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深低温回热制冷关键技术荣获2014年国家世界和平

发布时间:2020-02-15 05:23:34

深低温回热制冷关键技术荣获2014年国家技术发明奖二等奖

2015年1月,陈国邦教授领衔的“深低温回热制冷关键技术及运用”荣获2014年国家技术发明奖二等奖。该项目研究取得的成果在深低温制冷机领域形成了我国的技术体系,有力地支持了国内低温制冷机研究。 “低温制冷是个很小众的活儿。”陈国邦教授曾对学生这样说。 1983年,陈国邦结束了在美国两年多的访问学者工作回到浙江大学制冷与低温研究所,接受了一项无磁低温制冷机的国家“65”攻关任务。从此,研究团队以国家急需的重点应用领域为中心,从低温绝热转向低温制冷,越走越“冷”,他们将两级脉管制冷机的制冷进入液氦温区(3K),所研发的单级脉管制冷机创造并保持了世界同类制冷机最冷温度纪录——10.6K。 一个从“失败”起步的课题 当温度低于77K也就是-196℃时,空气将会变成液体,空气中的氧与氮由于其沸点不同可得以分离。在更低的温度下,一些物质会具有罕见的特性,如超导电性、超流动性等,由电子热运动引发的热噪声会得到抑制……低温制冷技术所创造的深低温环境是现代高科技发展和运用的基本支持条件之一,在核磁共振、红外制导、超导磁悬浮和深空探测等众多领域都是不可缺少的支持技术。 万事开头难。研究方向从传统的低温容器拓展到低温制冷机,说说容易,要养出一只“鸡”来,却让陈国邦夜不能寐。一年以后,实验台建成了,但装配起来的制冷机却根本不制冷,更谈不上达到低温目标了。 的确,试验装置除低速微型马达外,几乎全部是自制的非标准化产品,出问题的可能性难以预测。只有一个办法,就是耐下心来,逐一排查。 那又是一个在实验室度过的漫漫冬夜,天色微明的时候,陈国邦终究在压缩机活塞中找到了问题的关键——确实是部件工艺的问题,这个问题1解决,压缩机就立刻开始稳定工作,制冷温度到达了7.2K——当时,齐默尔曼保持的也只有8K。 最终,课题组公然报告的温度是7.8K。陈国邦说:“我们的测温系统没有与国际标准温度计比对过,留个余地很有必要。” 人工制冷的温度极限到底是多少?这是低温制冷机研究中最基本的科学问题。 问题很长时间没有明确的答案。1992年,陈国邦课题组首次证明了回热式低温制冷机的理论制冷温度可接近工质氦的λ线,即等熵膨胀系数为零的温度线,预测出采取氦-4制冷可达到2.2K附近,而采取氦-3可望获得大约1K的低温。比荷兰学者用其他方法取得的类似结论整整早了7年。 不能只从单一角度斟酌问题 从陈国邦团队开始深低温回热制冷关键技术研究的时候,邱利民就是其中的一员,作为陈国邦的第一名博士生,邱利民深深记得老师两句话——第一句是“用一只手捡贝壳肯定比两只手捡很多”;第二句是“信誉永久比金钱重要”。关于第一句话,邱利民解释说,老师是想告诫大家,弄科研不要贪多,要沉下心来专心致志做好一件事情。他说自己的老师是“一个安静的学者”,踏踏实实地做了一生学问,“现在去查一查,国内出版的关于低温的着作,大多数是陈老师写的”。 师道传承。一个小众的研究,一种科研的精神,就这样一直延续到新一代研究者身上。邱利民、甘智华、金滔、黄永华……不同学科基础、不同重点方向,构成了一个多视角的团队,不断创新,不断接受挑战。 “能够在实验室里重复出来的,才是好的”,但是这个观点在现实中遭到了挑战。 有一年,邱利民接到了1封没有署名的电子邮件,批评课题组发表的一篇研究论文“只是一个实验报告”。读了几遍后,他想通了:“现代的工程研究,光有实验数据不行,还需要有理论支撑,只有在理论的支持下,才可能有更加重要的突破。”这封至今留在电脑里的邮件,让邱利民悟出了一个新的道理:不能只从工程师的角度思考问题。 在此之前,氦-3的宽范围状态方程一直是个谜。课题组将适用于晶体的“德拜比热容理论模型”拓展到低温量子流体,建立了宽范围、高精度的氦-3状态方程,弥补了该领域的空缺。课题组绘制了完全的氦-3温-熵图、压-焓图,开发出热物性计算软件He3Pak,通过美国低温热物性权威公司的认证,向全球发行,为2K以下低温制冷机设计奠定了应用技术的基础。 解决了理论问题,课题组发明了低温制冷机的双小孔脉管调相技术,将附加热流通过“双小孔”引出,打破了脉管制冷进入液氦温区的瓶颈。实现了使用二级脉管制冷机取得3.0K的低温,到达了日本用三级才能实现的水平。另外,课题组还发明了双阀双向进气结构,以减少寄生热流的损失,由此得到的单级脉管制冷机创造并保持了单级脉管制冷机最冷温度纪录——10.6K。 国际低温权威、美国国家标准技术研究院低温技术负责人Radebaugh(拉德波夫)博士曾这样评价:“中国研究者特别善于于推动脉管制冷机的低温极限。”他说的,就是这支“用一只手捡贝壳的团队”。

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