CN108138992B - 用于流化床反应器的等静压石墨内衬 - Google Patents

Abstract

一种流化床反应器，其包括多晶硅制备用内衬，该多晶硅制备用内衬具有沿轴线延伸的筒状管。该管包括内表面和外表面，该内表面和外表面限定出在其间的管厚度。该多晶硅内衬还包括围绕管的外表面缠绕的至少一层缠绕物。所述缠绕物防止管的径向膨胀。

Description

用于流化床反应器的等静压石墨内衬

对相关申请的交叉引用

本申请要求2015年10月5日提交的美国临时专利申请系列号No.62/237,288的优先权，在此将该申请的公开内容整体并入作为参考。

技术领域

本公开的领域涉及用于流化床反应器的等静压石墨内衬，并且更具体地涉及具有用于向内衬施加径向压缩力的预张紧的缠绕物的石墨内衬。

背景技术

多晶硅是用于生产许多商业产品——包括例如集成电路和光伏(即太阳能)电池——的重要原材料，多晶硅通常利用化学气相沉积机理来生产，其中硅从可热分解的硅前体化合物沉积到流化床反应器(“FBR”)中的硅颗粒上。合适的可热分解硅化合物包括例如硅烷和诸如三氯硅烷的卤代硅烷。

在本领域中已知的FBR制备工艺中，可分解的硅前体化合物(例如，硅烷)和硅籽晶颗粒被连续进给到反应器中。硅颗粒床使用适当的加热装置保持处于高温下，并通过向上的气体流动保持处于流化状态。这种床被称为流化床。硅沉积在连续生长的籽晶颗粒上，直到它们达到临界尺寸，此后将它们分隔至反应器的底部，在此它们作为多晶硅产品(即“粒状”多晶硅)从FBR中被移除。

与用于制备普通化工产品的常规FBR不同，在用于制备多晶硅的流化床反应器的构件的材料选择中遇到限制。反应器内衬连续与在高温和高压下流化的硅颗粒接触，并且承受由颗粒的流化床引起的不规则振动和严重的剪切应力，以及跨反应器内衬的压差和温差。由于多晶硅的期望高纯度、在停机时间最小的情况下的期望的高材料产出、暴露于腐蚀性反应气体以及压力、温度、剪应力、振动和磨损的极端操作条件的组合，针对流化床内衬结构的材料选择是困难的。由于这些原因，FBR反应器和反应器内衬具有受许多过程变量及其组合影响的复杂结构。

与硅颗粒接触的FBR内衬和内衬表面被设计为满足机械、热、电和耐化学性能要求，以便为高温操作提供可接受的兼容性并生产高纯度等级的硅。然而，问题在于，本领域中已知的内衬的表面硬度和粗糙度未被优化以提供对由多晶硅颗粒与内衬表面接触引起的腐蚀的高抵抗性。再者，本领域已知的内衬的耐压强度、抗弯强度和拉伸强度不足以允许构建用于与现有技术中已知的反应器相比能够提高多晶硅的产量和生产率的大型FBR的内衬。具体而言，作用在硅FBR反应器中的圆筒形石墨内衬的外部的拉应力可能导致垫衬反应器并用作工艺内衬的石墨圆筒部段的轴向断裂。用于维持密封的轴向压力和用于维持工艺纯度的径向压力可能产生轴向裂纹或使已有的石墨裂纹轴向扩展，从而导致内衬断裂或破裂并发生运行故障。

因此存在对防止或消除用于以高纯度和高生产率制备多晶硅的FBR内衬中的断裂的需求。

该背景技术章节意在向读者介绍可能与本发明的各方面相关的技术的各方面，这些方面在下文被描述和/或要求。相信此讨论对于提供给读者背景信息以利于更好地理解本公开的各个方面是有帮助的。因此应该理解，应在这种意义上阅读这些内容，而不是作为对现有技术的承认。

发明内容

在一个方面，一种多晶硅流化床反应器包括环形外壳和环形内衬，该环形内衬位于该外壳内部使得在外壳与内衬之间限定出内室。该多晶硅流化床反应器还包括至少一个进料气体入口、至少一个排出气体出口、和流化区区域，该流化区区域包括由环形内衬的内表面的直径和环形内衬的从进料气体入口位置到排出气体出口位置的长度限定的容积。该环形内衬包括沿一轴线延伸的筒状管。该管包括内表面和外表面，该内表面和外表面限定出在其间的管厚度。环形内衬还包括围绕该外表面缠绕的至少一层缠绕物，其中缠绕物构造成防止管的径向膨胀。

在另一方面，一种多晶硅制备用内衬包括沿一轴线延伸的筒状管。该管包括内表面和外表面，该内表面和外表面限定出在其间的管厚度。该多晶硅制备用内衬还包括围绕管的外表面缠绕的至少一层缠绕物。缠绕物构造成防止管的径向膨胀。

存在关于本公开的上述各方面提及的特征的各种改进。其它特征也可以结合在本公开的上述各方面中。这些改进和附加的特征可以单独存在或以任意组合存在。例如，下文关于本公开的任何一个图示实施例讨论的各种特征可以单独地或以任意组合方式结合在本公开的任何上述方面中。

