(57)【要約】【課題】電池モジュール内の特定の素電池が急激に劣化することで、電池モジュールの寿命が短くなる可能性がある。【解決手段】複数の素電池を熱伝導性材料からなるホルダーに収容し、素電池を冷却する冷却媒体を流す冷却経路を備えた電池モジュールであり、収容部と素電池との間には、熱抵抗層が設けられ、その熱抵抗値を冷却媒体の流れ方向に向かって次第に小さくするよう配置する。これにより、電池モジュールに収容される複数の電池の温度差の不均一性を解消する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の素電池が配置されて構成された電池モジュールであって、
前記複数の素電池は、熱伝導性材料からなるホルダーに形成された収容部に収容されており、
前記電池モジュールには、前記素電池を冷却する冷却媒体が流れる冷却経路が備えられており、
前記収容部と当該収容部に収容された素電池との間には、熱抵抗層が設けられており、各々の収容部に設けられる前記熱抵抗層の熱抵抗値が、前記冷却媒体の流れ方向に向かって次第に小さくなるよう配置される電池モジュール。
【請求項２】
前記熱抵抗層は、熱伝導率が０．０２Ｗ／ｍ・Ｋ以上、０．５Ｗ／ｍ・Ｋ以下の材料からなる層を、少なくとも１層含む請求項１に記載の電池モジュール。
【請求項３】
前記熱抵抗層が、空気層である請求項１または２に記載の電池モジュール。
【請求項４】
前記ホルダーは、当該ホルダーの収容部に収容された素電池の表面を２／３以上覆っている請求項１から３の何れか１つに記載の電池モジュール。
【請求項５】
前記冷却媒体の流速は、下流側が上流側よりも大きい請求項１から４の何れか１つに記載の電池モジュール。
【請求項６】
前記ホルダーの熱伝導率は、３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である請求項１から５の何れか１つに記載の電池モジュール。
【請求項７】
前記ホルダーは、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる請求項１から６の何れか１つに記載の電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ホルダー内に収容されている複数の素電池の充放電時における温度差の不均一性を解消した電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、省資源又は省エネルギーの観点から、繰り返し使用できる二次電池を携帯型電子機器又は移動体通信機器等の電源として使用している。また、化石燃料の使用量の削減又は二酸化炭素の排出量の削減等の観点から、このような二次電池を車両又は蓄熱等の電源として使用することが検討されている。
【０００３】
具体的には、二次電池（素電池）を電気的に接続して電池モジュールを構成し、この電池モジュールを車両等の電源として使用することが検討されている。このような電池モジュールは、多数の素電池が内蔵されているため、充放電時には素電池間に温度差が生じる。この温度差が大きい場合、特定の素電池が急激に劣化することで電池モジュールの寿命が短くなる可能性があるため、各々の素電池を効率よく均一に冷却し、充放電時における温度差の不均一性を解消させる必要がある。
【０００４】
一般的な素電池の冷却方法として、例えば空冷方式を挙げることができる。空冷方式では、素電池の表面に冷却風を流すための冷却経路を形成し、素電池の熱を冷却風へ移動させることで、素電池を冷却する。
【０００５】
しかしながら、車両等に用いられる電池モジュールは、ノートパソコン等に代表される民生用途よりも大電流で充放電が行われるため、素電池の発熱量は大きく、また、多くの素電池が搭載されているために、長い冷却経路が必要となる。そのため、冷却経路の上流では冷却風の温度が低く、冷却効率は高いが、下流に向かうに従って、素電池から受取った熱により冷却風の温度が上昇し、冷却効率は低下する。その結果、上流付近に配置される素電池と下流付近に配置される素電池との間に温度差が発生してしまう。
