JP4833118B2 - 給湯装置 - Google Patents

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Description

この発明は、給湯装置に関するものである。
ヒートポンプ給湯機の貯湯槽容積全体に高温水を貯湯するために、圧縮機、放熱器、減圧装置、蒸発器を順次接続した冷媒回路と、貯湯槽、循環ポンプ、放熱器と熱交換関係を有する給湯熱交換器を順次接続した給湯回路と、圧縮機の吐出冷媒温度が設定温度Aとなるように減圧装置の弁開度を制御する冷媒制御手段と、給湯熱交換器出口の湯温が設定温度Bとなるように給湯回路の水循環流量を制御する水量制御手段と、運転中に給湯熱交換器入口の水温が設定温度Cに達したことを検出して、設定温度Aを変更する設定温度制御手段を備え、沸き上げ完了直前の湯水混合層域の水が高温水となるまで運転を継続し、貯湯槽下部まで高温水を貯湯する。すなわち、貯湯槽容積全体に高温水を貯湯するヒートポンプ給湯機が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
また、流水スイッチを設けずに過負荷運転、空運転を防止することができる給湯装置を提供するために、自給式ポンプによって水を熱交換機に送り、この熱交換機で湯を沸かす給湯装置において、給湯装置の制御部は、自給式ポンプのブラシレスDCモータの回転速度Pgと駆動電流Isに基づいて、通常運転、空運転、または、過負荷運転かを判断し、空運転または過負荷運転の場合には燃焼装置を消火して、自給式ポンプを停止させる給湯装置が提案されている(例えば、特許文献2参照)。
特開2002−340400号公報 特開2003−114052号公報
解決しようとする課題は、給湯装置用ポンプ内の水温度上昇及びポンプのブラシレスDCモータの巻線温度上昇に伴う回路破壊防止、ポンプ効率向上、ポンプ小型化である。
給湯装置のポンプ内の水温及びモータの巻線温度は、低温から高温まで広い温度範囲内で変化する。そのため、ポンプのブラシレスDCモータの磁極位置検出回路にホールIC又はホール素子などの電子部品を用いた場合、水温及びモータの巻線温度の影響による電子部品の温度特性変化によって磁極位置検出位置が変化する。これにより、ブラシレスDCモータの入力増加による効率悪化、ポンプ効率の悪化を招いていた。
また、電子部品の温度特性変化の補正や、ブラシレスDCモータの各回転速度における高効率駆動によるポンプ効率向上には、温度補正回路や通電位相が固定される専用の駆動ICに代わり、様々な条件に応じてきめ細かい制御が可能なマイコンを用いる必要がある。マイコンを用いる場合は、回路が大型になる。回路が大型になるとポンプへの搭載ができないという課題があった。
また、ポンプのブラシレスDCモータの巻線温度を検出しないか、あるいは巻線温度の検出精度が低いために温度保護レベルを予め低く設定してポンプを動作させるなど、ポンプ最大出力に対して余裕を持たせて使用していた。
ゴミ詰まりによりポンプが停止した場合は、ポンプを給湯装置から取り外して分解するなどメンテナンスの手間がかかっていた。
さらに、ポンプは左右回転用が存在し、駆動回路の標準化が図られていなかった。
この発明は、上記のよう課題を解決するためになされたもので、水温度上昇時における給湯装置用ポンプ内の水温度上昇及びポンプのブラシレスDCモータの巻線温度上昇に伴う回路破壊防止、ポンプ効率向上、ポンプ小型化を図ることができる給湯装置を提供することを目的とする。
この発明に係る給湯装置は、冷媒と水、または水同士とが熱交換を行う熱交換器と、水を貯留するタンクと、水を循環し、ブラシレスDCモータが搭載されたポンプと、ポンプを制御し、ポンプ外部に設けられる制御回路とを備え、制御回路は、ブラシレスDCモータを磁極位置検出センサレス制御、且つ回転速度に応じた最適な通電位相にて駆動することを特徴とする。
この発明の給湯装置は、制御回路をポンプ外部に設け、ブラシレスDCモータを磁極位置検出センサレス制御、且つ回転速度に応じた最適な通電位相にて駆動することにより、ポンプ内の水温度やブラシレスDCモータの巻線温度の上昇に伴う回路破壊防止、ポンプ効率向上、ポンプ小型化という効果がある。
実施の形態1.
