Новый полупроводниковый чиллер сочетает в себе глубокое охлаждение с использованием хладагента, который не обладает потенциалом глобального потепления

Для отвода тепла, выделяющегося в процессе производства полупроводников, был разработан промышленный чиллер большой емкости, способный обеспечивать охлаждение при температурах от -120°C и ниже. Используя азот в качестве хладагента с нулевым потенциалом глобального потепления (ПГП), система сочетает экологические преимущества с высокой производительностью охлаждения. Технология достигла уровня, пригодного для коммерциализации и практического использования в промышленных условиях.

Исследовательская группа, возглавляемая доктором Джунсоком Ко, руководителем отдела систем накопления энергии в Научно-исследовательском институте углеродно-нейтрального энергетического машиностроения Корейского института машиностроения и материалов (KIMM), разработала криогенную систему охлаждения Turbo-Brayton, способную обеспечивать холодопроизводительность 15 кВт при температуре -120°C или ниже. Команда самостоятельно разрабатывала технологии, необходимые на протяжении всего процесса разработки, от проектирования ключевых компонентов и систем до производства, эксплуатации и контроля.

Система была встроена в промышленный чиллер шириной 1,6 м (5,2 фута), глубиной 1,6 м (5,2 фута) и высотой 2,1 м (6,9 фута), и ее производительность была подтверждена в ходе испытаний.

По мере того как полупроводниковые устройства становятся все более интегрированными, все большее значение приобретают процессы травления, которые создают глубокие и точные рисунки на поверхности полупроводников. Для этих процессов требуются криогенные холодильные установки, которые обеспечивают подачу охлаждающих жидкостей при температуре около -100°C для эффективного отвода тепла, выделяющегося в процессе производства. Однако обычные парокомпрессионные чиллеры часто используют хладагенты с высоким потенциалом глобального потепления и сталкиваются с техническими ограничениями в повышении холодопроизводительности.

Чтобы преодолеть эти трудности, исследовательская группа применила турбобрейтоновский цикл, который обеспечивает охлаждающий эффект за счет сжатия и расширения газообразного азота. Азот, используемый в качестве хладагента, обладает нулевым потенциалом глобального потепления (ПГП) и обеспечивает преимущества в области охраны окружающей среды и безопасности. Команда разработчиков еще больше повысила безопасность системы, спроектировав систему охлаждения для работы при давлении не более 10 атмосфер.

Турбомашина, ключевой компонент системы, оснащена технологией магнитных подшипников, которые поддерживают вращающийся вал без использования смазочного масла. Турбомашина работает на сверхвысокой скорости - 60 000 оборотов в минуту. При криогенных температурах обычное смазочное масло может замерзнуть, что может привести к выходу оборудования из строя или снижению производительности. Команда решила эту проблему, самостоятельно разработав безмасляное турбомашиностроение, позволяющее гибко регулировать температуру и производительность охлаждения. Кроме того, система была упрощена и спроектирована с компактной конструкцией, что позволило сократить пространство для установки на промышленных объектах.

In performance tests conducted by the research team, the chiller reached temperatures of −120°C or below within 30 minutes of startup and operated under its target cooling load of 15 kW within 60 minutes. Under rated operating conditions, the system consumed 90 kW of electrical power and achieved a coefficient of performance (COP) of 0.167, representing the ratio of cooling capacity to power consumption. For the first time in Korea, a large-capacity Turbo-Brayton cryogenic chiller has been developed to a commercialization-ready level, and its operating performance has been verified.

This achievement represents an advancement from the team's previous results in 2024, when it demonstrated cooling performance exceeding 10 kW at −100°C. The technology has since been advanced into an industrial chiller suitable for practical applications. The related technology has been transferred to CHAGO ENGINEERING Co., Ltd., a Korean semiconductor chiller manufacturer, with a product launch targeted for 2027. The technology is expected to find applications in semiconductor etching equipment and other industries requiring large-capacity cryogenic cooling.

Since 2018, KIMM's Department of Energy Storage Systems has continuously conducted research on Turbo-Brayton cryogenic cooling technology and has already secured large-capacity industrial cooling technology capable of reaching temperatures as low as −200°C. The department plans to further develop cooling technologies capable of reaching −250°C and −269°C in stages, expanding their applications to future industries such as superconductivity, space, hydrogen, quantum technologies, and nuclear fusion.

Ko, head of KIMM's Department of Energy Storage Systems, said, "Since setting the goal of developing an industrial chiller in 2024, our researchers have worked to advance the technology to a level suitable for commercialization." He added, "Building on this achievement, we will continue developing industrial cryogenic cooling technologies that can be applied not only to semiconductor manufacturing but also to a wide range of promising future industries."