KR101134313B1 - 실외온도에 따라 펌프 및 유량밸브를 제어하는 장치 - Google Patents

Abstract

온수가 공급되는 공급라인(110); 상기 공급라인(110)으로부터 각 방으로 분기되어 상기 온수의 잠열이 해당 방과 열교환되도록 하는 온수관로(120); 상기 온수관로(120)와 각각 연통되어 열교환이 끝난 온수가 환수되는 환수라인(130); 실외의 공기온도를 측정하기 위해 마련된 외기온도센서(140); 상기 외기온도센서(140)로부터 정보를 제공받아 외기온도 변화에 따라 서로 다른 제어신호를 출력하는 제어부(150); 상기 제어부의 제어신호에 따라 상기 환수라인에서 환수되는 온수를 상기 공급라인의 공급온수와 섞어 상기 온수관로로 공급되는 온수 온도를 조절하는 믹싱밸브(160); 상기 믹싱밸브(160)를 통과한 공급온수를 상기 온수관로 쪽으로 송출하기 위해 상기 공급라인 상에 설치되는 것으로, 상기 제어부의 제어신호에 따라 공급온수의 유량을 1차 조절하는 펌프유닛(170); 상기 공급라인(110) 또는 환수라인(130)에 설치되며 상기 제어부(150)의 제어신호에 따라 상기 온수의 유량을 2차 조절하는 가변유량밸브;를 포함하는 실외온도에 따라 펌프 및 유량밸브를 제어하는 장치가 소개된다.

외기온도, 제어부, 믹싱밸브, 펌프유닛, 가변유량밸브,

Description

실외온도에 따라 펌프 및 유량밸브를 제어하는 장치{APPARATUS FOR CONTROL OF PUMP AND CONSTANT FLOW VALVE}

본 발명은 실외 온도 증가에 따라 각 세대로 공급되는 열량이 자동으로 낮아지도록 공급온수의 유량을 펌프에서 1차적으로 제어하고 그 다음 유량밸브에서 2차적으로 제어하여 실외 온도에 따라 능동적으로 난방 공급에너지가 절약되도록 한 유량제어장치에 관한 것이다.

공동주택이나 대형건물에 사용되는 난방시스템은, 각 세대에 독립적으로 설치된 보일러와 같은 열원에 의해 유체를 가열한 후 이를 이용하여 난방을 실시하는 개별난방과, 세대 외부에 설치된 외부 열원에 의해 유체를 가열한 후 가열된 유체를 각 세대별로 공급받아 난방을 실시하는 집단난방으로 구별되며, 다시 집단난방은 공동주택 단지 또는 대형건물 내의 중앙 보일러와 같은 열원을 사용하는 중앙난방과, 공동주택 단지 외부의 지역 발전소와 같은 열원을 사용하는 지역난방으로 구별된다.

이러한 난방 시스템은 가열 유체로서 물을 사용하는 것이 일반적이며, 특히 집단난방은 열원으로부터 가열된 온수가 공급되는 중앙공급관으로부터 각 세대별로 분기되는 공급관이 온수공급헤더와, 다수의 온수관로와, 온수환수헤더 및 환수관을 포함하는 세대별 온수분배기 장치를 통해 각 세대별 난방을 실시하고 이후 각 세대별 환수관들이 다시 중앙환수관으로 집중된 후 열원으로 환수되는 순환시스템을 갖는다.

도1은 종래방식에 의한 외기온도 연동식 유량제어장치에 관한 개략도이다.

도1은 비록 여기에서 종래기술로 설명되기는 하지만, 이는 단지 도1의 종래기술과 비교하여 후술하게 될 본 발명이 보다 용이하게 이해되도록 하기 위한 것일 뿐, 도1의 종래기술이 이미 공지기술에 해당한다는 의미는 아니다.

또한, 도1의 종래 기술은 본 출원인이 처음에 "외기온도와 연동하여 자동으로 실내 난방온도가 제어되는 기술사상"을 착안한 후부터 최종적으로 본 발명이 개발되기까지의 과도기 과정에서 도출된 기술임을 밝힌다.

도1에서 보면, 일반적인 세대별 난방시스템의 구조는, 중앙공급관(111)에서 분기된 공급관(112)과 연통된 온수공급헤더(113)와, 상기 온수공급헤더(113)에서 각 방으로 분기되어 열을 공급하는 다수의 온수관로(120)들과, 상기 온수관로(120)들과 각각 연통되는 환수파이프(131)와, 상기 환수파이프(131)들이 한 곳으로 모이도록 하는 온수환수헤더(132)와, 상기 온수환수헤더(132)와 연통되는 환수관(133)과, 상기 세대별 환수관(133)이 다시 한 곳으로 연통되는 중앙환수관(134)으로 이루어진다.

상기 중앙공급관(111)에서 공급된 온수는 공급관(112)과 온수공급헤더(113)를 거쳐 각 방에 설치되어 있는 온수관로(120)들로 유입되고, 상기 온수관로(120)를 따라 흐르면서 주위(예를 들어, 방바닥)와 열교환하여 방을 난방하게 된다.

열교환이 끝나면, 공급될 때보다 온도가 낮아진 온수들은 각 환수파이프(131)를 통해 온수환수헤더(132)에 모인 후 환수관(133) 및 중앙환수관(134)을 통해 환수되는데, 상기 각각의 환수파이프(131) 상에는 해당 온수관로(120)의 유량을 제어하기 위한 구동기(1)가 설치되어 해당 방의 온도를 조절하거나 난방이 되지 않도록 온수의 흐름을 차단한다.

