(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換用水である冷水又は温水を選択的に流通させる熱交換器（２０）を有する空調機（５）を、備え、
前記熱交換器（２０）は、前記熱交換用水が流通する伝熱管群（３０）を複数のグループ（Ｇ）に分配しかつ前記分配の割合を相違させて成る分流回路（２８）を、備え、
前記分流回路（２８）の最少分配割合の第１のグループ（Ｇ１）の前記熱交換用水の流量と前記第１グループ（Ｇ１）を除いた前記分流回路（２８）の第２の前記グループ（Ｇ２）の前記熱交換用水の流量とを別個に調整するバルブ（３３）を、備え、
前記伝熱管群（３０）が前記熱交換器（２０）を通る空気の気流方向を横切るように蛇行しつつ前記気流方向に向かって延伸し、かつ、前記気流方向から見たときに、前記第２グループ（Ｇ２）と前記第１グループ（Ｇ１）が重ならず前記第２グループ（Ｇ２）のみが含まれる不重複ゾーン（Ｆ）と、前記第２グループ（Ｇ２）と前記第１グループ（Ｇ１）が重なる重複ゾーンと、が積層状に形成され、かつ、前記重複ゾーンが前記不重複ゾーン（Ｆ）で挟まれるように前記分流回路（２８）を構成し、
冷房時に前記冷水を前記熱交換器（２０）の前記分流回路（２８）の前記第１グループ（Ｇ１）に流通させて前記第２グループ（Ｇ２）に流通させないように前記バルブ（３３）を制御する制御装置（３）を、備えたことを特徴とする空気調和装置。
【請求項２】
前記制御装置（３）は、低空調負荷の場合に前記分流回路（２８）の前記第１グループ（Ｇ１）で前記熱交換用水の流量を増減させて前記熱交換器（２０）の熱交換で生じる前記熱交換用水の温度差を一定に制御する温度補償部（７４）と、前記空調機（５）の前記熱交換器（２０）に供された前記熱交換用水の流量と前記熱交換器（２０）の熱交換で生じる前記熱交換用水の温度差とに基づいて前記被空調空間（Ｓ）のエネルギー消費量を算出して出力するエネルギー消費監視部（７５）と、を備えた請求項１に記載の空気調和装置。
【請求項３】
前記空調機（５）の前記熱交換器（２０）に供される前記熱交換用水を冷却又は加熱して水温調整する複数台の熱源機（１０）を、備え、前記制御装置（３）は、前記エネルギー消費監視部（７５）にて出力された前記被空調空間（Ｓ）の前記エネルギー消費量の増減に応じて前記熱源機（１０）の運転台数を増減させる信号を出力する熱源制御部（７６）を、備えた請求項２に記載の空気調和装置。
【請求項４】
前記空調機（５）の前記熱交換器（２０）の伝熱管群（３０）を楕円管にて構成した請求項１から３のいずれかに記載の空気調和装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は空気調和装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ビルの空気調和システムは、屋外の冷温水熱源機と屋内の冷温水式空調機とを水配管で接続し、冷温水式空調機から空調用空気をダクトを使って室内に供給すると共に、室内の二酸化炭素が基準値を超えないように外気を導入する構成となっている。あるいは、冷温水を使わずに、ヒートポンプ式の室外機と室内機を冷媒配管で接続した構成となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−２１７５６１号公報
【特許文献２】特開２０００−２７４７７７号公報
【特許文献３】特開２００１−２８０８５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
冷温水式の場合、前記空調機は床面設置のため、空調機専用の機械室がビルに必要でレンタブル比が低下する問題がある。さらに、冷温水式空調機で冷房運転と暖房運転を同時にするには、４管式と呼ばれる冷水と温水を同時に冷温水式空調機へ送る水熱源設備が必要で、設備コスト及び運転コストが高くなる。一方、２管式と呼ばれる冷水と温水を切換えて冷温水式空調機へ送る水熱源設備では、冷房運転と暖房運転を同時にすることができず快適性が損なわれる問題がある。
