(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガスを用いて過給を行う排気ガス過給機を有し、排気系および吸気系にそれぞれ過給機および排気タービンをバイパスするバイパスラインを有し、それらのバイパスラインにはそれぞれバイパス弁が介装されている内燃機関と組合わせて構成され、商用電力系統と電気的に接続されている系統連系に係る発電装置の制御方法において、発電電力一定制御運転を行うべき状況にあるか否かを判定し、発電電力一定制御運転を行うべき場合には吸気系に設けたスロットルを全開状態に固定し、かつ排気側のバイパスラインのバイパス弁の開度を制御して内燃機関の出力制御を行い、また受電電力一定制御運転を行うべき状況にあるか否かを判定し、受電電力一定制御運転を行うべき場合は、前記バイパス弁を全閉状態で固定し、かつ前記スロットルの開度を制御して内燃機関の制御を行い、受電電力一定制御運転から発電電力一定制御運転に移行する過度期であるか否かを判定し、その過度期にある場合には前記スロットルを全開状態で固定し、排気側のバイパス弁を全閉状態で固定し、吸気側のバイパス弁の開度を制御して内燃機関の出力制御を行う初期工程と、その初期工程に引き続き前記スロットルを全開状態で固定し、吸気側のパイパス弁を全閉状態で固定し、排気側のバイパス弁の開度を制御して内燃機関の出力制御を行うことを特徴とする発電装置の制御方法。
【請求項２】
排気ガスを用いて過給を行う排気ガス過給機を有し、排気系および吸気系にそれぞれ過給機および排気タービンをバイパスするバイパスラインを有し、それらのバイパスラインにはそれぞれバイパス弁が介装されている内燃機関と組合わせて構成され、商用電力系統と電気的に接続されている系統連系に係る発電装置の制御方法において、発電電力一定制御運転を行うべき状況にあるか否かを判定し、発電電力一定制御運転を行うべき場合には吸気系に設けたスロットルを全開状態に固定し、かつ排気側のバイパスラインのバイパス弁の開度を制御して内燃機関の出力制御を行い、また受電電力一定制御運転を行うべき状況にあるか否かを判定し、受電電力一定制御運転を行うべき場合は、前記バイパス弁を全閉状態で固定し、かつ前記スロットルの開度を制御して内燃機関の制御を行い、発電電力一定制御運転から受電電力一定制御運転に移行する過度期であるか否かを判断し、その過度期である場合には、前記スロットルを全開状態で固定し、排気側のバイパス弁を全閉状態で固定し、吸気側のバイパス弁の開度を制御して内燃機関の出力制御を行う初期工程と、その初期工程に引き続き、前記吸気側および排気側のバイパス弁を全閉状態に固定し、かつ前記スロットルの開度を制御して内燃機関の出力制御を行うことを特徴とする発電装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電装置の制御方法に関する。より詳細には、定置式の内燃機関と組み合わされた発電装置であって、商用電力系統と電気的に接続されている系統連系にかかる発電装置の発電装置を好適に制御するための制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コージェネレーションシステム等で用いられている発電装置としては、内燃機関（例えば都市ガスを燃料として用いるガスエンジン）と組み合わせた内燃機関発電装置（例えばガスエンジン発電装置）が良く知られている。
【０００３】
内燃機関と組み合わせた発電装置であって、商用電力系統と電気的に接続されている系統連係では、その発電電力或いは出力を制御する制御方式として、発電電力を一定に制御する「発電電力一定制御」（モード１）と、商用電力系統からの受電電力を一定に制御する「受電電力一定制御」（モード２）とが知られている。
【０００４】
例えば図７でも示されているように、「モード１」においては、発電出力（内燃機関の機関出力と対応）の制御目標が定格出力であり、制御目標が常に一定となっているので、急激な出力変動は要求されない。一方、「モード２」には、始動時或いは停止時（図７における左右両端の領域）等の様に、発電出力は負荷に対応して制御する必要があるため、常に変動し、高精度な（発電）出力制御が要求される。
【０００５】
