KR100320464B1 - 마그네트론용 스트랩 - Google Patents

Abstract

본 발명은 1.7KW 이상의 고출력 마그네트론에 관한 것으로서, 고전압 인가시 온도변화에 따라서 팽창 또는 수축으로 인해 발생하는 열응력에 대한 변형 및 파단을 막고, 서로 구조적으로 구속되어 있는 아노드베인과 아노드본체와의 열팽창계수 차에 의해 발생하는 구조적 어긋남을 방지하기 위해 스트랩의 재질을 개선한 마그네트론용 스트랩이다.

이를 위해 본 발명은 내스트랩의 재질이 스테인레스 스틸로 이루어진 마그네트론용 스트랩이다.

Description

마그네트론용 스트랩{the strap of a magnetron}

본 발명은 마그네트론에 관한 것으로서, 더 상세하게는 마그네트론의 스트랩에 관한 것이다.

일반적으로, 마그네트론은 도 1에 도시된 바와 같이 원통형상을 갖는아노드(anode)본체(11)와, 상기 아노드본체(11) 내벽에 방사 상으로 설치되어 있는 아노드베인(anode vane)(12)과, 상기 아노드베인 내부에 뚫려져 있는 2개의 구멍(12a,12b)을 통하여 각 아노드베인(12)들을 교대로 연결시키고 있는 스트랩(strap)(13)으로 이루어져 있는 공진부(resonant cavity)(도시생략)와, 마그네트론 정 중앙에 위치하여 음극 역할을 하는 나선형상의 필라멘트(14)로 이루어져 있는 음극부(cathode)(15)와, 임의의 아노드베인(12)에 부착되어져 있는 안테나(16)와, 아노드본체(11) 외주면에 설치되어져 있는 다수개의 냉각핀(17)과, 상기 냉각핀을 보호 지지하고 외부 공기를 냉각핀(17)으로 안내하도록 상, 하판으로 구분된 요크(18a,18b)와, 아노드본체(11) 상, 하부에 위치하여 정자기장을 형성시키는 N-S극의 영구자석(19)과, 필터박스(20)등으로 구성되어져 있다.

상기와 같이 이루어진 마그네트론은 다음과 같이 동작하게 된다.

필라멘트(14)를 가열하면 전자들이 방출되는데 이 전자들은 음극과 공진부 사이에 인가되는 정전기장과 영구자석(19)에 의해 공진부 상하방향으로 인가되는 정자기장의 힘을 받아 음극과 공진부 사이의 공간(이하 '작용공간'이라 칭함)내에서 사이클로이드(cycloid) 운동을 하게 된다.

이 때 사이클로이드 운동을 하고 있는 전자들은 아노드베인(12)과 아노드베인(12) 사이에 인가되어져 있는 고주파 전계와 상호작용을 하면서 점차로 상기 공진부 쪽으로 이동하게 되는데 이 과정에서 전자가 가지고 있는 대부분의 에너지는 고주파 에너지로 전환된다.

이 고주파 에너지는 공진부(도시생략)에 축적되고 그 축적된 에너지는 안테나(16)를 통하여 외부로 방사하게 된다.

한편, 전자들은 어느 정도 에너지를 지닌 채 공진부(도시생략)에 도달하게 되는데 이 에너지는 공진부에서 열에너지로 전환된다.

이와 같이 아노드베인(12)에서 발생된 열은 아노드본체(11)의 외주면에 설치된 다수개의 냉각핀(17)에 의하여 효율적으로 냉각되어, 열에 의한 마그네트론의 성능저하를 방지할 수 있게 된다.

상기와 같이 이루어진 마그네트론을 바탕으로 종래 기술에 대해 설명하면 다음과 같다.

상기 종래기술에서 언급하고자 하는 것은 다수개의 아노드베인(12)을 서로 연결시켜주는 스트랩(13)에 관한 것이다.

제1 종래기술은 도 2a, 도 2b에 도시된 바와 같이 두 개의 링 형상을 하고 있는 스테인레스 스틸 재질의 스트랩(13)과, 중앙부에 상, 하로 각각 구멍이 형성된 다수개의 아노드베인(12)이 구비되어 상기 두 개의 스트랩(13)이 각 아노드베인(12)에 형성된 두 개의 구멍(12a,12b)에 각각 끼워지도록 하여 다수개의 아노드베인을 연결시켜서 이루어진 것이다.

