KR100346420B1 - 마그네트론 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고출력 마그네트론에 관한 것으로서, 특히 원통형상으로 이루어져 음극부의 주위에 배치되고, 내벽에 방사상으로 부착된 복수개의 베인 설치되어 있는 애노드 본체가 구비된 마그네트론에 있어서, 상기 애노드 본체는 내경이 40~43mm이고, 두께가 2.8mm 이하로 형성된 것을 특징으로 함으로써, 애노드 본체의 두께를 줄이면서도 열적 성능을 향상시켜 열적 안전성이 높아지고 수명이 길어지는 동시에 생산 원가를 절감할 수 있는 마그네트론을 제공하는 데 있다.

Description

마그네트론{The magnetron}

본 발명은 고출력 마그네트론에 관한 것으로서, 특히 애노드 본체의 내경 및 두께를 변경함으로써 열응력이 최소화되어 열적으로 안정된 양극부를 이루도록 하는 마그네트론에 관한 것이다.

일반적으로 마그네트론은 일정량의 양극전압과 전류를 인가할 때 발생되는 마이크로파를 외부로 전송하는 장치로서, 전자레인지용 마이그네트론과 고출력 마그네트론으로 구분된다. 전자레인지용 마그네트론은 말 그대로 전자레인지에서 고주파를 발생시키는데 사용되며, 고출력 마그네트론은 출력이 매우 커서 주로 산업용으로 사용된다. 마그네트론은 상당한 열을 수반하기 때문에 이를 냉각시키기 위한 냉각기구를 갖고 있는데, 전자레인지용 마그네트론은 주로 공랭식이고 고출력 마그네트론은 공랭식과 수냉식 및 액냉식이 고루 사용된다. 공랭식을 사용하는 고출력 마그네트론은 그중 출력이 낮은 것이며, 그보다 출력이 높은 경우에는 수냉식이나 액냉식 냉각방법을 이용하여 마그네트론이 과열되지 않게 한다.

공랭식 냉각방법을 사용하는 고출력 마그네트론은 도 1에 도시된 바와 같이 내부에 위치되고 일정량의 양극전압과 양극전류가 인가될 때 내부의 베인(12)과 스트랩(13)의 공진회로를 구성하는 양극부와, 상기 양극부의 안쪽에 설치되어 다량의 열전자를 발산하고 상기 베인(12)의 끝단과의 작용공간에서 마이크로파가 발생되도록 하는 음극부(14)와, 상기 작용공간에서 발생된 마이크로파를 외부로 전송시키는 안테나(15)와, 상기 양극부의 외주면에 설치되고 마이크로파로 전환되지 않은 잔류 에너지가 변환된 열을 방열시키는 다수의 냉각핀(16)과, 상기 양극부 및 냉각핀(16)을 보호 및 지지하고 외부공기를 냉각핀(16)으로 안내하는 요크(17,18)와, 상기 양극부가 설치된 요크(17,18)의 상하부에 위치되어 자기 폐회로를 구성하는 영구자석(19)과 필터박스(20)로 구성된다.

상기 양극부는 원통형의 애노드 본체(11)와, 상기 애노드 본체(11)의 내부에 설치된 복수개의 베인(12) 및 상기 베인(12)을 관통하여 설치되고 베인(12)과의 사이에 공진회로를 형성하는 스트랩(13)으로 구성된다.

상기와 같이 구성된 고출력 마그네트론은 고주파인 마이크로파를 발생시켜 시스템으로 전송하고 있다.

요크(17,18) 내부에 위치된 애노드 본체(11)에 일정량의 양극전압과 양극전류를 인가하면 진공상태로 밀봉된 애노드 본체(11)의 내부에서는 베인(12)과 스트랩(13)에 의한 공진회로가 구성된다. 공진회로가 구성되면 베인(12)의 끝단과 음극부인 필라멘트(14) 사이의 작용공간에서는 마이크로파가 발생되며, 이 마이크로파는 안테나(15)를 통해 시스템으로 전송된다.

이때, 작용공간에서 발생된 에너지의 대부분은 마이크로파로 전환되나 일부의 에너지가 잔류되어 열손실로 변환되는 바, 이 변환된 열이 작용공간에서 베인(12)에 전도되어 밀봉된 상기 애노드 본체(11)의 외부로 발산된다. 상기 애노드 본체(11)의 외주면에는 다수의 냉각핀(16)이 결합되어 애노드 본체(11)를 보호/지지하는 요크(17,18)의 내벽과의 사이에 설치되어 있으므로, 애노드 본체(11)를 통해 방사되는 열은 애노드 본체(11)의 외주면에 설치된 다수의 냉각핀(16)에 의하여 효율적으로 냉각된다.

여기서, 상기 마그네트론의 냉각방식에 팬에 의한 강제 냉각방식임을 알 수있다. 팬에 의해 냉각유체가 송풍되면 요크(17,18)가 송풍된 냉각유체의 공기를 냉각핀(16) 측으로 안내하여 방열을 더욱 빠르게 한다. 따라서, 마그네트론의 성능에 악영향을 주는 열영향을 배제할 수 있게 되고, 열에 의한 마그네트론의 성능저하를 방지할 수 있게 된다.

