《一種48對棒還原爐爐體結構》是亞洲矽業（青海）有限公司於2017年4月5日申請的發明專利，該專利的公布號為：CN106927466A，專利公布日：2017年7月7日，發明人：王體虎；張寶順；唐國強；宗冰；曹玲玲；郭梅珍。
《一種48對棒還原爐爐體結構》公開了一種48對棒還原爐爐體結構，爐體部分包括有外壁、夾層和內壁，內壁與夾層連線，夾層與外壁連線，夾層內設定有內件，內件包括X型加強筋及頂部物料進氣管，內壁為三層複合結構，外層為殼體，中間層為納米微孔隔熱層，內層為納米銀塗層；在夾層內設有由底向上圍繞內壁外部呈螺旋上升的若干組X型加強筋，X型加強筋的兩端分別與外壁及夾層連線固定；在爐體的夾層內設有由底向上圍繞內壁外部呈螺旋上升的爐體頂部物料進氣管。《一種48對棒還原爐爐體結構》在內壁設定納米微孔隔熱材料和納米銀塗層能有效減少爐內熱量散失，且X型加強筋能使爐體結構具有良好的機械強度及承壓能力，確保爐內物料氣體更流暢地循環，提高冷卻散熱效果，有利於多晶矽的快速、均勻成長。
2018年12月20日，《一種48對棒還原爐爐體結構》獲得第二十屆中國專利獎優秀獎。
（概述圖為《一種48對棒還原爐爐體結構》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種48對棒還原爐爐體結構
- 申請人：亞洲矽業（青海）有限公司
- 申請日：2017年4月5日
- 公布日：2017年7月7日
- 公布號：CN106927466A
- 申請號：2017102179113
- 地址：青海省西寧市東川經濟技術開發區
- 代理機構：北京科億智慧財產權代理事務所
- Int. Cl.：C01B33/035(2006.01)I
- 發明人：王體虎；張寶順；唐國強；宗冰；曹玲玲；郭梅珍
- 類別：發明專利
- 代理人：劉振
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
改良西門子法是國際上生產多晶矽的主流技術，其核心設備為還原爐，還原爐的工作原理是通過通電高溫矽芯將三氯氫矽與氫氣的混和氣體反應生成多晶矽並沉積在矽芯上，最終產物是沉積在矽芯上的多晶矽，產品最終以多晶矽棒的形式從還原爐中采出。
全世界有超過85％的多晶矽是採用改良西門子法生產的。改良西門子法是一種化學方法，首先利用冶金矽（純度要求在99.5％以上）與氯化氫（HCl）合成產生便於提純的三氯氫矽氣體（SiHCl3，下文簡稱TCS），然後將TCS精餾提純，最後通過還原反應和化學氣相沉積（CVD）將高純度的TCS轉化為高純度的多晶矽。
中國國內大多是廠家在多晶矽生產方面採用24/36對棒還原爐，電耗成本為生產多晶矽的主要成本之一，並且，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的發展，相比小型還原爐，大型還原爐有單爐產量高，產品單耗低、物料利用率高等優勢。因此，無論從生產效率，還是節能降耗方面來講，多晶矽還原工藝採用大型還原爐是必然趨勢。
在多晶矽還原爐的容積增加到48對棒時，還原爐內的溫場、流場複雜性增加，複雜的爐內溫度場及流場環境以及多晶矽生產對低能耗的要求，都促使著更為實用、更為節能、更為先進的48對棒還原爐爐體結構的設計。還原爐容量的擴大，使得進料流速、物料流場、溫場等影響多晶矽生長的關鍵參數變得更加複雜，需要開發一系列關鍵技術，以保障關鍵參數的穩定，進而實現大型還原爐的高效、穩定運行，還原爐的爐體是保障多晶矽生長和還原爐穩定運行的主要部件，是實現還原爐大型化和降低還原爐能耗的關鍵。
