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    储继国:勇于挑引领真空产业的“现代化”发展

      发布时间:2018-03-25 22:11

      他是“现代分子泵统计理论”、“涡轮分子泵微分网络理论”和“牵引自泄漏理论”的创立人,第47届尤里卡世界发明博览会金奖获得者,他发明了兼有中、高真空泵双重性能的新一代真空泵——分子增压泵,并攻克分子增压泵的制造工艺难关,将我国分子泵产业提升到国际领先水平,推动真空产业进入一个低能耗、无油蒸汽污染的新时代。

      他就是深圳大学物理科学与技术学院教授储继国,他不仅“传道授业”为国家培养了大批科技人才,还长期从事现代分子泵理论和结构改进方面的研究工作,是多项高新科技成果专利持有者,曾多次在Journal of Vacuum science&Technology,Vacuum等权威期刊发表论文。他是一名真正的科研战士,以超乎常人的勇气、智慧和毅力,书写着大写的人生,用毕生的坚守、创新和奋斗,精心谱写出真空技术科研创新领域的华丽篇章。

      提起分子增压泵,人们首先想到的便是一个熟悉的名字:储继国。正是储继国教授及其研制组历时三十多年风雨,坚持不懈、焚膏继晷地拼搏与付出,才有了今天在市场上广泛应用,为社会创造巨大经济效益和环保效益的分子增压泵。

      分子增压泵利用分子牵引原理,采用国际首创的专利结构,兼具高真空泵和中真空泵的双重性能。与传统分子泵相比,分子增压泵的结构大幅度简化,转速降低,运行可靠,工作压强和排气流量提高近60倍,能耗降低50%。与罗茨泵相比,在10-10-2Pa压强范围,分子增压泵的抽速为罗茨泵的2-20倍,极限线%,还能获得清洁、无油线年,风华正茂的储继国毕业于复旦大学真空物理专业。当时,分子泵问世不久,该泵奇特的结构、优异的性能、昂贵的价格引起了他极大的兴趣。但是,当触及到分子泵理论时,他却诧异地发现分子泵发明人贝克尔博士(德国BALZERS公司)创立的理论“看不懂”。

      “我遇到过不少自己解决不了的难题,但很少发生看不懂别人已经解决的问题的情况。”储继国说。于是,他开始关注起“分子泵”这个课题。

      1978年,作为“文化大”后的第一批研究生,在学位论文选题时,储继国选择了分子泵,从此跟随着指导老师华中一教授(曾任中国真空学会理事长、复旦大学校长),开始了对分子泵理论进行深入研究的历程,这一开始便是四十年漫长而艰辛的。在中,他取得了辉煌无数,更是开创了真空产业发展的崭新时代。

      1979年,储继国发现Becker(现代分子泵的发明人和该泵牵引理论的创立人)理论中存在的原则性错误。他运用统计物理学方法,创立了“The statisticaltheory of turbo-molecular pumps”(涡轮分子泵的统计理论),阐明了涡轮分子泵的工作原理,揭示了涡轮分子泵和牵引分子泵是两种工作机理完全不同的真空泵,并指明了牵引分子泵(分子增压泵属于该泵种)将是未来真空技术的主要发展方向。

      1980年,在华中一教授的指导下,储继国创立涡轮分子泵的统计理论,揭示了现代分子泵的工作机理,以及指出了现代分子泵与牵引分子泵的根本差别,为80年始的分子泵产业高速发展提供了理论基础,并为牵引分子泵(分子增压泵属于牵引分子泵大类)的发展指明了方向;1982年,储教授创立的统计理论在美国《Journal of Vacuum Science &Technology(真空科学与技术杂志)》(真空科技领域最具影响力的期刊)上发表,Becket博士高度肯定了储教授对他的理论的修正,还特意派人向储教授转达了自己的谢意。

      1986年,储继国教授带着分子泵理论研究的初步成果,来到了深圳大学。经过殚精竭虑地刻苦研究,他带领科研团队先后创立了“涡轮分子泵的微分网络理论”和“牵引分子泵的自泄漏理论”,成功构建了完整的分子泵理论体系,不仅为分子泵的定量设计提供了平台,也为我国在分子泵领域的研究工作长期处于国际领先地位提供了坚实的基础。

      1988年,储继国根据理论研究的结果,研制成功了世界上第一台达到产品水平的复合分子泵,引领了20世纪90年代国际真空产业界的复合分子泵热潮,同时,也验证了他从事的研究工作的重要价值。

