JP5857196B2 - レーザ発振器用高圧トランス - Google Patents

Description

本発明は、産業用に使用するレーザ発振器の励起を行うための高圧トランスに関する。

一般に、出力電圧が高くさらに電力も大きなトランス（変圧器）では、絶縁性の確保と内部の部材の冷却が大きな課題となっている。その課題の解決のため従来よりトランスの内部を冷却油で満たす構成が提案されてきた（例えば特許文献１を参照）。

以下、図を用いて従来技術に係るレーザ発振器用高圧トランスについて説明する。なお、説明文中の一般的な構成や動作は、特に断らず同一符号が付している場合は、直流放電で励起を行う同軸型高速循環型炭酸ガスレーザ発振器に用いる本願発明の高圧トランスの構成や動作と共通である。

第５図は、従来技術に係るレーザ発振器用直流高圧トランスの内部構成を示す概略図である。

高圧トランスは、高電圧を発生させるための昇圧トランス２、整流回路３、平滑回路４から成り、不燃性の樹脂材料で製作された絶縁樹脂構造体８に組み付けられ、冷却油１０の入ったトランスケース５に収められる。

トランスケース５は金属製であり、周囲に冷却機構１１を設け、不燃性樹脂で製作された蓋６が取り付けられる。

高圧トランスの部品は、おおむね３５ｋＶの高電圧が掛かるため、金属製のトランスケース５と切り離しておく必要があり、通常は不燃性の蓋６に一体となるように支柱７で吊り下げられる。

昇圧トランス２の一次巻線２１には、数十キロＨｚに高周波化された２００Ｖまたは４００Ｖの電圧が印加される。一次巻線２１と二次巻線２２の昇圧比は、二次巻線２２からの高電圧出力が、無負荷時概３５ｋＶの高周波となるように決められる。

整流回路３は、高圧ダイオード３１を直列接続して耐圧を確保し、全波整流回路とする。１個あたりの耐電圧は、８ｋＶであり、１０個直列接続することで、耐電圧を８０ｋＶとしている。

平滑回路４は、４０ｋＶの高圧コンデンサ４１、高圧抵抗４２、リアクトル４３からなる。高圧抵抗４２は、耐圧４０ｋＶ、抵抗値５００ＭΩであり、高圧コンデンサ４１にチャージした電荷を放電させる役割を担い、高電圧のチャージによる感電を防止する。

高圧トランスの冷却油１０は、電気絶縁油であり、消防法での分類は第四類第三石油類（引火性液体であり、引火点は、７０℃以上、２００℃未満）である。トランスケース５に設けられた冷却機構１１により、冷却油１０は６０℃以下に保持される。

冷却油１０は、温度変化により体積が膨張するため、液面は大きく変化する。レーザ発振器の使用条件は、環境温度５℃〜４０℃であり、運転時には油温は６０℃近傍まで上昇するため、低温下で使用したときには、短時間で５５℃もの温度変化を生じることになる。冷却油１０の体積膨張率は、１℃あたり０．０７〜０．０９％であり、油面高さの変化量は無視できない。

高圧トランスの蓋６には、冷却油１０が漏れないようにパッキン６６が装着されている。また、冷却油面が変化したときに内部圧力が変化しないように内部の空気圧を調節し、液体は通さないキャップ９が取り付けられる。

冷却油１０を高圧トランスに封入する際には、真空脱法装置にて冷却油に溶け込んだ気体を除去すると共に、トランスコイルの線間や構造部品の隙間に入った気泡を除去する。これは、高圧トランスの内部に残った気体により、絶縁耐力が低下することを防止する目的で行われる。

高電圧出力端子６４は沿面距離を長く取るために同心円状に突起が設けられる。

特開２００３−３３２１４８号公報

高圧トランスは、脱泡処理を行って封入されるが、完成後に気泡ができて構造体の隙間に残ってしまう危険性を有する。

レーザ発振器の輸送時には、−１０℃から５０℃の温度範囲において、加速度３Ｇ程度（約２９．４メートル毎秒毎秒）の振動を受ける可能性がある。低温時に油面が下がって、高圧トランス部品が油面近くになったときに振動を受けると、波立った油に気泡が生じ、トランス部品や構造体に気泡が残ってしまう。