【０００５】
また、空調機は、空調用空気と熱交換用水との間で熱交換させる熱交換器を備え、熱交換用水の流量を増減することで熱交換量を調整し、空調用空気を冷却又は加熱する能力を制御している。この熱交換器の伝熱管群を２つのグループに等分することで熱交換用水の下限流量を減らして、熱交換コイルの下限能力制御範囲を広げている。しかしながら、伝熱管群を等分しているため熱交換用水の下限流量に限度があり、僅少な熱交換量（貫流熱量）で足りる低空調負荷域では、能力過多となって冷やし過ぎや温め過ぎが生じ、熱交換器の熱交換で生じる熱交換用水の温度差が一定にならない問題があった。
【０００６】
また、複数のテナントが入居しているビル等の建物では、チラー等の熱源機を共用して空調を行っており、各テナント毎に空調料金を按分して課金する必要がある。そのための課金システムとして、空調機に設けられた熱交換器の水量制御バルブの開度と稼働時間の積から空調料金を算出して按分するものがあった。このような課金システムでは、熱交換コイルの通水量は算出できるが、実際に熱交換に使用されたエネルギー消費量が不明なため、空調料金算出の正確性に欠ける問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は上記課題を解決するため、熱交換用水である冷水又は温水を選択的に流通させる熱交換器を有する空調機と、制御装置と、を備え、前記熱交換器は、前記熱交換用水が流通する伝熱管群を複数のグループに分配しかつ前記分配の割合を相違させて成る分流回路を、備え、前記制御装置は、低空調負荷の場合に前記分流回路の単独かつ最少分配割合の第１のグループで前記熱交換用水の流量を増減させて前記熱交換器の熱交換で生じる前記熱交換用水の温度差を一定に制御する温度補償部を、備え、前記空調機の前記熱交換器を通る空気の気流方向から見たときに、前記分流回路の前記第１グループを除いた第２の前記グループに、前記第１グループと重ならない不重複ゾーンが、形成されると共に、前記第１グループが前記不重複ゾーンで挟まれるように前記分流回路を構成したことを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１の発明によれば、低空調負荷の場合に熱交換器の分流回路の第１グループで熱交換用水の流量を増減させて下限流量をさらに最少化できる。そのため、熱交換器の下限能力制御範囲が広がって低空調負荷の場合でも能力過多とならず、エネルギー浪費及び冷やし過ぎや温め過ぎが無くなって省エネ性と快適性が向上する。
【００１０】
冷房時に熱交換用水を熱交換器の分流回路の第１グループに流通させて第２グループに流通させないようにし、第１グループを通過して過冷却除湿した空気を、不重複ゾーンを通過した前記過冷却除湿空気よりも高温のバイパス空気で再熱し、不快な冷感がないドライエアーを得ることができる。このとき、前記過冷却除湿空気が逃げないように前記バイパス空気で挟むので混合が促進されて確実に再熱することができる。そのため、湿度が高くてジメジメする中間期でも、コールドドラフトのないカラッとした気流で空調ができ快適性が向上する。しかも、バイパスダンパ等の機器が不要でコストダウンとコンパクト化を図れる。
【００１１】
請求項２の発明によれば、低空調負荷の場合でも熱交換器の熱交換用水の温度差を一定に制御するので空調機の少水量大温度差運転ができ、少水量化による配管や空調設備の簡略化と、大温度差化による熱源機の省エネ化を図れる。熱交換器の熱交換用水の温度差を一定に制御し、熱交換用水の温度差と、熱交換用水の流量と、に基づいて被空調空間のエネルギー消費量を算出できる。そのため、各被空調空間のエネルギー消費量を比較することで空調料金を正確に算出して按分できる。
【００１２】
