KR102331147B1 - 입자 센싱 장치 - Google Patents

Abstract

실시 예에 따른 입자 센싱 장치는, 광을 방출하는 발광부; 발광부 아래에서 상기 발광부의 광축과 교차하게 배치되며, 입자를 포함하는 공기가 유동하는 제1 유로부; 제1 유로부와 연통하고, 외부로부터 유입된 공기를 제1 유로부로 유출하는 제2 유로부; 제1 유로부 아래에서 광축에 배치되며, 제1 유로부를 통과한 광이 입사되는 수광부; 및 수광부 아래에서 광축에 배치되며, 수광부를 통과한 광을 흡수하는 광흡수부;를 포함한다. 여기서, 제 2 유로부는 제 1 직경이 정의되고 공기를 유입하는 유입구를 포함하되 곡률을 가지고 휘어지는 제 1 만곡부; 제 1 만곡부와 연통하여 연장하는 연장부; 제 1 연장부와 연통하고, 곡률을 가지고 휘어지는 제 2 만곡부; 및 제 2 만곡부 및 제 1 유로부와 연통하는 노즐부;를 포함하고, 노즐부는 제 2 만곡부와 연통하는 직경이 제 1 유로부와 연통하는 직경보다 클 수 있다.

Description

입자 센싱 장치{Apparatus for sensing particle}

실시 예는 입자 센싱 장치에 관한 것이다.

일반적으로 먼지와 같은 입자를 센싱하는 기존의 먼지 센싱 장치의 경우, 광을 먼지를 향해 광축 방향으로 조사하고, 먼지에서 산란된 광을 광축의 측방에서 센싱하여 먼지에 대한 정보를 얻는다. 이러한 기존의 측방형 먼지 센싱 장치의 일 례가 미국 특허 번호 US7,038,189 (2006년 5월 2일 등록)에 개시되어 있다.

이와 같이 먼지에서 산란된 광을 광축 방향의 측방에서 센싱할 경우, 센싱된 산란 광의 세기가 약해 사이즈가 작은 입자 예를 들어, 1 ㎛ 이하의 크기를 갖는 입자를 센싱하기 어려우며, 포커싱 존(focusing zone)도 좁은 문제점이 따른다.

또한, 기존의 측방형 먼지 센싱 장치의 경우, 먼지를 포함하는 공기가 지나는 경로가 열 유동에 의해 형성되어, 입자가 흐르는 영역이 집광 영역보다 커지게 되는 등 유로가 한계를 갖는다. 이로 인해, 측정되지 않는 입자들이 많아져서 입자를 센싱하는 정확도가 저하될 뿐만 아니라 열 유동을 위한 열원의 배치로 인해 먼지 센싱 장치의 전체 크기가 커지게 된다. 예를 들어, 기존의 측방형 먼지 센싱 장치의 경우 먼지 측정 오차는 30% 정도로서 매우 높은 문제점이 있다.

또한, 기존의 측방형 먼지 센싱 장치의 경우, 먼지에서 산란된 광을 측방에서 센싱하므로 산란광 세기가 높지 않다. 따라서, 산란광의 세기를 높이기 위해 보다 많은 소모 전력을 필요로 하는 문제점이 있다.

또한, 기존의 측방형 먼지 센싱 장치의 경우, 입자가 지나가는 유로의 구조적인 한계로 인해, 모든 먼지의 개수를 카운팅하기 불가하였다.

미국 특허 번호 US7,038,189 (2006년 5월 2일 등록)

실시 예는 조그마한 입자에 대한 정보를 간단한 구조로 정확하게 센싱할 수 있는 입자 센싱 장치를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 입자 센싱 장치는, 광을 방출하는 발광부; 상기 발광부 아래에서 상기 발광부의 광축과 교차하게 배치되며, 입자를 포함하는 공기가 유동하는 제1 유로부; 상기 제1 유로부와 연통하고, 외부로부터 유입된 공기를 상기 제1 유로부로 유출하는 제2 유로부; 상기 제1 유로부 아래에서 상기 광축에 배치되며, 상기 제1 유로부를 통과한 광이 입사되는 수광부; 및 상기 수광부 아래에서 상기 광축에 배치되며, 상기 수광부를 통과한 광을 흡수하는 광흡수부;를 포함하고, 상기 제 2 유로부는 제 1 직경이 정의되고 공기를 유입하는 유입구를 포함하되 곡률을 가지고 휘어지는 제 1 만곡부; 상기 제 1 만곡부와 연통하여 연장하는 연장부; 상기 제 1 연장부와 연통하고, 곡률을 가지고 휘어지는 제 2 만곡부; 및 상기 제 2 만곡부 및 상기 제 1 유로부와 연통하는 노즐부;를 포함하고, 상기 노즐부는 상기 제 2 만곡부와 연통하는 직경이 제 1 유로부와 연통하는 직경보다 클 수 있다.

예를 들어, 상기 유입구는 상기 공기를 제1 방향으로 유입하고, 상기 제1 만곡부는 상기 곡률을 가지고 상기 제1 방향으로부터 제2 방향으로 상기 공기의 흐름 방향을 변경하는 경로를 제공하며, 상기 제 1 방향은 상기 제 1 유로부의 관통 방향과 상응할 수 있다.

예를 들어, 상기 제1 연장부는 상기 제1 직경을 가지고 제2 방향으로 연장되며, 상기 제 2 방향은, 상기 광축과 평행한 방향과 상응할 수 있다.

예를 들어, 상기 제1 유로부는 제2 직경을 포함하고, 상기 노즐부의 최소 직경은, 상기 제2 직경보다 작을 수 있다.

예를 들어, 상기 노즐부는 원추 형상일 수 있다.

예를 들어, 상기 노즐부의 제 1 방향 길이는, 상기 제 2 유로부의 제 1 방향 길이의 40~60% 이내일 수 있다.

예를 들어, 상기 제2 방향은 상기 광축과 60도 이하의 예각을 가지고, 상기 제1 만곡부 및 제2 만곡부는 각각 곡률에 대한 제1 반경각도 및 제2 반경각도를 가지고, 상기 제1 반경각도 및 제2 반경각도의 합은 60도 내지 180도일 수 있다.

예를 들어, 상기 제2 직경은, 상기 제1 직경보다 클 수 있다.

예를 들어, 입자 센싱 장치는 제3 직경을 가지고, 상기 제 1유로부와 연통되어 상기 공기를 유출하는 제3 유로부를 더 포함할 수 있다.

예를 들어, 입자 센싱 장치는 상기 제 3유로부와 상기 제 1유로부 사이에서 각각을 연통하는 제1 유출 연장부를 더 포함하고, 상기 제1 유출 연장부의 상기 광축 방향으로의 길이는 상기 제2 직경 및 상기 제3 직경보다 작을 수 있다.

예를 들어, 입자 센싱 장치는 상기 제3 유로부와 연통하여 팬과 연결되는 제 2 유출 연장부를 더 포함하고, 상기 제 2 유출 연장부의 광축방향 직경은, 상기 팬과 가까워질수록 증가할 수 있다.

예를 들어, 입자 센싱 장치는 상기 제3 유로부와 연통하여, 외부로 공기를 유출시키는 출측 유로부를 더 포함하고, 상기 출측 유로부는, 제 2 방향으로 연장하는 제1 출측 연장부; 상기 제1 출측 유로부와 연통하고, 곡률을 가지고 제 1 방향으로 연장하는 출측 만곡부; 및 상기 출측 만곡부와 연통하고, 상기 제 2 방향으로 연장하는 제2 출측 연장부를 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 제1 만곡부 및 상기 제2 만곡부는, 외부 곡률반경과 내부 곡률반경의 차이 값이 상기 제 1 직경과 상응할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 입자 센싱 장치는, 광을 방출하는 발광부; 상기 발광부 아래에서 상기 발광부의 광축과 교차하게 배치되며, 입자를 포함하는 공기가 유동하는 제1 유로부; 상기 제1 유로부와 연통하고, 외부로부터 유입된 공기를 상기 제1 유로부로 유출하는 제2 유로부; 상기 제1 유로부 아래에서 상기 광축에 배치되며, 상기 제1 유로부를 통과한 광이 입사되는 수광부; 및 상기 수광부 아래에서 상기 광축에 배치되며, 상기 수광부를 통과한 광을 흡수하는 광흡수부;를 포함하고, 상기 제 2 유로부는 상기 공기를 유입하는 유입구; 상기 유입된 공기를 유출하는 유출구; 상기 유입구 및 유출구와 연통하고, 곡률을 가지고 휘어지는 제 1 만곡부; 상기 제 1 만곡부와 연통하여 연장하는 제 1 연장부; 상기 제 1 연장부와 연통하고, 곡률을 가지고 휘어지는 제 2 만곡부; 상기 제 2 만곡부와 연통하여 연장하는 제 2 연장부; 상기 제 2 연장부와 연통하고, 곡률을 가지고 휘어지는 제 3 만곡부; 및 상기 제3 만곡부와 연통하는 노즐부;를 포함할 수 있다.

예를 들어, 입자 센싱 장치는 상기 노즐부와 연통하고, 곡률을 가지고 휘어지는 제4 만곡부; 및 상기 제3 만곡부 및 상기 제1 유로부와 연통하여 연장하는 제3 연장부를 더 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 제1 연장부, 상기 제2 연장부 및 상기 노즐부는 제1 평면 상에 배치되고, 상기 노즐부 및 상기 제3 연장부는 상기 제1 평면과 교차하는 제2 평면 상에 배치될 수 있다.

예를 들어, 상기 발광부, 상기 제1 유로부, 상기 수광부 및 상기 광흡수부를 수용하며, 적어도 상기 제1 평면을 포함하는 하우징을 더 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 제1 평면의 세로축은 상기 광축과 평행하고, 상기 제1 평면의 가로축은 상기 세로축 및 상기 광축과 교차할 수 있다.

예를 들어, 상기 제3 연장부는 상기 제2 평면 상에서 상기 공기의 유동 방향을 제1 방향으로부터 상기 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향으로 변경시키는 경로를 형성할 수 있다.

예를 들어, 상기 제1 만곡부, 상기 제2 만곡부, 상기 제3 만곡부 및 상기 제4 만곡부 각각에서, 중심 곡률반경은 각각의 직경의 3/8 내지 1에 해당할 수 있다.

실시 예에 따른 입자 센싱 장치는 센싱되는 산란 광의 강도가 증가하여 개선된 입자의 센싱 능력을 갖고, 1 ㎛ 이하, 예를 들어 0.1 ㎛ 내지 0.8 ㎛ 바람직하게는 0.3 ㎛ 내지 0.5 ㎛로 매우 작은 크기의 입자도 센싱할 수 있고, 입자의 형상을 예측할 수도 있고, 광 흡수부의 설계를 용이하게 하며, 메인 빔으로 인한 산란광 검출 저하의 문제를 개선할 수 있고, 입자의 개수를 카운팅할 수 있고, 산란광의 세기를 높이기 위해 소모 전력이 많이 필요하지 않고, 전체 사이즈가 컴팩트하게 줄어들기 때문에 소형 입자 센싱 장치를 요구하는 분야 예를 들어 차량용으로 적합하게 이용될 수 있다.

또한, 유로 설계의 최적화를 통하여 유입구 및 유출구를 통해 외부로부터 빛의 유입을 방지하고, 외부의 풍속 변화가 입자 센싱의 결과에 미치는 영향을 최소화할 수 있다.

도 1은 실시 예에 의한 입자 센싱 장치의 개념을 설명하기 위한 개략적인 블럭도이다.
도 2는 입자에 의해 산란된 산란광의 예시적인 프로파일을 나타낸다.
도 3은 도 1에 도시된 입자 센싱 장치의 일 실시 예의 단면도를 나타낸다.
도 4는 도 3에 도시된 제1 유로부를 설명하기 위해, 'A1' 부분을 확대 도시한 단면도이다.
도 5a는 도 1에 도시된 입자 센싱 장치의 다른 실시 예에 따른 단면도를 나타낸다.
도 5b는 도 5a에 도시된 제1 유로부를 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유로부 구성의 일례를 설명하기 위한 개념도이다.
도 7a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 유로 구조의 일례를 나타낸다.
도 7b는 도 7a에 도시된 유로 구조 내부의 유속 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 8a는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 유로 구조의 일례를 나타낸다.
도 8b는 도 8a에 도시된 유로 구조 내부의 유속 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 9a는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 유로 구조의 일례를 나타낸다.
도 9b는 도 9a에 도시된 유로 구조 내부의 유속 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 10a는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 유로 구조의 일례를 나타낸다.
도 10b는 도 10a에 도시된 유로 구조 내부의 유속 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 11a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제2 유로부에서 공기의 흐름 방향이 2회 이상 변경되는 유로 구조의 일례를 나타낸다.
도 11b는 도 11a에 도시된 제2 유로부의 구조를 나타낸다.
도 11c는 도 11a에 도시된 유로 구조 내부의 유속 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 12a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제2 유로부에서 공기의 흐름 방향이 2회 이상 변경되는 유로 구조의 다른 일례를 나타낸다.
도 12b는 도 12a에 도시된 제2 유로부의 구조를 나타낸다.
도 12c는 도 12a에 도시된 유로 구조 내부의 유속 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 13a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제2 유로부에서 공기의 흐름 방향이 2회 이상 변경되는 유로 구조의 또 다른 일례를 나타낸다.
도 13b는 도 13a에 도시된 제2 유로부의 구조를 나타낸다.
도 13c는 도 13a에 도시된 유로 구조 내부의 유속 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 14a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제2 유로부에서 공기의 흐름 방향이 2회 이상 변경되는 유로 구조의 또 다른 일례를 나타낸다.
도 14b는 도 14a에 도시된 제2 유로부의 구조를 나타낸다.
도 14c는 도 14a에 도시된 유로 구조 내부의 유속 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 15a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 서로 교차하는 두 개의 면을 따라 배치되는 제2 유로부를 포함하는 유로 구조의 일례를 나타낸다.
도 15b는 도 15a에 도시된 유로 구조 내부의 유속 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 16a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 서로 교차하는 두 개의 면을 따라 배치되는 제2 유로부를 포함하는 유로 구조의 다른 일례를 나타낸다.
도 16b는 도 16a에 도시된 유로 구조 내부의 유속 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 17a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 서로 교차하는 두 개의 면을 따라 배치되는 제2 유로부를 포함하는 유로 구조의 또 다른 일례를 나타낸다.
도 17b는 도 17a에 도시된 유로 구조 내부의 유속 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 18a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 서로 교차하는 두 개의 면을 따라 배치되는 제2 유로부를 포함하는 유로 구조의 또 다른 일례를 나타낸다.
도 18b는 도 18a에 도시된 유로 구조 내부의 유속 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 19는 일 실시 예에 따른 만곡부의 곡률을 설명하기 위한 도면이고, 도 20은 곡률별 공기 흐름의 변화를 나타내는 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 21은 도 1에 도시된 입자 센싱 장치의 다른 실시 예의 단면도를 나타낸다.
도 22는 도 21에 도시된 제1 유로부를 설명하기 위해 'A2' 부분을 확대 도시한 단면도이다.
도 23은 도 1에 도시된 입자 센싱 장치의 또 다른 실시 예의 단면도를 나타낸다.
도 24는 도 23에 도시된 제1 유로부를 설명하기 위해 'A3' 부분을 확대 도시한 단면도이다.
도 25는 도 3에 도시된 'B' 부분을 확대 도시한 단면도이다.
도 26은 도 25에 도시된 광 감지부의 일 실시 예의 평면 형상을 나타낸다.
도 27은 도 25에 도시된 광 감지부의 또 다른 실시 예의 평면 형상을 나타낸다.
도 28a 및 도 28b는 복수의 감지 세그먼트를 이용하여 입자의 형상을 예측함을 설명하기 위한 도면이다.
도 29는 도 1에 도시된 입자 센싱 장치의 또 다른 실시 예에 의한 단면도를 나타낸다.
도 30은 도 29에 도시된 입자 센싱 장치의 측면도를 나타낸다.
도 31은 도 29에 도시된 입자 센싱 장치의 상측 사시도를 나타낸다.
도 32는 도 29에 도시된 'C' 부분을 확대 도시한 단면도이다.
도 33은 도 29에 도시된 'D' 부분을 확대 도시한 단면도이다.
도 34a는 또 다른 실시 예에 따른 유로부 구조의 일례를 나타낸 측면도이고, 도 34b는 도 34a에 도시된 유로부 구조를 포함하는 입자 센싱 장치 구조의 일례를 나타내는 측면이도며, 도 34c 및 도 34d는 도 34a에 도시된 노즐부를 구비하는 유로부 구조의 효과를 설명하기 위한 시뮬레이션 결과를 각각 나타낸다.
도 35a는 실시 예에 따른 이중 유로 구조를 갖는 유로부 구성의 일례를 나타내는 단면도이고, 도 35b는 도 35a의 ‘G’ 부분을 확대한 도면이며, 도 35c는 도 35a에 도시된 유로부 구조를 나타내는 사시도이고, 도 35d는 이중 유로 구조의 효과를 나타내는 산란부 주변의 공기 흐름 시뮬레이션 결과를 각각 나타낸다.
도 36은 도 34a에 도시된 제1 유로부 구조에서 발생할 수 있는 현상 및 대응책으로의 격벽 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 37은 실시 예에 따른 다양한 격벽 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 38a 및 도 38b는 실시 예에 따른 팬 및 출측 유로부 구조의 일례를 나타낸다.
도 39는 도 1에 도시된 정보 분석부의 일 실시 예의 블럭도이다.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시 예를 들어 설명하고, 발명에 대한 이해를 돕기 위해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 실시 예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

본 실시 예의 설명에 있어서, 각 구성요소(element)의 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 구성요소(element)가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 구성요소(element)가 상기 두 구성요소(element) 사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.

또한 "상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)"로 표현되는 경우 하나의 구성요소(element)를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.

또한, 이하에서 이용되는 "제1" 및 "제2," "상/상부/위" 및 "하/하부/아래" 등과 같은 관계적 용어들은, 그런 실체 또는 요소들 간의 어떠한 물리적 또는 논리적 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 내포하지는 않으면서, 어느 한 실체 또는 요소를 다른 실체 또는 요소와 구별하기 위해서 이용될 수도 있다.

이하, 실시 예에 의한 입자 센싱 장치(100: 100A 내지 100D)를 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다. 설명의 편의상, 데카르트 좌표계(x축, y축, z축)를 이용하여 입자 센싱 장치(100: 100A 내지 100D)를 설명하지만, 다른 좌표계에 의해서도 이를 설명할 수 있음은 물론이다.

도 1은 실시 예에 의한 입자 센싱 장치(100)의 개념을 설명하기 위한 개략적인 블럭도로서, 발광부(110), 제1 유로부(120), 수광부(130), 광 흡수(dumping)부(140), 신호 변환부(150), 정보 분석부(160), 하우징(170) 및 팬(fan)(180)을 포함할 수 있다.

도 1을 참조하면, 발광부(110)는 광을 방출하는 역할을 하며, 광원부(112), 렌즈부(114) 및 발광 케이스(116)를 포함할 수 있다.

