(57)【要約】【課題】エンジンやコンプレッサなどの供給装置に過度の負担をかけることなく、タービン出力の大幅な低下を防止することができるチップタービンファンシステムを提供する。【解決手段】作動流体Ｆの流量を検出する流量検出部３と、流量検出部３によって検出された流量に基づき、動翼列１２の一部について、作動流体Ｆが通過することを遮断する作動流体遮断装置４Ａ〜４Ｃを備えることによって、流量検出部３が作動流体Ｆの減少を検出した場合は、その減少量に応じ、作動流体遮断装置４Ａ〜４Ｃで動翼列１２の一部について、作動流体Ｆが通過することを遮断する。そして、遮断された分の作動流体Ｆを動翼列１２の他の部分に分配させることによって、動翼列１２の動翼１１一枚当たりに作用する作動流体Ｆの流量を確保する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸線周りに複数の動翼を並設することにより形成された動翼列に作動流体を通過させ、前記動翼列が回転するのに伴ってファンを回転させるチップタービンファンと、
前記作動流体の流量を検出する流量検出手段と、
前記流量検出手段によって検出された前記流量に基づき、前記動翼列の一部について、前記作動流体が通過することを遮断する作動流体遮断手段と、
を備えることを特徴とするチップタービンファンシステム。
【請求項２】
前記動翼列は、前記作動流体を流入させる流入口を複数有するケーシングに収容され、
前記作動流体遮断手段は、前記ケーシングの前記流入口の少なくとも一つを遮断する流入口遮断手段を有することを特徴とする請求項１記載のチップタービンファンシステム。
【請求項３】
前記作動流体の通過経路における前記動翼列の上流側には、前記動翼列に向けて前記作動流体をガイドする静翼列が配置され、
前記作動流体遮断手段は、前記通過流路における前記静翼列の上流側で前記作動流体を遮断する静翼列遮断手段を有することを特徴とする請求項１又は２記載のチップタービンファンシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、動翼列に作動流体を通過させて、ファンを回転させるチップタービンファンシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、チップタービンファンシステムとして、例えば特開２００３−２９３７０２号公報に記載されるように、ファンの径方向外側に設けられた動翼列に対して、供給ダクトから供給された作動流体を通過させ、動翼列が回転するのに伴ってファンを回転させ、通過させた作動流体を排出側ダクトから排出するものが知られている。
【特許文献１】特開２００３−２９３７０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、このようなチップタービンファンシステムにあっては、例えば、エンジンやコンプレッサなどの供給装置からの供給流量が何らかの理由によって減少して、供給ダクトからの作動流体の流量が減少した場合は、タービン出力が大幅に低下してしまうという問題があった。また、必要なタービン出力を確保するために作動流体を増加させようとした場合は、エンジンやコンプレッサの温度を過剰に上げるなどの対応が必要となり、作動流体の供給装置側に過度の負担がかかってしまうという問題があった。
【０００４】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、エンジンやコンプレッサなどの供給装置に過度の負担をかけることなく、タービン出力の大幅な低下を防止することができるチップタービンファンシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係るチップタービンファンシステムは、回転軸線周りに複数の動翼を並設することにより形成された動翼列に作動流体を通過させ、動翼列を回転させることによってファンを回転させるチップタービンファンと、作動流体の流量を検出する流量検出手段と、流量検出手段によって検出された流量に基づき、動翼列の一部について、作動流体が通過することを遮断する作動流体遮断手段と、を備えることを特徴とする。
