電流リード
【課題】安定した特性を有し、信頼性が高く、製造時の生産性を向上することができる電流リードを提供する。
【解決手段】低温部に設置される超電導応用機器に接続される低温側電極と、常温部に設置される外部機器に接続される常温側電極と、一方の面に低温側電極が接合され、他方の面に常温側電極が接合されるペルチェ素子と、を備え、超電導応用機器と外部機器とを接続する電流リードであって、ペルチェ素子の低温側電極、常温側電極との接合面に、５〜４０μｍ厚のＮｉめっき層が形成され、低温側電極、常温側電極のペルチェ素子との接合面に、５〜４０μｍ厚のＡｇめっき層が形成され、ペルチェ素子、低温側電極、及び常温側電極が、Ｎｉめっき層とＡｇめっき層が対向するように配置され、これらが半田接合された構造を備えている。
【解決手段】低温部に設置される超電導応用機器に接続される低温側電極と、常温部に設置される外部機器に接続される常温側電極と、一方の面に低温側電極が接合され、他方の面に常温側電極が接合されるペルチェ素子と、を備え、超電導応用機器と外部機器とを接続する電流リードであって、ペルチェ素子の低温側電極、常温側電極との接合面に、５〜４０μｍ厚のＮｉめっき層が形成され、低温側電極、常温側電極のペルチェ素子との接合面に、５〜４０μｍ厚のＡｇめっき層が形成され、ペルチェ素子、低温側電極、及び常温側電極が、Ｎｉめっき層とＡｇめっき層が対向するように配置され、これらが半田接合された構造を備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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、超電導電流リードを採用する場合、電流リードの超電導状態を維持できる様に冷却設備を設けなければならず、冷却コストが増大してしまう課題がある。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平７−２８３０２３号公報
【特許文献２】特開平９−１５３４０７号公報
【特許文献３】特開平８−２７３９２２号公報
【特許文献４】特開２００４−６８５９号公報
【特許文献５】特表２００５−５３８２４６号公報
【特許文献６】特開２００３−１１０１５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、ペルチェ素子と電極を半田接合する際に電極表面が酸化すると、酸化物層（絶縁層）が生成し、あるいは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。そのため、従来は、電極表面（ペルチェ素子との接合面）にフラックスを塗布することにより、電極表面が酸化するのを防止している。また、金属表面の酸化を防止する技術としては、予め金属表面にＡｇ等の金属被膜を形成する手法がある（例えば特許文献５）。
【００１０】
また、ＢｉＴｅ系半導体からなるペルチェ素子と電極を半田接合する場合、半田中のＳｎとペルチェ素子中のＴｅが反応し、この半田反応層によってペルチェ素子の特性が劣化する虞がある。そこで、一般にはペルチェ素子の電極との接合面に、予めＮｉ等のめっきが施される（例えば特許文献６）。
【００１１】
しかしながら、特許文献５、６に記載の技術を適用した熱電冷却型の電流リードは、特性が経時的に低下することが判明した。すなわち、特許文献５、６に記載の技術を利用すると強固な半田接合を実現することはできるが、熱電冷却型の電流リードに適用するには、さらなる改善が必要である。
【００１２】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、安定した特性を有する信頼性の高い電流リードを提供できるとともに、製造時の生産性を向上することができる電流リードを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の電流リードは、低温部に設置される超電導応用機器に接続される低温側電極と、
常温部に設置される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接合され、他方の面に前記常温側電極が接合されるペルチェ素子と、を備え、前記超電導応用機器と前記外部機器とを接続する電流リードであって、
前記ペルチェ素子の前記低温側電極、前記常温側電極との接合面に、５〜４０μｍ厚のＮｉめっき層が形成され、
前記低温側電極、前記常温側電極の前記ペルチェ素子との接合面に、５〜４０μｍ厚のＡｇめっき層が形成され、
前記ペルチェ素子、前記低温側電極、及び前記常温側電極が、前記Ｎｉめっき層と前記Ａｇめっき層が対向するように配置され、これらが半田接合された構造を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ペルチェ素子表面に形成されるＮｉめっき層により半田反応層の形成が防止され、電極表面に形成されるＡｇめっき層により電極表面の酸化が防止されるので、強固な半田接合が実現される。また、Ｎｉめっき層、Ａｇめっき層が最適な厚さで形成されるので、電流リードの特性が経時的に低下することもない。したがって、安定した特性を有する信頼性の高い電流リードを提供できるとともに、製造時の生産性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】従来の熱電冷却型電流リードの具体的な構成を示す図である。
