KR102334570B1 - 간접 가열방식의 마이크로파 가열장치 - Google Patents

간접 가열방식의 마이크로파 가열장치 Download PDF

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Abstract

발열판의 국부적인 균열을 방지하여 균일한 품질의 제품인 피가열물을 획득하고, 유지보수가 쉬우며, 가열로의 설계 자유도를 높이는 간접 가열방식의 마이크로파 가열장치를 제시한다. 그 장치는 발열면, 반사면 및 입사면을 구비하는 가열로 본체와, 가열로 본체의 일측에 배치되어 가열로 본체로 마이크로파를 공급하기 위한 마그네트론 및 발열면에 장착된 적어도 하나의 발열판을 포함하고, 마이크로파는 입사면으로부터 입사되어 반사면에서 반사되어 발열판을 향하여 발열판을 가열시킨다.

Description

간접 가열방식의 마이크로파 가열장치{Indirect heating type microwave heating apparatus}
본 발명은 마이크로파 가열장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마이크로파를 이용하여 피가열체를 간접적으로 가열하는 장치에 관한 것이다.
마이크로파는 파장이 1m 이하로부터 1mm 이하인 원적외선 부근의 서브밀리파까지를 포함하는 전자기파이다. 마이크로파는 초단파보다 주파수가 높고 파장이 짧으므로, 직진성, 반사, 굴절, 간섭 등의 성질은 빛과 거의 비슷하다. 피가열체에 마이크로파가 닿으면, 상기 피가열체를 구성하는 쌍극자가 마이크로파의 전계에 의해 그 축의 배열 방향을 급속히 변화시키는 과정에서 마찰열이 발생되어 상기 피가열체는 가열된다. 여기서, 피가열체는 실제 가열되는 물건 또는 마이크로파에 의해 발열되는 유전체로 이루어진 발열판이다. 국내등록특허 제10-2128480호, 국내등록특허 제10-2126152호 등에서 개시된 마이크로파를 이용한 가열로와 같이 고에너지를 필요로 하는 장치는 주로 발열판의 발열에 의한 가열 방식이 적용된다.
그런데, 마이크로파를 발열판에 직접 조사하여 발열을 하게 되면, 발열판이 고온으로 가열됨에 따라 상기 발열판이 국부적으로 균열이 발생한다. 즉, 발열판의 가열상태가 일정시간 유지되는 경우, 발열판이 열팽창을 하게 되어 국부적으로 균열이 발생할 수 있다. 발열판에서 균열이 발생하면, 소결과정 등에서 균일한 품질의 제품인 피가열물을 얻을 수 없고, 발열판의 유지보수의 번거로움 등이 있다. 또한, 발열판에 마이크로파를 직접 조사하는 방식은 발열판에는 마이크로파가 입사하여야 하므로 구조적으로 한계가 있다. 이에 따라, 가열로의 설계를 자유롭게 할 수 있는 방식이 요구되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 발열판의 국부적인 균열을 방지하여 균일한 품질의 제품인 피가열물을 획득하고, 유지보수가 쉬우며, 가열로의 설계 자유도를 높이는 간접 가열방식의 마이크로파 가열장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 과제를 해결하기 위한 간접 가열방식의 마이크로파 가열장치는 발열면, 반사면 및 입사면을 구비하는 가열로 본체와, 상기 가열로 본체의 일측에 배치되어, 상기 가열로 본체로 마이크로파를 공급하기 위한 마그네트론 및 상기 발열면에 장착된 적어도 하나의 발열판을 포함합니다. 이때, 상기 마이크로파는 상기 입사면으로부터 입사되어, 상기 반사면에서 반사되어 상기 발열판을 향하여 상기 발열판을 가열시킨다.
본 발명의 장치에 있어서, 상기 반사면은 상기 발열면으로 갈수록 두께가 작아지는 경사부를 포함할 수 있다. 상기 반사면은 요철부를 포함할 수 있다. 상기 요철부는 양자점층으로 도포될 수 있다. 상기 입사면에는 상기 발열면으로 갈수록 두께가 작아지는 경사부 또는 요철부 중의 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 발열판의 측면 둘레는 단열보드에 의해 감싸질 수 있다. 상기 단열보드에는 대각선 방향으로 대향하여 배치되는 온도센서를 포함할 수 있다.
본 발명의 장치에 있어서, 상기 발열판을 이루는 유전체는 상기 유전체 전체 중량에 대하여, Mo(몰리브덴) 3~7중량%을 포함할 수 있다. 상기 유전체는 상기 유전체 전체 중량에 대하여, C(탄소) 18~22중량%, O(산소) 42~46중량%, Na(나트륨) 1~5중량%, Al(알루미늄) 1~5중량%. Si(실리콘) 20~24중량%, K(포타슘) 1~5중량% 및 Mo(몰리브덴) 3~7중량%의 성분원소를 포함할 수 있다.
본 발명의 간접 가열방식의 마이크로파 가열장치에 의하면, 반사판을 활용하여 발열판을 간접적으로 가열함으로써, 발열판의 국부적인 균열을 방지하여 균일한 품질의 제품인 피가열물을 획득하고, 유지보수가 쉬우며, 가열로의 설계 자유도를 높인다.
도 1은 본 발명에 의한 제1 가열장치를 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 절단한 단면도이다.
도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ선을 따라 절단한 단면도이다.
