KR100487733B1 - 유전가열장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가열 캐비티(14)를 형성하는 복수의 전기접속 측벽(24-32)을 구비하는 마이크로웨이브 오븐 형태의 유전 가열 장치를 제공한다. 상기 벽은 서로 108°의 둔각으로 경사진 이웃한 쌍들로 배열된다. 캐비티 내의 내용물을 유전 마이크로웨이브 가열하기 위하여, 시간에 따라 변화하고 상기 캐비티가 멀티모드 공명 캐비티로서 작용하도록 하는 주파수에서 상기 캐비티(14)로 전자기 방사선을 방출하는 마그네트론 형태의 전자기 파워 소스가 제공된다.

Description

유전 가열 장치

본 발명은 유전 가열 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 식품을 가열 및 조리하는데 적합하며 또한 가정 또는 공공시설용의 마이크로웨이브 오븐으로서 사용에 적합하지만 그에만 제한되지 않는 마이크로웨이브 가열을 이용하는 유전 가열 장치에 관한 것이다.

[발명의 요약]

본 발명에 따르면, 다음을 포함하는 유전 가열 장치(dielectric heating device)가 제공된다:

적어도 한 쌍의 이웃한 측벽(side wall)이 서로 경사져서 예각 및 둔각으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 협각을 이루는, 전기적으로 상호접속 및 연속적으로 배열되어 가열 캐비티(heating cavity)를 형성하는 다수의 전기전도성 측벽; 및

유전 가열에 적합한 전자기 방사선(electromagnetic radiation)을 방출할 수 있으며, 시간에 따라 변하며 상기 가열 캐비티가 멀티모드 공진 가열 캐비티로서 작용하도록 하는 주파수에서 상기 캐비티 내에 그러한 방사선을 공급할 수 있도록 배열된 적어도 하나의 전자기 파워소스(electromagnetic power source).

상기 선택된 각은 직각이 아니며, 상기 협각은 180°이하이지만 90°가 되지 않으며, 예각 또는 둔각이다.

바람직하게, 각각의 인접한 측벽쌍의 인접 사이드 에지(adjacent side edge)는 물리적으로 접촉하여, 상기 측벽쌍을 전기적으로 상호접속시킨다. 대신에, 각각의 인접한 쌍의 측벽은 그들의 인접한 사이드 에지를 따라 함께 전기적으로 접속되기도 한다. 일반적으로 상기 캐비티의 치수는 전원에 의해 방사된 방사선의 파장을 고려하여 상기 캐비티 내의 멀티모드 공진 동작을 보장하도록 충분히 크게된다.

상기 장치는 상기 가열 캐비티를 형성하는 오븐의 형태를 가질 수 있는데, 상기 캐비티는 관형 형상을 가지며, 상기 측벽은 상기 캐비티의 한 단부에서 다른 단부까지 연장하며, 상기 캐비티는 다각형이면서 주변으로 연장하는(peripherally expending) 시리즈로 배열된 복수의 면을 가지는 단면 아우트라인을 가지며, 각각의 이웃한 쌍의 면은 서로의 사이에서 상기 캐비티의 코너를 형성한다.

상기 캐비티는 기수의 면을 가지는 단면 아우트라인, 예컨대 정 다각형의 아우트라인을 가지며, 상기 다각형은 모두 동일 길이의 면을 가지며, 상기 면의 수는 3, 5, 7, 9, 11의 값 중에서 선택되는데, 바람직하기로 5 또는 7이 되며, 보다 바람직하기로는 5면이 된다. 상기 다각형은 동일한 길이의 5면을 가지는 정 5각형이 될 수 있으며, 그 각각의 이웃한 쌍의 면은 108°의 둔각의 협각을 이루면서 서로 경사지며, 상기 각가의 면은 평평한 2차원 형상의 패널이며 장방형 아우트라인을 가진다. 그러나, 그 대신에 적어도 두 개의 면은 다른 크기의 길이를 가질 수도 있다. 상기 캐비티의 단면의 아우트라인은 사실상 직선인 면(straight side) 을 가지며, 따라서 각각의 측벽 패널은 사실상 2차원 즉 장방형의 형태를 가지며 상기 아우트라인의 모든 면은 동일한 길이를 가지며, 모든 협각은 동일한 크기, 즉 108°가 된다.

상기 캐비티의 단부는 개방형이며 상기 개방 단부는 각기 캐비티로의 입구 및 캐비티로부터의 출구를 형성하여 오븐을 통해 길이방향으로 이동되는 프로필(profile)의 연속적인 가열을 행할 수 있도록 해준다. 이 경우 상기 캐비티의 각 단부는, 워킹 클리어런스(working clearance)를 가지고 상기 캐비티를 통해 길이방향으로 이동되는 프로파일을 수용하는 개구를 가지고 있는 쵸크(choke)를 구비하는데, 상기 각각의 클리어런스는 사용중에 상기 쵸크의 개구를 통해 그리고 상기 프로필의 둘레에서 캐비티로부터 방출되는 전자기 방사를 억제하도록 선택된다.

상기 관형 캐비티의 단부가 개방됨으로써 입구 및 상기 입구로부터 이격진(spaced) 출구를 형성하여, 상기 오븐이 가열될 물체 즉 식품 등의 솔리드를 상기 입구에서 출구로 연속적으로 통과시키기에 적합하게 되면, 상기 오븐은 예를 들어 연속적으로 압출되는 프로필(continuously extruded profile) 등을 가열하기에 적합하게 되며, 각각의 단부의 쵸크는 사용중에 상기 단부를 통해 상기 캐비티로부터 방출되는 전자기 방사를 억제 또는 감소시키도록 구성 및/또는 형상된다.

상기 캐비티는, 그를 통한 압출물(extrusion)의 하향 이동을 가능하게 하도록 똑바로 세워지는 경우 수직으로 연장하게끔 연장된다. 상기 캐비티는 복수의 마이크로웨이브 소스를 가지는데, 적어도 그 일부는 그들의 마이크로웨이브 출력에 관하여서 조정가능하며, 상기 소스는 이동하는 압출물(moving extrusion)을 수용하도록 설계된 캐비티 내의 중앙 존(central zone), 즉 상기 캐비티가 바로 설 때 상기 압출물이 통과할 수 있는 중앙 존 둘레에서 수직 및 원주상 서로 이격지게 된다.

상기 마이크로웨이브 소스는 상기 프로필이 통과하는 캐비티 내의 중앙통로 둘레에서 원주상 및/또는 세로방향으로 이격진 관계로 상기 캐비티 내에 배치되며, 상기 소스는 상기 통로내의 프로필에 마이크로웨이브 방사선을 지향시키도록 배치된다. 따라서 상기 마이크로웨이브 캐비티는, 그의 하단부에 있는 출구와 프로필을 압출하는 압출기(extruder) 즉 상기 경우에 있어 상단부에 있는 입구를 가지는, 수직으로 연장된(vertically extending) 마이크로웨이브 오븐 내에 있게된다.

상기 오븐은 상기 캐비티의 대향단부를 폐쇄하는 한 쌍의 단부벽(end wall)을 가지며, 상기 오븐의 적어도 하나의 벽은 상기 캐비티로 통하는 도어의 적어도 일부분을 형성하여, 상기 오븐 내에 위치한 적어도 하나의 물체를 가열하는데 있어서 배치 조작(batch operation)을 할 수 있게 된다. 이 경우 한 단부벽은 상기 캐비티의 플로어(floor)를 형성하고, 다른 단부벽은 상기 플로어의 상부에서 이격져서 상기 캐비티의 루프(roof)를 형성하며, 상기 오븐은 패널인 적어도 5측벽을 구비하고 그 각각의 측벽 패널은 평평한 2차원 형상을 가지고 장방형의 아우트라인을 가지며, 상기 도어는 상기 캐비티로 통하는 폐쇄가능한 도어 개구(door opening)와 협조하게 되머, 상기 도어 개구는 상기 각 측벽 패널의 면적보다 큰 면적을 갖는다. 상기 도어는 오븐의 적어도 하나, 그리고 두 개 이하의 측벽 패널을 형성한다. 상기 도어는 도어 개구의 한쪽 측면에 힌지된 단일 도어패널로부터 선택되거나, 또는 도어 개구의 대향 측면에 각각 힌지되어 있으며 나란히 배열된 한 쌍의 도어 패널로부터 선택되며, 상기 도어는 적어도 하나의 힌지를 가지며, 각각의 힌지는 오븐의 한 단부벽으로부터 다른 단부벽을 향해 연장한다.

상기 캐비티의 단부가 폐쇄되는 경우, 상기 캐비티의 길이가 단축될 수 있으며, 그 단부 사이의 길이는 캐비티의 단면폭 이하가 되지만, 사실상 상기 길이는 상기 폭 이상이 될 수도 있다.

