KR101031107B1 - 진동체를 이용한 가변 길이 마이크로파 반응기 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공진기 내부에 입사된 마이크로파에 의하여 형성되는 에너지 밀도가 공진기 내에서 균일한 분포를 갖도록 공진기의 한쪽 끝 또는 양쪽 끝 단에 진동체를 설치하여 공진기의 길이를 가변시키는 효과를 이용하는 마이크로파 반응기에 관한 것이다. 본 발명에 따른 마이크로파 반응기는, 공진기 내부에 방사된 마이크로파를 반사시키는 진동체가 진동하여 상기 공진기의 길이를 실질적으로 가변시킴으로써, 공진기 내부의 에너지 분포를 균일하게 할 수 있다.

마이크로파, 균일 마이크로파, 가변 길이 공진기, 진동체

Description

진동체를 이용한 가변 길이 마이크로파 반응기 및 그 방법{Length-Variable Microwave Reactor Using Vibrator and Method thereof}

본 발명은 마이크로파를 이용하여 물질을 가열하거나 화학적 반응을 일으키는 마이크로파 반응기(microwave reactor)에 관한 것으로서, 특히, 입사된 마이크로파에 의하여 공진기 내부에 형성되는 에너지 밀도가 공진기 내에서 균일한 분포를 갖도록 공진기의 한쪽 끝 또는 양쪽 끝 단에 진동체를 설치하여 공진기의 길이를 가변시키는 효과를 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 0.3~300GHz, 파장은 1mm~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.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 입사된 마이크로파에 의하여 공진기 내부에 형성되는 마이크로파 에너지 밀도가 공진기 내에서 균일한 분포를 가지는 마이크로파 반응기를 제공하는 데 있다.

그리고, 본 발명의 다른 목적은 공진기의 한쪽 끝 또는 양쪽 끝 단에 진동체를 설치하여 공진기의 길이를 가변시킴으로써 공진기 내부의 고른 에너지 밀도를 유도하는 마이크로파 반응기를 제공하는 데 있다.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른, 마이크로파 반응기는, 공진기 내부에 방사된 마이크로파를 반사시키는 진동체가 진동하여 상기 공진기의 길이를 실질적으로 가변시키는 것을 특징으로 한다.

상기 진동체가 상기 마이크로파 공진기의 정상파 파장의 대략 1/4 이상, 바람직하게는 파장의 1/4의 배수만큼 좌우로 진동하여 상기 공진기 내부의 고른 에너지 분포를 유도할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 일면에 따른 마이크로파 반응기는, 공진기 내부의 두개의 진동체들을 이용하여, 상기 공진기 내부에 방사된 마이크로파를 상기 두개의 진동체들 사이에서 서로 반사시키고, 상기 두개의 진동체들 중 어느 하나 이상이 진동하여 상기 공진기의 길이를 실질적으로 가변시키는 것을 특징으로 한다.

상기 두개의 진동체들 중 어느 하나가 상기 마이크로파의 파장의 1/4 이상, 바람직하게는 파장의 1/4의 배수만큼 좌우로 진동하거나 상기 두개의 진동체들이 서로 다른 방향으로 진동하는 거리의 합이 상기 마이크로파의 파장의 1/4 이상, 바람직하게는 파장의 1/4의 배수만큼 되도록 하여 상기 공진기 내부의 고른 에너지 분포를 유도할 수 있다.

상기 마이크로파를 상기 공진기 내부에 방사하기 위한 방법은 매우 다양하다. 공진기의 한쪽에서 도파관을 이용하여 직접 마이크로파를 입력시키거나, 마이크로파 결합기를 사용하여 다양한 방향에서 마이크로파를 입력시킬 수 있다. 마이크로파를 입력시키는 방법은 공진기 내의 물질의 특성이 어떻게 되고 어떤 분포를 가지는지에 따라 적절히 선택되어야 이 발명의 효과를 극대화 할 수 있다.

상기 공진기의 모양은 적용 대상에 따라 다양하게 정할 수 있다. 도파관 형태를 적용하는 직선형, 이를 적어도 한 번이상 굽혀서 작용면적을 늘리는 굽은형 등을 포함할 수 있다.

그리고, 본 발명의 또 다른 일면에 따른 마이크로파 반응기의 마이크로파 에너지 분산 방법은, 공진기 내부에 설치된 적어도 하나 이상의 진동체를 이용하여 상기 진동체의 진동에 따라 상기 공진기의 길이를 실질적으로 가변시켜서 상기 공진기 내부의 고른 에너지 분포를 유도하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로파 반응기에 따르면, 공진기에 입사된 마이크로파에 의하여 공진기 내부에 균일한 분포의 에너지 밀도를 형성할 수 있다.

그리고, 본 발명에 따른 마이크로파 반응기에 따르면, 공진기의 한쪽 끝 또는 양쪽 끝 단에 진동체를 설치하여 공진기의 길이를 가변시킴으로써 공진기 내부의 고른 에너지 밀도를 유도할 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 1은 본 발명의 일실시예에 따른 공진기의 가변 길이 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하면, 공진기 110이나 공진기 120과 같이, 마이크로파(MW)가 입사되는 반대쪽 끝이 막혀있는 공진기에서는 정상파의 파장(λ_m,n,l)에 따라 결정된 일정 패턴의 에너지 분포가 형성된다.

