KR101455158B1 - 안테나 냉각 기능을 갖는 마이크로웨이브 헤드장치 및 마이크로웨이브 제너레이터 - Google Patents

안테나 냉각 기능을 갖는 마이크로웨이브 헤드장치 및 마이크로웨이브 제너레이터 Download PDF

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Abstract

안테나 냉각 기능을 갖는 마이크로웨이브 헤드장치 및 마이크로웨이브 제너레이터가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 안테나 냉각 기능을 갖는 마이크로웨이브 헤드장치는, 마그네트론; 상기 마그네트론의 안테나가 내부 공간에 배치되도록 상기 마그네트론과 결합되어 상기 안테나로부터 방출된 마이크로파의 전달 경로를 가이드하는 도파관을 구비하는 런처; 및 상기 도파관 내부의 상기 안테나 주변으로 가스를 공급하여 상기 안테나를 일정 이상 냉각하고 상기 도파관 내부의 압력을 상압 이상으로 하여 상기 도파관 내부에서 아킹(arcing) 현상이 발생하는 것을 방지하는 가스공급수단을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 실시예에 의하면, 마그네트론의 안테나 주변으로 가스를 공급하여 안테나로부터 마이크로파가 방출될 때 안테나가 과열되는 것을 방지하여 마그네트론의 수명을 증대시킬 수 있으며, 도파관 내부로 가스를 주입하여 도파관 내부의 압력을 증대시켜 외부 가스(특히 산소)의 도파관 내부로의 유입을 차단함으로써, 안테나가 산소와의 접촉에 의해 산화되는 것을 방지할 수 있다.

Description

안테나 냉각 기능을 갖는 마이크로웨이브 헤드장치 및 마이크로웨이브 제너레이터{MICROWAVE HEAD HAVING A FUNCTION FOR COOLING A ANTENNA AND MICROWAVE GENERATOR}
본 발명은, 안테나 냉각 기능을 갖는 마이크로웨이브 헤드장치 및 마이크로웨이브 제너레이터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 마그네트론의 안테나 주변으로 가스를 공급하여 안테나로부터 마이크로파가 방출될 때 안테나가 과열되는 것을 방지함과 더불어 안테나가 산소와 접촉하여 산화되는 것을 방지할 뿐만 아니라 도파관 내부에서 아킹(arcing) 현상이 발생하는 것을 최소화하여 마그네트론의 수명을 증대할 수 있는 안테나 냉각 기능을 갖는 마이크로웨이브 헤드장치 및 마이크로웨이브 제너레이터에 관한 것이다.
일반적으로, 고전력 마이크로웨이브는 열원이나 플라즈마 발생장치 등에 사용되는데, 그 사용처는 점차적으로 넓어지고 있으며 마이크로웨이브의 특성상 일정양의 에너지를 매질에 효율적으로 전달하는데 효과적이다.
단, 마이크로웨이브의 단점으로는 마그네트론의 수명이 한계가 있어 어느 정도 적합화된 임피던스 조건에서도 3000시간에서 5000시간 정도 사용되는 것으로 알려져 있다.
마그네트론의 수명과 연관되는 인자를 살펴보면, 대략 50% 이상은 전자를 방출하는 필라멘트의 열화로 인하여 그 동작이 원활하지 않거나 마이크로웨이브 발진을 제대로 못하게 되는 경우가 많다.
또한, 마그네트론의 수명을 좌우하는 또 다른 원인으로는 안테나 부분의 열화 또는 산화로 인하여 발진 특성이 변하거나, 도파관 내부의 아킹(arcing) 현상으로 인해 안테나 내부의 밀폐가 깨져 발진을 못하는 경우가 있다. 하지만, 현재 마그네트론 자체로 안테나를 완벽히 보호하는 기술이 없어서 안테나가 열화되거나 산화되는 현상이 발생하는 것을 해결하지 못하는 실정이다.
