JP2005351682A

JP2005351682A - 電子線照射装置急停止時の保護機構

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Publication number: JP2005351682A
Application number: JP2004170683A
Authority: JP
Inventors: Shunichiro Yamada; 山田俊一郎
Original assignee: NHV Corp
Current assignee: NHV Corp
Priority date: 2004-06-09
Filing date: 2004-06-09
Publication date: 2005-12-22

Abstract

【課題】
【解決手段】電子線照射装置のインターロック機能によって装置が運転中に急停止する場合、加速電圧の電源と電子流用の電源の停止するタイミング差によって加速電圧が跳ね上がり部品損傷を引き起こす。それを防ぐため、インターロックがかかった時に信号が遅延タイマーを通じて電子流電源を遮断するようにし、遅延タイマーによって電子流電源の停止を遅らせ、加速電源を先に停止させ、加速電源の電圧上昇を防ぎ過電圧によるコンデンサや整流器など電源装置の損傷を防ぐ走査型にも非走査型にも適用することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は電子線照射装置のインターロック時に於いて加速電圧の跳ね上がりと加速電源の機器の故障を防ぐようにした保護装置に関する。電子線照射装置は真空中で熱電子を発生し加速し照射窓を通して大気中にとりだし被処理物に電子線をあててさまざまな処理をするための装置である。

電子線を照射することによる効果は多種多様で、電線被覆の架橋反応、塗膜の硬化、廃ガスの処理、医療用器具の殺菌、食品の殺菌など広く用いられる。電子線の放出方法によって、電子線照射装置は２種類に大別される。スポット状の電子線を被照射物の幅まで走査し広げて出力する装置は一般に３００ｋｅＶ〜５ＭｅＶの高い加速エネルギーを用い，走査型といい、長い電子源を用いて元から被照射物の幅をもった電子線を出力するものは８０ｋｅＶ〜３００ｋｅＶ程度の低い加速エネルギーを用い、非走査型（エリア型）と呼ぶ。

走査型の電子線照射装置は大がかりな装置であって走査管でビームを左右或いは左右前後に走査する。それは高圧電源、熱電子発生機構、加速管、走査管、照射窓、搬送装置、筐体などを含む大型の装置である。走査管は三角形の広がりをもつもので上部には走査コイルがあって交番磁界によって電子ビームを左右に振る。照射窓は走査管の下底の開口部であるがＴｉ箔、Ａｌ箔などが張ってあって外部の大気圧と内部の真空を仕切っている。

照射窓の直下を被処理物が通過できるように無端周回コンベヤのような搬送機構が設けられる。電子線通過によって窓箔が加熱されるから照射窓の桟には冷却水を通し窓箔には冷却風を吹き付ける冷却機構が設けられる。電子線が窓桟や被処理物、搬送機構に当たるとＸ線が発生する。Ｘ線が外部に漏れないように筐体で搬送機構の全体を包囲している。

Ｘ線が大気中の酸素を酸化してオゾンを発生する。被処理物によってオゾンの発生が好ましくないということもある。その場合は筐体の内部で照射窓の直下当たりに窒素ガスやＡｒガスなどの不活性なガスを流しオゾンが生じないようにする。

以上に述べたものは走査型のものである。エリア型の電子線照射装置は、走査管がなく加速管も短い。フィラメントは蛇行した面積の広いものであり断面積の広い電子ビームを発生することができる。断面積が広いビームを作るので走査をする必要がない。真空チャンバ内に設けられたフィラメントから出た熱電子がそのまま照射窓方向へ１段加速される。電子線が照射窓の窓箔を通過して被処理物に照射されるようになっている。被処理物が無端周回コンベヤなどの搬送機構で運ばれ、搬送機構が筐体で覆われている。そのような点は走査型のものと同様である。窓箔の冷却機構も同じように設けられる。

特開２００１−３５６１９９「電子線照射装置」特開平１０−１６０９００号「電子線照射装置｝特開平１１ー１０１８９６「電子線照射装置｝特開２００４−７７２７１「電子線照射装置の電子流急停止機構」

