| 【発明の名称】 |
封じ集成体とそれを持つ回転機械 |
| 【発明者】 |
【氏名】オスマン・セイム・ディンク
【氏名】ノーマン・アーノルド・ターンキスト
【氏名】ジョージ・アーネスト・レルズコ
【氏名】ローレンス・ドナルド・ウィレイ
【氏名】クリストファー・エドワード・ウォルフ
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| 【要約】 |
【課題】回転する羽根の先端と円周方向に取巻く固定子ケーシングとの間における蒸気タービン及びガスタービンの改善された封じ集成体。
【解決手段】封じ集成体及びこの様な封じを持つ蒸気タービンの様な回転機械において、固定子が１列の回転子羽根を円周方向に取巻き、この固定子が上流側の歯封じ領域、下流側のブラシ封じ領域、及びその中間の流体膨脹室を含み、これら全てが半径方向で羽根先端の近くにあり、流体の流れの中にある破片が歯封じ領域によってより小さい粒子に破砕され、この小さな粒子が流体膨脹室によって減速され、その結果ブラシ封じ領域にある下流側の剛毛が受ける損傷はごく小さくなる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 縦軸線、及び該縦軸線の方を向いた半径方向の内側を持つ弓形部材を有し、前記半径方向内側が、縦方向上流側部分及び縦方向下流側部分を含み、前記縦方向上流側部分が縦方向に相隔たって、円周方向に伸び、半径方向内向きに突出する複数個の封じ歯を含み、前記縦方向下流側部分が多数の剛毛を持つ円周方向に伸びるブラシ封じを含み、該ブラシ封じは前記封じ歯から縦方向に隔たっており、前記剛毛が、前記縦軸線が当該切断平面内に入るような切断平面によって切った前記弓形部材の断面で見たとき、半径方向内向きに突出し、前記半径方向内側は、縦方向に変化する半径を持っていて、該半径が、縦方向に前記ブラシ封じ及び前記封じ歯の内、前記ブラシ封じに縦方向で最も接近している１つの間では、縦方向に前記ブラシ封じに最も接近した前記封じ歯のうちの１対の封じ歯の間よりも、一層大きい封じ集成体。
【請求項２】 前記弓形部材が蒸気タービンのスピル・ストリップである請求項１記載の封じ集成体。
【請求項３】 前記半径が、縦方向に前記ブラシ封じ及び該ブラシ封じに最も接近した１つの封じ歯の間では、任意の縦方向に隣接する封じ歯の間よりも、一層大きい請求項１記載の封じ集成体。
【請求項４】 前記弓形部材には、前記封じ歯より縦方向上流側に他の何のブラシ封じもない請求項１記載の封じ集成体。
【請求項５】 前記弓形部材には、前記ブラシ封じより縦方向下流側には、他の何の封じ歯もない請求項１記載の封じ集成体。
【請求項６】 前記弓形部材には、前記封じ歯より縦方向上流側に他の何のブラシ封じもない請求項５記載の封じ集成体。
【請求項７】 前記半径が、縦方向に前記ブラシ封じと該ブラシ封じに縦方向に一番接近した１つの封じ歯との間では、縦方向に隣接する任意の封じ歯の間よりも、一層大きい請求項６記載の封じ集成体。
【請求項８】 前記弓形部材が蒸気タービンのスピル・ストリップである請求項７記載の封じ集成体。
【請求項９】 縦軸線を持つ回転子と、何れも縦方向上流側の縁、縦方向下流側の縁、前記回転子に取付けられた根元及び半径方向外向きに伸びる先端を持つ１列の羽根と、前記縦軸線と全体的に同軸に整合していて、前記１列の羽根を円周方向に取巻く固定子とを有し、該固定子は、半径方向に前記羽根の前記先端に接近して配置されると共に、縦方向には前記羽根の縦方向上流側の縁の方に配置され、最大の高さの歯を持つ歯封じ領域、半径方向に前記羽根の前記先端に接近して配置されると共に、縦方向には前記羽根の前記縦方向下流側の方に配置されたブラシ封じ領域、及び前記最大の高さの歯の高さよりも大きな半径方向の距離だけ伸びる流体膨張室を含み、前記縦軸線が当該切断平面に入るような切断平面で切った当該回転機械の断面で見たとき、前記ブラシ封じ領域が前記流体膨張室の縦方向下流側の境界を定め、前記歯封じ領域が前記流体膨張室の縦方向上流側の境界を定め、前記羽根の先端が前記流体膨張室の半径方向内側の境界を定め、縦方向に前記ブラシ封じ領域及び前記歯封じ領域の間にある前記固定子が、前記流体膨張室の半径方向外側の境界を定める回転機械。
