РЕАКТОР КИПЯЩЕГО СЛОЯ
FLUIDISED BED REACTOR

Область техники
Данная заявка о реакторе кипящего слоя.
Область применения изобретения
Высокочистый поликристаллический кремний - материал, широко используемый в полупроводниковых приборах, а также в элементах солнечных батарей. Для производства такого поликристаллического кремния используется метод извлечения кремния, основанный на термическом разложении кремнийсодержащего газового реагента и водородном восстановлении кремния.
Для промышленного производства поликристаллического кремния требуются большие по размеру и высоте реакторы кипящего слоя по сравнению с используемыми в лабораторных условиях. Следовательно, реакторы кипящего слоя для массового производства поликристаллического кремния имеют значительные вес и объем, что влечет за собой трудности в их сборке, установке, техническом обслуживании и ремонте.
Соответственно, ведутся активные исследования по разработке реактора кипящего слоя для производства промышленных объемов поликристаллического кремния, вместе с тем легкого в сборке, монтаже, эксплуатации и ремонте.
Раскрытие изобретения
Данное изобретение призвано решить проблемы, возникающие при массовом производстве поликристаллического кремния, когда с увеличением размеров и высоты реактора кипящего слоя, представляющий собой единое целое корпус, содержащий в себе реакционную камеру, имеет такую массу, что это затрудняет обращение с реактором при сборке, установке, обслуживании и ремонте, а также может вызвать его повреждение при ударе корпуса о реакционную камеру или патрубки.
Данное изобретение преследует цель разрешить эти проблемы, корпус и реакционная камера делаются разборными, состоящими из нескольких корпусов и реакционных камер, облегчая этим самым сборку, установку и техническое обслуживание полученного реактора кипящего слоя.
При обзоре данного изобретения с одной боковой стороны, реактор кипящего слоя имеет голову; ниже вышеуказанной головы расположен соединенный с ней первый корпус, внутри которого находится первая реакционная камера; ниже указанного первого корпуса расположен второй корпус, соединенный с указанным первым корпусом, внутри которого находится вторая реакционная камера; и ниже указанного второго корпуса находится дно, соединное с указанным вторым корпусом, в которое вмонтированы патрубок подачи сжижающего газа, патрубок подачи реакционного газа, а также нагреватель и электроды. С другой боковой стороны данного изобретения прослеживается голова реактора кипящего слоя; ниже вышеуказанной головы расположен корпус, соединенный с вышеуказанной головой; а также ниже вышеуказанного корпуса находится соединенное с ним дно, которое состоит из основания, с вмонтированными в него патрубком подачи сжижающего газа и патрубком подачи реакционного газа, первой пластины, расположенной над указанным основанием и изолирующей указанное основание, второй пластины, расположенной сверху вышеуказанной первой пластины и проводящей электический ток к нагревателю, а также третьей пластины, расположенной сверху указанной второй пластины и изолирующей указанную вторую пластину. Еще с другой боковой стороны данного изобретения прослеживается голова реактора кипящего слоя; ниже указанной головы находится первый корпус, соединенный с указанной головой, внутри которого расположена первая реакционная камера, диаметр которой меньше диаметра головной части; ниже указанного первого корпуса расположен второй корпус, соединенный с указанным первым корпусом, внутри которого находится вторая реакционная камера, причем диаметр второй реакционной камеры реально совпадает с диаметром первой реакционной камеры; а также находится дно, соединенное с указанным вторым корпусом, указанный первый корпус и указанный второй корпус могут разделяться и соединяться друг с другом.
В соответствии с настоящим изобретением, сборка, установка, техническое обслуживание и ремонт реактора кипящего слоя облегчаются, давая преимущество в том, что в ходе сборки реактора кипящего слоя процесс заполнения реакционной камеры округлыми кварцевыми гранулами может облегчаться, так как степень наполнения контролируется визуально.
Данное изобретение имеет также то преимущество, что дно реактора кипящего слоя, состоящее из нескольких этажей пластин, позволяет предотвратить загрязнение поликристаллического кремния.
Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением, во время работы реактора кипящего слоя под высоким давлением предотвращается выпадение патрубка подачи сжижающего газа от воздействия высокого давления в процессе реакции, что обеспечивает стабильную и безопасную работу реактора кипящего слоя.
Краткое описание чертежей
Прилагаемые чертежи, введенные как составная часть данного приложения и включенные для обеспечения дальнейшего понимания, наряду с описательной частью демонстрируют конструктивное исполнение изобретения, а также объясняют его принципы.
На фиг.1а и 1b показан реактор кипящего слоя в соответствии с примером осуществления данного изобретения.
На фиг.1с и 1d показаны пластины реактора кипящего слоя в соответствии с примером осуществления данного изобретения.
На фиг.2а и 2b показано устройство соединения первой реакционной камеры и второй реакционной камеры в соответствии с примером осуществления данного изобретения.
На фиг.3 показано устройство и монтаж пластин реактора кипящего слоя и нагревателя в соответствии с примером осуществления данного изобретения.
