(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料を噴射する燃料噴射手段と、
この燃料噴射手段から噴射された噴射燃料に混合される混合エアを供給する混合エア供給手段と、
前記燃料噴射手段から噴射された前記噴射燃料を気化させるための高温ガスを供給する高温ガス供給手段と、
前記燃料噴射手段から噴射された前記噴射燃料、前記混合エア供給手段から供給された前記混合エア、および前記高温ガス供給手段から供給された前記高温ガスを混合して、前記噴射燃料を気化させた混合気を作る気化混合容器と、
前記混合エア供給手段から前記気化混合容器内に供給された前記混合エアを、前記燃料噴射手段から噴射された前記噴射燃料の周囲から内側に向けて供給するエアガイドとを具備し、
前記燃料噴射手段は、前記気化混合容器の上流側の端面に設置され、
前記混合エア供給手段は、前記気化混合容器の側面から内部へ前記混合エアを供給するように設けられ、
前記エアガイドは、前記噴射燃料、および前記混合エアの供給部分よりも下流側の前記気化混合容器内に配置された中心部に開口を備えたプレートと、前記プレートの上流側に配置され、前記開口に連通する筒状ガイドとから構成されることを特徴とする燃料気化混合装置。
【請求項２】
請求項１の燃料気化混合装置において、
前記燃料噴射手段は、可燃液体と不燃流体の混合物を噴射することを特徴とする燃料気化混合装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２の燃料気化混合装置において、
前記高温ガス供給手段は、燃料の燃焼によって高温のガスを発生させる燃焼器を用いたものであり、
この燃焼器は、燃焼用の燃料を噴射する燃焼器用燃料噴射手段と、燃焼用の空気を供給する燃焼器用空気供給手段とを備えるものであり、
前記燃焼器用燃料噴射手段は、可燃液体と不燃流体の混合物を噴射することを特徴とする燃料気化混合装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両の暖房や車両部品の暖機などに用いられる燃焼装置に搭載されるものであって、液体燃料を気化させた混合気を作る燃料気化混合装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の技術として、特開平４−１７７０１１号公報の第１図および第２図に開示された技術が知られている。この公報に開示される技術は、ａ）液体燃料を噴射する燃料噴射手段と、ｂ）この燃料噴射手段から噴射された噴射燃料に混合される混合エアを供給する混合エア供給手段と、ｃ）前記燃料噴射手段から噴射された前記噴射燃料を気化させるための高温ガスを供給する高温ガス供給手段と、ｄ）前記噴射燃料、前記混合エア、および前記高温ガスを混合して、前記噴射燃料を気化させた混合気を作る気化混合容器と、を備えるものである。そして、この技術は、高温ガスの流路の周囲にバッフル板を配置し、そのバッフル板を介して高温ガス中に混合エアを供給するものであり、高温ガスと混合エアの混合性を高めるものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記公報に開示された技術は、高温ガスと混合エアとの混合ガスを、噴射燃料が供給される気化混合容器に供給する構造を採用しているため、上記混合ガスは気化混合室内に入る前に混合されて低温となっているので、該低温の混合ガスの熱を上記噴射燃料に伝達させたり、あるいは両者を均一に混合させるには該噴射燃料と混合ガスとの接触時間を長くする必要がある。
