本發(fā)明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)。

背景技術(shù)：

改良西門子法是國際上生產(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，下文簡稱tcs)，然后將tcs精餾提純，最后通過還原反應(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。

國內(nèi)大多是廠家在多晶硅生產(chǎn)方面采用24/36對棒還原爐，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。因此，無論從生產(chǎn)效率，還是節(jié)能降耗方面來講，多晶硅還原工藝采用大型還原爐是必然趨勢。

在多晶硅還原爐的容積增加到48對棒時，還原爐內(nèi)的溫場、流場復(fù)雜性增加，復(fù)雜的爐內(nèi)溫度場及流場環(huán)境以及多晶硅生產(chǎn)對低能耗的要求，都促使著更為實(shí)用、更為節(jié)能、更為先進(jìn)的48對棒還原爐爐體結(jié)構(gòu)的設(shè)計。還原爐容量的擴(kuò)大，使得進(jìn)料流速、物料流場、溫場等影響多晶硅生長的關(guān)鍵參數(shù)變得更加復(fù)雜，需要開發(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，如何針對還原爐設(shè)計結(jié)構(gòu)更為合理的爐體結(jié)構(gòu)，使其在氣流流動、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)界亟待解決的問題之一。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種結(jié)構(gòu)設(shè)計更合理、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效率以及保證硅棒的均勻生長的48對棒還原爐爐體結(jié)構(gòu)，主要針對具有48對電極的爐體結(jié)構(gòu)。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種48對棒還原爐爐體結(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)致納米級微孔隔熱材料的傳導(dǎo)傳熱系數(shù)非常??；納米顆粒之間形成大量的納米級氣孔，其尺寸平均在20nm，而靜止空氣的分子常溫下的平均熱運(yùn)動自由程為60nm，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。

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0.5～2mm，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(420w/m·k)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)壁的殼體采用碳鋼或合金制成，而x型加強(qiáng)筋通過焊接、鑄造或去材料加工方式連接于內(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)筋形成兩個三角形對頂結(jié)構(gòu)，兩個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，如此可無需為該進(jìn)氣管重新設(shè)計進(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，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，降低了物料氣對爐內(nèi)硅棒的氣流沖擊，為還原爐頂部提供了流動較為溫和的進(jìn)氣。同時，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，更有力與提高對晶硅的成長質(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體用了更有利的生長環(huán)境。

本發(fā)明所需的爐體冷卻水通過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。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。

附圖說明

圖1為本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明x型加強(qiáng)筋分布結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明物料進(jìn)氣管分布結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為爐體壁結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為半球型進(jìn)氣噴頭結(jié)構(gòu)示意圖。

1為外壁，2為夾層，21為x型加強(qiáng)筋，22為出水口，23為進(jìn)水口，24為進(jìn)氣口，3為內(nèi)壁，31為納米銀涂層，32為納米微孔隔熱層，33為殼體，4為進(jìn)氣噴頭，41為噴頭半球面，42為出氣孔，5為進(jìn)氣管。

具體實(shí)施方式

本實(shí)施例中，參照圖1-圖5，所述48對棒還原爐爐體結(jié)構(gòu)，爐體部分包括有外壁1、夾層2和內(nèi)壁3，內(nèi)壁3與夾層2連接，夾層2與外壁1連接，夾層2內(nèi)部設(shè)置有內(nèi)件；所述內(nèi)壁3為三層復(fù)合結(jié)構(gòu)，外層為殼體33，中間層為納米微孔隔熱層32，內(nèi)層為納米銀涂層31，納米微孔隔熱層32附著于外層的內(nèi)表面，納米銀涂層31則附著于納米微孔隔熱層32的內(nèi)表面，納米微孔隔熱層32采用納米微孔隔熱材料制成；在夾層2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21，x型加強(qiáng)筋21的兩端分別與外壁1及內(nèi)壁3連接固定；在爐體的夾層2內(nèi)設(shè)有由底向上圍繞內(nèi)壁3外部呈螺旋上升的爐體頂部物料進(jìn)氣管5，進(jìn)氣管5自爐體的頂部伸入內(nèi)壁3中。

