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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine
kryogenische Vorrichtung mit hohem Kühlvermögen.
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Gegenwärtig besteht ein besonderer Bedarf an
Kühlmitteln, die insbesondere als Kühlmedium oder
Wärmeaustauschmedium zum Kühlen von Halbleitervorrichtungen geeignet
sind, wie jene, die ein Hochgeschwindigkeitsschalten bei
einer Tieftemperatur von etwa 123 K oder weniger aufweisen,
wie z. B. bei 77,3 K, d. h., bei dem Siedepunkt von
Flüssigstickstoff (LN&sub2;), oder von anderen Vorrichtungen, wie
lo jene, bei denen ein supraleitendes Material verwendet wird
und die auf dessen Arbeitstemperatur gekühlt werden. Es sei
erwähnt, daß hierin jegliche Tieftemperatur um den
Siedepunkt von Flüssigstickstoff herum als
Flüssigstickstofftemperatur bezeichnet wird.
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Wie in der Technik wohlbekannt ist, kann die
Beweglichkeit eines Trägers in einem Halbleiter durch Verringerung
der Temperatur, welcher der Halbleiter ausgesetzt ist,
erhöht werden, und auf der Grundlage dieser
Temperaturcharakteristik sind Hochgeschwindigkeitsschaltvorrichtungen
entwickelt worden, die bei der Flüssigstickstofftemperatur
betriebsfähig sind, wie Transistoren mit hoher
Elektronenbeweglichkeit (HEMTS) oder komplementäre
Metall-Oxid-Halbleiter-(CMOS)-Vorrichtungen. Zum Beispiel lehren M. Abe, T.
Mimura und M. Kobayashi in "Ultra-High-Speed HEMT LSI
Technology", FUJITSU Sci. Tech. J., 24, 4, S. 271-283
(Dezember 1988), daß HEMTS, die durch Fujitsu Limited
entwickelt wurden, eine Schaltgeschwindigkeit von 5,8 ns
erreicht haben, und T. Vacca, D. Resnick, D. Frankel, R.
Bach, J. Kreilich und D. Charlson lehren in "A Cryogenically
Cooled VLSI Supercomputer", VLSI SYSTEMS DESIGN, Juni 1987,
S. 80-84, daß der erste kryogenische Computer unter
Verwendung eines 77K-CMOS in dem vorausgehenden Jahr versandt
wurde. Um diese Vorrichtungen bei der
Flüssigstickstofftemperatur mit befriedigenden Resultaten zu betreiben, ist
es nötig, ein Kühlmittel oder ein Kühlmedium mit hoher
Leistung zu verwenden, das eine gewünschte Tieftemperatur,
wie die Flüssigstickstofftemperatur, konstant einhalten kann
und auch eine effektive Ableitung der in den Vorrichtungen
während deren Operation erzeugten Wärme zu ermöglichen.
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Um die Halbleitervorrichtungen und andere Vorrichtungen
auf eine Tieftemperatur von etwa 123K oder weniger zu kühlen
und um solch eine Temperatur beizubehalten, ist bislang
vorgeschlagen worden, einen Wärmeerzeugungsteil der
Vorrichtung in Kontakt mit einem kalten Kopf einer
Kältemaschine anzuordnen, um die Wärme, die von der Vorrichtung
erzeugt wird, durch eine Wärmeleitung abzuleiten, oder die
Vorrichtung in ein Tieftemperaturfluid, wie verflüssigtes
Gas, zu tauchen, wie zum Beispiel Flüssigstickstoff, um die
Wärme von der Vorrichtung durch eine Siedehitzeübertragung
abzuleiten.
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Besonders das letztere Kühlverfahren, das auf der
Siedehitzeübertragung basiert, kann vorteilhaft verwendet
werden, wenn die zu kühlenden Vorrichtungen eine große
Wärmeerzeugungsdichte und eine komplexe Struktur oder
Konfiguration haben. Zum Beispiel kann dieses Kühlverfahren
auf das Kühlen von zentralen Verarbeitungseinheiten (CPUs)
eines Computers angewendet werden. Obwohl eine Reihe von
verflüssigten Gasen verfügbar ist, ist das verflüssigte Gas,
das bei diesem Kühlverfahren als Tieftemperaturfluid
verwendbar ist, hinsichtlich der Toxizität und Reaktivität
solcher Gase begrenzt. Geeignete verflüssigte Gase mit einer
stabilen und einfachen Zusammensetzung sind verflüssigter
Stickstoff, der oben beschrieben ist, und verflüssigtes
Helium. Verflüssigter Stickstoff wird durch Verflüssigen von
Luft und Trennen des resultierenden Fluids erhalten.
