陈喜 杨宇澄 张磊 李维雨 李法民 毛琼

(合肥荣事达三洋电器股份有限公司 安徽合肥 230088)

波导及风路对磁控管阳极温升的影响

陈喜 杨宇澄 张磊 李维雨 李法民 毛琼

(合肥荣事达三洋电器股份有限公司 安徽合肥 230088)

微波炉磁控管是一种利用高电压和强磁场将电能转化成微波能的器件，是微波炉的主要发热部件。工作时其管芯阳极温度达到260℃～300℃，温度过高极易损坏磁控管导致微波炉不能正常工作，需要有效降低磁控管的温度。本文就波导及风路结构对降低磁控管的温升进行了详细的探讨研究。

波导；风路；阳极温升；影响

1 引言

微波炉的工作原理是：220V电压通过高压变压器和高压电容、高压二极管倍压整流后变成4000V的直流电压通过磁控管，将电能转化成微波能量，然后通过波导将微波传输到炉腔内，完成对食物的加热。微波炉的核心部件磁控管利用高电压和强磁场将电能转化成微波能的过程产生大量的热量。

考察磁控管的工作性能，主要是考察磁控管阳极及穿心电容的温升。一般情况下温升试验时磁控管的阳极温度达到260℃～300℃，穿心电容达到100℃～110℃，其温度限定值分别是阳极温度不超过300℃，穿心电容不超过120℃。如果波导系统匹配良好、风路设计优良的情况下，微波炉工作时磁控管阳极温度以230℃～260℃为最佳，超过300℃磁控管容易损坏，导致微波炉不能正常工作。另外磁控管发热量大、温度高，根据热传导辐射的原理，很容易将热量传导给其他发热部件，造成其他部件温升过高，有可能影响微波炉正常工作，所以降低磁控管温升就显得非常重要。

磁控管是微波炉的心脏，它也是一个很容易受温度影响的电子元器件。为了确保其可靠地工作，一方面需要减少其自身发热降低温度，另外一方面发热后需要外界对它进行有效的冷却，降低其温度。减少自身的发热，主要从波导系统匹配方面加以改进；外界冷却降低温度，主要从风路方面设计改进。

2 改进方法

图1 改进前的波导系统结构示意图

图2 改进前的匹配雷基图

图3 改进后的波导系统结构示意图

波导系统包括波导及波导口，波导是连接磁控管与波导口的中间机构，是微波的传输系统；波导口对磁控管产生的微波进行耦合，以便在腔体内形成比较均匀的电磁场。波导系统与微波炉腔体要求有良好的匹配，如果匹配不好，空载时微波炉腔体内没有负载来吸收微波能量，驻波系数高，输出功率低，微波反射强，磁控管发射的微波很大一部分通过波导又反射回去了。磁控管天线附近很有可能出现电场分布过度集中，造成磁控管天线帽打火击穿、阳极温度过高等不良现象，严重影响微波炉的正常工作和磁控管的使用寿命。通过网络分析仪分析，改进波导、波导口的形状尺寸等，可以有效降低磁控管阳极和穿心电容温度，能解决磁控管自身发热量大的问题。

2.1 改进波导结构降低磁控管自身的温度

2.1.1 波导系统改进前的温升试验

图4 改进后的匹配雷基图

图1 所示是改进前的波导系统结构图，属于传统的矩形渐变型结构。为了比较波导改进前后磁控管温升的高低差别，对5台改进前传统波导结构的样机磁控管进行温升测试[1][2][3]，取平均值作为其温升值。试验前在磁控管阳极上打φ1.0mm、深度1.0mm的孔，然后在该孔及穿心电容上布置热电偶。试验按照GB 4706.21-2008《家用和类似用途电器的安全 微波炉，包括组合型微波炉的特殊要求》温升试验测试方法要求，将5台编号的微波炉放置在5个测试角，在（23±2）℃环境温度下，将（1000±5）g室温负载水加到圆柱形硼硅玻璃容器中，该玻璃容器最大壁厚3mm，外径约为190mm，高约90mm。将装有负载的玻璃容器放入微波炉中，关上炉门。以1.06倍额定电压通电运行3个周期，每个周期加热10min后停止工作1min，在停止工作期间打开炉门，更换上述负载水。试验数据见表1。

图5 风路改进前的微波炉结构示意图

由表1数据可得：阳极最高平均温度290.6℃，穿心电容最高平均温度是112.6℃。两者温度都较高。通过网络分析仪进行阻抗匹配，如图2所示，左边是反射系数，右边是功率区域。此雷基图显示微波炉工作时，反射系数S11达到了2.55，磁控管工作在一、二极象限的低功率区域。根据实际经验，反射系数S11在1.5到2.0之间是比较理想的情况。反射系数高，工作在低功率区域，表明磁控管发出的微波，绝大多数被反射了，输出功率比较低，导致磁控管温度高，甚至可能出现磁铁炸裂等情况，降低磁控管使用寿命。

