JPS60169116A - High voltage transformer for x-ray generator - Google Patents

High voltage transformer for x-ray generator

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Publication number
JPS60169116A
JPS60169116A JP59268732A JP26873284A JPS60169116A JP S60169116 A JPS60169116 A JP S60169116A JP 59268732 A JP59268732 A JP 59268732A JP 26873284 A JP26873284 A JP 26873284A JP S60169116 A JPS60169116 A JP S60169116A
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JP
Japan
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transformer
coil
ray generator
high voltage
output
Prior art date
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Application number
JP59268732A
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Japanese (ja)
Inventor
ポール・ウオーカー
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General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
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Publication date
Application filed by General Electric Co filed Critical General Electric Co
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Pending legal-status Critical Current

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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F19/00Fixed transformers or mutual inductances of the signal type
    • H01F19/04Transformers or mutual inductances suitable for handling frequencies considerably beyond the audio range
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/08Cooling; Ventilating
    • HELECTRICITY
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    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/08Cooling; Ventilating
    • H01F27/10Liquid cooling
    • H01F27/18Liquid cooling by evaporating liquids
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05GX-RAY TECHNIQUE
    • H05G1/00X-ray apparatus involving X-ray tubes; Circuits therefor
    • H05G1/02Constructional details
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05GX-RAY TECHNIQUE
    • H05G1/00X-ray apparatus involving X-ray tubes; Circuits therefor
    • H05G1/02Constructional details
    • H05G1/025Means for cooling the X-ray tube or the generator
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05GX-RAY TECHNIQUE
    • H05G1/00X-ray apparatus involving X-ray tubes; Circuits therefor
    • H05G1/08Electrical details
    • H05G1/10Power supply arrangements for feeding the X-ray tube

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 [発明の背景コ 本発明は、一般的にX線発生装置、詳しくはX線゛発生
装置のインバータに適用される高電圧高周波変圧器に関
する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Background of the Invention] The present invention relates generally to an X-ray generator, and more particularly to a high voltage, high frequency transformer applied to an inverter of an X-ray generator.

X線画像形成の分野においては、X線管がX線被検体を
透過するように方向付けしたX線を発生するように作ら
れ、この透過性X線を画像形成装置に印加して被検体の
画像または密度分布を形成している。得られた画像の解
像力および明瞭さはX線管および画像形成装置の品質に
よるだ(〕でなく、電源装置の品質にも依存する。
In the field of X-ray imaging, an X-ray tube is constructed to generate X-rays that are directed to pass through an X-ray object, and these penetrating X-rays are applied to an imaging device to image the object. image or density distribution. The resolution and clarity of the images obtained depends not only on the quality of the x-ray tube and imaging device, but also on the quality of the power supply.

所定の時間の間の露出を行うための最も普通の方法は、
その時間の間X線管をパルスで駆動することである。こ
の目的のため、一般に電源装置からX線管に供給される
出力は、立上り時間および立下り時間が非常に速く、か
つ定常状態の露出時間の間リップルが非常に小さい矩形
波出力であることが望ましい。また、矩形波はX線管の
動作電流の広い範囲にわたって最小の歪みで繰返し再現
し得ることが好ましい。この高再現性は、ゲイジタルX
線写真サブトラクション法またはコンピュータ断層撮影
法において使用されるような2重エネルギを用いる用途
では特に重要である。
The most common way to make an exposure for a given time is
The idea is to pulse the x-ray tube during that time. For this purpose, the output supplied from the power supply to the x-ray tube is typically a square wave output with very fast rise and fall times and very low ripple during the steady-state exposure time. desirable. It is also preferred that the square wave be repeatable with minimal distortion over a wide range of x-ray tube operating currents. This high reproducibility is achieved by the Gauge Digital
This is particularly important in dual energy applications such as those used in radiographic subtraction or computed tomography.

X線発生装置用の典型的な電源装置は低周波数(1なわ
ち、50または601−1z)で動作し、通常昇圧変圧
器に印加づる電圧を変えるための調整可能な単巻変圧器
を含む。整流器により高電圧の交流が周波数の低い振幅
の高いリップルを有づる直流に変換される。次いで、フ
ィルタを用いてリップルが平滑化される。このようにし
て得られる出力波形は立上り時間および立下り時間が比
較的遅く、定常状態において大きなリップルを有し、広
範囲のX線管電流にわたって使用された時、再現性およ
び歪みが悪い。このような装置に使用される高電圧変圧
器は通常鉱油で絶縁されかつ冷却されており、比較的大
きく重い(350ボンド程度)ものである。
A typical power supply for an X-ray generator operates at a low frequency (i.e., 50 or 601-1z) and usually includes an adjustable autotransformer to vary the voltage applied to a step-up transformer. . A rectifier converts high voltage alternating current into low frequency, high amplitude, high ripple direct current. The ripple is then smoothed using a filter. The output waveform thus obtained has relatively slow rise and fall times, large ripple in steady state, and poor reproducibility and distortion when used over a wide range of x-ray tube currents. The high voltage transformers used in such equipment are typically mineral oil insulated and cooled and are relatively large and heavy (on the order of 350 Bond).

波形のリップルおよびその立上り時間および立下り時間
を改良するために、変圧器の周波数を高くすることが好
ましいことがわかっている。しかしながら、周波数を高
くすると、変圧器の磁心およびコイルの両方に好ましく
ない作用が発生する。
It has been found that it is preferable to increase the frequency of the transformer in order to improve the ripple of the waveform and its rise and fall times. However, increasing the frequency causes undesirable effects on both the transformer core and coil.

