WO2018004060A1 - 단일 열원을 사용하여 가스 및 먼지를 감지하는 복합 센서 - Google Patents

단일 열원을 사용하여 가스 및 먼지를 감지하는 복합 센서 Download PDF

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이재덕
김성혁
문성학
김강민
서혜경
김외동
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    • G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis

Definitions

  • the present invention relates to a composite sensor for sensing gas and dust by driving a gas sensor and a dust sensor using a single heat source and a method of operation thereof.
  • Infrared is part of the electromagnetic radiation spectrum and has a specific wavelength range from 0.75 ⁇ m to 1 mm.
  • Gas molecules are composed of several atoms that are bonded together, and these bonds always carry out vibrations and rotations with their respective natural frequencies, the frequencies of which are the atoms They have a functional relationship in which the size and the coupling force are large.
  • the natural frequency comes from mechanical waves by the atomic bonds and molecular structures, but is theoretically similar to electromagnetic waves. Natural frequencies have different values due to the chemical molecular structure of the gases and are always the same for a given molecule and bond structure. Thus, the frequency characteristics of the constituents and molecular structures of the gases are used as individual fingerprints, providing clues to the molecular structure of a given gas.
  • Infrared gas detection can be divided into Dispersive and Non Dispersive.
  • the distributed infrared detection method is used for qualitative analysis of compounds in gas.Slit selector, optical mirror, prism and grating for analyzing various wavelengths including infrared light source lamp It consists of a sample cell, a detector, and an electronic amplifier. If the wavelength is changed over time while scanning infrared rays into a chemical compound, the absorption band and wavelength of the compound can be obtained.
  • most of the equipment using this technology is fixed and its size is difficult to use for home or industrial use.
  • Non-dispersion infrared detection method measures the ratio of the infrared loss to the detector according to the presence or absence of the gas to be measured in the gas sample, so that quantitative analysis is possible, and no prism or grating is needed to disperse infrared rays. Since it is simple, it can be miniaturized as a sensor.
  • NDIR non-dispersion infrared gas sensor
  • NDIR non-dispersion infrared gas sensor
  • Infrared source Infrared source
  • the emitted light source is sufficient to react with the measurement gas without dispersing to the outside in the gas mixture atmosphere
  • it consists of an optical cavity consisting of a reflector and an IR Detecting Sensor for selectively detecting the amount of reduction in a specific wavelength range of the infrared rays passing through the measurement gas atmosphere.
  • the optical path length should be long to increase the amount of light absorption in the optical cavity, and the light should be focused on the infrared sensor.
  • the sensitivity of the infrared sensor to the wavelength range should be excellent.
  • Atmospheric carbon dioxide is a very chemically stable gas in the atmosphere, which is a major cause of global warming.
  • NDIR method optical method
  • This device has the advantage of excellent selectivity, quantification and reproducibility, but requires a closed space for measurement and has a problem of being bulky and very heavy due to the physical size of components and filters.
  • the driving unit and the measurement element are very expensive and the configuration of the processing unit for the control is complicated, the cost of the overall measuring equipment is inevitably high, and its use is not widely used despite its wide variety of uses.
  • the optical system is easily contaminated when exposed to a harsh environment, the use range is limited to indoors.
  • a semiconductor gas sensor using a semiconductor compound such as SnO2 or TiO2 is used, which is used to change the concentration of gas through a resistance change when gas particles are adsorbed on the surface of the semiconductor compound. It is a principle to measure and has the advantage of making a small sensor, but it is difficult to distinguish between different kinds of gas particles are adsorbed, there is a disadvantage that the gas selectivity is significantly reduced.
  • gas sensors using solid electrolytes have a simple structure and can be manufactured in the form of small element type sensors. Also, by using a sensing electrode that selectively detects a specific gas, gas selectivity is increased and quantitative measurement of gas concentration is possible. There is this. In addition, because of the low cost and the use of oxides, there is an advantage in that it can be used stably in extreme environments.