На фиг.4а - 4с показаны электрические соединения нагревателя и второй пластины в соответствии с примером осуществления данного изобретения.
На фиг.5 показано устройство и монтаж патрубка подачи сжижающего газа реактора кипящего слоя в соответствии с примером осуществления данного изобретения.
На фиг.6 показаны примеры разнообразных видоизменений патрубка подачи сжижающего газа реактора кипящего слоя в соответствии с примером осуществления данного изобретения.
Осуществление изобретения
Теперь будут сделаны подробные ссылки на специфические варианты конструкции настоящего изобретения, примеры которых показаны на прилагаемых чертежах. Везде, где возможно, те же ссылки будут использоваться на протяжении всех чертежей, относящихся к тем же или подобным частям.
На фиг.1а и 1b показан реактор кипящего слоя в соответствии с примером осуществления данного изобретения. Как показано на фиг.1а и 1b, в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения, реактор кипящего слоя (500) состоит из головы (100), первого корпуса (200), второго корпуса (300) и дна (400).
Голова (100) соединена с первым корпусом (200) и имеет диаметр больше, чем диаметр первой реакционной камеры (250) первого корпуса (200). Скорость потока газов и мелких частиц внутри реактора кипящего слоя (500) при движении от первой реакционной камеры (250) к головной части (100) снижается за счет увеличения диаметра.
Вследствие этого возможно облегчение проблемы утилизации выхлопных газов или мелких частиц. Внутренняя стенка головы (100) может быть выполнена из неорганических материалов, легко не подверженных деформации при воздействии высоких температур. Например, внутренняя стенка головы (100) может быть выполнена, как минимум, из одного из следующих материалов, таких, как кварц, двуокись кремния, нитрид кремния, нитрид бора, двуокись циркония, карбид кремния, графит, кремний и стеклоуглерод.
Также в случае, если возможно охлаждение внешней стенки головы реактора кипящего слоя, применяется по крайней мере либо грунтовка, либо футеровка внутренней стенки головы (100) реактора с использованием органических полимеров.
Если внутренняя стенка головы (100) реактора кипящего слоя выполнена из карбида кремния, графита, стеклоуглерода или других подобных углеродсодержащих материалов, поликристаллический кремний может быть загрязнен примесями углерода, поэтому ту внутреннюю поверхность головы (100), которая соприкасается с поликристаллическим кремнием, можно покрыть или футеровать такими материалами, как кремний, двуокись кремния, кварц, нитрид кремния или прочими.
Например, как показано на фиг.1b, голова (100) может состоять из нескольких частей (100а, 100b), и по внутренней поверхности головы (100а) может быть размещена футеровочная накладка (150).
Первый корпус (200) находится ниже головы (100), соединен с головой (100) и представляет собой пространство, где происходит реакция осаждения поликристаллического кремния.
Второй корпус (300) находится ниже первого корпуса (200), соединен с первым корпусом (200) и, вместе с первым корпусом (200) представляет собой пространство, где наряду с реакцией осаждения поликристаллического кремния происходит «реакция нагревания или по крайней мере одна из них.
Дно (400) находится ниже второго корпуса (300), соединено со вторьм корпусом (300), в него вмонтированы различные патрубки (600, 650), необходимые для процесса осаждения поликристаллического кремния, а также нагреватель (700), электрод (800) и прочие.
В этом случае голова (100), первый корпус (200) и второй корпус (300) могут быть изготовлены из углеродистой стали, нержавеющей стали и прочих сплавов, легких в обработке и обеспечивающих высокую механическую прочность агрегата. Защитная оболочка изготовленных из указанных металлов первого корпуса (200) и второго корпуса (300) может быть из металла, органических полимеров, керамики, кварца или других материалов.
При сборке головы (100), первого корпуса (200) и второго корпуса (300) для изоляции внутренней поверхности реактора кипящего слоя от внешней среды применяют прокладки и герметизирующие материалы. Первый корпус (200) и второй корпус (300) могут быть разнообразной формы: цилиндрической трубы, фланца, трубы и штутцера, пластины, конуса, овала или кожуха с двойными стенками, между которыми циркулирует охлаждающее средство.
Кроме того, если голова (100), первый корпус (200) и второй корпус (300) выполнены из металлических материалов, внутреннюю поверхность их дополнительно можно покрыть либо защитной оболочкой, либо установить защитную трубу или стенку. Защитные оболочка, труба или стенка могут быть выполнены из металла, для предотвращения загрязнения внутренней поверхности реактора производят их покрытие или футеровку органическими полимерами, керамикой, кварцем или прочими подобными неметаллическими материалами.
Для обеспечения тепловой защиты, защиты персонала и предотвращения аварий, первый корпус (200) и второй корпус (300) оборудуются системой охлаждения с использованием воды, масел, газа, воздуха и прочих охлаждающих жидкостей для поддержания температуры ниже определенного температурного диапазона. Возможно изготовление первого корпуса (200) и второго корпуса (300) таким образом, чтобы обеспечить возможность циркуляции охлаждающей жидкости вокруг требующих охлаждения внутренних элементов или внешних поверхностей первого корпуса (200) и второго корпуса (300).
