大型低溫制冷機(jī)領(lǐng)域的“中國(guó)名片”

1月30日，我國(guó)首套對(duì)外出口的200W@4.5K氦制冷機(jī)宣布研制成功，經(jīng)調(diào)試，制冷溫度達(dá)到4.5K（-269攝氏度），制冷量超過240瓦（W）。該套制冷機(jī)系統(tǒng)由中科院理化技術(shù)研究所（以下簡(jiǎn)稱理化所）及其產(chǎn)業(yè)化公司中科富海低溫科技有限公司共同研制，將應(yīng)用于韓國(guó)國(guó)家核聚變研究所大科學(xué)裝置KSTAR-NBI（中性束注入器）升級(jí)改造項(xiàng)目中，為低溫泵冷板提供冷量，保證系統(tǒng)獲得并維持超高真空。
 

多年來，我國(guó)在大型低溫制冷領(lǐng)域一直缺乏成熟的氦液化器產(chǎn)品，幾乎全部需要依賴進(jìn)口。“從中國(guó)科學(xué)院院士洪朝生，到中國(guó)科學(xué)院院士周遠(yuǎn)，再到如今的理化所低溫工程與系統(tǒng)應(yīng)用研究中心，通過幾代科研人員的不懈努力，今天國(guó)產(chǎn)大型低溫制冷技術(shù)終于取得突破性發(fā)展。”低溫工程與系統(tǒng)應(yīng)用研究中心主任龔領(lǐng)會(huì)告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

近年來，我國(guó)對(duì)穩(wěn)定、高效的大型低溫制冷系統(tǒng)需求急劇增加，但缺乏大型低溫制冷系統(tǒng)、關(guān)鍵子設(shè)備及集成技術(shù)的問題日益突出，處于一種“卡脖子”的困境中。

為打破國(guó)外相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的封鎖，不僅國(guó)家加大低溫制冷技術(shù)的研發(fā)投入，科研團(tuán)隊(duì)也從過去只做關(guān)鍵技術(shù)，轉(zhuǎn)變?yōu)殚_始做成套技術(shù)。這兩年來，理化所低溫工程與系統(tǒng)應(yīng)用研究中心先后攻克了液氦溫區(qū)高達(dá)25萬轉(zhuǎn)的高速氦透平膨脹機(jī)技術(shù)、緊湊型低漏率換熱器技術(shù)、高穩(wěn)定性的低溫調(diào)節(jié)閥門技術(shù)、多級(jí)復(fù)雜制冷機(jī)系統(tǒng)集成調(diào)控技術(shù)以及高效氦螺桿壓縮機(jī)技術(shù)。

2015年，理化所研制成功液氫溫區(qū)萬瓦級(jí)大型低溫制冷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了10kW@20K的既定目標(biāo)，該項(xiàng)目成果獲中國(guó)科學(xué)院“十二五”優(yōu)秀重大突破獎(jiǎng)。2017年，理化所自主研發(fā)的250W@4.5K液氦溫區(qū)低溫制冷機(jī)通過了國(guó)家專項(xiàng)的中期驗(yàn)收，標(biāo)志著我國(guó)液氦溫區(qū)大型制冷系統(tǒng)從設(shè)計(jì)、制造到穩(wěn)定運(yùn)行技術(shù)與能力的全面提升，也為與韓國(guó)的合作打下了技術(shù)基礎(chǔ)。

2017年，“中國(guó)—韓國(guó)大型低溫制冷系統(tǒng)”應(yīng)用合作協(xié)議簽約。此前，韓國(guó)國(guó)家核聚變研究所（NFRI）技術(shù)總監(jiān)Dongseong Park在介紹K-STAR低溫系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀和未來需求時(shí)，談到目前韓國(guó)使用的K-STAR超導(dǎo)低溫系統(tǒng)主要從林德公司和法液空公司進(jìn)口。

“韓國(guó)方面發(fā)現(xiàn)進(jìn)口產(chǎn)品不僅價(jià)格較高，而且售后服務(wù)也不好，這恰恰給我們的大型低溫制冷系統(tǒng)出口提供了機(jī)會(huì)。”龔領(lǐng)會(huì)說，此次大型氦制冷機(jī)系統(tǒng)的成功出口，不僅打破國(guó)外低溫公司長(zhǎng)期壟斷國(guó)際低溫市場(chǎng)的局面，還標(biāo)志著理化所多年積累的大型低溫制冷系統(tǒng)核心技術(shù)逐步走向成熟，得到了國(guó)際合作伙伴的肯定和信任。

龔領(lǐng)會(huì)表示，當(dāng)前，理化所已經(jīng)研制出系列化的千瓦級(jí)大型低溫制冷機(jī)，并達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，下一步正在著手推動(dòng)萬瓦級(jí)超大型低溫系統(tǒng)的研制及其制造基地落成，在2030年將打造成功擁有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)技術(shù)的世界低溫產(chǎn)業(yè)第三極。

理化所在大型低溫制冷機(jī)領(lǐng)域取得今天的成就并不容易，它凝聚了四代人的心血與努力。

1951年，洪朝生回國(guó)后帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)開拓新中國(guó)的低溫事業(yè)。1956年，洪朝生帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研制出了我國(guó)*臺(tái)能夠生產(chǎn)液氫的液化器，并在1959年成功實(shí)現(xiàn)了氦的液化。這些技術(shù)的掌握，不僅打破了資本主義國(guó)家的技術(shù)壟斷，也邁出了我國(guó)低溫物理研究的*步。

