(57)【要約】  極低温システムが、極低温チャンバーのハウジングと、極低温チャンバー内の冷熱源と、極低温チャンバー内の冷熱源と冷却されるべきコンポーネントとの間で極低温流体を循環させるための循環ループとを含む。コンポーネントは、より高温の環境へ延びる細長い熱伝導性構造を有する。構造を調節可能に冷却するために、極低温流体の到来流が、コンポーネントから延びる構造の長さに沿って導かれ、そしてこの到来流は、コンポーネントからの第１の位置における第１の退出流と、コンポーネントから更に遠い第２の位置における第２の退出流とに分割され、そして調節可能弁が、第２の退出流になる到来流の比率を調節する。【選択図】図１
2017511463.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
極低温システムであって、
前記極低温システムが、
冷却されるべきコンポーネントから、より高温の環境へ延びる、細長い熱伝導性構造を有する、前記冷却されるべきコンポーネントを含有するための極低温チャンバーのハウジングと、
前記極低温チャンバー内の冷熱源と、
前記極低温チャンバー内の前記冷熱源と前記コンポーネントとの間で極低温流体を循環させるための循環ループと、
を含んでおり、
前記循環ループが、前記コンポーネントから延びる前記細長い熱伝導性構造の長さに沿って前記極低温流体の到来流を導くための、流路導管と、前記極低温流体の第１の退出流を前記冷熱源に戻すように誘導するために、前記流路導管の長さに沿った第１の位置で前記流路導管から分岐する、第１の退出流導管と、前記極低温流体の第２の退出流を前記冷熱源に戻すように誘導するために、第２の位置で前記流路導管から延びる、第２の退出流導管と、前記極低温流体の第２の退出流になる前記極低温流体の到来流の比率を調節するために、前記第１の退出流導管及び前記第２の退出流導管のうちの少なくとも一方に接続された、少なくとも１つの調節可能弁と、を含んでいる、
極低温システム。
【請求項２】
前記少なくとも１つの調節可能弁が、前記極低温流体の第１の退出流を受容するために前記第１の退出流導管に接続された、第１のポートと、前記極低温流体の第２の退出流を受容するために前記第２の退出流導管に接続された、第２のポートと、前記極低温流体の合体流を排出するための、第３のポートと、を有する３ポート調節可能弁を含んでいる、
請求項１に記載の極低温システム。
【請求項３】
前記循環ループが、前記極低温チャンバー内に極低温ポンプを含んでおり、前記極低温システムが、更に、前記極低温流体の合体流を前記極低温ポンプの入口へ搬送するために、前記極低温ポンプの入口に前記調節可能弁の第３のポートを接続する導管を含んでいる、
請求項２に記載の極低温システム。
【請求項４】
前記少なくとも１つの調節可能弁が、前記第１の退出流導管及び前記第２の退出流導管のうちの一方を通る極低温流体の流量に調節可能な制限を与えるために、前記第１の退出流導管及び前記第２の退出流導管のうちの前記一方に、２ポート調節可能弁を含んでいる、
請求項１に記載の極低温システム。
【請求項５】
前記２ポート調節可能弁が、ニードル弁である、
請求項４に記載の極低温システム。
【請求項６】
前記少なくとも１つの調節可能弁が、前記極低温流体の前記第１の退出流の流量に調節可能な制限を与えるために、前記第１の退出流導管内に、第１の２ポート調節可能弁を含んでおり、前記極低温流体の前記第２の退出流の流量に調節可能な制限を与えるために、前記第２の退出流導管内に、第２の２ポート調節可能弁を含んでいる、
請求項１に記載の極低温システム。
【請求項７】
前記第１と第２の２ポート調節可能弁が、ニードル弁である、
請求項６に記載の極低温システム。
【請求項８】
前記循環ループが、前記ハウジングの外部のガスポンプと、極低温流体の流出流を前記第１の退出流導管から向流熱交換器を通って前記ガスポンプの入口へ導くために、前記第１の退出流導管と前記ガスポンプとの間に接続された前記向流熱交換器と、を含んでおり、
前記向流熱交換器が、また、前記極低温流体の流出流を前記ガスポンプの出口から前記冷熱源へ導くために、前記ガスポンプと前記冷熱源との間に接続されており、
更に、前記第２の退出流導管が、前記極低温流体の前記第２の退出流を前記ガスポンプの入口へ導くために、前記ガスポンプの入口に接続されている、
請求項１又は２、又は、請求項４から７までのいずれか１項に記載の極低温システム。
【請求項９】
前記第２の退出流導管が、前記向流熱交換器のタップで成端している、
請求項８に記載の極低温システム。
【請求項１０】
更に、前記細長い熱伝導性構造の温度を感知するための温度センサを含んでいる、
請求項１から７までのいずれか１項に記載の極低温システム。
【請求項１１】
更に、前記調節可能弁を自動的に調節するために前記調節可能弁に機械的に接続された、弁アクチュエータと、
前記温度センサに電子的に接続され、前記弁アクチュエータに電子的に接続され、感知された温度を温度設定点で維持するように前記調節可能弁を自動的に制御する、温度コントローラと、
を含んでいる、
請求項１０に記載の極低温システム。
【請求項１２】
前記温度センサが、前記極低温チャンバー内で、前記細長い熱伝導性構造の長さに沿った位置に配置されており、前記位置が、前記第２の位置と、前記コンポーネントから前記細長い熱伝導性構造に沿った更に遠い位置と、の間の位置である、
請求項１０に記載の極低温システム。
【請求項１３】
極低温システム内で細長い熱伝導性構造を冷却する方法であって、前記極低温システムが、前記細長い熱伝導性構造がより高温の環境へ延びる起点となるコンポーネントを含有する極低温チャンバーのハウジングと、前記極低温チャンバー内の冷熱源と、前記極低温チャンバー内で前記冷熱源と前記コンポーネントの間で極低温流体を循環させる循環ループと、を含む方法において、
前記方法が、
前記冷熱源から来た前記極低温流体の到来流を、前記コンポーネントから延びる前記細長い熱伝導性構造の長さに沿って導くステップと、
前記細長い熱伝導性構造の長さに沿った前記極低温流体の流れを、前記細長い熱伝導性構造の長さから離れるように、前記細長い熱伝導性構造の長さに沿った第１の位置で分岐する、極低温流体の第１の退出流と、前記細長い熱伝導性構造の長さに沿った前記第１の位置よりも遠い第２の位置で前記細長い熱伝導性構造の長さから離れる、前記極低温流体の第２の退出流と、に分割するステップと、
前記極低温流体の第２の退出流となる前記極低温流体の到来流の比率を調節するように、調節可能弁を調節するステップと、
を含む、
極低温システム内で細長い熱伝導性構造を冷却する、方法。
【請求項１４】
更に、前記細長い熱伝導性構造の温度を感知するステップと、感知された温度を温度設定点で維持するように前記調節可能弁を調節するステップと、を含む、
請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記感知された温度が、前記細長い熱伝導性構造の第２の位置の温度に応答する、
請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記感知された温度が、前記細長い熱伝導性構造に沿って配置された温度センサの温度であり、前記配置された位置が、前記第２の位置と、前記細長い熱伝導性構造に沿った前記コンポーネントから更に遠い位置と、の間の位置である、
請求項１４又は１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記調節可能弁が、前記極低温チャンバー内に配置されており、前記極低温システムが、前記極低温チャンバーの外部の制御ノブと、前記制御ノブを前記調節可能弁に機械的に結合する制御シャフトと、を含み、前記制御ノブが、前記調節可能弁を調節するために手動で調節される、
