JPH06163998A - 超電導パッケージ素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 冷却部に搭載した超電導素子の極低温におけ
る温度安定性及び素子の信頼性を向上させ素子の性能を
有効に活用できる超電導パッケージ素子の提供。 【構成】 超電導素子を熱伝導性かつ電気絶縁性が高い
セラミックス外囲器に搭載収納し、該セラミックス外囲
器の開口部をガラス板で覆う。又、セラミックス外囲器
の内部が真空状態あるいは不活性ガス雰囲気中に保持す
る。更にセラミックス外囲器を高い熱伝導性を有する金
属材料による冷却板に密着して形成し、冷却板と薄い絶
縁体とを密着して形成し、一体形成することによって熱
的に連結するとともに、素子の極低温温度を測定するた
めの温度センサーを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超電導現象を示す素子
を電子方式又は気体圧縮、断熱膨張方式を用いた冷却器
によって冷却する場合に、冷却部へ取付け搭載を可能と
する超電導パッケージ素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】以前からある種の導電材料を極低温に冷
却することによって超電導現象である電気抵抗が零にな
ることはよく知られている。このような超電導現象を利
用することで高感度センサ素子、スイッチング素子、記
憶素子等のエレクトロニクス分野への応用に優れた利点
がある反面、極低温に冷却する必要があることから、広
く一般に利用されるには至っていないというのが実情で
ある。

【０００３】従来の極低温の冷却方法としては液体ヘリ
ウムもしくは液体窒素などの冷媒液体に直接素子を浸漬
したりあるいは、じかにつけずに断熱空間を隔てて間接
的に冷却し試料部への熱の出入を加減することで温度制
御できるような総称してクライオスタットと呼ばれるも
のに素子を入れる方法が用いられている。ただしこれら
の冷却方法を用いて素子を冷却する場合、長時間による
冷媒供給冷却や大型で高価な設備による冷却となり、小
型化及び長時間耐久を必要としているエレクトロニクス
分野への利用は殆んど不可能であった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】以上のように従来技術
による素子の冷却では長時間連続や小型化という点につ
いて配慮がされておらず、特に素子を各種センサーなど
のエレクトロニクス部品に応用するにあたり冷却方法の
点に問題がある。

【０００５】さらには、素子を冷媒液体の液体窒素等に
浸けることを繰り返すことにより、急激な温度変化によ
って結露を繰り返し、湿気によって素子の寿命を短くし
ており、素子の信頼性を低下させる原因になっている。

【０００６】そこで最近になって、ペルチェ効果を応用
した半導体素子で電流を通じると一端が発熱し、他端が
吸熱する作用を用いた冷却方法や、気体を高圧に圧縮
し、これをピストン式のシリンダで断熱膨張させて冷や
し、冷えた気体を蓄冷器である冷却部を通過させて熱交
換して次のサイクルへ送る冷却方法などの、電子式又は
気体圧縮、断熱膨張式の極低温冷却器が実用化されつつ
あり、これらの冷却器の冷却部に超電導素子を搭載する
ことが可能となって来た。ところが、現在の超電導素子
は試作レベルの素子で、電子式又は気体圧縮、断熱膨張
式の冷却方法における冷却部へ搭載できるような配慮は
されておらず、冷却部から素子への熱伝導性、温度変化
による素子の結露等の問題をかかえている。

【０００７】本発明は、上記課題を解決するためなされ
たものであり、その目的は、冷却部に搭載した超電導素
子の極低温における温度安定性、及び、素子の信頼性を
向上させ、素子の性能を有効に活用できる超電導パッケ
ージ素子を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の第１の超電導パッケージ素子は、電子方式
又は気体圧縮、断熱膨張方式の冷却による超電導現象を
示す素子を熱伝導性かつ電気絶縁性が高いセラミックス
外囲器に搭載収納するとともに、該セラミックス外囲器
の開口部をガラス板で覆うことによって気密封止を行う
ことを特徴としている。

【０００９】また、本発明の第２の超電導パッケージ素
子は、前記超電導現象を示す素子を収納した前記セラミ
ックス外囲器の内部が真空に保持されていることを特徴
としている。

【００１０】更に、本発明の第３の超電導パッケージ素
子は、前記超電導現象を示す素子を収納した前記セラミ
ックス外囲器の内部が不活性ガス雰囲気に保持されてい
ることを特徴としている。

【００１１】また、本発明の第４の超電導パッケージ素
子は、前記超電導現象を示す素子を効率的に冷却するた
め、前記セラミックス外囲器を高い熱伝導性を有する金
属材料による冷却板に密着して形成し、更に前記冷却板
と薄い絶縁体とを密着して形成し、一体形成することに
よって熱的に連結するとともに、素子の極低温温度を測
定するための温度センサーを備えたことを特徴としてい
る。

【００１２】

【作用】本発明による超電導パッケージ素子は、素子を
収納したセラミックス外囲器の内部を真空状態あるいは
不活性ガス雰囲気に保っているため、温度変化によるパ
ッケージ内部の結露を防ぐことが可能となり、また断熱
されているので冷却過程においても冷却達成時間が短縮
される。

