KR101278569B1 - 가변속도제어시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가변 속도 제어시스템에 관한 것으로 냉난방 등 다양한 용도로 사용될 수 있는 유체가 흐르는 배관내의 유체흐름을 제어하는 유량조절밸브를 갖는 가변속도제어시스템에 관한 것이다.

Description

가변속도제어시스템{control system with velocity variable type flow control valve actuator}
본 발명은 가변속도제어시스템에 관한 것으로 냉난방 등 다양한 용도로 사용될 수 있는 유체가 흐르는 배관내의 유체흐름을 제어하는 유량조절밸브를 제어하는 제어시스템에 관한 것이다.
냉난방을 위한 공조시스템 등에서 밸브를 너무 작게 선정하면 압력손실이 크고 유속이 빨라져서 소음 및 진동이 발생되어 주변기기에 좋지 않은 영향을 준다. 이와 반대로 밸브가 너무 크면 밸브를 조금만 열어도 유량이 크게 증가하여 유량의 미세한 조절이 어렵다.
사용조건을 고려하여 밸브의 크기를 적정하게 선정하여도 배관의 크기가 크거나 작은 경우가 발생한다. 또한 유체의 조건이 예상을 벗어나는 경우가 많다. 따라서 유체의 조건(압력, 유속)이 예상을 벗어나는 경우에는 밸브의 작동시에 워터햄머가 발생하는 등 여러 가지 문제들이 발생하게 된다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서 본 발명의 목적은 배관이나 유체의 다양한 조건에 따라 유량제어밸브의 개폐속도를 가변제어함으로써 에너지의 낭비를 막고 주변 장치에 손상을 입히는 것을 방지한 가변속도제어시스템을 제공하는 것이다.
상기 본 발명의 목적은 냉방 또는 난방을 위한 유체가 이송되는 배관과, 속도가변제어가 가능한 구동기를 가지며 상기 배관에 설치되어 상기 배관을 흐르는 상기 유체의 유량을 제어하는 유량제어밸브 및 냉방 또는 난방의 대상인 룸에 설치되어 상기 룸의 온도를 측정하는 룸센서와 연결되어 신호를 받고 상기 배관에 설치되어 상기 유체의 온도, 압력 및 유량을 측정하는 배관센서와 연결되어 신호를 받으며 상기 유량제어밸브에 연결되어 상기 유량제어밸브의 개폐를 제어하는 제어기를 포함하며, 상기 제어기는 상기 유량제어밸브의 개폐작동시에 상기 룸센서 및 상기 배관센서로부터 전달받은 정보에 따라 상기 유량제어밸브의 개폐속도를 결정하는 것을 특징으로 하는 가변속도제어시스템에 의해 달성된다.
또한 본 발명은 상기 배관센서로부터 수신된 상기 유체의 압력이 설정값보다 큰 경우 상기 제어기는 상기 유량제어밸브를 개방하는 속도보다 상기 유량제어밸브를 폐쇄하는 속도를 상대적으로 더 빠르게 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 상기 배관센서로부터 수신된 상기 유체의 온도가 설정값보다 큰 경우 상기 제어기는 상기 유량제어밸브를 개방하는 속도보다 상기 유량제어밸브를 폐쇄하는 속도를 상대적으로 더 빠르게 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 상기 배관센서로부터 수신된 상기 유체의 유량이 설정값보다 큰 경우 상기 제어기는 상기 유량제어밸브를 개방하는 속도보다 상기 유량제어밸브를 폐쇄하는 속도를 상대적으로 더 빠르게 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 상기 제어기는 상기 유량제어밸브를 폐쇄하는 과정에서의 상기 배관의 압력변화량의 크기에 따라 상기 유체의 종류를 판별하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 제어시스템에 의하면 배관크기와 유체의 종류 및 조건에 따라 제어기가 유량제어밸브의 개폐속도를 가변적으로 제어하므로 불필요한 에너지낭비를 막고 배관에 연결된 주변 장치들의 손상을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 가변속도제어시스템의 구성을 개략적으로 도시한 개념도이고,
