JP4985504B2 - 給湯装置の貯湯タンク及びそれを用いたヒートポンプ給湯機 - Google Patents

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Description

本発明は、給湯機として用いられ、任意の温度に加熱した温水を貯めておく貯湯タンクに関するものである。
従来、給湯機としては、ガスや石油を燃料として用い、その燃焼熱で水道水を加熱する給湯機が使用されてきた。これらは、速湯性に優れているという利点がある半面、ガス、石油といった燃料が必要でその供給が不可欠であること、燃焼後の排気ガスが大気に放出され大気汚染を招くこと、燃焼させるので不安全性を常に内在していること、燃焼時の音が大きいことなどの課題があった。特に近年増えている、エネルギー源を全て電気で行うというオール電化の住宅やマンションでは、燃料を供給する方法がないため、使用できないケースも増えてきている。
そこで、加熱された温水を貯めておく大容量の貯湯タンクを備えた給湯装置が開発されている。この加熱方法としては、夜間割引の安価な電力を利用し、夜間に貯湯タンクの内部に配設された電気ヒータで加熱してできた一般的には80℃以上の温水を、貯湯タンクに貯めておき、この温水と水道水をミキシングして、使用者の欲する任意の温度にして、給湯端末から供給するものである。
また、加熱方法として、ヒータ以外にヒートポンプを用いた貯湯式のヒートポンプ式給湯装置が開発されている。これは、大容量の貯湯タンクと、ヒートポンプ回路を組み入れた室外機を備え、夜間割引の安価な電力を利用して、ヒートポンプ回路で水道水を温水に加熱して、その温水を貯湯タンクに貯めておき、この温水と水道水をミキシングして、使用者の欲する任意の温度にして、給湯端末から供給するものである。このヒートポンプ式給湯装置は、冷媒の状態変化を利用して加熱しているので、電気ヒータによる加熱よりエネルギー効率が良く、入力に対する能力は3倍以上確保することが可能であり、ランニングコストも安価となるなどの特徴を持ち、燃焼による給湯機の問題を解決し、オール電化の住宅、マンションでも新たなインフラ整備を必要としないで手軽に設置することができ、普及してきている。
このように用いられている給湯装置の貯湯タンクの場合は、水道による水道圧が直接貯湯タンクに加わり、変形したり、亀裂が生じて水漏れしてしまうことを防ぐために、水道の給水部と、貯湯タンクの間に減圧弁を設け、貯湯タンクに加わる圧力を減じている。そして、この設定は、100kPaから200kPaに設定されているのが通常である。ところが、このような減圧弁を設けているために、給湯端末での水圧が減じてしまい、シャワー圧が低くなり、シャワーの勢いがなくなってしまう、3階建て住宅で3階給湯するなど高所での給湯する際に、流量が少なく時間がかかる、などの課題が出てきている。
それを防ぐには、貯湯タンクの強度を増すことが必要であり、貯湯タンクの正圧の耐圧性を上げるためには、概して板厚を上げて対応している場合が多い。しかし、貯湯タンクの材質は腐食をさせるためにステンレス製である場合がほとんどであり、板厚を上げることは、材料費のコストアップにつながってしまうこととなる。
また、その逆に貯湯タンクより給湯端末がある場合で、減圧弁を含む給水端末がなんらかの原因で詰まってしまった、閉塞した場合には、貯湯タンクには水頭圧の負圧が発生する。それによる変形を防ぐためには、上記したような、板厚を上げる他に、以下に示すような対応が取られている。
図8に示したように貯湯タンク51内部に環状の補強用のリブ52を溶接することにより、強度を向上させているものである(例えば、特許文献1参照)。また、図9で示した形状で貯湯タンク53の胴板54に複数個の補強リブ55を設け、この補強リブ55を胴板54中央部で狭く、胴板54の両端部で広くしたものであり、同じく負圧に対する強度を向上させている。また、これらは負圧に対する強度を上げているが、当然正圧に対する強度も若干向上しているものと思われる(例えば、特許文献2参照)。
