JP2011504218A - 温水システム及び制御方法 - Google Patents

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Abstract

本発明の1つの目的は、温水をユーザの所望温度で迅速に供給する温水システム及びこのそれを制御する方法を提供することである。モータと、前記モータの回転によって水の流量を制御する閉鎖部材と、前記モータの回転によって変化する前記閉鎖部材の位置に応じた出力電圧に基づいて弁の開放量を制御する制御弁と、前記制御弁を通過する水の流量を求めるための流量情報を測定する流量情報測定ユニットと、前記流量情報測定ユニットにより測定され且つ前記流量情報測定ユニットから入力される前記流量情報に応答して水の所望流量を計算し且つ前記モータを制御することで、水の流量を設定する制御ユニットとを含む。

Description

本発明は温水システム及び制御方法に関し、より詳細には、制御弁を含む温水システムであって、温水を供給するための直結給水の流量又は暖房を必要とする各部屋に供給される加熱水の流量を制御する温水システムに関する。
概して、「温水システム」は、配管を流れる水をバーナーを用いて加熱することで温水を生ずる装置であり、例としてはボイラー及び湯沸かし器がある。ボイラーは加熱用の装置であって、循環ポンプで送られる加熱水が熱交換器を通過する際に加熱され、加熱された温水が、加熱を必要とする各部屋で熱交換を行うものであり、湯沸かし器は、冷水の直結給水を熱交換器を介して加熱することでユーザに温水を供給する装置である。
ボイラーシステム内には、暖房を必要とする各部屋に温水(加熱水)を分配する温水分配器が設けられる。温水分配器は温水を分配し、この水は、ボイラーの熱交換器により加熱され、各部屋に給水管を介して供給される。供給された温水は熱を各部屋に伝達して冷却された後、戻り管を介して熱交換器に戻る。温水分配器には、各部屋に供給される加熱水の流量を制御する制御弁が備わっている。
制御弁は、流量を手動で制御する定流型と、フィードバック情報に基づいてモータを用いて弁の開放量を自動調節することによって流量を制御する比例制御型に分けられる。
定流型に関しては、流量が各部屋の管長に従って設定されると、ユーザは自由に流量を変更できないので、ベランダの改装又は拡張により暖房管の長さが変更されると暖房が不均一になる。
さらに、流量センサが比例制御型で使用される場合、供給される加熱水の流量制御は、流量センサからフィードバックされる流量データに応答して閉鎖部材の開放量を制御することで行われるが、流量センサは加熱水内に存在する多量の汚染物質により汚染されることがある。さらに、流量センサが比例制御型で使用されないときは、弁の開放量の制御は、温度センサからフィードバックされる加熱水の温度に基づいてステッピングモータを回転することで実行されるが、この場合、ステッピングモータは直流電力を使用するため、トランスや整流器など特定の構成要素が必要となり、取り付け費用を増加させてしまう。
一方、湯沸かし器システムは、配管を流れる冷水の直結給水の流量を流量センサにより測定する流量制御弁を備え、フィードバックされた測定流量に基づいて弁の開放量を調節することで直結給水の供給流量を制御する。流量制御弁は、最大燃焼能力であっても供給される直結給水が大量であるためにユーザの所望温度で温水供給が困難なときに、直結給水の流量を減少させることによって所望温度で温水を供給するために設けられている。この構成では、流量センサと、コントローラと、流量制御弁との間でフィードバックを繰り返しつつ流量制御が実行されるので、応答が遅れ、所望温度の温水を迅速にユーザに供給できない。
本発明の1つの目的は、温水をユーザの所望温度で迅速に供給する温水システム及びこの温水システムを制御する方法を提供することである。
本発明の別の目的は、安価な交流モータを使用することで、システムの取り付けコストを削減できる温水システムを提供することである。
本発明の上記目的を達成するため、温水システムは、モータと、前記モータの回転によって水の流量を制御する閉鎖部材と、前記モータの回転によって変化する前記閉鎖部材の位置に応じた出力電圧に基づいて弁の開放量を制御する制御弁と、前記制御弁を通過する水の流量を求めるための流量情報を測定する流量情報測定ユニットと、前記流量情報測定ユニットにより測定され且つ前記流量情報測定ユニットから入力される前記流量情報に応答して水の所望流量を計算し且つ前記モータを制御することで、水の流量を設定する制御ユニットとを含む。
