JP6865615B2 - 貯湯発電システム - Google Patents

Description

本発明は、貯湯ユニットと燃料電池ユニットとが併設された貯湯発電システムであって、特に、熱交換器内の析出物発生状況を監視するための貯湯発電システムに関するものである。

貯湯発電システムは、貯湯ユニットと燃料電池ユニットとが併設され、さらにバックアップ熱源システムが付加される場合がある。

貯湯ユニットの貯湯タンクに貯留された水（温水）は、燃料電池ユニットでの発電時に燃料電池スタックから排出される熱を熱交換器によって回収することで加熱される。

この際、貯湯タンクから出て、熱交換器を通り、再び貯湯タンク内に戻る熱回収水の流量は、熱を回収される側の燃料電池ユニットの燃料電池スタックの冷却水が所定の温度まで下がるように、熱回収水ポンプにより制御されている。

特許文献１には、電力を充放電する蓄電池と、蓄電池の電力を使用及び供給する電力接続手段と、温水を貯湯する貯湯タンクと、貯湯タンクへ給水する給水管と、蓄電池から発生した熱を給水管内の水に伝える熱交換手段と、給水管から貯湯タンクへの給水を調整する給水弁とを備え、蓄電池の充放電に伴う発熱による温度上昇を抑え、給水する水を温めることが記載されている。

特開２０１２−８３０４１号公報

熱回収水は、上水（水道水）を用いているが、水道水の硬度成分が多ければ多いほど、カルシウム系の析出物（以下、スケールという場合がある）として熱交換器内の熱回収水経路側で析出する場合がある。

スケールの析出によって熱交換器の管路の閉塞が起こると、経時的に熱回収水ポンプの回転数（又は操作量）が大きくなり、しきい値を超えると異常となり警報が発令され、運転が停止する。

また、燃料電池ユニットの燃料電池スタックの冷却水が所定温度まで下がらない場合、或いは、熱回収水が所定温度まで上がらない場合でも、異常となり警報が発令され、運転が停止する。

本発明は上記事実を考慮し、熱交換器の管路が析出物によって閉塞状態となる前に析出物を除去して、運転停止を回避することができる貯湯発電システムを得ることが目的である。

本発明は、供給された水を加熱して給湯設備で利用する温水として貯留する貯湯タンクを備えた貯湯ユニットと、原料ガスを利用して発電する燃料電池ユニットとが併設された貯湯発電システムであって、前記燃料電池ユニットでの発電の際に発生する熱で加熱された流体が流動する放熱流路部と、前記貯湯タンク内の水が流動する受熱流路部とを備え、放熱流路部の熱で受熱流路部内の水を加熱する熱交換装置と、前記放熱流路部及び前記受熱流路部の少なくとも一方を循環する流体の状態を示すファクタに基づいて、前記受熱流路部が閉塞される前に前記受熱流路部の内方に堆積する析出物の析出量を予測する予測手段と、前記予測手段によって予測された前記析出物の析出量が前記受熱流路部を閉塞する可能性があると判断した場合に、前記受熱流路部を流れる水の流量及び圧力の少なくとも一方を通常運転とは異なる値に調整して、受熱流路部の内方に堆積する析出物を取り除く析出物洗浄制御手段と、を有し、前記予測手段が、前記受熱流路部の流体を流動させるポンプの実回転数、前記放熱流路部の流体の温度、前記受熱流路部の流体の温度、前記受熱流路部を流動する流体の流量の何れか１つのファクタ、又は２以上組み合わせたファクタによって前記析出物の析出量を予測すると共に、組み合わせたそれぞれのファクタの精度に優先順位を付けて判断する、組み合わせたそれぞれのファクタに重みを付けて判断する、又は、前記析出物の堆積の存在を示すファクタの数で判断する、貯湯発電システムである。

本発明によれば、熱交換装置は、燃料電池ユニットでの発電の際に発生する熱で加熱された流体が流動する放熱流路部と、貯湯タンク内の水が流動する受熱流路部とを備える。熱交換装置では、放熱流路部の熱で受熱流路部内の水を加熱する。これにより、貯湯タンク内の水を燃料電池ユニットでの発電によって発生する熱で加熱することができる。

ここで、特に、熱交換装置の受熱流路部では、例えば、加熱されることで、析出物が発生する。例えば、水の硬度が高いほど析出物が多くなり、受熱流路部の内面に付着し、堆積されていく。

そこで、析出物洗浄制御手段では、受熱流路部を流れる水の流量又は圧力を調整して、受熱流路部の内方に堆積する析出物を取り除く。これにより、析出物の堆積で、受熱流路部の内方が閉塞されるという最悪の事態（運転停止）を回避することができる。

本発明において、前記析出物洗浄制御手段の実行中は、熱交換装置に関する警報機能を遮断する、又は異常となる判定レベルを緩和することを特徴とする。

通常運転時の警報機能を抑制することができる。

本発明において、前記析出物洗浄制御手段による洗浄モードとして、前記貯湯タンクへ外部から水を供給し続け、かつ前記熱交換装置の受熱流路部から吐出された水を、外部へ排出する排水モードと、前記貯湯タンクに貯留された水を、前記熱交換装置の受熱流路部を介して循環させる循環モードと、の少なくとも１つのモードが設定され、設定された洗浄モードに従って、水の流動を制御することを特徴とする。

例えば、排水モードであれば、水の消費量は多いが、貯湯タンク内の水温が変化することはなく、また温度層が乱れることがない。また、受熱流路部から取り除かれた析出物をそのまま外部に排出することができる。一方、循環モードであれば、水の消費量を少なくすることができる。なお、洗浄モードは、排水モード及び循環モードが併設される必要はなく、何れか一方の洗浄モードが具備されていればよい。

本発明において、前記循環モードによる洗浄処理は、一定時間をあけて間欠的に実行されることを特徴とする。

循環モードの場合、貯湯タンク内の温度層が乱れる場合がある。そこで、循環モードによる洗浄処理は、一定時間をあけて間欠的に実行することで、貯湯タンク内に形成される温度層を維持することができる。

本発明において、前記燃料電池ユニットでの余剰の発電量を消費する余剰ヒータをさらに有し、前記析出物洗浄制御手段が、システム休止中、かつ前記循環モードで実行される場合に、前記余剰ヒータを稼働することを特徴とする。

