(57)【要約】【課題】  運転周波数を高くすることが容易であり、それによってコッククロフト・ワルトン回路を構成するコンデンサの低容量化が可能であり、かつ昇圧変圧器の小型・軽量化が可能な直流高圧電源装置およびその運転方法を提供する。【解決手段】  この直流高圧電源装置は、昇圧変圧器の働きをする空心変圧器４ａと、その２次電圧Ｖ2 の昇圧・整流を行うコッククロフト・ワルトン回路１０ａとを備えている。空心変圧器４ａの２次巻線８のインダクタンスＬ2 と、コッククロフト・ワルトン回路１０ａが生じさせる浮遊容量であって２次巻線８に電気的に並列接続された浮遊容量ＣS とを用いて、１次巻線６に供給される交流電力の周波数ｆで共振する並列共振回路を形成している。空心変圧器４ａは、１次巻線６と２次巻線８とを互いに同軸状に配置し、かつ両巻線６、８間の距離を、２次巻線８の接地端側ほど小さくし、非接地端側ほど大きくなるように変化させた構造をしている。【選択図】  図１
2007089306.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１次巻線および２次巻線を有していて、１次巻線に交流電力が供給される昇圧変圧器と、
前記昇圧変圧器の２次巻線に接続されていて、当該２次巻線から出力される交流電圧の昇圧および整流を行うコッククロフト・ワルトン回路とを備える直流高圧電源装置であって、
前記昇圧変圧器として、鉄心を有していない空心変圧器を用いており、
かつ前記空心変圧器の２次巻線のインダクタンスと、前記コッククロフト・ワルトン回路が生じさせる浮遊容量であって前記２次巻線に電気的に並列接続された浮遊容量とを用いて、前記交流電力の周波数で並列共振する並列共振回路を形成しており、
更に前記空心変圧器は、その１次巻線と２次巻線とを互いに同軸状に配置し、かつ当該１次巻線と２次巻線との間の距離を、２次巻線の電気的に接地された接地端側ほど相対的に小さくし、２次巻線の電気的に接地されていない非接地端側ほど相対的に大きくなるように変化させた構造をしていることを特徴とする直流高圧電源装置。
【請求項２】
前記空心変圧器は、互いに１８０度位相の異なる２次電圧をそれぞれ出力する二つの２次巻線と、この各２次巻線にそれぞれ対応する二つの１次巻線とを備えている請求項１記載の直流高圧電源装置。
【請求項３】
前記空心変圧器の２次巻線に、前記浮遊容量と共に前記並列共振回路を形成するコンデンサを並列接続している請求項１または２記載の直流高圧電源装置。
【請求項４】
１次巻線および２次巻線を有していて、１次巻線に交流電力が供給される昇圧変圧器と、
前記昇圧変圧器の２次巻線に接続されていて、当該２次巻線から出力される交流電圧の昇圧および整流を行うコッククロフト・ワルトン回路とを備える直流高圧電源装置において、
前記昇圧変圧器として、鉄心を有していない空心変圧器を用い、しかも当該空心変圧器は、その１次巻線と２次巻線とを互いに同軸状に配置し、かつ当該１次巻線と２次巻線との間の距離を、２次巻線の電気的に接地された接地端側ほど小さくし、２次巻線の電気的に接地されていない非接地端側ほど相対的に大きくなるように変化させた構造をしており、
そして前記空心変圧器の２次巻線のインダクタンスと、前記コッククロフト・ワルトン回路が生じさせる浮遊容量であって前記２次巻線に電気的に並列接続された浮遊容量とを用いて形成される並列共振回路において、前記交流電力の周波数で並列共振を生じさせた状態で、装置を運転することを特徴とする直流高圧電源装置の運転方法。
【請求項５】
前記空心変圧器は、互いに１８０度位相の異なる２次電圧をそれぞれ出力する二つの２次巻線と、この各２次巻線にそれぞれ対応する二つの１次巻線とを備えている請求項４記載の直流高圧電源装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば電子線照射装置、イオン注入装置、荷電粒子加速器等に用いられる直流高圧電源装置およびその運転方法に関し、特に、コッククロフト・ワルトン回路を備える直流高圧電源装置およびその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の従来の直流高圧電源装置は、鉄心入りの昇圧変圧器と、この昇圧変圧器の２次巻線から出力される交流電圧の昇圧および整流を行うコッククロフト・ワルトン回路とを備えている（例えば非特許文献１の７頁参照）。
