中国科学院理化所：攻克关键核心技术！“超级低温工厂”实现中国

中国科学院理化技术研究所研制的液氦到超流氦温区大型低温制冷装备。中国科学院理化技术研究所供图

创造一个超大深冷“冰箱”，提供20K（开尔文，20K即零下253摄氏度）以下甚至2K（零下271摄氏度）的超低温环境，并保证百瓦级到万瓦级连续稳定工作——大型低温制冷装备凭借这一能力，被称作“超级低温工厂”。

科学上把20K称为液氢温区，2K为超流氦温区。液氢至超流氦温区的大型制冷装备，在航天工程、氢能源储运、氦资源开发和许多大科学装置运转中发挥着重要的支撑作用。长期以来，国内用的大型低温制冷装备几乎全部依赖进口。

中国科学院理化技术研究所（以下简称“中国科学院理化所”）科研团队经过10多年持续攻关，攻克一系列关键核心技术，研制出20K到2K、百瓦到千瓦级（kW）的系列化大型低温制冷装备，让“超级低温工厂”实现了中国造，形成了从技术研发、工程示范到产业应用的完整链条。

啃下自主研制大型低温制冷装备

这块“硬骨头”

“大型低温制冷装备不在‘台前’，但许多重要工作离不开它。”常年从事低温设备研究，中国科学院理化所研究员胡忠军对此体会深刻。

来到中国科学院文献情报中心大楼，站在北京正负电子对撞机介绍展板前，胡忠军解释：“氦气在零下269摄氏度会成为液体，到零下271摄氏度就变成超流氦。为北京正负电子对撞机这类粒子加速器中高场强超导磁体进行冷却的，正是大型低温制冷装备产生的液氦或者超流氦。”

不只是北京正负电子对撞机，上海光源、高能同步辐射光源等大科学装置的运转也离不开大型低温制冷装备。

“解决氢的大规模储存与运输难题，大型低温制冷装备同样关键。”胡忠军说，氢气密度远小于空气，在常温常压下运输，体积非常庞大。如果用低温大型制冷机将氢气液化，体积可以减少至约1/800，极大降低运输成本。

据专家介绍，随着经济社会的快速发展，我国对大型低温技术和装备的需求日益迫切。但是，自主研制大型低温制冷装备，其难度超出预想。

“拿其中一个关键设备透平膨胀机来说，它由气体轴承支撑，叶轮旋转时，圆周线速度极快，且轴承之间仅隔着厚度为头发丝直径1/5的气膜。”胡忠军介绍，怎么设计气体轴承、如何保障转子高效稳定运转，都考验着科研人员的智慧。

像透平膨胀机这样的挑战，在大型低温制冷装备研制中还有很多。“大型低温制冷装备与大家常见的空调、冰箱不同，涉及多级压力、温度与制冷级，系统十分复杂。”中国科学院理化所研究员刘立强说。他将攻坚难点概括为“两机一箱一集成”，即透平膨胀机、冷压缩机，冷箱集成技术，以及整个系统的设计、控制和调试。

“再难，也要啃下这块‘硬骨头’。”2009年，中国科学院启动“低温氦透平制冷机样机研制”专项，作为项目承接单位，中国科学院理化所牵头开展大型低温制冷系统核心部件攻关和样机系统集成技术研究。他们研制的国内首台制冷量为“2kW@20K”的氦透平制冷机，经受住了连续运行考验和测试，由此证明我国具备自主研制大型低温制冷装备的能力。

从2010年起，该所承担财政部国家重大科研装备研制专项任务，一场向更先进大型低温制冷装备发起的冲刺开始了。