JP4907789B2 - ハイブリッド絶縁体を設けた高電圧発生器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ハイブリッド絶縁体を設けた高電圧発生器に関するものであり、特に高速回転を行う回転Ｘ線システム用を意図したものであり、また高電圧発生器とＸ線システムを集成して１つの装置（いわゆるシングルタンク発生器）を形成するシステム用も意図したものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に言って、Ｘ線システムは、Ｘ線を発生するＸ線管を有するＸ線源、並びにＸ線管の動作に必要な高電圧を送達する高電圧発生器を具えている。
【０００３】
例えばコンピュータ断層撮影装置（ＣＴ装置）内で使用するＸ線システムを回転させるためには、低重量が特に重要である。こうしたシステムは特に、１秒当たり数回にも及ぶ回転速度で動作し、例えばサブセカンドスキャナでは３０Ｇまたはそれ以上の遠心力が発生しうる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
特開平６−１１１９９１号には、Ｘ線管用の絶縁油、及び高電圧発生器用の高圧の絶縁ガスによって形成したハイブリッド絶縁体を設けたＸ線システムが開示されている。高電圧発生器に使用する絶縁手段は、油の量を低減し、従って重量を低減するために気体で構成される。しかし、大幅な追加コストに至り得るような適切な圧力容器を必要とすること、及び、気体は油に比べて、非常に限られた量の熱しか放出することができないので、熱的装荷性、従って電気的装荷性も比較的低いということが、このシステムの欠点である。
【０００５】
従って本発明の目的は、大幅な高出力電力を発生することが可能であるが、低重量である高電圧発生器を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この目的は、少なくとも１つの絶縁部材を具えた部材ハイブリッド絶縁体を設けた高電圧発生器によって達成することができ、この絶縁部材は、複数の相互接続した絶縁液用の流路を形成するように形成して配置し、動作状態で高い電界強度及び／または強い熱発生を有する領域において、他の領域に比べてより高い流速を実現できるように、この流路の断面を整える。
【０００７】
この解決法の特別な利点は、流路の形成の結果として、熱の放出が大幅に高まり、即ち（特に高い熱負荷を受ける領域での）流動型の絶縁媒体の熱的効果が大幅に高くなるということである。
【０００８】
さらに、一方では、より高い流速及び流路の構成により、頻繁に電圧フラッシュオーバの原因となるファイバブリッジが形成される確率が大幅に低減され、他方では、高電圧を搬送する構成要素と接地電位との間の直接径路が、絶縁部材によって中断されるという点で、（高電界強度を有する領域での）電気的強度が増加する。
【０００９】
以上の結果として、電力密度、即ち高電圧発生器の大きさまたは重量に対する（最小）出力電力の比を大幅に増加させることができる。
【００１０】
米国特許明細書第5,497,409号には、単極Ｘ線管、及び所定の方法で配置し、かつ液体の冷却媒体並びに合成材料によって包囲される他の構成要素から成る「放射崩壊測定装置」が開示されている。この例の目的は、他のステップと関係して冷却を改善することにある。しかしこの例では、出力電力及び電圧強度に対する装置の重量は重要ではなく、さらに、特に高電圧発生器の高電圧構成要素の領域で、異なる流速を利用していない。
【００１１】
本発明のさらなる好適例は、従属項に記載する。
【００１２】
請求項２による電圧発生は、比較的低出力を有する好適例に特に適しており、そしてポンプのような追加的な装置を必要としないという利点をもたらす。
【００１３】
請求項３に開示する好適例は特に有利なものである、というのは、一方では、例えば、流動の場合に高熱伝導率であり、かつ電圧フラッシュオーバの場合に、高い電気的強度並びに自己回復性の絶縁液のような良好な性質を利用することができるが、他方では、流動によって絶縁液の有効性が増大すると共に、絶縁液の量をさらに大幅に低減できるので、一般に重量が比較的大きいという欠点を受忍しなければならない程度がごくわずかであるからである。