磁心においては、周波数が高くなると、周波数の増加に
伴なって急激にヒステリシス損失が増大し、これによっ
て磁心の湿度が急速に上昇する。このため磁心の材質を
変更づることが必要となり、また変圧器の冷ん1容量を
増大させることが必要となる。
In a magnetic core, as the frequency increases, hysteresis loss rapidly increases as the frequency increases, and as a result, the humidity of the magnetic core rapidly increases. Therefore, it is necessary to change the material of the magnetic core, and it is also necessary to increase the cooling capacity of the transformer.

変圧器のコイルにおいては、周波数が増大するにつれて
漏洩リアクタンス、分布容量電流および表皮効果が比例
的に増大する。これらの特性の各々はまたX線発生装置
の変圧器の性能を低下させる傾向がある。すなわち、漏
洩インダクタンスが高いことは克服しな(プればならな
い電磁エネルギのレベルが高いことを表わし、これは出
力電圧波形の立上り時間J3よび立下り時間を遅くづる
傾向がある。漏洩インダクタンスは、本質的に高レベル
の漏洩インダクタンスを持つ強制転流回路を備えたスタ
ティック接触器を含む装置においては特に好ましくない
In transformer coils, leakage reactance, distributed capacitance current and skin effect increase proportionally as frequency increases. Each of these characteristics also tends to degrade the performance of the x-ray generator transformer. That is, a high leakage inductance represents a high level of electromagnetic energy that must be overcome, which tends to slow the rise and fall times of the output voltage waveform. This is particularly undesirable in systems that include static contactors with forced commutation circuits that inherently have high levels of leakage inductance.

高電圧2次巻線の分布容量は、軽負荷状態における反射
ピーク1次電流に直接影響を与えくずなわら、X線螢光
透視法におけるような軽負荷の際には高入力電流および
低出力電圧を生じさせ)、これによりインバータを電流
制限状態に追い込む。
The distributed capacitance of the high voltage secondary winding directly affects the reflected peak primary current under light load conditions, while the high input current and low output power during light loads such as in X-ray fluoroscopy. voltage), thereby forcing the inverter into current limit.

周波数に依存する第3の特徴は表皮効果である。A third frequency-dependent feature is the skin effect.

これは巻線の交流抵抗を増大する傾向があり、これによ
って全負荷状態の際に高損失を生ずる。
This tends to increase the AC resistance of the windings, thereby causing high losses during full load conditions.

上述した3つの望ましくない状態は動作周波数の増大に
より一層悪化するが、これらはまた変圧器の大きさを減
少することによって(すなわち、磁心の断面積を低減し
たり、コイルの巻数を低減することによって)低減する
ことができることが認められている。基本的な変圧器の
式を参照して、周波数が高くなるに従って磁心の断面積
を減少させ、またコイルの巻数を減少させることができ
る。
The three undesirable conditions mentioned above are exacerbated by increasing the operating frequency, but they can also be worsened by reducing the size of the transformer (i.e. by reducing the cross-sectional area of the magnetic core or by reducing the number of turns in the coil). It has been recognized that it is possible to reduce the Referring to the basic transformer equation, as the frequency increases, the cross-sectional area of the magnetic core can be reduced and the number of turns of the coil can be reduced.

しかしながら、変圧器の大きさをこのように減少させる
と、鉄損および銅損と共に効率の低下を生じることが認
められる。これは勿論熱を更に発生させることになり、
これが周波数の初期の増大に伴なって発生される熱と組
み合わさった場合には重大な冷却上の問題が生じる。例
えば、鉱油を使用する現在の方法を適用して所要の付加
的な冷却を行った場合には、変圧器用のタンクの大きさ
が極端に大きくなるでのろう。更に、X線発生装置の分
野においては、従来では鉱油タンク以外のものを用いて
冷却機能を達成するものはなかった。
However, it is recognized that this reduction in transformer size results in a reduction in efficiency as well as iron and copper losses. This will of course generate more heat,
When this is combined with the heat generated with the initial increase in frequency, significant cooling problems arise. For example, if current methods using mineral oil were applied to provide the required additional cooling, the size of the transformer tank would become prohibitive. Furthermore, in the field of X-ray generators, there has been no prior art that achieves the cooling function using anything other than a mineral oil tank.

上記の熱が増大する問題に加えて、変圧器の大きさを低
減すると、コイルの層間の距離が小さくなり、これによ
って高電圧巻線の分布容量が増大し、特に非常に軽い負
荷において出力波形を歪ませる現象が再び生じる傾向が
ある。
In addition to the increased heat problem mentioned above, reducing the size of the transformer reduces the distance between the coil layers, which increases the distributed capacitance of the high voltage windings and reduces the output waveform, especially at very light loads. There is a tendency for the phenomenon that distorts to occur again.

上述した理由により、X線発生装置の変圧器に中位のま
たは高い周波数の電力を使用するということは今まで考
えられていなかった。
For the reasons mentioned above, the use of medium or high frequency power in the transformer of an X-ray generating device has not hitherto been considered.

[発明の目的] 従って、本発明の目的は、性能を改良したX線発生装置
を提供することにある。
OBJECTS OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide an X-ray generator with improved performance.

