《扩散炉热平衡和热效率及综合能耗的计算方法（征求意见稿）》

ICS13.020.01

Z04

备案号：SJ

中华人民共和国电子行业标准

SJ/TXXXXX—202X

扩散炉热平衡和热效率及综合能耗的计算

方法

Calculationmethodofthermalequilibrium,thermalefficiency

andcomprehensiveenergyconsumptionfordiffusionfurnace

（征求意见稿）

202X-XX-XX发布202X-XX-XX实施

中华人民共和国工业和信息化部发布

SJ/TXXXXX-202X

目  次

前言............................................................................................................................................................错误！未定义书签。

1范围..........................................................................................................................................................................................1

2规范性引用文件......................................................................................................................................................................1

3热平衡测试与计算基准..........................................................................................................................................................1

4测定项目及测定方法..............................................................................................................................................................1

5物料平衡计算方法..................................................................................................................................................................3

6热平衡计算方法......................................................................................................................................................................4

7热效率计算方法.................................................................................................................................错误！未定义书签。2

8综合能耗计算方法................................................................................................................................................................12

II

SJ/TXXXXX—202X

扩散炉热平衡和热效率及综合能耗的计算方法

1范围

本标准规定了扩散炉热平衡、热效率和综合能耗的计算方法。

本标准适用于半导体生产线前工序的扩散炉热平衡、热效率及综合能耗的计算。对于其它类型的电阻炉热平衡、

热效率及综合能耗的计算可参照采用本标准。

2规范性引用文件

下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不

注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

GB/T2589综合能耗计算通则

3热平衡测试与计算基准

3.1物料平衡和热平衡计算单位

物料平衡、热平衡的计算单位分别为kg、kJ。

3.2基准温度与基准压力

以扩散炉车间内的环境平均温度为基准温度。

基准压力为1个标准大气压，即101325Pa。

3.3热平衡测试范围

以扩散炉炉体为边界，即炉体外壳及两端口为边界设定的热平衡系统。

3.4热平衡测试工况和测试频次

扩散炉至少正常运行一个生产周期后方可进行测试，每次测试要覆盖一个完整的生产周期，且测试次数不低于

2次。

4测定项目及测定方法

4.1测定前的准备

4.1.1准备好测定用仪表；进行必要的校正，使之达到规定的精度。

4.1.2布置测量点，开设测量孔，安装测量仪表，进行单项检测。

4.2热平衡方框图

4.2.1扩散炉的热平衡如图1所示。

1

SJ/TXXXXX-202X

注：

收入热量（kJ）：

——入炉气体带入的热量；——入炉电池片带入的热量；——入炉舟带入的热量；

QgQsQb

——舟入炉时炉体的蓄热量；——电加热的输入热量；——进口冷却水的热量。

QuQeQw

支出热量（kJ）：

——出炉气体带出的热量；——出炉光伏片带出的热量；——出炉舟带出的热量；

QgQsQb

——舟出炉时炉体的蓄热量；——炉体向环境的散热量；——出口冷却水的热量。

QuQlQw

图1热平衡方框图

4.2.2扩散炉体系的划分，以炉体外壳和端口为界，气体以离炉体进出口最近的测点为界。

4.3测定时间

在生产稳定的条件下，总连续测定时间不少于一个生产周期。

注：生产周期是指从设备IDLE状态开始，完成一个完整的热处理工艺后重新回到IDLE状态的时间。

4.4测定项目

测定项目包括温度、气体成分、电加热功率、质量。

温度项目：进口气体温度、出口气体温度、入炉硅片温度、出炉硅片温度、入炉舟温度、出炉

TgTgTsTsTb

舟温度、进口冷却水温度、出口冷却水温度'、炉体轴向内壁面温度（炉体沿轴向分几段，每段采用的电

TbTwTwTli

加热功率不同，代表第段电加热）、炉体侧壁面温度和、环境温度。

iiTc1Tc2Ta

2

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气体成分及其质量浓度项目：进口气体组分及每个组分气体对应的质量浓度、出口气体成分及每个组分气体对

应的质量浓度。

电加热功率：电加热功率（炉体沿轴向分段加热，代表第段电加热的功率）。

Peiii

质量测定项目：进口气体质量流量、出口气体质量流量、冷却水质量流量、入炉硅片质量、出

mgmgmwms

炉光伏片质量。

ms

5物料平衡计算方法

5.1物料平衡图

见图2。

图2物料平衡图

5.2收入项

5.2.1入炉电池片质量

ms

单位为千克（kg）。

5.2.2入炉气体质量

mg

单位为千克（kg），按公式（1）计算：

………………（）

mgtmgt1

式中：

——时刻的进口气体质量流量，单位为千克每秒（）；

mgttkg/s

t——在线数据采集仪器的数据采集时间间隔，单位为秒（s）。

5.3支出项

3

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5.3.1出炉光伏片质量'