熱交換器の熱交換用水の流量と温度を計測するだけでよく、空調機の運転とエネルギー消費量の出力を一つの制御装置で行えるので設備や施工を簡略化でき、コスト低減を図れる。
【００１３】
請求項３の発明によれば、空調機のエネルギー消費量の増減に応じて熱源機の運転台数を増減させるので熱源機のエネルギー浪費を抑えることができ省エネとなる。
【００１４】
請求項４の発明によれば、熱交換器の伝熱管群の死水領域が減少し、伝熱管群の通風抵抗が小さくて省エネとなり、空調用空気との接触面積（貫流熱量)が増して熱交換効率が向上する。そのため、熱交換器の伝熱面積を増加（大型化）させずに少水量大温度差運転ができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の空気調和装置の簡略平面図である。
【図２】図１の簡略側面図である。
【図３】空調機器の簡略説明図である。
【図４】熱交換器を示す斜視図である。
【図５】図４のＡ矢視の簡略説明図である。
【図６】図４のＢ矢視の簡略説明図である。
【図７】外調機の側面断面図である。
【図８】誘引放射ユニットの斜視図である。
【図９】誘引放射ユニットの断面図である。
【図１０】空調運転の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１６】
図１から図３は本発明の空気調和装置の一実施例で、この空気調和装置は、空調機器１、水熱源設備２及び制御装置３を備えており、ビルなどの建物に設置する。空調機器１は、建物内の１又は複数の被空調空間Ｓの天井に２組以上設置する。被空調空間Ｓは、建物の各階層を天井、床及び壁等で区画して成る。空調機器１は、外調機４、空調機５及び誘引放射ユニット６を備えている。各図の太い点線の矢印は空気の気流方向を示す。
【００１７】
外調機４は、冷房運転と暖房運転を切換できるヒートポンプ５０を有し、被空調空間Ｓの還気を熱源空気として使用する。このヒートポンプ５０の熱交換用冷媒で外気（ＯＡ）を熱交換（冷却又は加熱）して給気（ＳＡ）する。空調機５は、熱交換用水である冷水又は温水を選択的に流通させる水用の熱交換器２０を有している。この熱交換器２０の熱交換用水で、外調機４から給気された外気と被空調空間Ｓの還気（ＲＡ）とを熱交換（冷却又は加熱）して空調用空気として給気（ＳＡ）する。あるいは、外気のみ又は外気と還気の混合空気を、熱交換器２０の熱交換用水で熱交換せずに空調用空気として給気する。
【００１８】
誘引放射ユニット６は、空調機５から給気された空調用空気で被空調空間Ｓの還気を誘引して混合し、この混合空気を被空調空間Ｓに出しつつ混合空気の熱を放射する。誘引放射ユニット６、空調機５、外調機４及び屋外との間で空気が流通するようにダクト７を介して相互に接続する。ダクト７は図１と図２では太い実線で簡略化して示す。図例では、被空調空間Ｓを天井板８で仕切って設けた天井懐に空調機器１を設置している。天井懐は天井チャンバ―として利用し、天井板８に設けた空気取入口９から被空調空間Ｓの還気を天井懐に取入れる。
【００１９】
水熱源設備２は２管式で、熱源機１０及び循環機器１１を備えている。熱源機１０は、空調機５の熱交換器２０に供される熱交換用水を冷却又は加熱して、熱交換に適した冷水又は温水となるように水温調整する。熱源機１０は複数台設け、１台毎個別に運転・停止できかつ冷水と温水を切換できるように構成する。循環機器１１は、熱交換用水を熱源機１０と空調機５との間で循環させる。循環機器１１は、熱交換用水を熱源機１０から空調機５へ送る往配管１２と、空調機５から熱源機１０へ還す還配管１３と、熱交換用水を搬送するポンプ１４と、を備えている。
【００２０】
空調機５は、熱交換器２０と、熱交換器２０に流れる熱交換用水の流量を調整するバルブ３３と、熱交換器２０を通過した空気を加湿する加湿器２１と、給気用ファン２２と、ファン２２の回転数を無段階又は段階制御して給気風量を調整する回転制御器２３と、熱交換器２０と加湿器２１とファン２２とを内装するケーシング２４と、空気を分流させる分岐チャンバ部２５と、を備えている。
