熱水系統及其控制方法

2023-07-18 04:08:56

專利名稱：熱水系統及其控制方法
技術領域：
本發明涉及一種熱水系統及其控制方法，尤指一種包括控制閥的熱水系統，其控 制直接水(direct water)的流速為需要供暖的每個房間供給熱水或者採暖熱水的流速。
背景技術：
通常，「熱水系統」是一種利用燃燒器通過對流過管道的水進行加熱來產生熱水的 裝置，鍋爐和水加熱器就是這種裝置的樣例。鍋爐是一種加熱的裝置，由循環泵傳送的採暖 熱水流經換熱器時被加熱，加熱後的熱水經過需要供暖的每個房間來完成熱交換，水加熱 器是一種利用換熱器對冷的直接水進行加熱以供給使用者熱水的裝置。熱水分配器設置在鍋爐系統中，該熱水分配器將熱水(採暖熱水)分配到需要供 暖的每個房間中。該熱水分配器將熱水分配到每個房間中，該熱水由鍋爐的換熱器進行加 熱並且通過供水管進行供給。該供給熱水將熱傳遞到每個房間中並且被冷卻，隨後通過回 水管返回到換熱器中。該熱水分配器設置有控制閥，其控制供給到每個房間的採暖熱水的 流速。該控制閥分為手動控制流速的恆流速型與比例控制型，該比例控制型的控制閥基 於反饋信息(諸如採暖熱水的流速)，利用電機自動控制閥門開度來控制流速。對於恆流速型的控制閥，一旦流速根據每個房間的管道長度被設定，使用者便不 能根據他/她的選擇改變流速，當對陽臺進行改造或者擴建而改變加熱管的長度時，會導 致加熱變得不均勻。而且，當流量傳感器使用在比例控制型的控制閥中時，通過相應於從流量傳感器 反饋的流速數據對閉合元件的開度進行控制，使供給的採暖熱水的流速得到控制。其中，由 於在採暖熱水中存在大量的汙染物，流量傳感器可能會被汙染。而且，當流量傳感器未使用 在比例控制型的控制閥中時，基於從溫度傳感器反饋的採暖熱水的溫度，通過旋轉步進電 機對閥門開度進行控制，然而，其中由於步進電機使用直流電源，需要特定零件，諸如變壓 器和整流器，因此安裝成本增加。同時，水加熱器系統設置有流量控制閥，其利用流量傳感器測量流過管道的冷卻 直接水的流速，並且基於已經反饋的測得流速，通過控制閥門開度控制直接水的供給流 速。，由於供給大量的直接水，甚至在水加熱器處於最大燃燒能力的情況下仍難以供給所需 溫度的熱水時，通過設置流量控制閥，可降低直接水的流速以供給所需溫度的熱水。在這種 結構中，由於流速的控制是在流量傳感器、控制器和流量控制閥之間反覆地反饋信息時完 成的，相應返回的結果被延遲，使所需溫度的熱水不能迅速地供給使用者。

發明內容
本發明的目的在於提供一種熱水系統以及控制該熱水系統的方法，其中該熱水系 統能夠迅速供給使用者所需溫度的熱水。本發明的另一個目的在於提供一種熱水系統，其通過利用便宜的交流電動機，可能降低安裝該系統的成本。為了實現本發明的上述目的，熱水系統包括電動機，通過所述電動機的旋轉控制 水的流速的閉合元件，和基於輸出電壓控制閥門開度的控制閥，所述輸出電壓根據由所述 電動機的旋轉來改變的所述閉合元件的位置來設定；流速信息測量單元，其測量流速信息 以確定流過所述控制閥的水的流速；和控制單元，其根據所述流速信息測量單元所測量和 輸入的流速信息，計算所需的水流速來設置水的流速，並且控制所述電動機。所述控制閥設置有線性磁鐵和磁性傳感器，其中所述線性磁鐵通過所述電動機的 旋轉改變位置，所述磁性傳感器探測根據所述線性磁鐵的位置所改變的磁通密度。所述控制閥是流量控制閥，其控制由熱水供給系統供給至換熱器的直接水的流 速，所述流速信息測量單元是流速傳感器，其測量流過所述流量控制閥的直接水的流速。