  • the dust sensor is an air purifier or other air conditioning system that cleans contaminated air and converts it into fresh air.
  • the dust sensor sucks contaminated air into a fan and collects fine dust or bacteria by a filter to deodorize body odor or tobacco smell. .
  • it is determined whether the air conditioning system starts to operate according to the degree, and the fan speed is controlled through the determination, so that the polluted air in the room can be properly purified. Efficient operation is possible.
  • One object of the present invention is to provide a low power composite sensor by using a single heat source in driving a gas sensor and a dust sensor.
  • Another object of the present invention is to provide a small composite sensor by configuring the gas sense and the dust sensor as a single use package through a single heat source.
  • Still another object of the present invention is to provide an electrochemical gas sensor by driving the inside of the dust sensor to provide a compact composite sensor.
  • the complex sensor for detecting gas and dust using a single heat source includes a base, a gas sensor module including a gas sensor and a first light source on a first space, a dust sensor on a second space, A dust sensor module including a lens and a second light source, and a heat transfer wall transferring heat generated from the first light source to the dust sensor module.
  • the heat transfer wall of the composite sensor for detecting gas and dust using a single heat source is formed as a protrusion of the base, is located in the opening of the dust sensor module, blocking the open surface of the gas sensor module, The first space and the second space are shielded.
  • the heat transfer wall of the complex sensor for detecting gas and dust using a single heat source is formed as a protrusion of the base, and contacts one side wall of the gas sensor module and one side wall of the dust sensor module. .
  • the heat transfer wall of the complex sensor for detecting gas and dust using a single heat source is formed on one side wall of the dust sensor module, is coupled to an upper surface of the base, and an open surface of the gas sensor module. To block the first space.
  • the heat transfer wall of the complex sensor for detecting gas and dust using a single heat source is formed on one side wall of the gas sensor module, is coupled to the upper surface of the base, and opens the opening of the dust sensor module. Blocking and shielding the second space.
  • Gas sensor module of the composite sensor for detecting gas and dust using a single heat source includes a first housing, the first space is formed by combining the first housing and the base, the first The housing includes a gas inlet through which gas enters one side wall and a gas outlet through which gas enters the other side wall.
  • the gas sensor module of the composite sensor for detecting gas and dust using a single heat source further includes a concave mirror on the first space, the concave mirror is a gas sensor to the light from the first light source Pass in the direction.
  • Dust sensor module of the composite sensor for detecting gas and dust using a single heat source includes a second housing, the second space is formed by combining the second housing and the base, the second The housing includes a dust inlet through which dust enters one side wall and a dust outlet through which dust enters the other side wall.
  • Dust sensor of the composite sensor for detecting gas and dust using a single heat source detects dust of a predetermined size or more of the dust moving in the second space, dust moving in the second space They move to the dust outlet by the heat transferred from the heat transfer wall.
  • FIG. 1 is a perspective view showing the overall structure of a composite sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view showing the overall structure of a composite sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a cross-sectional view illustrating a heat transfer wall structure of a composite sensor according to a first exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a heat transfer wall structure of a composite sensor according to a second exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a heat transfer wall structure of a composite sensor according to a third exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a heat transfer wall structure of a composite sensor according to a fourth exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a view for explaining an example in which heat generated by a first light source in a first space is transferred to a second space through a heat transfer wall in a complex sensor according to an exemplary embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 8 is a view for explaining the structure of the gas sensor module included in the composite sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a view for explaining an example of detecting light in the gas sensor module of the composite sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a view for explaining the principle of the gas sensor of the gas sensor module of the composite sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a perspective view showing the overall structure of a composite sensor according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a view for explaining the structure of the dust sensor included in the composite sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a perspective view showing the overall structure of a composite sensor according to an embodiment of the present invention.
  • the complex sensor 100 may include a base 110, a gas sensor module 120, a dust sensor module 130, and a heat transfer wall 140. have. That is, as shown in FIG. 1, the complex sensor 100 includes a gas sensor module 120 and a dust sensor module 130 at the same time, thereby simultaneously detecting gas and dust.
