CN107829078A - 一种改进的气相沉积炉 - Google Patents

Abstract

本发明是一种改进的气相沉积炉，包括带有炉底的炉体，炉体内安装有专用内筒，专用内筒连接有进气装置，还包括底部加热装置、循环冷却装置和尾气除焦装置。本发明通过改进筒壁结构形状，增加底部加热装置以及改进进气方式，达到均匀快速加热和节省材料的目的；本发明实现炉内强制冷却，大幅度缩短了炉体冷却时间；本发明能够及时清除排气管道内壁和过滤网上附着的焦油。

Description

一种改进的气相沉积炉

技术领域

本发明涉及气相沉积炉技术领域，具体是一种改进的气相沉积炉。

背景技术

化学气相沉积法是制备碳/碳复合材料的常用方法，它是将烃类气体通入沉积炉内，在1000℃左右条件下，热解碳在碳纤维表面不断生长，最终使纤维编织体致密化形成碳纤维增强热解碳基体复合材料，具有工艺简单、产品性能稳定、产品不受几何形状限制、适应工业化规模生产等特点。

现有的气相沉积炉的炉胆内筒采用碳/碳复合材料制成，一般壁厚均匀一致，多为单边壁厚50mm。当电阻加热时，加热器通电发热辐射至内筒上，因内筒的壁厚较厚，首先需要等待内筒达到一定温度后才会继续辐射炉胆内的受热材料，此种情形下加热时间较长，导致生产周期过长的问题。另一方面，碳/碳复合材料昂贵，采用厚度如此之大的材料造成浪费，导致气相沉积炉制造成本过高。

现有的气相沉积炉普遍采用的是侧向加热方式，即在炉壁安装电阻加热器对炉腔实施加热，在通电后通过电阻发热达到炉腔内温度上升的目的。该加热方式使用在大型炉腔里时，由于炉腔空间较大，加热时炉内外壁的温度会先上升，随后会越来越高并向内辐射，导致炉内温度靠近炉壁的高，中心位置低，使炉内产品受热不均匀，从而影响气相沉积效果。另一方面，由于采用侧向加热方式使炉内温度达到均匀一致需要较长时间，而在这段时间内无法通入反应气体开始化学反应，所以影响了生产效率。

现有的气相沉积炉一般采用底部进气或者顶部进气方式。随着单晶硅越来越大，气相沉积炉也随之变大，这就出现一个技术难题，即：炉体变大后由于供气不均匀导致气体在炉内的化学反应不均匀、不充分，不管是底部进气还是上部进气，气体在进入炉内后，进气点附近区域的化学反应相对充分，随着气体的继续上升/下降，参与化学反应的气体越来越少，往往会出现底部/顶部的产品沉积效果极差的缺陷。解决这一缺陷问题的方法是停炉进行倒炉操作，如此又会影响生产的正常进行，不仅费时费力，而且生产效率低下。

气相沉积炉炉内温度上升至设定高温时开始保温并通气进行化学反应，一段时间（比如四小时）后需要降至某一特定较低温度再次保温一段时间（比如四小时），随后开始继续降温。由于现有的气相沉积炉缺少炉内强制冷却装置，降温方法通常是自然冷却，一般需要四天左右时间才能达到拆炉条件，导致生产周期过长。

对于真空炉形式的气相沉积炉，为保证炉内真空状态真空发生泵会一直工作。进气后与产品发生化学反应会产生焦油，此焦油呈奶油状。为防止焦油进入真空发生泵中损坏真空泵，就需要在排气管道中加装过滤网，在抽排过程中焦油会粘黏在过滤网及管道壁上，虽然定期更换过滤网能够去除部分焦油，但粘黏在管路上的焦油却难于清除。日积月累，管路孔径会越来越小从而影响抽排效果，一旦堵塞管路则会发生爆炸危险。拆卸管道清理费时费力，增加了维护成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种改进的气相沉积炉，第一、通过改进筒壁结构形状，增加底部加热装置以及改进进气方式，达到均匀快速加热、均匀反应和节省材料的目的；第二、实现炉内强制冷却，进一步缩短炉体冷却时间；第三、能够及时清除排气管道内壁和过滤网上附着的焦油。

