(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
その形状が球面部分の一部である２枚以上のベーンを備え、これら複数のベーンをある間隔で、ハブに結合してなるベーンシステムであって、
前記ベーンの作動する凹表面は球面部分の一部であり、
前記ベーンの作動する凸表面は球面部分の一部であり、
前記ベーンは、前縁、後縁、上部の自由端およびベーン本体を前記ハブに結合する下部の固定端を備える、
ことを特徴とするベーンシステム。
【請求項２】
前記各ベーンの凹表面及び凸表面は同心の中空球の一部であり、ベーン本体は一様の厚さである請求項１記載のベーンシステム。
【請求項３】
前記各ベーンの凹表面及び凸表面は非同心の中空球の一部であり、ベーン本体の厚さは一様でなく、よって少なくとも１つのベーンは上部の自由端ではより薄く、ハブへとつながる下端ではより厚い、或いはその逆である請求項１記載のベーンシステム。
【請求項４】
上部自由端は、ベーンの前縁と後縁とが交わることによって規定されている請求項１、２または３の何れかに記載のベーンシステム。
【請求項５】
前記各ベーンは、ハブとは別に作られ、ハブに固定されている請求項１乃至４の何れかに記載のベーンシステム。
【請求項６】
ベーン本体の下部固定端は、ハブの形状に合わせた形状とされている請求項１乃至５の何れかに記載のベーンシステム。
【請求項７】
ベーン本体をハブに固定するために、前記ベーンの下部固定端にボルト、ねじまたは他の固定手段を通す開口が設置されている請求項１乃至６の何れかに記載のベーンシステム。
【請求項８】
前記ベーンはハブから伸長していることを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載のベーンシステム。
【請求項９】
前記ベーンは板金の成形、鋳造、押し出し、彫刻、スパーク腐食、曲げ、或いはその他の方法でハブと一体で製造され、ベーンはハブと一体式である請求項７または８記載のベーンシステム。
【請求項１０】
ベーン本体は、前記ベーン本体の下部固定端に対応する溝または穴に取り付けられ、結合処理によってハブと一体化される請求項１乃至９の何れかに記載のベーンシステム。
【請求項１１】
前記ベーンは、互いに形状及びサイズが類似している請求項１乃至１０の何れかに記載のベーンシステム。
【請求項１２】
前記ベーンはハブと一体式である請求項１乃至１１記載のベーンシステム。
【請求項１３】
ハブは、その外面をベーンの下部固定端付近の形状に対応する形状に仕上げられている請求項１乃至１２のうちの何れかに記載のベーンシステム。
【請求項１４】
ベーンはハブ上に取り付けられ、ハブの表面にはベーンを支持するためのフランジが用意されている請求項１乃至１３記載のベーンシステム。
【請求項１５】
前記ベーンは、ベーンの軸がハブの軸に対して平行となるように、或いは角度を成すように配置される請求項１乃至１４の何れかに記載のベーンシステム。
【請求項１６】
前記ベーンの軸は、ハブの中心軸を含む平面と同一線上にある、或いは横方向に変位されている請求項１乃至１５の何れかに記載のベーンシステム。
【請求項１７】
前記ベーンの軸は、ハブの中心軸を含む平面に垂直な、或いは当該表面と角度を成した平面を限定する請求項１乃至１６の何れかに記載のベーンシステム。
【請求項１８】
前記ベーンの表面を一部とする中空球の半径を、ベーン及びハブアッセンブリの用途に応じて選択することが可能な、請求項１乃至１７の何れかに記載のベーンシステム。
【請求項１９】
ベーンはハブ上に取り付けられ、ハブの直径は予め決められた用途に応じて選択しうる請求項１乃至１８の何れかに記載のベーンシステム。
【請求項２０】
前記ベーンは穴または溝が設けられているハブ上に取り付けられ、ハブには前記ベーンとハブの結合を強化するために切り欠きが施されている請求項１乃至１９の何れかに記載のベーンシステム。
【請求項２１】
