KR20090001838U - 환풍기의 정역회전을 이용한 환기장치 - Google Patents

환풍기의 정역회전을 이용한 환기장치 Download PDF

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Abstract

본 고안은 건축물에 설치되는 환풍기의 팬의 정역회전을 통한 환기장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 실내의 필요 환기량 및 체적에 따라 환풍기 팬의 정회전/역회전 전환횟수를 실시간으로 변화시켜 실내의 정압유지 및 효율적인 온도관리를 수행할 수 있는 기술에 관한 것이다.
이와 같은 본 고안의 환풍기의 정역회전을 이용한 환기장치는, 실내 및 실외를 관통하는 부분에 설치되어 정회전 시에는 실내 공기를 실외로 배기하고, 역회전 시에는 실외 공기를 실내로 흡입하는 하나 이상의 환풍기; 상기 환풍기의 팬의 회전방향을 전환하는 전환수단; 실외측에 설치되어 흡기온도를 측정하는 실외온도센서; 및 실내에서 발생되는 발생열량과, 기 설정된 실내 허용온도 및 흡기온도의 차이를 이용하여 필요 환기량을 계산하고, 상기 필요 환기량을 실내의 체적으로 제산(除算)하여 단위 시간 당 환풍기의 팬의 회전방향의 전환 횟수를 결정하며, 결정된 전환 횟수만큼 전환수단을 제어하여 환풍기의 팬의 회전방향을 전환시키는 컨트롤러를 포함한 것을 특징적 구성으로 한다.
정역회전, 환기, 정역운전, 환풍, 냉각

Description

환풍기의 정역회전을 이용한 환기장치{A FAN APPARATUS USING REGULAR/IRREGULAR TURN}
본 고안은 건축물에 설치되는 환풍기의 팬의 정역회전을 통한 환기장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 실내의 필요 환기량 및 체적에 따라 환풍기 팬의 정회전/역회전 전환횟수를 실시간으로 변화시켜 실내의 정압유지 및 효율적인 온도관리를 수행할 수 있는 기술에 관한 것이다.
일반적으로 환풍기는 건축물의 실내와 실외를 관통하는 부분에 설치되어 흡기 또는 배기작용을 통해 실외의 찬 공기를 실내로 유입시키거나 실내의 더운 공기를 실외로 배기시키는 역할을 한다.
상기와 같이 환풍기를 이용한 실내 환기장치는 대한민국 등록실용신안공보 제20-0402010호에 잘 나타나 있다.
상기 대한민국 등록실용신안공보 제20-0402010호에 나타난 기술에 따르면 실내의 공기가 90% < 측정습도> 95%이고, 측정온도 15℃ 미만인 때에는 제1앤드게이트에 의해 팬모터가 정회전되어 실내의 공기가 외부로 배기되고, 실내의 공기가, 95% ≤ 측정습도이고, 측정온도 15℃ 미만일 때는 제2앤드게이트에 의해 팬모터가 역회전되어 외부의 공기가 실내로 흡기된다.
상기와 같은 종래의 기술은 실내와의 온도 및 습도 차이로 인하여 실내 측 벽면에 결로가 생성되는 것을 방지하기 위해 실내의 공기를 외부로 배기하여 환기하거나, 또는 실외의 공기를 실내로 도입하여 단시간에 온도 구배를 낮춰서 결로가 생기지 않게 하여 결로를 예방하는 효과가 있었지만 다음과 같은 문제점이 있다.
실내의 공기가 90% < 측정습도> 95%이고, 측정온도 15℃ 미만일 경우에는 무조건 실내의 공기를 실외로 배기시키게 되므로 실내의 공기압이 실외의 공기압보다 낮게 되어 실내에 부압(negative pressure)현상이 발생하게 되고, 외부의 먼지가 실내로 급속히 유입된다.
또한 실내의 작업자는 갑작스런 기압차로 인해서 귀가 멍해지거나 현기증이나 어지러움을 느끼기도 하고, 호흡 곤란을 호소하기도 한다. 그리고 급속히 유입된 먼지에 의해 실내에 수용된 장비들의 고장률이 증가하게 된다.
