熱電冷却型電流リード
【課題】熱電半導体素子と電極との接合部に働く面方向の剪断応力を低減し、接合部の破壊・損傷を防ぐこと。
【解決手段】熱電冷却型電流リード２００は、熱電半導体素子２２０と、熱電半導体素子２２０の通電方向の両端に接続した電極である発熱側電流端子２１０及び吸熱側電流端子２３０とを備える。熱電冷却型電流リード２００は、スリット２１２，２１３により端部２１１を４つの領域に分割し、４つの接合面２１４ａ−ｄを形成する。吸熱側電流端子２３０は、スリット２３２，２３３により端部２３１を４つの領域に分割し、４つの接合面２３４ａ−ｄを形成する。また、熱電半導体素子２２０は、発熱側電流端子２１０の端部２１１及び吸熱側電流端子２３０の端部２３１の分割に対応して４つに分割する。そして、対向する各接合面同士をハンダ等により接合する。
【解決手段】熱電冷却型電流リード２００は、熱電半導体素子２２０と、熱電半導体素子２２０の通電方向の両端に接続した電極である発熱側電流端子２１０及び吸熱側電流端子２３０とを備える。熱電冷却型電流リード２００は、スリット２１２，２１３により端部２１１を４つの領域に分割し、４つの接合面２１４ａ−ｄを形成する。吸熱側電流端子２３０は、スリット２３２，２３３により端部２３１を４つの領域に分割し、４つの接合面２３４ａ−ｄを形成する。また、熱電半導体素子２２０は、発熱側電流端子２１０の端部２１１及び吸熱側電流端子２３０の端部２３１の分割に対応して４つに分割する。そして、対向する各接合面同士をハンダ等により接合する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、常温の電源と低温の超電導コイルや超電導ケーブルとの電気的接続を行う熱電半導体を利用した熱電冷却型電流リードに関し、特に、熱電変換（ペルチェ効果）により冷却作用を行い、外部からの熱進入と自己のジュール熱を低減させる熱電冷却型電流リードに関する。
【背景技術】
【０００２】
極低温で稼動する超電導応用機器では、断熱が極めて重要である。外部からの熱進入が大きいと、その熱も冷却する必要が生じるため、冷却コストが増大し、場合によっては冷却することができずに運転が不可能となってしまう可能性がある。
【０００３】
外部からの熱進入経路は、２つある。１つは低温機器を納める容器を経由する経路であり、他の１つは常温にある電源と低温にある超電導コイル等とを接続する電流リードを通じて進入する経路である。容器として真空断熱容器を用い、低温機器部をその中に入れることにより容器からの熱進入を大きく低減することが可能である。
【０００４】
電流リードは、大きな熱進入の原因になる。電流リードは、例えばＯＦＣｕ（Ｏｘｙｇｅｎ Ｆｒｅｅ Ｃｏｐｐｅｒ）等の常電導体から形成され、高い電気伝導率を有するが、熱伝導率も高いため、常温空間からの熱が容易に侵入し低温空間側に流入してしまうことになる。熱進入のプロセスには、温度差による熱伝導と電流によって発生するジュール熱の２つのプロセスがある。
【０００５】
最近、常温側に常電導体、低温側に高温超電導体（酸化物超電導体）を設けた超電導電流リードが開発されている。高温超電導体は、酸化物であるため熱伝導率が低く、かつ、超電導のためジュール熱を生じない。
【０００６】
低温機器部が２０Ｋ以下の極低温（例えば液体ヘリウムによる浸漬冷却、液体ヘリウムを用いた伝熱冷却、冷凍機を用いた伝導冷却で運転する超電導マグネット）であれば、酸化物超電導体を用いた超電導電流リードを使用することにより、電流リードを通じた熱進入を低減することができる。これは、酸化物超電導体の低熱伝導率と、ジュール熱がゼロであることを利用している。しかし、この超電導電流リードは、低温機器部が６４Ｋ以上（例えば過冷却液体窒素による浸漬冷却で運転する超電導ケーブル）であると、超電導状態となるまで冷却されず、使用することができない。
【０００７】
この場合、例えば特許文献１に示すように、熱電半導体を用いた熱電冷却型電流リードを使用する。この熱電冷却型電流リードは、熱電半導体の低熱伝導率（Ｃｕの１／２００程度）と、ペルチェ効果（通電することにより片端から吸熱し他方の片端へ排熱する現象）によるヒートポンプ効果を利用する。具体的には、電源の正極側にＮ型熱電半導体素子を使用したＮ型の熱電冷却型電流リードを配置し、電源の負極側にＰ型熱電半導体素子を使用したＰ型の熱電冷却型電流リードを設置する。そして、電源からの電流がＮ型及びＰ型の熱電半導体素子を経て電源に戻る電流回路を構成する。ここで、超電導電流リードを設置できる場合、上記熱電冷却型電流リードと組み合わせて使用することも可能である。超電導電流リードを組み合わせて使用する場合は、さらに熱進入量の低減が期待できる。
【０００８】
熱電冷却型電流リードは、Ｎ型又はＰ型熱電半導体素子の両端部に、電極である発熱側電流端子及び吸熱側電流端子を接合した構成である。熱電半導体素子としてはＢｉＴｅ系又はＢｉＴｅＳｂ系が用いられる。ＢｉＴｅ化合物は、室温以下の温度領域において熱電特性が高い。熱電冷却型電流リードの両端部は、熱電半導体素子の発熱側電流端子及び吸熱側電流端子の接合面に、Ｎｉメッキを施し、ハンダにより接合する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−６８５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
熱電冷却型電流リードは、ジュール熱とヒートポンプ効果のバランスから、通電容量に合わせた横断面積の熱電半導体素子を使用する必要がある。通電容量が大きい場合は、使用する熱電半導体素子の断面積も大きくなる。すると、熱電半導体素子と、発熱側電流端子及び吸熱側電流端子の接合部において、通電時の温度変化による熱膨張又は熱収縮を受けて剪断応力が大きくなり、接合部の剥離や熱電半導体素子自体の破損が発生する虞がある。
【００１１】
Ｃｕ電極である発熱側電流端子及び吸熱側電流端子よりもＢｉＴｅ化合物からなる熱電半導体素子の方が機械的強度が低いため、熱電半導体素子の破損が問題となる。熱電半導体素子の破損に至らないまでも接合部の剥離等により熱電冷却型電流リードとして安定した特性と耐久性を得ることができない虞がある。
【００１２】
本発明の目的は、熱電半導体素子と電極との接合部に働く面方向の剪断応力を低減し、接合部の破壊・損傷を防ぐことができる熱電冷却型電流リードを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の第１の態様である熱電冷却型電流リードは、常温の電源と低温の超電導装置を接続する熱電冷却型電流リードであって、熱電半導体素子と、前記熱電半導体素子に接続される電極とを備え、前記熱電半導体素子と前記電極との接合面のうち、少なくともいずれか一方が分割されている構成を採る。
【００１４】
本発明の第２の態様は、第１の態様の熱電冷却型電流リードにおいて、前記接合面の分割は、スリットにより形成されている構成を採る。
【００１５】
本発明の第３の態様は、第１の態様又は第２の態様の熱電冷却型電流リードにおいて、前記電極は、二個一対であり、これらの電極の間に前記熱電半導体素子を介在させ、前記二個一対のうちの一方の電極と前記熱電半導体素子との接合面のうち、いずれか一方又は両方の接合面が分割されている構成を採る。
【００１６】
本発明の第４の態様は、第１乃至第３の態様のいずれかの態様である熱電冷却型電流リードにおいて、前記電極と前記熱電半導体素子との接合面のうち、いずれか一方又は両方の接合面が４分割されている構成を採る。
【００１７】
本発明の第５の態様は、第１乃至第４の態様のいずれかの態様である熱電冷却型電流リードにおいて、分割後の前記接合面の断面寸法に基づいて、前記スリットの深さ及び前記スリットの幅を設定する構成を採る。
【００１８】
本発明の第６の態様は、第１乃至第５の態様のいずれかの態様である熱電冷却型電流リードにおいて、前記熱電半導体素子は、ＢｉＴｅ化合物からなるＮ型又はＰ型熱電材料である構成を採る。
【００１９】
本発明の第７の態様は、第１乃至第６の態様のいずれかの態様である熱電冷却型電流リードにおいて、吸熱側の前記電極と前記超電導装置との間には、高温超電導体が接合される構成を採る。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、熱電半導体素子と電極との接合部に働く面方向の剪断応力を低減し、接合部の破壊・損傷を防ぐことができる。その結果、信頼性及び耐久性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施の形態に係る熱電冷却型電流リードの一例を模式的に示す図
