《一種多晶矽還原爐》是中國恩菲工程技術有限公司於2011年7月1日申請的專利，該專利的申請號為2011101853830，公布號為CN102351192A，授權公布日為2012年2月15日，發明人是嚴大洲、肖榮暉、毋克力、湯傳斌、汪紹芬、姚心。該專利涉及多晶矽生產技術領域
《一種多晶矽還原爐》包括：底盤和爐體，所述爐體連線在所述底盤上且在所述爐體與所述底盤之間限定出反應腔室；四十八對電極，所述四十八對電極設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；進氣系統，所述進氣系統包括設在所述底盤中部的多個噴嘴；和排氣系統，所述排氣系統包括多個排氣口，所述排氣口設在所述底盤上且位於所述第四圓周與所述爐體之間。根據該發明實施例的多晶矽還原爐，可以合理利用熱能，同時也可以避免爐體內側壁帶走過多熱量，可以降低熱量損耗。
2020年7月，《一種多晶矽還原爐》獲得第二十一屆中國專利銀獎。
（概述圖為《一種多晶矽還原爐》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種多晶矽還原爐
- 類別：專利
- 公布號：CN102351192A
- 公布日：2012年2月15日
- 申請號：2011101853830
- 申請日：2011年7月1日
- 申請人：中國恩菲工程技術有限公司
- 地址：北京市海淀區復興路12號
- 發明人：嚴大洲、肖榮暉、毋克力、湯傳斌、汪紹芬、姚心
- Int.Cl.：C01B33/03（2006.01）I
- 專利代理機構：北京清亦華智慧財產權代理事務所
- 代理人：宋合成
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,有益效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
多晶矽還原爐是多晶矽生產中產出最終產品的核心設備，也是決定系統產能、能耗的關鍵環節。因此，多晶矽還原爐的設計和製造，直接影響到產品的質量、產量和生產成本。隨著全球經濟危機的影響下，多晶矽的價格持續下降，產業利潤不斷被壓縮，市場競爭日趨激烈。因此，有效地降低多晶矽能耗，提高產品質量，提高生產效率，是2011年多晶矽生產企業需要解決的重要問題。
截至2011年生產多晶矽主要採用“改良西門子法”，通常將一定配比的三氯氫矽（SiHCl3）和氫氣（H2）混合氣從底部進氣口噴入，在還原爐內發生氣相還原反應，反應生成的矽（Si）直接沉積在爐內的矽芯表面，隨著反應的持續進行，矽棒不斷生長最終達到產品要求。由於還原爐內部矽芯需要維持在1050℃-1100℃進行生產，外部用冷卻夾套進行冷卻，因此，使用12對棒、18對棒等還原爐生產多晶矽還原能耗大，生產成本高，已經不適應2011年激烈市場競爭的要求，迫切需求一種能夠節能降耗的新型還原爐的出現。該發明旨在至少解決上述技術問題之一。
發明內容
專利目的
《一種多晶矽還原爐》的目的在於提出一種可以降低能耗並且可以提高產量的多晶矽還原爐。
技術方案
根據《一種多晶矽還原爐》實施例的多晶矽還原爐，包括：底盤和爐體，所述爐體連線在所述底盤上且在所述爐體與所述底盤之間限定出反應腔室；四十八對電極，所述四十八對電極設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；進氣系統，所述進氣系統包括設在所述底盤中部的多個噴嘴；和排氣系統，所述排氣系統包括多個排氣口，所述排氣口設在所述底盤上且位於所述第四圓周與所述爐體之間。
根據該發明實施例的多晶矽還原爐，所述四十八對電極設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，同時也可以避免爐體內側壁帶走過多熱量，可以降低熱量損耗。
另外，根據該發明上述實施例的多晶矽還原爐還可以具有如下附加的技術特徵：
