KR20030035536A - 풍압센서를 이용한 공기비례제어 보일러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍압센서를 이용한 공기비례제어 보일러에 관한 것으로서, 차압을 이용하여 공기량을 비례적으로 검출하는 풍압센서에 의해 흡입되는 공기량에 비례하여 가스공급량을 조절할 때 공기량이 감소할 경우 가스공급량이 감소하여 보일러의 출력이 감소하는 문제점을 해결하기 위해 일정한 정격출력이 이루어지도록 가스량이 고정되어 있을 때 공기량이 일정하도록 송풍기의 회전수를 조절하여 가스량에 비례하는 공기량이 항상 공급될 수 있도록 하여 정격출력에 요구되는 가스량과 공기량을 항상 공급할 수 있으므로 연소효율을 높이고 유해가스 배출을 최대한 억제하여 환경오염을 미연에 방지 할 수 있는 이점이 있다.

Description

풍압센서를 이용한 공기비례제어 보일러{AIR PROPORTIONALITY TYPE BOILER USING AIR PRESSURE SENSOR}

본 발명은 풍압센서를 이용한 공기비례제어 보일러에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 차압을 이용하여 공기량을 비례적으로 검출하는 풍압센서에 의해 흡입되는 공기량에 비례하여 가스공급량을 조절할 때 공기량이 감소할 경우 가스공급량이 감소하여 보일러의 출력이 감소하는 문제점을 해결하기 위해 일정한 정격출력이 이루어지도록 가스량이 고정되어 있을 때 공기량이 일정하도록 송풍기의 회전수를 조절하여 가스량에 비례하는 공기량이 항상 공급될 수 있도록 하여 보일러의 정격출력이 유지될 수 있도록 하는 풍압센서를 이용한 공기비례제어 보일러에 관한 것이다.

일반 가정에서 사용되고 있는 난방 및 온수 보일러는 사용 연료에 따라 기름보일러와 가스보일러로 나뉘어진다. 이 중에서 최근에는 대기오염이 적고 사용이 편리한 가스보일러를 주로 사용하고 있으며, 그 연료로는 액화천연가스(LNG)를 사용한다.

가스보일러는 난방수를 가열하는 열교환기에 따라 콘덴싱과 비콘덴싱 방식으로 구분한다. 이 중에서 콘덴싱 방식의 가스보일러는 연소열을 이용하여 직접 난방수를 가열하고, 아울러 배기가스의 응축잠열을 재차 흡수하므로 열효율을 최대화할 수 있다.

일반적으로 사용되는 콘덴싱 가스보일러의 일 예를 설명하면, 상부에 버너를 설치하여 공기와 혼합된 가스를 점화 및 하향 연소되게 하고, 그 하부에 설치된 난방열교환기에서 고온 연소가스을 이용하여 유체(혹은 난방수)를 가열하며, 이렇게 데워진 유체를 방 및 거실로 순환시킴으로써 난방 운전을 실시한다.

또한 온수 운전시에는 삼방밸브를 작동시켜 방 및 거실로 공급되는 온수를 차단하고, 병렬로 설치된 급탕열교환기로 전환 공급하여 이를 가열원으로 사용하며, 차단 및 접촉된 급탕열교환기의 다른 부분으로 급탕용 온수를 공급 및 환수하면서 가열하고, 데워진 온수를 세면 및 목욕용으로 사용하게 된다.

이와 같이 구성되는 가스보일러는 제어방식이나 밀폐상태에 따라 여러가지 형식으로 나눌 수 있으며, 특히 공기비례제어 방식은 외부에서 유입되는 공기의 압력을 측정한 다음, 측정된 공기압력에 비례하여 상기 버너에 연료를 공급하기 때문에 유입되는 공기압력에 비례하여 정확한 양의 연료를 공급함으로써, 연소효율을 높이고 유해가스의 배출을 최대한 억제하여 환경오염을 방지할 수 있게 된다.

즉, 가스량을 조절하는 변수가 공기 압력에만 의존하여 변화되므로 가스 밸브의 비례제어 부분을 별도로 제어하지 않아도 일정공기 압력에 대한 일정량의 가스가 토출되어 항상 일정한 공기비를 갖고 있기 때문에 온/오프식이나 전류비례제어방식과는 달리 정확하게 비례제어 할 수 있게 된다.

이와 같은 공기비례제어식 보일러에 대해 본 출원인은 "공기비례제어식 콘덴싱보일러"로 특허출원(10-1998-44402, 1998.10,.22)하여 등록받은 바 있습니다.

도 1은 일반적인 공기비례제어 콘덴싱 보일러를 나타낸 구성도이고, 도 2는 일반적인 공기비례제어 콘덴싱 보일러의 구성을 보인 블록도이다.