加速電源は商用電源を整流器で整流しコンデンサに充電していくことを繰り返して高い電圧を得るようになっている。商用交流を倍電圧整流して昇圧したり様々のものがある。たとえばコッククロフトウオルトン型、グライナッヘル型等の高圧電源等を用いる。コッククロフトでも２列に直列接続されたコンデンサ群に整流器で充電して行く直列型と、並列に複数のコンデンサを接続したもの２組を整流器を介して接続した並列コンデンサ型のものがある。たとえばコッククロフトの直列型だと、複数の直列に接続されたコンデンサ２組と、コンデンサに襷がけ接続された多数の整流機とよりなりその始端のコンデンサが商用電源を１次側とするトランスの二次側に接続される。加速電源の最終のコンデンサの負極がフィラメントと加速電極の１段目の電極に接続される。

加速電源の電圧は先述のように、数ＭｅＶとか数百ｋｅＶという高電圧である。電流は電子ビーム電流であるから、数十ｍＡ〜数百ｍＡである。熱電子を発生するのは、真空中でフィラメントを加熱することによって行われる。フィラメントは抵抗値の低い金属の細線（タングステン、タンタル）である。だからフィラメントの電源は低電圧であってかなりの大きい電流を流すことのできるものでなければならない。

フィラメントは高圧架台にあるから、地上側の電源から直接にフィラメントに給電するというわけにはいかない。

非走査型の場合は、加速電圧が比較的低いので、絶縁トランスを用い、一次側を大地側の商用交流電源につなぎ、二次側をフィラメント電源とすることも可能である。たとえば一次側が１００Ｖ、２Ａで、二次側が３Ｖ〜５Ｖ、４０〜６０Ａというような絶縁トランスを用いることができる。その場合はトランスの一次側、二次側の巻線の間に加速電圧に等しい電圧が掛かることになる。

走査型の場合は絶縁トランスでは大地側と高圧架台の間の絶縁を維持できない。そこでトランスを使わず、大地側でモータを廻し、モータの回転を絶縁棒によって高圧架台側の発電機に伝え発電機を廻すようになっている。絶縁棒は直線の棒であり発電機軸とモータ軸が同一直線上に上下に並べられておりそれらの軸を絶縁棒で直結するようにしたものである。絶縁棒で大地側と高圧側が電気的に遮断されている。この場合たとえば発電機で１００Ｖ、２Ａの電圧・電流を得るようにしさらに高圧架台側に設けたトランスで３〜５Ｖ、４０〜６０Ａというように低電圧大電流に変換する。

このように電子線照射装置には、加速電源とフィラメント電源という全く性質の異なる二種類の電源が存在するということである。非走査型でたとえば加速電圧が３００ｋｅＶで電流が５００ｍＡという場合、加速電源の電力は１５０ｋＷとなる。一方のフィラメント電源はたとえば２００Ｗ程度である。

特許文献１は、電子流の緊急停止時において加速電圧の跳ね上がりを防ぐため、電子流が減少する前に、加速電源のサイリスタ電圧調整器にオフ信号を出して加速電源電圧を降下させそのあと電子流電源が下がるようにしている。これが本発明にもっとも近い従来例である。

特許文献２は、加速電源を、２つの電圧設定器で設定するようにし、電子線を一次停止するときは、両方の電圧設定器の電圧を低い方の電圧に切り換えて加速電源の電圧を下げてから電子線を停止するようにしている。

特許文献３は、第１加速電極の電圧をフィラメントより下げることによって電子流を瞬間的にオフにし、第１加速電極の電圧をフィラメントより上げることによって電子流を瞬間的にオンにするようにしている。電子流電源を０Ｖにしなくても電子流を瞬間的に一次停止できる。

特許文献４は、電子流電源のモータ・絶縁棒・発電器よりなる機械的部分の動きを止めることによって電子流電源を０Ｖにするようにしたもので、モータに電磁ブレ−キをつけておき急停止時には電磁ブレ−キによってモータを急停止し電子流電源をオフにする。

図１によって走査型の電子線照射装置の概略の構成を説明する。上方の枠で囲んだ部分が高圧架台におかれた容器内の構造を示す。この容器は絶縁ガス（ＳＦ６）で満たされ封止されている。高圧架台側には負の高電圧が印加される部材が搭載されている。加速電源はトランス、コンデンサ、整流器を組み合わせて負の高電圧を商用電源から作り出すものである。さまざまの型式の物がある。ここではコッククロフトウオルトン型のものを例示している。

