DE68916513T2

DE68916513T2 - Herstellung und Verwendung eines Kühlmittels für Kryogenvorrichtungen.

Info

Publication number: DE68916513T2
Application number: DE68916513T
Authority: DE
Inventors: Nobuo Kamehara; Koichi Niwa; Mitsutaka Yamada; Kishio Yokouchi
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1988-11-18
Filing date: 1989-11-20
Publication date: 1994-10-13
Anticipated expiration: 2009-11-21
Also published as: DE68916513D1; EP0554966A3; DE68923458D1; KR910001341A; EP0554966A2; EP0554966B1; CA2003062C; KR940000206B1; DE68923458T2; CA2003062A1; EP0369827A1; EP0369827B1; KR930012237B1; US5038571A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kühlmittel mit hoher Kühlfähigkeit zur Verwendung in Kryo-Vorrichtungen. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung des Kühlmittels, ein Verfahren zum Kühlen eines Artikels auf die Kryo-Temperatur und eine Kryo-Vorrichtung, bei der das Kühlmittel verwendet wird.
Derzeit besteht ein starker Bedarf an Kühlmitteln, die insbesondere als Kühlmedium oder Wärmeaustauschmedium zum Kühlen von Halbleiteranordnungen, wie jenen, die eine Hochgeschwindigkeitsschaltung bei einer Kryo-Temperatur von etwa 123 K oder weniger, wie 77,3 K, d.h. dem Siedepunkt von flüssigem Stickstoff (LN&sub2;), oder anderen Anordnungen, wie jenen, bei denen ein supraleitendes Material eingesetzt wird, die auf eine Arbeitstemperatur hiervon gekühlt werden, verwendet werden. Es ist zu beachten, daß jede Kryo-Temperatur nahe dem Siedepunkt von flüssigem Stickstoff hier als Temperatur von flüssigem Stickstoff bezeichnet wird.
Wie wohlbekannt ist, kann die Mobilität eines Trägers in einem Halbleiter durch die Reduktion der Temperatur, welcher der Halbleiter ausgesetzt wird, erhöht werden, und auf Basis dieser Temperaturcharakteristik wurden Hochgeschwindigkeits-Schaltungungsanordnungen entwickelt, die bei der Temperatur von flüssigem Stickstoff betreibbar sind, wie Transistoren mit hoher Elektronenmobilität (HEMTs) oder Komplementär-Metalloxid-Halbleiter (CMOS)-Anordnungen. Beispielsweise lehren M. Abe, T. Mimura and M. Kobayashi, "Ultra-High-Speed HEMT LSI Technology", FUJITSU Sci. Tech. J., 24, 4, S.271-283 (Dezember 1988), daß von Fujitsu Limited entwickelte HEMTs eine Schaltgeschwindigkeit von 5,8 ns erzielt haben, und lehren T. Vacca, D. Resnick, D. Frankel, R. Bach, J. Kreilich and D. Charlson, "A Cryogenically Cooled VLSI Supercomputer", VLSI SYSTEMS DESIGN, Juni 1987, S.80-84, daß der erste Kryo-Computer unter Verwendung eines 77 K CMOS im Jahr davor ausgeliefert wurde. Für den Betrieb dieser Anordnungen bei der Temperatur von flüssigem Stickstoff mit zufriedenstellenden Ergebnissen ist es notwendig, ein leistungsstarkes Kühlmittel oder Kühlmedium zu verwenden, das eine gewünschte Kryo-Temperatur, wie die Temperatur von flüssigem Stickstoff, konstant aufrechterhalten kann und auch ermöglicht, daß eine wirksame Ableitung der in den Anordnungen während des Betriebs hiervon erzeugten Wärme erhalten wird.
Bisher wurde zur Kühlung von Halbleiteranordnungen und anderen Anordnungen auf eine Kryo-Temperatur von etwa 123 K oder weniger und zum Erhalten einer derartigen Temperatur vorgeschlagen, einen Wärme erzeugenden Teil der Anordnung in Kontakt mit einem Kältekopf einer Kältemaschine anzuordnen, um die von der Anordnung durch Wärmeleitung erzeugte Wärme abzuleiten, oder die Anordnung in ein Kryo-Fluid, wie ein verflüssigtes Gas, beispielsweise flüssigen Stickstoff, einzutauchen, um die Wärme von der Anordnung durch eine Siedehitzeübertragung abzuleiten.
Das letztere Kühlverfahren auf Basis der Siedehitzeübertragung kann insbesondere dann vorteilhaft verwendet werden, wenn die zu kühlenden Anordnungen eine hohe Wärmeerzeugungsdichte und eine komplexe Struktur oder Konfiguration aufweisen. Dieses Kühlverfahren kann beispielsweise bei der Kühlung von Zentralrechnern (CPUs) eines Computers verwendet werden. Obwohl verschiedenste verflüssigte Gase verfügbar sind, unterliegt ferner das als Kryo-Fluid bei diesem Kühlverfahren verwendbare verflüssigte Gas angesichts der Toxizität und Reaktivität derartiger Gase einer Einschränkung. Geeignete verflüssigte Gase mit stabiler und einfacher Zusammensetzung sind verflüssigter Stickstoff, wie oben beschrieben, und verflüssigtes Helium. Verflüssigter Stickstoff wird durch das Verflüssigen von Luft und Abtrennen des erhaltenen Fluids erhalten.
Die Verwendung von verflüssigtem Stickstoff als Kryo-Fluid ist beispielsweise in F.H. Gaensslen, V.L. Rideout, E.J. Walker and J.J. Walker, "Very Small MOSFET's for Low- Temperature Operation", IEEE TRANSACTIONS ON ELEKTRON DEVICES, MÄRZ 1977, beschrieben, wo FETs durch direktes Eintauchen in einen offenen Pool des verflüssigten Stickstoffs gekühlt werden. Ferner ist die Verwendung verflüssigter Fluorkohlenstoffe als Kryo-Fluid beispielsweise in "Cooling a Superfast Computer", ELECTRONIC PACKAGING & PRODUCTION, JULI 1986, beschrieben, wo der gesamte Computer in eine nicht-leitende zirkulierende Fluorkohlenstoff-Flüssigkeit getaucht wird. Ferner ist die Verwendung einer Mischung von verflüssigtem Stickstoff und verflüssigtem Fluorkohlenstoff (CF&sub4;) als Kryo-Fluid beispielsweise in T. Amano and M. Nagao, "Boiling Heat Transfer Characteristics of Mixed Coolant", 1988 Cryogenic Society of Japan Spring Meeting, C1-4, Mai 1988, beschrieben, wo ein supraleitendes Material mit einer hohen Tc direkt in ein gemischtes Kühlmittel eingetaucht wird, das aus dem verflüssigten Stickstoff und verflüssigtem CF&sub4; in einem offenen Gefäß besteht
