WO2021210844A1 - 먼지센서 - Google Patents

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WO2021210844A1
WO2021210844A1 PCT/KR2021/004372 KR2021004372W WO2021210844A1 WO 2021210844 A1 WO2021210844 A1 WO 2021210844A1 KR 2021004372 W KR2021004372 W KR 2021004372W WO 2021210844 A1 WO2021210844 A1 WO 2021210844A1
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flow path
air
light
dust
disposed
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PCT/KR2021/004372
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노진희
강성지
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엘지전자 주식회사
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Definitions

  • the present invention relates to a dust sensor, and more particularly, to an optical dust sensor that detects dust present in the air by irradiating light.
  • the dust sensor is a device that measures the amount or concentration of dust particles contained in the air.
  • an optical sensor is widely used.
  • the optical dust sensor measures the amount of dust by irradiating light into the air and detecting the light scattered by the dust. Dust sensors are classified in various ways according to the type of light to be irradiated.
  • This method has a light source unit composed of an LED element, a light receiving unit such as a photodiode (PD), and a lens for condensing light scattered by dust in the air.
  • a light source unit composed of an LED element
  • a light receiving unit such as a photodiode (PD)
  • PD photodiode
  • the senor irradiates light in the visible ray region or the infrared region, there is a disadvantage in that fine dust, which is small in size compared to the wavelength of the light, cannot be measured well.
  • the light source unit irradiates a laser instead of irradiating visible light or infrared light. This method has the advantage of easily measuring fine dust with a small size.
  • the laser dust sensor has a small scorp for irradiating light, there is a problem in that the measurement error is considerable in the case of dust particles larger than the irradiating range of light.
  • the laser dust sensor is almost the same as the actual measured value at PM1.0, but a slight error occurs at PM2.5 and is significantly different from the actual measured value at PM10.
  • a dust sensor in the visible or infrared region must be arranged to measure large dust particles or a laser dust sensor must be arranged to measure small dust particles, and large dust particles and small dust present in the air must be arranged. There was a problem that the particles could not be measured at the same time.
  • An object of the present invention is to provide a dust sensor capable of simultaneously accurately measuring large dust particles and fine dust particles present in the air.
  • Another object of the present invention is to provide a dust sensor capable of measuring an individual size of dust while simultaneously measuring a total concentration of dust.
  • a dust sensor includes a case in which an air inlet and an air outlet are formed, one end is connected to the air inlet and the other end is connected to the air outlet and air flow.
  • An air flow path including a first flow path and a second flow path having different directions, a blowing fan disposed on the air flow path, a first sensing module disposed on the air flow path to detect dust particles in the air, and on the air flow path and a second sensing module disposed downstream of the first sensing module and configured to detect dust particles having a size smaller than that detected by the first sensing module.
  • the second flow path may extend in a direction different from that of the first flow path, the first sensing module may be disposed in the first flow path, and the second sensing module may be disposed in the second flow path.
  • the first flow passage has a first upper passage having an inlet end communicating with the air inlet, having a constant cross-sectional area, and having a first sensing module disposed thereon, an inlet end communicating with the first upper passage, and the size of the cross-sectional area of the outlet end being that of the inlet end. It may include a first lower flow path smaller than the size of the cross-sectional area.
  • the first flow passage may have an upper end in communication with the air intake, a lower end in communication with the second right passage.
  • the first sensing module is disposed on the side surface of the air flow path and is disposed in a direction intersecting both the first light emitting member for irradiating the first light from the side and the irradiation direction and the air flow direction of the first light emitting member and detects the first light It may include a first light-receiving member.
  • the second sensing module is disposed on the side of the air flow path and is disposed in a direction intersecting both the second light emitting member irradiating the second light from the side and the irradiating direction and the air flow direction of the second light emitting member and sensing the second light. It may include a second light-receiving member.
  • the blowing fan may be disposed closer to the air outlet than the air inlet.
  • the air passage may further include a third passage communicating with the outlet end of the second passage, and the blowing fan may be disposed in the third passage.
  • the air flow path may include a first flow path connected to the air intake port, a third flow path connected to the air discharge port and facing the first flow path, and a second flow path connecting the first flow path and the second flow path.
  • the first sensing module detects relatively large dust particles in the first flow path upstream
  • the second sensing module detects relatively small dust particles in the second flow path downstream
  • the first flow path and the second flow path have different air flow directions, so in the first curved flow path connecting the first flow path and the second flow path, large-sized dust collides with the wall of the first curved flow path according to the inertial force. Since it is collected, there is also an advantage in that an error is reduced when the second sensing module is operated.
  • FIG. 1 is a front view schematically showing the internal structure of a dust sensor according to the present invention
  • FIG. 2 is an enlarged view of the first flow path portion in FIG. 1;
  • 3 is a view showing an example of a measurement method and measurement result of the first sensing module
  • FIG. 4 is an enlarged view of the second flow path in FIG. 1;
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of a measurement method and measurement result of the second sensing module
  • FIG. 6 is a diagram illustrating the dust particle measurement results of the second sensing module according to the size of the dust particles.
  • FIG. 1 is a front view, and the front of FIG. 1 is the front of the dust sensor.
  • the upper side of the dust sensor of FIG. 1 is upward.
  • the first light emitting member 131 or the second light emitting member 141 is disposed inside the air flow path P.
  • the side surface of the case 110 is disposed on the outside of the air flow path (P).
  • FIG. 1 is a view showing a dust sensor according to the present invention.
  • the dust sensor measures the amount or concentration of dust particles contained in the air.
  • the dust sensor according to the present invention is an optical sensor that detects dust by irradiating light.
  • the optical sensor irradiates light into the air, and the irradiated light collides with dust so that a part is reflected, diffracted, or scattered, and the size or amount of dust is measured by detecting the reflected, diffracted, or scattered light.
  • the dust sensor according to the present invention measures a wide range of dust.
  • dust particles present in the air are classified into various types such as fine dust or ultra-fine dust.
  • it is classified into general dust particles, fine dust composed of particles having a very small size compared to general dust particles, and ultrafine dust composed of particles having a size smaller than that of fine dust. Since the particle size of fine dust or ultra-fine dust is very small compared to other dust particles, it is difficult to design a dust sensor that can measure ordinary dust and fine dust or ultra-fine dust at the same time. Alternatively, measuring only ultrafine dust has a problem in that accuracy is lowered due to significant noise.
  • the dust sensor according to the present invention classifies general dust, fine dust, or ultrafine dust, and employs sensors capable of measuring the corresponding dust particles within the classified range, thereby detecting dust particles of various sizes. It provides a dust sensor that can accurately measure each size.
  • the dust sensor according to the present invention arranges an air flow path P so as to accurately measure the size of each dust particle, and arranges different types of sensors in each air flow path P.
  • the dust sensor according to the present invention includes at least two sensing modules.
  • the first sensing module 130 detects relatively large dust particles
  • the second sensing module 140 detects relatively small dust particles. Therefore, it is possible to measure dust particles of various sizes present in the air.
  • PM10 refers to dust particles with a diameter of 10 ⁇ m or less. PM10 is referred to as coarse particulate matter in English. PM10 can be detected through an infrared dust sensor or an LED dust sensor. However, in the case of the laser dust sensor, since the light irradiation range is narrow compared to the size of the dust particles of PM10, there is a problem that PM10 dust cannot be accurately detected.
  • PM2.5 refers to dust particles with a diameter of 2.5 ⁇ m or less. PM2.5 is referred to as fine particulate matter in English, and is generally classified as fine dust in Korea. PM2.5 can be detected through an infrared dust sensor or an LED dust sensor. However, in the case of the infrared dust sensor or the LED dust sensor, since the signal increases or decreases according to the total amount of dust particles within the scope, it is difficult to detect the number or size of each dust sensor. In the case of the laser dust sensor, there is a slight error of PM2.5 dust particles, but it can detect it with some accuracy.
  • PM1.0 refers to dust particles with a diameter of less than 1.0um. PM1.0 is referred to as ultra-fine particulate matter in English, and is generally classified as ultra-fine dust in Korea. Since PM1.0 has a very small particle size, there is a problem in that it is difficult to detect it through an infrared dust sensor or an LED dust sensor. However, ultrafine dust corresponding to PM1.0 can be detected with a laser dust sensor.
  • the dust sensor according to the present invention includes several types of sensing modules.
  • the first sensing module 130 may be an infrared dust sensor or an LED dust sensor.
  • the first sensing module 130 may not detect PM1.0 of ultrafine dust, but may detect PM10 or PM2.5 dust.
  • the second sensing module 140 may be a laser dust sensor.
  • the second sensing module 140 has a problem that a significant error occurs when detecting large particles of PM10, but can accurately detect dust of PM2.5 or PM1.0.
  • the dust sensor according to the present invention includes a first detection sensor for detecting dust particles having a relatively large size of about PM2.5 to PM10, and a second detection sensor for detecting dust particles having a relatively small size less than or equal to PM2.5. It is possible to accurately determine the various ranges of dust contained in the air at once.
  • the dust sensor according to the present invention is an optical sensor that detects dust by irradiating light.
  • the optical sensor measures the size or amount of dust by detecting the angle or intensity of reflected, diffracted, or scattered light by colliding with the dust.
  • Fraunhofer theory or the non-scattering theory/Rayleigh-scattering theory are mainly discussed.
  • Fraunhofer's theory is the theory that when a particle is subjected to a laser, the angle at which it is diffracted depends on the size of the particle. For example, when a laser is irradiated to a large dust particle, light with a strong intensity is diffracted at a small angle, and when a laser is irradiated to a dust particle having a small size, light with a weak intensity is diffracted at a wide angle.
  • Mie scattering theory is scattering that occurs when the size of the particle scattering light and the wavelength of the incident light are similar.
  • Rayleigh's scattering theory is scattering that occurs when the size of the particle that scatters light is very small compared to the wavelength of the incident light.
  • the scattering parameter is proportional to the particle size and inversely proportional to the wavelength of the light. According to the non-scattering theory, when the particle size is large, the light is biased backwards compared to the front and scattered. On the other hand, according to the Rayleigh scattering theory, when the particle size is small, light is scattered evenly forward and backward.
  • the diffraction angle, the scattering angle, or the intensity of light varies according to the size of the dust particles. For example, when the size of dust particles is large, the angle of scattered or diffracted light is narrow, and the intensity of the light is relatively strong. Conversely, when the size of the dust particles is small, the angle of scattered or diffracted light is wide, and the light intensity is relatively weak. When the density of dust particles in the air is high, the angle of scattered or diffracted light is widened.
  • the light receiving member may sense the size and density of dust particles according to the detected light angle change or light intensity.
  • the dust sensor is a sensor that irradiates light to the atmosphere, detects that the irradiated light is reflected by fine dust, and detects dust particles present in the atmosphere.
  • the dust sensor includes a light emitting member for irradiating light and a light receiving member for detecting light.
  • it may include a condensing lens for condensing light from the front end of the light receiving member, and a blowing module for generating air flow.
  • the light emitting member irradiates light into the air.
  • the light emitting member according to the present invention includes a first light emitting member 131 for irradiating a first light to a first flow path P1 and a second light emitting member 131 for irradiating a second light to a second flow path P2 . and a light emitting member 141 .
  • the irradiated light may collide with dust particles, and may be reflected, scattered, and diffracted.
  • Various types of light can be irradiated from the light emitting member.
  • the light emitting member may be irradiated with infrared light, may be irradiated with light in a visible ray region, or may be irradiated with a laser.
  • the light receiving member detects reflected, scattered, or diffracted light.
  • the light receiving member according to the present invention includes a first light receiving member 132 that detects a first light from a first flow path P1 and a second light receiving unit that senses a second light from a second flow path P2 . ash 142 .
  • the light receiving member outputs an electric signal corresponding to the dust concentration according to the intensity of the detected light.
  • the light-receiving member is disposed to be deviated from the range in which the light-emitting member irradiates light. Accordingly, when there is no dust in the air and the light is not scattered, the light receiving member cannot detect the light, and the light receiving member can only detect the light when the light is scattered due to the presence of dust in the air.
