要想得到液氦，首先得有一台壓縮機，2016年前，中國生產螺桿式壓縮機的產能高達40多萬台套，卻沒有一台能高效壓縮氦氣。科學家們不斷進行突破，最終發現了核心技術：轉子的型線…
出品：格致論道講壇
以下內容為中國科學院理化技術研究所研究員胡忠軍演講實錄：
大家好，我是來自中國科學院理化技術研究所的胡忠軍，今天想給大家分享一下我經歷的那些「冷故事」。
我在中學的時候，有一次老師問我們長大了想做什麽？我說我想成為一名南極科考工作者。因為當時我在學校的閱覽室裏面看到了秦大河老師的故事【橫穿南極日記】，非常感人。從此神秘寒冷的世界就給我留下了很深的印象。
但是，南極不是誰想去就能去的。中學畢業以後，我來到了美麗的冰城哈爾濱學習普通制冷技術，也就是商業制冷技術。
課堂上，老師有一句話讓我至今記憶猶新。他說：「老師只能教你們‘殺豬’的本事，人家中國科學院才是‘屠龍’的。」
▲大型肉類冷庫工程布局圖
為什麽叫「殺豬」呢？這是因為我們今天能實作豬肉自由、水果自由、海鮮自由、牛羊肉的自由，很大程度上就是依賴於發達的商業制冷技術。
於是我就很好奇，到底什麽是制冷的「屠龍技」呢？後來我就考上了中國科學院的研究生。
當時我做論文的時候，咱們國家正在研制一款「大火箭」。現在我們都知道了，這個大火箭的名字叫「長征五號」。只有這把「倚天劍」才對得上「屠龍刀」嘛。它除了「胖五」之外還有一個別稱，叫「冰箭」。
為什麽叫「冰箭」呢？我們可以看一下，「長征五號」裏一些部件的溫度要比凍豬肉的溫度低很多，低到零下253℃。因為它要把氫氣變成液體，來發射很重的載荷。
▲2021年4月29日上午，
搭載中國空間站核心艙的長征五號發射現場
若幹年以後，我有幸來到海南文昌發射場，目睹了自己參與了（很小的）一部份工作的「胖五」把中國空間站核心艙送上天。聽到倒計時讀秒時的那種心情，真是又激動又緊張。
低溫制冷和空調有著相同的原理
所以，為什麽我們要研究制冷界的「屠龍技」呢？
▲低溫技術及其相關研究所獲得的諾貝爾獎
其實，自從低溫制冷技術被發明以來，每隔一段時間，就會有相關工作獲得諾貝爾獎。除了前沿物理科學研究需要它，咱們去做體檢時用的磁共振成像也需要這種低溫的環境，還有大家經常聽到的量子世界也都離不開低溫技術。
在我們讀書的那個年代，大家還處於解決溫飽的階段，食物無疑是最重要的，所以冷藏冷凍技術的需求量很大。隨著社會的進步和科學的發展，今天我們迫切地需要發展前沿科學，比如航空航天、超導等等方面的研究，這就需要低溫裝備來支撐。
老一輩科學家在「兩彈一星」的年代就已經研制出了一些較小的低溫裝備。這張照片是20世紀70年代，當時科學家們要把衛星放到模擬太空的環境裏進行試驗。太空的溫度非常低，大概是零下270℃。我們要在地面上模擬太空的低溫環境，才能保證衛星上天後不出問題。
這幅圖就更形象了，圖片中間冒著白霧的地方就是「胖五」加註的液氫和液氧在蒸發，它用到的液氫就需要低溫技術來制備。
到底什麽是低溫技術呢？我們在學術上，以家裏做飯用的天然氣的液化點120K（零下153.15℃）這個溫度為界限。這個溫度以上的叫做普冷技術，這個溫度以下的就叫做低溫技術。
我們中國科學院理化技術研究所主要關註的是液氫溫度以下的低溫技術。特別是世界上最難液化的瓦斯就是氦氣，而液氦就是我們主要的研究物件，同時它也是開啟超越牛頓經典力學的量子世界大門的一把鑰匙。
▲杜瓦實作氫液化後
立即發給卡末林·昂內斯的電報
內容為「液化氫氣和氦氣」
其實在100多年前科學家就實作了氦氣的液化，這是當時科學家液化氫氣和氦氣後所拍電報的原始記錄。
▲首次發現超導現象的玻璃液氦恒溫器（毛細管內徑50um）
這就是當時的氦液化的裝置，不同的色塊表示不同的液體。用酒精預冷液態的空氣後，再用液態空氣預冷液氫，液氫預冷以後才能得到液氦。這種「套娃」式的設計很難在工業上大規模展開，也很難連續執行。我們更想透過壓縮的方式，一步就從氦氣得到液氦。