광원부(112)는 제1 광(L1)을 방출하는 역할을 하며 적어도 하나의 광원을 포함할 수 있다. 광원부(112)에 포함되는 광원은 발광 다이오드(LED:Light Emitting Diode) 또는 레이져 다이오드(LD:Laser Diode) 중 적어도 하나일 수 있으며, 실시 예는 광원부(112)를 구현하는 광원의 특정한 형태나 광원의 개수에 국한되지 않는다. 예를 들어, 광원부(112)를 구현하는 광원으로서, 직진성을 갖는 블루 LED, 고휘도 LED, 칩 LED, 하이프럭스 LED 또는 파워 LED 일 수 있으나, 실시 예에 의한 광원은 특정한 LED의 형태에 국한되지 않는다.

만일, 광원부(112)가 LED로 구현될 경우, 가시광선 파장 대역(예를 들어, 405 ㎚ 내지 660 ㎚) 또는 적외선(IR:Infrared) 파장 대역(예를 들어, 850 ㎚ 내지 940 ㎚)의 광을 방출할 수 있다. 또한, 광원부(112)가 LD로 구현될 경우 레드(red)/블루)(blue) 파장 대역(예를 들어, 450 ㎚ 내지 660 ㎚)의 광을 방출할 수 있다. 그러나, 실시 예는 광원부(112)에서 방출되는 제1 광(L1)의 특정한 파장 대역에 국한되지 않는다.

또한, 발광부(110)에서 방출되는 제3 광(L3)의 세기는 3000 mcd 이상일 수 있으나, 실시 예는 방출되는 제3 광(L3)의 특정한 세기에 국한되지 않는다.

전술한 발광부(110)의 광원의 패키징 형태는 SMD(Surface Mount Device) 타입이나 리드 타입(lead type)으로 구현될 수 있다. 여기서, SMD 타입이란, 후술되는 도 3에 도시된 바와 같이 발광부(112A)의 광원이 인쇄 회로 기판(PCB)에 솔더링을 통해 실장되는 패키징 형태를 의미한다. 또한, 리드 타입이란, 광원에서 PCB 전극에 연결할 수 있는 다리(lead)가 돌출된 패키징 형태를 의미한다. 그러나, 실시 예는 광원의 특정한 패키징 형태에 국한되지 않는다.

또한, 발광부(110)가 LD로 구현될 경우, LD는 금속으로 패키징된 TO Can type일 수 있으며, 5 ㎽ 이상의 전력을 소모할 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.

렌즈부(114)는 광원부(112)와 제1 개구부(OP1) 사이에서 광축(LX)에 배치될 수 있다. 즉, 렌즈부(114)는 광원부(112)로부터 제1 개구부(OP1)를 향해 제1 광(L1)이 지나가는 경로 상에 배치될 수 있다. 렌즈부(114)는 광원부(112)에서 방출된 제1 광(L1)을 제1 개구부(OP1)로 집광(L2)시키는 역할을 한다. 또한, 렌즈부(114)는 광원부(112)로부터 방출된 제1 광(L1)을 평행광(L2)으로 변환시키는 역할을 수행할 수도 있다. 이를 위해, 렌즈부(114)는 하나의 렌즈만을 포함할 수도 있고, 광축(LX)에 배열된 복수의 렌즈를 포함할 수도 있다. 렌즈부(114)의 재료는 일반 카메라 모듈이나 LED 모듈에 적용되는 렌즈와 동일할 수 있다.

발광 케이스(116)는 광원부(112) 및 렌즈부(114)를 수용하며, 제1 개구부(OP1)를 형성하는 역할을 한다. 도 1의 경우, 발광 케이스(116)는 하우징(170)의 탑부(172)와 별개인 것으로 예시되어 있지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 즉, 후술되는 도 19, 도 20, 도 21 또는 도 22에 예시된 바와 같이 발광 케이스(116)는 하우징(170)의 탑부(172)와 일체로 형성될 수도 있다. 이 경우, 발광 케이스(116)는 생략될 수 있다.

또한, 발광 케이스(116)는 제1 개구부(OP1)를 포함할 수 있다. 제1 개구부(OP1)는 광원부(112)로부터 방출되어 렌즈부(114)를 통과한 제2 광(L2)이 제1 유로부(120)의 산란부(또는, 산란 공간)(SS)로 제3 광(L3)으로서 출사되는 부분이며, 발광부(110)의 광축(LX)에 배치될 수 있다. 산란부(SS)에 대해서는 제1 유로부(120)를 설명할 때 상세히 후술된다.

또한, 제1 개구부(OP1)는 광원부(112)로부터 방출되는 제1 광(L1)의 발광 각도(view angle)에 대응하는 면적을 가질 수 있다. 일반적으로 광원부(112)가 될 수 있는 LED의 발광 각도는 광의 세기(luminous intensity)가 50%로 떨어질 때 약 15°이다. 이와 같이, LED는 빔의 파워가 중심에서 크기 때문에 제1 개구부(OP1)의 면적이 크지 않아도 원하는 세기의 광이 제1 개구부(OP1)를 통해 방출될 수 있다.그러나, 발광 각도가 큰 경우, 원하는 세기를 갖는 제3 광(L3)이 발광부(110)에서 방출되도록 제1 개구부(OP1)의 면적을 결정한다면 광 손실이 발생하여 빛의 세기가 약해질 수 있다. 따라서, 발광 각도는 이를 고려하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 제1 개구부(OP1)가 원형 평면 형상을 가질 경우, 제1 개구부(OP1)의 직경이 10 ㎜보다 커지면 입자 센싱 장치(100)의 크기도 커지고 광 노이즈(noise)가 야기될 수 있다. 따라서, 제1 개구부(OP1)의 직경의 최대값은 10 ㎜일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.

제1 유로부(120)는 발광부(110) 아래에서 발광부(110)의 광축(LX)과 수직하게 배치될 수 있으며, 입자를 포함하는 공기가 유동하는 경로를 제공한다. 입자를 포함하는 공기는 제1 유로부(120)의 유입구(IH)를 향해 IN1 방향으로 유입되어 제1 유로부(120)의 유출구(OH)를 통해 OUT1 방향으로 배출될 수 있다. 예를 들어, 입자란, 공기 중에 부유하는 파티클로서, 먼지일 수도 있고 연기일 수도 있으며 실시 예는 입자의 특정한 형태에 국한되지 않는다.

제1 유로부(120)의 유입구(IH)를 통해 IN1 방향으로 유입된 공기에 포함된 입자는 발광부(110)로부터 방출되는 제3 광(L3)에 의해 제1 유로부(120)의 산란부(SS)에서 산란되며, 산란된 제4 광(L4)(이하, '산란광'이라 한다)이 수광부(130)로 제공될 수 있다.

도 1의 경우 제1 유로부(120)는 발광부(110) 및 수광부(130)와 각각 이격된 것으로 예시되어 있지만, 이는 실시 예에 의한 입자 센싱 장치(100)의 개념을 설명하기 위함이다. 즉, 제1 유로부(120)가 구현되는 방식에 따라 후술되는 입자 센싱 장치(100A 내지 100D)에서와 같이 제1 유로부(120)는 발광부(110) 및 수광부(130)와 각각 접하여 배치될 수도 있다.

팬(180)은 제1 유로부(120) 내에서 공기의 유동을 유도하는 역할을 한다. 즉, 팬(180)은 제1 유로부(120) 내에서 공기의 유속을 일정하게 유지하는 역할을 한다. 이를 위해, 팬(180)은 공기가 유동하는 방향(예를 들어, y축 방향)으로 제1 유로부(120)에 인접하여 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 팬(180)은 제1 유로부(120)의 유출구(OH) 측에 배치될 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 즉, 제1 유로부(120) 내에서 공기의 유동을 유도할 수만 있다면, 실시 예는 팬(180)의 특정한 배치 위치에 국한되지 않는다.

예를 들어, 제1 유로부(120) 내에서 입자를 포함하는 공기가 5 ㎖/sec의 유속을 유지하도록 제1 유로부(120)를 구현하거나 팬(180)의 회전 속도를 결정할 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.

한편, 수광부(130)는 제1 유로부(120)를 통과한 제4 광(L4)을 입사하는 역할을 하며, 이를 위해 제1 유로부(120) 아래에서 광축(LX)에 배치될 수 있다. 여기서, 제1 유로부(120)를 통과한 제4 광(L4)은 산란광 또는 비산란광 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

도 2는 입자(P)에 의해 산란된 산란광의 예시적인 프로파일을 나타낸다.

도 2를 참조하면, 산란광이란 발광부(110)에서 방출된 제3 광(L3)이 제1 유로부(120)를 통과하는 공기에 포함된 입자(P)에 의해서 산란된 광을 의미할 수 있다. 비산란광이란, 발광부(110)에서 방출된 제3 광(L3)이 제1 유로부(120)를 통과하는 입자(P)에 의해 산란되지 않고 수광부(130)로 진행하는 광을 의미할 수 있다.

수광부(130)는 산란광을 수광하고, 수광된 광의 전기적 신호를 신호 변환부(150)로 제공할 수 있다.

광 흡수부(140)는 수광부(130)를 통과한 제5 광(L5)을 흡수하는 역할을 하며, 이를 위해, 수광부(130) 아래에서 광축(LX)에 배치될 수 있다. 광 흡수부(140)는 수광부(130)에서 수광되지 않고 직진하는 불필요한 광(이하, '메인 광')을 흡수하여 가두는 일종의 암실에 해당할 수 있다.

하우징(170)은 발광부(110), 제1 유로부(120), 수광부(130) 및 광 흡수부(140)를 수용하는 역할을 한다. 예를 들어, 하우징(170)은 탑부(172), 중간부(174) 및 버텀부(176)를 포함할 수 있다. 탑부(172)는 발광부(110)를 수용 가능한 부분이고, 중간부(174)는 제1 유로부(120)와 팬(180)을 수용 가능한 부분이고, 버텀부(176)는 수광부(130)와 광 흡수부(140)를 수용 가능한 부분이다.

도 1의 경우, 하우징(170)의 중간부(174)와 제1 유로부(120)가 별개인 것으로 예시되어 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 다른 실시 예에 의하면, 후술되는 입자 센싱 장치(100A 내지 100D)에서와 같이 하우징(170)의 중간부(174)에 의해 제1 유로부(120A, 120B, 120C)가 형성될 수 있다.

신호 변환부(150)는 수광부(130)에서 입사된 전류 형태의 신호를 전압 형태의 신호로 변환하고, 변환된 결과를 전기적 신호로서 정보 분석부(160)로 출력할 수 있다. 경우에 따라, 신호 변환부(150)는 생략될 수 있으며, 수광부(130)가 신호 변환부(150)의 역할을 수행할 수도 있다. 이때, 수광부(130)로부터 출력되는 전기적 신호는 정보 분석부(160)로 제공될 수 있다.

정보 분석부(160)는 신호 변환부(150)(또는, 신호 변환부(150)가 생략될 경우 수광부(130))로부터 제공된 전기적 신호를 이용하여 입자(P)의 개수, 농도, 크기 또는 형상 중 적어도 하나를 분석할 수 있다.

이하, 도 1에 도시된 입자 센싱 장치(100)의 실시 예(100A 내지 100D)에 대해 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다.

도 3은 도 1에 도시된 입자 센싱 장치(100)의 일 실시 예(100A)의 단면도를 나타낸다. 이해를 돕기 위해, 도 3에서 광이 진행하는 모습은 음영(L)으로 표기하였다.

도 3에 도시된 입자 센싱 장치(100A)는 발광부(110A), 제1 유로부(120A), 수광부(130A), 광 흡수부(140), 하우징(172, 176) 및 팬(180)을 포함하며, 도 1에 도시된 신호 변환부(150) 및 정보 분석부(160)는 생략되었다.

도 3에 도시된 발광부(110A), 제1 유로부(120A), 수광부(130A), 광 흡수부(140), 하우징(172, 176) 및 팬(180)은 도 1에 도시된 발광부(110), 제1 유로부(120), 수광부(130), 광 흡수부(140), 하우징(172, 176) 및 팬(180)과 각각 동일한 기능을 수행하므로, 중복되는 부분에 대한 설명을 생략한다.

도 3을 참조하면, 광원부(112A)는 하나의 광원만을 포함한다. 렌즈부(114A)는 하나의 렌즈만을 포함한다. 렌즈(114A)는 광원(112A)과 제1 개구부(OP1) 사이에서 광축(LX)에 배치되며, 광원(112A)에서 방출된 광을 제1 개구부(OP1)로 집광시키는 역할을 한다.

도 4는 도 3에 도시된 제1 유로부(120A)를 설명하기 위해, 'A1' 부분을 확대 도시한 단면도로서, 설명의 편의상 도 3에 도시된 팬(180)의 도시는 도 4에서 생략되었다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 제1 유로부(120A)는 유로 입구부(FI), 제1 유로 중간부(FII1), 산란부(SS), 제2 유로 중간부(FII2) 및 유로 출구부(FO)를 포함할 수 있다.

유로 입구부(FI)는 입자(P)를 포함할 수 있는 공기가 유입되는 부분으로서, 유입구(IH) 및 제1 경로를 포함할 수 있다. 여기서, 유입구(IH)는 외부로부터 IN1 방향으로 공기가 유입되는 제1 유로부(120)의 입구에 해당하고, 제1 경로란, 유입구(IH)로부터 제1 유로 중간부(FII1) 사이에 형성된 경로에 해당한다.

유로 출구부(FO)는 입자(P)를 포함할 수 있는 공기가 유출되는 부분으로서, 유출구(OH) 및 제2 경로를 포함할 수 있다. 여기서, 유출구(OH)는 공기가 OUT1 방향으로 외부로 유출되는 제1 유로부(120)의 출구에 해당하고, 제2 경로란, 제2 유로 중간부(FII2)로부터 유출구(OH) 사이에 형성된 경로에 해당한다.

산란부(SS)는 발광부(110A)와 수광부(130A) 사이 및 유로 입구부(FI)와 유로 출구부(FO) 사이에서 광축(LX)에 위치한다. 산란부(SS)는 발광부(110A)에서 방출된 광이 입자(P)에 의해 산란되는 공간을 제공한다. 이를 위해, 산란부(SS)란, 발광부(110A)와 수광부(130A)가 서로 대향하는 방향(예를 들어, z축 방향)으로 제1 유로부(120, 120A)에서 제1 개구부(OP1)와 중첩되는 영역으로서 정의될 수 있다.

제1 유로 중간부(FII1)는 유로 입구부(FI)와 산란부(SS) 사이에 위치하고, 제2 유로 중간부(FII2)는 산란부(SS)와 유로 출구부(FO) 사이에 위치할 수 있다.

입자(P)를 포함하는 공기가 유로 입구부(FI)를 통해 유입된 후, 제1 유로 중간부(FII1)를 통해 산란부(SS)로 진행한 후, 제2 유로 중간부(FII2)를 거쳐서 유로 출구부(FO)를 통해 배출된다. 이와 같이 입자(P)를 포함하는 공기가 제1 유로부(120A)로 원할히 진행하는 것을 돕기 위해 팬(180)이 배치될 수 있음은 전술한 바와 같다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이 팬(180)은 유로 출구부(FO) 내에 배치될 수도 있고, 도시된 바와 달리 유로 출구부(FO)의 유출구(OH)에 인접하여 배치될 수도 있다. 또는 다른 실시 예에 의하면, 팬(180)은 유로 입구부(FI) 내에 배치되거나 유입구(IH)에 인접하여 배치될 수도 있다.

입자(P)를 포함하는 공기가 제1 유로부(120A)를 지나가는 동안 제1 개구부(OP)로부터 방출된 제3 광(L3)이 산란부(SS)에서 입자(P)와 부딪혀 도 2에 도시된 바와 같은 형태로 산란하게 된다. 이때, 산란부(SS)를 지나가는 모든 입자(P)가 발광부(110A)로부터 방출되는 제3 광(L3)에 의해 부딪히도록 하기 위해, 제1 개구부(OP1)로부터 출사된 제 3광(L3)이 공기가 유동하는 방향(예를 들어, y축 방향)과 수직한 방향(예를 들어, x축과 z축)으로 산란부(SS)에서 광 커튼을 형성하기에 적합한 면적을 제1 개구부(OP1)가 가질 수 있다.

또한, 제1 유로부(120A)의 단면적(예를 들어, x축과 z축 방향의 면적)은 제1 개구부(OP1)의 면적(예를 들어, x축과 y축 방향의 면적)보다 작을 수 있다. 예를 들어, 도 4를 참조하면, 제1 개구부(OP1)의 x축 방향의 길이와 제1 유로부(120A)의 x축 방향의 길이가 동일하다고 할 때, 제1 개구부(OP1)의 폭(D1)은 제1 유로부(120A)의 높이(D2)보다 더 클 수 있다. 또는, 도 4를 참조하면, 제1 개구부(OP1)가 원형 평면형상을 갖고, 제1 유로부(120A)가 원형 측단면 형상을 가질 경우, 제1 개구부(OP1)의 직경(D1)은 제1 유로부(120A)의 직경(D2)보다 더 클 수 있다.

이와 같이, 제1 유로부(120A)의 단면적이 제1 개구부(OP1)의 면적보다 작을 때, 제1 유로부(120A)를 통과하는 입자(P)를 포함하는 공기의 량이 증가하여 즉, 제1 유로부(120A)를 통과하는 입자가 많아지게 되어, 더욱 많은 량의 입자가 센싱될 수 있다.

또한, 제1 유로부(120A)의 단면적은 제1 개구부(OP1)로부터 출사되는 광의 빔 사이즈보다 작을 수 있다. 이로 인해, 제1 유로부(120A)를 통과하는 입자(P)를 포함하는 공기의 량이 증가하여 즉, 제1 유로부(120A)를 통과하는 입자의 량이 많아지게 되어, 더욱 많은 량의 입자(P)가 센싱될 수 있다.

전술한 바와 같이, 제1 유로부(120A)를 통과하는 입자(P)의 량이 많아질수록 입자(P)에 대한 정보를 보다 많이 확보할 수 있기 때문에, 입자(P)에 대한 정보를 보다 정확하게 분석할 수 있다.

많은 입자(P)가 통과할 수 있도록, 도 1에 도시된 제1 유로부(120)는 도 3 및 도 4에 도시된 구성 이외에 다양한 구성을 가질 수 있다.

도 5a는 도 1에 도시된 입자 센싱 장치(100)의 다른 실시 예의 단면도를 나타낸다.

도 5a에서는 도 3과 달리, 팬(180)이 하우징(170)의 외부 일 측면에 돌출되어 배치되며, 렌즈부(114)가 도 3의 경우보다 제1 유로부(120)에 가깝게 배치된다.

이러한 유로부의 형태는 도5b에서 더욱 명확히 드러난다.

도 5b는 도 5a에 도시된 제1 유로부를 나타낸 단면도이다.

도 5b를 참조하면, 제1 유로부(120)는 광축 방향으로 연장되는 산란부(SS)에 해당하는 부분과, 광축과 직교하여 입자를 포함하는 공기가 Y축 방향으로 흐르는 경로를 제공하는 부분이 모두 원형 단면을 갖는 직선형 관의 형태를 갖되, 각각 원형 단면의 직경(D1 및 D2)을 유지하면서 교차한다. 따라서, 제1 유로부(120)는 전체적으로 하나의 십자형 배관을 형태를 갖는다. 이하의 실시예들에서는 별다른 언급이 없는 한, D1과 D2는 동일한 크기를 갖는 것으로 가정한다.

