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节能降耗 服务民生

来源:  发布时间:2017-10-12

——记华南理工大学机械与汽车工程学院教授汤勇
  
本刊记者  户 万

  
  
  自媒体时代,“发烧友”一词想必大家并不陌生。有一句广告词:“小米,为发烧而生!”小米公司的本意是表达小米是为手机发烧友打造的,而在随后的使用过程中,有人抱怨说小米手机用久了热到烫手,果然是“发烧”了。
  这种情况很多人见怪不怪:手机、电脑、冰箱、空调很多电器用久了都会变烫,这种“发热”也会影响设备的使用寿命。而当前为了解决这个问题,所采取的办法是在固体表面加工出具有不同形貌、不同尺度、不同维数,并具有散热或传热功能的结构,即表面热功能结构。更进一步地,在高集成度芯片热控制方面,就需要应用到复杂表面热功能结构知识。
  在这个领域,华南理工大学(以下简称“华工”)汤勇教授的团队经过20年的钻研,取得了一系列原创性先进成果。其主持完成的项目“复杂表面热功能结构形貌特征设计与可控制造关键技术”获得了2016年度国家科学技术进步奖二等奖,在复杂表面热功能结构/形貌统一的建模与设计、结构/形貌可控制造等整体技术方面取得了重大突破,实现了管壳式换热器、空调蒸发/冷凝器以及热控系统的换热技术升级换代。
  
科研始于选择定位
  
  20载科研路走过,回首过去,汤勇感触最大的是中国科研条件的改善和发展。他回忆道:“上世纪80年代我读研究生的时候,华工的科研环境还很差,那时候机械专业搞科研,只有一个机床加一把刀,搞铸造的有个炉子就够了。”而就是在这样艰难的环境下,汤勇真的做出了不俗的成绩。
  他发明了1个专利项目“小直径薄壁内螺纹管动态差速旋拉技术”,获得了第二届全国大学生应用科技大赛一等奖,并被大会指定为李岚清副总理参观的八个项目之一,受到了《南方日报》《羊城晚报》《广州日报》的专访报道。
  汤勇感慨这个项目对他来说意义重大,因为在做这个项目的过程中,他真正体会到运用本专业知识完成一项实际工作的价值,也体会到自己所学能为所用,而且能为社会带来一定的贡献,激发了他从事本专业的兴趣。
  上世纪90年代初,汤勇博士毕业。这个时候的广东,市场经济的浪潮可谓如火如荼。面对市场经济的种种诱惑,汤勇没有折腰,他更为看中的是华工的平台和相对自由的氛围。在这里,他可以走上三尺讲台培育桃李,也可以在车间破解科研难题,追寻科研梦想。
  但理想是丰满的,现实是骨感的。摆在汤勇面前的第一个难题是:没有资金。那时的大学教师,月工资不过500元,无法承担科研的投入。一筹莫展之际,汤勇申报的广东省自然科学基金项目通过了评审,几万块的科研经费,买不了什么大设备,但至少保证了出差、发文章的基本需求。时至今日汤勇都极为感激这次基金的支持——它守护了他最初的科研之树,给他提供了最需要的养分,使他度过了最捉襟见肘的一段岁月。
  汤勇一直认为,找到一个好的研究方向就是成功了一半。事实也是如此。他在将选题定为明矾的导热之后,如行云流水一般,在两周时间内完成了项目申报书的编写,并且很快得到了国家自然科学基金的支持。
  在当年基金委整体基金量极为有限的情况下,汤勇连续两年得到了国家自然科学基金的支持。这两个项目更加增强了他的信心,使他能够继续坚定地一路走下去。
  
