JP2003148805A - コージェネレーションシステムとそのためのユニット - Google Patents
コージェネレーションシステムとそのためのユニットInfo
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- Heat-Pump Type And Storage Water Heaters (AREA)
Abstract
し、それを給湯器で加熱して設定温度に調温するコージ
ェネレーションシステムにおいて、一次温水と冷水の混
合比をフィードフォワード制御するのに必要なセンサ数
を減らす。 【解決手段】 発電排熱で加熱された一次温水の貯湯槽
49と、設定温度に調温された二次温水を出湯する給湯
器81の間に、ユニット88を接続する。このユニット
88は、一次温水と冷水を受入れて混合して給湯器に供
給する混合器75と、混合する一次温水と冷水の混合比
を調節する混合比調節器63,65と、混合前の一次温
水の温度を測定する第1温度センサ71と、混合後の温
水流量を測定する流量センサ78と、混合比を決定する
手段86とを有する。混合比決定手段86は混合後の温
水温度が計算された供給温度になる混合比を決定する。
Description
湯システムを備え、発電に伴って生じる排熱を利用して
温水を得ることによってトータルなエネルギ効率を高め
ることができるコージェネレーションシステムに関す
る。特に、温水を必要する者が設定する温度(以下では
設定温度という)に調温された温水を安定的に給湯でき
るように改良されたコージェネレーションシステムに関
する。また、そのコージェネレーションシステムを構築
するのに好適なユニットにも関する。
ムが実用化されている。本発明に最も関連すると思われ
る、特開2001−65975号公報に記載されている
コージェネレーションシステムを、図1を参照して説明
する。図1に示されるように、このコージェネレーショ
ンシステムは、燃料電池を利用して発電するシステム2
と、給湯システム1を備えている。給湯システム1は発
電システム2から生じる排熱を利用して温水に加熱する
熱交換器8と、熱交換器8で発電排熱によって加熱され
た一次温水を貯めておく貯湯槽14と、貯湯槽14に貯
められている一次温水を設定温度に調温して温水必要箇
所36に給湯する調温給湯システム18を備えている。
調温給湯システム18は、一次温水と冷水を混合する手
段28と、混合された温水を加熱する加熱手段34を備
えている。概ね、一次温水の温度が設定温度よりも高け
れば冷水と混合して混合された二次温水を温水必要箇所
36に給湯し、一次温水の温度が設定温度よりも低けれ
ば加熱手段34で加熱して加熱された二次温水を温水必
要箇所36に給湯する。
改質器と燃料電池から構成されている。改質器は炭化水
素系の原燃料から水素ガスを生成する。燃料電池は水素
ガスを空気中の酸素ガスと反応させて発電する。燃料電
池式発電システム2内では発電に伴って排熱が発生す
る。発生した熱は発電システム2内を循環する熱媒によ
って回収される。発電システム2内の熱媒循環通路は外
部に延長されており、熱交換器8を通過する。熱媒循環
通路4には熱媒用ポンプ6が配設されている。発電排熱
を回収する熱媒は熱媒用ポンプ6によって熱媒循環通路
4を循環する。
湯槽14には冷水供給管16が接続されている。冷水供
給管16は、貯湯槽14内の一次温水の容量が所定値以
下になると、冷水を貯湯槽14内に導く。貯湯槽14に
は温水循環通路12が接続されている。温水循環通路1
2は熱交換器8を通過する。温水循環通路12には温水
用ポンプ10が配設されている。貯湯槽14に貯湯され
た一次温水は、温水用ポンプ10によって温水循環通路
12を循環する。
換器8を通過し、熱媒は一次温水で冷却され、一次温水
は熱媒で加熱される。発電排熱で加熱されて貯湯槽14
で貯湯される温水を一次温水という。一次温水の温度は
発電量によって変化し、温水を必要とする者が設定する
温水設定温度に対応しない。一次温水が設定温度よりも
高い場合もあれば低い場合もある。
接続されている。一次温水供給管20は混合手段28に
接続されている。混合手段28には冷水供給管26が接
続されている。混合手段28は、一次温水供給管20か
らの一次温水と冷水供給管26からの冷水を混合する。
混合手段28は、混合する一次温水の流量と冷水の流量
を個々に調節することができる。混合手段28は混合温
水管32を介して加熱手段34に接続されている。加熱
手段34はガスバーナ等の加熱手段を内蔵している。貯
湯槽14内の一次温水の温度が設定温度よりも高ければ
冷水と混合し、混合されて設定温度に調温された温水を
温水必要箇所36に給湯する。一次温水の温度が設定温
度よりも低ければ加熱手段34で加熱し、加熱されて設
定温度に調温された温水を温水必要箇所36に給湯す
る。設定温度に調温された温水を二次温水という。
に、上記のコージェネレーションシステムでは各種セン
サを用いる。一次温水供給管20には、混合前の一次温
水の温度を測定する第1温度センサ22aと流量を測定
する第1流量センサ22bが設けられている。第1温度
センサ22aと第1流量センサ22bを併せて第1測定
手段22という。一次温水に混合する冷水供給管26に
は冷水の温度を測定する第2温度センサ24aと流量を
測定する第2流量センサ24bが設けられている。第2
温度センサ24aと第2流量センサ24bを併せて第2
測定手段24という。混合温水管32には、混合後の温
水の温度を測定する第3温度センサ30aと流量を測定
する第3流量センサ30bが設けられている。第3温度
センサ30aと第3流量センサ30bを併せて第3測定
手段30という。
第3測定手段30の測定結果から混合手段28で混合さ
れる一次温水と冷水のそれぞれの流量を決定する。加熱
手段34で調温する設定温度から加熱手段34による昇
温温度を減じた温度と、第3温度センサ30aの測定値
を比較し、後者が前者よりも低すぎれば、一次温水の流
量を増加させるかあるいは冷水の流量を減少させる。後
者が前者よりも高すぎれば、一次温水の流量を減少させ
るかあるいは冷水の流量を増加させる。加熱手段34に
よる昇温温度は、加熱手段34を通過する流量によって
変化するために、前者の温度は第3流量センサ30bの
測定値から計算される。
開始直後の給湯温度を設定温度に調節することができな
い。フィードバック方式では給湯必要箇所36に給湯さ
れる温水の温度を設定温度に一致させるまでに時間がか
