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大型低温制冷机领域的,以创业实现四代低温人

文章作者:www.4166.com 上传时间:2019-05-16

图片 1   资料图:4月29日,中科院理化技术研究所副研究员胡忠军在介绍设备的核心装置“10kW/20K氦透平转子”。

我国首台万瓦级液氢温区低温制冷设备研制成功

低温制冷:突破-253℃封锁线

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为打破长期受制于人的被动局面,掌握相关领域高技术发展的主动权,国家财政部于2011年向理化所部署了大型低温制冷设备研制任务。2016年8月,理化所联合社会资本、科研团队成立北京中科富海低温科技有限公司。

  新华网北京4月29日电(记者吴晶晶)由财政部支持、中科院理化技术研究所承担的国家重大科研装备“大型低温制冷设备研制”项目29日通过验收。据悉,该设备不仅可以满足未来大科学工程、航天工程等国家战略高技术发展对液氢温区大型制冷设备的需要,更将促进相关领域先进技术的发展。

科技日报河北廊坊4月29日电 由国家财政专项支持的大型低温制冷设备研制项目29日在河北廊坊通过了国家财政部委托组织的验收。至此,我国已具备制造万瓦级液氢温区制冷设备的能力,从而打破了发达国家在该领域的技术垄断。

在企业林立的河北廊坊开发区,中国科学院理化技术研究所的几座实验楼乍看并不起眼。

研发人员现场展示L40B氦液化器性能。

近年来,随着各国对能源结构的调整和对清洁能源的关注与研究,氢能源以其绿色、高效、应用范围广等优势,成为全球最具发展潜力的清洁能源。不过,业内人士认为,氢能产业在一些关键技术与国外还存在差距。

  液氢温区的大型低温技术是一项长期影响我国航天事业和前沿科学发展的重大关键技术,特别是航天工程所需的大型低温制冷技术,发达国家一直对我国实行技术封锁。

所谓大型低温制冷设备,是指制冷温度20K及以下,制冷量为数百至万瓦以上,集精密加工、气体轴承氦透平膨胀机技术、低温传热与绝热技术、高效安全集成调控技术为一体的低温制冷系统。它是大科学工程、航天工程等战略高技术领域的支撑技术,也是发达国家对我国限制输出的技术。

但推门进去,却别有洞天。一台高约3米、长约6米、重达15吨的巨大科研设备横卧在厂房里,天蓝色的外壳显得格外清凉。

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中国科学院理化技术研究所利用多年积累的低温技术,推动了氢能源产业化发展。2015年4月,由财政部支持、理化所承担的国家重大科研装备“大型低温制冷设备研制”项目通过验收。2016年8月,理化所联合社会资本、科研团队成立北京中科富海低温科技有限公司。

  为打破长期受制于人的被动局面,中科院科研人员在几十年低温技术积累的基础上,坚持走自主创新道路,通过四年多的拼搏奋斗,实现了我国在液氢温区万瓦级制冷量低温设备研发方面零的突破。科研人员突破了高速气体轴承氦透平膨胀机等五大关键技术,建立了五大基础试验平台,形成了具有自主知识产权的核心技术及工艺包,设备综合性能达到国际先进水平。

2011年10月,在财政部支持下,大型低温制冷设备研制立项,由中科院理化技术所承担。经过4年努力,研究人员自主研制了技术指标为10kW/20K、氦透平膨胀机绝热效率≥70%的大型低温制冷设备,突破了高速氦气体轴承透平膨胀机稳定性等5大关键技术,建立了氦气透平膨胀机性能测试等5大基础试验平台,形成了具有自主知识产权的核心技术及工艺包,综合性能达到国际先进水平,实现了我国在液氢温区万瓦级制冷量低温设备研发方面零的突破。

这套名为“10kW/20K卧式高真空绝热冷箱”的设备全国仅此一台。4月29日,由中科院理化所承担的国家重大科研装备“大型低温制冷设备研制”项目在这里通过验收,这意味着,中国终于有了自主研发的第一台万瓦级液氢温区低温制冷设备。

