電流引線的制作方法

電流引線的制作方法
【專利摘要】本發明的電流引線包括：與設置于低溫部的超導應用設備連接的低溫側電極；與設置于常溫部的外部設備連接的常溫側電極；以及在一個面接合有所述低溫側電極且在另一個面接合有常溫側電極的珀耳帖元件，該電流引線將超導應用設備和外部設備連接，其中，在珀耳帖元件的與低溫側電極、常溫側電極之間的接合面形成有5～40μm厚的Ni鍍層，在低溫側電極、常溫側電極的與珀耳帖元件之間的接合面形成有5～40μm厚的Ag鍍層，將珀耳帖元件、低溫側電極、以及常溫側電極以使Ni鍍層和Ag鍍層相對的方式而配置，珀耳帖元件、低溫側電極、以及常溫側電極具有進行了焊錫接合的結構。
【專利說明】電流引線【技術領域】
[0001]本發明涉及將設置于低溫部的超導應用設備和設置于常溫部的外部設備連接的電流引線，特別地，涉及使用熱電變換元件的熱電冷卻型的電流引線。
【背景技術】
[0002]近年來，在超導電纜或超導磁鐵等利用超導的超導應用設備的領域，面向實用化的研究、開發正在盛行。一般地，超導應用設備設置于低溫部(低溫容器)，通過電流引線與設置于常溫部的外部設備(例如，電源)連接。
[0003]由于在極低溫環境下運行超導應用設備，因此，低溫部的絕熱性極其重要。若低溫部的絕熱性差，侵入到低溫部的熱量多，則超導應用設備的冷卻效率降低，從而用于維持超導狀態的冷卻成本增加，根據情況不同，有可能不能使超導應用設備運行。作為熱量向該低溫部侵入的路徑，可以認為是在低溫容器中進行傳熱的路徑、或在電流引線中進行傳熱的路徑。
[0004]作為用于防止熱量經由低溫容器侵入的方法，已知有具有容納液體氮等制冷劑及超導應用設備的制冷劑槽、和設置于制冷劑槽的外側的真空槽的雙層結構的低溫容器。根據該低溫容器，通過真空絕熱減少了熱量向低溫部的侵入。
[0005]作為用于防止熱量經由電流引線侵入的方法，提出了使用氧化物超導體的超導電流引線(例如，專利文獻I~3)。氧化物超導體與金屬導體相比，電阻小，且熱傳導率小(銅的數十分之一)，因此，在超導電流引線中沒有焦耳熱產生，向低溫部的傳熱量也極小。因此，通過超導電流引線，減少了熱量的向低溫部的侵入。
[0006]但是，在采用超導電流引線的情況下，存在以下問題:為了能夠維持電流引線的超導狀態，必須設置冷卻設備，冷卻成本增大。
[0007]因此，作為用于防止熱量經由電流引線侵入的其他方法，提出了利用熱電變換元件(以下，珀耳帖(Peltier)元件)的熱電冷卻型電流引線(例如，專利文獻4)。在熱電冷卻型電流引線中，通過珀耳帖元件將與低溫部的超導應用設備連接的電極(低溫側電極)和與常溫部的外部設備連接的電極(常溫側電極)連接起來(參照圖1)。具體而言，利用焊錫將低溫側電極與珀耳帖元件的一個端面接合，同樣地，利用焊錫將珀耳帖元件的另一個端面與常溫側電極接合。以下，在不區別低溫側電極和常溫側電極的情況下，簡稱為電極。
[0008]珀耳帖元件具有在通電時從一端側吸熱，從另一端側散熱的功能。珀耳帖元件例如由BiTe (鉍碲)系的化合物半導體構成。在珀耳帖元件由P型半導體構成的情況下，在電流的流入側發生吸熱現象，在流出側發生放熱現象。相反地，在珀耳帖元件由η型半導體構成的情況下，在電流的流入側發生放熱現象，在流出側發生吸熱現象。因此，通過根據熱電冷卻型電流引線中的通電方向，使用利用P型半導體或η型半導體構成的珀耳帖元件，能夠在通電時使熱量從低溫部向常溫部移動，因此減少了熱量的向低溫部的侵入。
[0009]此外，電極一般由純度99.99%以上的無氧銅(OFC:0xygen_Free Copper)構成。[0010]現有技術文獻
[0011]專利文獻