【０００６】
上記のような充放電時の温度の不均一性を解消するために、例えば、特許文献１では、素電池を熱伝導性の筒で覆い、さらに筒の一部に素電池が露出する放熱領域を形成し、その放熱領域の面積を、冷却風の送風方向に向かって次第に大きくする提案がなされている。
【０００７】
また、特許文献２では、冷却経路の上流側の素電池よりも、下流側の素電池に対する冷却効果の方が大きくなるように、例えば素電池を保持するホルダーの長さを、上流側より下流側の方を短くし、下流側の素電池の露出面積を大きくする提案がなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−６６７７３号公報
【特許文献２】特開２０１１−７６８４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このような電池モジュールは、エネルギー密度を高めるために、複数の素電池を密に充填させて収容する必要がある。しかしながら、特許文献１又は２の電池モジュールでは、特に冷却経路の下流側に位置する素電池の露出面積が大きいため、１個の素電池が万一何
らかの異常により発熱した場合、近接する素電池において、その露出部分が、直接熱影響を受けてしまい、異常発熱を誘発する恐れがある。さらに、その発熱が連鎖し、多数の素電池において異常発熱が起こる危険性もある。したがって、安全性の観点からエネルギー密度を高めることが難しかった。
【００１０】
本発明は係る問題点に鑑みてなされたものであり、安全性を維持しつつ、充放電時における素電池の温度差の不均一性を解消することで、長寿命な電池モジュール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】
【００１１】
本発明は、複数の素電池が配置されて構成された電池モジュールであって、前記複数の素電池は、熱伝導性材料からなるホルダーに形成された収容部に収容されており、前記電池モジュールには、前記素電池を冷却する冷却媒体が流れる冷却経路が備えられており、前記収容部と当該収容部に収容された素電池との間には、熱抵抗層が設けられており、各々の収容部に設けられる前記熱抵抗層の熱抵抗値が、前記冷却媒体の流れ方向に向かって次第に小さくなるよう配置されることを特徴とする。
【００１２】
本発明の電池モジュールにおいて、複数の素電池は、熱伝導性材料からなるホルダーに形成された収容部に収容され、収容部とその収容部に収容された素電池との間（以下では「収容部内の隙間」と記す）には、熱抵抗層が設けられている。また、電池モジュールには、冷却媒体を流して素電池を冷却する冷却経路が備えられている。したがって、充放電時に素電池が発熱すると、その熱は収容部内の隙間に設けられた熱抵抗層を伝導して熱伝導性材料からなるホルダーに移動し、その熱を冷却媒体が奪うことによって、素電池は冷却される。
【００１３】
また、本発明の電池モジュールでは、各々の収容部内の隙間に設けられる熱抵抗層は、その熱抵抗値が冷却媒体の流れ方向に向かって次第に小さくなるよう配置される。このような構造によれば、冷却経路の上流側では、熱抵抗値の大きい熱抵抗層が収容部に設けられることによって、素電池からホルダーへの熱移動が抑制され、冷却媒体の温度上昇を抑えることができる。一方、冷却経路の下流側では、上流側との冷却媒体の温度差が少なくなり、また収容部に設けられた熱抵抗層の熱抵抗値が低く、素電池からホルダーへ熱が伝導しやすいため、より素電池を冷却しやすくなる。したがって、上流側に配置される素電池と下流側に配置される素電池との温度差の不均一性を解消することができる。
【００１４】
さらに、本発明の電池モジュールは、熱伝導性材料からなるホルダーの収容部に素電池を収容しているため、素電池はホルダーで覆われている。したがって、１個の素電池が、万一、異常発熱した場合であっても、近傍の素電池がその熱影響を直接受けることがないため、異常発熱が誘発されることなく、安全性が維持される。
【００１５】
