(57)【要約】回転軸１２と、この回転軸１２を回転自在に保持するケーシング孔３が形成されたケーシングとを備え、回転軸１２がケーシング孔３に対して非接触となる間隙ｔを有して保持され、この間隙ｔに潤滑油が流通する回転機械に設けられる回転軸の非接触式オイルシール機構において、回転軸１２の円周方向に沿ってケーシング孔３内周面に形成され、潤滑油を回収する油回収室４と、回転軸１２の円周方向に沿って回転軸１２の外周面に形成され、回転軸１２の軸方向に沿って配列され、油回収室４と対向する複数の油切り溝条５とを備え、複数の油切り溝条５は、油回収室４の同方向幅寸法Ｗ１内に収まるように形成されている。
2005040649.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸と、この回転軸を回転自在に保持するケーシング孔が形成されたケーシングとを備え、前記回転軸が前記ケーシング孔に対して非接触となる間隙を有して保持され、この間隙に潤滑油が流通する回転機械に設けられる回転軸の非接触式オイルシール機構であって、
前記回転軸の円周方向に沿って前記ケーシング孔内周面に形成され、前記潤滑油を回収する油回収室と、
前記回転軸の円周方向に沿って前記回転軸の外周面に形成され、前記回転軸の軸方向に沿って配列され、前記油回収室と対向する複数の油切り溝条とを備え、
前記複数の油切り溝条は、前記油回収室の同方向幅寸法内に収まるように形成されていることを特徴とする回転軸の非接触式オイルシール機構。
【請求項２】
請求項１に記載の回転軸の非接触式オイルシール機構において、
隣合う前記溝条間に形成される突条は、その縁部が角張っていることを特徴とする回転軸の非接触式オイルシール機構。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の回転軸の非接触式オイルシール機構において、
前記油回収室は、前記回転軸の軸方向に沿って複数形成され、
前記回転軸には、各油回収室に応じた位置に、前記複数の溝条が形成されていることを特徴とする回転軸の非接触式オイルシール機構。
【請求項４】
請求項３に記載の回転軸の非接触式オイルシール機構において、
前記間隙に供給する潤滑油を貯留するオイルバスと各油回収室とを連絡し、各油回収室で回収された潤滑油をこのオイルバスに戻すドレン管路を備え、
前記ドレン管路は、各油回収室に応じて独立して形成されていることを特徴とする回転軸の非接触式オイルシール機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、回転機械における回転部の潤滑油シール機構に関するもので、特に回転軸と非接触状態にして潤滑油が外部に漏れ出すのを防止できる機能を備えた回転軸の非接触式オイルシール機構に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  一般に、回転機械などにおける回転軸のケーシングを貫通する箇所にはシール機構を設けて、ケーシング外部からの粉塵などの侵入とケーシング内部から潤滑油が外部に漏れるのを防止するようにされている。このシール機構としてはＯリング，オイルシールあるいはメカニカルシールなどの接触式のシールが多く採用されている。
しかしながら、接触式のシール機構では長期間にわたる運転で、回転する軸と接触してシールしている部材が摩耗して、あるいは経年変化で劣化してシールの役目を果たさなくなる。そのために、ときには頻繁に部品の交換を必要とする。【０００３】  このようなことから、軸と接触することなくシール機能を発揮できる非接触式シール機構が採用される場合がある。このような非接触式シール機構は、簡単に部品交換ができない装置などで採用されており、静圧シールやラビリンスシールなどがある。静圧シールとしては、例えばケーシングなどの回転軸が外部に突き出す部分や軸受部に隣接して、軸を取り囲むように二箇所に環状の溝を設け、その一方の環状溝に気体を送り、他方の環状溝から排気するようにして軸とその貫通する孔の内周面との間に薄い気体の膜を形成して外部に油が漏れ出さないようにするという構成のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。【０００４】  また、前記ラビリンスシールは、ケーシングなどの壁体を回転軸が貫通する孔部の内周面にフィン状のシールフィンを枚数設けて、それらのフィンの先端と軸との間隔を微小間隔になるようにされ、軸の用面に沿って外部に漏れ出す油を各フィン間に形成される環状の空間部によって、ケーシング内部と外部との聞に生じる圧力差での流動を、断続する空隙の膨張・圧縮作用によって減衰させ、差圧をなくして油の漏出を阻止するものである（例えば、特許文献２参照）。【０００５】
