JP3925153B2 - マグネトロン - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子レンジ等のマイクロ波応用機器に用いられるマグネトロンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
マグネトロンはマイクロ波を発生する電子管であり、発振効率が比較的高く大出力化が容易なことから、電子レンジをはじめとするマイクロ波応用機器のマイクロ波発生源として広く用いられている。
【０００３】
以下に従来のマグネトロンについて説明する。
【０００４】
図７は従来の一般的な電子レンジに使用されるマグネトロンの断面図である。図７に示されるように、マグネトロンの中央部には陰極部が配設されており、この陰極部は、フィラメント１、その両端にエンドハット２、３を介して接続されたセンターリード４とサイドリード５によって構成されている。また、陽極円筒６と、この陽極円筒６の内周面からフィラメント１に向かって突出し、その先端がフィラメント１と所定間隔を保つように配設された複数個のベイン７とで陽極部が形成されている。
【０００５】
陽極円筒６の管軸方向両端部には、略同一形状ですり鉢状の一対の磁極９，１０が相対向して設けられており、さらにこの磁極９，１０のそれぞれの管軸方向外方には、フィラメント印加用電力およびマグネトロン駆動用高電圧を供給するための入力部１１と、マイクロ波を伝送し放射するための出力部１２とが設けられてマグネトロンの本体部を構成している。
【０００６】
さらには、一対の環状永久磁石１３，１４が、それぞれ一方の磁極面を磁極９，１０に、他方の磁極面を強磁性体から成る断面がコ字状の枠状継鉄１５，１６にそれぞれ磁気的に結合されて構成された磁気回路により、ベイン７とフィラメント１との間に形成される電子運動空間１７に磁界を供給している。なお、陽極構体の任意のベインにはマイクロ波出力用のアンテナリード１８の一端が接続され、他端が外方へ導出されている。
【０００７】
従来のマグネトロンの本体部における主な仕様および寸法としては、発振周波数が２，４５０ＭＨｚ帯で、ベイン７の数量は１０個、ベイン７の陰極側先端部で形成される内接円の直径φａが９．０ｍｍ、コイル状フィラメント１の外径φｃが３．９ｍｍ、ベイン７の寸法は管軸方向高さＨが９．５ｍｍ、厚さＴが２．０ｍｍ、また隣り合うベイン７の陰極側先端部の相互間隔Ｇが０．９ｍｍであり、ＧとＴとの比Ｇ／（Ｇ＋Ｔ）＝０．３１であり、電子運動空間１７における磁束密度は、一対の磁極９，１０間の中央部でセンターリード４上における磁束密度を測定すると０．１９５±０．０１０テスラである。
【０００８】
このような構成のマグネトロンにおいて、フィラメント１を加熱し、陰極部と陽極部との間に所定の電圧を印加することによって、フィラメント１からベイン７に向かって放出された電子は、電子運動空間１７内の磁界によってフィメント１の周囲を周回しマイクロ波エネルギーを発生させる。このマイクロ波エネルギーは、ベイン７の一つと電気的に結合されたアンテナリード１８によって出力部１２に伝送され、電子レンジ等の庫内へ放射される。この時のマグネトロンの発振効率は、陽極部と陰極部との間に印加された直流入力（陽極電圧×陽極電流）と、出力部１２から放射されたマイクロ波電力の測定値から算出され、従来の代表的なマグネトロンの特性としては、陽極電圧４．５ｋＶ、陽極電流３００ｍＡでマイクロ波電力約１ｋＷを出力させることにより、発振効率７５％が得られていた。
【０００９】
ここで、マグネトロンの発振効率は電子の運動効率である電子効率と、ジュール損や誘電体損等の回路定数が関係する回路効率との積で決定される。つまり、発振効率η＝電子効率ηｅ×回路効率ηｃで表される。
【００１０】
このうち、電子効率ηｅは、陽極電圧との関係では（数１）で表され、陽極電圧を高くすると電子効率ηｅが向上することが公知となっている。
【００１１】
【数１】

【００１２】
また別の観点から、電子効率ηｅは、磁束密度との関係では（数２）で表され、磁束密度を大きくすると電子効率ηｅが向上することが公知となっている。
【００１３】
【数２】

