JPH03103488A - Low-temperature cooling medium, production thereof, method for cooling and cooler - Google Patents

Low-temperature cooling medium, production thereof, method for cooling and cooler

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JPH03103488A
JPH03103488A JP1298769A JP29876989A JPH03103488A JP H03103488 A JPH03103488 A JP H03103488A JP 1298769 A JP1298769 A JP 1298769A JP 29876989 A JP29876989 A JP 29876989A JP H03103488 A JPH03103488 A JP H03103488A
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cooling medium
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Abstract

PURPOSE:To obtain a new low-temperature cooling medium for use in closed loop coolers by cooling a mixed gas of liquid nitrogen and a specific fluorocarbon under pressure and liquefying the mixed gas. CONSTITUTION:The objective cooling medium obtained by cooling a mixed gas of (A) liquid nitrogen and (B) a fluorocarbon expressed by the formula CnF2n+2 (n is an integer of 2-4) under pressure and liquefying the above- mentioned mixed gas. Furthermore, a closed loop cooler has a cryostat containing a fluorocarbon as a cooling medium placed therein and a heat exchange pipe, arranged in an upper internal space of the aforementioned cryostat and led from a liquefier. A liquefied gas as a heat exchange medium is circulating through the interior of the aforementioned heat exchange pipe. A substance to be cooled is dipped in the cooling medium to carry out cooling.

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。
[Detailed Description of the Invention] [Summary] The present invention relates to a low-temperature cooling medium, and provides a low-temperature cooling medium that can efficiently cool an object to be cooled with a high cooling capacity without causing unevenness in assembly or fluctuations in cooling capacity. For the purpose of this, liquid nitrogen and carbon fluoride represented by the following formula: CnF. ,,. 2 (in the formula, n is an integer of 2 to 4).

〔産業上の利用分野〕[Industrial application field]

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。
The present invention relates to low temperature cooling media. More particularly, the present invention relates to cryogenic cooling media with high cooling capacity for use in cryogenic cooling devices.

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。
The cooling medium (or "refrigerant") of the present invention is suitable for use in semiconductor devices at extremely low temperatures, e.g., less than about 123 K, e.g., 77.3 K (
That is, liquid nitrogen LN. (boiling point)) and other devices, such as devices and circuit boards using high Tc (critical temperature) phase oxide superconductors that exhibit superconductivity at liquid nitrogen temperatures. It is particularly suitable as a cooling medium or a heat exchange medium when cooling to the operating temperature. In addition, in the specification of this application, the following
The temperature at or near the boiling point of liquid nitrogen mentioned above will also be referred to as liquid nitrogen temperature, as is commonly used in this field. The invention also relates to a method of producing a low temperature cooling medium as described above, a method of cooling an object to a cryogenic temperature, and a closed loop cooling device using such a low temperature cooling medium.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

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。
For example, as is well known, the carrier mobility of a semiconductor device increases as the temperature of the surroundings surrounding the device decreases due to a decrease in lattice scattering. Further, by utilizing this property, high-speed arithmetic elements such as HIEMT or CMOS have been developed with the aim of operating at liquid nitrogen temperature. Operating these devices requires a coolant to maintain them at liquid nitrogen temperatures while efficiently dissipating heat.

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。
Conventionally, in order to maintain and cool electronic devices such as semiconductor devices in a low-temperature environment, there are two methods: one method is to bring the heat generating part of the device into contact with the heat exchange part of a refrigerator and radiate heat by conduction, and the other is to immerse the device in liquefied gas such as liquid nitrogen. There is a method of dissipating heat by boiling heat transfer. The method of immersing the device in liquefied gas is particularly advantageous for devices such as computer CPUs (Central Processing Units), which have a large heat generation density and are difficult to connect to a refrigerator. Furthermore, various types of liquefied gases can be considered as low-temperature refrigerants, but there are only a few stable refrigerants that are neither toxic nor reactive, such as liquid nitrogen and liquid helium.

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。
Incidentally, the therapeutic properties of cryogenic liquids are shown in Table 1 below.

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    195 N277、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。
Table 1? 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 195 N277,3 199' 1
40 Among the low-temperature liquids listed in Table 1 above, C○ is toxic, Cl4 is flammable, and 02 is oxidizing, so there are problems in its application as low-temperature refrigerants.
Liquid nitrogen obtained by liquefying and separating air is preferred as the low-temperature refrigerant.

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。
Examples of using liquid nitrogen as a low-temperature refrigerant include, for example, F. H
, Gansslen et al., “Very Small M
OSFBT's forLow-Temperature
e Operation”, IEBεTRANSAC
TIONS ONE ELECTRON DEVICES,
Written in March 1977. In this literature,
It has been taught to immerse the FET directly in an open pool of liquid nitrogen. It is also known to use liquid fluorocarbon as a low temperature refrigerant. For example, “Cooling
a Superfast Computer”.ELE
CTRONIC PACKAG[NG & PROD[
ICTION. In July 1986, the entire supercomputer CRY-2 was taught to be immersed in recirculated liquid fluorocarbon.

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。
Furthermore, as another useful low-temperature refrigerant, a refrigerant made by mixing liquid nitrogen with 8 mol% of liquid carbon tetrafluoride and having twice the cooling capacity of nitrogen is known [Amano, Nagao (Mitsubishi Electric, (Central Research Institute) May 1988, Society of Cryogenic Engineering, Spring Lecture C
I-41. According to this document, it is reported that an excellent cooling effect (approximately twice that of liquid nitrogen alone) can be obtained by directly immersing a high Tc superconductor in the described mixed refrigerant.

