JP4898316B2 - マグネトロン - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波加熱機器に使用されるマグネトロンに関する。

マグネトロンはマイクロ波を発生する電子管で、電子レンジ等のマイクロ波加熱機器に使用されている。マグネトロンの発振本体部分は、陽極円筒と、この陽極円筒の内壁から管軸に向かって放射状に配置される複数のベインとから形成される陽極部と、陽極円筒の管軸に沿って配置された螺旋状のフィラメントを有する陰極部を備える。陽極円筒の両端部には、陽極円筒に接合された基部と、中央部に透孔が形成された平面状の底部を有する漏斗状の一対のポールピースが相対向して設けられ、この一対のポールピース上には、それぞれ環状の永久磁石が設けられている（例えば、特許文献１参照。）。

このような構成において、入力部から陰極部に電力を供給し、発振本体部分で発生するマイクロ波をアンテナリードにより伝送して出力部から外部に取り出す構造となっている。

従来のマグネトロンの発振本体部分の主な寸法としては、２４５０Ｈｚ帯の発振周波数において、ベインの枚数が１０枚、ベインの陰極部側の先端部（ベイン先端部）に内接する円の直径２ｒａが８．８〜９．１ｍｍ、フィラメントの外周の直径２ｒｃが３．７〜３．９ｍｍ、ベインの管軸方向における高さＡ３が８．５〜９．５ｍｍ、ベイン先端部の隣り合う間隔をＶｇ、ベインの厚さをＶｔとしたときのベイン先端部の開効率μ＝Ｖｇ／（Ｖｇ+Ｖｔ）が０．２７〜０．３２の範囲に設定されている。

また、陽極円筒の両端部に固定された一対のポールピースの基部の相互間隔Ａ１が２２．５〜２３．５ｍｍ、一対のポールピースの底部の相互間隔Ａ２が１１．７〜１２．７ｍｍ、ポールピースの透孔の内径Ｐ１が９．４〜９．８ｍｍ、ポールピースの底部の外径Ｐ２が１１．０〜１８．０ｍｍの範囲で配設されている。現存の永久磁石が有する磁力が上記ポールピースで収斂されることによって作用空間で得られる磁束密度Ｂｇは、０．１７〜０．２１テスラである。

マグネトロンの発振出力効率は、陽極部と陰極部との間に印加された入力（陽極電圧Ｖａ×陽極電流Ｉｂ）に対する、出力部から放射されたマイクロ波電力の比率によって算出される。上述の従来のマグネトロンにおいて、陽極電圧Ｖａを３．７〜４．６ｋＶ、陽極電流Ｉｂを２００〜３３０ｍＡとした場合、発振出力効率は７０〜７５％となる。例えば、陽極電圧Ｖａを４．５ｋＶ、陽極電流を３００ｍＡ、発振出力効率を７５％とした場合、１ｋＷ以上のマイクロ波電力を出力させることができる。
特開２００３−１３２８０９号公報

近年のマグネトロンの開発において、省エネルギー化を図るため、更なる発振出力効率の向上が要求されている。しかしながら、従来のマグネトロンでは、陽極電圧Ｖａを更に高くして発振出力効率を１〜２％向上させることは可能であるが、そのためには作用空間内の磁束密度Ｂｇを一層大きくする必要があるため、永久磁石の大型化若しくは高性能化や、高電圧化によって駆動電源を絶縁耐圧性にするなど、コストアップにつながってしまうという問題があった。

また、新規のマグネトロンの開発の際、陽極電圧Ｖａが高くならないように、ベイン先端部の内接円の直径２ｒａを小さくする設計手法が用いられているが、発振出力効率を向上させるためには、作用空間内の磁束密度Ｂｇを更に大きくする必要があり、大型化によるコストアップを回避することができない。

