JP2014165032A - 同軸型マグネトロン - Google Patents

Abstract

【課題】陽極部分からの放熱を促進して冷却効率を向上させ、最大発振出力を高めることができるようにする。
【解決手段】陰極１の外周に、ベーン２及び陽極円筒１６により陽極共振空胴５０を形成し、円筒状側面６により外部空胴６０を形成し、この円筒状側面６の両端に、入力部９を有する入力側構造体１４と上部構造体１５が接合される構成で、陽極円筒１６のベーン接合部分１６ａの壁を、スロット４が設けられる部分１６ｂの壁よりも厚くする。また、このベーン接合部分１６ａの厚くした壁内に冷却用通路を設けたり、厚くしないベーン接合部分に管状金属を設けたりし、この通路又は管状金属内を介して冷却液を通路１７から通路１１へ又はその逆に流す。ベーン２の内部に冷却用通路を設けてもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ波を発振するマグネトロン、特に陽極共振空胴の外側に外部空胴を有する同軸型マグネトロンの構造に関する。

従来から、マグネトロンは、簡便な構造で効率良く大出力のマイクロ波を発振可能なことから、様々なアプリケーションや装置に利用されている。その中で、発振周波数を精密に同調させる必要があるものとして、例えば混信を避けるため、精密に周波数を変更して探知を行うレーダや、高いＱ特性を持つ狭帯域の共振器に、精密に同調したマイクロ波を投入し、電子に加速電界を加えるＬｉｎａｃ等がある。このようなアプリケーション、装置等に使用されるマグネトロンでは、周波数を機械的に可変できる機構を備える必要があり、その１つとして同軸型マグネトロンが実用化されている。

図１０には、大出力が得られる同軸型マグネトロンの１例が示されており、図１０のように、中心に配置された陰極（カソード）１の周囲に、陽極（アノード）として放射状に配置したベーン２及びこのベーン２を接合した陽極円筒３が設けられ、このベーン２及び陽極円筒３により陽極共振空胴５０が形成される。また、この陽極円筒３にスロット４が設けられ、この陽極円筒３の周囲に円筒状側面６が配置されることで、陽極共振空胴５０と同軸となる外部空胴６０が形成される。上記のスロット４は、上記陽極共振空胴５０と外部空胴６０を高周波的に結合する役目をする。

更に、陰極１の上下に、ポールピース７ａ，７ｂが配置され、上記外部空胴６０内に、チューニングピストン８が取り付けられ、入力部９に接合される入力側構造体１０には、冷却液を通す冷却用通路１１が設けられる。上記陽極円筒３は、入力側構造体１０に接合され、この入力側構造体１０と上部構造体１２が円筒状側面６に接合されることで、マグネトロンが組み立てられる。

このような構成とすることにより、外部からチューニングピストン８の位置を移動させ、外部空胴６０のリアクタンスを変化させることにより、マグネトロンの共振周波数、そして発振周波数を調整することができる。この結果、マグネトロンの発振周波数を精密に可変し、アプリケーション、装置等の要求する周波数に同調させることが可能となる。このマグネトロンによれば、高出力のマイクロ波を発振することができ、ピーク出力が数ＭＷ、平均出力が数ｋＷとなる高出力を得る設計が可能である。

ところで、このような非常に高い出力のマグネトロンでは、高い発振効率が得られるとはいえ、陽極損失で発生する熱に対する冷却設計が重要となる。また、上記のベーン２は薄い金属で緻密に製作されているため、オーバーヒートを起こすと、変形して発振特性に影響を及ぼしたり、溶解変形してマグネトロンとしての機能を損なわせたりすることがあった。そのため、高出力のマグネトロンでは、水冷用液体を陽極構造体に近接して流し、冷却する設計が提案されており、図１０の場合でも、陽極円筒３の近くに冷却用通路１１を設けることで、マグネトロンの冷却を行っている。

下記の特許文献１（特開２００４−１３４１６０号公報）には、同軸型マグネトロンではないが、冷却用液体を用いるものが示されており、この例では、ベーンが接合された陽極円筒の外壁面の周方向に沿って冷却ジャケットを設け、この冷却ジャケットに冷却液を流す構造となっている。このような構造によれば、ベーン周辺で発生した陽極損失による熱を効率よく液体と熱交換し、ベーンを含む陽極の温度を低減することが可能である。

