(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属の熱処理を行う熱処理炉と、該熱処理炉にアルコールを供給し得るアルコール供給設備と、該熱処理炉に窒素ガスを供給し得る窒素ガス供給設備と、該熱処理炉内に先端が突出するノズルとを有し、該アルコール供給設備から供給されるアルコールと、該窒素ガス供給設備から供給される窒素ガスとを該ノズルを通して熱処理炉内に導入して雰囲気ガスを発生させるようにした雰囲気発生装置であって、
該ノズルは、アルコール導入管と窒素ガス導入管とを有し、該窒素ガス導入管の先端に連結してベンチュリー部が配設され、
該ベンチュリー部は小径部と、該小径部の下流側に設けられた漏斗状の大径部とを有し、該アルコール導入管の先端部が該小径部と該大径部との間に配設されており、
該大径部から噴出される雰囲気ガスが、熱処理炉の壁面に沿って放出されるよう大径部の開口方向が熱処理炉の壁面に沿って配設され、
該窒素ガス導入管の中に該アルコール導入管が配設されている、熱処理用雰囲気発生装置。
【請求項２】
前記ベンチュリー部が該熱処理炉へのノズル突出し方向と直角に配設され、前記大径部から噴出される雰囲気ガスが、熱処理炉の壁面に沿って放出される請求項１に記載の熱処理用雰囲気発生装置。
【請求項３】
前記アルコール供給設備と前記ノズルとは、移送ポンプが介装されたアルコール供給路によって連結されている請求項１又は２に記載の熱処理用雰囲気発生装置。
【請求項４】
前記アルコール供給設備から前記ノズルのアルコール導入管へアルコールを供給し得るアルコール供給配管に、アルコール供給制御装置のアルコール供給停止信号により閉止可能な遮断弁が設けられ、該遮断弁の下流側において該アルコール供給配管と、前記窒素ガス供給設備から該ノズルの窒素ガス導入管へ窒素ガスを供給し得る該窒素ガス供給配管とが接続管にて連結され、該接続管に、該アルコール供給制御装置のアルコール供給停止信号により開成可能な遮断弁が設けられている請求項１から請求項３のいずれかに記載の熱処理用雰囲気発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属熱処理用雰囲気発生装置に関し、さらに詳しくは金属を浸炭・調質、もしくは浸炭窒化する熱処理のキャリアガス（以下雰囲気ガスという）を発生させる装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
金属を浸炭・調質、もしくは浸炭窒化する熱処理の雰囲気ガス生成方法は、変成炉の炭化水素ガスと空気を触媒にて反応させて雰囲気ガスを発生する変成炉方式と、有機溶剤液体（代表的にはメタノール等のアルコールであり、以下の説明では単にアルコールと記述する。）を熱分解させて雰囲気ガスを生成する滴注方式が一般的である。
【０００３】
これらのうち変成炉方式は雰囲気ガスを発生させるために、変成炉の操作、メンテナンス等に熟練した経験が必要であり安定した組成の雰囲気ガスを生成することが難しい。一方、直接雰囲気ガスを発生させる滴注方式が、変成炉等複雑な装置の操作やメンテナンスの必要がなく炉内にて安定した組成の雰囲気ガスを供給できるので注目されている。
【０００４】
また、滴注方式にも分解後の雰囲気ガスの炭素濃度を固定する添加剤を混合したアルコールのみを炉内にて熱分解させ雰囲気ガスを得る方式と、添加剤を含まないアルコールと窒素ガスを炉内に投入し雰囲気ガスを発生させる方式があり、雰囲気ガスの炭素濃度調整の柔軟性および金属熱処理品表面の酸化層削減効果等から後者が最近は主流になっている。
【０００５】
金属熱処理の雰囲気ガスは、前述したように雰囲気ガス組成の安定が肝要であり、そのため滴注方式の場合は炉に供給するガス流量の安定したコントロールと、アルコールが熱分解するのに十分な熱源が必要である。
【０００６】
