KR940000206B1 - 저온냉각장치용 냉각제와 그 제조방법 및 냉각방법 - Google Patents

저온냉각장치용 냉각제와 그 제조방법 및 냉각방법 Download PDF

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Description

저온냉각장치용 냉각제와 그 제조방법 및 냉각방법
제1도는 종래 방법에 따른 냉각장치의 도식적 단면도.
제2도와 제3도는 본 발명에 따른 냉각제 제조에 사용되는 냉각장치의 도식적 단면도.
제4도는 본 발명의 실시예에서 사용되는 저온항온조(cryostat)의 도식적 단면도.
제5도는 냉각제에 있어서의 CF4의 농도와 냉각능력 사이의 관계를 도시한 그래프도.
제6도는 본 발명의 실시에 사용되는 저온 냉각장치의 도식적 단면도.
제7도는 LSI칩의 온도에 관한 C2F6가 첨가된 액화질소 및 C2F6가 첨가되지 않은 액화질소와 냉각능력사이의 관계를 도시한 그래프도.
제8도는 냉각제의 상이한 형태에 관한 플루오로카본의 농도와 그 냉각능력 사이의 관계를 도시한 그래프도.
본 발명은 저온냉각장치에 사용하기 위한 높은 냉각능력을 갖는 냉각제와 그 제조방법 및 물품을 저온으로 냉각하는 방법에 관한 것이다.
77.3K, 즉 액화질소(LN2)의 끓는점과 같은 약 123K 이하의 저온(cryogenic temperature)에서 고속 스위칭을 나타낼 수 있는 장치 등의 반도체 장치, 또는 초전도체를 사용하는 장치 등의 다른 장치들이 그의 작동온도로 냉각될때에, 냉각제는 냉각매체 또는 열교환 매체로서 특히 적당하다. 특히, 액체질소의 비등점 주위의 극저온은 이하 액체질소 온도로서 칭해진다.
종래의 널리 공지된 바와 같이, 반도체에서 캐리어(carrier)의 이동도는 반도체가 받은 온도를 감소시킴으로써 증가될 수 있으며, 이러한 온도특성을 기초로 하여 HEMTs(High Electron Mobility Transistors) 또는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)장치 등의 액체질소 온도에서 동작할 수 있는 고속 스위칭 장치들이 개발되었다. 예를들면, 후지쓰 사이언스 테크. 저널(FUJITSU Sci.Tech.J., ; M. AbE, T.Mimura 및 M.Kobayashi에 의한 “초고속 HEMT LSI 기술” 24, 4, PP.271-283(December 1988))에는 후지쓰사에 의해 개발된 HEMTs의 스위칭 속도가 5.8ns까지 성취되었다는 것을 게재하고 있으며, VLSI 시스템 디자인(T. Vacca, D.Resnick, D.Frankel, R.Bach, J.Kreilich 및 D.Charlson에 의한 “A Cryogenically Cooled VLSI Supercomputer”June 1987, PP. 80-84)에는 77K CMOS를 사용하는 최초의 저온컴퓨터가 게재되어 있다. 이들 소자들을 액체질소 온도에서 만족스럽게 동작시키기 위해서, 액체 질소 온도등 소망의 극저온을 일정하게 유지할 수 있는 고전력 냉각제 또는 냉각매체를 사용하는 것이 필요하며, 또한 동작중에 소자들에서 발생된 열의 효과적 분산이 얻어질 수 있다.
지금까지, 반도체 장치 및 다른 장치들을 약 123K 이하의 극저온으로 냉각시키고 이 온도를 유지하기 위하여, 열전도를 통하여 소자로 부터 발생된 열을 소모시키거나, 액화가스, 예를들면 액체 질소 등의 저온액체에 장치를 침지하거나, 비등 열 전달을 통하여 장치로 부터의 열을 소모시키는 냉동기의 냉각헤드와 소자의 열발생부를 접촉하도록 배치하는 것이 제안되었다.