【０００３】
コッククロフト・ワルトン回路は、よく知られているように、複数のコンデンサと複数の整流器とを組み合わせて、交流電圧から直流高電圧を発生させる回路である。
【０００４】
【非特許文献１】日新電機技報、日新電機株式会社、１９９５年７月３１日、第４０巻、第２号、頁３−１０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のような直流高圧電源装置を小型化するには、コッククロフト・ワルトン回路を構成するコンデンサの静電容量を小さくすること（即ち低容量化）が要点の一つである。
【０００６】
昇圧変圧器の１次巻線に入力される交流電力の周波数（以下これを「運転周波数」と呼ぶ）を高くすると、コッククロフト・ワルトン回路における出力電圧特性の低下を抑えつつ（即ち、電圧降下やリップル電圧を小さく抑えつつ）、コンデンサの静電容量を小さくすることが可能であるけれども、運転周波数を高くすると、昇圧変圧器の鉄心における損失が大きくなると共に、巻線と鉄心間の静電容量やコッククロフト・ワルトン回路の浮遊容量が無視できなくなって昇圧変圧器の容量増大を招く。また、巻線と鉄心間の静電容量やコッククロフト・ワルトン回路の浮遊容量による無効電力を補償しようとすると、補償リアクトルの追加が必要となる。このような理由から、運転周波数を高くすることは容易ではない。そのために、従来は、前記非特許文献１にも記載されているように、運転周波数を例えば１ｋＨｚ〜１０ｋＨｚ程度と低くしており、コンデンサの静電容量を例えば０．０１μＦ〜０．１μＦと大きくしていた。
【０００７】
また、昇圧変圧器の２次電圧が高くなるほど、巻線と鉄心間に大きな絶縁距離を確保する必要があり、これが昇圧変圧器の小型化の妨げとなっていた。
【０００８】
そこでこの発明は、運転周波数を高くすることが容易であり、それによってコッククロフト・ワルトン回路を構成するコンデンサの低容量化が可能であり、かつ昇圧変圧器の小型・軽量化が可能な直流高圧電源装置およびその運転方法を提供することを主たる目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に係る直流高圧電源装置は、１次巻線および２次巻線を有していて、１次巻線に交流電力が供給される昇圧変圧器と、前記昇圧変圧器の２次巻線に接続されていて、当該２次巻線から出力される交流電圧の昇圧および整流を行うコッククロフト・ワルトン回路とを備える直流高圧電源装置であって、前記昇圧変圧器として、鉄心を有していない空心変圧器を用いており、かつ前記空心変圧器の２次巻線のインダクタンスと、前記コッククロフト・ワルトン回路が生じさせる浮遊容量であって前記２次巻線に電気的に並列接続された浮遊容量とを用いて、前記交流電力の周波数で並列共振する並列共振回路を形成しており、更に前記空心変圧器は、その１次巻線と２次巻線とを互いに同軸状に配置し、かつ当該１次巻線と２次巻線との間の距離を、２次巻線の電気的に接地された接地端側ほど相対的に小さくし、２次巻線の電気的に接地されていない非接地端側ほど相対的に大きくなるように変化させた構造をしていることを特徴としている。
【００１０】
上記直流高圧電源装置によれば、昇圧変圧器として空心変圧器を用いているので、運転周波数を高くしても、従来のような鉄心に起因する損失増大および当該変圧器の巻線と鉄心間の静電容量やコッククロフト・ワルトン回路の浮遊容量による容量増大を招かずに済む。
【００１１】
また、昇圧変圧器に単に空心変圧器を用いただけだと、鉄心入り変圧器に比べて１次巻線と２次巻線間の結合係数が小さいので、２次巻線側に電力を効率良く供給することができないけれども、この発明では上記並列共振回路によって、２次巻線側に電力を効率良く供給することができる。
【００１２】
更に、空心変圧器を前記構造にしたことによって、１次巻線と２次巻線間の絶縁距離を確保しつつ、１次巻線と２次巻線間の結合係数を従来の空心変圧器に比べて大きくすることができる。その結果、上記並列共振に必要な静電容量を小さくすることができるので、当該静電容量として上記浮遊容量を用いて、上記並列共振回路を形成することが容易になる。
