一種多晶硅還原爐發(fā)明內(nèi)容

一種多晶硅還原爐專利目的

《一種多晶硅還原爐》的目的在于提出一種可以降低能耗并且可以提高產(chǎn)量的多晶硅還原爐。

一種多晶硅還原爐技術(shù)方案

根據(jù)《一種多晶硅還原爐》實(shí)施例的多晶硅還原爐，包括：底盤和爐體，所述爐體連接在所述底盤上且在所述爐體與所述底盤之間限定出反應(yīng)腔室；四十八對(duì)電極，所述四十八對(duì)電極設(shè)在所述底盤上且分別分布在第一、第二、第三和第四圓周，所述第一、第二、第三和第四圓周為以所述底盤中心為圓心且半徑依次增大的同心圓周；進(jìn)氣系統(tǒng)，所述進(jìn)氣系統(tǒng)包括設(shè)在所述底盤中部的多個(gè)噴嘴；和排氣系統(tǒng)，所述排氣系統(tǒng)包括多個(gè)排氣口，所述排氣口設(shè)在所述底盤上且位于所述第四圓周與所述爐體之間。

根據(jù)該發(fā)明實(shí)施例的多晶硅還原爐，所述四十八對(duì)電極設(shè)在所述底盤上且分別分布在第一、第二、第三和第四圓周，由此，可以合理利用熱能，同時(shí)也可以避免爐體內(nèi)側(cè)壁帶走過(guò)多熱量，可以降低熱量損耗。

另外，根據(jù)該發(fā)明上述實(shí)施例的多晶硅還原爐還可以具有如下附加的技術(shù)特征：

根據(jù)該發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的多晶硅還原爐，在所述第一、第二、第三和第四圓周上沿圓周方向依次均勻分布有六對(duì)、十對(duì)、十四對(duì)和十八對(duì)電極。電極如此布置，可以最大程度的合理利用熱能。

根據(jù)該發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的多晶硅還原爐，所述多個(gè)噴嘴分別分布于第五、第六、第七和第八圓周上，所述第五、第六、第七和第八圓周均以所述底盤中心為圓心且分別位于所述第一圓周之內(nèi)和第一與第二圓周、第二與第三圓周以及第三與第四圓周之間。由此，可以使工藝氣體在所述反應(yīng)腔室內(nèi)均勻分布，可以提高單爐產(chǎn)量。

有利地，根據(jù)該發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的多晶硅還原爐，所述多個(gè)噴嘴的數(shù)量為二十四個(gè)，其中在所述第五和第六圓周上分別均勻分布有四個(gè)噴嘴，第七和第八圓周上分別均勻分布有八個(gè)噴嘴。由此，可以使所述多個(gè)噴嘴的布局更為合理，可以有效地與所述四十八對(duì)電極相配合。

進(jìn)一步地，根據(jù)該發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的多晶硅還原爐，所述進(jìn)氣系統(tǒng)還包括：進(jìn)氣環(huán)管，所述進(jìn)氣環(huán)管位于所述底盤下方且與外部氣源相連通；二十四個(gè)進(jìn)氣管，所述二十四個(gè)進(jìn)氣管分別與所述二十四個(gè)噴嘴一一對(duì)應(yīng)且所述二十四個(gè)噴嘴通過(guò)所述二十四個(gè)進(jìn)氣管與所述進(jìn)氣環(huán)管相連接。由此，可以使每個(gè)所述噴嘴的進(jìn)氣量都保持一致。

根據(jù)該發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的多晶硅還原爐，所述多個(gè)排氣口的數(shù)量為八個(gè)。由此，可以使反應(yīng)尾氣及時(shí)排出。

根據(jù)該發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的多晶硅還原爐，所述底盤內(nèi)形成有第一冷卻腔，且所述第一冷卻腔具有第一冷卻介質(zhì)進(jìn)口和多個(gè)第一冷卻介質(zhì)出口，所述第一冷卻介質(zhì)進(jìn)口位于所述底盤的中央，而所述多個(gè)第一冷卻介質(zhì)出口與所述多個(gè)排氣口一一對(duì)應(yīng)設(shè)置，每個(gè)所述第一冷卻介質(zhì)出口連接有第一冷卻管且每個(gè)所述排氣口連接有尾氣管，所述第一冷卻管套設(shè)在所述尾氣管上。由此，可以改善生產(chǎn)條件，可以保證安全生產(chǎn)。