통상, 외기온도가 낮은 겨울철에는 공급 온수의 온도는 섭씨 약 60도 정도가 되고 열교환이 끝난 후의 환수 온수의 온도는 섭씨 약 40도 정도가 되는데, 외기온도가 점차 증가하여 봄 또는 가을이 되면 열교환 과정에서 열을 덜 빼앗기기 때문에 공급 열량(공급 열량은 난방하는데 필요한 열량과 동일한 것으로 본다)을 낮추어도 충분한 난방이 이루어지는바, 도1의 종래기술에서는 환수 온수와 공급온수를 서로 적절한 비율로 혼합하여 상기 온수공급헤더(113)로 보내지는 온수의 온도 자체를 낮추는데 이때 공급 온수의 유량에는 변화가 없다.

이와 같이, 외기온도에 따라 환수온수와 공급온수를 적절하게 혼합하기 위하여 외기온도를 측정하는 외기온도센서(140)가 마련되고, 상기 외기온도센서(140)에서 측정한 외기온도는 제어부(150)로 입력되며, 상기 제어부(150)는 상기 공급관(112)에 설치된 믹싱밸브(10)를 제어하여 환수온수와 공급온수가 적절한 비율로 혼합되도록 한다.

도1에 도시된 바와 같이, 상기 믹싱밸브(10)는 상기 환수관(133)에도 연통되어 상기 환수관(133)을 통해 환수되는 온수의 일부는 공급온수와 함께 상기 믹싱밸브(10)로 유입되는바, 상기 믹싱밸브(10)에서 환수온수와 공급온수가 적절한 비율로 혼합되어 상기 온수공급헤더(113)로 공급됨으로써, 외기온도에 따라 상기 온수공급헤더(113)에 공급되는 온수의 온도가 조절된다.

또한, 상기 공급관(112)에는 반드시 펌프(20)가 필요한바, 상기 펌프(20)는 상기 믹싱밸브(10)로부터 온수를 흡입하여 상기 온수공급헤더(113)로 그 온수가 원활하게 공급되도록 하는 구성으로, 상기 펌프(20)가 별도로 필요한 이유는 상기 믹싱밸브(10)에서 환수온수와 공급온수 간에 흐름방향이 충돌하여 저항이 발생되기 때문이다.

도2는 도1의 종래 장치에 의하여 외기온도에 따라 공급되는 온수의 온도 변화 및 공급열량의 변화를 나타낸 실험데이터이고, 도3은 도2의 실험데이터에 의거한 외기온도와 공급온수 온도간의 상관관계를 나타낸 그래프이다.

도2 및 도3에서 보듯이, 외기 온도가 섭씨 -10도(예를 들어, 겨울철)인 경우 상기 믹싱밸브(10)를 통과한 온수의 온도는 섭씨 60도가 되고 이때의 공급열량은 제곱미터당 187W(이하, "제곱미터당"은 생략한다)가 되는데, 이 상태에서 외기온도가 점차 상승하여 섭씨 10도(예를 들어, 봄 또는 가을철)가 되면 상기 믹싱밸브(10)는 열교환이 끝나서 상대적으로 냉각된 환수온수를 공급온수와 혼합하게 된다. 따라서 믹싱밸브(10)를 통과한 온수의 온도는 섭씨 38도가 되고 이때의 공급열량은 85W가 된다. 물론, 이때 믹싱밸브(10)를 통과한 공급온수의 유량은 2.4LPM(liter per minute)으로 항상 동일하다.

즉, 외기온도가 상승된 봄, 가을은 겨울철에 비하여 난방을 하는데 필요한 열량이 감소되므로, 이와 같이 믹싱밸브(10)에서 낮은 온도의 온수를 공급하여도 난방에 전혀 문제가 없다.

그러나, 상술한 바와 같은 종래의 외기온도 연동식 유량제어장치는 항상 일정한 유량값을 갖는 온수가 흐르기 때문에 어느 한 방의 난방이 중지되면 난방 수행중인 다른 방으로 과유량이 흘러 유속이 빨라지게 되는바, 이에 따라 캐비테이션 문제와 열효율이 저하되는 문제가 발생한다.

또한, 종래의 외기온도 연동식 유량제어장치는 믹싱밸브(10)를 통과한 온수를 온수공급헤더(113)로 보내기 위한 펌프(20)가 반드시 필요한데, 상기 펌프는 공급유량에 맞추어 항상 고속으로 회전되기 때문에 펌프(20) 구동을 위한 에너지 소모가 매우 크고 특히 펌프(20)의 고속 회전에 따른 소음 문제가 있다.

또한, 종래의 외기온도 연동식 유량제어장치는 앞의 도2 및 도3에서 보듯이 믹싱밸브를 통과한 공급온수 온도가 외기온도 상승에 비례하여 감소되도록 제어되는데, 이와 같이 외기온도에 따라 단순 비례형태로 제어되면 예컨대, 외기온도가 낮다 하더라도 실질적으로 사용자가 만족감을 느끼는 난방온도가 있음에도 불구하고 그보다 더 과난방되어 사용자는 뜨겁게 느끼게 되는 문제점이 있는바, 외기온도에 항상 비례하여 공급온수 온도가 제어되는 것은 바람직하지 않다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 다음과 같다.

첫째, 전체 유량값이 조절되는 가변유량밸브를 사용하여 외기온도에 따라 유량값이 조절되도록 함으로써 계절별 난방에 필요한 열량만큼의 온수 유량을 가변적으로 제공하여, 궁극적으로 과난방이나 에너지 손실을 막고 항상 쾌적한 상태로 난방을 할 수 있도록 함에 있다.

둘째, 믹싱밸브 후단에 설치되는 펌프의 회전수를 제어하여 공급온수의 유량이 펌프에서 1차로 먼저 조절되도록 함으로써 펌프 후단에 설치될 가변유량밸브의 부하를 줄여 수명을 늘리는 한편, 펌프의 회전수 조절에 의해 펌프 구동에 따른 에너지 및 소음을 저감시키는데 있다.