「モード２」で要求される様な高精度な制御を行うため、従来、この様な発電装置で用いられている内燃機関、例えばガスエンジンの場合には、スロットル（バタフライ弁）の開度を制御し、混合気の供給量を制御する事により出力制御を行うのが一般的である。そして、スロットルの前後（スロットルの上流側と下流側）における差圧が大きいほど、スロットルの微小な開度変化に対してガスエンジン出力変動が大きくなり、応答性が向上し、制御性が良好となる。そのため、従来のガスエンジンの運転制御を行うに際しては、当該差圧を大きく設定する様な設計或いは調節を行って、制御における応答性に余裕を設けている。
【０００６】
しかし、スロットルの前後、或いはスロットルの上流側と下流側との間で大きな差圧が存在すると、ポンピングロスとなってエンジンの熱効率に悪影響を及ぼしてしまう。そのため、スロットルによる出力制御を行っている従来のエンジンでは、高効率を達成する事は困難であった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した様な従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、内燃機関と組み合わせて構成された発電装置及びその制御方法であって、受電電力一定制御（図７の「モード２」の運転状態における制御）で要求される高精度な出力制御を当該内燃機関に対して行う事が出来て、且つ、当該内燃機関が高効率な運転効率を達成する事が出来る様な発電装置の制御方法の提供を目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、  排気ガスを用いて過給を行う排気ガス過給機を有し、排気系および吸気系にそれぞれ過給機および排気タービンをバイパスするバイパスラインを有し、それらのバイパスラインにはそれぞれバイパス弁が介装されている内燃機関と組合わせて構成され、商用電力系統と電気的に接続されている系統連系に係る発電装置の制御方法において、発電電力一定制御運転を行うべき状況にあるか否かを判定し、発電電力一定制御運転を行うべき場合には吸気系に設けたスロットルを全開状態に固定し、かつ排気側のバイパスラインのバイパス弁の開度を制御して内燃機関の出力制御を行い、また受電電力一定制御運転を行うべき状況にあるか否かを判定し、受電電力一定制御運転を行うべき場合は、前記バイパス弁を全閉状態で固定し、かつ前記スロットルの開度を制御して内燃機関の制御を行い、受電電力一定制御運転から発電電力一定制御運転に移行する過度期であるか否かを判定し、その過度期にある場合には前記スロットルを全開状態で固定し、排気側のバイパス弁を全閉状態で固定し、吸気側のバイパス弁の開度を制御して内燃機関の出力制御を行う初期工程と、その初期工程に引き続き前記スロットルを全開状態で固定し、吸気側のパイパス弁を全閉状態で固定し、排気側のバイパス弁の開度を制御して内燃機関の出力制御を行うようになっている。
【０００９】
また本発明によれば、排気ガスを用いて過給を行う排気ガス過給機を有し、排気系および吸気系にそれぞれ過給機および排気タービンをバイパスするバイパスラインを有し、それらのバイパスラインにはそれぞれバイパス弁が介装されている内燃機関と組合わせて構成され、商用電力系統と電気的に接続されている系統連系に係る発電装置の制御方法において、発電電力一定制御運転を行うべき状況にあるか否かを判定し、発電電力一定制御運転を行うべき場合には吸気系に設けたスロットルを全開状態に固定し、かつ排気側のバイパスラインのバイパス弁の開度を制御して内燃機関の出力制御を行い、また受電電力一定制御運転を行うべき状況にあるか否かを判定し、受電電力一定制御運転を行うべき場合は、前記バイパス弁を全閉状態で固定し、かつ前記スロットルの開度を制御して内燃機関の制御を行い、発電電力一定制御運転から受電電力一定制御運転に移行する過度期であるか否かを判断し、その過度期である場合には、前記スロットルを全開状態で固定し、排気側のバイパス弁を全閉状態で固定し、吸気側のバイパス弁の開度を制御して内燃機関の出力制御を行う初期工程と、その初期工程に引き続き、前記吸気側および排気側のバイパス弁を全閉状態に固定し、かつ前記スロットルの開度を制御して内燃機関の出力制御を行うようになっている。