かる。そこで上記公報記載の技術では、第1測定手段2
2で測定される一次温水の温度と流量と、第2測定手段
24で測定される冷水の温度と流量の測定結果から、混
合後の温水温度が、加熱手段34によって調温する設定
温度から加熱手段34による昇温温度を減じた温度に一
致する温水流量と冷水流量を計算してフィードフォワー
ド制御する。第1温度センサ22aで測定される温度T
Hの一次温水の流量VHとし、第2温度センサ24aで
測定される温度TLの冷水の流量をVLとしたとき、混
合後の温水温度は(TH・VH+TL・VL)/(VH
+VL)となり、その流量はVH+VLとなるはずであ
る。前記した従来技術では、VH+VLが第2流量セン
サ30bの測定値に等しく、(TH・VH+TL・V
L)/(VH+VL)が、その温度から加熱手段34で
加熱したときに設定温度にまで加熱される温度に等しい
として、VHとVLを解く。この場合、加熱手段34に
よる昇温温度は加熱手段34を通過する流量によって変
化するために、加熱手段34に入力するべき混合後の温
水の温度、即ち(TH・VH+TL・VL)/(VH+
VL)の値は、設定温度と第2流量センサ30bの測定
値から計算される。第1流量センサ22bの測定値が解
かれたVHに等しく、第2流量センサ24bの測定値が
解かれたVLに等しくなるようにすれば、意図したフィ
ードフォワード制御が実現される。フィードフォワード
制御すれば、給湯開始直後から設定温度に調節された二
次温水を給湯することができる。
では、フィードフォワード制御するために必要なセンサ
数が多く、フィードフォワード制御のための演算式が複
雑となる。即ち、合計3個の温度センサ22a、30
a、24aと、合計3個の流量センサ22b、30b、
24bを必要とする。なお、同公報には、3個の流量セ
ンサ22b、30b、24bのうちの1個は省略可能で
あることが記載されている。しかしながら、省略して
も、3個の温度センサと2個の流量センサを必要とす
る。また、上記の方式では、加熱手段34から出湯され
る二次温水の湯量が安定せず、使用者に不快感を与える
ことがある。本発明は、上述した実情に鑑みて創作され
たものであり、従来よりも少ないセンサで、一次温水と
冷水の混合比をフィードフォワード制御できるようにす
る技術を実現することを目的とする。
らの研究によって、加熱手段に給湯器を用いると、混合
前の一次温水の流量やそれに混合する冷水の流量を個々
に測定する必要がなく、給湯器に供給する混合後の温水
の流量のみを利用してフィードフォワード制御できるこ
とがわかった。
された一次温水の貯湯槽と、設定温度に調温された二次
温水を出湯する給湯器の間に接続して用いられるユニッ
トに関する。このユニットを接続することでコージェネ
レーションシステムが構築される。このユニットは、一
次温水と冷水を受入れて混合して給湯器に供給する混合
器と、混合する一次温水と冷水の混合比を調節する混合
比調節器と、混合前の一次温水の温度を測定する第1温
度センサと、混合後の温水流量を測定する流量センサ
と、混合比を決定する手段とを有する。混合比決定手段
は、給湯器の最小加熱熱量を前記流量センサの測定値で
除して求めた最小昇温温度を前記設定温度から減じて給
湯器に供給するべき供給温度を計算し、第1温度センサ
の測定値から混合後の温水温度が計算された供給温度に
なる混合比を決定する。このユニットは、後で説明する
ように、混合後の温水温度を測定する第3温度センサ
や、混合する冷水の温度を測定する第2温度センサをさ
らに備えることが好ましい。それに対して、混合する一
次温水の流量を測定するセンサや、冷水の流量を測定す
るセンサは必要としない。ここでいう混合比は、一次温
水流量/(一次温水流量+冷水流量)または冷水流量/
(一次温水流量+冷水流量)であり、両者を加算すれば
1.00(100%)であることから、一方から他方が
計算できる値である。給湯器が燃料を燃焼させて加熱す
るタイプのものである場合、安定して燃焼させるために
は最小熱量が存在し、これ以上に弱火に調整すると燃焼
不良となる最小熱量が存在する。上記した最小加熱熱量
はこの熱量をいう。
方式から、混合比を調節する方式に変えると、一次温水
流量と冷水流量を個々に測定する必要がなくなり、混合
後の水量のみを測定するだけで意図したフィードフォワ
ード制御ができる。即ち、給湯器の出湯温度がTS(設
定温度)であり、混合後の水量がVMであり、給湯器の
最小加熱熱量QMである場合、QMをVMで除して温度
の単位に換算することで給湯器による最小昇温温度ΔT
Mが計算される。第1温度センサで測定される混合前の
一次温水の温度がTHであり、冷水の温度がTL(これ
は後記するように測定することが好ましいが、一次温水
の温度変化巾に比して冷水温度は安定しており、近似的
には所定温であるとすることができる)であり、一次温
水混合比をαとし、冷水混合比を1−αとすると、TH
・α+TL・(1−α)=TS−ΔTMの式から一次温
水混合比αを解くことができる。一次温水の混合比を求
められたαに調節することでフィードフォワード制御さ
れる。一次温水混合比をαに調節すれば、冷水混合比は
1−αとなり、混合後の温水の温度はTS−ΔTMとな
り、その流量はVMとなり、それを最小加熱熱量QMで
加熱することによって給湯器の出湯温度は設定温度TS
に調温されるからである。
を測定する第2温度センサをさらに備えており、ユニッ
トに内蔵されている混合比決定手段が、第1温度センサ
と第2温度センサの測定値から混合比を計算することが
好ましい。このユニットによると、第1温度センサで測
定される一次温水温度と第2温度センサで測定される冷
水温度の両者を測定して混合比を計算することから、冷
水温度が変化しても意図したフィードフォワード制御が
できる。
測定する第3温度センサをさらに備えており、ユニット
に内蔵されている混合比決定手段が、第3温度センサの
測定値が前記供給温度に一致する混合比に修正すること
が好ましい。このユニットによると、第3温度センサの
測定値を用いてフィードバック制御することができる。
フィードフォワード制御とフィードバック制御を併用す
ることによって出湯温度を設定温度に素早く調整してそ
の状態を維持することができる。
いで通過させる運転が可能なものが存在する。このタイ
プの給湯器に用いるユニットの場合、第1温度センサの
測定値が設定温度以上である場合には、給湯器で加熱し
ないで通過させる運転を指示する手段が付加されている