С другой стороны, для защиты персонала и предотвращения чрезмерной тепловой потери на внешней поверхности первого корпуса (200) и второго корпуса (300) может быть установлена теплоизоляция.
Как было описано выше, в массовом производстве поликристаллического кремния с увеличением размеров и высоты реактора кипящего слоя возникают трудности в сборке, установке, эксплуатации и ремонте. Другими словами, если большой по величине, высоте и массе реактор кипящего слоя имеет составляющий единое целое корпус, содержащий реакционную камеру, это значительно затрудняет сборку, установку, ремонт и обращение с корпусом, удар корпуса о патрубок или реакционную камеру может вызвать их повреждение.
С другой стороны, в соответствии с примером осуществления данного изобретения, реактор кипящего слоя, имеющий несколько корпусов (200, 300) и несколько реакционных камер (250, 350), может стать более легким в сборке, установке, техническом обслуживании и ремонте.
Далее следует подробное описание процесса сборки реактора кипящего слоя в соответствии с примером осуществления данного изобретения.
Первую реакционную камеру (250) собирают так, чтобы она находилась внутри первого корпуса (200). Вторую реакционную камеру (350) собирают так, чтобы она находилась внутри второго корпуса (300), затем для герметизации нижней части второго корпуса (300) на дне (400) монтируют все патрубки (600, 650), электрод (800) и нагреватель (700). Нижняя часть второго корпуса (300) с находящейся в ней второй реакционной камерой (350) соединяется с дном (400). Затем соединяются между собой первый корпус (200) и второй корпус (300), после чего голова (100) присоединяется к первому корпусу (200).
Описание установки электрода (800) на дне (400) следует ниже, со ссылкой на фиг.4а и 4с. Монтирующиеся на дне (400) патрубки - это патрубок подачи сжижающего газа (600) и патрубок подачи реакционного газа (650).
На фиг.2а и 2b показано устройство соединения первой реакционной камеры и второй реакционной камеры в соответствии с примером осуществления данного изобретения. Как показано на фиг.2а, первая реакционная камера (250) и вторая реакционная камера (350) на концах вышеуказанных первой реакционной камеры и второй реакционной камеры имеют выступающие части (250а, 350а), обращенные выступами в направлении первого корпуса (200) и второго корпуса (300) соответственно, выступающая часть (250а) первой реакционной камеры (250) и выступающая часть (350а) второй реакционной камеры (350) располагаются так, чтобы они были обращены поверхностями друг к другу. Соответственно, увеличивается площадь контакта между первой реакционной камерой (250) и второй реакционной камерой (350), вследствие чего снижается риск повреждения при соединении первой реакционной камеры (250) и второй реакционной камеры (350).
Как показано на фиг.2b, с учетом уязвимости первой реакционной камеры (250) и второй реакционной камеры (350) к износу, между первой реакционной камерой (250) и второй реакционной камерой (350) помещается опорное кольцо (270).
Опорное кольцо (270) может быть из неорганических материалов, легко не подверженных изменению при высоких температурах, таких, как кварц, двуокись кремния, нитрид кремния, нитрид бора, двуокись циркония, карбид кремния, графит, кремний, стеклоуглерод или из композитов этих неорганических материалов. Если опорное кольцо (270) изготовлено из таких материалов, как карбид кремния, графит, стеклоуглерод или других углеродсодержащих материалов, поликристаллический кремний может быть загрязнен примесями углерода, поэтому ту поверхность опорного кольца (270), которая соприкасается с поликристаллическим кремнием, покрывают или футеруют такими материалами, как кремний, двуокись кремния, кварц, нитрид кремния или прочими. Опорное кольцо (270) покрывают уплотнителем (275).
Как показано на фиг.2а, в промежутках между первой реакционной камерой (250) и второй реакционной камерой (350) или, как показано на фиг.2b, в промежутках между опорным кольцом (270) и первой реакционной камерой (250), а также между опорным кольцом (270) и второй реакционной камерой (350) могут быть размещены такие уплотнители, как холст, трикотаж или войлок.
Уплотнитель (275) может выдерживать высокие температуры, а для предотвращения загрязнения, может быть сделан из кремнийсодержащих волокнистых материалов. В примере исполнения данного изобретения для удобства сборки, монтажа, эксплуатации и ремонта имеются первая реакционная камера (250) и вторая реакционная камера (350). Таким образом, между первой реакционной камерой (250) и второй реакционной камерой (350) могут быть щели. В примере исполнения настоящего изобретения уплотнитель (275) заполняет щели между первой реакционной камерой (250) и второй реакционной камерой (350), препятствуя тем самым утечке частиц кремния наружу. Кроме того, уплотнитель (275) в процессе соединения первой реакционной камеры (250) с второй реакционной камерой (350) снижает риск их повреждения. Первая и вторая реакционные камеры (250, 350) могут иметь части различных форм: трубообразные, тубообразные, конусовидные и эллиптические. Концевые части первой и второй реакционных камер (250, 350) можно изготовить в форме фланца. Первая и вторая реакционные камеры (250, 350) могут состоять из нескольких частей, некоторые из этих частей могут быть установлены в виде футеровки на внутренней поверхности первого корпуса (200) и второго корпуса (300).
