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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-11-08
(54)【発明の名称】モジュール式大容量電流リード
(51)【国際特許分類】
H10N 60/81 20230101AFI20241031BHJP
【ＦＩ】
H10N60/81 ZAA
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024526746
(86)(22)【出願日】2022-11-10
(85)【翻訳文提出日】2024-05-15
(86)【国際出願番号】 US2022049517
(87)【国際公開番号】W WO2023086453
(87)【国際公開日】2023-05-19
(31)【優先権主張番号】63/278,850
(32)【優先日】2021-11-12
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】596060697
【氏名又は名称】マサチューセッツ インスティテュート オブ テクノロジー
(71)【出願人】
【識別番号】521259219
【氏名又は名称】コモンウェルス・フュージョン・システムズ・エルエルシー
(74)【代理人】
【識別番号】100118902
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 修
(74)【代理人】
【識別番号】100106208
【弁理士】
【氏名又は名称】宮前 徹
(74)【代理人】
【識別番号】100196508
【弁理士】
【氏名又は名称】松尾 淳一
(74)【代理人】
【識別番号】100211236
【弁理士】
【氏名又は名称】道下 浩治
(72)【発明者】
【氏名】フライ，ビンセント
(72)【発明者】
【氏名】ジューコフスキー，アレクサンダー
(72)【発明者】
【氏名】マイケル，フィリップ
(72)【発明者】
【氏名】イーロフ，アーネスト
(72)【発明者】
【氏名】ウルフ，マイケル
(72)【発明者】
【氏名】ベック，ウィリアム
【テーマコード（参考）】
4M114
【Ｆターム（参考）】
4M114AA02
4M114CC03
4M114DA35
4M114DA38
4M114DB02
(57)【要約】
大容量電流リード（１０）は、インジウム接合部を使用して電気的に結合される構成要素を備える。電流リードは、室温部（１００）と、真空低温槽内の部分（２００）とを備える熱交換器を具備する。室温部は、過熱と過冷却との両方に対して温度管理されている。熱交換器の極低温部分（２００）は、インジウム接合部を使用して、冷却剤沸騰チャンバ（３００）に電気的に接続される。沸騰チャンバ（３００）は、インジウム接合部を使用して電気的に結合され得るか、または蝋づけされ得る蓋および底部を備える。沸騰チャンバ（３００）は、インジウム接合部を使用して底部に電気的に結合され得るか、または蝋づけされ得る、真空蓋によって取り囲まれる。底部は、超電導電磁石などのデバイスに電流を流すための高温超電導体（ＨＴＳ）テープを備える、超電導体モジュール（４００）に電気的に結合される。
【選択図】図１
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
１本または複数の室温電源線に電気的に接続するための室温部分を備える少なくとも１つの導電性構造体と、１つまたは複数の冷却剤排出ポートとを具備する熱交換器と、１つまたは複数の冷却剤取入れポートと、前記熱交換器の前記少なくとも１つの導電性構造体に電気的に接続された少なくとも１つの導電性構造体とを備える沸騰チャンバであって、前記沸騰チャンバの前記少なくとも１つの導電性構造体と、前記熱交換器の前記少なくとも１つの導電性構造体との間の電気接続部が、インジウム電気接合部を備える、沸騰チャンバと、
前記沸騰チャンバの前記少なくとも１つの導電性構造体に電気的に接続された少なくとも１つの導電性構造体を備える超電導体モジュールであって、前記超電導体モジュールの前記少なくとも１つの導電性構造体が、高温超電導体（ＨＴＳ）を備える、超電導体モジュールと
を具備する、電流リード。
【請求項2】
前記沸騰チャンバの前記少なくとも１つの導電性構造体と、前記熱交換器の前記少なくとも１つの導電性構造体との間の前記電気接続部が、前記沸騰チャンバの前記少なくとも１つの導電性構造体および前記熱交換器の前記少なくとも１つの導電性構造体にガルバニック的に接続された、機械的に圧縮されるインジウムを備える、請求項１に記載の電流リード。
【請求項3】
前記沸騰チャンバを前記熱交換器に取り付け、前記インジウムの電気接合部の機械的圧縮を可能にする複数のボルトを備える、請求項２に記載の電流リード。
【請求項4】
前記沸騰チャンバの前記少なくとも１つの導電性構造体が銅を含み、前記熱交換器の前記少なくとも１つの導電性構造体が銅を含む、請求項１に記載の電流リード。
【請求項5】
前記熱交換器の前記少なくとも１つの導電性構造体が、前記室温部分内へ延出し、前記１本または複数の室温電源線にガルバニック的に接続される銅要素を備える、請求項１に記載の電流リード。
【請求項6】
前記超電導体モジュールが、金属管または金属プレートを備え、前記管またはプレートが、その壁に１本または複数の流路を備え、前記ＨＴＳが、前記１本または複数の流路内に配置される、請求項１に記載の電流リード。
【請求項7】
前記熱交換器が、前記熱交換器の前記少なくとも１つの導電性構造体の周囲に配置された真空シェルを備える、請求項１に記載の電流リード。
【請求項8】
前記熱交換器の前記少なくとも１つの導電性構造体が、前記１つまたは複数の冷却剤取入れポートに結合されたチャンバを備える、請求項１に記載の電流リード。
【請求項9】
前記沸騰チャンバが、複数のフィンを備える、請求項８に記載の電流リード。
【請求項10】
前記熱交換器の前記少なくとも１つの導電性構造体が、１本または複数のガス流路を備え、前記熱交換器の前記チャンバが、前記１本または複数のガス流路に結合される、請求項８に記載の電流リード。
【請求項11】
請求項１に記載の電流リードと、前記１つまたは複数の冷却剤取入れポートに結合された液体窒素の供給源とを備える、システム。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【0001】
リードは、電子機器において、電力の伝送を含む様々な目的に使用される、金属でできた電気接続部である。常電導磁石（ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ｍａｇｎｅｔ）、たとえば室温で動作可能な銅または銅化合物のコイルでできた電磁石では、リードは、かなり単純でよく知られている。しかし、超電導磁石の電流リードは、室温（たとえば約２９３Ｋ、すなわち２０°Ｃ）に設置された、ＡＣからＤＣへの整流器などの電源から、極低温（たとえば８０Ｋ、－１９３°Ｃ以下）で動作する超電導ワイヤまたはケーブルへ、大量の電力を伝達する必要がある。高温超電導体（ＨＴＳ：ｈｉｇｈ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）は、大気の液体窒素を沸騰させることにより生成される、７７Ｋ（－１９６°Ｃ）付近の温度で動作できるが、高磁場ＨＴＳ磁石は常に、２０Ｋ（－２５３°Ｃ）などのさらに低い温度で動作し、高磁場ＨＴＳ磁石の性能は、実質的により優れている。電流リードは、したがって、磁石の充電中と動作中との両方で、室温における外部電力と極低温における磁気コイルとの間で、物理的および電気的に接続するが、熱的分離を実現する必要がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0002】
