JP6397504B2 - 変圧器および高電圧発生装置 - Google Patents

Description

本発明はＸ線装置用高電圧発生装置などに備えられる変圧器に関する。

Ｘ線装置用の高電圧発生装置はＸ線管に電力を供給する装置である。高電圧発生装置は設置面積の縮小や設置の自由度を向上させる観点から、そのサイズは小さいことが望ましい。高電圧発生装置を小型化するアプローチは様々なものが考えられるが、その中に、高電圧発生装置が備える整流回路を小型化するというものがある。整流回路の小型化は、昇圧用コンデンサや脈動低減用コンデンサの容量を小さくする、つまりコンデンサの体積を小さくすることが実現の上で有効である。

整流回路が備えるコンデンサの体積を小さくすることは、コンデンサの容量の縮小でもあるため、整流回路に対する入力電圧を高周波化することが必要となる。整流回路に対する入力電圧を高周波化するということは、整流回路の上流に設けられる変圧器の出力電力を高周波化することと同義である。ただし、変圧器の前後においては、入力電圧と出力電圧の差分が大きいため発熱の増大を誘引し、結果として変圧器の絶縁を破壊する可能性がある。

ここで樹脂モールド型変圧器の絶縁性向上に関しては、例えば特許文献１および特許文献２に開示されるような技術がある。これらの文献は、樹脂の比誘電率を制御し、電界の高い場所では高比誘電率絶縁体、電界の低い場所では低比誘電率絶縁体を用いるために、樹脂に混合する微粒子の濃度を制御する方法を示したものである。

特開２００６−２５２８９３号公報 特開平６−１０４１３５号公報

一方で、油入型変圧器は特許文献に記載されるような技術を採用することができない。そこで本発明が解決しようとする課題は、油入型および樹脂モールド型いずれであっても適用可能な、変圧器の絶縁信頼性を向上させる機構または構造を提供し、また、そのような機構または構造を有する変圧器を備えることによって、高電圧発生装置の小型化を図ろうというものである。

上記課題を解決するために本発明の変圧器は、鉄心と、巻線が前記鉄心に巻回され、前記鉄心の外周に設置される巻線部と、前記巻線部の巻線に近接する部分の比誘電率と誘電正接の積が、他の部分の比誘電率と誘電正接の積よりも小さい絶縁部材と、を備えるようにした。
この構成により、巻線に近接する部分の絶縁部材の誘電損失発熱量を低減して、熱による絶縁体の劣化を少なくする。これにより、絶縁部材の絶縁信頼性を向上させる。

本発明によれば、油入型および樹脂モールド型いずれであっても適用可能な、変圧器の絶縁信頼性を向上させる機構または構造を提供し、また、そのような機構または構造を有する変圧器を備えることによって、高電圧発生装置を小型化ができる。

Ｘ線装置用の高電圧発生装置の概要図である。 高電圧発生装置が有する整流回路の概要図である。 従来のＸ線装置用の高電圧発生装置に備えられる変圧器を示す図である。 実施例のＸ線装置用の高電圧発生装置に備えられる変圧器を示す図である。 実施例のＸ線装置用の高電圧発生装置に備えられる変圧器が有する固体絶縁物の構造具体例を示す図である。 実施例のＸ線装置用の高電圧発生装置に備えられる変圧器が有する固体絶縁物の他の構造具体例を示す図である。 実施例のＸ線装置用の高電圧発生装置に備えられる変圧器が有する固体絶縁物の他の構造具体例を示す図である。

本発明の第一の実施形態であるＸ線装置用高電圧発生装置について説明する。Ｘ線装置用高電圧発生装置はＸ線管に電力を供給するために、商用周波数の交流電力から数十ｋＶ以上の直流電力を得るものであって、コンバータ、インバータ、変圧器、整流回路と、から構成されている。

図１にその構成概略の一例を示す。コンバータ１０２は交流電力である商用電力１０１を直流電力に変換する装置である。インバータ１０３は直流から任意の周波数の交流を発生する装置である。変圧器１０４はインバータ１０３で発生した交流を昇圧する装置である。整流回路１０５はインバータ１０３で発生した交流を整流、あるいは昇圧整流する回路である。Ｘ線管１０６は直流電力をＸ線に変換する装置である。

図２は、整流回路１０５の概要図である。この回路はコッククロフト・ウォルトン回路の出力端に脈動低減用コンデンサ２０３を付加した回路である。コッククロフト・ウォルトン回路の他に対称型コッククロフト・ウォルトン回路等の倍電圧整流回路、ブリッジ等の整流回路、あるいはこれらを組み合わせた回路でもかまわない。図２に示した回路では交流電圧の２倍の直流電圧を得ることができる。この回路では出力は直流成分に脈動が重畳するため、昇圧用コンデンサ２０１、整流用ダイオード２０２の他に、脈動低減用コンデンサ２０３が出力端に付加される場合がある。

