儲繼國:勇於挑戰 引領真空產業的「現代化」發展

他是“現代分子泵統計理論”、“渦輪分子泵微分網絡理論”和“牽引自洩漏理論”的創立人,第47屆尤里卡世界發明博覽會金獎獲得者,他發明了兼有中、高真空泵雙重性能的新一代真空泵——分子增壓泵,並攻克分子增壓泵的製造工藝難關,將我國分子泵產業提升到國際領先水平,推動真空產業進入一個低能耗、無油蒸汽汙染的新時代。

儲繼國:勇於挑戰 引領真空產業的“現代化”發展

他就是深圳大學物理科學與技術學院教授儲繼國,他不僅“傳道授業”為國家培養了大批科技人才,還長期從事現代分子泵理論和結構改進方面的研究工作,是多項高新科技成果專利持有者,曾多次在Journal of Vacuum science&Technology,Vacuum等權威期刊發表論文。他是一名真正的科研戰士,以超乎常人的勇氣、智慧和毅力,書寫著大寫的人生,用畢生的堅守、創新和奮鬥,精心譜寫出真空技術科研創新領域的華麗篇章。

敢於求變 成功源於熱愛

提起分子增壓泵,人們首先想到的便是一個熟悉的名字:儲繼國。正是儲繼國教授及其研製組歷時三十多年風雨,堅持不懈、焚膏繼晷地拼搏與付出,才有了今天在市場上廣泛應用,為社會創造巨大經濟效益和環保效益的分子增壓泵。

分子增壓泵利用分子牽引原理,採用國際首創的專利結構,兼具高真空泵和中真空泵的雙重性能。與傳統分子泵相比,分子增壓泵的結構大幅度簡化,轉速降低,運行可靠,工作壓強和排氣流量提高近60倍,能耗降低50%。與羅茨泵相比,在10-10-2Pa壓強範圍,分子增壓泵的抽速為羅茨泵的2-20倍,極限真空提高103-105倍,能耗僅為5%-10%,還能獲得清潔、無油真空。

1968年,風華正茂的儲繼國畢業於復旦大學真空物理專業。當時,分子泵問世不久,該泵奇特的結構、優異的性能、昂貴的價格引起了他極大的興趣。但是,當觸及到分子泵理論時,他卻詫異地發現分子泵發明人貝克爾博士(德國BALZERS公司)創立的理論“看不懂”。

“我遇到過不少自己解決不了的難題,但很少發生看不懂別人已經解決的問題的情況。”儲繼國說。於是,他開始關注起“分子泵”這個課題。

1978年,作為“文化大革命”後的第一批研究生,在學位論文選題時,儲繼國選擇了分子泵,從此跟隨著指導老師華中一教授(曾任中國真空學會理事長、復旦大學校長),開始了對分子泵理論進行深入研究的歷程,這一開始便是四十年漫長而艱辛的征途。在征途中,他取得了輝煌無數,更是開創了真空產業發展的嶄新時代。

1979年,儲繼國發現Becker(現代分子泵的發明人和該泵牽引理論的創立人)理論中存在的原則性錯誤。他運用統計物理學方法,創立了“The statisticaltheory of turbo-molecular pumps”(渦輪分子泵的統計理論),闡明瞭渦輪分子泵的工作原理,揭示了渦輪分子泵和牽引分子泵是兩種工作機理完全不同的真空泵,並指明瞭牽引分子泵(分子增壓泵屬於該泵種)將是未來真空技術的主要發展方向。

1980年,在華中一教授的指導下,儲繼國創立渦輪分子泵的統計理論,揭示了現代分子泵的工作機理,以及指出了現代分子泵與牽引分子泵的根本差別,為80年代開始的分子泵產業高速發展提供了理論基礎,併為牽引分子泵(分子增壓泵屬於牽引分子泵大類)的發展指明瞭方向;1982年,儲教授創立的統計理論在美國《Journal of Vacuum Science &Technology(真空科學與技術雜誌)》(真空科技領域最具影響力的期刊)上發表,Becket博士高度肯定了儲教授對他的理論的修正,還特意派人向儲教授轉達了自己的謝意。

