CN103918149A - 电流引线 - Google Patents
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Abstract
本发明的电流引线将设置于低温部的超导应用设备和设置于常温部的外部设备连接，包括：与超导应用设备连接的低温侧电极；与外部设备连接的常温侧电极；在一个面接合有低温侧电极且在另一个面接合有常温侧电极的热电变换元件；以及对施加到由热电变换元件、低温侧电极、常温侧电极构成的接合部的压力进行调整的压力调整机构。利用压力调整机构，在使用电流引线时、或者进行焊锡接合时，适当地调整施加于热电变换元件的压力。
Description
技术领域
本发明涉及将设置于低温部的超导应用设备和设置于常温部的外部设备连接的电流引线，特别地，涉及使用热电变换元件的热电冷却型的电流引线。
背景技术
近年来，在超导电缆或超导磁铁等利用超导的超导应用设备的领域，面向实用化的研究、开发正在盛行。一般地，超导应用设备设置于低温部(低温容器)，通过电流引线与设置于常温部的外部设备(例如，电源)连接。
由于在极低温环境下运行超导应用设备，因此，低温部的绝热性极其重要。若低温部的绝热性差，侵入到低温部的热量多，则超导应用设备的冷却效率降低，从而用于维持超导状态的冷却成本增加，根据情况不同，有可能不能使超导应用设备运行。作为热量向该低温部侵入的路径，可以认为是在低温容器中进行传热的路径、或在电流引线中进行传热的路径。
作为用于防止热量经由低温容器侵入的方法，已知有具有容纳液体氮等制冷剂及超导应用设备的制冷剂槽、和设置于制冷剂槽的外侧的真空槽的双层结构的低温容器。根据该低温容器，通过真空绝热减少了热量向低温部的侵入。
作为用于防止热量经由电流引线侵入的方法，提出了使用氧化物超导体的超导电流引线(例如，专利文献1～3)。氧化物超导体与金属导体相比，电阻小，且热传导率小(铜的数十分之一)，因此，在超导电流引线中没有焦耳热产生，向低温部的传热量也极小。因此，通过超导电流引线，减少了热量的向低温部的侵入。
但是，超导电流引线存在以下缺点：需要用于将电流引线自身维持在超导状态的冷却设备，冷却成本增大。
因此，作为用于防止热量经由电流引线侵入的其他方法，提出了利用热电变换元件(以下，珀耳帖(Peltier)元件)的热电冷却型电流引线(例如，专利文献4)。在热电冷却型电流引线中，通过珀耳帖元件将与低温部的超导应用设备连接的电极(低温侧电极)和与常温部的外部设备连接的电极(常温侧电极)连接起来(参照图1)。具体而言，利用焊锡将低温侧电极与珀耳帖元件的一端面接合，同样地，利用焊锡将珀耳帖元件的另一端面与常温侧电极接合。以下，在不区别低温侧电极和常温侧电极的情况下，简称为电极。
珀耳帖元件具有在通电时从一端侧吸热，从另一端侧散热的功能。珀耳帖元件例如由BiTe(铋碲)系的化合物半导体构成。在珀耳帖元件由p型半导体构成的情况下，在电流的流入侧发生吸热现象，在流出侧发生放热现象。相反地，在珀耳帖元件由n型半导体构成的情况下，在电流的流入侧发生放热现象，在流出侧发生吸热现象。因此，通过根据热电冷却型电流引线中的通电方向，使用利用p型半导体或n型半导体构成的珀耳帖元件，能够在通电时使热量从低温部向常温部移动，因此减少了热量的向低温部的侵入。
此外，电极一般由纯度99.99％以上的无氧铜(OFC：Oxygen-Free Copper)构成。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平7-283023号公报
专利文献2：日本特开平9-153407号公报
专利文献3：日本特开平8-273922号公报
