2.1 온수모듈의 전력제어

온수모듈의 전력을 인가하기 위하여 일반적으로 릴레이 또는 트라이액(Triac)을 사용한다. 트라이액을 이용한 전력제어 시스템은 트라이액을 통해 부하(Load)에 전력을 공급하는 전력회로로 Fig. 2와 같이 트라이액 제어를 위한 Zero Point Detecter 회로, 트라이액을 턴 온 시키기 위한 트라이액 제어회로로 구성된다.

트라이액을 사용한 전력제어는 교류전원을 제어하는 방법 중 하나로 전원의 반주기 내에서 Zero Point 에서부터 지연각 α를 조절하여 위상을 제어하는 위상제어 방식과, 반주기의 온-오프 개수의 듀티비를 조절하여 전력제어 하는 온-오프 제어방식이 있다. Fig. 3은 위상제어와 온-오프 제어을 이용하여 2㎾의 동일한 출력으로 제어할 때 출력전압과 출력전류, 주파수 영역에서 출력전류를 나타낸다. Fig. 3의 a는 위상제어의 경우 정현파가 아니라 불연속 전류 파형을 인가하여 전력을 조정하기 때문에 기본 주파수 성분 이외에 홀수차의 고조파 성분이 발생하고 있으며, Fig. 3의 b는 온-오프 제어의 경우 정현파의 배수를 제어하기 때문에 기본 주파수 성분 외에 2차 이상의 고조파 전류가 발생하고 있지 않다.

트라이액을 이용한 전력제어 방법 중 온-오프 제어를 할 경우 Table 1에 정리한 내용과 같이 고조파(Harmonic Noise)를 저감할 수 있고, 온수모듈에 인가하는 출력전압의 실효 치($V_{O(r m s)}$) 을 선형적으로 제어할 수 있으므로, 빠른 전력제어가 필요한 시스템인 경우를 제외하고는 일반적인 온도 제어시스템에서는 온-오프 제어를 사용하는 것이 유리하다.

2.2 온수모듈의 유량제어

직수정수기에서는 필터를 통과하여 유입되는 입수온도를 측정하고, 출수온도에 따른 필요한 물의 유량을 제어하게 되면, 원하는 목표온도의 온수를 출수 할 수 있다. 유량을 조절하기 위해 유량조절밸브는 스테핑모터가 결합되어 있어 스테핑모터의 각도를 조절하여 통과하는 유량을 조절할 수 있다. 유량제어에 대한 시퀀스는 Fig. 4에 나타내었다.

온수모듈에 통과하는 유량을 제어하여 목표온도까지 물을 가열하기 위해서는 온수모듈에서 흐르는 물에 전달할 수 있는 열량을 계산하여 결정할 수 있다. 1㎈는 물 1㎖의 온도를 1℃ 올리는데 필요한 열량이며, 수식(1)과 같이 표현된다. 온수모듈에 흐르는 물의 양을 LPM(Liter Per Minute)으로 표현하면 온도변화 △T 에 필요한 칼로리는 수식(2)와 같고, 이를 온수모듈에 인가되는 전력 POWER로 표현하면 열량에 물의 비열(Specific heat) $C_{w}$를 곱하여 수식(3)과 같이 나타난다.

여기서, Cw 는 물의 비열로 4.184 ㎈/g℃ 이다.

온수모듈에 인가하는 전력을 2.4㎾로 하고 목표온도를 85℃, 입수온도를 25℃라 하였을 때, 제어 유량은 수식(3)을 통하여 0.57LPM 으로 계산된다. 즉, 0.57LPM으로 흐르는 물에 2.4㎾의 전력을 인가하면 물의 온도가 25℃에서 85℃가 된다. 따라서 인가되는 전력의 최대를 2.4㎾로 하고 입수되는 물의 온도에 따라 출수되는 물의 온도가 85℃가 되도록 하는 물의 유량은 Fig. 5와 같다.