셋째, 사용자가 만족감을 느끼는 난방온도를 조사하여 믹싱밸브에서 그 온도범위로 환수된 온수와 공급되는 온수를 서로 섞어 방으로 공급하도록 함으로써 종전처럼 외기온도에 따라 선형 비례적으로 공급온수 온도가 변화되는 것이 아니라 구간 비례적으로 변화되도록 하여 궁극적으로 최적난방으로 난방에너지를 절약함에 있다.

상술한 바와 같은 목적을 해결하기 위하여 본 발명은,

온수가 공급되는 공급라인; 상기 공급라인으로부터 각 방으로 분기되어 상기 온수의 잠열이 해당 방과 열교환되도록 하는 온수관로; 상기 온수관로와 각각 연통되어 열교환이 끝난 온수가 환수되는 환수라인; 실외의 공기온도를 측정하기 위해 마련된 외기온도센서; 상기 외기온도센서로부터 정보를 제공받아 외기온도 변화에 따라 서로 다른 제어신호를 출력하는 제어부; 상기 제어부의 제어신호에 따라 상기 환수라인에서 환수되는 온수를 상기 공급라인의 공급온수와 섞어 상기 온수관로로 공급되는 온수 온도를 조절하는 믹싱밸브; 상기 믹싱밸브를 통과한 공급온수를 상기 온수관로 쪽으로 송출하기 위해 상기 공급라인 상에 설치되는 것으로, 상기 제어부의 제어신호에 따라 공급온수의 유량을 1차 조절하는 펌프유닛; 상기 공급라인 또는 환수라인에 설치되며 상기 제어부의 제어신호에 따라 상기 온수의 유량을 2차 조절하는 가변유량밸브;를 포함하는 것으로, 상기 제어부는 상기 외기온도센서의 정보에 의해 외기 온도가 증가함에 따라, 상기 믹싱밸브를 통과한 공급온수의 온도가 일정범위 내에서 감소되도록 제어하고 상기 펌프유닛의 회전속도를 감소시켜 공급온수의 유량을 1차로 줄이며 상기 가변유량밸브를 제어하여 공급온수의 유량을 2차로 줄이고, 입력받은 외기온도가 설정된 "최저기준점" 이하일 때는 상기 공급온수 온도를 "상대고온수값"으로 일정하게 유지시키고, 입력받은 외기온도가 상기 "최저기준점"에서 "최고기준점" 사이의 범위에 있을 때에는 외기온도가 증가함에 따라 상기 공급온수 온도를 비례적으로 감소시키며, 입력받은 외기온도가 "최고기준점" 이상일 때는 상기 공급온수 온도를 "상대저온수값"으로 일정하게 유지시키는 것을 특징으로 한다.

삭제

여기서, 상기 "최저기준점"은 -5±2℃이고, 상기 "최고기준점"은 15±2℃이며, 상기 공급온수의 "상대고온수값"은 42±2℃이고, 상기 공급온수의 "상대저온수값"은 25±2℃인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 펌프유닛은 상기 제어부의 제어신호에 따라 회전수가 선형적으로 가변되는 인버터펌프이거나, 단계별로 회전수가 가변되는 스텝핑펌프인 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 제어부는 외기온도가 증가함에 따라 상기 펌프유닛의 회전수를 감소시키는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 가변유량밸브는,

입구와 출구가 연통되는 유로가 내부에 마련되고 그 입구와 출구 사이에 시트가 형성된 바디; 상기 바디의 내부 일측에 상기 입구측 유압과 상기 시트측 유압이 각각 작용하도록 유압통로가 형성된 챔버; 상기 챔버가 구획분리되도록 설치되어 그 양측으로 상기 입구측 유압과 상기 시트측 유압이 각각 작용되며, 그 압력차에 의해 변형되는 다이아프램; 상기 다이아프램 일측에 결합되어 상기 챔버에서의 압력차에 의해 상기 시트에서 출구 쪽으로 통하는 단면적을 조절하도록 탄성 설치된 이동체; 상기 바디의 타측에서, 전기적 신호에 의해 상기 입구에서 시트 쪽으로 통하는 단면적을 조절하는 액츄에이터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서 상기 이동체는,

상기 다이아프램에 결합되는 헤드부; 상기 헤드부로부터 상기 시트쪽으로 연장되어 상기 다이아프램의 변형에 따라 상기 시트에서 출구 쪽으로 통하는 단면적을 조절하는 스템부; 상기 다이아프램을 기준으로 양측 압력이 동일할 때 상기 이동체가 복원되도록 상기 이동체와 챔버 사이에 설치된 탄성부재;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 액츄에이터는,

상기 제어부와 전기적으로 연결되어 제어부의 전기신호를 운동력으로 변환하는 구동본체; 상기 구동본체로부터 연장되어 상기 바디 내부에 삽입되는 것으로, 상기 입구 쪽에서 상기 시트 쪽으로 통하는 단면적을 조절하기 위해 이동되는 이동로드;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 공급온수의 유량이 조절되는 가변유량밸브를 사용하여 외기온도의 상승에 따라서 공급온수의 유량을 감소시켜 실외온도가 높을 때에는 공급열량이 낮아지도록 함으로써, 외기온도 변화에 따라 능동적으로 세대 난방열량을 조절하여 과난방이나 에너지가 손실되는 것을 막고 항상 쾌적한 난방이 수행될 수 있는 장점이 있다.

또한, 외기 온도가 상승하면 공급온수의 유량이 감소되기 때문에 온수의 유속이 느려져 충분한 열교환 시간을 확보하게 되는바, 이에 따라 열효율이 증가되어 난방에너지를 절약할 수 있는 장점이 있다.

또한, 펌프의 회전수를 외기온도에 따라 제어하여 펌프에서도 유량 조절이 가능하기 때문에 가변유량밸브의 부하가 상대적으로 줄어들어 가변유량밸브의 수명이 늘어나며, 특히 펌프의 회전수 감소로 인하여 펌프 출력 및 소음이 저감되는 장점이 있다.