ことが好ましい。この場合、混合比決定手段は、第1温
度センサの測定値から混合後の温水温度が設定温度にな
る混合比を計算して決定する。この方式によると、第1
温度センサの測定値が設定温度以上である場合には、給
湯器で加熱せず、発電排熱が優先して利用される。給湯
器に供給される温水が設定温度に調温されているため
に、給湯器で加熱しなくても設定温度に調温された二次
温水が出湯される。
度と、最小加熱熱量の現在値と、通過する温水を加熱し
ないで通過させる運転が可能か否かを示す信号を入力す
る手段を備えていることが好ましい。設定温度は給湯を
必要とする者が設定する温度であり、再設定されること
がある。最小加熱熱量は燃焼開始時から燃焼が安定する
までは大きく、安定すれば小さくなり、バーナ切換え直
後には再び大きくなる。このような情報がユニットに時
々刻々入力されていると、設定温度の変更や、燃焼状態
によって変化する最小加熱熱量の変化に抗して、給湯器
から出湯される二次温水の温度を設定温度に調温しつづ
けることができる。給湯器から、通過する温水を加熱し
ないで通過させる運転が可能か否かを示す信号が入力さ
れると、給湯器では加熱せずに発電排熱を優先して利用
して給湯する態様の制御を選択することができる。
水を加熱しないで通過させる運転が可能か否かを示す信
号を給湯器から入力する代わりに、それらの情報をユニ
ットに記憶しておいても良い。即ち、上記したユニット
に、そのユニットに接続されている給湯器の最小加熱熱
量と、その給湯器を通過する温水を加熱しないで通過さ
せる運転が可能か否かを示す情報を記憶する手段が付加
されていても良い。この場合、最小加熱熱量の時間変化
パターンが記憶されても良い。
転、即ち、非加熱運転が可能な給湯器に接続されて用い
られるユニットの場合、一次温水と冷水を受入れて混合
して給湯器に供給する混合器と、混合する一次温水と冷
水の混合比を調節する混合比調節器と、混合前の一次温
水の温度を測定する第1温度センサと、混合する冷水の
温度を測定する第2温度センサと、混合後の温水温度を
測定する第3温度センサと、混合後の温水流量を測定す
る流量センサと、給湯器の最小加熱熱量を前記流量セン
サの測定値で除して求めた最小昇温温度を前記設定温度
から減じて給湯器に供給するべき供給温度を計算する手
段と、第1温度センサの測定値が前記設定温度以上であ
る場合には給湯器に非加熱運転を指示する手段と、混合
比決定手段を備えており、その混合比決定手段が、
(1)第1温度センサの測定値が前記設定温度以上であ
るときには、(1−1)第1温度センサと第2温度セン
サの測定値から混合後の温水温度が前記設定温度になる
混合比を計算し、(1−2)第3温度センサの測定値が
前記設定温度に一致する混合比に修正し、(2)第1温
度センサの測定値が前記設定温度以下で前記供給温度以
上であるときには、(2−1)第1温度センサと第2温
度センサの測定値から混合後の温水温度が前記供給温度
になる混合比を計算し、(2−2)第3温度センサの測
定値が前記供給温度に一致する混合比に修正し、(3)
第1温度センサの測定値が前記供給温度以下であるとき
には、冷水の混合を禁止する混合比を決定することが好
ましい。なお、ここでいう「冷水の混合を禁止」とは、
完全な禁止であることが好ましいが、混合器において若
干の冷水が混合されてしまう場合をも含むものである。
即ち、ここでいう「冷水の混合を禁止」とは、必ずしも
100%の禁止を意味するものではない(以下の説明で
も同様である)。
転、即ち、非加熱運転が不可能な給湯器に接続されて用
いられるユニットの場合、一次温水と冷水を受入れて混
合して給湯器に供給する混合器と、混合する一次温水と
冷水の混合比を調節する混合比調節器と、混合前の一次
温水の温度を測定する第1温度センサと、混合する冷水
の温度を測定する第2温度センサと、混合後の温水温度
を測定する第3温度センサと、混合後の温水流量を測定
する流量センサと、給湯器の最小加熱熱量を前記流量セ
ンサの測定値で除して求めた最小昇温温度を前記設定温
度から減じて給湯器に供給するべき供給温度を計算する
手段と、混合比決定手段を備えており、その混合比決定
手段が、(1)第1温度センサの測定値が供給温度以上
であるときには、(1−1)第1温度センサと第2温度
センサの測定値から混合後の温水温度が前記供給温度に
なる混合比を計算し、(1−2)第3温度センサの測定
値が前記供給温度に一致する混合比に修正し、(2)第
1温度センサの測定値が前記供給温度以下であるときに
は、冷水の混合を禁止する混合比を決定することが好ま
しい。この場合、給湯器は必ず加熱することから、給湯
器に供給する温水温度を設定温度に調温する態様は採用
されない。
ムを持ち、接続された給湯器が非加熱運転可能タイプで
ある場合には、給湯器に供給する温水温度を設定温度に
調温する態様を有するプログラムが採用され、接続され
た給湯器が非加熱運転不可能タイプである場合には、給
湯器に供給する温水温度を設定温度に調温する態様を有
しないプログラムが採用されるようにすることが好まし
い。
ムと給湯システムを持ち、その給湯システムは発電シス
テムから生じる排熱を入力して一次温水を出力する手段
とその一次温水を入力して設定温度に調温された二次温
水を出力する手段を持つコージェネレーションシステム
が構築される。この場合の二次温水出力手段は、一次温
水と冷水を指示された混合比で混合する手段と、混合さ
れた温水を加熱する給湯器と、混合前の一次温水の温度
を測定する第1温度センサと、混合後の温水流量を測定
する流量センサと、給湯器の最小加熱熱量を前記流量セ
ンサの測定値で除して求めた最小昇温温度を前記設定温
度から減じて給湯器に供給するべき供給温度を計算し、
第1温度センサの測定値から混合後の温水温度が計算さ
れた供給温度になる混合比を計算する手段とを備える。
このコージェネレーションシステムでは、一次温水の流
量と冷水の流量を個々に測定する必要がなく、混合後の
流量を測定することで、給湯器から出湯される二次温水
の温度が設定温度に調温されるフィードフォワード制御
が実施される。
給湯システムに異常が生じたときには異常表示するとと
もに、発電排熱を利用する熱交換器を切換える手段が付
加されていることが好ましい。この場合、異常表示され
るために、使用者は迅速に異常を認識することができる
ほか、異常時には他の熱交換器で発電排熱が利用され、
安全に無駄なくエネルギを活用することができる。
構成する装置が異常を生じたときに、一次温水の給湯器
