低温工程与系统应用研究中心

　　为实施中科院“创新2020”战略，完成理化所“一三五”战略目标，2014年1月，理化所特成立了低温工程与系统应用研究中心(简称“中心”)，任命龚领会研究员为中心主任，刘立强研究员、伍继浩研究员为中心副主任。

　　中心定位于：集低温技术研发和系统工程应用为一体，围绕中大型低温氦制冷机\液化器的国产化、产品化、系列化，开展低温工程基础研究、关键技术研究、稳定性和可靠性研究、标准化研究、应用开发研究和系列产品研制和工程应用。

　　中心未来发展目标是：

　　* 发展低温制冷新技术，建立相关的试验研究支撑平台，研制实用系统和关键部件；

　　* 进大型低温系统在ADS、HIAF、SSRF等大科学工程应用和实施，实现低温系统与大科学装置的集成耦合；

　　* 实现液氢、液氦和超流氦不同温度等级低温制冷设备的产品化和系列化；

　　* 用5-10年的时间，使中心成为在国内外具有影响力的中、大型低温制冷设备设计、研发和制造基地。

　　在前期项目研制和技术创新的发展过程中，中心形成了一支以中青年科研骨干为主的大型低温制冷技术与系统应用研发队伍。在未来几年中，中心将继续招纳优秀人才，培养正研、副研青年骨干，不断扩大队伍人员数量，并逐步提升队伍质量。

　　中心内部现共设5个部门：廊坊部、基础部、工程部、设计部和质检部，每个部门分工协作，功能明确。通过创新“1+5”、“类产品标准化”管理方式，中心将逐步向产业化运营机制转化，最终实现产品市场化的目标。

　　中心成立以来，取得的成果如下：

　　1. 2kW@20K低温氦制冷机在航天领域成功获得应用

　　自2013年理化所与北京宇航系统工程研究所就“2kW液氢温区低温制冷设备”的应用签订合作协议以来，中心使用自主研制的2kW@20K低温氦制冷机为其提供冷源，积极配合建立大运载火箭低温推进剂液氢温区增压输送系统试验平台。

　　2014年4月22日，以2kW@20K低温氦制冷机为冷源的航天型号产品性能测试平台运行成功，并完成了某型号产品模拟真实工况下的性能测试。在长达30多个小时的试验运行中，制冷机运行可靠、性能稳定，确保了性能测试平台的氦气充注、降温及快速放气等关键过程调控平稳，达到20MPa@20K液氢温区冷氦增压的试验目标，圆满完成了正式产品预定性能试验，为后续型号应用奠定了基础。中心攻克了深低温、高压强化换热技术，建成了集低温容器、高压储罐和低温换热器为主体的液氢温区低温燃料系统试验平台，填补了我国液氢温区试验验证能力的空白；提升了运载火箭低温增压系统试验的真实性和覆盖性，标志着我国航天产品研发领域产品性能测试平台提升到一个新的水平。

　　                      型号产品测试平台增压降温试验原理                       2kW@20K航天应用现场系统

　　2. 10kW@20K大型低温制冷系统成功研制并得到大范围宣传

　　2014年，在中心科研人员的共同努力下，研制成功国内首台10kW液氢温区大型低温制冷设备，制冷量≥10kW@20K，透平效率≥70%，将为我国大科学工程、航天等领域发展提供战略支撑。

10kW@20K制冷机样机

　　中心攻克了五大核心关键技术，包括：高速氦透平膨胀机稳定性、超低漏率铝板翅式换热器设计制造、高精滤油系统设计、气动低温调节阀制造以及集成调控，指标均达到国际同类产品水平。并建立了涵盖主要关键技术和设备，具有国际先进水平的五大专业研制试验平台，包括：

　　？ 氦气螺杆压缩机机组性能测试平台：测试氦气螺杆压缩机的密封性能，热力性能，噪声特征，及压缩机机组油气分离器性能；

　　？ 低温管线试验平台：运用测量蒸发气体流量的方法确定液氮或液氦蒸发量，确定低温管线漏热量；

　　？ 高精滤油系统试验测试平台：涵盖微量和痕量油分析，凝聚亲和聚结过滤研究，静动态吸附性能的测试；

　　？ 低温阀测试平台：测试低温阀门的漏热量、泄漏率，测试低温调节阀的动作性能，及不同开度下阀门的Cv值；

　　？ 设备集成总装与调试平台：通过本平台，解决子系统之间的相互衔接和联动耦合等问题，将各个分离的子系统连接成为一个完整可靠经济和有效的整体，并使之能彼此协调工作，发挥整体效益，达到整体性能最优。

　　             高稳定性高速氦气轴承         低漏率低温板翅式换热器          高精滤油系统         高稳定性气动低温

　　                透平膨胀机（100krpm）            （10-9Pam3/s）              （0.01ppm）           调节阀（10万次）

　　系统集成及调控

　　          氦气螺杆压缩机测试平台           低温传输管线绝热性能试验平台          高精滤油系统实验测试平台

　　                    低温阀性能测试平台                                              集成总装调试平台

　　2015年4-5月，CCTV、人民日报、新华社、中国科学报、北京日报、中国之声、科技日报、中新社、经济日报、中国青年报等十余家主流媒体对此万瓦级低温制冷设备进行了争相报道，扩大了中心科研实力的社会知名度，为后续产品走向市场化奠定基础。

　　3. [email protected]液化器成功研制

　　中心在完成国家财政部重大科研装备项目一期“大型低温制冷设备”10kW@20K氦制冷设备的同时，就布局了向更低温区发展的4.5K制冷设备的验证系统-氦液化器的研制工作。自2014年以来，先后共研制了两套液化器系统：L40A及L40B。L40A氦液化器采用自主研制的两级转速均为22万转/分钟的超高速氦透平膨胀机及进口压机，经过多次试验，其透平膨胀机取得突破性进展，稳定性得到了验证，并于2015年9月25日成功实现了氦气的液化。L40B氦液化器采用与国内生产商联合研制的流量为25g/s的氦气螺杆压缩机及进口两级串联透平，经过集成组装及透平联合调试后，也于2016年3月17日成功实现了氦气的液化。

　　                         L40A氦液化器                                 L40B氦液化器

　　这一突破性进展，不仅宣告中心已具备自主研制超高转速氦透平膨胀机的能力，而且验证了中心提出的4.5K制冷系统的流程组织、低温换热器技术、冷箱集成技术、氦气压缩机技术等氦透平液化器技术路线及技术方案的正确性与合理性。在此基础上，研究团队目前就进一步提高氦透平效率，优化系统结构与运行参数，加快推出系列化、产品化的大中型氦液化器开展研制工作。

　　4.  4.2-20K低温调节阀国产化

　　* 工作温区：77K、20K、4.2K、1.8K；

　　* 公称压力：PN16bar、PN25bar、PN40bar，可以根据客户需求提高压力等级；

　　* 流量特性：面向客户需求的参数化设计，设计精度±5%，可调比R100；

　　* 静态误差：≤±0.6%（高于LHC：±1.0%）；

　　* 动态特性：二阶加纯滞后优化模型，响应时间≤1.5s（高于LHC：1.7s），超调量≤5%，控制精度≤±0.7%；

　　* 密封性能：（外漏）：