JP2004100980A - ヒートポンプ給湯装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】風呂給湯機能を備えた瞬間湯沸し型のヒートポンプ給湯装置を提供する。
【解決手段】瞬間湯沸し型のヒートポンプ給湯装置であって、冷媒循環回路7の放熱器3の冷媒流路8と熱交換を行う複数の水流路を備えた熱交換器10と、前記複数の水流路の1つは給湯端末へ通水するための給湯回路13に接続した給湯水流路17とし、前記水流路の他の1つは風呂に通水するための風呂水加熱路25に接続した風呂水流路19とするもので、給湯水流路17とは別に風呂水流路19を備えているので、風呂の湯張り、追いだきが可能な上、水位検知手段29および風呂水温検知手段28を備えているため、これらを風呂の湯張りと追いだきを自動で行うことができる。
【選択図】 図2

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、風呂給湯機能を設けたヒートポンプ式給湯装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来のヒートポンプ給湯装置としては、特許文献1に記載されているような給湯装置が提案されていた。このヒートポンプ給湯装置は図3に示すように、閉回路に構成される冷媒路1で圧縮機2、放熱器3、減圧手段4、吸熱器5が接続された冷媒循環回路7と、放熱器3の冷媒流路8と熱交換を行う水流路9を備えた熱交換器10と、この水流路9に水道水を供給する給水管11と、前記水流路9とシャワーや蛇口等の給湯端末12とを接続する給湯回路13と、給湯回路13に設け給湯温度を検出する温度センサ14と、圧縮機2の回転数を制御するインバータ15を備え、圧縮機2を温度センサ14の検出温度と設定温度との差に応じてインバータ15の出力周波数を変換するようにしていた。
【0003】
【特許文献1】
特開平2−223767号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来例の給湯装置の構成では、風呂給湯機能が備わっていないため、風呂に給湯をして湯張りをしたり、風呂の湯を追いだきで沸かし直したり、あるいはこれらを自動で行うことができなかった。
【0005】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、風呂給湯機能を備えたヒートポンプ給湯装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために、本発明のヒートポンプ給湯装置は、放熱器と熱交換を行う複数の水流路を備えた熱交換器を有し、その複数の水流路のうちの1つは給湯端末へ通水するための給湯回路に接続し、前記水流路のうちの他の1つは風呂に通水するための風呂水加熱路に接続したヒートポンプ給湯装置とする。
【0007】
また、風呂に給湯をする風呂注湯路と、風呂注湯路に備えた風呂への給湯流量を調節する流量可変手段と、給湯水流路で熱せられた湯の温度を測定する給湯温検知手段と、前記給湯温検知手段で測定した湯の温度に応じて前記流量可変手段を制御する制御手段を有するヒートポンプ給湯装置とする。
【0008】
この発明によれば、従来の給湯装置に風呂給湯機能を設けることができる。
【0009】
【発明の実施の形態】
請求項1に記載の発明は、圧縮機と放熱器と減圧手段と吸熱器とを含む冷媒循環回路と、前記放熱器と熱交換を行う複数の水流路を備えた熱交換器を有し、前記複数の水流路のうちの1つは給湯端末へ通水するための給湯回路に接続した給湯水流路とし、前記水流路のうちの他の1つは風呂に通水するための風呂水加熱路に接続した風呂水流路としているため、浄水と風呂水を混ぜることなく、風呂給湯機能を備えることができる。また、能力の高いヒートポンプ給湯機を用いることで、短時間での湯張りや追いだきが可能となる。
【0010】