アルコールと窒素ガスを炉内に供給する従来から知られている方法として、（１）炉内に設置された加熱室もしくは、炉外に設置された加熱室でアルコールを熱分解して発生したガスを熱処理炉内に供給する方法、（２）超音波を用いてアルコールを炉内に噴霧する方法、（３）ガスとアルコール蒸気との混合流体として供給する方法、（４）アルコールと窒素ガスをノズルにより炉内に供給する方法がある。
【０００７】
従来から知られている（１）の供給方法は、特開昭６２−６０８１８号公報、特公昭６３−５０４３０号公報、特公昭６３−４７７７１号公報に開示されている。
【０００８】
例えば、特開昭６２−６０８１８号公報に開示された雰囲気ガスの供給方法は、図６に示されるように、液体アルコールを送給管６０を経て炉内の分解室６２に滴注し、熱処理炉６１内の温度及びヒーター６３による加熱で液体アルコールを分解してガスとなし、この分解ガスを攪拌用回転羽根６４のやや上位側に向けて炉内分解室６２内に設けられた送気孔６５から熱処理炉６１内に送り出した後、熱分解して生成したガスを攪拌用回転羽根６４の攪拌によって炉内に拡散させて雰囲気ガスを生成するものである。
【０００９】
図７には、アルコールを炉内に供給する（１）の供給方法の別の従来例を示す。図７において、アルコール導入管６０から気化装置６６に供給された液体アルコールは気化装置６６内のヒーター６７の加熱により蒸気状のアルコールとなり攪拌用回転羽根６４の近くに設けられたアルコール導入管６０のガス出口６８を経て熱処理炉６１内に送り出され、攪拌用回転羽根６４の攪拌によって炉内に拡散し、熱分解して雰囲気ガスを生成するものである。
【００１０】
また、前記特公昭６３−５０４３０号公報では、同公報の図面に示されているように炉を２層式とし外層のアルコール分解室で分解したガスを窒素ガスと混合し内層に雰囲気ガスとして供給することが開示されている。
【００１１】
しかしながら、これらの方法では、炉の構造が通常の炉よりも複雑になってしまい、メンテナンスが大掛かりなものとなる。また、変成炉方式から、滴注方式への転換時に炉の改造が必要になるという問題がある。
【００１２】
また従来から知られている（２）の供給方法は、特公昭６３−４７７７２号公報に開示されている。しかし、この方法ではアルコール蒸気は比重が重いため炉内への投入位置が悪いとアルコール蒸気が炉の下側に滞留し金属熱処理品に直接触れて品質に悪影響を与えるため、アルコール蒸気の投入位置と炉内の回転羽根の位置に制限を受ける。また、同公報の図に示されているように超音波強制霧化装置が必要となり、電源とメンテナンスが必要となる問題がある。
【００１３】
また従来から知られている（３）の供給方法は、特開昭５９−５３６７６号公報に開示されている。同公報では、アルコールを炉外の気化器にて蒸気にし、耐火性粉粒体を充填している炉床体にて分解させて雰囲気ガスを発生させる方法が開示されている。この方法では、気化器と炉床体という特殊な炉の構造が必要であり、既設の炉にてアルコールから雰囲気ガスを発生することができない。また、気化器の熱源や、気化器、炉床体のメンテナンスが必要になる問題がある。
【００１４】
また従来から知られている（４）の供給方法は、特公昭６３−４７７７１号公報に開示されている。図８に示されているように、アルコール供給ノズル７０のアルコール導入管７１を経て熱処理炉６１に導入された液体アルコールは、窒素ガス導入管７２を経て窒素ガス導入管７２の先端部の螺旋溝７２ａにより回転しながらアルコール供給ノズル７１の挿入方向に吹出す窒素ガス噴流により熱処理炉６１内にて混合され、添加ガス導入管７３を経て供給される添加ガスと一緒に攪拌用回転羽根６４による攪拌風により、炉壁に沿って流動しながら雰囲気ガスを生成するものである。
【００１５】