특히, 비등 열 전달을 기초로 한 후자의 냉각방법은 냉각되는 장치들이 높은 열발생 밀도와 복잡한 구조 또는 형태를 가질 때에 유익하게 사용될 수 있다. 예를들면, 이 냉각방법은 컴퓨터의 중앙 처리장치(CPUs)의 냉각에 적용될 수 있다. 또한 비록 각종의 액화 가스들이 이용될 수 있을지라도, 이 냉각방법에 저온액체로서 사용할 수 있는 액화가스는 이 가스들의 유독성과 반응성을 고려하여 제한된다. 안정성과 간단한 조성을 갖는 액화가스들로는 상술된 액화질소아 액화헬륨이 적당하다. 액화질소는 공기를 액화하고, 그 액체를 분리하므로써 얻어질 수 있다.
저온 액체로서 액화질소의 사용은 다음 문헌(예를들면, F.H.Gaensslen, V.L.Rideout, E.J.Walker 및 J.J.Walker, “Very Small MOSFET's for Low-Temeratrue Operation”, IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, March 1977.)에 나타나 있으며, FET들은 액화질소의 오픈 풀(open pool)에 직접 침지됨으로써 냉각된다. 더욱이, 저온액체로서 액화플루오로카본의 사용은 다음 문헌(예를들면, “Cooling a Superfast Computer”, ELECTRONIC PACKAGING & PRODUCTION, July 1986)에 나타나 있으며, 컴퓨터 전체가 비도전 순환성 플루오로카본 액체에 침지된다. 또한, 저온 액체로서 액화질소와 액화플루오로카본(CF4)의 혼합물의 사용은 다음 문헌(예를들면, T.Amano와 M.Nagao, “Boiling Heat Transfer Characceristics of Mixed Coolant”, Cryogenic Society of Japan Spring Meeting, C1-4, May 1988.)에 나타나 있으며, 높은 TC(外箱溫度)를 갖는 초전도체가 오픈 캔 (can)의 액화질소와 액화플루오로카본(CF4)로 이루어진 혼합된 냉각제에 직접 침지된다.
아마노(Amano)등에 의한 냉각방법이 제1도에 설명되어 있다. 높은 Tc를 갖는 초전도체를 냉각할 때에 혼합냉각제의 유효성을 확인하기 위해서, 그들은 Pt선 1이 오픈 진공캔 3의 혼합냉각제2에 침지되어 있는 예시된 실험장치를 사용하였다. 레코더 8에 접촉되어 있는 온도센서로서 열전지기(thermocoupler) 4는 혼합냉각제2에 배치된다. 장치에서, 5는 냉각제 2의 중량변화를 측정하기 위한 저울이고, 6은 DC전환이고, 7은 저항이다. 놀랍게도, 이 장치를 사용하는 실험을 액화질소와 8몰%의 액화 CF4의 혼합 냉각제가 액화 질소만을 단독으로 사용할때의 냉각능력에 2배까지 그 냉각능력이 증가할 수 있다는 것을 보여주고 있다. 비록 이 문헌에는 반도체 장치와 관련 장치들을 냉각할 때에 혼합냉각제(LN2+액화 CF4)의 사용이 나타나 있지 않을지라도, 이의 사용은 다음과 같은 많은 결점이 수반될 것이라는 것을 알 수 있다.
(1) 오픈 시스템이 적용되기 때문에, 대기 또는 대기중의 수분이 혼합냉각제로 배합되거나 결빙된다.
(2) 냉각제가 끓어 오르고 증발되기 때문에, 발생된 가스는 대기오염을 일으키며, 추가 냉각제가 냉각제의 증발손실을 보상하기 위하여 오픈 캔에 공급되어야 한다.