根據該發明一個實施例的多晶矽還原爐，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、十對、十四對和十八對電極。電極如此布置，可以最大程度的合理利用熱能。
根據該發明一個實施例的多晶矽還原爐，所述多個噴嘴分別分布於第五、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於所述第一圓周之內和第一與第二圓周、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腔室內均勻分布，可以提高單爐產量。
有利地，根據該發明一個實施例的多晶矽還原爐，所述多個噴嘴的數量為二十四個，其中在所述第五和第六圓周上分別均勻分布有四個噴嘴，第七和第八圓周上分別均勻分布有八個噴嘴。由此，可以使所述多個噴嘴的布局更為合理，可以有效地與所述四十八對電極相配合。
進一步地，根據該發明一個實施例的多晶矽還原爐，所述進氣系統還包括：進氣環管，所述進氣環管位於所述底盤下方且與外部氣源相連通；二十四個進氣管，所述二十四個進氣管分別與所述二十四個噴嘴一一對應且所述二十四個噴嘴通過所述二十四個進氣管與所述進氣環管相連線。由此，可以使每個所述噴嘴的進氣量都保持一致。
根據該發明一個實施例的多晶矽還原爐，所述多個排氣口的數量為八個。由此，可以使反應尾氣及時排出。
根據該發明一個實施例的多晶矽還原爐，所述底盤內形成有第一冷卻腔，且所述第一冷卻腔具有第一冷卻介質進口和多個第一冷卻介質出口，所述第一冷卻介質進口位於所述底盤的中央，而所述多個第一冷卻介質出口與所述多個排氣口一一對應設定，每個所述第一冷卻介質出口連線有第一冷卻管且每個所述排氣口連線有尾氣管，所述第一冷卻管套設在所述尾氣管上。由此，可以改善生產條件，可以保證安全生產。
根據該發明一個實施例的多晶矽還原爐，所述爐體內設有第二冷卻腔且所述第二冷卻腔連線有第二冷卻介質進口和第二冷卻介質出口，所述第二冷卻介質進口位於所述爐體的底部且所述第二冷卻介質出口位於所述爐體的頂部，所述第二冷卻腔內設有多個隔流擋板，所述多個隔流擋板在所述第二冷卻腔內由下至上繞所述反應腔室呈螺旋狀分布。由此，可以改善生產條件，可以保證安全生產。
根據該發明一個實施例的多晶矽還原爐，所述爐體包括位於下部的筒體和設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腔室頂部的上升阻力。
有利地，根據該發明一個實施例的多晶矽還原爐，所述爐體上還設有多個觀察鏡，所述多個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觀察鏡沿所述筒體的周向均勻分布。由此，可以及時觀察所述反應腔室內的情況。
該發明的附加方面和優點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，或通過該發明的實踐了解到。
有益效果
根據《一種多晶矽還原爐》實施例的多晶矽還原爐，可以合理利用熱能，同時也可以避免爐體內側壁帶走過多熱量，可以降低熱量損耗。
附圖說明
圖1是根據《一種多晶矽還原爐》的一個實施例的多晶矽還原爐的示意圖；
圖2是根據《一種多晶矽還原爐》的另一實施例的多晶矽還原爐的示意圖。
權利要求
1.《一種多晶矽還原爐》其特徵在於，包括：底盤和爐體，所述爐體連線在所述底盤上且在所述爐體與所述底盤之間限定出反應腔室；四十八對電極，所述四十八對電極設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；進氣系統，所述進氣系統包括設在所述底盤中部的多個噴嘴；和排氣系統，所述排氣系統包括多個排氣口，所述排氣口設在所述底盤上且位於所述第四圓周與所述爐體之間；其中，所述多個噴嘴分別分布於第五、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於所述第一圓周之內和第一與第二圓周、第二與第三圓周以及第三與第四圓周之間；所述多個噴嘴的數量為二十四個，其中在所述第五和第六圓周上分別均勻分布有四個噴嘴，第七和第八圓周上分別均勻分布有八個噴嘴。
