JP2007207585A - インバータ式ｘ線高電圧装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 インバータ回路の直流電源電圧を平滑する電解コンデンサの交換時期を適切にして、X線画像診断装置の性能を高精度に維持できる。
【解決手段】 平滑コンデンサ13aの充電及び放電回数を計数する充放電計数部22aと前記平滑コンデンサ13aの残りの寿命時間を算出する残寿命算出部22bと該残寿命算出部22bで算出された残寿命時間が所定値になったか否かを判断する寿命判断部22cとで前記平滑コンデンサ13aの交換警告信号生成回路22を構成し、この交換警告信号生成回路22で生成した前記平滑コンデンサ13aの寿命警告信号を操作器23の表示部に表示して前記平滑コンデンサ13aが交換時期に達している旨を報知する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、インバータ式X線高電圧装置に係り、特に交流電源電圧を整流して直流電圧に変換し、この変換した直流電圧を電解コンデンサで平滑してインバータ回路の直流電源部における前記電解コンデンサの交換時期を適切にして該電解コンデンサの静電容量を所定の範囲内で作動させるインバータ式X線高電圧装置に関する。

インバータ式X線高電圧装置は、単相又は三相の商用電源電圧を整流して直流電圧に変換し、この直流電圧をインバータ回路により商用電源周波数よりも高い周波数の交流電圧に変換してこれを高電圧変圧器で昇圧し、ふたたび整流して直流の高電圧(以下、管電圧と記す)をX線管のアノードとカソード間に印加するものである。

このようなインバータ式X線高電圧装置において、前記単相又は三相の商用電源電圧を整流して得られる直流電圧には、前記商用電源周波数に応じたリプル(脈動)を有する。
このリプルを有する直流電圧をそのまま前記インバータ回路の直流電源電圧とすると、前記管電圧は前記リプルを含む電圧となり、X線画像の画質悪化の要因となるので、前記管電圧をリプルの無い電圧とするために、前記単相又は三相の商用電源電圧を整流した電圧を大きな静電容量を有する電解コンデンサで平滑している。

前記電解コンデンサは、長い間に使用していると絶縁物等の劣化により静電容量値が減少するという性質を有しており、特に充電と放電の回数が多い程、前記劣化の進行が早い。

このような性質を有する電解コンデンサをX線画像診断装置のようにX線撮影を頻繁に繰り返して充電と放電の回数が多い用途に用いる場合には、静電容量が所定値以下に減少すると、前記管電圧のリプルが大きくなり、撮影画像の画質の悪化を招くことになるので、静電容量が所定値以下になる前に新しい電解コンデンサに交換する必要がある。

そこで、従来は、X線画像診断装置を使用するモデルケースを想定し、この想定したモデルケースで使用した場合に、前記電解コンデンサの静電容量が所定の値まで減少する時間を定め、この時間になったらX線画像診断装置の実際の使用状況に拘わらず、画一的に新しい電解コンデンサに交換していた。

また、電解コンデンサの作動時間と内部温度とに基づいてコンデンサの寿命時間を計算により推定し、この推定した寿命時間により前記電解コンデンサを交換することが特許文献1に開示されている。
特開平6-27175号公報

しかしながら、上記モデルケースで電解コンデンサを画一的に交換する方法では、医療施設によってX線画像診断装置の使用条件や使用頻度が異なるので、このため、使用頻度が少ない施設では、電解コンデンサが上記所定の交換時間に達しても、電解コンデンサの静電容量は所要値を維持して未だ充分使用可能な場合や、或いは使用頻度が非常に多い施設では、電解コンデンサが上記所定の交換時間を経過して電解コンデンサの静電容量は所要値以下になっている場合もある。

したがって、電解コンデンサの交換時期を画一的に定める方法では、使用頻度の少ない医療施設では、未だ寿命に達していないで所定の静電容量を維持している電解コンデンサを交換することになり、該電解コンデンサが無駄になったり、或いは使用頻度の多い医療施設では、既に所定の静電容量以下となって管電圧波形に前記交流電源周波数に対応したリプルが現れ、X線画像の画質に悪影響を及ぼすことが懸念される。

