(57)【要約】【課題】装置を大型化することなく、高い直流高電圧が効率的に得られるようにした直流高電圧電源装置を提供する。【解決手段】コンデンサユニット２２と整流素子ユニット２１を組合わせて一段以上の整流回路を構成し、これを多段直列接続して、その一端をトランス２の二次巻線で駆動し、反対端より直流高電圧を取り出すコッククロフト回路３を備え、整流回路のうち少なくとも一段の整流回路の高さをその整流回路の分担電圧に対応させて、それ以外の整流回路の高さより低くした。【選択図】　　　　図１
2004040932.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンデンサユニットと整流素子ユニットを組合わせて一段以上の整流回路を構成し、これを多段直列接続して、その一端をトランスの二次巻線で駆動し、反対端より直流高電圧を取り出すコッククロフト回路を備え、前記整流回路のうち少なくとも一段の整流回路の高さをその整流回路の分担電圧に対応させて、それ以外の整流回路の高さより低くしたことを特徴とする直流高電圧電源装置。
【請求項２】
前記コッククロフト回路の各段を複数のグループに区分し、該複数のグループ毎に、前記整流回路の高さを調整したことを特徴とする請求項１記載の直流高電圧電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は直流高電圧電源装置に係り、特に電子線照射装置、または粒子線加速装置等の用途に好適な１０００〜５０００ｋＶ程度の直流高電圧を発生することができる直流高電圧電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば火力発電所等において、燃焼排ガス中から大気汚染物質を除去するために燃焼排ガスに電子線を照射する技術が知られている。このような用途の電子線照射装置では、例えば８００ｋＶの直流高電圧を加速管に与え、電子線を大気中に放出して燃焼排ガスに照射するようにしたものである。照射対象が水のような液体になると、透過能力が１０００〜５０００ｋＶ程度の加速電圧を必要とする。
【０００３】
このような電子線照射装置には、１０００〜５０００ｋＶの直流高電圧を発生する電源装置が必要であり、整流昇圧回路としてコッククロフト回路が用いられるのが一般的である。コッククロフト回路は、コンデンサと整流素子とを組み合わせて多段直列接続した整流昇圧回路であり、その一端をトランスの二次巻線で駆動し、反対端より直流高電圧を取り出すようにしたものである。即ち、コッククロフト回路によればトランスの二次巻線に形成される交流電圧が半波ごとに整流され、コンデンサと整流素子とを組み合わせた多段直列回路により整流電圧が順次加算され、多段直列回路の最終段より直流高電圧が取り出される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
係るコッククロフト回路においては、理論的には、コンデンサユニットと整流素子ユニットとを組み合わせた整流回路ユニットの段数分と、トランスの二次巻線電圧の整流電圧（波高値分）との積の２倍の直流高電圧が得られる。しかしながら、実際には各段間には浮遊容量が存在し、このためこの浮遊容量が整流素子に並列接続した形となり、理論的な直流高電圧が得られないという問題がある。
【０００５】
本発明は上述した事情に鑑みて為されたもので、装置を大型化することなく、高い直流高電圧が効率的に得られるようにした直流高電圧電源装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の直流高電圧電源装置は、コンデンサユニットと整流素子ユニットを組合わせて一段以上の整流回路を構成し、これを多段直列接続して、その一端をトランスの二次巻線で駆動し、反対端より直流高電圧を取り出すコッククロフト回路を備え、前記整流回路のうち少なくとも一段の整流回路の高さをその整流回路の分担電圧に対応させて、それ以外の整流回路の高さより低くしたことを特徴とする。
【０００７】
上述した本発明によれば、各段の整流回路が等しい回路定数を有していても、浮遊容量の影響により後段側に行くに従って整流電圧の分担比が下がるということを逆に利用して、これに対応した絶縁設計を施すことで、整流昇圧回路の全体的な高さを低減すると共に、コストを低減するようにしたものである。即ち、変圧器の二次巻線に接続する入力段側では整流回路一段当たりの計算上の整流電圧に対応した高さが絶縁設計上必要であるが、後段側に行くに従い、浮遊容量の影響で整流回路一段当たりの整流電圧が低下することは上述したとおりである。絶縁設計としては、後段側に行くに従い、余裕が生じるので、この部分の整流回路一段当たりの高さを低くすることができると共に、耐圧確保のための部品の直列接続数を低減できる。従って、電源全体としてのサイズを小型化することができると共に部品点数を低減してコスト低減が可能である。
