KR20170069385A - 건물 환기 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자연풍에 의한 환기가 가능한 경우에는 자연 환기를 이용하고, 그렇지 못한 경우에는 강제 환기를 이용할 수 있는 건물 환기 장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 건물 환기 장치는 내부가 비어 있고, 상면에 개방부(12)가 형성된 프레임(10); 상기 프레임(10)의 상부에 설치되고 중심에 제1 회전축이 결합된 팬(20); 상기 제2 회전축(32)이 형성된 전기모터(30); 상기 제2 회전축(32)의 끝단에 결합되는 로터(44)와 상기 제1 회전축(22)의 끝단에 상기 로터(44)와 마주보고 결합되는 아마추어(42)로 구성되는 클러치(40); 상기 팬(20)이 회전하는 각속도를 측정하는 제1 센서(50) 및 외기의 속도에 비례하는 출력신호를 생성하는 제2 센서(60)로 구성되어, 상기 외기의 속도가 소정의 한계값 미만일 경우 상기 전기모터(30)를 이용하여 상기 팬(20)을 구동하고, 상기 외기의 속도가 소정의 한계값 이상일 경우 상기 전기모터(30)를 상기 팬(20)에서 분리하고 외기로 상기 팬(20)을 구동하는 것을 기술적 특징으로 한다.

Description

건물 환기 장치 {BUILDING VENTILATION APPARATUS}

본 발명은 건물 환기 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자연풍에 의한 환기가 가능한 경우에는 자연 환기를 이용하고, 그렇지 못한 경우에는 강제 환기를 이용할 수 있는 건물 환기 장치에 관한 것이다.

일반적으로 공동주택(아파트), 고층 빌딩, 오피스텔의 경우, 창문만으로는 충분히 환기를 할 수 없어 건물에 강제 환기 장치를 구비하게 된다. 강제 환기 장치는 대개 건물의 옥상 등에 외기를 유입하기 위한 팬을 설치하고 에어 덕트를 통해 건물 내 공간을 환기시킨다.

강제 환기 장치에는 전기모터를 이용하는 것도 있지만, 에너지 절약을 위해 자연풍으로 충분한 환기가 가능한 경우에는 전기모터 대신 자연풍을 이용하도록 한 이중 구동 구조의 장치도 있다.

이러한 자연풍에 의한 구동과 모터에 의한 구동을 선택적으로 수행할 수 있는 이중 구동 구조의 환기 장치가 ‘특허문헌 1’에 개시되어 있고, 도 1은 종래의 이중 구동 구조의 환기 장치의 구성도이다.

종래의 이중 구동 구조의 환기 장치는 팬(1), 구동회전체(2), 팬(1)과 구동회전체(2)를 연결하는 회전축(3), 구동회전체(2)에 마찰접촉되는 피동회전체(4) 및 모터에 전원을 단속하는 온/오프 스위치(5)로 구성되어, 풍력의 강약에 따라 구동회전체(2)의 토크가 설정치 이상인 경우 구동모터의 전원을 오프시켜 자연 환기시키고, 토크가 설정치 미만인 경우 구동모터의 전원을 온 시켜 강제 환기를 수행한다.

그런데 종래의 이중 구동 구조의 환기 장치는 마찰에 의해 구동회전체(2)에서 피동회전체(4)로 회전력이 전달되므로 마찰 손실이 크고, 피동회전체(4)와 모터가 항상 연결되어 있기 때문에 자연 환기 시 모터축이 따라서 회전함에 따른 마모와 에너지 손실이 있는 문제점이 있다. 더불어 모터의 온/오프만 가능하기 때문에 자연풍의 강도에 맞추어 모터의 회전 속도를 적절히 조절할 수 없다는 문제점이 있다.

KR 10-2002-0073043 A (2002. 9. 19.)

본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 전기모터의 회전력이 팬에 손실 없이 전달되고, 자연 환기 시 전기모터를 팬으로부터 분리시킬 수 있는 건물 환기 장치를 제공하는 것이다.

또한 외기의 속도에 따라 전기모터의 회전속도를 조절할 수 있는 건물 환기 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 건물 환기 장치는 내부가 비어 있고, 상면에 개방부가 형성된 프레임; 상기 프레임의 상부에 설치되고 중심에 제1 회전축이 결합된 팬; 상기 제2 회전축이 형성된 전기모터; 상기 제1 회전축의 끝단에 결합되는 아마추어와 상기 제2 회전축의 끝단에 상기 아마추어와 마주보고 결합되는 로터로 구성되는 클러치; 상기 팬이 회전하는 각속도를 측정하는 제1 센서 및 외기의 속도에 비례하는 출력신호를 생성하는 제2 센서로 구성되어, 상기 외기의 속도가 소정의 한계값 미만일 경우 상기 전기모터를 이용하여 상기 팬을 구동하고, 상기 외기의 속도가 소정의 한계값 이상일 경우 상기 전기모터를 상기 팬에서 분리하고 외기로 상기 팬을 구동하는 것을 기술적 특징으로 한다.

