KR20100112095A - 복합 전자기 발생기에 있어 처리 볼륨을 취급하는 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

물질을 처리하거나 화학 반응을 촉진하는 목적으로 물질에 복수의 전자기 소스를 결합하는 방법 및 장치가 개시된다. 정적 자기 필드, RF 필드 및 마이크로웨이브 필드의 공급을 포함하며, 그것들을 동시에 적용하거나 모든 조합으로 적용하는 가능성을 가지고, 상기 장치는 다양한 주파수의 다양한 전자기 소스를 결합한다.

Description

복합 전자기 발생기에 있어 처리 볼륨을 취급하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR TREATING A PROCESS VOLUME WITH MULTIPLE ELECTROMAGNETIC GENERATORS}

본 출원은 2008년9월19일에 출원되어 출원 계속 중인 미국 출원 시리얼 넘버 12/234,503의 CIP(Continuation-in-part)로서 참조로 여기에 그 내용이 통합된다.

본 발명은 일반적으로 물질의 처리 또는 반응에 관한 것이다. 본 발명은 큰 분자의 화학 결합의 끊기와 같은 화학 처리 또는 반응을 촉진하는 전자기 에너지의 사용에 특히 유용성을 가지며, 비록 다른 유용성도 고려될 수 있으나 상기 유용성에 관하여 기술된다. 상기 예로는 더 짧은 체인과 더 낮은 웨이트의 탄화수소가 생성되도록 긴 탄화수소 사슬의 분자 결합을 끊는 것이다. 상기 처리는 예를 들어 무겁고, 점성이 있는 오일을 덜 점성이 있는 농도(consistency)가 되게 감소시켜 파이프를 통해 쉽게 운송될 수 있다.

석유계 물질은 세계 경제에 없어서는 안 되며, 석유계 연료와 석유계 제품에 대한 수요는 증가하고 있다. 수요가 증가함에 따라, 상기 수요를 만족시키기 위해 효율적으로 그리고 경제적으로 석유계 물질을 처리할 필요가 있다. 그래서 대지로부터의 석유계 물질을 처리할 수 있을 뿐만 아니라 상기 석유계 물질을 재회수하도록 소비재를 리사이클할 수 있게 하는 것이 바람직하다.

세계적인 오일 소비는 매일 7천만 배럴을 초과하는 것으로 산출되고 있으며 증가하고 있다. 따라서 충분한 오일 공급이 필요하다. 역청사(tar sand), 유사(oil sand) 그리고 유모혈암(oil shale)은 다량의 오일을 함유한다; 하지만 상기 물질들로부터의 오일 추출은 경비가 높고 시간 소모가 있다.

유사(oil sand)로부터 중유(heavy oil)를 펌핑하는 것은 어렵다. 전형적으로, 30%에 달하는 용제(solvent)와 희석제(diluent)의 볼륨이 파이프라인을 통과해 펌프하기에 충분하도록 가늘게 하기 위해 상기 오일에 추가되어야 한다. 이는 오일 배럴의 현 시가에서 15%에 달하는 경비를 추가한다. 따라서, 오일을 덜 점섬이 있게 하도록 분자 결합을 경제적으로 끊는 능력은 유사로부터 유용한 제품을 획득하는 데 중요한 영향을 미친다. 점점 중요해지고 있는 다른 문제는 독성 폐기물의 처리이다. 폐기물을 무독성으로 만들기 위해 일반적으로 폐기물의 화학 결합을 끊을 필요가 있으며 그러면 새 결합을 형성하도록 다른 물질을 추가하는 것이 가능하다.

선행기술에 있어서, 전자기 발생기가 결합되는 공명 전자기 구조에서 처리 또는 반응 볼륨이 여기(excitation)될 수 있는 것이 알려져 있다. 상기 구조는 일반적으로 다중 모드(즉, 멀티-공간 모드(multi-spatial mode))이다. 전자렌지는 그런 장치의 예이다.

상기 공명 구조는 또한 단일 모드 구조일 수 있는데, 단일 주파수는 단일 공간 모드에서 공명한다. 단일 모드 공명 구조는 다중모드 공명 구조보다 작고 그만큼의 파워 입력을 처리할 수 없다. 많은 응용에 있어, 처리 또는 반응 볼륨에서 플라즈마를 생성하는 것이 바람직하고, 단일 모드 공명 구조 내 안정한 플라즈마를 형성하고 발생기와 그 전송 시스템에 매칭을 유지하는 것이 일반적으로 더 용이하다.

반응 또는 처리 볼륨이 복수의 전자기 발생기에 결합된 다중 모드 공명 구조 내에서 여기될 수 있는 것이 알려져 있다. 예를 들어, 미국 특허 No.7,227,097은 공통 공명 캐버티(cavity) 내에서 생성되는 플라즈마와 함께, 공통 다중 모드 공명 구조에 결합된 복합 발생기를 사용하는 시스템을 설명한다. 상기 배치는 더 많은 입력 파워를 허용하는 장점을 가지지만, 다중모드 캐버티는 플라즈마 변동(fluctuation)에 더 민감하다. 전자기 발생기와 그 각각의 전송 시스템을 매칭하고 유지하는 것은 또한 상기 배치에 있어 중요하다. 거기에는 또한 플라즈마 불안정성을 통한 다양한 발생기의 더 많은 크로스 커플링(cross-coupling)이 있다. 선행기술 참조문헌은 또한 단일 모드 공명 구조에 복합 발생기 입력을 제공하지만, 단일 모드 배치에 있어 각 발생기는 동일 주파수 및 위상을 필요로 하고, 공명 구조는 파워가 적용되는 방법을 제한한다.

많은 경우, 극고주파수, 예를 들어 마이크로웨이브를 사용할 필요가 있다. 입력 전기 에너지로부터 마이크로웨이브 에너지의 생성(대략 300MHz 내지 300GHz)은 전형적으로 약 50 내지 70% 효율만을 가진다. 비교하면, 저 RF(Radio Frequency)(약 455KHz 내지 300MHz) 에너지 전환의 생성은 95%효율에 달한다.

