JP6548292B2 - Current lead and method of manufacturing current lead - Google Patents
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- Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)
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及びその製造方法に関し、特に熱電変換素子を用いた熱電冷却型の電流リード及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a current lead connecting a superconducting applied device installed in a low temperature part and an external device installed in a room temperature part, and a method of manufacturing the same, particularly, a thermoelectric cooling type current lead using a thermoelectric conversion element and a method of manufacturing the same About.
近年、超電導ケーブルや超電導マグネット等、超電導を利用した超電導応用機器の分野では、実用化に向けてさかんに研究、開発が行われている。一般に、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。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。 BACKGROUND ART In recent years, in the field of superconducting applied devices such as a superconducting cable and a superconducting magnet that utilize superconductivity, research and development have been carried out toward practical use. In general, a superconducting application device is installed in a low temperature part (low temperature container) and connected to an external device (for example, a power supply) installed in a normal temperature part via a current lead. Since the operation of the superconducting application equipment is performed in a cryogenic environment, the heat insulation of the low temperature part is extremely important. If the thermal insulation property of the low temperature part is poor and the heat penetration to the low temperature part is large, the cooling efficiency of the superconducting applied equipment is lowered and the cooling cost for maintaining the superconducting state is increased. I can not drive. As a path of heat penetration into the low temperature portion, a path of heat transfer to the low temperature vessel or a path of heat transfer to the current lead can be considered.
低温容器を介した熱侵入を防止するための手法としては、液体窒素等の冷媒及び超電導応用機器を収容する冷媒槽と、冷媒槽の外側に設けられる真空槽とを有する二重構造の低温容器が知られている。この低温容器によれば、真空断熱により低温部への熱侵入が低減される。 As a method for preventing heat penetration through a low temperature container, a low temperature container of a double structure having a refrigerant tank containing a refrigerant such as liquid nitrogen and a superconducting applied device, and a vacuum tank provided outside the refrigerant tank It has been known. According to this low temperature container, the heat insulation to a low temperature part is reduced by vacuum insulation.
電流リードを介した熱侵入を防止するための手法としては、酸化物超電導体を用いた超電導電流リードが提案されている。酸化物超電導体は、金属導体に比較して電気抵抗が小さく、かつ熱伝導率が小さいため（銅の数１０分の１）、超電導電流リードにおけるジュール熱の発生はなく、低温部への伝熱量も極めて小さい。したがって、超電導電流リードによれば、低温部への熱侵入が低減される。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という課題がある。 A superconducting current lead using an oxide superconductor has been proposed as a method for preventing heat penetration through the current lead. Since the oxide superconductor has lower electric resistance and lower thermal conductivity than metal conductors (one-tenth of copper), there is no generation of Joule heat in the superconducting current lead, and conduction to the low temperature zone The amount of heat is also very small. Therefore, according to the superconducting current lead, heat penetration to the low temperature portion is reduced. However, in the case of employing a superconducting current lead, a cooling facility must be provided to maintain the superconducting state of the current lead, and there is a problem that the cooling cost increases.
そこで、電流リードを介した熱侵入を防止するための他の手法として、熱電変換素子（以下「ペルチェ素子」と称する）を利用した熱電冷却型電流リードが提案されている（例えば特許文献１〜３）。熱電冷却型電流リードにおいては、低温部の超電導応用機器に接続される低温側電極と、常温部の外部機器に接続される常温側電極とが、ペルチェ素子を介して接続される。具体的には、低温側電極とペルチェ素子の一端面が半田により接合され、同様に、ペルチェ素子の他端面と常温側電極が半田により接合される。以下において、低温側電極と常温側電極を区別しない場合は、単に電極と称することとする。
Therefore, as another method for preventing heat penetration through the current lead, a thermoelectric cooling type current lead using a thermoelectric conversion element (hereinafter referred to as "Peltier element") has been proposed (for example,
ペルチェ素子は、通電したときに一端側から吸熱し、他端側から放熱する機能を有する。ペルチェ素子は、例えばＢｉＴｅ（ビスマス−テルル）系の化合物半導体で構成される。ペルチェ素子がｐ型半導体で構成される場合は、電流の流入側で吸熱が生じ、流出側で発熱が生じる。逆に、ペルチェ素子がｎ型半導体で構成される場合は、電流の流入側で発熱が生じ、流出側で吸熱が生じる。したがって、熱電冷却型電流リードにおける通電方向に応じて、ｐ型半導体又はｎ型半導体で構成されるペルチェ素子を用いることで、通電時に低温部から常温部に向けて熱を移動させることができるので、低温部への熱侵入が低減される。 The Peltier element has a function of absorbing heat from one end side when conducting electricity and radiating heat from the other end side. The Peltier element is made of, for example, a compound semiconductor of BiTe (bismuth-tellurium) system. When the Peltier element is formed of a p-type semiconductor, heat absorption occurs on the inflow side of the current, and heat generation occurs on the outflow side. Conversely, when the Peltier element is formed of an n-type semiconductor, heat is generated on the inflow side of the current, and heat absorption is generated on the outflow side. Therefore, heat can be transferred from the low temperature portion toward the normal temperature portion at the time of energization by using the Peltier element formed of the p-type semiconductor or the n-type semiconductor according to the direction of current flow in the thermoelectrically cooled current lead. The heat penetration to the low temperature part is reduced.
