中國科學院理化技術研究所研制的液氦到超流氦溫區(qū)大型低溫制冷裝備。

創(chuàng)造一個超大深冷“冰箱”，提供20K(開爾文，20K即零下253攝氏度)以下甚至2K(零下271攝氏度)的超低溫環(huán)境，并保證百瓦級到萬瓦級連續(xù)穩(wěn)定工作——大型低溫制冷裝備憑借這一能力，被稱作“超級低溫工廠”。

科學上把20K稱為液氫溫區(qū)，2K為超流氦溫區(qū)。液氫至超流氦溫區(qū)的大型制冷裝備，在航天工程、氫能源儲運、氦資源開發(fā)和許多大科學裝置運轉中發(fā)揮著重要的支撐作用。長期以來，國內用的大型低溫制冷裝備幾乎全部依賴進口。

中國科學院理化技術研究所(以下簡稱“中國科學院理化所”)科研團隊經過10多年持續(xù)攻關，攻克一系列關鍵核心技術，研制出20K到2K、百瓦到千瓦級(kW)的系列化大型低溫制冷裝備，讓“超級低溫工廠”實現了中國造，形成了從技術研發(fā)、工程示范到產業(yè)應用的完整鏈條。

啃下自主研制大型低溫制冷裝備這塊“硬骨頭”

“大型低溫制冷裝備不在‘臺前’，但許多重要工作離不開它。”常年從事低溫設備研究，中國科學院理化所研究員胡忠軍對此體會深刻。

來到中國科學院文獻情報中心大樓，站在北京正負電子對撞機介紹展板前，胡忠軍解釋：“氦氣在零下269攝氏度會成為液體，到零下271攝氏度就變成超流氦。為北京正負電子對撞機這類粒子加速器中高場強超導磁體進行冷卻的，正是大型低溫制冷裝備產生的液氦或者超流氦。”

不只是北京正負電子對撞機，上海光源、高能同步輻射光源等大科學裝置的運轉也離不開大型低溫制冷裝備。

“解決氫的大規(guī)模儲存與運輸難題，大型低溫制冷裝備同樣關鍵。”胡忠軍說，氫氣密度遠小于空氣，在常溫常壓下運輸，體積非常龐大。如果用低溫大型制冷機將氫氣液化，體積可以減少至約1/800，極大降低運輸成本。

據專家介紹，隨著經濟社會的快速發(fā)展，我國對大型低溫技術和裝備的需求日益迫切。但是，自主研制大型低溫制冷裝備，其難度超出預想。

“拿其中一個關鍵設備透平膨脹機來說，它由氣體軸承支撐，葉輪旋轉時，圓周線速度極快，且軸承之間僅隔著厚度為頭發(fā)絲直徑1/5的氣膜。”胡忠軍介紹，怎么設計氣體軸承、如何保障轉子高效穩(wěn)定運轉，都考驗著科研人員的智慧。

像透平膨脹機這樣的挑戰(zhàn)，在大型低溫制冷裝備研制中還有很多。“大型低溫制冷裝備與大家常見的空調、冰箱不同，涉及多級壓力、溫度與制冷級，系統(tǒng)十分復雜。”中國科學院理化所研究員劉立強說。他將攻堅難點概括為“兩機一箱一集成”，即透平膨脹機、冷壓縮機，冷箱集成技術，以及整個系統(tǒng)的設計、控制和調試。

“再難，也要啃下這塊‘硬骨頭’。”2009年，中國科學院啟動“低溫氦透平制冷機樣機研制”專項，作為項目承接單位，中國科學院理化所牽頭開展大型低溫制冷系統(tǒng)核心部件攻關和樣機系統(tǒng)集成技術研究。他們研制的國內首臺制冷量為“2kW@20K”的氦透平制冷機，經受住了連續(xù)運行考驗和測試，由此證明我國具備自主研制大型低溫制冷裝備的能力。

從2010年起，該所承擔財政部國家重大科研裝備研制專項任務，一場向更先進大型低溫制冷裝備發(fā)起的沖刺開始了。

探索出一整套行之有效的工程化管理模式

從液氫溫區(qū)到液氦溫區(qū)再到超流氦溫區(qū)，溫度每下降1攝氏度或功率每增加一個數量級，相關系統(tǒng)都需要重新設計，關鍵部件也要升級，研發(fā)難度隨之指數級增加。

走進中國科學院理化所低溫工程與系統(tǒng)應用中心，科研人員正盯著軸心軌跡試驗平臺，查看、記錄高速轉子運行參數。中國科學院理化所研究員彭楠告訴記者，團隊正在研究新一代氣浮軸承，轉子速度有望達到每分鐘30萬轉。