進(jìn)氣管5的進(jìn)氣口24設(shè)于外壁1的底部，而進(jìn)氣管5位于內(nèi)壁3中的末端連接有一半球型進(jìn)氣噴頭4，進(jìn)氣噴頭4的半球面上均勻分布有若干出氣孔42。該進(jìn)氣管5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。

所述夾層2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1的底部設(shè)有夾層冷卻水通道的進(jìn)水口23，在外壁1的頂部設(shè)有夾層冷卻水通道的出水口22。

所述納米銀涂層31為反射率95％以上的高反射率納米銀涂層，該納米銀涂層31的厚度為0.5～2mm，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(420w/m·k)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。

所述內(nèi)壁3的殼體33采用碳鋼或合金制成，而x型加強(qiáng)筋21通過焊接(鑄造或去材料加工亦可)方式連接于內(nèi)壁3的外部殼體上。

所述x型加強(qiáng)筋21的截面呈x形狀，x型加強(qiáng)筋21形成兩個三角形對頂結(jié)構(gòu)，兩個三角形底部分別連接于內(nèi)壁3外側(cè)與外壁1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。

所述x型加強(qiáng)筋21的交叉位置設(shè)置為圓角結(jié)構(gòu)，通過圓角處理，可避免x型加強(qiáng)筋21截面的幾何形狀突變，從而減緩x型加強(qiáng)筋21內(nèi)部的應(yīng)力集中情況，提高其耐疲勞程度。

所述x型加強(qiáng)筋21為中空結(jié)構(gòu)，其下部及上部與夾層2形成的冷卻水通道連通。夾層2中的冷卻水可以通過x型加強(qiáng)筋21的中空部分沿其分布路徑螺旋上升，直接到達(dá)夾層2頂部，不用將冷卻水充滿整個夾層2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。

所述進(jìn)氣管5附著于所述x型加強(qiáng)筋21上并沿x型加強(qiáng)筋21延伸至外壁1的頂部，如此可無需為該進(jìn)氣管5重新設(shè)計進(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，螺旋形通道也可起到均勻吸收夾層冷卻水熱量的作用。

所述半球型進(jìn)氣噴頭4的噴頭半球面41部分豎直朝下設(shè)置，噴頭半球面41上的出氣孔42沿噴頭半球面的半徑方向設(shè)置。半球型腔可以對進(jìn)氣管5中的物料氣起到緩沖降壓的作用，降低了物料氣對爐內(nèi)硅棒的氣流沖擊，為還原爐頂部提供了流動較為溫和的進(jìn)氣。同時，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，更有力與提高對晶硅的成長質(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體用了更有利的生長環(huán)境。

還原爐內(nèi)部的輻射熱經(jīng)爐體內(nèi)壁33內(nèi)部的高反射率納米銀涂層31后被有效的反射回爐體內(nèi)部；內(nèi)壁3內(nèi)部的高反射率納米銀涂層31中傳遞的熱量經(jīng)爐體內(nèi)壁3中部的納米微孔隔熱層32后，熱量的向外傳遞被有效阻隔。部分傳出的熱量由爐體內(nèi)壁3外部殼體33傳遞后，經(jīng)夾層2中的冷卻水帶走；還有部分傳出的熱量經(jīng)爐體內(nèi)壁3外部殼體33后傳遞到x型加強(qiáng)筋21中，由夾層2中的冷卻水帶走，從而加大了冷卻效率。

物料氣體經(jīng)進(jìn)氣口24進(jìn)入頂部物料進(jìn)氣管5內(nèi)，通過由底向上圍繞內(nèi)壁外部呈螺旋上升的頂部物料進(jìn)氣管后到達(dá)爐體頂部，再通過半球型進(jìn)氣噴頭4中的出氣孔42為爐體頂部供料。

以上已將本發(fā)明做一詳細(xì)說明，以上所述，僅為本發(fā)明之較佳實(shí)施例而已，當(dāng)不能限定本發(fā)明實(shí)施范圍，即凡依本申請范圍所作均等變化與修飾，皆應(yīng)仍屬本發(fā)明涵蓋范圍內(nèi)。