また、電解コンデンサの静電容量値の減少は、前記電解コンデンサの作動時間だけでなく、同じ作動時間でも該作動時間内における充電回数及び放電回数によっても大きく異なり、上記特許文献1にはこの点が考慮されていない。
したがって、撮影、透視を頻繁に繰り返すX線画像診断装置においては、充電回数及び放電回数が他の応用分野とは異なって非常に多く、特許文献1の技術は適用できない。

さらにまた、特許文献1では、電解コンデンサの内部に熱電対等よりなる温度検出手段を備える必要があるので、電解コンデンサが大型になると共に部品数も増えて、電気回路の大型化、コストアップ及び信頼性低下の要因となる。

本発明の目的は、上記課題に鑑みてなされたものであって、インバータ回路の直流電源電圧を平滑する電解コンデンサの交換時期を適切にして、X線画像診断装置の性能を高精度に維持できるインバータ式X線高電圧装置を提供することにある。

上記目的は、交流電源を受電しこれを整流するコンバータ回路と、このコンバータ回路により整流された出力電圧を平滑する平滑コンデンサと、この平滑コンデンサによって平滑された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と、このインバータ回路によって変換された交流電圧を昇圧する高電圧変圧器と、この高電圧変圧器によって昇圧された電圧を整流した直流の高電圧をX線管に印加する高電圧整流回路とを備えたインバータ式X線高電圧装置であって、前記平滑コンデンサの電圧を検出する電圧検出手段と、前記平滑コンデンサの充電及び放電回数を計数する充放電計数手段と、前記電圧検出手段によって検出された前記平滑コンデンサの電圧値と前記充放電計数手段によって計数された充電及び放電回数とに基づいて前記平滑コンデンサの残りの寿命時間を算出する残寿命算出手段と、この残寿命算出手段で算出した残寿命時間が所定値になったか否かを判断する寿命判断手段と、この寿命判断手段によって判断された結果を報知する報知手段とを備えることによって達成される。

このように構成されたインバータ式X線高電圧装置は、充放電計数手段により前記平滑コンデンサとして用いる電解コンデンサの劣化による静電容量の減少に大きく関与する充電と放電の回数を計数し、この計数値と電圧検出手段で検出した平滑コンデンサの電圧の値とに基づいて該平滑コンデンサの残寿命時間を算出し、寿命判断手段により前記算出した残寿命時間が所定値になった場合には、報知手段でオペレータに平滑コンデンサの交換時期である旨を報知するようにしたので、X線画像診断装置の性能に悪影響を及ぼす前に新しい平滑コンデンサに交換することができ、これによってX線画像診断装置の性能を高精度に維持することができる。

前記充放電計数手段は、前記X線管からのX線の放射準備期間に充電する回数を計数する部分充電回数計数手段と、前記X線管からのX線の放射期間に充電する回数を計数する本充電回数計数手段と、前記X線管からのX線の放射の終了時に放電する回数を計数する部分放電回数計数手段とから成り、前記残寿命算出手段は、前記部分充電による上昇温度値と、前記本充電による上昇温度値と、前記部分放電による上昇温度値と、周囲温度値と、前記部分充電回数、本充電回数及び部分放電回数とに基づいて算出する。

このように、充放電計数手段により、X線放射準備段階における充電回数(部分充電)と、X線放射中における充電回数(本充電)と、X線放射終了時における放電回数(部分放電)を計数し、これらの計数値と前記各充放電による平滑コンデンサの上昇温度値とからインバータ式X線高電圧装置の動作に対応した高精度の残寿命を算出することができ、前記平滑コンデンサの交換を適切に指示することができる。

本発明によれば、インバータ回路の直流電源電圧を平滑する電解コンデンサの電圧を検出する電圧検出手段と、前記電解コンデンサの充電と放電の回数を計数する充放電計数手段とを備え、前記充放電計数手段で計数した充電と放電の回数と前記電圧検出手段で検出した電解コンデンサの電圧の値とに基づいて該電解コンデンサの残寿命時間を算出し、この算出した残寿命時間を寿命判断手段で判断してオペレータに前記電解コンデンサの交換時期か否かを報知するようにしたので、前記電解コンデンサの交換時期は実使用に応じたものとなる。
この結果、従来のように電解コンデンサが無駄になったり、或いは既に所定の静電容量以下となってX線画像の画質に悪影響を及ぼすことがなくなるので、X線画像診断装置の性能を高精度に維持できるインバータ式X線高電圧装置を提供することができる。

