KR20150102950A

KR20150102950A - 하이브리드 마이크로웨이브 및 방사 가열 퍼니스 시스템

Info

Publication number: KR20150102950A
Application number: KR1020157012273A
Authority: KR
Inventors: 라메쉬 디. 필라메두
Original assignee: 비티유 인터내셔날, 인코포레이티드
Priority date: 2012-10-11
Filing date: 2013-10-07
Publication date: 2015-09-09
Also published as: CN104736956B; EP2906890A1; CN104736956A; JP2015536434A; EP2906890A4; WO2014058765A1; US9504098B2; US20140103031A1

Abstract

제품 및 소재의 열 처리를 위한 퍼니스 시스템이 개시되며, 이는 컴퓨터 태블릿의 터치 스크린 처리 및 태양 전지 가공에 사용되는 실리콘 웨이퍼에 특히 유용하다. 상기 시스템은 공작물의 제어된 가열을 제공하기 위해 공작물의 하이브리드 마이크로웨이브 및 방사 가열을 이용한다. 다수의 서셉터가 퍼니스 챔버에 배치된다. 다수의 마이크로웨이브 소스가 챔버 내 공작물을 균일하게 가열하도록 챔버 내로 마이크로웨이브 방사선을 제공하기 위해, 그리고 상기 서셉터의 균일한 가열을 제공하기 위해 마련된다. 상기 서셉터는 챔버 내 공작물의 균일한 방사 가열을 제공하기 위해 마이크로웨이브 소스로 마이크로웨이브 가열 시 효과적이다.

Description

하이브리드 마이크로웨이브 및 방사 가열 퍼니스 시스템{HYBRID MICROWAVE AND RADIANT HEATING FURNACE SYSTEM}

제품과 소재의 열 처리를 위한 퍼니스 시스템 및 방법이 개시된다. 상기 시스템과 방법은 예를 들어 컴퓨터 태블릿의 터치 스크린, 태양 전지 제조에 사용되는 실리콘 웨이퍼, 유리 코팅, 세라믹 소결체 및 탄소 섬유 구조체 처리에 특히 유용하다. 다른 예시적인 사용은 태양 전지 또는 패널 제조 공정의 일부로서 반도체 웨이퍼에 인(phosphorous)이나 붕소(boron)의 확산이다. 본 발명은 이러한 용도로 한정되지 않고, 바람직하게 제어된 방식으로 신속하고 균일하게 가열하는 공작물과 재료의 열 처리에 폭넓게 적용될 수 있다.

관련 출원

본 출원은 2012년 10월 11일에 제출된 미국 특허 가출원 번호 61/712,444 "Furnace System Having Hybrid Microwave and Radiant Heating"의 우선권을 주장하며, 이는 본 명세서에서 모든 목적을 위해 그 전체가 참조로 인용된다.

발명의 배경

제품과 소재에 열 처리를 위해, 제품이나 소재의 처리 중 손상을 가할 수 있는 열 응력(thermal stress) 없이 신속하고 균일하게 상기 제품 또는 소재를 가열할 필요성이 종종 있다. 컴퓨터 태블릿에 사용되는 터치 스크린, 태양 전지 제조에 사용되는 실리콘 웨이퍼 및 세라믹 소결체(sintered ceramics)와 같은 제품은 특히 적절히 관리되지 않는 방식으로 가열되면 열 응력이 발생하기 쉽다.

상기 시스템은 공작물의 제어된 가열을 제공하기 위해 하이브리드 마이크로웨이브 및 공작물의 방사 가열을 이용한다. 일실시예에서, 상기 시스템은 유입 단부와 유출 단부 및 하나 이상의 구역으로 나누어질 수 있는 하우징 내 퍼니스 챔버를 가지는 절연 퍼니스 하우징을 포함한다. 상기 유입 단부로부터 유출 단부로 상기 퍼니스 챔버를 통해 공작물을 운반하도록 컨베이어 어셈블리가 제공된다. 다수의 서셉터가 챔버 내 적어도 하나의 구역에 배치되고, 상기 서셉터는 공작물이 운반되는 챔버를 구획하기 위해 상기 컨베이어 위에 위치한다. 컨베이어에 의해 챔버를 통해 운반되는 상기 공작물을 균일하게 가열하도록 챔버 내에 마이크로웨이브 방사선을 제공하고 다수의 서셉터의 균일한 가열을 제공하도록 다수의 마이크로웨이브 소스가 마련된다. 약 600° 이상의 온도에서, 챔버를 통해 운반되는 공작물의 균일한 방사 가열을 제공하도록 상기 서셉터는 다수의 마이크로웨이브 소스에 의해 마이크로웨이브 가열 시 효율적이다.