開示される実施形態は、迅速で非破壊的な分解およびモジュールでの試験、保守、ならびに構成要素の交換を可能にしながらも、電気接続および真空封止を実現する構成部分で組み立てられているという意味で、モジュール式である、大容量電流リードを提供する。具体的には、インジウムワイヤが、電流リードの特定の極低温構成要素を接続するために使用される。インジウムワイヤの電気および熱接合部、ならびに真空シールは、信頼性が高く、極低温に優しく、完全に修理可能である。対照的に、蝋づけなどの、部品を接合する従来技術の方法は、実質上恒久的であり、修復不可能である。開示される実施形態は、したがって、真空シールにおける漏れの存在など、不適切に蝋づけで組み立てられた場合に起こる可能性のある、コストおよびスケジュール上のリスクを軽減する。さらに、開示される実施形態は、リードの室温に対する加熱と冷却との両方が可能な、電源端子での温度調節を実現することができる。
【0003】
電流リードは、一実施形態によれば、室温部分、熱交換器、沸騰チャンバ、および超電導体モジュールを備えることができる。室温部分は、１本または複数の室温電源線に物理的および電気的に結合するよう構成され得る。電流を流すことと、ガス状冷却剤を同時に通過させることとの両方を実現する、２つの目的に用いられる熱交換器は、１本または複数の室温電源線に電気的に接続された少なくとも１つの導電性構造体と、１つまたは複数の冷却剤排出ポートとを備えることができる。沸騰チャンバは、１つまたは複数の冷却剤取入れポートと、熱交換器の少なくとも１つの導電性構造体に電気的に接続された少なくとも１つの導電性構造体とを備えることができる。沸騰チャンバの少なくとも１つの導電性構造体と、熱交換器の少なくとも１つの導電性構造体との間の電気接続部は、インジウム電気接合部を備えることができる。また、超電導体モジュールは、沸騰チャンバの少なくとも１つの導電性構造体に電気的に接続された少なくとも１つの導電性構造体を備えることができる。超電導体モジュールの少なくとも１つの導電性構造体は、高温超電導体（ＨＴＳ）を備えることができる。
【0004】
沸騰チャンバの少なくとも１つの導電性構造体と、熱交換器の少なくとも１つの導電性構造体との間の電気接続部は、沸騰チャンバの少なくとも１つの導電性構造体および熱交換器の少なくとも１つの導電性構造体にガルバニック的に接続された（ｇａｌｖａｎｉｃａｌｌｙ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）、機械的に圧縮されるインジウムを備えることができる。
【0005】
電流リードは、沸騰チャンバを熱交換器に取り付け、インジウムの電気接合部の機械的圧縮を可能にする複数のボルトを備えることができる。
【0006】
沸騰チャンバの少なくとも１つの導電性構造体は銅を含むことができ、熱交換器の少なくとも１つの導電性構造体は銅を含むことができる。
【0007】
熱交換器の少なくとも１つの導電性構造体は、室温部分内へ延出し、１本または複数の室温電源線にガルバニック的に接続される銅要素を備えることができる。
【0008】
超電導体モジュールは、金属管または金属プレートを備えることができ、管またはプレートは、その壁に１本または複数の流路を備え、ＨＴＳは、１本または複数の流路内に配置される。
【0009】
熱交換器は、熱交換器の少なくとも１つの導電性構造体の周囲に配置された真空シェルを備えることができる。
【0010】
熱交換器の少なくとも１つの導電性構造体は、１つまたは複数の冷却剤取入れポートに結合されたチャンバを備えることができる。
【0011】
沸騰チャンバは、複数のフィンを備えることができる。
【0012】
熱交換器の少なくとも１つの導電性構造体は、１本または複数のガス流路を備え、熱交換器のチャンバは、１本または複数のガス流路に結合され得る。
【0013】
別の実施形態は、上記で説明された電流リードと、１つまたは複数の冷却剤取入れポートに結合された液体窒素の供給源とを備える、システムを具備する。
【0014】
本明細書で開示されている概念、技法、および構造は、他のやり方で具現化され得ること、したがって、開示されている実施形態の上記の概要は、包括的または限定的ではなく例示的なものであることを、意味することを理解されたい。特に、上記で具体的に記載されていない他の実施形態を形成するために、本明細書で説明されている様々な実施形態の個々の要素が組み合わされてもよい。また、単一の実施形態の文脈で説明されている様々な要素が、別々に、または任意の好適な部分的組合せで、他の実施形態で提供されてもよい。さらに、本明細書で具体的には説明されていない他の実施形態もまた、下記に記載の特許請求の範囲内にあり得る。
【0015】
開示されている実施形態を作り、使用するやり方および工程は、図面を参照することにより、理解され得、図面において、同様の構成要素には同様の番号が与えられている。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】本明細書で開示されている概念、技法、および構造に従った、モジュール式の大容量電流リードを概略的に示す図である。
【図2】一実施形態による、室温端子部（ＲＴＴＰ：ｒｏｏｍ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｐｏｒｔｉｏｎ）および熱交換器（ＨＥＸ：ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ）本体の別の部分を、概略的に示す図である。
【図3】ＲＴＴＰの熱動作を、概略的に示す図である。
【図4】組み立てられた構成のＲＴＴＰを、概略的に示す図である。
【図5A】ＨＥＸのＲＴＴＰおよび主体を備える、ＨＥＸの全体を示す図である。
【図5B】冷却剤用溝とＨＥＸ本体を構成する導体との関係をより明確に例示するための、線Ａ－Ａに沿ったＨＥＸ本体の断面図である。
【図5C】冷却剤ガスが、平行な溝を通って辿る経路を示す図である。
【図6A】ＨＥＸが、一実施形態に従って、沸騰チャンバ（ＢＣ：ｂｏｉｌｉｎｇ ｃｈａｍｂｅｒ）にどのように機械的に結合されているかを概略的に示す図である。
【図6B】ＢＣ蓋真空シールを、より詳細に示す図である。
【図6C】ＢＣ底部真空シールを、より詳細に示す図である。
【図7】沸騰チャンバおよび真空蓋のモジュール式組立体を概略的に示す図である。
【図8】ＨＥＸ本体の、沸騰チャンバへの結合を概略的に示す図である。
【図9A】極低温冷却剤が沸騰チャンバにどのように取り込まれるかを、概略的に示す図である。
【図9B】極低温冷却剤のレベルがどのように測定され得るかを、概略的に示す図である。
【図10A】ガス状冷却剤（たとえばガス状窒素）が、沸騰空洞からどのように出るかを、概略的に示す図である。
【図10B】ガス状冷却剤が、真空蓋空洞からどのように出るかを、概略的に示す図である。
【図11】組み立てられた熱交換器および沸騰チャンバを、概略的に示す図である。
【図12A】真空蓋および沸騰チャンバ近傍の、締付け金具をより詳細に、概略的に示す図である。
【図12B】下側の冷却剤レベル管ポートの構成を、概略的に示す図である。
【図13】組み立てられた熱交換器と液体冷却剤を有する沸騰チャンバとの切断図を、概略的に示す図である。
【図14A】一実施形態による、超電導体モジュールの複数の電気コネクタ（「ペタル」）のうちの１つを概略的に示す図である。
【図14B】ペタルの上側銅部分および接続プレートの、蝋づけされる接続プレートの端部近傍の拡大図である。
