KR102339624B1 - 냉매 가스 누출 감지센서 및 이를 이용한 누출감지방법 - Google Patents
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Abstract
많은 영역에서 서로 다른 가스들의 흡수파장이 겹치는 문제로 인하여, NDIR(비분산적외선) 가스측정방법을 이용하여 1~2개의 파장 값만으로 간단하게 센서를 구성할 수 없는 문제가 있어왔다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여, 확산형샘플셀(110); 및
상기 확산형샘플셀(110)의 일측에 구비되는 적외선광원(120); 및 상기 적외선광원(120)의 광을 반사하여 타측으로 보내며, 윈도우(150)과 결합하여 레퍼런스셀(140)을 구성하는 광반사부(130); 및 상기 확산형샘플셀(110)의 타측에 구비되어 상기 적외선광원(120)이 가스를 통과하며 파장대역별로 감소된 신호를 측정하는 디텍터(180); 및 상기 디텍터(180)을 구성하는 2개 이상의 감지부(185); 및 1개 이상의 상기 감지부 표면에 부착되어 특정 파장대역의 신호만을 측정할 수 있도록 하는 밴드패스필터(170)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 냉매 가스 누출 감지센서를 제공한다.
본 발명의 상기와 같은 구성에 의하여 통징 R 가스로 명명되는 냉매 가스의 미세한 농도의 변화를 측정할 수 있는 수단을 제공한다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여, 확산형샘플셀(110); 및
상기 확산형샘플셀(110)의 일측에 구비되는 적외선광원(120); 및 상기 적외선광원(120)의 광을 반사하여 타측으로 보내며, 윈도우(150)과 결합하여 레퍼런스셀(140)을 구성하는 광반사부(130); 및 상기 확산형샘플셀(110)의 타측에 구비되어 상기 적외선광원(120)이 가스를 통과하며 파장대역별로 감소된 신호를 측정하는 디텍터(180); 및 상기 디텍터(180)을 구성하는 2개 이상의 감지부(185); 및 1개 이상의 상기 감지부 표면에 부착되어 특정 파장대역의 신호만을 측정할 수 있도록 하는 밴드패스필터(170)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 냉매 가스 누출 감지센서를 제공한다.
본 발명의 상기와 같은 구성에 의하여 통징 R 가스로 명명되는 냉매 가스의 미세한 농도의 변화를 측정할 수 있는 수단을 제공한다.
Description
본 발명은 냉각기 및 반도체 공정에 많이 사용하는 R-22, R134a, R717, R744, R404A, R407C, R410A, R507, R290, R600, R600a, R1270 등으로 명칭되는 다양한 냉매의 누출을 감지하는 감지센서에 관한 것이다.
본 발명의 출원 이전의 선행기술로는 비분산 적외선 흡수 타입(NDIR : Non-dispersive infrared absorption type ) 가스 센서에 관한 것으로, 비분산 적외선 가스 센서는 광원부가 복수의 기하학적 입체의 결합에 의해 형성된 광원과, 이 광원을 구성하는 복수의 기하학적 입체면의 각 표면으로부터 방사된 빛에 대해 각각 평행광을 형성하는 복수의 오목 반사경 입체면의 다단 접합에 의해 형성된 오목 반사경부를 포함하는 기술을 개시하고 있다.
또 다른 선행기술로는 본 발명은 반도체 가스센서를 이용한 냉매가스 판별 방법에 관한 것으로, 냉매가스 충전 대상 에어컨으로부터 2개 이상 이종의 가스 감지용 반도체 가스센서가 수용된 가스 챔버로 투입되는 냉매가스 시료에 반응하여 상기 반도체 가스 센서에서 출력하는 가스감지신호의 출력 전압을 기준값과 비교하여 분석한 전압레벨을 근거로 해당 냉매가스의 종류를 판별하는 기술이 개시되어 있다.
본 발명은 도 4 내지 도6 등에 도시된 바와 같이 IR 대역에서 흡수스펙트럼을 가지는 냉매가스의 공정 중 유출을 검사하는 장치에 적용되는 센서의 개발에 관한 것으로, 많은 영역에서 서로 다른 가스의 흡수파장이 겹치는 문제로 인하여, NDIR(비분산적외선) 가스측정방법을 이용하여 1~2개의 파장 값만으로 간단하게 센서를 구성할 수 없는 문제가 있어왔다.
