KR20110092323A - 공중 부유 입자들을 감지하기 위한 센서 - Google Patents
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Abstract
센서 내의 통로를 통해 통과하는 기류 내의 약 10 nm 초과의 공중 부유 입자를 감지하는 것이 가능한 입자 센서가 개시된다. 센서는 기류 내의 공중 부유 입자를 하전하는 공중 부유 단극 이온을 생성하기 위한 고전압 방전 전극을 포함한다. 생성된 이온은 더욱이 센서 내의 카운터 전극과 방전 전극 사이의 이온 바람을 셋업하는데 사용된다. 이온 바람은 센서를 통해 기류를 유지하기 위한 구동력이고 청취 가능한 소음이 없이 센서 작동이 발생할 수 있게 한다. 기류 내의 하전된 입자의 존재는 모든 공중 부유 이온이 입자 감지 섹션의 상류측에 위치된 개별 스크리닝 전극에 의해 공기로부터 제거된 후에 석출 전극의 표면 상에 단위 시간당 석출하는 입자 결합 전하를 측정하는 입자 감지 섹션 내의 전류계에 의해 측정된다.
Description
본 발명은 10 nm 초과의 공중 부유 입자(airborne particle)들을 감지하기 위한 센서에 관한 것이다. 본 발명은 또한 센서를 포함하는 공기 조화 시스템 및 10 nm 초과의 공중 부유 입자들을 감지하기 위한 방법에 관한 것이다.
공중 부유 초미세 입자(UFP)는 대략 10 내지 500 nm의 범위의 직경을 갖는 입자이다. 기술 문헌에서, 용어 UFP는 종종 또한 300 nm 미만의 직경을 갖는 입자에 대해 사용된다. UFP의 흡입은 인간 건강에 유해한 것으로 알려져 있기 때문에, UFP 센서는 실내 및 실외 환경의 모두에서 공기의 품질, 특히 공기 내의 UFP 오염 레벨을 모니터링하기 위해 사용될 수 있다. 공중 부유 UFP로의 노출을 감소시키기 위한 적절한 수단이 UFP 센서 신호에 기초하여 필요한 것으로 간주될 때 이어서 취해질 수 있다. 예를 들어, 실내 환경으로부터 공중 부유 UFP를 제거하도록 배열된 공기 처리 시스템은 적어도 실제 실내 UFP 농도 레벨이 알려질 때 더 경제적으로 운전될 수 있다. 약 500 nm 미만의 UFP는 별개로, 또한 약 300 nm 내지 10 ㎛의 크기의 공중 부유 미세 입자(FP)가 관심이 있다. 입자의 클래스로서 FP는 UFP보다 덜 위험한 것으로 고려되지만, 10 ㎛ 미만의 임의의 공중 부유 입자는 흡입 가능하고 폐의 깊은 폐포 영역(alveolar region)에 도달하여 침전할 수 있기 때문에 잠재적으로 위험을 생성할 수 있다. 따라서, 또한 공중 부유 UFP의 측정과 함께 공중 부유 FP의 측정이 가치 있는 추구를 잔류시킨다.
실내 측정은 바람직하게는 사람들이 생활하거나 작업하는 또는 요리 영역과 같이 UFP가 생성되는 건물 내에서 수행된다. 가능한 한 적게 정상 인간 활동을 간섭하기 위해, UFP 센서는 소형이고, 눈에 띄지 않고 또한 무소음이어야 한다. UFP 농도는 상이한 방 사이에서 상당히 변할 수 있기 때문에, 다수의 측정점이 종종 단일의 주거 장소에 요구되고, 따라서 센서당 비용을 낮게 유지하는 것이 바람직하다.
계류중인 특허 출원 WO 2007/000710호는 전기 석출이 공중 부유 UFP의 크기 및 농도를 평가하는데 사용되는 UFP 센서 디바이스에 관한 것이다. 고전압 방전 전극이 공중 부유 이온을 생성하여 디바이스에 진입하는 기류 내로 방출하는데 사용된다. 공중 부유 이온의 부분은 기류 내의 UFP에 부착하여, 이에 의해 이들을 하전한다. 하전된 입자는 이어서 접지된 전도 패러데이 상자(Faraday cage) 내에 배치된 기계적 필터에 의해 포획된다. 하전된 입자의 농도는 기계적 필터 내부에 침전되는 입자 결합 전하의 양을 측정함으로써 평가될 수 있다. 필터에 도달하기 전에, 기류가 평행 플레이트 석출 섹션을 통해 통과하고, 여기서 정전기장이 제공되거나 제공되지 않을 수 있어 정전기 석출에 의해 기류로부터 특정 크기 범위의 하전된 입자의 부분을 각각 제거하거나 제거하지 않을 수 있다. 이는 2개의 상이한 측정 신호의 생성을 가능하게 하는데, 하나의 신호는 기류 내의 모든 하전된 입자의 측정과 관련되고, 다른 신호는 하전된 입자의 부분이 정전기 석출에 의해 기류로부터 제거된 후에 기류 내의 잔여 하전된 입자의 측정과 관련된다. 2개의 신호의 조합은 입자수 농도(본 명세서에 사용될 때, 입자수 농도는 공기의 단위 체적 내의 공중 부유 입자의 수임) 및 수-평균 입자 직경의 모두가 추측될 수 있게 한다.
WO 2007/000710호에 개시된 UFP 센서는 센서를 통한 기류의 크기가 주로 센서를 통해 공기를 흡인하는 펌프 또는 환기 장치의 특징에 의해 그리고 패러데이 상자 내부의 기계적 필터에 의해 초래된 압력 강하에 의해 결정되는 강건한 구성에 대해 유리하다. 센서의 공기 입구와 공기 출구 사이의 작은 환경 공기 압력 차이는 실질적으로 센서를 통한 기류에 영향을 미치지 않는다.
기류가 통과하는 센서 내부의 개방 공기 통로의 저부 단부에서 공기에 연속적으로 공급되는 열에 의해 유도된 열 굴뚝 효과에 의해 기류가 생성되는 센서가 또한 공지되어 있다. 이러한 기류를 유도하기 위해 요구되는 열 에너지는 센서의 작동을 덜 경제적이게 한다. 더욱이, 열 굴뚝 효과는 센서 내부의 공기 통로가 수직으로 위치될 때에만 효율적이고, 따라서 열 굴뚝 효과의 일반적인 적용 가능성을 제한한다.
본 발명의 목적은 센서의 무소음 작동이 바람직한 환경에서 사용을 위한 개량된 UFP 센서를 제공한다. 센서를 통해 기류를 생성하는데 활성인 구성 요소는 사실상 에너지가 없고(또는, 적어도 감소된 양의 에너지), 내구성이 있고, 콤팩트하며, 일반적으로 사실상 청취 가능한 소음이 없다(또는 적어도 매우 낮은 청취 가능한 소음).
본 발명의 제 1 양태에 따르면, (바람직하게는) 약 20 nm 초과와 같은 약 10 nm 초과의 공중 부유 입자를 감지하기 위한 센서가 제공된다. 센서는 개방 단부를 갖는 통로를 포함하고, 통로는 이하의 요소들:
- 공중 부유 단극 이온을 생성하기 위한 방전 전극,
- 공중 부유 이온을 끌어당기도록 적용된 공기 투과성 카운터 전극,
- 카운터 전극의 하류측에 위치된 공기 투과성 스크리닝 전극, 및
- 전기적으로 하전된 공중 부유 입자를 감지하기 위한 입자 감지 섹션이 배치되어 있다. 입자 감지 섹션은 스크리닝 전극의 하류측에 위치되어 있다.
