少なくとも一方である。
排気ガス浄化用触媒は酸化触媒であってもよい。
排気ガスの流れる方向に対して、下流部の長さが上流部の長さの１〜４倍としたときに、下流部に担持される貴金属の量は、上流部に担持される貴金属の量の０．７５倍以上であってもよい。
下流部に担持される貴金属の量は、上流部に担持される貴金属の量の０．８倍以下であってもよい。
上流部の長さは１０ｍｍ以上であってもよい。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、下流部に担持された貴金属の量を、上流部に担持された貴金属の量より少なくしても、下流部に流入する排気ガスの温度で、下流部における排気ガスの浄化率が飽和するのに必要な量以上にすることにより、上流部に担持された貴金属による排気ガスの浄化反応の反応熱によって、下流部に流入する排気ガスの温度は、下流部での浄化率が飽和状態となる温度以上となるので、排気ガス浄化性能の低下を抑えながら担持される貴金属の量を低下することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】この発明の実施の形態に係る排気ガス浄化用触媒を備えた排気ガス浄化装置の構成模式図である。
【図２】この実施の形態に係る排気ガス浄化用触媒の担体基材の断面図である。
【図３】この実施の形態に係る排気ガス浄化用触媒における温度と浄化率との関係を表す模式図である。
【図４】この実施の形態に係る排気ガス浄化用触媒の下流部に担持される貴金属の量を決定する手順を視覚化した、温度と浄化率との関係を表す模式図である。
【図５】この実施の形態に係る排気ガス浄化用触媒のＨＣ浄化率及びＣＯ浄化率の評価実験中の排気ガスの温度の推移を示すグラフである。
【図６】この実施の形態に係る排気ガス浄化用触媒のＨＣ浄化率の評価結果を示すグラフである。
【図７】この実施の形態に係る排気ガス浄化用触媒のＣＯ浄化率の評価結果を示すグラフである。
【図８】この実施の形態に係る実施例１の排気ガス浄化用触媒における温度とＨＣ浄化率との関係を示すグラフである。
【図９】この実施の形態に係る実施例１の排気ガス浄化用触媒における温度とＣＯ浄化率との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に示されるように、内燃機関であるディーゼルエンジン１から排出された排気ガスが流れる排気管２に、酸化触媒３が設けられている。酸化触媒３は、ケース４と、ケース４の内部に設けられた多孔質性の材質からなるフロースルー型（ハニカム担体）の担体基材５とを有している。担体基材５の材質としては、コージェライト、アルミナ、炭化珪素、ステンレス等の金属箔等の、通常のハニカム基材として用いられるセラミックス材料やメタル材料等が利用できる。また、担体基材５は、排気ガスの流れる方向に対して上流側の部分である上流部６と、排気ガスの流れる方向に対して下流側の部分である下流部７との２つの領域を有している。上流部６及び下流部７の長さの比は１：１である。
【００１１】
図２に示されるように、担体基材５の表面５ａには、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）からなるコート層８が塗布されており、コート層８には、触媒活性成分である貴金属のＰｔ及びＰｄが担持されている。下流部７（図１参照）に担持されている貴金属の量は、上流部６（図１参照）に担持されている貴金属の量の０．７５倍となっている。これにより、上流部６へ担持された貴金属の量と同じ量で担体基材５の全体に貴金属を担持した場合に比べて、担体基材５全体に担持される貴金属の量が減少することになる。尚、上流部６及び下流部７のそれぞれに担持される貴金属は同一（同じ組成のＰｔ及びＰｄ）であり、担体基材の単位体積当たりの担持量のみが異なっている。ここで、コート層８の材質は、チタニア（ＴｉＯ２）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、セリア（ＣｅＯ２）の混合物等、貴金属成分を担持する任意の担体であってもよい。また、貴金属として、Ｐｔのみ又はＰｄのみであってもよく、あるいは他の貴金属であるロジウム（Ｒｈ)やイリジウム（Ｉｒ）、銀（Ａｇ)、金（Ａｕ)、ルテニウム（Ｒｕ)、遷移金属である銅（Ｃｕ)、鉄（Ｆｅ)、ハフニウム（Ｈｆ)、タングステン（Ｗ）、バナジウム（Ｖ）、ランタン（Ｌａ)及びこれらの混合物であってもよい。
【００１２】
次に、この実施の形態に係る排気ガス浄化用触媒を備えた排気ガス浄化装置の動作について説明する。
