KR20230025792A

KR20230025792A - 마이크로파 처리 장치

Info

Publication number: KR20230025792A
Application number: KR1020227044569A
Authority: KR
Inventors: 모리츠 요한 고라스
Original assignee: 뮤게 게엠베하
Priority date: 2020-05-19
Filing date: 2021-03-25
Publication date: 2023-02-23
Also published as: TW202145647A; CN116348986A; DE102020113578A1; WO2021233597A1; EP4154292A1; US20230207273A1

Abstract

본 발명은 마이크로파 처리 장치(1)에 관한 것으로, 처리될 대상물(5)이 배열될 수 있는 처리 챔버(2)와, 마이크로파 방사선이 처리 챔버(2)로 방사되거나 처리 챔버 내부에서 방출될 수 있는 마이크로파 방출 장치를 포함한다. 상기 마이크로파 방출 장치는 다수의 개별 이미터(8)를 갖는 적어도 하나의 어레이 안테나(7) 및 마이크로파 제어 장치(9)를 포함하고, 상기 마이크로파 제어 장치에 의해 적어도 하나의 어레이 안테나(7)의 각각의 개별 이미터(8)에 대해 방출 특성이 지정될 수 있다. 상기 마이크로파 제어 장치(9)에 의해 마이크로파 방출의 위상 및/또는 진폭이 각각의 개별 이미터(8)에 대해 지정될 수 있다. 또한, 상기 마이크로파 제어 장치(9)에 의해 마이크로파 방출의 주파수가 각각의 개별 이미터(8)에 대한 주파수 범위 내에서 지정될 수 있다.

Description

마이크로파 처리 장치

본 발명은 마이크로파 방사선이 처리 챔버로 방사되거나 내부에서 방출될 수 있는 마이크로파 방출 장치를 포함하는 마이크로파 처리 장치에 관한 것이다.

다양한 마이크로파 처리 장치가 실제로 공지되어 있으며, 매우 다른 목적과 매우 다른 적용 분야에서 사용될 수 있다. 마이크로파 처리 장치는 마이크로파로 조사하여 대상물을 데우기 위해, 예를 들어 가열하기 위해, 사용될 수 있다. 이러한 마이크로파 처리 장치는 예를 들어 준비된 음식과 미리 만들어진 음식을 간단히 가열 및 살균하거나 먹기 직전에 가열하는 데 사용된다. 다른 마이크로파 처리 장치는 예를 들어 처리 챔버에서 처리될 대상물에 플라즈마 유도 코팅을 제공하기 위해 처리 챔버에서 마이크로파 방사선을 사용하여 유지되는 플라즈마를 생성하도록 의도되고 설계된다.

이 경우, 대상물은 처리되기 전에 처리 챔버로 도입될 수 있고, 처리 시간 동안 처리 챔버가 폐쇄될 수 있는데, 이는 예를 들어 처리 기간 동안 폐쇄된 처리 챔버로부터 마이크로파 방사선의 바람직하지 않은 누출(escape)을 방지하기 위함이다. 처리 챔버가 입구 개구 및 출구 개구를 포함하고, 처리될 대상물이 이송 장치에 의해 처리 챔버 내로 이송될 수 있고, 처리가 완료된 후에 다시 처리 챔버 밖으로 이송될 수 있는 마이크로파 처리 장치도 공지되어 있으며, 처리 기간 동안 처리 챔버를 통한 대상물의 연속적인 이송이 또한 가능하다.

이러한 종류의 마이크로파 처리 장치의 본질적인 양태는 처리될 대상물의 처리를 위해 처리 챔버에 제공되도록 의도된 마이크로파 방사선을 발생시키는 것이다. 마이크로파 방사선은 일상적으로 처리 챔버 외부에서 생성된다. 많은 경우에, 마이크로파 방사선은 웨이브가이드를 통해 마이크로파 생성 장치에서 처리 챔버로 안내된다.

마이크로파 방사선은 예를 들어 혼 라디에이터에 의해 처리 챔버 외부로 직접 방출될 수 있고, 처리 챔버의 개구를 통해 처리 챔버로 방사될 수 있다. 이 경우에, 대상물의 원하는 처리를 허용하거나 적어도 지원하는 적절한 매체로 처리 챔버를 채울 수 있도록 개구는 일반적으로 석영 유리와 같은 마이크로파 투과성 재료에 의해 폐쇄된다. 또한, 이와 같이 폐쇄된 처리 챔버에서는, 과압이나 진공과 같은 유리한 압력비를 발생시킬 수 있다. 마이크로파 방사선이 적절한 안테나, 예를 들어 처리 챔버 내로 돌출된 로드 안테나 또는 도파관 시스템에 의해 처리 챔버 내로 도입되고 처리 챔버 내에서 방출되는 마이크로파 처리 장치도 공지되어 있다. 그러면 처리 챔버 외부에서 마이크로파 방사선을 결합할 필요가 없다.

많은 경우에, 처리 챔버는 공진기로 설계되어 처리 챔버 내부에서 가능한 한 일정하고 정확하게 공지된 마이크로파 방사선의 방사선 분포를 가져올 수 있다. 마이크로파 방출 장치와 처리 챔버의 설계로 방사선 분포가 확고하게 규정된 경우, 마이크로파 처리 장치를 대상물이나 처리방법에 따라 조정하여 대상물을 처리할 수 있도록 하는 것은 거의 불가능하고, 이는 서로 다른 사양에도 불구하고 각각의 경우에 가능한 한 효율적이다.