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面の図１−図６を参照して、本発明の実施形態について説明する。図において、同一の部材には同様な符号を付して、重複説明を省略している。図１において、全体を符号１０で示すガスエンジンは図示しない発電装置と一体的に構成されており、例えば都市ガスの様な燃料ガスを用いた定置式のガスエンジン発電装置を設けたコージェネレーションシステムを構成している。そして明確には図示されていないが、商用の電力系統と電気的に接続されて、系統連係となっている。
【００１９】
ガスエンジン１０の吸気ライン１２及び排気ライン１４には、全体を符号ＴＣで示すターボチャージャが設けられている。より詳細には、吸気マニホルド１６を介してガスエンジン１０に混合気を供給する吸気ライン１２には、ターボチャージャＴＣの過給機Ｓが介装されており、排気マニホルド１８を介してガスエンジン１０と接続している排気ライン１４には、ターボチャージャＴＣの排気タービンＴが介装されている。
【００２０】
吸気ライン１２にはスロットル２０が介装されている。このスロットル２０の開度を制御・調節する事により、ガスエンジン１０の出力が制御できる。
【００２１】
一方、排気ライン１４における排気タービンＴの上流側（エンジン１０側）の領域からは、タービンＴをバイパスするバイパスライン２２Ｂが分岐している。このバイパスライン２２Ｂは、タービンＴの下流側（図示しない外部側）で排気ライン１４と合流しており、その途中にバイパス弁ＶＢが介装されている。
【００２２】
なお、吸気ライン１２において、符号２４及び符号２６は、燃料ガス供給ラインを示している。
【００２３】
図１において、符号３０はガスエンジン１０の出力（コージェネレーションシステムの発電量に対応する物理量）を検出するためのガスエンジン出力センサ（内燃機関の出力を検出する手段）であり、符号３２は商用の電力系統からの受電電力を検出するためのセンサ（商用電力系統からの受電電力を検出する手段）であり、符号３４は後述する各種制御に必要なタイミングを計測するためのタイマ（各種制御タイミングを決定するために時間を計測する手段）である。センサ３０、センサ３２、タイマ３４は、図１において１点鎖線で示す制御ラインＣＬ１、ＣＬ２、ＣＬ３により、それぞれ、制御ユニット４０に対してその検出信号を送出する。そして、制御ユニット４０からは、それぞれ制御ラインＣＬ４、ＣＬ５を介して、スロットル２０、バイパス弁ＶＢに対して制御信号（弁開度を制御する信号）が送出される。
【００２４】
図１には明示されていないが、ガスエンジン１０の運転制御に必要な吸気ライン圧力、ブースト圧力・温度、吸入空気温度・湿度、燃料ガス温度・圧力が、図示しない計測手段により計測され、制御ユニットにおいて必要な処理が施されて、運転制御が行われる。
【００２５】
図１で示す実施形態の作用について、主として図２を参照して説明する。
【００２６】
先ず、コージェネレーションシステムの発電量に対応する物理量であるガスエンジン１０の出力をセンサ３０により計測し、図示しない商用電力系統からの受電電力をセンサ３２により計測すると共に、タイマ３４により時間的間隔を計測する（ステップＳ１）。
【００２７】
そして、定格値以上の発電電力に相当するエンジン出力（所定値以上のエンジン出力）がセンサ３０で計測され、且つ、センサ３２により商用電力系統からの受電電力が所定値以上である状態が、所定時間以上に亘って継続したか否か（タイマ３４）が、制御ユニット４０において判断される（ステップＳ２）。なお、ここでいう定格値、所定値、所定時間は、個々のシステムのハード的な各種条件、設置箇所の各種環境、使用目的、設計事項、その他により異なるものであり、所謂「ケース・バイ・ケース」で求められるべき数値となる。
【００２８】
所定値以上のエンジン出力で且つ商用電力系統からの受電電力も所定値以上である状態が所定時間以上に亘って継続したのであれば（ステップＳ２がＹｅｓ）、その時点における運転状態は図７における「モード１」であると判断する（ステップＳ３）。
【００２９】
