913｜胡忠军：这种制冷设备我国年产超过40万台，却没有一台能够制造零下269度的液氦｜中国科学院理化技术研究所｜格致SELF

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胡忠军 · 中国科学院理化技术研究所研究员

格致校园第42期 | 2024年 北京

这种制冷设备我国年产超过40万台，却没有一台能够制造零下269度的液氦

氦气是世界上最难液化的气体，它是打开量子世界大门的一把钥匙

大家好，我是来自中国科学院理化技术研究所的胡忠军，今天想给大家分享一下我经历的那些“冷故事”。

我在中学的时候，有一次老师问我们长大了想做什么？我说我想成为一名南极科考工作者。因为当时我在学校的阅览室里面看到了秦大河老师的故事《横穿南极日记》，非常感人。从此神秘寒冷的世界就给我留下了很深的印象。

但是，南极不是谁想去就能去的。中学毕业以后，我来到了美丽的冰城哈尔滨学习普通制冷技术，也就是商业制冷技术。

课堂上，老师有一句话让我至今记忆犹新。他说：“老师只能教你们‘杀猪’的本事，人家中国科学院才是‘屠龙’的。”

为什么叫“杀猪”呢？这是因为我们今天能实现猪肉自由、水果自由、海鲜自由、牛羊肉的自由，很大程度上就是依赖于发达的商业制冷技术。

于是我就很好奇，到底什么是制冷的“屠龙技”呢？后来我就考上了中国科学院的研究生。

当时我做论文的时候，咱们国家正在研制一款“大火箭”。现在我们都知道了，这个大火箭的名字叫“长征五号”。只有这把“倚天剑”才对得上“屠龙刀”嘛。它除了“胖五”之外还有一个别称，叫“冰箭”。

为什么叫“冰箭”呢？我们可以看一下，“长征五号”里一些部件的温度要比冻猪肉的温度低很多，低到零下253℃。因为它要把氢气变成液体，来发射很重的载荷。

若干年以后，我有幸来到海南文昌发射场，目睹了自己参与了（很小的）一部分工作的“胖五”把中国空间站核心舱送上天。听到倒计时读秒时的那种心情，真是又激动又紧张。

低温制冷和空调有着相同的原理

所以，为什么我们要研究制冷界的“屠龙技”呢？

其实，自从低温制冷技术被发明以来，每隔一段时间，就会有相关工作获得诺贝尔奖。除了前沿物理科学研究需要它，咱们去做体检时用的磁共振成像也需要这种低温的环境，还有大家经常听到的量子世界也都离不开低温技术。

在我们读书的那个年代，大家还处于解决温饱的阶段，食物无疑是最重要的，所以冷藏冷冻技术的需求量很大。随着社会的进步和科学的发展，今天我们迫切地需要发展前沿科学，比如航空航天、超导等等方面的研究，这就需要低温装备来支撑。

老一辈科学家在“两弹一星”的年代就已经研制出了一些较小的低温装备。这张照片是20世纪70年代，当时科学家们要把卫星放到模拟太空的环境里进行试验。太空的温度非常低，大概是零下270℃。我们要在地面上模拟太空的低温环境，才能保证卫星上天后不出问题。

这幅图就更形象了，图片中间冒着白雾的地方就是“胖五”加注的液氢和液氧在蒸发，它用到的液氢就需要低温技术来制备。

到底什么是低温技术呢？我们在学术上，以家里做饭用的天然气的液化点120K（零下153.15℃）这个温度为界限。这个温度以上的叫做普冷技术，这个温度以下的就叫做低温技术。

我们中国科学院理化技术研究所主要关注的是液氢温度以下的低温技术。特别是世界上最难液化的气体就是氦气，而液氦就是我们主要的研究对象，同时它也是打开超越牛顿经典力学的量子世界大门的一把钥匙。

