JPH0760044B2 - 極低温コンピユ−タの冷却装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、極低温コンピュータの冷却装置に関するもの
である。

〔従来の技術〕

半導体素子を実装したCPUおよびメモリを極低温に冷却
して動作させるコンピュータの冷却装置としては、例え
ば、エヌ・ビー・エス，スペシャル バブリケーション
607（1981年）第93頁から第102頁（NBS,Special Public
ation 607（1981）P93〜102）に論じられている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は、超電導現象を応用したコンピュータに
関する冷却システムの概念を示したもので、実際の製品
に適用した場合の保守性の点については充分に配慮され
ているとはいえない。したがって、CPUやメモリや凝縮
手段に故障が発生した場合、各要素の交換も含めて短時
間で復旧するのに問題がある。

また、上記従来技術では、超電導現象を維持する4Kレベ
ルの温度まで冷却しなければならず、コンピュータの冷
却に要する費用を考慮すれば、経済的にも問題がある。
即ち、この場合、4Kレベルの温度まで冷却するための冷
凍機は、２段の膨脹機と３個の熱交換器とJT弁とより構
成されているため、冷却装置のイニシャルコストが増大
し、更に、冷却温度が4Kと低いため、それだけ冷却装置
での寒冷発生に要する動力が大きくなりランニングコス
トが増大する。

更に、上記従来技術では、クールダウン時にJT弁の弁開
度を調整する必要があるため、操作が複雑になるといっ
た問題もある。

本発明の主な目的は、CPUやメモリや凝縮手段に故障が
発生しても短時間で復旧できる極低温コンピュータの冷
却装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、必要な冷却温度4Kレベルから77K
レベルに上昇可能とすることで、経済性を向上できると
共に操作を簡単化できる極低温コンピュータの冷却装置
を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記主な目的は、極低温コンピュータの冷却装置を、メ
モリと入出力のリード線が接続されたCPUとが気密に封
入される容器と、液化ガスが供給される液化ガス容器を
真空断熱して収容するクライオスタットと、前記液化ガ
スからの蒸発ガスを再液化する凝縮手段を有する冷凍手
段とを具備し、前記容器と前記凝縮手段との挿脱部を前
記真空を遮断し前記液化ガス容器内と前記クライオスタ
ット外とを連通して設けたものとすることで、達成され
る。

また、本発明の他の目的は、超電導現象を応用したジョ
セフソン素子の代りに温度77Kレベルでも常温に比して
演算速度が向上するCMOS素子を採用することで、達成さ
れる。

〔作用〕

メモリと入出力のリード線が接続されたCPUとが気密に
封入される容器と、液化ガス容器に供給される液化ガス
からの蒸発ガスを再液化する凝縮手段とを、クライオス
タットの真空を遮断し液化ガス容器内とクライオスタッ
ト外とを連通して設けた着脱部を介して液化ガス容器内
に着脱する。これにより、容器と凝縮手段とは、クライ
オスタットの真空をブレークすることなしに液化ガス容
器内に容易に挿脱される。したがって、CPUやメモリや
凝縮手段に故障が発生しても短時間で復旧できる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。

第１図で、容器10内には、メモリ20とCPU30とが収納さ
れている。メモリ20とCPU30には、CMOS素子が採用され
ている。第１図では、容器10の上端部には入出力インタ
ーフェイス40が容器10の気密を保持して設けられてい
る。CPU30には、入出力のリード線50が接続され、リー
ド線50は、入出力インターフェイス40に接続されてい
る。リード線50は、容器10内に収納されている。冷凍手
段60は、この場合、圧縮機61と、例えば、回転バルブ
（図示省略）を有する駆動部62と膨張機63と供給管64と
戻り管65とで構成されている。駆動部62は、膨張機63に
設けられている。供給管64の一端は、圧縮機61の吐出口
に連結され、他端は、駆動部62の導入口に連結されてい
る。戻り管65の一端は、駆動部62の排出口に連結され、
他端は、圧縮機61の吸入口に連結されている。液化ガス
容器70は、容器10の少なくともメモリ20とCPU30を収容
する部分を充分に収容可能な内容積を有している。液化
ガス容器70の、頂壁には、穴71,72が穿設されている。
穴71の大きさは、容器10が通過するのに充分な大きさと
なっている。液化ガス容器70は、その周囲に真空空間73
を有してクライオスタット74に内設されている。クライ
オスタット74の頂壁には、穴71,72に対応した位置で穴7
5,76が穿設されている。穴75の大きさは、穴71の大きさ
と略同一である。穴76の大きさは、膨張機63が通過する
のに充分な大きさとなっている。

