KR102348260B1 - 화합물의 합성을 위한 마이크로파 가열 장치 - Google Patents

Abstract

본 개시서는 화합물, 예컨대, 나노 화합물의 합성을 위한 마이크로파 가열 장치에 관한 것이다. 그 화합물 합성을 위한 마이크로파 가열 장치에서 이용되는 공진기는, 공동을 내부에 가지는 공진기로서, 피가열 물질을 포함하는 유체가 유동하는 통로로서, 상기 공진기 내부를 관통하도록 배치되는 배관(tube); 상기 배관의 적어도 일부를 포위하도록 상기 공동 내에 배치되는 유전체 공진자(dielectric resonator); 마이크로파가 인가되도록 상기 공진기의 측벽에 형성되는 입력 포트(input port); 및 상기 입력 포트로부터 연장되고 상기 측벽을 관통하여 상기 공동 내에 형성되는 안테나(antenna)를 포함하고, 상기 유전체 공진자는 상기 피가열 물질의 유전율보다 높은 유전율을 가짐으로써 상기 피가열 물질의 온도 변화에 따른 유전상수의 변동에도 상기 공진기의 공진 주파수의 변동폭이 100MHz보다 작다.

Description

화합물의 합성을 위한 마이크로파 가열 장치{APPARATUS FOR HEATING FLUID USING MICROWAVE FOR SYNTHESIS OF COMPOUNDS}

본 개시서는 화합물, 예컨대, 나노 화합물의 합성을 위한 마이크로파 가열 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 화합물의 합성에 요구되는 유체 및/또는 반응물의 온도와 종류에 따라 공진 주파수의 변동 범위를 최소화하면서 가열 효율을 최적화할 수 있는 장치에 관한 것이다.

종래에 화학 합성 등에 이용되는 열원으로는 불, 열매체 오일, 맨틀 등의 전도열이 주로 이용되었다. 전도열 기반의 가열 장치들은, 가열통의 외부에 발열 코일관을 배치하고, 이 발열 코일관에 내장된 발열 코일에 전기 에너지를 인가하여 발열 코일을 발열시킴으로써 가열관이나 가열 탱크 내의 액체를 직접 가열하는 직접 가열 방식을 채택하고 있으나 여전히 그 가열이 오래 걸리고 전력 소모가 크며, 열이 외부로 발산함을 방지하기 위하여 단열 구조가 필요하며, 발열 코일의 수명이 짧은 등의 단점이 있다.

이처럼 종래에 전도열을 이용하는 방식에 의한 화학 합성에서는 외부 열원이 피가열 물질이 들어있는 용기를 먼저 가열하고 시간이 경과한 후에 물질이 가열된다. 이런 방식은 다양한 피가열 물질, 즉 반응물의 열 전도도에 따라 조건이 변화하는바, 에너지 전달면에서는 매우 느리고 비효율적인 단점이 있다.

뿐만 아니라 시간의 흐름에 따라 반응 용기와 반응물 간의 평형이 이루어지기는 하지만 그러한 평형에 오랜 시간(수 시간)이 소요되며 그러한 평형이 이루어지기 전까지는 반응 용기와 반응물 사이에, 그리고 반응물 내에서도 내부와 외부 사이에서 큰 온도 편차가 발생한다. 이러한 온도 편차는 대류에 의한 열 전달에도 유사하게 나타난다.

마이크로파 가열이 화학 반응에 크게 효과적인 것은 반응기의 벽면이나 가열기의 표면으로부터 전도 및 대류로써 가열되는 재래식 가열 방식에 비해 물질이 내부에서 발열함으로써 얻어지는 빠른 가열 속도 때문이다. 마이크로파는 반응물 분자들의 회전에 의한 내부 가열을 발생시키므로 반응물의 내부와 외부에서 균일하게 가열이 이루어질 수 있다. 다시 말하자면, 마이크로파 가열은 반응물 자체가 발열체로 되는 가열 방식이기 때문에 종래의 열전도에 의한 외부 가열에서 찾을 수 없는 다음과 같은 이점이 있다.

1. 급속한 가열

마이크로파 가열은 반응물 자체에서 열이 발생하는 방식이기 때문에 가열에 요하는 시간이 크게 단축된다. 즉, 반응물의 농도에 관계없이 반응물을 직접 가열할 수 있으므로 많은 열 에너지를 전달할 수 있어 종래의 방식으로 수 시간 내지 수 일 걸리던 반응을 수 분 내에 이뤄지게 할 수 있다.

2. 반응 수율의 향상

마이크로파에 의한 가열 방식이 에너지 전달 면에 있어 특성상 지속적이고 충분하다는 특성을 가지고 있으므로 특정 반응물에만 마이크로파가 흡수되도록 조절이 가능한 반면, 주위의 반응기, 공기 등을 가열하지 않기 때문에 자연히 열 효율이 높은바, 종래의 가열 방식에 비해 평균 20~30%의 수율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

3. 균일한 가열

종래의 전도, 대류 방식의 외부 가열에서는 반응기 내외의 온도 편차가 불가피했으며, 이를 억제하게 위하여 장시간 경과를 통한 평형 상태에 이르게 하거나 단열 장치를 이용하였다. 그러나 마이크로파 가열에서는 마이크로파를 이용하여 발생하는 전기장의 크기만 균일하다면 반응물의 온도 상승도 일정한 것을 보장할 수 있다. 외부 가열에서는 외측의 온도는 상대적으로 높고 내측의 온도는 상대적으로 낮지만 마이크파 가열에서는 내외의 온도 차이가 거의 없는 반응이 가능해진다. 또한, 마이크로파는 물질의 외형, 즉, 요철의 존재와 무관하게 어떠한 형상의 물질에 대해서도 거의 균일하게 가열할 수 있다.

4. 국소 가열 가능

외부 가열은 그 가열되는 부분이 넓어지는 것을 피할 수 없는 반면, 마이크로파 가열은 구성 물질이 특정 주파수의 마이크로파에 반응하는 물질과 반응하지 않는 물질로 나뉠 수 있는 경우에 그러한 마이크로파의 조사에 따라 반응물의 국소적 가열이 가능하다.

5. 기타 마이크로파 가열의 장점에는 전력으로 조절하기 때문에 가열량의 조절이 용이하고 반응의 개시와 종료에 걸쳐 모든 조절에 대해 빠른 응답 속도를 가진다는 점 등이 있다.

마이크로파를 이용하는 가열 방식 중 유전 가열 방식은 분자의 극성을 이용하여 분자 간 진동에 의한 마찰열을 발생시킴으로써 직접 가열하는 방식으로서, 예컨대, 물과 같은 극성 매질을 가열하는 데 효과적이다.

도 1은 마이크로파 유전 가열에 이용된 예시적인 종래의 장치를 나타낸 도면이다. 도 1의 장치에 의한 마이크로파 가열과 종래의 열 전도 방법에 의한 주요 합성 반응을 비교한 표는 다음과 같다.