또한, 믹싱밸브가 종전의 선형 비례제어와 달리 사용자가 만족감을 느끼는 온도범위 내에서 외기온도에 따라 비례 제어(구간 비례제어)되기 때문에 사용자의 만족도가 높아지고 특히 난방 에너지가 절약되는 특유의 효과가 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명한다.

도4는 본 발명의 구성 및 제어 흐름을 나타낸 개략도이고, 도5는 본 발명의 믹싱밸브에서 외기온도에 따라 가변되는 공급온수의 온도 변화를 나타낸 결과그래프이며, 도6은 본 발명에서 사용된 가변유량밸브의 구조를 나타낸 단면도이고, 도7은 본 발명에 사용되는 구동본체의 구조를 나타낸 단면도이다.

도4에 나타낸 바와 같이 본 발명은 크게 공급라인(110)과, 온수관로(120)와, 환수라인(130)과, 외기온도센서(140)와, 제어부(150)와, 믹싱밸브(160)와, 펌프유닛(170)과, 가변유량밸브(200)를 포함하여 이루어진다.

상기 공급라인(110)은 각 방으로 온수가 공급되도록 하는 구성을 통칭하는 것으로써, 상기 공급라인(110)에는 중앙공급관(111)과, 상기 중앙공급관(111)으로부터 분기되어 각 세대로 온수가 공급되도록 하는 공급관(112)과, 상기 공급관(112)에 연통되어 각 방으로 온수가 분배되도록 하는 온수공급헤더(113)로 이루어진다.

또한, 상기 온수관로(120)는 상기 공급라인(110)으로부터 각 방으로 분기되어 상기 온수의 잠열이 해당 방과 열교환되도록 하는 구성으로써, 상기 온수관로(120) 각각은 상기 온수공급헤더(113)에 연통되어 온수가 온수관로(120)를 따라 흐르게 된다.

상기 온수관로(120)는 통상적으로 방바닥 내부에 코일 형태로 매설되어 방바닥 전체가 골고루 난방되도록 배치되며, 온수가 온수관로(120)를 따라 흐르는 과정에서 방바닥과 열교환하여 방바닥을 따뜻하게 데우고 그 후 온수는 식어서 환수된다.

상기 환수라인(130)은 상기 온수관로(120)와 각각 연통되어 열교환이 끝난 온수가 환수되는 구성을 통칭하는 것으로써, 상기 환수라인(130)에는 상기 온수관로(120)와 연통되는 환수파이프(131)와, 상기 환수파이프(131)들이 한 곳으로 모이도록 하는 온수환수헤더(132)와, 상기 온수환수헤더(132)와 연통되는 환수관(133)과, 각 세대의 환수관(133)이 다시 한 곳으로 모이는 중앙환수관(134)으로 이루어 진다.

여기서, 상기 공급라인(110) 또는 환수라인(130)은 통상적으로 위에서 설명한 바와 같이 이루어지지만, 여기에서 몇 가지 생략되거나 하나로 통합될 수도 있는바, 공급라인(110)은 열교환을 시작하기 전의 온수가 공급되는 라인이고, 환수라인(130)은 열교환이 끝난 후의 온수가 회수되는 라인으로 볼 수 있다.

한편, 상기 외기온도센서(140)는 실외의 공기온도를 측정하기 위해 실외에 마련되는 온도측정센서로써, 외기의 온도를 측정하여 그 해당온도에 상응하는 전기적 신호를 출력한다. 이러한 외기온도센서(140)는 일반적으로 널리 알려진 구성에 해당하므로 상세한 설명은 생략한다.

또한, 상기 제어부(150)는 상기 외기온도센서(140)에서 출력되는 전기적 신호를 통해 외기온도에 관한 정보를 제공받는바, 상기 제어부(150)는 외기온도 변화에 따라 서로 다른 제어신호를 출력하여, 상기 믹싱밸브(160), 펌프유닛(170), 가변유량밸브(200)를 각각 제어하게 된다.

상기 믹싱밸브(160)는, 상기 제어부(150)의 제어신호에 따라 상기 환수라인(130)에서 환수되는 온수를 상기 공급라인(110)의 공급온수와 섞어 외기온도에 대응하여 상기 온수관로(120)로 공급되는 온수 온도를 조절하는 구성이다.

상기 제어부(150)가 상기 믹싱밸브(160)를 제어함에 있어서, 종전과 같이 외기온도에 항상 비례하여 선형적으로 제어하는 것이 아니라, 일정 구간에서만 외기온도가 증가함에 따라 공급온수 온도가 비례적으로 감소되도록 제어한다.

참고로, 종래와 같은 선형 제어방식에서는 외기온도가 낮을수록 공급온수 온도가 비례적으로 증가하였기 때문에 방의 난방온도가 매우 높다. 이런 경우 사용자는 방의 너무 높은 온도로 인해 뜨거움을 느끼게 되므로 오히려 만족도가 떨어지게 된다.

따라서, 본 발명은 외기온도에 항상 비례하는 방식이 아닌 일정구간 내에서만 비례제어되는 구간 비례방식으로 상기 믹싱밸브(160)가 제어되도록 한다.

도5를 참조해 보면, 외기온도가 변화됨에 따라 일정구간 내에서만 공급온수 온도가 변화되는 것을 알 수 있는데, 이때 외기온도가 더 이상 떨어져도 공급온수의 온도변화가 없는 지점을 "최저기준점"으로 정의하고 외기온도가 더 이상 올라가도 공급온수의 온도변화가 없는 지점을 "최고기준점"으로 정의한다.

그리고, 외기온도가 최저기준점 이하일 때 일정하게 유지되는 공급온수의 온도값을 "상대고온수값"으로 정의하고 외기온도가 최고기준점 이상일 때 일정하게 유지되는 공급온수의 온도값을 "상대저온수값"으로 정의한다.