【００２１】
分岐チャンバ部２５は複数の誘引放射ユニット６にダクト７を介して接続する。ケーシング２４には還気口２６を設ける。ファン２２は、外調機４から給気された外気と、被空調空間Ｓから空気取入口９及び還気口２６を介して取込んだ還気を、熱交換器２０及び加湿器２１に通過させて分岐チャンバ部２５からダクト７を介して誘引放射ユニット６に送風する。
【００２２】
図４から図６に示すように、熱交換器２０は、フィン群２７と分流回路２８とを備えている。フィン群２７は、空調用空気が通る隙間をあけて配置した多数のプレートフィン２９から成る。分流回路２８は、熱交換用水が流通する伝熱管群３０を複数のグループＧに分配しかつ分配の割合を相違させて成る。これにより、一部又は全てのグループＧの伝熱面積（熱交換量）を異ならせる。たとえば、図５の太い一点鎖線で示す単独かつ最少分配割合の第１のグループＧ（Ｇ１）と、第１グループ（Ｇ１）を除いた図５の細い一点鎖線で示す分配割合の多い第２のグループＧ（Ｇ２）と、に分ける。伝熱管群３０は空調用空気の気流方向を横切るように蛇行させてフィン群２７に接続する。伝熱管群３０の直管部は楕円管にて構成するのが望ましいが円形管としてもよい。
【００２３】
第１グループＧ１の熱交換用水入口は第１の分岐ヘッダ３１に接続し、第２グループＧ２の熱交換用水入口は第２の分岐ヘッダ３１に接続する。第１グループＧ１と第２グループＧ２の熱交換用水出口は両方とも合流ヘッダ３２に接続する。分岐ヘッダ３１はバルブ３３を介して往配管１２に接続し、合流ヘッダ３２は還配管１３に接続する。バルブ３３は流量（弁開度）を無段階に調整することができる比例制御弁とし、分流回路２８の各グループＧに設けて別個に流量を調整する。空調機５の冷却能力と加熱能力の増減は、分流回路２８を流れる熱交換用水の流量制御と、ファン２２の給気風量制御と、を組合わせて調整する。分流回路２８は、伝熱管群３０が熱交換器２０を通る空気の気流方向を横切るように蛇行しつつ前記気流方向に向かって延伸し、かつ、前記気流方向から見たときに、第２グループＧ２と第１グループＧ１が重ならず第２グループＧ２のみが含まれる不重複ゾーンＦと、第２グループＧ２と第１グループＧ１が重なる重複ゾーンと、が積層状に形成され、かつ、前記重複ゾーンが不重複ゾーンＦで挟まれるように構成する。制御装置３は、たとえば冷房時に冷水を熱交換器２０の分流回路２８の第１グループＧ１に流通させて第２グループＧ２に流通させないようにバルブ３３を制御する。
【００２４】
図３と図７に示すように、外調機４は、ヒートポンプ５０と、外気を加湿する加湿器４０と、外気（ＯＡ）を外調機４から空調機５に給気する外気用給気ファン４１と、還気（ＲＡ）を屋外に排気（ＥＡ）する熱源空気用排気ファン４２と、外気用給気ファン４１と熱源空気用排気ファン４２の回転数を無段階又は段階制御して給気風量と排気風量を調整する回転制御器４３と、これらを内装するケーシング４５と、ケーシング４５の底部からヒートポンプ５０を出し入れするためのスライド機構４６と、を備えている。ケーシング４５には還気口５４を設ける
【００２５】
スライド機構４６は、ヒートポンプ５０を取り付けたフレーム４７と、フレーム４７を上下移動させるダンパー４８と、を備える。ダンパー４８は、ケーシング４５とフレーム４７に跨って設ける。外調機４の保守点検は、天井板８に設けた点検口４４を開き、ケーシング４５の底面の開口部を閉じている外装板４９を外し、スライド機構４６を用いてフレーム４７と共にヒートポンプ５０を降ろして行う。ダンパー４８は、ガスやオイルの圧力で伸縮して作業者の身体的負担を軽減する。
【００２６】
図３に示すように、ヒートポンプ５０は、外気用熱交換器５１と熱源空気用熱交換器５２と圧縮機５３とを有する冷媒配管工事が不要な一体形とする。外気用給気ファン４１は、屋外からダクト７を介して外気を取込んで外気用熱交換器５１を通過させ、外調機４からダクト７を介して空調機５に送風して供給する。熱源空気用排気ファン４２は、被空調空間Ｓから空気取入口９及び還気口５４を介して還気を取込んで熱源空気用熱交換器５２を通過させ、外調機４からダクト７を介して屋外に排気する。