节能与战略安全的双重需求
  
  随着社会的发展,工业换热(管壳式换热器)、空调及照明领域能耗约占社会总能耗的18%;与此同时,我国高铁核心IGBT、卫星数据处理及相控阵天线高集成度发展,带来致命的热控难题。
  随着微电子芯片及其应用系统不断向轻、薄、小的方向发展,芯片集成度不断提高,且许多场合散热空间是封闭或半封闭的,从而导致散热空间狭小及高热流密度等致命问题。高热流密度导致电子产品中的热控制成本急剧上升,产品的热失效越来越严重,占产品失效率的55%以上,且随着温度增加呈几何级数增长,已成为影响当今电子工业发展的一个瓶颈。而多年之前,汤勇就将团队的研究方向定为热控制。
  他认为:“采用具有复杂表面热功能结构的传热元件提高管壳式换热器、空调蒸发/冷凝器以及热控系统的换热性能,是解决上述问题的共性核心技术。”
  他们将工作分为传统工业化和电子热控两方面。首先,工业换热器其实就是在“表面”做文章。汤勇解释道:“美国有位院士曾经说过,管外表面已经经过了三代的发展,从光滑的,到螺纹的,最后到像狼牙棒一样的。我们把它总结为换热器的技术先进性取决于结构的复杂性。”而现在,不止是结构,连结构表面的形貌、粗糙度都被纳入考虑的范畴。为此,汤勇团队发明了管外表面热功能结构犁切/滚轧复合加工技术,实现具有复杂形貌特征的三维外翅片结构高效可控生成,且开发出成套装备。
  采用的三维外翅片管(高效传热元件)的管壳式换热器比日本同类产品单位压降总传热系数提高21.33%,被海天塑机(世界最大)、三一重工等采用,占有率居国内相关专业市场第一位,同时出口欧美、日本等国家,改变了我国高端换热器进出口局面。
  而在空调领域,汤勇将目光锁定在内翅片管。他们发明了管内表面热功能结构充液增压高速旋压与多级拉拔成形技术,实现高翅片(>0.25mm)和微细铜管(≤Φ5mm)的高效成形及复杂形貌可控生成,并开发出成套装备。其生产的Φ6~7mm具有粗糙形貌特征的内翅片铜管(高效传热元件)翅片高度达0.3mm,关键的翅片高度指标(直接影响空调蒸发/冷凝器换热性能),比国外同类产品提高20%。突破传统技术管径(Φ5mm)极限,推出的Φ2.5~5mm系列产品填补国际空白。
  在电子热控方面,经过多年探索,他们提出了热控系统中表面热功能结构(强化界面传热与对流传热结构、复杂吸液芯结构)高效加工方法,且实现其复杂形貌可控生成,开发出成套装备。生产的瓦级LED器件结点到管壳热阻3.2K/W,超过美国CREE同类产品(5K/W)。产品占有率居本土企业第一位。这一高效热控系统根本解决了制约功率型LED规模化应用的热控难题,同时也解决了高铁核心IGBT(中国高铁和日本新干线)、中国航天卫星数据处理系统及相控阵天线致命的高热流密度问题。
  在上述技术领域,有一项共性建模与设计方法,即提出面向复杂表面热功能结构/形貌特征的建模与优化设计新方法,开发按热功能需求协同设计宏观结构与微观形貌特征的专业软件,填补国际技术空白,使结构、形貌参数设计有统一的理论依据,改变过去按经验或单一尺度简化设计的局面。
  总的来说,该项目整体达到国际先进水平,部分指标(总传热系数、翅片高度、LED热阻)达到国际领先水平。获授权发明专利46项(含美国/韩国发明专利1项),国家科技进步奖二等奖、广东省科技进步奖一等奖、中国专利优秀奖各1项,技术标准3项,SCI收录论文63篇。2013~2015年实现新增销售收入93.95亿元,新增利润总额9.21亿元。
  
