JP2016004911A - 電流リード - Google Patents

Abstract

【課題】通電時の温度変化という熱履歴を相当回数与えたとしても、つまり、熱電変換素子が、熱膨張及び熱収縮を同時に相当回数繰り返す場合でも、接続抵抗が略一定であり、安定した特性及び耐久性を備える熱電冷却型の電流リードを提供する。【解決手段】低温部の超電導応用機器に接続される低温側電極１２と、常温部の外部機器に接続される常温側電極と、一方の面に低温側電極１２が接合され、他方の面に常温側電極が接合されるペルチェ素子１１０と、ペルチェ素子１１０を低温側電極１２と常温側電極とを用いて挟みこむ挟持機構と、を備える。ペルチェ素子１１０は、低温側電極１２と常温側電極との間に複数設けられている。互いに隣り合うペルチェ素子１１０の間には隙間が設けられている。【選択図】図３

Description

本発明は、低温部に設置される超電導応用機器と常温部に設置される外部機器を接続する電流リードに関し、特に熱電変換素子を用いた熱電冷却型の電流リードに関する。

一般に、超電導コイルや超電導ケーブル等の超電導応用機器は、低温部（低温容器）に設置され、常温部に設置された外部機器（例えば、電源）と、電流リードを介して接続される。これら超電導応用機器の運転は、極低温環境下（低温部）で行われるため、低温部での断熱が極めて重要である。外部からの熱進入が大きいと、その熱も冷却する必要が生じるため、冷却コストが増大し、場合によっては冷却することができずに運転が不可能となってしまう可能性がある。

外部からの熱進入経路は、２つある。１つは低温容器を経由する経路であり、他の１つは、電流リードを通じて進入する経路である。

一つ目の低温容器を経由する熱侵入経路対策としては、低温容器として真空断熱容器を用い、超電導応用機器をその中に入れることにより容器からの熱進入を大きく低減することが可能である。

２つ目の熱侵入経路としての電流リードは、大きな熱進入の原因になる。電流リードは、例えばＯＦＣｕ（ＯｘｙｇｅｎＦｒｅｅ Ｃｏｐｐｅｒ）等の常電導体から形成され、高い電気伝導率を有する。しかしながら、ＯＦＣｕは、熱伝導率も高いため、常温空間からの熱が容易に侵入し低温空間側に流入してしまうことになる。熱進入のプロセスには、温度差による熱伝導と電流によって発生するジュール熱の２つのプロセスがある。

最近、常温側に常電導体、低温側に高温超電導体（酸化物超電導体）を設けた超電導電流リードが開発されている。高温超電導体は、酸化物であるため熱伝導率が低く、かつ、超電導のためジュール熱を生じない。

この超電導電流リードを使用することによって、２０Ｋ以下の極低温で運転する超電導応用機器（例えば液体ヘリウムによる浸漬冷却、液体ヘリウムを用いた伝熱冷却、或いは、冷凍機を用いた伝導冷却で運転する超電導マグネット）は、電流リードを通じた熱進入を低減できる。これは、酸化物超電導体の低熱伝導率と、ジュール熱がゼロであることを利用している。しかし、この超電導電流リードは、低温機器部が６４Ｋ以上（例えば過冷却液体窒素による浸漬冷却で運転する超電導ケーブル）であると、超電導状態となるまで冷却されず、使用することができない。

この場合、例えば、特許文献１に示すように、熱電変換素子（以下、ペルチェ素子ともいう）を利用した熱電冷却型の電流リードを使用する。この熱電冷却型の電流リードは、熱電変換素子の低熱伝導率（Ｃｕの１／２００程度）と、ペルチェ効果（通電することにより片端から吸熱し他方の片端へ排熱する現象）によるヒートポンプ効果を利用する。具体的には、外部機器として常温部側に設定された電源の正極側にＮ型熱電半導体で構成した熱電変換素子を使用したＮ型の熱電冷却型電流リードを配置し、電源の負極側にＰ型熱電半導体で構成した熱電変換素子を使用したＰ型の熱電冷却型電流リードを設置する。そして、電源からの電流がＮ型及びＰ型の熱電変換素子を経て電源に戻る電流回路を構成する。ここで、超電導電流リードを設置できる場合、上記熱電冷却型電流リードと組み合わせて使用することも可能である。超電導電流リードを組み合わせて使用する場合は、さらに熱進入量の低減が期待できる。

熱電冷却型電流リードは、Ｎ型又はＰ型の熱電変換素子の両端部に、電極である発熱側電流端子及び吸熱側電流端子を接合した構成である。熱電変換素子としてはＢｉＴｅ系又はＢｉＴｅＳｂ系が用いられる。ＢｉＴｅ化合物は、室温以下の温度領域において熱電特性が高い。熱電冷却型電流リードの両端部は、熱電変換素子の発熱側電流端子及び吸熱側電流端子の接合面に、Ｎｉメッキを施し、ハンダにより接合する。