請求項2に記載の発明は、特に、熱交換器を複数備えたとするもので、例えば給湯端末用、風呂給湯用、暖房用等、用途毎に熱交換器を設けることができ、それぞれの熱交換器が持つ高い熱交換効率を十分に引き出して使用することができるので、能力の高い給湯が可能となる。
【0011】
請求項3に記載の発明は、特に、複数の熱交換器がそれぞれ放熱器と、放熱器で熱交換を行うための冷媒流路を有し、複数ある冷媒流路を制御するための冷媒流路制御手段を備えているので、必要に応じて冷媒流路を切り換えることができ、給湯端末での給湯や風呂給湯、あるいは他の目的での給湯の切り換えが可能となる。
【0012】
請求項4に記載の発明は、特に、熱交換器は給湯水流路を備えた給湯熱交換器と風呂水流路を備えた風呂熱交換器とし、給湯熱交換器での熱交換を優先するよう冷媒流路制御手段を制御するので、風呂水追いだきなど風呂給湯動作を行っている際に給湯端末で給湯を行う際には、一時、風呂給湯動作を中止して給湯端末での給湯動作を行うため、給湯端末で高い給湯能力で優先的に湯を使用することができる。
【0013】
請求項5に記載の発明は、特に、熱交換器は給湯水流路を備えた給湯熱交換器と風呂水流路を備えた風呂熱交換器とし、風呂熱交換器での熱交換を優先するよう冷媒流路制御手段を制御するので、給湯端末で湯を使用している際に、風呂追いだきなど風呂給湯動作を行う際には、一時、給湯端末での湯の使用を中止して風呂給湯動作を行うため、高い能力で優先的に風呂へ追いだきなどの風呂給湯を行うことができる。
【0014】
請求項6に記載の発明は、特に、熱交換器は給湯水流路を備えた給湯熱交換器と風呂水流路を備えた風呂熱交換器とし、冷媒流路制御手段を制御して給湯熱交換器と風呂熱交換器を同時に使用可能とするので、給湯端末での湯の使用と、風呂給湯が同時にできて便利である。
【0015】
請求項7に記載の発明は、特に、1つの熱交換器に給湯水流路と風呂水流路を備えたとしたので、給湯水流路と風呂水流路がそれぞれ別の熱交換器に備えられている場合よりも熱交換器の数が少なくて済むため、給湯装置内での省スペース化がはかられ、かつ、コストも低減できる。
【0016】
請求項8に記載の発明は、特に、給湯水流路および風呂水流路への熱交換状況に応じて冷媒循環回路を制御するので、例えば熱交換能力が不足していたり過剰な場合に、圧縮機や減圧手段や吸熱器の運転を制御することでヒートポンプ給湯能力が制御でき、無駄のない給湯運転が可能となる。
【0017】
請求項9に記載の発明は、特に、風呂水加熱路と風呂と風呂水流路を含む風呂水循環路を備えているので、風呂の追いだきが可能となる。
【0018】
請求項10に記載の発明は、特に、風呂水循環路が、風呂水を送水する送水手段と、風呂の湯温を検知する風呂水温検知手段と、前記風呂水温検知手段で測定した風呂水温度に応じて送水手段と冷媒循環回路を制御する制御手段を備えているので、風呂追いだき時に温度精度の高い沸き上げが可能となる。
【0019】
請求項11に記載の発明は、特に、風呂に給湯をする風呂注湯路を給湯回路と風呂水循環路に接続して設けたので、風呂への給湯が可能となる。
【0020】
請求項12に記載の発明は、特に、風呂注湯路に備えた風呂への給湯流量を調節する流量可変手段と、給湯水流路で熱せられた湯の温度を測定する給湯温検知手段と、前記給湯温検知手段で測定した湯の温度に応じて前記流量可変手段を制御する制御手段を有するとしたので、風呂給湯時に温度精度の高い給湯が可能となる。
【0021】
請求項13に記載の発明は、特に、風呂の水位を検知する水位検知手段を備えているので、風呂給湯時に自動で適量の湯を給湯できたり、あるいは人が入浴しているか否かを検知することが可能であるため、人が入浴しているか否かによって追いだき運転を行ったり停止したりを選択することができる。
【0022】
請求項14に記載の発明は、特に、冷媒を炭酸ガスとするので、ヒートポンプサイクルは冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルであり、前記臨界圧力以上に昇圧された冷媒により熱交換器の水流路の流水を加熱する構成である。
