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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

2016年4月,最新一期的美国低温协会会刊《Cold Facts》刊登了Young Faces专栏,以专访形式介绍了来自美国劳伦斯国家实验室、费米国家加速器实验室等七位国际低温领域的优秀青年研究人员,分享他们如何走上低温之路以及对低温领域未来的设想。七位当中,有一位是2014年毕业于浙江大学能源工程学院的王凯博士,以下是他的专访:● 你的名字和年龄?王凯,28岁。● 你的教育背景?2009-2014:博士毕业于浙江大学制冷及低温工程专业;2005-2009:本科毕业于浙江大学制冷及低温工程专业。● 你现任何职?博士后,新加坡南洋理工大学能源研究所● 你曾获得过哪些奖励荣誉?2014年获得中国吴仲华奖励基金颁发的吴仲华优秀学生奖;2012年获得中国教育部颁发的国家奖学金。● 你对于低温领域的贡献主要有哪些?我的研究主要聚焦于回热式低温制冷机和热机,包括脉管制冷机、斯特林热机和热声系统等。基于自行开发的非线性非稳态计算流体力学模型,我开展了声功回收型脉管制冷机的模拟和优化工作,系统研究了该类制冷机的工作机理和特性。同时,我也对低温Taconis热声振荡进行了计算流体力学模拟和理论分析,深入研究了声功产生和耗散机制,提出了抑制该种不利声振荡的方法。我的博士课题主要关注于热声发电系统,对该耦合系统的阻抗匹配、起振特性以及动力学特性进行了研究。所获得的结果对于理解和设计热声-发电机耦合系统以及压缩机-制冷机耦合系统均具有重要指导意义。目前,我正致力于研究液化天然气发电系统中天然气冷能和低品位废热的高效回收。迄今为止,我的研究已有20多篇文章发表在权威期刊杂志上,如《Cryogenics》 《Journal of Applied Physics》 《Energy》 《Applied Energy》 《Applied Acoustics》和《International Journal of Thermal Science》等。● 你认为低温领域最重要的进展是什么?我认为低温领域最重要的进展是气体的大规模液化,包括氦气、氢气和空气。这使得低温液体可以被广泛使用于各类应用,如钢铁、医疗、超导、空间探测、科学实验等,极大改变了并且也将继续改变我们的生活。● 你希望未来能看到什么?我希望看到在低温技术默默而强有力地支撑下会诞生更多类似引力波这样的重要科学发现。低温技术所支撑领域的成功也就是低温领域自身最伟大的成功。● 你是如何踏入低温领域的?我认为我对于低温的兴趣源于Ray Radebaugh博士(美国国家标准技术研究所的低温权威专家)在2008年的一次讲座,当时我还是一个本科生。那时他正在浙江大学进行访问,被邀请向我们学院的本科生做一次讲座。他当时做了一个非常精彩的报告,介绍了低温的历史、应用和相关研究。通过他所传递的这些知识,我被低温彻底吸引住了。也就是从那个时候开始,我的脑中形成了一个非常深刻的印象——低温与诸多前沿科技紧密相依。几个月后,当我有机会进一步攻读博士学位的时候,我毫不犹豫地加入了浙江大学的低温课题组——Cryoboat。● 你的导师是谁,请谈谈你与他相处的经历?在过去几年中,浙江大学的邱利民教授一直是我非常重要的一位导师。在他所领导的Cryoboat团队中,我在低温的方方面面获得了很多手把手训练的机会。无论在我的职业或是个人成长上,邱老师都给予了极大帮助,他的热情、执着、创造力和乐观精神无不深深感染了我。在博士求学的整个过程中,我一直都有幸深受其鼓励。我记得本科时当我在他的低温制冷机课堂上,正是因为他的鼓励才最终形成了我的第一个专利。对于刚刚踏入这个领域的年轻人来说,意义非凡,早早地帮我建立起了自信和对低温的兴趣。总而言之,与邱利民教授一起工作,受益良多、令人愉悦。

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2015年1月,陈国邦教授领衔的“深低温回热制冷关键技术及应用”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,有力地支撑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“六五”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,所研发的单级脉管制冷机创造并保持了世界同类制冷机*低制冷温度纪录——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,一些物质会拥有罕见的特性,如超导电性、超流动性等,由电子热运动引起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应用的基本支撑条件之一,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撑技术。 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。一年之后,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,试验装置除了低速微型马达外,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,陈国邦终于在压缩机活塞中找到了问题的症结——确实是部件工艺的问题,这个问题一解决,压缩机就立刻开始稳定工作,制冷温度达到了7.2K——当时,齐默尔曼保持的也只有8K。 *终,课题组公开报告的温度是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*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,预测出采用氦-4制冷可达到2.2K附近,而采用氦-3可望获得大约1K的低温。比荷兰学者用其他方法获得的相似结论整整早了7年。 不能只从单一角度考虑问题 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得多”;第二句是“信誉*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,搞科研不要贪多,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”,踏踏实实地做了一辈子学问,“现在去查一查,国内出版的关于低温的著作,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,形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受到了挑战。 有一年,邱利民接到了一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,只有在理论的支撑下,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,填补了该领域的空缺。课题组绘制了完整的氦-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获得3.0K的低温,达到了日本用三级才能实现的水平。此外,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*低制冷温度纪录——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博士曾经这样评价:“中国研究者特别擅长于推进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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