新型還原爐流場溫度場的模擬研究

王曉靜，張　燦，黃益平，陳　舟，陸曉詠，徐義明

目前煤炭、石油等化石能源的衰竭是人類自身發展所面臨的一個嚴峻課題，太陽能發電成為一種代替化石能源的重要途徑［1-2］。半導體行業與光伏產業的基礎材料是多晶硅，隨著半導體與太陽能產業的迅速發展，多晶硅材料的需求量呈逐年上升趨勢，近年來以每年31.2%［3］的增長速度增長。

在整個光伏產業中，對多晶硅生產設備的投資占整個生產總成本的35%左右［4］，其所占的比例最大。因此對多晶硅生產設備進行改進，從而降低多晶硅生產過程能耗來降低生產成本是目前太陽能光伏產業的緊迫課題。凌猛［5］和姚心［6］等分別對傳統西門子多晶硅還原爐內的流場與溫度場的分布狀況進行了模擬研究;段連［7］、黃哲慶［8］通過改進還原爐的進出氣方式來提高還原爐內部流場及溫度場的均勻性;王曉靜等［9］對還原爐底盤的冷卻方式做了改進，提高了底盤溫度分布狀態;王燕［10］、王惠存［11］對進出氣導管長度進行了改進，以有利于爐內混合氣體分布更加均勻。

混合氣體在反應器內流動均勻性在很多領域中都是很重要的衡量指標，合理地改進還原爐結構，保證還原爐內反應區域的流場、溫度場的均勻性，是有效提高多晶硅產品質量的重要環節。在常見的氣相沉積反應中，還原爐內溫度場及流場的均勻性對反應有著重要影響。

目前多晶硅的生產工藝主要有如下3種方法:改良西門子法、流化床法、硅烷法。本研究在傳統西門子還原爐的基礎提出了一種新型還原爐，并對其內部的流場與溫度場進行了對比研究。

結合圖1和圖2可以看出新型還原爐比傳統還原爐多出了3種結構:1)出氣口套筒;2)熱管;3)內插進氣口。出氣口套筒避免了傳統還原爐中原料氣并未參與反應就由底盤出氣口排出造成原料氣浪費的現象，并且對還原爐頂部廢氣起到導引作用，有助于其排出。熱管的加入可以有效降低還原爐環境溫度，進而減少粉末硅的產生，熱管對硅棒的包圍結構對反應氣在還原爐中的流動也起到了限制的作用，使其流動得更加有序。內插進氣口的加入促進了還原爐上部反應氣的更新。這些都是新型還原爐的優點。

1　數學模型

1.1　物理模型

針對傳統還原爐和新型還原爐結構，運用PRO/E三維建模軟件建立了相應的物理模型具體的尺寸和結構參數見表1、圖2和圖3。圖3中直觀的給出了熱管與硅棒之間的位置關系與熱管的必要尺寸。由于新型還原爐結構的復雜性以及對稱性，以3對硅棒還原爐的一半為例進行了分析。

圖1　新型還原爐裝配圖Fig．1　The new reduction furnace drawing overview

圖2　模型結構Fig．2　Structure of furnace

圖3　熱管與硅棒位置示意圖Fig．3　Heat pipe and silicon rod position schematic

三維模型直接導入Ansys workbench 14.5中進行網格劃分與模擬計算。網格總數2685537，網格質量滿足計算的要求并且同時考慮計算能力和計算精度，經過一系列獨立性分析之后得到結果。

表1　還原爐結構參數Table 1　Parameters of reduction furnaces

1.2　邊界條件設置與迭代計算

1)進出口邊界條件:由于進口速度較大，認為氣體為可壓縮狀態，設置質量入口邊界條件Q=0.0075 kg/s，氣體的輻射吸收系數為 0.05［12］，出口為壓力出口邊界條件。

2)壁面邊界條件:設置壁面、硅棒表面和底盤等的輻射參數見表2，熱管壁面采用高度刨光工藝，設定其反射系數為0.8。

表2　壁面物性參數Table 2　Properties of the wall materials

2　結果與討論

2.1　流場分析與比較

圖4a)和圖4b)分別給出了2種不同還原爐在垂直對稱面(x=0平面)內的速度矢量圖。

圖4　2種還原爐在x=0處的速度矢量圖Fig．4　Velocity vector along x=0 plane in two furnace

比較觀察2種還原爐的流場模擬結果:新型還原爐內氣體基本上是在熱管與硅棒所圍成的環隙空間中流動，這是因為硅棒的輻射和熱管外壁的反射作用使環隙內溫度較高，密度較低;并且熱管的存在也對氣體的流動起到了定向控制的作用。在氣體流向還原爐上部后在套筒上部形成了匯聚，順著套筒有序地從底部出口流出。而傳統還原爐中，氣體以較大速度從進氣口進入后，在爐膛內部形成全混流，并且在還原爐頂部形成了漩渦，不利于還原爐頂部氣體的更新，容易形成溫度死區(即因為氣體得不到及時更新而造成溫度過高的區域);從圖4a)還原爐底部也可以看出，由于沒有出氣口套筒的阻礙傳統還原爐的原料氣進入爐體內部后，容易未經反應直接從中央出氣口排出，造成原料氣的極大浪費，進而影響硅棒的生長速度。