상기한 바와 같은 고출력 마그네트론 양극부의 열적 역학관계를 살펴보면, 도 2에 도시된 바와 같이 음극부(14)가 가열되면 마이크로웨이브로 생성되는 에너지 이외의 열손실분의 에너지가 열로 변환되어 베인(12)에 전달된다.

이때, 상기 베인(12)은 열변형되어 반경 방향으로 늘어나게 되고, 베인(12)에 접합되어 있는 스트랩(13)에도 열이 전달되면서 역시 반경 방향으로 늘어나게 되는데, 상기 스트랩(13)은 지그재그 형식으로 베인(12)에 접합되어 있으므로 접합된 스트랩(13) 부위는 베인(12)이 늘어나는 값과 스트랩(13)이 늘어나는 값의 상쇄분만큼의 응력값을 가지고 스트랩(13)과 베인(12)에 변형을 주게 된다.

그리고 상기 베인(12)에 접합되지 않은 스트랩(13)부위는 원래 변형분에다 접합된 스트랩(13)부위의 고정력 때문에 변형이 심하게 된다.

이와 같은 역학관계에다 애노드 본체(11)가 열전달에 의해 늘어나는 자체의 변형에 따라 베인(12)의 변형이 영향을 받게 되는 데, 예를 들어 베인(12)의 변형이 애노드 본체(11)의 변형값을 능가할 때는 베인(12)은 다시 중심쪽으로 수축력을 받게 되고, 반대로 베인(12)의 변형이 애노드 본체(11)의 변형보다 작으면 자연스럽게 반경 방향으로 애노드 본체(11)를 따라 움직이게 된다.

상기와 같이 양극부를 구성하는 부품간의 복잡한 역학 관계로 인한 변경과,이 변형을 막으려는 힘이 공존하게 되어 부품들은 상쇄된 값만큼 주어진 열응력(Thermal Stress)을 감당해 내야 한다.

이와 같은 관계에서 가장 응력 집중이 되는 동시에 수명 시험에서 제일 먼저 피로파괴에 이르는 부품이 스트랩(13)인 바, 마그네트론의 수명은 일반적으로 음극부(10)의 수명 및 상기 스트랩(13)의 수명이 좌우하게 된다. 그래서, 마그네트론 제품 중 각 출력대별로 열적측면에서 최적의 부품치수설계분들이 존재할 것이라 예상된다.

여기서, 종래 기술의 고출력 마그네트론은 통상 1.7KW이상으로 출력이 높은 것과 비례하여 열손실이 높아짐으로써 도 3에서와 같이 애노드 본체(11)의 두께(Dt)를 약 3.5∼4.0㎜, 평균 3.8㎜ 정도로 설계하였다.

그러나, 상기와 같이 애노드 본체(11)의 두께(Dt)를 형성하게 되면 양극부에 열이 전달될 때 양극부의 구성체인 베인(12)과 스트랩(13)의 열변형과 애노드 본체(11)의 변형이 상호 복잡한 역학구조를 갖고 연동되어 움직이므로 종래와 같이 과도한 애노드 본체(11)의 두께(Dt)는 오히려 열적 안전성에 악영향을 미치고 또한 재료비의 상승을 가져오는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 애노드 본체의 두께를 줄이면서도 열적 성능을 향상시켜 열적 안전성이 높아지고 수명이 길어지는 동시에 생산 원가를 절감할 수 있는 마그네트론을 제공하는 데 있다.

상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 마그네트론은, 원통형상으로이루어져 음극부의 주위에 배치되고, 내벽에 방사상으로 부착된 복수개의 베인 설치되어 있는 애노드 본체가 구비된 마그네트론에 있어서, 상기 애노드 본체는 내경이 40~43mm이고, 두께가 2.8mm 이하로 형성된 것을 특징으로 한다.

도 1은 일반적인 고출력 마그네트론이 도시된 구성도,

도 2는 종래 기술의 고출력 마그네트론이 양극부가 도시된 평면도 및 단면도,

도 3은 종래 기술의 애노드 본체의 두께 상태를 나타낸 도면,

도 4는 본 발명에 따른 마그네트론의 애노드 본체의 내경 및 두께 상태를 나타낸 단면도,

도 5는 애노드 두께에 따른 열구조 안전도 비교 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

51 : 애노드 본체 52 : 베인

53 : 스트랩

Db : 내경 Dt : 두께

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명에 따른 마그네트론의 양극부가 도시된 단면도이다.

본 발명의 마그네트론의 양극부는 원통형상으로 이루어져 음극부의 주위에 배치된 애노드 본체(51)와, 상기 애노드 본체(51)의 내벽에 방사상으로 부착된 다수개의 베인(52)과, 상기 베인(52)을 관통하여 설치되고 베인(52)과의 사이에 공진회로를 형성하는 스트랩(53)으로 구성된다.