어떤 처리 또는 반응에 있어, 마이크로웨이브 에너지를 사용할 필요가 있다. 예를 들어, 많은 응용에 있어 마이크로웨이브 주파수를 사용하는 플라즈마를 형성해야 할 필요가 있으나 더 효율적으로 생성될 수 있는 저 주파수를 사용하는 플라즈마를 더 가열하는 것이 매우 바람직하다. 또한, 마이크로웨이브 공명 구조에서, 일반적으로 플라즈마는 프로세스 또는 반응 챔버의 길이를 따라 균일하게 가열되지 않는다.

따라서, 증가된 효율성을 가지는 처리 볼륨을 취급하는 향상된 방법 및 장치가 필요하다. 특히, 플라즈마를 반응 챔버의 길이를 따라 균일하게 여기시키고 더 낮은 RF 에너지 전환을 이용하는 것이 바람직하다.

상술한 필요를 제기하기 위해, 본 발명은 복합 전자기 발생기로 처리 또는 반응 볼륨을 취급하는 방법 및 장치를 개시한다. 본 발명에서는 공명 구조 내 더 높은 차수의 마이크로웨이브 모드를 사용함으로써 그리고 더 낮은 주파수의 RF 방사선의 추가적인 사용을 허용하는 독특한 구조를 사용함으로써 상기 목적을 달성한다.

직사각형 도파관이 공명 캐버티로 사용되는, 선행기술(Hammer, 6,683,272 B2, January 27, 2004)에 대조적으로, 본 발명은 원형 공명 구조를 사용한다. 다양한 주파수에서 동시에 교번 필드(alternating field) 뿐만 아니라 정적 필드(static field)도 포함하며, 처리 또는 반응 볼륨에 다양한 주파수의 응용을 허용하는 독특한 물리적 구조가 개시된다. 또한, 원형 기하학적 배치의 사용은 직사각형 기하학적 배치보다 더 큰 내적 파워를 허용한다. 음향학적 진동을 구조에 적용함으로써 조작 동안 공명 구조 벽으로부터 반응 또는 처리 제품을 제거하는 수단이 또한 개시된다.

플라즈마 형성의 경우, 적절한 가로지르는(traverse) 전기(TElmn으로 표시됨) 공명기 모드를 가진 원형 기하학적 배치의 사용은 플라즈마를 반응 또는 처리 챔버의 축에 한정하는 것을 허용하고, 따라서 전기 필드를 가로지르는 자기 필드를 적용함으로써 그리고 부가적으로 RF 필드를 적용함으로써 반응 또는 처리 볼륨을 더 효과적으로 가열하는 것을 허용한다. 또한, 정적 솔레노이드 필드(static solenoidal field)는 플라즈마를 공명기 축에 구속하는 것을 도울 수 있다.

공명 구조를 한 번에 많은 공간 모드에서 조작함으로써 그리고 여기에 개시된 독특한 구조를 채용함으로써, 더 많은 발생기를 사용하여 더 많은 파워를 공급할 수 있고 공명 구조의 길이를 따라 활성화되는 매질을 더 균일하게 여기시킬 수 있다.

2008년9월19일 출원 후 출원계속중인 미국 출원 시리얼 넘버 12/234,503는 동일 양수인에게 양도되고 여기에 참조로 통합되었는데, 시스템, 즉 공통 처리 또는 반응 볼륨에 결합된 여러 공명 구조를 가지고, 여러 전자기 발생기의 출력을 각각의 공명 구조에 적용함으로써 복합 전자기 발생기에 있어 처리 또는 반응 볼륨을 취급하는 방법 및 장치를 제공한다. 출원은 또한 각 공명 구조에 대해 파워 입력을 제어하고 동일 공명 주파수를 가지는 입력 위상을 제어하도록, 각각의 공명 구조에 전자기 발생기를 매칭 및 튜닝하는 방법을 개시한다. 다양한 공명 구조는 반응 또는 처리 볼륨이 각 공명 구조의 일부가 되도록 배열된다. 상기 배치에서, 발생기는 상이한 주파수와 위상을 가질 수 있고 공통 처리 또는 반응 볼륨에 여전히 매치된다. 오직 처리 또는 반응 볼륨만이 입력될 수 있는 파워의 양을 제한한다. 따라서 시스템은 각 발생기를 그 자신의 공명 구조에 결합시킴으로써, 복합 입력과 증가된 안정성이라는 장점을 결합하며, 각 공명 구조는 공통 처리 또는 반응 볼륨에 교대로 결합된다.

따라서 본 발명의 목적은 마이크로웨이브 소스에 부가하여 더 낮은 RF 전자기 소스를 반응 또는 처리 볼륨에 결합하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다. 또한 본 발명의 목적은 정적 자기 필드를 제공하는 것이다. 이를 달성하기 위하여 처리 또는 반응 챔버가 여러 마이크로웨이브 모드가 구조적으로 동시에 공명하도록 배열된다. 이는 물질의 더 고르고 강한 여기가 처리되고 반응하도록 허용한다.

본 발명의 또 다른 목적은 동일 또는 상이한 주파수의 여러 마이크로웨이브 입력을 허용하는 것이다. 본 발명에 있어, 동일 주파수를 가지는 발생기는 위상이 고정된다. 각 발생기는 물리적으로 전자적으로 반응 또는 처리 챔버의 공명 모드를 매치하는 적절한 공명 모드에 결합되고, 부하(load)가 변화할 때 챔버에 매칭된 소스를 유지하는 것을 촉진하도록 결합된다. 이는 특히 플라즈마가 반응 챔버 내에 생성되는 경우 중요하다. 상기 경우, 플라즈마가 형성될 때 부하가 급격히 변한다. 본 발명은 또한 처리 또는 반응 챔버에 대한 마이크로웨이브 발생기의 매칭을 위한 전기적 및 물리적 튜닝을 제공하고 부하에 대한 매칭을 유지하기 위한 빠른 조정을 허용한다.

