(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜モジュールとその他の水処理手段とを耐圧容器内に設置してなり、該膜モジュールと水処理手段とによって水が処理される膜分離装置であって、
該膜モジュールは、膜をシャフトに巻回して巻回体とし、該巻回体の一端面から原水が供給され、透過水が巻回体の他端面から取り出されるスパイラル型膜モジュールであって、
前記膜は第１、第２、第３及び第４の辺部を有した略方形の袋状膜であり、該第１、第２及び第３の辺部は封じられ、該第４の辺部は一部が開放部となり残部が閉鎖部となっており、
前記第４の辺部と直交する第１の辺部をシャフトに当てて袋状膜を巻回して巻回体とし、前記第４の辺部を該巻回体の後端面に臨ませ、該第４の辺部に対向する第２の辺部を該巻回体の前端面に臨ませ、
該袋状膜同士の間の原水流路は、該第３の辺部の全体が封じられると共に、第４の辺部にあっては前記袋状膜の開放部と重なる箇所が閉鎖部となっており、且つ前記袋状膜の閉鎖部と重なる箇所が開放部となっているスパイラル型膜モジュールであることを特徴とする膜分離装置。
【請求項２】
請求項１において、その他の水処理手段が活性炭を有することを特徴とする膜分離装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、精密濾過装置、限外濾過装置、逆浸透膜分離装置などの膜分離装置に係り、特に膜モジュールとしてスパイラル型膜モジュールを用いた膜分離装置に関する。詳しくは、本発明は１個の耐圧容器内に膜モジュールとその他の水処理手段とを設置した膜分離装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
膜分離装置に用いられる膜モジュールとして、集水管の外周に分離膜を巻回したスパイラル型膜モジュールがある。
【０００３】
図５は従来のスパイラル型膜モジュールの構造を示す一部分解斜視図である。
【０００４】
集水管１の外周に複数の袋状の分離膜２がメッシュスペーサ３を介して巻回されている。
【０００５】
集水管１には管内外を連通するスリット状開口が穿設されている。分離膜２は袋状のものであり、その中央部が集水管１をくるんでいる。この袋状分離膜２の内部にはメッシュスペーサ等よりなる流路材４が挿入されており、この袋状分離膜（袋状膜）２の内部が透過水流路となっている。
【０００６】
袋状膜２の巻回体５の両端にトップリング６とエンドリング７とが設けられ、その外周にブラインシール８が周設されている。
【０００７】
原水は、巻回体５の前端面から袋状膜２同士の間の原水流路に流入し、そのまま巻回体５の長手方向に流れ、巻回体５の後端面から濃縮水として流出する。この原水流路を流れる間に水が袋状膜２を透過してその内部に入り、集水管１内に流入し、該集水管１の後端側からモジュール外に取り出される。
【０００８】
このようなスパイラル型膜モジュールは、円筒状の耐圧容器内に収容され、該巻回体５の前端面側に原水の流入室が設けられ後端面側に濃縮水の流出室が設けられ、この濃縮水の中央を貫通するように透過水の取出管が耐圧容器の軸心線の延長方向に延設される。
【０００９】
なお、原水中の有機物質や色度成分をオゾン添加によって分解した後、活性炭層に通水してオゾンを除去し、次いで膜モジュールに通水して水を処理することがある。この場合、活性炭と膜モジュールとは別々のベッセルに設置される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
膜モジュールと活性炭とを別々のベッセルに設けた場合、両者をつなぐ配管が必要であり、装置全体の構成がコンパクトなものではなくなる。
【００１１】
本発明は、１個の耐圧容器内に膜モジュールとその他の水処理手段とを設置して原水を効率良く膜分離処理することができるコンパクトな膜分離装置を提供することを第１の目的とするものである。
【００１２】
また、上記図５に示す従来のスパイラル型膜モジュールには、次のような解決すべき課題があった。