【図２】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の一例を示す図である。
【図３】実施の形態に係る電流リードの詳細な構成を示す図である。
【図４】半田接合部を詳細に示す図である。
【図５】本発明の他の実施の形態に係る電流リードを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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と低温側電極１０２、常温側電極１０３を半田接合する方法については、後述する。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
また、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０．３〜１７．０ＭＰａの圧力が付与されるものが適用される。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
このとき、図４に示すように、ペルチェ素子１０１、低温側電極１０２、第１の常温側電極１０３ａには、予め所定のめっき処理を施しておく。
具体的には、ペルチェ素子１０１の両端面（低温側電極１０２、第１の常温側電極１０３ａとの接合面）には、Ｎｉめっき層が形成される。Ｎｉめっき層の厚さが５μ未満であると、ＢｉＴｅ系半導体からなるペルチェ素子１０１と半田が反応して半田反応層が形成され、ペルチェ素子１０１の特性を劣化させる要因となる。また、Ｎｉめっき層の厚さが４０μｍを超えるとめっき工程に長時間を要するために生産性が低下する上、ペルチェ素子１０１の特性も低下する。したがって、Ｎｉめっき層の厚さは、５〜４０μｍであることが望ましい。
【００３２】
また、低温側電極１０２、第１の常温側電極１０３ａの一端面（ペルチェ素子１０１との接合面）には、Ａｇめっき層が形成される。Ａｇめっき層の厚さが５μ未満であると、無酸素銅からなる低温側電極１０２、第１の常温側電極１０３ａが半田接合時に酸化して、ペルチェ素子１０１の特性を劣化させる要因となる。また、Ａｇめっき層の厚さが４０μｍを超えるとめっき工程に長時間を要するために生産性が低下する上、ペルチェ素子１０１の特性も低下する。したがって、Ａｇめっき層の厚さは、５〜４０μｍであることが望ましい。
【００３３】
なお、ペルチェ素子１０１へのＮｉめっき、及び低温側電極１０２、第１の常温側電極１０３ａへのＡｇめっきには、電気めっき、無電解めっき等、公知の技術を適用できるが、めっき厚を５〜４０μｍで形成するには品質の面から電気めっきが好適である。
【００３４】
そして、接合部Ｂに加わる圧力が０．３ＭＰａ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０．３ＭＰａ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。
【００３５】
このように、本実施の形態では、電流リード１０を製造するに際し、ペルチェ素子１０１の低温側電極１０２、常温側電極１０３との接合面に、５〜４０μｍ厚のＮｉめっき層を形成する。また、低温側電極１０２、第１の常温側電極１０３ａのペルチェ素子１０１との接合面に、５〜４０μｍ厚のＡｇめっき層を形成する。そして、Ｎｉめっき層とＡｇめっき層が対向する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を配置して、これらを半田接合する。
【００３６】
ペルチェ素子１０１の両端面にはＮｉめっき層が形成されているので、半田反応層が形成されるのを防止できる。また、低温側電極１０２、第１の常温側電極１０３ａの表面にはＡｇめっき層が形成されているので、電極表面が酸化するのを防止できる。したがって、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、Ｎｉめっき層、Ａｇめっき層が最適な厚さで形成されるので、電流リード１０の特性が経時的に低下することもない。したがって、安定した特性を有する信頼性の高い電流リード１０を製造できるとともに、製造時の生産性を向上することができる。
【００３７】
［実施例］
実施例では、ペルチェ素子１０１の両端面に形成するＮｉめっき層の厚さ、低温側電極１０２、第１の常温側電極１０３ａの一端面に形成するＡｇめっき厚さを変えて、複数の電流リード１０を作製した。このとき、Ｎｉめっき層とＡｇめっき層の厚さは、両方の厚さが５〜４０μｍの範囲に入るように設定した。また、各試験片におけるＮｉめっき層とＡｇめっき層は同等の厚さとした。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。めっき厚は、Ｆ４０顕微鏡式膜厚測定システム（フィルメトリクス（株）製）を使用して測定した。