このように噴射燃料と混合ガスとの接触時間を長くするには気化混合容器の容積を大きくする必要があり、したがって燃料気化混合装置の体格が大きくなるという不具合がある。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的は、気化混合容器の容積を大きくせずに、高温ガスの熱を噴射燃料に伝達させ、また噴射燃料、混合エア、高温ガスの均一な混合を達成できる燃料気化混合装置の提供にある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明では、混合エア供給手段から気化混合容器内に供給された混合エアを、燃料噴射手段から噴射された噴射燃料の周囲から内側に向けて供給するエアガイドを設けた。これによって、噴射燃料と混合エアが効率的に接触し、気化混合容器の容積を大きくすることなく、噴射燃料と混合エアの混合性が向上する。つまり、燃料気化混合装置の体格を大きくせずに、混合気の濃度分布を均一化できる。
【００１５】
なお、燃料噴射手段が気化混合容器の上流側の端面に設置され、混合エア供給手段が気化混合容器の側面から内部へ混合エアを供給するように設けられる場合では、エアガイドは、噴射燃料、および混合エアの供給部分よりも下流側の気化混合容器内に配置された中心部に開口を備えたプレートと、プレートの上流側に配置され、開口に連通する筒状ガイドとから構成されても良い。このように設けることによって、混合気の流れが安定し、流速分布を均一化できる。
【００１６】
また、請求項２に記載の発明のごとく、燃料噴射手段が、可燃液体と不燃流体（水等の不燃性液体であっても良いし、不活性ガス等の不燃性気体であっても良い）の混合物を噴射するように設けられても良い。このように設けられることによって、気化用燃料の自己発火温度が高められ、気化混合容器の内部で燃料が燃焼する不具合をなくすことができる。
【００１７】
また、請求項３に記載の発明のごとく、高温ガス供給手段として燃焼器を用いる場合では、その燃焼器用燃料噴射手段が、可燃液体と不燃流体（水等の不燃性液体であっても良いし、不活性ガス等の不燃性気体であっても良い）の混合物を噴射するように設けられても良い。このように設けられることによって、燃焼器における燃焼温度が低減され、気化用高温ガスの温度が下がり、気化混合容器の内部で燃料が燃焼する不具合をなくすことができる。
【００１８】
なお、請求項２にかかる請求項３に記載の発明を採用することにより、気化用燃料の自己発火温度が高められる効果と、気化混合容器に供給される高温ガスの温度が下がる効果との相乗効果が得られ、気化混合容器の内部で燃料が燃焼する不具合をなくすことができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下では、本発明が適用されていない実施の形態を第１、第２実施形態を用いて説明し、その後で本発明が適用された実施の形態を第３実施形態を用いて説明する。
（第１実施形態）
図１に示す燃料気化混合装置は、軽油等の液体燃料を噴射する電磁式燃料噴射弁１（燃料噴射手段に相当するものであり、以下本体インジェクタ）と、噴射燃料、混合エア、高温ガスを混合して混合気を作る気化混合容器２と、この気化混合容器２内に混合エアを供給する混合エア供給手段３と、気化混合容器２内に高温ガスを供給する高温ガス供給手段４と、液体燃料を含浸可能な燃料含浸手段５（以下ウイック）と、気化混合容器２の内部の内圧を上昇させる内圧上昇手段６とを備える。そして、燃料気化混合装置の出口直後には、触媒が担持された触媒燃焼体７が設けられており、この部分で混合気を触媒燃焼し、得られた熱が車両の暖房あるいは車両部品の暖機の熱源として用いられる。
【００２０】
本体インジェクタ１は、その中心軸から所定角度（０〜１２０度）を持って液体燃料を霧状に噴射できる複数の噴射孔を備えるものであり、図２に示すような周知なものを用いたものである。
気化混合容器２は、断面が長方形の筒状を呈するものであり、一方（上流側）の端面はプレート２ａによって塞がれており、他方は混合気出口であり、触媒燃焼体７に接続されている。プレート２ａで塞がれた上流面の中心部には、本体インジェクタ１が固定されている。
【００２１】
本体インジェクタ１の燃料噴射部の下流側の気化混合容器２の側面には、混合エア供給手段３によって気化混合容器２内に混合エアを供給するための混合エア吹込口３ａが設けられている。この混合エア吹込口３ａは、気化混合容器２内に混合エアによる旋回流を生じさせるために、気化混合容器２の中心軸からずらして設けられている。この混合エア供給手段３は、混合エア吹込口３ａに接続されるエアダクト３１と、このエアダクト３１内に気化混合容器２へ向かう空気流を生じさせる本体エアポンプ３２とから構成されるものである。
