多對棒多晶硅還原爐徑向熱輻射的角系數(shù)

楊 楠 張鐵鋒 陳紹林 李壽琴 劉逸楓 甘居富

(1.四川永祥股份有限公司，四川樂山，614800；2.山東魯新設計工程有限公司，山東淄博，255000)

研究多晶硅還原爐的輻射散熱對降低還原過程的電耗有重要意義。筆者曾在文獻[1]中，對4對、12對、24對和40對棒的多晶硅還原爐徑向熱輻射的角系數(shù)進行了計算和分析，認為硅棒數(shù)量越多，角系數(shù)越小，能耗越低。但角系數(shù)減小的幅度也會變小，認為角系數(shù)與硅棒數(shù)量之間應有一極限值。近年來，隨著多晶硅還原爐設備向多對棒大型化方向發(fā)展[2-5]，還原爐內(nèi)安裝的硅芯數(shù)量越來越多，對多對棒大型化還原爐的徑向熱輻射研究需求也越來越迫切。本文在前文的方法和基礎上，優(yōu)化了計算程序，對60對棒和84對棒多晶硅還原爐內(nèi)徑向熱輻射的角系數(shù)進行了計算，結果和方法可以在大型化多晶硅還原爐的設計時作為參考。

1 幾何模型與程序

60對棒和84對棒多晶硅還原爐內(nèi)硅棒布置示意如圖1。

圖1 60和84對硅棒布置示意圖

60對和84對硅棒按同心圓布置，從內(nèi)到外分別為第1，第2，……，和5(6)層。根據(jù)對稱性，以整體的1/2幾何模型進行計算，在相同直徑時，各層的硅棒具有同樣的角系數(shù)。

為減小誤差，在程序設計時，將每根硅棒中心輻射出的熱射線掃掠角從原1°降為0.1°。

2 結果與分析

2.1 60對和84對棒角系數(shù)

不同直徑時，60對和84對棒還原爐各層和總角系數(shù)分別如圖2和圖3，其中總角系數(shù)是以各層角系數(shù)與各層硅棒加權平均所得。

從圖2和圖3可見，60對和84對棒各層和總角系數(shù)隨著直徑增加而減小，第1層最小，最外層最大，總角系數(shù)介于第4(5)層和最外層之間。

圖2 60對棒角系數(shù)

另外，通過程序計算，如圖2和圖3當硅棒直徑為φ160mm時，第2層角系數(shù)均已為0，但第1層角系數(shù)卻有0.013和0.011，即使硅棒達到φ180mm時，第1層仍然不為0。通過幾何分析，如圖4。可見，當硅棒直徑為φ180mm時，第一層硅棒仍有熱輻射到達還原爐筒內(nèi)壁上，與程序計算相符。

圖3 84對棒角系數(shù)

圖4 硅棒大直徑時第1層的輻射

2.2 總角系數(shù)對比

結合40對棒的計算結果，圖5為40對、60對和84對棒還原爐的總角系數(shù)對比。

從圖5可見，84對棒還原爐徑向熱輻射的總角系數(shù)最小，其平均值大約是40對棒的73.1%，是60對棒的86.2%。

圖5 40、60和84對棒還原爐的總角系數(shù)

2.3 徑向熱輻射功率

根據(jù)輻射功率計算公式：

其中，φ12即為角系數(shù)。

在溫度與黑度系數(shù)相同的條件時，

Q12∝φ12A∝φ12N·φ

其中，N為硅棒對數(shù)，φ為硅棒直徑。

圖6為不同直徑時，徑向熱輻射功率φ12N·φ的變化曲線。

圖6 徑向熱輻射功率φ12N·φ

2.4 徑向熱輻射單位能耗

徑向熱輻射單位能耗，是指在一定的沉積時間，硅棒直徑按一定的速度生長，徑向輻射到還原爐筒壁的總熱量累積與此時硅棒總質量的比值，如下式，

結合40對棒的計算結果，圖7為40對、60對和84對棒還原爐的徑向熱輻射單位能耗。

圖7 徑向熱輻射單位能耗

從圖7可見，徑向熱輻射單位能耗隨硅棒數(shù)量增多而減小，84對棒比60對棒和40對棒還原爐具有更好的節(jié)能優(yōu)勢。同時隨著直徑增加，徑向熱輻射單位能耗減小，在硅棒最終為φ200mm時，84對棒和60對棒分別相對40對棒還原爐的徑向熱輻射單位能耗為71.74%和83.79%。

3 結論

通過程序計算了60對棒和84對棒還原爐硅棒徑向熱輻射的角系數(shù)。兩種爐型的還原爐每層硅棒和總角系數(shù)和徑向熱輻射單位能耗隨著硅棒數(shù)量和直徑增加而減小，相對40對棒還原爐，節(jié)能效果明顯。