반응 종류	마이크로파 이용		종래의 열 전도 방법
	수득률	반응시간	수득률	반응시간
Diels-Alder 반응	58 %	20 분	67 %	6 시간
Claisen rearrangements	91 %	20 분	83 %	4 일
Ene 반응	73 %	8 시간	58 %	4 일
Conversion of alcohols into alkyl halides	49 %	10 분	33 %	30 분
Finkelstein 반응	80 %	4 시간	72 %	80 시간
산화 (Oxidations)	52 %	7 분	20 %	8 시간
에스테르화	86 %	2 분	84 %	90 분
Williamson 에테르 합성	96 %	3 분	89 %	35 분
가수 분해	98 %	30 분	73 %	12 시간
Nucleophilic aromatic substitution	65 %	10 분	35 ~ 65 %	12 ~ 24 시간

이러한 반응들에 있어서 전형적인 가열에 의한 열적 효과와 무관하게 전자기파 유도에 의한 비가열적 효과(nonthermal effect), 촉매 또는 마이크로파로 해석되는 반응 결과들도 관찰된다.

도 1의 종래 장치에서는 마이크로파 유전 가열이 큰 공동(cavity) 내부에서 이루어져, 반응 물질이 지나가는 위치(도 1에 유리 반응기(glass reactor)로 도시된 곳)에 따라 전기장의 세기가 달라져 균일한 가열이 제한될 수 있는 단점이 있다(예컨대, 전자레인지 오븐 내에 음식물이 놓인 위치에 따라 가열되는 정도에 차이가 발생하는 것과 유사함).

한편, 종전의 유도 가열 방식은 자성체 물질을 가열하는 데 효과적이기는 하지만 유도 코일 측에 고주파 전류를 인가할 때 유도 코일 측에서 초고주파 자기장이 발생하여 자성체 재질의 가열통에 생기는 와전류(맴돌이 전류)의 손실이나 히스테리시스 손실에 의하여 가열통 자체가 발열하는 문제점이 여전히 남아 있다. 이러한 유도 가열 방식의 전기 장치가 가열통 내의 내부 구조를 복잡한 미로 형태 또는 지그재그 형태로 만들어 액체를 신속하게 가열할 수 있는 단계까지 발전하였음에도 불구하고, 가열통 내부의 유로를 복잡하게 설계하여야 함으로써 그 제작이 까다롭고, 복잡한 유로의 형상 설계로 인해 향후 불량이 많아지는 단점도 있다.

따라서 본 발명자들은 마이크로파를 이용하는 경우에 종래의 유전 가열 방식과 유도 가열 방식의 단점을 보완하여 마이크로파로 대상 유체에 포함된 반응물을 직접 가열하되, 종래에는 온도 구간마다 공진기의 설계를 달리하여 공진 주파수 범위마다 가열 공간을 분리했어야 했던 불편함을 그 유체 및/또는 반응물의 온도와 종류에 따라 공진 주파수의 범위가 크게 달라지지 않도록 하여 제거하고, 하나의 가열 장치로 반응물을 균일하게 가열할 수 있는 장치를 제안하고자 한다.

본 발명의 장치는, 유리 반응기(glass reactor)에 대부분의 마이크로파 에너지를 집중시킬 수 있어 적어도 95%를 열로 변환할 수 있는 장점이 있는바, 전기장의 분포가 완전히 중심에만 집중되지 않아 투입되는 일부 마이크로파 에너지가 유체와 만나 열로 변환되지 않은 채 손실되므로 80% 이하의 열 변환 효율을 보이는 도 1에 예시된 것과 같은 종래의 유전 가열 방식에 비해 높은 효율을 보인다.

KR 10-2015-0142567 A

Youngjae Yoo et al., Novel Process by Microwave-assisted Polymerization, Polyemer Science and Technology, Vol. 16, No. 3, pp. 292-302 (2005).

본 개시서는 화합물, 예컨대, 나노 화합물의 합성을 위하여 마이크로파를 이용하여 유체 내 반응물을 가열할 수 있는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 개시서는 유체 및/또는 반응물의 온도 및 종류에 따라 가열하는 구간을 나누어 이를 가열하지 않고, 넓은 주파수의 범위 내에서 유체 내 반응물을 가열할 수 있는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

특히, 본 개시서는 공진기에 인가되는 주파수를 변화시켜 공진 모드를 변경함으로써 극성 매질을 가열하는 데 효과적인 유전 가열과 자성체 물질을 가열하는 데 효과적인 유도 가열을 모두 활용하는 것을 목적으로 한다.

상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하고, 후술하는 본 발명의 특징적인 효과를 실현하기 위한 본 발명의 특징적인 구성은 하기와 같다.

본 개시서의 일 양상에 따르면, 공동(cavity)을 내부에 가지는 공진기가 제공되는바, 그 공진기는, 피가열 물질을 포함하는 유체가 유동하는 통로로서, 상기 공진기 내부를 관통하도록 배치되는 배관(tube); 상기 배관의 적어도 일부를 포위하도록 상기 공동 내에 배치되는 유전체 공진자(dielectric resonator); 마이크로파가 인가되도록 상기 공진기의 측벽에 형성되는 입력 포트(input port); 및 상기 입력 포트로부터 연장되고 상기 측벽을 관통하여 상기 공동 내에 형성되는 안테나(antenna)를 포함하고, 상기 피가열 물질의 온도 변화에 따른 유전상수의 변동에도 상기 공진기의 공진 주파수의 변동폭이 100MHz보다 작도록 상기 유전체 공진자는 상기 피가열 물질의 유전율보다 높은 유전율을 가진다.

유리하게는, 상기 배관에는 상기 배관에 흐르는 유체의 속도를 측정하기 위한 유속 측정부가 구비된다.

바람직하게는, 상기 배관은, 내부 배관; 및 상기 내부 배관과 소정의 간격만큼 이격되어, 상기 내부 배관을 감싸고 있는 외부 배관을 포함하고, 상기 내부 배관과 상기 외부 배관 사이는 진공 상태로 유지된다.

유리하게는, 상기 공진기는, 상기 공진기의 외벽이 이중 구조로 형성되어, 상기 배관에 흐르는 유체의 열이 외부로 손실되는 것을 방지한다.

본 개시서의 다른 양상에 따르면, 서로 연결된 둘 이상의 전술한 공진기를 포함하는 마이크로파 가열 장치가 제공되는바, 그 마이크로파 가열 장치는, 상기 공진기 각각의 입력 포트에 마이크로파를 인가하는 둘 이상의 마이크로파 생성기; 상기 둘 이상의 마이크로파 생성기의 구동을 제어하는 구동 제어부; 및 상기 배관에 흐르는 유체의 온도를 측정하는 온도 측정부를 더 포함하고, 상기 구동 제어부는 상기 온도 측정부에서 측정된 유체의 온도에 따라 상기 둘 이상의 마이크로파 생성기의 구동을 피드백 제어한다.

바람직하게는, 상기 둘 이상의 공진기는 소정의 온도 구간의 피가열 물질에 에너지를 공급하도록 서로 다른 공진 주파수를 가지고 설계된다.

