“将空气用作‘制冷剂’…有望应用于半导体工艺等领域”
以被指为地球变暖罪魁祸首的氟利昂气体、氢氟碳化物（HFC）等为对象、用空气替代其作为制冷剂的冷冻技术在韩国国内首次被开发出来。预计这项技术可用于半导体工艺以及生物·医药品储存等领域。
韩国能源技术研究院（以下简称能源研）22日表示，已开发出可用于空气冷冻方式的一体式超高速压缩膨胀机，并以此为基础，首次在国内成功开发出空气冷却系统。
使用能源研开发的系统，可以利用空气作为制冷剂，构建零下60摄氏度的温度环境。这一点也具有以空气替代既有制冷剂——氟化温室气体（F-gas）的意义。
今年3月生效的欧洲联盟《氟化温室气体管制修订案》规定，自明年起，将分阶段停止销售含有氟化温室气体的产品，并强化对使用氟化温室气体工艺的监管。
现有的冷冻·冷却系统主要采用蒸汽压缩循环方式。蒸汽压缩循环方式是通过液体制冷剂蒸发吸热实现冷却，其结构和设计较为简单，因此在多个领域被广泛使用。但使用会加剧全球变暖的氟化温室气体作为制冷剂，被视为这一方式最大的缺点。
尤其是，韩国主要出口产品如空调、汽车、半导体工艺等都使用氟化温室气体，因此在《氟化温室气体管制修订案》出台后，迫切需要能够替代该类气体的技术。
为此，能源研一直致力于实现以空气为制冷剂的“逆布雷顿循环冷却系统”。该系统不同于通过蒸发液体的传统方式，而是通过压缩气体、进行热交换和膨胀，从而获得低温气体，在无需液体制冷剂的情况下实现冷却。
但由于系统设计和制造技术难度极高，过去一直无法将其应用于实际冷冻系统。在冷却过程中，设备以超高速旋转运行，因此包括压缩机、膨胀机在内的各装置之间的间隙和转轴位移等，都必须精密设计到0.1毫米的水平。
（从左至右）Wang Eunseok 研究员，Jo Jongjae 博士，Lee Beomjun 博士，Shin Hyungki 博士，Lee Gilbong 博士。韩国能源技术研究院供图
View original image不过，能源研为实现逆布雷顿循环系统，构思出将压缩机、膨胀机和电机通过一根转轴连接的压缩膨胀一体机（컴팬더）系统，从而解决了上述问题。
同时还应用了多项高端透平机械设计技术，例如使由同一转轴连接的压缩机和膨胀机各自在最高效率点运行的空气动力学设计技术，以及即便在超高速转速下也能实现稳定驱动的转轴系统设计技术。
采用已开发压缩膨胀一体机的冷却系统，在1小时内成功将空气冷却至零下60摄氏度以下，尤其是在生成零下50摄氏度以下冷量时，其冷冻效率被评价为高于传统的蒸汽压缩系统。
能源研解释称，从理论上看，该系统可将温度冷却至零下100摄氏度，在这一温度区间，其冷冻效率预计将比蒸汽压缩方式提升50%以上。
研究负责人 Lee Beomjun 博士表示：“受环境监管影响，冷冻系统使用环保制冷剂的趋势正在扩散。能源研目前正开展研究，以提升性能，使其能够产生零下100摄氏度以下的冷量，今后研究成果有望应用于需要超低温冷量的半导体工艺以及医药·生物领域。”
另外，本次研究在“科学技术信息通信部气候变化应对技术开发项目（研究负责人 Lee Beomjun）”以及能源研基本项目（研究负责人 Shin Hyeonggi）的支持下完成。
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