《Vacuum》：Operating Characteristics of a Dry Claw Vacuum Pump with Novel Symmetric Involute Rotors under Variable Inlet Pressure
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真空系统优化理论与双叶轮转子性能研究。提出对称渐开线双叶轮新轮廓，建立零维数学模型并通过三维数值模拟和实验验证，分析入口压力变化对质量流量脉动、气体轴向径向力及容积效率的影响。研究揭示低入口压力（<7.5kPa）时泄漏压缩主导，入口/出口面积缩减加剧流量波动，压力降低导致气体力矩增大而容积效率显著下降。该成果为真空泵设计优化提供理论支撑。
任春吉|王军|张兆军|李颖|王增利
中国石油大学（华东）新能源学院氢能装备与安全重点实验室，青岛266580，中国
摘要：
干式爪式真空泵（DCVP）以其无油运行、高可靠性和颗粒处理能力而广泛应用于半导体制造等众多行业。为了揭示DCVP的工作机理和运行特性，本研究提出了一种新型的对称渐开线双爪转子轮廓，并建立了其工作过程的零维数学模型。通过三维数值模拟验证了该模型的有效性，同时研究了不同入口压力下的压力场和压缩过程。分析了DCVP的质量流量波动、轴向和径向气体力以及气体阻力扭矩。系统研究了入口压力对功耗和容积效率的影响。结果表明，当入口压力低于7.5 kPa时，泄漏增压过程占主导地位；入口和出口端口面积的减小会加剧质量流量波动。随着入口压力的降低，轴向和径向力以及气体阻力扭矩增加，而容积效率和指示功显著下降。这些发现为泵的优化和真空系统能效的提升提供了理论基础。
引言
随着全球能源需求的持续增长，半导体制造业因其巨大的能源消耗和环境影响而受到越来越多的关注[1]、[2]、[3]。作为半导体制造中最关键的基础设施之一，真空系统为蚀刻、沉积和光刻等关键工艺提供了所需的受控低压环境，确保了工艺稳定性、产品质量和污染控制[4]、[5]、[6]。
真空泵是创建和维持所需真空环境的核心组件。在各种类型的泵中，干式真空泵因无油运行、优异的清洁度以及与恶劣工艺气体的兼容性而成为主流技术。干式真空泵主要包括螺杆泵、罗茨泵和爪式泵，它们用于满足不同的真空等级和运行要求。螺杆真空泵适用于大型工艺腔的粗抽阶段[7]、[8]、[9]，但由于其多螺杆表面的啮合结构，对加工和装配要求较高，不适合处理含颗粒的介质。罗茨真空泵具有较大的抽气能力，但缺乏内部压缩功能，不能直接排放到大气中[10]、[11]、[12]。干式爪式真空泵（DCVP）采用两个非接触式、同步旋转的爪形转子来捕获和压缩气体，从而产生清洁无油的真空环境。DCVP具有结构简单和内部压缩过程的特点，并具有一定的颗粒处理能力。此外，多级DCVP便于级间冷却，更适合用于恶劣半导体工艺中的前级泵。
DCVP的性能在很大程度上取决于转子轮廓的优化。在DCVP的轮廓设计方面，研究人员致力于开发更高效的爪形转子轮廓。谢某[13]开发了一种传统爪形转子轮廓的参数化设计方法，并研究了不同参数对泵性能以及吸入口和排出口的影响。Giuffrida[14]设计了一种具有直线和弧线平滑过渡的爪形转子轮廓，提高了填充性能并解决了传统轮廓的尖角问题。王某[15]、[16]使用弧线优化了传统曲爪转子的尖角，并推导出了新型轮廓的参数方程。有限元分析表明，优化后的转子具有更优越的机械性能。Nguyen[17]提出了一种基于密封线的爪形转子轮廓反向生成方法，有效避免了转子轮廓的干涉和欠切现象。潘某[18]优化了三爪转子，并对设计参数对泵性能的影响进行了敏感性分析。潘某[19]设计了一种混合齿轮-爪形转子，有效减少了内部泄漏并提高了DCVP的容积效率。杨某[20]研究了DCVP中对称双爪转子的运行特性，并随后优化了转子设计。魏某[21]开发了一种完全光滑的对称双爪转子轮廓，并通过数值模拟分析了新转子的性能特性。
