本期话题：
00:30 -271℃！G-M制冷机如何实现超低温？
05:14 撬动核心卡点？低温制冷助力量子计算新突破！
11:04 超低温制冷领域未来趋势已明牌？
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-271℃！G-M制冷机如何实现超低温？
幻实（主播）：
欢迎大家关注芯片揭秘，我是幻实，在我身边的这位是来自中船鹏力（南京）超低温技术有限公司的副总经理陈杰陈总，欢迎陈总做客芯片揭秘。前段时间美国商务部对实体清单进行了再度更新，清单上新增了37家和量子科技相关的研究机构和企业，而中船鹏力（南京）超低温也包括在内。
实体清单：是指美国为维护其国家安全利益而设立的出口管制条例，在未得到许可证前，美国各出口商不得帮助名单上的企业获取受本条例管辖的任何物项。2024年5月9日，《实体清单》新增37个实体，其中有22个中国量子科技研发机构因为“获取或试图获取美国原产物项用于发展量子技术能力”而被加入清单，包括中国科学技术大学、北京量子院、中科院量子创新院、中科院物理所，以及中国电科集团旗下多家研究所等，几乎囊括国内一线量子科研机构。
关于这次实体清单的扩容，美国商务部给出的理由是我们在量子科技方面的成果可能会对美国国家安全产生严重影响，理由一如既往地离谱，但其实不难看出，我国的量子科技已经对美国造成了一定的威胁，所以今天我想和陈总聊聊是什么样的产品和技术让美国如此关注。
陈杰（嘉宾）：
好的，2010年，我从浙江大学毕业，那时候国内做超低温设备的企业几乎为零，市场大多被日本和美国的设备垄断，包括我们现在做的年产千套的G-M低温制冷机，该设备能达到-271℃，主要用于医疗核磁共振，但那个时候，日本是核磁共振中低温制冷机的主要供应商。
中船鹏力（南京）超低温技术有限公司
副总经理陈杰 做客芯片揭秘
幻实（主播）：
之前G-M制冷机日本做的比较多吗？
陈杰（嘉宾）：
没错，他们的产业化发展做得比较好，我在浙江大学学的就是小型低温制冷机专业，当时刚好也出现了一个比较好的契机，就是我们行业内的一个领导带领我们一起创立了一家公司，原名叫南京柯德超低温技术有限公司。那时候，我们就开始专注于做核磁共振使用的小型低温制冷机。核磁共振需要用液氦，因为超导磁体的工作温度为4.2K（－269℃），即一个大气压下液氦的温度，才能做到很大的磁场，从而清晰成像。因此，小型的低温制冷机是很关键的设备，它能实现液氦不挥发，24小时维持零蒸发的状态。
G-M制冷机:吉福特-麦克马洪循环制冷机（简称G-M制冷机）于1956年由Gifford和McMahon发明，是一种基于气体绝热放气膨胀原理，通过阀门配气连续进行西蒙膨胀制冷的回热式制冷机，其热力学过程为两个等压过程与两个等容过程构成一个循环。用它构成的制冷机有运行周期长、性能稳定可靠、振动小与使用方便等优点，故在卫星通讯等方面得到广泛的使用。
幻实（主播）：
能不能给我们讲讲你们产品的技术路线是什么？它是如何实现低温制冷的？
陈杰（嘉宾）：
我们的产品技术叫回热式深低温制冷法，其原理和我们普通的空调不太一样，空调是一个正向的循环，而我们的低温制冷机是一个通道里既进又出，因此，我们需要一个回热器把这部分能量收集起来，每一次进、每一次出都释放和收集一部分能量，温度也随之慢慢下降。G-M制冷机是由吉福特和麦克马洪提出的，这个产品能达到深低温，但是市场上针对民用方面的设备比较少，因此知道的人也比较少。
两级G-M循环型制冷机KDE425 SA
（中船鹏力（南京）超低温技术有限公司官网）
幻实（主播）：
我们以前听到的制冷都是空调、压缩机这样的方案，但你们完全不是这种技术路线对吗？
陈杰（嘉宾）：
没错，用普通的技术路线无法达到这么低的温度。
幻实（主播）：
在这种环境下，除了用你们的方案，还有其他的技术路线吗？
陈杰（嘉宾）：
有，但我们的方案是目前商业化下来最经济、最实惠、结构最简单，可靠性也是最高的一种。
幻实（主播）：
