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我國低溫工程的過去和未來

責任編輯:admin2013-3-25 17:44:53

  為配合基礎(chǔ)研究需要,在錢三強同志的倡議和主持下,得到法國專家的核安全技術(shù)的幫助,1988 年我國首次研制成功了冷中子源系統(tǒng),這是在亞洲首次建立這樣的系統(tǒng),在世界上也只是少數(shù)國家具有這樣的裝置,其中低溫系統(tǒng)是氫氦聯(lián)合制冷系統(tǒng)。


  與此同時,為配合航天工作的需要的低溫工程也得到相應的展。此外,為適應工業(yè)氣體生產(chǎn)和要求,在某些關(guān)鍵技術(shù),如透平膨脹機中的氣體軸承技術(shù)和研制等取得了很好的成果,并逐步將所獲得的成果轉(zhuǎn)移推廣到工業(yè)生產(chǎn)部門。在七、八十年代G-M 制冷機研制成功,并在衛(wèi)星通訊地面站使用,在國內(nèi)有了自己的批量生產(chǎn)點。八十年代中期由于經(jīng)濟和科研體制改革,科學和技術(shù)要繼續(xù)發(fā)展必須探索新的路子,我國低溫工作者結(jié)合我國國情,十年來,在微型制冷機技術(shù),在天然氣化,在低溫粉碎技術(shù),在低溫超導為醫(yī)學診斷用的核磁共振裝置的研制以及在引進極低溫大型工程方面(托克馬克裝置的低溫系統(tǒng))取得了不同程度的成績或成果。在這里我們值得提到的是脈沖管制冷技術(shù)以及G-M 機加磁性蓄冷材料的極低溫制冷技術(shù)。脈沖管制冷技術(shù)雖然是1963 年由美國人吉福德和郎斯沃首先發(fā)明的,但當時研制的脈沖管制冷機是基本型的,所達到的最低溫度為124K。八十年代初,俄羅斯學者米庫林采用在脈沖管的熱端加裝一個小孔和氣庫的方案使最低溫度大大降低并達到64K 的最低溫度,接著美國的NIST 和中科院低溫中心分別在1985 年和1989 年達到60K 和49K 的最低溫度,引起全世界低溫工作者的極大興趣,因為該制冷技術(shù)在制冷部分無運動部件,推動小,可靠性好,壽命長成本低。特別適用于航天遙感測試中的紅外器件的冷卻,以及對未來高溫超導器件的產(chǎn)品化的潛在市場是很好的冷源裝置。目前發(fā)展的趨勢表明,該技術(shù)在某些場合有可能替代當前在市場上廣泛使用的G-M 機和斯特林制冷系統(tǒng)。大家都知道在過去所發(fā)現(xiàn)或發(fā)明的制冷循環(huán)或裝置中,中國人對其中的貢獻設(shè)有引起強烈反響,而目前的脈沖管制冷技術(shù),我國低溫工作者卻做出了重要的貢獻,產(chǎn)生了相當大的影響。


  1989 年西安交通大學博士生朱紹偉提出了脈沖管雙向進氣新方案。該方案首先在中科院低溫中心得到實驗驗證,并獲得了最低溫度為42K 的當時國際上最好紀錄,該方法得到國際上的公認并被廣泛應用于實驗研究和實際應用中。稍后來,由中科院低溫中心提出了多路旁通進氣方案,制冷效果進一步提高,并獲得了美國發(fā)明專利。我國青年科學家梁驚濤博士在他論文期間提出脈搏沖管非對稱理論模型并得到實驗驗證,為此在1995 年第十九屆國際制冷大會上被授予首屆卡皮查獎。除此,我國低溫工作者采用單級脈沖管制冷方法多次獲得當時國際上最低溫的記錄,為我國在這領(lǐng)域的研究工作爭得榮譽,該技術(shù)目前是正在發(fā)展中的技術(shù),在國際上仍然是非常熱門的研究方向,在提高效率,在開辟新的應用前景方面有不少事情要做。


  對于G-M 制冷機采用兩級方案,原來的最好水平為7K 至8K,日本首先將蓄冷器填充材料由鉛球改用Er3Ni 獲得低于4.2K 的最低溫度。最近的研究結(jié)果表明在4.2K 時可達到大于2W 的制冷量,但是對于其中的熱力過程和物理狀態(tài)極少分析。我國低溫科學工作者對極低溫度下的蓄冷器進行研究,提出了新的理論和設(shè)計方法。經(jīng)過實驗驗證得到了很好的效果。以上舉例說明,中國人在低溫技術(shù)創(chuàng)新研究方面在國際上已經(jīng)展露頭角。低溫技術(shù)的新發(fā)現(xiàn)、新發(fā)明、新理論與中國人無緣的日子已經(jīng)一去不復返了。


