(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルスを発生するパルス電源装置の回路素子を冷却するパルス電源装置の冷却方法において、非磁性材からなるタンクの内部に上記回路素子が浸漬される冷媒を収納するとともに、この冷媒にタンク外から冷却水が通流されるラジエータを浸漬し、タンク内に冷媒を攪拌する磁石とクロスフロー羽根からなる攪拌部材を設けるとともに、タンク外に攪拌部材と対向するようにモータに連結され、攪拌部材と磁気的に連結された磁気連結手段を設け、磁石の回転により冷媒を横方向に撹拌するとともに、クロスフロー羽根の回転により冷媒を縦方向に撹拌することを特徴とするパルス電源装置の冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電力用半導体スイッチを用いたパルス発生回路と、可飽和リアクトルとコンデンサによる磁気パルス圧縮回路を組み合わせ、高い繰り返しで狭幅の大電流パルスを発生するパルス電源装置の冷却方法に係り、特に油密タンクに収納する回路素子の冷却に関するものであり、エキシマレーサ等の高電圧パルス発生回路等に用いられる。
【０００２】
【従来の技術】
図１１は従来のパルス電源装置の回路図を示し、パルス発生回路１は、電力用の初段コンデンサＣＯを設け、この初段コンデンサＣＯを高圧充電器２により初期充電しておき、半導体スイッチＳＷのオン制御で初段コンデンサＣＯから可飽和リアクトルＳＩ０を介してパルストランスＰＴにパルス電流Ｉ０を供給する。可飽和リアクトルＳＩ０は、半導体スイッチＳＷの完全なオン後に飽和動作してパルス電流Ｉ０を発生させることにより、半導体スイッチＳＷの責務を軽減し、スイッチング損失を軽減する。
【０００３】
パルストランスＰＴの二次側には磁気パルス圧縮回路３が接続され、パルス電流Ｉ０はパルストランスＰＴで昇圧されてパルス電流Ｉ１となり、コンデンサＣ１を高圧充電し、このコンデンサＣ１の充電電圧で可飽和リアクトルＳＩ１が磁気スイッチ動作することにより、磁気パルス圧縮した狭幅のパルス電流Ｉ２を図示の方向でコンデンサＣ２へ印加してコンデンサＣ２を高圧充電する。さらに、コンデンサＣ２の充電電圧で可飽和リアクトルＳＩ２が磁気スイッチ動作することにより、更に狭幅のパルス電流Ｉ３が図示の方向に流れ、レーザヘッドのチャンバなどの負荷４に狭幅・高電圧のパルス電流Ｉ３が繰り返し供給される。
【０００４】
ここで、可飽和リアクトルＳＩ０〜ＳＩ２やパルストランスＰＴに使用されるコアには、巻線に流れる高繰り返しのパルス電流によるヒステリシス損及び渦電流損が発生し、温度が上昇する。又、半導体スイッチＳＷもスイッチング動作時の損失により発熱する。これらの発熱する回路素子は冷却のために油密タンクに収納される（半導体スイッチＳＷは油密タンク外で水冷又は風冷される場合もある。）。又、コンデンサＣ１，Ｃ２は、可飽和リアクトルＳＩ０，ＳＩ１との間で狭幅のパルス電流を流せるよう近接配置するため、油密タンク内に一括収納される。この油密タンクの冷媒としては、絶縁油、フロリナートなどの絶縁性の高い液体が使われる。
【０００５】
従来のパルス電源装置の冷却装置として図１２及び図１３に示すものがあった。図１２は自然対流方式の冷却装置の断面図を示し、油密タンク５内には油６が収納され、油密タンク５内の上部には空気７が存在している。油６内の下部には上記のような回路素子からなる発熱物８が浸漬され、油６内の上部にはラジエータ９が浸漬され、ラジエータ９には油密タンク５の上方から挿入された冷却水の流入管１０と流出管１１が接続され、発熱物８とラジエータ９の間には油流を調整するためのバッフル１２が設けられている。
【０００６】
図１２の冷却装置においては、発熱物８の周囲の油６は発熱物８から熱を奪い、この油は比重が軽くなることにより上方へ移動する。一方、ラジエータ９には流入管１０から冷却水が流入し、流出管１１から流出している。熱せられた油はこのラジエータ９と接することにより冷却され、比重が重くなり、下方へ移動する。このような油流はバッフル１２と呼ばれるガイドにより効率良く流れるように調整されており、このような自然な対流により発熱物８は冷却される。
【０００７】
図１３は強制対流方式の冷却装置の概略構成図を示し、油密タンク５内に収納された油には発熱物が浸漬されている。油密タンク５には油の流入管１３及び流出管１４が設けられ、流入管１３及び流出管１４には継手１５，１６を介して配管１７が接続され、配管１７にはポンプ１８及び熱交換器１９が設けられ、熱交換器１９には冷却水配管２０が挿入されている。
