(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
同心に配置された内筒(1) および外筒(2) と、
その内外筒(1) (2) 間に配置され、渦巻き状に巻回された一以上のセル(3) と、を具備し、
夫々のセル(3) は、互いに接触する一対の第１プレート(4) と第２プレート(5) とを有し、
その一対の第１プレート(4) ，第２プレート(5) には、前記内筒(1) の軸線方向の両端部で、その周方向に互いに離間した複数の入口(6) および出口(7) が、両プレート(4) (5) の対向方向に形成された凹陥部(8) 内に整合して設けられ、
各第１プレート(4) ，第２プレート(5) の周方向に隣合う入口(6) どうしの間および出口(7) どうしの間には夫々浅い溝状の連通部(9) が設けられ、
各セル(3) 自体の一対の第１プレート(4) ，第２プレート(5) の対向面の各プレートの内面側には、第１流体(10a) 流通用の第１流路(10)が前記軸線方向に向かって形成され、非対向面側には第２流体(11a) 流通用の第２流路(11)が入口(6) から出口(7) に前記軸線方向に向かって形成され、
半径方向に隣接するセル(3) (3a)どうしは、一方のセル(3) の第２プレート(5) と他方のセル(3a)の第１プレート(4a)とが前記軸線方向の両縁で接触すると共に、夫々の前記凹陥部(8) が対向して前記第２流体(11a) の流出入用の小タンク部を構成し、
前記各セル(3) の一対の第１プレート(4) ，第２プレート(5) の前記入口(6) と出口(7) の間は、各プレートが波形(15)(16)に曲折され且つ、その稜線が前記軸線に対して傾斜して配置され、第１プレート(4) の波形(15)の稜線と第２プレート(5) の波形(16)の稜線は、互いに交差するように配置され、
前記第１プレート(4) および第２プレート(5) の前記連通部(9) は、各プレートが半波形(17)(18)に曲折され且つ、その稜線が前記軸線に対して傾斜して配置され、第１プレート(4) の半波形(17)の稜線と第２プレート(5) の半波形(18)の稜線は、互いに交差するように配置された円筒型熱交換器。
【請求項２】
請求項１において、
前記外筒(2) の外周には、前記各セル(3) の入口(6) および出口(7) に連通する第２流体(11a) の流出入用の複数の開口(13)が設けられた円筒型熱交換器。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、
夫々のセル(3) の一対の第１プレート(4) ，第２プレート(5) は、その入口(6) どうしおよび出口(7) どうしで溶接固定され、隣接するセル(3) (3a)どうしは、前記軸線方向の両縁で一方のセル(3) の第２プレート(5) と他方のセル(3a)の第１プレート(4a)とが溶接固定され、他の部分では各プレートどうしが殆ど接合されていない円筒型熱交換器。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれかにおいて、
複数のセル(3) (3a)の夫々の巻回方向の端(14)が、互いに前記内筒(1) の外周方向に離間して、その内筒(1) の外周に接合された円筒型熱交換器。
【請求項５】
請求項４において、
前記セル(3) の熱膨張・収縮に基づき、前記内筒(1) が外筒(2) に対して周方向に相対回動可能にされた円筒型熱交換器。
【請求項６】
請求項２において、
前記第１流体(10a) が高温側気体で、第２流体(11a) が低温側気体であり、その第２流体(11a) が外筒(2) の外周を取り囲み、その外筒(2) の外周の開口(13)から各セル(3) 内に導かれるように構成された円筒型熱交換器。
【請求項７】
請求項６において、
