中國科學院理化技術(shù)研究所研制的液氦到超流氦溫區(qū)大型低溫制冷裝備。 　　中國科學院理化技術(shù)研究所供圖

　　習近平總書記指出，“科技創(chuàng)新是發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力的核心要素”“要在以科技創(chuàng)新引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新方面下更大功夫”。

　　發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力，必須以科技創(chuàng)新引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新，及時將科技創(chuàng)新成果應用到具體產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)業(yè)鏈上。近年來，科研機構(gòu)、高等院校和企業(yè)不斷加強科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新深度融合，加快科技成果轉(zhuǎn)化應用，越來越多創(chuàng)新鏈上的“好技術(shù)”變成產(chǎn)業(yè)鏈上的“大應用”，實現(xiàn)科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的同頻共振。

　　即日起，科技版推出“以科技創(chuàng)新引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新”系列報道，通過記者在科研、生產(chǎn)一線的觀察，帶您感受創(chuàng)新鏈產(chǎn)業(yè)鏈融合發(fā)展的強勁脈動和科技創(chuàng)新引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新所釋放的澎湃動能。

　　——編  者  

　　創(chuàng)造一個超大深冷“冰箱”，提供20K（開爾文，20K即零下253攝氏度）以下甚至2K（零下271攝氏度）的超低溫環(huán)境，并保證百瓦級到萬瓦級連續(xù)穩(wěn)定工作——大型低溫制冷裝備憑借這一能力，被稱作“超級低溫工廠”。

　　科學上把20K稱為液氫溫區(qū)，2K為超流氦溫區(qū)。液氫至超流氦溫區(qū)的大型制冷裝備，在航天工程、氫能源儲運、氦資源開發(fā)和許多大科學裝置運轉(zhuǎn)中發(fā)揮著重要的支撐作用。長期以來，國內(nèi)用的大型低溫制冷裝備幾乎全部依賴進口。

　　中國科學院理化技術(shù)研究所（以下簡稱“中國科學院理化所”）科研團隊經(jīng)過10多年持續(xù)攻關(guān)，攻克一系列關(guān)鍵核心技術(shù)，研制出20K到2K、百瓦到千瓦級（kW）的系列化大型低溫制冷裝備，讓“超級低溫工廠”實現(xiàn)了中國造，形成了從技術(shù)研發(fā)、工程示范到產(chǎn)業(yè)應用的完整鏈條。

　　啃下自主研制大型低溫制冷裝備這塊“硬骨頭”

　　“大型低溫制冷裝備不在‘臺前’，但許多重要工作離不開它。”常年從事低溫設(shè)備研究，中國科學院理化所研究員胡忠軍對此體會深刻。

　　來到中國科學院文獻情報中心大樓，站在北京正負電子對撞機介紹展板前，胡忠軍解釋：“氦氣在零下269攝氏度會成為液體，到零下271攝氏度就變成超流氦。為北京正負電子對撞機這類粒子加速器中高場強超導磁體進行冷卻的，正是大型低溫制冷裝備產(chǎn)生的液氦或者超流氦。”

　　不只是北京正負電子對撞機，上海光源、高能同步輻射光源等大科學裝置的運轉(zhuǎn)也離不開大型低溫制冷裝備。

　　“解決氫的大規(guī)模儲存與運輸難題，大型低溫制冷裝備同樣關(guān)鍵。”胡忠軍說，氫氣密度遠小于空氣，在常溫常壓下運輸，體積非常龐大。如果用低溫大型制冷機將氫氣液化，體積可以減少至約1/800，極大降低運輸成本。

　　據(jù)專家介紹，隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，我國對大型低溫技術(shù)和裝備的需求日益迫切。但是，自主研制大型低溫制冷裝備，其難度超出預想。

　　“拿其中一個關(guān)鍵設(shè)備透平膨脹機來說，它由氣體軸承支撐，葉輪旋轉(zhuǎn)時，圓周線速度極快，且軸承之間僅隔著厚度為頭發(fā)絲直徑1/5的氣膜。”胡忠軍介紹，怎么設(shè)計氣體軸承、如何保障轉(zhuǎn)子高效穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，都考驗著科研人員的智慧。

　　像透平膨脹機這樣的挑戰(zhàn)，在大型低溫制冷裝備研制中還有很多。“大型低溫制冷裝備與大家常見的空調(diào)、冰箱不同，涉及多級壓力、溫度與制冷級，系統(tǒng)十分復雜。”中國科學院理化所研究員劉立強說。他將攻堅難點概括為“兩機一箱一集成”，即透平膨脹機、冷壓縮機，冷箱集成技術(shù)，以及整個系統(tǒng)的設(shè)計、控制和調(diào)試。