【００１３】
前記空心変圧器は、互いに１８０度位相の異なる２次電圧をそれぞれ出力する二つの２次巻線と、この各２次巻線にそれぞれ対応する二つの１次巻線とを備えていても良い。後述する運転方法においても同様である。
【００１４】
前記空心変圧器の２次巻線に、前記浮遊容量と共に前記並列共振回路を形成するコンデンサを並列接続しておいても良い。
【００１５】
この発明に係る直流高圧電源装置の運転方法は、１次巻線および２次巻線を有していて、１次巻線に交流電力が供給される昇圧変圧器と、前記昇圧変圧器の２次巻線に接続されていて、当該２次巻線から出力される交流電圧の昇圧および整流を行うコッククロフト・ワルトン回路とを備える直流高圧電源装置において、前記昇圧変圧器として、鉄心を有していない空心変圧器を用い、しかも当該空心変圧器は、その１次巻線と２次巻線とを互いに同軸状に配置し、かつ当該１次巻線と２次巻線との間の距離を、２次巻線の電気的に接地された接地端側ほど小さくし、２次巻線の電気的に接地されていない非接地端側ほど相対的に大きくなるように変化させた構造をしており、そして前記空心変圧器の２次巻線のインダクタンスと、前記コッククロフト・ワルトン回路が生じさせる浮遊容量であって前記２次巻線に電気的に並列接続された浮遊容量とを用いて形成される並列共振回路において、前記交流電力の周波数で並列共振を生じさせた状態で、装置を運転することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１に記載の発明によれば、昇圧変圧器として空心変圧器を用いているので、運転周波数を高くしても、従来の鉄心入り変圧器のような鉄心に起因する損失増大および当該変圧器の巻線と鉄心間の静電容量やコッククロフト・ワルトン回路の浮遊容量による容量増大を招かずに済む。補償用リアクトルも不要である。従って運転周波数を高くすることが容易である。その結果、コッククロフト・ワルトン回路を構成するコンデンサの低容量化が可能になり、ひいてはコッククロフト・ワルトン回路の小型化が可能になる。また、空心変圧器は鉄心を有していないので電気絶縁が容易となり、当該変圧器の構造の簡素化、小型・軽量化も可能になる。これらの結果、当該直流高圧電源装置の小型・軽量化が可能になる。
【００１７】
また、昇圧変圧器に単に空心変圧器を用いただけだと、鉄心入り変圧器に比べて１次巻線と２次巻線間の結合係数が小さいので、２次巻線側に電力を効率良く供給することができないけれども、この発明では上記並列共振回路によって、２次巻線側に電力を効率良く供給することができる。
【００１８】
更に、空心変圧器を前記構造にしたことによって、１次巻線と２次巻線間の絶縁距離を確保しつつ、１次巻線と２次巻線間の結合係数を従来の空心変圧器に比べて大きくすることができる。その結果、上記並列共振に必要な静電容量を小さくすることができるので、当該静電容量として上記浮遊容量を用いて、上記並列共振回路を形成することが容易になる。
【００１９】
請求項２、５に記載の発明によれば、前記コッククロフト・ワルトン回路が、中央の第１コンデンサコラムに対称に第２コンデンサコラム、第３コンデンサコラムおよび整流器を設けた対称型のコッククロフト・ワルトン回路や、対称型から中央の第１コンデンサコラムを省いたバランス型のコッククロフト・ワルトン回路の場合にも簡単に対応することができる。
【００２０】
請求項３に記載の発明によれば、前記浮遊容量だけでは静電容量が不足する場合に、その不足分を前記コンデンサによって補うことができる。この場合、コンデンサは上記不足分を補うに足りるだけの小さな静電容量で済むので、コンデンサを設ける場合でも、当該コンデンサひいては直流高圧電源装置の小型化が可能になる。
【００２１】
請求項４に記載の発明によれば、昇圧変圧器として空心変圧器を用いているので、運転周波数を高くしても、従来の鉄心入り変圧器のような鉄心に起因する損失増大および当該変圧器の巻線と鉄心間の静電容量やコッククロフト・ワルトン回路の浮遊容量による容量増大を招かずに済む。補償用リアクトルも不要である。従って運転周波数を高くすることが容易である。その結果、コッククロフト・ワルトン回路を構成するコンデンサの低容量化が可能になり、ひいてはコッククロフト・ワルトン回路の小型化が可能になる。また、空心変圧器は鉄心を有していないので電気絶縁が容易となり、当該変圧器の構造の簡素化、小型・軽量化も可能になる。これらの結果、直流高圧電源装置の小型・軽量化が可能になる。