따라서 실내의 공기는 대기압보다 높은 정압(positive pressure)상태를 유지시키는 것이 매우 중요하다.
결국 상기 종래의 기술은 온도, 습도 및 상대습도에 따라 팬을 정회전 또는 역회전시킬 뿐 실내의 공기의 정압상태를 유지하기 위한 인식이 전혀 없는 문제점이 있다.
본 고안은 상기한 종래의 기술의 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서,
본 고안의 목적은 실내의 환풍기의 팬을 실내의 체적 및 필요 환기량에 따라 정회전/역회전에서 역회전/정회전으로의 전환 횟수를 실시간으로 변화시켜 효율적인 실내온도관리를 수행하고 실내의 정압상태를 유지시키는 환풍기의 정역회전을 이용한 환기장치를 제공하는 것이다.
또한 본 고안의 다른 목적은 환풍기의 흡기 시 먼지유입을 차단하는 것이다.
또한 본 고안의 또 다른 목적은 실내온도가 실내 허용온도를 초과하면 별도의 냉방장치를 가동시키는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 고안의 환풍기의 정역회전을 이용한 환기장치는, 실내 및 실외를 관통하는 부분에 설치되어 정회전 시에는 실내 공기를 실외로 배기하고, 역회전 시에는 실외 공기를 실내로 흡입하는 하나 이상의 환풍기; 상기 환풍기의 팬의 회전방향을 전환하는 전환수단; 실외측에 설치되어 흡기온도를 측정하는 실외온도센서; 및 실내에서 발생되는 발생열량과, 기 설정된 실내 허용온도 및 흡기온도의 차이를 이용하여 필요 환기량을 계산하고, 상기 필요 환기량을 실내의 체적으로 제산(除算)하여 단위 시간 당 환풍기의 팬의 회전방향의 전환 횟수를 결정하며, 결정된 전환 횟수만큼 전환수단을 제어하여 환풍기의 팬의 회전방향을 전환시키는 컨트롤러를 포함한 것을 특징적 구성으로 한다.
여기서 본 고안의 필요 환기량은 하기의 수학식 1에 따라 계산된다.
[수학식 1]
Figure 112007060791329-UTM00001
(Q: 필요 환기량, H: 발생열량(Kw), 3600: 시간(초), 1.2: 공기비중량(Kg/m3), 1.01: 실내정압비열(Kcal/Kg.℃), T2: 기 설정된 실내 허용온도, T1: 흡기온도)
한편 본 고안의 환풍기는 흡기 시 먼지유입 방지를 위해 망사에 의해 감싸진다.
한편 본 고안은 실내온도센서가 추가적으로 포함되고, 상기 컨트롤러는 실내온도센서에 의해 측정된 실내온도가 실내 허용온도를 초과하면 별도로 구비된 냉방장치를 가동시켜 실내를 냉각시킨다.
본 고안은 환풍기를 이용하여 배기 및 흡기를 통해 실내 온도를 효율적으로 관리할 수 있는 기본 취지를 살리는 한편, 상기 환풍기를 실내의 체적 및 발열량에 따라 계산된 전환회수로 회전방향을 전환시켜 실내의 공기의 정압을 유지시켜 실외에서 먼지와 같은 이물질의 유입이 방지되는 효과를 발휘할 수 있다.
또한 본 고안의 환풍기에는 망사에 의해 감싸짐으로써 환풍기의 흡기동작 시 유입되는 먼지를 차단할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
또한 본 고안의 컨트롤러는 온도센서에 의해 측정된 실내온도가 실내 허용온도를 초과하면 별도로 구비된 냉방장치를 가동시킴으로써 여름철 환풍기의 환풍능 력을 초과하여 상승하는 온도에 따른 실내의 냉방기사용을 최소화 하면서 실내의 온도상승을 억제하여 쾌적한 실내환경을 유지하는 효과를 발휘할 수 있다
또한 본 고안은 정회전 또는 역회전으로의 전환기능을 갖는 환풍기가 아니더라도 일반 환풍기를 전환수단을 이용하여 회전방향을 변환시킨다.