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。
The cooling method described in the literature by Amano et al. uses an open system as shown in FIG. That is, a mixed refrigerant 2 consisting of liquid nitrogen (LN2) and carbon tetrafluoride (CF4) is placed in an open vacuum container 3, and the object to be cooled 1 is poured into this mixed refrigerant (here, in order to evaluate the cooling capacity, A platinum wire is immersed in place of the superconductor. A thermocouple 4 as a temperature sensor is also immersed in the coolant 2, and the other end is connected to a recorder 8. This device also includes: A scale 5, a DC power source 6, and a resistor 7 are incorporated.

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。
By the way, in low-temperature cooling, a closed-loop cooling system that is isolated from the outside air is used to avoid freezing and contamination of the atmosphere and moisture in the atmosphere, and to re-liquefy and circulate gas that has boiled and vaporized due to the heat of the heating element. Ru.

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
The above mixed refrigerants have high cooling capacity, but when a refrigerant with a high concentration of carbon tetrafluoride is used in a closed-loop cooling system, the vapor contains many low-boiling components, so the liquid phase and gas phase,
Or, an imbalance occurs in the refrigerant composition between the boiling section and the condensing section.
There was a drawback that the cooling capacity fluctuated. In addition, conventional mixed refrigerants require the addition of large amounts of carbon tetrafluoride to achieve high cooling capacity, making them difficult to use in closed-loop cooling systems that are essential for low-temperature cooling of electronic devices. I couldn't. Furthermore, the materials that can be expected to have a cooling effect when mixed with liquid nitrogen are limited to fluorocarbons, etc., which have a melting point higher than the boiling point of liquid nitrogen. However, in the conventional method of directly mixing liquid nitrogen and liquid carbon fluoride, most of the carbon fluorides, except carbon tetrafluoride, are assimilated and precipitated and do not dissolve.

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。
The present inventors tried using liquid nitrogen and liquid argon, liquid nitrogen and liquid krypton, etc. as a mixed refrigerant, but no cooling effect could be obtained.

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。
Therefore, in order to obtain a low-temperature refrigerant for closed-loop cooling that is free from non-uniform composition and fluctuations in cooling capacity within the circulation system, it is necessary that the amount of the other component is small and the cooling capacity is high.

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。
On the other hand, a typical closed-loop cooling system is a device consisting of a cryostat (low-temperature cooling container) and a refrigerator. This device immerses the cooled body (heating element) in the refrigerant liquid in the cryostat, and circulates liquid nitrogen as a heat exchange refrigerant between the heat exchanger installed above the refrigerant liquid in the cryostat and the refrigerator. That's what I do. In this case, the refrigerator needs to be placed as far away from the cryostat as possible to prevent the vibrations of the refrigerator from being transmitted to the object to be cooled. The conventional method for connecting a cryostat and a refrigerator at a distance is to circulate helium gas through an insulated tube to a heat exchanger inside the cryostat, but because it uses gas for heat transfer, it requires a large amount of heat. It has the disadvantage that it cannot cope with cooling the amount of heat.

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。
Therefore, it is desired to provide a low-temperature cooling device that has a large cooling capacity even if the distance between the cryostat and the refrigerator is increased.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

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。
It is an object of the present invention to provide a new low temperature cooling medium for use in closed loop cooling devices.

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。
This cooling medium should exhibit a high cooling capacity and should not have the drawbacks of the prior art as mentioned above.

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。
Another object of the invention is to provide a method for producing the above-mentioned novel cryogenic cooling medium in the form of a solution.

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。
Another object of the present invention is to provide a cooling method using the above-mentioned novel low-temperature cooling medium.

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。
Yet another object of the present invention is to provide a closed loop cooling device using the novel cryogenic cooling medium described above.

・〔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。
- [Means for Solving the Problems] As a result of intensive research to solve the above-mentioned problems, the present inventors found that if a specific fluorocarbon of the following formula: C. F2. , 2 (in the formula, n is an integer from 2 to 4) and liquid nitrogen can be used to achieve the desired purpose. Although this was completely unexpected, it was possible to significantly improve the cooling capacity simply by adding a small amount of fluorocarbon.

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。
In one aspect of the invention, a low temperature cooling medium for use in a closed loop cooling system comprises liquid nitrogen and a fluorocarbon represented by the formula: ChF2n+2, where n is 2.
is an integer of ˜4).

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。
In another aspect of the invention, liquid nitrogen and a fluorocarbon having the formula: ChF2n. 2 (n in the formula is 2
is an integer of ~4), nitrogen and fluorocarbon represented by the following formula: C-F2,,+2 (n in the formula is the same as defined above) A method for producing a low-temperature cooling medium is provided, which comprises cooling and liquefying a mixed gas under pressure.

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。
In another aspect of the invention, liquid nitrogen and a fluorocarbon represented by the formula: C-F2-+2, where n is 2
In producing a low-temperature cooling medium consisting of a mixture of (an integer of ~4), a gaseous fluorocarbon represented by the following formula:
CnF2-+2 (n in the formula is the same as the above definition)
Provided is a method for producing a low-temperature cooling medium, which comprises blowing carbon fluoride into liquid nitrogen to obtain liquid nitrogen in which carbon fluoride is dissolved.