また、電解コンデンサの内部に熱電対等よりなる温度検出手段を備える必要がないので、電気回路の小型化、コストアップの抑制及び信頼性向上に大きく寄与するものとなる。

以下、添付図面に従って本発明のX線高電圧装置の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
図1は，本発明によるインバータ式X線高電圧装置の構成を示す図である。

図1において、本発明のインバータ式X線高電圧装置は、単相交流電源10に接続されX線画像診断装置の使用時に閉路する第1の開閉器11と、この開閉器11に接続された交流リアクトル12aと自己消孤可能な半導体スイッチである絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor；以下IGBTと記す)12b，12c，12d，12e及びこれらに逆並列に接続されたダイオード12f，12g，12h，12iで単相全波整流回路を構成した前記交流電源10の交流電圧を直流に変換するコンバータ回路(交流−直流変換回路)12と、このコンバータ回路12で変換された直流電圧を平滑する平滑コンデンサ13a等から成る平滑回路13と、この平滑回路13で平滑された直流電圧を前記交流電源10の周波数よりも高い周波数(以下、高周波と記す)の交流電圧に変換する自己消孤可能なIGBTを用いた半導体スイッチ14a，14b，14c，14d及びこれらに逆並列に接続されたダイオード14e，14f，14g，14hでフルブリッジ構成されたインバータ回路(直流-交流変換回路)14と、このインバータ回路14で高周波の交流電圧に変換された電圧を昇圧する高電圧変圧器15と、この高電圧変圧器15の二次側に接続され昇圧された交流電圧を整流する高電圧整流器16と、この高電圧整流器16に高電圧ケーブル17で接続され該高電圧ケーブル17の浮遊静電容量で平滑された直流の高電圧が印加されてX線を放射するX線管18と、このX線管18のアノードとカソード間に印加される管電圧を検出する管電圧検出器19及び前記アノードとカソード間に流れる管電流を検出する管電流検出器20と、前記コンバータ回路12の半導体スイッチ12b，12c，12d，12e及びインバータ回路14の半導体スイッチ14a，14b，14c，14dを導通制御するコンバータ制御信号及びインバータ制御信号等生成する制御信号生成回路21と、前記平滑コンデンサ13aが交換時期である旨の交換警告信号を生成する平滑コンデンサ交換警告信号生成回路22と、X線透視撮影条件(管電圧、管電流、撮影時間等)を設定する操作部と該操作部で設定されたX線透視撮影条件や前記平滑コンデンサ13aの交換警告信号等を表示する表示部とを備えた操作器23とを備えて構成される。
なお、制御信号生成回路21で生成した信号を増幅し、この増幅した信号で前記コンバータ回路12及びインバータ回路14の半導体スイッチIGBTを駆動する回路は省略しており、また、X線管18の管電圧波形のリプル(脈動)の低減が高電圧ケーブルの浮遊静電容量だけでは不十分な場合はコンデンサを付加しても良い。

前記コンバータ回路12は、特開平7-65987号公報に開示されているように、IGBTによる半導体スイッチ12b，12c，12d，12eをパルス幅変調制御して交流リアクト12aに電磁エネルギを蓄え、この電磁エネルギを平滑コンデンサ13aに放出することによって、該平滑コンデンサ13aには電源電圧以上の電圧が充電される。すなわち、前記コンバータ回路12は昇圧機能を有しており、200Vの単相交流電源の場合は、282V(実効値の1.414倍)から約2倍の564Vの範囲で制御が可能である。