本発明は、マグネトロンにおける発振出力効率の向上と小型化を図ることを目的とする。

本発明のマグネトロンは、陽極円筒と、当該陽極円筒の内壁から管軸に向かって放射状に配置された複数枚のベインとから構成される陽極部と、
前記陽極円筒の管軸に沿って配置された螺旋状のフィラメントを有する陰極部と、
前記陽極円筒の両端部に相対向して配置され、前記陽極円筒に接合された基部と、前記基部よりも前記ベインに近い位置に設けられて中央部に透孔が形成された底部とを有する漏斗状の一対のポールピースと、
前記一対のポールピースの外側にそれぞれ配置された環状の永久磁石と、を備え、
２４５０ＭＨｚ帯の発振周波数において、前記ベインの枚数を１０枚、前記ベインの陰極部側の先端部に内接する円の直径を８．０〜８．８ｍｍ、前記フィラメントの外周の直径を３．５〜３．９ｍｍで構成される範囲で、前記ベインの管軸方向における高さを７．０〜８．０ｍｍ、前記一対のポールピースの基部の相互間隔を２１．５〜２３．５ｍｍ、前記一対のポールピースの底部の相互間隔を１０．２〜１１．２ｍｍ、前記ポールピースの透孔の内径を８．３〜８．５ｍｍ、前記底部の外径を１１．０〜１６．０ｍｍとしたことを特徴とする。

本発明によれば、マグネトロンにおける発振出力効率の向上と小型化を実現することが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図１に、本実施形態に係るマグネトロン１００の本体の要部断面図を示す。また、図２（ａ）に、マグネトロン１００の陽極部２０及び陰極部３の主要部分を抜き出した上面概略図を示し、図２（ｂ）に、ポールピース４ａ、４ｂの拡大図を示す。

図１及び図２（ａ）に示すように、マグネトロン１００の発振本体部分は、陽極円筒１と、この陽極円筒１の内壁から管軸ｋに向かって放射状に等間隔に配置される複数のベイン２とから形成される陽極部２０と、陽極円筒１の内側に管軸ｋに沿って配置された螺旋状のフィラメント３ａを有する陰極部３を備える。フィラメント３ａの両端部には、一対のエンドハット３ｂ、３ｃが設けられている。

ベイン２の外側端部は陽極円筒１の内壁に固定され、内側端部は遊端になっている。各ベイン２の上辺（出力部側）及び下辺（入力部側）には、径の小さい一対の第１ストラップリング６ａ、６ｂと、第１ストラップリングの外側に位置し、第１ストラップリングよりも径の大きい一対の第２ストラップリング７ａ、７ｂが交互に接続されている。例えば、ベイン２の上辺は、１つ目のベイン２から数えて奇数番目のベイン２同士が第１ストラップリング６ａで接続され、偶数番目のベイン２同士が第２ストラップリング７ａで接続される。ベイン２の下辺は、逆に、奇数番目のベイン２同士が第２ストラップリング７ｂで接続され、偶数番目のベイン２同士が第１ストラップリング６ｂで接続される。

陽極円筒１の管軸方向の両端部には、図２（ｂ）に示すように、陽極円筒１に接合された基部４１と、テーパ部４２と、中央部に透孔４４が形成された平面状の底部４３を有する漏斗状の一対のポールピース４ａ、４ｂが相対向して設けられている。ポールピース４ａの上方、ポールピース４ｂの下方には、それぞれ、環状の永久磁石５ａ、５ｂが配置されている。ポールピース４ａ、４ｂと永久磁石５ａ、５ｂによりマグネトロン１００の磁気回路が構成される。

また、ポールピース４ｂの管軸方向の下方には、フィラメント印加電力及びマグネトロン動作電圧を供給する入力部８が設けられ、ポールピース４ａの管軸方向の上方には、マイクロ波をアンテナリード９より伝送して放射するための出力部１０が設けられている。

ベイン２と、第１ストラップリング６ａ、６ｂ、第２ストラップリング７ａ、７ｂで構成された２４５０ＭＨｚ帯の空洞共振器の作用空間内での電界と、ポールピース４ａ、４ｂと永久磁石５ａ、５ｂから形成される管軸方向の磁界と、入力部８より供給されるフィラメント印加電力及びマグネトロン動作電圧により、フィラメント３ａから放出された熱電子はベイン２との作用空間１１で周回運動を行い、マイクロ波を発振させてアンテナリード９より伝送し出力部１０から放射する構造となっている。