Das von Amano et al gelehrte Kühlverfahren ist in Fig.1 veranschaulicht. Um die Effizienz des gemischten Kühlmittels bei der Kühlung des Hoch-Tc-Supraleitermaterials zu prüfen, wurde die veranschaulichte experimentelle Vorrichtung verwendet, in der ein Pt-Draht 1 in einem gemischten Kühlmittel 2 in einem offenen Vakuumgefäß 3 angeordnet ist. Ein Thermoelement 4, als Temperatursensor, das mit einem Recorder 8 verbunden ist, ist ebenfalls im gemischten Kühlmittel 2 angeordnet. In der Vorrichtung ist 5 eine Waage, die zur Bestimmung einer Gewichtsveränderung des Kühlmittels 2 verwendet wird, 6 eine GS-Zufuhr und 7 ein Widerstand. Überraschenderweise zeigten die Versuche unter Verwendung dieser Vorrichtung, daß das gemischte Kühlmittel aus dem verflüssigten Stickstoff und 8 Mol% des verflüssigten CF&sub4; die Kühlfähigkeit auf etwa das Zweifache der Kühlfähigkeit, die erhalten wird, wenn verflüssigter Stickstoff allein verwendet wird, erhöhen kann. Obwohl diese Arbeit nicht die Verwendung des gemischten Kühlmittels (LN&sub2; plus verflüssigter CF&sub4;) bei der Kühlung von Halbleiteranordnungen und verwandten Anordnungen lehrt, ist es klar, daß eine derartige Verwendung von vielen Nachteilen begleitet ist, beispielsweise:
(1) Da ein offenes System eingesetzt wird, kann Atmosphärenluft oder Feuchtigkeit in der Atmosphäre im gemischten Kühlmittel aufgenommen werden und in diesem gefrieren;
(2) da das Kühlmittel zum Sieden und Verdampfen gebracht wird, kann das erzeugte Gas eine Verschmutzung der Atmosphäre bewirken, und muß dem offenen Gefäß ein zusätzliches Kühlmittel zugeführt werden, um den Verdampfungsverlust des Kühlmittels zu kompensieren.
Zur Vermeidung der Nachteile (1) und (2) wurde die Verwendung des gemischten Kühlmittels in einem geschlossenen System überlegt, da das gemischte Kühlmittel jedoch eine höhere Menge des verflüssigten CF&sub4;, d.h. 8 bis 20 Mol%, enthalten muß, wird die Zusammensetzung des gemischten Kühlmittels bei der Verflüssigung des verdampften Kühlmittels geändert, wodurch Variationen der Kühlfähigkeit des Kühlmittels bewirkt werden. Ferner tendieren im verdampften Kühlmittel die hochsiedenden Komponenten hiervon dazu, in einem Verflüssiger oder einer Kältemaschine, der bzw. die zur erneuten Verflüssigung des verdampften Kühlmittels verwendet wird, auf Grund einer hohen Konzentration der hochsiedenden Komponenten zu kondensieren und abgetrennt zu werden. Die abgetrennten Komponenten bewirken eine Verstopfung der Rohre, ein Anhalten der Vorrichtung und andere unvermeidbare Nachteile. Ferner sehen nicht alle Fluorkohlenstoffe außer CF&sub4;, von denen angenommen wird, daß sie für eine Mischung mit dem verflüssigten Stickstoff geeignet sind, eine Lösung vor, nachdem sie direkt mit dem verflüssigten Stickstoff gemäß herkömmlichen Mischverfahren gemischt werden; bei der Durchführung werden sie in einer Mischvorrichtung verfestigt und ausgefällt. Es ist ferner zu beachten, daß die Erfinder auch versucht haben, ein gemischtes Kühlmittel, das aus verflüssigtem Stickstoff und verflüssigtem Argon oder verflüssigtem Krypton besteht, zu verwenden, jedoch keine zufriedenstellenden Kühleffekte erhalten konnten.
Um eine erhöhte Kühlfähigkeit zu erhalten, wurde andererseits vorgeschlagen, eine Kombination eines Kryostats oder geschlossenen Kryo-Behälters und eines Verflüssigers, insbesondere einer Kälteeinheit, zu verwenden, wobei ein Wärmetauscherrohr dieses Verflüssigers in einem oberen Innenteil des Kryostats angeordnet ist. Ein zu kühlender Artikel wird in ein Kühlmittel oder Kühlmedium im Kryostat eingetaucht, und das verdampfte Kühlmittel wird als Folge des Wärmeaustausches zwischen dem Dampf des Kühlmittels und einem durch das Wärmetauscherrohr zirkulierten Wärmeaustauschmedium verflüssigt. In diesem Kryo-Kühlsystem wird im allgemeinen verflüssigter Stickstoff als Kühlmittel und Heliumgas als Wärmeaustauschmedium verwendet. Dieses System hat jedoch die folgenden Nachteile:
(1) Um unerwünschte Wirkungen auf den zu kühlen Artikel auf Grund der Vibration des Verflüssigers zu vermeiden, muß der Verflüssiger vom Kryostat weit entfernt angeordnet werden;
(2) da Heliumgas als Wärmeaustauschmedium verwendet wird, ist die erhaltene Kühlfähigkeit nicht ausreichend hoch, da der Wärmeaustausch offensichtlich auf einem Gas- Gas-Kontakt basiert;
(3) um die Kühlfähigkeit des Gas-Gas-Kontaktsystems zu erhöhen, ist es möglich, den Durchmesser des verwendeten Wärmetauscherrohres zu erhöhen. Dies führt jedoch zu einer Zunahme der Energie und der Ausrüstungsfläche der Vorrichtung und steigert so die Betriebskosten.
Daher ist das Vorsehen eines verbesserten Kühlmittels oder Kühlmediums mit hoher Kühlfähigkeit zur Verwendung in Kryo-Vorrichtungen und ohne die Nachteile bekannter Kühlmittel erwünscht.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues Kühlmittel zur Verwendung in Kryo-Vorrichtungen, bei denen ein System mit geschlossenem Kreislauf oder geschlossener Schleife eingesetzt wird, vorzusehen. Das Kühlmittel sollte eine erhöhte Kühlfähigkeit haben und auch nicht das bekannte, wie oben beschriebene Problem aufweisen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Kühlmittel vorgesehen, zur Verwendung in einer Kryo-Vorrichtung mit einem geschlossenen Kreislaufsystem, welches eine Mischung eines flüssigen Stickstoffs und eines Fluorkohlenstoffs der Formel: CnF2n+2, worin n eine ganze Zahl von 2 bis 4 ist, umfaßt, wobei der Fluorkohlenstoff in der genannten Mischung in einer Menge von 0,1 bis 3 Mol% vorliegt. Unerwartet wurde durch ein Beimischen auch nur einer geringen Menge des Fluorkohlenstoffs eine erhöhte Kühlfähigkeit erhalten.
In einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlmittels vorgesehen, das eine Mischung eines flüssigen Stickstoffs und eines Fluorkohlenstoffs der Formel: CnF2n+2, worin n eine ganze Zahl von 2 bis 4 ist, umfaßt, welches Verfahren den Schritt des Kühlens eines Mischgases aus Stickstoff und Fluorkohlenstoff der Formel: CnF2n+2, worin n wie oben definiert ist, unter Druck umfaßt, um das Mischgas zu verflüssigen, wobei der Fluorkohlenstoff in der genannten Mischung in einer Menge von 0,1 bis 3 Mo1% vorliegt.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlmittels vorgesehen, das eine Mischung eines flüssigen Stickstoffs und eines Fluorkohlenstoffs der Formel: CnF2n+2, worin n eine ganze Zahl von 2 bis 4 ist, umfaßt, wobei der Fluorkohlenstoff in der genannten Mischung in einer Menge von 0,1 bis 3 Mol% vorliegt, welches Verfahren den Schritt des Einbringens eines gasförmigen Fluorkohlenstoffs der Formel: CnF2n+2, worin n wie oben definiert ist, in einen flüssigen Stickstoff umfaßt, um den flüssigen Stickstoff mit dem Fluorkohlenstoff darin gelöst zu erhalten.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Kühlen eines Artikels auf eine Kryo-Temperatur von 123 K oder weniger vorgesehen, welches Verfahren den Schritt des Eintauchens des Artikels in ein Kühlmittel umfaßt, das eine Mischung eines flüssigen Stickstoffs und eines Fluorkohlenstoffs der Formel: CnF2n+2, worin n eine ganze Zahl von 2 bis 4 ist, umfaßt, wobei der Fluorkohlenstoff in der genannten Mischung in einer Menge von 0,1 bis 3 Mol% vorliegt.
In noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Kryo-Vorrichtung in einem geschlossenen Kreislaufsystem vorgesehen, welche einen geschlossenen Kryostat umfaßt, der, als Kühlmedium, eine Mischung eines flüssigen Stickstoffs und eines Fluorkohlenstoffs der Formel: CnF2n+2, worin n eine ganze Zahl von 2 bis 4 ist, umfaßt, wobei der Fluorkohlenstoff in der genannten Mischung in einer Menge von 0,1 bis 3 Mol% vorliegt, wobei der zu kühlende Artikel in das Kühlmedium im Kryostat eingetaucht wird und auf eine Kryo-Temperatur von 123 K oder weniger gekühlt wird.
Wie nachstehend detailliert beschrieben, kann gemäß der vorliegenden Erfindung eine unerwartet erhöhte Kühlfähigkeit durch die Verwendung einer geringen Menge des Fluorkohlenstoffs im verflüssigten Stickstoff erhalten werden. Im Vergleich mit der Verwendung des verflüssigten Stickstoffs allein kann etwa die zweifache Kühlfähigkeit in der vorliegenden Erfindung ohne eine Abtrennung hochsiedender Komponenten in einem Verflüssiger und andere bekannte Nachteile erhalten werden.
Zum besseren Verständnis der Erfindung, und um zu zeigen, wie diese durchgeführt werden kann, wird nun anhand bloßer Beispiele auf die beigeschlossenen Zeichnungen bezuggenommen, in denen:
FIGUR 1 eine schematische Schnittansicht der Kühlvorrichtung gemäß einem bekannten und hier bereits beschriebenen Verfahren ist;
FIGUR 2 und 3 schematische Schnittansichten der bei der Herstellung des Kühlmittels gemäß der vorliegenden Erfindung verwendeten Vorrichtung sind;
FIGUR 4 eine schematische Schnittansicht eines bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung verwendeten Kryostats ist;
FIGUR 5 eine schematische Schnittansicht einer Kühlvorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist;
FIGUR 6 eine schematische Schnittansicht einer Kühlvorrichtung gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist;
FIGUR 7 eine graphische Darstellung ist, welche die Beziehung zwischen dem verflüssigtem Stickstoff mit und ohne zugesetzten C&sub2;F&sub6; und der Kühlfähigkeit, in bezug auf die Temperatur eines LSI-Chips, zeigt; und
FIGUR 8 eine graphische Darstellung ist, welche die Beziehung zwischen der Konzentration des Fluorkohlenstoffs und der Kühlfähigkeit, in bezug auf verschiedene Arten von Kühlmitteln, zeigt.
Ein Kühlmittel gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Mischung von flüssigem Stickstoff und eines Fluorkohlenstoffs CnF2n+2, worin n wie oben definiert ist. Vorzugsweise umfaßt das Kühlmittel flüssigen Stickstoff, der den Fluorkohlenstoff darin gelöst aufweist.
Der verwendete Fluorkohlenstoff ist C&sub2;F&sub6;, C&sub3;F&sub8;, C&sub4;F&sub1;&sub0; oder eine Mischung hiervon. Die Verwendung von CF&sub4; muß vermieden werden, da er, wie oben beschrieben, in einer stark erhöhten Menge dem flüssigen Stickstoff zugesetzt werden muß, und so sich aus einem derartigen Zusatz von CF&sub4; ergebende Nachteile bewirkt werden. Andererseits muß auch die Verwendung von CnF2n+2, worin n 5 oder mehr ist, vermieden werden, da derartige Fluorkohlenstoffe mit einer größeren Anzahl von Kohlenstoffatomen einen höheren Siedepunkt haben und sich verfestigen können, wenn sie mit dem flüssigen Stickstoff gemischt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dem flüssigen Stickstoff eine geringere Menge des Fluorkohlenstoffs im Vergleich mit dem vorstehend erwähnten bekannten Kühlmittel von Amano et al zugesetzt, bei dem der Fluorkohlenstoff, CF&sub4;, in einer Menge von etwa 8 bis 20 Mol% oder mehr dem flüssigen Stickstoff zugesetzt wird, um eine zufriedenstellende Kühlfähigkeit in der Größenordnung von etwa 40 W/cm² zu erhalten.