상기한 바와 같이 통상의 방식대로 플로어, 루프 및 측벽 패널은 통상적으로 전기전도성이며 전기적으로 상호접속 되어있다. 오븐은, 상기 도어 개구를 폐쇄하며 상기와 유사하게 전기전도성이며 상기 플로어, 루프 및 측벽 패널에 전기접속되는, 도어 개구를 폐쇄하는 하나 이상의 도어 패널을 구비한다. 통상적으로 상기 플로어는 상기 오븐의 내용물이 마이크로웨이브 가열을 받는 동안 그 내용물을 회전시키도록 그 상부면상에 장착된 턴테이블을 선택적으로 구비하는 평평한 플로어 패널이며, 상기 루프 역시 마찬가지로 평평한 패널로서 그리드(grid)를 가지는 통풍 개구를 구비할 수 있으며, 상기 루프패널은 상기 플로어패널에 나란하며, 상기 측벽 패널은 상기 루프패널과 플로어패널에 수직이 된다.

특정의 구성에 있어서, 오븐의 단면이 정다각형인 경우 마그네트론, 클라이스트론 등의 단일의 마이크로웨이브 파워소스를 가지며, 상기 오븐은 상기 소스로부터 상기 측벽 패널의 마이크로웨이브 공급개구로 마이크로웨이브 방사선을 가이드하기 위한 도파관을 가져서, 그 도파관으로부터 상기 캐비티의 내부로 마이크로웨이브 방사선을 공급할 수 있다. 도파관은 중공형 부분 벨트 또는 칼리(hollow partial belt or collar)의 형태로 오븐의 플로어와 루프 사이의 중간쯤에서 이격진 벽 패널의 외부 면상에서 오븐의 둘레로 수평으로 부분적으로 연장한다. 이러한 점에서, 상기 측벽 패널은 적어도 부분적으로 도어 패널(들)에 의해 구성되는 것으로 이해되지만, 상기 도어 패널(들)은 그를 통과하는 마이크로웨이브 공급개구를 포함하지 않으며, 상기 도파관은 오로지 상기 도어 패널(들)에 의해 구성되지 않는 측벽 패널들(또는 그의 일부분)에만 걸쳐서 오븐의 둘레로 연장하므로, 도어 패널(들)의 외부 면에는 도파관이 지나가지 않는다.

캐비티의 수평 단면이 정5각형인 경우, 상기 도어패널(들)은 상술한 바와 같이 전부 합하여 통상 하나 이상, 두 개 이하의 캐비티 측벽 패널을 형성한다. 도어개구를 폐쇄하는 두 개의 도어 패널이 있는 경우, 그 두 개의 도어 패널들은 서로 나란히 위치하고 그의 상향연장 에지(upwardly extending edge)에서 서로 접하며, 통상 상기 도어 개구의 대향 면에 접한 상향연장 에지를 따라 힌지 또는 피벗된다. 그리고 단일 도어 패널인 경우, 이 패널은 도어 개구의 한 면과 인접하여 그 상향연장 에지를 따라 힌지 또는 피벗된다.

가정용의 경우에 상기 캐비티는 대략 장방형의 하우징 내에 위치하며, 상기 하우징은 제어 패널 상에 있는 통상의 제어부를 구비하여 상기 제어부가 재비티로의 마이크로웨이브 파워를 제어하며, 또한 상기 하우징은 도어(들)의 개방시 전원으로부터 마이크로웨이브 소스를 자동적으로 차단하는 통상의 전원 차단부를 구비한다. 바람직하기로 전술한 바와 같이 각각의 마이크로웨이브 소스는 1MHz, 바람직하기로 1.5MHz의 비교적 널은 대역폭(bandwidth)에 걸쳐서 마이크로웨이브 방사선을 전달할 수 있다. 상기와 같은 넓은 대역폭을 가지는 마이크로웨이브 소스를 입수하는 것이 여의치 않을 수도 있으나, 그러한 소스가 대량 생산되지 않는다면, 공공시설용(레스토랑, 호텔, 병원 등) 마이크로웨이브 오븐과 같은 특별한 오븐용으로 특별제작하는 것이 가능하다.

상기 장치는 각각의 전자기 전원(electromagnetic power source)이 0.3×10⁹ - 1×10¹⁰ 즉 1-10GHz의 주파수의 마이크로웨이브 방사선을 방출할 수 있는 마이크로웨이브 오븐이다. 보다 구체적으로 각각의 마이크로웨이브 소스는 적어도 1MHz의 폭을 가지는 대역폭에 걸쳐서 2.4-2.5GHz의 주파수에서 마이크로웨이브 방사선을 방출할 수 있다. 바람직하기로 상기 주파수는 2.45GHz의 상업적으로 활용가능한 주파수로 상기 2.45GHz는 마이크로웨이브 소스의 공칭 주파수의 중심이 되며, 상기 마이크로웨이브 소스는 마그네트론, 클라이스트론 등으로 이들은 구성에 있어서 다소 통상적인 것이며 필요에 따라 가정용 타입 또는 산업용 타입이다.

상기 소스는 생성된 마이크로웨이브 방사선의 주파수/파장에 대하여 조정가능하며, 따라서 생성된 마이크로웨이브 방사선의 강도/진폭 또는 파워, 상기 마이크로웨이브 방사선의 전파 방향 및/또는 다소 분산된 법(discrete beams) 등으로의 마이크로웨이브의 집중 또는 압축에 대하여 조정가능하다. 따라서 예를 들어 마이크로웨이브 캐비티는 동적으로 동조된(dynmically tuned) 스탠딩 웨이브 형, 상이한 오버래핑 스탠딩 웨이브들이 생성되게 하는 멀티모드형, 또는 상기 형들의 적절한 하이브리드 형으로 될 수 있다.

그러므로 상기 마이크로웨이브 방사소스(들)는 적어도 하나의 동적으로 동조된 스탠딩 웨이브 어플리케이터(applicator), 멀티모드 어플리케이터 또는 임의의 다른 적합한 마이크로웨이브 어플리케이터에 결합될 수 있다. 바람직한 구현예에 있어서, 대경 세라믹 압출물(large-diameter ceramic extrusion)을 건조 및/또는 소결하기 위해서 멀티모드 캐비티를 이용하여 오버래핑 스탠딩웨이브를 생성할 수 있다. 캐비티가 프로필이 압출될 때 압출된 프로필 형태의 압출물(extrusion)을 수용할 수 있도록, 상기 마이크로웨이브 가열원(microwave heat source)은 압출기(extruder) 이하에 위치한 마이크로웨이브 캐비티 내에 배치될 수 있다. 바람직하게 상기 캐비티의 사이즈 및 형상은 스너그(snug) 즉 클로즈 형식으로 상기 프로필을 에워싸도록 배치되는데, 즉 다시 말하면 상기 프로필은, 상기 캐비티의 단부를 막아서 사용중에 상기 캐비티로부터의 원하지 않는 마이크로웨이브의 방사를 감소시키도록, 상술한 바와 같이 쵸크를 구비하는 캐비티의 단부를 차단 즉 폐색한다.

큰 단면을 가지는 압출 프로필을 가열하는 데에는 멀티모드 타입의 마이크로웨이브 캐비티가 적합한 것으로 확인되었다. 전술한 바와 같이 복수의 마이크로웨이브 방사원이 있을 수 있는데, 적어도 몇 개의 방사원은 파워 출력(진폭/강도) 및/또는 파장/주파수에 대하여 조정가능하다.

전술한 바와 같이 상기 마이크로웨이브 파워 소스는 2.45GHz 의 중심 즉 공칭 주파수를 가지며, 선택된 단면 기하에 대해 적어도 두 개의, 바람직하기로는 가능한한 많은 다른 전자기 강도 분포를 생성할 수 있는 대역폭을 가진다. 예를 들어 108°의 협각, 그리고 290mm, 208mm, 260mm, 260mm 및 208mm 길이의 원주상 방향으로의 연속면을 가지는 다각 형상(또는 200-300mm 범위의 동일한 길이의 면을 가지는 정5각형 캐비티)의 단면의 경우에, 700-800mm, 예컨대 730mm 범위의 단부간(end-to-end) 길이를 가지는 캐비티는 통상 각 파워 소스의 경우에 약 2.45GHz의 공칭 주파수에서 적어도 1MHz의 대역폭을 필요로 한다. 적어도 4MHz의 대역폭이 이러한 또는 그와 유사한 치수 및 공칭 주파수에서의 효과적인 동작을 위해 바람직하다.

마이크로웨이브 파워 소스는 시간에 따라 소정의 방식으로 자동으로 변화하는 주파수에서 마이크로웨이브를 발생하도록 구성된다. 예를 들어 상기 주파수는 전자기 파워 소스에 공급된 전원 주파수에 따라 변하는 속도로, 예컨대 50Hz의 속도로 대역폭에 걸쳐서 변화한다.