따라서 종래에 이미 설치된 환풍기를 교체 또는 기계적인 개조의 필요 없이 본 고안에 따른 환기장치를 범용성 있게 구축할 수 있어 비용이 절감되는 효과를 발휘할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명한다.
본 고안에 따른 환풍기의 정역회전을 이용한 환기장치(100)는 도 2에 도시된 바와 같이, 기본적으로 환풍기(10), 전환수단(20), 실내온도센서(30), 실외온도센서(40), 설정부(50) 및 컨트롤러(60) 등을 포함한다.
이하 각 구성요소 별로 설명한다.
환풍기(10)는 크게 모터(도시되지 않음), 팬(도시되지 않음), 기류안내부(도시되지 않음), 프레임(도시되지 않음) 및 모터지지부(도시되지 않음)를 포함한다.
상기 모터는 후술하는 전환수단(20)의 제어에 의해 회전축(도시되지 않음)을 정회전 또는 역회전시키는 역할을 한다.
여기서 본 고안에 적용되는 환풍기(10)의 모터는 직류 또는 교류 전동기로 이루어질 수 있지만, 바람직하게는 교류 전동기로 이루어진다.
상기 팬은 모터의 회전축에 결합되어 회전축과 함께 정회전 또는 역회전되어 공기를 회전축의 길이방향을 기준으로 전에서 후로 이송시켜 배기시키거나, 후에서 전으로 이송시켜 흡기시키는 역할을 한다.
상기 기류안내부는 대략 원륜의 형상으로 이루어지되, 팬의 외측과 공극을 두고 위치하여 공기의 흐름을 팬측으로 집중적으로 안내할 수 있도록 한다.
상기 프레임은 기류안내부의 외측에 형성되어 건축물의 실내 및 실외를 관통하는 부분에 용이하게 설치될 수 있도록 한다.
상기 모터지지부는 프레임의 일측에 고정되어 모터를 수용, 고정 및 지지하는 역할을 한다.
한편 상기와 같이 이루어진 환풍기(10)에는 망사(도시되지 않음)가 더 구비될 수 있다.
상기 망사는 환풍기(10)의 기류안내부의 외주면에 부착된 벨크로 테이프 등의 접착수단에 접착되어 탈부착이 용이하며, 상기 환풍기(10)에서 팬이 회전되는 기류안내부의 내측을 감쌈으로써 환풍기(10)의 역회전에 의한 흡기동작 시 실외에서 실내로 유입되는 먼지를 차단하게 된다.
여기서 본 고안의 환풍기(10)는 바람직하게는 도 1에 도시된 바와 같이, 실내의 일측에 한 개가 설치되고, 실내의 타측에는 통풍구(11)가 설치될 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 상기 통풍구는 마련되지 않아도 환풍기(10)에 의한 흡기 및 배기 성능에는 큰 영향을 끼치지 못한다.
한편 상기 환풍기(10) 실내의 일측 및 타측에 각각 하나 이상의 환풍기(10) 가 설치될 수 있다.
이때 실내의 일측 및 타측에 위치한 환풍기(10) 중 일측의 환풍기(10)는 정회전하여 배기를 하고, 타측의 환풍기는 역회전하여 흡기를 함으로써 보다 효율적으로 실내의 공기를 흡기 및 배기시킬 수 있다. 한편 상기 일측 및 타측의 환풍기(10)의 회전방향을 단위 시간 당 전환하여 일측 및 타측의 환풍기 간의 회전방향을 교차 반복 운전하여 보다 효율적으로 실내의 공기를 흡기 및 배기시킬 수 있다.
