Магнетрон для свч-нагрева
Патент 2143767
Авторы
Классы МПК
Магнетрон для свч-нагрева
Реферат
Изобретение относится к области электровакуумных приборов, в частности к магнетронам для СВЧ-нагрева. Создание магнетрона с КПД больше 80% достигается выбором геометрии пространства взаимодействия. Пространство взаимодействия выбирается в соответствии с выходными параметрами магнетрона (мощностью и анодным напряжением) и возможностью реализовать необходимые электродинамические характеристики резонаторной системы (волновое сопротивление и частотное разделение видов колебаний). Для магнетрона непрерывного генерирования в диапазоне частот 2400-2500 МГц пространство взаимодействия удовлетворяет следующим условиям: 16,5ra17,25, 0,5ha/N0,75, где ra - радиус анода, мм, ha - высота анода, мм, N - число резонаторов. Техническим результатом является повышение КПД магнетрона.
Изобретение относится к области электровакуумных приборов, в частности касается магнетронов, конкретнее получения максимально возможного КПД этих магнетронов.
КПД является важнейшей энергетической характеристикой магнетрона, и достижение как можно большего КПД несомненно представляет собой актуальную задачу. Однако, до сих пор не существует четких представлений о том, как получать большой КПД магнетрона. Действительно, сложность физических процессов, происходящих в магнетронном генераторе, не позволяет с приемлемой точностью рассчитать КПД аналитически. С другой стороны, широко распространенный способ конструирования магнетронов путем моделирования пространства взаимодействия с магнетрона с хорошими параметрами [1] тоже не гарантирует высокого КПД из-за несовершенства формул моделирования, не учитывающих изменений волнового сопротивления магнетронов и частотного разделения видов колебаний при моделировании пространства взаимодействия. Другой причиной, затрудняющей реализацию высокого КПД в магнетронах промышленного и бытового назначения, является то, что к магнетронам предъявляются ряд противоречащих этому требований. Главным из них является обеспечение устойчивой работы магнетрона при круговом изменении фазы нагрузки с большим KCTu (обычно KCTu 4), что препятствует эффективному использованию таких широко известных способов повышения КПД, как снижение внесенной добротности и уменьшение радиуса катода. Повышение же КПД путем увеличения значения магнитной индукции можно использовать лишь до определенного предела ввиду увеличения веса постоянных магнитов и их стоимости, что неприемлемо в магнетронах, применяемых для микроволновых печей, в которых используются ферритовые постоянные магниты с небольшой энергией. В качестве прототипа авторами выбран типичный серийный магнетрон для микроволновых печей 2М-172, имеющий КПД 70% и удовлетворяющий всем остальным требованиям [2]. Создание магнетрона с КПД > 80% при сохранении устойчивой работы на нагрузку с KCTu = 4 достигается выбором геометрии пространства взаимодействия, соответствующей, с одной стороны, выходным параметрам магнетрона (мощности и анодному напряжению), а, с другой стороны, позволяющей реализовать необходимые электродинамические характеристики резонаторной системы (волновое сопротивление и частотное разделение видов колебаний). Конкретно для магнетрона непрерывного генерирования в диапазоне частот 2400-2500 МГц с выходной мощностью P = 500-800 Вт и анодным напряжением Uа = 1200-2800 В поставленная цель реализуется выбором пространства взаимодействия, удовлетворяющего следующим условиям: 0,5 hа/N 0,75; где rа - радиус анода, мм; hа - высота анода, мм; N - число резонаторов. Идейная сущность изобретения заключается в получении максимально возможного значения электронного КПД (e) при достаточно высоком значении контурного КПД (к), что обеспечивает высокое значение полного КПД (п) в соответствии с известным [1] соотношением п= eк (1). Значение к практически однозначно определяется величиной внесенной добротности Qвн. Величина Qвн = 100-120, обеспечивающая значение к = 90-91%, является во всех отношениях оптимальной, гарантирующей устойчивую работу магнетрона на нагрузку с KCTu = 4 при большом значении к. При этом для получения полного КПД магнетронов п 80% требуется иметь e 89-90%. Добиться этого трудно из-за того, что e является (в числе прочего) функцией Qвн [1, 3]. Для успешного разрешения этой проблемы параметр (rа-rк)/L (где rк - радиус катода, L - шаг замедляющей системы по аноду) фиксируется в пределах 1,0 (rа-rк)/L 1,1, а остальные электрические и электродинамические параметры и характеристики, а также геометрия пространства взаимодействия комбинируются таким образом, чтобы зависимость e от Qвн имела нужный характер, т.