JP2011503469A

JP2011503469A - 流量制御弁

Info

Publication number: JP2011503469A
Application number: JP2010532992A
Authority: JP
Inventors: シファンキム
Original assignee: Kyungdong Network Co Ltd
Current assignee: Kyungdong Network Co Ltd
Priority date: 2007-11-07
Filing date: 2008-10-20
Publication date: 2011-01-27
Also published as: CN101855481A; KR20090047055A; WO2009061083A1; EP2217841A1; AU2008325496A1; KR100902793B1; US20100276616A1

Abstract

本発明は、供給される直結給水の流量に従って弁の開放率を速やかに制御することで、温水をユーザの所望温度で迅速に供給できる流量制御弁に関する。これを実現するため、本発明の流量制御弁は、両方向に回転するモータと、流路の開放率を制御するためモータの回転により往復運動する開閉部材と、モータの回転によりその位置が開閉部材と一体的に変動する位置変動部材と、位置変動部材の位置に従って変化する出力電圧から弁の開放率を感知する弁開放率感知ユニットとを含む。

Description

本発明は流量制御弁に関し、より詳細には、ボイラー又は湯沸かし器に取り付けられると共に熱交換器に供給される直結給水の流量を調節可能な流量制御弁に関する。

概して、直結給水管を介して供給される水の流量を制御する流量制御弁は、温水を供給するボイラー又は湯沸かし器内に設けられる。

図1は、公知の流量制御弁を備えた給湯システムを示す概略図である。図1を参照すると、この給湯システムは、直結給水が流れ込む経路となる直結給水管10と、直結給水管10を介して供給される直結給水の流量を制御する流量制御弁20と、流量制御弁20を通過する直結給水の温度を感知する直結給水温度センサ30と、直結給水管10を流れる直結給水の流量を測定する流量センサ40と、高温熱源と直結給水との間で熱交換が行われる熱交換器50と、熱交換器50で加熱された温水の温度を測定する流出水温センサ60と、加熱温水が放出される経路となる温水管70と、流量センサ40が測定する流量情報から流量制御弁20の開放を制御する制御ユニット80とを含む。

ユーザが温水を利用するために水栓を開けると、流量センサ40が流量を感知し、熱を熱交換器50に供給するためにバーナー(図示しない)に点火する。この場合、供給される直結給水の流量が大きいと、たとえ湯沸かし器を最大能力で動作させたとしても、所望温度の温水が供給されないことがある。

従って、この場合は、流量制御弁20を制御することによって直結給水の流量を減少させる。流量を所望レベルまで減少させるため、流量は流量センサ40と、制御ユニット80と、流量制御弁20との間での連続的なフィードバック処理で制御されるので、応答速度が遅くなることにより温水をユーザに所望の温度で迅速に供給することは不可能である。

本発明は上述の課題を解決するためになされたものである。本発明の1つの目的は、供給される直結給水の流量に従って弁の開放率を速やかに制御することで、温水をユーザの所望温度で迅速に供給するよう適合された流量制御弁を提供することである。

上述の目的を達成するため、本発明の流量制御弁は、両方向に回転するモータと、流路の開放率を制御するため前記モータの回転により往復運動する開閉部材と、前記モータの回転によりその位置が前記開閉部材と一体的に変動する位置変動部材と、前記位置変動部材の位置に従って変化する出力電圧から前記開閉部材の開放率を感知する弁開放率感知ユニットとを含む。

この場合、前記弁開放率感知ユニットは、前記位置変動部材の位置に従ってその位置が変動する線形磁石と、前記モータの回転を制御するために前記線形磁石の位置に従って変動する磁束密度を感知する磁気センサとを含む。

本発明では、前記位置変動部材は、前記モータの軸回転により回転すると共にその上及び下位置が前記弁と一体的に変動する回転プレートを含むことができ、前記線形磁石の上部分は前記回転プレートの底面に接触し、前記線形磁石の下部分はバネにより支持されているので、前記線形磁石の上及び下位置は前記回転プレートの回転により変動する。

一方、前記弁開放率感知ユニットは可変抵抗を用いるように構成してもよい。

さらに、前記弁開放率感知ユニットは可変誘導器を用いるように構成してもよい。

本発明の流量制御弁によれば、流量センサが感知する流量に従って開閉部材の開放率を速やかに制御することで、温水をユーザの所望温度で迅速に供給できる。

公知の流量制御弁を備えた給湯システムを示す概略図である。本発明の一実施形態による流量制御弁の外観の透視図である。図2に示した流量制御弁の分解組立透視図である。図2に示した流量制御弁の断面図である。本発明に従った流量制御弁に採用された線形磁石の形状及び励起形状を示す図である。本発明による流量制御弁が開かれた状態を示す断面図である。本発明よる流量制御弁を備えた給湯システムの構成を示す構成図である。流量と磁気センサの電位差との関係を示すグラフである。

添付図面を参照して、本発明の好適な一実施形態の構成及び動作を下記に詳細に説明する。

図2は、本発明の一実施形態に従った流量制御弁の外観を示す透視図である。図3は、図2に示した流量制御弁の分解組立透視図である。図4は、図2に示した流量制御弁の断面図である。

