KR100363603B1 - 가변주파수마이크로파가열장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 시험 또는 다른 선택된 응용을 위하여 다중 모드 마이크로파 캐비티(32')로 유입되는 마이크로파의 주파수의 변조를 허용하도록 설계된 가변 주파수 마이크로파 가열 장치(10')에 관한 것이다. 전력 및 온도 디스플레이/제어기(60)는 전력 모니터(62) 및 온도 센서(64)로부터 입력을 수신한다. 전력 모니터(62)는 마이크로파 캐비티(32')로 입사되고 이로부터 반사되는 신호의 방향 및 진폭을 검출하는 지향성 결합기(24')로부터 입력을 수신한다. 전력 및 온도 디스플레이/제어기(60)는 또한 마이크로파 발진기(14'), 전치증폭기 전력 제어부(18') 및 TWT전력 공급장치(22')를 제어한다. 냉각 시스템(66)은 TWT(20)을 냉각시키기 위하여 제공된다. 테이퍼 도파관 결합기(68)는 임피던스 변환기로서 작용한다.

Description

가변주파수 마이크로파 가열장치
본 발명은 마이크로파 방사 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 마이크로파 소스의 주파수 및 파워를 선택적으로 가변시킬 수 있는 마이크로파 노(furnace)에 관한 것이다.
배경기술
마이크로파 방사 분야에서, 마이크로파 노가 일반적으로 고정 동작 주파수로 구성된다는 것은 공지되어 있다. 마이크로파와 여러 가지 재료와의 상호작용은 주파수에 의존한다는 것은 이미 공지되어 있다. 이러한 상호 작용은 고무 경화 및 세라믹 소결을 포함한다. 따라서, 넓은 주파수 범위에 걸쳐 동작할 수 있는 마이크로파 노를 가지는 것이 바람직하다.
대부분의 마이크로파 소스는 이들이 공진 캐비티를 이용하기 때문에 매우 좁은 대역폭을 가진다. 가정에서 이용하는 마이크로파 오븐에는 물을 가열하는데 최적의 주파수인 2.45기가해르쯔(GHz)로 동작하는 마그네트론이 제공된다. 물에 대한 2.45GHz의 결합력 때문에, 이들 오븐은 요리, 건조 및 작용되어야 할 기본재료가 물인 다른 대상에 이용된다. 그러나, 이러한 범위의 주파수는 플라즈마 가열, 세라믹 같은 재료 소결 및 다이아몬드 필름과 같은 필름 제공과 같은 모든 환경에 최적이 아니라는 것이 공지되어 있다.
모드 조정 수단으로서 넓은 범위에 걸쳐 스위핑하는 주파수의 이용은 의료기기 또는 폐기물을 살균하기 위하여 마이크로파 파워를 이용하는데 중요한 의미를 가진다. 상기 이용에서 완전한 살균을 위하여 충분한 전력이 수신될 수 있는 캐비티에서 "데드(dead)" 영역을 제거하는 것이 중요하다. 주파수 스위핑은 고속으로 수행되어, 노 캐비티 전체를 통하여 향상된 균일한 시간 평균 파워 밀도를 생성한다. 적정 주파수 스위핑은 여러 가지 마이크로파 전자 장치를 이용하여 이루어질 수 있다. 예를 들어, 나선 진행파관(TWT)은 전압 조정가능 마그네트론(2.45±0.05GHz)과 같은 장치에 비하여 넓은 대역(예를 들어, 2 내지 8GHz)을 커버하는 스위핑을 허용한다. 다른 장치는 이하에 기술되는 다른 특성의 대역폭을 가진다.
또한, 일반적으로 가정에서 발견되는 고정 주파수 마이크로파 오픈은 냉점(cold spot) 및 열점(hot spot)을 가지는 것으로 알려져 있다. 상기 현상은 마이크로파 캐비티의 파장 대 사이즈 비율에 관계된다. 작은 캐비티에 상대적으로 낮은 주파수 마이크로파가 유입되면, 정재파가 발생하여 마이크로파 파워는 캐비티 내의 모든 공간을 균일하게 채우지 못하며, 작용을 받지않은 영역이 가열된다. 이러한 극단적인 경우에, 오븐 케비티는 실제적으로 "단일 모드" 캐비티가 된다.
정재파 모드를 중지시키고 마이크로파 방사로 캐비티를 채우기 위하여 모드를 조정하거나 또는 마이크로파 "빔"을 임의로 편향시키는 시도가 이루어져 왔다. 상기 시도중 하나는캐비티의 빔 노에 회전 팬 브레이드를 추가하는 것이다.
정재파의 악영향을 해소하기 위하여 이용된 다른 방법은 단일 모드 캐비티 내에 의도적으로 정재파를 생성하여 가장 높은 파워를 가지도록 결정된 위치(열점)에 재료가 배치되도록 하는 것이다. 따라서, 정재파가 가장 집중된 캐비티 부분만이 이용된다.
여러 가지 재료의 소결 작용이 높은 주파수에서 향상되는 것이 알려 졌지만, 정확한 이유는 알려지지 않았다. 그러나, 현재 공지기술은 주파수만이 변경되는 일련의 동일 소결 실험을 행하는 작업을 어렵게 만든다. 이는 대부분 각각의 마이크로파 소스가 여러가지 노 캐비티에 연결되었다는 사실 때문에다. 노 캐비티의 기하학적 성질은 상기 실험에서 고려되어야 할 파라미터라는 것이 알려져 있다.
28GHz에서 고정 주파수 마이크로파를 형성하기 위하여 자이로트론(gyrotron) 발진기와 결합한 노가 논문에 보고되었다. 자이로트론 노는 2.45GHz 마그네트론이 제공되는 오븐보다 더욱 효율적으로 일부 재료를 소결시킬 수 있다. 자이로트론 노는 세라믹과 같은 재료를 소결하는 특정 용도에 사용된다. 그러나, 28GHz는 모든 재료를 소결하기 위한 효율적인 주파수는 아니다. 가장 효율적인 주파수를 결정하여 선택된 구성을 가진 노에서 소정 재료에 인가하는 것이 바람직하다.
가장 효율적인 공정을 위한 주파수는 가열 프로세스가 발생할 때 소정 재료에서 대하여 변화할 수 있다. 재료가 상을 변경할 때, 가변된 주파수가 요구될 수 있다. 따라서, 가열 프로세스에서 주파수를 변화시키는 능력이 요구되어, 시험자가 하나의 주파수에서 시료를 가열하기 시작하고, 다음에 주파수를 변경하며 온도가 상승함에 따라 양호한 결합을 유지하도록 하는 것이 요구될 수 있다. 이는 또한 합성 재료를 가열할 때, 가변재료가 다른 주파수에서 효율적으로 반응하는 경우 요구될 수 있다.
선택된 재료의 가열 프로세스의 파라미터를 변경하기 위하여 다른 장치가 제조될 수 있다. 이러한 장치는 다음의 미국 특허에 개시되어 있다.
맥케이('332)에 의하여 기술된 주제는 맥케이 비, 등, "마이크로파 오븐용 주파수 대응 소스" , 마이크로파 파워 논문, 14(1), 1979에 후가로 기술되어 있다. 그러나, 넓은 주파수 범위를 가진 마이크로파 노는 상기 특허와 공동 계류중인 출원 07/792,103을 제외하고 기술되지 않았다.
넓은 주파수 범위의 사용에 대한 장벽중 하나는 다중 모드 애플리케이터(applicator) 캐비티에 대하여 마이크로파를 효율적으로 결합시키는데 곤란하다는 것이며, 이는 특히 상기 결합수단이 유전체 윈도우를 포함할 때 곤란하다.
따라서, 본 발명의 목적은 넓은 주파수 범위에 걸쳐 동작될 수 있는 마이크로파 가열장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 넓은 주파수 범위에 걸쳐 동작될 수 있는 마이크로파 가열장치를 제공하는 것이며, 마이크로파 소스는 다른 주파수 범위를 가진 마이크로파 소스로 변경될 수 있다.
본 발명의 다른 목적은 두 개 이상의 마이크로파 소스가 병렬로 시스템에 배치될 수 있는 마이크로파 가열장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 병렬로 결합된 다수의 마이크로파 소스를 포함하는 마이크로파 가열장치를 제공하는 것이며, 여기서 마이크로파 소스는 선택적으로 이용될 수 있다.
본 발명의 다른 목적은 공통 신호 발생기 및 파워 공급장치에 의하여 각각 제어되는 마이크로파 소스를 가진 마이크로파 가열장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 주파수 변조가 이용되어 다중 모드 캐비티 및 거기에 배치된 부하에 파워를 더욱 균일하게 분배할 수 있는 마이크로파 가열장치를 제공하는 것이다.
다른 목적 및 장점은 실험 및 다른 선택된 이용을 위하여 노 케비티로 유입되는 마이크로파의 주파수의 변조를 허용하도록 설계된 본 발명에 의하여 이루어진다. 일부 이용가능한 프로세스는 열 처리, 살균, 소결, 플라즈마 가공, 금속 가공, 중합반응, 에칭 및 필름제조를 포함한다.
