JPWO2012105414A1 - Gas superheater and superheater assembly - Google Patents
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Abstract
[課題]腐食性、反応性のあるガス、特には、高純度シリコンを製造する亜鉛還元法において、原料四塩化珪素ガスを900〜1,100℃の目標温度まで厳密に制御して加熱することを可能とするガス過熱器および過熱器連結体を提供すること。[解決手段]ガス流入口及びガス流出口を備えた外筒管内に、内部に発熱体が収容された複数の発熱管を、長尺方向に配置したことを特徴としている。[Problem] In a zinc reduction method for producing corrosive and reactive gases, especially high-purity silicon, it is possible to heat the raw material silicon tetrachloride gas to a target temperature of 900 to 1,100 ° C with precise control A gas superheater and a superheater assembly are provided. [Solution] A plurality of heat generating tubes each containing a heat generating element are arranged in a longitudinal direction in an outer tube having a gas inlet and a gas outlet.
Description
本発明は例えば、電気炉内に導入される被加熱ガスを高温に加熱するのに使用されるガス過熱器および過熱器連結体に関する。 The present invention relates to, for example, a gas superheater and a superheater assembly used to heat a heated gas introduced into an electric furnace to a high temperature.
近年、シリコン太陽電池の原料となる多結晶シリコンの製造法として四塩化珪素を金属亜鉛で還元して高純度多結晶シリコンを製造する亜鉛還元法が注目されている。
亜鉛還元法においては、原料となる四塩化珪素及び亜鉛は900〜1,100℃に気化、加熱して気相還元反応を行わせる。In recent years, a zinc reduction method for producing high-purity polycrystalline silicon by reducing silicon tetrachloride with metallic zinc has attracted attention as a method for producing polycrystalline silicon as a raw material for silicon solar cells.
In the zinc reduction method, silicon tetrachloride and zinc as raw materials are vaporized at 900 to 1,100 ° C. and heated to cause a gas phase reduction reaction.
四塩化珪素の沸点は58℃であるので、比較的容易に気化させることができるが、水と激しく反応し、腐食性もあるので1,000℃程度までの加熱には、装置内雰囲気及び装置材質の選定など取り扱いに注意を要する。 Since silicon tetrachloride has a boiling point of 58 ° C, it can be vaporized relatively easily. However, it reacts violently with water and is corrosive. Care should be taken in handling such as selection.
ところで、特許文献1には、直接通電により金属抵抗体を高温に加熱し、その高温になった金属抵抗体にガスを直接接触させることで高温のガスを得るガス加熱器が開示されている。 By the way, Patent Document 1 discloses a gas heater that obtains a high-temperature gas by heating a metal resistor to a high temperature by direct energization and bringing the gas into direct contact with the metal resistor that has reached a high temperature.
しかしながら、四塩化珪素のような腐食性のガスを加熱する場合は、金属抵抗体がそのガスによって腐食されるなどの問題がある。
一方、特許文献2には、炉内壁を貫通して配置された保護管内に、スパイラル状に形成した発熱部とこの発熱部から取り出された電極端子とを備えた発熱体を、この発熱部が炉内側に位置するように挿通してなるガス加熱装置が開示されている。
そしてこのガス加熱装置では、ガス或いは空気を、スパイラル状に形成された発熱部に導いて加熱し、加熱後のガス或いは空気を炉内に放出するようにしている。
このガス加熱装置は、発熱部が炉内壁を貫通して構成される構造のため、発熱部の最大の長さが、炉内壁の厚さに制限され、結果として、加熱温度の十分な制御が困難であるという問題がある。However, when a corrosive gas such as silicon tetrachloride is heated, there is a problem that the metal resistor is corroded by the gas.
On the other hand, in
In this gas heating apparatus, gas or air is guided to a heat generating portion formed in a spiral shape and heated, and the heated gas or air is discharged into the furnace.
Since this gas heating device has a structure in which the heat generating part penetrates the furnace inner wall, the maximum length of the heat generating part is limited by the thickness of the furnace inner wall, and as a result, sufficient control of the heating temperature is achieved. There is a problem that it is difficult.
本発明は、反応器等へ供給するガスを高温に加熱するためのガス過熱器における従来の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、腐食性、反応性のあるガスを900〜1,100℃の目標温度まで厳密に制御して加熱することを可能とするガス過熱器および過熱器連結体を提供することにある。 The present invention has been made in order to solve the conventional problems in a gas superheater for heating a gas supplied to a reactor or the like to a high temperature, and its purpose is to provide a corrosive and reactive gas. It is an object of the present invention to provide a gas superheater and a superheater assembly that can be heated under strictly control to a target temperature of 900 to 1,100 ° C.
