KR20000011725U - 온수난방용 정온 밸브 - Google Patents

Abstract

본 고안은 온수난방의 균등 난방을 위하여 난방구획별로 난방수의 환수구측에 설치하여 난방수의 온도를 일정하게 유지할 수 있게 하기 위하여, 밸브 본체(1)의 내부가 칸막이(2)에 의하여 오리피스의 구조를 가진 디스크실(4)과 난방수가 유입되는 전실(3)로 양분되고 오리피스와 칸막이(2) 사이에는 디스크(5)를 내장하며 디스크의 축(6)은 칸막이(2)를 관통시켜 전실(3)쪽으로 빼낸 가운데 칸막이(2)와 축(6)의 후단 사이에 저항 스프링(8)을 장전시킨 것에 있어서, 상기 칸막이(2)와 디스크(5) 사이의 축(6) 부분에 저항 스프링(8)에 대응하는 형상기억합금제 반력 스프링(12)을 장전한 것이다.

Description

온수난방용 정온 밸브

본 고안은 온수난방의 균등 난방을 위하여 난방구획별로 난방수의 환수구측에 설치하여 난방수의 온도를 일정하게 유지할 수 있게 한 온수 난방용 정온 밸브에 관한 것이다.

온수식 난방시스템을 응용한 온돌식 난방은 라디에이터식 난방과는 방식적으로 판이하다. 온돌 난방은 축열에 의한 난방방식으로서, 라디에이터 난방 방식에 비해 난방수의 온도 및 난방온도의 강하량이 적고 난방수의 양이 많은 점이 특징이다.

온돌난방은 특히 난방균배에 있어서 라디에이터 방식에 비해 시공상 기술적으로 여러 곤란한 점이 있으므로 난방구획별 배관저항을 동일하게 유지하기 위하여 는 배관방식, 제어기기의 선택 등에 신중을 기하지 않으면 안된다. 그런데, 현실적으로는 난방구획별 배관저항을 동일하게 하는 것은 불가능에 가깝다. 아파트와 같이 수직적인 구조에서의 난방구획별 균배에는 그 어려움이 더하다. 이러한 난방균배의 어려움은 곧 주거생활의 쾌적도와 에너지 비용의 지출에 상당히 큰 영향을 끼치므로 그 대책마련이 절실하다.

아파트와 같은 수직적인 공동주택은 에너지 절약적 측면에서 난방배관에 관한 보다 엄격한 설계기준이 요구된다. 그 일례로 중앙집중식 난방공급체계가 적용된 아파트에서는 5개 층마다 난방배관의 입상 조닝(Zoning)을 설치하고 각 세대별로 난방에 사용된 열량을 측정하는 열량계와 난방온도의 자동제어용 온도조절밸브를 설치하도록 한 정부의 건설관련 규정을 들 수가 있다.

온도조절 밸브로서는 기온감지식 밸브와 수온감지식 밸브가 있다. 기온감지식 온도조절밸브는 난방수 순환계통의 말미에 설치하고 온도조절기는 실내의 바닥에서 1.2∼1.5미터 떨어진 벽에 설치하며 이들을 전기적 또는 기계적으로 연결하고, 온도조절기의 온도감지센서가 기온을 감지하여 발하는 신호로써 온수순환계통의 온수량을 조절하게 된다. 이에 대하여 수온감지식 온도조절밸브는 수온감지센서와 구동기구를 내장하여 그 내부를 통과하는 난방수의 온도에 따라 밸브의 개방면적을 조절하는 방식이다.

기온감지방식은 오래 전부터 라디에이터난방 방식에서 사용돼 온터라 이미 검증이 되었지만 온돌난방에서는 난방수가 고온인 채로 환수될 가능성이 있는 등 간헐난방에 있어서는 난방가동초기에 온수의 균배효과가 나타나지 않는 단점이 있다. 수온감지방식은 온돌난방의 특성을 고려하여 기온감지방식의 온도조절밸브의 문제점을 보완한 방식인 반면에 외기의 온도변화에 따른 보상효과가 적고 사용이 불편한 단점이 있다.

