中國科(ke)(ke)學(xue)院理化(hua)技(ji)術研(yan)究(jiu)所(suo)(suo)研(yan)制的超級液氦到超流氦溫區(qu)大型低(di)溫制冷裝備。中國科(ke)(ke)學(xue)院理化(hua)技(ji)術研(yan)究(jiu)所(suo)(suo)供圖

　　創造一個超大深冷“冰箱”，低溫提供20K（開爾文，工廠20K即零下253攝氏度）以下甚至2K（零下271攝氏度）的實現超低溫環境，并保證百瓦級到萬瓦級連續穩定工作——大型低溫制冷裝備憑借這一能力，中國造被稱作“超級低溫工廠”。超級杏彩系列

　　科學上把(ba)20K稱為液氫溫(wen)區，低溫(wen)2K為超(chao)(chao)流(liu)(liu)氦(hai)(hai)溫(wen)區。工廠液氫至超(chao)(chao)流(liu)(liu)氦(hai)(hai)溫(wen)區的(de)實(shi)(shi)現大(da)型制冷裝備，在航天工程、中國造氫能源(yuan)儲運、超(chao)(chao)級氦(hai)(hai)資源(yuan)開(kai)發和(he)許多大(da)科學裝置運轉(zhuan)中發揮著重要(yao)的(de)低溫(wen)支撐作用(yong)。長(chang)期以來，工廠國內用(yong)的(de)實(shi)(shi)現大(da)型低溫(wen)制冷裝備幾乎全部依(yi)賴進(jin)口。

　　中國科學(xue)(xue)院理化(hua)技術(shu)研(yan)(yan)(yan)究所（以下(xia)簡稱“中國科學(xue)(xue)院理化(hua)所”）科研(yan)(yan)(yan)團隊(dui)經過10多(duo)年持(chi)續攻關(guan)，中國造(zao)(zao)攻克(ke)一系列(lie)關(guan)鍵核(he)心技術(shu)，研(yan)(yan)(yan)制出20K到(dao)2K、百瓦(wa)到(dao)千瓦(wa)級（kW）的(de)系列(lie)化(hua)大型低溫制冷(leng)裝備，讓“超級低溫工廠”實現了中國造(zao)(zao)，形(xing)成了從技術(shu)研(yan)(yan)(yan)發、工程示(shi)范到(dao)產業應用的(de)完整鏈條。

　　啃下自主研制(zhi)大型低(di)溫制(zhi)冷裝備這(zhe)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。杏彩官網平臺-電腦版

　　來到中(zhong)國科學院文(wen)獻情(qing)報中(zhong)心大樓，站在北(bei)京(jing)正(zheng)負電子(zi)對撞機(ji)介紹展板前，胡忠軍(jun)解釋：“氦(hai)(hai)(hai)(hai)氣在零下(xia)269攝氏(shi)(shi)度會成(cheng)為(wei)(wei)液體，到零下(xia)271攝氏(shi)(shi)度就(jiu)變成(cheng)超流氦(hai)(hai)(hai)(hai)。為(wei)(wei)北(bei)京(jing)正(zheng)負電子(zi)對撞機(ji)這類粒子(zi)加速器中(zhong)高場強超導(dao)磁(ci)體進行冷(leng)卻的，正(zheng)是(shi)大型低溫制冷(leng)裝備(bei)產生的液氦(hai)(hai)(hai)(hai)或者超流氦(hai)(hai)(hai)(hai)。”

　　不只是北京正負電(dian)子對撞機，上(shang)海光(guang)源、高(gao)能同(tong)步輻射光(guang)源等大(da)(da)科學裝(zhuang)置的運轉也離不開大(da)(da)型低溫制(zhi)冷裝(zhuang)備。

　　“解決氫的大規模儲存與運(yun)輸難(nan)題(ti)，大型(xing)低(di)(di)溫制冷裝備同樣關鍵。”胡忠軍說，氫氣(qi)密度遠小于(yu)空(kong)氣(qi)，在常溫常壓下運(yun)輸，體積非常龐大。如(ru)果用低(di)(di)溫大型(xing)制冷機將氫氣(qi)液化(hua)，體積可以減少至(zhi)約(yue)1/800，極大降(jiang)低(di)(di)運(yun)輸成本(ben)。

　　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，自主研制大型低溫制冷裝備，其難度超出預想。杏彩官網注冊地址

　　“拿其中(zhong)一(yi)個關鍵設備(bei)透平膨脹機來說，它由氣體軸承支撐，葉輪(lun)旋轉(zhuan)時，圓周線速度(du)極快，且軸承之間僅隔著厚(hou)度(du)為頭發絲(si)直徑1/5的氣膜。”胡忠軍(jun)介紹，怎(zen)么設計(ji)氣體軸承、如何保障(zhang)轉(zhuan)子高效(xiao)穩定運(yun)轉(zhuan)，都考驗著科研人員的智慧。