特には、本発明は高純度シリコンを製造する亜鉛還元法において、原料四塩化珪素ガスを、900〜1,100℃の目標温度まで厳密に制御して加熱し、還元反応器へ供給することを可能とするガス過熱器および過熱器連結体を提供することにある。 In particular, according to the present invention, in the zinc reduction method for producing high-purity silicon, it is possible to heat the raw material silicon tetrachloride gas to a target temperature of 900 to 1,100 ° C. while strictly controlling it and supplying it to the reduction reactor. An object of the present invention is to provide a gas superheater and a superheater assembly.
上記目的を達成するための本発明に係るガス過熱器は、
ガスを高温に加熱するためのガス過熱器であって、
前記ガス過熱器が、
ガス流入口及びガス流出口を備えた外筒管と、
前記外筒管の長尺方向に配置され、内部に発熱体が収容された複数の発熱管と、
から少なくとも構成されていることを特徴としている。In order to achieve the above object, a gas superheater according to the present invention comprises:
A gas superheater for heating a gas to a high temperature,
The gas superheater,
An outer tube having a gas inlet and a gas outlet;
A plurality of heat generating tubes disposed in the longitudinal direction of the outer tube, and containing a heat generating element therein;
It is characterized by comprising at least.
このようなガス過熱器によれば、発熱体がガスに接触することがないことから腐食の虞がない。
ここで、前記外筒管の両端部には、前記発熱管を挿入するための孔が予め形成された側板が配設され、前記発熱管は前記孔に挿入されていることが好ましい。According to such a gas superheater, there is no possibility of corrosion because the heating element does not contact the gas.
Here, it is preferable that a side plate in which a hole for inserting the heat generating tube is formed in advance is disposed at both ends of the outer tube, and the heat generating tube is inserted into the hole.
このように形成されていれば、加熱エネルギーの有効利用が図られるとともに、発熱管を安定した姿勢で保持することができる。
さらに前記発熱管は、前記外筒管の全長より長く形成されたものであり、
前記外筒管より長い長さの発熱管が、前記外筒管の一方の端部から他方の端部に渡って差し渡されたものであっても良い。
あるいは前記発熱管は、前記外筒管の長さに対して半分以下の長さであり、
前記半分以下の長さの発熱管が、前記外筒管の両端部から、前記外筒管の中央付近まで挿入されたものであっても良い。If formed in this way, the heating energy can be effectively used and the heating tube can be held in a stable posture.
Furthermore, the heating tube is formed longer than the entire length of the outer tube,
A heating tube having a length longer than that of the outer tube may be extended from one end of the outer tube to the other end.
Alternatively, the heating tube is less than half the length of the outer tube,
The exothermic tube having a length of half or less may be inserted from both ends of the outer tube to the vicinity of the center of the outer tube.
このように設計変更が容易であるため、発熱管の長さにより、片側から挿入するか、あるいは両側から挿入するかのいずれかを選択することができる。
また、本発明では、前記外筒管の外周に外部加熱手段が配設されていることが好ましい。Since the design can be easily changed in this way, it is possible to select either one of insertion from one side or both sides depending on the length of the heat generating tube.
In the present invention, it is preferable that an external heating means is disposed on the outer periphery of the outer tube.
このように、外部加熱手段を配置すれば、内側と外側とで加熱することができるので、加熱効果が良好である。
さらに、前記発熱体は、金属又はセラミックよりなる抵抗発熱体であることが好ましい。Thus, if an external heating means is arrange | positioned, since it can heat by an inner side and an outer side, a heating effect is favorable.
Furthermore, the heating element is preferably a resistance heating element made of metal or ceramic.
このような構成であれば、発熱効率が良好であるとともに温度調整が容易である。
さらに、本発明では、前記外筒管の内壁に、略半円状の整流板が所定間隔離間して配設されているとともに、相隣合う前記整流板が、前記外筒管の内壁の一方側および他方側に互い違いに配設されていることが好ましい。With such a configuration, heat generation efficiency is good and temperature adjustment is easy.
Further, in the present invention, a substantially semicircular rectifying plate is disposed on the inner wall of the outer tube at a predetermined interval, and the rectifying plates adjacent to each other are arranged on one side of the inner wall of the outer tube. It is preferable that they are alternately arranged on the side and the other side.
