螺杆真空泵与罗茨真空泵研究
半导体市场
全球半导体市场约5800亿美元
4万片/月晶圆厂约需2000台干泵（约15万元/台）与500台分子泵
干泵规模占半导体设备销售额3%~4%
预测2025年全球半导体真空泵需求达217亿元
光伏与锂电市场
2023年国内光伏新增装机100GW，全球280-330GW
每GW需要约160台干式真空泵
新能源及储能快速发展，锂电池产线数量大幅增长
国产化替代需求驱动近百亿市场
行业标杆：Atlas Copco / Edwards
2022年Atlas真空技术部门收入约36.8亿美元，利润率21.6%。产品谱系齐全：油旋片、干泵、分子泵、液环泵、减排和综合系统、低温泵。Edwards被Atlas收购，说明干泵领域的全球竞争格局正在加速整合。
多类型型线生成及修正方法
开发多种螺杆转子型线生成方法，提出变指数转子型线，优化转子型线结构形式，实现型线的精确生成与修正，提升容积利用率和密封性能。
螺杆轴向几何结构控制框架
研究不同螺杆变距规律对性能的影响，建立变距规律带来的加工与热力性能差异的定量分析方法，构建螺杆轴向几何结构的系统化控制框架。
锥形变螺距螺杆结构生成数学模型
首次构建锥形变螺距螺杆结构生成数学模型，创新提出变指数转子型线。该技术独辟蹊径，突破了传统等截面螺杆的局限，可实现转子容积从吸气端到排气端的连续变化，指导新一代高性能锥形变螺距干式螺杆真空泵产品开发。
基于腔模型与热阻网络的流-热-固耦合模拟
建立基于腔模型的稀薄气体状态描述方法，构建热阻网络表征部件温度场，引入流-热-固耦合机制。通过迭代解耦方法实现干泵工作热物理过程的完整模拟，突破现有仿真手段无法描述干泵热物理过程流-热-固耦合机制的瓶颈。
间隙结构变化规律
解析干泵内部气体泄漏换热路径，揭示间隙结构变化规律；提出干泵强化冷却结构设计方案，制定间隙非均匀布置策略。
转子型线与变螺距规律优化
阐明螺杆转子型线与变螺距规律对工作过程的影响规律，制定转子型线与变螺距规律优化设计策略。
转子动力学模型
建立干泵转子动力学模型，解析干泵驱动、传动与支撑部件载荷特性，指导电机设计、齿轮校核、轴承选配与转速选取。
转子快速高精度加工技术
建立转子快速高精度加工理论分析与刃形刀路求解数学模型，开发通用车铣复合机床刀路设计方法，指导干泵转子成型加工与编程优化。
| 型线类型 | 结构特点 | 优势 |
|---|---|---|
| 圆弧型 | 典型两段式结构 | 加工简便，应用广泛 |
| 渐开线型 | 典型两段式结构 | 密封性好，效率较高 |
| 摆线型 | 典型两段式结构 | 多种变种多段式设计 |
| 正-逆向型线 | 基于啮合线修正的新型设计 | 容积效率和绝热效率综合提升约2% |
基于啮合线型线生成方法的罗茨真空泵型线优化
提出正-逆向型线设计方法，通过啮合线修正型线实现罗茨真空泵容积效率和绝热效率的提升，综合提升约2%。该方法为罗茨泵型线设计提供了新的理论框架和优化路径。
罗茨真空泵的运行包括启动 - 冷态运行 - 热态运行 - 停机全过程，不同阶段具有不同的运行特点和热动力性能。热态运行卡转是罗茨真空泵常见的运行故障。
启动阶段性能模拟
实现了启动阶段罗茨真空泵及其电机的性能模拟与计算，研究转速提升对罗茨真空泵性能的影响，分析不同初设转速和压力工况的瞬态性能变化。
冷态零流量工况计算
实现了冷态运行阶段的抽气性能和热力性能计算，开发了冷态零流量压缩比计算软件，完成不同参数敏感性分析和压缩比拟合。
整机温度分布与热动力特性
通过龙格库塔方法实现气体压力和温度的模拟计算，通过固体稳态热数值计算模型实现固体部件和润滑油温度场的模拟，研究不同压力工况下的热态性能。
电机启动和过电压失速保护
模拟计算定频运行过程中突然加载造成的过电压失速运行，变频器频率降低防止电机过电压超载运行的策略分析。
分子动力学方法（DSMC）
在中高真空工况下，基于气体分子运动的DSMC方法适用于罗茨真空泵的流场流动计算，可准确描述分子流和过渡流区域的气体行为。
CFD计算方法
在低真空工况下，基于网格数值计算方法的CFD方法适用于罗茨真空泵流场运动计算，可精确描述粘滞流区域的流动特性。
顶-间-端三种间隙的周向面非均匀变化策略
研究机壳和转子热变形计算，分析齿尖间隙、齿顶间隙和端面间隙在不同工况下的变化规律。排气侧温度较高，整体呈现不均匀分布特点。当罗茨泵温度过高，转子和机壳热变形过大，转子卡转是常见故障。基于热变形计算为设计提供有效参考。
全过程变工况综合能耗评估方法
建立不同压力工况下的综合能耗评估模拟方法，实现电机、真空泵等具体部件的能耗模拟评估，完成罗茨真空泵变工况性能的计算分析。
多级罗茨真空泵的设计与开发
基于CFD方法的多级罗茨真空泵流场仿真分析，开发多级罗茨真空泵的设计方法与制造技术。多级罗茨结构可在半导体严苛工艺中提供更高的压缩比和更宽的运行范围。
核心科学问题
强泄漏高温升大形变稀薄气体压缩热物理过程的流-热-固耦合机理
解决路径
描述稀薄气体状态，实现多流态泄漏流动计算
表征部件温度场，引入流-热-固耦合机制
流-热-固耦合迭代求解，线性热膨胀假设
全工况性能实验测试台验证仿真结果
机理揭示与设计应用
解析干泵内部气体泄漏换热路径
揭示间隙结构变化规律
提出强化冷却结构设计方案
制定间隙非均匀布置策略
阐明转子型线与变螺距规律对工作过程的影响
建立转子动力学模型
解析驱动、传动与支撑部件载荷特性
指导电机设计、齿轮校核、轴承选配
完全自主知识产权
涵盖螺杆转子型线、变螺距结构、锥形转子、内啮合转子、扭叶罗茨转子、爪式泵转子等多种创新设计，从基础理论到关键技术实现全面自主可控。
发展方向
异形螺杆持续创新：锥形变螺距、变截面型线的进一步优化与产品化
多级组合泵技术：螺杆+罗茨组合方案实现全工况高效运行
智能化间隙调控：基于实时热变形监测的间隙自适应控制
半导体严苛工艺适配：耐颗粒、耐腐蚀、防卡转的专用设计
全过程数字孪生：从启动到热态运行的全工况仿真与预测
高性能低成本制造：车铣复合加工工艺优化与规模化
国产化替代加速：从6%国产化率向更高目标突破
跨领域应用拓展：光伏、锂电、核用等多场景适配