実開昭62−76863号公報 特開平3−148489号公報
しかしながら、上記特許文献1の構成では、補強リブ52が胴板にスポット溶接されているために、スポット溶接箇所の胴板の強度が落ちており、0(ゼロ)圧と圧力逃し弁の設定圧が繰返し貯湯タンクにかかった時に、スポット溶接部分から亀裂が生じてしまうことがあり、耐久面での課題があった。また、補強リブ52が胴板51aの内部に溶接されているために、貯湯タンク51内に温水を貯めていた際に、補強リブ52と胴板51aの間で隙間腐食が生じ、貯湯タンク51に孔が空いてしまうようなこともあり、同じく耐久面で課題を有していた。
また、特許文献2においては、上記課題を解決するために考案されているが、胴板54に補強リブ55を外方に張り出すためには、胴板54をロール加工で張り出すか、タンク加工を施した後ハイドロフォーミング加工を行なうことが必要である。前記ロール加工の際に張り出すと、どうしても真円が保つことが難しくなり、歪んだ状態となってしまう。そのため、胴板54の上下にある上部板56、下部板57と勘合させて、貯湯タンク53のタンク完成とすることが非常に困難となっている。
また、ハイドロフォーミング加工は、タンク完成後に水圧をかけて、胴板54を変形させるものであるが、300Lを超えるようなタンクにて加工を行なおうとする場合は、その装置が非常に大きく、圧力も過大なものが必要であり、コスト面でも大きく上がってしまうこととなる。また、正圧のかかる条件では、このリブを外方に張り出す構成では不十分であり、補強リブ55を設けても、効果はほとんどなく、むしろ応力面では悪化してしまう。これをクリアするには、結局胴板54の板厚を上げることが必要であり、板厚を上げれば、材料がステンレスの場合コストアップとなるし、補強リブ55のリブ出し加工を行なうための、ロール加工や、ハイドロフォーミング加工がやりにくくなり、結局は更なるコストアップを招くという課題を有していることとなる。
本発明は上記従来の課題を解決するもので、正圧、負圧、繰り返しの圧力に耐えることができ、コスト的にも有利で、本体構成も大幅に変えずとも可能な、使用性の高い貯湯タンクを提供することを目的とする。
前記従来の課題を解決するために、本発明の給湯装置の貯湯タンクは、略円筒状の胴板の上方及び下方と、略半球状の上部板及び下部板とをそれぞれ溶接で一体形成し、加熱手段を用いて任意の温度に加熱した温水を貯湯する給湯装置の貯湯タンクにおいて、前記上部板の略端部及び/又は下部板の溶接部近傍に外方へ突出させた略円周状の凸部を設け、
前記略円筒状の胴板の上方及び/又は下方の溶接部近傍に外方へ突出させた略円周状の凸部を設けるとともに、前記溶接部を、高さ方向において、前記上部板に設けた凸部と前記胴板の上方に設けた凸部との間、及び/又は、前記下部板に設けた凸部と前記胴板の下方に設けた凸部と間に位置させ、前記胴板の少なくとも溶接部近傍の板厚を、前記上部板及び/又は下部板の溶接部近傍の板厚と同等もしくはそれより薄くしたことを特徴するもので、貯湯タンクに正圧と0圧が繰返し加わった時の、強度を大幅に向上させることができるものである。
本発明によれば、耐圧強度を向上することができ、使用性にも耐久性にも優れ、コスト合理化も可能な貯湯タンクを提供できる。
