大型低溫制冷機領域的“中國名片”

1月30日，我國首套對外出口的200W@4.5K氦制冷機宣布研制成功，經調試，制冷溫度達到4.5K（-269攝氏度），制冷量超過240瓦（W）。該套制冷機系統(tǒng)由中科院理化技術研究所（以下簡稱理化所）及其產業(yè)化公司中科富海低溫科技有限公司共同研制，將應用于韓國國家核聚變研究所大科學裝置KSTAR-NBI（中性束注入器）升級改造項目中，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，我國在大型低溫制冷領域一直缺乏成熟的氦液化器產品，幾乎全部需要依賴進口。“從中國科學院院士洪朝生，到中國科學院院士周遠，再到如今的理化所低溫工程與系統(tǒng)應用研究中心，通過幾代科研人員的不懈努力，今天國產大型低溫制冷技術終于取得突破性發(fā)展。”低溫工程與系統(tǒng)應用研究中心主任龔領會告訴《中國科學報》。

近年來，我國對穩(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)、關鍵子設備及集成技術的問題日益突出，處于一種“卡脖子”的困境中。

為打破國外相關技術領域的封鎖，不僅國家加大低溫制冷技術的研發(fā)投入，科研團隊也從過去只做關鍵技術，轉變?yōu)殚_始做成套技術。這兩年來，理化所低溫工程與系統(tǒng)應用研究中心先后攻克了液氦溫區(qū)高達25萬轉的高速氦透平膨脹機技術、緊湊型低漏率換熱器技術、高穩(wěn)定性的低溫調節(jié)閥門技術、多級復雜制冷機系統(tǒng)集成調控技術以及高效氦螺桿壓縮機技術。

2015年，理化所研制成功液氫溫區(qū)萬瓦級大型低溫制冷系統(tǒng)，實現(xiàn)了10kW@20K的既定目標，該項目成果獲中國科學院“十二五”優(yōu)秀重大突破獎。2017年，理化所自主研發(fā)的250W@4.5K液氦溫區(qū)低溫制冷機通過了國家專項的中期驗收，標志著我國液氦溫區(qū)大型制冷系統(tǒng)從設計、制造到穩(wěn)定運行技術與能力的全面提升，也為與韓國的合作打下了技術基礎。

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

“韓國方面發(fā)現(xiàn)進口產品不僅價格較高，而且售后服務也不好，這恰恰給我們的大型低溫制冷系統(tǒng)出口提供了機會。”龔領會說，此次大型氦制冷機系統(tǒng)的成功出口，不僅打破國外低溫公司長期壟斷國際低溫市場的局面，還標志著理化所多年積累的大型低溫制冷系統(tǒng)核心技術逐步走向成熟，得到了國際合作伙伴的肯定和信任。

龔領會表示，當前，理化所已經研制出系列化的千瓦級大型低溫制冷機，并達到國際先進水平，下一步正在著手推動萬瓦級超大型低溫系統(tǒng)的研制及其制造基地落成，在2030年將打造成功擁有我國自主知識產權技術的世界低溫產業(yè)第三極。

理化所在大型低溫制冷機領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，洪朝生回國后帶領科研團隊開拓新中國的低溫事業(yè)。1956年，洪朝生帶領團隊研制出了我國*臺能夠生產液氫的液化器，并在1959年成功實現(xiàn)了氦的液化。這些技術的掌握，不僅打破了資本主義國家的技術壟斷，也邁出了我國低溫物理研究的*步。

另一位與中國低溫技術結下不解之緣的院士是周遠。20世紀60年代初，畢業(yè)于清華大學熱能工程*的周遠，被分配到中科院從事低溫技術研究，轉眼間半個世紀過去了。周遠引以為豪的是：“以前我國的低溫制冷設備大多從國外進口，現(xiàn)在我國60%～70%的低溫制冷產品不僅實現(xiàn)了自主研發(fā)，還頗具競爭力。”

1999年，理化所成立后就將“推進低溫工程與技術的發(fā)展和應用”寫進了研究所發(fā)展定位中，并組建低溫工程與系統(tǒng)應用研究中心，致力于重點突破大型超低溫制冷離心式冷壓縮機等6項核心關鍵技術，形成大型低溫制冷裝備設計和制造能力并建立技術體系，推進產業(yè)化。

低溫工程與系統(tǒng)應用研究中心成立以來，先后在2009年中科院重要方向性項目的研究2000W@20K氦制冷機取得初步突破；在2010年獲得“大型低溫制冷設備研制”國家重大科研裝備專項的支持，自主研發(fā)了液氫溫區(qū)大型低溫制冷系統(tǒng)、相關核心技術以及成套集成技術；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”國家重大科研裝備專項，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)高效氦制冷機在理化所自主研制成功，得到了國內眾多用戶的關注。中國航天科技集團公司北京宇航系統(tǒng)工程研究所、中國科學院蘭州近代物理研究所等國內航天系統(tǒng)和大科學裝置牽頭單位，先后與理化所簽署了大型低溫制冷系統(tǒng)應用戰(zhàn)略合作協(xié)議，以滿足國家相關科研領域的重大需求。

2016年8月，依托于兩期國家重大科研裝備研制專項的核心技術，理化所聯(lián)合社會資本、科研團隊共同創(chuàng)立了北京中科富海低溫科技有限公司，注冊資本1.3億元，目標是實現(xiàn)大型低溫制冷裝備總體集成及應用。這項大型低溫制冷裝備成果轉化的成功范例也榮獲中國科學院北京分院“科技成果轉化特等獎”。

歷時6年，理化所低溫工程與系統(tǒng)應用研究中心研發(fā)團隊相繼自主研制出40L/h氦液化器L40A、L40B，以及250W@4.5K氦制冷機（即80L/h氦液化器），實現(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有限公司商業(yè)運行，生產液氦應用于寧波健信生產線。L40B氦液化器目前已移交至理化所液氦技術發(fā)展室進行示范性生產運行。250W@4.5K氦制冷機擬用于中科院高能物理研究所的磁體性能測試平臺，為大科學工程應用助力。

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

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