請求項１４又は１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記極低温システムが、前記細長い熱伝導性構造の温度を感知する温度センサと、前記温度センサによって感知された温度を表示するディスプレイと、を含み、前記方法が、前記温度センサによって感知された温度のディスプレイの監視に応答して前記制御ノブを手動で調節するステップを含む、
請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記極低温システムが、更に、前記調節可能弁を自動的に調節するために、前記調節可能弁に機械的に接続された、弁アクチュエータと、前記調節可能弁を自動的に制御するために、温度センサに電子的に接続され、前記弁アクチュエータに電子的に接続された、温度コントローラと、を含み、
前記方法が、感知された温度を温度設定点で維持するように前記温度コントローラを操作するステップを含む、
請求項１４又は１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記細長い熱伝導性構造が、前記コンポーネントと前記ハウジングの外部の環境との間で電流を運ぶ、電流リードを含み、前記電流リードが、前記コンポーネントから延びて前記ハウジングの内部に含まれる、超伝導体のセグメントを含み、前記超伝導体が、所定の温度未満では前記超伝導体が超伝導性になる遷移温度を有しており、
前記方法が、超伝導セグメントを、前記遷移温度の直下の最高温度に維持するように、前記調節可能弁を調節するステップを含む、
請求項１３から１５までのいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、極低温システム内の極低温流体の循環、並びに、冷却されるべきコンポーネントから、より高温の環境へ延びる、細長い熱伝導性構造を、効果的に冷却する流体回路設計に関する。このような構造は、電流リード、機械的支持体、機械的フィードスルー、及び、回転軸受け、を含むことができるが、これらに限定するものではない。
【背景技術】
【０００２】
一般的な材料の特性は、これらの材料が極低温度に冷却されると、しばしば変化し、そしてこれらの変化は、極低温装置の設計を複雑にする。これらの変化は、約１５０度ケルビンの温度を大幅に下回って生じる。従って、本開示において、「極低温（cryogenic）」は、１５０度ケルビン未満の温度に関する。例えば、「極低温ガス」は、沸点が１５０度ケルビン未満の材料から成る気体であり、「極低温流体」は、沸点が１５０度ケルビン未満の材料から成る気体、又は、凝固点が１５０度ケルビン未満の材料から成る液体、である。極低温ガスの例は、ヘリウム、水素、ネオン、窒素、フッ素、アルゴン、酸素、及び、クリプトンを含む。７０度ケルビン未満で使用するための極低温装置の設計は、特に難しい。なぜならば、沸点が７０度ケルビン未満の元素は、わずかしかないからである。これらの元素は、水素（沸点２０．３度ケルビン）、ヘリウム（沸点４．２度ケルビン）、及び、ネオン（沸点２７．１度ケルビン）である。
【０００３】
極低温システムは、しばしば、極低温チャンバーのハウジングと、冷熱源と、極低温チャンバー内の冷熱源と極低温度に冷却されるコンポーネントとの間で極低温流体を循環させるための循環ループと、を含む。典型的には、ヘリウムが、循環ループ内の極低温流体として使用される。なぜならば、ヘリウムは、最低の沸点を有しており、最低温度に到達することを可能にし、ヘリウムは、不活性であり、水素と比較して可燃性ではなく、そして、ヘリウムは、ネオンよりも低廉であるからである。例えば、極低温装置内のガス循環ループは、遠心ポンプとして極低温ファンを使用することにより、極低温冷却器と極低温度に冷却されるべき材料との間で、ヘリウムガスを循環させている。極低温冷却器と極低温度に冷却されるべき材料との間で、ヘリウムガス又は液体を循環させるために、受動的な、重力に支援された熱サイフォンも、使用されている。
【０００４】
極低温システムは、しばしば、極低温度に冷却されるべきコンポーネントと、極低温チャンバー内のコンポーネントからより高温の環境へ延びる細長い熱伝導性構造と、を含む。細長い熱伝導性構造は、極低温チャンバー内部のコンポーネントを支持するため、コンポーネントに給電するため、コンポーネントに流体又は真空を供給するため、又はコンポーネントを調節、制御、又はモニタリングするために、必要となる。
【０００５】
例えば、極低温度に冷却されるコンポーネントは、電気的又は電子的なコンポーネントであり、細長い熱伝導性構造は、電流をコンポーネントに供給するか、又は、コンポーネントと外部環境との間で電気信号を搬送する、電気的なリードを含む。１つの具体例では、コンポーネントは、材料の電気的特性が温度の関数として測定される、分析中の材料試料である。別の例では、コンポーネントは、コンポーネントが極低温に冷却されたときの超伝導状態を活用する装置の、超伝導コンポーネントである。例えば、超伝導コンポーネントは、電磁石、又は、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）、又は、超伝導フィルタエレメント、又は、超伝導電子処理装置（例えばアナログ／デジタル変換器）、又は、高速単一磁束量子（ＲＳＦＱ）計算エレメント、である。電子コンポーネントを極低温度に冷却することもできる。なぜならば、コンポーネントの性能は、より低い温度で改善されるからである。例えば、従来の電子増幅器及び電子検出器の熱雑音は、より低い温度で低減される一方、従来の中央処理ユニット（ＣＰＵ）のトラッキング抵抗が低減され、したがって、熱放散が低減され、より高いクロック速度を可能にする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
極低温システム設計における共通の問題点は、システム外部（室温）から、システムのコア（極低温度）に位置する電気的又は電子的なコンポーネントへ、電流を輸送するように意図された、電流リードを冷却することである。これらの電流リードは、当然、システムのコア内への著しい熱漏れを示し、この漏れを最小限にするために、充分に冷却されなければならない。
【０００７】
電流が電流リードを流過するとき、電気的又は電子的なコンポーネントを充分に冷却するために、オーム損失に起因する熱を除去することが必要な場合もある。オーム損失に起因する熱の量は、電気抵抗と、電気抵抗を流過する電流の二乗との積である。オーム損失を低減するために、大量の電流を運ぶ電流リードは、しばしば、高温超伝導（ＨＴＳ）ワイヤから形成されている。従来のＨＴＳワイヤは、約７７度ケルビンの、ワイヤがそれを下回ると超伝導性になる遷移温度を有しており、ワイヤの温度がこの遷移温度を大きく下回れば下回るほど、その超伝導電流容量は高くなる。従って、７７度ケルビンをはるかに下回る極低温度に冷却される電気的又は電子的なコンポーネントにつながる電流リードのために、従来のＨＴＳワイヤを使用することが一般的であり、電気的又は電子的なコンポーネントに加えて電流リード自体を冷却することが更に重要になる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願で開示された実施態様は、極低温チャンバー内の冷熱源に対する熱負荷を低減するために、極低温チャンバー内のコンポーネントから外部環境へ延びる細長い熱伝導性構造に施される冷却の程度を調整する、効果的且つ調節可能な方法に関する。熱負荷を低減することにより、システムの、より低い極低温基準温度を達成すること、又は、冷却容量が低減された冷熱源を使用すること、又は、冷熱源を維持する際に消費される電力を低減すること、が可能である。
【０００９】