析出物洗浄制御を、システム休止中、かつ循環モードで実行すると、燃料電池ユニットでの発電がないため、貯湯タンク内の温度が低下する可能性がある。そこで、余剰ヒータを稼働することで、貯湯タンク内の温度低下を抑制することができる。

本発明において、前記析出物の堆積量が、予め定めたしきい値を超えた場合に、前記析出物洗浄制御手段を起動させるように指示する指示手段をさらに有することを特徴とする。

析出物洗浄制御の実行時期として、定期的、或いは手動で指示したとき等、特に限定されるものではないが、例えば、析出物の堆積量が、予め定めたしきい値を超えた場合に自動的に実行するようにすれば、必要最小限の洗浄制御で、析出物による受熱流路部の内方の閉塞といった最悪の事態（運転停止）を回避することができる。

以上説明した如く本発明では、熱交換器の管路が析出物によって閉塞状態となる前に析出物を除去して、運転停止を回避することができる。

本実施の形態に係る給湯発電設備を管理する貯湯発電システムの概略図である。 本実施の形態に係る貯湯発電制御装置の制御ブロック図である。 本実施の形態に係る貯湯発電システムの配管図である。 本実施の形態に係るスケール検出制御に適用される各ファクタのしきい値を補正するための特性図であり、（Ａ）は給水温度−しきい値特性図、（Ｂ）は時間−しきい値特性図、（Ｃ）は運転動作状態に基づくしきい値設定する特性図、（Ｄ）は発電電力−しきい値特性図である。 本実施の形態に係るスケール洗浄制御における排水モードの水の流れを示す配管図である。 本実施の形態に係るスケール洗浄制御における循環モードの水の流れを示す配管図である。 本実施の形態に係り、システム運転中におけるスケール検出制御ルーチンを示すフローチャートである。 本実施の形態に係るしきい値補正制御ルーチンを示すフローチャートである。 本実施の形態に係り、システム運転中におけるスケール洗浄制御ルーチンを示すフローチャートである。

図１には、本実施の形態に係る貯湯発電システム１１の概略図が示されている。貯湯発電システム１１は、貯湯ユニット１０と燃料電池ユニット１２とが併設されたシステムである。なお、併設とは、物理的に隣接していることに限定するものではなく、相互に連携しあうことを意味する。すなわち、貯湯ユニット１０と燃料電池ユニット１２とが離間した状態で設置され、配管等で連結するようにしてもよい。

貯湯発電システム１１は、貯湯発電制御装置１４を備えており、貯湯発電制御装置１４では、貯湯ユニット１０と燃料電池ユニット１２とから運転状態を監視する情報（温度やポンプ回転数、流量等）を得て、発電状態及び給湯状態を制御する。なお、貯湯発電制御装置１４は、貯湯ユニット１０側と燃料電池ユニット１２側とで独立した制御装置として配備してもよいし、さらに、独立した制御装置をサブコントローラとして位置付けて、その上位制御装置（メインコントローラ）を設けてもよい。

燃料電池ユニット１２では、発電する際に発熱するため、冷却する必要がある。

一方、貯湯ユニット１０では、貯湯タンク１８内に水道水等を取り入れ（給水し）、給湯用又は冷暖房用として利用するため、加熱（加温）する必要がある。

そこで、燃料電池ユニット１２による発熱を、貯湯タンク１８内に給水した水を加熱することで、相互の要求に適した処理を実現している。

（貯湯発電制御装置１４の構成）

図２に示される如く、貯湯発電制御装置１４は、ＣＰＵ２０、ＲＡＭ２２、ＲＯＭ２４、Ｉ／Ｏ２６、及びこれらを接続するデータバスやコントロールバス等のバス２８で構成されたマイクロコンピュータ３０を備える。

Ｉ／Ｏ２６には、リモコンパネル３２が接続されている。リモコンパネル３２は、貯湯発電システム１１が設置される対象の家屋の内部に設置され、利用者が貯湯発電システム１１に関して指令を入力したり、貯湯発電システム１１の状態を表示する機能を有する。 また、Ｉ／Ｏ２６には、貯湯タンク１８に貯留された温水の温度を検出する複数のサーミスタ３４（総称）が接続されている。

（サーミスタの配置構成）

図１に示される如く、貯湯タンク１８内の水温は、大きく分類して４層の温度領域を形成している。

水は、自然安定状態で温度が高いほど上層となる。一方、貯湯タンク１８の水は、貯湯タンク１８の下部に取り付けられた給水管（図示省略）から取り込む。このため、貯湯タンク１８内の水温は、最上層の第１層１８Ａが最も温度が高く（高温）、以下、下層（第２層１８Ｂ及び第３層１８Ｃ）に行くに従い温度が低くなり（中高温、中低温）、最下層の第４層１８Ｄが最も温度が低い（低温）。

第１層１８Ａ〜第４層１８Ｄの各層には、それぞれサーミスタ３４が取り付けられており、各層の温度を検出している。より詳しくは、サーミスタ３４は、高温検出用サーミスタ３４Ａ、中高温検出用サーミスタ３４Ｂ、中低温検出用サーミスタ３４Ｃ、及び低温検出用サーミスタ３４Ｄを備えている。

第１層１８Ａには高温検出用サーミスタ３４Ａが設置され、第２層１８Ｂには中高温検出用サーミスタ３４Ｂが設置され、第３層１８Ｃには中低温検出用サーミスタ３４Ｃが設置され、第４層１８Ｄには低温検出用サーミスタ３４Ｄが設置されている。

サーミスタ３４は、貯湯発電制御装置１４に接続されており、各層の温度を監視することで、水道水の給水時期や給水量等を制御すると共に、燃料電池ユニット１２の貯湯発電制御装置１４へ、貯湯タンク１８内の温度情報を送出する。

貯湯発電制御装置１４では、貯湯タンク１８が満タン状態（全ての層で上限温度となった状態）以外は、発電を実行し、当該発電によって発生した熱を、熱交換器３６（図３参照）によって、貯湯ユニット１０の貯湯タンク１８に貯留された水を加熱する。言い換えれば、貯湯タンク１８が満タン状態の場合は、燃料電池ユニット１２からの放熱を回避するべく、発電を中断する。