도 4는 본 발명에 의한 제2 가열장치를 나타내는 평면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음에서 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 도면에서는 설명의 편의를 위하여 과장되게 표현하였다. 한편, 상부, 하부, 정면 등과 같이 위치를 지적하는 용어들은 도면에 나타낸 것과 관련될 뿐이다. 실제로, 가열장치는 임의의 선택적인 방향으로 사용될 수 있으며, 실제 사용할 때 공간적인 방향은 가열장치의 방향 및 회전에 따라 변한다.
본 발명의 실시예는 반사판을 활용하여 발열판을 간접적으로 가열함으로써, 발열판의 국부적인 균열을 방지하여 균일한 품질의 제품인 피가열물을 획득하고, 유지보수가 쉬우며, 가열로의 설계 자유도를 높이는 마이크로파 가열장치를 제시한다. 이를 위해, 발열판을 간접적으로 가열하는 가열장치의 구조에 대하여 자세하게 알아보고, 발열판을 간접적으로 가열하는 방법을 구체적으로 설명하기로 한다. 간접 가열방식의 마이크로파 가열장치는 반사판을 활용하는 것으로, 마이크로파를 발열판에 직접 조사하는 종래의 가열장치와 차별화된다. 여기서는 설명의 편의를 위하여, 발열판에 의해 가열되는 피가열물은 도면에서 제외하였다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 제1 가열장치(100)를 나타내는 사시도이다. 다만, 엄밀한 의미의 도면을 표현한 것이 아니며, 설명의 편의를 위하여 도면에 나타나지 않은 구성요소가 있을 수 있다.
도 1에 의하면, 제1 가열장치(100)는 가열로 본체(10), 마그네트론(11), 튜너(12), 도파관(13) 및 차폐덕트(14)를 포함한다. 가열로 본체(10)는 투입된 피가열물을 가열하기 위한 것으로, 일정한 크기로 이루어진다. 마그네트론(11)은 가열로 본체(10)의 일측에 배치되어 마이크로파를 발생시키는 장치로써, 대략 25kW~75kW급의 마그네트론(11)을 개별적으로 설치하거나 또는 2개를 연속적으로 설치할 수 있다. 도면에서는 2개의 마그네트론(11)의 사례를 표현하였다. 필요에 따라, 마그네트론(11) 및 도파관(13)의 개수를 최소로 하여, 전자파의 중첩(상쇄)으로 인한 효율저하를 줄일 수 있다. 다시 말해, 하나의 마그네트론(11) 및 하나의 도파관(13)이 바람직하다. 다만, 여기서는 2개의 마그네트론(11) 및 2개의 도파관(13)을 사례로 든 것에 불과하다.
도파관(13)은 마크네트론(11)에 의해 생성된 마이크로파를 가열로 본체(10) 내부로 전달되도록 하고, 차폐덕트(14)는 도파관(13)에 의해 전달된 마이크로파가 가열로 본체(10)의 외부로 누출되지 않도록 한다. 차폐덕트(14)는 피가열물이 투입되는 입구 및 배출되는 출구에 설치되는 것이 바람직하다. 차폐덕트(14)의 형상 및 위치는 가열로 본체(10)의 용도, 형상, 상기 피가열물을 투입하는 방식 등에 따라 달라질 수 있다. 마그네트론(11) 및 도파관(13) 사이에는 마이크로파를 조절하는 튜너(12)가 배치된다. 도면에 표현되지는 않았지만, 본 발명의 범주 내에서 마이크로파에 의한 가열효과를 높일 수 있는 부품, 예컨대 서큘레이터, 냉각수단 등을 부가될 수 있다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 절단한 단면도이고, 도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ선을 따라 절단한 단면도이다. 이때, 제1 가열장치(100)는 도 1을 참조하기로 하고, 설명의 편의를 위해 제1 가열장치(100)의 일부를 표현하였다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 가열로 본체(10)의 측벽(10a)에는 적어도 하나의 발열구조물(20)이 부착될 수 있다. 도면에서는 하나의 발열구조물(20)을 사례로 제시하였다. 발열구조물(20)은 단열보드(21) 및 단열보드(21) 내측에 배치된 발열판(22)을 포함한다. 단열보드(21)는 발열판(22)의 측면 둘레를 감싼다. 단열보드(21)는 상기 마이크로파는 투과하고, 발열판(22)에서의 열의 방출을 차단시킨다. 이에 따라, 발열판(22)에서 발생한 열은 측면으로의 방출은 차단되고, 가열로 본체(10)의 내측으로 방출된다.
단열보드(21)는 유리 섬유, 콘크리트, 석고, 내열 플라스틱, 내열 세라믹, 내열지 또는 돌가루 등을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 단열보드(21)에는 적정한 위치에 온도센서(23, 24, 25, 26)가 삽입되어, 발열판(22)의 온도를 측정한다. 제1 및 제2 온도센서(23, 24)는 도시된 바와 같이 대각선 방향으로 대향하여 배치되어, 발열판(22)의 온도를 정확하게 측정되도록 한다. 마찬가지로, 제3 및 제4 온도센서(25, 26)는 도시된 바와 같이 대각선 방향으로 대향하여 배치되어, 발열판(22)의 온도를 정확하게 측정되도록 한다.
