KR100402232B1 - 실시간 정밀 습도 제어용 가습장치 및 습도제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실시간으로 정밀하게 공기의 습도를 제어할 수 있는 가습장치 및 습도 제어방법에 관한 것이다. 증기보일러의 물은 PWM방식으로 제어되는 전기히터에 의해 가열되고, 온도를 측정하여 제어부로부터 전기히터의 전기입력을 PID제어하여 물의 온도를 일정하게 유지한다. 수증기의 분사량은 배출구에서 습도를 측정하여 제어부로부터 가습량조절밸브를 PID제어하여 조절한다. 본 발명의 가습장치에는 수증기의 분사와 더불어 향을 분사하는 향분사부를 포함할 수 있다. 향은 수증기와 동시에 분사되지만 향의 분사량은 수증기의 분사와 별도로 제어될 수 있다.

Description

실시간 정밀 습도 제어용 가습장치 및 습도제어방법{HUMIDIFYING SYSTEM FOR REAL-TIME PRECISE HUMIDITY CONTROL AND ITS CONTROL METHOD}

본 발명은 실시간 정밀 습도 제어용 가습장치 및 습도제어방법에 관한 것이다.

현대인들은 하루 시간의 80 % 이상을 주택, 사무실, 지하공간 등의 실내공간에서 생활하고 있으므로, 쾌적한 실내환경은 일의 효율성을 증대시키고 나아가 인간의 건강을 유지하는데 매우 중요하다. 인간의 감성에 영향을 미치는 요인은 다양하나 이 중에서도 열환경은 인간에게 미치는 정도가 어떠한 요인보다도 큰 것으로 알려져 있다. 열환경이라 함은 온도, 습도, 기류, 복사열을 말하며 이 요소들과 인간의 감성과는 밀접한 관련을 지닌다.

열환경과 관련된 인간의 감성을 측정, 평가하기 위해서는 주위의 열환경이 정밀하게 제어되는 공간에서 작업이 이루어져야 한다. 어떤 특정한 환경을 가상적으로 모의함으로써 그 환경에 있는 사람이 마치 실제적인 환경과 상호작용을 하고 있는 것처럼 만들어 주는 기술을 가상현실이라고 한다. 이러한 가상현실에서는 체험자의 조작에 따라 수시로 주변환경이 변하여야 한다. 실내 공간의 열환경을 임의로 제어하기 위해서는 급기되는 공기의 조건과 벽체의 온도가 정밀하게 제어되어야 한다. 공기와 벽체 조건은 가열, 냉각, 가습 또는 제습에 의하여 정밀하게 제어되며 이를 실현하기 위하여 공조 시스템이 사용된다. 열환경을 제어하기 위한 공조 시스템은 일반적인 시스템과는 달리 특수한 조건이 요구된다. 공조 시스템의 각 구성요소가 컴퓨터에 의해 개별적으로 제어될 수 있어야 하며 특수 조건에 따른 유연성이 뛰어나야 한다. 또한 임의의 열환경 조건을 구현시킬 수 있는 제어기법의 개발이 필요하다.

특히 열환경 중 습도는 인간의 감성에 큰 영향을 미치는데, 습도의 변화에 따른 감성을 측정, 평가하기 위해서는 주어진 공간내에서 실시간으로 정밀한 습도제어가 이루어져야 한다. 그러나 종래의 가습장치의 경우, 정밀한 습도 제어가 어려웠으며, 빠른 시간안에 원하는 습도로 변화시킬 수 없어 감성측정에 사용되기에는 불충분하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 공기의 습도를 실시간으로 제어할 수 있는 가습장치를 제공하는데 있다. 또한 본 발명의 목적은 정밀한 습도 제어방법을 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예로서, 가습장치의 구성을 나타내는 모식도이다.

도 2는 본 발명의 또 다른 실시예를 나타내는 모식도이다.