図1乃至図6は実施の形態1を示す図で、図1は給湯装置100の構成図、図2はポンプの断面図、図3は温度検出部30付近の構造図、図4は駆動回路のブロック図、図5はブラシレスDCモータを120度通電方式で駆動したときの1相分の電圧波形を示す電圧波形図、図6はブラシレスDCモータの各回転速度における通電位相とモータ入力電力との関係を示す図である。
図1に示すように、給湯装置100は、図示しない圧縮機、熱交換器3等で構成される冷媒回路5と、タンク1、ポンプ2、熱交換器3等で構成される水回路4と、ポンプ2を制御する制御回路9とを備える。
制御回路9は、水回路4の温度を検出する温度検出回路6、温度検出回路6からの検出温度信号により水の流量を制御する流量制御回路7、ポンプ2を駆動する駆動回路8を備える。制御回路9は、ポンプ2外部に設置される。
図2を用いてポンプ2の構成を説明する。図2に示すように、ポンプ2は、ステータ部17と、ロータ部21と、ポンプ部26と、軸27とを備える。軸27は固定されていて、その周囲をロータ部21が回転する。
先ず、ステータ部17の構成を説明する。ステータ部17は、複数の所定の形状に打ち抜いた電磁鋼板を積層して形成される略ドーナッツ形状の鉄心10と、この鉄心10のスロット(図示せず)にインシュレータ12(絶縁部材)を介して挿入される巻線11と、リード線14を接続した回路基板13と、略釜形状の第1のケーシング15とを備える。回路基板13は、ステータ部17の一方の軸方向端部(反ポンプ部26側)付近に配置される。略釜形状の第1のケーシング15の凹部に、ロータ部21が収まる。また、第1のケーシング15の凹部の略中央部に、軸27が嵌る軸孔15aを形成されている。尚、軸27は回転しないように、軸孔15aに嵌合している。そのために、軸孔15aに嵌合する軸27の円形の一部を切り欠いている。軸27のポンプ部26側端部も同じ形状にしている(長手方向が中央部に対して対称)。これは、ポンプ2の組立性を向上させるためである。軸孔15aも軸27とほぼ同形状で、軸27の径より一回り大きい径となっている。
ステータ部17は、巻線11を巻いた鉄心10と、回路基板13と、第1のケーシング15とをモールド樹脂16を用いて一体に成型される。ステータ部17の外郭はモールド樹脂16にて形成されている。
ロータ部21は、略中心部に軸受18を備える。軸受18の外側に、樹脂製のホイール19が配置される。さらに、ホイール19に外側に、磁石部20が設けられる。磁石部20は、フェライト等の磁性粉末と樹脂を混練して成形し、着磁されている。
ステータ部17と、ロータ部21とで、例えば、ブラシレスDCモータを構成する。
ポンプ部26は、吸水口22、吐出口23を有する第2のケーシング24と、羽根車25とを備える。水回路4は、吸水口22と吐出口23とに接続される。
軸27は、ロータ部21の軸受18とワッシャー28との穴部を貫通する。そして、軸27は、両端を第1のケーシング15及び第2のケーシング24で挟み込んで固定される。羽根車25を固定したロータ部21は、軸27の周囲に回転自在に配置される。尚、軸27のポンプ部26側端部も、ワッシャー28を介して第2のケーシング24の軸孔24aに嵌合する。
第1のケーシング15と第2のケーシング24とで囲まれる空間は水回路4の水(湯)で満たされる。そのため、ロータ部21、羽根車25、軸27、ワッシャー28はポンプ2を流れる水(湯)に触れる構造となっている。ポンプ2は、ポンプ2内部を流れる水がブラシレスDCモータのロータ部21に接するキャンド方式である。
図3に示すように、回路基板13には、サーミスタなどの温度検出部30が実装されている。温度検出部30を、封止樹脂29で封止する。そして、封止樹脂29の一部が巻線11に接し、その周囲はモールド樹脂16にて覆われている。
温度検出部30は、温度係数を持つ半導体などでもよい。温度検出部30と巻線11との間の熱抵抗を低くして巻線11の温度検出精度を高めるため、封止樹脂29の熱伝導率は、モールド樹脂16の熱伝導率に比べて高くしている。