また、高温時には、油面が上がっているため、振動で油面が波立つと、パッキンからの油漏れの可能性が避けられない。

この課題を解決するために本発明のレーザ発振器用高圧トランスは、直流放電で励起を行う同軸型高速循環型炭酸ガスレーザ発振器に用いる、高電圧を発生する高圧トランスにおいて、トランスの冷却油の液面より下側に１つまたは複数の穴を形成した絶縁物から成る内蓋を固定するように構成したものである。

好ましくは、前記内蓋が、高圧トランス主要部品を天板から吊り下げ固定する支柱に、Ｏリングを介して固定されるように構成したものである。

さらには、環境温度０℃のときに前記内蓋は液面下、該６ミリメートル以上となるように構成した。また、高圧トランスの蓋は、冷却油が１００℃に上昇したときでも冷却油面と空間を維持できる高さに配置するように構成したものである。

また、前記内蓋は、概１ｍｍ以上の反りを設け、冷却油中に気泡ができたときに前記気泡が浮力により内蓋の反りに沿って移動し、液面に排出されるように構成した。前記内蓋に反りを作るための構造を高圧トランスの蓋に設けるように構成した。

以上の構成によって、高圧トランス内の冷却油の油面より僅かに下がった位置に絶縁体からなる内蓋を配置することで、冷却油の波立ちを押さえて気泡の発生やパッキンからの漏洩を防止できるので、電気的に安全なレーザ発振器用高圧トランスを提供することができる。

本発明の実施の形態１に係るレーザ発振器用高圧トランスの内部の構成を示す模式図 本発明の実施の形態１に係る内蓋のＯリングによる固定部分の拡大図 本発明の実施の形態１に係る内蓋の平面図 本発明の実施の形態２に係るレーザ発振器用高圧トランスの内部の構成を示す模式図 従来のレーザ発振器用直流高圧トランスの構成を示す概略図

（実施の形態１）
本発明のレーザ発振器用高圧トランスに関し、その実施の形態の一例を、図面を用いて説明する。

第１図は、直流放電で励起を行う同軸型高速循環型炭酸ガスレーザ発振器に用いる高圧トランスの内部の構成を示す模式図であり、図中の冷却油の油面は０℃で保管している場合を示している。

第１図において、レーザ発振器用高圧トランスは、内蓋１、昇圧トランス２、整流回路３、平滑回路４、トランスケース５、蓋６、支柱７、絶縁樹脂構造体８、キャップ９、冷却油１０、冷却機構１１、絶縁キャップ１２、一次巻線２１、二次巻線２２、コア２３、高圧ダイオード３１、高圧コンデンサ４１、高圧抵抗４２、はリアクトル４３、Ｏリング６２、一次入力端子６３、高電圧出力端子６４、はアース端子６５を備えている。

昇圧トランス２は、一次巻線２１、二次巻線２２、コア２３から成り、絶縁樹脂構造体８に収められている。

絶縁樹脂構造体８の外側には、高圧ダイオード３１を１０本直列接続して耐圧を８０ｋＶに高めたユニットを全波整流ブリッジに組み合わせた整流回路３が取り付けられる。

絶縁樹脂構造体８の上側には、高圧コンデンサ４１、高圧抵抗４２、リアクトル４３から成る平滑回路４が配置される。

絶縁樹脂構造体８に一体化されて組みつけられた高電圧ユニットは、４本の支柱７で蓋６から吊り下げられる。

トランスケース５は、深絞りのアルミニウム製であり、蓋６に設けたＯリング６２で冷却油１０を封止する。

内蓋１は、支柱７に固定され、蓋６と絶縁樹脂構造体８に一体化されて組みつけられた高電圧ユニットと一体化される。内蓋１は、耐熱性や耐油性を考慮した合成樹脂などの電気絶縁性を有した材質で形成される。

本実施の形態の一例では、冷却油１０は２０℃において５．５リットル封入している。封入量の公差は±０．０７８リットルとしている。これは、油面高さとして±２．５ｍｍに相当する。冷却油１０の体積膨張率が概０．０００８であるため、油温の変化１０℃当たり、体積は０．０４４リットル増減する。

冷却油１０は、トランスケース５の外側に装着された冷却機構１１により冷却され、６０℃以下にコントロールされる。トランスケースには、図示していない温度スイッチがあり、トランスケースが６０℃になるとインターロック機能を働かせて高電圧を遮断する。