【０００８】
上記絶縁設計の考え方によれば、後段側に行くに従って、順次整流回路の一段当たりの高さを連続的（傾斜的）に低くすることができる。しかしながら、整流回路の一段当たりの高さを順次連続的に変化させることは、部品の標準化という観点からは必ずしも好ましいものではなく、多段直列接続の整流回路の一部の段のみに上記絶縁設計を適用しても、全体の高さの低減に有効である。従って、前記一段の整流回路の高さを低くした段を、前記コッククロフト回路の前記直流高電圧の取出し口の段またはその近傍の複数段に配置することができる。また、前記ロッククロフト回路の各段を複数のグループに区分し、該複数のグループ毎に、前記整流回路の高さを前記整流電圧の分担比に対応して調整するようにしてもよい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照しながら説明する。
【００１０】
図１は、本発明の実施形態の直流高電圧電源装置を示し、図２はバランス形コッククロフト回路の構成例を示す。電源装置は圧力容器１の内部に加速管１３と共に収容され、変圧器２と、コッククロフト回路３等から構成されている。容器１内には、ＳＦ６ガス等の絶縁ガスが充填され、十分な絶縁性が確保されている。コッククロフト回路３は、支柱５に支持された絶縁板６にコンデンサ素子ユニットＣが搭載され、上下の段との間に整流素子ユニットＤ（Ｃｓ）が接続されて、図示するように多数の段が積層されて構成されている。絶縁板６の周囲には金属材で構成されたコロナシールドフープ７が配置され、絶縁板６周辺の電位傾度を緩やかなものとし、コロナ放電の発生を防止している。また、コッククロフト回路３の最上段の直流高電圧取出し部の周辺にはコロナシールドカバー４が配置され、同様に直流高電圧部周辺の電位傾度を緩和し、コロナ放電の発生を防止している。
【００１１】
図２に示すバランス形コッククロフト回路は、整流素子Ｄとこれに並列接続されたコンデンサＣｓと直列接続された保護抵抗Ｒからなる整流素子ユニット２１がたすきがけ状に配置され、コンデンサＣとこれに直列接続された保護抵抗ｒとからなるコンデンサユニット２２が整流素子ユニット２１に接続されて一段の整流回路を構成し、これが多段縦続接続されている。即ち、各段の整流回路では、２台の整流素子ユニット２１，２１がたすきがけ状に接続され、次段側への接続点と前段側の接続点との間に２台のコンデンサユニット２２，２２がそれぞれ接続されている。
【００１２】
コッククロフト回路の動作は、変圧器の二次巻線２０ａ，２０ｂにそれぞれ例えば１００ｋＶ程度の交流高電圧が生じると、半波ごとに整流素子ユニット２１，２１で整流され、コンデンサユニット２２，２２のコンデンサＣに整流された直流電圧が充電される。そして、２段目のコンデンサユニット２２，２２のコンデンサＣには一段目のコンデンサＣに蓄圧された直流電圧に加算するように、たすきがけ状に接続された整流素子ユニット２１，２１から直流電流が流入する。従って、２段目のコンデンサユニット２２，２２においては、初段の整流電圧と同じ整流電圧がコンデンサＣに充電される。このようにしてたすきがけ状に直列接続された整流素子ユニットの段数Ｎに、一段当たりの整流電圧を乗じた直流電圧が、理論的には最終段の直流電圧取出し端子に得られる。
【００１３】
ここで整流素子ユニット２１およびコンデンサユニット２２は単一の整流素子ＤとコンデンサＣとからそれぞれ構成されるように等価的に図示しているが、実際には多数の単体の整流素子およびコンデンサ等の直列接続集合体である。個々の整流素子およびコンデンサは、市販品の有する通常の耐圧であるが、例えば数百個の単体整流素子を直列接続することで、一段当たりの所用の耐圧を確保している。
【００１４】
