KR20210079679A - 마이크로웨이브 가열장치 - Google Patents

마이크로웨이브 가열장치 Download PDF

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KR20210079679A
KR20210079679A KR1020190171709A KR20190171709A KR20210079679A KR 20210079679 A KR20210079679 A KR 20210079679A KR 1020190171709 A KR1020190171709 A KR 1020190171709A KR 20190171709 A KR20190171709 A KR 20190171709A KR 20210079679 A KR20210079679 A KR 20210079679A
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한승문
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한국전기연구원
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Abstract

본 발명은 피가열물을 균일 가열하기 위한 마이크로웨이브 가열장치에 관한 것으로, 피가열물을 수용하기 위한 챔버와, 상기 챔버에 연결되는 하나 이상의 도파관으로 구성되는 마이크로웨이브 하우징; 및 상기 마이크로웨이브 하우징 내부에 배치되어, 상기 마이크로웨이브 하우징 내부에서 진행하는 마이크로웨이브의 특성을 변경하는 블록 부재를 포함하되, 상기 블록 부재는, 상기 챔버 내의 일정 공간을 점유하도록 배치되어 상기 챔버 내부를 통과하는 마이크로웨이브의 파장을 차단 근접 조건에 따라 미리 결정된 파장으로 길게 만들어주는 평탄부와, 상기 평탄부로부터 상기 도파관의 길이 방향으로 돌출되도록 형성되는 하나 이상의 경사부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

마이크로웨이브 가열장치{MICROWAVE HEATING APPARATUS}
본 발명은 마이크로웨이브 가열장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 차단 근접(near-cutoff) 조건의 챔버 내에서 피가열물을 균일하게 가열할 수 있는 마이크로웨이브 가열장치에 관한 것이다.
마이크로웨이브(예, 주파수 300MHz ~ 300GHz)를 이용한 가열은 피가열물에서 에너지가 손실되면서 피가열물을 가열하는 유전손실에 의한 유전 가열(dielectric heating)과 피가열물에 전도 전류(conduction current)를 발생시켜 저항 성분에 의해 피가열물을 가열하는 전도전류에 의한 주울 가열(Joule heating) 등으로 이루어진다.
도 1은 종래 기술에 따른 마이크로웨이브 가열장치의 동작을 설명하기 위해 참조되는 도면이다. 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 도파관 내에 존재하는 판형 또는 필름 형태의 피가열물을 가열하기 위하여 마이크로웨이브를 도파관 내의 길이 방향으로 진행시키는 경우, 도면의 z축 방향으로 진행하는 마이크로웨이브에 의해 피가열물은 유전 가열(dielectric heating) 또는 주울 가열(Joule heating) 방식으로 가열될 수 있다. 이때, 피가열물의 너비 방향이 도면 상의 z축 방향으로 놓여 있는 경우에, 피가열물의 두께(x축 방향)가 마이크로웨이브 파장에 비해 매우 작고, 도파관 전파 모드가 TE(transverse electric) 모드인 경우 마이크로웨이브에 의해 y축 방향으로 발생하는 전기장은 일정 크기를 유지하는 것으로 가정할 수 있다. 이에 따라, z축 방향의 마이크로웨이브 진행 상태에 따라 피가열물의 가열 균일도가 달라질 수 있다. 즉, 피가열물의 z축 방향 길이가 마이크로웨이브 파장의 ¼보다 상당히 커지게 되면 z축 방향의 위치에 따라 해당 피가열물의 가열이 균일하지 않게 되는 문제점이 있다.
도 2는 종래의 마이크로웨이브 가열장치에서 도파관 내 피가열물의 마이크로웨이브 진행 방향 위치에 따른 전력 전달 분포를 설명하기 위해 참조되는 도면이다. 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 마이크로웨이브가 피가열물을 따라 진행할 때 피가열물의 위치에 따른 전력 손실 발생으로 마이크로웨이브 전력이 감쇠(attenuation)되고, 그에 따라 피가열물의 z축 방향 위치에 따른 전력 손실 차이에 의해 불균일 가열이 발생하는 문제점이 있다. 특히, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 마이크로웨이브(가령, 2450MHz) 파장(가령, 12.2cm)이 피가열물의 크기(가령, 4.3cmХ5cm)보다 상당히 크지 않을 경우, 피가열물의 z축 방향 위치에 따라 마이크로웨이브 전력 손실 크기가 달라져 불균일 가열의 원인이 된다.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은 마이크로웨이브 하우징 내부에 블록 부재를 장착하여 차단 근접(near-cutoff) 조건을 갖는 챔버 내에서 피가열물을 균일하게 가열할 수 있는 마이크로웨이브 가열장치를 제공함에 있다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 피가열물을 수용하기 위한 챔버와, 상기 챔버에 연결되는 하나 이상의 도파관으로 구성되는 마이크로웨이브 하우징; 및 상기 마이크로웨이브 하우징 내부에 배치되어, 상기 마이크로웨이브 하우징 내부에서 진행하는 마이크로웨이브의 특성을 변경하는 블록 부재를 포함하되, 상기 블록 부재는, 상기 챔버 내의 일정 공간을 점유하도록 배치되어 상기 챔버 내부를 통과하는 마이크로웨이브의 파장을 차단 근접 조건에 따라 미리 결정된 파장으로 길게 만들어주는 평탄부와, 상기 평탄부로부터 상기 도파관의 길이 방향으로 돌출되도록 형성되는 하나 이상의 경사부를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브 가열장치를 제공한다.
좀 더 바람직하게는, 상기 챔버는 피가열물 및 블록 부재를 수용하기 위한 내부의 빈 공간을 구비하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 챔버는, 마이크로웨이브가 통과하는 파장 조절 공간을 피가열물의 세로 방향으로 확대하여 상기 피가열물의 균일 가열 면적을 증가시키는 것을 특징으로 한다.
좀 더 바람직하게는, 상기 도파관은, 마이크로웨이브 발생기와 챔버 사이에 배치되어, 상기 마이크로웨이브 발생기로부터 수신된 마이크로웨이브를 상기 챔버 내부로 전달하는 것을 특징으로 한다.
좀 더 바람직하게는, 상기 블록 부재는 마이크로웨이브 하우징의 내벽 일부로서 해당 하우징과 일체로 형성되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 블록 부재의 평탄부는 챔버의 형상에 대응하는 플레이트 형상으로 형성되는 것을 특징으로 한다. 상기 블록 부재의 경사부는 평면 형상 또는 곡면 형상으로 형성된 경사면을 구비하는 것을 특징으로 한다.
좀 더 바람직하게는, 상기 마이크로웨이브 가열장치는 블록 부재를 축 방향으로 이동하여 평탄부와 챔버 내벽 사이의 간격(a1)을 조절하는 블록 이동 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
좀 더 바람직하게는, 상기 마이크로웨이브 가열장치는 챔버 또는 도파관 내부에 설치되어, 마이크로웨이브가 지나가는 파장 조절 공간 상에서 피가열물을 거쳐 나온 마이크로웨이브를 상기 피가열물 쪽으로 반사시키는 반사 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
좀 더 바람직하게는, 상기 마이크로웨이브 가열장치는 미리 결정된 주파수(f), 파장(λ) 및 전력을 갖는 마이크로웨이브를 생성하여 마이크로웨이브 하우징으로 제공하는 하나 이상의 마이크로웨이브 발생기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 마이크로웨이브 발생기는 마이크로웨이브 가열장치의 가열 특성에 따라 적어도 하나의 도파관으로 입력되는 마이크로웨이브의 주파수(f), 파장(λ) 및 전력 중 적어도 하나를 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예들에 따른 마이크로웨이브 가열장치의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 마이크로웨이브 진행파의 폭 방향 경로를 제한하는 차단 근접 조건에 기초하여, 미리 결정된 형상의 블록 부재를 챔버 내에 장착하여 해당 챔버 내로 진입한 마이크로웨이브의 파장이 길어지도록 조절함으로써 피가열물을 전체적으로 균일하게 가열시킬 수 있다는 장점이 있다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 챔버와 연결된 적어도 하나의 도파관 내부에 미리 결정된 형상의 경사부를 배치함으로써, 상기 챔버와 도파관 사이에서 발생하는 마이크로웨이브의 반사를 저감하고, 도파관 내부의 관내 파장과 챔버 내부의 관내 파장을 서로 정합하여 챔버 내부의 피가열물을 좀 더 균일하게 가열시킬 수 있다는 장점이 있다.