商用電源を一次側ｍ、加速電源の端子を二次側ｎとするトランス３と、二列に接続された大容量高耐圧のコンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３、…と、コンデンサをたすきがけ接続する整流器Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、…などよりなる。たとえば２００Ｖ６０Ｈｚ（または５０Ｈｚ）の商用交流を一次側ｍにつなぐ。交流が二次側ｎで昇圧される。それが整流器で倍電圧整流され、コンデンサをつぎつぎに充電していく。ビーム電流計４を介して大地Ｅに接続されたｅ点は大地電圧である。コンデンサ、整流器の数は所望の加速電圧Ｖａｃｃ（負数）によって自由に決める。コンデンサ列の終わりのｐ点が加速電圧Ｖａｃｃである。

加速管５が高圧架台側に設けられる。これは真空に引かれた縦長円筒の構造物である。加速管５には上から下へ等間隔にリング上の加速電極６が複数枚設けられる。隣接する加速電極６の間には分圧抵抗７が設けられる。加速電極６の一番上のものｔに、先ほどの加速電源の負電圧端子ｐが接続される。だから加速電極ｔの電圧はＶａｃｃである（ｔ＝Ｖａｃｃ）。加速電極の一番下のものｕは、電流計８を介して接地される（ｕ＝０）。分圧抵抗７は加速電極６の印加電圧を上から下へ直線的に減らしてゆき加速電極間に上向きの一様な電界を発生させ、電子ビームを下向きに引き寄せるためにある。

高圧架台の絶縁容器の中には電子流用電源９が設けられる。真空容器である加速管５の上方には電流用電源９によって駆動されるフィラメント１０がある。電流用電源９はモータ１９、発電機２０、絶縁棒２１、トランス２２などよりなる。たとえば商用交流２４が原初的な電力源となる。商用交流電源２４が電磁開閉機２５を経てインバータ２６に与えられる。インバータは商用の６０Ｈｚ交流から、交流直流変換と直流交流変換によって任意の周波数ｆの交流を作りだす。その周波数ｆの交流によってモータ１９を回転させる。モータ１９の主軸は細い絶縁棒２１によって高圧架台側の発電機２０の主軸に直結される。モータ１９の回転力によって発電機軸を廻すので、周波数に比例した電圧を発電機２０が発生する。絶縁棒２１によって機械的に回転力を伝達するのはモータ（大地側）と発電機（高圧側）を電気的に絶縁する必要があるからである。

発電機２０の交流出力はまだ電圧が高いので低抵抗のフィラメントを加熱するには不適である。それでトランス２２によってより低い電圧（２〜５Ｖ）の電圧に下げる。トランス２２の一次側は発電機２０につながり、トランス２２の二次側ｃはフィラメント１０につながる。二次コイルｃの中点ｓは先述の加速電源２の最終端子ｐに接続される。つまりフィラメント１０の電位の平均値はＶａｃｃである。だからフィラメント１０と大地間の電位差は常にＶａｃｃとなる。フィラメントに通電してフィラメントを加熱すると真空中であるので熱電子がフィラメントから生ずる。熱電子は加速電極が形成する下向きの電界によって加速される。

加速された電子２９は加速管５を下向きに走行する。加速管５の下方には末広がり三角形状の走査管３０が続いて設けられる。走査管３０の上部両側には走査コイル３２があり交番磁界を発生する。加速された電子は交番磁界で曲げられ左右に振れる。走査管３０の下端は照射窓３１になっておりそこに窓箔３３がはってある。窓箔３３はＴｉ、Ａｌなどのうすい金属の箔である。窓箔３３は冷却機構で冷却される。加速管５、走査管３０は真空に引かれている。窓箔３３は上部の真空と、下方の大気圧をしきるためのものである。照射窓３１の直下には被処理物３４が搬送機構で運ばれる。電子線が被処理物にあたると高分子架橋反応、殺菌作用、塗膜硬化などの作用がなされる。厚い金属壁の筐体（図示しない）が搬送機構（図示せず）を取り囲んでいる。