본 발명에 따른 건물 환기 장치는 전기모터의 회전력이 클러치에 의해 팬으로 전달되므로, 동력 전달 손실이 적어 장치 전체적인 에너지 효율이 높다.

또한 외기에 의한 팬의 회전 시에는 전기모터가 팬으로부터 분리되므로 전기모터의 내구성이 높아지고, 팬이 전기모터를 회전시키지 않음에 따라 에너지 효율이 높다.

또한 외기의 속도에 따라 전기모터의 회전속도를 조절할 수 있으므로, 건물 환기 시 외기를 최대한 이용할 수 있어 에너지 효율이 높다.

도 1은 종래의 이중 구동 구조의 환기 장치의 구성도
도 2는 본 발명에 따른 건물 환기 장치의 사시도
도 3은 본 발명에 따른 건물 환기 장치의 제1 실시형태의 내부 구성도
도 4는 도 3에서 프레임을 제외한 상세도
도 5는 본 발명에 따른 건물 환기 장치의 제1 실시형태의 정단면도
도 6은 본 발명에 따른 건물 환기 장치의 제2 실시형태의 내부 구성도
도 7은 도 6에서 프레임을 제외한 상세도
도 8은 본 발명에 따른 건물 환기 장치의 제2 실시형태의 정단면도

아래에서는 본 발명에 따른 건물 환기 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 건물 환기 장치의 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 건물 환기 장치의 제1 실시형태의 내부 구성도이며, 도 4는 도 3에서 프레임을 제외한 상세도이고, 도 5는 본 발명에 따른 건물 환기 장치의 제1 실시형태의 정단면도이다.

본 발명에 따른 건물 환기 장치는 프레임(10), 프레임의 상부에 설치되는 팬(20), 팬(20)을 회전시킬 수 있는 전기모터(30), 팬(20)과 전기모터(30)를 단속하는 클러치(40), 팬(20)의 각속도를 측정하는 제1 센서(50) 및 외기의 속도에 비례하는 출력신호를 생성하는 제2 센서(60)를 포함하여 구성되고, 전기모터(30) 및 클러치(40)에 우수가 유입되는 것을 방지하기 위한 우수가이드부와 동절기 전기모터(30)가 원활하게 동작할 수 있도록 하는 히터(80)가 더 포함될 수 있다.

프레임(10)은 원기둥이나 직육면체와 같은 형상으로 상부에 팬(20)이 설치되고, 하부에 전기모터(30)가 설치되며, 내부에 클러치(40)가 설치되어 팬(20)과 전기모터(30)를 지지하면서 클러치(40)를 보호하는 구성요소이다. 프레임(10)은 내부가 비어 있고, 상면에는 개방부(12)가 형성되어 팬(20)의 회전에 의해 발생되는 상승기류가 건물(B) 내부의 공기를 환기하도록 한다. 프레임(10)과 건물 내부는 덕트(미도시) 등으로 연결될 수 있다.

팬(20)은 프레임(10)의 상부인 건물 외부에 설치되어 외기의 흐름 또는 전기모터(30)의 구동에 의해 상승기류를 발생시키는 구성요소이다. 이렇게 팬(20)에 의해 발생된 상승기류는 건물의 공기를 외부로 빼냄으로써 건물 내부를 환기시킨다. 팬(20)의 중심에는 제1 회전축(22)이 결합되어, 전기모터(30)에 의해 제1 회전축(22)이 회전하면 팬(20)도 회전된다.

전기모터(30)는 팬(20)을 회전시키는 구성요소로서, 전기모터(30)의 회전축인 제2 회전축(32)이 제1 회전축(22)에 회전력을 전달하는 경우에만 팬(20)을 회전시킨다. 전기모터(30)가 DC 모터인 경우 전기모터(30)의 구동이 제어부(미도시)에 의해 펄스폭(PWM) 제어될 수 있는데, 펄스폭 제어의 경우 DC 모터에 공급되는 전류의 펄스폭(duty ratio)을 조절함으로써 제2 회전축(32)의 회전속도를 제어할 수 있다.