실제로 공지된 일부 마이크로파 처리 장치의 경우, 마이크로파 방출 장치는 예를 들어 처리 챔버 내부에 다른 방사선 분포를 가져오기 위해 처리 챔버에 대한 배열 또는 배향과 관련하여 변경될 수 있어, 다른 대상물 또는 처리 매개 변수에 대한 조정이 가능하다. 그러나, 마이크로파 처리 장치의 그러한 수정을 위한 지출은 비교적 높다.

따라서, 본 발명의 목적은 처리 챔버 내부의 방사선 분포의 변화 및 이에 의한 처리 챔버 내부의 방사선 분포의 상이한 대상물 또는 처리 매개변수로의 조정이 적어도 가능한 지출 및 짧은 시간 내에 가능하게 이루어지도록 종래 기술로부터 공지된 마이크로파 처리 장치를 설계하는 것으로 간주된다.

이 목적은 마이크로파 방출 장치가 다수의 개별 이미터를 갖는 적어도 하나의 어레이 안테나, 및 방출 특성이 적어도 하나의 어레이 안테나의 각각의 개별 이미터에 대해 지정될 수 있는 마이크로파 제어 장치를 포함한다는 점에서 본 발명에 따라 달성된다. 개별적으로 작동될 수 있는 복수의 개별 이미터를 포함하는 어레이 안테나를 사용하면 개별 이미터에서 방출되는 마이크로파 방사선의 중첩으로 인해 처리 챔버 내부의 강도 분포가 간단한 방식으로 각각의 요구 사항 또는 사양으로 변경되고 조정될 수 있다. 이 경우, 마이크로파 방출 장치가 처리 챔버에 대해 이동되거나 마이크로파 방출 장치의 기계적 조정이 수행될 필요가 없다. 개별 이미터의 치수, 그리고 적어도 하나의 어레이 안테나 내의 개수 및 배열은 대부분 임의로 지정될 수 있으며 개별 경우에 원하는 처리 챔버 및 각각의 경우에 의도된 용도에 맞게 조정될 수 있다.

개별 이미터가 일반적으로 마이크로파 처리 장치에 특히 적합한 방출 특성을 갖지 않는 것으로 밝혀졌다. 그러나, 복수의 개별 이미터를 조합하여 어레이 안테나를 형성하는 경우, 개별 이미터를 작동시켜 마이크로파를 방출하도록 유도할 수 있어, 마이크로파 처리 장치에 매우 유리한 방출 특성이 어레이 안테나를 사용하여 달성될 수 있다. 이 경우, 특정 사용 사례에 적합한 방출 특성은 3 x 3 또는 그보다 적은 수의 개별 이미터를 포함하는 어레이 안테나를 사용하여 이미 생성할 수 있다. 그러나, 많은 사용의 경우에, 예를 들어 매트릭스와 같은 방식으로 배열된 5 x 5 또는 그 초과의 개별 이미터를 포함하는 어레이 안테나를 사용하여 달성될 수 있는 각각의 사용의 경우에 더 강하게 영향을 받고 더 잘 조정될 수 있는 방출 특성이 바람직하다. 정사각형 배열 외에도, 직사각형 또는 다각형, 원형 또는 타원형, 어레이 안테나에서 개별 이미터의 배열뿐만 아니라 동일하거나 다르게 설계된 복수의 어레이 안테나의 조합도 가능하다.

개별 이미터의 크기는 방출될 마이크로파의 각각의 경우에 사용되는 주파수에 맞게 적절하게 조정되며, 예를 들어 적어도 λ/4의 파장에 해당한다. 많은 경우에 적합한 마이크로파의 주파수가 2.45GHz인 경우, 개별 이미터의 크기는 약 3 x 3 cm이다. 이 경우 대략 직사각형 또는 정사각형 풋프린트가 유리한 것으로 간주된다. 어레이 안테나의 특히 유리한 방출 특성은 대략 정사각형 풋프린트를 갖는 개별 이미터에 의해 달성될 수 있으며, 두 개의 마주보는 모서리의 경우, 풋프린트는 관련 모서리에 의한 것 대신에 인접한 측벽에 대해 45°의 각도로 연장하는 대각선으로 구분된다. 개별 이미터는 유리하게는 원형으로 편파된 마이크로파가 방출되도록 치수가 결정되고 작동된다.

적어도 하나의 어레이 안테나를 사용하면 원칙적으로 처리 챔버가 하우징 또는 예를 들어 진공 챔버에 의해 제한되지 않아도 된다. 어레이 안테나를 사용하면 예를 들어 전기 전도성 하우징을 사용하여, 공진 조건을 지정하지 않고도, 어레이 안테나에서 떨어진 공간 영역에 방출된 마이크로파 전력이 집속될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 폐쇄형 하우징이 필요하지 않고, 어레이 안테나에 의해 방출되는 마이크로파에 의해 어레이 안테나 부근에 위치한 대상물이 따뜻해지는 것이 가능하다.