***도 1의 주요 부분에 대한 부호의 설명***

1:전기가열식 증기보일러 2:온도측정부

3:전기히터 4:히터제어부

5:가습량조절밸브 6:분사구

8:습도측정부 9:가습량제어부

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 히터에 의하여 수증기를 발생시키는 전기가열식 증기보일러와, 상기 증기보일러 내부에 설치되는 온도측정부와, 상기 온도측정부에서 측정된 온도를 이용하여 상기 증기보일러의 물의 온도를 일정하게 유지하기 위해 상기 히터의 전기 입력을 제어하는 히터제어부와, 상기 증기보일러에 연결되어 증기보일러에서 발생된 수증기가 이동하는 배관과, 상기 배관상에 설치되는 가습량조절밸브와, 상기 배관의 후단에 설치되는 수증기 분사구와, 상기 수증기 분사구에서 분사되는 수증기가 공기와 혼합되어 외부공간으로 배출되는 덕트와, 상기 덕트 후단에 설치된 습도측정부와, 상기 가습량조절밸브를 제어하는 가습량제어부를 포함하여 구성되는 실시간 정밀 습도 제어용 가습장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 히터에 의해 증기보일러에서 수증기를 발생시키고, 발생된 수증기의 온도를 측정한 후, 측정된 온도와 미리 설정된 온도를 비교하여 그 오차로부터 상기 히터의 전기입력을 제어하여 수증기의 온도 또는 압력을 일정하게 유지하고, 가습량조절밸브를 통하여 수증기를 일정한 양으로 배출시키고, 배출되는 수증기의 습도를 측정한 후, 측정된 습도와 미리 설정된 습도를 비교하여 그 오차로부터 상기 가습량조절밸브의 개폐 시간비를 제어하는 단계로 이루어지는 실시간 정밀 습도제어방법을 제공한다.

또한 본 발명은 가습 뿐만 아니라 인간의 감성에 큰 영향을 미치는 향(aroma)의 분사가 가능한 가습장치를 제공한다.

본 발명의 가습장치 및 습도제어방법은 원하는 수증기의 압력을 일정하게 유지하도록 보일러의 히터를 제어하고 수증기의 분사량을 원하는 양으로 신속하게 변화시킬 수 있도록 수증기량을 제어하여 특정 공간 내의 습도를 빠른 시간안에 정밀하게 제어한다. 가습방식으로는 증발식, 수분무식, 증기분사식 등이 있으나, 본 발명은 제어가 용이하고 응답성이 우수한 증기분사식을 채용한다.

수증기의 압력은 다음과 같은 방법에 의하여 제어한다. 전기가열식 증기보일러는 전기로 물을 가열하여 물의 온도를 높여 수증기를 발생시키는 장치이다. 보일러에서 발생되는 수증기의 압력은 가열되는 물의 온도에 해당하는 포화압력이다. 기존의 전기가열식 증기보일러는 일정압력 이하에서 보일러에 전기를 인가하여 물의 온도와 증기의 압력을 상승시킨다. 인가되는 전기량의 증가에 따라서 발생되는 수증기의 압력이 상승하게 되는데, 일정압력이 되면 보일러의 전원이 꺼지게 된다. 즉, ON/OFF제어를 한다. 이 경우, 발생하는 증기의 압력이 주기적으로 변하게 된다. 분사되는 수증기의 양은 가습량 조절밸브의 ON/OFF 시간비와 수증기의 분사압력에 의해 결정되기 때문에, 수증기의 분사압력이 변동하게 되면, 분사되는 수증기의 양이 변하게 되어 정밀한 습도 제어가 힘들게 된다. 따라서 가능한 한 수증기의 발생압력을 일정하게 유지하는 것이 습도 제어에 유리하다.