  • the light receiving member may be a photodiode, and outputs an electric signal corresponding to the detected light. In other words, the light receiving member outputs an electric signal corresponding to the dust concentration.
  • the dust sensor may include a condensing lens.
  • the condensing lens is irradiated from the light emitting member and condenses the light scattered by dust particles in the air.
  • the first light collecting lens for condensing the first light may be disposed between the dust particles and the first light receiving member 132
  • the first light collecting lens for condensing the second light The second light collecting lens may be disposed between the dust particles and the second light receiving member 142 .
  • a blower module installed in the dust sensor includes a heater or a blower fan 120 .
  • the heater When the heater is turned on, the heated air rises.
  • the dust particles present on the air flow path P rise by the heat generated by the heater.
  • the blowing fan 120 may be disposed on the dust sensor to generate air flow.
  • the dust sensor according to the present invention may include a blowing fan 120 .
  • the blowing fan 120 generates air flow by operating the fan and the motor.
  • the dust sensor according to the present invention may include a heater.
  • the heater When the heater is turned on, the heated air rises.
  • the dust particles present on the air flow path P rise by the heat generated by the heater.
  • the raised dust particles reach the light irradiation range of the light emitting member, the irradiated light is scattered.
  • the first sensing module 130 may be an LED dust sensor irradiating light in a visible light region.
  • the first sensing module 130 is a sensor for detecting dust particles in the air by irradiating the first light to the atmosphere and detecting the light reflected by the fine dust.
  • the first sensing module 130 is disposed on the air flow path P, and detects dust particles in the air.
  • the first sensing module 130 includes a first light emitting member 131 and a first light receiving member 133 .
  • the first light emitting member 131 irradiates the first light to the air.
  • the irradiated first light may collide with the dust particles, may be reflected, may be scattered, and may be diffracted.
  • the first light receiving member 133 senses the reflected, scattered, or diffracted first light.
  • the first light receiving member 133 receives the first light and outputs an electrical signal corresponding to the dust concentration.
  • the first light receiving member 133 may be a photodiode that detects light in a visible ray region, and outputs an electric signal corresponding to the detected light. In other words, the first light receiving member 133 outputs an electric signal corresponding to the dust concentration.
  • the first sensing module 130 may include a condensing lens.
  • the condensing lens is irradiated from the first light emitting member 131 to condense the light scattered by dust particles in the air.
  • the first sensing module 130 measures the intensity of scattered light and outputs an electrical signal according to the intensity of the light.
  • an output is output in the form of a sum of all the sizes of dust present in the scope, and the values are shown as an analog graph in which the values are connected to each other.
  • the sensing area is wide, which is advantageous for measuring large dust particles. Conversely, there is a disadvantage in that it is not possible to measure small-sized dust particles due to poor precision.
  • the first sensing module 130 detects relatively large dust particles of 2.5 ⁇ m or more.
  • the second sensing module 140 may be a laser dust sensor irradiating a laser.
  • the laser dust sensor is a sensor that detects dust particles in the air by irradiating laser light into the atmosphere and detecting the light reflected by fine dust.
  • the second sensing module 140 is disposed on the air flow path P, and detects dust particles in the air.
  • the second sensing module 140 is disposed downstream of the first sensing module 130 .
  • the second sensing module 140 detects dust particles having a size smaller than the dust particles detected by the first sensing module 130 .
  • the second sensing module 140 may detect dust particles having a relatively small size of 2.5 ⁇ m or less.
  • the second sensing module 140 includes a second light emitting member 141 and a second light receiving member 143 .
  • the second light emitting member 141 irradiates a laser to the air.
  • the irradiated laser collides with dust particles and is reflected, diffracted, or scattered.
  • the second light receiving member 143 detects the reflected, diffracted, or scattered laser light.
  • the second light receiving member 143 may measure the change in angle of the laser to calculate the size of the dust particles.
  • the size may be sensed according to the intensity of the light detected by the second light receiving member 143 , and the angle change of the light reaching the second light receiving member 143 . It is also possible to detect the size of dust particles by measuring The second light emitting member 141 generates an output for each individual dust, and the values are displayed as a digital graph in which values are not connected to each other.
  • the second sensing module 140 has an advantage in that it has a high energy density and is advantageous for measuring dust particles smaller in size than the above-described first sensing module 130 . Conversely, there is a disadvantage in that the detection area is narrow, which is disadvantageous in measuring large-sized dust particles.
  • the second sensing module 140 has the advantage of being able to more accurately detect the number and size of dust than the first sensing module 130 because the output is displayed for each dust particle.
  • the second sensing module 140 has poor accuracy at PM10.
  • the graph of the dark line shows the measured values of the second sensing module 140 over time
  • the graph of the thin line shows the measured values of dust actually measured over time. That is, in PM1.0 or PM2.5, the measurement result of the second sensing module 140 and the actual dust measurement value show a similar pattern, indicating that certain accuracy is secured.
  • the PM10 shows a pattern in which the measurement result of the second sensing module 140 and the actual dust measurement value are very different, so it can be seen that the accuracy of the second sensing module 140 is lower in the PM10. This means that while the light irradiation range of the second sensing module 140 is narrow, the size of the dust particles is very large, so that the second sensing module 140 cannot accurately determine the size of the dust.
  • the dust sensor according to the present invention includes a case 110 .
  • the case 110 forms the outer shape of the dust sensor, and forms a space in which the components are disposed.
  • the case 110 forms an air flow path P through which air flows therein.
  • the case 110 includes an air intake 111 .
  • the air intake 111 is a component that introduces air to be sensed into the inside of the case 110 .
  • the air intake 111 may be disposed on one side of the case 110 to penetrate the wall of the case 110 .
  • the air inlet 111 is connected to one end of the air flow path P, and more specifically, communicates with the inlet end of the first flow path P1 of the air flow path P.
  • the case 110 includes an air outlet 113 .
  • the air outlet 113 is a component for discharging the sensed air inside the case 110 to the outside.
  • the air outlet 113 may be disposed on one side of the case 110 to penetrate the wall of the case 110 .
  • the air outlet 113 is connected to one end of the air flow path P, and more specifically, communicates with the outlet end of the third flow path P3 of the air flow path P.
  • the air inlet 111 and the air outlet 113 are disposed on one side of the case 110 .
  • the present invention is not limited thereto, and within a range that can be easily changed by a person skilled in the art, one side and the other side may be spaced apart from each other.
  • the size of the air inlet 111 may be formed smaller than the size of the air outlet 113 .
  • the air flow path P is formed inside the case 110 , and one end is connected to the air inlet 111 , and the other end is connected to the air outlet 113 .
  • a blower fan 120 is disposed on the air flow path P, thereby generating air flow. Since the first sensing module 130 and the second sensing module 140 are disposed on the air flow path P, it is possible to detect dust particles present in the flowing air.
  • the air flow path P includes a first flow path P1 , a second flow path P2 , and a third flow path P3 .
  • the first passage P1 to the third passage P3 communicate with each other.
  • the air flow directions of the first flow passages P1 to P3 may be different from each other.
  • the first flow path P1 is a component that allows the air sucked into the dust sensor to flow, and detects dust particles contained in the sucked air.
  • the inlet end of the first flow path P1 communicates with the air intake 111 and the outlet end communicates with the second flow path P2.
  • the air flow direction of the first flow path P1 is different from the air flow direction of the second flow path P2 .
  • the first flow path P1 and the second flow path P2 are not parallel to each other.
  • the first sensing module 130 is disposed in the first flow path P1.
  • the first sensing module 130 is disposed on the first flow path P1, and detects dust particles in the air.
  • the first flow path P1 may be formed to extend downward. That is, the upper end of the first passage P1 may communicate with the air intake 111 , and the lower end of the first passage P1 may communicate with the second passage P2 .
  • the first flow path P1 extends downward, so that the dust may flow according to the negative pressure of the blowing fan 120 or may flow according to gravity.
  • the first passage P1 may be divided into a first upper passage P11 and a second lower passage.
  • the inlet end of the first upper flow passage P11 communicates with the air intake 111 and the outlet end communicates with the inlet end of the first lower passage P12.
  • the first upper flow passage P11 may have a constant cross-sectional area.
  • the first sensing module 130 is preferably disposed in the first upper flow path P11.
  • the inlet end of the first lower flow passage P12 communicates with the first upper flow passage P11 and the outlet end communicates with the second flow passage P2.
  • the size of the cross-sectional area of the outlet end of the first lower flow path P12 may be smaller than the size of the cross-sectional area of the inlet end.
  • the cross-sectional area of the first lower flow path P12 may gradually decrease. Due to the continuous arrangement of the fluid, the air flow velocity increases at the outlet end of the first lower flow path P12 than at the inlet end of the first lower flow path P12, and the dust contained in the air has a greater inertia force, and the first flow path The probability of being deviated from the first curved passage P4 between the P1 and the second passage P2 increases.
  • the first lower flow path P12 may have an inclined surface in a direction in which the size of the cross-sectional area of the outlet end becomes smaller than the size of the cross-sectional area of the inlet end.
  • the first lower passage P12 may have an outer wall parallel to the wall disposed outside the first upper passage P11 .
  • the outer wall of the first lower passage P12 may be parallel to the air flow direction of the first upper passage P11, and the inner wall of the first lower passage P12 is directed in a direction in which the outlet end approaches the outer wall. can be used to form an inclined surface. Therefore, assuming that the air flow direction of the first upper flow path P11 flows in a direction parallel to the outer wall, the air flow direction of the first lower flow path P12 is parallel to the air flow direction of the first upper flow path P11. Instead of doing so, it flows gradually outward from the air flow direction of the first upper flow path P11. Therefore, the centripetal force applied to the dust particles in the curved passage P4 is maximized.
  • the first sensing module 130 is disposed on the air flow path P and is a component for detecting dust particles in the air. In more detail, the first sensing module 130 is disposed on the first flow path P1 .
  • the first sensing module 130 may detect dust particles larger than the size of the dust particles detectable by the second sensing module 140 .
  • the second sensing module 140 accurately detects dust particles of 2.5 ⁇ m or less in the range of PM2.5, it cannot accurately detect dust particles larger than 2.5 ⁇ m, but the first sensing module 130 cannot accurately detect dust particles of 2.5 ⁇ m or less. Even dust particles larger than um can be detected relatively accurately.
  • the first sensing module 130 includes a first light emitting member 131 for irradiating the first light.
  • the first light emitting member 131 is disposed on the side surface of the air passage P, and irradiates the first light from the side surface.
  • the first light emitting member 131 is disposed on the side of the first flow path P1 .
  • the air flow direction is the z-axis direction
  • the first light emitting member 131 may irradiate the first light in the y-axis direction.
  • the first light may be a light having a wide measurement range or a light having a long wavelength so as to more accurately detect dust larger than the second light.
  • the first light may be light in the visible ray region, and may be irradiated from the LED.
  • the first light emitting member 131 may be disposed inside the first flow path P1 to irradiate the first light to the outside.
  • the inner side of the first flow path P1 corresponds to one side of the first flow path P1 close to the third flow path P3. That is, the first light emitting member 131 may be disposed between the first flow path P1 and the third flow path P3 .
  • the first sensing module 130 includes a first light receiving member 133 for sensing the first light emitted by the first light emitting member 131 .
  • the first light receiving member 133 is disposed on the side surface of the air flow path P, and more specifically, disposed in a direction intersecting both the irradiation direction and the air flow direction of the first light emitting member 131 .
  • the air flow direction is the z-axis direction and the first light-emitting member 131 irradiates the first light in the y-axis direction
  • the first light-receiving member 133 is disposed in the x-axis direction, the y-axis direction Detects a part scattered from the first light irradiated with
  • the first light receiving member 133 may be disposed on the rear surface of the first flow path P1 .
  • the second light receiving member 143 may be disposed on the rear surface of the second flow path P2 like the first light receiving member 133 .
  • the first light emitting member 131 and the second light emitting member 141 are disposed inside the air flow path P, and the first light receiving member 133 and the second The light receiving member 143 may be disposed at the rear of the air passage P.
