KR20000032699A - 가스 보일러의 온수유량 제어방법 - Google Patents

가스 보일러의 온수유량 제어방법 Download PDF

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Abstract

출탕되는 온수의 온도가 수압등의 이유로 인하여 사용자가 설정한 온도의 온수가 출탕되지 않을 경우 유량조절밸브를 제어함으로 사용자가 원하는 일정한 온도로 온수가 출탕되도록 하는 가스 보일러의 온수유량 제어방법에 관한 것이다.
이러한 본 발명은 유량을 검출하는 단계(S1); 온도를 검출하는 단계(S2); 열용량을 측정하는 출력검출단계(S3); 출력(열용량)이 최대인지 확인하는 단계(S4); 최대 출력(열용량) 일때 M이 m을 초과하면 유량제어단계(S6)로, 온수사용량 M이 온수공급량 m 이하 일때 다른 비교단계(S7)로 신호를 송출하는 비교단계(S5); M이 m 보다 적으면 유량제어단계(S6)로, M이 m과 같으면 유량검출단계(S1)로 신호를 송출하는 일 비교단계(S7); 최소출력(열요량) 일때 M이 m 미만이면, 유량제어단계(S6)로, M이 m 이상 이면, 일 비교단계(S9)로 신호를 송출하는 비교단계(S7); M이 m 보다 많으면 유량제어단계(S6)로, M이 m과 같으면 유량검출단계(S1)로 신호를 송출하는 일 비교단계(S9); 두 비교단계(S5,S9)에서 송출된 신호에 의해 유량을 감소 하도록 제어하고, 두 비교단계(S7,S8)에서 송출된 신호에 의해 유량을 증가 하도록 제어하는 유량제어단계(S6)로 이루어짐을 특징으로 하며 출탕되는 온수의 온도가 사용자가 설정한 온도의 온수가 출탕되지 않을 경우 유량조절밸브를 제어함으로 사용자가 설정한 온도의 온수를 지속적으로 사용할 수 있는 효과가 있다.

Description

가스 보일러의 온수유량 제어방법
본 발명은 가스 보일러의 온수유량 제어방법에 관한 것으로, 특히 직수관에 유량조절밸브를 장착하고, 온수관에 온도센서를 장착하여 출탕되는 온수의 온도가 수압등의 이유로 인하여 사용자가 설정한 온도의 온수가 출탕되지 않을 경우 유량조절밸브를 이용하여 제어함으로 사용자가 원하는 일정한 온도로 온수가 출탕되도록 하는 가스 보일러의 온수유량 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 가정용 가스 보일러는 열기관의 발달로 인하여 산업용으로 쓰이던 대형 보일러의 크기를 축소하고 다양한 제어 기능을 추가하여 일반 가정의 난방 및 온수를 공급하기 위해 제작되었다. 처음에 보일러를 구동하기 위한 연료는 석탄이나 기름을 사용하였으나 점차적으로 도시가스의 보급이 일반화 되면서 가스 보일러의 수요가 급증하게 되었다.
이러한 가정용 가스 보일러는 설치형태, 급탕방식, 배기방식 그리고 난방수의 순환방식 등에 따라 여러가지 형태로 나누고 있으나 편의상 설치형태와 급탕방식에 따라 나누는 것이 일반적이다. 상기와 같이 설치 형태에 따라 벽걸이형과 바닥 설치형으로 나누고 급탕방식에 따라 순간식과 저탕식으로 나누고 있다.
도 1은 종래의 가스 보일러의 내부 구조를 개략적으로 도시한 것으로 상기 도면을 참조하여 일반적인 가스 보일러의 구조를 살펴보면, 상기와 같은 가정용 가스 보일러의 내부는 가스관, 난방 공급관, 난방 환수관, 직수관, 온수관으로 배관되어 있으며, 상기 가스관에는 가스의 공급을 제어하기 위한 가스밸브(5)가 장착되어 있고, 가스관을 통해 유입된 가스를 연소하여 열을 얻기위해 트랜스(6)에 의해 점화되는 버너(4)를 내장한 가열부(2)가 내장되어 있다. 상기 가열부의 상부에는 난방용 관과 온수용 관이 엇갈려 배관된 열교환기(3)가 일체로 결합되고, 또한 상기 열교환기(3)의 상부에는 가열부(2)의 내부 연소작용을 원할하게 하기위한 흡기구(14), 배기구(15) 및 팬(16)이 장착된다.