먼저, 도 1에 도시한 바와 같이, 콘덴싱 가스보일러는 외기의 온도변화에 따라 공기압력을 조절하여 항상 일정량의 공기가 공급될 수 있도록 하는 공기비례제어 방식으로 운전된다. 이것의 전체적인 구성을 보면, 송풍기(10)의 작동에 따라 외부공기를 흡입하는 흡기덕트(3) 및 연소된 배기가스를 외부로 배출하는 배기덕트(20)가 구비되어 있는 밀폐형 본체(2)와; 제 1 및 제 2전자밸브(46, 46')와 공기비례제어밸브(47)를 통해서 공급되는 가스와 송풍기(10)에 의해 흡입된 공기의 혼합기를 연소하는 버너(12) 및 난방수를 가열하는 현열부 열교환기(14)와, 잠열부 열교환기(16)가 일체적으로 조립되어 있는 연소기(4)와; 현열부 열교환기(14)를 지나면서 가열된 난방수에 의해 급수를 가열하는 온수 열교환기(34)와; 난방수 여과기(24)와 기수 분리기(26)를 통과한 난방수를 상기 잠열부 열교환기(16)로 공급하는 순환펌프(22)와; 3웨이 밸브(28) 및 과압방지밸브(32)의 작동에 따라 유입되는 난방수의 일부를 저장하는 팽창탱크(48)로 이루어져 있다.

또한, 공기비례제어를 위해서, 흡입챔버(6)에 설치되어 송풍기(10)에 의해 흡입되는 공기압력을 감지하는 공기압력검출부(50)가 설치되고 공기비례제어밸브(47)의 압력인식부(51)에서 압력을 입력하게 되면, 콘트롤러(40)는 공기압력인식부(51)에서 감지된 공기압력을 바탕으로 하여 인출된 가스로 보일러를 연소시키고 온도센서의 신호를 받아 설정온도 도달 유무의 데이터로 열량을계산하여 송풍기(10)의 회전수를 듀티제어하여 필요한 만큼의 회전수로 공기압력을 변화시켜 공기비례제어밸브(47)의 가스 토출량을 조절하여 버너(12)에 공급되는 가스량을 조절하게 된다.

이를 보다 상세히 살펴보면, 연소기(4)의 상부에는 송풍기(10)의 작동에 따라 흡입챔버(6)를 통해 흡입된 급기와 가스를 연소시키는 버너(12)가 설치되어 있으며, 버너(12)아래에는 차례대로, 현열부 열교환기(14)와 잠열부 열교환기(16)가 배치되어 있다. 현열부 열교환기(14)는 버너에서 발생된 현열이 직접적으로 접촉되어 열교환되는 과정에서 난방수를 가열하게 되며, 잠열부 열교환기(16)는 배기가스와의 열접촉시에 발생되는 잠열을 이용하여 난방수를 가열시킨다.

잠열부 열교환기(16)를 통과한 배기가스는 배기덕트(20)를 통해서 외부로 방출되며, 열교환 과정에서 발생된 응축수는 배기후드(18)에 모아진 다음 외부로 배출된다. 순환펌프(22)의 작동에 따라 잠열부 열교환기(16)와 현열부 열교환기(14)를 차례대로 통과하면서 가열된 난방수의 온도는 써미스터(52)에 의해 감지되어 콘트롤러(40)로 보내진다.

보일러의 좌측 하부에는 난방수를 순환시키는 순환펌프(22)가 배치되어 있다. 순환펌프(22)가 작동되면, 실내의 난방을 마친 난방수는 라인(L1)을 통해서 난방수 여과기(24)로 유입하게 된다. 난방수 여과기(24)에서는 난방수에 포함되어 있는 불순물을 제거하게 되며, 여과된 난방수는 상부의 기수 분리기(26)로 보내진다. 기수 분리기(26)는 난방수에 포함되어 있는 공기를 배출하기 위한 것으로, 상부의 에어 벤트를 통해서 공기를 배출하게 된다.

난방수 여과기(24)와 기수 분리기(26)사이에는 난방수의 압력이 과도하게 상승되는 것을 막기 위한 과압방지밸브(32)가 설치되어 있어, 난방수의 일부를 팽창탱크(48)로 보내 압력을 조절하게 된다. 기수 분리기(24)를 통과한 난방수는 순환펌프(22)의 작동으로 라인(L2)을 통해서 잠열부 열교환기(16)로 공급된 다음, 현열부 열교환기(14)를 지나면서 가열되어 라인(L3)으로 배출된다. 라인(L3)을 통해 배출된 난방수는 3웨이 밸브(28)의 작동에 따라 실내로 공급된다.