附图说明

图1是进入和离开流化床反应器(FBR)系统的气体流的示意图。

图2是本公开的FBR区段的截面图，其中示出了内衬和反应外壳。

图3是可供图1所示的FBR系统使用的第一示例性内衬的右侧的截面图。

图4是可供图1所示的FBR系统使用的第二示例性内衬的截面图。

图5是可供图1所示的FBR系统使用的第三示例性内衬的截面图。

图6是示出图3-5所示的内衬中的任何一个的侧视图。

图7是可供图1所示的FBR系统使用的第四示例性内衬的截面图。

图8是可供图1所示的FBR系统使用的第五示例性内衬的截面图。

图9是可供图1所示的FBR系统使用的第六示例性内衬的截面图。

图10是图7-9所示的内衬中的任何一个的侧视图。

在全部附图中，对应的附图标记指示对应的部件。

具体实施方式

现在参照图1，本公开的范围内的一个流化床反应器(FBR)的一个示例被表示为1。FBR 1包括反应室10和气体分配单元2。第一气体5的源和第二气体7的源被引入分配单元2中，以将相应气体适当地分配到反应室10的入口中。分配单元2有助于在整个反应室10内分布反应气体，以便最大限度地提高反应室内材料在流化颗粒上的沉积速率，同时最大限度地减少内衬上的沉积物。如本文中所使用的，“第一气体”是具有与“第二气体”不同的组分的气体，并且反之亦然。第一气体和第二气体可以包含多种气体化合物，只要第一气体中的至少一种化合物的质量组成或摩尔组成与第二气体中的化合物的组成不同。产品提取管12延伸穿过气体分配单元2。产品颗粒可以从管12提取并输送到产品储存单元15。消耗气体/排出气体16经反应室10离开并且可被引入其它处理单元18中。就这一点而言，应当理解，图1所示的反应器1为示例性的并且可以使用其它反应器设计而不脱离本公开的范围。

现在参照图2，示出了根据本公开的一些方面的FBR 1的反应室10，其中示出了第一气体5的源、第二气体7的源、气体分配单元2、消耗气体16、反应室内部30和反应内衬32。FBR1的加热设备34可被维持在反应器的反应内衬32和外壳35之间形成的环形内室39内。内室39(或其一部分)可包括绝热材料(未示出)，以防止热通过外壳35损失。所使用的绝热材料可以是如本领域技术人员所理解的适于在高温下绝热的任何材料(包括碳和无机材料)，并且可采取各种形式，包括绝热块、毯或毡。

在本公开的一些任选方面，内室39中的压力等于或小于过程气体5和7的压力。在本公开的这些方面，通过控制阀来维持过程气体5和7与内室39之间的压力差(即，压力_过程气体-压力_内室)，以确立对于流化而言期望的流动速率。

在图2中未示出的本公开的一些方面，加热设备34可以与内衬32物理接触并且加热设备34与外壳35之间可以存在空隙空间。在图2中未示出的本公开的一些其它方面，加热设备34可以与外壳35物理接触并且加热设备34与内衬32之间可以存在空隙空间。在图2中未示出的本发明的又一些方面，加热设备34可以与外壳35和内衬32物理接触。

加热设备34在图2中被示出为沿FBR1的轴线33延伸小于环形内室39的如从气体分配单元2的邻近反应室10的反应气体入口区段的部分到消耗气体16的出口测得的全长。然而，本领域的技术人员可以理解，根据需要，加热设备34可被选择成延伸任何合适的长度以实现本发明的各个方面中的任何一个的目的，例如，如从气体分配单元2的邻近反应室10的反应气体入口区段的部分到消耗气体16的出口测得的环形内室39的长度的约三分之一、二分之一、三分之二或基本上全部长度。本领域的技术人员可容易地选择加热设备34的表面积及其与反应室10的容积和/或实现本公开的目的所需的内衬表面积的比率。加热设备34可以是电阻加热器或一个或多个感应线圈；然而，可以没有限制地使用其它类型的加热设备(例如，加热设备34可以是诸如燃烧气体的热气体)。在本公开的一些任选方面，气体分配单元2的外表面积的至少一部分可暴露于加热设备，例如加热设备34。

在本公开的一些任选方面，内衬32包括厚度T1并且例如在感应线圈围绕内衬32定位的情况下与感应加热系统(下文更详细地描述)相结合地被用作热源，高频交流电流经过该感应线圈以沿内衬32的高度的至少一部分提供感应电，从而产生温度分布。因此，参考图2，在这些方面，内衬32是加热源并且加热设备34是感应线圈。

图3是可供图1所示的FBR系统使用的第一示例性内衬100的右侧的截面图。照此，内衬32(在图1中示出)可以是内衬100。在该示例性实施例中，内衬100包括沿轴线33(在图2中示出)延伸并且具有第一端部104和第二端部106——第一端部104和第二端部106限定了其间的长度L1——的等静压模制的石墨管102。

管102可以由单个等静压模制的石墨单块或由两个或更多个共同结合的等静压模制的石墨部段或环形成。在本公开的一些方面，管102可以由沿其轴向长度的多个等静压模制环形成，其中各环例如通过互锁连接或通过其中第一部段或环的至少一个表面与第二部段或环的至少一个表面重叠的连接在靠接点或靠接位置连接。这种互锁组件有利地提高管102的机械强度。