수위감지를 위한 플로어트 스위치(10)가 장착된 팽창탱크(9)에는 난방 공급관, 난방 환수관, 오버플로우관 및 보충수 밸브(11)가 장착된 보충수관이 연결되어 있고, 상기 보충수관의 다른 단부는 직수관에 연결되어 있다. 상기 오버플로우관은 온도상승으로 물의 체적팽창이 발생할 경우 다른 부품의 고장을 방지하기 위해 물을 밖으로 배출하여 일정한 압력을 유지하도록 한다.
상기 열교환기(3)에는 난방수관, 직수관 및 온수관이 연결되며, 상기 난방수관에는 열교환기(3)와 가까운 위치에 보일러(1)의 과열방지를 위해 온도센서(8)를 장착하고 있고, 또한 난방모드/온수모드에서 난방수의 흐름을 전환시키는 3 방향밸브(12) 및 상기 열교환기(3)로 물의 흐름을 발생 시키는 펌프(7)가 장착되어 있으며, 상기 직수관에는 물의 흐름을 감지하기 위한 플로우센서(13)가 장착되어 있다. 또한 상기 스위치와 센서 및 밸브 등은 보일러의 이상 작동에 의해 발생하는 위험을 방지하기 위해 안전장치의 역할을 한다.
상기와 같은 구조를 갖는 가스 보일러(1)는 온수 사용시 플로우센서(13)의 물흐름검출에 의하여 온수의 온도를 높이는 역할만 수행하고 수압차에 의하여 온수의 유량 변화에 의하여 온수의 온도가 변화하는 것을 제어할 수 있는 기능이 없어 사용자는 온수사용에 있어 설정한 온도의 온수를 지속적으로 사용할 수 없는 문제가 있다.
그리고, 특허출원 제 96-9430 호의 "정온수 출탕을 위한 직수온도산정 및 제어방법"과 같이 온수의 온도를 제어할 수 있는 방법이 연구되어 있기는 하나, 이것은 초기 출탕되는 직수의 온도를 측정하여 이 온도를 온수 사용에 따라 상승하는 온도와 대비하여 가열량을 산정하여 제어하는 것이고, 또한 이러한 산정방법에 있어서 온수의 유량차이(급격한 수압차에 따라 변화하는 온수유량)는 가열량을 산정하는 데에 또 하나의 변수로 작용하므로 일정한 온수의 공급하도록 제어하기가 어려운 점이 있다.
따라서 본 발명의 목적은 상기한 결점들을 해소하고, 직수관에 유량조절밸브를 장착하고, 온수관에 온도센서를 장착하여 출탕되는 온수의 온도가 수압등의 이유로 인하여 사용자가 설정한 온도의 온수가 출탕되지 않을 경우 유량조절밸브를 이용하여 제어함으로 사용자가 원하는 일정한 온도로 온수가 출탕되도록 하는 가스 보일러의 온수유량 제어방법을 제공하는 데에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 직수관에 유입되는 유량을 검출하는 단계; 온수관에 흐르는 온수의 온도와 사용자가 설정한 온도를 검출하는 단계; 가스관에 흐르는 가스의 양을 측정하여 열용량을 측정하는 출력검출단계; 최대출력 일때 온수사용량과 온수공급량을 비교하는 일 단계로 신호를 송출하고, 출력이 최대가 아닐 때 온수사용량과 온수공급량을 비교하는 또 하나의 단계로 신호를 송출하는 출력(열용량)이 최대인지 확인하는 단계; 최대 출력(열용량) 일때 온수사용량이 온수공급량을 초과하면 유량제어단계로 신호를 송출하고, 온수사용량이 온수공급량 이하 일때 또 하나의 비교단계로 신호를 송출하는 비교단계; 온수사용량이 온수공급량보다 적으면 유량제어단계로 신호를 송출하고, 온수사용량이 온수공급량과 같으면 유량검출단계로 신호를 송출하는 또 하나의 비교단계; 최소출력(열요량) 일때 온수사용량이 온수공급량 미만이면, 유량제어단계로 신호를 송출하고, 온수사용량이 온수공급량 이상이면, 또 다른 하나의 비교단계로 신호를 송출하는 비교단계; 온수사용량이 온수공급량보다 많으면 유량제어단계로 신호를 송출하고, 온수사용량이 온수공급량과 같으면 유량검출단계로 신호를 송출하는 또 하나의 비교단계; 비교단계와 비교단계에서 송출된 신호에 의해 유량을 감소 하도록 제어하고, 비교단계과 비교단계에서 송출된 신호에 의해 유량을 증가 하도록 제어하는 유량제어단계로 이루어짐을 특징으로 하는 가스 보일러의 온수유량 제어방법에 있다.