【請求項１０】 前記歯封じ領域及び該歯封じ領域に接近した前記羽根の先端がバーニヤ封じを構成している請求項９記載の回転機械。
【請求項１１】 前記歯封じ領域及び該歯封じ領域に接近した前記羽根の先端がラビリンス封じを構成している請求項９記載の回転機械。
【請求項１２】 縦方向には前記羽根の縦方向上流側及び下流側の縁の間で、前記固定子には、前記歯封じ領域より縦方向上流側に、他の何のブラシ封じ領域もない請求項９記載の回転機械。
【請求項１３】 縦方向には前記羽根の前記縦方向上流側及び下流側の縁の間で、前記固定子には、前記ブラシ封じ領域より縦方向下流側に、他の何の歯封じ領域もない請求項９記載の回転機械。
【請求項１４】 縦方向には前記羽根の前記縦方向上流側及び下流側の縁の間で、前記固定子には、前記歯封じ領域より縦方向上流側に、他の何のブラシ封じもない請求項１３記載の回転機械。
【請求項１５】 前記歯封じ領域及び該歯封じ領域に接近した前記羽根の先端がラビリンス封じを構成している請求項１４記載の回転機械。
【請求項１６】 前記歯封じ領域及び該歯封じ領域に接近した前記羽根の先端がバーニヤ封じを構成している請求項１４記載の回転機械。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の背景】この発明は全般的に封じ及び回転機械、更に具体的に言えば、封じ歯及びブラシ封じの剛毛を持つ封じ集成体と、この封じを持つ回転機械に関する。
【０００２】回転機械は、これに限らないが、蒸気タービンに対するタービンと、ガスタービンに対する圧縮機及びタービンとを含む。蒸気タービンは蒸気通路を持ち、これは典型的には、流れに直列に、蒸気入口、タービン及び蒸気出口を含む。ガスタービンはガス通路を持ち、これは典型的には流れに直列に、空気取入口（又は入口）、圧縮機、燃焼器、タービン及びガス出口（又は排気ノズル）を含む。圧力が一層高い区域から圧力が一層低い区域へと、ガス又は蒸気通路の外へ又はガス又は蒸気通路の中へのガス又は蒸気の洩れがあることは、一般的に望ましくない。例えば、ガスタービンのタービン又は圧縮機区域で、タービン又は圧縮機の回転子軸又は回転羽根（即ちバケット）先端と、円周方向に取巻くタービン又は圧縮機のケーシングとの間でガス通路の洩れがあると、ガスタービンの効率が低くなり、燃料コストの増加に通ずる。同じく、蒸気タービンのタービン区域で、タービンの回転子軸又は回転子バケット（即ち羽根）先端と円周方向に取巻くケーシングとの間に蒸気通路の洩れがあると、蒸気タービンの効率が低くなり、燃料コストの増加につながる。
【０００３】蒸気タービン及びガスタービンは、回転する回転子軸又は回転するバケット或いは羽根先端と、円周方向に取巻く固定子ケーシングとの間にラビリンス歯封じを配置して、流体通路の洩れを最小限に抑えている。蒸気タービン及びガスタービンは、回転する軸と円周方向に取巻く固定子ケーシングとの間にブラシ封じの剛毛を配置して、流体通路の洩れを最小限に抑えている。蒸気タービン及びガスタービンでは、ラビリンス封じの縦方向中央の歯を、１次ブラシ封じに取換えてハイブリッド封じを作り、この歯が封じが一層良いブラシ封じに対する２次封じとして作用し、このようなハイブリッド封じを回転する回転子軸と円周方向に取巻く固定子ケーシングとの間に配置することが知られている。しかし、蒸気タービン又はガスタービンで、回転するバケット又は羽根の先端と円周方向に取巻く固定子ケーシングとの間に、このようなブラシ封じ又はハイブリッド封じは使われていない。