【図２】本実施の形態に係る熱電冷却型電流リードの熱電半導体素子と電極との接合面の形成を示す斜視図
【図３】本実施の形態に係る熱電冷却型電流リードの構成を示す図
【図４】図３のＡ−Ａ矢視断面図
【図５】本実施の形態に係る熱電冷却型電流リードの他の断面形状を示す断面図
【図６】本実施の形態に係る熱電冷却型電流リードの熱電半導体素子と電極の構成を示す概略図
【図７】本実施の形態に係る熱電冷却型電流リードの熱電半導体素子と電極の構成を示す概略図
【図８】本実施の形態に係る熱電冷却型電流リードの熱電半導体素子と電極の構成を示す概略図
【図９】本実施の形態に係る熱電冷却型電流リードの熱電半導体素子と電極の構成を示す概略図
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２３】
図１は、本発明の一実施の形態に係る熱電冷却型電流リードの一例を模式的に示す図である。本実施の形態の熱電冷却型電流リードは、高温超電導体を接合した超電導電流リードを組み合わせて使用する例である。
【００２４】
図１に示すように、熱電冷却型電流リード１００は、室温環境下に設置された電源１１と極低温容器１２内に配設された超電導マグネット１３とを電気的に接続する。
【００２５】
熱電冷却型電流リード１００は、電源１１の正極側にＮ型熱電半導体素子を使用した第１の熱電冷却型電流リード１１０と、電源１１の負極側にＰ型熱電半導体素子を使用した第２の熱電冷却型電流リード１２０とからなる。
【００２６】
第１の熱電冷却型電流リード１１０は、発熱側電流端子（Ｃｕ：純度９９．９９％以上）１１１と、Ｎ型熱電半導体素子１１２と、吸熱側電流端子（Ｃｕ：純度９９．９９％以上）１１３とを有する。第１の熱電冷却型電流リード１１０は、Ｎ型熱電半導体素子１１２の両端部に、発熱側電流端子１１１及び吸熱側電流端子１１３を接合した構成である。Ｎ型熱電半導体素子１１２と発熱側電流端子１１１及び吸熱側電流端子１１３は、ハンダ（材質：例えばＳｎ-Ａｇ-Ｃｕ）等により接合される。
【００２７】
Ｎ型熱電半導体素子１１２と発熱側電流端子１１１及び吸熱側電流端子１１３との接合面には、スリット１１４により複数の分割領域が形成され、分割領域が形成された状態で両者は接合される。分割の詳細については、図２により後述する。
【００２８】
同様に、第２の熱電冷却型電流リード１２０は、発熱側電流端子１２１と、Ｐ型熱電半導体素子１２２と、吸熱側電流端子１２３とを有する。第２の熱電冷却型電流リード１２０は、Ｐ型熱電半導体素子１２２の両端部に、発熱側電流端子１２１及び吸熱側電流端子１２３を接合した構成である。Ｐ型熱電半導体素子１２２と発熱側電流端子１２１及び吸熱側電流端子１２３は、ハンダ（材質：例えばＳｎ-Ａｇ-Ｃｕ）等により接合される。
【００２９】
Ｐ型熱電半導体素子１２２と発熱側電流端子１２１及び吸熱側電流端子１２３との接合面には、スリット１２４により複数の分割領域が形成され、分割領域が形成された状態で両者は接合される。
【００３０】
Ｎ型及びＰ型熱電半導体素子１１２，１２２としては、例えば、ＢｉＴｅ系又はＢｉＴｅＳｂ系又はＢｉＳｂ系熱電半導体などが用いられる。より具体的には、ＢｉＴｅ系又はＢｉＴｅＳｂ系熱電半導体としては、Ｂｉ２Ｔｅ３、（ＢｉＳｂ）２Ｔｅ３などが用いられる。
【００３１】
これらの熱電半導体素子１１２，１２２は、不純物として例えばＳｂＩ３を添加することによりＮ型になり、例えばＰｂＩ３を添加することによりＰ型になる。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も、Ｎ型又はＰ型に変化させることができる。
【００３２】
ＢｉＴｅ系又はＢｉＴｅＳｂ系熱電半導体をペルチェ素子として利用した場合、常温から２００Ｋ付近までの温度範囲で良好な冷却能力を得ることができる。また、ＢｉＳｂ系熱電半導体をペルチェ素子として利用した場合、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を得ることができる。
【００３３】
Ｎ型及びＰ型熱電半導体素子１１２，１２２は、室温以下の低温において、性能指数Ｚ（Ｚ＝α2／（κρ） 但しαはゼーベック係数、κは熱伝導率、ρは比抵抗）の値が最大となるように組成が調整されたものを使用することが好ましい。
【００３４】
Ｎ型熱電半導体素子１１２の発熱側電流端子１１１から吸熱側電流端子１１３の方向、Ｐ型熱電半導体素子１２２の吸熱側電流端子１２３から発熱側電流端子１２１の方向に直流電流を流すと、ペルチェ効果によりＮ型及びＰ型熱電半導体素子１１２，１２２と吸熱側電流端子１１３，１２３の接合部で吸熱が生じ、Ｎ型及びＰ型熱電半導体素子１１２，１２２と発熱側電流端子１１１，１２１の接合部で発熱が生じることにより、熱電冷却が行われる。
【００３５】
さらに、第１の熱電冷却型電流リード１１０の吸熱側電流端子１１３と超電導マグネット１３との間には、高温超電導体１１５が接合される。また、第２の熱電冷却型電流リード１２０の吸熱側電流端子１２３と超電導マグネット１３との間には、高温超電導体１２５が接合される。
【００３６】
本実施の形態の熱電冷却型電流リード１００は、高温超電導体１１５，１２５を用いた超電導電流リードが組み合わせて構成されている。これにより、さらに熱進入量が低減される。本実施の形態は、高温超電導体１１５，１２５の両方がＴｃ（臨界温度）以下に冷却できない場合には適用できない。
【００３７】
図２は、熱電冷却型電流リードの熱電半導体素子と電極との接合面の形成を示す斜視図である。図３は、熱電冷却型電流リードの構成を示す図である。図４は、図３のＡ−Ａ矢視断面図である。
【００３８】
図１の熱電冷却型電流リード１００の第１の熱電冷却型電流リード１１０と第２の熱電冷却型電流リード１２０とは、本実施の形態では同一形状及び同一構造であるものとする。なお、第１の熱電冷却型電流リード１１０と第２の熱電冷却型電流リード１２０とは、異なる形状・構造であってもよい。
【００３９】
以下、説明の便宜上、第１の熱電冷却型電流リード１１０を熱電冷却型電流リード２００と命名し直して説明する。
【００４０】
図３に示すように、熱電冷却型電流リード２００は、発熱側電流端子２１０と、熱電半導体素子２２０と、吸熱側電流端子２３０とを有する。
【００４１】
発熱側電流端子２１０及び吸熱側電流端子２３０は、熱電半導体素子２２０の通電方向の両端に接続された電極である。
【００４２】
熱電半導体素子２２０と発熱側電流端子２１０との接合面、及び熱電半導体素子２２０と吸熱側電流端子２３０との接合面は、それぞれ複数（ここでは４つに）分割されている。以下、具体的に説明する。
【００４３】
図２に示すように、発熱側電流端子２１０は、熱電半導体素子２２０に接合される側の端部２１１に、接合面から内方に向かって切れ込むスリット２１２，２１３が形成されている。スリット２１２は、図２のＸ軸方向に直線により切れ込む溝部、スリット２１３は、図２のＹ軸方向にスリット２１２と直交する溝部である。本実施の形態では、図４に示すように、発熱側電流端子２１０及び熱電半導体素子２２０の断面形状は、正方形である。なお、直線スリットは、加工が容易である利点がある。
【００４４】
スリット２１２，２１３によって、発熱側電流端子２１０の接合面は、各々独立した４つの領域に分割され、４つの接合面２１４ａ−ｄを有する構造となる。なお、発熱側電流端子２１０の他端には、ビス穴２１５（径：例えば３ｍｍφ）が開孔している。
【００４５】
ここで、発熱側電流端子２１０の接合面が分割される構成であれば、スリット２１２，２１３の形成方法はどのようなものでもよい。
【００４６】
前記分割後の断面寸法は、熱電半導体素子２２０及び発熱側電流端子２１０の線膨張係数と適用温度条件に応じて決定される。本実施の形態にあっては、前記分割領域は、スリット２１２，２１３により形成される。
【００４７】
スリット２１２，２１３は、前記分割後の断面寸法に応じて、スリットの幅δ、スリット深さ、及びスリット間隔（すなわち、発熱側電流端子２１０の接合面を複数の領域に分割するスリット数）が決定される。
【００４８】
スリット２１２，２１３は、線膨張係数に影響を与える電流端子及び熱電半導体素子の材質、端部の形状・大きさ、適用温度条件等を考慮する。また、前記スリットを、本実施の形態のように発熱側電流端子２１０と熱電半導体素子２２０と吸熱側電流端子２３０とに設ける場合と、図６乃至図９で後述するように、これらのいずれか一つ以上に設ける場合とではスリットの幅δ、スリット深さ、及びスリット間隔は、異なる場合がある。