바람직한 실시예에서 상기 서셉터는 각각 고온 고순도 복합 세라믹 소재로 이루어진 다수의 로드로 구성되며, 상기 로드는 상기 챔버의 적어도 하나의 영역에서 챔버의 폭을 가로질러 이격된 관계로 배치되고, 다수의 마이크로웨이브 소스로부터 마이크로웨이브 방사선을 받도록 및 챔버를 통해 운반되는 공작물로 방사 에너지를 전달하도록 위치된다. 상기 서셉터 로드는 퍼니스에서 처리되는 특정 공작물에 적합한 파워 레벨 및 열 프로파일을 조절하도록 그 수와 간격이 변할 수 있다.

상기 서셉터의 단위 부피당 파워는 공작물 또는 제품에서 서셉터의 가열 및 방사 에너지의 방출에 충분한 마이크로웨이브 에너지를 흡수하기 위해 서셉터에 의한 의도된 마이크로웨이브 흡수 양을 제공하기 위해 결정된다.

일반적으로 600° 이하의 낮은 작동 온도에 대해서, 상기 서셉터는 공작물의 방사 가열을 많이 만들어내지 않으나, 마이크로웨이브 필드의 제어에 의해 공작물의 더 균일한 마이크로웨이브 가열을 제공하는 역할을 한다.

각각의 상기 마이크로웨이브 소스는 챔버 벽 개구부에 장착된 혼(horn)에 연결되는 비교적 낮은 파워와 낮은 비용의 마그네트론으로 구성되며, 상기 챔버 내로 마이크로웨이브 에너지를 유입시키도록 작동한다. 이러한 다수의 소스는 각각 벽의 개구부를 통해 상기 챔버로 마이크로웨이브 에너지를 유입시키도록 작동 어레이로 배치된다. 상기 마그네트론은 필요한 전력을 공급하는 각자의 파워 서플라이 또는 하나 이상의 공유 파워 서플라이에 의해 선택적으로 구동된다. 각각의 소스로부터 제공된 파워 가변 및 각각의 소스를 켜거나 끄기 위해 마그네트론의 파워는 관련 파워 컨트롤러에 의해 제어 가능하다. 마이크로웨이브 어레이 내 소스의 수와 간격은 선택적으로 결정될 수 있고, 상기 퍼니스 챔버 내로 유입된 의도된 파워 레벨 및/또는 마이크로웨이브 에너지 프로파일을 생산하기 위해 어레이의 각 소스에 제공된 파워도 마찬가지이다.

그 자체로 해당 기술분야에 공지되어 있는 하나 이상의 모드 교반기는 상기 퍼니스 챔버에 제공되고, 상기 챔버 내에서 보다 균일한 전계를 제공하기 위해 마이크로웨이브 모드를 혼합하도록 작동한다. 일실시예에서 두 개의 모드 교반기가 상기 챔버의 측벽에 각각 사용된다.

퍼니스로부터 외부 환경으로 마이크로웨이브 에너지의 누출을 막기 위해 퍼니스의 유입 단부 및 유출 단부에서 마이크로웨이브 초크가 제공된다. 마이크로웨이브 에너지의 누출을 막도록 모드 교반기의 샤프트와 같이 퍼니스 벽을 통해 돌출된 특정 샤프트 주위에 아이솔레이터가 이용될 수 있다.

상기 시스템은 각각의 마이크로웨이브 소스의 독립적 제어 및 상기 퍼니스 챔버 내 온도의 폐루프제어를 위한 제어 시스템을 포함한다. 챔버의 온도를 모니터링하기 위해 상기 퍼니스 챔버 안에 열전대(thermocouples) 등의 온도 센서가 제공되고, 적외선 고온계(infrared pyrometer) 또는 기타 센서가 상기 챔버를 통해 운반되는 공작물의 온도를 측정하도록 사용된다. 이러한 센서들로부터의 신호는 제어 시스템에 제공되고 의도된 공작물 및 처리 온도를 유지하기 위해 온도 제어에 이용된다. 상기 공작물이 영역을 통해 전달될 시 상이한 온도가 의도된 열 프로파일을 제공하는 다중-구역 퍼니스의 각각의 구역에 제공될 수 있다.

상기 공작물의 유전 특성(dielectric characteristics)은 의도된 처리 프로파일 및 제어 정도를 달성하기 위해 고려되어야 한다.

상기 컨베이어는 마이크로웨이브 필드에 사용하기 위한 적절한 벨트 소재 및 구조로 이루어진다. 예를 들어, 상기 컨베이어는 마이크로웨이브에 투명한 석영 롤러(quartz rollers)를 이용할 수 있다. 또한 상기 컨베이어 벨트는 금속으로 만들어질 수 있고, 가열된 금속은 마이크로웨이브를 덜 반사하기 때문에 전기적으로 접지될 수 있으며, 마이크로웨이브 챔버 내에서 사용될 수 있다. 다른 컨베이어는 제품의 특성 및 중량에 따라 롤러나 푸셔(pusher) 메커니즘과 같은 것을 사용할 수 있다.