결점 (1)과 (2)를 방지하기 위해서, 밀폐된 시스템에서 혼합냉각제의 사용이 고려되었으나, 혼합 냉각제가 높은량의 액화 CF4즉, 8-20몰% 만큼의 액화 CF4를 함유하여야 하기 때문에, 혼합냉각제의 조성은 증발된 냉각제의 액화시에 변화될 수 있으며, 그에 의하여 냉각제의 냉각능력이 변화한다. 더욱이, 증발된 냉각제에 있어서, 그의 고비등 성분(high boiling component)은 고비등 성분의 높은 농도로 인해 액화된 성분으로 또는 증발된 냉각제를 다시 액화하기 위해 사용되는 냉동기에서 농축되고 분리되는 경향이 있다. 분리된 성분들은 파이프의 막힘, 장치의 정지 및 기타 바람직하지 않은 결점 등을 일으킬 수가 있다. 또한, 액화질소의 적당한 혼합물로 고려되고 있는 CF4를 제외한 모든 플로오로카본들은 종래의 혼합법에 따라 직접적으로 액화질소와 혼합된 후에 용액을 제공하지 않는다. 실제로 이들은 혼합장치에서 응고되고 침전된다. 특히, 발명자들은 액화질소와 액화아르곤 또는 액화크립톤으로 이루어진 혼합 냉각제의 사용을 시도하였으나, 만족할만한 냉각효과를 얻을 수 없었다. 그러므로, 저온 냉각장치에 대해서 높은 냉각능력을 갖고 있으나, 종래의 냉각제들의 결점을 갖지 않는 개선된 냉각제 또는 냉각매체를 제공하는 것이 요망된다.
본 발명의 목적은 밀폐된 싸이클 또는 루우프(loop) 시스템을 사용하는 저온 냉각장치용 냉각제를 제공하는 것이다. 냉각제는 냉각능력이 증가되어야만 하고, 또한 상술된 종래의 문제들을 갖지 않아야 한다.
본 발명의 다른 목적은 상술된 냉각제를 용액형태로 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상술된 냉각제를 사용하는 냉각방법을 제공하는 것이다.
본 발명자들은 본 발명의 상술된 목적들이 액화질소와의 혼합물로서 특정의 플루오로카본 또는 일반식 CnF2n+2(n은 2-4의 정수)의 플루오로화된 히드로카본이 사용될 때에 달성될 수 있다는 것을 발견하였다. 예기치 않게, 냉각능력의 증가가 소량의 플루오로카본의 혼합물로서 얻어졌다.
본 발명의 한 형태로서, 액화질소와 일반식 CnF2n+2(n은 2-4의 정수)의 플루오로카본의 혼합물을 포함하는 밀폐된 싸이클 시스템을 사용하는 저온냉각장치용 냉각제가 제공된다.
본 발명의 다른 형태로서, 액화질소와 일반식 CnF2n+2(n은 2-4의 정수)의 플루오로카본의 혼합물을 포함하는 냉각제의 제조방법이 제공되며, 이 방법은 혼합된 가스를 액화하기 위한 압력하에서 질소와 일반식CnF2n+2(n은 2-4의 정수)의 플루오로카본의 혼합가스를 냉각하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 형태로서, 액화질소와 일반식 CnF2n+2(n은 2-4의 정수)의 플루오로카본 혼합물을 포함하는 냉각제가 제공되며, 이 방법은 그안에 용해된 플루오로카본을 갖는 액화질소를 얻기 위하여 액화질소로 일반식 CnF2n+2(n은 2-4의 정수)의 가스의 플루오로카본을 도입하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 형태로서, 약 123K 이하의 극저온으로 제품을 냉각시키는 방법이 제공되며, 이 방법은 액화질소와 일반식 CnF2n+2(n은 2-4의 정수)의 플루오로카본 혼합물을 포함하는 냉각제에 제품을 침지하는 단계를 포함한다.
지금부터, 상세히 서술되는 바와 같이, 본 발명에 따라 예기치 않게 냉각능력의 증가가 액화질소에 소량의 플루오로카본을 혼합하므로써 얻어질 수 있다. 액화질소 단독으로만 사용하는 경우와 비교하면, 액화기에서 고비등점의 분류와 다른 종래의 결점없이 약 2배의 냉각능력이 본 발명에서 얻어질 수 있다. 본 발명의 이들 장점 및 다른 장점들이 본 발명의 상세한 설명으로 부터 평가될 것이다.
