我国自研百瓦级大型低温制冷装备 技术水平迈进国际先进

低于1K的温度叫做超低温。超低温技术在许多领域的应用到今天已经有了较大进展，主要应用于能源(超导输电、超导储能、超导电机等)，交通(磁悬浮列车、船舶磁推进器)，医疗卫生(核磁共振成像、生物磁仪器等)，电子技术(超导微波技术应用、各类超导传感技术、半导体—超导体集成电路、超导计算元件等)，重大科学工程(加速器、受控热核装置等)和国防技术(超导反潜、扫雷、飞船载入、电磁推进、通讯及制导等)等领域。

2021年4月15日，中科院理化所承担的国家重大科研装备研制项目“液氦到超流氦温区大型低温制冷系统研制”通过验收及成果鉴定。项目取得了一系列核心技术突破，包括大型低温制冷系统整机设计体系构建及控制技术、系列化气体轴承氦透平膨胀机技术、大型超流氦负压换热器技术、大型高效氦气喷油螺杆压缩机技术、高稳定性离心式冷压缩机技术、大型复杂低温制冷系统集成与调试技术等。

项目的成功实施，带动了我国高端氦螺杆压缩机、低温换热器和低温阀门等行业的快速发展，提高了一批高科技制造企业的核心竞争力，使相关技术实现了从无到有、从低端到高端的提升，在我国初步形成了功能齐全、分工明确的低温产业群。

液氦制冷用液氦冷却汞，当温度下降到4。2K时,水银的电阻完全消失，这种现象称为超导电性，此温度称为临界温度。根据临界温度的不同，超导材料可以被分为：高温超导材料和低温超导材料。 但这里所说的「高温」，其实仍然是远低于冰点摄氏0℃的，对一般人来说算是极低的温度。这样低的温度下，氢也变成了固体，与空气接触时，空气会立刻在液态氦的表面上冻结成一层坚硬的盖子。

透平膨胀机，是空气分离设备及天然气(石油气)液化分离设备和低温粉碎设备等获取冷量所必需的关键部机，是保证整套设备稳定运行的心脏。其主要原理是利用有一定压力的气体在透平膨胀机内进行绝热膨胀对外做功而消耗气体本身的内能，从而使气体自身强烈地冷却而达到制冷的目的。我们平常用气筒打气会发现筒身发热,那是因为活塞压缩气体气体放热,如果反之其原理就类似于膨胀机了(更确切的说是活塞式膨胀机).透平膨胀机输出的能量由同轴压缩机回收或制动风机消耗。

换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。是一种在不同温度的两种或两种以上流体间实现物料之间热量传递的节能设备，是使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到流程规定的指标，以满足工艺条件的需要，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。换热器行业涉及暖通、压力容器、中水处理设备，化工，石油等近30多种产业，相互形成产业链条。

按传热原理分类

1、间壁式换热器间壁式换热器是温度不同的两种流体在被壁面分开的空间里流动，通过壁面的导热和流体在壁表面对流，两种流体之间进行换热。间壁式换热器有管壳式、套管式和其他型式的换热器。间壁式换热器是应用最为广泛的换热器。

2、蓄热式换热器蓄热式换热器通过固体物质构成的蓄热体，把热量从高温流体传递给低温流体，热介质先通过加热固体物质达到一定温度后，冷介质再通过固体物质被加热，使之达到热量传递的目的。蓄热式换热器有旋转式、阀门切换式等。

3、流体连接间接式换热器流体连接间接式换热器，是把两个表面式换热器由在其中循环的热载体连接起来的换热器，热载体在高温流体换热器和低温流体之间循环，在高温流体接受热量，在低温流体换热器把热量释放给低温流体。

4、直接接触式换热器又被称为混合式换热器，这种换热器是两种流体直接接触，彼此混合进行换热的设备例如，冷水塔、气体冷凝器等。5、复式换热器兼有汽水面式间接换热及水水直接混流换热两种换热方式的设备。同汽水面式间接换热相比，具有更高的换热效率;同汽水直接混合换热相比具有较高的稳定性及较低的机组噪音。