      1992年,储教授发明径流式宽空泵(分子增压泵的原型),该项成果被我国真空界资深专家誉为“一旦实现产业化,将是真空获得技术的突破”。国际知名厂商BALZERS(德)、VARIAN(美)、ALCATEL(法)、EDWARDS(英)等对此项成果都给予了充分肯定。

      1999年,储教授改进、完善了该泵的结构和制造工艺,研制成功双重拖动分子泵(即分子增压泵的原型样机)。双重拖动分子泵刚一现身,即入选了首届中国国际高新技术成果交易会,并被作为重点项目加以推介,国内外几十家厂商对合作开发该项成果表示出浓厚兴趣。分子增压泵的转速高达20 000~40 000转/分,加上采用卧式结构,极易产生共振,制造工艺十分复杂,是我国一直未能攻克的工艺、技术难关,因此并未能实现产业化。

      为了攻克制造工艺上的困难,让分子增压泵真正地实现产业化,储继国教授带领科研队伍勇往直前,再攀高峰。他和深圳市摩尔真空技术有限公司合作,经过多年的拼搏与不懈努力,于2006年攻克制造工艺难关,研制出第一台分子增压泵产品样机。该泵的问世成为盛举,并开创了多项世界第一:世界上第一台兼有中、高真空双重性能的新一代分子泵;世界上能耗最低的中、高真空泵;世界上首次在采用油封式前级泵的设备中获得低成本的清洁中、高真空;运行最可靠的分子泵,攻克了传统分子泵易发生打片损坏的一大缺陷。

      优越的性能为分子增压泵赢得了数不尽的荣誉:荣获第47届尤里卡世界发明博览会金奖;第十届中国国际高新技术成果交易会优秀产品奖;2008年,储继国教授应邀访问美国VARIAN公司,向国际知名企业提供分子增压泵技术咨询,携分子增压泵迈出了进入国际主流市场的步伐。VARIAN公司还对该泵作了全面测试,并给予“DEEP IMPRESSION”的高度评价,认为分子增压泵将会占据全球大部分中真空泵和高真空泵市场。

      分子增压泵是一种基于分子牵引原理的新型真空泵,它的特点是节能、清洁、超强的中真空抽气能力。这些特点使传统的真空领域面貌一新,还将开拓出潜在的真空应用新领域。分子增压泵主要用于光电子器件、太阳能电池、真空镀膜、真空焊接、真空铸造和真空热处理等高新科技产业,以及高能加速器、等离子体核聚变、同步辐射源、高能粒子对撞机和宇宙仿真等现代科学研究项目,为其提供极其清洁的真空环境,市场前景十分广阔。

      储继国团队研发的真空技术提供了除太空之外最清洁的环境,目前,已成为众多高新科技产业(例如:太阳能电池、LED、液晶显示屏、低辐射玻璃、光电子器件、微电子器件、稀土熔炼、分子蒸馏)和现代科学研究(例如:加速器、可控核聚变、同步光源、宇宙仿真等)的技术基础。同时,真空技术也越来越多地应用于传统产业领域(例如: 手机部件、汽车部件、灯饰、水暖器材、塑料表面金属化、汽车贴膜、柔性电路板、防辐射服、包装材料等)。因此,真空产业已成为一个与国家科技实力、国计民生息息相关的重要产业。

      储继国指出,真空产业中,油蒸汽污染是影响真空产品质量的第一要素,是比真空度更加重要的技术指标。

      油蒸汽污染来自各种有油真空泵。目前广泛应用的旋片泵(或滑阀泵)、罗茨泵和扩散泵都是有油泵,都存在油蒸汽污染。

      获得无油真空的传统方法:采用干式泵(例如爪形泵、涡旋泵等)+无油高真空泵(例如涡轮分子泵、化学吸附泵和低温泵等)机组。然而,该方法也存在缺点:干式泵价格昂贵,超出了工业应用的承受能力;传统无油机组中,高真空泵(例如分子泵)的切换压强处于几Pa量级,正好是返油最大的压强区段,切换之前,仍存在油蒸汽污染,即中真空油蒸汽污染;干式泵抽速小,无法满足中、大型工业设备的要求。廉价的无油机组,尤其是大抽速无油机组,是真空产业的迫切需求。

      真空产业同时也是一个高能耗产业。目前,广泛使用的旋片泵(或滑阀泵)、罗茨泵和扩散泵,都是高能耗泵,其中,大型高真空设备的能耗更高,每套设备,平均耗电超过20万度/年。目前,我国在用大型高线亿度/年。因此,真空产业迫切需求低能耗的真空机组,尤其是大抽速真空机组。

