KR102514582B1 - 단일 열원을 사용하여 가스 및 먼지를 감지하는 복합 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시 예에 따른 단일 열원을 사용하여 가스 및 먼지를 감지하는 복합 센서는 베이스, 제1 공간 상에 가스 센서 및 제1 광원을 포함하는 가스 센서 모듈, 제2 공간 상에 먼지 센서, 렌즈 및 제2 광원을 포함하는 먼지 센서 모듈 및 제1 광원에서 발생된 열을 먼지 센서 모듈로 전달하는 전열벽을 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 단일 열원을 사용하여 가스 센서 및 먼지 센서를 구동함으로써, 가스 및 먼지를 감지하는 복합 센서 및 그의 동작 방법에 관한 것이다.
적외선은 전자기적 방사 스펙트럼(Electromagnetic radiation spectrum)의 한 부분으로 0.75μm에서 1mm까지의 특정 파장 범위를 가진다. 가스 분자들은 상호 결합된 여러 개의 원자들로 구성되고, 이런 결합들은 항상 각각의 고유진동수(Natural frequency)를 가지는 진동(Vibration)과 회전(Rotation)을 수행하는데, 진동운동과 회전운동의 주파수들은 원자들의 크기와 결합 힘이 크게 작용하는 함수관계를 갖는다. 이때 고유진동수는 원자 상호간 결합과 분자구조에 의한 기계적 파에서 오지만 이론적으로는 전자기파와 비슷하다. 그리고 고유진동수는 가스들의 화학적 분자구조에 의해 서로 다른 값을 가지며, 주어진 분자와 결합구조에서는 항상 같다. 따라서 가스의 구성 물질과 분자구조에서 나타나는 고유진동수 특성들은 각각의 지문처럼 사용되어, 주어진 가스의 분자구조를 확인하는 단서를 제공한다.
적외선 광원램프에 의해 방사된 적외선이 가스 분자들과 상호 영향을 미칠 때, 에너지 영역대의 특정 부분은 가스 분자의 고유진동수와 같은 진동수를 가지며, 나머지 다른 에너지 영역의 적외선이 투과되는 동안 흡수된다.
가스 분자가 동일한 진동수를 갖는 특정 영역대의 적외선 에너지를 흡수할 때, 분자는 에너지를 얻고 더욱 크게 진동한다. 이러한 진동은 가스 분자의 온도가 상승하는 결과를 가져오며, 가스 분자에 의해 흡수된 적외선은 광원 원래의 세기를 잃게 된다. 이때 온도는 가스 농도에 비례해서 증가하게 되고 광의 세기는 가스농도에 반비례해서 감소하게 되는데, 감소된 방사 에너지는 전기적 신호로써 감지된다.
적외선을 이용한 가스 감지방법은 분산식(Dispersive)과 비분산식(Non Dispersive)으로 나눌 수 있다. 분산식 적외선 감지방법은 가스의 화합물들의 정성분석을 위해 사용하는 방법으로, 적외선 광원램프를 포함하여, 다양한 파장을 분석하기 위한 슬릿 선택기(Slit selector)와 광학 거울, 프리즘, 격자가 들어있는 가스 샘플 셀(Sample cell) 그리고 감지기(Detector), 전자증폭기 등으로 구성된다. 적외선을 화학화합물에 주사(Scanning)하면서 시간에 따라 파장을 변화시키면, 화합물의 흡수띠와 파장에 대한 곡선을 얻을 수 있다. 하지만 이 기술을 사용하는 장비들은 대부분 고정식으로 되어있고, 그 사이즈가 크기 때문에 가정용이나 산업용으로 사용하기 어렵다.
비분산적외선 감지 방법은 가스 샘플 내에 측정대상 가스의 유무에 따라 감지기에 도달하는 적외선 손실 정도의 비율을 측정하므로 정량적인 분석이 가능하며, 적외선을 분산시키기 위해 프리즘이나 격자가 필요하지 않고, 구성장치가 간단하기 때문에 센서로써 소형화할 수 있다.
이와 같은 비분산적외선 가스센서(NDIR)는 측정대상 가스를 통과할 수 있도록 적외선을 방사하는 광원(Infrared source)과, 방사된 광원이 가스 혼합 분위기 내에서 외부로 분산되지 않고 측정 가스와 충분한 반응을 일으킬 수 있도록, 반사경으로 구성된 광 공동(Optical cavity)과, 측정 가스 분위기를 통과한 적외선 중 특정 파장영역 대의 감소량을 선택적으로 감지하기 위한 적외선 감지센서(IR Detecting Sensor)로 구성된다.
이때 우수한 감지특성을 갖는 비분산적외선 가스센서를 제작하기 위해서는, 광 공동에서 광 흡수량을 증가시키기 위해 광 경로(Optical path) 길이가 길어야 하고, 광이 적외선 감지센서에 집중(Focusing)되어야 하며, 측정파장 영역에 대한 적외선 감지센서의 민감도가 우수해야 한다.
대기 중의 이산화탄소는 대기 중에서 화학적으로 매우 안정한 기체로 지구 온난화를 발생시키는 주 원인으로 환
경문제를 비롯하여 건물의 실내 공조 및 원예용 온실 내 이산화탄소 농도 조절의 필요성이 증가하고 있다.