상기 마이크로웨이브 파워 소스는 그 주파수가 상기 속도로 대역폭에 걸쳐서 자동으로 변화하도록 배치될 수 있다. 그 대신에, 상기 장치는 마이크로웨이브 파워 소스가 결합되어 응답하는 제어수단을 구비할 수도 있으며, 상기 제어수단은 상기 속도로 상기 대역폭에 걸쳐서 마이크로웨이브 파워 소스의 주파수를 변화시키도록 조작가능하다.

본 발명의 유전 가열 장치는 파워 소스에 의해 방사된 전자기 방사를 가이드하는 가이드 수단을 구비하는데, 상기 가이드 수단은 상기 전자기 파워 소스로부터 전자기 방사를 수신하는 입구 및 상기 가열 캐비티 내로 전자기 방사선을 공급하는 출구를 구비하며, 상기 장치는 상기 가열 캐비티와 관련하여 출구를 변위시키는 변위수단(displacement means)을 구비한다. 또한 상기 장치는 상기 출구에 위치한 회전 안테나를 구비한다. 파워 소스가 마이크로웨이브 소스인 경우에 각각의 가이드수단은 마이크로웨이브 도파관이 되는데 이는 통상의 구성이 된다.

상기 변위수단은 상기 출구로부터 전자기 방사선이 방출되어 상기 캐비티로 들어가는 방향이 변화되도록 상기 출구의 자세(attitude)를 변경하게 배치된다. 바람직하게 상기 자세는 상기 캐비티 내에서 가열되는 것의 성질 및 위치에 따라 적어도 초당 1회전의 속도로, 상기 캐비티의 길이방향 축 둘레로 주기적으로 상기 출구를 회전시킴으로써 변화된다. 상기 출구는 그 자세가 변경되는 동안 고정 위치(fixed position)에 위치하게 된다.

이와 달리, 상기 변위수단은 상기 캐비티 내로의 전자기 방사선의 공급위치가 변화되도록 상기 출구를 변위시키게끔 배치될 수도 있다. 따라서 상기 변위수단은 상기 가이드 수단이 주행하는 트랙, 즉 엔드리스 트랙(endless track)을 구비하여, 상기 트랙을 따라 적어도 l랩(lap)/초의 속도로 전자기 방사선의 공급위치를 변화시킨다. 그리고 상기 가열 장치는 상기 가이드 수단의 출구와 작동가능한 방식으로(operatively) 결합된 안테나를 구비하는데, 상기 안테나는 상기 캐비티의 길이방향 축 둘레로 회전하도록 배치되며, 상기 회전축에 대한 각도로 경사진 방향에서 마이크로웨이브를 방사하도록 배치된다.

상기 가열 장치는 고정된 적어도 하나의 다른 가이드 수단을 구비하며, 그 각각의 가이드 수단은 오븐의 측벽과 관련하여 고정된 출구를 가져서 그로부터 방사된 전자기 방사의 공급방향 및 위치 모두가 가열시 변하지 않게 유지된다.

특정의 실시예에 있어서, 상기 가이드수단은 그 출구가 상기 캐비티에 횡방향으로 연결되도록 배치된다. 그 대신에 또는 그에 더하여, 상기 가이드 수단은 상기 캐비티에 종방향으로 연결되도록 배치되며, 상기 캐비티의 종방향이란 캐비티의한 단부에서 다른 단부로의 방향을 이른다.

고정되는 적어도 하나의 추가의 가이드 수단을 구비하는 다른 구현예에 있어서, 각각의 가이드 수단에는 전용의 마이크로웨이브 발생기(microwave generator)가 결합된다. 대신에, 단일 마이크로웨이브 발생기의 출력이 각각의 가이드 수단에 공급될 수도 있다.

바람직하게 파워 소스는 상기 캐비티로 하여금 멀티모드 공명 캐비티로서 작용하게 하는 방식으로 상기 캐비티 내에 마이크로웨이브 방사선을 공급하도록 배치된다.

상기 오븐은 상기 캐비티 내에서 공명계 분포(resonant field distribution)를 연속적으로 변화시키는 바이어싱 수단(biassing means)을 구비하는데, 예를 들어 사용중에 상기 캐비티 내에 마이크로웨이브를 투사하는 가동 안테나(movable antenna)를 구비한다.

본 발명에 의하면 전술한 바와 같은 유전 가열 장치를 이용하여 유전가열하는 방법이 가능하며, 이 방법은 상기 각각의 파워 소스에 의해 전자기 방사선을 발생하는 단계 및 상기 방사선을 가열 캐비티 내로 공급하는 단계를 포함하며, 상기방법은 또한 각각의 파워 소스로부터 주파수가 변화하는 방사선을 방출하는 단계를 포함한다.

상기 방법은 상기 캐비티로의 방사선의 공급방향을 변화시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 상기 캐비티로의 전자기 방사의 공급방향의 기울기를 변화시키기 위해 출구의 자세를 변경하는 단계를 포함할 수 있다. 아울러 또는 그 대신에, 상기 방법은 상기 출구를 변위시켜서 상기 캐비티로의 전자기 방사선의 공급위치를 변화시키는 단계를 포함할 수 있다.

이하, 본 발명을 구체적인, 그러나 비제한적인 예시적인 실시예에 의해 설명한다.

도 1-4는 본 발명에 따른 가정의 조리용 마이크로웨이브 오븐의 다양한 3차원도,

도 5-6은 상기 도 1-4의 오븐의 도어 배열의 개략 평면도,

도 7-8은 도 1-6의 도어 배열의 변형을 나타내는 개략 평면도,

도 9-10은 상기 도 1-6의 도어 배열의 다른 변형에 대한 개략 평면도.

도 11은 본 발명을 실현하는 다른 마이크로웨이브 가열장치의 3차원도,

도 12는 개방상태의 사이드 도어를 구비하는 도 11의 장치에 대한 평단면도,

도 13은 통풍구를 나타내는 도 11의 장치의 5각형 캐비티의 평단면도,

도 14는 도 11의 장치의 전기 배선 배치의 개략 회로도,

도 15는 도 1-10의 오븐과 도 11-14의 장치에 사용된 마그네트론의 시간 평균 스펙트럼에 대한 주파수 영역의 그래프도,

도 16-20은 이소클레스 삼각 아우트라인(isocles triangular outline)을 가지는 캐비티 내에 발생된 컴퓨터-발생의(computer-generated) 마이크로웨이브 전기모드의 개략도,

도 21-25는 종래 기술의 스퀘어 아우트라인을 가지는 캐비티 내에 발생된 마이크로웨이브 전기모드의 개략도,

도 26-40은 도 1-14의 오븐의 캐비티 내에서 발생될 것으로 예상되는 마이크로웨이브 전기모드의 개략도,

도 41-45는 정 6각형의 아우트라인을 가지는 캐비티 내에서 발생된 마이크로웨이브 전기모드의 개략도,

도 46-50도는 정 7각형의 아우트라인을 가지는 캐비티 내에서 발생된 마이크로웨이브 전기모드의 개략도,

도 51-55도는 정 8각형의 아우트라인을 가지는 캐비티 내에서 발생된 마이크로웨이브 전기모드의 개략도,

도 55-60도는 정 9각형의 아우트라인을 가지는 캐비티 내에서 발생된 마이크로웨이브 전기모드의 개략도,

도 61-65도는 정 10각형의 아우트라인을 가지는 캐비티 내에서 발생된 마이크로웨이브 전기모드의 개략도,

도 66-70도는 11개의 동일면의 아우트라인을 가지는 10각형이 아닌 캐비티 내에서 발생된 마이크로웨이브 전기모드의 개략도,

도 71-75도는 12개의 동일면의 아우트라인을 가지는 12각형 캐비니 내에서 발생된 마이크로웨이브 전기모드의 개략도,

도 76은 본 발명에 따른 유전 가열 장치의 개략 평단면도,

도 77은 도 76의 LXXV11방향에서의 도 76의 유전 가열 장치의 상부의 개략 측단면도이다.

도 1내지 4에 있어서 본 발명에 따른 마이크로웨이브 오븐은 참조번호10으로 도시된다. 도 1에서는 오븐(10)은 폐쇄된 상태로 도시되어 있고, 도 2 및 3에서는 개방된 상태로 도시되어 있으며, 도 4에서는 개방된 상태로 그리고 설명의 편의를 위해 그 외부하우징이 제거된 상태로 도시되어 있다. 오븐(10)은 오븐의 도어 패널(이하 기술됨)을 제외하고 평면도에서 장방형인 하우징(12)와 상기 하우징 내부의 가열 캐비티(14)(특히 도 4 참조)를 구비한다. 상기 오븐은 도어패널(16)을 구비한다.

