KR20150036594A - 가정용 온수 히터들을 위한 시스템, 모듈 및 밸브 - Google Patents

Abstract

시스템은 물탱크, 물탱크 외부의 열원, 제1 도관, 제2 도관, 및 물탱크와 사용자의 연결을 위한 도관들을 포함한다. 배출 작동 모드에서, 물은 제1 도관을 통해 탱크의 상부에서만 사용자에게로 흐른다. 반송수는 열원을 통해 제2 도관을 거쳐 탱크의 하부로 흐른다. 시스템 충진 모드에서, 물은 사용자에게로 흐르지 않고 반송수는 시스템으로 유입되지 않는다. 펌프는 온도가 더 낮은 물을 제2 도관을 경유해 탱크의 하부에서 제거하고, 그 물을 열원으로 이동시켜 제1 도관을 경유해 탱크의 상부로 반송하도록 작동된다. 시스템은 시스템으로 들어가거나 나오는 물 흐름에 기초하여 충진 동작에서 배출 동작으로 그리고 그 반대로 전환시키기 위한 5포트 밸브를 더 포함한다.

Description

가정용 온수 히터들을 위한 시스템, 모듈 및 밸브{System, module and valve for domestic hot water heaters}

본 발명은 온수 히터들을 위한 시스템에 관한 것이고, 더욱 상세하게는, 단독 주택들의, 예를 들어 추운 기후에서의, 태양열 물 가열 시스템들을 위한 시스템에 관한 것이다. 더 상세하게는, 발명은 태양열 집열기들을 이용한 기존 온수 저장소들의 개량과 이러한 개량에 적합한 모듈에 관한 것이다. 또한, 발명은 충진 모드와 배출 모드 사이에서 태양열 물 가열 시스템을 전환하기 위한 제어 장치에 관한 것이다.

2011년 5월 8일 내지 13일에 스웨덴의 린셰핑에서 개최된 2011 스웨덴 세계 재생가능에너지 총회에서 루이스 리카르도 베르나도, 헨릭 데이비슨, 비요른 칼슨이 작성한 "태양열 집열기를 위한 가정용 온수 탱크의 개량과 이론적 분석" 이라는 제목의 문서는 태양열 가열을 목적으로 한 다양한 시스템들을 개시한다. 문서에는, 표준 태양열 시스템이 4개의 상이한 개량된 태양열 시스템과 비교된다.

태양열 시스템의 가장 비싼 구성 요소들 중 하나는 저장 탱크이다. 새로운 태양열 온수 시스템을 장착할 때, 종래의 가정용 온수 히터 탱크들을 개량함으로써 전체 투자 비용을 줄일 수 있다. 또한, 태양열 집열기들은 새로운 설비에서 새로운 표준 가정용 온수 탱크들과 결합될 수도 있다.

온수 시스템을 위한 태양 에너지를 이용할 때, 태양 에너지가 이용 가능한 기간들 사이에서, 예를 들어, 밤 시간과 흐린 날씨 조건들에서 열 에너지를 저장하기 위한 열 저장 탱크가 이용된다. 태양열 집열기는 태양 에너지를 수집해 직접적으로, 또는 열교환기를 경유해 간접적으로 그 에너지를 열 매개체에 전달한다. 충진 모드에서, 태양열로 가열된 매개체에서 나온 에너지는 열 저장 탱크에 전달되고, 동시에, 더 낮은 온도의 열 매개체가 탱크에서 제거되어 태양열로 가열된다. 배출 모드에서, 뜨거운 매개체가 열 저장 탱크에서 제거되어 사용자에게 전달되고 차가운 열 매개체가 탱크로 반송된다.

충진과 배출은 간헐적인 과정들이다. 충진 과정은 태양 에너지가 언제 이용 가능한 지에 의해 좌우된다. 배출 과정은, 예를 들어 샤워를 위해, 언제 에너지가 요구되는 지에 의해 좌우된다.

열 매개체가 물인 경우, 열 매개체는 충진 모드에서 탱크의 상부로 유입될 수도 있고 배출 모드에서 탱크의 상부로부터 제거될 수도 있다. 온수는 냉수(4? 초과)보다 밀도가 낮기 때문에, 탱크의 상부에 머물려는 경향이 있을 것이고, 탱크의 하부에 있는 더 낮은 온도의 물과 섞이지 않으려는 경향이 있을 것이다. 이러한 효과를 열적 성층(thermal stratification)이라고 한다. 열적 성층이 중요한 이유는 온수(저장소의 상단에 있음)가 보조적인 가열이 필요 없이 사용자가 이용 가능한 한편, 냉수(저장소의 하단에 있음)는 태양열 집열기들이 이용 가능하므로 태양열 집열기들이 더 높은 효율로 더 많은 시간 동안 작동할 수 있기 때문이다. 따라서, 충진 동안 도관을 경유해 탱크의 상부로 물을 유입하는 한편, 배출 동안 동일한 도관을 경유해 탱크의 상부에서 물을 제거하는 것이 유리하다. 따라서, 물은 충진과 배출 동안 동일한 도관에서 다른 방향으로 흐른다.

두 개의 과정들은 서로 독립적이기 때문에, 충진과 배출은 동시에 발생할 수도 있다. 위에서 언급한 문서에서 설명하는 시스템들에서는, 배출이 발생할 때 충진은 방해 받는다. 따라서, 소중한 태양 에너지가 배출 과정에서 버려질 수도 있다.

본 발명의 목적은 이러한 문제를 해결하고 향상된 제어 장치를 제공하는 것이다. 또한, 제어 장치는 가능한 단순하고 신뢰성이 있어야 한다.

PCT 공개 번호 제 WO 2006/136163A2호는 가열된 가정용수를 제공하기 위한 시스템을 개시한다. 시스템은 상류 유로와 하류 유로에 의해 연결된 탱크와 태양열 집열기와 같은 가열 구조를 포함한다. 제어 시스템은 가정용수가 수용자에게 전달될 때, 수원으로부터 시스템으로 물이 공급되는 것을 차단하기에 적합하다. 시스템은 소정량의 빈 공간을 남기고 소정의 한계까지 채워진 탱크를 가열 시스템에 더 제공하는데, 소정량의 빈 공간은, 예를 들어, 공급된 에너지량으로 에너지 흡수를 조절하기 위해, 또는 태양열 집열기의 배수를 위한 공간을 확보하기 위해 남겨진다. 또한, 시스템은 과도한 온도로부터 보호되는 태양열 집열기와 관련된다. 또한, 시스템은 가열된 가정용수를 제공하기 위한 방법을 제공한다.

미국 공개 번호 제 4061132A호는 스템(stem)에 의해 작동 가능하고 관련된 입구 포트와 출구 포트를 가진, 협력적으로 작동하는 밸브 디스크들과 밸브 시트들을 가진 실린더형 몸체의 5방 밸브를 개시한다. 스템은 실린더형 몸체 안의 피스톤들에 의해 가동 가능하다. 피스톤들은 3방 밸브들의 제어에 따른 압력에 의해 구동된다. 밸브 구조는 1차 수영장 히터와 태양열 히터를 가진 수영장 가열 시스템에서 사용하기에 적합하다. 물은 필터를 통해 펌핑하는 펌프에 의해 순환된다. 3방 밸브들은 태양열 히터의 온도에 즉각 반응하는 온도 조절 장치에 반응하여 제어된다. 3방 밸브들은 시스템의 펌프의 상류측과 하류측 중 한 곳에서 수압차에 반응한다.

이전에 알려진 시스템들에서, 전기적으로 작동되는 밸브들이 사용된다. 그러나, 이러한 솔레노이드 작동 밸브들은 쉽게 고장날 수도 있고, 가동될 때와 열 에너지를 방출할 때 많은 전력을 필요로 할 수도 있다. 발명의 또 다른 목적은 전기적으로 작동되지 않고 보다 안전하게 작동될 수도 있는 밸브들을 사용하는 것이다.

이에 따라, 본 발명의 목적은 위에서 확인된 하나 이상의 결함과 단점의 각각 혹은 이들의 조합을 경감하거나 완화하거나 제거하는 것이다.

일 측면에서, 시스템은 제1 도관과 제2 도관을 가진 닫힌 물탱크를 포함하고, 여기서 제1 도관과 제2 도관은 탱크로 물을 유입하고 물탱크로부터 물을 제거하고; 냉수를 위한 입구와 가열된 물을 위한 출구를 포함하며 물탱크의 외부에 있는 열원을 포함하고, 여기서 가열된 물은 열원에 의해 가열되고; 제1 작동 모드(충진)에서 탱크로부터 나와 열원을 통해 탱크로 다시 돌아오는 물의 순환을 위한 펌프를 포함하고; 그리고 제2 작동 모드(배출)에서 시스템으로부터 물의 제거를 위한 사용자 도관과 시스템에 물을 반송시키기 위한 반송수 도관을 포함하는 시스템에 있어서, 시스템은 비가동 위치(충진)와 가동 위치(배출)를 가지는 5포트 밸브를 특징으로 하고, 여기서 5포트 밸브는 사용자 도관이나 반송수 도관에 연결된 제1 포트와 제2 포트를 포함하고, 이에 제1 포트로부터 제2 포트로의 물 흐름이 밸브를 비가동 위치에서 가동 위치로 이동시키고, 실질적으로 제1 포트로부터 제2 포트로의 물 흐름이 없을 때, 스프링이 밸브를 가동 위치에서 비가동 위치로 복귀시키고; 그리고 5포트 밸브는 열원의 출구에 연결된 제3 포트, 제1 도관에 연결된 제4 포트, 및 제2 도관에 연결된 제5 포트를 포함하고, 이에 제3 포트는 5포트 밸브의 비가동 위치에서 제4 포트에 연결되고, 5포트 밸브의 가동 위치에서 제5 포트에 연결되고; 여기서 반송수 도관은 열원의 입구에 연결되는 시스템을 제공한다.