보일러의 중간 하부에는 난방수의 열을 이용하여 온수를 얻는 열교환기가 도시되어 있다. 온수흐름스위치(36)의 작동에 따라 라인(L6)을 통해 유입된 냉수는 온수 열교환기(34)를 지나는 과정에서 가열된 다음, 라인(L7)을 통해서 배출된다. 본 발명의 온수 열교환기(34)는 병렬형 구조로 이루어져 있어 제어되는 온도의 편차 범위를 종래에 비해 더욱 작은 영역으로 설정함으로써 보일러의 운전영역을 높여 유해가스의 배출을 최대한 억제할 수 있다.

보일러의 우측 하부에는 가스 공급장치가 설치되어 있다. 제 1 및 제 2전자밸브(46, 46')를 비롯하여, 콘트롤러(40)에서 전달되는 송풍기(10)의 출력신호에 따라 송풍기(10)의 회전수를 듀티제어하면서 가스의 토출량을 가변시키는 공기비례제어밸브(47)의 작동에 따라 라인(L8)을 통해 유입된 가스는 라인(L9)을 통해서 연소기(4)상부의 노즐(8)로 공급된다. 이때, 가스의 공급량은 공기비례제어밸브(47)의 작동에 따라 가변됨으로써 외기의 변화에 따른 공급량을 보상하게 된다. 이렇게 공급된 가스는 점화 트랜스(42) 및 점화봉을 통해 전달되는 스파크에 의해 점화되어 연소되는데, 이러한 일련의 연소과정은 사용자가 조작하는 실내온도 조절기(38)의 입력신호를 받는 콘트롤러(40)에 의해서 제어된다.

다음에는 도 2에 도시한 블록도를 참조하여 공기비례제어식의 콘덴싱 보일러에 대한 작동과정을 설명한다.

콘트롤러(40)는 써미스터(52)에 의해 감지된 난방수 온도와, 사용자에 의해 선택되어진 희망실내온도나 희망 작동시간 등의 각종 입력신호를 바탕으로 최적의 공연비를 근거로 한 연료량을 계산한다. 다음에, 계산된 연료량을 바탕으로 무단제어 송풍기(10)에 신호를 보내 튜티제어함으로써 공기압력의 변화에 따라 버너(12)로 공급되는 연료의 양을 최적으로 제어하게 된다. 콘트롤러(40)는 송풍기(10)이외에도, 제 1 및 제 2전자밸브(46, 46')나 점화 트랜스(42) 등에 출력신호를 보내 보일러의 정상적인 운전을 가능케 한다.

위와 같이 풍압센서를 이용한 공기비례제어 보일러에서는 열량을 계산하여 송풍기(10)의 회전수를 듀티제어하여 필요한 만큼의 회전수로 공기압력을 변화시키게 되면 공기압력의 변화에 따라 공기비례제어밸브(47)의 가스 토출량을 조절하여 버너(12)에 공급되는 가스량을 조절하게 된다.

그런데, 위의 공기압력검출부(50)로는 공기의 압력을 검출할 때 송풍기로 유입되는 공기의 압력을 다이아프램으로 전달하여 다이아프램에 부착되어 있는 마이크로 스위치가 전기회로의 개폐를 행하도록 하는 ON/OFF 방식의 풍압스위치와 송풍량이 감소함에 따라 그 신호를 가스관의 공기비례제어밸브로 보내 가스량을 비례적으로 감소시키는 공기비례제어 방식의 풍압스위치가 있다. 이 ON/OFF 방식의 풍압스위치는 동작압력을 고정해서 사용하므로 송풍기에 따라 특정 풍압스위치를 사용해야 하는 단점이 있다.

또한, 기존의 공기비례제어방식의 풍압스위치는 보일러의 송풍기로 유입되는 공기량에 따라 가스량을 조절하므로 배기연도가 이물질 등에 막혀 송풍기로부터 공급되는 공기량이 감소할 경우 그에 따라 보일러로 공급되는 가스량을 감소시켜 보일러 출력이 감소하는 단점이 있다.