このような構成であれば、内部を流れる加熱ガスが整流板に衝突し流路が代わることにより、外筒管内でのガスの流路を長く確保することができ、ガス全体を均一に加熱することができる。 With such a configuration, the heated gas flowing inside collides with the rectifying plate and the flow path is changed, so that a long flow path for the gas in the outer tube can be secured, and the entire gas is uniformly heated. be able to.
また、本発明では、前記外筒管及び前記発熱管の材質が石英であることが好ましい。
さらに、本発明では、前記加熱されるガスが、四塩化珪素であることが好ましい。
また、本発明の過熱器連結体は、上記いずれかのガス過熱器を、複数連結して構成されていることが好ましい。In the present invention, it is preferable that the material of the outer tube and the heating tube is quartz.
Furthermore, in the present invention, the heated gas is preferably silicon tetrachloride.
Moreover, it is preferable that the superheater coupling body of the present invention is configured by connecting a plurality of the above gas superheaters.
本発明のガス過熱器および過熱器連結体によれば、反応器などへ供給するガスを目標温度にまで厳密に制御して加熱することができる。
また、腐食性のガスを加熱する場合であっても、コイルなどからなる発熱体がガスによって腐食されることがない。According to the gas superheater and superheater assembly of the present invention, the gas supplied to the reactor or the like can be heated while strictly controlling to the target temperature.
Further, even when a corrosive gas is heated, a heating element such as a coil is not corroded by the gas.
さらに、発熱部の長さを自由に設定できるので、加熱温度の制御が容易である。 Furthermore, since the length of the heat generating part can be set freely, the control of the heating temperature is easy.
以下、本発明に係るガス過熱器を図面に基づいて説明する。
図1は本発明の一実施例に係るガス過熱器を分解して示した斜視図で、図2(A)は、図1のガス過熱器を組立てた状態での概略断面図で、図2(B)は図2(A)のB−B線方向の概略断面図である。なお、本実施例において、加熱されるガスは、高純度多結晶シリコンを製造するのに使用される四塩化珪素である。Hereinafter, the gas superheater concerning the present invention is explained based on a drawing.
FIG. 1 is an exploded perspective view of a gas superheater according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2A is a schematic cross-sectional view of the assembled gas superheater of FIG. (B) is a schematic sectional drawing of the BB line direction of FIG. 2 (A). In this embodiment, the gas to be heated is silicon tetrachloride used for producing high-purity polycrystalline silicon.
本実施例のガス過熱器10は、略円筒状の外筒管2と、外筒管2内に両端部が突出して配置される複数本(本実施例では4本)の発熱管4と、発熱管4の内部に収容される複数本の発熱体6とを有している。また、外筒管2の両端部は、発熱管4が収容された後、側板8,8により封止される。
The
上記外筒管2の両端部には、それぞれガス流入口2aとガス流出口2bとが形成されている。
また、外筒管2の各端部に配置される側板8は一枚でも良いが、強度保持のため、図3に示した側板8'のように、内側閉止板8aと外側閉止板8bとからなる二重構造とし、これらの間にセラミックファイバーブランケットなどの断熱材を装填した構造とすることもできる。A
Further, one
上記外筒管2と上記発熱管4と上記側板8(8')などの材質は耐食性で耐熱性を有する石英、炭化珪素、窒化珪素などを用いることができる。本実施例のように、扱うガスが四塩化珪素の場合は石英が好適である。
Quartz, silicon carbide, silicon nitride, etc. having corrosion resistance and heat resistance can be used as the material of the
外筒管2内に収容する発熱管4ならびに発熱体6は、通常2本〜10本であるが、この数は特に限定されるものではなく必要とする熱容量に応じて適宜決定される。図示した例では、それぞれの発熱管4が略均等に離間して配置されている。
The number of