【００２７】
ヒートポンプ５０は、冷媒に対して圧縮・凝縮・膨張・蒸発の工程順を繰返し、この冷媒と熱交換する空気に対して冷媒蒸発工程で吸熱を冷媒凝縮工程で放熱を各々行うものである。ヒートポンプ５０は、冷媒の蒸発工程と凝縮工程であって互いに異なる工程を担う外気用熱交換器５１及び熱源空気用熱交換器５２と、冷媒を圧縮して搬送する圧縮機５３と、冷媒を膨張させる膨張弁等の減圧機構５５と、外気用熱交換器５１及び熱源空気用熱交換器５２の蒸発工程と凝縮工程を切換えるバルブ等の切換機構５６と、を少なくとも備え、これらを冷媒が循環するように配管接続して成る。
【００２８】
外気用熱交換器５１と熱源空気用熱交換器５２は、空調機５の熱交換器２０と同様に、熱交換用冷媒が流通する伝熱管群を、空気が通過するフィン群に接続した構造で、熱交換用冷媒と通過空気が、伝熱管群及びフィン群を介して熱交換する（図示省略）。伝熱管群は楕円管にて構成するのが望ましいが円形管としてもよい。外調機４の冷却能力と加熱能力の増減は、外気用熱交換器５１の外気冷却又は加熱能力制御と、外気用給気ファン４１の給気風量制御と、を組合わせて調整する。
【００２９】
図８と図９に示すように、誘引放射ユニット６は、空気供給部６０、空気誘引部６１及び空気混合部６２を備え、天井板８の開口部から空気混合部６２の底面を被空調空間Ｓに向けた状態で設置する。空気供給部６０は空調機５の供給空気を噴流し、空気誘引部６１は噴流空気の誘引作用にて被空調空間Ｓの還気を引き込む。空気混合部６２は、混合空気の熱を蓄熱するプレート６３と貫孔６４の群を備え、貫孔６４を介してプレート６３から熱を被空調空間Ｓへ放射しつつ混合空気を被空調空間Ｓへ放出する。
【００３０】
図２と図５に示すように、制御装置３は、被空調空間Ｓの温度及び湿度と熱交換用水の温度差を設定する設定部７０と、空気状態検出部７１と、水状態検出部７２と、空調制御部７３、温度補償部７４と、エネルギー消費監視部７５と、熱源制御部７６と、を備えており、これらはマイクロプロセッサ、各種センサー、スイッチ、その他の制御機器にて構成する。
【００３１】
空気状態検出部７１は、被空調空間Ｓの空気（還気）の温度及び湿度を検出する還気センサー７７を備える。水状態検出部７２は、各被空調空間Ｓの熱交換用水の流量を検出する流量計７８と、熱交換器２０の熱交換用水の入口水温と出口水温を検出する水温計７９と、を備える。流量計７８は各被空調空間Ｓの往配管１２又は還配管１３に設け、水温計７９は各空調機５の熱交換器２０に接続する往配管１２と還配管１３に設ける。なお、水状態検出部７２は、流量計７８と水温計７９を一体にした熱量計としてもよい。
【００３２】
空調制御部７３は、空気用検出部４６で検出した被空調空間Ｓの空気の温度及び湿度が設定部７０で設定した被空調空間Ｓの温度及び湿度になるように、空調機器１の冷却能力と加熱能力を制御し、空調機器１の加湿器２１、４０の加湿量を制御する。さらに、空調制御部７３は、空調機器１の運転と停止を組単位で行う第１の運転パターンと、外調機４の単体運転と外調機４及び空調機５の同時運転とを切換える第２の運転パターンと、運転中の空調機器１と停止中の空調機器１を交替させる第３の運転パターンと、外調機４と空調機５の一方又は両方の空調能力を増減させる第４の運転パターンと、を有しており、第１から第４の運転パターンを切換え又は組合せて被空調空間Ｓを空調する。
【００３３】
たとえば、被空調空間Ｓの空気の温度及び湿度と、予め設定した温度及び湿度と、の差（空調負荷）が減少するにしたがって、空調機器１の運転パターンを第１、第２の順番に切換えて空調能力を減少させる。第１と第２と第４の運転パターンを組合せた場合は、被空調空間Ｓの温度及び湿度の制御範囲が拡がり、よりきめ細かな空調が行える。これらの運転パターンに、第３の運転パターンを追加で組合せた場合は、特定の空調機器１だけに運転が偏らなくなる。