【００１４】
請求項４に開示する好適例は、一方では、こうした高抵抗の泡の表面が非常に滑らかであり、このため絶縁液の流れがほとんど妨げられず、他方では、微小空洞により非常に高い電気的強度を達成できるという利点をもたらす。
【００１５】
請求項５に記載の好適例も、システム全体の電気的強度を増大させるものである、というのは、前記絶縁部材と前記絶縁液との境界面における電界線が大幅には途切れず、このため、空間電荷の形成、並びにこの境界面に沿った電界強度の接線方向成分のような、固有の負の表面的効果が回避されるからである。
【００１６】
請求項６の好適例は、高電圧発生器の重量を最小化することが主目的である際に、特に有利なものである。
【００１７】
請求項７、１０による好適例では、熱の放出が特に大きく、このため比較的高い出力電力を実現することができる。
【００１８】
なお、本発明による高電圧発生器は、上述のことに従い適切に構成することによって、広い限界内で連続的電力を増減させることができるので、実際にあらゆる種類のＸ線源と組合わせて、Ｘ線システムを形成することができる。このことは、特に低重量を有するように高電圧発生器を整えることが可能な、コンピュータ断層撮影装置での使用にも当てはまる。
【００１９】
本発明のさらなる詳細、特徴、及び利点は、以下の、好適実施例の図面を参照した説明より明らかになる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
本発明による高電圧発生器は、高電圧に変換すべき第１入力電圧用の第１入力端子１１と、フィラメント電圧に変換すべき第２入力電圧用の第２入力端子１２と、高電圧ケーブル１４経由でＸ線管に接続するための第１出力端子１３と、測定電圧を運ぶ第２出力端子１５と、絶縁液５０用の出口１６を有する筐体１０を具え、絶縁液５０は熱交換器１７経由で導入されて、入口１８経由で再び筐体１０内に戻される。筐体１０の外壁上には、冷却リブ１９または独立した冷却部材を設けてある。
【００２１】
筐体１０は高電圧発生器の主要な電気的構成要素、即ち変圧器２０あるいは電圧カスケード２１、フィラメント変圧器２２、ダンピング抵抗２３、並びに測定分圧器２４を収容し、種々のリード線２５を測定分圧器２４経由で、既知の方法で入力端子１１、１２、出力端子１３、並びに相互に接続する。
【００２２】
変圧器２０及び電圧カスケード２１は、第１入力端子に存在する第１入力電圧を、ダンピング抵抗２３経由で出力端子１３に供給される高電圧に変換する。さらにフィラメント変圧器２２は、第２入力端子に存在する第２入力電圧を、Ｘ線管の陰極に適したフィラメント電圧に変換し、この電圧も出力端子１３に供給される。こうした高電圧発生器の機能及び寸法は一般に既知であり、従ってここでは詳細に説明しない。
【００２３】
本発明によれば、筐体１０に複数の絶縁部材３０、３１、３２、３３、３４及び３５を設けて、これらは通路４０、４１、４２、４３、４４、４５が形成されるように形成して配置する。
【００２４】
これらの通路の一部、即ち通路４０、４３、４４及び４５は、高電圧発生器の、動作状態で実質的な熱の発生が起こる部分、及び／または高電界強度が発生する部分に至る供給通路である。これらの領域はまず第一には、変圧器２０及び電圧カスケード２１が位置する領域であり、第二には、フィラメント変圧器２２、ダンピング抵抗２３、並びに測定分圧器２４が位置する領域である。
【００２５】
他の２つの通路４１、４２は戻り通路であり、その長さの大部分は筐体１０の外壁に沿って案内され、この外壁には冷却部材１９を設けてある。
【００２６】