【００４９】
図３に示すように、発熱側電流端子２１０は、通電方向（軸方向）の長さ：約３０ｍｍ、幅及び厚さ：１０ｍｍの場合、前記分割は、下記の通りである。
【００５０】
発熱側電流端子２１０の材質がＣｕ：純度９９．９９％以上、熱電半導体素子２２０の材質がＢｉＴｅ化合物で、発熱側電流端子２１０が上記寸法で、４分割する場合、分割後の断面の幅及び厚さは、５ｍｍ以下となる。また、スリット２１２，２１３の深さは、分割後の断面の一辺の最長長さ（約５ｍｍ）以上とする。
【００５１】
さらに、スリット２１２，２１３の幅δは、線膨張係数に分割後の断面の幅又は厚さ及び温度差を乗じて得た値（一例として幅又は厚さの０．５％）によって決定する。
【００５２】
以上のことから、例えば、分割後の断面の幅及び厚さが５ｍｍの場合、スリット２１２，２１３の深さは、５ｍｍ以上、スリット２１２，２１３の隙間幅は、５ｍｍ×０．５％＝０．０２５ｍｍ以上とする。
【００５３】
一方、熱電半導体素子２２０両端間の長さは１０ｍｍである。熱電半導体素子２２０は、発熱側電流端子２１０の接合面２１４ａ−ｄに対応して、４分割する。これにより、熱電半導体素子２２０の一方の接合面２２１は、発熱側電流端子２１０の各接合面２１４ａ−ｄに互いに対向する。また、熱電半導体素子２２０の他方の接合面２２２は、後述する吸熱側電流端子２３０の各接合面２３４ａ−ｄに互いに対向する。
【００５４】
吸熱側電流端子２３０は、上記発熱側電流端子２１０と同様の形状である。すなわち、図２に示すように吸熱側電流端子２３０は、熱電半導体素子２２０に接合される側の端部２３１に、接合面から内方に向かって切れ込むスリット２３２，２３３に直交するスリット（図示略）が形成されている。
【００５５】
スリット２３２，２３３に直交するスリット（図示略）によって、吸熱側電流端子２３０の接合面は、各々独立した４つの領域に分割され、４つの接合面２３４ａ−ｄを有する構造となる。なお、吸熱側電流端子２３０の他端には、ビス穴２３５（径：例えば３ｍｍφ）が開孔している。
【００５６】
以下、熱電冷却型電流リード２００の製作と評価（熱履歴試験）について説明する。熱電冷却型電流リード２００の製作に当り、使用した材料と熱履歴試験結果をまとめて表１に示す。
【００５７】
【表１】
【００５８】
（試験手順）
１．断面寸法の異なる２種類の熱電半導体素子と、前記２種類の熱電半導体素子と各々同一の断面形状・寸法の電極（電流端子）を用意し、熱電半導体素子の両面に電極を直列にハンダ接続することにより熱電冷却型電流リード２００を製作する。
【００５９】
２．電極の熱電半導体素子との接合面近傍にＴ熱電対を設置する。
【００６０】
３．製作した熱電冷却型電流リード２００の素子部抵抗の初期値を、室温にて直流４端子法にて測定する。
【００６１】
４．熱電冷却型電流リード２００に直流電流を通電し、素子部両端の温度差が１００℃以上となるよう電流値を調整する。
【００６２】
５．温度差が付いた状態を１０分間保持し、その後通電を中止し、大気中に放置することで素子部温度が室温となるまで冷却する。
【００６３】
６．上記４．乃至５．を５０回繰り返し実施する熱履歴試験を行う。
【００６４】
７．熱履歴試験後の素子部抵抗を、上記３．と同様に測定する。
【００６５】
８．熱履歴試験後の素子部外観を観察する。
【００６６】
表１に示す結果から、熱電半導体素子２２０、及び／又は電流端子２１０，２３０を分割にすることにより、素子の破損及び素子部抵抗の増大を防ぐことが可能になり、熱電冷却型電流リード２００の耐久性が向上することを確認することができた。
【００６７】
また、本実施の形態では、発熱側電流端子２１０と熱電半導体素子２２０と吸熱側電流端子２３０とが、直方体である場合を例に説明したが、これらは、直方体には限定されない。例えば、発熱側電流端子２１０、熱電半導体素子２２０又は吸熱側電流端子２３０が、円柱形状又は多角形形状である場合は、図５（ａ）（ｂ）に示すように、断面形状が円形や多角形である。
【００６８】
（変形例）
以下、図６乃至図９を参照して、熱電冷却型電流リードの熱電半導体素子と電極の他の構成例について説明する。
【００６９】
図６は、熱電冷却型電流リードの熱電半導体素子と電極の構成を示す概略図である。図６（ａ）は、発熱側電流端子と熱電半導体素子と吸熱側電流端子との接合前の分解斜視図、図６（ｂ）は、その接合後の斜視図を示す。
【００７０】
図６（ａ）に示すように、熱電冷却型電流リード３００は、発熱側電流端子３１０と、熱電半導体素子３２０と、吸熱側電流端子３３０とを有する。
【００７１】
発熱側電流端子３１０及び吸熱側電流端子３３０は、熱電半導体素子３２０の通電方向の両端に接続された電極である。
【００７２】
熱電半導体素子３２０と発熱側電流端子３１０及び吸熱側電流端子３３０は、それぞれ複数（ここでは縦、横各々４分割、合計１６分割）に分割されている。以下、具体的に説明する。
【００７３】
発熱側電流端子３１０には、接合面から通電方向に切れ込むスリット３１２が形成されている。
【００７４】
発熱側電流端子３１０の接合面３１３から通電方向にスリット３１２が形成されることで、発熱側電流端子３１０の接合面３１３は、１６の領域に分割され、分割された各直方体の接合面（ここでは４×４マトリクス状の１６個の接合面）が接合面となる。
【００７５】
ここで、発熱側電流端子３１０の接合面３１３が、分割される構成であれば、スリット３１２の形成方法はどのようなものでもよい。
【００７６】
熱電半導体素子３２０には、発熱側電流端子３１０の分割に対応して、複数の（１６個の）直方体に分割されている。１６個の直方体に分割された熱電半導体素子３２０の一方の各接合面３２１は、発熱側電流端子３１０の各接合面３１３に対向し、同様に、他方の各接合面３２２は、吸熱側電流端子３３０の各接合面３３３に対向する。
【００７７】
熱電半導体素子３２０の場合と同様に、吸熱側電流端子３３０には、接合面から通電方向に切れ込むスリット３３２が形成されている。
【００７８】
吸熱側電流端子３３０の接合面から通電方向にスリット３３２が形成されることで、吸熱側電流端子３３０の接合面３３３は、１６個の領域に分割され、分割された各直方体の接合面（ここでは４×４マトリクス状の１６個の接合面）が接合面となる。
【００７９】
このように、発熱側電流端子３１０、熱電半導体素子３２０、及び吸熱側電流端子３３０は、通電方向に揃った１６の直方体に分割され、発熱側電流端子３１０、熱電半導体素子３２０、及び吸熱側電流端子３３０のそれぞれの直方体の接合面が互いに対向する。
【００８０】
そして、図６（ｂ）に示すように、発熱側電流端子３１０、熱電半導体素子３２０、及び吸熱側電流端子３３０の端部は、対応する接合面同士が互いに対向するように配置された上で、それぞれの接合面がハンダ（材質：例えばＳｎ-Ａｇ-Ｃｕ）により接合される。
【００８１】
このように、熱電半導体素子３２０と発熱側電流端子３１０及び吸熱側電流端子３３０は、接合面が複数に分割して接合されることで、熱電半導体素子３２０と発熱側電流端子３１０及び吸熱側電流端子３３０との線膨張係数の違いによる熱膨張又は熱収縮が、個々の分割領域毎に吸収される。これにより、線膨張係数の違いによる熱膨張又は熱収縮により発生する接合面の面方向の剪断応力を低減することができ、特に、熱電半導体素子３２０の破壊・損傷を防ぐことができる。
【００８２】
また、前記熱膨張又は熱収縮は、分割後の断面寸法に正比例するため、分割数が大きい程（例えば４分割より１６分割の方が）、剪断応力の低減効果が大きい。
【００８３】
図６では、発熱側電流端子３１０、熱電半導体素子３２０、及び吸熱側電流端子３３０が、複数の領域に分割され、分割された状態で接合されるので、熱電半導体素子３２０と発熱側電流端子３１０及び吸熱側電流端子３３０との線膨張係数の違いによる接合面の面方向の剪断応力を低減する効果が大きい。
【００８４】
図７は、熱電冷却型電流リード３００Ａの熱電半導体素子と電極の構成を示す概略図である。図６と同一構成部分には同一符号を付して重複箇所の説明を省略する。
【００８５】
前記図６では、発熱側電流端子３１０、熱電半導体素子３２０、及び吸熱側電流端子３３０がそれぞれ、通電方向にマトリクス状に分割され、分割された状態で接合されていた。
【００８６】
図７の熱電冷却型電流リード３００Ａは、発熱側電流端子３１０及び熱電半導体素子３２０のみが、通電方向に分割され、吸熱側電流端子３３０Ａについては、分割は施されない。
【００８７】
線膨張係数の違いによる接合面の面方向の剪断応力は、発熱側電流端子３１０側においてより影響が大きい。