【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
近年の世界的な省エネ化指向から発振効率の向上が要求されてきたことを機にマグネトロンの発振効率改善の必要性が生じてきたため、従来のマグネトロンでは、陽極電圧を高くして且つ電子運動空間に供給される磁束密度を大きくすることによって発振効率を向上させていた。しかしながら、陽極電圧を高くするとマグネトロン駆動用電源を高電圧用のものに変更し、また陽極電圧を高くする必要性からマグネトロンとその周辺部品の絶縁耐圧を高くしなければならず、そのためコストアップを招くという課題を有していた。
【００１５】
本発明は上記従来の課題を解決するもので、電子効率を改善し、発振効率を向上させる高効率のマグネトロンを提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明の請求項１に記載のマグネトロンは、陽極円筒と、この陽極円筒の内壁面に固着された複数個のベインとで形成される陽極部と、前記陽極部の同軸的中心部に設けられたコイル状フィラメントからなる陰極部と、前記陽極部の管軸方向上下に配設された一対の磁極と、この一対の磁極と磁気的に結合配置されて磁気回路を構成する環状永久磁石と、前記磁極の各管軸方向外方にそれぞれ配設された入力部と出力部とを具備し、前記陽極部を構成するベイン先端部の内接円の直径が７．５〜８．５ｍｍの範囲内であり、前記コイル状フィラメントの外径が３．４〜３．６ｍｍの範囲内であり、かつ前記ベインの隣り合う陰極側先端部の相互間隔Ｇとベインの厚さＴとの比をＧ／（Ｇ＋Ｔ）＝０．２０〜０．２５としている。
【００１７】
これにより、従来の陽極電圧のままでも発振効率を向上させることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下本発明の一実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお従来例と同一構成要素については同一符号が付してある。
【００２１】
図１（ａ）は本発明のマグネトロンの要部拡大断面図を示す。各部の寸法は、２個の環状永久磁石１９、２０の外径をＤ１、Ｄ３、内径をＤ２、Ｄ４、厚さをＬ１、Ｌ２、ベイン陰極側先端内接円の直径をφａ、コイル状フィラメント１の外径をφｃ、ベイン７の管軸方向寸法をＨで表した。また、図１（ｂ）は、ベイン７を管軸方向すなわち図１（ａ）のＡ方向から見たときの陽極部を示し、隣り合うベインの陰極側先端部の相互間隔をＧ、ベインの厚さをＴで表した。本実施の形態では、２個の環状永久磁石は材質および寸法ともに同じものを用いた。そして本発明者らは、（数１）にしたがってマグネトロンの発振効率を上げることを目的として、マグネトロンの磁束密度を従来のマグネトロンにおける０．１９５±０．０１０テスラよりも大きくし、種々の実験による試行錯誤の結果、０．２５０±０．０１０テスラとした。この値を得るためにＳｒフェライト製（ＴＤＫ株式会社製ＦＢ５Ｎ）環状永久磁石は、外径Ｄ１、Ｄ３を５５ｍｍから８０ｍｍにした。なお、環状永久磁石の内径Ｄ２、Ｄ４および厚さＬ１、Ｌ２は、従来と同じである。
【００２２】
本発明では、発振効率を上げるために、陽極電圧Ｖａを大きくすることと同じ効果を得る方法として、ベイン陰極側先端部内接円の直径φａを小さくすることによって陽極部と陰極部の間の電界を強くする方法を採用し実験を行った。そしてまた、電界分布を詳細に検討するため、ベインの陰極側先端部の相互間隔Ｇとベインの厚さＴの検討を行った。
【００２３】
図２は、ベイン陰極側先端部内接円の直径φａを変えたときに、従来と同じ陽極電圧Ｖａを４．５ｋＶで発振させるために要した磁束密度の大きさについての実験結果を示す。図に示されるように、ベイン陰極側先端部内接円の直径φａが８．５ｍｍ、８．０ｍｍ、７．５ｍｍのときに、磁束密度はそれぞれ０．２２０±０．０１０テスラ、０．２５０±０．０１０テスラ、０．２９０±０．０１０テスラに大きくすることが必要であった。しかしながら、このときのマグネトロンの発振効率は、図３に示されるように１０個の平均値でそれぞれ７５．４％、７６．０％、７５．６％であり、従来の７５．０％よりもわずかに大きくなるに過ぎなかった。比較のため、図２および図３に従来のマグネトロンにおけるベイン陰極側先端部内接円の直径φａが９．０ｍｍのものについても磁束密度（０．１９５±０．０１０テスラ）と発振効率（７５．０％）を記載した。なお、本実施の形態では、後述する図６に示される実験を除いて管軸方向高さＨは従来と同じ９．５ｍｍとし、またすべての実験についてベイン７の数量は従来と同じ１０個とした。以上述べたように、電子運動空間内の電界を強くし磁束密度を大きくすることによって、マグネトロン発振効率をわずかに向上させることができた。しかし、十分なものではなかった。
【００２４】
このため、さらに発振効率を向上させるための検討を行った。そして、電界および磁束密度の大きさを検討するだけでは不十分であるとの考えに立ち、電子運動空間内の軸方向での電界と磁束密度の分布を考慮することにし、ベイン先端部の内接円直径φａに対してコイル状フィラメント１の外径φｃを変化させた。そのときの発振効率の結果を図４に示す。図４には、図２に示されるようにベイン先端部の内接円直径φａを７．５ｍｍ，８．０ｍｍ，８．５ｍｍとし、磁束密度はそれぞれ０．２９０±０．０１０テスラ、０．２５０±０．０１０テスラ、０．２２０±０．０１０テスラとしたものについて、コイル状フィラメント１の外径φｃを３．９ｍｍから３．８ｍｍ，３．７ｍｍ，３．６ｍｍ，３．４ｍｍと変化させたときの発振効率の結果を示す。比較のために、従来例であるφａ９．０ｍｍ、φｃ３．９ｍｍを黒丸（●）で示し、発振効率は７５％であった。三角（△）は外径φｃを３．９ｍｍ，３．８ｍｍ，３．７ｍｍと変えたときを示し、それらの発振効率はいずれも７６％であった。また、白丸（〇）は外径φｃを３．６ｍｍ，３．４ｍｍに変えたときを示し、それらの発振効率はいずれも７７％であった。以上の結果から、ベイン先端部の内接円直径φａを７．５ｍｍ，８．０ｍｍ，８．５ｍｍとし、磁束密度はそれぞれ０．２９０±０．０１０テスラ、０．２５０±０．０１０テスラ、０．２２０±０．０１０テスラとしたものについて、外径φｃが３．４ｍｍから３．６ｍｍまでの範囲で、発振効率が７７％になることがわかった。
【００２５】
さらにまた、電子運動空間内の電界の分布について詳細に検討することにし、ベインの陰極側先端部の相互間隔Ｇとベインの厚さＴの検討を行った。図５には、ベイン先端部の内接円直径φａを８．０ｍｍ、磁束密度を０．２５０±０．０１０テスラ、コイル状フィラメント１の外径φｃを３．６ｍｍにしたときに、ＧとＴの比Ｇ／（Ｇ＋Ｔ）をパラメータとして発振効率を測定した結果を示す。Ｇ／（Ｇ＋Ｔ）＝０．２０，０．２２，０．２５のときに発振効率は試料１０個の平均値でそれぞれ７７．８％，７８．１％，７７．５％に向上した。
【００２６】
また、ベインの高さ方向に電界が発生すると発振効率が低下する原因となることから、ベイン７の管軸方向高さＨについて検討をした。図６には、図２から図５までに示された結果のうち、発振効率が最高になるときの条件において、すなわち磁束密度が０．２５０±０．０１０テスラ、ベイン先端部の内接円直径φａが８．０ｍｍ、コイル状フィラメント１の外径φｃを３．６ｍｍ、Ｇ／（Ｇ＋Ｔ）＝０．２２のときにベイン７の管軸方向高さＨを検討した結果を示す。この図からベイン７の管軸方向高さ寸法Ｈは９．０ｍｍ以上であれば発振効率がほぼ７８％となることがわかった。
【００２７】
（表１）には、本発明および従来のマグネトロンを比較して、入力した陽極電圧４．５ｋＶおよび陽極電流３００ｍＡにおける出力、発振効率の測定結果を示す。
【００２８】
【表１】

