(57)【要約】【課題】熱移動が良好な複合材料および熱交換器を提供する。【解決手段】複合材料１０は、第１金属層２１、ろう材層１４、グラファイト層１３、ろう材層１４、および第２金属層２２を有する。複合材料１０は、これら５層が積層されたグラファイト領域１５を有する。さらに、複合材料１０は、第１金属層２１、ろう材層１４、および第２金属層２２が積層された金属領域１６を有する。グラファイト領域１５は、優れた熱移動を実現する。金属領域１６は、変形を伴う加工、または切断を伴う孔加工のために利用される。金属領域１６は、グラファイト層１３に過度の変形を生じさせることなく複合材料１０を求められる形状に加工することを可能とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１金属層、および第２金属層（１２、２１、２２）と、
前記第１金属層と前記第２金属層との間に設けられた炭素材料層（１３）と、
前記第１金属層と前記炭素材料層との間、および前記炭素材料層と前記第２金属層との間に設けられたろう材層（１４）とを備えた炭素材料層含有複合材料。
【請求項２】
前記第１金属層、前記ろう材層、前記炭素材料層、前記ろう材層、および前記第２金属層を含む炭素材料領域（１５）と、
前記第１金属層、前記ろう材層、および前記第２金属層を含む金属領域（１６、３６）とが形成された請求項１に記載の炭素材料層含有複合材料。
【請求項３】
前記金属領域が前記炭素材料領域を囲むように配置された請求項２に記載の炭素材料層含有複合材料。
【請求項４】
複数の前記炭素材料領域と、
複数の前記炭素材料領域の間に配置された前記金属領域（１６）とが形成された請求項２または請求項３に記載の炭素材料層含有複合材料。
【請求項５】
前記金属領域に曲げ部（１８）が形成された請求項２から請求項４のいずれかに記載の炭素材料層含有複合材料。
【請求項６】
前記金属領域に貫通穴（１９）が形成された請求項２から請求項５のいずれかに記載の炭素材料層含有複合材料。
【請求項７】
前記炭素材料領域の中に、前記第１金属層、前記ろう材層、および前記第２金属層を含む前記炭素材料領域に囲まれた金属領域（３６）が形成された請求項２から請求項６のいずれかに記載の炭素材料層含有複合材料。
【請求項８】
前記第１金属層および前記第２金属層がアルミニウムまたはアルミニウム合金製であり、
前記ろう材層がアルミニウム−シリコン系のろう材製であり、
前記炭素材料層がグラファイト製である請求項１から請求項７のいずれかに記載の炭素材料層含有複合材料。
【請求項９】
請求項１から請求項８のいずれかに記載の炭素材料層含有複合材料により形成された熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この明細書における開示は、炭素材料層を含む複合材料および熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１−５は、炭素材料層と金属板とを積層した複合材料を開示している。これらは、炭素材料層がもつ優れた熱伝導率を利用することを提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１５９３１８号公報
【特許文献２】特開２００５−２１００３５号公報
【特許文献３】特開２００６−１２３２号公報
【特許文献４】特許第４４４０８３８号公報
【特許文献５】特許第４６８６２７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来技術では、炭素材料層と金属板との接合、および縁部などにおける金属板と金属板との接合に起因して、それらの間における熱移動が阻害される。上述の観点において、または言及されていない他の観点において、炭素材料層を含む複合材料および熱交換器にはさらなる改良が求められている。
【０００５】
ひとつの開示はひとつの目的を有し、それは、炭素材料層と金属層との間において熱移動が良好な炭素材料層含有複合材料および熱交換器を提供することである。
【０００６】
ひとつの開示はひとつの目的を有し、それは、炭素材料層と金属層との間、および金属層と金属層との間において熱移動が良好な炭素材料層含有複合材料および熱交換器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