上述したように、ペルチェ素子と電極とは半田付けにより接合される。しかしながら、ペルチェ素子と電極との接合部において、所定の接合強度が得られず、接合部が容易に破損することがあった。接合部の接合強度が低いと、電極間に配置されるペルチェ素子の位置ずれや脱落が発生しやすくなり、歩留まりが低下してしまう。また、接合部が破損しないまでも、接合部における接続抵抗が著しく高くなることもあった。 As described above, the Peltier element and the electrode are joined by soldering. However, in the bonding portion between the Peltier element and the electrode, a predetermined bonding strength can not be obtained, and the bonding portion may be easily broken. When the bonding strength of the bonding portion is low, positional deviation or dropping of the Peltier element arranged between the electrodes is likely to occur, and the yield is lowered. Moreover, even if the joint does not break, the connection resistance at the joint may be extremely high.
本発明者等が、破損した接合部又は接続抵抗が高い接合部を観察したところ、半田層に凹凸やボイド（微小な空隙）等の欠陥が発生することが分かった。また、ペルチェ素子と電極との半田接合工程を検討したところ、電極の素子接合面から半田が流出し、ペルチェ素子と電極との間に設計通りの半田層が形成されないことが分かった。 The inventors of the present invention observed that a broken joint or a joint having a high connection resistance showed that defects such as asperities and voids (minute gaps) were generated in the solder layer. In addition, when the step of solder bonding the Peltier element and the electrode was examined, it was found that the solder flowed out from the element bonding surface of the electrode and the solder layer as designed was not formed between the Peltier element and the electrode.
本発明の目的は、ペルチェ素子と電極とを半田付けにより強固に接合することができ、安定した特性を有する信頼性の高い電流リード及び電流リードの製造方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a highly reliable current lead having stable characteristics and a method of manufacturing the current lead, which can firmly bond a Peltier element and an electrode by soldering.
本発明に係る電流リードは、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、を備え、
前記低温側電極及び前記常温側電極の少なくとも一方は、前記熱電変換素子が配置される素子接合面に、前記熱電変換素子の配置領域を取り囲むように突出する突出枠部を有することを特徴とする。
The current lead according to the present invention is a current lead for connecting a superconducting applied device installed in a low temperature portion and an external device installed in a normal temperature portion,
A low temperature side electrode connected to the superconducting applied device;
A room temperature side electrode connected to the external device;
A thermoelectric conversion element in which the low temperature side electrode is joined to one side and the normal temperature side electrode is joined to the other side;
At least one of the low temperature side electrode and the normal temperature side electrode has a protruding frame portion protruding so as to surround an arrangement region of the thermoelectric conversion element on an element bonding surface on which the thermoelectric conversion element is arranged. .
本発明に係る電流リードの製造方法は、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の製造方法であって、
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の間に、半田箔を介在させた状態で熱電変換素子を挟持し、
前記低温側電極及び前記常温側電極の素子接合面における前記熱電変換素子の配置領域を突出枠部で取り囲み、
前記半田箔を溶融して前記熱電変換素子と前記低温側電極及び前記常温側電極とを接合することを特徴とする。
A method of manufacturing a current lead according to the present invention is a method of manufacturing a current lead for connecting a superconducting applied device installed in a low temperature portion and an external device installed in a normal temperature portion,
Between the low temperature side electrode connected to the superconducting applied device and the normal temperature side electrode connected to the external device, a thermoelectric conversion element is held in a state in which a solder foil is interposed,
An arrangement region of the thermoelectric conversion element on the element bonding surface of the low temperature side electrode and the normal temperature side electrode is surrounded by a projecting frame portion,
The solder foil is melted to bond the thermoelectric conversion element to the low temperature side electrode and the normal temperature side electrode.
本発明によれば、ペルチェ素子と電極とを半田付けする際に、接合部分から半田が流出せず、設計通りの厚さで高品質の半田層が形成されるので、ペルチェ素子と電極とを半田付けにより強固に接合することができる。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が提供される。 According to the present invention, when soldering the Peltier element and the electrode, the solder does not flow out from the joint portion, and a high-quality solder layer is formed with the thickness as designed. It can be firmly joined by soldering. Thus, a reliable current lead with stable characteristics is provided.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施の形態に係る電流リード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電流リード１０を備える。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。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail based on the drawings.