본 발명의 목적은, 마그네트론의 안테나 주변으로 가스를 공급하여 안테나로부터 마이크로파가 방출될 때 안테나가 과열되는 것을 방지하여 마그네트론의 수명을 증대시킬 수 있는 안테나 냉각 기능을 갖는 마이크로웨이브 헤드장치 및 마이크로웨이브 제너레이터를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 안테나가 산소와 접촉하여 산화되는 것을 방지할 뿐만 아니라 도파관 내부에서 아킹(arcing) 현상이 발생하는 것을 최소화하여 마그네트론의 수명을 증대할 수 있는 안테나 냉각 기능을 갖는 마이크로웨이브 헤드장치 및 마이크로웨이브 제너레이터를 제공하는 것이다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
상기 목적은, 마그네트론; 상기 마그네트론의 안테나가 내부 공간에 배치되도록 상기 마그네트론과 결합되어 상기 안테나로부터 방출된 마이크로파의 전달 경로를 가이드하는 도파관을 구비하는 런처; 및 상기 도파관 내부의 상기 안테나 주변으로 가스를 공급하여 상기 안테나를 일정 이상 냉각하고 상기 도파관 내부의 압력을 상압 이상으로 하여 상기 도파관 내부에서 아킹(arcing) 현상이 발생하는 것을 방지하는 가스공급수단을 포함하는 안테나 냉각 기능을 갖는 마이크로웨이브 헤드장치에 의해서 달성된다.
여기서, 상기 가스공급수단은, 가스가 저장되어 있는 가스탱크; 상기 도파관과 상기 가스탱크를 연결하는 배관; 및 상기 배관 상에 설치되어 상기 가스의 공급 유량을 제어하는 조절밸브를 포함할 수 있다.
상기 마그네트론를 온오프 구동함과 더불어 상기 마그네트론의 온오프 구동신호에 따라 상기 조절밸브의 온오프 개방을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 도파관 내부로의 상기 가스의 공급유량은 0.8 ~ 1.2 L/min일 수 있다.
상기 가스는 질소 또는 불활성 가스일 수 있다.
상기 도파관에는 상기 도파관 내부로 공급된 상기 가스를 외부로 배출하기 위한 가스배출구가 마련되며, 상기 가스배출구에는 상기 도파관 내부의 압력을 일정 이상으로 유지한 상태에서 상기 가스를 배출 가능하도록 릴리프 밸브가 장착될 수 있다.
상기 목적은, 전술한 안테나 냉각 기능을 갖는 마이크로웨이브 헤드; 및 상기 마그네트론을 구동하기 위한 고전압발생기를 포함하는 마이크로웨이브 제너레이터에 의해서 달성된다.
본 발명의 실시형태에 따른 안테나 냉각 기능을 갖는 마이크로웨이브 헤드장치 및 마이크로웨이브 제너레이터는 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 마그네트론의 안테나 주변으로 가스를 공급하여 안테나로부터 마이크로파가 방출될 때 안테나가 과열되는 것을 방지하여 마그네트론의 수명을 증대시킬 수 있다.
둘째, 도파관 내부로 가스를 주입하여 도파관 내부의 압력을 증대시켜 외부 가스(특히 산소)의 도파관 내부로의 유입을 차단함으로써, 안테나가 산소와의 접촉에 의해 산화되는 것을 방지할 수 있다.
셋째, 도파관 내부의 압력을 상압 이상으로 증가시켜 도파관 내부에서 아킹(arcing) 현상이 발생하는 것을 최소화하여 안테나와 도파관의 파손 발생을 감소할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 안테나 냉각 기능을 갖는 마이크로웨이브 헤드장치가 구비된 마이크로웨이브 제너레이터를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 안테나 냉각 기능을 갖는 마이크로웨이브 헤드장치가 구비된 마이크로웨이브 제너레이터를 나타내는 도면이다.
