多级罗茨型干泵的工作原理

多级罗茨型干泵是一种无油干式真空泵，通过多级罗茨转子串联实现从大气压至中高真空（10⁻³ Pa）的高效抽气。其核心设计融合了罗茨泵的非接触式容积压缩与多级协同的温度控制，解决了单级罗茨泵压缩比不足和高温变形问题，尤其适用于半导体、光伏等洁净真空工艺。以下从结构、工作流程及物理原理三方面展开阐述：

⚙️ 一、核心结构设计：多级串联与热管理

1. 转子系统

• 罗茨转子对：每级由一对双叶或三叶共轭转子组成（间隙约0.1–0.3mm），通过同步齿轮反向旋转实现非接触式气体输送。转子采用高强度铝合金或涂层钢（如DLC涂层），减少热膨胀导致的摩擦风险。

• 多级串联：典型配置为3–5级串联（如Edwards的iXL系列为四级），前级处理高流量气体（近大气压），后级处理低流量高真空气体。

2. 级间冷却系统

• 气体导流通道：级间设置蛇形冷却流道，通入常温气体（如氮气）或循环冷却液，将前级压缩后的高温气体（可达200°C）冷却至80°C以下，避免下一级转子热变形。

• 散热鳍片：泵体外壳集成强制风冷/水冷模块，维持整机温度均衡。

3. 密封与驱动

• 动密封：磁力联轴器或陶瓷轴封隔离驱动电机，确保真空侧零油污染。

• 变频电机：根据负载动态调节转速（通常500–3000 rpm），优化能耗。

🔄 二、工作流程：四级压缩的物理实现

以四级罗茨泵为例，气体经历“吸入→压缩→冷却→再压缩"的循环：

1. 第一级（大气压→10³ Pa）

• 大容积吸气：进气口通入气体，转子旋转形成负压腔，吸入大流量气体（如空气或工艺气体）。

• 低压缩比输送：转子将气体封闭并推送至排气口，压缩比约2–5（受限于转子间隙回漏）。

2. 第二级（10³ Pa→10² Pa）

• 预压缩与冷却：前级排气气体进入级间冷却器，温度从150°C降至60°C，体积收缩。

• 中压输送：二级转子对冷却后气体进一步压缩，压缩比提升至5–10。

3. 第三级（10² Pa→10 Pa）

• 高压缩比工作：气体流量显著降低，转子通过精密间隙（0.15mm级）减少回漏，压缩比达10–20。

• 热负荷管理：冷却系统重点控温，防止高温导致转子膨胀卡死。

4. 第四级（10 Pa→10⁻³ Pa）

• 分子流态抽气：气体分子平均自由程大于腔体尺寸，转子以“扫掠"方式捕获残余气体，压缩比高达50以上。

• 末端排气：压缩气体经末级排气阀排出，出口压力接近大气压。

关键物理机制：

• 容积置换：转子旋转周期性改变腔体容积，实现气体定向输送（几何抽速公式：S = λ·n·V，λ为容积效率，n为转速，V为腔体容积）。

• 间隙密封：转子与泵体间微米级间隙形成气体粘滞流阻力，减少高压侧向低压侧回流（Hagen-Poiseuille定律）。

🌡️ 三、热力学挑战与解决方案

多级罗茨泵的核心难点在于绝热压缩温升与材料热变形的矛盾：

1. 温升抑制技术

• 级间冷却：强制对流冷却降低气体焓值（如三级泵级间温降ΔT>80°C）。

• 转子内部流道：部分设计在转子内部设置冷却液通道（如Ebara的DRYVAC系列），直接冷却热源。

2. 热膨胀补偿

• 材料匹配：泵体选用铸铁（CTE≈11×10⁻⁶/K），转子用低膨胀铝合金（CTE≈23×10⁻⁶/K），预留热态间隙。

• 预紧力设计：同步齿轮采用弹性预紧结构，补偿高温下齿轮侧隙增大。

🚀 四、性能优势与行业应用

1. 技术优势对比

   参数	多级罗茨干泵	单级罗茨泵	旋片油封泵
   极限真空	10⁻³ Pa	10⁻¹ Pa	10⁻² Pa
   洁净度	ISO 0级（无油）	需过滤器	油污染风险
   耐粉尘能力	强（间隙自洁）	中等	弱（油劣化）

2. 核心应用场景

• 半导体刻蚀/CVD：处理腐蚀性气体（如CF₄、Cl₂），无油设计防止工艺污染。

• 光伏镀膜：配合分子泵抽PECVD反应腔，抽速达1000 m³/h（如Leybold的DRYVAC 6000）。

• 锂电干燥：在手套箱除水工艺中，耐受纳米级电极粉尘侵入。

💎 结语

多级罗茨型干泵通过分级压缩、级间冷却、间隙密封三大创新，突破了传统干泵的真空极限与温升瓶颈，成为制造业的“真空心脏"。未来随着磁悬浮转子（无接触轴承）和数字孪生温控技术的应用，其能效与可靠性将进一步升级，为量子计算、新型光伏等前沿领域提供更纯净的真空环境。