其實，無論是商業制冷還是低溫技術，最核心是同一個很簡單的道理——相變傳熱。比如大家跑完步之後會出汗，汗蒸發以後就會感覺到很涼爽，這是因為水從液態變成氣態，就把你的熱量給吸走了。有些科學家還發現，小蜜蜂也會在炎熱的夏季把水運到蜂巢裏，為蜂巢做溫度調節。
大家家裏都有冰箱和空調，它們運轉的秘訣其實和低溫技術是一樣的，就是要把剛才講的液態到氣態的相變做成一個連續迴圈的過程。這就需要一系列的機械做配合，壓縮機把瓦斯（制冷劑）從低壓壓到高壓的狀態後，就會升溫發熱；在冷凝器裏把熱量傳到環境裏面後，制冷劑就從瓦斯變成了液體；再經過一個節流減壓的裝置，從高壓變低壓；又經過蒸發器從周圍吸收熱量，我們就獲得了制冷的冷量，最後液體變回瓦斯，完成迴圈。
那我們用空調能不能達到液氦的溫度呢？顯然是不行的，因為常規制冷劑在這種溫度下都會變成固體，沒有辦法迴圈了。只有液氦在這個溫度範圍內，還能保持液體狀態。
到底怎麽才能把氦氣「兜住」？
我們想得到液氦，首先就要有能壓縮氦氣的壓縮機。
▲活塞壓縮機
我們給籃球、排球、輪胎等打氣用到的打氣筒，就是活塞式壓縮機。這種機械很原始，不能連續執行一兩年，因為活塞容易摩擦。於是，科學家又發明出了新的螺桿式壓縮機。
螺桿式壓縮機就是這樣的兩個螺桿，一個陽轉子，一個陰轉子。在互相旋轉的過程中，轉子間隙裏的瓦斯被擠壓，就把壓力給提高了，這個原理很簡單。
在2016年之前，我們國家生產螺桿式壓縮機的產能高達40多萬台套，但是從裏面就挑不出來一台能高效壓縮氦氣的。所以當時用的裝備全靠進口，進口就會有各種各樣的限制。我們的老所長堅持要把這個裝置國產化，但是說實話，接到這個任務的時候，我心裏一點底也沒有。
打個比方，壓縮機相當於要拿一個網兜去把球兜住。咱們的空氣分子就像籃球這麽大，而氦氣只有桌球這麽大。用同樣的網子兜的時候，桌球就兜不住，所以要壓縮氦氣是很困難的。
有的同學會說，把網織密一點不就好了嘛。但難題就隨之而來了。這是兩個轉子工作的過程，綠色的瓦斯吸進來後，從底下側面排出去，我們可以看到，壓縮腔室的容積在減小，壓力就提高了，正是因為兩個轉子之間互相嚙合。所以這個空間不能無限小，尤其是在工作狀態時它還會發熱，空間太小就卡死了，系統就沒有辦法運轉了。
我們可以做一個實驗，這是一個氣缸，我把一部份硝化棉塞到氣缸裏，再用手掌的力氣去壓縮管道裏的瓦斯。瓦斯的壓力升高，內能增加，溫度就會升高，達到170℃左右這個棉花就能被點著。可以看到壓縮的第一遍起霧，第二遍著火。這其實就是制冷的根本原理，壓縮就發熱，擴大體積膨脹，它就變冷。
我們在工程上就吃過虧。這是兩個轉子之間間隙的照片，把間隙調小了以後，因為發熱，螺桿焊到了一起，整個系統就癱瘓了。
如果間隙不能調小，領導交待的任務怎麽辦呢？我就像面對著一個刺猬，感覺無從下手。
在一次很偶然的機會下，我和我的老師在一塊兒時，他就指著轉子讓我仔細觀察。就在面對這個轉子、面對這個零件的時候，我們有靈感了。
哲學上有個詞叫頓悟，也就是恍然大悟。我們意識到，兩個轉子之間不可能無限縮小，總是有縫隙的，那怎麽辦呢？我們在這個縫隙裏填上一層厚厚的油膜，「桌球」不就兜起來了嗎？
這個核心技術就是轉子的型線。這個座標非常復雜，有成千上萬種的組合，沒有足夠的時間讓我們去試錯。但我們有一個原則，就是要想辦法讓轉子盡量能把油膜掛住，不能讓它在旋轉的時候把油膜甩出去，這就是我們的突破口。
我們在這個原則的指導下開發了兩種型線，也就是開發了兩種螺桿壓縮機的轉子。我們不僅做出來了中國人自己的產品，還讓這個產品的熱力學效率比國際上最好的同類產品還要高10%。回想起來這件事情，還真是讓人感慨萬千。
這是機器內部的一個動畫演示。我們可以很清楚地看到，這兩個轉子之間的間隙隨著運轉在不斷地減小。
這是2023年我們最新的一款產品（用於國內第一套每天可生產五噸液氫的氫液化器），我就站在壓縮機旁邊，大家可以感受一下它的體量。淺藍色的機殼裏面就是剛才演示的轉子。