또한, 공기압력검출부(50)로써 자동차 등에 적용하고 있는 공기유량센서(AFS)의 경우는 센서 표면에 이물질이 적층되면 감도가 떨어지고, 측정하는 공기의 온도가 변화하면 유량측정에 있어 오차가 발생할 우려가 있으며, 기존의 풍압센서와 비교하여 고가인 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 본 발명의 목적은 차압을 이용하여 공기량을 비례적으로 검출하는 풍압센서에 의해 흡입되는 공기량에 비례하여 가스공급량을 조절할 때 공기량이 감소할 경우 가스공급량이 감소하여 보일러의 출력이 감소하는 문제점을 해결하기 위해 일정한 정격출력이 이루어지도록 가스량이 고정되어 있을 때 공기량이 일정하도록 송풍기의 회전수를 조절하여 가스량에 비례하는 공기량이 항상 공급될 수 있도록 하여 보일러의 정격출력이 유지될 수 있도록 하는 풍압센서를 이용한 공기비례제어 보일러를 제공함에 있다.

도 1은 일반적인 공기비례제어 콘덴싱 보일러를 나타낸 구성도이다.

도 2는 일반적인 공기비례제어 콘덴싱 보일러의 구성을 보인 블록도이다.

도 3은 본 발명에 의한 풍압센서를 이용한 공기비례제어 보일러의 구성을 나타낸 블록도이다.

- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -

10 : 송풍기 12 : 버너

14 : 현열부 열교환기 16 : 잠열부 열교환기

18 : 배기 후드 20 : 배기덕트

22 : 순환펌프 24 : 난방수 여과기

26 : 기수 분리기 34 : 온수 열교환기

38 : 실내온도 조절기 40, 40' : 콘트롤러

46, 46' : 제 1, 2전자밸브 47 : 공기비례제어밸브

50 : 공기압력검출부 51 : 공기압력인식부

60 : 연료콘트롤전자밸브

상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 흡입되는 공기와 관련하여 공급되는 연료의 량을 조절하는 공기비례제어 보일러에 있어서, 흡기덕트를 통해 공기를 흡입하기 위한 송풍기와, 흡입챔버에 설치되어 송풍기에 의해 흡입되는 공기압력을 측정하기 위한 공기압검출부와, 공기압력검출부에서 측정된 공기압력을 전기적인 신호로 변환하여 출력하는 공기압력인식부와, 공급되는 연료량을 조절하기 위한 연료콘트롤전자밸브와, 공기압력인식부에서 입력되는 공기압력에 따라 연료콘트롤전자밸브를 조절하여 공급되는 연료량을 제어할 뿐만 아니라 공급되는 연료량에 따라 흡입되는 공기압력이 변동될 경우 송풍기의 회전수를 조절하여 정격 출력을 유지할 수 있도록 하는 콘트롤러를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

위와 같이 이루어진 본 발명의 작동을 설명하면 다음과 같다.

송풍기의 작동에 의해 흡입되는 공기압력을 공기압력검출부에서 검출하여 공기압력인식부를 통해 콘트롤러에서 입력받아 공기량에 비례하는 연료를 연료콘트롤밸브를 작동시켜 공급되도록 하여 보일러를 작동시키게 될 뿐만 아니라 정격출력을 위해 일정한 연료량이 공급되고 있을 때 외부의 요인으로 공기압력이 변동할 경우 콘트롤러에서 송풍기의 회전수를 작동시켜 공급되는 연료량에 비례한 공기가 흡입되도록 하여 정격출력이 유지될 수 있도록 작동된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 또한 본 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니고, 단지 예시로 제시된 것이며 종래 구성과 동일한 부분은 동일한 부호 및 명칭을 사용한다.

도 3은 본 발명에 의한 풍압센서를 이용한 공기비례제어 보일러의 구성을 나타낸 블록도이다.

여기에 도시된 바와 같이 흡기덕트(3)를 통해 공기를 흡입하기 위한 송풍기(10)와, 흡입챔버(6)에 설치되어 상기 송풍기(10)에 의해 흡입되는 공기압력을 측정하기 위한 공기압력측정부(50)와, 공기압력검출부(50)에서 측정된 공기압력을 전기적인 신호로 변환하여 출력하는 공기압력인식부(51)와, 공급되는 연료량을 조절하기 위한 연료콘트롤전자밸브(60)와, 난방수의 온도를 감지하는 써미스터(52)와, 일련의 연소과정을 사용자가 조작하기 위한 실내온도 조절기(38)와, 공급된 가스에 스파크를 발생시켜 점화시키기 위한 점화트랜스(42)와, 난방수를 순환시키는 순환펌프(22)와, 공급되는 연료량을 조절하기 위한 제 1 및 제 2전자밸브(46, 46')와, 써미스터(52)에 의해 감지된 난방수 온도와, 사용자에 의해 선택되어진 실내온도 조절기(38) 등의 각종 입력신호를 바탕으로 최적의 열량을 계산하고 열량에 따른 송풍기(10)의 회전수를 제어하고 공기압력인식부(51)에서 입력되는 공기압력에 따라 점화트랜스(42)와 제 1 및 제 2전자밸브(46, 46')와 순환펌프(22)를 작동시키고 연료콘트롤전자밸브(60)를 조절하여 공급되는 연료량을 제어할 뿐만 아니라 공급되는 연료량에 따라 흡입되는 공기압력이 변동될 경우 송풍기의 회전수를 조절하여 정격 출력을 유지할 수 있도록 하는 콘트롤러(40')로 이루어진다.