카운터 전극은 방전 전극의 하류측에 위치되어, 실질적으로 하류측 방향에서 공중 부유 이온 상에 인력을 작용시킨다. 방전 전극에 의해 배출되어 카운터 전극을 향해 끌어당겨지는 이온은 공기를 통해 이동할 때 이들이 경험하는 점성 항력(viscous drag)을 통해 카운터 전극의 방향에서 합 공기 이동을 성취한다. 이 합 공기 이동은 통상적으로 이온 바람이라 칭하는 통로 내의 기류를 생성한다. 공중 부유 단극 이온의 부분은 기류 내의 공중 부유 입자 상에 흡착되어, 이에 의해 입자를 하전한다. 다수의 공중 부유 이온은 이어서 카운터 전극 상의 흡착에 의해 공기로부터 제거된다.
임의의 잔여 공중 부유 이온이 카운터 전극의 하류측에 배치된 스크리닝 전극에 의해 기류로부터 제거되어, 어떠한 공중 부유 이온도 입자 감지 섹션에 진입할 수 없고, 또는 적어도 제한된 수의 공중 부유 이온이 입자 감지 섹션에 진입할 수 있다. 스크리닝 전극에 의해, 전기장은 공중 부유 이온이 기류로부터 이들을 이동시키는 정전기력을 받게 되도록 생성된다. 따라서, 공중 부유 이온 상의 스크리닝 전극에 의해 인가된 정전기력은 기류가 이동하는 하류측 방향으로부터 별개의 제 2 방향에 있다. 따라서, 입자 감지 섹션에 진입하는 공기는 단지 하전된 공중 부유 입자만을 포함하고 어떠한 공중 부유 이온도 포함하지 않거나 적어도 제한된 수의 공중 부유 이온을 포함할 것이다.
당 기술 분야의 숙련자는 방전 전극 뿐만 아니라 카운터 전극이 이 실시예에서 적어도 2개의 목적을 담당한다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 센서의 작동 중에, 방전 전극은 한편으로는 이들을 검출하기 위해 필요한 전하를 공중 부유 입자에 제공하고 다른 한편으로는 공기 분자에 운동량을 전달함으로써 이온 바람을 생성하는 공중 부유 이온을 생성한다. 카운터 전극은 하류측 방향에서 정전기력을 공중 부유 이온에 인가하고 그 부근에서 공기로부터 공중 부유 이온의 적어도 일부를 제거하는 2중 작업을 충족하도록 적용되어, 공중 부유 이온이 입자 감지 섹션 내로 입자에 의해 운반되지 않는 공중 부유 전하를 도입함으로써 입자 검출 프로세스를 방해하지 않게 될 것이다.
유리한 실시예에서, 스크리닝 전극은 적어도 90도의 하류측 방향과의 각도를 이루는 방향을 정전기력을 공중 부유 이온에 인가한다. 바람직하게는, 정전기력은 기류 방향에 실질적으로 대향하여 지향된다. 특히, 상기 제 2 방향은 상류측 방향일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 입자 감지 섹션은 적어도 하나의 석출면 상에 전기적으로 하전된 공중 부유 입자의 적어도 일부의 정전기 석출을 유도하기 위한 전기장을 기류에 인가하기 위한 수단을 포함한다. 전기 석출은 훨씬 더 작은 기류 저항에서 실현될 수 있는 점에서 입자를 포획하기 위한 기계적 필터(섬유 필터와 같은)의 사용에 비해 장점을 표현한다. 이는 조우되는 기류 저항이 매우 작고 통상적으로 5 내지 10 Pa인 이온 바람에 의해 생성된 압력차보다 작을 때에만 이온 바람에 의해 유도된 기류가 확립될 수 있기 때문에 중요하다. 적합하게는, 인가된 전기장은 시간 도중에 가변적으로 형성될 수 있어, 부분적으로 및 전체적으로 석출 입자의 입자 크기 영역이 변경될 수 있다. 이는 공중 부유 입자의 크기 분포의 상대폭에서 식견을 얻는데 사용될 수 있다. 본 실시예에서, 입자 감지 섹션은 적어도 하나의 전류계를 추가로 포함한다. 적어도 하나의 전류계는 상기 적어도 하나의 석출면의 하나 이상에 전기적으로 접속되어, 이에 의해 석출면 또는 석출면들 상에 석출하는 임의의 전기적으로 하전된 공중 부유 입자의 전하를 지시하는 측정 신호를 생성한다. 측정된 전류는 석출면 상에 단위 시간당 침전하는 입자 결합 전하를 표현한다. 전기장을 변경함으로써 석출된 하전된 입자의 양의 편차 및 그에 따라 측정된 전류의 편차를 생성할 수 있다.
다른 실시예에서, 기류에 전기장을 인가하기 위한 수단은 서로 평행한 적어도 2개의 전도성 전극 요소를 포함한다. 전도성 요소 중 적어도 하나는 석출면을 포함한다. 전기장은 직선형 또는 원통형 형태로 구성될 수 있는 적어도 2개의 평행한 전도성 플레이트 사이의 기류 콘딧(conduit)을 가로질러 생성될 수 있다. 이는 필드가 본질적으로 콘딧 및 그에 따른 통로의 방향에 수직이라는 것을 의미한다. 평행한 전도성 플레이트의 분리는 기류를 상당히 방해하지 않게 하기 위해 충분히 커야 한다.
하전된 입자 석출을 가능하게 하기 위해 입자 감지 섹션 내부의 평행한 플레이트 전극 조립체를 사용하는 대신에, 대안적으로 적어도 2개의 평행한 거친 메시 금속 거즈(gauze) 전극의 스택을 적용할 수 있고, 이웃하는 거즈는 서로에 대해 상이한 전위에 설정된다. 거즈 전극의 평면은 거즈 자체가 공기 투과성이기 때문에 입자 감지 섹션을 통한 기류의 방향에 대해 상이한 배향이 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 스크리닝 전극은 서로 평행한 적어도 2개의 스크리닝 전극 요소를 포함한다. 스크리닝 전극 요소 사이의 전기장은 제 1 스크리닝 필드 강도(Escr ,1)와 제 2 스크리닝 필드 강도(Escr ,2) 사이의 시간 도중에 변경한다. 제 1 스크리닝 필드 강도는 실질적으로 모든 공중 부유 이온이 스크리닝 전극을 떠나기 전에 석출되고(즉, 필드 강도가 충분히 높고) 기류 내의 전기적으로 하전된 공중 부유 입자의 최대 20%가 스크리닝 전극을 떠나기 전에 석출되도록(즉, 필드 강도가 충분히 낮도록) 결정된다. 제 2 스크리닝 필드 강도는 제 1 스크리닝 필드 강도보다 높고, 사전 결정된 입자 크기 초과의 크기를 갖는 모든 하전된 공중 부유 입자의 부분이 스크리닝 전극을 통해 통과하도록 선택된다(즉, 충분히 낮다). 바람직하게는, 제 1 스크리닝 필드 강도는 단지 전기적으로 하전된 입자의 가능한 한 작은 부분만이 석출되도록 조절된다. 이 전략은 임의의 공중 부유 이온 또는 적어도 대부분의 공중 부유 이온이 입자 감지 섹션에 진입하는 것을 방지한다. 바람직하게는, 제 2 스크리닝 필드 강도는 약 10 내지 20 nm의 크기를 갖는 단일의 하전된 입자(즉, 단지 하나의 기본 전하만을 운반하는 입자)가 단지 부분적으로, 바람직하게는 90% 미만으로 스크리닝 전극을 떠나기 전에 석출되도록 조절된다. 다양한 스크리닝 필드 강도에 응답하여, 하전된 입자 석출이 입자 감지 섹션 내부에서 발생하는 석출 전극에 부착된 전류계에 의해 측정된 전류(Is)가 또한 제 1 전류값(I1)과 제 2 전류값(I2) 사이의 시간 도중에 변한다. 각각의 전류값들은 이들의 수 농도 및 이들의 수-평균 입자 크기의 견지에서 공중 부유 하전된 입자를 특징화하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 유리한 실시예에서, 센서는 기류 내의 공중 부유 입자를 광학적으로 검출하는 것이 가능한 광학 입자 검출 유닛을 추가로 포함한다. 공중 부유 입자는 이들이 약 300 nm 초과일 때에만 용이하게 검출될 수 있다. 적합하게 구성된 광학 입자 검출 유닛에 의해, 심지어는 300 nm 내지 10 ㎛ 입자 크기 간격으로 입자의 다수의 크기 클래스를 구별하는 것도 가능하다. 센서에 광학 입자 검출 유닛의 추가는 10 내지 300 nm 크기 범위의 초미세 입자의 감지 뿐만 아니라 300 nm 초과의 미세 입자의 감지를 가능하게 한다. 이는 10 ㎛ 미만의 공중 부유 입자의 임의의 존재가 이들의 흡입 능력에 유해할 수 있고 호흡관 내에 깊게 침전될 수 있기 때문에 유리하다. 300 nm 초과의 공중 부유 입자는 입자 감지 섹션에 의해 감지된 총 입자 전하에 대한 300 nm 초과의 입자와 관련된 입자 전하의 기여가 일반적으로 300 nm 미만의 공중 부유 입자와 관련된 입자 전하와 비교할 때 무시할만하기 때문에 이들의 전하의 측정을 경유하여 용이하게 검출될 수 없다. 동시에, 300 nm 초과의 공중 부유 입자는 300 nm 미만의 입자보다 광학 수단에 의해 용이하게 검출된다. 따라서, 측정 신호로서 평가 유닛에 제공될 수 있는 광학 입자 검출 유닛에 의해 얻어진 정보는 하전된 입자 감지 섹션에 의해 얻어진 정보를 보충한다. 광학 입자 검출 유닛은 바람직하게는 광학 입자 검출 유닛 내부의 임의의 하전된 입자 석출을 회피하기 위해 방전 전극으로부터 상류측에 배열된다.
