JP5450183B2 - ヒートポンプ給湯機 - Google Patents
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Description
ヒートポンプ給湯機のヒートポンプ運転による水の沸上げ温度は、通常の貯湯運転(液体加熱運転)では約65℃((社)日本冷凍空調工業会規格(JRA4050:2007R)標準沸上げ温度:65℃)、冬期低温時の貯湯運転(液体加熱運転)では約85℃〜90℃の高温(高温沸上げ)が一般的である。また、直接給湯運転時は洗面や入浴時の適温と言われる約42℃が一般的である。
そして、ヒートポンプ給湯機の更なる放熱損失の低減が可能な箇所としては、出湯金具部がある。
出湯金具は、ヒートポンプユニットと貯液ユニットとを接続するお湯側水配管(外側高温液配管)と、ヒートポンプユニット内のお湯配管(内側高温液配管)と、を接続するための接続金具であり、ヒートポンプユニット筐体に取り付けられる。一般に銅管を使用する水配管(液配管)をろう付けするために、出湯金具は金属製で作られ、また、ヒートポンプユニット筐体に密着して固定されるため、出湯金具内を流れる高温水の熱が出湯金具からヒートポンプユニット筐体を介して大気中に放熱される。なお、ヒートポンプユニット筐体には、ヒートポンプユニットと貯液ユニットとを接続する水側配管(外側低温液配管)と、ヒートポンプユニット内の水配管(内側低温液配管)と、を接続するための入水金具も取り付けられている。
このように、出湯金具は、貯液タンクや液冷媒熱交換器と比較して、放熱損失は比較的少ないものである。
また、特許文献1のヒートポンプ給湯機の出湯金具に設けられる断熱材は、取り付けによる押付け圧力に耐える耐圧縮性を備えるものでなければならず、経時変化による劣化や弾性低下した場合、出湯金具の取付部に緩みを生じて、出湯金具の外れやがたつき等の不具合が発生するおそれがあった。
以上のように、特許文献1に記載されたヒートポンプ給湯機は、断熱材の耐熱性、耐圧縮性に優れた材質の選定とコストアップとが大きな課題となっている。
ヒートポンプ給湯機は、ヒートポンプ冷媒回路の構成部品及び被加熱液体回路の一方の構成部品を収納したヒートポンプユニット30と、被加熱液体回路の他方の構成部品及び給液回路の構成部品を収納した貯液ユニット40と、運転制御手段50とを備えて構成されている。
以下、ヒートポンプ冷媒回路、被加熱液体回路、及び給液回路の構成について説明する。
ヒートポンプ冷媒回路は、圧縮機1と、液冷媒熱交換器2の冷媒側伝熱管2aと、減圧装置3と、空気熱交換器4とを備えて構成され、冷媒が循環するように、それぞれ冷媒配管を介して順次環状に接続されている。なお、本実施形態での冷媒としては、炭酸ガス(CO2 )冷媒が封入されており、また、本実施形態での被加熱液体(液)としては、水(水道水)が用いられているものとして以下説明する。
圧縮機1は、PWM(Pulse Width Modulation)制御、電圧制御(例えばPAM(Pulse Amplitude Modulation)制御)及びこれらを組み合わせた制御により、低速(例えば700回転/分)から高速(例えば6000回転/分)まで回転速度制御ができるようになっている。
ヒートポンプ給湯機を通常の貯湯温度(約65℃)で貯湯する通常貯湯運転をする場合、圧縮機1を比較的小さな回転速度(1000〜2000回転/分)で運転する。一方、冬期などで高温の貯湯温度(約85〜90℃)で貯湯する高温貯湯運転をする場合、圧縮機1を通常貯湯運転時より大きな回転速度(3000〜4000回転/分)で運転する。
減圧装置3は、液冷媒熱交換器2を経て送られてくる中温高圧冷媒を減圧し、蒸発し易い低圧冷媒として空気熱交換器4へ送り出している。
また、減圧装置3は、絞り開度が調節可能となっており、この絞り開度を変えてヒートポンプ冷媒回路内の冷媒循環量を調節する働きや、冬期低温時にヒートポンプ運転して空気熱交換器4に着霜した場合に、絞り開度を全開にして中温冷媒を空気熱交換器4に多量に送って霜を溶かす除霜装置としても働く。
被加熱液体回路は、夜間の割引電気料金を利用して定期的に湯(高温水)を貯液タンク9に貯める「貯湯運転(液体加熱運転)」、及び残湯量が規定値以下になった場合のみ運転する「タンク沸上げ運転(液体加熱運転)」によって、貯液タンク9に高温水を貯めるための液回路である。
