CN103025656A - 三氯硅烷气化系统 - Google Patents
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Abstract
本文公开了用于将液体气化的换热器及其使用方法。该换热器包括外壳、管、加热器和多个非反应性元件。管置于外壳的内部且具有入口和出口。配置加热器以加热管。多个非反应性元件以使得在元件与管之间限定多个空隙的排列而置于管的内部腔体中。该排列还容许液体通过空隙并从管的入口行进至管的出口。多个非反应性元件和管当液体通过多个空隙时将热传递至液体以将液体气化。
Description
发明背景
气态三氯硅烷通常用于生产含硅器件，例如半导体晶片或太阳能电池。在正常大气条件下，三氯硅烷为液态。将它在用于生产含硅器件以前转化成气态。
此外，当将液体三氯硅烷转化成气态时，不可以将它加热至特定温度，因为这样做导致三氯硅烷变得过度腐蚀性和/或反应性。
使用各类锅炉或气化器将液体三氯硅烷转化成气态。例如，开放式锅炉通常加热大的液体三氯硅烷池并收集从池中蒸发的气体。然而，这类开放式锅炉获得不令人满意的结果，因为锅炉需要相当大的表面积以将三氯硅烷气化而不超过三氯硅烷变得过度腐蚀性和/或反应性时的所述温度。使用其它类型的锅炉，其中液体三氯硅烷通过长长的加热管。然而，这些锅炉也获得了不令人满意的结果，因为它们不能将三氯硅烷完全气化而不超过三氯硅烷变得过度腐蚀性和/或反应性时的温度。
发明概述
第一方面是用于将液体气化的换热器，其包括外壳、管、加热器和多个非反应性元件。外壳具有内部和外表面。管置于外壳的内部且具有内部腔体。管还具有各自分开的从外壳的外表面向外的入口和出口且配置入口以将液流引入管中。配置加热器与管和外壳热连通且构造加热器以加热管。多个非反应性元件以使在多个非反应性元件与管之间限定多个空隙的排列置于管的内部腔体中。多个非反应性元件的排列容许液体通过多个空隙并从管的入口行进至管的出口。多个非反应性元件和中空管在液体通过多个空隙时将热传递至液体以将液体至少部分地气化。
另一方面是用于将液体气化的换热器，其包括外壳、管和多个球形元件。外壳具有内部和外表面。管置于外壳中且具有入口，配置入口以将液流引入管中。管具有内部腔体。多个球形元件以使多个球形元件与管之间设置多个空隙的排列置于管的内部腔体中。多个球形元件的排列容许液体通过多个空隙并从管的入口行进至管的出口。构造多个球形元件和管以在液体通过多个空隙时将热传递至液体以将液体至少部分地气化。
又一方面是将液体气化的方法。该方法包括使液体流入换热器中的管的入口，管包括球形元件。然后加热换热器中的管。然后通过使液体通过管而将液体气化成气体。通过热源加热球形元件以在液体通过球形元件与管之间限定的多个空隙时将热传递至液体。然后从换热器中取出气体。
又一方面是将液体三氯硅烷气化的方法。该方法包括使液体三氯硅烷流入第一换热器的入口。然后通过使三氯硅烷通过第一换热器中的具有多个非反应性元件的第一管而将液体三氯硅烷部分地气化成气态。将非反应性元件通过第一热源加热且其中非反应性元件在三氯硅烷通过非反应性元件时将热传递至三氯硅烷。然后将部分气化的三氯硅烷从第一换热器中取出。然后将部分气化的三氯硅烷与第一气体混合，产生部分气化三氯硅烷和第一气体的混合物。然后使部分气化三氯硅烷和第一气体的混合物流入第二换热器中的第二管中，第二管包括非反应性元件。然后通过使部分气化三氯硅烷和第一气体的混合物通过第二管而将该混合物气化。非反应性元件通过第二热源加热并在混合物通过非反应性元件时将热传递至混合物。然后将气化三氯硅烷和第一气体的混合物从第二换热器中取出。
存在关于上述方面所述特征的各个细节。也可将其它特征并入上述方面中。这些细节和其它特征可单独或以任何组合存在。例如，下面关于任何所述实施方案所述的各个特征可单独或以任何组合并入任何上述方面中。
