JPH03103488A

JPH03103488A - 低温冷却媒体とその製造方法、ならびに冷却方法及び冷却装置

Info

Publication number: JPH03103488A
Application number: JP1298769A
Authority: JP
Inventors: Kishio Yokouchi; 貴志男横内; Mitsutaka Yamada; 光隆山田; Nobuo Kamehara; 亀原　伸男; Koichi Niwa; 丹羽　紘一
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1988-11-18
Filing date: 1989-11-18
Publication date: 1991-04-30
Anticipated expiration: 2011-01-24
Also published as: JPH086085B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔概　要〕低温冷却媒体に関し、被冷却体を高い冷却能力で効率よく、組或不均一及び冷
却能力の変動を伴なわずに冷却可能な低温冷却媒体を提
供することを目的とし、液体窒素と、次式により表され
る弗化炭素：ＣｎＦ．，，．２（式中のｎは２〜４の整
数である）の混合物からなるように構或する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は低温冷却媒体に関する。さらに詳しく述べると
、本発明は、低温冷却装置で使用するための高い冷却能
力を有する低温冷却媒体に関する。

本発明の冷却媒体（あるいは「冷媒」）は、半導体装置
、例えば約１２３Ｋ未満の極低温、例えば７７．３Ｋ（
すなわち、液体窒素ＬＮ．の沸点）において高速演算性
能を発揮する装置や、その他の装置、例えば液体窒素温
度で超伝導を呈する高Ｔｃ（臨界温度）相酸化物超伝導
体を用いる素子、回路基板等をそれらの装置の使用温度
まで冷却する場合に、冷却媒体あるいは熱交換媒体とし
てとりわけ適当である。なお、本願明細書では、以下、
上記した液体窒素の沸点あるいはその近傍の温度のこと
を、この分野で一般的なように、液体窒素温度とも呼ぶ
ことにする。本発明はまた、上記のような低温冷却媒体
を製造する方法、被冷却体を極低温に冷却する方法、そ
してかかる低温冷却媒体を使用した閉ループ冷却装置に
関する。

〔従来の技術〕

例えば、半導体素子のキャリアの移動度は、周知の通り
、その素子を取り囲む周囲の温度が低温になるほど格子
散乱の減少により大きくなる。また、この性質を利用し
て、ＨＩＥＭＴあるいはＣＭＯＳなど、液体窒素温度で
動作させることを目的として高速演算素子が開発されて
いる。これらの素子を作動するには、それらを液体窒素
温度の低温に保持すると同時に効率良く熱を放散するた
めの冷媒が必要である。

従来、半導体素子など電子機器を低温環境で保持冷却す
るには、冷凍機の熱交換部分に機器の発熱部を接触させ
て想伝導で放熱する方法と、機器を液体窒素など液化ガ
スに浸漬して沸騰熱伝達で放熱する方法がある。特にコ
ンピュータのＣＰＵ（中央演算処理装置）のような、発
熱密度が大きく冷凍機に接続しにくい複雑形状の装置で
は液化ガスに浸漬する方法が有利である。また、低温冷
媒には各種の液化ガスが考えられるが、毒性や反応性の
ない、安定な単一組戊の冷媒は液体窒素、液体ヘリウム
など、極くわずかなものしかない。

ちなみに、低温液体の処的性質を示すと、次の第１表の
通りである。

第　　　１　　　表？Ｏ　　　　８１．７　　　　　２１５．９　　　　　
　　　１４０Ａｒ　　　　　８７．　３　　　　　１６
３．　２　　　　　　　　１２００■　　　　９０．２
　　　　　２１３．１　　　　　　　　１４８ＣＨ．　
　　　１１１．６７　　　　５１０，３　　　　　　　
　１９３Ｋｒ　　　　１１９，　８　　　　　１０７．
　７ＣＦ．１４５．２　　　　　１３６．２　　　　　
　　　１５６Ｃ２Ｆ，ｌ　　　　１９５Ｎ２７７、３　　　　　１９９　　　　’　　　　　１
４０上記第１表に記載した低温液体のうち、Ｃ○は毒性
であり、Ｃｌ４は可燃性であり、０２は酸化性であるの
で、低温冷媒としての適用に問題があり、したがって、
空気を液化分離して得られる液体窒素が低温冷媒として
好ましい。

液体窒素を低温冷媒として用いた例は、例えば、Ｆ．Ｈ
，　Ｇａｎｓｓｌｅｎ他、”Ｖｅｒｙ　Ｓｍａｌｌ　Ｍ
ＯＳＦＢＴ’ｓ　ｆｏｒＬｏｗ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒ
ｅ　Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ”，　ＩＥＢεＴＲＡＮＳＡＣ
ＴＩＯＮＳ　ＯＮＥＬＥＣＴＲＯＮ　ＤＥＶＩＣＥＳ，
　１９７７年３月、に記載されている。この文献には、
液体窒素の開放プールにＦＥＴをじかに浸漬することが
教示されている。また、液体弗化炭素を低温冷媒として
用いることも公知である。例えば、”Ｃｏｏｌｉｎｇ　
ａ　Ｓｕｐｅｒｆａｓｔ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ”．ＥＬＥ
ＣＴＲＯＮＩＣ　ＰＡＣＫＡＧ［ＮＧ　＆　ＰＲＯＤ［
ＩＣＴＩＯＮ．　１９８６年７月には、スーパコンピュ
ータであるＣＲＹ−２の全体を循環せる液体弗化炭素中
に浸漬することが教示されている。

さらにまた、その他の有用な低温の冷媒として、液体窒
素に液体四弗化炭素を８モル％混合し、窒素の二倍の冷
却能力を持つ冷媒が知られている〔天野、長尾（三菱電
気・中研）　１９８８年５月低温工学会、春季講演会Ｃ
Ｉ−４１。この文献によると、高Ｔｃ超伝導体を記載の
混合冷媒に直接に浸漬して、すぐれた冷却効果（液体窒
素単独の場合の約２倍）を得られたことが報告されてい
る。