도 2는 본 발명에 따른 가변속도제어시스템의 기계실 배관의 유량조절밸브 주변의 도시한 부분개념도이고,
도 3은 본 발명에 따른 가변속도제어시스템의 유량제어밸브의 사진이고,
도 4는 본 발명에 따른 가변속도제어시스템의 유체의 종류별로 유체의 온도, 압력 및 유량에 따라 각각 매칭되는 밸브의 개방속도 및 폐쇄속도에 대한 데이터의 일예를 도시한 표이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가변속도제어시스템의 구성을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 가변속도제어시스템의 구성을 개략적으로 도시한 개념도이고, 도 2는 본 발명에 따른 가변속도제어시스템의 기계실(20) 배관(30)의 유량조절밸브 주변의 도시한 부분개념도이고, 도 3은 본 발명에 따른 가변속도제어시스템의 유량제어밸브의 사진이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 가변속도제어시스템은 냉난방의 대상인 룸(10)들과 보일러(21) 및 공조기(22)가 설치된 기계실(20)을 연결하는 배관(30)에 설치되어 배관(30)의 내부를 흐르는 유체의 유량을 제어하는 유량제어밸브(50)를 갖는 가변속도제어시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 가변속도제어시스템은 냉난방의 대상인 룸(10)에 설치되는 룸센서(11)와 기계실(20)의 배관(30)에 설치되는 배관센서(31)들 및 기계실(20)의 배관(30)에 설치되는 유량제어밸브(50) 및 룸센서(11)와 배관센서(31)들로부터 신호를 전달받아 유량제어밸브(50)의 개폐를 제어하는 제어기(40)를 포함한다.
기계실(20)에는 보일러(21) 및 공조기(22)가 설치되며 보일러(21) 및 공조기(22)는 냉난방을 위한 유체를 이송하기 위한 배관(30)들이 연결되어 있다. 기계실(20)의 보일러(21) 및 공조기(22)에 연결된 배관(30)은 룸(10)에 설치된 룸 공조기(12)에 연결되어 룸 공조기(12)로 유체를 공급한다.
룸 공조기(12)는 송풍기를 포함하며 송풍기는 룸 공조기(12)를 지나가는 배관(30)의 주변의 공기를 룸(10)으로 송풍하여 룸(10)으로 따뜻한 공기 또는 차가운 공기를 공급하는 역할을 한다. 룸 공조기(12)는 습기를 공급하는 습기공급수단을 더 포함할 수 있다. 습기공급수단은 룸센서(11)에서 측정된 룸(10)의 습도가 낮은 경우 이를 전달받은 제어기(40)가 습기공급수단을 작동시켜서 룸(10)의 습도를 상승시키게 된다.
룸센서(11)는 온도센서 및 습도센서 또는 온도 및 습도를 모두 감지하는 복합센서로 구성되어 룸(10) 내부의 온도 및 습도를 감지하고 감지된 온도 및 습도의 값들을 후술할 제어기(40)로 전달한다.
배관센서(31)들은 배관(30)의 내부를 흐르는 유체의 온도, 압력 및 유량을 감지하여 감지된 값들을 제어기(40)로 전달한다. 배관센서(31)들은 배관(30)들에 설치되어 배관(30)들의 내부를 흐르는 유체의 압력, 온도 및 유량을 감지하는 압력센서, 온도센서 및 유량감지센서로 구성된다.
유량제어밸브(50)는 기계실(20)의 배관(30)들에 설치되어 배관(30)의 유로 자체를 개폐하거나 또는 배관(30)의 내부의 유로의 크기를 조절하여 배관(30)의 내부를 흐르는 유체의 유량을 제어한다. 유량제어밸브(50)는 속도의 가변제어가 가능한 구동기(52)를 구비하여 구동기(52)에 의해 구동된다.
구동기(52)는 유량제어밸브(50)의 개폐를 위한 구동력을 제공하는 것으로서 속도조절이 가능한 스텝모터를 포함한다. 구동기(52)의 스텝모터는 모터 속도의 조절이 가능하기 때문에 스텝모터의 속도를 조절하여 유량조절밸브의 개폐속도를 선택적으로 제어할 수 있다. 구동기(52)는 감속비를 얻기 위해 기어박스(미도시)를 구비한다.