이와 같이 양극부를 갖는 고출력 마그네트론은 고주파인 마이크로파를 발생시켜 시스템으로 전송하게 된다.

특히 상기 애노드 본체(51)는 내경(Db)이 40~43mm이고, 두께(Dt)가 2.8mm 이하로 형성되고, 이중에서도 상기 애노드 본체(51)의 두께(Dt)는 2.2 ~ 2.8mm로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기와 같은 애노드 본체(51)의 내경(Db) 및 두께*Dt)의 최적 치수 설계 과정을 설명하면 다음과 같다.

900W급의 마그네트론은 애노드 본체의 내경(Db)이 약 35㎜대의 설계치를 가지고 있고, 출력이 상승함에 따라 비례적으로 애노드 본체의 내경(Db)이 커진다. 그래서, 본 발명에서와 같이 정격 1.7㎾이상의 출력을 가지는 고출력 마그네트론에서는 애노드 본체(51)의 내경(Db)이 약 40∼43㎜를 갖도록 설계한다.

참고로, 열응력(Thermal Stress)은 단위 면적당 받는 힘으로 열에너지에 의해 구조물에서 변형(Displacement)에 의해 받는 힘이고, 단위는 [N/m2]로 표시된다.

그리고, 열적 구조 안전도 계수(R)는 구조물이 받는 열응력을 재질이 갖는 고유의 값인 항복응력(Yielding Stress)과의 관계로 정의한 상대치로써 다음과 같이 정의할 수 있다.

열적구조 안전도(R)＝1-{(구조가 받는 열응력)/(구조재질의 항복응력)}

여기서, 상기 항복응력(Yielding Stress)은 재료가 인장 및 수축이 될 때, 처음상태로 복원이 되는 탄성영역에서 복원이 되지 않고 늘어져 있는 소성영역으로 변하는 시점의 응력값이다.

그래서, 상기 안전도 계수(R)는 값이 작을수록 더욱 열적으로 안전하다고 볼 수 있다.

상기 애노드 본체(51)의 내경(Db)이 41㎜일 때, 애노드 본체(51)의 두께(Dt)를 가변하면서 열응력을 시험한 결과는 도 5와 같은 결과를 얻을 수 있었고, 애노드 본체(51)의 내경이 40㎜ 또는 43㎜의 경우에도 거의 동일한 실험결과를 얻을 수 있었다.

이 시험을 통하여 애노드 본체(51)의 내경(Db)이 40∼43㎜의 마그네트론에서 애노드 본체(51)의 두께(Dt)가 2.8㎜이하로 설계하는 것이 열응력을 최소화하여 구조 안전도가 우수하다는 것을 알 수 있었다.

도 5는 애노드 본체의 두께(Dt)별 열구조 안전도 계수값(R)을 표시해 주고 있는 바, 종래의 애노드 두께(Dt)인 3.8㎜에서는 2.2∼2.8㎜대의 두께보다 안전도 계수(R)가 높아 열응력을 많이 받으므로 구조가 불안전하고, 수명이 짧아지게 됨을 확인할 수 있었다.

그런데, 마그네트론의 특성중에 제작 공정상 애노드 본체(51)에 냉각핀을 강제 압입시키게 되는데, 이때 애노드 본체(51)에 큰 힘이 걸리게 되면서 공진 주파수가 변화되고 전체적인 전기적 안정도와 결합도 등 여러 특성이 불량해질 가능성이 크므로 상기 애노드 본체(51)는 어느 정도의 기계적 강도는 가지고 있어야 한다.

이와 같은 이유 때문에 애노드 본체의 두께(Dt)를 일정 이하로 줄일 수는 없으므로 냉각핀이 압입에 의한 애노드 본체(51)의 기계적 강도를 시험해 본 결과 두께(Dt)가 약 2.2㎜이상에서 안정됨을 확인할 수 있었다.

따라서, 애노드 본체의 내경(21,Db)이 40∼43㎜대를 가지는 고출력 마그네트론에서 두께(Dt)가 2.2∼2.8㎜내에서 설계를 하면 가장 열응력이 최소화되고 안전한 구조가 된다는 것을 확인할 수 있게 된다.

상기한 바와 같은 본 발명의 마그네트론은 애노드 본체의 내경(Db)을 40~43mm로 하고, 두께(Dt)를 2.8mm 이하로 형성함으로써 본체의 두께를 줄이면서도 열적 안전성이 향상되어 수명이 길어지고, 재료비를 절감하여 원가를 절감할 수 있는 이점이 있다.

Claims (2)

1. 원통형상으로 이루어져 음극부의 주위에 배치되고, 내벽에 방사상으로 부착된 복수개의 베인 설치되어 있는 애노드 본체가 구비된 마그네트론에 있어서,

   상기 애노드 본체는 내경이 40~43mm이고, 두께가 2.2 ~ 2.8mm로 형성된 것을 특징으로 하는 마그네트론.
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