CN1026847C - 采用换流器电源的高频加热装置 - Google Patents

Abstract

一种将电源变换系统紧凑地组装在一起的高频加热装置，电源系统的外壳是导电材料制成的。在外壳内，有冷却风扇和冷风通路，还有电气部件，如将市电变成高频电源的电源变换器，以及经波导向加热腔提供微波的磁控管。部件在冷风通路中按产生的热量大小排列，产生热量最小的部件放在通路的上游端。

Description

本发明涉及一种高频加热装置，它采用微波，对食物或例如催化剂的电介质进行加热，特别是一种这样的高频加热装置，它采用换流器电源，驱动产生微波的磁控管。

现有技术的高频加热装置的构造参照图8所示的电路图予以描述。图中，从市电1得到的电源被整流器2转换成直流电。直流电压经过滤波电路3，加在由一个电容器4和一个电感器5构成的谐振电路以及由一个半导体开关器件6和一个二极管6A构成的串联电路上。半导体开关器件6与谐振电路一起工作，以几十KHz或更高的频率振荡，产生高频交流电。电感器5中产生的交流电压由变压器7升高，该变压器的原边绕组就是电感器5，由变压器7提供的高压整流器8变成一个直流高压。控制电路9发出信号，驱动半导体开关器件6。这些电子部件构成一个换流器电源（一个电源变换器）10。由高压整流器8提供的直流高压加在磁控管11的阳极和阴极之间。变压器7有一个附加绕组12，它向磁控管11的阴极供电。当阴极被加在它上面的电源加热，并且在阴极和阳极之间加了高压时，磁控管11振荡，产生微波。这样产生的微波用来辐照放在加热腔中的物品，例如食物。

由于换流器电源10处理的电能高达1至2KW，所以其中的电子部件会产生很大的损耗，并且这些损耗作为热向外扩散。电子部件必须冷却。另外，换流器电源10装有由电动机13和风扇34构成的风冷装置，它吹动空气，冷却电子部件。整流器2和半导体开关器件6装有铅板，以便于散热。

图9展示了高频加热装置机身15，换流器电源10、磁控管11、电动机13和风扇14分开地安装在机身中。从图中可以看出，为了对换流器10和磁控管11进行足够的风冷，气流必须覆盖一个相当大的区域。因此使用了螺旋式风扇，它能产生很大的气流。采用交流电动机作为电动机13，驱动冷却风扇14。于是由一个交流电动机和一个螺旋式风扇一起完成风冷工作。这样的风冷系统必然变得很大。

这种常规的高频加热装置会产生如下问题。

首先，由于换流器电源10、电动机13等是分开安装在高频加热装置机身15中的，所以需要许多组装过程。为了分别向部件提供所需的电力，必须用导线将诸如换流器电源10、电动机13等部件与电源相连。在组装过程中，换流器电源10和电动机13安装在高频加热装置机身15中之后，被导线连接至电源。由于仅有很小的空间可用来布线，所以布线工作不是很容易的，通常需要手工劳动。此外，由于换流器电源10、电动机13等形状各异，而每个都必须接线，所以组装过程要想实现自动化和简单化是很困难的。

第二，向换流器电流10、电动机13、磁控管11等供电的导线辐射不希望产生的电磁波，这些电磁波影响放在附近的其它电器，如电视或收音机。

第三，由于半导体开关器件6产生大量的热，为了充分散热，就需要非常大的散热板，大块散热板在印刷电路板上要占据很大的空间，因此不能使用小型、紧凑的印刷电路板。

此外，美国专利4，956，531公开了一种电源组件，其中换流器电源放在一个金属机壳里，并且磁控管和风扇紧凑地装在一起，在上述电源组件中，三个部件分别放在不同的外壳中。因此，在组装高频加热装置的过程中，必须将三个外壳相互连接。再者，还要将磁控管的外壳和换流器电源的外壳通过导线与电源相连。布线过程易出故障。同时，用于连接的导线也很可能辑射出不希望的电磁波（杂波）。