일면에서, 본 개시는 전자기 방사선을 가지고 처리 매질을 여기시키는 장치를 제공하는데: 처리 또는 반응 볼륨을 포함하는 반응 구조; 상기 반응 구조에 결합되는 적어도 하나의 마이크로웨이브 전자기 발생기, 바람직하게는 다수의 마이크로웨이브 전자기 발생기; 및 상기 반응 구조에 결합되는 적어도 하나의 RF 전자기 발생기를 포함한다. 처리 또는 반응 챔버는 바람직하게는 실린더형 대칭이고, 마이크로웨이브 소스는 단지 하나의 가로지르는 전기(TE, 또는 H) 모드만이 여기되도록 배열된다. 상기 모드는 TElmn 모드로 지정된다. 상기 모드에서 전기 필드는 공명 챔버의 벽을 둘러싸고(circumferential) 평행하며 자기 필드는 축에 평행하다. 복합 마이크로웨이브 발생기로부터의 입력은 다양한 발생기가 공명 구조의 다양한 모드에 결합되도록 배열된다. 많은 경우 주변에서 불변한 모드가 사용된다. 상기 모드는 TEomn 모드로 지정된다.

다른 일 면에서, 본 개시는 복합 전자기 발생기로 처리 볼륨을 취급하는 장치를 제공하는데, 금속 스파이럴로 형성된 공명 구조 및 상기 스파이럴에 결합된 복수의 전자기 발생기를 포함한다. 공명 구조 자체는 공명 주파수에서의 파장의 일부에 해당하는 폭을 가지는 금속 스파이럴로 이루어진다. 도 1을 본다. RF 소스는 코일의 여러 권선을 가로질러 연결될 수 있다. RF 주파수에서 코일의 권선은 인덕턴스(inductance)로서 나타난다. 커패시터(capacitor)는 가끔 RF 주파수에서 회로 공명에 사용된다. 상기 배열은 처리되거나 반응하는 물질에 에너지의 추가를 허용하는 코일의 축에 평행한 교번 자기 필드를 제공한다.

다른 면에서, 본 개시는 자기 필드를 사용하는 처리 매질을 여기시키는 방법을 제공하는데: 적어도 하나의 마이크로웨이브 발생기와 적어도 하나의 RF 발생기가 결합되는 실질적으로 실린더형인 공명 구조를 제공하는 단계; 상기 공명 구조의 다양한 모드에 결합되는 전자기 필드를 생성하는 단계; 및 상기 처리 매질을 축을 따라 상기 공명 구조를 통과해 상기 처리 매질을 통과시키는 단계;를 포함한다. 상기 처리 매질은 상기 구조에 공급된다. 여기에 상기 공명 구조(점선 라인으로 보임)를 통과하는 RF 및 마이크로웨이브 투과 파이프(저 유전상수)가 될 수 있거나 생략될 수 있다. 파이프의 입력단은 상기 챔버로부터의 방사선을 막기 위해 일반적으로 금속일 수 있다.

코일과 장치의 쉴딩(shielding)으로부터의 부산물의 제거와 같은, 다른 특징과 함께, 방법과 장치의 상세한 설명이 다음에 주어진다.

본 발명은 복합 전자기 발생기로 처리 또는 반응 볼륨을 취급하는 방법 및 장치를 개시한다. 본 발명에서는 공명 구조 내 더 높은 차수의 마이크로웨이브 모드를 사용함으로써 그리고 더 낮은 주파수의 RF 방사선의 추가적인 사용을 허용하는 독특한 구조를 사용함으로써 상기 목적을 달성한다.

본 발명의 다른 특징과 장점은 다음의 도면과 연결되는 후술하는 상세한 설명으로부터 알 수 있다.
도 1은 본 발명의 일면에 따라 복합 전자기 발생기로 처리 볼륨을 취급하는 장치를 도시한다;
도 2a 및 2b는 도 1에 도시된 장치의 단면도로서, 전자기 발생기에 의해 생성된 다양한 필드를 도시한다;
도 3a 및 3b는 본 발명의 일면에 따른 매칭 장치의 도면이다;
도 4는 본 발명의 일면에 따른 위상 고정 장치의 개략도이다;
도 5a는 본 발명의 일면에 따른 코일의 도면이다;
도 5b는 본 발명의 일면에 따른 일단 캡의 도면이다;
도 6은 본 발명의 다른 일면에 따른 복합 전자기 발생기로 처리 볼륨을 취급하는 장치의 도면이다;
도 7은 본 발명의 일면에 따른 복합 전자기 발생기로 처리 볼륨을 취급하는 방법 및 장치의 개략도이다.

다음 설명에서, 참조부호는 도면에 표시되며, 이는 그 일부를 형성하고, 도면에 의해 본 발명의 다양한 실시예가 도시된다. 다른 실시예가 이용될 수 있으며 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 변화가 이루어질 수 있음을 이해한다.

도 1은 본 발명의 일반적 개념을 보인다. 마이크로웨이브 주파수에서 공명 캐버티(여러 상이한 주파수 입력이 있을 수 있음)이 도전성의 금속 스파이럴(100)에 의해 형성된다. 스파이럴의 내경은 스파이럴의 내경과 동일한 지름을 가진 실린더형 공명기(4)의 적절한 마이크로웨이브를 지지하기 위해 선택된다. 길이는 입력 마이크로웨이브 주파수의 반파장의 정수배로 선택된다. 복합 마이크로웨이브 및 복합 RF 소스(11, 12)는 파워를 공명 구조로 전달한다. 일반적으로 말해서 임의의 입력 주파수에서 마이크로웨이브 캐버티 공명을 가지는 것이 가능하지 않은 반면, 공명 구조가 상이한 주파수의 공명 모드를 허용한다는 것은 본 발명의 특징 중 하나이다. 스파이럴(100)은 구리와 같은 연속 전기(및 열) 도전 물질로 이루어진다. 열 교환기 또는 칠러(chiller)는 코일을 냉각시키도록 제공되고, 음향 소스가 공명 구조에 주입되는 물질의 처리 또는 반응으로 인해 그 상부에 형성된 침적물을 제거하도록 사용된다.

본 발명의 방법과 장치는, 투과 파이프가 사용되는지에 관계없이, 반응 챔버 내 플라즈마를 형성하는데 사용될 수 있다. 이 경우 "투과(transparent)"란 마이크로웨이브 및 RF 주파수에 대해 투과된다는 것을 의미한다. 플라즈마가 형성될 때, 플라즈마 내 전기 필드의 단락(short circuit)이 있다. 따라서 상기의 경우 축을 따른 전기 필드(일반적으로 E 필드로 표시)가 있을 수 없다. 상기 이유로 인해, 공명 챔버는 주변 E 필드를 가진 모드 만이 여기되도록 여기된다. 이는 TElmn 모드로 알려져 있다. 상기 명칭(nomenclature)에서, n 첨자는 공명 모드의 반파장인 공명 구조의 길이를 표시한다. "l"은 축에 수직한 회전 경로 주변의 필드에 있어 변화 개수를 표시하고, m은 방사상(radial) 방향으로 E 필드에 있어 변화수를 표시한다. 모든 모드에 있어 H 필드는 공명 구조의 축에 평행하다.