加速電源２の負電圧端子はｑ点で抵抗３６につながれる。抵抗３６の他端は電圧監視用電流計３７を介して大地に接続される。加速電圧Ｖａｃｃを監視するための装置である。電圧監視用電流計３７の電流に抵抗３６を掛けたものがＶａｃｃである。

電子線ビームの電流は加速電源２のコンデンサ、整流器、ｐ、ｑ，ｒ、ｓ点からフィラメント１０、電子線２９、大地、電流計４というように循環するので、ビーム電流計４によって測定できる。

制御用シーケンサ３９には、電子ビーム電流を測定するビーム電流計４からの信号ａ、加速電圧Ｖａｃｃを監視する電流計３７からの信号ｄ、加速管５の加速電極６に流れる電流を監視する電流計８の信号ｆが入力される。これらの信号と指令に基づき、制御用シーケンサ３９は、電流用電源９と、加速電源２の両方を制御する。そのほか搬送機構の速度や冷却機構も制御するがそれはここでは述べない。

電流用電源９に対しては、インバータ２６を制御（矢印ｈ）しモータ１９の回転数を加減する。また電子流電源用電磁開閉器２５をオンオフする。

加速電源２においては、商用交流４３の電力が加速電源用電磁開閉器４０を通り、電力調整器４２を通過してトランス３の一次側に交流電力が供給される。電力調整器４２はたとえば両方向に電流点弧角制御するサイリスタが用いられ実質的にトランスの一次側の電圧を加減する。それによって二次側に現れる電圧が変わるから加速電圧Ｖａｃｃが変化する。

制御用シーケンサ３９は加速電源２に対し、矢印ｋに示すように電磁開閉器４０のオンオフ動作を指示する。また矢印ｊに示すように電力調整器４２に電圧の制御信号をあたえるようになっている。本発明はこの加速電源用電磁開閉器４０と先ほどの電流用の電磁開閉器２５のオンオフのタイミングの差を問題にする。

電子線照射装置には安全のために何らかの異常な事態が発生すると装置を急停止するような機構が備わっている。それをインターロックと呼んでいる。急に電子ビームを停止させるために加速電源とフィラメント電源をオフにする必要がある。その場合、加速電源２と電子流用電源９の双方の電源供給を同時に引き外す操作を行う。

高電圧を開閉するための加速電源２の電磁開閉器４０は２００Ａ〜８００Ａの大型の定格のものである。ところがフィラメント（電子流用）電源９の電磁開閉器２５は１０Ａ〜３０Ａクラスの小型のものが用いられている。電磁開閉器４０、２５の規模が違うので、オフに要する時間が違う。フィラメント電源のオフに要する時間をτ１、加速電源のオフに要する時間をτ２とする。τ１＜τ２である。そのようにオフ時間τ１、τ２が違うから、同時に電源を引き外すための指令を出しても、二つの電磁開閉器が同時に開かない。小型のフィラメント電源用電磁開閉器２５が先に開く。すると電子線ビームがそこで存在しなくなる。

しかし加速電源は依然として高電圧を発生しているから、加速電源からみると、電子線という負荷が突然なくなったことになる。加速電源には負荷である電子ビーム電流を一定に保持するためのレギュレーション機能が備えられている。つまり電子ビーム電流が増えると加速電圧を下げ、電子ビーム電流が減ると加速電圧を上げるようになっている。だからτ２−τ２時間は、加速電圧が異常に上昇してしまう。

それはコンデンサの充電電圧が正常の値よりも高くなるということである。そのためにコンデンサや整流器を損傷する可能性がある。それは好ましくないことである。

図２のグラフは、加速電源のオンオフ（１）、電子流用電源のオンオフ（２）、加速電圧（３）と電子流電源（４）の時間変化を表す。横軸は時間である。Ｔoで急停止指令が与えられたとする。電子流用（フィラメント）電源の電磁開閉器は小型であるから短い時間τ１後に開く、それがＴ１である。電磁開閉器が開いたのでフィラメント電流がすぐに消失する。それで電子ビーム電流もすぐに０になる。それが（４）電子流電圧の消失Ｔ_２にあたる。ところが加速電源の電磁開閉器は大電流用でありオンからオフへの遅延時間τ２が大きい。Ｔ_３（＝Ｔ０＋τ２）で加速電源用の電磁開閉器がオフになる。そしてそれより後のＴ_４で加速電源が０となる。