本発明の他の目的は、立上り時間および立下り時間が短
く、かつ定常状態の間でのリップルが低い電圧出力波形
を得るX線発生装置を提供することにある。
Another object of the present invention is to provide an X-ray generator that provides a voltage output waveform with short rise time and fall time and low ripple during steady state.

本発明の更に他の目的は、漏洩インタフタンス、分布容
量および表皮効果の低いX線発生装置用の高電圧変圧器
を提供することにある。
Still another object of the present invention is to provide a high voltage transformer for an X-ray generator with low leakage intuftance, low distributed capacitance and low skin effect.

本発明の更に別の目的は、改良された出力波形を発生し
、同時に変圧器の冷却タンクの大きさを制限したX線発
生装置を提供することにある。
Yet another object of the present invention is to provide an x-ray generator that produces an improved output waveform while limiting the size of the transformer cooling tank.

本発明の更に他の目的は、その性能特性がX線発生装置
のパルス幅変調式矩形波インバータの性能特性によく合
った高電圧変圧器を提供することにある。
Yet another object of the invention is to provide a high voltage transformer whose performance characteristics are well matched to those of a pulse width modulated square wave inverter of an X-ray generator.

これらの目的および他の特徴および利点は、添付の図面
を参照した以下の説明から一層容易に明らかとなるであ
ろう。
These objects and other features and advantages will become more readily apparent from the following description taken in conjunction with the accompanying drawings.

[発明の概要1 本発明の一面によれば、パルス幅変調式インバータが密
結合された高電圧変圧器および関連するフィルタととも
に動作して、立上り時間および立下り時間が非常に速く
、リップルが小さく、歪みが小さく、また非常に再現性
のよい電圧出力波形を発生する。インバータは高周波可
変電圧源を構成し、この電圧が従来のX線発生装置用の
変圧器よりも磁心が小さく、かつコイル寸法が小さい高
周波高電圧昇圧変圧器に供給され、この変圧器の性能特
性はインバータの性能特性に非常によく整合覆る。相法
が一層小さくなることによって変圧器の漏洩リアクタン
スおよび分布容量が減少し、従って装置の出力波形が改
良される。小さい変圧器を使用し高周波で動作させるこ
とによって発生される一層高い熱損失に対処するため改
良した冷却装置が設(プられる。
[Summary of the Invention 1 According to one aspect of the present invention, a pulse width modulated inverter operates with a tightly coupled high voltage transformer and associated filters to provide very fast rise and fall times and low ripple. , generates low distortion and highly reproducible voltage output waveforms. The inverter constitutes a high-frequency variable voltage source, which is supplied to a high-frequency high-voltage step-up transformer with a smaller magnetic core and smaller coil dimensions than the transformer for conventional X-ray generators, and the performance characteristics of this transformer The cover matches very well the performance characteristics of the inverter. The smaller phase modulus reduces the leakage reactance and distributed capacitance of the transformer, thus improving the output waveform of the device. Improved cooling systems are provided to address the higher heat losses caused by using smaller transformers and operating at higher frequencies.

本発明の別の面によれば、従来の鉱油を使用した方法に
よるものよりも非常に改良された熱伝達特性を有する蒸
発式冷fJI装置によって変圧器のコイルが冷却される
。使用される冷却剤は液体フレオン113であり、これ
は液体と気体状態との間を繰返す性質によって強ノコな
冷7,11効果を達成Jる。
In accordance with another aspect of the invention, transformer coils are cooled by an evaporative cooling fJI device that has significantly improved heat transfer characteristics than conventional mineral oil based methods. The coolant used is liquid Freon 113, which achieves a strong cooling 7,11 effect due to its ability to cycle between liquid and gas states.

このような高い熱伝達特性により、コイル巻線は従来鉱
油冷却を使用した場合に通常可能であったものよりずっ
と高い電流密度および磁束密度で作動することができる
These high heat transfer properties allow the coil windings to operate at much higher current densities and magnetic flux densities than would normally be possible using conventional mineral oil cooling.

漏洩リアクタンスおよび分布容量の低減により出力波形
が改良されることに加えて、変圧器自身は実質的に大き
さおよび重量が小さくなる。例えば、同じ出力電力の場
合には変圧器の重量を15分の1程度に減少することが
できる。
In addition to improving the output waveform due to reduced leakage reactance and distributed capacitance, the transformer itself is substantially smaller in size and weight. For example, the weight of the transformer can be reduced to about one-fifteenth for the same output power.

以下説明する図面には好適実施例を示す。しかしながら
、本発明の真の範囲および精神から逸脱づることなく、
種々の他の変更が可能である。
Preferred embodiments are shown in the drawings described below. However, without departing from the true scope and spirit of the invention,
Various other modifications are possible.

