中国科学院理化技能研究所研制的液氦到超流氦温区年夜型低温制寒设备。 中国科学院理化技能研究所供图
习近平总布告指出,“科技立异是成长新质出产力的焦点要素”“要在以科技立异引领工业立异方面下更年夜工夫”。
成长新质出产力,必需以科技立异引领工业立异,实时将科技立异功效运用到详细工业以及工业链上。比年来,科研机构、高等院校以及企业不竭增强科技立异以及工业立异深度交融,加速科技功效转化运用,愈来愈多立异链上的“好技能”酿成工业链上的“年夜运用”,实现科技立异与工业立异的同频共振。
即日起,科技版推出“以科技立异引领工业立异”系列报导,经由过程记者在科研、出产一线的察看,带您感觉立异链工业链交融成长的强劲脉动以及科技立异引领工业立异所开释的彭湃动能。
——编者
缔造一个超年夜深寒“冰箱”,提供20K(开尔文,20K即零下253摄氏度)如下乃至2K(零下271摄氏度)的超低温情况,并包管百瓦级到万瓦级一连不乱事情——年夜型低温制寒设备凭仗这一能力,被称作“超等低温工场”。
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年夜型制寒设备,在航天工程、氢能源储运、氦资本开发以及许多年夜科学装配运转中阐扬着首要的支持作用。持久以来,海内用的年夜型低温制寒设备几近全数依赖入口。
中国科学院理化技能研究所(如下简称“中国科学院理化所”)科研团队颠末10多年延续攻关,攻克一系列关头焦点技能,研制出20K到2K、百瓦到千瓦级(kW)的系列化年夜型低温制寒设备,让“超等低温工场”实现了中国造,形成为了从技能研发、工程示范到工业运用的完备链条。
啃下自立研制年夜型低温制寒设备这块“硬骨头”
“年夜型低温制寒设备不在‘台前’,但许多首要事情离不开它。”常年从事低温装备研究,中国科学院理化所研究员胡忠军对此体味深入。
来到中国科学院文献谍报中间年夜楼,站在北京正负电子对撞机先容铺板前,胡忠军诠释:“氦气在零下269摄氏度会成为液体,到零下271摄氏度就酿成超流氦。为北京正负电子对撞机这种粒子加快器中高场强超导磁体入行寒却的,恰是年夜型低温制寒设备发生的液氦或者者超流氦。”
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年夜科学装配的运转也离不开年夜型低温制寒设备。
“解决氢的年夜规模贮存与运输难题,年夜型低温制寒设备一样关头。”胡忠军说,氢气密度遥小于氛围,在常温常压下运输,体积很是巨大。若是用低温年夜型制寒机将氢气液化,体积可以削减至约1/800,极年夜下降运输本钱。
据专家先容,跟着经济社会的快速成长,我国对年夜型低温技能以及设备的需求日趋急迫。可是,自立研制年夜型低温制寒设备,其难度超越预想。
“拿此中一个关头装备透平膨胀机来讲,它由气体轴承支持,叶轮旋转时,圆周线速率极快,且轴承之间仅隔着厚度为头发丝直径1/5的气膜。”胡忠军先容,怎样设计气体轴承、若何保障转子高效不乱运转,都磨练着科研职员的伶俐。
像透平膨胀机如许的挑战,在年夜型低温制寒设备研制中另有不少。“年夜型低温制寒设备与年夜家常见的空调、冰箱分歧,触及多级压力、温度与制寒级,体系十分繁杂。”中国科学院理化所研究员刘立强说。他将攻坚难点归纳综合为“两机一箱一集成”,即透平膨胀机、寒压缩机,寒箱集成技能,和整个体系的设计、节制以及调试。
“再难,也要啃下这块‘硬骨头’。”2009年,中国科学院启动“低温氦透平制寒机样机研制”专项,作为项目承接单元,中国科学院理化所牵头展开年夜型低温制寒体系焦点部件攻关以及样机体系集成技能研究。他们研制的海内首台制寒量为“2kW@20K”的氦透平制寒机,承受住了一连运行磨练以及测试,由此证实我国具有自立研制年夜型低温制寒设备的能力。
从2010年起,该所承当财务部国度重年夜科研设备研制专项使命,一场向更进步前辈年夜型低温制寒设备倡议的冲刺起头了。
探索出一整套行之有用的工程化管理模式
从液氢温区到液氦温区再到超流氦温区,温度每一降低1摄氏度或者功率每一增长一个数目级,相干体系都必要从新设计,关头部件也要进级,研举事度随之指数级增长。
走入中国科学院理化所低温工程与体系运用中间,科研职员正盯着轴心轨迹实验平台,查望、记实高速转子运行参数。中国科学院理化所研究员彭楠奉告记者,团队正在研究新一代气浮轴承,转子速率有看到达每一分钟30万转。
制寒温度越低,对透平膨胀机转速的要求就越高。彭楠回想,为研制高效且不乱的轴承,他以及同事废寝忘食地在试验室笃志事情,一直延续了一年多。