布、金属、木材、セラミックまたは合成ポリマー材料或いは上記の材質による組合せによって製造される請求項１乃至２０の何れかに記載のベーンシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本明細書において「ベーン」という用語は、あらゆる種類のファンやプロペラ、タービン、ジェネレータ、渦巻きポンプなど、翼や羽根によって流体を駆動し散逸あるいは拡散させる装置、あるいは流体によって翼や羽根を備えた回転ヘッドを回転させる装置、または翼や羽根によって陸上や水上・水中や空中を推進する装置、などの翼や羽根を備えたあらゆる装置に関し、これら装置に備えられた翼や羽根のことをいう。
【０００２】
【従来の技術】
従来型のベーンは、推進を誘導するための形を得るために、曲げ加工や形どり、鋳造や成形をしたもので、おおむね平たい形状であった。従来型のベーンは発生させる流体速度に限界があり、流体を効果的に散逸させるために、相対的に大径の円を廻ることが要求される。従来型のベーンの場合、流体を切り、集め、噴き出させるために作動するのは片側表面のみである。これらのベーンは、特にファンとして使用される場合、空気の自由な吸気及び排気を必要とし、抵抗があれば効果的に作動することができない。半球形のベーンは、風速計（風力計）及びある種のタービンあるいはペルトン水車といった用途において使用されている。これらのベーンは、一度に僅か１枚のベーンしか流体速度による全衝撃を受け入れず、これらの動作軸は流体速度に垂直である。この場合もやはり、片面、通常は凹表面のみが作動する。従来、半球ベーンが空気または流体の推進用として使用されることはなかった。
【０００３】
米国特許第２，２５２，７８８号［翼桁Ｎ．Ａ．］は、発電に使用されるロータ（リアクティブロータ）のためのカップベーンを開示している。この発明において開示されているベーンもまた、推進用としては不適である。また、このベーンシステムの設計も、各ベーンの内端が回転軸を越えて伸長し、隣接するベーンの内外両面間の接続通路の形成を可能にするようなものでなければならない。この米国特許が提案するカップ型のカロットベーンにおけるこれらの通路の構造は、実際的でなく非常に複雑である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、流体力学的に改善され、機器または装置によるエネルギー消費量がより少なく、乱流が最小にされ、機器または複数のベーンを取り付けた組立品のサイズがより小さくされたベーンシステムを提案するものである。最終的には、機器のコスト及び運転費用も低減されることが確信されている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明による改良型ベーンシステムは、球面部分の一部である２枚以上のベーンを備え、これらベーンをハブに結合してなるベーンシステムであって、
ベーンの作動する凹表面は球面部分の一部であること、
ベーンの作動する凸表面は球面部分の一部であること、
ベーンは、ベーンの前縁、ベーンの後縁、上方の自由端、ベーン本体をハブに結合するための下部固定端を有すること
を特徴としている。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明のある実施例では、凹表面が、ベーンが角変位（回転）している場合の先行作動面（回転方向前側の面）である。この場合、ベーン本体は推進システムまたは渦巻きポンプの一構成要素として使用されている。
【０００７】
本発明の他の実施例では、凹表面は、ベーン本体が角変位（回転）している場合の後行作動面（回転方向後ろ側の面）になる。この場合、ベーン本体はタービンまたは風車の一構成要素として使用されている。
【０００８】
本発明のある実施例では、先行及び後行作動面は同心の中空球の一部であり、本体は一様の厚さである。
【０００９】
本発明の他の実施例では、先行及び後行作動面は非同心の中空球の一部であり、本体の厚さは一様でなく、上部自由端ではより薄くハブへとつながる下端ではより厚い、或いはその逆である。
【００１０】
本発明の好適な実施例では、上部自由端はベーンの前縁とベーンの後縁が交わることにより規定されている。
【００１１】