클러치(40)는 전기모터(30)의 회전력이 팬(20)에 단속되도록 하는 구성요소로서, 제1 회전축(22)의 끝단에 아마추어(42)와 제2 회전축(32)의 끝단에 상기 아마추어(42)와 마주보고 결합되는 로터(44)로 구성된다. 클러치(40)의 아마추어(42)가 로터(44)와 맞물리면 제2 회전축(32)의 회전력이 제1 회전축(22)으로 전달되어 팬(20)을 구동시킬 수 있다. 그리고 외기에 의해 팬(20)의 회전이 가능한 경우에는 아마추어(42)와 로터(44)가 이격됨으로써 팬(20)이 회전되더라도 전기모터의 제2 회전축(32)이 회전되지 않는다. 본 발명에 따른 건물 환기 장치는 제1 센서(50)에서 측정되는 제1 회전축(22)의 각속도와 동일한 각속도로 제2 회전축(32)이 회전하도록 전기모터(30)를 제어한 후 클러치(40)를 단속함으로써 제1 회전축(22)과 제2 회전축(32)이 단속 과정에서 충격을 받지 않도록 한다.

제1 센서(50)는 팬(20)이 회전하는 각속도를 측정하는 구성요소인데, 팬(20)의 각속도를 직접 측정하는 경우 제1 센서(50)의 설치가 어렵고, 제1 센서(50)가 팬(20)이 설치된 외부 환경에 노출되기 때문에 본 발명에서는 팬(20)에 결합된 제1 회전축(22)의 각속도를 측정함으로써 팬(20)의 각속도를 간접적으로 측정한다. 제1 센서(50)는 제1 회전축(22)의 각속도를 측정하는 어떠한 것이라도 사용될 수 있는데, 예를 들면 제1 회전축(22)에 결합된 회전판의 슬릿 아래에 설치된 레이저 다이오드와 위에 설치된 포토 다이오드, 또는 마그네틱 회전 위치 센서일 수 있다. 이러한 구성의 경우 슬릿의 회전에 따라 포토 다이오드에서 레이저 다이오드의 광이 검출되는 시간 간격을 이용하여 제1 회전축(22)의 각속도(ω = 2π/Δt, Δt는 시간 간격)를 구할 수 있다.

제2 센서(60)는 외기의 속도에 비례하는 출력신호를 생성하는 구성요소로서, 일반적인 풍속계일 수 있다. 또는 풍속계의 회전축에 제1 센서(50)와 같이 슬릿을 형성된 회전판을 부착하고 포토 다이오드와 레이더 다이오드, 또는 마그네틱 회전 위치 센서를 이용하여 회전축의 각속도를 측정할 수도 있다. 본 발명에 따른 건물 환기 장치가 제2 센서(60)를 구비하는 이유는 외기의 속도가 소정의 한계값 미만일 경우 전기모터(30)를 이용하여 팬(20)을 구동하고, 외기의 속도가 소정의 한계값 이상일 경우 전기모터(30)를 팬(20)에서 분리하고 외기로 팬(20)을 구동하기 위해서는 외기의 속도를 알 수 있는 구성요소가 필요하기 때문이다. 이때 전기모터(30)의 구동 여부를 결정하는 소정의 한계값은 m/s 단위로 나타나는 외기의 실제 풍속일 필요는 없으며 제2 센서(60)의 회전축의 각속도(rad/s)로 설정되어도 무방하다.

제1 센서(50)와 제2 센서(60)는 2개가 1조로 구성되어 1개의 제1 또는 제2 센서가 고장 나더라도 정상 작동하는 나머지 1개의 제1 또는 제2 센서를 이용하여 본 발명에 따른 건물 환기 장치가 정상 작동하도록 할 수 있다.

이상으로 본 발명에 따른 건물 환기 장치의 기본적인 구성에 대하여 설명하였는데, 이하에서는 본 발명에 따른 건물 환기 장치가 더욱 원활하게 작동할 수 있도록 하는 부가 구성에 대하여 설명한다.

본 발명에 따른 건물 환기 장치는 프레임(10)의 상부에 개방부(12)가 형성되어 있고, 팬(20)의 구조상 팬(20)이 개방부(12)를 완전히 덮을 수 없기 때문에 프레임(10) 내부가 외부에 노출되는 구조이다. 따라서 프레임(10)의 하부에 설치되는 전기모터(30), 프레임(10)의 내부에 설치되는 클러치(40), 제1 센서(50)가 우천 시 우수에 노출되어 장치의 원활한 동작을 장담할 수 없을 뿐만 아니라, 부식의 위험이 있고, 합선 등에 의한 안전사고의 위험도 있다.