현재 대기 중에 존재하는 이산화탄소 가스의 농도를 측정하는 방법으로 광학적인 방법(NDIR 방식)을 가장 많이 사용하고 있는데, 이 방식은 이산화탄소가 특정파장의 적외선만을 흡수하는 원리를 이용하여 적외선의 흡수정도를 측정함으로서 이산화탄소 농도를 측정하는 방식이다.
이 장치는 선택성과 정량성 및 재현성이 우수하다는 장점이 있으나, 측정을 위해서 밀폐된 공간이 필요하며 구성요소들과 필터들의 물리적인 크기 때문에 부피가 크고 매우 무겁다는 문제점이 있었다. 또한 구동부 및 측정 소자가 매우 고가이며 제어를 위한 처리부의 구성이 복잡하므로 전체적인 측정 장비의 가격이 높을 수밖에 없어 그 용도가 매우 다양함에도 불구하고 광범위하게 활용되고 있지 못하고 있다. 특히 열악한 환경에 노출될 경우 광학계가 오염되기 쉽기 때문에 사용범위가 실내로 제한되는 단점이 있다.
이산화탄소 농도를 측정하기 위한 또 다른 방식으로는 SnO2 혹은 TiO2 등의 반도체 화합물을 이용한 반도체형 가스 센서가 이용되고 있는데, 이는 가스 입자가 반도체 화합물의 표면에 흡착되었을 때 나타나는 저항변화를 통해 가스의 농도를 측정하는 원리이며, 작은형태의 센서 제작이 가능하다는 장점이 있으나, 흡착되는 서로 다른
종류의 가스입자를 구분하기가 어렵기 때문에 가스 선택성이 현저히 떨어지는 단점이 있다.
이에 비해 고체전해질을 이용한 가스 센서는 단순한 구조를 가지며 작은 소자 형태의 센서제작이 가능 할 뿐 만 아니라, 특정한 가스만 선택적으로 감지하는 감지전극을 이용함으로써 가스 선택성을 높이고 가스농도의 정량적인 측정이 가능하다는 장점이 있다. 또한 가격이 저렴할 뿐만 아니라 산화물을 사용하기 때문에 극한 환경에서도 안정적으로 사용할 수 있는 장점이 있다.
먼지 센서는 공기 청정기 등의 공조 시스템은 오염된 공기를 정화하여 신선한 공기로 바꿔주는 장치로서, 오염된 공기를 팬으로 흡입하고, 필터에 의해 미세한 먼지나 세균류를 집진하여 체취나 담배 냄새를 탈취한다. 또한, 실내 공기 중에 포함된 먼지의 농도와 크기를 감지하면 그 정도에 따라 공조 시스템의 운전 시작 여부를 판단하고, 그 판단을 통해 팬 회전수를 제어하므로 실내의 오염된 공기를 적절하게 정화할 수 있어 효율적인 운전이 가능하다.
본 발명의 일 과제는, 가스 센서와 먼지 센서를 구동하는데 있어서 단일 열원을 사용하도록 하여 저전력 복합 센서를 제공하도록 하는 것이다.
본 발명의 다른 과제는, 단일 열원을 통해 가스 센스와 먼지 센서를 하나의 사용패키지로 구성하도록 하여 소형 복합 센서를 제공하도록 하는 것이다.
본 발명의 또 다른 과제는, 전기화학식 가스 센서를 먼지 센서 내부에서 구동하도록 하여 소형 복합 센서를 제공하도록 하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 단일 열원을 사용하여 가스 및 먼지를 감지하는 복합 센서는 베이스, 제1 공간 상에 가스 센서 및 제1 광원을 포함하는 가스 센서 모듈, 제2 공간 상에 먼지 센서, 렌즈 및 제2 광원을 포함하는 먼지 센서 모듈 및
제1 광원에서 발생된 열을 먼지 센서 모듈로 전달하는 전열벽을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 단일 열원을 사용하여 가스 및 먼지를 감지하는 복합 센서의 전열벽은, 베이스의 돌출부로 형성되고, 먼지 센서 모듈의 개구부에 위치하고, 가스 센서 모듈의 개방면을 막고, 제1 공간과 상기 제2 공간을 차폐한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 단일 열원을 사용하여 가스 및 먼지를 감지하는 복합 센서의 전열벽은, 베이스의 돌출부로 형성되고, 가스 센서 모듈의 일측벽 및 먼지 센서 모듈의 일측벽 각각과 접촉한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 단일 열원을 사용하여 가스 및 먼지를 감지하는 복합 센서의 전열벽은, 먼지 센서 모듈의 일측벽에 형성되고, 베이스의 상부면에 결합되고, 가스 센서 모듈의 개방면을 막고, 제1 공간을 차폐한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 단일 열원을 사용하여 가스 및 먼지를 감지하는 복합 센서의 전열벽은, 가스 센서 모듈의 일측벽에 형성되고, 베이스의 상부면에 결합되고, 먼지 센서 모듈의 개구부를 막고, 제2 공간을 차폐한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 단일 열원을 사용하여 가스 및 먼지를 감지하는 복합 센서의 가스 센서 모듈은 제1 하우징을 포함하고, 제1 공간은 제1 하우징과 베이스가 결합하여 형성되고, 제1 하우징은 일측벽에 가스가 들어오는 가스유입구 및 다른 일측벽에 가스가 나가는 가스유출구를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 단일 열원을 사용하여 가스 및 먼지를 감지하는 복합 센서의 가스 센서 모듈은 제1 공간 상에 오목거울을 더 포함하고, 오목거울은 제1 광원으로부터 나오는 빛을 가스 센서 방향으로 전달한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 단일 열원을 사용하여 가스 및 먼지를 감지하는 복합 센서의 먼지 센서 모듈은 제2 하우징을 포함하고, 제2 공간은 제2 하우징과 베이스가 결합하여 형성되고, 제2 하우징은 일측벽에 먼지가 들어오는 먼지유입구 및 다른 일측벽에 먼지가 나가는 먼지유출구를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 단일 열원을 사용하여 가스 및 먼지를 감지하는 복합 센서의 먼지 센서는 제2 공간 상에서 이동하는 먼지들 중 기 정해진 크기 이상의 먼지들을 감지하고, 제2 공간 상에서 이동하는 먼지들은 전열벽으로부터 전달되는 열에 의해 먼지유출구로 이동한다.
