Het Koreaanse onderzoeksinstituut KIMM heeft een Turbo-Brayton koelinstallatie ontwikkeld die tot onder −120 °C koelt en daarvoor gebruikmaakt van stikstof als koudemiddel (GWP: 0). De installatie, ontworpen voor warmteafvoer bij de productie van halfgeleiders, is klaar voor marktintroductie.
De installatie die door het Department of Energy Storage Systems van KIMM is ontwikkeld, is een cryogeen ‘Turbo-Brayton’-systeem met een koelcapaciteit van 15 kW. Vrijwel alle onderdelen van het ontwikkelproces – van systeemontwerp tot de productie van cruciale componenten, bediening en besturing – zijn door het team in eigen beheer gehouden. Het resultaat is een compacte koelunit van 1,6 meter breed, 1,6 meter diep en 2,1 meter hoog, waarvan de beloofde koelprestaties inmiddels zijn geverifieerd in labtests.
Proceswarmte afvoeren
Bij het etsen van patronen op halfgeleiders worden cryogene installaties ingezet die koelvloeistof tot -100 °C kunnen koelen om proceswarmte af te voeren. Dat kan met traditionele dampcompressiekoeling, maar het onderzoeksteam van KIMM is uitgegaan van de ‘Turbo-Brayton’-cyclus. De compacte turbomachine die ze volgens dit ‘exotische’ concept bouwden, is olievrij (bij cryogene temperaturen kan conventionele smeerolie snel bevriezen) en draait op een snelheid van liefst 60.000 tpm.
Klaar voor marktintroductie
Bij prestatietests werd binnen 30 minuten na opstart een temperatuur van −120 °C gerealiseerd, en binnen 60 minuten werd de beoogde koellast van 15 kW gehaald. De COP van de installatie is 0,167. Bij cryogene koeling middels Turbo-Brayton lijkt die waarde acceptabel; bij temperaturen tot −120 °C is de maximaal haalbare COP bij dit koelconcept ongeveer 2,5. Volgens KIMM is hun innovatie een primeur: het zou de eerste grootschalige cryogene Turbo-Brayton-koelinstallatie zijn die klaar is voor marktintroductie. Hiervoor is de ontwikkelde technologie overgedragen aan Chago Engineering, een Koreaanse fabrikant van chillers voor de halfgeleiderindustrie. Chago zal de koeler naar verwachting vanaf 2027 commercieel aanbieden.
Over KIMM
Het Department of Energy Storage Systems van KIMM doet sinds 2018 onderzoek naar cryogene koeling op basis van het Turbo-Brayton-principe. Inmiddels hebben de onderzoekers ook prototypen van industriële koelsystemen voor temperaturen tot −200 °C ontwikkeld. Het plan is om dit stapsgewijs door te ontwikkelen om uiteindelijk temperaturen tot −269 °C te kunnen realiseren. Daarmee kan het toepassingsgebied van Turbo-Brayton-machines worden uitgebreid naar andere sectoren, zoals supergeleiding, ruimtevaart, kwantumtechnologie en kernfusie.
Leestip: Doorbraak: adsorptiekoeling met restwarmte van slechts 40 °C als bron
