(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ひいてはコッククロフト・ワルトン回路の小型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、昇圧変圧器としての働きをする空心変圧器４ａと、その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。しかも、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。【選択図】  図１
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【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共振する並列共振回路を形成していることを特徴とする直流高圧電源装置。
【請求項２】
前記空心変圧器の２次巻線は、接地電位部に接続された接地端と、当該接地電位部に接続されていない非接地端とを有しており、
前記非接地端に、前記接地電位部との間で静電容量を形成する静電容量補償板を接続している請求項１記載の直流高圧電源装置。
【請求項３】
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、
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。
【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も無視できなくなり、昇圧変圧器の容量増大を招くので、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】
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ひいてはコッククロフト・ワルトン回路の小型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】
【０００８】
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共振する並列共振回路を形成していることを特徴としている。
【０００９】
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−鉄心間の静電容量による容量増大を招かずに済む。
【００１０】
また、空心変圧器は鉄心入り変圧器に比べて、通常は、１次巻線と２次巻線間の結合係数が小さいので、そのぶん２次巻線からの出力電圧（即ち２次電圧）が低くなる傾向にあるけれども、この発明では上記並設共振回路によって２次電圧を高くすることができる。  
【００１１】
前記空心変圧器の２次巻線の非接地端に、接地電位部との間で静電容量を形成する静電容量補償板を接続しておいても良い。
【００１２】
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、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】
【００１３】
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−鉄心間の静電容量による容量増大を招かずに済み、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。
【００１４】
しかも、空心変圧器の結合係数の低下に伴う２次電圧の低下を、上記並列共振回路によって防止して、２次電圧を高くすることができる。
【００１５】
請求項２に記載の発明によれば、静電容量補償板によって、空心変圧器の２次巻線に電気的に並列接続される静電容量を調整することができるので、上記並列共振回路の共振周波数を調整することが容易になる。
【００１６】
請求項３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−鉄心間の静電容量による容量増大を招かずに済み、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。
【００１７】
しかも、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、空心変圧器の結合係数の低下に伴う２次電圧の低下を防止して、２次電圧を高くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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のときに次式の並列共振条件が成立するようにしている。
【００２５】
［数１］
ＸCS＝ＸL2
【００２６】
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、次式で表される。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。
【００２７】
［数２］
Ｖ2 ＝（Ｌ2 ／Ｍ）Ｖ1 ＝Ｎ・Ｖ1 
【００２８】
負荷Ｒが接続されている場合の２次電圧Ｖ2 は、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。
【００２９】
［数３］
Ｖ2 ＝Ｎ・Ｖ1 ／φ
＝（Ｌ2 ／Ｍφ）Ｖ1 
【００３０】
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。
【００３１】
［数４］
φ＝√｛１＋（Ｐ／Ｑ）2 ・（１／ｋ2 −１）2 ｝
【００３２】
［数５］
Ｐ＝Ｖ22／Ｒ
【００３３】
［数６］
Ｑ＝２πｆＣS Ｖ22
【００３４】
［数７］
ｋ＝Ｍ／√（Ｌ1 ・Ｌ2 ）
【００３５】
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−鉄心間の静電容量による容量増大を招かずに済む。従って、運転周波数ｆを高くすることが容易であり、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。
【００３６】