【０００６】
供給される作動流体が減少してしまった場合は、動翼列の動翼一枚当たりに作用する作動流体の流量が減少してしまい、タービン出力が大幅に減少してしまう。しかし、このチップタービンファンシステムでは、作動流体の流量を検出する流量検出手段と、流量検出手段によって検出された流量に基づき、動翼列の一部について、作動流体が通過することを遮断する作動流体遮断手段を備えている。従って、流量検出手段が作動流体の減少を検出した場合は、その減少量に応じ、作動流体遮断手段で、動翼列の一部について、作動流体が通過することを遮断し、遮断された分の作動流体を動翼列の他の部分に分配させることによって、動翼列の動翼一枚当たりに作用する作動流体の流量を確保することができる。これによって、エンジンやコンプレッサなどの供給装置に過度の負担をかけることなく、タービン出力の大幅な低下を防止することができる。
【０００７】
本発明に係るチップタービンファンシステムにおいて、動翼列は、作動流体を流入させる流入口を複数有するケーシングに収容され、作動流体遮断手段は、ケーシングの流入口の少なくとも一つを遮断する流入口遮断手段を有することが好ましい。作動流体を流入させる流入口を流入口遮断手段で遮断することによって、遮断した流入口付近の動翼列に作動流体が作用することを抑制し、遮断された分の作動流体を他の流入口付近の動翼列に分配させることができる。
【０００８】
本発明に係るチップタービンファンシステムにおいて、作動流体の通過流路における動翼列の上流側には、動翼列に向けて作動流体をガイドする静翼列が配置され、作動流体遮断手段は、通過流路における静翼列の上流側で作動流体を遮断する静翼列遮断手段を有することが好ましい。静翼列の上流側で静翼列遮断手段により作動流体を遮断することによって、当該静翼列に対応する部分の動翼列に作動流体が作用することを抑制し、遮断された分の作動流体を他の静翼列に対応する動翼列に分配させることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、エンジンやコンプレッサなどの供給装置に過度の負担をかけることなく、タービン出力の大幅な低下を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明に係るチップタービンファンシステムの好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１１】
図１は、本発明の実施形態に係るチップタービンファンシステムのブロック構成を示した図、図２は、チップタービンファンを径方向から見た拡大図、図３は、チップタービンファンを周方向から見た拡大断面図である。
【００１２】
図１に示すように、チップタービンファンシステム１は、チップタービンファン２と、流量検出部（流量検出手段）３と、第一作動流体遮断装置（作動流体遮断手段）４Ａ、第二作動流体遮断装置（作動流体遮断手段）４Ｂ、第三作動流体遮断装置（作動流体遮断手段）４Ｃと、制御部６とを備えて構成されている。
【００１３】
チップタービンファン２は、例えば、エンジンやコンプレッサなどの供給装置（不図示）から供給された作動流体Ｆによってファンを回転させるものであり、回転の中心となる出力軸７と、出力軸の周りに設けられた複数のファン８と、ファン８の径方向外側の端部に設けられたリング状の動翼シュラウド９と、動翼シュラウド９の外周面に複数の動翼１１を並設することによって形成された動翼列１２と、リング状の静翼シュラウド１３の外周面に複数の静翼１４を並設することによって形成された静翼列１６と、動翼列１２を収容するケーシング１７とを備えて構成されている。このチップタービンファン２は、供給装置からの作動流体Ｆを供給するための供給口２０を有するケーシング（不図示）に収容されている。なお、供給口２０は、チップタービンファン２の径方向から作動流体Ｆを供給してもよく、回転軸線の延在方向から作動流体Ｆを供給してもよい。