한편, 수광부(130)에서 입자 농도가 정확하게 측정되기 위해서는 제1 유로부(120), 특히 산란 공간(SS)에서의 환경이 대단히 중요하다. 구체적으로, 산란 공간(SS)에서 공기의 흐름이 속도와 방향 면에서 일정해야 하며, 산란 공간(SS) 내에서 공기의 흐름에 따라 유동하지 않고 쌓이는 입자가 적어야 하며, 외부로부터 유입되는 광이 없어야 한다.

먼저, 유속의 관점에서 산란부(SS)를 지나가는 공기의 유속은 일정한 것이 바람직하다. 이는 입자 센싱 장치(100)가 공기 중의 입자의 단위 시간 당 감지 개수를 카운팅하여 입자 농도를 산출하기 때문이다. 다시 말하면, 공기에 분산된 입자의 농도가 동일한 경우라도, 산란부(SS)를 지나는 공기의 유속이 빠르면 단위 시간당 검출되는 입자의 개수가 많아지며, 유속이 느리면 단위 시간당 검출되는 입자의 개수가 적어지기 때문에, 유속이 일정하기 않은 경우 산출되는 입자 농도의 정확성이 떨어질 수 있다.

또한, 유속이 일정하다고 하더라도 산란 공간(SS) 내에서 공기에 와류가 발생하거나, 도 5a와 같은 입자 센싱 장치 구조에서 Y축 방향으로 공기가 직진하는 것이 아닌 자유 이동을 할 경우 측정 정확도가 크게 낮아질 수 있다.

일반적인 입자 센싱 장치에서 유속 변화에 가장 큰 영향을 주는 인자는 입자 센싱 장치 외부의 유속 변화라 볼 수 있다. 이러한 외부 유속 변화에 의한 제1 유로부(120) 내의 유속 변화를 최소화하고, 외부로부터 광의 유입을 방지하기 위하여 제1 유로부(120) 외에 추가적인 유로부 구성이 고려될 수 있다. 이러한 유로부 구성의 일례가 도 6에 간략히 도시된다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유로부 구성의 일례를 설명하기 위한 개념도이다.

도 6을 참조하면, 일 실시 예에 따른 입자 센싱 장치는 제1 유로부(120) 외에, 제2 유로부(200) 및 제4 유로부(300)를 더 포함할 수 있다.

제1 유로부(120), 제2 유로부(200) 및 제4 유로부(300)는 서로 연통할 수 있다. 제1 유로부(120)의 구조는 전술된 바와 같으므로 중복되는 기재를 생략하기로 하며, 이하 제2 유로부(200) 및 제4 유로부(300)의 구조를 설명한다.

제4 유로부(300)는 하나의 외기 유입구(310)와 두 개의 유출구(320, 330)를 포함할 수 있다. 외기 유입구(310)는 외부 공기가 제4 유로부(300)로 유입되는 경로를 제공하며, 제1 외기 유출구(320)는 외기 유입구(310)와 직선형 관의 서로 대향하는 방향에 배치되어 유입된 공기의 적어도 일부가 유입시 운동 방향(예컨대, Y축 방향)을 유지하면서 바로 빠져나갈 수 있도록 한다. 한편, 제2 외기 유출구(330)는 유입된 공기가 방향을 바꾸어(예컨대, Y축 방향에서 Z축 방향으로) 제2 유로부(200)로 진행할 수 있도록 외기 유입구(310)와 제1 외기 유출구(320) 사이에서 분기된 형태로 배치될 수 있다. 따라서, 제4 유로부(300)는 전체적으로 T자형 배관의 형태를 가질 수 있으나, 이는 예시적인 것으로 제4 유로부의 형태는 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

제2 유로부(200)는 제4 유로부(200)의 제2 외기 유출구(330)로부터 연장되어 제1 유로부(120)와 연통되되, 제2 외기 유출구(330)로부터 분기된 외부 공기가 흐르는 방향을 1회 이상 변경시키는 경로를 제공한다.

상술한 바와 같이 2회 이상 외부로부터 유입되는 공기가 흐르는 방향이 변경되기 때문에 외부의 유속 변화에 따른 영향이 저감되며, 외부 빛의 차단 효과를 기대할 수 있다. 예컨대, 외기 유입구(310) 방향으로 유입되는 공기의 유속이 빨라지는 경우 그만큼 더 많은 공기가 제1 외기 유출구(320)로 바로 빠져나갈 수 있기 때문에 외부 유속의 증가분에 비례하여 제2 외기 유출구(330)로 유입되는 공기가 증가되지는 않는다. 반대로, 외기 유입구(310) 방향으로 유입되는 공기의 유속이 느려지는 경우라도 팬(180)의 동작으로 안정적으로 외부 공기가 유입될 수 있다.

이하에서는 전술한 고려를 바탕으로, 최적의 효과를 갖는 제2 유로 및 제3 유로의 구조를 검토해 보기로 한다. 구체적으로, 먼저 제2 유로 및 제3 유로의 다양한 구조 및 배치 형태에 따라 외부 유속 변화에 따른 영향이 완화되는 정도를 검증하고, 그와 함께 유로의 전체 길이, 공기가 흐르는 방향이 변경되는 부분의 곡률(또는 곡률 반경), 유로의 직경 변화에 따른 영향도 살펴본다. 유로의 전체 형태에 있어서, 제4 유로부 및 제2 유로부가 하나의 평면을 따라 배치될 수도 있고, 둘 이상의 평면을 따라 배치될 수도 있다. 도 7a 내지 도 14c는 제4 유로부 및 제2 유로부가 하나의 평면을 따라 배치되는 경우를 나타내고, 도 15a 내지 도 18b는 제2 유로부가 두 개의 평면을 따라 배치되는 경우를 각각 나타낸다.

또한, 도 7a 내지 도 18b에서는 설명의 편의를 위해 제1 유로부(120)의 구조는 도 5a 및 도 5b를 참조하여 설명한 바와 같이 직경이 균일한 원형 단면 형상을 갖는 두 개의 직선형 관이 교차하는 십자형 배관 형태인 것으로 가정한다.

이 중, 도 7a 내지 도 9b를 참조하여 제2 유로부가 하나의 평면을 따라 배치되되, 제2 유로부에서 공기의 흐름 방향이 한 번 이하로 변경되는 경우를 먼저 설명한다.도 7a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 유로 구조의 일례를 나타낸다.

도 7a를 참조하면, 유로 구조가 도 6에 도시된 바와 유사하다. 구체적으로, 제4 유로부(300-1)는 T자형 배관 구조를 갖되, 외기 유입구(310-1)와 제1 외기 유출구(320-1)는 직선형 관의 서로 대향하는 방향으로 배치되며, 제2 외기 유출구(330-1)는 그 사이에서 방향을 달리하여(예컨대, Z축 방향) 분기된다.

제2 유로부(200-1)는 제2 외기 유출구(330-1)에서 연장되어 제1 유로부(120)와 연통하되, 제2 유로부(200-1) 내의 공기 흐름의 방향은 만곡부(710)에서 한 번 변경(예컨대, Z축 방향에서 Y축 방향)된다.

도 7b는 도 7a에 도시된 유로 구조 내부의 유속 시뮬레이션 결과를 나타낸다.

도 7b를 참조하면, 도 7a에 도시된 유로 구조에서 외기의 유속 변화에 따른 감지부의 유속 변화율은 18.5%로 나타났다.

도 8a는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 유로 구조의 일례를 나타낸다.

도 8a를 참조하면, 도 7a 대비 제4 유로부(300-2)가 T자형 배관에서 십자형 배관으로 변경되었다. 구체적으로, 제4 유로부(300-2)는 제2 외기 유출구(330-2)와 대향하는 방향(즉, -Z축 방향)으로 분기되어 연장된 연장부(340-2)를 더 구비하되, 그 단부는 막힌 구조이다.

도 8b는 도 8a에 도시된 유로 구조 내부의 유속 시뮬레이션 결과를 나타낸다.

도 8b를 참조하면, 도 8a에 도시된 유로 구조에서 외기의 유속 변화에 따른 감지부의 유속 변화율은 12.2%로 나타나, 여전히 변화율이 10%를 상회한다.

도 9a는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 유로 구조의 일례를 나타낸다.

도 9a를 참조하면, 유로부 구조가 도 8a와 유사하게 제4 유로부(300-3)가 십자형 배관 구조를 갖되, 제2 외기 유출구(330-3)가 외기 유입구(310-3)와 대향하는 방향에 배치되고, Y축 방향으로 연장되는 분기관의 양측단이 막혀 있다. 따라서, 실질적인 공기 흐름의 방향은 만곡부(710)에서 1회 변경된다.

도 9b는 도 9a에 도시된 유로 구조 내부의 유속 시뮬레이션 결과를 나타낸다.

도 9b를 참조하면, 도 9a에 도시된 유로 구조에서 외기의 유속 변화에 따른 감지부의 유속 변화율은 6.6%로 나타난다.

도 10a는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 유로 구조의 일례를 나타낸다.

도 10a를 참조하면, 제4 유로부(300-1)의 구조는 도 7a와 동일하되, 외기 유입구(310-1)가 ?Z축 방향을 향하며 제2 외기 유출구(330-1)에서 제2 유로부(200-2)가 직선으로 연장되어 바로 제1 유로부(120)와 연통한다. 따라서, 실질적인 공기 흐름의 방향은 제4 유로부(300-1)에서 1회 변경된다.

도 10b는 도 10a에 도시된 유로 구조 내부의 유속 시뮬레이션 결과를 나타낸다.

도 10b를 참조하면, 도 10a에 도시된 유로 구조에서 외기의 유속 변화에 따른 감지부의 유속 변화율은 21.2%로 나타난다.

도 7a 내지 도 10b를 참조하여 상술한 4개의 서로 다른 유로부 구조의 시뮬레이션 결과를 비교하면, 만곡부(710)의 중심 곡률 반경이 유로부 단면적 방향 직경의 1/4에 해당하는 비교적 적은 곡률 반경을 가짐에 따라 만곡부(710)를 통과한 직후 와류(720)가 발생한다. 그로 인해 입자를 포함하는 공기의 흐름이 일측으로 치우쳐 산란부 내에서 공기가 균등하게 흐르지 못하는 경향을 보였으며, 이는 외부 유속 변화를 충분히 완충하지 못하는 결과를 초래한다. 예컨대, 공기의 흐름 방향이 제4 유로부(300-2)에서 변경된 후 바로 만곡부(710)에서 한 번 더 바뀌는 도 7a나 도 8a의 경우보다, 만곡부(710) 전에 충분한 직선 경로를 갖는 도 9a의 경우가 더 우수함을 알 수 있었다. 아울러, 도 9a와 도 10a의 경우를 비교하면, 공기의 흐름 방향 변경은 공통적으로 1회이나, 절대적 경로 길이가 짧은 도 10a의 경우 완충 효과가 급격히 떨어짐을 알 수 있다.

위의 결과를 종합하면, 충분하지 못한 만곡부의 곡률 반경과 충분하지 못한 전체 유로 길이가 외부 유속 변화 완충에 악영향을 끼침을 알 수 있다.

다음으로, 도 11a 내지 도 14c를 참조하여 제2 유로부가 하나의 평면을 따라 배치되되, 제2 유로부에서 공기의 흐름 방향이 2회 이상 변경되는 경우를 설명한다.

도 11a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제2 유로부에서 공기의 흐름 방향이 2회 이상 변경되는 유로 구조의 일례를 나타낸다.

도 11a를 참조하면, 제4 유로부(300-5)는 도 7a에 도시된 제4 유로부(300-1)의 구조와 유사하되, 직선형 관과 제2 외기 유출구(330-5) 사이에서 소정 곡률 반경을 갖는 분기부(350-5)를 더 포함한다. 분기부(350-5)를 더 포함함으로 인해, 외기 유입구(310-5)로부터 유입된 외부 공기가 제2 외기 유출구(330-5)로 분기될 때 도 7a의 경우보다 더 큰 곡률 반경을 갖고 흐름 방향이 변화하게 되므로 제2 외기 유출구(330-5) 주변의 와류 형성이 보다 억제될 수 있다.

제2 외기 유출구(330-5)는 제2 유로부(200-5)로 연장되며, 제2 유로부(200-5)는 다시 제1 유로부(120)와 연통한다.

제2 유로부(200-5)의 구조는 도 11b를 참조하여 보다 상세히 설명한다.

도 11b는 도 11a에 도시된 제2 유로부의 구조를 나타낸다.

도 11b를 참조하면, 제2 유로부(200-5)는 제1 만곡부(211-5), 제1 연장부(221-5), 제2 만곡부(213-5), 제2 연장부(223-5), 제3 만곡부(215-5) 및 제3 연장부(225-5)를 순차적으로 포함하여 연결된다.

이하의 기재에서 각 “만곡부”는 “절곡부”, “커브부”, “커브”, “휨부”, “변곡부” 등의 용어와 혼용될 수 있으며, 각 “연장부”는 “직선부”, “직선관부”, “일자관부” 등의 용어와 혼용될 수 있으나, 이는 예시적인 것으로 각각 공기 흐름의 방향이 변화하도록 곡률(또는 곡률 반경)을 가지고 휘어지는 유로의 구성 요소 및 공기 흐름의 방향이 유지되는 유로의 구성 요소를 나타내는 용어라면 어떠한 용어로도 지칭될 수 있음은 당업자에 자명하다.

보다 상세히, 제1 만곡부(211-5)는 공기의 흐름 방향을 Y 축 방향에서 ?Z축 방향으로 변경시키며, 제2 만곡부(213-5)는 공기의 흐름 방향을 Y 축 방향으로 진행함에 따라 ?Z축 방향에서 Z축 방향으로 변경시킬 수 있다. 또한, 제3 만곡부(215-5)는 공기의 흐름 방향을 Z축에서 Y축 방향으로 변경시킬 수 있다.

결국, 도 11a에 도시된 제2 유로부(200-5)는 공기의 흐름 방향을 총 3회 변화시키는 것으로 볼 수 있다.

도 11c는 도 11a에 도시된 유로 구조 내부의 유속 시뮬레이션 결과를 나타낸다.

도 11c를 참조하면, 도 11a에 도시된 유로 구조에서 외기의 유속 변화에 따른 감지부의 유속 변화율은 9.4%로 나타났다.

도 12a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제2 유로부에서 공기의 흐름 방향이 2회 이상 변경되는 유로 구조의 다른 일례를 나타낸다.

도 12a를 참조하면, 도 11a와 비교할 때 제1 유로부(120)를 기준으로 한 제4 유로부(300-5)의 배치 방향과 제2 유로부(200-6)의 구성이 변경되었다.

제2 유로부(200-6)의 구조는 도 12b를 참조하여 보다 상세히 설명한다.

도 12b는 도 12a에 도시된 제2 유로부의 구조를 나타낸다.

도 12b를 참조하면, 제2 유로부(200-6)는 제1 연장부(221-6), 제1 만곡부(211-6), 제2 연장부(223-6), 제2 만곡부(213-6), 제3 연장부(225-6), 제3 만곡부(215-6), 제4 연장부(227-6)를 순차적으로 포함하여 연결된다.

보다 상세히, 제1 만곡부(211-6)는 공기의 흐름 방향을 Y 축 방향으로 진행함에 따라 Z축 방향에서 ?Z축 방향으로 변경시키며, 제2 만곡부(213-6)는 공기의 흐름 방향을 Y 축 방향으로 진행함에 따라 ?Z축 방향에서 Z축 방향으로 변경시킬 수 있다. 또한, 제3 만곡부(215-6)는 공기의 흐름 방향을 Z축에서 Y축 방향으로 변경시킬 수 있다.

결국, 도 12a에 도시된 제2 유로부(200-6)는 공기의 흐름 방향을 총 3회 변화시키는 것으로 볼 수 있다.

도 12c는 도 12a에 도시된 유로 구조 내부의 유속 시뮬레이션 결과를 나타낸다.

도 12c를 참조하면, 도 12a에 도시된 유로 구조에서 외기의 유속 변화에 따른 감지부의 유속 변화율은 9.75%로 나타났다.

도 13a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제2 유로부에서 공기의 흐름 방향이 2회 이상 변경되는 유로 구조의 또 다른 일례를 나타낸다.

도 13a를 참조하면, 도 12a와 비교할 때 제2 유로부(200-7)의 구성이 변경되었다.

제2 유로부(200-7)의 구조는 도 13b를 참조하여 보다 상세히 설명한다.

도 13b는 도 13a에 도시된 제2 유로부의 구조를 나타낸다.

도 13b를 참조하면, 제2 유로부(200-7)는 제1 연장부(221-7), 제1 만곡부(211-7), 제2 연장부(223-7), 제2 만곡부(213-7) 및 제3 연장부(225-7)를 순차적으로 포함하여 연결된다.

보다 상세히, 제1 만곡부(211-7)는 공기의 흐름 방향을 Y 축 방향으로 진행함에 따라 Z축 방향에서 ?Z축 방향으로 변경시키며, 제2 만곡부(213-7)는 공기의 흐름 방향을 ?Z축 방향에서 Y축 방향으로 변경시킬 수 있다.

결국, 도 13a에 도시된 제2 유로부(200-7)는 공기의 흐름 방향을 총 2회 변화시키는 것으로 볼 수 있다.

도 13c는 도 13a에 도시된 유로 구조 내부의 유속 시뮬레이션 결과를 나타낸다.

도 13c를 참조하면, 도 13a에 도시된 유로 구조에서 외기의 유속 변화에 따른 감지부의 유속 변화율은 5%로 나타났다.

도 14a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제2 유로부에서 공기의 흐름 방향이 2회 이상 변경되는 유로 구조의 또 다른 일례를 나타낸다.

도 14a를 참조하면, 도 13a와 비교할 때 전체적으로 Z축을 기준으로 상하 반전되되, 제2 유로부(200-8)의 구성이 도 13a의 경우 대비 제2 연장부가 보다 짧게 변경되었다.

제2 유로부(200-8)의 구조는 도 14b를 참조하여 보다 상세히 설명한다.

도 14b는 도 14a에 도시된 제2 유로부의 구조를 나타낸다.

도 14b를 참조하면, 제2 유로부(200-8)는 제1 연장부(221-8), 제1 만곡부(211-8), 제2 연장부(223-8), 제2 만곡부(213-8) 및 제3 연장부(225-8)를 순차적으로 포함하여 연결된다.

보다 상세히, 제1 만곡부(211-8)는 공기의 흐름 방향을 Y 축 방향으로 진행함에 따라 -Z축 방향에서 Z축 방향으로 변경시키며, 제2 만곡부(213-8)는 공기의 흐름 방향을 Z축 방향에서 Y축 방향으로 변경시킬 수 있다.

결국, 도 14a에 도시된 제2 유로부(200-8)는 공기의 흐름 방향을 총 2회 변화시키는 것으로 볼 수 있다.

도 14c는 도 14a에 도시된 유로 구조 내부의 유속 시뮬레이션 결과를 나타낸다.

도 14c를 참조하면, 도 14a에 도시된 유로 구조에서 외기의 유속 변화에 따른 감지부의 유속 변화율은 7%로 나타났다.

도 11a 내지 도 14c를 참조하여 상술한 4개의 서로 다른 유로부 구조의 시뮬레이션 결과를 비교한 결과는 다음과 같다.