  • the first light-receiving member 133 and the second light-receiving member 143 are disposed inside, and the first light-emitting member 131 and the second light-emitting member 141 are disposed at the rear of the air passage P can be
  • the first light emitting member 131 and the second light emitting member 141 are irradiated in parallel, and as the light is scattered/diffracted/reflected, the light is summed, thereby reducing accuracy.
  • the first light emitting member 131 and the second light emitting member 141 are irradiated in a direction to move away from each other, and even if scattered/diffracted/reflected, there is little risk of light interfering with each other. .
  • the first sensing module 130 may include a first condensing lens.
  • the first light collecting lens may be disposed at the entrance end of the first light receiving member 133 . Since the intensity of the LED light is usually weaker than that of the laser, the first condensing lens amplifies the intensity of the LED light directed to the first light receiving member 133 .
  • a first curved passage P4 may be formed between the first passage P1 and the second passage P2 .
  • the first bending flow path P4 is formed between the first flow path P1 and the second flow path P2 according to a specific radius of curvature, and the radius of curvature is a value that maximizes the centripetal force and may be determined according to an experiment.
  • the inlet end of the first curved passage P4 communicates with the outlet end of the first flow passage P1, and the outlet end of the first curved passage P4 communicates with the inlet end of the second passage P2.
  • the air flow directions of the first flow path P1 and the second flow path P2 are different from each other, and preferably, the air flow directions of the first flow path P1 and the second flow path P2 may be orthogonal to each other.
  • the large dust particles collide with the outer wall of the first curved flow path P4 according to the inertial force, It is accumulated on the outer wall of the first curved flow path P4 and cannot flow through the second flow path P2.
  • the dust particles having small particles have a small inertia force, they can flow through the second flow path P2 without colliding with the outer wall of the first curved flow path P4 .
  • the air introduced from the inlet end of the first curved passage P4 and the dust particles contained in the air receive a force according to the sound pressure by the blowing fan 120 .
  • the dust particles are subjected to gravity, and when the direction of gravity coincides with the air flow direction, the net force applied to the dust particles further increases.
  • the net force is the same as the inertial force.
  • the size of the dust particles filtered in the first curved flow path P4 also becomes smaller and, therefore, the detection accuracy in the second flow path P2 also increases. It works.
  • a dust stopper 150 may be disposed in the first curved flow path P4 .
  • a hole is formed through a portion of the outer wall of the first curved passage P4, and dust particles accumulated in the first curved passage P4 can be cleaned through the hole.
  • the dust plug 150 is inserted into the outer wall of the first curved passage P4. The dust plug 150 closes the hole when the dust sensor is operated, and is removed when the dust sensor is cleaned to clean the dust particles accumulated in the first curved flow path P4.
  • the first flow path P1 is a component that allows the air that has passed through the first flow path P1 to flow and measures finer dust particles.
  • the inlet end of the second flow path P2 communicates with the first flow path P1 and the outlet end communicates with the third flow path P3.
  • a curved flow path may be disposed at a connection portion between the second flow passage P2 and the first flow passage P1 or at a connection portion between the second flow passage P2 and the third flow passage P3 .
  • the second sensing module 140 is disposed in the second flow path P2 .
  • the second sensing module 140 is disposed on the second flow path P2, and detects particles having a finer size among dust particles in the air.
  • the second flow path P2 extends in a direction different from that of the first flow path P1 .
  • the second flow path P2 may extend in the left and right direction.
  • the second flow path P2 may extend laterally.
  • the second flow path P2 may extend in a horizontal direction.
  • the second flow path P2 is horizontally disposed to exclude the effect of gravity and improve the accuracy of detecting small dust particles.
  • the second flow path P2 has a constant cross-sectional shape.
  • the second flow path P2 has a constant cross-sectional shape, so that the air flow rate is constant and the accuracy of detecting small dust particles is improved.
  • a cross-sectional area of the second passage P2 may be smaller than a cross-sectional area of the first passage P1. Accordingly, the air flow velocity in the second flow path P2 is faster than the air flow velocity in the first flow path P1 . Since the second light has a shorter wavelength than the first light, even if the air flow velocity is fast, it can be accurately measured, and energy can be saved by shortening the time for irradiating the second light because it consumes more energy than the first light. .
  • the second sensing module 140 is disposed on the air flow path P and is a component for detecting dust particles in the air. In more detail, the second sensing module 140 is disposed on the second flow path P2 .
  • the second sensing module 140 detects dust particles having a size smaller than the dust particles detected by the first sensing module 130 .
  • the second sensing module 140 may accurately detect PM2.5, that is, dust particles of 2.5 ⁇ m or less.
  • the second sensing module 140 includes a second light emitting member 141 irradiating a second light.
  • the second light emitting member 141 is disposed on the side surface of the air passage P, and irradiates the second light from the side surface.
  • the second light emitting member 141 is disposed on the side of the second flow path P2 .
  • the air flow direction is the y-axis direction
  • the second light emitting member 141 may irradiate the second light in the z-axis direction.
  • the second light may be light of a shorter wavelength so as to detect dust smaller than the first light.
  • the second light may be a laser.
  • the second light emitting member 141 may be disposed inside the second flow path P2 to irradiate the second light to the outside.
  • the inner side of the second flow path P2 corresponds to one side of the second flow path P2 close to the first flow path P1 and the third flow path P3. That is, the second light emitting member 141 may be disposed between the first flow path P1 and the second flow path P2 .
  • the second sensing module 140 includes a second light receiving member 143 for sensing the second light emitted by the second light emitting member 141 .
  • the second light receiving member 143 is disposed on the side surface of the air flow path P, and more specifically, disposed in a direction intersecting both the irradiation direction and the air flow direction of the second light emitting member 141 .
  • the air flow direction in the second flow path P2 is the y-axis direction and the second light emitting member 141 irradiates the second light in the z-axis direction
  • the second light receiving member 143 is moved in the x direction. , and detects a part scattered/diffracted/reflected from the second light irradiated in the z-axis direction.
  • the second light receiving member 143 may be disposed on the rear surface of the second flow path P2 .
  • the second light-receiving member 143 and the first light-receiving member 133 are disposed on the rear surface of the air passage P, so that the second light-emitting member 141 and the first light-emitting member 131 are spatially connected to the air passage P ) may be disposed on the inside. Therefore, the second light emitting member 141 and the first light emitting member 131 are disposed inside the air flow path P and irradiate the light away from each other to the outside, thereby preventing interference between the first light and the second light. have.
  • the second sensing module 140 may include a second condensing lens.
  • the second sensing module 140 is disposed downstream of the first sensing module 130 .
  • the second sensing module 140 detects dust particles having a size smaller than the dust particles detected by the first sensing module 130 .
  • the second sensing module 140 detects dust particles having a size smaller than the size of the dust particles detectable by the first sensing module 130 in a range that is narrower than the range detectable by the first sensing module 130 . do. That is, the second sensing module 140 has the advantage of being able to detect dust particles having a smaller size than the dust particles detected by the first sensing module 130 .
  • the accuracy is lowered.
  • dust particles having a size larger than the range that can be detected by the second dust sensor are introduced, there is a problem in that the dust particles cannot be detected.
  • the first sensing module 130 may detect large-sized dust particles, and the second sensing module 140 may remove small-sized dust particles. That is, the measurement range of dust particles can be dramatically increased by dualizing the measurement of dust particles and spatially separating the measurement space.
  • a first curved flow path P4 is formed between the second sensing module 140 and the first sensing module 130 .
  • dust with large particles is filtered and accumulated on the outer wall due to inertial force, gravity, or centripetal force. Accordingly, in the second sensing module 140 , only small-sized dust particles flow, so that only small-sized dust particles can be accurately measured.
  • the third flow path P3 is a component for discharging the measured air to the outside of the dust sensor through the air outlet 113 .
  • the third flow path P3 has an inlet end communicating with the second flow path P2 and an outlet end communicating with the air outlet 113 .
  • the third flow path P3 may be disposed to face the first flow path P1 . That is, when the air flow direction in the first flow path P1 is downward, the air flow direction in the third flow path P3 may be upward.
  • the first passage P1, the second passage P2, and the third passage P3 may be formed in a 'U' shape.
  • the first light emitting member 131 or the second light emitting member 141 may be disposed between the first flow path P1 and the third flow path P3 .
  • the first light emitting member 131 is disposed inside the air flow path P, irradiates the first light toward the first flow path P1
  • the second light emitting member 141 is disposed inside the air flow path P. disposed to irradiate the second light toward the second flow path P2 .
  • the irradiating direction of the first light is different from the irradiating direction of the second light, and is arranged farther away from the irradiating direction of the second light, so that the irradiated first light and the second light do not interfere with each other.
  • the space occupied by the light emitting member inside the case 110 is small, so that the space of the case 110 can be efficiently utilized. There are also advantages to being able to.
  • the blowing fan 120 is disposed in the third flow path P3.
  • the blowing fan 120 provides a negative pressure to the air passage P to flow air.
  • the third flow path P3 may be formed to extend upward.
  • the third flow path P3 may have a cross-sectional area of an outlet end greater than a cross-sectional area of an inlet end.
  • the present invention is not limited thereto, and the third flow path P3 may be changed within a range that can be easily adopted by a person skilled in the art.
  • the cross-sectional area of the outlet end of the third passage P3 may be larger than the cross-sectional area of the inlet end of the first passage P1 . Since the blower fan 120 is disposed to be biased toward the air outlet 113, the cross-sectional area of the inlet end of the first passage P1 is designed to be smaller than the cross-sectional area of the outlet end of the third passage P3. ), it is possible to secure a certain amount of air volume and static pressure at the inlet end.
  • a curved passage P5 may be formed at a connection portion between the second passage P2 and the third passage P3 .
  • the second curved passage P5 may be connected to the outlet end of the second passage P2 and the inlet end of the third passage P3 .
  • the cross-sectional area of the outlet end of the second curved passage P5 may be larger than the cross-sectional area of the inlet end of the second curved passage P5.
  • the second curved flow path P5 guides the air introduced from the second flow path P2 to the third flow path P3 by changing the air flow direction.
  • the cross-sectional area of the outlet end of the second curved passage P5 is formed to be larger than the cross-sectional area of the inlet end of the second curved passage P5, thereby lowering the pressure and preventing dust particles from being deposited.
  • the blowing fan 120 is a component that generates air flow.
  • the blower fan 120 is disposed on the air flow path P, and introduces air existing outside the dust sensor into the case 110 through the air inlet, and causes the air to flow on the air flow path P, and the air outlet. It is discharged to the outside of the case 110 through (113).
  • the blowing fan 120 is disposed on the air passage P. More specifically, the blowing fan 120 is disposed on the third flow path P3.
  • the blowing fan 120 may be a cross flow fan.
  • air is introduced in a radial direction and air is discharged in a radial direction ( 120 ).
  • the cross-flow fan has the characteristic of uniformly discharging air.
  • the blower fan 120 according to the present invention is composed of a cross flow fan, so that the air on the flow path flows at a uniform speed to accurately detect dust particles.
  • the blowing fan 120 is disposed to be biased toward the air outlet 113 compared to the air inlet 111 .
  • the blower fan 120 is disposed at the air inlet 111 to flow the air in the air flow path P by positive pressure, and is disposed at the air outlet 113 to blow the air in the air flow path P by negative pressure. can be moved.
  • the blower fan 120 according to the present invention is disposed at the air outlet 113 to flow air by negative pressure, and has the effect of being able to flow the air in the air flow path P at a uniform speed rather than air flow due to positive pressure. have.
  • the air existing outside the dust sensor is introduced into the dust sensor through the air inlet 111, and the size and concentration of dust particles are measured while passing through the air flow path P formed inside the dust sensor, and the air outlet 113. It is discharged to the outside of the dust sensor through
  • Air is introduced into the dust sensor through the air inlet 111 and flows through the first flow path P1 communicating with the air inlet 111 .
  • Air contains dust particles of various sizes.
  • the first sensing module 130 is disposed in the first flow path P1, and the first sensing module 130 detects relatively large dust particles among dust particles of various sizes. For example, the first sensing module 130 mainly detects dust particles of 2.5 ⁇ m or larger.