본 발명은 증기보일러의 내부에 온도측정부를 설치하고, 물의 온도를 피이드백하여, 보일러에 인가되는 전기량을 PWM(Pulse Width Modulation) 방식으로 PID 제어한다. 여기서, PWM은 제어를 수행함에 있어 신호 펄스의 길이를 제어하는 방식으로서 디지털 제어 분야에 적용되어 정확한 제어가 가능하다. 또한, PID(proportional integral differential) 제어는 비례, 적분, 미분 제어를 의미하는 것으로서, 정상상태 특성과 과도상태의 특성을 향상시키는 제어기법이다. 이러한 PWM, PID 제어는 제어공학 분야에서 널리 알려진 제어 기법으로서, 그 구체적인 방법 및 효과는 제어공학 관련서적에 상세히 기재되어 있다. 전기량의 제어에는 SSR(Solid State Relay)이 사용되었다. 이러한 제어방법으로 보일러 내부의 물의 온도를 원하는 값으로 일정하게 유지할 수 있고, 온도가 일정할 경우 물은 포화상태로 존재하므로 보일러 내부의 물의 압력은 일정하게 유지된다. 따라서, 증기보일러로부터 외부로의 열손실, 증기사용량의 변동, 새로운 물의 공급 등에 의한 외란에도 불구하고 증기의 발생압력을 일정하게 유지할 수 있다. 수증기가 배출되는 밸브 양단의 압력차가 일정하게 유지되면 밸브의 개폐 정도에 의하여 수증기 배출량을 정밀하게 제어할 수 있다.

수증기의 분사량은 다음과 같은 방법으로 제어한다. 습도측정부에서 측정된 습도를 피이드백 제어하여 가습량조절밸브의 개폐시간 비율(ON/OFF 시간비)을 PID제어하여 분사되는 증기의 양을 제어한다. 습도를 상승시키려면 가습량조절밸브가 열리는 시간의 비율을 증가시키고, 습도를 낮추기 위해서는 반대로 밸브가 열리는시간의 비율을 작게 한다. 가습량조절밸브로는 가격이 저렴하고, 작동의 신뢰성도 높은 솔레노이드밸브가 바람직하다. 솔레노이드밸브는 또한 0에서 100%까지 연속적으로, 신속하게 수증기의 분사량을 제어할 수 있는 장점이 있다.

도면을 참조하여 본 발명을 자세히 설명한다. 도 1은 본 발명의 일실시예로서, 가습장치의 구성을 나타내는 모식도이다. 전기가열식 증기보일러(1)에는 외부로부터 물이 공급되고, 증기보일러(1) 내의 물은 PWM방식으로 제어되는 전기히터(3)에 의해 가열되어 일정한 압력의 수증기가 된다. 전기히터(3)는 히터제어부(4)와 연결되어있고, 히터제어부(4)는 증기보일러(1) 내부에 설치된 온도측정부(2)로부터 측정된 물의 온도를 미리 설정된 온도와 비교하여 상기 전기히터의 전기입력을 PID제어한다. 증기보일러(1)에서 발생된 수증기는 가습량조절밸브(5)의 ON/OFF 시간비에 따라 상기 밸브를 통과하는 수증기량이 조절되어 배관(11)을 따라 흐르게 된다. 배관(11)은 수증기와 공기가 혼합되는 영역인 덕트(10) 내부까지 연장되고, 덕트(10) 내부와 만나는 배관(11) 후단에는 수증기가 분사되는 분사구(6)가 형성되어 있다. 분사구(6)에서 수증기는 덕트(10) 내의 공기중으로 분사되고 공기와 혼합되어 공기의 습도를 높이게 된다. 배관(11)을 따라 분사구로 이동하는 과정에서 응축된 물 또는 분사구(6)에서 응축되는 물은 분사구(6) 하부의 응축수 배출구(7)를 통해 배출된다. 공기 중에 분사된 수증기는 공기와 혼합되어 덕트(10) 후단으로 이동하고, 외부 공간으로 배출된다. 덕트(10) 후단에 설치된 습도측정부(8)에서는 수증기와 혼합된 공기의 습도가 측정된다. 습도측정부(8)에서 측정된 습도는 가습량제어부(9)로 보내지고, 가습량제어부(9)에서는 측정된 습도값과 미리 설정된 습도값을 비교하여 그 오차에 따라 가습량조절밸브(5)의 ON/OFF 시간비를 PID제어한다.

