敷 加温温室における地中伝熱*

出撃研究 56:85‑94(1977)

加 温 温 室 に お け る 地 中 伝 熱*

‑ 岡 山 の マ ス カ ッ ト温 室 の 場 合 ‑

瀬 尾 琢 郎

序 亨

この報告では マス カ ッ ト温室 の場 か こついて夜間 の暖虜負荷におけ る地 中伝熱丑 の役割 を考察す る. この問題については 高倉 ･岡田 (1972),山本 (1973)の実mlJに基づ く研究 があ って,それに よると地 中伝熱は設定温度が比稜的 低い場合には上向 き,高 くな ると下 向 きに なる幌向が見 られ る,

この研究に当り温室の使用に便宜を計っていただいた丹拍一大,丹原欽‑の両氏 ならびに 高松L'隻非 謁較清水弘平 ･小池正澄 ･広畑伶人 ･片岡興平の許先生に厚 く御礼申し上げる. この観取Elの奨盛と資 料の艦】掛土大滝英治的叔捜,米谷俊彦助手,則武赴共,平岡直子両技官の協力によって行なわれた,

7. 温 室 の 構 造 と 管 理

観測は 2回行 ない,第 1回は1974年12月下旬か ら翌1月上旬にかけて岡山市佐 山所荏 の良家 の 温室で 行 な った . 第2観洲は1975年2月半ばか ら4月上旬に かけ 岡山市原音 才の高松投票高校 の 実習温室 で行 な った . これ らの温室は , 間 口5.4m, 株 高約3mの 普通 の 規格 のガ ラス窒 で あ るが, 佐 山温室は木造で 奥 行

3 8m

, 高松温室は 軽丑鉄骨製 で奥行22m,後者では側壁部 もガラス面に な ってい る. 棟 の向きは 共 に ほ は 南北であ る.

佐 山温室は室 内に プラスチ ックフィル ムのカーテ ./が張 られ ,側壁外面は策束 で剛 っれ ていた .その上夜間 と, 日中で も悪 天候時には ,尾根にむ しろ掛けが行 なわれた ,高松温 室で も室 内に カーテ ンが張 られ ていたが ,屋根部 と側 壁部 の上半分 を苛 うに とど まってい ナこ.

暖房は何れ も温瀞暖房に よってい る.

2

系統 の放熱 管が壁面か ら1m余 り離れた ところ 杏,地上20cmか ら40cmの高 さで南北に建 ってい る. 管径は佐 山温室 で7.5cm,高松 温室で6.5cm.一系統 の/くイ ブの 数 は 佐山で4本 (出入各2本), 高松 で5本 (入 り2 本,戻 り3本)で,流 入管 の裏面温度は 成 立､高 い時佐 山で65oC.高松で75oC轟度 であ った .

*木研究は文部省科学研究

班

｢園貰施

敷

布墳制御溶性の設計親御に関する結合研究｣(代表者≡原題 秋千兼大学教授;課題番号49/50年度936016)の一部として行なわれた,

85

2.

観 測 方 法

今問題にす る夜間の場合 , 地 中伝熱iTl.‑Bは温室 内'7P.如 こ対 す る熱収支式 の中に 次 の形 で入 っている.

QAl‑ A

w( h

L

+h

u

e

,,)(TIJV‑ Tour)+ AlB. (i) ここで Al.Awはそれ ぞれ 温室 の床面 も.iと壁面桜, Qは埠位床面那 当 りの暖bi,i発熱鼠 T/LVは室内気温, TouTは外気温

,h L

は 唾面 の熱

T

l:統率

,h u

e"は 換気伝熱 係数であ る.

ここでは, 先ず測定に基づいてQ,B,T/N‑TouTを定め ,それに よって (1)式の 係数

( h

^L

+h u c n )

を出 し, そ の他が 妥当であ る ことを稚め ,次 いで (1)の熱収支式に おけ る地 中熱交換皿の役割を検討す る.

係数

( h E +h

脚 ) の決定に含 まれ る丑は 次の よ うに Lて定めた. その際必要 な測定は

胞

室 の中央部に近 い東西断面 ヒで行 なった .

