JP3550082B2

JP3550082B2 - マグネトロン

Info

Publication number: JP3550082B2
Application number: JP2000313886A
Authority: JP
Inventors: ヨンスーリー; ジョンスーリー
Original assignee: エルジー電子株式会社
Priority date: 2000-01-18
Filing date: 2000-10-13
Publication date: 2004-08-04
Anticipated expiration: 2020-10-13
Also published as: CN1306294A; KR20010073586A; JP2001202895A; KR100346420B1; US6504304B1; CN1124634C

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高出力のマグネトロンに関するもので、特にアノードを構成するシリンダーの内径及び厚さ（肉厚）を規定することにより熱応力を低下させ、熱的に安定したアノードを達成したマグネトロンに関するものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
一般に、マグネトロンは陽極電流を印加するとき発生するマイクロ波を外部に送出する装置として、電子レンジ用のマグネトロンと高出力マグネトロンに区分される。そして、電子レンジ用のマグネトロンは電子レンジから高周波を発生させるために使われ、高出力マグネトロンは主に産業用に使われる。
【０００３】
ところで、マグネトロンは相当な熱を発生するので、これを冷却させるための冷却機構を有し、通常、電子レンジ用のマグネトロンは主に空冷式であり、高出力マグネトロンは空冷式と液冷式が共に広く使われる。空冷式を使う高出力マグネトロンは、そのなかでも出力が低いものであり、出力が高い場合は液冷式の冷却方法を用いてマグネトロンが過熱されないようにする。
【０００４】
空冷式の冷却方法を用いる一般的な高出力マグネトロンは、図１に示すように円筒形のシリンダー１１と、シリンダー１１の内部に配置され、陽極電流が印加されると共振回路を構成するベイン１２と、ストラップ１３を有するアノードと、前記アノードの内側に設けられて多量の熱電子を放出し、前記ベイン１２の端との作用空間においてマイクロ波が発生するようにしたカソード１４と、前記作用空間にて発生したマイクロ波を外部に送出するアンテナ１５と、前記シリンダー１１の外周面に設けられ、マイクロ波に変換されない残留エネルギーから変換された熱を放出する多数の冷却フィン１６と、前記アノード及び冷却フィン１６を保護及び支持し、外部の空気を冷却フィン１６に案内するヨーク（１７，１８）と、前記アノードが設けられたヨーク（１７，１８）の上下部に位置され、磁気閉回路を構成する永久磁石１９と、フィルターボックス２０と、で構成される。
【０００５】
前記アノードは、図２に示すように円筒形のシリンダー１１と、前記シリンダー１１の内部に設けられた複数個のベイン１２と、前記ベイン１２を貫通して設けられベイン１２との間に共振回路を形成するストラップ１３で構成される。前記のように構成された高出力マグネトロンは高周波であるマイクロ波を発生しシステムに送出している。そして、前記シリンダー１１に一定量の陽極電流を印加すると、真空状態に密封されたシリンダー１１の内部ではベイン１２とストラップ１３による共振回路が構成される。共振回路が構成されるとベイン１２の端とカソードを構成するフィラメント１４の間の作用空間ではマイクロ波が発生し、このマイクロ波はアンテナ１５を介してシステムに送出される。
【０００６】
このとき、作用空間にて発生したエネルギーのほとんどはマイクロ波に変換されるが、一部のエネルギーが残留して熱損失を生じる。この変換された熱が作用空間にてベイン１２に伝導され、密封された前記シリンダー１１の外部に放出される。前記シリンダー１１の外周面には多数の冷却フィン１６が設けられているので、シリンダー１１を通して放出される熱は前記の冷却フィン１６により効率的に冷却される。
【０００７】
このような高出力マグネトロンは、カソード１４が加熱されると、マイクロ波に生成されるエネルギー以外の熱損失分のエネルギーが熱に変換されてベイン１２に伝達される。このとき、前記ベイン１２は熱変形して半径方向に伸び、ベイン１２に接合されているストラップ１３にも熱が伝達され半径方向に伸びるようになる。
【０００８】
一方、前記ストラップ１３はベイン１２に接合されているので、接合されたストラップ１３の部位はベイン１２が伸びる値とストラップ１３が伸びる値との差だけの応力を受け、ストラップ１３とベイン１２に変形を与える。そして、前記ベイン１２に接合されていないストラップ１３の部位は、接合されたストラップ１３の部位が固定されているために変形が激しく生ずる。
【０００９】