整流回路１０５の小型化に関しては、昇圧用コンデンサ２０１および脈動低減用コンデンサ２０３の容量を小さくし、コンデンサ体積を小型化する方法がある。各コンデンサの容量を小さくするためには蓄積する脈動電力を小さくする必要があるが、その解決方法の一つは整流回路１０５の入力電力を高周波化することである。

つぎの式（１）は絶縁体における単位体積当たりの誘電損失発熱量の理論値を示したものである。式（１）に示すように周波数ｆを増加させると単位体積当たりの誘電損失発熱量Ｐ0が増加する。絶縁体における誘電損失発熱量が増加し、熱による絶縁体の劣化が速くなるため、絶縁信頼性が低下する恐れがある。

Ｐ0＝Ｅ2×ε0×εr×ｔａｎδ×２π×ｆ （１）
Ｐ0：単位体積当たりの誘電損失発熱量（Ｗ／ｍ3）
Ｅ：電界（Ｖ／ｍ）
ｔａｎδ：誘電正接（−）
ｆ：周波数（Ｈｚ）
ε0：真空の誘電率（Ｆ／ｍ）
εr：比誘電率（−）
上述したように、誘電損失発熱量が増加すると、熱による絶縁体の劣化が速くなるため、絶縁信頼性が低下する恐れがある。単位体積当たりの誘電損失発熱量を低減するためには式（１）によれば電界Ｅ、比誘電率εr、誘電正接ｔａｎδを小さくすればよい。

しかしながら、電界Ｅを小さくするには限界がある。特に巻線付近は巻線の断面形状が概ね円であったり、巻線表面に凹凸が存在したりすることにより電界集中が発生するため、巻線が接触する付近の絶縁体の電界を小さくすることは難しい。したがって、巻線が接触する付近の絶縁体の比誘電率εrと誘電正接ｔａｎδを小さくすることが好ましい。

従来のＸ線装置用の高電圧発生装置に備えられる変圧器１０４の断面構造を図３に示す。ボビン１は鉄心３１の外周に設置される。絶縁体で構成されたボビン１の外周には１次巻線２１が巻回される。１次巻線２１の外側には絶縁体で構成された１次／２次巻線間スペーサ２が配置され、１次巻線２１と２次巻線２２が絶縁される。

１次／２次巻線間スペーサ２の外周には２次巻線２２が巻回される。２次巻線２２が多層である場合、さらにその外周に絶縁体で構成された２次巻線層間スペーサ３が配置され、２次巻線２２の層間が絶縁される。２次巻線２２の最外周には絶縁体で構成された２次巻線最外周スペーサ４が配置される。ここでは１次巻線２１が１層の構造であるが、多層の場合は図中の２次巻線２２と同様に１次巻線層間スペーサを挿入する。

本発明の一実施例を図４に示す。図３との違いはボビン１を複数の部材で構成した点である。図４に示すように、ボビン基材部１ａは１次巻線２１と接触せず、ボビン表面部１ｂが１次巻線２１と接している構造をとる。

ここで、ボビン表面部１ｂの比誘電率はボビン基材部１ａより低い材料である。あるいはボビン表面部１ｂの誘電正接はボビン基材部１ａより低い材料である。

このように本実施例における変圧器１０４は、ボビン１が１次巻線２１と接する第１部材（ボビン表面部１ｂ）および、第１部材を介して１次巻線２１を支持する第２部材（ボビン基材部１ａ）とから構成されている。また、第１部材は第２部材よりも比誘電率や誘電正接が低い材料で構成される。

さらには、ボビン表面部１ｂの比誘電率と誘電正接の積はボビン基材部１ａより低い材料が望ましい。これらにより、ボビン基材部１ａと比較して、１次巻線２１が接触するため電界が集中するボビン表面部１ｂにおいて、誘電損失による発熱を抑制することが可能である。換言すると、単位体積当たりの誘電損失発熱量が第２部材よりも低い第１部材を、１次巻線２１と接するように設けることによって、電界が集中する位置において誘電損失による発熱を抑制することができて、絶縁信頼性の向上を図ることができる。