본 발명은 또한 컨베이어 벨트와 초크가 보통 필요하지 않은 경우 일괄 퍼니스로 구현될 수 있다. 일괄 처리 시스템에서 퍼니스 챔버는 적절한 하우징 내에 제공되고, 상기 챔버 내에서 처리되는 제품의 적재 및 제거를 위해 밀봉된 도어가 상기 챔버에 접근을 위해 제공될 수 있다.

도면과 함께 다음 상세한 설명으로부터 본 발명은 더 완전하게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 퍼니스 시스템의 도면.
도 2a는 본 발명에 따른 마이크로웨이브 소스의 도면.
도 2b는 도 2a의 A-A 선을 따른 단면도.
도 3은 어레이의 마그네트론에 대한 모니터링 장치의 도면.
도 4는 마이크로웨이브 소스 어레이의 전계 패턴의 도면.
도 5는 퍼니스 시스템에 대한 컨트롤러의 블록도.
도 6은 열 상자의 평면도.
도 7은 도 6의 A-A 선을 따른 단면정면도.
도 8은 열 상자의 도면.
도 9는 도 7의 B-B 선을 따른 단면도.
도 10은 본 발명에 따른 초크의 도면.
도 11은 도 10의 초크의 단면정면도.

전체 시스템

본 발명에 따른 연속 퍼니스 시스템의 실시예가 도 1에 도시된다. 상기 시스템은 입구 또는 유입 단부(102)와 출구 또는 유출 단부(104)를 가지는 퍼니스 하우징(100)을 포함한다. 상기 퍼니스의 유입 단부에 마이크로웨이브 초크(106)가 제공되고, 상기 퍼니스의 유출 단부에 마이크로웨이브 초크(108)가 제공된다. 상기 초크들은 구조적으로 동일하며, 도시된 실시예에서 두 단계의 초크들이 아래에 더 설명된다. 퍼니스 챔버(111)가 상기 퍼니스 하우징 내에 제공되고, 이는 하나 이상의 가열 구역으로 나누어진다. 컨베이어 벨트(110)가 퍼니스 및 유입 단부로부터 유출 단부로 상기 퍼니스 챔버를 통해 공작물을 운반하기 위한 유입과 유출 초크를 통해 연장된다. 상기 컨베이어 벨트는 의도된 속도로 상기 퍼니스를 통해 벨트(110)를 이동시키도록 예를 들어 적절한 컨베이어 구동 메커니즘에 연결된 스프로킷(112) 상에 배치된 연속된 벨트이다. 후술할 열 상자(101)는 상기 컨베이어 위 퍼니스 챔버 내에 배치되며, 상기 챔버의 길이 및 폭을 따라 마련된 다수의 서셉터 로드를 포함한다.

마그네트론 어레이(114)는 상기 퍼니스 하우징의 상단에 배치되고, 상기 컨베이어 벨트 상에서 상기 챔버를 통해 이동하는 공작물의 마이크로웨이브 가열을 위해 상기 어레이의 개별 마그네트론으로부터 상기 퍼니스 챔버로 마이크로웨이브 에너지를 유입시키도록 작동한다. 마그네트론 어레이로부터의 상기 마이크로웨이브 에너지는 또한 상기 퍼니스 챔버 내 상자(101)에 배치된 서셉터를 가열하도록 작동하고, 이는 마이크로웨이브 가열 시 상기 공작물로 향하는 방사 에너지를 생성한다. 상기 서셉터는 아래에 추가로 상세히 설명될 것이다. 본 발명에 따라, 퍼니스를 통해 전달되는 상기 공작물은 서셉터로부터의 방사 에너지와 마그네트론 어레이로부터의 마이크로웨이브 에너지의 제어된 조합에 의해 가열된다.

본 발명에 따른 상기 퍼니스는 일반적으로 약 600°에서 1050° 사이 온도 범위에서 작동하나, 본 발명은 더 높고 더 낮은 온도에서 동작하는 퍼니스 구조로 구현될 수 있다.

마그네트론 어레이

다수의 마이크로웨이브 소스가 상기 컨베이어에 의해 챔버를 통해 운반된 공작물을 균일하게 가열하도록 상기 챔버 내 균일한 마이크로웨이브 방사선의 제공을 위해 그리고 다수의 서셉터 로드의 균일 가열을 제공하기 위해 마련된다. 각각의 저비용의 마그네트론은 퍼니스 벽의 개구부에 장착된 혼(horn)에 조정 도파관(tunable waveguide)을 통해 연결되며, 상기 챔버에 마이크로웨이브 에너지를 유입시키도록 작동한다. 이러한 다수의 소스는 상기 퍼니스 벽의 각 개구부를 통해 마이크로웨이브 에너지를 도입하는 작동 어레이로 배치된다. 도시된 실시예에서 아홉 개의 마이크로웨이브 소스 어레이는 3x3 배열 사각형으로 정렬되어 제공된다. 마그네트론과 관련 도파관과 혼의 수 및 배치는 챔버 내 균일한 마이크로웨이브 필드를 생성하고 상기 서셉터의 균일한 가열을 위해 결정된다. 대안으로서, 마그네트론의 상대적 파워와 마그네트론 어레이 내에서의 간격과 위치는 원하는 비-균일 분포 또는 챔버 내 마이크로웨이브 에너지 프로파일의 생성을 위해 조절될 수 있다.