您能给我们讲讲这套方案的性价比比一般方案高在哪里吗？
陈杰（嘉宾）：
在深低温领域由氦气做工质，而我们也有一个正向的循环制冷，但那个时候的氦气是透平膨胀的制冷，其冷量非常大，结构非常复杂，而这个时候，对于我们大科学工程而言，需要产生很多的液氦和能量的时候，用那种方式是可以的。
小型制冷机我们有两种，其中一种叫斯特林制冷机，它是高频的，也是一进一出的形式，但它只能达到-250℃左右，要想达到液氦温区-269℃，就要把频率降下来，而我们现在做的就是能完成这个工作的G-M制冷机。
斯特林制冷机：斯特林制冷机（Stirling refrigerator，又称ST制冷机），是由电力驱动的一种机械式制冷机。1816年O.R.斯特林提出一个由两个等温过程和两个等容回热过程组成的热力循环，称为斯特林循环，也称定容回热循环。这个循环的逆循环用于制冷时称为逆向斯特林循环，或称斯特林制冷循环，按逆向斯特林循环工作的制冷机称为斯特林制冷机。斯特林制冷器分整体式和分置式两种。斯特林制冷器具有结构紧凑、工作温度范围宽、启动快、效率高、操作简便等优点。
幻实（主播）：
这个赛道国内同行者多吗？
陈杰（嘉宾）：
国内也有同行比我们起步更早，但都没有我们温度做得这么低，效率这么高。当然，我们刚开始做的时候也是困难重重，中间借鉴了一些经验，经过了不停地研发迭代。如今，我们公司是世界上第二家拥有全球自主知识产权，并且能够量产液氦温区G-M低温制冷机的企业，第一家则是日本的住友。
幻实（主播）：
日本在低温制冷领域的确做得很出色，那您觉得创业到现在，我们距离这个行业的龙头企业差距大吗？
陈杰（嘉宾）：
我们已经从原来的跟跑、并跑，到现在已经有超越他的产品面世了。去年，我们发布了全球最大的一台4K G-M制冷机，仅4.2K就能获得高达4瓦的制冷量。
幻实（主播）：
这意味着什么呢？
陈杰（嘉宾）：
意味着我们已经从头到尾突破了这条产业链的瓶颈，也突破了该原理设计上的瓶颈，我们可以实现自主的设计、制造、生产，包括针对后端客户的一些定制化需求进行快速跟进。
幻实（主播）：
一路走来确实非常不易，刚创业的时候，有没有想过会有一天取得如今的成就？
陈杰（嘉宾）：
其实刚创业的时候，我们只想着如何把最基础的一款设备做好，并且成功批量地用在核磁共振上面。
撬动核心卡点？
低温制冷助力量子计算新突破！
幻实（主播）：
取得了如今的进展之后，你们的客户市场方向会不会比之前大一些？有哪些角度适合采用你们这样的制冷模式呢？
陈杰（嘉宾）：
客户市场我们最初面向于核磁共振方向，甚至到现在，它依然是我们最大的客户应用市场，因为有了这个工具，我们就能在这个基础上“搭积木”，比如我们做一些真空的腔体，就能实现给半导体设备供应低温真空泵，这也是通过低温制冷机的原理，把它深低温冷冻下来，实现超高真空之后，再在这个制冷机的基础上实现更低的温度，比如能达到比绝对零度高0.01℃的制冷机。而那个时候，制冷机就可以用在我们的量子科学上，如量子信息、量子计算等等，而这个领域也恰恰是美国非常忌惮的。
全球稀释制冷机市场规模（2022~2030）（单位：十亿美元）
（资料来源：ICV TANK Version Feb 2023）
幻实（主播）：
没错，我记得很多年前我们就聊过，说量子计算对环境的要求非常高，当时还都在发愁温度问题，因为很难提供这种场景，没想到今天就遇到了一家可以解决这个问题的企业。
陈杰（嘉宾）：
2018年，我们集团立项批准成立这样的一个项目，那时候美国还能卖产品给我们，但到2022年，美国开始禁止对中国出口一系列用于量子计算的稀释制冷机，包括与其相关的一切零配件。我们于2023年推出产品，2024年4月，就被美国商务部划入了“实体清单”。
幻实（主播）：
很多时候我们都称它是光荣榜，美国的这项举措对你们现在的供应链打击大吗？
陈杰（嘉宾）：
其实我们也提前做了一些相应的准备。
幻实（主播）：
你们早就料到美国会出台这样的举措了对吗？
陈杰（嘉宾）：
