專利名稱：氣體進口分布器及在于多晶硅還原爐上的應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及可以在單氣相雙組分非穩(wěn)態(tài)進料狀態(tài)下保證氣相優(yōu)良分布的氣體進口分布器，及在多晶硅還原爐內的應用。
背景技術：
目前，國內外應用比較廣泛的氣體分布器包括氣體分布器有多孔直管式、直管擋板式、雙列葉片式、切向環(huán)流式等。但是，一般來說，由于氣體從不同的開孔流出的速率不同，管式分布器很難達到均勻分布氣體的目的。同樣，雖然直管擋板式分布器在氣體出口上方設置了一塊擋板，使得氣體分布均勻程度有所改善，但還是無法令人滿意。而對于其他氣體分布器，在多組分氣體非穩(wěn)態(tài)進料的情況下，一般均存在分布效果不佳，操作穩(wěn)定性差等缺陷。針對上述情況，本文開發(fā)了一種新型的氣體分布器，可以明顯改善傳統(tǒng)氣體分布器存在的不足，尤其適用于多晶硅還原爐進口氣體的分布?，F(xiàn)在，生產(chǎn)多晶硅的主要工藝技術是改良西門子法。該工藝技術的核心步驟一一三氯氫硅的還原反應，是在多晶硅還原爐內進行的高純的三氯氫硅和氫氣按比例混合后通入多晶硅還原爐，在一定的溫度和壓力下，在通電高溫硅芯上進行沉積反應生成多晶硅。其中，作為反應物的三氯氫硅和氫氣的混合氣體首先經(jīng)過進口氣體分布器分配，然后經(jīng)還原爐底盤上不同位置的多個噴頭噴射進入多晶硅還原爐內發(fā)生反應。各個噴頭間進料流量的均布對于還原爐內沉積反應的反應速率和轉化率具有重要意義。然而，目前工業(yè)上采用的多晶硅還原爐氣體進口分布器基本為環(huán)管開孔式分布器，如圖1、圖2所示氣體進料首先通過傳統(tǒng)氣體分布器的進氣主管6，然后分別流入外環(huán)管7和內環(huán)管8，并經(jīng)內、外環(huán)管上開設的小孔進入傳統(tǒng)氣體分布器的出口管9，最后噴射進入多晶硅還原爐發(fā)生反應。生產(chǎn)實踐表明，這種傳統(tǒng)的氣體分布器不能有效的實現(xiàn)各個進口噴頭進料流量的均配，進而導致多晶硅還原爐內流場分布的嚴重不均，反應生成的多晶硅棒不規(guī)則，增加了多晶硅生產(chǎn)的能耗，并為后續(xù)產(chǎn)品的處理帶來困難。基于上面的考慮，我們結合多晶硅生產(chǎn)過程中對氣體分布的實際需要，開發(fā)了一種應用于多晶硅還原爐的氣體進口分布器。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于開發(fā)一種氣體進口分布器，同時應用于多晶硅還原爐的氣體進口分布器，如圖5所示。該分布器克服了傳統(tǒng)分布器分布嚴重不均的缺陷，可以有效保證還原爐底盤上各個噴頭的進料流量在整個工藝過程中分布均勻，優(yōu)化了還原爐內流場的分布，從而使得沉積反應在通電硅芯上均勻進行并提高了反應的速率和轉化率。本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的本發(fā)明的一種氣體進口分布器，首先將一級進氣管一分為二，形成兩個二級進氣管；每個二級進氣管進一步一分為二，形成四個三級進氣管；以此類推，最終出現(xiàn)十六個結構對稱、流體力學性能等價的五級進氣管。上述氣體分布器中，上一級進氣管分叉形成的兩個次級進氣管中心軸線之間的夾角為可30° 180° ；上述氣體分布器中，以兩個從同一進氣管分裂出來的次級進氣管中心軸線的角平分線和上一級進氣管的中心軸線決定的平面為基準，兩個次級進氣管成鏡面對稱；本發(fā)明的氣體進口分布器應用于多晶硅還原爐，將各個五級進氣管分別連接到還原爐底盤上相應位置處的噴頭上，向還原爐內噴射輸入氣體原料最后一級各個進氣管出口的圓心分布在直徑不等的兩個同心圓周上，每個圓周上分別有八個出口，且各出口間距相等；以還原爐的圓形底盤為基準，同一半徑上的兩個進氣管是由同一個上級進氣管分叉形成的。