FIG. 1 is a view showing a
超電導コイル１１は、例えば、端末容器１４内に設置された真空断熱構造を有する低温容器１３内に収容され、液体ヘリウムによって冷却される。電源１２は、超電導コイル１１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。
The
電流リード１０は、ペルチェ効果を利用した熱電冷却型の電流リードである。電流リード１０は、ペルチェ素子１０１、低温側電極１０２、及び常温側電極１０３を備える。低温側電極１０２、常温側電極１０３は、電気抵抗の面からＣｕ含有量が９０重量％以上であることが好ましく、例えば純度９９．９９％以上の無酸素銅で構成される。
The
ペルチェ素子１０１の一方の面に低温側電極１０２が接合され、他方の面に常温側電極１０３が接合される。低温側電極１０２は超電導コイル１１に接続され、常温側電極１０３は電源１２に接続される。電流リード１０と超電導コイル１１、及び電流リード１０と電源１２は、例えば銅リード１５、１６によって接続される。
The low
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好ましい。ペルチェ素子１０１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。
In the
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。 In particular, from the viewpoint of the thermoelectric conversion efficiency, a BiTe-based semiconductor or a BiTeSb-based semiconductor having a Te content of 5 to 50% by weight is preferable. When a BiTe-based semiconductor or a BiTeSb-based semiconductor is applied, a good cooling capacity can be obtained in a temperature range from normal temperature to around 200 K. In addition, when a BiSb-based semiconductor is applied, a good cooling capability can be obtained in a temperature range from around 200 K to around the liquid nitrogen temperature (77 K).
電源１２の正極側に接続される電流リード１０Ａのペルチェ素子１０１にはｎ型半導体が適用され、負極側に接続される電流リード１０Ｂのペルチェ素子１０１にはｐ型半導体が適用される。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。
An n-type semiconductor is applied to the
電流リード１０Ａ、１０Ｂにおいては、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、超電導コイル１１を効率よく冷却することができる。
In the current leads 10A and 10B, heat absorption occurs on the low temperature side of the
端末容器１４は、例えば有底円筒形状を有し、上部の開口に電流リード固定用フランジユニット２０（以下「フランジユニット２０」と称する）が取り付けられる。端末容器１４は密閉され、超伝導磁石装置１の使用時（通電時）には、真空に排気される。
The
フランジユニット２０は、固定フランジ２０１及び輻射熱防止板２０２（常温側バッフル板２０２Ａ及び低温側バッフル板２０２Ｂ）を有する。固定フランジ２０１には、輻射熱防止板２０２を固定するためのシャフト２０３（常温側バッフル板用シャフト２０３Ａ及び低温側バッフル板用シャフト２０３Ｂ）が垂設される。低温側バッフル板用シャフト２０３Ｂは、常温側バッフル板２０２Ａの貫通穴（図示略）に挿通される。低温側バッフル板用シャフト２０３Ｂの外径は、常温側バッフル板２０２Ａの貫通穴の内径よりも小さく、互いに接触しない、すなわち直接熱伝導が行われないようになっている。
The
常温側バッフル板用シャフト２０３Ａ及び低温側バッフル板用シャフト２０３Ｂは、例えば同一円周上に等間隔で複数本設けられる。常温側バッフル板用シャフト２０３Ａの一端が固定フランジ２０１に固定され、他端には常温側バッフル板２０２Ａが固定される。低温側バッフル板用シャフト２０３Ｂの一端が固定フランジ２０１に固定され、他端には低温側バッフル板２０２Ｂが固定される。
For example, a plurality of the normal temperature side
固定フランジ２０１は、電流リード１０の取り付け位置に貫通穴（図示略）を有する。この貫通穴に電流リード１０が挿通され、常温側電極１０３が外部に露出した状態で固定フランジ２０１に固定される。同様に、常温側バッフル板２０２Ａ及び低温側バッフル板２０２Ｂは、電流リード１０の取り付け位置に、電流リード１０の外径よりも大径の貫通穴（図示略）を有する。固定フランジ２０１に電流リード１０が取り付けられる際、電流リード１０は常温側バッフル板２０２Ａ及び低温側バッフル板２０２Ｂの貫通穴に挿通される。
The fixing
ペルチェ素子１０１と低温側電極１０２との接合部Ｊ１（以下「低温側接合部Ｊ１」と称する）及びペルチェ素子１０１と常温側電極１０３との接合部Ｊ２（以下「常温側接合部Ｊ２」と称する）を含む接合部Ｊは、端末容器１４内に収容される。電流リード１０とフランジユニット２０を合わせて「電流リード付きフランジユニット」と称する。
Junction J1 of
