-271℃!超流氦溫區(qū)大型低溫制冷機實現“中國造”

4月15日，國家重大科研裝備研制項目“液氦到超流氦溫區(qū)大型低溫制冷系統(tǒng)研制”通過驗收及成果鑒定，意味著我國自主研發(fā)成功超流氦溫度(-271℃)大型低溫制冷裝備。以中國科學院院士甘子釗為組長的驗收專家組認為，這一設備“全面突破了大型氦低溫制冷裝備核心技術”，“使我國大型液氦到超流氦溫區(qū)低溫制冷技術進入國際先進行列”。

這項由中國科學院理化技術研究所完成的成果，不僅突破了“卡脖子”關鍵技術，更順利實現產業(yè)化，帶動了上下游產業(yè)的發(fā)展，初步形成了功能齊全、分工明確的低溫產業(yè)群，為產學研深度融合的技術創(chuàng)新體系的建立提供了一個模板。

突破“卡脖子”技術，我國自主研發(fā)出超流氦大型低溫制冷裝備

氦是一種氣體，在-269℃會成為液體，到-271℃就會成為超流氦，流阻變?yōu)榱?，出現沿著杯壁流到杯外等奇特現象。

中國科學院理化技術研究所副書記、項目總指揮劉新建介紹：“液氦和超流氦在現代工業(yè)、能源、科學研究中有非常重要的作用，例如電子對撞機等大型科研設備的關鍵部件需要‘泡’在其中使用，而我們要開發(fā)氦氣資源，也必須將其液化。”

要想得到液氦或超流氦，就需要低溫制冷機。在實驗室中使用液氦或把溫度降低到接近絕對零度并制備超流氦不算是太大的難題，但要制備作為能源、資源或能夠大規(guī)模使用的液氦或超流氦卻并不容易——“我們可以把這個大型低溫制冷系統(tǒng)想象成一個大冰箱，這個‘大冰箱’要把溫度降低到-271℃，還要保證千瓦級、白瓦級的連續(xù)穩(wěn)定工作。”項目首席科學家李青說，大型、連續(xù)穩(wěn)定運行，這是一個世界性難題，“到-269℃之后，溫度每下降1℃或功率每增加一個數量級，難度都將指數級地增加，相關系統(tǒng)都需要重新設計，關鍵部件也要升級換型”。

隨著我國經濟實力和科技實力的增長，對大型低溫制冷設備的需求也變得更為迫切。國際上主要有兩家國際企業(yè)能做這個溫區(qū)的大型低溫制冷機，我國大型低溫制冷裝備多年來全部依賴進口。劉新建說：“其中很多關鍵核心部件和用于特殊領域的專用制冷設備都在發(fā)達國家的禁運、禁售的名單上，能賣給我們的，不僅價格昂貴，而且還有諸多限制，是名副其實的‘卡脖子’技術。”

中科院理化所在低溫技術領域有深厚的積累技術積累和人才儲備，經過5年多拼搏奮斗，在液氫溫度20K(-253℃)制冷機的基礎上，自主研制出了技術指標為2500W@4.5K和500W@2K的大型氦制冷機。項目首席科學家劉立強說：“這意味著在液氦溫度4.2K，即-269℃能夠提供數千瓦制冷量，在超流氦溫度2K，即-271℃能夠提供數百瓦制冷量的大型低溫制冷機。”成果鑒定專家組認為，該項目整體技術達到國際先進水平，其中高穩(wěn)定性離心式冷壓縮機技術和兆瓦級氦氣噴油式螺桿壓縮機技術達到國際領先水平。

產學研深度融合，我國正在成為低溫大型制冷設備制造的“第三極”

大型低溫制冷系統(tǒng)是應用性很強的設備，以往科研成果轉化的先實驗室突破、再中試、再產業(yè)化的路徑難以滿足需求。中科院理化所在這一系統(tǒng)的研制過程中，創(chuàng)造性地采取了“邊研究、邊應用、邊轉化”的發(fā)展模式。

研究人員攻克關鍵核心技術的過程中，就加入“能否產業(yè)化”這個指標，關注的不是低溫或大功率的指標能“刷”到多高，而是能否實現長期穩(wěn)定運行。劉立強說：“幾乎每一項技術或部件，都要在測試平臺上‘跑’，不管實驗室指標有多好，只要不能通過測試，那就不能視為成功。”

在這樣的模式指導下，產出科研成果時，就是產品下線時。“我們這個項目啟動于2015年。2016年研究所就聯合社會資本共同創(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。”劉新建介紹，如今，百瓦級大型制冷機已經用于寧夏鹽池液化天然氣閃蒸汽提氦項目，初步打通了我國氦資源開發(fā)的技術鏈條，還出口到韓國，應用于韓國核聚變大科學裝置(KSTAR)等。

驗收專家組認為，項目取得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一系列核心技術的突破，實現了穩(wěn)定、高效、自動控制的運行系統(tǒng)，形成了大型氦低溫制冷系統(tǒng)集成與調試的工藝包。

這一項目的成功實施，還帶動了我國高端氦螺桿壓縮機、低溫換熱器和低溫閥門等行業(yè)的快速發(fā)展，提高了一批高科技制造企業(yè)的核心競爭力，使相關技術實現了從無到有、從低端到高端的提升，在我國初步形成了功能齊全、分工明確的低溫產業(yè)群。

項目常務副總指揮龔領會說：“我們不可能自己生產所有部件，一個產業(yè)需要完善的上下游鏈條。”但液氦到超流氦溫區(qū)大型制冷設備對相關配件的要求比較高，很多關鍵部件根本買不到。中科院理化所與20多家企業(yè)聯合，通過合作研發(fā)、專利授權等方式，解決了關鍵部件的生產問題。“目前，百瓦級大型制冷機設備的國產化率能達到90%以上。”技術的更新換代也提升了企業(yè)的制造和創(chuàng)新能力，提高了企業(yè)的工藝工程化水平，讓企業(yè)在國際高端制造市場也能占據一席之地。

“目前，千瓦級的大型氦制冷機生產廠房已經在廣東中山破土動工;科研上，我們布局了萬瓦級制冷機和液化器技術攻關和裝備研制，以及為了滿足量子科技發(fā)展和應用的mK級大冷量制冷機的研究。”劉新建介紹：“中國成為國際低溫大型制冷設備制造的‘第三極’的目標，未來可期!”(記者 齊 芳)

標簽： 超流氦溫區(qū)大型低溫制冷機