배관(30)에서 유량제어밸브(50)의 양측에는 배관(30)의 개방 및 폐쇄 작동만을 수행하는 온오프밸브(33)가 각각 설치된다. 온오프밸브(33)는 유량제어밸브(50)가 고장나거나 이상 상황이 발생하였을 때에 즉각적으로 배관(30)의 개방 및 폐쇄를 하기 위해 마련된다.
제어기(40)는 룸센서(11) 및 배관센서(31)들과 연결되고 유량제어밸브(50)의 구동기(52)와도 연결되며 센서들과 제어기(40) 그리고 센서들 상호간에도 서로 연결되어 제어기(40)로부터 전원을 공급받으며 센서들과 제어기(40)의 사이의 통신은 전력선 통신을 이용한다. 제어기(40)는 룸센서(11)로부터 전달받은 룸(10)의 온도 및 습도 그리고 배관센서(31)들로부터 전달받은 배관(30)내의 유체의 온도, 압력 및 유량에 근거하여 필요한 연산을 처리하고 연산 처리의 결과를 가지고 유량제어밸브(50)의 구동기(52)를 제어함으로써 배관(30)을 개폐시키거나 배관(30)의 유로의 크기를 조절한다. 예를 들면 제어기(40)는 유량제어밸브(50)의 개방속도를 서로 다른 4가지로 설정하고 밸브의 폐쇄속도를 서로 다른 4가지로 설정하여 이들 설정값을 조합함으로써 밸브의 개방 및 폐쇄속도를 다양하게 제어할 수 있다. 예를 들면 밸브의 행정거리가 40밀리미터라고 할 때에 개방시간을 20초, 30초, 40초, 50초로 하는 설정값을 저장하고 폐쇄시간을 30초, 35초, 40초, 45초로 하는 설정값을 저장한 경우 한 예로서 밸브의 개방시간은 40초로 하고 폐쇄시간은 35초로 선택할 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 가변속도제어시스템의 작동 및 작용효과에 대해서 설명한다.
유량제어밸브(50)를 너무 작은 크기의 것으로 하면 압력 손실이 크고 유속이 빨라져서 소음 및 진동이 발생되어 주변기기에 나쁜 영향을 준다. 이와 반대로 유량제어밸브(50)가 너무 크면 유량조절범위를 벗어나 조절범위 중 최소부분에 치우쳐 조금만 열어도 유량이 크게 증가하여 미세한 조절이 어렵게 된다.
본 발명의 가변속도제어시스템은 배관(30)의 유로를 완전개방상태에서 완전폐쇄상태까지의 영역에서 개폐시킬 수 있으며 또는 배관(30)의 유로의 개폐범위를 일정한 한계범위를 설정한 상태에서 개폐할 수도 있다. 예를 들면 배관(30)의 유로의 크기를 0~60%의 범위에서 개폐할 수 있고 이 경우에도 마찬가지로 개폐속도를 선택할 수 있다. 0~60%의 범위에서 개폐한다는 것은 유로를 최대로 개방할 때는 유로 최대크기의 60%까지 개방되며 폐쇄시에는 완전한 폐쇄가 가능한 것을 의미한다.
본 발명의 가변속도제어시스템이 에너지 손실을 방지하는 것을 예를 들어 설명한다. 난방작동의 조건에서 사무실의 공조기(22)의 실내설정온도는 25도이다. 배관(30)의 유체온도는 60도이다. 밸브의 행정거리는 40밀리미터이며 구동시간은 50초이다. 온도의 단위는 섭씨를 사용하였으며 별다른 기재가 없는 이상 온도는 섭씨를 의미한다. 주어진 조건은 1) 배관(30)의 크기는 과도한 크기이며, 2) 유속은 빠른 상태이다.