附图简述
图1为实施方案的换热器的横截面；
图2为图1的换热器的一部分的放大图；
图3为沿着3-3线获得的图2换热器中一部分管的横截面；
图4为三氯硅烷气化系统的示意图；
图5为描述液体气化方法的方框图；和
图6为描述液体三氯硅烷气化方法的方框图。
发明详述
现在参考附图，特别是参考图1，换热器一般性地指示为100。本文所述换热器100用于将液体三氯硅烷(SiCl3)气化以随后用于含硅器件(例如晶片或太阳能电池)的生产中。然而，换热器100同样很好地适用于将任何液体加热或气化，且换热器可用于任何这类目的而不偏离所公开内容的范围。本文还提及将三氯硅烷“气化”且这种提及应当理解为意指将液体三氯硅烷转化成气态。部分气化的三氯硅烷指部分地转化成气体的三氯硅烷(即一些量的三氯硅烷仍保持为液态)。
如图1所示，换热器100包括形成一个包壳的外壳110和入口112和出口114。外壳110具有内部116和外表面118。外壳110由任何合适的材料如钢或其合金形成。外壳110总体形状一般为圆柱形，但外壳可以为不同形状(例如矩形、正方形、圆形等)而不偏离本公开内容的范围。还将外壳110充分密封(除入口和出口外)使得外壳能够将传热液122(概括地，传热介质)容纳于其中(更详细地讨论于下文中)。外壳110还可含有搅拌器(未显示)或其它装置以使传热流体122在外壳内循环。
加热器120置于至少一部分外壳110周围。加热器120为适于加热外壳110和置于外壳内的换热器100的其它组件(即管、球形元件、传热流体和三氯硅烷)的任何装置。加热器120邻近外壳配置，在图1中，置于外壳110的外表面118上，而在其它实施方案中，加热器可置于外壳的内部116中或代替地可与外壳整体地形成。在图1中，加热器120为电阻加热器，而在其它实施方案中，加热器可以为辐射或燃烧加热器。加热器120连接在控制其操作的合适控制系统(未显示)上。
第一管200和第二管210以螺旋排列置于外壳110的内部116中。在其它实施方案中，可使用单管，而在其它中，可使用多于两个管。此外，管200、210可不以螺旋排列，而是可以以任何合适位置置于外壳110的内部116中。例如，管200、210可以回路排列置于外壳110内。
如图2所示，管200、210以螺旋排列配置且各自相互隔开一定距离使得传热流体122可围绕各个管循环。根据一个实施方案，管200、210可隔开等于约管直径的距离。管200、210的侧壁206、216对液体和气体而言是不透的并容许液体(例如三氯硅烷)流过其中而没有液体从管中泄漏。管200、210的侧壁206、216还在升高的温度下在三氯硅烷的存在下是充分不反应性的(例如不锈钢或钛)。管200、210各自具有各自的入口202、212和出口204、214。此外，管200、210各自具有内部腔体且第一管的内部腔体220显示于图3中。
如图3所示，球形元件300(概括地，“非反应性元件”)以密集排列置于各个管200、210中，使得球形元件在管内不会移动。锁紧件(未显示)可用于各个管200、210的入口202、212和出口204、214以将球形元件300保持在管内。锁紧件可具有形成于其中的开孔，开孔具有小于球形元件300的直径以容许液体和/或气体流过其中，同时防止球形元件这样做。安置球形元件300使得通过加热器120加热外壳110和管200、210导致球形元件的加热。
空隙310由球形元件300与管200、210的侧壁206、216之间的空间限定。空隙310容许液体流过管200、210且球形元件300的尺寸使得足量的液体和/或气体能流过空隙。例如，各个球形元件300可具有小于管200、210的直径的一半的直径。在图3中，球形元件30的直径为管200的直径的约20%，因此5个球形元件被沿着管直径画出的线D横切。在一个实施方案中，管200、210的直径为约0.75英寸，侧壁206、216的厚度为约0.065英寸，且球形元件300具有约0.125英寸的直径。