도 1은 종래 가스 보일러의 내부 구조를 개략적으로 나타낸 단면도 이고,
도 2는 본 발명을 실시하기 위해 직수관과 온수관에 각각 유량조절밸브 및 온도센서를 장착한 보일러의 내부 배관구조를 나타낸 회로도 이고,
도 3은 본 발명의 필수 구성부를 나타낸 블럭도 이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예를 나타낸 흐름도 이다.
*도면의주요부분에대한부호의설명*
100 ... 보일러 101 ... 가열부
102 ... 열교환기 103 ... 3 방향밸브
104,111 ... 온도센서 105 ... 가스밸브
106 ... 플로우센서 107 ... 보충수밸브
108 ... 플로어트 스위치 109 ... 팽창탱크
110 ... 유량조절밸브 112 ... 펌프
가 ... 구동부 나 ... 제어부
다 ...유량검출부 라 ... 온도검출부
마 ... 출력검출부 바 ... 유량제어부
S1 ... 유량검출단계 S2 ... 온도검출단계
S3 ... 출력검출단계 S4 ... 출력량 확인단계
S6 ... 유량제어단계
S5,S7,S8,S9 ... 온수사용량 및 온수공금량 비교단계
도 2는 본 발명에 따른 방법을 실행하기 위해 직수관에 유량조절밸브(110)를 장착하고, 온수관에 온도센서(111)를 장착한 보일러(100)의 내부배관 회로도 이다.
상기 보일러(100)의 내부배관 회로도를 온수모드와 난방모드로 나누어 개략적으로 설명하면, 난방모드에 있어서 3 방향밸브(103)가 전환되고 난방수를 순환시키기 위한 펌프(112)의 작동에 의하여 난방수는 상기 3 방향밸브(103)를 지나 C방향으로 분배기(미도시)로 흘러가서 각 방으로 분배되어 난방을 하고, 난방후 다시 상기 분배기(미도시)로 되돌아와서 난방환수관을 통해 팽창탱크(109)로 환수되어 다시 A방향으로 난방수를 순환시키는 상기 펌프(112)를 통해 열교환기로 되돌아오는 순환과정을 갖는다. 이때에도 상기 온도센서(104)에서 설정온도 이상의 온도가 감지되면 보일러(100)의 과열로 인하여 부품(특히 가열부 및 열교환기)이 손상되는 것을 방지하기 위해 가스밸브(105)를 차단하여 가열을 중단한다. 상기 온수 및 난방모드에서 물의 순환도중 가열부(101) 및 열교환기(102)에 의하여 온도가 상승된 물이 증발을 하게 되면 물부족으로 인한 과열이 발생한다. 이러한 과열을 방지하기 위해 직수관과 팽창탱크(109)에 보충수밸브(107)를 장착한 보충수관을 연결하여 물보충을 한다. 상기 물보충은 팽창탱크(109)에 장착된 플로어트 스위치(108)에 의하여 제어되고, 상기 물보충 또는 물의 팽창으로 인해 상기 팽창탱크(109)의 수용량을 초과한 물은 팽창탱크(109) 내부에 형성된 배출구(미도시)와 연결된 오버플로우관을 통해 밖으로 배출된다.