이렇듯 온도조절밸브는 온돌난방의 균등한 난방수 공급에 없어서는 안될 만큼 아주 중요한 장치이다. 그런데, 기온감지식 온도조절밸브의 경우 벽면에 설치된 수온감지센서와 배관내 난방수와의 열저항이 크고 반응이 늦어 2시간 남짓 운전되는 대부분의 간헐난방에서 제기능을 다발휘하지 못한다. 수온감지식 온도조절밸브는 자력으로 밸브내의 구동소자가 수압을 이기고 밸브를 폐쇄해야하는 구조로 되어 있다. 즉, 밸브의 오리피스를 중앙에 놓고 난방수 유입구측 공간과 출구측 공간으로 나눌 때 밸브의 마개는 출구측 공간에 놓여 오리피스를 빠져나온 난방수의 수압을 이기고 눌러 닫는 구조이다. 이를 반대로하여 난방수 유입구측 공간에 마개를 두고 난방수가 흐르는 방향으로 닫는 구조인 경우에는 이를 열고자 할 때 마개에 최대수압이 걸리므로 개방에 지장을 받는다.

그래서 난방용 온도조절밸브는 수압을 이기고 닫는 구조로 되어 있다. 이때, 수압의 영향을 덜기 위하여 다이어프램 혹은 파일로트형 압력순환구조를 채용한다. 수압의 영향을 극복하기 위해서는 구동소자의 힘이 필수적이다. 난방배관의 수압은 3∼5 kg/cm²이므로 각 세대에 유입되는 직경 25mm 배관을 제어하기 위해서는 10 kg/cm²이상의 힘을 발휘하는 작동소자가 필요하는데 대하여 온도조절밸브의 설치면적은 극히 제한적이므로 사실상 설치가 거의 불가능하므로 밸브에 의한 감압작용을 이용하여 적절히 줄여야 하는 형편이다. 그렇지만 압력순환방식 또한 구조가 복잡하여 고장이 잦고 제기능을 기대하기 어렵다.

기존의 온도조절밸브와 유사한 장치로 정유량밸브가 있다. 지역난방지구에서 온도조절밸브만으로는 난방균배의 효과가 부족하여 이를 보완하기 위해 온도조절밸브와 병행 설치하는 것이다. 정유량밸브는 배관압의 변화에 관계없이 단위시간당 일정한 유량만 통과시키는 기능을 수행한다. 아파트 각층의 세대별로 설치되어 난방수가 대량 소요되는 세대와 적게 공급되는 세대 사이의 온수량의 차이를 좁히는 기능을 수행함으로서 각 세대의 온도편차를 어느 정도는 줄일 수가 있다. 예컨대, 1회 난방가동시간 2시간 30분인 중앙난방방식에서 정유량밸브와 실내온도조절밸브를 부착하여 온돌난방을 제어한다고 가정하자. 그리고 난방조건이 좋은 세대와 난방조건이 나쁜 세대에 공히 정유량밸브를 부착하여 동일한 유량이 흐른다는 가정하자.

이때, 난방부하가 적은 세대는 난방가동시작시점에서 18℃이던 실내온도가 2시간 후에 24℃로 상승되어 난방수 환수측의 온도조절밸브가 폐쇄되었다고 하더라도 난방부하가 큰 세대는 실내온도가 상대적으로 낮아 온도조절장치가 아직 난방을 차단할 시점에 이르지 못한다. 난방부하가 적은 세대에서 차단한 난방수의 양만큼 난방부하가 큰 세대에 더 많은 양의 온수가 유입되어야 하지만 정유량 밸브가 부착되어 있으므로 유입되는 유량에는 변화가 없으며, 자연히 난방부하가 큰 세대의 온도조절밸브가 설정온도에 다달아 난방배관을 차단하는 시점은 지연될 수 밖에 없다. 다시말해서 정유량 밸브는 통과 유량을 낮게 설정하여 일부 세대의 극단적인 유수량 편중을 어느 정도 제어할 수는 있으나 세밀한 균배에 있어서는 상기의 경우처럼 오히려 방해가 될 수 있다.

즉, 상기와 같이 정유량 밸브와 실내온도조절밸브를 설치하는 제어방식은 온돌방식에서서는 합리적인 제어방식이 못된다. 난방부하가 큰 세대는 환수부의 온도가 낮고 난방부하가 적은 세대는 환수부의 온도가 높으나 정유량 밸브로는 이를 감지할 수가 없다는 것이다.