在分配採暖熱水到需要供暖的每個房間的系統中，所述控制閥是控制供給到每個 房間的採暖熱水流速的控制閥，所述流速信息測量單元是測量採暖熱水溫度的溫度傳感器。根據本發明，一種控制熱水系統的方法包括測量流過管道的水的流速信息；基 於所述測得的流速信息，設置通過控制閥的所需流速；基於所述設定的所需流速，根據所述 控制閥的線性磁鐵的位置變化設置所需的電壓；通過驅動所述控制閥的電動機，改變所述 線性磁鐵和閉合元件的位置；由所述線性磁鐵的位置變化而產生在磁性傳感器中的電勢差 達到所需電壓時，通過確定已經實現了所需的流速，停止所述電動機。所述流速信息可以是流入熱水供給系統的換熱器中的直接水的流速。所述流速信息可以是採暖熱水的供給溫度或者返回溫度。根據所述熱水系統以及控制所述熱水系統的方法，能夠根據流速傳感器測得的流 速迅速地供給使用者所需溫度的熱水，並且降低安裝成本。


圖1所示為根據本發明實施例的熱水系統的結構示意圖。圖2為圖1中所示的流量控制閥的剖視圖。圖3所示為應用到本發明的流量控制閥的線性磁鐵的形狀和磁化強度的視圖。圖4所示為流速和磁性傳感器電勢差之間關係。圖5所示為根據本發明另一個實施例的熱水系統的結構示意圖。圖6為圖5中所示的控制閥的剖視圖。
具體實施例方式本發明的優選實施例的結構和操作將結合附圖進行詳細描述。圖1所示為根據本發明實施例的熱水系統的結構示意圖，圖2為圖1中所示的流 量控制閥的剖視圖，圖3所示為應用到本發明的流量控制閥的線性磁鐵的形狀和磁化強度 的視圖(在專利登記號為660564的韓國專利中公開)，圖4所示為流速和磁性傳感器電勢 差之間關係。參見圖1，熱水系統包括冷的直接水流入的直接水管10，供流過直接水管10的直 接水與燃燒器產生的高溫燃氣進行交換熱量的換熱器20，將流過換熱器20熱水提供給使用者的供熱管30，設置在直接水管10上並且控制直接水流速的流量控制閥100，測量已經 流過流量控制閥100的直接水的流速的流量傳感器200，和控制單元300，其基於流量傳感 器200測得的流速計算所需的流速並且調節流量控制閥100的開度。在此結構中，用於在控制單元300中設置流過流量控制閥100的直接水流速的「流 速信息」，是由流量傳感器200測得的實際流速，並且該流量傳感器200是一個測量流速信 息的裝置。參見圖2，該流量控制閥100設置有雙向旋轉電動機111，閉合元件154，該閉合元 件通過電動機111的旋轉而上/下往復運動時能夠調節流體通道的開度，線性磁鐵131，該 線性磁鐵的位置隨電動機111的旋轉發生改變，和印刷電路板134，其裝配有磁性傳感器 137，以通過檢測線性磁鐵131的位置而改變的磁通密度來控制電動機111的旋轉。該電動機111由交流電驅動旋轉。因此，相比於使用由直流電驅動的電動機(例 如步進電機)而言，成本得到降低，因為不需要諸如變壓器和整流器等特定零件。設置在電 動機111的底部的電機軸112連接到軸連接件151上並且與之一起旋轉。長條狀的金屬軸152連接到軸連接件151的底部以整體旋轉。該閉合元件154 連接到金屬軸152的底部，並且該閉合元件可以打開/關閉形成直接水的流動通道的開口 172。此處未用附圖標記表示的為0型環。圓盤狀旋轉板141設置在軸連接件151上，並且在旋轉板的中心位置插入電機軸 112。該軸連接件151和旋轉板141通過兩個螺釘連接。磁鐵殼體132設有能夠與旋轉板141的下部外側面相接觸的上端部。該磁鐵殼體 132由合成樹脂製成，其內部具有線性磁鐵131，磁鐵殼體132的底面由彈簧133彈性支撐 並且插入在磁鐵容納部分162中，該磁鐵容納部分形成在閥門外體161 —側的上端。