マグネトロンの発振出力効率ηは、電子効率ηeと回路効率ηcとの積（η＝ηe×ηc）で決定される。電子効率ηeは電子の運動効率であり、回路効率ηcは、ジュール損や誘電体損等の回路係数に関わるものである。電子効率ηeは式（１）のように表されることが知られている。

ここで、

陽極電圧Ｖａは式（２）のように表される。

式（１）及び式（２）に基づいて、図３に、作用空間磁束密度（作用空間１１における磁束密度）Ｂｇ（従来比）と電子効率ηe（従来比）との相関を示し、図４に、陽極電圧Ｖａを一定とした場合の作用空間磁束密度Ｂｇ（従来比）と、ベイン２の陰極部３側の先端部（ベイン先端部）に内接する円の直径２ｒａ（従来比）との相関を示す。図３より、作用空間磁束密度Ｂｇを大きくすると電子効率ηeは向上する。また、式（２）より、作用空間磁束密度Ｂｇを大きくすると陽極電圧Ｖａも高くなる。

作用空間磁束密度Ｂｇを大きくしても陽極電圧Ｖａが高くならないようにするためには、式（２）及び図４より、ベイン先端部の内接円の直径２ｒａ（内接半径はｒａ）を小さくする必要がある。発振出力効率ηを向上させるためには、以上に加え、作用空間磁束密度Ｂｇを大きくするための磁気回路の設計が不可欠である。

そこで、本実施形態のマグネトロン１００では、以下のように、作用空間１１内に効率よく磁束を収斂させるためにポールピース４ａ、４ｂの形状を工夫し、且つ、陽極部２０の寸法を最適化した。

図５に、同一の永久磁石を使用した場合の、作用空間磁束密度（作用空間１１における磁束密度）Ｂｇの測定結果を示す。図５（ａ）は、図５（ｂ）に示すように、陽極円筒１の両端部に固定されたポールピース４ａ、４ｂの基部４１の相互間隔Ａ１と、ポールピース４ａ、４ｂの底部４３の相互間隔Ａ２と、ベイン２の管軸方向における高さＡ３と、ポールピース４ａ、４ｂの透孔４４の内径Ｐ１の値の組み合わせを一組とし、５組の各々について、ポールピース４ａ、４ｂの底部４３の外径Ｐ２の値を１１ｍｍ、１２ｍｍ、１３ｍｍ、１４ｍｍ、１６ｍｍ、１８ｍｍと変化させたときの作用空間磁束密度Ｂｇの値を測定した結果を示している。

図５に示した測定結果より、×印で示されたＡ１、Ａ２、Ａ３、Ｐ１の場合、作用空間磁束密度Ｂｇが０．１９０〜０．２０５テスラであるのに対し、Ａ１を２１．５〜２３．５ｍｍ、Ａ２を１０．２〜１１．２ｍｍ、Ａ３を７．０〜８．０ｍｍ、Ｐ１を８．４ｍｍ付近（８．４±０．１ｍｍまでの範囲）、Ｐ２を１１．０〜１６．０ｍｍとすると、作用空間磁束密度Ｂｇを０．２３０〜０．２４５テスラまで高めることが可能となる。

本実施形態では、図４に示すように、作用空間磁束密度Ｂｇが大きくなっても陽極電圧Ｖａを高くしないようにするために、ベイン先端部の内接円の直径２ｒａを８．０〜８．８ｍｍに設定した。また、ベイン先端部の隣り合う間隔をＶｇ、ベイン２の厚さをＶｔとしたときのベイン先端部の開効率μ＝Ｖｇ/（Ｖｇ+Ｖｔ）を０．２５〜０．３０の範囲に設定した。

以上のような構成（寸法）のマグネトロン１００（本発明のマグネトロン）と、従来のマグネトロンについて発振出力効率ηを比較した結果を図６に示す。図６（ｂ）は、陽極電流Ｉｂが３００ｍＡである場合の陽極電圧Ｖａ（ｋＶ）とマイクロ波出力Ｐｏ（Ｗ）の実測値から、発振出力効率η（％）を算出した結果を示す。図６（ａ）は、図６（ｂ）に基づいて、陽極電圧Ｖａと発振出力効率ηの関係を示したものである。図６より、本発明のマグネトロンは、従来のマグネトロンと比較して、発振出力効率ηが３〜４％向上していることがわかる。

