CN101861499A - 热水系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种热水系统以及控制该热水系统的方法，该热水系统迅速供给使用者所需温度的热水并且降低了安装成本。根据本发明，该热水系统包括：电动机，通过电动机的旋转控制水流速的闭合元件，和基于输出电压控制阀门开度的控制阀，该输出电压根据由电动机的旋转来改变的闭合元件的位置来设定；流速信息测量单元，其测量流速信息以确定流过控制阀的水的流速；和控制单元，其根据流速信息测量单元所测量和输入的流速信息，计算所需的水流速来设置水的流速，并且控制该电动机。

Description

热水系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种热水系统及其控制方法，尤指一种包括控制阀的热水系统，其控制直接水(direct water)的流速为需要供暖的每个房间供给热水或者采暖热水的流速。
背景技术
通常，“热水系统”是一种利用燃烧器通过对流过管道的水进行加热来产生热水的装置，锅炉和水加热器就是这种装置的样例。锅炉是一种加热的装置，由循环泵传送的采暖热水流经换热器时被加热，加热后的热水经过需要供暖的每个房间来完成热交换，水加热器是一种利用换热器对冷的直接水进行加热以供给使用者热水的装置。
热水分配器设置在锅炉系统中，该热水分配器将热水(采暖热水)分配到需要供暖的每个房间中。该热水分配器将热水分配到每个房间中，该热水由锅炉的换热器进行加热并且通过供水管进行供给。该供给热水将热传递到每个房间中并且被冷却，随后通过回水管返回到换热器中。该热水分配器设置有控制阀，其控制供给到每个房间的采暖热水的流速。
该控制阀分为手动控制流速的恒流速型与比例控制型，该比例控制型的控制阀基于反馈信息(诸如采暖热水的流速)，利用电机自动控制阀门开度来控制流速。
对于恒流速型的控制阀，一旦流速根据每个房间的管道长度被设定，使用者便不能根据他/她的选择改变流速，当对阳台进行改造或者扩建而改变加热管的长度时，会导致加热变得不均匀。
而且，当流量传感器使用在比例控制型的控制阀中时，通过相应于从流量传感器反馈的流速数据对闭合元件的开度进行控制，使供给的采暖热水的流速得到控制。其中，由于在采暖热水中存在大量的污染物，流量传感器可能会被污染。而且，当流量传感器未使用在比例控制型的控制阀中时，基于从温度传感器反馈的采暖热水的温度，通过旋转步进电机对阀门开度进行控制，然而，其中由于步进电机使用直流电源，需要特定零件，诸如变压器和整流器，因此安装成本增加。
同时，水加热器系统设置有流量控制阀，其利用流量传感器测量流过管道的冷却直接水的流速，并且基于已经反馈的测得流速，通过控制阀门开度控制直接水的供给流速。，由于供给大量的直接水，甚至在水加热器处于最大燃烧能力的情况下仍难以供给所需温度的热水时，通过设置流量控制阀，可降低直接水的流速以供给所需温度的热水。在这种结构中，由于流速的控制是在流量传感器、控制器和流量控制阀之间反复地反馈信息时完成的，相应返回的结果被延迟，使所需温度的热水不能迅速地供给使用者。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热水系统以及控制该热水系统的方法，其中该热水系统能够迅速供给使用者所需温度的热水。
本发明的另一个目的在于提供一种热水系统，其通过利用便宜的交流电动机，可能降低安装该系统的成本。
为了实现本发明的上述目的，热水系统包括：电动机，通过所述电动机的旋转控制水的流速的闭合元件，和基于输出电压控制阀门开度的控制阀，所述输出电压根据由所述电动机的旋转来改变的所述闭合元件的位置来设定；流速信息测量单元，其测量流速信息以确定流过所述控制阀的水的流速；和控制单元，其根据所述流速信息测量单元所测量和输入的流速信息，计算所需的水流速来设置水的流速，并且控制所述电动机。
所述控制阀设置有线性磁铁和磁性传感器，其中所述线性磁铁通过所述电动机的旋转改变位置，所述磁性传感器探测根据所述线性磁铁的位置所改变的磁通密度。
所述控制阀是流量控制阀，其控制由热水供给系统供给至换热器的直接水的流速，所述流速信息测量单元是流速传感器，其测量流过所述流量控制阀的直接水的流速。
在分配采暖热水到需要供暖的每个房间的系统中，所述控制阀是控制供给到每个房间的采暖热水流速的控制阀，所述流速信息测量单元是测量采暖热水温度的温度传感器。