Der Fluorkohlenstoff CnF2n+2 (n = 2, 3 oder 4) wird dem flüssigen Stickstoff in einer Menge von 0,1 bis 3 Mol% zugesetzt, um das Kühlmittel der vorliegenden Erfindung zu erhalten. Bei C&sub2;F&sub6; beginnt eine Erhöhung der Kühlfähigkeit bei einer Konzentration von 0,1 Mol%, und die maximale Kühlfähigkeit wird bei einer Konzentration von 0,5 Mol% erhalten. Eine gesättigte Kühlfähigkeit wird bei einer Konzentration von mehr als 0,5 Mol% erhalten. Wenn C&sub2;F&sub6; in einer Menge von mehr als 3 Mol% zugesetzt wird, ist das erhaltene Kühlmittel trübe und weist eine reduzierte gesättigte Kühlfähigkeit auf. Ähnliche Kühlcharakteristiken können bei den anderen Fluorkohlenstoffen C&sub3;F&sub8; und C&sub4;F&sub1;&sub0; festgestellt werden, außer daß eine erhöhte Kühlfähigkeit durch einen Zusatz einer Menge von 0,1 bis 0,5 Moi% für C&sub3;F&sub8; und von 0,1 bis 0,3 Mol% für C&sub4;F&sub1;&sub0; erhalten werden kann.
Die Einzelheiten des Mechanismus der Erhöhung der Kühlfähigkeit beim Kühlmittel der vorliegenden Erfindung sind nicht geklärt, es wird auf Basis der Erfahrung der Erfinder jedoch angenommen, daß die Kühlfähigkeit aus folgenden Gründen erhöht wird:
(1) Eine Volumsreduktion des Kühlmittels auf Grund der Mischung von zwei Komponenten. Diese Volumsreduktion tritt wie beim Mischen von Wasser und Alkohol auf. Wenn sich nämlich die mittleren freien Wegdurchmesser von Molekülen stark voneinander unterscheiden, ist das Volumen der Mischung der Moleküle verringert, da ein enges Packen der Moleküle erfolgt. Wenn eine geeignete Menge der Fluorkohlenstoffe CnF2n+2 (n = 2, 3 oder 4) im flüssigen Stickstoff verwendet wird, führt die so bewirkte Volumsreduktion des Kühlmittels zu einer zusätzlichen Erhöhung der Kühlfähigkeit.
2) Eine Reduktion der Oberflächenspannung des Kühlmittels. Es wird nämlich angenommen, daß beim Immersionskühlverfahren der vorliegenden Erfindung eine Grenze der Kühl fähigkeit, bei der ein Artikel stabil gekühlt werden kann, auf Grund einer geringen Temperaturerhöhung des Artikels, eine Schicht- oder Film-Siedeübergangstemperatur des Kühl mittels oder weniger ist, d.h. einer Kühlfähigkeit, bei der das Kühlmittel in einen Schichtsiedezustand übergeht. Die Schicht-Siedeübergangstemperatur, die eine Grenze für eine stabile Kühlung darstellt, kann in Abhängigkeit spezifischer Eigenschaften der flüssigen Komponenten des Kühlmittels, wie der Verdampfungswärme und Oberflächenspannung, variieren.
Die Fluorkohlenstoffe CnF2n+2 haben eine niedrige Oberflächenspannung, und so zeigt, wenn die Fluorkohlenstoffe im flüssigen Stickstoff gelöst werden, die erhaltene Mischung oder das Kühlmittel eine merkbar reduzierte Oberflächenspannung. Als nächstes werden, wenn ein zu kühlender Artikel oder ein Wärme erzeugender Körper im Kühlmittel durch Kühlen über Sieden gekühlt wird, auf einer Fläche des Artikels gebildete Blasen des verdampften Kühlmittels von der Fläche des Artikels in einem Anfangsstadium der Bildung hiervon freigesetzt, wodurch der Übergang in den Schichtsiedezustand verzögert wird. Ferner zerstören die erzeugten Blasen die Grenzschicht des Kühlmittels am Artikel, und folglich wird die Kühlfähigkeit erhöht. Es ist zu beachten, daß Fluorkohlenstoffe mit einer höheren Molmasse eine erhöhte Kühlfähigkeit induzieren können, auch wenn sie in einer relativ niedrigen Konzentration verwendet werden.
3) Eine Lösungsbedingung der Fluorkohlenstoffe ist, daß, wenn flüssige Fluorkohlenstoffe langsam gefroren werden, sie verdickt und gelatineartig werden. Es wird auch angenommen, daß im flüssigen Stickstoff das Lösen der Fluorkohlenstoffe eine dünne gelatineartige Flüssigkeit erzeugt, was die erhöhte Verdampfungswärme und Kühlfähigkeit auf Grund der zum Durchtrennen gelatineartiger Bindungen zwischen den Fluorkohlenstoffmolekülen erforderlichen Energie erklären kann.
Es ist zu beachten, daß die Erfinder versucht haben, die Fluorkohlenstoffe durch andere Substanzen, wie Chlorkohlenstoffe, zu ersetzen, bessere Kühleffekte jedoch nicht erhalten werden konnten, und so nehmen sie an, daß einer der Gründe, warum die Fluorkohlenstoffe bemerkenswerte Kühleffekte vorsehen, auf die oben beschriebene Reduktion der Oberflächenspannung zurückzuführen ist.
Das Kühlmittel gemäß der vorliegenden Erfindung kann vorteilhaft in Übereinstimmung mit den folgenden Verfahren hergestellt werden.
Ein Herstellungsverfahren umfaßt den Schritt des Kühlens eines Mischgases aus Stickstoff und Fluorkohlenstoff der Formel: CnF2n+2, worin n wie oben definiert ist, unter Druck, wobei das Mischgas verflüssigt wird. Bei diesem Herstellungsverfahren beträgt vorzugsweise das Verhältnis von Fluorkohlenstoff zu Stickstoff im Mischgas im wesentlichen das gleiche wie jenes im erhaltenen Kühlmittel, und das Mischgas wird während des Kühlschritts mit einem erhöhten Druck von 1 bis 2 atm beaufschlagt, und ferner wird das Mischgas in einem Hochdruckgefäß in einen Verflüssiger eingebracht, wo das Gas mit einem komprimierten und adiabatisch abgekühlten Gas gekühlt wird.