本発明の好適な実施例では、ベーン本体は中空球の４分の１あるいは４分の１以下の部分である。（図２（Ａ）乃至２（Ｅ）に示されている）こうした幾何学的形状とすることにより、ベーン本体をハブの周りに取り付けた際に、隣接するベーンと相互に協力しあい、システムとして流体力学的に最もすぐれた性能を発揮することが可能となる。
【００１２】
本発明のある実施例では、ベーンはハブのまわりにある角度間隔をおいて固定されている。当該実施例においては、ベーン本体の下端はハブの形状に合わせて輪郭取りされており、ベーン本体を溶接等の周知の方法でハブと結合している。本発明の他の実施例では、ベーン本体をハブに固定するためのボルト、ねじまたは他の固定手段を通すことのできる開口がベーン本体の下端に設置されている。
【００１３】
本発明の他の実施例では、ベーン本体はハブから伸長している。
【００１４】
他のさらなる実施例では、ベーンは板金の成形、鋳造、押し出し、彫刻、スパーク腐食、曲げ、或いはその他の方法でハブと一体式で製造されることが可能である。この場合、ベーンはハブに一体化されたものとすることができる。
【００１５】
他のさらなる実施例では、ベーン本体は、ベーン本体下部の固定端に対応してハブに設けられた溝または穴に取り付けられており、結合処理によってハブと一体化される。
【００１６】
本発明による複数のベーンと、複数のベーンが結合されるハブとを備えたベーン及びハブアッセンブリも、この発明の範疇である。
【００１７】
複数のベーンは、形状及びサイズが互いに類似したものである場合も、異なるものである場合もある。
【００１８】
ベーンは、ハブと一体となっている場合も、しっかりと固定されている場合もある。
【００１９】
ベーン及びハブアッセンブリは、一つのハブに２枚から３６乃至４８枚のベーンを備えることができる。
【００２０】
ハブは、円筒形である場合もあり、その外周面がベーンの下端付近の形状に対応した形状に仕上げられている場合もある。
【００２１】
ベーンをハブに固定してなるベーン及びハブアッセンブリの場合、ハブには、ベーン下部の固定端と対応する溝または穴を備えることができる。ベーンを支持するため、ハブ表面にはフランジを設置することができる。このフランジは、ベーンの主たる固定手段として用いてもよいし、補助的な支持手段として用いてもよい。このフランジもまた、ベーン下部の固定端付近の形状に対応した形状とすることができる。
【００２２】
ベーンは、ベーンの軸がハブの軸に対して平行であるように、または傾斜するようにハブに配置することができる。さらに、ベーンの軸は、ハブの軸を包含する垂直面と一直線に合わせる、または横方向に変位させることが可能である。効果的には、ベーンの軸は、ハブの軸を包含する平面に対して垂直である、或いは傾斜した平面を限定することができる。理論的には、２つの軸の傾斜は前後方向に８０度であることが可能であるが、実用上は、１５度乃至６０度の傾斜を与えることができる。
【００２３】
ベーンの表面を一部とする中空球の中心の位置によって、中空球の半径を選択することができる。この球の半径は、ベーン及びハブアッセンブリの用途に応じて変化する可能性がある。例えば、ベーンが後方に傾斜しており、この円の半径が大きければ、より速い流体速度がもたらされる。
【００２４】
ハブの直径もまた、装置の用途に応じて変更することができる。
【００２５】
ハブ上に設けられた穴または溝に加えて、ベーンとハブとの結合を強化し、流体力学的に優れたものとするために、ハブには切り欠きを設けることができる。
【００２６】
ベーン及びハブは、布、金属、木材、セラミックまたは合成ポリマー材料或いは上記の材質による組合せとすることができる。
【００２７】
次に、添付の図面を参照して、本発明について説明する。
【００２８】
図中において、番号１０で表されているこの発明によるベーン（図１（A）乃至図１（H）に詳細が示されている）は、球面の一部分である作動用凹表面１４、球面の一部分である作動用凸表面１６、前縁２２、後縁２４、上部自由端２０、ベーンをハブ１００の中心軸まわりに固定するための下部固定端１８を備えている。（図３を参照）
【００２９】
