KR100977544B1 - 진행파를 이용한 마이크로파 반응기 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로파를 적용하여 물질을 가열하거나 화학적 반응을 일으키는 마이크로파 반응기에 관한 것이다. 본 발명은 마이크로파 반응기를 공진기 대신에 도파관으로 하여 진행파를 만들어주면 마이크로파의 주파수에 따라 진동하는 크기로 인해 마이크로파의 진행방향에 대해 짧은 시간 내에 정상파가 생기는 공진기보다 균일한 물질의 마이크로파 흡수분포를 얻을 수 있다는 사실을 적용한다. 본 발명에 따른 마이크로파 반응기는 마이크로파 발생수단과 소정의 마이크로파 결합기 및 도파관, 마이크로파의 적용 대상 물질이 적절히 도파관내에 위치하거나 움직일 수 있도록 하는 반응기 등을 포함한다.

마이크로파 반응기, 진행파, 도파관

Description

진행파를 이용한 마이크로파 반응기 및 그 방법{Microwave Reactor Using Traveling Wave and Method thereof}

본 발명은 마이크로파를 적용하여 물질을 가열하거나 화학적 반응을 일으키는 마이크로파 반응기에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 마이크로파 반응기를 공진기 대신에 도파관으로 하여 마이크로파가 진행하도록 진행파를 만들어주면 마이크로파의 주파수에 따라 진동하는 크기로 인해 마이크로파의 진행방향에 대해 짧은 시간내에 정상파가 생기는 공진기보다 균일한 물질의 마이크로파 흡수분포를 얻을 수 있다는 사실을 적용한 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 반 응에서 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 도 1같은 싱글 모드(single mode) 형태 또는 도 2와 같은 멀티 모드(multi mode) 형태로 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 에너 지 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, 반응기 내부에 형성되는 마이크로파의 크기가 반응기의 진행방향에 대해 균일한 분포를 가지는 마이크로파 반응기를 제공하는 데 있다.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른, 마이크로파 반응기는, 마이크로파 발생수단과 마이크로파 흡수수단 사이에 관통 형태의 도파관 및 상기 도파관 내부에 결합된 반응기를 포함하고, 상기 마이크로파 발생수단으로부터 발생된 마이크로파를 상기 도파관의 한쪽 끝에서 유입하여 진행파 형태로 다른 쪽 끝으로 통과시키면서, 상기 진행파 형태의 마이크로파 에너지를 이용하여 상기 반응기 내의 반응물을 처리하는 것을 특징으로 한다.

상기 마이크로파가 상기 도파관을 통과하는 동안 상기 도파관 내부에 진행방향에 대해 정상파 없이 고르게 분포되는 에너지를 이용한다.

상기 도파관의 단면 모양은, 원형, 직사각형, 정사각형, 또는 동축형을 포함한다.

상기 도파관은 직선 관통형 또는 다단 굽은 관통형을 포함하고, 상기 반응기는 나선형 또는 상기 도파관 전체를 채워 지나가는 형태를 포함한다.

또한, 본 발명의 다른 일면에 따른 마이크로파 반응기는, 마이크로파 발생수단; 상기 마이크로파 발생수단으로부터 발생된 마이크로파가 유입되는 순환형 도파관; 및 상기 순환형 도파관 내부에 결합된 반응기를 포함하고, 상기 순환형 도파관으로 유입된 마이크로파가 상기 순환형 도파관을 따라 진행하는 동안 상기 마이크로파의 에너지를 이용하여 상기 반응기 내의 반응물을 처리하는 것을 특징으로 한다.

상기 순환형 도파관을 따라 진행하여 한바퀴 순환한 마이크로파가, 상기 마이크로파 발생수단으로부터 유입되는 마이크로파의 크기에 영향이 없도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 또 다른 일면에 따른 마이크로파 반응기의 마이크로파 에너지 분산 방법은, 마이크로파 발생수단으로부터 발생된 마이크로파를 관통 형태의 도파관의 한쪽 끝에서 유입하여 진행파 형태로 다른 쪽 끝으로 통과시키면서, 상기 진행파 형태의 마이크로파 에너지를 이용하여 상기 도파관 내부에 결합된 반응기 내부의 반응물을 처리하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명의 또 다른 일면에 따른 마이크로파 반응기의 마이크로파 에너지 분산 방법은, 마이크로파 발생수단으로부터 발생된 마이크로파를 순환형 도파관으로 유입하여, 상기 순환형 도파관을 따라 상기 마이크로파가 진행하는 동안 상기 마이크로파의 에너지를 이용하여 상기 순환형 도파관 내부에 결합된 반응기 내의 반응물을 처리하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로파 반응기에 따르면, 도파관에 입사된 마이크로파에 의하여 도파관 내부에 마이크로파의 진행방향으로 정상파가 생성되는 공진기보다 균일한 분포의 마이크로파 흡수크기를 형성할 수 있다.

