JP6906333B2 - 給湯装置 - Google Patents
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Description
図1Aは、実施の形態1に係る給湯装置100の概要構成例図である。
図1Bは、実施の形態1に係る給湯装置100の、沸き上げ運転の説明図である。
給湯装置100は、ヒートポンプユニット20を備えている。給湯装置100は、冷媒回路C1と、水循環回路C2と、給湯配管P1〜P3と、混合弁7とを備えている。給湯配管P1は第1の給湯配管に対応し、給湯配管P2は第2の給湯配管に対応し、給湯配管P3は第3の給湯配管に対応している。また、給湯装置100は、各種の検出部と、制御装置60と、リモートコントローラ70とを備えている。ヒートポンプユニット20は冷媒回路C1を備えている。給湯装置100は、給湯配管P4に接続されている。給湯配管P4は第4の給湯配管に対応している。給湯配管P4は湯張端末30及び給湯端末40に連通している。給湯配管P4は、三方弁8に接続されている。三方弁8は、配管P5を介して湯張端末30に接続され、また、三方弁8は、配管P6を介して給湯端末40に接続されている。
タンク6は、配管p1及び配管p3に接続されている。配管p1はタンク6の上部に接続され、配管p2はタンク6の下部に接続されている。配管p2にはタンク6の低温度の水が流れ込む。熱交換器2で加熱されることで生成された高温度の水は、配管p3を介してタンク6の上部に流れ込む。タンク6は給湯配管P1、給湯配管P2及び給湯配管P3に接続されている。給湯配管P1はタンク6の上部に接続されている。給湯配管P2はタンク6の下部に接続されている。給湯配管P3はタンク6の上部よりも低く且つタンク6の下部よりも上側の部分に接続されている。給湯配管P1から混合弁7へ高温度の水が流れ、給湯配管P2から混合弁7へ中間温度の水が流れ、給湯配管P3から混合弁7へ低温度の水が流れる。
タンク6は、金属から構成してもよいし、樹脂で構成してもよい。タンク6を構成する金属としては、例えばステンレスを採用することができる。タンク6には図示省略の断熱材が設けられている。これにより、タンク6は、タンク6内に貯留されている水を長時間にわたって保温することができる。
図1Bに示すように、沸き上げ運転では、タンク6の下部の水が、配管p3に流入し、ポンプ5を経て、熱交換器2に流入する。熱交換器2に流入した水は、冷媒に加熱され、配管p2に流入する。配管p2に流入した水は、タンク6の上部に流入する。
図2は、実施の形態1に係る給湯装置100の制御装置の機能ブロック図である。
制御装置60は、状態判定部60Aと、閾値判定部60Bと、アクチュエータ制御部60Cと、記憶部60Dとを備えている。
閾値判定部60Bは、温度検出部1aの検出温度、温度検出部1bの検出温度、温度検出部1cの検出温度、温度検出部1dの検出温度及び流量検出部2aの検出流量を、各種の閾値と比較する機能を有する。例えば、閾値判定部60Bは、温度検出部1cの検出温度と第1の温度Ts_sとを比較する機能、温度検出部1cの検出温度と第2の温度Ts_bとを比較する機能、及び、温度検出部1cの検出温度と湯張の設定温度Tsetとを比較する機能等を有する。
アクチュエータ制御部60Cは、圧縮機1、絞り装置3、送風機4A、ポンプ5、混合弁7及び三方弁8等を制御する。
記憶部60Dは、各種のデータを記憶する機能を有する。
図3は、沸き上げ運転を実施した直後のタンク6内の水温分布の説明図である。
沸き上げ運転では、タンク6の下部から低温度の水が、ヒートポンプユニット20で加熱された後に、タンク6の上部に戻される。タンク6の上部には、配管p2を介して高温度の水が供給される。したがって、沸き上げ運転を終了した直後は、タンク6の上部及びタンク6の中間部に高温度の水が位置し、タンク6の下部に低温度の水が位置している。なお、沸き上げ運転を終了した直後は、中間温度の水の量は、高温度の水の量と比較するとは少ない。
図4は、沸き上げ運転を実施する直前のタンク6内の水温分布(タンク6内の中間温度の水の利用なし)の説明図である。