본 발명의 효과는 다음과 같다.
본 발명의 다양한 실시 예들 중 일 실시 예에 따르면, 가스 센서와 먼지 센서를 구동하는데 있어서 단일 열원을 사용하도록 하여 저전력 복합 센서를 제공하도록 하는 장점이 있다.
본 발명의 다양한 실시 예들 중 다른 실시 예에 따르면, 단일 열원을 통해 가스 센스와 먼지 센서를 하나의 사용패키지로 구성하도록 하여 소형 복합 센서를 제공하는 기술적 효과가 있다.
본 발명의 다양한 실시예들 중 또 다른 실시예에 따르면, 전기화학식 가스 센서를 먼지 센서 내부에서 구동하도록 하여 소형 복합 센서를 제공하도록 하는 기술적 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 복합 센서의 전체적인 구조를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 복합 센서의 전체적인 구조를 도시한 평면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 복합 센서의 전열벽 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 복합 센서의 전열벽 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 복합 센서의 전열벽 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 복합 센서의 전열벽 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 복합 센서에서 제1 공간 내 제1 광원에 의해 발생되는 열이 전열벽을 통해 제2 공간으로 전달되는 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 복합 센서에 포함되는 가스 센서 모듈의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 복합 센서의 가스 센서 모듈에서 빛을 검출하는 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 복합 센서의 가스 센서 모듈의 가스 센서의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 복합 센서의 전체적인 구조를 도시한 사시도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 의한 복합 센서에 포함되는 먼지 센서의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 복합 센서의 전체적인 구조를 도시한 평면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 복합 센서의 전열벽 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 복합 센서의 전열벽 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 복합 센서의 전열벽 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 복합 센서의 전열벽 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 복합 센서에서 제1 공간 내 제1 광원에 의해 발생되는 열이 전열벽을 통해 제2 공간으로 전달되는 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 복합 센서에 포함되는 가스 센서 모듈의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 복합 센서의 가스 센서 모듈에서 빛을 검출하는 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 복합 센서의 가스 센서 모듈의 가스 센서의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 복합 센서의 전체적인 구조를 도시한 사시도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 의한 복합 센서에 포함되는 먼지 센서의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명과 관련된 실시 예에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 복합 센서의 전체적인 구조를 도시한 사시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 복합 센서(100)는 베이스(110), 가스 센서 모듈(120), 먼지 센서 모듈(130) 및 전열벽(140)을 포함할 수 있다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 복합 센서(100)는 가스 센서 모듈(120)과 먼지 센서 모듈(130)을 동시에 포함함으로써, 가스와 먼지를 동시에 감지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 복합 센서(100)에 포함되는 가스 센서 모듈(120)의 경우, 가스 센서를 이용하여 이산화탄소 등의 가스를 감지할 수 있다. 