10kW 냉각성능 터보-브레이튼 극저온 냉각시스템 개발

수소액화·LNG 액화 플랜트를 포함한 극저온 냉각 플랜트의 기본이 되는 터보-브레이튼(Turbo-brayton) 극저온 냉각시스템 전주기 기술을 국내 최초로 개발했다.

과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(원장 박상진, 이하 기계연) 극한열유체기계연구실 염한길 책임연구원 연구팀은 영하 196℃에서 10kW의 냉각성능을 갖는 터보-브레이튼 극저온 냉각시스템을 구축하고 가동 테스트를 완료했다.

극저온 냉각시스템은 터보기계를 활용한 브레이튼 냉각 시스템. 압축기, 팽창기, 열교환기로 구성됐다. 대용량 극저온 냉각을 제공하는 시스템으로 기체를 압축했다가 팽창하는 과정을 반복하는 과정을 통해 극저온을 얻는 원리다. 냉각시스템 설계부터 구축까지 전체 공정 기술을 개발한 것은 국내 최초다.


터보-브레이튼 극저온 냉각시스템은 수소액화나 LNG액화, 헬륨액화, 초전도 전력기기 냉각시스템 같은 극저온 플랜트의 기본 핵심이 되는 기술이다. 그동안 다양한 산업 분야에서 대용량의 극저온 냉각이 요구돼왔다. 극저온 운전온도에서 초고속으로 회전하는 원심압축기와 터보 팽창기의 경우 극저온 냉각시스템의 핵심부품이지만 국내 기술 부족으로 인해 전량 수입에 의존해왔다.

연구팀은 원심압축기와 터보 팽창기 국산화에 성공했으며, 이번 개발을 통해 국내에서 극저온 냉각시스템의 설계, 제작, 구축, 운전, 제어에 필요한 모든 기술을 확보하게 됐다. 이는 차세대 전력기술인 초전도케이블과 국내 LNG 운반선에 활용될 것으로 기대된다.

기계연 염한길 책임연구원은 “이번에 개발한 냉각시스템은 지구온난화에 영향이 없는 헬륨, 네온, 질소 등을 냉매로 사용한다. 영하 40~250℃의 넓은 온도 범위에서 대용량 냉각을 제공할 수 있다”며 “정확한 온도제어가 중요한 반도체나 가스 산업 등 산업계에 친환경 냉각기술을 제공할 수 있을 것으로 기대된다”라고 말했다.

한편, 이번 연구는 기계연 기본사업 ‘미래에너지 대응 극저온 냉각시스템 개발’ 과제의 지원을 받아 수행됐다.