【図15】高温超電導体（ＨＴＳ）テープをペタルに組み付けるやり方の、側面図である。
【図16A】６つのペタルを備える超電導体モジュールの、側面図である。
【図17】一実施形態による、組み立てられた熱交換器／沸騰チャンバ／超電導体モジュールを通る電流の流れを、概略的に示す図である。
【図18A】６つのペタルを備える超電導体モジュールの下部を、概略的に示す図である。
【図19】真空蓋および沸騰チャンバ蓋が、沸騰チャンバ底部に蝋づけされている、本明細書に開示されている概念、技法、および構造の一代替実施形態を概略的に示す図である。
【図20A】本明細書で開示されている概念、技法、および構造の一実施形態に従った、「被覆された成形体（ｊａｃｋｅｔｅｄ ｆｏｒｍｅｒ）」である超電導体モジュールの断面を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
本明細書で使用されるように、材料の「臨界温度」は、材料が電気的伝導から電気的超伝導へ相の変化を起こす温度を意味する。臨界温度は、外部磁場の存在または内部輸送電流などの非材料条件によって変わる可能性がある。この用語は、本明細書で材料の臨界温度が言及される場合、所与の条件下でその材料に対して期せずしてあてはまるあらゆる臨界温度を指す。
【0018】
「室温」とは、人間の継続的な生活および仕事にとって快適な、周囲環境温度を指す。「室温」は、特に指定されていない場合、１５°Ｃから３０°Ｃの範囲の温度と解釈される。
【0019】
「高温超電導体」または「ＨＴＳ」とは、自己磁場がゼロで３０Ｋを超える臨界温度を持つ材料を指す。
【0020】
超電導磁石の電流リードは、上記で説明されたように、室温での電源から極低温で動作する超電導ワイヤまたはケーブルへ、大量の電力を伝達する。かかる電流リードは、したがって、室温での電源から極低温構成要素を熱的に分離しながら、電源と磁石の極低温構成要素との間の、物理的および電気的接続を可能にする。
【0021】
既存の電流リード設計、特に大電流を供給する電流リード設計には、２つの主な問題がある。第１に、ＨＴＳ材料を含む典型的なリードの部品は通常、単一のユニットとして作製される。これは、銅、鋼、およびＨＴＳ材料がすべて、通常はんだづけおよび蝋づけによって一体に接合され、１つの大きなものになることを意味する。かかる構造体のＨＴＳ材料は、典型的には、従来の導電体に加えて、ＨＴＳ材料を含む平坦な構造体であるＨＴＳテープとして提供される。ＨＴＳ部品が所望の電流を流すことができることを確認するためには、ＨＴＳ部品全体を暖端の臨界温度未満に冷却するのに十分で、電流のすべてと、超電導体の品質が劣化しないことを保証するために必要となるあらゆるマージンとがそれを通過するのに十分な大きさの設備が必要となる。これは、特に大電流のＨＴＳ部品用の、非常に大規模な設備を必要とする。
【0022】
ＨＴＳ部品の形状は、ＨＴＳの臨界電流と、電流を流すときに生成される磁場との関係により、典型的には円筒形であることに、留意することが重要である。要するに、磁力線が、超電導テープの平坦な面と平行に進むとき、ＨＴＳテープの臨界電流は最も大きくなる。こうした平坦なテープを、円筒の外径上に下向きに配置することにより、やはり円形で、したがってテープの面に平行な磁力線が得られ、これが、ＨＴＳテープの臨界電流を増やし、ＨＴＳにかかるコストを最小限に抑える。
【0023】
第２に、電流リードを構造的かつ電気的に連続させるばかりでなく、真空気密にするために、電流リードは、典型的には一体に蝋づけされる、（たとえば、常電導部品と超電導ＨＴＳ部品との両方を備える）大きい組立体から形成される。真空蝋づけは、同種金属、または銅およびステンレス鋼などの異種金属を一体に接合することができ、蝋づけ工程が成功すると、非常に強力な構造的かつ電気的接着を生み出す。蝋づけ工程では、２種の材料が一緒に恒久的に接着するという、望ましくない結果が生じる場合があり得る。しかし、この場合、再度試みるためには材料が切り離される必要があり得、これは常に実行可能であるとは限らない。さらに、蝋づけは（はんだ付けと同様に）、接合表面で不完全であるため、通常は、２つの表面間の接合品質を調査するために、超音波など、何らかの非破壊検査を行うことが賢明である。シールとして機能する蝋づけされた連結面は、完全に連続していることが望ましく、さもなければ、電流リード内の冷却剤が周囲の真空空間に引き込まれ、電流リードの断熱特性が低下する可能性がある。蝋づけは、検査および修理が物理的に不可能な場合があるため、組立体全体を無駄にするリスクがある。
【0024】
別の一般的な接合方法に、高エネルギー電子を使って異種金属を一緒に溶解できる、電子ビーム溶接がある。この工程は、高度に専門化されており、大規模な試験を必要とし、大電流リードに必要な能力および規模を有する企業は、世界で数社しかない。
【0025】
ここで、一実施形態の物理的構造が、図を参照しながら説明される。この特定の実施形態は、本明細書で開示されている全般的な概念、技法、および構造を具体的に例示するため、詳細に説明されているが、この開示は、その教示から逸脱することなく、様々に具現化され得ることを理解されたい。したがって、この特定の実施形態の広がる議論は、限定的なものと見なされるべきではない。
【0026】
図１は、本明細書で開示されている概念、技法、および構造に従った、モジュール式の大容量電流リード１０を概略的に示している。いくつかの実施形態によれば、「大容量」ケーブルは、１０００アンペア（１ｋＡ）、１０，０００アンペア（１０ｋＡ）、またはそれ以上を超える電流を伝導するケーブルを含むことができる。電流リード１０は、室温端子部（ＲＴＴＰ）１００および極低温被冷却体２００を備える熱交換器（ＨＥＸ）と、極低温冷却剤用の沸騰チャンバ（ＢＣ）３００と、高温超電導体（ＨＴＳ）を備える超電導体モジュール４００とを具備する。様々な実施形態において、ＲＴＴＰ１００は、約０．４メートルの高さであってもよく、ＨＥＸ本体２００は、約１メートルの高さであってもよく、沸騰チャンバ３００は、約０．３メートルの高さであってもよく、超電導体モジュール４００は、約１メートルの高さであってもよい。これらの測定値は、単に例示的なものであり、限定的なものと見なされるべきではないことを理解されたい。これらの構成要素が、次に、より詳細に説明される。
【0027】
図２は、一実施形態による、ＲＴＴＰ１００およびＨＥＸ本体２００の一部を概略的に示している。ＲＴＴＰ１００は、電流リードを、１本または複数の室温電源線に電気的に接続するための電気伝送面１１０を備える、露出した導体１０２を具備する。ＲＴＴＰ１００は、露出した導体１０２を冷却することにより、露出した導体の温度を調節するための、特には、（結露または凍結による）熱不足を防止し、また（抵抗性電力損失による）過熱を防止するための、冷却剤流路１２０も備える。室温の冷却剤は、温度調整された液水、または他の何らかの便利な冷却剤であってもよい。ＲＴＴＰ１００はまた、１つまたは複数の極低温冷却剤排出ポート１３０も備える。ＲＴＴＰ１００はまた、真空チャンバ低温槽への電流リード１０の装着を可能にする、装着面１４０を備える。この装着面１４０の下方の電流リードは真空に曝されるので、ＨＥＸ本体２００は真空シェルで覆われ、真空シェルの一部２１０が図示されている。
【0028】