Ｔ１〜Ｔ３の間では電子流が存在しないが加速電源が存在するということになる。それは加速電圧用電源の負荷（電子流）が無負荷になるということである。無負荷になると加速電圧電源のレギュレーションにより加速電圧が上昇する。それが図２の加速電圧（３）の電圧の跳ね上がりＶ₅である。

加速電源電圧の跳ね上がりＶ₅は加速電源のコンデンサや整流器に過大な負担を掛ける。コンデンサ、整流器、保護装置など部品はこの跳ね上がり電圧の最大値以上の耐電圧が必要である。それは部品を大型化させ高コストにするので好ましくない。緊急停止時の加速電源の跳ね上がりはできるだけ小さくするかあるいは全く消失させるべきである。

本発明は、電子流用電源のオフ指令を遅らせるために遅延タイマーを入れる。遅延タイマーの遅延時間τ３が、電磁開閉器のオフ時間の差（τ１−τ１）より大きいものを選ぶ。そうすることによって先述の加速電源の跳ね上がりを防ぐことができる。

本発明は、そのようにして、電子線照射装置の急停止時に、制御用シーケンサから各電源への停止指令に時間差を設けて出力する。インターロックによる電子線照射装置の急停止時において、加速電圧用電源を、フィラメント（電子流）電源よりも速く引き外す。電磁開閉器のオフ時間の差（τ２−τ１）に等しい時間差を与えれば、丁度、両電源が同時にオフとなる。そのようにすると加速電圧の跳ね上がりがなくなりコンデンサや整流器に過大な電圧、電流がかからず加速電源を損傷することがない。

本発明は、電子流用電源のオフ指令を遅らせるために遅延タイマーを入れる。遅延タイマーの遅延時間τ３が、遅延時間差（τ２ーτ１）より大きいので、（τ３＞τ２ーτ１）、加速電源の電圧が先に０になり、そのあと電子流電源の電圧が０になる。だから、電子線照射装置の急停止時において加速電圧の跳ね上がりがなくなる。加速電源のコンデンサ、整流器そのほかの電子部品を過大電圧によって損傷するという恐れがなくなる。インターロック時において加速電源を保護することができる。

電流用電磁開閉器に遅延タイマ（遅延時間τ３）を入れて、電流用電源のオフの時間を遅らせるようにしたのが本発明の骨子である。図３に本発明における加速電源開閉器オンオフ、電流用電源開閉器オンオフ、加速電圧Ｖａｃｃ、電子流電流Ｉｂの時間変化を示す。

Ｔoでインターロックによる急停止信号が発生したとする。その信号は加速電源の電磁開閉器と、電子流用遅延タイマに入力される。加速電源電磁開閉器の遅延時間がτ２であるから、Ｔ_３＝Ｔ_０＋τ２で加速電源電圧が下降しはじめＴ_４で加速電源電圧が０になる。そのときは電子流電源はオンのままであるが、加速電圧が０なので電子流は０になる。電子流の負荷が常に存在していたのであるから、加速電源電圧の跳ね上がりという現象が起こらない。

τ５を経過したのち遅延タイマーが電子流用電磁開閉器にオフ指令を発する。Ｔ_０からτ５＋τ１時間のちのＴ_５（＝Ｔo＋τ３＋τ１）に電子流電源が０になる。そうして急停止することができる。電子流電源が０Ｖになる前に、加速電源電圧が０に落ちており先述の問題はなくなる。

装置の定格にもよるが、加速電圧用電源用の電磁開閉器には通常２００Ａから８００Ａクラスのものが使用される。そのように大型の電磁開閉器の引き外しには６０ｍｓｅｃ〜１５０ｍｓｅｃの長い時間が掛かる。

それに対して電子流（フィラメント）用電源の電磁開閉器は１０Ａ〜３０Ａクラスのものが多くてその引き外し時間は５ｍｓｅｃ〜１４ｍｓｅｃであり短時間でオンからオフへ変わる。