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Die Verwendung von verflüssigtem Stickstoff als
Tieftemperaturfluid ist zum Beispiel beschrieben in F.H.
Gaensslen, V.L. Rideout, E.J. Walker und J.J. Walker "Very
Small MOSFET's for Low-Temperature Operation", IEEE TRANS-
ACTIONS ON ELECTRON DEVICES, MÄRZ 1977, worin FET's durch
direktes Eintauchen in einem offenen Becken des
verflüssigten Stickstoffs gekühlt werden. Ferner ist die Verwendung
von verflüssigten Fluorkohlenstoffen als Tieftemperaturfluid
zum Beispiel beschrieben in "Cooling a Superfast Computer",
ELECTRONIC PACKAGING & PRODUCTION, JULI 1986, worin der
gesamte Computer in eine nichtleitende zirkulierende
Fluorkohlenstoffflüssigkeit getaucht wird. Des weiteren ist die
Verwendung eines Gemischs aus verflüssigtem Stickstoff und
verflüssigtem Fluorkohlenstoff (CF&sub4;) als Tieftemperaturfluid
zum Beispiel beschrieben in T. Amano und M. Nagao "Boiling
Heat Transfer Characteristics of Mixed Coolant",
Frühjahrstreffen der Cryogenic Society of Japan 1988, C1-4, Mai 1988,
worin ein supraleitendes Material mit einer hohen Tc direkt
in ein gemischtes Kühlmittel aus dem verflüssigten
Stickstoff und dem verflüssigten CF&sub4; in einem offenen Gefäß
getaucht wird.
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Das Kühlverfahren, das durch Amano et al gelehrt wird,
ist in Fig. 1 gezeigt. Um die Effektivität des gemischten
Kühlmittels beim Kühlen des supraleitenden Materials mit
hoher Tc zu ermitteln, verwendeten sie die gezeigte
Versuchsvorrichtung, in der ein Pt-Draht 1 in einem gemischten
Kühlmittel 2 in einem offenen Vakuumgefäß 3 angeordnet ist.
Ein Thermopaar 4 als Temperatursensor, das mit einer
Aufzeichnungsvorrichtung 8 verbunden ist, ist auch in dem
gemischten Kühlmittel 2 angeordnet. In der Vorrichtung ist 5
eine Waage, die verwendet wird, um eine Veränderung des
Gewichts des Kühlmittels 2 zu bestimmen, ist 6 eine
Gleichstromzuführung und ist 7 ein Widerstand. Überraschenderweise
demonstrierten die Experimente unter Verwendung dieser
Vorrichtung, daß das gemischte Kühlmittel aus dem
verflüssigten Stickstoff und 8 mol% des verflüssigten CF&sub4; das
Kühlvermögen auf etwa das Zweifache des Kühlvermögens
erhöhen kann, das erhalten wird, wenn verflüssigter
Stickstoff allein verwendet wird. Obwohl dieser Bericht nicht die
Verwendung des gemischten Kühlmittels (LN&sub2; plus
verflüssigtes CF&sub4;) lehrt, wenn Halbleitervorrichtungen und verwandte
Vorrichtungen gekühlt werden, versteht sich, daß solch eine
Verwendung mit vielen Nachteilen einhergeht, zum Beispiel:
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(1) Da ein offenes System verwendet wird, kann
atmosphärische Luft oder Feuchtigkeit in der Atmosphäre
durch das gemischte Kühlmittel aufgenommen werden und darin
gefrieren;
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(2) Da das Kühlmittel siedet und verdampft, kann
das erzeugte Gas Luftverschmutzung verursachen, und dem
offenen Gefäß muß zusätzliches Kühlmittel zugeführt werden,
um den Verdampfungsverlust des Kühlmittels zu kompensieren.