【０００８】
図１３の冷却装置において、ポンプ１８により油密タンク５内と配管１７との間を強制的に循環させられた油は熱交換器１９において冷却水と熱交換により冷却され、冷却された油は流入管１３から油密タンク５内に流入し、発熱物に吹き付けられる。これにより、発熱物が冷却されるとともに、油が熱せられ、熱せられた油は流出管１４から油密タンク５外に流出し、再び循環される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１２に示した冷却装置では、油の比重変化という物理現象による対流なので、流れが弱く冷却能力が低い。このため、パルス電源の高繰り返し化や多段圧縮による短パルス化により回路素子の発熱量が増加すると、冷却しきれなくなった。又、図１３に示した冷却装置では、冷却能力は高いが、ポンプ１８などを必要とするため、装置が大形化し、コストアップとなった。又、油を循環させるための配管１７の継手（実際には符号１５，１６で示すものだけではない。）部分が多くなり、油漏れ防止に対する信頼性が低くなる。
【００１０】
この発明は上記のような課題を解決するために成されたものであり、冷却能力が高く、小型、安価であり、かつ冷媒漏れが生じないパルス電源装置の冷却方法を得ることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項１に係るパルス電源装置の冷却方法は、パルスを発生するパルス電源装置の回路素子を冷却するパルス電源装置の冷却方法において、非磁性材からなるタンクの内部に上記回路素子が浸漬される冷媒を収納するとともに、この冷媒にタンク外から冷却水が通流されるラジエータを浸漬し、タンク内に冷媒を撹拌する磁石とクロスフロー羽根からなる撹拌部材を設けるとともに、タンク外に撹拌部材と対向するようにモータと連結され、撹拌部材と磁気的に連結された磁気連結手段を設け、磁石の回転により冷媒を横方向に撹拌するとともに、クロスフロー羽根の回転により冷媒を縦方向に撹拌するものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
実施形態１
以下、この発明の実施の形態を図面とともに説明する。図１は実施形態１によるパルス電源装置の冷却装置の断面図を示し、油密タンク２１はステンレスやアルミニウムなどの非磁性材により形成され、その内部には油６が収納され、油密タンク２１内の上部には空気７が存在している。油６内の下部にはパルス電源装置の回路素子からなる発熱物８が収納されるとともに、上部にはラジエータ９が収納され、ラジエータ９には油密タンク２１の上部に挿入された冷却水の流入管１０及び流出管１１が接続され、冷却水が通流される。
【００１３】
油密タンク２１の側面の内側には攪拌部材である磁石２２が配設され、油密タンク２１の側面の外側には磁石２２と対向して磁気連結手段２３が設けられ、磁気連結手段２３は磁石取付板２４に２個の磁石２５，２６を逆極性に取り付けて構成されている。磁石取付板２４はモータ２７の回転軸２７ａに取り付けられ、モータ２７は交流電源２８に接続されている。モータ２７は交流式でも直流式でもよい。又、磁石２２に軸受は不要である。
【００１４】
上記構成において、モータ２７を駆動すると磁気連結手段２３が回転し、油密タンク２１の側壁を介して磁気連結手段２３と磁気的に連結されている磁石２２も回転し、油６は攪拌される。
【００１５】
実施形態１においては、発熱物８により熱せられた油６は上昇してラジエータ９により冷却され、下降する。又、磁石２２の回転により油６が攪拌され、冷たい油６と熱せられた油６が混合されることにより熱交換が促進される。このため、冷却効率を向上することができる。又、油密タンク２１内の磁石２２は外部からの磁力により回転させられるので、油密タンク２１を貫通する部材は不要であり、シームレスで油漏れ防止に対して高い信頼性を持つことができる。更に、油密タンク２１は非磁性金属であるステンレスやアルミニウムにより形成され、磁気連結手段２３から磁石２２への磁力は多少弱められるが、構造は簡単であり、ポンプや油配管あるいは磁石２２の軸受なども必要としないために、装置を小形、安価にすることができる。又、磁石２２や磁気連結手段２３及びモータ２７を油密タンク２１の側面に設けたので、油６の側方からの流れによって冷却されやすいように発熱物８を配置することができ、又油密タンク２１の底面に部品が隙間なく配置されていたり、入出力端子が底面に設けられていたりする場合にも支障が生じない。
【００１６】