본 발명의 일 실시예에서, 방전 전극에 의해 생성되는 잠재적으로 건강 유해성 오존은 센서를 떠나기 전에 기류로부터 제거된다. 이는 오존을 흡수하거나 분해하는 것이 가능한 표면을 따라 및/또는 다공성 매체를 통해 기류를 통과시킴으로써 성취될 수 있다. 이를 위해, 표면 및/또는 다공성 매체는 활성화 탄소를 구비할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 석출면에 접속된 전류계로부터, 그리고 센서가 광학 입자 검출 유닛을 포함하는 경우 광학 입자 검출 유닛으로부터 측정 신호(들)를 수신하는 것이 가능한 평가 유닛이 제공된다. 입자 감지 섹션이 개별 전류계를 갖는 서브섹션의 시퀀스로 세분되면, 바람직하게는 모든 측정된 전류가 평가 유닛에 입력 신호로서 제공된다. 평가 유닛은:
- 20 nm 초과와 같은 10 nm 초과의 공중 부유 입자의 길이 농도,
- 기류 내의 20 nm 초과와 같은 10 nm 초과의 직경을 갖는 공중 부유 입자의 수 농도,
- 기류 내의 20 nm 초과와 같은 10 nm 초과의 공중 부유 입자의 수-평균 입자 크기, 및
- 기류 내의 광학적으로 검출된 공중 부유 입자의 농도 중 적어도 하나를 지시하는 신호를 출력하도록 적용된다.
또한, 평가 유닛은 센서 내부의 전압 세팅 중 하나 이상 또는 센서 내부의 생성된 프로세스 조건, 특히 통로를 통한 기류의 크기에 그 출력 데이터를 관련시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 센서는 교정 모드에서 작동 가능하고, 이는 바람직하게는 비활성화된 배출 전극을 제외하고는 전술된 바와 같은 모든 부품을 작동하는 것에 대응한다. 이 모드에서, 일반적으로 어떠한 공중 부유 이온도 방전 전극에 의해 생성되지 않는다. 어떠한 공중 부유 이온도 생성되지 않으면, 어떠한 이온 바람 유도된 기류도 센서 내부의 통로를 통해 생성되지 않고 또한 어떠한 입자 하전 또는 하전된 입자 석출도 발생하지 않을 수 있다. 입자 감지 섹션 내부의 석출 하전된 입자에 의해 유도된 전류를 측정하는 전류계의 최종 측정된 신호는 그 제로 판독치를 규정하는 바이어스 신호로서 사용될 수 있다. 바람직하게는, 센서는 전류계의 제로 판독치가 정확한지 여부를 주기적으로 점검하고 그리고 필요하다면 바이어스 신호의 드리프트(drift)가 시간 경과에 따라 관찰될 때 전류계 판독치로의 조정을 수행하도록 교정 모드에서 주기적으로 작동된다.
본 발명의 다른 유리한 실시예에서, 평가 유닛은 시간 도중에 그 출력 데이터로부터 누적 수를 발생시키는 것이 가능하다. 바람직하게는, 수 누적은 센서를 서비스한 후에 제로로부터 시작하고, 센서 서비스는 침전된 입자로부터 적어도 센서 내부의 기류 통로의 세척을 수반한다. 누적 수는 최종 센서 서비스 이래로 입자 감지 섹션 내부에 석출되어 있는 UFP의 근사 총량 또는 최종 센서 서비스 이래로 광학 검출 유닛을 통과한 광학적으로 검출된 입자의 근사 총량에 비례할 수 있다. 이는 또한 이들 수의 선형 조합일 수 있다. 이와 같이, 누적 수는 센서 내부의 적층된 재료의 총량의 적어도 일부의 크기를 대략적으로 반영한다. 누적 수가 설정 최대값을 초과할 때, 평가 유닛은 센서 서비스가 추천되는 경고 메시지를 생성하도록 배열된다. 적시의 센서 서비스는 신뢰적이고 예측 가능한 센서 작동 및 기능을 보장하기 위해 유리하다. 센서 서비스 후에, 누적 수는 제로로 재설정된다.
본 발명의 다른 유리한 실시예에서, 통로의 하나 또는 양 단부는 구멍에 대면하는 차폐 플레이트에 의해 환경으로의 직접적인 노출로부터 차폐된다. 이 수단은 센서 내부의 통로를 통해 이온 바람 유도된 기류가 센서가 존재하는 환경에서 공간 공기 압력 구배에 의해 유도된 공기 이동에 의해 즉시 영향을 받게 되는 것을 방지한다. 이는 센서 측정치의 신뢰성을 향상시키고 환경 조건에 의한 간섭을 방지한다.
본 발명의 제 2 양태에 따르면, 그 세팅이 시스템의 부분을 형성하는 본 발명에 따른 공중 부유 입자를 감지하기 위한 적어도 하나의 센서에 의해 제공된 출력 신호에 기초하여 제어 가능한 공기 조화 시스템이 제공된다. 센서 또는 센서들은 신선한 공기가 유입되는 실외와 같은 그 외부 또는 공기 조화 시스템에 의해 서비스되는 공간 내에 위치될 수 있다. 입자 센서에 추가하여, 공기 조화 시스템은 요구시의 공기 세척을 위한 및/또는 요구시의 공기 조화를 위한 및/또는 요구시의 공기 환기를 위한 수단을 포함할 수 있어, 이에 의해 이 농도가 공기 조화 시스템에 의해 서비스되는 구내 내의 사전 결정된 값을 초과하면 공중 부유 입자의 실내 농도를 감소시킨다. 자동차 객실용 공기 조화 시스템의 특정 경우에, 시스템은 내부 공기 재순환 및 외부 환경과의 공기 교환의 적절한 비율을 결정하기 위해 공중 부유 입자의 실내 및 실외 농도를 비교할 수 있다.