本发明就是为了解决上述问题而产生的。

本发明的第一个目的是提供一种高频加热装置，它的供电系统（磁控管、换流器电源和冷却风扇）紧凑、小巧。

本发明的第二个目的是为了大幅度降低生产费用而简化高频加热装置的组装工作，并且减少组装步骤。

本发明的第三个目的是提供一种高频加热装置，它极大地减小不希望的电磁辐射，对电磁环境不产生干扰，可靠性高。

本发明的第四个目的是提供一种高频加热装置，它避免了输出的电磁波从波导中泄漏。

本发明的第五个目的是提供一种高频加热装置的供电系统，它提高了冷却效率。

为了实现本发明的第一个目的，高频加热装置包括：一个由一个或多个半导体器件组成的电源变换单元;一个磁控管，它接收电源变换单元的输出，并向加热腔提供电磁波;以及一个用于冷却电源变换单元和磁控管的冷却风扇。至少电源变换单元和磁控管装在一个由导电材料制成的机壳中。从冷却风扇送出的气流在冷却磁控管之前，至少冷却电源变换单元的一部分。此外，冷却风扇壳体的一部分或全部也形成一个冷却构件，电源变换单元的一个部件安装在冷却构件上，以便于冷却该部件。

此外，作为电源变换单元的电气部件的变压器和半导体开关器件安放在由冷却风扇产生的冷却气流通路的上游。磁控管放在它的下游。这种布局有利于减小供能系统的尺寸。在这种布局中，磁控管和电源变换单元的电气部件可以相互靠近放置。这样，装配密度提高了。冷风的通路也不需要很大，并且风扇也不需要产生强大的气流。于是，可以减小装置的尺寸。

为了实现第二个目的，本发明的高频加热装置包括：一个由一个或多个半导体器件组成的电源变换单元;一个磁控管，它接收电源变换单元的输出，并向加热腔提供电磁波;以及一个用于冷却电源变换单元和磁控管的冷却风扇。至少电源变换单元和磁控管装在一个由导电材料制成的机壳中。电源变换单元的部件安装在一块印刷电路板上。至少 冷却风扇的壳体安装在该印刷电路板上。同样，驱动冷却风扇的电动机也安装在该印刷电路板上。

如果电源变换单元的多个部件、风扇和磁控管都装在导电机壳中，那么高频加热装置的组装工作就简单了。通过简单地将机壳安装到高频加热装置上，就可以实现电源变换单元的多个部件与该装置的连接。并且，机壳还可以制成所要求的形状，以便于自动装配。此外，由于电源变换单元，冷却风扇的壳体和电动机安装在同一块印刷电路板上，并与之相连，也不再需要导线而使电源变换单元部件与电源相连。这样，组装步骤能大大减少，由此可以降低生产费用。

为了实现第三个目的，本发明的高频加热装置包括：一个由一个或多个半导体器件组成的电源变换单元;一个磁控管，它接收电源变换单元的输出，并向加热腔提供电磁波;以及一个用于冷却电源变换单元和磁控管的冷却风扇。至少电源变换单元和磁控管装在一个由导电材料制成的机壳中。

在上述结构中，导电机壳容纳磁控管、电源变换单元、冷却风扇、用于将电源变换单元的输出提供给磁控管和冷却风扇的导线。这种构造避免了从高频加热装置向外泄漏的杂波辐射。

为了实现第四个目的，本发明的高频加热装置包括：一个由一个或多个半导体器件组成的电源变换单元;一个磁控管，它接收电源变换单元的输出，并向加热腔提供电磁波;以及一个用于冷却电源变换单元和磁控管的冷却风扇。至少电源变换单元和磁控管装在一个由导电材料制成的机壳中。采用一个波导将磁控管输出的电磁波提供给加热腔，并且它还用来将机壳与加热腔相连。在机壳和一个外罩之间放置一个缓冲构件。

在上述结构中，由于波导和外罩二者都承受容纳供能系统的机壳的重量，所以极大地减小了发生在机壳和波导之间连接部分的变形现象。因此，变形将不可能变得很大，以至于产生泄漏微波的缝隙。

此外，机壳和外罩之间的缓冲构件有助于提高机壳和波导间以及机壳和外罩间连接部分的尺寸容差。因此，即使由于运输过程中装配件偏移或由于振动而引起外罩或加热腔发生变形，缓冲部件也能吸收形变，并防止这种形变扩散。

为了实现本发明的第五个目的，高频加热装置包括：一个由一个或多个半导体器件组成的电源变换单元;一个磁控管，它接收电源变换单元的输出，并向加热腔提供电磁波;以及一个用于冷却电源变换单元和磁控管的冷却风扇。至少电源变换单元和磁控管装在一个由导电材料制成的机壳中。从冷却风扇送出的气流在冷却磁控管之前，至少冷却电源变换单元的一部分。