발열판(22)은 마이크로파로부터 가해지는 에너지에 의해 발열되는 유전체이다. 탄화규소 및 탄화규소 화합물 중의 어느 하나일 수 있으며, 상기 탄화규소 화합물은 질화물 또는 별도의 산화물이 혼합될 수 있다. 상기 산화물은 산화철, 알루미나(Al2O3), 산화칼슘(CaO), 실리카(SiO2), 산화티타늄(TiO2), 산화마그네슘(MgO), 산화구리(CuO), 티탄산바륨(BaTiO3) 및 이트리아-안정화 지르코니아(Yttira Stabilized Zirconia, YSZ) 중에서 선택된 어느 하나의 산화물 또는 그들의 복합물일 수 있다. 발열판(22)은 몰리브덴실리사이드와 같은 물질이 혼합된 하이브리드 형태로 구현될 수 있다. 발명판(22)은 앞에서 제시된 것 이외에, 본 발명의 범주 내에서 다양한 물질이 적용될 수 있다.
발열판(22)을 이루는 유전체를 이루는 성분원소는 유전체 전체 중량에 대하여, C(탄소) 18~22중량%, O(산소) 42~46중량%, Na(나트륨) 1~5중량%, Al(알루미늄) 1~5중량%. Si(실리콘) 20~24중량%, K(포타슘) 1~5중량% 및 Mo(몰리브덴) 3~7중량%가 바람직하다. 특히, 상기 Mo을 포함하면, 유전체가 발열하는 발열온도를 높일 수 있다. 몰리브덴계 발열체는 700℃~2,000℃에서 발열하므로, 발열온도가 상승한다. C(탄소) 및 실리콘(Si)을 포함하는 탄화규소는 약 700℃가 지나면 마이크로파의 흡수율이 떨어지면서 승온속도가 줄어든다. 그런데, 상기 Mo 포함하면, 약 700℃ 이상에서도 승온속도를 충분하게 확보할 수 있다. 만일, Mo의 함량이 3중량%보다 작으면 상기 Mo에 의한 승온속도의 효과를 얻을 수 없고, 7중량%보다 크면 상기 승온속도가 크지 않다.
발열구조물(20)은 측벽(10a)에 부착되면, 도파관(13)을 거친 마이크로파는 바닥(10b)에서 반사되어 발열구조물(20)로 향하는 제1 경로(a)를 이룬다. 이때, 바닥(10b)은 마이크로파가 투과되지 않고 반사되는 물질로 이루어진다. 바닥(10b)은 철과 같은 금속 물질로 이루어지며, 반사효율을 높이기 위하여 Al, Cu, Au, Pt, Pd, Rh, Ni, W, Mo, Cr, Ti로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나의 층 또는 그들의 복합층을 이루도록 코팅할 수 있다. 경우에 따라, 가열로 본체(10)의 상면(10c)이 반사를 유도하는 반사물질로 이루어져서, 도파관(13)을 거친 마이크로파는 상면(10c)에서 반사되어 발열구조물(20)로 향하는 제2 경로(b)를 이룬다.
한편, 바닥(10b) 또는 상면(10c) 중의 어느 하나 또는 양측에 복수개의 요철부(15)가 부가될 수 있다. 요철부(15)는 앞에서 설명한 바와 같이 반사물질로 이루어지며, 마이크로파를 효과적으로 반사시키기 위하여, 반구 형상이 바람직하다. 반구 형상의 요철부(15)는 마이크로파의 난반사를 유도하여, 발열판(22)에 도달하는 마이크로파를 증대시킬 수 있다. 선택적으로, 요철부(15)의 표면에는 반사되는 마이크로파를 증폭시키는 양자점층(16)을 더 구비할 수 있다. 양자점층(16)은 금속 바인더에 양자점(quantum dot) 분말(17)이 분산된 것이다. 양자점은 반도체 나노입자이다. 직경이 나노미터 크기의 양자점은 불안정한 상태의 전자가 전도대에서 가전자대로 내려오면서 발광하는데, 양자점의 입자가 작을수록 짧은 파장의 빛이 발생하고, 입자가 클수록 긴 파장의 빛이 발생한다. 양자점 분말(17)은 반사되는 마이크로파를 증폭시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 제2 가열장치(200)를 나타내는 평면도이다. 이때, 제2 가열장치(100)는 제1 가열장치(100)에서와 같이 Ⅲ-Ⅲ선을 따라 절단한 것이다. 제2 가열장치(200)는 경사부(30)를 제외하고 제1 가열장치(100)와 동일하다. 이에 따라, 중복되는 부분에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 4에 의하면, 제2 가열장치(200)는 바닥(10b) 또는 상면(10c) 중의 어느 하나 또는 양측에 경사부(30)를 둘 수 있다. 경사부(30)는 제2 가열장치(200)의 측벽(10a)으로 갈수록 두께가 작아지는 경사를 이룬다. 도시된 바와 같이, 측벽(10a)으로 갈수록 낮아지는 경사를 이루면, 바닥(10b)으로 입사되는 마이크로파를 반사시켜 제1 및 제2 경로(a, b)를 이룬다. 경사부(30)는 마이크로파의 경로를 발열구조물(20) 방향으로 유도하여, 발열판(22)에 도달하는 마이크로파를 증대시킬 수 있다. 경사부(30)의 표면에는 양자점층(31)을 도포할 수 있다. 양자점층(31)의 기능은 제1 가열장치(100)의 양자점층(16)과 동일하다.
한편, 앞에서는 가열로 본체(10)에 대하여 측벽(10a), 바닥(10b) 및 상면(10c)로 표현하였으나, 마이크로파의 진행방향을 기준으로 표현할 수 있다. 즉, 상면(10c)은 마이크로파 입사면, 측벽(10a)은 발열면 및 바닥(10b)은 반사면이라고 할 수 있다. 상기 발열면은 발열판(22)이 장착된 면이다.
이상, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
100, 200; 제1 및 제2 가열장치
10; 가열로 본체
10a, 10b, 10c; 가열로 본체의 측벽, 바닥, 상면
11; 마그네트론 12; 튜너
13; 도파관 14; 차폐덕트
15; 요철부
16, 31; 양자점층
17; 양자점 분말 20; 발열구조물
21; 단열보드 22; 발열판
23, 24, 25, 26; 제1 내지 제4 온도센서
30; 경사부