가스 센서 모듈(120)은 제1 하우징을 포함하고, 제1 하우징과 베이스(110)가 결합하면서 제1 공간이 형성될 수 있다. 가스 센서 모듈(120)은 제1 공간 상에서 제1 광원(126)과 가스 센서(128)를 포함할 수 있다. 제1 광원(126)과 가스 센서(128)는 각각 베이스(110)의 상부면 중 일 영역에 결합될 수 있다. 가스 센서 모듈(120)의 제1 하우징은 일측벽에 가스가 들어오는 가스유입구(122) 및 다른 일측벽에 가스가 나가는 가스유출구(124)를 포함할 수 있다. 나아가, 가스 센서 모듈(120)은 제1 공간 상에 오목거울을 더 포함할 수 있고, 오목거울은 가스 센서 모듈(120)의 제1 광원(126)으로부터 나오는 빛을 가스 센서(128) 방향으로 전달할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 센서(100)에 포함된 가스 센서 모듈(120)은 비분산적외선 가스센서(NDIR) 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 복합 센서(100)에 포함되는 먼지 센서 모듈(130)의 경우, 먼지 센서를 이용하여 기 설정된 타입 및 기 정해진 크기 이상의 먼지들을 감지할 수 있다. 먼지 센서 모듈(130)은 제2 하우징을 포함하고, 제2 하우징과 베이스(110)가 결합하면서 제2 공간이 형성될 수 있다. 먼지 센서 모듈(130)은 제2 공간 상에서 먼지 센서(136), 렌즈(137) 및 제2 광원(138)을 포함할 수 있다. 제2 광원(138)과 먼지 센서(136)는 각각 베이스(110)의 상부면 중 일 영역에 결합될 수 있다. 먼지 센서 모듈(130)의 제2 하우징은 일측벽에 먼지가 들어오는 먼지유입구(132) 및 다른 일측벽에 먼지가 나가는 먼지유출구(134)를 포함할 수 있다. 따라서, 먼지유입구(132)를 통해 유입된 먼지들이 기 설정된 영역 내로 들어오게 되면 제2 광원(138)으로부터 나온 빛과의 산란 과정을 거치면, 먼지 센서(136)에서 먼지를 감지할 수 있다. 또한, 먼지유입구(132)를 통해 유입된 먼지들은 전열벽(140)으로부터 전달되는 열에 의해 먼지유출구(134)로 이동할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 복합 센서(100)에 포함되는 전열벽(140)의 경우, 가스 센서 모듈(120)의 제1 광원(126)에서 발생된 열을 먼지 센서 모듈(130)로 전달할 수 있다. 전열벽(140)은 다양한 형태로 구현될 수 있다. 일 예로서, 전열벽(140)은 베이스(110)의 돌출부로 형성되고, 먼지 센서 모듈(130)의 개구부에 위치하고, 가스 센서 모듈(120)의 개방면을 막고, 제1 공간과 제2 공간을 차폐할 수 있다. 다른 일 예로서 전열벽(140)은 베이스(110)의 돌출부로 형성되고, 가스 센서 모듈(120)의 일측벽 및 먼지 센서 모듈(130)의 일측벽 각각과 접촉하도록 형성될 수 있다. 또 다른 일 예로서, 전열벽(140)은 먼지 센서 모듈(130)의 일측벽에 형성되고, 베이스(110)의 상부면에 결합되고, 가스 센서 모듈(120)의 개방면을 막는 형태로 구현되거나, 가스 센서 모듈(120)의 일측벽에 형성되고, 베이스(110)의 상부면에 결합되고, 먼지 센서 모듈(130)의 개구부를 막는 형태로 구현될 수 있다. 전열벽(140)의 다양한 형태와 관련해서는 도3 내지 도 6에서 자세히 설명하도록 하겠다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 복합 센서의 전체적인 구조를 도시한 평면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 복합 센서(200)는 베이스(210), 가스 센서 모듈(220), 먼지 센서 모듈(230) 및 전열벽(240)을 포함할 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 복합 센서(200)는 가스 센서 모듈(220)과 먼지 센서 모듈(230)을 동시에 포함함으로써, 가스와 먼지를 동시에 감지할 수 있다. 도 1에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 복합 센서(200)의 가스 센서 모듈(220)은 제1 광원(222)을 포함하고, 먼지 센서 모듈(230)은 제2 광원(232)을 포함할 수 있다. 가스 센서 모듈(220)은 제1 광원(222)으로부터 발생되는 빛을 이용하여 가스를 검출하며, 제1 광원(222)으로부터 발생되는 열은 전열벽(240)을 통해 먼지 센서 모듈(230) 내 제2 공간 상으로 전달될 수 있다. 전열벽(240)을 통해 제2 공간 상으로 전달되는 열은 먼지를 위쪽으로 대류시킬 수 있다. 먼지 센서 모듈(230)은 전열벽(240)을 통해 전달되는 열에 의해 대류되는 먼지들이 제2 광원(232)에서 발생되는 빛을 만나 일으키는 빛의 산란 과정을 검출하여 먼지들을 감지할 수 있다.