먼저, 도 13a와 14a를 비교하면, 공기의 흐름 방향 변경의 정도가 유사하더라도, 만곡부 전후의 연장부 길이가 충분히 확보되지 못하면(즉, 도 14a의 경우 제2 연장부(223-8)가 도 13a의 경우(223-7)보다 짧다) 외부 유속 변화의 완충 성능이 떨어지게 된다. 이러한 결과는 도 12a와 같이 더 많은 공기의 흐름 방향 변경이 있는 경우에도 유사한 결과로 나타난다.

다음으로, 도 15a 내지 도 18b를 참조하여 제2 유로부가 두 개의 평면을 따라 배치되는 경우를 설명한다. 여기서 두 개의 평면을 따라 배치된다고 함은, 서로 교차하는 두 개의 서로 다른 면을 따라 제2 유로부가 배치됨을 의미할 수 있다.

이때, 교차하는 두 개의 서로 다른 평면은 각각 두 개(즉, 가로축과 세로축)의 축을 갖되, 두 평면이 만나면서 생긴 교선을 두 면 각각의 한 축이라 보면, 두 평면은 하나의 축을 공유하는 것으로 볼 수 있다.

예컨대, 교차하는 두 면을 임의의 육면체에서 서로 인접한 두 면에 대응된다고도 볼 수 있으며, 이러한 경우 두 면이 서로 만나는 육면체의 모서리를 두 면이 공유하는 축이라 볼 수 있다. 다시 말하면, 도 15a 내지 도 18b를 참조하여 설명될 각 제2 유로부는 육면체의 서로 인접한 두 면을 따라 배치되는 것으로 이해될 수 있다.

또한, 두 평면 중 제1 평면의 세로축을 광축과 평행한 축으로 놓는 경우, 제1 평면의 가로축은 세로축 및 광축과 교차하게 된다. 아울러, 두 평면 중 제2 평면의 가로축은 제1 평면의 가로축과 나란하고, 제2 평면의 세로축은 광축 및 제2 평면의 가로축과 교차하게 된다.

한편, 하우징(170)과의 관계에 있어서, 하우징이 육면체 형상을 갖는 경우 광축과 평행한 축을 갖는 제1 평면은 하우징의 일 측부면에 해당(즉, 제1 평면을 따라 배치되는 유로부의 적어도 일부가 하우징의 일 측부면에 접하는 경우)하거나 평행할 수 있으며, 제2 평면은 하우징의 상부면 또는 하부면과 평행할 수 있다.

도 15a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 서로 교차하는 두 개의 면을 따라 배치되는 제2 유로부를 포함하는 유로 구조의 일례를 나타낸다.

도 15a를 참조하면, 제4 유로부(300-5)는 도 11a에 도시된 제4 유로부(300-5)와 동일하되, 제2 유로부(200-9)는 제1 면을 따라 배치되는 제1 유로 세그먼트(200-9A) 및 제2 면을 따라 배치되는 제2 유로 세그먼트(200-9B)를 포함한다.

도 15a에서, 제1 면은 Y-Z 평면에 대응되고, 제2 면은 X-Y 평면에 대응된다. 따라서, 제1 면과 제2 면은 Y축을 공유하는 것으로 볼 수 있다.

제2 유로부(200-9)의 제1 유로 세그먼트(200-9A)는 제1 만곡부(211-9), 제1 연장부(221-9), 제2 만곡부(213-9), 제2 연장부(223-9), 제3 만곡부(215-9) 및 제3 연장부(225-9)를 순차적으로 포함하여 연결된다. 또한, 제2 유로부(200-9)의 제2 유로 세그먼트(200-9B)는 제4 만곡부(217-9) 및 제4 연장부(227-9)를 순차적으로 포함하여 연결된다.

여기서, 제1 만곡부(211-9)는 제4 유로부(300-5)의 제2 외기 유출구(330-5)와 연결되는 유입구(201)를 가지며, 제4 연장부(227-9)는 제1 유로부(120)와 연결되는 유출구(203)를 갖는다.

한편, 제1 만곡부(211-9)는 공기의 흐름 방향을 ?Z축 방향에서 Y축 방향으로 변경하며, 제2 만곡부(213-9)는 공기의 흐름 방향을 y축 방향에서 ?Z축 방향으로 변경한다. 또한, 제3 만곡부(215-9)는 공기의 흐름 방향을 ?Z축 방향에서 ?Y축 방향으로 변경하며, 제4 만곡부(217-9)는 공기의 흐름 방향을 X축 방향으로 진행함에 따라 ?Y축 방향에서 Y축 방향으로 변경한다.

도 15b는 도 15a에 도시된 유로 구조 내부의 유속 시뮬레이션 결과를 나타낸다.

도 15b를 참조하면, 도 15a에 도시된 유로 구조에서 외기의 유속 변화에 따른 감지부의 유속 변화율은 1.6%로 나타났다.

도 16a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 서로 교차하는 두 개의 면을 따라 배치되는 제2 유로부를 포함하는 유로 구조의 다른 일례를 나타낸다.

도 16a를 참조하면, 제2 유로부(200-10)는 도 15a에 도시된 제2 유로부(200-9)와 비교할 때 제1 유로 세그먼트(200-10A)의 구성이 상이하다. 구체적으로, 제2 유로부(200-10)의 제1 유로 세그먼트(200-10A)는 제1 만곡부(211-10) 및 제2 만곡부(213-10)를 순차적으로 포함하여 연결된다.

제2 만곡부(213-10)와 제2 유로 세그먼트(200-10B)의 만곡부는 각각이 반고리관 형상을 가지며, 제1 만곡부(211-10)는 공기의 흐름 방향을 ?Z축 방향으로 진행함에 따라 Y축 방향에서 -Y축 방향으로 변경하는 경로를 제공하고, 제2 유로 세그먼트(200-10B)의 만곡부는 공기의 흐름 방향을 X축 방향으로 진행함에 따라 -Y축 방향에서 Y축 방향으로 변경하는 경로를 각각 제공한다.도 16b는 도 16a에 도시된 유로 구조 내부의 유속 시뮬레이션 결과를 나타낸다.

도 16b를 참조하면, 도 16a에 도시된 유로 구조에서 외기의 유속 변화에 따른 감지부의 유속 변화율은 0.5%로 나타났다.

도 17a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 서로 교차하는 두 개의 면을 따라 배치되는 제2 유로부를 포함하는 유로 구조의 또 다른 일례를 나타낸다.

도 17a를 참조하면, 전체적인 유로 구조는 도 15a에 도시된 유로 구조와 유사하다. 다만, 제4 유로부(300-11)의 유로 단면적 방향의 직경 및 제2 유로부(200-11)의 일부 구간의 유로 단면적 방향의 직경이 나머지 부분보다 약 2배로 확대되었다. 즉, 제2 유로부(200-11)의 제2 유로 세그먼트(200-11B) 및 제1 유로부(120)의 구성은 도 15a와 동일하다.

물론, 제2 유로부(200-11)의 제1 유로 세그먼트(200-11A)의 구성도 직경을 제외하면 각 구성 요소의 연결 순서 및 만곡부에서의 공기의 흐름 방향 변경도 동일하다. 다만, 제3 연장부(225-11)의 직경은 점진적으로 작아지는 형태를 가지며, 그에 따라 제3 연장부(225-11) 이후 구간에서 유속이 빨라져 제3 연장부(225-11)가 실질적으로 노즐의 역할을 수행하는 것으로 볼 수 있다. 따라서, 제3 연장부(225-11)를 “노즐부”라 칭할 수도 있다.

도 17b는 도 17a에 도시된 유로 구조 내부의 유속 시뮬레이션 결과를 나타낸다.

도 17b를 참조하면, 도 17a에 도시된 유로 구조에서 외기의 유속 변화에 따른 감지부의 유속 변화율은 2.6%로 나타났다.

도 18a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 서로 교차하는 두 개의 면을 따라 배치되는 제2 유로부를 포함하는 유로 구조의 또 다른 일례를 나타낸다.

도 18a를 참조하면, 전체적인 유로 구조는 도 15a에 도시된 유로 구조와 유사하다. 다만, 제4 유로부(300-12)의 제2 외기 유출구(330-12)의 유로 단면적 방향의 직경 및 제2 유로부(200-12)의 일부 구간의 유로 단면적 방향의 직경이 나머지 부분보다 약 1/2배로 감소되었다. 즉, 제2 유로부(200-12)의 제2 유로 세그먼트(200-12B) 및 제1 유로부(120)의 구성은 도 15a와 동일하다.

물론, 제2 유로부(200-12)의 제1 유로 세그먼트(200-12A)의 구성도 직경을 제외하면 각 구성 요소의 연결 순서 및 만곡부에서의 공기의 흐름 방향 변경도 동일하다. 다만, 제3 연장부(225-12)의 직경은 점진적으로 커지는 형태를 가지며, 그에 따라 제3 연장부(225-12) 이후 구간에서 유속이 느려지게 된다.

도 18b는 도 18a에 도시된 유로 구조 내부의 유속 시뮬레이션 결과를 나타낸다.

도 18b를 참조하면, 도 18a에 도시된 유로 구조에서 외기의 유속 변화에 따른 감지부의 유속 변화율은 12.2%로 나타났다.

지금까지 설명한 도 15a 내지 도 18에서, 제4 유로부(300)는 제2 유로부(200)의 일부를 구성하는 것으로 볼 수도 있다. 예컨대, 제4 유로부(300)의 외기 유입구(310)와 제1 외기 유출구(320)는 제2 유로부(200)의 유입구와 유출구로 볼 수 있으며, 제2 외기 유출구(330)와 분기부(350)는 제1 만곡부(211)의 일부로 볼 수 있다.

도 15a 내지 도 18b를 참조하여 상술한 4개의 서로 다른 유로부 구조의 시뮬레이션 결과를 비교한 결과는 다음과 같다.

먼저, 도 15a 및 도 16a에 도시된 유로 구조와 같이 유로의 전체 길이 및 각 만곡부의 곡률 반경이 충분히 확보될 경우 외부 유속 변화에 대한 완충 성능이 크게 향상됨을 알 수 있다. 다만, 도 17a에 도시된 유로 구조와 같이 중간에 유로의 직경이 작아지는 경우, 즉, 중간에 노즐 구조를 수반하는 경우에는 외부 유속 변화에 대한 완충 성능은 비교적 우수하더라도 산란부 중앙에서 공기가 뷸균등하게 흐르는 경향을 보인다. 이러한 점은 현재 유로 구조에서 단점으로 작용한다고 볼 수도 있으나, 공기의 흐름을 산란부 내에서도 특정 지점에 집중시키는 효과를 볼 수도 있다. 여기에 대해서는 도 34a 내지 도 34d를 참조하여 보다 상세히 후술하기로 한다.

또한, 도 17a와 반대로, 도 18a에 도시된 유로 구조와 같이 중간에 유로의 직경이 커지는 경우, 직경이 커지는 제3 연장부(225-12)에서 압력 변동으로 와류가 심하게 발생하며 산란부에서의 유속 변화율도 크다.

지금까지 검토한 도 7a 내지 도 18b에 도시된 유로 구조를 종합적으로 검토해 보면, 외부 유속 변화에 대한 산란부에서의 유속 변화율에 영향을 미치는 요소로, 유로의 형상, 유로의 길이, 만곡부의 개수 및 만곡부의 곡률(또는 곡률 반경), 유로의 직경 변화를 들 수 있다. 이하에서는 전술한 각 구조에 대한 고찰 결과를 바탕으로 각 요소별로 최적의 범위를 살펴본다.

먼저, 유로의 형상에 있어서 하나의 평면을 따라 배치되는 구조보다는 서로 교차하는 두 개의 평면을 따라 배치되는 구조가 우수한 성능을 보였다. 다만, 이는 유로의 형상만에 의한 효과라기 보다는, 두 개의 평면을 따라 배치됨에 의해 충분한 유로 길이 및 곡률 반경이 확보되었기 때문이라 볼 수 있다.

다음으로, 유로 길이의 경우 최소 유로 길이가 확보되지 못하면 외부 유속 변화를 충분히 완충시키지 못하게 된다. 반대로, 유로 길이가 너무 긴 경우에도 단점이 있다. 예컨대, 유로 길이가 너무 길어지면 입자 센싱 장치의 전체 크기가 커지게 되며, 유로 내부에 입자가 축적되는 문제점도 발생할 수 있다. 특히, 크기의 경우 두 개의 면을 따라 제2 유로부(200)가 배치될 때 전체 부피가 가장 작아지도록 제1 유로 세그먼트(200-9A, 200-10A, 200-11A, 200-12A)가 하우징(170)의 일 측면에 밀착되도록 배치되는 경우라 하여도 제2 유로부의 총 길이가 너무 길어지게 된다면 입자 센싱 장치 전체의 크기가 함께 커지는 결과를 초래한다.

따라서, 10% 이내의 변동률을 보이는 유로 직경 대 유로의 길이 비(즉, 유로길이/유로직경)는 5 내지 22 일 수 있다. 예컨대, 유로 직경이 8mm라 가정하면, 최소로 확보될 유로의 길이는 40mm이며, 최대 170mm이다. 즉, 유로 직경이 8mm일 때 40mm 이상의 유로 길이가 확보 될 경우, 내부 유속 변화율이 목표인 10% 이내를 만족하게 되며 산란부에서의 공기 흐름이 균등하게 된다. 또한, 유로의 최대 길이가 170mm 이내인 경우 우수한 유속 변화율을 가지면서 유로 내의 입자 축적이 최소화될 수 있다. 일례로, 도 15a에 도시된 제2 유로부(200-9)의 직경이 8mm이고, 제1 연장부(221-9)와 제3 연장부(225-9)의 Y축 방향 직선 길이가 20mm이며, 제2 연장부의 Z축 방향 직선 길이가 22mm이며, 제4 연장부(227-9)의 Y축 방향 길이가 10mm일 수 있다. 또한, 제1 만곡부(211-9), 제2 만곡부(213-9) 및 제3 만곡부(215-9)의 중심 곡률 반경이 R8이고, 제4 만곡부(217-9)의 중심 곡률 반경이 R14일 수 있다. 이러한 경우 제2 유로부(200-9)의 전체 길이는 약 166mm가 된다.

여기서, 상술한 유로 직경 대 유로의 길이 비는 제4 유로부(300) 및 제1 유로부(120)의 길이를 제외한 제2 유로부(200)의 길이만이 고려되었다.

한편, 유로 구조에서 산란부에 도달하기 까지의 공기의 흐름도 중요하나, 산란부를 통과한 공기의 배출도 그에 못지않게 중요한데, 여기에 대해서는 도 36 내지 도 38b를 참조하여 보다 상세히 후술하기로 한다.

다음으로, 만곡부의 개수, 즉 공기의 흐름 방향 변화 횟수와 유속 변화율의 관계를 살펴본다.

전술된 바와 같이, 렌즈부(114)와 수광부(130) 사이에 위치하는 산란부(SS)에서 입자 감지 정확도를 높이기 위해서는 산란부(SS)를 통과하는 공기의 흐름이 속도와 방향 면에서 균등한 것이 바람직한데, 여기에는 제2 유로부(200)에서 공기의 흐름 방향이 변화된 횟수가 영향을 미친다.

즉, 유로에 만곡부가 구비되지 않을 경우, 외부 유속 변동에 대한 완충 작용을 기대하기 어려우며, 외부광이 산란공간으로 입사될 확률까지 커진다. 보다 상세히, 제2 유로부(200)를 거치면서 공기의 흐름 방향이 2회 이상 변경되는 경우 외부 유속 변동에 대하여 충분한 완충 작용(예컨대, 변화율 10% 이하)을 기대할 수 있으며, 산란부(SS)에서의 공기 흐름도 균등해지는 경향을 보인다. 다만, 공기의 흐름 방향이 4회를 초과하여 변경되는 경우에는 유로 내부에 입자가 쌓일 염려가 있으며 입자 센싱 장치의 전체 크기도 커지는 문제점이 있다. 따라서, 만곡부의 개수는 2개 내지 4개인 것이 바람직하다.

이는 제2 유로부에 만곡부가 없는 도 10a의 경우, 만곡부가 하나인 도 9a의 경우, 만곡부가 2개인 도 14a의 경우 및 만곡부가 3개인 도 16a의 경우 순서로 유속 변화율이 우수해짐을 통해 알 수 있다.

물론, 이는 전술된 시뮬레이션 결과에 따른 예시적인 것으로, 실시 예에 의한 만곡부의 개수는 이에 한정되지 아니한다.

한편, 유로의 만곡부는 그 개수뿐만 아니라 곡률 반경 또한 중요하다. 이를 도 19 내지 도 20을 참조하여 설명한다.

도 19는 일 실시 예에 따른 만곡부의 곡률 반경을 설명하기 위한 도면이고, 도 20은 곡률 반경별 공기 흐름의 변화를 나타내는 시뮬레이션 결과를 나타낸다.

먼저, 도 19를 참조하면 90도 꺾임을 갖는 만곡부(1910)의 측면도가 도시된다. 여기서 만곡부(1910)는 유로 단면적 방향으로 직경이 균일한 원형 단면을 갖는 것으로 가정하며, 만곡부(1910) 직경 반지름을 ‘r’이라 하면, 직경은 ‘2r’이 된다. 또한, 만곡부(1910)는 곡률 반경이 전체적으로 균일하여 동일한 곡률 반경으로 계속 연장시키는 경우 환형 평면 형상을 갖는 고리형 관을 형성한다고 가정할 때, 해당 고리는 하나의 꼭지점(1920)을 갖게 된다.

만곡부의 곡률 반경은 크게 3가지로, 각각 중심 곡률(또는 중심 곡률반경), 외곽 곡률 반경(또는 외부 곡률반경) 및 내곽 곡률 반경(또는 내부 곡률반경)로 구분될 수 있다. 중심 곡률 반경은 꼭지점(1920)으로부터 만곡부의 직경 중심점을 연결한 선(1930)까지의 거리(Rc)로 표현될 수 있다.

중심 곡률 반경을 기준으로, 외곽 곡률 반경(Ro)은 중심 곡률 반경에 r을 더한 값이 되며, 내곽 곡률 반경(Ri)은 중심 곡률 반경에서 r을 뺀 값이 된다. 전술한 곡률 반경에 대한 설명을 기준으로, 유로 직경 대비 곡률 반경의 비율(즉, 곡률 반경/유로직경, 이하 편의상 “곡률비”라 칭함)로 곡률 반경의 영향을 도 20을 참조하여 설명한다.

도 20을 참조하면, 도 20의 (a)에서 (e)까지 순서대로 중심 곡률비가 0, 1/4, 1/2, 3/4, 1인 경우의 공기 흐름 시뮬레이션 결과가 도시된다. 예컨대, 만곡부의 유로 단면적 방향의 유로 직경이 8mm인 경우 도 20의 (c)와 같은 경우 중심 곡률 반경이 4mm(즉, R4)에 해당한다.

먼저, 도 20의 (a) 및 (b)와 같이 만곡부의 꺾임이 직각(중심 곡률 반경 0)이거나 충분한 곡률 반경이 확보되지 못하여 공기의 흐름 방향이 변경된 직후 유로 하부에 와류가 발생하는 문제점이 있다.

