陳喜 楊宇澄 張磊 李維雨 李法民 毛瓊

(合肥榮事達(dá)三洋電器股份有限公司 安徽合肥 230088)

波導(dǎo)及風(fēng)路對(duì)磁控管陽(yáng)極溫升的影響

陳喜 楊宇澄 張磊 李維雨 李法民 毛瓊

(合肥榮事達(dá)三洋電器股份有限公司 安徽合肥 230088)

微波爐磁控管是一種利用高電壓和強(qiáng)磁場(chǎng)將電能轉(zhuǎn)化成微波能的器件，是微波爐的主要發(fā)熱部件。工作時(shí)其管芯陽(yáng)極溫度達(dá)到260℃～300℃，溫度過高極易損壞磁控管導(dǎo)致微波爐不能正常工作，需要有效降低磁控管的溫度。本文就波導(dǎo)及風(fēng)路結(jié)構(gòu)對(duì)降低磁控管的溫升進(jìn)行了詳細(xì)的探討研究。

波導(dǎo)；風(fēng)路；陽(yáng)極溫升；影響

1 引言

微波爐的工作原理是：220V電壓通過高壓變壓器和高壓電容、高壓二極管倍壓整流后變成4000V的直流電壓通過磁控管，將電能轉(zhuǎn)化成微波能量，然后通過波導(dǎo)將微波傳輸?shù)綘t腔內(nèi)，完成對(duì)食物的加熱。微波爐的核心部件磁控管利用高電壓和強(qiáng)磁場(chǎng)將電能轉(zhuǎn)化成微波能的過程產(chǎn)生大量的熱量。

考察磁控管的工作性能，主要是考察磁控管陽(yáng)極及穿心電容的溫升。一般情況下溫升試驗(yàn)時(shí)磁控管的陽(yáng)極溫度達(dá)到260℃～300℃，穿心電容達(dá)到100℃～110℃，其溫度限定值分別是陽(yáng)極溫度不超過300℃，穿心電容不超過120℃。如果波導(dǎo)系統(tǒng)匹配良好、風(fēng)路設(shè)計(jì)優(yōu)良的情況下，微波爐工作時(shí)磁控管陽(yáng)極溫度以230℃～260℃為最佳，超過300℃磁控管容易損壞，導(dǎo)致微波爐不能正常工作。另外磁控管發(fā)熱量大、溫度高，根據(jù)熱傳導(dǎo)輻射的原理，很容易將熱量傳導(dǎo)給其他發(fā)熱部件，造成其他部件溫升過高，有可能影響微波爐正常工作，所以降低磁控管溫升就顯得非常重要。

磁控管是微波爐的心臟，它也是一個(gè)很容易受溫度影響的電子元器件。為了確保其可靠地工作，一方面需要減少其自身發(fā)熱降低溫度，另外一方面發(fā)熱后需要外界對(duì)它進(jìn)行有效的冷卻，降低其溫度。減少自身的發(fā)熱，主要從波導(dǎo)系統(tǒng)匹配方面加以改進(jìn)；外界冷卻降低溫度，主要從風(fēng)路方面設(shè)計(jì)改進(jìn)。

2 改進(jìn)方法

圖1 改進(jìn)前的波導(dǎo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 改進(jìn)前的匹配雷基圖

