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1. WO2020196971 - MICROWAVE FURNACE

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명세서

발명의 명칭

기술분야

1  

배경기술

2   3   4  

발명의 상세한 설명

기술적 과제

5  

과제 해결 수단

6   7   8   9   10   11   12  

발명의 효과

13   14   15   16  

도면의 간단한 설명

17   18   19   20   21  

발명의 실시를 위한 최선의 형태

22   23   24   25   26   27   28   29   30  

청구범위

1   2   3   4  

도면

1   2   3   4   5  

명세서

발명의 명칭 : 마이크로파 가열로

기술분야

[1]
본 발명은 마이크로파 가열로에 관한 것으로서, 좀 더 상세히는 구조가 간단하고 컴팩트하면서도 제작이 용이하고 발열특성이 우수하면서도 충분한 단열성능을 발휘하여 기존의 가열로에 비해 에너지효율이 우수하면서도 사용성이 우수한 새로운 구조의 마이크로파 가열로에 관한 것이다.

배경기술

[2]
일반적으로 가열로는 화석연료를 사용하는 연소로나 전기를 사용하는 전기저항로, 전자파의 종류에 따라 고주파유도로나 마이크로파 가열로 등으로 구분된다.
[3]
이러한 가열로에 있어서, 연소로는 화석연료를 사용함에 따른 온실가스의 배출이나 오염물질의 배출 등의 문제점이 있고, 전기로의 경우에는 봉타입의 히터를 노내에 간격을 두고 설치하여 전기저항으로 발열되는 특성으로 인해 에너지효율이 낮을 뿐만 아니라 노내의 온도를 균일하게 형성하는데 한계가 있다. 고주파 유도로의 경우에도 대체로 에너지 손실이 큰 문제가 있고 처리대상물에 따라 구조가 복잡해지거나 적용이 곤란한 경우도 있다.
[4]
이러한 연소로나 전기로 또는 고주파 유도로는 전술한 바와 같은 개별적인 문제점에 더하여 전반적으로 설치나 운영에 따른 비용발생이나 낮은 승온속도 등으로 인해 다양한 공정에 적용하는데 한계가 있는데, 이를 해결하기 위한 대안으로 마이크로파 가열로에 대한 관심이 높이지고 있다. 그러나 기존에 알려진 마이크로 가열로는 여전히 구조가 복잡한 반면 노내의 온도가 균일하게 가열되지 못하여 소결과정 등에서 균등한 품질의 제품을 얻을 수 없는 등의 문제가 있고, 발열판의 과열에 의한 크랙발생의 가능성이 높고, 이에 따른 발열판의 유지보수의 번거로움 등의 문제점이 있었다.

발명의 상세한 설명

기술적 과제

[5]
본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 마이크로파 가열로의 문제점에 착안하여 제안된 것으로서, 본 발명은 구조가 간단하고 컴팩트하면서도 제작이 용이하고, 발열특성이 우수하면서도 충분한 단열성능을 발휘하여 기존의 가열로에 비해 에너지효율이 우수하면서도 사용성이 우수한 새로운 구조의 마이크로파 가열로를 제공하고자 하는 것이다. 특히 본 발명은 연속공정에 의한 소결로로 사용하기에 적합한 마이크로파 가열로를 제공하고자 하는 것이다.

과제 해결 수단

[6]
본 발명의 한 특징에 따르면, 내부에 가열공간이 형성되고 전후단에 투입구(11)와 배출구(12)가 형성된 본체(2)와, 상기 본체(2)에 인접배치되어 마이크로파를 생성하는 마그네트론(4)과, 상기 마그네트론(4)으로부터 상기 본체(2)의 상면에 연통되며 마그네트론(4)에서 생성된 마이크로파를 전달하도록 된 도파관(6)과, 상기 본체(2) 내에 투입구(11)와 배출구(12)를 연결하는 이송경로를 따라 바닥부(23)와 이송경로의 양측벽(24)을 감싸도록 구비되며 내화벽돌 또는 내화캐스터블에 의해 형성되는 내화챔버(22)과, 상기 내화챔버(22)의 도파관(6)에 직접 면하도록 개방된 상면에 탑재되며 마이크로파에 감응하여 발열하도록 된 세라믹발열판(20)과, 상기 내화챔버(22)의 배면과 상면에 충전되는 내화단열부(26)을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 가열로가 제공된다.
[7]
[8]
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 내화챔버(22)의 양측벽(24)의 상단에는 걸림턱(25)이 형성되고, 상기 세라믹발열판(20)은 상기 내화단열부(26)과 간격부(27)를 사이에 두고 이격되도록 상기 걸림턱(25)에 안착되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 가열로가 제공된다.
[9]
[10]
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 세라믹발열판(20)는 납작하고 길다란 직사각형 패널(20a)로 성형되어 그 길이방향 양단이 상기 내화챔버(22)의 양측벽(24) 상단에 걸쳐지도록 배치된 것을 특징으로 하는 마이크로파 가열로가 제공된다.
[11]
[12]
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 내화챔버(22)의 배면과 상면에 충전되는 내화단열부(26)은 상대적으로 강성인 제1단열재(26a) 사이에 상대적으로 연질인 제2단열재(26b)가 부분적으로 개재되어 적층된 것을 특징으로 하는 마이크로파 가열로가 제공된다.

