JP5697161B2 - 電流リード - Google Patents
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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。
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。
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。
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。
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（例えば特許文献１〜３）。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、超電導電流リードは、電流リード自体を超電導状態に維持するための冷却設備が必要となり、冷却コストが増大してしまう欠点がある。
しかし、超電導電流リードは、電流リード自体を超電導状態に維持するための冷却設備が必要となり、冷却コストが増大してしまう欠点がある。
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）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４）。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電極（低温側電極）と、常温部の外部機器に接続される電極（常温側電極）とが、ペルチェ素子を介して接続される（図１参照）。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。
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。
なお、電極は、一般に純度９９．９９％以上の無酸素銅（ＯＦＣ：Oxygen-Free Copper）で構成される。
ところで、熱電冷却型電流リードにおいて、使用時に所望のペルチェ効果を得るためには、ペルチェ素子と電極との接合部を均一な保持力で固定する必要がある。ペルチェ素子に一定以上（例えば２０．０ＭＰａ以上）の圧力が加わるとペルチェ効果が低下し、さらにはペルチェ素子が損傷してしまう虞があるためである。
一方で、ペルチェ素子と電極を半田接合する際、ペルチェ素子と電極を一定圧以上（例えば０．２ＭＰａ以上）で押圧した状態で半田接合を行う必要がある。ペルチェ素子と電極が押圧されていない状態で半田接合を行うと、接合面に凹凸や微小な空隙等の欠陥が生じ、熱伝導性が低下するとともに、電気抵抗が増大する虞があるためである。
しかしながら、図１に示すように、従来の熱電冷却型電流リードは、ペルチェ素子と電極との接合部に加わる圧力を微調整できる構成となっていない。つまり、熱電冷却型電流リードが鉛直に配設されたときに、低温側電極及び低温側電極に接続される超電導線材の重量により接合部が損壊するのを防止するために、低温側固定板、常温側固定板で接合部が狭持固定され、補強されているにすぎない。
このように、従来の熱電冷却型電流リードにおいては、使用時や半田接合時に応じて、ペルチェ素子と電極との接合部に加わる圧力を適宜に調整することができないため、所望の特性（熱伝導性、電気抵抗など）を安定して実現することが困難となる。すなわち、従来の熱電冷却型電流リードでは、低温側固定板と常温側固定板を連結する連結具へのボルトの締め込みによってペルチェ素子に加わる圧力が調整されるため、締め込みが少しでもきついと使用時にペルチェ効果が低下してしまい、逆に締め込みが少しでも緩いと半田接合時に接合不良が生じてしまう。
また、熱電冷却型電流リードの設置時などに意図しない外力が働くと、接合部が固定されているためにペルチェ素子が直接衝撃を受けて損傷する虞がある。すなわち、従来の熱電冷却型電流リードは、取り扱い性の面でも問題がある。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、所望の特性を安定して実現できるとともに、取り扱い性の向上を図ることができ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半田により接合され、他方の面に前記常温側電極が半田により接合される熱電変換素子と、
前記熱電変換素子、前記低温側電極、前記常温側電極との接合部に加わる圧力を、当該電流リードの使用時と半田接合時とで異なる圧力に調整可能な圧力調整機構と、を備えることを特徴とする。
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半田により接合され、他方の面に前記常温側電極が半田により接合される熱電変換素子と、
前記熱電変換素子、前記低温側電極、前記常温側電極との接合部に加わる圧力を、当該電流リードの使用時と半田接合時とで異なる圧力に調整可能な圧力調整機構と、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、圧力調整機構を備えているので、使用時や半田接合時に応じて、ペルチェ素子と電極（低温側電極、常温側電極）との接合部を、所定の圧力範囲で容易に保持することができる。したがって、熱電冷却型電流リードにおいて所望の特性を安定して実現することができる。また、熱電冷却型電流リードの設置時などに意図しない外力が働いても、この外力は圧力調整機構によって吸収される。したがって、熱電冷却型電流リードの取り扱い性が格段に向上する。
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。
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。
超電導コイル１１は、例えば、真空断熱構造を有する低温容器１３内に設置され、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。