마이크로파 신호 발생기는 마이크로파 증폭기에 대한 입력에 저전력 마이크로파 신호를 발생시키기 위하여 제공된다. 바람직한 실시예의 신호 발생기는 소정 범위의 주파수를 스위핑하고, 펄스 모드로 동작하며, 마이크로파 신호의 주파수를 변조하며 그리고 여러 가지 복합 파를 형성할 수 있다. 바람직한 실시예의 마이크로파 신호 발생기는 내부 펄스 발생기를 이용하여 펄스 모드로 동작할 수 있거나 또는 외부에서 펄스를 공급받을 수 있다. 내부 변조기는 넓은 대역 변조를 위하여 제공된다. 내부 변조기는 AM 모드 또는 FM 모드에서 동작할 수 있다.
전압 제어기는 마이크로파 전압 제어 발진기의 진폭을 변조하는 역할을 한다. 마이크로파 전압 제어 발진기는 발생된 마이크로파의 진폭 및 주파수를 변경시키기 위하여 마이크로파 신호 발생기 대신에 이용될 수 있다.
제 1 증폭기는 마이크로파 신호 발생기 또는 마이크로파 전압 제어 발진기로부터 출력된 신호의 진폭을 증폭하기 위하여 제공될 수 있다. 바람직한 실시예의 제 1 증폭기는 전압 제어되며, 따라서 게인은 출력의 진폭이 조작자에 의하여 선택 가능하도록 조정될 수 있다.
제 2 증폭기는 제 1 증폭기에 의하여 출력된 신호 또는 상기 제 1 증폭기가 이용되지 않을 때 마이크로파 신호 발생기 또는 마이크로파 전압 제어 발진기로부터 출력된 신호를 처리하기 위하여 제공된다. 제 2 증폭기는 노 캐비티에 고전력 마이크로파 신호를 출력하며, 상기 고전력 마이크로파 신호는 재료에 인가된다. 바람직한 실시예에서, 제 2 증폭기는 나선 진행파관(TWT), 결합된 캐비티 TWT, 링-루프 TWT, 링-바 TWT, 클리스트론(klystron), 튀스트론(twystron), 또는 자이로트론 중 하나일 수 있다. 이들 장치는 정상 동작 중에 증폭기에 의하여 모아지는 열을분산시키기 위하여 설계된 내부 냉각 장치를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 발진기와 제 1 및 2증폭기는 주파수 민감 동축 마그네트론으로 대체될 수 있으며, 상기 마그네트론의 주파수는 수동으로, 기계적으로 또는 전기적으로 동조될 수 있다.
전력 공급장치는 제 2 증폭기의 동작을 위하여 제공된다. 바람직한 실시예에서, 전력 공급장치는 정확하게 조정된 음극 전력 공급장치 및 적게 조정된 콜렉터 고전압 공급장치로 구성된 직류 소스이다.
지향성 결합기는 신호의 방향을 검출하고 검출된 방향에 따라 상기 신호를 전달하기 위하여 제공된다. 마이크로파 소스로부터 수신된 신호는 마이크로파 캐비티로 전달된다. 마이크로파 캐비티의 방향으로부터 수신된 신호는 반사 전력 부하로 전달된다. 따라서, 지향성 결합기는 재료에 의하여 흡수되지 않은 전력으로부터 마이크로파 소스를 보호하기 위하여 반사된 전력을 마이크로파 소스로부터 멀리 전환시키는 수단을 제공한다. 바람직한 실시예의 지향성 결합기는 수냉식이어서 마이크로파 소스로부터의 전력전송 및 마이크로파 캐비티로부터의 전력반사를 통하여 모아진 열을 분산시킨다.
제 1 전력계가 마이크로파 캐비티에 전달된 전력을 측정하기 위하여 제공된다. 제 1 전력계는 마이크로파 캐비티로부터 반사된 전력을 측정하기 위하여 배치된 제 2 전력계와 함께 이용되어 마이크로파 캐비티의 효율을 감시하고 반사 전력이 제 2 증폭기가 아닌 반사 전력 부하로 분사되도록 한다.
상기 반사 전력 부하는 또한 마이크로파 케비티로부터 모든 재료를 제거하고, 따라서, 제 2 증폭기로부터의 전체신호를 반사 전력 부하로 전달함으로써 시스템의 기능을 시험하기 위하여 이용될 수 있다. 반사 전력 부하에 의하여 수신된 전력 및 제 2 증폭기로부터 전달된 전력을 비교하여 시스템 손실을 결정할 수 있다.
반사 전력의 크기는 제 2 전력계에 의하여 검출된다. 상기 크기는 마이크로파 캐비티로 유입되는 마이크로파의 순간 주파수의 효율을 결정하기 위하여 이용될 수 있다. 낮은 반사 전력은 선택된 재료의 높은 흡수 비율 때문에 더욱 효율적인 동작 주파수를 나타낸다.
광대역 마이크로파 에너지가 마이크로파 캐비티에 결합되는 효율을 개선하기 위하여 테이퍼 전이(tapered transition)가 제공될 수 있다. 전송 라인과 마이크로파 캐비티 사이의 임피던스 변환기로서 작용함으로써, 상기 전이는 캐비티에 결합된 전력 백분율을 증가시킨다. 또한, 반응성 가스가 존재하는 캐비티에 마이크로파 에너지가 결합되어야 하는 응용에 대하여, 상기 테이퍼 전이는 윈도우와 반응성 가스 사이의 계면에 마이크로파 에너지의 전력 밀도를 감소시키는 수단을 제공하여 입력 윈도우에서 플라즈마 방전 형성을 방지한다.
본 발명의 특징은 이하 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명된다.
제 1도는 본 발명의 가변 주파수 마이크로파 가열장치의 바람직한 실시예의 개략도이다.
제 2도는 본 발명의 가변 주파수 마이크로파 가열장치의 다른 바람직한 실시예의 개략도이다.
제 3도 본 발명의 가변 주파수 마이크로파 가열장치와 결합되는 진행파관의투시도이다.
제 4도는 본 발명의 가변 주파수 마이크로파 가열장치와 결합되는 진행파판의 개략도이다.
제 5도는 본 발명의 가변 주파수 마이크로파 가열장치와 결합되는 진행파관의 단면도이다.
제 6도는 본 발명의 가변 주파수 마이크로파 가열장치의 다른 바람직한 실시예에 대한 개략도이다.
제 7도는 본 발명의 테이퍼 도파관 애플리케이터의 입구 개구부를 도시하는 입면도이다.
제 8도는 제 7도의 테이퍼 도파관 애플리케이터의 출구 개구부를 도시하는 입면도이다.
제 9도는 제 7도의 라인 9-9를 따라 취한 테이퍼 도파관의 저면도이다.
제 10도는 선택적 실시예에서 유전체 윈도우를 더 포함하는 테이퍼 도파관 애플리케이터의 출구 개구부를 도시하는 입면도이다.
제 11도는 제 10도의 라인 11-11을 따라 취한 테이퍼 도파관의 저면도이다.
제 12도는 내부벽이 스텝 테이퍼를 형성하는 다른 실시예에서 테이퍼 도파관 애플리케이터의 출구 개구부를 도시하는 입면도이다.
제 13도는 제 12도의 라인 13-13을 따라 취한 테이퍼 도파관의 저면도이다.
제 14도는 내부벽이 스텝 테이퍼를 형성하고 유전체 윈도우가 포함된 다른 실시예에서 테이퍼 도파관 애플리케이터의 출구 개구부를 도시하는 입면도이다.
제 15도는 제 14도의 라인 15-15를 따라 취한 테이퍼 도파관의 저면도이다.
제 16도는 본 발명에 따라 이용된 마이크로파 캐비티내의 활동을 보여주는 관찰포트(viewport)의 정면 입면도이다.
제 17도는 제 16도의 라인 17-17을 따라 취한 관찰포트의 단부 입면도이다.
제 17A도는 본 발명에 따라 이용된 마이크로파 케비티의 도어를 밀봉하는 밀봉 메커니즘을 상세히 도시하는 제 17도의 관찰포트의 일부 확대도이다.
제 18도는 본 발명의 가변 주파수 마이크로파 가열장치의 다른 바람직한 실시예에 대한 개략도이다.
제 19도는 본 발명에 따라 이용된 사각 마이크로파 캐비티중 하나에 대한 모드 밀도 대 주파수의 그래프이다.
제 20A-D도는 마이크로파 캐비티의 이론적 모델 및 본 발명의 몇 가지 특징에 따라 이용된 제 1 마이크로파 소스의 전력 분배를 그래픽으로 도시하는 도면이다.
제 21A-F도는 마이크로파 캐비티의 이론적 모델 및 본 발명의 및 가지 특징에 따라 이용된 제 2 마이크로파 소스의 전력 분배를 그래픽으로 도시하는 도면이다.
본 발명의 여러 가지 특징과 결합한 가변 주파수 마이크로파 가열장치는 도면에서 일반적으로 10으로 도시되어 있다. 마이크로파 가열장치(10)는 실험 또는 다른 선택된 이용을 위하여 마이크로파 캐비티에 유입된 주파수의 변조를 허용하도록 설계된다. 상기 변조는 특정 재료가 처리될 수 있는 가장 유효한 주파수를 결정하기 위하여 시험 과정에서 유용한다. 주파수 변조는 또한 상대적으로 작은 마이크로파 캐비티에서 더욱 균일하게 전력을 분배하기 위한 수단과 같은 모드 조정 방법으로서 유용하다.