Первая и вторая реакционные камеры (250, 350) могут быть выполнены из неорганических материалов, легко не подверженных воздействию высоких температур, таких, как кварц, двуокись кремния, нитрид кремния, нитрид бора, двуокись циркония, окись иттрия, карбид кремния, графит, кремний, стеклоуглерод или из композитов этих и подобных неорганических материалов.
В случае, если первая и вторая реакционные камеры (250, 350) сделаны из таких материалов, как карбид кремния, графит, стеклоуглерод или других углеродсодержащих материалов, эти углеродсодержащие материалы могут привести к загрязнению поликристаллического кремния, поэтому ту внутреннюю поверхность реакционных камер, которая соприкасается с поликристаллическим кремнием, покрывают или футеруют такими материалами, как кремний, двуокись кремния, кварц, нитрид кремния или прочими.
4
Через патрубок сжижающего газа (600) подается газ, приводящий частицы кремния в псевдоожиженное состояние. При этом сжижающий газ состоит, по крайней мере, хотя бы из одного из таких газов, как водород, азот, аргон, гелий, хлористый водород (HCl) или четыреххлористый кремний (SiCl). Патрубок подачи сжижающего газа (600) может быть в форме трубы, гильзы или отливки из неорганических материалов, используемых для реакционных камер.
4
2
6
n
2n+2
2
2
2
2
2
2
3
4
2
2
3
4
Через патрубок подачи реакционного газа (650) к слою кремниевых частиц подается газ, содержащий кремний. Реакционный газ используется при извлечении поликристаллического кремния в качестве сырья, элементарной составляющей его является кремний. Реакционный газ содержит по крайней мере один из таких компонентов, как моносилан (SiH), дисилан (SiH), более высокие силаны (SiH, где n - натуральное число больше 3), дихлорсилан (DCS: SiHCl), трихлорсилан (TCS: SiHCl), тетрахлорид кремния (STC: SiCl), дибромсилан (SiHBr), трибромсилан (SiHBr), тетрабромид кремния (SiBr), дийодидсилан (SiHI), трийодидсилан (SiHI) и тетрайодид кремния (SiI).
При этом реакционный газ может включать, как минимум, еще один из таких газов, как водород, азот, аргон, гелий или хлористый водород. По мере поступления реакционного газа на поверхности частиц-затравок поликристаллического кремния размером от 0.5 до 3 мм происходит осаждение поликристаллического кремния, вследствие чего размеры частиц-затравок поликристаллического кремния увеличиваются. Когда размер частиц-затравок поликристаллического кремния достигает определенной величины, они выводятся за пределы реактора кипящего слоя. Нагреватель (700), находящийся внутри реактора кипящего слоя (500), является источником тепла, необходимого для реакции осаждения кремния на поверхности частиц поликристаллического кремния. Нагреватель (700) может быть из графита, карбида кремния и подобной керамики или из металла, или, как минимум, из одного из этих материалов.
Различные патрубки (600, 650), электрод (800) и нагреватель (700) и прочие монтируются в дно (400), состоящее из пластин (с 410 по 440). Как показано на фиг.1а и 1b, в соответствии с примером исполнения данного изобретения, дно (400) состоит из основания (410) и первой, второй и третьей пластин (420, 430, 440).
Основание (410) соединяется с корпусом (300), в него монтируются патрубки подачи сжижающего газа и реакционного газа. Основание (410) может быть из углеродистой стали, нержавеющий стали или других простых в обработке и обладающих высокой прочностью сплавов, используемых в машиностроении.
Первая пластина (420) располагается поверх основания (410) и изолирует основание (410). Соответственно, первая пластина (420) может быть из кварца и подобных ему материалов, обладающих изоляционными свойствами и вместе с тем не загрязняющих извлекаемый поликристаллический кремний. Помимо кварца, первая пластина (420) может быть из нитрида кремния, оксида алюминия, оксида иттрия и др. керамических материалов, обладающих термостойкостью, в некоторых случаях может применяться покрытие или футеровка первой пластины (420) подобными керамическими материалами.
Вторая пластина (430) располагается поверх первой пластины (420) и, контактируя с нагревателем (700), проводит электрический ток к нагревателю (700). Соответственно, вторая пластина (430) может выполняться из графита, графита, покрытого карбидом кремния, карбида кремния, графита, покрытого нитратом кремния и подобными электропроводящими материалами.
Между основанием (410) и второй пластиной (430) находится первая пластина (420), обладающая изоляционными свойствами, тем самым изолирует основание (410) и вторую пластину (430) друг от друга.