더 바람직하게는, 상기 둘 이상의 공진기 각각의 온도 구간이 상이해지게끔 상기 공진기 각각에 포함된 유전체 공진자의 치수가 상이하도록 설계된다.

유리하게는, 상기 구동 제어부는 상기 온도 측정부에서 측정된 온도에 기초하여 상기 둘 이상의 공진기 각각에 방사되는 마이크로파의 주파수가 각 공진기의 공진 주파수에 수렴하도록 조절한다.

바람직하게는, 상기 구동 제어부는 상기 배관에 흐르는 유체의 가열되는 부위를 조절하기 위하여 상기 둘 이상의 공진기 각각에서 방사되는 마이크로파의 주파수를 변화시켜 각 공진기의 공진 모드를 변경한다.

유리하게는, 상기 배관에는 상기 배관에 흐르는 유체의 속도를 측정하는 유속 측정부가 구비되고, 상기 구동 제어부는 상기 유속 측정부에서 측정된 유속에 기초하여 상기 유체의 온도 상승을 예측하고, 예측되는 상기 유체의 온도 상승에 따라 상기 마이크로파 생성기의 출력 세기를 조절한다.

본 개시서의 공진기 및 마이크로파 가열 장치에 의하면, 반응물을 직접 가열함으로써 종래의 유도 가열 방식의 적용 시에 피가열물의 종류에 따라 가열관의 수명이 단축되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 본 개시서의 공진기 및 마이크로파 가열 장치에 의하면 공동에 유전상수 90 이상의 유전체 공진자(dielectric resonator)를 적용하여, 온도 변화에 따른 공진 주파수의 변동을 최소화하면서도 고유전율 유전체를 이용하여 공진기, 가열 장치의 크기를 소형화하는 효과가 있다.

그리고, 본 개시서의 마이크로파 가열 장치의 일 실시 예에 의하면 반응물의 온도 및 종류에 따라 가열하는 구간을 나누어 가열하는 경우에, 그 각 온도에 해당하는 공동의 크기와 공진기 외벽의 크기는 동일하게 유지하면서, 내부에 포함되는 유전체 공진자의 높이만을 조정할 수 있게 함으로써 가열 장치를 구성할 때 편리하다는 장점이 있다.

특히, 본 개시서의 마이크로파 가열 장치의 일 실시 예에 의하면, 종래에 상용화된 비교적 낮은 주파수의 유도 가열 방식에서 1 mm 이상의 두께를 가지는 면적의 자성체만 가열할 수 있었던 것을 극복하여 마이크로파 대역의 주파를 이용함으로써 나노 규모의 입자도 가열할 수 있기 때문에 화합물 합성의 반응 물질 자체의 가열도 가능해지는 장점이 있다.

본 발명의 이해를 위하여 본 개시서에 나타난 공진기 및 마이크로파 가열 장치의 구조를 보이기 위하여 실시 예들이 첨부된 도면을 참조로 하여 설명될 것인바, 이는 비한정적인 예시일 뿐이며, 본 개시서가 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람(이하 "통상의 기술자"라 함)에게 있어서는 또 다른 발명에 이르는 추가적인 노력 없이 이 도면들에 기초하여 다른 도면들이 얻어질 수 있음은 물론이다.
도 1은 마이크로파 유전 가열에 이용된 예시적인 종래의 장치를 나타낸 도면이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 공진기를 나타낸 사시도이고, 도 2b는 도 2a에 나타난 공진기의 평면도이며, 도 2c는 도 2a에 나타난 공진기를 배관의 축과 입력 포트의 축을 포함하는 평면으로 취한 단면도이다.
도 3은 도 2a 내지 도 2c의 공진기를 포함하는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로파 가열 장치를 나타낸 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 공진기 내부의 피가열물에 가해지는 전기장을 나타낸 도면이다.
도 5는 물의 온도별 유전상수를 나타낸 도면이다.
도 6은 물의 주파수별 유전상수의 변화를 나타낸 도면이다.
도 7은 물의 온도에 따른 공진 주파수를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 공진기 내부의 피가열물에 가해지는 전기장의 세기가 공진 주파수에 따라 부위별로 달라지는 점을 보인 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이중 구조의 배관을 나타낸 도면이다.

달리 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

본 개시서에 따른 공진기 및 마이크로파 가열 장치의 구성 원리에 관하여 후술하는 상세한 설명은, 본 개시서에서 나타나는 발명의 목적들, 기술적 해법들 및 장점들을 분명하게 하기 위하여 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시 예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고, 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 개시서에 따른 공진기 및 마이크로파 가열 장치의 구조는 도면에 나타난 바와 같은 길이 비율을 가지지 않으며, 도면 각 부분의 치수(dimension)는 본 발명의 범위를 한정하지도 않고 설명의 목적으로 보이기 위하여 나타낸 것에 불과하다는 점이 이해될 것이다. 예를 들어, 도면에 나타난 요소들 몇몇의 치수는 다양한 실시 예들의 이해를 돕기 위한 것이다. 덧붙이자면, 설명 및 도면은 기재된 순서대로만 되어 있음을 의미하지 않는다. 통상의 기술자는 특정 순서로 설명 또는 도시된 작용들 및/또는 단계들이 그러한 순서에 대한 특별한 한정이 필요하지 않을 수 있다는 점을 이해할 수 있을 것이다.

따라서 실시 예들에 대한 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 예시를 위한 목적으로 개시된 것으로서, 다양한 형태로 변경되어 실시될 수 있다.

그리고 제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 해석되어야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 '상에' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소 '바로 위에' 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함하고 그 역도 마찬가지이다.

본 개시서에 있어서, "~ 상에 배치"되었다는 표현 혹인 "~ 위에 배치"되었다는 표현, 및 "~ 사이에 배치"되었다는 표현은, 달리 명시하지 않았다면, 서로 직접 접촉하도록 배치되었거나 그 사이에 개재하는 다른 구성요소들을 통하여 간접적으로 그렇게 배치되었음을 의미한다. 더욱이 "~ 상에", "~ 위에"는 구성요소들 간의 서로 상대적인 위치를 나타낸 것에 불과한데, 이는 관찰자의 보는 시점에 따라 다르게 보일 수 있기 때문이다. 또한, "~ 상에(위에) 형성"되었다는 것은 넓은 의미를 가지는바, 어느 구성요소가 다른 구성요소 위에 형성되었다는 것은 항상 그 다른 구성요소에 대한 그 어느 구성요소의 직접적인 물리적 접촉을 의미하지는 않는다.

본 개시서에서 언급되는 "마이크로파" 또는 "초고주파"는 라디오파와 적외선 사이의 파장과 주파수를 가지고 있는 전자기파를 지칭하는바, 보통 파장이 1 mm와 30 cm 사이인 전자기 방사를 포함한다.

본 개시서에서 언급되는 "피가열 물질" 또는 "피가열물"은 마이크로파에 의한 유전 가열 또는 유도 가열의 대상이 되는 물질을 지칭하는바, 이는 순수한 물질, 예컨대 단원소 물질 및 화합물, 이들의 균일한 혼합물 및 불균일한 혼합물을 모두 포함할 수 있다.