【００２２】
また、昇圧変圧器に単に空心変圧器を用いただけだと、鉄心入り変圧器に比べて１次巻線と２次巻線間の結合係数が小さいので、２次巻線側に電力を効率良く供給することができないけれども、この発明では上記並列共振回路において並列共振を生じさせた状態で直流高圧電源装置を運転するので、２次巻線側に電力を効率良く供給することができる。
【００２３】
更に、空心変圧器を前記構造にしたことによって、１次巻線と２次巻線間の絶縁距離を確保しつつ、１次巻線と２次巻線間の結合係数を従来の空心変圧器に比べて大きくすることができる。その結果、上記並列共振に必要な静電容量を小さくすることができるので、当該静電容量として上記浮遊容量を用いて、上記並列共振回路において並列共振を生じさせた状態で装置を運転することが容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図１は、この発明に係る直流高圧電源装置の一実施形態を示す回路図である。この直流高圧電源装置は、昇圧変圧器として、鉄心を有していない空心変圧器４ａを用いている。即ち、１次巻線６および２次巻線８を有していて、１次巻線６に交流電源２から交流電力が供給され、昇圧変圧器としての働きをする空心変圧器４ａと、この空心変圧器４ａの２次巻線８に接続されていて、２次巻線８から出力される交流電圧（２次電圧）Ｖ2 の昇圧および整流を行うコッククロフト・ワルトン回路１０ａとを備えている。
【００２５】
空心変圧器４ａの２次巻線８の一方端は、電気的に接地された接地端８ａであり、他方端は、電気的に接地されていない非接地端８ｂである。
【００２６】
コッククロフト・ワルトン回路１０ａは、普通型と呼ばれるものであり、空心変圧器４ａの２次巻線８の接地端８ａに接続されていて複数のコンデンサ１２を直列接続して成る第１コンデンサコラム１４ａと、２次巻線８の非接地端８ｂに接続されていて複数のコンデンサ１２を直列接続して成る第２コンデンサコラム１４ｂと、両コンデンサコラム１４ａ、１４ｂ間に、各コンデンサ１２が一方向に充電されるように接続された複数の整流器１６とを有している。最上段のコンデンサ１２および整流器１６は、出力端子１８に接続されている。コッククロフト・ワルトン回路１０ａの段数は、直列コンデンサ１２の数で表され、図示例では３段であるが、それに限らず任意である。後述する他の実施形態においても同様である。
【００２７】
コッククロフト・ワルトン回路１０ａは、接地電位部等との間に浮遊容量（浮遊静電容量）を生じさせる。その浮遊容量には、空心変圧器４ａの２次巻線８に電気的に並列接続されているものがある。その浮遊容量は、各段に分布して形成されているが、ここではそれを一括して浮遊容量ＣS で図示している。この浮遊容量ＣS は、接地電位部を経由して、空心変圧器４ａの２次巻線８の接地端８ａに電気的に接続されており、その結果、２次巻線８に電気的に並列接続されている。この浮遊容量ＣS を形成する主なものは、非接地端８ｂ側の第２コンデンサコラム１４ｂと接地電位部との間に分布して形成される浮遊容量である。
【００２８】
そしてこの直流高圧電源装置では、空心変圧器４ａの２次巻線８のインダクタンスＬ2 と、上記浮遊容量ＣS とを用いて、交流電源２の周波数ｆ、即ち交流電源２から１次巻線６に供給される交流電力の周波数ｆで並列共振する並列共振回路を形成している。これを図２を参照して詳述する。
【００２９】
図２は、空心変圧器４ａ周りの電気回路を簡略化して示す図である。空心変圧器４ａの１次電圧をＶ1 、２次電圧をＶ2 、１次巻線６のインダクタンスをＬ1 、２次巻線８のインダクタンスをＬ2 、相互インダクタンスをＭ、負荷をＲとする。
【００３０】
浮遊容量ＣS による容量性リアクタンスをＸCS、インダクタンスＬ2 による誘導性リアクタンスをＸL2とすると、この実施形態では、周波数ｆのときに次の数１の並列共振条件が成立するようにしている。