制备等静压石墨的方法在本领域中是已知的。一般而言，等静压石墨模制体由石墨颗粒形成，其中在所有方向上均匀地施加压实力。在本公开的各个方面中的任何一个方面，等静压模制石墨具有在1.7克/立方厘米(g/cm³)与1.95g/cm³之间的密度。等静压模制石墨还包含按重量计小于百万分之一千(1000ppmw)的灰。用于形成等静压模制石墨的石墨颗粒可以通过粒径或粒度来表征，其中多个石墨颗粒表现出小于100微米的平均粒径。这样的粒径典型地小于流化多晶硅颗粒的粒径，并且据信在不受任何具体理论束缚的情况下有助于本发明内衬的性能，包括(i)由于高压成型而引起的低孔隙率，(ii)由于大量紧密堆积的小颗粒而具有高强度和减少的化学反应，(iii)与碳化硅涂层相匹配的热膨胀系数。

管102还包括圆筒形内表面108和圆筒形外表面110，圆筒形内表面108和圆筒形外表面110在其间限定了管厚度T2。在示例性实施例中，表面108和110基本上平行，使得厚度T2在端部104和106之间沿管长度L1基本上恒定。在示例性实施例中，厚度T2在大约50mm与大约140mm之间。

在一个实施例中，管内表面108界定流化反应室内部30。如本文所使用的，流化反应室被定义为流化床，其中硅颗粒通过流化气体的向上流动而悬浮在反应器中，并且是其中硅颗粒与可热分解的硅化合物接触以使得硅沉积在硅颗粒上并由此产生高纯度多晶硅颗粒的区域。流化反应室可适当地包括流化床的硅化合物在其中热分解的任何部分并且可包括气体分配器2的内部区段。

在示例性实施例中，内衬100还包括至少一层预张紧的缠绕物112，该预张紧的缠绕物缠绕在管102的外表面110上并且构造成防止管102的径向膨胀。缠绕物112由石墨纤维和碳纤维中的至少一者制成，并且呈带、绳和多条纤维中的至少一者的形式。缠绕物112包括第一端部114和第二端部116，第一端部114和第二端部116在其间限定了缠绕物长度L1。在示例性实施例中，缠绕物的第一端部114与管的第一端部104对齐，缠绕物的第二端部116与管的第二端部106对齐，使得缠绕物长度L1基本上等于管长度L1。

缠绕物112还包括内表面118和外表面120，内表面118和外表面120在其间限定了缠绕物厚度T3。在示例性实施例中，表面118和120基本上平行，使得厚度T3沿端部114和116之间的缠绕物长度L1基本上恒定。在示例性实施例中，厚度T3在大约10mm与大约100mm之间。照此，缠绕物厚度T3加上管厚度T2等于内衬100的总厚度T1，总厚度T1小于150mm。在一个实施例中，管厚度T2大于缠绕物厚度T3。或者，缠绕物厚度T3大于管厚度T2，或者厚度T2和T3基本上相等。如图3所示，管内表面108、管外表面110、缠绕物内表面118和缠绕物外表面120全都基本上彼此平行并且与轴线33平行。在本公开的各个方面中的任一方面，缠绕物外表面120与环形内室39、加热设备34或其组合接触。

在示例性实施例中，内衬100还包括均匀地施加到管102的内表面108的碳化硅涂层122。在具有碳化硅涂层122的实施例中，涂层122界定流化反应室内部30并且构造和定位成保护管内表面108免受反应性化学物质的扩散和室内部30内的硬多晶硅颗粒的机械磨损。或者，内衬100不包括碳化硅涂层122。碳化硅涂层122具有在约3.05g/cm³至约3.2g/cm³之间的范围内的密度。碳化硅涂层122还包含小于1ppmw的各元素硼、钠、镁、铝、磷、硫、钾、钙、钛、钒、铬、锰、铁、铜、锌、镓、锗、砷、铟、锡、锑、钨、碲、铅和铋。碳化硅涂层122进一步通过基本为零的孔隙率来表征。碳化硅涂层122还可以进一步通过粒径或粒度来表征，其中多个碳化硅颗粒呈现小于100微米的平均粒径。与等静压模制石墨一样，上述碳化硅粒径有助于降低多晶硅颗粒磨损内衬表面的趋势，并提供更高的多晶硅纯度和机械抗损伤内衬。

碳化硅涂层122可以通过本领域中已知的各种方法中的任何一种——诸如通过化学气相沉积、蒸发、离子溅射、RF溅射或DC磁控溅射——而被适当地施加到管内表面108。碳化硅层122理想而言被沉积成在施加到管内表面108之后几乎没有缺陷且无应力。在常规的化学气相沉积中，通过使所需前体气体流通过经加热的基底来沉积涂层122。当前体气体接触热表面时，它们反应并沉积碳化硅涂层。在约100-1000℃范围内的基底温度通常足以在几分钟至几小时内形成这些涂层122，这取决于所需涂层的前体和厚度。本公开的范围内的任何各种碳化硅沉积工艺产生具有基本上为零的孔隙率的致密涂层。

图4是可供FBR系统1(在图1中示出)使用的第二示例性内衬200的截面图。照此，内衬32(在图1中示出)可以是内衬200。如图4所示，内衬200包括等静压模制的石墨管202，其沿着轴线33(在图2中示出)延伸并且具有第一端部204和第二端部206，第一端部204和第二端部206在其间限定了长度L1。管202还包括内表面208和外表面210，内表面208和外表面210在其间限定了管厚度T4。在示例性实施例中，内表面208基本上平行于轴线33，并且外表面210包括至少一个曲面，使得厚度T4在端部204和206之间沿管长度L1变化。例如，厚度T4朝向端部204和206较大并且在沿长度L1的中点205处较小。在示例性实施例中，厚度T4在大约50mm与大约140mm之间。