本発明のある実施例では、凹表面１４は、ベーン１０が角変位（回転）している場合の先行作動面（回転方向前側の面）である。この場合、ベーン本体１２は推進システムまたは渦巻きポンプシステムの一部分として使われている。
【００３０】
本発明の他の実施例では、凹表面１４は、ベーン本体１２が角変位（回転）している場合の後行作動面（回転方向後ろ側の面）である。この場合、ベーン本体１２はタービンの一部分として使われている。
【００３１】
本発明のある実施例では、先行及び後行作動面は同心の中空球の一部であり、ベーン本体１２は一様の厚さである。
【００３２】
本発明の他の実施例では、先行及び後行作動面は非同心の中空球の一部であり、本体の厚さは一様でなく、よってベーン１０の本体は、上部自由端２０ではより薄く下部の固定端１８ではより厚い。本実施例は、特に図２０乃至２２に示されている。
【００３３】
本発明の好適な実施例では、上部自由端２０は、ベーンの前縁２２とベーンの後縁２４とが交わることによって規定されている。
【００３４】
本発明のある実施例では、ベーン１０は、ハブ１００のまわりに固定されている。当該実施例においては、ベーン本体１２の下部固定端１８はハブ１００の形状に合わせて輪郭取りされており、ベーン本体１２を溶接等の周知の方法でハブ１００に結合している。本発明の他の実施例では、特に図４に示されているように、ベーン本体１２をハブ１００に固定するためのボルト、ねじまたは他の固定手段２６を通すことのできる開口がベーン本体１２の下端に設置されている。
【００３５】
本発明の他の実施例では、図３において典型的に示されているように、ベーン本体１２はハブ１００から伸長している。
【００３６】
あるさらなる実施例では、ベーン１０は板金の成形、鋳造、押し出し、彫刻、スパーク腐食、曲げ、或いはその他の方法でハブ１００と一体式で製造されることが可能である。この場合、ベーン１０はハブ１００に一体化されたものとすることができる。
【００３７】
他のさらなる実施例では、ベーン本体１２は、ベーン本体１２の下部固定端１８に対応した溝または穴（図には特に示されていない）に取り付けられており、結合処理によってハブ１００と一体化される。
【００３８】
本発明による複数のベーン１０と、複数のベーン１０が結合されるハブ１００とを備えたベーン及びハブアッセンブリ６０も、この発明の範疇である。
【００３９】
ベーン１０は、ハブ１００と一体となっている場合も、しっかりと固定されている場合もある。
【００４０】
ベーン及びハブアッセンブリ６０は、一つのハブに２枚から３６乃至４８枚ものベーン１０を備えることができる。ベーン及びハブアッセンブリ６０は、図５乃至４２に様々なものが例示されているが、これらは単に例示的なものとして示されており、如何なる場合もベーンの数、形状またはサイズを限定するものとして見なされるべきものではなく、本発明の性質及び範囲を限定するものではない。
【００４１】
ハブは、図７に示されているように、円筒形である場合もあり、その外面がベーン１０の下部固定端１８の近くのベーン１０の凸表面１６に対応した輪郭１０２に仕上げられている場合もある。
【００４２】
ベーンをハブに固定してなるベーン及びハブアッセンブリ６０の場合、ハブには、ベーン１０の下部固定端１８に対応した溝または穴を備えることができる。ハブ１００に取り付けられた状態において、ベーン１０に主要なまたは追加的な支持を提供するため、特に図４に示されているように、ハブ１００の表面にはフランジ２８（ベーンの下部固定端及び／または後部表面に対応する）を設置することができる。
【００４３】
ベーン１０は、図４５乃至４７に見られるように、ベーンの軸１３０がハブ１００の軸１１０に対して平行であるように、または傾斜するようにハブ１００に配置することができる。さらに、ベーンの軸１３０は、図４３及び４４に特に見られるように、ハブ１００の軸１１０を包含する垂直面１２０と整合させる、または横方向に変位させることが可能である。効果的には、ベーン１０の軸１３０は、ハブ１００の軸１１０を包含する面に垂直である、または傾斜する面を限定することができる。理論的には、２つの軸の傾斜は前後方向に８０度であることが可能であるが、実用上は、図４５（Ａ）乃至４５（Ｄ）に特に見られるように、１５乃至６０度の傾斜を与えることができる。