根據(jù)該發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的多晶硅還原爐，所述爐體內(nèi)設(shè)有第二冷卻腔且所述第二冷卻腔連接有第二冷卻介質(zhì)進(jìn)口和第二冷卻介質(zhì)出口，所述第二冷卻介質(zhì)進(jìn)口位于所述爐體的底部且所述第二冷卻介質(zhì)出口位于所述爐體的頂部，所述第二冷卻腔內(nèi)設(shè)有多個(gè)隔流擋板，所述多個(gè)隔流擋板在所述第二冷卻腔內(nèi)由下至上繞所述反應(yīng)腔室呈螺旋狀分布。由此，可以改善生產(chǎn)條件，可以保證安全生產(chǎn)。

根據(jù)該發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的多晶硅還原爐，所述爐體包括位于下部的筒體和設(shè)在所述筒體頂端的封頭，所述封頭為中空半球體。由此，可以減小上升氣流在所述反應(yīng)腔室頂部的上升阻力。

有利地，根據(jù)該發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的多晶硅還原爐，所述爐體上還設(shè)有多個(gè)觀察鏡，所述多個(gè)觀察鏡在所述筒體的高度方向上均勻分布成多排且所述多個(gè)觀察鏡沿所述筒體的周向均勻分布。由此，可以及時(shí)觀察所述反應(yīng)腔室內(nèi)的情況。

該發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過(guò)該發(fā)明的實(shí)踐了解到。

一種多晶硅還原爐有益效果

根據(jù)《一種多晶硅還原爐》實(shí)施例的多晶硅還原爐，可以合理利用熱能，同時(shí)也可以避免爐體內(nèi)側(cè)壁帶走過(guò)多熱量，可以降低熱量損耗。

多晶硅還原爐是多晶硅生產(chǎn)中產(chǎn)出最終產(chǎn)品的核心設(shè)備，也是決定系統(tǒng)產(chǎn)能、能耗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此，多晶硅還原爐的設(shè)計(jì)和制造，直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量和生產(chǎn)成本。隨著全球經(jīng)濟(jì)危機(jī)的影響下，多晶硅的價(jià)格持續(xù)下降，產(chǎn)業(yè)利潤(rùn)不斷被壓縮，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。因此，有效地降低多晶硅能耗，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，是2011年多晶硅生產(chǎn)企業(yè)需要解決的重要問(wèn)題。

截至2011年生產(chǎn)多晶硅主要采用“改良西門子法”，通常將一定配比的三氯氫硅（SiHCl₃）和氫氣（H₂）混合氣從底部進(jìn)氣口噴入，在還原爐內(nèi)發(fā)生氣相還原反應(yīng)，反應(yīng)生成的硅（Si）直接沉積在爐內(nèi)的硅芯表面，隨著反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，硅棒不斷生長(zhǎng)最終達(dá)到產(chǎn)品要求。由于還原爐內(nèi)部硅芯需要維持在1050℃-1100℃進(jìn)行生產(chǎn)，外部用冷卻夾套進(jìn)行冷卻，因此，使用12對(duì)棒、18對(duì)棒等還原爐生產(chǎn)多晶硅還原能耗大，生產(chǎn)成本高，已經(jīng)不適應(yīng)2011年激烈市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的要求，迫切需求一種能夠節(jié)能降耗的新型還原爐的出現(xiàn)。該發(fā)明旨在至少解決上述技術(shù)問(wèn)題之一。

