온도조절기

3. 종류 및 작동 원리

온도 조절기는 난방 또는 냉방 장치를 켜고 끄거나, 열 전달 유체의 흐름을 조절하여 온도를 유지하는 장치이다. 주변 공기 제어부터 자동차 냉각수 제어에 이르기까지 다양한 곳에서 난방 또는 냉방 시스템의 주요 제어 장치로 사용된다. 건물 난방, 중앙 난방, 에어컨, 주방 장비 (오븐, 냉장고 등), 의료 및 과학 배양기 등 설정 온도로 가열 또는 냉각하는 모든 장치 또는 시스템에 사용된다.

온도 조절기는 온도를 측정하고 제어하기 위해 다양한 종류의 센서를 사용한다. 크게 기계식과 전자식으로 나눌 수 있다.

• 기계식 온도 조절기: 바이메탈 스트립을 사용하여 온도 변화를 기계적 변위로 변환, 난방 또는 냉방 장치를 제어한다.
• 전자식 온도 조절기: 써미스터 또는 기타 반도체 센서를 사용하여 온도 변화를 전자 신호로 처리, 난방 또는 냉방 장비를 제어한다.

• 바이메탈 기계식 또는 전기식 센서
• 왁스 서모스탯 소자 (팽창 왁스 펠릿)
• 전자식 서미스터 및 반도체 소자
• 전기식 열전대

3. 1. 기계식 온도 조절기

• 바이메탈: 서로 다른 열팽창 계수를 가진 두 금속을 붙여 만든 스트립으로, 온도 변화에 따라 휘어지는 정도가 달라지는 원리를 이용한다. 주로 가정용 난방 시스템, 오븐, 다리미 등에 사용된다.^[14] 바이메탈 감지는 현재 전자 센서로 대체되고 있지만, 개별 전기 대류 히터나 에어컨과 같이 국소 제어가 필요한 곳에서는 여전히 사용된다.
• 왁스 펠릿: 특정 온도에서 녹고 팽창하는 왁스를 밀폐된 용기 안에 넣어 온도 변화에 따른 부피 변화를 이용하는 방식이다. 주로 자동차 엔진 냉각 시스템, 샤워기, 온도 조절 혼합 밸브 등에 사용된다. 왁스 펠릿 구동 밸브는 화상 방지, 동결 방지, 과열 방지, 태양열 에너지 또는 태양열, 자동차 및 항공우주 분야 등 다양한 분야에 사용된다.
• 가스 팽창: 가스로 채워진 벌브가 가느다란 구리 튜브를 통해 제어 장치에 연결된 형태로, 온도 변화에 따른 가스 팽창으로 다이어프램에 압력을 가하여 버너로의 가스 흐름을 조절한다. 주로 가스 오븐에 사용된다.
• 공압식 온도 조절기: 일련의 공기 충전 제어 튜브를 통해 난방 또는 냉방 시스템을 제어하는 방식으로, 튜브 내 압력 변화에 따라 밸브나 댐퍼를 작동시킨다.^[11] 공압식 온도 조절기는 1895년 워렌 존슨에 의해 발명되었다.^[12]

3. 2. 전자식 온도 조절기

4. 구성 및 제어

온도 조절기는 난방 또는 냉방 장치를 켜고 끄거나, 필요에 따라 열 전달 유체의 흐름을 조절하여 적절한 온도를 유지하는 장치이다. 주변 공기 제어부터 자동차 냉각수 제어에 이르기까지 다양한 곳에서 활용된다.

온도 조절기는 온도를 측정하기 위해 다양한 종류의 센서를 사용한다. 기계식 온도 조절기는 바이메탈 스트립을, 전자식 온도 조절기는 써미스터나 기타 반도체 센서를 사용한다.

