KR100977542B1 - 동축 도파관 형태의 공진기로 구성되는 마이크로파 반응기 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로파를 적용하여 액체 또는 고체를 포함하는 물질을 가열하거나 화학적 반응을 일으키는 마이크로파 반응기에 관한 것으로서, 상기 마이크로파 반응기는 소정의 마이크로파 발생수단과 일정길이의 동축 도파관 형태의 공진기 및 반응기로 구성된다. 본 발명은 공진기를 동축 도파관 모양으로 하고 기저모드를 사용하면 동축 도파관의 내외경 비율에 따라 동축 도파관의 중심축에 수직인 단면에서 마이크로파 분포가 균일해지는 특성을 이용하는 마이크로파 반응기에 관한 것이다. 본 발명에 따른 마이크로파 반응기는 마이크로파 발생수단과 소정의 마이크로파 결합기 및 동축 도파관 형태의 공진기, 공진기 내부에 별도로 구비된 반응기나 공진기 자체가 반응기로 이용되어 액체 또는 고체를 포함하는 적용 대상 물질이 적절히 공진기 자체 내에서 처리되면서 이송될 수 있도록 한 구조를 포함한다.

마이크로파 반응기, 동축 도파관, 공진기

Description

동축 도파관 형태의 공진기로 구성되는 마이크로파 반응기 및 그 방법{Microwave Reactor with Cavity using Coaxial Waveguide and Method thereof}

본 발명은 마이크로파를 적용하여 액체 또는 고체를 포함하는 물질을 가열하거나 화학적 반응을 일으키는 마이크로파 반응기에 관한 것으로서, 특히 공진기를 동축 도파관 모양으로 하고 기저모드를 사용하면 동축 도파관의 내외경 비율에 따라 동축 도파관의 중심축에 수직인 단면에서 마이크로파 분포가 균일해지는 특성을 이용하는 마이크로파 반응기에 관한 것이다.

일반적으로 마이크로파를 이용하는 반응기는, 마이크로파의 유전가열 특성을 이용하여 물질을 가열하거나 화학반응을 수행할 수 있는 장치로 활용된다. 마이크로파에 의해 물질을 가열하는 원리는 마이크로파에 의한 물질의 극성분극화와 계면분극화에 기인한 극성분자들의 마찰열이다. 일반적으로 마이크로파는 주파수가 0.3~30GHz, 파장은 1000mm~1m 범위의 영역에 속하며, 위성통신, 정보통신 등의 분야에 사용되어 왔으며, 또한, 가정용 전자레인지나 식품가공, 물질건조 등의 분야에도 널리 사용되고 있다. 최근에는 마이크로파를 다양한 물질의 분해 및 합성 반응에서 널리 사용하고 있으며, 이러한 방법은 마이크로파의 특성상 급속 직접가열 및 반응촉진이 가능하여 반응 시간을 현저히 줄일 수 있으면서 무용매 합성도 가능하고 화석연료를 사용하지 않기 때문에 경제적이면서 친환경적인 장점이 있다.

일반적으로 마이크로파 반응기는 간접가열방식의 기존 반응기에 비해 최대 수천 배까지의 반응속도 향상을 이룰 수 있었기 때문에 거의 모든 가열 및 화학적 반응에 적용되어 왔다. 그러나 마이크로파 반응기는 그 크기가 커지면 공진기 내에 형성되는 정상파의 파장에 따라 마이크로파가 강한 영역과 거의 없는 영역이 주기적으로 나타나게 되기 때문에, 지금까지는 수 그램 정도의 화학반응과 같은 실험실 수준의 작은 크기의 응용이나 균일한 마이크로파의 조사가 그다지 중요하지 않은 응용에서 사용되었다.