天野らの文献に記載の冷却方法は、第９図に示すような
開放系を用いている。すなわち、開放式の真空容器３に
液体窒素（ＬＮ２）と四弗化炭素（ＣＦ４）からなる混
合冷媒２を入れ、この混合冷媒に被冷却体１　（ここで
は、冷却能力を評価するために、超伝導体の代りに白金
線〉を浸漬している。温度センサとしての熱電対４も冷
媒２中に浸漬されており、他端は記録計８に接続されて
いる。この装置にはまた、はかり５、ＤＣ電源６、そし
て抵抗体７が組み込まれている。

ところで、低温冷却では、大気および大気中の水分の凍
結混入を避け、また、発熱体の熱で沸騰、気化したガス
を再液化して循環するため、外気と遮断された閉ループ
冷却系が使用される。

上記のような混合冷媒は高い冷却能力を持つが、四弗化
炭素の混合濃度の高い冷媒を閉ループ冷却系内で使用す
ると、蒸気に低沸点戒分が多くなるため、液相と気相、
あるいは沸騰部と凝縮部で冷媒の組或の不均衡が生じ、
冷却能力の変動が生じる欠点があった。また、従来の混
合冷媒は、四弗化炭素を使用して高い冷却能力を得るに
は四弗化炭素を多量に添加する必要があり、電子機器の
低温冷却に不可欠な閉ループ冷却系で使用することがで
きなかった。さらにまた、液体窒素と混合して冷却効果
を期待できる戊分は、液体窒素の沸点より高い融点を持
つ弗化炭素などに限られる。しかし、従来の液体窒素と
液体弗化炭素を直接混合する方法では、四弗化炭素を除
く、ほとんどの弗化炭素が同化、沈澱して、溶解しない
。

なお、本発明者らは、混合冷媒として液体窒素と液体ア
ルゴン或いは液体窒素と液体クリプトン等を試みたが冷
却効果が得られなかった。

したがって、循環系内の組或不均一および冷却能力の変
動のない閉ループ冷却用の低温冷媒を得るため、他或分
の混合量が少なく、かつ冷却能力が高いことが必要であ
る。

一方、閉ループ冷却系の典型として、クライオスタット
（低温冷却容器）と冷凍機からなる装置がある。この装
置は、被冷却体く発熱体）をクライオスタット内の冷媒
液体内に浸漬し、クライオスタット内の冷媒液体上に設
けられた熱交換器と冷凍機間に熱交換用冷媒として液体
窒素を循環するようにしている。この場合、冷凍機の振
動の被冷却体への伝達を防ぐため、冷凍機はクライオス
タットからできるだけ離して置く必要がある。クライオ
スタットと冷凍機を距離を離して接続する従来の手段と
しては、ヘリウムガスを断熱管を介してクライオスタッ
ト内の熱交換器へ循環させる方式があるが、気体を利用
した熱伝達であるため、大きな熱量の冷却には対応でき
ない欠点がある。

したがって、クライオスタットと冷凍機間の距離を離し
ても、冷却能力の大きい低温冷却装置を提供することが
望まれている。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明の目的は、閉ループ冷却装置で使用するための新
規な低温冷却媒体を提供することにある。

この冷却媒体高い冷却能力を呈すべきであり、また、上
記したような従来の技術の欠点を有してはならない。

本発明のもう１つの目的は、上記の新規な低温冷却媒体
を溶液の形で製造する方法を提供することにある。

本発明の別の目的は、上記の新規な低温冷却媒体を使用
した冷却方法を提供することにある。

本発明のさらにもう１つの目的は、上記の新規な低温冷
却媒体を使用した閉ループ冷却装置を提供することにあ
る。

・〔課題を解決するための手段〕本発明者らは、上記した課題を解決すべく鋭意研究の結
果、もしも次式の特定の弗化炭素：Ｃ．Ｆ２。，２（式
中のｎは２〜４の整数である）と液体窒素に混合して使
用するならば、所期の目的を達或し得るということを見
い出した。今までに全く予想されなかったことではある
が、少量の弗化炭素を混合するだけで、冷却能力を顕著
に向上させることができた。

本発明のｌつの面において、閉ループ冷却装置で使用す
るための低温冷却媒体であって、液体窒素と、次式によ
り表される弗化炭素：　ＣｈＦ２ｎ＋２（式中のｎは２
〜４の整数である）の混合物からなることを特徴とする
低温冷却媒体が提供される。

本発明のもう１つの面において、液体窒素と、次式によ
り表される弗化炭素：　ＣｈＦ２ｎ．２（式中のｎは２
〜４の整数である〉の混合物からなる低温冷却媒体を製
造するに当って、窒素と、次式により表される弗化炭素
：　Ｃ−Ｆ２，，＋２（式中のｎは前記定義に同じであ
る）の混合ガスを加圧下に冷却して液化することを特徴
とする低温冷却媒体の製造方法が提供される。

本発明のもう１つの面において、液体窒素と、次式によ
り表される弗化炭素：　Ｃ−Ｆ２−＋２（式中のｎは２
〜４の整数である）の混合物からなる低温冷却媒体を製
造するに当って、次式により表されるガス状弗化炭素：
　ＣｎＦ２−＋２（式中のｎは前記定義に同じである）
を液体窒素中に吹き込んで、弗化炭素が溶解してなる液
体窒素を得ることを特徴とする低温冷却媒体の製造方法
が提供される。

本発明のさらにもう１つの面において、冷却されるべき
物（以下、「被冷却体」と記す〉を約１２３Ｋ未満の極
低温に冷却するに当って、液体窒素と、次式により表さ
れる弗化炭素：　Ｃ．Ｆ．。，（式中のｎは２〜４の整
数である）の混合物からなる閉ループ冷却系の低温冷却
媒体に被冷却体を浸漬することを特徴とする冷却方法が
提供される。