圖1是根據(jù)《一種多晶硅還原爐》的一個(gè)實(shí)施例的多晶硅還原爐的示意圖；

圖2是根據(jù)《一種多晶硅還原爐》的另一實(shí)施例的多晶硅還原爐的示意圖。

1.《一種多晶硅還原爐》其特征在于，包括：底盤和爐體，所述爐體連接在所述底盤上且在所述爐體與所述底盤之間限定出反應(yīng)腔室；四十八對(duì)電極，所述四十八對(duì)電極設(shè)在所述底盤上且分別分布在第一、第二、第三和第四圓周，所述第一、第二、第三和第四圓周為以所述底盤中心為圓心且半徑依次增大的同心圓周；進(jìn)氣系統(tǒng)，所述進(jìn)氣系統(tǒng)包括設(shè)在所述底盤中部的多個(gè)噴嘴；和排氣系統(tǒng)，所述排氣系統(tǒng)包括多個(gè)排氣口，所述排氣口設(shè)在所述底盤上且位于所述第四圓周與所述爐體之間；其中，所述多個(gè)噴嘴分別分布于第五、第六、第七和第八圓周上，所述第五、第六、第七和第八圓周均以所述底盤中心為圓心且分別位于所述第一圓周之內(nèi)和第一與第二圓周、第二與第三圓周以及第三與第四圓周之間；所述多個(gè)噴嘴的數(shù)量為二十四個(gè)，其中在所述第五和第六圓周上分別均勻分布有四個(gè)噴嘴，第七和第八圓周上分別均勻分布有八個(gè)噴嘴。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶硅還原爐，其特征在于，在所述第一、第二、第三和第四圓周上沿圓周方向依次均勻分布有六對(duì)、十對(duì)、十四對(duì)和十八對(duì)電極。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶硅還原爐，其特征在于，所述進(jìn)氣系統(tǒng)還包括：進(jìn)氣環(huán)管，所述進(jìn)氣環(huán)管位于所述底盤下方且與外部氣源相連通；二十四個(gè)進(jìn)氣管，所述二十四個(gè)進(jìn)氣管分別與所述二十四個(gè)噴嘴一一對(duì)應(yīng)且所述二十四個(gè)噴嘴通過(guò)所述二十四個(gè)進(jìn)氣管與所述進(jìn)氣環(huán)管相連接。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶硅還原爐，其特征在于，所述多個(gè)排氣口的數(shù)量為八個(gè)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶硅還原爐，其特征在于，所述底盤內(nèi)形成有第一冷卻腔，且所述第一冷卻腔具有第一冷卻介質(zhì)進(jìn)口和多個(gè)第一冷卻介質(zhì)出口，所述第一冷卻介質(zhì)進(jìn)口位于所述底盤的中央，而所述多個(gè)第一冷卻介質(zhì)出口與所述多個(gè)排氣口一一對(duì)應(yīng)設(shè)置，每個(gè)所述第一冷卻介質(zhì)出口連接有第一冷卻管且每個(gè)所述排氣口連接有尾氣管，所述第一冷卻管套設(shè)在所述尾氣管上。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶硅還原爐，其特征在于，所述爐體內(nèi)設(shè)有第二冷卻腔且所述第二冷卻腔連接有第二冷卻介質(zhì)進(jìn)口和第二冷卻介質(zhì)出口，所述第二冷卻介質(zhì)進(jìn)口位于所述爐體的底部且所述第二冷卻介質(zhì)出口位于所述爐體的頂部，所述第二冷卻腔內(nèi)設(shè)有多個(gè)隔流擋板，所述多個(gè)隔流擋板在所述第二冷卻腔內(nèi)由下至上繞所述反應(yīng)腔室呈螺旋狀分布。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶硅還原爐，其特征在于，所述爐體包括位于下部的筒體和設(shè)在所述筒體頂端的封頭，所述封頭為中空半球體。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的多晶硅還原爐，其特征在于，所述爐體上還設(shè)有多個(gè)觀察鏡，所述多個(gè)觀察鏡在所述筒體的高度方向上均勻分布成多排且所述多個(gè)觀察鏡沿所述筒體的周向均勻分布。

如圖1-2所示，根據(jù)該發(fā)明實(shí)施例的多晶硅還原爐，包括：底盤10，爐體20，四十八對(duì)電極30，進(jìn)氣系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)。

具體地，爐體20連接在底盤10上且在爐體20與底盤10之間限定出反應(yīng)腔室1020。

四十八對(duì)電極30設(shè)在底盤10上且分別分布在第一、第二、第三和第四圓周，所述第一、第二、第三和第四圓周為以底盤10中心為圓心且半徑依次增大的同心圓周。

所述進(jìn)氣系統(tǒng)包括設(shè)在底盤10中部的多個(gè)噴嘴41。

所述排氣系統(tǒng)包括多個(gè)排氣口51，排氣口51設(shè)在底盤10上且位于所述第四圓周與爐體20之間。

根據(jù)該發(fā)明實(shí)施例的多晶硅還原爐，四十八對(duì)電極30設(shè)在底盤10上且分別分布在四個(gè)同心圓周即第一、第二、第三和第四圓周上，由此，可以合理利用熱能，同時(shí)也可以避免爐體內(nèi)側(cè)壁帶走過(guò)多熱量，可以降低熱量損耗。