본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 안테나 냉각 기능을 갖는 마이크로웨이브 헤드장치(이하, '마이크로웨이브 헤드'라 함)는, 마그네트론의 구동시 안테나가 과열되고 외부 가스, 특히 산소가 안테나 측으로 유입되어 안테나가 산화되는 것을 방지함으로써, 마그네트론의 수명을 향상시키도록 하는 것이다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 마이크로웨이브 헤드는, 마그네트론(100), 마그네트론(100)의 안테나(110)가 내부 공간에 배치되도록 마그네트론(100)과 결합되어 안테나(110)로부터 방출된 마이크로파의 전달 경로를 가이드하는 도파관(210)을 구비하는 런처(200,launcher), 도파관(210) 내부로 가스를 공급하는 가스공급수단(300)을 포함한다.
이러한 마그네트론(100), 런처(200), 가스공급수단(300) 및 마그네트론을 구동하기 위한 고전압발생기(500)를 포함하여 마이크로웨이브 제너레이터가 이루어진다.
먼저, 마그네트론(100)은 고전압발생기(500)인 파워서플라이로부터 전원을 공급받아 구동되며, 고전압발생기(500)의 전력은 최대 1kw의 한도에서 대략 100 ~ 900w 의 범위로 적용된다.
한편, 본 실시예에서, 마그네트론(100)에 의해 생성되는 마이크로파의 주파수는 2450MHz로 적용된다. 이러한 마이크로파의 주파수는 변동없이 고정 상태로 적용되지만, 후술하는 도파관(210)과 연결되어 살균, 플라즈마 생성 등의 과정이 이루어지는 챔버(미도시) 내의 요구조건(내부 압력 등)에 따라 마이크로파의 에너지는 조절 가능하다.
다음, 런처(200)는 도파관(210) 및 도파관(210)과 전술한 챔버(미도시)를 결합하는 별도의 브래킷 등을 더 포함한다. 도파관(210)은 실질적으로 마그네트론(100)으로부터 방출된 마이크로파의 공급 경로를 형성하는 것으로서, 마이크로파에 의해 가열되거나 녹는 것을 방지하는 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 이를 위해, 본 실시예에서 도파관(210)은 비철금속 또는 금속 재질로 이루어지며, 일 예로 알루미늄, 구리, 스테인레스 스틸, 스틸 등으로 적용 가능하다. 여기서, 마그네트론(100)의 안테나(110)는 마이크로파의 공급을 용이하게 하도록 도파관(210)의 내부 공간에 배치된다.
본 실시예에서, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 가스공급수단(300)은, 마그네트론(100)의 안테나(110) 주변으로 가스를 공급하여 안테나(110)를 일정 이상 냉각하고 도파관(210) 내부의 압력을 상압 이상으로 하여 도파관(210) 내부에서 아킹(arcing) 현상이 발생하는 것을 방지하도록 마련된다.
이러한 가스공급수단(300)은, 가스가 저장되어 있는 가스탱크(310), 도파관(210)과 가스탱크를 연결하는 배관(320), 및 배관(320) 상에 설치되어 가스의 공급 유량을 제어하는 조절밸브(330)를 포함한다.
가스탱크(310)에는 일정 압력 이상의 가스가 저장되어 있다. 이러한 가스는 배관(320)을 통해 도파관(210) 측으로 공급되며, 이를 위해 도파관(210)에는 가스유입구(211)가 마련된다. 한편, 이러한 가스의 공급을 용이하게 하도록 배관(320)에는 별도의 펌프(미도시)가 더 마련될 수도 있다. 덧붙여, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이 가스유입구(211)는 도면상 도파관(210)의 측면부 및 안테나(110)를 마주보는 저면부 등에 마련될 수 있으며, 저면부에 마련되는 경우 더욱 신속하게 안테나(110) 측으로 가스가 공급되어 안테나(110)의 과열 발생을 더욱 효율적으로 차단할 수 있다.
한편, 본 실시예에서, 이러한 가스는 질소 또는 불활성 가스로 적용 가능하다. 이와 같이, 도파관(210) 내부로 질소 또는 불활성 가스를 주입하는 목적은 크게 3가지정도로 설명된다.
첫째, 온도가 상대적으로 낮은 상온의 가스를 안테나(110) 부위에 주입함으로써, 마그네트론(100)의 동작중 안테나(110)의 과열을 방지하여 안테나(110)가 열화되거나 열적 쇼크 현상이 발생하는 것을 최소화하게 된다.