여기에 설명된 장치는 보통 H 필드로 표시되는 자기 필드에 의해 처리 또는 반응되는 물질을 여기하는데 사용되고, 이는 E 필드와 달리 형성되면 플라즈마를 관통할 수 있다. 공명 챔버의 독특한 특징은 플라즈마가 더 균일하게 가열되도록 복합 TE 모드가 여기되는 것을 허용한다는 것이다.

스파이럴 와인딩(100)의 폭은 결정적이지 않고, 따라서 마이크로웨이브 주파수의 상당한 폭 범위가 동시에 공명될 수 있다. 만약 모드가 주파수 내 닫혀 있다면(close), 스파이럴 와인딩의 폭을 공명 주파수의 사분의 일 파장으로 하는 것이 유리할 것이다. 상기의 경우, 코일 와인딩 사이의 공간은 공명 구조 내 E 필드에 대한 단락으로 나타날 것이다. 이는 외부 지름에서 코일 사이의 개방 공간은 파장의 사분의 일만큼 떨어진 내경에서 단락(short)으로 보이기 때문이다. 만약 공명 모드가 본 발명과 같이 TE 모드라면, E 필드는 주변을 감싸고, 따라서 종방향(longitudinal)으로 거의 전류가 없다. 공명기 내 여기된 모드 또는 모드들은 대응 자기 필드가 공명기의 축에 평행하고 전기 필드가 벽에 평행하게 원형이 되게 한다. 상기 모드의 전기 필드는 벽에서 0이어서, 전류는 스파이럴의 와인딩 사이의 갭으로 흐를 필요가 없다.

도 1을 참조하면, 구조의 개별 와인딩(1) 사이의 간격(d, 2)는 어떤 인덕턴스가 구조 단면에 바람직한지 그리고 코일 사이의 공간을 실링하는 물질의 유전 상수를 포함하는 여러 인자에 의해 결정된다. 코일의 권선 사이의 공간은 설명을 원활히 하기 위해 상기 도면에 특히 강조되어 있다. 사실, 공간은 도시된 것보다 훨씬 작으며 부도체로 채워져 있어, 공진기는 연속 벽(금속, 부도체, 금속, 부도체, 등)을 가진다. 고체 금속 단 플레이트(3A, 3B)는 공명 구조 내에서 전자기 필드에 의해 활성화되는 매질을 옮기는 튜브 또는 파이프(4)(그 입력단 및 출력단은 공명 캐버티으로부터 방사선을 방지하도록 금속임)에 의해 관통된다. 일부 실시예에서, 상기 파이프(마이크로웨이브 및 RF 주파수에 투과됨)는 필요하지 않고, 활성화되는 상기 물질(7)은 공명 구조의 전체 내부를 채운다. 상기 내부 파이프(4)의 점선(5)은 파이프가 상기 공명 구조 내에 존재하거나 하지 않을 수 있다는 것을 나타낸다. 공명 구조의 출력 단은 점선으로 보이는 흐름에 처리 또는 반응하는 물질이 통과하는 파이프에 의해 관통될 수 있는 고체 금속 캡이다. 파이프가 공명 캐버티 내 존재하지 않는 경우, 반응 또는 처리 물질이 챔버를 빠져나오는 외부 금속 파이프(4)가 여전히 존재한다.

공명 구조의 입력 플레이트(3A)는 하나 또는 그 이상의 마이크로웨이브 입력, 전형적으로 도파관(6)에 의해 관통된다. 입력 마이크로웨이브 주파수는 구조의 공명 주파수를 매칭하도록 튜닝된다. 매칭 장치는 마이크로웨이브를 공명 구조에 효과적으로 결합시키도록 그리고 부하가 변할 때 매칭을 유지하도록 모든 입력에 채용된다.

처리 또는 반응되는 물질(7)은 파이프(4)를 통과하는 공명 구조에 주입된다. 만약 마이크로웨이브 및 RF 주파수가 투과하는 점선 파이프에 도시된 대로 공명 구조를 통과해 연속된다면, 처리 또는 반응 제품은 출력(8)에서 공명구조를 빠져 나간다. 상기 출력은 처리 또는 반응의 정도에 따라, 원 물질과 그 부산물 모두로 이루어진다.

후술하는 대로, 공명 구조 축과 동심인 가동가능한 실린더형의 일반적으로 공동(hollow)의 피스톤(도 1에 미도시)은 공명 구조의 출력 단에 위치한다. 상기 피스톤을 움직이는 샤프트는 출력 캡(3B)를 통과하는 공명 구조 축에 평행하다. 상기 피스톤은 상이한 주파수와 상이한 방사상 변화의 TE 모드의 동시 매칭을 허용한다.

더 낮은 주파수(RF) 필드가 마이크로웨이브 필드보다 더 효과적으로 생성되므로, 더 낮은 주파수의 RF 소스로 반응 챔버에 더 많은 에너지를 추가하는 것이 바람직하다. 이는 스파이럴 구조 때문이다. 스파이럴은 RF 주파수에서 인덕터를 형성한다. 만약 RF 발생기(9,10)가 도 1에 도시된 바와 같이 코일(1)의 일부를 가로질러 연결된다면, 이는 공명 구조의 축을 따라 솔레노이드 자기 필드 또는 축방향 자기 필드를 생성하는 솔레노이드를 형성한다. 플라즈마가 공명 구조 내 형성되는 경우, 전기 필드는 플라즈마 내에서 0이 되어야 한다. 자기 필드는, 하지만, 플라즈마에 에너지를 관통 및 추가할 수 있다. RF 발생기에 의해 생성되는 자기 필드가 마이크로웨이브 모드에서 공명 구조를 따라 동일 위치에 있도록 연결이 만들어지고, 따라서 축을 따라 더 많은 파워를 부가한다. 다양한 RF 발생기(11, 12)가 동일 또는 상이한 주파수를 가질 수 있다.

