(57)【要約】【解決手段】  ハウジング２を有するバーナー１であって、このハウジングに、燃焼管３が配設されており、その際、前記燃焼管３が、前記ハウジング２と反対側の端部において、開口部４を有しており、その際、前記燃焼管３内において、混合要素５が設けられており、且つ、前記混合要素５と前記開口部４との間の空間が、燃焼室６を形成しており、その際、前記ハウジング２が、少なくとも２つの、互いに分離された通路８を有しており、これら通路が、前記混合要素５において開口しており、その際、これら通路８および前記混合要素５を通って、ガスが流動し、且つ、これらガスの混合が、前記燃焼室６内において初めて行われ、その際、前記混合要素５が積層造形方法によって製造されており、且つ、少なくとも２つの、別個の中間通路９を有しており、これら中間通路が、貫通流動方向において、前記燃焼室６の方向に分岐している。
2020535381.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジング（２）を有するバーナー（１）であって、
このハウジングに、燃焼管（３）が配設されており、
前記燃焼管（３）が、前記ハウジング（２）と反対側の端部において、開口部（４）を有しており、
前記燃焼管（３）内において、混合要素（５）が設けられており、且つ、前記混合要素（５）と前記開口部（４）との間の空間が、燃焼室（６）を形成しており、
前記ハウジング（２）が、少なくとも２つの、互いに分離された通路（８）を有しており、これら通路が、前記混合要素（５）において開口しており、
これら通路（８）および前記混合要素（５）を通って、ガスが流動し、且つ、これらガスの混合が、前記燃焼室（６）内において初めて行われる、
様式の上記バーナー（１）において、
前記混合要素（５）が積層造形方法によって製造されており、且つ、少なくとも２つの、別個の中間通路（９）を有しており、
これら中間通路が、貫通流動方向において、前記燃焼室（６）の方向に分岐していることを特徴とするバーナー（１）。
【請求項２】
前記混合要素（５）は、１つの部材から成るように形成されていることを特徴とする請求項１に記載のバーナー（１）。
【請求項３】
３つから５つまでの中間通路（９）が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のバーナー（１）。
【請求項４】
前記中間通路（９）は、多数の流出開口部（１０）において開口しており、
少なくとも１つの中間通路において、流出横断面積（１１）が、通路横断面積（１２）と比べて低減されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載のバーナー（１）。
【請求項５】
それぞれの個々の流出開口部（１０）は、前記混合要素（５）からの流出の際の前記ガスのための、混合要素、渦流形成要素、及び／または、霧状化要素を備えていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載のバーナー（１）。
【請求項６】
前記流出開口部（１０）において、渦要素、衝突要素、流動剥離エッジ部、滞留エッジ部、溝部、混合ノズル、混合弁、及び／または、排出マニホールドが設けられていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載のバーナー（１）。
【請求項７】
前記中間通路（９）の内の少なくとも１つの中間通路は、螺旋状の溝部を有していることを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載のバーナー（１）。
【請求項８】
前記流出開口部（１０）は、
前記ガスが、別個に制御可能な中間通路（９）を備える、前記通路横断面積（１２）と比べて前記流出横断面積（１１）の低減を有する、多数の前記流出開口部（１０）によって、前記燃焼室（６）内において均一な混合を達成する、
ように配設されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記載のバーナー（１）。
【請求項９】
ＵＶ火炎感知器またはＩＲ火炎感知器（１３）が、前記混合要素（５）の流出側に設けられていることを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載のバーナー（１）。
【請求項１０】