  • a gas such as carbon dioxide may be detected using a gas sensor.
  • the gas sensor module 120 may include a first housing, and a first space may be formed while the first housing and the base 110 are coupled to each other.
  • the gas sensor module 120 may include a first light source 126 and a gas sensor 128 on the first space.
  • the first light source 126 and the gas sensor 128 may be coupled to one region of the upper surface of the base 110, respectively.
  • the first housing of the gas sensor module 120 may include a gas inlet 122 through which gas enters one side wall and a gas outlet 124 through which gas exits the other side wall.
  • the gas sensor module 120 may further include a concave mirror on the first space, and the concave mirror may direct light emitted from the first light source 126 of the gas sensor module 120 toward the gas sensor 128. I can deliver it.
  • the gas sensor module 120 included in the complex sensor 100 according to the exemplary embodiment of the present invention may be a non-dispersed infrared gas sensor (NDIR).
  • the dust sensor may detect dust having a predetermined type and a predetermined size or more.
  • the dust sensor module 130 may include a second housing, and a second space may be formed while the second housing and the base 110 are coupled to each other.
  • the dust sensor module 130 may include a dust sensor 136, a lens 137, and a second light source 138 on the second space.
  • the second light source 138 and the dust sensor 136 may be coupled to one region of the upper surface of the base 110, respectively.
  • the second housing of the dust sensor module 130 may include a dust inlet 132 through which dust enters one side wall and a dust outlet 134 through which dust enters the other side wall.
  • the dust sensor 136 may detect the dust when the dust is scattered with the light emitted from the second light source 138.
  • the dust introduced through the dust inlet 132 may move to the dust outlet 134 by the heat transferred from the heat transfer wall 140.
  • heat generated from the first light source 126 of the gas sensor module 120 may be transferred to the dust sensor module 130.
  • the heat transfer wall 140 may be implemented in various forms.
  • the heat transfer wall 140 is formed as a protrusion of the base 110, is located in the opening of the dust sensor module 130, blocks the open surface of the gas sensor module 120, and the first space and the second space. Can be shielded.
  • the heat transfer wall 140 may be formed as a protrusion of the base 110, and may be formed to contact each of one side wall of the gas sensor module 120 and one side wall of the dust sensor module 130.
  • the heat transfer wall 140 is formed on one side wall of the dust sensor module 130, is coupled to the upper surface of the base 110, and implemented to block the open surface of the gas sensor module 120.
  • the gas sensor module 120 may be formed on one side wall of the gas sensor module 120, may be coupled to an upper surface of the base 110, and may block an opening of the dust sensor module 130.
  • Various forms of the heat transfer wall 140 will be described in detail with reference to FIGS. 3 to 6.
  • FIG. 2 is a plan view showing the overall structure of a composite sensor according to an embodiment of the present invention.
  • the complex sensor 200 may include a base 210, a gas sensor module 220, a dust sensor module 230, and a heat transfer wall 240. have. That is, as shown in FIG. 2, the complex sensor 200 simultaneously includes a gas sensor module 220 and a dust sensor module 230, thereby simultaneously detecting gas and dust. As described in FIG. 1, the gas sensor module 220 of the complex sensor 200 according to the exemplary embodiment of the present invention includes a first light source 222, and the dust sensor module 230 includes a second light source 232. ) May be included.
  • the gas sensor module 220 detects gas by using light generated from the first light source 222, and heat generated from the first light source 222 is in the dust sensor module 230 through the heat transfer wall 240. Can be delivered on the second space. Heat transferred to the second space through the heat transfer wall 240 may condense dust upwards.
  • the dust sensor module 230 may detect dusts by detecting a scattering process of light caused by dust convection caused by heat transmitted through the heat transfer wall 240 to meet the light generated by the second light source 232.
  • the designer can remove a separate heat source for convection dust in the conventional dust sensor module, and use the light source included in the gas sensor module as a heat source, and as a result, power consumption. Reduction and sensor size reduction can have technical effects.