本発明のさらにもうｌつの面において、閉ループ冷却装
置であって、液体窒素と、次式により表される弗化炭素
：ＣｎＦ２。＋２（式中のｎは２〜４の整数である）の
混合物が冷却媒体として入れられているクライオスタッ
トを有しており、被冷却体が前記冷却媒体中に浸漬せし
められて冷却が行われることを特徴とする閉ループ冷却
装置も提供される。

また、本発明のさらにもう１つの面において、閉ループ
冷却装置であって、次式により表される弗化炭素：　ｃ
．Ｆ２ｎ＋．（式中のｍは１〜４ｖ整数である）が冷却
媒体として入れられているクライオスクットと、該クラ
イオスタットの上方内部空間に配置されかつ内部を熱交
換媒体としての液化ガスが循環せしめられている液化機
からの熱交換管とを有しており、被冷却体が前記冷却媒
体中に浸漬せしめられて冷却が行われることを特徴とす
る閉ループ冷却装置も提供される。

以下に詳述するけれども、本発明によると、少量の弗化
炭素を液体窒素中で使用して、予期以上に向上せしめら
れた冷却能力を得ることができる。

この冷却能力を液体窒素の単独使用の場合と比較すると
、本発明の冷却能力が約２倍であり、また、その際、高
沸点或分の液化機における凝縮やその・他の従来の技術
の欠点も認められない。これらの利点や本発明のその他
の利点は、以下の記載からより明らかとなるであろう。

〔作　用〕

本発明の冷却媒体を用いるとなぜ冷却能力の向上がはか
れるのか、そのメカニズムの詳細はまだ究明されたわけ
ではないけれども、本発明者らの経験から、次のような
理由があるのではないかと推測される。

１〉２或分の混合による冷却媒体の体積の低下。

この体積の低下は、水とアルコールを混合する場合のよ
うにして発生する。すなわち、分子の平均自由路直径が
大幅に異なる場合、分子の最密パッキングがおこること
の結果として、分子混合物の体積が低下する。適当な量
の弗化炭素Ｃ。Ｆ２ｎや，（ｎ＝２，３又は４）を液体
窒素中で使用する場合には、その結果としてひきおこさ
れる冷却媒体の体積の低下が冷却能力の追加的な向上を
生じるであろう。

２）冷却媒体の表面張力の低下。すなわち、本発明の浸
漬冷却法において、被冷却体く発熱体〉の温度上昇が小
さく安定して冷却できる冷却能力の限界は冷却媒体の膜
沸騰遷移点（膜沸騰状態へ遷移するときの冷却能力）以
下であり、また、安定な冷却の限界である膜沸騰遷移点
は気化熱や表面張力等の冷却媒体の液体戊分の物性によ
って異なる。

弗化炭素Ｃ。Ｆ２ｒ＋＋２は低い表面張力を有しており
、また、したがって、液体窒素に弗化炭素を溶解させる
と、得られる混合物：冷却媒体の表面張力が著しく低下
する。そのため、この混合液体の中で発熱体の沸騰冷却
を行うと、その発熱体の表面で発生した蒸気気泡は発生
初期の状態で発熱体表面から離脱するようになり、膜沸
騰への遷移を遅らせるようになる。また、発生せしめら
れた気泡が発熱体に接する冷却媒体の境界層を破壊する
。

これらの結果、冷却能力は向上する。なお、分子量の大
きな弗化炭素では、より低濃度で冷却能力を向上できる
。但し、弗化炭素（ＣｎＦ２ｎ＋２）の炭素数ｎが４を
越すと沸点が上昇し、液体窒素と混合するとき固体とな
るため、本発明では特にｎ＝２〜４を選んだ。

又、液体窒素に混合する物質として塩化炭素等種々の物
質について調べたが、弗化炭素の効果が顕著であった。

その理由の一つｉよ上記の表面張力の低下によるものと
考えられる。

３〉弗化炭素の溶解条件。もしも液体の弗化炭素が徐々
に凍結せしめられると、粘稠化がおこり、ゼラチン状と
なる。ここで、もしも液体窒素中に弗化炭素を溶解させ
るとすると、ゆるいゼラチン状液体が生威し、したがっ
て、弗化炭素分子間のゼラチン状結合を切断するに要す
るエネルギーに原因して気化熱及びしたがって冷却能力
が向上せしめられると、考えられる。

一方、熱交換器を用いてクライオスタット内の沸騰気化
した冷媒を冷却して再液化させるためには、その熱交換
器にクライオスタット内の冷媒より低沸点の冷媒を循環
させる必要がある。

そのため、熱交換用冷媒の液体窒素（沸点７７．２Ｋ）
より沸点の高いＣＦ４（沸点１４５．　２　Ｋ　）を浸
漬液冷用の冷媒に用いてクライオスタット内を循環させ
ると、熱交換器部で沸騰熱伝達が起こるため、ヘリウム
ガスを使用した対流熱伝達より高効率の熱伝達が可能で
ある。

また、ＣＦ，の気化熱は１３６　Ｊ　／　ｇと大きく、
液体窒素の気化熱は１９８　Ｊ　／　ｇに近いため、Ｃ
Ｆ．の循環速度が緩やかでも、クライオスタット内にお
いて十分に冷却することができる。

本発明は、１つの面において、これらの結果を利用して
冷却能力を向上するようにしたものである。

参考のために、低温液体の熱的性質を次表に示す。ここ
で、沸点はＫ１気化熱はＪ／ｇ，熱伝導率はｍＷ／ｍＫ
で表される。

低温液体沸点　８１．７　８７．３　９０．２　１１１．７　１
１９．８　１４５．２気化熱　２１５、９　　１６３．
２　　２１３．１　　５１０．３　　１０７．７　　１
３６．２熱伝導率１４０　　　１２０　　　１４８　　
　１９３〔発明の好ましい態様及び実施例〕本発明による低温冷却媒体は、前記「課題を解決するた
めの手段」の項で記載したように、液体窒素と弗化炭素
ＣｎＦ２ｎ＋ａ（式中のｎは前記定義に同じである）の
混合物である。この低温冷却媒体は、液体窒素に弗化炭
素を溶解した形で用いるのが好ましい。