如圖2所示，根據(jù)該發(fā)明一個(gè)實(shí)施例，在所述第一、第二、第三和第四圓周上（即如圖2中所示的從內(nèi)至外的第二個(gè)、第四個(gè)、第六個(gè)和第八個(gè)圓周）沿圓周方向依次均勻分布有六對(duì)、十對(duì)、十四對(duì)和十八對(duì)電極30。在所述第一、第二、第三和第四圓周的每個(gè)圓周上，相鄰的兩個(gè)電極30通過(guò)電極板連接，由此成為一對(duì)電極。由此，可以簡(jiǎn)化對(duì)電極30的控制，并可以最大程度的合理利用熱能。

根據(jù)該發(fā)明一些實(shí)施例，多個(gè)噴嘴41分別分布于分別分布于第五、第六、第七和第八圓周上（即如圖2中所示的從內(nèi)至外的第一個(gè)、第三個(gè)、第五個(gè)和第七個(gè)圓周）上，所述第五、第六、第七和第八圓周均以所述底盤中心為圓心且分別位于所述第一圓周之內(nèi)和第一與第二圓周、第二與第三圓周以及第三與第四圓周之間。也就是說(shuō)，電極30所在的圓周和噴嘴41所在的圓周為相互間隔。由此，可以使工藝氣體在反應(yīng)腔室1020內(nèi)均勻分布，可以提高單爐產(chǎn)量。

有利地，根據(jù)該發(fā)明一個(gè)示例，多個(gè)噴嘴41的數(shù)量為二十四個(gè)，其中在所述第五和第六圓周上分別均勻分布有四個(gè)噴嘴41，第七和第八圓周上分別均勻分布有八個(gè)噴嘴41。由此，可以使噴嘴41的布局更為合理，可以有效地與所述四十八對(duì)電極相配合。

進(jìn)一步地，根據(jù)該發(fā)明一個(gè)具體示例，所述進(jìn)氣系統(tǒng)還包括，進(jìn)氣環(huán)管42和二十四個(gè)進(jìn)氣管43。

具體地，進(jìn)氣環(huán)管42位于底盤10下方且與外部氣源相連通。

二十四個(gè)進(jìn)氣管43的分別與二十四個(gè)噴嘴41一一對(duì)應(yīng)且二十四個(gè)噴嘴41通過(guò)二十四個(gè)進(jìn)氣管43與進(jìn)氣環(huán)管42相連接。由此，可以使每個(gè)噴嘴41的進(jìn)氣量都保持一致，從而可以保證反應(yīng)腔室1020內(nèi)氣流流暢均勻。

根據(jù)該發(fā)明一個(gè)實(shí)施例，多個(gè)排氣口51的數(shù)量為八個(gè)。有利地，根據(jù)該發(fā)明一個(gè)具體示例，如圖2所示，八個(gè)排氣口沿以底盤10的中心為圓心的圓周上（即如圖2中所示的從內(nèi)至外的第九個(gè)圓周）。由此，可以使反應(yīng)尾氣及時(shí)排出。

如圖1所示，根據(jù)該發(fā)明一個(gè)實(shí)施例，底盤10內(nèi)形成有第一冷卻腔101，且第一冷卻腔101具有第一冷卻介質(zhì)進(jìn)口102和多個(gè)第一冷卻介質(zhì)出口103，第一冷卻介質(zhì)進(jìn)口102位于底盤10的中央，而多個(gè)第一冷卻介質(zhì)出口103與多個(gè)排氣口51一一對(duì)應(yīng)設(shè)置，每個(gè)第一冷卻介質(zhì)出口103連接有第一冷卻管且每個(gè)排氣口51連接有尾氣管，所述第一冷卻管套設(shè)在所述尾氣管上。由此，可以簡(jiǎn)化多晶硅還原爐的設(shè)計(jì)并可以改善生產(chǎn)條件，可以保證安全生產(chǎn)。

根據(jù)該發(fā)明一個(gè)示例，爐體20內(nèi)設(shè)有第二冷卻腔203且第二冷卻腔203連接有第二冷卻介質(zhì)進(jìn)口204和第二冷卻介質(zhì)出口205，第二冷卻介質(zhì)進(jìn)口204位于爐體20的底部且第二冷卻介質(zhì)出口205位于爐體20的頂部，第二冷卻腔203內(nèi)設(shè)有多個(gè)隔流擋板206，多個(gè)隔流擋板206在第二冷卻腔203內(nèi)由下至上繞反應(yīng)腔室1020呈螺旋狀分布。由此，可以改善生產(chǎn)條件，可以保證安全生產(chǎn)。

