KR101220997B1 - 유량감지식 난방제어 시스템 - Google Patents

유량감지식 난방제어 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 각 방으로 온수를 공급하는 온수 분배기의 회수관측에 유량조절밸브 및 밸브구동기를 설치하되, 상기 유량조절밸브 내부에는 온수의 흐름으로 회전되는 임펠러를 설치하고 외부에는 유량센서를 설치함으로써, 상기 온수 분배기에서 어느 특정 방의 유량을 개별밸브로 조절하는 과정에서 유속의 변화로 인하여 다른 방들에 불필요한 유량의 증감이 생기면 이를 상기 유량센서가 감지하여 유량조절밸브를 제어하므로 유량의 변화가 적어 난방효율이 향상되며, 상기 유량조절밸브와 유량센서가 하나의 몸체로 이뤄지므로 구성이 간단하고 설치가 편리한 유량감지식 난방제어 시스템에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 각 방으로 온수를 분배하기 위해 다수개의 개별밸브를 갖는 온수 분배기가 구비되고, 상기 온수 분배기의 출구측 회수관에는 모터로 동작되는 유량조절밸브가 구비되며, 상기 유량조절밸브의 유량을 검출하는 유량센서의 입력값에 따라 상기 유량조절밸브의 모터를 제어하는 밸브구동기를 구비하되, 상기 유량조절밸브의 내부에는 온수흐름에 따라 회전되는 임펠러가 내장되고, 상기 유량조절밸브의 외부에는 상기 임펠러와 대응되도록 상기 유량센서가 설치되며, 상기 밸브구동기에는 상기 유량센서의 입력값을 유량검출부로 검출하면 기존 유량과 변화된 실시간 유량을 비교하는 유량비교판단부가 구비되어 상기 유량조절밸브의 모터를 제어하여 유량이 조절되도록 한 특징이 있다.

Description

유량감지식 난방제어 시스템{The flow detect type heating control system}
본 발명은 유량감지식 난방제어 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 각 방으로 온수를 공급하는 온수 분배기의 회수관측에 유량조절밸브 및 밸브구동기를 설치하되, 상기 유량조절밸브 내부에는 온수 흐름으로 회전되는 임펠러를 설치하고 외부에는 임펠러의 회전수를 검출하는 유량센서를 설치함으로써, 간단한 구성으로 실제 통과유량을 측정하여 유량을 제어할 수 있으므로 특정 방의 유량을 조절할때 다른방들에 미치는 유량의 변화를 최소화 할 수 있는 유량감지식 난방제어시스템에 관한 것이다.
일반적으로 주택이나 아파트 등에 설치되는 난방시스템은 온수 분배기에 부착된 개별밸브를 각 방에 설치된 온도조절기에서 개폐함으로써, 각 방으로 흐르는 온수량을 조절하여 온도를 달리 설정할 수 있다.
그러나 특정 방의 개별밸브가 닫히면 전체 온수를 순환시키는 펌프의 특성상 양정이 증가되면서 상기 온수 분배기의 공급관 압력이 상승하여 유속이 빨라지므로 다른 방에 필요 이상의 유량이 추가 공급되고 또한 유속증가로 인한 열교환효율이 떨어지는 현상이 발생한다. 특히 세대별 총 유량에 의해 난방비를 산정하는 중앙난방이나 지역난방의 경우 온수량 조절에 의한 난방비 절감효과가 없는 것이다.
이를 감안하여 국내 특허 제902306호에는 온수 분배기의 각 분기관 밸브(개별밸브)의 개폐여부를 감지하여, 전체 분기관밸브의 개수 중에 개방된 분기관밸브의 개수 비율인 개방밸브개수비율을 계산하여 상기 공급관 및 회수관을 통과하는 난방수의 유량값이 최대유량값에 상기 개방밸브개수비율을 곱한 유량값이 되도록 상기 유량조절밸브를 제어하는 기술이 제안된 바 있다.
그러나 이러한 기술은 각 세대별로 최대유량값이 서로 다르기 때문에 세대마다 정확한 유량값을 측정 및 조정해야 되므로 시간이 많이 걸리고 또한 베란다를 확장하거나 방을 증축 및 개축하는 식으로 난방부하가 변할 경우 기술자를 불러 최대유량값을 다시 조정해야되는 등의 불합리함이 있었다.