본 발명은 상기의 문제를 해결하기 위하여 하기의 수단을 제공한다.
확산형샘플셀(110); 및
상기 확산형샘플셀(110)의 일측에 구비되는 적외선광원(120); 및
상기 적외선광원(120)의 광을 반사하여 타측으로 보내며, 윈도우(150)과 결합하여 레퍼런스셀(140)을 구성하는 광반사부(130); 및
상기 확산형샘플셀(110)의 타측에 구비되어 상기 적외선광원(120)이 가스를 통과하며 파장대역별로 감소된 신호를 측정하는 디텍터(180); 및
상기 디텍터(180)을 구성하는 2개 이상의 감지부(185); 및
1개 이상의 상기 감지부 표면에 부착되어 특정 파장대역의 신호만을 측정할 수 있도록 하는 밴드패스필터(170)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 냉매 가스 누출 감지센서를 제공한다.
또한, 상기 레퍼런스셀에는 측정하고자하는 가스를 최고측정 농도 이상으로 충진하는 것을 특징으로 하는 냉매 가스 누출 감지센서를 제공한다.
또한, 상기 레퍼런스셀은 1개 이상의 구획으로 나눌 수 있고, 각 구획에는 서로 다른 가스를 충진하는 것을 특징으로 하는 냉매 가스 누출 감지센서를 제공한다.
또한, 상기 확산형샘플셀(110) 표면은 가스의 확산을 위하여 표면에 다 수 개의 확산홀(160)이 구비되는 것을 특징으로 하는 냉매 가스 누출 감지센서를 제공한다.
또한, 상기 확산형샘플셀(110)의 1곳 이상에 외부의 고압의 공기 또는 가스를 불어넣을 수 있는 공기 공급부를 구비하여 상기 확산형샘플셀 내부에 이물질을 불어 내보내거나, 외부에서 청소를 하는 경우 상기 공기 공급부를 통하여 공기를 공급함으로써 외부 청소에 사용하는 용매가 상기 확산형샘플셀 내부로 들어오지 못하도록 하는 것을 특징으로 하는 냉매 가스 누출 감지센서를 제공한다.
또한, 상기 적외선 광원은 1 ~ 1200 나노미터의 파장을 모두 출력하는 광원을 사용하는 것을 특징으로 하는 냉매 가스 누출 감지센서를 제공한다.
또한, 상기 적외선 광원은 특정 파장의 광을 출력하는 광원을 1개 사용하는 것을 특징으로 하는 냉매 가스 누출 감지센서를 제공한다.
또한, 상기 적외선 광원든 특정 파장의 광을 출력하는 광원을 2개 이상 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 냉매 가스 누출 감지센서를 제공한다.
또한, 상기 적외선 광원든 특정 파장의 광을 출력하는 광원을 2개 이상 혼합하여 사용하고, 상기 광원의 출력을 각각 제어함으로써 상기 밴드패스 필터가 필요없는 것을 특징으로 하는 냉매 가스 누출 감지센서를 제공한다.
상기와 같은 구성에 의하여 통징 R 가스로 명명되는 냉매 가스의 미세한 농도의 변화를 측정할 수 있는 수단을 제공한다.
도 1은 본 발명에서 개발한 냉매가스 센서의 측정대상이 되는 냉매의 종류
도 2는 일반적인 가스의 측정방법
도 3은 본 발명 이전의 NDIR 가스 측정장치의 개념도
도 4는 본 발명의 측정 대상이되는 R12 가스의 IR 대역의 흡수 스펙트럼
도 5는 본 발명의 측정 대상이되는 R22 가스의 IR 대역의 흡수 스펙트럼
도 6는 본 발명의 측정 대상이되는 R134a 가스의 IR 대역의 흡수 스펙트럼
도 7은 본 발명의 냉매가스 측정장치의 개념도
도 8은 본 발명의 레퍼런스셀의 상세 구성도
도 2는 일반적인 가스의 측정방법
도 3은 본 발명 이전의 NDIR 가스 측정장치의 개념도
도 4는 본 발명의 측정 대상이되는 R12 가스의 IR 대역의 흡수 스펙트럼
도 5는 본 발명의 측정 대상이되는 R22 가스의 IR 대역의 흡수 스펙트럼
도 6는 본 발명의 측정 대상이되는 R134a 가스의 IR 대역의 흡수 스펙트럼
도 7은 본 발명의 냉매가스 측정장치의 개념도
도 8은 본 발명의 레퍼런스셀의 상세 구성도
냉장고, 냉동고에 같이 인류가 주로 사용했던 냉매는 프레온가스라고 명칭한 우리에게 가장 익숙했던 냉매는 R-12는 이미 대체 냉매가 개발되어 다양한 냉매가 사용되고 있으며, 현재 주로 사용되고 있는 냉매는 R-22, R134a, R717, R744, R404A, R407C, R410A, R507, R290, R600, R600a, R1270 등 C-F 계열의 다양한 냉매가 개발되어 사용되고 있다.
