CN102351191A - 一种具有新型喷嘴的多晶硅还原炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多晶硅还原炉，包括：底盘和炉体；四十八对电极，所述四十八对电极设在所述底盘上且分别分布在同心的第一、第二、第三和第四圆周；进气系统；和排气系统；其中，所述每个喷嘴包括形成有第一进气腔的基座；与所述基座的上端相连且形成有第二进气腔的引流部，所述第二进气腔与所述第一进气腔相连通且所述第二进气腔的横截面积小于所述第一进气腔的横截面积；和与所述引流部的上端相连且形成有位于中部的中央喷孔和环绕所述中央喷孔且沿圆周方向均匀分布的多个侧喷孔的导流部，所述中央喷孔和所述多个侧喷孔与所述第二进气腔相连通。根据本发明实施例的多晶硅还原炉，可以合理利用热能，同时也可以提高所述还原炉的生产效率。

Description

一种具有新型喷嘴的多晶硅还原炉

技术领域

本发明涉及多晶硅生产技术领域，特别是涉及一种具有新型喷嘴的多晶硅还原炉。

背景技术

多晶硅还原炉是多晶硅生产中产出最终产品的核心设备，也是决定系统产能、能耗的关键环节。因此，多晶硅还原炉的设计和制造，直接影响到产品的质量、产量和生产成本。随着全球经济危机的影响下，多晶硅的价格持续下降，产业利润不断被压缩，市场竞争日趋激烈。因此，有效地降低多晶硅能耗，提高产品质量，提高生产效率，是目前多晶硅生产企业需要解决的重要问题。

目前生产多晶硅主要采用“改良西门子法”，通常将一定配比的三氯氢硅(SiHCl₃)和氢气(H₂)混合气从底部进气口喷入，在还原炉内发生气相还原反应，反应生成的硅(Si)直接沉积在炉内的硅芯表面，随着反应的持续进行，硅棒不断生长最终达到产品要求。由于还原炉内部硅芯需要维持在1050℃-1100℃进行生产，外部用冷却夹套进行冷却，因此，使用12对棒、18对棒等还原炉生产多晶硅还原能耗大，生产成本高，已经不适应目前激烈市场竞争的要求，迫切需求一种能够节能降耗的新型还原炉的出现。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种可以降低能耗并且可以提高产量的多晶硅还原炉。

根据本发明实施例的多晶硅还原炉，包括：底盘和炉体，所述炉体连接在所述底盘上且在所述炉体与所述底盘之间限定出反应腔室；四十八对电极，所述四十八对电极设在所述底盘上且分别分布在第一、第二、第三和第四圆周，所述第一、第二、第三和第四圆周为以所述底盘中心为圆心且半径依次增大的同心圆周；进气系统，所述进气系统包括设在所述底盘中部的多个喷嘴；和排气系统，所述排气系统包括多个排气口，所述排气口设在所述底盘上且位于所述第四圆周与所述炉体之间；其中，所述每个喷嘴包括：基座，所述基座内形成有第一进气腔；引流部，所述引流部与所述基座的上端相连且所述引流部内形成有第二进气腔，所述第二进气腔与所述第一进气腔相连通且所述第二进气腔的横截面积小于所述第一进气腔的横截面积；和导流部，所述导流部与所述引流部的上端相连且所述引流部内形成有位于中部的中央喷孔和环绕所述中央喷孔且沿圆周方向均匀分布的多个侧喷孔，所述中央喷孔和所述多个侧喷孔与所述第二进气腔相连通。

根据本发明实施例的多晶硅还原炉，所述四十八对电极设在所述底盘上且分别分布在第一、第二、第三和第四圆周，由此，可以合理利用热能，同时也可以避免炉体内侧壁带走过多热量，可以降低热量损耗；所述喷嘴可以增加工艺气体流速且可以使工艺气体分布均匀，可以提高所述还原炉的生产效率。

另外，根据本发明上述实施例的多晶硅还原炉还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明一个实施例的多晶硅还原炉，在所述第一、第二、第三和第四圆周上沿圆周方向依次均匀分布有六对、十对、十四对和十八对电极。电极如此布置，可以最大程度的合理利用热能。