これらの通路は、複数の閉回路が形成されるように相互接続して、この閉回路内で、好適には、絶縁油、シリコンまたはエステル液のような高電圧に適した絶縁液である絶縁液５０が循環できるようにする。さらに、これらの通路は、主に対流によって、即ち強い熱発生を有する領域で熱を吸収して、熱を外壁に転送し、及び筐体の冷却部材１９を介して熱を転送することによって、前記循環が開始されるように経路設定する。また、例えば電圧カスケード２１で発生するような高電界強度の影響下での循環液の自然な動きによっても、この循環を開始することができるか、少なくとも二次的に支援することができる。
【００２７】
これらの流れの有効性を拡大するために、戻り通路４１、４２の断面は、供給通路４０、４３、４４及び４５の断面よりも大きいことが好ましい。結果的に、供給通路内の流速がより高くなり、これにより一方では熱をより速く放出することができるが、他方では（これに沿って電圧フラッシュオーバが発生しやすい）ファイバブリッジが形成される確率が低減されて、これらの領域の熱的並びに電気的強度が増加する。筐体の外壁との最大の接触面積が得られるように経路設定した戻り通路のより大きな断面によって、より低い流速、及び絶縁媒体から筐体の外界への適切な熱の転送に導かれる。
【００２８】
さらに、供給通路４０、４３、４４及び４５の断面自体を異ならせることも、もちろんできる。他の領域に比べてより小さい断面を利用することには意味があり、この結果、電界強度がより強く、かつ／あるいは熱発生がより多い領域、即ち特に変圧器２０、フィラメント変圧器２２、ダンピング抵抗２３、及び測定分圧器２４の近傍では、流速がより速くなる。
【００２９】
一般的に言って、高電圧発生器の、比較的低電力の第１電力範囲については、これらの流れ状態は、信頼性のある動作を十分に保証する。この第１電力範囲は、例えば約１kWの連続電力まで広がる。約２kWまでの連続電力の、中位の電力の第２電力範囲については、通路内の流速を増加させるために、筐体１０内に第１伝播装置２６を設け、この装置は例えば単一ポンプの形態で実現することができる。高電力の第３電力範囲については、絶縁液５０が、出口１６、熱交換器１７、及び入口１８経由で、再び流れの回路に戻る。熱交換器１７は追加的に第２伝播装置（ポンプ）を具えることができ、これにより絶縁液がこのポンプを通って送られる。この第２伝播装置、及びできれば第１伝播装置２６を適切にスイッチすることによって、高い電力範囲で複数の電力段階の調整が可能になり、これらの電力段階は例えば、約3.5kW、７kW、15kWにすることができる。
【００３０】
絶縁部材３０、３１、３２、３３、３４及び３５は、細孔の高抵抗の泡で作製する。高抵抗の泡はポリマー外被によって形成し、気体を包囲する大多数の微小球（小泡）を含有する。初期状態では、これらの球は約10μmの直径を有する。高抵抗の泡の加熱の影響下で、これらの球は温度に応じて直径40μmまでに拡大される。こうした高抵抗の泡の電気絶縁強度は本質的にこれらの球の直径によって決まるので、この高抵抗の泡は、電気的強度並びに所望の誘電率についての最適値が得られるような温度のみに加熱する。
【００３１】
高抵抗の泡と絶縁液との間の境界面における電界線が大幅に途切れないこと、及び空間電荷の形成、並びに電界強度の接線方向成分のような負の表面的効果が、この境界面に沿って発生しないことを保証するために、前記誘電率は本質的に、絶縁液の誘電率に相当すべきものである。こうしてシステム全体の電気的強度がさらに増加する。
【００３２】
また気体の内容及び球内の気体の組成を適切に選定することによって、誘電率の適応を既知の方法で実現することもできる。
【００３３】
前記高抵抗の泡は、複数の閉じたセルを有するように形成することが好ましく、結果として特に滑らかな表面になり、これに沿って絶縁液が、高い抵抗を受けずに、かつ泡を貫通せずに流れることができる。
【００３４】
油の必要量を最小化し、従って高電圧発生器の総重量を最小化するために、油の形態の絶縁液を使用する（一般に好適な）場合には、絶縁部材３０、３１、３２、３３、３４及び３５は、可能な限り全領域を、比較的低い熱発生及び比較的低い電界強度にする。絶縁媒体用の通路は、信頼性のある動作に適した熱放出及び電気的強度が、絶縁部材単独では達成できないような領域にのみに延在する。