L40B氦液化器

“虽然中科富海成立不到3年,但我们是国际上第三家拥有20K以下大型低温制冷装备及产品的公司。”2019年春节假期刚结束,中科富海总经理高金林就开启了出差的工作模式。他告诉《中国科学报》,“中科富海承载着四代人的低温梦想,2019年这里将诞生第一台用于工业和民用的氢液化装置。”

  我国科学家所研制的液氢温区大型低温制冷设备在航天、大科学工程、清洁能源等领域具有广阔的应用前景,相关设备已经成功应用于航天产品性能测试,增强了航天产品的研发能力。

据项目首席科学家李青介绍,我国科学家所研制的液氢温区大型低温制冷设备,在航天、大科学工程、清洁能源等领域具有广阔应用前景,其中2kW/20K大型低温制冷设备已经成功应用于航天产品性能测试,增强了型号产品的研发能力,标志着我国航天产品测试平台和测试能力提升到一个新的水平。

西安交通大学教授厉彦忠是这次项目验收组的专家之一,他告诉《中国科学报》记者,这些年来国内低温制冷项目的招标很多,但国内单位却几乎从来没有中过标。“液氢温区低温制冷设备一直被瑞士和法国两家公司垄断着,我国使用的几乎全部是进口产品。国内没有成型的设备,业主们谁都不愿意做第一个吃螃蟹的人。”

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,制冷量超过240瓦。该套制冷机系统由中科院理化技术研究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。

打破封锁

大型低温制冷机领域的,以创业实现四代低温人的梦想。  验收会上,专家一致认为,该项目的完成打破了发达国家对液氢温区大型低温制冷技术的垄断,奠定了自主开发系列化产品的基础,为集成性和工程性均很强的重大科研装备自主创新及产业化模式积累了宝贵经验。

验收通过后,中科院在国家财政部的支持下,当天又启动了二期研制工作,将研制更低温区大型设备。

作为国内知名的低温制冷专家,其实厉彦忠本人曾中过一个设计标,但业主最后却没有用他的方案,还是去买了国外的产品。

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》。

液氢温区的大型低温技术是一项长期影响我国航天事业和前沿科学发展的重大敏感技术,特别是航天工程所需的万瓦级低温制冷技术,发达国家一直对我国限制输出。

  目前,中科院已启动了大型低温制冷设备二期研制工作,将进行更低温区(液氦/超流氦)大型低温设备研制,推动大型低温制冷技术的持续发展。

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而这个让厉彦忠“如鲠在喉”的问题,已经成为制约中国前沿科技研究、航空航天、高技术应用等行业的一个“瓶颈”。在《国家重大科技基础设施建设中长期规划(2012-2030年)》确定的16个重大专项中,有8项与低温设备相关,特别是低温运载火箭所需的万瓦级低温制冷技术,是发达国家对我国实行限制输出的技术。

突破“卡脖子”困境

为打破长期受制于人的被动局面,掌握相关领域高技术发展的主动权,财政部于2011年向理化所部署了大型低温制冷设备研制任务。“在我国载人航天工程里,新一代的低温运载火箭面临的最大问题就是增加运载量。”该项目首席科学家、理化所研究员李青表示,传统的燃料由于能量密度不够,已难以承担发射任务,惟有采用液氢这一高能燃料。

为打破长期受制于人的被动局面,掌握相关领域高技术发展的主动权,国家财政部及时部署了这一重大装备研制任务。2011年10月,国家重大科研装备研制项目“大型低温制冷设备研制”立项,以期突破关键技术,尽快实现大型低温制冷设备自主的设计与制造,满足国内急需。

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。

氢气的体积太过庞大,只有将其液化后才能使用,而氢气达到-253℃,才能被液化。大型低温制冷设备研制成功,使我国科学家掌握了大型低温制冷技术领域的高技术发展主动权。

