多晶硅 CVD 反应器中新型热管的开发与仿真
王晓静;马东云;李文艳;张灿
【摘 要】Based on the new designed polysilicon CVD reactor,a kind of special heat pipe was developed to obtain ideal velocity field and temperature field.Some finite element strength analysis and CFD simula-tions were applied to improve the structure and calculate the relation between consumption and different surface emissivity and surface temperature of the heat pipes.The results show that the average temperature increase versus the surface temperature of heat pipes,but the both of the total energy consumption and ra-diation energy consumption decrease;when surface temperature increases from 423 K to 623 K,the total energy consumption and radiation energy consumption decrease by 2.84% and 3.87% respectively;the average temperature,total energy consumption and radiation energy consumption show a trend of decline versus surface emissivity;the total energy consumption and radiation energy consumption decrease by 21.75% and 24.42% respectively.%基于已有的新型多晶硅 CVD 反应器，设计出有利于获得理想速度场和温度场的特殊热管结构，并对其
进行了有限元强度分析和结构改进。对不同壁面发射率和不同壁面温度的热管进行了CFD 仿真，计算得出：随着热管壁面温度的升高，多晶硅还原炉内环境温度也随之升高，但是多晶硅棒的总能耗与辐射能耗却随之降低；壁面温度从423 K 上升至623 K 时，硅棒总能耗和辐射能耗分别下降了2．84％和3．87％；随着发射率的降低，多晶硅还原炉内的环境温度、硅棒总能耗和辐射能耗都呈现下降趋势；硅棒的总能耗和辐射能耗分别下降了21．75％和24．42％。
【期刊名称】《压力容器》
【年(卷),期】2016(033)008
【总页数】8页(P13-19,26)
【关键词】多晶硅;CVD反应器;热管;有限元;CFD
reactor软件
【作 者】王晓静;马东云;李文艳;张灿
【作者单位】天津大学 化工学院，天津 300354;天津大学 化工学院，天津 300354;天津大学 化工学院，天津 300354;天津大学 化工学院，天津 300354
【正文语种】中 文
【中图分类】TH49;TQ051.5;TB115.1
随着电子信息和半导体产业迅速发展，工业上对高纯的区熔级多晶硅需求量大大增加。然而由传统西门子法还原得到的多晶硅大部分只能达到太阳能级，只有少量能够到达电子级多晶硅的纯度要求；而硅烷法作为第二大多晶硅生产工艺，不仅能够有效保证生成硅单质的纯度，其650～800 ℃的反应温度也能够大大减少还原炉能耗。随着硅烷制造成本的降低和生产安全技术的改进和提高，硅烷法将会更具发展前景。因此，开发一种适合硅烷法生产的新型CVD反应器是十分有意义的。
将硅烷法应用于西门子反应器的研究并不多见，姚晓晖等[1]模拟了不同硅烷流量、不同空间压力、不同硅棒壁温下硅烷分解还原的反应传热过程，结果表明：分解反应的适宜温度范围为700～800 ℃；在0.05～0.6 MPa压力范围内，0.3 MPa时反应各项指标组合最优，硅的沉积效率最高；增大SiH4流量虽能降低单位能耗，但会造成原料的浪费。黄国强等[2]利用SiH4-H2还原反应沉积模型，模拟了SiH4在传统西门子反应器中的流动与传热行为，并针对流动死区及沉积不均的问题改善了出气口设置，对比模拟发现，新的出气口能够均化温度场，
提高沉积硅棒的质量。张灿[3]提出并设计了一种带有热管的新型多晶硅CVD反应器，对该反应器流场的数值模拟表明，热管元件的加入不仅能够优化反应器空间温度分布，防止硅烷在壁面生成硅粉，造成不良影响，还能够有效降低硅棒的辐射能耗。