专利文献4：日本特开2004-6859号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，对于热电冷却型电流引线，为了在使用时得到所希望的珀耳帖效应，需要以均匀的保持力将珀耳帖元件和电极之间的接合部固定。这是因为，若在珀耳帖元件施加一定程度以上(例如，20.0MPa以上)的压力，则珀耳帖效应降低，进而有可能损伤珀耳帖元件。
另一方面，在对珀耳帖元件和电极进行焊锡接合时，需要在以一定压力以上(例如，0.2MPa以上)对珀耳帖元件和电极进行按压的状态下进行焊锡接合。这是因为，若在未将珀耳帖元件和电极按压的状态下进行焊锡接合，则有可能在接合面产生凹凸或微小的空隙等缺陷，使热传导性降低，并且使电阻增大。
但是，如图1所示，以往的热电冷却型电流引线不是能够对施加于珀耳帖元件和电极之间的接合部的压力进行微调的结构。总之，只是在铅直地配置了热电冷却型电流引线时，为了防止由于低温侧电极及与低温侧电极连接的超导线材的重量使接合部损坏，利用低温侧固定板、常温侧固定板将接合部夹持固定、增强。
这样，对于以往的热电冷却型电流引线，由于不能与使用时或焊锡接合时相应，适当地调整施加于珀耳帖元件和电极之间的接合部的压力，所以难以稳定地实现所希望的特性(热传导性、电阻等)。即，如果是以往的热电冷却型电流引线，则由于利用螺栓向将低温侧固定板和常温侧固定板连结的连结件的紧入来调整施加于珀耳帖元件的压力，因此，若紧入稍微紧，则在使用时珀耳帖效应会降低，相反地，若紧入稍微松，则在焊锡接合时会发生接合不良。
另外，若在设置热电冷却型电流引线时等作用了意想不到的外力，则，由于已经固定了接合部，从而有可能珀耳帖元件直接受到冲击而损伤。即，以往的热电冷却型电流引线在处理性方面也存在问题。
本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于，提供能够稳定地实现所希望的特性，并且能够实现处理性提高的热电冷却型的电流引线。
解决问题的方案
本发明的电流引线将设置于低温部的超导应用设备和设置于常温部的外部设备连接，其特征在于，包括：与所述超导应用设备连接的低温侧电极；与所述外部设备连接的常温侧电极；在一个面接合有所述低温侧电极且在另一个面接合有所述常温侧电极的热电变换元件；以及对施加到由所述热电变换元件、所述低温侧电极、所述常温侧电极构成的接合部的压力进行调整的压力调整机构。
发明效果
根据本发明，由于具备压力调整机构，因此能够与使用时或焊锡接合时相应，容易地以规定的压力范围保持珀耳帖元件和电极(低温侧电极、常温侧电极)之间的接合部。因此，能够在热电冷却型电流引线中稳定地实现所希望的特性。另外，即使在设置热电冷却型电流引线时等作用了意想不到的外力，也能够利用压力调整机构吸收该外力。因此，显著地提高了热电冷却型电流引线的处理性。
附图简单说明
图1是表示以往的热电冷却型电流引线的具体结构的图。
图2是表示一例使用了本发明一实施方式的电流引线的超导磁铁装置的图。
图3是表示实施方式的电流引线的详细结构的图。
图4是表示本发明的其他实施方式的电流引线的图。
符号说明
1超导磁铁装置
10电流引线
11超导线圈
12电源
13低温容器
101珀耳帖元件
102低温侧电极
103常温侧电极
104螺旋弹簧
105柔性导体
106保护管
107低温侧固定螺栓
108常温侧固定螺栓
109低温侧固定板
110常温侧固定板
111连结垫片
112均压板
B接合部
具体实施方式
以下，基于附图对本发明的实施方式详细地进行说明。
图2是表示使用了本发明一实施方式的电流引线的超导磁铁装置的图。
如图2所示，超导磁铁装置1包括：设置于低温部的超导线圈11；设置于常温部的电源12；以及将电源12和超导线圈11电连接的两个电流引线10。在区别两个电流引线10的情况下，称为电流引线10A、10B。