【特許文献１】特開昭４８−１００５５４号公報
【特許文献２】特開平６−３３０８９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  しかしながら、前記静圧シールやラビリンスシールのような非接触式のシール機構では、シール機構として、次のような問題点がある。すなわち、静圧シールでは、運転中常時シールのための圧力流体（主としてエア）を供給しなければならない。当然、その圧力流体の供給源が別途必要になる。
したがって、余分な機器を付帯させるとともに、その運転管理が要求されることになり、使用できるようにするには圧力流体の供給源を容易に確保できる特定のものでのみ有効である。【０００７】  また、ラビリンスシールの場合は、構造的に簡単のようであるが、工作精度が要求され、組み付けるにも工夫が必要で、結果的に高価につくという難点がある。もちろん、組立て精度が良くないとシール効果が著しく低下するという問題がある。
一方、設置後メンテナンスが簡単に行えないような構成の機械設備における回転機械の軸部のシール機構としては、前述のように接触式のシールを用いると、長期間のシール効果が望めず、さりとて、前述のような非接触式のシール機構ではその効果に期待することが困難である。【０００８】  本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、構造簡単な非接触式のシールとして、長期間にわたりその目的を達成することが可能である、回転軸の非接触式オイルシール機構を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】  前記目的を達成するために、第１発明に係る回転軸の非接触式オイルシール機構は、回転軸と、この回転軸を回転自在に保持するケーシング孔が形成されたケーシングとを備え、前記回転軸が前記ケーシング孔に対して非接触となる間隙を有して保持され、この間隙に潤滑油が流通する回転機械に設けられる非接触式オイルシール機構であって、前記回転軸の円周方向に沿って前記ケーシング孔部内周面に形成され、前記潤滑油を回収する油回収室と、前記回転軸の円周方向に沿って前記回転軸の外周面に形成され、前記回転軸の軸方向に沿って配列され、前記油回収室と対向する複数の油切り溝条とを備え、前記複数の油切り溝条は、前記油回収室の同方向幅寸法内に収まるように形成されていることを特徴とする。【００１０】  第２発明に係る回転軸の非接触式オイルシール機構は、第１発明に係る回転軸の非接触式オイルシール機構において、隣合う前記溝条間に形成される突条は、その縁部が角張っていることを特徴とする。
第３発明に係る回転軸の非接触式オイルシール機構は、第１発明及び第２発明に係る回転軸の非接触式オイルシール機構において、前記回収室は、前記回転軸の軸方向に沿って複数形成され、前記回転軸には、各油回収室に応じた位置に、前記複数の溝条が形成されていることを特徴とする。【００１１】  第４発明に係る回転軸の非接触式オイルシール機構は、第３発明に係る回転軸の非接触式オイルシール機構において、前記間隙に供給する潤滑油を貯留するオイルバスと各油回収室とを連絡し、各油回収室で回収された潤滑油をこのオイルバスに戻すドレン管路を備え、前記ドレン管路は、各油回収室に応じて独立して形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】  第１発明によれば、ケーシング孔部における内外間の圧力差（回転駆動機構の温度上昇などで内部の圧力が高まる）で、回転軸の表面に付着する潤滑油が内側から外に向かって移動するのを、ケーシング孔側に形成された油回収室位置で軸に設けられた複数条の油切り溝の溝条間に形成される突条により、潤滑油の軸方向移動速度を減退させることが可能となる。