電流リード１０は、熱電変換素子であるペルチェ素子１０１を有する熱電冷却型の電流リードである。ペルチェ素子１０１の一方の面には超電導コイル１１に接続される低温側電極１０２が接合され、他方の面には電源１２に接続される常温側電極１０３が接合されている。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％以上であることが望ましく、例えば純度９９．９９％以上の無酸素銅で構成される。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。
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。
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。
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。
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。
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。
ここでは、常温側電極１０３が、２つの部材（第１の常温側電極１０３ａ、第２の常温側電極１０３ｂと称する）に分割されている。そして、第１の常温側電極１０３ａと第２の常温側電極１０３ｂは、可とう性を有するフレキシブル導体１０５により接続されている。フレキシブル導体１０５は、例えば平編み銅線で構成される。フレキシブル導体１０５は、電流リード１０、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Ｂに生じる曲げや歪みを吸収する。
円盤状の常温側固定板１１０の中央部には開口（図示略）が形成されており、この開口に第１の常温側電極１０３ａが挿嵌される。第１の常温側電極１０３ａには、常温側固定板１１０の開口よりも大径のフランジが形成される等により、常温側固定板１１０に第１の常温側電極１０３ａを挿嵌した状態で、第１の常温側電極１０３ａが脱落しないようになっている。常温側固定板１１０の周縁部には複数（例えば等間隔で４つ）の挿通孔が形成されており、この挿通孔に常温側固定ボルト１０８が挿通される。そして、常温側固定ボルト１０８が連結スペーサ１１１の一端側に螺着されることにより、第１の常温側電極１０３ａが固定される。
低温側電極１０２の固定態様も第１の常温側電極１０３ａの固定態様とほぼ同様である。すなわち、円盤状の低温側固定板１０９の中央部には開口（図示略）が形成されており、この開口に低温側電極１０２が挿嵌される。低温側電極１０２には、低温側固定板１０９の開口よりも大径のフランジが形成される等により、低温側固定板１０９に低温側電極１０２を挿嵌した状態で、低温側電極１０２が脱落しないようになっている。低温側固定板１０９の周縁部には複数（例えば等間隔で４つ）の挿通孔が形成されており、この挿通孔に低温側固定ボルト１０７が挿通される。そして、低温側固定ボルト１０７が連結スペーサ１１１の他端側に螺着されることにより、低温側電極１０２が固定される。
このように、ペルチェ素子１０１、低温側電極１０２、第１の常温側電極１０３ａとの接合部Ｂは、低温側固定板１０９と常温側固定板１１０により狭持された状態で、固定されている。
本実施の形態では、低温側固定ボルト１０７の頭部と低温側固定板１０９との間に付勢部材としてのコイルばね１０４を介在させている。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、コイルばね１０４が圧縮されて付勢力が生じるので、低温側固定板１０９を介して接合部Ｂには所定の圧力が加えられることになる。すなわち、低温側固定ボルト１０７の連結スペーサ１１１への締め込み量を調整することで、接合部Ｂに加わる圧力を適宜に調整することができる。
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０．２〜１７．０ＭＰａの圧力が付与されるものが適用される。
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０．２〜１７．０ＭＰａの圧力が付与されるものが適用される。
また、複数の低温側固定ボルト１０７を連結スペーサ１１１に螺着したときに、コイルばね１０４に生じる付勢力が低温側固定板１０９に均等に伝わるように、低温側固定ボルト１０７は低温側固定板１０９と同様の形状を有する均圧板１１２を介してコイルばね１０４を圧縮するようになっている。
さらに、ペルチェ素子１０１、低温側電極１０２、第１の常温側電極１０３ａとの接合部Ｂの外周には、円筒状の保護管１０６が配設されている。保護管１０６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る。
保護管１０６には、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製の保護管１０６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、保護管１０６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、劣化を防止することができる。
電流リード１０を作製する場合、まず、低温側電極１０２、第１の常温側電極１０３ａを上述したように固定した後、低温側電極１０２をコイルばね１０４が圧縮される方向に押し戻す。次に、低温側電極１０２と第１の常温側電極１０３ａの間に所定厚の固形半田を介在させてペルチェ素子１０１を配置する。
そして、接合部Ｂに加わる圧力が０．２ＭＰａ以上となるように、低温側固定ボルト１０７の連結スペーサ１１１への締め込み量を調整する。接合部Ｂに加わる圧力が０．２ＭＰａよりも小さい状態で半田接合を行うと、接合面に凹凸や微小な空隙等の欠陥が生じ、熱伝導性が低下するとともに、電気抵抗が増大する虞があるためである。
この状態で、半田の溶融温度（約２５０℃）まで昇温し、所定時間保持することで、欠陥のない安定した品質の半田層が形成されるので、ペルチェ素子１０１、低温側電極１０２、第１の常温側電極１０３ａが強固に接合される。