本発明において用いられる弗化炭素は、Ｃ，Ｆ６，Ｃ３
Ｆｌｌ，　Ｃ４ＦＩＯ又はその混合物である。ＣＦ．を
用いることもできるけれども、その場合には、ＣＦ．を
多量に添加しなければならず、また、ＣＦ．の使用に原
因した不利益もでてくるであろう。さらに詳しく述べる
と、分子量の大きな弗化炭素、Ｃ２Ｆｇ，ＣｓＦｅなど
は、融点が高く、液体窒素への溶解が困難であるものの
、四弗化炭素に比べて低濃度で表面張力を低下できる。

したがって、本発明では、混合或分として、従来の四弗
化炭素に代わって、より分子量の大きな弗化炭素に注目
した。そしてまた、以下に詳述するように、窒素と弗化
炭素の混合ガスを加圧下で冷却する方法、あるいは、液
体窒素に弗化炭素ガスを吹き込む方法により、分子量の
大きな弗化炭素の混合冷媒をつくり、他戊分の混合量が
少なく、かつ冷却能力が高い混合冷媒を得ることを可能
にした次第である。

他方において、弗化炭素Ｃ。Ｆ２ゎ＋２の式中のｎが５
以上である場合には、その大きな分子量に原因して沸点
が高く、液体窒素に極微量溶解するのみであるかもしく
は殆んど溶解せず、むしろ液体窒素との混合時に固化し
得、したがって冷却媒体としてのその使用は不可能であ
る。

本発明によると、約４０　Ｗ　／　ｃｕｔのオーダーの
満足し得る冷却能力を得るため、約８〜２０モル％もし
くはそれ以上の弗化炭素ＣＦ．を液体窒素に添加してい
た従来の冷却媒体と比較して、より少量の弗化炭素Ｃ，
，Ｆ２，，＋２（ｎ＝２ｎ３又は４）を液体窒素に添加
すれば十分である。すなわち：弗化炭素Ｃ計２−＋２（Ｔｌ　＝　２　．３又は４）は
、本発明の冷却媒体を得るため、０．１〜３モル％の量
で液体窒素に添加するのが好ましい。Ｃ２ＦＧでは、０
．１モル％以上の添加量で冷却能力の向上が得られ、３
．５ｍｏ１％で最大の冷却能力の向上が得られる。添加
量がそれ以上となっても冷却効果はあまり変わらない。

Ｃ２Ｆ６の液体窒素への溶解性から、Ｃ２Ｆ６を３モル
％以上混合すると、得られる冷却媒体が白濁し効果が低
下する。従って、Ｃ，Ｆ６の液体窒素への混合割合は、
好ましくは０．１〜３モル％である。Ｃ３Ｆ８も、上記
したＣ２Ｆ６と同様、ほぼ３モル％まで溶解し、それを
上廻ると得られる冷却媒体に濁りを生じ、また、液体窒
素への添加効果も前記Ｃ２Ｆ６の場合とほぼ同様である
。Ｃ３Ｆ８の混合割合は、より好ましくは０．１〜０．
５モル％である。

Ｃ４ＦＩＯ　も同様である。Ｃ４ＦＩＯでは、それが液
体窒素に溶解する量は０．５モル％以下であり、溶解性
が低くなるというものの０．１〜０．５モル％で冷却能
力の向上が得られる。Ｃ４ＦＩＯの混合割合は、より好
ましくは、０．１〜０．３モル％である。

本発明による低温冷却媒体は、以下に記載するような手
法に従って有利に製造することができる。

第１の製造方法は、窒素と、次式により表される弗化炭
素：　Ｃｒ＋Ｆ２ｎ。２（式中のｎは前記定義に同じで
ある）の混合ガスを加圧下に冷却して液化する工程を含
む方法である。この製造方法の場合に、混合ガス中の窒
素と弗化炭素の比は、好ましくは、得られる冷却媒体の
それに実質的に同じであり、また、冷却工程中、１−２
気圧の高められた圧力を混合ガスに適用するのが好まし
く、そしてまた、ボンベのような高圧容器中の混合ガス
を液化機に導入して、その液化機で機内の圧縮、断熱冷
却ガスで冷却するのが好ましい。

第２の製造方法は、次式により表されるガス状弗化炭素
：　Ｃ，，Ｆ２，，．２（式中のｎは前記定義に同じで
ある〉を液体窒素中に吹き込んで、弗化炭素が溶解して
なる液体窒素を得る工程を含む方法である。この製造方
法の場合に、高圧容器中のガス状弗化炭素をデュワーび
んのような容器中の液体窒素に吹き込むこと、そしてま
た、ガス状弗化炭素を液体窒素に吹き込む前にそのガス
状弗化炭素を予備冷却すること、具体的には、そのガス
状弗化炭素を別のデュワーびんのような容器中の液体窒
素内を通過させてその沸点付近の温度（弗化炭素が液化
せしめられる直前の温度）まで冷却することが好ましい
。

本発明による冷却方法及び冷却装置では、すなわち、被
冷却体を約１２３Ｋ未満の極低温に冷却する方法及びそ
のような方法を実施する装置では、上記したように液体
窒素と弗化炭素の混合物からなる低温冷却媒体を閉ルー
プ系で用いて、その冷却媒体中に被冷却体を浸漬する。

本発明の好ましい１態様に従うと、冷却媒体を冷却装置
の密閉タライオスクット内に被冷却体冷却のための媒体
として入れる。この態様では、クライオスタット内で沸
騰し気化した冷却媒体を別の液化機に移してそこで液化
し、得られた冷却媒体の液体を再びクライオスタットに
戻すのが好ましい。