ここでは、温度検出部30を回路基板13に実装しているが、回路基板13がなく巻線11に直接取り付ける構造としてもよい。
図4により、駆動回路8の構成を説明する。図4において、パワー回路31は、IGBT、MOS−FETなどのトランジスタとダイオードとを並列接続し、更にこれらを直列接続したアームを複数備え、商用電源の交流100V又は200Vを整流して得られる140V又は280Vの直流が入力される電源入力部と、インバータ出力部とを備えている。ブラシレスDCモータは3相電源で駆動されるため、パワー回路31のインバータ出力部は、3相の出力がそれぞれの巻線11に接続されている。
位置検出回路32は、パワー回路31のインバータ出力部に接続され、ロータ部21における磁石部20の磁極位置を検出する。波形生成回路33は、インバータ波形を生成する。波形生成回路33は、位置検出回路32から位置検出信号、流量制御回路7から速度指令信号が入力し、パワー回路31にインバータ駆動するためのPWM(Pulse Width Modulation)信号を出力する。このように、駆動回路8は、パワー回路31、位置検出回路32、波形生成回路33を備える。
図5において、電圧波形は、PWM又は連続通電となる通電区間A、環流区間B、非通電時に巻線に現れる誘起電圧発生区間Cを示す。Vrefは基準電圧、ZCはゼロクロスタイミングである。
次に動作について説明する。
図1を参照しながら、冷媒と水の熱交換、水循環について説明する。流量制御回路7から速度指令信号が駆動回路8に出力されると、駆動回路8はポンプ2内のブラシレスDCモータを駆動し、ポンプ2の動作により水回路4内の水が流れる。速度指令信号に応じてブラシレスDCモータの回転速度を可変させ、ポンプ2による水の流量制御が行われる。ポンプ2の停止も速度指令信号にて行う。
ここで流量制御回路7には、温度検出回路6からの検出温度信号が入力され、巻線11の温度が設定値を超えた場合には、ポンプ2の出力を低下させるよう駆動回路8に速度指令信号を出力する。駆動回路8は、巻線11を保護するため、巻線11の温度が設定値以下となるように電流を低下させてポンプ2を駆動する。設定値は、耐熱温度の異なる各種巻線11に対応するため可変可能とする。
ポンプ2の動作により水回路4内を流れるタンク1からの水と、圧縮機搭載熱源機などからの冷媒回路5内を流れる高温高圧の冷媒とは、熱交換器3において熱交換が行われ、水が加熱される。
また、流量制御回路7は、水回路4内の水温等に応じた流量制御や停止するための速度指令信号を駆動回路8へ出力する。
次に、図2によりポンプ2の動作について説明する。リード線14を介して駆動回路8に接続されたブラシレスDCモータは、通電により巻線11に電流が流れ、磁石部20との間にトルクが発生するので速度指令信号に応じた速度で回転する。このとき水は、ロータ部21及び羽根車25の回転により、第2のケーシング24の吸水口22から流入し羽根車25を通って吐出口23から排出される。
次に図3にて温度検出回路6における温度検出部30の動作について説明する。巻線11の温度は、封止樹脂29を介して温度検出部30に伝わり、温度検出回路6にて検出できる。ステータ部17をモールド樹脂16にて成形する。巻線11と温度検出部30との間の熱抵抗は、空気に比べてモールド樹脂16の方が低くなる。モールド樹脂16に比べて封止樹脂29は高い熱伝導率の樹脂材料を用いているため、封止樹脂29がなくモールド樹脂16のみ場合に比べて、巻線11と温度検出部30間の熱抵抗を更に低くすることができる。それにより、第1のケーシング15内を流れる水温度の影響も非常に小さくなり、より精度の高い温度検出が可能となる。
次に図4、図5、図6により、駆動回路8の動作について説明する。