类似于管102(如图3所示)，管202可适当地由单个等静压模制的石墨单块或由两个或更多个共同结合的等静压模制的石墨部段或环形成。在本公开的一些方面，管202可以由沿其轴向长度的多个等静压模制环形成，其中各环例如通过互锁连接或通过其中第一部段或环的至少一个表面与第二部段或环的至少一个表面重叠的连接在靠接点或靠接位置连接。这种互锁组件有利于增加管部段对齐和密封。

如图4所示，内衬200还包括至少一层预张紧的缠绕物212，该预张紧的缠绕物围绕管202的外表面210缠绕并且设置成防止管202的径向膨胀。类似于缠绕物112(在图3中示出)，缠绕物212由石墨纤维和碳纤维中的至少一者制成，并且呈带、绳和多条纤维中的至少一者的形式。缠绕物212包括第一端部214和第二端部216，第一端部214和第二端部216在其间限定了缠绕物长度L1。在示例性实施例中，缠绕物的第一端部214与管的第一端部204对齐，缠绕物的第二端部216与管的第二端部206对齐，使得缠绕物长度L1基本上等于管长度L1。

缠绕物212还包括内表面218和外表面220，内表面218和外表面220在其间限定了缠绕物厚度T5。具体而言，缠绕物212包括多层，层数根据预定的应力曲线沿缠绕物212的长度L1变化，使得缠绕物的总厚度T5变化。在该示例性实施例中，内表面218包括与外表面210对应的至少一个曲面，并且缠绕物的外表面220基本上平行于轴线33和管的内表面208，使得厚度T5在端部214和216之间沿缠绕物长度L1变化。例如，厚度T5沿长度L1朝向中点215增大并且朝向端部204和206减小。照此，缠绕物212的在近中点215附件的附加层由此构造成在管202上的该特定位置处提供了相比于缠绕物212在管端部204和206附近所施加的压缩而言的附加的压缩。在示例性实施例中，厚度T5在大约10mm与大约100mm之间。照此，缠绕物厚度T5加上管厚度T4等于内衬200的总厚度T1，总厚度T1小于150mm。

类似于内衬100，内衬200还包括施加到管的内表面208上的碳化硅涂层122。或者，内衬200不包括碳化硅涂层122。除石墨管202和缠绕物212两者都包括沿着内衬200的长度变化的厚度以外，内衬200在操作和组成上基本上类似于内衬100。

图5是可供FBR系统1(在图1中示出)一起使用的第三内衬300的截面图。照此，内衬32(在图1中示出)可以是内衬300。如图5所示，内衬300包括等静压模制的石墨管302，其沿着轴线33(在图2中示出)延伸并且具有第一端部304和第二端部306，第一端部304和第二端部306在其间限定了长度L1。管302还包括内表面308和外表面310，内表面308和外表面310限定了其间的管厚度T2。在示例性实施例中，表面308和310基本上平行，使得厚度T2沿端部304和306之间的管长度L1基本上恒定。在示例性实施例中，厚度T2在大约50mm与大约140mm之间。照此，内衬300的管302可以与在内衬100中使用的石墨管102相同。

如图5所示，内衬300还包括至少一层预张紧的缠绕物312，该预张紧的缠绕物围绕管302的外表面310缠绕并且定位成防止管302的径向膨胀。类似于缠绕物112和212(在图3和4中示出)，缠绕物312由石墨纤维和碳纤维中的至少一者制成，并且呈带、绳和多条纤维中的至少一者的形式。缠绕物312包括第一端部314和第二端部316，第一端部314和第二端部316在其间限定了缠绕物长度L1。在示例性实施例中，缠绕物的第一端部314与管的第一端部304对齐，缠绕物的第二端部316与管的第二端部306对齐，使得缠绕物长度L1基本上等于管长度L1。

缠绕物312还包括内表面318和外表面320，内表面318和外表面320在其间限定了缠绕物厚度T6。具体而言，缠绕物312包括多层，层数根据预定的应力曲线沿缠绕物312的长度L1变化，使得缠绕物的总厚度T6变化。温度差和工艺操作条件在缠绕物312与碳化硅涂层122之间建立应力。石墨内衬300还包括由于轴向加载以维持密封件而引起的应力、径向加载至工艺压力和由于工艺传热而引起的径向热梯度。应力曲线合适地是整个工艺条件的数学预测的应力曲线加上石墨内衬300和碳纤维缠绕物312从常温到工作温度的相对热膨胀。

在示例性实施例中，内表面318基本上平行于轴线33并平行于管表面308和310，并且缠绕物的外表面320包括至少一个曲面，使得厚度T6在端部314和316之间沿管长度L1变化。例如，厚度T6沿长度L1朝向中点315增大并且朝向端部314和316减小。照此，缠绕物312的在中点315的附近的附加层定位成在管302上的该特定位置处提供了相比于缠绕物312在管端部304和306附近所施加的压缩而言的附加的压缩。在示例性实施例中，厚度T6在大约10mm与大约100mm之间。照此，缠绕物厚度T6加上管厚度T2等于内衬200的总厚度T7，总厚度T7小于150mm。内衬300的缠绕物厚度T6可以基本上类似于内衬200的缠绕物厚度T5。或者，缠绕物厚度T5和T6是不同的。类似地，内衬厚度T7基本上类似于内衬厚度T1(在图3和4中示出)。或者，内衬厚度T7和T1是不同的。