特開２００４−６８５９号公報

熱電冷却型電流リードは、ジュール熱とヒートポンプ効果のバランスから、通電容量に合わせた横断面積の熱電変換素子を使用する必要がある。通電容量が大きい場合は、使用する熱電変換素子の断面積も大きくなる。すると、熱電変換素子と、発熱側電流端子及び吸熱側電流端子の接合部において、通電時の温度変化による熱膨張又は熱収縮を受けて剪断応力が大きくなり、接合部の剥離や熱電変換素子自体の破損が発生する虞がある。

特に、Ｃｕ電極である発熱側電流端子及び吸熱側電流端子よりもＢｉＴｅ化合物からなる熱電変換素子の方が、機械的強度が低いため、熱電変換素子の破損が問題となる。熱電変換素子の破損に至らないまでも接合部の剥離等により熱電冷却型の電流リードとして安定した特性と耐久性を得ることができない虞がある。

よって、相当回数の熱履歴（例えば、５０回以上の熱履歴）を付与しても、安定した特性と耐久性を有した電流リードを実現することが望まれている。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、通電時の温度変化という熱履歴を相当回数与えたとしても、つまり、熱電変換素子が、熱膨張及び熱収縮を同時に相当回数繰り返す場合でも、接続抵抗が略一定であり、安定した特性及び耐久性を備える熱電冷却型の電流リードを提供することを目的とする。

本発明の電流リードの一つの態様は、
低温部に設置される超電導応用機器と常温部に設置される外部機器とを接続する電流リードであって、
前記超電導応用機器に接続される低温側電極と、
前記外部機器に接続される常温側電極と、
一方の面に前記低温側電極が接合され、他方の面に前記常温側電極が接合される熱電変換素子と、
前記熱電変換素子を前記低温側電極と常温側電極とを用いて挟みこむ挟持機構と、
を備え、
前記熱電変換素子は、前記低温側電極と前記常温側電極との間に複数設けられ、且つ、互いに隣り合う前記熱電変換素子の間には隙間が設けられている、構成を採る。

本発明によれば、通電時の温度変化という熱履歴を相当回数与えたとしても、接続抵抗が略一定であり、安定した特性及び耐久性を備える熱電冷却型の電流リードを提供できる。

本発明の実施の形態１に係る電流リードを用いた超電導磁石装置の一例を示す図 本実施の形態の電流リードの要部構成を模式的に示す分解図 本実施の形態の電流リードにおける熱電半導体素子部の構成を示す平面断面図 本実施の形態の電流リードの詳細な構成を示す図 本実施の形態の実施例１の電流リードの詳細な構成を示す図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る電流リード１０を用いた超電導磁石装置１を示す図である。

図１に示すように、超電導磁石装置１は、低温部２０に設置される超電導コイル２１と、常温部３０に設置される電源３１と、電源３１と超電導コイル２１を電気的に接続する２つの電流リード１０を備えている。２つの電流リード１０を区別する場合は、電流リード１０Ａ、１０Ｂと称する。

超電導コイル２１は、例えば、真空断熱構造を有する低温容器２２内に設置され、液体ヘリウムによって冷却される。電源３１は、超電導コイル２１を励磁するのに必要な電流を、電流リード１０を介して供給する。

電流リード１０は、熱電変換素子であるペルチェ素子を有する熱電冷却型の電流リードである。電流リード１０は、複数のペルチェ素子を用いて構成されるペルチェ素子体１００を有し、このペルチェ素子体１００の一方の面には超電導コイル２１に接続される低温側電極１２が接合され、他方の面には電源３１に接続される常温側電極１３が接合される。低温側電極１２、常温側電極１３は、電気抵抗の面からＣｕ含有量が９０重量％以上であることが望ましく、例えば純度９９．９９％以上の無酸素銅で構成される。

図２は、本実施の形態の電流リード１０の要部構成を模式的に示す分解図であり、図３は、本実施の形態の電流リード１０における熱電半導体素子部の構成を示す平面断面図である。

図１〜図３に示すペルチェ素子体１００を構成するペルチェ素子１１０は、例えばＢｉＴｅ系、ＢｉＴｅＳｂ系、又はＢｉＳｂ系の化合物半導体で構成される。特に、熱電変換効率の面からＴｅ含有量が５〜５０重量％であるＢｉＴｅ系半導体又はＢｉＴｅＳｂ系半導体が好適である。ＢｉＴｅ系半導体又はＢｉＴｅＳｂ系半導体を適用した場合、常温から２００Ｋ付近までの温度範囲で良好な冷却能力が得られる。また、ＢｉＳｂ系半導体を適用した場合、２００Ｋ付近から液体窒素温度（７７Ｋ）付近までの温度範囲で良好な冷却能力が得られる。