１つの実施態様では、極低温システムが、コンポーネントからより高温の環境へ延びる細長い熱伝導性構造を有する、コンポーネントを含有するための極低温チャンバーのハウジングと、極低温チャンバー内の冷熱源と、極低温チャンバー内の冷熱源とコンポーネントとの間で極低温流体を循環させるための循環ループとを含む。循環ループは、コンポーネントから延びる細長い熱伝導性構造の長さに沿って極低温流体の到来流を導くための流路導管を含む。冷却量を調節可能にするように、循環ループは更に、流路導管から極低温流体の第１の退出流を誘導するために、細長い熱伝導性構造の長さに沿った第１の位置で流路導管から分岐する第１の退出流導管と、流路導管から極低温流体の第２の退出流を誘導するために、細長い熱伝導性構造の長さに沿った第１の位置よりも遠い第２の位置で流路導管から延びる第２の退出流導管と、極低温流体の第２の退出流になる極低温流体の到来流の比率を調節するために、第１の退出流導管及び第２の退出流導管のうちの少なくとも一方に接続された調節可能弁とを含む。
【００１０】
１つの具体的な実施形では、調節可能弁は、極低温流体の第１の退出流を受容するために第１の退出流導管に接続された第１のポートと、極低温流体の第２の退出流を受容するために第２の退出流導管に接続された第２のポートと、極低温流体の合体流を排出するための第３のポートと、を有する３ポート弁である。例えば、この具体的な実施形では、極低温流体の合体流は、循環ループ内の極低温ポンプへの入口流である。
【００１１】
別の具体的な実施形では、調節可能弁は、第２の退出流導管内の制限を調節するために第２の退出流導管内に設けられた、２ポート調節可能弁である。例えば、この具体的な実施形では、循環ループ内のガスポンプが、ハウジングの外部に設けられており、極低温流体の流出流を第１の退出流導管から向流熱交換器を通ってガスポンプの入口へ導くように、第１の退出流導管とガスポンプとの間に、向流熱交換器が接続されており、そして向流熱交換器は、また、極低温流体の流出流をガスポンプの出口から冷熱源へ導くために、ガスポンプと冷熱源との間に接続されている。第２の退出流導管は、第２の退出流をガスポンプの入口へ導くために、ガスポンプの入口に接続されている。
【００１２】
循環ループ内で使用される調節可能弁のタイプとは無関係に、細長い熱伝導性構造の所望の冷却量を達成するために、調節可能弁は手動又は自動で調節することができる。例えば、極低温システムは、細長い熱伝導性構造の長さに沿った位置に温度センサを含み、調節可能弁は、温度センサによって感知された温度を温度設定点で維持するように、手動で、又は温度コントローラによって自動で、調節される。
【００１３】
別の態様では、本開示は極低温システム内でコンポーネントから延びる細長い熱伝導性構造を冷却する方法を記述する。極低温システムは、細長い熱伝導性構造がより高温の環境へ延びる起点となるコンポーネントを含有する極低温チャンバーのハウジングと、極低温チャンバー内の冷熱源と、極低温チャンバー内で冷熱源とコンポーネントとの間で極低温流体を循環させる循環ループと、を含む。この方法は、冷熱源から来た極低温流体の到来流を、コンポーネントから延びる細長い熱伝導性構造の長さに沿って導き、そして細長い熱伝導性構造の長さに沿った極低温流体の流れを、細長い熱伝導性構造の長さから離れるように分岐する極低温流体の第１の退出流と、細長い熱伝導性構造の長さから離れる極低温流体の第２の退出流とに分割することを含む。極低温流体の第１の退出流は、細長い熱伝導性構造の長さに沿った第１の位置で細長い熱伝導性構造の長さから離れるように分岐し、そして極低温流体の第２の退出流は、細長い熱伝導性構造の長さに沿った第１の位置よりも遠い第２の位置で細長い熱伝導性構造の長さから離れる。この方法は更に、極低温流体の第２の退出流になる極低温流体の到来流の比率を調節するように調節可能弁を調節することを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、極低温チャンバー内のコンポーネント間で極低温流体を循環させるための極低温ポンプと、極低温チャンバー内の電気的又は電子的なコンポーネントにつながる電流リードを調節可能に冷却するための調節可能な３ポート混合弁と、を使用する極低温システムを示す概略図である。
【図２】図２は、電気的又は電子的なコンポーネントにつながる電流リードの冷却を自動的に制御するための自動制御システムを示す概略図である。
【図３】図３は、極低温チャンバー内のコンポーネント間で極低温ガスを循環させるための室温ガスポンプ及び向流熱交換器と、極低温チャンバー内の電気的又は電子的なコンポーネントにつながる電流リードを調節可能に冷却するための２つの調節可能な２ポート弁と、を使用する極低温システムを示す概略図である。
【図４】図４は、図３の極低温システムと同様の極低温システムのより具体的な例を示す概略図である。
【図５】図５は、図４で導入された螺旋状の向流熱交換器を示す斜視図である。
【図６】図６は、図５の熱交換器の下端部を示す横方向の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
説明の簡潔さ及び明確さを目的として、適切な場合には対応又は類似のエレメントを示すために、種々異なる図面間で符号が繰り返されていることは言うまでもない。加えて、本明細書中に記載された実施態様を充分に理解するために、数多くの具体的な詳細が示される。しかしながら、これらの具体的な詳細なしで、本明細書中に記載された実施態様を実施し得ることが当業者には明らかである。他の事例において、記載される関連の特徴を不明瞭にしないように、方法、手順、及び構成部分は、詳細には記載されていない。また、記載事項は、本明細書中に記載された実施態様の範囲を限定するものとして考えるべきではない。図面は必ずしも原寸に比例しておらず、特定の部分の比率が、本開示の詳細及び特徴をよりよく説明するために誇張されている。
【００１６】
図１は、極低温チャンバー２２のためのハウジング２１を含む極低温システム２０を示している。極低温チャンバー２２は、極低温度に冷却されるべきコンポーネント２３を含む。ハウジング２１は、任意の極低温度を大幅に上回る外部環境からコンポーネント２３を断熱する方法を提供する。例えば、ハウジング２１に対して外部の環境は室温環境であり、そしてハウジング２１内部の領域を真空ポンプによって排気することにより、外部環境から極低温チャンバー２２への対流熱伝達を低減する。ハウジング２１は、外部環境からチャンバー２２内の極低温コンポーネントへの放射熱伝達を低減するために、断熱層を含んでいてもよく、そして極低温チャンバー２２内のコンポーネントを断熱材でラッピングすることにより、これらのコンポーネントへの放射熱伝達を低減してよい。例えば、断熱材は、複数の金属化プラスチックフィルム層を含む超断熱材である。
【００１７】
コンポーネント２３を極低温度に冷却するために、極低温システム２０は、極低温チャンバー２２内に冷熱源２５を含む。この例では、冷熱源２５は、極低温冷却器２４のコールドヘッドである。極低温冷却器２４は、熱をコールドヘッド２５からヒートシンク２６へポンピングすることにより、コンポーネント２３が冷却されるべき極低温度を下回る温度までコールドヘッドの温度を低下させる。ヒートシンク２６は熱を外部環境へ排出する。例えば、ヒートシンク２６は空冷式ラジエータであり、あるいはヒートシンク２６は水道水流によって冷却される熱交換器である。別のシステムにおいて、極低温冷却器２４の代わりに、極低温チャンバー内に冷熱源を提供する別の種類の装置を使用することもできる。例えば、冷熱源は液体窒素の容器であってもよく、熱が液体窒素の容器に流れると、液体窒素は沸騰し、窒素ガスが外部環境へ排出されることになる。
【００１８】