ここで、「異常発熱」とは、素電池を通常の充放電させた時の発熱とは異なる発熱であり、例えば素電池において内部短絡または外部短絡が発生した時の発熱である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、安全性を維持しつつ、充放電時における素電池の温度差の不均一性を解消することで、長寿命な電池モジュールを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の電池モジュールに用いられる素電池の縦断面図
【図２】本発明の第１の実施の形態における電池モジュールの横断面図
【図３】本発明の第１の実施の形態における電池モジュールの縦断面図
【図４】第１の実施の形態の変形例１における電池モジュールの縦断面図
【図５】第１の実施の形態の変形例２における電池モジュールの縦断面図
【図６】本発明の電池モジュールに用いられるホルダーの斜視図
【図７】本発明の電池モジュールに用いられるホルダーの変形例を示す斜視図
【図８】本発明の第２の実施の形態における電池モジュールの断面図
【図９】本発明の第２の実施の形態の変形例１における電池モジュールの断面図
【図１０】本発明の第２の実施の形態の変形例２における電池モジュールの断面図
【図１１】本発明の電池モジュールの変形例を示す斜視図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。さらに、他の実施形態との組み合わせも可能である。
【００１９】
（実施の形態１）
図１は、本発明の一実施形態における電池モジュールに使用される素電池１０の構成を示した断面図である。なお、本発明の電池モジュールに使用する素電池１０は、ノート型パソコン等の携帯用電子機器の電源として単体でも使用できる素電池であってもよい。この場合、高性能の汎用電池を、電池モジュールの素電池として使用することができるため、電池モジュールの高性能化、低コスト化をより容易に図ることができる。
【００２０】
本実施形態における素電池１０は、例えばリチウムイオン二次電池であり、図１に示すように、電池ケース７の開口部がガスケット９を介して封口板８で封止されて構成されている。電池ケース７内には、正極板２と負極板１とがセパレータ３を介して捲回されて構成された電極群４が、非水電解質と共に収容されている。正極板２は、正極リード５を介して正極端子を兼ねる封口板８に接続されている。また、負極板１は、負極リード６を介して、負極端子を兼ねる電池ケース７の底部に接続されている。なお、封口板８には、開放部８ａが形成されおり、素電池１０の異常によりガスが発生した場合、その異常ガスは開放部８ａから電池ケース７の外部へ排出される。
【００２１】
図２は、本発明の第１の実施形態における電池モジュール２００の横断面図である。なお、図２では、図面が複雑になることを避けるために、素電池１０についてはその外形のみを記している。以下、図９〜図１１においても同様である。
【００２２】
電池モジュール２００は、素電池１０を収容するホルダー２２、及び冷却経路２５を形成する冷却ダクト２４により構成されている。冷却ダクト２４は、ホルダー２２の側面に設けられており、ファン１００を駆動することで、ホルダー２２と冷却ダクト２４との間に形成された冷却経路２５に冷却風を流すことができる。
【００２３】
また、複数の素電池１０は、アルミニウム等の熱伝導性材料からなるホルダー２２に形成された収容部２２ａに収容されている。各々の収容部２２ａ内では、素電池１０の長手方向は収容部２２ａの長手方向と略平行となっている。
【００２４】
収容部２２ａとその収容部２２ａに収容された素電池１０との間には、それぞれ隙間が存在しており、この隙間には、熱抵抗層２３が設けられている。よって、例えば、充放電時に、電池モジュール２００の素電池１０が発熱すると、その熱は熱抵抗層２３を経由してホルダー２２に移動する。したがって、各々の収容部２２ａに配置する熱抵抗層２３の熱抵抗値を制御することで、素電池１０からホルダー２２へ伝導する熱量を調整することができる。また、ホルダー２２に移動した熱は冷却風により取り除かれ、電池モジュール２００の外部に放出される。