【００１３】また、本発明による超電導パッケージ素子
は、電子式又は気体圧縮断熱膨張式による冷却器の冷却
部に直接搭載が可能となり、極低温において効率的に熱
伝でき、かつ冷却部の低温熱がロスなく素子に伝わるよ
うに連結できる。

【００１４】冷却器の温度可変又は温度ドリフトにおい
て素子の温度変化をとらえることができる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明に係る超電導パッケージ素子の
一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。本発明は、
冷媒液体に直接浸漬する方法やクライオスタットを用い
る方法以外の冷却方法で、最近実用化されつつあるペル
チェ効果等による電子式や、気体圧縮断熱膨張方式によ
るスターリングサイクル等の冷却方法を用いた場合にそ
の冷却部に搭載する素子に適用される。

【００１６】図１は実施例に係る超電導パッケージ素子
の内部状態を示す図である。超電導現象を示す素子１４
を熱伝導性かつ電気絶縁性が高いセラミックス外囲器１
２に接着する。接着剤は銀ペーストを用いているが、熱
伝導性が高い接着剤であれば銀ペースト以外でもよい。
素子１４と電極１３はワイヤーリード１１にて接続し、
セラミックス外囲器１２より外部に取り出しておく。そ
の後、セラミックス外囲器１２の内部に素子１４を搭載
し、ガラス１０にて気密封止することでパッケージ化す
る。

【００１７】パッケージ内部１５は、冷却部の温度が室
温から約７０°Ｋまで変化することで結露し、その際、
湿気によって素子に悪影響をおよぼすことから、一例と
して真空に保持する。

【００１８】尚、真空を保持することで冷却部の温度が
多少変化してドリフトしても、パッケージ内部が真空状
態で、真空断熱されていることから、素子１４自身には
すぐに温度変化があらわれない効果があり、又、冷却過
程においても冷却達成時間が短縮される効果がある。

【００１９】パッケージ内部１５は真空以外に窒素、ヘ
リウム、アルゴン、ネオン等の不活性ガス雰囲気にて封
止してもよい。また必要であれば、パッケージ内部１５
を樹脂による密封方法を用いてもよい。

【００２０】セラミックス外囲器１２は、各種の非金
属、金属の酸化物、炭化物、窒化物などを原料として熱
処理されたセラミックスで、電気絶縁性かつ熱伝導性の
良い材料として窒化アルミニウムセラミックスが好適で
ある。

【００２１】以上図１に示したような構造にすること
で、素子１４の冷却効果を損うことなくパッケージ化す
ることができる。

【００２２】図２に上記の実施例の全体図を示す。

【００２３】取付孔２０によって、冷却部に取付け可能
にした。ただし図２を気体圧縮、断熱膨張方式のスター
リングサイクル冷却器等に用いる場合は、次の問題点を
解決する為、図３のパッケージ素子を用いる。

【００２４】（１）素子を搭載する冷却部が図２の超電
導パッケージ素子より小型である。

【００２５】（２）冷却部が極低温まで温度制御が可能
であり、図２のままでは素子の温度変化を確認できな
い。

【００２６】これらの問題を解決し、スターリングサイ
クル冷却器等の冷却部に搭載可能とした実施例が図３で
ある。

【００２７】冷却部が小さいことから、セラミックス外
囲器１２の全体を効率的に冷却できるように、熱伝導率
の高い金属の冷却板３１を密着させ熱媒体とする。さら
に、薄いシートの絶縁体３２を冷却板３１と階層的に密
着させて一体化し、熱伝導率が良く、低温で使用できる
接着剤にて熱的に連結する。

【００２８】絶縁体３２は、冷却部と超電導パッケージ
素子の温度モニター用に取り付けられた熱電対３４と電
気的に絶縁する為のものである。尚、熱電対３４は、素
子１１の温度ではなく、熱電対３４先端の温度であるこ
とから参考値としかならず、必要に応じて使用できるよ
うにしておく。

【００２９】実際の素子温度は温度センサー３３でセラ
ミックス外囲器１２の内部に備え測定する。温度センサ
ー３３として熱電対ＣＲＣ（Ｅ）タイプを用いている
が、その他の構成材料の熱電対でもよく、さらには、白
金測温抵抗体、サーミスタを用いてもよい。ただし、温
度モニターを備える上で注意することは、熱電対などの
リード部分より流入する熱量により冷却効率を非常に悪
くすることから、リード線又は熱電対自身を０．２〜
０．０５ｍｍφ程度にする必要がある。

【００３０】セラミックス外囲器１２は気密封止してい
るので、温度モニター３３のリードは、温度用電極３０
に接続しておく。温度モニター３３の接着剤は素子１１
の接着剤と同じ銀ペーストを用いるのが望ましい。