第1の発明の給湯装置の貯湯タンクは、略円筒状の胴板の上方及び下方と、略半球状の上部板及び下部板とをそれぞれ溶接で一体形成し、加熱手段を用いて任意の温度に加熱した温水を貯湯する給湯装置の貯湯タンクにおいて、前記上部板の略端部及び/又は下部板の溶接部近傍に外方へ突出させた略円周状の凸部を設け、前記略円筒状の胴板の上方及び/又は下方の溶接部近傍に外方へ突出させた略円周状の凸部を設けるとともに、前記溶接部を、高さ方向において、前記上部板に設けた凸部と前記胴板の上方に設けた凸部との間、及び/又は、前記下部板に設けた凸部と前記胴板の下方に設けた凸部と間に位置させ、前記胴板の少なくとも溶接部近傍の板厚を、前記上部板及び/又は下部板の溶接部近傍の板厚と同等もしくはそれより薄くしたことを特徴するもので、給湯端末(蛇口など)で、給湯、OFFを繰返されると、貯湯タンクには、0(ゼロ)圧と減圧弁の設定圧が繰返しかかることとなり、その際に胴板が、上部板、あるいは下部板との接合部を支点として、膨縮を繰返すこととなる。それに対して、その部位の強度を増しているので、亀裂が生じてしまうということがなく、耐久性を大幅に向上させることができる。
そのため、減圧弁の設定圧力を高く設定することができ、給湯端末であるシャワー圧を上げることが可能となり、シャワーの勢いが増すことにより、使用性が大幅に向上したり、給湯圧が上がることにより、3階への風呂給湯が可能となったり、3階への蛇口給湯が可能となったり、使い勝手が大幅に良くなることとなる。
第2の発明の給湯装置の貯湯タンクは、略円筒状の胴板の上方及び下方と、略半球状の上部板及び下部板とをそれぞれ溶接で一体形成し、加熱手段を用いて任意の温度に加熱した温水を貯湯する給湯装置の貯湯タンクにおいて、前記上部板の略端部及び/又は下部板の溶接部近傍に外方へ突出させた略円周状の凸部を設け、前記略円筒状の胴板の上方及び/又は下方の溶接部近傍に前記胴板と同心円状の胴外板を設けるとともに、前記溶接部を、高さ方向において、前記上部板に設けた凸部と前記胴板の上方に設けた胴外板との間、及び/又は、前記下部板に設けた凸部と前記胴板の下方に設けた胴外板と間に位置させ、前記胴板の少なくとも溶接部近傍の板厚を、前記上部板及び/又は下部板の溶接部近傍の板厚と同等もしくはそれより薄くしたことを特徴するもので、給湯端末(蛇口など)で、給湯、OFFを繰返されると、貯湯タンクには、0(ゼロ)圧と減圧弁の設定圧が繰返しかかることとなり、その際に胴板が、上部板、あるいは下部板との接合部を支点として、膨縮を繰返すこととなる。それに対して、その部位の強度を増しているので、亀裂が生じてしまうということがなく、耐久性を大幅に向上させることができる。
そのため、減圧弁の設定圧力を高く設定することができ、給湯端末であるシャワー圧を上げることが可能となり、シャワーの勢いが増すことにより、使用性が大幅に向上したり、給湯圧が上がることにより、3階への風呂給湯が可能となったり、3階への蛇口給湯が可能となったり、使い勝手が大幅に良くなることとなる。
第3の発明は、第1あるいは第2の発明のいずれかの給湯装置の貯湯タンクにおいて、水道水を給水するための給水部と、温水を供給するための出湯部と、前記給水部に設けた給水圧力を減ずるための減圧弁と、前記減圧弁以上の圧力を開放するための圧力逃し安全弁とを備え、前記減圧弁の設定圧力を0.25MPa以上としたことを特徴するもので、第1あるいは第2の発明で貯湯タンクの強度を増していることにより、減圧弁の設定圧力を高くすることが可能となり、それにより、シャワー圧を上げて、シャワーの勢いを強くする、あるいは3階建て住宅で3階給湯するなど高所での給湯するために、給湯圧を上げて使用する、湯はり時間の短縮化が図れることが可能となり、使用性が大幅に向上することとなる。
第4の発明は、第1〜第3のいずれかの発明の給湯装置の貯湯タンクと、圧縮機、水−冷媒熱交換器、減圧手段、空気−冷媒熱交換器を順次接続して形成した加熱手段とから構成したことを特徴とするヒートポンプ給湯機で、低コスト化を図りつつ、断熱性能を確保できることにより、より普及度を高めることが可能な給湯装置とすることができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
(実施の形態1)
以下に、本発明の第1の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の給湯装置の正面内観図であり、図2は給湯装置の回路図である。