Так как вторая пластина (430) находится в контакте с нагревателем (700), вторая пластина (430) может нагреваться, но площадь поперечного сечения второй пластины (430), по которой проводится электрический ток, значительно больше площади сечения нагревателя (700), поэтому в сравнении с теплом, выделяемым нагревателем, тепло, выделяемое второй пластиной (430), очень мало. Кроме того, для уменьшения тепловыделения второй пластины (430) между второй пластиной (430) и нагревателем (700) может вставляться лист из графита, обладающего высокой пластичностью. Если основание (410) и вторая пластина (430) обладают электропроводностью, учитывая то, что основание (410) и вторая пластина (430) соприкасаются, это может стать причиной утечки тока. Вследствие этого, как показано на фиг.1а и 1b, концевые части основания (410) и второй пластины (430) могут быть отдалены друг от друга. Иными словами, в первой пластине (420) может быть сформирован желоб, в который помещается вторая пластина (430). Например, в первой пластине (420) формируют желоб, равный или больше длины второй пластины (430), и пластина (430) может помещаться в этот желоб, сформированный в первой пластине (420). Соответственно, между концевыми частями основания (410) и пластины второй (430) может размещаться часть первой пластины (420), что позволяет обеспечить изоляцию между основанием (410) и второй пластиной (430).
Как показано на фиг.1а, посредством первой пластины (420) основание (410) и вторая пластина (430) могут быть изолированы друг от друга, или, как показано на фиг.1b, по всему периметру второй пластины (430) размещается изолирующее кольцо (900), чем достигается изоляция основания (410) от второй пластины (430). При этом изолирующее кольцо (900) может быть из кварца или керамики.
Третья пластина (440) располагается поверх второй пластины (430) и предотвращает загрязнение пластиной (430) поликристаллического кремния, извлеченного внутри первой реакционной камеры (250) и второй реакционной камеры (350), выполняя при этом функцию изолятора. Соответственно, вторая пластина (440) может быть из неорганических материалов, легко не подвергающихся воздействию высоких температур, таких, как кварц, двуокись кремния, нитрид кремния, нитрид бора, двуокись циркония, карбид кремния, графит, кремний, стеклоуглерод или из композитов этих и подобных неорганических материалов. Если третья пластина (440) сделана из таких материалов, как карбид кремния, графит, стеклоуглерод или других углеродсодержащих материалов, эти углеродсодержащие материалы могут привести к загрязнению поликристаллического кремния, поэтому поверхность третьей пластины (440) можно покрыть или футеровать такими материалами, как кремний, двуокись кремния, кварц, нитрид кремния или прочими.
Кроме того, так как вторая пластина (430) и третья пластина (440) дна (400) не являются едиными целыми, а составленными из нескольких элементов пластинами, это упрощает процессы сборки, установки, эксплуатации и ремонта реактора кипящего слоя. Другими словами, массовое производство поликристаллического кремния ведет к увеличению размеров реакторов кипящего слоя, и, если каждая из второй и третьей пластин (430, 440) будет представлять собой единое целое, это может затруднить процессы сборки, установки, эксплуатации и ремонта реактора кипящего слоя. Например, как показано на фиг.1 с, третья пластина (440) может быть составлена из отдельных, разрезанных по концентрическим кругам и по диаметру пластин (р11, р12, р21, р22, р31, р32). Кроме того, как показано на фиг.Id, третья пластина (440) может быть составлена из различных по величине отдельных пластин (р1, р2, р3) в форме колец.
Фиг.3 показывает устройство и монтаж пластин реактора кипящего слоя и нагревателя в соответствии с примером осуществления данного изобретения.
Как показано на фиг.3, основание (410), первая пластина (420), вторая пластина (430) и третья пластина (440) пронизаны насквозь крепежными болтами (450), посредством этих болтов (450) основание (410), первая пластина (420), вторая пластина (430) и третья пластина (440) могут фиксироваться между собой.
Как показано на фиг.3, составляющие дно (400) несколько пластин (с 410 по 440) пронизаны насквозь и зафиксированы крепежными болтами (450). Чтобы предотвратить загрязнение поликристаллического кремния, образующегося в полостях первой реакционной камеры (250) и второй реакционной камеры (350), эти болты (450) могут быть из неорганических материалов, легко не подвергающихся воздействию высоких температур, таких, как кварц, двуокись кремния, нитрид кремния, нитрид бора, двуокись циркония, кремний, или из композитов этих и подобных неорганических материалов. Если же крепежные болты (450) сделаны из таких материалов, как карбид кремния, графит, стеклоуглерод или других углеродсодержащих материалов, для предотвращения загрязнения поликристаллического кремния этими углеродсодержащими материалами, поверхность крепежных болтов (450) можно покрыть или футеровать такими материалами, как кремний, двуокись кремния, кварц, нитрид кремния или прочими, или же покрыть крепежные болты (450) колпачками, изготовленными из кремния, двуокиси кремния, кварца или нитрида кремния. Крепежные болты (450) фиксируют несколько пластин (с 410 по 440) и закрепляются гайками.