한편 전환수단(20)은 상기 환풍기(20)의 모터를 정회전/역회전에서 역회전/정회전으로 변환시키도록 제어하는 것으로서, 바람직하게는 환풍기(20)의 모터의 양측에 각각 연결된 한 쌍의 릴레이를 이용하여 구현하는데, 상기 릴레이는 각각 Vcc단자/접지단지/0V단자를 구비하고 있고, 양측의 릴레이는 후술하는 컨트롤러의 제어신호에 따라 서로 대칭되는 방향으로, 즉 일측의 릴레이가 Vcc단자 - 0V단자 - 접지단자로 전환할 때, 타측의 릴레이는 접지단자 - 0V단자 - Vcc단자로 전환하게 되어 있다.
한편 상기 전환수단(20)의 다른 실시예로서, 상기 전환수단(20)은 환풍기(10)의 모터의 운전코일과 기동코일의 기동콘덴서 양단에 설치된 각 1개의 SSR(무접점릴레이)를 이용하여 구현하는데, 후술하는 컨트롤러로부터 정회전/역회전에서 역회전/정회전으로 전환 신호에 따라 해당 SSR을 ON/OFF 시켜 환풍기(10)의 정회전->역회전, 역회전->정회전으로의 전환기능을 수행할 수 있다.
즉 상기 전환수단(20)은 컨트롤러로부터 정회전/역회전에서 역회전/정회전으로 전환 신호를 전달 받고, 전달 받은 전환 제어신호에 따라 Vcc단자/접지단자로 연결되어 정회전하는 환풍기(10)를 접지단자/Vcc단자로 전환하여 역회전시키거나, 접지단자/Vcc로 연결되어 역회전 하는 환풍기(10)를 Vcc단자/접지단자로 전환하여 역회전시켜 환풍기(10)의 정회전->역회전, 역회전->정회전으로의 전환기능을 수행할 수 있다. 여기서 상기 한쌍의 릴레이가 모두 0V단자/0V단자에 위치하면 환풍기(10)가 정지된다.
상기와 같은 전환수단(20)에 의해 본 고안에 적용되는 환풍기(10)의 팬은 정회전 또는 역회전으로의 변환기능이 구비되어 있지 않은 즉, 정회전 기능만 구비된 환풍기(10)나 역회전 기능만 구비된 환풍기(10)까지도 간단히 연결시켜 정회전/역회전으로의 전환 기능을 수행할 수 있어서 본 전환수단(20)은 기존의 설치된 환풍기(10)를 그대로 본 고안에 적용할 수 있게 하는 범용성을 갖는다.
한편 실내온도센서(30) 및 실외온도센서(40)는 후술하는 컨트롤러(50)와 연결되어 측정된 온도 정보를 컨트롤러(50)로 전달하는 것으로서, 각각 실내측 및 실외측에 하나씩 구비된다. 여기서 실내온도센서(30)는 실내의 온도를 측정하는 것이고, 실외온도센서(40)는 실외의 온도, 즉 흡기온도를 측정하는 역할을 할 수 있도록 실제로 흡입되는 공기의 온도를 오차 없이 측정하기 위해 바람직하게는 실외측에서 환풍기(10)와 근접하게 설치하는 것이 바람직하다.
한편 본 고안의 컨트롤러(50)는 실내에 별도로 설치된 에어컨 등의 냉방장치(200)를 제어하여 실내 온도가 실내 허용온도 이상으로 높아질 경우 본 냉방장치(200)를 동작시켜 실내 온도가 실내 허용온도 미만으로 될 때 까지 실내를 냉각시킬 수 있다.
한편 설정부(50)는 환풍기(10)의 동작개시온도, 실내 허용온도, 실내의 체적 및 발생열량 등을 설정 가능하도록 하는 것으로서, 후술하는 컨트롤러(60)로 하여금 상기 설정부(50)를 통해 입력된 동작개시온도, 실내 허용온도, 실내의 체적 및 발생열량 등을 인지할 수 있게 한다.