  • 3 is a cross-sectional view illustrating a heat transfer wall structure of a composite sensor according to a first exemplary embodiment of the present invention. 3 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 1.
  • the composite sensor 300 according to the first embodiment of the present invention may include a base 310, a gas sensor module 320, a dust sensor module 330, and a heat transfer wall 340.
  • the heat transfer wall 340 of the composite sensor 300 according to the first embodiment of the present invention may be formed as a protrusion of the base 310.
  • the heat transfer wall 340 of the composite sensor 300 according to the first embodiment of the present invention may be located in the opening of the dust sensor module 330.
  • the heat transfer wall 340 of the composite sensor 300 according to the first embodiment of the present invention may block the open surface of the gas sensor module 320.
  • the heat transfer wall 340 of the complex sensor 300 according to the first embodiment of the present invention may shield the first space 322 and the second space 332.
  • the heat transfer wall 340 of the complex sensor 300 may be formed as a protrusion of the base 310 and the first of the gas sensor module 320.
  • One side of the housing 324 may be coupled to the top surface of the base 310, the other side of the first housing 324 may be coupled to one side of the heat transfer wall 340, and the first housing 324.
  • the first space 322 may be formed while being combined with the base 310 and the heat transfer wall 340. As described with reference to FIG. 1, the first space 322 may include a gas sensor and a first light source.
  • the heat transfer wall 340 of the composite sensor 300 may be formed as a protrusion of the base 310, and one of the second housings 334 of the dust sensor module 330 may be formed.
  • the side may be coupled to the top surface of the base 310
  • the other side of the second housing 334 may be coupled to the top surface of the heat transfer wall 340
  • the second housing 334 may be coupled to the base 310.
  • the second space 332 may be formed while being combined with the heat transfer wall 340.
  • the second space 332 may include a dust sensor, a lens, a second light source, and the like.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a heat transfer wall structure of a composite sensor according to a second exemplary embodiment of the present invention. 4 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 1.
  • the complex sensor 400 according to the second embodiment of the present invention may include a base 410, a gas sensor module 420, a dust sensor module 430, and a heat transfer wall 440.
  • the heat transfer wall 440 of the complex sensor 400 according to the second exemplary embodiment of the present invention may be formed as a protrusion of the base 410.
  • the heat transfer wall 440 of the composite sensor 400 according to the second embodiment of the present invention may be in contact with each of one side wall of the gas sensor module 420 and one side wall of the dust sensor module 430.
  • the heat transfer wall 440 of the complex sensor 400 according to the second embodiment of the present invention may be formed as a protrusion of the base 410, and the first of the gas sensor module 420.
  • the lower surface of the housing 424 may be coupled to the upper surface of the base 410, and the first space 422 may be formed while the first housing 424 is coupled to the base 410.
  • the first space 422 may include a gas sensor and a first light source.
  • the heat transfer wall 440 of the composite sensor 400 according to the second embodiment of the present invention may be formed as a protrusion of the base 410, and the lower portion of the second housing 434 of the dust sensor module 430.
  • the surface may be coupled to the upper surface of the base 410, and the second space 432 may be formed while the second housing 434 is coupled to the base 410.
  • the second space 432 may include a dust sensor, a lens, a second light source, and the like.
  • 5 is a cross-sectional view illustrating a heat transfer wall structure of a composite sensor according to a third exemplary embodiment of the present invention. 5 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 1.
  • the composite sensor 500 according to the third embodiment of the present invention may include a base 510, a gas sensor module 520, a dust sensor module 530, and a heat transfer wall 540.
  • the heat transfer wall 540 of the complex sensor 500 according to the third exemplary embodiment of the present invention may be formed on one side wall of the dust sensor module 530.
  • the lower surface of the heat transfer wall 540 of the composite sensor 500 according to the third embodiment of the present invention may be combined with the upper surface of the base 510.
  • the heat transfer wall 540 of the composite sensor 500 according to the third embodiment of the present invention may block the open surface of the gas sensor module 520, and by blocking the open surface of the gas sensor module 520, The first space 522 may be shielded.