커패시터(13, 14)는 커패시터와 공명 구조의 코일에 의해 형성되는 인덕터의 조합이 공명 회로를 형성하도록 부가된다. 도 1의 커패시터는 일련의 공명 회로를 형성하는, 발생기와 인덕터의 시리즈이다. 어떤 경우, 분리 커패시터는 필요하지 않다. 상기의 경우, 구조 커패시턴스 자체는 코일의 권선의 인덕턴스를 따라 공명 회로를 형성한다. 커패시터는 평행 공명 RF 회로를 형성하며, 대신 병렬로 위치할 수 있다. 따라서 교번 축방향 자기 필드는 처리 또는 반응되는 물질에 에너지를 추가하면서, 반응 구조의 축을 따라 생성된다.

교번 RF 필드에 부가하여, 정적 또는 DC 필드가 DC 소스 또는 소스들을 코일(15)의 다양한 단면에 연결함으로써 축을 따라 생성될 수 있다. 다양한 코일에 연결되는 여러 DC 소스가 있을 수 있고, 전체 구조를 가로질러 연결되는 단일 DC 소스(18)가 있을 수 있다. 인덕터(16)은 RF 방사선으로부터 보호하기 위해 DC 서플라이와 일렬로 위치한다. 정적 DC 전류는 정적 축방향 필드를 생성한다. 플라즈마가 공명 구조 내 형성되는 경우, DC 필드는 생성된 플라즈마를 공명 구조의 축에 구속하는데 도움을 주어, 교번 RF 필드에 의해 더 효율적으로 여기될 수 있다.

직사각형 챔버에 반대로 라운드 챔버는 라운드 챔버가 더 높은 파워를 처리할 수 있고, 원형 기하학적 배치가 처리 또는 반응되는 물질의 더 균일한 여기를 제공할 수 있다는 점에서 선호된다.

상술한 바와 같이, 여러 TElmn 모드는 공명 구조 내에서 더 균일한 마이크로웨이브 파워 밀도를 제공하도록 여기된다. 다양한 TElmn 모드는, 공명 구조의 축방향 단면을 보이는 도 2a에 도시된 바와 같이 상이한 방사상 방향으로 최대값을 가진다. 모든 TElmn 모드는 공명 구조 축을 따라 자기 필드 최대값을 가진다. 이는 특히 플라즈마가 공명 구조 내 형성되는 경우에 바람직하다. 상기의 경우, TM 모드는 축방향을 따라 E 필드를 가지지만 존재할 수 없다. 하지만, TE 모드는, 축방향으로 따라 자기 필드를 가지고, 플라즈마를 관통할 수 있으며, 부가 에너지를 플라즈마에 부가하여 더 가열한다. 많은 경우 주변에 어떤 변화도 없이 원주형 대칭인 공명 모드를 가지는 것이 바람직하다. 상기 모드는 TEomn 모드로 알려진다.

도 2a는 공명 구조의 축에 평행한 본 발명의 단면을 보인다. 두 TElmn 모드(21, 22)는 상이한 방사상 위치에서 최대값을 가지는 것으로 보인다. 모드(21)은 TEL1n 모드이고, 반면 모드(22)는 두 개의 방사상 변형을 가지고 TEL2n 모드이다. 모드(21)의 H 필드의 최대값에서 링형 피스톤(23)은 공명에 대해 튠 모드(21)로 공명 구조의 길이를 따라 종방향으로(24) 조정된다. 유사하게 피스톤(25)은 모드(22)의 H 필드의 최대값과 일치하는 두 개의 링을 가지고 구조 내 공명에 대해 튠 모드(22)로 조정된다(26). 도 2a는 또한 공명 구조의 벽을 포함하는 스파이럴 코일(27)의 권선을 통과하는 단면을 보인다. 구조를 통해 반응 또는 처리되는 물질을 운송하는 파이프(28)가 또한 도시된다. 상술한 대로, 마이크로웨이브 및 RF 주파수에 투과되는 파이프는 공명 구조 내에 존재할 수도 또는 하지 않을 수도 있다. 이는 점선(29)로 표시된다. 하지만 어떤 경우에서든 금속 소모 파이프(29A)는 존재한다. 파이프(29A)는 공명 구조 외부로 방사선이 나가는 것을 방지하는 금속으로 이루어진다. 후술할, 전체 장치도 또한 주변으로 방사선을 방지하는 금속으로 외부 콘테이너를 감싼다.

도 2b는 다양한 종방향 모드 중 구별 방법을 보인다. 도시된 것은 많은 반파장 길이의 공명 구조 단면이다. 두 모드(29B, 29C)는 상이한 위상에서 종방향 최대값을 가진다. 상기 경우 스파이럴 코일의 벽을 관통하는 스크류(29D)는 점선(29B)가 오실레이팅(oscillating)하는 것을 방지한다.

다양한 공명 모드는 효과적으로 결합하기 위해 적절한 TElmn 모드의 H 필드와 일치하는 장치의 입력 단 상에 마이크로웨이브 입력에 의해 여기된다.

일단 피스톤이 적절히 설정되면, 부하가 변할 때 부하에 매치된 마이크로웨이브 소스를 유지하는 공명 장치의 입력단에 공급이 필요하다. 부하 변화가 빠를 수 있으므로, 플라즈마가 급격히 형성될 때, 입력의 빠른 매칭을 허용하는 방법을 사용하는 것이 바람직하다. 이는 후술할 입력 매칭 스킴(scheme)에 의해 달성된다.

입력 매칭 스킴의 제1부분은 전기적으로 구동되는 기계 장치에 적절한 모드로 매칭을 조정하여, 빠른 응답을 가진다. 하나의 장치는 각 마이크로웨이브 입력에 사용된다. 상기 장치는 공명 구조에 대한 각 마이크로웨이브 소스의 커플링 계수를 변화시킨다. 1의 커플링 계수는 완전한 매칭을 의미하므로, 어떠한 파워도 공명 구조로부터 반사되지 않는다. 0의 커플링 계수는 모든 파워가 공명 구조로부터 반사되는 것을 의미한다. 폐루프(closed loop) 서보메커니즘 시스템에 의해 제어될 수 있는 전기적으로 활성화된 장치를 가지는 것이 바람직하다.