没错，因为我们做的事情肯定会被美国人忌惮。而且不管是这条产业链的上游、中游还是下游，我们都走得比美国快，因此美国必定会害怕。
幻实（主播）：
可以说我们已经撼动了中美科技战的核心竞争卡点了。你们现在立项的这个产品，在量子计算上已经开始应用了吗？是否有成功交付的机台了呢？
陈杰（嘉宾）：
已经有了，而且现在手持的订单也比较多，因为现在国内已经买不到制冷机了。
幻实（主播）：
所以在这样的背景下，中国有这样一家供应链公司能够突破封锁确实很不容易。之后你们会往民用方面拓展吗？
陈杰（嘉宾）：
从立项开始，我们就预料到这条路会很难走，哪怕想要温度下降0.1℃，也有可能半年没有任何进展，我们从2018年开始，差不多就有半年到一年的时间一直卡着。民用方面的产品目前还是比较少，目前主要涉及的还是一些医疗器械、半导体，我们开发的一些科学仪器已经替代了进口，以前的实验室里清一色全是一些发达国家的设备，而现在我们中国的设备也在其中了。
幻实（主播）：
你们的G-M制冷机产品有多小型化？占地面积有多大呢？
陈杰（嘉宾）：
占地面积高大约只有400多毫米，直径大约是100毫米左右，上面它的始温状态为300K，而最低温能达到-271℃。
幻实（主播）：
放到半导体设备中去做低温的腔体如果很大的话，对工厂而言也是一个负担。
陈杰（嘉宾）：
是的，所以必须做到小型化。
幻实（主播）：
你们的产品量级大概在多少？
陈杰（嘉宾）：
大约在10万到20万之间，而量子芯片的制冷机又是另外一种，它是在我们小型制冷机的基础上再加装其他一些氦3、氦4稀释的制冷组件，从而把温度一步一步地降下去。
幻实（主播）：
小型的制冷机能达到多少度？
陈杰（嘉宾）：
能达到-271℃，之后再用液氦抽空减压，能达到-272℃，再用氦3、氦4达到-273℃，依此类推，将温度逐步往下降。
稀释制冷机工作原理示意图（图源：网络）
幻实（主播）：
感觉就像翻越珠峰一样，1℃的差距可能就得翻一个山头。以前我们一提低温想到的就是低温超导，今天终于是低温工程了。
陈杰（嘉宾）：
其实低温超导用我们的产品也很多，类似于超导磁悬浮，还有一些大科学工程的粒子加速器，以及很多的超导电子应用，如量子信息的单光子探测器，用到了超导纳米线，需要我们要把这个它冷却下来。还有最近比较火的可控核聚变则采用了高温超导，而我们的低温设备就能给这个高温超导提供一个超低温的环境，让它实现超导，虽然没有涉及到民用层面，但其实也和它息息相关。
幻实（主播）：
你们最贵的设备是什么量级的？
陈杰（嘉宾）：
最贵的是一套两千多万的设备，由于各个气体的物性不一样，因此需要通过低温手段进行分离处理，这套设备就是通过低温的方法从空气中分离氖气和氦气。
幻实（主播）：
这套设备现在用在哪些地方呢？有市场化的客户吗？
陈杰（嘉宾）：
有，像一些半导体用的特殊气体，比如光刻机需要用到氖气，我们就提供能生产氖气的设备给客户使用，生产出氖气后，再做混配气，作为半导体设备光刻机里面光源的填充气。
超低温制冷领域未来趋势已明牌？
幻实（主播）：
所以中船鹏力（南京）超低温不仅卖制冷设备，也卖提纯设备，感觉场景比较丰富。感谢陈总和我们分享了这么多的产品和技术应用场景，让我觉得中国在全产业链上确实做了非常多的布局。创业走到今天，您觉得最艰难、或者说让你最记犹新的时刻能和我们说说吗？
陈杰（嘉宾）：
其实最艰难的时刻还要数我们刚创业的时候，当时机器样机做出来了，但包括国内的核磁共振厂家在内无人敢用，因为相较于他们大几百万的设备而言，我们的设备才十几万，因此，没有经过很高的可靠性验证，是绝不会批量去应用的。因此，虽然我们在2011年就研发成功了，但直到2016年才批量地给核磁共振厂家供货。
稀释制冷机 KDDR-1-400
（中船鹏力（南京）超低温技术有限公司官网）
在这中间的五年时间里，我们做了很多基于低温制冷机的一些应用，别人不敢用，我们自己用，我们将这套设备应用在多种场景中，再交付给各个后端厂家，同时再次验证我们制冷机的可靠性。那段时间很艰难，我们做了很多事情，但团队的技术实力提升也非常快，尽管那个时候现金流比较拮据。