본 발명의 제 3 양태에 따르면, (바람직하게는) 20 nm 초과와 같은 10 nm 초과의 공중 부유 입자를 감지하는 방법이 제공된다. 이 방법을 설명하기 위해, 제 1 및 제 2 개방 단부를 갖는 통로 내에 포함된 공기 샘플 -또는 제어 체적, 즉 그 내부에 현탁된 공기 분자 및 공중 부유 입자의 특정 집합- 이 고려된다. 방법은 이하의 연속적인 단계: 즉
- 공중 부유 단극 이온을 생성하는 단계,
- 통로를 따라 제 1 방향으로 정전기력을 생성된 공중 부유 이온에 인가하도록 적용된 제 1 전기장을 인가하여, 이에 의해 제 1 방향에서 공기 샘플의 이동을 발생시키고 공기 샘플 내의 공중 부유 입자를 하전하는 단계,
- 공기 샘플로부터 공중 부유 이온의 부분을 제거하도록 적용된 공기 투과성 카운터 전극을 통해 공기 샘플을 통과시키는 단계,
- 공기 샘플로부터 공중 부유 이온을 분리하기 위해, 제 1 방향과는 별개의 제 2 방향에서 정전기력을 잔여 공중 부여 이온에 인가하도록 적용된 제 2 전기장을 인가하는 단계,
- 통로 내의 석출면 상에 공중 부유 하전된 입자를 석출하기 위한 제 3 전기장을 인가하는 단계, 및
- 석출면 상에 석출된 하전된 입자의 전하를 측정하는 단계를 포함한다.
몇몇 공중 부유 이온은 공중 부유 입자에 부착될 수 있기 때문에, 단극 공중 부유 이온은 공중 부유 입자가 전기적으로 하전되게 할 수 있다. 인가된 제 1 전기장에 의해, 발생된 공중 부유 이온은 통로의 제 2 단부를 향한 통로를 따라 제 1 방향으로 이동된다. 공기를 통해 이온을 이동함으로써 경험되는 점성 항력은 제 1 방향으로의 합 기류를 유도한다. 제 1 전기장은 기류가 통과하는 공기 투과성 카운터 전극에서 종료된다. 다수의 공중 부유 이온은 카운터 전극에 의해 기류로부터 제거된다. 기류 내의 잔여 공중 부유 이온의 존재는 하전된 공중 부유 입자 상의 후속의 전기 측정을 방해할 수 있고, 이 이유로 전기 스크리닝 필드가 샘플링된 기류로부터 모든 잔여 공중 부유 이온을 제거하도록 적용된다. 스크리닝 필드 강도는 바람직하게는 기류로부터 하전된 입자의 실질적인 석출이 유도되지 않도록(즉, 필드 강도가 충분히 낮게 유지되도록) 선택된다. 이어서, 기류 내의 전하는 주로 공중 부유 입자에 의해 운반된다. 하전된 공중 부유 입자는 이어서 제 2 전기장의 영향 하에서 통로 내의 석출 전극의 표면 상에 적어도 부분적으로 석출되고, 석출된 하전된 입자의 농도를 지시하는 석출된 전하의 양이 측정된다.
본 발명의 일 실시예에서, 하전된 입자의 석출은 통로를 통한 기류의 방향에 수직으로 지향된 정전기장을 샘플링된 기류에 인가함으로써 발생된다. 주어진 필드 강도에서, 작은 하전된 입자는 큰 하전된 입자보다 비교적 더 신속하게 석출한다. 따라서, 시간 또는 공간에서 정전기장 강도의 편차는 샘플링된 기류 내의 공중 부유 입자의 크기 분포에 대한 정보를 추출하기 위해 유용하다.
본 발명의 방법의 다른 유리한 실시예에서, 샘플링된 기류 내의 공중 부유 입자는 더욱이 추가의 광학 입자 검출 유닛에 의해 광학적으로 검출된다. 이는 약 300 nm 초과의 공중 부유 입자에 대해 즉시 가능한데, 이는 약 300 nm 초과의 입자가 일반적으로는 전기 수단에 의해 용이하게 검출되지 않기 때문에 유리하다.
방법의 추가의 유리한 실시예는 공중 부유 이온이 발생되는 위치로부터 하류측의 통로 내에서 샘플링된 기류로부터 오존을 제거하는 단계를 포함한다.
본 발명의 이들 및 다른 양태는 이하에 설명된 실시예로부터 명백해지고 이를 참조하여 명료해질 것이다.
본 발명의 현재 바람직한 실시예가 이제 첨부 도면을 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 하나의 전류계를 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 UFP 센서의 개략 단면도.
도 2는 입자 감지 섹션이 2개의 전류계를 포함하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 UFP 센서의 개략 단면도.
도 3은 광학 입자 검출 유닛이 방전 전극으로부터 상류측에 배열되고 센서의 입구 및 출구 섹션이 차폐 플레이트에 대면하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 UFP 센서의 개략 단면도.
도 4는 본 발명의 제 2 양태에 따른 공기 조화 시스템의 개략도.
도 5는 본 발명의 제 3 양태에 따른 공기 샘플 내의 UFP 감지 방법을 도시하는 흐름도.
도 2는 입자 감지 섹션이 2개의 전류계를 포함하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 UFP 센서의 개략 단면도.
도 3은 광학 입자 검출 유닛이 방전 전극으로부터 상류측에 배열되고 센서의 입구 및 출구 섹션이 차폐 플레이트에 대면하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 UFP 센서의 개략 단면도.
도 4는 본 발명의 제 2 양태에 따른 공기 조화 시스템의 개략도.
도 5는 본 발명의 제 3 양태에 따른 공기 샘플 내의 UFP 감지 방법을 도시하는 흐름도.
도 1은 본 발명의 특정 실시예에 따른 UFP 센서(100)를 도시한다. 센서(100)는 3개의 접속된 섹션(110, 112, 114)을 포함하는 공기 충전된 중앙 통로를 포함하고, 입자를 하전하기 위한 제 1 섹션(110)은 입구 섹션(116)으로부터 카운터 전극(124)으로의 경로의 방향으로 연장하고, 제 2 섹션(112)은 카운터 전극(124)으로부터 스크리닝 전극(128)으로 연장하고, 하전된 입자의 감지를 위해 의도된 제 3 섹션(114)은 스크리닝 전극(128)으로부터 출구 섹션(118)으로 연장한다. 입구 섹션(116) 및 출구 섹션(118)은 접지 또는 소정의 기준(0) 전위에 접속된 센서(100)의 하우징(150) 내에 구멍의 형태로 제공된다.
제 1 섹션(110)에는 고전압 코로나 방전 전극(120)이 제공되고, 이 코로나 방전 전극은 전위(Vcor)에 접속되고 절연체(122)에 의해 센서(100)의 다른 부분으로부터 전기적으로 절연된다. 전위(Vcor)는 가변적일 수 있고 단극 이온의 일정 전류가 방전 전극(120)으로부터 방출되도록 조절된다. 1 내지 2 ㎂ 범위의 전류가 다수의 용례에 적합한 것으로 판명되었다. 방전 전극의 기하학적 형상은 바람직하게는 오존 발생 및 방전 전극 상의 입자 침전을 제한하면서 공중 부유 이온의 효율적인 발생을 촉진하도록 적용된다. 바람직하게는, 몰리브덴 또는 텅스텐과 같은 화학적으로 불활성인 재료로 구성된 날카로운 니들-팁 전극이 사용된다. 현저하게 오존 생성을 제한하기 위해 양으로 하전된 공중 부유 이온을 생성하는 것이 유리한 것으로 판명되었다.