Ein zweites Herstellungsverfahren umfaßt den Schritt des Einbringens eines gasförmigen Fluorkohlenstoffs der Formel CnF2n+2, worin n wie oben definiert ist, in einen flüssigen Stickstoff, um den flüssigen Stickstoff mit dem Fluorkohlenstoff darin gelöst zu erhalten. Bei diesem Herstellungsverfahren wird der gasförmige Fluorkohlenstoff in einem Hochdruckgefäß vorzugsweise in den flüssigen Stickstoff in einem Dewar-Gefäß eingebracht, und mehr im einzelnen wird ein gasförmiger Fluorkohlenstoff von einem Hochdruckgefäß durch flüssigen Stickstoff in einem ersten Dewar-Gefäß vor dem Einbringen in den flüssigen Stickstoff in einem zweiten Dewar-Gefäß geführt, um den gasförmigen Fluorkohlenstoff auf eine Temperatur zu kühlen, jenseits welcher der Fluorkohlenstoff verflüssigt wird.
Beim Verfahren zum Kühlen eines Artikels auf eine Kryo-Temperatur von 123 K oder weniger und mit einer Vorrichtung zur Durchführung einer derartigen Kühlung, oder einer Kryo-Vorrichtung, gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Artikel in das Kühlmittel eingetaucht, das aus dem flüssigen Stickstoff und Fluorkohlenstoff besteht, wie oben beschrieben.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Kühlmittel als Kühlmedium in einen geschiossenen Kryostat der Kryo-Vorrichtung gegeben. In dieser Ausführungsform wird das im Kryostat zum Sieden und Verdampfen gebrachte Kühlmedium vorzugsweise in einem getrennten Verflüssiger verflüssigt, und wird das so in Form einer Flüssigkeit erzeugte Kühlmedium zum Kryostat rückgeführt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das im Kryostat zum Sieden und Verdampfen gebrachte Kühlmedium in demselben Kryostat als Folge des Wärmeaustausches zwischen dem Dampf des Kühlmediums und einem Wärmeaustauschmedium in einem Wärmetauscherrohr verflüssigt, das an einer geeigneten Position im Kryostat angeordnet ist, so daß der Wärmeaustausch darin erfolgt. In dieser Ausführungsform ist das durch das Wärmetauscherrohr zirkulierte Wärmeaustauschmedium vorzugsweise ein flüssiger Stickstoff. Selbstverständlich können gewünschtenfalls andere Wärmeaustauschmedien zirkuliert werden.
In der Kryo-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist eine Wand des Kryostats vorzugsweise mit Einlaß- und Auslaßöffnungen versehen, die durch Rohre mit einem getrennten Verflüssiger verbunden sind, so daß das Kühlmedium, das als Folge der vom Artikel erzeugten Wärme im Kryostat zum Sieden und Verdampfen gebracht wird, in den Verflüssiger geführt und in diesem verflüssigt wird, und das so in Form einer Flüssigkeit erzeugte Kühlmedium zum Kryostat rückgeführt wird.
Alternativ dazu weist ein oberer Innenteil des Kryostats ein Wärmetauscherrohr auf, das an einer geeigneten Position darin angeordnet ist und mit einem getrennten Verflüssiger verbunden ist, so daß das Kühlmedium, das als Folge der Wärmeerzeugung im Kryostat zum Sieden und Verdampfen gebracht wird, in demselben Kryostat als Folge des Wärmeaustausches zwischen dem Dampf des Kühlmediums und einem Wärmeaustauschmedium im Wärmetauscherrohr verflüssigt wird.
Der verwendete Verflüssiger kann jede herkömmliche Struktur aufweisen, vorzugsweise umfaßt der Verflüssiger jedoch eine Stirling-Kreisprozeß-Kältemaschjne
Wie oben beschrieben, kann jedes Wärmeaustauschmedium bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um jedoch einen zufriedenstellenden Wärmeaustausch-Effekt zu erhalten, ist es notwendig, eine Wärmeaustauschmedium mit einem niedrigeren Siedepunkt als jenem des gleichzeitig im Kryostat verwendeten Kühlmediums durch das Wärmeaustauscherrohr des Verflüssigers zu zirkulieren. Wenn die obigen Anforderungen erfüllt werden, erfolgt eine Wärmeübertragung durch Sieden am Teil des Wärmeaustauscherrohrs, und so wird eine Wärmeübertragung mit höherer Effizienz verglichen mit jener der Konvektionswärmeübertragung, die unter Verwendung von Heliumgas im Wärmetauscherrohr erhalten wird, sichergestellt. Dies ist darauf zurückzuführen, daß, wie oben beschrieben, das Kühlmittel der vorliegenden Erfindung vorzugsweise als Kühlmedium im Kryostat und der flüssige Stickstoff als Wärmeaustauschmedium im Wärmetauscherrohr verwendet wird.
Die vorliegende Erfindung kann bei der Kühlung beliebiger Artikel verwendet werden, die auf eine Kryo-Temperatur von 123 K oder weniger zu kühlen sind. Typische Beispiele derartiger Artikel sind, obwohl nicht auf diese beschränkt, Halbleiteranordnungen, wie Transistoren mit hoher Elektronenmobilität oder Komplementär-Metalloxid-Halbleiteranordnungen, Anordnungen, bei denen ein supraleitendes Material verwendet wird, das bei der Kryo-Temperatur eine Supraleitfähigkeit aufweist, oder elektronische Ausrüstung, die bei der Kryo-Temperatur betreibbar ist. Überraschenderweise können gemäß der vorliegenden Erfindung Großcomputer mit hoher Effizienz in einer Kryo-Vorrichtung mit einfacher Struktur gekühlt werden.
Die vorliegende Erfindung wird mit Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen weiter beschrieben, in denen Fig.2 und 3 die Herstellung des Kühlmittels gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
In Fig.2 wurde ein Kühlmittel unter Verwendung eines Verflüssigers 13 hergestellt, der aus einer Stirling-Kreisprozeß-Kälteeinheit 14 und einem Hochdruckompressor 15 besteht. Ein Mischgas aus Stickstoff und Fluorkohlenstoff (hier wurde C&sub2;F&sub6; verwendet) war in einen Stahl-Gaszylinder 11 geladen worden, und von diesem wurde das Gas durch eine Leitung 12 der Kälteeinheit 14 zugeführt. Das Gas in einem Behälter 17 der Kälteeinheit 14 wurde unter einem beaufschlagten Druck von etwa 1,3 bis 1,5 atm gekühlt, wobei ein Kühlmittel, d.h. eine Mischung aus dem flüssigen Stickstoff (LN&sub2;) und C&sub2;F&sub6;, 18 gebildet wurde. Das Gas wurde durch das Kühlen eines Bodenteils des Behälters 17 mit einem Kältekopf (nicht gezeigt) der Kälteeinheit 14 gekühlt. Es wurde nämlich ein spezifisches Kühlgas mit einer Temperatur von beispielsweise etwa 70 K, wie flüssiges Helium bei 11 bis 13 kg/cm², im Kompressor 15 komprimiert, und das komprimierte Gas wurde mit einem Kolben 16 adiabatisch abgekühlt, und als Folge eines indirekten Kontakts des so gekühlten Gases im Kältekopf mit dem Mischgas vom Gaszylinder 11 wurde das Kühlmittel 18 im Behälter 17 erzeugt.