발명의 효과

[13]
본 발명에 따르면, 본체(2)의 상면에 마그네트론(4)에 연결되는 도파관(6)을 연통시키고, 본체(2)의 내부에는 내화벽돌 또는 내화캐스터블에 의해 형성되는 내화챔버(22)를 형성하되 마그네트론(4)에 면하는 이 내화챔버(22)의 상면을 개방시켜서 내화챔버(22)의 상면에만 마이크로파에 감응하여 발열하는 세라믹발열판(20)을 탑재함으로써, 도파관(6)을 통해 전달된 마이크로파가 직접 세라믹발열판(20)에 조사되어 세라믹발열판(20)이 급속하면서도 균일하게 승온되어 발열된다. 내화챔버(22)의 천장면을 형성하는 세라믹발열판(20)이 이와 같이 급속하고 균일하게 승온되면, 내화챔버(22)의 투입구(11)로부터 연속적으로 투입되어 배출구(12)로 순차적으로 이송되는 상부가 개방된 내화용기(16)에 담긴 금속분말(14)이 담긴 소결처리 대상인 금속분말이 가열된 세라믹발열판(16)에 직접 노출됨으로써 신속하고 균등하게 가열되어, 소결되므로, 소결제품의 품질이 균일하게 형성될 수 있다. 이와 같이 본 발명에 따르면 마이크로파 가열로의 구조가 간단하면서도, 이 가열로에 연속적으로 투입되고 배출되는 소결처리 금속분말에 대하여 짧은 체류시간 동안에 신속하고 균일한 승온 및 온도제어를 통해 정밀한 소결처리를 가능하게 하여 고품질의 소결제품을 달성할 수 있게 한다.
[14]
또한, 본 발명에 따르면, 내화챔버(22)의 양측벽(24) 상단에 걸림턱(25)을 형성하여, 이 걸림턱(20)에 세라믹발열판(20)을 안착시키되, 이 세라막발열판(20)이 그 상부의 내화단열부(26)과 이격되도록 배치함으로써, 세라믹발열판(20)의 설치와 시공이 용이하고, 세라믹발열판(20)의 열에 의한 파손시에 교체 및 유지보수도 용이하다. 아울러 고온으로 발열되는 세라믹발열판(20)과 내화단열부(26)을 이격시킴으로써, 내화단열부(26)이 고온으로 작열하는 세라믹발열판(20)의 직접 접촉되어 타거나 열파괴되는 것이 억제된다.
[15]
또한, 본 발명에 따르면, 세라믹발열판(20)는 납작하고 길다란 직사각형 패널(20a)로 성형되어 그 길이방향 양단이 상기 내화챔버(22)의 양측벽(24) 상단에 걸쳐지도록 배치됨으로써, 투입구(11)와 배출구(12) 사이에 길게 연장되는 내화챔버(22)의 상단을 횡단하여 직사각형 패널(20a) 형태의 세라믹발열판(20)을 거치하여 내화챔버의 발열부를 용이하게 구성할 수 있고, 또한 세라믹발열판(20)의 폭이 좁게 형성되므로 개개의 패널마다 별도로 마이크로웨이브에 감응하여 국부가열되면서 자체내에서 열전도되는 세라믹발열판의 특성상, 단위 패널의 크기가 작아지므로 패널의 가열온도가 균일하고 승온이 신속하게 되어, 단시간내에 균일한 가열을 요하는 소결처리과정에서 고품질의 소결제품을 달성할 수 있다.
[16]
또한, 내화챔버(22)의 배면과 상면에 충전되는 내화단열부(26)은 상대적으로 강성인 제1단열재(26a) 사이에 상대적으로 연질재료인 제2단열재(26b)를 부분적으로 개재시켜 적층함으로써, 가열로 본체(2) 내에 내화단열부(26)을 충전하는 과정에서 제1단열재(26a)의 규격오차로 인해 틈새가 발생되거나 정위치에서 벗어나게 돌출되는 경우에 상대적으로 연질인 제2단열재(26b)가 신축되어 제1단열재(26a)의 규격오차를 수용함으로써, 내화단열부(26)을 용이하게 빈틈없이 본체(2) 내에 충전시켜서 시공할 수 있기 때문에, 단열성능이 우수하면서도 단열시공이 용이하다.