다만, 본 발명의 실시 예들에 따른 마이크로웨이브 가열장치가 달성할 수 있는 효과는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 마이크로웨이브 가열장치의 동작을 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 2는 종래의 마이크로웨이브 가열장치에서 도파관 내 피가열물의 마이크로웨이브 진행 방향 위치에 따른 전력 전달 분포를 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 3 및 도 4는 본 발명과 관련된 차단 근접 조건을 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로웨이브 가열장치의 사시도;
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로웨이브 가열장치의 단면도;
도 7은 도 5의 마이크로웨이브 가열장치를 구성하는 마이크로웨이브 하우징의 형상을 나타내는 도면;
도 8은 도 5의 마이크로웨이브 가열장치를 구성하는 블록 부재의 형상을 나타내는 도면;
도 9는 도 5의 마이크로웨이브 가열장치에서 블록 부재의 유무 및 입사 도파관의 개수에 따른 전기장 분포를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면;
도 10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 마이크로웨이브 가열장치의 사시도;
도 11은 도 10의 마이크로웨이브 가열장치에서 전기장 분포를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면;
도 12는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 마이크로웨이브 가열장치의 사시도;
도 13은 도 12의 마이크로웨이브 가열장치에서 전기장 분포를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면;
도 14는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 마이크로웨이브 가열장치의 사시도;
도 15는 도 14의 마이크로웨이브 가열장치에서 전기장 분포를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면;
도 16은 도 5의 마이크로웨이브 하우징에 마이크로웨이브를 입사하기 위한 부가 회로를 포함한 마이크로웨이브 가열장치의 다른 예를 설명하기 위한 도면;
도 17은 도 5의 마이크로웨이브 하우징에 마이크로웨이브를 입사하기 위한 다른 부가 회로를 포함한 마이크로웨이브 가열장치의 또 다른 예를 설명하기 위한 도면;
도 18은 도 5의 마이크로웨이브 하우징에 마이크로웨이브를 입사하기 위한 또 다른 부가 회로를 포함한 마이크로웨이브 가열장치의 또 다른 예를 설명하기 위한 도면;
도 19는 도 5의 마이크로웨이브 하우징에 마이크로웨이브를 입사하기 위한 또 다른 부가 회로를 포함한 마이크로웨이브 가열장치의 또 다른 예를 설명하기 위한 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 마이크로웨이브 하우징 내부에 블록 부재를 장착하여 차단 근접(near-cutoff) 조건을 갖는 챔버 내에서 피가열물을 균일하게 가열할 수 있는 마이크로웨이브 가열장치를 제안한다.
이하에서는, 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여, 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3 및 도 4는 본 발명과 관련된 차단 근접 조건을 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
도 3은 일반적인 마이크로웨이브 가열장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 일반적인 마이크로웨이브 가열장치(10)는 마이크로웨이브를 생성하기 위한 마이크로웨이브 발생기(미도시)와, 마이크로웨이브를 이용하여 피가열물을 가열하기 위한 도파관(11)과, 상기 도파관(11) 내에 장착되는 파장 조절 부재(12)를 포함한다.
마이크로웨이브 가열장치(10)는 마이크로웨이브를 도파관(11) 내부의 길이 방향(즉, z축 방향)으로 진행시켜 해당 도파관(11) 내에 존재하는 피가열물을 가열하기 위한 장치이다.
마이크로웨이브 발생기는 미리 결정된 주파수(f) 및 파장(λ)을 갖는 마이크로웨이브를 생성하고, 상기 생성된 마이크로웨이브를 도파관(11)의 양 단에 형성된 적어도 하나의 입력 포트로 제공할 수 있다.
도파관(11)은 마이크로웨이브 진행 방향(즉, 도면의 z축 방향)에 수직하게 자른 단면이 직사각형 형태이고 그 내부로 마이크로웨이브가 진행될 수 있도록 속이 비어 있는 형태로서, 금속 등의 재질로 이루어질 수 있다.
파장 조절 부재(12)는 도파관(11) 내의 일정 공간을 점유하도록 배치되어, 차단 근접(near-cutoff) 조건(또는 근접 차단 조건)에 따라 자신과 도파관(11)의 내벽 사이에 형성된 마이크로웨이브의 진행 공간(즉, 파장 조절 공간)으로 마이크로웨이브가 지나갈 때, 상기 마이크로웨이브의 진행 공간으로 진입하기 전의 파장보다 마이크로웨이브의 파장을 길어지게 만들어주는 역할을 수행할 수 있다. 이처럼, 마이크로웨이브 가열장치(10)는 도파관(11) 내부에 파장 조절 부재(12)를 장착함으로써, 마이크로웨이브가 지나가는 파장 조절 공간 상에 놓인 피가열물이 도파관 길이 방향(즉, z축 방향) 위치 별로 균일하게 가열되도록 가열 균일도를 향상시킬 수 있다.
도 4는 차단 근접 조건의 개념을 설명하기 위하여 도파관의 폭 방향 길이(a)에 대한 도파관 내 마이크로웨이브의 파장 변화를 나타내는 그래프이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 도파관(11)의 높이(b)를 외부로부터 입사되는 마이크로웨이브 파장 이상의 일정 높이로 한 상태에서 도파관(11)의 폭 방향 길이(a)를 줄이면서 일정 마이크로웨이브를 도파관 내로 진행시킬 때, 도파관(11)의 폭 방향 길이(a)가 작아짐에 따라 아래 수학식 1과 같이 도파관 내에서 진행하는 마이크로웨이브의 파장은 점점 길어지는 특성을 갖는다.
Figure pat00001
여기서, λ0는 자유 공간에서의 마이크로웨이브 파장, λg는 단면이 직사각형인 도파관 내에서 TE10 모드로 진행하는 마이크로웨이브 파장임.
예를 들어, 도파관(11) 내로 진행시키는 마이크로웨이브의 주파수가 2.45GHz이고, λ0는 122mm일 때, 도파관(11)의 폭 방향 길이(a)가 109.2mm(예, WR430 도파관 규격)인 경우 관내 파장(λg)은 147.8mm이고, 상기 폭 방향 길이(a)가 61.6mm인 경우 관내 파장(λg)은 1110.7mm이다. 즉, 도파관(11)의 폭 방향 길이(a)를 작게 하여 차단 근접(near-cutoff) 조건에서 도파관 내 마이크로웨이브 파장(λg)을 자유공간 파장(λ0)의 2배 내지 100배 이상으로 길어지게 할 수 있다.
다만, 도파관(11)의 폭 방향 길이(a)를 마이크로웨이브 자유공간 파장의 절반으로 무한히 작게 하는 경우 이론상 도파관 내의 마이크로웨이브의 파장도 무한히 길어져 마이크로웨이브에 의한 전력 전달이 차단(cutoff)되므로, 전력 전달이 가능한 차단 근접(near-cutoff) 조건을 위와 같이 마이크로웨이브의 관내 파장이 자유공간 파장(λ0)보다 2배 내지 100배 정도가 되는 폭 방향 길이(a) 범위를 선택하는 것이 바람직하다. 한편, 실시 형태에 따라서는 마이크로웨이브의 관내 파장(λg)이 자유공간 파장(λ0)보다 100배 이상으로 길어지는 차단 근접(near-cutoff) 조건 범위가 사용될 수도 있다.