流量制御弁1は、両方向に回転するモータ111と、流路の開放率を制御するためモータ111の回転により垂直に往復運動する開閉部材154と、モータ111の回転によりその位置が開閉部材154と一体的に変動する位置変動部材と、位置変動部材の位置に従って変化する出力電圧から開閉部材154の開放率を感知する弁開放率感知ユニットとを含む。

モータ111は交流(AC)電力の供給を受けて回転する。従って、直流(DC)電力で駆動されるモータ(例えば、ステッピングモータ)の場合に比べ、トランスや整流器などの付加的な構成要素を設ける必要がないので、製造コストを安価になる。モータ111の下部に設けられたモータ軸112は、その断面が「D」字状に加工されている。モータ軸112は軸結合部材151の溝に挿入されており、これは上記「D」字形状に対応した形状を備え、モータ111とともに回転する。

金属材料製の長尺の棒状軸152が、軸結合部材151と一体回転するように軸結合部材151の下部に結合されている。2つのOリング153が軸152の中央部に結合されており、ガイド部材155と、軸152の下部に結合された、直結給水の流路である開放部分172を開閉する開閉部材154との気密性を維持する。

位置変動部材は、モータ軸112が当該変動部材の中央部に挿入された円形ディスクを備えており、軸結合部材151の上部に取り付けられた回転プレート141からなる。軸結合部材151及び回転プレート141は2つのネジ142により互いに一体結合されている。

弁開放率感知ユニットは、モータ111の回転によりその位置が変動する線形磁石131と、線形磁石131の位置に従って変動する磁束密度を感知することによってモータ111の回転を制御するために磁気センサ137に結合されたプリント回路基板134とを含む。

磁石ケース132の上端は、回転プレート141の外側底面に接触するよう取り付けられている。磁石ケース132は合成樹脂材料からなり、内部に線形磁石131が設けられている。磁石ケース132の底面は、バネ133により弾性保持され、外側弁体161の上端に形成された磁石収納ユニット162の内部に挿入されている。

下ケース122に収容されたプリント回路基板134は、線形磁石131の側部に設けられている。線形磁石131の位置変化に従って変動する磁束密度を感知するための磁気センサ137が、プリント回路基板134に取り付けられている。カバー135がネジ136によりプリント回路基板134の上方に固定されており、プリント回路基板134を覆っている。

本明細書では、「線形磁石」とは、変動に従った磁束密度の変化が線形性を示す磁石を意味する。以下に、線形磁石131及び磁気センサ137を説明する。

図5は、本発明に従った流量制御弁に採用された線形磁石の形状及び励起形状を示す図である。図5は韓国特許第660564号に開示されている。

図5を参照すると、線形磁石131において、N極とS極との境界である磁壁は、長方形の左上縁部から対角線方向に正弦波形状を備え、N極とS極が励起している。

一般に、磁束密度は長さの自乗に反比例することが知られている。従って、既知の磁石の場合、変動による磁石の強度変化は、2次元グラフ形状のような線形性は持たない。

これとは対照的に、本発明で採用した線形磁石131では、磁石の形状は図5に示すように点線で示してあり、磁壁が対角線方向に励起される場合は、変動に依存するN極の磁束密度は線形性を示さない。しかし、磁壁が実線で示したように対角線方向に正弦波形状を備えるように励磁される場合は、変動に依存するN極の磁束密度が線形性を示す。

図5では、磁気センサ137は、線形磁石131の位置変化に応じた磁束密度の変化を感知する。すなわち、磁気センサ137は、線形磁石131の極性表面から所定のギャップdだけ離間した位置に設けられており、線形磁石131の極性表面は同一表面上を移動する。従って、線形磁石131の極性表面部分であるP0
P12は、磁気センサ137を通過する際に、同一間隔dをおいて互いから離間している。同時に、磁気センサ137が感知する磁束は線形である。しかし、磁石の極性表面部分であるP0
P12の両端は僅かに非線形の形状を示すので、部分P0 P12の両端を除いた良好な線形特性を備えるP0 P12の部分が使用部分として好適に選択される。

線形磁石131の位置変化に依存する磁束密度の変化の測定に用いる磁気センサ137は、磁界を検出する手段の一つとして広く使われているホールセンサ(プログラム可能ホールIC)からなる。このホールセンサの動作において、電流が半導体(ホール素子)の電極に流れ、磁界が電極に垂直方向に作用すると、電位差が電流方向と磁界方向に垂直に発生する。ホールセンサは、この電位差から線形磁石131の位置変化を感知できる。

線形磁石131及び磁気センサ137は非接触様式で互いから離間しているため、線形磁石131及び磁気センサ137それぞれの耐久性は弁が繰り返し開閉されても低下しない。

図6は、本発明による流量制御弁が開かれた状態を示す断面図である。

図4は弁が完全に閉じた状態を示す。この場合、線形磁石131は下死点に位置する一方、回転プレート141とともにバネ133を圧縮する。

図6は、モータ111を図4に示した状態から回転させることで弁が開かれた状態を示す。この場合、回転プレート141はモータ軸112とともに回転しながら上昇し、軸152及び開閉部材154が一体的に上昇する。さらに、線形磁石131も、バネ133の弾性復元力により回転プレート14とともに上昇する。