特開２００４−１３４１６０号公報 特開平１０−３０２６５５号公報

しかしながら、上記特許文献２（特開平１０−３０２６５５号公報）等の構造でも分かるように、図１０のような同軸型のマグネトロンでは、陽極円筒３の外側に、外部空胴６０を設け、チューニングピストン８を上下動する構成とされ、また陽極共振空胴５０と外部空胴６０を隔てている陽極円筒３は、良好な高周波的結合をスロット４にて行うことから薄くされるため、特許文献１のような冷却ジャケットの構造を採用することは不可能であり、マグネトロンの冷却を効率良く行うことができないという問題がある。

一方、陽極損失は、主としてベーン２で発生し、一部が陽極円筒３で発生するため、発熱源は陽極共振空胴５０となり、その熱は陽極円筒３を通して伝達する以外の方法を選択する余地がない。この陽極部分の熱抵抗を減らし、冷却を促進するために、ベーン２や陽極円筒３等の陽極構成部品の断面積を広げることも考えられるが、この場合は、高周波特性に影響を与えることから、限界がある。例えば、陽極円筒３を厚くした場合、スロット４による外部空胴６０との結合が適正な結合度とならない問題が生じる。また、不要モードの抑制に対して障害をもたらすことになる。そのため、マグネトロンで得られる最大の発振出力が、上記陽極部分の放熱限度によって制限される。

更に、上記のような事情から可能な限りの放熱を得るため、図１０に示されるように入力側構造体１０側の陽極円筒３の付け根に冷却用通路１１を設け、冷却液を流すことで冷却することが提案されているが、この冷却でも、陽極円筒３の熱伝達能力の限界が温度上昇の支配要因となる。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、陽極部分からの放熱を促進して冷却効率を向上させ、最大発振出力を高めることができる同軸型マグネトロンを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明の同軸型マグネトロンは、陰極の周囲に配置された陽極円筒にベーンを接合する陽極共振空胴と、上記陽極円筒の外周側に設けられた外部同軸空胴とを有し、これら陽極共振空胴と外部同軸空胴をスロットにより高周波的に結合すると共に、両空胴の上下を蓋状構造体により密封する同軸型マグネトロンにおいて、上記陽極円筒のベーン接合部分の壁を、上記スロットが設けられる部分の壁よりも厚くしたことを特徴とする。
請求項２に係る発明は、上記陽極円筒のベーン接合部分の壁内に通路を設け、この通路に冷却用流体を通す構造としたことを特徴とする。
請求項３に係る発明は、陰極の周囲に配置された陽極円筒にベーンを接合する陽極共振空胴と、上記陽極円筒の外周側に設けられた外部同軸空胴とを有し、これら陽極共振空胴と外部同軸空胴の上下を蓋状構造体により密封する同軸型マグネトロンにおいて、上記陽極円筒のベーン接合部分に管状金属を接合し、この管状金属内に冷却用流体を通す構造としたことを特徴とする。
請求項４に係る発明は、上記ベーンの内部に通路を設け、このベーン内部通路と上記陽極円筒のベーン接合部分に設けた壁内通路又は管状金属内通路を連通させることを特徴とする。
請求項５に係る発明は、上記外部同軸空胴に配置される円環状のチューニングピストンの内側を、上記陽極円筒の外周の凹凸に合わせた形状にしたことを特徴とする

上記の構成によれば、スロットによる陽極共振空胴と外部同軸空胴の高周波結合を阻害しない範囲で、ベーン接合部分の壁を厚くすることにより、陽極円筒からの放熱が促進され、またベーン接合部分の壁内に設けられた通路や、陽極円筒のベーン接合部分に設けられた管状金属内に冷却用流体を流すことで、陽極円筒の冷却が効率よく行われる。
更に、ベーンの内部に通路を設けた場合は、ベーン接合部分の壁内通路から、又は管状金属内からベーンの内部通路に冷却用流体を流すことで、ベーン部分及び陽極円筒の両方の冷却が効率よく行われる。

本発明の同軸型マグネトロンによれば、陽極共振空胴の外側にチューニングのための外部空胴を設ける構成であっても、不要なスロットモード共振も生じさせず、共振特性を適正に保ちながら、発熱源である陽極円筒の壁を部分的に厚くし、また陽極共振空胴及びその周辺に冷却のための液体等を通過させることにより、陽極部分からの放熱を促進すると共に冷却効率を向上させ、最大発振出力を高めることが可能になるという効果がある。