분사구(6)는 공기 중에 직접 수증기를 분사하는 부분으로서, 분사압력이 높을 경우 분사기에서 수증기를 분사할 때 고음이 발생하므로, 분사구를 크게 하여 수증기의 분사압력을 낮출 필요가 있다. 한편, 수증기가 분사될 때 증기보일러(1)에서 증기에 섞여서 오는 물과 배관 및 분사구(6)에서 발생하는 응축수를 제거하기 위해 분사기를 경사지도록 하고, 바람직하게는 약 45도 가량 기울여 설치한다. 응축수 배출구(7)는 분사구(6) 아래쪽 출구부분에 설치한다.

본 발명은 다른 가습장치와는 달리 직접 증기를 공기 중에 분사하므로 응답성이 빠르나, 과다하게 분사될 위험성을 줄이기 위해 수증기가 분사되어 배출되는 덕트(10) 후단에 습도측정부(8)를 설치한다. 습도측정부(8)는 과다한 가습을 방지하는 역할뿐만 아니라, 가습량을 제어하는데 사용된다. 실제 습도가 제어되어야 하는 공간과 가습장치와는 떨어져 있는 경우가 많은데, 이 경우 습도측정부(8)의 측정값에 따라 가습량 제어밸브의 개폐 시간비를 제어하고, 실제 제어공간의 습도는 별도의 습도측정부를 통하여 측정한 후 가습장치의 습도 설정값을 제어하는 다단제어(Cascade Control) 시스템을 구축할 수 있으며, 제어의 안정성과 응답성을 개선할 수 있다.상기와 같이 본 발명의 일실시예는 덕트 내의 습도측정부에서 습도를 측정하여 가습량조절밸브를 직접 제어 할 뿐만 아니라, 증기보일러의 온도를 제어하여, 증기보일러의 내부에 형성되는 증기압을 일정하게 하여, 분사되는 수증기의 양을 일정하게 함으로서 습도를 정밀하게 제어할 수 있다.또한, 상기 증기보일러의 온도를 제어하는 방법으로서 PWM방식의 PID제어를 사용함으로서, 오차와 안정성을 증대시킬 수 있다.또한, 덕트 내의 습도측정부에서 습도를 측정하여 가습량조절밸브를 직접 제어함으로서 습도제어의 응답성을 향상시킬 수 있다.

도 2는 본 발명은 다른 실시예로서, 수증기 뿐만 아니라 향 분사도 겸할 수 있는 향분사 및 가습장치의 구성을 나타낸 모식도이다. 향용기(aroma vessel)(20)에는 액체로 된 향이 담겨있고, 향용기(20)로부터 연장되어 가습장치의 배관(11)에 연결된 별도의 향 배출용 배관(25)이 설치된다. 상기 배관(25)의 중간에는 배출되는 향의 배출량을 조절하는 조절밸브(21)가 있고, 상기 조절밸브(21)는 향배출량제어부(23)와 연결되어 있다. 배관(25)의 끝은 가습장치의 배관(11)과 연결되고, 연결지점에는 노즐(12)이 설치되어 있다. 상기 노즐(21)을 통해 흐르는 수증기는 국부적으로 유속이 증가하게 된다. 따라서, 압력이 낮아지게 되고 향용기(20)와의 압력차가 발생하여 향용기로(20)부터 액체 향이 상기 노즐(12) 까지 유입된다. 유입된 액체 향은 고온의 수증기를 만나면 기화하여 수증기와 섞이게 되고 수증기와 함께 덕트(10)에 유입된다. 덕트(10)의 후단에는 향농도측정부(22)가 설치되어 공기와 혼합된 향의 농도가 측정되며, 이렇게 측정된 농도값은 향배출량제어부(23)로 보내지고, 향배출량제어부(23)는 측정된 농도값과 미리 설정된 농도값을 비교한 후, 그 오차에 따라 상기 조절밸브(21)를 PID제어한다.

상기와 같은 향 분사는 수증기의 분사와 함께 이루어지며 별도의 동력을 사용하지 않고 배관에 압력차를 형성하여 향이 분사되므로 장치의 규모를 줄일 수 있다. 또한, 분사되는 향의 농도를 측정하고 향분사량제어부에서 조절밸브를 PID제어함으로써 향분사량을 실시간으로 정밀하게 제어하는 것이 가능하다.