상술된 바와 같이, 본 발명에 따른 냉각제는 액화질소와 일반식CnF2n+2(n은 2-4의 정수)의 플루오로카본 혼합물을 포함한다. 바람직하게, 냉각제는 그 안에 용해된 플루오로카본을 갖는 액화질소를 포함한다.
사용된 플루오로카본은 C2F6, C3F8, C4F10또는 그의 혼합물이다. CF4의 사용은, 상술된 바와 같이 액화질소에 크게 증가된 양을 첨가하여야 하고, CF4의 이러한 첨가로 부터 결점들이 발생하기 때문에 피해야만 된다. 한편 CnF2n+2(n은 5이상)의 사용은 높은 수의 카본원자를 갖는 이러한 플루오로카본이 증가된 비등점을 갖고 액화질소와 혼합할 때에 응고되기 때문에 피해야만 된다.
본 발명에 따라, 플루오로카본 또는 CF4가 액화질소에 약 8-20몰% 이상의 양으로 첨가되는 종래의 냉각제에 비해, 보다 작은 량의 플루오로카본이 액화질소에 첨가되어 약 40W/㎠ 정도의 만족할만한 냉각 능력을 얻을 수 있다.
바람직하게, 액화질소에 플루오로카본 CnF2n+2(n=2,3 또는 4)가 0.1-3몰%의 양으로 첨가되어, 본 발명의 냉각제를 얻는다. C2F6에 대해서, 냉각능력의 증가는 0.1몰%의 농도에서 시작하며, 최대의 냉각능력은 0.5몰%의 농도에서 얻어진다. 0.5몰% 이상의 농도에서는 포화냉각능력이 얻어진다. C2F6가 3몰% 이상의 양으로 첨가되면, 수득 냉각제는 흐려지고 포화냉각능력이 감소된다. C3F8에 대한 0.1-1.5몰%의 양과 C4F10에 대한 0.1-0.3몰%의 양으로 첨가에 의하여 냉각능력의 증가가 얻어지는 것을 제외하고는 다른 플루오로카본 C3F8과 C4F10대해서도 유사한 냉각특성이 관찰된다.
본 발명의 냉각제에서 냉각능력 증가의 상세한 매카니즘은 해명되지 않았으나, 발명자들의 경험으로 부터, 냉각능력의 다음과 같은 이유때문에 증가되는 것으로 추정된다.
1) 2성분의 혼합에 의한 냉각제의 체적감소
이러한 체적감소는 물과 알콜의 혼합시에 나타난다. 즉, 분자들의 평균자유행정 직경이 크게 다를때에, 분자의 혼합체적은 분자들의 밀집구조상태가 발생하기 때문에 감소된다. 적당량의 플루오로카본 CnF2n+2(n=2,3 또는 4) 이 액화질소에 사용되면, 냉각제의 체적감소는 냉각능력을 일층 증가시키는 결과가 된다.
2) 냉각제의 표면장력 감소
본 발명의 침지 냉각방법에서, 제품이 안정하게 냉각될 수 있는 냉각능력의 한계는 제품의 온도상승이 작기 때문에 냉각제의 층 또는 필름 비등 전이온도, 즉 냉각제가 층 비등상태(layer boiling state)로 전이되는 냉각능력으로 고려된다. 안정한 냉각을 하기 위한 한계범위인 층 비등 전이온도는 증발열과 표면장력 등과 같은 냉각제의 액체성분의 특정성질에 따라 변화한다.
플루오로카본 CnF2n+2는 낮은 표면장력을 가지며, 만일 플루오로카본이 액화질소에 용해되면, 그 혼합물 또는 냉각제는 표면장력이 크게 감소된다. 다음에, 만일 냉각될 제품(피냉각체) 또는 발열체가 비등에 의한 냉각을 통하여 냉각제에 냉각되면, 제품의 표면상에 형성된 증발의 냉각제의 기포(bubble)들은 그의 형성 초기 단계에서 제품의 표면으로 부터 방출되고, 이것에 의해 층 비등상태로의 전이가 지연된다. 더욱이, 발생된 기포들은 제품에서 냉각제의 경계층을 파괴하며, 그 결과, 냉각능력이 증가된다. 특히, 높은 분자량의 플루오로카본은 비교적 저농도에서 사용될지라도 증가된 냉각능력을 감소시킬 수 있다.
