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。

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

胡忠军：我经历的那些冷故事

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。”

▲大型肉类冷库工程布局图

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。

▲2021年4月29日上午，

搭载中国空间站核心舱的长征五号发射现场

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

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所以，为什么我们要研究制冷界的“屠龙技”呢？

▲低温技术及其相关研究所获得的诺贝尔奖

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。

▲杜瓦实现氢液化后

立即发给卡末林·昂内斯的电报

内容为“液化氢气和氦气”

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。

▲首次发现超导现象的玻璃液氦恒温器（毛细管内径50um）

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。

其实，无论是商业制冷还是低温技术，最核心是同一个很简单的道理——相变传热。比如大家跑完步之后会出汗，汗蒸发以后就会感觉到很凉爽，这是因为水从液态变成气态，就把你的热量给吸走了。有些科学家还发现，小蜜蜂也会在炎热的夏季把水运到蜂巢里，为蜂巢做温度调节。

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”？

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我们想得到液氦，首先就要有能压缩氦气的压缩机。

▲活塞压缩机

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。

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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。但我们有一个原则，就是要想办法让转子尽量能把油膜挂住，不能让它在旋转的时候把油膜甩出去，这就是我们的突破口。

我们在这个原则的指导下开发了两种型线，也就是开发了两种螺杆压缩机的转子。我们不仅做出来了中国人自己的产品，还让这个产品的热力学效率比国际上最好的同类产品还要高10%。回想起来这件事情，还真是让人感慨万千。

这是机器内部的一个动画演示。我们可以很清楚地看到，这两个转子之间的间隙随着运转在不断地减小。

这是2023年我们最新的一款产品（用于国内第一套每天可生产五吨液氢的氢液化器），我就站在压缩机旁边，大家可以感受一下它的体量。浅蓝色的机壳里面就是刚才演示的转子。

那“屠龙刀”可以用来“杀猪”吗？其实，尖端技术转化成普通技术是很容易的。

我们这个型线技术的其中一种也应用在了商业冷冻方面。我们大概统计了一下，三年净利润大概是2.5亿，其中有1/3的利润还是出口获得的。于是经过专家评选，我们还获得了福建省的科技进步奖。

制冷还要靠“吹”

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刚才讲了压缩机，接下来就是另外一个运动部件节流器。

节流器是一种旋转的透平膨胀机，“透平”来自于“turbine”，是一个涡轮的机械，在中国古代技术史里一般叫做风车。

▲温度降低示意图

大家可以看到，从这个圆的边缘进入的气体颜色比较深，中心出来的气体颜色比较浅，这就是表示温度在降低。透平膨胀机与压缩机相反，用膨胀的方式降低压力、减少能量，从而制冷。

很多人说：“咱们的工作都不是吹的”，但是说实话，我们理化所做膨胀机还真是要靠“吹”。这是一个类似我们工作叶轮的陀螺玩具。大家玩陀螺有的用鞭子抽，有的用弹力转，我们今天来一个与众不同的，用嘴去吹它，不知道大家玩过没有。

以下视频来源于

格致论道讲坛

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我先把陀螺放到桌子上，吹一口气，大家看到了吧？它确实是转起来了。而且如果周围有蜗壳结构的话，就会发现我这口气的温度降低了。其实低温技术的原理就是这么简单。

原理简单，那为什么难做呢？技术挑战就在轴承上。大家熟悉的滑板车或者汽车是靠滚珠轴承润滑的，但低温制冷机叶轮的速度是汽车转速的100倍，每分钟十几万到三十几万转，非常快。如果还用滚珠轴承，那摩擦的热量会让所有器件焊到一起，无法使用了。所以我们用的是右图，通过刚才演示的方式用氦气把它吹起来，前后左右用氦气把它顶住，也就是气浮轴承。

困难就在这个地方，我们叫转子动力学上的偏移量。它的偏移量大概是一个头发丝的几十分之一，如果抖动大了，就会蹭到它的“邻居”。

我们理化所从上世纪70年代到现在，经过几十年的积累，最终形成了一系列大大小小的产品。

这幅照片是2014年我们完成财政部国家重大仪器装备研制的一个真实的转子。大家不要小看我手里拿的这个转子。这么小的一个转子跟刚才看到那么大的压缩机一样重要，甚至比那个还要重要。

为深空探索和前沿研究做好帮手

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部件研制出来之后，还要进行复杂的系统集成和调试。

图中最下面蓝色这两台是压缩机。膨胀机太小了，我把它单独拎出来大家才能看到。这两个核心设备有了之后，才能组成一个大的超级低温制冷机。

当时在2021年这个项目被评为了年度“中国十大科技进展新闻”。除了我们之外，其他获得这个称号的都是做基础研究的，我们工程技术的研究能入选还是很困难的。

中国科学院有个传统，不能只说不做、只做不练，我们把东西做出来之后，还要经过事实的考验，也就是要“用得上”。

▲左：高能物理所超导实验厅80L/h氦液化器

右：南方光源研究测试平台300L/h氦液化器

让人欣慰的是，我们目前有两套低温装备正在协助超导体的研究和先进光源的研究。先进光源是一种高级的显微镜，我们的低温装备已经它的测试平台上连续无故障运行1万多个小时了。咱们自己的东西经受住了事实的考验。

就在2024年3月，我们成功研制了国内最大的一套液氢装备，每天有5吨产量。图里有一个人的模型，大家可以感受一下这个装置的大小。

可能好多人对5吨没有概念。咱们国家的发射任务很紧密，而目前我们的液氢厂只有2.5吨的产量。我们这套设备比目前现有燃料生产要大一倍，这就意味着我们为将来发展探月工程、火星探测以及更远的深空探测做好了原料准备。

这是我们团队的合照。我们赶上了好的时代，如果没有国家高精尖技术发展的需要，我们只能去“杀猪”。正是赶上了国家有“屠龙”的需要，我们才走上了大国重器的研制之路。

当然，“杀猪”的技术也很重要。我的好多同学在前两年的北京冬奥会上也大放异彩，他们做的各种制冰机同样非常了不起。

最后，希望同学们要不惧风雪、以梦为马，做好属于自己的那片独一无二的雪花。

谢谢大家！

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