본 개시서에서 언급되는 "단자" 또는 "포트"는 전기적 신호의 전달을 위하여 제공되는 전도성 구조체를 지칭하는 것인바, 금속으로 된 단자, 즉 금속 단자를 포함하나 이에 한정되지 않는다.

본 개시서에서 언급되는 "유전체 공진자(dielectric resonator)"는 일반적으로 마이크로파 및 밀리미터파 대역에서 전파를 위한 공진기로서 기능하도록 설계된 유전체 재료를 일컫는바, 주로 세라믹으로 구성되나 이에 한정되지는 않는다.

더욱이 본 발명은 본 명세서에 표시된 실시 예들의 모든 가능한 조합들을 망라한다. 본 발명의 다양한 실시 예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시 예에 관련하여 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시 예로 구현될 수 있다. 즉, 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 이상적인 실시 예들의 특정 도면들을 참조하여 설명되나, 도시된 바와 같은 특정 형상에 한정되는 것으로 간주되어서는 아니 되고, 다양한 변형물들이 포함될 수 있다. 도면들에 도시된 형상들은 개념적으로 나타낸 것이고, 구조, 영역의 정확한 형상을 한정하여 본 발명의 범위를 한정하기 위한 것도 아니다. 예를 들어, 도면들에 굴곡지거나 둥글게 도시된 영역은 흔히 테이퍼지거나 장방형, 정방형 등으로 될 수도 있다.

각각의 개시된 실시 예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다.

또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 마이크로파 공학 기술분야의 통상의 기술자에게 잘 알려진 재료, 공정 등에 관한 것이며 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그에 대한 지나치게 상세한 설명은 생략한다.

도 2a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 공진기를 나타낸 사시도이고, 도 2b는 도 2a에 나타난 공진기의 평면도이며, 도 2c는 도 2a에 나타난 공진기를 배관의 축과 입력 포트의 축을 포함하는 평면으로 취한 단면도이다.

도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 다른 공진기(200)는, 외벽의 내부에 공동(cavity; 205)을 가지고, 피가열 물질(미도시)이 유동하는 통로로서, 상기 공진기 내부를 관통하도록 배치되는 배관(210); 상기 배관의 적어도 일부를 포위하도록 상기 공동 내에 배치되는 유전체 공진자(dielectric resonator; 220); 마이크로파가 인가되도록 상기 공진기의 측벽에 형성되는 입력 포트(230); 및 상기 입력 포트로부터 연장되고 상기 측벽을 관통하여 상기 공동 내에 형성되는 안테나(240)를 포함한다.

유전체 공진자(220)는 상기 피가열 물질의 유전율보다 높은 유전율을 가짐으로써 상기 피가열 물질의 온도 변화에 따른 유전상수의 변동에도 인가되는 마이크로파에 대한 공진 주파수의 변동폭이 100MHz보다 작게 되도록 설계된다.

공진기(200)는 유전체 공진자(220)가 적합한 위치에 배치될 수 있도록 지지 또는 고정하기 위한 적어도 하나의 공진자 지지부(225)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어 공진자 지지부(225)도 세라믹으로 구성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.

한편, 공진기(200)가 다른 공진기(200)와 서로 연결되는 경우에 이를 연결하기 위한 체결부(미도시)가 공진기(200)에 더 포함될 수 있는바, 이 체결부에 관하여는 후술하기로 한다.

도 2a 내지 도 2c에서 배관(210)은 공진기(200) 내부를 길이 방향으로 관통하는 것으로, 또한, 유전체 공진자(220)는 배관을 그 길이 방향을 따라 환형으로 포위하는 것으로 예시적으로 도시되었다. 배관(210)은 석영을 그 주성분으로 할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.

도 3은 도 2a 내지 도 2c의 공진기를 포함하는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로파 가열 장치를 나타낸 구성도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로파 가열 장치(300)는, 서로 연결된 둘 이상의 제1항에 따른 공진기(200), 상기 공진기 각각의 입력 포트에 마이크로파를 인가하는 둘 이상의 마이크로파 생성기(310), 상기 둘 이상의 마이크로파 생성기의 구동을 제어하는 구동 제어부(320), 및 상기 배관에 흐르는 유체의 온도를 측정하는 온도 측정부(330)를 포함한다. 도 3에는 예시적으로 공진기(200)가 3개인 것으로 나타났지만 공진기(200)가 2 이상의 임의의 자연수 n개로 구성될 수 있음을 물론이다.

구동 제어부(320)는 온도 측정부(330)에서 측정된 유체의 온도에 다라 상기 둘 이상의 마이크로파 생성기(310)의 구동을 피드백 제어한다.

여기에서, 배관(210)은 공진기마다 포함된 배관(210)이 서로 체결된 구조로 되어 있거나 여러 공진기(200)에 걸쳐 하나의 배관(210)으로 연속된 구조로 되어 있을 수 있다.

마이크로파 생성기(310) 각각에 의하여 생성된 초고주파 신호가 공진기(200) 각각의 입력 포트(230)에 인가되면 입력 포트(230)와 전기적으로 연결된 안테나(240)를 통하여 공동(205)으로 마이크로파가 인가된다. 공진기(200)의 안테나(240)는 피더(feeder)라고도 지칭할 수 있으며, 도 2a 내지 도 2c에 예시된 바와 같은 Y자 형으로 형성되어 배관(210)과 접촉하지 않은 채 배관(210)의 주위를 적어도 일부의 방위각에 걸쳐 감쌀 수 있다. 다만, 도 2a내지 도 2c에 도시된 안테나(240)의 형상은 예시적인 것에 불과하며, 이에 한정되지 않고 다양한 형상 및 치수로 형성될 수 있음을 통상의 기술자가 이해할 수 있을 것이다. 예컨대, 안테나(240)는 갈고리 형상으로 형성되어 배관(210)과 접촉하지 않은 채 그 배관(210)의 주위를 적어도 소정의 방위각에 걸쳐 감쌀 수도 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 공진기 내부의 전기장을 나타낸 도면이다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 공진기(200)는 도 2a 내지 도 2c에 예시된 바와 같이 원통 형상으로 된 경우, 도 4에서 보이는 바와 같이 원통 형상의 공진기(200)의 중심에서 높이 방향을 따라 전기장이 집중된다. 따라서 배관(210)은 공진기(200) 내부에서 전기장이 집중되는 영역을 모두 포함하도록 공진기(200)의 중심에서 공진기의 높이 방향을 따라 배치되는 것이 바람직하다.

한편, 전술한 공진기(200)가 원통 형상인 것은 공진기의 형상을 한정하는 것이 아니라 공진기가 취할 수 있는 다양한 형상 가운데 하나를 예로 든 것일 뿐인바, 공진기의 형상이 육면체 또는 다면체 구조와 같은 다양한 형태로 형성될 수 있음은 물론이다.