이와 같은 차단 근접 원리를 이용하기 위하여, 미리 결정된 형상을 갖는 파장 조절 부재(12)가 도파관(11) 내의 일정 공간을 점유하도록 도파관(11) 내에 구비될 수 있다. 통상, 고체 상태 물체(예, 금속 등의 재질)로 이루어진 파장 조절 부재(12)는 마이크로웨이브가 지나가는 도파관(11)의 폭 방향(즉, x축 방향) 공간을 줄여주며, 그에 따라 줄어든 공간으로 진행하는 마이크로웨이브의 파장을 길게 만들어 줄 수 있다. 이처럼, 파장 조절 부재(12)를 이용하여 마이크로웨이브 파장을 피가열물의 z축 방향 길이보다 4배 이상으로 길게 만들어 줄 수 있기 때문에, 마이크로웨이브 가열장치(10)는 피가열물의 길이 방향(즉, z축 방향) 위치 별로 균일하게 가열시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로웨이브 가열장치의 사시도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로웨이브 가열장치의 단면도이고, 도 7은 도 5의 마이크로웨이브 가열장치를 구성하는 마이크로웨이브 하우징의 형상을 나타내는 도면이고, 도 8은 도 5의 마이크로웨이브 가열장치를 구성하는 블록 부재의 형상을 나타내는 도면이고, 도 9는 도 5의 마이크로웨이브 가열장치에서 블록 부재의 유무 및 입사 도파관의 개수에 따른 전기장 분포를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면이다.
도 5 내지 도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로웨이브 가열장치(100)는 하나 이상의 마이크로웨이브 발생기(미도시), 상기 마이크로웨이브 발생기와 연결되는 마이크로웨이브 하우징(110), 상기 마이크로웨이브 하우징(110)에 설치되는 블록 부재(120) 및 블록 이동 장치(130)를 포함한다. 여기서, 상기 블록 이동 장치(130)는 실시 형태에 따라 선택적으로 구성될 수 있다.
마이크로웨이브 발생기는 미리 결정된 주파수(f), 파장(λ) 및 전력을 갖는 마이크로웨이브를 생성하고, 상기 생성된 마이크로웨이브를 마이크로웨이브 하우징(110)으로 제공할 수 있다. 여기서, 상기 미리 결정된 주파수(f)로는 300MHz 내지 300GHz 범위의 주파수가 사용될 수 있으며, 미리 결정된 파장(λ)으로는 1.0mm 내지 1.0m 범위의 파장이 사용될 수 있다.
마이크로웨이브 발생기는 마이크로웨이브 하우징(110)을 구성하는 제1 및 제2 도파관(113, 115) 중 적어도 하나의 인접 영역에 설치되어, 상기 제1 및 제2 도파관(113, 115) 중 적어도 하나의 입구로 마이크로웨이브를 제공할 수 있다. 또한, 마이크로웨이브 발생기는, 마이크로웨이브 가열장치(100)의 가열 특성에 따라, 적어도 하나의 도파관으로 입력되는 마이크로웨이브의 주파수(f), 파장(λ) 및 전력을 조절할 수 있다.
마이크로웨이브 하우징(110)은 하나 이상의 마이크로웨이브 발생기로부터 수신된 마이크로웨이브를 이용하여 피가열물(50)을 가열하는 동작을 수행할 수 있다. 이러한 마이크로웨이브 하우징(110)은 내부에 빈 공간을 갖는 챔버(111)와, 상기 챔버(111)에 연결되는 두 개의 도파관(113, 115)으로 구성될 수 있다.
챔버(111)는 외부로부터 입사되는 마이크로웨이브를 이용하여 피가열물(50)을 가열하기 위한 가열로이다. 상기 챔버(111)는 내부에 빈 공간을 마련하여 피가열물(50) 및 블록 부재(120)를 수용할 수 있다. 또한, 상기 챔버(111)는 차단 근접(near-cutoff) 조건에 따라 자신의 내벽과 블록 부재(120) 사이에 가변 가능한 마이크로웨이브 진행 공간(즉, 파장 조절 공간, 140)을 형성하여 마이크로웨이브를 통과시킬 수 있다.
챔버(111)는 마이크로웨이브가 통과하는 파장 조절 공간(140)을 피가열물(50)의 세로 방향(즉, 도면의 y축 방향)으로 확대함으로써 피가열물(50)의 균일 가열 면적을 증가시킬 수 있다.
챔버(111)는 미리 결정된 두께(즉, 일정한 두께, a0)를 갖는 원통 형상으로 형성될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다. 또한, 상기 챔버(111)는 내구성 및/또는 내열성을 갖는 금속 재질 또는 비금속 재질로 형성될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.
챔버(111)의 상 측면 및 하 측면은 서로 대칭되는 형상을 갖도록 형성될 수 있다. 상기 챔버(111)의 원주면에는 제1 및 제2 도파관(113, 115)과 연결되는 개구들(미도시)이 형성될 수 있다. 상기 개구들의 형상은 제1 및 제2 도파관(113, 115)의 단면 형상에 대응한다.
제1 및 제2 도파관(113, 115)은 일 단이 챔버(111)의 원주면에 형성된 개구들과 연결되도록 형성될 수 있다. 이때, 상기 제1 및 제2 도파관(113, 115)은 챔버(111)를 기준으로 서로 대칭되는(마주보는) 위치에 배치되도록 형성될 수 있다.
제1 및 제2 도파관(113, 115)은 챔버(111)와 동일한 재질로 형성되거나 혹은 다른 재질로 형성될 수 있다. 또한, 상기 제1 및 제2 도파관(113, 115)은 챔버(111)와 일체로 형성되거나 혹은 상기 챔버(111)와 탈/부착 가능하도록 형성될 수 있다.
제1 및 제2 도파관(113, 115)은 내부에 빈 공간을 갖도록 형성되어 마이크로웨이브를 통과시키는 동작을 수행할 수 있다. 예컨대, 제1 및 제2 도파관(113, 115) 중 적어도 하나는 마이크로웨이브 발생기와 챔버(111) 사이에 배치되어, 상기 마이크로웨이브 발생기로부터 수신된 마이크로웨이브를 챔버(111) 내부로 전달할 수 있다.
제1 도파관(113)은 챔버 원주면의 일 영역으로부터 도면의 - z축 방향으로 연장되도록 형성될 수 있다. 상기 제1 도파관(113)은 내부로 마이크로웨이브가 전파될 수 있도록 속이 비어 있는 형태로 형성될 수 있다. 또한, 상기 제1 도파관(113)은 마이크로웨이브의 진행 방향에 수직하게 자른 단면이 직사각형 형태로 형성되는 것을 예시하고 있으나 반드시 이에 제한되지는 않으며 정사각형 또는 원형으로 형성될 수도 있다.
제2 도파관(115)은 챔버 원주면의 타 영역으로부터 도면의 + z축 방향으로 연장되도록 형성될 수 있다. 마찬가지로, 상기 제2 도파관(115)은 내부로 마이크로웨이브가 전파될 수 있도록 속이 비어 있는 형태로 형성될 수 있다. 또한, 상기 제2 도파관(115)은 마이크로웨이브의 진행 방향에 수직하게 자른 단면이 직사각형 형태로 형성되는 것을 예시하고 있으나 반드시 이에 제한되지는 않으며 정사각형 또는 원형으로 형성될 수도 있다.
한편, 본 실시 예에서는, 챔버(111)의 원주면에 두 개의 도파관이 형성되는 것을 예시하고 있으나 반드시 이에 제한되지는 않으며, 그 보다 더 적거나 혹은 더 많은 개수의 도파관이 해당 챔버(111) 상에 형성될 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.
블록 부재(120)는 마이크로웨이브 하우징(110) 내부에 배치되어, 상기 마이크로웨이브 하우징(110)으로 입력되는 마이크로웨이브의 특성을 변경하는 동작을 수행할 수 있다. 이때, 상기 블록 부재(120)는 마이크로웨이브 하우징(110)의 내벽 일부로서 해당 하우징(110)과 일체로 형성되거나 혹은 해당 하우징(110)으로부터 독립적으로 분리되어 형성될 수 있다. 이하, 본 실시 예에서는 상기 블록 부재(120)가 마이크로웨이브 하우징(110)으로부터 독립적으로 분리되어 구성되는 것을 예시하여 설명하도록 한다.
