JP2010063195A - パルス電源の冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】攪拌機の回転数を上げて絶縁油の循環量を増大させ、かつ絶縁油中に気泡が発生するのを防止する。
【解決手段】タンク１１内の絶縁油１２の油面または油面近傍に金属または絶縁物の防波板（または防波物）２１を設け、ファン１６，１７の回転数を上げるも、油面が波打って絶縁油の中に気泡が巻き込まれるのをなくし、気泡が主回路素子部１４の素子の高圧部に流れ込むことによる絶縁耐圧の低い気泡で部分放電が発生するのを防止する。
防波板は、油面または油面近傍に半固定にした構造、タンクの上下方向で可動できるようにした構造、またはタンクの金属製フタ１３との間を金属製フィンで一体化した構造とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、高い繰り返し周波数で狭幅の大電流・高電圧パルスを発生するパルス電源に係り、特にパルス電源を構成する主回路素子を絶縁油タンク内に浸漬させて冷却する冷却装置に関する。

エキシマレーザのレーザガス励起電源などに利用されるパルス電源は、例えば図４に示す主回路に構成される。パルス発生回路は、電力用の初段コンデンサＣ０を設け、この初段コンデンサＣ０を高圧充電器ＨＤＣ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Ｃ０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を発生させる。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。

パルストランスＰＴの二次側には磁気パルス圧縮回路が接続され、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ＬＨに狭幅・高電圧のパルス電流Ｉ₃が繰り返し供給される。

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。これらの発熱する主回路素子は冷却のために絶縁油内に浸漬される（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、タンク内で一体的に配置される。このタンク内に収納する冷媒としては、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。これら主回路素子を発熱による破損、性能劣化を防止するため、図４中に波線ブロックで示す絶縁油タンク内に主回路素子（ＳＩ０、ＳＩ１、ＳＩ２、ＰＴ、Ｃ１、Ｃ２）を収納してその冷却を行う。

図５は従来のパルス電源の冷却装置の構成例を示し、モータ駆動のクロスフローファンを攪拌機とし、冷却装置の冷媒を兼ねた絶縁油を主回路素子とラジエータ間で循環（強制対流）させて主回路素子を冷却する（例えば、特許文献１、２参照）。図５において、タンク１１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、その内部には絶縁油１２が収納され、タンク１１内の上部には油面とフタ１３との間に空気層が形成されて絶縁油の体積膨張を吸収可能にする。絶縁油１２内にはパルス電源の主回路素子部１４が浸漬されるとともに、その上位側部にはラジエータ１５が平行して設けられ、ラジエータ１５にはタンク１１外から冷却水が通流される。ラジエータ１５の下部にはクロスフローファン１６が設けられ、このクロスフローファン１６を磁気カップリング１７を介してタンク１１外のモータ１８で駆動することで、絶縁油を主回路素子部１４とラジエータ１５間で循環させ、主回路素子部１４を冷却する。この冷却方式は、絶縁油の流れは主回路素子部１４に対し、クロスフローファン１６の回転により縦方向に発生するので、タンク１１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。

図６はパルス電源の冷却装置の他の構成例を示し、モータ駆動の軸流ファンを攪拌機として絶縁油を主回路素子とラジエータ間で循環させて主回路素子を冷却する（例えば、特許文献１参照）。図６において、タンク１１内の絶縁油１２の下部に主回路素子部１４を浸漬させ、その上部に平板状のラジエータ１９を設ける。タンク１１内の下部にファン２０を設け、このファン２０を磁気カップリング１７を介してモータ１８で駆動することで、絶縁油を主回路素子部１４からラジエータ１９に向けて循環させ、主回路素子部１４を冷却する。
特開２００１−１３６７５８号公報 特開２００３−１２４５５０号公報

従来の冷却装置において、冷却効率を上げるためには、絶縁油を強制対流させる攪拌機の回転数を上げ、絶縁油の循環量を増大させることが考えられる。しかし、攪拌機の回転数を上げると、図７の（ａ）または（ｂ）に示すように、油面が波打って絶縁油の中に気泡が巻き込まれてしまう。この巻き込まれた気泡が主回路素子の高圧部に循環されると、図７の（ｃ）に示すように、絶縁耐圧の低い気泡で部分放電が発生し、絶縁油の劣化やパルストランス巻線部等の絶縁物を劣化させ、最終的には絶縁破壊を起こしてしまう。