圖3 改進(jìn)后的波導(dǎo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

波導(dǎo)系統(tǒng)包括波導(dǎo)及波導(dǎo)口，波導(dǎo)是連接磁控管與波導(dǎo)口的中間機(jī)構(gòu)，是微波的傳輸系統(tǒng)；波導(dǎo)口對(duì)磁控管產(chǎn)生的微波進(jìn)行耦合，以便在腔體內(nèi)形成比較均勻的電磁場(chǎng)。波導(dǎo)系統(tǒng)與微波爐腔體要求有良好的匹配，如果匹配不好，空載時(shí)微波爐腔體內(nèi)沒有負(fù)載來吸收微波能量，駐波系數(shù)高，輸出功率低，微波反射強(qiáng)，磁控管發(fā)射的微波很大一部分通過波導(dǎo)又反射回去了。磁控管天線附近很有可能出現(xiàn)電場(chǎng)分布過度集中，造成磁控管天線帽打火擊穿、陽(yáng)極溫度過高等不良現(xiàn)象，嚴(yán)重影響微波爐的正常工作和磁控管的使用壽命。通過網(wǎng)絡(luò)分析儀分析，改進(jìn)波導(dǎo)、波導(dǎo)口的形狀尺寸等，可以有效降低磁控管陽(yáng)極和穿心電容溫度，能解決磁控管自身發(fā)熱量大的問題。

2.1 改進(jìn)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)降低磁控管自身的溫度

2.1.1 波導(dǎo)系統(tǒng)改進(jìn)前的溫升試驗(yàn)

圖4 改進(jìn)后的匹配雷基圖

圖1 所示是改進(jìn)前的波導(dǎo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，屬于傳統(tǒng)的矩形漸變型結(jié)構(gòu)。為了比較波導(dǎo)改進(jìn)前后磁控管溫升的高低差別，對(duì)5臺(tái)改進(jìn)前傳統(tǒng)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的樣機(jī)磁控管進(jìn)行溫升測(cè)試[1][2][3]，取平均值作為其溫升值。試驗(yàn)前在磁控管陽(yáng)極上打φ1.0mm、深度1.0mm的孔，然后在該孔及穿心電容上布置熱電偶。試驗(yàn)按照GB 4706.21-2008《家用和類似用途電器的安全 微波爐，包括組合型微波爐的特殊要求》溫升試驗(yàn)測(cè)試方法要求，將5臺(tái)編號(hào)的微波爐放置在5個(gè)測(cè)試角，在（23±2）℃環(huán)境溫度下，將（1000±5）g室溫負(fù)載水加到圓柱形硼硅玻璃容器中，該玻璃容器最大壁厚3mm，外徑約為190mm，高約90mm。將裝有負(fù)載的玻璃容器放入微波爐中，關(guān)上爐門。以1.06倍額定電壓通電運(yùn)行3個(gè)周期，每個(gè)周期加熱10min后停止工作1min，在停止工作期間打開爐門，更換上述負(fù)載水。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

圖5 風(fēng)路改進(jìn)前的微波爐結(jié)構(gòu)示意圖

由表1數(shù)據(jù)可得：陽(yáng)極最高平均溫度290.6℃，穿心電容最高平均溫度是112.6℃。兩者溫度都較高。通過網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行阻抗匹配，如圖2所示，左邊是反射系數(shù)，右邊是功率區(qū)域。此雷基圖顯示微波爐工作時(shí)，反射系數(shù)S11達(dá)到了2.55，磁控管工作在一、二極象限的低功率區(qū)域。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，反射系數(shù)S11在1.5到2.0之間是比較理想的情況。反射系數(shù)高，工作在低功率區(qū)域，表明磁控管發(fā)出的微波，絕大多數(shù)被反射了，輸出功率比較低，導(dǎo)致磁控管溫度高，甚至可能出現(xiàn)磁鐵炸裂等情況，降低磁控管使用壽命。

2.1.2 對(duì)波導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)

針對(duì)以上微波反射強(qiáng)、輸出功率低，造成磁控管陽(yáng)極溫度高的問題，對(duì)波導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖3所示，波導(dǎo)拉伸增加一個(gè)鼓包，矩形波導(dǎo)口的一角，改成三角形。目的是在爐腔內(nèi)能激勵(lì)起盡量多的工作模式，以形成比較均勻的電磁場(chǎng)能量分布，降低反射系數(shù)，提高磁控管的輸出功率。

圖6 改進(jìn)安裝風(fēng)道后的結(jié)構(gòu)示意圖和風(fēng)道結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.3 波導(dǎo)系統(tǒng)改進(jìn)后的溫升試驗(yàn)