블록 부재(120)는 플레이트 형상으로 형성된 평탄부(121)와, 상기 평탄부(121)로부터 돌출되어 형성되는 두 개의 경사부(123, 125)로 구성될 수 있다. 상기 블록 부재(120)는 챔버(111)와 동일한 재질로 형성되거나 혹은 다른 재질로 형성될 수 있다. 일 예로, 상기 블록 부재(120)는 내구성 및/또는 내열성을 갖는 금속 재질 또는 비금속 재질로 형성될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.
평탄부(또는 파장 조절부, 121)는 챔버(111) 형상에 대응하는 플레이트 형상으로 형성될 수 있다. 일 예로, 상기 평탄부(121)는 일정한 두께를 갖는 원형의 플레이트 형상으로 형성될 수 있다.
평탄부(121)는 챔버(111) 내부의 하 측면에 인접하게 배치되어, 마이크로웨이브가 지나가는 챔버(111)의 폭 방향(즉, x축 방향) 공간을 줄여주며, 그에 따라 줄어든 공간으로 진행하는 마이크로웨이브의 파장을 차단 근접 원리에 의해 길게 만들어 주는 역할을 수행할 수 있다. 즉, 평탄부(121)는 챔버(111) 내의 일정 공간을 점유하도록 배치되어, 차단 근접(near-cutoff) 조건에 따라 평탄부(121)의 상면과 챔버(111) 내부의 상 측면 사이에 형성된 마이크로웨이브의 진행 공간(즉, 파장 조절 공간, 140)으로 마이크로웨이브가 지나갈 때, 상기 마이크로웨이브의 진행 공간으로 진입하기 전의 파장보다 마이크로웨이브의 파장을 길게 만들어 줄 수 있다. 이에 따라, 마이크로웨이브가 지나가는 챔버(111) 내의 파장 조절 공간(140) 상에 놓인 피가열물(50)이 전체적으로 균일하게 가열될 수 있도록 한다.
제1 및 제2 경사부(123, 125)는 평탄부(121)의 원주면으로부터 제1 및 제2 도파관(113, 115)의 길이 방향으로 돌출되도록 형성될 수 있다. 즉, 제1 경사부(123)는 평탄부 원주면의 일 지점으로부터 도면의 - z축 방향으로 연장되도록 형성될 수 있고, 제2 경사부(125)는 평탄부 원주면의 타 지점으로부터 도면의 + z축 방향으로 연장되도록 형성될 수 있다. 이처럼, 상기 제1 및 제2 경사부(123, 125)는 평탄부(121)를 기준으로 서로 대칭되는(마주보는) 위치에 배치되도록 형성될 수 있다.
제1 및 제2 경사부(123, 125)는 제1 및 제2 도파관(113, 115) 내부의 일 측면에 인접하여 배치될 수 있다. 또한, 제1 및 제2 경사부(123, 125)의 두께는 챔버 방향으로 갈수록 두꺼워지고 도파관 입구 방향으로 갈수록 얇아지도록 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 및 제2 경사부(123, 125)는 도파관 내부의 x 축 방향 공간을 도파관 입구에서 챔버 방향으로 갈수록 점점 줄여주는 역할을 수행할 수 있다.
제1 및 제2 경사부(123, 125)의 바닥면은 평면 형상으로 형성될 수 있고, 경사면은 평면 형상 또는 곡면 형상으로 형성될 수 있으며 좀 더 바람직하게는 곡면 형상으로 형성될 수 있다. 이는 도파관 입구로부터 입사되는 마이크로웨이브의 전파를 방해하지 않기 위함이다.
제1 및 제2 경사부(123, 125)는 도파관 입구로부터 입사되는 마이크로웨이브의 반사를 줄여줌으로써 마이크로웨이브의 전달성을 향상시킬 수 있다. 또한, 제1 및 제2 경사부(123, 125)는 도파관 내부의 x 축 방향 공간을 점진적으로 줄여줌으로써 임피던스 정합 기능을 수행할 수 있다. 또한, 제1 및 제2 경사부(123, 125)는 도파관 내부의 x 축 방향 공간을 점진적으로 줄여줌으로써 도파관 내부의 관내 파장과 챔버 내부의 관내 파장을 서로 정합시키는 기능을 수행할 수 있다.
블록 이동 장치(130)는 블록 부재(120)를 상하 방향으로 이동하여 평탄부(121)의 상면과 챔버(111) 내부의 상 측면 사이의 간격(a1)을 조절할 수 있다. 이는 챔버(111) 내부의 x 축 방향 공간(a1)을 조절함으로써, 차단 근접 원리에 따라 챔버(111) 내부를 통과하는 마이크로웨이브의 파장을 변경하기 위함이다.
블록 이동 장치(130)는 샤프트(131), 결합부(133) 및 구동부(135)를 포함할 수 있다. 샤프트(131)는 블록 부재(131)의 하면에 장착되어, 상기 블록 부재(131)를 블록 이동 장치(130)에 고정시키는 역할을 수행할 수 있다. 결합부(133)는 샤프트(131)와 구동부(135) 사이에 배치되어, 상기 샤프트(131)와 구동부(135) 사이를 연결하는 역할을 수행할 수 있다. 구동부(135)는 샤프트(131)를 축 방향으로 구동하여 블록 부재(120)를 상하 방향으로 이동시키는 역할을 수행할 수 있다. 상기 구동부(135)로는 마이크로미터 또는 선형 스테이지 등이 사용될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.
이러한 블록 이동 장치(130)의 동작으로 인해, 챔버(111)의 바닥면과 블록 부재(120) 사이에는 소정의 간극(틈)이 생성되고, 상기 간격은 블록 부재(120)의 이동에 따라 일정 범위 내에서 조절될 수 있다. 이때, 상기 간극의 거리가 마이크로웨이브 파장의 1/2 이하이면 해당 간극으로 마이크로웨이브가 지나갈 염려는 없다.
한편, 이외에도, 마이크로웨이브 가열장치(100)는 마이크로웨이브를 반사하기 위한 반사 부재(미도시), 피가열물(50)을 챔버(111) 내부에 고정하기 위한 하나 이상의 마운트(150)와, 상기 피가열물(50)을 챔버(111) 내부로 넣거나 뺄 수 있는 하나 이상의 슬릿(미도시) 등을 포함할 수 있다.
반사 부재는 챔버 또는 도파관 내부에 설치되어, 마이크로웨이브가 지나가는 파장 조절 공간(140) 상에서 피가열물을 거쳐 나온 마이크로웨이브를 피가열물 쪽으로 반사시키는 동작을 수행할 수 있다.
하나 이상의 마운트(150)는 블록 부재(120)의 상면에 배치되어, 피가열물(50)이 챔버(111)의 내벽과 블록 부재(120)의 평탄부(121) 사이에 위치하도록 고정할 수 있다. 상기 마운트는 유전체 또는 금속 재질로 형성될 수 있다.
하나 이상의 슬릿은 챔버(111)의 측면 또는 원주면의 일 영역에 설치될 수 있다. 한편, 실시 예에 따라, 챔버 상에 입력 슬릿 및 출력 슬릿을 형성할 수 있다. 이 경우, 수동 또는 기계적 장치를 이용해 입력 슬릿으로 피가열물을 밀어 넣고 챔버 내에서 가열된 피가열물을 출력 슬릿을 통해 배출되도록 할 수 있다. 예를 들어, 판형, 필름 또는 시트(sheet) 형태의 피가열물을 롤(roll) 형태로 준비하고, 기계적 장치(예, 모터 등)를 이용해 자동으로 롤(roll) 형태의 피가열물을 입력 슬릿으로 일정 길이씩 밀어 넣고 가열조건에 따라 일정 시간 동안 챔버 내에서 가열이 끝나면, 가열된 부분만큼 피가열물을 상기 출력 슬릿을 통해 배출하는 방식으로 자동 작동하도록 할 수 있다. 또는, 판형, 필름 또는 시트 형태의 피가열물을 롤(roll) 형태로 준비하고, 입력 슬릿으로 피가열물을 일정 속도로 연속적으로 밀어넣고 출력 슬릿을 통해 연속적으로 배출하는 방식으로 자동 작동하도록 할 수도 있다.