방전 전극(120)은 공중 부유 이온군(cloud of airborne ions)을 축출하고, 상기 이온군은 이온들 자체 사이의 척력에 기인하여 즉시 팽창한다. 전위(Vctr)가 인가되는 카운터 전극(124)이 방전 전극(120)으로부터 카운터 전극(124)을 향해 이온을 끌어당기기 위해 제 1 섹션(110)의 하류측 단부에 제공된다. 카운터 전극(124)의 기하학적 형상은 바람직하게는 이하의 적어도 3개의 요건에 의해 결정된다.
(i) 카운터 전극(124)은 통로의 하류측 방향에서 실질적으로 이온을 끌어당겨야 한다.
(ii) 방전 전극(120)으로부터 카운터 전극(124)으로 끌어당겨진 공중 부유 이온의 경로는 기류의 모든 부분의 경로가 이온의 경로를 교차하도록 이루어져, 어떠한 공중 부유 입자도 공중 부유 이온으로의 노출을 회피할 수 없거나 또는 적어도 공중 부유 입자의 제한된 부분이 공중 부유 이온으로의 노출을 회피할 수 있게 된다.
(iii) 카운터 전극(124)은 적은 유동 저항을 발생시키거나 또는 유동 저항을 전혀 발생시키지 말아야 한다. 실제로, 당 기술 분야의 숙련자는 카운터 전극(124)이 방전 전극(120)에 대면하는 원형 또는 타원형 개구를 갖는 튜브로서 적합하게 실현될 수 있다는 것을 인식할 수 있을 것이다. 대부분의 공중 부유 이온은 이어서 방전 전극(120)에 대면하는 튜브의 개방면의 원형 에지를 향해 끌어당겨질 수 있어, 이에 의해 기류로부터 제거된다. 하전된 입자의 비교적으로 훨씬 더 적은 전기 이동도는 대부분의 하전된 입자가 카운터 전극(124) 상으로의 석출을 회피할 수 있게 하여, 이들 하전된 입자가 카운터 전극(124)을 통한 기류와 함께 이들의 이동을 계속할 수 있게 한다. 방전 전극(120)으로부터 카운터 전극(124)을 향한 공중 부유 이온의 움직임은, 기류가 5 내지 10 Pa 미만으로 남아 있는 단지 최소 저항만을 경험하면, 기류를 발생하기 위한 다른 수단에 의존하지 않고 통로를 통한 기류를 지속한다. 공중 부유 입자와 공중 부유 이온 사이의 제 1 섹션(110) 내에서의 접촉은 통상적으로 확산 하전 또는 자유 이온 하전이라 칭하는 물리적 프로세스에 따른 입자 하전을 초래한다.
제 2 섹션(112)의 하류측 단부에는, 스크리닝 전극(128)으로부터 카운터 전극(124)을 향해 재차 공중 부유 이온을 축출하는 카운터 전극(124) 상의 전위(Vctr)에 대해 전위에 설정된 전도성 스크리닝 전극(128)이 제공된다. 도 1에서, 스크리닝 전극은 카운터 전극(124)의 중심축과 동일한 방향에서 배향된 그 중심축을 갖는 짧은 개방 튜브로서 구성된다. 스크리닝 전극에 인가된 전위가 0이면(접지된 센서 하우징에 대해 단락을 경유하여), Vctr은 스크리닝 전극(128)으로부터 카운터 전극(124)을 향해 재차 양이온을 축출하기 위해 음전위이어야 한다. 평행하게 위치된 다공성 거즈와 서로 대면하는 카운터 전극(124) 및 스크리닝 전극(128)의 관형 개방 단부를 제공함으로써, 도 1에 도시된 바와 같이, 국부적으로 매우 효율적인 이온 스크리닝이 평행한 거즈 사이의 낮은 스크리닝 필드 강도에서도 생성될 수 있다. 공중 부유 이온의 높은 이동도에 기인하여, 제 2 섹션(112)의 전기 스크리닝 필드의 세기는 비교적 낮게 유지될 수 있어, 사실상 하전된 입자의 어떠한 석출도 기류로부터 이온 스크리닝을 수반하지 않거나, 하전된 입자의 적어도 매우 제한된 양의 석출이 기류로부터 이온 스크린을 수반한다.
스크리닝 전극(128) 하류측의 제 3 섹션(114)에서는, 공중 부유 하전된 입자가 실질적으로 기류 내의 유일한 잔여 하전된 본체이다. 기류는 2개의 평행 전도 플레이트(130, 132) 사이의 콘딧을 통해 유도되고, 이들 중 하나의 플레이트(130)는 접지되고[전위(Vearth)에서], 다른 플레이트(132)는 일정 전위(Vplate)에서 유지되어 기류에 수직인 방향에서 대략 균질한 전기장을 생성한다. 플레이트(130, 132)는 절연체(134)에 의해 센서(100)의 다른 부분으로부터 전기적으로 절연된다. 예측되는 입자 전하 및 입자 크기 및 플레이트(130, 132)의 치수와 관련하여 충분히 큰 Vplate의 값을 선택함으로써, 실질적으로 모든 공중 부유 하전된 입자가 기류로부터 석출되는 것이 보장될 수 있다. 양으로 하전된 입자 및 Vplate - Vearth > 0의 경우에, 석출이 접지된 플레이트(132) 상의 석출면 상에서 발생한다. 플레이트(132) 상에 입자를 석출함으로써 운반된 전하는 전류계(136)를 경유하여 접지로 드레인된다.
확산 하전의 조건 하에서 입자당 전하는 입자의 직경에 대략 비례하기 때문에, 전류계(136)로 측정된 전류(Is)는 이하의 수학식에 따라, 공중 부유 입자의 길이 농도(L), 즉 단위 공기 체적당 모든 정렬된 입자의 총 길이에 비례한다.
수-평균 직경(dp,av)이 인지되거나 추정될 수 있으면, 입자수 농도(N)는 이하의 수학식으로서 얻어진다.
특히 입자의 유효 하전도에 의존하는 수학식 1의 Is와 L 사이의 비례 팩터는 실험적으로 또는 교정을 통해 결정될 수 있다. 수학식 1의 적분 범위는 무한대로 확장되지만, 300 내지 500 nm 초과의 공중 부유 입자는 실내 또는 실외 환경으로부터의 통상의 분위기 공기가 관련될 때 일반적으로 L에 크게 기여하지 않는다. 이 이유는 공기 내의 이들의 수 농도가 일반적으로 300 내지 500 nm 미만의 입자의 수 농도보다 훨씬 작기 때문이다. 따라서, L 및 그에 따른 N도 또한 특히 공중 부유 초미세 입자를 칭한다.