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。
In yet another aspect of the present invention, in cooling an object to be cooled (hereinafter referred to as a "cooled object") to an extremely low temperature of less than about 123 K, liquid nitrogen and Carbon fluoride: A cooling method characterized by immersing an object to be cooled in a low-temperature cooling medium of a closed-loop cooling system consisting of a mixture of C.F., (n in the formula is an integer from 2 to 4). provided.

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。
In yet another aspect of the invention, a closed loop cooling system comprises liquid nitrogen and carbon fluoride: CnF2. +2 (in the formula, n is an integer from 2 to 4) has a cryostat containing a mixture as a cooling medium, and the object to be cooled is immersed in the cooling medium to perform cooling. A closed loop cooling device is also provided.

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。
In yet another aspect of the present invention, there is provided a closed-loop cooling device comprising fluorocarbon represented by the following formula: c
.. F2n+. (m in the formula is an integer of 1 to 4v) is placed as a cooling medium, and the cryostat is arranged in an internal space above the cryostat, and a liquefied gas as a heat exchange medium is circulated inside the cryostat. There is also provided a closed loop cooling device characterized in that it has a heat exchange tube from a liquefier, and the object to be cooled is immersed in the cooling medium to perform cooling.

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。
As detailed below, in accordance with the present invention, small amounts of fluorocarbon can be used in liquid nitrogen to provide unexpectedly enhanced cooling capacity.

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。
Comparing this cooling capacity with the case of using liquid nitrogen alone, the cooling capacity of the present invention is approximately twice as high as that of the case of using liquid nitrogen alone. No shortcomings are recognized. These and other advantages of the invention will become more apparent from the description below.

〔作 用〕[For production]

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。
Although the details of the mechanism behind the improvement in cooling capacity when using the cooling medium of the present invention have not yet been clarified, based on the experience of the present inventors, it is assumed that there may be the following reasons. be done.

1〉2或分の混合による冷却媒体の体積の低下。1> Decrease in the volume of the cooling medium due to a certain amount of mixing.

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。
This volume reduction occurs in a manner similar to when mixing water and alcohol. That is, when the mean free path diameters of the molecules differ significantly, the volume of the molecular mixture decreases as a result of close packing of the molecules. Appropriate amount of fluorocarbon C. If F2n or (n=2, 3 or 4) is used in liquid nitrogen, the resulting reduction in the volume of the cooling medium will result in an additional increase in cooling capacity.

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。
2) Decrease in the surface tension of the cooling medium. In other words, in the immersion cooling method of the present invention, the limit of the cooling capacity that can stably cool the object to be cooled (heating element) with a small temperature rise is the film boiling transition point of the cooling medium (cooling capacity when transitioning to the film boiling state). ), and the film boiling transition point, which is the limit for stable cooling, differs depending on the physical properties of the liquid fraction of the cooling medium, such as heat of vaporization and surface tension.

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
Carbon fluoride C. F2r++2 has a low surface tension and therefore dissolving fluorocarbon in liquid nitrogen significantly reduces the surface tension of the resulting mixture: cooling medium. Therefore, when a heating element is boiled and cooled in this mixed liquid, the vapor bubbles generated on the surface of the heating element will leave the heating element surface in the early stage of generation, delaying the transition to film boiling. It becomes like this. Furthermore, the generated bubbles destroy the boundary layer of the cooling medium that is in contact with the heating element.

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。
As a result, the cooling capacity is improved. Note that with fluorinated carbon having a large molecular weight, the cooling ability can be improved at a lower concentration. However, if the carbon number n of carbon fluoride (CnF2n+2) exceeds 4, the boiling point will rise and it will become solid when mixed with liquid nitrogen, so in the present invention, n=2 to 4 was particularly selected.

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。
In addition, various substances such as carbon chloride were investigated as substances to be mixed with liquid nitrogen, and the effect of carbon fluoride was remarkable.

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。
One of the reasons for this is thought to be the decrease in surface tension described above.

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。
3> Dissolution conditions for carbon fluoride. If liquid fluorocarbon is gradually frozen, it will thicken and become gelatinous. If carbon fluoride were to be dissolved in liquid nitrogen, a loose gelatinous liquid would form, and therefore the heat of vaporization and Therefore, it is considered that the cooling capacity is improved.

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。
On the other hand, in order to cool and reliquefy the boiling and vaporized refrigerant in the cryostat using a heat exchanger, it is necessary to circulate a refrigerant with a lower boiling point than the refrigerant in the cryostat through the heat exchanger.

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。
Therefore, the heat exchange refrigerant liquid nitrogen (boiling point 77.2K)
When CF4 (boiling point 145.2 K), which has a higher boiling point, is used as a refrigerant for cooling the immersion liquid and circulated inside the cryostat, boiling heat transfer occurs in the heat exchanger section, so it is more efficient than convective heat transfer using helium gas. Highly efficient heat transfer is possible.

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。
In addition, the heat of vaporization of CF is as large as 136 J/g.
Since the heat of vaporization of liquid nitrogen is close to 198 J/g, C
F. Even if the circulation speed is slow, sufficient cooling can be achieved within the cryostat.

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。
In one aspect, the present invention utilizes these results to improve cooling capacity.