　　　　　　　　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 3은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로파 반응기(300)를 설명하기 위한 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로파 반응기(300)는 마이크로파 발생기(310), 써큘레이터(circulator)(320), 튜너(tuner)(330), 마이크로파 결합기(340), 도파관(350), 반응기(360) 및 터미네이션(termination)(370)을 포함한다. 이 중 써큘레이터(320), 튜너(330) 및 마이크로파 결합기(340)는 생략될 수 있는 옵션 요소이다. 다만, 써큘레이터(320)는 반사되어 돌아오는 마이크로파를 외부로 방출하여 마이크로파 발생기를 보호하기 위한 목적으로 사용되고, 튜너(330)는 마이크로파 발생기(310)과 반응기(360) 사이의 임피던스 부정합을 보정해 주어서 반응기(360)에서 반사되어 돌아오는 마이크로파를 줄일 수 있게 한다. 마이크로파 결합기(340)는 도파관(350)의 형태에 따라 적절한 것을 선택하여 사용하여야 마 이크로파 발생기(310)로부터 발생된 마이크로파를 마이크로파 결합기(340)를 통하여 도파관(350) 내부로 인입시킬 때 손실을 줄일 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 마이크로파 반응기(300)의 반응기(360)는 도파관(350) 내에 위치하게 되는데, 반응물의 물성 및 반응조건 등 특성에 따라 적절히 선택될 수 있다. 만일 액상의 물질을 사용하여 연속적으로 반응시키고자 한다면 도 3과 같이 나선형의 반응관을 사용할 수도 있다. 도파관(350)은 관통형으로서, 단면의 모양은 한정되지 않으며, 그 단면을 직사각형, 정사각형, 원형, 동축형 등 다양한 형태로 할 수 있다.

마이크로파 발생기(310)는 0.3GHz 에서 300GHz의 주파수를 가지는 마이크로파(MW)를 발생시킨다. 이를 위하여 여러가지 발진 장치가 사용될 수 있는데, 예를 들어, 마그네트론(magnetron) 등을 이용하여 필요한 주파수의 마이크로파를 발생시킬 수 있다.

이와 같은 마이크로파 발생기(310)를 이용하여 발생시킨 마이크로파는 써큘레이터(320), 튜너(330), 및 마이크로파 결합기(340)를 통하여, 도파관(350)으로 유입되어 진행파 형태로 도파관(350)의 다른 쪽 끝으로 통과할 수 있다. 마이크로파가 도파관을 통과하는 동안에 반응기(360) 내부의 반응물이 마이크로파를 흡수하게 된다.

터미네이션(370)은 도파관(350)을 통과하여 나오는 마이크로파를 흡수한다.

이와 같은 마이크로파 반응기(300)는 물질의 가열 또는 화학 반응을 수행하는 장치 등에 널리 사용될 수 있다. 이러한 여러가지 용도로 사용하는 데 있어서, 본 발명에 따른 마이크로파 반응기(300)의 도파관(350)에서는 도 1이나 도 2와 같이 끝이 막힌 공진기를 사용하는 것이 아니라, 도 3과 같이 마이크로파가 도파관(350)을 완전히 통과하도록 하여 진행방향에 대해 도파관(350) 내부에 정상파가 생기지 않도록 하여 반응물이 흡수하는 마이크로파 에너지가 고르게 분포될 수 있도록 하였다. 이는 마이크로파 발생수단(310)에서 발생되는 마이크로파의 주파수가, 예를 들어, 3 GHz 정도면 진행파는 1nsec 이내에 도파관(350)에 균일한 마이크로파 흡수분포가 가능하다.