시스템은 5포트 밸브가 가동 위치에 있을 때 펌프가 작동되는 것을 막기 위한 스위치를 더 포함할 수도 있고, 여기서 스위치는 제2 작동 모드 동안의 물 흐름을 이용해 5포트 밸브에 의해 기계적으로 제어된다.

일 실시예에서, 제1 작동 모드에서, 시스템으로 들어가거나 나오는 물의 흐름이 없고, 펌프가 제2 도관으로부터 펌프와 열원을 경유해 5포트 밸브의 제3 포트를 거쳐 제4 포트를 경유해 제1 도관으로 폐루프로 물을 전달하고, 이에 탱크는 열원에 의해 전달된 열 에너지로 충진되고; 제2 작동 모드에서, 반송수 도관을 경유해 시스템으로 물이 들어가고, 사용자 도관을 경유해 시스템에서 물이 나옴으로써, 5포트 밸브를 가동 위치로 이동시키고, 여기서, 제1 도관에서 사용자 도관을 경유해 사용자로 물이 흐르고, 반송수 도관을 경유해 열원의 입구로 물이 흘러 열원에 의해 가열되고 5포트 밸브의 제3 포트를 거쳐 제5 포트로 가고 제2 도관을 경유해 탱크로 가도록 작동될 수도 있는 시스템.

열원은 태양열 시스템과 같은 간헐적인 열원일 수도 있다.

제1 도관은 탱크의 상부에서 개방되고, 제2 도관은 탱크의 하부에서 개방될 수도 있다.

열원은 태양열 집열기에 연결된 1차 회로와 탱크에 연결된 2차 회로를 가지는 열교환기를 포함할 수도 있다. 열교환기는 히트 펌프의 일부일 수도 있다.

또 다른 실시예에서, 시스템은 제1 도관에 연결된 제1 부분, 열원으로부터 출구에 연결된 제2 부분, 및 사용자 도관에 연결된 제3 부분을 가지고, 사용자 도관 안에 배치되는 조정 밸브를 더 포함할 수도 있고, 여기서, 조정 밸브는 제1 도관의 물 온도가 열원의 출구의 물 온도보다 높으면 제1 포트에서 제3 포트로 물을 이동시키도록 배치되고, 조정 밸브는 제1 도관의 물 온도가 열원의 출구의 물 온도보다 낮으면 제2 포트에서 제3 포트로 물을 이동시키도록 배치된다. 조정 밸브는 제1 도관의 물 온도를 감지하기 위한 제1 온도 센서와, 열원의 출구의 물 온도를 감지하기 위한 제2 온도 센서를 포함할 수도 있다.

또 다른 측면에서, 외부 물탱크, 열원, 사용자 도관, 및 반송 도관에 연결되기에 적합한 모듈에 있어서, 모듈은 제1 도관과의 연결을 위한 제1 커넥터와 제2 도관과의 연결을 위한 제2 커넥터를 포함하고, 이에, 제1 도관과 제2 도관은 외부 물탱크의 내부로 개방되고; 열원의 입구와의 연결을 위한 제3 커넥터와 외부 열원의 출구와의 연결을 위한 제4 커넥터를 각각 포함하고; 그리고 물을 사용자에게 배출하기 위해 사용자와의 연결을 위한 제5 커넥터와 반송수를 위한 제6 커넥터를 포함하는 모듈에 있어서, 모듈은 비가동 위치와 가동 위치를 가지는 5포트 밸브를 특징으로 하고, 여기서, 5포트 밸브는 제5 커넥터나 제6 커넥터에 연결된 제1 포트와 제2 포트를 포함하고, 이에 제1 포트로부터 제2 포트로의 물 흐름이 밸브를 비가동 위치에서 가동 위치로 이동시키고, 실질적으로 제1 포트로부터 제2 포트로의 물 흐름이 없을 때, 스프링이 밸브를 가동 위치에서 비가동 위치로 복귀시키고; 그리고 5포트 밸브는 제4 커넥터에 연결된 제3 포트, 제1 커넥터에 연결된 제4 포트, 및 제2 커넥터에 연결된 제5 포트를 포함하고, 이에 제3 포트는 5포트 밸브의 비가동 위치에서 제4 포트에 연결되고, 5포트 밸브의 가동 위치에서 제5 포트에 연결되고; 여기서 제6 커넥터는 제3 커넥터에 연결되는 모듈이 제공된다.

모듈은 1차 회로와 2차 회로를 가지는 열교환기를 더 포함할 수도 있고, 여기서, 제3 커넥터는 태양열 집열 회로의 입구와의 연결을 위해 배치되고, 제4 커넥터는 태양열 집열 회로의 출구와의 연결을 위해 배치된다. 모듈은 열교환기의 1차 회로에서 열매체를 순환시키기 위한 1차 회로 펌프와 2차 회로 안에 위치해 제1 작동 모드 동안 물을 순환시키는 2차 회로 펌프를 더 포함할 수도 있다.

또 다른 측면에서, 5포트 밸브에 있어서, 유체 제어 도관에 연결된 제1 포트와 제2 포트를 특징으로 하고, 이에, 제1 포트에서 제2 포트로의 유체 흐름이 비가동 위치에서 가동 위치로 5포트 밸브를 이동시키고, 제1 포트로부터 제2 포트로의 유체 흐름이 없을 때, 스프링이 5포트 밸브를 가동 위치에서 비가동 위치로 복귀시키고; 그리고 유체 흐름원의 출구에 연결된 제3 포트, 제1 도관에 연결된 제4 포트, 및 제2 도관에 연결된 제5 포트를 특징으로 하고, 이에, 제3 포트는 5포트 밸브의 비가동 위치에서 제4 포트에 연결되고, 5포트 밸브의 가동 위치에서 제5 포트에 연결되는 5포트 밸브가 제공된다. 제1 피스톤이 제1 포트와 제2 포트 사이에 배치되어, 제어 도관의 유체 흐름이 피스톤을 제1 비가동 위치에서 가동 위치로 이동시킬 수도 있고; 제2 피스톤이 제3, 제4 및 제5 포트와 연결되도록 배치되어, 제2 피스톤이 동시 움직임을 위한 축에 의해 제1 피스톤에 연결될 수도 있다. 5포트 밸브는 유체를 피스톤의 제1 측에서 피스톤의 제2 측으로 이동시키기 위한 제1 피스톤 안에 배치된 홈들 또는 개구들을 더 포함할 수도 있고, 이에, 제어 도관의 작은 유체 흐름이 피스톤을 가동 위치로 이동시키기에 불충분한 반면에, 소정의 유체 유속보다 큰 유체 흐름은 피스톤을 가동 위치로 이동시킨다.

발명의 다른 목적들, 특징들，및 장점들은 도면을 참조한 다음의 발명의 실시예들의 상세한 설명으로부터 명백할 것이다.
도 1은 종래의 태양열 물 가열 시스템의 개략도이다.
도 2는 또 다른 종래의 태양열 집열기 시스템의 개략도이다.
도 3은 발명에 따른 태양열 시스템의 제1 실시예의 개략도로, 시스템은 배출 모드에 있다.
도 4는 충진 모드에 있는 동일한 시스템의 도 3과 유사한 개략도이다.
도 5는 충진 모드에 있는 발명에 따른 태양열 시스템의 또 다른 실시예의 개략도이다.
도 6은 배출 모드에 있는 동일한 시스템의 도 5와 유사한 개략도이다.
도 7은 발명에 따른 동시 발생하는 충진과 배출 과정 동안의 태양열 시스템의 또 다른 실시예의 개략도이다.
도 8은 발명에 따른 배출 과정 동안의 태양열 시스템의 또 다른 실시예의 개략도이다.
도 9는 충진 모드에 있는 본 발명에 사용된 5포트 밸브의 실시예의 단면도이다.
도 10은 배출 모드에 있는 5포트 밸브로, 도 9와 유사한 단면도이다.
도 11은 유휴 위치 또는 충진 모드에 있는 5포트 밸브의 또 다른 실시예의 개략적인 사시도이다.
도 12는 배출 모드의 밸브가 있는, 도 11과 유사한 개략적인 사시도이다.
도 13은 발명의 실시예들에 따른 태양열 시스템을 형성하기 위한 모듈의 사시도이다.
도 14는 다른 각도에서 본 모듈로, 도 13과 유사한 사시도이다.