超导线圈11例如设置于具有真空绝热结构的低温容器13内，利用液体氦被冷却。电源12通过电流引线10提供对超导线圈11进行励磁所需的电流。
电流引线10是具有作为热电变换元件的珀耳帖元件101的热电冷却型的电流引线。在珀耳帖元件101的一个面接合有与超导线圈11连接的低温侧电极102，在另一个面接合有与电源12连接的常温侧电极103。对于低温侧电极102、常温侧电极103，从电阻方面考虑，希望Cu含量为90重量％以上，例如，由纯度99.99％以上的无氧铜构成。分别通过焊接将珀耳帖元件101与低温侧电极102、珀耳帖元件101与常温侧电极103接合。作为在这种情况下使用的焊锡，从耐热性方面考虑，优选使用Sn含量为90～99重量％的Sn-Ag-Cu(所谓的无铅焊锡)。
珀耳帖元件101例如由BiTe系、BiTeSb系、或BiSb系的化合物半导体构成。特别地，从热电变换效率方面考虑，优选是Te含量为5～50重量％的BiTe系半导体或BiTeSb系半导体。在适用BiTe系半导体或BiTeSb系半导体的情况下，在从常温到200K附近的温度范围，得到良好的冷却能力。另外，在适用BiSb系半导体的情况下，在从200K附近到液体氮温度(77K)附近的温度范围，得到良好的冷却能力。
另外，对于珀耳帖元件101，优选使用将成分调整成在室温以下的低温性能指数Z(＝α2/(κρ)，α：塞贝克(Seebeck)系数、κ：热传导率、ρ：比电阻)的值为最大的半导体。
作为与电源12的正极侧连接的电流引线10A的珀耳帖元件101适用n型半导体，作为与负极侧连接的电流引线10B的珀耳帖元件101适用p型半导体。例如，对于BiTe系半导体的通电型，通过添加SbI3而控制为n型，通过添加PbI3而控制为p型。另外，通过将构成元素的量从化学计量比稍微偏离，也能够控制BiTe系半导体的通电型。
在哪个电流引线10A、10B中，都是在珀耳帖元件101的低温侧发生吸热现象，在常温侧发生放热现象。即，在珀耳帖元件101中，通电时热量从低温侧向常温侧移动，因此，能够减少热量的向低温部的侵入，并且，能够有效地将超导线圈11冷却。
图3是表示实施方式的电流引线10的详细结构的图。
如图3所示，在电流引线10中，通过焊接在珀耳帖元件101的一个面接合有低温侧电极102，通过焊接在另一个面接合有常温侧电极103。
在此，常温侧电极103被分割成两个部件(称为第一常温侧电极103a、第二常温侧电极103b)。而且，第一常温侧电极103a和第二常温侧电极103b通过具有挠性的柔性导体105相互连接。柔性导体105例如由平针编织的铜线构成。柔性导体105吸收在电流引线10、特别是在由珀耳帖元件101、低温侧电极102、常温侧电极103构成的接合部B产生的弯曲和变形。
在圆盘状的常温侧固定板110的中央部形成有开口(图示略)，在该开口插入嵌装有第一常温侧电极103a。在第一常温侧电极103a，通过形成直径比常温侧固定板110的开口的直径大的凸缘等，从而在常温侧固定板110插入嵌装了第一常温侧电极103a的状态下，第一常温侧电极103a不会脱落。在常温侧固定板110的周边部形成有多个(例如，等间隔的四个)插通孔，在该插通孔插入有常温侧固定螺栓108。而且，通过在连结垫片111的一端侧将常温侧固定螺栓108拧紧，从而将第一常温侧电极103a固定。
低温侧电极102的固定方式也几乎与第一常温侧电极103a的固定方式相同。即，在圆盘状的低温侧固定板109的中央部形成有开口(图示略)，在该开口插入嵌装有低温侧电极102。在低温侧电极102，通过形成直径比低温侧固定板109的开口的直径大的凸缘等，从而在低温侧固定板109插入了低温侧电极102的状态下，低温侧电极102不会脱落。在低温侧固定板109的周边部形成有多个(例如，等间隔的四个)插通孔，在该插通孔插入有低温侧固定螺栓107。而且，通过在连结垫片111的另一端侧将低温侧固定螺栓107拧紧，从而将低温侧电极102固定。
