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多級羅茨型干泵的工作原理
更新時間：2025-08-04
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多級羅茨型干泵是一種無油干式真空泵，通過多級羅茨轉子串聯實現從大氣壓至中高真空（10?3 Pa）的高效抽氣。其核心設計融合了羅茨泵的非接觸式容積壓縮與多級協同的溫度控制，解決了單級羅茨泵壓縮比不足和高溫變形問題，尤其適用于半導體、光伏等潔凈真空工藝。以下從結構、工作流程及物理原理三方面展開闡述：
轉子系統
羅茨轉子對：每級由一對雙葉或三葉共軛轉子組成（間隙約0.1–0.3mm），通過同步齒輪反向旋轉實現非接觸式氣體輸送。轉子采用高強度鋁合金或涂層鋼（如DLC涂層），減少熱膨脹導致的摩擦風險。
多級串聯：典型配置為3–5級串聯（如Edwards的iXL系列為四級），前級處理高流量氣體（近大氣壓），后級處理低流量高真空氣體。
級間冷卻系統
氣體導流通道：級間設置蛇形冷卻流道，通入常溫氣體（如氮氣）或循環冷卻液，將前級壓縮后的高溫氣體（可達200°C）冷卻至80°C以下，避免下一級轉子熱變形。
散熱鰭片：泵體外殼集成強制風冷/水冷模塊，維持整機溫度均衡。
密封與驅動
動密封：磁力聯軸器或陶瓷軸封隔離驅動電機，確保真空側零油污染。
變頻電機：根據負載動態調節轉速（通常500–3000 rpm），優化能耗。
以四級羅茨泵為例，氣體經歷“吸入→壓縮→冷卻→再壓縮"的循環：
第一級（大氣壓→103 Pa）
大容積吸氣：進氣口通入氣體，轉子旋轉形成負壓腔，吸入大流量氣體（如空氣或工藝氣體）。
低壓縮比輸送：轉子將氣體封閉并推送至排氣口，壓縮比約2–5（受限于轉子間隙回漏）。
第二級（103 Pa→102 Pa）
預壓縮與冷卻：前級排氣氣體進入級間冷卻器，溫度從150°C降至60°C，體積收縮。
中壓輸送：二級轉子對冷卻后氣體進一步壓縮，壓縮比提升至5–10。
第三級（102 Pa→10 Pa）
高壓縮比工作：氣體流量顯著降低，轉子通過精密間隙（0.15mm級）減少回漏，壓縮比達10–20。
熱負荷管理：冷卻系統重點控溫，防止高溫導致轉子膨脹卡死。
第四級（10 Pa→10?3 Pa）
分子流態抽氣：氣體分子平均自由程大于腔體尺寸，轉子以“掃掠"方式捕獲殘余氣體，壓縮比高達50以上。
末端排氣：壓縮氣體經末級排氣閥排出，出口壓力接近大氣壓。
關鍵物理機制：
容積置換：轉子旋轉周期性改變腔體容積，實現氣體定向輸送（幾何抽速公式：S = λ·n·V，λ為容積效率，n為轉速，V為腔體容積）。
間隙密封：轉子與泵體間微米級間隙形成氣體粘滯流阻力，減少高壓側向低壓側回流（Hagen-Poiseuille定律）。
多級羅茨泵的核心難點在于絕熱壓縮溫升與材料熱變形的矛盾：
溫升抑制技術
級間冷卻：強制對流冷卻降低氣體焓值（如三級泵級間溫降ΔT>80°C）。
轉子內部流道：部分設計在轉子內部設置冷卻液通道（如Ebara的DRYVAC系列），直接冷卻熱源。
熱膨脹補償
材料匹配：泵體選用鑄鐵（CTE≈11×10??/K），轉子用低膨脹鋁合金（CTE≈23×10??/K），預留熱態間隙。
預緊力設計：同步齒輪采用彈性預緊結構，補償高溫下齒輪側隙增大。
技術優勢對比
| 參數 | 多級羅茨干泵 | 單級羅茨泵 | 旋片油封泵 |
|---|---|---|---|
| 極限真空 | 10?3 Pa | 10?1 Pa | 10?2 Pa |
| 潔凈度 | ISO 0級（無油） | 需過濾器 | 油污染風險 |
| 耐粉塵能力 | 強（間隙自潔） | 中等 | 弱（油劣化） |
核心應用場景
半導體刻蝕/CVD：處理腐蝕性氣體（如CF?、Cl?），無油設計防止工藝污染。
光伏鍍膜：配合分子泵抽PECVD反應腔，抽速達1000 m3/h（如Leybold的DRYVAC 6000）。
鋰電干燥：在手套箱除水工藝中，耐受納米級電極粉塵侵入。
多級羅茨型干泵通過分級壓縮、級間冷卻、間隙密封三大創新，突破了傳統干泵的真空極限與溫升瓶頸，成為制造業的“真空心臟"。未來隨著磁懸浮轉子（無接觸軸承）和數字孿生溫控技術的應用，其能效與可靠性將進一步升級，為量子計算、新型光伏等前沿領域提供更純凈的真空環境。