В дно (400) вмонтировано крепление (720), в котором, в свою очередь, закрепляется нагреватель (700). Нагреватель (700) соединяется с одной из составляющих дно (400) второй пластиной (430) с помощью крепления (720) в виде штифта или зажима, закрепленного во второй пластине (430) в просверленных в ней для этого отверстиях. В нагревателе (700) сформированы пазы, в которые вставляется крепление (720), производители или пользователи могут, надавливая, вставить нагреватель (700) в крепление (720), закрепляя тем самым нагреватель (700) в дне (400). Таким образом, при сборке нагревателя (700) устраняется необходимость закручивания гаек и болтов, то есть процесс сборки нагревателя (700) упрощается. В данном варианте исполнения нагреватели (700) имеют U-образную форму, при этом для каждого нагревателя (700) необходимо крепления (720), однако, в зависимости от формы нагревателя (700), количество креплений (720) может изменяться. Крепления (720) могут выполняться из графита или металла, или других материалов, обладающих высокой электропроводностью и пластичностью.
Вторая пластина (430), состоит из нескольких составляющих пластин, нижняя часть нагревателя (700) контактирует с составляющими вторую пластину (430) смежными пластинами (430а, 430b), через эти составляющие пластины (430а, 430b) подается электрический ток к нагревателю (700). При этом та часть нагревателя (700), которая соединяется с дном (400), в своей нижней части имеет, соединенную с нагревателем выступающую часть (700а), направленную перпендикулярно относительно длины указанного нагревателя (700).
Эти вышеуказанные выступающие части нагревателя (700а) в сочетании с вышеуказанными креплениями (720) и одновременно покрытые сверху вышеуказанной третьей пластиной (440), делают фиксацию нагревателя (700) еще более надежной.
Смежные составляющие пластины (430а, 430b) изолированы друг от друга. Например, между контактирующими с нижней частью нагревателя (700) составляющими вторую пластину (430) пластинами (430а, 430b) может быть проложен изолятор (730). Изолятор (730) изолирует контактирующие с дном нагревателя (700) составляющие пластины (430а, 430b) друг от друга, предотвращая возникновение утечки тока. Составляющие пластины (430а, 430b) более подробно описаны ниже.
В данном варианте исполнения нагревателя (700) для создания большей площади поверхности на единицу объема, в целях увеличения эффективности работы, поверхность нагревателя (700) сделана складчатой. Увеличения площади поверхности для повышения эффективности нагрева, кроме складок, можно достичь с помощью создания на поверхности нагревателя (700) различной формы выпуклостей или узоров. Соответственно, на поверхности нагревателя (700) могут быть складки, выпуклости или узоры или, по крайней мере, одна из этих разновидностей.
После того, как крепление (720) вставлено в нагреватель (700), для защиты нагревателя (700) и предотвращения возможного загрязнения поликристаллического кремния обнаженным нагревателем (700), нагреватель (700) покрывают снаружи колпаком (710). Для того чтобы такие колпаки (710) нагревателя выполняли свою функцию, они могут выполняться из неорганических материалов, легко не подвергающихся воздействию высоких температур, таких, как кварц, двуокись кремния, нитрид кремния, нитрид бора, двуокись циркония, двуокись иттрия, кремний, или из композитов этих и подобных неорганических материалов. Если же колпаки (710) нагревателя сделаны из таких материалов, как карбид кремния, графит, стеклоуглерод или других углеродсодержащих материалов, для предотвращения загрязнения поликристаллического кремния этими углеродсодержащими материалами, поверхность колпаков (710) нагревателя можно покрыть или футеровать такими материалами, как кремний, двуокись кремния, кварц, нитрид кремния или прочими.
Колпак (710) нагревателя заканчивается цепляющим выступом (710а), расположенным перпендикулярно относительно длины колпака, цепляющий выступ (710а) вышеуказанного колпака (710) нагревателя вкладывается и фиксируется между составляющими пластинами (440а, 440b), элементами третьей пластины (440).
Далее со ссылкой на чертежи подробно описаны электрические соединения нагревателя со второй пластиной.
На фиг. с 4а по 4с показаны электрические соединения нагревателя и второй пластины в соответствии с примером осуществления данного изобретения.
Как показано на фиг. с 4а по 4с, каждая группа нагревателей (HG1, HG2, HG3) соединяется с 2-мя электродами (800), электроэнергия, потребляемая группами нагревателей (с HG1 по HG3), может быть одинаковой. Электрод (800) может быть из графита, карбида кремния, металла или их комплексов. Электрод (800) может иметь форму кабеля, стержня, прута, отливки, розетки, соединительной муфты, бруска, либо провода с оплеткой, либо иметь комбинированную форму. При этом, как показано на фиг.4а и 4b, к одному электроду (800) можно подключить группу из двух нагревателей, следовательно, если имеется п-ное количество групп нагревателей (где n - натуральное число больше 2), то реактор кипящего слоя может включать n-ное количество электродов (800).