しかし、この方法ではアルコールと窒素ガスを供給するノズル７０の取付け位置が炉６１の回転羽根６４の近くに取り付けられない揚合、ノズル７０により噴出されたアルコールを含むガスが下降し金属熱処理品に直接触れることにより品質に悪影響を与えることから、熱処理炉６１の形態等に制限がある。また、雰囲気ガスの供給を停止したときノズルのアルコール導入管の残液がノズル内にて熱分解を起こし、ススとなってノズルを詰まらせる問題もある。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記の中でノズルによる供給方法を用いたものに属する発明であり、熱処理炉の形態等に制限がなく既設の炉を用いてアルコールから雰囲気ガスを発生することができ、例えば、変成炉方式から滴注方式への転換時に炉を大幅に改造する必要がなく、また蒸気の投入位置と炉内の回転羽根の位置に制限を受けることもない熱処理用雰囲気発生装置を提供することを目的とする。
【００１７】
本発明の他の目的は、メンテナンスが比較的容易である熱処理用雰囲気発生装置を提供することにある。
【００１８】
本発明のさらに他の目的は、雰囲気ガスの供給を停止したときノズルのアルコール導入管の残液がノズル内にて熱分解を起こすことのない熱処理用雰囲気発生装置を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明の熱処理用雰囲気発生装置は、金属の熱処理を行う熱処理炉と、該熱処理炉にアルコールを供給し得るアルコール供給設備と、該熱処理炉に窒素ガスを供給し得る窒素ガス供給設備と、該熱処理炉内に先端が突出するノズルとを有し、該アルコール供給設備から供給されるアルコールと、該窒素ガス供給設備から供給される窒素ガスとを該ノズルを通して熱処理炉内に導入して雰囲気ガスを発生させるようにした雰囲気発生装置であって、該ノズルは、アルコール導入管と窒素ガス導入管とを有し、該窒素ガス導入管の先端に連結してベンチュリー部が配設され、該ベンチュリー部は小径部と、該小径部の下流側に設けられた漏斗状の大径部とを有し、該アルコール導入管の先端部が該小径部と該大径部との間に配設され、該大径部から噴出される雰囲気ガスが、熱処理炉の壁面に沿って放出されるよう大径部の開口方向が熱処理炉の壁面に沿って配設され、該窒素ガス導入管の中に該アルコール導入管が配設されており、そのことにより前記目的が達成される。
【００２１】
好ましい実施態様では、前記アルコール供給設備と前記ノズルとは、移送ポンプが介装されたアルコール供給路によって連結されている。
【００２３】
好ましい実施態様では、前記アルコール供給設備から前記ノズルのアルコール導入管へアルコールを供給し得るアルコール供給配管に、アルコール供給制御装置のアルコール供給停止信号により閉止可能な遮断弁が設けられ、該遮断弁の下流側において該アルコール供給配管と、前記窒素ガス供給設備から該ノズルの窒素ガス導入管へ窒素ガスを供給し得る該窒素ガス供給配管とが接続管にて連結され、該接続管に、該アルコール供給制御装置のアルコール供給停止信号により開成可能な遮断弁が設けられている。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。
【００２５】
図１に本発明の雰囲気発生装置の概略構成図を示している。該雰囲気発生装置は、金属の熱処理を行う熱処理炉１と、該熱処理炉１に液体アルコールを供給し得るアルコール供給設備１１と、該熱処理炉１に窒素ガスを供給し得る窒素ガス供給設備２１と、該熱処理炉１に取り付けられ該熱処理炉１内にその先端が突出するノズル４０とを有し、さらに、アルコール供給設備１１および窒素ガス供給設備２１と熱処理炉１との間に配設されたアルコールおよび窒素ガスの流量を調整し得る流量調整設備５１とを有する。
【００２６】
アルコール供給設備１１は、液体のアルコール等が貯蔵されているタンク１２と、移送ポンプ１３とを有し、該アルコールタンク１２はアルコール取出し配管１４およびアルコール戻り配管１５によって該ポンプ１３に接続されている。アルコール供給設備としてアルコール微圧タンク１２と移送ポンプ１３を用いることにより、アルコールタンク１２の液量及び圧力に関係なく一定の圧力にて供給できる。また、アルコール供給中もタンク１２を開放できるのでその間もアルコールをタンク１２に充填することが可能となる。
【００２７】
