JP2019132566A - 貯湯式給湯装置 - Google Patents

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直紀 柴崎
Naoki Shibazaki
直紀 柴崎
昭徳 山本
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【課題】スケール付着による配管詰りを抑制する上で有利な貯湯式給湯装置を提供する。【解決手段】貯湯式給湯装置35は、貯湯タンク8と、圧縮機2と水冷媒熱交換器3と膨張弁4と空気熱交換器6とを冷媒回路により接続した冷凍サイクルを備える熱源機(HPユニット7)と、貯湯タンク8の上部及び下部と熱源機とをつなぐ水回路と、圧縮機2から水冷媒熱交換器3へ供給する冷媒の温度である冷媒吐出温度が、所定の上限吐出温度を超えないように、膨張弁4の開度調整をすることなしに、圧縮機2の回転速度を変更することで冷媒吐出温度を制御する圧縮機回転速度変更処理を実施可能な制御手段(制御部36)とを備える。【選択図】図1

Description

本発明は、貯湯式給湯装置に関する。
ヒートポンプ式給湯機において、ヒートポンプへの入水温度の上昇に応じて圧縮機からの冷媒の吐出温度を変更する技術が知られている。下記特許文献1には、入水温度等に応じて膨張弁を制御して冷媒吐出温度を所定温度に制御する技術が開示されている。
特開2004−340535号公報
しかし、スケール成分の含有量が多い水質の環境下においては、冷媒吐出温度が、配管にスケール付着が促進する温度よりも高くなり、スケール付着による配管詰りが発生する場合がある。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、スケール付着による配管詰りを抑制する上で有利な貯湯式給湯装置を提供することを目的とする。
本発明に係る貯湯式給湯装置は、貯湯タンクと、圧縮機と水冷媒熱交換器と膨張弁と空気熱交換器とを冷媒回路により接続した冷凍サイクルを備える熱源機と、貯湯タンクの上部及び下部と熱源機とをつなぐ水回路と、圧縮機から水冷媒熱交換器へ供給する冷媒の温度である冷媒吐出温度が、所定の上限吐出温度を超えないように、膨張弁の開度調整をすることなしに、圧縮機の回転速度を変更することで冷媒吐出温度を制御する圧縮機回転速度変更処理を実施可能な制御手段とを備えるものである。
本発明によれば、スケール付着による配管詰りを抑制する上で有利な貯湯式給湯装置を提供することが可能となる。
実施の形態1による貯湯式給湯装置を示す図である。 実施の形態1における沸上運転のときの入水温度の時間的な変化の例を示すグラフである。 実施の形態1における沸上運転のときの圧縮機の回転速度の時間的な変化の例を示すグラフである。 実施の形態1における沸上運転のときの冷媒吐出温度の時間的な変化の例を示すグラフである。
以下、図面を参照して実施の形態について説明する。各図において共通または対応する要素には、同一の符号を付して、重複する説明を簡略化または省略する。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1による貯湯式給湯装置35を示す図である。図1に示すように、本実施の形態の貯湯式給湯装置35は、冷凍サイクルであるヒートポンプサイクルを利用するHPユニット7と、貯湯タンク8を有するタンクユニット33と、リモコン44とを備える。HPユニット7は、熱源機に相当する。図示の構成では、貯湯式給湯装置35の動作を制御する制御部36がタンクユニット33に内蔵されている。
リモコン44は、貯湯式給湯装置35の制御部36に対し、双方向にデータ通信可能に接続されている。リモコン44は、ユーザーインターフェースの例である。制御部36とリモコン44との間の通信は、有線通信でも無線通信でもよい。リモコン44は、浴室に設置されてもよい。リモコン44は、台所に設置されてもよい。異なる場所に複数のリモコン44が設置されてもよい。リモコン44のほかに、例えばスマートフォンのような携帯情報端末が貯湯式給湯装置35のユーザーインターフェースとして使用可能でもよい。