１つまたは複数の前記中間通路（９）を通って、排気ガスは、前記燃焼室（６）から前記ハウジング（２）の方向に還流可能であることを特徴とする請求項１から９のいずれか一つに記載のバーナー（１）。
【請求項１１】
還流する前記排気ガスは、前記中間通路（９）の壁部を介して、前記燃焼室（６）の方向に流入するガスに熱を放出することを特徴とする請求項１から１０のいずれか一つに記載のバーナー（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハウジングを有するバーナーに関し、
このハウジングに、燃焼管が配設されており、
その際、前記燃焼管が、前記ハウジングと反対側の端部において、開口部を有しており、
その際、前記燃焼管内において、混合要素が設けられており、且つ、前記混合要素と前記開口部との間の空間が、燃焼室を形成しており、
その際、前記ハウジングが、少なくとも２つの、互いに分離された通路を有しており、これら通路が、前記混合要素において開口しており、
その際、これら通路および前記混合要素を通って、ガスが流動し、且つ、これらガスの混合が、前記燃焼室内において初めて行われる。
【背景技術】
【０００２】
そのようなバーナー、特に工業的な使用のためのガスバーナーは、燃焼工程内において、化学的なエネルギーが、熱的なエネルギーに変換される装置である。この燃焼工程の際に、少なくとも１つの酸化剤、有利には空気もしくは酸素は、燃料と共に、燃焼室内において、熱放出のもとでの連続的な反応において燃やされる。
加熱された排気ガスは、開口部を介して、自由な周囲環境へと放出され、且つ、例えば、乾燥設備、熱的な後燃焼装置、循環システム、硬化炉、または、その他のプロセスシステム工学的な設備内において利用され得る。燃料として、例えば、都市ガス、遠隔地域供給ガス、天然ガス、および、液化ガス、並びに、これらの混合物のような、全ての市販の浄化されたガスが、空気と共に燃やされ得る。
【０００３】
従来技術から公知のバーナーは、２つのカテゴリーに区分可能であり、その際、第１のカテゴリーに、酸化剤が燃料と共に混合物として燃焼室内へと噴射されるバーナーが属する。そのようなバーナーは、同様に予混合バーナーとも称される。
第２のカテゴリーに属するバーナーは、第１のカテゴリーのバーナーとは異なり、酸化剤並びに燃料の別個の供給導管を、燃焼室に至るまで有しており、従って、両方の物質の混合が、燃焼室内において初めて行われる。
【０００４】
第１のカテゴリーのバーナーは、確かに、酸化剤と燃料とから成る混合物が、均一な状態において、燃焼室内において使用することができることの利点を有しているが、しかしながら、しかもまた、火炎後退に対する絶対的な安全性が与えられていないことの欠点も有している。
第２のカテゴリーのバーナーにおいて、酸化剤および燃料の別個の供給によって、火炎後退はあり得ないが、しかしながら、燃焼室内における混合物の均一性が、第１のカテゴリーのバーナーの、混合物の達成された均一性との比較において、最適ではない。
【０００５】
特許文献１、特許文献２と同様に、特許文献３からも、バーナーのための構造部材の製造のための積層造形方法が公知である。何故ならば、これらが、まさに、複合的に構成された構造部材のために考慮に値するからである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１６／０３７７２９３  Ａ１号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１６／０２２３２０１  Ａ１号明細書
【特許文献３】英国特許出願公開第２  ５３６  ９６５  Ａ号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、第２のカテゴリーのバーナーに関し、且つ、安全性と、混合物の均一性の高い程度による最適な燃焼との間の、上記された対立関係領域の内包において、燃焼工程を最適化するために、燃焼室内における混合物の改善された均一性を達成する、第２のカテゴリーのバーナーを提供することの課題を提起されている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この課題は、冒頭に記載された様式のバーナーにおいて、本発明に従い、請求項１の特徴によって解決される。
【発明の効果】
【０００９】