또한, 도 20의 (c)와 같은 경우 내곽측의 공기 흐름이 주변보다 다소 빠르나, 공기의 흐름 방향이 변경된 후에는 다시 공기의 흐름이 균등하게 된다.

도 20의 (d) 및 (e)와 같은 경우 만곡부의 내곽측 공기 흐름의 속도 증가도 미미한 편이며 전체적인 공기의 흐름도 균등하다.

따라서, 전술한 공기의 흐름 방향 변경의 횟수가 최적 범위를 만족한다는 가정 하에, 만곡부의 곡률비가 3/8 미만인 경우 공기의 흐름이 비균등해지며 1을 초과하는 효과 대비 경우 입자 센싱 장치 전체의 크기가 커지므로 만곡부의 곡률비는 3/8 내지 1의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게, 입자 센싱 장치 전체의 크기를 더욱 고려할 때 만곡부의 곡률비는 5/8 내지 3/4일 수 있다.

도 21은 도 1에 도시된 입자 센싱 장치(100)의 다른 실시 예(100B)의 단면도를 나타내고, 도 22는 도 21에 도시된 제1 유로부(120B)를 설명하기 위해 'A2' 부분을 확대 도시한 단면도로서, 설명의 편의상 도 21에 도시된 팬(180)의 도시는 도 22에서 생략되었다.

도 3에 도시된 제1 유로부(120A)와 도 21에 도시된 제1 유로부(120B)의 단면 형상은 서로 다르다. 이를 제외하면, 도 21에 도시된 입자 센싱 장치(100B)는 도 3에 도시된 입자 센싱 장치(100A)와 동일하므로 중복되는 설명을 생략한다. 예를 들어, 도 4를 참조하여 전술한 산란부(SS)에 대한 정의는 도 22에 도시된 제1 유로부(120B)에 대해서도 적용될 수 있다.

도 3 및 도 4의 경우, 공기가 유동하는 방향(예를 들어, y축 방향)과 수직한 방향(예를 들어, x축 방향 및 z축 방향)으로, 유로 입구부(FI), 제1 유로 중간부(FII1), 산란부(SS), 제2 유로 중간부(FII2) 및 유로 출구부(FO)의 단면적은 일정하다.

반면에, 공기가 유동하는 방향(예를 들어, y축 방향)과 수직한 방향(예를 들어, x축 및 z축 방향)으로 제1 유로 중간부(FII1)의 단면적은 산란부(SS)에 접근할수록 감소하는 부분을 포함하고, 제2 유로 중간부(FII2)의 단면적은 산란부(SS)로부터 멀어질수록 증가하는 부분을 포함할 수 있다.

예를 들어, 도 21 및 도 22에 도시된 바와 같이, 공기가 유동하는 방향(예를 들어, y축 방향)과 수직한 방향(예를 들어, x축 및 z축 방향)으로 제1 유로 중간부(FII1)의 단면적은 산란부(SS)에 접근할수록 감소한 후 일정해지고, 제2 유로 중간부(FII2)의 단면적은 산란부(SS)로부터 멀어질수록 일정한 후 증가할 수 있다. 또는, 도 21 및 도 22에 도시된 바와 달리, 공기가 유동하는 방향(예를 들어, y축 방향)과 수직한 방향(예를 들어, x축 및 z축 방향)으로 제1 유로 중간부(FII1)의 단면적은 산란부(SS)에 접근할수록 계속해서 감소하고, 제2 유로 중간부(FII2)의 단면적은 산란부(SS)로부터 멀어질수록 계속해서 증가할 수도 있다.

또한, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 달리, 공기가 유동하는 방향(예를 들어, y축 방향)과 수직한 방향(예를 들어, x축 및 z축 방향)으로, 유로 입구부(FI) 및 유로 출구부(FO) 각각의 단면적은 산란부(SS)의 단면적보다 클 수 있다.

또한, 도 4 및 도 22에 도시된 제1 유로부(120A, 120B)에서, 제1 유로 중간부(FII1)(또는, 제2 유로 중간부(FII2))와 산란부(SS)가 연통하는 개구 영역이 제2 개구부(OP2)라고 정의할 때, 제1 개구부(OP1)의 면적(예를 들어, x축 및 y축 방향의 면적)은 공기가 유동하는 방향(예를 들어, y축 방향)과 수직한 방향(예를 들어, x축 및 z축 방향)으로 제2 개구부(OP2)의 단면적보다 클 수 있다.

예를 들어, 도 4 및 도 6을 참조하면, 제1 개구부(OP1)의 x축 방향의 길이와 제2 개구부(OP2)의 x축 방향의 길이가 동일하다고 할 때, 제1 개구부(OP1)의 폭(D1)은 제2 개구부(OP2)의 높이(D4)보다 더 클 수 있다. 또는, 도 4 및 도 6을 참조하면, 제1 개구부(OP1)가 원형 평면형상을 갖고, 제2 개구부(OP2)가 원형 측단면 형상을 가질 경우, 제1 개구부(OP1)의 직경(D1)은 제2 개구부(OP2)의 직경(D2)보다 더 클 수 있다.

도 21 및 도 22에 도시된 바와 같은 단면 형상을 제1 유로부(120B)가 가질 경우, 제1 및 제2 유로 중간부(FII1, FII2)의 단면적의 변화로 인해, 보다 많은 입자(P)가 제1 유로부(120B)를 통과할 수 있어, 입자(P)를 센싱하는 정확도가 증가할 수 있다.

도 23은 도 1에 도시된 입자 센싱 장치(100)의 또 다른 실시 예(100C)의 단면도를 나타내고, 도 24는 도 23에 도시된 제1 유로부(120C)를 설명하기 위해 'A3' 부분을 확대 도시한 단면도로서, 설명의 편의상 도 23에 도시된 팬(180)의 도시는 도 24에서 생략되었다.

도 3에 도시된 제1 유로부(120A)와 도 23에 도시된 제1 유로부(120C)의 단면 형상은 서로 다르다. 이를 제외하면, 도 23에 도시된 입자 센싱 장치(100C)는 도 3에 도시된 입자 센싱 장치(100A)와 동일하므로 중복되는 설명을 생략한다.

도 3 및 도 4의 경우, 공기가 유동하는 방향(예를 들어, y축 방향)과 수직한 방향(예를 들어, x축 방향 및 z축 방향)으로, 유로 입구부(FI), 제1 유로 중간부(FII1), 산란부(SS), 제2 유로 중간부(FII2) 및 유로 출구부(FO)의 단면적은 일정하다.

반면에, 도 23 및 도 24의 경우, 공기가 유동하는 방향(예를 들어, y축 방향)과 수직한 방향(예를 들어, x축 및 z축 방향)으로, 제1 유로 중간부(FII1)의 단면적은 산란부(SS)에 접근할수록 감소한 후 증가한다. 또한, 공기가 유동하는 방향(예를 들어, y축 방향)과 수직한 방향(예를 들어, x축 및 z축 방향)으로, 제2 유로 중간부(FII2)의 단면적은 산란부(SS)로부터 멀어질수록 감소한 후 증가한다.

또한, 도 24에 도시된 제1 유로부(120C)의 제1 중간 제1 유로부(FII1)(또는, 제2 중간 제1 유로부(FII2))에서 공기가 유동하는 방향과 수직한 방향으로 가장 작은 단면적을 갖는 개구 영역이 제2 개구부(OP2)라고 정의할 때, 제1 개구부(OP1)의 면적(예를 들어, x축과 y축 방향의 면적)은 공기가 유동하는 방향(예를 들어, y축 방향)과 수직한 방향(예를 들어, x축 및 z축 방향)으로 제2 개구부(OP2)의 단면적보다 클 수 있다.

예를 들어, 도 24를 참조하면, 제1 개구부(OP1)의 x축 방향의 길이와 제2 개구부(OP2)의 x축 방향의 길이가 동일하다고 할 때, 제1 개구부(OP1)의 폭(D1)은 제2 개구부(OP2)의 높이(D4)보다 더 클 수 있다. 또는, 도 24를 참조하면, 제1 개구부(OP1)가 원형 평면형상을 갖고, 제2 개구부(OP2)가 원형 측단면 형상을 가질 경우, 제1 개구부(OP1)의 직경(D1)은 제2 개구부(OP2)의 직경(D4)보다 더 클 수 있다.

예를 들어, 도 4, 도 22 및 도 24에 도시된 제2 개구부(OP2)의 높이(D4)는 10.0 ㎜ 이하, 6.0 ㎜ 이하, 4.0 ㎜ 이하 또는 2.0 ㎜ 이하일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 이와 같이, 실시 예에 의하면, 제2 개구부(OP2)의 높이(D4)가 작아지므로, 입자 센싱 장치(100A 내지 100C) 전체의 크기를 줄일 수 있다.

또한, 보다 많은 입자가 제1 유로부(120:120A, 120B, 120C)를 통과하도록 하기 위해서, 제1 유로부(120)를 통과하는 공기의 유량의 부피 변화가 없어야 한다. 이를 위해, 도 23 및 도 24에 도시된 바와 같이 제2 개구부(OP2)에 의해 더블 노즐(DN:Double Nozzlwe) 구조를 형성할 경우, 제1 유로부(120C)를 통과하는 공기의 유량의 부피 변화가 있을 때에도, 공기의 유량을 측정이 용이할 정도로 조절할 수 있어, 입자(P)를 센싱하는 정확도가 증가할 수 있다. 예컨대, 더블 노즐 구조에 의해 병목 현상이 만들어지기 때문에, 보다 많은 입자(P)가 제1 유로부(120C)를 통과할 수 있어, 입자(P)를 센싱하는 정확도가 증가할 수 있다.

도 3 내지 도 4 및 도 21 내지 도 24에 도시된 제1 유로부(120A, 120B, 120C)의 구조는 일 례들에 불과하다. 즉, 제1 유로부(120A, 120B, 120C)를 통해 보다 많은 공기가 유입될 수 있다면, 실시 예는 제1 유로부(120)의 특정한 예에 국한되지 않는다.

한편, 수광부(130)는 입자(P)에서 산란된 광을 정확하게 감지하기 위해 다양한 구조를 가질 수 있다. 도 3, 도 21 및 도 23에 도시된 수광부(130A)는 도 1에 도시된 수광부(130)의 일 실시 예에 해당한다.

도 25는 도 3에 도시된 'B' 부분을 확대 도시한 단면도이다.

도 3 및 도 25를 참조하면, 수광부(130A)는 투광성 부재(132) 및 광 감지부(134)를 포함할 수 있다. 또한, 수광부(130A)는 광 가이드부(136A)를 더 포함할 수도 있으나, 경우에 따라, 광 가이드부(136A)는 생략될 수도 있다.

투광성 부재(132)는 광을 투광시킬 수 있는 재질로 구현될 수 있으며, 예를 들어, 유리로 구현될 수 있다. 투광성 부재(132)는 제1 면(132-1) 및 제2 면(132-2)을 포함할 수 있다. 제1 면(132-1)은 산란부(SS)와 대향하는 투광성 부재(132)의 윗면(즉, 탑면)에 해당하고, 제2 면(132-2)은 제1 면(132-1)의 반대측 면으로서 투광성 부재(132)의 아랫면(즉, 바닥면)에 해당할 수 있다.

광 감지부(134)와 광 가이드부(136A)는 투광성 부재(132)의 광축 주변에 배치될 수 있다. 광 감지부(134)와 광 가이드부(136A)는 투광성 부재(132)의 서로 상반되는 면에 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 25에 도시된 바와 같이, 광 감지부(134)는 투광성 부재(132)의 제2 면(132-2)에 배치되고, 광 가이드부(136A)는 투광성 부재(132)의 제1 면(132-1)에 배치될 수 있다. 또는, 도 25에 도시된 바와 달리, 광 감지부(134)는 투광성 부재(132)의 제1 면(132-1)에 배치되고, 광 가이드부(136A)는 투광성 부재(132)의 제2 면(132-2)에 배치될 수도 있다. 이하, 광 감지부(134)는 투광성 부재(132)의 제2 면(132-2)에 배치되고, 광 가이드부(136A)는 투광성 부재(132)의 제1 면(132-1)에 배치되는 것으로 설명하지만 그 반대의 경우에도 하기의 설명은 적용될 수 있다.

광 감지부(134)는 투광성 부재(132) 아래에서 광축(LX)의 주변에 배치되며, 산란부(SS)에서 입자(P)에 의해 산란된 후 수광 입사부(OP3)를 통해 입사된 광을 센싱할 수 있다. 수광 입사부에 대해서는 후술된다.

도 26은 도 25에 도시된 광 감지부(134)의 일 실시 예(134A)의 평면 형상을 나타낸다.

도 26을 참조하면, 광 감지부(134A)는 중앙부(134-1) 및 포토 다이오드(134-2)를 포함할 수 있다. 중앙부(134-1)는 산란부(SS)를 통과한 메인 광을 통과시켜 광 흡수부(140)로 보내기 위해, 광축(LX)에 위치하며 투광성을 갖는 재질로 구현될 수 있다. 예를 들어, 중앙부(134-1)는 유리로 구현될 수 있다.

또한, 중앙부(134-1)는 광 흡수부(140)의 광 입구(OPL)를 덮을 수 있다. 이와 같이, 중앙부(134-1)가 광 입구(OPL)를 덮을 경우, 광 흡수부(140)로 이물질의 침투가 방지될 수 있고, 산란부(SS)를 통과한 입자(P)가 광 흡수부(140)로 진입하는 것을 방지할 수 있어, 제1 유로부(120)에서의 입자(P)의 흐름이 원활해지고 측정 오차도 줄어들 수도 있다.

또한, 포토 다이오드(134-2)를 투광성 부재(132)의 제2 면(132-2)에 배치할 경우, 이물질로 인한 포토 다이오드(132-2)의 손상도 막을 수 있다.

포토 다이오드(134-2)는 중앙부(134-1)의 주변에 배치되고, 입자(P)에 의해 산란된 광을 센싱하는 역할을 한다. 포토 다이오드(134-2)는 일반적인 포토 다이오드의 구조에서 광을 흡수하는 액티브(active) 영역에 해당한다.

예를 들어, 포토 다이오드(134-2)는 380 ㎚ 내지 1100 ㎚ 파장 대역의 광을 검출할 수 있으나, 실시 예는 포토 다이오드(134-2)에서 검출할 수 있는 특정한 파장 대역에 국한되지 않는다. 또한, 산란광이 잘 센싱될 수 있도록, 포토 다이오드(134-2)는 660 ㎚의 파장 대역에서 0.4A/W의 감도를 갖거나, 450 ㎚에서 0.3 A/W의 감도를 가질 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.

도 26을 참조하면, 광 감지부(134A)의 폭(W1)은 5 ㎜ 내지 20 ㎜ 예를 들어, 7 ㎜ 내지 15 ㎜, 바람직하게는 8 ㎜ 내지 10 ㎜일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.

또한, 중앙부(134-1)의 폭(W2)은 3 ㎜ 내지 18 ㎜ 예를 들어, 5 ㎜ 내지 13 ㎜ 바람직하게는 7 ㎜ 내지 9 ㎜일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.

또한, 포토 다이오드(134-2)의 평면상에서의 폭(W3)은 0.1 ㎜ 내지 5 ㎜ 예를 들어, 1 ㎜ 내지 3 ㎜ 바람직하게는 1.5 ㎜ 내지 2.5 ㎜일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.

도 26에 도시된 포토 다이오드(134-2)의 평면 형상은 원형 고리 형상이지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 예를 들어, 광 감지부(134)가 중앙부(134-1)를 포함할 수 있다면, 포토 다이오드(134-2)는 다양한 평면 형상을 가질 수 있다.

예를 들어, 포토 다이오드(134-2)의 평면 형상은 다각형(장방형, 정방형, 삼각형 등) 또는 타원형 고리 형상일 수도 있다. 도 27은 도 25에 도시된 광 감지부(134)의 또 다른 실시 예(134E)의 평면 형상을 나타낸다.

포토 다이오드(134-2)는 동일 평면상에서 서로 이격되어 배치된 복수의 감지 세그먼트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 27에 예시된 바와 같이 포토 다이오드(134-2)는 서로 이격되어 배치된 복수의 감지 세그먼트(134-21, 134-22, 134-23, 134-24)를 포함할 수 있다. 물론, 광 감지부(134)가 다각형(장방형, 정방형, 삼각형 등) 또는 타원형 고리 형상을 갖는 경우에도 각각의 광 감지부(134)는 복수의 감지 세그먼트(134-21, 134-22, 134-23, 134-24)를 포함할 수 있다.

또한, 복수의 감지 세그먼트(134-21, 134-22, 134-23, 134-24)는 등간격 또는 서로 다른 간격으로 이격되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 복수의 감지 세그먼트(134-21, 134-22, 134-23, 134-24)의 이격된 간격(G)이 클수록, 신호 레벨이 증가하여 디자인 자유도가 증가할 수 있다. 예를 들어, 간격(G)은 0.01 ㎜ 내지 1 ㎜ 예를 들어, 0.1 ㎜ 내지 0.5 ㎜ 바람직하게는 0.15 ㎜ 내지 0.25 ㎜일 수 있으나 실시 예는 이에 국한되지 않는다.

또한, 복수의 감지 세그먼트(134-21, 134-22, 134-23, 134-24)는 서로 동일한 평면적을 가질 수도 있고, 서로 다른 평면적을 가질 수도 있다.

또한, 도 26 내지 및 도 27에 예시된 광 감지부는 평면상에서 대칭으로 배치될 수도 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 다른 실시 예에 의하면, 광 감지부는 평면상에서 비대칭으로 배치될 수도 있다.

또한, 복수의 감지 세그먼트(134-21, 134-22, 134-23, 134-24)는 평면상에서 대칭 또는 비대칭으로 배치될 수 있다.

도 27에 도시된 폭(W1, W2, W3)은 도 26에서 설명한 내용이 적용될 수 있다.

예를 들어, 포토 다이오드(134-2)와 마찬가지로 복수의 감지 세그먼트(134-21, 134-22, 134-23, 134-24) 각각은 380 ㎚ 내지 1100 ㎚ 파장 대역의 광을 검출할 수 있으나, 실시 예는 복수의 감지 세그먼트(134-21, 134-22, 134-23, 134-24)에서 검출할 수 있는 특정한 파장 대역에 국한되지 않는다. 또한, 산란광이 잘 센싱될 수 있도록, 복수의 감지 세그먼트(134-21, 134-22, 134-23, 134-24) 각각은 660 ㎚의 파장 대역에서 0.4A/W의 감도를 갖거나, 450 ㎚에서 0.3 A/W의 감도를 가질 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.

도 27에 예시된 바와 같이, 포토 다이오드(134-2)가 복수의 감지 세그먼트(134-21, 134-22, 134-23, 134-24)로 이격되어 배치될 경우, 정보 분석부(160)는 복수의 감지 세그먼트(134-21, 134-22, 134-23, 134-24) 각각에서 센싱된 결과의 상대적 크기를 이용하여 입자의 형상을 예측할 수 있다.

도 28a 및 도 28b는 복수의 감지 세그먼트(134-21, 134-22, 134-23, 134-24)를 이용하여 입자(P)의 형상을 예측함을 설명하기 위한 도면이다.