開創世界第一 收穫榮譽無數

1986年,儲繼國教授帶著分子泵理論研究的初步成果,來到了深圳大學。經過殫精竭慮地刻苦研究,他帶領科研團隊先後創立了“渦輪分子泵的微分網絡理論”和“牽引分子泵的自洩漏理論”,成功構建了完整的分子泵理論體系,不僅為分子泵的定量設計提供了平臺,也為我國在分子泵領域的研究工作長期處於國際領先地位提供了堅實的基礎。

1988年,儲繼國根據理論研究的結果,研製成功了世界上第一臺達到產品水平的複合分子泵,引領了20世紀90年代國際真空產業界的複合分子泵熱潮,同時,也驗證了他從事的研究工作的重要價值。

1992年,儲教授發明徑流式寬程真空泵(分子增壓泵的原型),該項成果被我國真空界資深專家譽為“一旦實現產業化,將是真空獲得技術的突破”。國際知名廠商BALZERS(德)、VARIAN(美)、ALCATEL(法)、EDWARDS(英)等對此項成果都給予了充分肯定。

1999年,儲教授改進、完善了該泵的結構和製造工藝,研製成功雙重拖動分子泵(即分子增壓泵的原型樣機)。雙重拖動分子泵剛一現身,即入選了首屆中國國際高新技術成果交易會,並被作為重點項目加以推介,國內外幾十家廠商對合作開發該項成果表示出濃厚興趣。分子增壓泵的轉速高達20 000~40 000轉/分,加上採用臥式結構,極易產生共振,製造工藝十分複雜,是我國一直未能攻克的工藝、技術難關,因此並未能實現產業化。

為了攻克製造工藝上的困難,讓分子增壓泵真正地實現產業化,儲繼國教授帶領科研隊伍勇往直前,再攀高峰。他和深圳市摩爾真空技術有限公司合作,經過多年的拼搏與不懈努力,於2006年攻克製造工藝難關,研製出第一臺分子增壓泵產品樣機。該泵的問世成為盛舉,並開創了多項世界第一:世界上第一臺兼有中、高真空雙重性能的新一代分子泵;世界上能耗最低的中、高真空泵;世界上首次在採用油封式前級泵的設備中獲得低成本的清潔中、高真空;運行最可靠的分子泵,攻克了傳統分子泵易發生打片損壞的一大缺陷。

優越的性能為分子增壓泵贏得了數不盡的榮譽:榮獲第47屆尤里卡世界發明博覽會金獎;第十屆中國國際高新技術成果交易會優秀產品獎;2008年,儲繼國教授應邀訪問美國VARIAN公司,向國際知名企業提供分子增壓泵技術諮詢,攜分子增壓泵邁出了進入國際主流市場的步伐。VARIAN公司還對該泵作了全面測試,並給予“DEEP IMPRESSION”的高度評價,認為分子增壓泵將會佔據全球大部分中真空泵和高真空泵市場。

分子增壓泵是一種基於分子牽引原理的新型真空泵,它的特點是節能、清潔、超強的中真空抽氣能力。這些特點使傳統的真空領域面貌一新,還將開拓出潛在的真空應用新領域。分子增壓泵主要用於光電子器件、太陽能電池、真空鍍膜、真空焊接、真空鑄造和真空熱處理等高新科技產業,以及高能加速器、等離子體核聚變、同步輻射源、高能粒子對撞機和宇宙仿真等現代科學研究項目,為其提供極其清潔的真空環境,市場前景十分廣闊。