其实在100多年前科学家就实现了氦气的液化，这是当时科学家液化氢气和氦气后所拍电报的原始记录。

这就是当时的氦液化的装置，不同的色块表示不同的液体。用酒精预冷液态的空气后，再用液态空气预冷液氢，液氢预冷以后才能得到液氦。这种“套娃”式的设计很难在工业上大规模展开，也很难连续运行。我们更想通过压缩的方式，一步就从氦气得到液氦。

这就是当时的氦液化的装置，不同的色块表示不同的液体。用酒精预冷液态的空气后，再用液态空气预冷液氢，液氢预冷以后才能得到液氦。这种“套娃”式的设计很难在工业上大规模展开，也很难连续运行。我们更想通过压缩的方式，一步就从氦气得到液氦。

大家家里都有冰箱和空调，它们运转的秘诀其实和低温技术是一样的，就是要把刚才讲的液态到气态的相变做成一个连续循环的过程。这就需要一系列的机械做配合，压缩机把气体（制冷剂）从低压压到高压的状态后，就会升温发热；在冷凝器里把热量传到环境里面后，制冷剂就从气体变成了液体；再经过一个节流减压的装置，从高压变低压；又经过蒸发器从周围吸收热量，我们就获得了制冷的冷量，最后液体变回气体，完成循环。

那我们用空调能不能达到液氦的温度呢？显然是不行的，因为常规制冷剂在这种温度下都会变成固体，没有办法循环了。只有液氦在这个温度范围内，还能保持液体状态。

到底怎么才能把氦气“兜住”？

我们想得到液氦，首先就要有能压缩氦气的压缩机。

我们给篮球、排球、轮胎等打气用到的打气筒，就是活塞式压缩机。这种机械很原始，不能连续运行一两年，因为活塞容易摩擦。于是，科学家又发明出了新的螺杆式压缩机。

螺杆式压缩机就是这样的两个螺杆，一个阳转子，一个阴转子。在互相旋转的过程中，转子间隙里的气体被挤压，就把压力给提高了，这个原理很简单。

在2016年之前，我们国家生产螺杆式压缩机的产能高达40多万台套，但是从里面就挑不出来一台能高效压缩氦气的。所以当时用的装备全靠进口，进口就会有各种各样的限制。我们的老所长坚持要把这个设备国产化，但是说实话，接到这个任务的时候，我心里一点底也没有。

打个比方，压缩机相当于要拿一个网兜去把球兜住。咱们的空气分子就像篮球这么大，而氦气只有乒乓球这么大。用同样的网子兜的时候，乒乓球就兜不住，所以要压缩氦气是很困难的。

有的同学会说，把网织密一点不就好了嘛。但难题就随之而来了。这是两个转子工作的过程，绿色的气体吸进来后，从底下侧面排出去，我们可以看到，压缩腔室的容积在减小，压力就提高了，正是因为两个转子之间互相啮合。所以这个空间不能无限小，尤其是在工作状态时它还会发热，空间太小就卡死了，系统就没有办法运转了。

我们可以做一个实验，这是一个气缸，我把一部分硝化棉塞到气缸里，再用手掌的力气去压缩管道里的气体。气体的压力升高，内能增加，温度就会升高，达到170℃左右这个棉花就能被点着。可以看到压缩的第一遍起雾，第二遍着火。这其实就是制冷的根本原理，压缩就发热，扩大体积膨胀，它就变冷。

我们在工程上就吃过亏。这是两个转子之间间隙的照片，把间隙调小了以后，因为发热，螺杆焊到了一起，整个系统就瘫痪了。

如果间隙不能调小，领导交待的任务怎么办呢？我就像面对着一个刺猬，感觉无从下手。

在一次很偶然的机会下，我和我的老师在一块儿时，他就指着转子让我仔细观察。就在面对这个转子、面对这个零件的时候，我们有灵感了。

哲学上有个词叫顿悟，也就是恍然大悟。我们意识到，两个转子之间不可能无限缩小，总是有缝隙的，那怎么办呢？我们在这个缝隙里填上一层厚厚的油膜，“乒乓球”不就兜起来了吗？

这个核心技术就是转子的型线。这个坐标非常复杂，有成千上万种的组合，没有足够的时间让我们去试错。

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