双向层流反应器结构设计与膜层均匀性探讨

在线APCVD镀膜技术是一项成套的系统工程，如研制开发的在线LowE镀膜玻璃、在线SunE镀膜玻璃、光催化自洁净镀膜玻璃和在线TCO镀膜玻璃等，都涉及到电子、化工、材料、自动控制、流体力学、结构力学、机械制造等学科知识，同时需要这些学科知识的相互配合才能完成生产玻璃产品的技术。其中，反应器是在线镀膜化学反应的关键器具，对先驱气体原料的均匀分布、传输、温度控制、化学反应、薄膜的均匀性有非常大影响，直接影响镀膜玻璃的质量，本文就双向层流反应器结构设计进行探讨。

双向层流反应器的结构：如图1所示，其结构是单进双出，采用1个进气腔与2个排气腔相结合的构造设计，以此引导混合气体的双向流动，迅速排出废气，避免滞留气体对玻璃带产生污染。

图1双向层流反应器示意图

反应器结构设计提高膜层均匀性：（1）等宽流道的进气腔，如图2、3所示，第1片导流片是直条型，通过与之对应的流体动力学电脑模拟计算的出口速度散点，小流速Vmin=0.1m/s，大流速Vmax=0.37m/s，振幅A=0.27m/s，平均速度V1=0.235m/s，速度波动指数=振幅/平均速度=114.9%。在此速度波动指数下，经实际镀膜试验膜厚在玻璃带宽度方向呈周期性变化，均匀性达不到要求。

图2等宽流道的进气腔示意图

图3等宽流道的进气腔出口速度散点图

（2）不等宽流道的进气腔，将第1片导流片设计为正弦周期性形状，可以获得不等宽流道的进气腔（图4）。从等宽流道的进气腔出口速度散点图（图5）可以看出，气体在对应进料喷嘴的位置的出口速度分布小，并呈现一定的周期性变化。因此我们将流道的宽度设计成按照周期函数变化的不等宽结构。具体如图4所示，通过在第1片导流片的与进料喷嘴对应的位置增加气体通过面积，以便增加进气腔出口处相应位置的气体的动能。这种不等宽结构所对应的流体动力学电脑模拟计算的出口速度散点如图5所示。

图4不等宽流道的进气腔示意图

图5不等宽流道的进气腔出口速度散点图

从图5可以看出，小流速Vmin＝0.288m/s，大流速Vmax＝0.320m/s，振幅A＝0.033m/s，平均速度V1＝0.305m/s，速度波动指数＝振幅/平均速度＝10.08%。在此速度波动指数下，经实际二氧化钛镀膜试验，在玻璃带宽度方向测得1组薄膜厚度（Å）为：434.02，427.61，418.03，397.17394.96，此膜厚的均匀性达到±5%，膜厚已经没有明显的周期性变化，色差小于2.5CIELAB，薄膜均匀性达到技术要求，而且也不存在明显的暗道。由此可见，不等宽流道的气体均布效果要优于等宽的直线性流道，相应的镀膜均匀性也得到了显著提高。

（3）进气腔、排气腔的出气口的园角设计，对出气口进行导圆处理后将有利于气体流场的均匀，提高沉积厚度和微观结构的均匀性和稳定性。导圆半径越大越有利于流场的均匀。

（4）反应区气体流动的雷诺数，经过计算，我公司双向层流反应区的雷诺数远远小于层流状态的临界值2320，此时流场处于稳定的层流状态，有利于膜层的均匀效率高生长。

玻璃企业在线化学气相沉积镀膜技术与工艺、沉积设备的优化设计和沉积材料的研制开发和实施中，反应器装置是其中重要的设备之一，它的优化设计对于在线镀膜玻璃的均匀性与连续稳定生产、降低生产成本有重要促进作用，尤其合理设计反应器导流片的形状尺寸（如不等宽流道）与分布位置，以及对出气口进行导圆处理等关键部件的制作至关重要。因此，镀膜反应器调整反应区的雷诺数使流场处于稳定的层流状态、薄膜均匀性，对制造优异镀膜玻璃产品具有十分重要的意义。