주파수 변조 시험은 선택된 재료의 효율적인 소결 주파수의 결정뿐만 아니라 선택된 재료의 개별 상태에 대한 가장 효율적인 소결 주파수를 결정함에 있어서 유용한다. 같은 맥락에서, 주파수 변조는 상태가 변하는 재료의 처리에 있어서 유용하며, 여기서 재료의 각각의 상태는 다른 상태의 재료로부터 가변된 주파수에 더욱 효율적으로 결합한다. 또한, 주파수 변조는 합성 재료를 처리할 때 유용하며, 여기서 각각의 성분은 다른 성분과 다른 주파수에 결합한다.
제 1도는 본 발명의 가변 주파수 마이크로파 가열장치(10)의 바람직한 실시예를 개략적으로 도시하며, 선택된 재료(36)가 처리될 것이다. 이용 가능한 프로세스는, 여기에 국한되는 것은 아니지만, 열 처리, 살균, 소결, 플라프마 가공, 금속 가공, 중합반응, 에칭 및 필름제조를 포함한다. 본 명세서에 사용된 용어 "재료(workpiece)"는 선택된 재료 또는 재료의 합성물을 의미한다. 용어 "재료"는 상기와 같은 선택된 재료 또는 재료의 합성물을 추가로 포함할 수 있으며, 여기서 적어도 하나의 재료는 적어도 하나의 상태 변화를 받으며 따라서 소정 시간에 하나 이상의 상태를 가진다.
마이크로파 전압 제어 발진기(14)는 마이크로파 노(32)에 대한 입력에 저전력 마이크로파 신호를 발생시키기 위하여 제공된다. 복합 파형 발생기(12)는 전압 제어 발진기(14)에 제어 전압을 제공하여, 전압 제어 발진기가 소정 범위의 주파수를 스위핑하고, 펄스 로드로 동작하고, 마이크로파 신호의 주파수를 변조하며, 그리고 여러 가지 복합 파형을 형성하도록 한다.
바람직한 실시예의 복합 파형 발생기(12)는 내부 펄스 발생기를 이용하여 펄스 모드로 동작할 수 있거나 또는 외부에서 펄스를 공급받을 수 있다. 내부 변조기는 넓은 대역 변조를 위하여 제공된다. 내부 변조기는 AM 모드 또는 FM 모드에서 동작할 수 있다.
마이크로파 전압 제어 발진기(14)는 파형 발생기(11)에 의하여 전압 제어 발진기(14)에 공급된 전압에 의하여 결정된 주파수의 마이크로파 신호를 발생시킨다. 선택된 재료는 특정 주파수와 효율적으로 결합하고 높은 전압 레벨을 요구하지만, 제 2 재료는 다른 주파수 및 더 낮은 또는 더 높은 전압 레벨에서 더욱 효율적으로 결합할 때 마이크로파의 주파수를 변조하는 것이 요구될 수 있다. 따라서, 마이크로파 전압 제어 발진기(14)는 복합 파형 발생기(12)와 결합하여 이용되어 발생된 마이크로파의 주파수를 변조할 수 있다.
주파수 및 전력의 가능한 조합수는 많다. 또한, 상기 주파수 및 진폭 변조 능력에 따라, 재료(36)의 처리는 최대 처리 효율을 얻기 위하여 마이크로파의 주파수 및 진폭을 선택함으로써 이루어질 수 있다. 변조는 재료(36)에 의해서는 검출될 수 없지만, 각각의 재료 및 재료 상태에 대하여 최대 처리 효율을 얻을 수 있는 비율에서 발생할 수 있다.
제 1 증폭기(18)는 마이크로파 전압 제어 발진기(14)로부터 출력된 신호의 전력을 증폭하기 위하여 제공될 수 있다. 바람직한 실시예의 제 1 증폭기(18)는 전압 제어되며, 따라서 게인은 출력의 진폭이 조작자에 의하여 선택 가능하도록 조정될 수 있다. 가변 주파수 마이크로파 가열장치(10)의 동작 중에, 조작자는 제 1 증폭기(18)를 순간적으로 조정하여 마이크로파의 진폭에 대응적으로 조정되도록 할 수 있다. 제 1 증폭기(18)에 대한 제어전압은 복합 파형 발생기(12)에 의하여 제공될 수 있으며, 이는 출력된 신호의 진폭이 원하는 방식으로 변조되도록 한다.
제 2 증폭기(20)는 제 1 증폭기(18)에 의하여 출력된 신호 또는 상기 제 1 증폭기가 이용되지 않을 때 마이크로파 전압 제어 발진기(14)로부터 출력된 신호를 처리하기 위하여 제공된다. 제 2 증폭기(20)는 다중 모드 노 캐비티에 입력되는 마이크로파 신호를 출력하며 상기 마이크로파 신호는 재료(36)에 인가된다. 바람직한 실시예에서, 제 2 증폭기(20)는 나선 진행파관(TWT), 결합된 캐비티 TWT, 링-루프 TWT, 링-바 TWT, 클리스트론(klystron), 튀스트론(twystron), 또는 자이로즈론 중 하나일 수 있다.
TWT(20)는 선택된 주파수 및 파형을 가진 신호가 증폭되고 출력되는 선형 빈 장치이다. TWT(20)는 TWT(20)의 구성에 의하여 형성된 범위 또는 대액폭내의 선택된 주파수 또는 파형을 증폭할 수 있다. 특히, TWT(20)의 물리적인 기하학적 특성은 주파수 범위를 제한하여, 높은 제한이 이루어질 때 방해 신호가 발생하여 제 2파가 발생한다.
특정 구성으로 결합된 TWT(20)에서보다 더 높은 주파수 또는 더 낮은 주파수를 얻기 위하여, TWT(20)의 내부 기하학적 특성, 특히 나선(40)의 피치는 변경된다. 후자에 설명한 TWT(20)에서, 새로운 주파수 범위가 형성된다. 따라서, TWT(20)의 여러 가지 구성은 주파수의 더 넓은 범위가 이루어질 수 있도록 가능하다. 이를 위하여, 본 발명의 TWT(20)는 가변 주파수 마이크로파 가열장치(10)로부터 선택적으로 제거되고 다른 TWT(20)와 교환될 수 있도록 설계된다. 따라서, 단일 마이크로파 전압 제어 발진기(14), 마이크로파 노(32) 및 마이크로파 노 캐비티(34)는 여러가지 TWT(20)에 이용될 수 있어서, 실제적으로 단지 마이크로파 주파수를 가변하여 일련의 동일한 시험을 수행할 수 있도록 한다. 하나의 TWT(20)는 4 내지 8GHz의 주파수 범위를 한정하지만, 다른 TWT(20')는 8 내지 16GHz의 주파수 범위를 한정한다. 또한, 다른 TWT(20")는 제 3 주파수 범위를 한정할 수 있다. TWT(20)를 TWT(20')로 교환하는 것은 4 내지 16GHz의 전체 범위를 한정하는 것이다. 4 내지 8GHz의 범위를 한정하는 하나의 TWT(20)는 마이크로웨이브 레보레토리스, 인코포레이션에 의하여 제조된 모델 T-1096 G/H 밴드 헬릭스 TWT이다. 모델 T-1096에 대한 사양은 표 1에 리스트되어 있다.
전술한 바와 같이, 진행파관(20)은 전자빔의 경로를 따라 연속적으로 에너지를 종방향으로 끌어내는 이동 전기장에 의하여 특징이 형성되는 선형 빔 장치이다. 제 3도 및 제 4도에 도시된 바와 같이, 전형적인 TWT(20)는 단일 와이어 나선(40)의 제 1단부(46)에 부착된 전자총 어셈블리(44)로 구성된다. 전자총 어셈블리(44)는 나선(40)의 중심을 통하여 전달되는 집속된 전자빔을 생성한다. 나선(40)에 통합된 테이퍼 카본 감쇄기(50)는 반사가 튜브 입력으로 다시 통과되는 것을 방지하는 지향성 결합기 역할을 한다. RF 입력 및 출력 권선(52,54)은 나선(40)의 캐소드및 콜렉터(46,48)에 배치된다.
양으로 충전된 콜렉터(56)는 나선(40)의 제 2단부(48)에 배치된다. 콜렉터(56)는 TWT(20)의 동작을 위한 에너지원을 제공한다. 빔 집속 및 억제 자석(58)은 TWT(20)의 전체 어셈블리를 감싼다.
나선(40)의 축을 이동하는 전자는 나선(40)을 따라 전파하는 rf파와 상호작용하여 에너지가 전자빔에서 rf파로 변환되도록 한다. 이러한 상호작용은 계속되고 누적되어, 나선(40)을 따라 전파함에 따라 rf파의 진폭을 증가시킨다.