ms

单位为千克（kg）。

5.3.2气体出炉质量

mg

单位为千克（kg），按公式（2）计算：

………………（）

mgtmgt2

式中：

——时刻的出口气体质量流量，单位为千克每秒（）；

mgttkg/s

t——在线数据采集仪器的数据采集时间间隔，单位为秒（s）。

5.4物料平衡

''………………（）

msmgmsmg3

式中：

——入炉电池片质量，单位为千克（）；

mskg

——入炉气体质量，单位为千克（）；

mgkg

——出炉光伏片质量，单位为千克（）；

mskg

——出炉气体质量，单位为千克（）。

mgkg

6热平衡计算方法

根据试验测得的气体组分及每个组分气体对应的质量浓度，计算气体的平均比热容。

6.1热收入

6.1.1入炉气体带入的热量

单位为千焦（kJ），按公式（4）计算：

……………（）

QgcgmgTgcg0mgTa4

式中：

——温度对应的入炉气体比热容，单位为千焦每千克摄氏度（（·℃））；

cgTgkJ/kg

——温度对应的入炉气体比热容，单位为千焦每千克摄氏度（（·℃））；

cg0TakJ/kg

4

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——入炉气体质量，单位为千克（）；

mgkg

——入炉气体温度，单位为摄氏度（℃）；

Tg

——环境温度，单位为摄氏度（℃）。

Ta

6.1.2入炉电池片带入的显热

Qs

单位为千焦（kJ），按公式（5）计算：

…………（）

QscsmsTscs0msTa5

式中：

——温度对应的入炉电池片比热容（（·℃））；

csTskJ/kg

——温度对应的入炉电池片比热容（（·℃））；

cs0TakJ/kg

——入炉电池片质量，单位为千克（）；

mskg

——入炉电池片温度，单位为摄氏度（℃）；

Ts

——环境温度，单位为摄氏度（℃）。

Ta

6.1.3入炉舟带入的显热

Qb

单位为千焦（kJ），按公式（6）计算：

…………（）

QbcbmbTbcb0mbTa6

式中：

——入炉舟的比热容，单位为千焦每千克摄氏度（（·℃））；

cbkJ/kg

——入炉舟的比热容，单位为千焦每千克摄氏度（（·℃））；

cb0kJ/kg

——入炉舟质量，单位为千克（）；

mbkg

——入炉舟温度，单位为摄氏度（℃）；

Tb

——环境温度，单位为摄氏度（℃）。

Ta

6.1.4冷却水带入的显热

Qw

5

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单位为千焦（kJ），按公式（7）计算：

………（）

QwtcwTwcw0Tamwt7

式中：

t——在线数据采集仪的数据采集时间间隔，单位为秒（s）；

——入口冷却水温度，单位为摄氏度（℃）；

Tw

——入口冷却水温度对应的比热容，单位为千焦每千克摄氏度（（·℃））；

cwTwkJ/kg

——时刻对应的冷却水质量流量，单位为千克每秒（）；

mwttkg/s

——环境温度下，冷却水的比热容，单位为千焦每千克摄氏度（（·℃））；

cw0kJ/kg

——环境温度，单位为摄氏度（℃）。

Ta

6.1.5舟入炉时炉体的蓄热量

Qu

单位为千焦（kJ），按公式（8）计算：

N

………………（）

Qumc1cc1Tc1cc1aTamc2cc2Tc2cc2aTamuicuiTuicuTa8

i1

式中：

、——测试试验开始时炉体两侧壁的比热容，单位为千焦每千克摄氏度（（·℃））；

cc1cc2kJ/kg

、——环境温度对应的炉体两侧壁的比热容，单位为千焦每千克摄氏度（（·℃））；

cc1acc2aTakJ/kg

、——炉体两侧壁的质量，单位为千克（）；

mc1mc2kg

、——测试试验开始时炉体两侧壁的温度，单位为摄氏度（℃）；

Tc1Tc2

N——炉体沿轴向加热区数量，此数量根据电加热分布数量确定；

——炉体轴向第段的质量，单位为千克（）；

muiikg

——测试试验开始时，炉体轴向第段的比热容，单位为千焦每千克摄氏度（（·℃））；

cuiikJ/kg

——测试试验开始时，炉体轴向第段的温度，单位为摄氏度（℃）；

Tuii

——环境温度对应的炉体比热容，单位为千焦每千克摄氏度（（·℃））。

cuTakJ/kg

6.1.6电加热的输入热量

Qe

6

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单位为千焦（kJ），按公式（9）计算：

N

………………（）

QetPeit9

i1

t——在线数据采集仪的数据采集时间间隔，单位为秒（s）；

——时刻对应的第段电加热功率，单位为千瓦（）；

PeittikW

N——炉体沿轴向分段数量，此数量根据电加热分布数量确定；。

6.1.7总热收入

Qin

单位为千焦（kJ），按公式（10）计算：

…………（）

QinQgQsQbQuQeQw10

式中：

——入炉气体带入的热量，单位为千焦（）；

QgkJ

——入炉电池片带入的热量，单位为千焦（）；

QskJ

——入炉舟带入的热量，单位为千焦（）；

QbkJ

——舟入炉时炉体的蓄热量，单位为千焦（）；