  • the heat transfer wall 540 of the complex sensor 500 may be formed on one side wall of the dust sensor module 530, and the dust sensor module 530.
  • a lower surface of the second housing 534 of the second housing 534 may be coupled to the upper surface of the base 510, the lower surface of the second housing 534 is coupled to the upper surface of the base 510, the second space 532. This can be formed.
  • one side of the first housing 524 of the gas sensor module 520 may be coupled to an upper surface of the base 510, and the other side may be coupled to one side of the second housing 534.
  • the first space 522 may be formed while the first housing 524 is coupled to the base 510 and the second housing 534.
  • the heat transfer wall 540 of the complex sensor 500 may be formed as part of the second housing 534, and the first housing may be formed from one side wall of the second housing 534.
  • the wall below the portion where the 524 and the second housing 534 are connected may be the heat transfer wall 540.
  • 6 is a cross-sectional view illustrating a heat transfer wall structure of a composite sensor according to a fourth exemplary embodiment of the present invention. 6 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 1.
  • the complex sensor 600 according to the fourth embodiment of the present invention may include a base 610, a gas sensor module 620, a dust sensor module 630, and a heat transfer wall 640.
  • the heat transfer wall 640 of the complex sensor 600 according to the fourth embodiment of the present invention may be formed on one side wall of the gas sensor module 620.
  • the bottom surface of the heat transfer wall 640 of the complex sensor 600 according to the fourth embodiment of the present invention may be combined with the top surface of the base 610.
  • the heat transfer wall 640 of the complex sensor 600 according to the fourth exemplary embodiment of the present invention may block the opening of the dust sensor module 630, and block the opening of the dust sensor module 630, thereby preventing the second heating wall 640.
  • Space 632 may be shielded.
  • the heat transfer wall 640 of the complex sensor 600 may be formed on one side wall of the gas sensor module 620, and the gas sensor module 620 may be formed.
  • the lower surface of the first housing 624 of the first housing 624 may be coupled to the upper surface of the base 610, the first surface 622 while the lower surface of the first housing 624 is coupled to the upper surface of the base 610 This can be formed.
  • one side of the second housing 634 of the dust sensor module 630 may be coupled to an upper surface of the base 610, and the other side may be coupled to one side of the first housing 624.
  • the second space 632 may be formed while the second housing 634 is coupled to the base 610 and the first housing 624.
  • the heat transfer wall 640 of the complex sensor 600 according to the fourth embodiment of the present invention is formed on one side wall of the first housing 624, and the upper surface of the heat transfer wall 640 is the second housing 634. It can be combined with one side of).
  • the composite sensor of the present invention may include various types of heat transfer walls, and the heat generated from the first light source of the first space may be heat-received by using the heat transfer walls of any type. Can be delivered to space.
  • FIG. 7 is a view for explaining an example in which heat generated by a first light source in a first space is transferred to a second space through a heat transfer wall in a complex sensor according to an exemplary embodiment of the present disclosure.
  • the complex sensor 700 may include a gas sensor module 720, a dust sensor module 730, and a heat transfer wall 740.
  • the gas sensor module 720 may include a first light source 722, and heat may be generated together with light in the first light source 722.
  • the temperature of the first space of the gas sensor module 720 may increase due to the heat generated by the first light source 722. As the temperature of the first space increases, heat of the first space may be transferred to the second space of the dust sensor module 730 through the heat transfer wall 740.
  • dusts introduced through the dust inlet 732 of the dust sensor module 730 by the heat transferred to the second space through the heat transfer wall 740 are directed toward the dust outlet 734. Can be moved.
  • FIG. 8 is a view for explaining the structure of the gas sensor module included in the composite sensor according to an embodiment of the present invention.
  • the gas sensor module 820 included in the composite sensor according to an embodiment of the present invention is a first light source 822, concave mirror 824, gas
  • the sensor 826 may include a gas inlet 828 and a gas outlet 829.