3) 플루로오카본의 용해 조건
액화플루오로카본이 서서히 결빙되면 두껍게 되고, 젤라틴 모양으로 된다. 액화질소에 있어서, 플루오로카본의 용해는 플루오로카본 분자들 사이의 젤라틴 모양 결합을 끓기 위해 요구되는 에너지에 따라 증가된 증발열과 냉각능력의 원인이 되는 스파스(sparse) 젤라틴 모양의 액체를 제조하기 위해 취해진다.
또한, 본 발명자들은 플루오로카본을 클로로카본 등의 다른 물질로 대체하려 하였으나, 좋은 냉각효과가 얻어지지 않았으며, 따라서 그들은 플루오로카본이 현저한 냉각효과를 제공하는 이유중에 하나가 상술된 표면장력의 감소에 있다고 생각하였다.
본 발명에 따른 냉각제는 다음 방법에 따라서 유익하게 제조될 수 있다.
첫째, 혼합가스를 액화하기 위한 압력하에서, 질소와 일반식 CnF2n+2(n은 2-4의 정수)의 플루오로카본 혼합가스를 냉각하는 단계를 포함하는 제조방법이 있다. 이 제조방법에 있어서, 바람직하게 혼합가스에서 플루오로카본과 질소의 비는 대체로 만들어진 냉각제에서와 같고, 1-2atms의 증가된 압력이 냉각단계중에 혼합가스로 가해지며, 더욱이 고압용기에서의 혼합가스는 가스가 압축 및 단열냉각된 가스로 냉각되는 액화기내에 주입된다.
둘째, 액화질소에 용해된 플루오로카본을 갖는 액화질소를 얻기 위하여 일반식 CnF2n+2(n은 2-4의 정수)의 가스상 플루오로카본을 액화질소내에 주입하는 단계를 포함하는 제조방법이 있다. 이 방법에 있어서, 바람직하게 고압용기내의 가스상 플루오로카본은 듀워(Dewar) 용기내의 액화질소내에 주입되며, 더욱이 고압용기로 부터의 가스상 플루오로카본은 플루오로카본이 액화되는 온도이상으로 가스상 플루오로카본을 냉각시키기 위하여, 액화질소내에 주입하기 전에 다른 듀워 용기의 액화질소를 통과한다.
본 발명에 따라, 제품을 약 123K 이하의 극저온으로 냉각하는 방법과 이러한 냉각을 행하는 장치 또는 저온냉각장치에 있어서, 제품은 상술된 바와 같이 액화질소와 플루오로카본으로 이루어지는 냉각제에 침지된다.
본 발명이 언급된 실시예에서, 냉각제는 저온 냉각장치의 밀폐된 저온항온조내에 냉각매체로서 놓인다. 본 실시예에 있어서, 저온항온조내에서 끓고 증발된 냉각매체는 바람직하게 분리 액화기에서 액화되며, 액체의 형태로 제조된 냉각 매체는 저온항온조로 복귀된다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 저온항온조에서 끓고 증발된 냉각매체는 열교환이 이루어지도록 저온항온조의 적당한 위치에 배치된 열교환 파이프에서 냉각매체의 증기와 열교환 매체 사이의 열교환의 결과로서 동일한 저온항온조내에서 액화된다. 이 실시예에 있어서, 열교환 파이프를 통하여 순환된 열교환 매체는 바람직하게 액화질소이다. 물론, 다른 열교환 매체가 필요에 따라 순환될 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면들에 의거하여 상세히 설명한다. 제2도와 제3도는 본 발명에 따른 냉각제의 제조를 예시한 것이다.