また、ペルチェ素子１１０には、室温以下の低温において、性能指数Ｚ（＝α²／（κρ）、α：ゼーベック係数、κ：熱伝導率、ρ：比抵抗）の値が最大となるように組成が調整された半導体を使用することが望ましい。

これらペルチェ素子１１０は、低温側電極１２及び常温側電極１３の接合面間で一様に配置されている。各ペルチェ素子１１０においては、一方の面に低温側電極１２が接合され、他方の面に常温側電極１３が接合されている。

また、ペルチェ素子１１０は、図３に示すように、低温側電極１２及び常温側電極１３の接合面１２ａ、１３ａ間（図２参照）において、低温側電極１２の接合面１２ａに対して、周方向で隣り合うペルチェ素子１１０との間に隙間Ｄを空けて配置されている。この隙間Ｄは、通電時において、少なくとも各ペルチェ素子１１０において熱膨張する側の端部同士の間に設けることが望ましい。なお、常温側電極１３の接合面１３ａに対するペルチェ素子１１０の配置、接合は、図３に示す低温側電極１２の接合面１２ａに対するペルチェ素子１１０の配置、接合と同様であるため、詳細な図示及び説明は省略する。

また、この隙間（離間距離）Ｄは、ペルチェ素子１１０が配置される電極１２、１３における接合面の領域において、各ペルチェ素子１１０の直径φに対して０．５％以上の長さを有する。すなわち、ペルチェ素子１１０同士の隙間Ｄは、ペルチェ素子１１０が配置される電極の接合面１２ａにおいて、ペルチェ素子１１０の直径の０．５％以上の長さとする。尚、ペルチェ素子１１０同士の隙間Ｄの上限は特に制限はないが、電極の接合面に出来る限りペルチェ素子を複数配置することが電流リードとして好ましいことから、直径の５％以下であることが好ましい。

また、ペルチェ素子１１０の形状は、直径φが１０ｍｍ以下で且つ高さ１０ｍｍの柱状をなしており、円柱状であっても直方体などの角柱状であってもよい。ここでは、ペルチェ素子１１０は、円柱状をなしている。ペルチェ素子１１０の直径（角柱であれば、一辺の長辺の長さ）が５ｍｍ以下の断面を有する柱状体であることが望ましい。直径或いは長辺が５ｍｍよりも大きいと、剪断応力の緩和効果が無くなる。また、隙間Ｄが、直径（長辺）の０．５％未満であると、ペルチェ素子１１０、低温側電極１２及び常温側電極１３が熱膨張（或いは熱収縮）したときの剪断応力を緩和できなくなるためである。

電源３１の正極側に接続される電流リード１０Ａのペルチェ素子体１００には一様に配置されたｎ型半導体であるペルチェ素子１１０が適用されている。また、負極側に接続される電流リード１０Ｂのペルチェ素子体１００には、一様に配置されたｐ型半導体であるペルチェ素子１１０が適用されている。

例えば、ＢｉＴｅ系半導体の導電型は、ＳｂＩ₃を添加することによりｎ型に制御され、ＰｂＩ₃を添加することによりｐ型に制御される。また、構成元素の量を化学量論比からわずかにずらすことによって、ＢｉＴｅ系半導体の導電型を制御することもできる。

何れの電流リード１０Ａ、１０Ｂにおいても、ペルチェ素子体１００の低温側で吸熱が生じ、常温側で発熱が生じる。すなわち、ペルチェ素子体１００において、通電時に低温側から常温側に向けて熱が移動するので、低温部への熱侵入が低減されるとともに、超電導コイル２１を効率よく冷却することができる。

図４は、実施の形態に係る電流リード１０の詳細な構成を示す図である。

図４に示すように、本実施の形態では、低温側電極１２が、ペルチェ素子体１００の低温部側の端面に接合される低温側コア電極１２１と、超電導コイル２１（超電導応用機器）に接続される低温側キャップ電極１２２とで構成される。また、常温側電極１３が、ペルチェ素子体１００の常温部側の端面に接合される常温側コア電極１３１と、電源３１（外部機器）に接続される常温側キャップ電極１３２とで構成される。

具体的には、ペルチェ素子体１００を構成する複数のペルチェ素子１１０の各低温側の端面が低温側電極１２に接合され、各常温側の端面が常温側電極１３に接合される。

ペルチェ素子１１０は低温側電極１２と常温側電極１３とを介して、挟持機構４０により挟み込まれている。挟持機構４０は、低温側キャップ電極１２２、常温側キャップ電極１３２、接触子１４を有する。