Bei der veranschaulichten Herstellung des Kühlmittels kann das Kühlmittel oder verflüssigte Gas aus LN&sub2; und C&sub2;F&sub6; mit einem vorherbestimmten Verhältnis von LN&sub2; zu C&sub2;F&sub6; mit guter Reproduzierbarkeit und Regelbarkeit hergestellt werden, da ein derartiges Verhältnis von LN&sub2; zu C&sub2;F&sub6; in Abhängigkeit von der spezifischen Zusammensetzung des in den Gaszylinder gefüllten Mischgases definiert ist.
In Fig.3 wurde ein Kühlmittel hergestellt, indem ein Fluorkohlenstoffgas (hier wurde C&sub2;F&sub6; verwendet) in flüssigen Stickstoff 28 in einem Dewar-Gefäß 27 geperlt wurde. Vor dem Perlen in den flüssigen Stickstoff 28 im Gefäß 27 wurde das C&sub2;F&sub6;-Gas in einem Stahl-Gaszylinder 21 anfänglich auf eine Temperatur gekühlt, jenseits welcher das C&sub2;F&sub6;-Gas verflüssigt wird. Das C&sub2;F&sub6;-Gas wurde nämlich durch eine Leitung 22 einem Kühlrohr 23 zugeführt, das in flüssigen Stickstoff 26 in einem Dewar-Gefäß 25 eingetaucht war, und nach dem Kühlen wurde das gekühlte Gas vom Kühlrohr 23 durch eine Leitung 24 dem Gefäß 27 zugeführt und in den flüssigen Stickstoff 28 geperlt. Als Folge dieses Perlens wurde das Kühlmittel, d.h. die Mischung von flüssigem Stickstoff und C&sub2;F&sub6;, im Gefäß 27 hergestellt. Das Mischverhältnis von C&sub2;F&sub6; im erhaltene Kühlmittel konnte frei reguliert werden, indem der auf das C&sub2;F&sub6;-Gas im Gaszylinder beaufschlagte Druck und die Flußrate des C&sub2;F&sub6;-Gases in der Leitung 24 geeignet geändert wurden.
Bei den oben mit Bezugnahme auf Fig.2 und 3 beschriebenen Herstellungsverfahren wurde C&sub2;F&sub6; als Fluorkohlenstoff verwendet, es ist jedoch zu beachten, daß ähnliche zufriedenstellende Ergebnisse erhalten werden können, wenn C&sub2;F&sub6; 5durch einen Fluorkohlenstoff C&sub3;F&sub8; oder C&sub4;F&sub1;&sub0; ersetzt wird, oder wenn irgendeine Kombination dieser Fluorkohlenstoffe verwendet wird. Ferner kann beim Herstellungsverfahren von Fig.3 das C&sub2;F&sub6;-Gas im Zylinder 21 zusätzlich erforderlichenfalls Stickstoffgas enthalten.
Zum Kryo-Kühlen eines auf die Kryo-Temperatur zu kühlenden Artikels wird das Kühlmittel der vorliegenden Erfindung in einen geschlossenen Kryostat gegeben. Das Kühlmittel, das im Kryostat verwendet wird, wird nachstehend mit Bezugnahme auf Fig.4 beschrieben. Es ist zu beachten, daß ein Wärmetauscherteil in Fig.4 zum besseren Verständnis der vorliegende Erfindung weggelassen wurde.
In Fig.4 wird ein geschlossener Kryostat 33 mit dem Kühlmittel oder Kühlmedium 34 der vorliegenden Erfindung beladen. Das verwendete Kühlmedium 34 besteht aus dem flüssigen Stickstoff und Fluorkohlenstoff.
Eine Leiterplatte 32 mit einer Größe von 100 mm x 100 mm, auf der 4 x 4 LSI-Chips 31 mit einer Größe von 10 mm x 10 mm montiert sind, wird in das Kühlmedium 34 getaucht. Mit dem Anlegen einer elektrischen Spannung durch ein elektrisches Kabel (nicht gezeigt) an die LSI-Chips 31 beginnt das Sieden des Kühlmediums 34, und kleine Blasen 35 des Dampfes des Mediums 34 werden an der Fläche der erhitzten LSI-Chips 31 erzeugt. Die Chips 31 wurden so als Folge der Verdampfungswärmeabfuhr von der Chipfläche gekühlt.
Die Kühlfähigkeit des verwendeten Kühlmediums wird ausgewertet, indem sie als Wärmefluß beim Übergang vom Kernsieden zum Schicht- oder Filmsieden definiert wird. Der Übergangspunkt wird durch das Messen der Beziehung zwischen der Chiptemperatur und Energieableitung bestimmt. Die Chiptemperatur wird an auf der Chipfläche gebildeten Dioden gemessen.
Das Kryo-Kühlen der vorliegenden Erfindung wurde oben mit Bezugnahme auf Fig.4 beschrieben. Mehr im einzelnen kann die Kryo-Kühlung vorteilhaft unter Verwendung einer Kryo-Vorrichtung von Fig.5 oder 6 durchgeführt werden.
Die Kryo-Vorrichtung von Fig.5 ist ein System mit geschlossener Schleife oder geschlossenem Kreislauf, das einen Kryostat 33 und einen Verflüssiger 13 umfaßt. Der Verflüssiger 13, wie mit Bezugnahme auf Fig.2, beschrieben wurde, besteht aus einer Kälteeinheit 14 und einem Hochdruckkompressor 15. Das im Kryostat vorliegende Kühlmedium 34 ist eine Mischung von flüssigem Stickstoff und 0,5 Mol% C&sub2;-C&sub4;-Fluorkohlenstoff (hier wurde C&sub2;F&sub6; verwendet).
Eine Leiterplatte mit einer Größe von 100 mm x 100 mm, auf der 4 x 4 LSI-Chips 31 mit einer Größe von 10 mm x 10 mm montiert sind, wurde direkt in das Kühlmedium 34 eingetaucht. Die Zufuhr einer elektrischen Spannung zu den Chips 31 erfolgte unter Verwendung eines Energiekabels (nicht gezeigt) von einer elektrischen Quelle, und das Sieden des Kühlmediums 34 begann beim Anlegen der elektrischen Spannung an die Chips 31, wodurch kleine Blasen 35 des Dampfes des Mediums 34 an der Fläche der erhitzten Chips 31 erzeugt wurden. Die Chips 31 wurden so durch die Verdampfungswärme hiervon gekühlt.