コンポーネント２３からコールドヘッド２５へ熱を伝達するために、極低温システム２０は、コンポーネント２３とコールドヘッド２５との間で極低温流体を循環させる循環ループ２７を含んでいる。例えば、循環ループ２７は、コールドヘッド２５に締め付けられた熱交換器２８を含んでおり、極低温流体は熱交換器２８を流過して、熱交換器からコンポーネント２３へ流れることにより、コンポーネントから熱を拾い上げることによってコンポーネントを冷却する。例えば極低温流体はコンポーネント２３と直接に接触するか、又はコンポーネント２３に取り付けられた熱交換器と接触する。
【００１９】
図１の実施態様では、循環ループ２７は、極低温流体をループを通して循環させるための原動力を提供する極低温ポンプ２９を含む。例えば、極低温ポンプは、オランダ国Sonの、CryoZone BVによって販売された極低温ファンである。しかしながら、コールドヘッド２５の高度がコンポーネント２３よりも高い極低温システムでは、この極低温ポンプを省くこともでき、この場合、重力に支援された対流が極低温流体を循環ループ２７を通して循環させる。循環ループ２７が熱サイフォンとして構成されている場合に、重力に支援された対流は最も効果的である。熱サイフォンにおいて、極低温ガスはコールドヘッド２５において凝縮して液体になり、そしてこの液体は重力を受けてコンポーネント２３へ流れ、ここで液体は沸騰するので、極低温ガスがコールドヘッド２５へ戻る。このような熱サイフォンでは、コールドヘッド２５へ戻る極低温ガスは、蒸発しなかったある程度の極低温液体を連行することがある。
【００２０】
本開示は、コンポーネント２３からより高温の環境、例えばハウジングの外部の外部環境へ延びる細長い構造３１、３２を冷却する問題に関する。細長い構造３１、３２は、極低温チャンバー内で極低温コンポーネントを懸吊又は装着するのに役立つことができ、あるいは機械的制御シャフトの場合に極低温コンポーネントを機械的に調節又は制御する方法を提供することができ、あるいは極低温流体又は真空を搬送するための管を含むことができ、あるいは電力又は電気信号を搬送するための電気的リードを含むことができ、あるいは光信号を搬送するための光ファイバを含むことができる。
【００２１】
図１の具体例において、細長い構造は、電流源３３からコンポーネント２３へ電流を供給するために、コンポーネント２３をハウジング２１の外部の電流源３３と接続する電気的リードを含む。例えば、コンポーネント２３は超伝導電磁石であり、電流源３３は可変量の電流を超伝導電磁石へ提供することにより、超伝導電磁石によって発生される磁界の強度を調節する。別の例では、コンポーネントは試験中の材料試料であり、電流源３３は電流を試料へ供給することにより、試料の位置における温度及び磁界強度の関数としての試料の電流・電圧特性を測定する。別の例において、コンポーネント２３は、電子回路の性能を改善するために冷却される電子回路であり、そして電流源３３は電流を電子回路へ供給することにより、電力を電子回路へ供給する。
【００２２】
電流リード３１、３２は、ハウジング２１の外部の室温環境から、極低温チャンバー２２内に入る顕著な熱漏れを代表する。このことは、極低温度を上回る温度において良好な電気伝導体である現在周知の材料が良好な熱伝導体でもあるという事実の結果である。更に、従来の高温超伝導（ＨＴＳ）ワイヤは、約７７度ケルビンの、ワイヤがそれを下回ると超伝導性になる遷移温度を有している。電流リード３１、３２が全体的にＨＴＳワイヤから形成されるとしても、電流リード３１、３２のそれぞれの長さは、ハウジング２１の外部から延び、そしてハウジング２１の壁を貫通し、そして電気伝導体が遷移温度７７度ケルビンを下回る温度になるまでハウジング２１内部でいくらかの距離だけ延びることになる。その結果、電流が電流リード３１、３２を流過すると、電流リードの電気抵抗及び電流の二乗に対して比例して熱が発生される。この熱のうちのいくらかはハウジング２１内部で発生され、そしてこの熱のうちのいくらかはハウジング２１外部で発生されて電流リード３１、３２を通って誘導されることによりハウジング２１内部に流れる。
【００２３】
ハウジング２１内部の電流リード３１、３２を冷却するために、循環ループ２７内の極低温流体の流れ３４が、コンポーネント２３から延びる電流リード３１、３２の長さに沿って導かれる。例えば、図１に示されているように、コンポーネント２３はキャニスタ―３０内部に配置されており、ハウジング２１内部の電流リード部分もキャニスタ―３０内部に配置されている。熱交換器２８及びコールドヘッド２５からの極低温流体は、コンポーネント２３の近くの入口ポート３５でキャニスタ―３０に入る。電流リードは、キャニスタ―３０の頂部に位置するキャップ３８に設けられたそれぞれのガスシール部材３６，３７を通ってキャニスタ―３０に出入りする。
【００２４】
キャニスタ―３０のキャップ３８はハウジング２１から突出しており、キャニスタ―３０からキャップ３８を取り外すことができるので、コンポーネント２３と電流リード３１、３２との集成体を、極低温チャンバー２２内の真空を破壊することなしに、極低温システム２０から容易に取り外すことができる。例えば、キャニスタ―３０はステンレス鋼から形成されており、そして極低温チャンバー２２が排気されたときに大気圧を僅かに上回る極低温流体を含有するのに充分に厚い。キャニスタ―３０は、強度のために必要とされるよりも厚くはなく、その長さに沿った熱伝導を低減するためにステンレス鋼から形成されている。
【００２５】
電流リードによって発生される熱の量、又は室温環境から電流リードを通って誘導される熱の量に基づいて、極低温流体がキャニスタ―３０を出る電流リード３１、３２に沿った位置を調節することが望ましい。例えば、電流リード３１、３２の組成は位置３９で変化してよく、この場合、電流リードはコンポーネント２３の位置から位置３９まではＨＴＳワイヤから形成され、そして電流リードは位置３９から電流源３３の位置までは銅から形成される。この場合、位置３９は、７７度ケルビンの遷移温度直下の温度に保たれるべきである。従って、極低温流体がキャニスタ―３０を出る位置は、７７度ケルビンの遷移温度直下の温度に位置３８を保つのに必要となる距離よりも、電気的又は電子的コンポーネント２３から遠くはないことが望まれる。他方において、電流リード３１、３２が全体的に銅から形成されるならば、所望の位置は、電流リードがハウジング２１を出る位置に大幅に近くなってもよい。加えて、電流リード３１、３２によって発生される熱の量、又は室温環境から電流リードを通って誘導される熱の量に変化がある場合には、所望の位置も変化することになる。所望の位置は、電流リード３１、３２を流過する電流がない場合にはコンポーネント２３に近くなり、そして最大量の電流が電流リードを流過する場合にはコンポーネント２３から遠く離れる。
【００２６】
室温は変化することがあり、あるいは電流リード３１、３２を流過する電流は極低温システム２０の動作中に変化することがあるので、極低温流体がキャニスタ―３０を出る電流リード３１、３２に沿った位置を、極低温チャンバー２２内の真空を破壊することなしに調節することが望まれる。この場合、キャニスタ―３０の流体出口ポートを平行移動させることは現実的でない。その一方で、この問題に対する現実的な解決手段は、キャニスタ―３０に、電流リード３１、３２に沿った２つ又は３つ以上の出口ポートを設けること、そしてこれらの出口ポートのそれぞれから出る流体の流れ３４のそれぞれの比率を選択するために、少なくとも１つの弁を調節することである。
【００２７】