これに伴って、１つのバーナーが提供され、このバーナーにおいて、混合要素は、積層造形方法によって製造されている。例えば、同様に粉末床溶融結合方法、特に選択的レーザ溶融並びに選択的レーザ焼結も、積層造形方法の一部と見なされる。
積層造形方法による混合要素の製造によって、燃焼室内への、酸化剤および燃料の供給の新しい様式が達成可能であり、この新しい様式は、均一な混合が、燃料に対する酸化剤の比率の幅広の制御範囲にわたって達成可能であり、且つ、このことによって、完全な燃焼がバーナーの全出力範囲にわたって保証される、という趣旨で最適化可能である。
【００１０】
この混合要素は、少なくとも２つの、別個の中間通路を有しており、これら中間通路が、流動方向において、燃焼室の方向に分岐している。
確かに、特許文献２から、既に、分岐され且つ次いで出口を持つ、中間通路は公知であるが、しかしながら、この特許文献２は、如何なるガスバーナーにも関してなく、むしろ、ガスタービン推進装置のための燃料噴射装置に関している。
ここで扱われているのは、酸化剤が燃料と共に混合物として燃焼室内へと噴射される１つの燃料噴射装置であり、この燃料噴射装置が、第１のカテゴリーのガスバーナーと比較され得る（いわゆる、予混合バーナー）。
【００１１】
本発明は、しかしながら、第２のカテゴリーのガスバーナーに関し、このガスバーナーにおいて、酸化剤並びに燃料の別個の導入が、燃焼室に至るまでの２つの通路を介して行われる。
特許文献２は、しかしながら、明確に図２から明らかなように、ただ１つの主供給通路だけを有している。この主供給通路に１つの結合部が配設されており、この結合部から、タービンの内側に、２つの（互いに分離されていない）部分導管が分岐している。
【００１２】
バーナーの作動の際に、過小評価されるべきでない問題は、有害な窒素酸化物の生成であり、これら窒素酸化物が、燃焼プロセスの際に生成可能である。その際、バーナー、特に燃焼室の構成、および、酸化剤および燃料の供給は、燃焼工程の際の窒素酸化物の形成に対して、著しい影響を有している。
積層造形された混合要素は、そのような窒素酸化物の生成が完全に抑制されるか、または、最小限に低減させる、という趣旨で最適化され得る。
この関連において、バーナーが排気ガス再循環装置を設け、この排気ガス再循環装置において、少しの酸素割合分と比較的に高い二酸化炭素割合分とを有する、既に燃焼し尽くされた排気ガスが、燃焼室内へと導入されることは考慮可能である。そのような不活性の排気ガスの注入は、窒素酸化物の生成の明確な低減を誘起する。
【００１３】
更に、同様に、バーナー及び／または混合要素の構成は、排気ガス再循環装置が燃焼室内へと再循環される酸化剤及び／または燃料の前加熱を意図する、という趣旨でも考慮可能である。
【００１４】
本発明の更なる構成は、従属請求項から与えられる。
【００１５】
その際、混合要素が、１つの部材から成るように形成されていることは合目的である。１つの部材から成る混合要素は、燃焼室内への酸化剤および燃料の供給が、この混合要素のコンパクトな寸法において最適化され得ることの利点を有している。それに加えて、酸化剤および燃料の供給が、複数の部材から成る混合要素によって実現可能でない、構造およびやり方において意図されていることは可能である。
同時に、本発明は、混合要素が、少なくとも２つの、別個の中間通路を有しており、これら中間通路が、貫通流動方向において、燃焼室の方向に分岐していることを意図する。これら中間通路の分岐は、酸化剤及び／または燃料が、局部的に１つの位置においてではなく、むしろ、多数の可能な位置において燃焼室内へと注入され、従って、酸化剤と燃料との十分に均一な混合が、既にこの燃焼室の始端部領域内において与えられることの結果をもたらす。
この燃焼室の始端部領域は、その際、バーナーの開口部への間隔よりも、混合要素への少ない間隔を有する領域と見なされるべきである。酸化剤と燃料との均一な混合は、窒素酸化物の生成を抑制するだけでなく、バーナーの能率を向上し、且つ、これに伴って燃料費用を低減する。
【００１６】
更に、３つから５つまでの中間通路が設けられていることは、有利に意図されている。この選択肢は、混合要素の構造の経費と、この混合要素の製造技術的な要件、並びに、最適化された燃焼に関して達成されるべき利点との間の、最適条件を具現する。
【００１７】
更に別の構成において、中間通路が、多数の流出開口部において開口しており、少なくとも１つの中間通路において、流出横断面積が、通路横断面積と比べて低減されていることは意図されている。