매칭 장치의 조작은 다음과 같다: 도 3a와 3b를 참조하면, 마이크로웨이브 발생기로부터의 출력은 도 3a에 도시된 적절한 차원의 직사각형 도파관(31)에 의해 반응 챔버로 전달된다. 도파관의 모드와 공명 챔버의 입력에서의 그 위치는 기대 TELmn 모드를 여기시키도록 선택된다. 입력 캡에서의 입력 호울(hole)도 동일 차원의 직사각형이고 마이크로웨이브로부터의 도파관과 동일한 단면의 제2도파관(32)에 전형적으로 결합된다. 회전 튜닝 장치(33)는 입력 도파관과 입력 호울로 유도하는 도파관에 대해 동일 단면과 함께 단면을 회전함으로써 조작한다. 회전 단면이 다른 두 단면과 함께 정렬되면, 커플링 계수는 1이고 만약 단면이 90도 회전하면 0이 된다.

도 3b는 중앙 회전 피스(33)가 적절한 전기 제어(36)에 연결된 솔레노이드(34, 35)에 의해 전기적으로 제어될 수 있는 방법을 보인다. 반사 계수는 적합한 배열, 예를 들어 방향 커플러(directional coupler)에 의해 입력 파워에 대한 반사 파워를 모니터링함으로써 검출되고, 제어 신호(37)는 솔레노이드를 구동하여 전방 전송 파워를 최대화한다. 도면에서 회전 각도(Θ)는 수평으로부터 측정된다. 0도에 가까운 Θ값은 0 근사 반사계수로 부하에 최선의 매칭을 제공한다. 90도 근사값은 최대 반사계수를 나타낸다.

동일 주파수의 복합 발생기가 사용되는 경우, 그 위상을 함께 고정하는 것이 필요하다. 이는 도 4에 도시된다. 제1발생기(41)는 공명 구조에 매치된다. 제2발생기(42)는 제1발생기에 위상이 고정되어, 두 주파수가 동일하고 두 발생기는 동일 위상이 된다. 공명 구조(43)은 콘테이너(44) 내부에 하우징되고, 이는 도 6에서 상세하게 후술된다. 공명 구조 내 센싱소자(45)는 공명 구조 내 방사선의 위상을 검출한다. 상기 신호는 믹서(46) 내 제2발생기(42)의 주파수와 비교된다. 믹서로부터의 에러 신호(47)은 그 위상을 공명구조와 제1발생기(41)의 위상에 조화시키기 위해 제2마이크로웨이브 발생기에 피드백된다. 상기 기술은 두 발생기 또는 동일 주파수에 한정되지 않는다. 동일 주파수의 복합 발생기는 유사한 위상으로 고정될 수 있다. 각 발생기로부터의 출력은 동일 공명 구조 모드에 결합되어야 한다. 상기 위상 고정은 동일 주파수를 가지는 발생기에만 적용되며, 따라서 공명 구조 내 동일 TELmn 모드에 결합된다는 것에 유의한다.

표준 마이크로웨이브 기술은 발전기 사이에 서큐레이터(circulator) 또는 아이솔레이터(isolator)를 사용하거나 발전기를 큰 반사 파워로부터 보호하는 부하를 사용하는 것과 같이, 마이크로웨이브 발생기를 보호하도록 채용된다.

본 방법과 장치의 많은 응용에서, 그 내부의 처리 또는 반응으로 인해 공명 구조 상에 침전물이 형성된다. 관심있는 특정의 경우 큰 분자로부터 더 단순한 분자로 중탄화수소(heavy hydrocarbon)를 분쇄하는 처리이다. 상기의 경우 상술한 미국 출원 시리얼 넘버 12/234,503에서 토론된 바와 같이 앞선 방법과 장치를 설명하는 프로토타입 장치에서 기술된 대로, 탄소 침전물이 장치의 내벽에 형성된다. 이는 처리의 효율성을 떨어뜨리고 마이크로웨이브 소스 또는 소스들에 대한 공명 구조의 매칭을 변화시킨다.

도 5a는 장치의 침전물의 세정 기술을 보인다. 코일의 권선은 코일을 통해 물 또는 다른 액체(52)가 순환하는 것을 허용하는 공동(51)이다. 초음파 발생기(53)는 트랜스듀서(55)를 코일을 통과하는 액체 순환으로 결합시킴으로써 초음파를 적용하고, 동시에 물은 코일을 냉각시킨다. 펌프(56)는 코일을 통과해 액체를 펌핑하고 저장소(57)는 또한 예를 들어 칠러에 의해 액체로부터 열을 제거한다.

교번 RF 필드에 의해 단 캡(58)에 유도된 손실 에디 전류(lossy eddy current)를 감소시키기 위해, 단 캡의 내부는 도 5b에 도시된 바와 같이 얇고, 도전성인 스파이럴 와운드 포일(spiral wound foil, 59)에 의해 덮힌다.

도 6은 작업되는 매질을 보유하는 내부 튜브가 있는 경우 반응 챔버의 한 배열을 보인다. 예를 들어, 입력(60)은 아토마이저(61)에 의해 원자화되는 액체(60)가 될 수 있고, 이는 반응 챔버(62)로 주입된다. 상기의 경우, 전체 반응 장치는 도시된 폐 콘테이너(63) 내 포함된다. 처리 또는 반응 제품은 배출 포트(64)를 통해 수집된다. 배출 포트로부터의 다양한 물질이 예를 들어 가스로부터 액체를 분리하는데 적합하도록 더 처리된다. 상기 차폐(close) 챔버(63)는 유리 또는 세라믹 또는 금속과 같이 RF 또는 마이크로웨이브 방사선이 주변으로 방출되는 것을 방지하도록 쉴드로서 기능하는 부도체일 수 있다.