상기 캐비티(14)는 직사각형-5각형의 수평 단면을 갖는데, 평면 아우트라인에서는 정5각형이 된다. 캐비티(14)는 20으로 도시된 그리드를 가지는 통풍개구를 구비한 평평한 5각형의 루프패널(18)을 가진다. 다른 평평한 루프패널(22)은 그와의 정합에 있어서 상기 루프패널(18) 아래에 이격진다. 상기 캐비티는 5개의 평평한 장방형의 벽패널(24,26,28,30 및 32)을 구비한다.(도 5-6참조, 이 도면에서도 도 1-4와 동일한 도면부호가 도시됨).

상기 오븐(10)은 단일 전기 동력식 마그네트론(34)를 구비하는 파워 소스를 구비하며, 또한 4개의 마이크로웨이브 공급 개구(38)(그 중 하나를 도 2 및 4에서 볼 수 있다)에 상기 마그네트론(34)으로부터의 마이크로웨이브 방사선을 가이드하는 도파관(36)을 구비하는데, 상기 마이크로웨이브 공급 개구 각각은 상기 캐비티의 내부와 상기 도파관(36)의 내부를 마이크로웨이브 소통시키는 수직 연장 슬롯의 형태로 상기 벽 패널(24-30)의 중심에 위치한다. 상기 도파관(36)은 통로를 형성하는 중공형 부분 벨트 또는 칼라의 형태로 이하에서 상세히 기술하는 바와 같이 상기 캐비티(14) 둘레로 부분적으로 연장한다. 상기 슬롯(38) 및 도파관(36)은 플로어패널(22)과 루프패널(18) 사이의 중간쯤에 있다. 마그네트론이 상기 벽패널(30)에 인접한 도파관(36)의 단부에 인접하여 제공된다. 상기 도파관(36)의 대향 단부는 벽패널(28)과 인접한다.

오븐(10)은 캐비티(14) 내로의 마이크로웨이브 파워 입력을 제어하기 위해 스위치(42) 형태의 제어부를 구비한다. 또한 상기 오븐은 상기 제어패널(40)과 인접하는 도어 패널(16)용의 래치(lacth) 부분을 형성하는 스위치(44)형태의 통상의 파워 차단부를 구비하며, 상기 제어패널(40)은 상기 도어패널(16)과 나란하게 위치되며, 상기 도어 패널(16)은 상기 차단 스위치(44) 및 제어패널(40)로부터 원격진 그 연부(edge)를 따라 상향 연장 힌지(46)(도 5 및 6)상에서 힌지된다.

오븐(10)은, 상기 플로어패널(22)의 상부면 상에 회전가능하게 장착되며 상기 플로어패널(22) 아래에 있는 전기모터(미도시)에 의해 통상의 스피드로 구동되는 턴테이블(48)을 구비한다. 또한 통상의 방식에서 상기 루프패널(18), 플로어패널(22) 및 벽패널(24-32)은 전기적으로 상호접속되고 금속으로 이루어지며, 상기 패널(32)은 상기 캐비티(14)의 내용물(contents)이 캐비티(14)의 내부 라이트(미도시)에 의해 관찰되게 하도록 작은 천공부들을 구비한다. 상기 천공부들은 마그네트론(34)으로부터의 마이크로웨이브가 그를 통과하는 것을 방지하기에 충분히 작게 선택된다. 마그네트론(34)은 2.45GHz의 공칭 출력주파수와 4-6.5MHz의 대역폭을 가진다. 상기 측벽 패널(30)은 통풍 그리드(50)를 구비한다.

본 발명의 특징은 상기 벽패널(24,26) 및 상기 벽패널(28,30)의 대부분(major portions)이, 상기 플로어패널(22) 및 상기 루프패널(18)의 대부분과 마찬가지로, 상기 캐비티(14)의 고정부분(stationary part)에 의해 제공된다는 점이다. 상기 벽패널(28,30) 그리고 상기 루프패널(18)의 나머지 부분은, 벽패널(32)의 전체와 마찬가지로, 도어패널(16)에 의해 제공된다. 상기 도어패널(16)은 상기 플로어패널(22)과 루프패널(18)사이의 간격과 높이가 동일한 도어 개구(52)를 폐쇄하며, 상기 개구의 폭은 도 5 및 6에서 W로 도시된다. 특히 상기 도어 개구의 폭 W는 벽패널(24-32)의 폭 P보다 사실상 크게 된다. 이로써 상기 도어 개구(52)를 통해 반경 R의 원형 사발, 플레이트 또는 디시(도시 않음)가 기울임이 없이 상기 캐비티(14)의 내부로 용이하게 삽입 및 제거될 수 있다. 상기 반경 R 은 P/2이상인 W/2와 같으며, P/2는 상기 측벽 패널(24-32)의 폭과 같은 폭 P의 도어 개구로 기울임 없이 삽입될 수 있는 사발, 플레이트 또는 디시의 반경이 된다.

도 7 및 8에 있어서 다르게 지정되지 않는 한 도 5 및 6과 동일한 도면부호가 부여된다. 도 1-6의 오븐(10)의 구성과 도 7 및 8의 구성 사이의 주요한 차이는 도어 패널(16)에 관련된다. 도 1-6에서는, 46에서 힌지된 단일의 하나의 도어패널(16)이 도시되지만, 도 7 및 8에 있어서, 도어패널은 두 개의 부분으로 분할되고 각기 16으로 도시되며, 도어 개구(52)의 대향 면상의 힌지(16)에서 각기 힌지된다.(도 7 및 8의 도어 개구(52)는 그를 폐쇄하는 도어패널(16)로부터 이격되며, 도 2-4의 것과 유사하며 동일한 사이즈를 가진다.) 도 6 및 8은 각각의 도어 패널(16)이 폐쇄된 것을 도시하고 있다. 도 6 및 8에 있어서, 벽패널(28,30)의 적은 부분(minor parts)은 도어패널부분(16)상에 각각 제공되며, 각각의 도어 패널부분(16)은 도어패널(32)의 절반을 제공하며, 폐쇄시 인접연부(adjacent edges; 54)에서 서로 접하게 된다.

도어(16)와 관련하여 도 9 및 10의 구성은 단일의 하나의 도어패널(16)이 있다는 점에서 도 5 및 6의 것과 유사하다. 그러나 상기 캐비티(14)의 고정부분은 (각각의 벽패널(24,26)의 전체와 각각의 벽패널(30)의 대부분 대신에) 각 패널(24,26,28)의 전체와 벽패널(30)의 절반부를 제공한다. 상기 도어패널(16)은 이러한 구성에 있어서, 벽패널(32)와 벽패널(30)의 다른 절반부를 제공한다.

각각의 경우에 도 5-10에서 보여지는 바와 같이 플로어패널(22)와 턴테이블(48)은 하우징(12)에서 도어 개구(52)로부터(도 2-4참조) 돌출한다. 상기 플로어패널(22) 및 턴테이블(48)의 외부로 돌출하는 부분은 도어패널 또는 도어패널의 부분(16)에 의해 에워싸여지며, 이러한 관점에서 캐비티의 고정부분(stationary part)은 플로어패널(22)의 전체를 제공하는 동시에 루프패널(18)의 대부분을 제공하며, 루프패널(18)의 나머지 마이너부분은 도어패널(16)(도 5-6 및 9-10) 또는 도어패널의 부분(16)(도 7-8)에 의해 제공된다. 또한 도 7 및 8의 도어패널부분(16)은 도 2-4에 도시된 스위치(44)와 유사한 기능을 가지는 차단 스위치(미도시)를 구비하며, 도 9 및 10의 도어패널(16)은 도 1-4의 스위치와 유사한 스위치(44)를 구비한다.

도 11-13을 보면, 참조번호 100은 본 발명에 따른 유전 가열 장치를 실현하는 마이크로웨이브 가열장치를 나타내며, 상기 장치(100)는 가열 캐비티(104; 도12 및 13 참조) 및 마그네트론(106) 형태의 4개의 전자기 파워 소스를 형성하는 오븐(102)을 구비하는데, 상기 마그네트론은 유전가열에 적합한 전자기 방사선을 방출할 수 있다.

캐비티(104)는 관형이고, 오븐(102)은 그 코너(110)에서 물리적으로 그리고 전기적으로 연속하여 접속되며 상기 캐비티(104)의 한 단부로부터 다른 대향단부로 연장하는 5개의 측벽(108)(도 12참조)을 구비한다. 그 대신에, 인접의 측벽들이 상기 캐비티로부터의 전자기 방사선의 방출을 방지하기 위한 파장의 적합한 부분(fractions)이 되는 간격만큼 서로 이격지게 설치될 수 있으며, 이때 상기 인접한 측벽들은 공통 설치판(common mounting plate) 등을 사용하여 예를 들면 전기전도성 테이프에 의해 전기적으로 상호접속될 수 있다.