상기 마이크로웨이브 소스 중 하나가 도 2a 및 2b에 도시된다. 마그네트론(10)은 커플링(16)을 통해 도파관(14)에 부착되는 도파관(12)에 부착된다. 상기 도파관(14)은 플랜지(20)의 홀 및 퍼니스 벽의 정렬된 홀과 협조하는 적절한 체결장치(fasteners)에 의해 상기 퍼니스의 벽에 부착 가능한 마운팅 플랜지(20)를 가지는 혼(18)에 부착된다. 한 튜닝 스터브(22)가 도파관(14)의 넓은 벽에 부착되고, 두 번째 튜닝 스터브(24)가 도파관(14)의 좁은 벽에 부착된다. 상기 튜닝 스터브들은 각각 5λ/4의 길이이다. 상기 튜닝 스터브(22, 24)는 각각 도파관(14)의 횡축을 따라 배치되고, 서로 직교한다. 각각의 튜닝 스터브는 도파관 스터브 부분 각각의 길이를 따라 이동 가능한 피스톤을 포함한다. 도 3에 보이듯이, 피스톤(26)은 단부 플레이트(30)의 개구부 및 외측 단부에 있는 중앙 노브(32)를 통해 연장되는 로드(28)에 부착된다. 상기 노브(32) 및 연결되는 로드(28)는 상기 스터브(24)의 길이를 따라 피스톤(26)의 위치를 조절하도록 내·외로 푸시될 수 있다. 각 스터브는 혼(18)으로부터 상기 퍼니스 챔버로 발산하는 순방향 파워를 최대화하기 위해 그리고 상기 마그네트론으로 역방향 또는 반사 파워를 최소화하기 위해 조정된다. 상기 피스톤은 튜닝 후 제자리에 고정할 수 있다. 상기 도파관과 혼은 알루미늄 또는 다른 적절한 금속으로 제조된다. 상기 피스톤(26) 또한 알루미늄 또는 다른 적절한 금속으로 제조된다. 도 2b에 도시된 스터브(24)에 대한 상기 피스톤의 정렬은 스터브(22)에 대해 동일하다.

스터브(22, 24)에 대한 각각의 상기 피스톤은 각각의 도파관 내부면을 따라 슬라이딩 가능하고, 상기 피스톤 각각은 그 주변 둘레에 홈을 포함하며, 금속 또는 도전성 메시 개스킷(conductive mesh gasket)이 도 2b에 도시된 바와 같이 제공되고, 이는 벽과 대양하는 피스톤 면 사이의 틈을 가로질러 발생할 수 있는 아킹(arcing)을 제거하거나 최소화하기 위해 상기 스터브의 대향하는 내벽과 접촉한다.

상기 혼(18)은 높은 이득, 낮은 VSWR 및 비교적 넓은 대역폭을 제공하며, 상기 도파관과 상기 챔버의 여유 공간 사이에 임피던스 정합기(impedance matcher)로서 기능하도록 구성된다. 순방향 필드는 상기 혼에 의해 제공된 매치된 종단(matched termination)에 의해 최대화되고, 반사 웨이브는 최소화된다. WR 430 도파관을 이용하는 일실시예에서, 상기 마그네트론은 2.45㎓에서 작동하고, 상기 혼은 20도의 빔 폭을 가지며, 적어도 15dB의 이득 및 <-10dB의 반사 손실을 가진다. 상기 퍼니스 챔버의 부피에 걸쳐 거의 균일한 방사 패턴을 생성하도록 각 혼의 방사 패턴은 도 4에 도시된 바와 같이 마이크로웨이브 어레이의 다른 혼의 방사 패턴을 중첩한다.

상기 마이크로웨이브 방사선은 챔버 내 다중-모드이고, 하나 이상의 모드 교반기가 상기 챔버 내 전계의 균일성을 유지하도록 모드 패턴 변화의 제공을 위해 사용된다. 모드 교반기(103)가 도 1에 보여진다.

실시예에서 보여진 상기 마그네트론은 각각 1.1 킬로와트의 출력 파워를 가지며, 개별적으로 제어될 수 있는 파워 서플라이에 의해 구동된다. 이 실시예에서 아홉 소스 어레이의 최대 파워는 약 10.8 킬로와트이다. 상기 마그네트론을 100% 파워에서 60℃ 아래로 유지하기 위해 상기 마그네트론의 냉각 베인에 고속으로 공기를 지향함으로써 마그네트론 어레이는 공기 냉각된다. 냉각 공기는 안전한 작동 온도를 유지하기 위해 파워 서플라이로도 지향된다. 상기 냉각 공기는 퍼니스 하우징에 제공된 하나 이상의 벤트를 통해 배출된다.