국내특허 제835707호에는 기계식 차압조절시스템이 제안된 바 있다. 이는 급수헤더와 환수헤더에 압력 차를 조절하는 차압조절밸브가 연결되어 온수 분배기의 내부 압력을 조절하도록 된 것으로서, 정압신호관을 통해 압력을 전달받은 상기 차압조절밸브는 피스톤의 움직임에 의해 유체통로의 개폐량을 자동으로 조절하여 환수헤더를 통해 환수관으로 배출되는 유량을 조절하여 급수헤더와 환수헤더의 압력 차를 줄이도록 된 것이다.
그러나 종래 기계식 다이아프램방식을 이용한 차압조절밸브는 스프링 및 피스톤 등의 소형 부품 조합으로 이뤄져 내부구조가 복잡하고 제품이 비싸며 또한 부식으로 인한 스케일 발생시 오동작을 일으키는 등의 단점이 있었다.
본 발명은 종래의 문제점을 감안하여 개발한 것으로서, 본 발명의 목적은 각 방으로 온수를 공급하는 온수 분배기의 회수관측에 유량조절밸브 및 밸브구동기를 설치하되, 상기 유량조절밸브 내부에는 온수의 흐름으로 회전되는 임펠러를 설치하고 외부에는 유량센서를 설치함으로써, 상기 온수 분배기에서 어느 특정 방의 유량을 개별밸브로 조절하는 과정에서 유속의 변화로 인하여 다른 방들에 불필요한 유량의 증감이 생기면 이를 상기 유량센서가 감지하여 유량조절밸브를 제어하므로 유량의 변화가 적어 난방효율이 향상되며, 상기 유량조절밸브와 유량센서가 하나의 몸체로 이뤄지므로 구성이 간단하고 설치가 편리한 유량감지식 난방제어 시스템을 제공함에 있다.
이를 위하여 본 발명은 각 방으로 온수를 분배하기 위해 다수개의 개별밸브를 갖는 온수 분배기가 구비되고, 상기 온수 분배기의 회수관에는 모터로 동작되는 유량조절밸브가 구비되며, 상기 유량조절밸브의 유량을 검출하는 유량센서의 입력값에 따라 상기 유량조절밸브의 모터를 제어하는 밸브구동기를 구비하되, 상기 유량조절밸브의 내부에는 온수흐름에 따라 회전되는 임펠러가 내장되고, 상기 유량조절밸브의 외부에는 상기 임펠러와 대응되도록 상기 유량센서가 설치되며, 상기 밸브구동기에는 상기 유량센서의 입력값을 유량검출부로 검출하면 상기 개별밸브들의 합산으로 산출된 계산 유량과 변화된 실시간 유량을 비교하는 유량비교판단부가 구비되어 상기 유량조절밸브의 모터를 제어하여 유량이 조절되도록한 특징이 있다.
본 발명에 따르면 어느 특정 방의 온도조절을 위하여 개별밸브를 개폐조작하는 과정에서 유속의 증감으로 인하여 다른 방들의 유량에 변화가 발생되는데, 유량조절밸브에 내장되는 임펠러 및 외부에 대응되게 설치되는 유량센서가 이러한 유량의 변화를 감지하여 어느 특정 방의 유량증감에 따른 온수 분배기의 압력 변화로 인하여 유량 증감이 유량센서에 검출되면 상기 유량조절밸브를 제어하므로 다른 방에 공급되는 유량의 변화폭에 독립적으로 일정유량을 유지할 수 있기 때문에 원하는 난방온도를 유지할 수 있으며, 불필요한 유속의 증가로 인한 난방효율의 저하 및 보일러의 이상운전 등이 예방되므로 결과적으로 난방비 및 유지비를 절감할 수 있다.
본 발명은 유량조절밸브에 유량센서 및 임펠러가 한 몸체로 구비되기 때문에 부피가 줄어 설치장소를 많이 차지하지 않으며, 구성이 간단하여 제작이 쉬운 이점이 있다.
또한 상기 유량조절밸브를 제어하는 밸브구동기에는 상기 유량센서로 부터 입력되는 유량값을 연산하여 순간유량 및 적산유량을 보여주는 수단이 마련되므로 일별 또는 월별 사용량을 쉽게 파악할 수 있으며, 개별밸브를 조절하는 과정에서 유량변화를 최소화할 수 있으므로 유량계측에 의한 요금산출 방식에서 난방비를 실질적으로 절감할 수 있다. 본 발명은 지역난방에서 세대별 최대유량을 제한하기 위해 설치하는 정유량밸브가 불필요하므로 고가의 밸브 구입비가 절감된다.