이에 따라 상기 제어부(150)는 상기 외기온도센서(140)로부터 입력받은 외기온도가 "최저기준점" 이하일 때는 상기 공급온수 온도를 "상대고온수값"으로 일정하게 유지시킨다.

또한, 상기 제어부(150)는 입력받은 외기온도가 상기 "최저기준점"에서 "최고기준점" 사이의 범위에 있을 때에는 외기온도가 증가함에 따라 상기 공급온수 온도를 비례적으로 감소시킨다.

그리고, 상기 제어부(150)는 입력받은 외기온도가 "최고기준점" 이상일 때는 상기 공급온수 온도를 "상대저온수값"으로 일정하게 유지시켜 사용자가 만족감을 느끼는 난방온도 범위에서만 외기온도에 따라 공급온수의 온도가 변화되도록 한다.

본 발명에서 상기 최저기준점은 -5±2℃이고, 상기 최고기준점은 15±2℃이며, 상기 공급온수의 상대고온수값은 42±2℃이고, 상기 공급온수의 상대저온수값은 25±2℃로 설정되어 있으나, 이는 실시자의 필요에 따라 얼마든지 변경 가능한 것이며 이 범위를 벗어나 변경 실시되는 것 또한 본 발명의 권리범위에 속한다고 할 것이다.

또한, 상기 펌프유닛(170)은 상기 믹싱밸브(160)를 통과한 공급온수를 상기 온수관로(120) 쪽으로 송출하기 위해 상기 공급라인(110) 상에 설치되는 구성으로, 상기 제어부(150)의 제어신호에 따라 공급온수의 유량을 1차적으로 조절한다.

상기 펌프유닛(170)은 상기 제어부(150)에 의하여 그 회전수가 조절됨에 따라 공급온수의 유량이 조절되는바, 상기 제어부(150)는 외기온도가 증가함에 따라 상기 펌프유닛(170)의 회전수를 감소시켜 펌프유닛(170)에서의 공급온수 유량이 감소되도록 한다.

여기서, 상기 펌프유닛(170)은 상기 제어부(150)의 제어신호에 따라 회전수가 선형적으로 가변되는 아날로그형 인버터펌프가 사용될 수도 있고, 상기 제어부(150)로부터 펄스신호를 받아 단계별로 회전수가 급변하는 디지털형 스텝핑펌프가 사용될 수도 있다. 상기 인버터펌프 및 스텝핑펌프에 관한 것은 일반적으로 알려진 사항에 속하기 때문에 상세한 설명은 생략한다.

한편, 상기 가변유량밸브(200)는 상기 공급라인(110) 또는 환수라인(130)에 설치되는 것으로, 상기 제어부(150)로부터 제어신호를 받으면 상기 공급라인(110) 또는 환수라인(130)의 관 내부를 흐르는 온수의 유량을 2차적으로 조절한다.

도4에서는 상기 가변유량밸브(200)가 환수라인(130)에 설치된 것으로 도시되었으나, 반드시 여기에 국한되지 않고 공급라인(110)에 설치되어도 동일한 기능을 수행할 수 있으므로, 실시자의 필요에 따라 그 설치 위치는 선택될 수 있다. 상기 가변유량밸브(200)의 구체적인 구조 및 온수의 유량이 조절되는 원리에 대해서는 후술한다.

참고로, 상기 제어부(150)는 상기 외기온도센서(140)로부터 외기온도에 관한 정보를 입력받으면 그 외기온도에 대응되는 유량이 상기 온수관로(120)로 공급되도록 상기 가변유량밸브(200)를 제어하여 공급온수의 유량을 조절하는데, 이때 공급온수의 온도(예컨대, 섭씨 60도 정도)는 상기 믹싱밸브(160)에 의하여 외기온도에 따라 변화된다.

또한, 상기 가변유량밸브(200)로 공급되는 온수의 유량도 상기 펌프유닛(170)에 의하여 변화되는바, 외기온도가 상승하여 상기 펌프유닛(170)의 회전수가 감소되면 상기 가변유량밸브(200)로 적은 유량이 공급되기 때문에 상기 가변유량밸브(200)가 전체 정유량값을 제어함에 있어서 부하가 크게 줄어들게 되고 이에 따라 가변유량밸브(200)의 수명이 길어진다.

이처럼, 외기온도가 상승함에 따라 온수의 유량의 적어지도록 상기 제어 부(150)는 상기 펌프유닛(170) 및 가변유량밸브(200)를 제어하는데, 적은 유량을 공급하기 때문에 공급온수의 유속이 느려져 열교환 시간이 보다 충분하게 되고 이에 따라 열효율이 높아지게 되며, 관내를 흐르는 온수에서 발생하는 캐비테이션(공동현상) 또한 줄어들어 관 소음이 현저히 감소된다.

이하, 도6 및 도7을 참조하여 상기 가변유량밸브(200)에 대하여 자세하게 설명한다. 상기 가변유량밸브(200)는 공급라인(110)에 설치될 수도 있으나, 설명의 편의상 도면에 도시된 바와 같이 환수라인(130)에 설치된 것을 가정하여 설명한다.

상기 가변유량밸브(200)는 환수라인(130)의 환수관(133)에 설치되는 것으로, 상기 가변유량밸브(200) 및 펌프유닛(170)에서 세대의 전체 정유량이 제한되며, 상기 제어부(150)의 전기적 신호에 의해 상기 환수관(133)의 유량이 조절된다.

상기 가변유량밸브(200)에 전기적 신호가 가해지면 상기 환수관(133)의 유량 단면적을 조절하여 그 환수관(133)을 지나는 유량이 변경되도록 하는데, 상기 가변유량밸브(200)의 구조는 도6에 자세하게 도시된다.