Der so erzeugte Dampf des Kühlmediums wurde durch ein Zufuhrrohr 36 einem Behälter 17 der Kältemaschine 14 zugeführt. Der Dampf wurde im Behälter 17 durch das Kühlen eines Bodenteils des Behälters 17 mit dem Kältekopf (nicht gezeigt) der Kälteeinheit 14 verflüssigt. Diese Kühlung, wie mit Bezugnahme auf Fig.2 beschrieben, wurde unter Verwendung des Kompressors 15 und des angebrachten Kolbens 16 durchgeführt. So ist die Funktion des Verflüssigers 13 von Fig.5 im wesentlichen die gleiche wie jene in Fig.2. Das im Behälter 17 erzeugte Fluid des Kühlmediums im Behälter 17 wurde durch ein Zufuhrrohr 37 zum Kryostat 33 rückgeführt.
Die Kühlfähigkeit des verwendeten Kühimediums wurde wie oben beschrieben untersucht, und die Ergebnisse der Untersuchung wurden in Fig.7 als Funktion der Temperatur der in das Kühlmedium eingetauchten LSI-Chips aufgetragen. Zum Vergleich wurde das obige Verfahren auch unter Verwendung des flüssigen Stickstoffs als Kühlmedium wiederholt, und die Ergebnisse der Untersuchung der Kühlfähigkeit wurden in Fig.7 aufgetragen. Die in Fig.7 aufgetragenen Ergebnisse zeigten, daß das Mischen von 0,5 Mol% C&sub2;F&sub6; in den flüssigen Stickstoff die Kühlfähigkeit des Kühlmediums auf etwa 40 W/cm², d.h. etwa das Zweifache des nur aus flüssigem Stickstoff bestehenden Kühlmediums (etwa 15 bis 20 W/cm²), erhöht. Es ist zu beachten, daß 0,5 Mol% C&sub2;F&sub6; eine merkbar reduzierte Konzentration ist, die keinerlei Koagulations- und Trennungsprobleme im Verflüssiger des geschlossenen Systems bewirkt.
Die Kryo-Vorrichtung von Fig.6 ist eine Modifikation der oben mit Bezugnahme auf Fig.4 oder 5 beschriebenen Kryo-Vorrichtung. Wie veranschaulicht, wurde ein Kryostat 33 von einem Verflüssiger 13 entfernt angeordnet, es wurde jedoch ein Wärmetauscherrohr 38 vom Verflüssiger 13 in einem oberen Innenteil des Kryostats 33 angeordnet, um eine Kühlung und Verflüssigung des verdampften Kühlmediums zu bewirken. Eine detaillierte Beschreibung des Kryostats 33, des Kühlmediums 34 im Kryostat 33, der Leiterplatte 32 mit den LSI-Chips 31 und des Verflüssigers 13 wird weggelassen, da sie jenen von Fig.5 entsprechen und bereits erläutert wurden. Es ist zu beachten, daß ein durch das Wärmetauscherrohr 38 zirkuliertes Wärmeaustauschmedium 39 flüssiger Stickstoff war.
Nachdem die Leiterplatte 32 in das Kühlmedium 34 eingetaucht wurde, wurde eine elektrische Spannung durch ein elektrisches Kabel (nicht gezeigt) an die LSI-Chips 31 angelegt. Die Chips 31 wurden so erhitzt und bewirkten das Sieden des sie umgebenden Kühlmediums 34, wodurch kleine Blasen 35 des Dampfes des Mediums an der Fläche der Chips 31 erzeugt wurden. Dann wurde der Dampf des Mediums einem indirekten Wärmeaustausch mit flüssigem Stickstoff 39 im Wärmetauscherrohr 38 ausgesetzt, und folglich wurde der Dampf des Mediums verflüssigt und tropfte in das noch flüssige Kühlmedium 34 zurück. Wie ersichtlich ist, wurden die Chips 31 als Folge der Verdampfungswärmeabfuhr von der Chipfläche während der Erzeugung der Blasen 35 gekühlt.
Die Kühlfähigkeit des verwendeten Kühlmediums wurde wie oben beschrieben untersucht, und die Ergebnisse waren zufriedenstellend und mit jenen vergleichbar, die unter Verwendung der Kryo-Vorrichtung von Fig.5 erhalten wurden. Es ist zu beachten, daß es bei der veranschaulichten Vorrichtung, da das Wärmeaustauschmedium kein Gas, sondern eine Flüssigkeit ist, wie flüssiger Stickstoff, möglich ist, den Durchmesser des Wärmetauscherrohres zu reduzieren, ohne die Kühlfähigkeit zu verringern. Wenn beispielsweise eine Kühlung von 1 KW beabsichtigt ist, kann die Wärmeübertragung auf 10&sup5; W/m²K (10³ W/m²K bei der Verwendung von He-Gas) erhöht werden, und kann der Durchmesser des Wärmetauscherrohres auf 25 mmφ (50 mmφ für He-Gas) reduziert werden.
Zusätzlich zu den Kryo-Vorrichtungen von Fig.5 und 6 kann die Kryo-Vorrichtung von Fig.2, die zur Herstellung des Kühlmittels verwendet wurde, gewünschtenfalls bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Obwohl nicht gezeigt, kann ein zu kühlender Artikel in das erzeugte Kühlmittel 18 im Behälter 17 der Kältemaschine 14 eingetaucht werden (siehe Fig.2). Ferner kann in Fig.2, 5 und 6, obwohl nicht dargestellt, ein Heizer an einem Bodenteil des Behälters 17 angebracht werden. Der Heizer kann vorteilhaft zur Regulierung der Temperatur des Kühlmediums bei einem ungefähren Siedepunkt hiervon oder zur Steuerung der Geschwindigkeit der Wärmeaustauschreaktion verwendet werden.
Fig.8 ist eine Kurve, die zur Zusammenfassung der experimentellen Daten aufgetragen wurde und durch welche die vorliegende Erfindung besser verständlich ist. Die Kurve von Fig.8 hat drei Linien: eine erste durchgehende Linie für LN&sub2; + CnF2n+2 (n = 2 oder 3); eine zweite durchgehende Linie für LN&sub2; + C&sub4;F&sub1;&sub0;; und eine dritte strichlierte Linie für LN&sub2; + CF&sub4;; sowie einen Punkt für LN&sub2;. Beim Kühlmittel der vorliegenden Erfindung (Mischung von LN&sub2; und CnF2n+2, worin n 2, 3 oder 4 ist) wurde eine zufriedenstellende Kühlfähigkeit durch den Zusatz einer geringen Menge an CnF2n+2 zu LN&sub2; erhalten. Die strichlierte Linie im Bereich von 0,5 bis 1,0 Mol% CnF2n+2 bedeutet, daß der CnF2n+2 im LN&sub2; nicht gelöst war. Beim bekannten Kühlmedium (LN&sub2; allein oder Mischung von LN&sub2; und CF&sub4;) konnte keine zufriedenstellende Kühlfähigkeit erhalten werden, und bei einer Mischung von LN&sub2; + C&sub5;F&sub1;&sub2; (nicht gezeigt) konnte keine Erhöhung der Kühlfähigkeit erhalten werden, sondern zeigte die Mischung eine Tendenz zur Verfestigung.