(1) 室温 T/Nお よび外気温Tourは 銅 コンス タンタン熱田対 (線径0.2mm)に放射 カバーを 付けた

温 度

計で 測定 した. 室温 T/JVとして中央部 の高 さ1.5mの測定他を倣 っ た.外 気温 TouTは壁面 か ら約 1m離れ高 さ1.5乃至1.7mで測定 した ものであ る.記録 を1時間際 きに読取 り, 1時間の初め と終 りの値 の平均 を とってその間の平均(LT.̲IIとみ な し た .

(2) 地中熱 交換

丑B

は, 3つ の深 さ (地表面南下,5cm,15cm又は20cm)の地温 を熱唱対 で測定 し,地温分布 とそ の時間変 化か ら,土 の熱伝埠率 入Sを2×10 3carcm l s l OC‑1とし. 文士 の熱感硫 cspsを0.55calcm3 0C‑1として計

̲

m こよって求めた.

計井 の手続 きとしては , 下の2つの深 さの温度差 と九Sとか らその中日'TJの深 さの勲流火杏 出 し,それに ,その上の地相の熱盟変化 を加え る.

地 中伝熱盤は地温 の1時 間毎 の読取偶か ら計算 した.地温測定 例を第 1伸 二71こす .岡に 佐山 12月25日 5時

11,5 19 20 19.9 20 20.6 20 19 12.4

∧ulT･

深さcm

20

0

515

深さc∩

86

ll,9

】 ! .5 ＼20笠ノ 9:.7 1,..2 ＼ 20:.p‑,&ノ 112.1㌧■5

19 19

高 松 3月 11日 3 時

1 5 .9 18 ユ919,4 1817.6 18 相.3 18.8 18 16.61614.1

J Y 冷 .

16

.

^{0 18.7 18.5 18.8 18.8 1176,;.0119｣144.三̲}

16.0 18.6 18.8 暖 19,1 18,8

?,‑1園 地

氾

触 測 例 (加西断耐)

回申の数字はoCの地取を襲わす.点掛 土地中伝熱E.Iの計￡〔を行なった仰域を示す.

]tl!‑'ul'′7J｢"Jt一

地中伝熱

J

Ti

:

の計第に優 った 噺約4m,ITさ約10cmの領域を点線で示 してあ る. この領 域か ら側方にWL出す る熱ia･ほ ここて用 いた地 中伝触Ei:の計算jj法では無視 しうる程度に小 さい.

上に与えた土 の熱伝鞍革 九S,熱容且 cspsは以下に 述 べる方法で え られた値 の平均値に 近い値である.これ らの土 の性質に対 し上記 の一定 の値 を使 うことに よってお こる地 中伝 熱見 Bの誤差が ,次節に述 べる結果に本質的 な変史を生ず ることは ない ことは九Sとcsps

の測定 された上限T隈の値を 放って B を計算す ることに よって確めた.

土 の熱伝導率 九Sは他巾に挿入 した締状熱源の過渡的温度変化か ら求めた, この方法の 詳鮒については DeVries(1952),Kawanishi(1964)を参牌 されたい, この観測で虻用 した プローブは直径1.5mm,長 さ15cmのステ ンレス管の中に2連 の熱唱対に抵抗線を まいて封入 し

,

空隙を/Iラフィンで つめた ものであ る. ヒ‑ター抵抗は 約130J2で .加 熱電流約45mAの とき, 温度上神 主1分 後に約2Oc とfJ:った. 加熱開始か ら計 って 約 30秒 以後は ブロー7'温度は経過時間の対数に比 例 して変 化した.深 さ5cmでのrllUJ走値は 1,5×10‑8か ら2.5×108catcmLLs lOC1の間にあ った.

士 の熱容丑 csps(calcm‑30CLL)は採択 した就料 (014.5cm研)の水分をi.'di煉法で

t l l I J

り,次式をtiLTって求めた,

cSPs‑(0.2M

S+

Mw)/V (2)

ここで Vは訊料休航 (cm3),Mwはその中の水 のIELi.(ど).Msは土 の舷煉頚 in･(g)で, 0.2は その比熱 (calg LOCl)てあ る, 高松温室 の土に ついて 灼熱減畳は約10%であ

T

)蘇,無機質 の比熱を0.17catgI10C 1,有 隙質の比熱を0.46catg 10Cll(DeVries.