      正是在这样的迫切需求下,储继国教授研发出了分子增压泵,并攻克了制造技术难关,进入批量生产阶段。这项划时代的科研成果,不啻于真空发展时代的全新的技术。

      2006年之前,在中、高真空应用领域中,主要使用的真空泵有三种:罗茨泵、扩散泵和涡轮分子泵(简称分子泵)。在早已“三足鼎立”的真空泵行业之中,储教授和他的研究团队发明的分子增压泵如何能占得一席之地?因为分子增压泵坐拥五大优势:节能、清洁、抽气量大、运行可靠和市场潜力大。国际领先的技术,优异的性能,是分子增压泵一骑绝尘的根本原因。分子增压泵的性能在与三大真空泵的全方位比较中已经遥遥领先,随着该泵大批量生产,已经在逐步取代现有大部分罗茨泵、扩散泵和分子泵,极大地提高了相关真空企业的经济效益,大幅度提升我国真空产业的水准,并推动着国际真空产业进入一个低能耗,无油蒸汽污染的新时代。

      截至2009年,分子增压泵已成功用于十余个不同的真空应用领域。例如,分子增压泵已成功应用于中国科学院近代物理研究所的重离子加速器和等离子体物理研究所的人造小太阳等重大科技装置,以及低辐射玻璃、ITO玻璃、彩色滤光片钛金镀膜设备、大型蒸发镀膜机、高纯度生物制品的分子蒸馏、稀土永磁材料熔炼和石英管真空脱羟炉等领域,取得了节约能耗80%~90%,产品质量显著提高等优异成绩。

      分子增压泵的典型应用实例主要有:1.大型蒸发镀膜设备。2009年5~7月,上海三井真空设备和深圳市振恒昌实业有限公司分别将分子增压泵用于大型蒸发镀膜设备,取代现有的大型扩散泵和罗茨泵,取得了一系列成果:节能80%,年节电30万度/台;消除膜层泛黄现象,显著提高产品质量;抽气时间减少30%,生产效率提高20%;投资回收期短。该应用项目开创了无扩散泵,无罗茨泵,清洁、低能耗大型真空蒸发镀膜的新时代。

      全国在用大型蒸发镀膜设备约5000台,这些设备全部改造,年节电达15亿度。珠三角地区大型蒸发镀膜设备的节能改造工作已经启动。我国真空界资深专家上海真空学会副理事长蒋新元研究员、上海真空泵厂郑主安高级工程师等业内专家现场参与了该项目的测试工作,并给予了高度评价“该项成果是国际真空技术的重大突破,将开创具有自主知识产权,清洁、低能耗大型真空蒸发镀膜的新时代。”该项目于2008年由深圳市产学研基金立项资助。

      2.重离子加速器。2007年,分子增压泵用于中科院近代物理研究所的重离子加速器,成功取代液氮冷阱+罗茨泵,在国际上首次攻克了中真空大流量差分系统的油蒸汽污染难题。该项目获得2007年国家自然科学基金立项资助。

      3.稀土永磁材料熔炼炉。2008年,浙江英洛华磁业有限公司将分子增压泵用于改造稀土永磁材料熔炼炉,取得了节能91%,每台熔炼炉年节电4.5万度的好成绩。2009年计划订购150台分子增压泵,用于该公司熔炼炉的全面改造。

      尽管分子增压泵的问世取得了空前的成功,带来了难以估量的经济效益、环保效益和社会效益,将世界真空技术的发展提升到全新的高度,但它的发明者储继国教授并未满足,而是继续在科研浩海里遨游。

      2010年,储继国团队在分子泵工作机理研究取得突破的基础上,与深圳市摩尔真空技术有限公司合作,成功开发了一种大抽速的新型分子泵——径流分子泵,也就是第二代分子增压泵。

      径流分子泵结构简单,转子全部由平圆盘组成,运行可靠,高真空性能已与传统分子泵持平,还兼有中真空抽气能力,最高入口工作压强达100Pa,工作范围已覆盖整个中真空区段,并且,平均抽速已超过罗茨泵。在罗茨泵的主要工作范围(0.1~10Pa区段)内,径流泵的抽气能力更加强劲,抽速高达罗茨泵3~10倍,能耗仅为罗茨泵的1/5~1/10。因此,径流泵能够同时取代高真空分子泵和中真空罗茨泵,大幅度简化真空系统结构,节省设备、能耗和占地空间。