特許請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態の部分との対応関係を示すものであって、技術的範囲を限定するものではない。
【０００８】
ひとつの開示は、炭素材料層含有複合材料を提供する。炭素材料層含有複合材料は、第１金属層、および第２金属層（１２、２１、２２）と、第１金属層と第２金属層との間に設けられた炭素材料層（１３）と、第１金属層と炭素材料層との間、および炭素材料層と第２金属層との間に設けられたろう材層（１４）とを備える。
【０００９】
炭素材料層含有複合材料は、金属層、ろう材層、炭素材料層、ろう材層、および金属層を含む多層の複合材料である。ろう材層は、金属層と炭素材料層との間の密着度を高める。これにより、金属層と炭素材料層との間における熱移動が促進される。
【００１０】
ひとつの開示は、第１金属層、ろう材層、炭素材料層、ろう材層、および第２金属層を含む炭素材料領域（１５）と、第１金属層、ろう材層、および第２金属層を含む金属領域（１６）とが形成された炭素材料層含有複合材料を提供する。
【００１１】
炭素材料領域と金属領域とを使い分けることができる。例えば、金属領域は、機械的な加工のために利用することができる。
【００１２】
ひとつの開示は、炭素材料層含有複合材料により形成された熱交換器を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態に係る複合材料の断面図である。
【図２】複合材料の加工例を示す断面図である。
【図３】複合材料の加工例を示す斜視図である。
【図４】複合材料の製造方法を示す断面図である。
【図５】複合材料の製造方法を示す断面図である。
【図６】複合材料の製造方法を示す断面図である。
【図７】複合材料の製造方法を示す断面図である。
【図８】複合材料の製造方法を示す断面図である。
【図９】第２実施形態に係る複合材料の断面図である。
【図１０】複合材料の加工例を示す断面図である。
【図１１】媒体管の斜視図である。
【図１２】第３実施形態に係る複合材料の断面図である。
【図１３】第４実施形態に係る複合材料の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図面を参照しながら、複数の実施形態を説明する。複数の実施形態において、機能的におよび／または構造的に対応する部分および／または関連付けられる部分には同一の参照符号、または百以上の位が異なる参照符号が付される場合がある。対応する部分および／または関連付けられる部分については、他の実施形態の説明を参照することができる。
【００１５】
（第１実施形態）
図１から図８には、この実施形態に係る複合材料１０が図示されている。これらの図において、複合材料１０を形成する複数の層の厚さは誇張して描かれている。
【００１６】
図１において、複合材料１０は、板状の部材である。複合材料１０は、炭素材料層含有複合材料である。複合材料１０は、グラファイト含有複合材料とも呼ばれる。複合材料１０は、２つの媒体の間に配置され、２つの媒体の間の熱移動を提供する熱交換器を形成するために利用することができる。複合材料１０は、熱交換器用複合材料とも呼ぶことができる。複合材料１０は、電気部品などの発熱部品からの熱を分散させる熱拡散部材としても利用することができる。複合材料１０は、金属層１２とグラファイト層１３とが積層された多層構造を有する。
【００１７】
複合材料１０は、金属層１２を備える。金属層１２は、複合材料１０の表面に設けられている。金属層１２は、複合材料１０の表面を提供する第１金属層２１と、複合材料１０の裏面を提供する第２金属層２２とを有する。金属層１２は、複合材料１０の面に沿って、その全体にわたって広がっている。金属層１２は、シートまたは箔と呼びうる形状である。金属層１２は、アルミニウム製、またはアルミニウム合金製である。
【００１８】
複合材料１０は、炭素材料層としてグラファイト層１３を備える。グラファイト層１３は、グラファイト製である。グラファイト層１３は、シートまたは箔と呼びうる形状である。グラファイト層１３は、第１金属層２１と第２金属層２２との間に設けられている。板としての面積に関して、グラファイト層１３は、金属層１２よりも小さい。グラファイト層１３は、金属層１２の一部に対応して位置づけられている。この結果、金属層１２の上には、グラファイト層１３と積層される領域と、グラファイト層１３と積層されない領域とが形成される。