なお、ラジエータ９を二点鎖線で示すように磁石２２と発熱物８との間に設けると、ラジエータ９で冷却された油６を磁石２２の回転により発熱物８へ吹き付けることができ、冷却効率を一層高めることができる。
実施形態２
図２は実施形態２によるパルス電源装置の冷却装置の断面図を示し、ステンレス又はアルミニウムなどの非磁性材からなる油密タンク２１の側壁に孔２１ａを設け、この孔２１ａにＯリング２９を介して非金属の絶縁板３０が密接に取り付けられている。その他の構成は実施形態１と同様である。
【００１７】
実施形態２においては、油密タンク２１の一部を非金属の絶縁板３０とし、その両側に磁石２２及び磁気連結手段２３を設けたので、この両者の間の磁気的な連結を強めることができる。その他の効果は実施形態１と同様である。
実施形態３
図３は実施形態３によるパルス電源装置の冷却装置の断面図を示し、絶縁板３０の内側に配設された磁石２２は回転軸３１を有し、回転軸３１はタンク２１内の底面に立設した軸受３２に回転自在に支持されている。又、回転軸３１の先端には羽根３３が取り付けられ、磁石２２と羽根３３により攪拌部材が形成される。羽根３３は、扇風機の羽根、船のスクリュー、飛行機のプロペラなどのような角度を持っている。その他の構成は実施形態２と同様である。
【００１８】
実施形態３においては、攪拌部材を磁石２２と羽根３３により構成したので、発熱物８方向への油流を多くすることができ、発熱物８を効果的に冷却することができる。その他の効果は実施形態２と同様である。なお、羽根３３に磁石２２を取り付けてもよく、又回転軸３１を絶縁板３０で回転自在に支持するようにしてもよい。
実施形態４
図４は実施形態４によるパルス電源装置の冷却装置の断面図を示し、絶縁板３０の内側に回転軸３４を回転自在に支持し、この回転軸３４に攪拌部材である鉄製の羽根３５が取り付けられている。その他の構成は実施形態２と同様である。
【００１９】
実施形態４においては、磁気連結手段２３と羽根３５は磁気的に連結され、磁気連結手段２３の回転により羽根３５も回転し、攪拌が行われる。従って、磁石２２を省略したので構成が簡単となり、しかも発熱物８方向への油流を確保することができる。その他の効果は実施形態２と同様である。
実施形態５
図５は実施形態５によるパルス電源装置の冷却装置の断面図を示し、発熱物８の周囲を円筒状のガイド３６によりおおい、ガイド３６は羽根３５による油流の方向に配置する。その他の構成は実施形態４と同様である。
【００２０】
実施形態５においては、羽根３５の回転による油流はガイド３６に案内されて発熱物８の周囲を通過した後、熱せられて上昇し、ラジエータ９により冷却されて下降し、羽根３５の方へ戻る。このように油流がガイド３６により方向付けられたことにより冷却効果を向上することができる。その他の効果は実施形態４と同様である。
実施形態６
図６は実施形態６によるパルス電源装置の冷却装置の断面図を示し、実施形態１において油密タンク２１の側面に設けられていた磁石２２、磁気連結手段２３、モータ２７、及び交流電源２８を実施形態６においては油密タンク２１の底面に対して設けた。その他の構成は実施形態１と同様である。
【００２１】
実施形態６においては、磁石２２や磁気連結手段２３等を油密タンク２１の底面に対して設けており、この底面の内外のスペースに余裕がある場合に有効であり、油流は下から上へ流れるので発熱物８を構成する回路素子の配置がこのような油流により冷却され易い場合に有効である。又、磁気連結手段２３から磁石２２への磁力の伝達方向と重力方向が一致しているために、磁力伝達効率がよく、回転軸２７ａの方向も重力方向と一致しているために回転軸２７ａや軸受の摩擦が少ない。その他の効果は実施形態１と同様である。
実施形態７
図７は実施形態７によるパルス電源装置の冷却装置の断面図を示し、実施形態３における磁石２２の回転軸３１に羽根３３に代って回転軸３１の方向と直角な方向の油の流れを発生させるクロスフロー羽根３７を取り付けている。その他の構成は実施形態３と同様である。
【００２２】
実施形態７においては、磁石２２の回転による油の流れは横方向に発生し、クロスフロー羽根３７の回転による油の流れは縦方向に発生するので、油密タンク２１内を均一に攪拌することができ、熱交換を促進して冷却効率を高めることができる。その他の効果は実施形態３と同様である。
実施形態８
図８は実施形態８によるパルス電源装置の冷却装置の断面図を示し、ステンレスやアルミなどの非磁性材により形成された油密タンク２１の側面に突出部２１ｂを設け、突出部２１ｂの外側にモータのステータ３８を設けるとともに、突出部２１ｂの内側に永久磁石からなるモータのロータ３９を設け、ロータ３９の回転軸４０に羽根３５を設けている。