【００２５】
ここで、本発明における熱抵抗層２３は、熱抵抗値が０．１Ｋ／Ｗ以上、４０Ｋ／Ｗ以下であることが好ましい。熱抵抗値が０．１Ｋ／Ｗより低いと、冷却経路２５の上流側において、素電池１０からホルダー２２へ移動する熱量が多くなりすぎるため、上流側と下流側に配置される素電池間の温度差が大きくなる。また熱抵抗値が４０Ｋ／Ｗより大きいと、素電池１０からホルダー２２へ移動する熱量が小さくなりすぎるため、通常の充放電においても、素電池１０の温度が過度に上昇し、素電池１０の寿命が低下する可能性がある。
【００２６】
また、熱抵抗層２３を構成する材料としては、熱伝導率が０．０２Ｗ／ｍ・Ｋ以上、０．５Ｗ／ｍ・Ｋ以下の材料を用いることが好ましく、例えば、ポリ塩化ビニル、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、空気層などが好ましい。
【００２７】
また本発明では、各々の収容部２２ａ内の隙間に設けられる熱抵抗層２３は、その熱抵抗値が冷却風の流れ方向（図２の矢印方向）に向かって次第に小さくなるよう配置される。
【００２８】
このような構成によれば、冷却経路２５の上流側（図２では左側）は、温度上昇が小さく、低温の冷却風が流れるため、ホルダー２２の熱を効率良く除去することができる。したがって、収容部２２ａに配置される熱抵抗層２３の熱抵抗値が大きくても、素電池１０を冷却することができる。また、熱抵抗層２３の熱抵抗値を大きくすることで、素電池１０からホルダー２２へ移動する熱量が抑えられ、冷却風が除去する熱量を低減し、下流側に流れる冷却風の温度上昇を抑えることができる。
【００２９】
一方、下流側（図２では右側）は、熱抵抗層２３の熱抵抗値が小さいため、上流側に配置される素電池１０よりも多くの熱をホルダー２２に移動させることができる。また、上述したように下流側での冷却風の温度上昇が抑えられるため、下流側においてもホルダー２２の熱を効率良く取り去ることができる。
【００３０】
このように、冷却経路２５の下流側においても素電池の冷却が十分に行われることで、電池モジュール全体を均一に冷却することができる。
【００３１】
ここで、熱抵抗層２３の熱抵抗値を冷却媒体の流れ方向に向かって次第に小さくする方法としては、各々の収容部２２ａ内に配置する熱抵抗層２３を、冷却媒体の流れ方向に向かって次第に薄くしてもよく、また熱伝導率の高い材料としてもよい。
【００３２】
図３は、本発明の第１の実施形態における電池モジュール２００の縦断面図である。ホルダー２２の外表面には冷却ダクト２４が配置され、冷却経路２５が形成されている。また、ホルダー２２の内側には熱抵抗層２３が設けられ、素電池１０の側面を覆うよう配置されている。ここで、熱抵抗層２３（熱伝導率λ［Ｗ／ｍ・Ｋ］、熱抵抗層の厚みｄ［ｍ］、伝熱面積Ａ［ｍ２］）の熱抵抗値θ［Ｋ／ｍＷ］は、θ＝ｄ／（λ×Ａ）の式で算出することができる。なお、熱伝導率λは熱抵抗層２３に用いられる材料における固有の値である。また、伝熱面積Ａは素電池１０と熱抵抗層２３との接触面積である。
【００３３】
図４は、第１の実施の形態の変形例１における電池モジュール２００の縦断面図である。熱抵抗層２３は単一の材料からなる層である必要はなく、図４のように複数の層が積層してなる構造であっても良い。
【００３４】
なお、図４に示すように、第１の熱抵抗層２３ａ（熱伝導率λａ［Ｗ／ｍ・Ｋ］、熱抵抗層の厚みｄａ［ｍ］、伝熱面積Ａａ［ｍ２］）と、第２の熱抵抗層２３ｂ（熱伝導率λ
ｂ［Ｗ／ｍ・Ｋ］、熱抵抗層の厚みｄｂ［ｍ］、伝熱面積Ａｂ［ｍ２］）が積層して配置された熱抵抗層２３の熱抵抗値θ［Ｋ／ｍＷ］は、第１の熱抵抗層２３ａの熱抵抗値θａと第２の熱抵抗層２３ｂの熱抵抗値θｂを用い、以下の関係式から導き出すことができる。
θ＝θａ＋θｂ＝｛ｄａ／（λａ×Ａａ）｝＋｛ｄｂ／（λｂ×Ａｂ）｝
図５は、第１の実施の形態の変形例２における電池モジュール２００の縦断面図である。図５に示したように、熱抵抗層２３は複数の層が素電池１０の長手方向に並列して配置される構造としてもよい。