사무실의 측정온도는 20도이다. 사무실 측정온도가 20도로서 설정온도인 25도보다 낮기 때문에 제어기(40)는 밸브를 열도록 밸브에 신호를 보낸다. 온도차가 클수록 신호값은 크게 보내게 된다. 밸브를 여는 순간부터 유체는 배관(30)을 통과하게 되는데 밸브를 30%(12밀리미터)까지 개방한 상태이다. 그런데 유체는 배관(30)의 크기 및 유속으로 인해 약 80%의 유체가 흘렀다. 이 경우 사무실의 실제온도(측정온도)는 설정온도까지 짧은 시간에 상승한다. 그러면 제어기(40)는 구동기(52)로 밸브를 닫으라는 신호를 보내고 밸브는 닫히기 시작한다. 그러나 구동기(52)에서 밸브의 작동속도가 가변적이지 않고 일정하다면 밸브를 닫는 도중에도 배관(30)을 통해 계속해서 유체가 공급되므로 사무실의 온도는 설정온도를 초과하여 상승을 하게 되고 이러한 과정이 계속적으로 반복되면 에너지의 손실이 발생하고 구동기(52)의 수명에도 좋지 않은 영향을 주게 되며 배관(30)에 연결된 주변 장비에도 무리가 가게 된다.
본 발명의 가변속도제어시스템은 이런 조건에서는 제어기(40)가 명령을 전달하여 밸브를 천천히 열고 닫을 때에는 빨리 닫게 된다. 배관(30)의 크기는 크고 유속은 빠른 상태이기 때문에 사무실의 측정온도가 설정온도에 도달하면 밸브를 빨리 닫아주어야 불필요한 과도한 온도상승을 방지할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 가변속도제어시스템이 난방운전시에 온도를 상승시키는 상황을 기준으로 하여 다양한 조건들에서 제어기(40)가 밸브의 작동 속도를 제어하는 방식을 설명한다.
1) 유체의 온도가 높을 때에는 밸브를 개방할 때에는 밸브를 천천히 열고 밸브를 폐쇄할 때에는 밸브를 빨리 닫는다. 유체의 온도가 낮을 때에는 이와 반대로 밸브를 빨리 열고 닫을 때에는 천천히 닫는다.
2) 유체의 압력이 높을 때에는 밸브를 개방하면 유속이 빠르기 때문에 밸브를 천천히 열고 밸브를 빨리 닫는다. 유체의 압력이 낮을 때에는 밸브를 빨리 열고 밸브를 천천히 닫는다.
3) 유량은 밸브가 열려있는 상태에서만 감지되는 값이므로, 유량이 큰 경우에는 밸브를 빨리 닫는다. 유량이 적은 경우에는 이와 반대로 밸브를 천천히 닫는다. 즉 유량이 크다는 것은 유속이 빠르다는 것을 의미하는데 유속이 빠른 조건에서 밸브가 닫히는 속도를 빠르게 하면 워터햄머가 발생되며 배관(30)에 연결된 기타 장비들에 손상이 발생할 수 있다. 따라서 유속이 빠른 경우 구동기(52)의 속도를 늦춰줄 필요가 있는 것이다.
4) 배관(30)이 냉난방용량에 비해 큰 경우에는 밸브를 천천히 열고 밸브를 빨리 닫는다.
5) 유체가 액체이면서 압력이 큰 경우에는 밸브를 천천히 열고 천천히 닫는다. 그래야 해머현상을 감소시킬 수 있다. 유체가 가스 또는 스팀인 경우에는 밸브를 빨리 열고 빨리 닫는다. 유체가 가스 또는 스팀인 경우에는 해머현상이 심하지 않기 때문에 밸브를 빨리 열고 닫아도 괜찮다.
6) 온도가 낮은 경우에는 밸브를 빨리 열지만 압력이 큰 경우에는 밸브를 천천히 여는 것이 본 발명의 가변속도제어시스템의 제어기(40)의 작동기준이다. 따라서 유체의 온도가 낮지만 압력이 큰 경우에는 상호간에 상쇄를 시켜서 적정한 밸브 개방속도를 선택한다. 예를 들면 난방의 경우에 유체의 온도가 섭씨 50도이고 압력이 P일 때 밸브 개방속도가 40S라면 유체온도가 섭씨 50도이고 압력이 1.5P인 경우에는 밸브 개방속도가 35S가 되도록 제어기(40)가 유량제어밸브(50)의 개방속도를 선택한다.