본 발명에 따른 입자 센서의 유리한 실시예가 도 2에 도시된다. 센서(200)에서, 적어도 하나의 추가의 쌍의 전도 플레이트(242, 244)가 절연체(246)를 경유하여 제 3 섹션(114)에 제공된다. 플레이트(244)는 제 2 전류계(248)를 경유하여 접지된다. 제 1 플레이트(242)에는 전위(Vplate ,1)가 인가되고, 다른 쌍의 플레이트(130, 132)의 제 1 플레이트(130)는 전위(Vplate)에 설정되어 유지된다. Vplate ,1 및 Vplate의 적합한 값을 선택함으로써, 2개의 쌍의 평행 플레이트 사이에 생성된 전기장은 상이한 강도를 가질 수 있다. 바람직하게는, Vplate ,1은 총 입자수 농도에 무시할 수 없을만한 정도로 기여하는 임의의 크기의 공중 부유 하전된 입자의 단지 일부분만이 추가의 쌍의 플레이트의 플레이트(244) 상에 석출되도록 선택되어, 이에 의해 접속된 전류계(248)에 의해 측정된 제 1 전류(I1)를 발생시킨다. 바람직하게는 10 nm 초과의 모든 하전된 입자, 더 바람직하게는 20 nm 초과의 모든 하전된 입자가 플레이트(244) 상의 기류로부터 단지 부분적으로 석출되도록 허용된다. 잔여 공중 부유 하전된 입자는 플레이트 요소(130, 132) 사이의 충분히 강한 전기장의 작용 하에서 플레이트(132) 상에 석출되어, 이에 의해 접속된 전류계(136)에 의해 측정된 전류(I2)를 발생시킨다. 입자수 농도(N) 및 평균 입자 직경(dp,av)은 실험적으로 또는 교정을 통해 결정될 수 있는 비례 팩터를 갖고 이하의 수학식 3 및 4에 따라 I1 및 I2를 수반한다는 사실이 실험적으로 발견되었다.
도 2에 도시된 셋업에 따라 동시에 측정된 전류(I1, I2)는 N 및 dp , av가 기류 내의 공중 부유 입자의 특징 및 농도에 대해 정지 조건 및 일시적인 조건의 모두 하에서 결정될 수 있게 한다.
센서(200)의 통로를 통한 기류는 기류가 최대로 통로를 가로질러 매우 낮은 압력, 바람직하게는 5 내지 10 Pa에서 발생할 때 방전 전극(120)과 카운터 전극(124) 사이의 이온 바람에 의해 지속될 수 있다.
전류 측정치(I1, I2)의 신뢰성을 더욱 향상시키기 위해, UFP 센서는 바람직하게는 방전 전극(120)이 불활성이고 이온 발생의 가능성이 없고 모든 다른 전위가 정상 작동 중에 적용되는 상태에서 전류계(136, 248)를 판독함으로써 주기적으로 교정된다. 이러한 구성은 이온 바람의 생성을 중단시키고, 따라서 통로를 통한 기류 및 공중 부유 입자의 하전을 중지시켜 전류계(136, 248)의 판독이 하전된 입자 석출의 결여시에 이들의 0(기저 레벨) 판독치에 대응해야 한다. 이들 0 판독치는 활성화된 방전 전극(120)에 의한 후속의 측정의 판독치로부터 감산될 수 있어, 합 전류 판독치가 석출을 위해 전극 요소(132, 244) 상에 단위 시간당 석출하는 입자 결합 전하와 대응하게 된다.
특정 실시예에서, 본 발명에 따른 센서는 기류로부터 오존을 제거하는 것이 가능한 재료를 구비하는 다공성 매체 또는 표면을 포함할 수 있다. 이 재료는 활성화 탄소 또는 소정의 다른 촉매 재료일 수 있고, 본 발명에 따른 센서로부터 오존 탈출을 방지하기 위해 공기 출구 섹션(118)의 상류측에 존재해야 한다. 예를 들어, 활성화 탄소는 도 1 및 도 2에 도시된 센서 내에서 각각 카운터 전극(124) 및 스크리닝 전극(128)에 부착된 거즈 상에 적용될 수 있다.
마찬가지로, 이들 입자는 방전 전극(120)에 도달하기 전에 기류로부터 통상의 UFP 직경보다 훨씬 큰 직경을 갖는 입자를 제거하기 위해 공기 입구 섹션(116) 부근에 매우 거친 입자 필터(138)를 제공하는 것이 유리하다. 이 수단은 센서의 통로 내부의 큰 미립자 재료의 침전을 방지하고, 이에 의해 주기적인 센서 서비스(통로의 세척을 수반함)로의 그 의존성을 감소시키고 방해받지 않은 센서 작동을 촉진한다.
본 발명의 다른 유리한 실시예에서, 도 3의 개략도를 일반적으로 참조하면, 입자 센서(300)는 양 튜브 단부가 개방 유지되어 있는 공기 투과성 관형 카운터 전극(324)을 포함하고, 일 튜브 단부는 방전 전극(120)에 대면한다. 카운터 전극(324)은 바람직하게는 센서(300)의 하우징(150)에 전기적으로 단락된다. 카운터 전극의 제 2 개방 단부는 스크리닝 전극(372, 374)에 대면한다. 스크리닝 전극은 이제 2개의 스크리닝 전극 요소(372, 374)를 포함하는 평행 플레이트 전극으로서 구체화된다. 제 1 스크리닝 전극 요소(374)는 스크리닝 전압 공급부에 접속되고, 제 2 스크리닝 전극 요소(372)는 접지 전위에 접속된다. 스크리닝 전압 공급부는 제 1 스크리닝 필드 강도(Escr ,1 = V1/dpl)와 제 2 스크리닝 필드 강도(Escr ,2 = V2/dpl) 사이의 시간 도중에 변하는 스크리닝 전극 요소(372, 374) 사이에 전기 스크리닝 필드(Escr)를 부여하고, dpl은 평행 스크리닝 전극 요소(372, 374) 사이의 간격을 나타낸다. 제 1 스크리닝 필드 강도(Escr ,1)는 잔여 공중 부유 이온이 기류로부터 제거되지만 그럼에도 기류로부터 전기적으로 하전된 공중 부유 입자의 실질적인 정전 석출이 발생하지 않도록(즉, 충분히 낮게 유지됨) 선택된다(충분히 높음). 제 2 스크리닝 필드 강도(Escr ,2)는 Escr ,1보다 높고, 총 입자수 농도에 무시할 수 없을만한 정도로 기여하는 임의의 입자 크기의 기류로부터 전기적으로 하전된 공중 부유 입자의 단지 일부분만을 석출하는 것이 가능하다. 바람직하게는, 약 10 내지 20 nm의 직경을 갖는 단일의 기본 전하로 하전된 입자는 단지 부분적으로, 바람직하게는 90% 미만으로, 인가된 Escr ,2의 영향 하에서 기류로부터 제거된다. 잔여 공중 부유 입자는 입자 감지 섹션에 도달한다. 이 전기장 강도의 선택은 또한 공중 부유 이온이 입자 감지 섹션에 진입하는 것을 방지한다. 가변 스크리닝 필드 강도에 응답하여, 입자 감지 섹션의 내부에서 하전된 입자 석출이 발생하는 석출면에 부착된 전류계에 의해 측정된 전류(Is)는 또한 제 1 스크리닝 필드 강도(Escr ,1)에서 측정된 제 1 전류값(I1)과 제 2 스크리닝 필드 강도(Escr ,2)에서 측정된 제 2 전류값(I2) 사이의 시간 도중에 변한다. 각각의 전류값(I1, I2)은 이하의 수학식 5 및 6에 따라 이들의 수 농도(N) 및 이들의 수-평균 입자 크기(dp , av)의 견지에서 공중 부유 하전된 입자를 특징화하는데 사용될 수 있다:
비례 팩터는 교정을 통해 결정될 수 있다. 300 내지 500 nm 초과의 공중 부유 하전된 입자는 일반적으로 I1 또는 I2에 크게 기여하지는 않기 때문에, 데이터 N 및 dp , av는 일반적으로 공중 부유 초미세 입자를 칭한다. 이는 dp , av를 위한 추측된 값으로부터 이후에 점검될 수 있다.