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Um die Nachteile (1) und (2) zu vermeiden,
ist die Verwendung des gemischten Kühlmittels in einem
geschlossenen System in Erwägung gezogen worden, da aber das
gemischte Kühlmittel eine größere Menge des verflüssigten
CF&sub4; enthalten muß, d. h., 8 bis 20 mol%, wird die
Zusammensetzung des gemischten Kühlmittels bei Verflüssigung des
verdampften Kühlmittels verändert, wodurch Schwankungen des
Kühlvermögens des Kühlmittels verursacht werden. In dem
verdampften Kühlmittel tendieren ferner dessen hochsiedende
Komponenten dazu, in einem Verflüssiger oder einer
Kältemaschine, die verwendet werden, um das verdampfte Kühlmittel
wieder zu verflüssigen, wegen einer hohen Konzentration der
hochsiedenden Komponenten kondensiert und getrennt zu
werden. Die getrennten Komponenten werden ein Verstopfen der
Rohre, einen Stillstand der Vorrichtung und andere
unvermeidbare Nachteile verursachen. Nicht alle
Fluorkohlenstoffe, abgesehen von CF&sub4;, die als Zusatz zu dem
verflüssigten Stickstoff als geeignet angesehen werden, sehen ferner
eine Lösung vor, nachdem sie dem verflüssigten Stickstoff
gemäß den herkömmlichen Mischverfahren direkt beigemischt
sind; in der Praxis werden sie verfestigt und in einer
Mischvorrichtung niedergeschlagen. Ferner ist erwähnenswert,
daß die jetzigen Erfinder auch versuchten, ein gemischtes
Kühlmittel aus verflüssigtem Stickstoff und verflüssigtem
Argon oder verflüssigtem Krypton zu verwenden, aber keine
befriedigenden Kühleffekte erreichen konnten.
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Um ein erhöhtes Kühlvermögen zu erreichen, ist
andererseits vorgeschlagen worden, eine Kombination aus einem
Kryostat oder einem geschlossenen Kryobehälter und einem
Verflüssiger, besonders einer Kälteeinheit, zu verwenden,
von welchem Verflüssiger ein Wärmeaustauscherrohr in einem
oberen inneren Abschnitt des Kryostats angeordnet ist. Ein
zu kühlender Gegenstand wird in ein Kühlmittel oder Kühl
medium in dem Kryostat getaucht, und das verdampfte
Kühlmittel wird als Resultat eines Wärmeaustauschs zwischen
einem Dampf des Kühlmittels und einem Wärmeaustauschmedium,
das durch das Wärmeaustauscherrohr zirkuliert, verflüssigt.
In diesem Kryokühlsystem wird im allgemeinen verflüssigter
Stickstoff als Kühlmittel und Heliumgas als
Wärmeaustauschmedium verwendet. Dieses System ist jedoch mit den folgenden
Nachteilen behaftet:
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(1) Um unerwünschte Wirkungen auf den zu
kühlenden Gegenstand auf Grund von Vibration des Verflüssigers zu
vermeiden, muß der Verflüssiger von dem Kryostat weit
entfernt angeordnet werden;
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(2) Da Heliumgas als Wärmeaustauschmedium
verwendet wird, ist das resultierende Kühlvermögen nicht
zufriedenstellend hoch, da der Wärmeaustausch offenbar auf
dem Gas-Gas-Kontakt beruht;
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(3) Um das Kühlvermögen des Gas-Gas-Kontakt
systems zu erhöhen, ist es möglich, den Durchmesser des
verwendeten Wärmeaustauscherrohrs zu vergrößern. Dies wird
jedoch zu einer Erhöhung des Leistungs- und Anlagenbereichs
der Vorrichtung führen und somit die Betriebskosten erhöhen.