한편 컨트롤러(60)는 본 고안의 전환수단(20), 실내온도센서(30) 및 실외온도센서(40), 냉방장치(200) 및 설정부(50)와 상호 연결되어 각 구성요소를 제어하는 역할을 하는 것으로서, 실내에서 발생되는 발생열량, 기 설정된 실내 허용온도 및 흡기온도의 차이를 이용하여 필요 환기량을 계산하고, 상기 필요 환기량을 실내의 체적으로 제산(除算)하여 단위 시간 당 환풍기(10)의 회전방향의 전환 횟수를 결정하며, 결정된 전환 횟수만큼 전환수단(20)을 제어하여 환풍기(10)의 회전방향을 전환시키는 역할을 한다.
여기서 상기 필요 환기량은 하기의 [수학식 1]에 따라 계산된다.
[수학식 1]
Figure 112007060791329-UTM00002
여기서 상기 Q는 필요 환기량이며, H는 발생열량(Kw)이고, 3600는 시간(초)이며, 1.2는 공기비중량(Kg/m3)이고, 1.01는 실내정압비열(Kcal/Kg.℃)이며, T2는 기 설정된 실내 허용온도이고, T1은 흡기온도이다.
한편 상기 전환 횟수는 하기의 [수학식 2]에 따라 계산된다.
[수학식 2]
Figure 112007060791329-UTM00003
여기서 N은 전환 횟수이고, Q는 필요 환기량이며, V는 실내의 체적이다.
여기서 상기 실내에서 발생되는 발생열량은 보통 1Kw = 860 Kal/H의 관계를 갖게 되므로, 실내에 배치된 발열체 즉, 장비들의 스펙에 기재된 전력소비량을 확인하여 적용하게 된다.
예를 들어 실내에 배치된 장비가 총 1,211Kal/H의 열량을 발생시킨다면, 상기 발생열량은 1,211/860=1.4Kw가 된다.
한편 설정부(50)에 설정된 허용 실내온도가 28℃이고, 실외 온도센서(40)에서 측정된 흡기온도가 20℃ 일 경우 상기 [수학식 1]을 이용하여 실내의 필요 환기량을 계산하면, 다음과 같다.
Figure 112007060791329-UTM00004
실내의 체적이 100m3인 경우 상기 [수학식 1]에서 계산된 실내의 필요 환기량을 이용하여 [수학식 2]를 통해서 전환 횟수를 계산하면 다음과 같다.
Figure 112007060791329-UTM00005
회/h
즉, 1시간당 5.2회이므로, 대략 5회를 전환 횟수로 결정하고 흡기 및 배기의 시간 배분을 6분 : 6분으로 결정하여 1시간당 환풍기(10)의 모터의 정회전/역회전에서 역회전/정회전으로의 전환을 5회 실시하게 된다.
여기서 온도변화가 적은 지하사업장의 경우 상기 흡기 및 배기의 시간 배분은 10분 : 2분 등으로 배기시간보다 흡기 시간을 더 길게 조절할 수도 있다.
한편 상기 컨트롤러(60)는 실내온도센서(30)에서 측정된 실내의 온도가 허용 실내온도를 초과하게 되면 냉방장치(200)를 실내의 현재온도가 실내 허용온도 미만이 될 때 까지 가동시키게 된다.
상기와 같은 구성에 의해 본 고안의 환풍기(10)의 정역회전을 이용한 환기장치(100)가 작동되는 과정을 도 3을 참조하여 살펴보면 다음과 같다.
우선 사용자가 상기 환기장치(100)의 전원을 켠 후(S10), 설정부(50)에 환풍기(10)의 동작개시온도, 실내 허용온도 등을 설정하면, 컨트롤러(60)는 실내온도센서(30)로부터 실내의 현재온도를 전달받고, 이를 동작개시온도(예를 들어 25℃)와 서로 비교하여(S20), 상기 실내의 현재온도가 동작개시온도 이상이면, 환풍기(10)의 팬을 정회전 또는 역회전 중 어느 하나의 방향으로 회전시키게 된다.
이어서 상기 컨트롤러(60)는 실시간으로 실내에서 발생되는 발생열량, 기 설정된 실내 허용온도 및 흡기온도의 차이를 이용하여 필요 환기량을 계산하고, 상기 필요 환기량을 실내의 체적으로 제산하여 단위 시간 당 환풍기(10)의 팬의 회전방향의 전환 횟수를 결정하게 된다.