而这一切谈何容易。虽然中科院理化所研究员、“大型低温制冷设备研制”项目首席科学家李青开玩笑说自己是个“做冰棍的”,但建成这台拥有自主知识产权的“大冰箱”,却花了他们4年多时间。

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。

作为研制方,理化所自主研制了一台技术指标为10kW/20K、氦透平膨胀机绝热效率≥70%的大型低温制冷设备,突破了高速氦气体轴承透平膨胀机稳定性技术、超低漏率板翅式低温换热器设计和制造技术、高精密油分离技术、气动低温调节阀制造技术以及系统集成调控技术五大关键技术。

“和高温不同,低温是有极限的。宇宙的最低温度是绝对零度,也就是零下273.16℃。”李青说,“因此在一定程度上讲,降温比升温要困难得多。”

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。

项目验收会上专家们表示,该项目的完成奠定了我国自主开发系列化产品的基础,是自主研发大型关键基础装备的成功范例。

但这件事却又非做不可。例如我国要发展的新一代运载火箭,传统燃料已经满足不了大运载量的需求,必须使用液氢作为燃料。

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瑞士林德公司和法国法液空公司进口。

理化所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》:“项目的成功实施,打破了发达国家对液氢温区大型低温制冷技术的垄断,标志着我国液氢温区低温制冷设备研发和制造能力迈上了新台阶,不仅可以满足未来大科学工程、航天工程等国家战略高技术发展的迫切需要,而且可以促进相关领域先进技术的发展。”

氢气是世界上最轻的物质之一,要将其降温到20K并液化,用中科院理化所副研究员胡忠军的话说,“需要付出极大的代价”。

“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。

三顾茅庐

科研人员选择了液化温度更低的氦来给氢降温。“降温的原理并不新,但要做到设备性能稳定可靠,却很不易。”李青说,“尤其是低温设备应用的场合都是航空航天、大科学工程等最尖端的技术,更是马虎不得。”

四代人的低温事业

2015年,理化所成功研制液氢温区高效氦制冷机的消息不胫而走,先后吸引了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的关注,这些单位纷纷与理化所签署了大型低温制冷系统应用战略合作协议。

科研人员在几十年低温技术积累基础上,突破了高速氦气体轴承透平膨胀机稳定性技术、超低漏率板翅式低温换热器设计和制造技术、高精密油分离技术、气动低温调节阀制造技术以及系统集成调控技术5大关键技术,建成了这台技术指标为10kW/20K、氦透平膨胀机绝热效率≥70%的大型低温制冷设备,综合性能达到国际先进水平。

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级。

“实验室可以生产原型样机,但系列化的产品就需要企业来完成。”龚领会意识到自己的实验室做不出来客户需求的产品,于是中科富海成立了。

“这是一个零的突破。”厉彦忠说。专家一致认为,该项目打破了发达国家对液氢温区大型低温制冷技术的垄断,奠定了自主开发系列化产品的基础,是自主研发大型关键基础装备的成功范例。

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。

“做科研我可以,管理企业可就难为我了。”龚领会开始为中科富海寻找一位合适的掌舵人。

事实上,在项目研制过程中,该所的低温设备就已经“热”得发烫。目前,中科院内已有5、6家科研单位与该所签订了战略合作框架协议,准备将低温设备应用到各自的科研工作中。

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。

高金林是龚领会在西安交通大学读本科时期的同学,先后在浙江大学和日本大学获得低温领域的硕士和博士学位,曾在浙江大学、日本大学原子能研究所和日本铃木公司从事教学、科研和产品开发工作,担任过美国APD Cryogenics 公司首席科学家和技术总监、住友重工中国低温公司总经理和南京柯德公司总经理。

验收会当天,中科院启动了大型低温制冷设备的二期研制工作,将进行更低温区的大型低温设备研制,推动大型低温制冷技术的持续发展。

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。”