[0012]專利文獻1:日本特開平7-283023號公報
[0013]專利文獻2:日本特開平9-153407號公報
[0014]專利文獻3:日本特開平8-273922號公報
[0015]專利文獻4:日本特開2004-6859號公報
[0016]專利文獻5:日本特表2005-538246號公報
[0017]專利文獻6:日本特開2003-110154號公報

【發明內容】

[0018]發明要解決的問題
[0019]然而，在對珀耳帖元件和電極進行焊錫接合時，若電極表面氧化，則有可能生成氧化物層(絕緣層)，或者，有可能在接合面產生凹凸或微小的空隙等缺陷，導致熱傳導性的下降和電阻的增大。因此，以往，通過在電極表面(與珀耳帖元件之間的接合面)涂敷助焊劑(flux)來防止電極表面氧化。另外，作為防止金屬表面氧化的技術，有預先在金屬表面形成Ag等金屬被膜的方法(例如，專利文獻5)。
[0020]另外，在對由BiTe系半導體構成的珀耳帖元件和電極進行焊錫接合時，焊錫中的Sn和珀耳帖元件中的Te發生反應，有可能由于該焊錫反應層而使珀耳帖元件的特性劣化。因此，一般，在珀耳帖元件的與電極之間的接合面預先實施Ni等的涂鍍(例如，專利文獻6)。
[0021]但是，已知適用專利文獻5、6記載的技術的熱電冷卻型的電流引線的特性隨著時間而下降。即，若利用專利文獻5、6記載的技術，則能夠實現牢固的焊錫接合，但是，在對于熱電冷卻型的電流引線的適用上，需要進一步地進行改進。
[0022]本發明是為了解決上述問題而完成的，其目的在于，能夠提供具有穩定的特性的、可罪性聞的電流引線，并且提供能夠提聞制造時的生廣率的電流引線。
[0023]解決問題的方案
[0024]本發明的電流引線包括:與設置于低溫部的超導應用設備連接的低溫側電極；與設置于常溫部的外部設備連接的常溫側電極；以及在一個面接合有所述低溫側電極且在另一個面接合有所述常溫側電極的珀耳帖元件，該電流引線將所述超導應用設備和所述外部設備連接，其特征在于，在所述珀耳帖元件的與所述低溫側電極、所述常溫側電極之間的接合面形成有5?40 μ m厚的Ni鍍層，在所述低溫側電極、所述常溫側電極的與所述珀耳帖元件之間的接合面形成有5?40 μ m厚的Ag鍍層，將所述珀耳帖元件、所述低溫側電極、以及所述常溫側電極以使所述Ni鍍層和所述Ag鍍層相對的方式配置，并且具有將所述珀耳帖元件、所述低溫側電極、以及所述常溫側電極進行了焊錫接合的結構。
[0025]發明效果
[0026]根據本發明，利用形成于珀耳帖元件表面的Ni鍍層防止了焊錫反應層的形成，利用形成于電極表面的Ag鍍層防止了電極表面的氧化，因此，實現了牢固的焊錫接合。另外，由于以最佳的厚度形成Ni鍍層、Ag鍍層，所以也不會使電流引線的特性隨著時間下降。因此，能夠提供具有穩定的特性的可靠性高的電流引線，并且能夠提高制造時的生產率。【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1是表示以往的熱電冷卻型電流引線的具體結構的圖。
[0028]圖2是表示一例使用了本發明一實施方式的電流引線的超導磁鐵裝置的圖。
[0029]圖3是表示實施方式的電流引線的詳細結構的圖。
[0030]圖4是詳細地表示焊錫接合部的圖。
[0031]圖5是表示本發明的其他實施方式的電流引線的圖。
[0032]符號說明:
[0033]I 超導磁鐵裝置
[0034]10電流引線
[0035]11超導線圈
[0036]12 電源
[0037]13低溫容器
[0038]101珀耳帖元件
[0039]102低溫側電極
[0040]103常溫側電極