도 1과 도 2와 같이 끝이 막혀있어서 마이크로파가 반사되는 구조에서 싱글 모드(single mode)와 멀티모드(multi-mode)의 정상파가 발생되도록 한 경우에는, 도 4의 (420)과 같이 거리(진행 방향 거리 z)에 따라 마이크로파의 크기의 강약(도 1, 2의 촘촘하거나 아닌 패턴)이 나타나게 된다. 그러나, 본 발명에서는 이러한 정상파를 이용하지 않고 마이크로파가 도파관(350)을 통과하면서 마이크로파 진행방향에 걸쳐 분산되도록 함으로써 도 4의 430과 같이 마이크로파 크기가 일정 위치에서 높거나 낮게 나타나지 않고 분산되어 고른 분포를 갖도록 하였다.

도 5는 도 3의 나선형 반응기(360) 대신에 반응기의 모양을 달리한 실시예를 보여준다. 여기서 도파관 내의 반응기는 도파관 전체를 채워 지나가는 형태를 보여준다. 이외에도 반응기의 모양 및 구조는 반응물의 물성 및 반응조건에 따라 다양하게 할 수 있다. 도 3의 마이크로파 발생기(310), 써큘레이터(320), 튜너(330), 마이크로파 결합기(340), 도파관(350), 및 터미네이션(370)은 도 5의 마이크로파 반응기 구조에도 유사하게 결합될 수 있다.

도 6은 반응기를 다단으로 나누어 도파관을 지나갈 수 있도록 하는 실시예이다. 예를 들어, 도 6과 같이, 도 3의 직선 관통형 도파관(350) 대신에 적어도 한번 이상 굴곡이 있는 다단 굽은 관통형 도파관을 사용하고, 각 단의 평행 부분에 설치되는 반응기가 서로 연결된 형태로 결합된 구조의 마이크로파 반응기가 사용될 수 있다. 도 3의 마이크로파 발생기(310), 써큘레이터(320), 튜너(330), 마이크로파 결합기(340), 및 터미네이션(370)은 도 6의 마이크로파 반응기 구조에도 유사하게 결합될 수 있다. 여기서, 마이크로파 에너지는 반응기를 만나면 마이크로파 결합기로부터 터미네이션 쪽으로 진행하면서 점점 줄어들 것이므로, 뒤쪽의 반응기에는 적은 크기의 마이크로파를 적용할 수 있다. 이와 같은 마이크로파 반응기 구조는 반응 물질이 처음에는 높은 에너지를 필요로 하지만 나중에는 적은 에너지만 필요로 하는 경우에 유용하게 적용할 수 있다.

도 7은 마이크로파가 도파관을 통해 순환할 수 있도록 하여 터미네이션을 없앤 실시예이다. 예를 들어, 도 7과 같이, 도 3의 직선 관통형 도파관(350) 대신에 순환형 도파관을 사용하고, 나선형 반응기가 순환형 도파관 내부에 적절히 삽입된 구조의 마이크로파 반응기가 사용될 수 있다. 도 3의 마이크로파 발생기(310), 써큘레이터(320), 튜너(330), 및 마이크로파 결합기(340)는 도 7의 마이크로파 반응기 구조에도 유사하게 결합될 수 있다. 여기서, 마이크로파가 반응기를 지나면서 순환되어 나오는 마이크로파의 크기(에너지)가 거의 줄어들게 되는 경우에, 터미네이션 없이 도 7과 같은 적용이 가능할 것이다. 즉, 순환형 도파관을 따라 진행하는 마이크로파는 한바퀴 순환하면서 자신의 에너지를 거의 상실하여 마이크로파 발생 수단으로부터 유입되는 마이크로파의 크기에 영향이 없도록 할 때, 이와 같은 구조의 적용이 가능할 것이다.

위에서 기술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 마이크로파 반응기에서는, 입사된 마이크로파에 의하여 도파관 내부에 형성되는 에너지 밀도가 균일한 분포를 갖도록 진행파를 도파관에 통과시켜 정상파 없이 마이크로파의 높은 발진 주파수에 의하여 에너지 분산을 유도함으로써, 물질의 가열이나 화학 반응을 수행하기 위한 마이크로파 반응기에 적용하여, 도파관 내부의 마이크로파 진행방향에 대해 정상파가 생성되는 공진기보다 고른 에너지 분포를 유도하고 균일한 처리가 가능하게 하였다.