への供給を禁止する手段が付加されていることが好まし
い。例えば、一次温水の供給管に電磁弁等を備えるよう
にし、装置に異常を生じると電磁弁を閉めるようにす
る。この場合、非常に高温な温水が給湯されることを防
止できる。
おいて、一次温水温度が所定温度以上のときに一次温水
の給湯器への供給を禁止する手段が付加されていても良
い。この場合、非常に高温な温水が給湯されることを防
止できる。
一実施形態を説明する。まず、図2を参照して本発明に
係るコージェネレーションシステムの構成について説明
する。本発明に係るコージェネレーションシステムは、
燃料電池を利用して発電するシステム41と、給湯シス
テム90を備える。給湯システム90は発電システム4
1から生じる発電排熱を利用して温水に加熱する熱交換
器45と、熱交換器45で発電排熱によって加熱された
一次温水を貯めておく貯湯槽49と、貯湯槽49に貯め
られている一次温水を設定温度に調温して温水必要箇所
83に給湯する調温給湯システム89を備える。調温給
湯システム89は、一次温水と水道水(冷水)を混合す
る手段75と、混合温水を加熱する給湯器81を備え
る。このコージェネレーションシステムは、貯湯槽49
と給湯器81の間にユニット88を接続することで構築
される。
の改質器と燃料電池等から構成されている。改質器は炭
化水素系の原燃料から水素ガスを生成する。水素を効率
よく生成するためには高温度が必要とされ、図示しない
ガスバーナ等で加熱される。燃料電池は水素ガスを空気
中の酸素ガスと反応させて発電する。発電時に燃料電池
は発熱する。改質器と燃料電池の周辺にはそれらを冷却
する熱媒の循環路が形成されている。発電システム41
内の冷却用熱媒循環通路は外部に延長されており熱交換
器45、43を通過する。熱媒循環通路には熱媒用ポン
プ42が配設されている。発電排熱を回収する熱媒は熱
媒用ポンプ42によって熱媒循環通路を循環する。
湯槽49には減圧弁57を介して水道水(冷水)供給管
55が接続されている。水道水供給管55には矢印D1
方向に水道水が供給される。減圧弁57は、貯湯槽49
を耐圧以下に維持するために機能する。また、貯湯槽4
9に貯湯される一次温水量が所定量以下になると減圧弁
57の前後で圧力差が生じ、水道水が矢印D2方向に導
入される。貯湯槽49に貯湯される一次温水量は一定量
に維持される。貯湯槽49と熱交換器45の間には温水
循環通路47が接続されている。温水循環通路47には
温水用ポンプ46が配設されている。貯湯槽49に貯湯
された一次温水は、温水用ポンプ46によって温水循環
通路47を循環する。
器45を通過し、熱媒は一次温水で冷却され、一次温水
は熱媒で加熱される。発電排熱で加熱されて貯湯槽49
に貯湯される一次温水の温度は発電量によって変化し、
温水必要箇所83で必要とされる温水温度に対応しな
い。貯湯槽49内の一次温水の温度が温水必要箇所83
で必要とされる温水温度よりも高い場合もあれば低い場
合もある。熱媒循環通路はもう1つの熱交換器43も通
過しており、ここで加熱された温水は、例えば暖房用に
利用される。通常は、暖房用の温水は循環しておらず、
発電排熱は一次温水の加熱に用いられる。暖房時には、
発電排熱で一次温水と暖房用温水が加熱される。給湯シ
ステム90に異常が生じると温水用ポンプ46が停止さ
れ、発電排熱は暖房用温水を加熱する。
が接続されている。一次温水供給管51は貯湯槽49内
の一次温水を矢印D4方向に案内する。一次温水供給管
51にはバキュームブレーカ59が配設されている。バ
キュームブレーカ59は一次温水供給管51内に負圧が
発生した際に水道水が貯湯槽49の方向に逆流すること
を防止する。即ち、一次温水供給管51内に負圧が発生
するとバキュームブレーカ59が自動的に空気を引き込
んで負圧を解消する。また一次温水供給管51には、電
磁ソレノイドでオンオフが制御される電磁弁67と逆止
弁69が配設されている。一次温水供給管51には、混
合前の一次温水の温度を測定する第1温度センサ71が
設けられている。一次温水供給管51は温水混合比調節
器65を介して混合温水供給管77に接続されている。
温水混合比調節器65は、温水の混合比を調節するとと
もに、温水を水道水(冷水)と混合する。
3を介して水道水管53にも接続されている。水道水管
53には逆止弁61が挿入されている。水道水管53に
は冷水の温度を測定する第2温度センサ64が設けられ
ている。冷水混合比調節器63は冷水(水道水)の混合
比を調節するとともに、水道水を温水と混合する。
65は複合して混合手段75を構成する。冷水混合比調
節器63と温水混合比調節器65は連動して混合比を調
節する。冷水混合比調節器63が100%開くと温水混
合比調節器65は100%閉じ、冷水混合比調節器63
が100%閉じると温水混合比調節器65は100%開
く。この結果、図9に示すように、冷水混合比調節器6
3が100%開いて温水混合比調節器65が100%閉
じると、冷水混合比が1.00(100%)となって温
水混合比が0.00(0%)となる。一方、冷水混合比
調節器63が100%閉じて温水混合比調節器65が1
00%開くと、冷水混合比が0.00(0%)となって
温水混合比が1.00(100%)となる。冷水混合比
と温水混合比は、0.00〜1.00の間で連続的に変
化するが、両者は連動しており、加算すると常に1.0
0となる。温水混合比調節器65は、略円錐台形状の弁
65aと弁駆動部65bから構成される。弁65aは上
下に移動可能である。弁駆動部65bは弁65aを上下
方向に移動させる。弁65aが上下方向に移動させられ
ることで、一次温水供給管51と混合温水供給管77間
の流路抵抗が変化する。弁65aが最上位置にあるとき
には流路は閉じられる。冷水混合比調節器63は、略円
錐台形状の弁63aと弁駆動部63bから構成される。
弁63aは上下に移動可能である。弁駆動部63bは弁
63aを上下方向に移動させる。弁63aが上下方向に
移動させられることで、水道水管53と混合温水供給管
77間の流路抵抗が変化する。弁63aが最上位置にあ
るときには流路は閉じられる。弁65aが最上位置にあ
るときには弁63aは最下位置にあり、弁65aが最下
位置にあるときには弁63aは最上位置にある。
水供給管77から給湯器81に送られる。混合温水供給
管77には、給湯器81に供給される混合された温水の
温度を測定する第3温度センサ73と、給湯器81に供
給される混合された温水の流量を測定する流量センサ7
8が配設されている。また、混合温水供給管77には逃
