KR101104832B1 - 마이크로파 에너지로의 소재 노출 장치 - Google Patents

Abstract

맨드릴과 같은 연장 부재 상의 소재를 마이크로파 에너지에 노출시키기 위한 마이크로파 장치이다. 장치는 원통형 마이크로파 노출 챔버를 포함한다. 챔버의 원주 주위에 배치된 연장 슬롯은 챔버의 외부에 부착된 도파로의 벽에 있는 개구와 연결된다. 도파로를 향해 공급되는 마이크로파 에너지는 관련된 개구 및 슬롯을 통해 챔버로 전달된다. 웨이브 전파 방향으로 간격을 둔 바는 마이크로파 에너지를 균일하게 또는 원하는 방식에 따라 챔버를 향해 전달하기 위해 도파로에 있는 개구에 걸친다. 챔버의 후방 단에 있는 로우 프로파일 모드 교반기는 에너지 분배를 더 균일하게 한다. 앞판은 챔버로 밀봉되고, 회전가능한 맨드릴을 지지하며, 챔버 내부에서 마이크로파 에너지에 노출되는 소재가 맨드릴 위에 둘러싸인다.

Description

마이크로파 에너지로의 소재 노출 장치{CYLINDRICAL MICROWAVE CHAMBER}

본 발명은 일반적으로 마이크로파 가열에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 원통형 마이크로파 챔버 내부에서의 소재 가열에 관한 것이다.

많은 산업 공정은 재료가 가열될 것을 요구한다. 마이크로파 에너지는 다양한 소재를 조리하고, 건조하고, 살균하거나 보존시키는 이러한 다양한 공정에서 사용된다. 많은 응용 상황에 있어서, 소재가 균일하게 가열되는 것이 중요하다. 어떤 경우에는 소재가 금속 맨드릴(mandrel)과 같은 고정장치 주위를 덮어싸게 된다. 그러나 금속을 마이크로파에 노출시키는 시도는 아크를 야기하고, 제어하기 힘든 전자기장을 발생시킨다. 아크는 공정상의 소재 및 공정 장치 모두에게 손상을 입힐 수 있다. 그리고 전자기장을 적절하게 제어하지 않을 경우 소재는 균일하게 또는 효과적으로 가열될 수 없다. 결과적으로 아크 없이 효과적이고 균일하게 소재를 가열할 수 있는 마이크로파 가열장치가 필요하다.

이러한 그리고 다른 요구조건은 본 발명이 구현하고자 하는 특징을 갖춘 가열 장치에 의해 만족된다. 장치는 일단으로부터 타단을 향해 축방향으로 신장하는 원통형 벽을 포함한다. 벽은 내면과 외면을 포함한다. 슬롯이 벽에 형성되어 있다. 경판(end plate)은 원통형 챔버를 형성하기 위해 벽의 타단을 막는다. 장치는 또한 도파로(waveguide)를 포함한다. 도파로에는 길이를 따라 개구가 형성되어 있다. 도파로는 개구가 슬롯과 연통하도록 원통형 챔버와 연결된다. 도파로는 마이크로파 에너지를 개구 및 슬롯을 통해 원통형 챔버 내로 보낸다.

본 발명의 또 다른 특징으로서, 도파로는 마이크로파 전달 방향으로 신장하는 긴 직사각형 도파로를 형성하기 위하여, 2개의 마주보는 제 2 벽과 연결되는 2개의 마주보는 제 1 벽을 포함한다. 개구는 도파로의 길이방향의 일부를 따라서 제 1 벽의 하나에 형성되어 있다. 바(bar)가 개구를 가로질러 신장한다. 바는 도파로의 길이방향을 따라서 공간을 두고 떨어져 있다. 도파로는 마이크로파 챔버 내부의 슬롯과 연통하는 개구가 있는 마이크로파 챔버에 부착가능하다. 도파로는 마이크로파 챔버로 통하는 개구 및 슬롯을 통해 마이크로파 에너지를 연결시킨다.