在上述结构中，电气部件排列在冷却气流的通路中，其方式为产生较少热量的部件放在通路的最上游，或者耐热性较差的部件放在最上游。电源变换单元的主要电气部件的功耗如下：整流器的功耗约15W;电感器的功耗约8W;半导体开关器件的功耗约40W;以及变压器的损耗约15W。另一方面，磁控管的功耗约300W。这样，磁控管不仅功耗大，而且体积也大，使冷却气流很快变热。如果将磁控管放在上游，就需要大量冷却气流，以便不仅充分冷却磁控管，而且充分冷却放在下游的电气部件，如半导体开关器件、变压器等。换句话说，风扇的电动机需要非常快速地驱动。于是，冷却效率变得很低。此外，如果将耐热性较好的电气部件放在下游，那么耐热性较差的电气部件就能避免暴露于过热的气流中。这样，它的工作时间就延长了。如上所述，通过将电气部件排列在冷却气流的通路中就可以实现有效的冷却，其方式为产生较少热量的部件放在通路的最上游，或者耐热性较差的部件放在最上游。

本发明的第五个目的还通过提供这样一种高频加热装置实现，它进一步包括一个第一气流导管，引导用于冷却的气流，以及一个第二气流导管，引导已经用于冷却的气流至加热腔。

在上述结构中，机壳周围被加热的空气没有进入机壳。于是，高频加热装置的冷却效率提高了。此外，由于机壳中吸收热量的空气被引导至加热腔，加热腔中的物品的加热效率提高了。

本发明的其它目的、特征及优点通过结合附图对最佳实施例进行的描述，将变得很清楚。

图1是根据本发明的一个实施例的高频加热装置的供电系统的透视图。

图2是图1所示的供电系统安装到本发明的高频加热装置的外罩上的透视图。

图3是图1所示的供电系统的冷却单元的零部件透视图。

图4是本发明的另一个实施例的冷却单元的透视图。

图5是图1所示供电系统的电路图。

图6是根据本发明的再一个实施例的冷却单元的零部件透视图。

图7是本发明的另一个实施例的供电系统安装到高频加热装置的外罩上的透视图。

图8是先有技术的高频加热装置的供电系统的电路图。

图9是先有技术的供电系统安装到高频加热装置上的透视图。

图1至9中，相同的标号表示功能相同的零部件。

本发明的高频加热装置的电路结构和功能基本上和现有技术中的相同，这里不再描述。

图1表示一个供电系统，其中电气部件紧凑地组装在机壳中。风扇34为多叶片型风扇，它有极高的抗压性。驱动风扇34的电动机33（未示出）是直流电动机，它转速高，体积小。

风扇34产生的气流冷却功耗为几瓦的控制电路的部件。然后，再冷却变压器7和装在半导体开关器件（功耗约为40W）和整流器（功耗约为15W）上的散热板17。

由于磁控管11产生大量功耗，例如约300W，所以它被放在冷却气流通路的最下游。当磁控管11处在正常工作状态下时，能充分冷却它的阳极，使之降低到180℃甚至更低。为了使阳极达到这样的温度，磁控管11需要温度为室温的冷却气流大约0.5米³/分钟。如果风扇34以0.5米³/分钟的速率向供电系统中的磁控管11送出冷却气流，那么在它到达磁控管11之前，其温度就升高了大约10K，这是因为冷却气流吸收了散热板17和变压器7发出的热量。因此在实际中，风扇34需要以略大于0.5米³/分钟的速率向磁控管11输送冷却气流。换句话说，需要提高电动机的转速。

如上所述，机壳16是由铝制成的，容纳紧凑地组装在一起的电子部件。包括磁控管11的电气部件耐热性由差到好的次序排列在冷却气流的通路中。部件的这种排列方式能有效地进行风冷，并减小供电系统的大小。供电系统能够做得足够小，以便容易地安装在高频加热装置上，如图2所示。此外，机壳16还对以下杂波源起屏蔽作用：即磁控管11;半导体开关器件（未示出）;整流器（未示出）;变压器7;以及将磁控管11与变压器7连接的导线。于是，基本上防止了杂波辐射。换句话说，即使将其它电器放在高频加热装置的附近，它们也不会受到影响。

从图5可以看出，电部件装在机壳16中，以便对上述杂波源发出的杂波辐射形成屏蔽。这些杂波源是：磁控管11;半导体开关器件6;整流器2;变压器7;以及将磁控管11与变压器7连接的导线，机器16中装有冷却风扇34，包括磁控管11的电气部件按耐热性由差到好的次序排列在冷却气流的通路中。部件的这种排列方式能有效地进行风冷，并减小供电系统18的大小。供电系统18能够做得足够小，以便容易地安装在高频加热装置15上。