なお、触媒燃焼の特徴である低温燃焼を触媒燃焼体７で行うためには、火炎燃焼の３倍程度の空気過剰率が必要であり、混合エア供給手段３によって火炎燃焼の３倍程度の混合エアが気化混合容器２内に供給される。
【００２２】
混合エア吹込口３ａの下流側の気化混合容器２の側面には、高温ガス供給手段４によって気化混合容器２内に高温ガスを供給するための高温ガス吹込口４ａが設けられている。高温ガス供給手段４は、高温ガス吹込口４ａに接続されるガスダクト４１と、このガスダクト４１内に気化混合容器２へ向かう高温ガス流を生じさせる燃焼器４２とから構成されるものである。
【００２３】
この実施形態における燃焼器４２の構成は、ガスダクト４１の上流端の開口を塞ぐフランジ４３に固定された円筒形の燃焼筒４４と、フランジ４３の中心に固定された電磁式燃料噴射弁４５（燃焼器用燃料噴射手段に相当するものであり、以下、燃焼器用インジェクタ）と、この燃焼器用インジェクタ４５から噴射される噴射燃料の噴射角内にスパーク部がくるように配置されたスパークプラグ４６と、燃焼器４２で燃焼される空気を燃焼筒４４内に向けて供給する燃焼器用エアポンプ４７（燃焼器用空気供給手段に相当する）とを備える。この燃焼器用エアポンプ４７は、フランジ４３に設けられた燃焼空気導入口４８に接続されている。
なお、燃焼器用インジェクタ４５も、その中心軸から所定角度（０〜１２０度）を持って液体燃料を霧状に噴射できる複数の噴射孔を備えるものであり、図２に示すような周知なものを用いたものである。
【００２４】
ウイック５は、高温ガス吹込口４ａの直後に配置され、液体燃料を含浸可能な金属製多孔質体あるいは金属製繊維の集合体であり、ウイック５に含浸された未気化の燃料が、高温ガスの熱を受けて効率的に気化する。これによって、気化混合容器２内におけるウイック５に含浸された燃料の気化効率が向上する。なお、ウイック５は、後述する絞り板６１の直前において絞り板６１と接触する形のリング状の形状で配置されるものであり、ウイック５の内側には、絞り板６１の開口６１ａに一致する開口５ａが設けられている。
【００２５】
内圧上昇手段６は、中心部に開口６１ａを持つ絞り板６１と、この絞り板６１の開口６１ａの直後に配置され、開口６１ａに連通する筒状ガイド６２と、その下流側に配置され、多数の開口６３ａを備えた下流プレート６３とから構成される。絞り板６１と筒状ガイド６２は、図３（ａ）〜（ｄ）に示すように一体的に設けられたものであり、下流プレート６３は図５に示すように多数の小さな開口６３ａを備えたプレートである。
【００２６】
開口６１ａを設けた絞り板６１は、その絞り板６１に噴射燃料、混合エア、高温ガスが多孔質のウイック５を通して衝突することにより、これらの混合性が向上するとともに、絞り板６１の上流側の内圧を高く（例えば、１．１ａｔｍ）することができ、圧力差によって混合気が開口６１ａを通過することにより噴射燃料、混合エア、高温ガスの混合性を高めることができる。絞り板６１の下流側は１．０ａｔｍである。
また、開口６１ａに連通した筒状ガイド６２を配置したことによって、開口６１ａを通過した混合気の流れが安定し、混合気の流速分布を均一化できる。
さらに、下流プレート６３を配置したことによって、下流プレート６３に混合気が衝突することにより噴射燃料、混合エア、高温ガスの混合性が向上するとともに、下流プレート６３の上流側がその下流側より高圧になり、圧力差によって混合気が多数の開口６３ａを通過することによっても混合気の混合性を高めることができる。
【００２７】
なお、図３（ａ）は、絞り板６１の中心部に四角形の開口６１ａが設けられ、その下流側には開口６１ａに連通する四角形の筒状ガイド６２が設けられたものである。図３（ｂ）は、混合エア吹込口３ａとは反対側の角部に丸みを持たせた開口６１ａおよび筒状ガイド６２が設けられたものであり、図３（ｃ）は、混合エア吹込口３ａとは反対側の筒状ガイド６２の壁面を中心側に傾斜させたものであり、図３（ｄ）は、絞り板６１の中心部に円または楕円の開口６１ａが設けられ、その下流側には開口６１ａに連通する円または楕円の筒状ガイド６２が設けられたものである。