1963)とすれば ,土の比熱 ま約0.2とな る. このよ うに して決めた cspsの値は 土 の水分 変 化20乃至30

%

^{(容揖比)に応 じて}0.5か ら0.6calcm30C lの間で変動 していた.

(3)暖原発熱故 Qは,単一管の放熱丑 H (管 の単位表面耶当 り)を次式に よって 求 め,並列管 の糾 7日乍用はたい もの とLて.3'r罪 した .

H‑ 5.07

ATl ･

ユ kcalml2hr‑i (3) ここでATは管の裏面温度 とFl.1りの気温 との差 (oC)である.上式の係数は,高松温室で 約

2

週間

H

と

AT

を実測 して決めた, この

時 H

は,予め検定 した帯状 の熱流計を放熱管 に招 きつけその出力か ら求めた. このHに曾周をかけて 蝉位長 さ当 りの放熱

i

d.に南 し, 岡田 (1975)か与えている ペア/くイ ブの放熱良 と比 べると.AT‑500の とき約10%程度 大 きい伯を 与えるが,AT‑600,700の ときは 殆 んど一致 する, なおATを求め る場 合パ イプ裏面温度は30分海に読み とった伯か ら1時間平均値を決めた.

3. 観測結果 とその検討

第1表 に,通常外気温が蕨 も低 くなる夜明け前の3時間について測定結果を平均的で示 した.3時間平均をとったのは,歴房 のオ ン ･オ フに よる測定値 の変動を平嗣す る為であ

*作物生艶学珊門 蘇次7..S三助手のtJ1JJ定 に よる

5

†

3

7

̲LL(川77) 87

第1衷 (A) 佐 山私 室 観 測 資 料 (2‑5hr) a:暖房管放熱11‑ S:純放射 (弛衷b‑に向って入 る時TE)

B:地中伝熱Li:(地中に入 る咋爪) TJN:寮内fu‑鼠 Tour:外気mI.

Q S B TIN

T

oL/

T

(kcalm‑2h(I) (OC) (oC) 1974/75

12月26日 27 28 29 31 L月 l∩

2 3

｣ 5*

6 7 8

*暖 野牧師

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鴫防敵陣

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10 20 30

TM‑TouT.C

yJ12図

Q‑B

と内外宜し乱造 との関係 Q.･暖房放熱17i B:地中仁､熱Li TIN:室内気温 TouT:外光温

Ⅰ ● 佐LIJ温室 Ⅱ ○ ;t'IL松阻塞 カーテ ンあ り

Ⅲ × A‑:6松私室 カーテンな し

る.表 に は .竿 内

r r

^.L)i‑HJ,で放熱 管 とほ ぼ 同 じ高 さで 測定 した純 放 射 の

値

5 と, 高 さ 約

4m

で 測 定 した 風 速 の値 を 付け 加 え て あ る.

高 松 温 室 に つ い ては,2月20 日夕方 加 温 か 開 始 され ,又3月 20日正 午 前に カ ー テ ン を 取 り 外 した の で ,資 料 は そ れ に応 じ て分 梯 した .

(1)式 か ら知 られ る よ うに , 暖房 加 熱見 Qか ら 地 中 伝熱 Lt β を 引 い た丑 は 温 室 空 気 に 対 す

る熱 供給 の 目安 に な る

,O‑B

を . 内外 気 温 差 (Tl^'‑Toy‑r) に対 して プ ロ ッ トして みる と, 第2岡 の よ うに な る. 一 般 に

O‑B

の増 加 は T/N‑Tourの増加 に 伴 って お こ って い る が ,凶上 の点は ,(I) カ ー テ ン と こ も掛 け の あ る佐 山温 室 の場 合 , (Ⅱ)高 松 温 室 の カー テ ンの あ る場 合, (Ⅲ)高 松温 宴 の カー テ ンの な い場 合 の3つ の群 に 分 れ , 同 じ内外 気 温 差 を維 持 す る熱 品 は,(Ⅰ).(Ⅱ),(Ⅲ)の順 序 で大 き くな って い る こ とが 分 る .