前記平滑回路13は、平滑コンデンサ13aと、このコンデンサの電圧を検出してこれを前記制御信号生成回路21と前記平滑コンデンサの交換警告信号生成回路22とに入力する電圧検出器13bと、X線撮影あるいはX線透視の終了時に前記平滑コンデンサ13aの電圧をコンバータ回路12のダイオード14e，14f，14g，14hによる全波整流電圧まで放電する第1の放電抵抗13cと、本インバータ式X線高電圧装置を用いたX線画像診断装置の使用終了時に前記第1の開閉器11が開路された後に閉路する第2の開閉器13dと、この第2の開閉器13dの閉路により前記平滑コンデンサ13aの電圧を零まで放電させるための第2の放電抵抗13eとで構成される。

前記コンバータ回路12は、前記平滑コンデンサ13aで平滑された電圧が操作器21で設定したX線条件に対応した電圧、すなわち前記コンバータ回路12の出力電圧の目標値と前記電圧検出器13bで検出した電圧とを一致させるためのコンバータ制御信号を前記制御信号生成回路21で生成し、この生成したコンバータ制御信号に基づいて前記半導体スイッチ12b，12c，12d，12eをパルス幅変調制御する。

前記インバータ回路14は、管電圧検出器19で検出した管電圧と管電流検出器20で検出した管電流と前記操作23で設定したX線条件(設定管電圧及び管電流、設定撮影時間等)とを制御信号生成回路21に入力し、該制御信号生成回路21で前記設定管電圧及び管電流と前記管電圧検出器19で検出した管電圧及び前記管電流検出器20で検出した管電流とを一致させるためのインバータ制御信号を前記制御信号生成回路21で生成し、この生成したインバータ制御信号に基づいて前記半導体スイッチ14a，14b，14c，14dの位相あるいは動作周波数等を導通制御する。

本発明の要部である前記平滑コンデンサ交換警告信号生成回路22は、前記平滑コンデンサ13aに前記コンバータ回路12の出力電圧を充電する回数と前記平滑コンデンサ13aに充電された電圧を放電する回数とを計数する充放電回数計数部22aと、前記電圧検出器13bで検出した平滑コンデンサ13aの電圧値と前記充放電回数計数部22aで計数した充放電回数とに基づいて前記平滑コンデンサ13aの残りの寿命時間を算出する残寿命時間算出部22bと、この残寿命時間算出部22bで算出した残りの寿命時間から前記平滑コンデンサ13aが交換時期であるか否かを判断する寿命判断部22cとで構成される。

前記充放電回数計数部22aで計数する充放電回数は、本インバータ式X線高電圧装置の動作に対応した図2に示す平滑コンデンサ13aの充放電電圧と充放電時間の関係の一例を用いて以下のようにして求める。
すなわち、オペレータが本インバータ式X線高電圧装置を用いたX線画像診断装置の電源投入により、第1の開閉器11が閉路し、前記平滑コンデンサ13aには、前記交流リアクトル12aを介して前記交流電源10の交流電圧がコンバータ回路12のダイオード12f，12g，12h，12iによる単相全波整流回路で全波整流された電圧V1が充電される。このように、前記交流電源10の交流電圧が全波整流された電圧V1の充電を部分充電と呼び、この電圧V1はX線撮影開始まで充電されている(図2のta1時間)。

次に、X線曝射によりX線撮影を行うための指令信号を出力する図示省略のハンドスイッチからX線撮影の予備信号が操作器23(図1)に入力されると、該操作器23からX線撮影条件が制御信号生成回路21で前記X線撮影条件に応じたインバータ回路14の直流電源電圧(平滑コンデンサ13aの電圧)になるようにコンバータ回路12はパルス幅変調制御して昇圧動作を開始し、所定の電圧V2まで昇圧する。この昇圧動作による充電を本充電と呼び、この電圧V2はX線撮影の終了まで一定値に制御される。

前記ハンドスイッチからX線撮影開始信号が出力されると、インバータ回路14が動作してX線を曝射し、撮影を開始する。
前記インバータ回路14は、設定した管電圧、管電流と実際の管電圧、管電流とが一致するように制御するインバータ制御信号を制御信号生成回路21で生成し、この信号により前記インバータ回路14の半導体スイッチ14a，14b，14c，14dを導通制御する。
この導通制御によるインバータ回路14が動作している間、前記コンバータ回路12は前記インバータ回路14の直流電源電圧を目標値V2になるように動作している(図2のtb1時間)。