【００８８】
したがって、熱電冷却型電流リード３００Ａの発熱側電流端子３１０及び熱電半導体素子３２０の接合面のみを分割する本態様であっても、図６と略同様の効果を得ることができる。図７では、吸熱側電流端子３３０Ａを分割しないので、加工工数を減らす効果がある。
【００８９】
図８は、熱電冷却型電流リード３００Ｂの熱電半導体素子と電極の構成を示す概略図である。図６と同一構成部分には同一符号を付して重複箇所の説明を省略する。
【００９０】
図８の熱電冷却型電流リード３００Ｂは、発熱側電流端子３１０のみが、通電方向に分割され、熱電半導体素子３２０Ａ及び吸熱側電流端子３３０Ａについては、分割は施されない。
【００９１】
上述したように、電流端子と熱電半導体素子との線膨張係数の違いが、接合面の面方向の剪断応力を発生させる。また、線膨張係数の違いによる接合面の面方向の剪断応力は、発熱側電流端子３１０側において影響が大きい。このため、発熱側電流端子３１０のみを、通電方向に分割する態様でも、熱電半導体素子３２０Ａと発熱側電流端子３１０との間の線膨張係数の違いによる前記剪断応力の発生を緩和させることができる。図８では、熱電半導体素子３２０Ａ及び吸熱側電流端子３３０Ａを分割しないので、加工工数を減らす効果がある。
【００９２】
図９は、熱電冷却型電流リード３００Ｃの熱電半導体素子と電極の構成を示す概略図である。図６と同一構成部分には同一符号を付して重複箇所の説明を省略する。
【００９３】
図９の熱電冷却型電流リード３００Ｃは、熱電半導体素子３２０のみが、通電方向に分割され、発熱側電流端子３１０Ａ及び吸熱側電流端子３３０Ａについては、分割は施されない。
【００９４】
前記線膨張係数の違いによる接合部の前記剪断応力の発生は、電流端子と熱電半導体素子との相対的な関係による。熱電半導体素子３２０のみを、通電方向に分割する態様でも、電流端子と熱電半導体素子との間の線膨張係数の違いによる前記剪断応力の発生を緩和させることができる。図９では発熱側電流端子３１０Ａ及び吸熱側電流端子３３０Ａを分割しないので、加工工数を減らす効果がある。
【００９５】
以上詳細に説明したように、本実施の形態の熱電冷却型電流リード２００は、熱電半導体素子２２０と、熱電半導体素子２２０の通電方向の両端に接続した電極である発熱側電流端子２１０及び吸熱側電流端子２３０とを備える。発熱側電流端子２１０は、スリット２１２，２１３により端部２１１を４つの領域に分割し、４つの接合面２１４ａ−ｄを形成する。吸熱側電流端子２３０は、スリット２３２，２３３により端部２３１を４つの領域に分割し、４つの接合面２３４ａ−ｄを形成する。また、熱電半導体素子２２０は、発熱側電流端子２１０の端部２１１及び吸熱側電流端子２３０の端部２３１の分割に対応して４つに分割する。そして、対向する各接合面同士をハンダにより接合する。
【００９６】
これにより、熱電半導体素子２２０と発熱側電流端子２１０及び吸熱側電流端子２３０は、接合面が複数に分割して接合されるので、線膨張係数の違いによる熱膨張又は熱収縮により発生する接合面の面方向の剪断応力を個々の分割領域毎に吸収することで、該剪断応力を低減することができ、接合部の破壊・損傷を防ぐことができる。
【００９７】
ここで、図３の場合、スリット２１２，２３２により分割された後の熱電半導体素子２２０及び発熱側電流端子２１０及び吸熱側電流端子２３０は、接合面が正方形の断面を有する直方体である。このとき、前記正方形の一辺の長さは５．０ｍｍ以下であることが好ましく、発熱側電流端子２１０及び吸熱側電流端子２３０のスリット２１２，２３２の幅は、前記正方形の一辺の長さの０．５〜１．０％とすることが好ましい。一辺の長さが５．０ｍｍよりも長いと前記応力の緩和効果が小さくなり、熱電半導体素子２２０が破壊する虞がある。また、隣り合う前記正方形間の隙間（すなわち、スリット２１２，２３２の幅）が、０．５％未満であると、熱電半導体素子２２０と発熱側電流端子２１０及び吸熱側電流端子２３０が熱膨張したときの前記剪断応力を有効に緩和することができなくなる虞があり、１．０％を超えると熱電半導体素子の密度が低下し、電流リード本体の大きさが大きくなる虞がある。
【００９８】
熱電冷却型電流リード２００に通電すると、熱電冷却型電流リード２００自身のジュール熱と、ペルチェ効果により生じた温度差により、熱電半導体素子２２０両端間は、１００℃以上の温度差を生じる。このとき、発熱側の熱膨張と吸熱側の熱収縮により、熱電半導体素子２２０に剪断応力（この剪断応力は、直方体形状から正四角錘台形状に変形する応力）が加わり、熱電半導体素子２２０にクラックが入るなどして破壊することがある。
【００９９】
本実施の形態では、スリット２１２，２３２により分割された後の熱電半導体素子２２０及び発熱側電流端子２１０及び吸熱側電流端子２３０の断面形状寸法を、一辺の長さ５ｍｍ以下とする。これにより、前記線膨張係数の違いによる接合部の前記剪断応力に加えて、熱電冷却型電流リード２００の温度差による剪断応力についても、低減することができ、熱電半導体素子２２０の破壊を防止することが可能になる。
【０１００】
以上の説明は本発明の好適な実施の形態の例証であり、本発明の範囲はこれに限定されることはない。
【０１０１】
例えば、熱電半導体素子及び熱電半導体素子に接続される電極の端部の分割は、どのような分割でもよい。例えば、図２及び図３に示すように、４であってもよく、図６乃至図９に示すように１６であってもよい。また、分割の形状も任意である。
【０１０２】
また、分割の対象も熱電半導体素子、又は熱電半導体素子に接続される電極の端部のうち、少なくともいずれか一方であればよい。
【０１０３】
また、上記実施の形態では、熱電冷却型電流リードという名称を用いたが、これは説明の便宜上であり、熱電冷却型パワーリード、ペルチェ電流リード等であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１０４】
本発明に係る熱電冷却型電流リードは、常温の電源と低温の超電導コイルや超電導ケーブルとの電気的接続を行う熱電半導体を利用した熱電冷却型電流リードとして有用である。
【符号の説明】
【０１０５】
１１ 電源
１２ 極低温容器
１３ 超電導マグネット
１００，２００，３００，３００Ａ，３００Ｂ，３００Ｃ 熱電冷却型電流リード
１１０ 第１の熱電冷却型電流リード
１１１，１２１，２１０，３１０，３１０Ａ 発熱側電流端子（電極）
１１２ Ｎ型熱電半導体素子
１１３，１２３，２３０，３３０，３３０Ａ 吸熱側電流端子（電極）
１１４，１２４，２１２，２１３，２３２，２３３，３１２，３２３，３３２ スリット
１１５，１２５ 高温超電導体
１２０ 第２の熱電冷却型電流リード
１２２ Ｐ型熱電半導体素子
２１１ 発熱側電流端子の端部
２１４ａ−ｄ，３１３ 発熱側電流端子の接合面
２２０，３２０，３２０Ａ 熱電半導体素子
２２１，２２２，３２１，３２２ 熱電半導体素子の接合面
２３１ 吸熱側電流端子の端部
２３４ａ−ｄ，３３３ 吸熱側電流端子の接合面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、常温の電源と低温の超電導コイルや超電導ケーブルとの電気的接続を行う熱電半導体を利用した熱電冷却型電流リードに関し、特に、熱電変換（ペルチェ効果）により冷却作用を行い、外部からの熱進入と自己のジュール熱を低減させる熱電冷却型電流リードに関する。
【背景技術】
【０００２】
極低温で稼動する超電導応用機器では、断熱が極めて重要である。外部からの熱進入が大きいと、その熱も冷却する必要が生じるため、冷却コストが増大し、場合によっては冷却することができずに運転が不可能となってしまう可能性がある。
【０００３】
外部からの熱進入経路は、２つある。１つは低温機器を納める容器を経由する経路であり、他の１つは常温にある電源と低温にある超電導コイル等とを接続する電流リードを通じて進入する経路である。容器として真空断熱容器を用い、低温機器部をその中に入れることにより容器からの熱進入を大きく低減することが可能である。
【０００４】
電流リードは、大きな熱進入の原因になる。電流リードは、例えばＯＦＣｕ（Ｏｘｙｇｅｎ Ｆｒｅｅ Ｃｏｐｐｅｒ）等の常電導体から形成され、高い電気伝導率を有するが、熱伝導率も高いため、常温空間からの熱が容易に侵入し低温空間側に流入してしまうことになる。熱進入のプロセスには、温度差による熱伝導と電流によって発生するジュール熱の２つのプロセスがある。
【０００５】