本発明のもう１つの好ましい態様に従うと、クライオス
タット内で沸騰し気化した冷却媒体を、別の液化機に移
してそこで液化しないで、同じクライオスタット内で液
化する。すなわち、クライオスタット内で生或せる冷却
媒体の蒸気と、そのクライオスタット内の適当な位置（
熱交換を実施する部位〉に配置された熱交換管内の熱交
換媒体との間で熱交換を行わせ、その結果として冷却媒
体の蒸気を液化する。この態様の場合、熱交換管内を循
環せしめる熱交換媒体は、好ましくは、液体窒素である
。しかし、必要に応じて、その他の熱交換媒体を使用し
てもよい。

本発明の冷却装置では、そのクライオスタットの壁面に
装入及び排出のための開口を設けて、これらの開口を、
導管を介して、別の液化機と連通ずる。このような構或
とすると、被冷却体の発熱によってクライオスタット内
で沸胱し気化した冷却媒体を液化機に案内してそこで液
化し、得られた冷却媒体の液体をクライオスタットに戻
すことができる。

さもなければ、クライオスタットの上方の内部空間の適
当な位置に熱交換管を配置するとともにこの熱交換管を
別の液化機と連通ずる。このようなｔａ或とすると、被
冷却体の発熱によってクライオスタット内で沸騰し気化
した冷却媒体を同じクライオスタット内で、冷却媒体の
蒸気と熱交換管内の熱交換媒体との間の熱交換の結果と
して、液化することができる。このようにして液化せし
められた冷却媒体はクライオスタット内に残存する冷却
媒体中に落下する。

本発明の実施において用いられる液化機は任意の常用の
構造を有することができるが、なかんずく、スターリン
グサイクル冷凍機と圧縮機の組み合わせを有するものが
好ましい。

本発明を実施するに当って、先に述べたように、任意の
熱交換媒体を使用することができる。しかし、満足のい
く熱交換効果を得られる。同時にクライオスタット内で
用いられる被冷却体用の冷却媒体に較べて低い沸点を有
する熱交換媒体を用い、この熱交換媒体を液化機の熱交
換管を循環させることが必要である。もしもこの必要条
件が満されるならば、熱交換管の部分で沸騰熱伝達がお
こり、また、したがって、熱交換管内でヘリウムガスを
使用することによって得られる対流熱伝達より高効率の
熱伝達が可能となる。このことが、すなわち、前記した
ように、本発明の冷却媒体が好ましくはクライオスタッ
ト内で被冷却体用冷却媒体として用いられ、一方、液体
窒素が然交換管内で熱交換媒体として用いられる所以で
ある。

本発明は、被冷却体を約１２３Ｋ未満の極低温まで冷却
することに適用することができる。適当な被冷却体の例
としては、以下のものに限定されるわけではないけれど
も、例えばＨＥＭＴ．　ＣＭＯＳなどのような半導体装
置、極低温で超伝導を示す高Ｔｃ超伝導体を用いたデバ
イス、極低温で使用するように設計された電子機器用デ
バイス、回路基板、その他がある。驚くべきことには、
本発明によると、大型のコンピュータでも、構造簡単な
冷却装置内で、高効率で冷却することができる。

次いで、本発明を添付の図面を参照して詳述するが、図
中、第ｌ図及び第２図は、それぞれ、本発明による低温
冷却媒体の製造装置を図示したものである。

第１図の装置において、スターリングサイクル冷凍機ｌ
４と高圧圧縮機１５を有する液化機１３を用いて冷却媒
体を製造した。窒素と弗化炭素（ここではＣ２Ｆ６を使
用）の混合ガスをガスボンベ１１に装填し、その混合ガ
スを導管ｌ２を介して冷凍機１４に供給した。冷凍機１
４の容器１７内をガスを約１．３〜１．５気年の加圧下
に冷却し、液化して冷却媒体、すなわち、液体窒素（Ｌ
Ｎ２）　　とＣ２Ｆ６の混合物、１８を形或した。混合
ガスの冷却のため、容器１７の底部を冷凍機ｌ４のコー
ルドヘッド（図示せず）で冷却した。いま少し詳しく説
明すると、例えば約７０Ｋの温度を有する適当な冷却ガ
ス、例えば１１−１３ｋｇ／ｃｄのヘリウムを圧縮機１
５で圧縮し、この圧縮ガスをピストン１６で断熱冷却し
、このようにして冷却されたガスとコールドヘッドに移
して冷却ガスとガスボンベ１１からの混合ガスとが間接
接触するようにした。液化せしめられた混合ガスｌ８が
容器１７内にたまった。

図示の低温冷却媒体の製造の場合、得られる混合冷媒の
弗化炭素（Ｃ２Ｆｇ）の混合割合はガスボンベに充填さ
れる窒素一弗化炭素（Ｃ２ＦＧ）混合ガスの濃度で規定
されるので、所定混合割合の混合冷媒を制御性及び再現
性良く得ることができる。

第２図の装置において、デュワーびん２７に入れた液体
窒素２８に弗化炭素ＣアＦ２ｎ＋２のガス（ここではＣ
２ＦＢガスを使用）を吹き込むことによって冷却媒体を
製造した。ガスボンベ２１内のＣ２ＦＧガスは、それを
デュワーびん２７内の液体窒素２８に吹き込む前、その
Ｃ２Ｆ６ガスが液化する前の温度まで予備冷却した。す
なわち、ボンベ２１のＣ．Ｆ．ガスを、導管２２を介し
て、デュワーびん２５の液体窒素２６内に浸漬した冷却
管２３に送り、その管の内部を循環させることによって
予備冷却を行った。予備冷却後、冷却管２３からの冷却
弗化炭素ガスを導管２４を介してデュワーびん２７に送
り込み、そのびん内の液体窒素２８中でパブリングした
。このパブリングの結果として、冷却媒体、すなわち、
液体窒素とＣ．Ｆ．の混合物がデュワーびん２７で得ら
れた。ここで、得られる冷却媒体中のＣ２Ｆ．の混合割
合は、ガスボンベ内のＣ．Ｆ，ガスの圧力、Ｃ．Ｆ６ガ
スの流量などを適宜変更することによって、自由にコン
トロールすることができた。