【００３１】
［数１］
ＸCS＝ＸL2
【００３２】
換言すれば、次の数２を満たす周波数ｆで運転するようにしている。
【００３３】
［数２］
ｆ＝１／２π√（Ｌ2 ＣS ）
【００３４】
テブナンの定理を用いて端子ａ、ｂから見た１次側の等価回路を表すことができ、それに上記数１の共振条件を用いて整理すると、上記並列共振時の２次電圧Ｖ2 は、負荷Ｒを接続していない場合は、次の数３で表される。即ち、上記並列共振条件を成立させると、空心変圧器４ａは、昇圧比Ｎが（Ｌ2 ／Ｍ）で与えられる変圧器と等価であると考えることができる。
【００３５】
［数３］
Ｖ2 ＝（Ｌ2 ／Ｍ）Ｖ1 ＝Ｎ・Ｖ1 
【００３６】
負荷Ｒが接続されている場合の２次電圧Ｖ2 、１次巻線容量Ｐ1 および２次巻線容量Ｐ2 は、変数φ、負荷損Ｐおよび無効電力Ｑを用いて整理すると、次式で表される。
【００３７】
［数４］
Ｖ2 ＝Ｎ・Ｖ1 ／φ
＝（Ｌ2 ／Ｍφ）Ｖ1 
【００３８】
［数５］
Ｐ1 ＝φ・Ｐ
【００３９】
［数６］
Ｐ2 ＝√（Ｐ2 ＋Ｑ2 ）
【００４０】
ここで、変数φ、負荷損Ｐ、無効電力Ｑ、空心変圧器４ａの結合係数ｋは、以下の各式でそれぞれ表される。
【００４１】
［数７］
φ＝√｛１＋（Ｐ／Ｑ）2 ・（１／ｋ2 −１）2 ｝
【００４２】
［数８］
Ｐ＝Ｖ22／Ｒ
【００４３】
［数９］
Ｑ＝２πｆＣS Ｖ22
【００４４】
［数１０］
ｋ＝Ｍ／√（Ｌ1 ・Ｌ2 ）
【００４５】
上記直流高圧電源装置によれば、昇圧変圧器として空心変圧器４ａを用いているので、運転周波数ｆを高くしても、従来のような鉄心に起因する損失増大および当該変圧器４ａの巻線と鉄心間の静電容量やコッククロフト・ワルトン回路１０ａの浮遊容量による容量増大を招かずに済む。補償用リアクトルも不要である。従って、運転周波数ｆを高くすることが容易である。その結果、コッククロフト・ワルトン回路１０ａを構成するコンデンサ１２の低容量化が可能になり、ひいてはコッククロフト・ワルトン回路１０ａの小型化が可能になる。また、空心変圧器４ａは鉄心を有していないので電気絶縁が容易となり、当該変圧器４ａの構造の簡素化、小型・軽量化も可能になる。これらの結果、当該直流高圧電源装置の小型・軽量化が可能になる。低コスト化も可能になる。
【００４６】
また、昇圧変圧器に単に空心変圧器４ａを用いただけだと、鉄心入り変圧器に比べて１次巻線６と２次巻線８間の結合係数ｋが小さいので、２次巻線８側に電力を効率良く供給することができないけれども、この実施形態では上記並列共振回路によって、２次巻線８側に電力を効率良く供給することができる。
【００４７】
換言すれば、この直流高圧電源装置の運転方法として、上記並列共振回路において上記運転周波数ｆで並列共振を生じさせた状態で当該装置を運転することによって、空心変圧器４ａを用いていても、２次巻線８側に電力を効率良く供給することができる。後述する他の実施形態における直流高圧電源装置の運転においても同様である。
【００４８】
ところで、空心変圧器４ａの結合係数ｋは大きい方が好ましい。大きい方が、上記並列共振に必要な静電容量を小さくすることができるので、当該静電容量として上記浮遊容量ＣS を用いて、上記並列共振回路を形成することが容易になるからである。これを以下に詳述する。
【００４９】
図８は、従来の空心変圧器の一例を示すものであり、これと同様の空心変圧器をシェンケル型の直流高圧電源装置に用いた例が特開平９−２４７９３９号公報に記載されている。この空心変圧器２４は、二つの２次巻線２８の接地端側２８ａの間に、１次巻線２６を直列に並べて配置した構造をしている。このような構造の空心変圧器２４の結合係数ｋの代表的な値は、０．３程度である。
【００５０】
図３は、この発明に係る直流高圧電源装置を構成する空心変圧器の構造の一例を示す概略断面図である。この空心変圧器４ａまたは図４に示す空心変圧器４ａを、図１に示した空心変圧器４ａとして用いる。
【００５１】
一般的に、空心変圧器において、その１次巻線と２次巻線とを互いに近接させると結合係数ｋを大きくすることができるけれども、１次巻線と２次巻線間には、２次巻線からの出力電圧（２次電圧）に耐えるだけの絶縁距離を確保する必要があるので、結合係数ｋを大きくすることと上記絶縁距離を確保することとを両立させることは容易ではない。特に、直流高圧電源装置においては、２次電圧が例えば数十ｋＶ〜数百ｋＶの高電圧になるので、上記両立は容易ではない。