このように、開口６１ａや筒状ガイド６２の形状を四角形や、四角形の全て、あるいは幾つかの角部に丸みを持たせた形状や、円あるいは楕円形状などの形状に設けても良いし、筒状ガイド６２の壁面の一部、あるいは全部に傾斜を持たせても良い。
【００２８】
また、上述した筒状ガイド６２に代えて、図４（ａ）、（ｂ）に示す偏向ガイド６４を設けても良い。この偏向ガイド６４は、絞り板６１の開口６１ａを複数に分割し、隣合う分割した開口から流れる流体を異なる方向に向けるものである。
なお、図４（ａ）の偏向ガイド６４は、絞り板６１の開口６１ａを５つに分割し、その隣合う開口６１ａからの流れが斜め上向き、斜め下向きというように、異なる方向に向けるものである。
また、図４（ｂ）の偏向ガイド６４は、絞り板６１の開口６１ａを５つに分割し、その隣合う開口６１ａからの流れが斜め右向き、斜め左向きというように、異なる方向に向けるものである。
【００２９】
なお、この実施形態では、絞り板６１の中心部に開口６１ａを設け、それに連通する筒状ガイド６２や偏向ガイド６４を設けた例を示したが、この実施形態に示すように、混合エア吹込口３ａが気化混合容器２の側面に設けられる場合では、絞り板６１の開口６１ａの中心軸を気化混合容器２の中心軸に比べて下方に位置する混合エア吹込口３ａ側にオフセットした位置に設けても良い。このように絞り板６１の開口６１ａを混合エア吹込口３ａ側にオフセットして設けることにより、混合エア吹込口３ａよりの混合エア、高温ガス吹込口４ａよりの高温ガスの各流れは、絞り板６１の上方に衝突した後に開口６１ａの方向に向かうことになるので、気化混合容器２内を流れる混合気の流速分布を均一化できる。
【００３０】
次に、本実施形態にかかる燃料気化混合装置の特徴的作動を述べる。
燃料気化混合装置が起動されると、気化混合容器２の端部に固定された本体インジェクタ１から液体燃料が霧状に噴射されるとともに、気化混合容器２の側面に設けられた混合エア吹込口３ａから大量の混合エアと、高温ガス吹込口４ａから高温ガスとが気化混合容器２内に供給される。
混合エア吹込口３ａから供給された混合エアの旋回流によって、噴射燃料、混合エア、高温ガスが混合しながら気化混合容器２内を下流側へ流れる。この時、これらの混合気が絞り板６１に衝突することにより、これらの混合気が拡散して混合性が高まる。また、絞り板６１によって、その上流側の内圧を高くすることができ、圧力差により混合気が絞り板６１の開口６１ａを通過することによって混合気の混合性が高まる。さらに、混合気が筒状ガイド６２を通過することによって混合気の流れが安定し、混合気の流速分布を均一化できる。
【００３１】
絞り板６１の下流側に流入した混合気は、下流プレート６３に混合気が衝突することにより、さらに混合性が向上するとともに、下流プレート６３の上流側がその下流側より高圧になり、圧力差によって混合気が多数の開口６３ａを通過することによっても混合気の混合性をさらに高めることができ、混合気の流速分布をもさらに均一化する。
このように濃度分布と流速分布が均一化した混合気は、触媒燃焼体７に供給され、触媒燃焼体７においてムラなく均一的に触媒燃焼する。
【００３２】
次に、本実施形態における燃料気化混合装置の特徴を述べる。
本実施形態によれば、上述したように、気化混合容器２内に絞り板６１、筒状ガイド６２、下流プレート６３を配置したことにより、噴射燃料、混合エア、高温ガスの混合性を向上させ、濃度分布と流速分布を均一化することができ、気化混合容器２の容積を従来より小さくできる。これによって、燃料気化混合装置の体格を従来に比較して小型化でき、車両搭載性が向上する。
また、絞り板６１の直前にウイック５を設けたため、ウイック５に含浸された未気化の燃料が、高温ガスの熱を受けて効率的に気化する。これによって、気化混合容器２内における燃料の気化性能が向上する。