【００３４】
上述の運転パターンにおいて、外調機４の運転は、ヒートポンプ５０の圧縮機５３と、外気用給気ファン４１と、熱源空気用排気ファン４２と、を稼働させて行い、空調機５の運転は、各バルブ３３を開いて熱交換器２０に熱交換用水を流通させると共にファン２２を稼働させて行う。外調機４の停止はヒートポンプ５０の圧縮機５３を止めて行い、空調機５の停止は各バルブ３３を全閉にして熱交換器２０の熱交換用水の流通を止めて行う。
【００３５】
温度補償部７４は、低空調負荷の場合に分流回路２８の第１グループＧ１で熱交換用水の流量を増減させて熱交換器２０の熱交換で生じる熱交換用水の温度差を一定に制御すると共に空調機５の給気風量を増減させて被空調空間Ｓの温度を制御する。さらに温度補償部７４は、高空調負荷の場合に全てのグループＧで熱交換用水の流量を増減させて熱交換用水の温度差を一定に制御すると共に、高空調負荷と低空調負荷との間の通常空調負荷の場合に第２グループＧ２で熱交換用水の流量を増減させて熱交換用水の温度差を一定に制御する。これにより真夏や真冬などのように最大の熱交換量が必要となる高空調負荷の場合から、中間期などのように僅少な熱交換量で足りる低空調負荷の場合まで幅広く、空調機５の少水量大温度差運転に対応できる。
【００３６】
エネルギー消費監視部７５は、空調機５の熱交換器２０に供された熱交換用水の流量と、熱交換器２０の熱交換により生じた熱交換用水の温度差と、に基づいて被空調空間Ｓ毎のエネルギー消費量を算出してデータ出力する。熱源制御部７６は、エネルギー消費監視部７５にてデータ出力された全ての被空調空間Ｓのエネルギー消費量の増減に応じて熱源機１０の運転台数を増減させる信号を出力する。
【００３７】
図１０は空調運転の一例を示している。空調運転開始後、外調機４は運転せずに空調機５のみを運転し、熱交換器２０の熱交換用水の流量とファン２２の給気風量を最大にしてウォーミングアップ運転する。被空調空間Ｓの温度（還気温度）が、予め設定された還気温度の許容範囲になれば、外調機４の運転を開始する。その後、空調機５の熱交換器２０の熱交換で生じる熱交換用水の温度差（水温差）が、予め設定された水温差の許容範囲を外れている場合、設定水温差に近づくように熱交換器２０の熱交換用水の流量を制御する。この処理によって、還気温度が設定還気温度の許容範囲を外れた場合、設定還気温度に近づくようにファン２２の給気風量を制御する。これらの処理を空調機５の空調運転を停止するまで繰り返す。
【００３８】
なお、本発明は上述の実施例に限定されない。設計空調能力に応じて空調機器１の組数を増減したり、必要な空調能力を超える場合は空調機器１の適宜の組の外調機４を省略するも自由である。図例では分流回路２８のグループＧを２つのグループＧ１とＧ２に分配しているが、３つ以上のグループＧに分配してそのうちの１つのグループＧを最少分配割合とするも自由である。誘引放射ユニット６は天井板８に設置しているが被空調空間Ｓを構成する壁面に設置してもよい。また、天井板８を省略した状態の天井に空調機器１を設置してもよい。
【符号の説明】
【００３９】
１  空調機器
３  制御装置
４  外調機
５  空調機
６  誘引放射ユニット
１０  熱源機
２０  熱交換器
２８  分流回路
３０  伝熱管群
４５  ケーシング
４６  スライド機構
５０  ヒートポンプ
５１  外気用熱交換器
５２  熱源空気用熱交換器
５３  圧縮機
７３  空調制御部
７４  温度補償部
７５  エネルギー消費監視部
７６  熱源制御部
Ｆ  不重複ゾーン
Ｇ  グループ
Ｓ  被空調空間
【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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