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 低温工程与系统应用研究中心 
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  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。现共有职工和学生50余人,其中正式研究人员20人,包括研究员5人,副研究员6人,助理研究员8人,高级实验师1人。中心现有两名百人计划,两名中科院关键人才。在未来几年中,中心将继续招纳和发展百人计划,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. L40@4.5K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):<1×10-9Pam3/s,(内漏):<1×10-5Pam3/s(常温,25bar),<1×10-2Pam3/s(77K,25bar);

  * 工作寿命:≥10万次(77K),45°倾斜安装77K运行1万次无损伤;

  * 附件配置:完全国产化的精小型气动薄膜执行机构,径向尺寸小,轴向行程大,轴向行程与径向尺寸比值达到0.15~0.20,远高于国内0.10水平,达到国际先进水平,工作寿命≥30万次;

  * 公称尺寸及Kv值:

 

 

  5. 核心设备实验平台建设

  低温氦气体轴承透平膨胀机是大型低温制冷系统的心脏,通过它的膨胀制冷来实现并维持液氢温区(~20K)以下低温环境。透平膨胀机的高难度及高复杂性决定了氦透平膨胀机技术是一门实践性非常高的技术。低温氦气体轴承透平膨胀机实验平台为深入开展氦透平膨胀机的实验研究提供了必要的技术手段。平台主要由氦压缩机系统、换热器冷箱、膨胀机冷箱及连接管线、自动控制系统等组成,用于气体轴承透平膨胀机常温稳定性能实验研究;超速实验研究、转子稳定性的极限考核;自动启停性能试验,转子耐磨擦、耐冲击能力测试;稳定工况或变工况下热力性能测试;验证膨胀机的热力性能,验证低温下的稳定性。

 

低温氦气体轴承透平膨胀机实验平台

 

      氦气螺杆压缩机是氦气低温系统的动力之源,决定了低温系统运行的稳定性,占整个低温系统60%以上的功耗。喷油式螺杆压缩机是大型氦低温制冷系统中使用的主要机型。为开发具有自主知识产权的氦气螺杆压缩机,通过建立氦气螺杆压缩机机组性能测试平台以检测其性能,为今后氦气螺杆压缩机机组的研发设计提供指导。氦气螺杆压缩机机组性能试验平台可以对氦气螺杆压缩机轴封的密封性能进行测试,并测试氦气螺杆压缩机的实际输气量及排气压力,进而测试氦气螺杆压缩机的特性(容积效率、等熵效率)及能效等级,通过该测试平台还可以测试机组内油气分离器的性能,并对整个机组的密封性能及噪声进行测试。

 

氦气螺杆压缩机测试平台  

 

  大型氦低温制冷系统或氢氦液化器中,内纯化器和换热器是低温制冷系统最为关键的部件。内纯化器是阻止氦气或制冷工质中杂质气体进入低温系统而堵塞管路,乃至进入高速透平膨胀机损坏其叶轮的内部最后一道屏障,而换热器的设计能否达到流程要求的效率,是低温制冷系统成败的重要因素。因此,内纯化器和换热器模拟实验台是中大型氦低温制冷系统研制和产品化不可缺少的基本平台。冷箱内纯化器和换热器模拟试验平台由隔膜压缩机的气源系统,GM制冷机冷却部分和测试测量控制系统等组成。用于测试纯化性能,验证内纯化器设计方法的正确性;测量内纯化器出口杂质含量及杂质气体冷冻后所产生阻力,推算实际内纯化器的纯化周期;模拟内纯化器降温、纯化、复温再生等工作状态,为实际工作模式提供数据和经验;通过测试小型模拟换热器进出口温差,并与设计值对比修正,确定正确的大型换热器设计方法。

冷箱内纯化器和换热器模拟试验台

 

  6. 液氦到超流氦温区大型低温制冷系统(II期)研制立项

  2014年12月9日,院条财局组织专家对“液氦到超流氦温区大型低温制冷系统”项目实施方案组织专家论证,同意立项,中心为主要执行单位。目前主要工作亮点包括:设计研发了杂质冷量回收型内纯化器,并应用于250W@4.5K系统,扩展了氦液化器原料氦气的纯度范围,使氦液化率不受原料氦气纯度的影响,提高了液化效率;解决了膨胀机在高速下的稳定性,两级透平膨胀机在设计转速222krpm和225krpm下稳定工作,从而为氦液化器产品化、为250W@4.5K系统研制奠定了基础;完成了250W@4.5K冷箱3D优化设计,提出立式冷箱低温换热器组新排布方法,提高了紧凑度,内纯化器增设容霜换热器,增强污氦处理能力;提出并试验验证了新的低温板翅式换热器优化设计方法,提出了一种新的板翅式换热器优化设计方法:基于体积最小化的板翅式换热器优化设计方法,用此优化设计方法,使L40B氦液化器的体积比L40A氦液化器体积缩小了一半。  

                            两级透平膨胀机平稳降温曲线图                     250W@4.5K冷箱3D图

  

    7. TMT低温系统的概念设计

  30米望远镜(TMT)计划是由美国加州理工学院、加州大学和加拿大大学天文研究联盟联合发起的国际合作项目,该项目计划在夏威夷莫纳克亚峰顶建造一个世界领先的30米巨型光学-红外观测设备。中心研究团队完成的TMT低温系统的概念设计包括:整体方案比较、低温系统流程设计、低温冷箱阀箱的预设计、系统总体布局、系统运行模式设计和可靠性分析。2015年11月中旬,通过了TMT国际技术委员会的设计评审。专家组一致认为TIPC非常出色地完成了低温系统的概念设计,达到了项目立项时的要求和初衷,并强有力地推进了整个工程项目的进行。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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