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。
For reference, the thermal properties of cryogenic liquids are shown in the table below. Here, the boiling point is K1, the heat of vaporization is J/g, and the thermal conductivity is mW/mK.
It is expressed as

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。
Low temperature liquid boiling point 81.7 87.3 90.2 111.7 1
19.8 145.2 Heat of vaporization 215, 9 163.
2 213.1 510.3 107.7 1
36.2 Thermal conductivity 140 120 148
193 [Preferred Aspects and Examples of the Invention] As described in the "Means for Solving the Problems" section, the low-temperature cooling medium according to the present invention comprises liquid nitrogen and fluorocarbon CnF2n+a (n in the formula (same as in the definition). This low-temperature cooling medium is preferably used in the form of carbon fluoride dissolved in liquid nitrogen.

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。
The carbon fluoride used in the present invention is C, F6, C3
Fll, C4FIO or a mixture thereof. C.F. It is also possible to use CF. It is necessary to add a large amount of CF. There may also be disadvantages caused by the use of More specifically, carbon fluoride, C2Fg, CsFe, etc., which have large molecular weights, have a high melting point and are difficult to dissolve in liquid nitrogen, but can lower the surface tension at a lower concentration than carbon tetrafluoride.

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。
Therefore, in the present invention, instead of the conventional carbon tetrafluoride, attention was paid to carbon fluoride having a larger molecular weight as a mixture. As detailed below, a mixed refrigerant of carbon fluoride with a large molecular weight can be produced by cooling a mixed gas of nitrogen and carbon fluoride under pressure, or by blowing carbon fluoride gas into liquid nitrogen. This made it possible to obtain a mixed refrigerant with a small amount of other components and a high cooling capacity.

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。
On the other hand, fluorocarbon C. n in the formula of F2ゎ+2 is 5
or more, the boiling point is high due to its large molecular weight, and it dissolves only in trace amounts in liquid nitrogen, or hardly dissolves at all, but rather can solidify when mixed with liquid nitrogen, and therefore when cooled Its use as a medium is not possible.

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。
According to the present invention, about 8 to 20 mole % or more of fluorocarbon CF. Compared to conventional cooling media that added C to liquid nitrogen, a smaller amount of fluorocarbon C,
, F2, , +2 (n=2n3 or 4) to liquid nitrogen is sufficient. That is: In order to obtain the cooling medium of the present invention, fluorocarbon C total 2-+2 (Tl = 2.3 or 4) is preferably added to liquid nitrogen in an amount of 0.1 to 3 mol%. In C2FG, 0
.. The cooling capacity can be improved with an addition amount of 1 mol% or more, and 3
.. The maximum improvement in cooling capacity can be obtained at 5mo1%. Even if the amount added is higher than that, the cooling effect will not change much.

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。
Due to the solubility of C2F6 in liquid nitrogen, if 3 mol % or more of C2F6 is mixed, the resulting cooling medium becomes cloudy and its effectiveness decreases. Therefore, the mixing ratio of C and F6 to liquid nitrogen is:
Preferably it is 0.1 to 3 mol%. C3F8, like the above-mentioned C2F6, dissolves up to approximately 3 mol%, and when it exceeds this, the resulting cooling medium becomes cloudy, and the effect of adding it to liquid nitrogen is almost the same as in the case of C2F6. The mixing ratio of C3F8 is more preferably 0.1 to 0.
It is 5 mol%.

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。
The same applies to C4FIO. In C4FIO, the amount dissolved in liquid nitrogen is 0.5 mol% or less, and although the solubility becomes low, the cooling capacity can be improved at 0.1 to 0.5 mol%. The mixing ratio of C4FIO is more preferably 0.1 to 0.3 mol%.

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。
The low temperature cooling medium according to the invention can be advantageously manufactured according to the procedure as described below.

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。
The first manufacturing method uses nitrogen and fluorocarbon represented by the following formula: Cr+F2n. This method includes the step of cooling and liquefying a mixed gas of 2 (n in the formula is the same as defined above) under pressure. In the case of this manufacturing method, the ratio of nitrogen to fluorocarbon in the gas mixture is preferably substantially the same as that of the resulting cooling medium, and during the cooling step, the ratio of nitrogen to fluorocarbon is preferably 1-2.
Preferably, elevated pressure is applied to the gas mixture, and the gas mixture in a high-pressure container, such as a cylinder, is also introduced into a liquefier where it is cooled with compressed, adiabatic cooling gas onboard. It is preferable to do so.

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
The second manufacturing method uses gaseous fluorocarbon represented by the following formula: C,,F2,,. 2 (in the formula, n is the same as defined above) is blown into liquid nitrogen to obtain liquid nitrogen in which carbon fluoride is dissolved.In the case of this production method, a high-pressure vessel Blowing the gaseous fluorocarbon therein into liquid nitrogen in a container such as a Dewar bottle, and also pre-cooling the gaseous fluorocarbon before blowing it into the liquid nitrogen, specifically Specifically, the gaseous fluorocarbon can be cooled to a temperature near its boiling point (just before the fluorocarbon is liquefied) by passing it through liquid nitrogen in a separate Dewar-like container. preferable.

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。
In the cooling method and cooling apparatus according to the present invention, that is, in the method for cooling an object to be cooled to a cryogenic temperature of less than about 123 K, and in the apparatus for carrying out such a method, a mixture of liquid nitrogen and fluorocarbon as described above is used. A low-temperature cooling medium is used in a closed loop system, and the object to be cooled is immersed in the cooling medium.