Электрическое сопротивление групп нагревателей (с HG1 по HG3) может быть равным. Другими словами, каждая группа нагревателей (HG1, HG2, HG3) содержит установленное количество нагревателей (700), электрическое сопротивление нагревателей (700), составляющих группы нагревателей (HG1, HG2, HG3), может быть равным друг другу. Если количество нагревателей (700), составляющих каждую группу (HG1, HG2, HG3), будет одинаковым, это может облегчить сборку, установку и ремонтное обслуживание реактора кипящего слоя (500). На фиг.4а количество нагревателей (700), включенных в каждую группу нагревателей (HG1, HG2, HG3), определено двумя, электрическое сопротивление нагревателей (700), составляющих группы нагревателей (HG1, HG2, HG3), одинаково.
Если даже электрическое сопротивление нагревателей (700), составляющих группы (с HG1 по HG4), будет разным, то несколько нагревателей (700) располагают в группы (с HG1 по HG4), так, чтобы сопротивление каждой группы нагревателей (с HG1 по HG4) стало равным друг другу, тогда количество потребляемой электроэнергии групп из нескольких нагревателей (с HG1 по HG4) станет одинаковым, что может обеспечить равномерное нагревание внутренней части реактора кипящего слоя (500).
Как было сказано ранее, для массового производства поликристаллического кремния с увеличением размеров реактора кипящего слоя (500) увеличивается и его внутренний объем. Следовательно, группы, состоящие из нескольких нагревателей (с HG1 по HG3), должны обеспечить равномерное нагревание всей внутренней части реактора кипящего слоя (500). В соответствии с вариантом исполнения данного изобретения, группы нагревателей (HG1, HG2, HG3) могут обеспечить равномерное нагревание всего внутреннего объема реактора кипящего слоя, что даст возможность производить высококачественный поликристаллический кремний в промышленных количествах.
Каждая группа из нескольких нагревателей (с HG1 по HG3) может снабжаться электроэнергией от разных фаз источника питания. Как, например, в данном примере исполнения изобретения, реактор кипящего слоя имеет 3 группы нагревателей (с HG1 по HG3), и каждая группа нагревателей (HG1, HG2, HG3) может снабжаться от отдельной фазы, всего имеется 3 фазы источника электроэнергии. При этом разность фаз может составлять 120°.
Для того, чтобы каждая из групп нагревателей (с HG1 по HG3) потребляла одинаковое количество электроэнергии, можно наладить независимые источники питания для каждой группы нагревателей (с HG1 по HG3). Например, если электрическое сопротивление каждой группы нагревателей (HG1, HG2, HG3) различно либо затруднено одинаковое энергообеспечение, для обеспечения одинакового энергопотребления групп нагревателей (HG1, HG2, HG3), к каждой из групп нагревателей (с HG1 по HG3) подводят различные по величине однофазные источники электроснабжения.
В том случае, если будут применяться источники многофазного питания, как показано на фиг.4а и 4b, смежные группы нагревателей могут иметь совместные электроды (800), в том же случае, когда будут применяться однофазные источники электроэнергии, как показано на фиг.4с, электроды разных групп нагревателей не будут использоваться совместно, а могут подключаться к двум разным электродам (800).
Как было описано выше, нагреватель (700) соприкасается посредством изолятора (730) с составляющими пластинами (430а, 430b), также изолированными друг от друга.
Например, как показано на фиг.4а, нагреватель с одного края соединяется с одной составляющей пластиной (430а), а другой край нагревателя (700) соединяется с другой составляющей пластиной (430b). Таким образом, нагреватели (700) в группе могут соединяться между собой последовательно.
Составляющие вторую пластину (430) пластины (430а, 430b) могут быть из одинакового с нагревателем (700) материала. О материалах, из которых изготовляются нагреватель (700) и составляющие пластины (430а, 430b), было сказано выше, поэтому эта часть опускается.
Составляющие пластины на фиг.4а могут соответствовать составляющим пластинам (430а, 430b) на фиг.3.
На фиг.4а и 4b показаны соответственно группы из 3 нагревателей (HG1, HG2, HG3) и группы из 4 нагревателей (HG1, HG2, HG3, HG4) реактора кипящего слоя, но этим количество групп не ограничивается.
На фиг.5, в соответствии с примером осуществления данного изобретения, показано строение патрубка подачи сжижающего газа. Как показано на фиг.5, на патрубке подачи сжижающего газа (600) сформирован фланец (610) для закрепления патрубка подачи сжижающего газа (600). В дне (400) реактора кипящего слоя сформировано отверстие (405), вмещающее патрубок подачи сжижающего газа (600).