常温側バッフル板２０２Ａは、低温側接合部Ｊ１よりも低温側に位置する。低温側バッフル板２０３は、低温側バッフル板２０２よりも低温側に位置する。電流リード１０に通電したとき、低温側接合部Ｊ１及び常温側接合部Ｊ２においてジュール熱が生じるが、このジュール熱の低温側への輻射は常温側バッフル板２０２Ａ及び低温側バッフル板２０２Ｂにより遮断される。そして、常温側バッフル板用シャフト２０３Ａ及び低温側バッフル板用シャフト２０３Ｂを通じて、固定フランジ２０１に伝達され、放熱される。
The normal temperature
固定フランジ２０１、常温側バッフル板２０２Ａ、低温側バッフル板２０２Ｂ、常温側バッフル板用シャフト２０３Ａ、及び低温側バッフル板用シャフト２０３Ｂ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）で形成される。ＧＦＲＰ製のものを用いることにより、輻射熱の流入を効果的に遮断することができる。
The fixed
図２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３は、ペルチェ素子１０１と低温側電極１０２及び常温側電極１０３との接合部Ｊを示す図である。図３Ａは接合部Ｊの側面図であり、図３Ｂは図３ＡにおけるＡ矢視断面図である。図４は、補強筒１０４を示す図である。図４Ａは補強筒１０４の側面図であり、図４Ｂは図４ＡにおけるＢ矢視断面図である。図５は、低温側電極１０２を示す図である。図５Ａは低温側電極１０２の側面図（フレキシブル導体接続前）であり、図５Ｂは図５ＡにおけるＣ矢視平面図である。図５Ｃはフレキシブル導体１０６を接続した後のかしめ部１０２ｃを示す平面図である。
FIG. 2 is a diagram showing a detailed configuration of the
図２に示すように、電流リード１０は、ペルチェ素子１０１、低温側電極１０２、常温側電極１０３、及び補強筒１０４を備える。電流リード１０の構成要素であるペルチェ素子１０１、低温側電極１０２、及び常温側電極１０３が配列される方向（図２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。
As shown in FIG. 2, the
また、電流リード１０は、低温側電極１０２のさらに低温側（軸方向下側）に、低温側補助電極１０５を備える。低温側電極１０２と低温側補助電極１０５は可撓性を有するフレキシブル導体１０６によって接続される。電流リード１０において、補強筒１０４が固定される部分、すなわちペルチェ素子１０１、低温側電極１０２、常温側電極１０３、低温側補助電極１０５、及びフレキシブル導体１０６を含む部分を「素子ユニット」と称する。
In addition, the
ペルチェ素子１０１は、例えば複数の円柱形状又は角柱形状を有し、低温側電極１０２及び常温側電極１０３によって挟持された状態で固定される。ペルチェ素子１０１は、１つであってもよいし、複数であってもよい。ここでは、低温側電極１０２と常温側電極１０３との間に１４個のペルチェ素子１０１が配置されているものとする（図３参照）。
The
低温側電極１０２は、図５に示すように、略円柱形状のペルチェ固定部１０２ａ、ペルチェ固定部１０２ａよりも大径のフランジ部１０２ｂ、及びかしめ部１０２ｃを有する。ペルチェ固定部１０２ａの端面にペルチェ素子１０１の一方の面が接合される。フランジ部１０２ｂは軸方向に貫通する貫通孔１０２ｇを有し、この貫通孔１０２ｇに電極固定ボルト１０８が挿通される。
As shown in FIG. 5, the low
かしめ部１０２ｃは、軸方向に形成された導体挿入口１０２ｆを有する。かしめ部１０２ｃは、導体挿入口１０２ｆにフレキシブル導体１０６の一端が挿入された状態で平面加圧される。かしめ部１０２ｃが塑性変形することにより、低温側電極１０２とフレキシブル導体１０６とがかしめにより接続される。適切に平面加圧を行うためには、かしめ部１０２ｃのかしめ治具と当接する面（図５Ｂにおけるかしめ部１０２ｃの左右の面）は平坦であることが好ましい。
The
かしめ部１０２ｃの径方向断面（図５Ｂ参照）において、導体挿入口１０２ｆは略矩形状を有し、かしめ方向（図５の左右方向）に片寄って配置される。フランジ部１０２ｂとかしめ部１０２ｃの境界部分において、導体挿入口１０２ｆに対応する部分には、切欠溝１０２ｅが形成される。かしめ部１０２ｃの一部（導体挿入口１０２ｆが形成されている部分）は、かしめ方向と直交する方向に膨出する（図５Ｃ参照）。導体挿入口１０２ｆをかしめ方向に片寄って配置することにより、フランジ部１０２ｂとかしめ部１０２ｃの連結部分の長さを確保することができるので、切欠溝１０２ｅを形成しても、強度が著しく低下することはない。
In the radial direction cross section (see FIG. 5B) of
図５Ｃに示す状態において、フレキシブル導体１０６の占積率は、５０％以上であることが好ましく、より好ましくは７０％以上である。これにより、接続抵抗が低く抑えられ、ジュール熱の発生を抑制できるので、電流リード１０を介した熱侵入を低減することができる。また、所定の接続強度が確保されるので、耐久性にも優れる。占積率とは、かしめ部１０２ｃの断面積におけるフレキシブル導体１０６が占める割合である。占積率は、例えば導体挿入口１０２ｆの形状、大きさ、及びかしめ時の加圧力により調整することができる。
In the state shown in FIG. 5C, the space factor of the
また、低温側電極１０２は、ペルチェ固定部１０２ａの端面の周縁部に沿って、軸方向に突出する突出枠部１０２ｄを有する（図３参照）。すなわち、ペルチェ素子１０１が配置される部分は、凹部となっている。なお、突出枠部１０２ｄは、ペルチェ素子１０１が配置される部分を取り囲むように形成されていればよく、ペルチェ固定部１０２ａの端面の周縁部に沿って形成されていなくてもよい。
In addition, the low
