KR101565204B1 - 물가열시스템 - Google Patents

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크레이그 에반스
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Abstract

물가열시스템은, 열에너지의 공급원을 열교환기에 제공하기 위한 버너조립체를 포함한다. 가열되어야 할 새로운 물을 공급하기 위해 상기 열교환기 조립체에 연결된 물유입구 도관을 포함한다. 가열된 물을 사용위치로 전달하기 위해 열교환기 조립체에 연결된 물유출구 도관을 포함한다. 상기 물유출구 도관을 물유입구 도관에 연결하는 바이패스 도관을 포함한다. 가열된 물의 적어도 일부분을 상기 물유출구 도관으로부터 물유입구 도관으로 순환시켜서 새로운 물과 재순환된 물의 혼합물을 상기 열교환기 조립체에 제공하기 위해 상기 바이패스 도관내에 배열된 펌프를 포함한다. 상기 열교환기 조립체로 유입하는 혼합된 물의 파라미터를 감시하기 위해 상기 열교환기 조립체와 바이패스 도관사이에서 물유입구 도관내에 배열된 혼합수 감시용 센서를 포함한다. 프로세서는 상기 피드 포워드 센서에 응답하여 상기 버너조립체의 작동을 제어한다.

Description

물가열시스템{WATER HEATING SYSTEM}
본 출원은, 2012년 1월 24일 출원되고 "물가열시스템"의 제목을 가진 미국특허출원 제 13/357,309호 및 2011년 1월 28일에 출원되고 "탱크없는 물 가열기"의 제목을 가진 미국 가특허출원 제 61/437,528호를 우선권으로 주장하고 본 출원에서 전체내용을 참고한다.
본 공개내용은, 일반적으로 물가열시스템(water heating system)에 관한 것이고, 더욱 구체적으로 물가열시스템과 피드 포워드 제어(feed forward control)를이용한 방법에 관한 것이다.
가정용 및 상업용 적용예들에서 물가열기는 대체로 탱크형상을 가진다. 상기 물가열기들은 원통형 용기들이며, 용기내부에서 물은 계속해서 고온으로 유지되어 사용할 준비가 된다. 탱크속의 물이 냉각되지만 가열시스템에 의해 물은 가열되고 저장된다. 탱크로부터 고온수의 공급이 고갈되고 온수를 다시 이용하려면 고온수의 공급은 지연된다.

반면에 탱크없는 물 가열기들은, 물이 장치를 통해 유동함에 따라 물을 가열하며 전형적으로 열교환기 코일(heat exchanger coil)내부를 제외하고 내부에 물을 보유하지 않는다. 종래기술의 탱크없는 물 가열기와 관련한 시도는, 서로 다른 유동율에서 동일한 물온도를 만들어내는 것과 관련된다. 또한, 시간경과에 따라 열교환기는 부식을 겪게 되고 효율은 감소된다.

물 가열시스템은 수요원리(demand principle)에 따라 작동한다. 즉, 작동하는 동안 시설의 수요를 기초하여 물 유출구 도관을 통해 공급되는 가열상태의 물 유동이 예측된다. 시설에서 고온수에 관한 수요가 없으면, 고온수는 물 유출구 도관을 유출하지 않는다. 종래기술의 물 가열시스템에서 고온수의 수요가 없으면, 시스템 내부에는 유동이 없다. 따라서, 시스템내부에서 정체된 물의 온도는 점차적으로 감소된다. 탱크없는 물 가열시스템에서, 시스템 내부의 물체적은 적기 때문에 물의 온도는 확실히 빠르게 떨어진다.

고온수의 수요가 다시 발생할 때, 열교환기의 유출구에서 물의 온도는 종종 목표 온도 또는 설정점 온도보다 상당히 낮게 된다. 물 유출구에서 물의 온도가 설정점 온도보다 작으면, 버너시스템을 제어하는 시스템은 긴 시간동안 상기 버너를 100% 점화하여 반응한다. 전형적으로 열교환기에 급속하게 가해지는 고온의 열에 의해 물 유출구 온도는, 설정점 온도를 초과(spike)하여 오버수트(overshoot)하며 버너는 다시 교축(throttle)된다. 상기 물 유출구 온도가 설정점 온도 아래로 떨어지면, 상기 버너의 온도는 다시 상승(ramp up)된다. 상기 버너의 온/오프 작용은, 특히 냉각상태에서 작동개시(cold start)될 때 설정점 온도를 반복적으로 오버수트 및 언더수트(undershoot)하게 만든다. 상기 문제는, 비례/적분/미분(PID) 제어기에 의해 다소 감소될 수 있지만, 버너로부터 발생되는 열 출력의 증가와 감소는 아직까지도 열교환기 부품들에 대해 열적 충격(thermal cycle)을 야기한다. 상기 열적 충격에 의해 야기되는 상기 열교환기 부품들의 응력 및 변형은 종종, 부품들을 조기에 파손시키며 수리를 위해 많은 비용을 요구한다.
따라서 본 발명은 상기 문제점들을 해결하는 것이다.
본 발명의 특징에 의하면, 물가열시스템은 열에너지의 공급원을 제공하기 위한 버너조립체를 포함한다. 상기 버너조립체는 연소실, 상기 연소실에 공기유동을 제공하는 공기 흡기구 및 상기 연소실에 연료를 공급하는 연료 유입구를 포함한다. 열교환기 조립체가 상기 버너조립체에 작동하게 연결되고, 상기 열교환기 조립체는 제 1 유체 도관 및, 상기 제 1 유체 도관과 열교환하는 제 2 유체 도관을 포함한다. 물가열시스템은 추가로, 가열되어야 할 새로운 물을 공급하기 위해 상기 열교환기 조립체의 제 1 및 제 2 유체 도관들 중 한 개의 유체 도관에 연결된 물유입구 도관을 포함하고, 가열된 물을 사용위치로 전달하기 위해 상기 물유입구 도관과 연결된 유체 도관에 연결되는 물유출구 도관을 포함한다. 바이패스 도관이 상기 물유출구 도관을 물유입구 도관에 연결하고, 가열된 물의 적어도 일부분을 상기 물유출구 도관으로부터 물유입구 도관으로 순환시켜서 새로운 물과 재순환된 물의 혼합수를 상기 열교환기 조립체에 제공하기 위해 상기 바이패스 도관내에 배열된 펌프를 포함한다. 상기 열교환기 조립체로 유입하는 혼합수의 파라미터를 감시하기 위해 혼합수 감시용 센서가 상기 열교환기 조립체와 바이패스 도관사이에서 물유입구 도관내에 배열된다. 상기 혼합수 감시용 센서가 감시하는 혼합수의 파라미터를 기초하여 물유출구 온도를 설정점 온도로 제어하도록 상기 버너조립체의 작동을 제어하는 프로세서를 포함한다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 물가열시스템을 작동하기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은, 열교환기 조립체, 상기 열교환기 조립체에 물을 공급하기 위한 물유입구 도관, 수요에 대해 가열된 물을 제공하기 위해 상기 열교환기에 연결된 물유출구 도관, 상기 열교환기 조립체내에서 물을 가열하기 위한 열원 및 상기 물유출구 도관을 상기 물 유입구 도관에 연결하는 바이패스 도관을 제공하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한, 열교환기내부의 물을 설정점 온도까지 가열하는 단계, 상기 바이패스도관내부의 가열된 물의 적어도 일부분을 물유입구 도관내부의 물과 혼합하는 단계를 추가로 포함한다. 상기 방법은 추가로, 물유입구 도관내부의 물이 열교환기 조립체내부로 유입되기 전에 물의 제 1 파라미터를 감시하는 단계, 물유출구 도관에서 설정점온도를 달성하기 위해 물의 상기 제 1 파라미터에 응답하여 열원을 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명의 특징들이, 하기 도면들을 참고하여 더욱 잘 이해될 수 있다. 도면들은 반드시 실제 크기일 필요는 없고 일반적으로 본 발명의 원리를 설명하기 위한 것이다. 도면들에서 동일한 도면부호들이 여러 도면들에서 동일한 부품들을 나타내기 위해 이용된다.