因此，如何針對還原爐設計結構更為合理的爐體結構，使其在氣流流動、冷卻散熱、溫度控制等方面具有更優良的性能即成為業界亟待解決的問題之一。
發明內容
專利目的
《一種48對棒還原爐爐體結構》要解決的技術問題是提供一種結構設計更合理、具有更高的強度、爐內熱量輻射損失更小、可提高矽棒的沉積生長效率以及保證矽棒的均勻生長的48對棒還原爐爐體結構，主要針對具有48對電極的爐體結構。
技術方案
為解決上述技術問題，《一種48對棒還原爐爐體結構》採用如下技術方案：一種48對棒還原爐爐體結構，爐體部分包括有外壁、夾層和內壁，內壁與夾層連線，夾層與外壁連線，夾層內部設定有內件，其特徵在於：內件包括X型加強筋及頂部物料進氣管；所述內壁為三層複合結構，外層為殼體，中間層為納米微孔隔熱層，內層為納米銀塗層，納米微孔隔熱層附著於外層的內表面，納米銀塗層則附著於納米微孔隔熱層的內表面，納米微孔隔熱層採用納米微孔隔熱材料製成；在夾層內設有由底向上圍繞內壁外部呈螺旋上升的若干組X型加強筋，X型加強筋的兩端分別與外壁及內壁連線固定；在爐體的夾層內設有由底向上圍繞內壁外部呈螺旋上升的爐體頂部物料進氣管，進氣管自爐體的頂部伸入內壁中。
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接觸，點接觸的熱阻非常大，使得材料的傳導傳熱效應變得非常小，導致納米級微孔隔熱材料的傳導傳熱係數非常小；納米顆粒之間形成大量的納米級氣孔，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動自由程為60納米，這樣就把空氣分子鎖閉在粉料納米氣孔之內，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熱係數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，使得材料高溫下的輻射傳熱係數降低到最低值，從而有效降低爐內熱量的流失。
進一步地，進氣管的進氣口設於外壁的底部，而進氣管位於內壁中的末端連線有一半球型進氣噴頭，進氣噴頭的半球面上均勻分布有若干出氣孔。該進氣管可以將物料氣通向爐體頂部，作為輔助進氣通道與還原爐的底盤主進氣噴嘴配合，為還原爐提供更為均勻的物料氣分布，使得多晶矽能夠更均勻的生長。
進一步地，所述夾層內部設定有內件，其內部形成夾層冷卻水通道，在外壁的底部設有夾層冷卻水通道的進水口，在外壁的頂部設有夾層冷卻水通道的出水口。進一步地，所述納米銀塗層為反射率95％以上的高反射率納米銀塗層，該納米銀塗層的厚度為0.5～2毫米，納米銀塗層能夠將爐內紅外輻射有效的反射回爐內，從而減少爐內熱量的輻射散失。並且納米銀塗層的化學性質穩定，熔點高達961℃，能夠很好地適應爐內的高溫和腐蝕性工作環境。塗層具有良好的導熱性，其導熱率（420瓦/米·度）接近鐵導熱率的七倍，良好的導熱性使得爐內具有趨熱性的氯化氫氣體在塗層表面形成一層氣體層，氣體層能夠有效防止爐內矽粉塵在內壁上的沉積。
進一步地，所述內壁的殼體採用碳鋼等合金材料製成，而X型加強筋通過焊接或鑄造加工方式連線於內壁的外部殼體上。
進一步地，所述X型加強筋的截面呈X形狀，X型加強筋形成兩個三角形對頂結構，兩個三角形底部分別連線於內壁外側與外壁內側。三角形穩定的力學結構能夠為爐體內外壁提供有效的結構支撐，從而加強爐體的結構強度。
進一步地，所述X型加強筋的交叉位置設定為圓角結構，通過圓角處理，可避免X型加強筋截面的幾何形狀突變，從而減緩X型加強筋內部的應力集中情況，提高其耐疲勞強度。