リモコン44は、表示部44a及び操作部44bを備える。表示部44aは、例えば、液晶ディスプレイまたは有機ELディスプレイでもよい。表示部44aは、例えば、貯湯式給湯装置35の状態に関する情報、貯湯式給湯装置35の設定内容に関する情報などを表示できる。操作部44bは、使用者が操作するためのボタン、ダイヤル、キーなどを含んでもよい。表示部44aは、操作部の機能を兼ね備えるタッチスクリーンでもよい。リモコン44は、スピーカ、マイク等をさらに備えてもよい。リモコン44の表示部44aは、情報を報知する報知手段としての機能を有する。本実施の形態におけるリモコン44は、表示部44aを報知手段として備えるが、変形例として、例えば音声案内装置のような他の報知手段を備えてもよい。
HPユニット7とタンクユニット33との間は、HP往き管14とHP戻り管15と図示しない電気配線とを介して接続されている。タンクユニット33及びHPユニット7が備える弁類、ポンプ類のような各種のアクチュエータの作動は、これらと電気的に接続された制御部36により制御される。
HPユニット7は、圧縮機2、水冷媒熱交換器3、膨張弁4、及び空気熱交換器6を冷媒管5にて環状に接続した冷媒回路による冷凍サイクルを備えている。水冷媒熱交換器3は、圧縮機2により圧縮された高温高圧の冷媒と、タンクユニット33から導かれた水との間で熱を交換する熱交換器である。貯湯式給湯装置35は、沸上運転を実施できる。沸上運転は、HPユニット7により貯湯タンク8の水を加熱する運転である。HPユニット7の加熱能力は、単位時間当たりに水に与える熱量であり、単位はワットである。例えば、圧縮機2の電源周波数を可変にすることで、HPユニット7の加熱能力を調整可能である。HPユニット7の加熱能力を変えることで、HPユニット7の消費電力を調整可能である。空気熱交換器6は、大気の熱を低圧冷媒に吸収させる熱交換器である。HPユニット7は、外気を空気熱交換器6へ送風する送風機(図示省略)を備えていてもよい。
タンクユニット33には、以下の各種部品及び配管などが内蔵されている。貯湯タンク8は、湯水を貯留するためのものである。温度による水の密度の違いにより、貯湯タンク8内には、上側が高温で下側が低温の温度成層を形成できる。貯湯タンク8の下部に設けられた水導入口8aには、第3給水管9cが接続されている。水道等の水源から供給される水は、減圧弁31で所定圧力に調圧された上で、第3給水管9cを通って貯湯タンク8内に流入する。貯湯タンク8の上部に設けられた温水導入出口8dには、貯湯タンク8内に貯留された湯を貯湯式給湯装置35の外部へ供給するための給湯管21と、送湯管13とが接続されている。
沸上運転において、HPユニット7を用いて加熱された高温湯が温水導入出口8dから貯湯タンク8内に流入し、貯湯タンク8内で上から下に向かって徐々に高温湯が蓄積されていく。貯湯タンク8の表面には、複数の貯湯温度センサ42,43が高さを変えて取り付けられている。制御部36は、これら貯湯温度センサ42,43で貯湯タンク8内の湯水の温度分布を検出することにより、貯湯タンク8内の貯湯量及び蓄熱量を検出できる。制御部36は、検出された貯湯タンク8内の貯湯量または蓄熱量に応じて、沸上運転の開始及び停止などを制御してもよい。図示の例では、2個の貯湯温度センサ42,43を設けているが、さらに多くの貯湯温度センサを設けてもよい。
タンクユニット33内には、循環ポンプ12及びふろ用熱交換器20が内蔵されている。循環ポンプ12は、タンクユニット33内の後述する各種の配管に湯水を循環させるためのポンプであり、HP往き管14上に設けられている。ふろ用熱交換器20は、貯湯タンク8またはHPユニット7から供給される高温湯を利用して、2次側の加熱対象水(浴槽水または暖房用水など)を加熱するための熱交換器である。本実施の形態では、ふろ用熱交換器20の2次側の構成として、浴槽30内の湯水を循環させるふろ往き管27とふろ戻り管28を例示し説明する。ふろ用熱交換器20は、ふろ往き管27とふろ戻り管28の途中に設置されている。また、ふろ往き管27とふろ戻り管28の途中には、浴槽水を循環させるためのふろ循環ポンプ29と、浴槽30から出た浴槽水の温度を検出するためのふろ戻り温度センサ38と、ふろ用熱交換器20から出た熱交換後の湯の温度を検出するためのふろ往き温度センサ37とが設置されている。