为解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：

一种改进的气相沉积炉，包括带有炉底的炉体，炉体内安装有专用内筒，专用内筒连接有进气装置，所述的专用内筒包括上端部的内筒上圈和下端部的内筒下圈，内筒上圈和内筒下圈之间是内侧面为光滑面的筒壁；所述筒壁包括纵横交错的筋板，相邻筋板之间为壁板；壁板的厚度为筋板厚度的30%～40%；所述气相沉积炉还包括底部加热装置，底部加热装置包括炉底上开设的并且上端开口的凹槽，在该凹槽内安装有石墨加热器；所述凹槽的上开口端安装有用于从上方覆盖石墨加热器的碳碳复合材料板，该碳碳复合材料板上开设有若干个均布的散热通孔；所述的进气装置包括由粗管和设置在粗管内并与粗管走向一致的细管构成的进气管，该进气管具有两个气道，其中一个是细管形成的内气道，另一个是细管和粗管之间的环形外气道；内气道的出气端高于环形外气道的出气端。

进一步地：所述的石墨加热器包括环形石墨盘；所述环形石墨盘上开设有若干个径向分隔槽将石墨盘分隔为从内环边沿到外环边沿再到内环边沿的循环回折状。

进一步地：所述气相沉积炉还包括循环冷却装置，循环冷却装置包括设置在炉体外侧的管式冷却器，管式冷却器的前端连接气相沉积炉的下排气孔，后端连接有风机，风机的出气端连接专用内筒的上端口；风机通过气阀连接有氮气罐。

进一步地：所述气相沉积炉还包括尾气除焦装置，该尾气除焦装置包括内端连接专用内筒的排气主管道和末端用于连接真空发生装置、前端与排气主管道末端相连接的排气副管道，排气副管道靠近排气主管道末端的一段与排气主管道走向相垂直；排气主管道与排气副管道的连接处通过油管连接有接油箱；在排气主管道中设有位于排气主管道中心位置的电阻加热管，电阻加热管外套有绝缘保护套；电阻加热管的根部与排气副管道的管壁相连接；气相沉积炉尾气除焦装置还包括安装在排气主管道中、绕电阻加热管螺旋设置且以电阻加热管为旋转中心的螺旋刮板，该螺旋刮板的前端靠近排气主管道的内端，螺旋刮板的后端连接有从动齿轮；从动齿轮通过轴承安装在电阻加热管上；与从动齿轮相啮合的主动齿轮与安装在排气副管道外侧的电机传动连接；所述齿轮和轴承均位于排气主管道与排气副管道的连接处内腔中。

进一步地：排气副管道中安装有纳米级过滤网，该纳米级过滤网位于排气主管道与排气副管道之间并且网面与螺旋刮板的外沿相切。

进一步地：电机的输出轴外端位于排气主管道与排气副管道的连接处内腔中，主动齿轮安装在电机的输出轴外端。

进一步地：排气主管道与排气副管道的连接处的下侧通过油管连接位于该连接处下方的接油箱。

本发明的积极效果在于：

第一、本发明专用内筒的壁板和筋板的厚度明显小于现有同类内筒，本发明在保证内筒各强度指标满足要求的前提下，大幅度降低了材料成本。经测算，一个内筒可节省材料20kg左右，每公斤材料费为240元，共可节省4800元。另一方面，由于筒壁采用了新的结构形状，并且壁厚明显减小，内筒径向传热效果明显改善，筒内升温时间大幅缩短，原升温时间为8小时，采用本发明只用3小时即可达到同样温度，从而大幅度提升了生产效率，降低了电能损耗。

第二、采用发明的底部加热装置后，工作时炉壁与炉底加热器同时发热，可保证内炉腔中心与炉腔内壁周围的温度接近一致，使炉内温度能够快速提升且产品在炉内受热更加均匀。通气后的化学反应也更加均匀和充分，从而提高了成品质量。另外，此装置投入使用后，大大缩短了等待炉内温度均匀的时间，能够尽早开始通入反应气体参与化学反应，因此提高了生产效率。

第三、供气系统启动后，气体同时由细管和粗管进入炉内不同高度位置，保证炉内上下都会有相同气量的气体参与化学反应，使产品受气均匀，保证化学反应充分。经过化学反应后的废气由炉体上部的尾气管排出，此操作可使炉内每处位置的产品都有足够化学反应的气体，产品质量得以提升，同时减少了中间停炉倒炉的时间，提高了生产效率，降低了人工消耗，经济效益显著提高。