[好適実施例の説明] 第1図には、X線発生装置が示されている。このX線発
生装置は主電力線から3相交流電ノjを受けて高電圧の
制御された直流電力をX線管11に供給する3相電力は
ブリッジ形式の全波シリコン整流器12によって整流さ
れて、その出力は通常のコンデンサ“−およびインダク
タからなるフィルタ13で平滑される。平滑化された直
流出力はパルス幅変調式トランジスタ・インバータ14
に供給され、このインバータ14は直流出力を高周波の
交流出力に変換する。このインバータとインバータの駆
動装置は例えば1983年12月22日出願の米国特許
出願第564538号および第564612号に詳しく
記載されている。本明細書では、高周波の矩形波の可変
電圧出力が発生されるように各半サイクルのパルス幅を
調整することによってインバータ14の出力電圧が変え
られることが理解されれば十分であろう。
[Description of a Preferred Embodiment] FIG. 1 shows an X-ray generator. This X-ray generator receives three-phase AC power from the main power line and supplies high-voltage controlled DC power to the X-ray tube 11. The three-phase power is rectified by a bridge-type full-wave silicon rectifier 12. Its output is smoothed by a filter 13 consisting of a conventional capacitor and an inductor.The smoothed DC output is passed through a pulse width modulated transistor inverter 14.
The inverter 14 converts the DC output into high frequency AC output. This inverter and its drive system are described in detail in, for example, US Patent Application Nos. 564,538 and 564,612, filed December 22, 1983. For purposes of this specification, it is sufficient to understand that the output voltage of the inverter 14 is varied by adjusting the pulse width of each half cycle such that a high frequency square wave variable voltage output is generated.

インバータ14の出力は高電圧高周波昇圧変圧器16の
1次巻線に供給され、この変圧器16はインバータ14
と関連して比較的高周波数で(すなわち、5−15kH
2の範囲で)動作して、高電圧(すなわち、150kV
までの)交流出力を発生する。変圧器16はインバータ
14の特定の動作特性に関連して緊密に結合された所望
の性能特性を有するように構成される。例えば、所望の
レベルのX線再現性を維持するためにインバータからの
矩形波出力の歪みは最小であることが必要である。これ
は、本発明においては、とりわけ漏洩リアクタンスが非
常に低く分布容量が小さい高電圧変圧器16を提供する
ことによって達成される。緊密な結合は更に変圧器から
改良された性能特性を得るのに蒸発冷却法を使用するこ
とにより達成される。変圧器16のこれらの特定の特徴
は更に詳細に以下で説明されるであろう。
The output of the inverter 14 is supplied to the primary winding of a high voltage, high frequency step-up transformer 16, which is connected to the inverter 14.
at relatively high frequencies (i.e. 5-15kHz)
2) and high voltage (i.e. 150kV)
(up to) generates an AC output. Transformer 16 is configured to have desired performance characteristics that are tightly coupled to the specific operating characteristics of inverter 14. For example, the square wave output from the inverter needs to have minimal distortion to maintain a desired level of x-ray reproducibility. This is achieved in the invention by, among other things, providing a high voltage transformer 16 with very low leakage reactance and low distributed capacitance. Tight coupling is further achieved by using evaporative cooling techniques to obtain improved performance characteristics from the transformer. These specific features of transformer 16 will be described in further detail below.

変圧器16の出力は高電圧全波シリコン整流器17に供
給され、その直流出力は全体を参照数字18で示す平滑
用コンデンサ・フィルタおよび電圧帰還回路網に供給さ
れる。これらの構成部品およびそれらのX線発生装置と
の相互関係は上述した米国特許出願により詳細に記載さ
れている。
The output of transformer 16 is fed to a high voltage full wave silicon rectifier 17 whose DC output is fed to a smoothing capacitor filter and voltage feedback network, generally designated by reference numeral 18. These components and their interaction with the x-ray generating device are described in more detail in the above-mentioned US patent applications.

次に、第2図を参照すると、高電圧変圧器16が示され
ており、これは磁心21.1次コイル22および2次コ
イル23を有している。本発明の好適実施例においては
、磁心21は、310℃のキュリ一点を有づ−るメガバ
ーム(Megaperm ) 4 P L トしテ通常
知られているニッケル鉄合金で構成されている。
Referring now to FIG. 2, a high voltage transformer 16 is shown having a magnetic core 21, a primary coil 22, and a secondary coil 23. In a preferred embodiment of the invention, the magnetic core 21 is constructed of a nickel-iron alloy commonly known as Megaperm 4 PL, which has a temperature of 310°C.

本発明に従って作動するときには、磁心21の磁束密度
は0.6乃至1.2テスラの範囲にある。
When operating in accordance with the present invention, the magnetic flux density of magnetic core 21 is in the range of 0.6 to 1.2 Tesla.

1次コイル22は、変圧器の漏洩インダクタンスを最小
にするために寸法raJによって示す厚さが最小になる
ように単一の巻線で構成されている。
The primary coil 22 is constructed of a single winding to minimize the thickness indicated by the dimension raJ to minimize the leakage inductance of the transformer.

2次コイル23は、傾斜(graded)容量特性を形
成する多層ピラミッド形巻線である。更に、漏洩インダ
クタンスを最小にするために、2次および1次コイルは
rcJによって示づ間隙を最小にして密結合される。間
隙Cの半径は文字rPJによって示されている。2次巻
線の厚さrbJは漏洩インダクタンスを最小にするため
に最小にされ、層間の間隙rdJは分布容量を最小にす
るために最大になっている。2次コイルの中心の半径は
文字「R」で示されている。
The secondary coil 23 is a multilayer pyramidal winding forming a graded capacitance characteristic. Furthermore, to minimize leakage inductance, the secondary and primary coils are tightly coupled with minimal gap, as indicated by rcJ. The radius of gap C is indicated by the letters rPJ. The secondary winding thickness rbJ is minimized to minimize leakage inductance, and the interlayer gap rdJ is maximized to minimize distributed capacitance. The radius of the center of the secondary coil is designated by the letter "R".