  • the first flow path P1 may be formed to extend downward. As the first flow path P1 receives gravity in the air flow direction, the inertial force increases, and the large dust particles collide with the wall in the first curved flow path P4 to effectively collect them.
  • the first passage P1 may be divided into a first upper passage P11 having a constant cross-sectional area and a first lower passage P12 having a smaller cross-sectional area.
  • the first upper flow path P11 has a constant cross-sectional area, so that the flow rate is constantly slow, and the first sensing module 130 can accurately detect the dust particles.
  • the size of the cross-sectional area of the second lower flow passage becomes smaller and smaller, the flow velocity gradually increases, and by applying an inertial force, the dust particles having large particles collide with the wall in the first curved passage P4 to effectively collect them.
  • the first lower flow passage P12 forms an inclined surface in which the inner wall gradually approaches the outer wall, and the size of the cross-sectional area decreases.
  • the air flow direction is gradually biased to the outside. Accordingly, as the centripetal force increases in the first curved flow path P4 , dust particles with large particles collide with the wall and are effectively collected.
  • the air passing through the first flow path P1 flows through the first curved flow path P4.
  • the air flows through the first curved passage P4 and the air flow direction is changed.
  • large dust particles collide with the outer wall of the first curved passage P4 by inertial force, gravity, or centripetal force and are collected.
  • the small dust particles do not collide with the outer wall of the first curved flow path P4 and move toward the second flow path P2. Accordingly, only dust particles having a relatively small size may flow in the second flow path P2 .
  • large dust particles are mostly collected in the first curved passage P4, and small dust particles are introduced into the second passage P2.
  • a second sensing module 140 is disposed in the second flow path P2, and the second sensing module 140 detects relatively small dust particles among dust particles of various sizes.
  • the second sensing module 140 mainly detects dust particles of 2.5 ⁇ m or less. Relatively large dust particles are mostly collected in the first curved passage P4, and the second sensing module 140 accurately detects fine dust particles, and the accuracy is improved.
  • the air passing through the second flow path P2 flows through the second curved flow path P5.
  • the pressure decreases, and the dust particles contained in the air do not settle and flow into the third passage P3.
  • the air passing through the second curved flow path P5 flows through the third flow path P3.
  • the air introduced into the third flow path P3 is discharged to the outside of the dust sensor through the air outlet 113 through the blowing fan 120 .

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Abstract

본 발명은 먼지센서에 관한 것으로, 공기흡입구와 공기토출구가 형성된 케이스, 케이스 내부에 형성되고 일 단이 공기흡입구와 연결되고 타 단이 공기토출구와 연결되고 공기유동방향이 서로 다른 제1유로와 제2유로를 포함하는 공기유로, 공기유로 상에 배치되는 송풍팬, 공기유로 상에 배치되고 공기중의 먼지입자를 감지하는 제1센싱모듈, 및 공기유로상에 배치되고 제1센싱모듈보다 하류에 배치되고 제1센싱모듈이 감지하는 먼지입자보다 작은 크기의 먼지입자를 감지하는 제2센싱모듈을 포함하여, 공기중에 존재하는 크기가 큰 먼지입자들과 크기가 작은 미세먼지입자들을 동시에 정확하게 측정할 수 있는 먼지센서에 관한 발명이다.

Description

먼지센서
본 발명은 먼지센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광을 조사하여 공기중 존재하는 먼지를 감지하는 광학식 먼지센서에 관한 것이다.
근래 미세먼지에 대하여 다양한 문제들이 제기되고 있는 실정이며, 미세먼지를 측정하기 위한 먼지센서들에 대한 연구가 활발해지고 있다.
먼지센서는 공기중에 포함된 먼지입자의 양 또는 농도를 측정하는 장치이다. 먼지센서는 광학식 센서가 널리 이용되고 있다. 광학식 먼지센서는 공기중에 광을 조사하고, 먼지에 의해 산란된 광을 검출하여 먼지의 양을 측정한다. 먼지센서는 조사하는 광의 종류에 따라 다양하게 분류된다.
먼지센서 중 LED(Light Emitting Diode) 발광소자 또는 적외선 발광소자에 의한 센서가 있다. 이 방식은 LED소자로 구성된 광원부, 포토다이오드(PD, Photo Diode)와 같은 수광부, 공기중의 먼지에 의해 산란된 빛을 집광하는 렌즈를 가진다.
하지만, 상기 센서는 가시광선 영역 또는 적외선 영역의 광을 조사하는 바, 광의 파장에 비하여 크기가 작은 미세먼지의 경우에는 잘 측정하지 못하는 단점이 있다.
한편, 먼지센서 중 레이저광을 조사하여 먼지를 감지하는 먼지센서가 있다. 이 방식은 광원부에서는 가시광선 또는 적외선 영역의 광을 조사하는 대신 레이저를 조사한다. 이 방식은 크기가 작은 미세먼지를 용이하게 측정하는 장점이 있다.
하지만 레이저 먼지센서는 광을 조사하는 범위(scorp)가 작아, 광의 조사범위보다 큰 먼지입자의 경우에는 측정에 오차가 상당하다는 문제가 있다. 예를 들어, 도 6을 참조하면, 레이저 먼지센서는 PM1.0에서 실제 계측값과 거의 동일하지만, PM2.5에서는 약간의 오차가 발생하고, PM10에서는 실제 계측값과 상당히 다르다는 것을 알 수 있다.
즉 종래기술에 따르면, 큰 먼지입자들을 측정하기 위하여 가시광선 또는 적외선 영역의 먼지센서를 배치하던가, 작은 먼지입자들을 측정하기 위하여 레이저 먼지센서를 배치하여야 하고, 공기중에 존재하는 큰 먼지입자와 작은 먼지입자들을 동시에 측정할 수 없다는 문제점이 있었다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 공기중에 존재하는 큰 먼지입자들과 미세먼지입자들을 동시에 정확하게 측정할 수 있는 먼지센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 과제는 먼지의 총 농도를 측정함과 동시에 먼지의 개별 크기를 측정할 수 있는 먼지센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 먼지센서는, 공기흡입구와 공기토출구가 형성된 케이스, 케이스 내부에 형성되고 일 단이 공기흡입구와 연결되고 타 단이 공기토출구와 연결되고 공기유동방향이 서로 다른 제1유로와 제2유로를 포함하는 공기유로, 공기유로 상에 배치되는 송풍팬, 공기유로 상에 배치되고 공기중의 먼지입자를 감지하는 제1센싱모듈, 및 공기유로상에 배치되고 제1센싱모듈보다 하류에 배치되고 제1센싱모듈이 감지하는 먼지입자보다 작은 크기의 먼지입자를 감지하는 제2센싱모듈을 포함한다.
제2유로는 제1유로의 연장방향과 다른 방향으로 연장되고, 제1센싱모듈은 제1유로에 배치되고, 제2센싱모듈은 제2유로에 배치될 수 있다.
제1유로는 입구단이 공기흡입구와 연통되고 일정한 단면적으로 형성되고 제1센싱모듈이 배치되는 제1상부유로와, 입구단이 제1상부유로와 연통되고 출구단의 단면적의 크기는 입구단의 단면적의 크기보다 작은 제1하부유로를 포함할 수 있다.
제1유로는 상단이 공기흡입구와 연통되고, 하방으로 연자오디고, 하단이 제2우로와 연통될 수 있다.
제1센싱모듈은 공기유로의 측면에 배치되어 측방에서 제1광을 조사하는 제1발광부재와, 제1발광부재의 조사방향 및 공기유동방향과 모두 교차하는 방향에 배치되과 제1광을 감지하는 제1수광부재를 포함할 수 있다.
제2센싱모듈은 공기유로의 측방에 배치되어 측방에서 제2광을 조사하는 제2발광부재와, 제2발광부재의 조사방향 및 공기유동방향과 모두 교차하는 방향에 배치되고 제2광을 감지하는 제2수광부재를 포함할 수 있다.
송풍팬은 공기흡입구에 비하여 공기토출구에 가깝게 배치될 수 있다.
공기유로는 제2유로의 출구단과 연통되는 제3유로를 더 포함하고, 송풍팬은 제3유로에 배치될 수 있다.
공기유로는 공기흡입구와 연결된 제1유로, 공기토출구와 연결되고 제1유로와 대향하는 제3유로, 제1유로와 제2유로를 연결하는 제2유로를 포함할 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 먼지센서에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.
첫째, 상류인 제1유로에서 제1센싱모듈이 상대적으로 큰 먼지입자를 감지하고, 하류인 제2유로에서 제2센싱모듈이 상대적으로 작은 먼지입자를 감지하여, 특정한 부피의 공기중에 존재하는 다양한 크기의 먼지입자들을 동시에 측정하여 정확도를 향상시키는 장점이 있다.
둘째,　제1유로와 제2유로는 공기유동방향이 서로 다른 바, 제1유로와 제2유로를 연결하는 제1굴곡유로에서 크기가 큰 먼지들이 관성력에 따라 제1굴곡유로의 벽에 충돌하여 포집되므로, 제2센싱모듈의 작동시 오차가 줄어드는 장점도 있다.
셋째,　제1굴곡유로에서 공기는 선회하는 바, 구심력에 따라 제1굴곡유로의 외측벽에 크기가 큰 먼지입자들이 포집되므로, 제2센싱모듈의 작동시 오차가 줄어드는 장점도 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 먼지센서의 내부 구조를 간략하게 도시한 정면도,
도 2는 도 1에서 제1유로 부분을 확대하여 도시한 도,
도 3은 제1센싱모듈의 측정방법과 측정결과의 예시를 도시한 도,
도 4는 도 1에서 제2유로 부분을 확대하여 도시한 도,
도 5는 제2센싱모듈의 측정방법과 측정결과의 예시를 도시한 도,
도 6은 먼지입자의 크기별로, 제2센싱모듈의 먼지입자 측정결과를 도시한 도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하, 본 발명의 실시예들에 의하여 먼지센서를 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
도 1을 참조하면, 도 1은 정면도로서, 도 1의 전방이 먼지센서의 전방이다. 도 1의 먼지센서의 위쪽은 상방이다. 공기유로(P)를 기준으로, 제1발광부재(131) 또는 제2발광부재(141)는 공기유로(P)의 내측에 배치된다. 케이스(110)의 측면은 공기유로(P)의 외측에 배치된다.
도 1은 본 발명에 따른 먼지센서를 나타낸 도이다. 먼지센서는 공기중에 포함된 먼지입자의 양 또는 농도를 측정한다.
본 발명에 따른 먼지센서는 광을 조사하여 먼지를 감지하는 광학식 센서이다. 광학식 센서는 공기중에 광을 조사하고, 조사된 광은 먼지와 충돌하여 일부가 반사되거나 회절되거나 산란되며, 반사, 회절 또는 산란된 광을 감지하여 먼지의 크기나 양을 측정한다.
본 발명에 따른 먼지센서는 넓은 범위의 먼지를 측정한다. 근래에는 공기중에 존재하는 먼지입자를 미세먼지, 또는 초미세먼지 등 여러가지로 분류하고 있다. 공기중에는 일반 먼지입자, 일반 먼지입자들에 비하여 매우 작은 크기의 입자들로 구성된 미세먼지, 미세먼지에 비하여 더욱 작은 크기의 입자들로 구성된 초미세먼지 등으로 분류된다. 미세먼지 또는 초미세먼지는 다른 먼지입자들에 비해 입자의 크기가 매우 작기 때문에, 일반먼지와 미세먼지 또는 초미세먼지를 한번에 측정할 수 있는 먼지센서는 설계하기 어려우며, 일반먼지의 존재 때문에 미세먼지 또는 초미세먼지만을 측정하는 것은 노이즈가 상당하여 정확도가 떨어지는 문제가 있다.
이에, 본 발명에 따른 먼지센서는 일반먼지, 미세먼지, 또는 초미세먼지를 분류하고, 분류한 범위 내에서 해당 먼지입자를 측정할 수 있는 종류의 센서들을 채택하여, 다양한 크기의 먼지입자를 그 크기별로 정확하게 측정할 수 있는 먼지센서를 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 먼지센서는 각 먼지입자의 크기별로 정확하게 측정할 수 있도록 공기유로(P)를 배치하고, 각 공기유로(P)에 다른 종류의 센서들을 배치한다.