е. обеспечивала максимальное значение e при Qвн 100. При этом решающую роль играет получение оптимального значения амплитуды ВЧ-напряжения между ламелями (2), где - волновое сопротивление магнетрона [4] . Как показано в работе [3], в каждом частотном диапазоне при фиксированном значении (rа-rк)/L максимальное значение e реализуется при вполне определенном отношении ВЧ-амплитуды к анодному напряжению Uа. Само по себе это не так трудно, но весьма сложно выполнить это условие при заданном значении Qвн 100. Действительно, значение выходной мощности P обычно задается, значение Qвн также зафиксировано. Поэтому единственным инструментом регулировки значения остается варьирование величиной путем изменения rа и N, что одновременно влияет на Uа. Что же касается получения требуемого отношения то для этого требуется также точный выбор Uа в соответствии с заданным значением P. Проведенные авторами исследования показали, что поставленная задача решается путем выполнения комплекса специальных конструктивных решений, обеспечивающих оптимальное сочетание Uа, P, N, rа и hа. По сути дела, при заданном значении P существует единственно возможная комбинация Uа и N, обеспечивающая максимальный КПД. Конечно, некоторые вариации допустимы, но в весьма ограниченных пределах. Дело осложняется тем, что значение N определяет сразу несколько важных характеристик: выполнение условия (rа-rк)/L = const (в сочетании с Uа), порядок величины , частотное разделение видов колебаний (при N>16 получение удовлетворительного разделения затруднительно) и тепловые нагрузки на анод. Некоторую свободу дает возможность изменения hа, позволяющая осуществить регулировку без изменения Но и эта свобода весьма ограничена, т.к. при сильном увеличении hа возникают проблемы с магнитами и уменьшается частотное разделение видов колебаний. Другая степень свободы заключается в регулировке значения путем изменения Qвн в выше оговоренных (весьма небольших) пределах. В конечном счете реализация максимального КПД магнетрона при уровне выходной мощности P = 500-800 Вт в диапазоне частот 2400-2500 МГц обеспечивается выполнением соотношений, предложенных в формуле изобретения. При этом значение анодного напряжения находится в пределах 1200 Uа 2800 В. Распространение предложенных соотношений на другие значения выходной мощности и в другие частотные диапазоны требует проведения дополнительных исследований. Экспериментальная проверка показала, что их выполнение гарантирует высокий КПД магнетрона (в пределах 80-85%). Проведенные авторами патентные исследования показали новизну предложенного технического решения. Предложенное в формуле изобретения сочетание соотношений геометрических размеров пространства взаимодействия неизвестно. Полезность предложенного технического решения тоже не вызывает сомнения. Создание магнетрона с КПД > 80%, устойчиво работающего на нагрузку с KCTu = 4, само по себе является шагом вперед. Не менее важно и то, что это достигается при низком Uа и умеренном значении магнитной индукции B, позволяющем использовать дешевые ферритовые постоянные магниты с удельной энергией 12 кДж/м3. Таким образом, большой КПД магнетрона реализуется при одновременном обеспечении хороших массо-габаритных характеристик. Для экспериментальной проверки заявляемой конструкции авторами были изготовлены экспериментальные образцы магнетронов с ферритовыми постоянными магнитами, обеспечивающими в рабочем магнитном зазоре значение магнитной индукции B = 0,267 Тл, и со следующей геометрией пространства взаимодействия: rа = 4,6 мм; N = 14; hа = 10 мм. Таким образом, hа/N = 0,714. Эти магнетроны в режиме непрерывной генерации имели в выбранной рабочей точке следующие электрические параметры: Uа = 2500-2700 В, Iа = 0,35 А, P = 720-795 Вт, КПД = 82-84%. При этом магнетроны устойчиво работали (без срывов и "перескоков") на -виде колебаний при круговом изменении фазы нагрузки с KCTu = 4.Формула изобретения
Магнетрон для СВЧ-нагрева, включающий ферритовые постоянные магниты и пространство взаимодействия, ограниченное анодом и катодом, при этом (rа-rк)/L = const, отличающийся тем, что в пространстве взаимодействия радиус с rа (мм) анода и его высота hа (мм) удовлетворяют соотношениям 16,5 rа 17,25; 0,5 hа/N 0,75, где N - число резонаторов; rк - радиус катода, мм; L - шаг замедляющей системы по аноду, мм.