図３は、ＲＴＴＰ１００の熱動作を概略的に示している。ＲＴＴＰ１００は、上記で言及されたように、１つまたは複数の排出ポート１３０を備える。図３に示されているように、これらの排出ポート１３０は、電流リードの他の構成要素を冷却するために使用された極低温冷却剤を、流出させることを可能にする。極低温冷却剤は、例示的には液体窒素（ＬＮ２：ｌｉｑｕｉｄ ｎｉｔｒｏｇｅｎ）であるが、異なる実施形態では、別の冷却剤であってもよい。２つの冷却剤排気モードが図示されている。第１のモードでは、冷却剤が周囲環境へ直接発散される（たとえばＬＮ２を、１気圧で、ＬＮ２の沸点７７．３Ｋで大気中へ排気する）。第２のモードでは、沸騰冷却剤は、１つまたは複数の排出ポート１３０に結合された減圧ポンプ１５０を通して、ポンプ移送される（たとえばＬＮ２を、約２００ｈＰａ（１５０Ｔｏｒｒ）および６５Ｋで）。下記で論じられるように、超電導体モジュール４００が、超電導体モジュールの臨界温度に近すぎる場合、沸騰チャンバ３００内の圧力を下げることが、ＬＮ２の温度を低下させる。
【0029】
図４は、組み立てられた構成のＲＴＴＰ１００を概略的に示している。プレートが、露出した導体１０２を通る冷却剤流路１２０を覆っている。プレートは、冷却剤流路１２０に結合された冷却剤流入口１２２および冷却剤排出口１２４を備える。露出した導体１０２の電気伝達面１１０は、プレートを介して、１つまたは複数の室温電源線１６０に物理的および電気的に接続されている。これらの供給線１６０は、ＡＣからＤＣへの整流器などの外部電源に接続される。露出した導体１０２は、Ｏリングシール１７０または他の好適な封止機構によって、ＨＥＸ本体２００内の冷却剤通路から分離されている。
【0030】
図５Ａは、熱交換器のＲＴＴＰ１００および本体２００を備える熱交換器（ＨＥＸ）の全体を示している。ＨＥＸは、銅などの、単一の連続した導電体でできている。ＨＥＸは、したがって、一方の端部から他方の端部まで、電気的に結合されている。真空シェル２１０は、図５Ａには示されていない。ＨＥＸ本体２００は、複数の平行な冷却剤用溝２２０を備える。
【0031】
図５Ｂは、冷却剤用溝２２０とＨＥＸ本体を構成する導体との関係をより明確に例示するために、線Ａ－Ａに沿ったＨＥＸ本体２００の断面図を示している。冷却剤用溝２２０は、すり割鋸または同様の工作機械を使用して作製され得る。ＨＥＸ本体２００はまた、ＨＥＸ本体２００に沿った相異なる場所にある冷却剤用溝２２０間の、冷却剤の特性（圧力および温度など）を均一にするための穴を備え、そのうちの１つは穴２３０である。図５Ｃは、冷却剤ガス２２２（たとえば、極低温窒素）が、平行な溝２２０を通ってＨＥＸ本体２００の底部から上部まで辿る経路を示している。ＨＥＸ本体２００の上部は、ＨＥＸのＲＴＴＰ１００であり、一方、ＨＥＸ本体の底部は、次に説明されるように、沸騰チャンバに熱的および電気的に結合されている。
【0032】
図６Ａは、ＨＥＸ１００、２００が、一実施形態に従って、沸騰チャンバにどのように機械的に結合されているかを概略的に示している。沸騰チャンバ（ＢＣ）は、ＢＣ蓋３１０およびＢＣ底部３２０を備える。ＢＣ蓋３１０およびＢＣ底部３２０は、銅、または真鍮などの他の導電性材料でできていてもよい。ＨＥＸ本体２００は、真空蓋２４０を介してＢＣ蓋３１０に結合されている。真空蓋２４０は、極低温冷却剤を低温槽の真空から分離する、ＢＣ蓋真空シール３１２によってＢＣ蓋３１０に封止される。ＢＣ蓋真空シール３１２は、実施形態によれば、インジウム電気接合部を備えることができる。ＢＣ蓋３１０は、同様に、極低温冷却剤を低温槽の真空から分離する、ＢＣ底部真空シール３２２によってＢＣ底部３２０に封止される。さらに、ＢＣ底部真空シール３２２は、実施形態によれば、ＢＣ蓋３１０をＢＣ底部３２０に電気的に接続し、インジウム電気接合部を備えることができる。
【0033】
図６Ｂは、ＢＣ蓋真空シール３１２をより詳細に示している。ＢＣ蓋真空シール３１２は、真空蓋２４０とＢＣ蓋３１０との間に形成される。ＢＣ蓋真空シール３１２は、実施形態によれば、インジウムワイヤ３１４を備えることができる。インジウムワイヤ３１４は、直径が約０．７６２ミリメートル（０．０３０インチ）であり得るが、この寸法は単に例示的なものであり、限定的なものと見なされるべきではないことを理解されたい。
【0034】
図６Ｃは、ＢＣ底部真空シール３２２を、より詳細に示している。ＢＣ底部真空シール３２２は、ＢＣ蓋３１０とＢＣ底部３２０との間に形成される。ＢＣ底部真空シール３２２は、実施形態によれば、電気接合部を提供する、インジウムワイヤ３２４ａ、３２４ｂを備えることができる。インジウムワイヤ３２４ａ、３２４ｂは、直径が約１．５７５ミリメートル（０．０６２インチ）であり得るが、この寸法は単に例示的なものであり、限定的なものと見なされるべきではないことを理解されたい。
【0035】
図７は、沸騰チャンバおよび真空蓋のモジュール式組立体を概略的に示している。真空蓋２４０は、ＢＣ蓋真空シール３１２によってＢＣ蓋３１０に封止され、これは、インジウムシールの使用を含むことができる。ＢＣ蓋３１０は、真空封止され、ＢＣ底部真空シール３２２を介してＢＣ底部３２０に電気的に結合されるが、これも、インジウムシールの使用を含むことができる。インジウムは可鍛性金属なので、このやり方で構成要素を互いに封止することには、試験、保守、および修理、または他の予見可能な目的のための、後の電流リードの非破壊的分解を可能にするという利点がある。ＢＣ底部３２０は、液体冷却剤を沸騰させるための核生成部位（ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ ｓｉｔｅ）として機能する、１つまたは複数のＢＣフィン３２８を備える。
【0036】
図８は、ＨＥＸ本体２００の、沸騰チャンバ３００への結合を概略的に示している。ＨＥＸ本体２００は、１つまたは複数の内部ＢＣ蓋締付け金具によって、組み立てられた沸騰チャンバ３００に機械的に結合され、これはボルトを使用して実施されてもよい。ＨＥＸ本体２００は、インジウムワイヤを使用して、それぞれの合わせ面３１６に沿って沸騰チャンバ３００に電気的に結合されている。また、電気接合部としてインジウムを使用することが、後の電流リードの分解、特には、最小限の機械的ストレスでの、沸騰チャンバ３００からのＨＥＸ本体２００の分離を可能にする。真空蓋２４０も図示されており、真空蓋は、たとえば溶接または蝋づけであり得る、接合部２５０などの機械的接合部で、真空シェル２１０に封止される。とりわけ、ＢＣ蓋３１０がＢＣ底部３２０に接合された後、ガス状冷却剤（たとえばガス状窒素、ＧＮ２：ｇａｓｅｏｕｓ ｎｉｔｒｏｇｅｎ）がその中で保持される、ＢＣ空洞３２６が形成される。核生成フィン３２８の近傍で形成された排出ガスは、図１０Ａおよび図１０Ｂと共により詳細に説明されるように、ＢＣ空洞３２６を通って真空蓋空洞２４４内へ移動し、そこから、図５Ｃと共に説明されたように、ＨＥＸ本体２００に沿って上方に移動する。
【0037】
図９Ａは、極低温冷却剤が、沸騰チャンバにどのように取り込まれるかを概略的に示している。熱交換器を覆う真空シェル２１０の下部、沸騰チャンバ（ＢＣ）用真空蓋２４０、ＢＣ蓋３１０、およびＢＣ底部３２０が図示されている。極低温冷却剤供給導管３３０および真空蓋冷却剤取入れポート２４２も図示されている。真空蓋２４０は、沸騰チャンバの一部と解釈されてもよく、１つまたは複数の冷却剤取入れポート２４２を備えることができる。液体窒素（ＬＮ２）などの極低温冷却剤は、冷却剤供給導管３３０を通って流れ、冷却剤取入れポート２４２を使用して真空蓋に入る。極低温冷却剤は、冷却剤取入れポートから、ＢＣ空洞３２６（この図には示されていない）に入り、沸騰される。
【0038】
図９Ｂは、極低温冷却剤のレベルがどのように測定され得るかを概略的に示している。図９Ａと共に説明された構造体は、冷却剤レベル管ポート３４４を介して、沸騰チャンバ３００の外部にある冷却剤レベル管３４０に結合されている。液体冷却剤（たとえば、ＬＮ２）は、目視管と同じように、この垂直冷却剤レベル管３４０を満たす。冷却剤レベルセンサ３４２は、冷却剤レベルを測定する。この実施形態の冷却剤レベルセンサ３４２は、レベル管３４０の内部にある静電容量センサであるが、他の種類のセンサが使用されてもよい。