突出枠部１０２ｄの幅Ｗは、素子接合面の外径Ｄの３％よりも小さいと、突出枠部１０２ｄの強度が低く、加工性も悪くなる。一方、突出枠部１０２ｄの幅Ｗが素子接合面の外径Ｄの５％よりも大きいと、通電容量を考慮して電極径（素子接合面の外径Ｄ）を最適化した場合にペルチェ素子１０１の配置領域を確保できなくなる。したがって、突出枠部１０２ｄの幅Ｗは、低温側電極１０２の素子接合面の外径Ｄの３〜５％であることが好ましい。
When the width W of the protruding
突出枠部１０２ｄの高さＨは、高すぎると、強度低下に繋がり、加工性も悪くなる。また引っ掛かりやすくなるために取扱性も低下する。したがって、突出枠部１０２ｄの高さＨは、極端に高くする必要はなく、溶融半田が乗り越えて流出しない程度であればよい。
If the height H of the protruding
常温側電極１０３は、略円柱形状のペルチェ固定部１０３ａ、ペルチェ固定部１０３ａよりも大径のフランジ部１０３ｂ、及び胴部１０３ｃを有する。ペルチェ固定部１０３ａの端面にペルチェ素子１０１の他方の面が接合される。フランジ部１０３ｂは軸方向に貫通する貫通孔（図示略）を有し、この貫通孔に電極固定ボルト１０９が挿通される。また、フランジ部１０３ｂは、径方向に形成されるボルト固定穴（図示略）を有し、このボルト固定穴に補強筒固定ボルト１１３が螺合される。胴部１０３ｃは、フランジユニット２０の固定フランジ２０１の貫通穴に挿通され、この状態でシール金具１１４が取り付けられる。フランジ固定ナット１１５が胴部１０３ｃの雄ねじ部（図示略）に螺合され、シール金具１１４を介して固定フランジ２０１に締め付けられることにより、電流リード１０は固定フランジ２０１に固定される。
The normal
また、常温側電極１０３は、低温側電極１０２と同様に、ペルチェ固定部１０３ａの端面の周縁部に沿って、軸方向に突出する突出枠部１０３ｄを有する（図３参照）。すなわち、ペルチェ素子１０１が配置される部分は、凹部となっている。なお、突出枠部１０３ｄは、ペルチェ素子１０１が配置される部分を取り囲むように形成されていればよく、ペルチェ固定部１０３ａの端面の周縁部に沿って形成されていなくてもよい。
Further, the normal
ペルチェ素子１０１と低温側電極１０２、及びペルチェ素子１０１と常温側電極１０３は、例えば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。半田付けにより所定の接合強度を確保するため、ペルチェ素子１０１は、両端面（低温側電極１０２及び常温側電極１０３との接合面）に、Ｎｉめっき層を有することが好ましい。また、低温側電極１０２、常温側電極１０３は、ペルチェ素子１０１との接合面に、Ａｇめっき層を有することが好ましい。
The
低温側電極１０２及び常温側電極１０３によってペルチェ素子を挟持した状態で、低温側電極１０２の貫通孔１０２ｇに電極固定ボルト１０８が挿通され、連結スペーサー１０７に螺合される。また、常温側電極１０３の貫通孔（図示略）に電極固定ボルト１０９が挿通され、連結スペーサー１０７に螺合される。このとき、低温側電極１０２とペルチェ素子１０１との間及び常温側電極１０３とペルチェ素子１０１との間には、所定厚さの半田が配置される。
The
電極固定ボルト１０９と常温側電極１０３のフランジ部１０３ｂとの間には、圧縮ばね１１０及び圧縮ばね押さえ金具１１１が介在する。これにより、電極固定ボルト１０９を締め付けたときに、圧縮ばね押さえ金具１１１とフランジ部１０３ｂとの間で圧縮ばね１０９が圧縮され、付勢力が生じる。この付勢力により、接合部Ｊに適切な圧力が付与される。すなわち、圧縮ばね１１０及び圧縮ばね押さえ金具１１１により圧力調整機構が構成され、固定ボルト１０９の連結スペーサー１０７への締め込み量を調整することにより、接合部Ｊに加わる圧力を適宜に調整することができる。
The
低温側電極１０２と常温側電極１０３との間にペルチェ素子１０１が挟持された状態で半田接合が行われる。具体的には、ペルチェ素子１０１と低温側電極１０２との接合は、突出枠部１０２ｄが上方を向くように配置し、低温側電極１０２に通電して半田の溶融温度（約２５０℃）まで加熱することにより行われる。同様に、ペルチェ素子１０１と常温側電極１０３との接合は、突出枠部１０３ｄが上方を向くように配置し、常温側電極１０３に通電して半田の溶融温度（約２５０℃）まで加熱することにより行われる。
Solder bonding is performed in a state in which the
溶融に伴い半田は接合面から押し出されるが、突出枠部１０２ｄで堰止められるので、接合面（半田層）に凹凸やボイド（微小な空隙）等の欠陥は生じない。したがって、これらの欠陥に起因して、熱伝導性が低下したり、電気抵抗が増大したりするのを防止できる。
Although the solder is pushed out from the joint surface as it melts, since the solder is held by the projecting
低温側補助電極１０５は、低温側電極１０２と軸方向にほぼ対称な構造を有する。すなわち、低温側補助電極１０５は、リード固定部１０５ａ、リード固定部１０５ａよりも大径のフランジ部１０５ｂ、及びかしめ部１０５ｃを有する。リード固定部１０５ａに銅リード１５が接続される。フランジ部１０５ｂは、径方向に形成されるボルト固定穴を有し、このボルト固定穴に補強筒固定ボルト１１２が螺合される。かしめ部１０５ｃは、軸方向に形成された導体挿入口（図示略）を有する。この導体挿入口にフレキシブル導体１０６の他端が挿入された状態で平面加圧される。かしめ部１０５ｃが塑性変形することにより、低温側補助電極１０５とフレキシブル導体１０６とがかしめにより接続される。かしめ部１０５ｃの構造は、低温側電極１０２のかしめ部１０２ｃと同様であるので説明を省略する。
The low temperature side
フレキシブル導体１０６は、例えば平編み銅線で構成される。フレキシブル導体１０４は、電流リード１０に生じる曲げや歪み、特にペルチェ素子１０１、低温側電極１０２、常温側電極１０３の接合部Ｊに生じる曲げや歪みを吸収する。
The