  八十年代,上海技術(shù)物理所在航空紅外遙感成像技術(shù)中采用液氮予冷氖節(jié)流冷源冷卻紅外器件,以及氣象衛(wèi)星上的輻射制冷紅外圖像都獲得成功,為我國的航空航天事業(yè)做出貢獻。在八五期間,我國低溫超導科技人員還研制了高嶺土純化用的超導磁分離實驗裝置。并成功地研制超導核磁成像裝置,為醫(yī)院的診斷提供了有效的工具。但是,由于種種原因并沒有形成產(chǎn)業(yè)占領(lǐng)國內(nèi)市場。這也是我國科學工作者和企業(yè)家在今后工作中值得思考和注意的事情。


  結(jié)合市場需要,不斷擴展低溫工程的研究新領(lǐng)域,是我國低溫工作在前深化改革中的必經(jīng)之道。在八五期間,中科院低溫中心的部分科研人員深入到地方工礦企業(yè),以過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn),我國的天然氣急需收集和開采,特別是在邊遠地區(qū)的中小礦井,地方上的積極性很高。


  為此,通過協(xié)商,他們在四川省綿陽市和吉林省的長春市分別研制了兩臺天然氣液化裝置,設(shè)計產(chǎn)量分別300 升/小時和500 升/小時液化甲烷氣,對500 升/小時的裝置,去年年底進行了調(diào)試,已經(jīng)初步成功,相信經(jīng)過較短時間的改進,會投入工業(yè)應用。為適應該裝置需要的重載荷透平膨脹機氣體軸承也研制成功,經(jīng)過國際著名德國林德公司的專家認定,這種類型的氣體軸承在世界上也是很少見的,與此同時,用液化天然氣燃料的汽車也進行了長期公路試運行,由此可見,低溫工程在為國民經(jīng)濟建設(shè)上邁出了新的一步。


  綜上所述,低溫工程學科在過去的年代里,在為國民經(jīng)濟建設(shè)服務(wù),在為國防、航天事業(yè)的發(fā)展,在為科學現(xiàn)代化的服務(wù)中不斷發(fā)展和進步,開拓新的領(lǐng)域,在制冷新技術(shù)研究方面都取得了可喜的成績。但是應該認識到在我國仍然有許多有關(guān)低溫工程方面的事情還沒有去做,或做得不好。對于那些長遠有前途的與低溫工程學科有關(guān)的研究,我們應該投入有限度的研究力量,積極地作準備,并密切關(guān)注國際上發(fā)展動態(tài),在有條件的單位開展與之相應的研究工作,作為技術(shù)儲備,而對大多數(shù)低溫工程的研究機構(gòu)和學校仍然應結(jié)合我國當前的國情,結(jié)合市場(其中包括將來的潛在市場和政府訂單)需要開展低溫工程學科的研究工作,我個人認為在未來的五至十年內(nèi),我們的研究和開發(fā)工作的重點在以下幾方面:


  (1)結(jié)合航天、軍事、高低溫超導工程以及其他學科科研工作的需要,做好低溫工程的研究和開發(fā)工作,其中微型制冷技術(shù)的研究仍然會有一個好的發(fā)展機會。特別是結(jié)合航天和國防需要,斯特林和脈沖管制冷機都可能是很好的方向,對于其中的工藝研究和質(zhì)量保證就很重要。而G-M 機和脈沖管制冷機在高溫超導器件冷卻和低溫小型超導磁體的冷卻在醫(yī)用核磁成像裝置上取代液氦而使之商品化有很好的前景。如何把成果轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品開拓低溫產(chǎn)品和產(chǎn)業(yè)也是我國低溫工作者面臨的光榮任務(wù),例如,因為我國的G-M 制冷機已經(jīng)相當成熟并已商品化,其壓縮機可以直接與帶有旋轉(zhuǎn)閥的相應尺寸的脈沖管制冷機相配合而形成我國自己的產(chǎn)品,也將是于國于已有利的大好事情,應該促進其研究開發(fā)工作的進展。五方面在高技術(shù)基礎(chǔ)研究上保持我國的先進位置,另一方面在產(chǎn)品的開發(fā)上要加強合作,優(yōu)勢互補,以有利于我國國民經(jīng)濟和國防建設(shè)的發(fā)展。我們已有的基礎(chǔ)和條件是好的,關(guān)鍵在于我們的努力,除此,對于混合工質(zhì)的節(jié)流技術(shù)要給予相當?shù)闹匾暫椭С郑m然這種技術(shù)首先是由前蘇聯(lián)發(fā)展起來的,但事實證明該技術(shù)有其獨特的優(yōu)點,它們是振動小,可靠性好,效率較高,安全和成本低,特別是與之相配合的壓縮機可用現(xiàn)已有非常成熟的空調(diào)壓縮機改裝而成,因此有可能在紅外器件冷卻,高溫超導體的冷源(不同制冷量的需要)集成電路的冷卻甚至GFC 的替代方面都有很好的前途。我們應該大力支持這項研究和開發(fā)工作。