도 12에서 명확히 보여지는 바와 같이 캐비티(104)는 다각형 특히 정 5각형의 단면 아우트라인을 가지며, 주변으로 연장하는 시리즈(peripherally extending series)로 배열된 5 직선면을 구비한다. 각각의 이웃한 쌍의 면(112)은 한 코너(110)에서 서로 교차하며, 통상 약 0.260m의 길이를 가진다. 도 11-13에 도시된 장치에 있어서, 캐비티(104)가 정 5각형이 되는 경우 약 108도의 각 인접면 쌍 사이의 둔각 협각이 형성된다.

오븐(102)은 그가 놓여지는 4개의 피트(feet; 114)를 구비하며, 평면에서 보았을 때는 정방형, 그리고 정면, 배면 그리고 측면에서 보았을 때는 장방형의 형상을 가진다. 상기 오븐(102)은 힌지(120)에 의해 프레임(118)에 힌지되는 4개의 사이드 도어(116)를 구비한다. 상기 사이드 도어(116)에 의해 오븐(102) 내부로의 접근이 가능하다. 톱 캐비티 도어(112; 도11 참조)는 미도시의 힌지 메카니즘에 의해 프레임(118)에 힌지되는데, 상기 메카니즘은 도어(122)가 그의 개방시 위치하는 오버 센터 상태(over-centre condition)로 피벗되도록 배치된다. 급도리(plinth; 124)는 프레임(118)의 바닥부분에 부착되며, 4개의 피트(114)가 그에 부착된다.

캐비티(104)의 측벽(108)은 사실상 직선의 평면이 되며, 금속, 통상적으로 알루미늄의 장방형 시트로 각각 형성된다. 캐비티(104)의 예시된 아우트라인은 그 모든 면(112)이 동일한 길이의 아우트라인을 가지는 형상의 5각형이 되지만, 변형예의 오븐(102)에 있어서 적어도 두 개의 면(112)은 기본적으로 다른 크기의 길이를 가진다.

도 11-13에 도시된 장치에 있어서, 관형 캐비티(104)의 대향단부는 한 쌍의 단부벽(end wall)을 구비하는데, 상기 벽은 오븐(102)이 배치조작(batch operation), 즉 세라믹 여과 멤브레인 지지부(ceramic filtaction membrane supports) 등의 건조 및/또는 소결에 적합하게 되도록 대향단부를 폐쇄한다. 상기 한 쌍의 단부벽은 관형 캐비티(104)의 하단부의 플로어(126) 및 상단부의 캐비티 도어(122)에 의해 형성된다. 본 발명의 다른 구현예에 있어서, 캐비티(104)의 대향단부는 개방되어, 입구 및 상기 입구에서 이격진 출구를 형성한다. 그러한 구현예에서, 상기 오븐(102)은 가열될 물체를 입구에서 출구로 연속적으로 통과시키기에 적합하게 되어 있다. 따라서 상기 오븐은 예를 들어 연속적으로 압출되는 프로필(continuously extruded profile) 등을 가열하기에 적합하다.

일반적으로 플로어(126;특히 도 13참조)는 니티드 스테인레스 스틸 브레이드(knitted stainless-steel braid;미도시)에 의해 측벽(108)에 결합되는 알루미늄 플레이트 형태로 된다. 포라미노스(foraminous) 냉각 입구(128)가 플로어(126)에 제공된다. 약 20-22℃이고 최대 10m³/min의 유속을 가지는 찬 에어가 사용중에 마그네트론(106)을 냉각시키도록 입구(128)를 통해 상기 캐비티(104)로 공급된다. 도 14에 개략적으로 도시된 추출팬(extraction fan; 170)은 통상 캐비티로부터 에어를 추출하기 위해 캐비티(104)의 상부영역과 에어의 흐름이 소통된다. 상기 추출팬(170)은 통상적으로 캐비티(104)로부터 수증기 및 연소개스를 추출한다. 상기 찬 에어는 가요성 도관(flexible conduct)을 통해 통상의 에어 컨디셔닝 유닛(168; 도 14 참조)으로부터 유입된다.

캐비티(104)의 유효체적을 감소시키기 위해 5각형의 알루미늄 베이스 인서트(미도시)가 제공된다. 상기 인서트는 상기 캐비티(104)내에 꼭 맞게 수용되기에 적합한 치수를 가진다. 마운팅 형성부(mounting formations; 일반적으로 도 13에서 화살표(107)로 도시된 바와 같은)가 상기 측벽(108)상에 제공된다. 상기 마운팅 형성부(107)는 두 개의 동심열(concentric row) 내에 배치되며, 각각의 열에 5개의 마운팅 형성부(107)가 위치한다. 따라서 두 개의 마운팅 형성부(107)가 수직으로 정렬되었으나 이격진 형상으로 각 측벽(108) 상에 위치한다.

상기 장치(102)는 상기 마운팅 형성부(107)중 4개의 장착된 4개의 마그네트론(106)을 포함한다. 그러나 전자기 파워 소스는 클라이스트론 등으로 대체될 수도 있다. 통상적으로 상기 마그네트론은 약 2.45GHz의 공칭 주파수에서 마이크로웨이브를 발생하며, 약 2-15MHz의 대역폭을 가지고 있는 시중에서 입수가능한 것이다. 각각의 마그네트론(106)은 2.45GHz에서 1400W의 공칭 전원 정격(nominal power rating)을 가진다. 상기 마그네트론의 주파수 스펙트럼을 이하 기술한다.

마그네트론(106)은 통상의 도파관(미도시)에 의해 상기 마운팅 형성부(107) 상에 장착된다. 각각의 마그네트론(106)은 퍼스널 컴퓨터(PC; 130)(도 14참조)에 접속된 마그네트론 제어기(156)에 접속된다. 캐비티(104) 내의 마이크로웨이브 분산을 향상시키기 위하여, 고정 가능한 디플렉터들(132)(그중 하나만 도 13에 도시)이 상기 캐비티(104)의 측벽에 고정된다.

도 14를 보면, 참조번호 150은 일반적으로 유전 가열 장치(100)의 전기적 배선배열을 나타낸다. 상기 장치(100)는 무선주파수(RF)카드 및 온도카드(152,154)를 각각 가지는 IBM 호환성 AT PC인 PC(130)를 구비한다. 상기 장치(100)는 또한, 복합제어라인(158)을 통해 PC(130)에 연결되며 그에 응답하는 마그네트론 제어기(156)를 추가로 구비한다.

RF카드(152)는 상기 캐비티(104)로부터의 RF 누설을 검출하기 위해 오븐(102) 내에 위치한 몇 개의 RF 센서 또는 프로브에 결합된다. 도면에 도시된 실시예에 있어서, 상기 캐비티 도어(122)의 아래에 4개의 센서가 위치하며, 상기 4개의 사이드 도어(116)에 의해 형성되는 캐비닛 캐비티 공간 내에 다른 3개의 센서가 위치한다. 라인(160)을 통해 RF 카드(152)에 접속된 PC(130)는 각각의 RF 센서에 의해 검출된 RF 누설을 모니터하는 적합한 소프트웨어를 구비한다. PC(130) 내의 소프트웨어는, 센서가 소정의 제한치를 초과하는 RF 누출을 검지하는 경우 또는 심지어는 RF 센서 실패(failing)의 경우에 상기 가열장치(100)의 작동을 자동적으로 중단시키도록 배열된다.

상기 온도카드(154)는 에어의 온도가 소정의 최대온도를 초과하는 경우를 감지하기 위해 오븐(102)내의 냉각 에어 흐름통로 내에 위치한 온도센서(미도시)에 결합된다. 또한 미도시의 다른 온도센서가 4개의 마그네트론(106) 및 캐비티(104)의 측벽(108)에 부착된다. RF 카드(152)의 경우에서와 같이, PC(130)는 라인(160)을 통해 상기 온도카드(154)에 연결되며, PC(130)는 각각의 온도센서에 의해 감지된 온도를 모니터하기 위한 적합한 프로그램을 구비한다. 따라서 상기 온도가 소정의 최대온도를 초과하는 경우 PC(130)는 상기 가열장치(100)를 자동적으로 중단시킬 수 있으며, 현재의 상태를 오퍼레이터에게 알리기 위한 알람신호를 발생한다. 상기 RF 및 온도카드 (152,154)는 RS232 또는 RS422 링크에 통상적으로 접속된다.

상기 장치(100)는 또한 캐비티 도어(122)가 개방상태에 있는 경우를 검지하기 위한 스위치(214,216)(도 14참조) 형태의 감지수단을 구비한다. 스위치(214,216)는, 그로부터의 신호에 응답하여 각각의 마그네트론(106)을 불능케하도록 프로그램 및 구성된 PC(130)에 결합된다.