根据本发明，一种控制热水系统的方法包括：测量流过管道的水的流速信息；基于所述测得的流速信息，设置通过控制阀的所需流速；基于所述设定的所需流速，根据所述控制阀的线性磁铁的位置变化设置所需的电压；通过驱动所述控制阀的电动机，改变所述线性磁铁和闭合元件的位置；由所述线性磁铁的位置变化而产生在磁性传感器中的电势差达到所需电压时，通过确定已经实现了所需的流速，停止所述电动机。
所述流速信息可以是流入热水供给系统的换热器中的直接水的流速。
所述流速信息可以是采暖热水的供给温度或者返回温度。
根据所述热水系统以及控制所述热水系统的方法，能够根据流速传感器测得的流速迅速地供给使用者所需温度的热水，并且降低安装成本。
附图说明
图1所示为根据本发明实施例的热水系统的结构示意图。
图2为图1中所示的流量控制阀的剖视图。
图3所示为应用到本发明的流量控制阀的线性磁铁的形状和磁化强度的视图。
图4所示为流速和磁性传感器电势差之间关系。
图5所示为根据本发明另一个实施例的热水系统的结构示意图。
图6为图5中所示的控制阀的剖视图。
具体实施方式
本发明的优选实施例的结构和操作将结合附图进行详细描述。
图1所示为根据本发明实施例的热水系统的结构示意图，图2为图1中所示的流量控制阀的剖视图，图3所示为应用到本发明的流量控制阀的线性磁铁的形状和磁化强度的视图(在专利登记号为660564的韩国专利中公开)，图4所示为流速和磁性传感器电势差之间关系。
参见图1，热水系统包括冷的直接水流入的直接水管10，供流过直接水管10的直接水与燃烧器产生的高温燃气进行交换热量的换热器20，将流过换热器20热水提供给使用者的供热管30，设置在直接水管10上并且控制直接水流速的流量控制阀100，测量已经流过流量控制阀100的直接水的流速的流量传感器200，和控制单元300，其基于流量传感器200测得的流速计算所需的流速并且调节流量控制阀100的开度。
在此结构中，用于在控制单元300中设置流过流量控制阀100的直接水流速的“流速信息”，是由流量传感器200测得的实际流速，并且该流量传感器200是一个测量流速信息的装置。
参见图2，该流量控制阀100设置有双向旋转电动机111，闭合元件154，该闭合元件通过电动机111的旋转而上/下往复运动时能够调节流体通道的开度，线性磁铁131，该线性磁铁的位置随电动机111的旋转发生改变，和印刷电路板134，其装配有磁性传感器137，以通过检测线性磁铁131的位置而改变的磁通密度来控制电动机111的旋转。
该电动机111由交流电驱动旋转。因此，相比于使用由直流电驱动的电动机(例如步进电机)而言，成本得到降低，因为不需要诸如变压器和整流器等特定零件。设置在电动机111的底部的电机轴112连接到轴连接件151上并且与之一起旋转。
长条状的金属轴152连接到轴连接件151的底部以整体旋转。该闭合元件154连接到金属轴152的底部，并且该闭合元件可以打开/关闭形成直接水的流动通道的开口172。此处未用附图标记表示的为O型环。
圆盘状旋转板141设置在轴连接件151上，并且在旋转板的中心位置插入电机轴112。该轴连接件151和旋转板141通过两个螺钉连接。
磁铁壳体132设有能够与旋转板141的下部外侧面相接触的上端部。该磁铁壳体132由合成树脂制成，其内部具有线性磁铁131，磁铁壳体132的底面由弹簧133弹性支撑并且插入在磁铁容纳部分162中，该磁铁容纳部分形成在阀门外体161一侧的上端。
容纳在底部壳体122中的印刷电路板134设置在线性磁铁131的一侧。根据线性磁铁131的位置变化以检测磁通密度的磁性传感器137，其贴设于印刷电路板134上。罩135通过螺钉136固定在印刷电路板134的上部以覆盖该印刷电路板134。
在此描述的“线性磁铁”是指根据位移其磁通密度的变化是直线(线性)的磁铁，随后将对线性磁铁131和磁性传感器137进行描述。
参见图3，该线性磁铁131在矩形的左上缘的正交方向上，以正弦波形状磁化具有北极和南极。
通常，已知的是磁通密度与距离的平方成反比。因此，对于普通磁铁，由位移而产生的磁铁强度的变化构成一个二次函数图表，其不具有线性。
相反地，如图3所示，磁铁的形状用虚线示出，当应用在本发明中的线性磁铁131被磁化，从而使得磁性壁形成在正交方向上时，取决于位移的北极的磁通密度未显示出线性。然而，如图中实线所示，磁铁被磁化，从而使得磁性壁在正交方向上产生一个正弦波，该磁通密度显示为线性。