最近、常温側に常電導体、低温側に高温超電導体（酸化物超電導体）を設けた超電導電流リードが開発されている。高温超電導体は、酸化物であるため熱伝導率が低く、かつ、超電導のためジュール熱を生じない。
【０００６】
低温機器部が２０Ｋ以下の極低温（例えば液体ヘリウムによる浸漬冷却、液体ヘリウムを用いた伝熱冷却、冷凍機を用いた伝導冷却で運転する超電導マグネット）であれば、酸化物超電導体を用いた超電導電流リードを使用することにより、電流リードを通じた熱進入を低減することができる。これは、酸化物超電導体の低熱伝導率と、ジュール熱がゼロであることを利用している。しかし、この超電導電流リードは、低温機器部が６４Ｋ以上（例えば過冷却液体窒素による浸漬冷却で運転する超電導ケーブル）であると、超電導状態となるまで冷却されず、使用することができない。
【０００７】
この場合、例えば特許文献１に示すように、熱電半導体を用いた熱電冷却型電流リードを使用する。この熱電冷却型電流リードは、熱電半導体の低熱伝導率（Ｃｕの１／２００程度）と、ペルチェ効果（通電することにより片端から吸熱し他方の片端へ排熱する現象）によるヒートポンプ効果を利用する。具体的には、電源の正極側にＮ型熱電半導体素子を使用したＮ型の熱電冷却型電流リードを配置し、電源の負極側にＰ型熱電半導体素子を使用したＰ型の熱電冷却型電流リードを設置する。そして、電源からの電流がＮ型及びＰ型の熱電半導体素子を経て電源に戻る電流回路を構成する。ここで、超電導電流リードを設置できる場合、上記熱電冷却型電流リードと組み合わせて使用することも可能である。超電導電流リードを組み合わせて使用する場合は、さらに熱進入量の低減が期待できる。
【０００８】
熱電冷却型電流リードは、Ｎ型又はＰ型熱電半導体素子の両端部に、電極である発熱側電流端子及び吸熱側電流端子を接合した構成である。熱電半導体素子としてはＢｉＴｅ系又はＢｉＴｅＳｂ系が用いられる。ＢｉＴｅ化合物は、室温以下の温度領域において熱電特性が高い。熱電冷却型電流リードの両端部は、熱電半導体素子の発熱側電流端子及び吸熱側電流端子の接合面に、Ｎｉメッキを施し、ハンダにより接合する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−６８５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
熱電冷却型電流リードは、ジュール熱とヒートポンプ効果のバランスから、通電容量に合わせた横断面積の熱電半導体素子を使用する必要がある。通電容量が大きい場合は、使用する熱電半導体素子の断面積も大きくなる。すると、熱電半導体素子と、発熱側電流端子及び吸熱側電流端子の接合部において、通電時の温度変化による熱膨張又は熱収縮を受けて剪断応力が大きくなり、接合部の剥離や熱電半導体素子自体の破損が発生する虞がある。
【００１１】
Ｃｕ電極である発熱側電流端子及び吸熱側電流端子よりもＢｉＴｅ化合物からなる熱電半導体素子の方が機械的強度が低いため、熱電半導体素子の破損が問題となる。熱電半導体素子の破損に至らないまでも接合部の剥離等により熱電冷却型電流リードとして安定した特性と耐久性を得ることができない虞がある。
【００１２】
本発明の目的は、熱電半導体素子と電極との接合部に働く面方向の剪断応力を低減し、接合部の破壊・損傷を防ぐことができる熱電冷却型電流リードを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の第１の態様である熱電冷却型電流リードは、常温の電源と低温の超電導装置を接続する熱電冷却型電流リードであって、熱電半導体素子と、前記熱電半導体素子に接続される電極とを備え、前記熱電半導体素子と前記電極との接合面のうち、少なくともいずれか一方が分割されている構成を採る。
【００１４】
本発明の第２の態様は、第１の態様の熱電冷却型電流リードにおいて、前記接合面の分割は、スリットにより形成されている構成を採る。
【００１５】
本発明の第３の態様は、第１の態様又は第２の態様の熱電冷却型電流リードにおいて、前記電極は、二個一対であり、これらの電極の間に前記熱電半導体素子を介在させ、前記二個一対のうちの一方の電極と前記熱電半導体素子との接合面のうち、いずれか一方又は両方の接合面が分割されている構成を採る。
【００１６】
本発明の第４の態様は、第１乃至第３の態様のいずれかの態様である熱電冷却型電流リードにおいて、前記電極と前記熱電半導体素子との接合面のうち、いずれか一方又は両方の接合面が４分割されている構成を採る。
【００１７】
本発明の第５の態様は、第１乃至第４の態様のいずれかの態様である熱電冷却型電流リードにおいて、分割後の前記接合面の断面寸法に基づいて、前記スリットの深さ及び前記スリットの幅を設定する構成を採る。
【００１８】
本発明の第６の態様は、第１乃至第５の態様のいずれかの態様である熱電冷却型電流リードにおいて、前記熱電半導体素子は、ＢｉＴｅ化合物からなるＮ型又はＰ型熱電材料である構成を採る。
【００１９】
本発明の第７の態様は、第１乃至第６の態様のいずれかの態様である熱電冷却型電流リードにおいて、吸熱側の前記電極と前記超電導装置との間には、高温超電導体が接合される構成を採る。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、熱電半導体素子と電極との接合部に働く面方向の剪断応力を低減し、接合部の破壊・損傷を防ぐことができる。その結果、信頼性及び耐久性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施の形態に係る熱電冷却型電流リードの一例を模式的に示す図
【図２】本実施の形態に係る熱電冷却型電流リードの熱電半導体素子と電極との接合面の形成を示す斜視図
【図３】本実施の形態に係る熱電冷却型電流リードの構成を示す図
【図４】図３のＡ−Ａ矢視断面図
【図５】本実施の形態に係る熱電冷却型電流リードの他の断面形状を示す断面図
【図６】本実施の形態に係る熱電冷却型電流リードの熱電半導体素子と電極の構成を示す概略図
【図７】本実施の形態に係る熱電冷却型電流リードの熱電半導体素子と電極の構成を示す概略図
【図８】本実施の形態に係る熱電冷却型電流リードの熱電半導体素子と電極の構成を示す概略図
【図９】本実施の形態に係る熱電冷却型電流リードの熱電半導体素子と電極の構成を示す概略図
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２３】
図１は、本発明の一実施の形態に係る熱電冷却型電流リードの一例を模式的に示す図である。本実施の形態の熱電冷却型電流リードは、高温超電導体を接合した超電導電流リードを組み合わせて使用する例である。
【００２４】
図１に示すように、熱電冷却型電流リード１００は、室温環境下に設置された電源１１と極低温容器１２内に配設された超電導マグネット１３とを電気的に接続する。
【００２５】
熱電冷却型電流リード１００は、電源１１の正極側にＮ型熱電半導体素子を使用した第１の熱電冷却型電流リード１１０と、電源１１の負極側にＰ型熱電半導体素子を使用した第２の熱電冷却型電流リード１２０とからなる。
【００２６】
第１の熱電冷却型電流リード１１０は、発熱側電流端子（Ｃｕ：純度９９．９９％以上）１１１と、Ｎ型熱電半導体素子１１２と、吸熱側電流端子（Ｃｕ：純度９９．９９％以上）１１３とを有する。第１の熱電冷却型電流リード１１０は、Ｎ型熱電半導体素子１１２の両端部に、発熱側電流端子１１１及び吸熱側電流端子１１３を接合した構成である。Ｎ型熱電半導体素子１１２と発熱側電流端子１１１及び吸熱側電流端子１１３は、ハンダ（材質：例えばＳｎ-Ａｇ-Ｃｕ）等により接合される。
【００２７】
Ｎ型熱電半導体素子１１２と発熱側電流端子１１１及び吸熱側電流端子１１３との接合面には、スリット１１４により複数の分割領域が形成され、分割領域が形成された状態で両者は接合される。分割の詳細については、図２により後述する。
【００２８】
同様に、第２の熱電冷却型電流リード１２０は、発熱側電流端子１２１と、Ｐ型熱電半導体素子１２２と、吸熱側電流端子１２３とを有する。第２の熱電冷却型電流リード１２０は、Ｐ型熱電半導体素子１２２の両端部に、発熱側電流端子１２１及び吸熱側電流端子１２３を接合した構成である。Ｐ型熱電半導体素子１２２と発熱側電流端子１２１及び吸熱側電流端子１２３は、ハンダ（材質：例えばＳｎ-Ａｇ-Ｃｕ）等により接合される。
【００２９】
Ｐ型熱電半導体素子１２２と発熱側電流端子１２１及び吸熱側電流端子１２３との接合面には、スリット１２４により複数の分割領域が形成され、分割領域が形成された状態で両者は接合される。
【００３０】