流出横断面積の低減は、混合要素の、燃焼室の方に向けられた側で、多数の流出開口部が設けられていることが可能であり、これら流出開口部が酸化剤と燃料との最適化された混合を可能にする、ことの利点を提供する。他方では、更に、混合要素に、高い容積流量のガスを供給することは可能である。何故ならば、この混合要素へと導く通路が、比較的の大きな直径を有しているからである。
【００１８】
更に、それぞれの個々の流出開口部が、混合要素からの流出の際のガスのための、適当な、混合要素、渦流形成要素、及び／または、霧状化要素を備えていることは意図されている。
これら要素によって、ガスは、流出の際に、乱流状に渦流を形成され、従って、酸化剤が燃料と特に均一に混合可能である。ここで、酸化剤と燃料との混合の均一性が、既に、燃焼室の始端部領域内への流入の際に使用することができることは利点である。
【００１９】
更に別の構成は、流出開口部において、渦要素、衝突要素、流動剥離エッジ部、滞留エッジ部、溝部、混合ノズル、混合弁、及び／または、排出マニホールドが設けられていることを意図する。
このことは、全ての流出開口部が同じ要素を有していることと理解されるべきではなく、むしろ、流出開口部のそれぞれの位置に応じて、総じて改善された混合の均一性を誘起する、前記の要素の内の１つの要素が設けられていることと理解されるべきである。このことは、異なる要素の多様な組み合わせを可能にし、従って、混合要素が、所定のバーナークラスの要件に対して適合され得る。
【００２０】
本発明の特別な構成は、中間通路の内の少なくとも１つの中間通路が、螺旋状の溝部を有していることを意図する。
その際、例えば、それぞれの溝部が、矩形の断面を有していることは可能であり、または、菱形に形成されていることも可能である。酸化剤と燃料との混合を均一性の高い程度によって達成するために、中間通路内への螺旋状の溝部の導入により、燃焼室内へのそれぞれのガスの流入速度は、コントロールされ得る。
【００２１】
本発明の更に別の特別な構成は、流出開口部が、ガスが燃焼室内において均一な混合を達成するように配設されていることを意図する。
このことによって、バーナーの能率は向上され、且つ、同時に、有害な窒素酸化物の生成が抑制される。酸化剤および燃料の供給は、複数の通路を介して行われ得、その際、出力範囲に依存して、例えば、バーナーのハウジングの領域内における個々の供給は、遮断または開放される。このことによって、完全な燃焼は、バーナーの全出力範囲にわたって達成され得る。
【００２２】
それに加えて、有利には、ＵＶ火炎感知器またはＩＲ火炎感知器が、混合要素の流出側に設けられていることは意図されている。
このことによって、燃焼プロセスは、場合によっては酸化剤及び／または燃料の供給を燃焼プロセスが所望された基準に従って経過するという趣旨で適合するために、連続的に監視可能である。この目的のために、火炎感知器が適当な制御もしくは調節ユニットと情報技術的に接続されており、その際、この制御または調節ユニットが、例えばバーナーのハウジング内において設けられていることは可能である。
【００２３】
付加的に、１つまたは複数の中間通路を通って、排気ガスが、燃焼室からハウジングの方向に還流可能であることは意図されている。特に、還流する排気ガスは、中間通路の壁部を介して、燃焼室の方向に流入するガスを予熱可能である。
冷たい燃焼空気が、その際、熱い排気ガスを導く通路の周囲を流れるので、この燃焼空気は予熱される。このことは、バーナーの能率を、廃熱回収熱交換器バーナーの意味で向上し、その際、３Ｄ印刷において製造された熱交換器の特別な利点が、十分に効果を発揮する。このことによって、極めてコンパクトな熱交換器は、良好な効率を有する混合ユニットの内側で与えられる。
【００２４】
本発明の更に別の特徴、詳細、利点は、以下の説明に基づいて、並びに、図に基づいて与えられる。互いに相応する対象または要素は、全ての図内において、同じ参照符号を備えている。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に従うバーナーの概略図である。
【図２】２通路システムとして形成されている、本発明に従う混合要素の透視図である。
【図３】図２の混合要素の仮想的な分解図である。
【図４】図２の混合要素の入口側の図である。
【図５】図２の混合要素の出口側の図である。
【図６】線Ａ−Ａに沿っての、図２の混合要素の断面図である。
【図７】３通路システムとして形成されている、本発明に従う混合要素の透視図である。