例えば、図１に示されているように、キャニスタ―３０は、コンポーネント２３から延びる電流リード３１、３２の長さに沿った第１の位置の第１の出口ポート４１と、電流リードの長さに沿った、第１の位置よりも遠い第２の位置の第２の出口ポート４２とを備えている。例えば、第１の位置は電流リード３１、３２の長さに沿って、コンポーネント２３と第２の位置との間に配置されており、第２の位置は第１の位置と、電流リードがハウジング２１を出る位置との間に配置されている。循環ループ２７は更に、第２の出口ポート４２から出る、キャニスタ―入口ポート３５から到来する極低温流体の到来流の比率を調節するために調節可能弁４３を含んでいる。この例では、第２の入口ポート４２から出る到来流の比率の調節はまた、第１の入口ポート４１から出る相応の到来流の比率をも調節する。なぜならば２つの比率の合計は１に等しいからである。キャニスタ―から出る極低温流体の第１の退出流を誘導するために、第１の出口ポート４１でキャニスタ―３０から第１の退出流導管４４が分岐し、キャニスタ―から出る極低温流体の第２の退出流を誘導するために、第２の出口ポート４２から第２の退出流導管４５が延びている。調節可能弁４３は、第１の退出流導管４４及び第２の退出流導管４５のうちの少なくとも一方に接続されている。
【００２８】
図１の例では、調節可能弁４３は３ポート混合弁である。３ポート混合弁は、極低温流体の第１の退出流を受容するために第１の退出流導管４４に接続された第１のポートと、極低温流体の第２の退出流を受容するために第２の退出流導管４５に接続された第２のポートと、極低温流体の合体流をハウジング２１内部の極低温ポンプ２９の入口ポートへ排出するために、導管４６によって接続された第３のポートとを有する。例えば、３ポート混合弁４３は、制御シャフト４９が旋回させられると、ねじ４８によって軸線方向に平行移動させられるスプール４７を有するスプール弁である。制御シャフト４９は、ハウジング２１内のシール部材５０を通って、弁４３を手動で調節するため、ノブ５４へ延びている。下側位置では、スプール４７は第２の退出流導管４５からの流れを遮断し、そして第１の退出流導管４４からの流れを可能にする。上側位置では、スプール４７は第１の退出流導管４４からの流れを遮断し、そして第２の退出流導管４５からの流れを可能にする。中間位置では、スプール４７は第１の退出流導管４４及び第２の退出流導管４５の両方からの流れを可能にする。
【００２９】
図１の例では、キャニスタ―３０内でキャニスタ―の頂部と第２の出口ポート４２との間の位置に、温度センサ５２が配置されている。温度センサ５２は、ハウジング２１外部に配置された温度ディスプレイ５３に電気的に接続されている。この場合、温度センサ５２は、室温を辛うじて下回る温度を感知し、そしてハウジング３１外部から電流リード３１、３２を通って誘導される熱と、電流リードを通って電流を誘導することによって発生された熱とを示す。従って、温度センサ５２によって感知された温度と設定温度とを比較することによって、電流リードを冷却するための必要性が見いだされる。
【００３０】
例えば、操作者は温度ディスプレイ５３から、感知された温度を読み取り、この温度が設定温度よりも高ければ、操作者はノブ５４を反時計回りに旋回させることにより、第１の出口ポート４１を通る流量を減少させ、そして第２の出口ポート４２を通る流量を増大させる。そしてこの温度が設定温度よりも低ければ、操作者はノブ５４を時計回りに旋回させることにより、第１の出口ポート４１を通る流量を増大させ、そして第２の出口ポート４２を通る流量を減少させる。
【００３１】
図２に示されているように、電流リード冷却を自動的に制御するために、極低温システムには、温度コントローラ６１及び弁アクチュエータ６２が付加されている。温度センサ５２は温度信号を提供するために温度コントローラ６１に電気的に接続されている。例えば、温度センサ５２は、一定の電流を誘導し、絶対温度に対して比例的な電圧を提供するシリコンダイオードである。温度コントローラ６１は、温度信号のためのアナログ入力と、弁アクチュエータ６２を制御するためのデジタル入力及びデジタル出力を有する、プログラミングされたマイクロコントローラ、又はプログラミングされた汎用デジタルコンピュータである。弁アクチュエータ６２はステッピングモータ６３と、ステッピングモータを弁制御シャフト４９に機械的に接続する歯車６４，６５と、弁制御シャフト４９の移動限界を検出するためのリミットスイッチ６６，６７とを含む。
【００３２】
例えば、温度コントローラは、温度センサ５２によって感知された温度を周期的に読み取り、そしてこの温度と温度設定点との差を計算する。差が正であり、雑音レベル閾値よりも大きい規模を有し、そして上限リミットスイッチ６６が上限に達したことを示さない場合には、温度コントローラ６１はステッピングモータ６３にパルス信号を与えることにより、制御シャフト４９を反時計回りに上方に向かって駆動し、これにより第２の出口ポート４２を通る極低温流体の流量を増大させ、そして第１の出口ポート４１を通る極低温流体の流量を減少させる。差が負であり、雑音レベル閾値よりも大きい規模を有し、そして下限リミットスイッチ６７が下限に達したことを示さない場合には、温度コントローラ６１はステッピングモータ６３にパルス信号を与えることにより、制御シャフト４９を時計回りに下方に向かって駆動し、これにより第１の出口ポート４４を通る極低温流体の流量を増大させ、そして第２の出口ポート４２を通る極低温流体の流量を減少させる。
【００３３】
図３は、極低温システム７０の別の実施態様を示している。極低温システム７０は、外部室温環境から断熱された極低温チャンバー７２を提供するハウジング７１を含む。極低温度に冷却されるべき電気的又は電子的なコンポーネント７３がキャニスタ―８０内へ挿入されている。極低温システム７０は極低温冷却器７４を含む。極低温冷却器７４は極低温チャンバー内のコールドヘッド７５と、外部環境へ熱を排出するためのヒートシンク７６とを有している。極低温システム７０は、電気的又は電子的なコンポーネント７３とコールドヘッド７５との間で極低温ガスを循環させる循環ループ７７を含む。例えば、循環ループ７７は、コールドヘッド２５に締め付けられた熱交換器７８を含む。極低温ガスは熱交換器７８を流過して、熱交換器からキャニスタ―８０の底部に設けられた入口ポート９９へ流れる。
【００３４】
図３の実施態様では、極低温循環ループ７７は、ハウジング７１の外部で室温で操作される従来のガスポンプ７９を含む。ハウジング７１内部には向流熱交換器９６が取り付けられており、向流熱交換器９６は、ガスポンプ７９からコールドヘッド７５への極低温ガスの流入流をキャニスタ―８０からの極低温ガスの流出流とともに冷却するために、ガスポンプ７９の出口と熱交換器７８との間に接続されている。
【００３５】
コンポーネント７３は、コンポーネント７３からハウジング７１外部の電流源８３へ延びる電流リード８１，８２を有している。電流リード８１，８２を冷却するために、リードは、ハウジング内部のコンポーネント７３からハウジングの頂部に位置するキャップ８４へ延びているので、キャニスタ―はコンポーネント７３から延びる電流リードの長さに沿って極低温ガス流をガイドする。電流リード８１，８２の冷却を調節するために、循環ループ７７は更に、キャニスタ―８０から分岐する第１の退出流導管８５と、キャニスタ―８０から延びる第２の退出流導管８６とを含む。第１の退出流導管８５は電流リード８１，８２の長さに沿った第１の位置８７でキャニスタ―８０から分岐しており、そして第２の退出流導管８６は、電流リードの長さに沿った第１の位置８７よりも遠い第２の位置８８でキャニスタ―８０から延びている。換言すれば、第１の位置８７は電流リード８１，８２の長さに沿って、コンポーネント７３と第２の位置８８との間に配置されており、第２の位置８８は電流リードの長さに沿って、第１の位置８７と、電流リードがハウジング７１を出る位置との間に配置されている。循環ループ７７は更に、導管８６を通る極低温ガスの第２の退出流になる下側のポート９９から到来する極低温ガスの到来流の比率を調節するための調節可能弁８９を含んでいる。
