CVD腔室流體換熱計算

陳英男

摘 要：CVD 腔室需維持一定的溫度來保證工藝環境穩定及防止工藝氣體冷凝。流體加熱因相對電加熱而言有更好的柔性，而被較多的采用。本文結合CVD腔室的流體換熱計算過程，描述流體換熱的影響因素，可用于換熱系統的設計選型及參數調節。并可推廣至其他類似的流體換熱設備。

關鍵詞：壓力；流量；換熱；流體；計算

CVD 腔室需維持一定的溫度來保證工藝環境穩定及防止工藝氣體冷凝。流體加熱相對電加熱而言有更好的柔性，當腔室溫度低時流體對其加熱，當工藝進行時腔室溫度升高，流體對其冷卻。因電加熱無法實現冷卻，及其加熱、控溫系統較復雜。所以流體加熱被較多的采用。本文結合CVD腔室的流體換熱計算過程，描述流體換熱的影響因素。可用于換熱系統的設計選型及參數調節。流體換熱計算主要包括流體壓力、流量及熱計算。計算需從一個已知條件開始，如管路長度、直徑等管路信息，及管道入口壓力或流量等信息。可先根據經驗設定，計算完成后依據計算結果進行修正，并重新計算。一般先假定流量求解壓力損失。

1 壓力損失計算

流體在流動過程中會產生較大的壓力損失，總的壓力損失由沿程阻力損失、局部阻力損失和高度壓力損失組成。

2 沿程阻力損失計算

計算時先根據已知信息計算相對粗糙度n 和雷諾數 Re，再根據Re與n的值在莫迪圖中找出λ的值。CVD設備常用的光滑鋼管、銅管等k值在0.01—0.05（mm），橡膠管k值在0.01—0.03（mm）。不同流動狀態時λ的影響因素如下：

層流區（Re≤2000），λ 僅與Re有關（λ=64/Re）與n無關。過渡區（2000≤Re≤4000），層流轉向紊流轉變的區域，流態不穩定，如保持層流則λ隨Re增大而減小，如是湍流則λ 隨Re增大而增大。與n無關。湍流區（4000≤Re），當n一定時，λ隨Re增大而減小，Re增大到某一程度后，λ的值下降緩慢。當 Re 一定時，λ隨n的增加而增大。阻力平方區又稱完全湍流區，λ與n有關與Re無關，此時沿程阻力與速度平方成正比，該區域更有利于傳質及傳熱。沿程阻力損失可選擇兩條途徑來降低：一是改善流體外部邊界對流動的影響，如降低管壁粗糙度等；再是在流體內加少量添加劑，影響流體運動的內部結構來實現減阻。

3 局部阻力損失計算

4 高度壓力損失計算

5 流量計算

6 腔體換熱計算

7 結語

流體力學和傳熱學是理論性比較強又系統的兩個學科，很難掌握兩門學科的精髓融會貫通。工程中又有很多關于流體及傳熱的應用。希望能有更加簡潔、實用的方法完善現有理論，應用于工程實踐。

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