대상물을 처리하는 데 필요한 처리 공간을 넘어서는 마이크로파의 바람직하지 않은 전파를 제한하기 위해, 처리 공간을 넘어서는 마이크로파의 전파를 방해하거나 방지하는 처리 챔버를 사용하는 것이 편리할 수 있다. 단일 어레이 안테나의 경우에도, 특히 다수의 어레이 안테나를 사용하는 경우, 전체 방출 마이크로파 전력은 구역 내에서 가변적으로 지향되고 집속될 수 있으므로, 방출되는 마이크로파 전력을 서로 다른 대상물 또는 주변 상태로의 조정이 간단한 방식으로 가능하다. 하나의 어레이 안테나만을 사용하는 경우에는, 어레이 안테나와 마이크로파 처리 장치의 처리 챔버을 서로 지정하여 처리 챔버 내의 어레이 안테나의 치수 및 배열을 조정하는 것이 편리할 수 있어, 처리될 대상물이 마이크로파 방사선으로 완전하고 효율적으로 조사될 수 있는 방식으로, 어레이 안테나에 의해 마이크로파 처리 장치가 처리 챔버 내부로 방출될 수 있다.

플라즈마를 발생시키기 위해 마이크로파 처리 장치를 사용하는 경우, 어레이 안테나에 의해 필요한 처리 챔버 내로 방출되는 마이크로파의 복잡한 결합 없이 플라즈마로 대상물을 처리하고 처리 챔버 내 플라즈마의 제한에 대해 설계 및 조정된 처리 챔버을 사용할 수 있다.

실제로 관련된 대부분의 경우에, 마이크로파 처리 장치는 적어도 하나의 어레이 안테나와 처리될 대상물 사이의 간격이 어레이 안테나의 개별 이미터에 의해 방출되는 마이크로파 방사선의 특성 파장의 크기 정도가 되도록 설계된다. 처리될 대상물은 그 후 근거리장에 또는 어레이 안테나의 근거리장과 원거리장 사이의 중간 구역에 위치되어 마이크로파의 특성 방출 상의 주변, 특히 처리될 대상물의 소급 효과가 적어도 하나의 어레이 안테나를 사용하는 것이 가능하고 고려되어야 한다.

개별 이미터는 다양한 방식으로 마이크로파 방사선을 방출하는 데 필요한 에너지를 공급받을 수 있다. 에너지는 동축 전도체 또는 스트립라인(stripline)과 같은 전자기 도파관을 통해 개별 이미터에 공급될 수 있다. 에너지가 무접촉 방식으로 또는 전자기 도파관 없이, 예를 들어 유도성 또는 용량성 전송 방법을 통해 개별 이미터로 전송되는 것도 생각할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 마이크로파 제어 장치에 의해 마이크로파 방출의 위상 및/또는 진폭이 각각의 개별 이미터에 대해 지정될 수 있다. 적어도 하나의 어레이 안테나 또는 각각의 개별 이미터에 대해 방출된 마이크로파 방사선의 주파수가 지정될 수 있고 선택적으로 마이크로파 처리 장치의 작동 중에 변경될 수 있다는 것도 생각할 수 있다. 위에서 언급한 매개변수의 적절한 변경 및 사양은 처리될 대상물의 작동 기간 동안 사실상 임의로 처리 챔버 내에서 마이크로파 방사선의 분포 결과의 최대치 및 최소치의 위치 및 강도를 지정하고 선택적으로 처리 기간 동안 변경하는 것을 가능하게 한다. 따라서 처리될 대상물에 대한 새로운 처리 방법도 가능하다. 따라서, 예를 들어 처리 기간 동안, 처리될 대상물에 대한 마이크로파 복사선의 강도 최대치의 배열이 변경되는 것이 가능하며, 특히 처리될 대상물이 처리 챔버 내에 고정 방식으로 배열되는지 여부 또는 처리 기간 동안 이송 장치에 의해 처리 챔버를 통해 이동되는지 여부에 관계없이 가능하다.

개별 이미터의 마이크로파 방출의 위상 또는 진폭의 변화는 적절한 마이크로파 제어 장치를 사용하여 간단한 방식으로 트리거되고 지정될 수 있다. 이를 위해, 마이크로파 제어 장치는 각각의 개별 이미터에 대해 위상 및 선택적으로 또한 또는 진폭만을 변경 및 조정하기 위한 할당된 장치를 포함할 수 있으며, 이 장치에 의해 개별 이미터에 공급되는 전자기파의 위상 및 선택적으로 또한/또는 진폭이 영향을 받고 변경될 수 있다. 결과적으로, 개별 이미터에 의해 방출되는 마이크로파 방사선의 위상은 개별 이미터에 의해 방출되는 마이크로파 방사선의 중첩의 경우 방사선 필드의 원하는 강도 분포가 처리 챔버 내에 형성되도록 서로에 대해 지정될 수 있다.

마이크로파 제어 장치에 의해 마이크로파 방출 주파수가 각각의 개별 이미터에 대한 주파수 범위 내에서 지정될 수 있다면 선택적으로 가능하고 다양한 사용 사례에 유리하다. 마이크로파 발생기는 마이크로파 발생기에 의해 지정된 주파수 범위 내에서 원하는 대로 선택 및 지정될 수 있는 주파수의 마이크로파를 고체-상태 구성 요소를 기반으로 생성할 수 있는 것으로 실제로 공지되어 있다. 작동 중에 주파수를 변경할 수도 있다. 이 경우, 고체-상태 전자기기에 의해 생성된 마이크로파 방사선의 주파수에 대한 변화가 상기 고체-상태 전자기기에 의해 자동으로 그리고 선택적으로 짧은 시간 내에 수행될 수 있도록 그러한 고체-상태 발생기의 기하학적 치수를 변경할 필요가 없다. 단일 어레이 안테나의 방출 특성은 다양한 방식으로 영향을 받을 수 있으며 개별 이미터의 위상, 진폭, 또는 주파수에 영향을 미치는 다양한 가능성을 통해 사용 사례에 따라 매우 개별적으로 조정될 수 있다.