【００１４】
動翼列１２は、図１〜３に示すように、動翼シュラウド９の外周面に、出力軸７の回転軸線周りに所定の間隔で流線形の動翼１１を並設させることによって形成されている。この動翼列１２は、動翼１１同士の間に形成された流路１２ａに作動流体Ｆを通過させ、それぞれの動翼１１に作動流体Ｆを作用させて回転力を得ることによって、動翼シュラウド９を介してファン８を回転させる機能を有している。
【００１５】
作動流体Ｆの通過流路における動翼シュラウド９の上流側（図１における紙面手前側で、図２及び図３における上側）には、動翼シュラウド９と同径の静翼シュラウド１３が配置されている。静翼列１６は、その静翼シュラウド１３の外周面に、出力軸７の回転軸線周りに所定の間隔で流線形の静翼１４を並設させることによって形成されている。この静翼列１６は、作動流体Ｆの通過流路における動翼列１２の上流側に配置される非回転の翼列であり、静翼１４同士の間に形成された流路１６ａに作動流体Ｆを通過させることによって動翼列１２に向けてその作動流体Ｆをガイドする機能を有している。なお、静翼列１６の外周側の端部には、繰り返し動翼列１２を通過するように作動流体Ｆを旋回させるためのリング状の隔壁１８が設けられている。
【００１６】
ケーシング１７は、動翼列１２、静翼列１６及び隔壁１８を内部に収容するものであり、作動流体Ｆが、図３における反時計回りに、隔壁１８の周りを旋回するような旋回流路１９を形成するものである。また、ケーシング１７は、作動流体Ｆを旋回流路１９内に流入させるための第一流入口１７ａ、第二流入口１７ｂ、第三流入口１７ｃ、第四流入口１７ｄを回転軸線周りに均等な間隔で備えている。
【００１７】
このように構成されたチップタービンファン２は、供給口２０から供給された作動流体Ｆを流入口１７ａ〜１７ｄのそれぞれから流入させ、各流入口１７ａ〜１７ｄ付近の静翼列１６の流路１６ａで作動流体Ｆを動翼列１２へ向けてガイドする。ガイドされた作動流体Ｆは、各流入口１７ａ〜１７ｄ付近の動翼列１２における流路１２ａを通過し、当該部分における動翼１１に作用することによって、動翼列１２を周方向に回転させ、この回転に伴ってファン８を回転させる。動翼列１２を通過した作動流体Ｆは、動翼列１２の後方でケーシング１７の旋回流路１９に案内されて、隔壁１８の周りを旋回すると共に、再び他の位置の静翼列１６及び動翼列１２へ供給される。以上によって、ファン８が回転し続け、出力軸７からタービン出力を得ることができる。
【００１８】
流量検出部３は、供給口２０から供給される作動流体Ｆの流量を検出する機能を有し、例えば、供給口２０の内壁に設けられた圧力センサなどによって構成されている。流量検出部３は、制御部６と接続されており、流量を検出したら、その検出情報を制御部６へ出力する。
【００１９】
作動流体遮断装置４Ａ，４Ｂ，４Ｃは、流量検出部３によって検出された流量に基づき、動翼列１２の一部について、作動流体Ｆが通過することを遮断する機能を有しており、第一流入口１７ａ、第二流入口１７ｂ、第三流入口１７ｃに対してそれぞれ設けられている。また、作動流体遮断装置４Ａ，４Ｂ，４Ｃは、流入口遮断部（流入口遮断手段）２１，２２，２３と、静翼列遮断部（静翼列遮断手段）２４，２５，２６とをそれぞれ備えて構成されている。
【００２０】
流入口遮断部２１は、ケーシング１７の第一流入口１７ａを遮断する機能を有しており、具体的には、第一流入口１７ａを封鎖するための封鎖板２１ａと、封鎖板２１ａを移動させるための流入口遮断アクチュエータ２１ｂとを備えている。この流入口遮断アクチュエータ２１ｂは、制御部６と接続されており、制御部６からの制御信号に基づいて封鎖板２１ａを移動させて第一流入口１７ａの封鎖又は開放を行う機能を有する（図４参照）。また、流入口遮断部２２，２３は、第二流入口１７ｂ、第三流入口１７ｃの封鎖又は開放を行うものであり、封鎖板２２ａ，２３ａ及び流入口遮断アクチュエータ２２ｂ，２３ｂをそれぞれ備えている。
【００２１】