기존의 온도 조절기는 "온-오프 제어기" 방식을 사용한다. 설정값에 도달하면 시스템이 최대 용량으로 작동하거나 완전히 꺼진다. 이 방식은 단순하지만, 장비의 과도한 작동을 방지하기 위해 히스테리시스를 포함해야 한다. 따라서 온도를 매우 정밀하게 제어하기 어렵고, 1-2°C 정도의 온도 변화가 발생할 수 있다.^[2]

온도 조절기는 "예상기" 기능을 통해 설정값에 도달하기 전에 난방/냉방을 미리 중단시켜 "오버슈트"를 방지할 수 있다. 바이메탈 센서는 얇은 전선을 통해 열을 전달받는 "예상기"를 포함하며, 전자식 온도 조절기는 전자적 방식으로 이를 구현한다.^[5]

더 정밀한 온도 제어가 필요한 경우 PID 또는 MPC 제어기가 사용되지만, 주로 산업용으로 활용된다.

물과 증기를 이용한 중앙 난방 시스템은 전통적으로 벽에 부착된 바이메탈 스트립 온도 조절기로 제어되었다. 이는 두 금속의 팽창 차이를 이용하여 온도를 감지하고 스위치를 작동시킨다.^[14] 바이메탈 감지는 현재 전자 센서로 대체되고 있으며, 주로 개별 전기 대류 히터나 에어컨에 사용된다.

선간 전압 온도 조절기는 전기 공간 난방 장치에 주로 사용되며, 시스템 전원이 온도 조절기에 의해 직접 전환된다.

5. 현대적 응용

현대에는 다양한 종류의 온도 조절기가 개발되어 여러 분야에서 활용되고 있다.

• 자동차: 내연 기관 냉각 시스템 온도조절기는 냉각수의 흐름을 라디에이터로 조절하여 엔진을 최적의 작동 온도 근처로 유지하는 데 사용된다. 왁스 펠릿이 들어 있는 밀폐된 챔버를 사용하여 작동 온도가 초과되면 밸브를 여는 막대를 작동시킨다.^[1] 작동 온도는 왁스의 구성에 따라 결정되며, 온도 변화에 대응하여 개방을 점진적으로 늘리거나 줄여 엔진 온도를 최적 범위 내에서 유지한다.^[1]
• 가정용: 가정용 온도 조절기는 크게 바이메탈, 전자식, 프로그래밍 가능, 그리고 스마트 온도 조절기로 나눌 수 있다.
• 바이메탈 온도 조절기: 두 금속의 팽창률 차이를 이용하여 온도를 감지하고 스위치를 작동시킨다.^[14]
• 전자식 온도 조절기: 서미스터나 저항 온도 감지기 같은 반도체 소자를 사용하여 온도를 측정하고, LCD 화면으로 현재 온도와 설정을 표시한다.
• 프로그래밍 가능 온도 조절기: 시간대별, 요일별 온도 설정을 통해 에너지 절약과 쾌적함을 제공한다.^[21]
• 스마트 온도 조절기: 인공지능, 사물인터넷(IoT) 기술을 활용하여 원격 제어, 자동 온도 조절, 에너지 사용량 분석 등의 기능을 제공한다.

최근의 디지털 온도조절기는 PID 제어기를 내장하거나 적응형 알고리즘을 사용하여 더욱 정밀한 온도 제어를 제공하기도 한다.^[18]

5. 1. 자동차

5. 2. 가정용

• 바이메탈 온도 조절기: 전통적인 방식으로, 두 금속의 팽창률 차이를 이용하여 온도를 감지하고 스위치를 작동시킨다.^[14] 주로 개별 전기 대류 히터나 에어컨에 사용된다.
• 전자식 온도 조절기: 서미스터나 저항 온도 감지기 같은 반도체 소자를 사용하여 온도를 측정한다. LCD 화면으로 현재 온도와 설정을 표시하며, 일부 모델은 홈 오토메이션 시스템과 연동 가능하다.
• 프로그래밍 가능 온도 조절기: 시간대별, 요일별 온도 설정을 통해 에너지 절약과 쾌적함을 제공한다. 기본 설정으로도 30%의 에너지 절감 효과를 얻을 수 있다.^[21]
• 스마트 온도 조절기: (주어진 원본 소스에 직접적인 언급은 없지만, 요약 내용을 바탕으로 작성) 인공지능, 사물인터넷(IoT) 기술을 활용하여 원격 제어, 자동 온도 조절, 에너지 사용량 분석 등의 기능을 제공한다.