도면의 간단한 설명

[17]
도 1은 본 발명의 일 실시예의 사시도
[18]
도 2는 상기 실시예의 정면도
[19]
도 3은 상기 실시예의 측면도
[20]
도 4는 상기 실시예의 a-a선을 따라 취한 단면도
[21]
도 5는 상기 실시예의 세라믹발열판의 설치상태도

발명의 실시를 위한 최선의 형태

[22]
이하에서 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예의 사시도이고, 도 2는 상기 실시예의 정면도이고, 도 3은 그 측면도이고 도 4는 단면도이다. 도시된 바와 같이 본 발명에 따르면, 내부에 가열공간이 형성되고 전후단에 투입구(11)와 배출구(12)가 형성된 마이크로파 가열로 본체(2)가 제공되고, 이 본체(2)에 인접하여 마이크로파를 생성하는 마그네트론(4)이 배치된다. 이 마그네트론(4)에 연결된 도파관(6)은 상기 본체(2)의 상면에 연통되어 마이크로파를 가열로 본체(2)의 상면을 통해 내부로 조사하도록 한다.
[23]
상기 가열로 본체(2) 내에는 피가공물의 투입구(11)와 배출구(12)를 연결하는 이송경로를 따라 내화벽돌에 의해 형성되는 내화챔버(22)가 형성된다, 이 내화챔버(22)는 본체(2) 내의 바닥부(23)와 내화챔버(22)의 양측벽(24)에 내화벽돌을 적층하여 이루어진다. 내화챔버(22)를 이루는 내화벽돌은 대략 1500℃이상의 고온에서 견딜수 있는 세라믹계통의 벽돌로 이루어지며, 경우에 따라 벽돌로 성형되지 않은 캐스터블 내화물로 직접 성형될 수도 있다. 도시된 실시예에서는 투입구(11)와 배출구(12)가 구성된 2열의 내화챔버(22)로 이루어진 것으로 도시되었으나, 단일의 내화챔버(22)만으로 이루어질 수도 있다.
[24]
이러한 내화챔버(22)의 도파관(6)에 직접 면하도록 개방된 상면에는 세라믹발열판(20)이 탑재된다. 이 세라믹발열판(20)는 마이크로파에 감응하여 발열하도록 된 바람직하게는 탄화규소와 질화규소를 주성분으로 하며 산화마그네슘, 이산화규소, 산화알루미늄, 이산화티타늄, 산화리튬 등이 혼합된 마이크로파 감응 발열재료로서, 마이크로파에 감응하여 급격하게 가열되면서도, 온도변화에 따른 크랙발생 등의 내열충격성이 우수한 재료로 제작된다. 이러한 마이크로파감응 세라믹발열판(20)는 내화챔버(22)를 이루는 상하좌우의 면중에서 마이크로파 도파관(6)에 직접 면하도록 내화챔버(22)의 상면에 배치되어, 내화챔버(22)의 양측벽(24)에 세라믹발열판(20)의 길이방향 양단부가 탑재되도록 배치된다. 이와 같이 내화챔버(22)의 상면에 세라믹발열판(20)을 탑재하는 이유는, 내화챔버(22)의 양측벽과 상면에 공히 세라믹발열판을 배치하는 경우에는 상면에 놓인 발열판과 측면에 놓인 발열판이 마이크로파에 노출되는 정도가 달라서 상면측 발열판과 측면측 발열판의 승온속도의 차이 및 온도분포의 차이가 커서 단시간 내에 신속한 승온 및 정확한 온도제어를 통해 품질을 균일하게 관리해야 하는 소결로로 사용하기에 충분히 만족스럽지 못하기 때문이다. 더욱이 본체(2)의 투입구(11)를 통해 소결처리대상의 금속분말이 연속적으로 투입되고 상대적으로 짧은 체류시간을 거쳐서 배출구(12)로 배출되는 연속식 가열로인 본 발명에서 짧은 채류시간 동안에 급격한 승온과정이 필요하면서도 정확한 온도제어를 통해 야금품질의 균일한 관리가 요구되는 소결로의 경우에 이러한 구성이 더욱 필요하게 된다.
[25]
또한, 본 발명에 따르면, 도 5에 도시된 바와 같이, 내화챔버(22)의 양측벽(24)의 상단에는 걸림턱(25)이 형성되고, 상기 세라믹발열판(20)은 그 상부에 배치되는 내화단열부(26)과 간격부(27)를 사이에 두고 이격되도록 상기 걸림턱(25)에 안착된다. 이러한 구조에 따르면 고온으로 작열하는 세라믹발열판(20)과 내화단열부(26)이 직접 접촉되지 않으므로 내화단열부(26)이 타거나 열파괴되는 것이 억제된다. 또한, 본 발명에 따르면, 세라믹발열판(20)을 별도의 고정수단없이 내화챔버(22)의 양측벽(24) 걸림턱(25)에 걸쳐 올려놓으면 세라믹발열판(20)의 설치가 끝나므로, 시공이나 제작이 간편하고 용이하다.
[26]
또한, 본 발명에 따른 세라믹발열판(20)은 도 5에 도시된 바와 같이 납작하고 길다란 직사각형 패널(20a) 형태로 성형하여, 그 양단이 상기 내화챔버(22)의 양측벽(24) 상단의 걸림턱(25)에 결쳐지도록 서로 맞대어 배치하여 형성된다. 이와 같이 내화챔버(22)의 상단에 납작하고 길다란 직사각형 패널(20a) 형태의 세라믹발열판(20)을 서로 맞대어 배열하는 이유는, 마이크로파에 감응하여 국부적으로 발열하면서 자체 내에서 열전도되는 세라믹발열판(20)의 발열특성상 단위패널의 크기가 클수록 발열판 내의 임의의 지점에서의 온도편차가 크기 때문에, 시공용이성을 크게 훼손하지 않으면서 가급적 단위패널의 크기를 줄이기 위함이다.
[27]
아래의 표는 세라믹발열판의 승온실험의 결과를 보여준다. 본 승온시험에 사용된 세라믹발열판은 탄화규소가 40~57중량%, 질화규소가 20~37중량%, 산화마그네슘이 5~15중량%, 이산화규소가 5~15중량%, 산화알루미늄이 10~20중량%, 이산화티타늄이 1~10중량%, 산화리튬이 1~10중량% 및 금속화합물이 0.1~1중량%의 성분비를 가진 발열판이고, 발열판 시료1의 규격은 200mm*200mm*10mm이고, 시료2의 규격은 200mm*50mm*10mm으로서, 시료1의 발열판을 납작하고 길다란, 즉 세장한 직사각형 형태로 4등분한 것이다.
[28]
[표1] 세라믹발열판 승온시험결과
시간(분) 시료1 (℃)(200*200*10mm) 시료2 (℃)(200*50*10mm)
0 15 15
1 192 281
2 294 622
3 397 852
4 482 979
5 532 1021
6 611 -
7 659 -
8 713 -
9 760 -
10 798 -