【００３３】
（第２実施形態）
上記の実施形態では、内圧上昇手段６を、絞り板６１、筒状ガイド６２（あるいは偏向ガイド６４）、下流プレート６３で構成した例を示したが、この第２実施形態では、図６に示すように、内圧上昇手段６を、多数の開口を備えた複数のプレート６５〜６７（上流側から、第１プレート６５、第２プレート６６、第３プレート６７）によって構成したものである。この複数のプレート６５〜６７の開口は、下流に配置されるプレートほど開口率が小さくなるように設けられている。
【００３４】
具体的には、上流側の第１プレート６５は、図７（ａ）に示すように多数の開口６５ａを持つプレートであり、その下流の第２プレート６６は、図７（ｂ）に示すように開口６６ａの孔径が第１プレート６５の開口６５ａと同じであるが、開口６６ａの数が第１プレート６５の開口６５ａの数より少ないプレートであり、さらにその下流の第３プレート６７は、図７（ｃ）に示すように開口６７ａの孔径が他と同じであるが、開口６７ａの数が第２プレート６６の開口６６ａの数よりさらに少ないプレートである。
【００３５】
また、下流に配置されるプレートほど開口率を小さくするのではなく、下流に配置されるプレートほど開口径を小さくするように設けても良い。
具体的には、上流側の第１プレート６５は、図８（ａ）に示すように大きな開口６５ａを持つプレートであり、その下流の第２プレート６６は、図８（ｂ）に示すように開口率は同じであるが、第１プレート６５よりも小さな開口６６ａを持つプレートであり、さらにその下流の第３プレート６７は、図８（ｃ）に示すように開口率は同じであるが、第２プレート６６よりもさらに小さな開口６７ａを持つプレートである。
【００３６】
この第２実施形態では、内圧上昇手段６を第１〜第３プレート６５〜６７によって構成し、下流に配置されるプレートほど開口率を小さく設けることにより、あるいは下流に配置されるプレートほど開口径を小さく設けることにより、上流側の内圧を高くし、下流側の内圧を低くした。そして、各プレート６５〜６７に混合気が衝突する毎に混合性が向上するとともに、各プレート６５〜６７を混合気が通過した直後でも混合気の混合性が高まる。また、各プレート６５〜６７の上流側がその下流側より高圧になり、その圧力差によって混合気が多数の開口６５ａ〜６７ａを通過することによって、混合気の流速分布が均一化する。
【００３７】
なお、この実施形態では、最上流の第１プレート６５の開口６５ａをほぼ均一的に配置した例を示したが、この実施形態に示すように、混合エア吹込口３ａが気化混合容器２の側面に設けられる場合では、図９（ａ）に示すように、混合エア吹込口３ａ側の開口率を高く、反対側の開口率を低くなるように設けても良いし、図９（ｂ）に示すように、混合エア吹込口３ａ側の開口径を大きくし、反対側の開口径を小さく設けても良い。このように設けることにより、第１プレート６５を通過する際に気化混合容器２内を流れる混合気の流速分布が均一化することになり、気化混合容器２の出口付近での混合気の流速分布をさらに均一化できる。
【００３８】
（第３実施形態）
上記の実施形態では、内圧上昇手段６を用いることにより、気化混合容器２内における混合気の濃度分布および流速分布を均一化させた例を示したが、この第３実施形態では、図１０に示すように、内圧上昇手段６に代わり、混合エア吹込口３ａから気化混合容器２内に供給された混合エアを、本体インジェクタ１から噴射された噴射燃料の周囲から内側に向けて供給するエアガイド８を設けたものである。
エアガイド８は、混合エア吹込口３ａと高温ガス吹込口４ａとの中間部分に、中心部に円形の開口８１ａを備えたプレート８１と、このプレート８１の上流側に配置され、プレート８１の開口８１ａに連通する円筒形の筒状ガイド８２とから構成されるものである。
【００３９】