이때 상기 두 개의 스트랩(13)을 편의상 제1, 2 스트랩(13a, 13b)으로 구분하고, 상기 다수개의 아노드베인(12)에 각각 형성된 두 개의 구멍(12a,12b)은 편의상 지름이 작은 구멍을 제1 구멍(12a)이라 하고, 지름이 큰 구멍을 제2 구멍(12b)이라 하여 상기 내용을 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

상기 제1 스트랩(13a)은 다수개의 아노드베인(12)이 배열된 순서에 따라 홀수번째 아노드베인(12)에 형성된 제1 구멍(12a)에 접촉되어 관통하고, 짝수번째 아노드베인(12)에 형성된 제2 구멍(12b)에는 접촉되지 않은 상태로 단지 제2 구멍(12b)을 관통하여 다수개의 아노드베인(12)을 서로 일정한 간격으로 연결한다.

상기 제2 스트랩(13b)은 아노드베인(12)이 배열된 순서에 따라 짝수번째 아노드베인(12)에 형성된 제1 구멍(12a)에 접촉되도록 관통하고, 홀수번째 아노드베인(12)에 형성된 제2 구멍(12b)에는 접촉되지 않은 상태로 단지 상기 제2 구멍(12b)을 관통하여 다수개의 아노드베인(12)을 서로 일정한 간격으로 연결한다.

상기와 같이 스트랩(13)을 아노드베인(12)에 짝수와 홀수로 접촉하도록 연결하는 이유는 서로 인접하는 아노드베인(12)의 극성을 달리하여 정전기장을 형성하기 위함이다.

그러나 상기 종래기술은 다음과 같은 문제점을 가지고 있다.

종래 1.7KW 이상의 고출력 마그네트론의 상기 스트랩(13)(이하 '센터형 스트랩'이라 칭함) 구조는 스테인레스 스틸 재질인 센터형 스트랩(13)을 일일이 엮듯이 아노드베인(12)에 끼워야 하고 더구나 상하 2개의 센터형 스트랩(13)을 일정한 간격을 유지하면서 동시에 삽입해야 함으로 제품 생산시 상당한 생산성저하를 가져온다.

또한, 센터형 스트랩(13)을 아노드베인(12)의 구멍(12a,12b)에 삽입하기 위해 센터형 스트랩(13)의 일부를 절단하게 되고 상기 삽입공정이 끝나면 다시 센터형 스트랩(13)의 절단부를 용접하게 되는데 이때 상기 절단부를 감추기 위해 아노드베인(12)의 제1 구멍(12a)에 용접하거나, 센터형 스트랩(13)의 양 절단부를 원래상태로 용접해야 하는 치명적인 제작상의 불편함과 복잡함을 가지고 있다.

그러므로 상기 센터형 스트랩(13)과 마그네트론의 특성이 동등 내지 근접수준이면서, 동시에 제작상의 문제를 해결하여 생산성 향상을 가져 올 수 있는 간편한 구조의 스트랩핑 방법이 요구되어진다.

제2 종래기술은 가장 양산성이 좋고 검증된 방법인 1KW 이하인 전자레인지용 마그네트론의 구조를 나타낸 것으로서, 도 3a, 도 3b에 도시된 바와 같이 아노드베인(21)의 상, 하면에 각각 한 개의 홈을 형성하고, 상기 아노드베인(21)을 연결하기 위해 무산소동 재질인 두 개의 다른 직경을 가지고 있는 링 형상의 스트랩(22)(이하 '사이드형 내외스트랩'이라 칭함)을 각각 두 개씩 구비하여 다음과 같이 아노드베인을 연결한다.

상기 직경이 큰 링 형상의 스트랩(22b)(이하 '외스트랩'이라 칭함)중 한 개의 스트랩과 직경의 작은 링 형상의 스트랩(22a)(이하 '내스트랩'이라 칭함)중 한 개의 스트랩을 한쌍으로 하여 정전기장을 유도하기 위해 상기 내, 외스트랩(22a,22b)을 아노드베인(21)의 상, 하면에 격간으로 접촉되도록 상기 스트랩(22)을 아노드베인(21)에 연결한 것이다.

더 상세하게 설명하면 다음과 같다.

상기 아노드베인(21)이 배열된 순서에 따라 홀수번째 위치한 아노드베인(21)의 홈과 짝수번째 위치한 아노드베인(21)의 홈의 위치가 다르게 형성되어 있고, 설명의 편의상 상기 홀수번째 위치한 아노드베인(21)의 홈을 제1 홈(21a)이라 하고, 짝수번째 위치한 아노드베인(21)의 홈을 제2 홈(21b)이라 칭하여 설명하면 다음과같다.