変圧器16が上述したX線発生装置とともに構成され作
動されるようになっている本発明の一実施例においては
各特徴は次のとおりである。
In one embodiment of the invention in which transformer 16 is configured and adapted to operate with the X-ray generator described above, the features are as follows.

1次巻線の厚さa:4mm 2次巻線の厚さb : 30mm 1次及び2次巻線間の間隙c : 6.8mm層間の間
隔d: 6.81111R 各2次巻線層の長さ1 : 140mm乃至62mm(
ピラミッド形〉 コイルの半径8156111111 2次コイルの長さ[:平均100IIun最大140m
m (ピラミッド形) コイルの巻数N:1次側6乃至11.2次側2020く
変圧器当り2コイル) 磁心の面積: 33600+n1112磁心の断面積:
 16001111 上述した変圧器は周波数範囲5乃至15kl−11、磁
束密度範囲0.6乃至1.2テスラ、おJ:び電流密度
範囲4.65乃至20.4アンペア/m1l12で動作
づるように設計されている。
Primary winding thickness a: 4mm Secondary winding thickness b: 30mm Gap between primary and secondary windings c: 6.8mm Interlayer spacing d: 6.81111R For each secondary winding layer Length 1: 140mm to 62mm (
Pyramid shape〉 Coil radius 8156111111 Secondary coil length [: average 100IIun maximum 140m
m (pyramid shape) Number of coil turns N: 6 to 11 on the primary side. 2 coils per transformer on the secondary side) Area of the magnetic core: 33600 + n1112 Cross-sectional area of the magnetic core:
16001111 The transformer described above is designed to operate in the frequency range 5 to 15 kl-11, the magnetic flux density range 0.6 to 1.2 Tesla, and the current density range 4.65 to 20.4 Amps/ml12. ing.

上述したように構成され、インバータ装置とともにかつ
上述した負荷特性をもって作動された場合、変圧器16
は5kl−1zで動作づるとき漏洩リアクタンスが2.
5パ一セント程度である。これは、60Hzで動作する
典型的な12パルスの従来の変圧器にお【プる30乃至
40パーセントの漏洩リアクタンスと比較すべきである
。このような条件で作動した場合、上述した変圧器の分
布容量はコイル当り36ピコフアラツドであることがわ
かった。
When constructed as described above and operated with an inverter arrangement and with the load characteristics described above, the transformer 16
When operating at 5kl-1z, the leakage reactance is 2.
It is about 5%. This should be compared to the 30 to 40 percent leakage reactance in a typical 12-pulse conventional transformer operating at 60 Hz. When operated under these conditions, the distributed capacitance of the transformer described above was found to be 36 picofarads per coil.

前に述べたように、動作周波数の増大により磁心21内
のヒステリシス損失が付随的に増大し、これによって磁
心の温度はかなり上昇する。第3図には蒸発冷却装置が
示されており、この装置は核沸騰過程によって付随する
温度上昇を吸収している。変圧器16は従来の手段によ
りタンク28の下部に取り付けられている。タンク28
には、比較的高い熱伝達特性d3よび比較的低い沸点を
有する冷却剤29が部分的に充填されている。好適な冷
却液は、1気圧において沸点が47℃であり、熱伝達比
が0.15 W/mm2である市販されているフレオン
113であることがわかった。タンク28内の空気は熱
伝達特性を増大するために排気されていることが好まし
く、曲型的には冷状態と暖状態との間においてそれぞれ
一1気圧乃至+1気圧の範囲で動作する。
As previously mentioned, increasing the operating frequency concomitantly increases the hysteresis losses within the magnetic core 21, which significantly increases the temperature of the magnetic core. FIG. 3 shows an evaporative cooling system which absorbs the temperature increase associated with the nucleate boiling process. Transformer 16 is attached to the bottom of tank 28 by conventional means. tank 28
is partially filled with a coolant 29 having relatively high heat transfer properties d3 and a relatively low boiling point. A suitable coolant was found to be commercially available Freon 113, which has a boiling point of 47° C. at 1 atmosphere and a heat transfer ratio of 0.15 W/mm 2 . The air within the tank 28 is preferably evacuated to enhance heat transfer properties and operates in the range of 11 atmospheres to +1 atmospheres between cold and warm conditions, respectively.

第3図かられかるように、冷却剤29は変圧器16を完
全に覆うように十分に高いレベルに常に維持されている
。変圧器の磁心21の温度が上昇しようとするとき、熱
は冷却剤29に伝達される。冷却剤29が沸点に達する
と蒸発し、タンク28の上部30に上昇する。ここで、
冷却剤は冷却され凝縮されて更に磁心21を冷却するた
めにタンク28の下部に戻される。このようにして、蒸
発冷却過程を用いることにより、従来の油充填式の変圧
器タンクよりも一層効率のよい効果的な方法で変圧器の
磁心21が冷却される。このように増大した熱伝達特性
によって、大きさくj法)を小さくしたことによる変圧
器に固有のヒステリシス損失の増大に対処する。変圧器
の大きさを小さくすると、分布容ωおよび漏洩リアクタ
ンスを減少するように変圧器の設計を行うことができ、
この/こめ動作周波数を高めることができる。これらの
特性を組合せることによって装置の出力に一層良い波形
制御を行うことができる。
As can be seen in FIG. 3, the coolant 29 is always maintained at a sufficiently high level to completely cover the transformer 16. When the temperature of the transformer core 21 tends to rise, heat is transferred to the coolant 29. When the coolant 29 reaches its boiling point, it evaporates and rises to the top 30 of the tank 28. here,
The coolant is cooled, condensed, and returned to the bottom of the tank 28 for further cooling of the magnetic core 21. In this manner, the use of an evaporative cooling process cools the transformer core 21 in a more efficient and effective manner than conventional oil-filled transformer tanks. This increased heat transfer characteristic counteracts the increased hysteresis losses inherent in the transformer due to the reduction in magnitude (j). Reducing the size of the transformer allows the design of the transformer to reduce the distributed volume ω and leakage reactance,
The operating frequency can be increased. By combining these characteristics, better waveform control of the output of the device can be achieved.