이하, 발명의 실시예들을 설명한다. 실시예들은 통상의 기술자가 발명을 수행할 수 있고 최선의 형태를 개시하기 위해 예시적으로 설명된다. 하지만, 이러한 실시예들이 발명의 범위를 제한하지는 않는다. 더욱이, 특정한 조합들의 특징들이 도시되고 논의된다. 하지만, 상이한 특징들의 다른 조합들도 발명의 범위 안에서 가능하다.

도 1은 종래 구성에 따른 태양열 시스템(200)의 개략도이다. 시스템은 냉수용 입구(225)와 온수용 출구(230)를 가진 물 저장 탱크(215)를 포함한다. 자동 온도 조절 혼합 밸브(212)가, 종래와 같이, 예를 들어 60?의 균일한 온도를 가진 사용자 라인(232)에서 조정수를 제공하기 위해 출구(230)에서 나온 온수와 입구(225)에서 나온 냉수를 혼합하도록 배치된다.

물 저장 탱크는 탱크(215)의 하부에 배치된 코일 열교환기(210)를 포함한다. 열교환기는 태양열 집열 회로(207)의 태양열 집열기(205)에 연결되고, 태양열 집열 회로(207)는 순환 펌프(220), 일방성 밸브(213), 및 팽창 용기(214)를 또한 포함한다. 제어 시스템(미도시)은 수집할 태양에너지가 있을 때, 태양열 집열 회로(207)의 열 매개체를 순환시키기 위해 펌프(220)를 제어한다. 태양열 집열기(205)에서 수집된 태양에너지는 물 저장 탱크(215)의 물을 가열하기 위해, 열교환기(210)를 경유하여 물 저장 탱크(215)의 물로 전달된다. 수집된 태양에너지가 온수 출구(230)에 인접한 탱크의 상부 온도를 60? 근처나 초과해서 유지하기에 불충분하다면, 전기 히터(240)가 물에 추가적인 열에너지를 공급하기 위해 가동될 수도 있다.

위에 설명한 작동은 기존의 시스템을 작동시키는, 유일한 형태이고, 제어 시스템에는 그 작동을 위해 다른 수단들, 단계들, 또는 명령들이 제공될 수도 있다. 상세하게는, 지시된 온도들이 다를 수도 있다.

도 2는 1 페이지에 언급된 내용에 설명된 바와 같은 개량된 물 저장 탱크(265)를 포함하는 태양열 시스템을 포함하는 시스템(250)을 개시한다. 태양열 집열 시스템은 도 1을 참조하여 설명한 바와 같은 시스템과 유사하고, 동일한 참조 번호를 가진다. 따라서, 태양열 집열기(205)는 펌프(220), 일방성 밸브(213), 및 팽창 용기(214)를 포함하는 태양열 집열 회로(207) 안에 연결된다. 시스템(250)은 기존의 물 저장 탱크(265)의 외부에 배치된 열교환기(270)의 1차 회로(273)와 2차 회로(274)를 더 포함한다. 이는 기존의 온수 탱크(265)에는 도 1에 도시된 바와 같은 내부 열교환기가 일반적으로 제공되지 않기 때문이다. 외부 열교환기의 배치는 더 유리한 작동들을 가능하게 한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 물 저장 탱크(265)는 탱크 상부의 내부에서 개방된 제1 도관(271)과 탱크 하부의 내부에서 개방된 제2 도관(272)을 포함한다. 탱크(265)는 열 소자(267)를 포함할 수도 있는데, 열 소자(267)는 원래 탱크 안에 포함되어 있었고, 작동될 수도 있고 작동되지 않을 수도 있다.

물 저장 탱크(265)는 물 순환 회로(268) 안에 연결되는데, 여기서 물은 제2 도관(272)을 경유하여 탱크의 하부에서 나와 펌프(275)를 경유하여 열교환기(270)의 2차 측(274)으로 이동하고 제1 도관(271)을 경유해 물 저장 탱크(265)로 돌아온다. 이 순환 모드를 충진 모드라고 하고, 물 저장 탱크에는 그 상부에 온수가 제공되거나 충진된다.

또한, 물 순환 회로(268)는 사용자에게 연장되는 사용자 도관(276)과 반송수 도관(277)을 포함한다. 사용자 도관(276)은 제1 도관(271)에서 사용자 위치로 연장되는데, 사용자 위치는 샤워기나 수도 밸브 등일 수 있다. 반송수 도관(277)은 사용자 도관(276)을 경유하여 나간 양과 동일한 양의 물을 반송한다. 종래 혼합 밸브(282)는 물 온도를 조정할 수도 있는데, 이렇게 해서 사용자에게 가는 물은, 예를 들어 60?의 원하는 온도를 가지게 된다. 물이 사용자에게 전달될 때, 시스템은 온수가 물 저장 탱크에서 배출되는 배출 모드로 작동된다. 배출 모드에서 펌프(275)는 정지된다. 물은 물 저장 탱크의 상부에서 나와 제1 도관(271)을 경유해 사용자 도관(276)으로 간다. 반송 냉수는 반송 도관(277)을 경유해 물 저장 탱크로 유입되고, 제2 도관(272)으로 바로 이동해 탱크 바닥으로 간다.

도 1 및 2를 참조하여 설명한 바와 같은 이전에 알려진 태양열 시스템들을 향상시키기 위해 고려해야 할 여러 조건들이 있다. 따라서, 발명의 실시예들은 다음 사항들을 고려해야 한다.

1) 태양열 집열기는 본질적으로 열 에너지를 간헐적으로 전달하는 열원이다. 열 에너지는 태양 복사가 없는 밤에는 생성되지 않는다. 또한, 태양 복사는 물 저장 탱크에 전달되기에 충분하게 물 온도를 증가시키는 열을 생성하기에 불충분할 수도 있다. 일반적으로, 온수는 탱크 상부에 전달되기 위한 소정의 온도 Tset을 초과해야 한다. 예를 들어, 온도 Tset는 저장 탱크 안의 소정의 높이에서 물 온도보다 높을 수 있다. 온도 Tset은 가변적일 수 있고, 예를 들어, 불감대나 히스테리시스를 포함할 수 있다. 따라서, 간헐적인 순간들에 이용 가능할 때 열 에너지를 저장할 수 있는 것이 바람직하다.

2) 가정용 온수(domestic hot water (DHW))는 간헐적인 순간들에, 예를 들어, 사용자가 샤워를 할 때 요구된다. 대부분의 이러한 배출들은 오전 6시와 9시 사이의 아침 시간과 오후 6시와 11시 사이의 저녁에 발생한다.

3) 물 저장 탱크는 태양열 시스템을 위한 큰 투자 비용에 해당한다. 이전의 물 탱크가 이용 가능한 곳에는 많은 설비가 형성되기 때문에 기존의 물 탱크를 이용함으로써 비용을 더 줄일 수도 있다. 보통, 기존의 탱크는 탱크의 상부에서 개방된 제1 도관과 탱크의 하부에서 개방된 제2 도관으로서 두 개의 연결 도관만을 가진다. 이러한 탱크는 하나의 도관을 경유해 유입된 물의 양이 다른 도관을 경유해 유출된 물의 양에 대응하는 닫힌 시스템이다.

4) 밸브들은 시스템을 작동시키기 위해 요구된다. 그러나, 솔레노이드 작동 밸브들은 고장에 취약하므로, 작동을 위한 전력을 요구하지 않는 밸브들이 바람직할 것이다.

5) 충진 및 배출은 간헐적이고 시간적으로 관련이 없기 때문에, 소정의 기간 동안 동시에 이루어질 수도 있다. 위에서 설명한 실시예들처럼 충진이 배출 중에 중지된다면 소중한 열 에너지를 버리게 된다. 배출 기간들 동안 열 공급과 충진을 이용하기 위해, 물 저장 탱크의 작동을 위한 새로운 방안이 요구된다.

6) 보통, 마지막으로 들어온 열 매개체가 최고 온도를 가지기 때문에 물 저장 탱크는 후입 선출 원리에 따라 작동될 수도 있다.

7) 또한, 두 개의 도관만을 가진 닫힌 물 탱크가 사용 가능해야만 한다.

도 3은 배출 모드, 즉, 시스템의 제1 작동 모드에서 물 가열, 저장, 및 전달 시스템(300)의 제1 실시예를 도시한다. 시스템(300)은 도 2에서 설명한 시스템(200)과 대응하지만, 발명의 실시예들에 따른 변경들이 있다. 사용자가 시스템으로부터 가정용 온수(DHW)의 배출, 예를 들어, 샤워를 원하는 경우, 시스템은 배출 모드로 작동된다.

가정용 사용자 밸브(334)가 개방되고, 물이 물 저장 탱크(315)로부터 탱크의 상부에서 개방된 제1 도관(301)을 경유하여 샤워기(333)(또는 다른 사용자 장치)로 흐르고, 사용자 도관(332)를 경유해 사용자 밸브(334)로 흐른다. 이러한 흐름은 물 저장 탱크(315) 내부의 높은 압력 때문이다. 반송수는 반송 도관(377)을 경유해 시스템 안으로 들어온다. 일반적으로, 반송수를 위한 수원은 차가운 수돗물을 지역의 가정들로 전달하는 현지 급수탑이다.