도 1은, 본 발명의 한 실시예를 따르는 물가열 시스템을 개략적으로 도시한 선도.
도 2는, 본 발명의 또 다른 실시예를 따르는 물가열 시스템을 도시한 사시도.
도 3은, 도 2에 도시된 실시예를 따르는 공기 연료 전달시스템을 도시한 사시도.
도 4는, 도 2에 도시된 실시예를 따르는 가스트레인(gas train)을 도시한 사시도.
도 5는, 도 2에 도시된 물가열시스템을 도시한 측단면도.
도 6은, 도 5에 도시된 실시예를 따르는 버너 조립체의 측단면도.
도 7은, 도 6에 도시된 버너조립체의 분해사시도.
도 8A 및 도 8C는, 도 5에 도시된 물가열시스템을 위한 용기의 예를 도시한 정면 사시도 및 우측면도.
도 8B 및 도 8D는, 도 5에 도시된 물 가열시스템을 위한 용기의 예를 도시한 배면 사시도 및 좌측면도.
도 1은, 본 발명의 한 실시예를 따르는 물가열 시스템(10)을 개략적으로 도시한 선도이다. 새로운 물이 물 유입구 도관(12)에 의해 물가열 시스템(10)으로 공급된다. 상기 도관(12)속의 물은 열교환기 조립체(14)속으로 유입되고 물은 목표 온도 또는 설정점 온도까지 가열되며 물유출구 도관(16)으로 방출된다. 다음에, 상기 가열된 물은 가정 또는 시설의 요구를 만족시키도록 이용된다.
상기 물가열 시스템(10)은 버너(burner) 조립체(18)를 포함하고, 상기 버너조립체는 가열상태의 연소생성물을 생성하기 위해 연소실내에서 산화제와 함께 연료를 연소시킨다. 전형적인 시스템내에서, 상기 산화제는 공기이다. 연소생성물(고온 가스)은 상기 버너조립체(18)를 유출하여 열교환기 조립체(14)로 제공되어, 상기 연소생성물은 열교환조립체를 통해 순환하는 물과 열교환을 개시한다. 상기 열교환기 조립체(14)내에서, 물은 연소생성물로부터 격리된다. 즉, 제 1 유체 도관(20)은 제 2 유체도관(21)과 열교환(heat exchange relationship)하지만, 혼합되지 않는다. 도시된 실시예에서, 제 1 유체도관(20)은 열교환기내에서 한 개이상의 열교환 튜브들이고, 제 2 유체 도관(21)은 상기 열교환 튜브들을 둘러싸는 열교환기의 내부영역이다. 연소생성물은 제 2 유체 도관(21)을 통해 상기 열교환 튜브들 주위에서 유동하며, 상기 열교환기 튜브들내에서 유동하는 물은 상기 열교환기 조립체(14)로부터 물유출구 도관(16)으로 유동(channel)한다. 고온의 연소가스는 연소 배기가스 매니폴드(manifold)(22)에 의해 열교환기 조립체(14)로부터 유출한다. (도면에 도시되지 않은) 또는 다른 실시예에 의하면, 물은 열교환기 조립체내에서 튜브들을 통해 유동하고 고온의 연소가스가 상기 튜브들 주위를 순환한다.
상기 물가열 시스템(10)은 또한, 물 유출구 도관(16)을 물유입구 도관(12)에 연결시키는 바이패스 도관(24)을 포함한다. 펌프(26)는, 가열된 물의 적어도 일부분을 물 유출구 도관(16)으로부터 냉각기 물유입구 도관(12)까지 순환시킨다. 한 실시예에서, 상기 펌프(26)는, 계속해서 일정한 유동율로 물을 순환시키는 일정 유량(constant flow)형 모델이다.
상기 물가열 시스템(10)은 또한, 시스템 또는 시스템 상태(system health) 파라미터의 작동 상태를 감시하기 위한 센서들을 포함한다. 상기 시스템의 액체 부분(liquid side)에서 상기 바이패스 도관(24)의 상류위치에 배열된 물 유입구 센서(28)는 유입되는 새로운 물의 온도를 감시할 수 있다. 바이패스 도관(24)과 열교환기 조립체(14)사이에서 상기 물유입구 도관(12)내에 장착된 혼합수 감시용 센서(30)가 예를 들어, 바이패스 도관으로부터 유입된 가열상태의 물과 혼합된 후에 열교환기로 유입되는 물의 온도를 감시할 수 있다. 물 유출구 센서(32)는 열교환기(14)를 떠나는 가열상태의 물의 유동율(flow rate) 또는 온도를 감시할 수 있다. 시스템의 연소부분(combustion side)에서, 공기 유입구 센서(34)는 버너 조립체(18)로 유동하는 공기 온도와 같은 상태를 감시하고, 배기가스 센서(36)는 연소효율의 결정시 이용될 수 있는 온도와 같은 배기가스 연도(flue)내부의 상태를 감시할 수 있다.
상기 물 가열시스템(10)은 또한, 마이크로프로세서 또는 마이크로 콘트롤러일 수 있는 프로세서(processor(38)(또는 CPU)를 포함하고, 물가열시스템의 전체 작동을 제어하기에 적합한 구조를 포함한다. 한 실시예에서, 열교환기 조립체의 물유출구에서 일정한 설정점 온도를 유지하도록 상기 버너 조립체(18)의 작동이 혼합수 감시용 센서(30)의 측정값을 기초하여 제어될 수 있다. 한 가지 예로서, 프로세서(38)는 열교환기 조립체(14)로 유입되는 혼합상태의 혼합수(예를 들어, 새로운 물과 재순환된 물) 온도를 기초하여 물유출구 온도를 설정점 온도로 제어하도록 버너조립체(18)의 작동을 제어한다.