前記制御弁が、前記モータの回転により位置が変化する線形磁石と、前記線形磁石の位置に応じて変化する磁束密度を検出する磁気センサとを備えている。
前記制御弁は、給湯システムから熱交換器に供給される直結給水の流量を制御する流量制御弁であり、前記流量情報測定ユニットは、前記流量制御弁を通過する前記直結給水の流量を測定する流量センサである。
前記制御弁は、暖房を必要とする各部屋に加熱水を分配するシステムにおいて各部屋に供給される加熱水の流量を制御する制御弁であり、前記流量情報測定ユニットは、前記加熱水の温度を測定する温度センサである。
本発明による温水システムを制御する方法は、配管を流れる水の流量情報を測定する段階と、前記測定した流量情報に基づいて制御弁を通過する所望の流量を設定する段階と、前記設定した所望の流量に基づいて前記制御弁の線形磁石の位置変化に応じた所望電圧を設定する段階と、前記制御弁のモータを駆動することで前記線形磁石及び閉鎖部材の位置を変化させる段階と、前記線形磁石の位置変化により前記磁気センサに発生した電位差が前記所望電圧に達すると、前記所望の流量に達したと判断して、前記モータの動作を停止させる段階とを含む、方法。
前記流量情報は、給湯システムの熱交換器に流入する直結給水の流量とすることができる。
前記流量情報は、加熱水の供給温度又は戻り温度とすることができる。
前記温水システム及び前記温水システムを制御する前記方法によれば、流量センサが検出した流量に従って温水をユーザの所望温度で迅速に供給でき、設置コストを削減できる。
図１は、本発明の一実施形態による温水システムの構成を概略的に示す図であり、 図1に示した流量制御弁の断面図である。 本発明の流量制御弁に用いられる線形磁石の形状及び磁化を示す図である。 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。 本発明の別の実施形態による温水システムの構成を概略的に示す図である。 図5に示した流量制御弁の断面図である。
本発明の好適な実施形態の構成及び動作を添付図面を参照して下記に詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態による温水システムの構成を概略的に示す図であり、図2は図1に示した流量制御弁の断面図であり、図3は、本発明の流量制御弁に用いられる線形磁石の形状及び磁化を示す図であり(韓国特許第660564号に開示されている)、図4は、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。
図1を参照すると、温水システムは、冷水の直結給水が流れ込む直結給水管10と、直結給水管10を流れる直結給水とバーナーが発生する高温燃焼ガスとの間で熱交換が行われる熱交換器20と、熱交換器20を通過する温水をユーザに供給する暖房管30と、直結給水管10に配置されると共に直結給水の流量を制御する流量制御弁100と、流量制御弁100を通過した直結給水の流量を測定する流量センサ200と、流量センサ200が測定する流量情報に基づいて必要な流量を計算すると共に流量制御弁100の開放量を調節する制御ユニット300とを含む。
この構成では、制御ユニット300において流量制御弁100を通過する直結給水の流量を設定する「流量情報」は、流量センサ200により測定される実際の流量であり、流量センサ200はこの流量情報を測定する手段である。
図2を参照すると、流量制御弁100は二方向回転モータ111と、モータ111の回転により上下に往復運動しつつ流路の開放量を調節する閉鎖部材154と、モータ111の回転により位置が可変の線形磁石131と、線形磁石131の位置に従って変化する磁束密度を検出することによってモータ111の回転を制御するための磁気センサ137を備えたプリント回路基板134とを含む。
モータ111は交流により回転する。従って、トランスや整流器などの特定の構成要素を設ける必要がないので、直流で駆動されるモータ(例えば、ステッピングモータ)と比べると、コストが安価になる。モータ111の下部に設けられたモータ軸112は、軸結合部材151に結合されており、一体的に回転する。