상기 마그네트론 어레이는 아홉 마그네트론으로 제한되지 않는다. 상기 마그네트론의 수 및 파워 출력은 처리되는 공작물에 대한 높은 정도의 균일성 및 파워 레벨과 함께 의도된 파워 분배의 달성을 위해 변할 수 있다.

상기 마그네트론 어레이의 제어 시스템이 도 5에 도시된다. 컴퓨터(32)와 함께 작동하는 컨트롤러(30)는 퍼니스 내 온도 센서(36)로부터 온도 신호를 수신하고, 마그네트론 어레이(34)의 마그네트론 파워 서플라이로 제어 신호를 제공한다. 상기 컨트롤러는 컨베이어의 속도를 제어하기 위해 상기 컨베이어(38)로 제어 신호를 제공할 수도 있다. 어레이의 각 마그네트론의 파워 출력은 개별적으로 제어 가능하며, 따라서 마그네트론 어레이의 파워 레벨은 상기 챔버 내 균일한 방사선 또는 의도된 방사선 프로파일의 제공을 위해 맞춰질 수 있다. 이러한 제어의 결과로서, 의도된 온도 또는 의도된 온도 프로파일은 작동 사이클 동안 상기 퍼니스에서 유지될 수 있다. 상기 컨트롤러는 PID(proportional integral derivative) 제어와 같은 하나 이상의 제어 알고리즘에 따라 작동한다.

상기 마그네트론 어레이의 각 마그네트론의 파워 출력은 도 3에 나타난 장치에 의해 관찰 및/또는 기록된다. 양방향 결합기(11)가 예를 들어 도파관(12, 14) 사이에 각 마그네트론 어셈블리에 제공된다. 상기 결합기는 스위치 상자(14)를 통해 파워 미터(15)로 신호를 제공한다. 각 마그네트론을 위한 상기 결합기는 스위치 상자(13)를 통해 유사한 방식으로 파워 미터(15)에 연결된다. 상기 스위치 상자(13)의 사용에 의해 선택된대로 상기 파워 미터는 어레이 내 각 마그네트론의 파워 출력 수치를 표시 및/또는 기록하도록 작동한다. 상기 마그네트론 출력은 스위치 상자의 수동 조작에 의해 수동적으로 선택될 수 있다. 대안적으로, 스위칭 동작은 어레이의 상기 마그네트론의 파워 출력을 연속적으로 읽고 및/또는 기록하기 위해 자동화될 수 있다. 예를 들어 제어 시스템의 컨트롤러(30)에 의해 상기 스위칭은 제어될 수 있다.

열 상자 및 서셉터

상기 열 상자 및 서셉터 로드의 배열은 도 6-9에 도시된다. 열 상자는 고순도, 고온의 알루미나 또는 마이크로웨이브 에너지에 투명하거나 투과적이고 사용되는 주파수에서 열 에너지에 불투명한 다른 소재로 구성된다. 전형적인 소재는 알루미나 절연 보드이다. 도시된 실시예에서의 상기 상자는 상부(40)와 하부(42)를 가지며, 도 6 및 7에 도시된 바와 같이 이들 각각은 상호 고정부(24)으로 구성된다. 그것을 통해 공작물을 운반하기 위해 제1단부(48)로부터 제2단부(50)를 통해 채널(46)이 제공된다.

다수의 서셉터 로드(51)는 제1단부 및 제2단부 사이 상기 열 상자의 길이를 따라 배치된다. 채널(46)에 의해 구획된 상기 챔버의 길이를 따라 서셉터 로드의 간격을 유지하기 위하여 상기 로드는 서로 이격되고, 석영(quartz) 로드(53)는 인접 서셉터 로드 사이에 배치된다. 상기 서셉터 로드와 석영 로드는 상기 챔버의 각 사이드를 따라 제공된 선반 영역(shelf areas)(32)에 지지된다. 상기 석영 로드는 마이크로웨이브 에너지에 투명하다. 상기 서셉터 로드는 마이크로웨이브 에너지의 흡수성이며, 마이크로웨이브 에너지에 의해 가열되고, 상기 챔버를 통해 운반되는 공작물에 열을 방사한다. 일반적으로, 마이크로웨이브 파워는 약 50%의 서셉터 로드에서 관통 깊이(penetration depth)를 제공하는 수준에 있다.