根据本发明一个实施例的多晶硅还原炉，所述多个喷嘴分别分布于第五、第六、第七和第八圆周上，所述第五、第六、第七和第八圆周均以所述底盘中心为圆心且分别位于所述第一圆周之内和第一与第二圆周、第二与第三圆周以及第三与第四圆周之间。由此，可以使工艺气体在所述反应腔室内均匀分布，可以提高单炉产量。

有利地，根据本发明一个实施例的多晶硅还原炉，所述多个喷嘴的数量为二十四个，其中在所述第五和第六圆周上分别均匀分布有四个喷嘴，第七和第八圆周上分别均匀分布有八个喷嘴。由此，可以使所述多个喷嘴的布局更为合理，可以有效地与所述四十八对电极相配合。

进一步地，根据本发明一个实施例的多晶硅还原炉，所述进气系统还包括：进气环管，所述进气环管位于所述底盘下方且与外部气源相连通；二十四个进气管，所述二十四个进气管分别与所述二十四个喷嘴一一对应且所述二十四个喷嘴通过所述二十四个进气管与所述进气环管相连接。由此，可以使每个所述喷嘴的进气量都保持一致。

进一步地，根据本发明一个实施例的多晶硅还原炉，所述喷嘴的导流部的中央喷孔的横截面积大于所述多个侧喷孔的每个的横截面积。由此，可以使中央气流所占的比例较大，可以更好地维持还原炉中上部的工艺气体供应。

进一步地，根据本发明一个实施例的多晶硅还原炉，所述多个侧喷孔的每个均为从底部以预定仰角旋转至顶部的侧旋喷孔。由此，可以形成侧旋气流并可以使侧旋气流向外侧扩张的效果更好。

进一步地，根据本发明一个实施例的多晶硅还原炉，所述多个侧旋喷孔的内表面的母线为双曲线、抛物线、椭圆弧线或渐开线。由此，可以便于加工。

根据本发明一个实施例的多晶硅还原炉，所述喷嘴的引流部的上部形成有外喇叭口型的连接锥段，所述导流部配合在所述连接锥段内。由此，可以便于所述导流部与所述引流部的连接。

根据本发明一个实施例的多晶硅还原炉，所述多个排气口的数量为八个。由此，可以使反应尾气及时排出。

根据本发明一个实施例的多晶硅还原炉，所述底盘内形成有第一冷却腔，且所述第一冷却腔具有第一冷却介质进口和多个第一冷却介质出口，所述第一冷却介质进口位于所述底盘的中央，而所述多个第一冷却介质出口与所述多个排气口一一对应设置，每个所述第一冷却介质出口连接有第一冷却管且每个所述排气口连接有尾气管，所述第一冷却管套设在所述尾气管上。由此，可以改善生产条件，可以保证安全生产。

根据本发明一个实施例的多晶硅还原炉，所述炉体内设有第二冷却腔且所述第二冷却腔连接有第二冷却介质进口和第二冷却介质出口，所述第二冷却介质进口位于所述炉体的底部且所述第二冷却介质出口位于所述炉体的顶部，所述第二冷却腔内设有多个隔流挡板，所述多个隔流挡板在所述第二冷却腔内由下至上绕所述反应腔室呈螺旋状分布。由此，可以改善生产条件，可以保证安全生产。

根据本发明一个实施例的多晶硅还原炉，所述炉体包括位于下部的筒体和设在所述筒体顶端的封头，所述封头为中空半球体。由此，可以减小上升气流在所述反应腔室顶部的上升阻力。

有利地，根据本发明一个实施例的多晶硅还原炉，所述炉体上还设有多个观察镜，所述多个观察镜在所述筒体的高度方向上均匀分布成多排且所述多个观察镜沿所述筒体的周向均匀分布。由此，可以及时观察所述反应腔室内的情况。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明的一个实施例的多晶硅还原炉的示意图；

图2是根据本发明的另一实施例的多晶硅还原炉的示意图；和

图3是根据本发明的一个实施例的多晶硅还原炉的喷嘴的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，一体地连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