【００４４】
ベーンの表面を一部とする中空球の有効中心１３２（図４５乃至４７に示されている）の位置によって、中空球の半径を選択することができる。この球の半径は、ベーン及びハブアッセンブリ６０の用途に対応して変化させることができる。作動上は、傾斜が後方であってこの円の半径が大きければ、より高速の流体速度がもたらされる。
【００４５】
ハブの直径もまた、装置の用途に応じて変更することができる。ハブの直径１３４の変化は図４７（Ａ）乃至４７（Ｅ）に示されている。
【００４６】
ハブ上に設けられた穴または溝に加えて、ベーン１０とハブ１００との結合を強化し、流体力学的に優れたものとするため、図１０及び１１に示されているようにハブには切り欠き１０４を設けることができる。
【００４７】
ベーン及びハブは、布、金属、木材、セラミックまたは合成ポリマー材料或いは上記の材質による組合せとすることができる。
【００４８】
ベーン及びハブアッセンブリのプロペラとしての使用例が図４８に示されている。この図では、ハブから３枚のベーンが伸長している。ベーン及びハブアッセンブリがプロペラとして機能する場合、ベーンの角変位（回転）はベーン表面の後部にベーンの先端で最大であり基部で最小である低圧域を作り出す。空隙が生成されると、即座に（矢印１３５で示されるように）流体は空隙へと流入し、次のベーンの凹表面によってかき出される。流体を収集して変位させなければならない従来の軸プロペラと比較すると、推進は滑らかであり、より強力でエネルギー消費がより少ない。本発明によるベーンアッセンブリシステムは、静止圧に対しても効率のよい性能を提供することができる。
【００４９】
ベーン及びハブアッセンブリのタービンとしての使用例が図４９に示されている。この図では、ハブから３つのベーンが伸張している。ベーン及びハブアッセンブリがタービンとして使用される場合、球状ベーンの前部凹表面上に衝突した流体（全てのベーンが同時に流体の速度による全衝撃を受ける）は、（矢印１３７によって示されているように）ほぼ直角に向きを変えさせられる。従って本システムは、流体の速度を完全に利用することができる。流体による衝撃はベーンの角変位（回転）をもたらし、これによってベーンの凹表面に沿って低圧域が生成され、タービン上に衝突する流体が加速される。さらに、ベーンによって向きを変えられた流体はベーンの凸状の後部球面を越えて移動し、低流体圧力部が生成される。このようにして本アッセンブリには、ベーンの前部凹状球面上に衝突する流体速度によって生じるベーンを押す力と、球状ベーンの後部凸状球面上の背部における移動流体の低圧によって生じるベーンを引き込む力の両方を利用できるという利点がある。
【００５０】
容易に理解できることであるが、先行技術のベーンとは異なり、本発明によるベーン、そしてベーン及びハブアッセンブリの作動においては、各ベーンの両面が作用面である。また、ベーン及びハブアッセンブリにおけるハブの軸は、流体の速度及び流れの方向と平行である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（Ａ）〜（Ｈ）は、本発明によるベーンの８つの実施例を表している。
【図２】図２（Ａ）〜（Ｅ）は、中空球の４分の１、あるいは４分の１以下の部分をベーン本体として使用した本発明の実施例を表している。
【図３】本発明によるベーンをハブに結合した実施例を表している。
【図４】本発明によるベーンをハブに取り付けた他の実施例を表している。
【図５】本発明によるベーンをハブに取り付けた他の実施例を表している。
【図６】ハブ上に５枚のベーンを結合した、本発明の他の実施例を表している。
【図７】本発明の６枚ベーンの実施例であり、ハブ表面をベーンの下部固定端に対応した形状としている。
【図８】ハブ上に８枚のベーンを取り付けた、本発明の他の実施例を表している。
【図９】ハブ上に９枚のベーンを取り付けた、本発明の他の実施例を表している。
【図１０】切り欠きを設けられたハブに結合された、本発明による１０枚ベーンの実施例を表している。
