МАГНЕТРОН ДЛЯ СВЧ-НАГРЕВА Российский патент 1999 года по МПК H01J25/50 

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 K_CTu (обычно K_CTu ≤ 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 K_CTu = 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 U_а = 1200-2800 В поставленная цель реализуется выбором пространства взаимодействия, удовлетворяющего следующим условиям:

0,5 ≤ h_а/N ≤ 0,75;
где r_а - радиус анода, мм;
h_а - высота анода, мм;
N - число резонаторов.

Идейная сущность изобретения заключается в получении максимально возможного значения электронного КПД (η_e) при достаточно высоком значении контурного КПД (η_к), что обеспечивает высокое значение полного КПД (η_п) в соответствии с известным [1] соотношением η_п= η_e•η_к (1).
Значение η_к практически однозначно определяется величиной внесенной добротности Q_вн. Величина Q_вн = 100-120, обеспечивающая значение η_к = 90-91%, является во всех отношениях оптимальной, гарантирующей устойчивую работу магнетрона на нагрузку с K_CTu = 4 при большом значении η_к. При этом для получения полного КПД магнетронов η_п ≥ 80% требуется иметь η_e ≥ 89-90%. Добиться этого трудно из-за того, что η_e является (в числе прочего) функцией Q_вн [1, 3]. Для успешного разрешения этой проблемы параметр (r_а-r_к)/L (где r_к - радиус катода, L - шаг замедляющей системы по аноду) фиксируется в пределах 1,0 ≤ (r_а-r_к)/L ≤ 1,1, а остальные электрические и электродинамические параметры и характеристики, а также геометрия пространства взаимодействия комбинируются таким образом, чтобы зависимость η_e от Q_вн имела нужный характер, т.е. обеспечивала максимальное значение η_e при Q_вн ≈ 100. При этом решающую роль играет получение оптимального значения амплитуды ВЧ-напряжения между ламелями (2), где ρ - волновое сопротивление магнетрона [4] . Как показано в работе [3], в каждом частотном диапазоне при фиксированном значении (r_а-r_к)/L максимальное значение η_e реализуется при вполне определенном отношении ВЧ-амплитуды к анодному напряжению U_а. Само по себе это не так трудно, но весьма сложно выполнить это условие при заданном значении Q_вн ≈ 100. Действительно, значение выходной мощности P обычно задается, значение Q_вн также зафиксировано. Поэтому единственным инструментом регулировки значения остается варьирование величиной ρ путем изменения r_а и N, что одновременно влияет на U_а. Что же касается получения требуемого отношения то для этого требуется также точный выбор U_а в соответствии с заданным значением P.

Проведенные авторами исследования показали, что поставленная задача решается путем выполнения комплекса специальных конструктивных решений, обеспечивающих оптимальное сочетание U_а, P, N, r_а и h_а. По сути дела, при заданном значении P существует единственно возможная комбинация U_а 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 (r_а-r_к)/L = const (в сочетании с U_а), порядок величины ρ, частотное разделение видов колебаний (при N>16 получение удовлетворительного разделения затруднительно) и тепловые нагрузки на анод. Некоторую свободу дает возможность изменения h_а, позволяющая осуществить регулировку ρ без изменения Но и эта свобода весьма ограничена, т.к. при сильном увеличении h_а возникают проблемы с магнитами и уменьшается частотное разделение видов колебаний. Другая степень свободы заключается в регулировке значения путем изменения Q_вн 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 ≤ U_а ≤ 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 K_CTu = 4, само по себе является шагом вперед. Не менее важно и то, что это достигается при низком U_а 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: r_а = 4,6 мм; N = 14; h_а = 10 мм.

Таким образом, h_а/N = 0,714.

Эти магнетроны в режиме непрерывной генерации имели в выбранной рабочей точке следующие электрические параметры: U_а = 2500-2700 В, I_а = 0,35 А, P = 720-795 Вт, КПД = 82-84%. При этом магнетроны устойчиво работали (без срывов и "перескоков") на π-виде колебаний при круговом изменении фазы нагрузки с K_CTu = 4.

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: 16,5≤r_a≤17,25, 0,5≤h_a/N≤0,75, где r_a - радиус анода, мм, h_a - высота анода, мм, N - число резонаторов. Техническим результатом является повышение КПД магнетрона.

Магнетрон для СВЧ-нагрева, включающий ферритовые постоянные магниты и пространство взаимодействия, ограниченное анодом и катодом, при этом (r_а-r_к)/L = const, отличающийся тем, что в пространстве взаимодействия радиус с r_а (мм) анода и его высота h_а (мм) удовлетворяют соотношениям
16,5 ≤ r_а • ≤ 17,25;
0,5 ≤ h_а/N ≤ 0,75,
где N - число резонаторов;
r_к - радиус катода, мм;
L - шаг замедляющей системы по аноду, мм.