어느 한 방의 유량을 조절하는 과정에서 유속과 유량이 변하면 유량조절밸브가 연동 조절되므로 다른 방에 흐르는 유량에는 변화가 발생되지 않는다. 따라서 각 방에서 사용하는 최대 유량에 변화가 없기 때문에 증개축으로 인하여 방의 개수를 늘리거나 줄이는 과정에서 상기 온수 분배기의 개별밸브 사용수량을 가감시키더라도 상기 밸브구동기의 알고리즘을 조절할 필요가 없으므로 설치 및 시운전 시간이 절약되는 효과가 있다.
그리고 일정 유량을 유지시키므로 각 방의 개별밸브 중에서 하나의 밸브만 개방될 경우 종래에는 유속 증가로 인한 소음이 문제되었으나, 본 발명은 최저유량 지정에 따른 보상을 행하여 유속을 줄이고 유량을 일정하게 유지시키므로 배관소음이 줄어 장치의 신뢰성이 향상되는 효과도 있다.
도 1은 본 발명 한 실시예의 난방제어 시스템의 개념도
도 2는 본 발명 한 실시예의 밸브구동기 및 유량조절밸브의 단면도
도 3은 본 발명 한 실시예의 밸브구동기의 블록도
도 4는 본 발명 다른 실시예의 밸브구동기 및 유량조절밸브의 단면도
도 1내지 도 2에서 본 발명 한 실시예는 온수가 순환되는 공급관(11) 및 회수관(12)에 연결되는 온수 분배기(10)가 구비된다. 상기 온수 분배기(10)는 각 가정마다 설치되는 것으로서, 방의 개수에 맞게 다수개의 분기관 마다 개별밸브(13)가 장착되고 이들 개별밸브(13)들은 각 방의 온도조절기(15)와 연결된 난방제어기(14)로 개폐 제어된다.
상기 회수관(12)에는 보일러에서 상기 온수 분배기(10)로 공급되는 최대 온수량을 제한하기 위한 유량조절밸브(30)가 구비되는데, 상기 유량조절밸브(30)는 모터(40)에 의해 개폐되는 방식이며, 상기 모터(40)는 밸브구동기(50)로 회전 제어된다.
상기 유량조절밸브(30) 내부에는 온수의 흐름에 따라 회전되는 임펠러(20)가 카트리지(21)에 회전축으로 회전가능하게 구비되어 내장되고, 외부에는 상기 임펠러(20)와 대응되는 위치로 유량센서(22)가 설치되어 실시간 유량을 검출하여 상기 밸브구동기(50)로 제어신호를 보낸다. 상기 유량조절밸브(30)는 공급관(11)에 장착하여도 결과는 동일하나 각 가정마다 회수관(12)에 장착하는 것이 편리하므로 본 발명은 회수관에 유량조절밸브를 장착하였다.
상기 유량조절밸브(30)는 내부에 온수가 한 방으로 흐르는 통로(31)가 설치되고 상기 통로(31)를 개폐하는 밸브판(32)은 상기 통로(31)에 대하여 수직으로 승강되는 밸브축(33)과 연결된다. 상기 밸브축(33)의 끝단에는 너트부(34)가 구비되고, 상기 너트부(34)에 체결되는 리드스크류(41)는 상기 모터(40)와 연결되는데, 상기 너트부(34)의 외주면 양측으로 돌기(35)가 형성되고 상기 유량조절밸브(30)의 내부 몸체에는 상기 돌기(35)가 승강되는 홈(36)이 형성된다. 따라서 상기 모터(40)의 동작으로 상기 리드스크류(41)가 정역회전되면 상기 너트부(34)는 상기 돌기(35) 및 홈(36)에 의해 제자리회전이 방지된 상태에서 상기 리드스크류(41)를 따라 승강되고 이때 상기 밸브축(33)이 연동되면서 상기 통로(31)가 개폐되어 유량이 조절된다.
상기 밸브구동기(50)는 상기 모터(40)를 구동하기 위한 모터구동부(52)가 구비되고, 상기 유량센서(22)와 연결되는 유량검출부(55) 및 초기설정값을 입력하기위한 입력부(53)와 각종 순간유량 및 적산유량을 출력값을 표시하는 액정 표시부(54)가 구비되어 제어부(51)와 연결된다. 그리고 초기입력값과 실시간 유량값 등을 저장하는 저장부(56), 기존 유량과 변화된 목표 유량을 비교 판단하는 유량비교판단부(57), 난방제어기(14)에서 각 방의 온도를 조절하면 이 값이 입력되어 최대유량 및 최저유량을 설정하는 목표유량설정부(58), 실시간 순간유량을 연산하는 순간유량연산부(59), 한달간의 총 유량을 연산하는 적산유량연산부(59a) 및 상기 구성요소들이 기판에 직접된 회로기판(50a)등이 구비된다.
