한국에너지기술연구원 종합 에너지 전문 연구기관으로서 국가의 에너지안보와 탄소중립 문제를 동시에 해결하기 위한 연구에 앞장서 왔다. 이번 연구에 참여한 에너지변환연구실은 탄소중립사회에서의 열에너지 전기화 기술로 열-열, 열-전기, 전기-열의 효율적 변환의 핵심 기기인 히트펌프, 열-전기 섹터커플링, 카르노배터리기술 연구를 수행하고 있다.

신형기 에너지연 박사를 만나 Air Chiller R&D 참여 배경 및 개발 계획을 들었다.

■ 과제 참여 배경은
에너지연 에너지변환연구실은 2021년부터 공기냉매를 적용한 터보식 냉동기 연구를 수행해 왔다. 자체적으로 냉동시스템과 터보기기를 설계하고 실험장치를 구축해 2024년 현재 국내 최초로 대기 중 공기를 냉매로 적용한 냉동시스템을 개발해 팽창기 토출부 기준 6kW 냉동용량, -60℃ 냉열 생산을 달성했다.  

특히 티앤이코리아와 협력을 통해 공기냉매 냉동기 개발에서 가장 난이도가 높은 터보식 컴팬더 시작품을 개발해 공기냉매 냉동기시스템을 구축했다. 특히 자체 설계를 통해 압축기 효율 80% 이상, 팽창기 효율 84% 이상, 운전 회전수 4만7,000RPM의 고효율 고속 소형 터보 컴팬더를 개발했다. 이렇게 쌓아온 기초기술을 바탕으로 이번 연구 과제에서는 –100℃ 공기냉매 터보냉동기를 상용화 수준으로 개발하고자 참여했다. 

■ R&D 개발 방향은 
이번 과제에서 에너지연의 주요 역할은 냉동기시스템과 컴팬더 개발이다. 목표하는 냉동용량, 온도, COP 달성을 위해 냉동사이클과 시스템 최적화가 중요요소다. 이에 따라 사이클과 시스템 최적설계를 수행하고 시행착오를 줄이고자 실험실에 우선적으로 냉동시스템을 구축해 성능시험, 평가, 설계 수정을 통해 반도체공정 적용을 위한 냉동기 상용화 개발기간을 단축하고 신뢰성을 높일 계획이다. 이렇게 구축된 데이터를 바탕으로 주관기관의 칠러 상용 패키지 개발에 협력하고 수요기업에서의 성능시험에 기여하고자 한다. 

또한 TNE, KAIST, 한양대와 협력해 자체적으로 –100℃ 냉동기 적용을 위한 고속 터보식 컴팬더 개발과 성능평가를 수행할 계획이다. 이를 위해 1~2차연도는 주로 컴팬더에 대해 터보식 압축기, 팽창기 설계, 제작, 성능시험 위주로 수행하며 2~3차연도는 냉동기시스템 설계, 시험설비 구축과 성능시험을, 3~5차연도에는 냉동기 패키지화 및 수요기업에서의 실증시험을 통해 초저온 공기냉매 냉동기술 상용화를 이룰 계획이다. 

■ 기대효과는 
이번 기술은 공기를 냉매로 사용, 냉동사이클을 물리적으로 구현해 초저온 냉동이 가능하다. 기술 고도화화에 따라 반도체 생산공정 및 바이오, 의약품, 양자컴퓨터 등에서 –50℃ 이하 초저온 냉열수요가 증가하고 있으며 삶의 질 향상에 따라 콜드체인-냉동식품분야에서도 초저온 냉동창고 수요가 증가하고 있다. 이러한 고부가가치산업에서는 온실가스 및 환경규제와 맞물려 친환경냉매를 사용한 냉동기의 강한 요구가 증대하고 있어 이번 기술의 직접적인 수요처가 될 수 있다. 

또한 대규모 공간의 냉각, 제습이 가능하기 때문에 데이터센터 냉각, 드라이룸 등에 적용할 수 있으며 에어컨, 히트펌프분야에서 공기를 냉매로 적용할 수 있는 기초기술이 되기 때문에 냉동 이외에 건물 냉난방, 산업용보일러 대체 히트펌프분야로 확대될 수 있을 것이다.