“超級低溫工廠”實現中國造

中國科學院理化技術研究所研製的液氦到超流氦溫區大型低溫製冷裝備。
中國科學院理化技術研究所供圖

創造一個超大深冷“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）的超低溫環境，並保證百瓦級到萬瓦級連續穩定工作——大型低溫製冷裝備憑藉這一能力，被稱作“超級低溫工廠”。

科學上把20K稱為液氫溫區，2K為超流氦溫區。液氫至超流氦溫區的大型製冷裝備，在航天工程、氫能源儲運、氦資源開發和許多大科學裝置運轉中發揮著重要的支撐作用。長期以來，國內用的大型低溫製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多年持續攻關，攻克一系列關鍵核心技術，研製出20K到2K、百瓦到千瓦級（kW）的系列化大型低溫製冷裝備，讓“超級低溫工廠”實現了中國造，形成了從技術研發、工程示範到産業應用的完整鏈條。

啃下自主研製大型低溫製冷裝備這塊“硬骨頭”

“大型低溫製冷裝備不在‘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，正是大型低溫製冷裝備産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製冷裝備。

“解決氫的大規模儲存與運輸難題，大型低溫製冷裝備同樣關鍵。”胡忠軍説，氫氣密度遠小于空氣，在常溫常壓下運輸，體積非常龐大。如果用低溫大型製冷機將氫氣液化，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，自主研製大型低溫製冷裝備，其難度超出預想。

“拿其中一個關鍵設備透平膨脹機來説，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髮絲直徑1/5的氣膜。”胡忠軍介紹，怎麼設計氣體軸承、如何保障轉子高效穩定運轉，都考驗著科研人員的智慧。

像透平膨脹機這樣的挑戰，在大型低溫製冷裝備研製中還有很多。“大型低溫製冷裝備與大家常見的空調、冰箱不同，涉及多級壓力、溫度與製冷級，系統十分複雜。”中國科學院理化所研究員劉立強説。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“低溫氦透平製冷機樣機研製”專項，作為項目承接單位，中國科學院理化所&&開展大型低溫製冷系統核心部件攻關和樣機系統集成技術研究。他們研製的國內首臺製冷量為“2kW@20K”的氦透平製冷機，經受住了連續運行考驗和測試，由此證明我國具備自主研製大型低溫製冷裝備的能力。

從2010年起，該所承擔財政部國家重大科研裝備研製專項任務，一場向更先進大型低溫製冷裝備發起的衝刺開始了。

探索出一整套行之有效的工程化管理模式

從液氫溫區到液氦溫區再到超流氦溫區，溫度每下降1攝氏度或功率每增加一個數量級，相關系統都需要重新設計，關鍵部件也要升級，研發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。

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

氦氣螺桿壓縮機是氦氣低溫系統的動力源，決定著低溫系統運行的穩定性。胡忠軍介紹，科研人員大膽創新，一遍又一遍摸索，最終開發出具有自主知識産權的氦氣螺桿壓縮機。為了在規定時間內完成壓縮機測試等任務，團隊與配套企業合作，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，研製出國內首套液氫溫區萬瓦級大型低溫製冷系統，實現“10kW@20K”的既定目標。

2015年4月，國家財政專項Ⅱ期“液氦到超流氦溫區大型低溫製冷系統研製”項目啟動。5年多日夜奮戰，科研人員在原有成果基礎上，不僅自主研製出了技術指標為“2500W@4.5K”和“500W@2K”的大型氦製冷機，還實現了包括大型低溫製冷系統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製冷技術上，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、系統集成和工程應用3個課題組，組建低溫工程與系統應用中心，形成了首席科學家領銜、科研骨幹和技術支撐人員聯合攻關的創新團隊模式。

項目難度大、系統集成複雜，如何確保研製進度？王雪松説，所裏採取行政、技術兩條線並行推進模式，行政線抓管理、技術線抓節點，統籌把握各類任務實施進度。

大型低溫製冷裝備研製走到今天，是中國科學院理化所幾代科研工作者接力傳承的結果。劉立強説，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打下了紮實的基礎，“沒有前人的工作，就不會有今天的成就。”

聯合研製單位也有不少貢獻。以氦氣螺桿壓縮機研製為例，無錫錫壓壓縮機有限公司總工程師陸龍勝基於豐富的經驗，琢磨出了一套精巧的壓力調節裝置，解決了因吸氣壓力過高引起的停機難題；冰輪環境技術股份有限公司暫停生産任務、為科研讓路，保障氦氣螺桿壓縮機順利測試……

“沒有強大的製造能力和相關單位協同攻關，科學家再好的想法也實現不了。”劉立強説。

形成從技術研發、工程示範到産業應用的完整鏈條

解決大型低溫製冷裝備“卡脖子”問題，單做出樣機不行，還需實現産業化，帶動上下游産業的發展，進而不斷提升我國低溫産業自主創新實力。

針對大型低溫製冷裝備應用性強、産業需求迫切的特點，不同於以往先實驗室突破、再中試、再産業化的成果轉化路徑，中國科學院理化所在該裝備研製過程中創造性地探索出“邊研究、邊應用、邊轉化”的發展模式。

“我們關注的不是低溫或大功率的指標能‘刷’到多高，而是考慮是否滿足産業化需求。”劉立強説，産品能不能長期穩定運行、成本如何、後續好不好維護等，都是科研人員關心的問題。

這種模式下，産出科研成果之日，就是産品下線之時。2016年，中國科學院理化所聯合社會資本共同創立科技成果轉化企業——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，企業長于工程轉化，兩者優勢互補，縮短了成果轉化週期，提升了我國低溫産業的水平。”中科富海董事長張彥奇説，大型低溫製冷裝備項目的實施，推動我國在該領域形成了從技術研發、工程示範到産業應用的完整鏈條。

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製造企業的創新能力顯著提升，我國初步形成了功能齊全、分工明確的低溫産業群。

張彥奇介紹，有科學家團隊做技術後盾，中科富海得以保持戰略定力，堅持高標準做産品。通過産學研合作，公司迅速成長為低溫行業的領軍企業。中科富海首次在國內開發了系列化、多規格成套深冷區大型氫氦製冷裝備及液化裝置，讓中國在全球低溫大型製冷設備製造領域擁有一席之地。

超導加速器、航天器地面試驗、先進光源、聚變實驗堆……今天，越來越多的國家重大工程用上了我國自主研製的大型低溫製冷裝備。值得一提的是，我國百瓦級氦製冷機和氫液化器還走出國門，在國外大科學工程中得到應用。

低溫製冷技術研究沒有終點。量子科技、氦資源提取以及航天工程的快速發展，都對大型超流氦低溫裝備提出了更高要求。前瞻佈局，中國科學院2020年部署萬瓦級液氦溫度大型製冷機核心技術攻關，2021年啟動“大型低溫製冷機及提氦工程示範”先導專項。

“國家的需求就是我們努力的方向。中國科學院理化所將接力攻關，繼續打好大型低溫製冷裝備攻堅戰，積極搶佔低溫科研高地。”王雪松語氣堅定。