【００１３】
▲１▼  集水管１内の透過水流量を多くするためには該集水管１を大径化する必要があるが、そのようにするとスパイラル型膜モジュールの径も大きくなってし
まう。
▲２▼  袋状膜２内に透過してきた透過水は、該袋状膜２内をスパイラル状に回りながら集水管１まで流れるため、袋状膜２内の流通抵抗が大きい。しかも、袋状膜２内から集水管１に流れ込む集水管スリット部付近での流通抵抗も大きい。
▲３▼  原水流路を流れる原水流量は、下流側になるほど減少する。（原水が濃縮される分だけ原水流量が減る。）このため、原水流路下流域では原水流速が小
さくなり、汚れが付着し易くなる。
【００１４】
本発明は、かかる問題点を解決し、集水管が不要であり、透過水流通抵抗が小さいスパイラル型膜モジュールを備えた膜分離装置を提供することを第２の目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の膜分離装置は、膜モジュールとその他の水処理手段とを耐圧容器内に設置してなり、該膜モジュールと水処理手段とによって水が処理される膜分離装置であって、該膜モジュールは、膜をシャフトに巻回して巻回体とし、該巻回体の一端面から原水が供給され、透過水が巻回体の他端面から取り出されるスパイラル型膜モジュールであって、前記膜は第１、第２、第３及び第４の辺部を有した略方形の袋状膜であり、該第１、第２及び第３の辺部は封じられ、該第４の辺部は一部が開放部となり残部が閉鎖部となっており、前記第４の辺部と直交する第１の辺部をシャフトに当てて袋状膜を巻回して巻回体とし、前記第４の辺部を該巻回体の後端面に臨ませ、該第４の辺部に対向する第２の辺部を該巻回体の前端面に臨ませ、該袋状膜同士の間の原水流路は、該第３の辺部の全体が封じられると共に、第４の辺部にあっては前記袋状膜の開放部と重なる箇所が閉鎖部となっており、且つ前記袋状膜の閉鎖部と重なる箇所が開放部となっているスパイラル型膜モジュールであることを特徴とするものである。
【００１６】
この水処理手段としては、活性炭を有することが好ましい。
【００１７】
かかる膜分離装置にあっては、原水は耐圧容器内に導入され膜モジュールとその他の水処理手段とによって処理される。この膜分離装置は、従って全体構成がコンパクトなものとなる。
【００１８】
なお、原水は膜モジュールからその他の水処理手段に流れても良く、逆にその他の水処理手段から膜モジュールに流れても良い。
【００１９】
本発明において、耐圧容器内に設置される膜モジュールは、膜をシャフトに巻回して巻回体とし、該巻回体の一端面から原水が供給され、透過水が巻回体の他端面から取り出されるスパイラル型膜モジュールである。
【００２０】
このスパイラル型膜モジュールは、該膜が第１、第２、第３及び第４の辺部を有した略方形の袋状膜であり、該第１、第２及び第３の辺部は封じられ、該第４の辺部は一部が開放部となり残部が閉鎖部となっており、前記第４の辺部と直交する第１の辺部をシャフトに当てて袋状膜を巻回して巻回体とし、前記第４の辺部を該巻回体の後端面に臨ませ、該第４の辺部に対向する第２の辺部を該巻回体の前端面に臨ませ、該袋状膜同士の間の原水流路は、該第３の辺部の全体が封じられると共に、第４の辺部にあっては前記袋状膜の開放部と重なる箇所が閉鎖部となっており、且つ前記袋状膜の閉鎖部と重なる箇所が開放部となっている。
【００２１】
かかるスパイラル型膜モジュールにおいては、巻回体の前端面から原水が原水流路に流入する。この原水は、原水流路を巻回体軸心線と略平行方向に流れ、次いで巻回体後端面の原水流路開放部から濃縮水として流出する。
【００２２】
袋状膜を透過した水は、袋状膜内を巻回体軸心線と略平行方向に流れ、巻回体の後端面の袋状膜開放部から流出する。
【００２３】
このように、透過水が袋状膜内を巻回体の軸心線と平行方向に流れるため、従来のスパイラル型膜モジュールに用いられていた集水管が不要となる。そして、袋状膜内から該集水管内に流れ込む際の流通抵抗が無くなり、透過水流通抵抗が小さくなる。
【００２４】