　　“再難，也要啃下這塊‘硬骨頭’。”2009年，中國科學院啟動“低溫氦透平制冷機樣機研制”專項，作為項目承接單位，中國科學院理化所牽頭開展大型低溫制冷系統(tǒng)核心部件攻關(guān)和樣機系統(tǒng)集成技術(shù)研究。他們研制的國內(nèi)首臺制冷量為“2kW@20K”的氦透平制冷機，經(jīng)受住了連續(xù)運行考驗和測試，由此證明我國具備自主研制大型低溫制冷裝備的能力。

　　從2010年起，該所承擔財政部國家重大科研裝備研制專項任務(wù)，一場向更先進大型低溫制冷裝備發(fā)起的沖刺開始了。

　　探索出一整套行之有效的工程化管理模式

　　從液氫溫區(qū)到液氦溫區(qū)再到超流氦溫區(qū)，溫度每下降1攝氏度或功率每增加一個數(shù)量級，相關(guān)系統(tǒng)都需要重新設(shè)計，關(guān)鍵部件也要升級，研發(fā)難度隨之指數(shù)級增加。

　　走進中國科學院理化所低溫工程與系統(tǒng)應用中心，科研人員正盯著軸心軌跡試驗平臺，查看、記錄高速轉(zhuǎn)子運行參數(shù)。中國科學院理化所研究員彭楠告訴記者，團隊正在研究新一代氣浮軸承，轉(zhuǎn)子速度有望達到每分鐘30萬轉(zhuǎn)。

　　制冷溫度越低，對透平膨脹機轉(zhuǎn)速的要求就越高。彭楠回憶，為研制高效且穩(wěn)定的軸承，他和同事夜以繼日地在實驗室埋頭工作，一直持續(xù)了一年多。

　　氦氣螺桿壓縮機是氦氣低溫系統(tǒng)的動力源，決定著低溫系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。胡忠軍介紹，科研人員大膽創(chuàng)新，一遍又一遍摸索，最終開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的氦氣螺桿壓縮機。為了在規(guī)定時間內(nèi)完成壓縮機測試等任務(wù)，團隊與配套企業(yè)合作，加班加點，僅用1個月就完成了原本需要3個月的工作。

　　2010年10月至2014年12月，中國科學院理化所完成了國家財政專項Ⅰ期項目任務(wù)，研制出國內(nèi)首套液氫溫區(qū)萬瓦級大型低溫制冷系統(tǒng)，實現(xiàn)“10kW@20K”的既定目標。

　　2015年4月，國家財政專項Ⅱ期“液氦到超流氦溫區(qū)大型低溫制冷系統(tǒng)研制”項目啟動。5年多日夜奮戰(zhàn)，科研人員在原有成果基礎(chǔ)上，不僅自主研制出了技術(shù)指標為“2500W@4.5K”和“500W@2K”的大型氦制冷機，還實現(xiàn)了包括大型低溫制冷系統(tǒng)整機設(shè)計體系構(gòu)建及控制技術(shù)、系列化氣體軸承氦透平膨脹機技術(shù)等在內(nèi)的技術(shù)突破。在大型液氦到超流氦溫區(qū)制冷技術(shù)上，我國自此跨入國際先進行列。

　　通過承擔專項任務(wù)，中國科學院理化所探索出一整套行之有效的工程化管理模式。

　　攻關(guān)涉及領(lǐng)域廣、人員多，如何形成合力？“做好重大任務(wù)，必須組織好大團隊。”中國科學院理化所所長王雪松介紹，他們成立了研究開發(fā)、系統(tǒng)集成和工程應用3個課題組，組建低溫工程與系統(tǒng)應用中心，形成了首席科學家領(lǐng)銜、科研骨干和技術(shù)支撐人員聯(lián)合攻關(guān)的創(chuàng)新團隊模式。

　　項目難度大、系統(tǒng)集成復雜，如何確保研制進度？王雪松說，所里采取行政、技術(shù)兩條線并行推進模式，行政線抓管理、技術(shù)線抓節(jié)點，統(tǒng)籌把握各類任務(wù)實施進度。