【００１９】
グラファイト層１３は、グラファイトシートとして入手可能である。例えば、株式会社カネカが販売するＧｒａｐｈｉｎｉｔｙ（登録商標）を利用することができる。グラファイト層１３は、高分子材料を熱分解することによって得られたシート状のグラファイトである。グラファイト層１３は、その厚さ方向および面方向に関して金属層１２の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する。グラファイト層１３は、厚さ方向に関して熱を伝えやすいだけでなく、その面の広がり方向にも熱を伝えやすい。このため、広い面積において熱の移動を促進する。
【００２０】
複合材料１０は、ろう材層１４を備える。ろう材層１４は、金属層１２とグラファイト層１３との間に設けられている。ろう材層１４は、金属層１２と金属層１２との間、すなわち第１金属層２１と第２金属層２２との間にも設けられている。ろう材層１４は、金属層１２とグラファイト層１３とを強固に接合する。ろう材層１４は、第１金属層２１と第２金属層２２との間を強固に接合する。しかも、ろう材層１４は、高い熱伝導率を有している。ろう材層１４は、金属層１２とグラファイト層１３との間の熱移動を促進する。ろう材層１４は、第１金属層２１と第２金属層２２との間の熱移動を促進する。
【００２１】
ろう材層１４は、金属層１２の材料に応じて選定されている。ろう材層１４は、アルミニウム−シリコン系（Ａｌ−Ｓｉ）の合金である。
【００２２】
複合材料１０は、金属層１２、ろう材層１４、グラファイト層１３、ろう材層１４、および金属層１２を含む少なくとも５層を有する領域を有する。この領域は、グラファイト領域１５と呼ばれる。グラファイト領域１５は、炭素材料領域とも呼ばれる。
【００２３】
複合材料１０は、金属層１２、ろう材層１４、および金属層１２を含み、グラファイト層１３を含まない少なくとも３層を有する領域を有する。この領域は、金属領域１６と呼ばれる。
【００２４】
金属領域１６は、複合材料１０の縁部に設けられている。金属領域１６は、複合材料１０の全周の縁に設けられている。これにより、グラファイト層１３は、複合材料１０の端面１７に露出しないように複合材料１０の中に埋設されている。言い換えると、グラファイト層１３は、金属領域１６によって完全に包まれている。金属領域１６は、グラファイト領域１５に隣接している。金属領域１６は、グラファイト領域１５を囲むように配置されている。金属領域１６は、グラファイト層１３を保護する。
【００２５】
図２および図３において、複合材料１０の加工例のひとつが図示されている。複合材料１０は、グラファイト領域１５および金属領域１６の両方、またはいずれか一方において機械的な加工が可能である。例えば、複合材料１０は、圧延加工の対象とすることができる。また、複合材料１０は、曲げ加工の対象とすることができる。また、複合材料１０は、切削加工の対象とすることができる。図示の加工例は、曲げ加工と、切削加工（孔あけ加工）とによって形成されている。
【００２６】
図示の例において、複合材料１０は、曲げ部１８を有する。曲げ部１８は、金属領域１６に設けられている。曲げ部１８は、曲げ加工によって形成されている。曲げ部１８は、グラファイト領域１５には設けられていない。このような曲げ部１８は、グラファイト層１３の破損を回避することを可能とする。複合材料１０は、貫通穴１９を有する。貫通穴１９は、金属領域１６に設けられている。貫通穴１９は、プレス加工による打ち抜き、または切削加工によって形成されている。貫通穴１９は、グラファイト領域１５には設けられていない。このような貫通穴１９は、グラファイト層１３の切断を回避することを可能とする。また、貫通穴１９の断面においてグラファイト層１３が露出することを回避することを可能とする。これにより、グラファイト層１３からの成分の脱落、溶出が回避される。
【００２７】