【００３６】
図３の実施態様では、調節可能弁８９は、第２の退出流導管内の制限を調節するために、第２の退出流導管８６内に設けられた２ポート調節可能弁である。２ポート調節可能弁８９は、ハウジング７１内のシール部材９１を通って延びる制御シャフト９０を有している。手動の調節のために、制御シャフト９０はノブ９２によって成端されており、キャニスタ―８０内でキャニスタ―の頂部と、第２の退出流のための出口ポートの位置８８との間に配置された温度センサ９４には、温度ディスプレイ９３が電気的に接続されている。自動的な調節のためには、制御シャフト９０は、例えば図２に示し上述したように、温度センサ９４に応答する温度コントローラによって操作される弁アクチュエータによって成端されることになる。
【００３７】
図３の実施態様では、第２の退出流導管８６は、キャニスタ―８０からガスポンプの入口へ第２の退出流を導くために、ガスポンプ７９の入口に接続されている。例えば、第２の退出流導管８６は、向流熱交換器９６のタップ９５で成端していることにより、第２の退出流導管の長さに沿った熱流量を低減する。第１の退出流導管８５からの極低温ガス流に対する向流熱交換器９６の内の抵抗は、第２の退出流導管８６を通り、そして２ポート調節可能弁８９を通る極低温ガス流を促すために多少の圧力低下をもたらす。第１の退出流導管８５内に第２の２ポート調節可能弁９７を挿入することにより、第１の退出流導管８５を通る極低温流体の第１の退出流の流量を調節可能に制限することによって、第１の退出流に対して極低温ガスの第２の退出流を更に増大させる方法を提供する。例えば、２ポート調節可能弁８９及び９７の両方はニードル弁である。
【００３８】
別の配置では、熱交換器９０上ではタップが使用されず、その代わりに第２の退出流導管８６はハウジング７１を出、２ポート調節可能弁９０はハウジング外部の導管８６内に配置され、そして第１の退出流導管８５を通る極低温の第１の退出流は、ガスポンプ７９の入口で極低温ガスの第２の退出流と合流する。大抵の場合、ハウジング外部に調節可能弁８９を配置することが極めて現実的である。なぜならば、これは制御シャフトのシール部材９１並びに熱交換器９６のタップ９５をなくするからである。
【００３９】
図４は、図３の実施態様と同様の別の実施態様を示している。図４は、キャニスタ―１０４内に電気的又は電子的なコンポーネント１０３を含有する極低温真空チャンバー１０２のハウジング１０１を含む極低温システム１００を示している。システム１００は、極低温度の第１の段コールドヘッド１０６と、第１の段コールドヘッド１０６よりも低い温度の第２の段コールドヘッド１０７とを有する２段極低温冷却器１０５、及び外部環境へのヒートシンク１０８を含む。循環ループ１０９が極低温ガスを、第１の段コールドヘッド１０６に締め付けられた熱交換器１１０を通して循環させる。熱交換器１１０からは、極低温ガスは第２の段コールドヘッド１０７に締め付けられた熱交換器１１１に循環させられる。極低温ガスは熱交換器１１１を通ってキャニスタ―１０４の入口ポート１１２へ流れ、キャニスタ―内へ流入するので、極低温ガスは、極低温度に冷却されるべきコンポーネント１０３と直接に接触する。次いで極低温ガスはキャニスタ―１０４の第１の上側のポート１１３から流出し、そして極低温チャンバー１０２の極低温環境と外部室温環境との間に配置された向流熱交換器１３０の第１の流路内へ流入する。向流熱交換器１３０の第１の流路からは、極低温ガスは室温環境内のガスポンプ１１５内へ流入する。ガスポンプ１１５からは、極低温ガスは向流熱交換器１３０の第２の流路内へ流入して、第１の段コールドヘッド１０６上の熱交換器１１０へ戻る。
【００４０】
図４の例では、向流熱交換器１３０は螺旋状に巻かれた管状区分１１６を含んでいる。管状区分１１６はそれぞれの３ポートＴ型コネクタ取り付け部材１１７，１１８で成端された２つの端部を有している。
【００４１】
循環ループ１０９に極低温ガス、例えばヘリウムを装入するために、極低温ガスをＴ型コネクタ取り付け部材１２０を介してループ内へ流入させるように弁１２１が開かれる。極低温ガスを流入させる前に、ループ１０９は、弁１２２を真空ポンプ１２３に向かって開くことにより排気される。パージライン１２４が弁１２２をキャニスタ―１０４に接続する。
【００４２】
電気的又は電子的なコンポーネント１０３へ電流を供給する電流リード１３１，１３２を調節可能に冷却するために、キャニスタ―１０４はキャニスタ―の頂部の近くに第２の出口ポート１１４を有している。導管１３４が第２の出口ポート１１４を向流熱交換器１３０上のタップ１３５に接続している。向流熱交換器１３０において、第１の出口ポート１１３からの極低温ガスの流出流を第２の出口ポート１１４からの極低温ガスの流出流と混合させることによって、ハウジング１０１からの合体された出口流を提供する。ハウジング１０１からのこの合体された出口流はガスポンプ１１５の入口ポートで受容される。第２の出口ポート１１４からの出口流になる電流リード１３１，１３２に沿った極低温ガス流１３７の比率を調節するために、導管１３４内には２ポート調節可能弁１３６が配置されている。
【００４３】
図５は、螺旋状の向流熱交換器１３０をより詳細に示している。この例では、管状区分１１６の螺旋は１０個の巻きを含む。隣接する巻き間の熱伝達を低減するために、隣接する巻き間にはほぼ均一なギャップがある。
【００４４】
図６には、熱交換器１３０の管状区分１１６が、外側管１４１と、外側管１４１内部に入れ子式に配置された内側管１４２とを含む一対の同軸管を含むことが示されている。管１４１，１４２間の環状領域１４３は、極低温システムのハウジングからハウジング外部のガスポンプ（図４の符号１１５）の入口へ流れる極低温ガスの流出流のための、熱交換器１３０を通る（図５の、下側の３ポートＴ型コネクタ取り付け部材１１７から上側の３ポートＴ型コネクタ取り付け部材１１８への）１つの流路を提供し、そして内側管１４２の中心領域１４４は、ガスポンプの出口から流れる極低温ガスの流入流のための、熱交換器を通る別の流路（図５の、上側の３ポートＴ型コネクタ取り付け部材１１８から下側の３ポートＴ型コネクタ取り付け部材１１７まで）を提供する。３ポートＴ型コネクタ取り付け部材１１７，１１８は、熱交換器を通る向流のために、入れ子式の管１４１，１４２のそれぞれの管への個別のアクセスを有するシールされた環境を提供する一方、２つの向流のいかなる混合も防止する。３ポートＴ型コネクタ取り付け部材は管１４１，１４２を個別のシールする一方、循環ループ内のその他のコンポーネントへの装着を可能にする。
【００４５】
好ましい実施態様の場合、２つの管１４１，１４２の内径は、２つの流路１４３，１４４の断面積がほぼ等しいように選択される。例えば、外側管１４１は５／１６インチ管であり、内側管１４２は３／１６インチ管である。管の全長は、低温端部を高温端部から適切に断熱するのに充分であるように、そしてガス流間の適切な熱交換を可能にするのに充分であるように選択される。例えば管１４１，１４２の全長は約６フィート（１８３ｃｍ）である。コンパクトな状態にするために、管１４１，１４２は巻くことによって直径２．５インチ（６．４ｃｍ）の螺旋にされており、螺旋の高さは約３．５インチ（８．９ｃｍ）である。
【００４６】