서셉터 로드와 스페이서 부재(spacer elements)는 마이크로웨이브의 원하는 흡수 및 전송을 생성하기 위하여 특정 모양 및 크기일 수 있다. 상기 로드는 상기 챔버 내 공작물을 가열하기 위해 마이크로웨이브에 의해 가열되도록 그리고 챔버에 방사하도록 의도된 열 질량(thermal mass)을 총괄하여 제공한다. 상기 서셉터 로드의 크기와 인접 로드 사이의 간격은 상기 퍼니스 챔버 내 의도된 열 균일성을 생성하고 허용 가능한 가열 효율을 달성하기 위해 결정된다. 상기 효율은 적어도 마그네트론 어레이에 의해 소비되는 파워 양에 대해 달성되는 가열 양으로 정의된다.

도 7 및 9에 보이는 석영 디스크(54)는 전자기장의 직접 노출로부터 각각의 디스크의 아래에 배치된 열전대를 보호하기 위해 일반적으로 바닥면과 수평을 이루는 채널(46)의 바닥면에 배치된다. 열전대 팁은 각각의 석영 플레이트의 홈에 유지되고, 상기 열전대는 시스템 컨트롤러에 온도 신호를 제공한다. 상기 디스크(54)는 컨베이어 벨트를 탈 수 있는 매끄러운 표면을 제공하는 석영 또는 다른 적절한 플레이트에 배치될 수 있다.

상기 서셉터 로드는 가열의 균일성 및 마이크로웨이브와 공작물의 방사 가열 사이의 균형을 달성하기 위한 크기와 간격이다.

상기 서셉터는 높은 마이크로웨이브 흡수성, 높은 기계적 강도 및 열 충격 저항성, 높은 작동 온도에서 낮은 산화 및 낮은 화학 분해를 가지는 고순도 고온의 복합 세라믹 소재로 구성된다. SiC, SiO₂, Fe₂O₃, Si₃N₄ 및 Al₂O₃로 구성된 그룹의 세라믹 소재가 적절한 소재이다.

저온 작동

일반적으로 약 600℃보다 낮은 저온 작동을 위해, 상기 서셉터는 마이크로웨이브 필드가 상기 퍼니스 챔버 내 공작물의 더 균일한 마이크로웨이브 가열을 생성하도록 제어 또는 조절하는데 주로 작동한다. 이러한 저온에서, 상기 서셉터는 공작물의 많은 방사 가열에 기여하지 않는다.

이러한 저온에서 상기 서셉터는 컨베이어 벨트 움직임에 의해 야기되는 대류적 흐름에 의해 휘저어지거나 이동되는 퍼니스 챔버 내 공기 부피에 대한 가열에 기여하며, 가열된 대류적 공기는 공작물의 일부 가열을 제공한다.

두 단계 초크

두 단계 마이크로웨이브 초크(106, 108)(도 1)가 도 10 및 11에 도시된다. 각 초크는 반사부(60)와 흡수부(62)를 포함한다. 채널(64)은 플랜지(68)를 통해 퍼니스 하우징에 부착되는 일측 단부(66)와 대기로 개방되는 타측 단부(70)로부터 상기 초크의 길이를 통해 제공된다. 상기 채널(64)은 상기 퍼니스 챔버(111)와 정렬된다. 컨베이어 벨트(110)(도 1)는 각 초크의 채널(64) 및 상기 퍼니스를 통해 공작물을 전달하는 퍼니스 챔버를 통해 연장된다.

반사부(60)는 파괴적인 간섭에 의해 마이크로웨이브 필드를 감쇠하도록 작동한다. 채널(72)은 채널(65)과 직교하도록 제공되며, 채널(64)에서 다시 그 채널로 입사 에너지와 함께 180° 위상이 변화되어 채널(64)에서 마이크로웨이브 필드가 취소되거나 실질적으로 감쇠되기 위해 마이크로웨이브 에너지를 반사하도록 구성 및 수치화된다. 도시된 실시예에서, 반사 채널(72)은 포트 형상 부재(74) 사이의 공간에 의해 형성되지만, 상기 반사 채널은 많은 다른 구조에 의해 제공될 수 있다.

흡수부(62)는 상기 마이크로웨이브 필드를 더 감쇠하도록 작동하고, 채널(64)의 폭을 가로질러 연장되며 상기 채널의 상부 및 하부에 배치되는 사각의 로드 또는 바(76)를 포함한다. 상기 바(76)는 서셉터 로드에 사용된 동일한 소재일 수 있는 마이크로웨이브 흡수성 소재 또는 다른 합성물 또는 필요한 특성을 가지는 순수한 물질로 구성된다. 스페이서(78)가 하부 흡수성 바(76) 사이에 제공되며, 초크의 부분(62)에 실질적으로 연속적인 층(floor)을 제공하는 스페이서 또는 필터의 역할을 한다. 상기 스페이서(78)는 전형적으로 석영으로 이루어진다. 상기 실질적으로 연속적인 층은 상기 초크의 채널(64)을 통해 구동되는 상기 컨베이어 벨트에 대해 원활한 지지를 제공한다. 마운팅 플랜지(68)는 그 자체가 마이크로웨이브 기술 분야에서 공지된 바와 같이 금속 또는 기타 전도성 개스킷이 퍼니스 벽에 부착된 마운팅 플랜지를 통해 마이크로웨이브가 누출되는 것을 방지하도록 배치되는 홈(80)을 포함한다. 전형적인 실시예에 대한 파장과 관련된 치수는 도 11에 도시된다.