【0039】
図１０Ａは、ガス状冷却剤（たとえばＧＮ２）が、沸騰チャンバからどのように出るかを概略的に示している。ＢＣ蓋３１０およびＢＣ底部３２０が図示されており、ＢＣ蓋とＢＣ底部との間に、沸騰空洞３２６（図示せず）が形成されている。熱交換器（ＨＥＸ）底部２００の下部も図示されている。ＢＣ蓋３１０には、アイテム３１８で示された、ＢＣ蓋冷却剤排出穴が設けられている。液体冷却剤が沸騰空洞３２６内で沸騰されると、冷却剤は、示されているように、これらの冷却剤排出穴を通って真空蓋空洞２４４内に流出する（空洞２４４の上部を形成する真空蓋２４０は、この図には示されていないが、図１０Ｂでは示されている）。
【0040】
図１０Ｂは、ガス状冷却剤が真空蓋空洞からどのように出るかを概略的に示している。図１０Ａに示されたように、沸騰チャンバから流出したガス状冷却剤は、それ自体の圧力下で、熱交換器（ＨＥＸ）本体２００の溝に押し込まれる。これらの溝は、図５Ａおよび図５Ｂに示されている。これらの溝内にガス状冷却剤を保持する真空シェル２１０は、図１０Ｂには示されていない。
【0041】
図１１は、組み立てられた熱交換器（ＨＥＸ）および沸騰チャンバを、概略的に示している。参考までに、周囲環境および低温槽の真空環境が図示されている。真空シェル２１０も図示されており、真空シェルは、真空蓋２４０の上部に溶接され、ＨＥＸの極低温部分を取り囲み、冷却剤が低温槽の真空および室温ガスから分離された状態を保つ。真空蓋２４０と、ＢＣ蓋３１０と、ＢＣ底部３２０との間のインジウムシールを一定の圧縮状態に保つ、圧縮要素３５０（例示的には、ねじが切られたロッドおよび締付け金具）も図示されている。
【0042】
図１２Ａは、真空蓋および沸騰チャンバ近傍にある、締付け金具をより詳細に、概略的に示している。真空蓋２４０、真空蓋冷却剤ポート２４２、ＢＣ蓋３１０、ＢＣ底部３２０、冷却剤レベル管ポート３４４、および圧縮要素３５０が図示されている。
【0043】
図１２Ｂは、下側の冷却剤レベル管ポート３４４の構成を概略的に示している。ポート３４４は、貫通接続部３６０およびポート用インジウムワイヤ３６２を備える。貫通接続部３６０は、インジウムワイヤ３６２を圧縮するために、内部でナットによって固く締められ得る。インジウムワイヤ３６２は、直径が約０．７６２ミリメートル（０．０３０インチ）であり得るが、この寸法は単に例示的なものであり、限定的なものと見なされるべきではないことを理解されたい。
【0044】
図１３は、組み立てられた熱交換器（ＨＥＸ）と液体冷却剤を有する沸騰チャンバとの切断図を、概略的に示している。ＨＥＸ本体２００の下部は、インジウム接合部を使用してＢＣ蓋３１０に電気的に接続され、上記で説明されように、内部ＢＣ蓋締付け金具によって圧縮される（図示せず）。液体冷却剤（たとえばＬＮ２）３７０が、沸騰チャンバ内に図示されている。液体冷却剤３７０のレベルは、冷却剤供給導管３３０に接続された冷却剤充填弁を開閉することによって調節され得る。ＢＣ底部３２０は、沸騰作用の表面積を増やし、核生成部位として機能するように、ＢＣ底部の表面に機械加工された、同心円状のＢＣフィン３２８を備える。ＢＣフィン３２８自体は、高さが約７０ｍｍ、低部における幅が約８ｍｍであり得るが、これらの寸法は単に例示的なものであり、限定的なものと見なされるべきではないことを理解されたい。いくつかの実施形態におけるＢＣフィン３２８は、円錐形ではなく、沸騰作用により生じるガス状冷却剤の泡を遮断するための「段差」を備えた、積み重ねられた円筒の形状を有する。しかし、沸騰作用に寄与する任意の形状であるフィンが、様々な実施形態で使用され得ることを理解されたい。
【0045】
図１４Ａは、一実施形態による、超電導体モジュール４００の複数の電気コネクタ（「ペタル」）のうちの１つを概略的に示している。ペタルは、上側銅部分４１０、下側銅部分４２０、および接続プレート４３０を備える。例示する目的で、銅が使用されているが、他の伝導性金属が使用されてもよい。複数のペタルのそれぞれの上側銅部分４１０は、たとえば締め付けることによって、沸騰チャンバ（ＢＣ）底部３２０の下側に機械的に結合される。本明細書に開示されている概念、技法、および構造によれば、上側銅部分４１０のＢＣ底部３２０への電気的結合は、インジウムワイヤ接合部を使用することができ、これは、試験、保守、および修理のために容易に分解できる機能を維持しながら、効率的な動作を促進する。接続プレート４３０は、接続プレートの表面に、確実にはんだを付着させるために、ニッケルめっきを施したステンレス鋼でできていてもよい。接続プレート４３０は、各端部４４０で、上側銅部分４１０および下側銅部分４２０にそれぞれ蝋づけされている。下側銅部分４２０は、給電されるデバイスの超電導部分、たとえば、核融合炉内のトロイダル電磁石に電力を伝達するために、超電導ケーブルに接続される。
【0046】
図１４Ｂは、上側銅部分４１０および接続プレート４３０の、蝋づけされる接続プレートの端部４４０近傍の、拡大図を示している。上側銅部分４１０は、複数の浅い溝４１２を備え、接続プレート４３０は、複数の整列した浅い溝４３２を備える。様々な実施形態によれば、高温超電導体（ＨＴＳ）テープまたはケーブルが、これらの溝４１２、４３２内に敷設され、次いで（たとえばはんだづけによって）所定の位置で安定化される。ＨＴＳテープは、上側銅部分４１０でＢＣ底部３２０から受け取った電流を、電気抵抗値なしで下側銅部分４２０へ伝達する。下側銅部分４２０はまた、この目的のために、嵌め込まれたＨＴＳテープ（図示せず）の浅い溝を備える。
【0047】
図１５は、ＨＴＳテープをペタルに組み付けるやり方の側面図を示している。上側銅部分４１０、下側銅部分４２０、および接続プレート４３０が図示されている。例示的に、４枚のＨＴＳテープが、各溝に、ＨＴＳテープのそれぞれの超電導面が銅に対向するように（すなわち、溝内へ「下向きに」）配置されている。ＨＴＳは、各端部で、図示のように「階段状」になっており、各テープの超電導面が、両方の銅部分に対して露出している。この実施形態では、階段状の構造が使用されているが、他の積層構造も使用され得る。ＨＴＳテープを各溝内に敷いた後、はんだが溝内に配置される。次いで、すべての構成要素を一緒にはんだづけするために、組立体全体が真空バッグに包まれ、加熱される。はんだづけされると、銅部分４１０、４２０の電流は、ＨＴＳテープに流入し、電気抵抗値ゼロかつ非常に低い熱伝導率で接続プレート４３０に進み、反対側から出ることができる。
【0048】
図１６Ａは、６つのペタルを備える超電導体モジュール４００の側面図である。図１６Ｂは、図１６Ａの超電導体モジュール４００の底面斜視図である。ペタルは、インジウムワイヤを使用した、ペタルのＢＣ底部３２０の下側への電気的接続、および締付け金具を使用した、ペタルの機械的接続の前に、性能を確認するために、液体冷却剤（たとえば、ＬＮ２）中で電気試験され得ることに留意されたい。この実施形態では、６つのペタルが使用されているが、原理的には、任意の数が使用され得る。
【0049】
図１７は、一実施形態による、組み立てられたＨＥＸ２００／ＢＣ３００／超電導体モジュール４００を通る電流の流れを、概略的に示している。ねじ付きロッドは、上記で言及されたように、様々な構成要素間のインジウムシールを、一定の圧縮状態に保つ。ボルトは、ＢＣ底部３２０を、超電導体モジュール４００の上側銅部分４１０に、機械的に結合された状態に保つ。
【0050】