外側管１４１は低熱伝導性材料から形成されていることが好ましい。例えば、外側管１４１は３０４又は３１６型のステンレス鋼であり、５／１６インチ（８．０ｍｍ）の外径と０．０３５インチ（０．８９ｍｍ）の壁厚とを有している。極低温チャンバーが排気されたときに極低温ガスを含有し、そして螺旋状の向流熱交換器１３０の形状を維持するために、外側管１４１はその厚さを通して機械強度を提供する。内側管１４２は熱伝導性であるべきであり、また２つの流路１４３，１４４間の熱伝達を最大化し、管の長さに沿った熱伝達を最小化するように、構造的完全性を維持しながらできる限り薄い壁を有するべきである。内側管１４２に適した材料は銅である。例えば、内側管１４２は、外径が３／１６インチ（４．８ｍｍ）であり、壁厚が０．０２８インチ（０．７１ｍｍ）である標準的な銅管である。より高純度の銅、例えば電解タフピッチ（ＥＴＰ：electrolytic tough pitch）銅又は無酸素（ＯＦＨＣ：oxygen free high conductivity）銅を使用して、特により低い極低温度でより高い熱伝導率を提供することもできる。
【００４７】
高熱伝導性内側管１４２の薄い壁を横切って極低温ガスの向流間に熱伝達が生じることにより、内側管１４２の長さに沿ったいかなる地点においても向流内の温度を均等化させることができる。同時に、内側管１４２及び外側管１４１の全長と、外側管１４１の低熱伝導性及び内側管の薄い壁との組み合わせによって、熱交換器１３０の高温端部から低温端部までの温度の均等化が回避される。３ポートコネクタ取り付け部材１１７，１１８は、向流が混合しないこと、又は向流が極低温チャンバー内へ又は室温外部環境内へ漏れないことを保証する。
【００４８】
螺旋の実際の最小直径は主として、外側管の最小曲げ直径によって決定される。管の最小曲げ直径は、適合する円筒形の溝付き曲げ型の周りに管の潰れなしに管を巻き付けることによって形成され得る曲げの最小直径である。例えば標準的な５／１６インチ（８．０ｍｍ）鋼又はステンレス鋼管の最小曲げ直径は１と７／８インチ（４．８ｃｍ）である。
【００４９】
３ポートＴ型コネクタ取り付け部材は中央ボディ１４５と、３つの管状アーム１４６，１４７，１４８とを含んでいる。管状アーム１４６，１４７，１４８のそれぞれは、それぞれのポートを画定している。アームのうちの２つ１４６，１４７は「Ｔ」の互いに対向するアームであり、その他のアーム１４８は「Ｔ」の基部である。最初は、均一な直径を有する円筒形孔がボディ１４５を、Ｔの互いに対向するアーム間で貫通し、そしてこの孔はアーム１４８の孔１５０と直角に交差する。内側管１４２はこれらの孔の直径と一致する外径を有する。アーム１４６の当初の孔を、「Ｔ」の交差点を丁度超えたところまで穴開けすることによって拡大することにより、熱交換器１３０の管状区分１１６を受容する、アーム１４６内の孔１４９を提供する。孔１４９は外側管１４１の内径と等しい直径を有することにより、孔１５０を通り、そしてアーム１４８のポートを通る極低温ガス流のために流路１４３を延ばす。第２の流路１４４は、アーム１４７のポートを通る極低温ガス流のためにアーム１４７のポートまで延びる。
【００５０】
図６に示されているように、外側管１４１は、例えば溶接、ろう付け合金シーム、又は半田付けシーム１５１によってアーム１４６に外部から取り付けられている。内側管１４２は、例えば溶接、ろう付け合金シーム、又は半田付けシーム１５２によってアーム１４７に内部から取り付けられている。外側管１４１及び内側管１４２は、上側の３ポートＴ型取り付け部材（図３の符号１１８）に同様に取り付けられている。３ポートＴ型取り付け部材１１７，１１８はオハイオ州Solonの、Swagelok Companyによって販売されているSWAGELOK（登録商標）ブランドのＴ型取り付け部材、例えば１／４インチのユニオンＴ型取り付け部材、部品番号SS-400-3又はSS-4-VCR-Tから形成することができる。この場合、それぞれの取り付け部材に関して、外側管１４１に取り付けられていない取り付け部材の２つの端部は、標準的なねじ式管コネクタ又は金属ガスケット取り付け部材を使用して循環ループの他のコンポーネントに結合することができる。それぞれの取り付け部材のこれらの２つの端部は循環ループの他のコンポーネントに溶接、ろう付け、半田付けすることもでき、又はそれぞれの取り付け部材のこれらの２つの端部は循環ループの他のコンポーネントとの結合のために特注の終端部を備えることもできる。
【００５１】
３ポートＴ型取り付け部材１１７，１１８は、螺旋を形成するために円筒形溝付き曲げ型の周りに管状区分１１６を巻き付ける前に又は巻き付けた後で、管状区分１１６の外側管及び内側管１４１，１４２に取り付けることができる。管状区分１１６を巻いて螺旋にする前に管状区分１１６に３ポート取り付け部材１１７，１１８を取り付ける結果、外側管１４１と内側管１４２との間に、より高度に同心的な関係をもたらすことができる。
【００５２】
図４の極低温システムの具体例において、電気的又は電子的なコンポーネント１０３は、銅電流リード１３１，１３２の間に接続された超伝導ワイヤの試料である。ハウジング１０１は高さが約２５センチメートルであり、幅が３０センチメートルであり、そして奥行きが２０センチメートルである。内部極低温真空チャンバー１０２のコンポーネントは超断熱材でラッピングされている。試料は長さが約４センチメートルである。試料及び試料につながる電流リードは、キャニスタ―１０４を通って循環ループ１０９内を循環するヘリウムガス流と直接に接触することにより冷却される。
【００５３】
２段極低温冷却器１０５は、ペンシルベニア州Allentownの、Sumitomo (SHI) Cryogenics of America, Inc.によって販売されているモデルSHI CH-204 10K極低温冷却器である。モデルSHI CH-204極低温冷却器は、負荷のない第２の段コールドヘッド１０７で約９〜１０°Ｋの基準温度を有し、また２０°Ｋで約７ワットの冷却容量を有するようになっている。第１の段熱交換器１１０は第１の段コールドヘッド１０６の周りに螺旋状流路を有しているのに対して、第２の段熱交換器１１１は、第２の段コールドヘッド１０７の下に蛇行流路を有している。
【００５４】
ガスポンプ１１５は、ニュージャージー州Trentonの、KNF Neuberger, Inc.によって販売されている室温ダイヤフラムポンプ、モデルKNF N022AN.18である。循環ループ１０９は真空パージされ、次いで大気圧を上回る約０．３ｂａｒでヘリウムガスを装入される。ガスポンプ１１５の前後のヘリウムガス圧力差は、１分当たり１０〜１５リットルの流量で約０．１〜０．２ｂａｒ（１．５〜３ｐｓｉ）である。
【００５５】
本開示をよりよく理解するために数多くの例が本明細書中に提供される。具体的な一連の例は下記の通りである。
【００５６】
第１の例において、極低温システムであって、冷却されるべきコンポーネントからより高温の環境へ延びる細長い熱伝導性構造を有する、冷却されるべきコンポーネントを含有するための極低温チャンバーのハウジングと、極低温チャンバー内の冷熱源と、極低温チャンバー内の冷熱源とコンポーネントとの間で極低温流体を循環させるための循環ループとを含み、循環ループが、コンポーネントから延びる細長い熱伝導性構造の長さに沿って極低温流体の到来流を導くための流路導管と、極低温流体の第１の退出流を冷熱源に戻すように誘導するために、流路導管の長さに沿った第１の位置で流路導管から分岐する第１の退出流導管と、極低温流体の第２の退出流を冷熱源に戻すように誘導するために、第２の位置で流路導管から延びる第２の退出流導管と、極低温流体の第２の退出流になる極低温流体の到来流の比率を調節するために、第１の退出流導管及び第２の退出流導管のうちの少なくとも一方に接続された少なくとも１つの調節可能弁とを含む、極低温システムが開示される。
【００５７】
第２の例において、少なくとも１つの調節可能弁が、極低温流体の第１の退出流を受容するために第１の退出流導管に接続された第１のポートと、極低温流体の第２の退出流を受容するために第２の退出流導管に接続された第２のポートと、極低温流体の合体流を排出するための第３のポートとを有する３ポート調節可能弁を含む、第１の例に記載の極低温システムが開示される。