前記インバータ回路14は、設定した撮影時間に達すると前記制御信号生成回路21からインバータ回路動作停止信号が出力され、インバータ回路14は動作を停止してX線曝射終了となり、X線撮影は終了する。

前記X線撮影が終了すると、前記平滑コンデンサ13aの電圧は、前記交流電源10の交流電圧が全波整流された電圧V1に達するまで前記第1の放電抵抗13cに放電される。この放電を部分放電と呼び、次の撮影開始までのta2の間、前記平滑コンデンサ13aの電圧は、前記交流電源10の交流電圧が全波整流された電圧V1に保持される。

上記と同様に、次のX線撮影を行うための図示省略のハンドスイッチからX線撮影の予備信号が操作器23(図1)に入力されると、該操作器23からX線撮影条件が制御信号生成回路21で前記X線撮影条件に応じたインバータ回路14の直流電源電圧(平滑コンデンサ13aの電圧)になるようにコンバータ回路12はパルス幅変調制御されて昇圧動作を開始し、所定の電圧まで昇圧する(本充電)。
そして、前記ハンドスイッチからX線撮影開始信号が出力されると、インバータ回路14が動作してX線を曝射し、撮影を行い(図2のtb2時間)、撮影が終了すると部分放電により平滑コンデンサ13aの電圧はV1に保持される。

上記のX線撮影(図2のtbn)及び終了(図2のtan)を図示省略のハンドスイッチからの信号に応じてn回行って、X線画像診断装置の使用が終了すると、該装置の電源が遮断されて本インバータ式X線高電圧装置の電源が遮断され、前記第1の開閉器11の開路後に前記第2の開閉器13dが閉路し、前記平滑コンデンサ13aの電圧は第2の放電抵抗13eに放電して平滑コンデンサ13aの電圧を零にする(本放電)。

このように、上記インバータ式X線高電圧装置の動作に対応して前記平滑コンデンサ13aは、部分充電、本充電、部分放電及び本放電を繰り返し、これらの充電及び放電により平滑コンデンサ13aの温度は上昇する。
そこで、上記のように動作するインバータ式X線高電圧装置における平滑コンデンサ13aの温度上昇値を予め実験により求めておく。
(1)部分充電上昇温度Ta〔℃〕
部分充電時間と部分充電電圧による部分充電の平滑コンデンサ13aの温度上昇値Ta〔℃〕で、この部分充電上昇温度Ta〔℃〕は部分放電上昇温度Tc〔℃〕に等しい。
(2)本充電上昇温度Tb〔℃〕
本充電時間と本充電電圧による本充電の平滑コンデンサ13aの温度上昇値Tb〔℃〕である。

以上のように実験で求めた部分充電上昇温度Ta〔℃〕、本充電上昇温度Tb〔℃〕、部分放電上昇温度Tc〔℃〕を図1の残寿命時間算出部22cに記憶しておき、これらの上昇温度値と、前記充放電回数計数部22aで計数した充放電回数とに基づいて(式1)により平滑コンデンサ13aの残寿命時間を算出する。

この(式1)で残寿命時間を寿命判断部22dに入力して操作器23の表示部に表示する寿命警告信号を生成する。
前記寿命警告信号を生成するための比較する残寿命時間は、前記(式1)で算出した残寿命時間における平滑コンデンサ13aの静電容量値が本インバータ式X線高電圧装置の性能を維持するのに必要な値である定格静電容量値の30%減少し、これに平滑コンデンサ13aの交換までの時間を考慮して、例えば100時間として、この時間を前記寿命判断部22dに記憶しておく。
そして、上記(式1)で求めた残寿命時間が100時間以下になると、平滑コンデンサ13aが交換する時期である旨の警告信号を出力し、これを前記操作器23の表示部に表示してオペレータに平滑コンデンサの交換を促す。

図3は、経過時間と残寿命時間との関係を使用頻度の少ない場合と多い場合とを比較したもので、使用頻度の多少に拘わらず、平滑コンデンサ13aを使用限界静電容量以内で交換することができる。
これによって、インバータ回路の直流電源電圧を平滑する電解コンデンサの交換時期は実使用に応じたものとなり、従来のように電解コンデンサが無駄になったり、或いは既に所定の静電容量以下となって管電圧波形に前記交流電源周波数に対応したリプルが現れ、X線画像の画質に悪影響を及ぼすことがなくなる。