タンク6には断熱材が設けられているが、時間の経過とともに、タンク6に貯留されている水の熱が逃げていく。また、高温度の水は比重が軽い分、タンク6の上部に移動し、低温度の水は比重が重い分、タンク6の下部に移動する。このため、時間の経過とともに、タンク6内の高温度の水と低温度の水との温度境界層が広がる。中間温度の水は、この拡がった温度境界層の水である。なお、時間の経過による放熱の他に、例えば追い焚き運転(図9C参照)を実施することでも、中間温度の水が生成される。追い焚き運転を実施すると、タンク6の高温度の水が、浴槽50の水に熱を供給した後に、タンク6に戻されるためである。
図5は、沸き上げ運転を実施する直前のタンク6内の水温分布(タンク6内の中間温度の水の利用あり)の説明図である。
図5は沸き上げ運転を実施する前に、中間温度の水を利用し、タンク6内の中間温度の水の量を減らしている。中間温度の水は、例えば湯張端末30へ供給されている。図5に示す高さ幅W2は、図4の高さ幅W1と比較すると、短くなっている。なお、高さ幅は、高温度の水と低温度の水との温度境界層の幅を示している。このため、図5では、高さ幅W2が短い分、中間温度の水の量が少なくなっていることがわかる。
図6は、冷凍サイクル装置(ヒートポンプユニット)のCOPを向上させることを説明するモリエル線図である。図6の(1)は熱交換器4を通過して蒸発した冷媒が圧縮機1に吸入する過程である(吸入過程)。図6の(2)は圧縮機1によって圧縮された冷媒が圧縮機1から吐出する過程である(吐出過程)。図6の(3)は熱交換器2によって冷媒が凝縮した過程である(凝縮過程)。図6の(4)は絞り装置3を通過して膨張した冷媒が熱交換器4に流入する過程である(膨張過程)。沸き上げ運転を実施しているときの熱交換は、(2)から(3)への変化にあたる。ここで、圧縮機1の仕事(入力)は、(2)と(1)のエンタルピー差に対応している。したがって、ヒートポンプユニット20のCOPの向上は、(2)と(3)のエンタルピー差を大きくすることで実現できる。
図7は、中間温度の水を利用するときの条件の説明図である。図7(a)は沸き上げ運転を実施した直後のタンク6内の水温分布の説明図である。図7(b)は沸き上げ運転を実施した直後に、中間温度の水の利用を継続したときの中間温度の水の温度変化を示している。図7(b)は横軸が使用熱量であり、中間温度の水の利用量に対応する。図7(b)は縦軸が中間温度の水の取出口の温度であり、混合弁7の第3の入口7cに流入する水の温度に対応する。また、図7(a)に示す境界b1及び境界b2では、温度が急激に変化する。
図8は、実施の形態1に係る給湯装置100の制御フローチャートである。
ユーザーが浴槽50の湯張をしようとしている場合には、ユーザーがリモートコントローラ70の湯張ボタンを押す。また、ユーザーが調理場でお湯を出そうとしている場合には、ユーザーがお湯の蛇口を開く。このように、お湯を出す要求があると、制御装置60は、この要求があったと判定する。そして、制御装置60は、図8に示す制御フローを開始する。なお、お湯を出す要求の検出手段は、各種の公知の手段を採用することができる。
制御装置60はお湯の要求の目的が湯張であるか否かを判定する。湯張目的である場合には、ステップS11へ進み、湯張目的でない場合には、ステップS12に進む。リモートコントローラ70の湯張ボタンが押されていれば、制御装置60は、湯張目的であると判定する。
制御装置60は温度検出部1cの検出温度(水温度Tm)が第2の温度Ts_b未満であるか否かを判定する。水温度Tmが第2の温度Ts_b未満である場合には、ステップS13に進む。水温度Tmが第2の温度Ts_b以上である場合には、制御フローを終了する。水温度Tmが第2の温度Ts_b以上である状況は、例えば沸き上げ運転を実施した直後等の状況である。中間温度の水が少ないことから、制御フローを終了する。
制御装置60は温度検出部1cの検出温度(水温度Tm)が第1の温度Ts_s未満であるか否かを判定する。水温度Tmが第1の温度Ts_s未満である場合には、ステップS13に進む。水温度Tmが第1の温度Ts_s以上である場合には、制御フローを終了する。
制御装置60は混合弁7を制御し、第3の入口7cを開く。タンク6の水は給湯配管P3を介して混合弁7に流入する。これにより、タンク6の中間温度の水の利用がなされ、ヒートポンプユニット20のCOPが向上する。なお、本ステップS13では、第3の入口7cだけでなく、第1の入口7a及び第2の入口7bも開とする。これにより、混合弁7では、高温度の水と、中間温度の水と、低温度の水とが混合する。