図１８Ａは、６つのペタルを備える超電導体モジュール４００の下部を、概略的に示している。１つのペタルの下側銅部分４２０および接続プレート４３０が、特定されている。ブラケット４５０も図示されており、ブラケットの機能については、図１８Ｂと共に論じられる。
【0051】
図１８Ｂは、締付け固定具４６０および超電導ケーブル４７０が装備された、図１８Ａの超電導体モジュール４００の下部を概略的に示している。締付け固定具４６０は、ブラケット４５０を締め付けて、それぞれの下側銅部分４２０を超電導ケーブル４７０に電気的に接続するために使用される、インジウムワイヤを圧縮する。締付け固定具４６０は、図示のように、ボルトで固定されてもよく、またはさもなければ、ブラケット４５０に対して締め付けられてもよい。超電導ケーブル４７０は、組立ておよび分解を容易にするために、銀めっきされ、インジウムワイヤで包まれていてもよい。
【0052】
図１９は、本明細書に開示されている概念、技法、および構造の一代替実施形態を概略的に示しており、真空蓋および沸騰チャンバ（ＢＣ）蓋が、ＢＣ底部に蝋づけされている。ＨＥＸ本体２００’、真空シェル２１０’、真空蓋２４０’、真空蓋空洞２４４’、ＢＣ蓋３１０’、ＢＣ底部３２０’、大きいＢＣ蓋冷却剤排出穴３１８’、ＢＣ空洞３２６’、ＢＣフィン３２８’、冷却剤レベル管ポート３４４’、およびポート貫通接続部３６０’が図示されている。ＨＥＸ本体２００’とＢＣ蓋３１０’との間の、インジウム電気接合部３８０’も図示されている。上記で説明された実施形態と同様に、真空シェル２１０’のすべての機械的接合部（たとえば角）が、溶接される。しかし、上記で言及されたように、真空蓋２５０’およびＢＣ蓋３１０’は、ＢＣ底部３２０’に蝋づけされる。したがって、疲労寿命および高電圧絶縁材の適合性が設計上の懸念である場合、インジウムは、真空シールとして使用されない。しかし、インジウムは、本明細書で開示されている概念、技術、および構造に従って、電気接合部として使用され続けている。
【0053】
図２０Ａは、本明細書で開示されている概念、技法、および構造の一実施形態に従った、「被覆された成形体」である超電導体モジュール４００’の断面を概略的に示している。超電導体モジュール４００’は、上側銅部分４１０ａ、下側銅部分４２０ａ、およびステンレス鋼接続プレート４３０ａを備える、内部成形体を具備する。超電導体モジュール４００’はまた、上側銅部分４１０ｂ、下側銅部分４２０ｂ、およびステンレス鋼接続プレート４３０ｂを備える、外部被覆物を具備する。上側銅部分４１０ａ、４１０ｂはそれぞれ、銅の単一片であってもよく、環の周囲に十分な電気接続性を実現する。同様に、下側銅部分４２０ａ、４２０ｂはそれぞれ、銅の単一片であってもよく、接続プレート４３０ａ、４３０ｂはそれぞれ、ステンレス鋼の単一片であってもよい。上部構造体の間隙は、構造的および電気的安定性を生み出すために、はんだで充填され得る。
【0054】
図２０Ｂは、図２０Ａの実施形態による成形体を、概略的に示している。上側銅部分４１０ａ、下側銅部分４２０ａ、およびステンレス鋼接続プレート４３０ａが図示されている。成形体の一方の端部から他方の端部まで延在する、溝４２２ａも図示されている。これらの溝４２２ａは、図１４Ｂおよび図１５に示された溝と同じやり方で使用され、高温超電導体（ＨＴＳ）テープを敷く場所を提供し、これにより、成形体の端部間に、抵抗値ゼロの電気的結合を提供することができる。
【0055】
図２０Ｃは、図２０Ａおよび図２０Ｂの実施形態による、成形体を取り囲む被覆物を概略的に示している。上側銅部分４１０ｂ、下側銅部分４２０ｂ、およびステンレス鋼接続プレート４３０ｃが図示されている。被覆された成形体の組立ては、単に被覆物を成形体の上部にわたって摺動させ、次いで、上記で説明されたように、はんだづけすることによって実現され得るので有利である。
【0056】
次に、様々な実施形態の動作および使用法が説明される。
【0057】
開示された概念、技術、および構造による電流リードは、概ね、以下の特性を有する必要がある。電流リードは、極低温回路への熱負荷を最小限に抑えながら、所望の電流を流す必要がある。過熱は、損傷を引き起こす可能性があり、過冷却は、電子機器に損傷を与える結露／凍結を引き起こす可能性があるので、電流リードは、熱安定性を維持する必要がある。電流リードは、常に超電導の状態を維持するように、超電導体モジュール内に十分なパラメータマージンを持つ必要がある。さらなる有用な特徴は、動作および制御の簡潔さ、製造工程における、迅速で信頼性の高い構築、モジュール式構成要素を最大動作電流まで試験するための機能を含む。
【0058】
電流を流すための、電流リードのほとんどまたはすべての伝導性部品が、上記で説明されたように、インジウムワイヤで接合される。これは、導電率が高く、かつ熱伝導率が高いインジウムによって、確実に、連結領域をほぼ完全にカバーする。さらに、この結果、部品間の接続抵抗値が低くなり、これは、熱安定性を確保するのに役立つ。インジウムは、真空シールの作製にも、また蝋づけの代替手段としても使用され得る。この方法は、信頼性が高く、簡単に修復でき、かつ迅速に反復でき、その結果、製造に成功する。
【0059】
沸騰チャンバ（ＢＣ）は、ＬＮ２を沸騰させるために、非常に大きな表面積を有し、超電導体モジュールの上側の暖端を熱的に安定に保ち、超電導体モジュールが確実に、常に超電導状態を維持するよう作用する。動作および制御は、この場合、電気的に制御される比例積分微分（ＰＩＤ：ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ－ｉｎｔｅｇｒａｌ－ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）ループによって行われてもよく、充填弁が、ＬＮ２のレベルを設定値に制御する。リードは、次いで、自己調節し、ＬＮ２のレベルに応じた任意の電流で動作でき、ＢＣ内で生成される蒸気の量に比例して充填されることになる。内部にＧＮ２が流れる熱交換器（ＨＥＸ）はさらに、利用可能な冷却剤が存在するよりも多くの通電加熱も有しないように、熱交換器の長さおよび面積が調整されている。ＨＥＸ部品はまた、ＢＣ内の沸騰圧力および温度を可能な限り低く保つために、流れるＧＮ２の圧力降下が少なくなるよう設計されている。
【0060】
超電導体モジュールは、図１４Ａ、図１４Ｂ、図１５、図１６Ａ、および図１６Ｂに示され、また上記で説明されたように、ペタルと呼ばれる部品または楔の形で作製され得る。ペタルは電気的に平行なので、各ペタルは、総電流の一部分を流すだけで済み、これにより、組立体全体を一度に試験するよりも、各ペタルを試験する方が、はるかに簡単になる。これはまた、１つのペタルの性能が低下した場合に、超電導体モジュールの残りを交換することなく、性能が低下したペタル自体が交換され得るので、超電導体モジュールに対するリスクを軽減する。ペタルの数は、超電導体モジュールに沿った磁場の強度を計算し、その結果得られる、高温超電導体（ＨＴＳ）テープの各片の臨界電流を計算し、次いで、必要なＨＴＳの総量を判定することにより、判定され得る。概ね、ペタルがより多いほど、一層均一な（かつテープ面に平行な）磁場を生じさせ、ＨＴＳテープの使用量およびコストを減らす一方、設計においてペタルがより少ないほど、一層多くのＨＴＳを必要とする。したがって、ペタルの数は、図に示されたように正確に６つである必要はなく、いくつかの状況特有の設計パラメータの関数であることを理解されたい。
【0061】
【0062】
電流リードの性能への最大のリスクは、実質上不可逆的な工程である蝋づけによる製造リスク、抵抗値の高い連結面に起因する過熱、または超電導体モジュール４００の暖端での超電導性の喪失（クエンチング）、およびＢＣ内の冷却剤を使い果たし、過熱を引き起こすことを含む。