この電流リード１０は、電流リード１０のコア部となる素子ユニットＤＵと、素子ユニットＤＵを超電導コイル２１又は電源３１に接続するためのキャップ部となる低温側キャップ電極１２２、常温側キャップ電極１３２を備える。
なお、本実施の形態を含む各実施の形態において、電流リード１０の構成要素であるペルチェ素子体１００、低温側電極１２、及び常温側電極１３が配列される方向（図１において上下方向）を「軸方向」、軸方向に直交する方向を「径方向」と称する。

素子ユニットＤＵは、ペルチェ素子体１００の低温部側に低温側コア電極１２１が接合され、ペルチェ素子体１００の常温部側に常温側コア電極１３１が接合された構成を有する。ペルチェ素子体１００、低温側コア電極１２１、及び常温側コア電極１３１は、例えば略円柱形状を有する。

ペルチェ素子体１００と低温側コア電極１２１、ペルチェ素子体１００と常温側コア電極１３１は、それぞれ半田付けにより接合される。この場合に用いられる半田としては、Ｓｎ含有量が９０〜９９重量％であるＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ（いわゆる鉛フリー半田）が耐熱性の面から好適である。

低温側電極１２において、低温側コア電極１２１は、ペルチェ素子体１００と接合される一方の端部に、胴部１２１ａよりも大径のフランジ部１２１ｂを有する。また、低温側コア電極１２１の他方の端部には、付勢部材１５を収容するばね収容部１２１ｃが形成される。

低温側コア電極１２１の周面には、多点接触式の接触子１４（いわゆるマルチラムバンド）が配置される。接触子１４は、径方向において、低温側コア電極１２１と低温側キャップ電極１２２との間に介在し、これらを電気的に接続する。多点接触式の接触子１４は、接触抵抗が非常に小さく抵抗発熱による温度上昇を抑制することができるので、導通を確保できるとともに、外部からの熱侵入を低減することができる。

ばね収容部１２１ｃには、圧縮コイルばね等の付勢部材１５が配置される。付勢部材１５は、軸方向において、低温側コア電極１２１と低温側キャップ電極１２２との間に介在し、低温側コア電極１２１、つまり、素子ユニットＤＵを、常温側キャップ電極１３２に向けて押圧する。付勢部材１５を配置することにより、素子ユニットＤＵが低温側キャップ電極１２２から外す際に、素子ユニットＤＵを低温側キャップ電極１２２から容易に挿抜することができる。

なお、付勢部材１５は、低温側コア電極１２１と低温側キャップ電極１２２との間の電流流路として機能しないものとする。付勢部材１５が電流流路として機能すると、抵抗発熱により温度が上昇したり、通電電流が不安定となったりするためである。付勢部材１５と低温側キャップ電極１２２との間に両者を電気的に絶縁する絶縁部材（図示略）を介在させるようにしてもよい。これにより、大きな押圧力が得られる金属製の付勢部材１５を用いることができる。

低温側キャップ電極１２２は、低温側コア電極１２１に接続される大径部１２２ａと、超電導コイル２１に接続される小径部１２２ｂとからなる二段円柱形状を有する。大径部１２２ａには、低温側コア電極１２１を収容するユニット収容部１２２ｃが形成される。ユニット収容部１２２ｃの内径は、低温側コア電極１２１の胴部１２１ａの外径とほぼ同じ（フランジ部１２１ｂよりも小さい）とされる。このユニット収容部１２２ｃに低温側コア電極１２１が摺接した状態で挿入される。つまり、低温側コア電極１２１がプラグとなり、低温側キャップ電極１２２がソケットとなる。

また、ユニット収容部１２２ｃの深さは、低温側コア電極１２１のフランジ部１２１ｂが低温側キャップ電極１２２に当接した状態において、低温側コア電極１２１と低温側キャップ電極１２２の間に軸方向の隙間Ｃ１が生じる程度とされる。低温側コア電極１２１と低温側キャップ電極１２２とが接触しうる構造となっていると、多点接触式の接触子１４を通らない不安定な電流流路が形成される虞があり、電流が不安定となるためである。なお、この隙間Ｃ１には、素子ユニットＤＵの軸方向の移動を妨げない範囲で、弾性部材を配置するようにしてもよい。

常温側電極１３において、常温側コア電極１３１は、ペルチェ素子体１００と接合される一方の端部に、胴部１３１ａよりも大径のフランジ部１３１ｂを有する。

常温側コア電極１３１の周面には、多点接触式の接触子１８（いわゆるマルチラムバンド）が配置される。接触子１８は、径方向において、常温側コア電極１３１と常温側キャップ電極１３２との間に介在し、これらを電気的に接続する。多点接触式の接触子１８は、接触抵抗が非常に小さく抵抗発熱による温度上昇を抑制することができるので、導通を確保できるとともに、外部からの熱侵入を低減することができる。