이러한 냉매는 우리 인류의 생활을 편안하게 하였을 뿐만 아니라 각종 기계 산업을 발전시키는 원동력이 되어왔으며, 암모니아는 냉매로서의 열역학적 성질이 뛰어남에도 불구하고 그 독성과 가연성으로 인해 좋은 냉매로서 인식되지 못함에 따라 최근에 다양한 냉매의 사용의 개발 및 활용되고 있다.
냉매의 종류는 냉동기에서의 가스의 압축 특성을 이용할 수 있는 모든 가스를 사용하여 냉동기를 설계할 수 있다. 따라서 냉매가스는 프레온계열과 같이 F-gas를 사용할 수 있으며 도1과 같은 다양한 종류의 가스를 사용할 수 있다.
또한 상기 냉동기에 사용되는 냉매 가스를 측정할 수 있는 가스 센서의 종류는 도2와 같다.
도3은 기존의 NDIR 방식을 사용하는 가스측정 센서의 구성도이다. 광원은 적외선영역의 다양한 파장을 효과적으로 발광할 수 있는 광원을 사용하며 가스 특성에 맞는 광원을 선정하여 사용한다. Chopper( 또는 shutter)는 NDIR의 적외선 신호를 획득하는 경우에는 적외선의 신호가 매우 미약한 신호이기 때문에 신호대 잡음 비율을 높이기 위하여, 기계적인 chopper로 lock-in amp를 사용하고 있다.
특정 파장대역의 신호를 측정하기 위한 Optical filter(광학 필터)는 다수의 가스를 측정할 때 필요한 다수의 밴드패스를 부착하고 일정한 주기로 회전하면서 각 가스 측정항목을 측정하는 형태로 구성된다. 측정 대상 가스의 종류가 증가하고, 각 가스마다 필수적으로 측정해야하는 파장대의 필터를 모두 구비하여야 다수의 가스를 측정할 수 있다.
측정 셀(measurement chamber)은 센서의 감도를 결정하는 중요한 요인으로, 측정 셀의 길이에 따라, 신호 크기가 달라지기 때문에, 필요한 신호크기를 충족하는 최소한의 길이의 측정 셀을 설계하여 사용한다.
검출기(Detector)는 측정기의 핵심부품 중 하나로 적외선 광을 측정할 수 있는 적외선 센서를 선정하여 신호를 측정한다. 기타 측정하기 위한 공기를 넣고 빼는 밸브류 및 유로와 전원 등의 구성이 필요하다.
도3에 도시된 도면에서 레퍼런스는 하나의 광원에서 광이 공급되는 경우에도 외부 전원의 불안정으로 인하여 디텍터에서 측정되는 신호의 레벨이 달라 잘못 측정되는 것을 막기 위하여 신호처리를 위한 0점을 잡기위한 레퍼런스이다.
도4 내지 도6을 참고하면, 냉매 가스의 종류에 따라 서로다른 흡광도를 보여주고 있다. R22 가스는 9um에서 가장 큰 흡수도를 보여주고 있고, R134a 가스는 8um에서 최대, 9um에서는 거의 0임을 볼 수 있다. R12 가스는 일반 대기와 혼합된 상태에서 측정한 데이터로 넓은 영역에 걸쳐 흡수 파장이 나타나는 것을 볼 수 있다.
도7은 본 발명의 냉매가스 측정장치이다. 본 발명의 냉매가스 측정 장치는 확산방식으로 가스를 측정하기 위하여 샘플셀이 확산셀로 구성되어 셀의 표면에 많은 기공들이 형성되어 있다. 왼쪽에 광원이 위치하고 오른쪽에 디턱터가 위치한다. 상기 광원에서 나온 광이 확산셀을 통과하여 상기 디텍터의 표면에 구비된 필터를 통하여, 측정하고자하는 파장의 신호만을 상기 디텍터에서 측정한다.