【0023】
そして、熱交換器の冷媒流路を流れる冷媒は、圧縮機で臨界圧力以上に加圧されているので、熱交換器の水流路の流水により熱を奪われて温度低下しても凝縮することがない。したがって熱交換器全域で冷媒流路と水流路とに温度差を形成しやすくなり、高温の湯が得られ、かつ熱交換効率を高くできる。
【0024】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図1〜図2を参照しながら説明する。なお、従来例および各実施例において、同じ構成、同じ動作をする部分については同一符号を付与し、詳細な説明を省略する。
【0025】
(実施例1)
図1は本発明の実施例1におけるヒートポンプ給湯装置の構成図である。図1において、7は冷媒循環回路で、圧縮機2、放熱器3、減圧手段4、吸熱器5が冷媒路1により閉回路に接続されている。この冷媒循環回路7は、例えば二酸化炭素などの炭酸ガスを冷媒として使用し、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧以上となる超臨界ヒートポンプサイクルを使用している。そして圧縮機2は、内蔵する電動モータ(図示せず)によって駆動され、吸引した冷媒を臨界圧力付近またはそれ以上の圧力まで圧縮して吐出する。ここで、本給湯装置は、超臨界ヒートポンプサイクルを利用しているので、高い給湯能力を有しており、よって湯をためる貯湯タンクを設ける必要はなく、例えば給湯の指示を与えた後、数分程度以内に給湯ができる瞬間湯沸かし型のヒートポンプ給湯装置が実現できる。
【0026】
また、16は放熱器3aの冷媒流路8aと熱交換を行う給湯水流路17を備えた給湯熱交換器で、18は放熱器3bの冷媒流路8bと熱交換を行う風呂水流路19を備えた風呂熱交換器、また20は冷媒を給湯熱交換器16側の冷媒流路8aと風呂熱交換器18側の冷媒流路8bのどちら側にどれだけ冷媒を流すかを制御するための冷媒流路制御手段である。
【0027】
給湯水流路17には、水道水を直接供給する給水管11と、給湯水流路17から出湯される湯をシャワー21や蛇口22等の給湯端末12に通水させるための給湯回路13が接続されており、給湯回路13には給湯水流路17で熱せられた湯の温度を測定する給湯温検知手段23が備えられている。
【0028】
風呂水流路19には、風呂24に通水するための風呂水加熱路25が接続されており、この風呂水加熱路25と、風呂24と、風呂水流路17とで閉回路である風呂水循環路26が形成されている。風呂水加熱路26には、風呂水を循環するための送水手段27と、風呂の湯温を測定するための風呂水温検知手段28と、風呂の水位を検知する水位検知手段29が備えられている。
【0029】
30は、風呂に湯を給湯するための風呂注湯路で、給湯回路13と風呂水循環路26との間に接続して設けられ、給湯する湯の量を制御するための流量可変手段31を備えている。
【0030】
また、32は、給湯温検知手段23や風呂水温検知手段28や水位検知手段29の検知値から、送水手段27、流量可変手段31、それに冷媒循環回路7を制御する制御手段である。
【0031】
ここで給湯熱交換器16や風呂熱交換器18は、冷媒流路8a、8bの流れ方向と給湯水流路17や風呂水流路19の流れ方向を対向流とし、各流路間を熱移動が容易になるように密着して構成している。この構成により冷媒流路8と給湯水流路17や風呂水流路19の伝熱が均一化し、熱交換効率がよくなる。また、高温の出湯も可能になる。
【0032】
なお、減圧手段4の具体的構成としては絞り弁(図示せず)が挙げられ、この場合絞り弁を駆動するステッピングモータ(図示せず)により弁開度が制御され、冷媒流路抵抗を変更することができる。また、送水手段27、流量可変手段31の具体的構成としてはそれぞれ、ポンプ、流量制御弁(絞り弁)などが挙げられる。さらに、冷媒流路制御手段20の具体的構成としては、制御する対象となる冷媒流路8a、8bそれぞれに流量制御弁や電磁弁などを設け、これらの弁を制御することで各冷媒路に流れる冷媒流量を制御する方法が挙げられる。