　　像(xiang)透(tou)平膨脹機(ji)(ji)這(zhe)樣的(de)挑戰，在(zai)大(da)型(xing)低(di)溫(wen)制(zhi)冷(leng)(leng)裝(zhuang)(zhuang)備研(yan)制(zhi)中還有很多。“大(da)型(xing)低(di)溫(wen)制(zhi)冷(leng)(leng)裝(zhuang)(zhuang)備與大(da)家常(chang)見(jian)的(de)空調、冰(bing)箱不同，涉(she)及(ji)多級(ji)壓(ya)力、溫(wen)度與制(zhi)冷(leng)(leng)級(ji)，系統十分復雜。”中國科學院(yuan)理化(hua)所研(yan)究(jiu)員劉立強說(shuo)。他將攻堅難點概括為“兩(liang)機(ji)(ji)一(yi)(yi)箱一(yi)(yi)集成(cheng)”，即透(tou)平膨脹機(ji)(ji)、冷(leng)(leng)壓(ya)縮機(ji)(ji)，冷(leng)(leng)箱集成(cheng)技術，以及(ji)整(zheng)個系統的(de)設計、控制(zhi)和調試(shi)。

　　“再難(nan)，也要(yao)啃下這塊‘硬骨頭’。”2009年(nian)，中國(guo)科學(xue)(xue)院啟動“低溫(wen)氦透平制(zhi)冷(leng)機(ji)樣機(ji)研(yan)制(zhi)”專項，作為項目承接單(dan)位，中國(guo)科學(xue)(xue)院理化所牽頭開展大型(xing)低溫(wen)制(zhi)冷(leng)系統核(he)心部件攻關和(he)(he)樣機(ji)系統集成技術研(yan)究(jiu)。他們(men)研(yan)制(zhi)的國(guo)內首(shou)臺(tai)制(zhi)冷(leng)量為“2kW@20K”的氦透平制(zhi)冷(leng)機(ji)，經受住了連(lian)續運行考驗和(he)(he)測試，由此證明我(wo)國(guo)具備自主研(yan)制(zhi)大型(xing)低溫(wen)制(zhi)冷(leng)裝備的能力。

　　從(cong)2010年起(qi)，該所承(cheng)擔財政部(bu)國家重大(da)科研(yan)裝備(bei)研(yan)制(zhi)專項任(ren)務，一場向更先進大(da)型低溫制(zhi)冷(leng)裝備(bei)發起(qi)的沖刺開始了。

　　探(tan)索出一整套行(xing)之有效的工程化管理模式

　　從液(ye)氫溫(wen)(wen)區到液(ye)氦溫(wen)(wen)區再(zai)到超(chao)流氦溫(wen)(wen)區，溫(wen)(wen)度每(mei)下降1攝氏(shi)度或功率(lv)每(mei)增(zeng)加(jia)一個數量級，相關(guan)系統(tong)都需要重新設計，關(guan)鍵部件也(ye)要升級，研發難度隨之(zhi)指(zhi)數級增(zeng)加(jia)。

　　走進中國科(ke)學(xue)院(yuan)理化所(suo)低溫工程(cheng)與系統應用中心，科(ke)研人員正盯著軸心軌跡(ji)試驗平臺，查看、記錄高(gao)速(su)轉子運行參(can)數。中國科(ke)學(xue)院(yuan)理化所(suo)研究(jiu)員彭楠告(gao)訴(su)記者，團隊正在研究(jiu)新一代氣浮軸承，轉子速(su)度(du)有望達到每分鐘30萬轉。

　　制冷(leng)溫(wen)度越低，對透(tou)平(ping)膨(peng)脹機(ji)轉(zhuan)速的要求(qiu)就越高。彭楠回(hui)憶(yi)，為(wei)研制高效且(qie)穩定(ding)的軸承(cheng)，他和同(tong)事(shi)夜以繼日地在實驗室埋頭工(gong)作，一(yi)直持(chi)續了一(yi)年多。

　　氦氣(qi)螺桿(gan)壓縮機是氦氣(qi)低溫(wen)系統的(de)動力(li)源，決定著低溫(wen)系統運行的(de)穩(wen)定性。胡忠軍介紹，科研人(ren)員大膽創新，一遍又(you)一遍摸索(suo)，最終開(kai)發出具有自(zi)主知識產權的(de)氦氣(qi)螺桿(gan)壓縮機。為(wei)了(le)在規定時間內完(wan)(wan)成壓縮機測試等(deng)任務，團隊與(yu)配套企業(ye)合(he)作(zuo)，加班(ban)加點，僅用1個月就完(wan)(wan)成了(le)原(yuan)本需要3個月的(de)工作(zuo)。