도 7은 본 발명의 방법과 장치의 기본 소자의 일부를 보인다. 처리 또는 반응 장치의 입력은 예를 들어 액체(71)일 수 있다. 입력은 고체 또는 가스 또는 원자화된 액체, 액체, 가스 및/또는 가스의 복합 위상 조합일 수 있다. 가스 또는 고체의 경우, 적절한 장치가 반응 또는 처리 장치로 처리 또는 반응 물질을 주입하는데 사용된다. 도면에서 액체(74)는 펌프(72)에 의해 반응 또는 처리 장치로 펌핑된다. 액체는 아토마이저(73)에 의해 원자화되고 처리 또는 반응될 반응 챔버내로 주입된다(74). 특히 관심있는 경우는, 플라즈마가 반응 챔버 내에서 생성되고 액체의 화학결합이 끊어지는 경우이다. 이는 예를 들어 다른 제품을 생산하고 액체를 덜 점섬있게 만들기 위해 중탄화수소의 결합을 끊는 경우에 바람직하다. 출력 제품(75)는 반응 챔버를 적절하게 둘러싸는 수집 챔버(76)에 의해 수집된다. 액체 입력의 경우, 출력은 일반적으로 적절히 분리될 수 있는(77) 액체와 가스 제품을 모두 포함할 수 있다. 적합한 튜닝가능한 매칭 장치(78)는 마이크로웨이브 소스(79)를 반응 장치로 결합하는데 사용된다. 상기 장치는 도 3을 참조하여 설명되었다. 마이크로웨이브 발생기가 동일 주파수를 가지는 경우, 발생기는 도 4에 도시된 바와 같이 위상이 고정된다. 다양한 공명 구조를 매칭하는 가동가능한 피스톤이 80으로 개략적으로 도시된다. 상술한 대로, 상기 피스톤을 움직이는 샤프트는 챔버 벽을 통해 연장된다. 상기 피스톤의 개략도는 도 2를 참조한다. 작업 매질을 더 가열하기 위한 공명 구조에 결합된 복합 RF 발생기가 81 및 82로 도시된다. 축방향의 정적 자기 필드에 대한 공급이 DC 전류 서플라이(83)에 의해 실행된다. 물 또는 다른 형태의 냉각 유체(84)가 될 수 있는 냉각 액체가 펌프(85)에 의해 공동 코일을 통해 펌핑된다. 초음파 소스(86)는 공명 구조 코일의 기계적 진동이 그 상부에 퇴적된 모든 물질을 배출하도록, 초음파 에너지(87)를 적절한 트랜스듀서(88)를 통해 액체에 적용한다. 초음파는 시스템이 일정 시점에 입력 물질을 처리하는지 여부에 관계없이 필요할 때 사용될 수 있다. 냉각 액체에 대한 저장소(89)는 예를 들어 열 교환기 또는 칠러와 같이 냉각 액체로부터 열을 제거하는 수단을 포함한다.

본 장치와 방법의 상술한 실시예, 특히 "바람직한" 실시예는 단지 실행할 수 있는 가능한 예에 불과하며 본 발명의 원리의 명확한 이해를 위해 설명된 것임이 강조되어야 한다. 여기에 기술된 처리 볼륨을 취급하는 방법 및 장치의 많은 상이한 실시예는 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않고 디자인되고 및/또는 제작될 수 있다. 모든 상기 그리고 다른 수정과 변형은 본 개시의 범위 내에 포함되고 다음 청구항에 의해 보호된다. 따라서 본 발명의 범위는 첨부된 청구항에 의해 나타나는 것에만 제한되지 않는다.

100 스파이럴
11, 12 복합 RF 소스
1 와인딩
2 간격
4, 28, 29A, 29B 파이프
9, 10 RF 발생기
13, 14 커패시터
15 코일
16 인덕터
18 DC 소스
21, 22 TElmn 모드
23, 25 피스톤
27 코일
29B, 29C 모드
29D 스크류
31, 32 도파관
33 튜닝 장치
37 제어 신호
41 제1발생기
42 제2발생기
43 공명 구조
46 믹서
51 공동
53 초음파 발생기
54, 87 초음파 에너지
55 트랜스듀서
56, 60, 71, 74 액체
57, 89 저장소
58 단 캡
59 스파이럴 와운드 포일
61, 73 아토마이저
62 반응 챔버
63 콘테이너
72, 85 펌프
75 제품
76 수집 챔버
79 마이크로웨이브 소스
81, 82 매질
83 DC 전류 서플라이

Claims (15)