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Deshalb wird gewünscht, eine verbesserte kryogenische
Vorrichtung unter Verwendung eines Kühlmittels in einem
geschlossenen System vorzusehen, die geeignet ist und nicht
die Nachteile der kryogenischen Vorrichtungen vom gleichen
Typ nach Stand der Technik hat.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine kryogenische
Vorrichtung mit einem geschlossenen Zyklussystem vorgesehen,
die einen geschlossenen Kryostat umfaßt, der als Kühlmedium
einen oder mehrere flüssige Fluorkohlenstoffe der Formel:
CmF2m+2 enthält, wobei m eine ganze Zahl von 1 bis 4 ist,
einen zu kühlenden Gegenstand, der in das Kühlmedium
eingetaucht wird, und ein Wärmeaustauscherrohr, das in einem
oberen Abschnitt des Kryostats angeordnet ist und mit einem
separaten Verflüssiger kommuniziert, so daß das Kühlmedium,
das als Resultat einer Wärmeerzeugung in dem Kryostat
siedete und verdampfte, innerhalb desselben Kryostats als
Resultat eines Wärmeaustauschs zwischen Dampf des
Kühlmediums und einem Flüssiggas, das als Wärmeaustauschmedium in
dem Wärmeaustauscherrohr zirkuliert, verflüssigt wird.
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Zum besseren Verstehen der Erfindung und um zu zeigen,
wie dieselbe verwirklicht werden kann, wird nun nur
beispielhaft Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen genommen,
in denen:
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FIGUR 1 ein schematischer Querschnitt der
Kühlvorrichtung gemäß einem Verfahren nach Stand der Technik ist,
das hierin schon beschrieben wurde; und
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FIGUR 2 ein schematischer Querschnitt einer
Kühlvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
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Das hierin verwendete Kühlmittel ist ein
Fluorkohlenstoff QF2m+2, wobei m so ist, wie oben definiert. Der
verwendete Fluorkohlenstoff ist somit CF&sub4;, C&sub2;F&sub6;, C&sub3;F&sub8;, C&sub4;F&sub1;&sub0; oder
eine Mischung daraus. Die Verwendung von QF2m+2, wobei m 5
oder größer ist, muß vermieden werden, da solche
Fluorkohlenstoffe mit einer höheren Anzahl von Kohlenstoffatomen
einen erhöhten Siedepunkt haben.
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In der Praxis der vorliegenden Erfindung ist das
Kühlmittel als Kühlmedium in einem geschlossenen Kryostat
der kryogenischen Vorrichtung angeordnet. Ein oberer innerer
Abschnitt des Kryostats hat ein Wärmeaustauscherrohr, das an
einer geeigneten Position in ihm angeordnet ist und mit
einem separaten Verflüssiger in Verbindung steht, so daß das
Kühlmedium, das als Resultat der Wärmeerzeugung in dem
Kryostat siedete und verdampfte, innerhalb desselben
Kryostats als Resultat eines Wärmeaustauschs zwischen Dampf des
Kühlmediums und einem Wärmeaustauschmedium in dem
Wärmeaustauscherrohr verflüssigt wird. Das Wärmeaustauschmedium,
das durch das Wärmeaustauscherrohr zirkuliert, ist
vorzugsweise ein Flüssigstickstoff. Natürlich können andere
Wärmeaustauschmedien zirkulieren, falls gewünscht.
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Der verwendete Verflüssiger kann irgendeine
herkömmliche Struktur haben, aber vorzugsweise umfaßt der
Verflüssiger eine Stirling-Zyklus-Kältemaschine mit einem
Kompressor.
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Wie oben beschrieben, kann in der Praxis der
vorliegenden Erfindung irgendein Wärmeaustauschmedium verwendet
werden, aber um einen befriedigenden Wärmeaustauscheffekt zu
erreichen, ist es notwendig, durch das Wärmeaustauscherrohr
des Verflüssigers ein Wärmeaustauschmedium zirkulieren zu
lassen, das einen niedrigeren Siedepunkt als jenen des
Kühlmediums hat, das in dem Kryostat gleichzeitig verwendet
wird. Falls die obigen Forderungen erfüllt sind, erfolgt
eine Wärmeübertragung durch Sieden an dem Abschnitt des
Wärmeaustauscherrohrs in dem Kryostat, und somit wird im
Vergleich zu der Konvektionswärmeübertragung, die unter
Verwendung eines Heliumgases in dem Wärmeaustauscherrohr
erreicht wird, eine Wärmeübertragung mit höherer
Effektivität gewährleistet. Denn es wird vorgezogen, in dem
Wärmeaustauscherrohr Flüssigstickstoff als Wärmeaustauschmedium
zu verwenden.