對(duì)5臺(tái)波導(dǎo)系統(tǒng)改進(jìn)后的樣機(jī)，同樣按照GB 4706.21-2008《家用和類似用途電器的安全 微波爐，包括組合型微波爐的特殊要求》進(jìn)行溫升試驗(yàn)[1][2][3]，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

波導(dǎo)系統(tǒng)改進(jìn)后，陽(yáng)極最高溫度分平均值為236.8℃，比改進(jìn)前下降了53.8℃，穿心電容最高平均溫度為96.6℃，比改進(jìn)前下降了16℃。磁控管陽(yáng)極、穿心電容溫度下降明顯。網(wǎng)絡(luò)分析儀分析結(jié)果如圖4所示，反射系數(shù)為1.7，功率區(qū)域在一、四象限，屬于高功率區(qū)域。反射系數(shù)低，說明只有小部分微波反射回磁控管，降低了天線附近電場(chǎng)密度分布，提高了微波的輸出功率，整機(jī)處于一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，磁控管工作穩(wěn)定。

由上述可知，波導(dǎo)系統(tǒng)這種形狀的改變，使腔體與波導(dǎo)系統(tǒng)達(dá)到了良好的匹配，明顯降低了磁控管陽(yáng)極溫度。

2.2 改進(jìn)風(fēng)路降低磁控管溫度

2.2.1 風(fēng)路改進(jìn)前的溫升試驗(yàn)

圖5所示是風(fēng)路改進(jìn)前的示意圖，為了比較風(fēng)路改進(jìn)前后磁控管溫升的高低差別，對(duì)5臺(tái)風(fēng)路改進(jìn)前的樣機(jī)進(jìn)行磁控管溫升測(cè)試[1][2][3]，取平均值作為其溫升值。同樣按照GB 4706.21-2008《家用和類似用途電器的安全 微波爐，包括組合型微波爐的特殊要求》進(jìn)行溫升試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

由表3數(shù)據(jù)可得：陽(yáng)極最高平均溫度288.8℃，穿心電容最高平均溫度是110.2℃。圖4中的風(fēng)路結(jié)構(gòu)雖然由安裝的風(fēng)扇來冷卻磁控管，但磁控管的溫度仍然很高。主要原因是風(fēng)扇周圍是敞開式的，根據(jù)風(fēng)流動(dòng)的特點(diǎn)，吹過來的冷風(fēng)向四周發(fā)散，不能形成聚集并集中有效地吹向磁控管，冷風(fēng)利用率不高，發(fā)熱過程產(chǎn)生的熱量不能得到充分的冷卻，造成溫度很高。

2.2.2 對(duì)風(fēng)路進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)

針對(duì)以上風(fēng)扇冷卻時(shí)，冷風(fēng)發(fā)散不能集中有效冷卻，造成磁控管溫升試驗(yàn)時(shí)溫度高的問題，對(duì)風(fēng)路系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。磁控管工作時(shí)產(chǎn)生大量的熱量，需要帶有風(fēng)扇的風(fēng)路系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，確保其溫度不超過限定值要求，能進(jìn)行可靠地工作。良好的風(fēng)路系統(tǒng)是當(dāng)磁控管工作2～3分鐘后，磁控管的發(fā)熱量與冷卻的冷風(fēng)量能夠相互抵消，達(dá)成動(dòng)態(tài)的平衡過程，磁控管溫度不再繼續(xù)上升。對(duì)微波爐工作時(shí)磁控管的發(fā)熱及風(fēng)扇冷卻過程進(jìn)行模擬仿真，分析風(fēng)流動(dòng)的特點(diǎn)，從而很好地對(duì)風(fēng)路進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。如圖6（右）所示，在磁控管和風(fēng)扇之間安裝一個(gè)風(fēng)道。風(fēng)道結(jié)構(gòu)如圖6（左）所示，風(fēng)道的前端將磁控管完全包裹住，后端與風(fēng)扇支架緊密配合，形成一個(gè)封閉的通道，防止冷風(fēng)向四周擴(kuò)散。可以將風(fēng)扇吹過來的冷風(fēng)集中有效地吹向磁控管，增強(qiáng)冷卻磁控管的效果。