不同尺寸的球形元件300可用于管200、210中以改变空隙310的容积。例如可使用较大直径(相对于管的直径)的球形元件300以提高空隙310的容积，因为相当大直径的球形元件产生具有相应大容积的空隙。此外，可使用较小直径的球形元件300以降低空隙310的容积并相应地提高当流过管200、210中的空隙时液体和/或气体接触的球形元件的总表面积。提高管200、210中所含球形元件300的表面积导致传至流过空隙310并接触球形元件的三氯硅烷的传热量和传热速率提高。
球形元件300由在升高的温度下不与三氯硅烷反应或在三氯硅烷的存在下不降解的非反应性材料形成。这类材料的实例包括各类不锈钢、钛和超合金。此外，尽管球形元件300显示于图3中，但该元件可代替地为不同的形状。元件300可具有容许元件以导致产生容许液体和/或气体流过其中的空隙310的密集排列置于管200、210中的任何几何形状。例如，元件300可各自具有不同形状(例如一些元件可以为球形，而其它为立方体或不同类型的多边形)或元件可各自为近似的形状。此外，元件300可各自具有不同的不规则形状。
传热流体122置于外壳110的内部116中并围绕管200、210。传热流体122用于将热从外壳110和加热器120传递至管200、210。可使用具有适当高导热率的任何合适流体。合适传热流体的实例包括液态金属(例如钠或汞)、水、盐水、油或其组合。在这些实施方案中，可将管200、210从外壳110取出以维护(例如清洗)或置换。
在另一实施方案中，不使用传热流体，而是将管200、210包在铝(即传热介质)中，铝包围外壳110内的管。首先将铝熔融成液态，然后倒入外壳110内使得熔融铝围绕管200、210，然后固化。在该实施方案中，铝由于其热导率而用于包围管200、210。在其它实施方案中，管200、210可被不同类型的金属围绕。
图4显示用于将液体三氯硅烷气化的系统400。该系统使用多个与图1-3所示那些类似或相同的换热器。图4所示换热器的数量和构型在性质上是示例性的并可改进而不偏离本公开内容的范围。例如，系统400中所用加热器的数量和构型可受气化液体的流速、液体的沸点、液体的热性能(例如导热率)和液体可被加热至的最大温度影响。
首先将液体三氯硅烷流分离成两个平行流，然后将其各自分别供入第一换热器402和第二换热器404。然后将液体三氯硅烷在从各相应换热器中取出(即从其出口流出)以前在各个第一和第二换热器402、404中部分地气化。然后将部分气化三氯硅烷(即一部分三氯硅烷保持液体形式，而另一部分为气态)分别送入第三换热器410和第四换热器412中。然后将部分气化三氯硅烷在从相应换热器中取出以前在第三和第四换热器410、412中进一步气化(即气态三氯硅烷相对于液态三氯硅烷的百分数提高)。
然后将部分气化三氯硅烷的平行流混合回一起并将氢气与部分气化三氯硅烷混合。然后将该流分离成两个平行流，然后将其各自分别供入第五换热器420和第六换热器422中。然后将部分气化三氯硅烷在第五和第六换热器420、422中进一步气化至基本所有三氯硅烷为气态的点。然而，较少量的三氯硅烷(即少于1重量%)在离开第五和第六换热器420、422时可能仍保持液体形式。然后使气化三氯硅烷的平行流一起返回到单一罐中并储存用于随后的使用或送入随后的加工操作中。
图5描述了在以上关于图1-3所述的换热器中将液体气化的方法500。该方法在单元510中开始，其中使液体(例如温度敏感性液体如三氯硅烷)流入换热器中的管的入口。在单元520中，将换热器中的管通过加热器或其它热源加热。然后将液体通过使液体通过换热器中填充有球形元件的管而气化成气体。液体通过从管内的球形元件传递给液体的热气化。然后在单元540中将气体从换热器中的管中取出并储存或用于随后的加工操作中。