前記第２流体(11a) の内圧が前記第１流体(10a) より大である円筒型熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン用レキュペレータ（高温再生熱交換器）その他として使用される熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のガスタービン用レキュペレータは、一例として図２０の如く形成されていた。図１９はそのレキュペレータのエレメント23の平面図であり、図２０は多数のそのエレメント23を積層してなるレキュペレータの縦断面略図である。
このレキュペレータのエレメント23は、夫々両端に入口６，出口７が穿設され、その孔縁部に膨出部26が設けられた一対のステンレス鋼板のプレス成形体よりなる皿状のプレート24，25を逆向きに重ね合わせたものであり、そのエレメント23を多数積層して夫々の入口６，出口７を連通させたものである。そしてその積層方向の上下両端に厚肉の補強プレート27，28を配置し、一方の補強プレート27には入口６，出口７に連通する一対の開口13を設けている。各プレート24，25の内外面には、夫々高温に耐えるろう材が配置されたものが用いられている。
【０００３】
このような各部品を組立てた状態で、全体を高温の炉内に挿入してろう材を溶融し、次いでそれを冷却固化することにより、各部品間を一体的にろう付け固定したものである。そして第２流体11ａが補強プレート27の開口13から各エレメント23の入口６内に導かれ、夫々エレメント23の内部の偏平な第２流路11を流通して、出口７から外部に導かれるものである。そして第１流体10ａが各エレメント23の外面側の第１流路10に流通し、その第１流体10ａと第２流体11ａ間に熱交換が行われるものである。このとき第２流体11ａは、低温高圧の空気（２００℃程度）が各エレメント23内に導かれ、第１流体10ａは高温低圧（７００℃程度）のガスが流通する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ガスタービンはその外周が円形であり、内部を流通する高温ガスは横断面が円形の筒状内を流通する。ところが、従来のガスタービン用レキュペレータは、その全体的断面外周が角形であるため、両者の整合性が悪い欠点がありコンパクト化に欠けていた。
また、従来のレキュペレータは多数の皿状プレートを要し、部品点数が多く組立てが面倒である欠点があった。それと共に、各エレメントを構成するプレートの内外面に 700度以上の高温に耐えるろう材を用いる必要があり、高価なろう材を多量に必要とした。
そこで本発明は、係る問題点を解決することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の本発明は、同心に配置された内筒(1) および外筒(2) と、
その内外筒(1) (2) 間に配置され、渦巻き状に巻回された一以上のセル(3) と、を具備し、
夫々のセル(3) は、互いに接触する一対の第１プレート(4) と第２プレート(5) とを有し、
その一対の第１プレート(4) ，第２プレート(5) には、前記内筒(1) の軸線方向の両端部で、その周方向に互いに離間した複数の入口(6) および出口(7) が、両プレート(4) (5) の対向方向に形成された凹陥部(8) 内に整合して設けられ、
各第１プレート(4) ，第２プレート(5) の周方向に隣合う入口(6) どうしの間および出口(7) どうしの間には夫々浅い溝状の連通部(9) が設けられ、
各セル(3) 自体の一対の第１プレート(4) ，第２プレート(5) の対向面の各プレートの内面側には、第１流体(10a) 流通用の第１流路(10)が前記軸線方向に向かって形成され、非対向面側には第２流体(11a) 流通用の第２流路(11)が入口(6) から出口(7) に前記軸線方向に向かって形成され、
半径方向に隣接するセル(3) (3a)どうしは、一方のセル(3) の第２プレート(5) と他方のセル(3a)の第１プレート(4a)とが前記軸線方向の両縁で接触すると共に、夫々の前記凹陥部(8) が対向して前記第２流体(11a) の流出入用の小タンク部を構成し、