2.1.2 对波导系统进行优化改进

针对以上微波反射强、输出功率低，造成磁控管阳极温度高的问题，对波导系统进行优化设计，如图3所示，波导拉伸增加一个鼓包，矩形波导口的一角，改成三角形。目的是在炉腔内能激励起尽量多的工作模式，以形成比较均匀的电磁场能量分布，降低反射系数，提高磁控管的输出功率。

图6 改进安装风道后的结构示意图和风道结构示意图

2.1.3 波导系统改进后的温升试验

对5台波导系统改进后的样机，同样按照GB 4706.21-2008《家用和类似用途电器的安全 微波炉，包括组合型微波炉的特殊要求》进行温升试验[1][2][3]，试验数据见表2。

波导系统改进后，阳极最高温度分平均值为236.8℃，比改进前下降了53.8℃，穿心电容最高平均温度为96.6℃，比改进前下降了16℃。磁控管阳极、穿心电容温度下降明显。网络分析仪分析结果如图4所示，反射系数为1.7，功率区域在一、四象限，属于高功率区域。反射系数低，说明只有小部分微波反射回磁控管，降低了天线附近电场密度分布，提高了微波的输出功率，整机处于一种动态平衡状态，磁控管工作稳定。

由上述可知，波导系统这种形状的改变，使腔体与波导系统达到了良好的匹配，明显降低了磁控管阳极温度。

2.2 改进风路降低磁控管温度

2.2.1 风路改进前的温升试验

图5所示是风路改进前的示意图，为了比较风路改进前后磁控管温升的高低差别，对5台风路改进前的样机进行磁控管温升测试[1][2][3]，取平均值作为其温升值。同样按照GB 4706.21-2008《家用和类似用途电器的安全 微波炉，包括组合型微波炉的特殊要求》进行温升试验，试验数据见表3。

由表3数据可得：阳极最高平均温度288.8℃，穿心电容最高平均温度是110.2℃。图4中的风路结构虽然由安装的风扇来冷却磁控管，但磁控管的温度仍然很高。主要原因是风扇周围是敞开式的，根据风流动的特点，吹过来的冷风向四周发散，不能形成聚集并集中有效地吹向磁控管，冷风利用率不高，发热过程产生的热量不能得到充分的冷却，造成温度很高。

2.2.2 对风路进行优化改进

针对以上风扇冷却时，冷风发散不能集中有效冷却，造成磁控管温升试验时温度高的问题，对风路系统进行改进优化。磁控管工作时产生大量的热量，需要带有风扇的风路系统对其进行强制冷却，确保其温度不超过限定值要求，能进行可靠地工作。良好的风路系统是当磁控管工作2～3分钟后，磁控管的发热量与冷却的冷风量能够相互抵消，达成动态的平衡过程，磁控管温度不再继续上升。对微波炉工作时磁控管的发热及风扇冷却过程进行模拟仿真，分析风流动的特点，从而很好地对风路进行优化改进。如图6（右）所示，在磁控管和风扇之间安装一个风道。风道结构如图6（左）所示，风道的前端将磁控管完全包裹住，后端与风扇支架紧密配合，形成一个封闭的通道，防止冷风向四周扩散。可以将风扇吹过来的冷风集中有效地吹向磁控管，增强冷却磁控管的效果。

表1 改进前传统结构的波导系统磁控管最高温度

表2 波导系统改进后磁控管最高温度

表3 风路改进前磁控管最高温度

表4 风路改进后磁控管最高温度

2.2.3 风路改进后的温升试验

对5台风路改进后的样机，同样按照GB 4706.21-2008《家用和类似用途电器的安全 微波炉，包括组合型微波炉的特殊要求》进行温升试验[1][2][3]，试验数据见表4。

由表4数据可得：阳极最高平均温度是235.4℃，比风路改进前下降了53.4℃，穿心电容最高平均温度是92.8℃，比风路改进前下降了17.4℃。分析原因，主要是风路优化改进后的结构，风道前端将磁控管完全包裹住，后端与风扇支架紧密配合，在磁控管与风扇支架之间构成一个密闭的空间，防止冷风的泄漏。风扇吹过来的冷风，在一个密闭的通道里，可以集中有效地冷却磁控管，大大增强了冷却效果，磁控管发热产生的热量与风扇冷却的冷风量达到平衡，降低了磁控管的温度。

3 结论

微波炉的核心部件磁控管，由于自身承载将电能转化为微波能的功能，工作时自身温度会变得很高，如果高温的磁控管不能得到及时冷却，会导致磁控管不能正常工作、使用寿命降低。本文从造成磁控管温度变高的两个主要原因（一是磁控管自身的发热，二是风路系统对磁控管的冷却效果不佳）入手，对降低磁控管温度作了详细的探讨和研究。即改进波导系统来降低磁控管自身发热量和改进优化风路设计增强冷却磁控管的效果，从外部降低磁控管的温度。

[1]GB 4706.1-2005《家用和类似用途电器的安全 第1部分：通用要求》

[2]GB 4706.21-2008《家用和类似用途电器的安全 微波炉，包括组合型微波炉的特殊要求》

[3]GB 4706.22-2008《家用和类似用途电器的安全 驻立式电灶、灶台、烤箱及类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