第四、本发明在炉体外侧加装冷却器，通过管道连接在炉子的下排气孔处，再通过风机与炉体上部连接，这样就形成一个回流。当需要降温时开启冷却器，同时打开氮气罐阀门关闭真空发生泵，氮气充入炉内后被加热，随后被风机抽出引入至冷却器中降温，再经过回流管道引入到炉内再次被加热随后带走热量，依此循环仅用八小时就可以达到拆炉条件，从而大幅度缩短了炉体冷却时间和生产周期，技术效果非常突出，经济效益非常显著。

第五、本发明在排气管道内加装电阻加热管，电阻加热管外套绝缘保护套。电阻加热管在通电后发热融化粘黏在排气管道内壁上的焦油，排气管道内安装的螺旋刮板由末端的电机驱动进行旋转，带动焦油向排气管道末端靠近并流到下方的接油箱中，及时清除了排气管道内壁附着的焦油。本发明还于排气管道弯头处加装纳米级过滤网用以防止部分液态焦油被抽排至真空发生泵中，螺旋刮板在旋转时同时会清理过滤网上粘附的焦油，以保证过滤网的通畅。本发明有效地防止了管道堵塞问题，大大缩短了拆卸管道清理时间并节约了维护成本，进一步确保设备在运行过程中不发生故障或造成安全事故。

附图说明

图1是本发明实施例的整体结构示意图。

图2是本发明底部加热装置实施例的结构示意图。

图3是本发明底部加热装置实施例中石墨加热器的结构示意图。

图4是本发明底部加热装置实施例中碳碳复合材料板的俯视示意图。

图5是本发明专用内筒实施例的外形示意图。

图6是本发明专用内筒的过轴线剖面示意图。

图7是本发明尾气除焦装置的整体外观示意图。

图8是本发明尾气除焦装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明。

如图1，本发明改进的气相沉积炉的实施例包括带有炉底4的炉体1，炉体1内安装有专用内筒2，专用内筒2连接有进气装置6。本发明的实施例还包括底部加热装置5、循环冷却装置7和尾气除焦装置3。

如图5和图6，本发明专用内筒2的实施例包括位于上端部的内筒上圈21和下端部的内筒下圈22，内筒上圈21和内筒下圈22之间是内侧面为光滑面的筒壁，所述筒壁包括纵横交错的筋板23，相邻筋板之间为壁板24。筋板23的厚度大于壁板24。筋板23和壁板24互为一体结构。壁板24的厚度为筋板23的30%-40%，优选36%。

实际制作中，专用内筒内侧面平滑，外侧面呈现筋板构成的“井”字状分布，壁板向内侧凹陷。筋板23沿内筒高度方向将筒壁分为M（M为自然数）个区，M＞1，并沿圆周方向将筒壁分为N（N为自然数）个区，N＞1。所述M个区与所述N个区的交汇区域为壁板24。筋板23的厚度25mm，壁板24的厚度9mm。内筒上圈21和内筒下圈22的厚度50mm。

如图2所示，本发明底部加热装置5的实施例包括开设在气相沉积炉的炉底4上并且上端开口的圆形的凹槽，在该圆形的凹槽内安装有石墨加热器55，石墨加热器55的石墨电极56下端从炉底4向下穿出用于连接电源线，石墨电极56通过石墨螺栓54固定在石墨加热器55上。所述圆形的凹槽的上开口端安装有用于从上方覆盖石墨加热器55的圆盘状的碳碳复合材料板53（碳碳复合材料板又称为CC复合材料板），该碳碳复合材料板53上开设有若干个均布的散热通孔531，如图4所示。

如图3，所述的石墨加热器55包括环形石墨盘，环形石墨盘上开设有两个电极安装孔552用于安装石墨电极56。所述环形石墨盘上开设有若干个径向分隔槽551将石墨盘分隔为从内环边沿到外环边沿再到内环边沿的循环回折状，用以延长发热体的总长度。径向分隔槽551的具体设置方式：其中一个径向分隔槽根部靠近外环边沿而内端在内环边沿开口，它相邻的径向分隔槽根部靠近内环边沿而外端在外环边沿开口。