長尺の棒状金属軸152が軸結合部材151の下部に結合されており、一体回転する。直結給水の流路を形成する開口部172を開閉する閉鎖部材154が、軸152の下部に結合されている。ここで記載されていない参照番号はOリングを示す。
モータ軸112が中央部に挿入されている円板状の回転プレート141が、軸結合部材151に取り付けられている。軸結合部材151及び回転プレート141は2つのネジ142により結合されている。
磁石ケース132は、その上端が回転プレート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は合成樹脂製で、内部に線形磁石131を保持しており、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の側面上端に形成された磁石収容部162に挿入されている。
下ケース122に収納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磁束密度を感知する磁気センサ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がプリント回路基板134の上部にネジ136により固定されており、プリント回路基板134を覆っている。
本明細書で記載した「線形磁石」とは、変位に従った磁束密度の変化が直線性(線形性)を持つ磁石を意味し、線形磁石131及び磁気センサ137を以下に説明する。
図3を参照すると、線形磁石131は、N極とS極が長方形の左上縁部から直角方向に正弦波形状となるように磁化している。
一般に、磁束密度は距離の自乗に反比例することが知られている。従って、通常の磁石では、変位による磁石強度の変化は二次関数グラフとなり、線形性を持たない。
それに対して、磁石の形状を点線で示した図3に示すように、磁壁が直角方向に形成されるように本発明の線形磁石131が磁化されたときは、変位に従ったN極の磁束密度は線形性を示さない。しかし、実線で示したように、磁壁が直角方向の正弦波をなすように磁石が磁化され、磁束密度は線形性を示す。
図3では、磁気センサ137は、線形磁石131の位置変化に応じて磁束の変化を検出する。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距離dの位置に設けられており、線形磁石131は極性表面を同一表面上で移動させる。従って、線形磁石131の極性表面部分であるP0乃至P12は、磁気センサ137を通過する際に同一距離dを維持し、磁気センサ1317に検出される磁束密度の値は線形に変化する。しかし、磁石の極性表面部分であるP0乃至P12の両端は僅かに非線形を示す。従って、上述の部分を除いて、良好な線形特性を備えるP2乃至P10を使用部分として選択するのが好ましい。
線形磁石137の位置変化に従った磁束密度の変化の測定に用いる磁気センサ131は、磁界を検出する手段の一つとして一般的に使われているホールセンサ(プログラム可能ホールIC)である。電流が半導体(ホール素子)に印加された後に磁界が垂直にかけられると、ポテンシャルの差が電流方向と磁界方向に垂直に発生し、ホールセンサがこのポテンシャル(電位)の差から線形磁石137の位置変化を検出可能となる。
流量制御弁100における流量を設定する手順、すなわち温水システムを制御する方法を図1乃至4を参照して次に説明する。
例えば、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200が流量を測定し、バーナー(図示しない)が点火され、熱が熱交換器20に供給される。
流量センサ200が測定する流量と、直結給水管10に設けた直結給水センサ(図示しない)が測定する直結給水の温度とはコントローラ300に入力される。一方、温水の所望温度は予め設定されている。その後、直結給水の温度を所望温度まで上昇させるのに必要な熱の量が、制御ユニット300において次の式で計算される。
Figure 2011504218
上記式で、mは流量を表し、cは水の比熱の1であり、?tは直結給水の所望温度と現在の温度との差を表す。
ボイラーの能力(最大供給可能な熱の量)が上述の式から計算された必要な熱の量を下回れば、たとえバーナーで最大火力の燃焼が行われたとしても、ユーザが所望する温度の温水が供給できない。従って、制御ユニット300は、直結給水の流量を減少させるための所望流量を計算し、流量制御弁100を制御する。