[0041]104螺旋彈簧
[0042]105柔性導體
[0043]106保護管
[0044]107低溫側固定螺栓
[0045]108常溫側固定螺栓
[0046]109低溫側固定板
[0047]110常溫側固定板
[0048]111連結墊片
[0049]112均壓板
[0050]B 接合部
【具體實施方式】
[0051]以下，基于附圖對本發明的實施方式詳細地進行說明。
[0052]圖2是表示使用了本發明一實施方式的電流引線的超導磁鐵裝置的圖。
[0053]如圖2所示，超導磁鐵裝置I包括:設置于低溫部的超導線圈11 ;設置于常溫部的電源12 ;以及將電源12和超導線圈11電連接的兩個電流引線10。在區別兩個電流引線10的情況下，稱為電流引線10A、10B。
[0054]超導線圈11例如設置于具有真空絕熱結構的低溫容器13內，利用液體氦被冷卻。電源12通過電流引線10提供對超導線圈11進行勵磁所需的電流。
[0055]電流引線10是具有作為熱電變換元件的珀耳帖元件101的熱電冷卻型的電流引線。在珀耳帖元件101的一個面接合有與超導線圈11連接的低溫側電極102，在另一個面接合有與電源12連接的常溫側電極103。對于低溫側電極102、常溫側電極103，從電阻方面考慮，希望Cu含量為90重量％以上，例如，由純度99.99%以上的無氧銅構成。[0056]分別通過焊接將珀耳帖元件101與低溫側電極102、珀耳帖元件101與常溫側電極103接合。作為在這種情況下使用的焊錫，從耐熱性方面考慮，優選使用Sn含量為90?99重量％的Sn-Ag-Cu (所謂的無鉛焊錫)。關于對珀耳帖元件101和低溫側電極102、常溫側電極103進行焊錫接合的方法，將后述。
[0057]珀耳帖元件101例如由BiTe系、BiTeSb系、或BiSb系的化合物半導體構成。特別地，從熱電變換效率方面考慮，優選是Te含量為5?50重量％的BiTe系半導體或BiTeSb系半導體。在適用BiTe系半導體或BiTeSb系半導體的情況下，在從常溫到200K附近的溫度范圍，得到良好的冷卻能力。另外，在適用BiSb系半導體的情況下，在從200K附近到液體氮溫度(77K)附近的溫度范圍，得到良好的冷卻能力。
[0058]另外，對于珀耳帖元件101，優選使用將成分調整成在室溫以下的低溫性能指數ζ(= α2/(κ P), α:塞貝克(Seebeck)系數、κ:熱傳導率、P:比電阻)的值為最大的半導體。
[0059]作為與電源12的正極側連接的電流引線IOA的珀耳帖元件101適用η型半導體，作為與負極側連接的電流引線IOB的珀耳帖元件101適用P型半導體。例如，對于BiTe系半導體的通電型，通過添加SbI3而控制為η型,通過添加PbI3而控制為ρ型。另外,通過將構成元素的量從化學計量比稍微偏離，也能夠控制BiTe系半導體的通電型。
[0060]在哪個電流引線10Α、IOB中，都是在珀耳帖元件101的低溫側發生吸熱現象，在常溫側發生放熱現象。即，在珀耳帖元件101中，通電時熱量從低溫側向常溫側移動，因此，能夠減少熱量的向低溫部的侵入，并且，能夠有效地將超導線圈11冷卻。
[0061]圖3是表示實施方式的電流引線10的詳細結構的圖。
[0062]如圖3所示，在電流引線10中，通過焊接在珀耳帖元件101的一個面接合有低溫側電極102，通過焊接在另一個面接合有常溫側電極103。
[0063]在此，常溫側電極103被分割成兩個部件(稱為第一常溫側電極103a、第二常溫側電極103b)。而且，第一常溫側電極103a和第二常溫側電極103b通過具有撓性的柔性導體105相互連接。柔性導體105例如由平針編織的銅線構成。柔性導體105吸收在電流引線10、特別是在由珀耳帖元件101、低溫側電極102、常溫側電極103構成的接合部B產生的彎曲和變形。