なお、実施例では、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も省略した。
【００３８】
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。
【００３９】
Ｎｉめっき層、Ａｇめっき層の厚さは、実施例１では約７μｍ、実施例２では約１８μｍ、実施例３では約２７μｍ、実施例４では約３２μｍ、実施例５では約３８μｍとした。
【００４０】
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に適度な圧力（例えば、０．６ＭＰａ）が加わるように、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。
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。
【００４１】
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）。
【００４２】
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。
【００４３】
実施例に係る電流リード１０の構成、及び評価結果を表１に示す。
【００４４】
【表１】
【００４５】
表１に示すように、Ａｇめっき層、Ｎｉめっき層の両方を５〜４０μｍの厚さで形成した場合に、外観にクラック等の異常は発生せず、初期の電気抵抗、及び初期値からの劣化も小さくなることが確認された（実施例１〜５）。
特に、Ａｇめっき層、Ｎｉめっき層の両方を５〜３０μｍの厚さで形成した場合には、外観にクラック等の異常は発生せず、初期の電気抵抗、及び初期値からの劣化も小さくなることが確認された（実施例１〜３）。さらに、Ａｇめっき層、Ｎｉめっき層の両方を５〜２５μｍの厚さで形成した場合には、初期の電気抵抗、及び初期値からの劣化が極めて小さくなることが確認された（実施例１、２）。
【００４６】
［比較例］
比較例では、Ｎｉめっき層とＡｇめっき層の何れかの厚さが、５〜４０μｍの範囲外となるように、それぞれの厚さを設定した。Ｎｉめっき層、Ａｇめっき層の厚さ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。
【００４７】
【表２】
【００４８】
表２に示すように、Ｎｉめっき層とＡｇめっき層の何れかの厚さが５〜４０μｍの範囲外となっている場合には、初期の電気抵抗が大きく、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。このように、実施例と比較例との差は歴然であった。
【００４９】
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５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により接続された電流リードにも、本発明を適用することができる。また、図１に示すような圧力調整機構（コイルばね１０４等）を備えていない従来型の電流リードにも本発明を適用することができる。
【００５０】
また、Ｎｉめっき層、Ａｇめっき層の厚さは、５〜４０μｍの範囲内であれば、それぞれ異なっていてもよい。
【００５１】
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。
【符号の説明】
【００５２】
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
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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、超電導電流リードを採用する場合、電流リードの超電導状態を維持できる様に冷却設備を設けなければならず、冷却コストが増大してしまう課題がある。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平７−２８３０２３号公報
【特許文献２】特開平９−１５３４０７号公報
【特許文献３】特開平８−２７３９２２号公報
【特許文献４】特開２００４−６８５９号公報
【特許文献５】特表２００５−５３８２４６号公報
【特許文献６】特開２００３−１１０１５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、ペルチェ素子と電極を半田接合する際に電極表面が酸化すると、酸化物層（絶縁層）が生成し、あるいは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。そのため、従来は、電極表面（ペルチェ素子との接合面）にフラックスを塗布することにより、電極表面が酸化するのを防止している。また、金属表面の酸化を防止する技術としては、予め金属表面にＡｇ等の金属被膜を形成する手法がある（例えば特許文献５）。