도 28a를 참조하면, 입자(P)의 형상이 대칭형 예를 들어 구형일 경우, 복수의 감지 세그먼트(134-21, 134-22, 134-23, 134-24)에서 감지된 산란 광의 세기는 서로 동일하다. 이와 같이, 복수의 감지 세그먼트(134-21, 134-22, 134-23, 134-24)에서 감지된 광의 세기가 서로 동일할 경우, 정보 분석부(160)는 입자(P)가 대칭 형상을 갖는 것으로 결정할 수 있다.

반면에, 도 28b를 참조하면, 입자(P)의 형상이 비대칭형 예를 들어 비구형일 경우, 복수의 감지 세그먼트(134-21, 134-22, 134-23, 134-24)에서 감지된 산란광의 세기는 서로 다르다. 이와 같이, 복수의 감지 세그먼트(134-21, 134-22, 134-23, 134-24)에서 감지된 광의 세기가 서로 다를 경우, 정보 분석부(160)는 입자(P)가 비대칭 형상을 갖는 것으로 결정할 수 있다.

그 밖에도 입자의 다양한 형상을 예측하기 위해, 복수의 감지 세그먼트의 분할된 형태가 개수가 변할 수 있음은 물론이다.

발광부(110A)의 광원(112A)과 마찬가지로 전술한 수광부(130A)의 포토 다이오드(134-2, 134-21 내지 134-24)의 패키징 형태는 SMD 형태나 리드 타입으로 구현될 수 있다. 그러나, 실시 예는 포토 다이오드(134-2, 134-21 내지 134-24)의 특정한 패키징 형태에 국한되지 않는다.

한편, 수광 입사부는 산란부(SS)와 수광부(130A) 사이에 배치되어 수광부(130A)로 입사되는 광의 량을 조정하는 역할을 수행할 수 있다. 이를 위해, 도 3, 도 21 및 도 23에 도시된 바와 같이 수광 입사부는 광축(LX)에 배치된 제3 개구부(OP3)를 포함할 수 있다.

제3 개구부(OP3)는 산란부(SS)에서 입자(P)에 의해 산란된 광의 전체량의 20% 내지 80%를 수광부(130A)로 입사시키기에 적합한 면적(예를 들어, x축과 y축 방향의 면적)을 가질 수 있다.

예를 들어, 산란부(SS)에서 입자(P)에 의해 산란된 광 중에서 광축(LX)을 기준으로 산란부(SS)의 중심에서 후술되는 제5 개구부(OP5)까지가 좌우 12°일 경우, 즉, 도 3, 도 21 및 도 23에 각각 도시된 소정 각도(θ)가 24°일 경우 입자(P)에서 산란된 전체 광의 20%가 수광부(130A)로 입사될 수 있으며, 소정 각도(θ)가 60°(즉, 광축(LX)을 기준으로 좌우 30°)일 경우 입자(P)에서 산란된 전체 광의 50%가 수광부(130A)로 입사될 수 있다. 이를 고려할 때, 실시 예에 의하면, 제3 개구부(OP3)는 입자(P)에 의해 산란된 광 중에서 광축(LX)을 기준으로 좌우 합한 각도 즉, 소정 각도(θ)가 24° 내지 60° 예를 들어, 광축(LX)을 기준으로 좌우 30°의 범위에 있는 광이 수광부(130A)로 입사되기에 적합한 면적을 가질 수 있다. 이와 같이, 제3 개구부(OP3)의 면적을 조정함으로써, 수광부(130A)로 입사되는 광의 양이 조정될 수 있음을 알 수 있다.

또한, 도 4, 도 22 및 도 24를 참조하면, 제3 개구부(OP3)의 면적(예를 들어, x축과 y축 방향의 면적)은 제1 개구부(OP1)의 면적(예를 들어, x축과 y축 방향의 면적)과 다를 수 있다. 예를 들어, 제3 개구부(OP3)가 원형 평면 형상을 가질 경우, 제3 개구부(OP3)의 직경(D3)이 10 ㎜보다 클 경우 포토 다이오드(134-2, 134-21 내지 134-24)의 면적보다 많은 산란 광이 유입되어 광 노이즈가 발생할 수 있다. 또한, 제3 개구부(OP3)의 직경(D3)이 2 ㎜보다 작을 경우 포토 다이오드(134-2, 134-21 내지 134-24)에서 산란광을 받는 량이 줄어들어 포토 다이오드(134-2, 134-21 내지 134-24)에서 감지된 신호의 크기가 작을 수 있다. 따라서, 제3 개구부(OP3)의 직경(D3)은 2 ㎜ 내지 10 ㎜일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.

또한, 도 22 및 도 24에 예시된 바와 같이, 공기가 유동하는 방향(예를 들어, y축 방향)과 수직한 방향(예를 들어, x축 및 z축 방향)으로, 유입구(IH) 및 유출구(OH) 각각의 단면적은 제1 개구부(OP1) 면적보다 크고 제2 개구부(OP2)의 단면적보다 클 수 있다.

또는, 공기가 유동하는 방향(예를 들어, y축 방향)과 수직한 방향(예를 들어, x축 및 z축 방향)으로, 유로 입구부(FI)의 제1 경로 및 유로 출구부(FO)의 제2 경로 각각의 가장 넓은 단면적은 제1 개구부(OP1)의 면적보다 크고 제2 개구부(OP2)의 단면적보다 클 수 있다.

예를 들어, 유입구(IH) 및 유출구(OH) 각각의 x축 길이와 제1 개구부(OP1) 및 제2 개구부(OP2) 각각의 x축 길이가 동일할 때, 유입구(IH) 및 유출구(OH) 각각의 z축 방향으로의 높이(D2)는 제1 개구부(OP1)의 y축 방향으로의 폭(D1)보다 크고, 제2 개구부(OP2)의 z축 방향으로의 높이(D4)보다 클 수 있다.

또한, 예를 들어, 유로 입구부(FI)와 유로 출구부(FO)와 제2 개구부(OP2) 각각이 원형 측단면 형상을 갖고, 제1 개구부(OP1)가 원형 평면 형상을 가질 경우, 유입구(IH) 및 유출구(OH) 각각의 직경(D2)은 제1 개구부(OP1)의 직경(D1)보다 크고 제2 개구부(OP2)의 직경(D4)보다 클 수 있다.

또는, 예를 들어, 유입구(IH) 및 유출구(OH) 각각의 x축 길이와 제1 개구부(OP1) 및 제2 개구부(OP2) 각각의 x축 길이가 동일할 때, 제1 경로 및 제2 경로 각각의 z축 방향으로의 가장 높은 높이는 제1 개구부(OP1)의 y축 방향으로의 폭(D1)보다 크고 제2 개구부(OP2)의 z축 방향으로의 높이(D4)보다 클 수 있다.

또한, 예를 들어, 유로 입구부(FI), 유로 출구부(FO) 및 제2 개구부(OP2) 각각이 원형 측단면 형상을 갖고, 제1 개구부(OP1)가 원형 평면 형상을 가질 경우, 제1 경로 및 제2 경로 각각에서 가장 큰 직경은 제1 개구부(OP1)의 직경(D1)보다 크고 제2 개구부(OP2)의 직경(D4)보다 클 수 있다.

한편, 다시 도 25를 참조하면, 광 가이드부(136A)는 산란부(SS)에서 산란된 광을 광 감지부(134)로 가이드는 역할을 한다. 이를 위해, 예를 들어 광 가이드부(136A)는 내측 격벽(136-1, 136-2)과 외측 격벽(136-3, 136-4)을 포함할 수 있다. 만일, 내측 격벽(136-1, 136-2)이 원형 평면 형상을 가질 경우 내측 격벽(136-1, 136-2)은 일체이고, 외측 격벽(136-3, 136-4)이 원형 평면 형상을 가질 경우 외측 격벽(136-3, 136-4)은 일체일 수 있다.

내측 격벽(136-1, 136-2)은 광축(LX)과 나란한 방향(예를 들어, z축 방향)으로 광 흡수부(140)의 광입구(OPL)와 중첩되는 제4 개구부(OP4)를 정의할 수 있다. 내측 격벽(136-1, 136-2)은 제3 개구부(OP3)를 통과한 산란된 광이 제5 개구부(OP5)로 진행하고, 제3 개구부(OP3)를 통과한 메인 광이 제4 개구부(OP4)로 진행함을 허용하는 높이(H1)를 가질 수 있다. 즉, 내측 격벽(136-1, 136-2)은 메인 광과 산란광을 분리하는 역할을 한다.

외측 격벽(136-3, 136-4)은 광축(LX)과 나란한 방향(예를 들어, z축 방향)으로 포토 다이오드(134-2)와 중첩되는 제5 개구부(OP5)를 내측 격벽(136-1, 136-2)과 함께 정의할 수 있다.

제5 개구부(OP5)의 폭(W4)은 2 ㎜ 내지 6 ㎜일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.

전술한 바와 같이 내측 격벽(136-1, 136-2)과 외측 격벽(136-3, 136-4)이 배치될 경우, 도 3에 화살표로 표기한 바와 같이, 제3 개구부(OP3)로 입사된 산란광이 광 감지부(134)의 포토 다이오드(134-2)로 진행할 수 있으며, 제3 개구부(OP3)로 입사된 메인 광이 광 흡수부(140)를 향해 진행할 수 있다.

한편, 수광부(130A)는 감지 지지부(138)를 더 포함할 수도 있으나, 경우에 따라, 감지 지지부(138)는 생략될 수도 있다.

감지 지지부(138)는 광 감지부(134)를 지지하는 역할을 하며, 도 3에 도시된 바와 같이 하우징(170)의 버텀부(176)와 별개로 구현될 수도 있고 도시된 바와 달리 하우징(170)의 버텀부(176)와 일체로 구현될 수도 있다.

한편, 일 실시 예에 의하면, 도 3에 예시된 바와 같이 광 흡수부(140)는 흡수 케이스(142) 및 돌출부(144)를 포함할 수 있다. 흡수 케이스(142)는 수광부(130A)를 통과한 광이 입사되는 광 입구(OPL)를 정의하며, 수광부(130A)를 통과한 메인 광을 수용하는 역할을 한다. 이를 위해, 흡수 케이스(142)의 내벽은 광 흡수성을 갖는 물질로 도포될 수 있다. 도 3의 경우, 흡수 케이스(142)와 하우징(170)의 버텀부(176)는 별개인 것으로 예시되어 있지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 즉, 후술되는 입자 센싱 장치(100D)에서와 같이, 하우징(170)의 버텀부(176)와 흡수 케이스(142)는 일체형일 수 있다. 즉, 하우징(170)의 버텀부(176)는 흡수 케이스(142)의 역할도 수행할 수 있다.

또한, 돌출부(144)는 흡수 케이스(142)의 바닥면으로부터 광 입구(OPL)를 향해 돌출된 형상을 가질 수 있다. 또한, 돌출부(144)의 폭은 흡수 케이스(142)의 바닥면으로부터 광입구(OPL)로 갈수록 좁아질 수 있다. 예를 들어, 도 3에 예시된 바와 같이 돌출부(144)는 원(추)형 단면 형상을 가질 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 이와 같이, 돌출부(144)가 배치될 경우, 광 입구(OPL)로 입사된 메인 광이 흡수 케이스(142)의 내벽에서 반사되어 광 입구(OPL)로 빠져 나가는 것이 방지되고, 광 입구(OPL)를 통해 입사된 메인 광을 흡수 케이스부(142)의 내벽으로 반사시킴으로써, 광 입구(OPL)로 입사된 메인 광의 흡수율을 개선시킬 수 있다.

도 29는 도 1에 도시된 입자 센싱 장치(100)의 또 다른 실시 예(100D)에 의한 단면도를 나타내고, 도 30은 도 29에 도시된 입자 센싱 장치(100D)의 측면도를 나타내고, 도 31은 도 29에 도시된 입자 센싱 장치(100D)의 상측 사시도를 나타낸다. 도 29 내지 도 31에서 도 3 내지 도 4 및 도 21 내지 도 28b에 도시된 바와 다른 부분에 대해서만 살펴본다. 따라서, 이하에서 설명되는 다른 부분 이외에 도 29 내지 도 31에 대해 설명되지 않은 부분은 도 3 내지 도 4 및 도 21 내지 도 28b에 대한 설명이 적용될 수 있음은 물론이다.

도 3, 도 21 및 도 23에 도시된 입자 센싱 장치(100A, 100B, 100C)에서 광원부(112A)의 패키징 형태가 SMD 타입인 반면, 도 29 내지 도 31에 도시된 입자 센싱 장치(100D)의 광원부(112A)는 돔 형태(또는, Through hole type) 형태의 LED일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 예를 들어, 돔 타입의 발광부(110B)의 직경(φ)은 3 ㎜ 내지 5 ㎜이고, view angle은 20°이하 일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.

또한, 포토 다이오드(134-2)의 동작 온도는 -10 ℃ 내지 50 ℃일 수 있으나, 실시 예는 포토 다이오드(134-2)의 특정한 동작 온도에 국한되지 않는다.

도 3, 도 21 및 도 23에 도시된 입자 센싱 장치(100A, 100B, 100C)의 렌즈부(114A)는 하나의 렌즈만을 포함하는 반면, 도 29 내지 도 31에 도시된 입자 센싱 장치(100D)의 렌즈부(114B)는 제1 및 제2 렌즈(114B-1, 114B-2)를 포함한다. 제1 렌즈(114B-1)는 광원부(112B)로부터 방출된 광을 평행광으로 변환시키는 역할을 하고, 제2 렌즈(114B-2)는 제1 렌즈(114B-1)로부터 출사되는 평행광을 제1 개구부(OP1)로 집광시키는 역할을 수행할 수 있다.

도 3, 도 21 및 도 23에 도시된 입자 센싱 장치(100A, 100B, 100C)의 경우, 하우징(170)의 탑부(172)와 발광 케이스(116)가 별개인 반면, 도 29 내지 도 31에 도시된 입자 센싱 장치(100D)의 경우 하우징(170)의 탑부(172)와 발광 케이스(116)는 일체형이다. 즉, 하우징(170)의 탑부가 발광 케이스(116)의 역할을 수행함을 알 수 있다.

도 29 내지 도 31에 도시된 입자 센싱 장치(100D)의 제1 유로부(120C)는 도 23 및 도 24에 도시된 제1 유로부(120C)와 마찬가지로 더블 노즐(DN)의 구조를 가질 수 있다. 따라서, 도 29 내지 도 31에 도시된 제1 유로부(120C)의 중복되는 설명을 도 23 및 도 24에 대한 제1 유로부(120C)의 설명으로 대신한다.

도 32는 도 29에 도시된 'C' 부분을 확대 도시한 단면도이다.

도 32를 참조하면, 수광 입사부(190)는 광 유도부(192), 커버 투광부(194) 및 광 차단부(196)를 포함할 수 있다.

광 유도부(192)는 산란부(SS)와 수광부(130B) 사이에 배치되어, 제3 개구부(OP3)를 정의할 수 있다. 여기서, 제3 개구부(OP3)의 특징은 도 3을 참조하여 전술한 제3 개구부(OP3)의 특징과 동일할 수 있다. 즉, 제3 개구부(OP3)는 산란부(SS)에서 입자(P)에 의해 산란된 광의 전체량의 20% 내지 80%가 수광부(130B)로 입사되기에 적합한 면적(예를 들어, x축 방향으로의 길이와 y축 방향으로의 폭을 갖는 면적)을 가질 수 있다. 또한, 입자(P)에 의해 산란된 광 중에서 광축(LX)을 기준으로 산란부(SS)의 중심에서 제5 개구부(OP5)까지가 좌우 합한 소정 각도(θ)가 24° 내지 60°예를 들어 60°의 범위에 있는 광이 수광부(130B)로 입사되기에 적합하도록, 제3 개구부(OP3)는 면적을 가질 수 있다. 이와 같이, 제3 개구부(OP3)의 면적을 조정함으로써, 수광부(130B)로 입사되는 광의 량이 조정될 수 있음을 알 수 있다.

또한, 제3 개구부(OP3)의 면적은 제1 개구부(OP1)의 면적과 다를 수 있다. 예를 들어, 제3 개구부(OP3)가 원형 평면 형상을 가질 경우, 제3 개구부(OP3)의 직경(D3)은 2 ㎜ 내지 10 ㎜일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.

예를 들어, 제1 개구부(OP1)의 면적이 제3 개구부(OP3)의 면적보다 클 수 있다. 이 경우, 발광부(110B)로부터 발생한 광의 초점이 산란부(SS)의 중앙보다 멀게 형성되어 메인 빔으로 인한 측정 오류를 줄일 수 있다.

광 차단부(196)는 산란부(SS)와 광 유도부(192) 사이에 배치되어 제6 개구부(OP6)를 정의할 수 있다. 제6 개구부(OP6)의 폭(W5)을 조정함으로써, 메인 광이 포토 다이오드(134-2)로 입사됨을 차단하거나, 수광부(130B)로 입사되어 광 흡수부(140)로 진행하는 메인 광의 량을 조정할 수 있다. 이와 같이 광 차단부(196)가 배치됨으로써 메인 광이 제5 개구부(OP5)를 통해 광 감지부(134)의 포토 다이오드(134-2)로 진행함이 차단될 수 있다. 여기서, 광 감지부(134)는 모듈 형태로 구현될 수 있다.

또한, 커버 투광부(194)는 제3 개구부(OP3)와 제6 개구부(OP6) 사이에 배치될 수 있다. 커버 투광부(194)는 수광부(130B)로 이물질이 입사됨을 차단하는 역할을 한다. 커버 투광부(194)가 배치됨으로써, 산란부(SS)를 지나가는 입자(P)가 수광부(130B)로 침투하는 것을 방지할 수 있어 제1 유로부(120C)에서 입자(P)의 흐름이 원활해질 수 있고 측정 오차를 줄일 수 있다. 이 경우 투광성 부재(132)의 제1 면(132-1)과 제2 면(132-2) 중 어느 면에 포토 다이오드(134-2, 134-21 내지 134-24)를 형성하더라도 이물질로 인한 포토 다이오드(134-2, 134-21 내지 134-24)의 손상도 막을 수 있다.

도 33은 도 29에 도시된 'D' 부분을 확대 도시한 단면도이다.

도 33에 도시된 광 감지부(134)와 광 가이드부(136B)는 투광성 부재(132)의 광축 주변에 배치될 수 있다. 광 감지부(132)와 광 가이드부(136B)는 투광성 부재(132)의 서로 상반되는 면에 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 33에 도시된 바와 같이, 광 감지부(134)는 투광성 부재(132)의 제2 면(132-2)에 배치되고, 광 가이드부(136B)는 투광성 부재(132)의 제1 면(132-1)에 배치될 수 있다. 또는, 도 25에 도시된 바와 달리, 광 감지부(134)는 투광성 부재(132)의 제1 면(132-1)에 배치되고, 광 가이드부(136B)는 투광성 부재(132)의 제2 면(132-2)에 배치될 수도 있다. 여기서, 제1 면(132-1)과 제2 면(132-2)은 도 25에 대한 전술한 설명에서 정의된 바와 같다. 이하, 광 감지부(134)는 투광성 부재(132)의 제2 면(132-2)에 배치되고, 광 가이드부(136B)는 투광성 부재(132)의 제1 면(132-1)에 배치되는 것으로 설명하지만 그 반대의 경우에도 하기의 설명은 적용될 수 있다.