[0064]在圓盤狀的常溫側固定板110的中央部形成有開口(圖示略)，在該開口插入嵌裝有第一常溫側電極103a。在第一常溫側電極103a，通過形成直徑比常溫側固定板110的開口的直徑大的凸緣等，從而在常溫側固定板110插入嵌裝了第一常溫側電極103a的狀態下，第一常溫側電極103a不會脫落。在常溫側固定板110的周邊部形成有多個(例如，等間隔的四個)插通孔，在該插通孔插入有常溫側固定螺栓108。而且，通過在連結墊片111的一端側將常溫側固定螺栓108擰緊，從而將第一常溫側電極103a固定。
[0065]低溫側電極102的固定方式也幾乎與第一常溫側電極103a的固定方式相同。即，在圓盤狀的低溫側固定板109的中央部形成有開口(圖示略)，在該開口插入嵌裝有低溫側電極102。在低溫側電極102，通過形成直徑比低溫側固定板109的開口的直徑大的凸緣等，從而在低溫側固定板109插入了低溫側電極102的狀態下，低溫側電極102不會脫落。在低溫側固定板109的周邊部形成有多個(例如，等間隔的四個)插通孔，在該插通孔插入有低溫側固定螺栓107。而且，通過在連結墊片111的另一端側將低溫側固定螺栓107擰緊，從而將低溫側電極102固定。
[0066]這樣，以由低溫側固定板109和常溫側固定板110夾持的狀態，將由珀耳帖元件
101、低溫側電極102、第一常溫側電極103a構成的接合部B固定。
[0067]另外，在低溫側固定螺栓107的頭部和低溫側固定板109之間插裝有作為施力部件的螺旋彈簧104。隨著將低溫側固定螺栓107擰緊在連結墊片111，螺旋彈簧104被壓縮而產生作用力，因此，借助于低溫側固定板109在接合部B施加了規定的壓力。S卩，通過調整低溫側固定螺栓107向連結墊片111的緊入量，能夠適當地調整施加于接合部B的壓力。
[0068]作為螺旋彈簧104，適用伴隨將低溫側固定螺栓107在連結墊片111擰緊而在接合部B施加0.3?17.0MPa的壓力的螺旋彈簧。
[0069]另外，在將多個低溫側固定螺栓107在連結墊片111擰緊時，低溫側固定螺栓107借助于與低溫側固定板109具有相同形狀的均壓板112將螺旋彈簧104壓縮，以使在螺旋彈簧104產生的作用力均勻地傳遞到低溫側固定板109。
[0070]進而，在由珀耳帖元件101、低溫側電極102、第一常溫側電極103a構成的接合部B的外周設置有圓筒狀的保護管106。保護管106是在設置電流引線10時等作用了意想不到的外力時，直接承受該外力的增強部件。
[0071]作為保護管106，優選是將玻璃纖維混入塑料中來提高強度的玻璃纖維增強塑料(GFRP:Glass Fiber Reinforced Plastics)制。通過使用 GFRP 制的保護管 106,能夠切斷來自外部的熱量流入，因此，能夠防止由保護管106覆蓋的內部的結構體的溫度上升、以及伴隨其的設備損傷、劣化。
[0072]在制作電流引線10時，首先，在將低溫側電極102、第一常溫側電極103a如上述那樣固定后，將低溫側電極102向螺旋彈簧104被壓縮的方向推回。接著，在低溫側電極102和第一常溫側電極103a之間插裝規定厚度的固體焊錫，并配置珀耳帖元件101。
[0073]這時，如圖4所示，對珀耳帖元件101、低溫側電極102、第一常溫側電極103a預先實施規定的涂鍍處理。