表1 改進(jìn)前傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)系統(tǒng)磁控管最高溫度

表2 波導(dǎo)系統(tǒng)改進(jìn)后磁控管最高溫度

表3 風(fēng)路改進(jìn)前磁控管最高溫度

表4 風(fēng)路改進(jìn)后磁控管最高溫度

2.2.3 風(fēng)路改進(jìn)后的溫升試驗(yàn)

對(duì)5臺(tái)風(fēng)路改進(jìn)后的樣機(jī)，同樣按照GB 4706.21-2008《家用和類似用途電器的安全 微波爐，包括組合型微波爐的特殊要求》進(jìn)行溫升試驗(yàn)[1][2][3]，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。

由表4數(shù)據(jù)可得：陽(yáng)極最高平均溫度是235.4℃，比風(fēng)路改進(jìn)前下降了53.4℃，穿心電容最高平均溫度是92.8℃，比風(fēng)路改進(jìn)前下降了17.4℃。分析原因，主要是風(fēng)路優(yōu)化改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)，風(fēng)道前端將磁控管完全包裹住，后端與風(fēng)扇支架緊密配合，在磁控管與風(fēng)扇支架之間構(gòu)成一個(gè)密閉的空間，防止冷風(fēng)的泄漏。風(fēng)扇吹過來的冷風(fēng)，在一個(gè)密閉的通道里，可以集中有效地冷卻磁控管，大大增強(qiáng)了冷卻效果，磁控管發(fā)熱產(chǎn)生的熱量與風(fēng)扇冷卻的冷風(fēng)量達(dá)到平衡，降低了磁控管的溫度。

3 結(jié)論

微波爐的核心部件磁控管，由于自身承載將電能轉(zhuǎn)化為微波能的功能，工作時(shí)自身溫度會(huì)變得很高，如果高溫的磁控管不能得到及時(shí)冷卻，會(huì)導(dǎo)致磁控管不能正常工作、使用壽命降低。本文從造成磁控管溫度變高的兩個(gè)主要原因（一是磁控管自身的發(fā)熱，二是風(fēng)路系統(tǒng)對(duì)磁控管的冷卻效果不佳）入手，對(duì)降低磁控管溫度作了詳細(xì)的探討和研究。即改進(jìn)波導(dǎo)系統(tǒng)來降低磁控管自身發(fā)熱量和改進(jìn)優(yōu)化風(fēng)路設(shè)計(jì)增強(qiáng)冷卻磁控管的效果，從外部降低磁控管的溫度。

[1]GB 4706.1-2005《家用和類似用途電器的安全 第1部分：通用要求》

[2]GB 4706.21-2008《家用和類似用途電器的安全 微波爐，包括組合型微波爐的特殊要求》

[3]GB 4706.22-2008《家用和類似用途電器的安全 駐立式電灶、灶臺(tái)、烤箱及類似用途器具的特殊要求》

Effect of waveguide and the ventilation on the temperaturerise of magnetron anode

CHEN Xi YANG Yucheng ZHANG Lei LI Weiyu LI Famin MAO Qiong
(Hefei Royalstar Sanyo Electric Co., Ltd. Hefei 230088)

The magnetron of microwave oven is a unit which could convert electric energy into microwave energy, it is also the main heating component in the microwave oven. When the microwave oven working, the temperature of tube core anode of magnetron could reach 260℃～300℃. Although the high temperature will damage the magnetron and result in the microwave oven can not work normally unless effectively reduce the temperature of the magnetron. This paper focuses on how to reduce the temperature of the magnetron through studying the waveguide and the ventilation.

Waveguide; Ventilation; Temperature rise of the anode of magnetron; Influence