내측 격벽(136-1, 136-2)의 구조가 다름을 제외하면, 도 33에 도시된 단면은 도 25에 도시된 단면과 동일하다. 따라서, 도 25에 도시된 단면과 동일한 부분에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하였으며 간략히 설명하며, 다른 부분에 대해서만 다음과 같이 중점적으로 설명한다.

내측 격벽(136-1, 136-2)은 제3 개구부(OP3)를 통과한 산란된 광이 제5 개구부(OP5)로 진행하고, 제6 개구부(OP6)를 통과한 메인 광이 제4 개구부(OP4)로 진행함을 허용하는 높이(H2)를 가질 수 있다. 예를 들어, 높이(H2)는 3.3 ㎜ 일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.

내측 격벽(136-1, 136-2) 각각은 제4 개구부(OP4)를 정의하는 내측부(136-11, 136-21) 및 내측부(136-11, 136-21)로부터 연장되어 외측 격벽(136-3, 136-4)과 함께 제5 개구부(OP5)를 정의하는 외측부(136-12, 136-22)를 포함할 수 있다. 원형 평면 형상을 갖는 제4 개구부(OP4)의 직경은 메인 빔의 포커싱 사이즈보다 커야 한다. 만일, 제4 개구부(OP4)의 직경이 2 ㎜보다 작을 경우 메인 빔의 전부가 제4 개구부(OP4)를 통과하지 못해 포토 다이오드(134-2, 134-21 내지 134-24)로 입사됨으로써 포토 다이오드(134-2, 134-21 내지 134-24)에서 산란 광이 센싱되지 못할 수도 있다. 또한, 제4 개구부(OP4)의 직경이 6 ㎜보다 클 경우, 슬릿의 구현이 어려울 수 있다. 따라서, 제4 개구부(OP4)의 직경은 2 ㎜ 내지 6 ㎜일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.

제5 개구부(OP5)의 폭(W4)은 1 ㎜ 내지 6 ㎜일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.

또한, 제5 개구부(OP5)의 폭(W4)은 외측부(136-12, 126-22)의 폭(W6)보다 클 수 있다. 예를 들어, 제5 개구부(OP5)의 폭(W4)은 1.1 ㎜이고, 외측부(136-12, 136-22)의 폭(W6)은 0.8 ㎜일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.

또한, 내측 격벽(136-1, 136-2)의 외측부(136-12, 136-22)와 내측부(136-11, 136-21)는 일체로 형성될 수 있다.

또한, 투광성 기판(132)의 제1 면(132-1)으로부터 제3 개구부(OP3)로 갈수록 외측부(136-12, 136-22) 또는 내측부(136-11, 136-21) 중 적어도 하나의 단면 폭은 감소할 수 있다. 즉, 내측부(136-11, 136-21)와 외측부(136-12, 136-22)의 구분은 산란된 빛이 각도를 가지고 포토 다이오드(134)로 잘 입사되게 하는 것이므로, 이와 같이 삼각형 단면 형상을 가질 수 있다.

또한, 도 33에 도시된 제4 개구부(OP4)의 면적(예를 들어, x축과 y축 방향의 면적)은 도 32에 도시된 제6 개구부(OP6)의 면적(예를 들어, x축과 y축 방향의 면적)보다 작을 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 이와 같이, 제4 개구부(OP4)의 면적보다 제6 개구부(OP6)의 면적을 크게 할 경우, 메인 빔이 포토 다이오드(134-2)로 진행하는 것이 더욱 잘 차단될 수 있다.

산란부(SS)는 복수의 개구부와 접할 수 있다. 즉, 산란부(SS)는 발광부(110A)와 제1 개구부(OP1)를 통해 연통하고, 제1 유로 중간부(FII1)(또는, 제2 유로 중간부(FII2))와 제2 개구부(OP2)를 통해 연통하고, 수광부(130A, 130B)와 제3 개구부(OP3) 또는 제6 개구부(OP6)를 통해 연통할 수 있다.

또 다른 실시예에 의하면, 도 17a 및 도 17b를 참조하여 전술한 노즐의 효과를 이용하여 산란부의 특정 공간에 공기 흐름을 집중시킬 수 있는 입자 센싱 장치를 도 34a 내지 도 34d를 참조하여 설명한다.

도 34a는 또 다른 실시 예에 따른 유로부 구조의 일례를 나타낸 측면도이고, 도 34b는 도 34a에 도시된 유로부 구조를 포함하는 입자 센싱 장치 구조의 일례를 나타내는 측면이도며, 도 34c 및 도 34d는 도 34a에 도시된 노즐부를 구비하는 유로부 구조의 효과를 설명하기 위한 시뮬레이션 결과를 각각 나타낸다.

도 34a를 참조하면, 노즐부(230)를 갖는 제2 유로부(200-13) 및 제1 유로 중간부가 생략된 제1 유로부(120’)가 도시된다. 여기서, 중간부가 생략된 제1 유로부(120’)는 편의상 도 34a 내지 도 38b에 도시된 실시예에 한하여 제1 유로부(120') 중 산란부(SS)에 해당하는 부분을 “제1 유로부(SS)”로, 제2 유로 중간부(FII2)에 해당하는 부분을 “제3 유로부(FII2)”라 각각 칭할 수도 있다. 이러한 경우, 제3 유로부(FII2)는 제1 유로부(SS)와 연통되어 공기를 유출하는 역할을 수행하는 것으로 볼 수 있다.

보다 상세히, 제2 유로부(200-13)는 외기가 유입되는 제1 만곡부(211-13), 제1 연장부(221-13), 제2 만곡부(213-13) 및 제1 유로부와 연통하는 노즐부(230)를 포함한다. 제1 만곡부(211-13)는 ?Y축 방향으로 외기 유입구를 가지며, 곡률(또는 곡률 반경)을 가지고 휘어져 공기의 흐름 방향을 변경(예컨대, Y축 방향에서 ?Z축 방향으로)시키며, 제1 연장부(221-13)와 연통한다.

제1 연장부(221-13)는 외기 유입구로 공기가 유입되는 방향과 상이한 방향(예컨대, 발광부의 광축과 평행한 방향)으로 연장될 수 있다.

제2 만곡부는 제1 연장부(221-13) 및 노즐부(230)와 연통하며, 곡률을 가지고 휘어져 공기의 흐름 방향을 다시 한 번 변경(예컨대, -Z축 방향에서 Y축 방향으로)시킨다. 따라서, 제1 만곡부(211-13)의 외기 유입구에서 공기가 유입되는 방향은 제1 유로부(120’)에서 공기가 유동하는 방향, 즉, 제1 유로부(120’)의 유입구에서 유출구까지 관통하는 방향에 상응할 수 있다.

여기서 노즐부(230)를 제외한 제2 유로부(200-13)의 유로 단면적 방향 단면의 직경은 제1 만곡부(211-13)의 외기 유입구 직경(D5)을 포함하여 균일할 수 있다. 다시 말하면, 제1 만곡부(211-13) 및 제2 만곡부(213-13) 각각의 외부 곡률반경과 내부 곡률반경의 차분은 외기 유입구 직경(D5)에 대응될 수 있다.

예컨대, 유입구 직경(D5)이 6 mm이고, 제1 만곡부(211-13) 및 제2 만곡부(213-13)의 중심 곡률비가 1이며(즉, 중심 곡률 반경이 R6), 제1 연장부(221-13)의 길이가 20mm이고, 노즐부(230)의 공기 유동 방향(즉, Y축)으로의 길이가 4mm인 것으로 가정하면, 총 유로의 길이는 약 43mm가 되어 전술된 최소 유로 길이 및 만곡부의 곡률비를 만족하게 된다. 또한, 노즐부(230)의 유출구 방향 직경(D6)은 나머지 제2 유로부(200-13) 직경의 1/2이하, 또는 1/3 이하(예컨대, D5가 6mm인 경우 D6은 2mm)일 수 있다. 다시 말하면, 노즐부(230)에서 제 2 만곡부(213-13)와 연통하는 직경은 제 1 유로부와 연통하는 직경(D6)보다 클 수 있다. 이러한 경우, 노즐부(230)는 (절두형) 원추 형상을 가질 수 있다.

아울러, 노즐부(230)의 공기 유동 방향(즉, Y축)으로의 길이는 산란부(SS)의 공기 유동방향(즉, Y축)으로의 길이(D1)의 2/5 내지 3/5 배(즉, 40 내지 60%)의 길이를 가질 수 있다.

제1 유로부(120’)는 제1 중간 유로부가 생략된 형태이되, 노즐부(230)와 연통하므로 제1 유로부(120’)의 유입구는 노즐부의 유출구 방향 직경(D6)에 대응되며, 제1 유로부(120’)의 유출구(OH) 직경(D7)은 제2 유로부의 직경(D5) 대비 1배 내지 4/3배 크기(예컨대, D6가 6mm인 경우 D7은 8mm)를 가질 수 있다. 따라서, 제1 유로부(120’)의 유출구 직경(D7)은 노즐부(230)의 최소 직경(D6)보다 클 수 있다. 또한, 제1 유로부(120’)의 유출구 직경(D7)은 외기 유입구 직경(D5)보다 클 수 있다.

물론, 전술된 각 유로부(200-13, 120’)의 구성 요소의 직경 및 길이의 비율은 예시적인 것으로 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 아울러, 제1 연장부(221-13)는 도 34a에서는 발광부의 광축과 평행한 Z축을 따라 연장되는 것으로, 제1 만곡부(211-13)와 제2 만곡부(213-13)는 곡률 반경에 대한 반경각도가 모두 90도에 해당하는 것으로 각각 도시되었으나, 이 또한 예시적인 것으로 보아야 한다. 예컨대, 제1 연장부(221-13)는 광축과 60도 이내의 예각을 갖는 방향으로 연장될 수 있으며, 제1 만곡부(211-13)와 제2 만곡부(213-13)는 곡률 반경에 대한 반경각도가 상이할 수 있다. 예컨대, 제1 연장부(221-13)가 광축과 60도를 이루는 방향으로 연장되는 경우, 제1 만곡부(211-13)와 제2 만곡부(213-13) 각각은 30도의 곡률 반경에 대한 반경각도를 각각 가질 수도 있다. 다른 예로, 제1 만곡부(211-13)가 갖는 곡률 반경에 대한 반경각도와 제2 만곡부(213-13)가 갖는 곡률 반경에 대한 반경각도의 합은 60도 내지 180도 의 범위를 가질 수도 있다.상술한 제2 유로부(200-13) 및 제1 유로부(120’)를 구비하는 입자 센싱 장치 구조의 일례가 도 34b에 도시된다. 도 34b를 참조하면, 광학부(110), 수광부(130), 광 흡수부(140)와 제1 유로부(120’)는 물론 제2 유로부(200-13)까지 하우징(170’) 내에 수용될 수 있다. 물론, 도 6에 도시된 입자 센싱 장치와 유사하게 노즐부(230)를 제외한 나머지 제2 유로부(200-13)는 하우징(170’) 외부에 배치될 수도 있으며, 제4 유로부가 추가로 구비될 수도 있다.

한편, 공기의 유동 방향을 기준으로 산란부(SS) 직전에 노즐부(230)가 구비됨으로 인해 입자를 포함하는 공기의 흐름이 산란부 내의 일정 공간 범위 내로 집중될 수 있다. 이를 도 34c 및 도 34d를 참조하여 설명한다.

도 34c에는 산란부(SS) 내의 공기의 흐름을 제1 유로부(120’)의 유출구(OH)에서 -Y축 방향으로 바라본 시뮬레이션 결과가 도시된다. 도 34c를 참조하면, 산란부(SS)에서 공기의 흐름은 X-Z 평면 중앙의 ‘E’부분에 집중됨을 알 수 있으며, ‘E’ 부분의 직경(D8)은 노즐부(230) 유출구의 직경(D6)에 대응된다.

이러한 산란부(SS) 내에서 공기의 흐름 집중은 바라본 방향을 달리한 시뮬레이션 결과인 도 34d에서도 ‘F’ 부분에서 명확히 드러난다. 결국, 노즐부(230) 유출구 직경과 위치를 조절한다면 산란부(SS) 내에서 공기의 흐름을 원하는 영역에 집중시킬 수 있게 된다, 따라서, 광학부(110)에서 산란부(SS)로 입사되는 광커튼의 위치 및 크기에 대응하도록 노즐부(230) 구조를 설계하면 보다 정확한 입자 센싱이 가능해진다.

전술한 노즐 구조와 정화된 공기를 활용하여 산란부(SS) 내에서 입자를 포함하는 공기의 흐름을 더욱 희망하는 공간에 집중시키면서도 산란부(SS) 내의 입자 축적을 방지할 수 있는 방안이 고려될 수 있다. 이를 도 35a 내지 도 35d를 참조하여 설명한다.

도 35a는 실시 예에 따른 이중 유로 구조를 갖는 유로부 구성의 일례를 나타내는 단면도이고, 도 35b는 도 35a의 ‘G’ 부분을 확대한 도면이며, 도 35c는 도 35a에 도시된 유로부 구조를 나타내는 사시도이고, 도 35d는 이중 유로 구조의 효과를 나타내는 산란부 주변의 공기 흐름 시뮬레이션 결과를 각각 나타낸다.

도 35a를 참조하면, 도시된 유로부의 구조는 전체적으로 도 34a와 유사하다. 다만, 제2 유로부(200-13’)가 직경이 상대적으로 큰 외측 유로(200-13A) 내부에 외측 유로(200-13A)와 동일 경로를 따라 연장되며, 직경이 상대적으로 작은 내측 유로(200-13B)가 수용되는 이중 유로 구조를 갖는다. 다시 말하면, 제2 유로부(200-13’)는 내측 유로(200-13A) 및 내측 유로(200-13A)와 이격되어 내측 유로(200-13A)를 감싸는 외측 유로(200-13B)를 포함한다. 예컨대, 제2 유로부(200-13’)의 유로 단면적 방향의 단면 형상, 예컨대, 도 35c에 도시된 제2 유로부의 유입구(201)를 Y축 방향으로 바라본 바와 같이 내측 유로(200-13A)의 원형 단면 형상과 외측 유로(200-13B)의 원형 단면 현상이 서로 이격된 동심원을 이룰 수 있다.

여기서, 도 35b에 도시된 바와 같이, 내측 유로(200-13A)의 내부면 내에 형성된 공간(3510)으로 정의되는 경로(이하, 편의상 “내측 경로”)에는 전술한 바와 같이 입자를 포함하는 외부 공기가 유동한다. 또한, 내측 유로(200-13A)의 외부면과 외측 유로(200-13B)의 내부면 사이에 형성되는 공간(3520)으로 정의되는 경로(이하, 편의상 “외측 경로”)에는 입자를 포함하지 않거나 상대적으로 입자를 적게 포함하는 공기가 유동할 수 있다. 이를 위해, 외측 경로에는 공기 청정기나 차량 공조기 등에 배치되는 입자 필터(미도시)를 거친 공기(이하, 편의상 “정화된 공기”라 칭함)가 공급될 수 있다.

각 경로를 통해 유입된 공기는 ‘G’부분의 노즐 구조로 인해 산란부(SS)내에 함께 분사된다. 비록 산란부(SS) 내에 입자를 포함하는 외부 공기와 정화된 공기가 함께 분사되지만, 도 35d에 도시된 시뮬레이션 결과와 같이 노즐을 떠난 공기는 산란부(SS) 내에서 확산되지 않고 ‘H’부분에 집중된다. 특히, 정화된 공기가 에어 커튼의 역할을 수행하여 입자를 포함하는 공기는 ‘I’ 부분을 벗어나지 않고 유출구까지 진행하게 된다.

상술한 이중 유로 구조를 통하여 입자를 포함하는 공기가 산란부(SS) 내에서 확산되는 현상을 보다 확실히 방지할 수 있으며, 이로 인해 산란부(SS) 내에 입자가 축적되는 현상 또한 방지될 수 있는 효과가 있다.

지금까지 도 6 내지 도 20 및 도 34a 내지 도 35b에서는 외부 공기가 유로부로 유입되는 부분부터 산란부(SS)까지의 구조를 중심으로 설명하였다. 이하에서는 도 36 내지 도 38b를 참조하여 산란부(SS) 이후 공기가 외부로 배출되는 과정까지 통과하는 경로의 최적화된 구조를 설명한다.

전술된 바와 같이, 제1 유로부의 유입구로 들어온 공기가 유출구 측에 배치된 팬(180)에 의해 유출구 방향으로 유동되면서 산란부(SS)를 지날 때 공기에 포함된 입자에서 산란된 산란광이 수광부(130)에 입사된다. 이때 팬(180)의 성능이 충분하지 못한 경우, 유입구의 유속이 빠른 경우, 산란부(SS)와 유출구 사이의 제2 유로 중간부의 유로 형상 등의 이유로 산란부 내부에서 입자를 포함한 공기가 유출구로 빠져나가지 못하고 맴돌 수 있다.

도 36은 도 34a에 도시된 제1 유로부 구조에서 발생할 수 있는 현상 및 대응책으로의 격벽 구조를 설명하기 위한 도면이다. 도 36의 (a)를 참조하면, 제1 유로부(120’)의 산란부(SS)와 유출구(OH) 사이의 제2 유로 중간부(FII2) (또는, 제1 유로부(SS)와 제3 유로부(FII2) 사이)에 어떠한 구조물도 배치되지 않은 경우, 도 36의 (b)에 도시된 시뮬레이션 결과와 같이 유출구로 나가지 못한 공기(3610)가 제2 유로 중간부에서 산란부로 역류되어 돌아오는 현상이 발생한다. 역류되어 돌아온 공기에 의해 실제 측정 대상보다 많은 입자가 수광부(130)에서 감지될 수도 있으며 산란부(SS) 내에 입자가 쌓일 수도 있다.

이러한 현상을 방지하기 위해, 도 36의 (c)와 같이 산란부(SS)와 제2 유로 중간부(FII2) 사이에 소정 높이(D9)의 격벽부(3620) 형성을 고려해볼 수 있다. 격벽부(3620)는 유로 외측에서 바라본 경우 제2 유로 중간부(FII2)에 일부 직경이 작은 구간이 배치되는 것으로 보일 수도 있다. 그러나, 격벽부(3620)는 유로 내부에서는 내측벽에서 유로 단면의 중심 방향으로 D9에 해당하는 높이 만큼 돌출되어, 유출구(OH)에서 산란부(SS) 방향으로 유로 내측벽을 따라 발생하는 공기의 역류를 막는 역할을 수행하는 것으로 볼 수 있다. 여기서, 격벽부(3620)는 제3 유로부(FII2)의 공기 유출 기능을 고려할 때, 제1 유로부(SS)와 제3 유로부(FII2) 사이에서 각각을 연통하는 “제1 유출 연장부(3620)”라 칭할 수도 있다.

도 37은 실시 예에 따른 다양한 격벽 구조를 설명하기 위한 도면이다.

먼저, 도 37의 (a)에 도시된 바와 같이 유로 내측면에서 유로 단면의 중심 방향으로 모든 원주 방향에 걸쳐, 높이(D9)가 유출구(OH) 직경(D7)의 1/8에 해당하는 환형 단면 형상을 갖는 격벽부(3620A)가 배치되는 경우를 가정한다. 이때 공기 흐름은 도 37의 (b)와 같이 격벽부(3620A)의 높이가 충분하지 못하여 여전히 역류(3630)를 수반한다.

