KR20040011638A

KR20040011638A - 마그네트론

Info

Publication number: KR20040011638A
Application number: KR1020020044453A
Authority: KR
Inventors: 손종철; 보리스
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2002-07-27
Filing date: 2002-07-27
Publication date: 2004-02-11
Also published as: US20040016753A1; DE60227800D1; EP1391908B1; EP1391908A2; US6759639B2; JP2004063441A; CN1471125A; EP1391908A3

Abstract

본 발명은 전자렌지 마그네트론의 스트립 링에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전자렌지의 마그네트론 발진 주파수가 2450MHz인 경우의 스트립 링의 기하학적 구조를 변경하여 마그네트론의 효율을 상승시키기 위한 것이다.

본 발명은, 양극바디, 상기 양극바디 내부에 양극바디와 함께 양극부를 구성하는 복수개의 베인, 상기 배인을 교번으로 접속시키며 상기 배인의 상단 및 하단에 마련되는 대지름 스트립 링과 소지름 스트립 링을 포함하는 전자렌지에 사용되는 마그네트론에 있어서, 상기 대지름 스트립 링의 내경은 17.1mm 내지 18.01mm로 외경은 18.6mm 내지 19.6mm으로 마련되며, 상기 소지름 스트립 링의 내경은 13.4mm 내지 14.4mm로 외경은 14.9mm 내지 15.9mm로 마련되고, 상기 대지름 스트립 링과 소지름 스트립 링의 높이는 1.50mm 내지 1.60mm 로 마련되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 양질의 마그네트론을 구성하여 노이즈를 저감시켜 마그네트론의 효율을 상승시키는 효과가 있다.

Description

마그네트론{MGNETRON}

일반적으로, 마그네트론이란 자전관(磁電管)이라고도 하며 양극과 음극이 배치되며 음극으로부터 열전자가 방출되어 전자기력에 의하여 나선운동을 하며 양극에 도달하게 된다. 이때 음극 주위에는 전자에 의한 회전전자극이 생기고 양극의 진동회로에는 유도전류가 생겨서 진동이 자극되어 지속한다. 발진 주파수는 대부분 진동회로에 의해 정해지고 고능률이며, 또한 대출력을 얻는다. 주로 고주파가열, 입자가속기, 레이더 등의 산업응용을 비롯하여 전자레인지와 같은 가정용 기기에도 부품으로서 널리 사용된다.

상기와 같은 마그네트론에 대한 일반적인 구성 및 작용을 도1 내지 도3을 참조하여 간략히 설명한다.

일반적으로 마그네트론은 도1에서 도시되어진 바와 같이 무산소 동 파이프 등에 의해 원통형으로 된 양극바디(positive polar cylinder, 101)의 내부에 상기 양극바디(101)와 함께 양극부(positive polar section)를 구성하는 복수개의 배인(vanes, 102)이 공동공진기를 형성하기 위하여 축심방향을 향하여 동일한 간격으로 배치되고 이 중 하나의 배인(vane, 102)에는 외부로 고조파를 유도하는 안테나(103)가 접속되어 있으며, 상기 배인(102)은 도2에 도시된 바와 같이 상하 각각대지름, 소지름을 가지는 2개의 스트립 링(strip rings, 201a, 201b)에 의하여 상기 배인(102)이 하나 간격으로 동일전위가 되도록 교번적으로 접속 배치되는데, 이와 같은 스트립 링(201a, 201b)의 접속을 위해 상기 배인에는 직각형태의 배인 홈(202)이 형성되어 있고, 이러한 스트립 링(201a, 201b)을 교번 접속시키기 위한 상기 배인 홈(202)의 형성에 의하여 상호 이웃하여 마주보는 배인(vanes, 102)간에는 서로 구조가 뒤집히는 구성을 가지게 된다. 상기와 같은 구성에 의해 서로 마주보는 배인(102)과 이를 연결하는 양극바디(101)는 일정한 LC공진회로를 구성시키는 것이다. 또한 상기 양극바디(101)의 축심에는 코일 스프링 형태의 필라멘트(filanemt, 106))가 마련되고 이러한 필라멘트(106)와 상기 배인(102)의 선단면과는 작용공간(activating space, 107)이 형성되어 있다. 상기 필라멘트(106)의 양단부에는 상부 실드(top shield, 108)와 하부 실드(lower shield, 109)가 각각 고착되어 있는데 상기 하부 실드(109)의 중앙부에는 중앙지지체인 센터리드(center lead, 110)가 하부 실드(109)의 중앙부에 형성된 관통구멍 및 상기 필라멘트(106)를 관통하여 상기 상부 실드(108)의 하단부에 용접 고착되어 있고, 또한 상기 하부 실드(109)의 바닥면에는 사이드리드(side lead, 111)가 용접 고착되는데 이들 리드(110, 111)는 외부전원 단자와 연결되어 있어 상기 마그네트론에 일정한 전기 폐회로를 구성시킨다. 한편으로 상기 작용공간에 자계를 인가시키기 위해 다른 극이 서로 마주 보도록 상부 영구자석(112) 및 하부 영구자석(113)이 마련되며, 이러한 영구자석(112, 113)에 의해 발생하는 회전하는 자속을 상기 작용공간(107)상에 유도하기 위한 상부 폴피스(117) 및 하부 폴피스(118)가 마련되고, 상기와 같은 모든 구성들은 상부 요크(upper yoke, 114) 및 하부 요크(lower yoke, 115)에 의해 덥혀진다. 미 설명부호 116은 상기 양극바디(101)와 상기 하부 요크(115)를 연결하여 상기 양극바디(101)에서 발생하는 열을 상기 하부요크(115)를 통해 외부로 방출하는 냉각핀이다.