【００２９】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明は、磁束密度を大きくし、電子運動空間に関連するマグネトロン各部の寸法を最適化することによって、陽極電圧を高くすることなく電子効率ηｅを改善し、発振効率ηを大幅に向上することができる高効率型マグネトロンを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明のマグネトロンの要部拡大断面図
（ｂ）は本発明の隣り合うベインの陰極側先端部の相互間隔Ｇとベインの厚さＴを示す図
【図２】本発明についてベイン先端部の内接円の直径と磁束密度との関係を従来例と比較して示す図
【図３】図２に示されるベイン先端部の内接円の直径と磁束密度における発振効率を示す図
【図４】本発明についてベイン先端部の内接円の直径φａとコイル状フィラメントの外径φｃとの発振効率の関係を従来例と比較して示す図
【図５】本発明についてベイン陰極側先端部の相互間隔Ｇと厚さＴとの比と発振効率の関係を従来例と比較して示す図
【図６】本発明のベイン管軸方向高さと発振効率の関係を示す図
【図７】従来のマグネトロンの断面図
【符号の説明】
１ コイル状フィラメント
４ センターリード
６ 陽極円筒
７ ベイン
９ 磁極
１０ 磁極
１７ 電子運動空間
１９ 環状永久磁石
２０ 環状永久磁石
Ｄ１ 環状永久磁石の外径
Ｄ２ 環状永久磁石の内径
Ｄ３ 環状永久磁石の外径
Ｄ４ 環状永久磁石の内径
Ｌ１ 環状永久磁石の厚さ
Ｌ２ 環状永久磁石の厚さ
φａ ベイン陰極側先端内接円の直径
φｃ コイル状フィラメントの外径
Ｇ ベインの隣り合う陰極側先端部の相互間隔
Ｔ ベインの厚さ
Ｈ ベインの管軸方向寸法

Claims (1)

1. 陽極円筒と、この陽極円筒の内壁面に固着された複数個のベインとで形成される陽極部と、前記陽極部の同軸的中心部に設けられたコイル状フィラメントからなる陰極部と、前記陽極部の管軸方向上下に配設された一対の磁極と、この一対の磁極と磁気的に結合配置されて磁気回路を構成する環状永久磁石と、前記磁極の各管軸方向外方にそれぞれ配設された入力部と出力部とを具備し、前記陽極部を構成するベイン先端部の内接円の直径が７．５〜８．５ｍｍの範囲内であり、前記コイル状フィラメントの外径が３．４〜３．６ｍｍの範囲内であり、かつ前記ベインの隣り合う陰極側先端部の相互間隔Ｇとベインの厚さＴとの比をＧ／（Ｇ＋Ｔ）＝０．２０〜０．２５としたことを特徴とするマグネトロン。

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