Claims (9)

  1. 발열면, 반사면 및 입사면을 구비하는 가열로 본체;
    상기 가열로 본체의 일측에 배치되어, 상기 가열로 본체로 마이크로파를 공급하기 위한 마그네트론; 및
    상기 발열면에 장착된 적어도 하나의 발열판을 포함하고,
    상기 마이크로파는 상기 입사면으로부터 입사되어, 상기 반사면에서 반사되어 상기 발열판을 향하며, 상기 발열판을 가열시키고,
    상기 반사면은 요철부를 포함하며, 상기 요철부는 양자점층으로 도포된 것을 특징으로 하는 간접 가열방식의 마이크로파 가열장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 반사면은 상기 발열면으로 갈수록 두께가 작아지는 경사부를 포함하는 것을 특징으로 하는 간접 가열방식의 마이크로파 가열장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 입사면에는 상기 발열면으로 갈수록 두께가 작아지는 경사부 또는 요철부 중의 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 간접 가열방식의 마이크로파 가열장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 발열판의 측면 둘레는 단열보드에 의해 감싸지는 것을 특징으로 하는 간접 가열방식의 마이크로파 가열장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 단열보드에는 대각선 방향으로 대향하여 배치되는 온도센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 간접 가열방식의 마이크로파 가열장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 발열판을 이루는 유전체는 상기 유전체 전체 중량에 대하여, Mo(몰리브덴) 3~7중량%을 포함하는 것을 특징으로 하는 간접 가열방식의 마이크로파 가열장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 유전체는 상기 유전체 전체 중량에 대하여, C(탄소) 18~22중량%, O(산소) 42~46중량%, Na(나트륨) 1~5중량%, Al(알루미늄) 1~5중량%. Si(실리콘) 20~24중량% 및 K(포타슘) 1~5중량%의 성분원소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 간접 가열방식의 마이크로파 가열장치.
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