図7は、本発明よる流量制御弁を備えた給湯システムの構成を示す構成図である。図8は、流量と電位差との関係を示すグラフである。次に、図7及び8を参照して、本発明の動作を説明する。

ユーザが温水を利用するために水栓を開けると、流量センサ40が流量を感知し、熱を熱交換器50に供給するためにバーナー(図示しない)に点火する。

この場合、流量センサ40が感知する流量と、直結給水温度センサ30が測定する直結給水の温度と制御ユニット200に入力される。一方、温水の目標温度は予め設定されている。これに基づいて、制御ユニット80では、直結給水の温度を目標温度まで上昇させるのに必要な熱の量が次の式で計算される。

上記式で、mは流量を表し、cは水の比熱を表し、その値は1であり、Δtは直結給水の目標温度と現在の温度との差を表す。

この場合、ボイラーの能力(最大供給可能な熱の量)が上述の式で計算された必要な熱の量未満であれば、たとえバーナーを最大熱出力で動作させたとしても、ユーザが所望する温度の温水が供給できない。従って、この場合は、制御ユニット200は、直結給水の流量を減少するために目標流量を計算することで流量制御弁1を制御する。流量制御弁1の制御方法を説明する。

制御ユニット200では、流量と、線形磁石131の位置変化に依存する磁気センサ137が感知する電圧との関係は、図8に示すように予め設定されている。

すなわち、図8では、流量制御弁1を最大まで開放することで通過可能な流量が最大流量である時の、線形磁石131の位置に対応する電圧は4.5Vに設定され、流量制御弁1を完全に閉じることで通過可能な流量が最小流量である時の、線形磁石131の位置に対応する電圧は0.5Vに設定されている。さらに、流量制御弁1の開放位置が最大流量位置と閉位置との間であれば、その位置に対応する電圧値は線形磁石131の線形性により線形に比例する。

従って、制御ユニット200において、目標流量の目標電圧は図8のグラフデータから設定され、流量を減少させるには、流量制御弁1のモータ111を回転させることで開閉部材154を下降させる。

回転プレート141がモータ111とともに回転しつつ下降すると、線形磁石131も一緒に下降する。線形磁石131の位置変化により磁気センサ137に発生する電位差が目標電圧に達すると、制御ユニット200は流量が目標流量に達したと判断してモータ111の動作を停止させる。

いうまでもなく、流量が目標電圧に達した後も、実際の流量と目標流量との間に微小な差が存在することがあり、微調整を行う。しかし、流量がこうした過程で制御されると、モータ111の一度の動作だけで実際の流量が目標に達することも可能であり、温水がユーザ所望温度で迅速に供給される結果となる。

一方、弁開放率感知ユニットは非接触様式の線形磁石を使用すると述べてきたが、線形磁石及び磁気センサの代わりに可変抵抗及び可変誘導器を使用してもよい。

先ず、可変抵抗を使用する場合、弁の開放率に依存する可変抵抗の出力電圧は予め設定しておく。可変抵抗の接点位置がモータ111の回転により変化すると、得られる出力電圧から弁の開放率を感知できる。

さらに、可変誘導器を使用する場合、弁の開放率に依存する可変誘導器の出力電圧は予め設定しておく。磁石の位置がコイルの内部でモータ111の回転により変化すると、得られる出力電圧から弁の開放率を感知できる。

上述のように、本発明の実施形態を説明してきたが、実施形態は例示目的にすぎず、当業者であれば、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく様々な修正及び変更が可能なことは理解されるであろう。

上述のように、本発明による流量制御弁は、熱交換器に供給される直結給水の流量を迅速に調節するために、ボイラー又は湯沸かし器に取り付けられる。

Claims

流量制御弁であって、
両方向に回転するモータと、
流路の開放率を制御するため前記モータの回転により往復運動する開閉部材と、
前記モータの回転によりその位置が前記開閉部材と一体的に変動する位置変動部材と、
前記位置変動部材の位置に従って変化する出力電圧から前記開閉部材の開放率を感知する弁開放率感知ユニットとを含む、流量制御弁。
前記弁開放率感知ユニットは、前記位置変動部材の位置に従ってその位置が変動する線形磁石と、前記モータの回転を制御するために前記線形磁石の位置に従って変動する磁束密度を感知する磁気センサとを含む、請求項1に記載の流量制御弁。
前記位置変動部材は、前記モータの軸回転により回転すると共にその上及び下位置が前記弁と一体的に変動する回転プレートを含み、前記線形磁石の上部分は前記回転プレートの底面に接触し、前記線形磁石の下部分はバネにより支持されているので、前記線形磁石の上及び下位置は前記回転プレートの回転により変動する、請求項2に記載の流量制御弁。
前記弁開放率感知ユニットは可変抵抗を用いる、請求項1に記載の流量制御弁。
前記弁開放率感知ユニットは可変誘導器を用いる、請求項1に記載の流量制御弁。