본 고안은 온도조절밸브나 정유량 밸브로는 곤란했던 난방균배의 역할을 수행할 수 있는 온돌난방용 정온 밸브를 제공하기 위한 것으로서, 밸브 본체의 내부가 칸막이에 의하여 오리피스의 구조를 가진 디스크실과 난방수가 유입되는 전실로 양분되고 오리피스와 칸막이 사이에는 디스크를 내장하며 디스크의 축은 칸막이를 관통시켜 전실쪽으로 빼낸 가운데 칸막이와 축의 후단 사이에 저항 스프링을 장전시킨 것에 있어서, 상기 칸막이와 디스크 사이의 축 부분에 저항 스프링에 대응하는 형상기억합금제 반력 스프링을 장전한 온수난방용 정온 밸브를 제공한다.

도 1 은 본 고안에 의한 온수난방용 정온 밸브로서, 난방수의 수온이 낮은 경우의 단면도

도 2 는 난방수의 수온이 높은 경우의 밸브의 단면도

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 밸브 본체 2 : 칸막이

5 : 디스크 6 : 축

8 : 저항 스프링 12 : 반력 스프링

도 1에서, 밸브 본체(1)의 내부는 칸막이(2)로 난방순환계통을 거쳐 온 난방수가 들어오는 전실(3)과 디스크실(4)로 양분되어 있고, 디스크실(4)에는 이면 중앙에 축(6)이 달린 디스크(5)가 내장되며, 디스크(5)의 축(6)은 칸막이(2)의 복판에 천공된 축공(7)을 관통하여 전실(3)측으로 노출된 가운데 칸막이(2)와 축(6)의 후단 사이에는 난방수 출구(b)를 개방하는 방향으로 디스크(5)가 쏠리도록 탄력이 작용하는 저항스프링(8)이 장전되어 있다. 전실(3)로 유입되는 난방수는 칸막이(2)의 통공(9)과 디스크(5)의 통공(10)을 거쳐 난방수 출구(b)로 빠져 나가게 되어 있다.

디스크(5)는 오리피스의 개방면적을 조절하는 마개의 역할을 한다. 즉, 전실(3)로 들어 온 난방수의 수압은 디스크(5)에 압력을 가하여 디스크(5)가 오리피스를 폐쇄하는 쪽으로 작용한다. 반면에 저항스프링(8)은 디스크(5)가 오리피스를 폐쇄하는 방향으로 움직이려는 것을 방해한다. 즉, 수압과 저항스프링(8)이 서로 상반된 방향으로 작용하여 디스크(5)의 위치가 정해진다. 수압이 높으면 저항스프링(8)의 반발력은 커지고 오리피스의 개방면적은 줄어 든다. 이러한 구조는 일반적인 정유량 밸브와 같다.

이러한 정온 밸브에 있어서, 본 고안은 칸막이(2)와 디스크(5) 사이의 축(6)부분에 반력 스프링(12)을 장전한 것이 특징이다. 반력 스프링(12)은 기존의 디스크개방용 저항 스프링(8)에 저항하여 디스크(5)로 하여금 난방수 출구(b)를 닫는 방향으로 쏠리게 작용하는 것으로, 일정한 수온일 때 팽창하도록 입력시킨 형상기억합금제이다. 형상기억합금제 반력 스프링(12)은 난방수가 설정온도 이하로 내려가면 급팽창하여 저항 스프링(8)을 이기고 디스크(5)를 오리피스쪽으로 밀어서 그 개방면적을 줄이는 역할을 수행하게 된다.

이 정온 밸브는 유입구(a)를 온수난방라인의 말단에 연결하여 순환계통을 거쳐 수온이 낮아진 난방수가 유입된 후 밸브 본체(1)의 내부를 거쳐 난방수 출구( b)로 유출되도록 설치한다.

난방수가 난방수 유입구(a)로 들어 와서 오리피스로 구성된 디스크 시트(11)을 거쳐 난방수 출구(b)로 나가던 중에 경시적으로 난방구획의 수온이 상승하면 난방공급측 온수의 수온과 난방수의 환수측 수온 사이에는 수온차가 점차 줄어 들어 난방수 환수측에 부착된 정온 밸브내의 수온이 형상기억합금제 반력 스프링(12)의 설정온도에 다다르면 형상기업합금의 팽창성 상변태에 의하여 디스크(5)를 디스크 시트(11)쪽으로 내밀어서 난방수 출구(b)를 좁히거나 폐쇄토록 한다.