  • the gas sensor included in the composite sensor according to an embodiment of the present invention may be an NDIR gas sensor.
  • the gas sensor module 820 may further include an optical waveguide as well as the first light source 822 and the gas sensor 826.
  • incandescent lamps are generally used, which will be described in detail with reference to FIG. 9.
  • FIG. 8 illustrates an NDIR gas sensor module among gas sensor modules included in a complex sensor.
  • another gas sensor module may be used in the complex sensor of the present invention.
  • FIG. 9 is a view for explaining an example of detecting light in the gas sensor module of the composite sensor according to an embodiment of the present invention.
  • the first light source 822 of the gas sensor module 820 of FIG. 8 may include an incandescent lamp and all light sources having the same emission characteristics.
  • Incandescent lamps emit light when current is applied to the filament, and the brightness of the light increases in a pattern of growth curves for a certain natural time. This pattern is determined by the strength of the current and voltage applied and the physical properties of the filament.
  • the physical properties of the filament may collectively refer to electrical conductivity, thermal conductivity, and thermal properties of the gas filled in the bulb.
  • the incandescent lamp When the incandescent lamp is powered and driven, it takes a certain time to reach the maximum brightness. During this time, the brightness of the incandescent lamp has a growth curve pattern.
  • the parameter included in the function representing the growth curve is composed of a parameter containing the amount of voltage or current of the applied power supply and a parameter containing the property of the filament.
  • these functions are derived through theoretical analysis, but even if theoretical interpretation is impossible, appropriate functions can be found from existing similar functions, and their parameters are independent of each other.
  • FIG. 10 is a view for explaining the principle of the gas sensor of the gas sensor module of the composite sensor according to an embodiment of the present invention.
  • thermopile may be used for the gas sensor 826 of the gas sensor module 820 illustrated in FIG. 8.
  • Thermopile uses the thermoelectric effect to detect light.
  • a thermopile is a sensor that has a black body in the light-receiving part and absorbs light to increase the temperature, thereby generating a voltage due to the temperature difference generated.
  • an optical filter having a transmission characteristic in the wavelength band is disposed in front of the light receiving unit. Light that reaches the light receiving portion of the black body heats the black body, and the heated heat is transferred to a hot junction. The transfer does not proceed in an instant, but occurs through a delay of time.
  • the voltage generated at the cold junction increases over time, and this increase in voltage has a pattern of growth curve.
  • the voltage output from the gas sensor 826 may be referred to as the sum of the light emission pattern of the first light source 822 and the light reception pattern of the gas sensor 826, and the pattern may have a growth curve.
  • FIG. 11 is a perspective view showing the overall structure of a composite sensor according to another embodiment of the present invention.
  • the complex sensor 1100 may include a base 1110, a housing 1120 that is coupled to an upper surface of the base 1110 to form a space, and an upper surface of the base 1110 within the space.
  • a gas sensor 1130 that includes a solid electrolyte, a reference electrode, and a sensing electrode, and a dust sensor 1142, a lens 1144, and a light source 1146 that couple with the top surface of the base 1110 in space.
  • the gas sensor 1130 dissipates heat during operation
  • the dust sensor 1142 detects dusts having a predetermined size or more among the moving dusts by the heat dissipating from the gas sensor 1130, and the housing 1120.
  • the complex sensor 1100 of FIG. 11 may use an electrochemical gas sensor 1130 instead of an NDIR gas sensor as a gas sensor.
  • the gas sensor 1130 continuously radiates heat while the gas sensor 1130 is in operation, dust introduced into the first opening 1150 may be convexed to the second opening 1160 by heat.
  • the complex sensor 1100 of FIG. 11 uses the electrochemical gas sensor instead of the NDIR gas sensor, and thus does not need the first light source 126 of FIG. 1, and the gas sensor 1130 itself is separated from the dust sensor 1142. Can be placed on the phase. As a result, the overall size of the composite sensor can be reduced, and there is a technical effect that power consumption is greatly reduced.