보다 상세하게, 본 발명에 따른 먼지센서는 적어도 2개의 센싱모듈을 포함한다. 센싱모듈 중 제1센싱모듈(130)은 상대적으로 큰 먼지입자들을 감지하고, 제2센싱모듈(140)은 상대적으로 작은 먼지입자들을 감지한다. 따라서, 공기중에 존재하는 다양한 크기의 먼지입자들을 측정할 수 있다.
최근 대기중에 포함된 먼지입자의 분류는 측정기술의 발전과 함께 세분화되었다. 근래에는 PM10, PM2.5, PM1.0로 분류하며, 분류된 PM 중 주로 PM2.5가 연구되고 있다.
PM10은 지름이 10um이하인 먼지입자를 말한다. PM10은 영어로 Coarse particulate matter로 지칭된다. PM10은 적외선 먼지센서 또는 LED 먼지센서를 통하여 감지할 수 있다. 하지만, 레이저 먼지센서의 경우에는 PM10의 먼지입자의 크기에 비하여 광 조사범위가 협소하기 때문에, PM10 먼지들은 정확히 감지할 수 없다는 문제가 있다.
PM2.5는 지름이 2.5um이하인 먼지입자를 말한다. PM2.5는 영어로 Fine particulate matter로 지칭되며, 우리나라에서는 통상적으로 미세먼지로 분류한다. PM2.5는 적외선 먼지센서 또는 LED먼지센서를 통하여 감지할 수 있다. 하지만, 적외선 먼지센서 또는 LED 먼지센서의 경우에는 스코퍼 범위 내의 먼지입자의 총량에 따라 신호가 증감하는 바, 개개의 먼지센서의 개수나 크기를 감지하기 어렵다는 문제가 있다. 레이저 먼지센서의 경우에는 PM2.5의 먼지입자를 약간의 오차가 존재하지만 어느정도 정확하게 감지할 수 있다.
PM1.0은 지름이 1.0um이하인 먼지입자를 말한다. PM1.0은 영어로 Ultra-fine particulate matter라고 지칭되며, 우리나라에서는 통상적으로 초미세먼지로 분류한다. PM1.0은 입자의 크기가 매우 작기 때문에, 적외선 먼지센서 또는 LED 먼지센서를 통하여 감지하기 어렵다는 문제가 있다. 하지만, PM1.0에 해당하는 초미세먼지들은 레이저 먼지센서로 감지할 수 있다.
본 발명에 따른 먼지센서는 여러 종류의 센싱모듈을 구비한다.
일 실시예에 따르면, 제1센싱모듈(130)은 적외선 먼지센서 또는 LED 먼지센서일 수 있다. 제1센싱모듈(130)은 PM1.0의 초미세먼지는 감지할 수 없지만, PM10 또는 PM2.5의 먼지를 감지할 수 있다.
또한, 제2센싱모듈(140)은 레이저 먼지센서일 수 있다. 제2센싱모듈(140)은 PM10의 큰 먼지들은 감지할 때 상당한 오차가 발생한다는 문제가 있지만, PM2.5 또는 PM1.0의 먼지를 정확히 감지할 수 있다.
본 발명에 따른 먼지센서는, PM2.5~PM10 정도로 상대적으로 큰 크기의 먼지입자를 감지하는 제1감지센서와, PM2.5 이하의 상대적으로 작은 크기의 먼지입자를 감지하는 제2감지센서를 구비하여, 공기중에 포함된 다양한 범위의 먼지들을 한번에 정확히 판단할 수 있다.
본 발명에 따른 먼지센서는 광을 조사하여 먼지를 감지하는 광학식 센서이다. 광학식 센서는 조사된 광이 먼지와 충돌하여 반사되거나, 회절되거나, 또는 산란된 광의 각도나 세기를 감지하여, 먼지의 크기나 양을 측정한다. 광이 반사/회절/산란되는 것과 관련된 이론은 여러가지가 있으나, 현재에는 프라운호퍼 이론 또는 미-산란이론/레일리-산란이론 등이 주로 논의된다.
프라운호퍼(Fraunhofer) 이론은 입자가 레이저를 받게 될 경우에 회절되는 각도가 입자의 크기에 따라 다르다는 이론이다. 예를 들어, 크기가 큰 먼지입자에 레이저가 조사되면 작은 각도로 강한 세기의 광이 회절하고, 크기가 작은 먼지입자에 레이저가 조사되면 넓은 각도로 약한 세기의 광이 회절한다.
미(Mie) 산란이론은 빛을 산란하는 입자의 크기와 입사하는 빛의 파장이 비슷할 경우 일어나는 산란이다. 레일리(Rayleigh) 산란이론은 빛을 산란하는 입자의 크기가 입사하는 빛의 파장에 비하여 매우 작을 경우에 일어나는 산란이다. 산란 파라미터는 입자의 크기에 비례하고, 빛의 파장에 반비례한다. 미 산란이론에 따르면, 입자의 크기가 큰 경우에는, 빛은 전방에 비하여 후방으로 치우쳐져 산란된다. 반면에, 레일리 산란이론에 따르면, 입자의 크기가 작은 경우에는, 빛는 전방과 후방에 고르게 산란된다.
상술한 이론들에 따르면, 먼지입자의 크기에 따라 회절각도, 산란각도 또는 광의 세기가 달라진다. 예를 들어, 먼지입자의 크기가 큰 경우에는 산란 또는 회절되는 광의 각도가 좁고, 광의 세기가 상대적으로 강하다. 반대로, 먼지입자의 크기가 작은 경우에는 산란 또는 회절되는 광의 각도가 넓고, 광의 세기가 상대적으로 약해진다. 공기중에 먼지입자의 밀도가 높은 경우에는 산란 또는 회절되는 광의 각도가 넓어진다. 수광부재는 검출한 광의 각도변화 또는 광의 세기에 따라 먼지입자의 크기 및 밀도를 감지할 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 먼지센서는 대기에 광을 조사하고, 조사된 광이 미세먼지에 반사되는 것을 검출하여, 대기중에 존재하는 먼지입자를 감지하는 센서이다. 먼지센서는 광을 조사하는 발광부재와, 광을 검출하는 수광부재를 구비한다. 또한, 수광부재의 전단에서 광을 집광하는 집광렌즈와, 공기유동을 발생시키는 송풍모듈을 포함할 수 있다.
발광부재는 공기중에 광을 조사한다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 발광부재는 제1유로(P1)에 제1광을 조사하는 제1발광부재(131)와, 제2유로(P2)에 제2광을 조사하는 제2발광부재(141)를 포함한다. 조사된 광은 먼지입자와 충돌하여, 반사될 수 있고, 산란될 수 있고, 회절될 수도 있다. 발광부재에서는 여러가지 종류의 광을 조사할 수 있다. 발광부재는 적외선 광을 조사할 수 있고, 가시광선 영역의 광을 조사할 수도 있고, 레이저를 조사할 수도 있다.
수광부재는 반사, 산란, 또는 회절된 광을 감지한다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 수광부재는 제1유로(P1)에서 제1광을 감지하는 제1수광부재(132)와, 제2유로(P2)에서 제2광을 감지하는 제2수광부재(142)를 포함한다. 수광부재는 광을 검출한 광의세기에 따라, 먼지농도에 상응하는 전기신호를 출력한다.
수광부재는 발광부재가 광을 조사하는 범위에 어긋나게 배치된다. 따라서, 공기중에 먼지가 없어 광이 산란되지 않는 경우에는 수광부재는 광을 검출할 수 없고, 공기중에 먼지가 존재하여 광이 산란될 때에만 수광부재는 광을 검출할 수 있다.
수광부재는 포토다이오드(Photo Diode)일 수 있으며, 검출한 광에 상응하는 전기신호를 출력한다. 다시 말해, 수광부재는 먼지농도에 상응하는 전기신호를 출력한다.
먼지센서는 집광렌즈를 포함할 수 있다. 집광렌즈는 발광부재에서 조사되어 공기중의 먼지입자에 의해 산란된 광을 집광시킨다. 미도시하였으나, 도 2를 참조하면 제1광을 집광하는 제1집광렌즈는 먼지입자와 제1수광부재(132)의 사이에 배치될 수 있고, 도 4를 참조하면 제2광을 집광하는 제2집광렌즈는 먼지입자와 제2수광부재(142) 사이에 배치될 수 있다.
먼지센서에 설치되는 송풍모듈로는 히터 또는 송풍팬(120)이 있다. 히터를 작동하면 가열된 공기는 상승한다. 공기유로(P)상에 존재하는 먼지입자들이 히터에서 발생한 열에 의해 상승한다. 상승된 먼지입자들이 발광부재의 광 조사범위에 도달하면, 조사된 광을 산란시킨다. 또는, 송풍팬(120)을 먼지센서에 배치하여, 공기유동을 발생시킬 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 먼지센서는 송풍팬(120)을 구비할 수 있다. 송풍팬(120)은 팬과 모터를 가동하여 공기유동을 발생시킨다.
도시하지 않았으나, 본 발명에 따른 먼지센서는 히터를 구비할 수 있다. 히터를 작동하면 가열된 공기는 상승한다. 공기유로(P)상에 존재하는 먼지입자들이 히터에서 발생한 열에 의해 상승한다. 상승된 먼지입자들이 발광부재의 광 조사범위에 도달하면, 조사된 광을 산란시킨다.
제1센싱모듈(130)은 가시광선 영역의 광을 조사하는 LED먼지센서일 수 있다. 제1센싱모듈(130)은 대기에 제1광을 조사하여 미세먼지에 반사되는 빛을 감지하여 대기중 먼지입자를 감지하는 센서이다. 제1센싱모듈(130)은 공기유로(P) 상에 배치되고, 공기중의 먼지입자를 감지한다.
도 2를 참조하면, 제1센싱모듈(130)은 제1발광부재(131)와 제1수광부재(133)를 포함한다.
제1발광부재(131)는 공기에 제1광을 조사한다. 조사된 제1광은 먼지입자와 충돌하여, 반사될 수 있고, 산란될 수 있고, 회절될 수도 있다.
제1수광부재(133)는 반사, 산란, 또는 회절된 제1광을 감지한다. 제1수광부재(133)는 제1광을 입력받아, 먼지농도에 상응하는 전기신호를 출력한다.
제1수광부재(133)는 가시광선 영역의 광을 검출하는 포토다이오드일 수 있으며, 검출한 광에 상응하는 전기신호를 출력한다. 다시 말해, 제1수광부재(133)는 먼지농도에 상응하는 전기신호를 출력한다.
제1센싱모듈(130)은 집광렌즈를 포함할 수 있다. 집광렌즈는 제1발광부재(131)에서 조사되어 공기중의 먼지입자에 의해 산란된 광을 집광시킨다.
도 3을 참조하면, 제1센싱모듈(130)의 경우 산란되는 광의 세기를 측정하여, 광의 세기에 따른 전기적 신호를 출력한다. 제1센싱모듈(130)의 경우에는 스코프(scope)내에 존재하는 모든 먼지크기에 대한 합형태로 출력이 나오며, 값들이 서로 연결되는 아날로그형 그래프로 나타난다.
제1센싱모듈(130)의 경우, 빛의 강도가 약하지만, 감지할 수 있는 영역이 넓어, 큰 먼지입자의 측정에 유리하다. 반대로, 정밀도가 떨어져 작은 크기의 먼지입자를 측정하지 못하는 단점이 있다.
또한, 제1센싱모듈(130)의 경우, 신호출력이 시간에 따라 연속되는 아날로그형으로 나타나기 때문에 개개의 먼지입자들을 구별할 수 없다는 단점이 있다. 또한, 자연광이 섞일 수 있어, 노이즈가 포함될 수 있다는 단점이 있다.
본 발명에 따르면, 제1센싱모듈(130)은 2.5um 이상의 상대적으로 큰 먼지입자들을 감지하도록 한다.