바람직한 실시예의 제 2증폭기(20)는 정상 동작중에 증폭기(20)에 의하여 모아지는 열을 분산시키기 위하여 설계된 내부 냉각 장치(38)를 포함한다. 특히, 나선 TWT의 경우에, TWT(20)의 나선 및 나선 지지부(42)는 이러한 기능을 수행하기 위하여 선택된 재료로 조립된다. 바람직한 실시예의 나선 TWT(20)에는 평탄한 구리 와이어로 조립된 나선(40)이 제공된다. 다수의 축받이(42)는 나선 TWT(20)의 종방향 축에 대하여 병렬 형태로 배치되며, 상기 축받이를 중심으로 구리 와이어가 감겨 있으며, 상기 축받이(42)는 구리 와이어에 의하여 형성된 나선을 유지하고, 그리고 나선 TWT(20)의 동작중에 구리 와이어에 전달되는 열을 분산시키는 역할을 한다. 바람직한 실시예에서 축받이(42)는 적어도 하나의 평탄면(43)과 함께 단면을 형성하며, 상기 평탄면(43)은 구리 와이어와 거의 접촉한다.
또한, 바람직한 실시예의 축받이(42)는 산화 베릴륨으로 만들어진다. 산화 베릴륨이 전기적으로 절연체이지만, 우수한 열전도체라는 것이 공지되어 있다. 평탄 단면을 형성하며 실질적으로 축받이(42)의 평탄면(43)을 접촉하는 구리 와이어는 구리 와이어로 전달될 열을 효율적이고 철저하게 소실시켜, 나선 TWT(20)의 내부에 대한 냉각 수단(38)를 제공하고, 따라서 나선 TWT(20)의 수명을 연장시킨다.
전력 공급장치(22)는 제 2 증폭기(20)의 동작을 위하여 제공된다. 도면에 개별적으로 도시되지 않았지만, 바람직한 전력 공급장치(22)는 정확하게 조정된 음극 전력 공급장치 및 적게 조정된 콜렉터 고전압 공급장치로 구성된 직류 소스이다. 캐소드 전압 공급장치에 대한 출력 조정은 4극관 튜브를 이용하는 튜브 조절 회로를 통하여 이루어진다. 상기 튜브 중 하나는 Eimac 4PR400A 튜브이다. 콜렉터 전압공급장치 및 캐소드 전력 공급장치는 전기자기적인 조절기에 의하여 이루어진다. 바람직한 실시예의 콜렉터 전압 공급장치에는 출력 범위의 선택을 위하여 두 개의 스위치판이 제공된다. 제 2 증폭기(20)에 전력을 공급하기 위하여 이용되는 일반적인 전력 공급장치(22)는 유니버셜 볼트로닉스 모델 BRE-15-140-ML 고전압 전력 공급장치이다. 유니버셜 볼트로닉스 전력 공급장치에 대한 사양은 표 2에 리스트되어있다.
제 2도에 도시된 바와 같이, 가변 주파수 마이크로파 가열장치(10)는 마이크로파 전압 제어 발진기 수단(14) 및 제 1 증폭기(18)를 사용하지 않고도 동작될 수 있다. 이러한 실시예에서, 마이크로파 신호 발생기(12)는 선택된 신호를 발생시키기 위하여 독립적으로 이용되고 다른 변형 없이 직접 출력될 수 있다. 마이크로파 신호 발생기(12) 중 하나는 윌트론에 의하여 제조된 모델 6724 신호 발생기이다. 상기 실시예에서, 진폭 변조는 제 2 증폭기(20)의 전력 공급장치(22)내에서 수행된다.
제 1 및 2도에서, 지향성 결합기(24)는 신호의 방향을 검출하고 검출된 방향에 따라 상기 신호를 전달하기 위하여 제공된다. 지향성 결합기(24)는 제 2 증폭기(20)의 콜렉터 단부 근처에 제공된다. 제 2 증폭기(20)로부터 수신된 신호는 마이크로파 캐비티(32)로 전달된다. 마이크로파 캐비티(32) 방향으로부터 수신된 신호는 반사 전력 부하(28)로 전달된다. 따라서 지향성 결합기(24)는 반사된 신호-즉, 재료(36)에 의하여 흡수되지 않고, 따라서 소스(20)쪽으로 다시 전달되는 전력-가 제 2 증폭기(20)로부터 멀리 전환하여 제 2 증폭기(20)가 재료(36)에 의하여 흡수되지 않은 전력으로부터 보호되도록 하는 수단을 제공한다. 바람직한 실시예의 반사 전력 부하(28)는 마이크로파 소스로부터의 전력전송 및 마이크로파 캐비티(32)로부터의 전력반사를 통하여 모아진 열을 소실시킨다.
제 1 전력계(30)가 마이크로파 캐비티(32)에 전달된 전력을 측정하기 위하여 제공된다. 제 1 전력계(30)는 마이크로파 캐비티(32)로부터 반사된 전력을 측정하기 위하여 배치된 제 2 전력계(26)와 함께 이용되어 마이크로파 캐비티(32)의 효율을 감시하고 반사 전력이 제 2 증폭기(20)가 아닌 반사 전력 부하(28)에서 소실되도록 한다.
제 2 증폭기(20)에 의하여 출력된 신호는 선택된 재료(36)에 의한 흡수를 위하여 마이크로파 캐비티(34)로 유입된다. 일반적으로 유입된 신호는 재료(36)에 의하여 완전하게 흡수되지 않으며 따라서 다른 경로를 가지지 않은 제 2 증폭기(20)쪽으로 다시 반사된다.
반사된 신호는 지향성 결합기(24)에 도달하고 거기서 제 2 전력계(24) 쪽으로 우회하며 마지막으로 반사 전력 부하(28)로 우회한다. 반사 전력은 전술한 바와 같이 제 2 증폭기(20)를 보호하기 위하여 반사 전력 부하(28)에서 소실된다. 반사 전력 부하(28)는 또한 마이크로파 캐비티(34)로부터 모든 재료(36)를 제거하고, 따라서 제 2 증폭기(20)로부터의 전체신호를 반사 전력 부하(28)로 전달함으로써 시스템의 기능을 시험하기 위하여 이용될 수 있다. 반사 전력 부하(28)에 의하여 수신된 전력 및 제 2 증폭기(20)로부터 전달된 전력을 비교하여 시스템 손실을 결정할 수 있다.
반사 전력의 크기는 제 2 전력계(26)에 의하여 검출된다. 상기 크기는 마이크로파 캐비티(34)로 유입되는 마이크로파의 순간 주파수의 효율을 절정하기 위하여 이용될 수 있다. 낮은 반사 전력은 선택된 재료(36)의 높은 흡수 비율 때문에 더욱 효율적인 동작 주파수를 나타낸다.
전술한 설명으로부터, 당업자는 종래 기술이상의 장점을 제공하는 가변 주파수 마이크로파 가열장치(10)가 제공된다는 것을 알 수 있다. 특히, 본 발명의 가변주파수 마이크로파 가열장치(10)는 소결 또는 다른 목적을 위하여 캐비티(34)로 유입되는 마이크로파의 주파수를 조정하는 수단을 제공한다. 본 발명의 가변 주파수 마이크로파 가열장치(10)는 마이크로파 주파수에 대한 선택된 재료의 처리 특성을 시험할 때 유용하다. 상기와 같은 시험은 결정된 주파수에서 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 소스(12)로 마이크로파 노(32)를 설계할 수 있도록 한다.
본 발명의 가변 주파수 마이크로파 가열장치(10)는 마이크로파의 주파수가 여러 가지 재료 또는 재료 상태에 대하여 가변될 수 있는 제조 도구로서 유용한다. 주파수 변조는 가변 주파수 마이크로파 가열장치(10)의 동작 중에 수행되어 여러 가지 재료 또는 재료 상태에 적응하도록 할 수 있다. 또한, 본 발명의 주파수 변조는 또한 상대적으로 작은 마이크로파 캐비티(34)에서 더욱 균일하게 전력을 분배하기 위한 모드 조정 방법으로서 작용한다.
본 발명의 가변 주파수 마이크로파 가열장치(10)의 효율은 개발 과정에서 수행된 여러 가지 시험에서 나타난다. 실험된 두 가지 실시예가 이하에 기술된다. 그러나, 이것은 본 발명을 실시예에 국한시키려는 것은 아니다.
제 1 시험 실시예에서, 소결, 열처리 및 다른 고온 프로세스에 적합한 2.5KW 마이크로파 노(32)가 구성된다. 델피 컴포넌츠에 의하여 제조된 모델 VCO 100-0243인 마이크로파 전압 제어 발진기(14)는 0 내지 15V 제어 신호의 인가에 따라 4 내지 8GHz로 연속적으로 변하는 저전력 마이크로파 신호를 제공한다. 게인을 선택할 수 있는 반도체 전치증폭기(18)(내셔널 하이브리트 인코포레이션에 의하여 제조된 모델 NHI 4080MW-2)는 마이크로파 전압 제어 발진기(14)로부터의 신호를 가변 증폭한다.
고전력 마이크로파 증폭기(20)는 진행파관(마이크로웨이브 레보레토리스, 인코포레이션에 의하여 제조된 모델 T-1096; 표 1 참조) 및 고전압 DC 전치증폭기(유니버셜 볼트로닉스 모델 BRE-15-140-ML; 표 2 참조)를 포함한다. 고전력 마이크로파 증폭기는 약 +37db의 게인에 대하여 신호를 증폭한다. 그로 인한 마이크로파 전력은 4 내지 8GHz의 주파수범위 및 0 내지 2.5KW의 전력 범위에 걸쳐서 연속적으로 선택할 수 있다. 상기 주파수 및 진폭은 이러한 파라미터내의 어떤 파장으로 개별적으로 변조될 수 있다.