도 3의 센서는 방전 전극으로부터 상류측에 위치된 광학 입자 검출 유닛을 추가로 포함한다. 광학 입자 검출 유닛은 입사 광빔으로 광학 입자 검출 유닛 내부의 기류를 조사함으로써 300 내지 500 nm 초과의 입자를 검출하는 것이 가능하다. 300 내지 500 nm 초과의 조사된 입자는 광을 산란시키는 것이 가능하고, 입사빔의 방향으로부터 이격하는 특정 방향으로의 산란된 광의 측정된 특징은 약 300 내지 500 nm 초과의 공중 부유 입자의 근사량을 추측하는데 사용될 수 있다. 약 300 내지 500 nm 미만의 공중 부유 입자를 전기적으로 측정하는 것이 가능한 초미세 입자 센서와 약 300 내지 500 nm 초과의 공중 부유 입자의 광학 검출이 가능한 광학 입자 검출 유닛의 조합은 약 10 ㎛ 미만의 흡입 가능한 입자의 잠재적으로 유해한 공기 오염의 총량을 평가하고 특징화하는데 유용하다.
도 1, 도 2 및 도 3에 개시되어 있는 본 발명의 실시예에서, 센서의 출력값 -길이 농도, 수 농도, 평균 입자 크기 및 광학적으로 검출 가능한 입자의 농도- 을 복귀시키기 위한 수치 연산이 각각의 평가 유닛(미도시)에서 수행된다. 평가 유닛은 수학식 1 내지 6에서 암묵적으로 나타나는 비례 계수와 같은 상수를 위한 연산 수단 또한 저장 수단을 포함할 수 있다. 이는 입력량(측정 신호)을 수신하고 디지털 또는 아날로그 신호를 출력할 수 있다.
도 3의 센서는 센서의 입구 섹션 및 출구 섹션에 대면하는 한 쌍의 차폐 플레이트를 추가로 포함한다. 제한된 간격이 센서 하우징(150)의 각각의 구멍과 차폐 플레이트 사이에 유지된다. 바람직하게는, 간격은 통로(110, 112, 114)의 가장 좁은 부분과 동일한 크기의 정도를 갖는다. 이는 방전 전극과 카운터 전극 사이에 존재하는 이온 바람에 의해 결정된 기류의 크기를 갖는 센서 내외로의 기류의 방해받지 않는 유입 및 유출을 허용한다. 동시에, 차폐 플레이트는 센서 주위의 환경에서 공기 압력 구배에 의해 방해로부터 센서를 통한 기류를 보호한다. 이는 이온 바람에 의해 유도된 센서 내부의 압력 구배가 단지 비교적 작고 외부 영향에 의해 용이하게 과장될 수 있기 때문에 중요하다. 차폐 플레이트의 존재는 측정된 센서 신호의 신뢰성을 향상시킨다.
도 4는 사람이 거주하거나 작업하는 공간(420)을 서비스하는 공기 조화 시스템을 도시한다. 공기가 공간(420)으로부터 공기 출구(412)를 경유하여 공기 처리 유닛(410)으로 진공 배기되고, 공기가 공기 입구(414)를 경유하여 공간(420)으로 진입한다. 본 발명의 실시예에 따른 입자 센서(418)는 공간(420) 내의 공중 부유 입자의 농도를 지시하는 출력 신호를 생성한다. 출력 신호는 제어기(416)에 제공되고, 이 제어기는 입자 센서(418)로부터 출력 신호에 기초하여 공기 처리 유닛(410)을 위한 출력 신호를 생성한다. 따라서, 공기 처리 유닛(410)의 작동은 공간(420) 내에 포함된 공기의 현재 특징에 따라 제어된다.
도 5는 본 발명에 따른 공중 부유 입자를 감지하기 위한 방법(500)의 흐름도이다. 이 방법은 기류를 전도하기 위해 개방 통로 내의 공기 샘플(제어 체적) 내에 포함된 10 nm 초과, 바람직하게는 20 nm 초과의 입자를 감지하도록 적용된다. 제 1 단계(510)로서, 공기 샘플 내의 더 거친 입자가 광학적으로 검출된다. 광학 검출기의 신뢰성은 일반적으로 입자의 침전에 매우 민감하기 때문에, 이 단계는 바람직하게는 임의의 공중 부유 이온이 공기 샘플 내에 도입되기 전에 수행된다. 제 2 단계(512)에서, 공중 부유 이온이 생성되고, 이들 이온은 단계 514에서 통로에 평행한 제 1 방향으로 전기장에 의해 끌어당겨진다. 점성 항력에 기인하여, 공기 샘플 및 그 내부에 포함된 공중 부유 입자는 상기 제 1 방향으로 이동된다. 다음에, 단계 516에서, 공기 샘플은 공기 샘플로부터 공중 부유 이온의 부분을 제거하도록 적용된 공기 투과성 전극을 통해 통과된다. 후속의 측정을 방해할 수 있는 잔여 공중 부유 이온은 단계 518에서 제거되고, 여기서 공기 샘플은 제 1 방향과는 다른 방향에서 이들을 이동시키는 정전기력을 이온에 인가하는 제 2 전기장을 받게 되고, 이에 의해 공중 부유 이온은 공기 샘플로부터 분리된다. 제 2 전기장의 강도는 매우 낮아 공중 부유 하전된 입자의 움직임은 이들의 더 낮은 이동도 및 더 큰 관성에 의해 단지 최소로 또는 바람직하게는 무시할만한 정도로만 영향을 받는다. 단계 518 후에, 전기적으로 하전된 입자는 실질적으로 단지 공기 샘플 내의 하전된 본체이고, 이는 제 1 방향에서 전방 합 운동량을 갖는다. 단계 520에서, 공기 샘플은 제 3 전기장을 받게 되고, 이는 하전된 공중 부유 입자가 통로 내의 석출면 상으로 석출될 수 있게 한다. 단계 522에서, 석출면 상의 석출된 하전된 입자의 전하가 측정되고, 이에 의해 초기에 공기 샘플 내에 포함된 공중 부유 입자의 농도가 특징화될 수 있다. 단계 520 및 522의 변형예로서, 공기 샘플은 다른 전기장을 받게 될 수 있다. 예를 들어, 전기장의 강도가 상이하면(적합하게는 순차적으로 증가함), 입자의 크기 분포가 유도될 수 있다. 최종 단계 524에서, 잠재적으로 건강 유해성 오존이 그 입자 농도가 평가되는 환경으로 배출되기 전에 샘플로부터 제거된다.
본 발명은 도면 및 상기 설명에 상세하게 도시되고 설명되었지만, 이러한 도시 및 설명은 한정적인 것이 아니라 예시적이거나 설명적인 것으로 고려되어야 하고, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 석출을 발생시키기 위한 전기장이 하나 이상의 쌍의 동심 원통형 플레이트에 의해 발생되는 실시예에서 본 발명을 실시하는 것이 가능하다. 더욱이, 본 발명에 따른 센서는 전술된 것과 다른 크기 범위의 입자를 감지하기 위해 사용될 수 있다.
개시된 실시예의 다른 변형이 도면, 명세서 및 첨부된 청구범위의 연구로부터 청구된 발명을 실시하는데 있어서 당 기술 분야의 숙련자들에 의해 이해되고 실시될 수 있다. 청구범위에서, 용어 "포함하는"은 다른 요소 또는 단계를 배제하는 것은 아니고, 단수 표현은 복수를 배제하는 것은 아니다. 단지 특정 수단이 서로 다른 종속 청구항에 인용되어 있다는 사실은 이들 수단의 조합이 장점을 갖고 사용될 수 없다는 것을 지시하는 것은 아니다. 청구범위에서의 임의의 도면 부호는 범주를 한정하는 것으로서 해석되어서는 안된다.