Над и под фланцем (610) патрубка подачи сжижающего газа (600) располагаются соответственно первый амортизатор (620) и второй амортизатор (630). Такие амортизатор (620) и амортизатор (630), окутывая фланец (610) патрубка подачи сжижающего газа (600), могут предохранить патрубок сжижающего газа (600) от внешних ударов, а также обеспечивают устойчивую сборку и прочное уплотнение патрубка подачи сжижающего газа (600).
По всей или части поверхности отверстия (405), сформированного в дне (400), нарезается винтовая резьба, после того, как патрубок подачи сжижающего газа (600) вместе с амортизаторами (620, 630) введены в отверстие (405), в ту часть отверстия (405), которое имеет винтовую резьбу, вкручивается имеющая внешнюю винтовую резьбу втулка (640), осуществляя тем самым винтовое соединение. Во время работы реактора кипящего слоя при поступлении газового потока под высоким давлением винтовое соединение втулки (640) предотвращает патрубок подачи сжижающего газа (600) от выпадения или колебания.
На фиг.6, в соответствии с примером осуществления данного изобретения, показаны различные варианты видоизменений патрубка подачи сжижающего газа.
На фиг.6 (а) и (b) показаны патрубки подачи сжижающего газа (600), имеющие одинаковую на всем протяжении толщину фланца (610). На фиг.6 (с) показан патрубок подачи сжижающего газа, имеющий фланец, толщина которого увеличивается к нижней части патрубка подачи сжижающего газа, контактирующей с дном (400). На фиг.6 (d) показан патрубок подачи сжижающего газа с фланцем, толщина которого уменьшается к нижней части патрубка подачи сжижающего газа. На фиг.6 (е) показан патрубок подачи сжижающего газа с несколькими фланцами одинаковой толщины.
Та оставшаяся часть пространства, образованная второй реакционной камерой (350) и дном (400), и не занятая различными патрубками и нагревателями (700), заполняется гранулами. Пространство между этими гранулами играет роль каналов доступа сжижающего газа, вследствие чего наличие гранул позволяет равномерно распределить сжижающий газ внутри реактора кипящего слоя. Гранулы могут иметь круглую, овальную форму, форму подушечек, крупинок, палок, стержней, колец либо сложной формы из сочетания указанных видов. Гранулы могут быть из высокочистого кремния или того же материала, что и реакционные камеры (250, 350). Размер гранул может быть больше, чем диаметр трубы, выводящей готовый продукт - поликристаллический кремний наружу за пределы реактора кипящего слоя, при этом средний диаметр гранул может быть от 5 mm до 50 mm. В результате гранулы могут не выводиться наружу через выводную трубу готового продукта.
Соответствующий примеру данного изобретения реактор кипящего слоя состоит из первого корпуса (200) и второго корпуса (300), что облегчает монтаж, установку, эксплуатацию и ремонт реактора кипящего слоя. Если бы заполнение гранулами происходило при смонтированном состоянии первого корпуса (200) и второго корпуса (300), общая высота первого корпуса (200) и второго корпуса (300) была бы чересчур велика, что затруднило бы процесс заполнения гранулами, от ударов падающих гранул могут быть повреждены расположенные внутри реактора кипящего слоя нагреватели и патрубки, а также первая реакционная камера (250) и вторая реакционная камера (350). В соответствии с примером осуществления данного изобретения, пространство, образованное дном (400) и второй реакционной камерой (350), заполняется гранулами до соединения первого корпуса (200) со вторым корпусом (300), поэтому процесс заполнения гранулами может происходить стабильно и безопасно.
После заполнения гранулами монтируются вместе первый корпус (200) и второй корпус (300). Соответственно, при сборке первого корпуса (200) и второго корпуса (300) соединяются между собой первая реакционная камера (250) и вторая реакционная камера (350), вставленные внутрь первого корпуса (200) и второго корпуса (300).
Пространство между первым корпусом (200) и певрой реакционной камерой (250), а также между вторым корпусом (300) и второй реакционной камерой (350) можно заполнить водородом, азотом, аргоном, гелием и другими инертными газами, не вступающими в реакцию с поликристаллическим кремнием.
Для предотвращения утечки тепла изнутри реактора кипящего слоя наружу, пространство между первым корпусом (200) и первой реакционной камерой (250) и пространство между вторым корпусом (300) и второй реакционной камерой (350), а также другие необходимые места можно проложить неорганическими изоляционными материалами. Изоляция может быть в виде цилиндра, блоков, из ткани, одеял, войлока, пены, слоя наполнителя и других.
Права на настоящее изобретение не ограничиваются примерами осуществления, описанными выше, и определяются на основании формулы изобретения, очевидно, что любой, обладающий общими знаниями в области данного изобретения, имеет возможность произвести разнообразные видоизменения и переработку данных в рамках прав, описанных в формуле изобретения.
Для специалиста в данной области будет очевидно, что различные модификации и вариации могут быть сделаны на основе настоящего изобретения, не выходя за рамки сферы изобретения. Таким образом, имеется в виду, что настоящее изобретение охватывает модификации и вариации предоставленного изобретения, если они входят в сферу прилагаемой формулы изобретения и ее эквивалентов.