前記各セル(3) の一対の第１プレート(4) ，第２プレート(5) の前記入口(6) と出口(7) の間は、各プレートが波形(15)(16)に曲折され且つ、その稜線が前記軸線に対して傾斜して配置され、第１プレート(4) の波形(15)の稜線と第２プレート(5) の波形(16)の稜線は、互いに交差するように配置され、
前記第１プレート(4) および第２プレート(5) の前記連通部(9) は、各プレートが半波形(17)(18)に曲折され且つ、その稜線が前記軸線に対して傾斜して配置され、第１プレート(4) の半波形(17)の稜線と第２プレート(5) の半波形(18)の稜線は、互いに交差するように配置された円筒型熱交換器である。
【０００６】
請求項２に記載の本発明は、請求項１において、
前記外筒(2) の外周には、前記各セル(3) の入口(6) および出口(7) に連通する第２流体(11a) の出入口用の複数の開口(13)が設けられた円筒型熱交換器である。
請求項３に記載の本発明は、請求項１または請求項２において、
夫々のセル(3) の一対の第１プレート(4) ，第２プレート(5) は、その入口(6) どうしおよび出口(7) どうしで溶接固定され、隣接するセル(3) (3a)どうしは、前記軸線方向の両縁で一方のセル(3) の第２プレート(5) と他方のセル(3a)の第１プレート(4a)とが溶接固定され、他の部分では各プレートどうしが殆ど接合されていない円筒型熱交換器である。
【０００７】
請求項４に記載の本発明は、請求項１〜請求項３のいずれかにおいて、
複数のセル(3) (3a)の夫々の巻回方向の端(14)が、互いに前記内筒(1) の外周方向に離間して、その内筒(1) の外周に接合された円筒型熱交換器である。
【０００８】
請求項５に記載の本発明は、請求項４において、
前記セル(3) の熱膨張・収縮に基づき、前記内筒(1) が外筒(2) に対して周方向に相対回動可能にされた円筒型熱交換器である。
【０００９】
請求項６に記載の本発明は、請求項２において、
前記第１流体(10a) が高温側気体で、第２流体(11a) が低温側気体であり、その第２流体(11a) が外筒(2) の外周を取り囲み、その外筒(2) の外周の開口(13)から各セル(3) 内に導かれるように構成された円筒型熱交換器である。
請求項７に記載の本発明は、請求項６において、前記第２流体(11a) の内圧が前記第１流体(10a) より大となる円筒型熱交換器である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、図面に基づいて本発明の実施の形態につき説明する。
図１は本発明の熱交換器のコア22の分解斜視説明図であり、図２は同熱交換器の要部斜視図、図３は図２の III− III矢視断面拡大図、図４は同熱交換器を構成するセル３の展開状態を示す要部平面図、図５は図４のＶ−Ｖ矢視図、図６は同VI−VI矢視図、図７は同 VII− VII矢視図である。
この熱交換器は図１〜図３に示す如く、同心（略同心を含む）に配置された内筒１及び外筒２と、その内筒１，外筒２間に渦巻き状に巻回された多数のセル３とを有する。このセル３の巻回方向の一端14の縁は、内筒１の外周にレーザ溶接等により溶接される。そして隣り合うセル３，３ａの夫々の端14は、内筒１の周方向に定間隔に離間してその縁が夫々溶接される。
【００１１】
各セル３は、互いに接触する一対の第１プレート４と第２プレート５とを有し、その一対の第１プレート４，第２プレート５には内筒１の軸線方向の両端部で、周方向に互いに離間して多数の入口６及び出口７が設けられている。その入口６，出口７は、第１プレート４，第２プレート５の対向方向に形成された略円形の凹陥部８内に存在し、夫々の出口７どうし，入口６どうしが互いに整合して嵌着される。即ち、出口７では第１プレート４に嵌着部20が上向きに僅かにバーリング加工され、その嵌着部20内に第２プレート５の嵌入部21が嵌着するする。第２プレート５の嵌入部21も上向きに突設されている。入口６では、夫々の嵌着部20、嵌入部21が下向きに夫々突設され、両者が嵌着されている。