상기와 같은 구성에 의해 필라멘트(106)에 외부 전원이 인가되면 상기 필라멘트(106)에 제공되는 동작전류에 의해 필라멘트(106)가 가열되어 필라멘트(106)로부터 열전자가 방출되고, 방출된 열전자에 의해 작용공간에는 도3에 도시되어진 바와 같이 전자군(301)이 형성된다. 이러한 전자군(301)은 상기 작용공간(107)에 형성되는 자계의 영향으로 회전 운동을 하면서 전체적으로는 처음상태(i)에서 다음 상태(f)로 상기 배인(102)의 선단부에 접하면서 상기 이웃하는 배인(102)간에 전기적인 전위차를 교번적으로 인가시키게 된다. 즉 상기 전자군(301)과 접하는 상태에 있는 배인(102)은 전위가 낮아지게 되는 것이다. 이리하여 상기 전자군(301)이 회전하는 속도에 상응하는 고조파가 상기 배인(102)과 양극바디(101)가 형성하는 LC공진회로에 의한 진동에 의해 발생되어 상기 안테나(103)를 통해 외부로 송출되어 나간다.

일반적으로 주파수(f)는에 의해서 결정되는 데 상기에서 L은 인덕턴스를 C는 커패시턴스를 말하고 이들 값은 회로소자의 기하학적인 구조에 의하여 결정되는 값이므로 LC공진회로를 구성하는 배인의 구조는 고조파의 주파수를 결정하는 중요한 요소인 것이다.

그런데 이러한 전자렌지용 마그네트론의 발진 주파수는 고정되어 2450MHz가 사용되고 있는데 전자렌지용 마그네트론은 고정주파수이기 때문에 초기 마그네트론을 만들때 2450MHz부근으로 되도록 세밀하게 조정되어 있다. 그러나 고정 주파수 이기는 하나 실제의 동작 조건하에서는 부하의 변동에 의해 발진 주파수는 변화하여 중심주파수에 대하여 약10~15MHz 정도 변동한다. 실제 마그네트론에서 발진되는 주파수는 여러 가지를 발생시키나 주파수의 측정치는 가장 강력한 세력이 주파수를 특정하고 이 값을 그 마그네트론의 주파수로 부르고 있는 것이다. 양극바디(101)에서 초기 마그네트론에 주파수를 설정하기 위해서는 배인(102)도 중요하지만, 상기 배인(102)을 교번적으로 연결하여 교번 배치된 각 배인(102)이 서로 동일 전위가 되도록 하기 위한 대지름 스트립 링(104) 및 소지름 스트립 링(105) 또한 배인(102)의 전기적 위상이 교번적으로 전환됨에 따라 함께 전환되어지므로, 상기스트립 링(104, 105) 또한 전기적 위상이 교번적으로 전환되며 전기적 공진을 하게 된다. 이러한 경우 마주보고 있는 대지름 스트립 링(104)과 소지름 스트립 링(105) 간에는 일정 값의 정전용량이 존재하고 이들 사이에는 일정한 전기적 진동이 일어나므로 이에 의하여 흔히 기생 주파수라고 하는 불요주파수가 발생하게 된다. 따라서 스트립 링(104, 105)에 의하여서도 세부 주파수를 설정하게 되는데, 마그네트론에서 세부 주파수를 설정하기 위해 고정되어 있는 스트립 링(104, 105)은 그 형상과 크기에 의해 양 스트립 링(104, 105) 간의 정전용량이 정하여지고, 이에 따라 정전용량과 관계하는 주파수가 생성되므로 따라서 양 스트립 링(104, 105)의 형상과 크기를 조율함으로서 주파수를 조정가능토록 되어 있고, 전체가 대칭되는 구조가 요구되어진다. 일반적으로 주파수의 변경은 실제 마그네트론의 효율을 결정하는 Q값(Quality Factor)을 변경시켜 실질적으로 마그네트론의 효율을 변경하는 특성을 가진다.