モード１の運転状態は、発電電力を一定に制御する運転であり、ガスエンジン１０の出力の急激な制御や、敏速な応答性は必要とされない。従って、スロットル２０による迅速な制御も必須ではない。そのため、図示の実施形態によれば、スロットル２０を全開状態に固定する（ステップＳ４）と共に、バイパス弁ＶＢを制御してバイパスライン２２Ｂを流れる排気流量を調節する事によって過給圧力を制御し、以って、ガスエンジン１０の出力制御を行う（ステップＳ４）。
【００３０】
モード１の運転状態では敏速な応答制御は要求されず、スロットル２０による制御は必須ではないので、スロットル２０を全開して、吸気ライン１２における抵抗を減少すると共に、従来技術で問題となっていたポンピングロスを解消する事が出来る。そのため、高効率運転が可能となる。
【００３１】
一方、所定値以上のエンジン出力で且つ商用電力系統からの受電電力も所定値以上である状態が、所定時間以上継続しなければ（ステップＳ２がＮｏ）、その時点における運転状態は図７における「モード２」であると判断する（ステップＳ５）。
【００３２】
モード２の運転状態は、商用電力系統からの受電電力を一定に制御する運転であり、発電出力或いはガスエンジン１０は負荷に合わせて制御しなければならず、急激な制御や、敏速な応答性が要求される。従って、モード２の運転状態においては、スロットル２０の開度制御による迅速な制御が望ましい。そのため図示の実施形態によれば、バイパス弁ＶＢを全閉状態として、スロットル２０によってガスエンジン１０の出力制御を行う（ステップＳ６）。
【００３３】
ステップＳ４及びステップＳ６の後、運転を継続するのであれば（ステップＳ７がＮｏ）ステップＳ１に戻り、運転を終了するのであれば（ステップＳ７がＹｅｓ）、所定の手順に従って終了する。
【００３４】
図３は本発明の第２実施形態を示している。
【００３５】
図１の第１実施形態では、バイパスライン２２Ｂ及びバイパス弁ＶＢは、排気ライン１４側（或いは排気タービンＴ側）に設けられている。これに対して、図３の第２実施形態では、パイパスライン２２Ａ及びバイパス弁ＶＡは、吸気ライン１２側（過給機Ｓ側）に設けられている。
【００３６】
図３の第２実施形態では、モード１の運転状態（バイパス弁ＶＡの開度制御によりガスエンジン１０の出力制御を行う状態）において、スロットル２０を全開状態に固定して、バイパス弁ＶＡの開度或いはバイパスライン２２Ａを流れる混合気（過給機Ｓにより圧縮された混合気）の流量を制御する事により、ガスエンジン１０の出力制御を行っている。そして図１の第１実施形態に比較して、図３の第２実施形態は効率が多少劣るものの、応答性は向上している。その他の構成及び作用について、図３の第２実施形態は、図１及び図２で説明した第１実施形態と同様であるため、説明は省略する。
【００３７】
図４は、本発明の第３実施形態を示している。図１の第１実施形態と、図３の第２実施形態は、バイパスライン（２２Ｂ、２２Ａ）及びバイパスバルブ（ＶＢ、ＶＡ）が、排気ライン１４側（排気タービンＴ側）或いは吸気ライン１２側（過給機Ｓ側）のいずれか一方のみに設けられている。これに対して、図４で示す第３実施形態では、排気ライン１４側（排気タービンＴ側）及び吸気ライン１２側（過給機Ｓ側）の双方に、バイパスライン（２２Ｂ、２２Ａ）及びバイパスバルブ（ＶＢ、ＶＡ）が設けられている。そして、排気ライン１４側のバイパスバルブＶＢは、制御ラインＣＬ５Ｂを介して制御ユニット４０からの制御信号を受信する様に構成されており、吸気ライン１２側のバイパスバルブＶＡは、制御ラインＣＬ５Ａにより制御ユニット４０と接続されている。
【００３８】
図４の実施形態におけるその他の構成については、図１或いは図３で示すのと概略同様であるので、説明は省略する。
【００３９】
次に、図４の実施形態の作用について説明する。当該実施形態において、上述したモード１の運転状態において、高効率を追求したい場合には、スロットル２０を全開状態に固定して、且つ、バイパス弁ＶＡを全閉状態に固定して、バイパス弁ＶＢの開度或いはバイパスライン２２Ｂを流れる排気流量を制御する事により、ガスエンジン１０の出力制御をすれば良い。
【００４０】