本発明の第１実施例に係る同軸型マグネトロンの構成を示す側面断面図である。 第１実施例の同軸型マグネトロンの陽極円筒部分の構成を示す斜視図である。 第２実施例の同軸型マグネトロンの構成を示す側面断面図である。 第２実施例の同軸型マグネトロンの陽極円筒部分の構成を示す斜視図である。 第３実施例の同軸型マグネトロンの構成を示す側面断面図である。 第３実施例の同軸型マグネトロンの陽極円筒部分の構成を示す斜視図である。 第４実施例の同軸型マグネトロンの構成を示す側面断面図である。 第４実施例の同軸型マグネトロンの陽極円筒部分の構成を示す斜視図である。 実施例のチューニングピストンの構成を示す斜視図である。 従来の同軸型マグネトロンの構成を示す側面断面図である。

図１及び図２には、第１実施例の同軸型マグネトロンの構成（出力、磁気回路を除く）が示されており、このマグネトロンは、図１０と同様に、中心に陰極（カソード）１が配置され、その周囲に、陽極（アノード）として、放射状のベーン２及びこのベーン２を接合した陽極円筒１６が設けられることで、陽極共振空胴５０が形成される。上記陽極円筒１６には、高周波結合のためのスロット４が設けられ、この陽極円筒１６と円筒状側面６との間に、陽極共振空胴５０と同軸となる外部空胴６０が形成される。この陽極共振空胴５０及び外部空胴６０の上下に、入力部９に接続される入力側構造体（蓋状構造体）１０と上部構造体（蓋状構造体）１５が配置されることで、上記陰極１の上下に、ポールピース７ａ，７ｂが配置され、上記外部空胴６０内には、チューニングピストン１３が取り付けられる。

そして、図２にも示されるように、上記陽極円筒１６では、ベーン（２）接合部分１６ａの壁を、スロット４が配置される部分１６ｂの壁よりも厚くする。即ち、スロット４は、陽極共振空胴５０と外部空胴６０の高周波結合において、基本モードの共振を良好に確保する役目をするが、スロットモード共振という不要な共振が発生しない範囲で、ベーン接合部分１６ａの壁を厚くすることになる。従って、スロットモード共振が発生しない範囲で、例えばベーン接合部分１６ａだけでなく、スロット４から所定間隔離れた上下の端部側の壁も厚くするようにしてもよい。

この陽極円筒１６は、その下部が入力側構造体１０の上面に接合され、上部は上部構造体１５の内面に形成された円環状溝内に接合される。また、実施例では、入力部９に接合された入力側構造体１０に、冷却用通路１１が配置されだけでなく、上部構造体１５に冷却用通路１７が設けられる。

第１実施例は、以上の構成からなり、この実施例では、陽極円筒１６のベーン接合部分１６ａの壁を厚くすることで、その断面積を従来に比べて広げるので、熱抵抗が減少し、有効な熱伝達による放熱が行える。一方、スロット４による高周波結合は、従来のマグネトロンと同様に良好に確保することができ、ベーン接合部分１６ａの厚みを増しても、高周波結合に影響はなく、かつ外部空胴６０の共振に対して周波数の変化はあるものの、不要な共振の発生等がなく、マグネトロン全体の共振周波数を良好に確保することが可能となる。

図３及び図４には、第２実施例の同軸型マグネトロンの構成（出力、磁気回路を除く）が示されており、このマグネトロンは、厚くしたベーン接合部分１６ａの壁に、冷却用通路を設けたものである。
図４に示されるように、陽極円筒１６のベーン接合部分１６ａをスロット４の配置部分１６ｂの壁よりも厚くし、この厚くしたベーン接合部分１６ａのそれぞれの壁内に、２つの冷却用の通路１８を形成し、また図３に示されるように、この壁内通路１８を、入力側構造体１０の通路１１と上部構造体１５の通路１７に接続し、壁内通路１８に冷却液等が流せるように構成する。この壁内通路１８は、２つに限らず、１つ又は３つ等を設けてもよく、その他の構成は、図１で説明したものと同様となる。