이중 지향성 결합기(24)(마이크로웨이브 엔지니어링 코포레이션에 의하여 제조된 모델 R202-5N)가 제공되며, 이를 통하여 마이크로파 전력이 인가된다. 마이크로파 전력은 직경이 약 12인치이고 길이가 약 9인치인 다중 모드 캐비티(34)로 입력되어 광범위한 임의의 마이크로파 모드가 캐비티(34) 내에서 여기되도록 한다. 순방향으로 반사된 전력 레벨은 두 개의 전력계(휴렛 패커드에 의하여 제조된 모델 HP436A)에 의하여 연속으로 측정된다.
효율적인 마이크로파 가열은 실리콘 카바이드 및 보론 카바이드 세라믹 몸체에 대하여 실험된다. 각각의 경우에 주파수는 캐비티(34)내의 실제 부하에 대한 반사 전력을 최소화하기 위하여 조정될 수 있으며, 세라믹은 빠르게 가열된다. 최대 효율로 가열하기 위하여 캐비티(34)의 크기를 조정하거나 또는 특정 모드를 여기시킬 필요는 없다.
제 2 시험 실시예에서, 적어도 플라즈마 가공, 살균 및 조리에 적합한 300W마이크로파 노가 종래 마이크로파 오븐의 다중 모드 캐비티(34) 및 대역폭 2 내지 8GHz의 공냉식 진행파관을 이용하여 구성된다.
물, 팝콘 및 Co, Cr 또는 V 산화물로 도핑된 알루미나 세라믹을 포함한 여러 가지 샘플에 의한 실험은 마이크로파 주파수가 반사 전력을 최소화 하기 위하여 조정될 때 높은 효율 가열을 설명한다. 그 결과는 주파수가 동작 대역폭 사이를 연속적으로 스위핑할 때, 반사 전력이 상당히 낮고 샘플은 캐비티(34)내의 위치와 관계없이 효율적으로 가열됨을 나타낸다.
가변 주파수 마이크로파 가열장치(10)의 상기 시험중 하나는 에폭시레진의 샘플(예를 들어, 유니온 카바이드에 의하여 제조된 ERL-2258 및 튜폰에 의하여 제조된 M-페닐레니아민 하드너)의 경화를 포함한다. 샘플은 제조자의 지시에 따라 혼합되고 4인치 직경 유리 접시에 부어진다. 하나의 샘플은 6GHz의 고정 주파수에서 가열되고, 다른 샘플은 본 발명에 따라 초당 500회로 4.5 내지 7.5GHz 주파수를 스위핑함으로써 가열된다. 고정 주파수 샘플은 균일하게 가열되지 않으며 결국 열적으로 악화된다. 스위핑 주파수 샘플은 국부적으로 과열됨이 없이 균일하게 경화되어 주파수 스위핑의 값이 마이크로파 캐비티(34)내에 더욱 균일한 전력 분배를 발생시킨다는 것을 증명한다.
가변 주파수 마이크로파 가열장치(10')의 선택적인 실시예가 제 6도에 도시된다. 상기 실시예에서, 전력 및 온도 디스플레이 및 제어기(60)는 전력 모니터(62) 및 온도 센서(64)로부터 입력을 수신한다. 전력 모니터(62)는 지향성 결합기(24')로부터 입력을 수신하고 전술한 실시예에서 결합된 반사된 순방향 전력계(26, 30)와 동일한 기본 기능을 한다. 또한, 전력 및 온도 디스플레이 및 제어기(60)는 마이크로파 전압 제어 발진기(14'), 전치증폭기 전력 제어(18') 및 TWT 전력 공급장치(22')를 제어한다. 냉각 시스템(66)은 동작 중에 최소한 TWT(20)를 냉각시키기 위하여 제공된다.
테이퍼 도파관 결합기(68)는 광대역 마이크로파 에너지가 마이크로파 캐비티에 결합되는 효율을 증가시키기 위하여 제공될 수 있다. 지향성 결합기(24')와 마이크로파 캐비티(32') 사이의 임피던스 변환기로서 작용함으로써, 이러한 전이는 마이크로파 캐비티(32')에 결합된 전력 백분율을 증가시킨다. 또한, 반응성 가스가 존재하는 마이크로파 캐비티(32')에 마이크로파 에너지가 결합되어야 하는 응용에 대하여, 상기 테이퍼 도파관(68)은 입력 윈도우와 반응성 가스 사이의 계면에 마이크로파 에너지의 전력 밀도를 감소시키는 수단을 제공하여, 마이크로파 입력 윈도우에서 플라프마 방전 형성을 방지한다.
테이퍼 도파관 애플리케이터(68A)가 제 7-9도에 도시된다. 제 7도는 입구 개구부(72)를 도시하는 단부도이다. 제 8도는 출구(74)를 도시하는 단부도이다. 제 9도는 테이퍼 도파관 애플리케이터(68A)의 단면도이며, 여기서 테이퍼 내부벽(70)이 더욱 상세하게 도시된다. 상기 도면들로부터, 테이퍼 도파관 애플리케이터(68A)의 한 실시예는 입구(72)에서 출구(74)까지 평탄한 테이퍼를 형성하는 내부벽(70)을 형성한다는 것을 알 수 있으며, 출구(74)는 입구(72)보다 큰 개구부이다. 테이퍼 도파관 애플리케이터(68A)의 내부벽(70)은 일반적으로 그의 길이를 따라 소정 단면에서 그의 측벽으로부터 뻗어 있는 돌출부(76)에 의하여 사각 개구부를 형성한다.또한, 상기 돌출부(76)는 사각 단면을 형성한다. 이들 도면에 도시된 바와 같이, 돌출부는 애플리케이터(68A)의 내부벽(70)의 테이퍼에 비례하는 평탄한 테이퍼를 형성한다. 테이퍼 도파관 애플리케이터(68A)의 몸체는 테이퍼 도파관 애플리케이터(68A)를 마이크로파 가열장치(10)에 고정하기 위하여 단부판(78)을 형성한다.
실제적으로, 마이크로파 캐비티(34)의 전체 유효 범위에 걸쳐서 측정된 약 2:1의 자유 공간 전압 정재파비 또는 VSWR은 제 7-9도의 테이퍼 도파관 애플리케이터(68A)를 이용하여 달성된다.
가변 주파수 마이크로파 가열장치(10)는 마이크로웨이브 레보레토리스, 인코포레이션에 의하여 제조된 4-8GHz 모델 T-1096 TWT를 이용하고 제 7-9도에 도시된 테이퍼 도파관 애플리케이터(68A)와 결합하여 시험목적으로 구성된다. 일반적으로 실린더형 다중 모드 마이크로파 캐비티(34)가 또한 이용된다. 시험 결과는 알.에이. 러더 등., "물-에타놀 용액으로부터 마이크로파 여기된 플라즈마를 통한 다이아몬드 CVD", Amer. Cer Soc 춘계회의, 신시네티, 오하이오, 1993에 설명되며, 이는 여기서 참고로 나타난다. 이러한 시험에서, 본 발명의 테이퍼 도파관 애플리케이터(68A)를 포함하는 마이크로파 가열장치(10)는 주파수를 조정함으로써 제거 및 조정될 수 있는 고강도 국부 플라즈마를 생성한다. 조밀한 플라즈마는 순방향 전력의 100W만큼 작도록 유지된다. 반사 전력은 4-8GHz 대역폭 사이의 모든 주파수에서 최소치이다.
전술한 마이크로파 소스(12)는 나선 TWT 증폭기를 포함한다. 그러나, 많은다른 마이크로파 소스(12)가 본 발명의 다른 특징에 따라 이용될 수 있다. 이하의 표 3은 일부 다른 적당한 마이크로파 소스(12)의 일반적인 특성을 나타낸다.
표 3 - 일부 적당한 마이크로파 소스의 특성:
상기 실시예에서 나선 TWT는 액체 냉각되며, 따라서 추가 전력 및 지원 장치를 요구한다. 기준 스케일 실험에 대하여, 공냉식 가변 주파수 마이크로파 가열장치(10)는 마이크로웨이브 레보레토리사의 공냉식 나선 TWT (예를 들어, 모델 T-1067) 및 본 발명의 테이퍼 도파관 애플리케이터(6BA)를 이용하여 형성된다. 13×13×10인치 사각 마이크로파 캐비티(34)가 이용되며, 상기 캐비티에서 마이크로파 전력은 2.5 내지 7.5GHz의 주파수 범위에 걸쳐 효율적으로 결합된다. 이러한 범위는 거의 두 개의 옥타브를 커버한다. 열적으로 민감한 종이를 이용한 시험은 주파수 스위핑이 전체 캐비티(34)를 통하여 균일한 전력 밀도를 생성할 때 상당히 효율적이라는 것을 증명한다.