제2센싱모듈(140)은 레이저를 조사하는 레이저먼지센서일 수 있다. 레이저먼지센서는 대기에 레이저광을 조사하여 미세먼지에 반사된 빛을 감지하여, 대기중 먼지입자를 감지하는 센서이다. 제2센싱모듈(140)은 공기유로(P) 상에 배치되고, 공기중의 먼지입자를 감지한다.
제2센싱모듈(140)은 제1센싱모듈(130)보다 하류에 배치된다. 제2센싱모듈(140)은 제1센싱모듈(130)이 감지하는 먼지입자보다 작은 크기의 먼지입자를 감지한다. 예를 들면, 제2센싱모듈(140)은 2.5um 이하의 상대적으로 작은 크기의 먼지입자를 감지할 수 있다.
도 5를 참조하면, 제2센싱모듈(140)은 제2발광부재(141)와 제2수광부재(143)를 포함한다.
제2발광부재(141)는 공기에 레이저를 조사한다. 조사된 레이저는 먼지입자와 충돌하여, 반사되거나, 회절되거나, 산란된다.
제2수광부재(143)는 반사되거나, 회절되거나, 산란된 레이저광을 감지한다. 제2수광부재(143)는 레이저의 각도변화를 측정하여, 먼지입자의 크기를 계산할 수 있다.
도 6을 참조하면, 제2센싱모듈(140)의 경우, 제2수광부재(143)가 검출하는 광의 세기에 따라 크기를 감지할 수도 있고, 제2수광부재(143)에 도달하는 광의 각도변화를 측정하여 먼지입자의 크기를 감지할 수도 있다. 제2발광부재(141)는 각각의 개별먼지에 대하여 출력이 발생되며, 값들이 서로 연결되지 않는 디지털형 그래프로 나타난다.
제2센싱모듈(140)의 경우에는 에너지밀도가 높고, 상술한 제1센싱모듈(130)보다 크기가 작은 먼지입자의 측정에 유리하다는 장점이 있다. 반대로, 감지할 수 있는 영역이 좁아, 크기가 큰 먼지입자의 측정에는 불리하다는 단점이 있다.
제2센싱모듈(140)은 각각의 먼지입자별로 출력이 표시되기 때문에 제1센싱모듈(130)보다 정확하게 먼지의 개수 및 크기를 감지할 수 있는 장점이 있다. 하지만, 조사범위(Scope)가 협소하여, PM10 등 너무 큰 입자의 먼지를 정확히 파악하기 어렵다는 단점이 있다.
특히, 도 6을 참조하면, 제2센싱모듈(140)은 PM10에서 정확도가 떨어지는 것을 알 수 있다. 도 6을 참조하면, 진한 선도의 그래프는 시간에 따른 제2센싱모듈(140)의 측정값을 나타낸 것이고, 옅은 선도의 그래프는 시간에 따라 실제 측정한 먼지의 측정값을 나타낸 것이다. 즉, PM1.0 또는 PM2.5에서는 제2센싱모듈(140)의 측정결과와 실제 먼지의 측정값이 유사한 패턴을 보이는 바 일정한 정확성이 확보된 것을 알 수 있다. 하지만, PM10에서는 제2센싱모듈(140)의 측정결과와 실제 먼지의 측정값이 많이 상이한 패턴을 보이는 바, 제2센싱모듈(140)이 PM10에서 정확도가 떨어지는 것을 알 수 있다. 이는 제2센싱모듈(140)의 광 조사범위(Scope)가 좁은 반면 먼지입자의 크기가 매우 커서, 제2센싱모듈(140)이 먼지의 크기를 정확히 파악할 수 없다는 것을 의미한다.
본 발명에 따른 먼지센서는 케이스(110)를 포함한다. 케이스(110)는 먼지센서의 외형을 형성하고, 내부에 구성요소들이 배치되는 공간을 형성한다. 케이스(110)는 내부에 공기가 유동하는 공기유로(P)를 형성한다.
케이스(110)는 공기흡입구(111)를 포함한다. 공기흡입구(111)는 센싱할 공기를 케이스(110)의 내부로 유입시키는 구성요소이다. 공기흡입구(111)는 케이스(110)의 일 측에 배치되어, 케이스(110)의 벽을 관통하여 형성될 수 있다. 공기흡입구(111)는 공기유로(P)의 일 단과 연결되고, 보다 상세하게는 공기유로(P) 중 제1유로(P1)의 입구단과 연통된다.
케이스(110)는 공기토출구(113)를 포함한다. 공기토출구(113)는 케이스(110) 내부의 센싱이 끝난 공기를 외부로 토출하는 구성요소이다. 공기토출구(113)는 케이스(110)의 일 측에 배치되어, 케이스(110)의 벽을 관통하여 형성될 수 있다. 공기토출구(113)는 공기유로(P)의 일 단과 연결되고, 보다 상세하게는 공기유로(P) 중 제3유로(P3)의 출구단과 연통된다.
도 1을 참조하면, 공기흡입구(111)와 공기토출구(113)는 케이스(110)의 일 측에 배치된다. 하지만 이에 한하지 않고, 통상의 기술자가 용이하게 변경할 수 있는 범위 내에서, 일 측과 타 측에 이격되게 배치될 수 있다.
공기흡입구(111)의 크기는 공기토출구(113)의 크기보다 작게 형성될 수 있다.
도 1을 참조하면, 공기유로(P)는 케이스(110) 내부에 형성되고, 일 단이 공기흡입구(111)와 연결되고, 타 단이 공기토출구(113)와 연결된다.
공기유로(P) 상에는 송풍팬(120)이 배치되는 바, 공기유동을 발생시킨다. 공기유로(P) 상에는 제1센싱모듈(130)과 제2센싱모듈(140)이 배치되는 바, 유동공기에 존재하는 먼지입자를 감지할 수 있다.
공기유로(P)는 제1유로(P1)와 제2유로(P2)와 제3유로(P3)를 포함한다. 제1유로(P1) 내지 제3유로(P3)는 서로 연통된다. 제1유로(P1) 내지 제3유로(P3)는 공기유동방향이 서로 다를 수 있다.
제1유로(P1)는 먼지센서의 내부에 흡입된 공기를 유동하게 하며, 흡입된 공기중에 포함된 먼지입자들을 감지하도록 하는 구성요소이다. 제1유로(P1)는 입구단이 공기흡입구(111)와 연통되고, 출구단이 제2유로(P2)와 연통된다.
제1유로(P1)의 공기유동방향은 제2유로(P2)의 공기유동방향과 상이하다. 제1유로(P1)와 제2유로(P2)는 평행하지 않게 배치된다.
제1유로(P1)에는 제1센싱모듈(130)이 배치된다. 제1센싱모듈(130)은 제1유로(P1) 상에 배치되고, 공기중의 먼지입자를 감지한다.
제1유로(P1)는 하향으로 연장형성될 수 있다. 즉, 제1유로(P1)의 상단은 공기흡입구(111)와 연통되고, 제1유로(P1)의 하단은 제2유로(P2)와 연통될 수 있다. 제1유로(P1)는 하향으로 연장되어, 먼지들은 송풍팬(120)의 음압에 따라 유동할 수 있고, 중력에 따라 유동할 수도 있다.
제1유로(P1)는 제1상부유로(P11)와 제2하부유로로 구분될 수 있다. 제1상부유로(P11)는 입구단이 공기흡입구(111)와 연통되고, 출구단이 제1하부유로(P12)의 입구단과 연통된다. 제1상부유로(P11)는 단면적이 일정하게 형성될 수 있다. 제1센싱모듈(130)은 제1상부유로(P11)에 배치됨이 바람직하다. 제1하부유로(P12)는 입구단이 제1상부유로(P11)와 연통되고, 출구단이 제2유로(P2)와 연통된다. 제1하부유로(P12)는 출구단의 단면적의 크기가 입구단의 단면적의 크기보다 작게 형성될 수 있다. 즉, 제1하부유로(P12)는 단면적이 점점 줄어들 수 있다. 유체의 연속정리에 의하여, 제1하부유로(P12)의 입구단보다 제1하부유로(P12)의 출구단에서는 공기유속이 증가하며, 공기에 포함된 먼지들은 더 큰 관성력을 가지고, 제1유로(P1)와 제2유로(P2) 사이의 제1굴곡유로(P4)에서 이탈될 확률이 증가한다.
제1하부유로(P12)는 출구단의 단면적의 크기가 입구단의 단면적의 크기보다 작아지는 방향으로 경사면을 형성할 수 있다.
제1하부유로(P12)는 외측벽이 제1상부유로(P11)의 외측에 배치된 벽과 평행하게 배치될 수 있다. 바람직하게는, 제1하부유로(P12)의 외측벽은 제1상부유로(P11)의 공기유동방향과 평행할 수 있고, 제1하부유로(P12)의 내측벽은 출구단이 외측벽과 가까워지는 방향으로 경사면을 형성할 수 있다. 따라서, 제1상부유로(P11)의 공기유동방향이 외측벽과 평행한 방향으로 유동한다고 할때, 제1하부유로(P12)의 공기유동방향은 제1상부유로(P11)의 공기유동방향과 평행하지 않고, 제1상부유로(P11)의 공기유동방향보다 외측으로 점점 치우쳐지게 유동한다. 따라서, 굴곡유로(P4)에서 먼지입자에 가해지는 구심력을 최대로 한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 제1센싱모듈(130)은 공기유로(P) 상에 배치되고, 공기중의 먼지입자를 감지하는 구성요소이다. 보다 상세하게, 제1센싱모듈(130)은 제1유로(P1) 상에 배치된다.
제1센싱모듈(130)은 제2센싱모듈(140)이 감지할 수 있는 먼지입자의 크기보다 큰 먼지입잘를 감지할 수 있다. 예를 들어, 제2센싱모듈(140)이 PM2.5의 범위에서 2.5um 이하의 먼지입자를 정확히 감지하는데 비해 2.5um이상의 먼지입자를 정확하게 감지할 수 없지만, 제1센싱모듈(130)은 2.5um이상의 먼지입자도 비교적 정확하게 감지할 수 있다.
제1센싱모듈(130)은 제1광을 조사하는 제1발광부재(131)를 포함한다. 제1발광부재(131)는 공기유로(P)의 측면에 배치되어, 측방에서 제1광을 조사한다. 보다 상세하게는, 제1발광부재(131)는 제1유로(P1)의 측면에서 배치된다. 예를 들어, 공기유동방향이 z축 방향이라면, 제1발광부재(131)는 y축 방향으로 제1광을 조사할 수 있다.
제1광은 제2광보다 큰 먼지를 보다 정확하게 감지할 수 있도록, 측정범위가 넓은 광일 수 있고, 긴 파장의 광일 수 있다. 제1광은 가시광선 영역의 광일 수 있고, LED에서 조사될 수 있다.
바람직하게는, 제1발광부재(131)는 제1유로(P1)의 내측에 배치되어, 외측으로 제1광을 조사할 수 있다. 제1유로(P1)의 내측이라 함은, 제3유로(P3)에 가까운 제1유로(P1)의 일 측에 해당한다. 즉, 제1발광부재(131)는 제1유로(P1)와 제3유로(P3) 사이에 배치될 수 있다.
제1센싱모듈(130)은 제1발광부재(131)가 조사한 제1광을 감지하는 제1수광부재(133)를 포함한다. 제1수광부재(133)는 공기유로(P)의 측면에 배치되며, 보다 상세하게는 제1발광부재(131)의 조사방향 및 공기유동방향과 모두 교차하는 방향에 배치된다. 예를 들어, 공기유동방향이 z축 방향이고, 제1발광부재(131)가 y축 방향으로 제1광을 조사할 때, 제1수광부재(133)는 x방향으로 배치되어, y축 방향으로 조사된 제1광에서 산란된 일부를 감지한다.