그리고 온수모드에 있어서는 직수관을 통하여 유입되는 물의 흐름을 플로우센서(106)가 감지하면 3 방향밸브(103)가 온수모드로 전환하고, 난방수의 흐름 및 가스밸브(105)의 개폐를 제어한다. 즉, 열교환기(102)에서 3 방향밸브(103)를 거쳐 펌프(112)의 작동으로 인해 상기 펌프(112)를 지나 다시 열교환기(102)로 들어가는 B방향으로 순환하는 물의 흐름을 갖는다. 이때 3 방향밸브(103)에 의해 C방향 및 A방향의 흐름은 정지된다. 그리고, 직수관을 통해 유입된 물은 열교환기(102)로 들어가 가열부(101)에 의하여 온도가 상승되고 다시 온수관을 통하여 배출되며, 온도센서(104)에서는 보일러(100)의 과열을 방지하기 위해 설정온도 이상의 온도를 감지하여 가스밸브(105)를 차단한다.
상기 출탕되는 온수가 수압차로 인하여 유량에 변화를 갖게되면 열교환기(102)의 한정된 열용량에 의해 출탕되는 온수의 온도가 변화하게 되므로 온수관에 장착된 온도센서(111)에서 온수를 사용하기 시작할 때 온수관을 통해 흐르는 초기 온수의 온도를 검출하고, 플로우센서(106)에서 유량을 검출하여 사용자가 설정한 온도와 보일러(100)의 용량에 따른 온수 공급유량을 비교하여 직수관에 장착된 유량조절밸브(110)를 제어한다. 상기 유량조절밸브(110)는 이미 사용화되어 있는 제품이 많고, 바람직하게는 솔레노이드밸브를 사용하는 것이 적절하다. 이러한 제어를 위한 원리는 다음과 같은 열역학 방정식으로부터 도출된다.
Q를 보일러의 열용량, T2를 사용자의 온도 설정값, T1을 초기 온수관을 통해 흐르는 물의 검출온도, m을 최대 온수공급량이라 하고 M을 플로우센서(106)에 의하여 측정된 유량값이라 하면,
Q=mCΔT=mC(T2-T1) 이고,
물의 비열은 1 Kcal/Kg℃이므로 이식을 전개하면, 다음과 같이 된다.
즉, 이므로,
사용자의 온도 설정에 따라 보일러(100)가 공급할 수 있는 최대 온수공급량이 결정된다. 그러므로 이 최대 온수공급량의 값을 상기 플로우센서(106)를 통해 검출된 공급유량과 비교하면 출탕되는 온수의 량이 적당한지 판단할 수 있다.
이러한 원리에 의하여 본 발명을 실시하기 위한 필수 구성부는 도 3에 도시되고, 일 실시예는 도 4에 도시된다. 상기 도 3에 도시된 필수 구성부는 구동부(가), 유량검출부(다), 온도검출부(라), 출력검출부(마) 및 유량제어부(바)와 각 구성부로부터 송출된 신호를 통해 각 구성부를 제어하는 제어부(나)로 구성되고, 도 4에서 본 발명을 실시하기 위한 방법은 유량을 검출하는 단계(S1), 온수의 온도와 설정 온도 검출단계(S2), 열용량을 측정하는 출력검출단계(S3), 출력(열용량)이 최대인지 확인하는 출력확인단계(S4), 온수사용량과 온수공급량을 비교하는 각각의 비교단계(S5,S7,S8,S9), 상기 신호에 의하여 유량을 감소 및 증가시키는 유량제어단계(S6)로 구성된다.
이러한 구성을 갖는 본 발명의 방법을 도 4를 참조하여 상술하면, 초기 온수를 사용하는 시작단계에서 출발하여 유량검출단계(S1)에서 직수관을 통해 열교환기(102)로 유입되는 온수량을 검출하여 제어부(나)로 송출한다. 즉, 상기 플로우센서(106)에서 물 흐름검출 및 유량을 검출하는 것이다. 상기와 같이 유량을 검출할 수 있는 플로우센서(106)는 이미 상용화 되어 있다.