この状態で、半田の溶融温度（約２５０℃）まで昇温し、所定時間保持することで、欠陥のない安定した品質の半田層が形成されるので、ペルチェ素子１０１、低温側電極１０２、第１の常温側電極１０３ａが強固に接合される。
また、電流リード１０を使用する場合、接合部Ｂに加わる圧力が１７．０ＭＰａ以下となるように、低温側固定ボルト１０７の連結スペーサ１１１への締め込み量を調整する。ペルチェ素子１０１に１７．０ＭＰａより大きい圧力が加わるとペルチェ効果が低下し、さらにはペルチェ素子１０１が損傷してしまう虞があるためである。接合部Ｂに加わる圧力は、超電導磁石装置１に電流リード１０を設置した状態でも容易に調整される。
このように、本実施の形態に係る電流リード１０は、ペルチェ素子１０１と低温側電極１０２、第１の常温側電極１０３ａとの接合部Ｂに加わる圧力を調整する圧力調整機構を備えている。
具体的には、この圧力調整機構は、接合部Ｂを長手方向に狭持した状態で固定する固定部（低温側固定板１０９、低温側固定ボルト１０７、常温側固定板１１０、常温側固定ボルト１０８、連結スペーサ１１１）と、この固定部を押圧する押圧部（コイルばね１０４、均圧板１１２、低温側固定ボルト１０７）と、を有している。
具体的には、この圧力調整機構は、接合部Ｂを長手方向に狭持した状態で固定する固定部（低温側固定板１０９、低温側固定ボルト１０７、常温側固定板１１０、常温側固定ボルト１０８、連結スペーサ１１１）と、この固定部を押圧する押圧部（コイルばね１０４、均圧板１１２、低温側固定ボルト１０７）と、を有している。
電流リード１０によれば、使用時や半田接合時に応じて、ペルチェ素子１０１と電極（低温側電極１０２、第１の常温側電極１０３ａ）との接合部Ｂを、所定の圧力範囲で容易に保持することができる。圧力調整機構によりペルチェ素子１０１や周辺部材の寸法公差も吸収されるので、接合部Ｂを保持する圧力を調整することは極めて容易である。
したがって、電流リード１０において所望の特性（熱伝導性、電気抵抗など）を安定して実現することができる。
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ても、この外力は圧力調整機構によって吸収される。したがって、外力によりペルチェ素子１０１及びその周辺部材が損壊するのを防止できるので、電流リード１０の取り扱い性が格段に向上する。
したがって、電流リード１０において所望の特性（熱伝導性、電気抵抗など）を安定して実現することができる。
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ても、この外力は圧力調整機構によって吸収される。したがって、外力によりペルチェ素子１０１及びその周辺部材が損壊するのを防止できるので、電流リード１０の取り扱い性が格段に向上する。
また、電流リード１０は、接合部Ｂの外周を覆う補強部材としての保護管１０６を備えている。したがって、電流リード１０の設置時などに意図しない外力が電流リード１０に働いても、接合部Ｂへの影響は最小限に抑えられるので、電流リード１０の特性を安定して維持することができる。
なお、電流リード１０の使用時には、保護管１０６の常温側は約１５０℃まで加熱され、また、保護管１０６の低温側は約−１００℃まで冷却されるため、保護管１０６と内部の構造体（低温側電極１０２、常温側電極１０３等）の線膨張率の差により熱歪みが生じると考えられる。しかし、この熱歪みはフレキシブル導体１０５によって吸収されるため、接合部Ｂには期待通りの圧力だけが作用することとなる。
なお、電流リード１０の使用時には、保護管１０６の常温側は約１５０℃まで加熱され、また、保護管１０６の低温側は約−１００℃まで冷却されるため、保護管１０６と内部の構造体（低温側電極１０２、常温側電極１０３等）の線膨張率の差により熱歪みが生じると考えられる。しかし、この熱歪みはフレキシブル導体１０５によって吸収されるため、接合部Ｂには期待通りの圧力だけが作用することとなる。
［実施例］
実施例では、圧力調整機構により接合部Ｂに加わる圧力を制御しながら半田接合を行い、電流リード１０を作製した。このとき、接合部Ｂに加わる圧力を０．２〜１７．０ＭＰａの範囲で変化させた。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。
なお、実施例では、圧力調整機構による効果を確認するために、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を省略した。
実施例では、圧力調整機構により接合部Ｂに加わる圧力を制御しながら半田接合を行い、電流リード１０を作製した。このとき、接合部Ｂに加わる圧力を０．２〜１７．０ＭＰａの範囲で変化させた。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。
なお、実施例では、圧力調整機構による効果を確認するために、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を省略した。
具体的には、ペルチェ素子１０１として、断面形状が１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形で、厚さ４ｍｍのＢｉＴｅＳｂ化合物半導体素子を用いた。ペルチェ素子１０１の低温側電極１０２との接合面、及び常温側電極１０３との接合面には、Ｎｉめっき層を形成した。
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。
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。
実施の形態で説明したように、ペルチェ素子１０１と低温側電極１０２との間、ペルチェ素子１０１と常温側電極１０３との間に、厚さ５０μｍのＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金からなる固形半田を挿入し、接合部Ｂに加わる圧力が０．２〜１７．０ＭＰａとなるように低温側固定ボルト１０７の連結スペーサ１１１への締め込み量を調整した。なお、接合部Ｂに加わる圧力は、ばねの縮み量の測定値から算出した。
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。