　　2010年(nian)10月(yue)至2014年(nian)12月(yue)，中國科學院理化(hua)所完成了國家財(cai)政專項(xiang)Ⅰ期項(xiang)目任務，研制出國內首套液氫溫區萬瓦級大型低溫制冷系統，實現“10kW@20K”的(de)既定目標(biao)。

　　2015年(nian)4月，國家財政專(zhuan)項(xiang)Ⅱ期(qi)“液(ye)氦(hai)到超流氦(hai)溫區大(da)型(xing)低溫制(zhi)(zhi)冷(leng)系統(tong)研(yan)制(zhi)(zhi)”項(xiang)目(mu)啟動。5年(nian)多日夜奮戰，科研(yan)人員在(zai)原(yuan)有(you)成果基(ji)礎上，不僅(jin)自(zi)主(zhu)研(yan)制(zhi)(zhi)出(chu)了技(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)指(zhi)標(biao)為“2500W@4.5K”和“500W@2K”的大(da)型(xing)氦(hai)制(zhi)(zhi)冷(leng)機，還(huan)實現了包括大(da)型(xing)低溫制(zhi)(zhi)冷(leng)系統(tong)整(zheng)機設計體系構(gou)建及控制(zhi)(zhi)技(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)、系列化氣(qi)體軸(zhou)承(cheng)氦(hai)透(tou)平膨脹機技(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)等在(zai)內(nei)的技(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)突破。在(zai)大(da)型(xing)液(ye)氦(hai)到超流氦(hai)溫區制(zhi)(zhi)冷(leng)技(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)上，我國自(zi)此跨入(ru)國際先進行列。

　　通過承擔(dan)專(zhuan)項(xiang)任務，中國(guo)科學院(yuan)理(li)化所(suo)探索出一整套行之有效的工(gong)程化管理(li)模式。

　　攻(gong)(gong)關涉及領(ling)域廣(guang)、人(ren)員多，如何形成(cheng)合(he)(he)力？“做好(hao)重大任(ren)務，必須組(zu)織好(hao)大團隊。”中(zhong)國(guo)科(ke)學院理(li)化所所長王雪松介紹，他們成(cheng)立(li)了(le)研(yan)究(jiu)開發、系統(tong)集成(cheng)和工(gong)(gong)程應(ying)用3個課(ke)題(ti)組(zu)，組(zu)建低溫工(gong)(gong)程與系統(tong)應(ying)用中(zhong)心，形成(cheng)了(le)首(shou)席(xi)科(ke)學家領(ling)銜、科(ke)研(yan)骨干和技(ji)術支撐人(ren)員聯合(he)(he)攻(gong)(gong)關的(de)創新團隊模式。

　　項目難(nan)度大、系統(tong)集成復(fu)雜，如何確保研制進(jin)度？王雪松說，所里采取行政、技(ji)術兩條線并行推進(jin)模(mo)式，行政線抓管理、技(ji)術線抓節點，統(tong)籌把握各類任務實施進(jin)度。

　　大型低溫制(zhi)冷裝備研(yan)制(zhi)走到(dao)今天，是中國科(ke)學(xue)院(yuan)理化(hua)所(suo)(suo)幾代科(ke)研(yan)工(gong)作者接力傳(chuan)承(cheng)的結果。劉立(li)強說，從20世紀50年代開始，包括洪朝(chao)生(sheng)院(yuan)士、周(zhou)遠院(yuan)士在內的老一輩科(ke)學(xue)家，為研(yan)究所(suo)(suo)低溫研(yan)究事業(ye)打下了扎實(shi)的基(ji)礎，“沒有前人的工(gong)作，就不(bu)會有今天的成就。”

　　聯合研(yan)制單位也(ye)有不少貢(gong)獻。以氦(hai)氣螺桿壓(ya)縮機(ji)(ji)研(yan)制為例，無錫錫壓(ya)壓(ya)縮機(ji)(ji)有限公司(si)總工程師陸龍勝(sheng)基(ji)于豐富的(de)經(jing)驗，琢磨出了(le)一套精巧的(de)壓(ya)力調節裝置，解決了(le)因吸(xi)氣壓(ya)力過高引(yin)起的(de)停機(ji)(ji)難題(ti)；冰(bing)輪環境(jing)技術(shu)股份有限公司(si)暫停生產任務(wu)、為科研(yan)讓路(lu)，保障(zhang)氦(hai)氣螺桿壓(ya)縮機(ji)(ji)順利測試……

　　“沒有強大(da)的(de)(de)制造能力和相關單位協(xie)同攻關，科學家再(zai)好(hao)的(de)(de)想法(fa)也實現不了。”劉立強說。

　　形成從技術研發、工程示范到產業(ye)應用(yong)的完整鏈條(tiao)