被加熱液体回路は、貯液タンク9と、送液ポンプ12と、液冷媒熱交換器2の液側伝熱管2bと、タンク切換弁15とを備えて構成され、それぞれ液配管を介して順次環状に接続されている。
また、液冷媒熱交換器2を備えるヒートポンプユニット30と、貯液タンク9を備える貯液ユニット40とは、貯液ユニット40の筐体に取り付けられた入水金具10から外側低温液配管(水側配管)31を介してヒートポンプユニット30の筐体に取り付けられた入水金具11へ低温水が流通可能に接続されており、ヒートポンプユニット30の筐体に取り付けられた出湯金具13から外側高温液配管(お湯側配管)34を介して貯液ユニット40の筐体に取り付けられた出湯金具14へ高温水が流通可能に接続されている。
例えば、冬期低温時の高温貯湯運転で規定温度90℃の場合、送液ポンプ12から吐出される約10℃の入水を液冷媒熱交換器2で約90℃まで加熱して出湯する。
なお、特に冬期は外気温が低いため、ヒートポンプユニット30の筐体20(図3参照)や貯液ユニット40の筐体(図示せず)が冷えており、液冷媒熱交換器2で規定温度90℃まで加熱された高温水が貯液タンク9に貯湯される間に、ヒートポンプユニット30の側の出湯金具13及び貯液ユニット40の側の出湯金具14からそれぞれの筐体への熱伝導によって放熱され、実際に貯液タンク9に貯湯される貯湯温度は規定温度より低下してしまう。そのため、液冷媒熱交換器2における加熱温度は、規定温度に対し放熱分を考慮して高目に設定される。
貯湯運転時またはタンク沸上げ運転時には、液冷媒熱交換器2の液側伝熱管2bと貯液タンク9とが連通する状態に水の流路が切り換えてある。
液冷媒熱交換器2の液側伝熱管2bで規定温度まで加熱された水は、タンク切換弁15を介して、貯液タンク9の上部に接続された液配管から貯液タンク9内に貯湯される。
このように、貯液タンク9の下側に貯留された低温水は、貯液タンク9の底部から貯液ユニット40の筐体に取り付けられた入水金具10、外側低温液配管31、ヒートポンプユニット30の筐体に取り付けられた入水金具11、送液ポンプ12、液冷媒熱交換器2の液側伝熱管2b、ヒートポンプユニット30の筐体に取り付けられた出湯金具13、外側高温液配管34、貯液ユニット40の筐体に取り付けられた出湯金具14、タンク切換弁15、貯液タンク9の被加熱液体回路で水(被加熱液体)の循環を行ない、貯液タンク9の上部から貯湯される。
給液回路は、湯水使用時に行う「給湯運転」によって、台所蛇口18などから湯水を供給するための液回路である。
給液回路は、給水金具6と、減圧弁7と、給水水量センサ8と、貯液タンク9と、タンク切換弁15と、湯水混合弁16と、給湯金具17とが液配管を介して順次直列に接続され構成されている。なお、タンク切換弁15は、給湯運転時には、貯液タンク9と湯水混合弁16とが連通する状態に水の流路が切り換えてある。
また、給水水量センサ8と貯液タンク9との間に配置される液配管は途中で分岐し、湯水混合弁16と接続されている。
給水金具6は水道などの給水源と接続され、給湯金具17は台所蛇口18に接続されている。なお、図1には、給湯金具17に台所蛇口18のみが接続されているが、洗面蛇口(図示せず)や風呂湯張り回路(図示せず)などの使用端末にも接続されていてもよい。
次に、ヒートポンプ給湯機の運転制御手段50について説明する。
運転制御手段50は、圧縮機1、減圧装置3、送風ファン5、タンク切換弁15、湯水混合弁16、送液ポンプ12などを制御することにより、貯湯運転、給湯運転などを行うものである。
また、運転制御手段50は、冬期低温時は高温貯湯の規定温度(例えば85〜90℃)で貯湯すると共に周囲温度や給水温度が低く加熱負荷が大きいため、圧縮機1を高回転速度(例えば3000〜4000回転/分)とし、夏期や中間期は加熱負荷が軽いので通常貯湯の規定温度(約65℃)で比較的低回転速度(例えば1000〜2000回転/分)とするなどの最適運転制御手段(図示せず)を有している。
また、運転制御手段50は複数のタンクサーミスタ9a(9b,9c,9d,9e)の温度検出値の差異により、貯液タンク9内のどこまで貯湯されているかを検知して、貯湯量を計ることができる。
次に、本実施形態のヒートポンプ給湯機の運転動作について図2を用いて説明する。