し弁79が配設されている。逃し弁79は、混合温水供
給管77内に異常な高圧が発生した場合に、水圧を逃
す。逃し弁79は水抜き栓を兼用する。逃し弁79の左
方には異常な高温を検知するハイカットサーミスタ87
が配設されている。ハイカットサーミスタ87が異常な
高温を検知すると、電磁弁67が閉じられ、異常な高温
水が給湯されないようにする。
給される混合温水を加熱し、設定温度に昇温させる。本
実施形態の給湯器81は、混合温水供給管77から供給
される混合温水温度が設定温度よりも高ければ、水流を
検知しても加熱しないタイプ(スルータイプないしは非
加熱式)である。給湯器81内には水流の有無を検出す
る水流検出センサ82と給湯器を制御する電子制御ユニ
ット84が内蔵されている。給湯を必要とする者は、リ
モコン85によって、二次温水の温度を設定することが
できる。非加熱式給湯器81は、混合温水供給管77か
ら供給される混合温水温度が設定温度よりも低ければ加
熱する。このとき、設定温度からの温度差が大きければ
大熱量で加熱し、大熱量で加熱しても設定温度にならな
いときには、設定温度になるように流量を絞る。加熱前
の温水温度と設定温度の差が小さく流量も小さければ加
熱量を減じる。このようにして、給湯器81は一次温水
を設定温度に調温し、調温された二次温水を温水必要箇
所83に供給する。なお、給湯器81の加熱時の最小加
熱熱量は4.4kwであり、これ以下の加熱熱量には調
節できない。この場合の昇温温度は流量によって変化
し、大流量時の最小昇温温度は小さく、小流量時の最小
昇温温度は大きい。また最小加熱熱量は、燃焼開始時に
は4.4kwよりも大きく、バーナ切換え時にも4.4
kwよりも大きい。燃焼安定時の最小加熱熱量が4.4
kwである。
ステムは、図3に詳細を示す制御回路部86を備えてい
る。なお図3では、制御回路部86のうち、本発明を特
徴付けるセンサと装置のみを示している。制御回路部8
6は、CPU102とROM104とRAM106と出
力ポート108と入力ポート110から構成される。こ
れらCPU102、ROM104及びRAM106はバ
ス109によって出力ポート108及び入力ポート11
0と相互に接続されている。CPU102は、ROM1
04に格納された制御プログラムに従ってコージェネレ
ーションシステムを構成する各種装置を統括的に制御す
る。ROM104に格納される制御プログラムには、混
合手段75の温水混合比調節器65の混合比と冷水混合
比調節器63の混合比を決定して決定された混合比に調
節する処理、給湯器81の加熱熱量を決定して制御する
処理、決定したコマンドデータを出力ポート108を介
して各装置に出力するためのプログラム等が含まれてい
る。RAM106は、ワークメモリとして使用されるメ
イン記憶素子であって、温度等の各種データや出入力信
号等が各種プログラムの実行に応じて格納される。
1と第2温度センサ64と第3温度センサ73と流量セ
ンサ78と給湯器81が接続されている。また、入力ポ
ート110は、給湯器81を介してリモコン85から信
号を受信することができる。第1温度センサ71は、混
合前の一次温水温度を所定のデータ信号に変換して出力
する。第2温度センサ64は、一次温水に混合する冷水
の温度を所定のデータ信号に変換して出力する。第3温
度センサ73は、混合後の温水温度を所定のデータ信号
に変換して出力する。第1温度センサ71と第2温度セ
ンサ64と第3温度センサ73は、水温を常時測定して
測定結果を常時出力している。流量センサ78は、混合
後の温水流量を所定のデータ信号に変換して出力する。
給湯器81は、リモコン85を用いて使用者が設定した
設定温度と、現時点での最小加熱熱量と、その給湯器が
非加熱運転(スルー運転)可能なタイプか否かを示す信
号を出力する。各センサ71,73,78や給湯器81
から出力された信号は入力ポート110で受信され、入
力ポート110で受信された信号はバス109を介して
CPU102、ROM104、RAM106に取り込ま
れる。RAM106では、第1温度センサ71と第3温
度センサ73で測定された温度情報と、流量センサ78
で測定された流量情報が常時更新される(書換えられ
る)。
65b、電磁弁67、給湯器81が接続されている。出
力ポート108は、給湯器81を介してリモコン85に
信号を出力することもできる。弁駆動部63b,65b
は、制御回路部86から出力される駆動信号に基づいて
混合比調節器63a,65aの混合比を連動して調節す
る。この結果、混合手段75による一次温水と冷水の混
合比が調節される。給湯器81は、制御回路部86から
受信した信号に基づいて温水の加熱を行なう。
部86の処理について説明する。制御回路部86は、流
量センサ78の測定値を入力し、所定値以上の流量が測
定されたか否かを監視している(ステップS2)。即
ち、給湯必要箇所83で給湯され始めたときを監視して
いる。給湯が開始されると給湯器81が、給湯器が通過
する温水を加熱しないで通過させる運転が可能なタイプ
(非加熱タイプ)か、あるいは、温水が通過すれば必ず
最小加熱熱量だけは加熱するタイプ(加熱タイプ)かを
判別する(ステップS4)。このステップS4の処理
は、給湯器81のタイプに応じた信号を受信することに
よって行なう。給湯器81が非加熱タイプであるときに
は、リモコン85で使用者が設定する設定温度を最新の
設定温度に更新する(ステップS6)。このとき、給湯
器の現時点での最小加熱熱量をも更新する。
1で測定される一次温水の温度と設定温度を比較する。
一次温水の温度が、設定温度以上であれば(ステップS
8でYESの場合)、給湯器81にスルー運転、即ち、
非加熱運転を指示する(ステップS10)。このステッ
プS10の処理は、加熱運転禁止信号を給湯器81に出
力することによって行なわれる。次に、混合後の温水温
度が設定温度となる一次温水混合比x(したがって冷水
混合比は1−x)を計算する(ステップS12)。ここ
では、第1温度センサ71で測定される一次温水の温度
がTHであり、第2温度センサ64で測定される冷水の
温度がTLであれば、混合後の温水温度はTH・x+T
L・(1−x)となるはずであるから、〔TH・x+T
L・(1−x)=設定温度〕の式からxの値を求める。
ステップS12で一次温水混合比と冷水混合比を計算
し、温水混合比調節器65と冷水混合比調節器63を調
節して計算された混合比が得られるようにしておくと、
給湯器81に供給される温水温度は計算された設定温度