常温側キャップ電極１３２は、常温側コア電極１３１に接続される大径部１３２ａと、電源３１に接続される小径部１３２ｂとからなる二段円柱形状を有する。大径部１３２ａには、常温側コア電極１３１を収容するユニット収容部１３２ｃが形成される。ユニット収容部１３２ｃの内径は、常温側コア電極１３１の胴部１３１ａの外径とほぼ同じ（フランジ部１３１ｂよりも小さい）とされる。このユニット収容部１３２ｃに常温側コア電極１３１が摺接した状態で挿入される。つまり、常温側コア電極１３１がプラグとなり、常温側キャップ電極１３２がソケットとなる。

また、ユニット収容部１３２ｃの深さは、常温側コア電極１３１のフランジ部１３１ｂが常温側キャップ電極１３２に当接した状態において、常温側コア電極１３１と常温側キャップ電極１３２の間に軸方向の隙間Ｃ２が生じる程度とされる。常温側コア電極１３１と常温側キャップ電極１３２とが接触しうる構造となっていると、多点接触式の接触子１８を通らない不安定な電流流路が形成される虞があり、電流が不安定となるためである。なお、この隙間Ｃ２には、素子ユニットＤＵの軸方向の移動を妨げない範囲で、弾性部材を配置するようにしてもよい。

素子ユニットＤＵの外周には、低温側キャップ電極１２２と常温側キャップ電極１３２とを連結する固定部材１７が配置される。

具体的には、固定部材１７は、低温側キャップ電極１２２と常温側キャップ電極１３２を電気的に絶縁する保護カバー１７１と、保護カバー１７１を低温側キャップ電極１２２及び常温側キャップ電極１３２に固定するボルト１７２で構成される。

保護カバー１７１は、有底円筒形状を有する。底面部１７１ａの中央部には、低温側キャップ電極１２２の小径部１２２ｂが挿通される貫通孔１７１ｃが形成される。また、周面部１７１ｂには、ボルト１７２が挿通される複数の貫通孔（図示略、例えば同一円周上に等間隔で６個）が形成される。

好ましくは、保護カバー１７１は、電気絶縁性を有する材料で構成される。これにより、保護カバー１７１及びボルト１７２を介して低温側キャップ電極１２２と常温側キャップ電極１３２とが導通し、素子ユニットＤＵを通らない電流流路が形成されるのを防止することができる。

さらに好ましくは、保護カバー１７１は、熱伝導率の小さい材料で構成される。これにより、外部からの熱の侵入を防止することができるので、電流リード１０としての性能が確保される。

保護カバー１７１としては、例えばガラス繊維をプラスチックに混入して強度を向上させたガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ：Glass Fiber Reinforced Plastics）製のものが好適である。ＧＦＲＰ製の保護カバー１７１を用いることにより、外部からの熱の流入を遮断することができるので、保護カバー１７１で覆われた内部の構造体の温度上昇、及びこれに伴う機器の損傷、劣化を効果的に防止することができる。

また、電流リード１０の設置時などに意図しない外力が働いたときは、保護カバー１７１が外力を直接受ける保護部材として機能するので、素子ユニットＤＵの半田接続部が外力を受けて損傷するのを防止できる。

電流リード１０を作製する場合、まず、保護カバー１７１の内部に低温側キャップ電極１２２が配置され、さらに素子ユニットＤＵ、常温側キャップ電極１３２が順に配置される。保護カバー１７１の貫通孔（図示略）の一端側（低温側）からボルト１７２を挿通し、常温側キャップ電極１３２にボルト締めすることにより、低温側キャップ電極１２２と常温側キャップ電極１３２とは硬直に固定される。素子ユニットＤＵは、低温側キャップ電極１２２と常温側キャップ電極１３２とにより軸方向に移動（摺動）可能に挟持される。

このとき、素子ユニットＤＵが、付勢部材１５によって常温側キャップ電極１３２に向けて所定の押圧力で押圧される状態となるまで、ボルト１７２を締め込む。ボルト１７２の常温側キャップ電極１３２への締め込み量を調整することで、素子ユニットＤＵに加わる圧力を適宜に調整することができる。

ここで、所定の押圧力は、好ましくは０．２〜２０．０ＭＰａ、より好ましくは７．０〜１０．０ＭＰａである。素子ユニットＤＵ（ペルチェ素子体１００）に加わる圧力が２０．０ＭＰａより大きいとペルチェ素子体１００が損傷してしまう虞があるためである。また、素子ユニットＤＵに加わる圧力が０．２ＭＰａより小さいと素子ユニットＤＵを安定した姿勢で保持するのが困難となるためである。