그리고 온도검출단계(S2)에서는 출탕되는 초기 온수의 온도 T1를 검출하여 상기 제어부(나)로 송출하며, 또한 사용자가 설정한 온도 T2도 함께 송출한다. 즉, 온수관에 장착된 온도센서(111)에서 출탕되는 초기 온도와 사용자가 설정하는 온도를 검출하는 것이다.
또한 출력검출단계(S3)에서는 가열부(101)에서 연소되는 화력이 어느 정도인지를 검출한다. 상기와 같이 연소되는 화력의 세기를 직접 측정하기는 어려움이 많기 때문에 가스밸브(105)를 통해 가열부(101)로 유입되는 가스의 양을 측정하여 출력(화력)을 검출한다. 이것은 유입되는 가스의 양이 많으면 상기 가열부(101)에서 연소되는 화력이 그 만큼 증가하고, 또 유입되는 가스의 양이 적으면 그 만큼 연소되는 화력이 감소하기 때문에 유입되는 가스의 양을 측정함으로 쉽게 출력량(화력의 세기 즉, 열용량)을 측정할 수 있다.
그리고 이러한 출력량을 측정하는 다른 방법으로는 배출구에 열감지 센서를 장착하여 배출되는 연소된 가스의 열을 측정하여 출력량을 측정할 수도 있다. 이러한 열감지 센서는 상용화되어 있는 제품이 많기 때문에 부가적인 설명은 필요하지 않을 것이다. 다만 설치위를 보일러(100)의 가열부(101)내에 있는 버너(미도시)에서 연소된 화력에 의하여 열감지 센서가 손상을 입지않을 수 있는 위치에 장착하여야 하며 필요하다면 보호장치를 하여야 한다. 이런 보호장치 또한 상용화된 제품이 많이 있으므로 설명은 생략하기로 한다.
상기 각 검출부에서 검출된 값에 의하여 다음과 같은 순서로 출탕되는 온수량을 제어한다. 좀더 자세히 설명하면, 출력량이 최대인지를 확인하는 단계(S4)에서 출력이 최대이면 온수사용량 M과 온수공급량 m을 비교하는 단계(S5)로 신호를 송출하여 상기 비교단계(S5)에서 온수사용량 M이 온수공급량 m을 초과 하면, 출탕되는 온수의 온도가 낮아 지므로 유량제어단계(S6)로 신호를 송출하여 유량이 감소하도록 제어한다. 그리고 만약, 상기 비교단계(S5)에서 온수사용량 M이 온수공급량 m을 초과하지 않는 경우 즉, 온수사용량 M과 온수공급량 m이 같거나 또는 온수사용량 M이 온수공급량 m 보다 적은 경우에는 또 다른 하나의 비교단계(S7)로 신호를 송출한다.
상기 또 다른 하나의 비교단계(S7)에서 온수사용량 M과 온수공급량 m을 비교하여 온수사용량 M이 온수공급량 m보다 적은 경우에는 사용자가 설정한 온도보다 높은 온도의 온수가 출탕되므로 유량제어단계(S6)로 신호를 송출하여 온수의 유량을 증가하고, 온수사용량 M이 온수공급량 m과 같은 경우에는 사용자가 설정한 온도의 온수가 출탕 되므로 유량검출단계(S1)으로 신호를 송출하여 상기 단계를 반복한다.
상기 출력확인단계(S4)에서 출력량이 최대가 아닌 경우에는 온수사용량 M과 온수공급량 m을 비교하는 또 다른 하나의 비교단계(S8)로 신호를 송출한다. 상기 또 하나의 비교단계(S8)에서 만약, 온수사용량 M이 온수공급량 m미만 이면, 출탕되는 온수의 온도가 사용자이 설정온도 이상으로 상승 하므로 유량제어단계(S6)로 신호를 송출하여 유량을 증가 하도록 제어한다. 그리고 만약, 상기 비교단계(S8)에서 온수사용량 M이 온수공급량 m미만이 아닌 경우 즉, 온수사용량 M과 온수공급량 m이 같거나 또는 온수사용량 M이 온수공급량 m 보다 큰 경우 이면, 또 다른 하나의 비교단계(S9)로 신호를 송출한다.