반송 도관(377)은 아래에서 더 상세하게 설명될 5포트 밸브(390)에 연결된다. 반송수는 제1 포트(391)를 경유해 5포트 밸브에 들어가고 제2 포트(392)를 경유해 5포트 밸브에서 나오며, 입구 도관(396)를 경유해 도 2에서 설명한 열교환기(270)와 동일할 수도 있는 열원(370)의 입구(371)로 흘러간다. 물이 제1 포트(391)로부터 제2 포트(392)로 5포트 밸브를 통과하면 5포트 밸브는 가동되고 가동 상태로 이동된다. 피스톤이나 유사한 부재가 아래에서 설명하는 반송수 흐름에 영향을 받는다. 물이 제1 포트에서 제2 포트로 흐르는 상태가 도 3에 개방된(흰) 삼각형(391, 392)에 의해 표시된다. 동시에, 전기 스위치(397)(아래에서 더 상세하게 설명됨)가 가동되고, 펌프(375)가 작동되고 있다면 정지시킨다. 따라서, 펌프(375)를 통한 흐름이 없는데, 이는 펌프를 향한 도관과 펌프에서 나오는 도관을 위한 가는 도관 라인들로 표시된다

열 에너지가 이용 가능하면, 도관(377)을 경유해 시스템으로 들어가는 반송수가 열원(370) 안에서 가열된다. 가능한 경우에 가열된 반송수가 열원(370)의 출구(372)에서 나와 5포트 밸브의 제3 포트(393)로 향한다. 5포트 밸브가 제1 포트(391)와 제2 포트(392)를 통한 반송수 흐름에 의해 가동되었기 때문에, 도 3의 개방된 삼각형들로 도시된 바와 같이 제3 포트(393)는 제5 포트(395)에 연결된다. 그러면, 물은 제5 포트(395)에서 물 탱크의 하부에서 개방된 제2 도관(302)으로 흐른다. 결과적으로, 반송수는 5포트 밸브를 가동시키기 위해 5포트 밸브의 제1, 2 포트를 통과한 후, 가열되기 위해 열원을 통과한다. 열원의 출구에서 나온 물은 최종적으로 5포트 밸브를 경유해 탱크의 하부로 이동한다. 따라서, 배출 과정에서 열원에서 이용 가능한 임의의 열 에너지는 들어오는 차가운 반송수를 가열하기 위해, 그리고 가능한 경우에 가열된 반송수를 탱크의 하부로 유입하기 위해 이용된다.

대응하는 충진 과정이 도 4에 도시된다. 충진 모드에서 가정용 온수는 배출되지 않고 반송수는 시스템으로 유입되지 않는다. 시스템(300)은 닫힌 시스템이고, 이는 사용자 도관(332)의 X표(355)와 반송 도관(377)의 X표(378)에 의해 표시된다. 반송 도관(377)에는 흐름이 없기 때문에, 5포트 밸브의 제1 포트(391)와 제2 포트(392)를 통한 흐름이 없고, 이는 도 4의 검은색 삼각형들에 의해 표시된다. 따라서, 5포트 밸브는 비가동 상태나 유휴 상태인데, 이 상태에서, 도 4의 검은색 삼각형으로 도시된 바와 같이 제5 포트(395)가 닫혀 있고, 제3 포트(393)가 제4 포트(394)에 연결되고 흰색 삼각형들로 도시된다. 또한, 전기 스위치(397)는 가동되지 않아, 펌프는 작동될 수도 있다.

도 4에 도시된 충진 모드에서, 펌프(375)는 제어 유닛(345)에 의해 작동된다. 열 센서(336, 337, 338)는 시스템의 다른 장소에 배치될 수도 있다. 예를 들어 온도 센서(336)는 탱크의 상부에서 물 온도를 감지하도록 배치될 수도 있고, 온도 센서(337)는 탱크의 하부에서 온도를 감지하도록 배치될 수도 있고, 온도 센서(338)는 열원의 출구(372)에서 온도를 감지하도록 배치될 수도 있다. 다른 온도 센서들이, 예를 들어, 도 2에 도시된 태양열 집열기의 입출구 온도와 열교환기의 1차 회로의 입출구 온도를 감지하도록 배치될 수도 있다. 추가적인 온도 센서들이 탱크에 인접한 제1 도관(301)의 물 온도와 탱크에 인접한 제2 도관(302)의 물 온도를 감지하도록 배치될 수도 있는데, 이 온도들은 탱크의 외부에 배치될 수도 있는 온도 센서(336, 337)의 것과 다를 수도 있기 때문이다. 또 다른 온도 센서들이 가정용 온수로서 전달된 물의 온도와 반송수의 온도와 실내외 온도를 감지하도록 배치될 수도 있다.

제어 유닛(345)은 위에서 언급한 온도들의 적어도 일부에 따라, 충진 모드에서 시스템(300)을 제어하도록 배치된다. 예를 들어, 열원의 결과물의 온도(338)가 특정한 온도 Tset를 초과할 때, 시스템은 펌프(375)를 기동하도록 배치될 수도 있는데, 온도 Tset은 측정된 온도들의 함수이거나 온도(336, 337)와 동일하거나 온도(337)보다 높고 온도(336)보다 낮은 온도일 수도 있다. 예를 들어, Tset은 55?일 수도 있고, 불감대 안에서 위 및/또는 아래로 조절될 수도 있고, 히스테리시스를 제공하도록 조절될 수도 있다. 정확한 제어 파라미터들이 본 발명의 주제는 아니지만, 시스템은 임의의 원하는 제어 알고리즘에 따라 충진 모드에서 작동될 수도 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 펌프(375)가 기동되면 시스템(300)은 충진 모드가 된다. 물은 제2 도관(302)을 경유해 탱크의 하부에서 제거되고 펌프(375)를 경유해, 물이 가열되는 열원의 입구(371)로 간다. 가열된 물은 열원의 출구(372)로부터 비가동 상태의 5포트 밸브를 경유하고, 도 4의 개방된 삼각형들로 나타낸 바와 같이, 제3 포트(393)를 경유해 제4 포트(394)로 간다. 가열된 물은 제4 포트(394)로부터 온수 도관(398)을 경유해, 탱크의 상부에서 개방된 제1 도관(301)으로 간다. 따라서, 온수는 탱크의 상부에 들어가고, 온도가 더 낮은 물을 탱크 아래로 이동시켜 제2 도관(302)을 경유해 밖으로 내보낸다.

이제 사용자가 가정용 온수의 이용을 원한다면, 밸브(334) (도 3 참조)가 개방되고 탱크의 상부로부터 물이 제1 도관(301)을 경유해 배출된다. 따라서, 시스템이 배출 모드로 전환될 때, 최종적으로 탱크에 들어간 온수가 배출되고 시스템은 "후입 선출"로 작동된다.

또한, 시스템의 충진 과정에서 온수가 탱크의 상부로 유입되고 냉수가 탱크의 하부에서 제거되기 때문에 성층(stratification)이 이루어지고, 이는 시스템의 효율을 증가시킨다.

반면에, 배출 과정에서 반송수가 예열되고 탱크의 하부로 반송된다. 보통, 단독 주택들에서는 배출이 짧고 고유동이 특징이기 때문에 반송수는 저장소 바닥으로 들어가기 전에 더 낮은 온도에서 예열될 것으로 예상된다. 맑은 날씨와 저유동 배출들에서는 성층이 부분적으로 방해 받을 수 있다. 또한, 충진 과정에서 냉수는 태양열 집열기들에 의한 예열을 위해 이용 가능했었다. 이러한 저온은 주변 환경으로의 열 손실이 매우 줄어들기 때문에 집열기 효율을 현저하게 증가시킨다. 따라서, 종래의 시스템들과 비교해 집열기들의 효율은 배출 과정에서 발생하는 충진들로 인해 증가한다. 배출 후, 탱크 하부의 물은 다소 예열된 상태이고, 이는 열원이 물을 저장소 상단의 온도보다 더 높은 온도로 가열하는 것을 보다 용이하게 한다. 따라서, 배출이 끝나고 충진이 다시 시작하자마자 성층이 다시 이루어진다. 배출 모드에서 충진 모드로의 전환 과정에서 "후입 선출" 원리가 다시 이용된다. 따라서, 배출 과정에서 탱크의 바닥으로 유입된 예열 반송수는 탱크로부터 제거되고, 열원에 의해 가열되고, 탱크의 상부로 유입된다. 배출 과정에서 유입된 모든 물이 제거되고, 가열되고, 제1 도관을 경유해 탱크의 상부로 유입됐을 때, 성층이 다시 이루어진 것일 수도 있다.

순환 펌프(375)는 상대적으로 저유속, 예를 들어, 0.5 l/min 나 1.0 l/min, 또는 이러한 유속 영역과 같이, 0.1 l/min 내지 2 l/min에서 작동된다. 따라서, 충진 모드에서 제1 도관이나 제2 도관을 경유한 탱크 내부로의 물 유입은 탱크 내부에서 많은 미세 순환을 발생시키지 않고, 물은 탱크 내부로 서서히 유입된다. 따라서, 물의 성층이 용이해진다.