また、第１図及び第２図を参照した上記した低温冷却媒
体の製造では、弗化炭素として式中のｎが２のＣｈＦ２
ｎ＋２　、すなわちＣ．Ｆ．を用いる例を挙げたが、こ
の例は上述のようにｎ＝３．４のＣ３Ｆ８，Ｃ４Ｐ　ｒ
　ｏあるいはその混合物にも同様に適用できる。

また、第２図の例でＣ２Ｆ．ガスを用いたが、これに窒
素ガスを混合してもよい。

本発明では、被冷却体を極低温まで冷却するため、本発
明の低温冷却媒体を閉ループ冷却装置、特にそのクライ
オスタットに入れる。このクライオスタットを使用した
冷却を、以下、添付の第３図及び第４図を参照して説明
する。なお、第３図では、発明の理解を容易にするため
、熱交換部が省略されている。

第３図において、密閉クライオスタット３３に本発明の
冷却媒体３４を装填した。ここで使用した冷却媒体３４
は、液体窒素及び媒体全量の３．４１モル％の弗化炭素
ＣＦ４の混合物であった。１０ｍｍ角のＬＳＩチップ３
１を４×４個搭載した１００＋ｎ＋ｎ角の回路基板３２
を、クライオスタット３３内の冷却媒体３４に浸漬した
。

ここで、素子（ＬＳＩチップ３１〉　に電気が供給ケー
ブル（図示せず）を介して電力を印加すると、冷却媒体
３４が沸騰を開始し、素子の表面から細かい蒸気気泡３
５が発生した。素子は、したがって、気化熱を奪われて
冷却された。

使用した冷却媒体の冷却能力を、その冷却媒体が核沸騰
から膜沸騰へ遷移する時の熱流東でそれを規定すること
によって評価した。素子の温度と電力損の関係を測定す
ることによって膜沸騰遷移点を決定した。素子の温度の
測定はその素子の表面に形或されたダイオードのところ
で実施した。

この評価の結果から、冷却媒体が純粋な液体窒素の場合
は膜沸騰状態へ遷移するときの素子の単位面積当たりの
冷却能力が１５〜２０Ｗ／ｃｒｌであったが、上記の例
では３０〜５０Ｗ／ｃｒｌと２〜３倍に向上したことが
明らかとなった。

さらに、上記した手法をＣＦ．の混合量を変化させて（
０〜２０．７モル％〉繰り返し、冷却媒体の冷却能力の
ＣＦ．濃度依存性を示すグラフをプロットした。得られ
た結果を第４図に示す。

上記では、本発明の冷却を第３図を参照して説明した。

この冷却をさらに詳しく説明すると、本発明の冷却は、
例えば、第５図又は第６図に示される冷却装置を使用し
て有利に実施することができる。

第５図の冷却装置は、図から明らかな通り、クライオス
タット３３と液化機１３を有する閉ループ冷却系であっ
た。液化機１３は、第２図を参照して先に説明したよう
に、冷凍機１４及び高圧圧縮機１５から構戒されていた
。クライオスタット３３に充填した冷却媒体３４は、液
体窒素と０．５モル％の弗化炭素（ここではＣ２Ｆ，を
使用）の混合物、すなわち、混合冷媒であった。

１００ｍｍ角の回路基板３２に１０ｍｍ角のＬＳＩチッ
プ３ｌを４×４個搭載し、これをクライオスタット３３
内の混合冷媒３４に直に浸漬した。素子（ＬＳＩチップ
３１）に図示しない電源から電力供給ケーブル（図示せ
ず〉を介して電力を印加すると、混合冷媒３４の沸騰が
開始し、素子３１の表面からは細かい気泡３５が発生し
た。素子３１は、したがって、気化熱を奪われて冷却さ
れた。

気化した混合冷媒の蒸気は、供給導管３６を介して冷凍
機１４の容器１７に送られた後、その容器内で液化せし
められた。この液化を行うため、容器ｌ７の底部を冷凍
機１４のコールドヘッド（図示せず）で冷却した。また
、この冷却は、第２図を参照して先に記載したように、
圧縮機１５とそれに付属のピストンｌ６を使用して実施
した。すなわち、第５図に図示の液化Ｒ１３の機能は第
２図のものと実質的に同じである。容器１７にたまった
冷却媒体の液体を供給導管３７を介してクライオスタッ
ト３３に循環した。

使用した冷却媒体の冷却能力を上述のようにして評価し
、そしてその評価結果を第７図に、冷却媒体中に浸漬し
たＬＳＩチップの温度の関係として、プロットした。ま
た、比較のため、液体窒素の単独を冷却媒体として使用
し、冷却能力の評価結果を同じく第７図にプロットした
。第７図にプロットした結果から、純液体窒素に浸漬し
た場合膜沸騰状態へ遷移するときの素子の単位面積あた
りの冷却能力が約１５〜２０　Ｗ　／　ｃａｌであった
ものが、本発明の混合冷媒を適用することにより、わず
か０．５モル％のＣＪｓの混合量で、ほぼ２倍の約４９
　Ｗ　／　ｃｎまで冷却できるようになったことがわか
る。なお、０．５モル％のＣ２Ｆｌｌという混合量は極
めて少ない量であるので、密閉系の液化機のところで冷
媒が凝集したり分離したりする問題は全くひきおこされ
ない。

第６図の閉ループ冷却装置は、先に第３図又は第５図を
参照して説明した冷却装置の１変形例である。図示され
るように、クライオスタット３３を液化機１３から離し
て配置してあるが、クライオスタット３３内で気化した
冷却媒体（混合冷媒）の冷却と液化を行うため、液化機
ｌ３から延在せる熱交換管３８がクライオスタット３３
の上方内部空間に配置されている。クライオスタット３
３、クライオスタット３３内の混合冷媒３４、ＬＳＩチ
ツプ３１を搭載した回路基板３２及び液化機ｌ３は、そ
れぞれ、第５図のものに対応しかつしたがってすでに説
明してあるので、ここで繰り返し説明することを省略す
る。