3.1 제안하는 전력제어방법

위상제어에서는 제어주기가 입력 교류전원의 반주기가 되나, 온-오프 제어는 제어주기가 입력 교류전원의 반주기를 기본으로 온-오프 개수를 제어하기 때문에 적절한 주기를 선정하는 것이 필요하다. 본 논문에서는 60㎐와 50㎐ 주파수 전원을 공용으로 사용할 것을 고려하여 50Hz 주파수는 반주기가 10㎳ 이고, 60㎐ 주파수는 반주기가 8.3㎳ 이므로, 50Hz 에서는 5개의 반주기면 50㎳, 60㎐의 6개 반주기면 50㎳가 되므로, 50㎳의 배수인 400ms로 결정하였다. 온수모듈의 저항이 18.6Ω 이라고 할 때 220Vac 전압에서 온수모듈에 인가할 수 있는 최대전력은 2.6㎾가 되기 때문에, 60㎐ 전원에서는 1주기가 48 cycle이 되고 1cycle 당 전력은 54W 온도는 약 1.3℃로 제어할 수 있게 되고, 50㎐ 전원에서는 1주기가 40 cycle이 되고 1cycle 당 전력은 65W 온도는 약 1.6℃를 제어할 수 있게 된다. 이처럼 트라이액의 온-오프 제어방식은 제어 듀티에 따라 전력과 온도변화량이 선형적으로 변화하기 때문에 전력제어의 계산을 좀 더 용이하게 할 수 있다. 또한, 온도변화와 온수모듈에 인가되는 전력에 대한 상관관계를 수식(3)을 이용하여 연산할 경우 입력전원의 변화에 대해서도 듀티제어의 계산이 가능하다.

온도를 좀 더 정밀하게 제어하기 위하여 온-오프 제어의 주기와 듀티가 결정되었다면, 온-오프 제어의 듀티 제어방법에 대해 고려할 필요가 있다. 패턴을 고려하지 않고 온-오프 제어 출력을 70%로 하게 되면, 34 cycle 동안 온수모듈에 전력을 공급하고, 14 cycle 동안 온수모듈의 전력을 차단하게 된다. 즉 400ms 주기 중 약 117ms 동안 전력이 공급되지 않게 되고, 이 시간동안 온수모듈에 가열되어 있는 열량은 손실이 발생되어 온도는 떨어지게 된다. 온-오프 제어에서 온 주기 동안 온도가 상승되고, 오프 주기 동안 온도가 하강하는 것을 반복하여, 목표온도 근처에서 출수온도는 상승과 하강을 반복하며 제어가 된다. Table 2는 오프 구간에 열량이 손실되는 것을 확인하기 위하여 400ms의 1주기에서 동일한 50%의 출력을 온수모듈에 공급하는 방법 중 온수모듈에 전력을 공급하고 차단하는 주기의 시간을 변경하여 전력을 공급하고 차단하는 제어 시간에 따른 출수온도의 변화에 대해 확인하는 실험방법에 대해 나타내었다.

듀티 제어방법에 따른 출수온도를 측정한 결과 Fig. 6의 (a)와 같이 물의 온도가 상승하는 구간의 시간이나, 온수모듈에 의해 가열되는 목표온도는 유사하게 측정되는 것을 확인할 수 있으나, 8초 이후 목표온도로 제어되는 구간에서 온도측정 데이터를 확대해 보면 제어방법에 따라 Fig. 6의 (b),(c),(d) 와 같이 출수온도가 듀티제어방법의 온 시간동안은 출수온도가 상승하고, 오프 시간동안은 출수온도가 하강 하는 것을 확인 할 수 있다. 실험결과로 보아 오프 구간에 물리적으로 온도 손실이 발생되는 것을 확인할 수 있었으며, 한 주기 동안 동일한 듀티에 대해서도 오프 구간을 분산하여 제어하는 것이 좀 더 온도 상승, 하강의 편차를 줄이고 온도를 정밀하게 제어할 수 있는 방법임을 확인하였다.