となる。
合された混合温水温度が、設定温度となっているかを確
認する(ステップS14)。この処理は、第3温度セン
サ73の測定値と設定温度がほぼ一致するか、あるい
は、大きく一致しないかを判別する。この場合、設定温
度から±1℃以内であれば、ほぼ一致すると判別する。
第3温度センサ73の測定値と設定温度がほぼ一致した
場合は、ステップS14でYESと判別される。ステッ
プS14でYESと判別されると、ステップS6に戻
り、設定温度が変更された場合や、第1温度センサ71
での測定値が変化した場合に備えて待機する。この場
合、給湯器81では加熱しないが給湯器81に入る段階
ですでに設定温度に調温されている。給湯器81は加熱
しないで設定温度に調温された二次温水を給湯する。第
3温度センサ73の測定値と設定温度が一致せずにその
誤差が大きい場合(ステップS14でNOの場合)は、
第3温度センサ73の測定値と設定温度を比較する(ス
テップS16)。第3温度センサ73の測定値が設定温
度より高い場合(ステップS16でYESの場合)は、
温水混合比を減少し、冷水混合比を増大する(ステップ
S20)。これによって、混合後の温水温度が下降し、
設定温度に近づく。また、また、第3温度センサ73の
測定値が設定温度より低い場合(ステップS16でNO
の場合)は、温水混合比を増大し、冷水混合比を減少す
る(ステップS18)。これにより、混合後の温水温度
が上昇し、設定温度に近づく。ステップS18,S20
を行なうと、再びステップS14に戻り、混合後の温水
温度が設定温度に一致したか否かが確認される。一致す
るに至るまでフィードバック制御が繰りかえされる。こ
の場合、ステップS12のフィードフォワード制御によ
り、混合温水の温度が短時間で設定温度に調整され、ス
テップS14以降のフィードバック制御により、フィー
ドファワード制御で計算された混合比が修正されて混合
温水の温度が設定温度によく一致するように制御され
る。
が設定温度より低い場合(ステップS8でNOの場合)
は、第1温度センサ71の測定値と供給温度を比較する
(ステップS22)。ここでいう供給温度とは、ステッ
プS6で更新された設定温度から給湯器81による最小
昇温温度を減じた値であり、その最小昇温温度は、給湯
器のその時点での最小加熱熱量を流量センサ78で測定
された流量で除した値を温度の単位に換算した値であ
る。流量が同じであれば、最小加熱熱量が大きいほど最
小昇温温度も大きい。燃焼開始直後やバーナの切換え直
後には最小加熱熱量が大きい。図8はこれを模式的に示
しており、最小加熱熱量や最小昇温温度は給湯器の燃焼
状態と流量に対応して変化することを示している。第1
温度センサ71の測定値が供給温度以上の場合(ステッ
プS22でYESの場合)は、混合後の温水温度が供給
温度となる一次温水混合比を計算し、その混合比となる
ように、温水混合比調節器65と冷水混合比調節器63
を調節する(ステップS24)。このステップS24の
処理では、上述のステップS12と同様の処理がなされ
る。ただし、ステップS12では、設定温度となるよう
に混合比が計算されるのに対し、ステップS24では供
給温度となるように混合比が計算される。
と、混合後の温水温度が供給温度とほぼ一致するか、あ
るいは、大きく一致しないかを判別する。この場合、供
給温度から±γ(1℃程度)以内であれば、ほぼ一致す
ると判別する(ステップS26)。ステップS26でY
ESの場合は、ステップS6に戻り、設定温度が変更さ
れた場合や、第1温度センサ71での測定値が変化した
場合に備えて待機する。この場合、給湯器81では最小
加熱熱量で加熱することによって設定温度にまで加熱で
き、設定温度に調温された二次温水が給湯される。給湯
器81は最小加熱熱量で運転され、発電排熱の熱量が優
先的に利用される。ステップS26でNOの場合は、供
給温度と第3温度センサ73の測定値を比較する(ステ
ップS28)。第3温度センサ73の測定値が供給温度
より高い場合(ステップS28でYESの場合)は、温
水混合比を減少し、冷水混合比を増大させることで、混
合後の温水温度を供給温度に近づける(ステップS3
0)。また、第3温度センサ73の測定値が供給温度よ
り低い場合(ステップS28でNOの場合)は、温水混
合比を増加し、冷水混合比を減少することで、混合後の
温水温度を供給温度に近づける(ステップS32)。ス
テップS30,S32の処理を行なうと、ステップS2
6の確認を再び行なう。一致するに至るまでフィードバ
ック制御が繰りかえされる。この場合、ステップS24
のフィードフォワード制御により、混合温水の温度が短
時間で供給温度に調整され、ステップS26以降のフィ
ードバック制御により、フィードフォワード制御で計算
された混合比が修正されて混合温水の温度が供給温度に
よく一致するように制御される。
測定値と供給温度を比較し、測定値が供給温度より低い
場合(ステップS22でNOの場合)には、冷水混合比
を0%として一次温水のみを用いる(ステップS3
4)。この結果、発電排熱で得られた熱量を優先的に使
い、それで不足する熱量を給湯器で補うことになる。
給湯器による場合の調温プロセスを説明する。一次温水
温度が設定温度よりも高ければ冷水と混合して設定温度
に調温し、給湯器では加熱しない(矢印a)。設定温度
よりは低く供給温度よりは高い場合には、冷水と混合し
て供給温度に下げる(矢印b)。その後に給湯器が最小
加熱流量で加熱するために水温は最小昇温温度上昇し、
結果として設定温度に調温される(矢印c)。供給温度
よりも低ければ冷水と混合せず(矢印d)、そこから設
定温度にするために必要な熱量で加熱して設定温度に調
温する(矢印e)。
タイプのときに制御回路部86が行なう処理を説明す
る。給湯器81が加熱タイプのとき(図4のステップS
4でNOの場合)も、上述のステップS6と同様に、リ
モコン85で使用者が設定する設定温度を最新の設定温
度に更新する(ステップS40)。次に、供給温度と第
1温度センサ71の測定値を比較する(ステップS4
2)。第1温度センサ71の測定値が供給温度以上であ
る場合(ステップS44でYESの場合)には、上述の
ステップS24〜ステップS32と同様処理を行なう
(ステップS44〜S52)。また、第1温度センサ7
1の測定値が供給温度より低い場合(ステップS42で
NOの場合)には、温水混合比を100%とし、冷水の
混合を禁止する。給湯器81が加熱タイプのときは、混
合温水温度が設定温度となるように混合比率が計算され