本發(fā)明的優(yōu)點在于考慮到多晶硅生產(chǎn)過程中進料狀態(tài)的特殊性和氣相沉積反應對進料分布的要求， 本文依照分型面原理開發(fā)的新型氣體進料分布器相比于傳統(tǒng)的氣體分布器，具有下面幾個優(yōu)點。其一，傳統(tǒng)的氣體分布器在實現(xiàn)氣體進料從各個噴頭均勻噴入的工藝要求上存在嚴重缺陷，導致還原爐內流場分布不均，生成的硅棒不規(guī)則。本專利開發(fā)的氣體分布器保證每一級進氣管嚴格對稱分叉，從而確保進入還原爐的各個噴頭的進料流量均等，以使氣相反應物在硅芯上均勻反應沉積，提高了整體的反應速率和轉化率。其二，由于在多晶硅實際生產(chǎn)過程中，隨著反應的進行，還原爐內的反應速率降低，進而要求進料量也隨之降低。對于傳統(tǒng)的氣體分布器，進料流量的波動會進一步惡化氣體進料的均勻性；而本專利提出的氣體分布器能夠嚴格保證在管道分叉的情況下等流量分配，氣體分配效果基本不受氣體進料流量變化的影響。其三，本專利開發(fā)的氣體分布器引導進料混合氣體在進氣管內分叉變向流動，加強了流動過程的湍動性，從而使得進料的兩組分實現(xiàn)進一步充分混合，對于提高沉積反應的反應速率和轉化率具有重要意義。綜合以上討論，本專利開發(fā)的新型氣體進口分布器可以保證在氣相雙組分非穩(wěn)態(tài)進料狀況下，多晶硅還原爐內宏觀尺度和微觀尺度上流場分布均勻，對于多晶硅生產(chǎn)過程中的節(jié)能降耗具有重要意義。


圖1 應用于多晶硅還原爐的傳統(tǒng)氣體進口分布器的俯視圖；圖2 應用于多晶硅還原爐的傳統(tǒng)氣體進口分布器的三維立體結構圖；圖3 本發(fā)明開發(fā)的應用于多晶硅還原爐的新型氣體分布器(從一級進氣管到四級進氣管部分)的俯視圖；圖4 本發(fā)明開發(fā)的應用于多晶硅還原爐的新型氣體分布器(從四級進氣管到五級進氣管部分)的俯視圖；圖5 本發(fā)明開發(fā)的氣體分布器的三維立體結構圖。圖示說明1 一級進氣管；2 二級進氣管；3 三級進氣管；4 四級進氣管；5 五級進氣管；6 傳統(tǒng)氣體分布器進氣主管；7 傳統(tǒng)氣體分布器外環(huán)管；8 傳統(tǒng)氣體分布器內環(huán)管；9 傳統(tǒng)氣體分布器出口管；a —級進氣管到二級進氣管的物流方向；b 二級進氣管到三級進氣管的物流方向；c 三級進氣管到四級進氣管的物流方向；d 四級進氣管到五級進氣管的物流方向。
具體實施例方式以直徑為2500mm的多晶硅還原爐為例，其滿足本發(fā)明技術要求的氣體進口分布器的主要技術特征描述如下如圖3、圖4、圖5所示，進氣主管(一級進氣管)1的直徑和長度分別為500mm 和400mm ；進氣主管一分為二，形成兩個二級進氣管2，二級進氣管2的直徑和長度分別為 354mm和350mm，且兩個二級進氣管2中心軸線的夾角為150°，兩中心軸線與一級進氣管1 中心軸線的夾角為75°，且兩二級進氣管2相對于其中心軸線的角平分線和上一級進氣管的中心軸線決定的平面成嚴格鏡面對稱；兩個二級進氣管2分別一分為二，形成四個三級進氣管3，三級進氣管3的直徑和長度分別為250mm和350mm，且同一個二級進氣管2分叉形成的兩個三級進氣管3中心軸線的夾角為150°，兩中心軸線與對應上一級進氣管中心軸線的夾角為75°，且此兩三級進氣管3相對于其中心軸線的角平分線和對應上一級進氣管的中心軸線決定的平面成嚴格鏡面對稱；四個三級進氣管3進一步分別一分為二，形成八個四級進氣管4，四級進氣管4的直徑和長度分別為177mm和350mm，且同一個三級進氣管3分叉形成的兩個四級進氣管4中心軸線的夾角為150°，兩中心軸線與對應上一級進氣管中心軸線的夾角為75°，且此兩四級進氣管4相對于其中心軸線的角平分線和對應上一級進氣管的中心軸線決定的平面成嚴格鏡面對稱；八個四級進氣管4進一步分別一分為二，形成十六個五級進氣管5，五級進氣管5的直徑和長度分別為125mm和200mm，且同一個四級進氣管4分叉形成的兩個五級進氣管5中心軸線的夾角為150°，兩中心軸線與對應上一級進氣管中心軸線的夾角為75°，且此兩五級進氣管5相對于其中心軸線的角平分線和對應上一級進氣管的中心軸線決定的平面成嚴格鏡面對稱。