装置の特定の動作状態および要求条イ9によっては、別
の冷却手段によって蒸発冷却過程を増強することが望ま
しい。一つの方法は、複数の中空のフィン31をタンク
28の上部29の上端に設゛け、ファン32によって凝
縮過程を加速するようにフィンに対して空気を差し向け
ることである。
Depending on the particular operating conditions and requirements of the device, it may be desirable to augment the evaporative cooling process with additional cooling means. One method is to provide a plurality of hollow fins 31 at the top of the upper portion 29 of the tank 28 and to direct air against the fins by means of a fan 32 to accelerate the condensation process.

上述した核沸騰過程を用いることにより従来の空気放射
伝導過程よりも非常に効率的に(W/in”の単位で1
0倍まで)熱を散逸させることができる。
By using the nucleate boiling process described above, it is much more efficient than the conventional air radiative conduction process (1 W/in.
0 times) can dissipate heat.

従って、磁心は材料製造考によって推奨されるものより
も高い磁束密度(すなわち、従来の6 kHで0.15
テスラに対して6kHzで1.2テスラ)および高い周
波数で作動することができる。これは磁心の断面積およ
び体積を減少することを可能にし、そうしない場合に生
じる損失を低減する。
Therefore, the magnetic core has a higher flux density than recommended by material manufacturing considerations (i.e., 0.15 at conventional 6 kHz).
1.2 Tesla at 6kHz) and can operate at higher frequencies. This allows the cross-sectional area and volume of the magnetic core to be reduced, reducing losses that would otherwise occur.

更に、一層高い周波数および磁心内の磁束密度により、
コイルの巻数を減らすことができ、これによって漏洩リ
アクタンス、分布容量および抵抗を減らすことができる
。その上、冷却能力の増大によってコイルはより高い電
流密度(すなわち、従来の2.6A / nun2に対
して20A / mm2)で作動することが可能となり
、またこれは巻線の直径、コイルの長さおよび半径を低
減することを可能にしている。このような改良された特
性の累積の結果、100 kWの定格で50Hzの磁心
およびコイルの組立て体に対して一重量対電力比が30
:1に低減する。
Furthermore, due to the higher frequency and magnetic flux density within the magnetic core,
The number of coil turns can be reduced, thereby reducing leakage reactance, distributed capacitance and resistance. Moreover, the increased cooling capacity allows the coil to operate at higher current densities (i.e. 20A/mm2 versus conventional 2.6A/nun2), which also depends on the winding diameter, coil length. This makes it possible to reduce the height and radius. The cumulative effect of these improved properties is that for a 50 Hz core and coil assembly rated at 100 kW, a weight-to-power ratio of 30
: Reduce to 1.

次に、第4A図を参照すると、従来のX線発生装置から
の出力波形を表す出力波形32が示されている。図から
れかるように、立上り時間T1および立下り時間T3は
「有用な時間」すなわち「Tオン」時間と比較して比較
的長くなっている。その結果、全体の経過時間に比較し
て有用な時間が短く、それによって立上り時間および立
下り時間の間の放射線量が増大している。更に重要なこ
とには、これらの比較的長い立上り時間および立下り時
間は、相次いで露出を行う場合において同一または同様
な出力を繰返し再現づる能力を実質的に低下させる傾向
がある。
Referring now to FIG. 4A, there is shown an output waveform 32 representative of the output waveform from a conventional x-ray generator. As can be seen, the rise time T1 and fall time T3 are relatively long compared to the "useful time" or "T on" time. As a result, the useful time is short compared to the total elapsed time, thereby increasing the radiation dose during the rise and fall times. More importantly, these relatively long rise and fall times tend to substantially reduce the ability to repeatedly reproduce the same or similar output in successive exposures.

また、従来の出力波形の特性には、定常状態すなわち「
有用な時間」部分に比較的大きなリップルが含まれてい
る。負型的には、12パルスの従来の変圧器は10パー
セントの範囲のリップルを持つ出力を発生ずる。
In addition, the characteristics of the conventional output waveform include a steady state or "
The “useful time” part contains a relatively large ripple. On the negative side, a 12-pulse conventional transformer produces an output with ripple in the 10 percent range.

対照的に、本発明の波形出力は第4B図に示゛丈もので
あって、比較的短い立上り時間T1およびT3を有して
いる。「Tオン」時間は実質的に従来の装置よりも低減
し、「有用な時間」は実質的に同じである。更に、有用
な時間T2の間のリップルは従来の装置のリップルより
も実質的に低減している。本発明においては5パ一セン
ト程度のリップルを持つ波形が一貫して得られる。
In contrast, the waveform output of the present invention, as shown in FIG. 4B, has relatively short rise times T1 and T3. The "T-on" time is substantially reduced over conventional devices, and the "useful time" is substantially the same. Furthermore, the ripple during the useful time T2 is substantially reduced compared to the ripple of conventional devices. In the present invention, waveforms with ripples on the order of 5 percent are consistently obtained.