Ｎ型及びＰ型熱電半導体素子１１２，１２２としては、例えば、ＢｉＴｅ系又はＢｉＴｅＳｂ系又はＢｉＳｂ系熱電半導体などが用いられる。より具体的には、ＢｉＴｅ系又はＢｉＴｅＳｂ系熱電半導体としては、Ｂｉ２Ｔｅ３、（ＢｉＳｂ）２Ｔｅ３などが用いられる。
【００３１】
これらの熱電半導体素子１１２，１２２は、不純物として例えばＳｂＩ３を添加することによりＮ型になり、例えばＰｂＩ３を添加することによりＰ型になる。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も、Ｎ型又はＰ型に変化させることができる。
【００３２】
ＢｉＴｅ系又はＢｉＴｅＳｂ系熱電半導体をペルチェ素子として利用した場合、常温から２００Ｋ付近までの温度範囲で良好な冷却能力を得ることができる。また、ＢｉＳｂ系熱電半導体をペルチェ素子として利用した場合、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を得ることができる。
【００３３】
Ｎ型及びＰ型熱電半導体素子１１２，１２２は、室温以下の低温において、性能指数Ｚ（Ｚ＝α2／（κρ） 但しαはゼーベック係数、κは熱伝導率、ρは比抵抗）の値が最大となるように組成が調整されたものを使用することが好ましい。
【００３４】
Ｎ型熱電半導体素子１１２の発熱側電流端子１１１から吸熱側電流端子１１３の方向、Ｐ型熱電半導体素子１２２の吸熱側電流端子１２３から発熱側電流端子１２１の方向に直流電流を流すと、ペルチェ効果によりＮ型及びＰ型熱電半導体素子１１２，１２２と吸熱側電流端子１１３，１２３の接合部で吸熱が生じ、Ｎ型及びＰ型熱電半導体素子１１２，１２２と発熱側電流端子１１１，１２１の接合部で発熱が生じることにより、熱電冷却が行われる。
【００３５】
さらに、第１の熱電冷却型電流リード１１０の吸熱側電流端子１１３と超電導マグネット１３との間には、高温超電導体１１５が接合される。また、第２の熱電冷却型電流リード１２０の吸熱側電流端子１２３と超電導マグネット１３との間には、高温超電導体１２５が接合される。
【００３６】
本実施の形態の熱電冷却型電流リード１００は、高温超電導体１１５，１２５を用いた超電導電流リードが組み合わせて構成されている。これにより、さらに熱進入量が低減される。本実施の形態は、高温超電導体１１５，１２５の両方がＴｃ（臨界温度）以下に冷却できない場合には適用できない。
【００３７】
図２は、熱電冷却型電流リードの熱電半導体素子と電極との接合面の形成を示す斜視図である。図３は、熱電冷却型電流リードの構成を示す図である。図４は、図３のＡ−Ａ矢視断面図である。
【００３８】
図１の熱電冷却型電流リード１００の第１の熱電冷却型電流リード１１０と第２の熱電冷却型電流リード１２０とは、本実施の形態では同一形状及び同一構造であるものとする。なお、第１の熱電冷却型電流リード１１０と第２の熱電冷却型電流リード１２０とは、異なる形状・構造であってもよい。
【００３９】
以下、説明の便宜上、第１の熱電冷却型電流リード１１０を熱電冷却型電流リード２００と命名し直して説明する。
【００４０】
図３に示すように、熱電冷却型電流リード２００は、発熱側電流端子２１０と、熱電半導体素子２２０と、吸熱側電流端子２３０とを有する。
【００４１】
発熱側電流端子２１０及び吸熱側電流端子２３０は、熱電半導体素子２２０の通電方向の両端に接続された電極である。
【００４２】
熱電半導体素子２２０と発熱側電流端子２１０との接合面、及び熱電半導体素子２２０と吸熱側電流端子２３０との接合面は、それぞれ複数（ここでは４つに）分割されている。以下、具体的に説明する。
【００４３】
図２に示すように、発熱側電流端子２１０は、熱電半導体素子２２０に接合される側の端部２１１に、接合面から内方に向かって切れ込むスリット２１２，２１３が形成されている。スリット２１２は、図２のＸ軸方向に直線により切れ込む溝部、スリット２１３は、図２のＹ軸方向にスリット２１２と直交する溝部である。本実施の形態では、図４に示すように、発熱側電流端子２１０及び熱電半導体素子２２０の断面形状は、正方形である。なお、直線スリットは、加工が容易である利点がある。
【００４４】
スリット２１２，２１３によって、発熱側電流端子２１０の接合面は、各々独立した４つの領域に分割され、４つの接合面２１４ａ−ｄを有する構造となる。なお、発熱側電流端子２１０の他端には、ビス穴２１５（径：例えば３ｍｍφ）が開孔している。
【００４５】
ここで、発熱側電流端子２１０の接合面が分割される構成であれば、スリット２１２，２１３の形成方法はどのようなものでもよい。
【００４６】
前記分割後の断面寸法は、熱電半導体素子２２０及び発熱側電流端子２１０の線膨張係数と適用温度条件に応じて決定される。本実施の形態にあっては、前記分割領域は、スリット２１２，２１３により形成される。
【００４７】
スリット２１２，２１３は、前記分割後の断面寸法に応じて、スリットの幅δ、スリット深さ、及びスリット間隔（すなわち、発熱側電流端子２１０の接合面を複数の領域に分割するスリット数）が決定される。
【００４８】
スリット２１２，２１３は、線膨張係数に影響を与える電流端子及び熱電半導体素子の材質、端部の形状・大きさ、適用温度条件等を考慮する。また、前記スリットを、本実施の形態のように発熱側電流端子２１０と熱電半導体素子２２０と吸熱側電流端子２３０とに設ける場合と、図６乃至図９で後述するように、これらのいずれか一つ以上に設ける場合とではスリットの幅δ、スリット深さ、及びスリット間隔は、異なる場合がある。
【００４９】
図３に示すように、発熱側電流端子２１０は、通電方向（軸方向）の長さ：約３０ｍｍ、幅及び厚さ：１０ｍｍの場合、前記分割は、下記の通りである。
【００５０】
発熱側電流端子２１０の材質がＣｕ：純度９９．９９％以上、熱電半導体素子２２０の材質がＢｉＴｅ化合物で、発熱側電流端子２１０が上記寸法で、４分割する場合、分割後の断面の幅及び厚さは、５ｍｍ以下となる。また、スリット２１２，２１３の深さは、分割後の断面の一辺の最長長さ（約５ｍｍ）以上とする。
【００５１】
さらに、スリット２１２，２１３の幅δは、線膨張係数に分割後の断面の幅又は厚さ及び温度差を乗じて得た値（一例として幅又は厚さの０．５％）によって決定する。
【００５２】
以上のことから、例えば、分割後の断面の幅及び厚さが５ｍｍの場合、スリット２１２，２１３の深さは、５ｍｍ以上、スリット２１２，２１３の隙間幅は、５ｍｍ×０．５％＝０．０２５ｍｍ以上とする。
【００５３】
一方、熱電半導体素子２２０両端間の長さは１０ｍｍである。熱電半導体素子２２０は、発熱側電流端子２１０の接合面２１４ａ−ｄに対応して、４分割する。これにより、熱電半導体素子２２０の一方の接合面２２１は、発熱側電流端子２１０の各接合面２１４ａ−ｄに互いに対向する。また、熱電半導体素子２２０の他方の接合面２２２は、後述する吸熱側電流端子２３０の各接合面２３４ａ−ｄに互いに対向する。
【００５４】
吸熱側電流端子２３０は、上記発熱側電流端子２１０と同様の形状である。すなわち、図２に示すように吸熱側電流端子２３０は、熱電半導体素子２２０に接合される側の端部２３１に、接合面から内方に向かって切れ込むスリット２３２，２３３に直交するスリット（図示略）が形成されている。
【００５５】
スリット２３２，２３３に直交するスリット（図示略）によって、吸熱側電流端子２３０の接合面は、各々独立した４つの領域に分割され、４つの接合面２３４ａ−ｄを有する構造となる。なお、吸熱側電流端子２３０の他端には、ビス穴２３５（径：例えば３ｍｍφ）が開孔している。
【００５６】
以下、熱電冷却型電流リード２００の製作と評価（熱履歴試験）について説明する。熱電冷却型電流リード２００の製作に当り、使用した材料と熱履歴試験結果をまとめて表１に示す。
【００５７】
【表１】
【００５８】
（試験手順）
１．断面寸法の異なる２種類の熱電半導体素子と、前記２種類の熱電半導体素子と各々同一の断面形状・寸法の電極（電流端子）を用意し、熱電半導体素子の両面に電極を直列にハンダ接続することにより熱電冷却型電流リード２００を製作する。
【００５９】
２．電極の熱電半導体素子との接合面近傍にＴ熱電対を設置する。
【００６０】
３．製作した熱電冷却型電流リード２００の素子部抵抗の初期値を、室温にて直流４端子法にて測定する。
【００６１】
４．熱電冷却型電流リード２００に直流電流を通電し、素子部両端の温度差が１００℃以上となるよう電流値を調整する。
【００６２】
５．温度差が付いた状態を１０分間保持し、その後通電を中止し、大気中に放置することで素子部温度が室温となるまで冷却する。