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본 명세서에서 설명되는 물 가열시스템은, 상기 열교환기 조립체(14)를 유출하여 열교환기 유입구로 돌아가는 고온수의 일부 또는 전부를 순환시켜서 설정점 온도를 일정하게 유지한다. 상기 방법에 의해, 상기 시스템내부의 물은 정체되지 않고 수온은 설정점으로부터 파괴적인 변동(destructive swing)없이 유지될 수 있다. 한 예에서, 고온수에 대한 시설의 수요가 없고 따라서 물유출구 도관(16)으로부터 유동이 없다면, 펌프(26)로부터 형성된 유동은 열교환기 조립체(14)의 유입구속으로 다시 순환하기 때문에 열교환기 조립체를 통해 순환하는 유동이 존재하게 된다. 수요가 없기 때문에, 시스템내부의 물체적은 변화하지 않고 물유입구 도관(12)으로부터 시스템(10)으로 새로운 물이 추가되지 않는다. 그 결과, 혼합수 감시용 센서(30)에서 물의 온도는 열교환기의 출구에서 설정점 온도와 매우 근사하다. 상기 프로세서(38)는 상기 혼합수 감시용 센서(30)를 감시하고 상기 센서에 의해 감시되는 혼합수의 파라미터를 기초하여 열교환기 조립체의 물유출구에서 일정한 설정점 온도를 유지하도록 버너 조립체(18)의 작동을 제어한다. 시스템내부에서 물온도가 점차로 떨어짐에 따라, 프로세서(38)는 상기 혼합수 감시용 센서(30)에서 측정된 혼합수의 온도를 기초하여 물유출구 설정점 온도를 회복하도록 버너조립체(18)의 작동을 명령할 수 있다.
설비에 의해 고온에 대한 수요가 회복되면, 물 유출구 도관(16)을 유출하는 유동율은 물유입구 도관(12)으로부터 공급된 새로운 물에 의해 보충된다. 그러나, 펌프(26)가 가열된 물의 일부분을 열교환기 조립체(14)의 유입구로 다시 순환시키기 때문에, 혼합된 물은 사실상 새로운 물보다 따뜻하고 열교환기의 출구에서 목표 또는 설정점 온도를 달성하기 위해 버너조립체(18)로부터 더 적은 열을 요구하게 된다. 상대적으로 적은 열입력은, 열교환기 부품들의 상대적으로 적은 열충격을 형성한다.
상기 혼합수 감시용 센서(30)는 예를 들어, 열교환기 조립체(14)로 유입되는 혼합상태의 물 온도를 감지한다. 상기 프로세서(38)는, 상기 혼합수 감시용 센서(30)로부터 발생된 출력을 감시하며 상기 출력을 기초하여 열교환기 조립체의 물유출구에서 일정한 설정점 온도를 유지하도록 버너조립체의 작동을 명령할 수 있다. 한 실시예에서, 상기 프로세서(38)내에 저장된 알고리듬은, 상기 버너조립체(18)로 유입하는 연료와 공기를 위한 밸브의 작동순서(schedule)를 정의한다. 상기 밸브의 작동순서는 상기 혼합수 감시용 센서(30)에 의해 감지되는 온도를 기초로 한다.
도 1의 동일한 요소들이 동일한 도면부호로 표시된 도 2를 참고할 때, 물가열시스템(10)의 사시도가 본 발명의 실시예에 따라 도시된다. 상기 물가열시스템(10)의 부품들은 도 1에 도시된 작동순서 다이아그램에 따라 배열되고 구성될 수 있다. 상기 물가열시스템(10)은, 기저부에 위치한 물 유입구 도관(12) 및 상부에 위치한 물 유출구 도관(16)을 가진 열교환기 조립체(14)를 포함한다. 상기 물 유입구 도관(12)은, 도시된 실시예에서 RTD 형태의 (저항 온도 감지기) 써모커플(thermocouple)인 물 유입구 센서(28)를 포함한다. 드레인 밸브(drain valve)(40)는 물유입구 도관(12)과 연결되고 그렇지 않으면 열교환기 내에서 배수를 허용하기 위해 열교환기 조립체(14)의 기저부에 배열될 수 있다. 상기 물 유출구 도관(16)은, 예를 들어, 상기 열교환기 조립체(14)를 떠나는 가열상태의 물 온도를 감지하기 위해 물 유출구 센서(32)를 포함할 수 있다. 도시된 실시예에서, 물유출구 센서(32)는 RTD 형태의 써모커플이다. 물 유출구 도관(16)은 또한, 라인내에서 과압이 발생하는 경우 수압을 배출(vent)하기 위해 압력 릴리이프 밸브(42)를 포함할 수 있다.
상기 물가열시스템(10)은, 상기 물유출구 도관(16)을 상기 물 유입구 도관(12)에 연결시키는 바이패스 도관(24)을 포함한다. 펌프(26)가, 가열된 물의 적어도 일부분을 상기 물 유출구 도관(16)으로부터 하향으로 냉각기 물유입구 도관(12)까지 순환시킨다. 한 실시예에서, 펌프는 상기 바이패스 도관(24)을 통해 일정한 유동율을 계속해서 순환시키는 일정 유량형 모델이다. 예로서 제공되는 펌프(26)는, 타코 사(Taco Inc.)에 의해 공급되고 분당 5 내지 25 갤런(GPM)의 일정 물유량을 유지하도록 구성된 크랜스톤 RI 모델로서 습식 로터 순환기 펌프(wet rotor circulator pump)이다. 선택적 실시예에서 유동율은 약 15 GPM이다. 또 다른 실시예에서, 상기 열교환기 조립체(14)를 통과하는 물의 유동율은, 새로운 물 유입구에서 새로운 물의 유동과 무관하게 일정하게 유지된다. 또 다른 실시예에서, 고온수와 새로운 물사이의 비율은 약 60% 내지 40%일 수 있다.
도 1을 참고하여 설명된 것처럼, 혼합수 감시용 센서(30)는 열교환기 조립체(14)와 바이패스 도관(24)사이에서 물유입구 도관(12)내에 장착되고, 예를 들어, 바이패스 도관으로부터 유입되는 가열상태의 물과 혼합된 후에 열교환기로 유입된 물의 온도를 감시할 수 있다. 한 실시예에서, 혼합수 감시용 센서(30)는, 재순환된 고온수와 새로운 물을 적절하게 혼합하는 것을 보장하기 위해 상기 바이패스 도관(24)과 물유입구 도관(12)을 연결하는 티(tee) 부분으로부터 거리(D)만큼 하류위치에 배열된다. 한 실시예에서, 상기 거리(D)는 적어도 4인치(10.2cm)이다.
상기 물가열시스템(10)은 또한 기저부와 수직의 기저부 다리들을 포함한 장착 스키드(skid)(44)를 포함할 수 있다. 한 실시예에서, 상기 스키드(44)의 기저부분은, 포크리프트(forklift) 또는 팔렛트 트럭이 가열시스템을 들어올리고 운반할 수 있도록 스트링거(stringer)(46)들을 포함한다. (도 2의) 장착판(48)들은 상기 열교환기 조립체(14)에 용접될 수 있다. 상기 전체 물가열시스템(10)을 지지하는 상기 장착판(48)들은 상기 스키드(44)의 수직 다리들에 볼트체결된다. 상기 방법에 의해, 상기 물가열시스템(10)은 제조업체에서 상기 스키드(44)에 고정되고 용이하게 운반되며 설치되고 설비로부터 제거될 수 있다. 한 실시예에서, 스키드(44)는 물가열시스템(10)이 일반적인 유틸리티 클로짓(utility closet)내에 설치될 수 있게 하는 콤팩트 형상치수(compact form factor)를 가진다. 예를 들어, 상기 스키드(44)의 형상치수는 대략 28인치 폭 및 대략 51인치 깊이(71.1 X 129.1cm)를 가진다.