1. 처리 또는 반응 볼륨을 포함하는 반응 구조;
   상기 반응 구조 주변에서 상기 반응 구조에 결합된 복수의 마이크로웨이브 전자기 발생기; 및
   상기 반응 구조에 결합된 적어도 하나의 RF 전자기 발생기;
   를 포함하는 전자기 방사선으로 처리 매질을 여기시키는 장치.
2. 제1항에 있어서,
   적어도 하나의 다음의 특징:
   (a) 상기 반응 구조에 결합된 적어도 하나의 정적 전자기 발생기를 더 포함하고, 적어도 하나의 정적 전자기 발생기는 바람직하게 플라즈마를 구속하는 DC 필드를 생성함;
   (b) 상기 반응 구조는 상기 마이크로웨이브 주파수에서 단일 모드 또는 다중 모드임; 및
   (c) 상기 반응 구조는 축에 대해 실린더형 대칭임;
   을 포함하는 전자기 방사선으로 처리 매질을 여기시키는 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 반응 구조는 도전성 물질로 형성된 스파이럴 구조에 의해 제한되고 다수의 코일을 가지는 전자기 방사선으로 처리 매질을 여기시키는 장치.
4. 제3항에 있어서,
   적어도 하나의 다음의 특징:
   (a) 상기 스파이럴의 권선의 폭은 공명 주파수에서 사분의 일 파장임;
   (b) 상기 스파이럴은 하나 또는 그 이상의 상기 RF 발생기에 연결됨;
   (c) 코일은 공명 회로의 일부를 구성함; 및
   (d) 상기 스파이럴은 각 단에 단 캡을 가지고, 상기 단 캡은 와상 전류 손실을 방지하기 위한 스파이럴 와인딩을 포함함;
   을 포함하는 전자기 방사선으로 처리 매질을 여기시키는 장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 마이크로웨이브 전자기 발생기 중 둘 또는 그 이상은 상기 반응 구조 내 다양한 모드를 여기하도록 선택된, 동일 주파수에서 마이크로웨이브를 생성하고, 상기 동일 주파수의 마이크로웨이브는 바람직하게 위상이 고정되는 전자기 방사선으로 처리 매질을 여기시키는 장치.
6. 제5항에 있어서,
   위상 검출기를 더 포함하고, 상기 위상 검출기로부터 에러 신호가 유도되어 상기 동일 주파수의 적어도 하나의 상기 마이크로웨이브 전자기 발생기로 되돌아가는 전자기 방사선으로 처리 매질을 여기시키는 장치.
7. 제1항에 있어서,
   적어도 하나의 다음 특징:
   (a) 마이크로웨이브 전자기 발생기는, 상기 반응 구조 내 다양한 모드를 여기시키도록 선택된, 상이한 주파수로 마이크로웨이브를 생성함;
   (b) 상기 처리 매질은 TElmn 모드의 H 필드로 여기됨;
   (c) RF 발생기는 상기 공명 구조의 축 근처 영역을 여기시키도록 결합됨;
   (d) 상기 공명 구조의 초음파 세정을 위한 초음파 장치를 더 포함함;
   (e) 상기 스파이럴은 액체 또는 공기로 냉각됨;
   (f) 상기 마이크로웨이브 전자기 발생기는 상기 공명 구조 내 상이한 종방향 위치에서 복합 마이크로웨이브 모드를 여기하도록 배치됨;
   (g) 상기 RF 전자기 발생기는 상기 공명 구조 내 상이한 종방향 위치에서 복합 TElmn 모드를 여기하도록 배치됨;
   (h) 하나 이상의 모드를 지지하는 상기 반응 구조의 일단에 위치하는 적어도 하나의 피스톤을 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 피스톤은 바람직하게 다양한 모드의 튜닝을 조정함;
   (i) 상기 반응 구조는 일렬로 또는 병렬로 또는 병렬 및 일렬로 연결된 복합 공명 구조를 포함함;
   (j) 큰 부하 변화를 위한 전자기 커플러를 더 포함함; 및
   (k) 작은 섭동을 수용하도록 조정가능한 마스터 오실레이터를 더 포함함;
   을 포함하는 전자기 방사선으로 처리 매질을 여기시키는 장치.
8. 금속 스파이럴로 형성된 공명 구조; 및
   상기 스파이럴에 결합된 복수의 전자기 발생기;
   를 포함하는 복합 전자기 발생기의 처리 볼륨을 취급하는 장치.
9. 제8항에 있어서,
   적어도 하나의 다음의 특징:
   (a) 금속 스파이럴의 각 단에 입력 캡과 출력 캡을 더 포함하고, 상기 처리 볼륨은 상기 입력 캡을 통해 공명 구조로 도입됨;
   (b) 실린더형 대칭인 반응 챔버를 더 포함함;
   (c) 상기 복수의 전자기 발생기는 적어도 하나의 마이크로웨이브 발생기와 적어도 하나의 RF 발생기를 포함함;
   (d) 상기 전자기 발생기는 코일 축에 평행한 교번 자기 필드를 생성함;
   (e) 상기 복수의 전자기 발생기로부터의 입력은 상기 다양한 발전기가 상기 공명 구조의 다양한 모드에 결합되도록 배열됨;
   (f) 상기 전자기 발생기에 의해 생성되는 H 필드의 다양한 공명 모드를 튜닝하도록 적어도 하나의 실린더형 피스톤을 더 포함함;
   (g) 상기 처리 매질은 TElmn 모드의 H 필드로 여기됨;
   (h) 상기 공명 구조로 처리 볼륨을 공급하는 파이프를 더 포함하고, 튜브는 RF 및 마이크로웨이브 에너지에 투과되고, 파이프는 바람직하게 입력단 및 출력단을 가지고, 상기 파이프의 상기 입력단 및 상기 출력단은 금속으로 형성됨;
   (i) 금속 스파이럴의 권선은 공명 주파수에서 사분의 일 파장의 폭을 가짐;
   (j) 상기 스파이럴은 액체 또는 공기로 냉각됨;
   (k) 큰 부하 변화를 위한 전자기 커플러를 더 포함함; 및
   (l) 복수의 전자기 발생기의 일부는 상기 공명 구조 내 상이한 종방향 위치에서 복합 모드를 여기하도록 배치됨;
   을 포함하는 다중 전자기 발생기의 처리 볼륨을 취급하는 장치.
10. 적어도 하나의 마이크로웨이브 발생기와 적어도 하나의 RF 발생기가 결합되는, 실질적으로 실린더형인 공명 구조를 제공하는 단계;
    상기 공명 구조의 다양한 모드에 결합되는 전자기 필드를 생성하는 단계; 및
    처리 매질을 상기 공명 구조를 통과해 횡방향으로 통과시키는 단계;
    를 포함하는 자기 필드를 사용하는 처리 매질 여기 방법.
11. 제10항에 있어서,
    상기 공명 구조의 상기 다양한 모드에 상기 전자기 필드를 튜닝하는 단계를 더 포함하고,
    상기 튜닝은 바람직하게 공동 실린더형 피스톤의 종방향 위치를 조정함으로써 달성되는 자기 필드를 사용하는 처리 매질 여기 방법.
12. 제10항에 있어서,
    큰 부하 변화를 위해 상기 적어도 하나의 마이크로웨이브 발생기를 전자기 커플러로 튜닝하는 단계를 더 포함하는 자기 필드를 사용하는 처리 매질 여기 방법.
13. 제10항에 있어서,
    TElmn 모드를 사용하여 대응하는 H 필드로 매질을 여기시키는 단계를 더 포함하는 자기 필드를 사용하는 처리 매질 여기 방법.
14. 제10항에 있어서,
    상기 처리 매질은 플라즈마이고, H 필드가 상기 플라즈마와 더 잘 상호작용할 수 있도록 DC 필드로 상기 플라즈마를 구속하는 단계를 더 포함하는 자기 필드를 사용하는 처리 매질 여기 방법.
15. 제10항에 있어서,
    하나 또는 둘의 다음의 특징:
    (a) 상기 공명 구조가 도전 물질로 형성되는 스파이럴 구조에 의해 제한되고 적어도 하나의 코일을 형성함; 및
    (b) 상기 스파이럴의 권선폭은 공명 주파수에서 사분의 일 파장임;
    을 포함하는 처리 매질 여기 방법.

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