도 1 및 도 2와 같이 복합센서를 설계함으로써, 설계자는 종래 먼지 센서 모듈에서 먼지들을 대류시키기 위한 별도의 열원을 제거하고, 가스 센서 모듈에 포함되 광원을 열원으로 사용할 수 있고, 그 결과 전력 소모 감소 및 센서 크기 감소의 기술적 효과를 불러 일으킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 복합 센서의 전열벽 구조를 설명하기 위한 단면도이다. 도 3은 도 1의 AA'선의 단면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 복합 센서(300)는 베이스(310), 가스 센서 모듈(320), 먼지 센서 모듈(330) 그리고 전열벽(340)을 포함할 수 있다. 본 발명의 제1 실시예에 따른 복합 센서(300)의 전열벽(340)은 베이스(310)의 돌출부로 형성될 수 있다. 또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 복합 센서(300)의 전열벽(340)은 먼지 센서 모듈(330)의 개구부에 위치할 수 있다. 또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 복합 센서(300)의 전열벽(340)은 가스 센서 모듈(320)의 개방면을 막을 수 있다. 나아가, 본 발명의 제1 실시예에 따른 복합 센서(300)의 전열벽(340)은 제1 공간(322) 및 제2 공간(332)을 차폐할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 복합 센서(300)의 전열벽(340)은 베이스(310)의 돌출부로 형성될 수 있고, 가스 센서 모듈(320)의 제1 하우징(324)의 일측면이 베이스(310)의 상부면과 결합하고, 제1 하우징(324)의 다른 일측면이 전열벽(340)의 일측면과 결합할 수 있고, 제1 하우징(324)이 베이스(310)와 전열벽(340)과 결합하면서 제1 공간(322)이 형성될 수 있다. 제1 공간(322)에는 도 1에서 설명한 바와 같이 가스 센서 및 제1 광원 등이 포함될 수 있다. 또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 복합 센서(300)의 전열벽(340)은 베이스(310)의 돌출부로 형성될 수 있고, 먼지 센서 모듈(330)의 제2 하우징(334)의 일측면이 베이스(310)의 상부면과 결합하고, 제2 하우징(334)의 다른 일측면이 전열벽(340)의 상부면과 결합할 수 있고, 제2 하우징(334)이 베이스(310)와 전열벽(340)과 결합하면서 제2 공간(332)이 형성될 수 있다. 제2 공간(332)에는 도 1에서 설명한 바와 같이 먼지 센서, 렌즈 및 제2 광원 등이 포함될 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 복합 센서의 전열벽 구조를 설명하기 위한 단면도이다. 도 4는 도 1의 AA'선의 단면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 복합 센서(400)는 베이스(410), 가스 센서 모듈(420), 먼지 센서 모듈(430) 그리고 전열벽(440)을 포함할 수 있다. 본 발명의 제2 실시예에 따른 복합 센서(400)의 전열벽(440)은 베이스(410)의 돌출부로 형성될 수 있다. 또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 복합 센서(400)의 전열벽(440)은 가스 센서 모듈(420)의 일측벽 및 먼지 센서 모듈(430)의 일측벽 각각과 접촉될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 복합 센서(400)의 전열벽(440)은 베이스(410)의 돌출부로 형성될 수 있고, 가스 센서 모듈(420)의 제1 하우징(424)의 하부면이 베이스(410)의 상부면과 결합하고, 제1 하우징(424)이 베이스(410)와 결합하면서 제1 공간(422)이 형성될 수 있다. 제1 공간(422)에는 도 1에서 설명한 바와 같이 가스 센서 및 제1 광원 등이 포함될 수 있다. 또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 복합 센서(400)의 전열벽(440)은 베이스(410)의 돌출부로 형성될 수 있고, 먼지 센서 모듈(430)의 제2 하우징(434)의 하부면이 베이스(410)의 상부면과 결합하고, 제2 하우징(434)이 베이스(410)와 결합하면서 제2 공간(432)이 형성될 수 있다. 제2 공간(432)에는 도 1에서 설명한 바와 같이 먼지 센서, 렌즈 및 제2 광원 등이 포함될 수 있다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 복합 센서의 전열벽 구조를 설명하기 위한 단면도이다. 도 5는 도 1의 AA'선의 단면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 복합 센서(500)는 베이스(510), 가스 센서 모듈(520), 먼지 센서 모듈(530) 그리고 전열벽(540)을 포함할 수 있다. 본 발명의 제3 실시예에 따른 복합 센서(500)의 전열벽(540)은 먼지 센서 모듈(530)의 일측벽에 형성될 수 있다. 또한, 본 발명의 제3 실시예에 따른 복합 센서(500)의 전열벽(540)의 하부면은 베이스(510)의 상부면과 결합될 수 있다. 또한, 본 발명의 제3 실시예에 따른 복합 센서(500)의 전열벽(540)은 가스 센서 모듈(520)의 개방면을 막을 수 있고, 가스 센서 모듈(520)의 개방면을 막음으로써, 제1 공간(522)을 차폐할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 복합 센서(500)의 전열벽(540)은 먼지 센서 모듈(530)의 일측벽에 형성될 수 있고, 먼지 센서 모듈(530)의 제2 하우징(534)의 하부면이 베이스(510)의 상부면과 결합할 수 있고, 제2 하우징(534)의 하부면이 베이스(510)의 상부면과 결합하면서 제2 공간(532)이 형성될 수 있다. 