【００５８】
第３の例において、循環ループが極低温チャンバー内に極低温ポンプを含み、そして極低温システムが更に、極低温流体の合体流を極低温ポンプの入口へ搬送するために、極低温ポンプの入口に調節可能弁の第３のポートを接続する導管を含む、第２の例に記載の極低温システムが開示される。
【００５９】
第４の例において、少なくとも１つの調節可能弁が、第１の退出流導管及び第２の退出流導管のうちの一方を通る極低温流体の流量に調節可能な制限を与えるために、第１の退出流導管及び第２の退出流導管のうちの一方に２ポート調節可能弁を含む、第１の例に記載の極低温システムが開示される。
【００６０】
第５の例において、２ポート調節可能弁がニードル弁である、第４の例に記載の極低温システムが開示される。
【００６１】
第６の例において、少なくとも１つの調節可能弁が、極低温流体の第１の退出流の流量に調節可能な制限を与えるために、第１の退出流導管内に第１の２ポート調節可能弁を含み、そして極低温流体の第２の退出流の流量に調節可能な制限を与えるために、第２の退出流導管内に第２の２ポート調節可能弁を含む、第１の例に記載の極低温システムが開示される。
【００６２】
第７の例において、第１と第２の２ポート調節可能弁がニードル弁である、第６の例に記載の極低温システムが開示される。
【００６３】
第８の例において、循環ループが、ハウジングの外部のガスポンプと、極低温流体の流出流を第１の退出流導管から当該向流熱交換器を通ってガスポンプの入口へ導くために第１の退出流導管とガスポンプとの間に接続された向流熱交換器とを含み、そして向流熱交換器がまた、極低温流体の流出流をガスポンプの出口から冷熱源へ導くためにガスポンプと冷熱源との間に接続されており、また第２の退出流導管が、極低温流体の第２の退出流をガスポンプの入口へ導くために、ガスポンプの入口に接続されている、第１の、第２の、第４の、第５の、第６の、又は第７の例のいずれかに記載の極低温システムが開示される。
【００６４】
第９の例において、第２の退出流導管が向流熱交換器のタップで成端している、第８の例に記載の極低温システムが開示される。
【００６５】
第１０の例において、更に、細長い熱伝導性構造の温度を感知するための温度センサを含む、第１のから第９の例までのいずれか１つに記載の極低温システムが開示される。
【００６６】
第１１の例において、更に、調節可能弁を自動的に調節するために調節可能弁に機械的に接続された弁アクチュエータと、感知された温度を温度設定点で維持するように調節可能弁を自動的に制御するために温度センサに電子的に接続されて弁アクチュエータに電子的に接続された温度コントローラとを含む、第１０の例に記載の極低温システムが開示される。
【００６７】
第１２の例において、温度センサが極低温チャンバー内で、第２の位置と、細長い熱伝導性構造に沿ったコンポーネントから更に遠い位置との間の位置に、細長い熱伝導性構造の長さに沿って配置されている、第１０の又は１１の例に記載の極低温システムが開示される。
【００６８】
第１３の例において、極低温システム内で細長い熱伝導性構造を冷却する方法であって、極低温システムが、細長い熱伝導性構造がより高温の環境へ延びる起点となるコンポーネントを含有する極低温チャンバーのハウジングと、極低温チャンバー内の冷熱源と、極低温チャンバー内で冷熱源とコンポーネントの間で極低温流体を循環させる循環ループとを含む、方法において、この方法が、冷熱源から来た極低温流体の到来流を、コンポーネントから延びる細長い熱伝導性構造の長さに沿って導き、そして細長い熱伝導性構造の長さに沿った極低温流体の流れを、細長い熱伝導性構造の長さから離れるように、細長い熱伝導性構造の長さに沿った第１の位置で分岐する、極低温流体の第１の退出流と、細長い熱伝導性構造の長さに沿った第１の位置よりも遠い第２の位置で細長い熱伝導性構造の長さから離れる極低温流体の第２の退出流とに分割し、そして極低温流体の第２の退出流になる極低温流体の到来流の比率を調節するように調節可能弁を調節する、ことを含む、極低温システム内で細長い熱伝導性構造を冷却する方法が開示される。
【００６９】
第１４の例において、更に、細長い熱伝導性構造の温度を感知し、そして感知された温度を温度設定点で維持するように調節可能弁を調節することを含む、第１３の例に記載の方法が開示される。
【００７０】
第１５の例において、感知された温度が、細長い熱伝導性構造の第２の位置の温度に応答する、第１４の例に記載の方法が開示される。
【００７１】
第１６の例において、感知された温度が、第２の位置と、細長い熱伝導性構造に沿ったコンポーネントから更に遠い位置との間の位置に、細長い熱伝導性構造に沿って配置された温度センサの温度である、第１４の又は１５の例に記載の方法が開示される。
【００７２】
第１７の例において、調節可能弁が極低温チャンバー内に配置されており、そして極低温システムが極低温チャンバーの外部の制御ノブと、制御ノブを調節可能弁に機械的に結合する制御シャフトとを含み、そして制御ノブが、調節可能弁を調節するために手動で調節される、第１４のから第１６の例までのいずれかに記載の方法が開示される。
【００７３】
第１８の例において、極低温システムが、細長い熱伝導性構造の温度を感知する温度センサと、温度センサによって感知された温度を表示するディスプレイとを含み、そして方法が、温度センサによって感知された温度のディスプレイの監視に応答して制御ノブを手動で調節することを含む、第１７の例に記載の方法が開示される。
【００７４】
第１９の例において、極低温システムが更に、調節可能弁を自動的に調節するために調節可能弁に機械的に接続された弁アクチュエータと、調節可能弁を自動的に制御するために温度センサに電子的に接続されて弁アクチュエータに電子的に接続された温度コントローラとを含み、そしてこの方法が、感知された温度を温度設定点で維持するように温度コントローラを操作することを含む、第１４のから第１６の例までのいずれかに記載の方法が開示される。
【００７５】
第２０の例において、細長い熱伝導性構造が、コンポーネントとハウジングの外部の環境との間で電流を運ぶ電流リードを含み、そして電流リードが、コンポーネントから延びてハウジング内部に含まれる超伝導体セグメントを含み、超伝導体が、その温度未満では超伝導体が超伝導性になる遷移温度を有しており、また方法が超伝導セグメントの最高温度を遷移温度の直下で維持するように調節可能弁を調節することを含む、第１３のから第１９の例までのいずれかに記載の方法が開示される。
【００７６】
上記種々の実施態様は一例として示されるものであり、開示の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。従って、多くのこのような詳細は図示も説明もされない。本技術の数多くの特徴及び利点が、本開示の構造及び機能の詳細とともに説明において示されているとしても、開示内容は一例にすぎず、添付のクレームに使用された用語の広い一般的な意味によって示される全範囲まで、本開示の原理内で、特に部材の形状、サイズ、及び配置の点で詳細において変更を加えることができる。従って、上記実施態様が添付のクレームの範囲内で変更され得ることは言うまでもない。「のうちの少なくとも１つ」というクレーム言語は、ある集合のうちの１つの部材、又は、この集合のうちの複数の部材が、クレームを満たすことを示している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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