만약 공진기(200)가 육면체 또는 다면체 구조로 형성되는 경우에는 공진기(200) 내부에서 전기장이 집중되는 영역은 도 4에 예시된 바와 다를 수 있다. 이러한 경우에 배관(210)은 공진기(200)의 내부에서 자기장이 집중되는 모든 영역을 관통하도록 배치되는 것이 바람직하다.

본 개시서에 따르면, 단 하나의 고출력 공진기를 이용할 수도 있지만, 복수개의 공진기를 이용함으로써 공진기 내부에 전기장이 집중되는 공간에 정확히 배관(210)을 배치할 수 있어 가열의 효율이 높아지는 장점이 있다.

본 개시서에 따른 공진기(200)는, 배관(210)이 한가운데를 지나갈 수 있는 원환 형태의 유전체(220)를 공동의 중심부에 결합한 형태를 취함으로써, 피가열 물질의 온도 및 종류에 따른 유전상수 변화로 인한 공진 주파수의 변화 폭을 줄일 수 있다.

도 5는 피가열 물질 중 하나의 예시로서 물의 온도별 유전상수를 나타낸 도면이고, 도 6은 물의 주파수별 유전상수의 변화를 나타낸 도면이다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 온도가 높아질수록 유전상수가 커지고, 주파수가 높아질수록 유전상수가 낮아지는 경향이 있는 것을 확인할 수 있다.

다시 말하자면, 물질을 가열하면 물질이 가열됨에 따라 유전상수가 변하기 때문에 물질을 효율적으로 가열하기 위해 늘 유체의 현재 온도에 따라 현재의 유전상수에 맞는 주파수로 가열하여야 효율적인 가열이 이루어질 수 있다는 것이다.

그런데, 금속으로 된 외벽 내의 공동만으로 이루어진 공진기를 이용하여 피가열 물질을 가열하는 경우, 예컨대, 2.4~2.495 GHz 대역의 주파수의 공진기를 이용하여 가열하는 경우, 상온(섭씨 25도)에서 섭씨 90도까지 수온이 올라가게 되면 그 두 온도 간 공진 주파수의 변화 폭이 200MHz를 초과하게 되어 해당 주파수 대역 2.4~2.495 GHz을 벗어나게 된다. 그렇다면, 서로 다른 온도 구간마다 상이한 복수개의 공진기를 설계해서 이를 배열하여야만 섭씨 25도에서 섭씨 90도까지의 원하는 가열이 가능해진다는 문제가 있다.

이에 비하여, 금속으로 된 외벽 내의 공동에 유전체가 삽입된 구조의 공진기를 이용하는 경우에는 상온(섭씨 25도)에서 섭씨 80도까지 수온이 올라가도 공진 주파수의 변화 폭이 90MHz 이내여서, 허용된 ISM(Industry-Science-Medical) 주파수 대역 내에서의 구현이 용이한 장점이 있는바, 물의 온도에 따른 공진 주파수를 나타낸 그래프인 도 7에서 나타나는 바와 같다. 이 때, 삽입을 위한 유전체로는 공진 주파수의 변화 폭을 최소화하기 위하여 피가열 물질의 유전상수보다 높은 유전상수를 가지는 물질을 이용한다. 예를 들어, 물의 온도를 섭씨 0도에서 섭씨 100도까지 가열하는 경우에 공진기(200)에 이용되는 유전체(220)로는 87.74 이상의 유전상수를 가지는 물질을 이용할 수 있다. 유전상수가 높은 유전체를 이용하면 공진기의 크기를 대폭 줄일 수 있어 소형화가 가능한 장점이 있다.

한편, 공진기를 둘 이상으로 구성하면 공진기 각각에 대해 가열 온도 구간을 할당하여 배관에 흐르는 물질을 보다 효율적으로 가열할 수 있다. 이처럼 공진기 각각에 가열 온도 구간을 할당하는 이유는 전술한 바와 같이 가열에 따라 피가열 물질의 유전상수가 더 크게 변동하는 피가열 물질이 있기 때문이다.

예를 들어, 도 3에 예시된 바와 같이 3개의 공진기들이 연결되어 피가열 물질을 가열하는 경우에, 그 공진기들 가운데 제1 공진기는 섭씨 21~41도의 온도 구간에 맞도록 그 공진 주파수(f1)가 2.42~2.49 GHz로 설정되고, 제2 공진기는 섭씨 41~60도의 온도 구간에 맞도록 그 공진 주파수(f2)가 2.43~2.46GHz로 설정되고, 제3 공진기는 섭씨 61~80도의 온도 구간에 맞도록 그 공진 주파수(f3)가 2.46~2.49GHz로 설정될 수 있다. 즉, 바람직하게는, 둘 이상의 공진기(200)가 소정의 온도 구간의 유체에 에너지를 공급하도록 서로 다른 공진 주파수를 가지고 설계될 수 있다.

한편, 상기 제1 공진기에는 공진 주파수(f1)를 생성하는 제1 마이크로파 생성기가 연결되어 있고, 상기 제2 공진기에는 공진 주파수(f2)를 생성하는 제2 마이크로파 생성기가 연결되어 있으며, 상기 제3 공진기에는 공진 주파수(f3)를 생성하는 제3 마이크로파 생성기가 연결되어 있을 수 있다.

다시 말하자면, 상기 제1 공진기 내지 상기 제3 공진기 각각은 공진 주파수(f1 내지 f3)를 생성하는 마이크로파 생성기들이 연결되어 있으며, 상기 제1 공진기 내지 상기 제3 공진기 각각은 f1 내지 f3의 공진 주파수로 공진기 내부에서 공진되도록 설계될 수 있다.

제1 예시로서, 상기 제1 공진기의 치수(외벽 포함)는 상기 제2 공진기의 치수보다 크고, 상기 제2 공진기의 치수는 상기 제3 공진기의 치수보다 클 수 있다. 이와 같은 방식으로 상기 제1 공진기 내지 상기 제3 공진기 각각이 서로 다른 공진 주파수를 가지도록 설계될 수 있다.

제2 예시로서, 상기 제1 공진기 내지 상기 제3 공진기의 치수는 동일하게 구성하되, 상기 제1 공진기 내지 상기 제3 공진기의 내부 공간, 즉, 공진 영역에 해당하는 공동의 크기만을 서로 다르게 하여, 상기 제1 공진기 내지 상기 제3 공진기가 서로 다른 공진 주파수를 가지도록 설계할 수 있다.

제1 예시 및 제2 예시는 공진기의 치수 자체를 변경하거나 내부에 포함되는 공동의 치수를 변경해야 하는 불편함이 있는바, 제1 예시 및 제2 예시의 대안으로서, 상기 제1 공진기에 포함된 유전체 공진자의 치수가 상기 제2 공진기에 포함된 유전체 공진자의 치수보다 크도록 설계하고, 상기 제2 공진기에 포함된 유전체 공진자의 치수가 상기 제3 공진기에 포함된 유전체 공진자의 치수보다 크도록 설계할 수 있다. 이렇게 하여도 상기 제1 공진기 내지 상기 제3 공진기 각각이 서로 다른 공진 주파수를 갖도록 설계될 수 있는바, 둘 이상의 공진기(200) 각각의 온도 구간이 상이해지도록 공진기(200) 각각에 포함된 유전체 공진자의 치수, 예컨대, 높이만을 상이하게 설계하면 원하는 온도 구간의 공진기를 구현할 수 있어 편리하므로 더 바람직하다.