공진기 내부에 형성되는 마이크로파의 정상파 파장(λ_m,n,l)은 공진기의 크기와 해당 고유모드 및 공진기 내 물질의 유전율(permittivity)과 투자율(permeability)에 따라 달라진다. 예를 들어, 직육면체 형태의 공진기의 정상파 파장은, [수학식 1]과 같이 표현된다.

[수학식 1]

여기서 a, b, c는 직육면체의 각 변의 길이이고, m, n, l은 고유모드 번호를 의미한다. 공진기 내부의 마이크로파의 세기는 λ_m,n,l/2 의 주기로 강약을 나타나게 된다. 일반적으로 마이크로파 반응기내의 물질은 공진기의 공간을 모두 채우지 않으므로 단순한 계산으로는 공진기내의 파장을 정확히 알아내기 힘들므로, 보통 수치해석 프로그램인 Microwave studio나 HFSS와 같은 상용의 마이크로파 해석 소프트웨어를 사용하여 알아낸다.

이와 같은 원리에 따라 도 1에서 공진기 내부에 표시한 에너지 분포 패턴과 같이 마이크로파의 λ_m,n,l/2 주기로 에너지 밀도가 크다(촘촘한 패턴 부분) 작다(넓은 패턴 부분)를 반복한다.

즉, 공진기 110에서 각 위치에 대한 에너지 분포가 도 2의 210과 같은 경우에, 1/4 λ_m,n,l(마이크로파 파장의 1/4) 또는 그 배수만큼 공진기의 길이가 짧은 공진기 120에서는 도 2의 220과 같은 에너지 분포를 나타낸다. 여기서, 마이크로파의 에너지는 W/m³ 단위의 Power Loss Density로 예시하였으나, 이와 같은 단위에 한정되지 않고 단위 부피당 Joule, Calorie 등으로 환산한 값을 가리킬 수도 있다.

따라서, 도 2와 같이 두 공진기(110, 120)에 의한 에너지 분포를 합산하면 도 2의 230과 같이 나타낼 수 있다. 따라서, 이와 같은 원리를 이용하여 공진기의 길 이가 자체적으로 가변된다면 도 2의 230과 같이 고른 에너지 분포를 얻을 수 있음을 알 수 있다.

본 발명에서는 위와 같은 원리를 이용하여, 공진기의 길이를 직접 변경할 수는 없지만 진동체의 움직임을 이용하여 공진기의 길이가 실질적으로 가변되는 효과를 얻음으로써, 공진기 내부에 고른 에너지 분포가 유도될 수 있도록 하였다.

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

도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로파 반응기는 공진기와 진동체를 포함한다. 이외에도 진동체에 연결되어 진동체가 좌우로 움직이도록 구동하기 위한 공진기 회로가 외부에 포함될 수 있다. 공진기의 단면은 원형, 직사각형, 정사각형 등 필요에 따라 여러 가지 형태로 할 수 있다.

도 3에서, 외부의 소정 마이크로파 발생 수단을 통하여 마이크로파를 발생시킬 수 있고, 발생된 마이크로파는 개방된 한쪽 끝을 통하여 유입되어 공진기 내부에 방사되거나 소정의 마이크로파 결합기를 다양하게 사용하여 여러 곳에서 공진기 내부로 방사될 수 있다. 공진기 내부에 방사된 마이크로파는 다른쪽 끝에 설치된 진동체에서 반사될 수 있다. 이때, 진동체가 마이크로파 파장의 대략 1/4이상(경우에 따라서는, 마이크로파 파장의 1/5 또는 그 이상의 진동으로도 소정의 균일화 효과를 얻을 수 있다.), 바람직하게는 파장의 1/4의 배수만큼 좌우로 진동하면, 공진기 내부의 에너지 분포는 도 2의 230과 같이 고르게 유도될 수 있다.

진동체의 좌우 이동을 제어하는 공진기 회로의 설계에 따라 진동체가 우로 진동하는 길이, 즉, 공진기의 길이를 실질적으로 가변시키는 길이는 미리 정해질 수 있다. 예를 들어, λ_m,n,l의 1/4, 2/4, 3/4..등으로 진동체의 좌우 이동량이 확보되도록 공진기 회로를 설계함으로써, 필요한 반응기에 적합하도록 적절히 공진기 내부에 에너지가 분산되도록 할 수 있다. 또한, 진동체의 좌우 진동 시간은 공진기 내의 물질의 온도분포가 고르게 유지될 수 있도록 조정하는 것이 바람직하다.