第２実施例は、以上の構成からなり、この実施例では、冷却液等を上部構造体１５の通路１７から陽極円筒１６の壁内通路１８を介して入力側構造体１０の通路１１に、又はその逆方向に流し、陽極を効率よく冷却することができる。これにより、従来と比較して、冷却効率は飛躍的に向上し、Ｘバンドマグネトロンにおいては、平均電力２．５ｋＷの出力を発振させても、ベーン２の先端付近の温度を３００℃以下に抑えることが可能となる。なお、高周波的な特性も、第１実施例と変わりはなく、良好な状態が確保される。

図５及び図６には、第３実施例の同軸型マグネトロンの構成（出力、磁気回路を除く）が示されており、このマグネトロンは、ベーン接合部分に上記壁内通路１８の代わりとなる管状金属を設けたものである。
図６に示されるように、陽極円筒２０においてベーン２を接合したベーン接合部分２０ａに、管状金属（金属管）２１を接合し、図５に示されるように、この管状金属２１を、入力側構造体１０の通路１１と上部構造体１５の通路１７に接続し、管状金属２１内に冷却液等が流せるように構成する。この管状金属２１は、１つに限らず、複数設けてもよく、その他の構成は、図１で説明したものと同様となる。

上記の管状金属２１は、マグネトロンの組立工程内において、ロウ付けにより接合を行うことができるため、ベーン２及び陽極円筒２０から伝達される熱が管状金属２１に小さな熱抵抗で伝達されることになる。この管状金属２１を、例えば無酸素銅で製作すれば、ロウ付けの容易化や熱伝導率の改善を図る上で非常に有効となる。

第３実施例は、以上の構成からなり、この実施例では、冷却液を上部構造体１５の通路１７から陽極円筒２０の管状金属２１内を介して入力側構造体１０の通路１１に、又はその逆方向に流し、陽極を効率よく冷却することが可能となる。

図７及び図８には、第４実施例の同軸型マグネトロンの構成（出力、磁気回路を除く）が示されており、この第４実施例は、ベーン内にも冷却用通路を設けたものである。
図８に示されるように、陽極円筒２３のベーン接合部分２３ａをスロット４の配置部分２３ｂの壁よりも厚くし、この厚くしたベーン接合部分２３ａのそれぞれの壁内に、上側通路２４Ｐａと下側通路２４Ｐｃを設け、またベーン２５内に、この上側通路２４Ｐａ及び下側通路２４Ｐｃに連通する内部通路２４Ｐｂを形成する。この内部通路２４Ｐｂは、ベーン２の内部を広い範囲で循環するように設けることが好ましい。そして、図７に示されるように、上記上側通路２４Ｐａを上部構造体１５の通路１７、下側通路２４Ｐｃを入力側構造体１０の通路１１に接続し、通路２４Ｐａ〜２４Ｐｃに冷却液等が流せるように構成する。

第４実施例は、以上の構成からなり、この実施例では、冷却液を上部構造体１５の通路１７から通路２４Ｐａ、２４Ｐｂ、２４Ｐｃを通じて入力側構造体１０の通路１１に、又はその逆方向に流し、陽極を効率よく冷却することが可能となる。これにより、従来と比較して、冷却効率は飛躍的に向上し、Ｘバンドマグネトロンにおいては、平均電力３．０ｋＷの出力を発振させても、ベーン２の先端付近の温度を３００℃以下に抑えることが可能となる。なお、高周波的な特性も、第１実施例と変わりはなく、良好な状態が確保される。なお、この第４実施例は、図６のような管状金属２１を設けた場合にも適用することができる。

図９には、実施例に用いられるチューニングピストンが示されており、図９（Ａ）は図１及び図３のマグネトロンに採用する例で、図９（Ｂ）は図５のマグネトロンに採用する例である。一般に、チューニングピストンは、ドーナツ形とされたもの又はそれを分割したものが用いられているが、図９（Ａ）では、外部空胴６０に配置されるドーナツ形のチューニングピストン１３Ａの内面を陽極円筒１６の外面（外周面）の形状に合わせると共に、ベーン結合部分の壁１６ａの外面に嵌合する凹部２７が形成される。

一方、図９（Ｂ）では、ドーナツ形のチューニングピストン１３Ｂの内面を陽極円筒２０の外面形状に合わせると共に、ベーン結合部分の管状金属２１の外面に嵌合する凹部２８が形成される。このような構成によれば、チューニングピストン１３Ａ，１３Ｂの裏側への高周波的な漏れが低減され、漏れることによるチューニングピストン１３裏側の不要な共振の影響を防止することができる。もちろん、従来からあるアブゾーバをピストン１３Ａ，１３Ｂの裏側に配置することを併せて行ってもよい。