본 발명의 또 다른 특징으로서, 도파로는 도파로의 벽 중의 하나에 다른 금속 부재 및 틈새의 패턴을 형성한다. 금속 부재는 도파로를 따라서 마이크로파 전달의 방향으로 공간을 두고 떨어져 있다. 도파로는, 다른 금속 부재 및 틈새에 의해 결정되는 이미 선택된 방식에 의해 틈새와 슬롯을 통해 마이크로파 챔버로 들어오는 마이크로파 에너지를 방출하기 위하여, 마이크로파 챔버의 슬롯과 연통하는 틈새가 있는 마이크로파 챔버에 부착가능하다.

그러나 본 발명의 또 다른 특징으로서, 원통형 마이크로파 노출 챔버에 사용되는 모드 교반기(mode stirrer)는 회전축에 해당하는 회전가능한 샤프트를 포함한다. 부채꼴 블레이드가 축에 부착된다. 블레이드는 회전축에 수직이고, 평행한 평면을 이루도록 배치된다.

본 발명의 이러한 구성요소와 특징뿐만이 아니라 장점은 이하의 설명, 첨부된 청구항 및 첨부 도면을 참고하는 경우 더 잘 이해된다.

도 1은 본 발명의 구성요소를 구현하는 마이크로파 노출 챔버의 전면 사시도이다.

도 2는 도 1의 마이크로파 노출 챔버의 배면 사시도이다.

도 3은 도 1의 마이크로파 노출 챔버에 있어서, 챔버 내부의 축방향 투시도이다.

도 4는 도 1의 마이크로파 노출 챔버에 사용되는 모드 교반기의 사시도이다.

도 5는 도 1의 마이크로파 노출 챔버에 사용되는 긴 도파로의 사시도이다.

도 6은 도 1의 마이크로파 챔버와 전면 판을 통한 맨드릴 상의 소재에 대한 분해도이다.

도 7은 맨드릴이 삽입된 도 1의 마이크로파 챔버의 절단된 측면도이다.

도 8은 맨드릴이 삽입된 도 1의 마이크로파 챔버의 축방향 단면이다.

본 발명의 구성요소를 구현하는 마이크로파 노출 장치가 도 1 및 도 2에 도시된다. 장치는 제 1 입구 단(14)으로부터 경판(16)으로 막혀있는 제 2 단(15)을 향해 신장하는 경판이 있는 원통형 벽(12)을 갖는 마이크로파 노출 챔버(10)를 포함한다. 골격(17)은 챔버 및 결합된 부품들을 지지한다. 원통형 벽은 내면(18)과 외면(19)을 갖는다. 연장 슬롯(20)은 바람직하게는 대각선으로 마주보는 위치로 벽에 형성된다. 본 명세서에는 4개의 슬롯이 원통형 챔버의 원주 주위로 매 90도마다 간격을 두고 도시된다. 더 적거나 더 많은 수의 슬롯이 사용될 수 있으나, 여러 개의 슬롯이 사용되는 경우 슬롯이 적어도 3개의 파장으로 원주상에 배치되는 것이 바람직하다. 마이크로파 에너지는 슬롯을 통해 챔버로 연결된다.

본 명세서에는 마그네트론(magnetron, 22)이 마이크로파 에너지원으로 사용된다. 이러한 예에서 다른 주파수나 전력수준도 응용함에 따라 가능함에도 불구하고 마그네트론은 2.45 GHz 및 6kW로 작동한다. 각각의 마그네트론은 독립적인 도파로(24)로 연결된다. 순환기(23)는 손상을 방지하기 위해 마그네트론과 연결된다. 도파로의 튜닝 섹션(tuning section, 26)은 마그네트론을 부하에 맞추어 조정하기 위해 사용된다. 직사각형 도파로는 TE₁₀-모드 전자기파를 지속시키기 위한 사양으로 제작된다. 마이크로파 에너지는 도파로 아래로 전달되고, 2개의 슬롯을 통해 챔버로 연결된다. 각각의 도파로는 슬롯(20)을 통해 챔버로 마이크로파 에너지를 내보 내는 한 쌍의 누출 바 구조(leaky bar structure, 28)를 포함한다. 구조는 직렬로 연결되며, 챔버의 마주보는 단 각각의 끝에서 발전기와 연결된다. 도파로는 증가된 효율을 위해 쇼팅 판(shorting plate, 30)에서 종결한다.