数值模拟已成为研究DCVP不可或缺的工具，能够详细分析实验难以捕捉的热力学过程。王某[22]通过数值模拟研究了DCVP的混合过程，并揭示了其对运行特性和腔内流场分布的影响。董某[23]模拟了爪式氢泵的瞬态内部流动，并分析了入口压力、出口压力、转速和间隙对其性能的影响。顾某[24]、[25]使用结构化网格模拟了爪式泵的流动，并研究了轴向和径向间隙对内部泄漏的影响。所有间隙都可以通过田口法和人工神经网络进行优化。卢某[26]分析了切割单元笛卡尔网格的准确性，并验证了网格生成方法的有效性。结果表明，将切割单元笛卡尔网格应用于爪式泵的数值模拟可以准确捕捉流场特性。潘某[18]、[19]使用动态网格对三爪泵和齿轮-爪式泵进行了流动模拟，并研究了运行过程中腔内的压力和速度分布。然而，这些分析仅限于特定的DCVP入口压力。
工作过程模型可用于分析DCVP的热力学性能。Raykov[27]开发了一种单爪真空泵的热力学模型，以预测其在不同结构参数下的运行特性。Willie[28]通过将零维模型与三维CFD耦合，模拟了双爪DCVP的性能，特别关注流量、效率和功耗。辛某[29]、[30]开发了一种两级DCVP的热力学模型，并通过实验进行了验证。该研究分析了两级爪形转子的几何结构对功耗和泵效率的影响。卢某[31]提出了一种数学模型，用于研究三爪真空泵的工作过程，并分析了DCVP运行过程中的温度、压力和能耗。任某[32]开发了一种DCVP的气体力模型，以研究不同叶片数转子的动态特性。然而，这项研究也仅限于特定的入口压力，未揭示转子在不同运行条件下的气体力。
传统真空泵和氢循环泵中使用的爪形转子主要采用非对称轮廓结构。具体来说，两个啮合的爪形转子具有不同的轮廓。非对称转子轮廓的设计导致结构复杂、制造成本增加以及运行过程中压力脉动加剧。此外，现有关于DCVP性能和流场的研究主要基于恒定入口压力的稳态边界条件。然而，在实际的真空抽取过程中，DCVP的入口压力会持续且显著变化，表明真空过程是一个瞬态运行过程。在这种变化的运行条件下，泵送速度和热力学行为与稳态运行时存在显著差异。这些差异会严重影响DCVP的功耗和效率以及爪形转子的动态性能。
为了解决上述问题，本研究采用了一种新型的对称渐开线双爪转子，而非大多数压缩机和氢循环泵使用的传统非对称爪形轮廓。所提出的两个啮合转子具有基于渐开线的相同、严格自啮合的轮廓。推导出了新型转子的参数方程，并将其容积利用率与现有转子进行了定量比较。此外，还建立了零维热力学工作过程模型，并进行了三维瞬态CFD模拟，并通过实验进行了验证。在可变入口压力条件下，研究了压力场、增压机制、质量流量波动、转子轴向和径向气体力、气体阻力扭矩、指示功分布和容积效率。本研究的内容为新型真空泵的设计和应用提供了基础。
章节片段
真空系统和DCVP的结构
本节介绍了半导体工艺用真空系统的结构组件，并强调了真空泵的作用。分析了DCVP的结构特性，并推导出了双爪转子轮廓的参数方程。研究了DCVP的工作过程和工作室体积的变化。
DCVP的零维工作过程模型
本节确定了DCVP的控制体积，并推导出了泄漏方程。基于能量守恒方程，建立了DCVP的零维热力学模型，并推导出了DCVP性能参数的计算方程。
数值模拟和实验
本节提出了一种DCVP的数值模拟方法，并验证了其收敛性。建立了一个实验测试装置来测试DCVP的性能。通过比较理论计算、数值模拟和实验得到的容积效率，验证了模型的准确性。
结果与讨论
本节分析了DCVP在不同入口压力下的运行特性。通过CFD模拟获得了详细的压力分布、增压过程和进出口质量流量波动；而0-D模型计算了指示压力、p-V图、指示功、容积效率以及瞬态轴向/径向气体力和气体阻力扭矩。
结论
本研究提出了一种新型的对称双爪轮廓，开发了带有新型转子的DCVP数学模型，并通过数值模拟研究了其压缩特性。分析了在不同入口压力条件下DCVP的质量流量、爪形转子的瞬态气体力、功耗和容积效率。
随着入口压力的降低，等容过程中的压力上升会增加，而
作者贡献声明
任春吉：撰写——原始草案、可视化、软件、方法论、形式分析。王军：数据整理、概念化。王增利：研究。张兆军：软件。李颖：验证
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（52176029）和国家国防科技创新项目的支持。