容納在底部殼體122中的印刷電路板134設置在線性磁鐵131的一側。根據線性 磁鐵131的位置變化以檢測磁通密度的磁性傳感器137，其貼設於印刷電路板134上。罩 135通過螺釘136固定在印刷電路板134的上部以覆蓋該印刷電路板134。在此描述的「線性磁鐵」是指根據位移其磁通密度的變化是直線(線性)的磁鐵， 隨後將對線性磁鐵131和磁性傳感器137進行描述。參見圖3，該線性磁鐵131在矩形的左上緣的正交方向上，以正弦波形狀磁化具有 北極和南極。通常，已知的是磁通密度與距離的平方成反比。因此，對於普通磁鐵，由位移而產 生的磁鐵強度的變化構成一個二次函數圖表，其不具有線性。相反地，如圖3所示，磁鐵的形狀用虛線示出，當應用在本發明中的線性磁鐵131 被磁化，從而使得磁性壁形成在正交方向上時，取決於位移的北極的磁通密度未顯示出線 性。然而，如圖中實線所示，磁鐵被磁化，從而使得磁性壁在正交方向上產生一個正弦波，該 磁通密度顯示為線性。在圖3中，磁性傳感器137檢測隨線性磁鐵131的位置改變而產生的磁通密度的 變化。也就是說，磁性傳感器137設置在距離線性磁鐵131的極性表面的預定距離d處，並 且線性磁鐵131使得極性表面在同一平面上移動。因此，線性磁鐵131的極性表面部分P0 至P12，其經過磁性傳感器137時能保持相同的距離d，其中由磁性傳感器137檢測的磁通 密度值呈線性變化。然而，磁鐵的極性表面部分P0至P12的兩個端部，輕微地顯示為非線性。因此，除了上述部分之外，最優地選擇具有較好線性特徵的P2到P10作為使用部分。線性傳感器137用於測量根據線性磁鐵131的位置變化而發生的磁通密度變化， 該線性傳感器137是霍爾傳感器(可編程的霍爾集成電路)，其通常用作檢測磁場的裝置之 一。在電流應用到半導體的電極(霍爾元件)之後，磁場被垂直應用時，產生的電勢差垂直 於電流的方向和磁場的方向，從而使得霍爾傳感器能夠從電勢差(電位)中檢測到線性磁 鐵131的位置變化。參見圖1到4，以下內容描述的是一種設置流量控制閥100中流速的方法，也就是 說，一種控制熱水系統的方法。例如，當使用者打開水龍頭使用熱水時，該流量傳感器200檢測流速，燃燒器(未 在附圖中示出)被點燃，熱量被提供給換熱器20。由流量傳感器200測得的流速與由設置在直接水管10上面的直接水傳感器(未 示出)測得的直接水溫度被輸入到控制器300，而所需的熱水溫度預先設定。此後，通過下 面的公式，控制單元300計算出將直接水的溫度增加到所需溫度時需要的熱量，Q = mc X A t其中，m是流速，c是比熱1，At是所需溫度和直接水的當前溫度的差值。當鍋爐的能力(最大可供給熱量)小於通過上述公式計算得到的所需熱量時，即 使燃燒器在最大燃燒功率下燃燒時，使用者所需溫度的熱水仍不能被供給。因此，控制單元 300計算所需的流速，以減少直接水的流速並且控制該流量控制閥100。如圖4所示，流速與根據線性磁鐵131的位置變化而由磁性傳感器137檢測的電 壓之間的關係被預先設定。也就是說，當通過完全打開流量控制閥100使可流通的流速達到最大流速時，相 應於線性磁鐵131位置的電壓設定為4. 5V ；當通過完全關閉流量控制閥100使可流通的流 速達到最小流速時，相應於線性磁鐵131位置的電壓設定為0. 5V ；當流量控制閥100的開 口位置在最大流速位置和閉合位置之間時，由於線性磁鐵131的線性特徵，電壓值是呈線 性比例的。因此，基於圖4所示的圖表數據，控制單元300設定一個相對所需流速的所需電 壓，並且通過旋轉流量控制閥100的電動機110，將閉合元件154向下移動來降低流速。