このように、本実施の形態に係る電流リード１０は、超電導コイル２１（超電導応用機器）に接続される低温側電極１２と、電源３１（外部機器）に接続される常温側電極１３と、一方の面に低温側コア電極１２１が接合され、他方の面に常温側コア電極１３１が接合されるペルチェ素子１１０と、ペルチェ素子１１０を低温側電極１２と常温側電極１３とを用いて挟みこむ挟持機構４０を備える。

ペルチェ素子１１０は、低温側電極１２と常温側電極１３との間で複数、一様に設けられ、且つ、互いに隣り合うペルチェ素子１１０の間には隙間Ｄが設けられている。

これにより、通電時の温度変化により、ペルチェ素子１１０と低温側電極１２及び常温側電極１３の接合部分において熱膨張または熱収縮が大きくなり剪断応力を受ける場合でも、各ペルチェ素子１１０は、隙間Ｄを利用して、隣り合う他のペルチェ素子１１０に接触することなく、剪断応力を緩和して低減できる。よって、ペルチェ素子１１０と低温側電極１２及び常温側電極１３の接合部分において接続抵抗を略一定に維持することができ、ペルチェ素子１１０自体およびペルチェ素子１１０と低温側電極１２及び常温側電極１３の接合部分の破壊・損傷を防ぐことができる。

よって、この電流リード１０に通電時の温度変化という熱履歴を相当回数与えたとしても、つまり、ペルチェ素子１１０が、熱膨張及び熱収縮を同時に相当回数繰り返す場合でも、接続抵抗が略一定であり、安定した特性及び耐久性を確保できる。

また、ペルチェ素子体１００（熱電変換素子）の低温部側に低温側コア電極１２１が接合され、ペルチェ素子体１００の常温部側に常温側コア電極１３１が接合されてなる素子ユニットＤＵと、一端側が超電導コイル２１に接続され、他端側がプラグ・ソケット構造により低温側コア電極１２１に接続される低温側キャップ電極１２２と、一端側が電源３１（外部機器）に接続され、他端側がプラグ・ソケット構造により常温側コア電極１３１に接続される常温側キャップ電極１３２と、低温側コア電極１２１と低温側キャップ電極１２２との間、及び常温側コア電極１３１と常温側キャップ電極１３２との間に介在する多点接触式の接触子１４、１８と、を備える。そして、低温側キャップ電極１２２と常温側キャップ電極１３２とにより、素子ユニットＤＵが軸方向に移動可能に挟持されている。

電流リード１０によれば、低温側キャップ電極１２２と常温側キャップ電極１３２により、素子ユニットＤＵが軸方向に移動可能（摺動可能）に挟持されているので、温度変化に伴う素子ユニットＤＵの軸方向の熱歪みは、素子ユニットＤＵの移動動作によって吸収される。

また、低温側キャップ電極１２２と低温側コア電極１２１、及び常温側キャップ電極１３２と常温側コア電極１３１とが、多点接触式の接触子１４、１８を介して電気的に接続されるので、導通を確保しつつ、外部からの熱侵入を防止することができる。

また、素子ユニットＤＵは、低温側キャップ電極１２２及び常温側キャップ電極１３２に対してプラグ・ソケット構造により装着されるので、取付作業が極めて簡易である。また、素子ユニットＤＵは、低温側キャップ電極１２２及び常温側キャップ電極１３２から容易に脱着することができるので、例えばペルチェ素子体１００が損傷して電気抵抗が上昇した場合は、素子ユニットＤＵだけを交換することができる。また例えば、電流リード１０が接続される機器側の接続部（電極）の形状や、接続方法などに変更があった場合は、低温側キャップ電極１２２又は常温側キャップ電極１３２を交換するだけで対応することができる。既存の設備を有効利用できるので、コスト面でも利点がある。

さらには、従来の電流リードのように、熱歪みを吸収するために電気抵抗の大きいフレキシブル導体を用いる必要はないので、ペルチェ素子体１００、低温側電極１２、及び常温側電極１３の断面積を大きくすることにより単体としての電流容量を大きくすることができ、また、フレキシブル導体がない分だけ軸方向の寸法を小さくすることができる。特に、複数の電流リード１０を用いて大容量化に対応する場合、必要な電流リード１０の数が低減されるので、機器の小型化を図ることができる。

［実施例１］
図５は、実施例１の電流リードの詳細な構成を示す図である。

図５に示す熱電冷却型の電流リード５０は、上述した実施の形態１におけるペルチェ素子体１００を利用している。

この電流リード５０においては、低温部の超電導応用機器に接続される電極（低温側電極）５２と、常温部の外部機器に接続される電極（常温側電極）５３とが、ペルチェ素子体１００を介して接続される。