【００２３】
実施形態８においては、羽根３５がステータ３８とロータ３９からなるモータにより直接駆動されるので、羽根３５に強力で制御性のある回転力を付与することができ、攪拌が効果的に行われて冷却効率が向上する。又、この冷却構造は油密タンク２１を貫通しないので、油漏れ防止に対する信頼が高い。さらに、ポンプなどが必要ないので、小形安価である。
実施形態９
図９は実施形態９によるパルス電源装置の冷却装置の断面図を示し、モータ２７を油密タンク２１内に設け、モータ２７に羽根３５を連結している。
【００２４】
実施形態９においては、羽根３５をモータ２７により直接駆動するため、強力な攪拌を行うことができ、冷却効率を向上することができる。ただし、モータ２７と交流電源２８とを電気的に接続するため、シール構造が必要になる。又、モータ２７が油６に浸漬されるので、メンテナンスが多少困難になる。構造は簡単で、小形安価になる。
実施形態１０
図１０は実施形態１０によるパルス電源装置の冷却装置の断面図を示し、実施例１におけるモータ２７に代ってファン（モータ付のもの）４１を設けるとともに、回転数調整のための歯車機構４２をファン４１と磁気連結手段２３との間に設けている。その他の構成は実施形態１と同様である。
【００２５】
実施形態１０においては、油密タンク２１外の部品の風冷を行うファン４１を利用して磁気連結手段２３の駆動を行っており、油６の攪拌と油密タンク２１外の部品の冷却を同時に行うことができ、効率的である。その他の効果は実施形態１と同様である。
【００２６】
なお、上記各実施形態においては、冷媒として油６を用いたが、フロリナートなどのその他の冷媒を用いることができる。又、実施形態６に示すように冷却装置の各構成部材を油密タンク２１の底面の内外に設けることは、その他の実施形態においても適用することができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上のようにこの発明の請求項１によれば、撹拌部材を磁石とクロスフロー羽根から構成し、磁石の回転により冷媒を横方向に撹拌するとともに、クロスフロー羽根の回転により冷媒を縦方向に撹拌しており、このように横方向及び縦方向の撹拌によりタンク内の撹拌を均一に行うことができ、冷却効果を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施形態１によるパルス電源装置の冷却装置の断面図である。
【図２】  実施形態２によるパルス電源装置の冷却装置の断面図である。
【図３】  実施形態３によるパルス電源装置の冷却装置の断面図である。
【図４】  実施形態４によるパルス電源装置の冷却装置の断面図である。
【図５】  実施形態５によるパルス電源装置の冷却装置の断面図である。
【図６】  実施形態６によるパルス電源装置の冷却装置の断面図である。
【図７】  実施形態７によるパルス電源装置の冷却装置の断面図である。
【図８】  実施形態８によるパルス電源装置の冷却装置の断面図である。
【図９】  実施形態９によるパルス電源装置の冷却装置の断面図である。
【図１０】  実施形態１０によるパルス電源装置の冷却装置の断面図である。
【図１１】  従来のパルス電源装置の回路図である。
【図１２】  従来のパルス電源装置の冷却装置の断面図である。
【図１３】  従来の他のパルス電源装置の冷却装置の斜視図である。
【符号の説明】
６…油
８…発熱物
９…ラジエータ
２１…油密タンク
２１ａ…孔
２２…磁石
２３…磁気連結手段
２７…モータ
３０…絶縁板
３３，３５…羽根
３６…ガイド
３７…クロスフロー羽根
３８…ステータ
３９…ロータ
４０…ファン
【図１】
0004103272.tif 000002
【図２】
0004103272.tif 000003
【図３】
0004103272.tif 000004
【図４】
0004103272.tif 000005
【図５】
0004103272.tif 000006
【図６】
0004103272.tif 000007
【図７】
0004103272.tif 000008
【図８】
0004103272.tif 000009
【図９】
0004103272.tif 000010
【図１０】
0004103272.tif 000011
【図１１】
0004103272.tif 000012
【図１２】
0004103272.tif 000013
【図１３】
0004103272.tif 000014