那「屠龍刀」可以用來「殺豬」嗎？其實，尖端技術轉化成普通技術是很容易的。
我們這個型線技術的其中一種也套用在了商業冷凍方面。我們大概統計了一下，三年凈利潤大概是2.5億，其中有1/3的利潤還是出口獲得的。於是經過專家評選，我們還獲得了福建省的科技進步獎。
制冷還要靠「吹」
剛才講了壓縮機，接下來就是另外一個運動部件節流器。
節流器是一種旋轉的透平膨脹機，「透平」來自於「turbine」，是一個渦輪的機械，在中國古代技術史裏一般叫做風車。
▲溫度降低示意圖
大家可以看到，從這個圓的邊緣進入的瓦斯顏色比較深，中心出來的瓦斯顏色比較淺，這就是表示溫度在降低。透平膨脹機與壓縮機相反，用膨脹的方式降低壓力、減少能量，從而制冷。
很多人說：「咱們的工作都不是吹的」，但是說實話，我們理化所做膨脹機還真是要靠「吹」。這是一個類似我們工作葉輪的陀螺玩具。大家玩陀螺有的用鞭子抽，有的用彈力轉，我們今天來一個與眾不同的，用嘴去吹它，不知道大家玩過沒有。
我先把陀螺放到桌子上，吹一口氣，大家看到了吧？它確實是轉起來了。而且如果周圍有蝸殼結構的話，就會發現我這口氣的溫度降低了。其實低溫技術的原理就是這麽簡單。
原理簡單，那為什麽難做呢？技術挑戰就在軸承上。大家熟悉的滑板車或者汽車是靠滾珠軸承潤滑的，但低溫制冷機葉輪的速度是汽車轉速的100倍，每分鐘十幾萬到三十幾萬轉，非常快。如果還用滾珠軸承，那摩擦的熱量會讓所有器件焊到一起，無法使用了。所以我們用的是右圖，透過剛才演示的方式用氦氣把它吹起來，前後左右用氦氣把它頂住，也就是氣浮軸承。
困難就在這個地方，我們叫轉子動力學上的偏移量。它的偏移量大概是一個頭發絲的幾十分之一，如果抖動大了，就會蹭到它的「鄰居」。
我們理化所從上世紀70年代到現在，經過幾十年的積累，最終形成了一系列大大小小的產品。
這幅照片是2014年我們完成財政部國家重大儀器裝備研制的一個真實的轉子。大家不要小看我手裏拿的這個轉子。這麽小的一個轉子跟剛才看到那麽大的壓縮機一樣重要，甚至比那個還要重要。
為深空探索和前沿研究做好幫手
部件研制出來之後，還要進行復雜的系統整合和偵錯。
圖中最下面藍色這兩台是壓縮機。膨脹機太小了，我把它單獨拎出來大家才能看到。這兩個核心裝置有了之後，才能組成一個大的超級低溫制冷機。
當時在2021年這個計畫被評為了年度「中國十大科技進展新聞」。除了我們之外，其他獲得這個稱號的都是做基礎研究的，我們工程技術的研究能入選還是很困難的。
中國科學院有個傳統，不能只說不做、只做不練，我們把東西做出來之後，還要經過事實的考驗，也就是要「用得上」。
▲左：高能物理所超導實驗廳80L/h氦液化器
右：南方光源研究測試平台300L/h氦液化器
讓人欣慰的是，我們目前有兩套低溫裝備正在協助超導體的研究和先進光源的研究。先進光源是一種高級的顯微鏡，我們的低溫裝備已經它的測試平台上連續無故障執行1萬多個小時了。咱們自己的東西經受住了事實的考驗。
就在2024年3月，我們成功研制了國內最大的一套液氫裝備，每天有5噸產量。圖裏有一個人的模型，大家可以感受一下這個裝置的大小。
可能好多人對5噸沒有概念。咱們國家的發射任務很緊密，而目前我們的液氫廠只有2.5噸的產量。我們這套裝置比目前現有燃料生產要大一倍，這就意味著我們為將來發展探月工程、火星探測以及更遠的深空探測做好了原料準備。
這是我們團隊的合照。我們趕上了好的時代，如果沒有國家高精尖技術發展的需要，我們只能去「殺豬」。正是趕上了國家有「屠龍」的需要，我們才走上了大國重器的研制之路。
當然，「殺豬」的技術也很重要。我的好多同學在前兩年的北京冬奧會上也大放異彩，他們做的各種制冰機同樣非常了不起。
最後，希望同學們要不懼風雪、以夢為馬，做好屬於自己的那片獨一無二的雪花。
謝謝大家！
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