在图3中，磁性传感器137检测随线性磁铁131的位置改变而产生的磁通密度的变化。也就是说，磁性传感器137设置在距离线性磁铁131的极性表面的预定距离d处，并且线性磁铁131使得极性表面在同一平面上移动。因此，线性磁铁131的极性表面部分P0至P12，其经过磁性传感器137时能保持相同的距离d，其中由磁性传感器137检测的磁通密度值呈线性变化。然而，磁铁的极性表面部分P0至P12的两个端部，轻微地显示为非线性。因此，除了上述部分之外，最优地选择具有较好线性特征的P2到P10作为使用部分。
线性传感器137用于测量根据线性磁铁131的位置变化而发生的磁通密度变化，该线性传感器137是霍尔传感器(可编程的霍尔集成电路)，其通常用作检测磁场的装置之一。在电流应用到半导体的电极(霍尔元件)之后，磁场被垂直应用时，产生的电势差垂直于电流的方向和磁场的方向，从而使得霍尔传感器能够从电势差(电位)中检测到线性磁铁131的位置变化。
参见图1到4，以下内容描述的是一种设置流量控制阀100中流速的方法，也就是说，一种控制热水系统的方法。
例如，当使用者打开水龙头使用热水时，该流量传感器200检测流速，燃烧器(未在附图中示出)被点燃，热量被提供给换热器20。
由流量传感器200测得的流速与由设置在直接水管10上面的直接水传感器(未示出)测得的直接水温度被输入到控制器300，而所需的热水温度预先设定。此后，通过下面的公式，控制单元300计算出将直接水的温度增加到所需温度时需要的热量，
Q＝mc×Δt
其中，m是流速，c是比热1，Δt是所需温度和直接水的当前温度的差值。
当锅炉的能力(最大可供给热量)小于通过上述公式计算得到的所需热量时，即使燃烧器在最大燃烧功率下燃烧时，使用者所需温度的热水仍不能被供给。因此，控制单元300计算所需的流速，以减少直接水的流速并且控制该流量控制阀100。
如图4所示，流速与根据线性磁铁131的位置变化而由磁性传感器137检测的电压之间的关系被预先设定。
也就是说，当通过完全打开流量控制阀100使可流通的流速达到最大流速时，相应于线性磁铁131位置的电压设定为4.5V；当通过完全关闭流量控制阀100使可流通的流速达到最小流速时，相应于线性磁铁131位置的电压设定为0.5V；当流量控制阀100的开口位置在最大流速位置和闭合位置之间时，由于线性磁铁131的线性特征，电压值是呈线性比例的。
因此，基于图4所示的图表数据，控制单元300设定一个相对所需流速的所需电压，并且通过旋转流量控制阀100的电动机110，将闭合元件154向下移动来降低流速。
在电动机111旋转的同时，旋转板141向下移动，使线性磁铁131相应地下移。根据线性磁铁131的位置传感器，在磁性传感器137中产生的电势差达到所需电压时，控制单元300确定所需的流速已经获得，并且停止该电动机111的运行。
因为在实际流速和所需流速之间存在的差异较小，所以在获得所需流速之后仅需执行微调。然而，由上述过程控制流速时，仅操作一次电动机111就能够实现所需流速，从而使得能够迅速供给使用者所需温度的热水。
图5所示为根据本发明另一个实施例的热水系统结构的示意图，图6是图5中所示的控制阀的剖视图。
在此实施例中描述的“热水系统”是指用于供暖的供暖系统。
参见图5，该热水系统包括热源40，该热源供给用于局部加热或者单独加热的采暖热水(热水)，分配器50，其分配从热源40供给的采暖热水到每个房间70a、70b和70c中，供给管道60a、60b和60c，它们连接分配器50与房间70a、70b和70c，回水管80a、80b和80c，已经与房间70a、70b和70c热交换的采暖热水流过这些回水管，和控制阀500a、500b和500c，它们设置在供给管道60a、60b和60c上并且控制供给到房间70a、70b和70c的采暖热水的流速。
在此实施例中，通过控制单元设定流过控制阀500的采暖热水流速的“流速信息”可以为采暖热水的温度，该采暖热水分配到需要供暖的每个房间中，其中测量采暖热水温度的温度传感器(未在附图中示出)是用于测量流速信息的装置。