補強筒１０４は、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に、この外力を直接受ける補強部材であり、少なくともペルチェ素子１０１と、低温側電極１０２及び常温側電極１０３ａとの接合部Ｊの周囲を取り囲むように配置される。補強筒１０４は、補強筒固定ボルト１１２、１１３により、低温側補助電極１０５及び常温側電極１０３に固定される。
The reinforcing
補強筒１０４には、ＧＦＲＰ製のものが好適である。ＧＦＲＰ製の補強筒１０４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、補強筒１０４で覆われた内部の素子ユニットの温度上昇、及びこれに伴う機器の損傷、劣化を防止することができる。
The reinforcing
補強筒１０４は、周面の一部に切欠窓１０４ａを有する。切欠窓１０４ａの数、形状、大きさ、及び位置は特に制限されない。補強筒１０４に切欠窓１０４ａを設けることにより、補強筒１０４を用いない場合と同様に、効率よく真空排気を行うことができる。
The reinforcing
切欠窓１０４ａは、外部から接合部Ｊの全部を観察できるように、形状、大きさ、及び位置が設定されるのが好ましい。外部から接合部Ｊを観察する観点から、切欠窓１０４ａは、機械的な強度が確保される範囲で、大きい方が好ましい。切欠窓１０４ａの寸法は、補強筒１０４の材料と厚みを考慮して適宜に設定される。
The
ここでは、切欠窓１０４ａは、例えば軸方向の長さが接合部Ｊの軸方向の長さ以上である矩形窓である。また、切欠窓１０４ａは、周方向に沿って等間隔で設けられる。この場合、形成間隔（図４Ｂの角度φに相当）は中心角で９０°未満であることが好ましい。これにより、外部から接合部Ｊの全部を容易に観察することができる。
Here, the
このように、電流リード１０は、超電導コイル１１（超電導応用機器）に接続される低温側電極１０２と、電源１２（外部機器）に接続される常温側電極１０３と、一方の面に低温側電極１０２が接合され、他方の面に常温側電極１０３が接合されるペルチェ素子１０１（熱電変換素子）と、を備える。低温側電極１０２及び常温側電極１０３は、ペルチェ素子１０１が配置される素子接合面に、ペルチェ素子の配置領域を取り囲むように突出する突出枠部１０２ｄ、１０３ｄを有する。
Thus, the
電流リード１０によれば、ペルチェ素子１０１と低温側電極１０２及び常温側電極１０３とを半田接合する際に、素子接合面から半田が流出せず、設計通りの厚さで高品質の半田層が形成されるので、ペルチェ素子１０１と低温側電極１０２及び常温側電極１０３とを半田付けにより強固に接合することができる。したがって、電流リード１０は、安定した特性を有する信頼性の高いものとなる。
According to the
[実施例]
実施例では、図２に示す電流リードにおいて、各構成要素を表１に示す構成とした。低温側電極の突出枠部の幅Ｗは、素子接合面の外径Ｄの４％とした。実施例では、ペルチェ素子と電極を半田接合する際、素子接合面からの半田の流出は見られなかった。実施例に係る電流リードについて、耐荷重試験及び抵抗測定を実施した。耐荷重試験では、電流リードに通電した状態で、徐々に荷重を増加していき、電流リードの抵抗値が上昇する直前の荷重を試料の耐荷重とした。接続抵抗試験では、電流リードの低温側電極に取り付けた熱電対取り付け位置の抵抗を測定し、測定された合成抵抗から素子抵抗を差し引いた値を接続抵抗とした。
[Example]
In the embodiment, in the current lead shown in FIG. The width W of the protruding frame portion of the low temperature side electrode was 4% of the outer diameter D of the element bonding surface. In the example, when the Peltier element and the electrode were solder-bonded, no flow of the solder from the element bonding surface was observed. A load resistance test and resistance measurement were performed on the current leads according to the examples. In the load resistance test, the load is gradually increased in a state where current is applied to the current lead, and the load immediately before the increase in the resistance value of the current lead is regarded as the load resistance of the sample. In the connection resistance test, the resistance of the thermocouple attachment position attached to the low temperature side electrode of the current lead was measured, and the value obtained by subtracting the element resistance from the measured combined resistance was used as the connection resistance.
[比較例]
比較例では、ペルチェ素子、低温側電極、及び常温側電極として表１に示す仕様のものを採用した。すなわち、低温側電極及び常温側電極として、突出枠部のないものを採用している点が実施例と異なり、その他の構成は同じである。比較例では、ペルチェ素子と電極を半田接合する際、素子接合面からの半田の流出が見られた。比較例に係る電流リードについて、実施例と同様に評価した。