なお、集水管を無くしているため、その分だけ袋状膜の巻回方向の長さを大きくとることができ、膜面積を拡張できる。そして、このように袋状膜の巻回方向長さを大きくしても透過水の流通抵抗は増大せず、透過水量を多くすることができる。
【００２５】
この膜モジュールでは、巻回体の後端面の一部においてのみ原水流路を開放させるようにしているため、原水流路の下流側での原水（濃縮水）流速を従来よりも高めることができ、原水流路下流域における汚れの付着を防止できる。
【００２６】
この膜モジュールでは、袋状膜の開放部は巻回体の後端面の外周側又は内周側に配置され、原水流路は巻回体の後端面の内周側又は外周側に配置されており、袋状膜の開放部から流出する透過水と原水流路の開放部から流出する濃縮水とを離隔させるための環状部材が該巻回体の後端面に接続されていることが好ましい。この環状部材によって原水の流出側と濃縮水の流出側とが区画される。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して発明の実施の形態について説明する。
【００２８】
図６は実施の形態に係る膜分離装置の断面図である。
【００２９】
円筒状の耐圧容器４０の長手方向の両端にエンドプレート５２，５４が取り付けられ、このエンドプレート５２の原水流入ポート５６から耐圧容器４０内の一端側の流入室４２へ原水が流入する。この耐圧容器４０内にはスパイラル型膜モジュール４６と活性炭モジュール４４とが配置されている。なお、モジュール４４，４６同士の間に所定の間隔をあけて中継室５０を形成するためにスペーサ４８がモジュール４４，４６間に配置されている。
【００３０】
この膜モジュール４６は、袋状膜を原水流路材を介して巻回し、袋状膜同士の間を原水流路とし袋状膜内部を透過水流路としたものである。流入室４２内の原水は膜モジュール４６の一端面から袋状膜同士の間に流入し、巻回体よりなる膜モジュール４６の軸心線と略平行方向に原水流路を流れ、この間に膜を透過する。透過水は、膜モジュール４６の他端面の外周側から中継室５０内に流入し、次いで活性炭モジュール４４に流入する。
【００３１】
この活性炭モジュール４４は、円筒形の容器内に粒状活性炭を充填し、容器の両端面をメッシュとパンチングプレートとによって閉じたものである。
【００３２】
この活性炭モジュール４４を通過して活性炭吸着処理された処理水は、耐圧容器４０内の他端側の流出室５８を経て、エンドプレート５４に設けられた処理水取出ポート６０から耐圧容器４０外に取り出される。
【００３３】
膜モジュール４６の該流出室５０に臨む端面の中央部においては、この袋状膜同士の間の原水流路から濃縮水を流出させる開口が設けられており、濃縮水はこの開口からソケット２５内へ流出する。このソケット２５は巻回体よりなる膜モジュール４６と同軸的に設けられている。このソケット２５にＬ字管７０が接続されている。
【００３４】
このＬ字管７０に対し濃縮水取出用のフレキシブルチューブ８０がフランジ７４，７６によって連結されている。このフレキシブルチューブ８０はフランジ８４付きの濃縮水取出用配管８２に接続されている。従って、濃縮水はソケット２５からＬ字管７０、フレキシブルチューブ８０及び配管８２を介して耐圧容器４０外に流出する。
【００３５】
耐圧容器４０には作業口８６が設けられており、この作業口８６のフランジ８８に該フランジ８４が連結される。
【００３６】
耐圧容器４０内に膜モジュール４６を挿入配置する場合、膜モジュール４６にＬ字管７０を接続しておく。このＬ字管７０にはフレキシブルチューブ８０は接続しないでおく。
【００３７】
エンドプレート５２及び濃縮水取出用配管８４が取り払われた耐圧容器４０内にこの膜モジュール４６，４６の連結体を挿入する。この際Ｌ字管７０が作業口８６の方向を指向するように膜モジュール４６の向きを調整する。次いで、フレキシブルチューブ８０をフランジ７６，７４の連結によって該Ｌ字管７０に接続する。この接続作業は作業口８６を通して行われる。
【００３８】