도6에 도시된 바와 같이, 상기 가변유량밸브(200)는 크게 바디(210)와, 챔버(220)와, 다이아프램(230)과, 이동체(240)와, 액츄에이터(250)를 포함하여 이루어진다.

상기 바디(210)의 내부 일측에는 환수되는 유체가 들어오는 입구(211)가 형성되고 타측에는 그 유체가 나가는 출구(212)가 형성되는바, 이와 같이 상기 바디(210)에는 상기 입구(211)와 출구(212)가 연통되는 유로가 내부에 마련된다.

또한, 상기 바디(210)에는 상기 입구(211)와 출구(212) 사이에 유로의 단면적이 감소되는 시트(213)가 형성되어 상기 입구(211)를 통해 바디(210) 내부로 들어온 유체는 상기 시트(213)를 통과하여 상기 출구(212)를 통해 외부로 배출된다.

상기 챔버(220)는 상기 바디(210)의 내부 일측에 형성되는 소정의 공간으로서, 상기 챔버(220)에는 상기 입구(211)측 유압과 상기 시트(213)측 유압이 각각 작용하도록 유압통로(221,222)가 형성된다.

도6에서 보면, 상기 챔버(220)에는 상기 입구(211)측 유압이 작용하도록 상기 입구(211)측과 연통된 제1유압통로(221)가 형성되고 상기 시트(213)측 유압이 작용하도록 상기 시트(213)측과 연통된 제2유압통로(222)가 형성된다.

따라서, 상기 챔버(220)는 상기 제1유압통로(221)와 연통되는 제1유압실(223)과 상기 제2유압통로(222)와 연통되는 제2유압실(224)이 다이아프램(230)에 의해 구획 분리된다.

상기 다이아프램(230)은 제1유압실(223)과 제2유압실(224)이 구획분리되도록 상기 챔버(220)에 설치되며, 상기 다이아프램(230)의 양측으로 상기 입구(211)측 유압과 시트(213)측 유압이 각각 작용할 때 그 압력차에 의해 변형된다.

상기 이동체(240)는 상기 다이아프램(230) 일측에 결합되어 상기 챔버(220)에서의 압력차에 의해 상기 시트(213)에서 상기 출구(212) 쪽으로 통하는 단면적으로 조절하도록 탄성 설치되는 구성으로, 상기 다이아프램(230)이 챔버(220)의 압력차로 인해 변형될 때 그 변형력을 제공받아 상기 시트(213) 쪽으로 접근하게 된다.

여기서, 상기 이동체(240)는 헤드부(241)와, 스템부(242)와, 탄성부재(243)를 포함하여 이루어지는데, 상기 헤드부(241)는 상기 다이아프램(230)에 결합되는 부위이다.

또한, 상기 스템부(242)는 상기 헤드부(241)로부터 상기 시트(213)쪽으로 연장되어 상기 다이아프램(230)의 변형에 따라 상기 시트(213)에서 출구(212) 쪽으로 통하는 단면적을 조절하는 부위이다.

따라서, 상기 다이아프램(230)의 변형에 따라 상기 스템부(242)가 이동되면서 상기 시트(213)에서 출구(212) 쪽으로 통하는 단면적을 증가시키거나 감소시켜 상기 시트(213)측에서의 유압을 낮추거나 높이게 된다.

그리고, 상기 제2유압실(224)과 연통되는 상기 제2유압통로(222)는 상기 시트(213)측과 통하도록 상기 바디(210)에 형성되어도 무방하지만, 본 발명에서는 상기 제2유압통로(222)가 상기 스템부(242) 내부에 형성되도록 실시된다.

따라서, 상기 스템부(242) 내부에 형성된 상기 제2유압통로(222)를 통해 상기 제2유압실(224)이 상기 시트(213)측과 연통된다.

또한, 상기 제1유압실(223)과 제2유압실(224)이 서로 동일한 압력 상태에 있을 때에는 상기 이동체(240)가 도6에 나타낸 바와 같은 초기 위치로 복원되어야 하는바, 상기 탄성부재(243)가 상기 이동체(240)와 챔버(220) 사이에 설치된다.

상기 바디(210)에 일정 유압의 유체가 들어오다가 어느 순간 이보다 높은 고압의 유체가 들어오면 상기 입구(211) 측의 유압은 상기 시트(213)의 유압보다 높 게 되고, 이에 따라 상기 입구(211)와 연통된 상기 제1유압실(223) 압력이 상기 시트(213)와 연통된 제2유압실(224) 압력보다 높게 되는바 이러한 압력차이로 인해 상기 제1유압실(223)의 압력이 상기 제2유압실(224) 쪽으로 작용해 상기 다이아프램(230)이 상기 제2유압실(224) 쪽으로 구부러지는 변형이 일어나며, 이러한 다이아프램(230)의 변형에 의해 상기 이동체(240)가 상기 시트(213) 쪽으로 밀려서 상기 이동체(240)의 끝단이 시트(213)에서 출구(212) 쪽으로 통하는 단면적을 축소하게 된다.

상기 시트(213)에서 출구(212) 쪽으로 통하는 단면적이 축소되면 상기 시트(213)에서의 유압이 점차 상승하여 마침내 입구(211)측 유압과 동일해지는 상태에 이르게 되고, 이처럼 입구(211)측과 시트(213)측의 유압이 동일해지면 상기 제1유압실(223)과 제2유압실(224)의 압력이 평형상태에 이르러 상기 이동체(240)는 탄성력에 의해 다시 원위치로 복원된다.

이와 같이 상기 챔버(220)와, 다이아프램(230)과, 이동체(240)는 상기 입구(211)측과 상기 시트(213)측의 유압이 항상 동일하게 유지될 수 있도록 하는 구성으로, 이렇게 압력을 동일하게 유지시키는 이유는 입구(211)측과 시트(213)측의 압력이 동일해야 그 입구(211)측에서 시트(213)측으로 통하는 유량의 단면적을 조절하여 원하는 유량으로 정확하게 제어할 수 있기 때문이다.