따라서, 사용자가 실내온도 조절기(38)를 통해 보일러를 난방운전시키면 콘트롤러(40')에서는 먼저 순환펌프(22)와 송풍기(10)를 ON시키면공기압력검출부(50)에서 차압에 의해 공기압력을 검출하여 공기압력인식부(51)로 출력하면 공기압력인식부(51)에서 입력신호에 따라 현재 연소실로 공급되는 공기량을 검출하여 착화에 필요한 공기량이 되도록 송풍기(10)의 회전수를 제어하여 적정 공기량이 되면 점화트랜스(42)를 ON시키고 착화에 필요한 공기량을 일정시간 유지시킨 후 현재 공기량에 필요한 만큼의 제 1내지 제 2전자밸브(46, 46')를 열어 착화가 되면 점화트랜스(42)를 OFF시켜 난방운전을 시작한다.

위와 같이 콘트롤러(40')는 보일러를 착화시키고 써미스터(52)에 의해 난방수 온도를 감지하여 설정된 난방수온도에 현재 난방수온도가 비례제어되도록 비례제어 공식에 의해 필요 열량을 계산하고, 그 열량을 송풍기(10)의 회전수를 산출하여 그 값으로 송풍기(10)를 제어하게 되고, 공급되는 연료량은 공기압력인식부(51)로부터 입력되는 공기압력에 따라 현재 버너(12)가 필요한 적정 연료량으로 환산하여 그 값으로 연료콘트롤전자밸브(60)를 제어하여 연료량을 조절하게 된다.

또한, 보일러가 정격출력되고 있을 때 배기연도가 이물질 등에 의해 막혀 있어 공기량이 감소하거나 공기압력검출부(50)의 오염이나 유입되는 공기의 온도변화에 의해 측정오차가 발생할 경우 흡입되는 연료량이 변동되어 정격출력이 되지 않을 경우 콘트롤러(40')에서 연료콘트롤전자밸브(60)를 통해 유입되는 일정한 연료량에 따라 비례적으로 흡입되어야 되는 공기량이 흡입될 수 있도록 송풍기(10)의 회전수를 조절하여 흡입되는 공기량이 일정하도록 함으로써 정격출력에 요구되는 가스량과 공기량을 항상 공급할 수 있으므로 연소효율을 높이고 유해가스 배출을 최대한 억제하여 환경오염을 미연에 방지 할 수 있도록 한다.

상기한 바와 같이 본 발명은 차압을 이용하여 공기량을 비례적으로 검출하는 풍압센서에 의해 흡입되는 공기량에 비례하여 가스공급량을 조절할 때 공기량이 감소할 경우 가스공급량이 감소하여 보일러의 출력이 감소하는 문제점을 해결하기 위해 일정한 정격출력이 이루어지도록 가스량이 고정되어 있을 때 공기량이 일정하도록 송풍기의 회전수를 조절하여 가스량에 비례하는 공기량이 항상 공급될 수 있도록 하여 정격출력에 요구되는 가스량과 공기량을 항상 공급할 수 있으므로 연소효율을 높이고 유해가스 배출을 최대한 억제하여 환경오염을 미연에 방지 할 수 있는 이점이 있다.

Claims (1)

1. 흡입되는 공기와 관련하여 공급되는 연료의 량을 조절하는 공기비례제어 보일러에 있어서,

   흡기덕트를 통해 공기를 흡입하기 위한 송풍기와,

   흡입챔버에 설치되어 상기 송풍기에 의해 흡입되는 공기압력을 측정하기 위한 공기압검출부와,

   상기 공기압력검출부에서 측정된 공기압력을 전기적인 신호로 변환하여 출력하는 공기압력인식부와,

   공급되는 연료량을 조절하기 위한 연료콘트롤전자밸브와,

   상기 공기압력인식부에서 입력되는 공기압력에 따라 상기 연료콘트롤전자밸브를 조절하여 공급되는 연료량을 제어할 뿐만 아니라 공급되는 연료량에 따라 흡입되는 공기압력이 변동될 경우 상기 송풍기의 회전수를 조절하여 정격 출력을 유지할 수 있도록 하는 콘트롤러

   를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 풍압센서를 이용한 공기비례제어 보일러.