바람직하게는, 제1수광부재(133)는 제1유로(P1)의 배면에 배치될 수 있다. 제2수광부재(143)는 제1수광부재(133)와 마찬가지로 제2유로(P2)의 배면에 배치될 수 있다. 예를 들어, 첫번째 경우로, 본 발명과 같이, 제1발광부재(131)와 제2발광부재(141)가 공기유로(P)의 내측에 배치되고, 제1수광부재(133)와 제2수광부재(143)가 공기유로(P)의 후방에 배치될 수 있다. 두번째 경우로, 제1수광부재(133)와 제2수광부재(143)가 내측에 배치되고, 제1발광부재(131)와 제2발광부재(141)가 공기유로(P)의 후방에 배치될 수 있다. 두번째 경우는 제1발광부재(131)와 제2발광부재(141)가 평행하게 조사되고, 산란/회절/반사됨에 따라 광이 합산되어 정확성이 감소되는 문제가 있다. 이에 반하여, 첫번째 경우는 제1발광부재(131)와 제2발광부재(141)가 서로 멀어지도록 하는 방향으로 조사되는 바, 산란/회절/반사되더라도 광이 서로 간섭될 우려가 거의 없다는 장점이 있다.
제1센싱모듈(130)은 제1집광렌즈를 포함할 수 있다. 제1집광렌즈는 제1수광부재(133)의 입구단에 배치될 수 있다. LED광은 레이저보다 광의 세기가 약한 것이 보통이므로, 제1집광렌즈는 제1수광부재(133)로 향하는 LED광의 세기를 증폭시킨다.
제1유로(P1)와 제2유로(P2) 사이에는 제1굴곡유로(P4)가 형성될 수 있다. 제1유로(P1)와 제2유로(P2) 사이에는 특정한 곡률반경에 따라 제1굴곡유로(P4)가 형성되며, 곡률반경은 구심력을 최대한으로 하는 값으로 실험에 따라 결정될 수 있다.
제1굴곡유로(P4)의 입구단은 제1유로(P1)의 출구단과 연통하고, 제1굴곡유로(P4)의 출구단은 제2유로(P2)의 입구단과 연통한다. 제1유로(P1)와 제2유로(P2)는 공기유동방향이 서로 상이하고, 바람직하게는 제1유로(P1)와 제2유로(P2)는 공기유동방향이 직교할 수 있다.
먼지입자의 제1유로(P1)에서의 유동방향과 제2유로(P2)에서의 유동방향이 상이한 바, 입자가 큰 먼지입자는 관성력에 따라 제1굴곡유로(P4)의 외측벽에 충돌하고, 제1굴곡유로(P4)의 외측벽에 쌓이게 되며, 제2유로(P2)를 유동할 수 없다. 하지만, 입자가 작은 먼지입자는 관성력도 작으므로, 제1굴곡유로(P4)의 외측벽에 충돌하지 않고 제2유로(P2)를 유동할 수 있다.
제1굴곡유로(P4)의 입구단에서 유입되는 공기 및 공기에 포함된 먼지입자는 송풍팬(120)에 의한 음압에 따른 힘을 받는다. 또한, 먼지입자는 중력을 받으며, 중력의 방향과 공기유동방향이 일치하는 경우에는 먼지입자에 가해지는 알짜힘은 더욱 상승한다. 알짜힘은 관성력과 동일한 바, 제1유로(P1)가 하향으로 연장되는 경우에는 먼지입자들이 가지는 관성력이 더욱 상승하며, 제1굴곡유로(P4)에서 걸러지는 먼지입자들의 크기도 점점 작아지는 바, 제2유로(P2)에서의 감지의 정확성도 더욱 상승하는 효과가 있다.
제1굴곡유로(P4)에서는 공기 및 공기에 포함된 먼지입자는 선회하며 유동한다. 선회하는 먼지입자는 반경방향으로 구심력을 받는다. 먼지입자는 상술한 관성력 같은 방향으로 구심력을 받는 바, 제1굴곡유로(P4)에서 걸러지는 먼지입자들의 크기도 점점 작아지고, 따라서, 제2유로(P2)에서의 감지의 정확성도 더욱 상승하는 효과가 있다.
제1굴곡유로(P4)에는 먼지마개(150)가 배치될 수 있다. 제1굴곡유로(P4)의 외측벽의 일부에는 홀이 관통하여 형성되고, 이 홀을 통하여 제1굴곡유로(P4)에 쌓인 먼지입자들을 청소할 수 있다. 먼지마개(150)는 제1굴곡유로(P4)의 외측벽에 삽입된다. 먼지마개(150)는 먼지센서 작동시에는 홀을 폐쇄하고, 먼지센서 청소시에는 제거되어 제1굴곡유로(P4)에 쌓인 먼지입자들을 청소할 수 있다.
제1유로(P1)는 제1유로(P1)를 통과한 공기를 유동하게 하며, 보다 미세한 먼지입자들을 측정하도록 하는 구성요소이다. 제2유로(P2)는 입구단이 제1유로(P1)와 연통되고, 출구단이 제3유로(P3)와 연통된다. 제2유로(P2)와 제1유로(P1)와의 연결부 또는 제2유로(P2)와 제3유로(P3)와의 연결부에는 굴곡유로가 배치될 수 있다.
제2유로(P2)에는 제2센싱모듈(140)이 배치된다. 제2센싱모듈(140)은 제2유로(P2)상에 배치되고, 공기중의 먼지입자 중 보다 미세한 크기의 입자들을 감지한다.
제2유로(P2)는 제1유로(P1)의 연장방향과 다른 방향으로 연장된다. 예를 들어, 제1유로(P1)가 상하 방향으로 연장되는 경우, 제2유로(P2)는 좌우 방향으로 연장될 수 있다.
제2유로(P2)는 횡으로 연장형성될 수 있다. 제2유로(P2)는 수평방향으로 연장될 수 있다. 제2유로(P2)는 횡으로 배치되어 중력에 따른 영향을 배제하고, 크기가 작은 먼지입자들을 감지하는 정확성을 향상시킨다.
제2유로(P2)는 일정한 단면형상을 가진다. 제2유로(P2)는 일정한 단면형상을 갖도록 하여, 공기유속을 일정하게 하고, 크기가 작은 먼지입자를 감지하는 정확성을 향상시킨다.
제2유로(P2)의 단면적은 제1유로(P1)의 단면적보다 작게 형성될 수 있다. 따라서, 제2유로(P2)에서의 공기유속은 제1유로(P1)에서의 공기유속보다 빠르다. 제2광은 제1광보다 짧은 파장을 가지는 바 공기유속이 빠르더라도 정확하게 측정할 수 있고, 제1광보다 에너지소모가 많은 점에서 제2광을 조사하는 시간을 짧게 하여 에너지를 절약할 수 있다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 제2센싱모듈(140)은 공기유로(P) 상에 배치되고, 공기중의 먼지입자를 감지하는 구성요소이다. 보다 상세하게, 제2센싱모듈(140)은 제2유로(P2) 상에 배치된다.
제2센싱모듈(140)은 제1센싱모듈(130)이 감지하는 먼지입자보다 작은 크기의 먼지입자를 감지한다. 예를 들어, 제2센싱모듈(140)은 PM2.5, 즉 2.5um 이하의 먼지입자를 정확히 감지할 수 있다.
제2센싱모듈(140)은 제2광을 조사하는 제2발광부재(141)를 포함한다. 제2발광부재(141)는 공기유로(P)의 측면에 배치되어, 측방에서 제2광을 조사한다. 보다 상세하게는, 제2발광부재(141)는 제2유로(P2)의 측면에서 배치된다. 예를 들어, 공기유동방향이 y축 방향이라면, 제2발광부재(141)는 z축 방향으로 제2광을 조사할 수 있다.
제2광은 제1광보다 작은 먼지를 감지할 수 있도록, 짧은 파장의 광일 수 있다. 제2광은 레이저일 수 있다.
바람직하게는, 제2발광부재(141)는 제2유로(P2)의 내측에 배치되어, 외측으로 제2광을 조사할 수 있다. 제2유로(P2)의 내측이라 함은 제1유로(P1)와 제3유로(P3)에 가까운 제2유로(P2)의 일 측에 해당한다. 즉, 제2발광부재(141)는 제1유로(P1)와 제2유로(P2) 사이에 배치될 수 있다.
제2센싱모듈(140)은 제2발광부재(141)가 조사한 제2광을 감지하는 제2수광부재(143)를 포함한다. 제2수광부재(143)는 공기유로(P)의 측면에 배치되며, 보다 상세하게는 제2발광부재(141)의 조사방향 및 공기유동방향과 모두 교차하는 방향에 배치된다. 예를 들어, 제2유로(P2)에서 공기유동방향이 y축 방향이고, 제2발광부재(141)가 z축방향으로 제2광을 조사할 때, 제2수광부재(143)는 x방향으로 배치되어, z축 방향으로 조사된 제2광에서 산란/회절/반사된 일부를 감지한다.
바람직하게는, 제2수광부재(143)는 제2유로(P2)의 배면에 배치될 수 있다. 제2수광부재(143)와 제1수광부재(133)는 공기유로(P)의 배면에 배치됨으로써, 공간상으로 제2발광부재(141)와 제1발광부재(131)는 공기유로(P)의 내측에 배치될 수 있다. 따라서, 제2발광부재(141)와 제1발광부재(131)는 공기유로(P)의 내측에 배치되고 광을 외측으로 서로 멀어지게 조사함으로써, 제1광과 제2광의 간섭을 방지할 수 있다.
제2센싱모듈(140)은 제2집광렌즈를 포함할 수 있다.
제2센싱모듈(140)은 제1센싱모듈(130)보다 하류에 배치된다.
제2센싱모듈(140)은 제1센싱모듈(130)이 감지하는 먼지입자보다 작은 크기의 먼지입자를 감지한다. 제2센싱모듈(140)은 제1센싱모듈(130)이 감지할 수 있는 범위보다 좁은 범위에서, 제1센싱모듈(130)이 감지할 수 있는 먼지입자의 크기보다 작은 크기의 먼지입자들을 감지한다. 즉, 제2센싱모듈(140)은 제1센싱모듈(130)이 감지하는 먼지입자보다 작은 크기의 먼지입자를 감지할 수 있다는 장점이 있다. 하지만, 상대적으로 큰 크기의 먼지입자의 경우에는 정확도가 떨어지는 단점이 있다. 더욱이, 제2먼지센서가 감지할 수 있는 범위보다 큰 크기의 먼지입자가 유입되는 경우에는 먼지입자를 감지할 수 없다는 문제가 있다.
따라서, 제2센싱모듈(140)을 제1센싱모듈(130)보다 하류에 배치하고, 제2센싱모듈(140)과 제1센싱모듈(130) 사이에서 크기가 큰 먼지입자를 제거하면, 제1센싱모듈(130)에서 큰 크기의 먼지입자를 감지하고 제2센싱모듈(140)에서 크기가 작은 먼지입자를 제거할 수 있다. 즉, 먼지입자의 측정을 이원화하고, 측정공간을 공간적으로 분리하여, 먼지입자의 측정범위를 비약적으로 상승싴킬 수 있다.
보다 상세하게는, 제2센싱모듈(140)과 제1센싱모듈(130) 사이에는 제1굴곡유로(P4)가 형성된다. 제1굴곡유로(P4)에서는 관성력, 중력, 또는 구심력으로 인하여 입자가 큰 먼지들이 외측벽에 걸러져 쌓인다. 따라서, 제2센싱모듈(140)에서는 크기가 작은 먼지입자들만이 유동하는 바, 크기가 작은 먼지입자들만을 정확하게 측정할 수 있다.
제3유로(P3)는 측정이 완료된 공기를 공기토출구(113)를 통해 먼지센서 외부로 배출하는 구성요소이다. 제3유로(P3)는 입구단이 제2유로(P2)와 연통되고, 출구단이 공기토출구(113)와 연통된다.
제3유로(P3)는 제1유로(P1)와 대향하여 배치될 수 있다. 즉, 제1유로(P1)에서의 공기유동방향이 하향일 경우에는, 제3유로(P3)에서의 공기유동방향은 상향일 수 있다. 제1유로(P1)와 제2유로(P2)와 제3유로(P3)는 'U'자 형상으로 형성될 수 있다.