同様に、１次／２次巻線間スペーサ（２ａ、２ｂ）、２次巻線層間スペーサ（３ａ、３ｂ）、２次巻線最外周スペーサ（４ａ、４ｂ）、場合によっては１次巻線層間スペーサに関しても、基材部と表面部を異なる材料で構成する。なお、ここで述べるように表面部とは、ボビン１や各スペーサにおいて巻線と直接に接触する部分を構成している部材を指し、基材部とは、ボビン１や各スペーサにおいて表面部を介して巻線や表面部を支持している部材を指すものとする。

ここでもボビン１と同様に、それぞれの部材において、表面部（巻線との接触面の２ｂ、３ｂ、４ｂ）の比誘電率は基材部（２ａ、３ａ、４ａ）より低い材料である。あるいは表面部（２ｂ、３ｂ、４ｂ）の誘電正接は基材部（２ａ、３ａ、４ａ）より低い材料である。さらには、表面部（２ｂ、３ｂ、４ｂ）の比誘電率と誘電正接の積は基材部（２ａ、３ａ、４ａ）より低い材料が望ましい。これらにより、１次／２次巻線間スペーサ（２ａ、２ｂ）、２次巻線層間スペーサ（３ａ、３ｂ）、２次巻線最外周スペーサ（４ａ、４ｂ）、場合によっては１次巻線層間スペーサに関しても、誘電損失による発熱を抑制することが可能である。

なお、上述の例では、変圧器の巻線構造が同心配置のものを挙げたが、これに限ることなく、一次巻線と二次巻線とが、鉄心を巻き回しの中心としたときに同位置に配置され、またその中心軸方向において交互に配置される構造であってもよい。

以上、説明したように本実施例における変圧器は、ボビン１や各スペーサを誘電正接または比誘電率の異なる複数の絶縁体を使って構成している。この構成を採ることにより、ボビン１や各スペーサにおいて、巻線近傍は単位体積当たりの誘電損失発熱量が低い絶縁体を配置することが可能となる。その結果、ボビン１や各スペーサにおいて、巻線付近であって、巻線の断面形状が概ね円であったり、巻線表面に凹凸が存在したりすることにより電界集中が発生しやすいところであっても、誘電損失発熱を抑制して絶縁信頼性の高い変圧器を提供することができる。

また、変圧器の絶縁信頼性が高まることで、変圧器の出力電圧を高周波化することも可能となる。変圧器の出力電圧を高周波化することで、これを入力として受け取る整流回路においては、昇圧用コンデンサや脈動低減用コンデンサの容量を小さくすることができる。すなわち小型のコンデンサを整流回路に採用することが可能となるため、Ｘ線装置用の高電圧発生装置についても小型化を図ることができる。

変圧器の構造についてはいくつかのバリエーションが考えられる。図４に示す変圧器は、ボビン１や各スペーサを表面部と基材部の二つの領域に分けて構成するとともに、表面部を構成する絶縁体と基材部を構成する絶縁体とは異なる材料から作られている。したがって本実施例におけるボビン１や各スペーサは２種類の絶縁体から構成されていると言えるが、これは一実施例であって、３種類以上の絶縁体を採用することも可能である。その際には誘電損失を低減するため、比誘電率、誘電正接あるいはその積は低い材料を表面部に優先的に採用する。すなわち、３種類以上の材料を用いた場合には比誘電率、誘電正接あるいはその積が最大となる材料を表面部には用いないほうがよい。３種類以上の材料を用いる場合としては、２種類の材料を接着するために第３の材料として接着剤を用いる等の場合が挙げられる。

図３および４に示す変圧器は、ボビン１のフランジ部分と各スペーサとの間に空隙を設けている。これは変圧器内部の絶縁性を向上させるために絶縁油を利用する際に適した構造である。すなわち絶縁油に内部の構造物を浸して使用する変圧器であれば、この空隙部分を流路として絶縁油を変圧器内部に流入させることができる。なお、この空隙は必要でなければ設ける必要はない。また、絶縁油の流路を確保する観点からは、各スペーサを短冊状として絶縁油の流れの経路を形成することも望ましい。

また、図４において、ボビン１のフランジ部分であって、各スペーサと空隙を介して向き合う面は巻線崩れにより巻線が接触する可能性があるため、この面にもボビン表面部１ｂと同じ材料を用いることも望ましい。図３および４では絶縁油に浸すことを前提としてボビンと各スペーサ間、あるいは巻線表面には空隙がある。この空隙には主変圧器の強度を向上するために熱硬化性樹脂等を流し込み空隙を無くしてもよい。