なお、本例で、熱交換管３８内を循環させた熱交換媒体
３９は液体窒素であった。

１００ｍｍ角の回路基板３２に１０ｍＩＩ１角のＬＳＩ
チツプ３１を４×４個搭載し、これをクライオスタット
３３内の混合冷媒３４に直に浸漬した。素子（ＬＳＩチ
ツプ３１）に図示しない電源から電力供給ケーブル（図
示せず）を介して電力を印加すると、混合冷媒３４の沸
騰が開始し、素子３１の表面からは細かい気泡３５が発
生した。素子３１は、したがって、気化熱を奪われて冷
却された。次いで、気化した混合冷媒を熱交換管３８内
の液体窒素３９との間接的熱交換に供し、その結果とし
て混合冷媒の蒸気を液化させ、未気化の混合冷媒３４に
滴下させた。

使用した冷却媒体の冷却能力を上述のようにして評価し
たところ、得られた評価結果は満足すべきものであり、
第５図の冷却装置を用いて得られたものに比較可能であ
った。なお、図示の装置の場合、熱交換媒体として使用
したものがガスではなくて、液体窒素の如き液体であっ
たので、冷却能力を下げることなく、使用する熱交換管
の直径を小さくすることができた。例えばｌｋ！ＩＪ冷
却の場合、熱伝達を１０’　Ｗ／ｍ″Ｋまで上昇させる
ことができくヘリウムガスの使用時には１０’　Ｗ／ｒ
ｎ”Ｋ）、そして熱交換管の直径を２５ｍｍまで小さく
することができたくヘリウムガスの使用時には直径５０
印〉　。

本発明を実施するに当って、第５図及び第６図に図示し
た閉ループ冷却装置のほかに、必要に応じて、本発明の
低温冷却媒体の製造に用いた第１図の装置を使用しても
よい。すなわち、真空二重断熱層とされた容器１７内に
溜まった混合冷媒ｌ８中に前記したＬＳＩを搭載した回
路基板を浸漬することができる。また、第１図、第５図
及び第６図の装置において、図示していないけれども、
容器の底部に温度制御用のヒータを設け、混合冷媒の温
度を沸点近傍等の温度にコントロールしたり、熱交換反
応の速度をコントロールしたりすることができる。

第８図は、本発明者らが実験によって得たデータをまと
めてプロットしたグラフであるので、これから本発明を
さらに詳しく理解することができるであろう。

第８図のグラフには３本の線と１つの点がプロットされ
ている。すなわち、第１の実線はＬＮ２　＋Ｃ．Ｆ２ｎ
．．（ｎ　＝　２又は３）の冷却能力曲線であり、第２
の実線はＬＮ２　＋Ｃ４ＦＩＯの冷却能力曲線であり、
第３の点線はＬＮ２　＋ＣＦ４の冷却能力曲線であり、
そして１つの点はＬＮ．の冷却能力を示す。本発明の冷
却媒体（ＬＮ．とＣ。Ｆ２ｎ＋２の混合物で式中のｎが
２ｎ３又は４であるもの）の場合、少量のＣｎＦ２ｎ＋
２をＬＮ２に対して添加するだけで、顕著に改良された
冷却効果が得られた。なお、ＣｏＦ　２ゎ＋２（ｎ＝２
又は３〉が０．５〜１モル％の範囲のところは点線で示
してあるが、これは、Ｃｒ＋Ｆ２ｎ＋２がＬＮ２に溶解
し得なかったことを意味する。従来の冷却媒体（ＬＮ２
の単独あるいはＬＮ２とＣＦ．の混合物）の場合、満足
し得る冷却効果は得られず、また、ＬＮ２とＣＳＦ＋２
の混合物（図示せず）の場合は、冷却能力の向上が得ら
れず、むしろ、この混合物には凝集の傾向があった。

さらに、上記では第６図の冷却装置を参照してＬＮ，と
Ｃ２Ｆ６の混合物を冷却媒体としてクライオスタット内
で使用することについて説明したけれども、本発明者ら
はまた、ＬＮ２とＣ２Ｆ６の混合物の代りに弗化炭素だ
けを使用した場合にも満足し得る結果が得られるという
ことを見い出した。すなわち、ＣＦ．を含めたいかなる
弗化炭素も冷却媒体としてクライオスタット内で使用す
ることができ、また、任意の液化ガスを熱交換媒体とし
て液化機の熱交換管中で使用することができる。ここで
、いかなる液化ガスを使用するかということは、主とし
て、冷却媒体として選ばれた弗化炭素の特質に依存する
であろう。熱交換管内の液化ガスがクライオスタット内
の弗化炭素よりも低い沸点を有するのが一般的である。

第６図の閉ループ冷却装置を使用してかつその装置のク
ライオスクットに弗化炭素ＣＦ．を冷却媒体として入れ
て、次のような手順によりＬＳＩチップを冷却した。

ｌＱ＋ｎｍ角のしＳｌチップ３１を３×３個搭載した１
００ｍｍ角の回路基板３２をクライオスタット３３内の
液体ＣＦ．からなる冷却媒体３４に浸漬した。

ここで、素子（ＬＳＩチップ３１）に電力を印加すると
、冷却媒体３４は沸騰を開始し、素子の表面から細かい
蒸気気泡３５が発生した。素子は、したがって、気化熱
を奪われて冷却された。

ＣＦ．の蒸気は、液体窒素３９が循環されている熱交換
管３８で９０Ｋ程度に冷却されて再液化した。また、液
体窒素３９は、ＣＦ４蒸気の熱を奪って沸騰し、気液２
相流となって冷凍機ｌ４に戻り、ここで再液化された。