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。
According to a preferred embodiment of the invention, a cooling medium is introduced into the closed talioskut of the cooling device as a medium for cooling the object to be cooled. In this embodiment, it is preferable that the cooling medium boiled and vaporized in the cryostat is transferred to another liquefier and liquefied there, and the obtained liquid cooling medium is returned to the cryostat again.

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。
According to another preferred embodiment of the invention, the cooling medium boiled and vaporized in the cryostat is not transferred to a separate liquefier and liquefied there, but is liquefied in the same cryostat. In other words, the vapor of the cooling medium produced within the cryostat and its appropriate position within the cryostat (
Heat exchange is performed with a heat exchange medium in a heat exchange tube disposed in the heat exchange section, and as a result, the vapor of the cooling medium is liquefied. In this embodiment, the heat exchange medium circulated within the heat exchange tubes is preferably liquid nitrogen. However, other heat exchange media may be used if desired.

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。
In the cooling device of the present invention, openings for charging and discharging are provided on the wall surface of the cryostat, and these openings are
It communicates with another liquefier via a conduit. With such a structure, the cooling medium that boils and vaporizes in the cryostat due to the heat generated by the object to be cooled can be guided to the liquefier and liquefied there, and the obtained liquid cooling medium can be returned to the cryostat.

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。
Otherwise, a heat exchange tube is placed at a suitable location in the internal space above the cryostat and communicated with another liquefier. Assuming such ta, the cooling medium that boils and vaporizes in the cryostat due to the heat generated by the object to be cooled is transferred in the same cryostat as a result of heat exchange between the vapor of the cooling medium and the heat exchange medium in the heat exchange tube. , can be liquefied. The coolant thus liquefied falls into the coolant remaining in the cryostat.

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。
The liquefier used in the practice of this invention can have any conventional construction, but preferably has a Stirling cycle refrigerator and compressor combination.

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。
As previously mentioned, any heat exchange medium may be used in practicing the present invention. However, a satisfactory heat exchange effect can be obtained. At the same time, it is necessary to use a heat exchange medium that has a lower boiling point than the cooling medium for the object to be cooled used in the cryostat, and to circulate this heat exchange medium through the heat exchange tubes of the liquefier. If this requirement is met, boiling heat transfer will occur in the heat exchange tube section, and therefore more efficient heat transfer than convective heat transfer obtained by using helium gas in the heat exchange tubes. It becomes possible. This is why, as mentioned above, the cooling medium of the present invention is preferably used as a cooling medium for the object to be cooled in a cryostat, while liquid nitrogen is used as a heat exchange medium in a heat exchanger tube. .

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。
The present invention can be applied to cooling an object to be cooled to a cryogenic temperature of less than about 123K. Examples of suitable cooled objects include, but are not limited to, HEMT. These include semiconductor devices such as CMOS, devices using high Tc superconductors that exhibit superconductivity at extremely low temperatures, electronic devices designed to be used at extremely low temperatures, circuit boards, and others. Surprisingly,
According to the present invention, even a large-sized computer can be cooled with high efficiency within a cooling device with a simple structure.

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。
Next, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, in which FIG. 1 and FIG. 2 each illustrate an apparatus for producing a low-temperature cooling medium according to the present invention.

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。
In the apparatus shown in Fig. 1, the Stirling cycle refrigerator l
A cooling medium was produced using a liquefier 13 having a high-pressure compressor 15 and a high-pressure compressor 15. A gas cylinder 11 was charged with a mixed gas of nitrogen and carbon fluoride (C2F6 was used here), and the mixed gas was supplied to the refrigerator 14 via a conduit l2. Freezer 1
The gas in the container 17 of No. 4 is cooled under pressure of about 1.3 to 1.5 atmospheres, and is liquefied to form a cooling medium, that is, liquid nitrogen (L
A mixture of N2) and C2F6, 18, was formed. To cool the mixed gas, the bottom of the container 17 was cooled by a cold head (not shown) of a refrigerator l4. To explain in more detail now, a suitable cooling gas having a temperature of about 70K, for example helium at 11-13 kg/cd, is supplied to the compressor 1.
5, this compressed gas was adiabatically cooled by a piston 16, and the thus cooled gas was transferred to a cold head so that the cooling gas and the mixed gas from the gas cylinder 11 came into indirect contact. The liquefied mixed gas l8 accumulated in the container 17.

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。
In the case of manufacturing the low-temperature refrigerant shown in the figure, the mixing ratio of carbon fluoride (C2Fg) in the resulting mixed refrigerant is determined by the concentration of the nitrogen monofluoride (C2FG) mixed gas filled in the gas cylinder. A mixed refrigerant ratio can be obtained with good controllability and reproducibility.

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。
In the apparatus shown in FIG.
The cooling medium was produced by blowing 2FB gas). The C2FG gas in the gas cylinder 21 was pre-cooled to a temperature before the C2F6 gas was liquefied before being blown into the liquid nitrogen 28 in the Dewar bottle 27. That is, the C. F. Precooling was performed by passing the gas via conduit 22 to a cooling tube 23 immersed in liquid nitrogen 26 of a Dewar bottle 25 and circulating it inside the tube. After precooling, the cooled fluorocarbon gas from cooling pipe 23 was sent through conduit 24 to Dewar bottle 27 and bubbled in liquid nitrogen 28 within the bottle. As a result of this bubbling, the cooling medium, i.e.
Liquid nitrogen and C. F. A mixture of 27 was obtained in a Dewar bottle. Here, C2F. The mixing ratio of C. F. Gas pressure; C. By appropriately changing the flow rate of F6 gas, etc., it was possible to freely control the flow rate.