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 일반적인 싱글 모드형 마이크로파 반응기를 설명하기 위한 도면이다.

도 2는 일반적인 멀티 모드형 마이크로파 반응기를 설명하기 위한 도면이다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로파 반응기를 설명하기 위한 도면이다.

도 4는 마이크로파 반응기들의 에너지 분포를 비교 설명하기 위한 그래프이다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로파 반응기를 설명하기 위한 도면이다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로파 반응기를 설명하기 위한 도면이다.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로파 반응기를 설명하기 위한 도면이다.

Claims (8)

1. 관통 형태의 도파관;

   상기 도파관 내부에 결합된 반응기;

   상기 도파관의 한쪽 끝에 직접 결합된 마이크로파 발생수단; 및

   상기 마이크로파 발생수단으로부터 발생된 마이크로파가 진행파 형태로 상기 도파관을 통과하여 상기 도파관의 다른 쪽 끝으로 나오는 마이크로파를 흡수하기 위한 마이크로파 흡수수단을 포함하고,

   상기 진행파 형태로 상기 도파관을 통과하는 상기 마이크로파가 상기 도파관을 통과하는 동안 진행방향에 대해 상기 도파관 내부에 싱글 모드 또는 멀티 모드의 정상파 없이 고르게 분포되는 마이크로파 에너지를 이용하여 상기 반응기 내의 반응물을 처리하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 반응기.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 도파관의 단면 모양은,

   원형, 직사각형, 정사각형, 또는 동축형을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 반응기.
4. 제1항에 있어서,

   상기 도파관은 직선 관통형 또는 다단 굽은 관통형을 포함하고,

   상기 반응기는 나선형 또는 상기 도파관 전체를 채워 지나가는 형태를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 반응기.
5. 순환형 도파관;

   상기 순환형 도파관 내부에 결합된 반응기; 및

   상기 순환형 도파관의 한쪽에 직접 결합된 마이크로파 발생수단을 포함하고,

   상기 마이크로파 발생수단으로부터 발생되어 상기 순환형 도파관으로 유입된 마이크로파가 상기 순환형 도파관을 따라 한바퀴 순환하면서 진행하는 동안, 한바퀴 순환한 마이크로파가 상기 마이크로파 발생수단으로부터 유입되는 마이크로파의 크기에 영향이 없도록 하면서, 상기 순환형 도파관을 따라 한바퀴 순환하는 마이크로파의 에너지를 이용하여 상기 반응기 내의 반응물을 처리하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 반응기.
6. 삭제
7. 관통 형태의 도파관의 한쪽 끝에 직접 결합된 마이크로파 발생수단으로부터 발생된 마이크로파를 상기 도파관으로 유입하여, 상기 도파관으로 유입된 마이크로파가 진행파 형태로 상기 도파관을 통과하여 상기 도파관의 다른 쪽 끝으로 나오도록 하고,

   마이크로파 흡수수단을 이용하여 상기 도파관의 다른 쪽 끝으로 나오는 마이크로파를 흡수하며,

   상기 진행파 형태로 상기 도파관을 통과하는 상기 마이크로파가 상기 도파관을 통과하는 동안 진행방향에 대해 상기 도파관 내부에 싱글 모드 또는 멀티 모드의 정상파 없이 고르게 분포되는 마이크로파 에너지를 이용하여 상기 도파관 내부에 결합된 반응기 내의 반응물을 처리하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 반응기의 마이크로파 에너지 분산 방법.
8. 순환형 도파관의 한쪽에 직접 결합된 마이크로파 발생수단으로부터 발생된 마이크로파를 상기 순환형 도파관으로 유입하여, 상기 순환형 도파관으로 유입된 마이크로파가 상기 순환형 도파관을 따라 한바퀴 순환하면서 진행하도록 하며,

   상기 순환형 도파관을 따라 한바퀴 순환한 마이크로파가 상기 마이크로파 발생수단으로부터 유입되는 마이크로파의 크기에 영향이 없도록 하면서, 상기 순환형 도파관을 따라 한바퀴 순환하는 마이크로파의 에너지를 이용하여 상기 순환형 도파관 내부에 결합된 반응기 내의 반응물을 처리하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 반응기의 마이크로파 에너지 분산 방법.

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