図７に、本発明の実施形態に係るマグネトロン１００と従来のマグネトロンにおける発振本体部分の主な寸法を示す。

以上のように、磁気回路及び陽極部２０の寸法を従来に比べて全体的に小さく設計することにより、現存の永久磁石５ａ、５ｂの磁力でも作用空間１１で得られる磁束密度Ｂｇを０．２１０〜０．２４５テスラまで高めることが可能となる。また、従来と同様に、陽極電圧Ｖａを３．７〜４．６ｋＶ、陽極電流Ｉｂを２００〜３３０ｍＡの範囲とした場合であっても、発振出力効率ηを３〜４％向上させることが可能となる。

即ち、本実施形態のマグネトロン１００によれば、現存の永久磁石５ａ、５ｂのままでも作用空間１１で得られる磁束密度が大きくなるとともに、従来の陽極電圧のままでも発振出力効率を向上させることが可能となる。従って、マグネトロンにおける発振出力効率の向上と小型化を実現することが可能となる。

本発明の実施形態に係るマグネトロンの要部断面図。 本発明の実施形態に係るマグネトロンの陽極部及び陰極部の主要部分を抜き出した上面概略図（ａ）と、ポールピースの拡大図（ｂ）。 作用空間磁束密度Ｂｇ（従来比）と電子効率ηe（従来比）との相関図。 陽極電圧Ｖａを一定とした場合の作用空間磁束密度Ｂｇ（従来比）と、ベイン先端部の内接円の直径２ｒａ（従来比）との相関図。 マグネトロンの磁気回路の効果を、ポールピースの底部の外径Ｐ２と作用空間磁束密度Ｂｇとの相関で説明する図。 本発明のマグネトロンと従来のマグネトロンを、陽極電圧Ｖａと発振出力効率ηとの相関で比較した図。 本発明の実施形態に係るマグネトロンと従来のマグネトロンにおける発振本体部分の主な寸法を比較した図。

符号の説明

１ 陽極円筒
２ ベイン
２０ 陽極部
３ 陰極部
３ａ フィラメント
３ｂ、３ｃ エンドハット
４ａ、４ｂ ポールピース
４１ 基部
４２ テーパ部
４３ 底部
４４ 透孔
５ａ、５ｂ 永久磁石
６ａ、６ｂ 第１ストラップリング
７ａ、７ｂ 第２ストラップリング
８ 入力部
９ アンテナリード
１０ 出力部
１１ 作用空間
１００ マグネトロン

Claims (2)

1. 陽極円筒と、当該陽極円筒の内壁から管軸に向かって放射状に配置された複数枚のベインとから構成される陽極部と、
   前記陽極円筒の管軸に沿って配置された螺旋状のフィラメントを有する陰極部と、
   前記陽極円筒の両端部に相対向して配置され、前記陽極円筒に接合された基部と、前記基部よりも前記ベインに近い位置に設けられて中央部に透孔が形成された底部とを有する漏斗状の一対のポールピースと、
   前記一対のポールピースの外側にそれぞれ配置された環状の永久磁石と、を備え、
   ２４５０ＭＨｚ帯の発振周波数において、前記ベインの枚数を１０枚、前記ベインの陰極部側の先端部に内接する円の直径を８．０〜８．８ｍｍ、前記フィラメントの外周の直径を３．５〜３．９ｍｍで構成される範囲で、前記ベインの管軸方向における高さを７．０〜８．０ｍｍ、前記一対のポールピースの基部の相互間隔を２１．５〜２３．５ｍｍ、前記一対のポールピースの底部の相互間隔を１０．２〜１１．２ｍｍ、前記ポールピースの透孔の内径を８．３〜８．５ｍｍ、前記底部の外径を１１．０〜１６．０ｍｍとしたことを特徴とするマグネトロン。
2. 前記ベインの陰極部側の先端部の隣り合う間隔をＶｇ、ベインの厚さをＶｔとしたときのベインの先端部の開効率Ｖｇ／（Ｖｇ＋Ｖｔ）を０．２５〜０．３０の範囲に設定したことを特徴とする請求項１に記載のマグネトロン。

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