根據(jù)該發(fā)明一些實(shí)施例，爐體20包括位于下部的筒體201和設(shè)在筒體201頂端的封頭202，封頭202為中空半球體。由此，可以減小上升氣流在反應(yīng)腔室1020頂部的上升阻力。

有利地，根據(jù)該發(fā)明一個(gè)實(shí)施例，如圖1所示，爐體20上還設(shè)有多個(gè)觀察鏡60，多個(gè)觀察鏡60在筒體201的高度方向上均勻分布成多排且多個(gè)觀察鏡60沿筒體201的周向均勻分布。由此，可以及時(shí)觀察所述反應(yīng)腔室內(nèi)的情況。

根據(jù)該發(fā)明實(shí)施例的多晶硅還原爐，四十八對(duì)電極30在所述第一、第二、第三和第四圓周上（即如圖2中所示的從內(nèi)至外的第二個(gè)、第四個(gè)、第六個(gè)和第八個(gè)圓周）沿圓周方向依次均勻分布有六對(duì)、十對(duì)、十四對(duì)和十八對(duì)電極30。該電極30的布局有利于最大化合理利用熱能，同時(shí)避免爐筒內(nèi)側(cè)的冷卻壁面帶走過(guò)多熱量，降低熱量損耗。在第五、第六、第七和第八圓周（即如圖2中所示的從內(nèi)至外的第一個(gè)、第三個(gè)、第五個(gè)和第七個(gè)圓周）上分別均勻設(shè)有四個(gè)、四個(gè)、八個(gè)和八個(gè)噴嘴，在沿以底盤10的中心為圓心的圓周上（即如圖2中所示的從內(nèi)至外的第九個(gè)圓周）均勻設(shè)有八個(gè)排氣口51，這樣的設(shè)計(jì)取消了中央出氣口，避免了中央出氣口附近由于憋壓造成的流動(dòng)死區(qū)，提高了反應(yīng)腔室1020內(nèi)下部區(qū)域的生產(chǎn)效率。使用外圈出氣的結(jié)構(gòu)，使得還原爐內(nèi)氣流循環(huán)時(shí)，直接從外圈排出，避免反應(yīng)副產(chǎn)物回到中央的氣流上升區(qū)，造成物料反混。爐體10上部的封頭202為半球形封頭。半球形封頭的受力良好，球殼應(yīng)力小，與筒體201相比，厚度較其他形式的封頭可以適當(dāng)減薄。進(jìn)過(guò)模擬計(jì)算，球形封頭的下部的上升氣流在頂部的上升阻力減小，在高度2400-3200毫米左右氣速明顯增加，有利于解決硅棒上部菜花嚴(yán)重的問(wèn)題，對(duì)硅棒橋連部分的質(zhì)量有一定改善作用；這一特征在內(nèi)圈硅棒上表現(xiàn)更為明顯，硅棒表面氣速比一般的橢圓形封頭有10％左右的提升。

根據(jù)該發(fā)明實(shí)施例的多晶硅還原爐，通過(guò)對(duì)多晶硅還原爐的底盤10和爐體20的結(jié)構(gòu)尺寸，以及電極30、進(jìn)氣口41和排氣孔51的分布進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，每公斤多晶硅能耗可以降低25％-35％，單爐產(chǎn)量可達(dá)到10-12噸，可有效降低多晶硅生產(chǎn)成本。

2020年7月，《一種多晶硅還原爐》獲得第二十一屆中國(guó)專利銀獎(jiǎng)。

《一種48對(duì)棒還原爐爐體結(jié)構(gòu)》涉及多晶硅制備裝置技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于多晶硅還原爐的爐體結(jié)構(gòu)。

改良西門子法是國(guó)際上生產(chǎn)多晶硅的主流技術(shù)，其核心設(shè)備為還原爐，還原爐的工作原理是通過(guò)通電高溫硅芯將三氯氫硅與氫氣的混和氣體反應(yīng)生成多晶硅并沉積在硅芯上，最終產(chǎn)物是沉積在硅芯上的多晶硅，產(chǎn)品最終以多晶硅棒的形式從還原爐中采出。