図4に示すように、流量と、線形磁石131の位置変化に応じて磁気センサ137が検出する電圧との関係は予め設定されている。
すなわち、流量制御弁100を完全に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の位置に対する電圧は4.5Vに設定され、流量制御弁100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の位置に対する電圧は0.5Vに設定されている。さらに、流量制御弁100の開放位置が最大流量位置と閉位置との間である時の電圧値は、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300は、図4に示したグラフデータに基づいて所望流量に対応する所望電圧を設定し、流量制御弁100のモータ110を回転させて閉鎖部材154を下方向に閉じることで流量を減少させる。
回転プレート141がモータ111とともに回転しつつ下方に移動すると、線形磁石131もそれに応じて下方に移動する。線形磁石131の位置センサに従って磁気センサ137に発生する電位差が所望電圧に達すると、制御ユニット300は所望流量に達したと判断して、モータ111の動作を停止させる。
所望の流量が達成された後も実際の流量と所望の流量との間に小差が存在するので、微調整が実行される。しかし、流量が上述の過程で制御されると、モータ111の一度の動作だけで所望の流量が達成され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うる。
図5は、本発明の別の実施形態による温水システムの構成を概略的に示す図であり、図6は図5に示した制御弁の断面図である。
この実施形態で記載した「温水システム」は暖房用の暖房システムを意味する。
図5を参照すると、この温水システムは、地域暖房又は個別暖房のために水を加熱することで加熱水(温水)を供給する熱源40と、熱源40から供給される加熱水を各部屋70a、70b、70cに分配する分配器50と、分配器50を部屋70a、70b、70cに結合する供給管60a、60b、60cと、部屋70a、70b、70cと熱交換を行った加熱水が通過する戻り管80a、80b、80cと、供給管60a、60b、60cに設けられると共に部屋70a、70b、70cに供給される加熱水の流量を制御する制御弁500a、500b、500cとを含む。
この実施形態では、制御ユニットによって流量制御弁500を通過する加熱水の流量を設定するための「流量情報」は、暖房を必要とする各部屋に分配される加熱水の温度とすることができ、加熱水の温度を測定する温度センサ(図示しない)はこの流量情報を測定する手段である。
図6を参照すると、制御弁500は、ケース501に収容されたモータ(図示しない)と、モータのモータ軸511の回転により上下に往復運動することで加熱水の流路の開閉量を調節する閉鎖部材538と、モータ軸511から形状に偏りがあり且つ一体回転するようモータ軸511に連結されたカム部材512と、回転するカム部材512の外周と常に接触するようバネで弾性的に支持された線形磁石521であって、カム部材512の外周に沿って上下位置が変化する線形磁石521と、線形磁石521の位置変化に従って変化する磁束密度を検出することでモータの回転を制御するために線形磁石521近傍に配置された磁気センサ(図示しない)と、この磁気センサが備えられたプリント回路基板(図示しない)と、カム部材512の下部外周と接触するようにバネ532により弾性的に支持されたカム接触部材531であって、下方に開放され、カム部材512の回転により上下位置が変化するカム接触部材531と、カム接触部材531の上下運動を案内する上案内部材535と、案内部材535に挿入された軸接触部材533であって、上表面がバネ532に接触し下表面が軸534の上端に接触し且つそれに支持された軸接触部材533と、ロッキング回転部材536と、軸534が挿入されると共に上下に往復運動する軸534の外周を案内する下案内部材537と、軸534が下方に移動する際に圧縮されるバネ539と、軸534の下端に結合された閉鎖部材538であって、加熱水の流入口541と流出口543との間に形成された開口部542を閉じる閉鎖部材538とを含み、ここで、線形磁石521は図3に示した線形磁石と同じものである。