한 실시예에서, 상기 물가열시스템(10)은 버너조립체(18)의 연소실로 유입되기 전에 공기와 연료를 미리 혼합하는 공기연료 전달 시스템을 포함한다. 도 3은 예를 들어, 공기 연료 전달시스템(50)의 사시도를 도시한다. 상기 시스템(50)은 우선 공기유입유동(air intake stream)으로부터 공기중의 미세입자들을 제거하기 위한 공기 필터(52)를 포함한다. 공기유입구 센서(34)는, 상기 물가열시스템(10)의 작동을 용이하게 하기 위해 온도측정값과 같은 데이터를 제공할 수 있다. (도 4의) 가스 트레인(56)은, 가스상태의 연료를 밸브에 제공하기 위해 연료유입구 플랜지(58)에서 공기연료밸브조립체(54)와 연결된다. 송풍기(60)는 공기/연료 혼합물을 송풍기 측부 흡기 매니폴드(62)아래로 버너 조립체(18)로 가압한다. 한 실시예에서, 상기 송풍기(60)는 오하오, 켄트에 소재한 아메텍 테크니칼 앤드 인더스티리얼 프로덕츠 사로부터 구입할 수 있는 노틸라일® 브랜드의 송풍기와 같은 8.9인치(225mm) 가변속도 블러쉬리쓰 송풍기일 수 있다. 한 실시예에서, 공기 연료 밸브조립체(54)는 버너조립체(18)의 작동을 위해 20:1의 연소량 제어비(turndown ratio)를 제공한다. 즉, 연료/공기 혼합비 및 송풍기(60)의 속도는, 버너조립체(18)로부터 구해지는 버너 최대출력의 5%내지 100% 열원을 제공하도록 조정될 수 있다.
다른 실시예에서, 연료 및 공기는 연소실로 개별적으로 유입(channel)될 수 있다. 예를 들어, 공기 도관 및 연료 도관은, 공기와 연료를 각각 전달하기 위해 버너조립체와 개별적으로 연결될 수 있다.
도 4는, 도 2에서 부분적으로 숨겨진 연료 가스 트레인(gas train)(56)을 도시하는 사시도이다. 연료는 예를 들어, 압축천연가스(CNG)와 같은 복수 개의 적합한 가스들을 포함할 수 있다. 상기 CNG의 화학적 조성은 변화할 수 있고 다수의 적합한 조성들이 고려될 수 있다. 한 실시예에서, 상기 CNG는 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 펜탄(pentane), 질소(N2) 및 이산화탄소(CO2)를 포함한다. 상기 가스트레인(56)은 연료를 안전 셧오프 밸브(safety shutoff valve)(SSOV)(66)까지 공급도관(64)아래로 유동시키고, 상기 안전 셧오프 밸브는 SSOV 액추에이터(68)에 의해 개폐된다. 상기 액추에이터(68)는 티(tee)(70)와 가요성 가스 튜브(72)와 같은 하류압력원에 연결된 조정기에 의해 구동된다. 상기 가스튜브(72)를 통과하는 유동은, 예를 들어, 4.0인치 물기둥(water column)과 같은 최소 임계가스압력이 도달되지 않는다면 밀폐된 상태를 유지하는 압력스위치(74)에 의해 조정될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 가스트레인(56)은 또한, 2.6인치 물기둥의 압려과 같은 미리정해진 한계값아래로 연료압력이 떨어지면 상기 SSOV 액추에이터(68)를 밀폐시킬 수 있는 (도면에 도시되지 않는) 저 가스압력 스위치(low gas pressure switch)를 가질 수 있다. 상기 가스트레인(56)은 또한 1인치 볼 밸브와 같은 수동식 셧오프 밸브(76)를 포함할 수 있다. 상기 가스트레인(56)은, (도 3에 도시된) 공기 연료 밸브 조립체(54)에 연결된 연료유입구 플랜지(58)에서 끝난다.
도 5는 도 2에 도시된 물가열시스템의 측단면도이고, 도 6은 버너조립체(18)의 측단면도이며, 도 7은 버너조립체(18)의 분해사시도를 도시한다. 도 5 내지 도 7을 참고할 때, 열교환기 조립체(14)는 한 개이상의 열교환기 튜브(20)들이 고정되는 원통형의 쉘(shell)(78)을 포함한다. 상기 쉘(78)은 실시예에서 스테인레스 강으로 제조될 수 있다. 가열되는 물이 물유입구 도관(12)으로부터 상기 쉘(78)내부로 유입되고 쉘을 유출하여 물 유출구 도관(16)으로 유동한다. 상기 물가열시스템(10)은, 가열된 물을 위한 홀딩 탱크가 없는 탱크리스(tankless) 구조를 가진다. 상기 물가열시스템(10)내부에서 물이 쉘(78)내부를 유동한다.
본 발명의 실시예에서, 열교환기 튜브(20)는 나선형의 코일구조를 이루는 외부튜브(80) 및 나선형의 코일구조를 이루며 외부튜브(80)내부에 배열된 내부튜브(82)를 포함한다. 예로서 제공되는 구조에서, 상기 물가열시스템(10)의 하부에서 열교환 튜브(80,82)를 고정하기 위해 튜브시트(tube sheet)(84)가 제공된다. 상기 튜브시트(84)는 중심의 개구부를 가지고 둥글고 볼록한 구조를 가진 스테인리스 강판을 포함한다. 상기 튜브시트(84)는 나선형으로 감긴 튜브(20)들을 수용하기 위해 예각으로 기계가공되는 관통구멍들을 가진다. 상기 열교환기 튜브(20)는 또한 짝을 이루며 예각으로 구부러지고 상기 튜브시트(84)내부로 블레이징가공된다. 상기 튜브시트(84)는 브레이징가공되거나 그렇지 않으면 내경에서 버너조립체(18)에 밀봉(버너조립체를 통해 조립)되고 외경에서 상기 쉘(78)에 밀봉된다.
열교환기 조립체(14)의 상부에서, 상기 열교환 튜브(80,82)들이 브레이징가공되거나 그렇지 않으면 배플(baffle) 조립체(86)에 고정되고, 나선형 튜브(20)주위에서 물유동을 깔때기모양으로 형성하기 위해 상기 배플조립체는 물가열기의 쉘(78) 및 연소실의 상부사이에 배열된다. 상기 배플조립체(86)는, 표면온도를 국소적으로 감소시키고 스케일(scale) 증가를 방지하거나 적어도 감소시키는 두 가지 장점을 제공한다. 한 실시예에서, 고속 배플 조립체(86)는, 동심구조의 구멍 또는 중심 오리피스를 가진 둥근 스테인레스 강판이다. 상기 배플 조립체(86)는, 나선형 튜브(20)들을 수용하기 위해 반경방향으로 균일하게 배열되고 기계가공된 구멍들을 포함한다. 중심의 오리피스는, 제 2 유체 도관(21)내부에서 상향으로 유동하는 물을 국소영역까지 향하게 하거나 유동시키는 장점을 제공한다. 상기 오리피스는, 국소적으로 물 속도를 증가시키기 위해 수축부(constriction)를 제공한다. 한 예에서, 상기 오리피스는 초당 8피트보다 큰 물속도를 제공한다. 국소 물속도를 증가시켜서, 열교환기 튜브(20)의 표면에서 스케일의 증가가 방지되거나 적어도 상당히 지연되어, 열교환기의 작동수명이 증가된다. 또한, 국소 물속도가 증가하면 부품의 표면온도는 더욱 차갑게 유지된다. 연소실 유출구의 온도는 가장 높기 때문에 상기 구성은 열교환기의 상부와 근접한 위치에서 특히 중요하다. 탄성중합체 재료로 제조된 배플 가스켓(88)은 또한 배플 조립체(86)와 쉘(78)사이에 설치될 수 있다. 상기 배플 가스켓(88)은, 물이 상기 배플 조립체(86)와 쉘(78)사이에서 유동하는 것을 방지한다.