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Die vorliegende Erfindung kann auf das Kühlen von
irgendwelchen Gegenständen angewendet werden, die auf eine
Tieftemperatur von 123K oder weniger zu kühlen sind.
Typische Beispiele für solche Gegenstände sind, obwohl nicht
darauf begrenzt, Halbleitervorrichtungen, wie Transistoren
mit hoher Elektronenbeweglichkeit oder komplementäre Metall-
Oxid-Halbleiter-Vorrichtungen, Vorrichtungen unter
Verwendung eines supraleitenden Materials, das bei der
Tieftemperatur eine Supraleitfähigkeit aufweist, oder elektronische
Anlagen, die bei der Tieftemperatur betriebsfähig sind.
Überraschenderweise können gemäß der vorliegenden Erfindung
in einer kryogenischen Vorrichtung mit einer einfachen
Struktur Großcomputer mit hoher Effektivität gekühlt werden.
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Zum kryogenischen Kühlen eines Gegenstandes, der auf
die Tieftemperatur zu kühlen ist, wird das Kühlmittel der
vorliegenden Erfindung in einem geschlossenen Kryostat
angeordnet. Das Kühlen unter Verwendung des Kryostats wird
nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben.
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Die kryogenische Vorrichtung von Fig. 2 ist der Typ des
geschlossenen Systems und umfaßt einen Kryostat 33 und einen
Verflüssiger 13, die getrennt voneinander angeordnet sind.
Der Verflüssiger 13 besteht aus einer Stirling-Zyklus-
Kälteeinheit 14 und einem Hochdruckkompressor 15. Ein
Wärmeaustauscherrohr 38 von dem Verflüssiger 13 ist in einem
oberen inneren Abschnitt des Kryostats 33 angeordnet, um das
Kühlen und Verflüssigen des verdampften Kühlmediums zu
bewirken. Ein Wärmeaustauschmedium 39, das durch das
Wärmeaustauscherrohr 38 zirkuliert, ist Flüssigstickstoff.
Verdampftes Wärmeaustauschmedium, das durch den unteren
Schenkel des Rohrs 38 in den Verflüssiger zurückgeführt
wird, wird unter einem angewendeten Druck von etwa 1,3 bis
1,5 atm gekühlt, um das flüssige N&sub2;-Kühlmittel zu bilden.
Das Gas wird gekühlt, indem ein Bodenabschnitt des Behälters
17 mit einem Kältekopf (nicht gezeigt) der Kälteeinheit 14
gekühlt wird. Ein spezielles Kühlgas, das zum Beispiel eine
Temperatur von etwa 70K hat, wie Flüssighelium mit 11 bis 13
kg/cm² wird in dem Kompressor 15 komprimiert, und das
komprimierte Gas wird mit einem Kolben 16 adiabatisch gekühlt,
und als Resultat eines indirekten Kontaktes des so gekühlten
Gases in dem kalten Kopf mit dem zurückgeführten Gas aus dem
Kryostat 33 wird das Kühlmittel in dem Behälter 17 erzeugt.
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Das Kühlvermögen des verwendeten Kühlmediums wird
bewertet, indem es als Wärmefluß bei der Verschiebung vom
Sieden mittels Keimbildung zum Schicht- oder Filmsieden
definiert wird. Der Verschiebungspunkt wird bestimmt, indem
die Beziehung zwischen der Chiptemperatur und der
Leistungsabführung gemessen wird. Die Chiptemperatur wird an Dioden
gemessen, die auf der Chipoberfläche gebildet sind. Die
erreichten Resultate waren befriedigend. Die Kühlfähigkeiten
pro Einheitsbereich der LSI-Chips am Übergangspunkt zum
Schichtsiedezustand waren über zwei- bis dreimal höher, als
wenn bei einem Vergleichsexperiment Flüssigstickstoff als
Kühlmittel verwendet wurde. Bezüglich der gezeigten
Vorrichtung sei angemerkt, daß es möglich ist, einen
Durchmesser des Wärmeaustauscherrohrs zu reduzieren, ohne das
Kühlvermögen zu verringern, da das Wärmeaustauschmedium kein
Gas sondern eine Flüssigkeit ist, wie Flüssigstickstoff.