그러나, 배출 모드에서 샤워 중에, 제1 도관을 경유해 탱크로부터 나와 제2 도관을 경유해 탱크 내부로 들어가는 유속은 10 l/min나 이보다 훨씬 더 높을 수도 있다. 이러한 높은 유속들은 들어오는 물과 그 위의 수층을 혼합시킬 수도 있고 성층을 방해할 수도 있다.

반송수는 현지 상수도나 냉각탑 등에서 새로 유입된 물일 수도 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 반송수는 펌프(미도시)에 의해 시스템을 순환하는 시스템 용수일 수도 있다. 따라서, 가정용 수돗물은 샤워를 하는데 이용될 수도 있고, 이에 물은 수집되어 재조정되고 다음 사용을 위해 시스템에 반송된다. 반송수는 10 내지 15?의 온도를 가질 수도 있고, 예를 들어, 15 내지 45? 사이에서 예열될 수도 있다.

또한, 가정 환경, 예를 들어, 샤워나 세척용 수돗물을 전달하기 위한 가정용 수돗물 시스템에서의 사용과 관련되어 주로 논의되었음에도 불구하고, 본 실시예들의 시스템은 가열 용도, 예를 들어, 물을 이용한 라디에이터 가열 시스템의 일부나 기타 바닥과 천장 가열 시스템에 이용될 수도 있다. 따라서, 탱크는 기름과 같이, 물과 다른 열 매개체를 포함할 수도 있다. 대안적으로, 탱크는 방식제 등의 임의의 추가적인 물질을 가진 물을 포함할 수도 있다. 탱크가 수돗물용으로 사용된다면 탱크 내 물은 마실 수 있는 물이어야 한다.

열원은 도 2에 도시된 것과 유사한 태양열 시스템일 수도 있다. 그러나, 간헐적일 수도 있는 다른 열원들이 별도로, 병렬로, 또는 직렬로 사용될 수도 있다. 이러한 추가적인 열원들은 스토브, 펠릿(pellet) 스토브, 가스나 기름 버너, 전기 히터, 및 히트 펌프 중 적어도 하나일 수도 있다.

광전 수집기는 더 높은 온도에서 더 낮은 효율을 가지고 효율적인 작동을 위해 냉각이 필요하기 때문에 하이브리드 태양열 광전 수집기를 포함하는 열원이 고려된다. 본 시스템에서 냉각 에너지가 이용될 수도 있다.

또 다른 시스템 구성에서는 시스템(300)의 열교환기(370)가 히트 펌프와 교체된다. 이 구성에서, 태양열 집열기는 상대적으로 낮은 온도에서 작동될 수도 있고, 태양열 에너지가 히트 펌프에 의해 더 높은 온도로 상승될 수도 있다. 이 경우, 태양열 집열기는 더 높은 결합 효율을 얻을 수도 있다. 이 구성에서, 시스템(300)의 열원(370)은 히트 펌프의 2차 측이다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 충진 모드에서 물 가열, 저장, 및 전달 시스템(400)를 개략적으로 도시한다. 시스템(400)은 시스템(300)과 유사하지만, 바로 연결된 태양열 집열기(405)가 열원(370)을 대체하고 있다. 따라서, 충진 모드에서, 물 저장 탱크(415)에서 나온 물이 탱크 하부에서부터 제2 도관(402)을 경유해 순환되고, 펌프(475)에 의해 태양열 집열기(405)를 통해 태양 에너지에 의해 바로 가열되고, 제1 도관(401)을 경유해 탱크의 상부로 반송된다. 태양열이 물을 저장 탱크의 물 온도보다 높거나 원하는 온도 Tset 보다 높은 온도, 예를 들어, 60?를 초과하도록 가열하기에 불충분하다면 펌프가 정지된다. 5포트 밸브(490)는 충진 모드에서 비가동 위치에 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 배출 모드 동안 가정용 온수는 시스템에서 배출되고 반송수는 시스템 안으로 들어가며 5포트 밸브는 가동 위치로 전환되고 펌프는 정지된다.

시스템(400)은 충진 및 배출 모드에 제3 작동 모드가 추가되도록 배치된다. 제3 모드는 대안적인 배출 모드이다. 대안적인 배출 모드는 사용자 도관(432) 안에 밸브(440)를 배치함으로써 이루어진다. 밸브는 종래의 자동 온도 조절 혼합 밸브일 수도 있다.

자동 온도 조절 밸브(440)는 제1 도관(401)에 연결된 제1 입구(W, 441)와 열원의 출구(472)에 연결된 제2 입구(C, 443)와 사용자(434, 433)에 연결된 출구(T, 442)를 가진다. 제2 입구(443)는 대안적으로 제2 도관(402)에 연결될 수도 있다. 작동의 일 예를 설명한다. 탱크의 상부에서 제1 도관을 경유해 나온 제1 도관의 온수는 65?이고 자동 온도 조절 밸브(440)가 설정된 원하는 가정용 수돗물 온도는 55?인 것으로 가정한다. 약 10?의 반송수가 열원(470)에 의해 중간 온도로 가열된다. 사용자 도관엔 일부 시간 동안 흐름이 없었기 때문에 배출 모드 처음은 출구(442)의 온도가 20?와 같은 주위 온도이고, 이에 사용자 도관의 물은 주변 온도인 것으로 추정된다. 이제, 물이 제1 도관(401)에서 제1 입구(441)를 거쳐 출구(442)로 간다. 곧, 출구(442)에서의 온도는 제1 도관(401)에서 유입된 물의 온도인, 자동 온도 조절 밸브의 설정 온도를 초과하는 65?로 올라간다. 다음으로, 55?의 자동 온도 조절 포트 온도를 유지하기 위해 자동 온도 조절 밸브가 작동해 제2 입구(443)에서 나온 일부 물을 혼합한다. 일반적으로, 열원을 경유해 이동하는 반송수에서 나온 물은 상대적으로 차갑기 때문에, 온도를 유지하기 위해 적은 양의 냉수만이 혼합된다. 그러나, 열원에 의해 예열된 반송수가, 예를 들어, 효율적인 태양 작용 때문에 높은 온도를 가진다면, 반송수의 더 많은 부분이 제2 입구(443)를 경유해 출구(442)를 거쳐 사용자에게 전달된다. 반송수가 60?와 같은, 55?를 초과하는 온도로 가열된다면, 제2 입구에서 물이 모두 배출되고 이러한 물(60?)은 사용자에게 전달된다. 이러한 방식으로, 열원이 물을 효율적으로 가열할 수 있다면 열원에 의해 예열된 반송수가 가정용 온수로 사용된다. 예열된 반송수의 나머지는 앞서 설명한 배출 과정에서처럼 탱크의 하부로 유입된다.

회로 안의 두 개 이상의 온도 센서들에 의해 작동되는 온도 작동식 밸브에 의해서 제3 모드가 이루어질 수도 있다. 이러한 온도 센서들은, 온도 변화에 노출되었을 때 크기가 변하는 왁스 몸체나 바이메탈 부재일 수도 있다. 온도 센서들은 원하는 작동을 위해 밸브에 직접적으로 영향을 미칠 수도 있고 밸브 몸체들이나 밸브 시트들을 이동시킬 수도 있다. 예를 들어, 제1 왁스 몸체가 제1 도관 안의 온도에 따라 밸브 시트 위치를 조작할 수도 있고, 또 다른 왁스 몸체가, 예를 들어, 열원의 출구나 제2 도관 안의 또 다른 온도에 따라 밸브 몸체 위치를 조작할 수도 있다.

도 7은 태양열 집열기(505)가 열원인 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배출 모드에서 물 가열, 저장, 및 전달 시스템(500)을 개략적으로 도시한다. 화살표들은 물 흐름의 가능한 방향을 나타낸다. 본 실시예에서 배출 모드로 도시된 시스템(500)은 이전에 언급되지 않은 구성요소들을 가진다. 시스템(500)은 열교환유닛(570)에 추가하여, 도 2에 도시된 펌프(220)와 유사한, 열교환유닛(570)의 1차 회로(573)에 배치된 추가적인 순환 펌프(38), 도 2에 도시된 팽창 용기(214)와 유사한 팽창 용기(14), 대체 유체를 포함하는 용기(15), 및 대체 유체를 태양 전지판 순환 회로로 펌핑하기 위한 펌프(16)를 포함한다. 1차 회로(573)의 열 매개체는 글리콜과 같은 물질이나 방식제와 물을 포함할 수도 있다. 2차 회로(574)와 저장 탱크의 물은 마실 수 있는 물일 수도 있다.

도 7에 따른 시스템(500)은 전기 히터(13)에 의해 물을 가열하도록 구성된 보조 물탱크(12)를 더 포함하는데, 보조 물탱크는 열 소비자의 상류의 사용자 도관(532) 안에 연결된다. 물을 가열하도록 구성된 단열이 우수한 보조 물탱크(12)의 도입으로 1차 탱크(515)의 물 온도를 내릴 수 있다. 60?보다 낮은 온도들에서 작용하는 1차 물 저장 탱크는 열 손실을 줄인다. 또한, 두 개의 탱크(515, 12)가 직렬로 연결될 수도 있기 때문에 시스템의 온수 저장 용량이 증가한다.