下面参考附图详细描述根据本发明实施例的多晶硅还原炉。

如图1-3所示，根据本发明实施例的多晶硅还原炉，包括：底盘10，炉体20，四十八对电极30，进气系统和排气系统。

具体地，炉体20连接在底盘10上且在炉体20与底盘10之间限定出反应腔室1020。

四十八对电极30设在底盘10上且分别分布在第一、第二、第三和第四圆周，所述第一、第二、第三和第四圆周为以底盘10中心为圆心且半径依次增大的同心圆周。

所述进气系统包括设在底盘10中部的多个喷嘴41。

所述排气系统包括多个排气口51，排气口51设在底盘10上且位于所述第四圆周与炉体20之间。

其中，喷嘴41包括，基座411，引流部412和导流部413。

基座411内形成有第一进气腔4111。

引流部412与基座411的上端相连且引流部412内形成有第二进气腔4121，第二进气腔4121与第一进气腔4111相连通且第二进气腔4121的横截面积小于第一进气腔4111的横截面积。

导流部413与引流部412的上端相连且引流部412内形成有位于中部的中央喷孔4131和环绕中央喷孔4131且沿圆周方向均匀分布的多个侧喷孔4132，中央喷孔4131和多个侧喷孔4132与第二进气腔4121相连通。

根据本发明实施例的多晶硅还原炉，四十八对电极30设在底盘10上且分别分布在四个同心圆周即第一、第二、第三和第四圆周上，由此，可以合理利用热能，同时也可以避免炉体内侧壁带走过多热量，可以降低热量损耗；并且，采用的喷嘴41可以增加工艺气体流速且可以使工艺气体分布均匀，可以提高所述还原炉的生产效率。

如图2所示，根据本发明一个实施例，在所述第一、第二、第三和第四圆周上(即如图2中所示的从内至外的第二个、第四个、第六个和第八个圆周)沿圆周方向依次均匀分布有六对、十对、十四对和十八对电极30。在所述第一、第二、第三和第四圆周的每个圆周上，相邻的两个电极30通过电极板连接，由此成为一对电极。由此，可以简化对电极30的控制，并可以最大程度的合理利用热能。

根据本发明一些实施例，多个喷嘴41分别分布于分别分布于第五、第六、第七和第八圆周上(即如图2中所示的从内至外的第一个、第三个、第五个和第七个圆周)上，所述第五、第六、第七和第八圆周均以所述底盘中心为圆心且分别位于所述第一圆周之内和第一与第二圆周、第二与第三圆周以及第三与第四圆周之间。也就是说，电极30所在的圆周和喷嘴41所在的圆周为相互间隔。由此，可以使工艺气体在反应腔室1020内均匀分布，可以提高单炉产量。

有利地，根据本发明一个示例，多个喷嘴41的数量为二十四个，其中在所述第五和第六圆周上分别均匀分布有四个喷嘴41，第七和第八圆周上分别均匀分布有八个喷嘴41。由此，可以使喷嘴41的布局更为合理，可以有效地与所述四十八对电极相配合。

进一步地，根据本发明一个具体示例，如图2-3所示，所述进气系统还包括，进气环管42和二十四个进气管43。

具体地，进气环管42位于底盘10下方且与外部气源相连通。

二十四个进气管43的分别与二十四个喷嘴41一一对应且二十四个喷嘴41的基座411通过二十四个进气管43与进气环管42相连接。由此，可以使每个喷嘴41的进气量都保持一致，从而可以保证反应腔室1020内气流流畅均匀。

进一步地，如图3所示，根据本发明的一个具体示例，喷嘴41的导流部413的中央喷孔4131的横截面积大于多个侧喷孔4132的每个的横截面积。由此，可以使中央气流所占的比例较大，可以更好地维持还原炉中上部的工艺气体供应。

进一步地，根据本发明一个实施例，多个侧喷孔4132的每个均为从底部以预定仰角旋转至顶部的侧旋喷孔。由此，可以形成侧旋气流并可以使侧旋气流向外侧扩张的效果更好。

进一步地，根据本发明一个具体示例，所述多个侧旋喷孔的内表面的母线为双曲线、抛物线、椭圆弧线或渐开线。由此，可以便于加工。

根据本发明一个实施例，如图3所示，喷嘴41的引流部412的上部形成有外喇叭口型的连接锥段，导流部413配合在所述连接锥段内。由此，可以便于导流部413与引流部412的连接。

根据本发明一个实施例，多个排气口51的数量为八个。有利地，根据本发明一个具体示例，如图2所示，八个排气口沿以底盘10的中心为圆心的圆周上(即如图2中所示的从内至外的第八个圆周)。由此，可以使反应尾气及时排出。