　　解決大(da)型低(di)溫制冷(leng)裝(zhuang)備“卡脖子”問題(ti)，單做出樣機不(bu)行，還需實現產業(ye)化(hua)，帶(dai)動上(shang)下游產業(ye)的發展，進而不(bu)斷(duan)提升(sheng)我(wo)國低(di)溫產業(ye)自主創新實力(li)。

　　針(zhen)對(dui)大型低溫(wen)制冷(leng)裝備(bei)應用性強、產業(ye)需求迫切的特點，不同(tong)于以(yi)往先實驗(yan)室突破、再(zai)中試、再(zai)產業(ye)化的成果轉化路徑，中國科學院理化所在(zai)該裝備(bei)研(yan)制過程中創(chuang)造(zao)性地(di)探索出“邊研(yan)究、邊應用、邊轉化”的發展模(mo)式。

　　“我們(men)關注(zhu)的不(bu)(bu)是(shi)(shi)低溫或大功(gong)率的指(zhi)標能(neng)‘刷’到多(duo)高(gao)，而是(shi)(shi)考(kao)慮是(shi)(shi)否(fou)滿足產(chan)業化需求。”劉立強說(shuo)，產(chan)品(pin)能(neng)不(bu)(bu)能(neng)長期(qi)穩定運(yun)行、成本如何、后續好不(bu)(bu)好維護等，都是(shi)(shi)科研人員關心的問題。

　　這種模式下，產出科(ke)研成果之(zhi)日，就是產品下線之(zhi)時(shi)。2016年，中國科(ke)學院理化所聯合社會(hui)資本(ben)共同創立科(ke)技成果轉化企業(ye)——北京中科(ke)富海低溫科(ke)技有(you)限公司。

　　這樣做有(you)何好處？“科(ke)研機構長于(yu)技術(shu)開發，企業長于(yu)工(gong)(gong)程轉化，兩者優勢互(hu)補(bu)，縮(suo)短(duan)了成(cheng)果(guo)轉化周期(qi)，提升了我國低溫產業的水平。”中科(ke)富(fu)海董事長張彥奇(qi)說，大型低溫制(zhi)冷裝備項目的實施，推動我國在該領域形成(cheng)了從(cong)技術(shu)研發、工(gong)(gong)程示范到產業應用(yong)的完整鏈(lian)條。

　　在項目配套過程(cheng)中，高端氦氣螺桿壓縮機(ji)、低溫(wen)換熱(re)器和(he)低溫(wen)閥門(men)等相關制造企業的創新能力顯(xian)著提升，我國初步形成了功(gong)能齊全、分工明確的低溫(wen)產業群。

　　張彥奇介紹，有科學(xue)家團(tuan)隊(dui)做技術(shu)后盾，中(zhong)科富海(hai)(hai)得以(yi)保持戰(zhan)略定力，堅持高標準做產品。通過(guo)產學(xue)研(yan)合作(zuo)，公司迅速成(cheng)長為低溫(wen)行業(ye)的領(ling)軍(jun)企業(ye)。中(zhong)科富海(hai)(hai)首次在國(guo)內(nei)開(kai)發了系列化、多規格成(cheng)套深冷區大型氫氦制冷裝備(bei)及液化裝置(zhi)，讓中(zhong)國(guo)在全球低溫(wen)大型制冷設備(bei)制造領(ling)域擁(yong)有一(yi)席之地。

　　超導加速(su)器、航天(tian)(tian)器地面試驗(yan)、先進光源、聚變實驗(yan)堆(dui)……今天(tian)(tian)，越來(lai)越多的國家重大(da)工程用上了我國自主(zhu)研制(zhi)(zhi)的大(da)型(xing)低溫制(zhi)(zhi)冷(leng)裝備。值得一提(ti)的是，我國百(bai)瓦級氦制(zhi)(zhi)冷(leng)機和氫液化器還走出國門(men)，在國外大(da)科學工程中得到(dao)應用。

　　低溫(wen)制冷(leng)技術研究沒(mei)有終點。量(liang)子科技、氦(hai)資(zi)源提取以及航天(tian)工程的快(kuai)速發(fa)展(zhan)，都(dou)對大(da)型超流氦(hai)低溫(wen)裝備提出了更高要(yao)求。前瞻布局，中國科學院2020年(nian)部署萬瓦級液氦(hai)溫(wen)度(du)大(da)型制冷(leng)機(ji)核(he)心技術攻關，2021年(nian)啟動“大(da)型低溫(wen)制冷(leng)機(ji)及提氦(hai)工程示范”先導專項。

　　“國家的(de)需求就是我(wo)們(men)努力的(de)方向。中國科學院理化(hua)所將接(jie)力攻(gong)關(guan)，繼續打好大型(xing)低溫制冷(leng)裝備(bei)攻(gong)堅戰，積極搶(qiang)占低溫科研(yan)高地。”王雪松語(yu)氣堅定。喻思南