全新的真空技術革命

儲繼國團隊研發的真空技術提供了除太空之外最清潔的環境,目前,已成為眾多高新科技產業(例如:太陽能電池、LED、液晶顯示屏、低輻射玻璃、光電子器件、微電子器件、稀土熔鍊、分子蒸餾)和現代科學研究(例如:加速器、可控核聚變、同步光源、宇宙仿真等)的技術基礎。同時,真空技術也越來越多地應用於傳統產業領域(例如: 手機部件、汽車部件、燈飾、水暖器材、塑料表面金屬化、汽車貼膜、柔性電路板、防輻射服、包裝材料等)。因此,真空產業已成為一個與國家科技實力、國計民生息息相關的重要產業。

儲繼國指出,真空產業中,油蒸汽汙染是影響真空產品質量的第一要素,是比真空度更加重要的技術指標。

油蒸汽汙染來自各種有油真空泵。目前廣泛應用的旋片泵(或滑閥泵)、羅茨泵和擴散泵都是有油泵,都存在油蒸汽汙染。

獲得無油真空的傳統方法:採用乾式泵(例如爪形泵、渦旋泵等)+無油高真空泵(例如渦輪分子泵、化學吸附泵和低溫泵等)機組。然而,該方法也存在缺點:乾式泵價格昂貴,超出了工業應用的承受能力;傳統無油機組中,高真空泵(例如分子泵)的切換壓強處於幾Pa量級,正好是返油最大的壓強區段,切換之前,仍存在油蒸汽汙染,即中真空油蒸汽汙染;乾式泵抽速小,無法滿足中、大型工業設備的要求。廉價的無油機組,尤其是大抽速無油機組,是真空產業的迫切需求。

真空產業同時也是一個高能耗產業。目前,廣泛使用的旋片泵(或滑閥泵)、羅茨泵和擴散泵,都是高能耗泵,其中,大型高真空設備的能耗更高,每套設備,平均耗電超過20萬度/年。目前,我國在用大型高真空設備約6萬套,耗電總量超過100億度/年。因此,真空產業迫切需求低能耗的真空機組,尤其是大抽速真空機組。

正是在這樣的迫切需求下,儲繼國教授研發出了分子增壓泵,並攻克了製造技術難關,進入批量生產階段。這項劃時代的科研成果,不啻於真空發展時代的全新的技術革命。

2006年之前,在中、高真空應用領域中,主要使用的真空泵有三種:羅茨泵、擴散泵和渦輪分子泵(簡稱分子泵)。在早已“三足鼎立”的真空泵行業之中,儲教授和他的研究團隊發明的分子增壓泵如何能佔得一席之地?因為分子增壓泵坐擁五大優勢:節能、清潔、抽氣量大、運行可靠和市場潛力大。國際領先的技術,優異的性能,是分子增壓泵一騎絕塵的根本原因。分子增壓泵的性能在與三大真空泵的全方位比較中已經遙遙領先,隨著該泵大批量生產,已經在逐步取代現有大部分羅茨泵、擴散泵和分子泵,極大地提高了相關真空企業的經濟效益,大幅度提升我國真空產業的水準,並推動著國際真空產業進入一個低能耗,無油蒸汽汙染的新時代。

儲繼國:勇於挑戰 引領真空產業的“現代化”發展

截至2009年,分子增壓泵已成功用於十餘個不同的真空應用領域。例如,分子增壓泵已成功應用於中國科學院近代物理研究所的重離子加速器和等離子體物理研究所的人造小太陽等重大科技裝置,以及低輻射玻璃、ITO玻璃、彩色濾光片鈦金鍍膜設備、大型蒸發鍍膜機、高純度生物製品的分子蒸餾、稀土永磁材料熔鍊和石英管真空脫羥爐等領域,取得了節約能耗80%~90%,產品質量顯著提高等優異成績。