如图1所示，根据本发明一个实施例，底盘10内形成有第一冷却腔101，且第一冷却腔101具有第一冷却介质进口102和多个第一冷却介质出口103，第一冷却介质进口102位于底盘10的中央，而多个第一冷却介质出口103与多个排气口51一一对应设置，每个第一冷却介质出口103连接有第一冷却管且每个排气口51连接有尾气管，所述第一冷却管套设在所述尾气管上。由此，可以简化多晶硅还原炉的设计并可以改善生产条件，可以保证安全生产。

根据本发明一个示例，炉体20内设有第二冷却腔203且第二冷却腔203连接有第二冷却介质进口204和第二冷却介质出口205，第二冷却介质进口204位于炉体20的底部且第二冷却介质出口205位于炉体20的顶部，第二冷却腔203内设有多个隔流挡板206，多个隔流挡板206在第二冷却腔203内由下至上绕反应腔室1020呈螺旋状分布。由此，可以改善生产条件，可以保证安全生产。

根据本发明一些实施例，炉体20包括位于下部的筒体201和设在筒体201顶端的封头202，封头202为中空半球体。由此，可以减小上升气流在反应腔室1020顶部的上升阻力。

有利地，根据本发明一个实施例，如图1所示，炉体20上还设有多个观察镜60，多个观察镜60在筒体201的高度方向上均匀分布成多排且多个观察镜60沿筒体201的周向均匀分布。由此，可以及时观察所述反应腔室内的情况。

根据本发明实施例的多晶硅还原炉，四十八对电极30在所述第一、第二、第三和第四圆周上(即如图2中所示的从内至外的第二个、第四个、第六个和第八个圆周)沿圆周方向依次均匀分布有六对、十对、十四对和十八对电极30。该电极30的布局有利于最大化合理利用热能，同时避免炉筒内侧的冷却壁面带走过多热量，降低热量损耗。在第五、第六、第七和第八圆周(即如图2中所示的从内至外的第一个、第三个、第五个和第七个圆周)上分别均匀设有四个、四个、八个和八个喷嘴，在沿以底盘10的中心为圆心的圆周上(即如图2中所示的从内至外的第九个圆周)均匀设有八个排气口51，这样的设计取消了中央出气口，避免了中央出气口附近由于憋压造成的流动死区，提高了反应腔室1020内下部区域的生产效率。使用外圈出气的结构，使得还原炉内气流循环时，直接从外圈排出，避免反应副产物回到中央的气流上升区，造成物料反混。炉体10上部的封头202为半球形封头。半球形封头的受力良好，球壳应力小，与筒体201相比，厚度较其他形式的封头可以适当减薄。进过模拟计算，球形封头的下部的上升气流在顶部的上升阻力减小，在高度2400-3200mm左右气速明显增加，有利于解决硅棒上部菜花严重的问题，对硅棒桥连部分的质量有一定改善作用；这一特征在内圈硅棒上表现更为明显，硅棒表面气速比一般的椭圆形封头有10％左右的提升。

根据本发明实施例的多晶硅还原炉在生产时，工艺气体从还原炉底盘10的进气管43首先进入喷嘴41。由于第二进气腔4121的横截面积小于第一进气腔4111的横截面积，气体在引流段412的流速有一定地增大。气体随后进入上部的导流段413后，以一定的比例分别进入中央喷孔4131和侧旋喷孔4132，由于中央喷孔4131和侧旋喷孔4132的总横截面积小于第二进气腔4121的横截面积，气体得到进一步加速。通过喷嘴41后工艺气体的速度可以增加到原来的200-400％。

气体在离开喷嘴41后，被分为中央气流和侧旋气流，中央气流的气速和所占气量比例较大，可以较好的到达还原炉顶部，维持还原炉中上部气体供应。侧旋气流可以有效地向还原炉的侧壁处扩张，扩大了进气气流的影响区域，并使得还原炉内部整体气流流场趋向均匀。通过现场使用证明，喷嘴41可以有效地改善多晶硅棒表面质量，并控制硅棒主体的粗细变化在10％以内。