図３は、貯湯ユニット１０と燃料電池ユニット１２との間で、熱交換器３６によって熱交換処理を実行するための配管図が示されている。

図３に示される如く、熱交換器３６には、４個のポート３８、４０、４２、４４が設けられている。ポート３８、４０、４２、４４は、図３の状態で、それぞれ四角形の頂点（角部）に位置している。なお、熱交換器３６の構造によって、ポート３８、４０、４２、４４の配置構成は変更される得るため、図３の配置状態に限定されるものではないが、本実施の形態では、図３に示す位置関係で各ポート３８、４０、４２、４４を特定することとする。

（貯湯ユニット１０側配管構成）

熱交換器３６における、図３の左上に位置するポート３８には、一端部が貯湯タンク１８の入口ポート１８ＩＮに接続される熱回収水供給用配管４６の他端部が接続されている。

熱回収水供給用配管４６には、第１温度センサ４８が取付けられている。第１温度センサ４８の信号線４８Ａは、貯湯発電制御装置１４のＩ／Ｏ２６（図２参照）に接続され、熱回収水供給用配管４６内の水の温度を検出した検出信号は、貯湯発電制御装置１４に取り込まれるようになっている。

熱回収水供給用配管４６における、第１温度センサ４８の下流側には、分岐路としての排水配管５０が接続されている。熱回収水供給用配管４６と排水配管５０との分岐点には、三方弁５２が取り付けられている。

三方弁５２の信号線５２Ａは、貯湯発電制御装置１４のＩ／Ｏ２６（図２参照）に接続され、貯湯発電制御装置１４からの指令により、熱交換器３６のポート３８から排出される水を、貯湯タンク１８へ送るか、排水するかの切り替え動作が制御される。

熱回収水供給用配管４６における、三方弁５２と貯湯タンク１８の入口ポート１８ＩＮとの間には、フィルタ５４が介在されている。フィルタ５４は、熱回収水供給用配管４６内を流れる水に含まれる不純物（例えば、析出物）を取り除く機能を有する。

貯湯タンク１８には、給水ポート１８Ｅが設けられており、給水ポート１８Ｅには、上水、例えば水道水を取り入れるための給水配管５６の一端部が接続されている。給水配管５６には、切替弁５８が介在されている。

切替弁５８の信号線５８Ａは、貯湯発電制御装置１４のＩ／Ｏ２６（図２参照）に接続され、貯湯発電制御装置１４からの指令により、水道水を貯湯タンク１８へ取り込むか否かの切り替え動作が制御される。

熱交換器３６における、図３の右下に位置するポート４０には、一端部が貯湯タンク１８の出口ポート１８ＯＵＴに接続される熱回収水送出用配管６０の他端部が接続されている。

熱回収水送出用配管６０には、貯湯タンク１８から送出される水の流れに沿って上流側から順に、第２温度センサ６２、流量センサ６４、及び熱回収水ポンプ６６が介在されている。また、熱回収水ポンプ６６には、回転数センサ６７が取り付けられている。

第２温度センサ６２の信号線６２Ａ、流量センサ６４の信号線６４Ａ、及び回転数センサ６７の信号線６７Ａは、貯湯発電制御装置１４のＩ／Ｏ２６（図２参照）に接続され、検出信号は、貯湯発電制御装置１４に取り込まれるようになっている。

また、熱回収水ポンプ６６の信号線６６Ａは、貯湯発電制御装置１４のＩ／Ｏ２６（図２参照）に接続されている。熱回収水ポンプ６６は、貯湯発電制御装置１４の指令により駆動され、貯湯タンク１８内の水を、熱回収水送出用配管６０、熱交換器３６内のポート４０とポート３８とを繋ぐ受熱流路部としての受熱配管６８、熱回収水供給用配管４６に沿って循環させる。以下、熱回収水が循環する管路を総称して、熱回収循環路という。

（燃料電池ユニット１２側配管構成）

熱交換器３６における、図３の左下に位置するポート４２には、一端部が燃料電池スタック７０の入口ポート７０ＩＮに接続される冷却水供給用配管７２の他端部が接続されている。

冷却水供給用配管７２には、第３温度センサ７４が接続されている。第３温度センサ７４の信号線７４Ａは、貯湯発電制御装置１４のＩ／Ｏ２６（図２参照）に接続され、冷却水供給用配管７２内の水の温度を検出した検出信号は、貯湯発電制御装置１４に取り込まれるようになっている。

熱交換器３６における、図３の右上に位置するポート４４には、一端部が燃料電池スタック７０の出口ポート７０ＯＵＴに接続される冷却水送出用配管７６の他端部が接続されている。

冷却水送出用配管７６には、燃料電池スタック７０から送出される水の流れに沿って上流側から順に、第４温度センサ７８、余剰ヒータ８０、及び冷却水ポンプ８２が介在されている。

第４温度センサ７８の信号線７８Ａは、貯湯発電制御装置１４のＩ／Ｏ２６（図２参照）に接続され、冷却水送出用配管７６内の水の温度を検出した検出信号は、貯湯発電制御装置１４に取り込まれるようになっている。

また、余剰ヒータ８０の信号線８０Ａ及び冷却水ポンプ８２の信号線８２Ａは、貯湯発電制御装置１４のＩ／Ｏ２６（図２参照）に接続されている。

余剰ヒータ８０は、燃料電池スタック７０での発電の余剰分を消費する必要がある場合に、貯湯発電制御装置１４の指令により動作し、電力を消費する。

また、冷却水ポンプ８２は、貯湯発電制御装置１４の指令により駆動され、冷却水を、冷却水送出用配管７６、熱交換器３６内のポート４４とポート４２とを繋ぐ放熱流路部としての放熱配管８４、冷却水供給用配管７２に沿って循環させる。以下、冷却水が循環する管路を総称して、冷却水循環路という。なお、本実施の形態の熱交換器３６では、内部に受熱配管６８と放熱配管８４（狭義では筒型構造）を配置したが、複数のプレートが積層された間を、例えば交互に受熱流路及び放熱流路とするプレート式熱交換器であってもよい。

ここで、本実施の形態では、熱回収循環路を循環する水は、給水配管５６から供給される上水（水道水）を用いている。

水には、主にカルシウムイオンとマグネシウムイオンが含まれており、１０００ｍＬ（ミリリットル）の水中に溶けているカルシウムとマグネシウムの量を表わした数値を硬度という。