这样，以由低温侧固定板109和常温侧固定板110夹持的状态，将由珀耳帖元件101、低温侧电极102、第一常温侧电极103a构成的接合部B固定。
在本实施方式中，在低温侧固定螺栓107的头部和低温侧固定板109之间插装有作为施力部件的螺旋弹簧104。随着将低温侧固定螺栓107拧紧在连结垫片111，螺旋弹簧104被压缩而产生作用力，因此，借助于低温侧固定板109在接合部B施加了规定的压力。即，通过调整低温侧固定螺栓107向连结垫片111的紧入量，能够适当地调整施加于接合部B的压力。
作为螺旋弹簧104，适用伴随将低温侧固定螺栓107在连结垫片111拧紧而在接合部B施加0.2～17.0MPa的压力的螺旋弹簧。
另外，在将多个低温侧固定螺栓107在连结垫片111拧紧时，低温侧固定螺栓107借助于与低温侧固定板109具有相同形状的均压板112将螺旋弹簧104压缩，以使在螺旋弹簧104产生的作用力均匀地传递到低温侧固定板109。
进而，在由珀耳帖元件101、低温侧电极102、第一常温侧电极103a构成的接合部B的外周设置有圆筒状的保护管106。保护管106是在设置电流引线10时等作用了意想不到的外力时，直接承受该外力的增强部件。
作为保护管106，优选是将玻璃纤维混入塑料中来提高强度的玻璃纤维增强塑料(GFRP：Glass Fiber Reinforced Plastics)制。通过使用GFRP制的保护管106，能够切断来自外部的热量流入，因此，能够防止由保护管106覆盖的内部的结构体的温度上升、以及伴随其的设备损伤、劣化。
在制作电流引线10时，首先，在将低温侧电极102、第一常温侧电极103a如上述那样固定后，将低温侧电极102向螺旋弹簧104被压缩的方向推回。接着，在低温侧电极102和第一常温侧电极103a之间插装规定厚度的固体焊锡，并配置珀耳帖元件101。
然后，调整低温侧固定螺栓107向连结垫片111的紧入量，以使施加于接合部B的压力为0.2MPa以上。这是因为，若在施加于接合部B的压力小于0.2MPa的状态进行焊锡接合，则有可能在接合面产生凹凸或微小的空隙等缺陷，热传导性降低，并且电阻增大。
在该状态下，升温至焊锡的溶融温度(约250℃)，保持规定时间，由此，形成没有缺陷的质量稳定的焊锡层，因此，珀耳帖元件101和低温侧电极102、第一常温侧电极103a被坚固地接合。
另外，在使用电流引线10时，调整低温侧固定螺栓107向连结垫片111的紧入量，以使施加于接合部B的压力为17.0MPa以下。这是因为，若在珀耳帖元件101施加大于17.0MPa的压力，则珀耳帖效应降低，并且，有可能损坏珀耳帖元件101。即使在已将电流引线10设置于超导磁铁装置1的状态下，也可容易调整施加于接合部B的压力。
这样，本实施方式的电流引线10具备对施加于珀耳帖元件101与低温侧电极102、第一常温侧电极103a之间的接合部B的压力进行调整的压力调整机构。
具体而言，该压力调整机构具有：以在长度方向夹持接合部B的状态进行固定的固定部(低温侧固定板109、低温侧固定螺栓107、常温侧固定板110、常温侧固定螺栓108、连结垫片111)；以及对该固定部进行按压的按压部(螺旋弹簧104、均压板112、低温侧固定螺栓107)。
通过电流引线10，能够与使用时或焊锡接合时相应地，在规定的压力范围容易地将珀耳帖元件101和电极(低温侧电极102、第一常温侧电极103a)之间的接合部B进行保持。由于通过压力调整机构也吸引珀耳帖元件101或周边部件的尺寸公差，因此，极其容易调整对接合部B进行保持的压力。