三方弁11は、湯水が流入するaポート及びbポートと、湯水が流出するcポートとを有する流路切替手段である。四方弁18は、湯水が流入するbポート及びcポートと、湯水が流出するaポート及びdポートとを有する流路切替手段であり、4つの経路、a−b、a−c、b−d、c−dの間で流路切替可能に構成されている。また、タンクユニット33は、水導出口管10、温水導入管20a、第1バイパス管16、温水導出管20b、及び第2バイパス管17を有している。水導出口管10は、貯湯タンク8の下部に設けられた水導出口8bと三方弁11のaポートとを接続する。HP往き管14は、三方弁11のcポートとHPユニット7の入口側とを接続する。HP戻り管15は、HPユニット7の出口側と四方弁18のcポートとを接続する。送湯管13は、四方弁18のdポートと、貯湯タンク8上部の温水導入出口8dとを接続する。第1バイパス管16は、四方弁18のaポートと、貯湯タンク8の中央部から下部の間に設けられた温水導入口8cとを接続する。温水導入管20aは、送湯管13の途中から分岐し、ふろ用熱交換器20の1次側入口に接続される。温水導出管20bは、ふろ用熱交換器20の1次側出口と三方弁11のbポートとを接続する。第2バイパス管17は、HP往き管14における循環ポンプ12とHPユニット7の入口側との間から分岐し、四方弁18のbポートに接続される。
さらに、タンクユニット33は、第1給水管9a、第2給水管9b、給湯用混合弁22、ふろ用混合弁23、第1給湯管24、及び第2給湯管25を有している。第1給水管9aの一端は水道等の水源に接続され、第1給水管9aの他端には減圧弁31を介して第2給水管9b及び第3給水管9cが接続されている。第2給水管9bは、途中から分岐してそれぞれ給湯用混合弁22とふろ用混合弁23とに接続されている。また、給湯管21は、途中から分岐してそれぞれ給湯用混合弁22及びふろ用混合弁23に接続されている。第2給湯管25の途中には、第2給湯管25を開閉するふろ用電磁弁26と、第2給湯管25を通る湯の流量を検出するふろ用流量センサ45とが設けられている。第1給水管9aに設けられた給水温度センサ49は、水源から供給される低温水の温度である給水温度を検出する。
給湯用混合弁22及びふろ用混合弁23は、給湯管21から供給される高温湯と、第2給水管9bから供給される低温水との流量比を調整することにより、使用者がリモコン44にて設定した設定温度の湯を生成し、第1給湯管24及び第2給湯管25にそれぞれ流入させる。給湯用混合弁22で温度調整された湯は、第1給湯管24から給湯栓34を経由して、使用者が使用するシャワー及びカラン等の蛇口(図示しない)に供給される。一方、ふろ用混合弁23で設定温度に調整された湯は、第2給湯管25からふろ用流量センサ45、ふろ用電磁弁26、ふろ往き管27、ふろ戻り管28を経て浴槽30に供給される。
三方弁11は、水導出口管10とHP往き管14とが連通する形態と、温水導出管20bとHP往き管14とが連通する形態、の2つの流路形態で、タンクユニット33内の湯水の流路を切り替えて使用する。四方弁18は、HP戻り管15と送湯管13とが連通する形態、HP戻り管15と第1バイパス管16とが連通する形態、第1バイパス管16と第2バイパス管17とが連通する形態、送湯管13と第2バイパス管17とが連通する形態、の4つの流路形態で、タンクユニット33内の湯水の流路を切り替えて使用する。
沸上運転のときには、以下のようになる。HPユニット7及び循環ポンプ12が運転される。貯湯タンク8内の下部の水が、水導出口8b、水導出口管10、三方弁11、循環ポンプ12、及びHP往き管14を通って、水冷媒熱交換器3に流入する。圧縮機2により圧縮された高温高圧の冷媒が水冷媒熱交換器3に流入する。水冷媒熱交換器3内で加熱された高温の湯は、HP戻り管15、四方弁18、及び送湯管13を通って、温水導入出口8dから貯湯タンク8内に流入する。水冷媒熱交換器3を通過した高圧冷媒は、膨張弁4により膨張及び減圧し、気液二相の低圧冷媒になる。この低圧冷媒は、空気熱交換器6にて大気の熱を吸収することにより蒸発して気化する。この気化した低圧冷媒は、圧縮機2に吸入される。