  • the dust flowing into the first opening 1150 may move to the second opening 1160 by heat emitted from the gas sensor 1130.
  • the lens 1144 may collect scattered light generated by collision of light generated from the light source 1146 and dust in the space.
  • gas sensor 1130 may be disposed between the light source 1146 and the lens 1144 in the space.
  • the dust sensor 1142 may detect dust passing through the focusing unit in the space, and heat emitted from the gas sensor 1130 may guide the dust in the space to the focusing unit.
  • a filter for blocking dust of a predetermined size or more may be installed in the first opening 1150.
  • FIG. 12 is a view for explaining the structure of the dust sensor included in the composite sensor according to an embodiment of the present invention.
  • Dust sensor included in the composite sensor according to an embodiment of the present invention is a method using scattering of light, when the light of the light source (for example, LED) 1210 is irradiated to the illumination region through the lens 1220 Dust particles rise by the heat transmitted from the lower part of the sensor, and light scatters in proportion to the dust size when the raised dust particles pass through the illumination region.
  • the light receiver 1240 receives light scattered by the dust particles through the lens 1220 and generates scattered light pulses proportional to the intensity of the received scattered light, thereby detecting dust.
  • the complex sensor described above may not be limitedly applied to the configuration and method of the embodiments described above, but the embodiments may be configured by selectively combining all or part of the embodiments so that various modifications may be made. It may be.

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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

단일 열원을 사용하여 가스 및 먼지를 감지하는 복합 센서
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 환경문제를 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 가능할 뿐만 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.
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.
또한, 제1 개구부(1150)로 유입되는 먼지는 가스 센서(1130)에서 발산하는 열에 의하여 제2 개구부(1160)로 이동할 수 있다.
또한, 렌즈(1144)는 광원(1146)에서 발생되는 빛과 공간 내부의 먼지들이 충돌하여 발생되는 산란광을 모을 수 있다.
또한, 가스 센서(1130)는 공간 내에서 광원(1146)과 렌즈(1144) 사이에 배치될 수 있다.
또한, 먼지 센서(1142)는 공간 내의 집속부를 통과하는 먼지들을 감지할 수 있고, 가스 센서(1130)에서 발산되는 열은 공간 내의 먼지들을 집속부로 안내할 수 있다.
또한, 제1 개구부(1150)에 기 정해진 크기 이상의 먼지들을 차단하는 필터가 제1 개구부에 설치될 수 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 (15)

  1. 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 포함하는,
    단일 열원을 사용하여 가스 및 먼지를 감지하는 복합 센서.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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.
  6. 제1 항에 있어서,
    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.
  7. 제6 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.
  8. 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.
  9. 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.
  10. 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.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 개구부로 유입되는 먼지는 상기 가스 센서에서 발산하는 열에 의하여 상기 제2 개구부로 이동하는,
    단일 열원을 사용하여 가스 및 먼지를 감지하는 복합 센서.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 렌즈는,
    상기 광원에서 발생되는 빛과 상기 공간 상에서 이동하는 먼지들에 의해 발생하는 산란광을 모으는,
    단일 열원을 사용하여 가스 및 먼지를 감지하는 복합 센서.
  13. 제10 항에 있어서,
    상기 가스 센서는 상기 공간 내에서 상기 광원과 상기 렌즈 사이에 배치되는,
    단일 열원을 사용하여 가스 및 먼지를 감지하는 복합 센서.
  14. 제10 항에 있어서,
    상기 먼지 센서는 상기 공간 내의 집속부를 통과하는 먼지들을 감지하고,
    상기 가스 센서에서 발산되는 열은 상기 공간 내의 먼지들을 집속부로 안내하는,
    단일 열원을 사용하여 가스 및 먼지를 감지하는 복합 센서.
  15. 제10 항에 있어서,
    기 정해진 크기 이상의 먼지들을 차단하는 필터가 상기 제1 개구부에 설치되는,
    단일 열원을 사용하여 가스 및 먼지를 감지하는 복합 센서.
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