氦气螺杆压缩机是氦气低温体系的动力源,决议着低温体系运行的不乱性。胡忠军先容,科研职员年夜胆立异,一遍又一遍试探,终极开发出具备自立常识产权的氦气螺杆压缩机。为了在划定时间内完成压缩机测试等使命,团队与配套企业互助,加班加点,仅用1个月就完成为了本来必要3个月的事情。
2010年10月至2014年12月,中国科学院理化所完成为了国度财务专项Ⅰ期项目使命,研制出海内首套液氢温区万瓦级年夜型低温制寒体系,实现“10kW@20K”的既定方针。
2015年4月,国度财务专项Ⅱ期“液氦到超流氦温区年夜型低温制寒体系研制”项目启动。5年多昼夜奋战,科研职员在原有功效根本上,不仅自立研制出了技能指标为“2500W@4.5K”以及“500W@2K”的年夜型氦制寒机,还实现了包含年夜型低温制寒体系整机设计系统构建及节制技能、系列化气体轴承氦透平膨胀机技能等在内的技能突破。在年夜型液氦到超流氦温区制寒技能上,我国自此跨进国际进步前辈行列。
经由过程承当专项使命,中国科学院理化所探索出一整套行之有用的工程化管理模式。
攻关触及领域广、职员多,若何形成协力?“做好重年夜使命,必需组织好年夜团队。”中国科学院理化所所长王雪松先容,他们成立了研究开发、体系集成以及工程运用3个课题组,组建低温工程与体系运用中间,形成为了首席科学家领衔、科研主干以及技能支持职员联合攻关的立异团队模式。
项目难度年夜、体系集成繁杂,若何确保研制入度?王雪松说,所里接纳行政、技能两条线并行推动模式,行政线抓管理、技能线抓节点,统筹掌控各种使命施行入度。
年夜型低温制寒设备研制走到今天,是中国科学院理化所几代科研事情者接力传承的效果。刘立强说,从20世纪50年月起头,包含洪朝生院士、周遥院士在内的老一辈科学家,为研究所低温研究事业打下了扎实的根本,“没有古人的事情,就不会有今天的成绩。”
联合研制单元也有很多进献。以氦气螺杆压缩机研制为例,无锡锡压压缩机有限公司总工程师陆龙胜基于丰硕的经验,揣摩出了一套精良的压力调理装配,解决了因吸气压力太高引发的停机难题;冰轮情况技能股分有限公司暂停出产使命、为科研让路,保障氦气螺杆压缩机顺遂测试……
“没有壮大的制造能力以及相干单元协同攻关,科学家再好的设法也实现不了。”刘立强说。
形成从技能研发、工程示范到工业运用的完备链条
解决年夜型低温制寒设备“卡脖子”问题,单做出样机不行,还需实现工业化,动员上下流工业的成长,入而不竭晋升我国低温工业自立立异实力。
针对年夜型低温制寒设备运用性强、工业需求急迫的特色,分歧于以去先试验室突破、再中试、再工业化的功效转化路径,中国科学院理化所在该设备研制进程中缔造性地探索出“边研究、边运用、边转化”的成长模式。
“咱们存眷的不是低温或者年夜功率的指标能‘刷’到多高,而是斟酌是否知足工业化需求。”刘立强说,产物能不克不及持久不乱运行、本钱若何、后续好欠好维护等,都是科研职员体贴的问题。
这类模式下,产出科研功效之日,就是产物下线之时。2016年,中国科学院理化所联合社会资源配合创立科技功效转化企业——北京中科富海低温科技有限公司。
如许做有何益处?“科研机构擅长技能开发,企业擅长工程转化,二者上风互补,缩短了功效转化周期,晋升了我国低温工业的程度。”中科富海董事长张彦奇说,年夜型低温制寒设备项目的施行,推进我国在该领域形成为了从技能研发、工程示范到工业运用的完备链条。
在项目配套进程中,高端氦气螺杆压缩机、低温换暖器以及低温阀门等相干制造企业的立异能力显著晋升,我国开端形成为了功能齐备、分工明确的低温工业群。
张彦奇先容,有科学家团队做技能后援,中科富海患上以连结战略定力,坚持高尺度做产物。经由过程产学研互助,公司迅速发展为低温行业的领军企业。中科富海首次在海内开发了系列化、多规格成套深寒区年夜型氢氦制寒设备及液扮装置,让中国在全世界低温年夜型制寒装备制造领域拥有一席之地。
超导加快器、航天器地口试验、进步前辈光源、聚变试验堆……今天,愈来愈多的国度重年夜工程用上了我国自立研制的年夜型低温制寒设备。值患上一提的是,我国百瓦级氦制寒机以及氢液化器还走出国门,在外洋年夜科学工程中获得运用。
低温制寒技能研究没有终点。量子科技、氦资本提取和航天工程的快速成长,都对年夜型超流氦低温设备提出了更高要求。前瞻结构,中国科学院2020年摆设万瓦级液氦温度年夜型制寒机焦点技能攻关,2021年启动“年夜型低温制寒机及提氦工程示范”先导专项。
“国度的需求就是咱们尽力的标的目的。中国科学院理化所将接力攻关,继续打好年夜型低温制寒设备攻坚战,踊跃抢占低温科研高地。”王雪松语气坚定。
《 人平易近日报 》( 2024年04月15日 19 版)