ＷＨＯ（世界保健機関）の基準では、硬度が１２０ｍｇ／Ｌ未満を軟水とし、１２０ｍｇ／Ｌ以上を硬水としている。すなわち、カルシウムとマグネシウムが比較的多く含まれる水が硬水であり、一般的には、硬度０〜１００ｍｇ／Ｌを軟水、１０１〜３００ｍｇ／Ｌを中硬水、３０１ｍｇ／Ｌ以上を硬水に分ける場合がある。

いずれにしても、水の硬度成分が多ければ多いほど、カルシウム系の析出物（スケール）が、熱交換器３６内の受熱配管６８側で析出する。より詳しくは、受熱配管６８の内面に析出物が固着され、これが徐々に積層されることで、受熱配管６８を閉塞状態に至らしめることになる。

このスケールの析出によって熱交換器３６の受熱配管６８の内径の縮小（最終的には閉塞）が起こると、適正な流量を維持するべく、熱回収水ポンプ６６の回転数（又は操作量）が大きくなる傾向となる。受熱配管６８の内部であるため、析出物を直接的に検出することは困難である。

そこで、本実施の形態では、熱回収循環路の循環する水、及び冷却水循環路を循環する水の状態（熱回収水温度、熱回収水流量、熱回収水ポンプ６６の回転数、及び冷却水温度の少なくとも１つ）をファクタとして、予測により、熱交換器３６の受熱配管６８でのスケールの発生を、間接的に検出するようにした（スケール検出制御）。

また、本実施の形態では、上記ファクタを含む予測による検出結果に基づいて、スケールが所定量以上(例えば、厚みが所定厚さ以上)析出し、受熱配管６８の内方空間が閉塞する可能性があると判断した場合に、スケールを取り除くための洗浄を行って、当該受熱配管６８の閉塞による貯湯発電システム１１の運転停止を回避する動作を実行するようにした（スケール洗浄制御）。

以下、スケール検出制御とスケール洗浄制御の詳細について説明する。

（スケール検出制御）

本実施の形態では、貯湯発電システム１１の運転中に、スケール検出制御を実行する。

「熱回収水ポンプ６６の回転数検出」

スケールの状態を予測するファクタとして、熱回収水ポンプ６６の回転数を選択した場合、熱回収水ポンプ６６に取り付けられた回転数センサ６７から、熱回収水ポンプ６６の実回転数を検出する。

回転数センサ６７で検出した回転数情報（検出信号）は、貯湯発電制御装置１４に送出され、予め定めた回転数しきい値と比較され、スケールの発生の有無を判断する。

「冷却水温度検出」

スケールの状態を予測するファクタとして、冷却水温度を選択した場合、第３温度センサ７４の検出信号を適用する。

ここで、第４温度センサ７８は、燃料電池スタック７０を通過した水であるため、燃料電池スタック７０で受ける熱に依存するため、スケール検出精度が低い。このため、第３温度センサ７４によって、熱交換器３６から排出された冷却水供給用配管７２内の水の温度を検出する。なお、第４温度センサによるスケールの状態の予測を否定するものではない。

第３温度センサ７４で検出した温度情報（検出信号）は、貯湯発電制御装置１４に送出され、予め定めた冷却水温度しきい値と比較され、スケールの発生の有無を判断する。

「熱回収水温度検出」

スケールの状態を予測するファクタとして、熱回収水温度を選択した場合、第１温度センサ４８の検出信号を適用する。

ここで、第２温度センサ６２は、貯湯タンク１８を通過した水であるため、貯湯タンク１８で奪われる熱に依存するため、スケール検出精度が低い。このため、第１温度センサ４８によって、熱交換器３６から排出された熱回収水供給用配管４６内の水の温度を検出する。なお、第２温度センサ６２によるスケールの状態の予測を否定するものではない。

第１温度センサ４８で検出した温度情報（検出信号）は、貯湯発電制御装置１４に送出され、予め定めた熱回収水温度しきい値と比較され、スケールの発生の有無を判断する。

「熱回収水流量検出」

スケールの状態を予測するファクタとして、熱回収水の流量を選択した場合、流量センサ６４から、熱回収水送出用配管６０を流れる水の流量を検出する。

流量センサ６４で検出した流量情報（検出信号）は、貯湯発電制御装置１４に送出され、予め定めた流量しきい値と比較され、スケールの発生の有無を判断する。

なお、スケール検出制御に用いるファクタは、熱回収水ポンプ６６の回転数、冷却水温度、熱回収水温度、及び熱回収水流量の少なくとも１つであってもよいし、複数のファクタを組み合わせてもよい。複数のファクタでスケールによる閉塞（異常）の可能性を予測する場合、それぞれで異なる結果が発生する場合がある。このような場合は、精度の優先順位を付けたり、重み付けを行ってもよい。また、所定数のファクタで異常と判定された場合に、最終的に異常としてもよい。

ところで、上記各ファクタ（熱回収水ポンプ６６の回転数、冷却水温度、熱回収水温度、及び熱回収水流量）に設定されるそれぞれのしきい値（回転数しきい値、冷却水温度しきい値、熱回収水温度しきい値、及び流量しきい値）は、各々基準値が設定される。しきい値は、常に一定であってもよいが、例えば、給水配管５６から給水される水道水の温度や、貯湯発電システム１１の経年変化、及び余剰ヒータ８０の動作の有無によって、補正することが好ましい（「補正１」〜「補正４」参照）。

「補正１」

図４（Ａ）は、横軸を給水配管５６から給水される水道水の温度（給水温度）とし、縦軸を各ファクタのしきい値とした場合の特性図であり、給水温度の標準値（例えば、２０℃）に対して設定したしきい値の基準値が設定されている。ここで、何れのファクタにおいても、給水温度が高くなった場合はしきい値をプラス（＋）に補正し、給水温度が低くなった場合はしきい値をマイナス（−）に補正する。

「補正２」

図４（Ｂ）は、横軸を時間とし、縦軸を各ファクタのしきい値とした場合の特性図であり、設定処理時に、しきい値の基準値が設定されている。ここで、時間が経過するにつれて、しきい値をプラス（＋）に補正する。