進一步地，所述X型加強筋為中空結構，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型加強筋的中空部分沿其分布路徑螺旋上升，直接到達夾層頂部，不用將冷卻水充滿整個夾層也能達到冷卻作用，並且，加強筋的X型截面中空部通水後可起到“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。
進一步地，所述進氣管附著於所述X型加強筋上並沿X型加強筋延伸至外壁的頂部，如此可無需為該進氣管重新設計進氣通道，從而提高爐體的使用功能，降低爐體結構的複雜程度。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。
進一步地，所述半球型進氣噴頭的噴頭半球面部分豎直朝下設定，噴頭半球面上的出氣孔沿噴頭半球面的半徑方向設定。半球型腔可以對進氣管中的物料氣起到緩衝降壓的作用，降低了物料氣對爐內矽棒的氣流衝擊，為還原爐頂部提供了流動較為溫和的進氣。
同時，氣體物料從半球型進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多晶矽棒頂部連線橋提供均勻的物料氣，避免了多晶矽棒頂部連線橋爆米花狀沉積的產生，更有力與提高對晶矽的成長質量，並且，從噴頭中部出氣孔中噴出的氣體可以為爐內多晶矽棒頂部連線橋進行一定的降溫。從噴頭外徑出氣孔中噴出的氣體可以為整個爐內物料氣體的循環起到氣體導流的作用，進一步的提升還原爐內物料氣體的均勻分布，為多晶矽的均勻生長體用了更有利的生長環境。
《一種48對棒還原爐爐體結構》所需的爐體冷卻水通過爐體外壁底部的冷卻水進水口進入爐體夾層，當冷卻水充滿夾層後，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壁外部呈螺旋上升的X型加強筋的中空處，沿著X型加強筋的螺旋上升軌跡直接到達夾層頂部空間，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氣口進入，然後由底向上通過圍繞內壁外部呈螺旋上升的物料進氣管到達爐體頂部，最後通過進氣管末端的半球型進氣噴頭噴入還原爐內供料，為還原爐提供更為均勻的物料氣分布，使得多晶矽能夠更均勻地生長。在夾層內設定由底向上圍繞內壁外部呈螺旋上升的X型爐體加強筋可提高整個爐體的強度。設定納米銀塗層使爐內熱輻射經爐體內壁內部高反射率納米銀塗層反射後，有效反射回爐體內部，大幅降低熱量損失。在爐體內壁中間設定納米微孔隔熱材料進一步隔絕了爐內熱量向外散失。從而使本爐體結構具有良好的機械強度及承壓能力，能夠使爐內物料氣體更流暢地循環，並有效地減少爐內熱量的輻射損失，更有利於多晶矽的快速、均勻成長。
附圖說明
圖1為《一種48對棒還原爐爐體結構》總體結構示意圖；
圖2為《一種48對棒還原爐爐體結構》X型加強筋分布結構示意圖；
圖3為《一種48對棒還原爐爐體結構》物料進氣管分布結構示意圖；
圖4為爐體壁結構示意圖；
圖5為半球型進氣噴頭結構示意圖。
1為外壁，2為夾層，21為X型加強筋，22為出水口，23為進水口，24為進氣口，3為內壁，31為納米銀塗層，32為納米微孔隔熱層，33為殼體，4為進氣噴頭，41為噴頭半球面，42為出氣孔，5為進氣管。
技術領域
《一種48對棒還原爐爐體結構》涉及多晶矽製備裝置技術領域，具體涉及一種用於多晶矽還原爐的爐體結構。
權利要求