【0033】
以上の構成において、次にその動作、作用について説明する。使用者が風呂24への給湯を開始させると、流量可変手段31が働いて給水管11から給湯水流路17に水道水が流入し、同時に圧縮機2の回転数が制御され、圧縮機2から吐出される高温高圧の冷媒ガスは放熱器3aへ流入して、冷媒流路8aと給湯水流路17とで熱交換が行われて、給湯水流路17を流れる水を加熱する。そして、加熱された水は給湯回路13を通って風呂注湯路30から風呂水循環路26を経て、やがて風呂24に湯が注がれる。
【0034】
一方、放熱器3aで冷却された冷媒は減圧手段4で減圧されて吸熱器5に流入し、ここで大気熱、太陽熱など自然エネルギーを吸熱して蒸発ガス化し、圧縮機2に戻る。
【0035】
給湯水流路17を流れる水は、圧縮機2の回転数によって加熱量が制御されるだけでなく、減圧手段4の冷媒流路抵抗や、吸熱器5の吸熱量によっても加熱量が制御できる。つまり減圧手段4の絞り弁の開度を変え、冷媒流路抵抗を変えることで加熱量が制御でき、また、吸熱器5の吸熱量は、吸熱器5に備えた吸熱用ファン33のモータの回転数を変更して、吸熱器5への送風量を変更することにより制御でき、吸熱量を変えることで加熱温度が制御できる。
【0036】
高温の出湯が必要であったり、外気温度が低いなどで加熱量が不足した場合などには、冷媒流路抵抗を大きくすることで熱交換器の加熱量は所要加熱量を確保するように作用する。なお、通常の給湯使用状態において、冷媒流路8aと給湯水流路17との温度差が小さくなるほど冷媒循環回路7の効率が良くなるので、給湯温検知手段23の検知する給湯温度に応じて、給湯熱交換器16での所要加熱量を確保して、冷媒流路8aと給湯水流路17との温度差が最も小さくなるように減圧手段4の冷媒流路抵抗を制御すると、効率の良いい運転が可能となる。
【0037】
そして、給湯負荷が極端に小さく給湯熱交換器16の所要加熱量が小さすぎて圧縮機2の回転数制御などでは絞りきれない場合などには、吸熱用ファン33の風量を減少させることにより給湯熱交換器16の加熱量を減少させて所要加熱量に制御することが可能である。また、圧縮機2が最大回転数でも加熱量が不足する場合には、吸熱用ファン33の風量を上げて給湯熱交換器16の加熱量を増加させて所要加熱量に制御することも可能である。このように、圧縮機2の回転数や減圧手段4の減圧度、吸熱用ファン33のモータ回転数によって、冷媒循環回路7の加熱量が制御でき、給湯水流路17を流れる水を所定の温度に加熱することができる。
【0038】
加えて、給湯回路13に備えられた給湯温検知手段23で測定された温度と目標温度との偏差に応じて、風呂注湯路30を流れる湯の流量を流量可変手段31で制御することで、さらに精度の高い温度制御が可能となる。なお、風呂の湯の温度を測定するために、給湯温検知手段23の代わりに風呂水温度検知手段28を用いて測定して、湯温制御を行うこともできる。
【0039】
以上のように、冷媒循環回路7を制御することで風呂給湯温度が制御できる。
【0040】
なお、給湯端末12のシャワー21または蛇口22の栓が使用者によって開かれ湯が給湯端末12において給湯される場合も風呂への給湯の場合と同様である。
【0041】
次に、風呂追いだきを行う場合について説明する。風呂の湯の追いだきをする場合、流量可変手段31を閉止させた後、冷媒循環回路7が制御されると同時に送水手段27が駆動して風呂水を循環させ風呂水が風呂水循環路26から風呂熱交換器18に送水されると、風呂水流路19で冷媒流路8bと熱交換が行われ、風呂水は加熱されて再び風呂24に戻される。この間、風呂水温度制御手段28によって風呂水温が測定され、風呂水温が目標温度に達するまで循環が続けられる。
【0042】