이와 같이 본 발명에 따른 가습장치 및 습도제어방법은 공급공기의 습도를 신속하고 정밀하게 제어할 수 있으며, 인간의 감성을 측정하기 위한 가상현실(Virtual Reality) 공간 안에서 열환경과 관련된 감성의 측정 및 평가를 가능하도록 해준다. 또한, 본 발명은 가습과 향분사를 함께 수행하는 것이 가능하며 습도와 향 농도를 동시에 개별적으로 제어할 수 있다.

Claims (10)

1. 히터에 의하여 수증기를 발생시키는 전기가열식 증기보일러와,

   상기 증기보일러 내부에 설치되는 온도측정부와,

   상기 온도측정부에서 측정된 온도를 이용하여 상기 증기보일러의 물의 온도를 일정하게 유지하기 위해 상기 히터의 전기 입력을 제어하는 히터제어부와,

   상기 증기보일러에 연결되어 증기보일러에서 발생된 수증기가 이동하는 배관과,

   상기 배관상에 설치되는 가습량조절밸브와,

   상기 배관의 후단에 설치되는 수증기 분사구와,

   상기 수증기 분사구에서 분사되는 수증기가 공기와 혼합되어 외부공간으로 배출되는 덕트와,

   상기 덕트 후단에 설치된 습도측정부와,

   상기 습도측정부에서 측정된 습도를 이용하여 상기 가습량조절밸브를 제어하는 가습량제어부로 구성되는 실시간 정밀 습도 제어용 가습장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 가습량조절밸브는 솔레노이드밸브인 것을 특징으로 하는 실시간 정밀 습도 제어용 가습장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 수증기 분사구는 경사진 것을 특징으로 하는 실시간 정밀 습도 제어용 가습장치.
4. 제1항에 있어서, 습도 제어 공간의 습도를 측정하기 위한 별도의 습도측정부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 정밀 습도 제어용 가습장치.
5. 제1항에 있어서, 액체 향이 담긴 향용기와, 액체향이 배출되는 배관과, 상기 배관에 설치되는 조절밸브와 향배출량제어부 및 향농도 측정부를 포함하여 구성되는 향 분사부를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 정밀 습도 제어용 가습장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 향분사구의 배관은 가습장치의 배관과 연결되며, 두 배관의 연결된 지점에는 노즐이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 실시간 정밀 습도 제어용 가습장치.
7. 히터에 의해 증기보일러에서 수증기를 발생시키고,

   발생된 수증기의 온도를 측정한 후, 측정된 온도와 미리 설정된 온도를 비교하여 그 오차로부터 상기 히터의 전기입력을 제어하여 수증기의 온도 또는 압력을 일정하게 유지하고,

   가습량조절밸브를 통하여 수증기를 일정한 양으로 배출시키고,

   배출되는 수증기의 습도를 측정한 후, 측정된 습도와 미리 설정된 습도를 비교하여 그 오차로부터 상기 가습량조절밸브의 개폐 시간비를 제어하는 단계로 이루어지는 실시간 정밀 습도제어방법.
8. 제7항에 있어서, 습도 제어 공간상에서 추가적으로 습도를 측정하여 미리 설정된 습도값을 조정하는 것을 특징으로 하는 실시간 정밀 습도제어방법.
9. 제7항에 있어서, 상기 가습량조절밸브를 통하여 배출되는 수증기에는 액체 향이 포함하여 배출되는 것을 특징으로 하는 실시간 정밀 습도제어방법.
10. 제9항에 있어서, 상기 액체 향은 수증기와 함께 배출되어 공기와 혼합되며, 혼합된 공기의 향농도를 측정한 후, 측정된 농도값과 미리 설정된 농도값을 비교하여 그 오차로부터 상기 액체향의 배출량을 제어하는 것을 특징으로 하는 실시간 정밀 습도제어방법.