제어기(40)는 도 4에 도시된 바와 같이 유체의 종류별로 유체의 온도, 압력 및 유량에 따라 각각 매칭되는 밸브의 개방속도 및 폐쇄속도에 대한 데이터를 저장하고 있다.
본 발명에 따른 가변속도제어시스템은 제어기(40)가 배관(30)의 압력센서(유체이동방향을 기준으로 보면 유량제어밸브(50)의 후방에 위치함)로부터 압력값을 전달받아서 밸브의 폐쇄과정 동안의 압력의 변화량을 근거로 배관(30)내의 유체가 액체인지 가스 또는 스팀인지 자동으로 구분하는 기능을 갖는다. 유체의 종류를 구분하여 밸브의 작동을 즉각적으로 중지시키거나 또는 운동조건을 자동으로 변화시킬 수 있다. 즉 유체가 액체인 경우에는 액체는 비압축성이기 때문에 동일한 시간동안 밸브가 폐쇄되는 과정에서 압력변화량이 매우 크지만 유체가 가스 또는 스팀인 경우에는 가스 또는 스팀이 압축성유체이므로 밸브가 폐쇄되는 과정에서 압력변화량이 작다. 따라서 밸브가 폐쇄되는 과정에서 압력변화량을 가지고 제어기(40)는 유체의 상태를 감지하고 감지된 유체의 상태가 제어기(40)에 설정된 유체의 상태와 다른 경우에 밸브를 즉각적으로 폐쇄하여 제어기(40)의 유체 설정 오류에 따른 사고를 방지한다.
예를 들면 제어기(40)는 밸브폐쇄과정에서의 압력변화량이 '델타P 내지 델타2P'인 경우에는 유체가 가스 또는 스팀인 것으로 인식하고 압력변화량이 '델타4P 이상'인 경우에는 유체를 액체로 인식한다. 실제 시스템의 유체가 액체인데 사용자가 제어기(40)의 유체의 설정을 가스로 잘못 입력한 경우에는 밸브를 폐쇄할 때의 압력변화량을 근거로 자동으로 설정오류를 찾아낸다.
50: 유량조절밸브, 52: 구동기

Claims (5)

  1. 냉방 또는 난방을 위한 유체가 이송되는 배관;
    속도가변제어가 가능한 구동기를 가지며 상기 배관에 설치되어 상기 배관을 흐르는 상기 유체의 유량을 제어하는 유량제어밸브; 및
    냉방 또는 난방의 대상인 룸에 설치되어 상기 룸의 온도를 측정하는 룸센서와 연결되어 신호를 받고 상기 배관에 설치되어 상기 유체의 온도, 압력 및 유량을 측정하는 배관센서와 연결되어 신호를 받으며 상기 유량제어밸브에 연결되어 상기 유량제어밸브의 개폐를 제어하는 제어기를 포함하며,
    상기 제어기는 상기 유량제어밸브의 개폐작동시에 상기 룸센서 및 상기 배관센서로부터 전달받은 정보에 따라 상기 유량제어밸브의 개폐속도를 결정하고,
    상기 배관센서로부터 수신된 상기 유체의 온도가 설정값보다 큰 경우 상기 제어기는 상기 유량제어밸브를 개방하는 속도보다 상기 유량제어밸브를 폐쇄하는 속도를 상대적으로 더 빠르게 제어하는 것을 특징으로 하는 가변속도제어시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 배관센서로부터 수신된 상기 유체의 압력이 설정값보다 큰 경우 상기 제어기는 상기 유량제어밸브를 개방하는 속도보다 상기 유량제어밸브를 폐쇄하는 속도를 상대적으로 더 빠르게 제어하는 것을 특징으로 하는 가변속도제어시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 배관센서로부터 수신된 상기 유체의 유량이 설정값보다 큰 경우 상기 제어기는 상기 유량제어밸브를 개방하는 속도보다 상기 유량제어밸브를 폐쇄하는 속도를 상대적으로 더 빠르게 제어하는 것을 특징으로 하는 가변속도제어시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제어기는 상기 유량제어밸브를 폐쇄하는 과정에서의 상기 배관의 압력변화량의 크기에 따라 상기 유체의 종류를 판별하는 것을 특징으로 하는 가변속도제어시스템.
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