因此，能够在电流引线10稳定地实现所希望的特性(热传导性、电阻等)。
另外，即使在设置电流引线10时等作用了意想不到的外力，该外力也被压力调整机构吸收。因此，由于能够防止外力使珀耳帖元件101及其周边部件损坏，因此，显著地提高了电流引线10的处理性。
另外，电流引线10具备作为对接合部B的外周进行覆盖的增强部件的保护管106。因此，即使在设置电流引线10时等意想不到的外力作用于电流引线10，也能够将对接合部B的影响抑制在最小限，因此，能够稳定地维持电流引线10的特性。
此外，在使用电流引线10时，由于保护管106的常温侧被加热到大约150℃，另外，保护管106的低温侧被冷却到大约-100℃，因此，可以认为由于保护管106和内部的结构体(低温侧电极102、常温侧电极103等)的线性膨胀系数之差而产生热变形。但是，由于该热变形被柔性导体105吸收，因此，在接合部B只作用所期待的压力。
[实施例]
在实施例中，在利用压力调整机构对施加于接合部B的压力进行控制的同时进行焊锡接合，制作了电流引线10。这时，使施加于接合部B的压力在0.2～17.0MPa的范围进行变化。然后，使用所制作的多个电流引线10，进行针对热过程的评价。
此外，在实施例中，为了对压力调整机构的效果进行确认，利用单个部件构成常温侧电极103，省略了保护管106及柔性导体105。
具体而言，作为珀耳帖元件101，使用截面形状为10mm×10mm的正方形的、厚度为4mm的BiTeSb化合物半导体元件。在珀耳帖元件101的与低温侧电极102之间的接合面、及与常温侧电极103之间的接合面形成了Ni电镀层。
作为低温侧电极102、常温侧电极103，使用截面形状为10mm×10mm的正方形的、长度为约100mm的无氧铜。在低温侧电极102及常温侧电极103的与珀耳帖元件101之间的接合面形成了Ag电镀层。
如实施方式中说明的那样，在珀耳帖元件101与低温侧电极102之间、以及在珀耳帖元件101与常温侧电极103之间，插入厚度为50μm的由Sn-Ag-Cu合金构成的固体焊锡，对低温侧固定螺栓107向连结垫片111的紧入量进行了调整，以使施加于接合部B的压力为0.2～17.0MPa。此外，根据弹簧收缩量的测定值计算出施加于接合部B的压力。
然后，在该状态下，升温至250℃并保持60min，对珀耳帖元件101与低温侧电极102、以及对珀耳帖元件101与常温侧电极103进行焊锡接合，制作出最大允许电流为100A的电流引线10。
使用所制作的电流引线10，首先，利用直流4端子法测定接合部B的室温下的电阻(初始值)。
接着，对电流引线10通直流电流，调整电流值，以使珀耳帖元件101的两端的温度差为100℃以上。使用设置于低温侧电极102、常温侧电极103的珀耳帖元件101附近部位的热电偶，对珀耳帖元件101两端的温度进行了测定。
在保持具有该温度差的状态10分钟后，使通电中止，并放置于大气中，冷却至接合部B的温度成为室温为止。然后，对电流引线10重复该热过程50次(热过程试验)。
利用直流4端子法测定热过程试验后的接合部B在室温下的电阻，并与初始值比较，由此进行针对电流引线10的热过程的评价。另外，对热过程试验后的接合部B的外观进行了观察。
将实施例的电流引线10的结构、焊锡接合条件(施加压力)、及评价结果表示于表1。
表1
★：明显良好、◎：极其良好、○：良好、×：实际使用上有问题
如表1所示，作为利用压力调整机构将施加于接合部B的压力调整在0.2～17.0MPa的范围的结果，即使在热过程后，在接合部B也不产生裂纹等异常，也几乎没有电阻的劣化(实施例1～6)。
另外，在将所述压力在0.3～15.0MPa的范围进行了调整的情况下，初始的电阻变小，得到良好的结果(实施例2～5)。