여기에 본 발명에서는 도 8에 상세히 도시된 것과 같이 광원이 위치하는 리플렉터와 윈도우가 형성하는 공간에 레퍼런스셀을 1개 이상 구비하여 측정에 필요한 가스를 채워 놓는다.
상기 도4 내지 도6에서 본 바와 같이 가스는 가스의 종류에 따라 특정 파장대역의 광을 흡수하는 역할을 하기 때문에, 충분한 농도의 가스가 상기 레퍼런스셀에 충진되고, 측정된다면, 다중 밴드블록 필터로 사용할 수 있다.
이러한 성질을 이용하여 가스를 측정한다면, 상기 디턱터 전단에 구비되는 밴드패스 필터 없이도 특정 가스의 검출이 가능하다.
예를 들어 R12 가스를 상기 레퍼런스셀에 측정한계인 10ppm 이상의 농도로 충진하고, 상기 디텍터는 2개의 감지부로 구성이되고, 상기 감지부 중 1개에 11um 밴드패스 필터를 사용하여 상기 2개의 감지부로 신호를 측정하는 경우에는, 상기 R12 가스가 아닌 경우에는 11um 대역에서 감지되는 가스라면 상기 11um 밴드패스필터가 구비된 감지부에서 신호가 감지되며, 상기 레터런스셀을 통과한 빛은 도 4에 도시된 바와 같은 흡광 영역을 가지고, 감지 대상 가스가 R12가 아니라면, 상기 도4 이외의 영역에서 흡광이 될 것이고, 따라서, 상기 필터가 없는 감지부에서도 신호가 잡힐 것이다. 따라서 상기 2개의 감지부에 모두 신호가 감지되기 때문에 R12 가스가 아니다.
만약 R12 가스가 측정셀로 유입된다면, 상기 11um 밴드패스가 부착된 감지부에서는 신호가 감지될 것이고, 상기 레퍼런스셀을 통과한 빛이 상기 측정셀을 통과하여 필터가 없는 감지부에 도달하여도, 상기 유입된 R12 가스의 흡광 대역 신호는 벌써 상기 레퍼런스셀에서 모두 흡광되어 없기 때문에 신호가 없을 것이다.
따라서, 레퍼런스셀을 통과한 빛을 측정한 신호에서는 검출 신호가 없고, 11um 배트패스필터를 통과한 경우에만 신호가 있는 경우 상기 유입가스가 R12 임을 알 수 있다.
특별히 혼합가스인 경우에는 상기 레퍼런스셀을 이용한 측정이 더욱 효과적이다.
혼합가스의 경우 2가지 가스의 흡광도가 겹쳐저 나타나기 때문에 가스를 분리하여 측정하는 것이 거의 불가능하다. 이러한 경우에서 상기 레퍼런스셀에 혼합가스를 충진하고 상기 레퍼런스셀을 통과한 빛에서는 신호의 검출이 없고, 다른 필터를 통한 경우 신호를 감지할 수 있다면 혼합가스임을 측정할 수 있다.
즉, 도8과 같이 여러개의 레퍼런스셀에 각각 다른 가스 또는 혼합가스를 충진하고 상기 각각의 레퍼런스셀을 통과한 빛에서는 신호가 없고, 관련된 파장의 필터를 구비한 감지부에서 신호가 있는 경우 상기 레퍼런스셀의 가스가 유입되었음을 감지할 수 있으며, 감지된 가스의 농도는 상기 레퍼런스셀을 통과한 신호의 크기와 의 비율로 구할 수 있다.
본 발명의 상기와 같은 작용효과를 위하여 하기위 과제해결 수단을 제공한다.
확산형샘플셀(110); 및
상기 확산형샘플셀(110)의 일측에 구비되는 적외선광원(120); 및
상기 적외선광원(120)의 광을 반사하여 타측으로 보내며, 윈도우(150)과 결합하여 레퍼런스셀(140)을 구성하는 광반사부(130); 및
상기 확산형샘플셀(110)의 타측에 구비되어 상기 적외선광원(120)이 가스를 통과하며 파장대역별로 감소된 신호를 측정하는 디텍터(180); 및
상기 디텍터(180)을 구성하는 2개 이상의 감지부(185); 및
1개 이상의 상기 감지부 표면에 부착되어 특정 파장대역의 신호만을 측정할 수 있도록 하는 밴드패스필터(170)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 냉매 가스 누출 감지센서를 제공한다.