上記各実施例では、通路１７から各通路１８，２１，２４Ｐａ〜２４Ｐｃを介して通路１１へ又はその逆へ冷却液を流すようにしたが、従来の図１０のように、上部構造体１５に冷却用通路が設けられていない場合は、通路１１から送った冷却液を通路１１へ戻すようにしてもよい。例えば、図４の例では、ベーン接合部分の壁１６ａの内部を循環する循環通路を形成し、図６の例では、循環するように曲げ形成した管状金属を設け、図８の例では、ベーン接合部分２３ａの上側通路２４Ｐａの代わりに通路１１へ戻る通路を形成し、これらの通路又は管状金属内に対して、入力側構造体１０の通路１１から冷却液を循環させた後、元の通路１１へ戻すようにする。

上記実施例の構成によれば、冷却効率が向上することにより、高出力発生時のベーン２を主とする陽極部品のオーバーヒートによる変形や溶解を防ぐことができ、従来では得られなかった大きなマイクロ波出力を得ることができる。レーダ、Ｌｉｎａｃを始めとするマイクロ波を利用するアプリケーションや装置は、高い出力により大きな効果が得られる場合が多いが、本実施例は、高冷却、高出力の目的でマグネトロンを大きく設計することが不要となり、産業上に利する効果は大きい。また、高い周波数の同軸型マグネトロンは、空胴共振器のサイズが波長に対応して小さくなるが、その場合に、陽極部品が小型化し、熱容量の減少や熱抵抗の増加が起こり、熱的にはより不利な状況となる。しかし、本実施例によれば、効率の良い冷却効果が得られることから、高い周波数の同軸型マグネトロンにも、高出力の設計が行えるという利点がある。

レーダ、Ｌｉｎａｃ等、マイクロ波を利用するアプリケーションや装置に適用でき、また高周波数、高出力の同軸型マグネトロンに適用できる。

１…陰極（カソード）、 ２…ベーン、
３，１６，２０，２３…陽極（アノード）円筒、
４…スロット、 ６…円筒状側面、
７ａ，７ｂ…ポールピース、
８，１３，１３Ａ，１３Ｂ…チューニングピストン、
１０…入力側構造体（蓋状構造体）、
１１，１７，１８，２４Ｐａ〜２４Ｐｃ …冷却用通路、
１２，１５…上部構造体（蓋状構造体）、
１６ａ，２３ａ…ベーン接合部分、
１６ｂ，２３ｂ…スロットが配置される部分、
１８…冷却用通路、 ２１…管状金属、
２７，２８…凹部、
５０…陽極共振空胴、 ６０…外部空胴。

Claims (5)

1. 陰極の周囲に配置された陽極円筒にベーンを接合する陽極共振空胴と、上記陽極円筒の外周側に設けられた外部同軸空胴とを有し、これら陽極共振空胴と外部同軸空胴をスロットにより高周波的に結合すると共に、両空胴の上下を蓋状構造体により密封する同軸型マグネトロンにおいて、
   上記陽極円筒のベーン接合部分の壁を、上記スロットが設けられる部分の壁よりも厚くしたことを特徴とする同軸型マグネトロン。
2. 上記陽極円筒のベーン接合部分の壁内に通路を設け、この通路に冷却用流体を通す構造としたことを特徴とする請求項１記載の同軸型マグネトロン。
3. 陰極の周囲に配置された陽極円筒にベーンを接合する陽極共振空胴と、上記陽極円筒の外周側に設けられた外部同軸空胴とを有し、これら陽極共振空胴と外部同軸空胴の上下を蓋状構造体により密封する同軸型マグネトロンにおいて、
   上記陽極円筒のベーン接合部分に管状金属を接合し、この管状金属内に冷却用流体を通す構造としたことを特徴とする同軸型マグネトロン。
4. 上記ベーンの内部に通路を設け、このベーン内部通路と上記陽極円筒のベーン接合部分に設けた壁内通路又は管状金属内通路を連通させることを特徴とする請求項２乃至３のいずれかに記載の同軸型マグネトロン。
5. 上記外部同軸空胴に配置される円環状のチューニングピストンの内側を、上記陽極円筒の外周の凹凸に合わせた形状にしたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の同軸型マグネトロン。

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