【図８】図７の混合要素の仮想的な分解図である。
【図９】図７の混合要素の入口側の図である。
【図１０】図７の混合要素の出口側の図である。
【図１１】４通路システムとして形成されている、本発明に従う混合要素の透視図である。
【図１２】図１１の混合要素の仮想的な分解図である。
【図１３】図１１の混合要素の入口側の図である。
【図１４】図１１の混合要素の出口側の図である。
【図１５】本発明に従う混合要素の透視図である。
【図１６】示唆されたガス矢印を有する、図１５の変形例の図である。
【図１７】再循環器を有する混合要素の入口側の図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図１内において、本発明に従うバーナー１の概略図が示されており、このバーナーは、ハウジング２を有しており、このハウジングに燃焼管３が配設されており、その際、この燃焼管３が、ハウジング２と反対側の端部において開口部４を有している。
燃焼管３内において、混合要素５が設けられており、且つ、この混合要素５と開口部４との間の空間は、燃焼室６を形成している。この実施例内において、第１の通路８は、少なくとも部分的に、ハウジング２および燃焼管３を通って延びている。燃焼管３と第１の通路８との間の空間容積もしくは中間室７は、更に別の通路を形成している。
【００２７】
これに伴って、ハウジング２は、少なくとも２つの、互いに分離された通路８を有しており、これら通路が混合要素５において開口しており、その際、これら通路８および混合要素５を通って、ガスが伝播もしくは流動し、且つ、これらガスの混合が、燃焼室６内において初めて行われる。
ハウジング２と、中間室７によって形成されている通路との間の結合は、一目瞭然性の理由から、図示されていない。燃焼プロセスを連続的に監視するために、燃焼室６内において、ＵＶ（紫外線）火炎感知器またはＩＲ（赤外線）火炎感知器１３が、混合要素５の流出側に設けられている。燃焼室６内におけるガス混合物を点火する点火装置は、図示されていない。
【００２８】
２通路システムとして形成されている、混合要素５は、図２内において透視図で、図３内において仮想的な分解図で、図４内において入口側で、図５内において出口側で、並びに、図６内において断面図として示されている。
図３内における仮想的な分解図は、ただ一目瞭然性だけに利用され、且つ、混合要素５の異なる構成要素の分離は現実的に可能ではない。何故ならば、この混合要素５が積層造形方法を用いて１つの部材から成るように形成されているので、この混合要素５の破壊を誘起するからである。
「入口側」のもとで、バーナー１内において組み込まれた状態において、中間室７と隣接する、混合要素５の側面が理解されるべきである。「出口側」のもとで、バーナー１内において組み込まれた状態において、燃焼室６と隣接する、混合要素５の側面が理解されるべきである。
【００２９】
混合要素５は、有利には、管体状の外側壁１４を有しており、この外側壁が、半径方向に内方へと突出する流動抵抗要素１６を備えており、その際、これら流動抵抗要素１６が、有利には、この外側壁１４の長手方向対称軸線もしくは回転軸線に対して横向きに整向されている。
これら流動抵抗要素１６が、半径方向において、管体部分によって分離されていることは可能であり、これら管体部分が、外側壁１４よりも小さな直径および短い長手方向延長を有している。このことによって、これら流動抵抗要素１６が、これら流動抵抗要素の半径方向の位置に依存して、外側壁１４の長手方向対称軸線に対して横向きの異なる角度のもとで配設されていることは可能である。これら流動抵抗要素１６が、有利には、羽根車状に形成されることは可能である。
【００３０】
その内側のもしくは第１の通路８を通って有利にはガス状の燃料が案内される、該内側のもしくは第１の通路８は、多数の中間通路９に分岐し、これら中間通路が、流動抵抗要素１６、および、これら流動抵抗要素のそれらに所属する管体部分を貫通する。これら中間通路９は、流出開口部１０を有しており、これら流出開口部が、燃焼室６において開口している。
流出開口部１０における、可能な渦要素、衝突要素、流動剥離エッジ部、滞留エッジ部、溝部、混合ノズル、混合弁、及び／または、排出マニホールドは、一目瞭然性のために図示されていない。