본 발명의 마이크로파 캐비티(34)에 대하여 에폭시 레진의 샘플(유니온 카바이드에 의하여 제조된 ERL-2258 및 듀폰에 의하여 제조된 M-페닐레니아민 하드너)을 경화시키기 위하여 유사한 시험을 한다. 이러한 시험에서, 주파수범위 및 스위칭 비율은 적합한 모드 조정에 필요한 최소 범위를 결정하기 위하여 감소된다. 동시에, 샘플 크기는 6인치 직경의 디스크까지 증가된다. 이러한 결과로부터, 20%의 대역폭이라도 일부 샘플에서, 특히 높은 열적 전도가 작은 공간 가변을 균일하게 하도록 하는 샘플에서, 균일한 마이크로파 가열을 달성하기에 충분하다는 것이 명백하다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 가변 주파수 마이크로파 가열장치(10)에는 하나 이상의 마이크로파 소스(12)가 제공된다. 이러한 확장을 위하여, 나중에 기술한 마이크로파 가열장치(10)는 제 2 TWT(마이크로웨이브 레보레토리스, 인코포레이션에 의하여 제조된 모델 T-1096) 및 제 2 테이퍼 도파관 애플리케이터(68A)를 추가하여 노(32)에 2.5 내지 17.5GHz의 유효 대역폭 또는 거의 3개의 옥타브를 제공함으로써 변형된다. 전술한 실시예는 본 발명의 마이크로파 가열장치(10)를 2개의 마이크로파 소스(12)로 제한하는 것으로 해석하면 안된다. 오히려, 다수의 마이크로파 소스(12) 및 도파관 애플리케이터(68)가 본 발명에 따라서 단일 마이크로파 캐비터(34)와 결합될 수 있다.
제 10 및 11도는 도파관 애플리케이터(68B)의 선택적인 실시예가 도시되어 있으며, 여기서 윈도우(80)는 마이크로파 캐비티(34)내의 압력이 대기와 다르고 그리고/또는 공기 이외의 가스가 마이크로파 가열 프로세스에 이용되는 환경에서 사용하기 위하여 제공된다. 상기 실시예의 입구(72)는 전술한 실시예의 입구와 유사하며, 따라서 제 7도는 제 10 및 11도에 도시된 실시예의 입구(72)를 나타낸다. 윈도우(80)는 본질적으로 유전체이며 양 및 음의 압력 차이를 견딜 수 있다. 본 실시예의 도파관 애플리케이터(68B)의 내부벽(70)은 출구(74)에서 실린더형의 비테이퍼형 단부(82)에서 종료한다. 돌출부(76)는 내부벽(70)의 기울기 변화를 종료한다. 리세스(84)는 유전체 윈도우(80)를 받아들이는 단부판(78)에 의하여 형성된다. 잠금판(86)은 단부판(78)에 고정되고 그리고 적어도 하나의 유전체 윈도우(80) 위에 고정되어 도파관 애플리케이터(6BB)에 대하여 윈도우(80)의 위치를 고정시킨다. 밀봉부재(90)는 윈도우(80)와 도파관 애플리케이터(68B) 사이 및 윈도우(80)와 잠금판(86) 사이에 배치되어 도파관 애플리케이터(68B)를 통하여 마이크로파 캐비티(34)에서 외부 환경으로 유체가 흐르는 것을 방지한다.
제 7-9도에 도시된 실시예에서, 마이크로파 캐비티(34)의 전체 유효 범위에 걸쳐서 측정된 약 2:1의 자유 공간 VSWR은 제 10-11도의 도파관 애플리케이터(68B)를 이용하여 달성된다.
당업자는 많은 종래 기술이 테이퍼 도파관 전이(68)를 노 캐비티(34)에 결합시키고 유전체 윈도우(80)를 도파관(68)에 밀봉시키기 위하여 이용될 수 있다는 것을 알 수 있다. 적당한 공기, 유체 냉매 등의 흐름에 의하여 유전체 윈도우(80) 또는 도파관(68)을 냉각시켜야 하는 상황이 발생할 수 있다.
테이퍼 리즈가 융기형 광대역 도파관 - 예를 들어, WRD 350 타입 -에 최적의 매칭을 제공하기 위하여 이용되지만, 비융기형 도파관이 마이크로파 소스(12) 및 테이퍼 도파관 전이부(68) 사이에 이용된다면 상기 테이퍼 리즈는 요구되지 않는다는 것을 당업자는 알 수 있다.
제 12 및 13도는 본 발명의 도파관 애플리케이터(6BC)의 선택적인 실시예를 도시하며, 제 7도는 입구(72)를 나타낸다. 설명한 바와 같이, 본 발명의 돌출부(76)는 제 8 및 9도의 평탄한 테이퍼와 대향하는 "스텝" 테이퍼를 형성한다. 따라서, 일련의 사각 돌출부(76A)가 형성되며, 각각의 연속 돌출부의 길이는 출구(74)쪽으로 증가하며 대향하는 돌출부(76A) 사이의 간격은 대향 돌출부(76A)의 연속쌍에 따라 증가한다. 전술한 실시예의 평탄한 테이퍼와 대향하는 본 실시예의 돌출부(76A)는 유한한 개수의 불연속 위치에서 크기가 변한다. 본 발명에서 유지되는 자유 공간 VSWR은 바람직하다.
제 12 및 13도에 도시된 실시예의 다른 변형은 제 14 및 15도에 도시된 실시예이다. 상기 실시예는 제 10 및 11도의 실시예와 유사한 방식으로 고정된 유전체 윈도우(80)를 추가로 포함한다.
특히 고전력에서 마이크로파 장치를 동작시킬 때, 마이크로파 방사의 바람직하지 않은 누설을 방지하기 위하여 장치는 적당하게 밀봉되거나 봉쇄되어야 한다. 효율적인 밀봉은 유효 주파수가 증가함에 따라 더욱 곤란하다. 예를 들어, 2.45GHz의 고정 주파수에서 동작하는 일반 마이크로파 오븐은 고주파수에서 비효율적인 공진 기계식 초크의 사용에 의하여 누설이 최소화된다. 본 발명의 가변 주파수 마이크로파 가열장치(10)는 5% 대역폭보다 넓은 주파수 범위에 걸쳐 동작하기 때문에, 종래 마이크로파 오븐에 이용된 마이크로파 밀봉 기술은 인체의 안전 및 통신 방해 요구조건 측면에서 적합하지 않다는 것이 판명되었다.
제 16도는 마이크로파 캐비티(34)내의 샘플을 시각적으로 관찰하기 위한 개선된 관찰포트(92)의 입면도를 도시한다. 관찰포트(92)는 6개의 셀 직경이 그의 깊이에 대하여 작은 "벌집형" 금속 필터(94)를 포함한다. 예를 들어, 하나의 적당한 비율은 약 0.061인치의 직경 대 1.0인치의 두께이다. 이러한 구성은 20GHz의 높은 주파수에서 적어도 250dB의 감쇠를 제공한다. 상기 필터(94)는 융합된 석영과 같은 투명 유리로 구성된 대향하는 판(96) 사이에 배치되어 관찰포트(92)에 대하여 마이크로파 밀봉을 형성한다.
캐비티 도어(98)상의 마이크로파 밀봉이 인체 및 통신 보호에 필수적이기 때문에, 4단 마이크로파 밀봉(100)이 제 17도에 도시되고 제 17A도에 상세히 도시되어 있는 바와 같이 본 발명에서 제공된다. 2개의 링 밀봉(102,104)은 캐비티(34)로 돌출하였으며, 하나의 링(102)은 도어(98)에 부착되고, 다른 링(104)은 캐비티(34) 내부의 마이크로파 노(32)에 부착된다. 링(102,104) 사이의 공간은 특히 4GHz 이하의 주파수에서 차단 도파관으로서 작용한다. 결정된 하나의 적당한 공간은 0.06인치이다. 캐비티(34) 내부의 마이크로파 노(32)에 의하여 운반되는 링 밀봉(104)은 베릴륨 구리와 같은 압축가능 스트립(106)을 운반하며, 상기 스트립은 도시된 실시예에서 10GHz에서 70dB 이상의 감쇠를 제공한다. 도어(98)에 의하여 운반되는 링 밀봉(102)은 도어(98) 폐쇄시 스트립(106)을 압축한다. 캐비티(34)상의 도어 개구부(112) 주위로 운반되는 것은 모넬 메쉬와 같은 압축 스트립(108)이며, 상기 스트립은 가볍게 압축가능한 도어 스톱으로서 사용된다. 바람직한 실시예의 모넬 메쉬(108)는 10GHz에서 추가로 80dB의 감쇠를 제공한다. 마지막으로, 캐비티(34)상의 압축 스트립(108) 주위에는 "e"형 단면을 형성하는 압축 스트립(110)이 존재한다. 바람직한 실시예의 압축 스트립(110)은 카본으로 충전된 실리콘 엘라스토머 스트립이며 10GHz에서 추가로 75dB의 감쇠를 제공하기 위하여 이용된다. 관찰포트(92)의 밀봉 및 도어(98) 폐쇄의 순수 결과는 2.4 내지 17.5GHz 주파수에서 가변 주파수 마이크로파 가열장치 캐비티(34)로부터 어떠한 마이크로파 누설도 검출되지 않는다는 것이다. 안전 레벨인 0.001 이상의 마이크로파 누설이 검출되지 않는다. 당업자는 전술한 마이크로파 밀봉 구성이 밀봉 및/또는 차단되어야 할 주파수 범위 및 전력 레일에 따라 설명된 기술의 여러 가지 결합을 이용한다.