2.2　溫度場的分析與比較

圖5a)和圖5b)分別給出了2種不同還原爐在垂直對稱面(x=0平面)的溫度場分布云圖。圖6a)、6b)分別給出了2種還原爐在 y=0.1、0.3、0.5和0.7 m平面的溫度場分布云圖(圖6中從下到上依次為y=0.1、0.3、0.5和0.7 m平面)。

從圖5a)中可以看出傳統多晶硅還原爐頂部有非常明顯的溫度死區，這是因為原料氣以較大速度進入爐體內部后在頂部形成漩渦導致氣體不易更新所致。新型多晶硅還原爐成功的避免了爐頂部的溫度死區的形成，這是因為新型多晶硅還原爐中安置了內插進氣管，促進了還原爐頂部氣體的更新，并且內部套筒起到了對頂部氣體的收集與導出作用，熱管對氣體流向的限制使原料氣在爐內有序的進出。圖6b)中顯示在新型還原爐的右部區域出現了少許溫度分布不均勻的現象，但是因為其靠近還原爐壁面并且比泡沫硅的生成溫度(400℃)要低，所以并不會影響硅棒的生長。

圖5　2種還原爐在x=0處的溫度場分布云圖Fig．5　Temperature contours along x=0 plane in two furnaces

圖6　2種還原爐的溫度場分布云圖Fig．6　Temperature contours in two furnaces

分別求出圖6所示各截面處平均溫度后做出曲線如圖7所示。

圖7　2種還原爐不同截面平均溫度圖Fig．7　Average temperature in different sections

從圖7中看出新型還原爐整體環境溫度要比傳統還原爐中的要低，并且新型還原爐的溫度曲線要比傳統還原爐的溫度曲線變化平緩，更加有利于硅棒的生長。

2.3　輻射分析與比較

圖8a)和圖8b)分別給出了2種不同還原爐在豎直方向上(y方向)輻射能量的散點圖。

圖8　2種還原爐在y方向的輻射能量散點圖Fig．8　The y direction of the radiation energy scatter plot in two furnaces

從圖8中可以看出新型多晶硅還原爐中硅棒向外輻射的能量要明顯低于傳統還原爐，壁面輻射的能量中新型還原爐也低于傳統還原爐，這是由于在新型多晶硅還原爐的內部安插的熱管的原因，外壁高度拋光的熱管將硅棒所輻射出的能量大部分反射回去，使得硅棒周圍環境溫度保持在一個較高的水平上，有助于反應的正向進行與多晶硅的沉積;進而也使壁面吸收的能量減少，壁面溫度降低，多晶硅還原爐內環境溫度降低，從而抑制了泡沫硅的產生。

3　結論

運用Pro/E軟件建立了新型還原爐流體傳熱模型，通過運用fluent模擬比較了傳統與新型還原爐的速度場、溫度場和輻射能量。發現新型還原爐所設置的內插式進氣管與套筒，起到了加快還原爐頂部氣體更新和收集還原爐頂部廢氣并將其有序排出的作用，解決了傳統還原爐頂部溫度死區的缺陷;新型還原爐安插的外壁面高度刨光的熱管，起到了降低總體環境溫度的作用，可以有效抑制泡沫硅的產生;并且高度刨光的外表面可以有效反射硅棒輻射出的能量，在環境溫度降低的同時，硅棒與熱管之間的環境溫度保持在一個較高的水平，保證反應的有效進行。并且熱管技術應用到多晶硅還原爐中是還原爐發展的一次突破，對以后多晶硅還原爐的發展有很大的借鑒意義。

符號說明:

D—還原爐直徑，mm;

d1—進氣口直徑，mm;

d2—出氣口直徑，mm;

H—爐體高度，mm;

h1—硅棒高度，mm;

h2—套筒高度，mm;

h3—內插進氣管高度，mm;

h4—熱管與頂盤連接小圓柱高度，mm;

h5—熱管長度，mm;

Q—進氣流量，kg·s－1;

T—熱力學溫度，K。

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