仍如图2，所述圆形的凹槽的下端封闭，凹槽壁上设有环形的凸台52作为碳碳复合材料板53的支撑。

经计算石墨材料的电阻率确定石墨加热器55的参数，以保证其电阻值与炉壁加热器相同。使用时石墨电极56连接于炉壁加热器供电系统，在通电时侧向、底部同时加热。

如图1，本发明进气装置6的实施例包括由粗管62和设置在粗管62内并与粗管62走向一致的细管61构成的进气管，该进气管具有两个气道，其中一个是细管61形成的内气道，另一个是细管61和粗管62之间的环形外气道。细管61的出气端高于环形外气道的出气端。优选的设计是：所述内气道与所述环形外气道的截面积相等，以保证两气道供气速率一致。

该进气管的进气端带有用于与供气系统相连接的法兰盘63，法兰盘63的出气端分别连通进气管两个气道的进气端。使用时法兰盘63的进气端与供气系统相连接，供气系统通过法兰盘63将两路气体送入气相沉积炉内。

为了便于布置和安装，所述进气管设计有一个折弯部，使进气管整体呈“L”型。安装时进气管的纵向段自炉底4向上穿入炉腔，而进气管的水平段与地面平行设置。

实际使用时，气相沉积炉炉内共分为六层，通过计算得出粗管与细管的直径，以保证粗管与细管的容积相同。粗管62为下三层供气，细管61直接延伸至上三层中。当供气系统启动，气体同时由细管61和粗管62进入炉内，保证炉内上下都会有相同气量的气体，使产品受气均匀，保证化学反应充分。经过化学反应后的废气由炉体上部的尾气管排出，此操作可使炉内每处位置的产品都有足够化学反应的气体，促使产品质量提升，更减少了中间停炉倒炉的时间，经济效益显而易见。

仍如图1，本发明的实施例进一步地包括循环冷却装置7，循环冷却装置7包括设置在炉体1外侧的管式冷却器77，管式冷却器77的前端通过第一管78连接气相沉积炉的下排气孔71，后端通过第二管76连接有风机74，风机74的出气端通过第三管73连接专用内筒2的上端口72。风机74通过气阀连接有氮气罐75。

所述的管式冷却器77内设有冷却介质通道，冷却介质通道与管式冷却器77壳体之间为氮气通道。冷却介质通道的进出端分别与设在管式冷却器77壳体上的进出咀相连接，进出咀分别连接循环冷却介质的气路。氮气通道的进出端分别与第一管78和第二管76相连接。

实际应用中，在气相沉积炉炉体外侧加装管式冷却器77，通过不锈钢管道连接在炉子的下排气孔71，风机74再通过不锈钢管道与炉体上端口72连接，这样就形成一个回路。管式冷却器77上接氮气罐75。当需要降温时开启管式冷却器77，同时打开氮气罐75的气阀，关闭气相沉积炉真空发生泵，氮气充入炉内后会被加热至1000度，随后被风机74抽出引入至管式冷却器77中降温，再经过不锈钢管道引入到炉内再次被加热随后再次被降温，依此循环仅用八小时就可以达到拆炉条件，经济效益显而易见。

如图7和图8，本发明尾气除焦装置3的实施例包括内端连接专用内筒2的排气主管道31和末端用于连接真空发生装置、前端与排气主管道31末端相连接的排气副管道32，排气副管道32靠近排气主管道31末端的一段与排气主管道31走向相垂直。排气主管道31与排气副管道32的连接处的下侧通过油管连接有位于该连接处下方的接油箱34。

如图8，在排气主管道31中设有位于排气主管道31中心位置的电阻加热管35，电阻加热管35外套有绝缘保护套39。电阻加热管35的根部与排气副管道32的管壁相连接，电阻加热管35的引线穿过所述管壁。

仍如图8，本发明的实施例还包括安装在排气主管道31中并且绕电阻加热管35螺旋设置且以电阻加热管35为旋转中心的螺旋刮板36，该螺旋刮板36的前端靠近排气主管道31的内端，螺旋刮板36的后端连接有从动齿轮38。从动齿轮38通过轴承安装在电阻加热管35上。与从动齿轮38相啮合的主动齿轮37与固定安装在排气副管道32管壁外侧的电机33传动连接。所述传动连接的方式举例：电机33的输出轴位于管道内，主动齿轮37安装在电机33的输出轴上。所述齿轮和轴承均位于排气主管道31与排气副管道32的连接处内腔中。

仍如图8，排气副管道32中安装有纳米级过滤网30，该纳米级过滤网30位于排气主管道31与排气副管道32之间并且网面与螺旋刮板36的外沿相切。螺旋刮板36旋转时从纳米级过滤网30上刮下附着的焦油。

