CN103931068A

CN103931068A - 电流引线

Info

Publication number: CN103931068A
Application number: CN201280054742.1A
Authority: CN
Inventors: 山口作太郎; 浜边诚; 引地康雄; 菅根秀夫; 箕轮昌啓
Original assignee: SWCC Showa Cable Systems Co Ltd
Current assignee: SWCC Corp
Priority date: 2011-11-14
Filing date: 2012-11-09
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2032-11-09
Also published as: WO2013073146A1; JP5697162B2; CN103931068B; JP2013105907A; KR20140097153A

Abstract

本发明的电流引线包括：与设置于低温部的超导应用设备连接的低温侧电极；与设置于常温部的外部设备连接的常温侧电极；以及在一个面接合有所述低温侧电极且在另一个面接合有常温侧电极的珀耳帖元件，该电流引线将超导应用设备和外部设备连接，其中，在珀耳帖元件的与低温侧电极、常温侧电极之间的接合面形成有5～40μm厚的Ni镀层，在低温侧电极、常温侧电极的与珀耳帖元件之间的接合面形成有5～40μm厚的Ag镀层，将珀耳帖元件、低温侧电极、以及常温侧电极以使Ni镀层和Ag镀层相对的方式而配置，珀耳帖元件、低温侧电极、以及常温侧电极具有进行了焊锡接合的结构。

Description

电流引线

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，在采用超导电流引线的情况下，存在以下问题：为了能够维持电流引线的超导状态，必须设置冷却设备，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个端面接合，同样地，利用焊锡将珀耳帖元件的另一个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

专利文献5：日本特表2005-538246号公报

专利文献6：日本特开2003-110154号公报

发明内容

发明要解决的问题

然而，在对珀耳帖元件和电极进行焊锡接合时，若电极表面氧化，则有可能生成氧化物层(绝缘层)，或者，有可能在接合面产生凹凸或微小的空隙等缺陷，导致热传导性的下降和电阻的增大。因此，以往，通过在电极表面(与珀耳帖元件之间的接合面)涂敷助焊剂(flux)来防止电极表面氧化。另外，作为防止金属表面氧化的技术，有预先在金属表面形成Ag等金属被膜的方法(例如，专利文献5)。

另外，在对由BiTe系半导体构成的珀耳帖元件和电极进行焊锡接合时，焊锡中的Sn和珀耳帖元件中的Te发生反应，有可能由于该焊锡反应层而使珀耳帖元件的特性劣化。因此，一般，在珀耳帖元件的与电极之间的接合面预先实施Ni等的涂镀(例如，专利文献6)。

但是，已知适用专利文献5、6记载的技术的热电冷却型的电流引线的特性随着时间而下降。即，若利用专利文献5、6记载的技术，则能够实现牢固的焊锡接合，但是，在对于热电冷却型的电流引线的适用上，需要进一步地进行改进。

本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于，能够提供具有稳定的特性的、可靠性高的电流引线，并且提供能够提高制造时的生产率的电流引线。

解决问题的方案

本发明的电流引线包括：与设置于低温部的超导应用设备连接的低温侧电极；与设置于常温部的外部设备连接的常温侧电极；以及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珀耳帖元件，该电流引线将所述超导应用设备和所述外部设备连接，其特征在于，在所述珀耳帖元件的与所述低温侧电极、所述常温侧电极之间的接合面形成有5～40μm厚的Ni镀层，在所述低温侧电极、所述常温侧电极的与所述珀耳帖元件之间的接合面形成有5～40μm厚的Ag镀层，将所述珀耳帖元件、所述低温侧电极、以及所述常温侧电极以使所述Ni镀层和所述Ag镀层相对的方式配置，并且具有将所述珀耳帖元件、所述低温侧电极、以及所述常温侧电极进行了焊锡接合的结构。

发明效果

根据本发明，利用形成于珀耳帖元件表面的Ni镀层防止了焊锡反应层的形成，利用形成于电极表面的Ag镀层防止了电极表面的氧化，因此，实现了牢固的焊锡接合。另外，由于以最佳的厚度形成Ni镀层、Ag镀层，所以也不会使电流引线的特性随着时间下降。因此，能够提供具有稳定的特性的可靠性高的电流引线，并且能够提高制造时的生产率。

附图说明

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是详细地表示焊锡接合部的图。

图5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)。关于对珀耳帖元件101和低温侧电极102、常温侧电极103进行焊锡接合的方法，将后述。

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。

另外，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0.3～17.0MPa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。

这时，如图4所示，对珀耳帖元件101、低温侧电极102、第一常温侧电极103a预先实施规定的涂镀处理。

具体而言，在珀耳帖元件101的两端面(与低温侧电极102、第一常温侧电极103a之间的接合面)形成了Ni镀层。若Ni镀层的厚度不到5μ，则由BiTe系半导体构成的珀耳帖元件101和焊锡发生反应而形成焊锡反应层，成为使珀耳帖元件101的特性劣化的主要原因。另外，若Ni镀层的厚度超过40μm，则需要长时间进行电镀工序，所以生产率下降，而且珀耳帖元件101的特性也下降。因此，优选Ni镀层的厚度为5～40μm。

另外，在低温侧电极102、第一常温侧电极103a的一个端面(与珀耳帖元件101之间的接合面)形成有Ag镀层。若Ag镀层的厚度不到5μ，则由无氧铜构成的低温侧电极102、第一常温侧电极103a在焊锡接合时发生氧化，而成为使珀耳帖元件101的特性劣化的主要原因。另外，若Ag镀层的厚度超过40μm，则需要长时间进行电镀工序，因此生产率下降，而且珀耳帖元件101的特性也下降。因此，优选Ag镀层的厚度为5～40μm。

