多級(jí)羅茨型干泵是一種無油干式真空泵，通過多級(jí)羅茨轉(zhuǎn)子串聯(lián)實(shí)現(xiàn)從大氣壓至中高真空（10?3 Pa）的高效抽氣。其核心設(shè)計(jì)融合了羅茨泵的非接觸式容積壓縮與多級(jí)協(xié)同的溫度控制，解決了單級(jí)羅茨泵壓縮比不足和高溫變形問題，尤其適用于半導(dǎo)體、光伏等潔凈真空工藝。以下從結(jié)構(gòu)、工作流程及物理原理三方面展開闡述：

?? 一、核心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：多級(jí)串聯(lián)與熱管理

1. 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)

• 羅茨轉(zhuǎn)子對(duì)：每級(jí)由一對(duì)雙葉或三葉共軛轉(zhuǎn)子組成（間隙約0.1–0.3mm），通過同步齒輪反向旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)非接觸式氣體輸送。轉(zhuǎn)子采用高強(qiáng)度鋁合金或涂層鋼（如DLC涂層），減少熱膨脹導(dǎo)致的摩擦風(fēng)險(xiǎn)。

• 多級(jí)串聯(lián)：典型配置為3–5級(jí)串聯(lián)（如Edwards的iXL系列為四級(jí)），前級(jí)處理高流量氣體（近大氣壓），后級(jí)處理低流量高真空氣體。

2. 級(jí)間冷卻系統(tǒng)

• 氣體導(dǎo)流通道：級(jí)間設(shè)置蛇形冷卻流道，通入常溫氣體（如氮?dú)猓┗蜓h(huán)冷卻液，將前級(jí)壓縮后的高溫氣體（可達(dá)200°C）冷卻至80°C以下，避免下一級(jí)轉(zhuǎn)子熱變形。

• 散熱鰭片：泵體外殼集成強(qiáng)制風(fēng)冷/水冷模塊，維持整機(jī)溫度均衡。

3. 密封與驅(qū)動(dòng)

• 動(dòng)密封：磁力聯(lián)軸器或陶瓷軸封隔離驅(qū)動(dòng)電機(jī)，確保真空側(cè)零油污染。

• 變頻電機(jī)：根據(jù)負(fù)載動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速（通常500–3000 rpm），優(yōu)化能耗。

?? 二、工作流程：四級(jí)壓縮的物理實(shí)現(xiàn)

以四級(jí)羅茨泵為例，氣體經(jīng)歷“吸入→壓縮→冷卻→再壓縮”的循環(huán)：

1. 第一級(jí)（大氣壓→103 Pa）

• 大容積吸氣：進(jìn)氣口通入氣體，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)形成負(fù)壓腔，吸入大流量氣體（如空氣或工藝氣體）。

• 低壓縮比輸送：轉(zhuǎn)子將氣體封閉并推送至排氣口，壓縮比約2–5（受限于轉(zhuǎn)子間隙回漏）。

2. 第二級(jí)（103 Pa→102 Pa）

• 預(yù)壓縮與冷卻：前級(jí)排氣氣體進(jìn)入級(jí)間冷卻器，溫度從150°C降至60°C，體積收縮。

• 中壓輸送：二級(jí)轉(zhuǎn)子對(duì)冷卻后氣體進(jìn)一步壓縮，壓縮比提升至5–10。

3. 第三級(jí)（102 Pa→10 Pa）

• 高壓縮比工作：氣體流量顯著降低，轉(zhuǎn)子通過精密間隙（0.15mm級(jí)）減少回漏，壓縮比達(dá)10–20。

• 熱負(fù)荷管理：冷卻系統(tǒng)重點(diǎn)控溫，防止高溫導(dǎo)致轉(zhuǎn)子膨脹卡死。

4. 第四級(jí)（10 Pa→10?3 Pa）

• 分子流態(tài)抽氣：氣體分子平均自由程大于腔體尺寸，轉(zhuǎn)子以“掃掠”方式捕獲殘余氣體，壓縮比高達(dá)50以上。

• 末端排氣：壓縮氣體經(jīng)末級(jí)排氣閥排出，出口壓力接近大氣壓。

關(guān)鍵物理機(jī)制：

• 容積置換：轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)周期性改變腔體容積，實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)速，V為腔體容積）。

• 間隙密封：轉(zhuǎn)子與泵體間微米級(jí)間隙形成氣體粘滯流阻力，減少高壓側(cè)向低壓側(cè)回流（Hagen-Poiseuille定律）。

??? 三、熱力學(xué)挑戰(zhàn)與解決方案

多級(jí)羅茨泵的核心難點(diǎn)在于絕熱壓縮溫升與材料熱變形的矛盾：

1. 溫升抑制技術(shù)

• 級(jí)間冷卻：強(qiáng)制對(duì)流冷卻降低氣體焓值（如三級(jí)泵級(jí)間溫降ΔT>80°C）。

• 轉(zhuǎn)子內(nèi)部流道：部分設(shè)計(jì)在轉(zhuǎn)子內(nèi)部設(shè)置冷卻液通道（如Ebara的DRYVAC系列），直接冷卻熱源。

2. 熱膨脹補(bǔ)償

• 材料匹配：泵體選用鑄鐵（CTE≈11×10??/K），轉(zhuǎn)子用低膨脹鋁合金（CTE≈23×10??/K），預(yù)留熱態(tài)間隙。

• 預(yù)緊力設(shè)計(jì)：同步齒輪采用彈性預(yù)緊結(jié)構(gòu)，補(bǔ)償高溫下齒輪側(cè)隙增大。

?? 四、性能優(yōu)勢與行業(yè)應(yīng)用

1. 技術(shù)優(yōu)勢對(duì)比

   參數(shù)	多級(jí)羅茨干泵	單級(jí)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(jí)（無油）	需過濾器	油污染風(fēng)險(xiǎn)
   耐粉塵能力	強(qiáng)（間隙自潔）	中等	弱（油劣化）

2. 核心應(yīng)用場景

• 半導(dǎo)體刻蝕/CVD：處理腐蝕性氣體（如CF?、Cl?），無油設(shè)計(jì)防止工藝污染。

• 光伏鍍膜：配合分子泵抽PECVD反應(yīng)腔，抽速達(dá)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(jí)電極粉塵侵入。

?? 結(jié)語

多級(jí)羅茨型干泵通過分級(jí)壓縮、級(jí)間冷卻、間隙密封三大創(chuàng)新，突破了傳統(tǒng)干泵的真空極限與溫升瓶頸，成為制造業(yè)的“真空心臟”。未來隨著磁懸浮轉(zhuǎn)子（無接觸軸承）和數(shù)字孿生溫控技術(shù)的應(yīng)用，其能效與可靠性將進(jìn)一步升級(jí)，為量子計(jì)算、新型光伏等前沿領(lǐng)域提供更純凈的真空環(huán)境。