制御装置60は、第3の入口7cを開としているときに水温度Tmが浴槽50の湯張の設定温度Tsetよりも低いか否かを判定する。水温度Tmが浴槽50の湯張の設定温度Tsetよりも低い場合にはステップS15に進む。水温度Tmが浴槽50の湯張の設定温度Tset以上である場合にはステップS16に進む。設定温度Tsetと水温度Tmとを比較し、中間温度の水を、高温度の水と混合するか、低温度の水と混合するか、を決定する。これにより、混合水の温度の最適化ができる。
水温度Tmが浴槽50の湯張の設定温度Tsetよりも低いので、制御装置60は混合弁7を制御して、第2の入口7bを閉とし、第1の入口7aを開とする。つまり、第2の入口7bが閉、第1の入口7aが開、第3の入口7cが開、出口7dが開となっている。これにより、中間温度の水と高温度の水とが混合する。
水温度Tmが浴槽50の湯張の設定温度Tset以上であるので、制御装置60は混合弁7を制御して、第1の入口7aを閉とし、第2の入口7bを開とする。つまり、第1の入口7aが閉、第2の入口7bが開、第3の入口7cが開、出口7dが開となっている。これにより、中間温度の水と低温度の水とが混合する。
制御装置60は制御フローを終了する。
図9Aは、実施の形態1に係る給湯装置100の変形例である。
図9Bは、変形例に係る給湯装置100の、沸き上げ運転の説明図である。
図9Cは、変形例に係る給湯装置100の、追い焚き運転の説明図である。
図10は、実施の形態2に係る給湯装置200の概要構成例図である。実施の形態2では実施の形態1と相違する部分を中心に説明するものとし、共通する構成は同一符号を付し、説明を省略する。
実施の形態2に係る給湯装置200は、実施の形態1に係る給湯装置100の構成に加えて、温度検出部1eを備えている。温度検出部1eが第2の温度検出部に対応している。温度検出部1eは、浴槽50内の水温度Tamを検出する。また、実施の形態2に係る給湯装置200は、図示省略の撹拌装置を備えている。撹拌装置は、浴槽50内の水を撹拌し、浴槽50内の水の温度を均一化する。
図11は、実施の形態2に係る給湯装置200の、中間温度の水の湯量比率を増大させる比率増大制御等の説明図である。
まず、第1の制御(比率増大制御)について説明する。第1の制御は、中間温度の水の利用量を増大させる制御である。制御装置60は、第3の入口7cを開として浴槽50の湯張をしているときに水温度Tmが、第1の温度範囲TR1内である場合には、第1の湯量に対する、第2の湯量の比率を増大させる。ここで、浴槽50の湯張の設定温度Tset_tpは、第1の温度範囲TR1に含まれている。ここで、第1の湯量とは、第1の入口7a、第2の入口7b及び第3の入口7cから、浴槽50へ供給する水の量である。また、第2の湯量とは、第3の入口7cのみから浴槽50へ供給する水の量である。
また、制御装置60は、中間温度の水の相対的な流量を増大させることで、第1の湯量に対する、第2の湯量の比率を増大させることもできる。例えば、第3の入口7cの開度を変えずに、第1の入口7aの開度を小さくする、又は、第2の入口7bの開度を小さくすることで、第1の湯量に対する、第2の湯量の比率を増大させることもできる。
なお、中間温度の水の絶対的な流量を増大させる方が、中間温度の水の利用量が増大するので、ヒートポンプユニット20のCOPの低下を抑制する効果が高い。
第1の温度範囲TR1の上限値Tmax1は、湯張端末30に供給する水の第1の上限温度に対応する。第1の温度範囲TR1の下限値Tmin1は、湯張端末30に供給する水の第1の下限温度に対応する。
第2の温度範囲TR2の上限値Tmax2は、給湯端末40に供給する水の第2の上限温度に対応する。第2の温度範囲TR2の下限値Tmin2は、給湯端末40に供給する水の第2の下限温度に対応する。ここで、上限値Tmax1は上限値Tmax2よりも高い。また、下限値Tmin1は、下限値Tmin2よりも低い。
図12は、実施の形態2に係る給湯装置200の制御フローチャートである。
ユーザーが浴槽50の湯張をしようとしている場合には、ユーザーがリモートコントローラ70の湯張ボタンを押す。また、ユーザーが調理場でお湯を出そうとしている場合には、ユーザーがお湯の蛇口を開く。このように、お湯を出す要求があると、制御装置60は、この要求があったと判定する。そして、制御装置60は、図12に示す制御フローを開始する。