位置検出回路32は、磁石部20の磁極位置を検出するため、誘起電圧発生区間Cにおける巻線11に誘起される誘起電圧と基準電圧Vrefとを比較して、交差するゼロクロスタイミングZCを位置検出信号として波形生成回路33に出力する。
波形生成回路33は、位置検出信号に応じて3相の各巻線への通電タイミングを設定するとともに速度指令信号の入力に応じたPWM信号を生成、出力し、パワー回路31内のトランジスタを駆動する。パワー回路31のインバータ出力部は巻線11に電気角度120度に相当する通電区間Aにて電圧を印加することにより、矩形波電流が流れロータ部21及び羽根車25が回転する。
ブラシレスDCモータは、巻線11のインダクタンスの影響により電流位相が遅れるため、その分通電タイミングを早めることにより、少ないモータ電流、低いモータ入力電力で駆動することができる。
図6は、通電タイミングを変えて通電位相を変化させた場合のモータ入力電力Pの変化を示している。ブラシレスDCモータの回転速度N1、N2、N3において、それぞれa点、b点、c点で、最もモータ入力電力が低くなるため、ポンプ2を高効率で駆動できる。それぞれの回転速度は、N3>N2>N1の関係を満たし、回転速度によりモータ入力電力が最小となる通電位相は異なることから、回転速度に応じた最適な通電位相に制御する。
このように波形生成回路33は、発生トルクを大きく、電流値を低くしてモータ入力電力を低くするよう最適な通電タイミングにて電圧を出力する。ポンプ2内にホール素子等の磁極位置検出回路を搭載した場合のように、水温度や巻線11の温度の影響による温度特性変化にて磁極位置検出位置が変化し、最適な通電位相からずれることで生じるブラシレスDCモータの入力増加による効率悪化、ポンプ効率の悪化はなくなる。
また、ポンプ2のゴミ詰まりにてモータ拘束状態となる場合があるが、一旦逆回転することによりゴミをポンプ2外に吐き出してモータ拘束状態から脱出する。磁極位置検出センサレス制御のため、ポンプ2の逆回転はインバータ出力部の相順を変えるなど、制御にて容易に切り替えられる。羽根車25は、正回転または逆回転用で形状が異なる。制御にて正回転または逆回転が容易に切り替えられるので、正回転または逆回転用の2種類のポンプ駆動回路を準備する必要はない。
以上のように、ブラシレスDCモータを磁極位置検出センサレス制御である120度通電方式にて最適な通電タイミングにて駆動しているので、ポンプ2内の水温度やモータ巻線温度の変化や、各回転速度においてもポンプ2を高効率に運転することができる。
ブラシレスDCモータの駆動回路8をポンプ2に内蔵せず外部に設置したので、ポンプ2内の水温度上昇や巻線11の温度上昇に伴う駆動回路8のトランジスタ、ダイオードなどのパワー回路31の熱破壊防止が図れるとともに、ホール素子等の温度特性を補正する温度補正回路設置に伴う回路大型化、ポンプ2の大型化を防止することができる。
巻線11と温度検出部30との間をモールド樹脂16より高い熱伝導率の封止樹脂29を用いて高精度の温度検出を可能としたので、巻線11の耐熱温度を上げることによるコストアップ抑制、温度保護レベルの設定値を上げることによる大型ポンプ使用の防止及び使用水温の上限拡大が可能となる。温度検出部30が、表面実装部品、巻線11と離れた位置に実装されている、モールド樹脂16の熱伝導率が高い場合などにはより高い効果が得られる。温度保護レベルの設定値を可変としたので、耐熱温度の異なる巻線11を用いたモータにも容易に対応できる。
ポンプ2を逆回転するようにしたので、ポンプ2のゴミ詰まりによる一時的なモータ拘束状態から脱出することができる。ポンプ2は制御のみによる正逆回転が可能となったので、駆動回路8の標準化が図れる。
給湯装置内の水を加熱する時に使用するポンプ2への適用例を示したが、給湯装置の水を利用して風呂水を加熱(追い炊き)する時に使用するポンプ2でも同様の効果が得られる。この場合、熱交換器3では、水同士が熱交換を行う。
実施の形態2.