この電流リード５０は、低温側電極５２、常温側電極５３を用いて挟持機構５１でペルチェ素子体１００を挟持した構成である。

ペルチェ素子体１００では、実施の形態１と同様に、ペルチェ素子１１０（図２、３参照）は、一端面を低温側電極５２に半田により接合され、他端面を、常温側電極５３に半田により接合される。低温側電極５２、常温側電極５３のそれぞれの端部には、フランジ５２１、５３１が形成されている。また、低温側電極５２、常温側電極５３のそれぞれには、円盤リング状の低温側固定板５２３、常温側固定板５３３が挿嵌されている。
低温側固定板５２３の周縁部には複数（例えば等間隔で４つ）の挿通孔５２３ａが形成されており、この挿通孔５２３ａに低温側固定ボルト５２５が挿通される。低温側固定ボルト５２５が連結具５３６の一端側に螺着される。

そして、これらのペルチェ素子１１０は、図３に示すように、低温側電極１２及び常温側電極１３の接合面間において、周方向で隣り合うペルチェ素子１１０との間に隙間Ｄを空けて配置されている。ペルチェ素子１１０同士の隙間Ｄは、ペルチェ素子１１０が配置される電極の接合面において、ペルチェ素子１１０の直径の０．５％としている。

一方、常温側電極５３も低温側電極５２と同様の固定態様を有する。常温側固定板５３３の周縁部には複数（例えば等間隔で４つ）の挿通孔５３３ａが形成されており、この挿通孔５３３ａに常温側固定ボルト５３５が挿通される。常温側固定ボルト５３５が連結具５３６の他端側に螺着される。

このように、低温側固定ボルト５２５と、常温側固定ボルト５３５がそれぞれ連結具５３６の両端側から螺着することにより、低温側電極５２及び常温側電極５３は、ペルチェ素子１１０からなるペルチェ素子体１００を挟むようにして挟持した状態となっている。電流リード５０では、ペルチェ素子体１００、低温側電極５２、常温側電極５３との接合部Ｃは、挟持機構５１を構成する低温側固定板５２３と常温側固定板５３３により挟持された状態で、固定されている。

実施例１では、このように構成した電流リード５０を製作した。この電流リード５０では、ペルチェ素子体１００は、実施の形態１と同様に、複数のペルチェ素子１１０により構成している。また、ペルチェ素子１１０は、Ｂｉ−Ｔｅ−Ｓｂ化合物半導体素子であり、断面寸法φ３．３ｍｍ、高さ５ｍｍとし、９本用いた。低温側電極５２、常温側電極５３のそれぞれを、材質を無酸素銅、ペルチェ素子体１００と接合面を断面寸法１０．５ｍｍ×１３．７ｍｍとし、半田をＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金とした。また、電極の接合面におけるペルチェ素子１１０の隙間０．５ｍｍを、電流リード５０の通電容量を１８０Ａとした。ここでは、接合部Ｃへの圧力は、０．２〜１７．０ＭＰａとした。

［実施例２］
実施例１で用いたペルチェ素子１１０で構成したペルチェ素子体１００と同様のペルチェ素子体１００を、実施の形態１の構造の電流リード１０に適用した。接合部分（接合部Ｃに相当）への圧力は、実施例１と同様とした。

そして、これら実施例１、２の電流リードを用いて、熱履歴に対する評価を行った。

［比較例１］
実施例１の構成の電流リード５０において、ペルチェ素子体１００を、Ｂｉ−Ｔｅ−Ｓｂ化合物半導体素子であって、断面寸法φ１０．０ｍｍ、高さ５ｍｍの一本のペルチェ素子に変更した。電流リード５０におけるその他の構成は実施例１と同様とした。すなわち、比較例１の電流リードでは、低温側電極５２及び常温側電極５３間に配置され、それぞれの電極５２、５３に接合されるペルチェ素子１１０は単体のものである。なお、接合部Ｃへの圧力は、実施例１と同様とした。

［参照例１］
実施例１の電流リード５０において、ペルチェ素子１１０同士の隙間を、ペルチェ素子１１０が配置される低温側電極５２及び常温側電極５３のそれぞれの接合面においてペルチェ素子１１０の直径の０．３％として参照例１の電流リードを構成した。

作製した実施例１、２の電流リード５０、１０と比較例１の電流リードを用いて、まず、各電極とペルチェ素子体との接合部分（接合部）の室温での平均の電気抵抗（初期値）を、直流４端子法により測定した。

次に、各電流リードに直流電流を通電し、ペルチェ素子体１００の両端の温度差が１００℃以上となるように電流値を調整した。ペルチェ素子体１００の両端の温度は、低温側電極、常温側電極のペルチェ素子体近傍部位に設置した熱電対により測定した。この温度差がついた状態を１０分間保持した後、通電を中止して大気中に放置し、接合部Ｂの温度が室温となるまで冷却した。そして、この熱履歴を５０回繰り返し電流リードに与えた（熱履歴試験）。

