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(lè)山，614800；2.山東魯新設(shè)計(jì)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(duì)降低還原過(guò)程的電耗有重要意義。筆者曾在文獻(xiàn)[1]中，對(duì)4對(duì)、12對(duì)、24對(duì)和40對(duì)棒的多晶硅還原爐徑向熱輻射的角系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算和分析，認(rèn)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(huì)變小，認(rèn)為角系數(shù)與硅棒數(shù)量之間應(yīng)有一極限值。近年來(lái)，隨著多晶硅還原爐設(shè)備向多對(duì)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(lái)越多，對(duì)多對(duì)棒大型化還原爐的徑向熱輻射研究需求也越來(lái)越迫切。本文在前文的方法和基礎(chǔ)上，優(yōu)化了計(jì)算程序，對(duì)60對(duì)棒和84對(duì)棒多晶硅還原爐內(nèi)徑向熱輻射的角系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果和方法可以在大型化多晶硅還原爐的設(shè)計(jì)時(shí)作為參考。

1 幾何模型與程序

60對(duì)棒和84對(duì)棒多晶硅還原爐內(nèi)硅棒布置示意如圖1。

圖1 60和84對(duì)硅棒布置示意圖

60對(duì)和84對(duì)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(duì)稱(chēng)性，以整體的1/2幾何模型進(jìn)行計(jì)算，在相同直徑時(shí)，各層的硅棒具有同樣的角系數(shù)。

為減小誤差，在程序設(shè)計(jì)時(shí)，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(jié)果與分析

2.1 60對(duì)和84對(duì)棒角系數(shù)

不同直徑時(shí)，60對(duì)和84對(duì)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(quán)平均所得。

從圖2和圖3可見(jiàn)，60對(duì)和84對(duì)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(duì)棒角系數(shù)

另外，通過(guò)程序計(jì)算，如圖2和圖3當(dāng)硅棒直徑為φ160mm時(shí)，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(dá)到φ180mm時(shí)，第1層仍然不為0。通過(guò)幾何分析，如圖4?？梢?jiàn)，當(dāng)硅棒直徑為φ180mm時(shí)，第一層硅棒仍有熱輻射到達(dá)還原爐筒內(nèi)壁上，與程序計(jì)算相符。

圖3 84對(duì)棒角系數(shù)

圖4 硅棒大直徑時(shí)第1層的輻射

2.2 總角系數(shù)對(duì)比

結(jié)合40對(duì)棒的計(jì)算結(jié)果，圖5為40對(duì)、60對(duì)和84對(duì)棒還原爐的總角系數(shù)對(duì)比。

從圖5可見(jiàn)，84對(duì)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(duì)棒的73.1%，是60對(duì)棒的86.2%。

圖5 40、60和84對(duì)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(jì)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(shí)，

Q12∝φ12A∝φ12N·φ

其中，N為硅棒對(duì)數(shù)，φ為硅棒直徑。

圖6為不同直徑時(shí)，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(shí)間，硅棒直徑按一定的速度生長(zhǎng)，徑向輻射到還原爐筒壁的總熱量累積與此時(shí)硅棒總質(zhì)量的比值，如下式，

結(jié)合40對(duì)棒的計(jì)算結(jié)果，圖7為40對(duì)、60對(duì)和84對(duì)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(jiàn)，徑向熱輻射單位能耗隨硅棒數(shù)量增多而減小，84對(duì)棒比60對(duì)棒和40對(duì)棒還原爐具有更好的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。同時(shí)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(shí)，84對(duì)棒和60對(duì)棒分別相對(duì)40對(duì)棒還原爐的徑向熱輻射單位能耗為71.74%和83.79%。

3 結(jié)論

通過(guò)程序計(jì)算了60對(duì)棒和84對(duì)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(duì)40對(duì)棒還原爐，節(jié)能效果明顯。