この時、風呂水が、浄水である水道水の流路に流入しないよう流量可変手段31によって流路を遮断する事が重要である。また、給湯熱交換器16、風呂熱交換器18の各水流路である給湯水流路17と風呂水流路19も、水道水の通る流路と風呂水の通る流路とを分ける必要があり、それ故に水流路は少なくとも2経路必要となる。
【0043】
なお、風呂追いだきに際しては、送水手段27が備わっていなくても、自然対流を利用して行うことも可能である。また、風呂の湯張りのための風呂給湯を終えた後、冷媒循環回路7を停止させたままで送水手段27だけを運転することで風呂24内の湯をかき混ぜて湯の分布を均一にしたり、あるいは冷媒循環回路7を制御しながら送水手段27を運転させる追いだき運転を行って、湯張りの湯の温度をより目標温度に近づけることもできる。
【0044】
次に、冷媒流路制御手段20を用いて、冷媒を給湯熱交換器16側の冷媒流路8aと風呂熱交換器18側の冷媒流路8bのどちら側にどれだけ冷媒を流すかを制御する場合について説明する。
【0045】
風呂追いだきを行っている際に給湯端末12で給湯を優先させて行う場合には、送水手段27を止めて、一時風呂給湯動作を中止し、冷媒流路制御手段20の冷媒の流路を風呂熱交換器18側から給湯熱交換器16側に切り換えて、給湯端末12での給湯動作ができるようにする。そして給湯動作が終了し次第、冷媒流路制御手段20を給湯熱交換器16側から流路を風呂熱交換器18側に切り換えて追いだき運転を再開させる。このようにすることで、給湯能力を二分することなく、給湯端末12で高い給湯能力で優先的に湯を使用することができる。
【0046】
逆に、給湯端末12で給湯を行っている際に風呂水追いだきを優先させて行う場合には、給湯端末12での給湯動作を、給湯流量を制御する給湯流量制御手段(図示せず)などで制限して、一時、給湯動作を中止した後、冷媒流路制御手段20を給湯熱交換器16側から流路を風呂熱交換器18側に切り換えて、送水手段27を駆動させる。そして風呂追いだきが終了すると、再び冷媒流路制御手段20の冷媒の流路を風呂熱交換器18側から給湯熱交換器16側に切り換えて給湯端末での給湯動作ができるようにする。このようにすることで、給湯能力を二分することなく、高い能力で優先的に風呂追いだきを行うことができる。
【0047】
これらの動作を実現するために冷媒流路制御手段20は、単純な開閉弁で構成されていれば動作可能となる。
【0048】
また冷媒流路制御手段20を操作し、給湯熱交換器16側と流路を風呂熱交換器18側のどちらの冷媒流路8a、8bにどの割合で流すかを制御することも可能で、この場合、給湯端末12での給湯動作および風呂給湯運転を同時に行うことができて便利である。
【0049】
さらに、給湯端末12での給湯と湯張り動作とが重なった場合には、冷媒流路制御手段20と流量可変手段31を制御することで、優先する動作を先に行うようにすることができる。
【0050】
風呂24には水位検知手段29が備えられているので、給湯温検知手段23や風呂水温検知手段28と共に利用することで、風呂給湯時には適量、適温の湯を自動で張ることが可能である上、人が入浴しているか否かの人入り検知もできるので、人が入浴する度に湯温を適温にするために風呂追いだきを実施したり、逆に送水手段27の駆動音が入浴者に不快感を与えないように入浴中の追いだき運転を禁止することも可能である。
【0051】
なお、実施例1ではヒートポンプサイクルを、冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルとしているが、もちろん一般の臨界圧力以下のヒートポンプサイクルでもよい。冷媒として利用される炭酸ガスには代表的なものとして分子量の小さい二酸化炭素が挙げられる。
【0052】
また、図2のように給湯熱交換器16と風呂熱交換器18の2つの熱交換器を1つの熱交換器10として、水流路だけを2経路設ければ、冷媒流路8の切り換え制御が不要で、熱交換器の数が減らせられる分、省スペース化がはかられ、加えてコストも低減できる。さらにこの他に、暖房用熱交換器や暖房用水流路を備えて暖房機能を設けることが可能で、この場合、3経路の水流路に対して熱交換器が3つの場合、2つの場合、1つの場合、のそれぞれの組み合わせがある。