電流リードの熱履歴に対する評価は、熱履歴試験後の接合部の室温での電気抵抗を直流４端子法により測定し、初期値と比較することにより行った。また、熱履歴試験後の接合部Ｂの外観を観察した。

実施例１及び２に係る電流リード５０、１０におけるペルチェ素子１１０の外観、ペルチェ素子１１０同士の隙間の大きさ、及び、ペルチェ素子１１０と電極との接続部の平均抵抗値（「素子の接続抵抗値［ｍΩ］」）の初期値、熱履歴後の抵抗値の平均の抵抗値（「履歴後の抵抗値」）を表１に示す。

表１に示すように、ペルチェ素子体１００を複数のペルチェ素子１１０で構成した場合では、熱履歴後においてペルチェ素子１１０には外観的にもなんら損傷もなく、当然、接合部にクラック等の異常は発生せず、電気抵抗の劣化もほとんどなかった（実施例１、２）。これに対して、比較例１を参照すると、ペルチェ素子体１００が複数のペルチェ素子１１０で構成されていない場合、つまり、ペルチェ素子１１０間に隙間が形成されていない構造では、熱履歴後抵抗値が明らかに上昇している。また、ペルチェ素子体を構成する複数のペルチェ素子１１０同士の隙間を、ペルチェ素子の直径の０．３［％］とした比較例２よりも、０．５［％］とした実施例１、２の方が、熱履歴後の素子の接続抵抗値は小さかった。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明に係る電流リードは、通電時の温度変化という熱履歴を相当回数与えたとしても、接続抵抗が略一定であり、安定した特性及び耐久性を有する効果を有し、熱電冷却型の電流リードとして有用である。

１ 超電導磁石装置
１０、１０Ａ、１０Ｂ、５０ 電流リード
１２、５２ 低温側電極
１２ａ、１３ａ 接合面
１３、５３ 常温側電極
１４、１８ 接触子
１５ 付勢部材
１７ 固定部材
２０ 低温部
２１ 超電導コイル
２２ 低温容器
３０ 常温部
３１ 電源
４０、５１ 挟持機構
１００ ペルチェ素子体
１１０ ペルチェ素子
１２１ 低温側コア電極
１２２ 低温側キャップ電極
１３１ 常温側コア電極
１３２ 常温側キャップ電極
１７１ 保護カバー
１７２ ボルト
５２３ 低温側固定板
５２５ 低温側固定ボルト
５３３ 常温側固定板
５３５ 常温側固定ボルト
５３６ 連結具
Ｃ１、Ｃ２、Ｄ 隙間

Claims (5)

1. 低温部に設置される超電導応用機器と常温部に設置される外部機器とを接続する電流リードであって、
   前記超電導応用機器に接続される低温側電極と、
   前記外部機器に接続される常温側電極と、
   一方の面に前記低温側電極が接合され、他方の面に前記常温側電極が接合される熱電変換素子と、
   前記熱電変換素子を前記低温側電極と常温側電極とを用いて挟みこむ挟持機構と、
   を備え、
   前記熱電変換素子は、前記低温側電極と前記常温側電極との間に複数設けられ、且つ、互いに隣り合う前記熱電変換素子の間には隙間が設けられている、
   電流リード。
2. 前記熱電変換素子同士の隙間は、前記熱電変換素子の直径に対して０．５％以上の長さである、
   請求項１記載の電流リード。
3. 前記熱電変換素子は、直径１０ｍｍ以下及び高さ１０ｍｍの柱状である、
   請求項１または２に記載の電流リード。
4. 前記熱電変換素子は、円柱状である、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の電流リード。
5. 前記低温側電極は、熱電変換素子の低温部側に接合される低温側コア電極と、
   一端側が前記超電導応用機器に接続され、他端側がプラグ・ソケット構造により前記低温側コア電極に接続される低温側キャップ電極とを有し、
   前記常温側電極は、前記熱電変換素子の常温部側に接合される常温側コア電極と、
   一端側が前記外部機器に接続され、他端側がプラグ・ソケット構造により前記常温側コア電極に接続される常温側キャップ電極とを有し、
   前記低温側コア電極と前記常温側コア電極は、前記熱電変換素子と素子ユニットを構成し、
   前記挟持機構は、
   前記低温側キャップ電極と、
   前記常温側キャップ電極と、
   前記低温側コア電極と前記低温側キャップ電極との間、及び前記常温側電極と前記常温側キャップ電極との間に介在する多点接触式の接触子と含み、
   前記低温側キャップ電極と前記常温側キャップ電極は、前記素子ユニットを、前記低温側キャップ電極及び前記常温側キャップ電極間を接続軸方向に移動可能に挟持する、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の電流リード。

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