挿脱用ノズル80の内径は穴71,75と略同一の大きさであ
り、挿脱用ノズル80の下端は液化ガス容器70の穴71の形
成部に気密に結合され、一方上端はクライオスタット74
の穴75の形成部に気密に結合され、これにより、液化ガ
ス容器70内の空間77は挿脱用ノズル80を介してクライオ
スタット74外に連通される。また、挿脱用ノズル81の内
径は穴72、76と略同一の大きさであり、挿脱用ノズル81
の下端は液化ガス容器70の穴72の形成部に気密に結合さ
れ、一方上端はクライオスタット74の穴76の形成部に気
密に結合され、これにより、液化ガス容器70内の空間77
は挿脱用ノズル81を介してクライオスタット74外に連通
される。液化ガス容器70の外面と挿脱用ノズル80,81の
外面には、例えば、スーパーインシュレーションと呼ば
れる真空多層断熱材等の断熱材90が添装されている。即
ち、空間73は、この場合、クライオスタット74の内面と
断熱材90の外面とで形成されている。空間73は真空排気
された後に真空を維持される。液化ガス容器70内には、
液化ガス、例えば、液体窒素が供給されて貯蔵される。
液体窒素の液面と液化ガス容器70の頂壁内面との間には
空間77が形成されている。容器10は、穴75,挿脱用ノズ
ル80,穴71を介して液化ガス容器70内に入れられて設置
される。この場合、容器10の少なくともメモリ20とCPU3
0を収容する部分は液体窒素に浸漬される。容器10の液
化ガス容器70内への設置後の液化ガス容器70内の気密は
フランジ100とシールリング（図示省略）とにより保持
される。挿脱用ノズル81内には、穴76を介して膨張機63
が冷端部側から挿入される。挿脱用ノズル81内への膨張
機63の挿入後の液化ガス容器70内の気密は、ベローズ10
1とシールリング（図示省略）とにより保持される。即
ち、ベローズ91は、膨張機63の上部に対応して膨張機63
に環装され、ベローズ101の上端は、シールリングを介
して駆動部63に設けられ、下端は、シールリングを介し
てクライオスタット74の頂壁に設けられている。ベロー
ズ101は、駆動部62,膨張機63で発生する振動がCPU30等
に伝達するのを防止する作用を有する。

第１図で、液体窒素の寒冷で容器10を冷却することでメ
モリ10とCPU20とは温度77Kレベルに冷却される。これに
より、コンピュータとしての機能が促進される。一方、
作動ガスであるヘリウムガスは、圧縮機61で圧縮され圧
力、例えば、16atmに昇圧される。昇圧されたヘリウム
ガスは、供給管64を介して駆動部62に供給され回転バル
ブの作用により膨張機63に供給される。昇圧されたヘリ
ウムガスは、膨張機63で断熱膨張され、これにより寒冷
が発生する。この寒冷により膨張機63の冷端部（空間77
に対応した部分）は、液体窒素からの蒸発ガスつまり窒
素ガスを凝縮して再液化できる温度に冷却される。膨張
機63で断熱膨張し低圧（4atm）となったヘリウムガス
は、駆動部62の排出口より戻り管65に入り、戻り管65を
経て圧縮機61に戻される。液化ガス容器70内の液体窒素
は、外部からの侵入熱と容器10およびメモリ20,CPU30を
冷却することにより、その一部が蒸発するが、この蒸発
した窒素ガスは、膨張機63の冷端部で冷却され凝縮，再
液化して液体窒素中に滴下する。

第１図で、例えば、メモリ20に故障が発生した場合、フ
ランジ100をクライオスタット74から取り外した後、容
器10は、穴71,挿脱ノズル80,穴75を介してクライオスタ
ット74外に取り出される。その後、例えば、正常なメモ
リ,CPU等を収容した別の容器が上記と同様にして液化ガ
ス容器70内に設置される。