적어도 하나의 어레이 안테나는 처리 챔버 외부 또는 처리 챔버 내부에 배열될 수 있다. 처리 챔버는 적절한 공정 가스 또는 물과 같은 공정 유체에 의해 처리될 대상물에 대한 적절한 주변 조건을 지정할 수 있도록, 처리 기간 동안 처리될 대상물의 처리 기간 동안 폐쇄될 수 있다. 어레이 안테나가 폐쇄된 처리 챔버 외부에 배열되는 경우, 처리 챔버는 편의상 어레이 안테나에 의해 방출된 마이크로파 방사선이 처리 챔버로 방사될 수 있는 마이크로파 투명 윈도우를 포함한다.

유리하게는, 처리 챔버를 둘러싸고 전기 전도성 재료로 제조되는 하우징 내부에 배열되는 적어도 하나의 어레이 안테나가 선택적으로 제공된다. 처리 챔버 내부에 배열된 어레이 안테나에 의해, 마이크로파 방사선이 처리 챔버 내부에서 생성되어 내부에서 방출될 수 있다. 전기 전도성 재료로 만들어진 주변 하우징은 처리 챔버 주변으로 바람직하지 않은 마이크로파 방사선의 방출가 가능한 한 감소되도록 한다. 이러한 방식으로, 마이크로파 방출에 의한 처리될 대상물의 비교적 효율적인 처리가 가능하며, 동시에 마이크로파 방사선이 없거나 생성된 마이크로파 방사선의 아주 작은 부분만을 달성하고 선택적으로 보장하는 것이 가능하며, 어레이 안테나에 의해 처리 챔버에서 주변으로 누출할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에 따르면 마이크로파 처리 장치의 연속적인 동작을 가능하게 하기 위해 처리 챔버는 처리될 대상물을 유입 및 제거하기 위한 입구 개구 및 출구 개구를 포함하도록 처리 챔버 및 처리될 대상물이 입구 개구를 통해 처리 챔버로 이송될 수 있고, 마이크로파 방사선에 의한 처리 후에, 출구 개구를 통해 처리 챔버 밖으로 이송될 수 있는 이송 장치를 위해 제공된다. 처리 챔버의 각각의 실시형태에 따라, 입구 개구 및 출구 개구는 처리 챔버 내의 단일 개구에 의해 형성될 수 있고, 이송 장치는 상기 하나의 개구를 통해 처리 대상물을 처리 챔버 내로 그리고 그 후 처리 기간 후 다시 처리 챔버 밖으로 이송할 수 있다. 그러나, 많은 경우에, 이송 장치가 처리 챔버를 통하여 입구 개구로부터 이로부터 이격된 출구 개구로 연장하는 이송 경로 또는 이송기 벨트를 포함하는 것이 편리하여 처리될 대상물이 개구 입구를 통하여 처리 챔버 내로 계속적이고 연속적으로 이송될 수 있어 처리 챔버 내부의 마이크로파 방사선으로 처리되어 출구 개구를 통하여 다시 처리 챔버의 밖으로 후속적으로 이송된다.

이 경우, 어레이 안테나를 사용하여, 각각의 경우, 특정 처리 기간 동안, 마이크로파 방사선을 연속적으로 또는 시간 간격으로 방출할 수 있다. 입구 개구 및 출구 개구는 처리될 대상물이 입구 개구 또는 출구 개구의 구역에 위치하지 않는 경우 부분적으로 또는 완전히 폐쇄되거나 덮일 수 있어, 입구 개구 또는 출구 개구를 통하여 마이크로파 방사선의 바람직하지 않은 누출 부분을 감소시킨다. 이송 장치는 처리 챔버를 통해 실행되고 처리될 대상물이 배열되어 처리 챔버를 통해 이송될 수 있는 마이크로파 투명 이송기 벨트를 포함할 수 있다.

본 발명의 특히 유리한 실시형태에 따르면, 각각의 경우, 하나의 어레이 안테나에서 방출되는 마이크로파 방출에 의해 처리 대상물이 서로 다른 방향에서 조사될 수 있도록 처리 챔버 내부에 배열되는 복수의 어레이 안테나가 제공된다. 복수의 어레이 안테나는 예를 들어 마이크로파 방사선의 상이한 주파수에서 작동될 수 있다. 자주 사용되는 주파수 범위는 예를 들어 900~930MHz, 2.4~2.5GHz 또는 5.725~5.875GHz 범위이다. 다수의 상이한 마이크로파 생성 장치를 사용할 수 있으며 이러한 주파수 범위에서 마이크로파 방사선을 위해 상업적으로 얻을 수 있다. 예를 들어, 이러한 주파수 범위의 마이크로파 방사선을 사용하여 음식을 데우거나 살균할 수 있다. 그러나 다른 주파수 범위 또는 의도된 용도도 생각할 수 있다.