金属領域１６のひとつは、２つのグラファイト領域１５の間に位置している。金属領域１６は、グラファイト層１３に起因する制約を回避することを可能とする。例えば、金属領域１６は、グラファイト層１３に起因する展性の制約を減らす。金属層１２およびろう材層１４は、グラファイト層１３よりも高い展性を有する。よって、金属領域１６において許容される伸び量は、グラファイト領域１５において許容される伸び量より大きい。この結果、金属領域１６においては、グラファイト領域１５では使えない機械加工を利用することができる。また、グラファイト層１３の曲げ加工が制限される場合には、金属領域１６はグラファイト層１３に制約されない曲げ加工を可能とする。また、金属領域１６は切削加工されてもグラファイト層１３が露出しない。よって、金属領域１６はグラファイト層１３の露出を回避することを可能とする。このように、金属領域１６が設けられることによって、複合材料１０をその用途に適した形状に加工することができる。
【００２８】
図４から図８は、複合材料１０の製造方法を示す。この製造方法は、熱交換器の製造方法の一部でもある。複合材料１０の製造方法は、複数の段階を有する。
【００２９】
図４において、第１の段階は、金属層１２の少なくとも一方の面にろう材層１４を形成する工程である。この段階では、金属層１２の一方の面に、ろう材層１４が設けられる。金属層１２は板材として供給される。ろう材層１４も板材として供給される。この工程では、金属層１２のための板材と、ろう材層１４のための板材とが積層される。この工程は、積層工程とも呼ばれる。
【００３０】
図５において、第２の段階は、金属層１２とろう材層１４とを接合する工程である。ここでは、ローラ式の圧延機２４が使用される。金属層１２とろう材層１４との積層体は、圧延機２４によって圧延されることにより、緊密に接合される。この工程により、金属積層体２７が製造される。
【００３１】
図６において、第３の段階は、金属積層体２７の間にグラファイト層１３を配置し、それらを積層する工程である。２枚の金属積層体２７は、それらのろう材層１４が互いに対向するように配置される。それら２枚の金属積層体２７の間にグラファイト層１３が配置される。グラファイト層１３は、ろう材層１４と接するように配置される。
【００３２】
図７において、第４の段階は、金属積層体２７とグラファイト層１３との積層体を接合する工程である。ここでは、ローラ式の圧延機２５が使用される。金属積層体２７とグラファイト層１３との積層体は、圧延機２５によって圧延されることにより、緊密に接合される。この工程により、積層体２８が製造される。この工程では、金属積層体２７とグラファイト層１３とが緊密に密着するように、金属積層体２７とグラファイト層１３との積層体が加圧される。この工程では、金属積層体２７がグラファイト層１３に沿うように変形されてもよい。金属積層体２７は、その材料の展性を利用してやや圧延されてもよい。２枚の金属積層体２７が積層された領域、すなわち金属領域１６となるべき領域は、面積が広がるように圧延されてもよい。グラファイト層１３が存在する領域、すなわちグラファイト領域１５となるべき領域は、圧延されないように加圧されてもよい。例えば、グラファイト層１３の破れを回避するように加圧力、言い換えると圧延量が調節される。グラファイト領域１５となるべき領域は、グラファイト層１３の展性が許容する範囲内で圧延されてもよい。
【００３３】
図８において、第５の段階は、積層体２８の各層をより強固に接合するための加熱工程である。積層体２８は、炉２６内に配置される。炉２６は、ろう材層１４を溶融させることができるろう付け炉である。積層体２８は、炉２６内において、例えば、約６００°Ｃで約３０分間加熱される。これにより、ろう材層１４は、溶融させられた後に、再び凝固する。これにより複合材料１０が製造される。
【００３４】
熱交換器の製造方法は、さらに、複合材料１０を所定の形状に機械的に加工し熱交換器部品を形成する工程と、複数の熱交換器部品によって熱交換器を形成する工程とを備える。熱交換器を形成する工程は、複数の熱交換器部品を組立てる工程と、これら複数の部品を接合する工程とを含むことができる。接合工程では、例えばろう付けが用いられる。
【００３５】