오븐(102)은 오퍼레이터의 PC(130)를 통한 수동제어하에 또는 PC(130)의 완전제어하에 가동될 수 있다. PC(130)는 모든 조작의 기록이 유지되도록 배치된다. 따라서 상기 온도세서에 의해 검지된 온도와 RF 검출기에 의해 검출된 RF 방사선이 다음의 절차를 고려하여 PC(130)에 저장된다.

PC(130)는 마그네트론 제어기(156)을 통해 각각의 마그네트론(106)의 작동을 제어하기 위한 적합한 소프트웨어를 가진다. 상기 마그네트론 제어기(156)의 제어는 통상 RS 232링크의 형태로 되는 복합제어라인(158)에 의해 달성된다. PC(130)는 1% 증분으로 각 마그네트론(106)으로부터 방출된 방사 출력을 제어하도록 배열되며, 상기 마그네트론 전원에 공급되는 파형은 사인파(sinusoidal)이다.

가열장치(100)의 각종의 전기부품은 커넥터(164)를 통해 3상 파워 소스(three phase power source)에 접속된다. 상기 파워 소스로부터의 중립선(neutral line; 166)은 PC(130), RF 및 온도카드(152,154), 에어 컨디셔닝 유닛(168) 및 추출팬(170)에 각각 접속된다. 상기 중립선(166)은 또한 라인(174)를 통해 표시기램프(172)에, 그리고 라인(178,182,186)을 통해 전자기 액츄에이터(176, 180,184)에 각각 접속된다.

3상 파워 소스의 제 1 포지티브 공급라인은 마그네트론 제어기(156), PC(130), RF카드(152), 온도카드(154) 및 스위치(190)의 단자에 접속된다. 상기 공급라인은 또한 라인(192)을 통해 시작 및 정지버튼(194,196)에 각각 접속된다. 상기 시작버튼(194)은 라인(198)을 통해서 전자기 액츄에이터(176) 및 표시기램프(172)에 접속되며, 상기 시작버튼(194)의 누름시 전력이 상기 전자기 액츄에이터(176)에 공급되어 이 액츄에이터가 상기 스위치(190)을 닫음으로써 상기 에어 컨디셔닝 유닛(168) 및 추출팬(170)으로 전력이 공급된다. 3상 메인 전원으로부터의 제 2의 포지티브 공급라인은 라인(200)을 통해 스위치(202)에 공급된다. 상기 스위치(202)는 라인(206)을 통하여 각각의 마그네트론(106)의 필라멘트 파워 단자에 접속된다.

제 3 포지티브 공급라인은 라인(206)을 통해 스위치(208)에 접속되며, 상기 스위치(208)는 라인(210)을 통해 각 마그네트론(106)의 고압단자에 접속된다. 스위치(202, 208)는 전자기 액츄에이터(184)에 의해 개폐상태 간에 선택적으로 작동된다. 전자기 액츄에이터(184)로의 전력은 두 개의 직렬연결된 스위치(214,216)를 통해 공급되며, 이 스위치(214,216)는 상기 액츄에이터(184)로의 전력을 인터럽트하도록 배치되어 상기 스위치(208)를 개방시키며, 각각의 마그네트론(106)으로 공급된 전력을 차단한다. 상기 회로의 다양한 지점에 적합한 휴즈(212)가 배치된다.

사용시에는, 외부 아이솔레이터(218) 상에서 전원이 스위치되며, 그 후 전력은 라인(188,200 및 206)을 통해서 각각의 부품에 공급된다. 상기 시작 버튼(194)이 눌려져서 전력이 전자기 액츄에이터(184)에 공급되며, 상기 전자기 액츄에이터는 스위치(220)를 폐쇄함으로써 여자된다. 상기 스위치(214,216)가 폐쇄되면 각각의 마그네트론(106)에 전력이 공급된다.

상기 전자기 액츄에이터(176)의 가동시 스위치(190)의 접촉이 폐쇄되어 상기 에어 컨디셔닝 유닛(168) 및 추출팬(170)이 기동된다. 동시에 PC(130)의 하드 디스크가 부팅되어 상기 오븐(102)을 선택적으로 가동시키도록 프로그램 선택 메뉴를 발생시킨다.

상기 캐비티(104) 내에 가열될 물체를 위치시키기 위하여, 캐비티 도어(122)가 개방되며(이 경우 스위치(214,216)가 개방되어 상기 3상 전원으로부터 각 마그네트론(106)을 단속시킨다). 상기 캐비티 도어(122)는 오버-센터 휴지상태로 경사켜서 로딩(loading)동작 동안 그 상태로 유지될 수 있다. 상기 PC(130)는 또한 상기 캐비티 도어(122)의 상태를 모니터하도록 배치되며, 도어의 개방시 오븐(102)의 동작을 방지하도록 프로그램 된다. 필요한 경우, 가열될 물체는 상기 캐비티(104) 내의 절연 콘테이너(미도시) 내에 위치될 수 있다. 즉 소결온도에 도달하게 될 경우 파이버프랙스(Fibrefrax) 또는 유사한 블랭킷 혹은 버블-알루미나 재킷이 이용된다. 일단 가열될 물체가 상기 캐비티(104)내에 놓이면, 캐비티 도어(122)가 폐쇄된다. 상기 캐비티 도어(122)가 폐쇄상태에 있으면 스위치(214,216)가 폐쇄되어 각각의 마그네트론(106)에 전력이 인가된다.

상기 PC(130)에 탑재된 제어프로그램은 메뉴 구동형(menu-driven)이며, 키보드를 통해 특정한 정보가 PC(130)에 입력될 것을 요한다. 예를 들어, 가열될 물체에 특히 적합한 사전 선택된 가열파라미터를 포함하는 기존의 가열 사양이 선택될 수 있다. 대신에, PC(130)에 새로운 가열 사양이 탑재될 수 있으며, 마그네트론(106)의 자동 또는 수동 파워 제어(power contral)가 선택될 수 있다. 제어프로그램이 가동에 필요한 데이터를 얻으면 가열처리가 개시된다. 가열처리 동안 상기 온도센서 및 RF 센서는 가열처리의 완전한 기록(full record)을 제공하기 위해 PC(130)에 의해 기록된 데이터를 수집한다. 또한 상기 마그네트론(106)에 의해 제공된 전자기 파워에 대한 데이터도 기록된다. 이러한 배열(arrangement)에 의해, 데이터가 예를 들어 PC(130)가 생성한 그래픽 표시에 의해 분석되어 가열처리를 개관하는 것이 가능해진다. 그리고 사전선택된 가열 프로필이 가열될 물체의 다른 배치(batch)에 동일한 가열 프로필을 반복하도록 PC(130)에 의해 선택될 수 있다. 상기 PC(130)는 가열처리시 기록된 데이터에 대한 프린트레코드(printed record)를 얻도록 프린터에 결합될 수 있다.

특정 상황에 있어서, 상기 가열장치(100)는 파워의 고장시 상기 가열장치(100)에 파워를 공급하는 무정전 전원공급장치(uninterrupted power supply, UPS) 를 구비한다. 통상적으로 60A, 380V의 UPS가 상기 장치(100)에 포함된다.

도 15를 보면, 도면부호 250은 도 11-13의 장치(100)에 사용된 4개의 마그네트론(106)에 의해 생성된 캐비티(104) 내의 측정 시간 평균 스펙트럼(measured time average spectrum)을 나타내고 있다. 화살표 252로 도시된 2.45MHz의 중심주파수는 상기 측정장치 상에 세트되며, X축(254) 상의 각각의 블록은 10MHz의 주파수 폭(span)을 나타낸다. 상기 마그네트론(106)은 약 50Hz의 속도로 대역폭에 걸쳐서 변화하는 주파수의 마이크로웨이브를 생성한다. 각 마그네트론(106)의 대역폭은 캐비티(104)내의 충분한 수의 마이크로웨이브 전기모드의 간헐적인 발생을 촉진하기에 충분히 넓게된다. 구성된 장치의 프로토타입(prototype)에 있어서, 통상의 마이크로웨이브 오븐에 사용되는 것와 같은 종래의 마그네트론(106)은 5각형 캐비티(104)내에서 목적한 수의 마이크로웨이브 전기모드를 발생하기에 충분한 대역폭을 가지는 것으로 확인되었다.

도 16-20을 보면, 삼각 형상의 아우트라인을 가지는 캐비티의 경우의 각종의 마이크로웨이브 전계분포가 도시되어 있다. 본 발명의 이 구현예에 있어서, 캐비티의 3개의 측벽 각각에 마그네트론이 장착된다. 사용시에는, 3개의 마그네트론 각각에 전력이 공급된다. 각 마그네트론의 출력주파수는 시간에 따라 변하여서, 3각 캐비티용으로 허용가능한 다양한 마이크로웨이브 전기모드를 연속적으로 생성한다.