1は給湯装置の貯湯タンクユニットであり、2はヒートポンプ回路を有するヒートポンプユニットである。そして、この貯湯タンクユニット1とヒートポンプユニット2は、2本の水配管3(3a、3b)で連結している。
給湯装置の貯湯タンクユニット1内部には、ヒートポンプユニット2で加熱された温水を貯めておく貯湯タンク4があり、水道水をヒートポンプユニット2で加熱して温水として貯めておき、必要な際に、水道水とミキシングして、所定の温度にして給湯することとができる。この貯湯タンク4は、薄板の耐腐食性に優れたステンレス製のプレス部品で構成されており、略円筒状になっている。
この貯湯タンク4の前方には、水道水を供給する給水管5があり、この給水管5から供給された水圧を一定の水圧に減ずるための減圧弁6が配されており、それ以外に水ポンプ7などの機能部品や、制御基板8などの制御部品が配されている。
減圧弁6は水道水の圧力を概して、従来は120kPa以下に減じて貯湯タンク4に供給するものであり、貯湯タンク4にかかる圧力を減ずることで、貯湯タンク4の変形防止、耐久性向上を確保している。また、近年では高圧タイプとして、減圧弁の設定を180kPaまで上げているものも登場しているが、今回のこの仕様では、減圧弁の設定を250kPa以上として、280kPaまで上げて、さらに高圧タイプの貯湯タンクユニット1としている。また、この減圧弁6にはストレーナを組み込み、水道水内のゴミ、コンタミネーションを除去するようになっている。
9は密閉された圧力容器である貯湯タンク4の上死点に設けられた、圧力逃し安全弁であり、貯湯タンク4の破裂を防ぐ缶体内の異常圧力を抜くための装置として、減圧弁6の設定圧力よりも高く設定してある。この仕様では280kPaより高い設定として、減圧弁6のバラツキも考慮して、340kPa程度に設定している。
ヒートポンプユニット2には、圧縮機、放熱器、減圧手段、空気−冷媒熱交換器を順次接続した冷媒サイクルが組み込まれており、10は圧縮機、11は放熱器であり、水−冷媒熱交換器として、水道水を加熱する熱交換器であり、12は空気−冷媒熱交換器である。13は空気−冷媒熱交換器12の前方に配された送風手段である送風ファンであり、空気−冷媒熱交換器12から、風を吸引し、蒸発能力を高め、ヒートポンプ加熱能力を高めるようになっている。そして、ヒートポンプユニット2で80℃以上に加熱された水道水は、温水となって、水配管3bで給湯装置の貯湯タンクユニット1に運ばれ、貯湯タンク4に貯湯されるわけである。
給湯装置の貯湯タンク4の詳細図は、図3(a)に上面図、図3(b)に側面図を記載している。14は耐腐食性を有するステンレス鋼鈑を絞り加工して成形した上部板であり、15は上部板14とTig溶接で一体化された同じくステンレス鋼鈑の胴板であり、平板をロール加工にて、円筒状にし、Tig溶接を縦方向に行ってある。16は胴板15の下方に配され、胴板とTig溶接で一体化された下部板であり、上部板14と同様にステンレス鋼鈑を絞り加工して成形してある。この3部品で閉塞空間を形成し、その内方に温水を貯留することにより、給湯装置の貯湯タンクの役割を果たすようになっている。また、上部板14、下部板16には、給水口や温水取出し口が設けられている。
この中で、胴板15、下部板16の断面図を記載したのが、図4、図5である。下部板16の最上部には、外方へ突出させた円周状の下部板リブ部16aが設けられており、胴板15の最下方にも同じく外方へ張出した円周状の胴板リブ部15aが設けられている。15bは胴板15と下部板16の接合部であり、Tig溶接で一体化されている。これは下部板16と胴板15の関係を記載したが、上部板14と胴板15に関しても、図3に記した胴板15と上部板14の接合部である15cにおいて、上部板リブ部14aと、胴板リブ部15aが設けられている。
以下、図面に基づいて、上記給湯装置の動作を説明する。