キャップ９は、従来の高圧トランスと同様、温度変化によって高圧トランスの内圧が変化することを防止する。

高電圧出力端子６４は、沿面距離を稼ぐため、碍子のような同心円の突起が設けられている。トランスの外側は、汚れから沿面を守るために絶縁キャップ１２を設けている。

次に、内蓋１の支柱７への固定と冷却油１０の油面１０ａの関係を、図２を用いて説明する。

第２図は、本発明による内蓋１のＯリングによる固定部分の拡大図であり、４本ある支柱の１本の取り付け状態を示している。

支柱７には段差があり、内蓋１は当該段差に押し付けられ、Ｏリング７１で固定される。Ｏリング７１の材質はフッ素ゴムであり、化学的に安定であり、絶縁物であることから電気的にも安全である。油面１０ａは、０℃において８．５±２．５ｍｍになるように設計されている。内蓋１と油面１０ａの間隔は、最低でも６ｍｍが確保され、内蓋１は、輸送時に受ける振動においても常に液面下に位置することができる。

また、１００℃のときの計算上の油面は、図１の蓋６に装着されたＯリング６２よりも１．５ｍｍ下となるように、蓋６とは１８．５ｍｍ空間を開ける構造とした。これにより、蓋６に装着されたＯリング６２は、６０℃のときの油面１０ｂよりも７．５ｍｍ上にあり、冷却油１０が漏れることはない。

さらに、内蓋１について詳細に説明する。第３図は、本発明による高圧トランスの内蓋の平面図である。

第３図において、内蓋１には、支柱を通す穴１ａが４か所、高電圧ケーブルを通す穴１ｂが１か所、一次巻線及びアース線を通す穴１ｃが２か所設けられている。高電圧ケーブルを通す穴１ｂは、蓋６に設けられた碍子のように沿面距離を稼ぐ構造部分を通すために大きな穴となっている。

本発明において、さらに内蓋１には油面揺れ抑制用の小穴１ｄを複数か所設ける。本実施の形態では、図３に示すように１８か所設けている。

たとえば、内蓋１が無い状態の高圧トランスを振動試験機で振動させると、振動周波数とトランスケースのサイズから決まる固有振動周波数が一致したときに共振を起こし、大きく波立ってしまい、振動試験後に多くの気泡が冷却油１０の中に残ってしまう。

内蓋１に開けられた複数の小穴１ｄは、共振周波数を高くする効果があるため、トランスケース５との共振を発生させない。波立ちをなくすることは、冷却油１０が液体であることとから不可能であるが、共振周波数を高くすることは、発生する波の高さを小さくするため、気泡の発生が抑制される。また、発生した気泡が内蓋１の下に回りこむことができにくいため、気泡は、油面１０ａの近傍に留まる。

以上のように構成した本発明にかかるレーザ発振器用高圧トランスによれば、内蓋により冷却油の振動を抑制でき、このことは、冷却油中に気泡が発生することを抑制することとなり、結果として高圧トランスの電気絶縁性低下を防止し、安全なレーザ発振器を提供することが可能となる。

また、内蓋の上部では、液面揺れによる気泡の発生が皆無ではないが、小穴を設けることで固有振動の周波数が上がり、内蓋より下の気泡発生を防止できる。

（実施の形態２）
以下、本発明のレーザ発振器用高圧トランスの実施の形態の異なる一例について説明する。上述の実施の形態の構成と異なるところのみ説明し、同一の要素には同じ符号を付し、その説明は省略する。

第４図は、本実施の形態に係るレーザ発振器用高圧トランスの内部の構成を示す模式図であり、冷却油の油面は６０℃の温度近傍で使用している場合を示している。本図において特徴的な構成は、蓋６に設けられた押し棒６１にある。

内蓋１は、蓋６に設けられた押し棒６１によって下側に押されている。支柱７に取り付けた内蓋１は、Ｏリング７１で保持されているため、互いに変形しながらバランスして取り付く。本実施の形態では、押し棒６１は支柱７の段差位置より２ｍｍ突き出るように設定している。支柱７は、φ１６０の円周上に配置されているため、内蓋１は凹面状にひずみ、概１．４度の傾斜が付く。

内蓋１を止めるＯリング７１は、Ｐ１８（規格品、太さ２．４ｍｍ、内径１７．８ｍｍ）であり、両側で０．４５ｍｍの傾斜が付くが、Ｏリング７１が変形を吸収して他に外力を与えない。

上述の実施の形態に示した構成のレーザ発振器用高圧トランスを用いて以下の実験を行った。

輸送中の環境によって冷却油１０の温度が規格上限の５０℃まで上がった場合を想定して同温度に設定した恒温槽内で振動試験をおこなった。結果は、液面揺れのピークが蓋６に付くことは無かった。規格外の７０℃のときの油面高さで初めて蓋６に達した。

