JP5697162B2 - 電流リード - Google Patents
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Description
超電導応用機器の運転は、極低温環境下で行われるため、低温部の断熱性が極めて重要となる。低温部の断熱性が悪く、低温部への熱侵入が大きいと、超電導応用機器の冷却効率が低下して超電導状態を維持するための冷却コストが増大することとなり、場合によっては超電導応用機器を運転できなくなってしまう。この低温部への熱侵入の経路としては、低温容器を伝熱する経路、又は電流リードを伝熱する経路が考えられる。
しかし、超電導電流リードを採用する場合、電流リードの超電導状態を維持できる様に冷却設備を設けなければならず、冷却コストが増大してしまう課題がある。
常温部に設置される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BiTe系半導体からなるペルチェ素子と、を備え、前記超電導応用機器と前記外部機器とを接続する電流リードであって、
前記ペルチェ素子の前記低温側電極、前記常温側電極との接合面に、半田反応層の生成を防止する、5〜40μm厚のNiめっき層が形成され、
前記低温側電極、前記常温側電極の前記ペルチェ素子との接合面に、酸化膜の生成を防止する、5〜40μm厚のAgめっき層が形成され、
前記ペルチェ素子、前記低温側電極、及び前記常温側電極が、前記Niめっき層と前記Agめっき層が対向するように配置され、これらが半田接合された構造を備えていることを特徴とする。
図2は、本発明の一実施の形態に係る電流リードを用いた超電導磁石装置を示す図である。
図2に示すように、超電導磁石装置1は、低温部に設置される超電導コイル11と、常温部に設置される電源12と、電源12と超電導コイル11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。
ペルチェ素子101と低温側電極102、ペルチェ素子101と常温側電極103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。ペルチェ素子101と低温側電極102、常温側電極103を半田接合する方法については、後述する。
また、ペルチェ素子101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。
何れの電流リード10A、10Bにおいても、ペルチェ素子101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101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11を効率よく冷却することができる。
図3に示すように、電流リード10において、ペルチェ素子101の一方の面には低温側電極102が半田付けにより接合され、他方の面には常温側電極103が半田付けにより接合されている。
コイルばね104には、低温側固定ボルト107を連結スペーサ111に螺着させることに伴い接合部Bに0.3〜17.0MPaの圧力が付与されるものが適用される。
具体的には、ペルチェ素子101の両端面(低温側電極102、第1の常温側電極103aとの接合面)には、Niめっき層が形成される。Niめっき層の厚さが5μ未満であると、BiTe系半導体からなるペルチェ素子101と半田が反応して半田反応層が形成され、ペルチェ素子101の特性を劣化させる要因となる。また、Niめっき層の厚さが40μmを超えるとめっき工程に長時間を要するために生産性が低下する上、ペルチェ素子101の特性も低下する。したがって、Niめっき層の厚さは、5〜40μmであることが望ましい。
また、Niめっき層、Agめっき層が最適な厚さで形成されるので、電流リード10の特性が経時的に低下することもない。したがって、安定した特性を有する信頼性の高い電流リード10を製造できるとともに、製造時の生産性を向上することができる。
実施例では、ペルチェ素子101の両端面に形成するNiめっき層の厚さ、低温側電極102、第1の常温側電極103aの一端面に形成するAgめっき厚さを変えて、複数の電流リード10を作製した。このとき、Niめっき層とAgめっき層の厚さは、両方の厚さが5〜40μmの範囲に入るように設定した。また、各試験片におけるNiめっき層とAgめっき層は同等の厚さとした。そして、作製した複数の電流リード10を用いて、熱履歴に対する評価を行った。めっき厚は、F40顕微鏡式膜厚測定システム(フィルメトリクス(株)製)を使用して測定した。
なお、実施例では、常温側電極103を一部材で構成し、保護管106及びフレキシブル導体105も省略した。
低温側電極102、常温側電極103には、断面形状が10mm×10mmの正方形で、長さが約100mmの無酸素銅を用いた。低温側電極102及び常温側電極103のペルチェ素子101との接合面には、Agめっき層を形成した。
そして、この状態で250℃まで昇温して60min間保持し、ペルチェ素子101と低温側電極102、ペルチェ素子101と常温側電極103を半田接合して、通電容量が100Aの電流リード10を作製した。
次に、電流リード10に直流電流を通電し、ペルチェ素子101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101の両端の温度は、低温側電極102、常温側電極103のペルチェ素子101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回繰り返して電流リード10に与えた(熱履歴試験)。
特に、Agめっき層、Niめっき層の両方を5〜30μmの厚さで形成した場合には、外観にクラック等の異常は発生せず、初期の電気抵抗、及び初期値からの劣化も小さくなることが確認された(実施例1〜3)。さらに、Agめっき層、Niめっき層の両方を5〜25μmの厚さで形成した場合には、初期の電気抵抗、及び初期値からの劣化が極めて小さくなることが確認された(実施例1、2)。
比較例では、Niめっき層とAgめっき層の何れかの厚さが、5〜40μmの範囲外となるように、それぞれの厚さを設定した。Niめっき層、Agめっき層の厚さ以外の条件は実施例と同じとした。
比較例に係る電流リードの構成、及び評価結果を表2に示す。
例えば、図5に示すように、低温側電極102が、2つの部材102a、102bに分割され、これらが可とう性を有するフレキシブル導体105により接続された電流リードにも、本発明を適用することができる。また、図1に示すような圧力調整機構(コイルばね104等)を備えていない従来型の電流リードにも本発明を適用することができる。
10 電流リード
11 超電導コイル
12 電源
13 低温容器
101 ペルチェ素子
102 低温側電極
103 常温側電極
104 コイルばね
105 フレキシブル導体
106 保護管
107 低温側固定ボルト
108 常温側固定ボルト
109 低温側固定板
110 常温側固定板
111 連結スペーサ
112 均圧板
B 接合部
Claims (5)
- 低温部に設置される超電導応用機器に接続される低温側電極と、
常温部に設置される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BiTe系半導体からなるペルチェ素子と、を備え、前記超電導応用機器と前記外部機器とを接続する電流リードであって、
前記ペルチェ素子の前記低温側電極、前記常温側電極との接合面に、半田反応層の生成を防止する、5〜40μm厚のNiめっき層が形成され、
前記低温側電極、前記常温側電極の前記ペルチェ素子との接合面に、酸化膜の生成を防止する、5〜40μm厚のAgめっき層が形成され、
前記ペルチェ素子、前記低温側電極、及び前記常温側電極が、前記Niめっき層と前記Agめっき層が対向するように配置され、これらが半田接合された構造を備えていることを特徴とする電流リード。 - 前記Agめっき層及び前記Niめっき層の厚さが、5〜30μmであることを特徴とする請求項1に記載の電流リード。
- 前記Agめっき層及び前記Niめっき層の厚さが、5〜25μmであることを特徴とする請求項2に記載の電流リード。
- 前記半田接合に用いられる半田のSn含有量が、90〜99重量%であることを特徴とする請求項1から3の何れか一項に記載の電流リード。
- 前記ペルチェ素子が、5〜50重量%のTeを含有し、
前記低温側電極及び前記常温側電極が、90重量%以上のCuを含有することを特徴とする請求項1から4の何れか一項に記載の電流リード。
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