[29]
위의 세라믹발열판의 승온시험결과에 따르면, 200*200*10규격의 시료1 세라믹발열판은 발열개시후 10분만에 798℃까지 상승하였으나, 이를 4조각으로 세장하게 등분한 시료2의 세라믹발열판은 발열개시후 5분만에 1021℃까지 상승하여 목표온도에 도달하였다. 이상에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따르면 세라믹발열판을 세장하고 납작한 사각형으로 단위 발열판의 면적을 줄여서 제작함으로써, 마이크로웨이브에 감응하여 개별 패널마닥 국부가열하는 세라믹발열판(20)이 신속하게 가열판 전체 면적을 가열할 수 있도록 하고, 승온속도가 빠른 만큼 주어신 시간에 발열판의 부위별 온도편차를 줄일 수 있으면서도, 길게 형성함으로써 내화챔버(22)의 대향하는 양측벽(24)의 상단 걸림턱(25)에 간단하게 걸쳐서 내화챔버(22)의 발열수단을 구성할 수 있어서 가열로의 제작이 용이하고, 세라믹발열판(20)의 가열작동 중에 열충격이나 물리적 충격 등에 의해 부분적으로 파손되는 경우에는 간단하게 파손된 작은 조각의 세라믹발열판(20)만을 제거한 후에 새로운 세라믹발열파(20)을 끼워넣으면 되므로 가열로의 유지보수도 용이하게 된다. 즉, 본 발명의 세라믹발열판(20)의 형태는 내화챔버(22)의 상부를 가로질러 덮을 수 있는 적절한 길이를 가지면서도 폭이 상대적으로 좁아서 국부가열작용을 하는 마이크로파에 감응하여 신속하게 발열판 전체가 승온되면서 온도편차를 줄일 수 있어서 가열특성이 탁월하다. 또한, 본 발명에 따르면 본체(2) 내에 내화벽돌이나 내화캐스터블로 이루어지는 내화챔버(22)의 배면과 상면에는 내화단열부(26)가 충전된다. 이 내화단열부(26)는 보드 또는 시트형태의 내화단열재(26a,26b)가 적층되어 이루어진다. 여기서 주된 내화단열부(26)은 상대적으로 재질이 강성인 제1단열재(26a)로 구성한다. 그리고 이러한 제1단열재(26a) 사이에 상대적으로 연질재료인 제2단열재(26b)를 부분적으로 개재시켜 적층하여 내화단열부(26)를 형성한다. 이와 같이 내화단열재의 강성을 달리하여 내화단열부(26)를 구성함으로써, 가열로 본체(2) 내에 내화단열부(26)를 충전하는 과정에서 제1단열재(26a)의 규격오차로 인해 틈새가 발생되거나 정위치에서 벗어나게 돌출되는 경우에 상대적으로 연질인 제2단열재(26b)가 신축되어 제1단열재(26a)의 규격오차를 수용함으로써, 내화단열부(26)를 용이하게 빈틈없이 본체(2) 내에 충전시켜서 시공할 수 있기 때문에, 단열성능이 우수하면서도 단열시공도 용이하게 된다.
[30]
이러한 본 발명에 따라서 금속분말을 소결처리하기 위해서는, 내화재로 제작된 소결용기(16)에 소결처리할 금속분말(14)을 채운 상태에서, 다수개의 소결용기(16)를 이동다이(28)에 연속적으로 탑재하여, 순차적으로 가열로 본체(2) 내에 투입하고, 소정의 채류시간을 경과하도록 함으로써, 금속분말(14)에 대한 소결처리가 이루어진다.