在電動機111旋轉的同時，旋轉板141向下移動，使線性磁鐵131相應地下移。根 據線性磁鐵131的位置傳感器，在磁性傳感器137中產生的電勢差達到所需電壓時，控制單 元300確定所需的流速已經獲得，並且停止該電動機111的運行。因為在實際流速和所需流速之間存在的差異較小，所以在獲得所需流速之後僅需 執行微調。然而，由上述過程控制流速時，僅操作一次電動機111就能夠實現所需流速，從 而使得能夠迅速供給使用者所需溫度的熱水。圖5所示為根據本發明另一個實施例的熱水系統結構的示意圖，圖6是圖5中所 示的控制閥的剖視圖。在此實施例中描述的「熱水系統」是指用於供暖的供暖系統。參見圖5，該熱水系統包括熱源40，該熱源供給用於局部加熱或者單獨加熱的採 暖熱水(熱水)，分配器50，其分配從熱源40供給的採暖熱水到每個房間70a、70b和70c 中，供給管道60a、60b和60c，它們連接分配器50與房間70a、70b和70c，回水管80a、80b和80c,已經與房間70a、70b和70c熱交換的採暖熱水流過這些回水管，和控制閥500a、500b 和500c，它們設置在供給管道60a、60b和60c上並且控制供給到房間70a、70b和70c的採 暖熱水的流速。在此實施例中，通過控制單元設定流過控制閥500的採暖熱水流速的「流速信息」 可以為採暖熱水的溫度，該採暖熱水分配到需要供暖的每個房間中，其中測量採暖熱水溫 度的溫度傳感器(未在附圖中示出)是用於測量流速信息的裝置。參見圖6，該控制閥500包括設置在外殼501中的電動機(未在附圖中示出)，閉 合元件538，其通過電動機的電機軸511的旋轉而往復向上/向下，從而調節採暖熱水的流 動通道的打開/閉合量，凸輪件512，其連接到電機軸511上並與電機軸511整體旋轉，該凸 輪件512偏壓於電機軸511，線性磁鐵521，其由彈簧彈性支撐以與旋轉中的凸輪件512的 外圓周總是保持接觸，並且沿著凸輪件512的外圓周改變上-下位置，磁性傳感器(未在附 圖中示出)接近於線性磁鐵521設置，以通過檢測磁通密度控制電動機的旋轉，其中該磁通 密度根據線性磁鐵521的位置變化，以及裝配有磁性傳感器的印刷電路板(未在附圖中示 出)，凸輪接觸件531，其由彈簧532彈性支撐以與凸輪件512的底部外圓周接觸，凸輪接觸 件531朝下開口並且通過凸輪件512的旋轉改變上-下位置，上部引導件535，其引導凸輪 接觸件531的向上-向下運動，軸接觸件533，其插入上部引導件535中，並且軸接觸件533 的頂面與彈簧532接觸，軸接觸件533的底面與軸534的上端接觸並由其支撐，鎖固旋轉件 536和底部引導件537，其中軸534插入底部引導件中並且該底部引導件引導往復上/下的 軸534的外圓周，彈簧539，當軸534向下時彈簧539被壓縮，閉合元件538，其連接到軸534 的下端並且關閉形成在採暖熱水的入口 541和出口 543之間的開口 542，其中線性磁鐵521 與圖3中所示的線性磁鐵相同。參見圖5和圖6，以下內容描述的是一種設置控制閥500中流速的方法，也就是說， 一種控制熱水系統(供暖系統)的方法被隨後描述。供給到房間70a、70b和70c的採暖熱水的流速根據設置在每個房間70a、70b和 70c中的管道長度是不同的，用於加熱房間70a、70b和70c的溫度也可能會被設置為互不相同。因此，例如，考慮到溫度傳感器測量的採暖熱水的溫度(供給溫度或者返回溫度) 以及使用者設定的溫度，控制單元設定所需溫度。根據上述設定的所需流速，取決於控制閥500的線性磁鐵521的位置變化的所需 電壓被設定，其中所需電壓能夠從圖4所示的圖表數據中獲得。