Claims

1. Kühlmittel, zur Verwendung in einer Kryo-Vorrichtung mit einem geschlossenen Kreislaufsystem, welches eine Mischung eines flüssigen Stickstoffs und eines Fluorkohlenstoffs der Formel: CnF2n+2, worin n eine ganze Zahl von 2 bis 4 ist, umfaßt, wobei der Fluorkohlenstoff in der genannten Mischung in einer Menge von 0,1 bis 3 Mol% vorliegt.

2. Kühlmittel nach Anspruch 1, worin der flüssige Stickstoff den Fluorkohlenstoff darin gelöst aufweist.

3. Kühlmittel nach Anspruch 1, welches, als Kühlmedium, in einem geschlossenen Kryostat einer Kryo-Vorrichtung angeordnet ist, wobei ein zu kühlender Artikel in das Kühl medium eingetaucht wird.

4. Verfahren zur Herstellung eines Kühlmittels, das eine Mischung von flüssigem Stickstoff und eines Fluorkohlenstoffs der Formel: CnF2n+2, worin n eine ganze Zahl von 2 bis 4 ist, umfaßt, welches Verfahren den Schritt des Kühlens eines Mischgases aus Stickstoff und Fluorkohlenstoff der Formel: CnF2n+2, worin n wie oben definiert ist, unter Druck umfaßt, um das Mischgas zu verflüssigen, wobei der Fluorkohlenstoff in der genannten Mischung in einer Menge von 0,1 bis 3 Mol% vorliegt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem das Verhältnis von Fluorkohlenstoff zu Stickstoff im Mischgas im wesentlichen das gleiche ist wie jenes des erhaltenen Kühlmittels.

6. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem das Mischgas während des Kühlschritts mit einem erhöhten Druck von 1 bis 2 atm beaufschlagt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem das Mischgas in einem Hochdruckgefäß in einen Verflüssiger eingebracht wird, wo das Gas mit einem komprimierten und adiabatisch abgekühlten Gas gekühlt wird.

8. Verfahren zur Herstellung eines Kühlmittels, das eine Mischung eines flüssigen Stickstoffs und eines Fluorkohlen-Stoffs der Formel: CnF2n+2, worin n eine ganze Zahl von 2 bis 4 ist, umfaßt, wobei der Fluorkohlenstoff in der genannten Mischung in einer Menge von 0,1 bis 3 Mol% vorliegt, welches Verfahren den Schritt des Einbringens eines gasförmigen Fluorkohlenstoffs der Formel: CnF2n+2, worin n wie oben definiert ist, in einen flüssigen Stickstoff umfaßt, um den flüssigen Stickstoff mit dem Fiuorkohlenstoff darin gelöst zu erhalten.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem der gasförmige Fluorkohlenstoff in einem Hochdruckgefäß in flüssigen Stickstoff in einem Dewar-Gefäß eingebracht wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem der gasförmige Fluorkohlenstoff vom Hochdruckgefäß durch flüssigen Stickstoff in einem anderen Dewar-Gefäß vor dem Einbringen hiervon in den genannten flüssigen Stickstoff geführt wird, um den gasförmigen Fluorkohlenstoff auf eine Temperatur zu kühlen, jenseits welcher der Fluorkohlenstoff verflüssigt wird.

11. Verfahren zum Kühlen eines Artikels auf eine Kryo-Temperatur von 123 K oder weniger, welches Verfahren den Schritt des Eintauchens des Artikels in ein Kühlmittel umfaßt, das eine Mischung von flüssigem Stickstoff und eines Fluorkohlenstoffs der Formel: CnF2n+2, worin n eine ganze Zahl von 2 bis 4 ist, umfaßt, wobei der Fluorkohlenstoff in der genannten Mischung in einer Menge von 0,1 bis 3 Mol% vorliegt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem der flüssige Stickstoff den Fluorkohlenstoff darin gelöst aufweist.

13. Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem das Kühlmittel als Kühlmedium in einen geschlossenen Kryostat einer Kryo-Vorrichtung gegeben wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem das im Kryostat zum Sieden und Verdampfen gebrachte Kühlmedium in einem getrennten Verflüssiger verflüssigt wird und das so in Form einer Flüssigkeit erzeugte Kühimedium zum Kryostat rückgeführt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem das im Kryostat zum Sieden und Verdampfen gebrachte Kühlmedium in demselben Kryostat als Folge des Wärmeaustausches zwischen dem Dampf der Kühlmediums und einem Wärmeaustauschmedium in einem Wärmetauscherrohr verflüssigt wird, das an einer geeigneten Position im Kryostat angeordnet ist, so daß der Wärmeaustausch darin erfolgt.

16. Verfahren nach Anspruch 15, bei welchem das durch das Wärmetauscherrohr zirkulierte Wärmeaustauschmedium flüssiger Stickstoff ist.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, bei welchem der zu kühlende Artikel eine Halbleiteranordnung ist, die ausgebildet ist, um bei der Kryo-Temperatur betrieben zu werden.

18. Verfahren nach Anspruch 17, bei welchem die Halbleiteranordnung ein Transistor mit hoher Elektronenmobilität ist.

19. Verfahren nach Anspruch 17, bei welchem die Halbleiteranordnung eine Komplementär-Metalloxid-Halbleiteranordnung ist.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, bei welchem der zu kühlende Artikel eine Anordnung ist, bei der ein supraleitendes Material verwendet wird, das eine Supraleitfähigkeit bei der Kryo-Temperatur zeigt.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, bei welchem der zu kühlende Artikel elektronische Ausrüstung ist, die ausgebildet ist, um bei der Kryo-Temperatur betrieben zu werden.

22. Kryo-Vorrichtung, mit einem geschlossenen Kreislaufsystem, welche einen geschlossenen Kryostat umfaßt, der, als Kühlmedium, eine Mischung eines flüssigen Stickstoffs und eines Fluorkohlenstoffs der Formel: CnF2n+2, worin n eine ganze Zahl von 2 bis 4 ist, umfaßt, wobei der Fluorkohlen-Stoff in der genannten Mischung in einer Menge von 0,1 bis 3 Mol% vorliegt, wobei der zu kühlende Artikel in das Kühlmedium im Kryostat eingetaucht wird und auf eine Kryo-Temperatur von 123 K oder weniger gekühlt wird.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, bei welcher der flüssige Stickstoff den Fluorkohlenstoff darin gelöst aufweist.

24. Vorrichtung nach Anspruch 22, bei welcher eine Wand des Kryostats mit Einlaß- und Auslaßöffnungen versehen ist, die durch Rohre mit einem getrennten Verflüssiger verbunden sind, so daß das Kühlmedium, das als Folge der vom Artikel erzeugten Wärme im Kryostat zum Sieden und Verdampfen gebracht wird, in den Verflüssiger geführt und in diesem verflüssigt wird und das so in Form einer Flüssigkeit erzeugte Kühlmedium zum Kryostat rückgeführt wird.

25. Vorrichtung nach Anspruch 22, bei welcher ein oberer Innenteil des Kryostats ein Wärmetauscherrohr aufweist, das an einer geeigneten Position darin angeordnet ist und mit einem getrennten Verflüssiger verbunden ist, so daß das Kühlmedium, das als Folge der Wärmeerzeugung im Kryostat zum Sieden und Verdampfen gebracht wird, in demselben Kryostat als Folge des Wärmeaustausches zwischen dem Dampf des Kühlmediums und einem Wärmeaustauschmedium im Wärmetauscherrohr verflüssigt wird.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, bei welcher das durch das Wärmetauscherrohr zirkulierte Wärmeaustauschmedium flüssiger Stickstoff ist.

27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 26, bei welcher der Verflüssiger eine Stirling-Kreisprozeß-Kältemaschine mit einem Kompressor aufweist.