나선형 튜브(20)(예를 들어, 80,82)는 스테인레스 강으로 제조되고 튜브 외측 표면에서 요홈 등을 포함할 수 있다. 상기 요홈들은 상기 튜브(20)에서 유동하는 물의 속도와 난류를 증가시켜서 고온가스로부터 물로 열전달을 개선시킨다. 나선형 구조는 또한, 열팽창 및 수축에 의해 발생되는 응력을 감소시킨다. 상기 튜브들이 각각의 단부에서 구속(튜브시트(84)와 배플조립체(86)에서 브레이징 가공)되더라도, 나선형 형상은 브레이징 조인트에 과응력을 발생시키지 않고도 상당한 팽창 및 수축을 허용한다.
열교환기 튜브(20)들, 튜브시트(84) 및 배플 조립체(86)와 같은 상기 열교환기 조립체(14)의 쉘(78)내부에 배열된 부품들은, 새로운 물에 의한 부식작용을 감소하기 위한 부식 보호기능을 가질 수 있다. 실시예에서, 상기 부품들은 무전해 니켈 도금(electroless nickel plating)된다. 실시예에서 상기 니켈도금은 0.0003인치 내지 0.001인치의 범위를 가질 수 있다. 스테인레스강 부품들을 용접하고 브레이징가공하며 무전해 니켈도금의 마무리 가공을 조합하여 열교환기의 수명이 개선된다.
상기 열교환기 조립체(14)는 또한, 열교환기 튜브(20)들내부로 유동하는 물의 온도를 상승시키기 위한 열원을 제공하기 위해 버너 조립체(18)를 포함한다. 도시된 실시예에서, 상기 버너 조립체(18)는 상기 쉘(78)의 하부와 일치하고 밀봉된다. 상기 버너 조립체(18)는 나선형의 열교환기 튜브(20)들의 개방 중심부를 통해 상향으로 연장되는 원통형의 연소실(90)을 포함한다. 상기 쉘(78)의 상부와 근접한 상기 연소실의 끝 단부에서 (예를 들어, 고온 가스와 같은) 연소생성물들은 상기 배플 조립체(86)내부에 위치한 열교환기 튜브(20)들의 개방단부를 향한다. 다음에, 상기 고온가스는 연소실의 외측부주위에서 상기 열교환기 튜브(20)들내부로 하향 유동하고 최종적으로 상기 조립체의 기저부에서 연소배기가스 매니폴드(22)외부로 유동한다. 동시에, 물은 상기 열교환기 튜브(20)주위에서 물유입구 도관(12)으로부터 조립체 상부의 물 유출구 도관(16)을 향해 상향으로 유동한다.
도 7은 버너 조립체(18)의 분해사시도이다. 상기 연료/공기 혼합물이 송풍기 측 유입구 매니폴드(62)를 통해 유입되고 반경방향의 연소실(90)내에서 점화된다. 상기 버너 조립체(18)는 화염 막대(flame rod)와 같은 화염 감지기(94) 및 솔레노이드 작동식 점화기(92)를 포함하고, 상기 감지기의 출력이 시스템 마이크로프로세서(38) 또는 CPU에 전달된다. 상기 CPU는, 상기 화염막대가 연소가 조기에 종료된 것을 표시하는 경우에 안전한 정지(shutdown)를 명령할 수 있다. 상기 버너 조립체(18)는 또한, 온도 변화(exursion), 냉각작용 등이 존재하는 동안 열교환기 튜브(20)로부터 조금씩 떨어지는 액상 물로부터 상기 점화기(92)와 다른 부품들을 보호하기 위한 습기 장벽(moisture barrier)을 제공하기 위해 응축물 보호장치(condensate shield)(96)를 포함할 수 있다. 상기 버너 조립체(18)는 흡기구 매니폴드(62)에 장착된다. 실시예에서, 결합 판(mating plate)(98)은 흡기구 매니폴드(62)상에서 플랜지에 볼트연결되고, 파이버플랙스® 가스켓과 같은 고온 씰(100)은 연소실(90)에서 발생된 열로부터 상기 흡기구 매니폴드를 보호한다.
도 8A 내지 8D는 도 5에 도시된 물가열시스템(10)의 외부사시도이다. 도 5및 도 8A 내지 도 8D를 참고할 때, 물가열시스템(10)은 밀봉된 연소용기(102)를 포함할 수 있고, 상기 연소용기는 종래기술의 용기 또는 캐비넷에 대해 작동상 잇점을 제공한다. 한가지 특징으로서, 상기 연소용기(102)는 유입공기를 상기 버너 조립체(18)에 대해 조정하는 수단을 제공한다. 다른 특징으로서, 상기 연소용기(102)는 물가열시스템의 조용한 작동을 보장하는 수단을 제공한다.
상기 연소용기(102)는, 판재금속패널(panel)들로부터 제조되고 밀봉된 내부환경을 제공하도록 조립된다. 도 8A 내지 도 8C는 밀봉된 연소용기(102)의 실시예를 도시한다. 상기 연소용기(102)는 전방 도어 조립체(door assembly)(104) 및 전방 패널(106)을 포함한다. 도 8A에 도시되지 않지만, 상기 전방 도어 조립체(104)는, 예를 들어, 전기 패널, 스위치, I/O 전기선 박스조립체, 전원박스 조립체, 프로그램가능한 C- More RS 232 제어 인터페이스 및 공기 필터(52)로 접근할 수 있도록 개방된다. 상기 연소용기(102)는 또한, 상부 패널(108), 기저부 커버 패널(110), 우측부 패널(112a) 및 좌측부 패널(112b)을 포함한다. 상기 연소용기(102)의 후방면은, 물유입구 도관(12), 물 유출구 도관(16), 공기 흡기 포트(114), 연소배기가스 매니폴드(22), 가스 트레인 연결부(56) 및 다른 트랩(trap)들과 배출구를 포함하기 위한 복수 개의 커버들 및 패널들을 포함할 수 있다. 한 실시예에서, 상기 연소용기(102)의 후방면은, 좌측후방 패널(116), 파이프 커버(118), 상부우측 후방패널(120), 접근 패널(122), 우측부패널(124), 우측후방 하부패널(126) 및 후방 하부패널(128)을 포함한다. 또한, 상기 패널들은 밀봉상태의 용기를 제공하기 위해 인터록킹(interlocking)되거나 서로 고정된다. 한 실시예에서, 상기 패널들은 교체 및/또는 정비작업을 위해 주요부품들로 용이하게 접근하기 위해 일체구조 및 신속- 구속해제(quick- release)기능을 가진 1/4 회전(quater- turn)의 래치(130)들을 포함한다. 상기 래치 설계는, 정상적으로 작동하는 동안 전체 용기(102)를 완전히 밀봉된 상태로 유지하고 패스너(fastener)의 제거작업을 위한 공구를 이용하지 않고도 서비스를 허용한다.