一方、上述したモード１の運転状態において迅速な応答性を達成したい場合には、スロットル２０を全開状態に固定して、且つ、バイパス弁ＶＢを全閉状態に固定して、バイパス弁ＶＡの開度或いはバイパスライン２２Ａを流れる混合気流量を制御する事により、ガスエンジン１０の出力制御をするのである。図４で示す実施形態の作用の詳細について、主として図５を参照しつつ、以下において説明する。
【００４１】
先ず、コージェネレーションシステムの発電量に対応する物理量であるガスエンジン１０の出力をセンサ３０により計測し、図示しない商用電力系統からの受電電力をセンサ３２により計測すると共に、タイマ３４により時間的間隔を計測する（ステップＳ１０）。
【００４２】
そして、定格値以上の発電電力に相当するエンジン出力（所定値以上のエンジン出力）がセンサ３０で計測され、且つ、センサ３２により商用電力系統からの受電電力が所定値以上である状態が、所定時間以上に亘って継続したか否か（タイマ３４）が、制御ユニット４０において判断される（ステップＳ１２）。
【００４３】
所定値以上のエンジン出力で且つ商用電力系統からの受電電力も所定値以上である状態が所定時間以上に亘って継続したのであれば（ステップＳ１１がＹｅｓ）、その時点における運転状態は図７における「モード１」であると判断する（ステップＳ１２）。そして、前回のサイクル（ステップＳ１０からステップＳ１７に至る１連の制御）が「モード２」ではなかったか否かを判断する（ステップＳ１３）。
【００４４】
ここで、前回のサイクルにおいても運転状態が「モード１」であれば（ステップＳ１３がＹｅｓ）、連続してモード１の運転が行われているため、ガスエンジン１０の出力制御もモード１に好適な形式で制御する。すなわち、モード１の運転状態は、発電電力を一定に制御する運転であり、ガスエンジン１０の出力の急激な制御や、敏速な応答性は必要とされないので、スロットル２０による迅速な制御も必須ではない。そのため、スロットル２０を全開状態に固定する。それと共に、バイパス弁ＶＡによる応答性の良好な制御も必須ではないので、バイパス弁ＶＡも全閉状態に固定する。そして、バイパス弁ＶＢを制御してバイパスライン２２Ｂを流れる排気流量を調節する事によって過給圧力を制御し、以って、ガスエンジン１０の出力制御を行う（ステップＳ１４）。換言すれば、モード１の状態では、高効率化を企図した制御が最適である。
【００４５】
これに対してステップＳ１３が「Ｎｏ」の場合、すなわち、前回のサイクルにおいては運転状態が「モード２」であった場合は、モード２からモード１への過渡期である。上述した通り、モード２の運転状態は商用電力系統からの受電電力を一定に制御する運転であり、ガスエンジン１０は負荷に合わせて制御しなければならず、急激な制御や、敏速な応答性が要求される。従って、モード２からモード１への過渡期においても、ガスエンジン１０の出力は迅速に制御されることが望ましい。一方、モード１の運転状態ではスロットル２０による出力制御は行われない。
【００４６】
そのため、ステップＳ１３が「Ｎｏ」の場合には、バイパス弁ＶＡによる応答性の良好な制御が行われる。より詳細には、スロットル２０は全開状態に固定され、バイパス弁ＶＢは全閉状態に固定され、バイパス弁ＶＡの開度或いはバイパスライン２２Ａを流れる混合気の流量を制御する事により、ガスエンジン１０の出力制御が行われる（ステップＳ１５）。
【００４７】
この状態で、モード２からモード１の過渡期に対応する時間が経過するまで制御を行い（ステップＳ１６が「Ｎｏ」のループ）、過渡期が経過したならば（ステップＳ１６が「Ｙｅｓ」）、モード１に最適な制御を行う。すなわち、バイパス弁ＶＢの開度制御によりガスエンジン１０の出力を制御して、高効率化を図るのである（ステップＳ１４）。
【００４８】
ここで、モード１の運転状態ではスロットル２０を全開しているため、吸気ライン１２における抵抗を減少することが出来る。それと共に、従来技術で問題となっていたポンピングロスを解消する事が出来る。そのため、高効率運転が可能となる。
【００４９】
ステップＳ１１において、所定値以上のエンジン出力で且つ商用電力系統からの受電電力も所定値以上である状態が、所定時間以上継続しなければ、その時点における運転状態は図７における「モード２」であると判断する（ステップＳ１９）。そして、前回のサイクルが「モード１」ではなかったか否かを判断する（ステップＳ２０）。