마이크로파 반응기의 다양한 산업적 응용을 위해서 공진기를 대형화하면서도 필요한 공간에 균일한 마이크로파를 조사할 수 있는 기술이 요구되었지만, 마이크로파가 가지는 파장의 한계로 인해 많은 어려움이 있었다. 일반적인 마이크로파 반응기에 사용되는 공진기는 적절히 선택된 마이크로파의 파장에 따라 공진기 내부에 형성되는 정상파의 에너지를 이용한다. 그러나, 일반적인 마이크로파 반응기에 사용되는 공진기의 크기는 고정되어 있어서, 정상파의 패턴도 고정되므로 마이크로파 에너지 전달의 불균일성이 나타나는 문제점이 있다. 이는 물질에 흡수되는 마이크로파 에너지가 고르지 못하여, 물질의 온도분포 및 화학반응이 일정하게 나타나지 않는 문제점을 야기한다. 이로 인해 마이크로파 반응기는 균일한 에너지 전달이 가능한 실험실 수준의 작은 크기로만 활용되고 있으며 반응기를 대형화하여 산업화하는데 어려움을 겪고 있다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 동축 도파관 모양의 공진기를 이용하여 그 내부에 형성되는 마이크로파의 크기가 동축 도파관의 중심축에 수직인 단면에서 고른 분포를 가지는 마이크로파 반응기를 제공하는 데 있다.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른, 마이크로파 반응기는, 마이크로파 발생수단; 상기 마이크로파 발생수단에서 발생하는 마이크로파를 내부 도체를 통해 유입받는 동축 도파관 형태의 공진기; 및 상기 동축 도파관의 내경과 외경 사이의 공진기 내부에 결합된 반응기를 포함하고, 상기 유입된 마이크로파가 상기 동축 도파관의 내경과 외경 사이의 공진기 공간에서 형성하는 마이크로파 에너지를 이용하여 상기 반응기 내의 반응물을 처리하는 것을 특징으로 한다.

상기 동축 도파관의 내경과 외경 사이의 공진기 내부에 형성되는 상기 마이크로파 에너지는 상기 동축 도파관의 중심축 방향에 수직인 단면에 상기 내경과 상기 외경의 비로 정해지는 균일한 분포를 이룰 수 있다.

상기 반응기는, 상기 동축 도파관의 내경과 외경 사이의 공진기 내부 중 상기 마이크로파가 유입되는 쪽의 일부 공간만을 차지하여 상기 마이크로파가 좀 더 균일한 영역에서 반응물을 처리할 수도 있다.

또한, 본 발명의 다른 일면에 따른 마이크로파 반응기는, 마이크로파 발생수단; 상기 마이크로파 발생수단에서 발생하는 마이크로파를 내부 도체를 통해 유입받는 동축 도파관 형태의 공진기; 및 상기 내부 도체를 회전시키는 모터를 포함하고, 상기 동축 도파관의 내경과 외경 사이의 공진기 자체를 반응기로 이용하고, 상기 모터의 동작으로 상기 내부 도체를 회전시키면서, 상기 유입된 마이크로파가 상기 공진기 공간에서 형성하는 마이크로파 에너지를 이용하여 상기 공진기 공간 내의 반응물을 처리하는 것을 특징으로 한다.

상기 내부 도체는 나선형의 홈을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 또 다른 일면에 따른 마이크로파 반응기의 마이크로파 에너지 분산 방법은, 마이크로파 발생수단에서 발생하는 마이크로파를 동축 도파관의 내부 도체를 통해 유입하여, 상기 유입된 마이크로파가 상기 동축 도파관의 내경과 외경 사이의 공진기 공간에서 형성하는 마이크로파 에너지를 이용하여 상기 반응기 내의 반응물을 처리하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명의 또 다른 일면에 따른 마이크로파 반응기의 마이크로파 에너지 분산 방법은, 마이크로파 발생수단에서 발생하는 마이크로파를 동축 도파관의 내부 도체를 통해 유입하여, 상기 동축 도파관의 내경과 외경 사이의 공진기 자체를 반응기로 이용하고, 상기 내부 도체를 회전시키면서, 상기 유입된 마이크로파가 상기 공진기 공간에서 형성하는 마이크로파 에너지를 이용하여 상기 공진기 공간 내의 반응물을 처리하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로파 반응기에 따르면, 동축 도파관 형태의 공진기에 형성된 마이크로파에 의하여 반응기 내부의 물질에 동축 도파관의 중심축에 수직인 방향에 대해 동축 도파관의 내경에 대한 외경의 비율에 해당하는 균일한 에너지 전달이 가능해진다. 상기 균일한 마이크로파는 공진기의 절대적인 크기가 아니라 내부 동축 도파관의 내외경에 따른 상대적 크기에 의존하므로 공진기를 쉽게 대형화할 수 있게 해준다.