本发明工作时，在电机33驱动下螺旋刮板36旋转，将排气主管道31内壁附着的焦油和纳米级过滤网30上附着的焦油刮下，被刮下的焦油落入到接油箱34中。

Claims (7)

1.一种改进的气相沉积炉，包括带有炉底（4）的炉体（1），炉体（1）内安装有专用内筒（2），专用内筒（2）连接有进气装置（6），其特征在于：所述的专用内筒（2）包括上端部的内筒上圈（21）和下端部的内筒下圈（22），内筒上圈（21）和内筒下圈（22）之间是内侧面为光滑面的筒壁；所述筒壁包括纵横交错的筋板（23），相邻筋板之间为壁板（24）；壁板的厚度为筋板厚度的30%～40%；所述气相沉积炉还包括底部加热装置（5），底部加热装置（5）包括炉底（4）上开设的并且上端开口的凹槽，在该凹槽内安装有石墨加热器（55）；所述凹槽的上开口端安装有用于从上方覆盖石墨加热器（55）的碳碳复合材料板（53），该碳碳复合材料板（53）上开设有若干个均布的散热通孔（531）；所述的进气装置（6）包括由粗管（62）和设置在粗管（62）内并与粗管（62）走向一致的细管（61）构成的进气管，该进气管具有两个气道，其中一个是细管（61）形成的内气道，另一个是细管（61）和粗管（62）之间的环形外气道；内气道的出气端高于环形外气道的出气端。

2.如权利要求1所述的改进的气相沉积炉，其特征在于：所述的石墨加热器（55）包括环形石墨盘；所述环形石墨盘上开设有若干个径向分隔槽（551）将石墨盘分隔为从内环边沿到外环边沿再到内环边沿的循环回折状。

3.如权利要求1所述的改进的气相沉积炉，其特征在于：所述气相沉积炉还包括循环冷却装置（7），循环冷却装置（7）包括设置在炉体（1）外侧的管式冷却器（77），管式冷却器（77）的前端连接气相沉积炉的下排气孔（71），后端连接有风机（74），风机（74）的出气端连接专用内筒（2）的上端口（72）；风机（74）通过气阀连接有氮气罐（75）。

4.如权利要求1或2或3所述的改进的气相沉积炉，其特征在于：所述气相沉积炉还包括尾气除焦装置（3），该尾气除焦装置（3）包括内端连接专用内筒（2）的排气主管道（31）和末端用于连接真空发生装置、前端与排气主管道（31）末端相连接的排气副管道（32），排气副管道（32）靠近排气主管道（31）末端的一段与排气主管道（31）走向相垂直；排气主管道（31）与排气副管道（32）的连接处通过油管连接有接油箱（34）；在排气主管道（31）中设有位于排气主管道（31）中心位置的电阻加热管（35），电阻加热管（35）外套有绝缘保护套（39）；电阻加热管（35）的根部与排气副管道（32）的管壁相连接；气相沉积炉尾气除焦装置还包括安装在排气主管道（31）中、绕电阻加热管（35）螺旋设置且以电阻加热管（35）为旋转中心的螺旋刮板（36），该螺旋刮板（36）的前端靠近排气主管道（31）的内端，螺旋刮板（36）的后端连接有从动齿轮（38）；从动齿轮（38）通过轴承安装在电阻加热管（35）上；与从动齿轮（38）相啮合的主动齿轮（37）与安装在排气副管道（32）外侧的电机（33）传动连接；所述齿轮和轴承均位于排气主管道（31）与排气副管道（32）的连接处内腔中。

5.如权利要求4所述的改进的气相沉积炉，其特征在于：排气副管道（32）中安装有纳米级过滤网（30），该纳米级过滤网（30）位于排气主管道（31）与排气副管道（32）之间并且网面与螺旋刮板（36）的外沿相切。

6.如权利要求4所述的改进的气相沉积炉，其特征在于：电机（33）的输出轴外端位于排气主管道（31）与排气副管道（32）的连接处内腔中，主动齿轮（37）安装在电机（33）的输出轴外端。

7.如权利要求4所述的改进的气相沉积炉，其特征在于：排气主管道（31）与排气副管道（32）的连接处的下侧通过油管连接位于该连接处下方的接油箱（34）。