本発明はそこで、先に加速電源用の電磁開閉器に対して停止指令を出し、そのあと５５ｍｓｅｃ〜１４０ｍｓｅｃ遅延させて、電子流（フィラメント）電源の電磁開閉器へ停止指令を出すようにする。

図３に示すように、電子線照射装置においてシーケンサプログラム上で、装置の異常を検知した（Ａ）とする。それに基づいて急停止指令（Ｂ）とオンディレイタイマー（Ｔ３）をオンする。

急停止指令（Ｂ）によって加速電圧用電源の電磁開閉器が開く。それまでの時間遅れがτ２である。オンディレイタイマー（Ｔ_３）がτ３の遅延時間後に、電子流用電源の電磁開閉器を開くようにする。だから電子流（フィラメント）電源の遅延時間はτ３＋τ１となる。τ３＋τ１≧τ２となるように設定する。

その結果、容量の大きく遅延時間の長い加速電圧電源の電磁開閉器が、容量が小さく遅延時間の短い電子流電源用の電磁開閉器より速く引き外される。だから、加速電圧の跳ね上がりがなくなる。過電圧が生じないので加速電源のコンデンサや整流器に過大な負担がかからず装置を保護することができる。

走査型の電子線照射装置の加速電源、加速管、走査管、電子流用電源などの全体の概略を示す図。従来例の電子線照射装置において、緊急停止のためにインターロックが掛かったときに、同時に電子流電源と加速電源を引き外す動作を開始しても、電磁開閉器の定格が違うから電子流電源が先にＴ_１においてオフになるが、そのとき加速電源がオフにならず遅れてＴ_２においてオフになるのでＴ_１〜Ｔ_２の時間は電子流が存在せず無負荷であるにもかかわらず加速電圧がかかっており加速電源の電圧が跳ね上がるということを説明するための図。（１）が加速電源のオンオフ操作の時間変化を示す図。（２）が電子流用電源のオンオフ操作の時間変化を示す図。（３）はインターロック時の加速電源電圧の変化を示す図。緊急停止のためにインターロックが掛かったときに、同時に電子流電源と加速電源を引き外す動作を開始しても、先に電子流電源がオフになり電子ビーム電流が消失するがそのときも加速電源がかかっているから電圧が跳ね上がる。（４）は電子流電源の変化を示す図。本発明の電子線照射装置において、緊急停止のためにインターロックが掛かったときに、加速電源のオフ動作（引きはずし）はすぐに開始するが、電子流（フィラメント）電源は遅延タイマーを介してオフ操作をするようにするから先に加速電源の電圧が０におちその後に電子流電源電圧が０に落ちるので跳ね上がりが起こらないという事を示すグラフ。（１）が加速電源のオンオフ操作の時間変化を示す図。（２）が電子流用電源のオンオフ操作の時間変化を示す図。（３）は加速電源電圧の変化を示す図。緊急停止のためにインターロックが掛かったときに電圧が跳ね上がらない。（４）は電子流電源の変化を示す図。加速電圧の低下とともに電子線の引出電圧が下がり加速電圧がある値になると電子流は急激に低下する。加速電圧０のときには電子流も０となる。

符号の説明

２加速電源３トランス４ビーム電流計５加速管６加速電極７分圧抵抗
電流計９電子流用電源１０フィラメント１９モータ２０発電機
２１絶縁棒２２トランス２４商用交流２５電子流電源用電磁開閉器２６インバータ３０走査管３２走査コイル３３窓箔３４被処理物３６抵抗３７電圧監視用電流計３９制御用シーケンサ
４０加速電源用電磁開閉器４２電力調整器４３商用交流

Claims

加速電源と、フィラメントを加熱する電子流用電源を持ち、真空中で電子流用電源によって電子線を発生し、加速電源で加速して大気中へ出し、被処理物に電子線を照射するようにした電子線照射装置において、電子線照射装置がインターロック機能によって装置が運転中に急停止する場合、加速電圧用電源には急停止指令をそのまま与え、電子流用電源には遅延タイマーにより急停止指令を遅延させて与えるようにして、加速電源が、電子流用電源よりも先にオフになるようにしたことを特徴とする電子線照射装置急停止時の保護機構。