도 16-20을 보면, 이등변 삼각형의 단면을 갖는 캐비티에 대한 여러 가지의 이론적으로 허용가능한 마이크로웨이브 전계분포를 도시하고 있다. 상기 각 모드의 여자는 각 마그네트론의 순간적인 출력주파수에 의존한다. 도 16-20에 도시한 바와 같이, 전기모드의 국소 최대치(localized maxima)의 수 및 위치는 각 마그네트론의 출력주파수가 시간에 따라 변함에 따라 변화하게 된다. 따라서 3각 캐비티의 각 포인트에서의 마이크로웨이브 전계강도 및 유전가열능력은 각 마그네트론의 출력주파수의 변화에 응답하여 변화한다. 도 16-20에 도시된 다양한 모드를 연속적으로 여자시킴으로써 수초 동안 캐비티 내에 대체로 균일한 전계강도 및 유전가열능력이 조장되어, 상기 시간 동안에 생산되는 국소 최대 및 최소 전계강도의 평균적인 수의 감소하게 된다. 다른 위치와 관련하여 동일한 위치에서 최대 전계강도가 반복적으로 발생하여 가열기의 대부분 동안에 이러한 위치에서 최대 전계강도가 발생하는 경우, 그 위치에서 바람직하지 않은 핫 스팟(hot spot)이 생성될 수 있다. 따라서 상기 캐비티 내에서 국소 최대 및 최소 전계강도의 위치는 그러한 핫 스팟의 생성을 방지하도록 연속적으로 변화된다.

도 26-70에서 볼 수 있는 바와 같이, 각 캐비티 내의 여자된 전자기 모드의 수를 증가시키도록 각종의 아우트라인을 가지는 캐비티가 이용된다. 이것은 비교적 작은 수의 모드가 여자되는 도 21-25의 종래기술의 정방향 단면 캐비티와 대비된다.

특히 도 26-40을 보면 캐비티(14,104)에 대한 각종의 이론적으로 허용가능한 마이크로웨이브 전계분포가 도시된다. 상기 모드 각각의 여자는 마그네트론(34,106)의 순간적인 출력주파수에 의존한다. 도 26에 도시한 모드는 5각형 캐비티(14,104)의 중심에서 국소 최대 전계강도(localized maximum)를 가진다. 도 27-40에 도시한 바와 같이, 국소 최대 전계강도의 위치 및 수는 각 마그네트론(34,106)의 출력주파수가 시간에 따라 변함에 따라 변화하게 된다. 따라서 5각형 캐비티(!4,104) 내의 각 지점에서의 마이크로웨이브의 전계강도 및 유전가열능력은 마그네트론(34,106)의 출력주파수의 변화에 응답하여 변하게 된다. 도 26-40에 도시된 각종의 모드를 연속적으로 여자시킴으로써 상기 캐비티(14,104)내에 대체로 균일한 전계강도 및 마이크로웨이브 가열능력이 수초 간에 걸쳐서 조장됨으로써, 상기 기간 동안에 생성된 국소 최대 및 최소 전계강도의 평균적인 수가 감소되게 된다. 다른 위치와 관련하여 동일한 위치에서 최대 전계강도가 반복적으로 발생하여 가열기의 대부분 동안 이들 위치에서 최대 전계강도가 발생하는 경우, 그 위치에서 바람직하지 않은 핫 스팟들이 형성되고, 핫 스팟들 사이에는 바람직하지 않은 콜드 스팟들이 형성된다. 따라서 상기 오븐(10,100)에서 국소 최대 및 최소 전계강도의 위치는 그러한 핫 스팟의 생성을 방지하도록 연속적으로 변화하게 된다.

균일한 자계분포를 더욱 향상시키기 위하여 각 마그네트론(106)의 출력주파수가 마그네트론 제어기(156)(도 11-14) 및 PC(130)에 의해 제어될 수 있어서, 임의의 다른 전자기 모드보다도 임의의 마이크로웨이브 전기 모드의 여자가 선호된다.

상기 오븐(10,100)은 상기 기간에 걸쳐서 상기 캐비티(14,104) 내에 대체로 균일한 자계강도를 조장한다. 최대 및 최소 자계강도가 종래의 장방형 캐비티에 비해서 단면 방향 및 수직방향에서 상기 캐비티(14,104) 내에 비교적 고르게 분포된다. 이로써 가열기 동안 캐비티 내의 핫 스팟이 형성될 가능성이 감소된다. 따라서 가열될 물체는 사용 중에 턴테이블(48)(도 1-10 참조)의 사용에 의해 촉진되는 대체로 균일한 가열을 받게 된다.

도 76 및 77을 보면, 본 발명에 따른 유전 가열 장치는 참조번호 310으로 도시된다. 상기 장치는 플로어(미도시) 및 각기 314, 316, 318,320 및 324로 지정된 5개의 측벽을 가지는 5각형 형상의 마이크로웨이브 오븐이다. 이웃한 쌍의 측벽(314-324) 사이의 협각 A는 각각 108°이다. 상기 측벽(314-324)은 도 76에 도시한 바와 같이 290mm, 208mm,260mm,260mm, 및 208mm의 원주상의 길이를 가진다. 오븐은 그 플로어에서 상단부 즉 루프(312)까지 730mm의 단부간 깊이(end-to-end depth)를 가진다.

상기 오븐(310)은 마그네트론(미도시)과 같은 마이크로웨이브 파워 소스를 구비하여 2.45GHz의 공칭 주파수와 30MHz의 대역폭에서 마이크로웨이브 방사선을 공급하게된다. 상기 마이므로웨이브 공급주파수는 50Hz의 속도로 상기 대역폭에 걸쳐서 변화한다.

루프(312)는 턴테이블(326)에 장착된 대략 중앙 개구(325)를 구비한다. 턴테이블은 안테나(328)를 이송시킨다. 상기 오븐은, 상기 파워 소스로부터의 마이크로웨이브 방사선을 수신하며 상기 마이크로웨이브 방사선을 오븐(310)의 내부에 형성된 가열 캐비티에 공급하는 도파관(330) 형태의 가이드 수단을 구비한다. 상기 도파관(330)은 안테나(328) 입구(332)로 상기 방사선을 출력하는 출구를 구비한다.

상기 도파관(330)의 출구는 턴테이블(326) 상의 안테나(328)로 332에서 마이크로웨이브 방사선을 공급하도록 배치되며, 상기 안테나(328)는 그 출구(334)에서 상기 오븐(310)의 캐비티로 방사선을 공급하록 배치된다. 상기 턴테이블(326)은 축(338)을 중심으로 화살표(336) 방향으로 1회전/초의 속도로 회전하고, 상기 축(338)과 각도 F를 이루는 오븐내 안테나로부터의 방사선을 방사상으로 공급하도록 배치된다. 따라서 사용중인 상기 오븐(310)으로 공급되는 방사선의 방향은 1초가 소요되는 1 사이클 동안에 일정하게 변하게 된다.

도 76 및 77에 도시한 오븐(310)의 특징은 오븐의 정5각형 아우트라인(도 76)과 안테나(328)의 회전이, 각종의 상이한 마이크로웨이브 전계 분포의 여자 및 상기 오븐(310)의 캐비티 내에서 허용가능한 각종의 상이한 마이크로웨이브 전기모드의 여자를 촉진시킨다는 점이다. 따라서, 캐비티 내의 국소 최대 및 최소 마이크로웨이브 강도의 위치는, 캐비티 내부 및 캐비티 내에서 가열되는 물체에서 편재된 핫 스팟의 방지를 촉진하기에 충분한 속도로 연속적으로 변화하게 된다.

균일한 자계분포를 더욱 향상시키기 위하여 각 마그네트론의 출력주파수가 마그네트론 제어기 및 PC에 의해 제어될 수 있어서 임의의 다른 전자기 모드보다는 임의의 마이크로웨이브 전기 모드의 여자가 선호된다.

상기 가열장치는 시주기(time period)에 걸쳐서 캐비티 내에 대체로 균일한 자계강도를 조장한다. 최대 자계강도가 종래의 장방형 캐비티에 비해서 단면 방향 및 수직방향에서 상기 캐비티 내에 비교적 고르게 분포된다. 이로써 가열기 동안 캐비티 내에 핫 스팟이 형성될 가능성이 감소된다. 따라서 사용중에 가열될 물체 또는 물질은 비교적 균일한 가열을 받게된다.