그리고, 가스 센서 모듈(520)의 제1 하우징(524)은 일측면이 베이스(510)의 상부면과 결합될 수 있고, 다른 일측면이 제2 하우징(534)의 일측면과 결합될 수 있고, 제1 하우징(524)이 베이스(510) 및 제2 하우징(534)과 결합하면서 제1 공간(522)이 형성될 수 있다. 또한, 본 발명의 제3 실시예에 따른 복합 센서(500)의 전열벽(540)은 제2 하우징(534)의 일부로 형성될 수 있고, 제2 하우징(534)의 일측벽 중에서 제1 하우징(524)과 제2 하우징(534)이 연결되는 부분 아래 쪽 벽이 전열벽(540)일 수 있다.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 복합 센서의 전열벽 구조를 설명하기 위한 단면도이다. 도 6은 도 1의 AA'선의 단면도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제4 실시예에 따른 복합 센서(600)는 베이스(610), 가스 센서 모듈(620), 먼지 센서 모듈(630) 그리고 전열벽(640)을 포함할 수 있다. 본 발명의 제4 실시예에 따른 복합 센서(600)의 전열벽(640)은 가스 센서 모듈(620)의 일측벽에 형성될 수 있다. 또한, 본 발명의 제4 실시예에 따른 복합 센서(600)의 전열벽(640)의 하부면은 베이스(610)의 상부면과 결합될 수 있다. 또한, 본 발명의 제4 실시예에 따른 복합 센서(600)의 전열벽(640)은 먼지 센서 모듈(630)의 개구부를 막을 수 있고, 먼지 센서 모듈(630)의 개구부를 막음으로써, 제2 공간(632)을 차폐할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제4 실시예에 따른 복합 센서(600)의 전열벽(640)은 가스 센서 모듈(620)의 일측벽에 형성될 수 있고, 가스 센서 모듈(620)의 제1 하우징(624)의 하부면이 베이스(610)의 상부면과 결합할 수 있고, 제1 하우징(624)의 하부면이 베이스(610)의 상부면과 결합하면서 제1 공간(622)이 형성될 수 있다. 그리고, 먼지 센서 모듈(630)의 제2 하우징(634)은 일측면이 베이스(610)의 상부면과 결합될 수 있고, 다른 일측면이 제1 하우징(624)의 일측면과 결합될 수 있고, 제2 하우징(634)이 베이스(610) 및 제1 하우징(624)과 결합하면서 제2 공간(632)이 형성될 수 있다. 또한, 본 발명의 제4 실시예에 따른 복합 센서(600)의 전열벽(640)은 제1 하우징(624)의 일측벽에 형성되고, 전열벽(640)의 상부면이 제2 하우징(634)의 일측면과 결합될 수 있다.
도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 복합 센서는 다양한 형태의 전열벽을 포함할 수 있고, 어떠한 형태의 전열벽을 사용하든 제1 공간의 제1 광원으로부터 발생되는 열을 제2 공간으로 전달할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 복합 센서에서 제1 공간 내 제1 광원에 의해 발생되는 열이 전열벽을 통해 제2 공간으로 전달되는 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 복합 센서(700)는 가스 센서 모듈(720), 먼지 센서 모듈(730) 및 전열벽(740)을 포함할 수 있다. 가스 센서 모듈(720)은 제1 광원(722)을 포함할 수 있고, 제1 광원(722)에서는 빛과 함께 열이 발생할 수 있다. 가스 센서 모듈(720)의 제1 공간은 제1 광원(722)에서 발생된 열로 인해 온도가 상승할 수 있다. 제1 공간의 온도가 상승함과 동시에 제1 공간의 열은 전열벽(740)을 통해 먼지 센서 모듈(730)의 제2 공간으로 전달될 수 있다.
도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 전열벽(740)을 통해 제2 공간으로 전달된 열에 의해서 먼지 센서 모듈(730)의 먼지유입구(732)를 통해 들어온 먼지들이 먼지유출구(734) 방향으로 이동할 수 있다.
종래 먼지 센서 모듈에서는 먼지유입구를 통해 들어온 먼지들을 먼지유출구로 이동시키기 위해서는 먼지 센서 모듈 내에 별도의 열원이 필요하였다. 그러나, 도 7과 같이 설계함으로써, 하나의 열원만 사용하면서 가스 센서 모듈과 먼지 센서 모듈을 모두 구동시킬 수 있고, 먼지 센서 모듈 내에 별도의 열원이 필요 없으므로 전력 소모 감소 및 센서 모듈 소형화의 기술적 효과가 발생할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 복합 센서에 포함되는 가스 센서 모듈의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 8의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 복합 센서에 포함되는 가스 센서 모듈(820)은 제1 광원(822), 오목거울(824), 가스 센서(826), 가스유입구(828) 및 가스유출구(829)를 포함할 수 있다. 우선, 본 발명의 일 실시예에 의한 복합 센서에 포함되는 가스 센서는 NDIR 가스 센서일 수 있다. 도 8에는 도시하지 않았으나, 가스 센서 모듈(820)에는 제1 광원(822), 가스 센서(826) 뿐만 아니라 광 도파관이 더 포함될 수 있다. 제1 광원(822)의 경우 백열등이 일반적으로 많이 사용되며 이에 대해서는 도 9에서 자세히 설명한다. 