本実施例では、次のような効果が得られる。

（１）メモリやCPUや膨張機に故障が生じた場合、真空
が維持されている空間73をそのままの状態に保って、す
なわち、クライオスタット74の真空をブレークすること
なしに各要素をクライオスタット外に取り出して交換で
きるため、短時間で復旧できる。

（２）メモリやCPUにCMOS素子を採用しているため、メ
モリやCPUの冷却温度を77Kレベルに上昇できる。したが
って、この場合、冷凍手段に熱交換器やJT弁が不用で、
また、膨張機も１段で済み、冷却装置のイニシャルコス
トを低減できる。また、冷却温度が77Kレベルと高いた
め、冷却装置での寒冷発生に要する動力を小さくできラ
ンニングコストを低減できる。このようなことより経済
性を向上できる。

（３）冷凍手段での操作を簡単化できる。

第２図は、本発明の第２の実施例を示すもので、本発明
の一実施例を示す第１図と異なる点は、容器10の中に熱
伝導の良いガス（例えば、ヘリウムガス）を導入する管
110を設けた点である。管110には、容器10を液化ガス容
器（図示省略）内に設置した状態でクライオスタット
（図示省略）外となる位置でバルブ111が設けられてい
る。また、管111のクライオスタット外側端は、熱伝導
の良いガス源（図示省略）に連結可能になっている。な
お、第２図で、その他第１図は同一要素は同一符号で示
し説明を省略する。

本実施例によれば、上記一実施例での効果の他に、管か
ら容器内に導入された熱伝導の良いガスが熱媒体となっ
てメモリやCPUの実装基板の隙間を通って循環するた
め、メモリやCPUの全体をほぼ均一に、かつ、迅速に冷
却できるという効果がある。

第３図は、本発明の第３の実施例を示すもので、本発明
の一実施例を示す第１図と異なる点は、管112,113を容
器10に設けた点である。管112の一端は容器10の頂壁部
付近で開口し、管113の一端は容器10の底部付近で開口
している。管112,113には、容器10を液化ガス容器（図
示省略）内に設置した状態でクライオスタット（図示省
略）外となる位置でバルブ114,115がそれぞれ設けられ
ている。なお、第３図で、その他第１図と同一要素は同
一符号で示し説明を省略する。

本実施例は、容器10内にも液化ガスを導入する場合に特
に有効である。即ち、容器10から液化ガスを排出したい
場合（例えば、メモリ20やCPU30の一部が故障して交換
したい場合）は、管112から圧力ガスを容器10内に導入
し、このガスの圧力により液化ガスを管113から容器10
外に容易に排出できる。なお、ガスを熱媒体として冷却
する場合には、自然対流のため、容器内の上下方向で多
少温度差を生じるが、本実施例のように液化ガスを熱媒
体として冷却する場合は、容器内の上下方向の温度差は
ほとんど生ぜず、メモリ20やCPU30を更に均一に冷却で
きる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、メモリとリード線が接続されたCPUと
を容器に気密に封入し、容器と凝縮手段とをクライオス
タットの真空をブレークすることなしに液化ガス容器内
に容易に挿脱できるので、CPUやメモリや凝縮手段に故
障が発生しても短時間で復旧できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例である極低温コンピュータ
の冷却装置の構成図、第２図，第３図は、本発明の第2,
第３の実施例をそれぞれ示す容器部の構成図である。 10……容器、20……メモリ、30……CPU、40……入出力
インターフェイス、50……リード線、61……圧縮機、62
……駆動部、63……膨張機、64……供給管、65……戻り
管、70……液化ガス容器、73……空間、74……クライオ
スタット、80,81……挿脱用ノズル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 増原 利明 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献 実開 昭60−96857（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭61−156864（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】メモリと入出力のリード線が接続されたCP
   Uとが気密に封入される容器と、液化ガスが供給される
   液化ガス容器を真空断熱して収容するクライオスタット
   と、前記液化ガスからの蒸発ガスを再液化する凝縮手段
   を有する冷凍手段とを具備し、前記容器と前記凝縮手段
   との挿脱部を前記真空を遮断し前記液化ガス容器内と前
   記クライオスタット外とで連通して設けたことを特徴と
   する極低温コンピュータの冷却装置。