発熱管4は、両側板8,8を貫通して両端部4a,4bが、外部に突出する長さを有しており、この突出した両端部4a,4bのいずれか一方から、発熱体6を発熱管4内に挿入して収容する構造となっている。
The
発熱体6は、カンタル合金、ニッケルクロム合金、炭化珪素などの抵抗式ヒーターを用いることができる。ヒーターの形状は、コイル状、棒状、スパイラル状、円筒状等、適宜用いることができる。発熱管4を収容した外筒管2は、通常、水平に設置するが、設置スペースの都合により、垂直あるいは斜めに設置することもできる。
The
図1のガス過熱器10では、外筒管2より長い発熱管4を外筒管2内に収容しているが、これに代え、2本の分割体を直線状に配置することもできる。
すなわち、発熱体6あるいは発熱管4の長さに制約がある場合などに、図5に示したように、予め一端が封止された有底筒状の発熱管14を2本組として用意し、これら発熱管14,14の閉鎖側の端部14aを、外筒管2の内部へ両側から略直線状に挿入し、開放側の各端部14bを外筒管2の両側板8,8から外部へ突出させた構造とすることもできる。
図5では、このような1対の発熱管14,14の閉鎖側の端部14a,14aが、外筒管2の中央部分で所定間隔離間して互いに隣り合う配置となっている。互いに隣り合う発熱管14の端部14a間の離間距離は特に限定されないが、1〜10cm程度確保するとよい。In the
That is, when the length of the
In FIG. 5, the
一方、外筒管2の内壁には、図2(A),(B)に示したように、複数個(実施例では4個)の整流板16が、外筒管2の軸方向に対して垂直な方向に配置されている。これら整流板16は略半円状であり、整流板16が設けられた外筒管2の断面視において、整流板16が設けられた側と対向する逆側の空間が略半円状の切欠部16aを形成している。
なお、この切欠部16aは、円弧状であっても良く、形状は整流板16の形状によって決められるものである。
発熱管4はそれぞれの整流板16を貫通する構造となっており、貫通部の発熱管4と整流板16とは、溶接により数点を固着して一体化されている。なお、この切欠部16aを通してガスが外筒管2の内部を通過するようになっている。
互いに隣り合う整流板16の切欠位置は、180度互い違いになることが好ましい。これによって通過するガスが整流板16に当たりながら流路を変え、外筒管2内の通過距離が長く確保されるようになっており、これにより熱交換を効率的に行うことができる。互いに隣り合う整流板間の距離は、10〜30cmにすることが好ましい。On the other hand, as shown in FIGS. 2A and 2B, a plurality (four in the embodiment) of rectifying
The
The
It is preferable that the notch positions of the rectifying
整流板16の材質は、石英、炭化珪素、窒化珪素などを用いることができる。扱うガスが四塩化珪素の場合は石英が好適である。
外筒管2の外周は断熱材で覆ってもよいが、放熱ロスを小さくし、熱効率を上げるため、例えば、図4に示した他の実施例のように、外筒管2の外周を複数の領域に画成し、この画成された領域にそれぞれ外部加熱手段20を配置して外方からも内方に向かって加熱することが好ましい。Quartz, silicon carbide, silicon nitride, or the like can be used as the material of the rectifying
Although the outer periphery of the
このように外部加熱手段20を設けることにより、その分、内部の発熱管4による加熱容量を小さく設定することができるので、熱交換器を従来に比べてコンパクトにすることが可能になる。外部加熱手段20の発熱体は、カンタル合金、ニッケルクロム合金、炭化珪素などの抵抗式ヒーターを用いることができる。
By providing the external heating means 20 in this way, the heating capacity of the internal
外部加熱手段20の各領域の加熱容量は、図1に示したガス流入口2a側をガス流出口2b側よりも大きくすることが好ましい。
本実施例のガス過熱器10において、加熱対象となる四塩化珪素ガスはガス流入口2aから外筒管2内に導入され、発熱体6が通電により高温に発熱すれば、被加熱ガスは、次第に高温となり整流板16に衝突しつつ外筒管2の内部を下流側に流れ、最終的に900〜1,100℃の温度となって、ガス流出口2bから外部に噴出されることになる。
これにより、例えば、このガス過熱器10が、多結晶シリコンを製造する炉内などに収容されていれば、その炉内に所定の温度に加熱された四塩化珪素ガスを供給することができる。The heating capacity of each region of the external heating means 20 is preferably larger on the
In the
Thereby, for example, if the
このような構成であれば、発熱体6が加熱ガスで腐食されるなどの問題が生じることはない。また、従来のように発熱部が炉内壁を貫通する構造ではないので、発熱部の長さが炉内壁の厚さに制限されず、自由な長さに設計することができる。
With such a configuration, there is no problem that the
以上、本発明の一実施例に係るガス過熱器10について説明したが、本発明は、上記実施例に何ら限定されない。
例えば、上記で説明したガス過熱器10を、図6に示したように、2つ或いは3つ以上連結して構成することも可能である。このようにガス過熱器10を連結して過熱器連結体30とすることにより、温度を厳密に制御して高温のガスを得ることがより可能となる。The gas superheater 10 according to one embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to the above embodiment.