しかも、空心変圧器４ａは鉄心入り変圧器に比べて、通常は、１次巻線６と２次巻線８間の結合係数ｋが小さいので（例えば鉄心入りの場合は約１．０程度、空心の場合は約０．６程度）、そのぶん２次電圧Ｖ2 が低くなる傾向にあるけれども、この実施形態では、空心変圧器４ａの結合係数ｋの低下に伴う２次電圧Ｖ2 の低下を、上記並列共振回路によって防止して、２次電圧Ｖ2 を高くすることができる。
【００３７】
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の結合係数ｋの低下に伴う２次電圧Ｖ2 の低下を防止して、２次電圧Ｖ2 を高くすることができる。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。
【００３８】
一例として、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。
【００３９】
【表１】
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【００４０】
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。
【００４１】
図３は、図１に示した直流高圧電源装置の構造の一例を示す図である。電気絶縁のための絶縁ガス（例えばＳＦ6 ガス）を充填した圧力容器３０内に、上記空心変圧器４ａ、コッククロフト・ワルトン回路１０ａ等が収納されている。
【００４２】
圧力容器３０内には、昇圧回路底板３２と、それから複数本の絶縁支柱４０によって支持された高圧デッキ３４とが設けられている。昇圧回路底板３２および圧力容器３０は、電気的に接地されており、上記接地電位部を構成している。
【００４３】
昇圧回路底板３２上には、絶縁支持体４２および４４によって、上記空心変圧器４ａが支持されている。
【００４４】
高圧デッキ３４には、シールド電極３６が被せられており、それに上記コッククロフト・ワルトン回路１０ａの出力端子１８が、この例では保護抵抗器３８を介して接続されている。
【００４５】
昇圧回路底板３２の上方近傍には、この例のように、昇圧回路底板３２との間を電気的に絶縁して、昇圧回路底板３２との間で静電容量を形成する静電容量補償板４８を必要に応じて設けても良い。静電容量補償板４８は、例えば導線４６を介して、空心変圧器４ａの２次巻線８の非接地端８ｂに接続されている。
【００４６】
静電容量補償板４８を設けると、当該静電容量補償板４８によって、空心変圧器４ａの２次巻線８に電気的に並列接続される静電容量を調整することができるので、上記並列共振回路の共振周波数を調整することが容易になる。例えば、静電容量補償板４８の大きさを変えたり、数を変えたり、昇圧回路底板３２との間の距離を変えたりして、上記静電容量を調整することができる。
【００４７】
なお、図３の装置では、圧力容器３０内に更に、接地電位部から高電位部へ電力を供給するＭＧ装置５０と、内部で発生した熱を冷却媒体（例えば水）６２を用いて外部へ搬出する熱交換器６０とが収納されている。ＭＧ装置５０は、モータ５２によって絶縁シャフト５４を介して発電機５６を回転させる構造をしており、例えば、電子線照射装置の電子発生用のフィラメント加熱用の電源として用いられる。
【００４８】
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４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５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。
【００４９】
上記コッククロフト・ワルトン回路１０ｂ、１０ｃの場合、昇圧変圧器としては、図４、図５に示すように、二つの２次巻線８を有する空心変圧器４ｂを用いれば良い。二つの２次巻線８の接続部を接地端８ａとし、両端をそれぞれ非接地端８ｂとする。空心変圧器４ｂの１次巻線６は、図示例のように、各２次巻線８にそれぞれ対応する二つの１次巻線６でも良いし、両２次巻線８に共通の一つの１次巻線６でも良い。
【００５０】
図４、図５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。
【００５１】
また、この図４、図５に示す実施形態の場合も、必要に応じて、空心変圧器４ｂの二つの２次巻線８の一方または両方の非接地端８ｂに、接地電位部との間で静電容量を形成する上記のような静電容量補償板４８を接続しておいても良い。その作用効果は上述のとおりである。
【００５２】
また、上記いずれの実施形態の場合も、必要に応じて、上記静電容量補償板４８に代えて、または上記静電容量補償板４８と共に、空心変圧器４ａ、４ｂの２次巻線８にコンデンサを並列接続して、上記インダクタンスＬ2 と浮遊容量ＣS とを用いて形成している並列共振回路の静電容量を補っても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【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】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】図１に示した直流高圧電源装置の構造の一例を示す図である。
【図４】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５】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。
【符号の説明】
【００５４】
４ａ、４ｂ  空心変圧器
６  １次巻線
８  ２次巻線
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ  コッククロフト・ワルトン回路
４８  静電容量補償板
Ｌ2   インダクタンス
ＣS   浮遊容量
【図１】
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【図２】
2007037268.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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