한편, 위와 같은 구성에 의하여 입구(211)측과 시트(213)측의 유압이 동일한 상태로 유지되면 상기 액츄에이터(250)에 의하여 상기 시트(213)를 지나는 유량이 조절된다.

상기 액츄에이터(250)는 상기 바디(210)의 타측에 설치되어, 전기적 신호에 의해 상기 입구(211)에서 시트(213) 쪽으로 통하는 단면적을 조절함으로써 실질적인 유량을 조절하는 구성인데, 상기 액츄에이터(250)가 상기 입구(211)측에서 시트(213)측으로 통하는 단면적을 실질적으로 조절함으로써 유량 제어가 가능해진다.

상기 액츄에이터(250)는 크게 구동본체(251)와 이동로드(252)를 포함하여 이루어지는데, 상기 구동본체(251)는 후술할 제어부(150)와 전기적으로 연결되어 상기 제어부(150)로부터 전기신호를 받으면 이것을 운동력으로 변환하게 된다.

상기 구동본체(251)의 운동력은 상기 이동로드(252)로 전달되어 상기 이동로드(252)의 이동에 따른 길이변화에 의해 상기 입구(211) 측에서 상기 시트(213) 쪽으로 통하는 단면적이 조절된다.

여기서, 상기 구동본체(251)는 도7에 나타낸 바와 같은 구조를 이루고 있는데, 상기 제어부(150)는 구동본체(251)의 구동모터(253)와 전기적으로 연결되어 상기 구동모터(253)를 작동시키는데, 상기 구동모터(253)는 감속기어(254)를 통해 구동기어(255)에 회전력을 가한다.

상기 구동기어(255)는 도7에 도시되지는 않았지만 상기 이동로드(252)에 동력전달 가능하도록 연결되어 상기 이동로드(252)가 직선운동을 하도록 외력을 제공한다.

이때, 상기 직선운동하는 이동로드(252)의 위치에 대한 정보를 상기 제어부(150)가 입력받아야 상기 입구(211) 측에서 시트(213) 측으로 통과하는 유량을 제어부(150)가 알 수 있기 때문에, 상기 구동기어(255)는 연결기어(253)를 통해 센서기어(257)와 동력 연결된다.

따라서, 상기 구동기어(255)가 회전되면 상기 센서기어(257)가 연동하여 회전되는데, 상기 센서기어(257)에는 일반적으로 알려져 있는 가변저항기(258)가 내장되어 있고, 상기 가변저항기(258)의 출력값은 상기 제어부(150)로 입력되기 때문에, 상기 제어부(150)는 상기 가변저항기(258)의 출력값을 실시간으로 입력받아 상기 구동기어(255)의 회전량, 즉 상기 이동로드(252)의 위치를 알 수 있게 된다.

상기 구동기어(255)는 1회 이상 회전될 수 있지만, 상기 센서기어(257)는 가변저항기(258)와 접촉된 상태로 회전되어야 하기 때문에 회전수가 1회 미만으로 제한되는바, 이러한 원리를 고려하여 상기 구동기어(255)와 상기 센서기어(257)간에 적정한 기어비가 설정되는 것이 바람직하다. 참고로, 본 발명에서는 상기 센서기어(257)의 회전각이 270도 이하로 제한되며 그 회전각도 범위내에 가변저항기(258)가 설치되며, 상기 제어부(150)에는 상기 이동로드(252)의 이동거리와 시트(213)의 직경 등, 각종 파라미터가 입력되어 있어서 상기 이동로드(252)의 이동거리를 알면 유량의 추정이 가능하다.

이와 같이, 상기 이동로드(252)는 상기 구동본체(251)로부터 연장되어 상기 바디(210) 내부에 삽입된 상태에서 상기 구동본체(251)로부터 힘을 제공받아 상기 시트(213) 쪽으로 들어가는 단면적을 조절하게 되는데, 상기 이동로드(252)가 상기 시트(213)의 단면적을 조절함에 따라 유량이 제어된다.

이때, 상기 이동로드(252)의 외경은 상기 시트(213)의 내경에 대응되는 크기 로 설정되는 것이 바람직한바, 상기 이동로드(252)가 상기 시트(213)에 완전히 끼워지면 유체가 전혀 흐를 수 없게 되어 통과유량이 "0"이 된다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 설명된 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범위 내에서 얼마든지 구성요소의 치환과 변형이 가능한바, 이 또한 본 발명의 권리에 속하게 된다.

도1은 종래방식에 의한 외기온도 연동식 유량제어장치에 관한 개략도,

도2는 도1의 종래 장치에 의하여 외기온도에 따라 공급되는 온수의 온도 변화 및 공급열량의 변화를 나타낸 실험데이터,

도3은 도2의 실험데이터에 의거한 외기온도와 공급온수 온도간의 상관관계를 나타낸 그래프,

도4는 본 발명의 구성 및 제어 흐름을 나타낸 개략도,

도5는 본 발명의 믹싱밸브에서 외기온도에 따라 가변되는 공급온수의 온도 변화를 나타낸 결과그래프,

도6은 본 발명에서 사용된 가변유량밸브의 구조를 나타낸 단면도,

도7은 본 발명에 사용되는 구동본체의 구조를 나타낸 단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

110 : 공급라인 120 : 온수관로

130 : 환수라인 140 : 외기온도센서

150 : 제어부 160 : 믹싱밸브

170 : 펌프유닛 200 : 가변유량밸브

210 : 바디 211 : 입구

212 : 출구 213 : 시트

220 : 챔버 221 : 제1유압통로

222 : 제2유압통로 223 : 제1유압실

224 : 제2유압실 230 : 다이아프램

240 : 이동체 241 : 헤드부

242 : 스템부 243 : 탄성부재

250 : 액츄에이터 251 : 구동본체

252 : 이동로드

Claims (8)