静翼列遮断部２４は、通過流路における静翼列１６の上流側で作動流体Ｆを遮断する機能を有しており、具体的には、第一流入口１７ａ付近の静翼列１６の上流側で流路１６ａを遮断するための略円弧状の遮断板２４ａと、遮断板２４ａを移動させるための静翼列遮断アクチュエータ２４ｂとを備えている。この静翼列遮断アクチュエータ２４ｂは、制御部６と接続されており、制御部６からの制御信号に基づいて遮断板２４ａを移動させることにより静翼列１６の流路１６ａの遮断又は開放を行う機能を有する（図２（ｂ）及び図４参照）。また、静翼列遮断部２５，２６は、第二流入口１７ｂ，第三流入口１７ｃ付近の静翼列１６の流路の遮断又は開放を行うものであり、遮断板２５ａ，２６ａ及び静翼列遮断アクチュエータ２５ｂ，２６ｂをそれぞれ備えている。
【００２２】
制御部６は、システム全体の制御を行う電子制御ユニットであり、例えばＣＰＵを主体として構成され、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入力信号回路、出力信号回路、電源回路などを備えている。この制御部６は、流量検出部３から入力された検出情報に基づいて、流入口遮断アクチュエータ２１ｂ〜２３ｂ及び静翼列遮断アクチュエータ２４ｂ〜２６ｂに制御信号を送信する機能を有する。
【００２３】
次に、図５及び図６を参照して、本実施形態に係るチップタービンファンシステム１の動作について説明する。
【００２４】
図５は、本実施形態に係るチップタービンファンシステムにおける作動流体遮断処理を示すフローチャートである。この処理は、制御部６において、チップタービンファン２の運転中に、所定のタイミングで繰り返し実行される。
【００２５】
図４に示すように、チップタービンファンシステム１は、流量取得処理から処理を開始する（Ｓ１０）。Ｓ１０の処理は、流量検出部３の検出情報に基づいて、供給口２０から供給される作動流体Ｆの流量を取得する処理である。Ｓ１０の処理が終了すると、流量判定処理へ移行する（Ｓ１２）。
【００２６】
ここで、図６は、作動流体の遮断を行った場合の作動流体Ｆの流量とタービン出力の関係を示す線図であり、横軸が作動流体Ｆの流量で、縦軸がタービン出力である。また、図中のＰ１は全ての流入口から作動流体Ｆを流入させた場合、Ｐ２は第一作動流体遮断装置４Ａで作動流体Ｆを遮断した場合、Ｐ３は更に第二作動流体遮断装置４Ｂで作動流体を遮断した場合、Ｐ４は更に第三作動流体遮断装置４Ｃで作動流体Ｆを遮断した場合の流量とタービン出力の関係を示す。
【００２７】
タービン出力は、作動流体Ｆの流量の１．５乗にほぼ比例するため、流量が減少した場合はタービン出力が大幅に低減してしまう。そこで、図６に示すように、作動流体Ｆの流量が閾値Ｑ１以下となると、全ての流入口から作動流体Ｆを流入させ、動翼列１２の全ての部分に作動流体Ｆを作用させるよりも、第一作動流体遮断装置４Ａを作動させて、第一流入口１７ａ付近の動翼列１２について作動流体Ｆが通過することを遮断し、動翼１１一枚当たりに作用する作動流体Ｆの流量が確保されるように、動翼列１２の他の部分に作動流体Ｆを分配させた方が大きなタービン出力を得ることができる。また、作動流体の流量が閾値Ｑ２以下となると、更に、第二作動流体遮断装置４Ｂを作動させて、第二流入口１７ｂ付近の動翼列１２について作動流体Ｆが通過することを遮断して、動翼列１２の他の部分に作用させた方が大きなタービン出力を得ることができる。また、作動流体Ｆの流量が閾値Ｑ３以下となると、更に、第三作動流体遮断装置４Ｃを作動させて、第三流入口１７ｃ付近の動翼列１２について作動流体Ｆが通過することを遮断して、動翼列１２の他の部分に作用させた方が大きなタービン出力を得ることができる。
【００２８】
従って、Ｓ１２の処理においては、Ｓ１０で取得した作動流体Ｆの流量が所定の閾値Ｑ１以下であるか否かを判定する。Ｓ１２の処理において、流量が閾値Ｑ１よりも大きいと判定された場合は、流入口開放処理へ移行する（Ｓ２４）。
【００２９】