처리 챔버 내부에 복수의 어레이 안테나를 배치하면, 처리될 대상물이 서로 다른 방향에서 마이크로파 방사선으로 조사될 수 있으므로, 예를 들어 한 방향에서만 방출되는 마이크로파 방사선에 비해 처리 대상물을 보다 빠르고 균일하게 가열할 수 있다. 복수의 어레이 안테나는 디자인이 동일할 수 있고, 단지 처리 챔버 내에서 다르게 배열되고 배향될 수 있으며, 그 결과 복수의 어레이 안테나에 대한 생산 지출이 감소될 수 있다. 마이크로파 방사선의 방출에서 상이한 방사선 특성을 가질 수 있도록 복수의 어레이 안테나가 상이한 치수 및 형상을 갖는 것도 생각할 수 있으며, 이러한 특성은 처리될 대상물을 처리하는 데 유리하게 사용될 수 있다. 복수의 어레이 안테나는 또한 상이한 주파수에서 동작할 수 있고 따라서 상이한 마이크로파 방사선을 방출할 수 있다.

가능한 한 비용 효율적인 마이크로파 방출 장치의 생산 및 가능한 한 신뢰할 수 있는 작동의 관점에서, 적어도 하나의 어레이 안테나의 개별 이미터가 각각 패치 안테나로서 설계되도록 선택적으로 제공된다. 패치 안테나는 일반적으로 직사각형 또는 정사각형 금속 표면을 포함하며, 직사각형 금속 표면의 장변의 길이는 패치 안테나에 의해 방출되도록 의도된 마이크로파 방사선의 특성 파장에 맞게 적절하게 조정된다. 직사각형 또는 정사각형 모양에서 벗어난, 평면 또는 곡선 모양의 패치 안테나도 가능하다. 패치 안테나의 방출 특성은 적절한 모양의 조정에 의해 영향을 받고 적절하게 지정될 수 있다. 또한, 각각의 경우에 균일하게 설계된 적어도 하나의 어레이 안테나 또는 복수의 어레이 안테나 내의 패치 안테나가 다른 형상이거나 서로로부터 벗어나는 형상인 것도 생각할 수 있다. 개별 패치 안테나, 특히 적어도 하나의 어레이 안테나 내의 복수의 패치 안테나의 셀형 또는 매트릭스형 배열은 공지된 생산 방법에 의해 비용 효율적인 방식으로 생산될 수 있다. 패치 안테나는 실질적으로 평면구조와 부품으로 구성되어 있기 때문에, 패치 안테나는 적은 양의 설치공간 만을 요구한다. 또한, 패치 안테나는 비용 효율적인 재료로 생산할 수 있으며 처리 챔버 내부에 우세한 주변 조건에 크게 둔감하도록 설계될 수 있다.

서로 벗어나는 패치 안테나 구조는 적어도 하나의 어레이 안테나 내에서 함께 형성되어 동작할 수도 있다. 개별 이미터를 형성하기 위해 전기 전도성 금속 및 전기 비전도성 유전체 재료의 다층 시퀀스의 층도 생각할 수 있다. 어레이 안테나에 의해 방출되는 마이크로파 방사선을 적절한 방식으로 지향시키고 바람직하지 않은 반사를 방지하기 위해, 추가 구성요소가 어레이 안테나 내에 배열될 수도 있다.

본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 적어도 하나의 어레이 안테나와 처리될 대상물 사이에 배열되는 안테나 렌즈 장치에 있어서, 어레이 안테나에서 방출되는 마이크로파 방사선 또는 어레이 안테나의 적어도 하나의 개별 이미터에 의해 편향되거나 집속될 수 있다. 이 목적을 위해, 예를 들어 어레이 안테나의 일부 개별 이미터 또는 모든 개별 이미터는 어레이 안테나의 방사선 특성에 영향을 미치기 위해 석영 유리, 사파이어 유리 또는 폴리테트라플루오로에틸렌과 같은 마이크로파 전도성 재료로 부분적으로 또는 전체적으로 덮일 수 있다. 이러한 종류의 안테나 렌즈 장치는 어레이 안테나에 의해 처리될 대상물의 방향으로 방출되는 마이크로파 방사선의 일부를 증가시키고 처리될 대상물을 처리하기 위해 사용될 수 없는 마이크로파 방사선의 또 다른 부분을 감소시키는 것을 가능하게 한다.

본 발명의 특히 유리한 실시형태에 따르면, 적어도 하나의 누설 방지 어레이 안테나를 포함하는 마이크로파 처리 장치가 제공되며, 이는 적어도 하나의 어레이 안테나의 마이크로파 방사선이 입구 개구 및/또는 출구 개구를 통해 파괴적인 중첩이 발생하고, 그 결과 마이크로파 방사선의 발생 강도가 감소되도록 배향되고 가동될 수 있다. 이러한 방식으로, 부분적으로 또는 완전히 개방된 입구 개구 또는 출구 개구의 경우에도, 처리 챔버로부터의 바람직하지 않은 마이크로파 방사선의 누출이 상당히 감소될 수 있다. 그 결과, 마이크로파 처리 장치의 효율이 개선될 수 있어 처리될 대상물에 대해 더 낮은 에너지 출력으로 유사하거나 개선된 처리가 가능하다. 또한, 마이크로파 처리 장치의 안전한 작동과 프로세스에서 방출되는 마이크로파 방사선으로부터 주변 환경을 적절하게 차폐하는 데 필요한 구조적 지출을 줄일 수 있다.