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

도 4와 같이, 공진기 내부에 두개의 진동체들을 구비하여 진동시킴으로써 공진기의 길이를 실질적으로 가변시켜서 공진기 내부의 고른 에너지 분포를 유도할 수도 있다. 즉, 공진기 내부에 방사된 마이크로파를 두개의 진동체들 사이에서 서로 반사시키고, 해당 두개의 진동체들 중 어느 하나 이상이 진동하여 공진기의 길이가 실질적으로 가변되도록 할 수 있다. 이때, 마이크로파를 공진기 내부에 방사하기 위하여 두개의 진동체들 중 어느 한쪽(예를 들어, 좌측 진동체)에 소정 마이크로파 발생수단을 장착할 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니며, 공진기 벽면에 한 개 또는 다수의 마이크로파 결합기를 사용하여 필요한 마이크로파를 방사시키는 것도 가능하다.

예를 들어, 도 4와 같은 공진기 내부의 두개의 진동체들이 서로 다른 방향으로 진동하는 거리의 합이 마이크로파의 파장의 1/4의 배수가 되도록 하여 공진기 내부의 고른 에너지 분포를 유도할 수 있다. 즉, 좌측 진동체(또는 우측 진동체)가 우측으로 진동하는 동안 우측 진동체(또는 좌측 진동체)가 좌측으로 진동할 때 그 전체 진동 거리의 합이 마이크로파의 파장의 1/4의 배수가 되도록 할 수 있다.

또는, 경우에 따라서는, 예를 들어, 공진기 내부의 두개의 진동체들 중 좌측 진동체(또는 우측 진동체)는 고정하고 우측 진동체(또는 좌측 진동체)를 마이크로파의 파장의 1/4의 배수만큼 좌우로 진동시켜서 공진기 내부의 고른 에너지 분포를 유도할 수도 있다.

지금까지 설명한 공진기는 직선형인 것으로 가정하였다. 이에 한정되지 않으며, 도 5 또는 도 6과 같이 한번 또는 여러 번 굽은형태의 공진기에서도 위와 같은 원리로 공진기 내부의 고른 에너지 분포를 유도할 수 있다. 즉, 도 5와 같이, 공진기 내부에 방사된 마이크로파는 다른쪽 끝에 설치된 진동체에서 반사될 수 있으며, 이때, 진동체가 마이크로파의 파장의 1/4의 배수만큼 좌우로 진동하면, 공진기 내부의 에너지 분포는 도 2의 230과 같이 고르게 유도될 수 있다. 또한, 도 6과 같이, 공진기 내부에 두개의 진동체들을 구비하여 진동시킴으로써 공진기의 길이를 실질적으로 가변시킬 수 있고, 이때 공진기 내부에 방사된 마이크로파는 두개의 진동체들 사이에서 서로 반사되어 얻어지는 공진기 내부의 에너지 분포는 도 2의 230과 같이 고르게 유도될 수 있다.

위에서 기술한 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로파 반응기에서는, 공진기 내부에 설치된 적어도 하나 이상의 진동체를 이용하여 해당 진동체의 진동에 따라 공진기의 길이를 실질적으로 가변시킬 수 있고, 이에 따라 공진기 내부의 고른 에너지 분포를 유도할 수 있다. 이에 따라, 가열 및 화학반응 등의 처리를 수행하는 마이크로파 반응기에 적용하여, 공진기 내부의 전영역에 걸쳐 고른 에너지 분포를 유도함으로써, 균일하게 에너지를 전달할 수 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 공진기의 가변 길이 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 2는 공진기의 가변 길이에 따른 에너지 밀도를 설명하기 위한 그래프이다.

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

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

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

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

Claims (6)

1. 공진기 내부에 방사된 마이크로파를 반사시키는 진동체가 진동하여 상기 공진기의 길이를 실질적으로 가변시키되,

   상기 진동체가 상기 마이크로파 파장의 1/5이상의 길이만큼 좌우로 진동하여 상기 공진기 내부의 고른 에너지 분포를 유도하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 반응기.
2. 삭제
3. 공진기 내부의 두개의 진동체들을 이용하여,

   상기 공진기 내부에 방사된 마이크로파를 상기 두개의 진동체들 사이에서 서로 반사시키고, 상기 두개의 진동체들 중 어느 하나 이상이 진동하여 상기 공진기의 길이를 실질적으로 가변시키는 것을 특징으로 하는 마이크로파 반응기.
4. 제3항에 있어서, 상기 두개의 진동체들 중 어느 하나가 상기 마이크로파의 파장의 1/4의 배수만큼 좌우로 진동하거나 상기 두개의 진동체들이 서로 다른 방향으로 진동하는 거리의 합이 상기 마이크로파의 파장의 1/4의 배수가 되도록 하여 상기 공진기 내부의 고른 에너지 분포를 유도하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 반응기.
5. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 공진기의 모양은 직선형, 또는 적어도 한 번이상 굽은형을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 반응기.
6. 공진기 내부에 설치된 적어도 하나 이상의 진동체를 이용하여

   상기 진동체의 진동에 따라 상기 공진기의 길이를 실질적으로 가변시켜서 상기 공진기 내부의 고른 에너지 분포를 유도하되,

   상기 적어도 하나 이상의 진동체가 마이크로파 파장의 1/5이상의 길이의 길이만큼 좌우로 진동하여 상기 공진기 내부의 고른 에너지 분포를 유도하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 반응기의 마이크로파 에너지 분산 방법.

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