类似于内衬100和200，内衬300还包括施加到管的内表面308上的碳化硅涂层122。或者，内衬300不包括碳化硅涂层122。

除石墨管302包括恒定厚度并且缠绕物312包括沿内衬300的长度变化的厚度外，内衬300在操作和组成上基本上类似于内衬100和200。

图6是图3-5所示的内衬100、200和300中的任何一个的侧视图，示出了缠绕物112、212和312沿管102、202和302的整个长度L1延伸。

图7是可供图1所示的FBR系统1使用的第四内衬400的横截面图。照此，内衬32(在图1中示出)可以是内衬400。在该示例性实施例中，内衬400包括沿轴线33(在图2中示出)延伸并且具有在其间限定出长度L1的第一端部404和第二端部406的等静压模制的石墨管402。

管402还包括内表面408和外表面410，内表面408和外表面410在其间限定了管厚度T1。在示例性实施例中，外表面410包括形成在其中的凹槽或沟槽405，使得管402包括位于第一端部404处的第一凸缘407和位于第二端部406处的第二凸缘409。凹槽405包括外表面411，外表面411与管的外表面410径向隔开，使得每个凸缘407和409包括厚度T8。在示例性实施例中，表面408、410和411基本上平行，使得厚度T8在大约10mm与大约100mm之间。

在示例性实施例中，内衬400还包括至少一层预张紧的缠绕物412，该预张紧的缠绕物围绕管402缠绕并且构造成加强该管402并最大限度地减少其径向膨胀。类似于缠绕物112(在图3中示出)，缠绕物412由石墨纤维和碳纤维中的至少一者制成，并且呈带、绳、和多条纤维中的至少一者的形式。缠绕物412包括第一端部414和第二端部416，第一端部414和第二端部416在其间限定了缠绕物长度L2。在示例性实施例中，缠绕物412定位在形成于管的外表面410中的凹槽405内，使得管长度L1大于缠绕物长度L2。照此，第一凸缘407和第二凸缘409不包括缠绕物412。

缠绕物412还包括内表面418和外表面420，内表面418和外表面420在其间限定了缠绕物厚度T8。在示例性实施例中，表面418和420基本上平行，使得厚度T8沿端部414和416之间的缠绕物长度L2基本上恒定。具体而言，缠绕物内表面418接触凹槽外表面411，并且缠绕物外表面420与管的外表面410基本上齐平，使得缠绕物厚度基本上等于凸缘407和409的厚度。此外，在一个实施例中，缠绕物412沿管402的长度L1基本上居中定位，使得第一凸缘407和第二凸缘409具有基本上相等的长度L3。或者，缠绕物412根据有利于如本文描述的内衬400的操作的预定应力曲线而沿管402的长度L1定位在任何位置处。

类似于如上所述的内衬100、200和300，内衬400还包括施加到管402的内表面408上的碳化硅涂层122。或者，内衬400不包括涂层122。

图8是可供FBR系统1(在图1中示出)使用的第五示例性内衬500的截面图。如图8所示，内衬500包括等静压模制的石墨管502，其沿着轴线33(在图2中示出)延伸并且具有第一端部504和第二端部506，第一端部504和第二端部506在其间限定了长度L1。管502还包括内表面508和外表面510，内表面508和外表面510在其间限定了管厚度T9。在示例性实施例中，内表面508基本上平行于轴线33，并且外表面210包括凹槽505，凹槽505包括至少一个曲面511，使得厚度T9在端部504和506之间沿管长度L1变化。例如，厚度T9朝向端部504和506较大并且在沿长度L1的中点处较小。在示例性实施例中，厚度T10在大约10mm与大约100mm之间。厚度T10在最大的情况下基本上类似于内衬总厚度T10。

类似于管102(如图3所示)，管502可适当地由单个等静压模制的石墨单块或由两个或更多个共同结合的等静压模制的石墨部段或环形成。在本公开的一些方面，管502可以由沿其轴向长度的多个等静压模制环形成，其中各环例如通过互锁连接或通过其中第一部段或环的至少一个表面与第二部段或环的至少一个表面重叠的连接在靠接点或靠接位置连接。这种互锁组件有利地提高管502的机械强度。

如图8所示，内衬500还包括至少一层预张紧的缠绕物512，该预张紧的缠绕物围绕管502缠绕并且构造成加强该管502并最大限度地减少其径向膨胀。类似于缠绕物112(在图3中示出)，缠绕物512由石墨纤维和碳纤维中的至少一者制成，并且呈带、绳和多条纤维中的至少一者的形式。缠绕物512包括第一端部514和第二端部516，第一端部514和第二端部516在其间限定了缠绕物长度L2。在示例性实施例中，缠绕物512定位在形成于管的外表面510中的凹槽505内，使得管长度L1大于缠绕物长度L2。照此，在端部504和506附近的管外表面不包括缠绕物512。

缠绕物512还包括内表面518和外表面520，内表面518和外表面520在其间限定了缠绕物厚度T10。具体而言，缠绕物512包括多层，层数根据预定的应力曲线沿缠绕物512的长度L2变化，使得缠绕物的总厚度T10变化。在该示例性实施例中，内表面518包括与凹槽的外表面511对应并接触的至少一个曲面，并且缠绕物的外表面520基本上平行于轴线33和管的内表面508，使得厚度T10在端部514和516之间沿缠绕物长度L2变化。例如，厚度T10沿长度L2朝向中点515增大并且朝向端部514和516减小。照此，缠绕物512的在中点515附近的附加层构造成在管502上的该特定位置处提供了相比于缠绕物512在管端部504和506附近所施加的压缩而言的附加的压缩。在示例性实施例中，厚度T10在大约10mm与大约100mm之间。在该示例性实施例中，缠绕物厚度T8基本上类似于缠绕物厚度T10(在图7中示出)。或者，缠绕物厚度T10与缠绕物厚度T8不相似。