보조 물 탱크(12)는 보조 탱크(12) 하부에서 개방된 제2 도관(552)과 보조 탱크(12) 상부에서 개방된 제1 도관(551)을 포함한다. 제2 도관(552)은 온수를 탱크(515)로부터 보조 탱크(12)의 하부로 유입하기 위해 탱크(515)로부터 나오는 사용자 도관(532)에 연결된다. 온수가 제1 도관(551)을 경유해 보조 탱크(12)로부터 제거되고 종래의 제1 자동 온도 조절 밸브(560)의 온수 포트(561)로 들어간다. 제1 도관(551)으로부터 나온 물은 자동 온도 조절 포트(562)를 거쳐 제2 자동 온도 조절 밸브(565)를 경유해 사용자에게 간다. 냉수 포트(563)는 사용자 라인(532)에 연결된다.

제1 자동 온도 조절 밸브는 60?와 같은 원하는 출구 설정 온도로 조절된다. 온수 포트(561)로 들어가는 물이 설정 온도보다 낮다면 제1 밸브가 온수 포트(561)를 자동 온도 조절 포트(562)에 연결시킨다. 동시에, 전기 히터는 보조 탱크의 물 온도를 증가시키도록 작동될 수도 있다.

온수 포트(561)로 들어가는 물이 설정 온도보다 높다면 자동 온도 조절 밸브(560)가 설정 온도에 도달할 때까지 냉수 포트(563)에서 온 물을 혼합시킨다. 온수 포트의 물 온도가 설정 온도보다 높다면 자동 온도 조절 밸브는 냉수 포트(563)로부터 모든 물을 받는다.

과열을 막기 위해 제2 자동 온도 조절 밸브(565)가 제1 자동 온도 조절 밸브(560)로부터 나온 물을 조정하도록 배치되어, 물 온도가 55?와 같은 원하는 온도보다 동일하거나 낮게 된다.

보조 탱크(12)가 사용될 때, 시스템(500)은 탱크(515)의 상부에서 원하는 온도가 예를 들어 45?인 저온 모드에서 작동될 수도 있다. 보조 탱크(12)는 전기 히터에 의해, 예를 들어 90?로 가열된 물을 포함한다. 가정용 온수의 예상되는 사용에 따라 보조 탱크의 부피를 선택함으로써, 효율적인 방식으로 태양열 집열 시스템을 이용하는 시스템이 제공되는데, 여기서 보조 탱크는 온수가 즉각적인 전달을 위해 항상 준비되어 있는 편의성들을 제공한다.

또한, 펌프(595) 뒤에 배치된 일방성 밸브(591)가 도시된다. 일방성 밸브는 탱크 회로 안에서의 열사이펀 순환(자연 순환)을 막는다. 열원이 물 저장소 위에 놓이고 그 온도가 저장소 내부 온도보다 낮다면 저장소의 자연 순환과 그에 따른 배출이 막힌다.

위에서 설명한 실시예들에서, 5포트 밸브는 반송 라인에서의 흐름에 의해 가동되었다. 그러나, 도 8에 도시된 바와 같이, 5포트 밸브(720)는 대안적으로 시스템(700)에서 도시된 바와 같이 사용자 도관(732)에서의 흐름에 의해 가동될 수 있다. 따라서, 물은 탱크의 상부에서 나와 제1 도관(701)을 경유해 5포트 밸브(720)의 제1 포트(721)로 간다. 5포트 밸브의 제2 포트(722)는 사용자 도관(732)에 연결된다. 다른 모든 견지에서, 시스템(700)의 작동은 다른 실시예들과 유사하다. 동일한 원리가 이전에 설명된 시스템들 중 임의의 시스템에 이용될 수 있다.

5포트 밸브의 가동에 대한 이들 실시예들에서, 가정용수 흐름이나 반송 흐름이 있을 때, 5포트 밸브는 배출 모드에서만 가동 위치에 있다. 다른 모든 조건에서는, 5포트 밸브는 비가동 위치에 있다. 따라서, 5포트 밸브는 시스템이 충진 상태도 배출 상태도 아닌 유휴 상태일 때뿐만 아니라 충진 상태일 때 비가동 위치에 있다. 따라서, 5포트 밸브는 비가동 위치에서 충진을 준비한다.

도 9 및 10은 위에서 언급한 실시예들에서 사용될 5포트 밸브(490)를 개시한다. 5포트 밸브는, 일치하는 대칭축들을 가지고 나란히 배치된 두 개의 실린더(480, 481)를 포함한다. 축(482)는 두 개의 실린더 사이에서 연장된다. 제1 피스톤(484)은 축의 좌측에 배치되고 스프링(483)은 도 9의 좌측으로 피스톤(484)을 가압한다. 5포트 밸브의 이러한 유휴 위치에서 제1 포트(491)에서 제2 포트(492)로의 흐름(반송 흐름)은 없다. 펌프(475)가 시스템에 의해 결정된 바와 같이 작동되자마자 제3 포트(493)가 제4 포트(494)(제1 도관(401)에 연결됨)에 연결되고 5포트 밸브가 충진을 준비한다.

도 10은 스프링(483)의 힘을 극복하는 제1 포트(491)에서 제2 포트(492)로의 반송 흐름이 있을 때 가동 위치에서의 밸브를 도시한다. 두 개의 피스톤(485, 486)은 제2 도관(402)에 연결되는 제5 포트(495)에 제3 포트(493)를 연결시키기 위해 제3, 4, 5 포트(493, 494, 495)와 상호 작용한다. 이제, 5포트 밸브(490)는 가동 배출 위치에 있다. 배출이 중지되자마자 반송 흐름이 중지되고 5포트 밸브는 도 9에 도시된 바와 같은 유휴 위치로 돌아온다.

도 3 및 4의 시스템(300)과 관련하여 언급한 바와 같이 배출 모드에서 펌프는 정지되어야 한다. 이를 위해, 밸브에는 리드 릴레이(487, reed relay)가 제공되는데, 리드 릴레이는 유휴 위치에 있는 제1 피스톤(484)의 반대편 밸브 하우징에 배치된다. 영구 자석(488)이 제1 피스톤 내부의 리드 릴레이(487)와 근접한 곳에 내장된다. 도 9에 도시된 바와 같이, 자석(488)이 리드 릴레이(487)에 인접하게 위치하면, 영구 자석의 자력들에 의해 릴레이 내부의 혀(tongue)부재가 가동되어 스위치가 닫힌다. 이제, 시스템으로 충진될 열 에너지가 있다면, 제어 유닛으로부터 리드 릴레이를 경유해 펌프로 구동 신호가 전송될 수 있다. 도 10에 도시된 바와 같이, 피스톤(484)이 반송수의 흐름에 의해 가동 위치로 오른쪽으로 이동하면, 영구 자석(488)이 리드 릴레이(487)에서 멀어지면서 리드 릴레이가 정지 상태(487 )가 되어 스위치는 개방된다. 이제, 전류는 펌프로 흐를 수 없고, 펌프(475)는 정지된다.

영구 자석 및 리드 릴레이와 다른, 정전용량 센서와 같은 또 다른 유형의 센서가 사용될 수도 있는데, 이는 유휴 위치에서 피스톤(484)의 존재를 감지한다. 대안적으로, 광학 시스템이 사용될 수도 있다.

반송수 흐름이 중지되면, 스프링은 제1 피스톤을 도 10에 도시된 위치에서 도 9에 도시된 위치로 복귀시킨다. 그러나, 도 10의 피스톤(484) 왼쪽 영역에 포함된 물은 반송 도관으로 돌아갈 수 없는데, 이러한 역류는 차단되어 있기 때문이다. 스프링(483)이 피스톤(484)을 왼쪽으로 이동시키기 위해 피스톤을 넘어 우회하는 작은 물의 흐름이 필요하다. 따라서, 피스톤에는 피스톤의 좌측에서 우측으로 연장되는 작음 홈들(489)이 제공된다. 이제, 물은 피스톤을 넘어 작은 홈들을 통과해서 흐를 수 있는데, 이는 반송수 흐름이 차단되더라도 피스톤(484)이 도 10의 좌측으로 이동할 수 있음을 의미한다. 대안적으로, 피스톤은 주변 실린더에 대한 실링 없이 제공될 수도 있거나, 실린더에 대한 유격이 제공되거나 구멍이 제공될 수도 있는데, 이는 원하는 우회 흐름을 제공할 수도 있다.

이러한 홈 등의 추가적인 이점으로, 도 9에 도시된 유휴 위치에서 제1 포트(491)에서 제2 포트(492)로의 작은 반송수 흐름이 존재할 수도 있다. 반송 흐름은 피스톤을 우측으로 이동시키기 위해 특정한 유속을 초과해야 한다. 따라서, 수돗물 밸브가 새는 경우와 같은 작은 반송 흐름에 의해서는 5포트 밸브가 가동되지 않는다. 5포트 밸브를 가동하기 위해서는 현저한 반송 흐름이 요구된다.

도 9 및 10에 나타낸 바와 같은, 기타 피스톤들과 관련해서 유사한 우회 흐름들이 마련될 수도 있다.