제2도에 있어서, 스터링(Stirling)싸이클 냉동기 14와 고압압축기 15로 구성되는 액화기 13을 사용하여 냉각제를 제조한다. 질소와 플루오로카본(C2F6)의 혼합가스가 스틸(steel) 가스실린더 11에 채워지며, 그 가스는 도관 12를 통하여 냉동기 14에 공급된다. 냉동기 14의 용기 17에서의 가스는 냉각제, 즉 액화질소(LN2)와 C2F6의 혼합물을 형성하기 위해 약 1.3-1.5atm의 가해진 압력하에서 냉각된다. 그 가스는 냉동기 14의 냉각헤드(도시되지 않았음)로 용기 17의 바닥부분을 냉각하므로써 냉각된다. 즉, 11-13kg/㎠의 액체헬륨 등의 약 70K의 온도를 갖는 특정의 냉각가스는 압축기 15에서 압축되며, 그 압축된 가스는 피스톤 16과 단열냉각되며, 가스실린더 11로 부터 혼합가스와 냉각헤드에서의 냉각가스와 간접 접촉 결과로서, 냉각제 18은 용기 17에서 제조된다.
설명된 냉각제의 제조에 대하여, LN2대 C2F6의 비가 가스실린더에 가득찬 혼합가스의 특정한 조성에 따라 정의되기 때문에, LN2대 C2F6의 소정의 비를 가지는 LN2와 C2F6의 액화가스 또는 냉각제가 우수한 재생성과 제어능력을 갖도록 제조될 수 있다.
제3도에 있어서, 냉각제는 듀워 용기 27내의 액화질소 28의 풀루오로카본 CnF2n+2(여기서는 C2F6이 사용된다) 가스를 기포화시킴으로써 제조될 수 있다. 용기 27내의 액화질소 28의 기포화전에, 스틸가스실린더 21의 C2F6가스가 액화된 다음에 그 온도에서 임의로 냉각된다. 즉, C2F6가스가 도관 22를 통하여 듀워 용기 25의 액화질소 26에 침지된 냉각파이프 23에 공급되어 냉각된 후에, 냉각된 가스는 냉각파이프 23으로부터 도관 24를 통하여 용기 27에 공급되고 액화질소 28로 기포화된다. 이 기포화의 결과로서, 냉각제 즉, 액화질소와 C2F6의 혼합물이 용기 27에서 제조된다. 결과적으로 얻어진 냉각제의 C2F6의 혼합비가 가스실린더의 C2F6가스에 가해진 압력과 도관 24에서의 C2F6가스의 유동속도를 적당히 변화시키므로써 자유롭게 제어될 수 있다.
제2도와 3도에 의거하여 서술된 상기 제조의 경우에, C2F6이 플루오로카본으로서 사용되었으나, C2F6이 플루오로카본 C3F8또는 C4F10, 또는 이들 플루오로카본의 어떠한 조합으로서 대치될지라도 비슷하게 만족스러운 결과가 얻어질 수 있다는 것이 명백하다. 더욱이, 제3도의 제조에 있어서, 실린더 21의 C2F6은 필요하다면, 질소가스를 더 포함할 수도 있다.
저온으로 냉각되는 제품의 저온냉각에 대하여, 본 발명의 냉각제가 밀폐된 저온항온조에 놓여진다. 저온항온조를 사용하는 냉각이 이하 제4도와 5도에 의거하여 서술될 것이다. 본 발명의 간략성을 위하여, 열교환부가 제4도로 부터 생략되어 있다.
제4도에 있어서, 밀폐된 저온항온조 33이 본 발명의 냉각제 또는 냉각매체 34로 채워진다. 사용되는 냉각매체 34는 냉각매체의 층몰에 대하여 3.41몰%의 양의 플루오로카본 CF4와 액화질소로 이루어진다. 10mm×100mm 크기의 4×4LSI칩들 31이 탑재된 100mm×100mm 크기의 회로판 32가 냉각매체 34에 침지된다. LSI칩들 31에 대하여 전기 케이블(도시되지 않았음)을 통하여 전압을 가하므로써, 냉각매체 34가 끓기 시작하고, 매체 34의 증기의 작은 기포들이 가열된 LSI칩들 31의 표면에 발생된다. 따라서, 칩들 31이 칩 표면으로부터 증발열의 제거의 결과로서 냉각된다.