마이크로웨이브 가열장치(100)에 적용 가능한 피가열물(50)로는 물, 종이, 음식, 전해질, 탄소섬유강화플라스틱 등 유전 손실이나 주울 열에 의해 가열될 수 있는 다양한 종류의 가열 대상체일 수 있다. 또한, 피가열물(50)은 소정의 이송 수단(컨베이어 벨트 등) 위에 놓인 분말 형태일 수도 있다. 특히, 피가열물(50)은 x축 방향 두께가 작게 한 경우에 위와 같은 차단 근접(near-cutoff) 조건에 따른 마이크로웨이브의 파장이 길어지는 이점을 효과적으로 발휘할 수 있으므로, 피가열물의 두께를 마이크로웨이브의 자유공간 파장(λ0)의 1/8 이하로 하는 것이 바람직하다.
예를 들어, 피가열물(50)은 기질(substrate)에 코팅된 도전체를 포함하는 판형, 필름, 또는 시트 형태로서 코팅된 상기 도전체의 부착성 향상을 위해 가열하기 위하여 위와 같은 마이크로웨이브 가열장치(100)가 사용될 수 있다. 이때의 기질(substrate)은 폴리에스터계 고분자, 폴리카보네이트계 고분자, 폴리에테르설폰계 고분자, 아크릴계 고분자, 폴리에틸렌 테레프탈레이트계 고분자 중 어느 하나일 수 있다. 위와 같은 도전체는 나노카본계 소재, 나노금속계 소재, 나노카본과 금속산화물의 하이브리드 소재 중 어느 하나로 이루어질 수 있으며, 위와 같은 도전체는 패턴된 라인들 없이 기질(substrate) 전면에 코팅된 형태일 수도 있고, 경우에 따라서는 FPC(Flexible Printed Circuit)의 금속 패턴과 같이 기질(substrate) 상에 패턴된 라인들이 코팅된 형태일 수도 있다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로웨이브 가열장치(100)는 마이크로웨이브 진행파의 폭 방향 경로를 제한하는 차단 근접 조건에 기초하여 미리 결정된 형상의 블록 부재를 챔버 내에 장착하여 해당 챔버 내로 진입한 마이크로웨이브의 파장이 길어지도록 조절함으로써 피가열물을 전체적으로 균일하게 가열시킬 수 있다. 또한, 마이크로웨이브 가열장치(100)는 챔버와 연결된 적어도 하나의 도파관 내부에 미리 결정된 형상의 경사부를 배치함으로써, 챔버와 도파관 사이에서 발생하는 마이크로웨이브의 반사를 저감하고, 도파관 내부의 관내 파장과 챔버 내부의 관내 파장을 서로 정합하여 챔버 내부의 피가열물을 좀 더 균일하게 가열시킬 수 있다. 가령, 도 9에 도시된 바와 같이, 마이크로웨이브 가열장치에서 블록 부재(즉, 평탄부)가 설치되지 않은 챔버에 비해, 블록 부재가 설치된 챔버에서 전기장 벡터 및 전기장 세기가 균일하게 형성되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 마이크로웨이브를 하나의 도파관으로 입사하든 두 개의 도파관으로 입사하든 간에 블록 부재가 설치된 챔버에서 전기장 벡터 및 전기장 세기가 좀 더 균일하게 형성되는 것을 확인할 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 마이크로웨이브 가열장치의 사시도이고, 도 11은 도 10의 마이크로웨이브 가열장치에서 전기장 분포를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 마이크로웨이브 가열장치(200)는 하나 이상의 마이크로웨이브 발생기(미도시), 상기 마이크로웨이브 발생기와 연결되는 마이크로웨이브 하우징(210), 상기 마이크로웨이브 하우징(210)에 설치되는 블록 부재(220) 및 블록 이동 장치(미도시)를 포함한다.
마이크로웨이브 발생기 및 블록 이동 장치는 상술한 도 5의 마이크로웨이브 발생기 및 블록 이동 장치와 동일하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략하도록 한다. 아울러, 마이크로웨이브 하우징(210) 및 블록 부재(220) 역시 상술한 도 5의 마이크로웨이브 하우징(110) 및 블록 부재(120)와 유사하므로 그 차이점을 중심으로 설명하도록 한다.
마이크로웨이브 하우징(210)은 하나 이상의 마이크로웨이브 발생기로부터 수신된 마이크로웨이브를 이용하여 피가열물(50)을 가열하는 동작을 수행할 수 있다. 이러한 마이크로웨이브 하우징(210)은 내부에 빈 공간을 갖는 챔버(211)와, 상기 챔버(211)에 연결되는 네 개의 도파관(213, 215, 217, 219)으로 구성될 수 있다.
챔버(211)는 외부로부터 입사되는 마이크로웨이브를 이용하여 피가열물(50)을 가열하기 위한 가열로이다. 상기 챔버(211)는 내부에 빈 공간을 마련하여 피가열물(50) 및 블록 부재(220)를 수용할 수 있다.
챔버(211)는 미리 결정된 두께(즉, 일정한 두께)를 갖는 원통 형상으로 형성될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다. 상기 챔버(211)의 원주면에는 제1 내지 제4 도파관(213, 215, 217, 219)과 연결되는 개구들(미도시)이 형성될 수 있다. 상기 개구들의 형상은 제1 내지 제4 도파관(213, 215, 217, 219)의 단면 형상에 대응한다.
제1 내지 제4 도파관(213, 215, 217, 219)은 일 단이 챔버(211)의 원주면에 형성된 개구들과 연결되도록 형성될 수 있다. 이때, 상기 제1 내지 제4 도파관(213, 215, 217, 219)은 챔버(211)를 기준으로 인접 도파관과 90도 각도를 유지하도록 배치될 수 있다.
제1 도파관(213)은 챔버 원주면의 제1 영역으로부터 도면의 - z축 방향으로 연장되도록 형성될 수 있고, 제2 도파관(215)은 챔버 원주면의 제2 영역으로부터 도면의 - y축 방향으로 연장되도록 형성될 수 있고, 제3 도파관(217)은 챔버 원주면의 제3 영역으로부터 도면의 + z축 방향으로 연장되도록 형성될 수 있으며, 제4 도파관(219)은 챔버 원주면의 제4 영역으로부터 도면의 + y축 방향으로 연장되도록 형성될 수 있다. 상기 제1 내지 제4 도파관(213, 215, 217, 219)은 내부에 빈 공간을 갖도록 형성되어 마이크로웨이브를 통과시키는 동작을 수행할 수 있다.
블록 부재(220)는 마이크로웨이브 하우징(210)의 내부에 배치되어, 상기 마이크로웨이브 하우징(210)으로 입력되는 마이크로웨이브의 파장을 변경하는 동작을 수행할 수 있다. 이러한 블록 부재(220)는 플레이트 형상으로 형성된 평탄부(221)와, 상기 평탄부(221)로부터 돌출되어 형성되는 네 개의 경사부(223, 225, 227, 229)로 구성될 수 있다.
평탄부(221)는 챔버 형상에 대응하는 원형의 플레이트 형상으로 형성될 수 있다. 상기 평탄부(221)는 챔버(211)의 내벽에 인접하게 배치되어, 마이크로웨이브가 지나가는 챔버(211)의 폭 방향(즉, x축 방향) 공간을 줄여주며, 그에 따라 줄어든 공간으로 진행하는 마이크로웨이브의 파장을 차단 근접 원리에 의해 길게 만들어 줄 수 있다.