【００６３】
６．上記４．乃至５．を５０回繰り返し実施する熱履歴試験を行う。
【００６４】
７．熱履歴試験後の素子部抵抗を、上記３．と同様に測定する。
【００６５】
８．熱履歴試験後の素子部外観を観察する。
【００６６】
表１に示す結果から、熱電半導体素子２２０、及び／又は電流端子２１０，２３０を分割にすることにより、素子の破損及び素子部抵抗の増大を防ぐことが可能になり、熱電冷却型電流リード２００の耐久性が向上することを確認することができた。
【００６７】
また、本実施の形態では、発熱側電流端子２１０と熱電半導体素子２２０と吸熱側電流端子２３０とが、直方体である場合を例に説明したが、これらは、直方体には限定されない。例えば、発熱側電流端子２１０、熱電半導体素子２２０又は吸熱側電流端子２３０が、円柱形状又は多角形形状である場合は、図５（ａ）（ｂ）に示すように、断面形状が円形や多角形である。
【００６８】
（変形例）
以下、図６乃至図９を参照して、熱電冷却型電流リードの熱電半導体素子と電極の他の構成例について説明する。
【００６９】
図６は、熱電冷却型電流リードの熱電半導体素子と電極の構成を示す概略図である。図６（ａ）は、発熱側電流端子と熱電半導体素子と吸熱側電流端子との接合前の分解斜視図、図６（ｂ）は、その接合後の斜視図を示す。
【００７０】
図６（ａ）に示すように、熱電冷却型電流リード３００は、発熱側電流端子３１０と、熱電半導体素子３２０と、吸熱側電流端子３３０とを有する。
【００７１】
発熱側電流端子３１０及び吸熱側電流端子３３０は、熱電半導体素子３２０の通電方向の両端に接続された電極である。
【００７２】
熱電半導体素子３２０と発熱側電流端子３１０及び吸熱側電流端子３３０は、それぞれ複数（ここでは縦、横各々４分割、合計１６分割）に分割されている。以下、具体的に説明する。
【００７３】
発熱側電流端子３１０には、接合面から通電方向に切れ込むスリット３１２が形成されている。
【００７４】
発熱側電流端子３１０の接合面３１３から通電方向にスリット３１２が形成されることで、発熱側電流端子３１０の接合面３１３は、１６の領域に分割され、分割された各直方体の接合面（ここでは４×４マトリクス状の１６個の接合面）が接合面となる。
【００７５】
ここで、発熱側電流端子３１０の接合面３１３が、分割される構成であれば、スリット３１２の形成方法はどのようなものでもよい。
【００７６】
熱電半導体素子３２０には、発熱側電流端子３１０の分割に対応して、複数の（１６個の）直方体に分割されている。１６個の直方体に分割された熱電半導体素子３２０の一方の各接合面３２１は、発熱側電流端子３１０の各接合面３１３に対向し、同様に、他方の各接合面３２２は、吸熱側電流端子３３０の各接合面３３３に対向する。
【００７７】
熱電半導体素子３２０の場合と同様に、吸熱側電流端子３３０には、接合面から通電方向に切れ込むスリット３３２が形成されている。
【００７８】
吸熱側電流端子３３０の接合面から通電方向にスリット３３２が形成されることで、吸熱側電流端子３３０の接合面３３３は、１６個の領域に分割され、分割された各直方体の接合面（ここでは４×４マトリクス状の１６個の接合面）が接合面となる。
【００７９】
このように、発熱側電流端子３１０、熱電半導体素子３２０、及び吸熱側電流端子３３０は、通電方向に揃った１６の直方体に分割され、発熱側電流端子３１０、熱電半導体素子３２０、及び吸熱側電流端子３３０のそれぞれの直方体の接合面が互いに対向する。
【００８０】
そして、図６（ｂ）に示すように、発熱側電流端子３１０、熱電半導体素子３２０、及び吸熱側電流端子３３０の端部は、対応する接合面同士が互いに対向するように配置された上で、それぞれの接合面がハンダ（材質：例えばＳｎ-Ａｇ-Ｃｕ）により接合される。
【００８１】
このように、熱電半導体素子３２０と発熱側電流端子３１０及び吸熱側電流端子３３０は、接合面が複数に分割して接合されることで、熱電半導体素子３２０と発熱側電流端子３１０及び吸熱側電流端子３３０との線膨張係数の違いによる熱膨張又は熱収縮が、個々の分割領域毎に吸収される。これにより、線膨張係数の違いによる熱膨張又は熱収縮により発生する接合面の面方向の剪断応力を低減することができ、特に、熱電半導体素子３２０の破壊・損傷を防ぐことができる。
【００８２】
また、前記熱膨張又は熱収縮は、分割後の断面寸法に正比例するため、分割数が大きい程（例えば４分割より１６分割の方が）、剪断応力の低減効果が大きい。
【００８３】
図６では、発熱側電流端子３１０、熱電半導体素子３２０、及び吸熱側電流端子３３０が、複数の領域に分割され、分割された状態で接合されるので、熱電半導体素子３２０と発熱側電流端子３１０及び吸熱側電流端子３３０との線膨張係数の違いによる接合面の面方向の剪断応力を低減する効果が大きい。
【００８４】
図７は、熱電冷却型電流リード３００Ａの熱電半導体素子と電極の構成を示す概略図である。図６と同一構成部分には同一符号を付して重複箇所の説明を省略する。
【００８５】
前記図６では、発熱側電流端子３１０、熱電半導体素子３２０、及び吸熱側電流端子３３０がそれぞれ、通電方向にマトリクス状に分割され、分割された状態で接合されていた。
【００８６】
図７の熱電冷却型電流リード３００Ａは、発熱側電流端子３１０及び熱電半導体素子３２０のみが、通電方向に分割され、吸熱側電流端子３３０Ａについては、分割は施されない。
【００８７】
線膨張係数の違いによる接合面の面方向の剪断応力は、発熱側電流端子３１０側においてより影響が大きい。
【００８８】
したがって、熱電冷却型電流リード３００Ａの発熱側電流端子３１０及び熱電半導体素子３２０の接合面のみを分割する本態様であっても、図６と略同様の効果を得ることができる。図７では、吸熱側電流端子３３０Ａを分割しないので、加工工数を減らす効果がある。
【００８９】
図８は、熱電冷却型電流リード３００Ｂの熱電半導体素子と電極の構成を示す概略図である。図６と同一構成部分には同一符号を付して重複箇所の説明を省略する。
【００９０】
図８の熱電冷却型電流リード３００Ｂは、発熱側電流端子３１０のみが、通電方向に分割され、熱電半導体素子３２０Ａ及び吸熱側電流端子３３０Ａについては、分割は施されない。
【００９１】
上述したように、電流端子と熱電半導体素子との線膨張係数の違いが、接合面の面方向の剪断応力を発生させる。また、線膨張係数の違いによる接合面の面方向の剪断応力は、発熱側電流端子３１０側において影響が大きい。このため、発熱側電流端子３１０のみを、通電方向に分割する態様でも、熱電半導体素子３２０Ａと発熱側電流端子３１０との間の線膨張係数の違いによる前記剪断応力の発生を緩和させることができる。図８では、熱電半導体素子３２０Ａ及び吸熱側電流端子３３０Ａを分割しないので、加工工数を減らす効果がある。
【００９２】
図９は、熱電冷却型電流リード３００Ｃの熱電半導体素子と電極の構成を示す概略図である。図６と同一構成部分には同一符号を付して重複箇所の説明を省略する。
【００９３】
図９の熱電冷却型電流リード３００Ｃは、熱電半導体素子３２０のみが、通電方向に分割され、発熱側電流端子３１０Ａ及び吸熱側電流端子３３０Ａについては、分割は施されない。
【００９４】
前記線膨張係数の違いによる接合部の前記剪断応力の発生は、電流端子と熱電半導体素子との相対的な関係による。熱電半導体素子３２０のみを、通電方向に分割する態様でも、電流端子と熱電半導体素子との間の線膨張係数の違いによる前記剪断応力の発生を緩和させることができる。図９では発熱側電流端子３１０Ａ及び吸熱側電流端子３３０Ａを分割しないので、加工工数を減らす効果がある。
【００９５】
以上詳細に説明したように、本実施の形態の熱電冷却型電流リード２００は、熱電半導体素子２２０と、熱電半導体素子２２０の通電方向の両端に接続した電極である発熱側電流端子２１０及び吸熱側電流端子２３０とを備える。発熱側電流端子２１０は、スリット２１２，２１３により端部２１１を４つの領域に分割し、４つの接合面２１４ａ−ｄを形成する。吸熱側電流端子２３０は、スリット２３２，２３３により端部２３１を４つの領域に分割し、４つの接合面２３４ａ−ｄを形成する。また、熱電半導体素子２２０は、発熱側電流端子２１０の端部２１１及び吸熱側電流端子２３０の端部２３１の分割に対応して４つに分割する。そして、対向する各接合面同士をハンダにより接合する。
【００９６】
これにより、熱電半導体素子２２０と発熱側電流端子２１０及び吸熱側電流端子２３０は、接合面が複数に分割して接合されるので、線膨張係数の違いによる熱膨張又は熱収縮により発生する接合面の面方向の剪断応力を個々の分割領域毎に吸収することで、該剪断応力を低減することができ、接合部の破壊・損傷を防ぐことができる。