冷媒回路における圧縮機2の後流、すなわち水冷媒熱交換器3の冷媒入り口部分には、吐出温度センサ50が取り付けられている。以下の説明では、圧縮機2から水冷媒熱交換器3へ供給する冷媒の温度を「冷媒吐出温度」と称する。本実施の形態であれば、上記の位置に吐出温度センサ50を設けたことで、冷媒吐出温度を正確に検出できる。水冷媒熱交換器3の壁面には水冷媒熱交換器壁温度センサ51が取り付けられている。以下の説明では、水冷媒熱交換器壁温度センサ51により検出される温度を「水冷媒熱交換器壁温度」と称する。
以下の説明では、沸上運転のときに水冷媒熱交換器3から貯湯タンク8に流入する湯の温度を「出湯温度」と称する。また、沸上運転のときに貯湯タンク8から水冷媒熱交換器3に流入する水の温度を「入水温度」と称する。HP戻り管15には、出湯温度を検出する出湯温度センサ52が取り付けられている。HP往き管14には、入水温度を検出する入水温度センサ53が取り付けられている。
制御部36は、圧縮機2の回転速度を調整できる。以下の説明では、制御部36は、例えばインバーター制御により圧縮機2の電源周波数を可変にすることで、圧縮機2の回転速度を調整できるものとする。
沸上運転の最中に、制御部36は、以下のように制御してもよい。
・圧縮機2の回転速度が所定の目標回転速度に等しくなるように圧縮機2を制御する。この目標回転速度は、例えば、電源周波数が50Hzとなるような速度でもよい。
・冷媒吐出温度が所定の目標吐出温度に等しくなるように膨張弁4の開度を制御する。この目標吐出温度は、例えば、95℃でもよい。制御部36は、HPユニット7への入水温度に基づいて目標吐出温度を決定してもよい。
・出湯温度が所定の目標出湯温度に等しくなるように循環ポンプ12の回転速度を制御する。この目標出湯温度は、例えば、80℃でもよい。
スケール成分の含有量が多い水質の環境下においては、冷媒吐出温度が高すぎると、水冷媒熱交換器3へのスケール付着が促進してしまう。本実施の形態において、制御部36は、冷媒吐出温度が所定の上限吐出温度を超えないように、膨張弁4の開度調整をすることなしに、圧縮機2の回転速度を変更することで冷媒吐出温度を制御する圧縮機回転速度変更処理を実施可能である。この「上限吐出温度」は、スケール付着を抑制できる温度として予め設定されている。本実施の形態であれば、圧縮機回転速度変更処理により、冷媒吐出温度が高くなりすぎることを確実に防止できるので、スケール付着を確実に抑制できる。
図2は、実施の形態1における沸上運転のときの入水温度の時間的な変化の例を示すグラフである。図3は、実施の形態1における沸上運転のときの圧縮機2の回転速度の時間的な変化の例を示すグラフである。図4は、実施の形態1における沸上運転のときの冷媒吐出温度の時間的な変化の例を示すグラフである。
図2に示すように、沸上運転の終盤では、貯湯タンク8の下部まで湯が溜まることにより、入水温度が上昇する。入水温度が上昇すると、図4に示すように、冷媒吐出温度も上昇する。図2から図4中の時刻t1よりも前においては、制御部36は、膨張弁4の開度を調整することにより、冷媒吐出温度を制御する。すなわち、制御部36は、冷媒吐出温度が上昇すると、膨張弁4の開度を大きくすることにより、冷媒吐出温度の上昇を抑制する。
図2から図4中の時刻t1では、膨張弁4が全開になっている。この時刻t1から制御部36は、圧縮機回転速度変更処理を開始する。圧縮機回転速度変更処理では、以下のようになる。図3に示すように、制御部36は、圧縮機2の回転速度が低下するように圧縮機2の電源周波数を低下させる。これにより、図4に示すように、冷媒吐出温度の上昇が抑制され、冷媒吐出温度が上限吐出温度以下に調整される。
仮に圧縮機回転速度変更処理を実施しなかった場合には、膨張弁4が全開になった後も入水温度が上昇すると、冷媒吐出温度が上限吐出温度を超えてしまう。これに対し、本実施の形態であれば、圧縮機回転速度変更処理を実施することで、冷媒吐出温度が上限吐出温度を超えることを確実に防止できる。その結果、スケール付着を確実に抑制できる。