この結果、隣合う溝条間の突条で滞留した潤滑油は、回転軸の回転に伴う遠心力によって油回収室に振り落とされることとなる。
従って、間隙に供給される潤滑油はケーシング外部に漏出することがなく、回収された潤滑油を、潤滑油を貯留するオイルバス等に戻し、間隙部に潤滑油を再度供給することにより、長期間に亘ってシール機能を維持することが可能となる。
ちなみに、本発明によれば、低速で回転する軸において、回転機の作動によるケーシング内圧力と外部圧力（大気圧）との差止が大きくとも、前記油切り溝条と油回収室とを対応させる構成により、漏出しようとする油を止めて回収することができるのである。【００１３】  第２発明の構成を採用することにより、回転軸の回転が低速回転であっても、突条の周縁部が角張った形状とされるのでその縁部の表面張力によって油の軸方向速度を低下させる機能が作用して、付着する油を回転軸から有効に分離させることができるのである。
したがって、軸表面を伝って移動する潤滑油が断続する油切り溝を越えて順次外側に移動しても、また、軸の回転による遠心力が小さくても複数の突条によって油切りが行える【００１４】  第３発明の構成を採用することにより、前記第１発明と同様の機能を発揮できる油切り溝条と油回収室とのセットを複数箇所に配設することで、ケーシング孔内外での圧力差によって漏出しようとする油が複数段階に阻止され、ステップを踏むごとに減速されて油の流動が阻止されるという効果を奏する。
第４発明の構成を採用することにより、内側の油回収室と対応する油切り溝条とでなる油回収機構で回収された油がドレン管路を通じて、外側に配設される油回収室に逆流して油漏れを発生させることを阻止する効果を奏する。要するにドレン管路を油回収室ごとに独立して設けることで、前後の油回収室を連通させないで回収される油の逆流現象を防止して油漏れを確実に阻止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】［図１］図１は本発明にかかる回転転軸の非接触式オイルシール機構の一具体例を表わす断面図。
［図２］図２は前記実施形態の要部の拡大一部断面図。
［図３Ａ］図３Ａは本発明の非接触式オイルシール機構の機能を検証するために用いられたテスト装置の断面図。
［図３Ｂ］図３Ｂは前記テスト装置の要部の拡大断面図。
［図４Ａ］図４Ａは前記テスト装置における本発明にかかる要部の断面図。
［図４Ｂ］図４Ｂは前記テスト装置による噴出漏れ開始圧との関係を表すグラフ。
［図５Ａ］図５Ａは前記テスト装置における本発明にかかる他の要部断面図。
［図５Ｂ］図５Ｂは前記テスト装置による噴出漏れ聞始圧との関係を表わすグラフ。
【符号の説明】
【００１６】１…非接触式オイルシール機構、３…ケーシング孔、４…油回収室、４Ａ、４Ｂ…空間部、５…油切り溝、６…突条、６ａ…突条の縁部、１１…ケーシング、１２…回転軸、１４…ハウジングカバー、１５…軸受、１６…ドレン管路、ｔ…間隙
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】  次に、本発明にかかる回転軸の非接触式オイルシール機構について、その実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。
図１には、本発明にかかる回転軸の非接触式オイルシール機構の一具体例を表わす断面図が示されている。図２には、要部の拡大一部断面図が示されている。
この図１によって示される回転軸の非接触式オイルシール機構１（以下、単にオイルシール機構１という）は、回転機械１０における軸受部１５から外部に突出する低速で回転する回転軸１２の部分に設けられた実施形態の一具体例である。【００１８】  オイルシール機構１は、回転機械１０のケーシング１１に設けられる入力部の回転軸１２を支持するベアリングハウジング１３の外側に取り付くハウジングカバー１４内に設けられている。
このオイルシール機構１は、ケーシング孔３の内周面に形成される複数の油回収室４と、各油回収室４の位置に応じて、回転軸１２の外周面に設けられる複数条の油切り溝５と、各油回収室４に設けられる複数のドレン管路１６とを備えている。