「補正３」

余剰ヒータ８０が動作中は、燃料電池スタック７０から受ける熱と、余剰ヒータ８０から受ける熱との総和を基準としたしきい値を設定する必要がある。

図４（Ｃ）は、横軸に燃料電池スタック７０のみから熱を受けている場合と、燃料電池スタック７０と余剰ヒータ８０から熱を受けている場合とのしきい値を設定する特性図である。燃料電池スタック７０のみから熱を受けている場合を基準とした場合、燃料電池スタック７０と余剰ヒータ８０から熱を受けている場合は、基準値よりもプラス（＋）に補正する。
「補正４」
図４（Ｄ）は、横軸を発電出力とし、縦軸を各ファクタのしきい値とした場合の特性図であり、発電出力の標準値（例えば、デフォルト電圧）に対して設定したしきい値の基準値が設定されている。ここで、何れのファクタにおいても、発電出力が高くなった場合はしきい値をプラス（＋）に補正し、発電出力が低くなった場合はしきい値をマイナス（−）に補正する。

（スケール洗浄制御）

本実施の形態では、貯湯発電システム１１の運転中に、スケール洗浄制御を実行する。

「排水モード」

図５に示される如く、排水モードでは、貯湯発電制御装置１４（図３参照）は、熱回収水供給用配管４６と排水配管５０とが連通するように三方弁５２の切り替え動作を制御する。

また、貯湯発電制御装置１４は、給水ポート１８Ｅに給水配管５６から水道水が供給されるように切替弁５８の動作を制御する。

給水ポート１８Ｅから水道水が供給されることで、熱回収水循環路には、圧力がかかっており、自動的に排水配管５０から排出される。なお、流量を増やす（水道水の供給量を増やす）ことで、スケールが配管内面から剥がれ易くなる。

また、三方弁５２の弁の開度を制御することで、熱回収水循環路内の圧力が調整可能である。例えば、通常よりも高圧とすることで、スケールが配管内面から剥がれ易くなる。なお、加圧は熱交換器３６を含む配管の耐圧を考慮する必要がある。

「循環モード」

図６に示される如く、貯湯発電制御装置１４（図３参照）は、三方弁５２を通常の状態、すなわち、熱交換器３６のポート３８と貯湯タンク１８の入口ポート１８ＩＮとが連通するように、切替え動作を制御する。ここで、熱回収水循環路内を流れる水の流量を増やすべく、熱回収水ポンプ６６の回転数を上げる。例えば、通常の５倍程度の流量とすることで、スケールが配管内面から剥がれ易くなる。

また、剥がれたスケールは、貯湯タンク１８の入口ポート１８ＩＮよりも上流側に配置されたフィルタ５４によってトラップされるため、スケールが貯湯タンク１８へ侵入することはない。

ところで、スケール洗浄制御では、特に、熱回収水循環路を流れる水の温度、流量、圧力が、通常運転中の適正値に比べて、大きく変動し、循環異常と判定される場合がある。

そこで、本実施の形態のスケール洗浄制御中は、循環異常を判定するセンサ機能を停止させる、或いは、循環異常を判定するしきい値を変更する、といった対策を施すことが好ましい。

また、スケール洗浄制御が、「循環モード」の場合、高い流量の水が貯湯タンク１８へ供給される場合がある。このとき、貯湯タンク１８内の温度層１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄが乱れる可能性がある。そこで、循環モードの実施は、間欠的に実行することが好ましい。

以下に、本実施の形態の作用を説明する。

（スケール検出制御）

図７は、貯湯発電システム１１の運転中に、貯湯発電制御装置１４で実行される、スケール検出制御ルーチンを示すフローチャートである。

ステップ１００では、予め設定されているスケール検出制御対象ファクタを読み出す。例えば、デフォルトとして全てのファクタ（熱回収水ポンプ６６の回転数検出、冷却水温度検出、熱回収水温度検出、及び熱回収水流量検出）を設定しておいてもよい。また、リモコンパネル３２の操作によって、何れか１つを設定してもよい。

次のステップ１０２では、スケール検出制御対象ファクタとして、熱回収水ポンプ６６の回転数検出が設定されているか否かを判定する。ステップ１０２で否定判定された場合は、スケール検出制御対象ファクタとして、熱回収水ポンプ６６の回転数検出が設定されていないと判断し、ステップ１１０へ移行する。

ステップ１０２で肯定判定された場合は、ステップ１０４へ移行して回転数センサ６７から回転数Ｒを検出し、ステップ１０６へ移行する。

ステップ１０６では、しきい値Ｓｒを読み出し、ステップ１０８へ移行して、検出した回転数Ｒとしきい値Ｓｒとを比較する。

このステップ１０８で、Ｒ≦Ｓｒと判定された場合は、熱回収水ポンプ６６の回転数は正常値（スケールが発生していない状態）であると判断し、ステップ１１０へ移行する。

一方、ステップ１０８で、Ｒ＞Ｓｒと判定された場合は、熱回収水ポンプ６６の回転数が異常値を示しており、スケールが発生していることが予測されると判断し、ステップ１３６へ移行する。ステップ１３６では、スケール発生の可能性があることを報知（異常報知）し、次いでステップ１３８へ移行して、スケール洗浄制御の実行を指示し、このルーチンは終了する。

ステップ１１０では、スケール検出制御対象ファクタとして、冷却水温度が設定されているか否かを判定する。ステップ１１０で否定判定された場合は、スケール検出制御対象ファクタとして、冷却水温度が設定されていないと判断し、ステップ１１８へ移行する。

ステップ１１０で肯定判定された場合は、ステップ１１２へ移行して第３温度センサ７４から冷却水温度Ｔ３を検出し、ステップ１１４へ移行する。

ステップ１１４では、しきい値Ｓｔ３を読み出し、ステップ１１６へ移行して、検出した温度Ｔ３としきい値Ｓｔ３とを比較する。

このステップ１１６で、Ｔ３≦Ｓｔ３と判定された場合は、冷却水の温度は正常値（スケールが発生していない状態）であると判断し、ステップ１１８へ移行する。

一方、ステップ１１６で、Ｔ３＞Ｓｔ３と判定された場合は、冷却水の温度が異常値を示しており、スケールが発生していることが予測されると判断し、ステップ１３６へ移行する。ステップ１３６では、スケール発生の可能性があることを報知（異常報知）し、次いでステップ１３８へ移行して、スケール洗浄制御の実行を指示し、このルーチンは終了する。

ステップ１１８では、スケール検出制御対象ファクタとして、熱回収水温度が設定されているか否かを判定する。ステップ１１８で否定判定された場合は、スケール検出制御対象ファクタとして、熱回収水温度が設定されていないと判断し、ステップ１２６へ移行する。