우수가이드부는 이러한 점을 보완하기 위하여 프레임(10) 내부에 형성되는 구성으로서, 제1 회전축(22)을 따라 유입되는 우수가 전기모터(30) 및 클러치(40)로 흐르지 않고 배출되도록 하는 구성요소이다. 우수가이드부는 도 3 내지 5에 도시된 제1 실시형태와 같이 제1 회전축(22)에 구배를 가지고 결합된 우수방지판(70)일 수 있다. 이때, 우수방지판(70)의 외주는 프레임(10)의 내측면과 이격된다. 따라서 제1 실시형태에서 제1 회전축(22)을 따라 흘러들어오는 우수가 우수방지판(70)을 따라 전기모터(30) 및 클러치(40)를 피해서 아래로 떨어질 수 있다. 그리고 제1 회전축(22)의 회전에 의해 우수방지판(70)이 회전될 때에는 원심력에 의해 우수가 더 멀리 흩뿌려지게 되므로 전기모터(30) 및 클러치(40)에 대한 영향이 더 작아진다. 제1 실시형태의 경우 덕트가 프레임 아래에 형성될 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 건물 환기 장치의 제2 실시형태의 내부 구성도이며, 도 7는 도 6에서 프레임을 제외한 상세도이고, 도 8은 본 발명에 따른 건물 환기 장치의 제2 실시형태의 정단면도이다. 본 발명에 따른 건물 환기 장치의 제2 실시형태는 우수방지부가 제1 회전축(22)을 따라 회전하지 않는 형태로서, 제1 실시형태의 경우 우수방지부가 제1 회전축(22)을 따라 회전함에 따른 에너지 낭비가 발생할 수 있기 때문에 이를 개량한 것이라 할 수 있다.

구체적으로, 제2 실시형태에서 우수가이드부는 전기모터(30) 및 클러치(40)의 상부에 형성되어 프레임(10) 내부를 상부와 하부로 나누는 우수방지판(70), 제1 회전축(22)에 결합되는 패킹(24), 프레임(10)의 측면에 형성되는 우수배출구(14)로 구성된다.

우수방지판(70)은 중앙에 제1 회전축(22)이 관통되는 홀(72)이 형성되고, 프레임(10)의 측면까지 연장되는 판으로서, 프레임(10)에 접하는 외곽면이 홀(72)이 형성된 높이보다 낮게 형성된다. 따라서 제1 회전축(22)을 타고 내려오는 우수가 우수방지판(70)을 따라 프레임(10) 내측 측면까지 흘러내릴 수 있다.

패킹(24)은 우수방지판(70)의 홀(72)의 상부에 접하도록 제1 회전축(22)에 결합되어 홀(72)을 통해 우수가 프레임(10)의 하부로 흘러내리지 않도록 한다.

우수배출구(14)는 우수방지판(70)이 접하는 프레임(10)의 측면에 형성되어 우수방지판(70)을 따라 흘러내리는 우수가 프레임(10) 외부로 방출되도록 한다.

본 발명에 따른 건물 환기 장치의 제2 실시형태에서 덕트는 프레임(10)의 상부에 연결된다.

본 발명에 따른 건물 환기 장치의 제1 실시형태는 구조가 간단한 반면 에너지 손실이 있을 수 있고, 제2 실시형태는 에너지 손실이 적은 대신 구조가 복잡하고 초기 설치 비용이 많은 편으로, 어떠한 실시형태를 택할 것인지는 본 발명에 따른 건물 환기 장치가 설치되는 대상 건물의 특성과 용도 등에 따라 결정될 수 있다.

히터(80)는 전기모터(30)에 결합되어 전기모터(30)에 열을 공급하는 구성요소이다. 동절기 등 전기모터(30)의 온도가 낮은 경우 전기모터(30)가 동작되지 않거나 오동작할 수 있는데, 이때 히터(80)를 구동하여 전기모터(30)가 동작에 적절한 온도를 유지할 수 있도록 한다. 히터(80)는 전기모터(30)의 제2 회전축(32)이 결로 등에 의해 동결되지 않도록 또는 동결되었을 때 얼음을 녹이기 위한 용도로도 사용될 수 있다. 히터(80)는 도 4에 도시된 바와 같이 전기모터(30)의 외곽을 둘러쌀 수 있는 구조의 밴드히터가 채택되는 것이 바람직하다.