【００１０】
また、ＢｉＴｅ系半導体からなるペルチェ素子と電極を半田接合する場合、半田中のＳｎとペルチェ素子中のＴｅが反応し、この半田反応層によってペルチェ素子の特性が劣化する虞がある。そこで、一般にはペルチェ素子の電極との接合面に、予めＮｉ等のめっきが施される（例えば特許文献６）。
【００１１】
しかしながら、特許文献５、６に記載の技術を適用した熱電冷却型の電流リードは、特性が経時的に低下することが判明した。すなわち、特許文献５、６に記載の技術を利用すると強固な半田接合を実現することはできるが、熱電冷却型の電流リードに適用するには、さらなる改善が必要である。
【００１２】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、安定した特性を有する信頼性の高い電流リードを提供できるとともに、製造時の生産性を向上することができる電流リードを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の電流リードは、低温部に設置される超電導応用機器に接続される低温側電極と、
常温部に設置される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接合され、他方の面に前記常温側電極が接合されるペルチェ素子と、を備え、前記超電導応用機器と前記外部機器とを接続する電流リードであって、
前記ペルチェ素子の前記低温側電極、前記常温側電極との接合面に、５〜４０μｍ厚のＮｉめっき層が形成され、
前記低温側電極、前記常温側電極の前記ペルチェ素子との接合面に、５〜４０μｍ厚のＡｇめっき層が形成され、
前記ペルチェ素子、前記低温側電極、及び前記常温側電極が、前記Ｎｉめっき層と前記Ａｇめっき層が対向するように配置され、これらが半田接合された構造を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ペルチェ素子表面に形成されるＮｉめっき層により半田反応層の形成が防止され、電極表面に形成されるＡｇめっき層により電極表面の酸化が防止されるので、強固な半田接合が実現される。また、Ｎｉめっき層、Ａｇめっき層が最適な厚さで形成されるので、電流リードの特性が経時的に低下することもない。したがって、安定した特性を有する信頼性の高い電流リードを提供できるとともに、製造時の生産性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】従来の熱電冷却型電流リードの具体的な構成を示す図である。
【図２】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の一例を示す図である。
【図３】実施の形態に係る電流リードの詳細な構成を示す図である。
【図４】半田接合部を詳細に示す図である。
【図５】本発明の他の実施の形態に係る電流リードを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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と低温側電極１０２、常温側電極１０３を半田接合する方法については、後述する。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
また、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０．３〜１７．０ＭＰａの圧力が付与されるものが適用される。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
このとき、図４に示すように、ペルチェ素子１０１、低温側電極１０２、第１の常温側電極１０３ａには、予め所定のめっき処理を施しておく。
具体的には、ペルチェ素子１０１の両端面（低温側電極１０２、第１の常温側電極１０３ａとの接合面）には、Ｎｉめっき層が形成される。Ｎｉめっき層の厚さが５μ未満であると、ＢｉＴｅ系半導体からなるペルチェ素子１０１と半田が反応して半田反応層が形成され、ペルチェ素子１０１の特性を劣化させる要因となる。また、Ｎｉめっき層の厚さが４０μｍを超えるとめっき工程に長時間を要するために生産性が低下する上、ペルチェ素子１０１の特性も低下する。したがって、Ｎｉめっき層の厚さは、５〜４０μｍであることが望ましい。
【００３２】
また、低温側電極１０２、第１の常温側電極１０３ａの一端面（ペルチェ素子１０１との接合面）には、Ａｇめっき層が形成される。Ａｇめっき層の厚さが５μ未満であると、無酸素銅からなる低温側電極１０２、第１の常温側電極１０３ａが半田接合時に酸化して、ペルチェ素子１０１の特性を劣化させる要因となる。また、Ａｇめっき層の厚さが４０μｍを超えるとめっき工程に長時間を要するために生産性が低下する上、ペルチェ素子１０１の特性も低下する。したがって、Ａｇめっき層の厚さは、５〜４０μｍであることが望ましい。
【００３３】
なお、ペルチェ素子１０１へのＮｉめっき、及び低温側電極１０２、第１の常温側電極１０３ａへのＡｇめっきには、電気めっき、無電解めっき等、公知の技術を適用できるが、めっき厚を５〜４０μｍで形成するには品質の面から電気めっきが好適である。