【００１２】
さらに各第１プレート４，第２プレート５の周方向に隣り合う入口６どうしの間には、浅い溝状の連通部９が設けられている。そしてその連通部９から軸方向外側に立ち上げられた縁に接合用小フランジ部19が形成されている。そして図３及び図４において、第１プレート４の左右一対の連通部９間には波形15が設けられ、夫々の稜線は、平面状態で山形に形成されている。同様に第２プレート５の一対の連通部９間にも波形16が設けられ、その稜線は第１プレート４のそれと逆向きである。そして、両プレート４，５が重ね合わされて前記夫々の波形15，16がＸ字状に互いに接し、その結果この第１プレート４，第２プレート５の互いに対向する面内に多数の交差する溝状の第１流路10が設けられ、この第１流路10内に、後述する第１流体10ａが流通する。同様に非対向面側には第２流路11が形成され、そこに第２流体11ａが流通する。
【００１３】
セル３を構成する一対の第１プレート４，第２プレート５は、全く同一の帯状のプレス成形品を互いに逆向きに背中合わせて接触させると、夫々の波形15，16の稜線がＸ字状に交差すると共に、その入口、出口を互いに嵌着させ、図示のセル３を構成することができる。そしてこの例では、入口６，出口７の孔縁部において両者がレーザー等により溶接接合される。このようにしてなるセル３（セル３ａを含む）を図１及び図２の如く、その巻回方向の端14を溶接して、そこに溶接部29を形成する。そしてそれらを内筒１に巻回し、隣接するセル３，３ａが互いに密着するようにしコア22を構成し、そのコア22の外周に外筒２を被嵌する。外筒２の軸方向両端部には周方向に定間隔に離間して多数の開口13が形成されている。
【００１４】
なお、隣接するセル３，３ａの軸線方向両端縁は互いに接触し、その接触部はレーザー溶接により溶接部29が形成される。即ち、一方のセル３の第２プレート５の縁と、他方のセル３ａの第１プレート４ａの縁とが接合用小フランジ部19で接触し、その縁どうしがレーザー溶接される。
そして各セル３自体の一対の第１プレート４，第２プレート５の非対向側には第２流路11が形成され、そこを第２流体11ａが流通する。
このようにこの例では、各セル３の入口６，出口７の孔縁部と、隣り合うセル３，３ａの接触端縁のみが溶接され、他は互いに密着するのみでろう付けを不要とする。
【００１５】
本発明のこの例の円筒型熱交換器は、図２及び図３においてコア22の軸線方向に第１流体10ａが流通し、それが夫々のセル３，３ａの第１流路10を移動し、コア22の一端面から他端面に通過する。そのコア22の軸方向の一端および他端では、各セル３に図５の如く第１流路10が開口し、そこから第１流体10ａが内部に流入し、その内部から外部に流出する。
そして、各セル３の第２流路11には第２流体11a が、図２，図３の如く外筒２の右側の開口13を介して、その入口６から内部に流入し、右側の連通部９を介して（図４参照）その第２流路11を流通し、左側の連通部９及び出口７を介して外筒２の左側の開口13より流出する。
なお、外筒２の開口13から流入した第２流体11ａは、夫々のセルの入口６を介して半径方向中心側に流通する。それと共に、夫々のセル３の第１プレート４，第２プレート５では、連通部９を介して周方向に拡散する。
【００１６】
【変形例】
図１の例では、多数のセル３を内筒１の回りに巻回したが、一つのみのセル３を内筒１の回りに多重に巻回しただけのものであってもよい。この場合には、請求項１において、互いに隣り合うセル３どうしの意味は、下層の自身のセル３とそれに重なる自身の上層のセル３を示す。
【００１７】
【他の実施例】
次に、図８〜図１８は本発明の他の実施の形態を示す。
そして図８は第１プレート４の展開状態を示す要部平面図、図９は図８のＰ部拡大図、図１０は図８のＱ部拡大図、図１１は図９のＥ−Ｅ矢視断面拡大図、図１２は図１０のＢ−Ｂ矢視断面拡大図、図１３は図１０のＡ−Ａ矢視断面拡大図、図１４は図１０のＤ−Ｄ矢視断面拡大図である。また、図１５は図１０のＣ−Ｃ矢視断面拡大図である。