제안하는 듀티 제어방법의 패턴은 48cycle의 1주기를 8개의 구간으로 나누어 오프 구간을 분산하는 패턴을 Fig. 7에 나타내었다. Fig. 7에서 x축은 1주기 48cycle을 나타내고 y축은 48cycle 중 출력하고자 하는 온 구간의 개수를 표시한다. y축이 아래로 갈수록 듀티가 낮아지는 것을 나타내며 색상으로 표시된 구간에선 온수모듈에 전력을 인가하고 색상이 표시되지 않은 구간에선 온수모듈에 전력을 차단하는 패턴이다. 오프 구간을 8개의 구간으로 분산하여 제어하게 되면 동일한 출력을 내기 위한 듀티에서 온수모듈에 전력을 차단하는 오프 구간이 길어져 온수모듈의 온도가 하강하는 구간을 분산할 수 있기 때문에, 출수온도를 좀 더 안정적으로 제어할 수 있게 된다.

3.2 제안하는 온도제어방법

직수정수기는 온수모듈의 온도가 낮은 환경에서 출수를 하게 되면 온수모듈의 온도가 목표온도에 도달하는 시간동안 목표온도보다 낮은 온도의 물이 출수되기 때문에, 출수온도가 균일하지 못하고 출수되는 정량 한 잔의 온도는 목표온도보다 현저하게 낮아지게 된다. 종래에는 출수 전 예열동작을 통하여 온수모듈을 예열하고 출수하는 방법과 예열동작 후 드레인 배관을 통해 가열되지 않은 물을 드레인 시킨 후 출수하는 방법을 사용하였다. 예열동작을 통하여 온수모듈을 가열하고 출수하는 방법은 예열동작 후 사용자에게 출수되기 때문에 사용자에게 출수되기까지의 시간이 짧지만 온수모듈 내부에 가열된 열량을 정확하게 알 수 없어 예열시간을 결정하는데 어려움이 있고, 초수의 온도를 높이기 위하여 목표온도보다 높은 온도로 가열하여 출수해야하는 단점이 있다. 예열동작 후 드레인 배관을 통해 가열되지 않은 물을 드레인 시킨 후 출수하는 방법은 목표온도로 드레인 시킨 후 출수해야하기 때문에 사용자에게 출수되는데 까지 시간이 오래 걸리게 된다. 두 방법의 단점을 보안하기 위하여 온수모듈 내부에 온도를 확인할 수 있는 온도센서를 삽입하는 방법에 대해 제안하고자 한다. Fig. 8은 기존의 직수정수기 수배관도에 드레인 배관과 온수모듈 내 온도센서를 삽입한 수배관도이다.

온수모듈 내부에 온도센서를 삽입하면 예열 전 온수모듈 내 물 온도에 대한 정확한 측정이 가능하고, 드레인 배관을 통하여 예열 된 온도를 목표온도로 제어할 때도 온수모듈에 가열되는 온도를 확인하여 제어할 수 있게 된다.

Fig. 9는 보통 직수 정수기의 경우 입수온도가 15∼35℃의 범위이므로, 가장 낮은 입수온도인 15℃에서 예열시간을 0∼5초 범위에서 1초 단위로 변경하여, 예열한 후 0.4LPM으로 드레인 배관을 통하여 출수 시 온도 변화에 대해 측정한 그래프이다. 종래의 방법에선 예열 후 온수모듈에 남아있는 미진한 온도의 물 45㎖을 드레인하기 위하여 약 7초 동안 드레인 후 출수하였지만, 온수모듈 내부에 삽입된 온도센서로 확인해 본 결과 온수모듈 내부의 온도는 미진하지 않고 충분히 가열되는 것을 확인할 수 있었다. 실험결과로 보아 수식(3)을 이용하여 온수모듈에 인가된 열량으로 인한 온도변화에 대해 계산해보면, 2.35㎾의 전력이 4초 동안 온수모듈에 전달된 전력량은 9.4㎾s가 되고, 온수모듈의 내부 물량은 45㎖이므로 온도변화는 약 50℃가 된다. 입수온도가 15℃인 경우 예열시간 4초 후 출수할 경우 물의 온도는 65℃로 실험결과와 유사한 결과를 확인하였다. Table 3은 Fig. 9의 실험 결과를 예열시간에 변화에 따른 내부가열 온도를 정리한 표이다. 예열시간에 따른 온수모듈 내부의 물은 예열된 열량에 비례하여 온도가 상승하므로 온수모듈 내부에 추가한 온도센서를 이용하여 온수모듈 내부온도를 확인하여 목표온도로 예열하기 위한 예열 시간을 결정하는 것은 유효한 방법이며, 이후 드레인 배관을 통해 물을 배출하면서 물의 온도를 안정화 후 출수하는 경우 출수하는 동안의 물의 온도를 균일하게 할 수 있고, 사용자에게 출수될 때까지의 시간을 단축시킬 수 있다.

