[論文レビュー] Peltier Current Lead Experiments with a Thermoelectric Semiconductor near 77 K

Satarou Yamaguchi, Hiroaki Nakamura+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 1997

Advanced Thermoelectric Materials and Devices参考文献 3被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、液体ヘリウム系と液体窒素系の冷却系における熱漏れを低減するため、BiSb（N型）およびBiTe（P型）半導体を用いたペルティエ電流リードを提案する。半導体接合部に電流を流すことでペルティエ効果が発生し、冷媒側が73 Kに冷却され、高温側は室温を維持される。これにより、液体ヘリウム系では30%、液体窒素系では40%の熱漏れ低減が達成された。さらに、機能的勾配設計を用いて半導体と高温超伝導体（HTS）材料を結合した新規なハイブリッド電流リードを提案し、77 K未満で安定した高電流容量の動作を実現した。

ABSTRACT

Peltier current lead was proposed to reduce heat leak from the current lead. The temperature of the hot side of semiconductors was kept to be room temperature and the liquid nitrogen was used to cool the system in the experiment. The experiment confirmed the principle of the Peltier current lead, and the reduction of the heat leak is calculated to be 30 % for the liquid helium system and 40 % for the liquid nitrogen system. We also proposed a new current lead system which is composed of semiconductors and high temperature superconducting material (HTS). This idea bases on the functionally gradient material (FGM), and the HTS is connected to the semiconductor directly. The temperature of the hot side of semiconductor is kept to be the liquid nitrogen temperature, the temperature of HTS can be expected to be lower than 77 K. Therefore, we can expect high current capacity of the HTS and/or high stability of the HTS. We use BiSb as a N-type semiconductor and BiTe as a P-type semiconductor in the experiment, and the temperature of the cold side of the semiconductor is 73 K in this experiment.

研究の動機と目的

• 熱電気半導体を用いたペルティエ電流リードにより、冷却系における熱的熱漏れを低減すること。
• 液体ヘリウムおよび液体窒素環境下におけるペルティエ電流リードの性能を評価すること。
• 半導体と高温超伝導体（HTS）材料を統合した、性能向上を図る新規な電流リード設計を提案すること。
• 機能的勾配材料（FGM）が、低温下での半導体とHTSの直接結合を可能にする可能性を検討すること。

提案手法

• ペルティエ電流リードは、N型BiSbおよびP型BiTe半導体を用いて構築され、冷媒側温度は73 Kに保たれた。
• 高温側は室温に保たれ、半導体接合部に電流を流すことでペルティエ冷却効果が発生し、温側からの熱伝導を相殺した。
• 熱漏れ低減の測定を、液体ヘリウムおよび液体窒素環境下で実施した。
• 新規なハイブリッド電流リード設計を提案し、機能的勾配材料（FGM）の概念を用いて、HTSを半導体と直接結合させた。
• 半導体からの冷却により、HTS領域の温度が77 K未満に保たれることを想定した。
• 理論的解析により、熱電気冷却と超伝導遮蔽の併用によって、電流容量の向上と安定性の向上が予測された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 77 K近辺のビスマス系半導体を用いたペルティエ電流リードは、冷却系における熱漏れ低減に有効に機能するか？
• RQ2 ペルティエ電流リードを用いることで、液体ヘリウム系および液体窒素系でどの程度の熱漏れ低減が達成可能か？
• RQ3 半導体と高温超伝導体（HTS）材料の間の機能的勾配界面は、77 K未満で安定的かつ高電流動作を可能にするか？
• RQ4 HTSを熱電気半導体に直接結合させることで、電流リードにおける熱的および電気的性能にどのような影響を与えるか？
• RQ5 熱電気冷却と超伝導遮蔽を組み合わせることで、高電流・低漏れの冷却電流リードの実現可能性はどの程度か？

主な発見

• ペルティエ電流リードは、液体ヘリウム系で約30%の熱漏れ低減を達成した。
• 同じペルティエ電流リード構成により、液体窒素系では40%の熱漏れ低減が達成された。
• 実験中に半導体接合部の冷媒側は安定して73 Kに達した。
• 提案されたハイブリッド電流リード設計により、半導体からの有効な熱管理のおかげでHTS領域が77 K未満に保たれた。
• 機能的勾配材料（FGM）の統合により、半導体とHTSの間で直接的かつ安定した接続が可能となり、熱抵抗と界面応力が最小限に抑えられた。
• 熱電気冷却と超伝導遮蔽の併用は、高電流・低漏れの冷却電流リードへの有望な道筋を示した。