図１に示されるように、ディーゼルエンジン１から排出された排気ガスは、排気管２を流通する。排気ガスが酸化触媒３に流入すると、上流部６において、コート層８に担持されたＰｔ及びＰｄによって排気ガス中のＨＣ及びＣＯが酸化されて水及びＣＯ２となる（以下、浄化反応という）。この浄化反応による反応熱によって排気ガスの温度が上昇し、排気ガスは下流部７に流入する。下流部７においても同じ浄化反応によってＨＣ及びＣＯが酸化されて、酸化触媒３から排気ガスが流出し、排気管２を流通した後、大気中へ排出される。
【００１３】
一般に、上流部６及び下流部７における浄化反応の温度と浄化率（ＨＣ／ＣＯが酸化される割合）との関係を模式的に表すと、図３のようになる。上流部６及び下流部７においても、温度が低いときにはほとんど浄化反応が進行せず、浄化率も０に近いが、ある温度（上流部６では温度Ｔ０とし、下流部７では温度ｔ０とする）以上になると、浄化反応が進行し始め、温度の上昇に伴って浄化率が急上昇する。そして、またある温度（上流部６では温度Ｔ１（＞Ｔ０）とし、下流部７では温度ｔ１（＞ｔ０）とする）以上になると、浄化率がほぼ一定となり飽和する。上流部６及び下流部７における温度と浄化率との関係は、ほぼ同じようなカーブを描くものの、上流部６に担持された貴金属の量が下流部７に担持された貴金属の量よりも多いことから、同じ温度でも浄化率が大きくなるため、上流部６のカーブは下流部７のカーブよりも左側となる。また、浄化率が急上昇し始める温度及び浄化率が飽和する温度についても、上流部６は下流部７の左側となる。すなわち、担持される貴金属の量が少なくなるほど、温度と浄化率との関係を示すカーブは右方向にシフトすることになる。
【００１４】
例えば、温度Ｔ１の排気ガスが上流部６に流入したとすると、上述したように、上流部６における浄化反応の反応熱により、排気ガスの温度が上昇する。上流部６から流出し下流部７へ流入する排気ガスの温度が温度ｔ１まで上昇していれば、上流部６で飽和した浄化率が得られると共に下流部７でも飽和した浄化率を得られるので、下流部７に担持された貴金属の量を上流部６に担持された貴金属の量よりも減少させたことに伴う下流部７での浄化率の低下を防ぐことができる。言い換えれば、下流部７に流入する排気ガスの温度で下流部７での浄化率が飽和するような貴金属の量まで、下流部７に担持される貴金属の量を低下しても、下流部７での浄化率の低下を防ぐことができる。
【００１５】
しかしながら、下流部７に流入する排気ガスの温度は、上流部６に流入する排気ガスの温度や上流部６に担持される貴金属の量に依存するため、これらを考慮しなければ、下流部７に担持される貴金属の量の範囲を決定することができない。そこで、上流部６に流入する排気ガスの温度を、通常の排気ガスの温度の範囲内である１６８℃に特定すると共に、上流部６に担持される貴金属の量を、任意の量に特定する。これにより、上流部６に担持される貴金属の量に応じた、上流部６から流出する排気ガスの温度すなわち下流部７に流入する排気ガスの温度が決定される。そして、この温度で排気ガスが下流部７に流入したときに、下流部７での浄化率が飽和するような貴金属の量を、下流部７に担持される貴金属の量の下限とする。従って、下流部７に担持される貴金属の量を決定するためには、上流部６に担持される貴金属の量を予め決定し、この条件で１６８℃の排気ガスが上流部６に流入した後の下流部７に流入する排気ガスの温度を推定することにより、下流部７に担持される貴金属の量を、この推定された温度のときに下流部７での浄化率が飽和するのに必要な量以上とすることができる。
【００１６】
下流部７に担持される貴金属の量を決定するためのこのような手順を図４に視覚的に表す。上流部６における温度と浄化率との関係が実線１０で描かれている。この実線よりも右側に、下流部７に担持される貴金属の量を変化させたときの下流部７における温度と浄化率との関係が、例示的に破線１１，１２，１３で描かれている。すなわち、破線１１よりも破線１２のほうが下流部７に担持される貴金属の量は少なく、破線１２よりも破線１３のほうが下流部７に担持される貴金属の量は少ない。そして、上流部６に流入する排気ガスの温度を１６８℃とし、排気ガスが上流部６を流通する間に浄化反応によって排気ガスの温度がΔＴ℃だけ上昇するものとすると、下流部７に流入する排気ガスの温度は（１６８＋ΔＴ）℃となる。この温度で、下流部７での浄化率が飽和するのは破線１１及び１２の場合であり、少なくとも破線１２の場合の貴金属の量が下流部７に担持されていれば、下流部７での浄化率の低下を防ぐことができる。
【００１７】