도 11 및 12는 언급한 실시예들에서 사용될 수 있는 5포트 밸브(790)의 또 다른 실시예를 개시한다. 밸브는 이중 반원통(780, 781)으로 둘러싸인다. 반원통의 좌측부(780)는 제1 포트(791)와 제2 포트(792)를 포함한다. 스프링(783)에 의해 시계방향으로 가압되는 축(782)에 베인(784, vane)이 배치된다. 베인 양측의 압력이 동일한 경우, 베인은 스프링에 의해 도 11에 도시된 위치에 있는 것으로 추정된다. 이 위치에서, 베인(684)은 임의의 물이 제1 포트(791)에서 제2 포트(792)로 흐르는 것을 막는다. 동시에, 다른 반원통(781)에 있는 베인(785)이 제3 포트(793)와 제4 포트(794)를 연결하도록 배치된다. 이 위치가 도 11에 도시되고, 시스템이 충진 모드를 준비하는 5포트 밸브의 유휴 위치의 비가동 위치에 대응된다.

배출 모드에서 반송수가 제1 포트(791)로 유입되면, 반송수에 의한 압력이 반시계방향으로 베인(784)에 인가되고, 도 12에 도시된 바와 같이 제1 포트(791)에서 제2 포트(792)로의 연통이 이루어진다. 동시에, 축(782)이 다른 반원통(781)에 있는 베인(785)을 이동시켜 제3 포트(793)와 제5 포트(795) 사이에 연통이 이루어진다.

베인(784)에는 톱니들(789)이 제공될 수도 있어서, 위에서 설명한 것처럼 유휴 위치에서 작은 물 흐름이 베인(784)을 우회할 수도 있다.

도 13은 기존의 물 공급 기반 시설에 통합될 수도 있는 모듈(1)을 개시한다. 모듈(1)은 기존의 물 가열 저장 탱크(315)와 외부에 위치한 열원(370)에 비침습적으로 연결되는데 적합해서, 향상된 물 가열 저장 전달 시스템을 형성한다. 모듈은 사용자 도관(332)와 반송 도관(377)에 추가적으로 연결된다.

모듈(1)은 지지 금속 섀시에 둘러싸인다. 섀시는 모듈을 바닥에 놓거나 벽에 걸 수 있도록 해 준다. 섀시의 상면에 구멍이 형성되어 모듈의 제어기/로거(logger) 디스플레이 및 버튼들에 접근할 수도 있다. 내부 연결 파이프들이 모듈 내부에 배치된다. 이들은 유연할 수도 있는데, 예를 들어, 플라스틱으로 만들 수도 있다. 금속, 구체적으로 구리 파이프들이 이용될 수도 있다. 6개의 외부 연결 포인트들(6)이 모듈 밖에 배치된다. 이들은 물 가열 저장 용기(315)와 열원(370)을 모듈(1)에 기계적으로 그리고 기능적으로 연결하는 역할을 하고, 가정용 온수 수돗물(334)로의 연결과 반송수(377)로의 연결을 위한 것이다.

다음의 "플러그 앤 플레이(plug-and-play)" 개념은 고객을 위한 모든 연결이 모듈 밖에서 이루어지는 것이다. 플라스틱, 금속, 또는 기타 수밀 물질로 형성된 유압 블록(8)이 섀시 안에 위치한다. 아래에서 더 논의될 수로들, 일방성 밸브, 두 개의 혼합 밸브들, 두 개의 펌프의 하우징이 블록(8) 내부에 주조된다. 바람직하게, 블록의 모든 관 이음부들은 직선으로 배치된다.

블록(8)은 두 개의 분리 가능한 부분으로 형성되어 다중 포트 밸브의 구성 요소들을 설치하고 교체할 수 있게 한다. 또한, 소형 열교환기(10), 예를 들어, 플레이트형 열교환기가 섀시 내부에 안착된다. 모듈(1) 내부의 대부분의 공간은 물을 가열하도록 구성된 보조 물 탱크(12)가 차지한다. 일반적으로, 소형 열교환기(10)는 일부 주름 금속으로 만들어지지만 다른 방법들도 가능하다. 보조 물탱크(12)는 압력 안전성을 필요로 하지 않는다. 이 탱크의 모양은 모듈 내부의 이용 가능한 공간을 더 잘 사용하도록 변경될 수 있다. 또한, 저장 탱크에는 탱크의 체적을 증가시키지 않고도 증가된 열저장용량을 얻기 위해 상변화물질(phase change material(PCM))이 제공될 수 있다.

또한, 모듈(1)은 태양열 집열기의 활성 영역과 같은, 열원의 용량에 따른 크기를 가진 팽창 용기(14)를 포함한다. 치수가 결정된 체적은 집열기 내부의 열 운반 매개체의 체적과 안전 여유뿐만 아니라 그 열팽창도 수용할 필요가 있다. 도 15에서 온도 센서(20)를 확인할 수도 있다. 센서(20)는 보조 물탱크(12)의 물 온도를 측정하고, 그것을 바탕으로, 필요한 경우, 보조 물탱크(12)의 가열 요소의 정지뿐만 아니라 가동을 개시한다.

도 14에 도시되고 전자 제어기와 로거를 포함하는 제어 유닛(18)은 시스템의 과정들을 제어하는 역할을 한다. 제어 유닛은 이용 가능한 USB 포트 및/또는 무선을 경유해 쉽게 업데이트될 수 있다. 사용자는 로거에 저장된 데이터에 접근할 수 있고 여러 기간에 따른 에너지 성능과 온도들을 볼 수 있다. 또한, 온도들의 설정과 같이, 일부 기본 시스템 파라미터들을 제어기를 경유해 조절할 수 있다.

유압 블록(8)은 시스템에 따라 도관들뿐만 아니라 5포트 밸브, 두 개의 펌프, 및 다른 밸브들을 포함한다.

이에 따라, 모듈은 이미 장착된 종래의 저장 물 히터에 비침습적으로 연결되는데 적합하다. 다시 말하면, 물탱크의 물 저장 용기에 추가적인 입구나 출구들을 제공할 필요 없이, 냉수 입구와 온수 출구의 두 개의 이용 가능한 연결 포인트로 충분히 모듈을 설치한다. 따라서, 모듈은, 상세하게는, 종래 저장 물 히터들의 개량품들을 위해 적절한 것이 분명하다. 이러한 셋업의 경우, 모듈의 제어 유닛이 저장 물 히터의 가열 요소의 작동을 담당한다. 이러한 방식으로, 저장 물 히터에는 추가 기능, 예를 들어, 매주 하는 물 끓이기가 제공될 수도 있어서, 더욱 다용도로 사용된다. 또한, 기존의 저장 물 히터로 구성되고 태양열 집열기와 본 발명의 모듈이 추가된 개량 시스템은 비슷한 종래의 태양열 시스템과 대략적으로 동일한 효율을 가짐을 알 수 있다.

위에서 충분히 논의된 다중 포트 밸브는 설명된 기능을 수행하기 위해 다른 기하학적 구성들로 배치될 수 있다. 이에 따라, 직선으로 배치되는 것에 추가하여, 다중 포트 밸브는, 예를 들어, T-형, H-형, 원형, 또는 기타 다른 기하학적 구성으로 배치될 수 있다.

청구항들에서, 용어 "포함한다/포함하는' 은 다른 요소들이나 단계들의 존재를 배제하지 않는다. 또한, 개별적으로 열거되었음에도 불구하고, 복수개의 수단, 요소, 또는 방법 단계는, 예를 들어, 단일 유닛에 의해 수행될 수도 있다. 추가적으로, 개별 특징들이 상이한 청구항들이나 실시예들에 포함될 수 있음에도 불구하고, 이들은 가능하게는 그리고 유리하게는 결합될 수도 있고, 상이한 청구항들에 포함된 것이 특징들의 결합이 실현 가능하지 않고/않거나 유리하지 않은 것을 암시하지는 않는다. 또한, 단수의 참조 사항들이 복수개를 배제하지는 않는다. 용어 "하나", "제1", "제2" 등이 복수개를 제외하지는 않는다. 청구항들의 참조 부호들은 단순히 명확한 예로서 제공되고, 어떤 식으로든 청구항들의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

본 발명이 특정한 실시예와 실험들을 참조하여 위에서 설명되었음에도 불구하고, 여기서 언급된 특정한 형태에 제한하고자 하는 것은 아니다. 오히려, 발명은 첨부된 청구항들에 의해서만 제한되고, 위에서 특정한 것들과는 다른 실시예들은 첨부된 청구항들의 범위 안에서 동일하게 가능하다.