参见图6，该控制阀500包括设置在外壳501中的电动机(未在附图中示出)，闭合元件538，其通过电动机的电机轴511的旋转而往复向上/向下，从而调节采暖热水的流动通道的打开/闭合量，凸轮件512，其连接到电机轴511上并与电机轴511整体旋转，该凸轮件512偏压于电机轴511，线性磁铁521，其由弹簧弹性支撑以与旋转中的凸轮件512的外圆周总是保持接触，并且沿着凸轮件512的外圆周改变上-下位置，磁性传感器(未在附图中示出)接近于线性磁铁521设置，以通过检测磁通密度控制电动机的旋转，其中该磁通密度根据线性磁铁521的位置变化，以及装配有磁性传感器的印刷电路板(未在附图中示出)，凸轮接触件531，其由弹簧532弹性支撑以与凸轮件512的底部外圆周接触，凸轮接触件531朝下开口并且通过凸轮件512的旋转改变上-下位置，上部引导件535，其引导凸轮接触件531的向上-向下运动，轴接触件533，其插入上部引导件535中，并且轴接触件533的顶面与弹簧532接触，轴接触件533的底面与轴534的上端接触并由其支撑，锁固旋转件536和底部引导件537，其中轴534插入底部引导件中并且该底部引导件引导往复上/下的轴534的外圆周，弹簧539，当轴534向下时弹簧539被压缩，闭合元件538，其连接到轴534的下端并且关闭形成在采暖热水的入口541和出口543之间的开口542，其中线性磁铁521与图3中所示的线性磁铁相同。
参见图5和图6，以下内容描述的是一种设置控制阀500中流速的方法，也就是说，一种控制热水系统(供暖系统)的方法被随后描述。
供给到房间70a、70b和70c的采暖热水的流速根据设置在每个房间70a、70b和70c中的管道长度是不同的，用于加热房间70a、70b和70c的温度也可能会被设置为互不相同。
因此，例如，考虑到温度传感器测量的采暖热水的温度(供给温度或者返回温度)以及使用者设定的温度，控制单元设定所需温度。
根据上述设定的所需流速，取决于控制阀500的线性磁铁521的位置变化的所需电压被设定，其中所需电压能够从图4所示的图表数据中获得。
在所需电压确定之后，凸轮件512由电动机驱动旋转，通过凸轮件512的旋转，闭合元件538改变上-下位置，同时与凸轮件512接触的线性磁铁521相应地改变上-下位置。
当线性磁铁521的位置变化时，磁性传感器的电势差变化。当电势差达到所需电压时，可以确定通过控制阀500的所需流速被实现，该电动机停止运转。
虽然，以上所述是用线性磁铁来检测阀门的开度，但也可以采用可变电阻和可变电感器替代线性磁铁和磁铁传感器。
在使用可变电阻的情况下，根据阀门开度而预前设定可变电阻的输出电压，当可变电阻的接触点随电动机的旋转而改变时，通过相应的输出电压能够检测出阀门开度。
而且，在使用可变电感器的情况下，根据阀门开度而预前设定可变电感器的输出电压，当磁铁在线圈中的位置随电动机的旋转而改变时，通过相应的输出电压能够检测到阀门开度。
根据如上所述的本发明所采用的热水系统，利用流速传感器检测的流速，能够迅速地供给使用者所需温度的热水，并且能够减少安装热水系统的所需成本。

Claims (7)

1.一种热水系统，其包括：
电动机，通过所述电动机的旋转控制水流速的闭合元件，和基于输出电压控制阀门开度的控制阀，所述输出电压根据由所述电动机的旋转来改变的所述闭合元件的位置来设定；
流速信息测量单元，其测量流速信息以确定流过所述控制阀的水的流速；和
控制单元，其根据所述流速信息测量单元所测量和输入的流速信息，计算所需的水流速来设置水的流速，并且控制所述电动机。
2.如权利要求1所述的热水系统，其中所述控制阀设置有线性磁铁和磁性传感器，其中所述线性磁铁通过所述电动机的旋转改变位置，所述磁性传感器探测根据所述线性磁铁的位置所改变的磁通密度。
3.如权利要求1所述的热水系统，其中所述控制阀是流量控制阀，其控制从热水供给系统供给至换热器的直接水的流速，所述流速信息测量单元是流速传感器，其测量流过所述流量控制阀的直接水的流速。
4.如权利要求1所述的热水系统，在分配采暖热水到需要供暖的每个房间的系统中，所述控制阀是控制供给到每个房间的采暖热水流速的控制阀，所述流速信息测量单元是测量采暖热水温度的温度传感器。
5.一种控制热水系统的方法，其包括：
测量流过管道的水的流速信息；
基于所述测得的流速信息，设置通过控制阀的所需流速；
基于所述设定的所需流速，根据所述控制阀的线性磁铁的位置变化设置所需的电压；
通过驱动所述控制阀的电动机，改变所述线性磁铁与闭合元件的位置；和
由所述线性磁铁的位置变化而产生在磁性传感器中的电势差达到所需电压时，通过确定已经实现了所需的流速，停止所述电动机。
6.如权利要求5所述的控制热水系统的方法，其中所述流速信息可以是流入热水供给系统的换热器中的直接水的流速。
7.如权利要求5所述的控制热水系统的方法，其中所述流速信息可以是采暖热水的供给温度或者返回温度。
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