稳健的产业化之路
  
  华南理工大学的热功能结构研究在我国卓有名气,而能发展到这一步,汤勇认为得益于介入了广东省的主流行业方向。广东省的半导体照明产业发展极为迅速,拥有几大龙头企业,是全球最大的LED封装和显示屏生产基地。幸运的是,这些龙头企业对于高校持有开放的态度,愿意与科研院所合作、共同进步。但一开始的融入也并非那么容易。
  佛山市国星光电股份有限公司是专业生产半导体发光二极管(LED)及其应用产品的国家火炬计划重点高新技术企业,在业界早有名气。最初建立合作的时候,国星的人问华工能做什么,汤勇不紧不慢地说:“来之前我们查过资料,你们的半导体照明主要存在两个问题,一是‘热’,二是寿命。”就在国星员工不以为意的时候,汤勇抛下一句话:“但是寿命问题就是因为‘热’,因此其实你们只有一个问题——‘热’!而我们就是专业做热控的。”一番话轻易地打动了国星的员工,很快地,双方进行了深入的合作和研究,短短1年多的时间两个团队已经合作得极为紧密。
  多年来,汤勇一面用心教学,一面努力探索学术成果的实际转化,突破大学学术人才实践经验匮乏的瓶颈问题。为此,汤勇十分重视与社会企业的合作,并搭建起学校实验室与社会企业的协作平台。经过不懈的努力,汤勇团队先后与佛山神威热交换器有限公司、珠海兴业新能源科技有限公司、阳江市新力工业有限公司、广东精艺金属股份有限公司等建立起长期的战略合作关系。
  这些合作伙伴并不都是汤勇去找的,有一些是自己“寻”过来的。接手机械工程实验室之初,汤勇几乎以车间为家,成天泡在实验室里搞研究、办公。而珠海兴业新能源科技有限公司就是被他刻苦钻研、努力拼搏的奋斗精神所感染吸引而来的。“我第一次接待他们确实是在车间,后来他们说看我天天在车间办公,就觉得这是他们理想的合作对象。”在简单的接触之后,双方都认为有合作的前景,而这一合作,就是许多年。
  汤勇一直认为与企业的合作是十分有必要的。“一方面,我们可以从最一线的地方发现问题,接触到真正的应用难题;另一方面,我们的学生可以得到实际的锻炼,而不是纸上谈兵。”这样培养出来的学生,同时兼具丰厚的理论知识和解决实际问题的切实能力,难怪一到毕业季就被各大企业争相招揽。
  现在有句话叫“陷于才华,终于人品”,对于汤勇来说,与企业的合作也是如此。有能力解决企业的难题当然是重要的,但与此同时,不容忽视的一点是,汤勇一直以诚待人。这个问题能不能解决,几率是多大,风险又是多少,汤勇从不隐瞒。坦诚、坦白、公开,这是他的原则。他相信,任何人都不愿意被蒙骗,在信息对等的情况下很多工作都更好展开。
  在机械工程领域,汤勇专长于光电子热控制、微电子、新能源等新兴学科的交叉研究,为攻克一个又一个的科研难题,团队付出了常人难以想象的艰辛、耐心和努力。无怪乎汤勇以“野草”团队自诩,其研究团队在恶劣的科研环境中具有顽强的生存能力。
  迄今为止,汤勇已经承担了40余项科技攻关项目,以第一完成人获得6项国家及省部级科技奖励,以第一/通讯作者发表论文129篇,SCI论文引用700余次,申请专利180项,授权121项,起草技术标准3项。但他并没有自满,对他来说,科研永没有尽头。下一步的计划已经在他的心中:未来的方向是开发超薄超轻柔性化的履带,可以任意弯曲,另外着力解决一些典型行业包括电机行业的特种“热”应用案例,更进一步地要研究“光”。
  “解决热的问题就好比解决了生存问题,要想活得好,就得解决光的问题,所以我们要实现光控。”热控很好理解,控制温度就好。但是光控就没这么简单了,它包括光色的均匀度、色差、有效光等。“依靠电子器件的内部结构来实现光能量的有效分布,就是我们接下来的目标。”汤勇说。
  

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2024年2月

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