　　　　　　　　본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 동축 도파관 형태의 공진기를 이용한 마이크로파 반응기를 설명하기 위한 개념도이다.

도 1을 참조하면, 동축 도파관 형태의 공진기는 중심축이 같은 원형의 두 도체 사이 공간으로 이루어진다. 마이크로파 발생 수단으로부터의 마이크로파는 두 원형 도체 사이에 유입되어 특정 패턴을 형성하며 존재하게 된다.

이와 같은 동축 도파관 형태의 공진기는 액체 또는 고체를 포함하는 물질의 가열이나 화학반응을 수행할 수 있는 마이크로파 반응기로 이용할 수 있다. 이러한 동축 도파관 형태의 공진기를 마이크로파 반응기에 이용하는 경우에, 내경(inner diameter)과 외경(outer diameter) 사이의 내부 공간의 공진기에 중심축 방향에 수직인 단면에서 상대적으로 균일한 마이크로파 분포가 이루어지도록 할 수 있다.

예를 들어, 동축 도파관의 내측 도체가 중심으로부터 거리 r=a인 반경을 가지고, 그 외측 도체가 중심으로부터 거리 r=b에서 시작되는 경우에, 내측 도체에 유입된 마이크로파(전압 V₀가정)에 의하여 형성되는 기저모드(fundamental mode)의 중심축 방향의 수직인 단면에서 전기장의 크기는 도 2와 같이 내측 도체 주위로부터 외측 도체로 갈수록 [수학식 1]과 같은 형태를 가진다.

[수학식 1]

따라서, 내경과 외경 사이의 내부 공간에는 [수학식 2]와 같이 중심축 방향(z)의 수직인 단면에서 전기장의 최소값에 대한 최대값의 비율이 내외경의 비율, 즉, b/a로 결정되고 이에 따라 균일한 전기장을 형성할 수 있음을 알 수 있다.

[수학식 2]

도 3은 본 발명의 일시예에 따른 동축 도파관을 이용한 마이크로파 반응기(300)를 설명하기 위한 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일시예에 따른 마이크로파 반응기(300)는, 마이 크로파 발생 수단(310), 마이크로파 결합기(320), 동축 도파관(330), 및 반응기(340)를 포함한다.

마이크로파 발생수단(310)은 0.3GHz 에서 300GHz까지의 주파수를 가지는 마이크로파(MW)를 발생시킨다. 이를 위하여 여러가지 발진 장치가 사용될 수 있는데, 예를 들어, 마그네트론(magnetron) 등을 이용한 발진장치로 필요한 주파수의 마이크로파를 발생시킬 수 있다. 또한, 마이크로파 발생수단(310)에는 안정적인 작동을 위해 발진장치 이외에 공진기에서 반사되어 돌아오는 마이크로파가 발진장치로 돌아가는 것을 막아주는 써큘레이터(circulator), 또는 발진 장치와 동축 도파관(330) 내부의 공진기의 임피던스를 정합시켜 반사파를 줄여주는 튜너(tuner) 등이 포함될 수도 있다.