제 18도는 본 발명의 가변 주파수 마이크로파 가열장치(10)의 선택적인 실시예를 도시한다. 이러한 선택적인 실시예에서, 주파수 민감 동축 마그네트론과 같은 고전력 발진기(116)가 전술한 실시예의 마이크로파 전압 제어 발진기(14), 전치증폭기(18) 및 TWT(20) 대신 사용된다. 바람직한 실시예의 마그네트론(114)은 중심 주파수의 적어도 5%의 유효 대역폭을 가진다. 마그네트론(114)은 수동으로, 또는 바람직하게 폐쇄루프인 전압 기준 피드벡 제어 시스템을 통하여 주파수 제어된다. 상기와 같은 피드백 제어 시스템에서, 저레벨(0 내지 10V) 신호는 마그네트론(114)에서 서보 메커니즘을 동작시키기 위하여 이용되며, 상기 서보 메커니즘은 마그네트론의 동축 캐비티에서 플런저판을 정확하게 재배치함으로써 하나의 주파수에서 다른 주파수로 마그네트론(114)을 "전환"시킨다.
요구되는 대역폭에 대한 제한 요소를 결정하기 위하여, 12x12x10인치 사각 마이크로파 캐비티(34)인 이론적인 모델이 구성되어 4 내지 6GHz 주파수 범위에 걸쳐 캐비티(34)에서 지지될 수 있는 공진 모드의 수를 결정하기 위하여 이용된다. 이러한 계산의 결과는 이러한 작은 캐비티(34)에서도 4 내지 6GHz 주파수 범위에 걸쳐 많은 수(600 이상)의 가능하고 인접하게 배치된 모드(단일 주파수에서 3 내지 4)가 존재할 수 있다는 것을 명백히 보여준다. 이러한 결과는 모드 밀도 대 주파수로서 제 19도에 그래프로 도시되어 있다. 이러한 결과로부터, 중심 주파수의 5%의 대역폭은 어떤 경우에 마이크로파 캐비티(34)에서 상대적으로 균일한 에너지 분배를 제공하기에 충분한 다수 모드를 제공할 수 있다는 것이 명백하다.
이러한 이론적 모델을 이용하여, 전력 밀도는 마이크로파 캐비티의 수평 중간평면을 따라 여러 점에서의 위치 함수로서 계산된다. 시험된 첫번째 경우는 5GHz의 중심 주파수를 가정한다. 도면에서 도시된 바와 같이, 대역폭 백분율이 감소하면, 전력 분배는 점진적으로 다소 불균일해지며, 여기서 대역폭은 중심 주파수에 의하여 나누어진 고주파수 및 저주파수 사이의 차로서 형성되거나 또는:
(fhigh- flow)/fcenter
약 10%보다 큰 대역폭에 대한 전력 밀도는 상당히 균일하지만, 전력 밀도는 5% 대역폭에 대하여 어느 정도 다소 불균일해진다. 두 번째 경우는 15GHz의 중심 주파수를 가정하며 전력 밀도는 40%에서 1.3%로 하강되는 대역폭에 대하여 표시된다. 이러한 경우에, 2.5%의 대역폭에 대하여, 전력 밀도는 이전의 경우에 비하여 상당히 균일하다. 대역폭이 단지 1.3%로 감소되더라도, 전력 밀도는 많은 마이크로파 가열 사용에 대하여 충분히 균일하다.
제 20A-D도는 상기 이론적 모델 및 5GHz의 중심 주파수를 사용한 전력 맵을 도시한다. 본 명세서에서 사용되는 전력 맵은 3차원 그래프로서 마이크로파 캐비티(34) 사이의 여러 점에서의 전력을 도시한다. 전력은 z-좌표로서 도시되고, x- 및 y-좌표는 마이크로파 캐비티(34)의 바닥면이다. 각각의 맵에 대한 대역폭은 5, 10, 20 및 40%이다. 마이크로파 케비티(34)를 통한 전력 분배는 대역폭이 증가하더라도 증가한다.
유사하게, 제 21A-F도는 상기 이론적 모델 및 5GHz의 중심 주파수를 사용한 전력 맵을 도시한다. 각각의 대역폭은 1.3, 2.5, 5, 10, 20 및 40%이다. 1.3%의 대역폭에 대하여, 전력 분배는 점에서 점까지 눈에 뛸 만큼 가변한다. 그러나, 40%의 유효 대역폭에 대하여, 전력 분배는 상당히 평탄하다.
이론적 결과는 마이크로파 캐비티(34)에서 열 종이를 이용하여 정확성을 증명하기 위하여 시험되며, 마이크로파 소스(12)는 이러한 이론적 결과로부터 선택된다. 열점 또는 높은 전력 분배를 가진 위치는 열 종이가 갈색이 되도록 하며, 냉점은 열종이가 흰색을 유지하도록 한다. 이러한 시험의 결과는 전술한 이론적 시험의 결과를 확실하게 한다.
몇가지 바람직한 실시예가 도시되고 설명되었으며, 구성되고 시험된 몇가지 실시예가 특정하게 기술되었지만, 상기 설명은 본 발명을 제한하는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 정의된 본 발명의 사상 및 범위내에 있는 모든 변형 및 선택적인 방법을 포함한다.

Claims (33)

  1. 선택된 재료를 처리하는 다중 모드 캐비티를 한정하는 마이크로파 노를 포함하는, 상기 선택된 재료를 처리하는 가변 주파수 마이크로파 가열장치에 있어서,
    선택된 파형, 주파수 및 진폭을 가진 신호를 발생시키는 마이크로파 신호 발생기;
    상기 신호 발생기에 의하여 발생된 상기 신호를 증폭하며, 선택된 주파수 범위내에서 마이크로파를 생성하고 중심 주파수를 한정하며, 그리고 상기 중심 주파수의 적어도 5%의 유효 대역폭을 가진 마이크로파 전자 장치를 포함하는 제 1 신호 증폭기로서, 상기 마이크로파는 선택된 크기를 가진 관련된 전력을 갖는 제 1 신호 증폭기;
    상기 제 1 신호 증폭기에 전력을 공급하는 전력 공급장치; 및
    상기 제 1 신호 증폭기에 의하여 생성된 마이크로파를 상기 마이크로파 노로 전달하는 전송기를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 주파수 마이크로파 가열장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 마이크로파 전자 장치는 진행파관(traveling wave tube), 클리스트론(klystron), 튀스트론(twystron), 교차된 필드 증폭기 및 자이로트론(gyrotron)으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 가변 주파수 마이크로파 가열장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 전력 공급장치는 상기 신호 발생기에 의하여 발생된 신호의 진폭이 선택적으로 변조되도록 조정가능한 것을 특징으로 하는 가변 주파수 마이크로파 가열장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 신호 발생기에 의하여 발생된 신호의 진폭을 선택적으로 변조하기 위한 신호 진폭 제어기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 주파수 마이크로파 가열장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 증폭기에 의해 증폭하기 전에 상기 신호 발생기에 의하여 발생된 상기 신호를 선택적으로 증폭하기 위한 제 2 증폭기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 주파수 마이크로파 가열장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 증폭기에 의하여 생성된 상기 마이크로파 및 상기 마이크로파 노로부터 반사된 마이크로파를 전달하는 신호 지시기(director); 및
    상기 마이크로파 노로부터 반사된 상기 마이크로파를 소실시키는 반사 부하 제거기(reflected load dissipator)를 추가로 포함하며,
    상기 마이크로파 노로부터 반사된 상기 마이크로파는 관련된 전력 및 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 가변 주파수 마이크로파 가열장치.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 신호 지시기에는 상기 신호 지시기의 동작중에 축적된 열을 소실시키는 냉각 장치가 제공되는 것을 특징으로 하는 가변 주파수 마이크로파 가열장치.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 마이크로파 노로 전달된 상기 마이크로파와 관련된 상기 전력의 크기 및 상기 마이크로파 노로부터 반사된 상기 마이크로파와 관련된 상기 전력의 크기를 감시하는 시스템 모니터를 추가로 포함하며, 상기 시스템 모니터는 상기 가변 주파수 마이크로파 가열장치의 효율을 감시하는 것을 특징으로 하는 가변 주파수 마이크로파 가열장치.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 신호 발생기의 선택된 구동 레벨에 따라 상기 마이크로파 캐비티로 전달된 마이크로파 전력의 요구 레벨을 얻는 전치증폭기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 주파수 마이크로파 가열장치.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 전송기는 상기 제 1 신호 증폭기의 유효 주파수 대역에 걸쳐 적어도 3:1의 자유 공간 전압 정재파비(standing wave ratio)를 제공하기 위하여 입구에서 출구까지 평탄하게 테이퍼된 내부벽에 의하여 한정된 도파관을 구비한 도파관 에플리케이터(applicator)를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 주파수 마이크로파 가열장치.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 도파관 애플리케이터는 상기 다중 모드 캐비티가 대기 압력과는 다른 압력을 받을 때 상기 가변 주파수 마이크로파 가열장치를 보호하기 위하여 유전체 윈도우를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 주파수 마이크로파 가열장치.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 유전체 윈도우를 냉각하는 냉각장치를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 주파수 마이크로파 가열장치.