圧縮機回転速度変更処理のときには、膨張弁4の開度が一定開度に保持される。本実施の形態では、圧縮機回転速度変更処理のときに膨張弁4の開度が全開に保持される。圧縮機回転速度変更処理のときに膨張弁4の開度調整をすることなしに一定開度に保持することにより、膨張弁4の開度変化によって冷媒吐出温度が変動することを防止できる。このため、圧縮機2の回転速度の変化によって冷媒吐出温度を調整する操作をより高精度に行うことが可能となる。
圧縮機回転速度変更処理において、制御部36は、予め設定された最低速度以上の範囲で圧縮機2の回転速度を調整してもよい。この最低速度は、例えば、電源周波数が30Hzとなるような速度でもよい。上記のようにすることで、圧縮機回転速度変更処理のときに圧縮機2をより安定して運転することができる。
制御部36は、冷媒回路における所定位置の温度(本実施の形態では、吐出温度センサ50により検出される温度)が上限に達する前まで(すなわち時刻t1まで)は膨張弁4の開度調整により冷媒吐出温度を調整し、当該所定位置の温度が上限に達した後(すなわち時刻t1)に圧縮機回転速度変更処理を開始する。これにより、時刻t1までは圧縮機2の回転速度を低下させることがないので、HPユニット7の加熱能力を高く維持することができる。
変形例として、水冷媒熱交換器壁温度センサ51により検出される水冷媒熱交換器壁温度を「冷媒回路における所定位置の温度」として用いて上記の制御を行ってもよい。その場合においても、上記と類似の効果が得られる。また、水冷媒熱交換器壁温度センサ51により水冷媒熱交換器3の壁温を検出して制御することで、スケールが実際に付着する壁へのスケール付着を抑制する上でより有利になる。
制御部36は、圧縮機回転速度変更処理を開始する前の出湯温度と、圧縮機回転速度変更処理を開始した後の出湯温度とが等しくなるように、循環ポンプ12の運転を制御してもよい。これにより、圧縮機回転速度変更処理を開始する前と後とで、貯湯タンク8に流入する湯の温度を一定にできるので、貯湯タンク8の貯湯温度を十分に高くすることができる。その結果、貯湯タンク8に貯える熱量を十分に多くすることができる。
あるいは、制御部36は、圧縮機回転速度変更処理を開始した後の出湯温度が、圧縮機回転速度変更処理を開始する前の出湯温度よりも低くなるように、循環ポンプ12の運転を制御してもよい。これにより、スケール付着をより確実に抑制することができる。
制御部36は、圧縮機2を起動した後、所定時間(例えば30分)が経過する第一条件と、冷媒吐出温度が所定温度(例えば100℃)に達する第二条件と、出湯温度が所定温度(例えば80℃)に達する第三条件と、HPユニット7の加熱能力が所定値(例えば4.5kW)に達する第四条件とのうちの少なくとも一つの条件が成立するまでは、圧縮機回転速度変更処理を実施しないようにしてもよい。このように、沸上運転の初期においては圧縮機2の回転速度を低下させないようにすることで、HPユニット7の運転効率を高く維持することが可能となる。
制御部36は、圧縮機回転速度変更処理を実施するスケール対応モードと、冷媒吐出温度が上限吐出温度を超えても圧縮機回転速度変更処理を実施しない通常モードとを切り替え可能に構成されていてもよい。例えば、リモコン44を操作することで、スケール対応モードと通常モードとが切り替え可能に構成されていてもよい。すなわち、スケール対応モードと通常モードとを切り替え可能な切替手段をリモコン44が備えていてもよい。スケール成分の含有量が少ない水質の環境下においては、スケールは付着しにくいので、圧縮機回転速度変更処理の必要性は低い。そのような場合においては、通常モードに切り替えることで、不必要な圧縮機回転速度変更処理が実施されることを防止できる。