該ポンプ１３の減圧弁にて一定圧力に保持された状態にて使用されるアルコールのみアルコール供給配管１６を経て流量調整設備５１に供給される。その外の昇圧されたアルコールは、アルコール戻り配管１５を経て該アルコールタンク１２に返送される。
【００２８】
該流量調整設備５１のアルコール流量計５２、アルコール流量調整弁５３にて所定の流量に調整されたアルコールは、アルコール供給配管５４に設けられた遮断弁５５を経た後、アルコール供給口５６を通りノズル４０に供給される。
【００２９】
該窒素ガス供給設備２１は、液体窒素貯蔵タンクとガス蒸発器または圧力変動吸着方式窒素発生装置（ＰＳＡ）もしくは膜分離式窒素発生装置等と減圧装置から構成することができる。この窒素ガス供給設備２１とアルコールタンク１２とは窒素ガス微圧配管２２にて連結され、該窒素ガス供給設備２１の減圧弁にて微圧に圧力が一定に保持された窒素ガスを、窒素ガス供給設備２１からアルコールの消費によるタンク内圧力変化防止とタンクヘの大気の侵入防止のために、窒素ガス微圧配管２２を経てアルコールタンク１２に供給している。
【００３０】
該窒素ガス供給設備２１から一定の圧力にて供給された窒素ガスは、窒素ガス供給配管２３を経て流量調整設備５１に供給される。窒素ガスは、流量調整設備５１の窒素流量計５７、窒素流量調整弁５８にて所定の流量に調整された後、窒素供給口５９を通ってノズル４０に供給されるように構成されている。
【００３１】
前記アルコール供給配管５４に設けられた遮断弁５５は、アルコール供給制御装置２のアルコール供給停止信号により閉止可能となっており、該遮断弁５５の下流側において該アルコール供給配管５４と前記窒素ガス供給配管２３とが接続管２４にて連結され、該接続管２４にアルコール供給制御装置２のアルコール供給停止信号により開成可能な遮断弁２５が設けられている。
【００３２】
熱処理炉１の運転を停止する場合、アルコール供給制御装置２のアルコール供給停止信号により、アルコール供給配管５４に設けられた遮断弁５５を閉止すると同時に、窒素供給配管２４に設けられた遮断弁２５を開くことにより該窒素ガス供給設備２１から一定の圧力にて供給された窒素ガスは、窒素ガス供給配管２３を経て流量調整設備５１の窒素流量計５７、窒素流量調節弁５０にて所定の流量に調整された後、接続管２４に設けられた遮断弁２５を経た後、アルコール供給口５６からノズル４０のアルコール導入管に導入される。アルコール供給口５６とノズル４０内のアルコール導入管内の残留アルコールが充分置換される時間が経過してから、アルコール供給制御装置２からの窒素ガス停止信号により、接続管２４に設けられた遮断弁２５を閉止する。これにより、ノズル４０内のアルコール導入管内の残留アルコールが熱分解してススになりこれらの経路が詰まることが防止される。図中５０は接続管２４に設けられた窒素流量調整弁である。
【００３３】
前記ノズル４０は、図１および図２に示すように、熱処理炉１の壁面3に形成された穿孔4を通して該熱処理炉１の内部にその先端部が突出している。ノズル４０は、アルコール導入管４１と窒素ガス導入管４２とを有する。図２に示す実施例では、円筒状のアルコール導入管４１が円筒状の窒素ガス導入管４２の中に同心状に配設され二重筒となっている。該窒素ガス導入管４２の先端部にはベンチュリー部４３が形成されている。
【００３４】
該ベンチュリー部４３は小径部４４と該小径部４４の下流側に設けられた漏斗状の大径部４５とを有し、該アルコール導入管４１の先端部４１ａが該小径部４４と大径部４５との間に位置している。該小径部４４での窒素ガスの流速は他の部分に比較して速いのでアルコールを吸引する負圧力が発生してアルコールの流れを円滑にする。アルコール導入管４１の先端部４１ａからベンチュリー部４３に滴注されるアルコールは流速の増大した窒素ガスと混合され霧状となってベンチュリー部４３の大径部４５に噴出される。大径部４５の開口方向は熱処理炉１の壁面３に沿っていることにより、この大径部４５から噴出される霧状のアルコールは、窒素ガスと混合した状態で壁面３に沿って放出される。
