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(xié)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：

?? 一、核心結構設計：多級串聯與熱管理

1. 轉子系統(tǒng)

• 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。

2. 級間冷卻系統(tǒng)

• 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(huán)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。

3. 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(tài)調節(jié)轉速（通常500–3000 rpm），優(yōu)化能耗。

?? 二、工作流程：四級壓縮的物理實現

以四級羅茨泵為例，氣體經歷“吸入→壓縮→冷卻→再壓縮"的循環(huán)：

1. 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）。

2. 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。

3. 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(tǒng)重點控溫，防止高溫導致轉子膨脹卡死。

4. 第四級（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）。

??? 三、熱力學挑戰(zhàn)與解決方案

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：

1. 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。

2. 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(tài)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。

?? 四、性能優(yōu)勢與行業(yè)應用

1. 技術優(yōu)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）

2. 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。

?? 結語

多級羅茨型干泵通過分級壓縮、級間冷卻、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(huán)境。