2.根據權利要求1所述的多晶矽還原爐，其特徵在於，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、十對、十四對和十八對電極。
3.根據權利要求1所述的多晶矽還原爐，其特徵在於，所述進氣系統還包括：進氣環管，所述進氣環管位於所述底盤下方且與外部氣源相連通；二十四個進氣管，所述二十四個進氣管分別與所述二十四個噴嘴一一對應且所述二十四個噴嘴通過所述二十四個進氣管與所述進氣環管相連線。
4.根據權利要求1所述的多晶矽還原爐，其特徵在於，所述多個排氣口的數量為八個。5.根據權利要求1所述的多晶矽還原爐，其特徵在於，所述底盤內形成有第一冷卻腔，且所述第一冷卻腔具有第一冷卻介質進口和多個第一冷卻介質出口，所述第一冷卻介質進口位於所述底盤的中央，而所述多個第一冷卻介質出口與所述多個排氣口一一對應設定，每個所述第一冷卻介質出口連線有第一冷卻管且每個所述排氣口連線有尾氣管，所述第一冷卻管套設在所述尾氣管上。
6.根據權利要求1所述的多晶矽還原爐，其特徵在於，所述爐體內設有第二冷卻腔且所述第二冷卻腔連線有第二冷卻介質進口和第二冷卻介質出口，所述第二冷卻介質進口位於所述爐體的底部且所述第二冷卻介質出口位於所述爐體的頂部，所述第二冷卻腔內設有多個隔流擋板，所述多個隔流擋板在所述第二冷卻腔內由下至上繞所述反應腔室呈螺旋狀分布。
7.根據權利要求1所述的多晶矽還原爐，其特徵在於，所述爐體包括位於下部的筒體和設在所述筒體頂端的封頭，所述封頭為中空半球體。
8.根據權利要求7所述的多晶矽還原爐，其特徵在於，所述爐體上還設有多個觀察鏡，所述多個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觀察鏡沿所述筒體的周向均勻分布。
實施方式
如圖1-2所示，根據該發明實施例的多晶矽還原爐，包括：底盤10，爐體20，四十八對電極30，進氣系統和排氣系統。
具體地，爐體20連線在底盤10上且在爐體20與底盤10之間限定出反應腔室1020。
四十八對電極30設在底盤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。
所述進氣系統包括設在底盤10中部的多個噴嘴41。
所述排氣系統包括多個排氣口51，排氣口51設在底盤10上且位於所述第四圓周與爐體20之間。
根據該發明實施例的多晶矽還原爐，四十八對電極30設在底盤10上且分別分布在四個同心圓周即第一、第二、第三和第四圓周上，由此，可以合理利用熱能，同時也可以避免爐體內側壁帶走過多熱量，可以降低熱量損耗。
如圖2所示，根據該發明一個實施例，在所述第一、第二、第三和第四圓周上（即如圖2中所示的從內至外的第二個、第四個、第六個和第八個圓周）沿圓周方向依次均勻分布有六對、十對、十四對和十八對電極30。在所述第一、第二、第三和第四圓周的每個圓周上，相鄰的兩個電極30通過電極板連線，由此成為一對電極。由此，可以簡化對電極30的控制，並可以最大程度的合理利用熱能。
根據該發明一些實施例，多個噴嘴41分別分布於分別分布於第五、第六、第七和第八圓周上（即如圖2中所示的從內至外的第一個、第三個、第五個和第七個圓周）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於所述第一圓周之內和第一與第二圓周、第二與第三圓周以及第三與第四圓周之間。也就是說，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腔室1020內均勻分布，可以提高單爐產量。
有利地，根據該發明一個示例，多個噴嘴41的數量為二十四個，其中在所述第五和第六圓周上分別均勻分布有四個噴嘴41，第七和第八圓周上分別均勻分布有八個噴嘴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電極相配合。