【００３５】
このような構成のアルコール供給ノズル４０を用いることにより、ノズル４０を炉１の攪拌ファンの近傍に設置しなくても、窒素ガスの噴流に混合された噴霧状のアルコールが炉壁にそって流れ、十分な熱源に到達するようになり、安定した雰囲気ガスを生成することができる。また、ノズル４０の先端部４０ａに供給される窒素ガスと液体アルコールは、それぞれ自圧により導入されることからノズル４０の炉体への挿入方向は上下左右自在に取り付けることができる。
【００３６】
これらのことから、熱処理炉1にアルコールを供給するときのノズル４０の取付け位置に関する制限がなくなる。また、炉内に導入されたアルコールを霧状にするために窒素ガスのみを用い、ヒーター、装置等を用いないため熱源とメンテナンスの必要がなくなる。よって、熱処理炉１にアルコールを導入することが、アルコール供給ノズル４０を使用することにより、熱処理炉に複雑な構造は必要なく単純な構造でアルコールの導入が可能になる。さらに、図２に示すように、窒素ガス導入管４２を円筒管で形成することにより、熱処理炉１の壁面３には穿孔４を形成して挿入するだけでノズル４０を熱処理炉１に簡単に取り付けることができる。
【００３７】
図３にノズルの他の実施例を示す。この実施例では、窒素ガス導入管４２の外側にさらに円筒状の外管４６が窒素ガス導入管４２と同心状に配設されている。外管４６と窒素ガス導入管４２との間は真空断熱構造とされている。
【００３８】
この実施例において、アルコール供給口５６からノズル４０に導入されたアルコールは、アルコール導入管４１を経てノズル４０の先端部４０ａに供給される。窒素供給口５９からノズル４０に導入された窒素ガスは窒素ガス導入管４２を経て先端の混合ノズル４０ａに供給される。窒素ガス導入管４２と外管４６との間は真空断熱構造となっており、炉内部の熱が外管４６から窒素ガス導入管４２を流れる窒素ガスを通してアルコール導入管４１に伝わることを防止している。このことにより、窒素ガス導入管４２を流れる窒素ガス流量が少ないときに発生する可能性のある、アルコール導入管４１内部で液体アルコールの一部が気化して気泡となり、アルコールの流量が不安定になることを避けることが可能になる。
【００３９】
図４にノズルの他の参考例を示す。この参考例では、円筒状の外管４６に窒素ガス導入管４２とアルコール導入管４１がそれぞれ配設されている。外管４６と窒素ガス導入管４２およびアルコール導入管４１との間は真空断熱構造とされている。この参考例においても、図３に示した実施例と同様に、炉内部の熱が外管４６からアルコール導入管４１に伝わることを防止することができる。従って、アルコール導入管４１内部で液体アルコールの一部が気化して気泡となり、アルコールの流量が不安定になることを避けることが可能になる。
【００４０】
図５にノズルのさらに他の参考例を示す。この参考例では、窒素ガス導入管４２の下流側にベンチュリー部４３が分岐して２つ設けられている。また、アルコール導入管４１の先端部４１ａが分岐して二つに分かれており、各先端部４１ａが該各ベンチュリー部４３にそれぞれ接続されている。この参考例においては、ノズル４０から放出された霧状のアルコールは熱処理炉１の壁面３に沿って異なる方向へ噴出する。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、以下の効果がある。
【００４２】
１）窒素供給設備として、ＰＳＡ（圧力変動吸着方式）または膜分離式窒素発生装置を使用することにより、設置場所の制限が緩和されるとともに、ランニングコストの低減がはかれる。
【００４３】
２）アルコール供給設備としてアルコール微圧タンクと移送ポンプを用いる
ことにより、アルコールタンクの液量及び圧力に関係なく一定の圧力にて供給できる。また、アルコールを供給中もタンクを開放できるのでその間もアルコールをタンクに充填することが可能となり、長時間の連続熱処理が可能になる。また、アルコールタンクには大気の侵入を防ぐために窒素ガスを供給しているが圧力が１００〜５００mmAqと微圧であるため、アルコールに溶け込む窒素ガスは少く、アルコール供給配管の途中で窒素ガス気泡が発生しにくい。