图6描述了在与图4所示类似或相同的三氯硅烷气化中将液体三氯硅烷气化的方法600。该方法在单元610中开始，其中使液体三氯硅烷流入第一换热器中。然后在单元620中将液体三氯硅烷在第一换热器通过使三氯硅烷通过填充有非反应性元件(例如以上图1-3中所述的球形元件)的管而部分气化。
在单元630中，将部分气化三氯硅烷从第一换热器中取出。然后在单元640中将部分气化三氯硅烷与氢气混合。然后将部分气化三氯硅烷和氢气的混合物送入第二换热器中。当在第二换热器中时，然后在单元650中将混合物通过使混合物通过第二换热器中填充有非反应性元件的管而气化。在单元670中，然后将三氯硅烷和氢气的气化混合物从第二换热器中取出。
不愿受任何具体理论束缚，认为置于管中的球形元件提高传递至三氯硅烷的热的速率和量，因为球形元件提高换热器与三氯硅烷接触的表面积。换热器与三氯硅烷接触的表面积的提高容许更多的热以比常规管式换热器中可能的更大的速率传递至三氯硅烷。在操作中，当液体三氯硅烷开始气化且气体:液体三氯硅烷比提高时，传热系数提高。传热系数的这一提高显著降低传递至部分气化三氯硅烷的热的速率和量。在不使用球形元件的传统管式换热器中，与该公开内容的实施方案相比，将剩余量的液体三氯硅烷转化成气态采用更长时间。因此，管必须愈加更长或三氯硅烷的流速必须降低以确保足够的热传递至三氯硅烷以将三氯硅烷气化。如上所述，仅提高换热器的温度不是提高气化速率的可行选择，因为在高于特定温度(例如450℉)的温度下，三氯硅烷变得过度腐蚀性和反应性。因此，在传统管式换热器中，如果不是不可能的话，将三氯硅烷完全气化变得愈加困难。
上述换热器和球形元件极大地提高了换热器与通过换热器的三氯硅烷接触的表面积(管和球形元件的表面积)。表面积的这一提高导致换热器将热传递至三氯硅烷的能力提高，即使实质部分的三氯硅烷已气化。因此，传递至三氯硅烷的热的速率和量的提高导致基本所有液体三氯硅烷转化成气态。上述换热器的效率也提高，因为与传统管式换热器相比，传递至三氯硅烷的热量更大且液体三氯硅烷更快地转化成气态。由于它的提高的效率，比较尺寸、管的长度和将三氯硅烷气化所需的热量与传统管式换热器相比降低。比较尺寸、管的长度和将三氯硅烷气化所需的热量的这一降低还显著地降低了与将三氯硅烷气化相关的资本成本(即系统组件的实际成本)和系统的操作成本。
除非另外说明，本文阐述和描述的本发明实施方案中的执行顺序或安装性能不是主要的。即，除非另外说明，操作可以以任何顺序进行，且本发明实施方案可包括额外的操作或比本文所公开的那些更少的操作。例如，预期在另一操作以前、同时或以后执行或进行具体操作在本发明方面的范围内。
当引入本发明元件或其实施方案时，文字“a”、“an”、“the”和“said”意欲指存在一个或多个元件。术语“包含”、“包括”和“具有”意欲指包括在内的且意指存在不同于所列元件的其它元件。
当不偏离本发明的范围而做出以上结构的各种改变时，意欲以上说明书中所含和附图中所示的所有物质应解释为说明性且不是限定性意义。
Claims (20)
1.用于将液体气化的换热器，其包括：
具有内部和外表面的外壳；
置于外壳的内部的管，管具有内部腔体，管具有各自分开的从外壳的外表面向外的入口和出口，配置入口以用于将液体流引入管中；
加热器配置得与管和外壳热连通且构造所述加热器以加热管；
多个非反应性元件，其以使得在所述多个非反应性元件与管之间限定多个空隙的排列而置于管的内部腔体中，其中所述多个非反应性元件的排列容许液体通过多个空隙并从管的入口行进至管的出口；且
其中多个非反应性元件和中空管在液体通过多个空隙时将热传递至液体以将液体至少部分地气化。