 ?。?)環(huán)境保護不但是世界各國政府和科學家關(guān)注的重點,也是我國經(jīng)濟發(fā)展要特別加以重視的基本方針,而在低溫下對廢舊輪胎進行機械粉碎處理,將較粗目數(shù)(例如40 目)的舊橡膠粉碎成較細目數(shù)(例如80 目)的精粉,因為低溫處理相對于其他化學方式處理相對污染小,因此對環(huán)境保護有利,而被處理過的細目數(shù)的精粉可以被再生利用,摻入10%的這種精粉到新橡膠中去制成產(chǎn)品,其性能不受影響,估計近五年內(nèi)我國對這種精粉的需要量每年在五萬噸以上,這是一個很大的市場,做好這件工作不僅開拓低溫工程的新領(lǐng)域,而且對節(jié)省上外匯,保護環(huán)大有好處。目前國內(nèi)有好幾家研究單位正投入生產(chǎn)。為配合低溫粉碎產(chǎn)業(yè)需要,研制一種運行可靠,價格低廉的中小型液氮溫度的制冷機將會是我們今后努力方向。除此之外,其它材料或食品的低溫粉碎以及低溫下的材料處理和加工將會有很好的發(fā)展前景,與之相適應的基礎(chǔ)研究工作也要得到相應的重視。


 ?。?)天然氣的開采和利用在近期和遠期都會是工業(yè)部門和地方政府有興趣的課題。目前我國已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的天然氣儲量在世界上所占的位置雖然不重要(第十幾位),但是根據(jù)世界各國已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的油氣的相應比例的規(guī)律,相信與我國石油儲量相應的天然氣儲量不會太少,會在不久的將來不斷被勘探出來,再加上隨著我們經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的提高,人們對能源的需求量不斷增加,天然氣的進一步開采和開發(fā)將會日益被提到議事日程上來,而液化、儲存和使用天然氣是重要的開發(fā)這種能源的方法之一,特別是在邊遠地區(qū)和海上,天然氣的開采特別重要。而在天的分離和液化過程中,氦氣會富集起來,如何把這種在國防和民用上有寶貴價值的氣體回收和利用起來是我國低溫工作者的任務(wù)之一。其次,化工尾氣的回收和利用也可以采用液化回收方案,我國的低溫工程界不應該忽視這一個重要方向,要把握機遇,開展與之相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)研究,加強團結(jié),研制出適應于我國國情的天然氣液化儲存和輸運裝置,使之為國民經(jīng)濟建設(shè)服務(wù)。


 ?。?)戰(zhàn)勝人類病痛,提高人類健康素質(zhì)是科學家的永恒的研究課題,而我國是一個人口眾多的大國,隨著人民生活水平不斷提高,對于關(guān)系人民健康的各種醫(yī)療設(shè)備和裝置的需求量會日趨增長,而低溫醫(yī)療因其在診斷和治療時痛苦少且對正常組織破壞少,甚至無破壞,且對某些疾病的診斷或治療有特殊的效果,而受到醫(yī)生和病人的歡迎。在以往的歲月里,國內(nèi)外的科學家和工程師研制成功的超導核磁成像診斷裝置已大量在醫(yī)院使用,診斷準確,效果很好。目前國外科學家正在將高低溫超導量子干涉器件(SQIUD)做成組合件,用以診斷心磁和腦磁以監(jiān)視人類心和腦的工作情況,估計不久的將來會有批量產(chǎn)品上市。除此,開展各種低溫手術(shù)的研制,這種手術(shù)刀不僅僅對皮膚表面治療,甚至可以進入體內(nèi)對某些疾病進行醫(yī)治,是當前國際低溫醫(yī)療的熱門課題這一,我國低溫界應該重視這個研究領(lǐng)域。此外,近年來,我國在某些特殊條件下工作的人或某些病人對氧氣的需求量增加,因此小型液氧儲送器受到人們歡迎并正待大批量上市,這說明用低溫工程的成果為人類健康服務(wù)的路子很寬很廣,只要低溫工程方面的專家解放思想,密切與醫(yī)生配合,不斷創(chuàng)新,在研制戰(zhàn)勝疾病,保護人類健康的儀器設(shè)備方面就會大有作為。


  (5)隨著科學技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)代科學儀器和大型設(shè)備的研制會變得越來越重要,許多新發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)生往往是與現(xiàn)代化儀器設(shè)備或手段的研制分不開的,而低溫條件作為現(xiàn)代科學儀器中的部件之一,以擴大科學觀察面相當要緊。因此,我國低溫工作者也不應該忽視這方面的任務(wù),我們應該主動與其他學科配合,使低溫工程技術(shù)成為科學現(xiàn)代化不可替代的重要手段。


  總之,科學發(fā)展的動力是社會生產(chǎn)和人類生存的需要以及科學本身在向前發(fā)展的需要,總結(jié)低溫工程學科發(fā)展的過去和展望其未來,這一規(guī)律對低溫工程學科也完全正確。在我國社會和經(jīng)濟迅速發(fā)展的今天,這種動力是存在的,這就要求我國低溫工程學家結(jié)合我國國情,把握機會,找準方向,努力奮斗,就一定能使低溫工程學科在為我國四個現(xiàn)代化服務(wù),做出出色的成果的同時,并也豐富和發(fā)展了低溫工程科學本身。

 

 

 


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