본 발명의 한 특징에 의하면, 상기 연소용기(102)는 상기 버너 조립체(18)에 대해 유입되는 공기를 조정하기 위한 수단을 제공한다. 한 예에서, 상기 조정작용(conditioning)은 공기의 여과(filtering)를 포함한다. 상기 연소용기(102)는, 연소공기 여과시스템을 위한 공간(plenum)(132)(도 5)을 가진다. 상기 연소공기 여과시스템은, 미크론 크기의 입자들이 상기 버너 조립체(18)로 유입되어 중요한 버너 재료를 막아버려서 열악한 연소에 의해 고비용의 정비를 요구할 수 있는 가능성을 감소시킨다. 한 예에서, 공기 연료 전달시스템(50)에 연결된 공기 필터(52)는 상기 용기내에 배열되어, 공기연료 밸브조립체(54)를 향한 공기유동은 상기 공간(132)으로부터 흡입된다. 선택적 실시예에서, 공개된 시스템의 여과효율은 ISO 5011에 따라 시험될 때 약 96% 내지 약 99% 범위를 가진다.
또 다른 실시예에서, 상기 연소용기(102)는 작동 온도범위를 안정화하여 유입공기를 조정한다. 이와 관련하여, 상기 물가열시스템(10)은 추가로, 예비가열된 연소공기 전달시스템을 포함한다. 상기 연소용기(102)에 의해 형성된 공간(132)은 외부환경의 온도 극한값들을 감소시키고 공기를 안정한 온도범위에서 상기 버너 조립체(18)로 공급하기 위해 이용된다. 예를 들어, 연소에 이용되는 외부 공기온도는 전형적으로 -20℉ 내지 120℉(-28.9℃ 내지 48.9℃)의 범위를 가지며 140℉(77.8℃)차이 또는 델타(delta)를 나타내고, 시스템은 상기 차이를 허용해야 한다. 예비가열된 연소 공기 전달 시스템은 작동 공기온도 범위를 약 50℉ 내지 90℉(10.0℃ 내지 32.2℃) 및 40℉ 델타까지 감소시킨다. 작동온도 범위가 상대적으로 작아서, 온도변화에 기인한 공기밀도의 감소에 의해 연소안정성이 개선된다. 예를 들어, 외부온도가 90℉이상일 때 공기는 온도를 감소시키기 위해 실내공기와 혼합된다. 외부공기가 50℉이하일 때, 용기는 고립되어 있기 때문에, 상기 연소용기(102)로 유입된 공기는 용기내부의 열의 적어도 일부분을 흡수한다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 연소용기(102)는 물가열시스템의 조용한 작동을 보장하는 수단을 제공한다. 상기 연소용기(102)는, 작동하는 동안 용기로 부터 발생되는 대기소음(ambient noise)을 감소시키기 위해 음향 차폐(acoustical sound proof) 재료로 라이닝될 수 있다. 한 실시예에서, 상기 연소용기(102)외부에서 측정된 음향압력수준(sound pressure level)은, 유니트가 100% 입력(최대 능력)에서 작동할 때 약 55dB이다. 상기 음향수준은 3.3피트(1m)거리에서 라디오 또는 텔레비전의 낮은 볼륨 설정상태와 유사하다. 상기 차폐재료(134)는 선택적인 실시예에서 스탠바이 손실(standby losses)을 1%이하로 감소시키는 또 다른 잇점을 가진다.
상기 설명과 같이, 물 유입구 센서(28), 혼합수 감시용 센서(30) 또는 물 유출구 센서(32)와 같은 시스템 센서들의 데이터 출력이, (도 5의) 프로세서(38)에 연결되어 물가열시스템(10)을 작동하거나 물가열시스템의 상태를 감시하게 된다. 작동시, 상기 프로세서(38)의 적어도 일부분( 또는 일부 실시예에서, 별도의 프로세서)은 동적 사전부하감지장치로서 구성될 수 있다. 바이패스 펌프(26)가 작동할 때, 상기 동적 사전부하감지기(DLA)는 혼합수 감시용 센서(30)로부터 발생된 입력을 기초하여 물가열시스템의 물유출구 온도를 제어할 수 있다. 한 실시예에서, 상기 DLA는, 물가열기의 유출구 온도를 제어하는 알고리듬을 가지고 프로그램된다. 상기 실시예에서, 상기 온도는, 상기 혼합수 감시용 센서(30)의 측정값 변화에 기초한 동적부하(유동)변화가 작용할 때 2 ℉내로 제어된다. 상기 프로세서(38)는 예를 들어, 가스 점화되는 공기연료 연소시스템(18)을 입력의 5%내지 100%로부터 조절(modulation)하도록 명령한다.
표 1은, 상기 프로세서(38)내부에 프로그램될 수 있는 알고리듬의 예를 도시한다. 상기 예에서, 바이패스 펌프(26)는 대략 15 GPM을 순환시킬 때 136℉의 온도로 분당 50 갤론의 연속적인 물 수요량(demand rate)을 공급하기 위해 상기 물가열시스템(10)은 시간당 1 백만 BTU를 제공한다. 상기 혼합수 감시용 센서(30)는 상기 열교환기 조립체(14)로 유입되는 혼합된 물의 온도를 나타내는 데이터를 제공하며, 상기 데이터는 설정점 또는 목표 유출구온도와 비교하여 상기 열교환기 튜브(20)에 추가되어야 할 열에너지의 양을 계산하기 위해 이용될 수 있다. 물유출구 도관(16)으로부터 발생된 가열상태의 물 중 적어도 일부분이 물유입구 도관(12)으로 다시 순환되고 순환유동율은 공지되거나 고정된 값이기 때문에, 상기 온도를 상기 설정점까지 상승시키기 위해 필요한 열에너지의 양은 순환유동율로부터 예측될 수 있다. 선택적 실시예에서, 상기 물유출구 센서(32)는 상기 알고리듬에 대한 추가 또는 보조적인 계산을 위해 상기 열교환기 조립체(14)를 떠나는 물의 온도를 상기 프로세서(38)로 제공할 수 있다.