1.一種48對棒還原爐爐體結構，爐體部分包括有外壁、夾層和內壁，內壁與夾層連線，夾層與外壁連線，夾層內設定有內件，其特徵在於：內件包括X型加強筋及頂部物料進氣管；所述內壁為三層複合結構，外層為殼體，中間層為納米微孔隔熱層，內層為納米銀塗層，納米微孔隔熱層附著於外層的內表面，納米銀塗層則附著於納米微孔隔熱層的內表面，納米微孔隔熱層採用納米微孔隔熱材料製成；在夾層內設有由底向上圍繞內壁外部呈螺旋上升的若干組X型加強筋，X型加強筋的兩端分別與外壁及內壁連線固定；在爐體的夾層內設有由底向上圍繞內壁外部呈螺旋上升的爐體頂部物料進氣管，進氣管自爐體的頂部伸入內壁中；所述X型加強筋的截面呈X形狀，X型加強筋形成兩個三角形對頂結構，兩個三角形底部分別連線於內壁外側與外壁內側；所述X型加強筋，其下部及上部與夾層形成的冷卻水通道連通。
2.根據權利要求1所述的48對棒還原爐爐體結構，其特徵在於：進氣管的進氣口設於外壁的底部，而進氣管位於內壁中的末端連線有一半球型進氣噴頭，進氣噴頭的半球面上均勻分布有若干出氣孔。
3.根據權利要求1所述的48對棒還原爐爐體結構，其特徵在於：所述夾層，其內部形成夾層冷卻水通道，在外壁的底部設有夾層冷卻水通道的進水口，在外壁的頂部設有夾層冷卻水通道的出水口。
4.根據權利要求1所述的48對棒還原爐爐體結構，其特徵在於：所述納米銀塗層為反射率95％以上的高反射率納米銀塗層，該納米銀塗層的厚度為0.5～2毫米。
5.根據權利要求1所述的48對棒還原爐爐體結構，其特徵在於：所述內壁的殼體採用碳鋼製成，而X型加強筋通過焊接或鑄造加工方式連線於內壁的外部殼體上。
6.根據權利要求1所述的48對棒還原爐爐體結構，其特徵在於：所述X型加強筋的交叉位置設定為圓角結構。
7.根據權利要求1所述的48對棒還原爐爐體結構，其特徵在於：所述進氣管附著於所述X型加強筋上並沿X型加強筋延伸至外壁的頂部。
8.根據權利要求2所述的48對棒還原爐爐體結構，其特徵在於：所述半球型進氣噴頭的噴頭半球面部分豎直朝下設定，噴頭半球面上的出氣孔沿噴頭半球面的半徑方向設定。
實施方式
該實施例中，參照圖1-圖5，所述48對棒還原爐爐體結構，爐體部分包括有外壁1、夾層2和內壁3，內壁3與夾層2連線，夾層2與外壁1連線，夾層2內部設定有內件；所述內壁3為三層複合結構，外層為殼體33，中間層為納米微孔隔熱層32，內層為納米銀塗層31，納米微孔隔熱層32附著於外層的內表面，納米銀塗層31則附著於納米微孔隔熱層32的內表面，納米微孔隔熱層32採用納米微孔隔熱材料製成；在夾層2內設有由底向上圍繞內壁外部呈螺旋上升的若干組X型加強筋21，X型加強筋21的兩端分別與外壁1及內壁3連線固定；在爐體的夾層2內設有由底向上圍繞內壁3外部呈螺旋上升的爐體頂部物料進氣管5，進氣管5自爐體的頂部伸入內壁3中。
進氣管5的進氣口24設於外壁1的底部，而進氣管5位於內壁3中的末端連線有一半球型進氣噴頭4，進氣噴頭4的半球面上均勻分布有若干出氣孔42。該進氣管5可以將物料氣通向爐體頂部，作為輔助進氣通道與還原爐的底盤主進氣噴嘴配合，為還原爐提供更為均勻的物料氣分布，使得多晶矽能夠更均勻的生長。
所述夾層2內部設定有內件，其內部形成夾層冷卻水通道，在外壁1的底部設有夾層冷卻水通道的進水口23，在外壁1的頂部設有夾層冷卻水通道的出水口22。