【００３４】
そして、接合部Ｂに加わる圧力が０．３ＭＰａ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０．３ＭＰａ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。
【００３５】
このように、本実施の形態では、電流リード１０を製造するに際し、ペルチェ素子１０１の低温側電極１０２、常温側電極１０３との接合面に、５〜４０μｍ厚のＮｉめっき層を形成する。また、低温側電極１０２、第１の常温側電極１０３ａのペルチェ素子１０１との接合面に、５〜４０μｍ厚のＡｇめっき層を形成する。そして、Ｎｉめっき層とＡｇめっき層が対向する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を配置して、これらを半田接合する。
【００３６】
ペルチェ素子１０１の両端面にはＮｉめっき層が形成されているので、半田反応層が形成されるのを防止できる。また、低温側電極１０２、第１の常温側電極１０３ａの表面にはＡｇめっき層が形成されているので、電極表面が酸化するのを防止できる。したがって、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、Ｎｉめっき層、Ａｇめっき層が最適な厚さで形成されるので、電流リード１０の特性が経時的に低下することもない。したがって、安定した特性を有する信頼性の高い電流リード１０を製造できるとともに、製造時の生産性を向上することができる。
【００３７】
［実施例］
実施例では、ペルチェ素子１０１の両端面に形成するＮｉめっき層の厚さ、低温側電極１０２、第１の常温側電極１０３ａの一端面に形成するＡｇめっき厚さを変えて、複数の電流リード１０を作製した。このとき、Ｎｉめっき層とＡｇめっき層の厚さは、両方の厚さが５〜４０μｍの範囲に入るように設定した。また、各試験片におけるＮｉめっき層とＡｇめっき層は同等の厚さとした。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。めっき厚は、Ｆ４０顕微鏡式膜厚測定システム（フィルメトリクス（株）製）を使用して測定した。
なお、実施例では、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も省略した。
【００３８】
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。
【００３９】
Ｎｉめっき層、Ａｇめっき層の厚さは、実施例１では約７μｍ、実施例２では約１８μｍ、実施例３では約２７μｍ、実施例４では約３２μｍ、実施例５では約３８μｍとした。
【００４０】
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に適度な圧力（例えば、０．６ＭＰａ）が加わるように、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。
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。
【００４１】
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）。
【００４２】
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。
【００４３】
実施例に係る電流リード１０の構成、及び評価結果を表１に示す。
【００４４】
【表１】
【００４５】
表１に示すように、Ａｇめっき層、Ｎｉめっき層の両方を５〜４０μｍの厚さで形成した場合に、外観にクラック等の異常は発生せず、初期の電気抵抗、及び初期値からの劣化も小さくなることが確認された（実施例１〜５）。
特に、Ａｇめっき層、Ｎｉめっき層の両方を５〜３０μｍの厚さで形成した場合には、外観にクラック等の異常は発生せず、初期の電気抵抗、及び初期値からの劣化も小さくなることが確認された（実施例１〜３）。さらに、Ａｇめっき層、Ｎｉめっき層の両方を５〜２５μｍの厚さで形成した場合には、初期の電気抵抗、及び初期値からの劣化が極めて小さくなることが確認された（実施例１、２）。
【００４６】
［比較例］
比較例では、Ｎｉめっき層とＡｇめっき層の何れかの厚さが、５〜４０μｍの範囲外となるように、それぞれの厚さを設定した。Ｎｉめっき層、Ａｇめっき層の厚さ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。
【００４７】
【表２】
【００４８】
表２に示すように、Ｎｉめっき層とＡｇめっき層の何れかの厚さが５〜４０μｍの範囲外となっている場合には、初期の電気抵抗が大きく、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。このように、実施例と比較例との差は歴然であった。
【００４９】