制御装置60はお湯の要求の目的が湯張であるか否かを判定する。湯張目的である場合には、ステップS21へ進み、湯張目的でない場合には、制御フローを終了する。リモートコントローラ70の湯張ボタンが押されていれば、制御装置60は、湯張目的であると判定する。
制御装置60は温度検出部1cの検出温度(水温度Tm)が第2の温度Ts_b未満であるか否かを判定する。水温度Tmが第2の温度Ts_b未満である場合には、ステップS23に進む。水温度Tmが第2の温度Ts_b以上である場合には、ステップS22に進む。
制御装置60は通常給湯制御を実施する。水温度Tmが第2の温度Ts_bを超えている場合というのは、第3の入口7cに供給される水の温度が高い場合である。このような場合は、例えば沸き上げ運転を実施した直後のような状況である。このような状況は、中間温度の水がさほど多くないと考えられるので、中間温度の水を積極的に利用しなくてもよいことから、制御装置60は通常給湯制御を実施する。通常給湯制御の一例について説明する。通常給湯制御では、第1の入口7aを開として第1の入口7aへ高温度の水を供給し、第2の入口7bを開として第2の入口7bへ低温度の水を供給し、第3の入口7cを閉とする。そして、通常給湯制御では、高温度の水と低温度の水とを混合して混合水を生成する。
制御装置60は混合弁7を制御し、第3の入口7cを開く。タンク6の水は給湯配管P3を介して混合弁7に流入する。これにより、タンク6の中間温度の水の利用がなされ、ヒートポンプユニット20のCOPが向上する。なお、本ステップS23では、第3の入口7cだけでなく、第1の入口7a及び第2の入口7bも開とする。これにより、混合弁7では、高温度の水と、中間温度の水と、低温度の水とが混合する。
制御装置60は、水温度Tmが第1の温度範囲TR1内であるか否かを判定する。水温度Tmが第1の温度範囲TR1内であればステップS25に進む。水温度Tmが第1の温度範囲TR1外であればステップS26に進む。
制御装置60は、第1の制御(比率増大制御)を実施し、第1の湯量に対する、第2の湯量の比率を増大させる。これにより、中間温度の水の利用量を増大させる。第1の制御では、湯張における設定温度及び湯張における目標湯量をおおまかに捉えている。つまり、第1の制御では、浴槽50のお湯の温度が設定温度Tset_tpから大幅にはずれないようにし、また、浴槽50のお湯の量をすみやかに予め定められている目標出湯量Wsetへ到達させる。これにより、中間温度の水の利用量を増大させるとともに、湯張が完了するまでの時間を短縮することができる。なお、最終的に、お湯の温度及びお湯の量の調整は、後述する温度調整制御で行う。
制御装置60は、第2の制御(通常温度制御)を実施する。制御装置60は混合弁7を制御し、水温度Tmを浴槽50の湯張の設定温度Tset_tpに近づける。つまり、第1の入口7a、第2の入口7b及び第3の入口7cの開度は、水温度Tmが第2の温度範囲TR2内に収まるように、定められる。中間温度の水を湯張で利用すると、浴槽50のお湯の温度が設定温度Tset_tpから大幅にはずれてしまい、後述する温度調整制御では、浴槽50のお湯の温度の調整がしにくくなる可能性がある。このため、水温度Tmが第1の温度範囲TR1外である場合には、第2の制御を実施し、浴槽50のお湯の温度が設定温度Tset_tpから大幅にはずれないようにする。
制御装置60は、第3の入口7cを開として浴槽50の湯張をしているときに、出湯量Wが、予め定められている目標出湯量Wsetを超えているか否かを判定する。なお、出湯量Wは、混合弁7の出口7dから給湯配管P4へ流れる水の量である。また、出湯量Wは、例えばステップS23で第3の入口7cを開いてから積算した出湯量を採用することができる。出湯量Wが、予め定められている目標出湯量Wsetを超えている場合にはステップS28に進む。出湯量Wが、予め定められている目標出湯量Wset以下である場合にはステップS24に戻る。
制御装置60は、温度調整制御を実施する。温度調整制御では、浴槽50に溜まっている水温度Tamを用いる。温度調整制御では、総出湯量に相当する水の総熱量を目標熱量に近づける。温度調整制御では、浴槽50に溜まっているお湯の温度を調整しやすくするため第3の入口7cを閉とし、第1の入口7a及び第2の入口7bを開としてもよい。なお、制御装置60は、流量検出部2aの検出流量から総出湯量を取得し、また、温度検出部1eから浴槽50の水温度Tamを取得する。制御装置60は、水温度Tamと総出湯量との積から、総熱量を取得することができる。目標熱量は、例えば、湯張の設定温度Tset_tp及び湯張の設定湯量に基づいて予め定められる。