蒸気タービンに於ける蒸気の流れが硬水の固体粒子を含んでいて、これが遠心力によって、バケット先端の近辺にある蒸気通路の半径方向外側の領域へはねとばされ、そこでこのように動きの速い粒子が、封じ歯を損傷するよりももっとひどく、ブラシ封じの剛毛を損傷することが知られている。航空機用ガスタービンのガスの流れが、滑走路の破片のような異物を含んでいることがあって、それが羽根先端の近辺にあるガス通路の半径方向外側の領域へ遠心力によってはねとばされ、そこでこのような動きの速い粒子が封じ歯を損傷するよりも更にひどく、ブラシ封じの剛毛を損傷することも知られている。必要とするのは、回転するバケット又は羽根の先端と円周方向に取巻く固定子ケーシングとの間の蒸気タービン及びガスタービンに対する封じ作用が更に良い封じである。
【０００４】
【発明の要約】この発明の第１の表現では、封じ集成体が弓形部材を含む。弓形部材は縦軸線、及び縦軸線の方を向く半径方向内側を持っている。半径方向内側が縦方向上流側部分及び縦方向下流側部分を含む。縦方向上流側部分が、縦方向に相隔たって、円周方向に伸び、半径方向内向きに突出する複数個の封じ歯を含む。縦方向下流側部分が、剛毛を持つ円周方向に伸びるブラシ封じを含む。ブラシ封じは封じ歯から縦方向に隔たっており、剛毛は、縦軸線が当該切断平面内に入るような切断平面によって切った弓形部材の断面で見たとき、半径方向内向きに突出する。半径方向内側は縦方向に変化する半径を持っていて、この半径は、縦方向にはブラシ封じとブラシ封じに縦方向に最も接近した１つの封じ歯との間では、縦方向に前記ブラシ封じに縦方向に最も接近した１対の封じ歯の間よりも、一層大きい。
【０００５】この発明の第２の表現では、回転機械が回転子、１列の羽根及び固定子を含む。回転子が縦軸線を持っている。羽根（即ちバケット）は何れも縦方向上流側、縦方向下流側、回転子に取付けられた根元及び半径方向外向きに伸びる先端を持っている。固定子が全体的に縦軸線と同軸に整合して、１列の羽根を円周方向に取巻く。固定子が、歯封じ領域、ブラシ封じ領域及び蒸気流膨張室を含む。歯封じ領域が半径方向に羽根の先端の近くに配置され、縦方向には羽根の縦方向上流側の方に配置され、最大の高さの歯を持っている。ブラシ封じ領域が半径方向には羽根の先端の近くに配置され、縦方向には羽根の縦方向下流側の方に配置される。流体膨張室が、最大の高さの歯の高さより大きな半径方向の寸法を持っている。縦軸線がその切断平面に入るような切断平面で切った回転機械の断面で見たとき、ブラシ封じ領域が流体膨張室の縦方向下流側の境界を定め、歯封じ領域が流体膨張室の縦方向上流側の境界を定め、バケットの先端が流体膨脹室の半径方向内側の境界を定め、そして縦方向にブラシ封じ領域と歯封じ領域の間で固定子が流体膨脹室の半径方向外側の境界を定める。
【０００６】この発明によって幾つかの利点が得られる。流体膨脹室は流体（即ち蒸気又はガス）の流れを減速して、蒸気タービンに於ける硬水の固体粒子及びガスタービンに於ける異物粒子の動きが一層遅くなり、従って、ブラシ封じ領域に衝突したときの損傷が一層小さくなるようにする。
【０００７】
【発明の詳しい説明】次に図面について説明する。図１−４はこの発明の実施例を略図で示している。この発明の第１の表現では、封じ集成体１０が弓形部材１２を含む。この実施例では 、図２及び３に示すように、環状封じ１４が、何れも全体として弓形部材１２と同一の他の３つの部材１６、１８、２０をも含んでいる。弓形部材の数は、１つ以上の範囲であるが、当業者であれば判るように、製造及び組立ての観点から決定される。図１について説明すると、弓形部材１２が縦軸線２１、及び縦軸線２１の方を向く半径方向内側２２を持っている。半径方向内側２２が縦方向上流側の部分２４及び縦方向下流側の部分２６を含む。動作の際、弓形部材１２は、主たる流体の流れが縦方向上流側の部分２４から縦方向下流側の部分２６への方向２７になるように配置されている。