制冷溫度越低，對透平膨脹機轉速的要求就越高。彭楠回憶，為研制高效且穩(wěn)定的軸承，他和同事夜以繼日地在實驗室埋頭工作，一直持續(xù)了一年多。

氦氣螺桿壓縮機是氦氣低溫系統(tǒng)的動力源，決定著低溫系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。胡忠軍介紹，科研人員大膽創(chuàng)新，一遍又一遍摸索，最終開發(fā)出具有自主知識產權的氦氣螺桿壓縮機。為了在規(guī)定時間內完成壓縮機測試等任務，團隊與配套企業(yè)合作，加班加點，僅用1個月就完成了原本需要3個月的工作。

2010年10月至2014年12月，中國科學院理化所完成了國家財政專項Ⅰ期項目任務，研制出國內首套液氫溫區(qū)萬瓦級大型低溫制冷系統(tǒng)，實現“10kW@20K”的既定目標。

2015年4月，國家財政專項Ⅱ期“液氦到超流氦溫區(qū)大型低溫制冷系統(tǒng)研制”項目啟動。5年多日夜奮戰(zhàn)，科研人員在原有成果基礎上，不僅自主研制出了技術指標為“[email protected]”和“500W@2K”的大型氦制冷機，還實現了包括大型低溫制冷系統(tǒng)整機設計體系構建及控制技術、系列化氣體軸承氦透平膨脹機技術等在內的技術突破。在大型液氦到超流氦溫區(qū)制冷技術上，我國自此跨入國際先進行列。

通過承擔專項任務，中國科學院理化所探索出一整套行之有效的工程化管理模式。

攻關涉及領域廣、人員多，如何形成合力?“做好重大任務，必須組織好大團隊。”中國科學院理化所所長王雪松介紹，他們成立了研究開發(fā)、系統(tǒng)集成和工程應用3個課題組，組建低溫工程與系統(tǒng)應用中心，形成了首席科學家領銜、科研骨干和技術支撐人員聯(lián)合攻關的創(chuàng)新團隊模式。

項目難度大、系統(tǒng)集成復雜，如何確保研制進度?王雪松說，所里采取行政、技術兩條線并行推進模式，行政線抓管理、技術線抓節(jié)點，統(tǒng)籌把握各類任務實施進度。

大型低溫制冷裝備研制走到今天，是中國科學院理化所幾代科研工作者接力傳承的結果。劉立強說，從20世紀50年代開始，包括洪朝生院士、周遠院士在內的老一輩科學家，為研究所低溫研究事業(yè)打下了扎實的基礎，“沒有前人的工作，就不會有今天的成就。”

聯(lián)合研制單位也有不少貢獻。以氦氣螺桿壓縮機研制為例，無錫錫壓壓縮機有限公司總工程師陸龍勝基于豐富的經驗，琢磨出了一套精巧的壓力調節(jié)裝置，解決了因吸氣壓力過高引起的停機難題;冰輪環(huán)境技術股份有限公司暫停生產任務、為科研讓路，保障氦氣螺桿壓縮機順利測試……

“沒有強大的制造能力和相關單位協(xié)同攻關，科學家再好的想法也實現不了。”劉立強說。

形成從技術研發(fā)、工程示范到產業(yè)應用的完整鏈條

解決大型低溫制冷裝備“卡脖子”問題，單做出樣機不行，還需實現產業(yè)化，帶動上下游產業(yè)的發(fā)展，進而不斷提升我國低溫產業(yè)自主創(chuàng)新實力。

針對大型低溫制冷裝備應用性強、產業(yè)需求迫切的特點，不同于以往先實驗室突破、再中試、再產業(yè)化的成果轉化路徑，中國科學院理化所在該裝備研制過程中創(chuàng)造性地探索出“邊研究、邊應用、邊轉化”的發(fā)展模式。

“我們關注的不是低溫或大功率的指標能‘刷’到多高，而是考慮是否滿足產業(yè)化需求。”劉立強說，產品能不能長期穩(wěn)定運行、成本如何、后續(xù)好不好維護等，都是科研人員關心的問題。

這種模式下，產出科研成果之日，就是產品下線之時。2016年，中國科學院理化所聯(lián)合社會資本共同創(chuàng)立科技成果轉化企業(yè)——北京中科富海低溫科技有限公司。

這樣做有何好處?“科研機構長于技術開發(fā)，企業(yè)長于工程轉化，兩者優(yōu)勢互補，縮短了成果轉化周期，提升了我國低溫產業(yè)的水平。”中科富海董事長張彥奇說，大型低溫制冷裝備項目的實施，推動我國在該領域形成了從技術研發(fā)、工程示范到產業(yè)應用的完整鏈條。

在項目配套過程中，高端氦氣螺桿壓縮機、低溫換熱器和低溫閥門等相關制造企業(yè)的創(chuàng)新能力顯著提升，我國初步形成了功能齊全、分工明確的低溫產業(yè)群。

(關鍵字：制冷)