進一步地，根據該發明一個具體示例，所述進氣系統還包括，進氣環管42和二十四個進氣管43。
具體地，進氣環管42位於底盤10下方且與外部氣源相連通。
二十四個進氣管43的分別與二十四個噴嘴41一一對應且二十四個噴嘴41通過二十四個進氣管43與進氣環管42相連線。由此，可以使每個噴嘴41的進氣量都保持一致，從而可以保證反應腔室1020內氣流流暢均勻。
根據該發明一個實施例，多個排氣口51的數量為八個。有利地，根據該發明一個具體示例，如圖2所示，八個排氣口沿以底盤10的中心為圓心的圓周上（即如圖2中所示的從內至外的第九個圓周）。由此，可以使反應尾氣及時排出。
如圖1所示，根據該發明一個實施例，底盤10內形成有第一冷卻腔101，且第一冷卻腔101具有第一冷卻介質進口102和多個第一冷卻介質出口103，第一冷卻介質進口102位於底盤10的中央，而多個第一冷卻介質出口103與多個排氣口51一一對應設定，每個第一冷卻介質出口103連線有第一冷卻管且每個排氣口51連線有尾氣管，所述第一冷卻管套設在所述尾氣管上。由此，可以簡化多晶矽還原爐的設計並可以改善生產條件，可以保證安全生產。
根據該發明一個示例，爐體20內設有第二冷卻腔203且第二冷卻腔203連線有第二冷卻介質進口204和第二冷卻介質出口205，第二冷卻介質進口204位於爐體20的底部且第二冷卻介質出口205位於爐體20的頂部，第二冷卻腔203內設有多個隔流擋板206，多個隔流擋板206在第二冷卻腔203內由下至上繞反應腔室1020呈螺旋狀分布。由此，可以改善生產條件，可以保證安全生產。
根據該發明一些實施例，爐體20包括位於下部的筒體201和設在筒體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腔室1020頂部的上升阻力。
有利地，根據該發明一個實施例，如圖1所示，爐體20上還設有多個觀察鏡60，多個觀察鏡60在筒體201的高度方向上均勻分布成多排且多個觀察鏡60沿筒體201的周向均勻分布。由此，可以及時觀察所述反應腔室內的情況。
根據該發明實施例的多晶矽還原爐，四十八對電極30在所述第一、第二、第三和第四圓周上（即如圖2中所示的從內至外的第二個、第四個、第六個和第八個圓周）沿圓周方向依次均勻分布有六對、十對、十四對和十八對電極30。該電極30的布局有利於最大化合理利用熱能，同時避免爐筒內側的冷卻壁面帶走過多熱量，降低熱量損耗。在第五、第六、第七和第八圓周（即如圖2中所示的從內至外的第一個、第三個、第五個和第七個圓周）上分別均勻設有四個、四個、八個和八個噴嘴，在沿以底盤10的中心為圓心的圓周上（即如圖2中所示的從內至外的第九個圓周）均勻設有八個排氣口51，這樣的設計取消了中央出氣口，避免了中央出氣口附近由於憋壓造成的流動死區，提高了反應腔室1020內下部區域的生產效率。使用外圈出氣的結構，使得還原爐內氣流循環時，直接從外圈排出，避免反應副產物回到中央的氣流上升區，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，球殼應力小，與筒體201相比，厚度較其他形式的封頭可以適當減薄。進過模擬計算，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，有利於解決矽棒上部菜花嚴重的問題，對矽棒橋連部分的質量有一定改善作用；這一特徵在內圈矽棒上表現更為明顯，矽棒表面氣速比一般的橢圓形封頭有10％左右的提升。
根據該發明實施例的多晶矽還原爐，通過對多晶矽還原爐的底盤10和爐體20的結構尺寸，以及電極30、進氣口41和排氣孔51的分布進行最佳化設計後，每公斤多晶矽能耗可以降低25％-35％，單爐產量可達到10-12噸，可有效降低多晶矽生產成本。
榮譽表彰
2020年7月，《一種多晶矽還原爐》獲得第二十一屆中國專利銀獎。