なお、この回転軸１２には、貫通して突き出される軸端には図示されない回転体が取付けられ、回転体が回転すると、回転軸１２が軸受部１５に支承されるとともに、回転軸１２及びケーシング孔３間の間隙ｔに潤滑油が流通することにより、滑らかな回転を実現している。尚、間隙ｔは少なければ少ない程よいが、回転軸１２の回転中に回転軸１２がハウジングカバー１４と接触してはいけないので、一般的には０．５ｍｍ程度のクリアランスを確保するのが好ましい。【００１９】  前記油回収室４は、図２に示すように、それぞれが断面矩形の凹形の溝として構成され、軸受部１５よりも回転軸１２の端部側のケーシング孔３の内周面に２箇所形成され、凹形の溝は、回転軸１２の円周方向に沿って一周するように連続している。尚、本実施形態においては、内側の油回収室４の回転軸に沿った幅寸法Ｗ１は例えば２０ｍｍ、深さ寸法Ｄ１は例えば２０ｍｍと設定されている。
各油回収室４の凹形溝の底部にはドレン管路１６が繋がれており、図１中内側に形成される油回収室４に繋がるドレン管路１６は、ハウジングカバー１４からケーシング１１に至り、ドレン管路１６の他端は、図示を略したが、オイルバスに接続されている。このオイルバスは、軸受部１５に潤滑油を供給するために潤滑油を貯留する部分であり、油回収室４で回収された潤滑油は、ドレン管路１６を介してオイルバスに戻される。尚、本実施形態においては、ドレン管路１６の油回収室４と連通する部分の内径寸法は、可能な限り大きくするのが望ましいため、油回収室４の幅寸法よりも僅かに小さな１８ｍｍφとされている。尚、ドレン管路１６をこのような径に設定したのは、後述する油切り溝５から油回収室４に落下した潤滑油を速やかに回収しないと、油回収室４内で潤滑油が滞留し、再び間隙ｔに漏れ出すことがあるからである。【００２０】  このようなドレン管路１６は、ケーシング１１の底面部（図２中下面）から上方にドリル等で孔を開け、さらにこれに交差するように、ケーシング１１の後部端面直交方向からドリル等で孔を開け、各孔の端面を弾性部材等のパッキン（封止部材）等によって塞ぐことにより形成することができる。
尚、図１において、外側（図１中右側）の油回収室４にも前記と同様のドレン管路が前記ドレン管路１６とは独立してオイルバスに至るように形成されているが、図１でこれを記載すると両ドレン管が交差してしまうため、便宜上図面記載を省略している。
また、外側の油回収室４のさらに外側には、ケーシング孔３を塞ぐようにシールリング１８が付設されている。このシールリング１８は弾性材からなり、オイルシール機構１の補助的なシール部材として機能する。【００２１】  前記油切り溝５は、回転軸１２の外周面の円周方向に一周するように形成される溝条であり、図２に示すように、油回収室４の位置に応じて、複数条の油切り溝５のグループとして回転軸１２上に刻設されている。
油切り溝５のグループは、いずれも細幅で所要の間隔にて複数条刻設されている。この油切り溝５のグループにおいて、隣り合う油切り溝５間には溝の刻設によって突条６が形成される。
この突条６は、回転軸１２の径方向先端の角隅となる両端部６ａが角張った状態に形成されているのが好ましい。このようにすることにより、回転に伴い軸周面に付着して流れ出す油の軸方向速度を油切り溝５に連接する突条６先端で、表面張力により油の軸方向速度を減じ、油を振り切るのに効果的である。【００２２】  ここで、各油切り溝５の幅、深さは、前記突条６の両端部６ａの形状と、回転軸１２の径方向先端の突条６の端面の長さによって決められる。従って、油切り溝５の幅寸法Ｗ２及び深さ寸法Ｄ２は、回転軸１２の径（本実施の形態では１２０ｍｍφ）とは基本的に相関はない。本実施の形態では、各油切り溝条５の幅寸法Ｗ２及び深さ寸法Ｄ２は略３ｍｍとされている。
また、油切り溝５のグループは、少なくとも２本以上のグループとして形成しなければ効果を生じることがなく、例えば、１箇所の油回収室に対して１本の油切り溝のみでは、本発明の効果を奏することはできない。本実施の形態ではグループ当たり３本の油切り溝５を形成し、その間に２本の突条６が形成されるようにされ、突条６の幅寸法Ｗ３は油切り溝５の幅と略同じ３ｍｍとされ、３本の油切り溝５のグループの幅寸法Ｗ４は、幅寸法Ｗ１の油回収室４の内部に納められるように、Ｗ１＞Ｗ４とされている。