【００１８】
この第１プレート４が図４のそれと異なる点は、左右一対の連通部９にも半波形17が形成されていることであり、他は基本的に同一である。これは、図４で浅い溝状の連通部９の溝底に高さ（振幅）が半分の波形が形成されたものに等しい。即ち、この半波形17は、図１０及び図１４に示す如く、第１プレート４の軸線方向中央における波形15の振幅の略半分程のみの波形が、その内面側（第２流体11ａ流通側・外部流体側）に形成されている。その結果、半波形17の外面側の頂部は、前記波形15の頂部と同一高さになる。そしてその半分の深さの半波形17の内面側（第２流体11ａ流通側）に連通部９を形成する。そして、図８において上下方向に並列する夫々の入口６どうしの間および、出口７どうしの間を第２流体11ａが上下方向に移動できるようにしたものである。
【００１９】
このような第１プレート４をもう一枚用意し、それをその幅方向中心の回りに１８０°回転させると本発明の第２プレート５が形成される。そこで、それら一対のプレート４，５を重ね合わせと、各入口６、出口７が互いに嵌着される。
図１６，図１７は、そのよう一対の第１プレート４，第２プレート５を重ね合わせてセル３を構成したものであり、図１６はその出口７における断面拡大説明図であり、図１７は図１６の左側説明図である。
次に、図１８は一例として１２個のセル３を内筒１の回りに３０°づつ位置をずらせ、その端部を溶接して密着状態で巻付け、その最外周に外筒２を被嵌したものである。
【００２０】
なお、図１８においてコア22に多数の小丸で表示したものは入口６（軸線方向の反対側には同様の出口７が形成される。）であり、隣接するセルどうしはそれらが互いに最外周では重なりあい、中心側にいくに従って夫々の入口６は重なり合わない。しかしながら、外筒２から最外周のセル３に進入した第２流体11ａは半径方向中心部に向かって全てのセルの入口６に円滑に導かれる。
【００２１】
その理由を、図３及び図４で説明すると、次のようになる。
先ず、最外周のセル３の入口６に供給された第２流体11ａは、その入口６を介して下層のセル３ａの連通部９内に入り周方向に移動する。そして三段目のセル３において、その連通部９から適宜な入口６を介し、より中心側のセル３に流入し、順次中心側に導かれる。
そして各セル内では、第２流体11ａが右側の連通部９から第２流路11を流通し、左側の連通部９に到達し、それが左側の連通部９から適宜な出口７を介し、より上層のセル３に移動し外筒２の開口13から外部に導かれる。
【００２２】
【発明の作用・効果】
本発明の円筒型熱交換器は、一以上のセル３が内筒１，外筒２間に渦巻き状に巻回されたものであるから、第１プレート４，第２プレート５を周方向に長く延長することが可能となり、部品点数が少なく組立てが容易な熱交換器となる。それと共に、コンパクトで放熱面積が大きく熱交換性能の良い熱交換器となり得る。特に、第１流体10ａが筒状内部を軸線方向に沿って筒状に流通する場合、省スペースな熱交換器となり得る。さらには、その流通抵抗の小さな熱交換器となり得る。
また、第２流体11aは、複数の入口６から内部に流入し、その入口側の浅い溝状の連通部９を介して、その第２流路11を流通し、出口側の浅い溝状の連通部９及び複数の出口７を介して外筒２の左側の開口13より流出する。なお、外筒２の開口13から流入した第２流体11aは、夫々のセルの複数の入口６を介して半径方向中心側に流通する。それと共に、夫々のセル３の第１プレート４，第２プレート５では、連通部９を介して周方向に拡散する。そのため、セル３の各部に均一に第２流体11aを流通して熱交換を促進できる。
さらに、各プレートの入口６，出口７間は波形15，16が曲折され、第１プレート４の波形15は第２プレート５の波形16と互いに交差するようにしたため、各流体を攪拌し熱交換性能を向上し得る。