그런데, 종래의 스트립 링은 대지름 스트립 링(104)의 경우에는 내경:17.2mm, 외경:18.6mm, 두께:0.7mm, 높이: 1.5mm 이고, 소지름 스트립 링(105)의 경우에는 내경:13.9mm, 외경:15.35mm, 두께:0.725mm, 높이: 1.5mm 인 기하학적 구조를 가졌다. 이러한 구조에 의한 마그네트론의 효율을 결정하는 Q값은 1,850 정도였고, 마그네트론 발진 주파수를 2450MHz로 유지한 상태에서 이러한 Q값을 높이기 위한 연구가 지속되어져 왔다.

본 발명은 전술한 Q값을 상승시키기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 대지름 및 소지름 스트립 링의 기하학적 구조를 변경시킴으로서 주파수를 변경하고 Q값을 상승시킴으로서, 마그네트론에서 발진되는 주파수의 양질을 도모하고 효율을 향상시키는데 있다.

도1은 일반적인 전자렌지의 마그네트론을 도시한 측단면도이다

도2는 도1의 주요부를 도시한 상단면도이다.

도3은 도2에서의 전자군의 형성을 표현한 상단면도이다.

도4는 본 발명의 실시례에 따른 스트립 링을 도시한 상면도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

401: 대지름 스트립 링402: 소지름 스트립 링

a: 대지름 스트립 링의 높이

b: 대지름 스트립 링의 내경

c: 대지름 스트립 링의 외경

d: 소지름 스트립 링의 높이

e: 소지름 스트립 링의 내경

f: 소지름 스트립 링의 외경

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 양극바디, 상기 양극바디 내부에 양극바디와 함께 양극부를 구성하는 복수개의 베인, 상기 베인을 교번으로 접속시키며 상기 베인의 상단 및 하단에 마련되는 대지름 스트립 링과 소지름 스트립 링을 포함하는 전자렌지에 사용되는 마그네트론에 있어서, 상기 대지름 스트립 링의 내경은 17.1mm 내지 18.01mm로 외경은 18.6mm 내지 19.6mm으로 마련되며, 상기 소지름 스트립 링의 내경은 13.4mm 내지 14.4mm로 외경은 14.9mm 내지 15.9mm로 마련되고, 상기 대지름 스트립 링과 소지름 스트립 링의 높이는 1.50mm 내지 1.60mm 로 마련되는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 본 발명에 따른 바람직한 실시례를 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

도4는 본 발명에 따른 대지름 스트립 링과 소지름 스트립 링을 도시한 것으로, 도4에서, 지름이 큰 링이 대지름 스트립 링(401)이고, 지름이 작은 것이 소지름 스트립 링(402)이다.

부호a는 대지름 스트립 링(401)의 상단과 하단의 차이, 즉, 대지름 스트립(401) 링의 높이를 말하고 부호b는 대지름 스트립 링(401)의 내경을 부호 c는 대지름 스트립 링(401)의 외경을 말한다. 또한 상기 대지름 스트립 링(401)의 외경과 내경의 차, 즉 c - b는 대지름 스트립 링(401)의 두께를 말하기로 한다.