なお、図示しないけれども、熱交換管３８の途中には液
体窒素３９を循環させるポンプが配置される。

冷却能力を実測の結果、ヘリウムガスを熱交換媒体とし
て使用した従来の装置の場合には冷却能力が１００Ｗで
あったものが、上記した本発明の装置の場合、冷却能力
が約５倍の５００Ｗまで増加した。なお、上記の例では
液体ＣＦ４を使用したけれども、それに代えてその他の
弗化炭素、例えばＣ２Ｆｇ　，Ｃ３Ｆ８　．Ｃ，Ｆ＋ｏ
又はその混合物を使用することができ、そしてまた、選
ばれた弗化炭素にあわせて適当な熱交換媒体を使用する
ことができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、膜沸騰へ遷移す
るときの熱流束値の高い冷却媒体が得られ、単純な機構
でしかも高い冷却能力の低温冷却が可能となる。

また、熱交換器を用いた冷却系において、被冷却体浸漬
用冷媒と熱交換用冷媒を選ぶことにより、高い冷却能力
の冷却装置を提供することができる。

さらにまた、本発明によれば、コンピュータのＣＰＵの
ような、発熱密度が大きく冷凍機に接続しにくい複雑形
状の装置を液体に浸漬する方法に有利で、電子機器の低
温冷却に不可欠な閉ループ冷却系で使用することができ
、循環系内の組或不均一および冷却能力の変動がなく、
また、弗化炭素戊分の液体窒素中への混合量が少なくて
すみ、かつ冷却能力が高い低温冷却媒体とその製法、並
びにそれを用いる冷却方法及び冷却装置を提供すること
ができ、したがって、液体窒素温度の如き低温領域にお
いて高速演算性能を発揮する電子機器用デバイス（ＨＥ
ＭＴ　，　ＣＭＯＳ等、液体窒素温度で超伝導を呈する
高Ｔｃ相酸化物超伝導体を用いる素子、回路基板など〉
の冷却に大きく寄与することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は、それぞれ、本発明による低温冷却
媒体を製造するのに用いられる装置の一例を示した略示
断面図、第３図は、本発明の実施に用いられるクライオスタット
の一例を示した略示断面図、第４図は、冷却媒体中のＣＦ４の濃度と得られる冷却能
力の関係をプロットしたグラフ、第５図及び第６図は、
それぞれ、本発明による閉ループ冷却装置の好ましい一
例を示した略示断面図、第７図は、Ｃ２ＦＧの添加の有無による冷却能力の変化
をＬＳＩチップの温度に関してプロットしたグラフ、第８図は、冷却媒体中の弗化炭素の濃度と得られる冷却
能力の関係をプロットしたグラフ、そして、第９図は、従来の開放式冷却装置の一例を示した略示断
面図である。図中、１１はガスボンベ、１２は導管、１３は液化機、
１４は冷凍機、ｌ５は圧縮機、１６はピストン、１７は
容器、そして１８は冷却媒体である。低温冷却媒体の製造装置１３・・・液化機１４・・・冷凍機１５・・・圧縮機１６・・・ピストン１７・・・容器閉ループ冷却装雪のクライオスタット第３図２５　　２３　　　　　　２４　　　２７低温冷却媒体
の製造装置第２図ＣＦ４の濃度（モル％）冷却能力のＣＦ４濃度依存さ第４図３２３１閉ループ冷却装置閉ループ冷却装置第６図ＬＳＩチップの温度（Ｋ）冷却能力のＬＳＩチップ温度依存竺第７図冷却能力の弗化炭素濃度依存住第８図

Claims

【特許請求の範囲】１、閉ループ冷却装置で使用するための低温冷却媒体で
あって、液体窒素と、次式により表される弗化炭素：Ｃ
＿ｎＦ＿２＿ｎ＿＋＿２（式中のｎは２〜４の整数であ
る）の混合物からなることを特徴とする低温冷却媒体。２、液体窒素と、次式により表される弗化炭素：Ｃ＿ｎ
Ｆ＿２＿ｎ＿＋＿２（式中のｎは２〜４の整数である）
の混合物からなる低温冷却媒体を製造するに当って、窒
素と、次式により表される弗化炭素：Ｃ＿ｎＦ＿２＿ｎ
＿＋＿２（式中のｎは前記定義に同じである）の混合ガ
スを加圧下に冷却して液化することを特徴とする低温冷
却媒体の製造方法。３、液体窒素と、次式により表される弗化炭素：Ｃ＿ｎ
Ｆ＿２＿ｎ＿＋＿２（式中のｎは２〜４の整数である）
の混合物からなる低温冷却媒体を製造するに当って、次
式により表されるガス状弗化炭素：Ｃ＿ｎＦ＿２＿ｎ＿
＋＿２（式中のｎは前記定義に同じである）を液体窒素
中に吹き込んで、弗化炭素が溶解してなる液体窒素を得
ることを特徴とする低温冷却媒体の製造方法。４、被冷却体を約１２３Ｋ未満の極低温に冷却するに当
って、液体窒素と、次式により表される弗化炭素：Ｃ＿
ｎＦ＿２＿ｎ＿＋＿２（式中のｎは２〜４の整数である
）の混合物からなる閉ループ冷却系の低温冷却媒体に前
記被冷却体を浸漬することを特徴とする冷却方法。５、閉ループ冷却装置であって、液体窒素と、次式によ
り表される弗化炭素：Ｃ＿ｎＦ＿２＿ｎ＿＋＿２（式中
のｎは２〜４の整数である）の混合物が冷却媒体として
入れられているクライオスタットを有しており、被冷却
体が前記冷却媒体中に浸漬せしめられて冷却が行われる
ことを特徴とする閉ループ冷却装置。６、閉ループ冷却装置であって、次式により表される弗
化炭素：Ｃ＿ｍＦ＿２＿ｍ＿＋＿２（式中のｍは１〜４
の整数である）が冷却媒体として入れられているクライ
オスタットと、該クライオスタットの上方内部空間に配
置されかつ内部を熱交換媒体としての液化ガスが循環せ
しめられている液化機からの熱交換管とを有しており、
被冷却体が前記冷却媒体中に浸漬せしめられて冷却が行
われることを特徴とする閉ループ冷却装置。