このようなベイン１２とストラップ１３の力学的関係とともに、熱伝導により伸びるシリンダー１１自体の変形にともなってベイン１２が変形の影響を受けるようになる。例えば、ベイン１２の変形がシリンダー１１の変形値を越えるときは、ベイン１２は再び中心側に収縮力を受けるようになり、逆にベイン１２の変形がシリンダー１１の変形より小さければベイン１２は半径方向に伸びてシリンダー１１に向けて伸びる。上記のようにアノードを構成する部品間の複雑な力学的関係による変形と、この変形を阻止する力が共存するので、部品等は熱応力（サーマルストレス）に耐える必要がある。このような関係によって熱応力がもっとも集中すると同時に寿命試験で一番早く疲労破壊に至る部品がストラップ１３である。従って、マグネトロンの寿命は、一般にカソード１４の寿命及び前記ストラップの寿命に左右される。
【００１０】
そこで、マグネトロンは出力帯域別に熱的側面において最適の製品になるような部品寸法に合うように設計する必要がある。ここで、従来技術の高出力マグネトロンは、通常１．７ＫＷ以上に出力が高く、これに比例して熱損失が大きくなるのでアノードを構成するシリンダー１１の厚さ（Ｄｔ）を約３．５〜４．０ｍｍ、平均３．８ｍｍ程度に設計していた。
【００１１】
しかしながら、上記のようにシリンダー１１の厚さ（Ｄｔ）を形成すると、アノードに熱が伝導するとき、アノードの構成体であるベイン１２とストラップ１３の熱変形が互いに複雑な力学的関係を持って関連して影響しあうので、従来のような過剰なシリンダー１１の厚さ（Ｄｔ）はかえって熱的安定性に悪影響を及ぼし、かつ材料費の上昇をもたらす問題点がある。
【００１２】
本発明の目的は前記問題点を解決するために案出されたもので、アノードを構成するシリンダーの厚さを縮小させながら耐熱的性能を向上させ、熱的安定性が高まり、かつ寿命が長くなると同時に生産原価を節減し得るマグネトロンを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記課題を実現するための本発明によるマグネトロンは、円筒形状に構成され、カソードの周囲に配置され、かつ内壁に放射状に装着された複数個のベインが設けられているアノードを構成するシリンダーが備わったマグネトロンにおいて、前記アノードのシリンダーは内径が４１〜４３ｍｍであり、厚さが２．２〜２．８ｍｍに形成されたことを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図２及び図３に基づいて本発明の実施形態を説明する。
本発明のマグネトロンのアノードは、一般的なマグネトロンのようにカソードの周囲に配置されたアノードのシリンダー１１と、前記シリンダー１１の内壁に放射状に装着された複数個のベイン１２と、前記ベイン１２を貫通して設けられ、ベイン１２との間に共振回路を形成するストラップ１３で構成される。このようなアノードを有する高出力マグネトロンは高周波であるマイクロ波を発生し、システムに送出する。本発明によるアノードのシリンダー１１は、内径（Ｄｂ）が４１〜４３ｍｍであり、厚さ（Ｄｔ）が２．８ｍｍ以下に形成され、この範囲であっても前記シリンダー１１の厚さ（Ｄｔ）が２．２〜２．８ｍｍに形成することが好ましい。
【００１５】
以下に、前記のようなシリンダー１１の内径（Ｄｂ）及び厚さ（Ｄｔ）の寸法を最適に設定する過程を説明する。ところで、９００Ｗ級のマグネトロンは、アノードを構成するシリンダーの内径（Ｄｂ）が約３５ｍｍの設計値を持っており、出力が上がるにつれて比例してシリンダーの内径（Ｄｂ）が大きくなる。そこで、定格１．７ＫＷ以上の出力を有する高出力マグネトロンではシリンダー１１の内径（Ｄｂ）が約４１〜４３ｍｍとなるように設計される。
【００１６】
ここで、熱応力（サーマルストレス）は単位面積当り受ける力で熱エネルギーにより構造物から変形（ディスプレースメント）により受ける力であり、単位は〔Ｎ／ｍ^２〕で表示される。そして、熱構造の安全度係数（Ｒ）は構造物が受ける熱応力を、材質が持つ固有値である降伏応力との関係で定義した相対値として、次のように定義することができる。
【００１７】
Ｒ＝（構造の熱応力／材料の降伏応力）−１
ここで、前記降伏応力は、材料が引っ張られ、収縮されるとき、元通りに復元される弾性領域で復元されることなく、伸びきって塑性領域に変わりはじめる始点での応力値である。従って、前記安全度係数（Ｒ）値は小さければ小さいほどより熱的には安全である。ここで、アノードを構成するシリンダー１１は材質が無酸素銅（ＯＦＨＣ）であり、ストラップ１３の材質はステンレススチール３０４（ＳＴＳ３０４）であって、上記のように最大熱応力のかかるところはストラップ１３であるから、最大熱構造の安全度係数（Ｒ）を計算するときに、材料の降伏応力として、ストラップ１３の材質であるＳＴＳ３０４の降伏応力である２．４１１５×１０^８Ｎ／ｍ^２を適用する。
【００１８】
前記シリンダー１１の内径（Ｄｂ）が４１ｍｍのとき、シリンダー１１の厚さ（Ｄｔ）を可変しながら測定した最大熱応力値及び、これによる熱構造の安全度係数（Ｒ）は表１の通りである。シリンダー１１の内径が４３ｍｍの場合にもほとんど同一の実験結果が得られた。
【００１９】
【表１】