[0074]具體而言，在珀耳帖元件101的兩端面(與低溫側電極102、第一常溫側電極103a之間的接合面)形成了 Ni鍍層。若Ni鍍層的厚度不到5μ，則由BiTe系半導體構成的珀耳帖元件101和焊錫發生反應而形成焊錫反應層，成為使珀耳帖元件101的特性劣化的主要原因。另外，若Ni鍍層的厚度超過40 μ m，則需要長時間進行電鍍工序，所以生產率下降，而且珀耳帖元件101的特性也下降。因此，優選Ni鍍層的厚度為5?40 μ m。
[0075]另外，在低溫側電極102、第一常溫側電極103a的一個端面(與珀耳帖元件101之間的接合面)形成有Ag鍍層。若Ag鍍層的厚度不到5μ，則由無氧銅構成的低溫側電極
102、第一常溫側電極103a在焊錫接合時發生氧化，而成為使珀耳帖元件101的特性劣化的主要原因。另外，若Ag鍍層的厚度超過40 μ m,則需要長時間進行電鍍工序，因此生產率下降，而且珀耳帖元件101的特性也下降。因此，優選Ag鍍層的厚度為5?40 μ m。
[0076]此外，對于針對珀耳帖元件101的鍍N1、以及針對低溫側電極102、第一常溫側電極103a的鍍Ag,可以適用電鍍、化學鍍(electroless plating)等公知的技術,但是,為了形成5?40 μ m的涂鍍厚度，從質量方面考慮，優選使用電鍍。
[0077]而且，對低溫側固定螺栓107向連結墊片111緊入的緊入量進行調整，以使施加于接合部B的壓力為0.3MPa以上。這是因為，若以施加于接合部B的壓力小于0.3MPa的狀態進行焊錫接合，則有可能在接合面產生凹凸或微小的空隙等缺陷，熱傳導性下降，并且電阻增大。在該狀態下，升溫到焊錫的溶融溫度(大約250°C )，保持規定時間。
[0078]這樣，在本實施方式中，在制造電流引線10時，在珀耳帖元件101的與低溫側電極102、常溫側電極103之間的接合面形成5?40 μ m厚的Ni鍍層。另外，在低溫側電極102、第一常溫側電極103a的與珀耳帖元件101之間的接合面形成5?40 μ m厚的Ag鍍層。而且，以使Ni鍍層和Ag鍍層相對的方式，配置珀耳帖元件101、低溫側電極102、和第一常溫側電極103a，來對它們進行焊錫接合。
[0079]由于在珀耳帖元件101的兩端面形成了 Ni鍍層，所以，能夠防止形成焊錫反應層。另外，由于在低溫側電極102、第一常溫側電極103a的表面形成了 Ag鍍層，所以能夠防止電極表面氧化。因此，形成了沒有缺陷的質量穩定的焊錫層，珀耳帖元件101、低溫側電極102、第一常溫側電極103a被牢固地接合。
[0080]另外，由于以最佳的厚度形成了 Ni鍍層、Ag鍍層，所以，電流引線10的特性不會隨著時間而下降。因此，能夠制造具有穩定的特性的、可靠性高的電流引線10，并且能夠提高制造時的生產率。
[0081][實施例]
[0082]在實施例中，改變在珀耳帖元件101的兩端面形成的Ni鍍層的厚度、和在低溫側電極102、第一常溫側電極103a的一個端面形成的Ag鍍層的厚度，制作了多個電流引線10。這時，將Ni鍍層和Ag鍍層的厚度設定為，雙方的厚度在5?40 μ m的范圍內。另外，將各試驗片中的Ni鍍層和Ag鍍層設為同等厚度。而且，使用所制作的多個電流引線10進行針對熱過程的評價。使用F40顯微鏡式膜厚測定系統(Filmetrics’Inc.(株)制)測定鍍層厚度。
[0083]此外，實施例中，利用單個部件構成常溫側電極103，也省略了保護管106以及柔性導體105。
[0084]具體而言，作為珀耳帖元件101,使用截面形狀為IOmmX IOmm的正方形的、厚度為4mm的BiTeSb化合物半導體元件。在珀耳帖元件101的與低溫側電極102之間的接合面、及與常溫側電極103之間的接合面形成了 Ni電鍍層。
