多晶硅CVD反应器中新型热管传热性能研究

摘要

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
　　本文对新型多晶硅CVD反应器中添加的热管部件进行了设计，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。在热管理论及设计原则的基础上，确定了适当的热管管径。结合热管与反应器中硅棒的位置关系完成特殊结构设计，利用有限元方法对该新型热管进行了应力线性化分析，完成强度设计计算。
　　对单根重力热管的传热机理与热阻模型进行研究，在经典Nusselt理论基础上，增加对管内蒸汽与液膜相对运动剪切力的考虑，建立新的数值计算模型，结果表明：以水为工作介质时界面剪切力会使液膜厚度高于Nusselt理论值，使凝结换热系数低于Nusselt理论值；以汞为工作介质计算时发现由于汞的密度极大，模型计算所得结果与传统理论值基本一致，凝结传热系数达到105W/(m2·K)。
　　对新型C VD反应器冷却段进行了三维数值模拟。结果表明：除进出口附近区域，筒体内主体流域速度值较为平均，壁面处流速要稍大于中部区域；对比分析两种热管长度比，得出减小冷凝段长度有利于增强整体湍动，增大壁面传热系数；对比两种不同入口方位，得出进水时应避免直接冲击热管。对比不同进口流速，得出提高流速虽能增大壁面传热系数，但压力损失增加。流速从0.5m/s增至1.5 m/s，热管的总热阻仅下降了13.9％，对整体热阻影响不大，因此建议采用较低入口流速。

目录

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第一章 文献综述

1. 1 课题背景

1. 2 硅烷法简介

1.3 CVD反应器概述

1. 4 热管技术

1. 5 本课题的研究内容及方法

第二章 新型CVD反应器中重力热管设计

2. 1 工作介质及管材的选择

2. 2 热管尺寸选择

2. 3 特殊结构设计

2. 4 热管强度的有限元分析

2. 5 本章小结

第三章 单根热管冷凝段传热特性研究

3. 1 重力热管理论概述

3. 2 重力热管凝结换热数值计算

3. 3 本章小结

第四章 新型CVD反应器冷却段数值模拟

4. 1 模型建立

4. 2 模型网格划分

4. 3 Fluent求解器设置

4. 4 模拟结果与讨论

4. 5 本章小结

第五章 结论及展望

5. 1 结论

5. 2 展望

参考文献

附录

发表论文和参加科研情况说明

致谢