しかも、第１プレート４，第２プレート５の連通部９に半波形17，18が曲折されているため、その部分を流通する第１流体10ａと第２流体11ａとの間の熱交換を促進できる。
【００２３】
請求項２に記載の円筒型熱交換器では、外筒２の外周に第２流体11ａの流出入用の複数の開口13が設けられ、それが各セル３の入口６，出口７に連通するように構成したため、構造が簡単で漏れの生じ難い熱交換器になり得る。
請求項３に記載の発明によれば、セル３の第１プレート４，第２プレート５は、入口６，出口７で溶接固定され、隣接するセル３，３ａは軸線方向の両縁で各プレートどうしが接合されたものである。そして他の部分では、各プレートどうしは殆ど接合されていないものである。そのため、従来のような多くのろう材を不要とし、その分だけ製造コストを低下することができる。
請求項４に記載の発明によれば、複数のセル３，３ａの夫々の巻回方向の端14が互いに内筒１の周方向に離間して、内筒１の外周に接合されたものであるから、隣接するセルどうしの相対位置を安定させ、信頼性の高い熱交換器となり得る。
【００２４】
請求項５に記載の発明によれば、各セルの熱膨張・収縮に基づき、内筒１が外筒２に対して周方向に相対回転可能とされたため、各セルの熱膨張・収縮を吸収して寿命の長い熱交換器を提供できる。
【００２５】
請求項６に記載の発明によれば、低温側気体の第２流体11ａが外筒２の外周を取り囲み、その内部に高温側気体の第１流体10ａが導かれるものであるから、外筒２の外側方向へ熱放散することを防止し、断熱材の使用量を低下することができる。
請求項７に記載の発明によれば、外筒２を取り囲む第２流体11ａの内圧がその内部に導かれる第１流体10ａのそれよりも大であるから、外筒２の形状を維持して耐久性の高い熱交換器となり得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の熱交換器のコア22の分解斜視説明図。
【図２】同熱交換器の要部斜視図。
【図３】図２の III− III矢視断面拡大図。
【図４】同熱交換器を構成するセル３の展開状態を示す要部平面図。
【図５】図４のＶ−Ｖ矢視図。
【図６】図４のVI−VI矢視図。
【図７】図４の VII− VII矢視図。
【図８】本発明の円筒型熱交換器のセル３を構成する第１プレート４の他の例を示す展開状態の平面図。
【図９】図８のＰ部拡大図。
【図１０】図８のＱ部拡大図。
【図１１】図９のＥ−Ｅ矢視断面拡大図。
【図１２】図１０のＢ−Ｂ矢視断面拡大図。
【図１３】図１０のＡ−Ａ矢視断面拡大図。
【図１４】図１０のＤ−Ｄ矢視断面拡大図。
【図１５】図１０のＣ−Ｃ矢視断面拡大図。
【図１６】同熱交換器のセル構成のため、第１プレート４及びそれを背中合わせに接触させた第２プレート５を示し、その出口７における断面説明図。
【図１７】同セルの側面説明図。
【図１８】多数の同セル３が内筒１，外筒２間に配置されたコア22の側面図。
【図１９】従来型ガスタービン用レキュペレータのエレメント23の平面図。
【図２０】同エレメント23を多数用いて構成したレキュペレータの縦断面略図。
【符号の説明】
１  内筒
２  外筒
３，３ａ  セル
４，４ａ  第１プレート
５，５ａ  第２プレート
６  入口
７  出口
８  凹陥部
９  連通部
10  第１流路
10ａ  第１流体
11  第２流路
11ａ  第２流体
13  開口
14  端
15，16  波形
17，18  半波形
19  接合用小フランジ部
20  嵌着部
21  嵌入部
22  コア
23  エレメント
24，25  プレート
26  膨出部
27，28  補強プレート
29  溶接部
30，37  フランジ
31  ケーシング
32  ２重筒形ダクト
33  スリット
34  ボルト孔
35  端蓋
36  ガスダクト
38  蛇腹部
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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