처리 챔버 또는 처리 공간을 둘러싸는 하우징을 포함하지 않는 마이크로파 처리 장치에 하나 또는 그 초과의 누설 방지 어레이 안테나가 사용되는 것도 가능하다. 여기서, 누설 방지 어레이 안테나는 어레이 안테나에 의해 방출되는 마이크로파 전력의 전파가 처리 공간을 넘어서 한 공간 방향 또는 복수의 공간 방향으로 억제되거나 거의 완벽하게 방지되도록 배열 및 작동될 수 있다. 이와 같이, 어레이 안테나와 누설 방지 어레이 안테나의 적절한 배열은 하우징에 의해 한정되지 않는 처리 공간을 지정하는 것을 가능하게 하며, 상기 공간 내에서 방출된 마이크로파 전력이 대상물을 처리하는 데 사용될 수 있고 상기 공간 외부에서 마이크로파의 과도한 추가 전파가 적어도 하나 또는 복수의 공간 방향에서 발생하지 않는다.

이하에서는 본 발명을, 개략적으로 도시된 도면을 참조한 예시적인 실시예를 통하여 더 상세하게 설명한다.

도 1은 마이크로파 처리 장치의 처리 챔버의 단면도로서, 이송 장치에 의해 처리될 대상물이 이송되며, 복수의 개별 이미터로 구성된 어레이 안테나가 배열되고, 각각의 이미터에 의해 마이크로파 방사선이 방출될 수 있으며,
도 2는 도 1의 II-II선에 따른 도 1에 도시된 처리 챔버의 단면도이고,
도 3은 3×12개의 개별 이미터가 매트릭스 형태로 배열된 어레이 안테나의 사시도이고,
도 4는 어레이 안테나에 가까운 구역에서 어레이 안테나가 방출하는 마이크로파 전력 밀도의 공간 분포를 나타내는 사시도이고,
도 5는 도 4의 V-V선을 따라 도 4에 도시된 마이크로파 전력 밀도의 공간적 분포인 경우의 방출된 전기장 분포(E-field)의 단면도이고,
도 6은 어레이 안테나의 개별 이미터의 편향 작동에 의해 생성되는 어레이 안테나에 의해 방출되는 마이크로파 전력 밀도의 공간 분포의 사시도이고,
도 7은 도 6의 VII-VII 선을 따라 도 6에 도시된 마이크로파 전력 밀도의 공간적 분포의 경우에 방출된 전기장 분포의 단면도이고,
도 8은 어레이 안테나의 개별 이미터의 또 다른 편향 작동에 의해 생성되는 어레이 안테나에 의해 방출되는 마이크로파 전력 밀도의 공간 분포의 사시도이고,
도 9는 도 8의 IX-IX선을 따라 도 8에 도시된 마이크로파 전력 밀도의 공간적 분포인 경우의 방출된 전계 분포의 단면도이고,
도 10은 어레이 안테나의 개별 이미터의 또 다른 편향 작동의 경우 어레이 안테나에 의해 방출되는 마이크로파 전력 밀도의 공간 분포의 사시도이고,
도 11은 도 10의 XI-XI선을 따라 도 10에 도시된 마이크로파 전력 밀도의 공간적 분포의 경우 방출된 전계 분포의 단면도이고,
도 12는 하나의 개별 이미터의 개략적인 평면도이고,
도 13a 내지 도 13c는 서로 다른 작동 모드에서 5 x 5 개별 이미터를 포함하는 어레이 안테나에 의해 생성된 방출 특성에 대한 각각의 경우에 해당하는 서로 다른 강도 분포의 각각의 단면도이고,
도 14는 각각의 경우에 서로 비스듬히 배향된 3개의 어레이 안테나에 의해 생성되는 방출 특성의 강도 분포의 단면도이다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따라 설계된 마이크로파 처리 장치(1)를 2개의 상이한 단면도로 도시한다. 마이크로파 처리 장치(1)는 금속과 같은 전기 전도성 재료로 만들어진 하우징(3)으로 둘러싸인 처리 챔버(2)를 포함한다. 이송 장치의 이송기 벨트(4)는 처리 챔버(2)를 통해 연장된다. 처리될 복수의 대상물(5)은 각각의 경우에 서로 이격된 방식으로, 이송기 벨트(4) 상에 배열된다. 대상물(5)은 예를 들어 마이크로파 처리 장치(1)를 사용하여, 보관 전에 살균하거나 먹기 직전에 데우도록 의도된 준비된 식사로 채워진 밀폐된 식품 용기일 수 있다. 개별 대상물(5)은 이송기 벨트(4)를 사용하여 처리 챔버(2)를 연속적으로 통과하여 운반된다.

어레이 안테나(7)는 처리 챔버(2)를 둘러싸는 하우징(3)의 내부 벽(6) 상에 배열된다. 어레이 안테나(7)는 매트릭스형 방식으로 배열된 다수의 개별 이미터(8)를 포함한다. 마이크로파 방사선은 어레이 안테나(7)의 각각의 개별 이미터(8)에 의해 방출될 수 있다. 개별 이미터(8)는 마이크로파 제어 장치(9)에 의해 작동되어, 어레이 안테나(7)의 개별 이미터(8)의 마이크로파 방사선의 방출가 마이크로파 제어 장치(9)를 사용하여 각각의 개별 이미터(8)에 대해 서로 독립적으로 그리고 개별적으로 지정될 수 있다. 처리될 대상물(5)의 처리 동안 어레이 안테나(7)의 개별 이미터(8)에 의해 방출된 마이크로파 방사선은 처리 챔버(2) 내에서 중첩되고, 개별 이미터(8)의 작동에 따라 처리 챔버(2) 내에서 방출된 마이크로파 방사선의 상이한 강도 분포가 발생한다.