このフレキシブルチューブ８０に対しては予め濃縮水取出用配管８２を接続しておき、該フレキシブルチューブ８０のフランジ７６を分岐管７２のフランジ７４に連結した後、該配管８２のフランジ８４を作業口８６のフランジ８８に連結する。しかる後、エンドプレート５４を耐圧容器４０に取り付ける。
【００３９】
このように構成された膜分離装置は、膜モジュール４６と活性炭モジュール４４とで原水を処理するものであり、例えば膜モジュール４６で濁質成分を除去した後、残留塩素の吸着除去、オゾンの分解処理、あるいは溶解性有機成分の吸着除去などの高次処理を活性炭モジュール４４で行うことができ、高水質の処理水を得ることができる。しかも２個のモジュール４４，４６が１個の耐圧容器４０内に配列されているから、膜分離装置の構成がコンパクトであり、設置面積が少ない。なお、耐圧容器４０をその軸心線方向が上下方向となるように設置した場合には、膜分離装置の設置面積がきわめて小さなものとなる。
【００４０】
図７は活性炭モジュール４４を膜モジュール４６よりも上流側に配置した実施の形態に係る膜分離装置の断面図であり、エンドプレート５４’の中央に作業口９２が設けられ、周縁部に透過水取出ポート９８が設けられている。
【００４１】
膜モジュール４６のソケット２５には濃縮水取出用配管９０の先端が水密的に接続されている。この濃縮水取出用配管９０の後端は作業口９２から耐圧容器４０外に引き出されている。この配管９０にはフランジ付きキャップ９４が外嵌され、該キャップ９４の内周面と配管９０の外周面との間にＶパッキン９６が介在され、両者間を水密的にシールしている。配管９０の先端は若干小径となっており、その外周にユニオンナット等を螺着させるための雄ねじ９０ａが刻設されている。
【００４２】
このキャップ９４は作業口９２に対しフランジによって結合されている。図７のその他の符号は図６と同一部分を示している。
【００４３】
このように構成された膜分離装置においては、原水はまず活性炭モジュール４４によって吸着処理やオゾンの分解等の処理を受けた後、膜モジュール４６によって膜分離処理され、透過水がポート９８から取り出され、沈殿水が配管９０から取り出される。
【００４４】
このように活性炭処理と膜分離処理とにより原水を高度に浄化処理することができる。また、活性炭モジュール４６によってＳＳや溶解性有機成分等を吸着除去することにより、膜モジュール４６の原水流路への汚れの付着を著しく少なくし、逆洗頻度を著しく減らすことができる。さらに、オゾンや塩素等が原水に含まれていても、これらが活性炭モジュール４４によって除去されるため、膜の劣化が防止され、膜が長寿命化する。
【００４５】
この図７の膜分離装置も、構成がコンパクトであり、設置面積も小さい。
【００４６】
図７の実施の形態では取出ポート９８から透過水を取り出すようにしているが、袋状膜の透過水流出用開口をソケット２５内に連通させ、濃縮水の流出部分を袋状膜の巻回体よりなる膜モジュール４６の外周側に配置した場合、透過水は配管９０から取り出され、濃縮水は取出ポート９８から取り出される。
【００４７】
次に、スパイラル型膜モジュールの実施の形態について説明する。
【００４８】
図１（ａ）はこのスパイラル型膜モジュールに用いられる一枚の袋状膜及び該袋状膜が巻き付けられるシャフトの斜視図である。図１（ｂ），（ｃ）はそれぞれ図１（ａ）のＢ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線に沿う断面図である。図２はシャフトの周りに袋状膜を巻き付ける方法を示す断面図、図３は巻回体とソケットとの係合関係を示す斜視図、図４はスパイラル型膜モジュールの側面図である。
【００４９】
この袋状膜１０は、正方形又は長方形状のものであり、第１の辺部１１、第２の辺部１２、第３の辺部１３及び第４の辺部１４を有している。この袋状膜１０は、長い一枚の分離膜フィルムを第２の辺部１２の部分で二つに折り返し、第１の辺部１１及び第３の辺部１３において折り重なった分離膜フィルム同士を接着剤等によって接着し、第４の辺部１４の一部については接着を行うことなく開放部とした袋状のものである。