  13. 제 11항에 있어서, 상기 도파관 및 유전체 윈도우 사이의 임피던스 불연속을 매칭시키기 위하여 실린더형 전이부(transition)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 주파수 마이크로파 가열장치.
  14. 제 1항에 있어서, 상기 전송기는 상기 제 1 신호 증폭기의 유효 주파수 대역에 걸쳐 적어도 3:1의 자유 공간 전압 정재파비를 제공하기 위하여 입구에서 출구까지 스텝 형태로 테이퍼된 내부벽에 의하여 한정된 도파관을 구비한 도파관 애플리케이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변주파수 마이크로파 가열장치.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 도파관 애플리케이터는 상기 다중 모드 캐비티가 대기 압력과는 다른 압력을 받을 때 상기 가변 주파수 마이크로파 가열장치를 보호하기 위하여 유전체 윈도우를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 주파수 마이크로파 가열장치.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 유전체 윈도우를 냉각하는 냉각장치를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 주파수 마이크로파 가열장치.
  17. 제 15항에 있어서, 상기 도파관 및 유전체 윈도우 사이의 임피던스 불연속을 매칭시키기 위하여 실린더형 전이부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 주파수 마이크로파 가열장치.
  18. 제 1항에 있어서, 상기 가열장치의 표면에 대향하여 배치된 도어 및 상기 마이크로파 신호의 누설을 방지하기 위한 밀봉부를 추가로 포함하는데, 상기 표면은 상기 선택된 재료를 상기 다중 모드 캐비티에 넣고 빼도록 하는 개구부를 형성하며, 상기 밀봉부는 상기 개구부에 인접한 상기 마이크로파 캐비티 내로 운반되고 상기 개구부로부터 멀리 뻗어 있는 제 1 링, 상기 도어에 의하여 운반되며 상기 제 1 링내에 수용되는 크기를 가진 제 2 링, 및 상기 제 2 링이 상기 제 1 링에 의하여 수용될 때 밀봉이 형성되도록 상기 제 1 링 및 제 2 링 사이에 운반된 압축 밀봉 부재로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나로 구성되며; 및
    상기 도어가 폐쇄된 위치에 있을 때 상기 개구부를 감싸기 위하여 상기 다중 모드 캐비티의 표면을 맞물리도록 상기 도어에 의하여 운반되고 상기 도어 위에 배치된 적어도 하나의 가스켓을 추가로 포함하며,
    상기 적어도 하나의 밀봉부는 압축가능한, 마이크로파-흡수 중합체 재료로 제조되며 상기 도어가 폐쇄된 위치에 있을 때 상기 개구부를 감싸기 위하여 상기 다중 모드 캐비티의 표면을 맞물리도록 상기 도어에 의하여 운반되고 상기 도어 위에 배치된 것을 특징으로 하는 가변 주파수 마이크로파 가열장치.
  19. 제 1항에 있어서, 상기 다중 로드 캐비티는 공정 중에 선택된 재료를 관찰하는 관측포트를 추가로 포함하며, 상기 관측포트는 상기 마이크로파 신호의 누설을 방지하기 위하여 마이크로파 차폐부(shield)와 결합하는 것을 특징으로 하는 가변 주파수 마이크로파 가열장치.
  20. 선택된 재료를 처리하는 다중 모드 캐비티를 한정하는 마이크로파 노를 포함하는 상기 선택된 재료를 처리하는 가변 주파수 마이크로파 가열장치로서,
    중심 주파수를 한정하는 선택된 유효 대액폭을 통해 각각 선택된 파형, 주파수 및 진폭을 한정하는 마이크로파를 스위칭 방식으로 발생시키기 위한, 주파수 민감 동축 마그네트론인 마이크로파 신호 발생기로서, 복수의 독립된 마이크로파 모드가 실질적으로 시평균 전력 밀도가 상기 다중 모두 캐비티의 작업 체적에서 균일하게 설정되도록 하는 마이크로파 신호 발생기;
    상기 마이크로파 신호 발생기로 전력을 공급하는 전력 공급장치; 및
    상기 마이크로파 신호 발생기에 의하여 생성된 마이크로파를 상기 다중 모드캐비티로 전달하는 전송기를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 주파수 마이크로파 가열장치.
  21. 제 20항에 있어서, 상기 동축 마그네트론은 중심 주파수의 적어도 5%의 유효 대역폭을 가지는 것을 특징으로 하는 가변 주파수 마이크로파 가열장치.
  22. 제 20항에 있어서, 상기 전력 공급장치는 상기 마이크로파 신호 발생기에 의하여 발생된 상기 신호의 진폭이 선택적으로 변조되도록 조정가능한 것을 특징으로 하는 가변 주파수 마이크로파 가열장치.
  23. 제 20항에 있어서, 상기 동축 마그네트론의 발진 주파수를 제어하는 신호 주파수 제어기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 주파수 마이크로파 가열장치.
  24. 제 20항에 있어서, 상기 전송기는 상기 동축 마그네트론의 유효 주파수 대역에 걸쳐 적어도 3:1의 자유 공간 전압 정재파비를 제공하기 위하여 입구에서 출구까지 평탄하게 테이퍼된 내부벽에 의하여 한정된 도파관을 포함하는 도파관 애플리케이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 주파수 마이크로파 가열장치.
  25. 제 24항에 있어서, 상기 도파관 애플리케이터는 상기 다중 모드 캐비티가 대기 압력과는 다른 압력을 받을 때 상기 가변 주파수 마이크로파 가열장치를 보호하기 위하여 유전체 윈도우를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 주파수 마이크로파 가열장치.
  26. 제 25항에 있어서, 상기 유전체 윈도우를 냉각하는 냉각장치를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 주파수 마이크로파 가열장치.
  27. 제 25항에 있어서, 상기 도파관 및 유전체 윈도우 사이의 임피던스 불연속을 매칭시키기 위하여 실린더형 전이부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 주파수 마이크로파 가열장치.
  28. 제 20항에 있어서, 상기 전송기는 상기 동축 마그네트론의 유효 주파수 대역에 걸쳐 적어도 3:1의 자유 공간 전압 정재파비를 제공하기 위하여 입구에서 출구까지 스텝 형태로 테이퍼된 내부벽에 의하여 한정된 도파관을 구비한 도파관 애플리케이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 주파수 마이크로파 가열장치.
  29. 제 28항에 있어서, 상기 도파관 애플리케이터는 상기 다중 모드 캐비티가 대기 압력과는 다른 압력을 받을 때 상기 가변 주파수 마이크로파 가열장치를 보호하기 위하여 유전체 윈도우를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 주파수 마이크로파 가열장치.
  30. 제 29항에 있어서, 상기 유전체 윈도우를 냉각하는 냉각 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 주파수 마이크로파 가열장치.
  31. 제 29항에 있어서, 상기 도파관 및 유전체 윈도우 사이의 임피던스 불연속을 매칭시키기 위하여 실린더형 전이부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 주파수 마이크로파 가열장치.
  32. 제 20항에 있어서, 상기 가열장치의 표면에 대향하여 배치된 도어 및 상기 마이크로파 신호의 누설을 방지하기 위한 밀봉부를 포함하는데, 상기 표면은 상기 선택된 재료가 상기 다중 모드 캐비티에 넣고 빼도록 하는 개구부를 형성하며, 상기 밀봉부는 상기 개구부 가까이 상기 마이크로파 캐비티 내로 운반되고 상기 개구부로부터 멀리 뻗어 있는 제 1 링, 상기 도어에 의하여 운반되며 상기 제 1 링내에 수용되는 크기를 가진 제 2 링 및 상기 제 1 링 및 제 2 링 사이에 운반되어 상기 제 2 링이 상기 제 1 링에 의하여 수용될 때 밀봉이 형성되도록 하는 압축 밀봉 부재로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나로 구성되며; 및
    상기 도어가 폐쇄된 위치에 있을 때 상기 개구부를 감싸기 위하여 상기 다중 모드 캐비티의 표면을 맞물리도록 상기 도어에 의하여 운반되고 상기 도어 위에 배치되는 적어도 하나의 가스켓을 추가로 포함하며,
    상기 적어도 하나의 밀봉부는 압축가능한, 마이크로파-흡수 중합체 재료로제조되며 상기 도어가 폐쇄된 위치에 있을 때 상기 개구부를 감싸기 위하여 상기 다중 모드 캐비티의 표면을 맞물리도록 상기 도어에 의하여 운반되고 상기 도어 위에 배치되는 것을 특징으로 하는 가변 주파수 마이크로 파 가열장치.
  33. 제 20항에 있어서, 상기 다중 모드 캐비티는 공정 중에 선택된 재료를 관찰하는 관측포트를 포함하며, 상기 관측포트는 상기 마이크로파 신호의 누설을 방지하기 위하여 마이크로파 차폐부와 결합하는 것을 특징으로 하는 가변 주파수 타이크로파 가열장치.
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