전기모터(30) 등을 제어하는 제어부(미도시)에 의해 비상 시 전기모터(30)의 응급 제어가 수행되도록 할 수도 있다. 가령 정격 이상의 전류가 흘러 전기모터(30)가 과열되는 경우 제어부는 전기모터(30)에 공급되는 전력을 차단하고, 외기의 강약에 관계없이 팬(20)이 외기에 의해서만 구동되도록 할 수 있다. 또한 제1 센서(50)나 제2 센서(60)의 고장, 또는 제어부의 고장으로 전기모터(30)의 구동 상태를 결정할 수 없는 경우에는 외기의 속도에 상관없이 전기모터(30)를 정격 구동함으로써 건물 내부 환기가 수행되도록 할 수 있다.

또한 제어부는 풍속, 팬의 회전수, 전기모터의 회전속도, 클러치의 동작 상태, 전기모터의 과열 여부, 제어부의 이상 여부 등 본 발명에 따른 건물 환기 장치의 각 구성요소의 상태를 확인, 감시한 정보를 건물의 관리실이나 공조실 등 상위 관제 시스템에 전달하도록 구성될 수도 있다.

부가적으로, 본 발명에 따른 건물 환기 장치는 건물 등의 옥상에 설치되기 때문에 태양광 발전장치에 의해 전기모터(30)에 전력이 공급되도록 할 수 있다.

10 프레임 12 개방부
14 우수배출구 20 팬
22 제1 회전축 24 패킹
30 전기모터 32 제2 회전축
40 클러치 42 아마추어
44 로터 50 제1 센서
60 제2 센서 70 우수방지판
72 홀 80 히터

Claims (9)

1. 내부가 비어 있고, 상면에 개방부(12)가 형성된 프레임(10);
   상기 프레임(10)의 상부에 설치되고 중심에 제1 회전축이 결합된 팬(20);
   제2 회전축(32)이 형성된 전기모터(30);
   상기 제1 회전축(22)의 끝단에 결합되는 아마추어(42)와 상기 제2 회전축(32)의 끝단에 상기 아마추어(42)와 마주보고 결합되는 로터(44)로 구성되는 클러치(40);
   상기 팬(20)이 회전하는 각속도를 측정하는 제1 센서(50) 및
   외기의 속도에 비례하는 출력신호를 생성하는 제2 센서(60)로 구성되어,
   상기 외기의 속도가 소정의 한계값 미만일 경우 상기 전기모터(30)를 이용하여 상기 팬(20)을 구동하고, 상기 외기의 속도가 소정의 한계값 이상일 경우 상기 전기모터(30)를 상기 팬(20)에서 분리하고 외기로 상기 팬(20)을 구동하는 것을 특징으로 하는 건물 환기 장치.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 센서(50)에서 측정되는 상기 제1 회전축(22)의 각속도와 동일한 각속도로 상기 제2 회전축(32)이 회전하도록 상기 전기모터(30)를 제어한 후 상기 클러치(40)를 단속하는 것을 특징으로 하는 건물 환기 장치.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 센서(50)와 제2 센서(60)는 2개가 1조로 구성되는 것을 특징으로 하는 건물 환기 장치.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 전기모터(30) 및 상기 클러치(40)의 상부에 형성되어 상기 제1 회전축(22)을 따라 유입되는 우수를 배출하는 우수가이드부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 건물 환기 장치.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 전기모터(30)에 열을 전달하는 히터(80)를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 건물 환기 장치.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 전기모터(30)를 제어하는 제어부를 더 포함하여 구성되고,
   상기 전기모터(30)가 과열되는 경우 상기 제어부는 상기 전기모터(30)에 공급되는 전력을 차단하는 것을 특징으로 하는 건물 환기 장치.
   
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 전기모터(30)를 제어하는 제어부를 더 포함하여 구성되고,
   상기 제1 센서(50) 또는 제2 센서(60)의 고장으로 상기 전기모터(30)의 구동 상태가 결정될 수 없는 경우 상기 제어부는 상기 외기의 속도에 상관없이 상기 전기모터(30)를 정격 구동하는 것을 특징으로 하는 건물 환기 장치.
   
8. 청구항 1에 있어서,
   제어부를 더 포함하여 구성되고,
   상기 제어부는 풍속, 상기 팬(20)의 회전수, 상기 클러치(40)의 동작 상태, 상기 전기모터(30)의 회전속도, 전기모터(30)의 과열 여부, 제어부의 이상 여부를 확인, 감시한 정보를 건물의 관리실이나 공조실 등 관제 시스템에 전달하는 것을 특징으로 하는 건물 환기 장치.
   
9. 청구항 1에 있어서,
   태양광 발전장치를 더 구비하여,
   상기 태양광 발전장치에 의해 상기 전기모터(30)에 전력이 공급되는 것을 특징으로 하는 건물 환기 장치.

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