【００５２】
これに対して、この図３に示す空心変圧器４ａでは、１次巻線６と２次巻線８とを、２次巻線８を内側にして、互いに同軸状に配置している。２０は中心軸である。このように同軸状に配置すると、１次巻線６と２次巻線８間の磁気結合が良くなり、結合係数ｋが大きくなる。なお、両巻線６、８は、この例では横断面が円形をした筒状であるが、横断面が四角形をした筒状でも良い。後述する他の空心変圧器４ａ、４ｂにおいても同様である。
【００５３】
２次巻線８は、ディスク巻きと呼ばれる構造をしている。即ち、円盤状巻線を複数段積み重ねて直列接続した構造をしている。後述する他の空心変圧器４ａ、４ｂにおいても同様である。この２次巻線８の一方端は、電気的に設置された接地端８ａであり、他方端は、電気的に設置されていない非接地端８ｂである。接地端８ａには接地端子９ａが、非接地端８ｂには高圧端子９ｂが、それぞれ接続されている。
【００５４】
内側の２次巻線８は、この例では直径が一定の筒状（円筒状）であるが、外側の１次巻線６は、半鼓型（換言すれば上が広い円錐状）をしている。これによって、１次巻線６と２次巻線８との間の距離（より具体的には、１次巻線６の内面と２次巻線８の外面との間の水平距離）ｄを、２次巻線８の接地端側８０ａほど相対的に小さくし、２次巻線８の非接地端側８０ｂほど相対的に大きくなるように変化させた構造をしている。なお、この明細書において、２次巻線８の接地端側８０ａ、非接地端側８０ｂというのは、２次巻線８の中心軸２０に沿う方向において、それぞれ接地端８のある側、非接地端８ｂのある側の意味である。１次巻線６の両端には入力端子７がそれぞれ接続されている。
【００５５】
１次巻線６は電気的に低圧側にあるので、２次巻線８の接地端側８０ａとの間の距離ｄを小さくしても、必要な絶縁距離を確保することができる。しかも、距離ｄを小さくすることによって、両巻線６、８間の磁気結合が良くなり、結合係数ｋが大きくなる。一方、２次巻線８の非接地端側８０ｂは高電圧になるので、距離ｄを大きくして、必要な絶縁距離を確保している。
【００５６】
この空心変圧器４ａは、上記構造を採用したことによって、１次巻線６と２次巻線８間の絶縁距離を確保しつつ、１次巻線６と２次巻線８間の結合係数ｋを従来の空心変圧器２４に比べて大きくすることができる。換言すれば、結合係数ｋを大きくすることと、必要な絶縁距離を確保することとを両立させることができる。この空心変圧器４ａによって、例えば０．６程度という大きな結合係数ｋを実現することができる。これは、従来の空心変圧器２４の結合係数（０．３程度）の約２倍の大きさである。
【００５７】
また、図３に示す例のように、２次巻線８の非接地端側８０ｂにおいて、１次巻線６の高さを２次巻線８の高さよりも低くする（その高さの差をΔｈとする）のが好ましく、そのようにすると、絶縁的に最も弱点となる２次巻線８の非接地端側８０ｂの角部付近での電界集中を緩和することができる。これを詳述すると、２次巻線８の非接地端側８０ｂは前述したように高電圧になり、その角部付近に電界が集中する傾向がある。仮に高さの差Δｈがなくて、２次巻線８の非接地端側８０ｂ付近まで低圧側の１次巻線６が達していると、高電圧の非接地端側８０ｂに低圧側の１次巻線６が近づくので、両者間の等電位面が密になり、非接地端側８０ｂの角部付近に電界が集中することになる。これに対して、上記高さの差Δｈを形成すると、その分、高電圧の非接地端側８０ｂと低圧側の１次巻線６が離れるので、非接地端側８０ｂの角部付近での電界集中を緩和することができる。従ってその分、１次巻線６と２次巻線８間の距離ｄを小さくすることができるので、両巻線６、８間の磁気結合をより高めて、結合係数ｋをより大きくすることができる。
【００５８】