この第３実施形態では、エアガイド８を設け、混合エアを噴射燃料の周囲から内側に向けて供給することにより、噴射燃料と混合エアが効率的に接触し、気化混合容器２の容積を大きくすることなく、噴射燃料と混合エアの混合性が向上する。つまり、燃料気化混合装置の体格を大きくせずに、混合気の濃度分布を均一化できる。また、筒状ガイド８２の内側を混合エアが通過する際には、開口８１ａの前後の圧力損失が生じ、開口８１ａの出口側でその損失が緩和されるので、混合エアの偏流も緩和でき、流速分布の均一化も達成できる。このことは、混合エアと噴射燃料と高温ガスとの混合性の向上につながる。
【００４０】
ここで、上記第１〜３実施形態における燃料気化混合装置の制御の一例を、図１１のフローチャートおよび図１２のタイムチャートを用いて説明する。この制御では、図示しないスイッチがONされると同時に、ステップＳ1 〜Ｓ6 に示すように、スパークプラグ４６、燃焼器用インジェクタ４５、燃焼器用エアポンプ４７をONさせる。この時、スパークプラグ４６は所定電圧Ｅ1 （例えば１２Ｖ）で所定時間（例えば８秒間）だけONするものであり、燃焼器用インジェクタ４５は所定流量Ｑ1 （例えば２０ｃｃ／ｍｉｎ）で作動するものであり、燃焼器用エアポンプ４７は所定流量Ｑ2 （例えば１００リットル／ｍｉｎ）で作動するものである。その後、ステップＳ7 に示すように、上記の状態を所定時間ｔ1 （例えば６０秒）保持した後、ステップＳ8 〜Ｓ11に示すように、本体インジェクタ１、本体エアポンプ３２をONさせ、ステップＳ12に示す定常燃焼に移行する。この時、本体インジェクタ１は所定流量Ｑ3 （例えば５０ｃｃ／ｍｉｎ）で作動するものであり、本体エアポンプ３２は所定流量Ｑ4 （例えば１０００リットル／ｍｉｎ）で作動するものである。
【００４７】
（他の実施形態）
上記の実施例では、燃料の一例として、軽油を例に示したが、ガソリン、メタノール等の他の液体燃料を用いても良い。
高温ガス供給手段４の一例として、燃料気化混合装置に搭載される燃焼器４２を用いた例を示したが、他の機器のために搭載される燃焼装置があれば、その燃焼装置で得られる高温ガスを燃料気化混合装置に導いて利用しても良いし、内燃機関の発生した高温ガスを燃料気化混合装置に導いて利用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態にかかる燃料気化混合装置の要部模式図である。
【図２】インジェクタの断面図である。
【図３】絞り板および筒状ガイドの形態を示す斜視図である。
【図４】絞り板および偏向ガイドの形態を示す斜視図である。
【図５】下流プレートの形態を示す平面図である。
【図６】第２実施形態にかかる燃料気化混合装置の要部模式図である。
【図７】第１〜第３プレートの形態を示す平面図である。
【図８】第１〜第３プレートの他の形態を示す平面図である。
【図９】第１プレートの他の形態を示す平面図である。
【図１０】第３実施形態にかかる燃料気化混合装置の要部模式図である。
【図１１】燃料気化混合装置の制御例を示すフローチャートである。
【図１２】燃料気化混合装置の起動例を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
１      本体インジェクタ（燃料噴射手段）
２      気化混合容器
３      混合エア供給手段
４      高温ガス供給手段
４２    燃焼器
４５    燃焼器用インジェクタ（燃焼器用燃料噴射手段）
４７    燃焼器用エアポンプ（燃焼器用空気供給手段）
５      ウイック（燃料含浸手段）
６      内圧上昇手段
６１    絞り板
６２    筒状ガイド
６３    下流プレート
６４    偏向ガイド
６５    第１プレート（複数のプレートの一枚）
６６    第２プレート（複数のプレートの一枚）
６７    第３プレート（複数のプレートの一枚）
７      触媒燃焼体
８      エアガイド
８１    プレート
８２    筒状ガイド
【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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