开发新型空气制冷系统以替代有害制冷剂

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欧盟修订的氟化温室气体（F-gases）法规于今年3月生效。自2025年起，含F-gases的产品将逐步停止销售。此外，预计对使用F-gases的工艺的管制也将加强。由于F-gases用于韩国主要出口产品，例如空调、汽车和半导体工艺，因此迫切需要开发替代技术。
研究团队成功开发出用于空气制冷的一体式超高速压缩膨胀机，并在韩国首次打造出空气制冷系统。利用该系统，能够以空气为制冷剂，实现-60摄氏度的温度环境。
传统的制冷和冷却系统主要采用蒸汽压缩循环。在这种方法中，液体制冷剂蒸发并吸收热量，从而实现冷却。由于其结构和设计简单，它被广泛应用于各个领域。然而，一个关键的缺点是它依赖氟化温室气体作为冷却剂，导致全球变暖的影响。
为此，研究团队着重实施了基于逆布雷顿循环的冷却系统，该系统使用空气作为制冷剂。与传统的蒸发液体的方法不同，该系统压缩气体，然后进行热交换和膨胀以产生低温气体，从而无需液体制冷剂即可实现冷却。
空气冷却系统的性能和数据目前正在验证和测试中。图片来源：韩国能源研究所
然而，设计和建造这种系统的复杂性一直是一个巨大的挑战，阻碍了它在制冷系统中的应用。由于冷却过程中的超高速旋转，压缩膨胀机必须设计得非常精确。例如，组件之间的间隙和轴位移要求公差在 0.1 毫米以内。
为了实现逆布雷顿循环系统，研究团队设计了一种压缩膨胀机系统，将压缩机、膨胀机和电机连接到一根轴上。尽管压缩机和膨胀机连接到一根轴上，但每个设备都必须以自己的最大效率运行。此外，轴系统设计确保即使在超高转速下也能稳定运行，进一步提高了系统的可靠性和性能。
利用所开发的压缩膨胀机的冷却系统在短短一小时内成功将空气冷却至零下 60 摄氏度。值得注意的是，当产生零下 50 摄氏度以下的低温时，该系统的制冷效率比传统的蒸汽压缩系统更高。从理论上讲，它能够冷却至零下 100 摄氏度，并且在此温度下，与蒸汽压缩系统相比，制冷效率预计将提高 50% 以上。
首席研究员 Beom Joon Lee 博士表示：“由于环境法规的要求，主要使用高全球变暖潜能值制冷剂的制冷系统正在迅速转向使用环保制冷剂。”
他补充道：“我们目前正在努力提高系统性能，以实现低于-100摄氏度的低温。我们预计这项技术将应用于需要超低温的领域，例如半导体工艺、制药和生物技术。”