상기 대지름 스트립 링(401)의 기하학적 구조에 대응하여 본 발명에 따른 소지름 스트립 링(402)에 대한 부호d는 소지름 스트립 링(402)의 두께를, 부호e는 소지름 스트립 링(402)의 내경을, 부호f는 소지름 스트립 링(402)의 외경을 말하며, 상기 소지름 스트립 링(402)의 외경과 내경의 차, 즉, f - e는 소지름 스트립 링(402)의 높이를 말하기로 한다.

이 때, 본 발명에 따른 실시례로 마련되는 대지름 스트립 링(401) 및 소지름 스트립 링(402)의 기하하적 구조에 대하여 상기 부호에 따른 수치값을 설정하면,다음의 표와 같다.

	내경	외경	두께	높이
대지름 스트립 링	17.60mm	19.10mm	0.75mm	1.60mm
소지름 스트립 링	13.90mm	15.40mm	0.75mm	1.60mm

상기의 수치에서 보여지는 바와 같이 양 스트립 링(401, 402) 간의 거리는 대지름 스트립 링(401)의 내경과 소지름 스트립 링(402)의 외경간의 거리로 2.20mm가 된다. 이에 따른 상기와 같은 본 발명에 따른 실시례에 대한 작용에 대하여 살펴보면, 마이크로파 진공관인 마그네트론에 있어서, 양극바디에서 형성되는 마이크로파 공진 주파수는 베인간의 형상과 스트립 링(401, 402)의 형상이 대단히 중요하다. 이는 종래 기술에서도 살펴보았듯이, 상기와 같은 구조적 형상들이 마그네트론의 공진 주파수를 결정하는 요소들이기 때문이다. 즉, 공진기에서 주파수는 종래기술에서 보여진 대로 정전용량에 관계하고, 이러한 정전용량 값은 커패시터를 구성하는 양 도체간의 거리 및 크기 등 기하학적 구조하고만 관계하여 정하여지는 상수값이기 때문이다. 따라서 이러한 기초적 지식을 기반으로 하여 양극바디내에 존재하는 Unloaded Q값은 다음과 같은 수식에 의해 구해진다.

--------- ①

상기 ①식에서, Qu는 Unloaded Q값을 말하고, Qr은 싱글 공진기에서의 Unstrapped Q-Factor 즉, 스트립 링이 마련되지 아니한 상태에서의 Q-Factor를 말하는데 이러한 Qr값은 다음과 같은 수식에 의하여 구해진다.

----------------- ②

또한, 상기 ①식에서 Qs는 스트립 링에 의한 Q-Factor로서 다음과 같은 식에 의하여 구해진다.

--------------------------- ③

상기 ①, ②, ③식에서 미설명 부호는 다름과 같다.

Cs : 스트립 링에 의해 결정된 정전용량

Cr : 싱글 공진기에서의 Unstrapped 공진 정전용량

Ct : 양극바디에서 한개 공진기의 정전용량

ds : 소지름 스트립 링(402)과 대지름 스트립 링(401) 간의 거리

Ro : 중심에서 배인 선단면 까지의 반경

Rv : 양극바디의 내반경

N : 공진기 수

lambda pi : pi -mode 에서의 파장

상기의 식에서 보는 바와 같이 대지름 스트립 링(401)및 소지름 스트립 링(402) 상에서 존재하는 정전용량 값은 전체 Q-Factor값에 비례하고 Q-Factor는 효율에 비례하기 때문에 마그네트론의 효율이 상승하는 결과를 가지게 된다. 그런데 상기 대지름 스트립 링(401) 및 소지름 스트립 링(402) 상에서 존재하는 정전용량 값은 상기 양 스트립 링(401, 402) 간의 기하학적 구조에 의해서 정하여 지는상수 값이므로 이러한 양 스트립 링(401, 402)의 기하학적 구조는 효율을 결정하는 중요한 인자가 되는 것이다. 이에 따라, 본 발명에 따른 일 실시례로서 상기한 스트립 링(401, 402)의 기하학적 구조에 따라서 주어진 일정한 수치값은 상기의 ①식에 의하여 계산해 보면 Unloaded Q값이 대략 2,000의 값을 가지게 된다. 즉 Unloaded Q값은 효율에 관계하므로 본 발명에 따른 스트립 링을 마그네트론에 구성함으로서, 마그네트론의 효율을 향상시키는 것을 의미한다.