여기서 상기 밸브구동기(50)는 독립적으로 구성되어 상기 모터(40) 및 유량조절밸브(30)에 조립식으로 설치되거나 또는 상기 난방제어기(14) 내부에 장착되어 상기 모터(40)를 유무선으로 제어할 수 있다. 미설명부호 33a는 밸브축(33)의 외주연에 밀착되어 온수가 모터(40) 쪽으로 누수되는 것을 차단하는 패킹이다.
이처럼 구성된 본 발명 한 실시예는 유량센서(22)로 부터 입력되는 현재유량과 변화된 실시간 유량을 상기 밸브구동기(50)에서 연산하여 모터(40)를 정역회전시킴으로써, 유량조절밸브(30)의 통로(31)를 개폐하여 유량을 일정하게 유지시키므로 특정 방의 유속이 증가되지 않아 열교환이 충분히 일어나고 또한 유량 과다로 난방비가 상승되지 않는다.
이러한 본 발명 한 실시예의 난방 제어 시스템에서 상기 온수 분배기(10)의 유량변화에 따른 상기 유량조절밸브(30)의 비례적인 개폐동작은 다음과 같다. 먼저 유량조절밸브(30) 및 상기 온수 분배기(10)의 각 개별밸브(13)가 완전 열림상태에서 난방제어기(14)의 조작으로 어느 특정 방의 온도를 조절하여 해당 개별밸브(13)가 일부 닫히거나 완전 닫히는 경우 온수를 순환시키는 펌프의 특성상 양정이 증가되어 다른 방 들의 유속이 빨라지게되는데, 이때 임펠러(20)의 회전속도가 빨라지면서 유량센서(22)가 이를 감지하게 되고 상기 밸브구동기(50)의 유량검출부(55)를 통하여 제어부(51)로 입력된다.
또한 난방제어기(14)의 조작에 따른 유량조절신호가 목표유량설정부(58)로 입력되면 최저유량 이하인지를 판단하여 최저유량 이하일 경우 소음방지를 위해 최저유량이 유지되도록 상기 제어부(51)로 제어신호를 보낸다. 그리고 상기 유량비교판단부(57)에서 상기 저장부(56)에 기억된 실제 유량과 변화된 유량을 비교하여 유량이 일정해지도록 하되, 상기 목표유량설정부(58)의 설정값과 비교하여 최저유량 이상이 되도록 상기 제어부(51)로 제어신호를 보낸다. 따라서 상기 제어부(51)는 모터구동부(52)를 통하여 모터(40)를 회전시켜 밸브판(32)을 승하강시키고 이때 밸브판(32)과 통로(31) 사이의 간격 변화로 인하여 유량이 조절되므로 온도를 조절하지 않은 다른 방들에 흐르는 온수량에 변화가 발생되지 않는다.
상기와 반대로 어느 특정방의 개별밸브(13)가 완전닫힌 상태에서 일부 열거나 또는 완전 개방시킬 경우 펌프에 부하가 걸리면서 양정이 낮아지고 유속이 느려지게 되는데, 이때 임펠러(20)의 회전속도가 상대적으로 느려지면서 유량센서(22)가 이를 감지하게 되고, 상기 밸브구동기(50)의 유량검출부(55)를 통하여 제어부(51)로 입력되면 상기 유량비교판단부(57)에서 상기 저장부(56)에 기억된 실제 유량과 변화된 유량을 비교하여 유량이 일정해지도록 상기 제어부(51)로 제어신호를 보내므로 상기 유량조절밸브(30)의 통로(31) 개도가 조절되어 온도를 조절하지 않는 다른 방들의 유량에 변화가 발생되지 않도록 해준다. 상기 유량조절밸브(30)는 디스크 타입 또는 볼밸브 타입의 밸브를 갖는 것으로서, 디스크 타입일 경우 밸브축(33)이 승강되도록 하고 볼밸브 타입이면 밸브축이 회전되도록 모터(40)가 구동된다.
상기 목표유량설정부(58)의 소음방지를 위한 목표유량 산정방식은 다음 표와 같다.