사용된 냉각매체의 냉각능력이 뉴클리에이트(nucleate) 비등에서 층 또는 필름 비등까지의 이동으로의 열흐름을 정의하므로써 평가되었다. 이동점은 칩온도와 정력소모사이의 관계를 측정하므로써 결정되었다. 칩 온도는 칩표면에 형성된 다이오드에서 측정되었다. 이 평가의 결과는 층 비등 상태에 대한 전이점에서의 LSI칩의 단위 면적당 냉각능력이 액화질소를 사용되었을때 보다 2배 내지 3배 더 높은 약 30 내지 50W/㎠이라는 것을 보였다. 동일조건하에서 순수한 액화질소의 냉각능력은 약 15 내지 20W/㎠이다.
더욱이, 상술된 절차는 CF4의 농도의 합수로서 냉각매체의 냉각능력을 나타내는 그래프를 도시하기 위하여, CF4의 다른 양(0 내지 20.7몰%)으로써 반복되었다. 결과가 제5도에 도시되어 있다.
본 발명의 저온 냉각이 제4도에 의거하여 상술되었다.
제6도의 저온냉각장치는 저온항온조 33과 액화기 13으로 구성된 밀폐된 루프 또는 사이클 시스템이다. 액화기 13은 냉동기 14와 고압 압축기 15로 이루어진다. 저온항온조 33에 채워진 냉각매체 34는 액화질소와 0.5몰%의 플루오로카본(여기서는 C2F6이 사용된다)의 혼합물이다.
10mm×10mm 크기의 4×4 LSI칩들 31을 탑재한 100mm×100mm 크기의 회로판 32가 냉각매체 34에 완전히 침지된다. 칩들 31에 전압 공급은 전원으로부터 전기케이블(도시되지 않아음)을 사용하여 행해지고, 냉각매체 34의 비등(boiling)은 칩들 31에 전압을 가함에 따라 시작되며, 그것에 의하여 매체 34의 증기 기포 35가 가열된 칩들 31의 표면에 발생된다. 따라서, 칩들 31이 그곳으로부터의 열의 증발에 의하여 냉각된다.
발생된 냉각매체의 증기가 공급파이프 36을 통하여 냉동기 14의 용기 17에 공급된다. 증기는 냉동기 14의 냉각헤드(도시되지 않았음)와 용기 17의 바닥부를 냉각하므로써 용기 17에서 액화된다. 이러한 냉각은 압축기 15와 부착된 피스톤 16을 사용함으로써 행해진다. 즉, 제6도의 액화기 13의 기능은 제2도의 기능과 사실상 동일하다. 용기 17의 발생된 냉각매체 용액이 공급파이프 37을 통하여 저온항온조 33으로 복귀한다.
사용되는 냉각매체의 냉각능력이 상술된 바와 같이 평가되고, 평가의 결과는 냉각매체에 침지된 LSI칩들의 온도의 함수로서 제7도에 도시된다. 또한, 비교하기 위하여, 상술된 절차가 냉각매체로서 액화질소를 사용하므로써 반복되고, 냉각능력의 평가 결과가 제7도에 도시된다. 제7도에 도시된 결과는 액화질소에서의 C2F6의 0.5몰%의 혼합이 냉각매체의 냉각능력을 단지 액화질소(약 15 내지 20W/㎠)로 이루어진 냉각 매체의 그것보다 약 2배 높은 즉, 약 40W/㎠으로 증가시킨다는 것을 나타낸다. 특히, 0.5몰%의 C2F6은 밀폐된 시스템의 액화에서 응고와 분리문제를 일으키지 않은 농도로 크게 감소된다.
제8도는 본 발명으로부터 실험데이타를 요약함으로써 작성된 그래프이다. 제8도의 그래프는 3개의 선, LN2+CnF2n+2(n=2 또는 3)에 대한 첫번째 실선, LN2+C4F10에 대한 두번째 실선 및 LN2+CF4에 대한 세번째 점선, LN2에 대한 한점을 갖는다.