根据本发明实施例的多晶硅还原炉，通过对多晶硅还原炉的底盘10和炉体20的结构尺寸，以及电极30、进气口41和排气孔51的分布进行优化设计后，每公斤多晶硅能耗可以降低25％-35％，单炉产量可达到10-12吨，可有效降低多晶硅生产成本。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (14)

1.一种多晶硅还原炉，其特征在于，包括：

底盘和炉体，所述炉体连接在所述底盘上且在所述炉体与所述底盘之间限定出反应腔室；

四十八对电极，所述四十八对电极设在所述底盘上且分别分布在第一、第二、第三和第四圆周，所述第一、第二、第三和第四圆周为以所述底盘中心为圆心且半径依次增大的同心圆周；

进气系统，所述进气系统包括设在所述底盘中部的多个喷嘴；和

排气系统，所述排气系统包括多个排气口，所述排气口设在所述底盘上且位于所述第四圆周与所述炉体之间；

其中，所述每个喷嘴包括：

基座，所述基座内形成有第一进气腔；

引流部，所述引流部与所述基座的上端相连且所述引流部内形成有第二进气腔，所述第二进气腔与所述第一进气腔相连通且所述第二进气腔的横截面积小于所述第一进气腔的横截面积；和

导流部，所述导流部与所述引流部的上端相连且所述引流部内形成有位于中部的中央喷孔和环绕所述中央喷孔且沿圆周方向均匀分布的多个侧喷孔，所述中央喷孔和所述多个侧喷孔与所述第二进气腔相连通。

2.根据权利要求1所述的多晶硅还原炉，其特征在于，在所述第一、第二、第三和第四圆周上沿圆周方向依次均匀分布有六对、十对、十四对和十八对电极。

3.根据权利要求1所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述多个喷嘴分别分布于第五、第六、第七和第八圆周上，所述第五、第六、第七和第八圆周均以所述底盘中心为圆心且分别位于所述第一圆周之内和第一与第二圆周、第二与第三圆周以及第三与第四圆周之间。

4.根据权利要求1或3所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述多个喷嘴的数量为二十四个，其中在所述第五和第六圆周上分别均匀分布有四个喷嘴，第七和第八圆周上分别均匀分布有八个喷嘴。

5.根据权利要求4所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述进气系统还包括：

进气环管，所述进气环管位于所述底盘下方且与外部气源相连通；

二十四个进气管，所述二十四个进气管分别与所述二十四个喷嘴一一对应且所述二十四个喷嘴的基座通过所述二十四个进气管与所述进气环管相连接。

6.根据权利要求5所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述喷嘴的导流部的中央喷孔的横截面积大于所述多个侧喷孔的每个的横截面积。

7.根据权利要求6所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述多个侧喷孔的每个均为从底部以预定仰角旋转至顶部的侧旋喷孔。

8.根据权利要求7所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述多个侧旋喷孔的内表面的母线为双曲线、抛物线、椭圆弧线或渐开线。

9.根据权利要求1或3所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述喷嘴的引流部的上部形成有外喇叭口型的连接锥段，所述导流部配合在所述连接锥段内。

10.根据权利要求1所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述多个排气口的数量为八个。

11.根据权利要求1所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述底盘内形成有第一冷却腔，且所述第一冷却腔具有第一冷却介质进口和多个第一冷却介质出口，所述第一冷却介质进口位于所述底盘的中央，而所述多个第一冷却介质出口与所述多个排气口一一对应设置，每个所述第一冷却介质出口连接有第一冷却管且每个所述排气口连接有尾气管，所述第一冷却管套设在所述尾气管上。

12.根据权利要求1所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述炉体内设有第二冷却腔且所述第二冷却腔连接有第二冷却介质进口和第二冷却介质出口，所述第二冷却介质进口位于所述炉体的底部且所述第二冷却介质出口位于所述炉体的顶部，所述第二冷却腔内设有多个隔流挡板，所述多个隔流挡板在所述第二冷却腔内由下至上绕所述反应腔室呈螺旋状分布。

13.根据权利要求1所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述炉体包括位于下部的筒体和设在所述筒体顶端的封头，所述封头为中空半球体。

14.根据权利要求13所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述炉体上还设有多个观察镜，所述多个观察镜在所述筒体的高度方向上均匀分布成多排且所述多个观察镜沿所述筒体的周向均匀分布。