第1表 の資 料 か ら 計 希 した 係 数 (ht+hven) の値 を 内外 気 温 差 に対 して プ ロ ッ トした の

R8 _JIiLサ研'1't:

第1蓑 (ら) 市 松 温 室 観 arJi'‑i料 (3‑6hr平均) Q:腺房管放熱且 S:純放射 B:地中伝熱地

TlN二重 内気配 ToL;T:外気温

Rg

0 S B TJLY TouT 軌 道

(kcalm2hr1) (OC) (oC) (m/S)

LへJ73Lr.〇八U0nU 361.こ1244IT28806｢l,Ⅹ31,1000cc1.001OLXXXo･80･40･60･9xo･6Xo･70･80･52･0 cCTJ82nUnUO2･･･1一一一一 868817‑∩∠2900689∩⁚l1301L47121009一一l一 63cUO2781350775632｢⊥11012831一33

加

胤LIIH:dT前･カーーテt/あり 2川7日

()

‑13‑2日23 18

0

‑16‑261.4190‑15‑252220O‑I512J3()

;nlfhi･カーテ'/あり

L

〇 4 7 59 6. q C r J ハ h U 9 05

【/ 03 2 21 221 人 ソ 一 2 21 2ワ一221一 2 2 2 リ ムり ] 2 つ 山 2 り し 2 22222

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口21222324251‑r5t･10日1718192

加t払i･カーテンなし

日日

21 22 23 24 25 26 27 2823145690

4月

E 5 i 7d

∩7 しリ

.fjiI

仁

<

5

が第3回であ る.この計算ではAr/Awの値を高松脱窒では1.8,佐 山限宅では側 壁が土 , 板か ら成 ってい ることを 考慮 して1.5ととった (中川,1972).第1凶で

Q‑B

と

TL V ‑ Tour

の開 床が 必ず しもrIT.糸鋸勺に な って いない ことに対応 して,(hL+h岬.)の値は 内外 気温差 に伴い多少変 ってい るが ,

hr‑1OCL程度

,

㍗,I;松温室の カー テ ンのあ る 場 合 は 4 kcalm‑2 hrlOCL強,カーテ ンのない場 什 5kcalm2hr 1cclTJnとみ て よい. これ らの値は従来え られ て い る値 (例えば ,岡乱 1975;中 川,1972)をお照 Lて.■Tr.ぼ妥当 な

値であ ると思われ る.

地中熱交換虻 Bについて は 次 の ことが この観dlEjか ら 知 ら れ る (第 1兼 の幣料 お よび第4岡参照)

(1) 一概の三 並 柁鮎枇造 とな ってお り,内外気温差 も如 く維持

内外気配是が大 きい ところでは 佐山温辛 で2kcalm 2 dO亡U

4 2

TO.L:lq.唱

t tZ3 l

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10 20

TINIToLrT'C I

B73国 内外気配

L Y . ‑ i

T /▲V‑

Tu l

･rrと係数hL十hveⁿ の関 節

hc十h.,4m‑(A//Aw)(Q‑B)/(Tr＼･‑ToU7)

Ⅰ ● 佐山温室 Ⅱ .J砧松温室カーテンあ り

Ⅲ x砧松阻塞カーテソなし され ていた 佐山7.E.jn宝 ではBは一

般に下向 きで温室 内空知 こ対 しては熱 田矢を表 わす . しか しその値は 10halm12hr1以 下で,暖房の供給熱瓜Qの10%以内に とど まる.

(2)不完全 な 二重 敵役の高松温室 では , 加温 がu朋T'..された2月20日以後の数 E]のHq にはBが 下向きになることがあ ったがそ の値は小 さか った .それに 引続 いた期間はBは 一般に負即ち上向 きで阻室内空気に対 し熱 供給を表 わす.そ の値は15kcalm‑2hr‑1ま

TlttLL∈t召上的

TIN‑Tour.C 10 x x

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｡ねlrx

第4関 内外光温

弟 Tl N‑To u

rと地中に熱n‑B I● 佐山配窒 ⅡO .･.H

l 即u

l室‑))‑テンあ i)

Ⅲ × ;ijJL恰取去カーテ./なし

で 止 りで

,Q

の

1 0%

以 下 で あ る.