일반적으로 피가열 물질의 온도가 올라가면 유전상수가 작아지면서 공진 주파수가 올라가는데, 공진기(200) 내의 유전체(220)의 치수를 늘리면, 공진 주파수를 더 낮게 조정할 수 있어 공진기의 가열 온도 구간을 설계하는 데 유리하다.

구체적으로, 구동 제어부(320)는 온도 측정부(330)에서 측정된 피가열 물질의 온도에 따라 마이크로파 생성기(310)의 구동을 피드백 제어할 수 있고, 상세하게 후술할 바와 같이 피가열 물질의 유속에 따라 공진기(200) 내부로 방사되는 마이크로파의 세기를 조절할 수 있다.

구동 제어부(320)는 유체의 온도에 따라 피가열 물질을 최적으로 가열할 수 있는 주파수가 달라지기 때문에, 피가열 물질의 온도를 측정하여 그 온도에 대응하는 주파수를 출력하도록 마이크로파 생성기(310)를 온(on) 제어하고, 공진기 내부로 피가열 물질의 온도에 대응하는 주파수의 마이크로파를 인가함으로써 마이크로파 생성기(310)에 의해 그 피가열 물질이 가열될 수 있다. 다시 말하자면, 구동 제어부(320)는 온도 측정부(330)에서 측정된 온도에 기초하여 상기 둘 이상의 공진기(200) 각각에 방사되는 마이크로파의 주파수가 각 공진기(200)의 공진 주파수에 수렴하도록 조절할 수 있다.

한편, 전술한 바와 같이 각 온도 구간에 대응하는 공진 주파수로 설계된 제1 공진기 내지 제3 공진기 각각에 연결된 제1 마이크로파 생성기 내지 제3 마이크로파 생성기는 다음과 같이 동작할 수 있다.

구체적으로, 최초 온도가 섭씨 45도인 피가열 물질을 섭씨 50도까지 가열하는 경우, 상기 제1 공진기(섭씨 21~40도의 온도 구간을 담당하는 공진기) 및 상기 제3 공진기(섭씨 61~80도의 온도 구간을 담당하는 공진기) 각각에 연결되어 공진 주파수(f1)를 생성하는 상기 제1 마이크로파 생성기 및 공진 주파수(f3)를 생성하는 상기 제3 마이크로파 생성기는 구동되지 않고, 제2 공진기(섭씨 41~60도의 온도 구간을 담당하는 공진기)에 연결되어 공진 주파수(f2)를 생성하는 상기 제2 마이크로파 생성기만 동작하여 상기 제2 공진기로 초고주파가 인가될 수 있다. 이때, 상기 제2 공진기로 인가되는 초고주파의 세기는 초고주파가 100% 열로 변환된다는 전제로 계산한 결과값으로 산출될 수 있다.

한편, 다른 예로, 최초 온도가 섭씨 30도인 피가열 물질을 섭씨 80도까지 가열하는 경우, 먼저 상기 제1 마이크로파 생성기에서 상기 제1 공진기로 f1의 공진 주파수를 가지는 초고주파를 인가하여 섭씨 30도인 피가열 물질을 우선 섭씨 40도까지 가열한 후, 상기 제1 공진기에서 섭씨 40도까지 가열된 상기 피가열 물질을 상기 제2 공진기에 유입시키고, 상기 제2 마이크로파 생성기에서 상기 제2 공진기로 f2의 공진 주파수를 가지는 초고주파를 인가하여 상기 피가열 물질을 섭씨 60도까지 가열한 후, 상기 제1 공진기 및 상기 제2 공진기를 거치며 섭씨 60도까지 가열된 상기 피가열 물질을 상기 제3 공진기에 유입시키고, 상기 제3 마이크로파 생성기에서 상기 제3 공진기에 f2의 공진 주파수를 가지는 초고주파를 인가함으로써 최종적으로 상기 피가열 물질의 온도는 섭씨 80도로 상승시킨 후, 그 피가열 물질을 토출하도록 할 수 있다.

즉, 가열이 요구되는 만큼 피가열 물질을 유동시키고, 그 피가열 물질이 흐름과 동시에 또는 그 피가열 물질이 흐르기 직전에 초고주파를 배관에 인가함으로써 그 피가열 물질을 원하는 온도로 가열하여 원하는 시간 동안 지속시킬 수 있으므로, 그 피가열 물질을 반응물로 하는 화합물, 특히 나노 화합물의 생성 반응이 충분히 이루어지도록 유도될 수 있다.

지금까지 위에서 예로 든 공진 주파수들은 피가열 물질이 물(H₂O, water)인 경우를 예로 들었을 뿐, 이에 한정되는 것이 아니며, 피가열 물질의 종류에 따라 다양한 범위의 주파수와 상이한 공진 모드가 이용될 수 있음은 물론이다.

예를 들어, 피가열 물질의 유전상수가 온도에 따라 변하는 동안에 각 공진기 내에서 하나의 고정된 공진 모드가 유지될 수 있도록 그 각 공진기의 공진 주파수를 변경하는 방안은 앞서 설명된 바와 같으나, 그 대안으로서, 공진기에 가능한 범위 내에서 공진 모드를 바꾸기 위하여 공진 주파수를 변경하는 방안도 가능할 것인바, 각각의 방안들이 각각 독립적으로 또는 조합하여 실시될 수 있음은 물론이다.

도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 공진기 내부의 피가열물, 예컨대 물에 가해지는 전기장의 세기를 공진 주파수에 따라 부위별로 보인 도면으로서, 이는 하나의 공진기 내에서 피가열물이 균일한 온도를 보이고 같은 유전상수를 보인다고 가정한 것이다.

도 8에는 위에서 예시로 든 2.4~2.495 GHz 대역의 주파수의 공진기에서 발생하는 전기장의 세기가 낮은 부위(청색으로 표시된 부위)로부터 높은 부위(적색으로 표시된 부위)에 이르기까지 예시되어 있는바, 좌측 그림부터 각각 공진 주파수가 2.429GHz, 2.432GHz 및 2.48GHz일 때 피가열물에 가해지는 전기장의 세기가 나타난다.

이처럼, 상기 구동 제어부는 상기 배관에 흐르는 유체의 가열되는 부위를 조절하여 그 균일한 가열을 도모하기 위하여 상기 둘 이상의 공진기 각각에서 방사되는 마이크로파의 주파수를 변화시켜 각 공진기의 공진 모드를 변경할 수도 있다.

도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이중 구조의 배관을 나타낸 도면이다.

