大型低温制冷机领域的“中国名片”

小芸

11月30日，我国首套对外出口的200W@4.5K氦制冷机宣布研制成功，经调试，制冷温度达到4.5K（-269摄氏度），制冷量超过240瓦（W）。该套制冷机系统由中科院理化技术研究所（以下简称理化所）及其产业化公司中科富海低温科技有限公司共同研制，将应用于韩国国家核聚变研究所大科学装置KSTAR-NBI（中性束注入器）升级改造项目中，为低温泵冷板提供冷量，保证系统获得并维持超高真空。

多年来，我国在大型低温制冷领域一直缺乏成熟的氦液化器产品，几乎全部需要依赖进口。“从中国科学院院士洪朝生，到中国科学院院士周远，再到如今的理化所低温工程与系统应用研究中心，通过几代科研人员的不懈努力，今天国产大型低温制冷技术终于取得突破性发展。”低温工程与系统应用研究中心主任龚领会告诉《中国科学报》。

突破“卡脖子”困境

近年来，我国对稳定、高效的大型低温制冷系统需求急剧增加，但缺乏大型低温制冷系统、关键子设备及集成技术的问题日益突出，处于一种“卡脖子”的困境中。

为打破国外相关技术领域的封锁，不仅国家加大低温制冷技术的研发投入，科研团队也从过去只做关键技术，转变为开始做成套技术。这两年来，理化所低温工程与系统应用研究中心先后攻克了液氦温区高达25万转的高速氦透平膨胀机技术、紧凑型低漏率换热器技术、高稳定性的低温调节阀门技术、多级复杂制冷机系统集成调控技术以及高效氦螺杆压缩机技术。

2015年，理化所研制成功液氢温区万瓦级大型低温制冷系统，实现了10kW@20K的既定目标，该项目成果获中国科学院“十二五”优秀重大突破奖。2017年，理化所自主研发的250W@4.5K液氦温区低温制冷机通过了国家专项的中期验收，标志着我国液氦温区大型制冷系统从设计、制造到稳定运行技术与能力的全面提升，也为与韩国的合作打下了技术基础。

2017年1月10日，“中国-韩国大型低温制冷系统”应用合作协议签约仪式在理化所举行。

2017年，“中国—韩国大型低温制冷系统”应用合作协议签约。此前，韩国国家核聚变研究所（NFRI）技术总监Dongseong Park在介绍K-STAR低温系统应用现状和未来需求时，谈到目前韩国使用的K-STAR超导低温系统主要从林德公司和法液空公司进口。

2017年11月21日，首套200W@4.5K大型氦制冷机系统出口韩国商业合同正式签约。

“韩国方面发现进口产品不仅价格较高，而且售后服务也不好，这恰恰给我们的大型低温制冷系统出口提供了机会。”龚领会说，此次大型氦制冷机系统的成功出口，不仅打破国外低温公司长期垄断国际低温市场的局面，还标志着理化所多年积累的大型低温制冷系统核心技术逐步走向成熟，得到了国际合作伙伴的肯定和信任。

四代人的低温事业

龚领会表示，当前，理化所已经研制出系列化的千瓦级大型低温制冷机，并达到国际先进水平，下一步正在着手推动万瓦级超大型低温系统的研制及其制造基地落成，在2030年将打造成功拥有我国自主知识产权技术的世界低温产业第三极。

理化所在大型低温制冷机领域取得今天的成就并不容易，它凝聚了四代人的心血与努力。

1951年，洪朝生回国后带领科研团队开拓新中国的低温事业。1956年，洪朝生带领团队研制出了我国第一台能够生产液氢的液化器，并在1959年成功实现了氦的液化。这些技术的掌握，不仅打破了资本主义国家的技术垄断，也迈出了我国低温物理研究的第一步。

另一位与中国低温技术结下不解之缘的院士是周远。20世纪60年代初，毕业于清华大学热能工程专业的周远，被分配到中科院从事低温技术研究，转眼间半个世纪过去了。周远引以为豪的是：“以前我国的低温制冷设备大多从国外进口，现在我国60%～70%的低温制冷产品不仅实现了自主研发，还颇具竞争力。”

1999年，理化所成立后就将“推进低温工程与技术的发展和应用”写进了研究所发展定位中，并组建低温工程与系统应用研究中心，致力于重点突破大型超低温制冷离心式冷压缩机等6项核心关键技术，形成大型低温制冷装备设计和制造能力并建立技术体系，推进产业化。

低温工程与系统应用研究中心成立以来，先后在2009年中科院重要方向性项目的研究2000W@20K氦制冷机取得初步突破；在2010年获得“大型低温制冷设备研制”国家重大科研装备专项的支持，自主研发了液氢温区大型低温制冷系统、相关核心技术以及成套集成技术；在2015年参与“液氦到超流氦温区大型低温制冷系统研制”国家重大科研装备专项，旨在建立更低温区大型低温制冷系统。

2015年，液氢温区高效氦制冷机在理化所自主研制成功，得到了国内众多用户的关注。中国航天科技集团公司北京宇航系统工程研究所、中国科学院兰州近代物理研究所等国内航天系统和大科学装置牵头单位，先后与理化所签署了大型低温制冷系统应用战略合作协议，以满足国家相关科研领域的重大需求。

主动出击展望未来

2016年8月，依托于两期国家重大科研装备研制专项的核心技术，理化所联合社会资本、科研团队共同创立了北京中科富海低温科技有限公司，注册资本1.3亿元，目标是实现大型低温制冷装备总体集成及应用。这项大型低温制冷装备成果转化的成功范例也荣获中国科学院北京分院“科技成果转化特等奖”。

历时6年，理化所低温工程与系统应用研究中心研发团队相继自主研制出40L/h氦液化器L40A、L40B，以及250W@4.5K氦制冷机（即80L/h氦液化器），实现了中小型氦液化器的系列化。

L40B氦液化器

据悉，L40A氦液化器目前已成功投入宁波健信核磁技术有限公司商业运行，生产液氦应用于宁波健信生产线。L40B氦液化器目前已移交至理化所液氦技术发展室进行示范性生产运行。250W@4.5K氦制冷机拟用于中科院高能物理研究所的磁体性能测试平台，为大科学工程应用助力。

理化所低温工程与系统应用研究中心在开展技术攻关、研发成功国产大型低温制冷装备的同时，着力培育了一批我国自己的高端氦螺杆压缩机、低温换热器和低温阀等制造企业并使其技术得到提升。同时，成立专业的低温科技公司，从而奠定了全国产大型低温制冷装备制造的国家工业基础。

龚领会希望，大型乃至超大型低温制冷装备能为我国大规模高效绿色氢能的应用以及未来月壤氦-3这种清洁聚变能源原料的获取助力，实现从洪朝生和周远到现在四代人的中国低温梦。

文章来源：《中国科学报》

(2018-12-17 第5版 创新周刊)