図３に示した例とは反対に、図４に示す例のように、１次巻線６を上が狭い錐体状（例えば円錐状）にして、筒状（この例では円筒状）の２次巻線８の内側に配置しても良い。この空心変圧器４ａも、１次巻線６と２次巻線８間の距離（より具体的には、１次巻線６の外面と２次巻線８の内面との間の水平距離）ｄを、２次巻線８の接地端側８０ａほど相対的に小さくし、２次巻線８の非接地端側８０ｂほど相対的に大きくなるように変化させた構造をしている。また、上記高さの差Δｈも形成している。従って、図３の例の場合と同様の作用効果を奏する。
【００５９】
空心変圧器４ａを上記構造にすることによって、１次巻線６と２次巻線８間の絶縁距離を確保しつつ、１次巻線６と２次巻線８間の結合係数ｋを従来の空心変圧器に比べて大きくすることができる。例えば、前述したように、従来の空心変圧器２４に比べて結合係数を約２倍にすることができる。その結果、上記並列共振に必要な静電容量を小さくすることができる。
【００６０】
どの程度小さくすることができるかを説明すると以下のようになる。負荷損Ｐは概直流電源の出力で電源仕様から定まり、数４、数５に示すように変数φ（φ＞１）は２次電圧Ｖ2 の低下や１次巻線容量Ｐ1 ひいては１次電源容量の増大を防ぐために極力１に近い方が望ましく、通常は１．２＞φとしている。従って、上記数７において、変数φおよび負荷損Ｐを一定に保つとすると、結合係数がｋ1 のときの無効電力Ｑ1 と、結合係数がｋ2 のときの無効電力Ｑ2 との比は、次の数１１で表される。これに空心変圧器４ａの結合係数ｋ1 として０．６、従来の空心変圧器２４の結合係数ｋ2 として０．３を代入すると数１２となる。
【００６１】
［数１１］
Ｑ1 ／Ｑ2 ＝（１／ｋ12−１）／（１／ｋ22−１）
【００６２】
［数１２］
Ｑ1 ／Ｑ2 ＝（１／０．６2 −１）／（１／０．３2 −１）＝１／６
【００６３】
上記無効電力Ｑは、空心変圧器４ａの２次巻線８に並列に接続された静電容量、即ち並列共振用の静電容量に対応しており、従って上記数１２の例では、並列共振用の静電容量を１／６と大幅に小さくすることができる。
【００６４】
上記のように並列共振に必要な静電容量を小さくすることができることによって、当該静電容量として上記浮遊容量ＣS を用いて並列共振回路を形成することが容易になる。換言すれば、上記静電容量として上記浮遊容量ＣS を用いて、上記並列共振回路において並列共振を生じさせた状態で直流高圧電源装置を運転することが容易になる。即ち、仮に並列共振に必要な静電容量が大きいと、上記浮遊容量ＣS だけでは静電容量が大幅に不足し、別に大きな容量のコンデンサを設ける必要が生じる。そうなると、当該コンデンサの分、コストが嵩むと共に、直流高圧電源装置が大型化する。
【００６５】
これに対して、結合係数ｋの大きい上記空心変圧器４ａを用いることによって、並列共振に必要な静電容量が小さくなると、当該静電容量としては、上記浮遊容量ＣS だけで十分な場合が多くなる。また、上記浮遊容量ＣS だけでは静電容量が不足する場合は、空心変圧器４ａの２次巻線８に、浮遊容量ＣS と共に並列共振回路を形成するコンデンサを接続して、その不足分を補っても良いが、その場合でも、コンデンサは上記不足分を補うに足りるだけの小さな静電容量で済むので、コンデンサを設ける場合でも、当該コンデンサひいては直流高圧電源装置の小型化、低コスト化が可能になる。後述する空心変圧器４ｂを用いる場合も同様である。
【００６６】
一例として、図３に示した構造の空心変圧器４ａを用いて、直流出力３００ｋＶ、１００ｍＡの直流高圧電源装置を試作した各種値を表１に示す。
【００６７】
【表１】
2007089306.tif 000003
【００６８】
この直流高圧電源装置では、上記浮遊容量ＣS が約１５０ｐＦ程度であり、５０ｋＨｚの運転周波数ｆで、特別に共振用のコンデンサを接続する必要がなく、浮遊容量ＣS のみで運転することができた。そして、運転周波数ｆを５０ｋＨｚと高くすることができたので、コッククロフト・ワルトン回路１０ａを構成するコンデンサ１２の静電容量を、従来の１／５以下の１７００ｐＦにすることができた。これによって、当該直流高圧電源装置の大幅な小型化を図ることができた。
【００６９】