마그네트론은 파워 서플라이(32)에 의해 전원이 공급된다. 컨트롤러(34)는 파워 서플라이를 제어하고, 시스템 작동 상태를 모니터한다. 예를 들어 전자기 방사 누출 측정기(electromagnetic radiation leak detector, 36)는 컨트롤러로 연결되며, 컨트롤러는 방사 수준을 나타내기 위해 측정기의 출력을 모니터한다.

마이크로파 챔버의 내부가 도 3에 도시된다. 챔버의 벽(12)에 있는 슬롯(20)은 통상적으로 챔버의 길이방향으로 신장한다. 슬롯은 원통형 챔버의 축에 평행하게 배열될 수 있지만, 축 방향에 비스듬하게 배치되는 것이 바람직하다. 이러한 비스듬하게 놓인 상태로 인해 공동 구석까지 에너지가 퍼지게 된다.

모드 교반기(38, 도 4)는 챔버 내부의 막힌 제 2 단에 위치한다. 모드 교반기는 4개의 부채꼴 블레이드(40)를 갖고, 각각은 허브(42)로부터 바깥쪽으로 신장한다. 블레이드를 회전시키는 회전 구동 샤프트(44)가 허브상의 구멍에 수용된다. 구동 샤프트는 경판(16)의 베어링을 통해 후방 하우징(46)의 모터(도시되지 않음)를 향해 신장한다. 예에서 도시된 4개의 블레이드는 그 두께만큼 연속되는 블레이드로부터 축방향으로 오프셋을 두고 서로 다른 평면에 배치된다. 쌓아놓은 블레이드의 평면은 경판에 수평이고, 구동 샤프트의 축에는 수직이다. 블레이드의 평면은 적어도 1/4 파장만큼 오프셋 된 것이 바람직하다. 블레이드는 또한, 블레이드 사이의 아크를 방지하기 위해 블레이드 사이에 큰 간격(48)을 두고 서로 원주방향으로 떨어져 있다. 또한 모든 블레이드에 의한 부채꼴의 전장의 합은 360°보다 작다. 또한 모드 교반기의 오프셋 평면 구조는 각을 이루는 블레이드가 있는 모드 교반기보다 공간을 적게 차지한다. 로우 프로파일(low-profile) 모드 교반기는 시간의 경과에 따라서 방사 노출이 더 균일하게 하는데 효과적이다. 이 예에서 교반기는 약 10 rev/min의 속도로 회전한다.

누출 바 도파로(leaky bar waveguide, 28)가 도 5에 단독으로 도시된다. 도파로는 너비를 따라 개구(50)를 포함한다. 개구가 바람직하게는 챔버 내부로 에너지가 더 점진적으로 방출되도록 도파로의 2개의 좁은 벽(52) 중의 하나에 있다. 좁은 벽은 직사각형 도파로를 형성하기 위해 넓은 벽(53)에 의해 연결된다. (개구는 대신에 넓은 벽에 형성될 수 있다.) 바(54)의 형상인 금속 부재는 주된 파동 전파 방향(56)을 따라 떨어져 배치되며, 이 예에서 개구를 가로질러 신장한다. 바는 바람직하게는 아크를 줄이기 위해 원통형(모난 모서리가 없는)이다. 바는 전파 방향을 따라서 일정한 간격(57)을 두고 균일하게 배치되며, 바와 틈새가 교차하는 패턴을 형성한다. 그러나 간격은 응용함에 따라서는 챔버에서 에너지 분배를 조정하기 위해 서로 다른 미리 선택된 패턴으로 한쪽에서 다른 쪽으로 변할 수 있다. 이 예에서 동력 레벨 및 작동 주파수를 위해서 바의 중심에서 중심 사이의 균일하게 배치된 간격은 약 3 cm 단위이다. 이 간격은 아크를 방지하고, 공동으로 에너지가 점진적으로 방출되도록 한다. 도파로는 개구가 챔버 벽의 슬롯과 연통하도록 챔버의 외벽(19)에 부착된다. 도파로의 마이크로파 에너지는 개구 및 결합된 슬롯을 통해서 챔버로 유입된다. 바는 챔버로의 에너지 유입이 더욱 점진적이고 균일하도록 해준다. 비스듬한 슬롯과 유사하게 누설 바 도파로는 챔버의 축방향과 각도를 이루며 배치된다.

