波導及風路對磁控管陽極溫升的影響

陳喜 楊宇澄 張磊 李維雨 李法民 毛瓊

(合肥榮事達三洋電器股份有限公司 安徽合肥 230088)

波導及風路對磁控管陽極溫升的影響

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磁場將電能轉化成微波能的器件，是微波爐的主要發(fā)熱部件。工作時其管芯陽極溫度達到260℃～300℃，溫度過高極易損壞磁控管導致微波爐不能正常工作，需要有效降低磁控管的溫度。本文就波導及風路結構對降低磁控管的溫升進行了詳細的探討研究。

波導；風路；陽極溫升；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，將電能轉化成微波能量，然后通過波導將微波傳輸?shù)綘t腔內，完成對食物的加熱。微波爐的核心部件磁控管利用高電壓和強磁場將電能轉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極及穿心電容的溫升。一般情況下溫升試驗時磁控管的陽極溫度達到260℃～300℃，穿心電容達到100℃～110℃，其溫度限定值分別是陽極溫度不超過300℃，穿心電容不超過120℃。如果波導系統(tǒng)匹配良好、風路設計優(yōu)良的情況下，微波爐工作時磁控管陽極溫度以230℃～260℃為最佳，超過300℃磁控管容易損壞，導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)熱傳導輻射的原理，很容易將熱量傳導給其他發(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)熱后需要外界對它進行有效的冷卻，降低其溫度。減少自身的發(fā)熱，主要從波導系統(tǒng)匹配方面加以改進；外界冷卻降低溫度，主要從風路方面設計改進。

2 改進方法

圖1 改進前的波導系統(tǒng)結構示意圖

圖2 改進前的匹配雷基圖

圖3 改進后的波導系統(tǒng)結構示意圖

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

2.1 改進波導結構降低磁控管自身的溫度

2.1.1 波導系統(tǒng)改進前的溫升試驗

圖4 改進后的匹配雷基圖

圖1 所示是改進前的波導系統(tǒng)結構圖，屬于傳統(tǒng)的矩形漸變型結構。為了比較波導改進前后磁控管溫升的高低差別，對5臺改進前傳統(tǒng)波導結構的樣機磁控管進行溫升測試[1][2][3]，取平均值作為其溫升值。試驗前在磁控管陽極上打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》溫升試驗測試方法要求，將5臺編號的微波爐放置在5個測試角，在（23±2）℃環(huán)境溫度下，將（1000±5）g室溫負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。將裝有負載的玻璃容器放入微波爐中，關上爐門。以1.06倍額定電壓通電運行3個周期，每個周期加熱10min后停止工作1min，在停止工作期間打開爐門，更換上述負載水。試驗數(shù)據(jù)見表1。

圖5 風路改進前的微波爐結構示意圖

由表1數(shù)據(jù)可得：陽極最高平均溫度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)絡分析儀進行阻抗匹配，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，反射系數(shù)S11達到了2.55，磁控管工作在一、二極象限的低功率區(qū)域。根據(jù)實際經(jīng)驗，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 對波導系統(tǒng)進行優(yōu)化改進

針對以上微波反射強、輸出功率低，造成磁控管陽極溫度高的問題，對波導系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，如圖3所示，波導拉伸增加一個鼓包，矩形波導口的一角，改成三角形。目的是在爐腔內能激勵起盡量多的工作模式，以形成比較均勻的電磁場能量分布，降低反射系數(shù)，提高磁控管的輸出功率。

圖6 改進安裝風道后的結構示意圖和風道結構示意圖

2.1.3 波導系統(tǒng)改進后的溫升試驗

對5臺波導系統(tǒng)改進后的樣機，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》進行溫升試驗[1][2][3]，試驗數(shù)據(jù)見表2。

波導系統(tǒng)改進后，陽極最高溫度分平均值為236.8℃，比改進前下降了53.8℃，穿心電容最高平均溫度為96.6℃，比改進前下降了16℃。磁控管陽極、穿心電容溫度下降明顯。網(wǎng)絡分析儀分析結果如圖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密度分布，提高了微波的輸出功率，整機處于一種動態(tài)平衡狀態(tài)，磁控管工作穩(wěn)定。

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

2.2 改進風路降低磁控管溫度

2.2.1 風路改進前的溫升試驗

圖5所示是風路改進前的示意圖，為了比較風路改進前后磁控管溫升的高低差別，對5臺風路改進前的樣機進行磁控管溫升測試[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》進行溫升試驗，試驗數(shù)據(jù)見表3。

由表3數(shù)據(jù)可得：陽極最高平均溫度288.8℃，穿心電容最高平均溫度是110.2℃。圖4中的風路結構雖然由安裝的風扇來冷卻磁控管，但磁控管的溫度仍然很高。主要原因是風扇周圍是敞開式的，根據(jù)風流動的特點，吹過來的冷風向四周發(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 對風路進行優(yōu)化改進

針對以上風扇冷卻時，冷風發(fā)散不能集中有效冷卻，造成磁控管溫升試驗時溫度高的問題，對風路系統(tǒng)進行改進優(yōu)化。磁控管工作時產(chǎn)生大量的熱量，需要帶有風扇的風路系統(tǒng)對其進行強制冷卻，確保其溫度不超過限定值要求，能進行可靠地工作。良好的風路系統(tǒng)是當磁控管工作2～3分鐘后，磁控管的發(fā)熱量與冷卻的冷風量能夠相互抵消，達成動態(tài)的平衡過程，磁控管溫度不再繼續(xù)上升。對微波爐工作時磁控管的發(fā)熱及風扇冷卻過程進行模擬仿真，分析風流動的特點，從而很好地對風路進行優(yōu)化改進。如圖6（右）所示，在磁控管和風扇之間安裝一個風道。風道結構如圖6（左）所示，風道的前端將磁控管完全包裹住，后端與風扇支架緊密配合，形成一個封閉的通道，防止冷風向四周擴散?？梢詫L扇吹過來的冷風集中有效地吹向磁控管，增強冷卻磁控管的效果。

表1 改進前傳統(tǒng)結構的波導系統(tǒng)磁控管最高溫度

表2 波導系統(tǒng)改進后磁控管最高溫度

表3 風路改進前磁控管最高溫度

表4 風路改進后磁控管最高溫度

2.2.3 風路改進后的溫升試驗

對5臺風路改進后的樣機，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》進行溫升試驗[1][2][3]，試驗數(shù)據(jù)見表4。

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

3 結論

微波爐的核心部件磁控管，由于自身承載將電能轉化為微波能的功能，工作時自身溫度會變得很高，如果高溫的磁控管不能得到及時冷卻，會導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主要原因（一是磁控管自身的發(fā)熱，二是風路系統(tǒng)對磁控管的冷卻效果不佳）入手，對降低磁控管溫度作了詳細的探討和研究。即改進波導系統(tǒng)來降低磁控管自身發(fā)熱量和改進優(yōu)化風路設計增強冷卻磁控管的效果，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、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