【００４４】
３）流量調整設備としての窒素供給回路は、窒素ガスのみを流すため窒素の純度が一定であり流量計による流量管理が可能である。また、窒素ガスは不活性・不燃性ガスであるため、炉の安全を得るための可燃性ガスの追い出しにも使用できる。
【００４５】
４）流量調整設備としてのアルコール供給回路は、移送ポンプからの供給圧力にてアルコール流量計出口までアルコールが安定して供給されるため、アルコール流量調整はアルコール流量計出口の流量調整弁にて調整することができ、アルコール供給配管途中での窒素ガス気泡の発生がないため流量が安定する。
【００４６】
５）窒素ガスの圧力により霧状にてアルコールを噴霧しているためアルコール投入口がファンの真上に設けられなくても、ファンの側面から吹き付けることができアルコール投入口の位置の自由度が高くなる。
【００４７】
６）アルコールを霧状にするのに、ヒーターを用いないため熱源とメンテナンスが必要ない。窒素の高い圧力によりアルコールを霧状にて吹出すため、熱処理炉内ではアルコール分解のための熱源に到達しやすい。
【００４８】
７）アルコールは、アルコール供給ノズル管内では液体アルコールとして窒素ガスとは別の通路にて先端部のべンチュリー部に供給され、該ベンチュリー部の大気開放部分にて窒素ガス圧力にて霧状に噴霧されるため、流量も安定しアルコール供給ノズルの取付け方向には制限がなくなる。
【００４９】
８）アルコール供給ノズルの先端に、アルコール供給ノズルの挿入方向に直角な方向に窒素とアルコールを吹出すベンチュリー部を取り付けることにより、攪拌ファンの近傍に設置しなくても窒素ガスと霧状のアルコールが炉壁にそって流れるようにした。これにより、アルコール供給ノズルの取付け位置が自由に選べるようになる。
【００５０】
９）アルコール供給ノズルのアルコール供給配管に設けるアルコール遮断弁とその供給配管に接続された窒素ガス遮断弁の動きを制御することにより、アルコールの投入を停止した後にアルコール供給ノズルのアルコール導入管に窒素ガスを流すことによりアルコールの煤化によるアルコール導入管の詰まりを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の熱処理用雰囲気発生装置の一実施例を示す概略回路図である。
【図２】  本発明の熱処理用雰囲気発生装置の供給ノズルの一実施例を示す一部切欠断面図である。
【図３】  本発明の熱処理用雰囲気発生装置の供給ノズルの他の実施例を示す一部切欠断面図である。
【図４】  本発明の熱処理用雰囲気発生装置の供給ノズルの参考例を示す一部切欠断面図である。
【図５】  本発明の熱処理用雰囲気発生装置の供給ノズル管部分の他の参考例を示し、（ａ）はその一部切欠断面図、（ｂ）は図５ａのＢ−Ｂ線の断面図である。
【図６】  アルコールを炉内に供給する方法の従来例を示す概略断面図である。
【図７】  アルコールを炉内に供給する方法の他の従来例を示す概略断面図である。
【図８】  アルコールを炉内に供給する方法の他の従来例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１  熱処理炉
２  アルコール制御設備
３  壁面
１１  アルコール供給設備
１２  アルコールタンク
１３  移送ポンプ
１４  アルコール取出し配管
１５  アルコール戻り配管
２１  窒素ガス供給設備
４０  ノズル
４１  アルコール導入管
４１ａ  アルコール導入管の先端部
４２  窒素ガス導入管
４３  ベンチュリー部
５１  流量調整設備
５４  アルコール供給配管
【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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