図2は、本実施形態に係るヒートポンプ給湯機の夜中の貯湯運転から翌日の給湯運転、学習制御に及ぶ1日の運転動作のフローチャートである。
運転制御手段50は、毎日の給湯使用量を記憶学習して翌日の給湯使用量を推定し、夜間の貯湯温度及び貯湯量を決定すると共に、上記貯湯量が夜間電気割引料金の適用される規定時間(例えば23時〜7時)内に沸き上がるように貯湯運転開始時刻を設定する学習制御手段を有している。
即ち、運転制御手段50は、圧縮機1、減圧装置3、送風ファン5を始動させヒートポンプ運転を開始すると共に、タンク切換弁15、送液ポンプ12を制御し、貯液タンク9底部から循環されるタンク貯湯水を液冷媒熱交換器2で高温冷媒と熱交換して規定温度の高温水とし、貯液タンク9上部から戻す貯湯運転を行う。
通常は規定量以上残湯しておりタンク沸上げ運転は行わないが、給湯使用量が学習制御による推定量より多く、タンク残湯量が規定値未満になった場合はタンク沸上げ運転を行い(ステップS69)、貯湯量判定において(ステップS70)、貯湯温度及び貯湯量が規定値に達してからタンク沸上げ運転を終了する(ステップS71)。
なお、学習制御手段が行う翌日の湯水使用量の推定算出は、一般的に過去7日間程度の外気温度や湯水使用量などを基にして、夜間の貯湯運転のみで十分間に合うように翌日の湯水使用量が推定算出される。
また、湯水使用終了は、一般的に夜間電気割引料金時間帯(23時〜7時)の始まる23時としている。
なお、ステップS73で設定された貯湯運転条件に基づき、貯湯運転開始時刻になると、貯湯運転条件にしたがって翌日の給湯使用のための貯湯運転を開始する(ステップS61)。
図3は、本実施形態に係るヒートポンプ給湯機のヒートポンプユニット30の筐体20の上面を外した状態における上面模式図である。図4は、本実施形態に係るヒートポンプ給湯機のヒートポンプユニット30の筐体20の前面を外した状態における正面模式図である。なお、図4においては筐体20内の後方に設置される圧縮機1及び空気熱交換器4を省略して図示している。また、図3、図4の冷媒配管及び液配管は省略している。
筐体20の右側には、仕切板21によって区切られ、圧縮機1、液冷媒熱交換器2などが収納された一般的に機械室と言われる部分があり、機械室の前部には冷媒側伝熱管2aと液側伝熱管2bとの間で熱交換するよう密着してコイル状に2個並列で巻いた液冷媒熱交換器2が設置され、後部には圧縮機1が設置されている。
液冷媒熱交換器2は、支持台23により固定され、断熱材からなる断熱カバー24により保温される。
入水金具11及び出湯金具13は、取付板25に取付ねじ26(後述する図6参照)で固定され、取付板25は、筐体20に取付板固定ねじ27で取り付けられている。
出湯金具13は、内側高温液配管33の一端と、筐体20の内部に設けられた被加熱液体回路の液配管である外側高温液配管34の一端とが接続される液配管接続金具であり、内側高温液配管33の他端は液冷媒熱交換器2(図1参照)と接続され、外側高温液配管34の他端は貯液ユニット40の筐体に設けられた出湯金具14(図1参照)と接続されている。
なお、一般に銅管が用いられる液配管(外側低温液配管31,内側低温液配管32,内側高温液配管33,外側高温液配管34)と液配管接続金具(入水金具11,出湯金具13)はろう付けにより接合されるため、液配管接続金具(入水金具11,出湯金具13)の材質は金属であることが好適である。
次に、出湯金具13の構造について図5及び図6を用いて説明する。
図5は、本実施形態にかかるヒートポンプ給湯機の出湯金具13を取付板25と当接する面側からみた出湯金具13と外側高温液配管34の側面図である。なお、図5においては、内側高温液配管33、取付板25、および取付ねじ26は省略している。
図6は、本実施形態にかかるヒートポンプ給湯機の出湯金具13が取付板25に固定された状態における出湯金具13及び取付板25の断面図ある。なお、図6の出湯金具13の断面図においては、内側液配管接続部133から外側液配管接続部134については図5のA−A断面図を示し、ねじ取付部13bおよび取付調整部13dの周辺については図5のB−B断面図を示している。
ねじ取付部13bは、フランジ13fの取付板25と取り付けられる方向側の面から寸法L突出して凸形状に設けられ、取付ねじ26で出湯金具13と取付板25とを取り付けるための貫通孔13cが形成されている。