100: UFP 센서 110, 112, 114: 섹션
116: 입구 섹션 118: 출구 섹션
120: 방전 전극 122: 절연체
124: 카운터 전극 128: 스크리닝 전극
130, 132: 플레이트 300: 입자 센서
324: 카운터 전극 372, 374: 스크리닝 전극
412: 공기 출구 414: 공기 입구
418: 입자 센서 420: 공간
116: 입구 섹션 118: 출구 섹션
120: 방전 전극 122: 절연체
124: 카운터 전극 128: 스크리닝 전극
130, 132: 플레이트 300: 입자 센서
324: 카운터 전극 372, 374: 스크리닝 전극
412: 공기 출구 414: 공기 입구
418: 입자 센서 420: 공간
Claims (15)
- 개방 단부를 갖는 통로(110, 112, 114)를 포함하는, 10 nm 초과의 공중 부유 입자들을 감지하기 위한 센서(100)로서,
상기 통로 내부에는:
- 상기 통로 내에 공중 부유 단극 이온들을 생성하기 위한 방전 전극(120);
- 상기 공중 부유 이온들을 끌어당기도록 적용된 공기 투과성 카운터 전극(124, 324);
- 상기 방전 전극의 하류측에 위치된 공기 투과성 스크리닝 전극(128; 372, 374); 및
- 상기 통로 내의 전기적으로 하전된 공중 부유 입자들을 감지하기 위한 입자 감지 섹션(114)으로서, 상기 스크리닝 전극의 하류측에 위치되어 있는, 상기 입자 감지 섹션(114)이 배치되고,
상기 카운터 전극은 상기 방전 전극의 하류측 및 상기 통로 내의 상기 스크리닝 전극의 상류측에 위치되고, 그에 의해 하류측 기류를 생성하기 위한 공중 부유 이온들의 하류측 합 유동을 발생시키도록 적용되고,
상기 스크리닝 전극은 기류로부터 공중 부유 이온들을 분리하기 위해 하류측 방향으로부터 별개의 제 2 방향에서 정전기력을 상기 공중 부유 이온들에 인가하도록 적용되는 센서. - 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 방향은 상기 하류측 방향과 적어도 90도의 각도를 이루는 센서.
- 제 1 항에 있어서, 상기 입자 감지 섹션은:
- 석출면(132; 244) 상에 전기적으로 하전된 공중 부유 입자들의 정전기 석출을 유도하기 위해 기류에 전기장을 인가하기 위한 수단(130, 132; 242, 244); 및
- 상기 석출면 상에 석출되는 임의의 전기적으로 하전된 공중 부유 입자들의 전하를 지시하는 측정 신호를 생성하기 위해 상기 석출면에 전기적으로 접속된 전류계(136)를 포함하는 센서. - 제 3 항에 있어서, 상기 기류에 전기장을 인가하기 위한 수단은 적어도 2개의 평행한 전도 전극 요소들(130, 132)을 포함하고, 그들 중 적어도 하나는 상기 석출면을 포함하는 센서.
- 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 기류에 전기장을 인가하기 위한 수단은 상기 하류측 방향에 수직인 전기장을 생성하도록 적용되는 센서.
- 제 1 항, 제 3 항, 제 4 항 또는 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스크리닝 전극은 적어도 2개의 평행한 전도성 전극 요소들(372, 374)을 포함하고, 상기 스크리닝 전극 요소들 사이의 전기장은 제 1 스크리닝 필드 강도와 제 2 스크리닝 필드 강도 사이에서 시간 도중에서 교대되고, 상기 제 1 스크리닝 필드 강도는 실질적으로 상기 스크리닝 전극을 떠나기 전에 모든 공중 부유 이온들이 석출되고 상기 스크리닝 전극을 떠나기 전에 기류 내의 전기적으로 하전된 공중 부유 입자들의 최대 20%가 석출되도록 선택되고, 상기 제 2 스크리닝 필드 강도는 상기 제 1 스크리닝 필드 강도보다 높고 사전 결정된 입자 크기보다 큰 크기를 갖는 모든 하전된 공중 부유 입자들의 부분이 상기 스크리닝 전극을 통해 통과하도록 선택되는 센서.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기류 내의 공중 부유 입자들을 광학적으로 검출하고 상기 광학적으로 검출된 입자들의 농도를 지시하는 측정 신호를 배출하도록 배열된 광학 입자 검출 유닛(380)을 추가로 포함하는 센서.
- 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 통로를 통한 기류로부터 오존을 제거하기 위한 수단을 추가로 포함하고, 상기 수단은 상기 방전 전극의 하류측의 통로 내에 위치되는 센서.
- 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 측정 신호 또는 신호들을 수신하는 것이 가능한 평가 유닛을 추가로 포함하고, 상기 평가 유닛은:
- 상기 기류 내의 공중 부유 입자들의 길이 농도;
- 상기 기류 내의 10 nm 초과의 직경을 갖는 공중 부유 입자들의 수 농도;
- 상기 기류 내의 10 nm 초과의 공중 부유 입자들의 수-평균 입자 크기; 및
- 상기 기류 내의 광학적으로 검출된 공중 부유 입자들의 농도를 포함하는 그룹 내의 적어도 하나를 지시하는 신호를 출력하도록 적용되는 센서. - 제 9 항에 있어서, 상기 평가 유닛은 시간 도중에 그의 출력 신호로부터 누적 수를 계산할 수 있으며, 상기 누적 수는:
- 사전 결정된 시간 지점 이래로 상기 입자 감지 섹션 내부에 석출된 10 nm 초과의 공중 부유 입자들의 근사 총량; 또는
- 사전 결정된 시간 지점 이래로 상기 광학 입자 검출 유닛에 의해 검출된 공중 부유 입자들의 근사 총량에 비례하는 센서. - 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 교정 모드에서 작동 가능하고, 상기 방전 전극(120)이 비활성화되는 상태에서 상기 전류계(136, 248)의 측정된 신호는 상기 방전 전극이 활성화되는 상태에서 후속의 측정을 위해 제로 레벨로서 사용되는 센서.
- 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 통로의 적어도 하나의 단부에는 차폐 플레이트가 제공되는 센서.
- 공기 조화 시스템으로서,
- 공중 부유 입자들의 농도를 지시하는 출력 신호를 제공하기 위한 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 센서(418);
- 공기 처리 유닛(410); 및
- 상기 센서의 출력 신호에 기초하여 상기 공기 처리 유닛을 제어하도록 배열된 제어기(416)를 포함하는 공기 조화 시스템. - 개방 단부들을 갖는 통로 내의 공기 샘플에서 10 nm 초과의 공중 부유 입자들을 감지하기 위한 방법(500)으로서,
- 공중 부유 단극 이온들을 생성하는 단계(512);
- 상기 통로를 따라 제 1 방향으로 정전기력을 상기 생성된 공중 부유 이온들에 인가하도록 적용된 제 1 전기장을 인가하고, 이에 의해 상기 제 1 방향에서 상기 공기 샘플의 이동을 발생시키고 상기 공기 샘플 내의 공중 부유 입자들을 하전하는 단계(514);
- 상기 공기 샘플로부터 공중 부유 이온들의 부분을 제거하도록 적용된 공기 투과성 카운터 전극을 통해 상기 공기 샘플을 통과시키는 단계(516);
- 상기 공기 샘플로부터 공중 부유 이온들을 분리하기 위해, 상기 제 1 방향과는 별개의 제 2 방향에서 정전기력을 잔여 공중 부여 이온들에 인가하도록 적용된 제 2 전기장을 인가하는 단계(518);
- 상기 통로 내의 석출면 상에 공중 부유 하전된 입자들을 석출하기 위한 제 3 전기장을 인가하는 단계(520); 및
- 상기 석출면 상에 석출된 하전된 입자들의 전하를 측정하는 단계(522)를 포함하는 방법. - 제 15 항에 있어서, 상기 공기 샘플 내의 공중 부유 입자들을 광학적으로 검출하는 단계(510)를 추가로 포함하는 방법.
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