本発明による変圧器によって得ることのできる改良され
た出力波形特性により、その再現性は実質的に増大して
いる。これに関係して、本発明の装置は0.01乃至0
.03の範囲の変動係数で一貫して実施することができ
る。
Due to the improved output waveform characteristics obtainable with the transformer according to the invention, its repeatability has been substantially increased. In this context, the device according to the invention has a
.. It can be consistently performed with a coefficient of variation in the range of 0.03.

本発明を好適な実施例について詳述したが、本発明の範
囲内で種々の変更を行うことができることは勿論である
Although the invention has been described in detail with reference to preferred embodiments, it will be understood that various modifications may be made within the scope of the invention.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は、本発明の好適実施例によるX線発生装置の概
略構成図であり、 第2図は、第1図の変圧器部分の概略構成図であり、 第3図は、本発明の好適実施例による変圧器および関連
す“る冷却タンクを示す概略構造図であり、第4A図お
よび第4B図は、従来装置の出力波形おにび本発明の改
良された出力波形をそれぞれ示す波形図である。 12・・・整流器、13・・・フィルタ、14・・・イ
ンバータ、16・・・変圧器、17・・・整流器、18
・・・平滑コンデンサ・フィルタおよび電圧帰還回路網
、 21・・・磁心、22・・・1次コイル、23・・・2
次コイル、28・・・タンク、29・・・冷却剤、31
・・・中空フィン、33・・・ファン。 特許出願人
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an X-ray generator according to a preferred embodiment of the present invention, FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the transformer portion of FIG. 1, and FIG. 4A and 4B are schematic structural diagrams illustrating a transformer and associated cooling tank in accordance with a preferred embodiment; FIGS. 4A and 4B are waveforms illustrating the output waveforms of a conventional device and the improved output waveforms of the present invention, respectively; FIG. 12... Rectifier, 13... Filter, 14... Inverter, 16... Transformer, 17... Rectifier, 18
... Smoothing capacitor filter and voltage feedback circuit network, 21 ... Magnetic core, 22 ... Primary coil, 23 ... 2
Next coil, 28...tank, 29...coolant, 31
...Hollow fin, 33...Fan. patent applicant