따라서 설정시간 당 결정된 전환 횟수만큼 전환수단(20)을 제어하여 환풍기(10)의 팬의 회전방향을 전환시켜 실내의 공기를 실외로 배기하거나 실외의 공기를 실내로 흡기 시킨다(S30).
이어서 상기 컨트롤러(60)는 실내 온도센서(30)에서 측정된 현재온도와 설정 부(50)에 설정된 실내 허용온도(예를 들어 30℃)를 서로 비교하여(S40), 상기 실내 온도센서(30)에서 측정된 현재온도가 실내 허용온도 이상이 되면 현재온도가 실내 허용온도 미만이 될 때 까지 냉방장치(200)를 구동시키게 된다(S50).
여기서 상기 냉방장치(200)가 구동되면 컨트롤러(60)는 환풍기(10)의 동작을 정지시키게 되고, 이어서 실시간으로 컨트롤러(60)는 실내 온도센서(30)에서 측정된 현재온도와 설정부(50)에 설정된 실내 허용온도를 서로 비교하여(S40), 상기 실내 온도센서(30)에서 측정된 현재온도가 실내 허용온도 이상이 되면 계속 냉방장치(200)를 구동시키게 되고, 측정된 현재온도가 실내 허용온도 미만이면 상기 냉방장치(200)는 가동을 중단시키고, 다시 S30으로 진행하여, 환풍기(10)의 팬을 정회전 또는 역회전 중 어느 하나의 방향으로 회전시키게 된다.
도 1은 본 발명의 환풍기의 정역회전을 이용한 환기장치가 건축물에 설치된 모습을 나타내는 측단면 개념도.
도 2는 본 발명의 환풍기의 정역회전을 이용한 환기장치의 블록도.
도 3은 본 발명의 환풍기의 정역회전을 이용한 환기장치의 동작 순서도.

Claims (4)

  1. 실내 및 실외를 관통하는 부분에 설치되어 정회전 시에는 실내 공기를 실외로 배기하고, 역회전 시에는 실외 공기를 실내로 흡입하는 하나 이상의 환풍기;
    상기 환풍기의 팬의 회전방향을 전환하는 전환수단;
    실외측에 설치되어 흡기온도를 측정하는 실외온도센서; 및
    실내에서 발생되는 발생열량과, 기 설정된 실내 허용온도 및 흡기온도의 차이를 이용하여 필요 환기량을 계산하고, 상기 필요 환기량을 실내의 체적으로 제산(除算)하여 단위 시간 당 환풍기의 팬의 회전방향의 전환 횟수를 결정하며, 결정된 전환 횟수만큼 전환수단을 제어하여 환풍기의 팬의 회전방향을 전환시키는 컨트롤러를 포함한 것을 특징으로 하는 환풍기의 정역회전을 이용한 환기장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 필요 환기량은 하기의 수학식 1에 따라 계산되는 것을 특징으로 하는 환풍기의 정역회전을 이용한 환기장치.
    [수학식 1]
    Figure 112007060791329-UTM00006
    (Q: 필요 환기량, H: 발생열량(Kw), 3600: 시간(초), 1.2: 공기비중량(Kg/m3), 1.01: 실내정압비열(Kcal/Kg.℃), T2: 기 설정된 실내 허용온도, T1: 흡기온도)
  3. 제1항에 있어서,
    상기 환풍기는 흡기 시 먼지유입 방지를 위해 망사에 의해 감싸지는 것을 특징으로 하는 환풍기의 정역회전을 이용한 환기장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 환기장치는 실내온도센서를 추가적으로 포함하고, 상기 컨트롤러는 실내온도센서에 의해 측정된 실내온도가 실내 허용온도를 초과하면 별도로 구비된 냉방장치를 제어하여 실내를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 환풍기의 정역회전을 이용한 환기장치.
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