Ｓ２４の処理は、Ｓ１２における判定結果に基づいて作動流体遮断装置４Ａ〜４Ｃによる作動流体Ｆの遮断を開放し、全ての流入口が開放された状態とする処理である。具体的には、それぞれのアクチュエータを制御して封鎖板２１ａ，２２ａ，２３ａによる流入口１７ａ〜１７ｃの封鎖を開放すると共に、遮断板２４ａ，２５ａ，２６ａによる流入口１７ａ〜１７ｃ付近の静翼列１６の流路１６ａの遮断を開放し、動翼列１２の全ての部分に作動流体Ｆを作用させる。この状態は、図６の閾値Ｑ１より大きい範囲における状態である。なお、既に開放されている作動流体遮断装置に対しては特に制御を行わない。Ｓ２４の処理が終了したら、図５の処理は終了し、再びＳ１０の処理へ戻る。
【００３０】
一方、Ｓ１２の処理で作動流体Ｆの流量が閾値Ｑ１以下であると判定された場合は、流入口遮断処理へ移行する（Ｓ１４）。Ｓ１４の処理は、Ｓ１２における判定結果に基づいて第一作動流体遮断装置４Ａを作動させる処理である。具体的には、封鎖板２１ａで第一流入口１７ａを封鎖すると共に、遮断板２４ａで第一流入口１７ａ付近の静翼列１６の流路１６ａを遮断する（図２（ｂ）及び図４参照）。なお、既に作動して遮断を行っている第一作動流体遮断装置４Ａに対しては特に制御を行わない。Ｓ１４の処理が終了すると、流量判定処理へ移行する（Ｓ１６）。
【００３１】
Ｓ１６の処理は、Ｓ１０で取得した作動流体Ｆの流量が所定の閾値Ｑ２以下であるか否かを判定する処理である。Ｓ１６の処理において、流量が閾値Ｑ２よりも大きいと判定された場合は、流入口開放処理へ移行する（Ｓ２６）。
【００３２】
Ｓ２６の処理は、Ｓ１６における判定結果に基づいて作動流体遮断装置４Ｂ，４Ｃによる作動流体Ｆの遮断を開放し、第一流入口１７ａのみが封鎖された状態とする処理である。具体的には、それぞれのアクチュエータを制御して封鎖板２２ａ，２３ａによる流入口１７ｂ，１７ｃの封鎖を開放すると共に、遮断板２５ａ，２６ａによる流入口１７ｂ，１７ｃ付近の静翼列１６の流路１６ａの遮断を開放し、第一流入口１７ａ付近の動翼列１２以外の部分に作動流体Ｆを作用させる。この状態は図６の閾値Ｑ２〜Ｑ１の範囲における状態である。なお、既に開放されている作動流体遮断装置に対しては特に制御を行わない。Ｓ２６の処理が終了したら、図５の処理は終了し、再びＳ１０の処理へ戻る。
【００３３】
一方、Ｓ１６の処理で作動流体Ｆの流量が閾値Ｑ２以下であると判定された場合は、流入口遮断処理へ移行する（Ｓ１８）。Ｓ１８の処理は、Ｓ１６における判定結果に基づいて第二作動流体遮断装置４Ｂを作動させる処理である。具体的には、封鎖板２２ａで第二流入口１７ｂを封鎖すると共に、遮断板２５ａで第二流入口１７ｂ付近の静翼列１６の流路１６ａを遮断する。なお、既に作動して遮断を行っている第二作動流体遮断装置４Ｂに対しては特に制御を行わない。Ｓ１８の処理が終了すると、流量判定処理へ移行する（Ｓ２０）。
【００３４】
Ｓ２０の処理は、Ｓ１０で取得した作動流体Ｆの流量が所定の閾値Ｑ３以下であるか否かを判定する処理である。Ｓ２０の処理において、流量が閾値Ｑ３よりも大きいと判定された場合は、流入口開放処理へ移行する（Ｓ２８）。
【００３５】
Ｓ２８の処理は、Ｓ２０における判定結果に基づいて第三作動流体遮断装置４Ｃによる作動流体Ｆの遮断を開放し、第一流入口１７ａ及び第二流入口１７ｂが封鎖された状態とする処理である。具体的には、アクチュエータを制御して封鎖板２３ａによる第三流入口１７ｃの封鎖を開放すると共に、遮断板２６ａによる第三流入口１７ｃ付近の静翼列１６の流路１６ａの遮断を開放し、流入口１７ａ，１７ｂ付近の動翼列１２以外の部分に作動流体Ｆを作用させる。この状態は図６の閾値Ｑ３〜Ｑ２の範囲における状態である。なお、既に開放されている作動流体遮断装置に対しては特に制御を行わない。Ｓ２８の処理が終了したら、図５の処理は終了し、再びＳ１０の処理へ戻る。
【００３６】