“这个老同学很适合替我掌管中科富海。”2016年夏天,龚领会来到高金林的工作地——南京,邀请其出任中科富海的总经理。“我在南京有一份稳定的工作,为什么要跟你去北京?”高金林没打算跟龚领会走。

中科院兰州近代物理研究所党委书记、研究员赵红卫就是专程赶来参加验收会的用户之一,他对二期研制工程充满了期待。

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。

一次、两次、三次,龚领会先后三次来南京请老同学“出山”。高金林记得龚领会第三次来找自己时,因为着急上火脸上长了好多大包。看着满头大汗站在自己面前的老同学,高金林同意了。“我开始好奇是什么样的一家公司,让老同学如此三番五次地来请我?”

“当前对核废料的处理主要采取的是深埋的方式,但核废料的放射性周期很长,其间一旦封装材料遭到破坏,就会给环境带来严重污染。”赵红卫说,“我们现在要利用加速器反应堆将核废料转化成短寿命的同位素,但这种新技术的前提,就是低温,确切地说是4.2K以下的低温。”

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。

后来高金林才知道,中科富海是一家有潜力跟林德、法液空这两家国际低温公司一争高下的初创公司,有望在2030年打造成为我国拥有自主知识产权技术的世界低温产业第三极。

二期工程要将温度降至4.2K~2K,在这个温度下,氦气也将变成液体和超流态,基本覆盖了所有物理研究所需要的温度。

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。

“我算是来对了。”高金林告诉《中国科学报》。

“更低温度,更高水平。”李青和他背后的中国低温团队,还将向更“高冷”迈进。

主动出击展望未来

深耕低温

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”。

高金林上任中科富海总经理后,他要求技术人员可以留在办公室,市场和销售人员“就不占用融科大厦紧张的工位了”。在高金林带领下,中科富海产业策划部在2016年积极探索产业化新思路、 新模式,同时强化经营能力建设,优化区域战略布局,积极推动大型低温制冷装备、三基色激光显示、酶法明胶新工艺、可完全生物降解塑料、热泵蒸发浓缩干燥技术等一批重大重点科技成果产业化工作。

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。

2016年11月,中科富海亮相2016中国国际氢能与燃料电池产业发展大会,与林德和法液空共同为氢能产业发展提供氢源液化、储存、长距离运输和净化解决方案。2016年12月,中科富海与中船重工鹏力超低温技术有限公司签订战略合作协议,共同推动中国低温事业向前发展。

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。

高金林向《中国科学报》介绍了中科富海主要业务领域:引领低温装备进入国产化时代、解决我国氦战略资源短缺的问题、为低温液态氢的使用提供系统解决方案、提供稀有气体深度加工技术和同位素产品。为此,中科富海在全国开始了战略部署。

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。

2017年8月,中科富海在广东中山成立了子公司——中科富海低温装备制造有限公司,作为中科富海的核心装备制造基地,拟建成覆盖液氢、液氦到超流氦温区的大型低温装备制造基地,实现生产氢、氖、氦等气体分离、液化及储运装备。“全部建成后可实现就业500余人,产值超过5亿元。”高金林透露。

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。

氦气在国防、工业、科技等领域具有不可替代的作用,是一种重要的战略资源。而氦气在我国却是一种稀缺资源,中国用氦对外依存度几乎为百分之百。2018年11月,安塞华油天然气有限公司与中科富海签署提氦项目,双方将共同推进天然气中氦资源的提取。2018年12月,阜阳市颍东区政府、中科富海、安徽颖昊工程管理有限公司签订三方合作协议,三方将建设稀有气体精制提取装置,终结高纯特种电子气体全部依赖进口的尴尬局面。

(原载于《中国科学报》 2018-12-17 第5版 创新周刊)

如今,中科富海因为人员扩张迅速,已经从融科资讯中心搬到附近的卫星大厦。“中科富海是中国第一家做低温的企业,今年也将是中科富海迅速成长的一年。”高金林道出了中科富海新一年的期望。

(原载于《中国科学报》 2019-02-21 第6版 转移转化)

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