도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 공진기(200)와 마이크로파 가열 장치(300)에 이용되는 배관(210)은 내부 배관(212); 및 내부 배관(212)과 소정의 간격만큼 이격되어 내부 배관(212)을 감싸고 있는 외부 배관(214)을 포함하는 이중 구조로 되어 있을 수 있다.

구체적으로, 내부 배관(212)의 열이 외부로 손실되는 것을 방지하기 위하여 내부 배관(212)과 외부 배관(214) 사이는 진공 상태로 유지될 수 있다.

이와 독립적으로 또는 결합하여 채용될 수 있는 대안으로서, 공진기(200)는 공진기(200)의 외벽이 이중 구조로 형성되어 배관(210)에 흐르는 유체의 열이 외부로 손실되는 것을 방지할 수도 있다.

한편, 다시 도 3을 참조하면, 배관(210)에 흐르는 유체의 속도를 측정하는 유속 측정부(340)가 배관(210)에 구비될 수 있다.

예를 들어, 유속 측정부(340)는, 유체가 첫 번째 공진기로 들어가기 전의 배관(210)의 투입구 또는 유체가 마지막 공진기를 거쳐 토출되는 배관(210)의 토출구에 구비될 수 있으며, 유속 측정부(340)에서 측정된 유속 정보는 구동 제어부(320)로 전송될 수 있다.

다른 예로서, 유속 측정부(340)는, 공진기와 공진기가 서로 연결되는 체결부마다 각각 구비되어, 각각의 공진기에 흐르는 유속이 보다 정확하게 측정될 수도 있다.

한편, 온도 측정부(330)는, 유속 측정부(340)와 인접한 위치에 구비될 수 있다. 예를 들어, 온도 측정부(330)는 유체가 첫 번째 공진기로 들어가기 전의 배관(210)의 투입구 또는 유체가 마지막 공진기를 거쳐 토출되는 배관(210)의 토출구에 구비될 수 있으며, 다른 예로서, 온도 측정부(330)는, 공진기와 공진기가 서로 연결되는 체결부마다 각각 구비되어, 각각의 공진기에 흐르는 유체의 온도를 보다 정확하게 측정할 수도 있다.

유속 측정부(340) 및 온도 측정부(330)의 위치가 이에 한정되는 것이 아니라 각 공진기(200) 내부의 유속 및 온도를 측정할 수 있는 다양한 위치에 설치될 수 있음은 물론이다.

한편, 유속 측정부(340)로서, 유체가 흐르는 배관(210) 내에 터빈 휠(미도시)을 설치하여 터빈 휠의 회전 수를 측정하여 유속을 산출하거나, 초음파를 이용하여 유속을 산출할 수도 있다. 이에 한정되지 않고, 통상의 기술자는 다양한 방식의 유속 측정 방식을 적용한 유속 측정부(340)로써 배관 내에 흐르는 유체의 유속을 측정할 수 있다.

구동 제어부(320)는 유속 측정부(340)에서 측정된 유속에 기초하여 상기 유체의 온도 상승을 예측하고, 예측되는 상기 유체의 온도 상승에 따라 마이크로파 생성기(310)의 출력 세기를 조절할 수 있다.

예를 들어, 측정된 유체의 유속이 소정의 기준 값보다 낮은 경우, 소정의 기준 세기보다 더 낮은 세기의 마이크로파를 출력하도록 마이크로파 생성기(310)를 제어할 수 있고, 유속이 소정의 기준 값보다 높은 경우, 소정의 기준 주파수 및 세기보다 더 높은 세기의 마이크로파를 출력하도록 마이크로파 생성기(310)를 제어할 수 있다.

더 구체적으로, 마이크로파가 배관(210)에 흐르는 유체의 피가열 물질을 직접 가열하기 때문에 마이크로파 에너지의 99% 이상에 해당하는 에너지가 열 에너지로 변환될 수 있다. 이를 배경으로, 아래 수식을 통하여 피가열 물질의 온도 상승을 예측하여, 구동 제어부(320)에서 마이크로파의 세기 및 인가 시간을 제어할 수 있다.

[수식] ㅿt = Q / C×m

(단, ㅿt : 온도 변화, Q : 열량, C : 물의 비열 = 1cal/g·℃, m : 질량)

한편, 상기 수식에서 열량은 마이크로파의 에너지이고, 배관(210)의 내반경이 r일 때, 배관(210)에 흐르는 유체의 부피는 π×r²×h이고, 유체의 밀도는 알고 있으므로, 질량 m을 측정할 수 있다.

다시 말하자면, 구동 제어부(320)는 공진기(200) 내부에 흐르는 유체의 질량 m은 상수이므로, 해당 온도 구간의 공진기에서 상승시킬 온도(ㅿt)는 마이크로파의 에너지 Q에 의하여 결정될 수 있다.

전술한 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로파 가열 장치(300)에서, 둘 이상의 공진기(200)는 체결부를 통하여 연결될 수 있는데, 그 체결부는 공진기(200)의 상부에 형성되어 있는 수나사 형태의 상부 나사 체결부(미도시) 및 공진기(200)의 하부에 형성되어 있는 암나사 형태의 하부 나사 체결부(미도시)를 포함하여 구성될 수 있는바, 수나사와 암나사를 서로 반대로 하여 구성될 수도 있다.

바람직하게는, 상기 체결부는 인접한 두 공진기 사이를 소정의 간격만큼 이격되도록 구성하되, 그 이격되는 거리는 상기 두 공진기 사이에서 발생하는 영향을 충분히 줄일 수 있는 거리이다.

예를 들어, 암나사가 공진기에 직접 연결되지 않고, 그 중간에 커버 부재를 통하여 공진기와 연결됨으로써, 암나사와 공진기 사이가 소정의 간격만큼 이격될 수 있다.

본 개시서에서 이처럼 체결부가 수나사와 암나사로 구성되어 나사 체결 방식으로 체결되는 것으로 예시되었으나, 이에 한정되지 않고, 체결부가 서로 인접한 두 공진기(200)를 서로 소정 간격만큼 이격되도록 구성하는 다양한 체결 방식이 적용될 수 있음이 통상의 기술자에게 이해될 것이다.

한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로파 가열 장치(300)에서 마이크로파 생성기(310)는, 예컨대, 주파수 부귀환 회로(PLL), 제1 전구동부(Pre Drive 1), 제2 전구동부(Pre Drive 2), 구동 증폭기(Drive TR), 메인 증폭기(Main TR), 상기 마이크로파 생성기(310)에서 출력되는 출력 신호의 반사 신호가 다시 마이크로파 생성기(310) 내부로 유입되지 않도록 방지하는 아이솔레이터(isolator), 마이크로파 생성기(310)에서 출력되는 출력 신호 및 상기 출력 신호의 반사 신호를 검출하는 신호 검출부, 상기 신호 검출부에서 검출된 출력 신호 및 반사 신호의 특성에 따라, 출력되는 초고주파의 주파수를 변경하는 제어부를 포함하도록 구성될 수 있다.

구체적으로, 상기 제1 전구동부 및 상기 제2 전구동부는 상기 주파수 부귀환 회로(PLL)에서 발생된 신호를 증폭시킬 수 있다.