그런데 상기의 실시례에 따른 수치값은 일정한 오차를 가질 수 밖에 없으며, 이러한 오차는0.05mm의 범위 내에서 본 발명에 따른 실시례에 따라 얻고자 하는 효과로서의 Unloaded Q값에 대한 허용 범위이다. 또한, Unloaded Q값과 관계하는 대지름 스트립 링(401) 및 소지름 스트립 링(402) 간의 정전용량은 상기 양 스트립 링(401, 402) 간의 마주보는 면적 상호간의 거리 등 기하학적 구조에 의해서 결정되어지는 것이므로 대지름 스트립 링(401)의 두께를 상기에서 특정한 0.75mm를 반드시 취하지 아니하더라도, 상기 오차 범위내의 값을 취하고 다른 요소 즉, 높이나 내, 외경을 변경함으로 인한 상호 마주보는 면의 면적을 변경시킴으로서 Unloaded Q값이 대략 2,000의 값에 가깝게 마그네트론을 구성시킬 수 있게 된다. 물론 Qs 및 Cs를 결정하는 양 스트립 링(401, 402)사이의 거리는 상기의 실시례와 같은 2.20mm를 가지도록 구성함이 타당하다. 물론, 생산에 의하여 허용될 수밖에 없는 오차범위는 가지게 될 것이지만, 이러한 양 스트립 링(401, 402) 사이의 거리가 오차 허용범위 내에서 2.20mm가 되지 아니하는 경우 대지름 스트립 링(401) 및 소지름 스트립 링(402)의 기하학적 구조는 또 다른 수치 범위를 가지게 될 것이기 때문이다.

또한, 일반적으로 양 스트립 링의 높이는 동일하도록 구성하여 마그네트론의 효율을 유지시켰으나, 본 발명에 의한 스트립 링은 양 스트립 링의 높이는 물론, 대지름 스트립 링과 소지름 스트립 링의 두께를 동일하게 구성함으로써 마그네트론의 Q값을 2,000으로 향상시키기 위한 스트립 링의 구조적 수치값을 상기와 같은 범주로 가질 수 있는 것이다.

이상에서 설명한 것 외에도 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람은 본 발명의 설명만으로도 쉽게 상기와 동일 범주내의 다른 형태의 본 발명을 실시할 수 있을 것이다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은, 마그네트론에 구성되는 대지름 및 소지름 스트립 링의 기하학적 구조를 변경함으로서, 마그네트론에서 생성되는 주파수의 노이즈를 저감시켜 마그네트론의 효율을 향상시키는 양질의 마그네트론을 생산하여 제품의 신뢰도를 향상시킬 수 있다.

Claims

양극바디, 상기 양극바디 내부에 양극바디와 함께 양극부를 구성하는 복수개의 베인, 상기 베인을 교번으로 접속시키며 상기 베인의 상단 및 하단에 마련되는 대지름 스트립 링과 상기 대지름 스트립 링보다 작은 지름을 가지는 소지름 스트립 링을 포함하는 전자렌지의 마그네트론에 있어서,

상기 대지름 스트립 링의 내경은 17.1mm 내지 18.01mm, 외경은 18.6mm 내지 19.6mm으로 마련되며,

상기 소지름 스트립 링의 내경은 13.4mm 내지 14.4mm, 외경은 14.9mm 내지 15.9mm로 마련되고,

상기 대지름 스트립 링과 소지름 스트립 링의 높이는 1.50mm 내지 1.60mm 로 마련되는 것을 특징으로 하는 전자렌지의 마그네트론.
제1항에 있어서,

상기 대지름 스트립 링과 소지름 스트립 링 간의 거리는 오차범위내에서 2.20mm를 유지하는 것을 특징으로 하는 전자렌지의 마그네트론.
제2항에 있어서,

상기 대지름 스트립 링과 소지름 스트립 링 각각의 내경과 외경의 차는 동일한 것을 특징으로 하는 전자렌지의 마그네트론.
제2항에 있어서,

상기 소지름 스트립 링과 대지름 스트립 링의 높이는 동일한 것을 특징으로 하는 전자렌지의 마그네트론.
제2항에 있어서,

상기 대지름 스트립 링의 내경은 17.6mm, 외경은 19.1mm으로 마련되며,

상기 소지름 스트립 링의 내경은 13.9mm, 외경은 15.4mm로 마련되고,

상기 대지름 스트립 링과 소지름 스트립 링의 높이는 1.55mm로 마련되는 것을 특징으로 하는 전자렌지의 마그네트론.