최근의 디지털 온도조절기는 PID 제어기를 내장하거나 적응형 알고리즘을 사용하여 더욱 정밀한 온도 제어를 제공하기도 한다.^[18]

6. 더미 온도 조절기

사무실 건물에 설치된 많은 온도 조절기는 작동하지 않는 가짜 장치로, 입주자 직원들에게 통제 착각을 주기 위해 설치되었다는 보고가 있다.^[24][25] 이러한 가짜 온도 조절기는 일종의 플라시보 버튼 역할을 한다. 그러나 이러한 온도 조절기는 제어 기능이 비활성화되어 있더라도 해당 구역의 온도를 감지하는 데 자주 사용되며, 이 기능은 종종 "잠금"이라고 불린다.^[26]

참조

_[1] 간행물 Residential energy consumption survey U.S. Dept. Energy 2001
_[2] 웹사이트 Easy Home Heating: Get Started with the Danfoss Wireless Thermostat https://thermostathu[...] 2023-06-26
_[3] 논문 Evaluation of energy-saving potential for optimal time response of HVAC control system in smart buildings https://linkinghub.e[...] 2020-08
_[4] 논문 An introduction to the assessment of line-voltage thermostat performance for electric heating applications https://ieeexplore.i[...] 1962
_[5] 서적 AudelHVAC Fundamentals: Volume 2: Heating System Components, Gas and Oil Burners, and Automatic Controls John Wiley & Sons 2004
_[6] 웹사이트 Tierie, Gerrit. Cornelis Drebbel. Amsterdam: HJ Paris, 1932. http://www.drebbel.n[...] 2013-05-03
_[7] 웹사이트 An Early History Of Comfort Heating http://www.achrnews.[...] BNP Media 2001-11-06
_[8] 웹사이트 Thermostat Maker Deploys Climate Control Against Climate Change https://web.archive.[...] America.gov 2009-10-03
_[9] 웹사이트 Johnson Controls Inc. {{pipe}} History http://www.johnsonco[...] Johnsoncontrols.com 2007-11-07
_[10] 서적 Barns of New York: Rural Architecture of the Empire State https://archive.org/[...] Cornell University Press 2014-11-02
_[11] 웹사이트 Dr-Fix-It Explains a Common Pneumatic Comfort Control Circuit https://web.archive.[...] RTWEB 2005
_[12] 간행물 Mechanical Engineering: A Century of Progress NorCENergy Consultants, LLC 1980-10-10
_[13] 웹사이트 Pneumatic-to-digital devices, systems and methods http://www.freepaten[...]
_[14] 웹사이트 Thermostats: Everything You Need to Know https://engineerware[...] 2019-10-21
_[15] 문서 Electrical potentials at and below 24 volts are classed as "Safety Extra-Low Voltage" under most [[electrical code]]s when supplied through an isolation transformer.
_[16] 웹사이트 Thermostat Wire Color Codes https://web.archive.[...] 2015-03-07
_[17] 웹사이트 Thermostat signals and wiring http://wiki.xtronics[...] 2015-03-07
_[18] 문서 Honeywell smart response technology
_[19] 웹사이트 Smart PID temperature control http://smartpid.com/[...] 2016-09-19
_[20] 웹사이트 Temperature Controllers Using Hysteresis https://na.industria[...] 2011-10-18
_[21] 웹사이트 Summary of Research Findings From the Programmable Thermostat Market https://www.energyst[...] Energy Star 2021-03-12
_[22] 웹사이트 Room Sensor and Thermostat: Mounting and Maintenance Application Guide https://www.kmccontr[...] 2021-04-12
_[23] 논문 Thermostat strategies impact on energy consumption in residential buildings https://www.scienced[...] 2011-02-01
_[24] 뉴스 Employees Only Think They Control Thermostat https://www.wsj.com/[...] 2009-09-02
_[25] 웹사이트 "Dummy" Thermostats Cool Down Tempers, Not Temperatures http://news.thomasne[...] 2003-04-11
_[26] 문서 Example datasheet of current art thermostat, exhibiting lockout functionality : http://cgproducts.johnsoncontrols.com/MET_PDF/12011079.pdf
_[27] 웹사이트 LibGuides: Honeywell: Overview https://libguides.mn[...] 2024-12-15