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。
In addition, in the production of the above-mentioned low-temperature cooling medium with reference to FIGS. 1 and 2, ChF2 where n in the formula is 2 is used as fluorocarbon.
n+2, that is, C. F. As mentioned above, this example uses C3F8, C4P r with n=3.4.
o or a mixture thereof.

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。
Also, in the example of FIG. 2, C2F. Although gas was used, nitrogen gas may also be mixed therein.

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。
In the present invention, the low-temperature cooling medium of the present invention is introduced into a closed-loop cooling device, particularly its cryostat, in order to cool the object to be cooled to extremely low temperatures. Cooling using this cryostat will be explained below with reference to the attached FIGS. 3 and 4. Note that in FIG. 3, the heat exchange section is omitted in order to facilitate understanding of the invention.

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
In FIG. 3, a closed cryostat 33 was loaded with a cooling medium 34 of the present invention. Cooling medium 34 used here
was a mixture of liquid nitrogen and fluorocarbon CF4 at 3.41 mole percent of the total media. 10mm square LSI chip 3
100+n+n square circuit board 32 with 4x4 1 mounted
was immersed in the cooling medium 34 in the cryostat 33.

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。
Here, when electric power is applied to the element (LSI chip 31) via a supply cable (not shown), the cooling medium 34 starts boiling, and fine vapor bubbles 3 form the surface of the element.
5 occurred. The element was thus removed from the heat of vaporization and cooled.

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。
The cooling capacity of the used cooling medium was evaluated by defining it by the heat flow east when the cooling medium transitions from nucleate boiling to film boiling. The film boiling transition point was determined by measuring the relationship between device temperature and power loss. Measurement of the temperature of the device was performed at a diode formed on the surface of the device.

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。
From the results of this evaluation, when the cooling medium was pure liquid nitrogen, the cooling capacity per unit area of the element when transitioning to the film boiling state was 15 to 20 W/crl, but in the above example, it was 30 to 50 W/crl. /crl, which was clearly improved by 2 to 3 times.

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。
Furthermore, the above method can be applied to CF. By changing the mixing amount of (
0 to 20.7 mol%> Repeatedly, the CF. of the cooling capacity of the cooling medium. A graph showing the concentration dependence was plotted. The results obtained are shown in FIG.

上記では、本発明の冷却を第3図を参照して説明した。Above, the cooling of the present invention has been described with reference to FIG.

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。
To explain this cooling in more detail, the cooling of the present invention is as follows:
For example, it can be carried out advantageously using the cooling device shown in FIG. 5 or FIG. 6.

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。
As is clear from the figure, the cooling device shown in FIG. 5 was a closed loop cooling system having a cryostat 33 and a liquefier 13. The liquefier 13 was isolated from the refrigerator 14 and the high-pressure compressor 15, as described above with reference to FIG. The cooling medium 34 filled in the cryostat 33 was a mixture of liquid nitrogen and 0.5 mol % carbon fluoride (C2F, used here), that is, a mixed refrigerant.

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。
4x4 10mm square LSI chips 3L are mounted on a 100mm square circuit board 32, and these are mounted on a cryostat 33.
It was directly immersed in the mixed refrigerant 34 inside. When power was applied to the element (LSI chip 31) from a power source (not shown) via a power supply cable (not shown), the mixed refrigerant 34 started boiling, and fine bubbles 35 were generated from the surface of the element 31.Element 31 was therefore deprived of the heat of vaporization and cooled.

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。
The vapor of the vaporized mixed refrigerant was sent to the container 17 of the refrigerator 14 via the supply conduit 36, and then liquefied in the container. To perform this liquefaction, the bottom of the container 17 was cooled with a cold head (not shown) of the refrigerator 14. Also, this cooling, as described earlier with reference to FIG.
The test was carried out using the compressor 15 and the piston 16 attached to it. That is, the function of the liquefier R13 shown in FIG. 5 is substantially the same as that shown in FIG. The coolant liquid collected in vessel 17 was circulated to cryostat 33 via supply conduit 37 .

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。
The cooling capacity of the used cooling medium was evaluated as described above, and the evaluation results are plotted in FIG. 7 as a relationship between the temperature of the LSI chip immersed in the cooling medium. For comparison, liquid nitrogen alone was used as the cooling medium, and the evaluation results of the cooling capacity were plotted in FIG. 7 as well. From the results plotted in FIG. 7, it is clear that the mixture of the present invention had a cooling capacity per unit area of about 15 to 20 W/cal when the device transitioned to the film boiling state when immersed in pure liquid nitrogen. By applying the refrigerant, the amount of CJs mixed with only 0.5 mol% can be almost doubled to about 49
It can be seen that it is now possible to cool down to W/cn. It should be noted that since the mixed amount of 0.5 mol% C2Fll is extremely small, problems such as coagulation or separation of the refrigerant in a closed system liquefaction machine do not occur at all.