【００３５】
なお、図５に示すように、第１の熱抵抗層２３ａ（熱伝導率λａ［Ｗ／ｍ・Ｋ］、熱抵抗層の厚みｄａ［ｍ］、伝熱面積Ａａ［ｍ２］）と、第２の熱抵抗層２３ｂ（（熱伝導率λｂ［Ｗ／ｍ・Ｋ］、熱抵抗層の厚みｄｂ［ｍ］、伝熱面積Ａｂ［ｍ２］）が並列して配置された熱抵抗層２３の熱抵抗値θ［Ｋ／ｍＷ］は、第１の熱抵抗層２３ａの熱抵抗値θａと第２の熱抵抗層２３ｂの熱抵抗値θｂを用い、以下の関係式から導き出すことができる。
１／θ＝１／θａ＋１／θｂ＝｛（λａ×Ａａ）／ｄａ｝＋｛（λｂ×Ａｂ）／ｄｂ｝
上記図４、図５に示したように、複数の層によって熱抵抗層２３を構成した場合は、熱抵抗値の調整が容易になる。また、１層を空気層とすることで、電池モジュールの小型化が可能となる。これは、空気層は熱伝導率が極めて低いため、薄い層でも高い熱抵抗値が得られるからである。また、空気層を用いることで、熱抵抗層を構成する材料の使用量を低減できるため、コストの面でも有利となる。
【００３６】
本発明では、収容部２２ａに配置される熱抵抗層２３において、その熱抵抗値が冷却風の流れ方向に向かって次第に小さくなるように設置されるが、その熱抵抗値の変化の割合は冷却風の風量や冷却経路の長さによって適宜調整することができる。
【００３７】
例えば、風量が多い場合や冷却経路を短くした場合は、冷却風は、上流側と下流側とで温度差が小さくなるため、熱抵抗値の変化の割合も小さくことが好ましい。これに対し、風量が少ない場合や冷却経路を長くした場合は、冷却風は、上流側と下流側とで温度差が大きくなるため、熱抵抗値の変化の割合も大きくする方が好ましい。
【００３８】
また、収容部２２ａに配置される熱抵抗層は、冷却風の流れ方向に沿って各々の収容部ごとに、熱抵抗値を変化させるように熱抵抗層を配置しても良いし、複数個の素電池ごと（例えば、素電池５個ごと）に熱抵抗値を次第に小さくするように配置しても良い。例えば、ホルダー２２の材料として熱伝導性の高いアルミニウムを用いた場合、ホルダー２２内の近傍の素電池１０同士は均熱化される。よって、必ずしも素電池１０ごとに熱抵抗値を変化させなくても、温度差の不均一性を解消することができる。
【００３９】
なお、本発明において、「熱伝導性材料からなるホルダー」は、ホルダー全体の熱伝導率が所定値（例えば３０Ｗ／ｍ・Ｋ）以上であれば良い。したがって、ホルダーの材料は、アルミニウム、アルミニウム合金等の金属でもよく、熱伝導率の高い材料（例えばカーボン）を含有するプラスチックや、炭素繊維からなっても良い。なかでも、アルミニウムやアルミニウム合金は高い熱伝導性を有しているため、ホルダー２２内に収容されている素電池１０の熱を外部へ伝導させやく、しかも軽量であるため、電池モジュールの軽量化を達成することができる。
【００４０】
また、ホルダー２２は、図６に示すように、１つの基材に複数の収容部２２ａを設けた形状でも良く、図７に示すように、複数の筒状のホルダー同士を接合した形状でも良い。複数の筒状のホルダー同士を接合させる手段には、ロウ付け、はんだ付け、溶接、接着剤固定、押圧による固定等が挙げられる。
【００４１】
また、ホルダー２２は、素電池１０の表面の２／３以上を覆っていることが好ましい。そうすることで、ある素電池が異常発熱した際に、近傍の素電池がその熱の影響を直接受けることにより、異常発熱が誘発されることを防ぐことができる。また、ホルダー２２は、少なくとも素電池１０の長手方向の中央部を覆うように構成することが好ましい。充放電において、素電池１０は、特にその中央部の温度が高くなる。したがって、少なくとも中央部を覆うように構成することで、より温度差の不均一性を解消しやすくなる。
【００４２】
（実施の形態２）