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。
作製した電流リード１０を用いて、まず、接合部Ｂの室温での電気抵抗（初期値）を、直流４端子法により測定した。
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）。
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）。
電流リード１０の熱履歴に対する評価は、熱履歴試験後の接合部Ｂ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。
実施例に係る電流リード１０の構成、半田接合条件（印加圧力）、及び評価結果を表１に示す。
表１に示すように、圧力調整機構により接合部Ｂに加わる圧力を０．２〜１７．０ＭＰａの範囲に調整した結果、熱履歴後においても接合部Ｂ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１〜６）。
また、前記圧力を０．３〜１５．０ＭＰａの範囲で調整した場合には、初期の電気抵抗が小さくなり、良好な結果が得られた（実施例２〜５）。
さらに、前記圧力を０．５〜１０．０ＭＰａに調整した場合には、初期の電気抵抗も極めて小さくなることが確認された（実施例３、４）。
また、前記圧力を０．３〜１５．０ＭＰａの範囲で調整した場合には、初期の電気抵抗が小さくなり、良好な結果が得られた（実施例２〜５）。
さらに、前記圧力を０．５〜１０．０ＭＰａに調整した場合には、初期の電気抵抗も極めて小さくなることが確認された（実施例３、４）。
［比較例］
比較例では、圧力調整機構のない従来構造の電流リード（図１参照）を作製し、熱履歴試験を行った。圧力調整機構の有無以外の条件は、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。
比較例では、圧力調整機構のない従来構造の電流リード（図１参照）を作製し、熱履歴試験を行った。圧力調整機構の有無以外の条件は、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。
表２に示すように、半田接合時に接合部Ｂに加わる圧力を別段調整しなかった場合は、実施例に比較して、初期の電気抵抗が大きく、熱履歴後の初期値に対する劣化も極めて大きい。また、外観に関しては、接合部Ｂにクラックが発生していた。接合部Ｂに加わる圧力が適切でなかったために、半田接合時に欠陥が生じたり、試験時にペルチェ素子が損傷したためと考えられる。このように、実施例と比較例との差は歴然であった。
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。
例えば、図４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により接続されるようにしてもよい。
例えば、図４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により接続されるようにしてもよい。
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。
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
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
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 (9)
- 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半田により接合され、他方の面に前記常温側電極が半田により接合される熱電変換素子と、
前記熱電変換素子、前記低温側電極、前記常温側電極との接合部に加わる圧力を、当該電流リードの使用時と半田接合時とで異なる圧力に調整可能な圧力調整機構と、を備えることを特徴とする電流リード。 - 前記圧力調整機構が、前記接合部を長手方向に狭持した状態で固定する固定部と、
前記固定部を押圧する押圧部と、を有することを特徴とする請求項１に記載の電流リード。 - 前記固定部が、前記低温側電極を固定する低温側固定板と、
前記常温側電極を固定する常温側固定板と、
前記低温側固定板と前記常温側固定板を連結する連結スペーサと、
前記連結スペーサに前記低温側固定板を固定する低温側固定ボルトと、
前記連結スペーサに前記常温側固定板を固定する常温側固定ボルトと、で構成され、
前記押圧部が、前記低温側固定ボルト又は前記常温側固定ボルトと、
前記低温側固定ボルト又は前記常温側固定ボルトを前記連結スペーサに締め付けたときに、前記低温側固定板又は前記常温側固定板を押圧する付勢部材と、で構成され、
前記低温側固定ボルト又は前記常温側固定ボルトによる前記連結スペーサへの締め付けにより、前記接合部に加わる圧力が調整されることを特徴とする請求項２に記載の電流リード。 - 前記圧力調整機構により、前記接合部に加わる圧力が、０．２〜１７．０ＭＰａの範囲に調整されてい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。
- 前記圧力調整機構により、前記接合部に加わる圧力が、０．３〜１５．０ＭＰａの範囲に調整されていることを特徴とする請求項４に記載の電流リード。
- 前記圧力調整機構により、前記熱電変換素子に加わる圧力が、０．５〜１０．０ＭＰａの範囲に調整されていることを特徴とする請求項５に記載の電流リード。
- 前記接合部の外周を覆う補強部材を備えることを特徴とする請求項１から６の何れか一項に記載の電流リード。
- 前記補強部材が、ガラス繊維強化プラスチックであることを特徴とする請求項７に記載の電流リード。
- 前記低温側電極又は前記常温側電極が、分割された２つの部材で構成され、両者間に可とう性を有するフレキシブル導体が介在することを特徴とする請求項１から８の何れか一項に記載の電流リード。
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