방사선은 약 90%가 반사 단계의 끝에서 감소된다. 약 5㎽/㎠의 초크의 단부(70)로부터 EMI 누출의 결과 마이크로웨이브 에너지는 흡수 단계에서 더 감쇠되며, 이는 매우 낮은 누출이고 마이크로웨이브 소스로부터의 누출에 대한 적용 가능한 기준보다 낮다.

초크 단계의 길이, 흡수 단계에서 흡수 채널의 수 및 흡수 단계에서 흡수 요소는 초크의 유출 단부로부터 EMI 누출의 원하는 감쇠 결과에 따라 결정된다.

컨베이어 벨트

실시예에 도시된 상기 컨베이어 벨트는 그 자체로 잘 알려진 구조인 직조 금속(woven metal) 벨트이다. 상기 벨트의 금속 와이어는 마이크로웨이브 성능의 부정적 방해가 없도록 마이크로웨이브 챔버에서 충분히 작은 표면적을 제공한다. 금속 벨트의 존재는 의도된 가열 성능을 방해할 수 있고 마그네트론 소스를 방해하거나 손상을 가할 수 있는 불필요한 반사를 최소화하기 위해 마이크로웨이브 어레이의 동조에 고려된다. 다른 실시예에서, 비금속 컨베이어 벨트가 퍼니스를 통한 공작물의 운반에 사용될 수 있다. 비금속 컨베이어 벨트는 예를 들어 계류 중인 US 출원 BTU-197XX에 보여진다. 다른 제품 구성 및 무게 생산에 적합한 롤러 또는 푸셔 타입과 같은 다른 컨베이어 시스템이 이용될 수 있다.

본 발명은 특히 도시되고 설명된 것에 제한되지 않으나, 본 발명은 첨부된 청구항의 사상 및 진정한 범위를 포함하는 것으로 의도된다.