제1 내지 제4 경사부(223, 225, 227, 229)는 평탄부(221)의 원주면으로부터 제1 내지 제4 도파관(213, 215, 217, 219)의 길이 방향으로 돌출되도록 형성될 수 있다. 즉, 제1 경사부(223)는 평탄부 원주면의 제1 지점으로부터 도면의 - z축 방향으로 연장되도록 형성될 수 있고, 제2 경사부(225)는 평탄부 원주면의 제2 지점으로부터 도면의 - y축 방향으로 연장되도록 형성될 수 있고, 제3 경사부(227)는 평탄부 원주면의 제3 지점으로부터 도면의 + z축 방향으로 연장되도록 형성될 수 있으며, 제4 경사부(229)는 평탄부 원주면의 제4 지점으로부터 도면의 + y축 방향으로 연장되도록 형성될 수 있다. 이처럼, 상기 제1 내지 제4 경사부(223, 225, 227, 229)는 평탄부(221)를 기준으로 인접 경사부와 90도 각도를 유지하도록 배치될 수 있다.
이와 같은 구성을 갖는 마이크로웨이브 가열장치(200)는 제1 내지 제4 도파관(213, 215, 217, 219) 중 적어도 하나를 통해 마이크로웨이브를 입사하여 피가열물을 균일하게 가열할 수 있다. 한편, 마이크로웨이브가 입사되는 도파관의 개수 및 위치와, 해당 도파관으로 입사되는 마이크로웨이브의 주파수, 파장, 위상 및 전력(신호) 세기 등에 따라 챔버 내부에 형성되는 전기장 분포를 가변할 수 있으며, 그에 따라 서로 다른 가열 특성(가령, 선택/집중 가열, 균일 가열 등)을 구현할 수 있다.
가령, 도 11에 도시된 바와 같이, 제1 도파관(213)으로만 마이크로웨이브를 입사하는 제1 시험 예, 제2 도파관(215)으로만 마이크로웨이브를 입사하는 제2 시험 예, 제1 및 제3 도파관(213, 217)으로 제1 및 제2 마이크로웨이브를 입사하는 제3 시험 예, 제2 및 제4 도파관(215, 219)으로 제1 및 제2 마이크로웨이브를 입사하는 제4 시험 예, 제3 및 제4 도파관(217, 219)으로 동일 위상의 제1 및 제2 마이크로웨이브를 입사하는 제5 시험 예, 제3 및 제4 도파관(217, 219)으로 90도 위상차를 갖는 제1 및 제2 마이크로웨이브를 입사하는 제6 시험 예 각각에 대해 챔버 내부의 전기장 분포를 시뮬레이션한 결과, 각각의 시험 예에서 서로 다른 전기장 분포가 나타나는 것을 확인할 수 있다. 특히, 상기 시험 예들 중에서, 서로 마주보는 위치에 존재하는 두 개의 도파관을 통해 마이크로웨이브가 입사되는 제3 및 제4 시험 예의 경우, 챔버 내부의 전기장이 강하고 고르게 분포되는 것을 확인할 수 있다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 마이크로웨이브 가열장치의 사시도이고, 도 13은 도 12의 마이크로웨이브 가열장치에서 전기장 분포를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면이다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 마이크로웨이브 가열장치(300)는 하나 이상의 마이크로웨이브 발생기(미도시), 상기 마이크로웨이브 발생기와 연결되는 마이크로웨이브 하우징(310), 상기 마이크로웨이브 하우징(310)에 설치되는 블록 부재(320) 및 블록 이동 장치(미도시)를 포함한다.
마이크로웨이브 발생기 및 블록 이동 장치는 상술한 도 5의 마이크로웨이브 발생기 및 블록 이동 장치와 동일하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략하도록 한다. 아울러, 마이크로웨이브 하우징(310) 및 블록 부재(320) 역시 상술한 도 5의 마이크로웨이브 하우징(110) 및 블록 부재(120)와 유사하므로 그 차이점을 중심으로 설명하도록 한다.
마이크로웨이브 하우징(310)은 내부에 빈 공간을 갖는 챔버(311)와 상기 챔버(311)에 연결되는 두 개의 도파관(313, 315)으로 구성될 수 있다.
챔버(311)는 미리 결정된 두께(즉, 일정한 두께)를 갖는 직육면체 형상으로 형성될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다. 상기 챔버(311)의 양 측면에는 제1 및 제2 도파관(313, 315)과 연결되는 개구들(미도시)이 형성될 수 있다. 상기 개구들의 형상은 제1 및 제2 도파관(313, 315)의 단면 형상에 대응한다.
제1 및 제2 도파관(313, 315)은 챔버(311)의 양 측면에 형성된 개구들과 연결되도록 형성될 수 있다. 이때, 상기 제1 도파관(313)은 챔버(311)의 일 측면으로부터 도면의 - z축 방향으로 연장되도록 형성될 수 있고, 제2 도파관(315)은 챔버(313)의 타 측면으로부터 도면의 + z축 방향으로 연장되도록 형성될 수 있다.
블록 부재(320)는 마이크로웨이브 하우징(310)의 내부에 배치되어, 상기 마이크로웨이브 하우징(310)으로 입력되는 마이크로웨이브의 파장을 변경하는 동작을 수행할 수 있다. 이러한 블록 부재(320)는 플레이트 형상으로 형성된 평탄부(321)와, 상기 평탄부(221)의 양 측면으로부터 돌출되어 형성되는 두 개의 경사부(323, 325)로 구성될 수 있다.
평탄부(321)는 챔버 형상에 대응하는 사각형 모양의 플레이트 형상으로 형성될 수 있다. 상기 평탄부(321)는 챔버(311)의 내벽에 인접하게 배치되어, 마이크로웨이브가 지나가는 챔버(311)의 폭 방향(즉, x축 방향) 공간을 줄여주며, 그에 따라 줄어든 공간으로 진행하는 마이크로웨이브의 파장을 차단 근접 원리에 의해 길게 만들어 줄 수 있다.
제1 및 제2 경사부(323, 325)는 평탄부(321)의 양 측면으로부터 제1 및 제2 도파관(313, 315)의 길이 방향으로 돌출되도록 형성될 수 있다. 즉, 제1 경사부(323)는 평탄부(321)의 일 측면으로부터 도면의 - z축 방향으로 연장되도록 형성될 수 있고, 제2 경사부(325)는 평탄부(321)의 타 측면으로부터 도면의 - z축 방향으로 연장되도록 형성될 수 있다. 이처럼, 상기 제1 및 제2 경사부(323, 325)는 평탄부(321)를 기준으로 서로 대칭되는(마주보는) 위치에 배치되도록 형성될 수 있다.
이와 같은 구성을 갖는 마이크로웨이브 가열장치(300)는 제1 및 제2 도파관(313, 315) 중 적어도 하나를 통해 마이크로웨이브를 입사하여 피가열물을 균일하게 가열할 수 있다. 한편, 마이크로웨이브가 입사되는 도파관의 개수 및 위치에 따라 챔버 내부에 형성되는 전기장 분포가 가변될 수 있으며, 그에 따라 마이크로웨이브 가열장치(300)의 가열 성능이 변경될 수 있다.
가령, 도 13에 도시된 바와 같이, 제1 도파관(313)으로만 마이크로웨이브를 입사하는 제1 시험 예와 제1 및 제2 도파관(313, 315)으로 마이크로웨이브를 입사하는 제2 시험 예에 대해 각각 챔버 내부의 전기장 분포를 시뮬레이션한 결과, 상기 제1 및 제2 시험 예에서 서로 유사한 전기장 분포가 나타나는 것을 확인할 수 있다. 특히, 위 두 개의 시험 예 중에서, 마이크로웨이브를 두 개의 도파관으로 입사하는 제2 시험 예의 경우, 챔버 내부의 전기장이 좀 더 강하고 고르게 분포되는 것을 확인할 수 있다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 마이크로웨이브 가열장치의 사시도이고, 도 15는 도 14의 마이크로웨이브 가열장치에서 전기장 분포를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면이다.