本発明の目的は、攪拌機の回転数を上げて絶縁油の循環量を増大させ、かつ絶縁油中に気泡が発生するのを防止できるパルス電源の冷却装置を提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、絶縁油の油面または油面近傍に金属または絶縁物の防波板（または防波物）を設け、絶縁油の液面が波打つのを防波板で抑えるようにしたもので、以下の構造を特徴とする。

（１）タンク内に空気層を持たせて絶縁油を収納し、この絶縁油中にパルス電源の主回路素子部を浸漬させ、この主回路素子部とタンク外から冷却水が通流されるラジエータとの間に攪拌機で絶縁油を循環させるパルス電源の冷却装置において、
金属または絶縁物の防波板を絶縁油の油面または油面近傍に半固定で位置させ、油面とタンクのフタとの間の一部に隙間を設けた構造を特徴とする。

（２）タンク内に空気層を持たせて絶縁油を収納し、この絶縁油中にパルス電源の主回路素子部を浸漬させ、この主回路素子部とタンク外から冷却水が通流されるラジエータとの間に攪拌機で絶縁油を循環させるパルス電源の冷却装置において、
金属または絶縁物の防波板をタンクの上下方向で可動できるようにして絶縁油の油面に浮かせ、油面とタンクのフタとの間の一部に隙間を設けた構造を特徴とする。

（３）タンク内に空気層を持たせて絶縁油を収納し、この絶縁油中にパルス電源の主回路素子部を浸漬させ、この主回路素子部とタンク外から冷却水が通流されるラジエータとの間に攪拌機で絶縁油を循環させるパルス電源の冷却装置において、
金属または絶縁物の防波板を絶縁油の油面に接する高さ位置または油面近傍に一部が浸かる高さ位置で、該防波板とタンクの金属製フタとの間を金属製フィンで一体化し、油面とタンクのフタとの間の一部に隙間を設けた構造を特徴とする。

（４）前記フィンは、熱伝導性に優れる金属板を複数枚配列した構造とし、これらの金属板で形成する溝方向は絶縁油の循環方向と同じにしたことを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、絶縁油の油面または油面近傍に金属または絶縁物の防波板（または防波物）を設け、絶縁油の液面が波打つのを防波板で抑えるようにしたため、攪拌機の回転数を上げて絶縁油の循環量を増大させ、かつ絶縁油中に気泡が発生するのを防止できる。

＜実施形態１＞
図１は、本実施形態を示すパルス電源の冷却装置の構成図であり、（ａ）にクロスフローファンによる装置構成を、（ｂ）に軸流ファンによる装置構成を示す。

同図が図５または図６と異なる部分は、金属または絶縁物の防波板（または防波物）２１を絶縁油の油面または油面近傍に半固定で位置させた点にある。

防波板２１は、フタ１３との間に複数箇所でスペーサ２２を設けている。このスペーサ２２は防波板２１にのみ固定、またはフタ１３にのみ固定され、防波板２１が油面に浮いた状態または油面に一部が浸かった状態でフタ１３に接触する高さ寸法にする。このスペーサ２２の介在により、絶縁油の循環時に、攪拌機の強制対流によって防波板２１が油面から持ち上げられるのを無くし、さらに油面が空気層に晒されるのを無くし、油面の波打ち発生および油内に気泡が発生するのを防止する。

なお、防波板２１は、油面とフタ１３との間を完全に仕切るものでなく、一部に隙間を設ける。これにより絶縁油の温度上昇によるその膨張分を空気層に逃がす。

このような装置構成により、攪拌機の回転数を上げるも、油面が波打って絶縁油の中に気泡が巻き込まれることがなくなり、気泡が主回路素子の高圧部に流れ込むことによる絶縁耐圧の低い気泡で部分放電が発生するのを防止できる。結果的に、攪拌機の回転数を上げて冷却効率を高め、しかも絶縁油中に気泡の発生を防止してその劣化やパルストランス巻線部等の絶縁物の劣化防止や絶縁破壊を防止できる。

＜実施形態２＞
図２は、本実施形態を示すパルス電源の冷却装置の構成図であり、（ａ）にクロスフローファンによる装置構成を、（ｂ）に軸流ファンによる装置構成を示す。

同図が図５または図６と異なる部分は、金属または絶縁物の防波板（または防波物）２３をタンクの上下方向で可動できるようにして絶縁油の油面に浮かせた点にある。

支持板２４は、Ｌ字型の構造をもち、一端がフタ１３またはタンク１１の側面に固定され、他端のＬ字部に防波板２３の両端面を載置して支持する構造とする。支持板２４の高さ寸法は、少なくとも絶縁油の常温での油面に防波板２３が接する値にする。