さらに、各回収室４に配置される油切り溝５のグループ間の距離Ｗ５は、長ければ長い程、潤滑油が流れる距離が多くて潤滑油の漏出上好ましいが、本実施形態においてはケーシングカバー１４のサイズの制約から２０ｍｍとして設定している。【００２３】  次に、このように構成されるオイルシール機構１の作用について説明する。
このオイルシール機構１は、低速で回転する回転軸１２の軸受部１５から外部に突き出されるケーシング孔３に設けられる。
このオイルシール機構１が設けられた回転機械１０では、ケーシング１１内部の気圧がケーシング外部の大気圧よりも高くなると、気圧差によって回転軸１２の外周とケーシング孔３の内周とにより形成される僅かな間隙ｔを通じてケーシング１１内から外部に向かって油が押し出されて漏れ出す現象が発生し易くなる。【００２４】  しかしながら、本実施形態のオイルシール機構１が設けられた位置では、回転軸１２の周面に沿って内部から外部へ移動する油は、前記油回収室４の部分に対向して配設される油切り溝５の横線（突条６の両端部６ａ）が角張って形成されている関係で、表面張力の働きによって軸方向速度を減じられ重力によって軸表面から除かれる。
ここで振り切られなかった油は、再び隣接する油切り溝５の突条６によって振り落とされる。油切り溝５に落とされた油は、以後前記動作により順次油回収室４側に振り落とされて分離され次第に軸表面に付着する油が取り除かれる。【００２５】  このようにして、第１の油切り溝グループ箇所５Ａで大部分の油の移動を阻止されるのであるが、何らかの理由によりケーシング内部の気圧がさらに高まると、油の移動速度が速くなり、低下効果が充分発揮できなくなることがある。
そこで、第１のシール機構部１ａでシールできずに移動する油を、やや離れて設けられる第２のシール機構部１ｂにて、前記要領で油の移動を阻止するようにしたのである。【００２６】  この第２のシール機構部１ｂにおいては、第１のシール機構部１ａにて除去できなかった油の移動を再び当該位置において軸側に設けられる油切り溝５のグループと油回収室４とによって、前記要領で軸１２に付着する油を除去する。
この第２の油回収室４によって形成される空間部４Ｂでは、第１の油回収室による空間部４Ａで油をすべて回収できなくても、第２のシール機構部１ｂ前後の圧力差（空間部４Ａと４Ｂの圧力差）は小さくなるので、第２のシール機構部１ｂから空間部４Ｂへ噴出す油の軸方向速度は小さくなり、第２のシール機構部１ｂによって容易に油が回収されて、非接触でのオイルシールの機能を充分に発揮することができるのである。
また、上記において、第１の油回収室４に設けるドレン管路１６と第２の油回収室４に設けるドレン管路（図上重複状態になっているので符弓での表示を省略する）を各々に独立してケーシング１１内に接続することにより、第１の油回収室で回収された油がドレン管路を通じて第２の池回収室に逆流して油漏れとなることを防ぎ、オイルシール機能を発挿することができる。
【実施例１】
【００２７】  次に低回転軸での非接触式オイルシールの機能を検証するために、下記の実施例により実験を行った。なお、この実施例では、図３Ａに示される実験装置を用いて行った。
（実験例１）
このテスト装置２０では、ケーシング２１を貫通する回転軸２２を支持する前後の軸受２３，２３′のうち前部の軸受ハウジング２４に隣接してシール機構を組み込むようにされている。
また、回転軸２２は可変速モータ２５により所要の回転で駆動されるようになされている。シール機構としては、図３Ｂに要部Ｐの拡大図で示されるように、回転軸２２と微小寸法の間隙ｔを設け、その前側に減圧室２６（油収納室に対応する）が形成されるようにした。また、前端に透明なアクリル板２７を取付けて内祁が視認できる状態とした。
このような構成で、油漏れしやすい条件として、軸線が５°前傾するように支持構造体２８にてベース２９上に配置した。【００２８】  前述のようなテスト装置を用い、下記の条件でテストを行った。
（１）回転軸２２の軸径（φ１２０回転速度１８００ｒｐｍ（高速回転）
〃          回転速度    ２０ｒｐｍ（低速回転）
（２）テストに用いた潤滑油種および油温
油種  ＥＯ１０  油温３８℃  動粘度３７ｃＳｔ
供給油量  ３０Ｌ／ｍｉｎ
なお、ケーシング内の圧力が高まることに対応するように、ケーシング１１内にエアを送り込んで確認をすることとした。