Fig. 10은 온수모듈의 내부에 삽입된 온도센서를 이용하여 온수모듈 내부 온도를 확인한 후 필요한 예열시간을 최대 5초 내로 설정하고, 3초간 드레인 배관을 통하여 물의 온도를 안정화 후 출수할 때 온도를 측정한 그래프이다. Fig. 10의 (a)는 온수모듈 내부의 온도를 입수온도와 동일하게 맞춘 후 출수한 그래프이고, (b)는 (a)를 출수한 후 온수모듈의 온도가 60℃ 가량 낮아진 후 출수한 그래프이다. 실험결과 온수모듈 내부의 온도를 측정함으로써 사용자에게 5∼8초의 시간 내에 목표온도의 온수를 공급할 수 있는 것을 확인하였다.

4.1 실험방법

본 논문에서 제안하는 온도제어방법에 대해 검증하기 위하여 실험환경을 구성하고, 제안하는 전력제어와 온도제어 방법을 적용하여 목표온도 85℃ 출수에 대해 입수온도의 변화와 입력전원의 변화에 대해 온수모듈의 입수온도와 출수온도를 측정하고 사용자에게 공급되어지는 정수기 출수 온도에 대해 측정한다. Fig. 11은 실험환경의 온도측정 위치를 나타낸다.

4.2 입수온도 변화에 따른 출수실험

220V$_{rms}$, 60㎐ 전원에서 입수온도 15∼35℃까지 5℃ 단위로 입수온도를 변화시키며 출수온도에 대해 측정한다. Fig. 12는 입수온도 변화에 따른 출수온도를 측정한 그래프이다. 온수모듈 내부의 온도는 입수온도와 동일하게 맞춘 후 출수한 초수 출수온도를 측정한 그래프이다.

Table 4는 입수온도의 변화에 따라 측정한 온도측정 결과를 정리하여 정수기 출수온도에 대해 최대온도와 최저온도, 평균온도를 나타낸다. 최저온도는 정수기 출수온도가 목표온도에 안정화 되는 시간 약 10초 이후의 최저온도로 나타낸다. 실험 결과 온수모듈 내부 온도센서를 확인하여 온수모듈에 필요한 열량을 계산하여 예열시간이 입수온도가 올라가며 5초에서 4초로 단축되는 것을 확인할 수 있다. 출수온도의 평균은 목표온도 85±1℃ 범위에서 출수되는 것을 확인하였다.

4.3 입력전원 변화에 따른 출수실험

입력전압은 210∼250V$_{rms}$ 까지 10V$_{rms}$ 단위로 측정하고, 60㎐ 전원과 50㎐ 전원에서 각각 측정하였다. 입력전원이 변경되면 고정유량과 고정 cycle 개수로 온수모듈의 온도변화를 확인하여 온-오프 제어의 듀티를 제어한다. 입력전원이 변경되어도 온수모듈에 인가되는 전력을 2.35㎾로 제어할 수 있도록 하였다. Fig. 13은 입력전원의 변화에 따른 출수온도를 측정한 그래프이다.

Table 5는 입력전원의 변화에 따라 측정한 온도 및 온수모듈에 인가되는 전력을 측정 결과이다. 제안하는 제어방법에 의해 입력전압이 변화하더라도 온수모듈에 인가되는 전력은 2.35±0.03㎾ 내에서 제어되는 것을 확인할 수 있었으며, 약 5초의 동일한 예비가열 시간을 가지고 출수온도의 평균은 85±3℃로 균일한 온도특성이 나타나는 것을 확인할 수 있다.