全世界有超過(guò)85％的多晶硅是采用改良西門子法生產(chǎn)的。改良西門子法是一種化學(xué)方法，首先利用冶金硅（純度要求在99.5％以上）與氯化氫（HCl）合成產(chǎn)生便于提純的三氯氫硅氣體（SiHCl3，下文簡(jiǎn)稱TCS），然后將TCS精餾提純，最后通過(guò)還原反應(yīng)和化學(xué)氣相沉積（CVD）將高純度的TCS轉(zhuǎn)化為高純度的多晶硅。

中國(guó)國(guó)內(nèi)大多是廠家在多晶硅生產(chǎn)方面采用24/36對(duì)棒還原爐，電耗成本為生產(chǎn)多晶硅的主要成本之一，并且，小容量還原爐的電耗成本更高。高電耗在很大程度上制約著行業(yè)的發(fā)展，相比小型還原爐，大型還原爐有單爐產(chǎn)量高，產(chǎn)品單耗低、物料利用率高等優(yōu)勢(shì)。因此，無(wú)論從生產(chǎn)效率，還是節(jié)能降耗方面來(lái)講，多晶硅還原工藝采用大型還原爐是必然趨勢(shì)。

在多晶硅還原爐的容積增加到48對(duì)棒時(shí)，還原爐內(nèi)的溫場(chǎng)、流場(chǎng)復(fù)雜性增加，復(fù)雜的爐內(nèi)溫度場(chǎng)及流場(chǎng)環(huán)境以及多晶硅生產(chǎn)對(duì)低能耗的要求，都促使著更為實(shí)用、更為節(jié)能、更為先進(jìn)的48對(duì)棒還原爐爐體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。還原爐容量的擴(kuò)大，使得進(jìn)料流速、物料流場(chǎng)、溫場(chǎng)等影響多晶硅生長(zhǎng)的關(guān)鍵參數(shù)變得更加復(fù)雜，需要開(kāi)發(fā)一系列關(guān)鍵技術(shù)，以保障關(guān)鍵參數(shù)的穩(wěn)定，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大型還原爐的高效、穩(wěn)定運(yùn)行，還原爐的爐體是保障多晶硅生長(zhǎng)和還原爐穩(wěn)定運(yùn)行的主要部件，是實(shí)現(xiàn)還原爐大型化和降低還原爐能耗的關(guān)鍵。

因此，如何針對(duì)還原爐設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)更為合理的爐體結(jié)構(gòu)，使其在氣流流動(dòng)、冷卻散熱、溫度控制等方面具有更優(yōu)良的性能即成為業(yè)界亟待解決的問(wèn)題之一。

一種48對(duì)棒還原爐爐體結(jié)構(gòu)專利目的

《一種48對(duì)棒還原爐爐體結(jié)構(gòu)》要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更合理、具有更高的強(qiáng)度、爐內(nèi)熱量輻射損失更小、可提高硅棒的沉積生長(zhǎng)效率以及保證硅棒的均勻生長(zhǎng)的48對(duì)棒還原爐爐體結(jié)構(gòu)，主要針對(duì)具有48對(duì)電極的爐體結(jié)構(gòu)。

一種48對(duì)棒還原爐爐體結(jié)構(gòu)技術(shù)方案

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，《一種48對(duì)棒還原爐爐體結(jié)構(gòu)》采用如下技術(shù)方案：一種48對(duì)棒還原爐爐體結(jié)構(gòu)，爐體部分包括有外壁、夾層和內(nèi)壁，內(nèi)壁與夾層連接，夾層與外壁連接，夾層內(nèi)部設(shè)置有內(nèi)件，其特征在于：內(nèi)件包括X型加強(qiáng)筋及頂部物料進(jìn)氣管；所述內(nèi)壁為三層復(fù)合結(jié)構(gòu)，外層為殼體，中間層為納米微孔隔熱層，內(nèi)層為納米銀涂層，納米微孔隔熱層附著于外層的內(nèi)表面，納米銀涂層則附著于納米微孔隔熱層的內(nèi)表面，納米微孔隔熱層采用納米微孔隔熱材料制成；在夾層內(nèi)設(shè)有由底向上圍繞內(nèi)壁外部呈螺旋上升的若干組X型加強(qiáng)筋，X型加強(qiáng)筋的兩端分別與外壁及內(nèi)壁連接固定；在爐體的夾層內(nèi)設(shè)有由底向上圍繞內(nèi)壁外部呈螺旋上升的爐體頂部物料進(jìn)氣管，進(jìn)氣管自爐體的頂部伸入內(nèi)壁中。