도 3은, 단지 예로서, 어레이 안테나(7)의 실시예를 도시한다. 어레이 안테나(7)는 총 36개의 개별 이미터(8)를 포함하며, 이들은 매트릭스 방식으로 3행 12열로 배열된다. 각각의 개별 이미터(8)는 패치 안테나로서 설계되고 처리 챔버(2)에서 처리될 대상물(5)을 향하는 직사각형 금속판(10)을 포함하며, 이는 마이크로파 방사선을 방출하도록 여기될 수 있다. 개별 이미터(8)의 금속판(10)의 긴 면의 치수는 개별 이미터(8)에 의해 방출되는 마이크로파 방사선의 특성 파장(λ)으로 조정된다. 어레이 안테나(7)의 각각의 개별 이미터(8)에 대해 방출된 마이크로파 방사선의 위상 및 진폭이 자유롭게 지정할 수 있도록, 각각의 개별 이미터(8)에는 개별 이미터(8)에 의해 방출되는 마이크로파 방사선의 위상 또는 위상 각도 및 선택적으로 진폭을 변경 및 조정하기 위한 장치(도면에 별도로 도시되지 않음)가 할당된다. 결과적으로, 개별 이미터(8)의 마이크로파 방사선의 중첩으로 인해 발생하는 방사선 필드의 강도 분포는 다양한 방식으로 영향을 받을 수 있고 예를 들어 다른 대상물 또는 다른 처리 방법에 맞게 조정될 수 있다.

도 4 내지 도 11은 처리 챔버(2)에서 도 1 내지 도 3에 도시된 어레이 안테나(7)를 포함하는 마이크로파 제어 장치(9)의 적절한 작동에 의해 달성될 수 있는 예로서 4개의 상이한 방출 모드를 도시한다.

도 4 및 도 5는 모든 개별 이미터(8)의 강도 및 위상이 동일하게 상응하는 방식으로 지정된 제1 방출 모드의 사시도 및 단면도이고, 도 5에 도시된 마이크로파 방사선의 초기 균일 방출를 형성하고, 처리 챔버(2)에 의해 지정된 복수의 강도 최대치(11)가 처리 챔버(2) 내부에 형성되지만, 이들 강도 최대치는 모두 처리될 대상물을 향하고 서로로부터 균일하게 이격된다. 도 5는 도 4에 도시된 방출 마이크로파 전력 밀도의 공간적 분포의 경우에 발생하는 전기장 분포를 통한 단면도이다.

도 6 및 도 7은 제 2 방출 모드의 사시도 및 단면도이며, 여기서 개별 이미터(8)의 위상은 각각의 행 내에서 동일하지만 12개의 행에 대해 시간적으로 연속적인 위상 편이가 있다. 그 결과, 도 1 내지 도 3에 도시된 실시예에서, 처리 챔버(2)를 통한 대상물(5)의 이송 방향을 가로지르는 방향으로 서로 어긋나는 강도 최대치(11)의 배열 및 분포가 형성된다. .

도 8 및 도 9는 중심선의 개별 이미터(8)의 위상이 각각의 경우에 외부를 향해 약간 지연되는 제 3 방출 모드의 사시도 및 단면도이며, 2개의 강도 최대치(11)에 대해 제한되는 방사선 분포는 처리 챔버(2)에서 발생한다.

도 10 및 도 11은 중심선의 개별 이미터(8)의 위상이 각각의 경우에 약간 외부를 향하도록 지정되는 제 4 방출 모드의 사시도 및 단면도이며, 여기에서 하나의 매우 넓은 강도 최대치(11)로 제한되는 방사선 분포가 처리 챔버(2)에서 발생한다.

도 12는 예로서 하나의 개별 이미터(8)의 개략적인 평면도이다. 개별 이미터(8)의 금속판(10)은 대략 3cm x 3cm의 치수를 갖는 대략 정사각형 기본 형상을 갖는다. 2개의 대향하는 모서리 구역(12)에서, 금속판(10)은 모서리를 갖지 않고, 인접한 측면 에지(13)에 대해 45°의 각도로 연장되는 대각선(14)을 갖는다. 2.45GHz의 주파수를 갖는 원형 편광 마이크로파가 유리하게는 이러한 종류의 개별 이미터(8)에 의해 생성되고 방출될 수 있다.

도 13a) 내지 c)는 도 12에 따른 5×5 개별 이미터(8)의 매트릭스형 평면 배열로 이루어진 어레이 안테나(7)에 대한 다양한 방출 특성을 나타낸다. 도 13a)에 도시된 단면은 방출 방향이 어레이 안테나(7)의 개별 이미터(8)의 배열 평면(15) 상의 수직에 대해 관찰자로부터 좌측을 향하여 피벗되는 마이크로파 방출에 대한 강도 분포를 나타낸다. 개별 이미터(8)의 작동은 방출 방향에만 영향을 미칠 뿐 아니라 배열 평면(15)으로부터의 거리에서 비교적 넓은 강도 최대치(11)를 발생시킨다.

도 13b)에 예로서 도시된 방출 특성에서, 어레이 안테나(7)의 개별 이미터(8)의 배열 평면(15) 상에서 수직 방향으로 향하는 방출가 생성되며, 뚜렷한 강도 최대치(11)는 어레이 안테나(7) 부근에서 생성되지 않는다.

대조적으로, 도 13c)에 도시된 방출 특성의 경우, 관찰자로부터 방출 방향이 오른쪽으로 피벗되어 매우 강하게 표시된 강도 최대치를 가지며 어레이 안테나(7)의 개별 이미터(8)의 배열 평면(15)에 근접하게 위치된 방출 방향이 생성된다.