For example, two or three or
また、過熱器連結体30を採用することにより、例えば、腐食性、反応性のあるガスを900〜1,100℃の目標温度まで厳密に制御して加熱することができる。特には、本発明は高純度シリコンを製造する亜鉛還元法において、原料四塩化珪素ガスを、900〜1,100℃の目標温度まで厳密に制御して加熱し、還元反応器へ供給することが可能である。
Further, by employing the
なお、このガス過熱器10は四塩化珪素ガスの加熱に限定されず、様々なガスの過熱器として使用することができる。
The
[実施例1]
外径308mm、内径300mm、長さ2,000mmの石英管の両端を、内部にセラミックファイバーブランケット充填した二重の石英側板8'で封止した。このようにして成る外筒管2の内部に一端が封止された外径80mm、長さ1,070mmの石英製の発熱管4を4対(計8本)用意した。
一方、外筒管2内に、200mmの間隔を置いて4枚の半円形状の整流板16を配置した。そして、片側から4本の発熱管4を外筒管2内に挿入し、発熱管4が整流板16を貫通するようにして、整流板16の貫通部に発熱管4を溶接で固着して取り付けた。[Example 1]
Both ends of a quartz tube having an outer diameter of 308 mm, an inner diameter of 300 mm, and a length of 2,000 mm were sealed with a double
On the other hand, four
図5のように、ガス流入口2a側から4本、ガス流出口2b側から4本配置された場合(図5では、2本ずつが平行配置であるため、4本のうちの2本が示されている)、それら発熱管14の閉鎖端部14a側を外筒管2の略中間位置に配置されるように挿入した。
そして、発熱管14の開放側の端部14bからスパイラル状のカンタルヒーター(発熱体6)を挿入した。カンタルヒーター(発熱体6)の熱容量はガス流入口2a側が6.5kw×4本、ガス流出口2b側が3kw×4本とした。As shown in FIG. 5, when four from the
Then, a spiral cantal heater (heating element 6) was inserted from the
また、外筒管2の外周には、図4に示したように、上下2分割4ユニットからなる外部加熱ヒーター(外部加熱手段20)を設置した。外部加熱ヒーター(外部加熱手段20)の容量はガス流入口側の2ゾーンが20.5kw、ガス流出口側の2ゾーンが10kwとなるようにした。
Further, as shown in FIG. 4, an external heater (external heating means 20) composed of upper and lower divided four units was installed on the outer periphery of the
上記のように構成したガス過熱器のそれぞれのヒーターに通電し、ガス流入口2a側から80℃に加熱した四塩化珪素ガスを600kg/hrの流量で導入した。四塩化珪素ガスのガス流出口2b側の温度を測定したところ、970℃であった。
Each heater of the gas superheater configured as described above was energized, and silicon tetrachloride gas heated to 80 ° C. was introduced from the
本発明のガス過熱器10により、コンパクトな構成で厳密な温度制御の下、高温のガスが得られることが確認された。
It was confirmed that the
2 外筒管
2a ガス流入口
2b ガス流出口
4 発熱管
4a,4b 端部
6 発熱体
8,8' 側板
8a 内側閉止板
8b 外側閉止板
10 ガス過熱器
14 発熱管
14a 閉鎖端部
14b 開放端部
16 整流板
16a 切欠部
20 外部加熱手段
30 過熱器連結体2
Claims (10)
前記ガス過熱器が、
ガス流入口及びガス流出口を備えた外筒管と、
前記外筒管の長尺方向に配置され、内部に発熱体が収容された複数の発熱管と、
から少なくとも構成されていることを特徴とするガス過熱器。A gas superheater for heating a gas to a high temperature,
The gas superheater,
An outer tube having a gas inlet and a gas outlet;
A plurality of heat generating tubes disposed in the longitudinal direction of the outer tube, and containing a heat generating element therein;
A gas superheater characterized by comprising at least.
前記外筒管より長い長さの発熱管が、前記外筒管の一方の端部から他方の端部に渡って差し渡されていることを特徴とする請求項1または2に記載のガス過熱器。The exothermic tube is formed longer than the entire length of the outer tube,
3. The gas overheating according to claim 1, wherein a heat generating tube having a length longer than that of the outer tube is extended from one end of the outer tube to the other end. 4. vessel.
前記半分以下の長さの発熱管が、前記外筒管の両端部から、前記外筒管の中央付近まで挿入されていることを特徴とする請求項1または2に記載のガス過熱器。The exothermic tube is less than half the length of the outer tube,
3. The gas superheater according to claim 1, wherein the heat generating pipe having a length of less than half is inserted from both end portions of the outer cylindrical pipe to the vicinity of the center of the outer cylindrical pipe.
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