按用途分类

1、加热器加热器是把流体加热到必要的温度，但加热流体没有发生相的变化。

2、预热器预热器预先加热流体，为工序操作提供标准的工艺参数。

3、过热器过热器用于把流体(工艺气或蒸汽)加热到过热状态。

4、蒸发器蒸发器用于加热流体，达到沸点以上温度，使其流体蒸发，一般有相的变化。

螺杆式压缩机又称螺杆压缩机，分为单螺杆式压缩机及双螺杆式压缩机。单螺杆式压缩机是在70年代由法国辛恩开发出来，因其的结构更加合理，迅速的应用到国防领域，并被开发国家保护起来，技术一直都在相对独立。螺杆式压缩机又称螺杆压缩机。20世纪50年代，就有喷油螺杆式压缩机应用在制冷装置上，由于其结构简单，易损件少，能在大的压力差或压力比的工况下，排气温度低，对制冷剂中含有大量的润滑油(常称为湿行程)不敏感，有良好的输气量调节性，很快占据了大容量往复式压缩机的使用范围，而且不断地向中等容量范围延伸，广泛地应用在冷冻、冷藏、空调和化工工艺等制冷装置上。以它为主机的螺杆式热泵从20世纪70年代初便开始用于采暖空调方面，有空气热源型、水热泵型、热回收型、冰蓄冷型等。在工业方面，为了节能，亦采用螺杆式热泵作热回收。

离心式制冷压缩机的构造和工作原理与离心式鼓风机极为相似。但它的工作原理与活塞式压缩机有根本的区别，它不是利用汽缸容积减小的方式来提高汽体的压力，而是依靠动能的变化来提高汽体压力。离心式压缩机具有带叶片的工作轮，当工作轮转动时，叶片就带动汽体运动或者使汽体得到动能，然后使部分动能转化为压力能从而提高汽体的压力。

这种压缩机由于它工作时不断地将制冷剂蒸汽吸入，又不断地沿半径方向被甩出去，所以称这种型式的压缩机为离心式压缩机。其中根据压缩机中安装的工作轮数量的多少，分为单级式和多级式。压缩机工作时制冷剂蒸汽由吸汽口轴向进入吸汽室，并在吸汽室的导流作用引导由蒸发器(或中间冷却器)来的制冷剂蒸汽均匀地进入高速旋转的工作轮3(工作轮也称叶轮，它是离心式制冷压缩机的重要部件，因为只有通过工作轮才能将能量传给汽体)。

汽体在叶片作用下，一边跟着工作轮作高速旋转，一边由于受离心力的作用，在叶片槽道中作扩压流动，从而使汽体的压力和速度都得到提高。由工作轮出来的汽体再进入截面积逐渐扩大的扩压器4(因为汽体从工作轮流出时具有较高的流速，扩压器便把动能部分地转化为压力能，从而提高汽体的压力)。

汽体流过扩压器时速度减小，而压力则进一步提高。经扩压器后汽体汇集到蜗壳中，再经排气口引导至中间冷却器或冷凝器中。

低温制冷机装置

1、用于液化空气、氧、氮的装置：单级斯特林制冷机可制取77K低温，可用来在常压下直接液化空气、氧气及氮气。这种机器在制冷机冷头的外侧装有用来净化和液化气体的净化冷却冷凝器及保温层。当机器正常工作后，冷头的温度降到77K，在冷凝器的外空间造成一定的真空度，这时将顶部的软木塞拔掉，空气(与氧、氮气瓶相连接时则为氧、氮气)便被吸入，并按图中箭头方向逐步被冷却并净化，然后经冷凝器外侧被液化。最后，液化气体沿箭头方向经导出管流出。

2、用于液化包，氖、氦的装置：双级St，G-M及SV制冷机均可用来直接液化常压下的氢、氖等气体。一般用于这种场合的装置以St机较多，当要求振动极小且冷昼又较小时则用G-M或SV制冷机。

3、低温泵装置：低温泵装置是利用低温冷凝，冷捕集和低温吸附原理来抽除气体，从而获得清洁无污染高真空的设备。

新闻来源：中国科学院理化技术研究所

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