마이크로파 결합기(320)는 적절한 것을 선택하여, 마이크로파 발생 수단(310)로부터 발생된 마이크로파가 마이크로파 결합기(320)를 통하여 동축 도파관(330)의 공진기 내부로 인입시킬 때 손실을 줄일 수 있다. 특히, 마이크로파 결합기(320)는 동축 도파관(330)에 기저모드(TEM 모드 - transverse electric and magnetic field 모드)가 형성될 수 있도록 하는 것으로 선택하는 것이 바람직하다. 마이크로파의 파장이 동축 도파관(330)의 외경에 비해 작을 경우 기저모드만 존재할 수 있지만, 그렇지 않은 경우 기저모드가 아닌 다른 모드(예를 들어, TM, TE 모드 등)가 기저 모드에 간섭을 줄 수 있기 때문이다.

반응기(340)는 동축 도파관(330)의 공진기 내부의 공간에 적절히 구비될 수 있고, 이에 따라 마이크로파 발생수단(310)에서 발생된 마이크로파가 마이크로파 결합기(320)를 통하여 동축 도파관(330)의 내부 도체로 유입시키는 경우에, 도 1의 설명에서 기술한 바와 같이 동축 도파관(330)의 내경과 외경 사이의 내부 공간의 공진기에 중심축 방향에 수직인 단면에서 균일한 마이크로파 분포가 이루어져, 내부의 반응기(340)의 한쪽에서 투입되는 반응물의 가열이나 기타 화학반응을 안정적으로 처리하여 반응기(340)의 다른쪽 배출구로 처리된 반응물을 배출할 수 있다.

이때, 중심축 방향에 수직인 단면에서는 균일한 마이크로파를 얻을 수 있지만, 중심축 방향으로는 공진기의 축방향으로 길이에 따라 정상파가 발생하여 마이크로파 크기의 강약이 존재할 수 있다. 따라서, 중심축 방향의 마이크로파 불균일성에는 영향을 크게 받지 않는 반응물을 적용하거나, 축방향 유동속도를 빠르게 할 필요가 있다.

이에 따라, 반응기(340)를 동축 도파관(330)의 내경과 외경 사이의 공진기 내부 중 마이크로파가 유입되는 쪽의 일부 공간만(예를 들어, 도파관 전체 길이 중 50, 60, 70..%등)을 차지하도록 하여 마이크로파 크기가 좀 더 균일한 영역에서 반응물이 처리되도록 할 수도 있다.

도 4는 동축 도파관을 이용하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로파 반응기(400)를 설명하기 위한 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 시예에 따른 마이크로파 반응기(400)는, 마이크로파 발생 수단(410), 마이크로파 결합기(420), 동축 도파관(430), 및 모터(motor)(440)를 포함한다.

여기서, 마이크로파 발생 수단(410)과 마이크로파 결합기(420)는 도 3의 마 이크로파 발생 수단(310)과 마이크로파 결합기(320)과 유사하며, 다만, 동축 도파관(430)의 내부 도체(431)에 연이어 연결된 나선형의 홈을 형성하고 그 내부 도체(431)를 모터(440)를 이용해 회전시키는 구조이다.

도 4의 마이크로파 반응기(400)에서는, 동축 도파관(430) 내부의 공진기 자체가 반응기의 역할을 하도록 한 실시예이다. 만일, 반응물이 고체이거나 점도가 아주 높은 슬러지와 같은 형태에 적용을 위하여, 동축 도파관(430) 내부 도체에 나선형의 홈을 파고 모터(440)로 회전시켜서 강제로 반응물이 한쪽 반응물 투입구로부터 다른쪽 배출구로 이송되도록 할 수도 있다.

이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 동축 도파관 형태의 공진기를 이용한 마이크로파 반응기를 설명하기 위한 개념도이다.

도 2는 도 1의 동축 도파관 형태의 공진기의 내경과 외경 사이 공간에서의 전기장 분포를 설명하기 위한 도면이다.

도 3은 본 발명의 일시예에 따른 동축 도파관을 이용한 마이크로파 반응기를 설명하기 위한 도면이다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로파 반응기를 설명하기 위한 도면이다.