　　大型低溫制冷裝備研制走到今天，是中國科學院理化所幾代科研工作者接力傳承的結(jié)果。劉立強說，從20世紀50年代開始，包括洪朝生院士、周遠院士在內(nèi)的老一輩科學家，為研究所低溫研究事業(yè)打下了扎實的基礎(chǔ)，“沒有前人的工作，就不會有今天的成就。”

　　聯(lián)合研制單位也有不少貢獻。以氦氣螺桿壓縮機研制為例，無錫錫壓壓縮機有限公司總工程師陸龍勝基于豐富的經(jīng)驗，琢磨出了一套精巧的壓力調(diào)節(jié)裝置，解決了因吸氣壓力過高引起的停機難題；冰輪環(huán)境技術(shù)股份有限公司暫停生產(chǎn)任務(wù)、為科研讓路，保障氦氣螺桿壓縮機順利測試……

　　“沒有強大的制造能力和相關(guān)單位協(xié)同攻關(guān)，科學家再好的想法也實現(xiàn)不了。”劉立強說。

　　形成從技術(shù)研發(fā)、工程示范到產(chǎn)業(yè)應用的完整鏈條

　　解決大型低溫制冷裝備“卡脖子”問題，單做出樣機不行，還需實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，帶動上下游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，進而不斷提升我國低溫產(chǎn)業(yè)自主創(chuàng)新實力。

　　針對大型低溫制冷裝備應用性強、產(chǎn)業(yè)需求迫切的特點，不同于以往先實驗室突破、再中試、再產(chǎn)業(yè)化的成果轉(zhuǎn)化路徑，中國科學院理化所在該裝備研制過程中創(chuàng)造性地探索出“邊研究、邊應用、邊轉(zhuǎn)化”的發(fā)展模式。

　　“我們關(guān)注的不是低溫或大功率的指標能‘刷’到多高，而是考慮是否滿足產(chǎn)業(yè)化需求。”劉立強說，產(chǎn)品能不能長期穩(wěn)定運行、成本如何、后續(xù)好不好維護等，都是科研人員關(guān)心的問題。

　　這種模式下，產(chǎn)出科研成果之日，就是產(chǎn)品下線之時。2016年，中國科學院理化所聯(lián)合社會資本共同創(chuàng)立科技成果轉(zhuǎn)化企業(yè)——北京中科富海低溫科技有限公司。

　　這樣做有何好處？“科研機構(gòu)長于技術(shù)開發(fā)，企業(yè)長于工程轉(zhuǎn)化，兩者優(yōu)勢互補，縮短了成果轉(zhuǎn)化周期，提升了我國低溫產(chǎn)業(yè)的水平。”中科富海董事長張彥奇說，大型低溫制冷裝備項目的實施，推動我國在該領(lǐng)域形成了從技術(shù)研發(fā)、工程示范到產(chǎn)業(yè)應用的完整鏈條。

　　在項目配套過程中，高端氦氣螺桿壓縮機、低溫換熱器和低溫閥門等相關(guān)制造企業(yè)的創(chuàng)新能力顯著提升，我國初步形成了功能齊全、分工明確的低溫產(chǎn)業(yè)群。

　　張彥奇介紹，有科學家團隊做技術(shù)后盾，中科富海得以保持戰(zhàn)略定力，堅持高標準做產(chǎn)品。通過產(chǎn)學研合作，公司迅速成長為低溫行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)。中科富海首次在國內(nèi)開發(fā)了系列化、多規(guī)格成套深冷區(qū)大型氫氦制冷裝備及液化裝置，讓中國在全球低溫大型制冷設(shè)備制造領(lǐng)域擁有一席之地。

　　超導加速器、航天器地面試驗、先進光源、聚變實驗堆……今天，越來越多的國家重大工程用上了我國自主研制的大型低溫制冷裝備。值得一提的是，我國百瓦級氦制冷機和氫液化器還走出國門，在國外大科學工程中得到應用。

　　低溫制冷技術(shù)研究沒有終點。量子科技、氦資源提取以及航天工程的快速發(fā)展，都對大型超流氦低溫裝備提出了更高要求。前瞻布局，中國科學院2020年部署萬瓦級液氦溫度大型制冷機核心技術(shù)攻關(guān)，2021年啟動“大型低溫制冷機及提氦工程示范”先導專項。

　　“國家的需求就是我們努力的方向。中國科學院理化所將接力攻關(guān)，繼續(xù)打好大型低溫制冷裝備攻堅戰(zhàn)，積極搶占低溫科研高地。”王雪松語氣堅定。

　　《 人民日報 》（ 2024年04月15日 19 版）

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