給水管5から給水された水道水は、一旦貯湯タンク4の内部に入る。その貯湯タンク4からポンプ7を介し、水配管3(3a)を通りヒートポンプユニット2に送られる。ヒートポンプユニット2では、圧縮機10を駆動させると、高圧まで圧縮されて吐出された冷媒は、水−冷媒熱交換器である放熱器11に送られ、ここで水配管3(3a)から送られてきた水道水と熱交換して放熱する。これにより、水道水は高温に加熱され、他方の水配管3bで再度、給湯タンクユニット1に送られる。高温となり給湯タンクユニット1に戻った温水は、貯湯タンク4で貯湯される。そして、貯湯された温水は、給湯操作が行われると、貯湯タンク4の温水と、給水管5から、減圧弁9を介して給水された水道水が、混合弁20で混合され、所定の温度となって給湯管21を介して、蛇口や風呂などの給湯端末22給湯される。
この際に、水道圧の圧力が貯湯タンク4に加わらないように、給水管5には圧力を減ずるための減圧弁9が設けられており、280kPa程度に減圧を行う。それにより、給湯端末22をON−OFFすると、20〜60kPa程度の圧力と、減圧弁9の設定圧力である280kPaが繰り返し、貯湯タンク4にかかることとなる。また、貯湯タンク4内の温度が上昇し、内部圧力が高くなった場合の圧力逃し弁9が開放されるまでの圧力340kPaが貯湯タンク4にかかることとなる。
そのため、貯湯タンク4の胴板15は、Tig溶接してある上部板14と胴板15の接合部15c、下部板16と胴板15の接合部15bを支点として、中央部が膨縮を繰返すこととなる。
貯湯タンク4に、340kPaの内圧をかけた際の最も高い所は、下部板16と胴板15の接合部分であるが、その際に、下部板16に下部板リブ部16a、胴板15の最下方にも同じく外方へ張出した円周状の胴板リブ部15aを設けているために、胴板の膨縮がその根元部位で抑えられることとなり、胴板15の変位を減ずることができる。そのため、接合部15bの応力を低減することが可能となり、繰返し荷重に対する耐力を大幅に向上させることが可能となり、減圧弁、圧力逃し弁の設定圧力を高くすることができ、湯端末であるシャワー圧を上げることが可能となり、シャワーの勢いが増すことにより、使用性が大幅に向上したり、給湯圧が上がることにより、3階への風呂給湯が可能となったり、3階への蛇口給湯が可能となったり、使い勝手が大幅に良くなることとなる。
また、胴板15の接合部15bの応力を低減することができるために、胴板15の板厚を下部板16、上部板14よりも薄くすることも可能となるので、それによりコスト合理化が可能となり、低価格の給湯装置を提供することができる。
また、貯湯タンク4の強度を向上させるために行った貯湯タンク4の形状は、従来のものと大きくは変わっていないために、本体筐体の寸法をコンパクトに保つ、あるいは胴板15の外方に熱伝導率の低い断熱材を用いることにより、断熱性能を高め、貯湯された温水の温度低下を防ぎ、省エネを図ることも可能となり、ひいては加工に際し従来のままでも加工することができるなど、品質安定化も可能となるなど、使用性にも耐久性にも優れた給湯装置の貯湯タンクを提供できる。
(実施の形態2)
以下に、本発明の第2の実施の形態について、図6、図7を参照しながら説明する。実施の形態1と同等の箇所に関しては同番号を付し、その説明は省略する。
貯湯タンク4の中央部に胴板15があり、その下方には下部板16があり、これはTig溶接で一体化され、閉塞空間を形成している。この下部板16の下方には、胴板15と同心円の胴外板15dが、Tig溶接で胴板15に溶接されている。また、下部板16の最上部には、外方へ突出させた円周状の下部板リブ部16aが設けられている。
その際に、下部板16に下部板リブ部16a、胴板15の最下方にも同じく強度を増した、胴外板15dを設けているために、胴板15の膨縮がその根元部位で抑えられることとなり、胴板15の変位を減ずることができ、繰返し荷重に対する耐力を大幅に向上させることが可能となり、減圧弁6、圧力逃し弁9の設定圧力を高くすることができ、湯端末であるシャワー圧を上げることが可能となり、シャワーの勢いが増すことにより、使用性が大幅に向上したり、給湯圧が上がることにより、3階への風呂給湯が可能となったり、3階への蛇口給湯が可能となり、使い勝手が大幅に良くなることとなる。