Wenn zum Beispiel das Kühlen von 1 kW beabsichtigt ist, kann
die Wärmeübertragung auf 10&sup5; W/m²K (10³ W/m²K bei Verwendung
von He-Gas) erhöht werden, und der Durchmesser des
Wärmeaustauscherrohrs kann auf 25 mm∅ (50 mm∅ bei He-Gas)
reduziert werden.
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In Fig. 2 kann, obwohl nicht gezeigt, ein Heizer mit
einem Bodenabschnitt des Behälters 17 verbunden werden. Der
Heizer kann vorteilhaft verwendet werden, um die Temperatur
des Kühlmediums auf einen annähernden Siedepunkt von ihm zu
steuern oder um die Geschwindigkeit der
Wärmeaustauschreaktion
zu steuern.
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Die Erfinder haben herausgefunden, daß die ähnlichen
und befriedigende Resultate erreicht werden können, welcher
der obengenannten Fluorkohlenstoffe auch immer als
Kühlmittel in dem Kryostat verwendet wird. Irgendein
verflüssigtes Gas kann als Wärmeaustauschgas in dem
Wärmeaustauscherrohr des Verflüssigers verwendet werden, in
Abhängigkeit von den speziellen Eigenschaften des
selektierten Fluorkohlenstoffs. Im allgemeinen hat das verflüssigte
Gas in dem Wärmeaustauscherrohr einen niedrigeren Siedepunkt
als der Fluorkohlenstoff, der in dem Kryostat verwendet
wird. Wie bei dem vorher beschriebenen Beispiel wird
vorzugsweise Flüssigstickstoff als Wärmeaustauschmedium
verwendet.
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Unter Verwendung der kryogenischen Vorrichtung von Fig.
2 und des Fluorkohlenstoffes CF&sub4; als Kühlmedium wurde das
folgende Experiment ausgeführt.
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Eine Schaltungsplatte 32 mit der Größe von 100 mm x 100
mm und mit 4 x 4 LSI-Chips 31 mit der Größe von 10 mm x 10
mm, die auf ihr montiert waren, wurde in das Kühlmedium
(flüssiges CF&sub4;) 34 in dem Kryostat 33 getaucht. Bei
Anwendung einer elektrischen Spannung durch ein elektrisches
Kabel (nicht gezeigt) auf die LSI-Chips 31 begann das Sieden
des Kühlmediums 34, und auf der Oberfläche der erhitzten
LSI-Chips 31 wurden kleine Blasen 35 aus dem Dampf des
Mediums 34 erzeugt. Die Chips 31 wurden somit als Resultat
einer Entfernung von Verdampfungswärme von der
Chipoberfläche gekühlt.
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Ferner wurde das verdampfte Kühlmedium einem indirekten
Wärmeaustausch mit dem Wärmeaustauschmedium (flüssiges N&sub2;)
in dem Wärmeaustauscherrohr 38 ausgesetzt, und als Resultat
wurde der Mediendampf auf etwa 90K gekühlt, und das so
verflüssigte Medium tropfte in das nichtverdampfte
Kühlmedium 34. In dem Wärmeaustauscherrohr 38 wurde das
zirkulierende
flüssige N&sub2; zuerst mit der Wärme von dem CF&sub4;-Dampf
gesiedet, um einen Fluß des Gas-flüssig-Gemischs zu bilden,
und in den Verflüssiger 14 zurückgeführt, in dem es
verflüssigt wurde.
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Die Resultate des Experimentes zeigten, daß das
Kühlvermögen der Vorrichtung 500 W beträgt, d. h., es ist etwa
fünfmal höher als jenes (100 W) der Vorrichtung nach Stand
der Technik, in der ein He-Gas als Wärmeaustauschmedium
verwendet wird. Obwohl bei dem obigen Experiment das
flüssige CF&sub4; verwendet wurde, sei erwähnt, daß es durch andere
Fluorkohlenstoffe, d. h., durch flüssiges C&sub2;F&sub6;, C&sub3;Fe, C&sub4;F&sub1;&sub0;
oder eine Mischung daraus ersetzt werden kann, und für jeden
Fluorkohlenstoff kann ein geeignetes Wärmeaustauschmedium
ausgewählt werden.