為定量驗證上述實施例的實際作用效果，本專利對滿足該多晶硅還原爐設計要求的傳統(tǒng)氣體分布器和新型氣體分布器分別進行了模擬計算。在本實施例中用于優(yōu)化效果對比的傳統(tǒng)氣體分布器為目前多晶硅生產(chǎn)工藝中普遍采用的環(huán)管開孔式分布器。主進氣管6的直徑和長度分別為500mm和400mm。外環(huán)管7 的直徑為600mm，外環(huán)管軸線到底盤圓心的距離是2000mm ；內環(huán)管8的直徑為1500mm，內環(huán)管軸線到底盤圓心的距離是1500mm。每個環(huán)管上均布有8個氣體出口，氣體出口管9的直徑和長度分別為125mm和200mm。模擬計算過程中，對于傳統(tǒng)的氣體進口分布器，如圖2所示，氣體進料從主進氣管 6進入分布器，然后依次流經(jīng)外環(huán)管7和內環(huán)管8，最后經(jīng)分布在環(huán)管上的氣體出口離開分布器，噴射進入多晶硅還原爐；對于新型的氣體進口分布器，如圖3、圖4所示，氣體進料從一級進氣管1進入分布器，然后依次沿著a、b、c、d方向，分別流經(jīng)二級進氣管2、三級進氣管3、四級進氣管4和五級進氣管5，最后由五級進氣管5上離開分布器，噴射進入多晶硅還原爐。模擬計算結果表明，當混合進料的流量為30m3/h時，傳統(tǒng)氣體分布器出口處16 個噴頭的噴射流量的方差為2. 62 ；新型氣體分布器出口處16個噴頭的噴射流量的方差為 0. 06。當混合進料的流量變?yōu)?0m3/h時，傳統(tǒng)氣體分布器出口處16個噴頭的噴射流量的方差為2. 95 ；新型氣體分布器出口處16個噴頭的噴射流量的方差為0. 07。
綜上所述，與傳統(tǒng)的氣體進口分布器相比，本發(fā)明提出的用于多晶硅還原爐的新型氣體進口分布器更好的均配了各個分布器出口管的噴射流量，優(yōu)化了多晶硅的生產(chǎn)工藝。
權利要求
1.一種氣體進口分布器，其特征在于，首先將一級進氣管一分為二，形成兩個二級進氣管；每個二級進氣管進一步一分為二，形成四個三級進氣管；以此類推，最終出現(xiàn)十六個結構對稱、流體力學性能等價的五級進氣管。
2.如權利要求1所述的氣體進口分布器，其特征在于，上一級進氣管分叉形成的兩個次級進氣管中心軸線之間的夾角為可30° 180°。
3.如權利要求1所述的氣體進口分布器，其特征在于，以兩個從同一進氣管分裂出來的次級進氣管中心軸線的角平分線和上一級進氣管的中心軸線決定的平面為基準，兩個次級進氣管成鏡面對稱。
4.將權利要求1、2或3的氣體進口分布器應用于多晶硅還原爐，其特征在于，將各個五級進氣管分別連接到還原爐底盤上相應位置處的噴頭上，向還原爐內噴射輸入氣體原料最后一級各個進氣管出口的圓心分布在直徑不等的兩個同心圓周上，每個圓周上分別有八個出口，且各出口間距相等；以還原爐的圓形底盤為基準，同一半徑上的兩個進氣管是由同一個上級進氣管分叉形成的。
全文摘要
本發(fā)明涉及氣體進口分布器及在于多晶硅還原爐上的應用。按照分型面原理，首先將一級進氣管一分為二，形成兩個二級進氣管；每個二級進氣管進一步一分為二，形成四個三級進氣管；以此類推，最終出現(xiàn)十六個結構對稱、等價的五級進氣管。將各個五級進氣管分別連接到還原爐底盤上相應位置處的噴頭上，向還原爐內噴射輸入氣體原料最后一級各個進氣管出口的圓心分布在直徑不等的兩個同心圓周上，同一半徑上的兩個進氣管是由同一個上級進氣管分叉形成的。本發(fā)明開發(fā)的新型氣體進口分布器可以保證在氣相雙組分非穩(wěn)態(tài)進料狀況下，多晶硅還原爐內宏觀尺度和微觀尺度上流場分布均勻，對于多晶硅生產(chǎn)過程中的節(jié)能降耗具有重要意義。
文檔編號C01B33/03GK102198940SQ20111008541
公開日2011年9月28日 申請日期2011年4月6日 優(yōu)先權日2011年4月6日
發(fā)明者劉春江, 李雪, 段長春, 袁希鋼, 趙丹 申請人:天津大學