방별 희망유량(ℓ/min) 합산 목표유량(Q)
(ℓ/min)
방1(Q1) 방2(Q2) 방3(Q3) 방4(Q4)
1.0 1.5 2 2.5
○ ○ ○ ○ 7.0
× × ○ ○ 4.5
× ○ × × 2.0(※)
○ × × × 2.0(※)
○ ○ × × 2.5
× ○ ○ × 3.5
× × × × 0
× × ○ × 2.0
○ × ○ × 3.0
○ ○ ○ × 4.5
× × × ○ 2.5
○ × × ○ 3.5
× ○ × ○ 4.0
○ ○ × ○ 5.0
○ × ○ ○ 5.5
× ○ ○ ○ 6.0
상기 표1에서 (※)는 소음방지의 목적으로 최저유량(Qmin)을 2.0으로 설정한 값임. Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 , (단 Q 〈 Qmin 이면 Q = Qmin)
도 4는 본 발명 다른 실시예로써, 별도의 연결관(60) 내부에 상기 카트리지(21)에 내장된 임펠러(20)를 설치하고 외부에는 유량센서(22)를 구비한 것으로서, 상기 연결관(60)은 상기 유량조절밸브(30)와 나사체결 방식으로 연결된 것을 제외하곤 본 발명 한 실시예와 동일한 구성을 갖는다.
본 발명 다른 실시예의 경우 유량조절밸브(30)와 무관하게 연결관(60) 내부에 임펠러(20) 및 유량센서(22)를 설치한 것이므로 유량조절밸브(30)를 개량할 필요가 없어 기존에 유통되는 유량조절밸브를 사용할 수 있으므로 호환성이 향상되는 이점이 있다.
10 : 온수 분배기 11 : 공급관
12 : 회수관 13 : 개별밸브
14 : 난방제어기 15 : 각방 온도조절기
20 : 임펠러 21 : 카트리지
22 : 유량센서 30 : 유량조절밸브
31 : 통로 32 : 밸브판
33 : 밸브축 34 : 너트부
35 : 돌기 36 :홈
40 : 모터 41 : 리드스크류
50 : 밸브구동기 51 : 제어부
52 : 모터구동부 53 : 입력부
54 : 액정 표시부 55 : 유량검출부
56 : 저장부 57 : 유량비교판단부
58 : 목표유량설정부 59 : 순간유량연산부
59a : 적산유량연산부 60 : 연결관

Claims (3)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 각 방으로 온수를 분배하기 위해 다수개의 개별밸브(13)를 갖는 온수 분배기(10)가 구비되고, 상기 온수 분배기(10)의 출구측 회수관(12)에는 모터로 동작되는 유량조절밸브(30)가 구비되며, 상기 유량조절밸브(30)의 유량을 검출하는 유량센서(22)의 입력값에 따라 상기 유량조절밸브(30)의 모터를 제어하는 밸브구동기(50)를 구비하되, 상기 유량조절밸브(30)의 내부에는 온수흐름에 따라 회전되는 임펠러(20)가 내장되고,상기 유량조절밸브(30)의 외부에는 상기 임펠러(20)와 대응되도록 상기 유량센서(22)가 설치되며, 상기 밸브구동기(50)에는 상기 유량센서(22)의 입력값을 유량검출부(55)로 검출하면 기존 유량과 변화된 실시간 유량을 비교하는 유량비교판단부(57)가 구비되어, 상기 유량조절밸브(30)의 모터(40)를 제어하여 유량이 조절되도록 한 유량조절식 난방제어 시스템에 있어서,
    상기 유량조절밸브(30)는 온수가 한방향으로 흐르는 통로(31)를 개폐하는 밸브판(32)이 밸브축(33)에 의해 승강되도록 구비되고,
    상기 밸브판(32)의 끝단에는 모터(40)의 리드스크류(41)와 체결되어 나선방향을 따라 승강되는 너트부(34)가 구비되는데, 상기 너트부(34)는 외주면에 돌기(35)가 구비되고 상기 유량조절밸브(30)의 내주면에는 상기 돌기(35)를 승강안내하는 홈(36)이 구비되어 상기 너트부(34)가 제자리회전이 억지된 상태로 승강되도록 구비되며,
    상기 임펠러(20)는 카트리지(21)에 회전축으로 지지되어 상기 유량조절밸브(30)의 한쪽 출구 내부에 내장된 것을 특징으로 하는 유량조절식 난방제어 시스템.
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