所述納米銀塗層31為反射率95％以上的高反射率納米銀塗層，該納米銀塗層31的厚度為0.5～2毫米，納米銀塗層能夠將爐內紅外輻射有效的反射回爐內，從而減少爐內熱量的輻射散失。並且納米銀塗層的化學性質穩定，熔點高達961℃，能夠很好地適應爐內的高溫和腐蝕性工作環境。塗層具有良好的導熱性，其導熱率（420瓦/米·度）接近鐵導熱率的七倍，良好的導熱性使得爐內具有趨熱性的氯化氫氣體在塗層表面形成一層氣體層，氣體層能夠有效防止爐內矽粉塵在內壁上的沉積。
所述內壁3的殼體33採用碳鋼製成，而X型加強筋21通過焊接（或鑄造加工亦可）方式連線於內壁3的外部殼體上。
所述X型加強筋21的截面呈X形狀，X型加強筋21形成兩個三角形對頂結構，兩個三角形底部分別連線於內壁3外側與外壁1內側。三角形穩定的力學結構能夠為爐體內外壁提供有效的結構支撐，從而加強爐體的結構強度。
所述X型加強筋21的交叉位置設定為圓角結構，通過圓角處理，可避免X型加強筋21截面的幾何形狀突變，從而減緩X型加強筋21內部的應力集中情況，提高其耐疲勞程度。
所述X型加強筋21為中空結構，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型加強筋21的中空部分沿其分布路徑螺旋上升，直接到達夾層2頂部，不用將冷卻水充滿整個夾層2也能達到冷卻作用，並且，加強筋的X型截面中空部通水後可起到“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。
所述進氣管5附著於所述X型加強筋21上並沿X型加強筋21延伸至外壁1的頂部，如此可無需為該進氣管5重新設計進氣通道，從而提高爐體的使用功能，降低爐體結構的複雜程度。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。
所述半球型進氣噴頭4的噴頭半球面41部分豎直朝下設定，噴頭半球面41上的出氣孔42沿噴頭半球面的半徑方向設定。半球型腔可以對進氣管5中的物料氣起到緩衝降壓的作用，降低了物料氣對爐內矽棒的氣流衝擊，為還原爐頂部提供了流動較為溫和的進氣。
同時，氣體物料從半球型進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多晶矽棒頂部連線橋提供均勻的物料氣，避免了多晶矽棒頂部連線橋爆米花狀沉積的產生，更有力與提高對晶矽的成長質量，並且，從噴頭中部出氣孔中噴出的氣體可以為爐內多晶矽棒頂部連線橋進行一定的降溫。從噴頭外徑出氣孔中噴出的氣體可以為整個爐內物料氣體的循環起到氣體導流的作用，進一步的提升還原爐內物料氣體的均勻分布，為多晶矽的均勻生長體用了更有利的生長環境。
還原爐內部的輻射熱經爐體內壁33內部的高反射率納米銀塗層31後被有效的反射回爐體內部；內壁3內部的高反射率納米銀塗層31中傳遞的熱量經爐體內壁3中部的納米微孔隔熱層32後，熱量的向外傳遞被有效阻隔。部分傳出的熱量由爐體內壁3外部殼體33傳遞後，經夾層2中的冷卻水帶走；還有部分傳出的熱量經爐體內壁3外部殼體33後傳遞到X型加強筋21中，由夾層2中的冷卻水帶走，從而加大了冷卻效率。
物料氣體經進氣口24進入頂部物料進氣管5內，通過由底向上圍繞內壁外部呈螺旋上升的頂部物料進氣管後到達爐體頂部，再通過半球型進氣噴頭4中的出氣孔42為爐體頂部供料。
以上已將《一種48對棒還原爐爐體結構》做一詳細說明，以上所述，僅為《一種48對棒還原爐爐體結構》之較佳實施例而已，當不能限定《一種48對棒還原爐爐體結構》實施範圍，即凡依本申請範圍所作均等變化與修飾，皆應仍屬《一種48對棒還原爐爐體結構》涵蓋範圍內。
榮譽表彰
2018年12月20日，《一種48對棒還原爐爐體結構》獲得第二十屆中國專利獎優秀獎。
