다중 슬롯 도파관을 갖는 2.45 GHz 마이크로파 건조기의 향상된 가열 균일성 연구 :2.45 GHz microwave applicator with multiple slotted waveguides for improving heating uniformity

안성협

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자료유형: 학위논문

저자정보: 안성협 (경상대학교, 慶尙大學校)

지도교수: 李汪相

발행연도: 2020

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2020

다중 슬롯 도파관을 가지는 고출력 마이크로파 가열 장치의 가열 균일도 개선

안성협 , 정창현 , 김세영 외 2명 대한전기학회 학술대회 논문집 2020.07 학술대회자료

다중 슬롯 도파관을 갖는 2.45 GHz 마이크로파 건조기의 향상된 가열 균일성 연구

안성협 電子工學科 2020.01 학위논문

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마이크로파(microwave) 가열 기술은 전기에너지를 높은 효율로 이용할 수 있고, 특정 대상 물질만을 매우 빠르게 가열할 수 있으므로 이를 이용하는 시스템의 개발에 많은 관심이 모아지고 있다. 마이크로파는 방송 주파수 등과 혼동하지 않기 위하여 국제적으로 ISM (Industrial Scientific and Medical Equipment) 밴드가 할당되어 915 MHz 및 2.45 GHz가 이에 해당된다. 최근에는 다양한 산업 제품이 많이 등장하여 일반적으로 사용하는 식품 건조 외에 세라믹 공정, 의약품 합성, 나노 신소재 개발, 잉크 토너, 목재 건조, 및 세균 제거 등에 쓰이고 있다. 하지만 마이크로파 건조에 대한 단점도 여러가지 존재한다. 첫 번째로 마이크로파 건조의 경우 고주파 신호이기 때문에 신호가 건조기에서 누출이 되게 되면 인체에 해로운 영향을 끼친다. 두 번째는 건조 중에 발생하는 온도 불균일 문제이다. 이는 마이크로파의 직선형 특성으로 인하여 건조 매질의 특정 부분만 건조가 이루어지게 되어 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위한 대표적인 방법으로는 회전판을 전자레인지 하부에 장착하여 동작 중에 건조 매질을 회전 시켜서 마이크로파 건조의 균일성을 향상 시켰다. 하지만 기존의 전력 효율 문제를 해결 하기는 어렵다.
본 논문 에서는 마이크로파 건조의 가열 균일성을 향상하여 균일한 건조를 하기 위하여 다음과 같은 구조 및 방식을 제안한다. 다중 슬롯 도파관을 마이크로파 건조기 상부에 부착하여 각 도파관에 전력을 인가하여 내부의 건조 물질에 가해지는 온도를 균일하게 한다. 또한 단일 슬롯 배열 도파관을 다중으로 배치하고 도파관에 인가되는 전력의 크기와 시간의 분배를 통하여 건조 물질의 모든 영역에 인가되는 전기장을 고르게 하여서 기존의 다중 도파관이 배치된 마이크로파 건조기에 비하여 시험 매질인 물에서 가열 균일성을 향상시켰다.
배치된 도파관에는 다중 슬롯을 배열하여 마그네트론에 전력이 인가된 경우 각 슬롯의 공진에 의하여 각 슬롯이 다이폴 안테나와 같은 선형 편파를 발생시키고 배치된 가로 및 세로 슬롯에 따라 발생하는 선형 편파에 의하여 형성되는 전기장 및 온도 분포를 해석 및 검증을 진행하였다. 각 도파관에 인가되는 전력에 따라 변화하는 각 지점에서의 최대 온도를 확인하여 각 도파관에 인가되는 전력 값을 조절하여 가장 균일한 온도 분포를 가지는 마이크로파 건조기를 설계하였다. 이 결과로 슬롯 도파관의 배치, 각 도파관 내부의 슬롯의 길이 및 간격, 그리고 차동 급전 및 전력의 제어를 통하여 약 77%, 67% 향상된 가열 균일성를 가진다.

Ⅰ. 서론 1
1.1 건조의 종류 및 특성 1
1.2 건조기 내 균일한 마이크로파 분포를 위한 선행 연구 2
1.3 마이크로파 건조기 온도 균일성 향상 연구 동기 6
Ⅱ. 마이크로파 건조의 가열 원리 및 슬롯 배열 도파관의 설계 7
2.1 마이크로파의 가열 원리 7
2.2 슬롯 배열 도파관의 설계 10
2.2.1 이중성 원리 10
2.2.2 슬롯에 의한 건조실 내부의 전기장 특성 13
2.2.3 슬롯 배열 도파관의 특성 14
Ⅲ. 제안하는 마이크로파 건조기의 구현 및 성능 검증 19
3.1 종래의 도파관 및 마이크로파 건조기 19
3.1.1 종래의 도파관을 가진 마이크로파 건조기 구조 및 해석 결과 21
3.2 다중 슬롯 배열 단일 도파관을 가진 마이크로파 건조기 23
3.2.1 단일 슬롯 배열 도파관의 구조 및 해석 결과 23
3.2.2 제안한 다중 슬롯 배열 단일 도파관의 구조 및 해석 결과 28
3.2.3 제안한 다중 슬롯 배열 단일 도파관을 가진 마이크로파 건조기 검증 31
3.3 단일 슬롯 배열 다중 도파관을 가진 마이크로파 건조기 34
3.3.1 제안한 단일 슬롯 배열 도파관의 구조 및 해석 결과 34
3.3.2 제안한 단일 슬롯 배열 다중 도파관을 가진 마이크로파 건조기 검증 39
3.4 선행 연구 사례와 제안된 마이크로파 건조기의 성능 비교 42
결론 43
참고문헌 44

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