图2示出了高频加热装置15。其上安装有铝制机壳16。本实施例的高频加热装置15采用了一个放在机壳16和装置底板19之间的缓冲构件20。缓冲构件20由弹性材料制成。不但在机壳16和底板19之间放进了缓冲构件20，而且还将机壳16与波导管21相连，通过这种方式，机壳16安装到了高频加热装置15上。

在现有技术中没有采用这样的缓冲构件，机壳16仅通过波导管21与装置相连。结果，机壳16的全部重量都加在了一部分波导21上。于是，在波导21和机壳16之间的连接部分和/或波导21和装置机身之间的连接部分就有可能发生变形。如果在连接部分发生很大的变形，就有可能出现泄漏微波的缝隙。

上述问题是通过采用如本实施例中的缓冲构件解决的。

同样，缓冲构件20还能防止振动扩散。如果没有缓冲构件20，机壳16中的冷却风扇34的振动会引起共振，并且机壳16的振动会扩散到装置机身的底板19。根据本发明，能极大地减小向装置外泄漏振动和由振动引起的噪声。

根据本实施例，具有相同结构的多个机壳16可以安装在各种样式的高频加热装置上，而不必考虑装置的结构或加热腔的形状，只是采用形状相配的波导21就可以了。这种特征非常有助于减少为改变装置的设计或开发各种样式所必需的工作步 骤。

波导21和装在机壳16中的供电系统18可以分开制造，然后在流水线上组接。因此，大量的供电系统18可以在事先制造并存放起来。

图3示出了一种将散热构件17、变压器7、用于冷却这些电气部件的风扇34、用于旋转风扇34的电动机33、以及风扇罩22安装在印刷电路板23上的方法。散热构件17与半导体开关器件相连，该器件是换流器电源中的一个电气部件。如图所示，电气部件、电动机33、风扇34和风扇罩22安装在印刷电路板的同一表面（图3中的上表面）上。这样，只要将组装的印刷电路板23浸入焊料池中一次，就能将电气部件和电动机33焊接到印刷电路板23上。风扇34向下移动，固定在电动机33的轴上，风扇罩22也向下移动，然后固定。这样，由于仅仅需要垂直运动来将电气部件、电动机33、风扇34和风扇罩22安装在印刷电路板23上，所以组装过程可以很容易地实现自动化。

不象现有技术中那样使用交流电动机和螺旋式风扇，在本实施例中为了减小高频加热装置的体积，采用了直流电动机和多叶片风扇。

多叶片风扇通常比螺旋式风扇的风压高。因此，多叶片风扇更适于冷却印刷电路板23，其中部件的组装密度提高了，以便于减小装置的体积。此外，直流电动机只需要电压较低的直流电源。因此，变压器7中有一个附加绕组24，该变压器是换流器电源18中的一个电气部件。为了提供一个低压直流电源，从绕组24得到的低压交流电被整流。

在本实施例中，由于变压器7和电动机33是安装在同一块印刷电路板23上的，所以不需要导线，这种方式将从变压器7得到的电能送至电动机33。导电机壳16对从电动机33和例如变压器7、半导体开关器件6、散热构件17等电气部件辐射出的不希望的电磁波进行屏蔽。这样，本发明的高频加热装置就不会影响其它电器，如电视机、收音机等。

图4表示另一种安装方法，其中半导体开关器件6安装在风扇外壳25包括一块支撑电动机33的平板。采用一种如铝的良导热材料制成风扇外壳25，以至使由半导体开关器件6产生的热经风扇外壳25充分地释放出去。这样，风扇外壳25不仅能够引导由风扇34产生的气流，而且还能作为支撑电动机33的平板，以及半导体开关器件6的冷却构件。由于风扇外壳25的上部暴露在很强的气流中，所以热能够充分地从中释放出去。于是，半导体开关器件6得到了充分的冷却，与风扇外壳25一起，风扇罩22也释放热。由于风扇外壳25和风扇罩22的一部分或全部起冷却构件的作用，所以半导体开关器件6的单独的冷却构件（如图3中的散热构件17）就不需要了。这样，能够更有效地利用印刷电路板上的空间，于是获得了紧密的组装结构。

根据本发明，通过采用不同于上述参照图4所述的方法，对诸如半导体开关器件的发热部件进行冷却的冷却构件也能够安装进风扇外壳。

例如，参照图6，风扇罩22采用由例如铝制成的冷却构件作为它的两个侧壁22a和22b，并由树脂构件作为它的其余部分22c。半导体开关器件6和整流器2分别安装在两个侧壁22a和22d。经装配的风扇罩22固定在印刷电路板23上，如图6所示。