ボビン１や各スペーサに関して基材部と表面部との間で比誘電率および誘電正接の違いを設ける具体的な方法は、下記にあげるものが考えられる。

１つ目の考えとして、ボビン１や各スペーサを固体絶縁体によって製造する場合において、これら部材の材質を変更することによって調整する方法が考えられる。例えば、ボビン１（あるいは各スペーサ）の表面部には市販の比誘電率３．５、誘電正接０．００６のフィラー入りエポキシ樹脂、基材部には比誘電率３．６、誘電正接０．０２１のフィラー入りポリブチレンテレブタレートを用いる。

このように表面部および基材部を構成する材質をそれぞれ選択することによって、表面部の比誘電率および誘電正接と基材部の比誘電率および誘電正接とを異ならしめ、表面部の単位体積あたりの誘電損失発熱量が、基材部の単位体積あたりの誘電損失発熱量よりも低いボビン等の構造を実現することができる。なお、上述の例ではエポキシ樹脂とポリブチレンテレブタレートを例に挙げたが、これに限ることなくその他の材料でも同様に比誘電率および誘電正接を調整することが可能である。各材質は適宜、変圧器の設置状況や製造時の作業性等を考慮して選択すればよい。

２つ目の考えとして、ボビン１や各スペーサを固体絶縁体によって製造する場合において、その個体絶縁体に添加する微粒子の濃度を表面部と基材部とによって適当に異ならしめて調整する方法がある。例えば、エポキシ等の熱硬化型樹脂に混合する微粒子（フィラー）の濃度を変えることにより、マクロに比誘電率と誘電正接を調整することが可能である。

３つ目としては、ボビン１や各スペーサを固体絶縁体によって製造する場合において、その個体絶縁体に添加する微粒子の種類を表面部と基材部とおいて異ならせることによって調整する方法がある。例えば、添加する微粒子をアルミナ（比誘電率：約１０）とシリカ（比誘電率：約４）にすることにより、マクロに比誘電率を調整することが可能である。

４つ目としては、ボビン１や各スペーサを固体絶縁体によって製造する場合において、その個体絶縁体に添加する微粒子の大きさを表面部と基材部とにおいて異ならせることによって調整する方法がある。エポキシ等の熱硬化型樹脂に混合する微粒子（フィラー）の大きさを変えることにより、マクロに比誘電率と誘電正接を調整することが可能である。

５つ目としては、ボビン１や各スペーサを固体絶縁体によって製造する場合において、個体絶縁体に形成される空隙の大きさによって調整する方法がある。例えば図５に示すような構造で円柱状絶縁体４１を積層して固体絶縁体を構成し、空隙に絶縁油を入れる構造を考える。この場合、円柱状絶縁体４１の形状、隣り合う間隔、材質等を変えることによりマクロに比誘電率や誘電正接を調整することが可能である。

例えば、図６に円柱状絶縁体４１で構成された空隙を含む表面部４３と別方式で作製した空隙を含まない基材部４２の構成を示す。表面部４３は空隙に絶縁油が入り込み絶縁信頼性を確保しつつ、マクロには比誘電率あるいは誘電正接を低減することが可能である。また、基材部４２についても円柱状絶縁体４１を積層する構造として、円柱状絶縁体４１を比誘電率あるいは誘電正接が表面部４３より高い材質で構成することも望ましい。このような構造は熱溶解積層型３Ｄプリンタ等で比較的容易に製作可能である。

また、図７に示すように球状絶縁体４４を固めて固体絶縁体を構成し、空隙に絶縁油を入れる構造とする。この場合、球状絶縁体４４の形状、粒径分布、材質等を変えることによりマクロに比誘電率や誘電正接を調整することが可能である。

例えば、図７のようにほぼ同一の粒径を有する球状絶縁体４４で構成された空隙を含む表面部４３と、異なる粒径を有する球状絶縁体４４で構成された空隙を含む基材部４２で構成された絶縁体構成を示す。双方とも空隙に絶縁油が入り込み絶縁信頼性を確保しつつ、表面部４３では球状絶縁体４４の密度が低いので、マクロには比誘電率あるいは誘電正接を低減することが可能である。このような構造は粉末焼結式積層型３Ｄプリンタ等で比較的容易に製作可能である。

以上において、変圧器のボビンや各スペーサの構造について表面部と基材部とで比誘電率や誘電正接を異ならせる方法を説明したが、これらは独立して採用するだけでなく、各方法を組み合わせて採用することも可能である。

また、Ｘ線用の高電圧発生装置に用いられる変圧器を中心に本発明の実施形態を説明したが、これに限ることなく今回考案した変圧器の構造は採用可能であり、出力電圧の高周波化に対する絶縁信頼性の向上の観点で有用である。