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、高周波交流出力を変圧器の一次側に供給するために
全ブリッジ形式に構成された複数のスイッチング素子を
持つインバ〜りを有する形式のX線発生装置に使用する
高電圧変圧器の冷却装置であって、 液体を含むことができるタンクと、 前記タンク内に変圧器を取り付りる手段と、前記変圧器
を取り囲んで前記タンクの下部内に配置され、変圧器の
通常の動作状態において前記タンク内で蒸発するような
熱伝達比および沸点を有する液体冷却剤と、 前記タンクの上部に付設されていて、前記冷却剤の蒸気
を凝縮してこの凝縮した液体をタンクの下部に戻す凝縮
手段と、 を有する冷却装置。 2、特許請求の範囲第1項記載の冷却装置において、前
記冷却剤がフレオン113で構成されている冷却装置。 3、特許請求の範囲第1項記載の冷却装置において、前
記凝縮手段が、前記タンクから伸びていて、前記冷却剤
の蒸気が内部に進入することができるように前記タンク
の上部と連通している複数の中空のフィンで構成されて
いる冷却装置。 4、高電圧直流出力をX線管に供給するように全ブリッ
ジ形式に構成された複数のスイッチング素子を持つイン
バータを有する形式のX線発生装置に使用する高電圧変
圧器であって、 関連するコイルに磁束を鎖交させる磁心と、磁束と鎖交
するように前記磁心に巻回された少なくとも1つの1次
コイルおよび1つの2次コイルを持つ、該1次コイルに
流れる電流によって前記2次コイルに一層高い電圧で電
流の流れを生じさせ、正常な動作状態において5パーセ
ントより小さい漏洩インダクタンスを有するように構成
されたコイル手段と、 前記鉄心を冷却してその温度がキュリ一点に達するのを
防止する手段と、 を有する高電圧変圧器。 5、特許請求の範囲第4項記載の高電圧変圧器において
、前記コイル手段が前記1次コイルおよび2次コイルを
同心関係に配置したコイルで構成されている高電圧変圧
器。 6、特許請求の範囲第4項記載の高電圧変圧器において
、前記コイル手段が各コイル当り50 mFより小さい
分布容量を持つ高電圧変圧器。 7、特許請求の範囲第4項記載の磁束高電圧変圧器にお
いて、前記磁心がニッケル鉄合金で構成されている高電
圧変圧器。 8、特許請求の範囲第7項記載の高電圧変圧器において
、前記磁心が0.6乃至1.2テスラの範囲の磁束密度
で作動する高電圧変圧器。 9、特許請求の範囲第4項記載の高電圧変圧器において
、前記冷却手段が、前記磁心およびコイル手段を取り囲
んでいて、比較的低い沸点を有し、かつ前記キュリ一点
より低い温度の前記磁心からの熱によって蒸発すること
のできる液体冷却剤と、前記蒸発した冷却剤を凝縮する
手段とを含んでいる高電圧変圧器。 10、特許請求の範囲第9項記載の高電圧変圧器におい
て、前記冷却剤がフレオン113で構成されている高電
圧変圧器。 11、比較的低電圧の直流源と、 前記直流源の出力を受けて高周波出力を発生する矩形波
インバータと、 前記インバータの出力を受けて高電圧出力を発生し、中
位の周波数範囲で作動することができ、5Kl−1zで
作動した時に5パーセントより小さい漏洩インダクタン
スを持つように構成されている高周波変圧器と、 前記変圧器の出力を受けて高電圧直流出力を発生する整
流器と、 X線管に供給するために前記整流器からの出力を平滑化
するフィルタと、 を有するX線発生装置。 12、特許請求の範囲第11項記載のX線発生装置にお
いて、前記インバータがパルス幅変調式トランジスタ・
インバータであるX線発生装置。 13、特許請求の範囲第11項記載のX線発生装置にお
いて、前記高周波変圧器が性能的に各コイル当り50ピ
コフアラツドより小さい分布容量で動作するように構成
されているX線発生装置。 14、特許請求の範囲第11項記載のX線発生装置にお
いて、前記高周波変圧器が同心関係に配置された1次お
よび2次コイルを有するX線発生装置。 15、特許請求の範囲第11項記載のX線発生装置にお
いて、前記高周波変圧器を取り囲んでいて、前記高周波
変圧器からの熱の伝達によって沸騰して蒸気を形成する
比較的低い沸点を持つ液体冷却剤と、前記冷却剤の蒸気
を凝縮して液体に戻す手段とを有する蒸発冷却手段を含
んでいるX線発生装置。 16、特許請求の範囲第15項記載のX線発生装置にお
いて、前記冷却剤がフレオン113で構成されているX
線発生装置。
[Claims] 1. A high-frequency X-ray generator used in an inverter type X-ray generator having a plurality of switching elements configured in a full bridge type for supplying high frequency AC output to the primary side of a transformer. An apparatus for cooling a voltage transformer, comprising: a tank capable of containing a liquid; means for mounting a transformer within the tank; a liquid refrigerant having a heat transfer ratio and a boiling point such that it evaporates in said tank under normal operating conditions; a cooling device comprising: condensing means for returning to the bottom of the tank; 2. The cooling device according to claim 1, wherein the coolant is composed of Freon 113. 3. The cooling device according to claim 1, wherein the condensing means extends from the tank and communicates with an upper part of the tank so that vapor of the coolant can enter therein. A cooling device consisting of multiple hollow fins. 4. A high-voltage transformer for use in an X-ray generator having an inverter with a plurality of switching elements configured in a full-bridge configuration to supply high-voltage direct current output to an X-ray tube, the related A magnetic core that interlinks magnetic flux to the coil, at least one primary coil and one secondary coil wound around the magnetic core so as to interlink with the magnetic flux, and a current flowing through the primary coil causes the secondary coil to be coil means configured to cause current flow at a higher voltage in the coil and to have a leakage inductance of less than 5 percent under normal operating conditions; A high voltage transformer having means for preventing; 5. The high voltage transformer according to claim 4, wherein the coil means comprises a coil in which the primary coil and the secondary coil are arranged concentrically. 6. A high voltage transformer as claimed in claim 4, wherein said coil means has a distributed capacitance of less than 50 mF per coil. 7. The magnetic flux high voltage transformer according to claim 4, wherein the magnetic core is made of a nickel-iron alloy. 8. A high voltage transformer according to claim 7, wherein the magnetic core operates at a magnetic flux density in the range of 0.6 to 1.2 Tesla. 9. The high voltage transformer according to claim 4, wherein the cooling means surrounds the magnetic core and the coil means, and the cooling means has a relatively low boiling point and a temperature below the Curie point. A high voltage transformer comprising a liquid coolant that can be evaporated by heat from the core and means for condensing the evaporated coolant. 10. The high voltage transformer according to claim 9, wherein the coolant is composed of Freon 113. 11. A relatively low voltage DC source; a square wave inverter that receives the output of the DC source and generates a high frequency output; and a square wave inverter that receives the output of the inverter and generates a high voltage output and operates in a medium frequency range. a high frequency transformer configured to have a leakage inductance of less than 5 percent when operated at 5Kl-1z; An X-ray generator comprising: a filter for smoothing the output from the rectifier for supply to a ray tube. 12. The X-ray generator according to claim 11, wherein the inverter comprises a pulse width modulated transistor.
X-ray generator that is an inverter. 13. The X-ray generator according to claim 11, wherein the high frequency transformer is configured to operate with a distributed capacitance of less than 50 picofarads per coil. 14. The X-ray generator according to claim 11, wherein the high-frequency transformer has primary and secondary coils arranged in a concentric relationship. 15. The X-ray generator according to claim 11, wherein a liquid having a relatively low boiling point surrounds the high-frequency transformer and boils to form steam due to heat transfer from the high-frequency transformer. An X-ray generating device comprising evaporative cooling means having a coolant and means for condensing the vapor of the coolant back to a liquid. 16. The X-ray generator according to claim 15, wherein the coolant is composed of Freon 113.
Line generator.
JP59268732A 1983-12-22 1984-12-21 High voltage transformer for x-ray generator Pending JPS60169116A (en)

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