ステップ１１８で肯定判定された場合は、ステップ１２０へ移行して第１温度センサ４８から冷却水温度Ｔ１を検出し、ステップ１２２へ移行する。

ステップ１２２では、しきい値Ｓｔ１を読み出し、ステップ１２４へ移行して、検出した温度Ｔ１としきい値Ｓｔ１とを比較する。

このステップ１２４で、Ｔ１＞Ｓｔ１と判定された場合は、熱回収水の温度は正常値（スケールが発生していない状態）であると判断し、ステップ１２６へ移行する。

一方、ステップ１２４で、Ｔ１≦Ｓｔ１と判定された場合は、熱回収水の温度が異常値を示しており、スケールが発生していることが予測されると判断し、ステップ１３６へ移行する。ステップ１３６では、スケール発生の可能性があることを報知（異常報知）し、次いでステップ１３８へ移行して、スケール洗浄制御の実行を指示し、このルーチンは終了する。

ステップ１２６では、スケール検出制御対象ファクタとして、熱回収水流量が設定されているか否かを判定する。

ステップ１２６で肯定判定された場合は、ステップ１２８へ移行して流量センサ６４から流量Ｆを検出し、ステップ１３０へ移行する。また、ステップ１２６で否定判定された場合は、スケール検出制御対象の設定がなされていないと判断し、ステップ１３２へ移行して、エラー報知として、例えば、リモコンパネル３２へ、スケール検出制御対象ファクタの設定を促す表示をし、このルーチンは終了する。

なお、基本的には、システム立ち上げ時に、デフォルトとして、全て設定されているため、未設定はエラー報知としたが、全てのスケール検出制御対象ファクタが設定されていないと判断された場合は、自動的に全てのファクタを設定し、ステップ１００に戻って再度処理を実行し、ステップ１０２、１１０、１１８及び１２６のそれぞれで否定判定されたら、エラー報知するようにしてもよい。

ステップ１３０では、しきい値Ｓｆを読み出し、ステップ１３４へ移行して、検出した流量Ｆとしきい値Ｓｆとを比較する。

このステップ１３４で、Ｆ＞Ｓｆと判定された場合は、熱回収水の流量は正常値（スケールが発生していない状態）であると判断し、このルーチンは終了する。

一方、ステップ１３４で、Ｆ≦Ｓｆと判定された場合は、熱回収水の流量が異常値を示しており、スケールが発生していることが予測されると判断し、ステップ１３６へ移行する。ステップ１３６では、スケール発生の可能性があることを報知（異常報知）し、次いでステップ１３８へ移行して、スケール洗浄制御の実行を指示し、このルーチンは終了する。

なお、本実施の形態（図７）では、設定されたスケール検出制御対象ファクタの何れか１つでスケール発生を予測した場合は、スケール洗浄制御の実行を指示するようにしたが、設定された全ての予測結果を総合的に判断して、スケール発生の有無を予測するようにしてもよい。この場合、信頼度に応じて、優先順位を付けてもよいし、重み付けをしてもよい。

（しきい値補正制御）

図８は、各ファクタのしきい値（Ｓｒ、Ｓｔ３、Ｓｔ１、及びＳｆ）の補正制御ルーチンを示すフローチャートである。この補正は、前述の補正１〜補正４に基づくものである。

ステップ１４０では、給水配管５６から給水される水（水道水）の温度Ａを取り込む。水道水の温度は、本実施の形態に係る貯湯発電システム１１に搭載してもよいが、外部の温度センサから取り込む、或いは、外気温度から予測して取り込む構成としてもよい。

次のステップ１４２では、貯湯発電システム１１の累積稼働期間Ｂを読み出す。例えば、貯湯発電システム１１の運転履歴情報を参照して累積稼働期間Ｂを算出する。なお、単純に、貯湯発電システム１１の設置初期からの経過期間であってもよい。

次のステップ１４４では、余剰ヒータ８０の動作状態Ｃを確認する。動作状態とは、単純に余剰ヒータ８０が稼働しているときにフラグをセット（１）し、非稼働のときにフラグをリセット（０）するといった１ビットの状態とする。なお、精度向上のために、余剰ヒータ８０の発熱量を動作状態Ｃとしてもよい。
ステップ１４５では、燃料電池ユニット１２における発電出力Ｄを確認する。なお、定常状態での発電出力を１としたときの現在の発電出力の比率を演算して増減率をＤとしてもよい。

次のステップ１４６では、ステップ１４０で得た温度Ａ、ステップ１４２で得た累積稼働期間Ｂ、及びステップ１４４で得た動作状態Ｃに基づき、各ファクタのしきい値（Ｓｒ、Ｓｔ３、Ｓｔ１、及びＳｆ）の補正係数αを設定し（図４（Ａ）〜（Ｄ）参照）、ステップ１４８へ移行して、各ファクタのしきい値を更新する（補正しきい値＝現しきい値×α）。
（補正係数αの設定例）
図４（Ａ）による補正係数αの設定は、給水温度が高くなった場合はしきい値をプラス（＋）に補正し、給水温度が低くなった場合はしきい値をマイナス（−）に補正する。
図４（Ｂ）による補正係数αの設定は、時間が経過するにつれて、しきい値をプラス（＋）に補正する。
図４（Ｃ）による補正係数αの設定は、燃料電池スタック７０のみから熱を受けている場合を基準とした場合、燃料電池スタック７０と余剰ヒータ８０から熱を受けている場合は、基準値よりもプラス（＋）に補正する。
図４（Ｄ）による補正係数αの設定は、発電出力が高くなった場合はしきい値をプラス（＋）に補正し、発電出力が低くなった場合はしきい値をマイナス（−）に補正する。

本実施の形態におけるスケール検出制御によれば、特に、熱交換器３６の受熱配管６８の内面に発生するスケール（析出物）が、経時的に積層されていき、最終的には、受熱配管６８の内方空間を閉塞するような事態となる前に、閉塞する可能性を予測する。受熱配管６８内の内方のスケールの状態は直接的に監視することは困難である。そこで、スケール検出制御対象ファクタとして、熱回収水ポンプ６６の回転数検出、冷却水温度検出、熱回収水温度検出、及び熱回収水流量検出の少なくとも１つを設定するようにした。スケール検出制御対象ファクタで検出した結果を所定のしきい値と比較することで、間接的にスケールの発生状態を予測することができ、受熱配管６８の内方が閉塞する以前に警告したり、スケール洗浄を促したりすることができる。