【０００８】半径方向内側２２の縦方向上流側の部分２４が、縦方向に相隔たって、円周方向に伸び、半径方向内向きに突出する複数個の封じ歯を含む。図１の略図では２つの歯２８及び３０だけが示されているが、更に詳しい図４には、５つの歯２８、３０、３２、３４、３６が示されている。歯の数は、必要とする封じ作用の特定のレベル及び場所の制約に基づいて、当業者によって選ばれる。
【０００９】半形方向内側２２の縦方向下流側の部分２６が、多数の剛毛４０を持つ円周方向に伸びるブラシ封じ３８を含む。ブラシ封じ３８は封じ歯２８‐３６から縦方向に隔たっている。図１及び４に見られるように、剛毛４０は、縦軸線２１がその切断平面に入るような切断平面で切った弓形部材１２の断面で見たとき、半径方向内向きに突出する。
【００１０】半径方向内側２２が縦方向に変化する半径（即ち縦軸線２１から半径方向内側２２まで垂直に伸びる線）を持ち、この半径は、縦方向にはブラシ封じ３８とブラシ封じ３８に縦方向に一番接近した１つの封じ歯２８との間では、縦方向にブラシ封じ３８に縦方向に最も接近する１対の封じ歯２８及び３０の間よりも、一層大きい。ブラシ封じ３８と封じ歯２８の間に縦方向に見られる一層大きな半径が、図１では破線４１で示されている。縦方向に封じ歯２８及び３０の間に見られる一層小さな半径が、図１では破線４３で示されている。
【００１１】封じ歯２８‐３６が、図１の略図で示すように、弓形部材１２の他の部分と１枚構造であっても良いし、或いは更に詳しく示す図４に示されているように、弓形部材１２とは別個であって、それに取付けられていても良い。剛毛４０は、図１の略図に示すように、弓形部材１２に直接的に取付けても良いし、或いは更に詳しく示す図４に示すように、ブラシ封じ支え板４４とブラシ封じ表板４６の間に保持されていても良い。図４では、弓形部材１２が、１枚構造に形成された封じ歯２８‐３２を持つと共にブラシ封じ３８を保持する蒸気タービンのスピル・ストリップである。
【００１２】この例では、半径方向内側２２の半径が、縦方向にブラシ封じ３８とブラシ封じ３８に縦方向に最も接近した１つの封じ歯２８との間では、縦方向に見て、任意の縦方向に隣接する封じ歯２８と３０、３０と３２、３２と３４、及び３４と３６の間よりも、一層大きいことが認められる。この場合、弓形部材１２には、封じ歯２８‐３６より縦方向上流側に、他の何のブラシ封じも無い。同様に、弓形部材１２には、ブラシ封じ３８より縦方向下流側に、他の何の封じ歯もない。ブラシ封じ３８が１次封じとして作用し、封じ歯２８‐３６が２次封じとして作用する。全ての封じ歯２８‐３６は、ブラシ封じ３８より縦方向上流側に配置されていて、流体の流れの中に破片があっても、その破片がブラス封じ３８に到達する前に、封じ歯がそれを一層小さな粒子に破砕するようになっている。一層大きな半径４１が膨張容積を作り、当業者であれば判るように、これが流体の流れを減速し、この為一層小さい粒子は、剛毛４０に衝突したとき、僅かな摩耗しか招かない。
【００１３】１つの構造では、弓形部材１２はほぼステンレスで構成される。この場合、図１及び４に見られるように、封じ歯２８‐３６は弓形部材１２の１枚板の部分である。剛毛４０は本質的にコバルト又はニッケル超合金で構成される。
【００１４】この発明の第２の表現では、図４を参照して言うと、回転機械４８が回転子５０、１列の羽根５２及び固定子５４を含む。回転機械の例は、これに限らないが、蒸気タービン及びガスタービンを含む。「回転子」という言葉は、これに限らないが、回転子軸、円板等を含む。「羽根」という言葉は、これに限らないが、ガスタービンの羽根、蒸気タービン・バケット等を含み、これに限ることなく、別個の又は１枚板のシュラウドを羽根先端に持つ又は持たない羽根、バケット先端に別個の又は１枚板のバケット・カバーを持つ又は持たないバケット等を指す。「羽根」及び「回転子」という言葉は、１枚板のブリスク（即ち、１枚板の羽根‐円板）の羽根部分及び回転子部分と共に、別々の羽根及び別々の回転子を含む。