热管是以相变传热的高效导热元件，在当今亟需实现节能环保和改革创新的大环境下尤其应该注重热管的开发和创新，拓宽热管的新的应用场合[4]。在化工应用中，热管主要用于换热器和反应器两大类设备。热管空气预热器是一种常见的气-气型热管换热器，能将排出烟气带走的热量降低至容许范围内，已经十分成熟地运用于石化行业中含硫烟气的余热回收，能够在相对恶劣的工况下实现安全高效运行[5]。热管式省煤器是一种常见的气-液型热管换热器，它的传热能力比相同尺寸的常规省煤器要大得多，且具有良好的抗低温腐蚀性能，使烟气排除温度降到更低[6]。虽然热管在化学反应器的应用不及换热器成熟，但其更加具有发展潜力和研究价值。化学反应器是化工业的核心设备，温度对化学反应影响很大，而热管的壁面等温性、变热流密度、高传热效率、环境适应力强等特点使其在拓宽稳定反应温度区域，提高转化率，降低能耗等方面表现出了明显的优越性。
本文结合现有的热管应用知识[7-11]以及新型CVD反应器的具体要求[12]，对新型多晶硅CVD
反应器中添加的热管部件进行了结构改进，选择满足反应器温度要求的汞为工作介质，确定不锈钢316L为管壳材料。利用有限元分析软件ANSYS对新型热管进行应力线性化分析，完成强度校核及结构优化，利用流体动力学软件FLUENT对CVD还原炉内不同热管壁面温度、不同热管壁面发射率的情况进行仿真，分析研究热管总能耗和辐射能耗的变化情况，热管结构加入后，CVD还原炉内温度均匀且稳定，分布情况极大改善。
基于传统西门子反应器的结构特征，气体流动和传热特性，针对导热套筒的不足与多晶硅还原炉中硅棒圆柱形的特点，张灿[3]提出了一种具有特殊热管结构的新型多晶硅CVD还原炉结构。在硅烷还原筒体段，硅棒所产生的热量除一小部分用于还原反应能量需要外，绝大部分热量通过辐射及对流传热的方式传递给流动的反应气体及包围其分布的热管弧形翅片，即新型热管的蒸发段。通过热管工质的沸腾-冷凝过程，使这一部分热量传递给冷却装置中的冷却水，从而实现对反应器空间内局部温度分布的控制。从换热角度来看，整个装置类似于一个非沸腾式气-液型热管换热器。新型CVD反应器的结构见图1，结构参数见表1，新型热管结构如图2所示。
由图2可以看出，该特殊结构热管的特征包括：
(1)弧形翅片采用圆心角为60°的圆弧形结构，3个弧形翅片与热管管体相切点焊为一体，弧形翅片位于热管管体下部外侧，与热管管体所围腔室两端封闭；
(2)被弧形翅片所围部分的热管管体上均匀分布若干管孔，使弧形散热翅片与热管管体所围的空腔联通；
(3)热管管体采用热管工艺加工，弧形翅片外侧采用抛光工艺，形成镜面效果，可最大程度反射热源所散发的热量，节约设备的能耗，同时利用散热翅片充当外壳，与传统热管相比增大了换热面积，加快了热管的散热速度，提高了散热效率；
(4)弧形翅片与热管管体点焊后增加了热管整体的结构强度，在热管受到内压或外压时，热管管体可以起到加强筋的作用。
此外，为了进一步优化还原炉内的流场分布，结合反应器进气口设计位置，新型热管另外在下端盖处增设了一个三面棱锥结构，如图2(右)所示，棱锥顶点的位置正对反应气进气口中心，能够对进口气体进行导流，从而优化反应气体在反应器内的流场分布。
在Pro/E Wildfire 5.0软件中建立新型热管的三维模型。由于在热管蒸发段弧形翅片与内圆管
的点焊处理使两部分连接为一个实体，将会改善受力情况，所以在进行三维建模时特别注意将该结构特征体现出来，如图3所示。
2.1　有限元强度分析
通常，普通圆柱形热管的强度校核可根据压力容器常规设计的中径公式计算。而新型CVD反应器中的异型热管由于其结构的不规则性，不便直接采用传统公式计算。由于热管采用管材为不锈钢316L，其相对较低的导热系数会使热管管壁径向传热热阻增大，会对热管的等温性能产生不良影响。所以设计时要尽量在保证结构的强度与刚度安全的基础上，采用较薄壁厚来减小热阻。故本文基于有限元分析软件ANSYS Workbench 14.5对热管进行分析设计，以提高对材料的有效利用。
在不工作时，热管内部为真空负压状态，外界压力为大气压。根据文献[13]中所研究的硅烷分解反应条件以及张灿[3]对于CVD反应器的流场模拟结果可知，正常工况下反应器空间压强为微正压，不超过0.1 MPa。所以外压情况受力较小。而热管的内部压力则随着工作温度的升高而升高，本文汞热管最高工作温度不超400 ℃，否则反应气硅烷会在热管壁面上分解生成硅粉。已知400 ℃时汞蒸汽的饱和蒸汽压力为0.21 MPa，但出于安全考虑，将热管的最高
温度限制为450 ℃，此时对应计算压力约为0.5 MPa。以此值来作为热管强度计算的压力载荷。并且注意，在Workbench中将环境温度同样设为450 ℃。

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