(3) 高松氾宴 ごカーテ ンを取 り除 いた3月21日以後 は

,

βは

f

L即 ち上 向きで,地表面 の放射熱

i n

火 は増 してい るのに

,B

の(rliは それ 以前 と余 り変 らず ,その値は 15kcalm 2hrl程度 までで , Qの値の10%春慶 以上 に な るこ とはなか った .

(4) 無 加温 のul合,Bが

夜間

私室 内空気に対 し正賓 な熱折 を表 わす ことは よく知 られ てい る. この観測で も

,

高松温室 の加温開始 前の

B

の値は‑20乃 至 ‑251{calmL2hr 1,佐 山温室 で嵯)32‑が 故障 した1月5日には ‑30kcalm‑2hr‑1と い う値を示 した･ これ ら(.LL､ずれ の場 合 も地表面 におけ る放射熱損失 を糾 って余 りあ る大 きい値であ 〕た.

L

t)0 伯′､7'‑nF''Jt?.

(5) 地中熱交換丑 の 日に よる変勅はかな り大 き く,特に芹7j松温室で カーテンを取 t)除 いた月那恥こ著 しい. この期問 の観dlrJで, 内外気温差が 小 さ くて

B

の値が 小 さいい くつか の例 (第

4

回参照)は前 日来天気が悪 く日中 の地中貯熱血が小 さい場合に おきてい る.逮 に ,好天 で 日中のBの正 の値 が大 きければ 夜間 の負 のBの値 も大 き くなる紙向があ る.

この ことは山本

( 1 9 7 3 )

に よって‑ ウスについて指摘 され てい ることであ る.

地｢トー伝熱 と関連 して加温開始 後の地温上 5

1 1

の経過 を見 る加 こ,福松温室 の汽料 か ら地表 面 (地表直下) と深 さ

1 5cm

の地私 室 内兜温 及び 地 中熱交換丘 の El平均仰 の経 El変化 を

XJ r 5

岡に 77‑1.した .加温開始後地温は,'it速に lこけす るが ,ほは定常 とな るのに ,地裏面近 ぐ

ご2 0

日 位

,1 5cm

の深 さでは

3 0

日仏葬す ることが分 る.地中伝熱丑 の 日平均俳は 日に よる変動 はあ るものの,平均的には正即 ち下向きであ って,そ の他 は初めは10kcalm‑2

hr‑1程度で 日の経過 と共に漸 減 してい る.

次に温室内地表面 におけ る熱収支 につ き2つの間軌 烹を指摘 した い.(1) 日中 の地中伝 熱B は地表面 におけ る純放射

S

の増減に伴 って変 る ことは歴 々統測 され てい る. この観 測で t'日中の

B

は

S

に伴 って増減 しB/Sの比は

2 0

乃至

3 0%

であ ることが見出 され てい る.夜間におけ る両者 の関係を,第 1表 の資料に よって見 ると,第6図が示す よ うに ,簡 Iiiではない,高松温室 の カーテンがあ る坊 合はほは予想 され る的係に な ってい る. カ‑チ ソを とった後は点のバ ラツ牛が大 きい.佐山温室 の場合は両者 の関 係は判然 としない.吹 に述 べるよ うに ,測定 した純放射が地蓑 面におけ る代表 値 と興 な りうることを考えて も, Bの大 きさが Sで支配 さjtるとい う形にはな っていない よ うであ る.

地素 面の純放射 の代表値を うることの難 しさは次の ことか らも分 る.第 1図の地温分布 をみ ると腺房管直下に周閑 よ り地温 の高 い領域があ る̲ これは放射加熱 の影野 を表 わす も

562L̲t･(1977) 91

の と考え られ,憤 JJ,Lt管の 卜の地表 虎では純 放射 は正 即ち受熱 を示す であ ろ う.従 って温室 中 央部 でdllJ 足 した純 放射 の伯 は床 面 の代表 値

と しては負の過大 の他を'jlしてい る ことに な るだ /)う.