청구범위

[청구항 1]
내부에 가열공간이 형성되고 전후단에 투입구(11)와 배출구(12)가 형성된 본체(2)와, 상기 본체(2)에 인접배치되어 마이크로파를 생성하는 마그네트론(4)과, 상기 마그네트론(4)으로부터 상기 본체(2)의 상면에 연통되며 마그네트론(4)에서 생성된 마이크로파를 전달하도록 된 도파관(6)과, 상기 본체(2) 내에 투입구(11)와 배출구(12)를 연결하는 이송경로를 따라 바닥부(23)와 이송경로의 양측벽(24)을 감싸도록 구비되며 내화벽돌 또는 내화캐스터블에 의해 형성되는 내화챔버(22)과, 상기 내화챔버(22)의 도파관(6)에 직접 면하도록 개방된 상면에 탑재되며 마이크로파에 감응하여 발열하도록 된 세라믹발열판(20)과, 상기 내화챔버(22)의 배면과 상면에 충전되는 내화단열부(26)을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 가열로.
[청구항 2]
제 1 항에 있어서, 상기 내화챔버(22)의 양측벽(24)의 상단에는 걸림턱(25)이 형성되고, 상기 세라믹발열판(20)은 상기 내화단열부(26)과 간격부(27)를 사이에 두고 이격되도록 상기 걸림턱(25)에 안착되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 가열로.
[청구항 3]
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 세라믹발열판(20)는 납작하고 길다란 직사각형 패널(20a)로 성형되어 그 길이방향 양단이 상기 내화챔버(22)의 양측벽(24) 상단에 걸쳐지도록 배치된 것을 특징으로 하는 마이크로파 가열로.
[청구항 4]
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 내화챔버(22)의 배면과 상면에 충전되는 내화단열부(26)은 상대적으로 강성인 제1단열재(26a) 사이에 상대적으로 연질인 제2단열재(26b)가 부분적으로 개재되어 적층된 것을 특징으로 하는 마이크로파 가열로.

도면

[도1]

[도2]

[도3]

[도4]

[도5]