しかしながら、コッククロフト回路においては、その各段に浮遊容量が存在し、このためこの浮遊容量が整流素子に並列接続した形となり、後段側に行くに従い得られる一段当たりの直流電圧が低下し、全体として理論的な直流高電圧が得られないという問題があることは上述したとおりである。例えば、０．０８μＦのコンデンサを１５段積み上げたバランス型コッククロフト回路において、入力電圧を３ｋＶ、使用周波数を５ｋＨｚとして、整流素子ユニットの並列浮遊容量を２５ｐＦとすると、例えば、３０００ｋＶの直流高電圧発生時の各段の電圧分担は次のとおりとなる。即ち、最下段では２７０ｋＶが得られ、段が上がるにつれ、２６０ｋＶ、２５０ｋＶ、２３５ｋＶ、２２５ｋＶ、２１５ｋＶ、２０５ｋＶ、１９５ｋＶ、１９０ｋＶ、１８５ｋＶ、１８０ｋＶ、１７５ｋＶ、１７０ｋＶ、１６５ｋＶとなり、そして最上段では１６０ｋＶ程度になる。
【００１５】
このような場合に、各段の絶縁設計を同一にして、一段当たりの最高電圧である２７０ｋＶで設計すれば、後段側では余裕がありすぎる。このため、本発明の直流高電圧電源装置では、電圧分担の低い後段側の整流回路では、その分担電圧に対応させた絶縁設計を行うことを特徴としている。各段の分担電圧に対応させて、それぞれの絶縁設計を変化させても良いが、各段毎に仕様がすべて異なることになり、標準化の観点から好ましいことではない。
【００１６】
このため、図１に示す実施形態では、電圧分担に応じてＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの４グループに分けている。最下段のグループＤでは、分担電圧が２７０ｋＶから２５０ｋＶの３段であるので、２７０ｋＶ絶縁を採用する。次のグループＣにおいては、分担電圧が２３５ｋＶから２０５ｋＶの４段であるので、２３５ｋＶ絶縁を採用する。そして、次のグループＢの分担電圧が１９５ｋＶから１８５ｋＶの３段であるので、１９５ｋＶ絶縁を採用する。そして、最上段のグループＡにおいては、分担電圧が１８０ｋＶから１６０ｋＶであるので、その５段については１８０ｋＶ絶縁を採用する。
【００１７】
各段当たりの高さは、最上段のグループＡでは１９０ｍｍ程度となり、最下段のグループＤでは２４０ｍｍ程度となる。グループＢ，Ｃにおいては、それぞれその中間的な値となる。これにより、総合的に外形寸法を小さくすることができる。
【００１８】
１台の整流素子ユニットは、通常数百個の整流素子から成り、所要耐電圧に応じて、直列接続素子数を変更することが容易である。従って、一段当たりの分担電圧に対応させて、整流素子のユニットの直列接続素子数を減らすことができ、長さ方向に制約がある場合には高さ方向で調節することが可能である。同様にコンデンサユニットも、実際には十数個のコンデンサ素子で所要の耐電圧が得られるように構成されているが、一段当たりの絶縁耐圧を低減することで、その所要素子数を低減することが可能である。従って、一段当たりの絶縁設計を低耐圧化することで、コッククロフト回路を構成する一段当たりの高さを低減し、全体としても構成を小型コンパクト化することができると共に、直列接続素子数を低減することができ、これによりコストダウンをはかることができる。
【００１９】
図１に示す実施形態においては、絶縁耐圧をコッククロフト回路の分担電圧に対応させて４グループに分ける例について説明したが、分割するグループを２グループとし、入力段側の１〜２段を正規の絶縁耐圧とし、その他の段を低減した絶縁耐圧とし、一段当たりの高さを低減し、且つ直列接続部品数を低減するようにしても良い。また、逆に直流高電圧の出力段側の１〜２段をその分担電圧に対応して絶縁耐圧を低減し、その高さを低減すると共に直列接続部品数を低減するようにしても良い。
【００２０】
以上の説明は、バランス形コッククロフト回路についてのものであるが、対称形コッククロフト回路等の他の回路形式にも、同様に適用可能なことは勿論である。
【００２１】
なお、上記実施形態は本発明の実施例の一態様を述べたもので、本発明の趣旨を逸脱することなく種々の変形実施例が可能なことは勿論である。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、サイズを大型化することなく、効率的に高い直流高電圧が得られる電源装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の直流高電圧電源装置の構成例を示す、（ａ）平面図と（ｂ）立面図である。
【図２】図１におけるコッククロフト回路の回路図である。
【符号の説明】
１　　　高圧容器
２　　　変圧器
３　　　コッククロフト回路
４　　　コロナシールドカバー
５　　　支柱
６　　　絶縁支持板
７　　　コロナシールドフープ
１３　　　加速管
２１　　　整流素子ユニット
２２　　　コンデンサユニット
【図１】
2004040932.tif 000003
【図２】
2004040932.tif 000004