Claims (7)

1. 동축 도파관 형태의 공진기;

   일정 주파수의 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생수단;

   상기 마이크로파 발생수단으로부터 발생된 마이크로파를 TEM 모드로 상기 공진기 내부 공간으로 인입시키는 마이크로파 결합기;

   상기 동축 도파관의 내경과 외경 사이의 상기 공진기 내부 공간에 결합된 반응기를 포함하고,

   상기 공진기 내부로 유입된 마이크로파가 상기 공진기 내부 공간에서 형성하는 마이크로파 에너지를 이용하여 상기 반응기 내의 반응물을 처리하되,

   상기 마이크로파 에너지가 상기 동축 도파관의 중심축 방향에 수직인 단면에 상기 내경과 상기 외경의 비율로 정해지는 값에 기초하여 형성되어 상기 공진기 내부 공간에 분포하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 반응기.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 반응기는,

   상기 동축 도파관의 내경과 외경 사이의 공진기 내부 중 상기 마이크로파가 유입되는 쪽의 일부 공간만을 차지하여 상기 마이크로파가 좀 더 균일한 영역에서 반응물을 처리하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 반응기.
4. 동축 도파관 형태의 공진기;

   일정 주파수의 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생수단;

   상기 마이크로파 발생수단으로부터 발생된 마이크로파를 TEM 모드로 상기 공진기 내부 공간으로 인입시키는 마이크로파 결합기; 및

   상기 동축 도파관의 내부 도체를 회전시키는 모터를 포함하고,

   상기 동축 도파관의 내경과 외경 사이의 상기 공진기 내부 공간을 반응기로 이용하고, 상기 모터의 동작으로 상기 내부 도체를 회전시키면서, 상기 유입된 마이크로파가 상기 공진기 내부 공간에서 형성하는 마이크로파 에너지를 이용하여 상기 공진기 내부 공간 내의 반응물을 처리하되,

   상기 마이크로파 에너지가 상기 동축 도파관의 중심축 방향에 수직인 단면에 상기 내경과 상기 외경의 비율로 정해지는 값에 기초하여 형성되어 상기 공진기 내부 공간에 분포하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 반응기.
5. 제4항에 있어서, 상기 내부 도체는 나선형의 홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 반응기.
6. 마이크로파 발생수단에서 발생하는 마이크로파를 TEM 모드로 동축 도파관 형태의 공진기 내부 공간으로 유입시키고,

   상기 공진기 내부 공간으로 유입된 마이크로파가 상기 동축 도파관의 내경과 외경 사이의 상기 공진기 내부 공간에서 형성하는 마이크로파 에너지를 이용하여 상기 공진기 내부 공간에 결합된 반응기 내의 반응물을 처리하되,

   상기 마이크로파 에너지가 상기 동축 도파관의 중심축 방향에 수직인 단면에 상기 내경과 상기 외경의 비율로 정해지는 값에 기초하여 형성되어 상기 공진기 내부 공간에 분포하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 반응기의 마이크로파 에너지 분산 방법.
7. 마이크로파 발생수단에서 발생하는 마이크로파를 TEM 모드로 동축 도파관 형태의 공진기 내부 공간으로 유입시키고,

   상기 동축 도파관의 내경과 외경 사이의 상기 공진기 내부 공간을 반응기로 이용하고 상기 내부 도체를 회전시키면서, 상기 공진기 내부 공간으로 유입된 마이크로파가 상기 공진기 내부 공간에서 형성하는 마이크로파 에너지를 이용하여 상기 공진기 내부 공간 내의 반응물을 처리하되,

   상기 마이크로파 에너지가 상기 동축 도파관의 중심축 방향에 수직인 단면에 상기 내경과 상기 외경의 비율로 정해지는 값에 기초하여 형성되어 상기 공진기 내부 공간에 분포하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 반응기의 마이크로파 에너지 분산 방법.

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