혼합수 감시용 온도
센서입력		 공기/연료 밸브 위치
(% 개방)
85℉ 100%
86℉ 90%
87℉ 80%
88℉ 70%
89℉ 60%
90℉ 50%
94℉ 40%
103℉ 30%
118℉ 20%
134℉ 10%
136℉ 0%
한 실시예에서, 상기 프로세서(38)는, 바이패스 펌프(26)가 적정하게 작동하는 지를 확인하기 위해 상기 유입구 센서(28)와 혼합수 감시용 센서(30)사이에서 차이를 감시할 수 있다. 한 실시예에서 상기 물유입구 센서(28)와 혼합수 감시용 센서(30)는 온도를 측정한다. 상기 펌프(26)가 고장나면, 가열된 물은 새로운 물과 혼합되지 못하고, 상기 유입구 센서(28)와 혼합수 감시용 센서(30)사이에 온도차는 무시할 수 있는 정도이다. 이 경우, 상기 프로세서(38)는 물가열시스템(10)이 피드백(feed back) 제어모드와 같은 고장방지(failsafe) 작동모드로 전환되도록 명령할 수 있다. 상기 피드백 제어모드에서, 버너 조립체(18)의 작동은 물유출구 센서(32)에 응답한다. 상기 프로세서(38)는 또한 예를 들어, 상기 전방 도어 조립체(104)에서 고장 표시기를 판독하게 할 수 있다. 상기 작용은 물가열시스템(10)의 작동을 종료하거나 구속하지 못하지만, 작업자에게 오작동이 있다는 것을 표시한다.
물유입구 센서(28)는 또한, 유입구 물을 추가하기 위해 필요한 열에너지량을 용이하게 결정하기 위해 DLA 내에서 추가 데이터를 알고리듬에 제공할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 프로세서(38)는 또한 열/연소 효율의 측정값으로서 물가열시스템(10)의 연도가스온도를 감시하기 위해 연소 배기가스 센서(36)를 감시할 수 있다. 열교환기 튜브(20)의 표면들에 스케일이 발생하면, 효율은 감소되고 연도 가스온도는 증가한다. 한 실시예에서, 상기 프로세서(38)는 연도가스온도(36)가 제 1 임계값에 도달할 때 경고를 보낼 수 있다. 상기 온도(36)가 더 높은 제 2 임계값에 도달하면, 프로세서(38)는 효율을 유지하도록 연료전달시스템(50)에 대해 공기/연료 비율을 변화시키도록 명령할 수 있다. 상대적으로 더 높은 제 3 임계값이 도달되면, 상기 물가열시스템(10)은 작동정지되고 스위치 오프되며 상기 열교환기 조립체(14)의 청소가 필요하다. 단계적으로 형성된 임계값 한계들 및 계속적으로 작업자에게 정비를 통지하는 것은, 열교환기 조립체(14)가 부식 손상을 겪을 가능성을 감소시킨다.
본 발명이 다수의 구체적인 실시예들을 참고하여 설명되지만, 본 발명의 사상 및 범위는 본 명세서에 의해 뒷받침되는 청구범위에 의해서만 결정되어야 한다. 또한, 시스템들, 장치들 및 방법들이 특정 갯수의 요소들을 가진 것으로 설명되는 다수의 경우들에서, 시스템들, 장치들 및 방법들은 상기 개수의 요소들보다 적은 갯수로 실현될 수 있다. 또한, 다수의 특수한 실시예들이 설명되지만, 각 실시예들을 참고하여 설명되는 특징들과 특성들은 각각의 상기 나머지 실시예들과 함께 이용될 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 방법들의 샘플들은 다음과 같다.
설명(0052) 물가열시스템을 작동하기 위한 방법은, 열교환기 조립체, 상기 열교환기 조립체에 물을 공급하기 위한 물유입구 도관, 수요에 대해 가열된 물을 제공하기 위해 상기 열교환기에 연결된 물유출구 도관, 상기 열교환기 조립체내에서 물을 가열하기 위한 열원 및 상기 물유출구 도관을 상기 물 유입구 도관에 연결하는 바이패스 도관을 제공하는 단계,
열교환기내부의 물을 설정점 온도까지 가열하는 단계,
상기 바이패스도관내부의 가열된 물의 적어도 일부분을 물유입구 도관내부의 물과 혼합하는 단계,
물유입구 도관내부의 물이 열교환기 조립체내부로 유입되기 전에 물의 제 1 파라미터를 감시하는 단계,
물유출구 도관에서 설정점온도를 달성하기 위해 물의 상기 제 1 파라미터에 응답하여 열원을 제어하는 단계를 포함한다.
설명(0053): 상기 설명(0052)의 방법에서, 물유출구 도관으로부터 물유입구도관까지 가열된 물의 적어도 일부분을 유동시키는 단계는, 가열된 물을 일정한 유동율로 상기 물유입구 도관까지 펌핑하는 단계를 포함한다.
설명(0054): 상기 설명(0052)의 방법에서, 감시되는 제 1 파라미터는 온도이고, 열원은 버너 조립체이며, 열원을 제어하는 단계는 버너조립체를 위한 공기연료 밸브의 조정(modulation)을 조절하는 단계를 포함한다.
설명(0055): 상기 설명(0052)의 방법은 추가로, 물유출구 도관에서 물유출구 센서를 제공하는 단계, 물유출구 센서를 감시하는 단계 및 상기 물유출구 센서에 응답하여 열원을 제어하는 단계를 포함한다.
설명(0056): 상기 설명(0052)의 방법에서, 열원은 버너 조립체이고, 상기 방법은 추가로, 물가열시스템을 위한 밀봉된 용기를 제공하는 단계를 포함하며, 상기 용기는 내부의 공기 공간을 형성하고, 상기 방법은 추가로 상기 공간내부의 공기가 버너조립체내부로 유입되기 전에 공기를 조정(conditioning)하는 단계를 포함한다.
설명(0057): 상기 설명(0056)의 방법에서, 상기 공간내부의 공기를 조정하는 단계는 공기를 여과하는 여과 단계를 포함한다.
설명(0058): 설명(0057)의 방법에서, 상기 여과 단계는 ISO 5011에 따라 시험될 때 약 96%내지 약 99%의 여과효율범위를 달성한다.
설명(0059): 설명(0056)의 방법에서, 상기 공간내부의 공기를 조정하는 단계는 약 50℉내지 약 90℉의 온도범위로 공기를 예열하는 단계를 포함한다.
설명(0060): 설명(0056)의 방법은 또한 스케일의 누적을 감소시키기 위해 열교환기 조립체내부의 물 속도를 국소적으로 증가시키는 단계를 포함한다.
설명(0061): 설명(0060)의 방법에서, 속도는 적어도 초당 8 피트까지 증가된다.
10...물가열시스템,
12...물유입구 도관,
16...물유출구 도관,
18...버너조립체,
20...제 1 유체도관,
21...제 2 유체도관,
22...연소 배기가스 매니폴드,
24...바이패스 도관,
26...펌프,
28...물유입구 센서,
30...혼합수 감시용 센서,
32...물유출구 센서,
34...공기 유입구센서,
38...프로세서.