（変形例１「スケール検出制御の変形例」）

本実施の形態では、貯湯発電システム１１の運転中に、スケール検出制御を実行するようにしたが、変形例では、貯湯発電システム１１の待機中（停止中）に、スケールの状態を検出する。

貯湯発電システム１１の待機中は、燃料電池スタック７０の発電がなされていないため、熱交換器３６での熱交換が実行されない。そこで、余剰ヒータ８０を動作させることで、この余剰ヒータ８０の消費による発熱を熱源として、各ファクタから検出し、しきい値と比較する。

なお、余剰ヒータ８０を熱源とするときのしきい値は、燃料電池スタック７０が発電しているときに、当該燃料電池スタック７０のみを熱源とするしきい値（基準値）よりもマイナス（−）に補正される（図４（Ｃ）参照）。

また、その他のしきい値の補正としては、前述した、「補正１」、「補正２」がそのまま適用可能である。

（スケール洗浄制御）

図９は、貯湯発電システム１１の運転中に、貯湯発電制御装置１４で実行される、スケール洗浄制御ルーチンを示すフローチャートである。

ステップ１５０では、スケール洗浄制御の実行指示を受け付けたか否かを判断する。この判断は、図７のステップ１３８での実行指示が主体であるが、例えば、リモコンパネル３２等から手動でスケール洗浄指示を出してもよい。

ステップ１５０で否定判定された場合は、スケール洗浄時期ではないと判断し、このルーチンは終了する。

また、ステップ１５０で肯定判定された場合は、ステップ１５１へ移行して、スケール洗浄制御による警報発令を回避するべく、警報システムを制限し、次いで、ステップ１５２へ移行して、モードを判別する。警報システムの制限としては、警報システム自体を遮断する（一切監視は行わない）ようにしてもよいし、異常と判定するレベルを緩和する（監視は継続する）ようにしてもよい。

モードとは、スケール洗浄の水の流れであり、排出モード（図５参照）と循環モード（図６参照）とがある。モードは、例えば、デフォルトとして何れか一方が選択されているが、リモコンパネル３２等の操作で、所望のモードを選択することが可能である。

ステップ１５２で、排出モードが選択されていると判断した場合は、ステップ１５４へ移行して、三方弁５２を熱回収水供給用配管４６と、排水配管５０とが連通するように切り替え、ステップ１５６へ移行する。

ステップ１５６では、切替弁５８を、貯湯タンク１８の給水ポート１８Ｅに給水配管５６から水道水が供給されるように切り替え（すなわち、開栓）、ステップ１５８へ移行する。

ステップ１５８では、通常運転状態の熱回収水ポンプ６６を、洗浄用の流量及び圧力に調整する。これにより、水道水は、貯湯タンク１８→熱回収水送出用配管６０→熱交換器３６の受熱配管６８→熱回収水供給用配管４６→排水配管５０の順に流れ、排出される。

通常よりも、流量が多く、かつ高圧力とすることで、受熱配管６８の内面にこびりついたスケールが剥がれ落ち、排水配管５０から排出され、受熱配管６８が洗浄される。

次のステップ１６０では、洗浄期間が経過したか否かを判断し、否定判定中は熱回収水ポンプ６６の駆動を継続し、肯定判定されると、ステップ１６２へ移行する。

ステップ１６２では、熱回収水ポンプ６６を通常運転状態に調整し、次いで、ステップ１６４へ移行して、三方弁５２及び切替弁５８を、通常運転状態に切り替えて、ステップ１６５へ移行する。ステップ１６５では、警報システムの制限を解除し、このルーチンは終了する。

次に、ステップ１５２において、循環モードが選択されていると判断した場合は、ステップ１６６へ移行して、三方弁５２を熱回収水供給用配管４６が貯湯タンク１８の入口ポート１８ＩＮに連通するように切り替え、ステップ１６８へ移行する。

ステップ１６８では、切替弁５８を、貯湯タンク１８の給水ポート１８Ｅに給水配管５６から水道水が供給されないように切り替え（すなわち、閉栓）、ステップ１７０へ移行する。

ステップ１７０では、通常運転状態の熱回収水ポンプ６６を、洗浄用の流量及び圧力に調整する。これにより、水道水は、貯湯タンク１８の出口ポート１８ＯＵＴ→熱回収水送出用配管６０→熱交換器３６の受熱配管６８→熱回収水供給用配管４６→貯湯タンク１８の入口ポート１８ＩＮの順に流れ、循環される。

通常よりも、流量が多く、かつ高圧力とすることで、受熱配管６８の内面にこびりついたスケールが剥がれ落ち、フィルタ５４によって剥がれ落ちたスケールをトラップすることで、受熱配管６８が洗浄される。なお、フィルタ５４は定期的に交換又は洗浄することが好ましい。

ここで、循環モードにおいて、流量が多く、かつ高圧で循環を長時間継続すると、貯湯タンク１８内の温度層１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄが乱れる可能性がある。そこで循環モードでは、水道水の循環を間欠的に実行するようにした。

すなわち、次のステップ１７２では、間欠運転の休止時期か否かを判断し、否定判定された場合は、休止時期ではないと判断し、ステップ１７６へ移行する。

一方、ステップ１７２で肯定判定されると、ステップ１７４へ移行して、所定時間休止後、洗浄再開処理を実行し、ステップ１７６へ移行する。洗浄再開処理は、具体的には、熱回収水ポンプ６６の駆動状態を通常運転又は通常運転よりも若干低速で運転し、流量と圧力を低下させ、タイマ等により所定時間が経過したら、再度循環モードの状態に戻す制御を実行する。

ステップ１７６では、洗浄期間が経過したか否かを判断し、否定判定された場合は、熱回収水ポンプ６６の駆動を継続するべく、ステップ１７２へ移行する。また、ステップ１７６で肯定判定された場合は、ステップ１６２へ移行して、熱回収水ポンプ６６を通常運転状態に調整し、次いで、ステップ１６４へ移行して、三方弁５２及び切替弁５８を、通常運転状態に切り替えて、ステップ１６５へ移行する。ステップ１６５では、警報システムの制限を解除し、このルーチンは終了する。