또한, 상기 레퍼런스셀에는 측정하고자하는 가스를 최고측정 농도 이상으로 충진하는 것을 특징으로 하는 냉매 가스 누출 감지센서를 제공한다.
또한, 상기 레퍼런스셀은 1개 이상의 구획으로 나눌 수 있고, 각 구획에는 서로 다른 가스를 충진하는 것을 특징으로 하는 냉매 가스 누출 감지센서를 제공한다.
또한, 상기 확산형샘플셀(110) 표면은 가스의 확산을 위하여 표면에 다 수 개의 확산홀(160)이 구비되는 것을 특징으로 하는 냉매 가스 누출 감지센서를 제공한다.
100 : 냉매 가스 누출 감지센서
110 : 확산형 샘플 셀
120 : 적외선 광원
130 : 광반사부
140 : 기준가스셀
150 : 윈도우
160 : 가스입출력홀
170 : 밴드패스필터
180 : 디텍터
185 : 감지부
110 : 확산형 샘플 셀
120 : 적외선 광원
130 : 광반사부
140 : 기준가스셀
150 : 윈도우
160 : 가스입출력홀
170 : 밴드패스필터
180 : 디텍터
185 : 감지부
Claims (4)
- 확산형샘플셀(110); 및
상기 확산형샘플셀(110)의 일측에 구비되는 적외선광원(120); 및
상기 적외선광원(120)의 광을 반사하여 타측으로 보내며, 윈도우(150)과 결합하여 레퍼런스셀(140)을 구성하는 광반사부(130); 및
상기 확산형샘플셀(110)의 타측에 구비되어 상기 적외선광원(120)이 가스를 통과하며 파장대역별로 감소된 신호를 측정하는 디텍터(180); 및
상기 디텍터(180)을 구성하는 2개 이상의 감지부(185); 및
1개 이상의 상기 감지부 표면에 부착되어 특정 파장대역의 신호만을 측정할 수 있도록 하는 밴드패스필터(170); 및
상기 레퍼런스셀에는 측정하고자 하는 가스를 최고측정 농도 이상으로 충진 하며,
상기 레퍼런스셀은 4개의 구획으로 나눌 수 있고, 각 구획에는 서로 다른 가스를 충진 하고,
상기 확산형샘플셀(110) 표면은 유입 가스의 확산을 위하여 표면에 다 수 개의 확산홀(160)이 구비되는 냉매 가스 누출 감지센서에 있어서,
상기 밴드패스필터(170)는 9um와 11um의 광 파장을 통과하는 필터로 구성하고, 상기 레퍼런스 셀 중 한 구획에는 R12가스를 10ppm 충진하여,
R12 가스가 충진된 상기 레퍼런스셀 통과한 빛을 측정한 신호에서는 검출 신호가 없고, 11um 밴드패스필터를 통과한 경우에만 신호가 있을 때, 상기 유입가스가 R12로 측정되는 것을 특징으로 하는 냉매 가스 누출 감지센서. - 삭제
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Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200109760A KR102339624B1 (ko) | 2020-08-29 | 2020-08-29 | 냉매 가스 누출 감지센서 및 이를 이용한 누출감지방법 |
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| KR1020200109760A KR102339624B1 (ko) | 2020-08-29 | 2020-08-29 | 냉매 가스 누출 감지센서 및 이를 이용한 누출감지방법 |
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| KR102339624B1 true KR102339624B1 (ko) | 2021-12-16 |
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ID=79033047
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| KR1020200109760A KR102339624B1 (ko) | 2020-08-29 | 2020-08-29 | 냉매 가스 누출 감지센서 및 이를 이용한 누출감지방법 |
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| KR (1) | KR102339624B1 (ko) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JPH0510874A (ja) * | 1991-07-02 | 1993-01-19 | Fuji Electric Co Ltd | 吸光式ガス分析計 |
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| KR20190110409A (ko) | 2018-03-20 | 2019-09-30 | 고선미 | 반도체 가스센서를 이용한 냉매가스 판별 방법 |
-
2020
- 2020-08-29 KR KR1020200109760A patent/KR102339624B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (6)
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