（３）間隙ｔの寸法：０．５ｍｍ
減圧室２６の幅寸法×深さ寸法＝２０ｍｍ×２０ｍｍ
回転軸上の油切り溝：無し
ドレン管の径寸法：１８ｍｍφ【００２９】  上記の実験結果によれば、まず、ケーシング内圧が高まったときの油漏れ原因として、（ａ）エアがケーシング２１からドレン３０を経由して減圧室２６に逆流し、ドレン３０に落ちた油がドレン口１３０′から噴き上げることによる噴き上げ漏れと、（ｂ）間隙ｔを通過した油が軸方向へある流速で噴出することによる噴出漏れを発生することが目視により確認された。前記（ａ）の油漏れ原因があることがわかったので、ドレン３０の管径は大きいほど、シール性の点で好ましい。また、複数のオイルシール機構がある場合、そのドレン管路は各々独立してケーシングに接続したほうが、シール性がよいことがわかった。【００３０】（実験例２）
上記のような結果から、噴出漏れ対策として図４Ａに示されるように、回転軸２２に減圧室２６に対向するようにして油切り溝３２を設けた構造にして、これを前記実験例１と同じ要領でテストを行い、図３Ｂで示される構造のものと比較した。
ここにおいて、減圧室２６に応じた位置の回転軸１２の外周面には、油切り溝３２を３本形成している。尚、油切り溝３２は３本形成し、それぞれの幅寸法×深さ寸法は３ｍｍ×３ｍｍであり、隣合う油切り溝間の突条の幅寸法も３ｍｍとして実験を行った。
その結果、図４Ｂに溝付きと溝なしとを比較したグラフによって示すとおりである。なお、圧力は０．００２ＭＰａ＝１として相対値で示している。回転軸に油切り溝（溝と表示）を設けたものにすると、低速回転において、噴出漏れ開始圧が溝なしの場合の約４倍も高くなることがわかった。
また、目視により溝の縁の突条部が表面張力により油を切る状況が確認された。つまり、満の縁は角張っているほうがよいことがわかった。
また、高速回転では、油は遠心力で軸から離れるので、溝を設けなくとも耐圧は高く、油切り満を付加しても噴出漏れ開始圧は変わらなかった。【００３１】（実験例３）
そこで、図５Ａに示されるように、前記テスト装置における減圧室形成部品２６Ａに代えて、二箇所に減圧室２６，２６′を有する部品２６を有する部品２６Ｂと交換するとともに、それら減圧室に対応する回転軸２２の外周面に、各減圧室２６，２６′に対し複数の油切り溝３２を形成して油切りを行わせる構造のもので、前記実験例１と同様にしてテストを行った。【００３２】  前記減圧室と油切り溝との組合せを二つ設けた場合の噴出漏れ開始圧を計測した結果、図５Ｂにグラフによって示すように、二筒所にシール機構を設けることで、噴出漏れ開始圧が４倍になり、結果的に低速回転軸の溝なし軸では１６倍も高い噴出漏れ開始圧となることがわかった。【００３３】  このように、本発明のオイルシール機構によれば、回転紬側に溝を付けない状態でのシール方式と比較して約１６倍の噴出漏れ開始圧に保持することが可能になり、言い換えると在来の非接触式オイルシール機構に比べて、回転機械におけるケーシング内部と回転軸
の突き出し外部との間で大きく差圧が生じても、油の噴出しが防止され、シール効果を高めることができるのである。【００３４】  したがって、本発明によれば、低速で回転する回転軸のシール部に採用して効力を発揮できるので、例えば風力発電装置のように、高所位置に設置されて駆動部分のメンテナンスを簡単に行えない設備の回転部に用いて優れた効果が期待できる。
産業上の利用分野【００３５】  本発明は、長期耐久性が要求される回転機械のシール機構として好適に採用することができ、たとえば、風力発電等に用いられる回転機構のシール機構として好適に用いることができる。
【図１】
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【図２】
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2005040649.tif 000005
2005040649.tif 000006
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【国際調査報告】
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2005040649.tif 000009