제1발광부재(131) 또는 제2발광부재(141)는 제1유로(P1)와 제3유로(P3) 사이에 배치될 수 있다. 제1발광부재(131)는 공기유로(P)의 내측에 배치되어, 제1유로(P1)를 향해 제1광을 조사하고, 제2발광부재(141)는 공기유로(P)의 내측에 배치되어 제2유로(P2)를 향해 제2광을 조사할 수 있다. 제1광의 조사방향은 제2광의 조사방향과 상이하고, 제2광의 조사방향과 점점 멀게 배치되는 바, 조사된 제1광과 제2광은 서로 간섭을 일으킬 우려가 없다는 효과가 있다. 또한, 제1발광부재(131)와 제2발광부재(141)는 동일한 PCB판에 배치되는 바, 케이스(110) 내부에서 발광부재가 차지하는 공간이 적어, 케이스(110)의 공간을 효율적으로 활용할 수 있다는 장점도 있다.
제3유로(P3)에는 송풍팬(120)이 배치된다. 송풍팬(120)은 공기유로(P)에 음압을 제공하여 공기을 유동시킨다.
제3유로(P3)는 상향으로 연장형성될 수 있다. 제3유로(P3)는 출구단의 단면적이 입구단의 단면적보다 크게 형성될 수 있다. 하지만, 이에 한하지 않으며, 제3유로(P3)는 통상의 기술자가 용이하게 채택할 수 있는 범위에서 변경될 수 있다.
제3유로(P3)의 출구단의 단면적은 제1유로(P1)의 입구단의 단면적보다 크게 형성될수 있다. 송풍팬(120)은 공기토출구(113) 쪽에 치우쳐져 배치되는 바, 제1유로(P1)의 입구단의 단면적을 제3유로(P3)의 출구단의 단면적보다 작게 설계하여 제1유로(P1)의 입구단에서 일정 이상의 풍량 및 정압을 확보할 수 있다.
제2유로(P2)와 제3유로(P3)의 연결부에는 굴곡유로(P5)가 형성될 수 있다. 제2유로(P2)의 출구단과 제3유로(P3)의 입구단에는 제2굴곡유로(P5)가 연결될 수 있다. 제2굴곡유로(P5)의 출구단의 단면적은 제2굴곡유로(P5)의 입구단의 단면적보다 크게 형성될 수 있다. 제2굴곡유로(P5)는 제2유로(P2)에서 유입된 공기를 공기유동방향을 전환하여 제3유로(P3)로 안내한다. 제2굴곡유로(P5)의 출구단의 단면적은 제2굴곡유로(P5)의 입구단의 단면적보다 크게 형성하여, 압력을 강하하고 먼지입자가 침전되는 것을 방지한다.
송풍팬(120)은 공기유동을 발생시키는 구성요소이다. 송풍팬(120)은 공기유로(P) 상에 배치되며, 먼지센서 외부에 존재하는 공기를 공기유입구를 통해 케이스(110) 내부로 유입하고, 공기유로(P) 상에서 공기를 유동시키고, 공기토출구(113)를 통하여 케이스(110) 외부로 토출한다.
도 1을 참조하면, 송풍팬(120)은 공기유로(P) 상에 배치된다. 보다 상세하게는, 송풍팬(120)은 제3유로(P3) 상에 배치된다.
송풍팬(120)은 횡류팬일 수 있다. 횡류팬은 반경방향으로 공기가 유입되고, 반경방향으로 공기를 토출한다(120). 횡류팬은 균일하게 공기를 토출하는 특징이 있다. 본 발명에 따른 송풍팬(120)은 횡류팬으로 구성되어, 유로상의 공기를 균일한 속도로 유동시켜 먼지입자를 정확하게 감지할 수 있다.
도 1을 참조하면, 송풍팬(120)은 공기흡입구(111)에 비하여 공기토출구(113)에 치우쳐져 배치된다. 송풍팬(120)은 공기흡입구(111)에 배치되어 양압에 의하여 공기유로(P) 내의 공기를 유동시킬 수 있고, 공기토출구(113)에 배치되어, 음압에 의하여 공기유로(P) 내의 공기를 유동시킬 수 있다. 본 발명에 따른 송풍팬(120)은 공기토출구(113)에 배치되어 음압에 의하여 공기를 유동시키며, 양압에 의한 공기유동보다 공기유로(P) 내의 공기를 균일한 속도로 유동시킬 수 있다는 효과가 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 먼지센서의 작용을 설명하면 다음과 같다.
먼지센서 외부에 존재하는 공기는 공기흡입구(111)를 통하여 먼지센서 내부로 유입되고, 먼지센서 내부에 형성된 공기유로(P)를 통과하면서 먼지입자의 크기와 농도가 측정되고, 공기토출구(113)를 통하여 먼지센서 외부로 배출된다.
공기는 공기흡입구(111)를 통하여 먼지센서 내부로 유입되고, 공기흡입구(111)와 연통된 제1유로(P1)를 유동한다. 공기는 다양한 크기의 먼지입자들을 포함한다. 제1유로(P1)에는 제1센싱모듈(130)이 배치되며, 제1센싱모듈(130)은 다양한 크기의 먼지입자들 중 상대적으로 큰 먼지입자들을 감지한다. 예를 들어, 제1센싱모듈(130)은 2.5um 이상의 먼지입자들을 주로 감지한다.
제1유로(P1)는 하향으로 연장 형성될 수 있다. 제1유로(P1)는 공기유동방향으로 중력을 받는 바, 관성력이 증가하며, 제1굴곡유로(P4)에서 입자가 큰 먼지입자들을 벽에 충돌시켜 효과적으로 포집한다.
제1유로(P1)는 단면적의 크기가 일정한 제1상부유로(P11)와, 단면적의 크기가 점점 작아지는 제1하부유로(P12)로 구분될 수 있다. 제1상부유로(P11)는 단면적의 크기가 일정하여, 유속이 일정하게 느리며, 제1센싱모듈(130)이 먼지입자를 정확하게 감지할 수 있다. 제2하부유로는 단면적의 크기가 점점 작아지는 바, 유속이 점점 빨라지며, 관성력을 부여하여 제1굴곡유로(P4)에서 입자가 큰 먼지입자들을 벽에 충돌시켜 효과적으로 포집한다.
제1하부유로(P12)는 내측벽이 외측벽으로 점점 가까워지는 경사면을 형성하며 단면적의 크기가 감소하는 바, 제1유로(P1)에서 공기유동방향은 점점 외측으로 치우쳐진다. 따라서, 제1굴곡유로(P4)에서 구심력이 증가하는 바, 입자가 큰 먼지입자들이 벽에 충돌하여 효과적으로 포집된다.
제1유로(P1)를 통과한 공기는 제1굴곡유로(P4)를 유동한다. 공기는 제1굴곡유로(P4)를 유동하며 공기유동방향이 변경된다. 공기중에 포함된 먼지입자 중 크기가 큰 먼지입자는 관성력, 중력, 또는 구심력에 의하여 제1굴곡유로(P4)의 외측벽에 충돌하여 포집된다. 크기가 작은 먼지입자들은 제1굴곡유로(P4)의 외측벽에 충돌하지 않고 제2유로(P2)로 향한다. 따라서, 제2유로(P2)에는 상대적으로 크기가 작은 먼지입자들만 유동할 수 있다.
제1굴곡유로(P4)를 통과한 공기는 제2유로(P2)를 유동한다. 공기중에 포함된 먼지입자들 중 크기가 큰 먼지입자들은 대부분 제1굴곡유로(P4)에서 포집되고, 크기가 작은 먼지입자들은 제2유로(P2)로 유입된다. 제2유로(P2)에는 제2센싱모듈(140)이 배치되며, 제2센싱모듈(140)은 다양한 크기의 먼지입자들 중 상대적으로 작은 먼지입자들을 감지한다. 예를 들어, 제2센싱모듈(140)은 2.5um 이하의 먼지입자들을 주로 감지한다. 상대적으로 큰 먼지입자들은 제1굴곡유로(P4)에서 대부분 포집되는 바, 제2센싱모듈(140)은 미세한 크기의 먼지입자들을 정확히 감지하며 정확성이 향상된다.
제2유로(P2)를 통과한 공기는 제2굴곡유로(P5)를 유동한다. 제2굴곡유로(P5)는 출구단으로 갈수록 단면적이 점점 커지는 바, 압력이 감소하고, 공기중에 포함된 먼지입자들은 침전되지 않고 제3유로(P3)로 유동한다.
제2굴곡유로(P5)를 통과한 공기는 제3유로(P3)를 유동한다. 제3유로(P3)로 유입된 공기는 송풍팬(120)을 거쳐 공기토출구(113)를 통해 먼지센서 외부로 토출된다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.

Claims (16)

  1. 공기흡입구와 공기토출구가 형성된 케이스;
    상기 케이스 내부에 형성되고, 일 단이 상기 공기흡입구와 연결되고, 타 단이 상기 공기토출구와 연결되고, 공기유동방향이 서로 다른 제1유로와 제2유로를 포함하는 공기유로;
    상기 공기유로 상에 배치되는 송풍팬;
    상기 공기유로 상에 배치되고, 공기중의 먼지입자를 감지하는 제1센싱모듈;
    상기 공기유로 상에 배치되고, 상기 제1센싱모듈보다 하류에 배치되고, 상기 제1센싱모듈이 감지하는 먼지입자보다 작은 크기의 먼지입자를 감지하는 제2센싱모듈;을 포함하는 먼지센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2유로는 상기 제1유로의 연장방향과 다른 방향으로 연장되고,
    상기 제1센싱모듈은 상기 제1유로에 배치되고,
    상기 제2센싱모듈은 상기 제2유로에 배치되는 먼지센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2유로는 상기 제1유로와 직교하는 먼지센서.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 공기유로는,
    상기 제1유로와 상기 제2유로의 연결부에 형성된 굴곡유로;를 포함하는 먼지센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1유로는,
    입구단이 상기 공기흡입구와 연통되고, 일정한 단면적으로 형성되고, 상기 제1센싱모듈이 배치되는 제1상부유로;
    입구단이 상기 제1상부유로와 연통되고, 출구단의 단면적의 크기는 상기 입구단의 단면적의 크기보다 작은 제1하부유로;를 포함하는 먼지센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1하부유로는,
    유로의 외측에 배치된 벽이 상기 제1상부유로의 외측에 배치된 벽과 평행하게 배치되는 먼지센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1유로는,
    상단이 상기 공기흡입구와 연통되고,
    하방으로 연장되고,
    하단이 상기 제2유로와 연통되는 먼지센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1센싱모듈은,
    공기유로의 측면에 배치되어, 측방에서 제1광을 조사하는 제1발광부재;
    상기 제1발광부재의 조사방향 및 상기 공기유동방향과 모두 교차하는 방향에 배치되고, 상기 제1광을 감지하는 제1수광부재;를 포함하는 먼지센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2센싱모듈은,
    공기유로의 측방에 배치되어, 측방에서 제2광을 조사하는 제2발광부재;
    상기 제2발광부재의 조사방향 및 상기 공기유동방향과 모두 교차하는 방향에 배치되고, 상기 제2광을 감지하는 제2수광부재;를 포함하는 먼지센서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 송풍팬은,
    상기 공기흡입구에 비하여 상기 공기토출구에 가깝게 배치되는 먼지센서.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 공기유로는,
    상기 제2유로의 출구단과 연통되는 제3유로;를 더 포함하고,
    상기 송풍팬은 상기 제3유로상에 배치되는 먼지센서.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제3유로는,
    출구단의 단면적이 입구단의 단면적보다 크게 형성되는 먼지센서.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 공기유로는,
    상기 제2유로와 상기 제3유로의 연결부에 형성된 굴곡유로를 포함하는 먼지센서.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 공기유로는,
    상기 공기흡입구와 연결된 제1유로;
    상기 공기토출구와 연결되고 상기 제1유로와 대향하는 제3유로;
    상기 제1유로와 상기 제3유로를 연결하는 제2유로;를 포함하는 먼지센서.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1센서 또는 제2센서는 각각 광을 조사하는 제1발광부재 또는 제2발광부재를 포함하고;
    상기 제1발광부재 또는 상기 제2발광부재는 상기 제1유로와 상기 제3유로 사이에 배치되는 먼지센서.
  16. 제2항에 있어서,
    상기 제2유로의 단면적은 상기 제1유로의 단면적보다 작게 형성되는 먼지센서.
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