상기 또 다른 하나의 비교단계(S9)에서 온수사용량 M과 온수공급량 m을 비교하여 온수사용량 M이 온수공급량 m 보다 큰 경우에는 사용자가 설정한 온도 보다 낮은 온도의 온수가 출탕되므로 유량제어단계(S6)로 신호를 송출하여 온수의 유량을 감소하고, 온수사용량 M이 온수공급량 m과 같은 경우에는 사용자가 설정한 온도의 온수가 출탕되므로 유량검출단계(S1)으로 신호를 송출하여 상기 단계를 반복한다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 직수관에 유량조절밸브를 장착하고, 온수관에 온도센서를 장착하여 출탕되는 온수의 온도가 수압등의 이유로 인하여 사용자가 설정한 온도의 온수가 출탕되지 않을 경우 그때마다 사용자가 온수를 잠그거나 차거운 물의 양을 증가하여 사용하는 번거러움없이 보일러내의 제어부에 의하여 자동으로 온수의 유량을 조절 가능하도록 유량조절밸브를 사용하여 제어함으로 사용자가 원하는 일정한 온도의 온수가 지속적으로 사용할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 직수관에 유입되는 유량을 검출하는 단계(S1); 온수관에 흐르는 온수의 온도와 사용자가 설정한 온도를 검출하는 단계(S2); 가스관에 흐르는 가스의 양을 측정하여 열용량을 측정하는 출력검출단계(S3); 최대출력 일때 온수사용량과 온수공급량을 비교하는 일 단계(S5)로 신호를 송출하고, 출력이 최대가 아닐 때 온수사용량과 온수공급량을 비교하는 또 하나의 단계(S7)로 신호를 송출하는 출력(열용량)이 최대인지 확인하는 단계(S4); 최대 출력(열용량) 일때 온수사용량이 온수공급량을 초과하면 유량제어단계(S6)로 신호를 송출하고, 온수사용량이 온수공급량 이하 일때 또 하나의 비교단계(S7)로 신호를 송출하는 비교단계(S5); 온수사용량이 온수공급량보다 적으면 유량제어단계(S6)로 신호를 송출하고, 온수사용량이 온수공급량과 같으면 유량검출단계(S1)로 신호를 송출하는 또 하나의 비교단계(S7); 최소출력(열요량) 일때 온수사용량이 온수공급량 미만이면, 유량제어단계(S6)로 신호를 송출하고, 온수사용량이 온수공급량 이상이면, 또 다른 하나의 비교단계(S9)로 신호를 송출하는 비교단계(S7); 온수사용량이 온수공급량보다 많으면 유량제어단계(S6)로 신호를 송출하고, 온수사용량이 온수공급량과 같으면 유량검출단계(S1)로 신호를 송출하는 또 하나의 비교단계(S9); 각 비교단계(S5,S7,S8,S9)에서 송출된 신호에 의하여 온수유량을 제어하는 유량제어단계(S6)로 이루어짐을 특징으로 하는 가스 보일러의 온수유량 제어방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 출력검출단계(S3)는 배출구를 통하여 외부로 배출되는 연소가스의 열을 측정하여 열교환기의 열용량을 검출하는 것을 특징으로 하는 가스 보일러의 온수유량 제어방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 유량제어단계(S6)는 두 비교단계(S5,S9)에서 송출된 신호에 의하여 온수의 유량이 감소 되어 적정온도를 유지할 수 있을 만큼 유량조절밸브(110)를 일정 치수로 잠그고, 다른 두 비교단계(S7,S8)에서 송출된 신호에 의하여 온수의 유량이 증가 하여 적정온도를 유지할 수 있을 만큼 유량조절밸브(110)를 일정 치수로 여는 것을 특징으로 하는 가스 보일러의 온수유량 제어방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20030089263A (ko) * 2002-05-17 2003-11-21 주식회사 아이엔지테크 자동난방 온도제어 시스템
KR20200061715A (ko) * 2018-11-26 2020-06-03 주식회사 경동나비엔 안정적인 온수공급이 가능한 보일러

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