取付調整部13dは、フランジ13fの取付板25と取り付けられる方向側の面から寸法L突出して凸形状に設けられ、取付板25と当接する面に突起部13eが形成されている。
換言すれば、フランジ13fは、取付板25と当接する取付部(ねじ取付部13b、取付調整部13d)の当接面から寸法Lだけ退避されるように形成されている。
なお、段差の寸法Lは、小さすぎるとフランジ13fから取付板25への輻射熱による熱損失が増加し、大き過ぎると大気間の温度差による大気移動により出湯金具13から大気への放熱が増加し、いずれの場合も熱伝導減少による放熱損失の削減効果を相殺してしまうおそれがあり、検討結果、段差の適切なL寸法は約0.5〜1.0mmであった。
開口部25aは、出湯金具13の内側液配管接続部133の外径より大きく開口しており、出湯金具13を取付板25に取り付けた際、内側液配管接続部133と取付板25とを離隔させ、出湯金具13から取付板25への熱伝導による放熱損失を低減している。
このように、出湯金具13は、2箇所のねじ取付部13bと、2箇所の取付調整部13dとの計4箇所で取付板25と当接および固定されることにより、より確実な取付構造とすることができる。また、2本の取付ねじ26で出湯金具13を取付板25に固定することができ、部品コスト及び作業コストの低減を図ることができる。
前述のように、特に冬期は外気温が低いため、ヒートポンプユニットの筐体や貯液ユニットの筐体が冷えており、液冷媒熱交換器で規定温度(例えば90℃)まで加熱された高温水が貯液タンクに貯湯される間に、ヒートポンプユニットの側の出湯金具及び貯液ユニットの側の出湯金具からそれぞれの筐体への熱伝導によって放熱され、実際に貯液タンクに貯湯される貯湯温度は規定温度より低下してしまう。
そのため、従来の放熱対策が行われていないフランジの全面を取付板(または筐体)と当接する出湯金具を用いたヒートポンプ給湯機においては、液冷媒熱交換器における加熱温度は、規定温度に対し放熱分を考慮して1〜2℃高目に設定されている。
また、断熱材を追加する特許文献1に記載の配管接続部のように、構成物品を追加することによるコストアップを発生することなく、ヒートポンプ給湯機としての省エネルギー効果を得ることができる。
また、本実施形態においては、部分組立てによる作業性向上を考慮して、出湯金具(入水金具11)は2箇所のねじ取付部13bと2箇所の取付調整部13dが設けられるものとして説明したが、取付調整部13dに代えてねじ取付部13bを設け、4箇所のねじ取付部13bで出湯金具(入水金具11)を取付板25または筐体と固定しても、当接面積の縮小による放熱損失の低減の効果を得ることができる。
例えば、上記実施形態の構成においては、貯液タンク9の底部に接続された液配管を介して貯液タンク9内の水を液冷媒熱交換器2に送り出す構成としたが、貯液タンク9以外の任意の給水源から水(被加熱液体)を液冷媒熱交換器2に送り出す構成としてもよい。例えば、減圧弁7で減圧された水を液冷媒熱交換器2に送り出す構成としてもよい。
また、上記実施形態の構成においては、液冷媒熱交換器2で加熱された水を貯液タンク9の上部に接続された液配管から貯液タンク9内に貯湯する構成としたが、貯液タンク9を経由することなく、液冷媒熱交換器2からの出湯を給湯金具17から給湯する構成としてもよく、入水金具11を給水金具として水源から直接給水する構成としてもよい。
また、送液ポンプ12の位置は、液冷媒熱交換器2の上流側に限定されるものではなく、液冷媒熱交換器2の下流側であってもよい。また、送液ポンプ12は、ヒートポンプユニット30に配置されるものであってもよく、貯液ユニット40に配置されるものであってもよい。
2 液冷媒熱交換器
2a 冷媒側伝熱管
2b 液側伝熱管
3 減圧装置
4 空気熱交換器
5 送風ファン
6 給水金具
7 減圧弁
8 給水水量センサ
9 貯液タンク
9a,9b,9c,9d,9e タンクサーミスタ
10 入水金具(第3の液配管接続金具)
11 入水金具(液配管接続金具)
12 送液ポンプ
13 出湯金具(第1の液配管接続金具)
13a 連通路
13b ねじ取付部(取付部)
13c 貫通孔
13d 取付調整部(取付部)
13e 突起部