ることはない。これは、給湯器81で必ず加熱されるた
め、設定温度を越えた温水が給湯されてしまうからであ
る。図7は、常時加熱するタイプの給湯器による調温プ
ロセスを示し、この場合には、供給温度以上であれば冷
水と混合して供給温度にまで下げ(矢印f)、そこから
最小加熱熱量で加熱して設定温度に調温する。また、供
給温度よりも低ければ冷水と混合せず(矢印d)、そこ
から設定温度にするために必要な熱量で加熱して設定温
度に調温する(矢印e)。
ステムでは、第1温度センサ71と第2温度センサ64
の測定値に基づいたフィードフォワード制御による一次
温水と冷水の混合が実施されるとともに、第3温度セン
サ73の測定値に基づいたフィードバック制御をも実施
される。即ち、給湯開始時や給湯開始後に貯湯槽49か
ら供給される一次温水温度が変動した場合、さらには、
給湯開始後に設定温度が変更された場合には、即座にフ
ィードフォワード制御が実施され、給湯開始時等から短
時間で設定温度の給湯が行なれる。また、フィードフォ
ワード制御された温水温度が設定温度や供給温度に一致
しているかを確認し、一致していない場合にはフィード
バック制御が実施されて混合比率の微調整が行なわれ
る。
が、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定する
ものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上
に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれ
る。例えば、上記実施形態では、水道水管53に第2温
度センサ64を配設したが、水道水の温度変化の巾は、
一次温水の温度変化の巾に比してはるかに小さいため
に、近似的には「冷水温度は所定値に固定されている」
とすることもできる。この近似が許される場合には、第
2温度センサ64は必要とされない。また、本実施形態
ではフィードバック制御を併用するために、混合後の温
水温度を測定する第3温度センサ73を用いたが、給湯
中フィードフォワード制御を持続させることもでき、こ
の場合には、第3温度センサ73は必要とされない。さ
らに、上記コージェネレーションシステムにおいて、セ
ンサの断線、短絡、混合手段75その他の装置の故障等
が生じた場合に、リモコン85にエラー表示を行なうよ
うにしても良い。このエラー表示は、制御回路部86か
らリモコン85にエラー検出信号を出力することによっ
て行なう。また、エラーが生じた場合に、水電磁弁67
を閉じたり、ポンプ46の運転を中止して一次温水の加
熱を禁止するように制御しても良い。この場合、発電排
水は他の熱交換器43で他の用途の温水44を加熱する
ために利用される。また、上記実施形態では、混合手段
75が、温水管と冷水管の開度を個々に変更するタイプ
のものであったが、温水と冷水を入力して混合水を出力
する3ポート弁を用いて、温水混合比と冷水混合比が機
械的に連動して変化するタイプを用いることができる。
本実施形態では、混合比調節器と混合器を混合手段75
に兼用させたが、混合比調節機と混合器を別に構成して
もよい。また燃料電池で発電する方式に換えて、エンジ
ンで発電機を回転させて発電する方式でもよい。この場
合にも発電排熱が発生する。また、給湯器81から非加
熱タイプ又は加熱タイプの信号を受信したり、最小加熱
熱量の現在値を受信する方式に限られず、それらの情報
を予め記憶しておくようにしても良い。例えば、RAM
106で給湯器が非加熱タイプか加熱タイプのいずれで
あるかの情報と最小加熱熱量の給湯時からの時間変化を
記憶する。このようにしても、給湯器のタイプや最小加
熱熱量の変化に応じた混合比率を決定することができ
る。また、本実施形態の混合手段75は、冷水混合比を
0%とすることができるものであったが、完全な意味で
の0%である必要はない。即ち、混合手段75で冷水の
混合を完全に禁止することができず、若干の冷水が混合
される場合にも本発明を適用することができる。また、
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独である
いは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮する
ものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定され
るものではない。また、本明細書または図面に例示した
技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうち
の一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つ
ものである。
ムの概略構成図である。
の概略構成図である。
トである。
トである。
模式的に示す。
式的に示す。
度はさらに流量によって変化することを模式的に示す。
様を示す。
Claims (12)
- 【請求項1】 発電排熱で加熱された一次温水の貯湯槽
と、設定温度に調温された二次温水を出湯する給湯器と
の間に接続してコージェネレーションシステムを構築す
るユニットであり、 一次温水と冷水を受入れて混合して給湯器に供給する混
合器と、 混合する一次温水と冷水の混合比を調節する混合比調節
器と、 混合前の一次温水の温度を測定する第1温度センサと、 混合後の温水流量を測定する流量センサと、 給湯器の最小加熱熱量を前記流量センサの測定値で除し
て求めた最小昇温温度を前記設定温度から減じて給湯器
に供給するべき供給温度を計算し、第1温度センサの測
定値から混合後の温水温度が計算された供給温度になる
混合比を決定する手段、 とを有するユニット。 - 【請求項2】 混合する冷水の温度を測定する第2温度
センサをさらに備え、前記混合比決定手段は、第1温度
センサと第2温度センサの測定値から混合比を計算する
ことを特徴とする請求項1に記載のユニット。 - 【請求項3】 混合後の温水温度を測定する第3温度セ
ンサをさらに備え、前記混合比決定手段は、第3温度セ
ンサの測定値が前記供給温度に一致する混合比に修正す
ることを特徴とする請求項1または2に記載のユニッ
ト。 - 【請求項4】 前記混合比決定手段は、第1温度センサ
の測定値が前記設定温度以上である場合に、第1温度セ
ンサの測定値から混合後の温水温度が前記設定温度にな
る混合比を計算し、 通過する温水を加熱しないで通過させる運転が可能な給