納米微孔隔熱材料具有巨大的比表面積，納米顆粒之間的接觸為極小的點(diǎn)接觸，點(diǎn)接觸的熱阻非常大，使得材料的傳導(dǎo)傳熱效應(yīng)變得非常小，導(dǎo)致納米級(jí)微孔隔熱材料的傳導(dǎo)傳熱系數(shù)非常?。患{米顆粒之間形成大量的納米級(jí)氣孔，其尺寸平均在20納米，而靜止空氣的分子常溫下的平均熱運(yùn)動(dòng)自由程為60納米，這樣就把空氣分子鎖閉在粉料納米氣孔之內(nèi)，使得靜止空氣分子之間的微小對(duì)流傳熱作用消失，因而納米微孔隔熱材料的常溫導(dǎo)熱系數(shù)比靜止的空氣還要低；在高溫下，傳熱的主要作用是熱輻射，納米微孔隔熱材料添加特殊的紅外添加劑，在高溫下阻止和反射紅外射線，把輻射傳熱作用降低到最低點(diǎn)，使得材料高溫下的輻射傳熱系數(shù)降低到最低值，從而有效降低爐內(nèi)熱量的流失。

進(jìn)一步地，進(jìn)氣管的進(jìn)氣口設(shè)于外壁的底部，而進(jìn)氣管位于內(nèi)壁中的末端連接有一半球型進(jìn)氣噴頭，進(jìn)氣噴頭的半球面上均勻分布有若干出氣孔。該進(jìn)氣管可以將物料氣通向爐體頂部，作為輔助進(jìn)氣通道與還原爐的底盤主進(jìn)氣噴嘴配合，為還原爐提供更為均勻的物料氣分布，使得多晶硅能夠更均勻的生長(zhǎng)。

進(jìn)一步地，所述夾層內(nèi)部設(shè)置有內(nèi)件，其內(nèi)部形成夾層冷卻水通道，在外壁的底部設(shè)有夾層冷卻水通道的進(jìn)水口，在外壁的頂部設(shè)有夾層冷卻水通道的出水口。進(jìn)一步地，所述納米銀涂層為反射率95％以上的高反射率納米銀涂層，該納米銀涂層的厚度為0.5～2毫米，納米銀涂層能夠?qū)t內(nèi)紅外輻射有效的反射回爐內(nèi)，從而減少爐內(nèi)熱量的輻射散失。并且納米銀涂層的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，熔點(diǎn)高達(dá)961℃，能夠很好地適應(yīng)爐內(nèi)的高溫和腐蝕性工作環(huán)境。涂層具有良好的導(dǎo)熱性，其導(dǎo)熱率（420瓦/米·度）接近鐵導(dǎo)熱率的七倍，良好的導(dǎo)熱性使得爐內(nèi)具有趨熱性的氯化氫氣體在涂層表面形成一層氣體層，氣體層能夠有效防止?fàn)t內(nèi)硅粉塵在內(nèi)壁上的沉積。

進(jìn)一步地，所述內(nèi)壁的殼體采用碳鋼等合金材料制成，而X型加強(qiáng)筋通過(guò)焊接或鑄造加工方式連接于內(nèi)壁的外部殼體上。

進(jìn)一步地，所述X型加強(qiáng)筋的截面呈X形狀，X型加強(qiáng)筋形成兩個(gè)三角形對(duì)頂結(jié)構(gòu)，兩個(gè)三角形底部分別連接于內(nèi)壁外側(cè)與外壁內(nèi)側(cè)。三角形穩(wěn)定的力學(xué)結(jié)構(gòu)能夠?yàn)闋t體內(nèi)外壁提供有效的結(jié)構(gòu)支撐，從而加強(qiáng)爐體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

進(jìn)一步地，所述X型加強(qiáng)筋的交叉位置設(shè)置為圓角結(jié)構(gòu)，通過(guò)圓角處理，可避免X型加強(qiáng)筋截面的幾何形狀突變，從而減緩X型加強(qiáng)筋內(nèi)部的應(yīng)力集中情況，提高其耐疲勞強(qiáng)度。