制御装置60は混合弁7を制御し、制御装置60は総熱量を目標熱量に近づける。これにより、水温度Tamが浴槽50の湯張の設定温度Tset_tpに近づき、また、浴槽50のお湯の量が湯張の設定湯量に近づく。
Claims (8)
- 浴槽に設けられている湯張端末と前記浴槽とは異なる場所に設けられている給湯端末とに供給するお湯を生成する給湯装置であって、
圧縮機、凝縮器の冷媒流路、絞り装置、及び蒸発器が接続されている冷媒回路と、
ポンプ、前記凝縮器の水流路、及び水を貯留するタンクが接続されている水循環回路と、
前記タンクの上部に接続されている第1の給湯配管と、
前記タンクの下部に接続されている第2の給湯配管と、
前記タンクのうち前記上部よりも低く且つ前記下部よりも上側の部分に接続されている第3の給湯配管と、
前記タンクから前記第3の給湯配管へ流れる水の温度である水温度を検出する第1の温度検出部と、
前記第1の給湯配管が接続されている第1の入口と、前記第2の給湯配管が接続されている第2の入口と、前記第3の給湯配管が接続されている第3の入口と、前記湯張端末及び前記給湯端末に連通する第4の給湯配管に接続されている出口とを含む混合弁と、
前記混合弁を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記給湯端末に水を供給するときに前記水温度が第1の温度以上であり且つ前記水温度が前記第1の温度より高い第2の温度未満である場合には前記第3の入口を閉とし、
前記湯張端末に水を供給するときに前記水温度が前記第2の温度未満である場合には前記第3の入口を開とする
給湯装置。 - 前記制御装置は、
前記給湯端末に水を供給するときに前記水温度が前記第1の温度以上であり且つ前記水温度が前記第2の温度未満である場合には前記第3の入口を閉とし、
前記給湯端末に水を供給するときに前記水温度が第1の温度未満である場合には前記第3の入口を開とし、
前記浴槽の湯張するときに前記水温度が前記第2の温度未満である場合には前記第3の入口を開とする
請求項1に記載の給湯装置。 - 前記第2の温度は、前記浴槽に供給する水の設定温度の上限値以下である
請求項1又は2に記載の給湯装置。 - 前記制御装置は、前記湯張端末に水を供給しないときであって前記給湯端末に水を供給するときに前記水温度が前記第1の温度未満である場合には前記第3の入口を開とする
請求項1〜3のいずれか一項に記載の給湯装置。 - 前記制御装置は、前記湯張端末及び前記給湯端末に同時に水を供給するときに前記水温度が前記第1の温度以上であり且つ前記水温度が前記第2の温度未満である場合には前記第3の入口を閉とする
請求項1〜3のいずれか一項に記載の給湯装置。 - 前記制御装置は、前記第3の入口を開としているときに前記水温度が前記浴槽の湯張の設定温度よりも低い場合には前記第2の入口を閉とし、前記第3の入口を開として前記浴槽の湯張をしているときに前記水温度が前記浴槽の湯張の設定温度以上である場合には前記第1の入口を閉とする
請求項1に記載の給湯装置。 - 前記制御装置は、前記第3の入口を開としているときに前記水温度が前記浴槽の湯張の設定温度よりも低い場合には前記第2の入口を閉、前記第1の入口を開、前記第3の入口を開、前記出口を開とし、前記第3の入口を開として前記浴槽の湯張をしているときに前記水温度が前記浴槽の湯張の設定温度以上である場合には前記第1の入口を閉、前記第2の入口を開、前記第3の入口を開、前記出口を開とする
請求項6に記載の給湯装置。 - 前記制御装置は、前記第3の入口を開として前記浴槽の湯張をしているときに前記水温度が、第1の温度範囲内である場合には、前記第1の入口、前記第2の入口及び前記第3の入口から前記浴槽へ供給する第1の湯量に対する、前記第3の入口から前記浴槽へ供給する第2の湯量の比率を増大させ、
前記浴槽の湯張の設定温度は、前記第1の温度範囲に含まれている
請求項1に記載の給湯装置。
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