도 14 및 도 15를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 마이크로웨이브 가열장치(400)는 하나 이상의 마이크로웨이브 발생기(미도시), 상기 마이크로웨이브 발생기와 연결되는 마이크로웨이브 하우징(410), 상기 마이크로웨이브 하우징(410)에 설치되는 블록 부재(420) 및 블록 이동 장치(미도시)를 포함한다.
마이크로웨이브 발생기 및 블록 이동 장치는 상술한 도 5의 마이크로웨이브 발생기 및 블록 이동 장치와 동일하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략하도록 한다. 아울러, 마이크로웨이브 하우징(410) 및 블록 부재(420) 역시 상술한 도 5의 마이크로웨이브 하우징(110) 및 블록 부재(120)와 유사하므로 그 차이점을 중심으로 설명하도록 한다.
마이크로웨이브 하우징(410)은 내부에 빈 공간을 갖는 챔버(411)와 상기 챔버(411)에 연결되는 두 개의 도파관(413, 415)으로 구성될 수 있다.
챔버(411)는 모서리 부분이 곡면으로 형성된 직육면체 형상으로 형성될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다. 상기 챔버(411)의 양 측면에는 제1 및 제2 도파관(413, 415)과 연결되는 개구들(미도시)이 형성될 수 있다. 상기 개구들의 형상은 제1 및 제2 도파관(413, 415)의 단면 형상에 대응한다.
제1 및 제2 도파관(413, 415)은 챔버(411)의 양 측면에 형성된 개구들과 연결되도록 형성될 수 있다. 이때, 상기 제1 도파관(413)은 챔버(411)의 일 측면으로부터 도면의 - z축 방향으로 연장되도록 형성될 수 있고, 제2 도파관(415)은 챔버(411)의 타 측면으로부터 도면의 + z축 방향으로 연장되도록 형성될 수 있다.
블록 부재(420)는 마이크로웨이브 하우징(410)의 내부에 배치되어, 상기 마이크로웨이브 하우징(410)으로 입력되는 마이크로웨이브의 파장을 변경하는 동작을 수행할 수 있다. 이러한 블록 부재(420)는 플레이트 형상으로 형성된 평탄부(421)와, 상기 평탄부(421)의 양 측면으로부터 돌출되어 형성되는 두 개의 경사부(423, 425)로 구성될 수 있다.
평탄부(421)는 모서리 부분이 곡면으로 형성된 직사각형 모양의 플레이트 형상으로 형성될 수 있다. 상기 평탄부(421)는 챔버(411)의 내벽에 인접하게 배치되어, 마이크로웨이브가 지나가는 챔버(411)의 폭 방향(즉, x축 방향) 공간을 줄여주며, 그에 따라 줄어든 공간으로 진행하는 마이크로웨이브의 파장을 차단 근접 원리에 의해 길게 만들어 줄 수 있다.
제1 및 제2 경사부(423, 425)는 평탄부(421)의 양 측면으로부터 제1 및 제2 도파관(413, 415)의 길이 방향으로 돌출되도록 형성될 수 있다. 즉, 제1 경사부(423)는 평탄부(421)의 일 측면으로부터 도면의 - z축 방향으로 연장되도록 형성될 수 있고, 제2 경사부(425)는 평탄부(421)의 타 측면으로부터 도면의 - z축 방향으로 연장되도록 형성될 수 있다. 이처럼, 상기 제1 및 제2 경사부(423, 425)는 평탄부(421)를 기준으로 서로 대칭되는(마주보는) 위치에 배치되도록 형성될 수 있다.
이와 같은 구성을 갖는 마이크로웨이브 가열장치(400)는 제1 및 제2 도파관(413, 415) 중 적어도 하나를 통해 마이크로웨이브를 입사하여 피가열물을 균일하게 가열할 수 있다. 한편, 마이크로웨이브가 입사되는 도파관의 개수 및 위치에 따라 챔버 내부에 형성되는 전기장 분포가 가변될 수 있으며, 그에 따라 마이크로웨이브 가열장치(400)의 가열 성능이 변경될 수 있다.
가령, 도 14에 도시된 바와 같이, 제1 도파관(413)으로만 마이크로웨이브를 입사하는 제1 시험 예와 제1 및 제2 도파관(413, 415)으로 마이크로웨이브를 입사하는 제2 시험 예에 대해 각각 챔버 내부의 전기장 분포를 시뮬레이션한 결과, 상기 제1 및 제2 시험 예에서 서로 유사한 전기장 분포가 나타나는 것을 확인할 수 있다. 특히, 위 두 가지의 시험 예 중에서, 마이크로웨이브를 두 개의 도파관으로 입사하는 제2 시험 예의 경우, 챔버 내부의 전기장이 좀 더 강하고 고르게 분포되는 것을 확인할 수 있다.
한편, 이상 본 실시 예에서는, 마이크로웨이브 가열장치의 챔버 형상이 납작한 원통형, 직육면체형, 라운디드(rounded) 직육면체형으로 형성되는 것을 예시하고 있으나 반드시 이에 제한되지는 않으며 다양한 모양으로 형성될 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.
또한, 상술한 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시 예들에 따른 마이크로웨이브 가열장치는 하나의 도파관을 통해 마이크로웨이브를 입사하여 피가열물(50)을 균일하게 가열할 수 있을 뿐만 아니라, 두 개의 도파관을 통해 마이크로웨이브를 양쪽으로 입사하여 피가열물(50)을 전체적으로 균일하게 가열할 수도 있다. 따라서, 이하에서는, 도 16 내지 도 19를 참조하여, 하나의 도파관을 통해 마이크로웨이브를 입사하되 주파수를 변화시켜 위상 및 파장 조절이 동시에 이루어지도록 함으로써 챔버 내부의 피가열물을 균일 가열하는 방식과, 두 개의 도파관을 통해 두 개의 마이크로웨이브를 입사하여 두 마이크로웨이브 중 적어도 하나의 전력, 위상 또는 주파수를 변화시켜 위상 및 파장 조절이 동시에 이루어지도록 함으로써 챔버 내부의 피가열물을 균일 가열하는 방식에 대해 상세히 설명하도록 한다.
도 16은 도 5의 마이크로웨이브 하우징에 마이크로웨이브를 입사하기 위한 부가 회로를 포함한 마이크로웨이브 가열장치의 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 16을 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 마이크로웨이브 가열장치(500)는 차단 근접 조건의 마이크로웨이브 하우징(110) 외에 마이크로웨이브 발생기(510), 분배기(520) 및 위상 변환기(530)를 포함할 수 있다.
마이크로웨이브 발생기(510)는 일정 주파수(f)의 마이크로웨이브(MW)를 발생하며, 분배기(520)는 마이크로웨이브 발생기(510)에서 생성되는 마이크로웨이브(MW)로부터 동일한 전력과 주파수를 갖는 제1 마이크로웨이브(MW1)와 제2 마이크로웨이브(MW2)를 생성한다. 분배기(520)는 제1 마이크로웨이브(MW1)를 제1 도파관(113)의 입구를 통해 챔버(111)를 향하여 입사하고, 위상 변환기(530)는 제2 마이크로웨이브(MW2)의 위상을 일정 범위에서 조절하여 위상 조절된 제2 마이크로웨이브(MW2)를 제2 도파관(115)의 입구를 통해 상기 챔버(111)를 향하여 입사한다.
제1 및 제2 도파관(113, 115)에 위상 변환기(530)를 설치할 수도 있으나, 이와 같이 한쪽에만 위상 변환기(530)를 설치하더라도 제1 마이크로웨이브(MW1)와 위상 조절된 제2마이크로웨이브(MW2) 간의 위상 차이 효과를 실현할 수 있으므로 보다 간단하게 피가열물을 전체적으로 균일하게 가열할 수 있다.
도 17은 도 5의 마이크로웨이브 하우징에 마이크로웨이브를 입사하기 위한 다른 부가 회로를 포함한 마이크로웨이브 가열장치의 또 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 17을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로웨이브 가열장치(600)는, 차단 근접 조건의 마이크로웨이브 하우징(110) 외에 제1 마이크로웨이브 발생기(610), 제2 마이크로웨이브 발생기(620) 및 위상 변환기(630)를 포함할 수 있다.