类似于如上所述的内衬100、200、300和400，内衬500还包括施加到管500的内表面508上的碳化硅涂层122。或者，内衬500不包括涂层122。

图9是可供FBR系统1(在图1中示出)使用的第六示例性内衬600的截面图。照此，内衬32(在图1中示出)可以是内衬600。在该示例性实施例中，内衬600包括沿轴线33(在图2中示出)延伸并且具有在其间限定出长度L1的第一端部604和第二端部606的等静压模制的石墨管602。

管602还包括内表面608和外表面610，内表面608和外表面610限定了其间的管厚度T11。在示例性实施例中，外表面610包括形成在其中的凹槽或沟槽605，使得管602包括位于第一端部604处的第一凸缘607和位于第二端部606处的第二凸缘608。凹槽605包括外表面611，外表面611与管的外表面610径向隔开，使得每个凸缘607和609包括厚度T12。在示例性实施例中，表面608、610和611基本上平行，使得厚度T11在大约50mm与大约140mm之间并且厚度T12在大约0mm与大约50mm之间。

在示例性实施例中，内衬600还包括至少一层预张紧的缠绕物612，该预张紧的缠绕物围绕管602缠绕并且构造成加强该管602并最大限度地减少其径向膨胀。类似于缠绕物112(在图3中示出)，缠绕物612由石墨纤维和碳纤维中的至少一者制成，并且呈多条纤维、带和绳中的至少一者的形式。缠绕物612包括第一端部614和第二端部616，第一端部614和第二端部616在其间限定了缠绕物长度L2。在示例性实施例中，缠绕物612定位在形成于管的外表面610中的凹槽605内，使得管长度L1大于缠绕物长度L2。照此，第一凸缘607和第二凸缘609不包括缠绕物612。

缠绕物612还包括内表面618和外表面620，内表面618和外表面620在其间限定了缠绕物厚度T13。具体而言，缠绕物612包括多层，层数根据预定的应力曲线沿缠绕物612的长度L2变化，使得缠绕物的总厚度T13变化。具体而言，缠绕物内表面618接触且基本上平行于凹槽外表面611，并且缠绕物外表面620包括至少一个曲面，使得厚度T13在端部614和616之间沿缠绕物长度L2变化。例如，厚度T13沿长度L2朝向中点615增大并且朝向端部614和616减小。具体而言，缠绕物外表面620延伸超过管外表面610达距离D1，使得内衬600的总厚度为厚度T11加上距离D1。照此，缠绕物612的在中点615附近的附加层构造成在管602上的该特定位置处提供了相比于缠绕物612在缠绕物端部614和616附近所施加的压缩而言的附加的压缩。在示例性实施例中，厚度T11在大约50mm与大约140mm之间，厚度T12在大约0mm和大约70mm之间，并且厚度T11加上距离D1的缠绕物总厚度小于150mm。

此外，在一个实施例中，缠绕物612沿管602的长度L1基本上居中地定位，使得第一凸缘607和第二凸缘609具有基本上相等的长度L3。或者，缠绕物612根据有利于如本文描述的内衬602的操作的预定应力曲线而沿管600的长度L1定位在任何位置处。

类似于内衬100、200、300、400和500，内衬600还包括施加到管的内表面608上的碳化硅涂层122。或者，内衬600不包括涂层。

图10是图7-9所示的内衬400、500和600中的任何一个的侧视图，示出了缠绕物412、512和612沿比管402、502和602的长度L1短的长度L2延伸。在一个实施例中，管402、502和602中的凹槽405、505和605是在生产之后在管外表面410、510和610中加工出的。或者，凹槽405、505和605是在生产管402、502和602期间形成的，使得凹槽405、505和605不是在后期制造工艺期间加工的。

根据本公开的各个方面中的任一方面，相对于常规FBR和相关工艺，可通过包括等静压石墨管的内衬的使用来提高流化床反应器(FBR)中的热分解过程的多晶硅纯度和产量，所述等静压石墨管具有在石墨管上施加连续压缩力的预张紧的缠绕物。内衬包括缠绕在内衬外表面上的石墨纤维缠绕物，以在石墨内衬上施加压缩力并防止石墨内衬的径向膨胀。具体而言，缠绕物被预张紧以抵消内衬内表面上的预定周向拉应力。

本发明的内衬被表征为在500℃至1500℃的工作温度下尤其具有以下特征：(i)基本上无污染的表面，(ii)高耐压强度，(iii)具有足够硬度以提供高耐腐蚀性的表面，(iv)石墨管与预张紧的缠绕物之间的热膨胀系数的最佳差异，以及(v)高热导率。

内衬应当具有足够高的机械强度，以在本公开的方法所呈现的高温和压差条件下无故障地工作。需要高机械强度以承受通过在环形内室39中维持正压而产生的高轴向压缩力，以便防止或阻止流化气体和产物硅迁移通过内衬。此外，也需要高机械强度以承受可能由于工艺的高热通量需求而产生的高的热梯度(轴向的或径向的)。此外，需要高强度的内衬以承受由于工艺热需求的变化、内衬壁上积累的硅沉积物、或由于加热系统误操作或紧急电力损失而随时间推移而产生的高的热梯度。