Claims

유입 단부(inlet end) 및 유출 단부(outlet end)를 가지는 하우징;
하나 이상의 구역(zones)을 가지며, 상기 유입 단부와 유출 단부 사이에 배치된 하우징의 챔버;
상기 유입 단부로부터 상기 유출 단부로 퍼니스 챔버(furnace chamber)를 통해 공작물(workpieces)을 운반하는 컨베이어;
각각은 고온 마이크로웨이브 흡수성 소재(microwave absorptive material)로 구성되고, 적어도 하나의 구역 안에 챔버의 폭을 가로질러 이격된 관계에 놓여져 있으며, 상기 공작물이 운반되는 챔버 공간을 구획(define)하기 위해 상기 컨베이어 위에 위치하는 다수의 서셉터(susceptors);
챔버를 통해 상기 컨베이어에 의해 운반된 공작물을 균일하게 가열하기 위해 균일한 마이크로웨이브 방사선(microwave radiation)을 챔버 안에 제공하고 상기 다수의 서셉터의 균일한 가열을 제공하도록 마련된 다수의 마이크로웨이브 소스(microwave sources); 및
상기 챔버 내 정해진 열 프로파일(thermal profile)을 제공하도록 상기 다수의 마이크로웨이브 소스의 파워를 제어하도록 작동하는 컨트롤러; 를 포함하고,
상기 다수의 서셉터는 챔버를 통해 상기 컨베이어에 의해 운반된 공작물의 균일한 방사 가열(radiant heating)을 제공하는 상기 다수의 마이크로웨이브 소스에 의한 마이크로웨이브 가열(microwave heating)을 기반으로 하는 것을 특징으로 하는
퍼니스 챔버를 통해 운반되는 공작물의 방사 가열 및 하이브리드 마이크로웨이브(hybrid microwave)를 위한 퍼니스 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 다수의 서셉터는 고온 복합 세라믹 소재의 로드(rods)인 것을 특징으로 하는 퍼니스 챔버를 통해 운반되는 공작물의 방사 가열 및 하이브리드 마이크로웨이브를 위한 퍼니스 시스템.
제 1항에 있어서 상기 다수의 서셉터는 각각,
높은 마이크로웨이브 흡수(microwave absorption);
높은 기계적 강도(mechanical strength);
높은 열 충격 저항성(thermal shock resistance);
상승된 온도에서 낮은 산화(oxidation); 및
낮은 화학적 분해(chemical degradation); 를 가지는 것을 특징으로 하는 퍼니스 챔버를 통해 운반되는 공작물의 방사 가열 및 하이브리드 마이크로웨이브를 위한 퍼니스 시스템.
제 2항에 있어서,
상기 다수의 서셉터 로드 각각은 SiC, SiO₂, Fe₂O₃, Si₃N₄, Al₂O₃, MgO 및 Y₂O₃로 구성된 세라믹 소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 퍼니스 챔버를 통해 운반되는 공작물의 방사 가열 및 하이브리드 마이크로웨이브를 위한 퍼니스 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 다수의 마이크로웨이브 소스는 50%의 상기 다수의 서셉터 내 투과 깊이(penetration depth)를 제공하는 것을 특징으로 하는 퍼니스 챔버를 통해 운반되는 공작물의 방사 가열 및 하이브리드 마이크로웨이브를 위한 퍼니스 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 퍼니스 챔버의 유입 단부 및 유출 단부에서 마이크로웨이브 초크(microwave choke)를 포함하며, 상기 퍼니스 챔버로부터 마이크로웨이브 누출을 최소화하도록 작동하는 것을 특징으로 하는 퍼니스 챔버를 통해 운반되는 공작물의 방사 가열 및 하이브리드 마이크로웨이브를 위한 퍼니스 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 챔버 내 적어도 하나의 모드 교반기(stirrer)를 포함하는 것을 특징으로 하는 퍼니스 챔버를 통해 운반되는 공작물의 방사 가열 및 하이브리드 마이크로웨이브를 위한 퍼니스 시스템.
제 1항에 있어서,
각각의 상기 다수의 마이크로웨이브 소스는 상기 챔버 내 정해진 전계(intended electric field)를 상기 다수의 마이크로웨이브 소스 중 다른 것과 협력하여 제공하도록 동조(tunable)되는 것을 특징으로 하는 퍼니스 챔버를 통해 운반되는 공작물의 방사 가열 및 하이브리드 마이크로웨이브를 위한 퍼니스 시스템.
제 8항에 있어서,
각각의 상기 다수의 마이크로웨이브 소스는 마그네트론(magnetron)을 포함하는 것을 특징으로 하는 퍼니스 챔버를 통해 운반되는 공작물의 방사 가열 및 하이브리드 마이크로웨이브를 위한 퍼니스 시스템.
제 2항에 있어서,
상기 다수의 서셉터는, 상기 챔버의 길이를 따라 서로 이격된 관계로 배치되고 각각은 상기 챔버의 폭을 가로질러 연장되는 로드인 것을 특징으로 하는 퍼니스 챔버를 통해 운반되는 공작물의 방사 가열 및 하이브리드 마이크로웨이브를 위한 퍼니스 시스템.
제 10항에 있어서,
이격된 서셉터 로드 사이에 각각 배치되는 다수의 마이크로웨이브 투명 부재(microwave transparent elements)를 포함하는 것을 특징으로 하는 퍼니스 챔버를 통해 운반되는 공작물의 방사 가열 및 하이브리드 마이크로웨이브를 위한 퍼니스 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 챔버 내 온도를 감지하고 상기 컨트롤러로 온도 신호를 제공하기 위해 적어도 하나의 온도 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 퍼니스 챔버를 통해 운반되는 공작물의 방사 가열 및 하이브리드 마이크로웨이브를 위한 퍼니스 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 컨트롤러는 상기 컨베이어의 속도를 제어하도록 작동하는 것을 특징으로 하는 퍼니스 챔버를 통해 운반되는 공작물의 방사 가열 및 하이브리드 마이크로웨이브를 위한 퍼니스 시스템.
그 안에서 하나 이상의 공작물이 열 가공될 수 있는 캐비티(cavity)를 가지며, 마이크로웨이브 투명 소재로 구성된 절연 하우징;
챔버 위 상기 절연 하우징 내에 배치되고, 각각은 상기 챔버의 폭을 가로질러 연장하며, 상기 챔버의 길이를 따라 이격된 관계로 배치되고, 각각은 고온 마이크로웨이브 흡수성 소재로 구성되는 다수의 서셉터 로드; 및
상기 절연 하우징의 챔버 내에 균일한 마이크로웨이브 방사선을 제공하고 상기 챔버 내 다수의 서셉터 로드와 공작물을 균일하게 가열하도록 마련된 다수의 마이크로웨이브 소스; 를 포함하는
하이브리드 가열 어셈블리.
적어도 하나의 공작물을 포함하는 챔버를 둘러싸는 단열성 및 마이크로웨이브 투과성 소재의 하우징;
각각은 고온 마이크로웨이브 흡수성 소재로 구성되고, 상기 챔버의 폭을 가로질러 배치되며, 상기 챔버의 길이를 따라 이격되는 다수의 서셉터 로드; 및
상기 챔버의 폭을 가로질러 인접한 서셉터 로드 사이에 각각 배치되는 다수의 마이크로웨이브 투명 부재; 를 포함하는
마이크로웨이브 퍼니스 내 사용을 위한 장치.