【図１１】切り欠きを設けられたハブに結合された、本発明による１２枚ベーンの実施例を表している。
【図１２】本発明によるベーン及びハブアッセンブリの正面図を表している。
【図１３】図１２のベーン及びハブアッセンブリの右立面図を表している。
【図１４】図１２のベーン及びハブアッセンブリの斜視図を表している。
【図１５】図１２のベーン及びハブアッセンブリの底面図を表している。
【図１６】本発明による他のベーン及びハブアッセンブリの正面図を表している。
【図１７】図１６のベーン及びハブアッセンブリの右立面図を表している。
【図１８】図１６のベーン及びハブアッセンブリの斜視図を表している。
【図１９】図１６のベーン及びハブアッセンブリの底面図を表している。
【図２０】本発明によるさらに他のベーン及びハブアッセンブリの正面図を表している。
【図２１】図２０のベーン及びハブアッセンブリの右立面図を表している。
【図２２】図２０のベーン及びハブアッセンブリの斜視図を表している。
【図２３】本発明によるベーン及びハブアッセンブリを表している。
【図２４】本発明によるベーン及びハブアッセンブリを表している。
【図２５】本発明によるベーン及びハブアッセンブリを表している。
【図２６】本発明によるベーン及びハブアッセンブリを表している。
【図２７】本発明によるベーン及びハブアッセンブリを表している。
【図２８】本発明によるベーン及びハブアッセンブリを表している。
【図２９】本発明によるベーン及びハブアッセンブリを表している。
【図３０】本発明によるベーン及びハブアッセンブリを表している。
【図３１】本発明によるベーン及びハブアッセンブリを表している。
【図３２】本発明によるベーン及びハブアッセンブリを表している。
【図３３】本発明によるベーン及びハブアッセンブリを表している。
【図３４】本発明によるベーン及びハブアッセンブリを表している。
【図３５】本発明によるベーン及びハブアッセンブリを表している。
【図３６】本発明によるベーン及びハブアッセンブリを表している。
【図３７】本発明によるベーン及びハブアッセンブリを表している。
【図３８】本発明によるベーン及びハブアッセンブリを表している。
【図３９】本発明によるベーン及びハブアッセンブリを表している。
【図４０】本発明によるベーン及びハブアッセンブリを表している。
【図４１】本発明によるベーン及びハブアッセンブリを表している。
【図４２】本発明によるベーン及びハブアッセンブリを表している。
【図４３】ハブの軸を含む面に対して、ベーンアッセンブリの軸を横方向変位に変位させた実施例を表している。
【図４４】ハブの軸を含む面に対して、ベーンアッセンブリの軸を横方向変位に変位させた別の実施例を表している。
【図４５】図４５（Ａ）〜（Ｄ）は、ベーンの軸がハブの軸に対して平行または傾斜しているベーンとハブとの接合例を表している。
【図４６】図４６（Ａ）〜（Ｄ）は、ハブに結合された、異なる半径を有する球体の一部分であるベーンの例を示している。
【図４７】図４７（Ａ）〜（Ｅ）は、異なる直径のハブに結合された異なるサイズのベーンを表している。
【図４８】推進用として使用されている、ハブから伸長したベーンセットの実施例を表している。
【図４９】渦巻き推進に使用されている、ハブから伸長するベーンセットの実施例を表している。
【図５０】補強及び支持を追加するために、一端をハブに、他端をベーンの先端に取り付る棒または管（１３９で指示）を示している。
【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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【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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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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