【0063】
次に、追加の実施形態、および上記の実施形態の変形形態が説明される。
【0064】
熱交換器（ＨＥＸ）の室温端子部（ＲＴＴＰ）は、銅の上に広がる２つの水熱交換器ループによって温度制御される。このループは、ＲＴＴＰで測定される、特定の設定値まで水を加熱または冷却できるシステムに接続されている。温度制御は、様々な動作シナリオにわたって、リードが、電流リードおよび電流リードが装着されている低温槽で、柔らかいＯリングシールおよび計器に問題を引き起こす可能性のある、結露または水の凍結を起こさないことを保証する。上端の温度は、電流ゼロのときは加熱がほとんどないため、冷却される傾向にある一方で、最大動作電流のときは、適切に設計されたリードは加熱または冷却がほぼ不要のはずなので、当然のことながら、電流によって変化する。
【0065】
あるいは、いくつかの設計は、電流ゼロのときに電流リードが過度に冷却されない状態を保つために、上端でヒータだけを使用することがあり得る。ただし、かかる設計では、動作電流の影響を受けてＲＴＴＰが過熱する場合に、ＲＴＴＰを冷却する方法がない。結露を防ぐために、湿気が、周囲の部屋から取り除かれてもよく、またはＲＴＴＰの周囲に、窒素雰囲気が作り出されてもよい。これらの手法は両方とも、ここで使用される水冷通路よりも注意深い監視を必要とする。
【0066】
柔らかいインジウム接合部は、真空シールと、伝導性金属部品間の電気接続部および熱接続部との両方を作製するために使用される。こうしたシールは修理可能であり、適切に設計されていれば、正常に動作する可能性が高い。しかし、部品間を接続させるのに使用され得る、鉛などの他の軟金属もある。標準的なポリマーＯリングは、こうした極低温では使用され得ないため、標準的な手法は、蝋づけすることである。これは、合わせ面に修復不可能な小さい漏れまたは欠陥が生じるリスクをもたらす。
【0067】
沸騰チャンバは、沸騰チャンバの温度を、沸騰しているＬＮ２の温度にできるだけ近い状態に保つために、非常に大きい表面積を持つよう設計されている。これは、超電導体モジュールの暖端が、確実に、超電導体の臨界温度を超えた状態で保持されるようにする。たとえば、超電導体モジュールの上限温度は、あらゆる動作状態にわたって約１Ｋしか変わり得ず、超電導性の損失が生じる前に、超電導体モジュールの上限温度には、２～３Ｋの組込みマージンがあり得る。図に示されているもの以外の物理的構成でも、大きい表面積を実現させることが可能である。ＬＮ２を完全に省いてＧＮ２だけを使用することは、顕熱が比較的小さいため、熱の観点からはあまり効果的ではなく、実施するにはリスクがより高くなる。以前の電流リードの中には、極低温冷却システムによって温度が設定されたヘリウムだけを使用するものもある。こうしたシステムは通常、ヘリウムの特性のせいで、ガス状ヘリウムしか使用しない。
【0068】
沸騰チャンバ内の冷却剤のレベルは、側面から離れて側面に平行なレベル管で測定される。この管内のレベルは、静電容量式センサで測定される。これは最初に、電気的絶縁のために、レベルセンサが低温槽に接地され得るように行われ、一方電流リードは、電流リードの電源を通じて接地を共有する。次に、レベルセンサを側面から離して配置することにより、管内のＬＮ２は、沸騰を最小限に抑えられ、レベルの読取り値をより一貫したものにするはずである。代替実施形態では、レベルスティックが、沸騰チャンバ内に直に配置されてもよいが、激しい沸騰が、測定およびその結果生じる充填弁の制御に、望ましくない振動を引き起こす可能性がある。
【0069】
このシステムは制御されているので、「能動的な」システムと見なされ得る。施設内で多数の電流リードが動作するように設計されている場合、ＬＮ２を、各リードに「受動的に」流し込むことが可能である。単に１つの大きなＬＮ２の供給部があり、レベルおよび充填が能動的に制御される場合、そのレベルは、リードを共通の供給貯蔵槽へ一緒に単に接続して、リードのすべてで共有される。フロートおよび光学システムなど、他のレベル測定方法も利用可能である。
【0070】
電流リードは垂直に設計されているため、排出するＧＮ２は、暖まると自然に上昇してリードから出る。ただし、ＣＬは同様に、水平にも構築され得、沸騰作用が、同様のやり方でＧＮ２をＨＥＸに向かって押し出すか、または排出部にある真空ポンプが、ガスの循環を補助することができる。
【0071】
説明されている電流リードは、沸騰チャンバ内部の圧力を下げ、ＬＮ２の沸騰温度を下げる機能を持っている。この機能は、何らかの理由で超電導体モジュールの上部が予想より高温になり、大気圧で、最大７７．３ＫでＬＮ２が沸騰することにより、適切に制御され得ない場合の、バックアップとして使用され得る。チャンバを－１７３ｈＰａ（－１３０Ｔｏｒｒ）まで吸い出すことにより、ＬＮ２の沸騰温度は、約６５Ｋまで下げることができ、超電導体モジュールの上端に、かなりの温度マージンを確保する。
【0072】
本明細書で使用されている表現および用語は、説明することを目的としており、限定するものと見なされるべきではないことを理解されたい。したがって、当業者は、この開示が基づく概念が、開示されている主題の複数の目的を実行するための他の構造、方法、およびシステムの設計の基礎として、容易に利用され得ることを理解されよう。
【0073】
前述の詳細な説明において、実施形態の様々な特徴は、本開示を合理化する目的で、１つまたは複数の個々の実施形態にまとめられている。この開示方法は、特許請求の範囲が、そこに明示的に列挙されているものよりも多くの特徴を必要とするという意図を、反映していると解釈されるべきではない。むしろ、発明の態様が、各開示されている実施形態のすべての特徴よりも少ない。
【0074】
開示されている主題は、前述の例示的な実施形態において説明され、例示されてきたが、本開示は、例として行われたに過ぎず、開示されている主題の実施態様の詳細において、多くの変更が、開示されている主題の精神および範囲から逸脱することなく、行われ得ることを理解されたい。
【0075】
本明細書で使用されるように、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」は、無制限に含むことを意味する。本明細書で使用されるように、「ａ」および「ａｎ」という用語は、名詞を修飾する場合、その名詞が１つだけ存在することを示唆するものではない。本明細書で使用されるように、「ｏｒ」は、文脈が明確に別段の指示をしない限り、および／または、を意味する。たとえば、Ａが真、Ｂが真、またはＡとＢとの両方が真の場合、ＡまたはＢは真である。本明細書で使用されるように、「ｆｏｒ ｅｘａｍｐｌｅ」、「ｆｏｒ ｉｎｓｔａｎｃｅ」、「ｅ．ｇ．」、および「ｓｕｃｈ ａｓ」は、排他的な例ではない、非限定的な例を指す。「ｃｏｎｓｉｓｔｓ」という単語（およびその変形）には、「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」もしくは「ｉｎｃｌｕｄｅｓ」という単語（またはその変形）と同じ意味が与えられるべきである。
【0076】
保護が求められている概念、システム、デバイス、構造、および技法の様々な実施形態が、関係する図面を参照して本明細書で説明されている。本明細書で説明されている概念、システム、デバイス、構造、および技法の範囲から逸脱することなく、代替実施形態が考案され得る。以下の説明および図面において、要素間に、様々な接続および位置関係（たとえば、より上に、より下に、隣接して、など）が示されていることに留意されたい。これらの接続および／または位置関係は、別段の指定がない限り、直接的または間接的であり得、説明されている概念、システム、デバイス、構造、および技法は、この点において、限定することは意図されていない。したがって、エンティティの結合は、直接的な結合または間接的な結合のいずれを指すこともでき、エンティティ間の位置関係は、直接的な位置関係または間接的な位置関係であり得る。
