近年来国际上科学发展的势头强劲，对各种极端条件提出了新的要求，低温作为及其重要的极端条件推进了一系列科学研究的发展，如2003年获得诺贝尔物理学奖的西格子粒子模型的物理实验，就是在当今世界最大的大科学工程系统———欧洲核子中心(CERN)的强子对撞机(LHC)中进行的，该系统是一套总长27公里，工作在1．8K温度条件下的大型科学实验系统。中国现在的低温技术还不具备研制此类大型低温制冷系统的实力，必须认真分析实际情况，找准突破口，推进我国大型低温技术稳步发展，为支撑我国科学研究与高技术的发展做出应有的贡献。

我国大型低温制冷的发展现状我国超导科学研究以及前沿物理实验研究对低温制冷提出了紧迫的需要，在洪朝生院士的带领下，建立了我国自己的低温技术研究领域，经过不懈的努力，实现了氢、氦的液化，保证了国家重大工程技术的需要，推动了包括超导在内的各项科学研究的稳步发展，如:“两弹一星”的氢、氦液化技术、人造卫星需要的空间低温环模、低温超导、高温超导需要的低温等。近年来，我国的大科学工程项目逐渐增加，如:KM6、BEPCII、SSＲF、CSNS以及我国参与的国际合作的可控磁约束核聚变项目ITEＲ等国内外大科学工程中，对大型低温系统的设计与建设的要求越来越多，而且，要求不断提高，这些背景推动了我国大型低温制冷技术与低温工程技术的研究，大型低温制冷技术已经从研究阶段向着工程实用化的层面发展，如2kW@20K大型低温制冷机较长时间无人值守稳定运行的实现。前面提到的几个大科学工程中1～3kW@4．2K低温系统的完成，标志着我国的低温制冷及低温工程技术已经取得了长足的发展但是对于接近绝对零度的超流氦温区的大型低温制冷系统的关键技术与系统还没有开展过实质性的研究。

在2K超流氦制冷系统中，通常采用三种策略来为负压氦气增压：首先是利用常温压缩机进行增压；其次，可以采用低温压缩机来实现；最后，还可以结合常温和低温压缩机共同增压。这三种不同的增压方式决定了系统不同的流程循环设计。

图：三种不同的增压方式: ( a) 常温增压、( b) 低温增压、( c) 混合增压

在系统中，氦气首先经过负压低温换热器，被返流的负压冷氦气进一步冷却。随后，通过JT阀（焦耳-汤姆逊阀）进行膨胀降压，使其降至30mbar，并转化为2K的超流氦，然后注入到需要超流氦冷却的低温恒温箱中。经过换热后的返流负压冷氦气，被加压并加热至常温，再被泵送回4.2K氦制冷系统的常温压缩机回路中循环使用。

对于超流氦系统而言，增压压缩机系统、负压超流氦低温换热器以及超流氦低温传输管线，都是决定整个制冷系统性能的关键设备。

以欧洲核子中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）项目为例，该项目采用了1.8K至1.9K的超流氦冷却系统。系统中，8个氦制冷低温系统共同为LHC提供4.5K时所需的18kW制冷量。每个1.8K制冷单元通过两个接口与4.5K制冷机相连。在CERN的设计中，一个挑战是将16mbar的氦气压缩到1.3bar，压比高达81。为了实现这一目标，系统采用了多个低温压缩机串联和透平膨胀机的组合（如图3所示），为超导设备提供了2.4kW@1.8K的超流氦制冷量。

图：核子中心强子对撞机1．8K超流氦制冷系统示意图

图：用于 LHC 的离心式负压低温压缩机: ( a) IHI/Linde，( b) Air Liquide

离心式负压低温压缩机是2K超流氦低温系统的核心部件。在低温环境下对工质气体进行压缩，能够显著减少工质的体积流量，进而减小压缩机和负压换热器的尺寸。离心式压缩机尤其适用于大流量系统，但通常每级的压比限制在2至3.5之间。因此，根据工作温度（2K或1.8K），低温压缩循环至少需要4或5级压缩机串联，才能实现所需的总压比范围（45至80）。压缩后的氦气可以直接回流到4.5K氦制冷设备的冷箱进气口。然而，在低温环境下工作的负压压缩机面临的主要技术挑战包括设备的可靠性以及由于漏热导致的效率下降。具体如下:

(1)防泄漏结构由于系统的压力低于常压，如果外界不纯气体进入制冷机，将会极大影响制冷机甚至会损坏关键设备。所以必须设计特殊结构防止环境杂质气体的进入。

(2)磁轴承技术气体轴承和磁轴承可以满足系统无油的要求，但是由于低温压缩机的进口压力很低(几十mbar)，气体密度小，大流量压缩机的转子较重，需要更高的负载支撑能力，实际上只有磁轴承能够满足要求，而磁轴承的动态特性，以及高速测控系统是十分复杂的。

(3)高速电机技术离心式低温压缩机需要对工作气体实现几十倍的增压，超高速的旋转叶轮驱动，可以实现在尽可能少的压缩机中对稀薄工作气体的增压，超高速的高效电机是不可或缺的关键技术之一。

(4)绝热技术外部环境的漏热影响压缩机的性能，需要特殊的材料与结构防止低温叶轮与环境之间的漏热。重点需要解决低温压缩机减小轴热传导的绝热结构。