챔버(10)는 메탈 맨드릴(60)과 같은 연장 부재 주위에 둘러싸인 소재(58)를 마이크로파 에너지에 노출시키는데 특히 유용하다. 맨드릴은 덮개판(62)에 의해 지지되고, 그를 통해 신장한다. 덮개판은 챔버의 일단에서 밀봉된다. 맨드릴은 챔버 내부를 향해 축방향으로 신장한다. 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 소재 및 맨드릴은 아크를 최소화하기 위하여 내벽(18) 및 경판(16)으로부터 적어도 2.5 cm 간격을 두고 떨어져 있다. (동력 레벨이 낮을수록 거리는 좁혀진다.) 선택적인 비금속 스페이서(64)는 소재를 맨드릴로부터 간격을 띄우도록 사용될 수 있다. 누출 바 도파로(28)의 최초의 바(54') 및 최후의 바(54")는 맨드릴 상의 소재보다 챔버의 단에 더 가까이(예를 들어 약 3 cm 이내로) 배치되는 것이 바람직하다. 소재는 챔버 내부에서 회전할 수도, 하지 않을 수도 있으나, 이러한 것은 바람직하게는 소재의 더 균일한 가열을 위한 것이다.

맨드릴은 챔버 내부에서 덮개판에 의해 외팔보로 유지되며, 모터(도시되지 않음)에 의해 회전되면서 맨드릴과 닿는 회전 베어링(66)을 갖는다. 맨드릴이 회전하면서, 슬롯을 통해 방출되는 마이크로파 에너지는 처리되는 소재에 직접 작용한다. 챔버 및 맨드릴의 형상을 통해서 그리고 챔버 구석구석까지 에너지를 더 잘 분배하는 모드 교반기에 의해서, 균일한 방사 패턴은 챔버 내부에서 유지된다.

본 발명이 바람직한 실시예에 관하여 자세하게 설명되어 있음에도 불구하고, 다른 실시예도 가능하다. 예를 들어 누출 도파로 상의 바는 원형 외에도 정사각형, 직사각형 및 타원형의 단면을 가질 수 있으며, 둥근 모서리를 가지거나 갖지 않을 수 있으며, 선택된 에너지 방출을 제공하는 패턴에 따라 벽의 절단된 틈새에 의해 구별되는 도파로 벽의 잔류 스트립(residual strip)으로서 형성되는 것조차도 가능하다. 다른 예로서, 만약 더 가까이 배치된 누출 바 도파로가 마이크로파 에너지를 챔버 내부를 향해 유입시키는데 사용된다면, 다른 경우라면 균일하게 가열되기 위하여 회전되어야 할 회전 소재는 필요하지 않을 수도 있다. 따라서, 이러한 예가 제안하는 바와 같이, 본 발명의 의도 및 범위는 상세하게 설명된 예에 제한되지 않는다.

Claims (35)

1. 마이크로파 에너지에 소재를 노출시키기 위한 장치로서,

   제 1 단으로부터 제 2 단을 향해 축을 따라 신장하고, 내면과 외면을 포함하며, 상기 내면 및 상기 외면 사이에 제 1 슬롯이 형성된 원통형 벽;

   상기 원통형 벽의 상기 제 2 단을 막아 원통형 챔버를 형성하는 경판(end plate); 및

   길이를 따라 개구가 형성된 제 1 도파로;를 포함하고,

   상기 제 1 도파로는 상기 개구가 상기 제 1 슬롯과 연통하도록 상기 원통형 챔버와 연결되고, 상기 제 1 슬롯을 통해 상기 원통형 챔버 내로 마이크로파 에너지를 전달하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 에너지로의 소재 노출 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   마이크로파 에너지에 노출되는 소재로 덮이고, 상기 원통형 챔버 내부에서 동축으로 배치된 연장 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 에너지로의 소재 노출 장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 연장 부재가 금속 맨드릴(metal mendrel)인 것을 특징으로 하는 마이크로파 에너지로의 소재 노출 장치.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 원통형 벽의 내면과 상기 연장 부재 사이의 거리는 상기 원통형 챔버 전체에 걸쳐 동일한 것을 특징으로 하는 마이크로파 에너지로의 소재 노출 장치.
5. 제 2 항에 있어서,