以上の実施の形態1では、ブラシレスDCモータを120度通電方式による磁極位置検出センサレス制御したものであるが、次に正弦波通電方式による磁極位置検出センサレス制御する実施の形態を示す。駆動回路8以外の構成は実施の形態1と同様である。
図7は実施の形態2を示す図で、駆動回路8の別の構成図である。
図7において、パワー回路31は、IGBT、MOS−FETなどのトランジスタとダイオードとを並列接続し、更にこれらを直列接続したアームを複数備える。商用電源の交流100V又は200Vを整流して得られる140V又は280Vの直流が入力される電源入力部と、インバータ出力部とを備えている。
ブラシレスDCモータは3相電源で駆動されるため、パワー回路31のインバータ出力部は、3相の出力がそれぞれの巻線11に接続されている。電流検出回路34は、パワー回路31のインバータ出力部を流れる電流を検出する。電流検出回路34は、カレントトランスなどを備える。ここではインバータ出力部の電流検出を示すが、電源入力部を流れる電流を検出する構成でもよい。波形生成回路33はインバータ波形を生成する。
電流検出回路34から電流情報、流量制御回路7から速度指令信号を入力し、パワー回路31にインバータ駆動するためのPWM(Pulse Width Modulation)信号を出力する。ここで、駆動回路8は、パワー回路31、電流検出回路34、波形生成回路33から構成される。
次に、図6及び図7により、駆動回路8の動作について説明する。
波形生成回路33は、電流検出回路34からの電流情報をブラシレスDCモータのトルクに比例するトルク電流成分と、磁束量に比例する励磁電流成分とに分離して扱うベクトル制御を行っており、速度指令信号を入力し、PWM信号を生成、出力してパワー回路31内のトランジスタを駆動する。この方式は、180度の通電区間を設けている。
パワー回路31のインバータ出力部は、基本波成分が正弦波となる電圧を180度区間出力することにより、巻線11に正弦波電流が流れロータ部21及び羽根車25が回転する。正弦波電流は、トルクに寄与しない高調波電流成分がないため、鉄心10の鉄損が低減し、トルクリップルも小さい。
波形生成回路33は、ブラシレスDCモータの発生トルクを大きく、巻線11に流れる電流値を低くするよう回転速度に応じた最適な通電位相に制御している。
120度通電方式に比べて、回転速度の高い領域においては電圧飽和による回転速度の限界を上げる、回転速度の低い領域においては誘起電圧が小さく位置検出ができない範囲まで回転速度を低下させる、など広い運転範囲で速度制御が可能であり、ポンプ2による流量制御範囲が拡大する。
ポンプ2内にホール素子等の磁極位置検出回路を搭載した場合のように、水温度や巻線11の温度の影響による温度特性変化にて磁極位置検出位置が変化し、最適な通電位相からずれることで生じるブラシレスDCモータの入力増加による効率悪化、ポンプ効率の悪化もなくなる。
また、磁極位置検出センサレス制御のため、ポンプ2の逆回転はインバータ出力部の相順を変えるなど、制御にて容易に切り替えられる。羽根車25は、正回転または逆回転用で形状が異なるが、制御にて正回転または逆回転が容易に切り替えられるので、2種類のポンプ駆動回路を準備する必要はない。
インバータ制御方式は、ベクトル制御以外の磁極位置検出回路を不要とする制御方法でも可能である。
以上のように、ブラシレスDCモータを磁極位置検出センサレス制御である正弦波駆動方式、且つ回転速度に応じた最適な通電位相にて駆動しているので、水温やモータ巻線温度の温度変化、各回転速度においてもポンプ2を高効率に運転することができる。電流を正弦波電流にしているので高調波成分低減による鉄心10での鉄損低減が図れ、ポンプ2及び給湯装置を高効率運転することができる。また、トルクリップルが低いため、ブラシレスDCモータを低騒音、低振動に駆動できるため、ポンプ2及び給湯装置の低騒音及び低振動化が可能となる。
ブラシレスDCモータの駆動回路8をポンプ2の外部に設置したので、水温度や巻線11の温度の上昇に伴う駆動回路8のトランジスタ、ダイオードなどのパワー回路31の熱破壊防止が図れるとともに、ホール素子等の温度特性を補正する温度補正回路設置に伴う回路大型化、ポンプ2の大型化を防止することができる。