同様に、液面揺れの谷の高さに関する実験として、−１０℃を想定した油面高さで振動試験した結果では、冷却油の油面は内蓋１よりもまだ１ｍｍ上であったので、気泡が内蓋１の下にたまることは無かった。

以上のように、環境温度０℃のときに前記内蓋は液面下、該６ミリメートル以上となるように油面との位置関係を規制することで、低温時の輸送に関して気泡発生を抑制する作用を有する。

また、高圧トランスの蓋は、冷却油が１００℃に上昇したときでも冷却油面と空間を維持できる高さに配置することで、高温時の輸送における油漏れの発生を抑制する作用を有する。

実施の形態２の構成での実験として、試験的に内蓋１の下に気泡を送り込んでみた。しかしながら、気泡は内蓋１の傾斜に沿って外側に移動し、内蓋１の外側に排出された。

このように、内蓋に、概１ｍｍ以上の反りを設けることにより、冷却油中に気泡ができたときに前記気泡が浮力により内蓋の反りに沿って移動し、液面に排出される作用を有する。

以上のように構成した本発明にかかるレーザ発振器用高圧トランスによれば、内蓋により冷却油の振動を抑制でき、このことは、冷却油中に気泡が発生することを抑制することとなり、結果として高圧トランスの電気絶縁性低下を防止し、安全なレーザ発振器を提供することが可能となる。

また、内蓋の上部では、液面揺れによる気泡の発生が皆無ではないが、小穴を設けることで固有振動の周波数が上がり、内蓋より下の気泡発生を防止できる。万が一内蓋の下に気泡ができた場合でも、内蓋表面で気泡がまとまり、僅かに設けられた傾斜に沿って排出することが可能となった。

なお、内蓋の固定を支柱にＯリング止めとしたため、絶縁性を保ち、柔軟な固定が可能となった。

本発明にかかるレーザ発振器用高圧トランスは、冷却油中に気泡が発生することを抑制し、結果として安全なレーザ発振器を提供することが可能となるものであり、産業用に使用するレーザ発振器の励起を行うための高圧トランス等において有用である。

１ 内蓋
１ａ 支柱を通す穴
１ｂ 高電圧ケーブルを通す穴
１ｃ 一次巻線及びアース線を通す穴
１ｄ 油面揺れ抑制用の小穴
２ 昇圧トランス
３ 整流回路
４ 平滑回路
５ トランスケース
６ 蓋
７ 支柱
８ 絶縁樹脂構造体
９ キャップ
１０ 冷却油
１０ａ ０℃のときの油面
１０ｂ ６０℃のときの油面
１１ 冷却機構
１２ 絶縁キャップ
２１ 一次巻線
２２ 二次巻線
２３ コア
３１ 高圧ダイオード
４１ 高圧コンデンサ
４２ 高圧抵抗
４３ リアクトル
６１ 押し棒
６２ Ｏリング
６３ 一次入力端子
６４ 高電圧出力端子
６５ アース端子
６６ パッキン
７１ Ｏリング

Claims (5)

1. トランスケースと、蓋とを備え、前記蓋には高圧ユニットを吊り下げ固定する複数の支柱を設け、前記トランスケースと前記蓋との内部には冷却油を封入した、直流放電で励起を行うガスレーザ発振器に用いる高電圧を発生する高圧トランスであって、
   更に複数の穴を形成した絶縁物から成る内蓋を、トランスの冷却油の液面より下面側で前記支柱に固定し、
   前記内蓋が凹面状に反るように前記内蓋の取り付けに対して前記内蓋を押すように押し棒部を前記蓋に設けたレーザ発振器用高圧トランス。
2. 前記内蓋が前記支柱にＯリングを介して固定されている請求項１に記載のレーザ発振器用高圧トランス。
3. 環境温度０℃のときに前記内蓋を、液面下６ミリメートル以上となるように配置した請求項１または２に記載のレーザ発振器用高圧トランス。
4. 前記蓋を、前記冷却油が１００℃に上昇したときに前記冷却油面に対して空間を維持できる高さに配置した請求項１乃至３のいずれかに記載のレーザ発振器用高圧トランス。
5. 前記内蓋の凹面状の反り量を１ｍｍ以上に設定した請求項１乃至４のいずれかに記載のレーザ発振器用高圧トランス。

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