상기 아노드베인(21)의 배열 순서에 따라 홀수번째 아노드베인(21)의 제1 홈(21a)에는 상기 내스트랩(22a)이 위치하게 되어 아노드베인(21)에 접촉되지 않아 전압이 인가되지 않고, 짝수번째 아노드베인(21)에는 제1 홈(21a)이 형성된 위치와 다른 위치에 제2 홈(21b)이 형성되어 있기 때문에 상기 아노드베인(21)의 면상에 상기 내스트랩(22a)이 위치하게 되어 아노드베인(21)에 접촉되므로 전압이 인가된다.

그리고 상기 짝수번째 아노드베인(21)의 제2 홈(21b)에는 상기 외스트랩(22b)이 위치하게 되어 아노드베인(21)에 접촉되지 않아 전압이 인가되지 않고, 홀수번째 아노드베인(21)에는 제2 홈(21b)이 형성된 위치와 다른 위치에 제1 홈(21a)이 형성되어 있기 때문에 상기 아노드베인(21)의 면상에 상기 외스트랩(22b)이 위치하게 되어 아노드베인(21)에 접촉되므로 전압이 인가된다.

상기와 같이 아노드베인(21)의 상, 하면에는 격간을 두어 내외스트랩(22)이 접촉되는데 그 접촉여부는 상, 하면 각각 반대가 된다.

따라서 상기와 같은 구성을 가지고 있기 때문에 제1 종래기술에서 문제시되던 절단부가 발생하지 않고, 아노드베인에 형성된 구멍대신 홈을 형성했기 때문에 스트랩을 구멍에 삽입하지 않아도 되므로 생산성이 향상되고, 제작에 편의성을 제공했다.

하지만 1.7KW이상의 고출력이 발산되도록 상기 제2 종래기술에 고전압을 인가하게 되면 다음과 같은 문제점이 발생된다.

일반적으로 마그네트론의 효율은 70% 수준으로 입력전력의 30% 정도가 열로써 소비하게 되므로 마그네트론의 출력이 높아질수록 아노드측에서 소비되는 열손실이 커지게 되어 고출력 마그네트론의 경우 열적인 안정성을 확보하는 것이 큰 문제이다.

상기 내용을 더 상세히 설명하면 다음과 같다.

1.7KW이상의 고출력이 발산되도록 상기 제2 종래기술에 고전압을 인가하게 되면 고전압에 비례하여 열손실이 많이 발생함으로써 공진부 내에도 심한 열응력이 걸리는데, 그 중에 제일 심한 부분이 바로 사이드형 내외스트랩(22)이다.

그 이유는 음극부에서 발생하는 열전자에 가장 가깝고, 그 열전자의 사이클로이드 운동을 직접 받으며, 재질이 무산동이기 때문이다.

상기 무산소동은 열 전도성도 좋고 진공 상태에 알맞기 때문에 널리 쓰이고 있지만, 이 재질은 변형이 쉽게 일어나고 강도가 약하여 상대적으로 큰 열응력이 인가되면 재질의 본래의 성질로 돌아 갈 수 없을 만큼 변형되어 버리고 이것을 일정시간 사용하면 피로가 누적되어 사이드형 내외스트랩(22)이 파단된다.

즉, 흔히 쓰고 있는 전자레인지용 마그네트론의 출력대에서는 상기 무산소동 내외스트랩(22)이 안정된 수명을 보장할 수 있으나, 고주파 평균출력이 1.7KW를 초과하는 마그네트론에 대해 상기 무산소동 재질의 사이드형 내외스트랩(22)을 사용하는 것은 불가능하다.

본 발명은 고전압을 인가시 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 스트랩의 재질을 개선하여, 열응력에 대한 파단을 미연에 제거하고, 열변형에 따른 주위부재와의 구조적 어긋남을 미연에 방지하며, 저출력뿐만 아니라 고출력의 마그네트론이 구현되도록 하는데 그 목적이 있다.

도 1은 제1 종래기술에 따른 일반적인 마그네트론의 구성을 나타낸 구성도.

도 2a는 제1 종래기술에 따른 마그네트론의 센터형 스트랩과 아노드베인의 결합상태를 나타낸 사시도.

도 2b는 도 2a의 요부 사시도.

도 3a는 제2 종래기술에 따른 마그네트론의 사이드형 스트랩과 아노드베인의 결합상태를 나타낸 사시도.

도 3b는 도 3a의 요부 사시도.