湯器に、第1温度センサの測定値が前記設定温度以上で
ある場合には、加熱しないで通過させる運転を指示する
手段が付加されている請求項1から3のいずれかに記載
のユニット。 - 【請求項5】 給湯器から、前記設定温度と、前記最小
加熱熱量の現在値と、通過する温水を加熱しないで通過
させる運転が可能か否かを示す信号を入力する手段が付
加されている請求項1から4のいずれかに記載のユニッ
ト。 - 【請求項6】 接続されている給湯器の前記最小加熱熱
量と、その給湯器が通過する温水を加熱しないで通過さ
せる運転が可能か否かを示す情報を記憶する手段が付加
されている請求項1から4のいずれかに記載のユニッ
ト。 - 【請求項7】 発電排熱で加熱された一次温水の貯湯槽
と、設定温度に調温された二次温水を出湯する非加熱運
転が可能な給湯器との間に接続してコージェネレーショ
ンシステムを構築するユニットであり、 一次温水と冷水を受入れて混合して給湯器に供給する混
合器と、 混合する一次温水と冷水の混合比を調節する混合比調節
器と、 混合前の一次温水の温度を測定する第1温度センサと、 混合する冷水の温度を測定する第2温度センサと、 混合後の温水温度を測定する第3温度センサと、 混合後の温水流量を測定する流量センサと、 給湯器の最小加熱熱量を前記流量センサの測定値で除し
て求めた最小昇温温度を前記設定温度から減じて給湯器
に供給するべき供給温度を計算する手段と、 第1温度センサの測定値が前記設定温度以上である場合
には、給湯器に非加熱運転を指示する手段と、 混合比決定手段を備え、その混合比決定手段は、(1)
第1温度センサの測定値が前記設定温度以上であるとき
には、(1−1)第1温度センサと第2温度センサの測
定値から混合後の温水温度が前記設定温度になる混合比
を計算し、(1−2)第3温度センサの測定値が前記設
定温度に一致する混合比に修正し、(2)第1温度セン
サの測定値が前記設定温度以下で前記供給温度以上であ
るときには、(2−1)第1温度センサと第2温度セン
サの測定値から混合後の温水温度が前記供給温度になる
混合比を計算し、(2−2)第3温度センサの測定値が
前記供給温度に一致する混合比に修正し、(3)第1温
度センサの測定値が前記供給温度以下であるときには、
冷水の混合を禁止する混合比を決定することを特徴とす
るユニット。 - 【請求項8】 発電排熱で加熱された一次温水の貯湯槽
と、通過する温水を加熱して設定温度に調温された二次
温水を出湯する給湯器との間に接続してコージェネレー
ションシステムを構築するユニットであり、 一次温水と冷水を受入れて混合して給湯器に供給する混
合器と、 混合する一次温水と冷水の混合比を調節する混合比調節
器と、 混合前の一次温水の温度を測定する第1温度センサと、 混合する冷水の温度を測定する第2温度センサと、 混合後の温水温度を測定する第3温度センサと、 混合後の温水流量を測定する流量センサと、 給湯器の最小加熱熱量を前記流量センサの測定値で除し
て求めた最小昇温温度を前記設定温度から減じて給湯器
に供給するべき供給温度を計算する手段と、 混合比決定手段を備え、その混合比決定手段は、(1)
第1温度センサの測定値が前記供給温度以上であるとき
には、(1−1)第1温度センサと第2温度センサの測
定値から混合後の温水温度が前記供給温度になる混合比
を計算し、(1−2)第3温度センサの測定値が前記供
給温度に一致する混合比に修正し、(2)第1温度セン
サの測定値が前記供給温度以下であるときには、冷水の
混合を禁止する混合比を決定することを特徴とするユニ
ット。 - 【請求項9】 発電システムと給湯システムを持つコー
ジェネレーションシステムであり、その給湯システムは
発電システムから生じる排熱を入力して一次温水を出力
する手段とその一次温水を入力して設定温度に調温され
た二次温水を出力する手段を持ち、その二次温水出力手
段は、 一次温水と冷水を指示された混合比で混合する手段と、 混合された温水を加熱する給湯器と、 混合前の一次温水の温度を測定する第1温度センサと、 混合後の温水流量を測定する流量センサと、 給湯器の最小加熱熱量を前記流量センサの測定値で除し
て求めた最小昇温温度を前記設定温度から減じて給湯器
に供給するべき供給温度を計算し、第1温度センサの測
定値から混合後の温水温度が計算された供給温度になる
混合比を計算する手段、とを備えるコージェネレーショ
ンシステム。 - 【請求項10】 給湯システムに異常が生じたときに、
異常表示をして発電排熱を利用する熱交換器を切換える
手段が付加されている請求項9に記載のコージェネレー
ションシステム。 - 【請求項11】 コージェネレーションシステムを構成
する装置に異常が生じたときに、一次温水の給湯器への
供給を禁止する手段が付加されていることを特徴とする
請求項9又は10のいずれかに記載のコージェネレーシ
ョンシステム。 - 【請求項12】 一次温水温度が所定温度以上のとき
に、一次温水の給湯器への供給を禁止する手段が付加さ
れていることを特徴とする請求項9から11のいずれか
に記載のコージェネレーションシステム。
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JP2009174773A (ja) * | 2008-01-24 | 2009-08-06 | Rinnai Corp | コージェネレーションシステム |
JP2009245948A (ja) * | 2009-06-10 | 2009-10-22 | Toshiba Home Technology Corp | 燃料電池装置 |
US8099959B2 (en) | 2004-11-29 | 2012-01-24 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | Heat recovery equipment |
CN104534677A (zh) * | 2014-12-04 | 2015-04-22 | 丹东惠凯感应器有限责任公司 | 一种淋浴水温的二级调节装置 |
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- 2001-11-13 JP JP2001346985A patent/JP3857109B2/ja not_active Expired - Fee Related
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