2 圧縮機、 3 水冷媒熱交換器、 4 膨張弁、 5 冷媒管、 6 空気熱交換器、 7 HPユニット、 8 貯湯タンク、 9a 第1給水管、 9b 第2給水管、 9c 第3給水管、 10 水導出口管、 11 三方弁、 12 循環ポンプ、 13 送湯管、 14 HP往き管、 15 HP戻り管、 18 四方弁、 20 ふろ用熱交換器、 21 給湯管、 22 給湯用混合弁、 23 ふろ用混合弁、 24 第1給湯管、 25 第2給湯管、 26 ふろ用電磁弁、 27 ふろ往き管、 28 ふろ戻り管、 29 ふろ循環ポンプ、 30 浴槽、 33 タンクユニット、 34 給湯栓、 35 貯湯式給湯装置、 36 制御部、 37 ふろ往き温度センサ、 38 ふろ戻り温度センサ、 42,43 貯湯温度センサ、 44 リモコン、 44a 表示部、 44b 操作部、 45 ふろ用流量センサ、 49 給水温度センサ、 50 吐出温度センサ、 51 水冷媒熱交換器壁温度センサ、 52 出湯温度センサ、53 入水温度センサ

Claims (9)

  1. 貯湯タンクと、
    圧縮機と水冷媒熱交換器と膨張弁と空気熱交換器とを冷媒回路により接続した冷凍サイクルを備える熱源機と、
    前記貯湯タンクの上部及び下部と前記熱源機とをつなぐ水回路と、
    前記圧縮機から前記水冷媒熱交換器へ供給する冷媒の温度である冷媒吐出温度が、所定の上限吐出温度を超えないように、前記膨張弁の開度調整をすることなしに、前記圧縮機の回転速度を変更することで前記冷媒吐出温度を制御する圧縮機回転速度変更処理を実施可能な制御手段とを備える貯湯式給湯装置。
  2. 前記冷媒回路における所定位置の温度に上限が設けられ、
    前記制御手段は、前記所定位置の温度が前記上限に達する前までは前記膨張弁の開度調整により前記冷媒吐出温度を調整し、前記所定位置の温度が前記上限に達した後に前記圧縮機回転速度変更処理を開始する請求項1に記載の貯湯式給湯装置。
  3. 前記水冷媒熱交換器の冷媒入り口部分に設けられ、前記冷媒吐出温度を検出する温度センサを備え、当該温度センサにより前記所定位置の温度を検出する、請求項2に記載の貯湯式給湯装置。
  4. 前記圧縮機回転速度変更処理を実施するスケール対応モードと、前記冷媒吐出温度が前記上限吐出温度を超えても前記圧縮機回転速度変更処理を実施しない通常モードとを切り替え可能な切替手段を備える請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の貯湯式給湯装置。
  5. 前記切替手段を有するリモコンを備える請求項4に記載の貯湯式給湯装置。
  6. 出湯温度は、前記水冷媒熱交換器から前記貯湯タンクに流入する湯の温度であり、
    前記制御手段は、前記圧縮機回転速度変更処理を開始する前の前記出湯温度と、前記圧縮機回転速度変更処理を開始した後の前記出湯温度とが等しくなるように制御する請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の貯湯式給湯装置。
  7. 出湯温度は、前記水冷媒熱交換器から前記貯湯タンクに流入する湯の温度であり、
    前記制御手段は、前記圧縮機回転速度変更処理を開始した後の前記出湯温度が、前記圧縮機回転速度変更処理を開始する前の前記出湯温度よりも低くなるように制御する請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の貯湯式給湯装置。
  8. 前記制御手段は、前記圧縮機の起動時から所定時間が経過する第一条件と、前記冷媒吐出温度が所定温度に達する第二条件と、前記水冷媒熱交換器から前記貯湯タンクに流入する湯の温度が所定温度に達する第三条件と、前記熱源機の加熱能力が所定値に達する第四条件とのうちの少なくとも一つの条件が成立するまでは、前記圧縮機回転速度変更処理を実施しない請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の貯湯式給湯装置。
  9. 前記制御手段は、前記圧縮機回転速度変更処理において、予め設定された最低速度以上の範囲で前記圧縮機の回転速度を調整する請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の貯湯式給湯装置。
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Citations (6)

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