둘째, 안테나(110)가 높은 온도에서 서서히 도파관(210) 내부에 존재하는 산소와 반응하여 열산화되는 문제를 불활성 가스를 주입함으로써 원천적으로 방지할 수 있다.
셋째, 가스 주입에 따라 도파관(210) 내부의 압력을 상압(대기압) 이상으로 형성함으로써, 도파관(210) 내부에서 아킹(arcing) 현상이 발생하는 빈도를 감소하여 안정적인 동작이 가능하도록 함과 더불어 아킹 현상으로부터 안테나(110)를 비롯해 도파관(210) 및 런처(200)를 보호할 수 있게 된다. 부연하자면, 마이크로웨이브는 임피던스가 잘 맞지 않거나 조건이 부적합하면 도파관(210)에서 아킹을 유발함으로써, 순간적인 열과 쇼크로 인해 마그네트론(100)의 안테나(110)와 도파관(210) 내부에 심한 손상이 발생하게 되며, 보통 이러한 아킹 현상이 1번만 발생하더라도 안테나(110)가 파괴될 수 있다.
이러한 아킹은 보통 저압에서 발생할 확률이 증가하며, 상대적으로 고압 상태에서는 가스분자가 같은 공간에 많이 존재하는 이유로 상대적으로 같은 일렉트릭 필드(electrical-field)에서 발생하는 확률이 감소하게 된다. 본 실시예에서는, 전술한 문제를 해결하고자 도파관(210) 내부에 질소 또는 불활성 가스를 주입하게 되며, 이러한 불활성 가스는 헬륨, 네온, 아르곤, 제논 등 다양하게 적용 가능하다.
본 실시예는, 마그네트론(100)를 온오프 구동함과 더불어 마그네트론(100)의 온오프 구동신호에 따라 가스공급수단(300)의 조절밸브(330)의 온오프 개방을 제어하는 제어부(400)를 더 포함한다.
즉, 제어부(400)는 마그네트론(100), 구체적으로 고전압발생기(500)의 구동 및 조절밸브(330)의 개방을 제어하여 일 예로, 고전압발생기(500)가 온(on)구동하는 경우 조절밸브(330)를 개방하게 된다. 반대로, 제어부(400)는 고전압발생기(500)의 구동이 오프(off) 상태인 경우, 가스의 공급을 차단하도록 조절밸브(330)를 폐쇄하게 된다.
한편, 본 실시예에서, 도파관(210) 내부로의 가스의 공급유량은 0.8 ~ 1.2 L/min인 것이 바람직하다.
만약, 이러한 가스 공급유량이 0.8 L/min보다 작은 경우, 안테나(110)를 충분히 냉각하지 못하여 안테나(110)가 과열되는 문제가 발생할 수 있으며, 1.2 L/min을 초과하는 경우, 도파관(210) 내부 영역이 일정 압력이상으로 증가함에 따라 도파관(210)의 안정성 및 내구성에 악영향을 미칠 수 있게 된다. 한편, 본 실시예에서, 조절밸브(330)는 일 예로 솔레노이드밸브로 적용 가능하며, 제어부(400)는 솔레노이드밸브의 개방도 를 제어하여 이러한 가스 공급유량을 용이하게 조절할 수 있게 된다.
한편, 마그네트론(100), 런처(200) 및 도파관(210)이 밀폐형으로 이루어지지 않는 경우, 가스유입구(211)를 통해 도파관(210) 내부로 유입된 가스는 안테나(110)를 충분히 냉각한 후 마그네트론(100)과 런처(200)의 연결 부위 등을 통해 외부로 배출 가능하다.
이와 달리, 런처(200)와 도파관(210)이 밀폐 구조를 가지는 경우, 도파관(210) 내부로 주입된 가스를 외부로 배출해줄 수 있는 구성이 요구된다.