【００２０】
表１に示すように、熱構造の安全度係数（Ｒ）が大きければ大きいほど、構造物の熱応力が材質が耐えられる降伏応力より大きくなり、その結果損傷を大きく受けるので、構造物は破損や変形の危険が大きくなる。従って、シリンダー１１の内径（Ｄｂ）が４１〜４３ｍｍのマグネトロンにおいて、シリンダー１１の厚さ（Ｄｔ）を２．８ｍｍ以下に設計することにより熱構造の安全度の高さを知ることができる。一方、シリンダー１１の厚さ（Ｄｔ）を２．２ｍｍ以下に設定する場合、熱応力が低くなって熱構造の安全度は改善されることはできるが、アノード内部の最高温度が高まり、製造工程上、周波数の変化が大きく発生して好ましくない。
【００２１】
アノードで最高温度が発生する部位はカソードと最も接していて、カソードから出た電子等が絶えずに衝突するベイン１２の内側端であり、シリンダー１１の内径（Ｄｂ）が４１ｍｍのとき、シリンダー１１の厚さを可変しながら最高温度を測定した結果は表２の通りである。
【００２２】
【表２】

【００２３】
一般に、マグネトロンは通常、ベイン１２とシリンダー１１、ベイン１２とストラップ１３を銀と銅で構成された炉材を使ってブレイジング工法で溶接する。前記炉材は約８００〜９００℃の温度で溶けて部品等を固定させるので、アノードの内部温度が８００℃以上になると、溶接された部位の炉材が溶けて溶接部位を分離させることになる。従って、アノード内部の最高温度が８００℃より小さいシリンダーの厚さ（Ｄｔ）２．２ｍｍ以上が好ましい。
【００２４】
また、マグネトロンの製作工程上でシリンダー１１の外壁に冷却フィンを強制的に圧入させる。このときシリンダー１１に大きな力がかかりながら共振周波数が変化するなど、種々の特性不良になる可能性が大きいので、前記シリンダー１１は、ある程度の機械的な強さを持つ必要がある。一般に、シリンダー１１の内径（Ｄｂ）が４１ｍｍの場合、シリンダーの厚さ（Ｄｔ）による当初設計時の共振周波数と冷却フィンが挿入された後の変化した共振周波数は表３の通りである。
【００２５】
【表３】

【００２６】
冷却フィンの挿入後、共振周波数の調整工程を行なって変化し共振周波数を当初の設計共振周波数に変更する。共振周波数の変動幅が１０ＭＨｚ以上であれば、共振器に負担がかかり、不安定な状態で共振周波数が調整されるのでシリンダーの厚さ（Ｄｔ）が２．２ｍｍ以上であることが好ましい。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のアノードを構成するシリンダー１１の内径（Ｄｂ）２１が４１〜４３ｍｍの高出力マグネトロンで、前記シリンダー１１の厚さ（Ｄｔ）を２．２〜２．８ｍｍに設計すれば、熱応力が低下するとともに適切な機械的強さを具備するようになるので、安全な構造のマグネトロンを得ることができ、マグネトロンの寿命が長くなるとともに原価低減ができる利点を提供する。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般的な高出力マグネトロンを示す構成図である。
【図２】高出力マグネトロンのアノードを示す平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線を示す断面図である。
【符号の説明】
１１…アノードのシリンダー
１２…ベイン
１３…ストラップ
Ｄｂ…シリンダーの内径
Ｄｔ…シリンダーの厚さ

Claims

円筒形状に構成され、カソードの周囲に配置され、かつ内壁に放射状に装着された複数個のベインが設けられているアノードを構成するシリンダーが含まれたマグネトロンにおいて、前記アノードを構成するシリンダーの内径が４１〜４３ｍｍであり、その厚さが２．２〜２．８ｍｍに形成されたことを特徴とするマグネトロン。