【００１５】図１について説明すると、回転子５０が、前に述べた縦軸線２１と一致する縦軸線５５を持っている。各々の羽根５２が縦方向上流側の縁５６（即ち前縁）、縦方向下流側の縁５８（後縁）、回転子５０に取付けられた根元６０及び半径方向外向きに伸びる先端６２を持っている。主たる流体の流れは、方向２７であり、これは代りに、縦方向上流側の縁５６から縦方向下流側の縁５８に向かう方向ということが出来る。固定子５４が全体的に縦軸線５５と同軸に整合し、１列の羽根５２を円周方向に取巻く。固定子５４が歯封じ領域６４、ブラシ封じ領域６６及び流体膨張室６８を含む。
【００１６】歯封じ領域６４が半径方向には羽根５２の先端６２に接近して配置されると共に、縦方向には羽根５２の縦方向上流側の縁５６の方に（１例ではそれに接近して）配置される。歯封じ領域６４は最大の高さの歯を持っている。この例では、歯封じ領域６４は、前に述べた封じ歯２８‐３６によって定められる。図４から、この例では、封じ歯２８‐３６の全部が全体的に同じ高さを持ち、その為歯２８のようなどの封じ歯２８‐３６も最大の高さの歯であることが判る。
【００１７】ブラシ封じ領域６６が半径方向には羽根５２の先端６２に接近して配置されると共に、縦方向には羽根５２の縦方向下流側の縁５８の方に（そして１例では、それに接近して）配置される。この例では、ブラシ封じ領域６６が前に述べたブラシ封じ３８によって定められる。前に述べたように、ブラシ封じ３８は剛毛４０、支え板４４及び表板４６を含む。
【００１８】流体膨張室６８が半径方向の距離６９に互って伸びる。この距離は、最大の高さの歯（例えば歯２８）の高さよりも大きい。図１及び４に見られるような回転機械４８の断面を考える。この断面は、縦軸線５５がその切断平面に入るような切断平面で切る。この断面で見たとき、流体膨張室６８は次のように定められた境界を持っている。ブラシ封じ領域６６が流体膨張室６８の縦方向下流側の境界を定め、歯封じ領域６４が流体膨張室６８の縦方向上流側の境界を定める。羽根５２の先端６２が流体膨張室６８の半径方向内側の境界を定め、縦方向にブラシ封じ領域６６及び歯封じ領域６４の間で固定子５４が、流体膨張室６８の半径方向外側の境界を定める。ある例では、流体膨張室６８は、縦方向の範囲及び半径方向の範囲が、任意の２つの隣接する封じ歯２８‐３６の間の空所の容積の一般的に少なくとも２倍である。この場合、剛毛４０に当たる流体の流れの中にある任意の粒子の速度は、封じ歯２８‐３６に衝突する流体の流れの中にある任意の破片の速度の一般的に少なくとも１／４倍になり、剛毛４０に衝突する質量の衝突エネルギは、封じ歯２８‐３６に衝突する同じ質量の衝突エネルギの一般的には少なくとも１／１６倍になる。
【００１９】図４で、羽根５２は、歯７２を含む羽根先端シュラウド７０（これはバケット・カバーとも呼ばれる）を持っている。この例では、歯封じ領域６４及びこの歯封じ領域６４に接近した羽根５２の先端６２が一緒になって、バーニヤ封じを構成する。１つの構成では歯３６を普通の隙間にし、歯２８−３４が歯３６の半径方向の隙間（半径方向の間隙）の２／３を持つように設定した場合、固定子のナイフ・エッジ・ピッチ３個分が回転子のナイフ・エッジ・ピッチ４個分と半径方向に向い合う。図５に見られるような別の実施例では、羽根先端シュラウド７４は歯がなく、歯封じ領域７６と歯封じ領域７６に接近した羽根８０の先端７８が、ラビリンス封じを構成する。
【００２０】図４に示す例では、縦方向に羽根５２の縦方向上流側及び下流側の縁５６及び５８の間で固定子５４には、歯封じ領域６４より縦方向上流側に他の何のブラシ封じ領域もない。同様に、縦方向に羽根５２の縦方向上流側及び下流側の縁５６、５８の間で固定子５４には、ブラシ封じ領域６６より縦方向下流側に他の何の歯封じ領域もない。この場合、固定子５４が固定子ケーシング８２及び弓形部材１２を含んでおり、弓形部材１２が固定子ケーシング８２の溝８４の中に配置されていて、歯封じ領域６４、ブラシ封じ領域６６及び流体膨脹室６８を含む。２列又は更に多くの列の羽根を持つ回転機械では、固定子が、任意の追加の列の羽根に対し、追加の１対のブラシ封じ領域及び歯封じ領域を含むことが出来ることに注意されたい。