另一位與中國(guó)低溫技術(shù)結(jié)下不解之緣的院士是周遠(yuǎn)。20世紀(jì)60年代初，畢業(yè)于清華大學(xué)熱能工程*的周遠(yuǎn)，被分配到中科院從事低溫技術(shù)研究，轉(zhuǎn)眼間半個(gè)世紀(jì)過去了。周遠(yuǎn)引以為豪的是：“以前我國(guó)的低溫制冷設(shè)備大多從國(guó)外進(jìn)口，現(xiàn)在我國(guó)60%～70%的低溫制冷產(chǎn)品不僅實(shí)現(xiàn)了自主研發(fā)，還頗具競(jìng)爭(zhēng)力。”

1999年，理化所成立后就將“推進(jìn)低溫工程與技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用”寫進(jìn)了研究所發(fā)展定位中，并組建低溫工程與系統(tǒng)應(yīng)用研究中心，致力于重點(diǎn)突破大型超低溫制冷離心式冷壓縮機(jī)等6項(xiàng)核心關(guān)鍵技術(shù)，形成大型低溫制冷裝備設(shè)計(jì)和制造能力并建立技術(shù)體系，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化。

低溫工程與系統(tǒng)應(yīng)用研究中心成立以來，先后在2009年中科院重要方向性項(xiàng)目的研究2000W@20K氦制冷機(jī)取得初步突破；在2010年獲得“大型低溫制冷設(shè)備研制”國(guó)家重大科研裝備專項(xiàng)的支持，自主研發(fā)了液氫溫區(qū)大型低溫制冷系統(tǒng)、相關(guān)核心技術(shù)以及成套集成技術(shù)；在2015年參與“液氦到超流氦溫區(qū)大型低溫制冷系統(tǒng)研制”國(guó)家重大科研裝備專項(xiàng)，旨在建立更低溫區(qū)大型低溫制冷系統(tǒng)。

2015年，液氫溫區(qū)高效氦制冷機(jī)在理化所自主研制成功，得到了國(guó)內(nèi)眾多用戶的關(guān)注。中國(guó)航天科技集團(tuán)公司北京宇航系統(tǒng)工程研究所、中國(guó)科學(xué)院蘭州近代物理研究所等國(guó)內(nèi)航天系統(tǒng)和大科學(xué)裝置牽頭單位，先后與理化所簽署了大型低溫制冷系統(tǒng)應(yīng)用戰(zhàn)略合作協(xié)議，以滿足國(guó)家相關(guān)科研領(lǐng)域的重大需求。

2016年8月，依托于兩期國(guó)家重大科研裝備研制專項(xiàng)的核心技術(shù)，理化所聯(lián)合社會(huì)資本、科研團(tuán)隊(duì)共同創(chuàng)立了北京中科富海低溫科技有限公司，注冊(cè)資本1.3億元，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)大型低溫制冷裝備總體集成及應(yīng)用。這項(xiàng)大型低溫制冷裝備成果轉(zhuǎn)化的成功范例也榮獲中國(guó)科學(xué)院北京分院“科技成果轉(zhuǎn)化特等獎(jiǎng)”。

歷時(shí)6年，理化所低溫工程與系統(tǒng)應(yīng)用研究中心研發(fā)團(tuán)隊(duì)相繼自主研制出40L/h氦液化器L40A、L40B，以及250W@4.5K氦制冷機(jī)（即80L/h氦液化器），實(shí)現(xiàn)了中小型氦液化器的系列化。

據(jù)悉，L40A氦液化器目前已成功投入寧波健信核磁技術(shù)有限公司商業(yè)運(yùn)行，生產(chǎn)液氦應(yīng)用于寧波健信生產(chǎn)線。L40B氦液化器目前已移交至理化所液氦技術(shù)發(fā)展室進(jìn)行示范性生產(chǎn)運(yùn)行。250W@4.5K氦制冷機(jī)擬用于中科院高能物理研究所的磁體性能測(cè)試平臺(tái)，為大科學(xué)工程應(yīng)用助力。

理化所低溫工程與系統(tǒng)應(yīng)用研究中心在開展技術(shù)攻關(guān)、研發(fā)成功國(guó)產(chǎn)大型低溫制冷裝備的同時(shí)，著力培育了一批我國(guó)自己的高端氦螺桿壓縮機(jī)、低溫?fù)Q熱器和低溫閥等制造企業(yè)并使其技術(shù)得到提升。同時(shí)，成立*的低溫科技公司，從而奠定了全國(guó)產(chǎn)大型低溫制冷裝備制造的國(guó)家工業(yè)基礎(chǔ)。

龔領(lǐng)會(huì)希望，大型乃至超大型低溫制冷裝備能為我國(guó)大規(guī)模高效綠色氫能的應(yīng)用以及未來月壤氦-3這種清潔聚變能源原料的獲取助力，實(shí)現(xiàn)從洪朝生和周遠(yuǎn)到現(xiàn)在四代人的中國(guó)低溫夢(mèng)。