【００３１】図３における実施例として、熱媒体として
の冷却板３１は銅板を、温度モニター３３は板状Ｅタイ
プ熱電対を使用した。

【００３２】図４は、素子温度をさらに精密に測定する
ことを前提に作成した温度測定方法の一例を示す図であ
る。図４（ａ）は薄いシート状の絶縁体４０をはさんで
板状の熱電対４１を素子１４の上部に備えることで素子
１４の表面温度を測定できる。図４（ｂ）においても同
じで、熱伝導率の高い銅板４２に細い熱電対をハンダ付
けし絶縁体４０をはさんで電気的に絶縁体する簡単な方
法にて表面温度が測定できる一例である。熱電対は図３
の温度用電極３０に、素子１４のワイヤーリード１１は
図３の電極１３に接続される。

【００３３】以上が本発明の超電導パッケージ素子の説
明であるが、以下に該素子を搭載している例を図５に示
す。

【００３４】気体圧縮、断熱膨張方式における冷却で、
最近極低温領域まで可能な小型冷却器としてスターリン
グサイクルクーラがある。本発明の超電導パッケージ素
子は、このスターリングサイクルクーラの冷却部である
コールドヘッド（コールドフィンガ）と呼ばれている小
さな冷却部に搭載することを目的の一つとして発明され
たものである。

【００３５】図３の超電導パッケージ素子を図５のよう
に搭載する。

【００３６】超電導パッケージ素子５０を冷却部である
コールドヘッド５１の先端５２に密着するように固定具
５３にてネジ留めする。その時、空気層が入らないよう
に高真空用グリースを先端５２と超電導パッケージ素子
５０の絶縁体３２の間に塗り熱的な連結を良くしてお
く。

【００３７】理想として、素子１４、熱電対３４はコー
ルドヘッド５１の先端５２上に位置するように搭載する
ことで、先端５２の低温度を効率的に伝えると共に、素
子１４自身に近い温度が取り込める。

【００３８】以上のように、図５はスターリングサイク
ルクーラ搭載例として示したが、ペルチェ効果を応用し
た素子に搭載することも可能で、ペルチェ効果素子は導
体であることから、絶縁体３２によって直接接触しない
ように設置する。

【００３９】本発明は、以上のように電子方式又は気体
圧縮、断熱膨張方式等の冷却部へ直接搭載できるように
配慮された超電導パッケージ素子である。無論、液体窒
素などの冷媒液体に直接浸漬したり、クライオスタット
の中に入れることも可能である。

【００４０】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、電子式又
は気体圧縮、断熱膨張式の冷却部に容易に搭載が可能と
なり、内部の素子においても確実に冷却部と熱的に連結
される超電導パッケージ素子が実現できる。

【００４１】さらに、これらの冷却方法の利点として、
容易に温度を変化させられることから、素子自身の特性
のバラツキに対しても、素子個々のベスト温度に調整が
可能となり、素子感度を向上させることができる。この
時、素子温度を確実にモニターできることから、今まで
以上に信頼性の高い測定、検出が可能となる。

【００４２】更に、結露等による湿気に起因する素子の
劣化を抑制し、素子の信頼性を向上させる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の超電導パッケージ素子内部
を示した断面図。

【図２】本発明の一実施例である超電導パッケージ素子
の全体図。

【図３】本発明の一実施例である冷却部に搭載できるよ
うに配慮された超電導パッケージ素子の全体図。

【図４】超電導パッケージ素子の温度測定方法の一例を
示す図。

【図５】冷却部への搭載方法の一実施例を示した図。

【符号の説明】

１０ ガラス １１ ワイヤーリード １２ セラミックス外囲器 １３ 電極 １４ 素子（チップ） ２０ 取付孔 ３０ 温度用電極 ３１ 冷却板 ３２ 絶縁体 ３３ 温度センサー ３４ 熱電対 ４０ 絶縁体 ４１ 板型熱電対 ４２ 銅板 ５０ 超電導パッケージ素子 ５１ コールドヘッド ５２ 冷却部先端 ５３ 固定具

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電子方式又は気体圧縮、断熱膨張方式の
   冷却による超電導現象を示す素子を熱伝導性かつ電気絶
   縁性が高いセラミックス外囲器に搭載収納するととも
   に、該セラミックス外囲器の開口部をガラス板で覆うこ
   とによって気密封止を行うことを特徴とする超電導パッ
   ケージ素子。
2. 【請求項２】 前記超電導現象を示す素子を収納した前
   記セラミックス外囲器の内部が真空に保持されているこ
   とを特徴とする請求項１記載の超電導パッケージ素子。
3. 【請求項３】 前記超電導現象を示す素子を収納した前
   記セラミックス外囲器の内部が不活性ガス雰囲気に保持
   されていることを特徴とする請求項１記載の超電導パッ
   ケージ素子。
4. 【請求項４】 請求項１記載の超電導パッケージ素子に
   おいて、前記超電導現象を示す素子を効率的に冷却する
   ため、前記セラミックス外囲器を高い熱伝導性を有する
   金属材料による冷却板に密着して形成し、更に前記冷却
   板と薄い絶縁体とを密着して形成し、一体形成すること
   によって熱的に連結するとともに、素子の極低温温度を
   測定するための温度センサーを備えたことを特徴とする
   超電導パッケージ素子。