【００９７】
ここで、図３の場合、スリット２１２，２３２により分割された後の熱電半導体素子２２０及び発熱側電流端子２１０及び吸熱側電流端子２３０は、接合面が正方形の断面を有する直方体である。このとき、前記正方形の一辺の長さは５．０ｍｍ以下であることが好ましく、発熱側電流端子２１０及び吸熱側電流端子２３０のスリット２１２，２３２の幅は、前記正方形の一辺の長さの０．５〜１．０％とすることが好ましい。一辺の長さが５．０ｍｍよりも長いと前記応力の緩和効果が小さくなり、熱電半導体素子２２０が破壊する虞がある。また、隣り合う前記正方形間の隙間（すなわち、スリット２１２，２３２の幅）が、０．５％未満であると、熱電半導体素子２２０と発熱側電流端子２１０及び吸熱側電流端子２３０が熱膨張したときの前記剪断応力を有効に緩和することができなくなる虞があり、１．０％を超えると熱電半導体素子の密度が低下し、電流リード本体の大きさが大きくなる虞がある。
【００９８】
熱電冷却型電流リード２００に通電すると、熱電冷却型電流リード２００自身のジュール熱と、ペルチェ効果により生じた温度差により、熱電半導体素子２２０両端間は、１００℃以上の温度差を生じる。このとき、発熱側の熱膨張と吸熱側の熱収縮により、熱電半導体素子２２０に剪断応力（この剪断応力は、直方体形状から正四角錘台形状に変形する応力）が加わり、熱電半導体素子２２０にクラックが入るなどして破壊することがある。
【００９９】
本実施の形態では、スリット２１２，２３２により分割された後の熱電半導体素子２２０及び発熱側電流端子２１０及び吸熱側電流端子２３０の断面形状寸法を、一辺の長さ５ｍｍ以下とする。これにより、前記線膨張係数の違いによる接合部の前記剪断応力に加えて、熱電冷却型電流リード２００の温度差による剪断応力についても、低減することができ、熱電半導体素子２２０の破壊を防止することが可能になる。
【０１００】
以上の説明は本発明の好適な実施の形態の例証であり、本発明の範囲はこれに限定されることはない。
【０１０１】
例えば、熱電半導体素子及び熱電半導体素子に接続される電極の端部の分割は、どのような分割でもよい。例えば、図２及び図３に示すように、４であってもよく、図６乃至図９に示すように１６であってもよい。また、分割の形状も任意である。
【０１０２】
また、分割の対象も熱電半導体素子、又は熱電半導体素子に接続される電極の端部のうち、少なくともいずれか一方であればよい。
【０１０３】
また、上記実施の形態では、熱電冷却型電流リードという名称を用いたが、これは説明の便宜上であり、熱電冷却型パワーリード、ペルチェ電流リード等であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１０４】
本発明に係る熱電冷却型電流リードは、常温の電源と低温の超電導コイルや超電導ケーブルとの電気的接続を行う熱電半導体を利用した熱電冷却型電流リードとして有用である。
【符号の説明】
【０１０５】
１１ 電源
１２ 極低温容器
１３ 超電導マグネット
１００，２００，３００，３００Ａ，３００Ｂ，３００Ｃ 熱電冷却型電流リード
１１０ 第１の熱電冷却型電流リード
１１１，１２１，２１０，３１０，３１０Ａ 発熱側電流端子（電極）
１１２ Ｎ型熱電半導体素子
１１３，１２３，２３０，３３０，３３０Ａ 吸熱側電流端子（電極）
１１４，１２４，２１２，２１３，２３２，２３３，３１２，３２３，３３２ スリット
１１５，１２５ 高温超電導体
１２０ 第２の熱電冷却型電流リード
１２２ Ｐ型熱電半導体素子
２１１ 発熱側電流端子の端部
２１４ａ−ｄ，３１３ 発熱側電流端子の接合面
２２０，３２０，３２０Ａ 熱電半導体素子
２２１，２２２，３２１，３２２ 熱電半導体素子の接合面
２３１ 吸熱側電流端子の端部
２３４ａ−ｄ，３３３ 吸熱側電流端子の接合面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
常温の電源と低温の超電導装置を接続する熱電冷却型電流リードであって、
熱電半導体素子と、
前記熱電半導体素子に接続される電極とを備え、
前記熱電半導体素子と前記電極との接合面のうち、少なくともいずれか一方が分割されている、
熱電冷却型電流リード。
【請求項２】
前記接合面の分割は、スリットにより形成されている、請求項１記載の熱電冷却型電流リード。
【請求項３】
前記電極は、二個一対であり、
これらの電極の間に前記熱電半導体素子を介在させ、
前記二個一対のうちの一方の電極と前記熱電半導体素子との接合面のうち、いずれか一方又は両方の接合面が分割されている、請求項１又は２に記載の熱電冷却型電流リード。
【請求項４】
前記電極と前記熱電半導体素子との接合面のうち、いずれか一方又は両方の接合面が４分割されている、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の熱電冷却型電流リード。
【請求項５】
分割後の前記接合面の断面寸法に基づいて、前記スリットの深さ及び前記スリットの幅を設定する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の熱電冷却型電流リード。
【請求項６】
前記熱電半導体素子は、ＢｉＴｅ化合物からなるＮ型又はＰ型熱電材料である、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の熱電冷却型電流リード。
【請求項７】
吸熱側の前記電極と前記超電導装置との間には、高温超電導体が接合される、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の熱電冷却型電流リード。
【請求項１】
常温の電源と低温の超電導装置を接続する熱電冷却型電流リードであって、
熱電半導体素子と、
前記熱電半導体素子に接続される電極とを備え、
前記熱電半導体素子と前記電極との接合面のうち、少なくともいずれか一方が分割されている、
熱電冷却型電流リード。
【請求項２】
前記接合面の分割は、スリットにより形成されている、請求項１記載の熱電冷却型電流リード。
【請求項３】
前記電極は、二個一対であり、
これらの電極の間に前記熱電半導体素子を介在させ、
前記二個一対のうちの一方の電極と前記熱電半導体素子との接合面のうち、いずれか一方又は両方の接合面が分割されている、請求項１又は２に記載の熱電冷却型電流リード。
【請求項４】
前記電極と前記熱電半導体素子との接合面のうち、いずれか一方又は両方の接合面が４分割されている、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の熱電冷却型電流リード。
【請求項５】
分割後の前記接合面の断面寸法に基づいて、前記スリットの深さ及び前記スリットの幅を設定する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の熱電冷却型電流リード。
【請求項６】
前記熱電半導体素子は、ＢｉＴｅ化合物からなるＮ型又はＰ型熱電材料である、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の熱電冷却型電流リード。
【請求項７】
吸熱側の前記電極と前記超電導装置との間には、高温超電導体が接合される、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の熱電冷却型電流リード。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−８０７９８（Ｐ２０１３−８０７９８Ａ）
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１９５７５（Ｐ２０１１−２１９５７５）
【出願日】平成２３年１０月３日（２０１１．１０．３）
【出願人】（５００４３３２２５）学校法人中部大学 (105)
【出願人】（３０６０１３１２０）昭和電線ケーブルシステム株式会社 (218)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月３日（２０１１．１０．３）
【出願人】（５００４３３２２５）学校法人中部大学 (105)
【出願人】（３０６０１３１２０）昭和電線ケーブルシステム株式会社 (218)
【Ｆターム（参考）】
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