此实施例的内衬具有足以使对热传递的阻力最小化并使沿内衬的纵长厚度和长度的热梯度最小化的热导率。在本公开的各个方面中的任一方面，该热导率在环境温度下大于115瓦/米·开尔文(W/m·K)并且在1500℃下至少为50W/m·K。

在采用感应加热系统的本公开的方面，内衬可具有足以允许内衬用作加热源的电阻率。在这些方面，电阻率大于1,100微欧厘米。在另一些方面，其中内衬仅一部分被用作加热源，电阻率小于1,600微欧厘米。

此外，在将预张紧的缠绕物缠绕在管周围之后，新形成的碳纤维增强石墨(CFRG)内衬组件可以被进一步浸渍富含碳的材料，然后再焙烧以烧掉粘合剂，并且将缠绕物纤维彼此结合并与石墨筒体结合。在再焙烧之后，执行净化、最终加工和碳化硅涂覆的步骤。管和缠绕物被设计成使得焙烧过程不使碳纤维松弛或重结晶，松弛或重结晶可能会抵消强纤维和高张力缠绕物的预期的积极益处。此外，缠绕物与等静压模制的石墨之间的热膨胀系数(CTE)的差异被设计为在500℃至1500℃的工作温度范围内最小。具体而言，缠绕物的CTE被设计成类似于或小于石墨管，以防止或阻止缠绕物在内衬工作温度下的松弛。

再者，现有技术中已知的单体等静压石墨管的耐压强度、抗弯强度和抗拉强度可能不足以允许构建用于大型FBR的内衬，与现有技术中已知的反应器相比，所述大型FBR将提高多晶硅生产量和生产率。具体而言，这种单块等静压石墨内衬是硅FBR反应器中的承受其外部上的拉应力的刚性结构。这些应力会导致垫衬反应器并用作工艺内衬的石墨筒状部段的轴向断裂。用于维持密封的轴向压力和用于维持工艺纯度的径向压力可能产生轴向裂纹或使已有的石墨裂纹轴向扩展，从而导致内衬断裂或破裂并发生运行故障。用碳纤维缠绕物缠绕等静压石墨内衬的外部有利于减少或消除内衬的径向膨胀以及由此产生的应力和断裂。

用于生产多晶硅的方法

如在图1中大体上描绘的，本公开的方法包括将包含能够热分解的气态硅化合物的进料气体引入反应器中。可热分解的化合物7和载气5经由气体分配单元2从其各自的来源进给到反应器系统。载气5可以包括氢气或惰性气体，例如氩气或氦气及其混合物。可热分解的硅化合物包括通常能够热分解以产生硅的化合物。可从分解过程生产额外的产品而不脱离本公开的范围，只要其提供硅的来源以生长出多晶硅颗粒而形成多晶硅颗粒即可。可热分解的硅化合物气体包括所有含可通过化学气相沉积而沉积的硅的气体，例如四氢化硅(通称为硅烷)、三氯硅烷和其中硅烷的一个或多个氢原子由诸如氯、溴、氟和碘的卤素取代的其它卤化硅。可热分解的化合物可以在不稀释的情况下引入反应器中，或者气体可以用诸如氢气、氩气、氦气或其组合的载气稀释。在分解期间，如果需要的话，在反应器系统的操作中产生副产物氢气，该副产物氢气可以被回收以用作用于额外量的可热分解进料气体的载气。

各种气体分配单元2设计在本领域中是已知的并且适合于本公开的实践。

在本公开的各个方面中的任一方面，第一气体5可包括可分解的硅前体化合物的源，并且第二气体7可包括载气，其中第一气体5和第二气体7被供应到不同的反应室区域。例如，可以将第一气体5(可分解的硅前体化合物)供应到分配器2的中心区域，可以将第二气体7(载气)供应到中心区域周围，并且经由管12从反应器提取多晶硅产品。

进料气体在反应室中被加热，以使得硅化合物中的至少一部分硅通过化学气相沉积而沉积到反应室中的硅籽晶颗粒上，由此使硅颗粒生长成通常被称为粒状多晶硅的较大颗粒。可热分解的硅化合物的另一部分分解而形成硅蒸气等。合适的加热设备包括但不限于感应加热和辐射加热，诸如电阻辐射元件。

如图1所示，从产品提取管12提取粒状多晶硅。可以如分批操作中那样间歇地从反应器提取粒状多晶硅；然而，连续提取颗粒产品通常更有效。无论是分批还是连续提取硅产品，已经发现产品颗粒在从反应器被提取时的尺寸影响反应器生产率。例如，已经发现通常增大所提取的硅颗粒的尺寸引起反应器生产率提高；然而，如果允许产品颗粒生长得太大，则反应器中气相和固相之间的接触可能减少，从而降低生产率。因此，在本公开的各个方面，从反应器中提取的粒状多晶硅的平均直径为约600μm至约2000μm，约800μm至约1500μm，或约900μm至约1300μm。

当介绍本发明或本发明的实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”旨在表示存在一个或多个这样的元件。术语“包含”、“包括”和“具有”旨在是开放性的，意味着除了所列元件之外可以存在额外的元件。

可以对上述构造和方法进行各种改变而不会脱离本发明的范围，因此，以上说明书中包含的和附图中示出的所有内容旨在被解释为是示例性的，而非旨在限制意义上进行解释。

Claims (35)