본 발명에 따른 특정의 마이크로웨이브 캐비티는 직립의 자세에 있는 경우 정 5각형 수평단면을 가지며, 5개의 수직으로 연장하는 벽패널을 가지며, 그 각각의 패널은 수직으로 이격진 개구(vertically spaced openings)의 수직 연장 열(vertically extending row)을 구비하며, 상기 각각의 개구는 마그네트론/도파관/팬 어셈블리(magnetron/waveguide/fan assembly)의 형태로 마이크로웨이브 소스를 수용하도록 제공된다. 상기 캐비티는 그 벽 패널의 선택된 개구 내에 위치한 20개의 그러한 어셈블리를 구비한다. 사실상 20개 이상의 개구가 있어서, 상기 어셈블리를 수용하기에 적합한 개구를 선택함으로써 상기 어셈블리는 소정의 수직으로 및/또는 원주상으로 이격진 어레이(array)로 상기 벽패널 내에 설치될 수 있으며, 상기 어레이는 상기 어셈블리로 하여금 상기 캐비티를 통해 내려가는 압출 프로필을 가열하게 하도록 선택되어 상기 프로필은 소정의 속도로 가열되며, 그 길이를 따라 소정의 온도 프로필을 가지게 된다.

상기 캐비티는 수직으로 길고, 이 캐비티로부터 방사상으로 이격진, 도어가 부착된 프레임으로 이루어진 매칭 5각 하우징(matching pentagonal housing) 내에 하우징되며, 상기 도어는 상기 캐비티의 벽패널에의 용이한 접근을 위해 개방될 수 있다. 이들 도어는 어스-스트랩(earth-strap)되며, 효과적인 파라데이 케이지(Faraday cage)를 제공한다. 상기 캐비티의 상부 및 바닥은 개방된다.

사용중에, 상기 캐비티의 내부를 따라 프로필이 하방으로 압출되는 경우, 상기 압출 프로필과 상기 캐비티의 벽패널의 내부면 사이의 공간은 열적 절연부를 포함한다. 에어 충만부를 형성하는 캐비티와 하우징 사이의 공간으로 냉각된 에어의 강제통풍(forced draft)을 상방으로 공급하도록 배열된 팬과 더불어, 냉각된 에어 소스가 제공되며, 각각의 마그네트론 어셈블리의 팬은 상기 에어 충만부와 소통하는 입구를 구비한다. 캐비티의 벽패널의 최하위 부분은 워터 재킷 또는 워터 튜브 (냉각 코일)에 의해 수냉된다. 상기 캐비티는 약 5m의 높이를 가지며, 그 상부는 상기 에어 충만부로부터 에어를 제거하기 위한 증기 추출팬(fume extractin fan)을 구비한다. 상기 압출물과 상기 캐비티의 벽패널 사이의 공간에, 온도 및 습도가 조절된 가스를 제어적으로 흐르게 하기 위한 설비가 마련된다.

상기 캐비티 내의 압출 프로필의 온도를 측정하도록 상기 캐비티 내에 두 개의 광학센서가 제공되며, 3개의 이격진 열전쌍(thermocouples)이 상기 압출 프로필의 온도 프로필을 모니터하도록 하나 이상의 캐비티 벽패널의 절연을 위해 제공된다. 각각의 마그네트론 어셈블리는 과온 차단 스위치를 구비하며, 상기 에어 충만부 및/또는 상기 캐비티 벽패널 상에 유사한 스위치가 설치된다. 마이크로웨이브 방사선을 연속적으로 모니터하도록 상기 에어 충만부 내에 증폭다이오드 어셈블리가 설치된다. 마이크로웨이브 방사선을 모니터하도록 상기 다이오드 어셈블리 설치부 외부의 선택된 지점에 유사한 다이오드 어셈블리가 제공된다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명의 유전 가열 장치는 가정용 및 산업용의 마이크로웨이브 오븐에 적합하다.

Claims (12)

1. 다음을 포함하는 유전 가열 장치(dielectric heating device:

   다수 개의 측벽이 서로간 경사지게 연결되어 일정한 캐비티를 형성하되 측벽간 각도는 예각 또는 둔각을 이루는, 전기적으로 상호접속 및 연속적으로 배열되어 가열 캐비티(heating cavity)를 형성하는 다수의 전기전도성 측벽; 및

   유전 가열에 적합한 전자기 방사선 (electromagnetic radiation)을 방출할 수 있으며, 시간에 따라 변하며, 상기 가열 캐비티가 멀티모드 공진 가열 캐비티로서 작용하도록 하는 주파수로 상기 캐비티 내에 방사선을 공급할 수 있도록 배열된 작어도 하나의 전자기 파워소스(electomagnetic power source).
2. 제 1항에 있어서, 상기 가열 캐비티를 형성하는 오븐의 형태를 가지며, 상기 캐비티는 관형 형상을 가지며, 상기 측벽은 상기 캐비티의 하나의 단부에서 다른 단부까지 연장하며, 상기 캐비티는 다각형이면서 주변으로 연장하는 (peripherally expending) 시리즈로 배열된 복수의 면를 가지는 단면 아우트라인을 가지며, 그 각각의 이웃한 쌍의 면은 서로 사이에서 상기 캐비티의 코너를 형성하는 것을 특징으로 하는 유전 가열 장치.
3. 제 2항에 있어서, 상기 캐비티는 정 다각형인 단면 아우트라인을 가지며, 상기 다각형은 모두 동일한 길이의 면을 가지며, 상기 면의 수는 3,5,7,9 및 11의 값에서 선택된 것임을 특징으로 하는 유전 가열 장치.
4. 제 3항에 있어서, 상기 다각형은 동일한 길이의 5면을 가지는 정 5각형이며, 그 각각의 이웃한 쌍의 면은 서로 경사져 108°의 협각을 이루며, 상기 각각의 면은 평평한 2차원 형상의 패널이며 장방형 아웃트라인을 가지는 것을 특징으로 하는 유전 가열 장치.
5. 제 2항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐비티의 단부는 개방형이며 상기 개방 단부는 각기 캐비티에 대한 입구 및 캐비티로부터의 출구를 형성하여 오븐을 통해 길이방향으로 이동되는 프로필의 연속적인 가열을 허용하는 것을 특징으로 하는 유전 가열 장치.
6. 제 5항에 있어서, 상기 캐비티의 각 단부는, 워킹 클리어런스(working clearance)를 가지고 상기 캐비티를 통해 길이방향으로 이동되는 프로파일을 수용하는 개구를 가지고 있는 쵸크(choke)를 구비하며, 상기 각각의 클리어런스는 사용 중에 상기 쵸크의 개구를 통해 그리고 상기 프로필의 둘레에서 캐비티로부터 방출되는 전자기 방사를 억제하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 유전 가열 장치.
7. 제 2항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 오븐은 상기 캐비티의 대향단부를 폐쇄하는 한 쌍의 단부벽(end wall)을 구비하며, 상기 오븐의 적어도 하나의 벽은 상기 캐비티로 통하는 도어의 적어도 일부분을 형성하여 상기 오븐 내에 위치한 적어도 하나의 물체의 가열시 배치 조작(batch operation)을 허용하는 것을 특징으로 하는 유전 가열 장치.
8. 제 7 항에 있어서, 한 단부벽은 상기 캐비티의 플로어(floor)를 형성하고, 다른 단부벽은 상기 플로어의 상부에서 이격져서 상기 캐비티의 루프(roof)를 형성하며, 상기 오븐은 패널인 적어도 5측벽을 구비하고 그 각각의 측벽 패널은 평평한 2차원의 형상을 가지고 장방형의 아우트라인을 가지며, 상기 도어는 상기 캐비티로 통하는 폐쇄가능한 도어 개구(door opening)와 협조하게 되며, 상기 도어 개구는 상기 각 측벽 패널의 면적보다 큰 면적을 갖는 것을 특징으로 하는 유전 가열 장치.
9. 제 8항에 있어서, 상기 도어는 오븐의 적어도 하나, 둘 이하의 측벽 패널을 형성하는 것을 특징으로 하는 유전 가열 장치.
10. 제 9항에 있어서, 상기 도어는 도어 개구의 한쪽 측면에 힌지된 단일 도어패널로부터 선택되거나, 또는 도어 개구의 대향 측면에 각각 힌지되어 있으며 나란히 배열된 한 쌍의 도어 패널로부터 선택되며, 상기 도어는 적어도 하나의 힌지를 가지며, 각각의 힌지는 오븐의 한 단부벽으로부터 다른 단부벽을 향해 연장하는 것을 특징으로 하는 유전 가열 장치.
11. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 마이크로웨이브 오븐이며, 각각의 전자기 파워 소스는 0.3×10⁹-1×10¹⁰ Hz의 주파수에서 마이크로웨이브 방사선을 방출할 수 있는 마이크로웨이브 소스인 것을 특징으로 하는 유전 가열 장치.
12. 제 11항에 있어서, 각각의 마이크로웨이브 소스는 적어도 1MHz의 폭을 가지는 대역폭에 걸쳐서 2.4-2.5GHz의 주파수에서 마이크로웨이브 방사선을 방출할 수 있는 것을 특징으로 하는 유전가열장치.