제1 마이크로웨이브 발생기(610)는 일정 주파수의 제1 마이크로웨이브(MW1)를 발생하며 제1 도파관(113)의 입구를 통해 챔버(111)를 향하여 입사하고, 제2 마이크로웨이브 발생기(620)는 일정 주파수의 제2 마이크로웨이브를 발생하며, 위상 변환기(630)는 제2 마이크로웨이브의 위상을 일정 범위에서 조절하여 위상 조절된 제2 마이크로웨이브(MW2)를 제2 도파관(115)의 입구를 통해 상기 챔버(111)를 향하여 입사한다. 물론, 위상 변환기(630)는 제2 마이크로웨이브 발생기(620) 내부에 위치할 수도 있다. 이 경우 위상 변환기(630)는 제2 마이크로웨이브 발생기(620)의 신호 발생기(미도시)와 신호 증폭기(미도시) 사이에 위치하고, 저출력 마이크로웨이브 신호의 위상을 조절하여 최종 출력되는 고출력 마이크로웨이브의 위상을 변화시킨다.
제1 및 제2 도파관(113, 115) 또는 제1 및 제2 마이크로웨이브 발생기(610, 620)에 위상 변환기(630)를 설치할 수도 있으나, 이와 같이 한쪽에만 위상 변환기(630)를 설치하더라도 제1 마이크로웨이브(MW1)와 위상 조절된 제2 마이크로웨이브(MW2) 간의 위상 차이 효과를 실현할 수 있으므로 보다 간단하게 피가열물을 균일 가열할 수 있다. 한편, 경우에 따라서는, 제1 마이크로웨이브 발생기(610)가 제1 마이크로웨이브(MW1)의 전력 또는 주파수를 변화시켜 출력할 수도 있으며, 제2 마이크로웨이브 발생기(620)가 위상 조절된 제2 마이크로웨이브(MW2)의 전력 또는 주파수를 변화시켜 출력할 수도 있다.
도 18은 도 5의 마이크로웨이브 하우징에 마이크로웨이브를 입사하기 위한 또 다른 부가 회로를 포함한 마이크로웨이브 가열장치의 또 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 18을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로웨이브 가열장치(700)는, 차단 근접 조건의 마이크로웨이브 하우징(110) 외에 제1 마이크로웨이브 발생기(710) 및 제2 마이크로웨이브 발생기(720)를 포함할 수 있다.
제1 마이크로웨이브 발생기(710)는 제1 마이크로웨이브(MW1)를 발생하여 제1 도파관(113)의 입구를 통해 챔버(111)를 향하여 입사하고, 제2 마이크로웨이브 발생기(720)는 제2 마이크로웨이브(MW2)를 발생하여 제2 도파관(115)의 입구를 통해 상기 챔버(111)를 향하여 입사한다.
제1 마이크로웨이브 발생기(710)가 제1 마이크로웨이브(MW1)의 전력 또는 주파수를 변화시킬 수 있으며, 또는 제2 마이크로웨이브 발생기(720)가 제2 마이크로웨이브(MW2)의 전력 또는 주파수를 변화시킬 수도 있으며, 이에 따라 특히 어느 한쪽의 주파수를 일정 범위에서 조절하는 것에 의하여도 위상이 달라지는 효과를 이용하여 위상 조절과 파장 조절이 동시에 이루어지도록 함으로써, 피가열물을 전체적으로 균일하게 가열할 수 있다.
도 19는 도 5의 마이크로웨이브 하우징에 마이크로웨이브를 입사하기 위한 또 다른 부가 회로를 포함한 마이크로웨이브 가열장치의 또 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 19를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 마이크로웨이브 가열장치(800)는, 차단 근접 조건의 마이크로웨이브 하우징(110) 외에 마이크로웨이브 발생기(810)를 포함할 수 있다. 본 실시 예는 마이크로웨이브 발생기(810)가 한 개만 사용되는 예이며, 마이크로웨이브 발생기(810)가 마이크로웨이브(MW)를 발생하여 제1 도파관(113)의 입구를 통해 챔버(111)를 향하여 입사하고, 상기 제1 도파관(113)과 마주보는 제2 도파관(115)에는 반사 부재가 배치될 수 있다. 상기 반사 부재는 챔버(111)의 파장 조절 공간(140)을 통과한 마이크로웨이브를 상기 파장 조절 공간(140) 쪽으로 다시 반사시킨다.
이와 같이 하나의 마이크로웨이브 발생기(810)만을 사용하여도 마이크로웨이브 발생기(810)가 전력 또는 주파수를 변화시킬 수 있으며, 특히, 주파수 변화에 따른 위상 변화 효과를 이용하여, 위상 조절과 파장 조절이 동시에 이루어지도록 함으로써, 피가열물을 전체적으로 균일하게 가열할 수 있다.
이상에서 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 마이크로웨이브 가열장치 110: 마이크로웨이브 하우징
111: 챔버 113/115: 도파관
120: 블록 부재 121: 평탄부
123/125: 경사부 130: 블록 이동 장치

Claims (11)

  1. 피가열물을 수용하기 위한 챔버와, 상기 챔버에 연결되는 하나 이상의 도파관으로 구성되는 마이크로웨이브 하우징; 및
    상기 마이크로웨이브 하우징 내부에 배치되어, 상기 마이크로웨이브 하우징 내부에서 진행하는 마이크로웨이브의 특성을 변경하는 블록 부재를 포함하되,
    상기 블록 부재는, 상기 챔버 내의 일정 공간을 점유하도록 배치되어 상기 챔버 내부를 통과하는 마이크로웨이브의 파장을 차단 근접 조건에 따라 미리 결정된 파장으로 길게 만들어주는 평탄부와, 상기 평탄부로부터 상기 도파관의 길이 방향으로 돌출되도록 형성되는 하나 이상의 경사부를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브 가열장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 챔버는, 상기 피가열물 및 상기 블록 부재를 수용하기 위한 내부의 빈 공간을 구비하는 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브 가열장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 챔버는, 상기 마이크로웨이브가 통과하는 파장 조절 공간을 상기 피가열물의 세로 방향으로 확대하여 상기 피가열물의 균일 가열 면적을 증가시키는 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브 가열장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 도파관은, 마이크로웨이브 발생기와 상기 챔버 사이에 배치되어, 상기 마이크로웨이브 발생기로부터 수신된 마이크로웨이브를 상기 챔버 내부로 전달하는 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브 가열장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 블록 부재는, 상기 마이크로웨이브 하우징의 내벽 일부로서 해당 하우징과 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브 가열장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 평탄부는, 상기 챔버의 형상에 대응하는 플레이트 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브 가열장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 경사부는 평면 형상 또는 곡면 형상으로 형성된 경사면을 구비하는 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브 가열장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 블록 부재를 축 방향으로 이동하여 상기 평탄부와 상기 챔버의 내벽 사이의 간격(a1)을 조절하는 블록 이동 장치를 더 포함하는 마이크로웨이브 가열장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 챔버 또는 도파관 내부에 설치되어, 상기 마이크로웨이브가 지나가는 파장 조절 공간 상에서 상기 피가열물을 거쳐 나온 마이크로웨이브를 상기 피가열물 쪽으로 반사시키는 반사 부재를 더 포함하는 마이크로웨이브 가열장치.
  10. 제1항에 있어서,
    미리 결정된 주파수(f), 파장(λ) 및 전력을 갖는 마이크로웨이브를 생성하여 상기 마이크로웨이브 하우징으로 제공하는 하나 이상의 마이크로웨이브 발생기를 더 포함하는 마이크로웨이브 가열장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 마이크로웨이브 발생기는, 마이크로웨이브 가열장치의 가열 특성에 따라, 적어도 하나의 도파관으로 입력되는 마이크로웨이브의 주파수(f), 파장(λ) 및 전력 중 적어도 하나를 조절하는 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브 가열장치.
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