在所需電壓確定之後，凸輪件512由電動機驅動旋轉，通過凸輪件512的旋轉，閉 合元件538改變上-下位置，同時與凸輪件512接觸的線性磁鐵521相應地改變上-下位置。當線性磁鐵521的位置變化時，磁性傳感器的電勢差變化。當電勢差達到所需電 壓時，可以確定通過控制閥500的所需流速被實現，該電動機停止運轉。雖然，以上所述是用線性磁鐵來檢測閥門的開度，但也可以採用可變電阻和可變 電感器替代線性磁鐵和磁鐵傳感器。在使用可變電阻的情況下，根據閥門開度而預前設定可變電阻的輸出電壓，當可 變電阻的接觸點隨電動機的旋轉而改變時，通過相應的輸出電壓能夠檢測出閥門開度。
而且，在使用可變電感器的情況下，根據閥門開度而預前設定可變電感器的輸出 電壓，當磁鐵在線圈中的位置隨電動機的旋轉而改變時，通過相應的輸出電壓能夠檢測到 閥門開度。根據如上所述的本發明所採用的熱水系統，利用流速傳感器檢測的流速，能夠迅 速地供給使用者所需溫度的熱水，並且能夠減少安裝熱水系統的所需成本。
權利要求
一種熱水系統，其包括電動機，通過所述電動機的旋轉控制水流速的閉合元件，和基於輸出電壓控制閥門開度的控制閥，所述輸出電壓根據由所述電動機的旋轉來改變的所述閉合元件的位置來設定；流速信息測量單元，其測量流速信息以確定流過所述控制閥的水的流速；和控制單元，其根據所述流速信息測量單元所測量和輸入的流速信息，計算所需的水流速來設置水的流速，並且控制所述電動機。
2.如權利要求1所述的熱水系統，其中所述控制閥設置有線性磁鐵和磁性傳感器，其 中所述線性磁鐵通過所述電動機的旋轉改變位置，所述磁性傳感器探測根據所述線性磁鐵 的位置所改變的磁通密度。
3.如權利要求1所述的熱水系統，其中所述控制閥是流量控制閥，其控制從熱水供給 系統供給至換熱器的直接水的流速，所述流速信息測量單元是流速傳感器，其測量流過所 述流量控制閥的直接水的流速。
4.如權利要求1所述的熱水系統，在分配採暖熱水到需要供暖的每個房間的系統中， 所述控制閥是控制供給到每個房間的採暖熱水流速的控制閥，所述流速信息測量單元是測 量採暖熱水溫度的溫度傳感器。
5.一種控制熱水系統的方法，其包括測量流過管道的水的流速信息；基於所述測得的流速信息，設置通過控制閥的所需流速；基於所述設定的所需流速，根據所述控制閥的線性磁鐵的位置變化設置所需的電壓；通過驅動所述控制閥的電動機，改變所述線性磁鐵與閉合元件的位置；和由所述線性磁鐵的位置變化而產生在磁性傳感器中的電勢差達到所需電壓時，通過確 定已經實現了所需的流速，停止所述電動機。
6.如權利要求5所述的控制熱水系統的方法，其中所述流速信息可以是流入熱水供給 系統的換熱器中的直接水的流速。
7.如權利要求5所述的控制熱水系統的方法，其中所述流速信息可以是採暖熱水的供 給溫度或者返回溫度。
全文摘要
本發明的目的在於提供一種熱水系統以及控制該熱水系統的方法，該熱水系統迅速供給使用者所需溫度的熱水並且降低了安裝成本。根據本發明，該熱水系統包括電動機，通過電動機的旋轉控制水流速的閉合元件，和基於輸出電壓控制閥門開度的控制閥，該輸出電壓根據由電動機的旋轉來改變的閉合元件的位置來設定；流速信息測量單元，其測量流速信息以確定流過控制閥的水的流速；和控制單元，其根據流速信息測量單元所測量和輸入的流速信息，計算所需的水流速來設置水的流速，並且控制該電動機。
文檔編號F24H9/20GK101861499SQ200880115721
公開日2010年10月13日 申請日期2008年10月22日 優先權日2007年11月12日
發明者金思煥 申請人:(株)慶東Network