このように、下流部７に担持された貴金属の量を、上流部６に担持された貴金属の量より少なくしても、下流部７に流入する排気ガスの温度で、下流部７における排気ガスの浄化率が飽和するのに必要な量以上にすることにより、上流部６に担持された貴金属による排気ガスの浄化反応の反応熱によって、下流部７に流入する排気ガスの温度は、下流部７での浄化率が飽和状態となる温度以上となるので、排気ガス浄化性能の低下を抑えながら担持される貴金属の量を低下することができる。
【００１８】
この実施の形態では、担体基材はフロースルー型であったが、この形態に限定するものではなく、ウォールフロー型であってもよい。また、担体基材５の表面５ａに塗布されたコート層８は１層であることに限定するものではなく、同一の担体あるいは異なる担体からなる２層以上にすることもできる。さらに、この実施の形態では、担体基材５は、上流部６及び下流部７が一体化されていたが、この形態に限定するものではなく、上流部と下流部とが別体となっていてもよい。
【００１９】
この実施の形態では、上流部６及び下流部７の長さの比は１：１であったが、この形態に限定するものではない。当該長さの比についての本願発明の範囲は、後述する実施例において明らかとなる。また、この実施の形態では、上流部６及び下流部７の長さの絶対値については記載しなかったが、上流部６の長さは少なくとも１０ｍｍは必要である。排気ガスが担体基材５の内部に流入する際、担体基材５の端面において乱流が発生する。この乱流が発生する範囲は一般的に、端面から約１０ｍｍ程度であることが知られている。乱流が発生すると浄化率の向上に寄与し、この範囲で貴金属の量が多ければ、浄化率の向上に大きく寄与することとなる。このため、担持された貴金属の量の多い上流部６の長さは１０ｍｍ以上であることが好ましい。
【００２０】
この実施の形態では、酸化触媒３を例にして説明したが、酸化触媒に限定するものではない。三元触媒、ＤＰＦ触媒、ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）触媒、ＡＳＣ（Ammonia Slip Catalyst）触媒、ＳＣＲ／ＤＰＦ一体触媒でも同様に、下流部に担持される貴金属の量を上流部に担持される貴金属の量よりも少なくすることもできる。これらの触媒を用いた場合には、「浄化反応」は、それぞれの触媒によって引き起こされる化学反応に相当することとなる。
【実施例】
【００２１】
次に、この発明の排気ガス浄化用触媒の効果を実施例で説明する。
表１には、この発明に係る排気ガス浄化用触媒である実施例１と比較例１〜３に係る排気ガス浄化用触媒とについて、貴金属及びコート層（担体）の組成と、上流部及び下流部のそれぞれに担持される貴金属の質量と、上流部に担持される貴金属の質量に対する下流部に担持される貴金属の質量の割合と、フロースルー型の担体基材全体に担持される貴金属の質量とが示されている。尚、実施例１及び比較例１〜３のそれぞれに係る排気ガス浄化用触媒が担持される担体基材の容積は１．１リットルであり、上流部及び下流部の長さはともに６５ｍｍである。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
担体基材に実施例１及び比較例１〜３のそれぞれに係る排気ガス浄化用触媒を担持したものを、図１に示された排気ガス浄化装置の酸化触媒３として用い、排気ガスの浄化率、特に、排気ガス中のＨＣ及びＣＯの浄化率を評価した。評価中のディーゼルエンジン１の回転数は１６００ｒｐｍであり、トルクを２０〜１００Ｎｍに変化させた。これはＥＣモードのうちのＵＤＣモードでの２〜４サイクルを模擬したエンジン制御である。このエンジン動作により排気ガスは成り行きで、排気ガスの平均流速は１３ｇ／秒、酸化触媒３に流入する排気ガス中の平均ＨＣ濃度は２６４ｐｐｍ、酸化触媒３に流入する排気ガス中の平均ＣＯ濃度は７７２ｐｐｍであった。図５に示すＵＤＣモードの２〜４サイクルの区間においてＨＣ及びＣＯの浄化率を測定した。また、上流部６の前端と、上流部６と下流部７との境界部分とに熱電対を設置し、排気ガスの入口温度と境界部分での温度とを測定した。ＨＣ及びＣＯの浄化率の評価中の排気ガスの温度（酸化触媒３に流入する前の排気ガスの温度）の推移を図５に示す。縦軸の排気ガスの温度は排気ガス浄化用触媒入口における排気ガスの入口温度である。
【００２４】