Claims (15)

1. 시스템은 제1 도관과 제2 도관을 가진 닫힌 물탱크를 포함하고, 여기서 상기 제1 도관과 제2 도관은 상기 탱크로 물을 유입하고 상기 물탱크로부터 물을 제거하고;
   냉수를 위한 입구와 가열된 물을 위한 출구를 포함하며 상기 물탱크의 외부에 있는 열원을 포함하고, 여기서 상기 가열된 물은 상기 열원에 의해 가열되고;
   제1 작동 모드에서 상기 탱크로부터 나와 상기 열원을 통해 상기 탱크로 다시 돌아오는 물의 순환을 위한 펌프를 포함하고; 그리고
   제2 작동 모드에서 시스템으로부터 물의 제거를 위한 사용자 도관과 시스템에 물을 반송시키기 위한 반송수 도관을 포함하는 시스템에 있어서,
   시스템은 비가동 위치와 가동 위치를 가지는 5포트 밸브를 특징으로 하고,
   여기서 상기 5포트 밸브는 상기 사용자 도관이나 상기 반송수 도관에 연결된 제1 포트와 제2 포트를 포함하고, 이에 상기 제1 포트로부터 상기 제2 포트로의 물 흐름이 상기 밸브를 상기 비가동 위치에서 상기 가동 위치로 이동시키고, 실질적으로 상기 제1 포트로부터 상기 제2 포트로의 물 흐름이 없을 때, 스프링이 상기 밸브를 상기 가동 위치에서 상기 비가동 위치로 복귀시키고; 그리고
   상기 5포트 밸브는 상기 열원의 상기 출구에 연결된 제3 포트, 상기 제1 도관에 연결된 제4 포트, 및 상기 제2 도관에 연결된 제5 포트를 포함하고, 이에 상기 제3 포트는 상기 5포트 밸브의 상기 비가동 위치에서 상기 제4 포트에 연결되고, 상기 5포트 밸브의 상기 가동 위치에서 상기 제5 포트에 연결되고;
   여기서 상기 반송수 도관은 상기 열원의 상기 입구에 연결되는 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 5포트 밸브가 상기 가동 위치에 있을 때 상기 펌프가 작동되는 것을 막기 위한 스위치를 더 포함하고, 여기서 상기 스위치는 상기 제2 작동 모드 동안의 물 흐름을 이용해 상기 5포트 밸브에 의해 기계적으로 제어되는 시스템.
3. 제1 또는 2항에 있어서, 상기 제1 작동 모드에서, 시스템으로 들어가거나 나오는 물의 흐름이 없고, 상기 펌프가 상기 제2 도관으로부터 상기 펌프와 상기 열원을 경유해 상기 5포트 밸브의 상기 제3 포트를 거쳐 상기 제4 포트를 경유해 상기 제1 도관으로 폐루프로 물을 전달하고, 이에 상기 탱크는 상기 열원에 의해 전달된 열 에너지로 충진되고;
   상기 제2 작동 모드에서, 상기 반송수 도관을 경유해 시스템으로 물이 들어가고, 상기 사용자 도관을 경유해 시스템에서 물이 나옴으로써, 상기 5포트 밸브를 상기 가동 위치로 이동시키고, 여기서, 상기 제1 도관에서 상기 사용자 도관을 경유해 사용자로 물이 흐르고, 상기 반송수 도관을 경유해 상기 열원의 상기 입구로 물이 흘러 상기 열원에 의해 가열되고 상기 5포트 밸브의 상기 제3 포트를 거쳐 상기 제5 포트로 가고 상기 제2 도관을 경유해 상기 탱크로 가는 시스템.
4. 제1 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열원은 태양열 시스템과 같은 간헐적인 열원인 시스템.
5. 제1 내지 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 도관은 상기 탱크의 상부에서 개방되고, 상기 제2 도관은 상기 탱크의 하부에서 개방되는 시스템.
6. 제1 내지 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열원은 태양열 집열기에 연결된 1차 회로와 상기 탱크에 연결된 2차 회로를 가지는 열교환기를 포함하는 시스템.
7. 제1 내지 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열교환기는 히트 펌프의 일부인 시스템.
8. 제1 내지 7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 도관에 연결된 제1 부분, 상기 열원으로부터 상기 출구에 연결된 제2 부분, 및 상기 사용자 도관에 연결된 제3 부분을 가지고, 상기 사용자 도관 안에 배치되는 조정 밸브를 더 포함하고, 여기서, 상기 조정 밸브는 상기 제1 도관의 물 온도가 상기 열원의 상기 출구의 물 온도보다 높으면 상기 제1 포트에서 상기 제3 포트로 물을 이동시키도록 배치되고, 상기 조정 밸브는 상기 제1 도관의 물 온도가 상기 열원의 상기 출구의 물 온도보다 낮으면 상기 제2 포트에서 상기 제3 포트로 물을 이동시키도록 배치되는 시스템.
9. 제8항에 있어서, 상기 조정 밸브는 상기 제1 도관의 물 온도를 감지하기 위한 제1 온도 센서와 상기 열원의 상기 출구의 물 온도를 감지하기 위한 제2 온도 센서를 포함하는 시스템.
10. 외부 물탱크, 열원, 사용자 도관, 및 반송 도관에 연결되기에 적합한 모듈에 있어서, 상기 모듈은
    제1 도관과의 연결을 위한 제1 커넥터와 제2 도관과의 연결을 위한 제2 커넥터를 포함하고, 이에, 상기 제1 도관과 상기 제2 도관은 상기 외부 물탱크의 내부로 개방되고;
    상기 열원의 입구와의 연결을 위한 제3 커넥터와 상기 외부 열원의 출구와의 연결을 위한 제4 커넥터를 포함하고; 그리고
    물을 사용자에게 배출하기 위해 상기 사용자와의 연결을 위한 제5 커넥터와 반송수를 위한 제6 커넥터를 포함하는 모듈에 있어서,
    모듈은 비가동 위치와 가동 위치를 가지는 5포트 밸브를 특징으로 하고,
    여기서, 상기 5포트 밸브는 상기 제5 커넥터나 상기 제6 커넥터에 연결된 제1 포트와 제2 포트를 포함하고, 이에 상기 제1 포트로부터 상기 제2 포트로의 물 흐름이 상기 밸브를 상기 비가동 위치에서 상기 가동 위치로 이동시키고, 실질적으로 상기 제1 포트로부터 상기 제2 포트로의 물 흐름이 없을 때, 스프링이 상기 밸브를 상기 가동 위치에서 상기 비가동 위치로 복귀시키고; 그리고
    상기 5포트 밸브는 상기 제4 커넥터에 연결된 제3 포트, 상기 제1 커넥터에 연결된 제4 포트, 및 상기 제2 커넥터에 연결된 제5 포트를 포함하고, 이에 상기 제3 포트는 상기 5포트 밸브의 상기 비가동 위치에서 상기 제4 포트에 연결되고, 상기 5포트 밸브의 상기 가동 위치에서 상기 제5 포트에 연결되고; 여기서 상기 제6 커넥터는 상기 제3 커넥터에 연결되는 모듈.
11. 제10항에 있어서, 1차 회로와 2차 회로를 가지는 열교환기를 더 포함하고, 여기서, 상기 제3 커넥터는 태양열 집열 회로의 입구와의 연결을 위해 배치되고, 상기 제4 커넥터는 상기 태양열 집열 회로의 출구와의 연결을 위해 배치되는 모듈.
12. 제11항에 있어서, 상기 열교환기의 상기 1차 회로에서 열매체를 순환시키기 위한 1차 회로 펌프와 상기 2차 회로 안에 위치해 제1 작동 모드 동안 물을 순환시키는 2차 회로 펌프를 더 포함하는 모듈.
13. 5포트 밸브에 있어서, 유체 제어 도관에 연결된 제1 포트와 제2 포트를 특징으로 하고, 이에, 상기 제1 포트에서 상기 제2 포트로의 유체 흐름이 비가동 위치에서 가동 위치로 5포트 밸브를 이동시키고, 상기 제1 포트로부터 상기 제2 포트로의 유체 흐름이 없을 때, 스프링이 5포트 밸브를 상기 가동 위치에서 상기 비가동 위치로 복귀시키고; 그리고
    유체 흐름원의 출구에 연결된 제3 포트, 제1 도관에 연결된 제4 포트, 및 제2 도관에 연결된 제5 포트를 특징으로 하고, 이에, 상기 제3 포트는 5포트 밸브의 상기 비가동 위치에서 상기 제4 포트에 연결되고, 5포트 밸브의 상기 가동 위치에서 상기 제5 포트에 연결되는 5포트 밸브.
14. 제13항에 있어서, 제1 피스톤이 상기 제1 포트와 상기 제2 포트 사이에 배치되어, 상기 제어 도관의 유체 흐름이 상기 피스톤을 상기 제1 비가동 위치에서 상기 가동 위치로 이동시키고; 제2 피스톤이 상기 제3, 제4 및 제5 포트와 연결되도록 배치되어, 상기 제2 피스톤이 동시 움직임을 위한 축에 의해 상기 제1 피스톤에 연결되는 5포트 밸브.
15. 제13 또는 14항에 있어서, 유체를 상기 피스톤의 제1 측에서 상기 피스톤의 제2 측으로 이동시키기 위한 상기 제1 피스톤 안에 배치된 홈들 또는 개구들을 더 특징으로 하고, 이에, 상기 제어 도관의 작은 유체 흐름이 상기 피스톤을 상기 가동 위치로 이동시키기에 불충분한 반면에, 소정의 유체 유속보다 큰 유체 흐름은 상기 피스톤을 상기 가동 위치로 이동시키기에 충분한 5포트 밸브.

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