また、上記の例では絶縁油を使う油入型変圧器について説明したが、本実施例はこれに限ることなく樹脂モールド型変圧器やガス変圧器におけるボビン等に採用することも可能である。この場合、ボビン等の比誘電率や誘電正接を下げることによって誘電損失発熱量を抑制し、樹脂モールド型変圧器等においても絶縁信頼性を向上させることができる。

１…ボビン
１ａ…ボビン基材部
１ｂ…ボビン表面部
２…１次／２次巻線間スペーサ
２ａ…１次／２次巻線間スペーサ基材部
２ｂ…１次／２次巻線間スペーサ表面部
３…２次巻線層間スペーサ
３ａ…２次巻線層間スペーサ基材部
３ｂ…２次巻線層間スペーサ表面部
４…２次巻線最外周スペーサ
４ａ…２次巻線最外周スペーサ基材部
４ｂ…２次巻線最外周スペーサ表面部
２１…１次巻線
２２…２次巻線
３１…鉄心
４１…円柱状絶縁体
４２…基材部
４３…表面部
４４…球状絶縁体
１０１…商用電力
１０２…コンバータ
１０３…インバータ
１０４…変圧器
１０５…整流回路
１０６…Ｘ線管
２０１…昇圧用コンデンサ
２０２…整流用ダイオード
２０３…脈動低減用コンデンサ

Claims (12)

1. 鉄心と、
   前記鉄心の外周に配置されるボビンと、
   前記ボビンの外周に巻き回される一次巻線および二次巻線からなる巻線部と、を有する変圧器であって、
   前記ボビンは複数の絶縁部材から構成され、
   前記ボビンの複数の絶縁部材のうち比誘電率と誘電正接の積が最も低い絶縁部材が前記巻線部に接触するように配置される構造を特徴とする変圧器。
2. 請求項１に記載の変圧器において、
   前記巻線部と接触する絶縁部材以外の絶縁部材は、前記巻線部に接触しないように配置される構造を特徴とする変圧器。
3. 請求項１または請求項２に記載の変圧器において、
   前記一次巻線と前記二次巻線との間に、複数の絶縁部材から構成されるスペーサが設置され、
   前記スペーサの複数の絶縁部材のうち比誘電率と誘電正接の積が最も低い絶縁部材が前記一次巻線と前記二次巻線とに接触するように配置される構造を特徴とする変圧器。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の変圧器において、
   前記複数の絶縁部材の比誘電率および誘電正接は絶縁部材の材質によって調整されることを特徴とする変圧器。
5. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の変圧器において、
   前記複数の絶縁部材の比誘電率および誘電正接は絶縁部材に添加される微粒子の濃度によって調整されることを特徴とする変圧器。
6. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の変圧器において、
   前記複数の絶縁部材の比誘電率および誘電正接は絶縁部材に添加される微粒子の種類によって調整されることを特徴とする変圧器。
7. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の変圧器において、
   前記複数の絶縁部材の比誘電率および誘電正接は絶縁部材に添加される微粒子の大きさによって調整されることを特徴とする変圧器。
8. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の変圧器において、
   前記複数の絶縁部材の比誘電率および誘電正接は絶縁部材に形成される空隙の大きさによって調整されることを特徴とする変圧器。
9. 鉄心と、
   前記鉄心の外周に配置される絶縁体のボビンと、
   前記ボビンの外周に配置される一次巻線および二次巻線からなる巻線部と、を備え、
   前記ボビンは、前記巻線部と接触する表面部と、該表面部以外の基材部と、から構成され、
   前記表面部の比誘電率と誘電正接の積は、前記基材部の比誘電率と誘電正接の積よりも低い変圧器。
10. 鉄心と、
    前記鉄心の外周に配置される絶縁体のボビンと、
    前記ボビンの外周に配置される一次巻線とおよび二次巻線と、
    前記一次巻線と前記二次巻線との間に設置される絶縁体のスペーサと、を備え、
    前記スペーサは、前記一次巻線および前記二次巻線に接触する表面部と、該表面部以外の基材部と、から構成され、
    前記表面部の比誘電率と誘電正接の積は、前記基材部の比誘電率と誘電正接の積よりも低い変圧器。
11. 鉄心と、
    巻線が前記鉄心に巻回され、前記鉄心の外周に設置される巻線部と、
    前記巻線部の巻線に近接する部分の比誘電率と誘電正接の積が、他の部分の比誘電率と誘電正接の積よりも小さい絶縁部材と、
    を備えたことを特徴とする変圧器。
12. 請求項１から請求項１１のいずれか1項に記載の変圧器を備える高電圧発生装置。

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