なお、防波板２１は、油面とフタ１３との間を完全に仕切るものでなく、一部に隙間を設ける。これにより絶縁油の温度上昇による膨張分を空気層に逃がす。

本実施形態によれば、防波板２３はタンクの高さ方向に支持板２４で可動式に支持され、常温での油面に防波板２３を浮かせておくことができる。これにより、防波板２３は油面に常時浮いた状態にすることができ、実施形態１と比べ、防波板（または防波物）が油面上昇に伴って浮上するため、主回路素子（発熱体）やラジエータ（吸熱体）の近傍の流路が大きく確保されて流速が大きくなり冷却効率が更に向上する。

＜実施形態３＞
図３は、本実施形態を示すパルス電源の冷却装置の構成図であり、（ａ）にクロスフローファンによる装置構成の断面図を、（ｂ）に側面図を示し、（ｃ）に油面上昇時の形態を示す。

同図が図５と異なる部分は、金属または絶縁物の防波板（または防波物）２５を絶縁油の油面に接する高さ位置または油面近傍に一部が浸かる高さ位置で、防波板２５とフタ１３との間をフィン２６で一体化した点にある。

フィン２６は、熱伝導性に優れる金属板を複数枚配列した構造とし、この金属板で形成する溝方向は絶縁油の循環方向と同じにした構造とする。

なお、フタ１３は熱伝導性に優れる金属製にされる。また、防波板２５は、油面とフタ１３との間を完全に仕切るものでなく、一部に隙間を設ける。これにより絶縁油の温度上昇による膨張分をフィン２６で形成する空気層の溝に逃がす。

本実施形態によれば、防波板２５を金属としてフィン２６とフタ１３と一体化するため、防波板または防波物が放熱器の役割を兼ね、温度が最も高くなる絶縁油の最上部に接する防波板２５からフィン２６を介してフタ１３側に効率良く放熱することができ、冷却効率を更に向上させることができる。特に、油面上昇時にフィン部に多くの油が流れるため放熱効果が大きくなる。

実施形態１を示すパルス電源の冷却装置の構成図。 実施形態２を示すパルス電源の冷却装置の構成図。 実施形態３を示すパルス電源の冷却装置の構成図。 パルス電源の主回路の構成図。 従来のパルス電源の冷却装置の構成例。 従来のパルス電源の冷却装置の他の構成例。 気泡発生と部分放電の説明図。

符号の説明

１１ タンク
１２ 絶縁油
１３ フタ
１４ 回路素子部
１５、１９ ラジエータ
１６ クロスフローファン
１７ 磁気カップリング
１８ モータ
２０ 軸流ファン
２１，２３、２５ 防波板
２２ スペーサ
２４ 支持板
２６ フィン

Claims (4)

1. タンク内に空気層を持たせて絶縁油を収納し、この絶縁油中にパルス電源の主回路素子部を浸漬させ、この主回路素子部とタンク外から冷却水が通流されるラジエータとの間に攪拌機で絶縁油を循環させるパルス電源の冷却装置において、
   金属または絶縁物の防波板を絶縁油の油面または油面近傍に半固定で位置させ、油面とタンクのフタとの間の一部に隙間を設けた構造を特徴とするパルス電源の冷却装置。
2. タンク内に空気層を持たせて絶縁油を収納し、この絶縁油中にパルス電源の主回路素子部を浸漬させ、この主回路素子部とタンク外から冷却水が通流されるラジエータとの間に攪拌機で絶縁油を循環させるパルス電源の冷却装置において、
   金属または絶縁物の防波板をタンクの上下方向で可動できるようにして絶縁油の油面に浮かせ、油面とタンクのフタとの間の一部に隙間を設けた構造を特徴とするパルス電源の冷却装置。
3. タンク内に空気層を持たせて絶縁油を収納し、この絶縁油中にパルス電源の主回路素子部を浸漬させ、この主回路素子部とタンク外から冷却水が通流されるラジエータとの間に攪拌機で絶縁油を循環させるパルス電源の冷却装置において、
   金属または絶縁物の防波板を絶縁油の油面に接する高さ位置または油面近傍に一部が浸かる高さ位置で、該防波板とタンクの金属製フタとの間を金属製フィンで一体化し、油面とタンクのフタとの間の一部に隙間を設けた構造を特徴とするパルス電源の冷却装置。
4. 前記フィンは、熱伝導性に優れる金属板を複数枚配列した構造とし、これらの金属板で形成する溝方向は絶縁油の循環方向と同じにしたことを特徴とする請求項３に記載のパルス電源の冷却装置。

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