分子增壓泵的典型應用實例主要有:1.大型蒸發鍍膜設備。2009年5~7月,上海三井真空設備和深圳市振恆昌實業有限公司分別將分子增壓泵用於大型蒸發鍍膜設備,取代現有的大型擴散泵和羅茨泵,取得了一系列成果:節能80%,年節電30萬度/臺;消除膜層泛黃現象,顯著提高產品質量;抽氣時間減少30%,生產效率提高20%;投資回收期短。該應用項目開創了無擴散泵,無羅茨泵,清潔、低能耗大型真空蒸發鍍膜的新時代。

全國在用大型蒸發鍍膜設備約5000臺,這些設備全部改造,年節電達15億度。珠三角地區大型蒸發鍍膜設備的節能改造工作已經啟動。我國真空界資深專家上海真空學會副理事長蔣新元研究員、上海真空泵廠鄭主安高級工程師等業內專家現場參與了該項目的測試工作,並給予了高度評價“該項成果是國際真空技術的重大突破,將開創具有自主知識產權,清潔、低能耗大型真空蒸發鍍膜的新時代。”該項目於2008年由深圳市產學研基金立項資助。

2.重離子加速器。2007年,分子增壓泵用於中科院近代物理研究所的重離子加速器,成功取代液氮冷阱+羅茨泵,在國際上首次攻克了中真空大流量差分系統的油蒸汽汙染難題。該項目獲得2007年國家自然科學基金立項資助。

3.稀土永磁材料熔煉爐。2008年,浙江英洛華磁業有限公司將分子增壓泵用於改造稀土永磁材料熔煉爐,取得了節能91%,每臺熔煉爐年節電4.5萬度的好成績。2009年計劃訂購150臺分子增壓泵,用於該公司熔煉爐的全面改造。

精研覃思創輝煌 苦耕不輟譜新篇

儘管分子增壓泵的問世取得了空前的成功,帶來了難以估量的經濟效益、環保效益和社會效益,將世界真空技術的發展提升到全新的高度,但它的發明者儲繼國教授並未滿足,而是繼續在科研浩海里遨遊。

2010年,儲繼國團隊在分子泵工作機理研究取得突破的基礎上,與深圳市摩爾真空技術有限公司合作,成功開發了一種大抽速的新型分子泵——徑流分子泵,也就是第二代分子增壓泵。

徑流分子泵結構簡單,轉子全部由平圓盤組成,運行可靠,高真空性能已與傳統分子泵持平,還兼有中真空抽氣能力,最高入口工作壓強達100Pa,工作範圍已覆蓋整個中真空區段,並且,平均抽速已超過羅茨泵。在羅茨泵的主要工作範圍(0.1~10Pa區段)內,徑流泵的抽氣能力更加強勁,抽速高達羅茨泵3~10倍,能耗僅為羅茨泵的1/5~1/10。因此,徑流泵能夠同時取代高真空分子泵和中真空羅茨泵,大幅度簡化真空系統結構,節省設備、能耗和佔地空間。

徑流泵採用雙牽引結構,以及若干抽氣單元同軸安裝,並聯組合,將牽引泵的抽速提高到渦輪分子泵的水平;徑流泵還採用多個抽氣級同軸安裝,串聯組合,將牽引泵的工作壓強拓展到羅茨泵的水平;徑流泵採用平圓盤取代傳統分子泵的渦輪轉子,消除了分子泵易打片損壞的一大缺陷;採用獨特的抽氣工藝,不需要乾式泵,即可獲得清潔真空,大幅度降低清潔真空的費用,為清潔真空進入中、小型工業設備領域掃清了障礙;徑流泵與電弧鈦泵組成大抽速無油機組,在工業真空區段獲得幾萬 L/s的抽速,達到大型擴散泵的水平,節省抽氣能耗80%,顯著提高產品質量,運行成本降至1/4,設備費用大體持平。

徑流泵以及大抽速徑流泵+電弧泵無油機組,與傳統真空機組相比,抽氣能耗節省50~80%。以大型蒸發鍍膜設備為例,每臺設備,平均節電40萬度/年,僅珠三角地區,在用大型鍍膜設備約1000臺,按推廣應用50%估算,節電總量超過2億度/年。