この実施形態によると、金属層１２、ろう材層１４、グラファイト層１３、ろう材層１４、および金属層１２を含む５層の複合材料１０が提供される。複合材料１０は、金属層１２とグラファイト層１３との間にろう材層１４を有する。ろう材層１４は、金属層１２とグラファイト層１３との間の密着度を高める。これにより、金属層１２とグラファイト層１３との間、すなわちグラファイト領域１５における熱移動が促進される。また、複合材料１０は、２つの金属層１２の間、すなわち第１金属層２１と第２金属層２２との間に、ろう材層１４を有する。ろう材層１４は、２つの金属層１２の間の密着度を高める。これにより、２つの金属層１２の間、すなわち金属領域１６における熱移動が促進される。
【００３６】
複合材料１０は、グラファイト領域１５と金属領域１６とを有する。よって、複合材料１０は、グラファイト領域１５において、グラファイト層１３に起因する特性を得ることができる。例えば、複合材料１０は、グラファイト領域１５においてグラファイト層１３の高い熱伝導率に起因して熱移動を促進する。一方で、複合材料１０は、金属領域１６において、グラファイト層１３に制約されない加工が可能である。例えば、グラファイト層１３に制約されない曲げ、切削などの加工が可能である。
【００３７】
複合材料１０は、熱交換器の素材として好適である。グラファイト領域１５は、熱交換器に求められる優れた熱移動を提供する。金属領域１６は、熱交換器のために必要な形状への加工を可能とする。
【００３８】
（第２実施形態）
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。上記実施形態では、１枚の複合材料１０に複数のグラファイト層１３が設けられる。これに代えて、この実施形態では、１枚の複合材料２１０に１枚のグラファイト層１３が設けられる。
【００３９】
図９に図示されるように、複合材料２１０は、ひとつのグラファイト層１３を有する。複合材料２１０は、グラファイト領域１５と、金属領域１６とを有する。金属領域１６は、グラファイト層１３を囲むように配置されている。複合材料２１０は、細長い板である。グラファイト領域１５は、細長い板の中央部分に沿って細長く延びるように形成されている。
【００４０】
図１０および図１１は、複合材料２１０の加工例を示す。複合材料２１０は、熱交換器の媒体管３１を提供するように加工されている。媒体管３１は、熱交換の対象となる２つの媒体の間に設けられ、それらの間の熱移動を提供する。媒体管３１の内部、すなわち通路空洞３３に一方の媒体が流される。媒体管３１の外側に他方の媒体が流される。媒体管３１は、熱交換器でもある。
【００４１】
媒体管３１は、扁平管である。媒体管３１を形成するために、２枚の複合材料２１０が用いられている。２枚の複合材料２１０は、ろう材３２によって接合されている。複合材料２１０は、長辺を提供する両端の金属領域１６に曲げ部１８を形成することによって細長い樋状に形成されている。２つの複合材料２１０は、それらの間に通路空洞３３を形成するように配置されている。この結果、長手方向に沿って延びる両辺が接合された媒体管３１が提供される。
【００４２】
グラファイト領域１５は、扁平な媒体管３１のふたつの主面に配置される。この結果、媒体管３１の両面を経由して２つの媒体の間の熱移動が提供される。この実施形態によると、金属領域１６を利用して熱交換器の部品として必要な形状を提供することができる。また、グラファイト領域１５を利用して熱交換器の性能を向上させることができる。
【００４３】
（第３実施形態）
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。上記実施形態では、グラファイト層１３が露出しないように金属領域１６が配置されている。これに代えて、端面１７にグラファイト層１３が露出してもよい。
【００４４】
図１２に図示されるように、複合材料３１０は、端面１７に露出するように配置されたグラファイト層１３を備える。複合材料３１０は、その全面がグラファイト領域１５である。この実施形態によると、広いグラファイト領域１５を設けることができる。
【００４５】
（第４実施形態）
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。上記実施形態では、グラファイト領域１５が所定の面積にわたって連続的に広がっている。これに代えて、グラファイト領域１５の中に、部分的に金属領域３６を形成してもよい。
【００４６】