1. 온수가 공급되는 공급라인(110); 상기 공급라인(110)으로부터 각 방으로 분기되어 상기 온수의 잠열이 해당 방과 열교환되도록 하는 온수관로(120); 상기 온수관로(120)와 각각 연통되어 열교환이 끝난 온수가 환수되는 환수라인(130); 실외의 공기온도를 측정하기 위해 마련된 외기온도센서(140); 상기 외기온도센서(140)로부터 정보를 제공받아 외기온도 변화에 따라 서로 다른 제어신호를 출력하는 제어부(150); 상기 제어부의 제어신호에 따라 상기 환수라인에서 환수되는 온수를 상기 공급라인의 공급온수와 섞어 상기 온수관로로 공급되는 온수 온도를 조절하는 믹싱밸브(160); 상기 믹싱밸브(160)를 통과한 공급온수를 상기 온수관로 쪽으로 송출하기 위해 상기 공급라인 상에 설치되는 것으로, 상기 제어부의 제어신호에 따라 공급온수의 유량을 1차 조절하는 펌프유닛(170); 상기 공급라인(110) 또는 환수라인(130)에 설치되며 상기 제어부(150)의 제어신호에 따라 상기 온수의 유량을 2차 조절하는 가변유량밸브;를 포함하는 것으로,

   상기 제어부(150)는 상기 외기온도센서(140)의 정보에 의해 외기 온도가 증가함에 따라, 상기 믹싱밸브(160)를 통과한 공급온수의 온도가 일정범위 내에서 감소되도록 제어하고 상기 펌프유닛(170)의 회전속도를 감소시켜 공급온수의 유량을 1차로 줄이며 상기 가변유량밸브를 제어하여 공급온수의 유량을 2차로 줄이고,

   입력받은 외기온도가 설정된 "최저기준점" 이하일 때는 상기 공급온수 온도를 "상대고온수값"으로 일정하게 유지시키고, 입력받은 외기온도가 상기 "최저기준점"에서 "최고기준점" 사이의 범위에 있을 때에는 외기온도가 증가함에 따라 상기 공급온수 온도를 비례적으로 감소시키며, 입력받은 외기온도가 "최고기준점" 이상일 때는 상기 공급온수 온도를 "상대저온수값"으로 일정하게 유지시키는 것을 특징으로 하는 실외온도에 따라 펌프 및 유량밸브를 제어하는 장치.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서, 상기 "최저기준점"은 -5±2℃이고, 상기 "최고기준점"은 15±2℃이며, 상기 공급온수의 "상대고온수값"은 42±2℃이고, 상기 공급온수의 "상대저온수값"은 25±2℃인 것을 특징으로 하는 실외온도에 따라 펌프 및 유량밸브를 제어하는 장치.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 펌프유닛(170)은 상기 제어부의 제어신호에 따라 회전수가 선형적으로 가변되는 인버터펌프이거나, 단계별로 회전수가 가변되는 스 텝핑펌프인 것을 특징으로 하는 실외온도에 따라 펌프 및 유량밸브를 제어하는 장치.
5. 청구항 4에 있어서, 상기 제어부는 외기온도가 증가함에 따라 상기 펌프유닛(170)의 회전수를 감소시키는 것을 특징으로 하는 실외온도에 따라 펌프 및 유량밸브를 제어하는 장치.
6. 청구항 1에 있어서, 상기 가변유량밸브(200)는,

   입구(211)와 출구(212)가 연통되는 유로가 내부에 마련되고 그 입구(211)와 출구(212) 사이에 시트(213)가 형성된 바디(210);

   상기 바디(210)의 내부 일측에 상기 입구(211)측 유압과 상기 시트(213)측 유압이 각각 작용하도록 유압통로가 형성된 챔버(220);

   상기 챔버(220)가 구획분리되도록 설치되어 그 양측으로 상기 입구(211)측 유압과 상기 시트(213)측 유압이 각각 작용되며, 그 압력차에 의해 변형되는 다이아프램(230);

   상기 다이아프램(230) 일측에 결합되어 상기 챔버(220)에서의 압력차에 의해 상기 시트(213)에서 출구(212) 쪽으로 통하는 단면적을 조절하도록 탄성 설치된 이동체(240);

   상기 바디(210)의 타측에서, 전기적 신호에 의해 상기 입구(211)에서 시트(213) 쪽으로 통하는 단면적을 조절하는 액츄에이터(250);를 포함하는 것을 특징 으로 하는 실외온도에 따라 펌프 및 유량밸브를 제어하는 장치.
7. 청구항 6에 있어서, 상기 이동체(240)는,

   상기 다이아프램(230)에 결합되는 헤드부(241);

   상기 헤드부(241)로부터 상기 시트(213)쪽으로 연장되어 상기 다이아프램(230)의 변형에 따라 상기 시트(213)에서 출구(212) 쪽으로 통하는 단면적을 조절하는 스템부(242);

   상기 다이아프램(230)을 기준으로 양측 압력이 동일할 때 상기 이동체(240)가 복원되도록 상기 이동체(240)와 챔버(220) 사이에 설치된 탄성부재(243);를 포함하는 것을 특징으로 하는 실외온도에 따라 펌프 및 유량밸브를 제어하는 장치.
8. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서, 상기 액츄에이터(250)는,

   상기 제어부(150)와 전기적으로 연결되어 제어부(150)의 전기신호를 운동력으로 변환하는 구동본체(251);

   상기 구동본체(251)로부터 연장되어 상기 바디(210) 내부에 삽입되는 것으로, 상기 입구(211) 쪽에서 상기 시트(213) 쪽으로 통하는 단면적을 조절하기 위해 이동되는 이동로드(252);를 포함하는 것을 특징으로 하는 실외온도에 따라 펌프 및 유량밸브를 제어하는 장치.

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