도 37의 (c)와 같이 격벽부(3620B)를 Z축을 기준으로 최저점과 최고점으로부터 직경 중심 방향으로 유출구(OH) 직경(D7)의 1/4에 해당하는 높이만큼 X축 방향으로 평행하게 배치할 수도 있다. 이러한 경우, 도 37의 (d)에 나타난 바와 같이 격벽부(3620B)의 높이가 너무 높아 산란부(SS)에서 유출구로 향하는 공기의 일부(3640)가 격벽부(3620B)에 막혀 산란부(SS) 내에서 맴돌게 되는 문제가 있다.

도 37의 (e)와 같이, 도 37의 (c)의 격벽부(3620B)와 유사한 형태를 갖되 Z축 방향의 최고점과 최저점에서 유로 단면의 중심 방향으로의 높이(D9)를 반으로 줄인 격벽부(3620C)가 배치되는 경우, 도 37의 (f)와 같이 산란부(SS) 내에서 공기가 맴도는 현상과 유출구에서 산란부(SS) 방향으로 역류하는 공기도 해결됨을 볼 수 있다. 따라서, 격벽부(3620C)의 높이는 유로(즉, 유출구) 직경의 1/16 내지 1/8 사이의 범위를 가질 수 있다. 예컨대, 유출구 직경(D7)로 직경이 8mm인 경우, 격벽부(3620C)의 높이는 0.5mm 내지 1mm의 범위를 가질 수 있다. 이는 격벽부(3620C)의 높이가 0.5mm 미만인 경우 역류 방지 효과를 기대하기 어렵고, 1mm를 초과하는 경우 산란부(SS) 내에서 공기가 맴돌 수 있기 때문이다.

이와 같이 유로의 단면에서 원주방향 전체에 격벽부가 형성되는 대신 Z축 방향을 기준으로 상하로만 형성되는 경우 (즉, 제1 유출 연장부(3620)의 광축 방향(예를 들어, Z축 방향)으로의 길이가 제1 유로부(SS)의 직경 및 제3 유로부(FII2)의 직경보다 작은 경우), 입자 감지의 정확도에 영향을 미치는 광축 방향에서의 역류나 산란부에서 맴도는 공기로 인한 입자의 중첩이 방지될 수 있는 효과가 있다. 뿐만 아니라, 측벽(즉, X축 방향을 기준으로 양단)방향으로는 격벽부가 형성되지 않기 때문에 전체 유로 단면적이 급격히 줄어드는 문제 또한 방지될 수 있다. 아울러, 측벽 방향에서 역류가 다소 발생하더라도, 노즐부를 통해 공기가 집중되어 흐르는 영역에 광축 방향을 따라 입사되는 광커튼의 크기와 위치가 대응된다면, 역류된 공기에 포함되는 입자가 센싱 정확도에 미치는 영향은 미미하게 된다.

다음으로, 제1 유로부의 유출구를 통과한 공기가 입자 센싱 장치의 최종 유출구를 거쳐 외부로 나갈 때까지 유동하는 배기 경로의 최적화가 고려될 수 있다.

제2 유로부의 유입구 또는 제4 유로부의 외기 유입구와 최종 유출구의 방향은 같은 평면에 있을 수도 있고 서로 다른 평면에 있을 수도 있다. 또한, 배기 경로도 외부 빛의 유입을 방지할 수 있는 구조를 가지는 것이 바람직하며, 이를 위해 1회 이상의 공기의 흐름 방향 변경이 수반되며, 충분한 길이를 가질 필요가 있다. 물론, 팬(180)의 성능에 따라 공기의 흐름 방향 변경이 너무 많아도 내부에 입자가 쌓일 가능성이 있다.

예컨대, 배기 경로는 제1 유로부의 유출구 직경을 기준으로 최소 1/2 내지 10배의 길이, 또는 5/8 배 내지 5배의 길이를 가질 수 있다. 즉, 제1 유로부의 유출구 직경이 8mm라 가정하면, 배기 경로의 길이는 5mm 내지 최대 40mm의 범위를 가질 수 있다. 물론, 이는 예시적인 것으로 팬(180)의 성능이나 입자 센싱 장치의 전체 크기 제약에 따라 이보다 적은 최대 범위를 가질 수도 있다. 이를 고려한 실시 예에 따른 배기 경로를 도 38a 및 도 38b를 참조하여 설명한다.

도 38a 및 도 38b는 실시 예에 따른 팬 및 출측 유로부 구조의 일례를 나타낸다.

도 38a를 참조하면, 도 34a에 도시된 유로 구조를 기본으로, 제1 유로부(120’)의 유출구에 팬(180)이 배치된다. 팬(180)에는 배기 경로를 형성하는 출측 유로부(410)가 Z축 방향으로 연장된다. 이때, 출측 유로부(410)는 전체 입자 센싱 장치의 슬림화를 위해 x-y 평면을 기준으로 장방형 단면 형상을 가질 수 있으며, 외부 빛의 유입 방지를 위해 최종 유출구(420)는 X축 방향으로 배치될 수 있다.

따라서, 이러한 팬(180), 출측 유로부(410) 및 최종 유출구(420)의 배치 관계로 인해, 제1 유로부(120’)의 유출구에서 Y축 방향으로 진행하던 공기는 Z축 방향으로 흐름 방향이 1회 변경되고, 최종 유출구에서 다시 X축 방향으로 흐름 방향이 변경되어 총 2회의 방향 변경을 수반하게 된다.

도 38b를 참조하면, 도 34a에 도시된 유로 구조를 기본으로, 제1 유로부(120’)의 유출구에 팬(180)이 배치됨은 도 38a와 유사하다. 다만, 제3 유로부(FII2)와 팬(180)의 사이에는 제2 유출 연장부(500)가 구비될 수 있으며, 팬(180)에는 배기 경로를 형성하는 출측 유로부가 -Z축 방향으로 연장된다. 즉, 제2 유출 연장부(500)는 제3 유로부(FII2)와 연통하여 팬(180)과 연결되는 것으로 볼 수 있다. 이때, 제2 유출 연장부(500)의 광축(예를 들어, Z축) 방향으로의 직경은 팬(180)과 가까워질수록 증가할 수 있다.

출측 유로부는 팬(180)에서 ?Z축 방향으로 연장되는 제1 출측 연장부(411’), 출측 만곡부(412’) 및 제2 출측 연장부(413’)를 포함할 수 있다. 제1 출측 연장부(411’) 로부터 유입되는 공기는 출측 만곡부(412’)에서 흐름 방향이 변경(예를 들어, -Z축 방향에서 ?Y축 방향)될 수 있다. 출측 만곡부(412’)에서 흐름 방향이 변경된 공기는 흐름 방향을 유지하면서 제2 출측 연장부(413’)를 통과하여 ?Y축 방향으로 배치된 최종 유출구(420’)를 통해 외부로 배출될 수 있다.

여기서, 제1 출측 연장부(411’), 출측 만곡부(412’) 및 제2 출측 연장부(413’)가 도 38a와 유사하게 장방형 유로 단면 형상을 가지며, 제1 출측 연장부(411’)가 하우징(미도시)의 제1 면에 접하고, 제2 출측 연장부(413’)가 해당 하우징(미도시)에서 제1 면과 인접한 제2 면에 접하는 경우 배기 경로가 입자 센싱 장치의 전체 크기에 미치는 영향이 최소화될 수 있다. 또한, 길이 측면에서 제1 유로부(120’)의 유출구 직경이 8mm라 가정할 때, 제1 출측 연장부(411’)가 Z축 방향으로 5mm의 길이를 갖고, 제2 출측 연장부(413’)가 Y축 방향으로 30mm의 길이를 가지며, 출측 만곡부(412’)가 3mm의 중심 곡률 반경을 갖는 경우 배기 경로의 총 길이는 약 40mm가 되어, 전술한 최적 길이 조건을 만족할 수 있다.

다음으로, 도 39를 참조하여 정보 분석부를 보다 상세히 설명한다.

도 39는 도 1에 도시된 정보 분석부(160)의 일 실시 예의 블럭도로서, 증폭부(162) 및 제어부(164)를 포함할 수 있다.

증폭부(162)는 수광부(130A, 130B)(또는, 신호 변환부(150))로부터 입력단자 IN2를 통해 입사된 전기적 신호를 증폭하고, 증폭된 결과를 제어부(164)로 출력할 수 있다. 제어부(164)는 증폭부(162)에서 증폭된 아날로그 신호와 펄스 폭 변조(PWM:Pulse Width Modulation) 기준 신호를 비교하고, 비교된 결과를 이용하여 입자(P)의 개수, 농도, 크기 또는 형상 중 적어도 하나를 분석하고, 분석된 결과를 출력단자 OUT2를 통해 출력할 수 있다.

전술한 실시 예에 의한 입자 센싱 장치(100, 100A 내지 100D)는 다음과 같은 효과를 갖는다.

먼저, 팬(180)을 마련함으로써, 유로 입구부(FI)로 유입된 공기가 산란부(SS)를 거쳐서 유로 출구부(FO)로 유동하도록 공기의 흐름이 유도될 수 있다. 따라서, 공기에 포함된 많은 입자(P)가 제1 유로부(120)로 유입되어 센싱될 수 있어, 입자(P)의 센싱 능력이 개선될 수 있다.

또한, 기존의 경우, 광을 광축 방향으로 먼지를 향해 조사하고, 먼지에서 산란된 광을 광축의 측방에서 센싱하여 먼지에 대한 정보를 분석하였다. 이러한 기존의 측방형 먼지 센싱 장치와 달리, 실시 예에 의한 입자 센싱 장치는 입자(P)를 포함하는 공기가 유동하는 경로에 위치한 산란부(SS)로 광을 광축 방향으로 조사하고, 입자(P)에서 산란된 광을 광축 방향의 측방이 아니라 광축 방향과 나란한 방향에서 센싱하여 입자(P)에 대한 정보를 분석한다. 이와 같이, 실시 예에 의한 입자 센싱 장치는 전방형 입자 센싱 장치이다.

또한, 실시 예의 경우, 포토 다이오드(134-2)를 복수의 감지 세그먼트(134-21, 134-22, 134-23, 134-24)로 분할하고, 분할된 복수의 감지 세그먼트(134-21, 134-22, 134-23, 134-24)에서 감지된 상대적 크기를 이용하여 입자의 형상을 예측할 수도 있다.

만일, 광 흡수부(140)가 수광부(130: 130A, 130B) 위에 배치될 경우, 광 흡수부(140)에서 흡수되지 못한 메인 광이 수광부(130: 130A, 130B)에 흡수됨으로써 광 노이즈가 야기될 수 있으므로 이를 방지하기 위해 광 흡수부(140)의 매우 정교한 설계가 요구된다. 또한, 조립 공차, 렌즈 위치 공차 등 여러 요인에 의한 공차를 반영하기 매우 까다로워진다.

반면에, 실시 예의 경우, 투광성을 갖는 중앙부(134-1)를 포함하는 광 감지부(134)를 사용하고, 광 흡수부(140)를 수광부(130: 130A, 130B)의 아래에 배치함으로써, 수광부(130: 130A, 130B) 위에 배치할 때보다 광 흡수부(140)의 설계가 쉬워지며, 메인 빔으로 인한 산란광 검출 저하의 문제를 개선할 수 있다.

실시 예의 경우, 팬(180)을 구비하거나 제1 유로부(120)의 구조를 변경하여 즉, 제1 유로부(120)의 단면적보다 제1 개구부(OP1)의 면적을 크게 한다든지 더블 노즐 구조를 갖도록 하므로, 입자(P)를 포함하는 공기를 열 유동에 의해 흘리는 측방형과 비교할 때, 실시 예의 경우 측정되는 입자(P)가 많아지고 광 커튼을 산란부(SS)에 형성함으로써 제1 유로부(120)를 흐르는 모든 입자를 센싱할 수 있으므로, 기존과 달리 입자(P)의 개수를 카운팅할 수 있는 등, 센싱하는 정확도가 개선된다.

또한, 실시 예의 경우, 전술한 바와 같이 측방형보다 센싱하는 산란광의 세기가 높으므로, 산란광의 세기를 높이기 위해 소모 전력이 많이 필요하지 않은 장점이 있다.

또한, 실시 예에 의한 입자 센싱 장치의 경우 제1 유로부(120)에서의 공기 흐름을 위해 열원(미도시)이 필요하지 않으므로, 비교 례에 의한 측방형 대비하여 입자 센싱 장치의 전체 사이즈가 컴팩트하게 줄어들기 때문에, 소형 입자 센싱 장치를 요구하는 분야 예를 들어 차량용으로 적합하게 이용될 수 있다.

또한, 광 가이드부(136A, 136B)를 포토 다이오드(134-2)의 상부에 배치함으로써, 산란광이 포토 다이오드(134-2)에서 더욱 잘 센싱되도록 할 수 있어, 감지되는 광의 강도를 개선될 수 있다.

전술한 실시 예에 의한 입자 센싱 장치는, 가전용 및 산업용 공기청정기, 공기정화기, 공기 세정기, 공기 냉각기, 에어컨에 적용될 수도 있고, 빌딩용 공기 질 운영 시스템(Air Quality management system), 차량용 실내/외 공조 시스템 또는 차량용 실내 공기질 측정 장치에 적용될 수 있다. 그러나, 실시 예에 의한 입자 센싱 장치(100, 100A 내지 100D)는 이러한 예에 국한되지 않고 다양한 분야에 적용될 수 있음은 물론이다.

이상에서 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100, 100A 내지 100D: 입자 센싱 장치 110, 110A, 110B: 발광부
120, 120A, 120B, 120C: 제1 유로부 130, 130A, 130B: 수광부
140: 광 흡수부 150: 신호 변환부
160: 정보 분석부 170: 하우징
180: 팬(fan) 200: 제2 유로부
300: 제4 유로부

Claims (20)

1. 광을 방출하는 발광부;
   상기 발광부 아래에서 상기 발광부의 광축과 교차하게 배치되며, 입자를 포함하는 공기가 유동하는 제1 유로부;
   상기 제1 유로부와 연통하고, 외부로부터 유입된 공기를 상기 제1 유로부로 유출하는 제2 유로부;
   상기 제1 유로부 아래에서 상기 광축에 배치되며, 상기 제1 유로부를 통과한 광이 입사되는 수광부;
   상기 수광부 아래에서 상기 광축에 배치되며, 상기 수광부를 통과한 광을 흡수하는 광흡수부;
   상기 제 1유로부와 연통되어 상기 공기를 유출하는 제3 유로부; 및
   상기 제 3유로부와 상기 제 1유로부 사이에서 각각을 연통하는 제1 유출 연장부를 포함하고,
   상기 제2 유로부는,
   제1 직경이 정의되고 공기를 유입하는 유입구를 포함하되 곡률을 가지고 휘어지는 제1 만곡부;
   상기 제1 만곡부와 연통하여 연장하는 연장부;
   상기 연장부와 연통하고, 곡률을 가지고 휘어지는 제2 만곡부; 및
   상기 제2 만곡부 및 상기 제1 유로부와 연통하는 노즐부;를 포함하고,
   상기 노즐부는,
   상기 제2 만곡부와 연통하는 직경이 상기 제1 유로부와 연통하는 직경보다 크고,
   상기 제1 유출 연장부의 상기 광축 방향으로의 길이는 상기 제1 유로부가 갖는 제2 직경 및 상기 제3 유로부가 갖는 제3 직경보다 작은 입자 센싱 장치.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 유입구는 상기 공기를 제1 방향으로 유입하고,
   상기 제1 만곡부는 상기 곡률을 가지고 상기 제1 방향으로부터 제2 방향으로 상기 공기의 흐름 방향을 변경하는 경로를 제공하며,
   상기 제1 방향은 상기 제1 유로부의 관통 방향과 상응하는 입자 센싱 장치.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 연장부는 상기 제1 직경을 가지고 제2 방향으로 연장되며,
   상기 제2 방향은, 상기 광축과 평행한 방향과 상응하는 입자 센싱 장치.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 노즐부의 최소 직경은, 상기 제2 직경보다 작은 입자 센싱 장치.
5. 제4 항에 있어서,
   상기 노즐부는 원추 형상인 입자 센싱 장치.
6. 제5 항에 있어서,
   상기 노즐부의 제1 방향 길이는, 상기 제2 유로부의 제1 방향 길이의 40~60% 이내인 입자 센싱 장치.
7. 제2 항에 있어서,
   상기 제2 방향은 상기 광축과 60도 이하의 예각을 가지고
   상기 제1만곡부 및 제 2만곡부는 각각 곡률에 대한 제1 반경각도 및 제2 반경각도를 가지고,
   상기 제1 반경각도 및 제2 반경각도의 합은 60도 내지 180도인 입자 센싱 장치.
8. 제4 항에 있어서,
   상기 제2 직경은, 상기 제1 직경보다 큰 입자 센싱 장치.
9. 제1 항에 있어서,
   상기 제3 유로부와 연통하여 팬과 연결되는 제 2 유출 연장부를 더 포함하고,
   상기 제2 유출 연장부의 광축방향 직경은, 상기 팬과 가까워질수록 증가하는 입자 센싱 장치.
10. 제1 항에 있어서,
    상기 제3 유로부와 연통하여, 외부로 공기를 유출시키는 출측 유로부를 더 포함하고,
    상기 출측 유로부는,
    제2 방향으로 연장하는 제1 출측 연장부;
    상기 출측 유로부와 연통하고, 곡률을 가지고 제1 방향으로 연장하는 출측 만곡부; 및
    상기 출측 만곡부와 연통하고, 상기 제2 방향으로 연장하는 제2 출측 연장부를 포함하는 입자 센싱 장치.
11. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 만곡부 및 상기 제2 만곡부는,
    외부 곡률반경과 내부 곡률반경의 차이 값이 상기 제 1 직경과 상응하는 입자 센싱 장치.
12. 광을 방출하는 발광부;
    상기 발광부 아래에서 상기 발광부의 광축과 교차하게 배치되며, 입자를 포함하는 공기가 유동하는 제1 유로부;
    상기 제1 유로부와 연통하고, 외부로부터 유입된 공기를 상기 제1 유로부로 유출하는 제2 유로부;
    상기 제1 유로부 아래에서 상기 광축에 배치되며, 상기 제1 유로부를 통과한 광이 입사되는 수광부; 및
    상기 수광부 아래에서 상기 광축에 배치되며, 상기 수광부를 통과한 광을 흡수하는 광흡수부;
    를 포함하고,
    상기 제2 유로부는
    상기 공기를 유입하는 유입구;
    상기 유입된 공기를 유출하는 유출구;
    상기 유입구 및 유출구와 연통하고, 곡률을 가지고 휘어지는 제1 만곡부;
    상기 제1 만곡부와 연통하여 연장하는 제1 연장부;
    상기 제1 연장부와 연통하고, 곡률을 가지고 휘어지는 제2 만곡부;
    상기 제 2 만곡부와 연통하여 연장하는 제 2 연장부;
    상기 제 2 연장부와 연통하고, 곡률을 가지고 휘어지는 제 3 만곡부; 및
    상기 제3 만곡부와 연통하는 노즐부;를 포함하는
    입자 센싱 장치.
    
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제
16. 삭제
17. 삭제
18. 삭제
19. 삭제
20. 삭제

Images