另外，如图6所示，只有风扇罩22安装在印刷电路板23上，电动机33单独安装在机壳16（未示出）上。这种结构适合于如下情况，即电动机33振动得非常厉害，有可能损坏印刷电路板23，或者电动机33是由市电1（未示出）驱动的交流电动机。

图7表示本发明的第二实施例。类似于第一实施例的供电系统18还包括一个将气流引导进供电系统18的第一气流导管26，以及一个将由此得到的气流引导进加热腔的第二气流导管27。第一和第二气流导管26和27都可拆卸地用螺丝拧在机壳16上。这种结构能防止通过机壳16上的进气孔吸入热空气。热空气不仅仅从供能系统18发出，而且还存在于机壳的四周，这是因为磁控管11是主要的热源。这样，确保对供电统系18进行充分冷却。此外，由于在供电系统18中吸收了热量的空气通过气流导管27送进加热腔，所以提高了高频加热装置的热效率。

由于第一和第二气流导管26和27是与机壳16分开制造的，以便可拆卸地装在它的上面，所以简单地通过采用适当的第一和第二气流导管26 和27，就可以将具有相同结构的多个机壳16应用在不同设计的高频加热装置中。这种特征非常有助于减少为改变装置的设计或开发各种样式所必需的工作步骤。此外，由于第一和第二气流导管26和27以及装在机壳16中的供电系统18可以分开制造，然后在流水线上组接，所以大量的装在机壳16中的供电系统18可以事先制造并存放起来。

虽然根据最佳实施例对本发明进行了描述，但是应该懂得，本发明不限于所公开的实施例。相反，本发明意在包罗包括在权利要求的精神和范围内的各种改进型和等效结构。以下权利要求的范围是确定相一致的最宽的解释，以便包含所有这些改进型、等效结构和功能。

Claims (13)

1、一种高频加热装置，包括：

一个由一个或多个半导体器件组成的电源变换单元；

一个磁控管，它接收上述的电源变换单元的输出，并向一个加热腔提供电磁波；

一个冷却风扇，用以冷上述电源变换单元和上述磁控管；

一个机壳，其内至少设有上述的电源变换单元和上述磁控管；

一个波导装置，用以将上述磁控管发出的电磁波引导到上述加热腔内；及

一个外罩，围绕上述加热腔，并罩住上述提到的部件；

其特征在于：空气由上述冷却风扇吹风用以冷却上述加热腔，该气流先冷却上述电源变换单元，后冷却上述磁控管。

2、根据权利要求1所述的高频加热装置，其特征在于，所述的波导装置是由一个波导构成的，利用该波导将上述机壳与上述加热腔相耦合。

3、根据权利要求1所述的高频加热装置，其特征在于，所述的波导装置是可拆卸地耦合在上述机壳上的。

4、根据权利要求1所述的高频加热装置，其特征在于，所述的其内设有上述电源变换单元和上述磁控管的机壳是由一种导电材料制成的。

5、根据权利要求1所述的高频加热装置，其特征在于，所述的电源变换单元的输出用来为上述的冷却风扇提供驱动电能。

6、根据权利要求1所述的高频加热装置，其特征在于，所述的冷却风扇、所述的电源变换单元和所述的磁控管依次排列在空气从上述冷却风扇流动到上述加热腔的方向上，该空气至少冷却上述电源变换单元中的上述一个或多个半导体器件。

7、根据权利要求6所述的高频加热装置，其特征在于，在上述的机壳内除了装设有上述电源变换单元和上述磁控管以外还装设有上述冷却风机。

8、根据权利要求1所述的高频加热装置，其特征在于，所述的电源变换单元的元件设在一个印刷电路板上，所述的冷却风扇具有一个风扇外壳，该网扇外壳至少被设置在上述印刷电路板上。

9、根据权利要求8所述的高频加热装置，其特征在于，所述的冷却风扇是由设置在上述印刷电路板上的一个电动机来驱动的。

10、根据权利要求8所述的高频加热装置，其特征在于，所述的风机外壳至少其部分作为一个散热器，所述的电源变换器的所述元件固定在上述散热器上，以冷却上述元件。

11、根据权利要求1所述的高频加热装置，其特征在于，新鲜空气通过第一气流导管流入上述冷却风扇，从上述机壳排放的至少部分空气通过第二气流导管进入上述加热腔。

12、根据权利要求11所述的高频加热装置，其特征在于，所述的第一和第二气流导管是可拆卸地固定在上述机壳上的。

13、根据权利要求1所述的高频加热装置，其特征在于，一有缓冲部件设置在上述机壳与上述外罩之间。

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