また、胴板15の接合部15bの応力を低減することができるために、胴板15の板厚を下部板16、上部板14よりも薄くすることも可能となるので、それによりコスト合理化が可能となり、低価格の給湯装置を提供することができる。
以上のように、本発明は、温水をためてそれを供給する給湯装置に適用され、例えば家庭用のヒートポンプ給湯装置などに適している。
本発明の実施の形態1における給湯装置の貯湯タンクの正面図 同給湯装置の回路図 (a)同給湯装置の貯湯タンクの上面図(b)同給湯装置の貯湯タンクの側面図 同給湯装置の貯湯タンクの下部正面図 図4のA部詳細図 本発明の実施の形態2における給湯装置の貯湯タンクの下部正面図 図6のB部詳細図 従来の給湯装置の断面図 従来の他の給湯装置の断面図
1 給湯装置の貯湯タンクユニット
2 ヒートポンプユニット
3a、3b 水配管
4 貯湯タンク
5 給水管
6 減圧弁
7 水ポンプ
8 制御P板
9 圧力逃し安全弁
10 圧縮機
11 放熱器
12 空気−冷媒熱交換器
13 送風ファン
14 上部板
14a 上部板リブ部(凸部)
15 胴板
15a 胴板リブ部(凸部)
15b 胴板接合部(下部)
15c 胴板接合部(上部)
15d 胴外板
16 下部板
16a 下部板リブ部(凸部)
22 給湯端末

Claims (4)

  1. 略円筒状の胴板の上方及び下方と、略半球状の上部板及び下部板とをそれぞれ溶接で一体形成し、加熱手段を用いて任意の温度に加熱した温水を貯湯する給湯装置の貯湯タンクにおいて、前記上部板の略端部及び/又は下部板の溶接部近傍に外方へ突出させた略円周状の凸部を設け、前記略円筒状の胴板の上方及び/又は下方の溶接部近傍に外方へ突出させた略円周状の凸部を設けるとともに、前記溶接部を、高さ方向において、前記上部板に設けた凸部と前記胴板の上方に設けた凸部との間、及び/又は、前記下部板に設けた凸部と前記胴板の下方に設けた凸部と間に位置させ、前記胴板の少なくとも溶接部近傍の板厚を、前記上部板及び/又は下部板の溶接部近傍の板厚と同等もしくはそれより薄くしたことを特徴する給湯装置の貯湯タンク。
  2. 略円筒状の胴板の上方及び下方と、略半球状の上部板及び下部板とをそれぞれ溶接で一体形成し、加熱手段を用いて任意の温度に加熱した温水を貯湯する給湯装置の貯湯タンクにおいて、前記上部板の略端部及び/又は下部板の溶接部近傍に外方へ突出させた略円周状の凸部を設け、前記略円筒状の胴板の上方及び/又は下方の溶接部近傍に前記胴板と同心円状の胴外板を設けるとともに、前記溶接部を、高さ方向において、前記上部板に設けた凸部と前記胴板の上方に設けた胴外板との間、及び/又は、前記下部板に設けた凸部と前記胴板の下方に設けた胴外板と間に位置させ、前記胴板の少なくとも溶接部近傍の板厚を、前記上部板及び/又は下部板の溶接部近傍の板厚と同等もしくはそれより薄くしたことを特徴する給湯装置の貯湯タンク。
  3. 水道水を給水するための給水部と、温水を供給するための出湯部と、前記給水部に設けた給水圧力を減ずるための減圧弁と、前記減圧弁以上の圧力を開放するための圧力逃し安全弁とを備え、前記減圧弁の設定圧力を0.25MPa以上としたことを特徴する請求項1または2に記載の給湯装置の貯湯タンク。
  4. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の給湯装置の貯湯タンクと、圧縮機、水−冷媒熱交換器、減圧手段、空気−冷媒熱交換器を順次接続して形成した加熱手段とから構成したことを特徴とするヒートポンプ給湯機。
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