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。
The closed loop cooling device of FIG. 6 is a variation of the cooling device previously described with reference to FIGS. 3 or 5. As shown in the figure, the cryostat 33 is placed apart from the liquefier 13, but in order to cool and liquefy the cooling medium (mixed refrigerant) vaporized in the cryostat 33, a heat exchanger extending from the liquefier 13 is installed. The tube 38 is the cryostat 33
It is located in the internal space above the. Cryostat 3
3. The mixed refrigerant 34 in the cryostat 33, the circuit board 32 on which the LSI chip 31 is mounted, and the liquefier 13 correspond to those in FIG. 5, and therefore have already been explained, so they will not be explained repeatedly here. omitted.

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。
In addition, in this example, the heat exchange medium 39 circulated within the heat exchange tube 38 was liquid nitrogen.

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。
10mII 1 square LSI on 100mm square circuit board 32
4×4 chips 31 were mounted, and these were directly immersed in the mixed refrigerant 34 in the cryostat 33. When power was applied to the element (LSI chip 31) from a power supply (not shown) via a power supply cable (not shown), the mixed refrigerant 34 started boiling, and fine bubbles 35 were generated from the surface of the element 31. The element 31 was thus deprived of the heat of vaporization and cooled. Next, the vaporized mixed refrigerant was subjected to indirect heat exchange with liquid nitrogen 39 in the heat exchange tube 38, and as a result, the vapor of the mixed refrigerant was liquefied and dripped into the unvaporized mixed refrigerant 34.

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〉 。
When the cooling capacity of the used cooling medium was evaluated as described above, the evaluation results obtained were satisfactory.
It was comparable to that obtained using the cooling device shown in FIG. In the case of the illustrated device, the heat exchange medium used was not gas but a liquid such as liquid nitrogen, so it was possible to reduce the diameter of the heat exchange tubes used without reducing the cooling capacity. did it. For example, lk! In case of IJ cooling, heat transfer can be increased up to 10'W/m''K, and when using helium gas, it is possible to increase the heat transfer to 10'W/m''K.
n”K), and the diameter of the heat exchange tube can be reduced to 25 mm, and when using helium gas, the diameter is 50 mm.
Seal〉.

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。
In carrying out the present invention, in addition to the closed-loop cooling device shown in FIGS. 5 and 6, the device shown in FIG. 1 used for producing the low-temperature cooling medium of the present invention may be used as necessary. You can. That is, the circuit board on which the LSI described above is mounted can be immersed in the mixed refrigerant l8 collected in the container 17 having a vacuum double insulation layer. Although not shown in the apparatuses of FIGS. 1, 5, and 6,
A heater for temperature control is provided at the bottom of the container, and the temperature of the mixed refrigerant can be controlled to a temperature near the boiling point, and the speed of the heat exchange reaction can be controlled.

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。
FIG. 8 is a graph plotting data obtained through experiments by the present inventors, so that the present invention can be understood in more detail from this graph.

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。
Three lines and one point are plotted in the graph of FIG. That is, the first solid line is LN2 +C. F2n
.. .. (n = 2 or 3), and the second
The solid line is the cooling capacity curve of LN2 + C4FIO,
The third dotted line is the cooling capacity curve of LN2 + CF4,
And one point is LN. Indicates the cooling capacity of In the case of the cooling medium of the present invention (a mixture of LN. and C.F2n+2, where n is 2n3 or 4), a small amount of CnF2n+
A significantly improved cooling effect was obtained by simply adding 2 to LN2. In addition, CoF 2ゎ+2 (n=2
The range of 0.5 to 1 mol % of Cr+F2n+2 is indicated by a dotted line, which means that Cr+F2n+2 could not be dissolved in LN2. Conventional cooling medium (LN2
alone or LN2 and CF. (a mixture of LN2 and CSF+2), a satisfactory cooling effect could not be obtained;
In the case of a mixture of (not shown), no improvement in cooling capacity was obtained; on the contrary, this mixture had a tendency to agglomerate.

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。
Furthermore, although the above describes the use of a mixture of LN and C2F6 as a cooling medium in a cryostat with reference to the cooling device of FIG. It has been found that satisfactory results can be obtained using only carbon fluoride. That is, CF. Any fluorocarbon can be used as a cooling medium in the cryostat, and any liquefied gas can be used as a heat exchange medium in the heat exchange tubes of the liquefier. The type of liquefied gas used here will depend primarily on the properties of the fluorocarbon chosen as the cooling medium. It is common for the liquefied gas in the heat exchange tubes to have a lower boiling point than the fluorocarbon in the cryostat.

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。
Using the closed-loop cooling device of FIG. was added as a cooling medium, and the LSI chip was cooled by the following procedure.

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。
1 equipped with 3 x 3 lQ+nm square cut-out Sl chips 31
A 00 mm square circuit board 32 is placed in a liquid CF. It was immersed in a cooling medium 34 consisting of.

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。
Here, when power was applied to the element (LSI chip 31), the cooling medium 34 started boiling, and fine vapor bubbles 35 were generated from the surface of the element. The element was thus removed from the heat of vaporization and cooled.

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。
C.F. The vapor was cooled to about 90 K in a heat exchange tube 38 in which liquid nitrogen 39 was circulated, and was re-liquefied. In addition, the liquid nitrogen 39 removes heat from the CF4 vapor and boils, causing the gas and liquid to 2
It became a phase flow and returned to the refrigerator 14, where it was reliquefied.

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。
Although not shown, a pump for circulating liquid nitrogen 39 is disposed in the middle of the heat exchange tube 38.