도 4는 1.7KW이상의 고출력이 발산되도록 제1 종래기술, 제2 종래기술 그리고 본발명에 고전압을 인가했을 때 각 스트랩에 대한 열적 구조 안전도를 비교한 그래프.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 직경이 큰 스트랩인 외스트랩과 직경이 작은 스트랩인 내스트랩을 한쌍으로 하여 아노드베인의 상, 하면에 각각 한쌍씩 연결한 것에 있어서,

상기 내스트랩의 재질은 아노드베인의 재질인 무산소동(OFHC)보다 큰 항복강도와 피로강도를 가짐과 동시에, 상기 아노드베인의 재질과 유사한 열팽창계수를 갖도록 스테인레스 스틸로 하여서 이루어진 마그네트론용 스트랩이다.

상기와 같이 스테인레스 스틸로 이루어진 마그네트론용 스트랩은 온도의 변화에 따른 열응력에 강한 재질로써 팽창 또는 수축으로 인해 발생하는 부재 자체의 반복 피로를 줄여 부재의 영구변형 또는 파단을 방지하도록 함과 동시에, 서로 구조적으로 구속되어 있는 아노드베인, 아노드본체 그리고 사이드형 내외스트랩(22)의 열팽창계수를 유사하게 하여 열팽창계수 차에 따른 크랙을 방지하도록 한 마그네트론용 스트랩이다.

상기 내용을 더 구체적으로 설명하기 위해 도 4를 참조하면 다음과 같다.

도 4는 1.7KW이상의 고출력이 발산되도록 제1 종래기술, 제2 종래기술 그리고 본발명에 고전압을 인가했을 때 각 스트랩에 대한 열적 구조 안전도를 비교한그래프이다.

도 4에 도시된 (A)는 제1 종래기술로서 상, 하스트랩(13a,13b)의 재질이 모두 스테인레스 스틸로 이루어진 센터형 스트랩(13)이고, (B)는 본발명으로서 내스트랩(22a)의 재질은 스테인레스 스틸이고, 외스트랩(22b)의 재질은 무산소동으로 이루어진 사이드형 스트랩(22)이다.

그리고 (C)는 제2 종래기술로서 내, 외스트랩(22a,22b)의 재질이 모두 무산소동으로 이루어진 사이드형 스트랩(22)이다.

또한, 구조 안전도란 상기 (A), (B), (C)의 실험치 관계를 상대적으로 비교하여 나타낸 값으로 1.0에 가까울수록 안전도는 크다.

상기 (A), (B), (C)의 안전도 비교를 위해 각 (A), (B), (C)가 적용된 1.7KW이상의 고출력 마그네트론에 고전압을 가하여 실험한 결과는 다음과 같다.

도 4의 막대그래프에 도시된 바와 같이 (A)는 거의 1에 가까운 결과치를 보이고 있지만, 제1 종래기술에서 언급한 바와 같이 조립이 어렵다는 문제점을 가지고 있기 때문에 적용이 곤란하고, (B)는 거의 (A)에 가까운 결과치를 보이고 있기 때문에 구조안전도가 크다고 할 수 있을 뿐만 아니라 제2 종래기술의 구조를 채택했기 때문에 조립이 용이하여 적용이 가능하다.

하지만 (C)의 구조안전도 계수를 보면 (A)와 (B)에 비해 크게 떨어지기 때문에 고전압이 사용되는 마그네트론에 (C)의 경우를 적용하는 것은 곤란하다.

그래서 본 발명은 제2 종래기술인 사이드형 내외스트랩(22)을 구비한 마그네트론에 내스트랩(22a)의 재질을 스테인레스 스틸로 하여 이루어진 것이다.

상기와 같이 이루어진 본 발명은 조립이 용이하며, 1.7KW 이상의 고출력을 얻을 수 있기 때문에 향후 본 발명의 파급효과가 크다.

상기 내용을 부연 설명하면 다음과 같다.

제2 종래기술인 사이드형 내외스트랩(22)은 조립이 용이하지만, 1.7KW 이상의 고출력이 발산되도록 고전압을 인가하게 되면 음극부(15)에서 상당한 열전자가 방출됨과 동시에 열전자는 사이클로이드 운동을 하게 되므로 음극부에서 가장 가까운 내스트랩(22a)이 온도변화에 따른 열응력에 가장 취약하게 된다.

그리고 열응력 시험 결과, 마그네트론에서 가장 열응력에 취약하여 문제가 되는 부분이 사이드형 내외스트랩 중에서 내스트랩(22a)인 것으로 나타났다.

물론 사이드형 외스트랩(22b)도 타 부위에 비해서는 약하지만, 상기 내스트랩(22a)에 비해서는 상대적으로 안정적이다.

따라서 상기 사이드형 내스트랩(22a)의 재질을 도 4에 도시된 바와 같이 열에 대한 항복강도 및 피로강도가 무산소동보다 뛰어난 스테인레스 스틸을 사용한 것이다.