【００２１】動作について説明すると、回転機械４８の回転子５０が縦軸線５５の周りに羽根５２を回転させる。回転機械４８の効率は、羽根５２の先端６２と円周方向に取巻く固定子５４の間の流体通路の洩れを最小限にすることを必要とする。固定子５４のブラシ封じ領域６６はその目的の為の１次封じになる。支援する２次封じとして、固定子５４が歯封じ領域６４をも含んでおり、これはブラシ封じよりも封じ作用の能力が小さいが、回転機械４８の流体通路内にある破片による衝撃の損傷に対する摩耗が一層良い。前に述べたように、こういう破片は、とりわけ、蒸気タービンに於ける硬水の沈降物及び航空機用ガスタービンに於ける滑走路の小石を含む。こういう破片は、遠心力の為に、流体通路の半径方向外側の区域に集中し、この半径方向外側の区域は、羽根５２の先端６２と円周方向に取巻く固定子５４の間の隙間を含む。歯封じ領域６４の縦方向の上流側の場所は、封じ歯２８−３６によって、この破片を一層小さいちり状の粒子に破砕する。歯封じ領域６４より縦方向下流側に配置された固定子５４の流体膨脹室６８が、粒子を減速するので、粒子がブラシ封じ領域６６に衝突しても、剛毛４０に対する衝撃及び損傷は極く小さい。
【００２２】必要であれば、ブラシ封じ領域６６は、粒子が通過し易くする為に、剛毛のない１つ又は更に多くの小さい区域を含んでいても良い。例えば、円周方向セグメント１２及び１６−２０の間のバイアスの洩れを最小限にするが、組立てし易くする為に、タービンの水平継手にあるセグメントの端は純粋に半径方向に切断するが、他の全てのセグメントの端は、剛毛の傾斜角に見合って、４５°というような角度で切断する。蒸気タービンの１例では、これは、（粒子を通過し易くする為に）水平継手のところでは小さな一部分の剛毛が失われることを意味するが、封じの略全周に互って、連続的な剛毛のパックを依然として持ちながら、固定子ケーシングの上半分及び下半分を引っかかりなく組み立てることが出来ることを保証する。
【００２３】この発明の幾つかの表現及び実施例についてこれまで説明したことは、例示の為である。これは、網羅したものではないし、この発明をここに開示したま丶の形に制限するつもりではなく、以上の説明から数多くの変更及び変形が可能であることは言うまでもない。この発明の範囲は特許請求の範囲によって定められることを承知されたい。
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| 【出願人】 |
【識別番号】３９００４１５４２
【氏名又は名称】ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
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| 【出願日】 |
平成１２年３月２４日（２０００．３．２４） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００９３９０８
【弁理士】
【氏名又は名称】松本 研一
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| 【公開番号】 |
特開２０００−２９１８０４（Ｐ２０００−２９１８０４Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年１０月２０日（２０００．１０．２０） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−８３５２１（Ｐ２０００−８３５２１） |
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