      径流泵采用双牵引结构,以及若干抽气单元同轴安装,并联组合,将牵引泵的抽速提高到涡轮分子泵的水平;径流泵还采用多个抽气级同轴安装,串联组合,将牵引泵的工作压强拓展到罗茨泵的水平;径流泵采用平圆盘取代传统分子泵的涡轮转子,消除了分子泵易打片损坏的一大缺陷;采用独特的抽气工艺,不需要干式泵,即可获得清洁真空,大幅度降低清洁真空的费用,为清洁真空进入中、小型工业设备领域扫清了障碍;径流泵与电弧钛泵组成大抽速无油机组,在工业真空区段获得几万 L/s的抽速,达到大型扩散泵的水平,节省抽气能耗80%,显著提高产品质量,运行成本降至1/4,设备费用大体持平。

      径流泵以及大抽速径流泵+电弧泵无油机组,与传统真空机组相比,抽气能耗节省50~80%。以大型蒸发镀膜设备为例,每台设备,平均节电40万度/年,仅珠三角地区,在用大型镀膜设备约1000台,按推广应用50%估算,节电总量超过2亿度/年。

      该大抽速径流泵无油机组,在工业真空区段获得了几万 L/s的抽速,达到了大型扩散泵的水平,还能获得清洁真空,为清洁真空进入大型工业真空设备领域扫清了障碍。

      简而言之,采用径流泵,中、高真空设备将不再需要罗茨泵,无油真空机组将不再需要干式泵。径流分子泵从理论创立、结构发明、直至产品转化,均由我国独立完成。径流分子泵的问世,显著提高了真空产品的质量,提升了我国真空产品在国际市场的竞争能力。

      径流泵主要用于中、高真空设备,以及连续镀膜生产线,取代罗茨泵、扩散泵和分子泵,简化真空系统结构、提高产品质量、提高产能、降低能耗和运行成本,显著提高经济效益。

      2012年,复旦大学和深圳大学合作,将径流泵无油机组用于连续线年,摩尔公司研发大型径流泵无油机组,在工业线Pa)区段,获得廉价、低能耗、低运行成本的抽速几万L/s的大型径流泵无油机组。2014年,大型径流泵无油机组用于大型蒸发镀膜设备,成功取代大型扩散泵+罗茨泵机组,实现节能80%,节省抽气能耗40万度/年,提高产品质量,产能翻一番,设备费用大体持平的好成绩。

      径流泵已于2015年1月通过广东省科技厅组织的成果鉴定,评审委员会对该项目给予“从完善理论、提出新结构、样机研制、产品转化,均自主独立完成,是富含原创性的科技成果”的高度评价。

      径流泵的典型应用主要有:重离子加速器:获得了能与液氮冷阱+干式泵机组媲美的清洁无油真空,被誉为“技术达到国际领先水平”;连续镀膜生产线:简化抽气系统结构,提高镀膜压强,提升产能30%和降低能耗;石英管脱羟炉:消除了油蒸汽在石英管壁上留下的微量污痕,质量超越国外高档石英管,该用户已成为PHILIPS、GE和OSRAM等国际知名厂商的指定供应商,利润大幅度提高;分子蒸馏:胆固醇的纯度由65%提高至95%,产品由饲料级提升至制药级,“打破了国际三家NF级胆固醇生产商技术垄断,使得公司维生素D3主要原材料实现自我供应,摆脱了对国际供应商的依赖”,产品盈利连翻几番;真空炉:获得清洁无油线%;等等。

      储继国教授研发的径流泵和径流泵机组的性能和性价比,已优于目前广泛应用的罗茨泵、扩散泵和分子泵三大泵种,加速径流分子泵的产业化和推广应用的步伐,将为真空产业的低碳升级换代起到积极作用。

      储继国教授从事真空技术的科研工作已有四十多年,这四十多年来,我国真空技术的发展走过了难以忘怀、不平凡的路程,而他一直走在该领域的最前沿,引领着我国真空技术发展的潮流。

      如今,分子增压泵、径流分子泵(第二代分子增压泵)早已广泛应用于手机部件、汽车部件、灯饰、水暖器材、塑料表面金属化、汽车贴膜、柔性电路板、防辐射服、包装材料等传统产业领域,为我国真空产业做出了卓越的贡献,产生了巨大的经济效益、社会效益和环保效益。

      可是,不要忘记这项真空事业的开拓者——储继国,他却处事低调,依然在埋头忙碌着,时刻关注我国乃至全球的真空产业的健康发展。他前进的脚步稳健而有力,仍旧执着于再攀新高峰,相信在不久的未来,他在真空技术科研领域,定会带给我们更多的惊喜。