오목거울(824)의 경우 제1 광원(822)으로부터 나오는 빛을 가스 센서(826) 방향으로 전달하는 역할을 하고, 가스 센서(826)는 가스유입구(828)로부터 들어와서 가스유출구(829)로 나가는 가스 들 중 특정 가스에 반응하는 적외선을 검출할 수 있다. 도 8은 복합 센서에 포함되는 가스 센서 모듈 중 NDIR 가스 센서 모듈을 도시한 것이고, NDIR 가스 센서 모듈 외에 다른 가스 센서 모듈이 본 발명의 복합 센서에서 사용될 수 도 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 복합 센서의 가스 센서 모듈에서 빛을 검출하는 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 8의 가스 센서 모듈(820)의 제1 광원(822)은 백열등 및 이와 동일한 발광특성을 갖는 모든 광원을 포함할 수 있다. 백열등은 필라멘트에 전류가 인가되어 빛을 방출하는 과정에서 그 빛의 밝기는 일정한 자연시간 동안 성장곡선의 패턴으로 증가한다. 이러한 패턴은 인가되는 전류 및 전압의 세기 그리고 필라멘트의 물성에 의해 결정된다. 여기서 여기서 필라멘트의 물성은 전기전도도(electric conductivity), 열전도도(thermal conductivity) 및 전구 내에 채워져 있는 가스의 열적 특성(thermal property)을 총칭할 수 있다. 이러한 백열등에 전원을 인가하여 구동시키면 최대 밝기까지 도달하는데 일정 시간이 소요되며, 이렇게 백열등이 최대 밝기까지 도달하는 시간 동안 백열등의 밝기는 성장곡선의 패턴을 갖는다. 이러한 성장 곡선을 나타내는 함수가 포함하는 파라미터는 인가되는 전원의 전압 또는 전류의 양을 내포하는 파라미터와 필라멘트의 물성을 내포하는 파라미터로 구성된다. 일반적으로 이러한 함수는 이론적 해석을 통해 도출되나 이론적 해석이 불가한 경우라도 기존의 유사 함수로부터 적절한 함수를 찾을 수 있으며 이 함수의 파라미터는 상호 독립적이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 복합 센서의 가스 센서 모듈의 가스 센서의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 8에 도시된 가스 센서 모듈(820)의 가스 센서(826)는 써모파일이 사용될 수 있다. 써모파일은 열전효과를 이용하여 광을 검출한다. 이러한 써모파일은 수광부에 흑체(black)가 있어 광을 흡수하여 온도가 상승하고, 이에 따라 발생하는 온도 차이에 의해 전압을 발생시키는 센서이다. 또한, 흑체는 광의 파장과 관계없이 흡수하므로 특정 파장의 광만을 검출하기 위해서는 수광부 전방에 해당 파장대의 투과 특성을 갖는 광 필터를 배치시킨다. 흑체의 수광부에 도달한 광은 흑체를 가열하며, 이렇게 가열된 열은 핫 정션(hot junction)으로 전달된다. 전달은 순식간에 진행되지 않고 일정한 시간의 지연을 통해 발생한다. 그러므로 콜드 정션(cold junction)에서 발생하는 전압은 일정한 시간에 걸쳐 증가하게 되는데, 이러한 전압의 증가는 성장곡선의 패턴을 갖는다. 결과적으로 가스 센서(826)에서 출력되는 전압은 제1 광원(822)의 발광 패턴과 가스 센서(826)의 수광 패턴의 합이라 할 수 있으며, 그 패턴은 성장곡선을 갖는다고 할 수 있다.
도 11은 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 복합 센서의 전체적인 구조를 도시한 사시도이다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의한 복합 센서(1100)는 베이스(1110), 베이스(1110)의 상부면과 결합하여 공간을 형성하는 하우징(1120), 공간 내에서 베이스(1110)의 상부면과 결합하고, 고체전해질, 기준전극 및 감지전극을 포함하는 가스 센서(1130) 및 공간 내에서 베이스(1110)의 상부면과 결합하는 먼지 센서(1142), 렌즈(1144) 및 광원(1146)을 포함하고, 가스 센서(1130)는 동작하는 동안에 열을 발산하고, 먼지 센서(1142)는 가스 센서(1130)로부터 발산하는 열에 의해 이동하는 먼지들 중 기 정해진 크기 이상의 먼지들을 감지하고, 하우징(1120)은 일측벽에 가스 및 먼지가 들어오는 제1 개구부(1150) 및 다른 일측벽에 가스 및 먼지가 나가는 제2 개구부(1160)를 포함할 수 있다.
도 1에서 설명한 복합 센서(100)와는 달리 도 11의 복합 센서(1100)는 가스 센서로 NDIR 가스 센서가 아닌 전기화학식 가스 센서(1130)를 사용할 수 있다. 또한, 가스 센서(1130)는 동작하는 동안에 계속해서 열을 발산하므로, 제1 개구부(1150)로 유입된 먼지들이 열에 의해서 제2 개구부(1160)로 대류될 수 있다. 도 11의 복합 센서(1100)는 NDIR 가스 센서 대신 전기 화학식 가스 센서를 사용함으로써, 도 1의 제1 광원(126)이 필요 없으며, 가스 센서(1130) 자체를 먼지 센서(1142)와 하나의 공간 상에 배치할 수 있다. 그 결과 복합 센서 크기가 전체적으로 줄어들 수 있고, 전력 소모가 크게 감소되는 기술적 효과가 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 의한 복합 센서에 포함되는 먼지 센서의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 복합 센서에 포함되는 먼지 센서는 빛의 산란을 이용하는 방식으로서, 광원(예를 들어, LED)(1210)의 빛이 렌즈(1220)를 거쳐 조명 영역으로 조사될 때 센서 하부로부터 전달되는 열에 의해 먼지 입자들이 상승하고, 그 상승된 먼지 입자들이 조명영역을 통과할 때 먼지 크기에 비례하여 빛이 산란한다. 그리고, 광수신부(1240)에서 먼지 입자에 의해 산란된 빛을 렌즈(1220)를 통해 수신하고, 그 수신된 산란광의 강도에 비례하는 산란광 펄스를 발생시킴으로써, 먼지를 감지하게 된다.