13f フランジ
133 内側液配管接続部
134 外側液配管接続部
14 出湯金具(第2の液配管接続金具)
15 タンク切換弁
16 湯水混合弁
17 給湯金具
18 台所蛇口
20 筐体
21 仕切板
22 ファンモータ
23 支持台
24 断熱カバー
25 取付板
25a 開口部
25b ねじ受け部
25c 係止穴
26 取付ねじ
27 取付板固定ねじ
30 ヒートポンプユニット(第1のユニット)
31 外側低温液配管
32 内側低温液配管
33 内側高温液配管
34 外側高温液配管
40 貯液ユニット(第2のユニット)
50 運転制御手段
Claims (4)
- 低温の被加熱液体を加熱して高温の被加熱液体とするヒートポンプ冷媒回路の液冷媒熱交換器を収納する第1のユニットと、
前記第1のユニットで加熱された高温の被加熱液体が流通する被加熱液体回路を収納する第2のユニットと、を備え、
前記第1のユニットと前記第2のユニットとの間の前記被加熱液体回路は、高温の被加熱液体が流通する外側高温液配管で接続されるヒートポンプ給湯機であって、
前記第1のユニットの前記液冷媒熱交換器で加熱された高温の被加熱液体が流通する内側高温液配管と、前記外側高温液配管と、を接続する第1の液配管接続金具は、
前記第1のユニットの内側高温液配管と前記外側高温液配管とを流通可能に接続する連通路と、
前記第1のユニットの筐体へ固定するための取付部と、を有し、
前記取付部の前記第1のユニットの筐体への当接部分を凸状とし、前記取付部以外は前記取付部よりも凹ませて前記第1のユニットの筐体に当接しない構造とし、
材質が金属であり、
前記当接するユニットの筐体に対向する側の面がほぼ長方形で、一方の対角線上に前記取付部である2箇所のねじ取付部を有し、他方の対角線上に前記取付部である2箇所の取付調整部を有し、
前記取付調整部は、前記ねじ取付部の当接面と同一の高さの当接面を有し、前記取付調整部の当接面に突起部を備える
ことを特徴とするヒートポンプ給湯機。 - 前記外側高温液配管と、前記第2のユニットの内部に設けられた内側高温液配管と、を接続する第2の液配管接続金具は、
前記外側高温液配管と前記第2のユニットの内側高温液配管とを流通可能に接続する連通路と、
前記第2のユニットの筐体へ固定するための取付部と、を有し、
前記取付部の前記第2のユニットの筐体への当接部分を凸状とし、前記取付部以外は前記取付部よりも凹ませて前記第2のユニットの筐体に当接しない構造とし、
材質が金属であり、
前記当接するユニットの筐体に対向する側の面がほぼ長方形で、一方の対角線上に前記取付部である2箇所のねじ取付部を有し、他方の対角線上に前記取付部である2箇所の取付調整部を有し、
前記取付調整部は、前記ねじ取付部の当接面と同一の高さの当接面を有し、前記取付調整部の当接面に突起部を備える
ことを特徴とする請求項1に記載のヒートポンプ給湯機。 - 低温の被加熱液体が流通する外側低温液配管と、前記第1のユニットの前記液冷媒熱交換器へ低温の被加熱液体を流通する内側低温液配管と、を接続する第3の液配管接続金具は、
前記外側低温液配管と前記第1のユニットの内側低温液配管とを流通可能に接続する連通路と、
前記第1のユニットの筐体へ固定するための取付部と、を有し、
前記取付部の前記第1のユニットの筐体への当接部分を凸状とし、前記取付部以外は前記取付部よりも凹ませて前記第1のユニットの筐体に当接しない構造とし、
材質が金属であり、
前記当接するユニットの筐体に対向する側の面がほぼ長方形で、一方の対角線上に前記取付部である2箇所のねじ取付部を有し、他方の対角線上に前記取付部である2箇所の取付調整部を有し、
前記取付調整部は、前記ねじ取付部の当接面と同一の高さの当接面を有し、前記取付調整部の当接面に突起部を備える
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のヒートポンプ給湯機。 - 前記液配管接続金具は、取付板に取付ねじで固定され、更に前記取付板が前記当接するユニットの筐体に取り付けられる
ことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載のヒートポンプ給湯機。
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