단지 예로서 도시된 이러한 방출 특성은 본 발명에 따른 어레이 안테나(7)를 사용하여 방출 방향 및 강도 최대치(11)의 형성 및 어레이 안테나(7)의 개별 이미터(8)의 배열 평면(15)으로부터의 간격 모두에 영향을 미칠 수 있고 개별 이미터(8)의 적절한 작동에 의해 관련 사용을 위해 이들을 유리하게 지정할 수 있는 것을 음을 입증한다.

도 14는 각각의 경우에 매트릭스와 같은 방식으로 배열된 3×6 개별 이미터(8)를 갖는 3개의 어레이 안테나(7)의 배열에 대한 방출 특성을 단지 예로서 도시한다. 도시된 단면도에서, 단면 평면은 각각의 경우에 3개의 어레이 안테나(7)의 3개의 개별 이미터(8)를 통해 연장된다. 3개의 어레이 안테나(7)는 나란히 배열되어, 각각의 배열면(15)은 각각의 경우에 인접한 어레이 안테나(7)에 대해 각각 30°의 각도로 기울어지도록 배열된다. 3개의 어레이 안테나(7)의 이러한 배열은 3개의 어레이 안테나(7)에 의해 방출되는 마이크로파 전력의 도 14의 단면에 도시된 강도 분포를 생성하는 것을 가능하게 한다. 중앙 어레이 안테나(7) 위 약 30cm의 중앙 영역에서 명확하게 확연한 강도 최대치(11)가 생성된다. 이 경우, 이 방출 특성, 특히 강도 최대치(11)는 주변 하우징 없이 생성되었다. 어레이 안테나(7)의 이러한 배열은 어레이 안테나(7) 부근의 전기 전도성 하우징에 의해 한정되지 않는 처리 공간에서 강도 최대치(11)가 생성될 수 있게 하며, 이 최대치는 충분하고 플라즈마를 생성하고 형성하기 위해 사용될 수 있다.

Claims

마이크로파 방출 장치를 포함하여, 마이크로파 방사선이 처리 챔버(2)로 방사되거나 처리 챔버 내부에서 방출될 수 있는, 마이크로파 처리 장치(1)에 있어서,
상기 마이크로파 방출 장치는 다수의 개별 이미터(8)를 갖는 적어도 하나의 어레이 안테나(7) 및 마이크로파 제어 장치(9)를 포함하고, 상기 마이크로파 제어 장치(9)에 의해 적어도 하나의 어레이 안테나(7)의 각각의 개별 이미터(8)에 대해 방출 특성이 지정될 수 있는 것을 특징으로 하는, 마이크로파 처리 장치(1).
제1항에 있어서,
상기 마이크로파 제어 장치(9)에 의해 마이크로파 방출의 위상 및/또는 진폭이 각각의 개별 이미터(8)에 대해 지정될 수 있는 것을 특징으로 하는, 마이크로파 처리 장치(1).
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 마이크로파 제어 장치(9)에 의해 마이크로파 방출의 주파수가 각각의 개별 이미터(8)에 대한 주파수 범위 내에서 지정될 수 있는 것을 특징으로 하는, 마이크로파 처리 장치(1).
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
전기 전도성 재료로 제조되고 처리 챔버(2)를 둘러싸는 하우징(3) 내부에 적어도 하나의 어레이 안테나(7)가 배열되는, 마이크로파 처리 장치(1).
제4항에 있어서,
상기 처리 챔버(2)는 처리될 대상물(5)을 유입 및 제거하기 위한 입구 개구 및 출구 개구, 및 이송 장치를 포함하며, 상기 이송 장치에 의하여 처리될 대상물(5)은 입구 개구를 통해 처리 챔버(2)로 이송될 수 있고 출구 개구를 통해 처리 챔버(2) 밖으로 이송될 수 있는, 마이크로파 처리 장치(1).
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 경우, 하나의 어레이 안테나(7)에서 방출되는 마이크로파 방출에 의해 처리된 대상물(5)이 서로 다른 방향에서 조사될 수 있도록, 복수의 어레이 안테나(7)가 처리 챔버에 대해 배열되는 것을 특징으로 하는, 마이크로파 처리 장치(1).
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 하나의 어레이 안테나(7)의 개별 이미터(8)가 각각의 경우에 패치 안테나로서 설계되는 것을 특징으로 하는, 마이크로파 처리 장치(1).
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 하나의 어레이 안테나(7)와 처리될 대상물(5) 사이에 안테나 렌즈 장치가 배열되며, 상기 안테나 렌즈 장치에 의해, 어레이 안테나(7) 또는 어레이 안테나(7)의 적어도 하나의 개별 이미터(8)에 의해 방출되는 마이크로파 방사선이 편향되거나 집속될 수 있는 것을 특징으로 하는, 마이크로파 처리 장치(1).
제5항에 있어서,
적어도 하나의 누설 방지 어레이 안테나를 포함하며, 입구 개구 및/또는 출구 개구를 통해 방출되는 적어도 하나의 어레이 안테나(7)의 마이크로파 방사선에 파괴적인 중첩이 발생하고, 그 결과 마이크로파 방사선의 발생 강도가 감소되도록, 상기 누설 방지 어레이 안테나가 배향되고 가동될 수 있는 것을 특징으로 하는, 마이크로파 처리 장치(1).