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５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により接続された電流リードにも、本発明を適用することができる。また、図１に示すような圧力調整機構（コイルばね１０４等）を備えていない従来型の電流リードにも本発明を適用することができる。
【００５０】
また、Ｎｉめっき層、Ａｇめっき層の厚さは、５〜４０μｍの範囲内であれば、それぞれ異なっていてもよい。
【００５１】
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。
【符号の説明】
【００５２】
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
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低温部に設置される超電導応用機器に接続される低温側電極と、
常温部に設置される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接合され、他方の面に前記常温側電極が接合されるペルチェ素子と、を備え、前記超電導応用機器と前記外部機器とを接続する電流リードであって、
前記ペルチェ素子の前記低温側電極、前記常温側電極との接合面に、５〜４０μｍ厚のＮｉめっき層が形成され、
前記低温側電極、前記常温側電極の前記ペルチェ素子との接合面に、５〜４０μｍ厚のＡｇめっき層が形成され、
前記ペルチェ素子、前記低温側電極、及び前記常温側電極が、前記Ｎｉめっき層と前記Ａｇめっき層が対向するように配置され、これらが半田接合された構造を備えていることを特徴とする電流リード。
【請求項２】
前記Ａｇめっき層及び前記Ｎｉめっき層の厚さが、５〜３０μｍであることを特徴とする請求項１に記載の電流リード。
【請求項３】
前記Ａｇめっき層及び前記Ｎｉめっき層の厚さが、５〜２５μｍであることを特徴とする請求項２に記載の電流リード。
【請求項４】
前記半田接合に用いられる半田のＳｎ含有量が、９０〜９９重量％であ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。
【請求項５】
前記ペルチェ素子が、５〜５０重量％のＴｅを含有し、
前記低温側電極及び前記常温側電極が、９０重量％以上のＣｕを含有することを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の電流リード。
【請求項１】
低温部に設置される超電導応用機器に接続される低温側電極と、
常温部に設置される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接合され、他方の面に前記常温側電極が接合されるペルチェ素子と、を備え、前記超電導応用機器と前記外部機器とを接続する電流リードであって、
前記ペルチェ素子の前記低温側電極、前記常温側電極との接合面に、５〜４０μｍ厚のＮｉめっき層が形成され、
前記低温側電極、前記常温側電極の前記ペルチェ素子との接合面に、５〜４０μｍ厚のＡｇめっき層が形成され、
前記ペルチェ素子、前記低温側電極、及び前記常温側電極が、前記Ｎｉめっき層と前記Ａｇめっき層が対向するように配置され、これらが半田接合された構造を備えていることを特徴とする電流リード。
【請求項２】
前記Ａｇめっき層及び前記Ｎｉめっき層の厚さが、５〜３０μｍであることを特徴とする請求項１に記載の電流リード。
【請求項３】
前記Ａｇめっき層及び前記Ｎｉめっき層の厚さが、５〜２５μｍであることを特徴とする請求項２に記載の電流リード。
【請求項４】
前記半田接合に用いられる半田のＳｎ含有量が、９０〜９９重量％であ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。
【請求項５】
前記ペルチェ素子が、５〜５０重量％のＴｅを含有し、
前記低温側電極及び前記常温側電極が、９０重量％以上のＣｕを含有することを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の電流リード。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−１０５９０７（Ｐ２０１３−１０５９０７Ａ）
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４８９４１（Ｐ２０１１−２４８９４１）
【出願日】平成２３年１１月１４日（２０１１．１１．１４）
【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)
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１４日（２０１１．１１．１４）
【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)
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