本実施の形態におけるスケール洗浄制御によれば、特に、熱交換器３６の受熱配管６８の内面に発生するスケール（析出物）が、経時的に積層されていき、最終的には、受熱配管６８の内方空間を閉塞するような事態となる前に、熱回収水ポンプ６６により流量を多く、かつ高圧力で水道水を流すことで、受熱配管６８の内面に付着したスケールを剥がすことができる。排出モードでは、剥がれ落ちたスケールは、排水配管５０から外部へ排出され、受熱配管６８を洗浄することができる。一方、循環モードでは、剥がれ落ちたスケールは、フィルタ５４によってトラップされ、受熱配管６８を洗浄することができる。

（変形例２「スケール洗浄制御の変形例」）

本実施の形態では、貯湯発電システム１１の運転中に、スケール洗浄制御を実行するようにしたが、変形例２では、貯湯発電システム１１の待機中（停止中）に、スケール洗浄を実行する。

排水モードは、貯湯発電システム１１の運転中と同一の制御が実行可能である。

一方、循環モードでは、貯湯発電システム１１の待機中は、燃料電池スタック７０の発電がなされていないため、熱交換器３６での熱交換が実行されない。このため、貯湯タンク１８内の水の温度が、運転中よりも速く低温化するため、大幅に、温度層１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄの乱れが発生する。そこで、余剰ヒータ８０を動作させることで、この余剰ヒータ８０の消費による発熱を熱源として、熱回収水の温度の低下を抑制する各ファクタから検出し、しきい値と比較する。

１０ 貯湯ユニット
１１ 貯湯発電システム
１２ 燃料電池ユニット
１４ 貯湯発電制御装置
１８ 貯湯タンク
１８Ａ 第１層
１８Ｂ 第２層
１８Ｃ 第３層
１８Ｄ 第４層
１８Ｅ 給水ポート
１８ＩＮ 入口ポート
１８ＯＵＴ 出口ポート
２０ ＣＰＵ
２２ ＲＡＭ
２４ ＲＯＭ
２６ Ｉ／Ｏ
２８ バス
３０ マイクロコンピュータ
３２ リモコンパネル
３４ サーミスタ
３４Ａ 高温検出用サーミスタ
３４Ｂ 中高温検出用サーミスタ
３４Ｃ 中低温検出用サーミスタ
３４Ｄ 低温検出用サーミスタ（第２温度センサ）
３６ 熱交換器
３８、４０、４２、４４ ポート
４６ 熱回収水供給用配管
４８ 第１温度センサ
４８Ａ 信号線
５０ 排水配管
５２ 三方弁
５２Ａ 信号線
５４ フィルタ
５６ 給水配管
５８ 切替弁
５８Ａ 信号線
６０ 熱回収水送出用配管
６２ 第２温度センサ
６４ 流量センサ
６６ 熱回収水ポンプ
６７ 回転数センサ
６２Ａ 信号線
６４Ａ 信号線
６７Ａ 信号線
６６Ａ 信号線
６８ 受熱配管（受熱流路部）
７０ 燃料電池スタック
７０ＩＮ 入口ポート
７２ 冷却水供給用配管
７４ 第３温度センサ
７４Ａ 信号線
７０ＯＵＴ 出口ポート
７６ 冷却水送出用配管
７８ 第４温度センサ
８０ 余剰ヒータ
８２ 冷却水ポンプ
８４ 放熱配管（放熱流路部）
７８Ａ 信号線
８０Ａ 信号線
８２Ａ 信号線

Claims (6)

1. 供給された水を加熱して給湯設備で利用する温水として貯留する貯湯タンクを備えた貯湯ユニットと、原料ガスを利用して発電する燃料電池ユニットとが併設された貯湯発電システムであって、
   前記燃料電池ユニットでの発電の際に発生する熱で加熱された流体が流動する放熱流路部と、前記貯湯タンク内の水が流動する受熱流路部とを備え、放熱流路部の熱で受熱流路部内の水を加熱する熱交換装置と、
   前記放熱流路部及び前記受熱流路部の少なくとも一方を循環する流体の状態を示すファクタに基づいて、前記受熱流路部が閉塞される前に前記受熱流路部の内方に堆積する析出物の析出量を予測する予測手段と、
   前記予測手段によって予測された前記析出物の析出量が前記受熱流路部を閉塞する可能性があると判断した場合に、前記受熱流路部を流れる水の流量及び圧力の少なくとも一方を通常運転とは異なる値に調整して、受熱流路部の内方に堆積する析出物を取り除く析出物洗浄制御手段と、を有し、
   前記予測手段が、前記受熱流路部の流体を流動させるポンプの実回転数、前記放熱流路部の流体の温度、前記受熱流路部の流体の温度、前記受熱流路部を流動する流体の流量の何れか１つのファクタ、又は２以上組み合わせたファクタによって前記析出物の析出量を予測すると共に、組み合わせたそれぞれのファクタの精度に優先順位を付けて判断する、組み合わせたそれぞれのファクタに重みを付けて判断する、又は、前記析出物の堆積の存在を示すファクタの数で判断する、貯湯発電システム。
2. 前記析出物洗浄制御手段の実行中は、熱交換装置に関する警報機能を遮断する、又は異常となる判定レベルを緩和することを特徴とする請求項１記載の貯湯発電システム。
3. 前記析出物洗浄制御手段による洗浄モードとして、
   前記貯湯タンクへ外部から水を供給し続け、かつ前記熱交換装置の受熱流路部から吐出された水を、外部へ排出する排水モードと、
   前記貯湯タンクに貯留された水を、前記熱交換装置の受熱流路部を介して循環させる循環モードと、の少なくとも１つのモードが設定され、
   設定された洗浄モードに従って、水の流動を制御することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の貯湯発電システム。
4. 前記循環モードによる洗浄処理は、一定時間をあけて間欠的に実行されることを特徴とする請求項３記載の貯湯発電システム。
5. 前記燃料電池ユニットでの余剰の発電量を消費する余剰ヒータをさらに有し、
   前記析出物洗浄制御手段が、システム休止中、かつ前記循環モードで実行される場合に、前記余剰ヒータを稼働することを特徴とする請求項３又は請求項４記載の貯湯発電システム。
6. 前記析出物の堆積量が、予め定めたしきい値を超えた場合に、前記析出物洗浄制御手段を起動させるように指示する指示手段をさらに有することを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか１項記載の貯湯発電システム。

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