(2) 地表面に おいて地表 血か ら増気に 伝 え られ る 熱 Lは 純放 射に よる 授熱 ∫ と地 中伝熱 β の 差 として与 え られ る:

L‑SIB (4) 夜間ほざは床面 の 平均 と して は 負 (放射熱 損失 ) と見 て よ く,又 蒸 発或 は凝結は無視 して よいだ ろ

ラ.他方Lは次 の形で

L‑h(ToITIN) (5) と衷 わす こと が で きる と す る.

Toは 地表 血温度,hは 地表 面 と ''g気 との間 の熱 伝達係数 であ る.

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x X I

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耶6別 'iiI)1.W放射S.地rl.fL.熱ムiBのl月餅

● 佐LIJ削.栄. ol･:.･】松ft:･.L室 1)‑テソあ り

×高松温室カーテンなし (4),(5)が成 立つ とすれ ば∫‑β

とT.‑TINは比例 し, そ o)係数 と して kが え られ る管 であ る. 地表面 血 卜で測定 した地 温を T｡と して,S‑Bを TlNIT｡に対 して 7‑p ッ トした図が第7例であ る. 加温 )UjrhtH土 気温 Tl^,は T｡よ り高 く,それに対応 して一 般に S‑B<0 とな ってい るが .,r:Jp ,ミラツ

牛は 大 き く, ll.'占松il.?L室 で カーテ ンのあ る

域

侶よS‑B>Oa)

吻

合 も起 ってい る. これ u一 つは ここで使 った気配 と地裏 面温度 の差 が地表 面近 くの温 度 の重商 分布 ,k表 わすに十 分 て ない為 であ ろ う.第8図にそ の ことを示す 例 をあげ た.この例か ら分 る よ うに ,室 内気温 は全体 として地表 面弧度 よ り.･,I.I;くて も地=B面近 くで は温度 快食が小 さいか戒 はてい減状態 に な ってい ることもあ り うる.

結 論

(1) 室 内に カーテ ソを 張 り外 に こ も 川叶 を し て あ った 佐 山私室 では 内外気弘L差約 30oCを維持す るのに 暖房に よる加熱 Qは約100kcalm2hrl程 度 です む. 二g)J‑'3(I 地 中‑ の伝熱 が 見 られたが ,そ の伯 t･まQOj10%凝 度 以下 であ る,

(2) 不完全 な カーテ ンが張 られただけ の高松温 室 では 内外気温差25oCを維持す るの に必要 な暖房放熱

堤

は約200kcalm‑2hrtに な る, この場 合加温 山後の数 Uは 地 中へ の伝熱 が起 る ことが あ るが ,そ の佃 は小 さ く,地 中伝熱 は一 般に 負即ち温室空気 に対 して 熱供給 を表 わす . しか しそ の佃 は Qに比 べて小 さ く,そ の10%以 下であ る.

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第 7回 S‑BとTJN‑Toの雌伏 S:純放射 B:地中伝熱･trli･ TI,〜;室内先払 To:地表面直下の地温 (中央部2点の平均)

● 佐山温室 ol!:.I;松恥重 カーテ /あ り

× 高校侃重 力‑テソLli:し

161820 2224oC 第8[琶1 温度垂直分布 の例

(IE:石松 3月IIF16時) Tdj‑ のFEfJさ又は深 さで

2つある点は中央から 70cmおよび 150cm 東寄 りでatlJ定 した2つ の値を示す . 縞 さlOO

cm の値は 中央か ら東 寄 り150cmの ところ で,150cmのIillTT.1は中 央で測定 した値

(3)

一 般 に Ulfの地 中 の貯熱 鼠 の大 小 に 応 じて夜 間 の地 中 伝熱 は変 る. こID こ とは , 日射 の透 過 率 が 比較 的 よい高 松温 室 で著 し く,地 中 伝熱 最 の 日に よる変 動 の安 岡 とな って い る.

(4) 温 水暖 房 に よる地 温 の上 界は か な り緩 か に お こ り,ほは 落 着 くまで の経 過 時 間 は 地表 面近 くで約20日,15cmの深 さで約30日程 度 で あ る.

(5) 地 表 面 に おけ る熱 収 支 条 件に つ い て は 剛 轟討 の余 地 が あ る.純放射や

f

th'腰 の空 間 分 布 はか な り複雑 な もの の よ うで あ る.

文 献

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94 i:法学 研 究