오리피스와 난방수 유입구(b) 사이에 위치한 디스크(5)가 난방수의 유입압력에 의해 오리피스를 폐쇄하고 저항스프링(8)의 반발력에 의해 오리피스를 개방하는 구조로 구성된 종전의 정온 밸브에 있어서, 이처럼 형상기억합금제 반력 스프링(12)을 디스크(5)상에 장착하므로서 밸브를 통과하는 난방수의 수온이 올라갈수록 증대되는 형상기억합금제 반력 스프링(12)의 상태변력에 의해 디스크(5)가 저항 스프링(8)의 저항을 극복하고 오리피스를 폐쇄하려는 수압의 방향과 동일 방향으로 팽창하여 디스크(5)를 오리피스쪽으로 밀어내서 밸브를 통과하는 난방수의 유량이 감소되도록 한 것이다.

난방배관내의 수압은 변화가 심하기 때문에 이를 대항하도록 설치된 구동소자가 수압을 이기고 유로를 폐쇄한다는 것은 지극히 곤란한 일이다. 밸브의 개폐작용이 수온변화에 따라 비례적으로 수행하려는 시도에 의해 상기와 같이 작동소자가 수압에 대항하는 구조의 밸브가 제안되었으나 결과적으로는 작동소자의 힘은 설정온도에 의해 정해져 있지만 수압은 온도에 관계없이 단지 다른 난방구획의 개폐여부에 따라 변동하는 점을 간과한 탓에 이를 맞출 수 없었다. 구동소자의 힘을 예상되는 배관의 수압 최대치에 맞출 수 밖에 없었으며 오로지 ON-OFF기능만을 수행할 뿐이었다. 하지만 밸브가 ON-OFF를 하는 경우 배관에서 수격현상이 발생할 가능성이 높고 ON과 OFF 사이의 히스테리시스가 커져서 온도변화에 민감한 밸브의 작동을 저해하는 요인이 될 뿐이었다.

본 고안의 정온 밸브는 수압에 대항하는 힘은 저항스프링의 반발력으로 작용토록 하고 구동소자인 형상기억합금제 반력 스프링으로는 밸브 본체의 난방수 유입구와 오리피스 사이에 위치시켜 온도상승에 따른 형상기억합금의 상변태력으로 수압과 저항스프링의 반발력이 평형상태의 디스크를 오리피스쪽으로 밀어 밸브를 닫는 힘으로만 작용하도록 구성하였으므로 기존의 정온 밸브보다도 훨씬 적은 힘으로도 밸브를 제어할 수 있고, 수압의 변동에 대항하지 않으므로 히스테리시스의 변동폭이 적어 보다 안전한 밸브의 개폐작동결과를 얻을 수 있다.

이 정온 밸브는 난방순환계통의 환수부에 설치하여 난방구획별 유입수량이 동일하게 흐르도록 작동하다가 어느 한 난방구획의 환수측 온도가 올라가면 그 구획을 통과하는 난방수의 통과량을 줄이거나 차단하므로 난방구획별 난방온도의 균배에 큰 도움이 된다.

이상 설명한 바와 같은 본 고안의 정온 밸브를 아파트와 같이 다수의 난방구획이 종적으로 위치하는 난방배관의 환수측에 설치하면 난방수의 온도차에 따른 순환수두차에 의한 불균형이 해소되어 온돌난방의 큰 난제였던 균등난방 문제를 해소하면서 주거생활 쾌적도를 높일 수 있고 효율적인 에너지관리로 난방비용을 절감하는데 기여할 수 있다.

Claims (1)

1. 밸브 본체(1)의 내부가 칸막이(2)에 의하여 오리피스의 구조를 가진 디스크실(4)과 난방수가 유입되는 전실(3)로 양분되고 오리피스와 칸막이(2) 사이에는 디스크(5)를 내장하며 디스크의 축(6)은 칸막이(2)를 관통시켜 전실(3)쪽으로 빼낸 가운데 칸막이(2)와 축(6)의 후단 사이에 저항 스프링(8)을 장전시킨 것에 있어서, 상기 칸막이(2)와 디스크(5) 사이의 축(6) 부분에 저항 스프링(8)에 대응하는 형상기억합금제 반력 스프링(12)을 장전한 온수난방용 정온 밸브.