이를 위해, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 도파관(210)에는 도파관(210) 내부로 공급된 가스를 외부로 배출하기 위한 가스배출구(212)가 마련되며, 가스배출구(212)에는 가스 배출과정 동안 도파관(210) 내부의 압력을 일정 이상으로 유지 가능하도록 릴리프 밸브(600)가 장착된다.
덧붙이자면, 릴리프 밸브(600)는, 도파관(210) 내부의 압력이 설정 압력을 초과하는 경우 도파관(210) 내부의 가스를 외부로 방출하는 것으로서, 도파관(210) 내부를 일정 압력(상압 이상의 압력)으로 유지시킬 수 있게 된다. 한편, 작업자는 릴리프 밸브(600)의 배출압을 적절하게 조절하여 릴리프 밸브(600)를 통한 가스 배출과정 동안에도 도파관(210) 내부는 상압 이상의 압력을 유지하도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 실시예는, 도파관(210)의 내부 압력을 상압보다 일정 이상 높게 유지하도록 가스배출구(212)의 직경을 적절하게 조절함으로써 도파관(210) 내부에서 아킹 현상이 발생하는 것을 최대한 억제할 수도 있다.
정리하자면, 본 실시예는, 마그네트론(100)의 안테나(110) 주변 영역으로 질소 또는 불활성 가스 등의 가스를 공급하여 안테나(110)의 과열에 의한 안테나 파손을 방지할 수 있게 된다. 또한, 전술한 가스 주입을 통해 도파관(210) 내부로 외기(산소)가 유입되는 것을 최소화하여 안테나(110)가 산소와의 접촉에 의해 산화되는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 도파관(210) 내부 압력을 상압 이상으로 증가시켜 도파관(210) 내부에서 아킹 현상이 발생하는 것을 방지하게 된다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.
100: 마그네트론 110: 안테나
200: 런처 210: 도파관
300: 가스공급수단 310: 가스탱크
320: 배관 330: 조절밸브
400: 제어부 500: 고전압발생기
600: 릴리프 밸브

Claims (7)

  1. 마그네트론;
    상기 마그네트론의 안테나가 내부 공간에 배치되도록 상기 마그네트론과 결합되어 상기 안테나로부터 방출된 마이크로파의 전달 경로를 가이드하는 도파관을 구비하는 런처; 및
    상기 도파관 내부의 상기 안테나 주변으로 가스를 공급하여 상기 안테나를 일정 이상 냉각하고 상기 도파관 내부의 압력을 상압 이상으로 하여 상기 도파관 내부에서 아킹(arcing) 현상이 발생하는 것을 방지하는 가스공급수단을 포함하고,
    상기 가스공급수단은,
    가스가 저장되어 있는 가스탱크;
    상기 도파관과 상기 가스탱크를 연결하는 배관; 및
    상기 배관 상에 설치되어 상기 가스의 공급 유량을 제어하는 조절밸브를 포함하는 안테나 냉각 기능을 갖는 마이크로웨이브 헤드장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 마그네트론를 온오프 구동함과 더불어 상기 마그네트론의 온오프 구동신호에 따라 상기 조절밸브의 온오프 개방을 제어하는 제어부를 더 포함하는 안테나 냉각 기능을 갖는 마이크로웨이브 헤드장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 도파관 내부로의 상기 가스의 공급유량은 0.8 ~ 1.2 L/min인 안테나 냉각 기능을 갖는 마이크로웨이브 헤드장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가스는 질소 또는 불활성 가스인 안테나 냉각 기능을 갖는 마이크로웨이브 헤드장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 도파관에는 상기 도파관 내부로 공급된 상기 가스를 외부로 배출하기 위한 가스배출구가 마련되며, 상기 가스배출구에는 상기 도파관 내부의 압력을 일정 이상으로 유지한 상태에서 상기 가스를 배출 가능하도록 릴리프 밸브가 장착되는 안테나 냉각 기능을 갖는 마이크로웨이브 헤드장치.
  7. 제1항 및 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 안테나 냉각 기능을 갖는 마이크로웨이브 헤드장치; 및
    상기 마그네트론을 구동하기 위한 고전압발생기를 포함하는 마이크로웨이브 제너레이터.
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