図８は、本発明の第２の実施形態における電池モジュール３００の断面図である。本実施形態の電池モジュール３００においても、複数の素電池１０は、ホルダー２２に形成された収容部２２ａに収容されており、収容部内の隙間には、熱抵抗層２３が設けられている。また、ホルダー２２の側面には冷却ダクト２４が設けられており、ファン１００を駆動することで、ホルダー２２と冷却ダクト２４との間に形成された冷却経路２５に冷却風を流すことができる。ここで、本実施形態の電池モジュール３００では、冷却ダクト２４とホルダー２２との間に整流板２６が備えられている。そして、その整流板２６によって下流側に向かって冷却経路２５が除々に狭められている。換言すると、冷却経路２５の断面積が下流側に向かって次第に減少している。このような構成にすることで、下流側で冷却風の風速を大きくすることができるため、冷却効率が大きくなり、素電池１０間の温度差の不均一性を、より効果的に解消することができる。
【００４３】
図９は、第２の実施の形態の変形例１における電池モジュール３００の断面図である。整流板２６は、必ずしも図８のように冷却経路２５の全範囲に設ける必要はなく、図９に示すように、下流側にのみ設けてもよい。
【００４４】
また、図１０は、第２の実施の形態の変形例２における電池モジュールの断面図である。冷却経路２５の断面積は、必ずしも図８や図９のように連続的に減少させる必要はなく、図１０に示すように、不連続に減少させてもよい。
【００４５】
以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、もちろん、種々の改変が可能である。
【００４６】
上記実施形態においては、素電池１０を円筒のリチウムイオン二次電池としたが、これ以外の二次電池（例えばニッケル水素電池）であってもよく、また角型であってもよい。
【００４７】
なお、本発明において、複数の素電池は、ホルダー内において、一列に配置されても良いし、二次元的に配置されていても良い。また、複数の素電池を二次元的に配置するときは、格子状に配列しても良いし、千鳥状に配列しても良い。特に、千鳥状に配置すれば、電池モジュール内において素電池の配置されていないデッドスペースを低減できるため、電池モジュールの体積増加を抑制できる。
【００４８】
また、複数の素電池は、ホルダー内において直列接続されていても良いし、並列接続されていても良い。また、複数の素電池を互いに電気的に接続するための構成は、特に限定されない。
【００４９】
また、ホルダーの収容部に配置される熱抵抗層は、ホルダーと素電池の隙間の全体に形成する必要はなく、例えば素電池の長手方向において、両端部のみに形成してもよい。
【００５０】
また、電池モジュールを構成するホルダーは、１個でもよく複数個であってもよい。また、複数個のホルダーで構成する場合は、図１１に示したように、冷却ダクトを用いずに
対向するホルダーの側面により冷却経路を形成してもよい。また、ホルダーは、樹脂ケースや金属ケースに収容されていてもよい。その場合、ホルダーは樹脂ケースや金属ケースを介して冷却されることになるが、その場合でも、ホルダーの熱伝導率を高くすることで同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
以上説明したように、本発明は例えば車両用電源または蓄エネルギーシステム電源等に有用である。
【符号の説明】
【００５２】
１      負極板
２      正極板
３      セパレータ
４      電極群
５      正極リード
６      負極リード
７      電池ケース
８      正極端子（封口板）
８ａ    開放部
９      ガスケット
１０    素電池
２２    ホルダー
２２ａ  収容部
２３    熱抵抗層
２３ａ  第１の熱抵抗層
２３ｂ  第２の熱抵抗層
２４    冷却ダクト
２５    冷却経路
２６    整流板
１００    ファン
２００、３００    電池モジュール
【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】
2013077432.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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