상기와 같이 설명된 복합 센서는 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
Claims (10)
- 단일 열원을 사용하여 가스 및 먼지를 감지하는 복합 센서에 있어서,
베이스;
제1 공간 상에 가스 센서 및 제1 광원을 포함하는 가스 센서 모듈;
제2 공간 상에 먼지 센서, 렌즈 및 제2 광원을 포함하는 먼지 센서 모듈; 및
상기 제1 광원에서 발생된 열을 상기 먼지 센서 모듈로 전달하는 전열벽을 포함하되,
상기 가스 센서 모듈은 제1 하우징을 포함하고, 상기 제1 공간은 상기 제1 하우징과 상기 베이스가 결합하여 형성되고,
상기 제1 하우징은 일측벽에 가스가 들어오는 가스유입구 및 다른 일측벽에 가스가 나가는 가스유출구를 포함하는,
단일 열원을 사용하여 가스 및 먼지를 감지하는 복합 센서. - 제1 항에 있어서,
상기 전열벽은,
상기 베이스의 돌출부로 형성되고, 상기 먼지 센서 모듈의 개구부에 위치하고, 상기 가스 센서 모듈의 개방면을 막고, 상기 제1 공간과 상기 제2 공간을 차폐하는,
단일 열원을 사용하여 가스 및 먼지를 감지하는 복합 센서.
- 제1 항에 있어서,
상기 전열벽은,
상기 베이스의 돌출부로 형성되고, 상기 가스 센서 모듈의 일측벽 및 상기 먼지 센서 모듈의 일측벽 각각과 접촉하는,
단일 열원을 사용하여 가스 및 먼지를 감지하는 복합 센서.
- 제1 항에 있어서,
상기 전열벽은,
상기 먼지 센서 모듈의 일측벽에 형성되고, 상기 베이스의 상부면에 결합되고, 상기 가스 센서 모듈의 개방면을 막고, 상기 제1 공간을 차폐하는,
단일 열원을 사용하여 가스 및 먼지를 감지하는 복합 센서.
- 제1 항에 있어서,
상기 전열벽은,
상기 가스 센서 모듈의 일측벽에 형성되고, 상기 베이스의 상부면에 결합되고, 상기 먼지 센서 모듈의 개구부를 막는,
단일 열원을 사용하여 가스 및 먼지를 감지하는 복합 센서.
- 삭제
- 제1 항에 있어서,
상기 가스 센서 모듈은 상기 제1 공간 상에 오목거울을 더 포함하고,
상기 오목거울은 상기 제1 광원으로부터 나오는 빛을 상기 가스 센서 방향으로 전달하는,
단일 열원을 사용하여 가스 및 먼지를 감지하는 복합 센서. - 제1 항에 있어서,
상기 먼지 센서 모듈은 제2 하우징을 포함하고, 상기 제2 공간은 상기 제2 하우징과 상기 베이스가 결합하여 형성되고,
상기 제2 하우징은 일측벽에 먼지가 들어오는 먼지유입구 및 다른 일측벽에 먼지가 나가는 먼지유출구를 포함하는,
단일 열원을 사용하여 가스 및 먼지를 감지하는 복합 센서.
- 제8 항에 있어서,
상기 먼지 센서는 제2 공간 상에서 이동하는 먼지들 중 기 정해진 크기 이상의 먼지들을 감지하고,
상기 제2 공간 상에서 이동하는 먼지들은 상기 전열벽으로부터 전달되는 열에 의해 상기 먼지유출구로 이동하는,
단일 열원을 사용하여 가스 및 먼지를 감지하는 복합 센서.
- 단일 열원을 사용하여 가스 및 먼지를 감지하는 복합 센서에 있어서,
베이스;
상기 베이스의 상부면과 결합하여 공간을 형성하는 하우징;
상기 공간 내에서 상기 베이스의 상부면과 결합하고, 고체전해질, 기준전극 및 감지전극을 포함하는 가스 센서; 및
상기 공간 내에서 상기 베이스의 상부면과 결합하는 먼지 센서, 렌즈 및 광원을 포함하고,
상기 가스 센서는 동작하는 동안에 열을 발산하고,
상기 먼지 센서는 상기 가스 센서로부터 발산하는 열에 의해 이동하는 먼지들 중 기 정해진 크기 이상의 먼지들을 감지하고,
상기 하우징은 일측벽에 가스 및 먼지가 들어오는 제1 개구부 및 다른 일측벽에 가스 및 먼지가 나가는 제2 개구부를 포함하는,
단일 열원을 사용하여 가스 및 먼지를 감지하는 복합 센서.
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