2.根据权利要求1的换热器，其中管以螺旋排列置于外壳内部。
3.根据权利要求1的换热器，其中多个非反应性元件为球形的。
4.根据权利要求3的换热器，其中多个非反应性元件包括金属。
5.根据权利要求1的换热器，其中多个非反应性元件各自具有小于管直径的一半的直径。
6.根据权利要求1的换热器，其进一步包括置于外壳内部且至少部分地围绕管的传热介质。
7.用于将液体气化的换热器，其包括：
具有内部和外表面的外壳；
置于外壳中的管，管具入口，配置所述入口以将液体流引入管中，该管具有内部腔体；
多个球形元件，其以使得多个空隙置于所述多个球形元件与管之间的排列而置于管的内部腔体中，其中多个球形元件的排列容许液体通过多个空隙并从管的入口行进至管的出口，且其中构造多个球形元件和管以在液体通过多个空隙时将热传递至液体以将液体至少部分地气化。
8.根据权利要求7的换热器，其中多个球形元件一起具有至少约30%的管容积的体积。
9.根据权利要求7的换热器，其中配置加热器以加热管，加热器邻近外壳配置。
10.根据权利要求7的换热器，其中加热器配置得与外壳的外表面和外壳的内部中的一个相邻。
11.根据权利要求7的换热器，其中球形元件包括不锈钢和钛中的至少一种。
12.根据权利要求7的换热器，其中多个球形元件各自具有小于约25%的管直径的直径。
13.根据权利要求7的换热器，其进一步包括：第二管，其置于外壳的内部且具有入口和出口，配置入口以将液体流引入第二管中，第二管具有内部腔体；和
第二多个球形元件，其以使得第二多个空隙置于第二多个球形元件与第二管之间的排列而置于管的内部腔体中，其中第二多个球形元件的排列容许液体通过第二多个空隙并从第二管的入口行进至出口，且其中构造多个球形元件和管以在液体通过第二多个空隙时将热从热源传递至液体以将液体至少部分地气化。
14.将液体气化的方法，所述方法包括：
使液体流入换热器中的管的入口，管包括球形元件；
加热换热器中的管；
通过使液体通过管而将液体气化成气体，其中通过热源加热球形元件，且其中球形元件在液体通过球形元件与管之间限定的多个空隙时将热传递至液体；和
从换热器中除去气体。
15.根据权利要求14的将液体气化方法，其中换热器中的管通过电阻加热器加热。
16.根据权利要求14的将液体气化方法，其中球形元件置于管的内部腔体中使得液体能够流过置于多个球形元件之间的多个空隙。
17.根据权利要求14的将液体气化方法，其进一步包括将从换热器中取出的气体与第一气体混合。
18.将液体三氯硅烷气化的方法，所述方法包括：
使液体三氯硅烷流入第一换热器的入口；
通过使三氯硅烷通过第一换热器中的具有多个非反应性元件的第一管而将液体三氯硅烷部分地气化为气态，其中非反应性元件通过第一热源加热且其中非反应性元件在三氯硅烷通过非反应性元件时将热传递至三氯硅烷；
从第一换热器中取出部分气化的三氯硅烷；
将部分气化的三氯硅烷与第一气体混合，产生部分气化三氯硅烷和第一气体的混合物；
使部分气化三氯硅烷和第一气体的混合物流入第二换热器中的第二管中，第二管包括非反应性元件；
通过使部分气化三氯硅烷和第一气体的混合物通过第二管而将所述混合物气化，其中非反应性元件通过第二热源加热且其中非反应性元件在混合物通过非反应性元件时将热传递至混合物；和
从第二换热器中取出气化三氯硅烷和第一气体的混合物。
19.根据权利要求18的方法，其中第一管和第二管中的非反应性元件为由不锈钢和钛中的一种形成的多个球形元件。
20.根据权利要求19的方法，其中第一管中的多个球形元件各自具有小于第一管直径的一半的直径，且其中第二管中的多个球形元件各自具有小于第二管直径的一半的直径。
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