进而，在将所述压力调整到0.5～10.0MPa的情况下，确认了初始的电阻也极小(实施例3、4)。
[比较例]
比较例中，制作了没有压力调整机构的以往结构的电流引线(参照图1)，进行了热过程试验。除了有无压力调整机构以外的条件与实施例相同。
将比较例的电流引线的结构、及评价结果表示于表2。
表2
★明显良好、◎极其良好、○良好、×实际使用上有问题
如表2所示，当在焊锡接合时没有特别地调整施加于接合部B的压力的情况下，与实施例相比，初始电阻较大，热过程后的相对于初始值的劣化也极大。另外，对于外观，在接合部B产生了裂纹。可以认为这是因为，由于施加于接合部B的压力不适当，所以，在焊锡接合时产生缺陷，或在试验时珀耳帖元件损坏。这样，实施例与比较例之差很显然。
以上，基于实施方式对本发明者完成的发明进行了具体说明，但是，本发明不限于上述实施方式，可以在不脱离其主旨的范围内进行变更。
例如，也可以如图4所示，将低温侧电极102分割成两个部件102a、102b，利用具有挠性的柔性导体105将这些连接。
应该认为，这次公开的实施方式的全部方面只是示例不是限制性的说明。本发明的范围不是上述的说明，而是由权利要求表示，包含与权利要求等同的意义及范围内的全部改变。
在2011年11月14日提出的日本专利申请特愿2011-248938号所包含的说明书、附图及摘要的公开内容全部引用于本申请。
Claims (9)
1.一种电流引线，将设置于低温部的超导应用设备和设置于常温部的外部设备连接，其特征在于，包括：
与所述超导应用设备连接的低温侧电极；
与所述外部设备连接的常温侧电极；
在一个面接合有所述低温侧电极且在另一个面接合有所述常温侧电极的热电变换元件；以及
对施加到由所述热电变换元件、所述低温侧电极、所述常温侧电极构成的接合部的压力进行调整的压力调整机构。
2.如权利要求1所述的电流引线，其特征在于，
所述压力调整机构具有：将所述接合部以在长度方向进行夹持的状态进行固定的固定部；以及
对所述固定部进行按压的按压部。
3.如权利要求2所述的电流引线，其特征在于，
所述固定部由以下部件构成：
对所述低温侧电极进行固定的低温侧固定板；
对所述常温侧电极进行固定的常温侧固定板；
将所述低温侧固定板和所述常温侧固定板连结的连结垫片；
将所述低温侧固定板固定于所述连结垫片的低温侧固定螺栓；以及
将所述常温侧固定板固定于所述连结垫片的常温侧固定螺栓，
所述按压部由以下部件构成：
所述低温侧固定螺栓或所述常温侧固定螺栓；以及
在已将所述低温侧固定螺栓或所述常温侧固定螺栓紧固在所述连结垫片时，对所述低温侧固定板或所述常温侧固定板进行按压的施力部件，
通过利用所述低温侧固定螺栓或所述常温侧固定螺栓向所述连结垫片紧固，对施加于所述接合部的压力进行调整。
4.如权利要求1所述的电流引线，其特征在于，
利用所述压力调整机构将施加于所述接合部的压力调整在0.2～17.0MPa的范围。
5.如权利要求4所述的电流引线，其特征在于，
利用所述压力调整机构将施加于所述接合部的压力调整在0.3～15.0MPa的范围。
6.如权利要求5所述的电流引线，其特征在于，
利用所述压力调整机构将施加于所述热电变换元件的压力调整在0.5～10.0MPa的范围。
7.如权利要求1所述的电流引线，其特征在于，
具有对所述接合部的外周进行覆盖的增强部件。
8.如权利要求7所述的电流引线，其特征在于，
所述增强部件是玻璃纤维增强塑料。
9.如权利要求1所述的电流引线，其特征在于，
所述低温侧电极或所述常温侧电极由分割了的两个部件构成，在两者之间插装有具有挠性的柔性导体。
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