流量制御弁500における流量を設定する手順、すなわち温水システム(暖房システム)を制御する方法を図5乃至6を参照して次に説明する。
部屋70a、70b、70cに供給される加熱水の流量は、各部屋70a、70b、70cに設置された管の長さによって異なり、さらに、部屋70a、70b、70cを暖める温度もそれぞれ異なるよう設定されることがある。
従って、例えば、制御ユニットは、温度センサが測定した加熱水の温度(戻り温度の供給温度)及びユーザが設定した温度を考慮して所望の流量を設定する。
上述のように設定された所望の流量しだいで、制御弁500の線形磁石521の位置変化による所望電圧が設定されるが、この所望電圧は図4に示したグラフデータから得ることができる。
所望電圧が求められると、カム部材512がモータにより回転され、閉鎖部材538がカム部材512の回転によりその上下位置を変化させる一方、カム部材512に接触している線形磁石521もそれに対応してその上下位置を変化させる。
線形磁石521の位置の変化に従って、磁気センサの電位差が変化する。この電位差が所望電圧に達すると、制御弁500を通過する所望の流量が得られたと判断し、モータを停止させる。
弁の開放量の検出には線形磁石が使用されると述べてきたが、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。
可変抵抗の使用に関しては、弁の開放量に従った可変抵抗の出力電圧が予め設定され、この抵抗の接点がモータの回転により変化するときに、対応する出力電圧により弁の開放量が検出できる。
更に、可変誘導器の使用に関しては、弁の開放量に従った可変誘導器の出力電圧が予め設定され、磁石の位置がモータの回転によりコイル内で変化するときに、対応する出力電圧により弁の開放量が検出できる。
上述のように本発明が用いられる温水システムによれば、流量センサが検出した流量に従って温水をユーザの所望温度で迅速に供給でき、温水システムの設置に要するコストを削減できる。

Claims (7)

  1. 温水システムであって、
    モータと、前記モータの回転によって水の流量を制御する閉鎖部材と、前記モータの回転によって変化する前記閉鎖部材の位置に応じた出力電圧に基づいて弁の開放量を制御する制御弁と、
    前記制御弁を通過する水の流量を求めるための流量情報を測定する流量情報測定ユニットと、
    前記流量情報測定ユニットにより測定され且つ前記流量情報測定ユニットから入力される前記流量情報に応答して水の所望流量を計算し且つ前記モータを制御することで、水の流量を設定する制御ユニットとを含む、温水システム。
  2. 前記制御弁が、前記モータの回転により位置が変化する線形磁石と、前記線形磁石の位置に応じて変化する磁束密度を検出する磁気センサとを備えた、請求項1に記載の温水システム。
  3. 前記制御弁は、給湯システムから熱交換器に供給される直結給水の流量を制御する流量制御弁であり、前記流量情報測定ユニットは、前記流量制御弁を通過する前記直結給水の流量を測定する流量センサである、請求項1に記載の温水システム。
  4. 前記制御弁は、暖房を必要とする各部屋に加熱水を分配するシステムにおいて各部屋に供給される加熱水の流量を制御する制御弁であり、前記流量情報測定ユニットは、前記加熱水の温度を測定する温度センサである、請求項1に記載の温水システム。
  5. 温水システムを制御する方法であって、
    配管を流れる水の流量情報を測定する段階と、
    前記測定した流量情報に基づいて制御弁を通過する所望の流量を設定する段階と、
    前記設定した所望の流量に基づいて前記制御弁の線形磁石の位置変化に応じた所望電圧を設定する段階と、
    前記制御弁のモータを駆動することで前記線形磁石及び閉鎖部材の位置を変化させる段階と、
    前記線形磁石の位置変化により前記磁気センサに発生した電位差が前記所望電圧に達すると、前記所望の流量に達したと判断して、前記モータの動作を停止させる段階とを含む、方法。
  6. 前記流量情報は、給湯システムの熱交換器に流入する直結給水の流量である、請求項5に記載の温水システムを制御する方法。
  7. 前記流量情報は、加熱水の供給温度又は戻り温度である、請求項5に記載の温水システムを制御する方法。
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