한편, 구동 증폭기(Drive TR)는, 마이크로파 생성기(310)의 최종 출력이 클 경우 추가적으로 이득(gain)을 높일 수 있고, 상기 메인 증폭기는 최종적으로 마이크로파 생성기의 출력을 제어하여 원하는 최종 출력 신호를 발생시킬 수 있다.

지금까지 설명된 본 개시서에 따른 공진기 및 마이크로파 가열 장치는 온도 변화에 따른 공진 주파수의 변동을 최소화하면서도 가열 장치의 크기를 소형화할 수 있고, 반응물의 온도 및 종류에 따라 가열하는 구간을 나누어 가열하는 경우에도 그 각 온도에 해당하는 공동의 크기는 동일하게 유지하면서 내부에 포함되는 유전체 공진자의 높이만을 조정하면 되므로 편리하며, 마이크로파 대역의 주파를 이용함으로써 나노 규모의 입자도 가열할 수 있어 나노 화합물 합성까지 가능해지는 장점이 있다.

이상에서 몇몇 선별된 실시 예들에 한하여 본 발명이 설명되었으나 통상의 기술자는 본 개시서가 기초로 한 개념을 용이하게 이해할 수 있으며, 본 발명의 몇몇 목적들을 수행하기 위한 변형된 구조물들의 설계 기초로서 그 개념을 용이하게 활용할 수 있을 것이다.

전술한 예시들은 단지 본 개시서의 다양한 양상들의 여러 가능한 실시 예들을 예시한 것인바, 이 명세서 및 첨부된 도면들을 읽고 이해한 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 다른 사람들에 의해 균등한 변형물들 및/또는 수정물들이 생길 것이다. 덧붙여, 본 개시서의 특정한 특징이 몇몇 실시 예들 중 단 하나에 대해서만 설명되거나 그리고/또는 예시되었을 수 있어도, 그러한 특징은 어느 주어진 용례 또는 특정 용례에 있어 바람직하고 유리할 수 있는 다른 실시 예들의 하나 이상의 다른 특징들과 조합될 수 있다. 또한, "포함하는", "포함하다", "구비하는", "가진다", "를 갖춘"이라는 단어, 또는 그것들을 변형한 단어들이 상세한 설명 및/또는 청구범위에 이용되는 한, 그러한 용어들은 "포함하는(comprising)"이라는 용어와 유사한 방식으로 포괄적(inclusive)인 것으로 의도된 것이다.

200: 공진기
205: 공동
210: 배관
212: 내부 배관
214: 외부 배관
220: 유전체 공진자
225: 공진자 지지부
230: 입력 포트
240: 안테나
300: 마이크로파 가열 장치
310: 마이크로파 생성기
320: 구동 제어부
330: 온도 측정부
340: 유속 측정부

Claims (10)

1. 공동(cavity)을 내부에 가지는 공진기로서:
   피가열 물질을 포함하는 유체가 유동하는 통로로서, 상기 공진기 내부를 관통하도록 배치되는 배관(tube);
   원환 형태의 유전체 공진자(dielectric resonator)로서, 상기 배관으로 하여금 상기 유전체 공진자의 중심을 통과하게끔 상기 배관의 적어도 일부를 포위하도록 상기 공동의 중심 축 상에 배치되는 유전체 공진자;
   마이크로파가 인가되도록 상기 공진기의 측벽에 형성되는 입력 포트(input port); 및
   상기 입력 포트로부터 연장되고 상기 측벽을 관통하여 상기 공동 내에 형성되는 안테나(antenna)로서, Y자 형상 또는 갈고리 형상으로 형성되어 상기 배관의 주위를 소정의 방위각에 걸쳐 포위하는 안테나
   를 포함하고,
   상기 유전체 공진자는 상기 피가열 물질의 유전율보다 높은 유전율을 가짐으로써 상기 피가열 물질의 온도 변화에 따른 유전상수의 변동에도 상기 공진기의 공진 주파수의 변동폭이 100MHz보다 작은 것을 특징으로 하는, 공진기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 배관에는 상기 배관에 흐르는 유체의 속도를 측정하는 유속 측정부가 구비되는 것을 특징으로 하는, 공진기.
3. 제1항에 있어서,
   상기 배관은,
   내부 배관; 및
   상기 내부 배관과 소정의 간격만큼 이격되어, 상기 내부 배관을 감싸고 있는 외부 배관
   을 포함하고,
   상기 내부 배관과 상기 외부 배관 사이는 진공 상태인 것을 특징으로 하는, 공진기.
4. 제1항에 있어서,
   상기 공진기는,
   상기 공진기의 외벽이 이중 구조로 형성되어, 상기 배관에 흐르는 유체의 열이 외부로 손실되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는, 공진기.
5. 서로 연결된 둘 이상의 제1항에 따른 공진기;
   상기 공진기 각각의 입력 포트에 마이크로파를 인가하는 둘 이상의 마이크로파 생성기;
   상기 둘 이상의 마이크로파 생성기의 구동을 제어하는 구동 제어부; 및
   상기 배관에 흐르는 유체의 온도를 측정하는 온도 측정부를 포함하고,
   상기 구동 제어부는
   상기 온도 측정부에서 측정된 유체의 온도에 따라 상기 둘 이상의 마이크로파 생성기의 구동을 피드백 제어하는 것을 특징으로 하는, 마이크로파 가열 장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 둘 이상의 공진기는
   소정의 온도 구간의 상기 피가열 물질에 에너지를 공급하도록 서로 다른 공진 주파수를 가지고 설계되는 것을 특징으로 하는, 마이크로파 가열 장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 둘 이상의 공진기 각각의 온도 구간이 상이해지게끔 상기 공진기 각각에 포함된 유전체 공진자의 치수가 상이하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 가열 장치.
8. 제5항에 있어서,
   상기 구동 제어부는
   상기 온도 측정부에서 측정된 온도에 기초하여 상기 둘 이상의 공진기 각각에 방사되는 마이크로파의 주파수가 각 공진기의 공진 주파수에 수렴하도록 조절하는 것을 특징으로 하는, 마이크로파 가열 장치.
9. 제5항에 있어서,
   상기 구동 제어부는
   상기 배관에 흐르는 유체의 가열되는 부위를 조절하기 위하여 상기 둘 이상의 공진기 각각에서 방사되는 마이크로파의 주파수를 변화시켜 각 공진기의 공진 모드를 변경하는 것을 특징으로 하는, 마이크로파 가열 장치.
10. 제5항에 있어서,
    상기 배관에는 상기 배관에 흐르는 유체의 속도를 측정하는 유속 측정부가 구비되고,
    상기 구동 제어부는 상기 유속 측정부에서 측정된 유속에 기초하여 상기 유체의 온도 상승을 예측하고, 예측되는 상기 유체의 온도 상승에 따라 상기 마이크로파 생성기의 출력 세기를 조절하는 것을 특징으로 하는, 마이크로파 가열 장치.

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