Claims (27)

  1. 열에너지의 공급원을 제공하기 위한 버너조립체를 포함하고, 상기 버너조립체는 연소실, 상기 연소실에 공기 유동을 제공하는 공기 흡기구 및 상기 연소실에 연료를 공급하는 연료 유입구를 포함하며,
    상기 버너조립체에 작동하게 연결되는 열교환기 조립체를 포함하고, 상기 열교환기 조립체는 제 1 유체 도관 및, 상기 제 1 유체 도관과 열 교환하는 제 2 유체 도관을 포함하며,
    가열되어야 할 새로운 물을 공급하기 위해 상기 열교환기 조립체의 제 1 및 제 2 유체 도관들 중 한 개의 유체 도관에 연결된 물유입구 도관을 포함하고,
    가열된 물을 사용위치로 전달하기 위해 상기 물유입구 도관과 연결된 유체 도관에 연결되는 물유출구 도관을 포함하며,
    상기 물유출구 도관을 물유입구 도관에 연결하는 바이패스 도관을 포함하고,
    가열된 물의 적어도 일부분을 상기 물유출구 도관으로부터 물유입구 도관으로 일정 유동율로 순환시켜서 새로운 물과 재순환된 물의 혼합수를 상기 열교환기 조립체에 제공하기 위해 상기 바이패스 도관내에 배열된 일정 유동율의 펌프를 포함하며,
    상기 열교환기 조립체로 유입하는 혼합수의 파라미터를 감시하기 위해 상기 열교환기 조립체와 바이패스 도관사이에서 물유입구 도관내에 배열된 혼합수 감시용 센서를 포함하고,
    상기 혼합수 감시용 센서에 의해 감시되는 혼합수의 파라미터를 기초하여 열교환기 조립체의 물유출구에서 일정한 설정점 온도를 유지하도록 상기 버너조립체의 작동을 피드포워드 제어하는 프로세서를 포함하는 것을 특징으로 하는 물가열시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 열교환기 조립체는, 열교환기 코일내부를 제외하고 열교환기 조립체내부에 물을 보유하지 않는 탱크없는 열교환기 조립체인 것을 특징으로 하는 물가열시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 버너조립체는 가스상태의 연소생성물을 형성하기 위하여 연료와 산화제를 연소하기 위한 연소실을 포함하고, 상기 물가열시스템은 추가로 상기 연소생성물을 물가열시스템으로부터 유동시키기 위해 연소 배기가스 매니폴드를 포함하는 것을 특징으로 하는 물가열시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 유체 도관은 열교환 튜브를 포함하고, 상기 열교환튜브의 제 1 단부는 버너조립체의 연소생성물과 연결되고 상기 열교환튜브의 마주보는 제 2 단부는 연소배기가스 매니폴드와 연결되는 것을 특징으로 하는 물가열시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 열교환튜브는 나선형인 것을 특징으로 하는 물가열시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 열교환튜브는 외부 나선형 튜브를 포함하고, 상기 외부나선형 튜브는 내부나선형 튜브를 둘러싸는 것을 특징으로 하는 물가열시스템.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 혼합수 감시용 센서는 온도센서인 것을 특징으로 하는 물가열시스템.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 프로세서는 혼합수 감시용 센서를 감시하고 상기 혼합수 감시용 센서에 응답하여 버너조립체를 작동시키도록 명령하는 것을 특징으로 하는 물가열시스템.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 프로세서는 프로세서내부에 저장된 알고리듬에 따라 버너조립체를 작동시키도록 명령하며, 상기 알고리듬은 상기 혼합수 감시용 센서의 판독을 입력으로 가지고 버너조립체의 조정(modulation)을 출력으로서 가지는 것을 특징으로 하는 물가열시스템.
  10. 제 9 항에 있어서, 연료와 산화제가 버너조립체로 유입되기 전에 예비혼합하는 연료전달시스템을 추가로 포함하고, 상기 버너조립체의 조정은 공기연료 전달시스템의 공기 연료 밸브위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 물가열시스템.
  11. 제 9 항에 있어서, 물유출구도관내부로 유입되는 가열상태의 물의 파라미터를 감시하기 위한 물유출구 센서를 추가로 포함하고, 상기 물유출구 센서는 상기 열교환기 조립체와 바이패스 도관사이에 배열되는 것을 특징으로 하는 물가열시스템.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 물유출구 센서는 프로세서내부에 저장된 상기 알고리듬에 추가로 입력을 제공하는 것을 특징으로 하는 물가열시스템.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 물유입구도관을 유입하는 새로운 물의 파라미터를 감시하기 위한 물유입구 센서를 추가로 포함하고, 상기 물유입구센서는 상기 바이패스 도관의 상류위치에 배열되는 것을 특징으로 하는 물가열시스템.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 바이패스 펌프가 가열된 물의 일부분을 물유출구 도관으로부터 물유입구도관까지 순환시키고 물유입구 도관으로 유입되는 새로운 물과 혼합하여 혼합된 물을 열교환기 조립체로 공급하는 지를 결정하기 위해, 상기 프로세서는 상기 혼합수 감시용 센서와 물유입구센서를 감시하는 것을 특징으로 하는 물가열시스템.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 바이패스 펌프가 가열된 물의 일부분을 물유출구 도관으로부터 물유입구 도관으로 순환시키지 못하는 것을 감지하기 위해 상기 프로세서는 물유입구 센서(28)의 온도와 혼합수 감시용 센서(30)의 온도사이의 온도차를 계산하는 것을 특징으로 하는 물가열시스템.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 바이패스 펌프가 가열된 물의 일부분을 물유출구 도관으로부터 물유입구 도관으로 순환시키지 못하면, 상기 프로세서는 물가열시스템의 오작동을 표시하고 물유출구 도관 내부에서 물유출구 온도센서의 측정값을 감시하는 것을 특징으로 하는 물가열시스템.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 열교환기 조립체는 추가로 상기 제 2 유체도관내부의 물속도를 증가시키기 위해 배플 조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 물가열시스템.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 배플 조립체는 오리피스를 가진 판을 포함하고, 상기 오리피스를 통해 물의 속도가 증가하는 것을 특징으로 하는 물가열시스템.
  19. 삭제
  20. 제 1 항에 있어서, 상기 열교환기 조립체에 제공된 재순환된 물과 새로운 물은, 40% 체적비율의 새로운 물과 60% 체적비율의 재순환된 물을 포함한 혼합물에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 물가열시스템.
  21. 제 1 항에 있어서, 공간을 형성하는 밀봉된 용기를 추가로 포함하고, 상기 공간은 버너조립체의 흡기구와 연결되는 것을 특징으로 하는 물가열시스템.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 공간은 상기 용기내에서 연소공기 여과시스템을 위해 제공되며, 상기 연소공기 여과시스템은 공기흡기구 유동으로부터 공기중의 미세입자를 제거하기 위해 버너조립체에 연결된 공기 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 물가열시스템.
  23. 삭제
  24. 제 21 항에 있어서, 상기 공간은 상기 용기외부의 온도한계를 감소시키기 위해 예비가열된 연소공기 전달시스템을 위해 제공되고, 예비가열된 연소공기 전달시스템은 외부온도가 - 20℉내지 120℉의 범위에 있을 때 50℉내지 90℉의 온도범위에서 유입구 공기를 버너조립체로 공급하는 것을 특징으로 하는 물가열시스템.
  25. 제 21 항에 있어서, 작동하는 동안 상기 용기로부터 발생하는 대기소음을 감소시키기 위해 상기 용기의 내부표면에 연결된 음향 차폐(acoustical sound proof) 재료를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 물가열시스템.
  26. 제 25 항에 있어서, 물가열시스템이 최대 능력으로 작동할 때 용기외부에서 측정된 음향압력수준은 55dB 인 것을 특징으로 하는 물가열시스템.
  27. 제 21 항에 있어서, 상기 바이패스 도관은 상기 용기내에 배열되는 것을 특징으로 하는 물가열시스템.
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