【００５０】
第４の辺部１４の途中から第３の辺部１３にかけて袋状膜１０の分離膜フィルム同士が接着されておらず、透過水流出用の開放部３０となっている。また、この第４の辺部１４の該途中から第１の辺部１１にかけては、袋状膜１０の分離膜フィルム同士が接着されており、透過水の流出を阻止する閉鎖部３１となっている。
【００５１】
この袋状の膜１０内に流路材（例えばメッシュスペーサ等よりなる。）１５が挿入配置されている。なお、袋状膜１０としては、長い一枚のフィルムを第２の辺部１２部分で二つに折り返したものに限らず、二枚の分離膜フィルムを重ね合わせ、第１の辺部１１、第２の辺部１２、第３の辺部１３及び第４の辺部１４の一部を接着するようにしたものであっても良い。
【００５２】
この袋状膜１０の一方の面には、接着剤１６が付着されると共に他方の面には接着剤１７，１８が付着され、この袋状膜１０がシャフト２０の周りに巻き付けられる。接着剤１６は第１の辺部１６に沿って付着され、接着剤１７は第３の辺部１３に沿って付着されている。接着剤１８は第４の辺部１４の長手方向の前記途中箇所から第３の辺部１３にかけて、透過水流出用の開放部３０に沿って付着されている。
【００５３】
複数枚の袋状膜１０をシャフト２０の周囲に巻き付けることにより、重なり合った袋状膜１０同士は接着剤１６，１７，１８の部分において水密的に接合される。これにより、袋状膜１０同士の間には原水（及び濃縮水）が流れる原水流路が構成される。接着剤１８が硬化することにより、巻回体の後端面には、内周側に原水（濃縮水）の流出用の開放部が形成され、外周側に原水流出阻止用の閉鎖部が形成される。
【００５４】
第４の辺部１４のうち透過水流出用の開放部３０と透過水流出阻止用の閉鎖部３１との境界部分から、巻回体の後方に向ってフィン１９が延設されている。このフィン１９は、例えば合成樹脂フィルム又はシートよりなり、袋状膜１０に対し接着等により接合されるのが好ましい。
【００５５】
袋状膜１０をシャフト２０の周りに図２の如くメッシュスペーサ２９を介して巻き付けることにより、図３に示すように巻回体２４が形成される。この巻回体２４の後端面からは、フィン１９が延出する。各袋状膜１０の第４の辺部１４において同一箇所にフィン１９を設けておくことにより、フィン１９は巻回体２４の軸心から等半径位上に位置し、フィン１９が重なり合うことによりフィン１９がリング状の突出部を形成することになる。このリング状の突出部内に円筒状のソケット２５の後端を挿入し、該ソケット２５とフィン１９を接着剤等により接合する。なお、ソケット２５をフィン１９に外嵌めしても良い。また、フィン１９に沿って巻回体２４の後端面に旋盤で切込み溝を付け、該溝にソケット２５の端部を埋め込むようにしても良い。
【００５６】
このようにソケット２５とフィン１９とを接合することにより、巻回体２４の後端面の外周側の透過水流出領域とソケット２５の内周側の濃縮水流出領域とが区画される。
【００５７】
なお、袋状膜１０をシャフト２０の周りに巻き付けるに際しては、図２に示すように、袋状膜１０同士の間にメッシュスペーサ２９を介在させておく。これらのメッシュスペーサ２９を介在させることにより、原水流路が構成される。
【００５８】
図４に示すように、巻回体２４の前縁及び後縁にそれぞれトップリング２６及びエンドリング２７を合成樹脂モールド等により形成し、トップリング２６の外周にブラインシール２８を周設する。
【００５９】
このように構成されたスパイラル型膜モジュールにおいては、図４に示すように、巻回体２４の前端面から原水が袋状膜１０同士の間の原水流路に流入する。この原水は、巻回体２４の軸心線と略平行方向に原水流路を流れ、巻回体２４の後端のソケット２５の内側の端面から取り出される。そして、このように原水が原水流路を流れる間に、水が袋状膜１０内に透過し、透過水は巻回体２４の後端面のうちソケット２５の外周側から流出する。
【００６０】