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。
As a result of actual measurements of the cooling capacity, in the case of a conventional device using helium gas as a heat exchange medium, the cooling capacity was 100W, but in the case of the above-mentioned device of the present invention, the cooling capacity was 500W, which is about five times as much. It increased to Although liquid CF4 was used in the above example, other fluorocarbons such as C2Fg, C3F8, . C,F+o
or mixtures thereof can be used, and also suitable heat exchange media can be used depending on the fluorocarbon selected.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

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。
As explained above, according to the present invention, a cooling medium with a high heat flux value when transitioning to film boiling can be obtained, and low-temperature cooling with a simple mechanism and high cooling capacity is possible.

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。
Furthermore, in a cooling system using a heat exchanger, by selecting a refrigerant for immersing the object to be cooled and a refrigerant for heat exchange, it is possible to provide a cooling device with high cooling capacity.

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。
Furthermore, according to the present invention, closed-loop cooling is advantageous for immersing in liquid a device with a complex shape that has a large heat generation density and is difficult to connect to a refrigerator, such as a CPU of a computer, and is essential for low-temperature cooling of electronic equipment. It can be used in a wide range of systems, and there is no unevenness in the composition or fluctuations in cooling capacity within the circulation system.
Furthermore, it is possible to provide a low-temperature cooling medium that requires only a small amount of carbon fluoride to be mixed into liquid nitrogen and has a high cooling capacity, a method for producing the same, and a cooling method and device using the same. A device for electronic equipment (HE
MT, CMOS, etc., devices using high Tc phase oxide superconductors that exhibit superconductivity at liquid nitrogen temperature, circuit boards, etc.
can greatly contribute to the cooling of

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

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 32 31 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
1 and 2 are schematic cross-sectional views showing an example of an apparatus used to produce a low-temperature cooling medium according to the present invention, and FIG. 3 is an example of a cryostat used in carrying out the present invention. FIG. 4 is a graph plotting the relationship between the concentration of CF4 in the cooling medium and the obtained cooling capacity, and FIGS. 5 and 6 are
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing a preferred example of the closed-loop cooling device according to the present invention, FIG. 7 is a graph plotting changes in cooling capacity with and without the addition of C2FG with respect to the temperature of the LSI chip, and FIG. FIG. 9 is a graph plotting the relationship between the concentration of carbon fluoride in the medium and the cooling capacity obtained, and FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing an example of a conventional open type cooling device. In the figure, 11 is a gas cylinder, 12 is a conduit, 13 is a liquefier,
14 is a refrigerator, 15 is a compressor, 16 is a piston, 17 is a container, and 18 is a cooling medium. Low-temperature refrigerant manufacturing device 13...Liquifier 14...Freezer 15...Compressor 16...Piston 17...Cryostat for container closed-loop cooling snow storage Fig. 3 25 23 24 27 Low-temperature refrigerant Figure 2 CF4 concentration (mol%) Dependence of cooling capacity on CF4 concentration Figure 4 32 31 Closed loop cooling device Closed loop cooling device Figure 6 LSI chip temperature (K) Dependence of cooling capacity on LSI chip temperature Figure 7: Cooling capacity depends on fluoride carbon concentration Figure 8

Claims (1)

【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。
[Claims] 1. A low-temperature cooling medium for use in a closed-loop cooling device, comprising liquid nitrogen and fluorocarbon represented by the following formula: C
A low-temperature cooling medium comprising a mixture of _nF_2_n_+_2 (n in the formula is an integer from 2 to 4). 2. Liquid nitrogen and carbon fluoride represented by the following formula: C_n
F_2_n_+_2 (n in the formula is an integer from 2 to 4)
In producing a low-temperature cooling medium consisting of a mixture of nitrogen and carbon fluoride represented by the following formula: C_nF_2_n
A method for producing a low-temperature cooling medium, characterized in that a mixed gas of _+_2 (n in the formula is the same as defined above) is cooled under pressure and liquefied. 3. Liquid nitrogen and carbon fluoride represented by the following formula: C_n
F_2_n_+_2 (n in the formula is an integer from 2 to 4)
In producing a low-temperature cooling medium consisting of a mixture of, gaseous fluorocarbon represented by the following formula: C_nF_2_n_
+_2 (n in the formula is the same as defined above) into liquid nitrogen to obtain liquid nitrogen in which carbon fluoride is dissolved. 4. In cooling the object to be cooled to an extremely low temperature of less than about 123K, liquid nitrogen and fluorocarbon expressed by the following formula: C_
A cooling method characterized in that the object to be cooled is immersed in a low-temperature cooling medium of a closed loop cooling system consisting of a mixture of nF_2_n_+_2 (n in the formula is an integer from 2 to 4). 5. A closed-loop cooling device, comprising a cryostat in which a mixture of liquid nitrogen and carbon fluoride represented by the following formula: C_nF_2_n_+_2 (in the formula, n is an integer from 2 to 4) is placed as a cooling medium. 1. A closed-loop cooling device, characterized in that the object to be cooled is immersed in the cooling medium to perform cooling. 6. A closed-loop cooling device, which is carbon fluoride represented by the following formula: C_mF_2_m_+_2 (m in the formula is 1 to 4
is an integer of has,
A closed loop cooling device characterized in that cooling is performed by immersing an object to be cooled in the cooling medium.
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