[0085]作為低溫側電極102、常溫側電極103，使用截面形狀為IOmmXlOmm的正方形的、長度為約IOOmm的無氧銅。在低溫側電極102及常溫側電極103的與珀耳帖元件101之間的接合面形成了 Ag電鍍層。
[0086]對于Ni鍍層、Ag鍍層的厚度，在實施例1中大約為7 μ m，在實施例2中大約為18 μ m,在實施例3中大約為27 μ m,在實施例4中大約為32 μ m,在實施例5中大約為38 μ m。
[0087]如實施方式中說明的那樣，在珀耳帖元件101與低溫側電極102之間、以及在珀耳帖元件101與常溫側電極103之間，插入厚度為50 μ m的由Sn-Ag-Cu合金構成的固體焊錫，對低溫側固定螺栓107向連結墊片111的緊入量進行了調整，以使對接合部B施加適度的壓力(例如，0.6MPa)。
[0088]然后，在該狀態下，升溫至250°C并保持60min，對珀耳帖元件101與低溫側電極
102、以及對珀耳帖元件101與常溫側電極103進行焊錫接合，制作出最大允許電流為100A的電流引線10。
[0089]使用所制作的電流引線10，首先，利用直流4端子法測定接合部B的室溫下的電阻(初始值)。
[0090]接著，對電流引線10通直流電流，調整電流值，以使珀耳帖元件101的兩端的溫度差為100°C以上。使用設置于低溫側電極102、常溫側電極103的珀耳帖元件101附近部位的熱電偶，對珀耳帖元件101兩端的溫度進行了測定。
[0091]在保持具有該溫度差的狀態10分鐘后，使通電中止，并放置于大氣中，冷卻至接合部B的溫度成為室溫為止。然后，對電流引線10重復該熱過程50次(熱過程試驗)。
[0092]利用直流4端子法測定熱過程試驗后的接合部B在室溫下的電阻，并與初始值比較，由此進行針對電流引線10的熱過程的評價。另外，對熱過程試驗后的接合部B的外觀進行了觀察。
[0093]將實施例的電流引線10的結構、及評價結果表示于表1。
[0094]表1:
[0095]
【權利要求】
1.一種電流引線，包括: 與設置于低溫部的超導應用設備連接的低溫側電極； 與設置于常溫部的外部設備連接的常溫側電極；以及 在一個面接合有所述低溫側電極且在另一個面接合有所述常溫側電極的珀耳帖元件， 該電流弓I線將所述超導應用設備和所述外部設備連接， 其特征在于， 在所述珀耳帖元件的與所述低溫側電極、所述常溫側電極之間的接合面形成有5?40 μ m厚的鎳鍍層， 在所述低溫側電極、所述常溫側電極的與所述珀耳帖元件之間的接合面形成有5?40 μ m厚的銀鍍層， 將所述珀耳帖元件、所述低溫側電極、以及所述常溫側電極以使所述鎳鍍層和所述銀鍍層相對的方式配置，并且具有將所述珀耳帖元件、所述低溫側電極、以及所述常溫側電極進行了焊錫接合的結構。
2.如權利要求1所述的電流引線，其特征在于， 所述銀鍍層以及所述鎳鍍層的厚度為5?30 μ m。
3.如權利要求2所述的電流引線，其特征在于， 所述銀鍍層以及所述鎳鍍層的厚度為5?25 μ m。
4.如權利要求1所述的電流引線，其特征在于， 用于所述焊錫接合的焊錫的錫含量為90?99重量％。
5.如權利要求1所述的電流引線，其特征在于， 所述拍耳帖元件含有5?50重量％的締， 所述低溫側電極以及所述常溫側電極含有90重量％以上的銅。
【文檔編號】H02G15/34GK103931068SQ201280054742
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2012年11月9日 優先權日:2011年11月14日
【發明者】山口作太郎, 浜邊誠, 引地康雄, 菅根秀夫, 箕輪昌啓 申請人:昭和電線電纜系統株式會社