【００５０】
ここで、前回のサイクルにおいても運転状態が「モード２」であれば（ステップＳ２０がＹｅｓ）、連続してモード２の運転が行われているため、ガスエンジン１０の出力制御もモード２に好適な形式で制御する。前述した通り、モード２の運転状態では発電出力或いはガスエンジン１０は負荷に合わせて制御しなければならず、急激な制御や、敏速な応答性が要求されるので、スロットル２０の開度制御による迅速な制御が望ましい。そのため図示の実施形態によれば、バイパス弁ＶＡ及びＶＢを全閉状態として、スロットル２０のみによってガスエンジン１０の出力制御を行う（ステップＳ２１）。
【００５１】
これに対してステップＳ２０が「Ｎｏ」の場合、すなわち、前回のサイクルにおいては運転状態が「モード１」であった場合は、モード１からモード２への過渡期である。図５で示す制御においては、この過渡期において直ちにモード２の運転へ移行することはせず、先ず、モード１の運転（スロットル２０を全開で固定）であって、且つ、制御の応答性が良好な運転を行う。すなわち、バイパス弁ＶＢを全閉で固定して、バイパス弁ＶＡの開度を制御して、バイパスライン２２Ａを流れる混合気の流量制御を行う（ステップＳ２２）のである。
【００５２】
そして、ステップＳ２２で示す運転を過渡期に対応する時間（ステップＳ２３の「所定時間」）だけ継続して（ステップＳ２３が「Ｎｏ」のループ）、モード２の運転状態に移行する（ステップＳ２１）。
【００５３】
ステップＳ１４及びステップＳ２１の後、運転を継続するのであれば（ステップＳ１７がＮｏ）ステップＳ１０に戻るが、その際に、ステップＳ１８において、所定時間だけ待機する（ステップＳ１８がＮｏのループ）。換言すれば、図５の制御（図２及び図６で示す制御も同様）は休み無く行われるのではなく、ステップＳ１０からステップＳ１７に至る１連の制御（サイクル）が、所定の時間的間隔を空けて断続的に行われるのである。なお、運転を終了するのであれば（ステップＳ１７がＹｅｓ）、所定の手順に従って終了する。
【００５４】
図５で示す制御は、モード２からモード１へ移行する場合のみならず、その逆の場合（モード１からモード２への移行）においても、過渡期には多段階に亘って運転を移行している。しかし、モード１からモード２へ変化する際には、直ちに運転を変化させても良い。
【００５５】
図６は、その様な制御を示しており、図５の制御と概略同様であるが、モード２の運転状態と判定された場合（ステップＳ１９）、直ちにバイパス弁ＶＢ及びＶＡを全閉状態に固定し、スロットル２０によるガスエンジン１０の出力制御を行う（ステップＳ２１）。その他の制御については、図５と同様である。
【００５６】
図示の実施形態は、あくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではない旨を付記する。
【００５７】
【発明の効果】
本発明の作用効果を、以下に列挙する。
（１）  内燃機関（例えばガスエンジン）を用いた系統連系の発電装置において、良好な制御性を維持しつつ、従来に比較して著しく高い効率を達成する事が出来る。
（２）  発電電力一定制御運転（モード１）において、スロットル前後の差圧の発生を防止し、当該差圧に起因するポンピングロスを解消して、高い効率を達成できる。
（３）  受電電力一定制御運転（モード２）において、負荷変動に対応した急激な出力制御に対処する事が出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の要部を示すブロック図。
【図２】図１の実施形態における制御の１例を示すフローチャート。
【図３】本発明の第２実施形態の要部を示すブロック図。
【図４】本発明の第３実施形態の要部を示すブロック図。
【図５】第３実施形態における制御の１例を示すフローチャート。
【図６】第３実施形態におけるその他の制御例を示すフローチャート。
【図７】系統連系のガスエンジン発電装置の運転を示す図。
【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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