【0053】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、ヒートポンプ給湯装置に風呂給湯機能を設けたので、風呂の湯張りや追いだきが可能で、またこれらを自動で行うことが可能なヒートポンプ給湯装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1におけるヒートポンプ給湯装置の構成図
【図2】本発明の実施例1におけるヒートポンプ給湯装置の他の構成図
【図3】従来のヒートポンプ給湯装置の構成図
【符号の説明】
1 冷媒路
2 圧縮機
3 放熱器
4 減圧手段
5 吸熱器
7 冷媒循環回路
8 冷媒流路
12 給湯端末
13 給湯回路
16 給湯熱交換器
17 給湯水流路
18 風呂熱交換器
19 風呂水流路
20 冷媒流路制御手段
23 給湯温検知手段
24 風呂
25 風呂水加熱路
26 風呂水循環路
27 送水手段
28 風呂水温検知手段
29 水位検知手段
30 風呂注湯路
31 流量可変手段

Claims (14)

  1. 圧縮機と放熱器と減圧手段と吸熱器とを含む冷媒循環回路と、前記放熱器と熱交換を行う複数の水流路を備えた熱交換器を有し、前記複数の水流路のうちの1つは給湯端末へ通水するための給湯回路に接続した給湯水流路とし、前記水流路のうちの他の1つは風呂に通水するための風呂水加熱路に接続した風呂水流路とするヒートポンプ給湯装置。
  2. 熱交換器を複数備えた請求項1に記載のヒートポンプ給湯装置。
  3. 複数の熱交換器はそれぞれ放熱器と前記放熱器で熱交換を行うための冷媒流路を有し、複数ある前記冷媒流路を制御するための冷媒流路制御手段を備えた請求項2に記載のヒートポンプ給湯装置。
  4. 熱交換器は、給湯水流路を備えた給湯熱交換器と風呂水流路を備えた風呂熱交換器とし、前記給湯熱交換器での熱交換を優先するよう冷媒流路制御手段を制御する請求項3に記載のヒートポンプ給湯装置。
  5. 熱交換器は、給湯水流路を備えた給湯熱交換器と風呂水流路を備えた風呂熱交換器とし、前記風呂熱交換器での熱交換を優先するよう冷媒流路制御手段を制御する請求項3に記載のヒートポンプ給湯装置。
  6. 熱交換器は、給湯水流路を備えた給湯熱交換器と風呂水流路を備えた風呂熱交換器とし、冷媒流路制御手段を制御して前記給湯熱交換器と前記風呂熱交換器を同時に使用可能とする請求項3に記載のヒートポンプ給湯装置。
  7. 1つの熱交換器に給湯水流路と風呂水流路を備えた請求項1に記載のヒートポンプ給湯装置。
  8. 給湯水流路および風呂水流路への熱交換状況に応じて冷媒循環回路を制御する請求項1〜7のいずれか1項に記載のヒートポンプ給湯装置。
  9. 風呂水加熱路と風呂と風呂水流路を含む風呂水循環路を備えた請求項1〜8のいずれか1項に記載のヒートポンプ給湯装置。
  10. 風呂水循環路は、風呂水を送水する送水手段と、風呂の湯温を測定する風呂水温検知手段と、前記風呂水温検知手段で測定した風呂水温度に応じて送水手段と冷媒循環回路を制御する制御手段を備えた請求項9に記載のヒートポンプ給湯装置。
  11. 風呂に給湯をする風呂注湯路を給湯回路と風呂水循環路に接続して設けた請求項9または10に記載のヒートポンプ給湯装置。
  12. 風呂注湯路に備えた風呂への給湯流量を調節する流量可変手段と、給湯水流路で熱せられた湯の温度を測定する給湯温検知手段と、前記給湯温検知手段で測定した湯の温度に応じて前記流量可変手段を制御する制御手段を有する請求項11に記載のヒートポンプ給湯装置。
  13. 風呂の水位を検知する水位検知手段を備えた請求項1〜12のいずれか1項に記載のヒートポンプ給湯装置。
  14. 冷媒は炭酸ガスとする請求項1〜13のいずれか1項に記載のヒートポンプ給湯装置。
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