   상기 원통형 벽의 내면과 상기 연장 부재 사이의 거리는 상기 내면과 상기 연장 부재 사이의 아크를 제거가능한 크기인 것을 특징으로 하는 마이크로파 에너지로의 소재 노출 장치.
6. 제 2 항에 있어서,

   상기 경판과 상기 연장 부재 사이의 거리는 상기 경판과 상기 연장 부재 사이의 아크를 제거가능한 크기인 것을 특징으로 하는 마이크로파 에너지로의 소재 노출 장치.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 원통형 벽의 상기 제 1 단에 있는 제 2 경판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 에너지로의 소재 노출 장치.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 원통형 벽에는, 상기 내면 및 상기 외면 사이에서 상기 제 1 슬롯으로부터 원주방향으로 간격을 두고 배치된 제 2 슬롯이 더 형성되고,

   길이 방향으로 형성된 개구가 상기 제 2 슬롯과 연통하도록 상기 원통형 챔버에 연결된 제 2 도파로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 에너지로의 소재 노출 장치.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 제 1 슬롯 및 상기 제 2 슬롯은 직경 방향으로 정반대의 위치에서 상기 원통형 벽에 형성된 것을 특징으로 하는 마이크로파 에너지로의 소재 노출 장치.
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 원통형 벽에는 원주를 따라 90°간격으로 4개의 슬롯이 형성된 것을 특징으로 하는 마이크로파 에너지로의 소재 노출 장치.
11. 제 1 항에 있어서,

    상기 슬롯은 상기 원통형 챔버의 축에 대해 비스듬한 장축을 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로파 에너지로의 소재 노출 장치.
12. 제 1 항에 있어서,

    상기 원통형 챔버의 상기 경판에 있는 모드 교반기(mode stirrer)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 에너지로의 소재 노출 장치.
13. 제 12 항에 있어서,

    상기 모드 교반기는 회전 샤프트와, 상기 샤프트로부터 신장하는 복수의 부채꼴 블레이드(sector-shaped blades)를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 에너지로의 소재 노출 장치.
14. 제 13 항에 있어서,

    상기 블레이드의 적어도 일부는 서로 간에 축방향으로 오프셋 된 것을 특징으로 하는 마이크로파 에너지로의 소재 노출 장치.
15. 제 13 항에 있어서,

    상기 블레이드는 서로 간에 원주방향으로 이격된 것을 특징으로 하는 마이크로파 에너지로의 소재 노출 장치.
16. 제 13 항에 있어서,

    상기 블레이드의 평면은 상기 경판에 평행한 것을 특징으로 하는 마이크로파 에너지로의 소재 노출 장치.
17. 제 13 항에 있어서,

    모든 상기 부채꼴 블레이드에 의해 펼친 부채꼴의 합이 360°미만인 것을 특징으로 하는 마이크로파 에너지로의 소재 노출 장치.
18. 제 1 항에 있어서,

    상기 제 1 도파로는 한 쌍의 마주보는 좁은 벽과 한 쌍의 마주보는 넓은 벽으로 된 직사각형이고, 상기 제 1 도파로의 상기 개구는 상기 좁은 벽 중의 하나에 형성된 것을 특징으로 하는 마이크로파 에너지로의 소재 노출 장치.
19. 제 1 항에 있어서,

    상기 제 1 도파로의 상기 개구를 가로질러 신장된 바(bars)들을 더 포함하며,

    상기 바들은 서로 간격을 두고 평행하게 신장된 것을 특징으로 하는 마이크로파 에너지로의 소재 노출 장치.
20. 제 19 항에 있어서,

    연속적인 평행 바 사이의 간격이 일정한 것을 특징으로 하는 마이크로파 에너지로의 소재 노출 장치.
21. 제 19 항에 있어서,

    상기 바가 원통형인 것을 특징으로 하는 마이크로파 에너지로의 소재 노출 장치.
22. 제 1 항에 있어서,

    상기 제 1 도파로는 상기 원통형 챔버의 축에 대해 각도를 이루어 배치된 것을 특징으로 하는 마이크로파 에너지로의 소재 노출 장치.
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