1.一种多晶硅流化床反应器，包括：

环形外壳；

环形内衬，其位于所述外壳的内部，使得在所述外壳与所述内衬之间限定出内室；

至少一个进料气体入口；

至少一个排出气体出口；

流化区区域，其包括由所述环形内衬的内表面的直径和所述环形内衬的从所述进料气体入口位置到所述排出气体出口位置的长度限定的容积，

所述环形内衬包括：

沿轴线延伸的筒状管，该管包括内表面和外表面，所述内表面和外表面在其间限定出管厚度；和

围绕所述外表面缠绕的至少一层缠绕物，所述缠绕物防止所述管的径向膨胀；

所述缠绕物包括石墨纤维或碳纤维的带和石墨纤维或碳纤维的绳中的至少一者。

2.根据权利要求1所述的流化床反应器，其中，所述缠绕物被预张紧以抵消所述管的内表面上的预定周向拉应力。

3.根据权利要求1所述的流化床反应器，其中，所述缠绕物包括石墨纤维和碳纤维中的至少一者。

4.根据权利要求1所述的流化床反应器，其中，所述管厚度沿管长度基本上恒定。

5.根据权利要求1所述的流化床反应器，其中，所述管厚度沿管长度变化。

6.根据权利要求1所述的流化床反应器，其中，所述管包括等静压模制的石墨。

7.根据权利要求1所述的流化床反应器，其中，所述缠绕物包括多个层。

8.根据权利要求7所述的流化床反应器，其中，所述多个层的数量根据预定应力曲线而沿所述管的长度变化。

9.根据权利要求1所述的流化床反应器，其中，所述缠绕物包括内表面和外表面，所述缠绕物的内表面和外表面限定出在其间的缠绕物厚度。

10.根据权利要求9所述的流化床反应器，其中，所述缠绕物厚度沿所述管的长度是恒定的。

11.根据权利要求9所述的流化床反应器，其中，所述缠绕物厚度沿所述管的长度变化。

12.根据权利要求9所述的流化床反应器，其中，所述缠绕物的外表面和所述管的内表面基本上平行于所述轴线。

13.根据权利要求12所述的流化床反应器，其中，所述缠绕物的内表面和所述管的外表面相对于所述轴线是弯曲的。

14.根据权利要求9所述的流化床反应器，其中，所述缠绕物的内表面和所述管的外表面基本上平行于所述轴线。

15.根据权利要求1所述的流化床反应器，其中，所述缠绕物的外表面相对于所述轴线是弯曲的。

16.根据权利要求1所述的流化床反应器，其中，所述管包括第一端部、第二端部和在其间延伸的管长度，所述缠绕物包括第一端部、第二端部和在其间延伸的缠绕物长度。

17.根据权利要求16所述的流化床反应器，其中，所述管长度基本上等于所述缠绕物长度。

18.根据权利要求16所述的流化床反应器，其中，所述管长度长于所述缠绕物长度。

19.根据权利要求18所述的流化床反应器，其中，所述管包括邻近所述管的第一端部的第一部分和邻近所述管的第二端部的第二部分，所述第一部分和所述第二部分不具有所述缠绕物。

20.根据权利要求18所述的流化床反应器，其中，所述缠绕物沿在管的端部之间的管长度基本上居中地定位。

21.根据权利要求1所述的流化床反应器，还包括基本上均匀地涂覆在所述缠绕物的外表面上的碳化硅。

22.一种多晶硅制备用内衬，包括：

沿轴线延伸的筒状管，该管包括内表面和外表面，所述内表面和外表面在其间限定出管厚度；和

围绕所述外表面缠绕的至少一层缠绕物，所述缠绕物构造成防止所述管的径向膨胀。

23.根据权利要求22所述的内衬，其中，所述缠绕物包括石墨纤维和碳纤维中的至少一者。

24.根据权利要求22所述的内衬，其中，所述缠绕物包括多个层，所述多个层的数量根据预定应力曲线而沿所述管的长度变化。

25.根据权利要求22所述的内衬，其中，缠绕物厚度沿所述管的长度是恒定的。

26.根据权利要求22所述的内衬，其中，缠绕物厚度沿所述管的长度变化。

27.根据权利要求22所述的内衬，其中，所述管长度基本上等于缠绕物长度。

28.根据权利要求22所述的内衬，其中，所述管长度长于缠绕物长度。

29.一种形成多晶硅制备用内衬的方法，所述方法包括：

形成沿轴线延伸的筒状管，该管包括内表面和外表面，所述内表面和外表面在其间限定出管厚度；以及

围绕所述外表面缠绕至少一层缠绕物，所述缠绕物构造成防止所述管的径向膨胀。

30.根据权利要求29所述的方法，其中，形成筒状管包括由等静压模制的石墨形成所述筒状管。

31.根据权利要求29所述的方法，其中，缠绕至少一层缠绕物包括缠绕包括石墨纤维和碳纤维中的至少一者的至少一层缠绕物。

32.根据权利要求29所述的方法，其中，缠绕至少一层缠绕物包括缠绕包括石墨的或碳纤维的带和石墨的或碳纤维的绳中的至少一者的至少一层缠绕物。

33.根据权利要求29所述的方法，进一步包括用富含碳的材料浸渍所述管和所述缠绕物中的至少一者。

34.根据权利要求33所述的方法，进一步包括再焙烧所述管和所述缠绕物以除去粘合剂。

35.根据权利要求29所述的方法，进一步包括将至少一层碳化硅涂层施加到所述管的内表面上。

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