該大抽速徑流泵無油機組,在工業真空區段獲得了幾萬 L/s的抽速,達到了大型擴散泵的水平,還能獲得清潔真空,為清潔真空進入大型工業真空設備領域掃清了障礙。

簡而言之,採用徑流泵,中、高真空設備將不再需要羅茨泵,無油真空機組將不再需要乾式泵。徑流分子泵從理論創立、結構發明、直至產品轉化,均由我國獨立完成。徑流分子泵的問世,顯著提高了真空產品的質量,提升了我國真空產品在國際市場的競爭能力。

徑流泵主要用於中、高真空設備,以及連續鍍膜生產線,取代羅茨泵、擴散泵和分子泵,簡化真空系統結構、提高產品質量、提高產能、降低能耗和運行成本,顯著提高經濟效益。

2012年,復旦大學和深圳大學合作,將徑流泵無油機組用於連續真空鍍膜設備。2013年,摩爾公司研發大型徑流泵無油機組,在工業真空(10-2~10-3Pa)區段,獲得廉價、低能耗、低運行成本的抽速幾萬L/s的大型徑流泵無油機組。2014年,大型徑流泵無油機組用於大型蒸發鍍膜設備,成功取代大型擴散泵+羅茨泵機組,實現節能80%,節省抽氣能耗40萬度/年,提高產品質量,產能翻一番,設備費用大體持平的好成績。

徑流泵已於2015年1月通過廣東省科技廳組織的成果鑑定,評審委員會對該項目給予“從完善理論、提出新結構、樣機研製、產品轉化,均自主獨立完成,是富含原創性的科技成果”的高度評價。

徑流泵的典型應用主要有:重離子加速器:獲得了能與液氮冷阱+乾式泵機組媲美的清潔無油真空,被譽為“技術達到國際領先水平”;連續鍍膜生產線:簡化抽氣系統結構,提高鍍膜壓強,提升產能30%和降低能耗;石英管脫羥爐:消除了油蒸汽在石英管壁上留下的微量汙痕,質量超越國外高檔石英管,該用戶已成為PHILIPS、GE和OSRAM等國際知名廠商的指定供應商,利潤大幅度提高;分子蒸餾:膽固醇的純度由65%提高至95%,產品由飼料級提升至製藥級,“打破了國際三家NF級膽固醇生產商技術壟斷,使得公司維生素D3主要原材料實現自我供應,擺脫了對國際供應商的依賴”,產品盈利連翻幾番;真空爐:獲得清潔無油真空,節省抽氣能耗60~80%;等等。

儲繼國教授研發的徑流泵和徑流泵機組的性能和性價比,已優於目前廣泛應用的羅茨泵、擴散泵和分子泵三大泵種,加速徑流分子泵的產業化和推廣應用的步伐,將為真空產業的低碳升級換代起到積極作用。

儲繼國教授從事真空技術的科研工作已有四十多年,這四十多年來,我國真空技術的發展走過了難以忘懷、不平凡的路程,而他一直走在該領域的最前沿,引領著我國真空技術發展的潮流。

如今,分子增壓泵、徑流分子泵(第二代分子增壓泵)早已廣泛應用於手機部件、汽車部件、燈飾、水暖器材、塑料表面金屬化、汽車貼膜、柔性電路板、防輻射服、包裝材料等傳統產業領域,為我國真空產業做出了卓越的貢獻,產生了巨大的經濟效益、社會效益和環保效益。

可是,不要忘記這項真空事業的開拓者——儲繼國,他卻處事低調,依然在埋頭忙碌著,時刻關注我國乃至全球的真空產業的健康發展。他前進的腳步穩健而有力,仍舊執著於再攀新高峰,相信在不久的未來,他在真空技術科研領域,定會帶給我們更多的驚喜。


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