【0077】
間接的な位置関係の一例として、本明細書における、層「Ｂ」の上に層「Ａ」を形成することへの言及は、層「Ａ」および層「Ｂ」の関連する特性および機能が中間層によって実質的に変更されない限り、１つまたは複数の中間層（たとえば、層「Ｃ」）が、層「Ａ」と層「Ｂ」との間にある状況を含む。以下の定義および略語が、仕様の解釈に使用されるべきである。本明細書で使用されるように、用語「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」、「ｉｎｃｌｕｄｅｓ」、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」、「ｈａｓ」、「ｈａｖｉｎｇ」、「ｃｏｎｔａｉｎｓ」、もしくは「ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ」、または他のこれらの変形形態は、非排他的包含をカバーすることが意図されている。たとえば、要素のリストを含む組成物、混合物、工程、方法、物品、または装置は、必ずしもそれらの要素だけに限定されるものではなく、かかる組成物、混合物、工程、方法、物品、または装置に、明示的に列挙されていないまたは本来備わった、他の要素を含むことができる。
【0078】
さらに、「ｅｘｅｍｐｌａｒｙ」という用語は、本明細書では、例、実例、または例示として機能することを意味するように使用される。「ｅｘｅｍｐｌａｒｙ」であると本明細書で説明されているどの実施形態または設計も、必ずしも他の実施形態または設計よりも好ましい、または有利であると解釈されるべきではない。「ｏｎｅ ｏｒ ｍｏｒｅ」および「ｏｎｅ ｏｒ ｍｏｒｅ」という用語は、１以上の任意の整数、すなわち、１、２、３、４などを含むものと理解されたい。「ａ ｐｌｕｒａｌｉｔｙ」という用語は、２以上の任意の整数、すなわち、２、３、４、５などを含むものと理解されたい。「ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ」という用語は、間接的な「ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ」および直接的な「ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ」を含むことができる。
【0079】
本明細書における「ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ」、「ａｎ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ」、「ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ」などへの言及は、説明されている実施形態が、特定の特徴、構造、または特性を含むことができるが、すべての実施形態が、特定の特徴、構造、または特性を含むことができることを示している。さらに、かかる句は、必ずしも同じ実施形態を指すとは限らない。さらに、特定の特徴、構造、または特性が一実施形態に関連して説明される場合、他の実施形態に関連するかかる特徴、構造、または特性に影響を与えることは、明示的に説明されているかどうかに関わらず、当業者の知識の範囲内であることが提示されている。
【0080】
これ以降の説明の目的において、用語「ｕｐｐｅｒ」、「ｌｏｗｅｒ」、「ｒｉｇｈｔ」、「ｌｅｆｔ」、「ｖｅｒｔｉｃａｌ」、「ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ」、「ｔｏｐ」、「ｂｏｔｔｏｍ」、およびこれらの派生語は、図面の図で方向づけされているように、説明されている構造および方法に関係するものとする。「ｏｖｅｒｌｙｉｎｇ」、「ａｔｏｐ」、「ｏｎ ｔｏｐ」、「ｐｏｓｉｔｉｏｎｅｄ ｏｎ」、または「ｐｏｓｉｔｉｏｎｅｄ ａｔｏｐ」という用語は、第１の構造体などの第１の要素が、第２の構造体などの第２の要素上に存在することを意味する。ただし、インタフェース構造体などの介在する要素が、第１の要素と第２の要素との間に存在する可能性がある。「ｄｉｒｅｃｔ ｃｏｎｔａｃｔ」という用語は、第１の構造体などの第１の要素および第２の構造体などの第２の要素が、いかなる中間要素もなしに接続されることを意味する。
【0081】
明細書における、要素を修飾する「ｆｉｒｓｔ」、「ｓｅｃｏｎｄ」、「ｔｈｉｒｄ」などの序数詞の使用は、それ自体が、１つの要素が別の要素を越えるどんなプライオリティ、優先順位、もしくは順序、または方法の行為が実行される時間的順序を含意するものではなく、要素を区別するために、単に、ある名前を持つ１つの要素を、同じ名前を持つ（しかし、序数詞を使用するようになされた）別の要素から区別するための、ラベルとして使用される。
【0082】
「ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ」および「ａｂｏｕｔ」という用語は、いくつかの実施形態では、目標値の±２０％以内、いくつかの実施形態では目標値の±１０％以内、いくつかの実施形態では目標値の±５％以内、さらに、いくつかの実施形態では、目標値の±２％以内を意味するために使用され得る。「ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ」および「ａｂｏｕｔ」という用語は、目標値を含むことができる。「ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ ｅｑｕａｌ」という用語は、いくつかの実施形態では、互いの±２０％以内、いくつかの実施形態では、互いの±１０％以内、いくつかの実施形態では、互いの±５％以内、さらに、いくつかの実施形態では、互いの±２％以内の値を指すために使用され得る。
【0083】
「ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ」という用語は、いくつかの実施形態では、比較基準の±２０％以内、いくつかの実施形態では、±１０％以内、いくつかの実施形態では、±５％以内、さらに、いくつかの実施形態では、±２％以内の値を指すために使用され得る。たとえば、第２の方向に対して「ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ」に直交する第１の方向は、いくつかの実施形態では、第２の方向と９０°をなす角度の±２０％以内、いくつかの実施形態では、第２の方向と９０°をなす角度の±１０％以内、いくつかの実施形態では、第２の方向と９０°をなす角度の±５％以内、さらに、いくつかの実施形態では、第２の方向と９０度をなす角度の±２％以内である、第１の方向を指すことができる。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図7】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図10A】
【図10B】
【図11】
【図12A】
【図12B】
【図13】
【図14A】
【図14B】
【図15】
【図16A】
【図16B】
【図17】
【図18A】
【図18B】
【図19】
【図20A】
【図20B】
【図20C】
【国際調査報告】