즉, 무산소동(OFHC)의 항복응력은인 반면, 스테인레스 스틸(STS304)의 항복응력은 무려 상기 무산소동보다 4배 가량 큰임에 따라, 스테인레스 스틸은 무산소동보다 열응력(재료가 온도의 변화에 따라서 팽창 또는 수축하기 때문에 발생하는 응력)에 강함을 알 수 있다.한편, 실제로 상기한 강도측면에서 보면, 스테인레스 스틸보다 강한 재질들이 많이 존재하지만, 열팽창 정도와 강도측면을 동시에 고려하여 보면 여러 가지 시험결과 스테인레스 스틸이 온도변화에 대한 구조 안전도가 가장 좋다고 판명되었다.

왜냐하면 스테인레스 스틸은 항복강도와 피로강도 등이 우수할 뿐만 아니라 열팽창계수가 기존의 재질인 무산소동과 거의 유사한 독특한 성질이 있기 때문이다.즉, 무산소동(OFHC)의 열팽창계수는[/℃]이고, 스테인레스 스틸(STS304)의 열팽창계수는[/℃]임에 따라, 열팽창계수가 거의 동일함을 알 수 있다.요컨대, 상기 내용을 종합하여 보면, 본 발명에 따른 내스트랩에 채용된 스테인레스 스틸은 다음과 같은 우수성을 가진다.첫째, 스테인레스 스틸이 항복강도와 피로강도가 우수함에 따라, 온도변화에 따른 팽창 및 수축으로 발생하는 열응력에 의한 내스트랩 자체의 영구변형 또는 파단을 방지할 수 있다.둘째, 사이드형 내외스트랩(22)의 열팽창계수와 아노드베인(21)과 아노드 본체(11)의 열팽창계수가 거의 유사함에 따라, 마그네트론의 공진부 내에서 서로 구조적으로 구속이 되어 있는 사이드형 내외스트랩(22)과, 아노드베인(21) 그리고 아노드본체(11)가 음극부(15)에서 형성된 열전자에 의해 팽창과 수축을 반복하므로 이로 인해 발생하는 구조적 어긋남을 미연에 막아 그에 따른 크랙을 방지할 수 있다.

이에 따라, 열응력이 작용해도 구조적 안전성을 기하려면 사이드형 내스트랩(22a)의 재질을 무조건 강한 것으로 선택하는 것은 악영향을 미치므로, 가장 최상의 재질은 항복강도와 피로강도가 좋으면서 열팽창계수 또한 거의 유사하여 아노드본체(11)와 아노드베인(21)에 구조적 어긋남 없이 팽창과 수축하도록 사이드형 내스트랩(22a)의 재질을 스트레인레스 스틸로 하는 것이 적합하다.

한편, 내스트랩(22a)과 외스트랩(22b)의 재질을 스테인레스 스틸로 한 1,7KW이상의 고출력 마그네트론에 고전압을 인가할 경우 구조적으로 구속된 여러 부재와는 다소 구조적 어긋남이 발생하지만 그 양이 매우 미세하고, 열응력에는 아주 강한 것으로 시험 결과 나타났기 때문에 외스트랩(22b)의 재질도 스테인레스 스틸로 할 수 있다.

본 발명은 열응력에 강한 내열성을 가진 재질이기 때문에 계속되는 온도변화에 따른 피로에 의해 발생하는 영구변형 및 파단을 막을 수 있다.

그리고 상기 재질은 서로 구조적으로 구속되어 있는 부재들과 열팽창계수가 유사하여 열팽창 차에 의해 구속된 부재들의 어긋남으로 발생하는 크랙을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명은 1KW 이하의 저출력 마그네트론 뿐만 아니라 1.7KW 이상의 고출력 마그네트론에도 적용될 수 있기 때문에 적용범위가 넓다.

Claims (2)

1. 아노드베인에 정전기장을 형성하기 위해 각 아노드베인의 상, 하면에 격간으로 접촉하여 각 아노드베인을 연결하는 링 형상의 무산소동 재질인 외스트랩과,

   상기 외스트랩이 접촉되지 않은 나머지 아노드베인을 접촉하도록 외스트랩 내측에 동심원을 이루도록 설치되며, 열응력에 강하고 이와 함께 아노드베인과의 구조적 열변형이 동일하게 일어나도록 스테인레스 스틸로 된 내스트랩을 포함하여 구성된 마그네트론.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 스테인레스 스틸이 적어도 하나의 외스트랩에도 적용됨을 특징으로 하는 마그네트론.