一方、Ｓ２０の処理で作動流体Ｆの流量が閾値Ｑ３以下であると判定された場合は、流入口遮断処理へ移行する（Ｓ２２）。Ｓ２２の処理は、Ｓ２０における判定結果に基づいて第三作動流体遮断装置４Ｃを作動させ、第四流入口１７ｄのみから作動流体Ｆを流入させる状態とする処理である。具体的には、封鎖板２３ａで第三流入口１７ｃを封鎖すると共に、遮断板２６ａで第三流入口１７ｃ付近の静翼列１６の流路１６ａを遮断し、第四流入口１７ｄ付近の動翼列１２のみに作動流体Ｆを作用させる。この状態は図６の閾値Ｑ３以下の範囲における状態である。なお、既に作動して遮断を行っている第三作動流体遮断装置４Ｃに対しては特に制御を行わない。Ｓ２２の処理が終了したら、図５の処理は終了し、再びＳ１０の処理へ戻る。
【００３７】
以上のように、供給される作動流体Ｆが減少してしまった場合は、動翼列１２の動翼１１一枚当たりに作用する作動流体Ｆの流量が減少してしまい、タービン出力が大幅に減少してしまうが、本実施形態に係るチップタービンファンシステム１においては、作動流体Ｆの流量を検出する流量検出部３と、流量検出部３によって検出された流量に基づき、動翼列１２の一部について、作動流体Ｆが通過することを遮断する作動流体遮断装置４Ａ〜４Ｃを備えている。従って、流量検出部３が作動流体Ｆの減少を検出した場合は、その減少量に応じ、作動流体遮断装置４Ａ〜４Ｃで動翼列１２の一部について、作動流体Ｆが通過することを遮断する。そして、遮断された分の作動流体Ｆを動翼列１２の他の部分に分配させることによって、動翼列１２の動翼１１一枚当たりに作用する作動流体Ｆの流量を確保することができ、これによって、タービン出力が大幅に減少してしまうことを防止することができる。
【００３８】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。
【００３９】
例えば、本実施形態に係るチップタービンファンシステム１では、作動流体遮断装置が、流入口を封鎖する封鎖板と静翼列１６の流路１６ａを遮断する遮断板とを有しているが、何れか一方のみによって作動流体Ｆを遮断してもよい。また、封鎖板と遮断板とで同時に遮断しているが、何れか一方を先に作動させて、その後、他方を作動させてもよい。
【００４０】
また、流入口は４つに限らず、４つより多くてもよい。更に、図７に示すように、遮断板を細分化してもよい。このように流入口の数を増やすと共に遮断板を細分化することにより、作動流体Ｆの流量に合わせて、動翼列１２の遮断を細かく制御することが可能となり、理想的には、流量とタービン出力との関係を略正比例の関係とすることができる（図６のＰ５参照）。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施形態に係るチップタービンファンシステムのブロック構成を示した図である。
【図２】図１に示すチップタービンファンを径方向から見た拡大図である。
【図３】図１に示すチップタービンファンを周方向から見た拡大断面図である。
【図４】作動流体遮断装置を作動させた図であり、図１に対応する図である。
【図５】本実施形態に係るチップタービンファンシステムにおける作動流体遮断処理を示すフローチャートである。
【図６】作動流体の遮断を行った場合の作動流体の流量とタービン出力の関係を示す線図である。
【図７】他の実施形態に係るチップタービンファンシステムを示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
１…チップタービンファンシステム、２…チップタービンファン、３…流量検出部（流量検出手段）、８…ファン、１１…動翼、１２…動翼列、１６…静翼列、１７…ケーシング、１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ…流入口、４Ａ，４Ｂ，４Ｃ…作動流量遮断装置（作動流量遮断手段）、２１，２２，２３…流入口遮断部（流入口遮断手段）、２４，２５，２６…静翼列遮断部（静翼列遮断手段）、Ｆ…作動流体。
【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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