また、電解コンデンサの内部に熱電対等よりなる温度検出手段を備える必要がないので、電気回路の小型化、コストアップの抑制及び信頼性向上に大きく寄与するものとなる。

以上、X線撮影の場合を例にあげて説明したが、X線透視の場合及びX線透視とX線撮影とを併用する場合も部分充電上昇温度Ta〔℃〕、本充電上昇温度Tb〔℃〕、部分放電上昇温度Tc〔℃〕を予め実験で求めておき、上記と同様の方法により平滑コンデンサ13aの交換時期を的確に指示することができる。

また、上記実施形態では、平滑コンデンサ13aを交換する時期である旨の警告信号を出力し、これを前記操作器23の表示部に表示するようにしたが、これは必要に応じて残りの寿命時間を表示するようにしても良く、その表示形態に限定するものではない。

なお、上記実施形態では、交流電源電圧を直流電圧に変換するコンバータ回路に昇圧機能を有するパルス幅変調制御のコンバータ回路を用いたが、本発明はこれに限定するものではなく、サイリスタを用いた整流回路、サイリスタや自己消孤型半導体スイッチとダイオードとを組み合わせた整流回路、前記整流回路とインバータ回路との間に直流電圧を調整するチョッパ回路等による構成にもインバータ式X線高電圧装置の使用形態に対応して平滑コンデンサの充電及び放電による温度上昇を実験により求めて、上記と同様に(式1)により残寿命時間を算出することができる。

さらに、上記商用電源に単相電源を用いた例について説明したが、三相電源を用いることも可能であり、この場合は三相電源電圧を直流電圧に変換する回路に変更すれば良い。

本発明のインバータ式X線高電圧装置の構成を示す図。 インバータ式X線高電圧装置の動作に対応してインバータ回路の直流電源電圧を平滑するコンデンサの充放電電圧と充放電時間との関係を示す図。 インバータ回路の直流電源電圧を平滑するコンデンサの経過時間と残寿命時間との関係をインバータ式X線高電圧装置の使用頻度の少ない場合と多い場合とを比較した図。

符号の説明

10 交流電源、11 第1の開閉器、12 コンバータ回路(交流―直流変換回路)、12b，12c，12d，12e 半導体スイッチング素子IGBT(Insulated Gate Bipolar-Transistor)、12f，12g，12h，12i ダイオード、13 平滑回路、13a 平滑コンデンサ、13b 電圧検出器、13c 第1の放電抵抗、13d 第2の開閉器、13e 第2の放電抵抗、14 インバータ回路(直流-交流変換回路)、14a，14b，14c，14d 半導体スイッチング素子IGBT、15 高電圧変圧器、16 高電圧整流器、18 X線管、21 制御信号生成回路、22 平滑コンデンサ交換警告信号生成回路、22a 充放電回数計数部、22b 残寿命時間算出部、22c 寿命判断部、23 操作器

Claims (1)

1. 交流電源を受電しこれを整流するコンバータ回路と、このコンバータ回路により整流された出力電圧を平滑する平滑コンデンサと、この平滑コンデンサによって平滑された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と、このインバータ回路によって変換された交流電圧を昇圧する高電圧変圧器と、この高電圧変圧器によって昇圧された電圧を整流した直流の高電圧をＸ線管に印加する高電圧整流回路とを備えたインバータ式Ｘ線高電圧装置であって、前記平滑コンデンサの電圧を検出する電圧検出手段と、前記平滑コンデンサの充電及び放電回数を計数する充放電計数手段と、前記電圧検出手段によって検出された前記平滑コンデンサの電圧値と前記充放電計数手段によって計数された充電及び放電回数とに基づいて前記平滑コンデンサの残りの寿命時間を算出する残寿命算出手段と、この残寿命算出手段で算出した残寿命時間が所定値になったか否かを判断する寿命判断手段と、この寿命判断手段によって判断された結果を報知する報知手段とを備えて成るインバータ式Ｘ線高電圧装置。

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