図１３において、複合材料４１０は、グラファイト層１３を備える。グラファイト層１３は、複数の貫通穴３５を有する。複数の貫通穴３５は、グラファイト層１３の上に分散して形成されている。貫通穴３５は、ろう材層１４を介して２枚の金属層１２が対向配置されることを可能とする。よって、貫通穴３５の範囲には、金属領域３６が形成される。金属領域３６は、グラファイト領域１５の中に島状に配置されている。金属領域３６は、グラファイト領域１５によって完全に囲まれている。金属領域３６は、独立している。
【００４７】
貫通穴３５および金属領域３６の形状は、複合材料４１０の用途、要求性能に応じて選択することができる。例えば、四角形、三角形、細長いスリット状など多様な形状の貫通穴３５および金属領域３６を採用することができる。また、貫通穴３５は、部分的にグラファイト層１３の縁に到達していてもよい。かかる構成においては、貫通穴３５が区画し、貫通穴３５の中に形成される金属領域３６は、不完全ではあるが、依然としてグラファイト領域１５に囲まれているといえる。
【００４８】
金属領域３６は、グラファイト領域１５の中において、２つの金属層１２がろう材層１４によって強固に接合された金属領域３６を提供する。このため、金属領域３６は、金属層１２とグラファイト層１３との安定的な接合状態を提供する。
【００４９】
（他の実施形態）
開示は、例示された実施形態に何ら制限されることなく、種々変形して実施することが可能である。開示は、実施形態において示された組み合わせに限定されることなく、種々の組み合わせによって実施可能である。実施形態は追加的な部分をもつことができる。実施形態の部分は、省略される場合がある。実施形態の部分は、他の実施形態の部分と置き換え、または組み合わせることも可能である。実施形態の構造、作用、効果は、あくまで例示である。開示される技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示されるいくつかの技術的範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものと解されるべきである。
【００５０】
例えば、上記実施形態では、炭素材料層としてグラファイト層１３が利用される。これに代えて、組み合わせられる金属層１２の熱伝導率より高い熱伝導率をもつ炭素材料を用いることができる。例えば、炭素材料層は、炭素繊維の集合体、カーボンナノチューブの集合体、またはフラーレンの集合体によって提供されうる。
【００５１】
上記実施形態では、複合材料１０、２１０、３１０、４１０の加工例が例示されている。複合材料１０、２１０、３１０、４１０は、多様な機械的な加工の対象とすることができる。例えば、図１に図示される複合材料１０を筒状に加工して媒体管を提供してもよい。また、グラファイト領域１５に曲げ加工が加えられてもよい。例えば、グラファイト層１３を二分するように、グラファイト領域１５の一部に曲げ加工が加えられてもよい。
【００５２】
上記実施形態では、複合材料１０、２１０、３１０、４１０の用途として熱交換器の媒体管３１が例示されている。複合材料１０、２１０、３１０、４１０の用途は、これに限定されない。複合材料１０、２１０、３１０、４１０は、熱交換器のタンク、フィンなど多様な部品に利用可能である。また、複合材料１０、２１０、３１０、４１０は、熱移動の促進と、機械的な加工との両方が必要とされる部品に利用可能である。例えば、複合材料１０、２１０、３１０、４１０は、電子回路のための放熱部材、保護カバー、ケースとして利用可能である。
【符号の説明】
【００５３】
１０  複合材料、
１２  金属層、１３  グラファイト層（炭素材料層）、１４  ろう材層、
１５  グラファイト領域（炭素材料領域）、１６  金属領域、１７  端面、
１８  曲げ部、１９  貫通穴、
２１  第１金属層、  ２２  第２金属層、
２４  圧延機、２５  圧延機、２６  炉、２７  金属積層体、２８  積層体、
２１０  複合材料、
３１  媒体管（熱交換器）、３２  ろう材、３３  通路空洞、
３１０  複合材料、４１０  複合材料、
３５  貫通穴、３６  金属領域。
【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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