酸化剤のための第２の通路８もしくは中間室７は、空間によって形成されており、この空間が、外側壁１４および通路８、並びに、この通路の中間通路９によって周囲を境界されている。この実施例において、中間通路９自体が、付加的な流動抵抗要素を具現することは有利である。これに伴って、中間通路９には、燃料を燃焼室内へと輸送することの機能があるだけでなく、酸化剤の渦流形成に寄与する機能もある。
燃料の均等な分配を達成するために、第１の通路８の通路横断面積１２は、この実施例内において、流出開口部１０の横断面積よりも大きく選択されている。
【００３１】
３通路システムとして形成されている、更に別の混合要素５は、図７内において、透視図で、図８内において仮想的な分解図で、図９内において入口側で、図１０内において出口側で示されている。図８内における仮想的な分解図は、ただ一目瞭然性だけに利用され、且つ、混合要素５の異なる構成要素の分離は現実的に可能ではない。
【００３２】
２通路システムとは異なり、この３通路システムは、付加的な通路８を有しており、この付加的な通路が、ここで、例えば、第１の通路８内において配設されている。
この付加的な通路８は、他方また、固有の中間通路９を備えており、これら固有の中間通路が、流動抵抗要素１６、および、これら流動抵抗要素のそれらに所属する管体部分を貫通する。この付加的な通路８は、例えば、付加的な燃料を、燃焼室６内へと注入すること、および、このことによって燃焼プロセスを最適化することの目的で利用され得る。
【００３３】
４通路システムとして形成されている、特別の混合要素５は、図１１内において透視図で、図１２内において仮想的な分解図で、図１３内において入口側で、図１４内において出口側で示されている。図１２内における仮想的な分解図は、ただ一目瞭然性だけに利用され、且つ、混合要素５の異なる構成要素の分離は現実的に可能ではない。
【００３４】
３通路システムとは異なり、この４通路−通路システムは、管体状の中間壁１５を有しており、この、管体状の中間壁１５が、外側壁１４よりも小さな直径を有しており、しかしながら、基本的に、同一の長手方向延在を有している。
【００３５】
特に図１５および１６から読み取れるように、燃焼空気は、内側の通路８を通って、燃焼室６内へと流入可能であり、且つ、外側の通路８の内の１つの外側の通路を通って、再び流出可能である。流動方向を変化させるため、および、内方へと流動する排気ガスを再び燃焼空気に供給するために、再循環器１７が設けられている（図１７）。
【００３６】
言うまでも無く、本発明は、図示された実施例に限定されていない。更に別の構成は、基本思想から離れること無しに可能である。３通路システム、または、４通路システムとして形成されている、１つの混合要素を有するバーナーのための、酸化剤および燃料の供給が、相応して適合されるべきことは、自ずから自明のことである。
更に、通路の数は、上記の例示的に図示された実施例に限定されていない。バーナーのそれぞれの有利な条件および使用領域に応じて、同様により多くの通路も、有効であり得る。
【符号の説明】
【００３７】
１    バーナー
２    ハウジング
３    燃焼管
４    開口部
５    混合要素
６    燃焼室
７    中間室
８    通路
９    中間通路
１０  流出開口部
１１  流出横断面積
１２  通路横断面積
１３  ＵＶ火炎感知器またはＩＲ火炎感知器
１４  外側壁
１５  中間壁
１６  流動抵抗要素
１７  再循環器
【図１】
2020535381.tif 000003
【図２】
2020535381.tif 000004
【図３】
2020535381.tif 000005
【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】
2020535381.tif 000012
【図１１】
2020535381.tif 000013
【図１２】
2020535381.tif 000014
【図１３】
2020535381.tif 000015
【図１４】
2020535381.tif 000016
【図１５】
2020535381.tif 000017
【図１６】
2020535381.tif 000018
【図１７】
2020535381.tif 000019
【国際調査報告】
2020535381.tif 000020
2020535381.tif 000021
2020535381.tif 000022
2020535381.tif 000023
2020535381.tif 000024