본 발명의 냉각매체에 대하여(LN2와 CnF2n+2의 혼합물. 여기서 n은 2,3 또는 4), 만족할만한 냉각능력은 LN2에 소량의CnF2n+2의 첨가로 얻어졌다. CnF2n+2의 0.5 내지 1몰%의 범위의 점선은 CnF2n+2가 LN2에 용해되지 않는 것을 의미한다. 종래의 냉각매체(LN2단독 또는 LN2와 CF4의 혼합물)에 대하여, 만족할만한 냉각능력을 얻을 수가 없었으며, LN2+C5F13(도시되지 않았음)의 혼합물에 대하여, 냉각능력의 증가를 얻을 수가 없었고, 오히려 고체화 되는 경향을 보였다.

Claims (15)

  1. 액체질소와 일반식 CnF2n+2(n은 2-4의 정수)와 플루오로카본 혼합물로 이루어지는 밀폐된 싸이클 시스템을 갖는 저온냉각장치용 냉각제.
  2. 청구범위 제1항에 있어서, 플루오로카본이 액화질소에 용해되어 있는 냉각제.
  3. 혼합가스를 액화하기 위한 압력하에서, 질소와 일반식 CnF2n+2(n은 2-4의 정수)의 플루오로카본 혼합가스를 냉각하는 단계를 포함하는, 액체질소와 일반식 CnF2n+2(n은 2-4의 정수)의 플루오로카본 혼합물로 이루어지는 냉각제 제조방법.
  4. 청구범위 제3항에 있어서, 혼합가스에서 질소 대 플루오로카본의 비가 제조된 냉각제의 비와 실제로 같은 방법.
  5. 청구범위 제3항에 있어서, 1-2atm의 증가된 압력이 냉각단계중에 혼합가스에 가해지는 방법.
  6. 청구범위 제3항에 있어서, 가스가 압축되고 단열냉각된 가스로 냉각되는 액화기에 고압용기내의 혼합가스가 주입되는 방법.
  7. 그안에 용해된 플루오로카본을 갖는 액체질소를 얻기 위하여 일반식 CnF2n+2(n은 2-4의 정수)의 가스상 플루오로카본을 액화질소에 주입하는 단계를 포함하는, 액체질소의 일반식 CnF2n+2(n은 2-4의 정수)의 플루오로카본 혼합물로 이루어지는 냉각제 제조방법.
  8. 청구범위 제7항에 있어서, 고압용기에서의 가스상 플루오로카본이 듀워 용기의 액체질소내에 주입되는 방법.
  9. 청구범위 제8항에 있어서, 플루오로카본이 액화되는 온도이상으로 가스상 플루오로카본을 냉각하기 위하여, 고압용기로 부터의 가스상 플루오로카본이 상기의 액화질소내에 주입되기 전에 다른 듀워 용기의 액화질소를 통과하는 방법.
  10. 액체질소와 일반식 CnF2n+2(n은 2-4의 정수)의 플루오로카본 혼합물로 이루어지는 냉각제에 제품을 침지하는 단계를 포함하는, 약 123K 이하의 극저온으로 제품으로 냉각하는 방법.
  11. 청구범위 제10항에 있어서, 플루오로카본이 액체질소에 용해되는 방법.
  12. 청구범위 제10항에 있어서, 냉각제가 냉각매체로서 저온냉각장치의 밀폐된 저온항온조에 놓이는 방법.
  13. 청구범위 제12항에 있어서, 저온항온조에서 끓고 증발된 냉각매체가 분리 액화기에서 액화되어, 액체의 형태로 제조된 냉각매체가 저온항온조로 복귀하는 방법.
  14. 청구범위 제12항에 있어서, 저온항온조에서 끓고 증발된 냉각매체가 열교환이 이루어지는 저온항온조의 적당한 위치에 배치되고 열교환 파이프에서 냉각매체의 증기와 열교환매체 사이의 열교환 결과로서 동일한 저온항온조내에서 액화되는 방법.
  15. 청구범위 제14항에 있어서, 열교환 파이프를 통하여 순환된 열교환 매체가 액체질소인 방법.
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