[Comparative example]
In the comparative example, the thing of the specification shown in Table 1 was employ | adopted as a Peltier device, the low temperature side electrode, and the normal temperature side electrode. That is, unlike the embodiment, the low temperature side electrode and the normal temperature side electrode have no projecting frame portion, and the other configurations are the same. In the comparative example, when the Peltier element and the electrode were solder-bonded, the flow of the solder from the element bonding surface was observed. The current lead according to the comparative example was evaluated in the same manner as the example.
表２に、実施例及び比較例に係る電流リードの評価結果を示す。表２に示すように、実施例の電流リードでは、比較例の電流リードに比較して、耐荷重、接続抵抗ともに良好な結果が得られた。実施例の半田接合工程では、溶融半田が素子接合面から流出せず、ボイドのない良質な半田層が形成されたためと考えられる。 Table 2 shows the evaluation results of the current leads according to the example and the comparative example. As shown in Table 2, in the current lead of the example, good results were obtained in both the load resistance and the connection resistance as compared with the current lead of the comparative example. It is considered that in the solder bonding process of the example, the molten solder did not flow out from the element bonding surface, and a void-free high quality solder layer was formed.
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。 As mentioned above, although the invention made by the present inventor was concretely explained based on an embodiment, the present invention is not limited to the above-mentioned embodiment, and can be changed in the range which does not deviate from the gist.
低温側電極１０２及び常温側電極１０３の構造、並びに素子ユニットを補強筒１０４に固定する構造は、実施の形態で説明したものに限定されず、例えば特許文献３に記載の構造を適用することもできる。すなわち、低温側電極１０２を、熱電変換素子１０１に接合される低温側コア電極と、一端側が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、を有する構成とし、常温側電極１０３を、熱電変換素子１０１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、を有する構成としてもよい。この場合、低温側コア電極と低温側キャップ電極との間、及び常温側コア電極と常温側キャップ電極との間に多点接触式の接触子を介在し、固定部材により低温側キャップ電極と常温側キャップ電極とを連結する。素子ユニットは、熱電変換素子、低温側コア電極、及び常温側コア電極を含んで構成され、軸方向端部側に隙間がある状態で低温側キャップ電極と常温側キャップ電極とに挟持され、軸方向に移動可能な状態で維持される。
The structures of the low
実施の形態では、突出枠部１０２ｄ、１０３ｄを有する低温側電極１０２及び常温側電極１０３を用いているが、突出枠部１０２ｄ、１０３ｄのない低温側電極１０２及び常温側電極１０３を用いて、半田接合する際に、素子接合面に突出枠部材を配置し、ペルチェ素子１０１の配置領域を取り囲むようにしてもよい。
In the embodiment, the low
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。 It should be understood that the embodiments disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is indicated not by the above description but by the claims, and is intended to include all the modifications within the meaning and scope equivalent to the claims.