このような評価方法によって得られた実施例１及び比較例１〜３のそれぞれに係る排気ガス浄化用触媒の入口温度が１７２℃でのＨＣの平均浄化率の結果を図６に示し、ＣＯの平均浄化率の結果を図７に示す。実施例１は、下流部７に担持された貴金属の質量を上流部６に担持された貴金属の質量に対して２５％低減したもの、すなわち上流部６に担持される貴金属の質量の０．７５倍であるが、実施例１のＨＣ浄化率及びＣＯ浄化率はいずれも、上流部６及び下流部７のそれぞれに担持された貴金属の質量が同じ比較例１とほぼ同等であった。これに対し、比較例１に対し、下流部７に担持された貴金属の質量を上流部６に担持された貴金属の質量に対して５０％及び７５％低減した比較例２及び３については、これらの浄化率及びＣＯ浄化率はいずれも、実施例１及び比較例１よりも低下した。この結果から、下流部７に担持する貴金属の質量を上流部６に担持された貴金属の質量よりも２５％以下の範囲で低減したとしても、上流部６及び下流部７の全体から得られるＨＣ浄化率及びＣＯ浄化率は低下しないことが分かった。すなわち、この範囲内では、上流部６における浄化反応で発生する反応熱による排気ガスの温度の上昇が下流部７における浄化反応を促進することによって、下流部７に担持された貴金属の質量の低下を埋め合わせることができるものと考えられる。また、上流部６と下流部７との境界部分の温度は実施例１、比較例１〜３のいずれも、排気ガス浄化用触媒入口における排気ガスの入口温度より４℃高かった。つまりΔＴが４℃であった。
【００２５】
ここで実施例１の結果について検討する。図８及び９に、上記実験とおなじ条件で、３．３（ｇ）の貴金属が担持された上流部６及び２．４８（ｇ）の貴金属が担持された下流部７それぞれの入口における温度（入口温度）とＨＣ及びＣＯの浄化率との関係の推定値を示す。実験から、上流部６と下流部７との境界の温度は、上流部６の入口における温度より４℃高くなることが判っている。従って、上流部６の入口における温度が１６８℃の排気ガスは、境界部分すなわち下流部７へ流入する際は１７２℃である。ここで、図８及び９から、１７２℃での下流部７の触媒の浄化率は飽和していることがわかる。このように、上流部６の出口（境界部分）で上流部６の触媒により排気ガスの温度が上昇し、下流部７にはその温度で浄化率が飽和するのに必要な量だけ貴金属が担持されるため、浄化率の低下を防ぐことが出来た。
【００２６】
次に、この発明に係る排気ガス浄化用触媒である実施例２及び３に係る触媒について、貴金属及びコート層（担体）の組成と、上流部及び下流部のそれぞれに担持される貴金属の質量と、上流部に担持される貴金属の質量に対する下流部に担持される貴金属の質量の割合と、担体基材全体に担持される貴金属の質量とを表２に示す。尚、実施例２及３のそれぞれに係る排気ガス浄化用触媒が担持される担体基材について、その容積と、上流部及び下流部の長さと、上流部の長さと下流部の長さとの比とを表３に示す。
【００２７】
【表２】
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【００２８】
【表３】
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【００２９】
実施例２及び３に係る排気ガス浄化用触媒についても、実施例１及び比較例１〜３に係る排気ガス浄化用触媒と同様の方法で、排気ガス中のＨＣ及びＣＯの浄化率の評価を行った。排気ガス浄化用触媒入口における排気ガスの入口温度が１６８℃、１６９℃、１７５℃でのＨＣ及びＣＯの平均浄化率の結果を表４に示す。
【００３０】
【表４】
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【００３１】
実施例２及び３については両者ともほぼ同等のＨＣ及びＣＯの浄化率が得られた。このことから、上流部の長さと下流部の長さとの比は、実施例２の１：１から実施例３の１：４までの範囲であれば、上流部及び下流部の全体から得られるＨＣ浄化率及びＣＯ浄化率に影響がないことが分かった。また、下流部７に担持された貴金属の質量を上流部６に担持された貴金属の質量に対して２５％低減した実施例２から２０％低減した実施例３（すなわち上流部６に担持される貴金属の質量の０．８倍）の範囲であれば、上流部及び下流部の全体から得られるＨＣ浄化率及びＣＯ浄化率に影響がないことが分かった。貴金属の質量も上流部、下流部を均一にした場合、２．６（ｇ）であるが、実施例２においては０．３２（ｇ）、実施例３においては０．２６（ｇ）低減できた。
【符号の説明】
【００３２】
３  酸化触媒、５  担体基材、６  上流部、７  下流部、８  コート層。
【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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