此外，对于针对珀耳帖元件101的镀Ni、以及针对低温侧电极102、第一常温侧电极103a的镀Ag，可以适用电镀、化学镀(electroless plating)等公知的技术，但是，为了形成5～40μm的涂镀厚度，从质量方面考虑，优选使用电镀。

而且，对低温侧固定螺栓107向连结垫片111紧入的紧入量进行调整，以使施加于接合部B的压力为0.3MPa以上。这是因为，若以施加于接合部B的压力小于0.3MPa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，热传导性下降，并且电阻增大。在该状态下，升温到焊锡的溶融温度(大约250℃)，保持规定时间。

这样，在本实施方式中，在制造电流引线10时，在珀耳帖元件101的与低温侧电极102、常温侧电极103之间的接合面形成5～40μm厚的Ni镀层。另外，在低温侧电极102、第一常温侧电极103a的与珀耳帖元件101之间的接合面形成5～40μm厚的Ag镀层。而且，以使Ni镀层和Ag镀层相对的方式，配置珀耳帖元件101、低温侧电极102、和第一常温侧电极103a，来对它们进行焊锡接合。

由于在珀耳帖元件101的两端面形成了Ni镀层，所以，能够防止形成焊锡反应层。另外，由于在低温侧电极102、第一常温侧电极103a的表面形成了Ag镀层，所以能够防止电极表面氧化。因此，形成了没有缺陷的质量稳定的焊锡层，珀耳帖元件101、低温侧电极102、第一常温侧电极103a被牢固地接合。

另外，由于以最佳的厚度形成了Ni镀层、Ag镀层，所以，电流引线10的特性不会随着时间而下降。因此，能够制造具有稳定的特性的、可靠性高的电流引线10，并且能够提高制造时的生产率。

[实施例]

在实施例中，改变在珀耳帖元件101的两端面形成的Ni镀层的厚度、和在低温侧电极102、第一常温侧电极103a的一个端面形成的Ag镀层的厚度，制作了多个电流引线10。这时，将Ni镀层和Ag镀层的厚度设定为，双方的厚度在5～40μm的范围内。另外，将各试验片中的Ni镀层和Ag镀层设为同等厚度。而且，使用所制作的多个电流引线10进行针对热过程的评价。使用F40显微镜式膜厚测定系统(Filmetrics,Inc.(株)制)测定镀层厚度。

此外，实施例中，利用单个部件构成常温侧电极103，也省略了保护管106以及柔性导体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。

对于Ni镀层、Ag镀层的厚度，在实施例1中大约为7μm，在实施例2中大约为18μm，在实施例3中大约为27μm，在实施例4中大约为32μm，在实施例5中大约为38μm。

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，以使对接合部B施加适度的压力(例如，0.6MPa)。

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、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，确认了在以5～40μm的厚度形成Ag镀层、Ni镀层的双方的情况下，在外观上未发生裂纹等异常，初始电阻小，以及自初始值的劣化也少(实施例1～5)。

特别地，确认了在以5～30μm的厚度形成Ag镀层、Ni镀层的双方的情况下，在外观上未发生裂纹等异常，初始电阻小，以及自初始值的劣化也少(实施例1～3)。进而，确认了在以5～25μm的厚度形成Ag镀层、Ni镀层的双方的情况下，初始电阻小，以及自初始值的劣化极少(实施例1、2)。

[比较例]

比较例中，以使Ni镀层和Ag镀层的任意一者的厚度为5～40μm的范围之外的方式，设定各自的厚度。设为，Ni镀层、Ag镀层的厚度以外的条件与实施例相同。

将比较例的电流引线的结构、以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，在Ni镀层和Ag镀层的任意一者的厚度为5～40μm的范围之外的情况下，初始电阻大，相对于初始值的劣化也极大。另外，关于外观，在接合部B产生了裂纹。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，如图5所示，也可以将本发明适用于将低温侧电极102分割为两个部件102a、102b，将它们利用具有挠性的柔性导体105连接的电流引线。另外，也可以将本发明适用于如图1所示那样的不具备压力调整机构(螺旋弹簧104等)的以往类型的电流引线。

另外，只要Ni镀层、Ag镀层的厚度为5～40μm的范围内，可以分别不同。

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2011-248941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

1.一种电流引线，包括：

与设置于低温部的超导应用设备连接的低温侧电极；

与设置于常温部的外部设备连接的常温侧电极；以及

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珀耳帖元件，

该电流引线将所述超导应用设备和所述外部设备连接，

其特征在于，

在所述珀耳帖元件的与所述低温侧电极、所述常温侧电极之间的接合面形成有5～40μm厚的镍镀层，

在所述低温侧电极、所述常温侧电极的与所述珀耳帖元件之间的接合面形成有5～40μm厚的银镀层，

将所述珀耳帖元件、所述低温侧电极、以及所述常温侧电极以使所述镍镀层和所述银镀层相对的方式配置，并且具有将所述珀耳帖元件、所述低温侧电极、以及所述常温侧电极进行了焊锡接合的结构。

2.如权利要求1所述的电流引线，其特征在于，

所述银镀层以及所述镍镀层的厚度为5～30μm。

3.如权利要求2所述的电流引线，其特征在于，

所述银镀层以及所述镍镀层的厚度为5～25μm。

4.如权利要求1所述的电流引线，其特征在于，

用于所述焊锡接合的焊锡的锡含量为90～99重量％。

5.如权利要求1所述的电流引线，其特征在于，

所述珀耳帖元件含有5～50重量％的碲，

所述低温侧电极以及所述常温侧电极含有90重量％以上的铜。