ブラシレスDCモータをベクトル制御にて低速から高速回転までの広い運転範囲において回転速度に応じた最適な通電位相に制御しているので、広い運転範囲に渡ってポンプ2及び給湯装置を高効率運転することができる。また、小型から大型の給湯装置への適用、逆回転化による多くのポンプへの適用により回路標準化が図れる。
巻線11と温度検出部30との間をモールド樹脂16より高い熱伝導率の封止樹脂29を用いて高精度の温度検出を可能としたので、巻線11の耐熱温度を上げることによるコストアップ抑制、温度保護レベルの設定値を上げることによる大型ポンプ使用の防止及び使用水温の上限拡大が可能となる。温度検出部30が、表面実装部品、巻線11と離れた位置に実装されている、モールド樹脂16の熱伝導率が高い場合などにはより高い効果が得られる。温度保護レベルの設定値を可変したので、耐熱温度の異なる巻線11を用いたモータにも容易に対応できる。
ポンプ2を逆回転するようにしたので、ポンプ2のゴミ詰まりによる一時的なモータ拘束状態から脱出することができる。ポンプ2は制御のみによる正逆回転が可能となったので、駆動回路8の標準化が図れる。
給湯装置内の水を加熱する時に使用するポンプ2への適用例を示したが、給湯装置の水を利用して風呂水を加熱(追い炊き)する時に使用するポンプ2でも同様の効果が得られる。
本発明の活用例として、給湯装置内の水を加熱する時に使用するポンプ2への適用例を示したが、給湯装置の水を利用して風呂水を加熱(追い炊き)する時に使用するポンプ2や、家庭用ポンプなどに利用可能である。
実施の形態1及び実施の形態2を示す図で、給湯装置100の構成図。 実施の形態1及び実施の形態2を示す図で、ポンプの断面図。 実施の形態1及び実施の形態2を示す図で、温度検出部30付近の構造図。 実施の形態1を示す図で、駆動回路のブロック図。 実施の形態1を示す図で、ブラシレスDCモータを120度通電方式で駆動したときの1相分の電圧波形を示す電圧波形図。 実施の形態1及び実施の形態2を示す図で、ブラシレスDCモータの各回転速度における通電位相とモータ入力電力との関係を示す図。 実施の形態2を示す図で、駆動回路8の別の構成図である。
符号の説明
1 タンク、2 ポンプ、3 熱交換器、4 水回路、5 冷媒回路、6 温度検出回路、7 流量制御回路、8 駆動回路、9 制御回路、10 鉄心、11 巻線、12 インシュレータ、13 回路基板、14 リード線、15 第1のケーシング、15a 軸孔、16 モールド樹脂、17 ステータ部、21 ロータ部、22 吸水口、23 吐出口、24 第2のケーシング、24a 軸孔、25 羽根車、26 ポンプ部、27 軸、28 ワッシャー、29 封止樹脂、31 パワー回路、32 位置検出回路、33 波形生成回路、34 電流検出回路、100 給湯装置。

Claims (5)

  1. 冷媒と水、または水同士とが熱交換を行う熱交換器と、水を貯留するタンクと、水を循環し、ブラシレスDCモータが搭載されたポンプと、前記ポンプを制御し、該ポンプ外部に設けられる制御回路とを備え、
    前記制御回路は、前記ブラシレスDCモータを磁極位置検出センサレス制御、且つ回転速度によりモータ入力電力が最小となる通電位相にて駆動すると共に、
    前記ブラシレスDCモータの巻線近傍に温度検出部を配置し、前記温度検出部の出力が設定値以下となるよう前記ブラシレスDCモータに流れる電流を低下させてポンプを駆動し、
    前記ブラシレスDCモータは、ロータ部及びステータ部を備え、前記ステータ部及び前記温度検出部をモールド樹脂成形しており、
    前記温度検出部と前記ブラシレスDCモータの巻線との間を、前記モールド樹脂より熱伝導率の高い封止樹脂にて封止したことを特徴とする給湯装置。
  2. 前記ポンプは、ポンプ内部を流れる水がブラシレスDCモータのロータ部に接するキャンド方式であることを特徴とする請求項1記載の給湯装置。
  3. 前記制御回路は、前記ブラシレスDCモータの巻線誘起電圧を検出して磁極位置検出センサレス制御にて、前記ブラシレスDCモータを駆動することを特徴とする請求項1又は請求項2記載の給湯装置。
  4. 前記制御回路は、前記ブラシレスDCモータの巻線電流を検出して磁極位置検出センサレス制御にて、前記ブラシレスDCモータを駆動することを特徴とする請求項1又は請求項2記載の給湯装置。
  5. 前記制御回路に正回転及び逆回転機能を備えたことを特徴とする請求項1乃至のいずれかに記載の給湯装置。
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