進(jìn)一步地，所述X型加強(qiáng)筋為中空結(jié)構(gòu)，其下部及上部與夾層形成的冷卻水通道連通。夾層中的冷卻水可以通過(guò)X型加強(qiáng)筋的中空部分沿其分布路徑螺旋上升，直接到達(dá)夾層頂部，不用將冷卻水充滿整個(gè)夾層也能達(dá)到冷卻作用，并且，加強(qiáng)筋的X型截面中空部通水后可起到“散熱板”的作用，增大冷卻水與金屬壁的接觸面積，從而提高冷卻水的散熱效率。

進(jìn)一步地，所述進(jìn)氣管附著于所述X型加強(qiáng)筋上并沿X型加強(qiáng)筋延伸至外壁的頂部，如此可無(wú)需為該進(jìn)氣管重新設(shè)計(jì)進(jìn)氣通道，從而提高爐體的使用功能，降低爐體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。同時(shí)，螺旋形通道也可起到均勻吸收夾層冷卻水熱量的作用。

進(jìn)一步地，所述半球型進(jìn)氣噴頭的噴頭半球面部分豎直朝下設(shè)置，噴頭半球面上的出氣孔沿噴頭半球面的半徑方向設(shè)置。半球型腔可以對(duì)進(jìn)氣管中的物料氣起到緩沖降壓的作用，降低了物料氣對(duì)爐內(nèi)硅棒的氣流沖擊，為還原爐頂部提供了流動(dòng)較為溫和的進(jìn)氣。

同時(shí)，氣體物料從半球型進(jìn)氣噴頭半球面的出氣孔中噴出。從噴頭中部出氣孔中噴出的氣體可以為爐內(nèi)多晶硅棒頂部連接橋提供均勻的物料氣，避免了多晶硅棒頂部連接橋爆米花狀沉積的產(chǎn)生，更有力與提高對(duì)晶硅的成長(zhǎng)質(zhì)量，并且，從噴頭中部出氣孔中噴出的氣體可以為爐內(nèi)多晶硅棒頂部連接橋進(jìn)行一定的降溫。從噴頭外徑出氣孔中噴出的氣體可以為整個(gè)爐內(nèi)物料氣體的循環(huán)起到氣體導(dǎo)流的作用，進(jìn)一步的提升還原爐內(nèi)物料氣體的均勻分布，為多晶硅的均勻生長(zhǎng)體用了更有利的生長(zhǎng)環(huán)境。

《一種48對(duì)棒還原爐爐體結(jié)構(gòu)》所需的爐體冷卻水通過(guò)爐體外壁底部的冷卻水進(jìn)水口進(jìn)入爐體夾層，當(dāng)冷卻水充滿夾層后，由爐體外壁頂部的夾層冷卻水出水口排除。其中，一部分冷卻水通過(guò)由夾層底向上圍繞內(nèi)壁外部呈螺旋上升的X型加強(qiáng)筋的中空處，沿著X型加強(qiáng)筋的螺旋上升軌跡直接到達(dá)夾層頂部空間，從而起到非常好的冷卻效果。而物料氣體從爐體外壁底部的進(jìn)氣口進(jìn)入，然后由底向上通過(guò)圍繞內(nèi)壁外部呈螺旋上升的物料進(jìn)氣管到達(dá)爐體頂部，最后通過(guò)進(jìn)氣管末端的半球型進(jìn)氣噴頭噴入還原爐內(nèi)供料，為還原爐提供更為均勻的物料氣分布，使得多晶硅能夠更均勻地生長(zhǎng)。在夾層內(nèi)設(shè)置由底向上圍繞內(nèi)壁外部呈螺旋上升的X型爐體加強(qiáng)筋可提高整個(gè)爐體的強(qiáng)度。設(shè)置納米銀涂層使?fàn)t內(nèi)熱輻射經(jīng)爐體內(nèi)壁內(nèi)部高反射率納米銀涂層反射后，有效反射回爐體內(nèi)部，大幅降低熱量損失。在爐體內(nèi)壁中間設(shè)置納米微孔隔熱材料進(jìn)一步隔絕了爐內(nèi)熱量向外散失。從而使本爐體結(jié)構(gòu)具有良好的機(jī)械強(qiáng)度及承壓能力，能夠使?fàn)t內(nèi)物料氣體更流暢地循環(huán)，并有效地減少爐內(nèi)熱量的輻射損失，更有利于多晶硅的快速、均勻成長(zhǎng)。