【００３５】
この実施例は、非常に高い連続電力で動作可能であり、かつ高出力電力及び比較的小体積及び低重量を有する、非常に小型の高電圧発生器の実現を可能にする。
【００３６】
高い電気的及び熱的負荷を有する領域から入念に熱を放出することにより、標準的な電気部品で高電圧発生器を適応させて、完全に異なる応用機器用に出力すべき電力を実現し、従って固有の損失電力を実現することも可能である。こうした応用機器は、連続電力が200〜300Wのみの単純な放射線写真技術から、連続電力が２kWから５kWまでの心臓血管系応用、さらには連続電力が15kWに及ぶ高速回転のコンピュータ断層撮影装置にまでにわたる。
【００３７】
ハイブリッド絶縁の原理はもちろん、例えば変電所のような他の高電圧システムに使用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例の断面図である。
【符号の説明】
１０ 筐体
１１ 第１入力端子
１２ 第２入力端子
１３ 第１出力端子
１４ 高電圧ケーブル
１５ 第２出力端子
１６ 出口
１７ 熱交換器
１８ 入口
１９ 冷却リブ
２０ 変圧器
２１ 電圧カスケード
２２ フィラメント変圧器
２３ ダンピング抵抗
２４ 測定分圧器
２５ リード線
２６ 伝播装置
３０〜３５ 絶縁部材
４０〜４５ 通路
５０ 絶縁液

Claims (12)

1. ハイブリッド絶縁体が、複数の相互接続した絶縁液用の流路が形成されるように形成して配置した少なくとも１つの絶縁部材を具え、高い電界強度及び／または強い熱発生を有する領域において、他の領域に比べて高い流速を実現しうるように、前記流路の断面を整えたことを特徴とする、ハイブリッド絶縁体を設けた高電圧発生器。
2. 対流、及び／または高電圧発生器が動作状態で発生する電界の効果による自然な動きの影響下で、前記絶縁液が前記流路を流れるように、前記少なくとも１つの絶縁部材を形成して配置したことを特徴とする請求項１に記載の高電圧発生器。
3. 前記絶縁液が高電圧耐性の絶縁液であることを特徴とする請求項１に記載の高電圧発生器。
4. 前記少なくとも１つの絶縁部材を、細孔の、閉じたセルの、高抵抗の泡で作製したことを特徴とする請求項１に記載の高電圧発生器。
5. 前記少なくとも１つの絶縁部材及び前記絶縁液が、本質的に同じ誘電率を有することを特徴とする請求項１に記載の高電圧発生器。
6. 動作状態において、前記少なくとも１つの絶縁部材が、本質的にすべての領域において、前記絶縁液を介して発生した熱を放出することを特徴とする請求項１に記載の高電圧発生器。
7. 前記絶縁液が本質的に閉じた回路を流れることができ、かつ戻り通路が、高電圧発生器の筐体の１つ以上の外壁に沿って延在するように、前記少なくとも１つの絶縁部材を形成して配置したことを特徴とする請求項１に記載の高電圧発生器。
8. 前記戻り通路が、他の通路に比べて大きい断面を有することを特徴とする請求項７に記載の高電圧発生器。
9. 前記通路を通して前記絶縁液を伝播させるための第１伝播装置を設けたことを特徴とする請求項１に記載の高電圧発生器。
10. 吸収した熱を外界に放出するために、前記絶縁液を導通させることができる熱交換器を設けたことを特徴とする請求項１に記載の高電圧発生器。
11. Ｘ線源及び高電圧発生器を設けたＸ線システムにおいて、複数の相互接続した絶縁液用の流路が形成されるように形成して配置した、少なくとも１つの絶縁部材を具えたハイブリッド絶縁体を設けて、動作状態で高い電界強度及び／または強い熱発生を有する領域において、他の領域に比べて高い流速を実現するように、前記流路を整えたことを特徴とするＸ線システム。
12. Ｘ線システムを具えたコンピュータ断層撮影装置において、該Ｘ線システムの動作用に、請求項１から１０までいずれかに記載の高電圧発生器を設けたことを特徴とするコンピュータ断層撮影装置。

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