１ 超電導磁石装置
１０ 電流リード
１１ 超電導コイル
１２ 電源
１３ 低温容器
１４ 端末容器
１５、１６ 銅リード
１０１ ペルチェ素子
１０２ 低温側電極
１０２ｃ かしめ部
１０２ｄ 突出枠部
１０３ 常温側電極
１０３ｄ 突出枠部
１０４ 補強筒
１０４ａ 切欠窓
１０５ 低温側補助電極
１０５ｃ かしめ部
１０６ フレキシブル導体
２０ 電流リード固定用フランジユニット
２０１ 固定フランジ
２０２ 輻射熱防止板
２０２Ａ 常温側バッフル板
２０２Ｂ 低温側バッフル板
２０３ シャフト
２０３Ａ 常温側バッフル板用シャフト
２０３Ｂ 低温側バッフル板用シャフト
DESCRIPTION OF
Claims (6)
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、を備え、
前記低温側電極及び前記常温側電極の少なくとも一方は、前記熱電変換素子が配置される素子接合面に、前記熱電変換素子の配置領域を取り囲むように突出する突出枠部を有することを特徴とする電流リード。 A current lead that connects a superconducting applied device installed in a low temperature part and an external device installed in a normal temperature part,
A low temperature side electrode connected to the superconducting applied device;
A room temperature side electrode connected to the external device;
A thermoelectric conversion element in which the low temperature side electrode is joined to one side and the normal temperature side electrode is joined to the other side;
At least one of the low temperature side electrode and the normal temperature side electrode has a protruding frame portion protruding so as to surround an arrangement region of the thermoelectric conversion element on an element bonding surface on which the thermoelectric conversion element is arranged. Current lead.
前記接合部に加わる圧力を調整可能な圧力調整機構を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電流リード。 A low temperature side joint portion between the thermoelectric conversion element and the low temperature side electrode, and a joint portion including a normal temperature side joint portion between the thermoelectric conversion element and the normal temperature side electrode,
The current lead according to any one of claims 1 to 3, further comprising a pressure adjustment mechanism capable of adjusting the pressure applied to the joint.
前記常温側電極が、前記熱電変換素子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低温側キャップ電極との間、及び前記常温側コア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、
前記低温側キャップ電極と前記常温側キャップ電極とを連結する固定部材と、を備え、
前記熱電変換素子、前記低温側コア電極、及び前記常温側コア電極を含む部分で素子ユニットが構成され、
前記素子ユニットは、軸方向端部側に隙間がある状態で前記低温側キャップ電極と前記常温側キャップ電極とに挟持され、軸方向に移動可能な状態で維持されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電流リード。 The low temperature side core electrode to which the low temperature side electrode is joined to the thermoelectric conversion element, and the low temperature side cap electrode to which one end side is connected to the superconducting applied device and the other end side is connected to the low temperature side core electrode by a plug and socket structure And
The room temperature side core electrode joined to the thermoelectric conversion element, and the room temperature side cap electrode connected to the room temperature side core electrode by plug-socket structure with the other end side connected to the external device at one end side And have
A multipoint contact type contact interposed between the low temperature side core electrode and the low temperature side cap electrode, and between the normal temperature side core electrode and the normal temperature side cap electrode;
A fixing member for connecting the low temperature side cap electrode and the normal temperature side cap electrode;
An element unit is configured by a portion including the thermoelectric conversion element, the low temperature side core electrode, and the normal temperature side core electrode,
The element unit is held between the low temperature side cap electrode and the normal temperature side cap electrode in a state where there is a gap on the end side in the axial direction , and the element unit is maintained in an axially movable state. The current lead according to any one of 1 to 3.
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の間に、半田箔を介在させた状態で熱電変換素子を挟持し、
前記低温側電極及び前記常温側電極の素子接合面における前記熱電変換素子の配置領域を突出枠部で取り囲み、
前記半田箔を溶融して前記熱電変換素子と前記低温側電極及び前記常温側電極とを接合することを特徴とする電流リードの製造方法。
A method of manufacturing a current lead for connecting a superconducting applied device installed in a low temperature portion and an external device installed in a normal temperature portion,
Between the low temperature side electrode connected to the superconducting applied device and the normal temperature side electrode connected to the external device, a thermoelectric conversion element is held in a state in which a solder foil is interposed,
An arrangement region of the thermoelectric conversion element on the element bonding surface of the low temperature side electrode and the normal temperature side electrode is surrounded by a projecting frame portion,
A method of manufacturing a current lead, comprising melting the solder foil to join the thermoelectric conversion element, the low temperature side electrode, and the normal temperature side electrode.
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