幻实（主播）：
因为产品没有得到客户的完全认可，所以很难有大的收入。
陈杰（嘉宾）：
还没实现批量生产的时候确实会经历比较困难的一段时间，得到大家认可后也就简单了不少，并且还有一些国外的公司也开始找我们合作。
幻实（主播）：
这还是非常让人骄傲的，您能给我们预判一下未来5到10年，行业会进入一个怎样的趋势吗？
陈杰（嘉宾）：
好的。首先，在核磁共振领域，之前的很多设备都面临着改造升级，甚至是淘汰换新的问题，因此，对于核磁共振领域而言，在未来的5到10年内，市场规模还会增加，所以我们还是要在这一块做精、做强，并且配合主机厂做一些更新、更节能，可靠性更高、对用户更友好的产品；其次，对于半导体领域而言，AI算力、自动驾驶，以及各种图像识别等方面，我认为至少中国市场肯定会不停地扩大。
幻实（主播）：
而且现在散热问题越来越被重视，我觉得AI不仅关乎能源的消耗，还关乎热的问题，这也是未来我们可以去关注的一条重要赛道。
芯片揭秘 主播幻实（右） 对话
中船鹏力（南京）超低温技术有限公司副总经理陈杰（左）
陈杰（嘉宾）：
这点我很认同，未来我们还是会和超导合作，因为现在也有很多研究机构在尝试做超导芯片，把它冷却到一定温度后实现超导，这样一来能耗就非常低，产生的热量非常少。未来的市场会随着超导的应用不停地拓展，因此，我认为超低温这个领域还是有比较大的前景。
幻实（主播）：
最后您有什么想对外呼吁的吗？
陈杰（嘉宾）：
我想呼吁国内的半导体行业以及医疗器械厂家，给我们上游设备零部件供应商更多的试用机会，让产品能够得到充分的验证，从而实现迭代升级和技术创新，并且和主机厂一起把设备做得更优、更好，提供最新、最前沿的，甚至超越美、日的产品，加速推动我们半导体产业和医疗器械产业的发展。
幻实（主播）：
是的，整个行业的发展必定需要上下游一起努力去推动。今天和陈总聊完，我知道你们已经在阶段性上引起了国际巨头的打击，我相信这是一个很大的成功，否则对方不会把你当做竞争对手。我们也希望行业内有更多的人敢于面对这种挑战，实现这样的自我突破！最后也祝福中船鹏力（南京）超低温发展得越来越好。
在当前国内外超低温制冷领域的发展中，G-M制冷机扮演着越来越重要的角色，G-M制冷机以其高效、稳定的制冷性在研究实验室、医疗设备、半导体制造等领域得到广泛应用。据相关报告显示，2023年，全球G-M制冷机市场规模约为15.2亿元；预计2023-2029年，全球G-M制冷机市场将继续以5.9%的年复合增长率增长，到2029年市场规模将达到21.4亿元。2023年，中国G-M制冷机市场规模约为4.8亿元，在全球市场中的份额占比为31.6%。在全球范围内，G-M制冷机生产商主要有日本住友重工、英国爱德华、法国Thales Cryogenics、美国Cryomech、美国Advanced Research Systems、中国中船重工鹏力等。
量子计算机需满足基于超导、半导体等低温环境试验，而稀释制冷机是构建超导量子计算机的关键核心设备，相当于“量子计算空调”，可为超导量子计算芯片提供接近绝对零度的极低温运行环境。近年来，我国多项科研技术取得重大突破，为我国量子计算机技术自主可控迈出了重要一步，而这些成果也引来了美国的忌惮，因此，美国多次对我国颁布出口管制条例，就在2024年5月9日，美国再次更新“实体清单”，在37个中国实体中，有22个实体与量子计算有关。由此可见，量子科技发展具有重大科学意义和战略价值，将引领新一轮科技革命和产业变革方向，而低温制冷等相关领域技术也值得投放重心。
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采访 | 幻实 编辑 | 心怡 审核 | 幻实
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