なお、コッククロフト・ワルトン回路は、上記例以外のタイプのものでも良い。例えば、図６に示す例のように、中央の第１コンデンサコラム１４ｃに対称に第２コンデンサコラム１４ｄ、第３コンデンサコラム１４ｅおよび整流器１６を設けた対称型のコッククロフト・ワルトン回路１０ｂや、図７に示す例のように、対称型から中央の第１コンデンサコラム１４ｃを省いたバランス型のコッククロフト・ワルトン回路１０ｃでも良い。いずれのコンデンサコラム１４ｃ〜１４ｅも、複数のコンデンサ１２を直列接続して成る。そして、各コンデンサコラム１４ｃ〜１４ｅ（または１４ｄ、１４ｅ）間に、各コンデンサ１２が一方向に充電されるように、複数の整流器１６が接続されている。
【００７０】
上記コッククロフト・ワルトン回路１０ｂ、１０ｃの場合は、その昇圧変圧器として、図６、図７に示すように、互いに１８０度位相の異なる２次電圧Ｖ2 をそれぞれ出力する二つの２次巻線８と、この各２次巻線８にそれぞれ対応する二つの１次巻線６とを有する空心変圧器４ｂを用いても良い。二つの２次巻線８の非接地端８ｂにはコンデンサコラム１４ｄ、１４ｅがそれぞれ接続され、接地端８ａは接地されている。二つの１次巻線６は、図示例のように互いに並列接続しても良いし、直列接続しても良い。以下に述べる例においても同様である。
【００７１】
図６、図７に示す実施形態の場合も、各２次巻線８のインダクタンスＬ2 と、コッククロフト・ワルトン回路１０ｂ、１０ｃが生じさせる浮遊容量であって各２次巻線８にそれぞれ電気的に並列接続された浮遊容量ＣS とを用いて、上記運転周波数ｆで並列共振する並列共振回路をそれぞれ形成している。即ち、各並列共振回路で上記数１に示した共振条件が成立するようにしている。
【００７２】
上記空心変圧器４ｂの構造の一例を図５に示す。この空心変圧器４ｂは、図３に示した空心変圧器４ａを二つ、その内の一方を上下反転させて互いに接近させて直列に並べたような構造をしている。上下の内の片方の構造は、上記空心変圧器４ａについて説明したのと同様であるので、ここでは重複説明を省略する。二つの１次巻線６は、両者で鼓型をしていると言うことができる。図５中の高圧端子９ｂ近くの符号＋、−は、両高圧端子９ｂ（即ちそれにつながる非接地端８ｂ）から出力される２次電圧Ｖ2 の位相が互いに１８０度異なることを表している。なお、上下の１次巻線６および／または２次巻線８の間に隙間を設けておいて、当該隙間をリード線の引き出し等に利用しても良い。以下に述べる例においても同様である。
【００７３】
上記空心変圧器４ｂの他の例として、図５の例と同様の考えで、図４に示した空心変圧器４ａを二つ用い、その内の一方を上下反転させて互いに接近させて直列に並べたような構造の空心変圧器を採用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】この発明に係る直流高圧電源装置の一実施形態を示す回路図である。
【図２】図１中の空心変圧器周りの電気回路を簡略化して示す図である。
【図３】この発明に係る直流高圧電源装置を構成する空心変圧器の構造の一例を示す概略断面図である。
【図４】この発明に係る直流高圧電源装置を構成する空心変圧器の構造の他の例を示す概略断面図である。
【図５】この発明に係る直流高圧電源装置を構成する空心変圧器の構造の更に他の例を示す概略断面図である。
【図６】この発明に係る直流高圧電源装置の他の実施形態を示す回路図である。
【図７】この発明に係る直流高圧電源装置の更に他の実施形態を示す回路図である。
【図８】従来の空心変圧器の一例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００７５】
４ａ、４ｂ  空心変圧器
６  １次巻線
８  ２次巻線
８ａ  接地端
８ｂ  非接地端
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ  コッククロフト・ワルトン回路
Ｌ2   インダクタンス
ＣS   浮遊容量
【図１】
2007089306.tif 000004
【図２】
2007089306.tif 000005
【図３】
2007089306.tif 000006
【図４】
2007089306.tif 000007
【図５】
2007089306.tif 000008
【図６】
2007089306.tif 000009
【図７】
2007089306.tif 000010
【図８】
2007089306.tif 000011