このスパイラル型膜モジュールにあっては、透過水が袋状膜１０内を巻回体２４の軸心線と平行方向に流れて後端面から取り出されるため、従来のスパイラル型膜モジュールに用いられていた集水管が不要である。このため、袋状膜から集水管内に流れ込む際の流通抵抗が無くなり、透過水流通抵抗が著しく小さくなる。
【００６１】
なお、集水管を省略しており、その分だけ袋状膜１０の巻回方向の長さを大きくとることができ、膜面積を大きくとることが可能である。袋状膜の巻回方向の長さを大きくしても、透過水流通抵抗は増大せず、透過水量を多くすることができる。
【００６２】
この実施の形態にあっては、原水流路の出口部分をソケット２５の内側だけに設けており、原水流路の出口（最下流部）を絞った構成としているため、原水流路の下流側においても原水（濃縮水）の流速が十分に大きなものとなり、原水流路下流域における汚れの付着を防止することができる。なお、ソケット２５の内側の面積と外側の面積（接着材１８の辺部１４方向の長さ）は、このスパイラル型膜モジュールの水回収率に応じて決めるのが好ましい。
【００６３】
また、この実施の形態にあっては、ソケット２５をフィン１９を用いて巻回体２４に接続しており、ソケット２５と巻回体２４との接続強度が高い。そして、このソケット２５によって原水の流入側と濃縮水の流出側とが水密的に区画分離される。
【００６４】
なお、図１〜４の実施の形態においては、ソケット２５の外周側に透過水流出部を配置し、ソケット２５の内側に濃縮水流出部を配置しているが、図７の膜分離装置に設ける場合、逆にソケット２５の内側を透過水流出部とし、ソケット２５の外周側を濃縮水流出部とするように構成しても良い。この場合、前述の通り、ポート９８から濃縮水が流出し、配管９０から透過水が取り出される。
【００６５】
このスパイラル型のモジュール逆洗を行うときには、スパイラル型膜モジュールの袋状膜１０内の透過水流路に気体圧をかけ、袋状膜１０内の残存透過水やさらには気体を原水流路に流れ込ませて逆洗するのが好ましい。
【００６６】
上記実施の形態では活性炭モジュール４４を用いているが、イオン交換樹脂を充填したモジュールや、グリーンサンド（マンガンゼオライト）等を用いることもできる。なお、これらのうち２個以上のモジュールが耐圧容器内に設けられても良い。
【００６７】
本発明において、膜モジュールを活性炭モジュールなどの前段側に設ける場合、膜としては限外濾過膜又は精密濾過膜が好ましい。膜モジュールの前段側に活性炭モジュール等を設ける場合、膜モジュールは限外濾過膜、精密濾過膜、逆浸透濾過膜などを用いることができる。この膜モジュールも２個以上、耐圧容器内に設けられても良い。
【００６８】
【発明の効果】
以上の通り、本発明の膜分離装置は１個の耐圧容器内に膜モジュールとその他の水処理手段とを設けたものであり、コンパクトな構成で高水質の水を得ることができる。本発明の膜分離装置で用いる膜モジュールは、原水の通水抵抗が小さく、効率の良い膜分離処理を行うことができる。本発明の膜分離装置は、可搬式や移動式とすることも可能であり、災害時等の造水設備に好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  （ａ）図は実施の形態に係るスパイラル型膜モジュールの袋状膜の斜視図、（ｂ）図は（ａ）図のＢ−Ｂ線に沿う断面図、（ｃ）図は（ａ）図のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。
【図２】  図１のスパイラル型膜モジュールの袋状膜の巻き付け方法を示す断面図である。
【図３】  巻回体とソケットとの係合関係を示す斜視図である。
【図４】  図１のスパイラル型膜モジュールの側面図である。
【図５】  従来のスパイラル型膜モジュールの構造を示す一部分解斜視図である。
【図６】  実施の形態に係る膜分離装置の断面図である。
【図７】  別の実施の形態に係る膜分離装置の断面図である。
【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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