QukJ

——电加热的输入热量，单位为千焦（）；

QekJ

——进口冷却水的热量，单位为千焦（）。

QwkJ

6.2热支出

6.2.1出炉气体带出的热量

Qg

单位为千焦（kJ），按公式（11）计算：

……………（）

QgcgmgTgcg0mgTa11

式中：

——温度对应的出炉气体比热容，单位为千焦每千克摄氏度（（·℃））；

cgTgkJ/kg

——温度对应出炉气体的比热容，单位为千焦每千克摄氏度（（·℃））；

cg0TakJ/kg

7

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——出炉气体质量，单位为千克（）；

mgkg

——出炉气体温度，单位为摄氏度（℃）；

Tg

——环境温度，单位为摄氏度（℃）。

Ta

6.2.2出炉光伏片带出的显热

Qs

单位为千焦（KJ），按公式（12）计算：

…………（）

QscsmsTscsmsTa12

式中：

——出炉光伏片的比热容，单位为千焦每千克摄氏度（（·℃））；

cskJ/kg

——出炉光伏片的平均比热容（（·℃））；

cs0kJ/kg

——出炉光伏片质量，单位为千克（）；

mskg

——出炉光伏片温度，单位为摄氏度（℃）；

Ts

——环境温度，单位为摄氏度（℃）。

Ta

6.2.3出炉舟带出的显热

Qb

单位为千焦（kJ），按公式（13）计算：

…………（）

QbcbmbTbcb0mbTa13

式中：

——出炉舟的比热容，单位为千焦每千克摄氏度（（·℃））；

cbkJ/kg

——舟的质量，单位为千克（）；

mbkg

——出炉舟的温度，单位为摄氏度（℃）；

Tb

——环境温度下舟的比热容，单位为千焦每千克摄氏度（（·℃））；

cb0kJ/kg

——环境温度，单位为摄氏度（℃）。

Ta

6.2.4舟出炉时炉体的蓄热量

Qu

8

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单位为千焦（kJ），按公式（14）计算：

N

………………（）

Qumc1cc1Tc1cc1aTamc2cc2Tc2cc2aTamuicuiTuicuTa14

i1

式中：

、——测试结束时炉体两侧壁的比热容，单位为千焦每千克摄氏度（（·℃））；

cc1cc2kJ/kg

、——环境温度对应的炉体两侧壁的比热容，单位为千焦每千克摄氏度（（·℃））；

cc1acc2aTakJ/kg

、——炉体两侧壁的质量，单位为千克（）；

mc1mc2kg

、——测试结束时炉体两侧壁的温度，单位为摄氏度（℃）；

Tc1Tc2

N——炉体沿轴向分段数量，此数量根据电加热分布数量确定；

——炉体轴向第段的质量，单位为千克（）；

muiikg

——测试结束时，炉体轴向第段的比热容，单位为千焦每千克摄氏度（（·℃））；

cuiikJ/kg

——测试结束时，炉体轴向第段的温度，单位为摄氏度（℃）；

Tuii

——环境温度对应的炉体比热容，单位为千焦每千克摄氏度（（·℃））；

cuTakJ/kg

——环境温度，单位为摄氏度（℃）。

Ta

6.2.5冷却水带出的显热

Qw

单位为千焦（kJ），按公式（15）计算：

……………（）

QwtcwTwcw0Tamwt15

式中：

t——在线数据采集仪的数据采集时间间隔，单位为秒（s）；

——出口冷却水温度，单位为摄氏度（℃）；

Tw

——冷却水温度对应的比热容，单位为千焦每千克摄氏度（（·℃））；

cwTwkJ/kg

——环境温度下冷却水的比热容，单位为千焦每千克摄氏度（（·℃））；

cw0TakJ/kg

——时刻对应的冷却水质量流量，单位为千克每秒（）；。

mwttkg/s

6.2.6壁面热损失

Ql

9

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单位为千焦（kJ），按公式（16）计算：

tN1d1d1

23…………

Qwhc1Ac1Tc1tTahc2Ac2Tc2tTaTlitTa/lnln

1000i121d122d2hlAli

…（16）

式中：

t——在线数据采集仪的数据采集时间间隔，单位为秒（s）；

、——两侧壁面的对流换热系数，单位为瓦每平方米摄氏度（（2·℃））；

hc1hc2W/m

、——时刻对应的侧壁面温度，单位为摄氏度（℃）；

Tc1tTc2tt

、——侧壁面的面积，单位为平方米（2）；

Ac1Ac2m

N——炉体沿轴向分段数量，此数量根据电加热分布数量确定；

——时刻对应的轴向第段内壁面温度，单位为摄氏度（℃）；

Tlitti

、——分别为扩散炉本体的导热系数、扩散炉本体外保温层的导热系数，单位为瓦每平方米摄氏度（

12W/

（m·℃））；

、、——分别为扩散炉径向内壁面直径、扩散炉本体径向外壁面直径、扩散炉保温层外壁面直径，

d1d2d3

单位为米（m）；

——扩散炉轴向第段的外壁面面积，单位为平方米（2）；

Aliim

——环境温度，单位为摄氏度（℃）。

Ta

6.2.7热平衡的确定

热平衡各项收入热量总和与已测各项支出热量总和之差即为差值Q（kJ），按式（17）计算：

…………（）

QQinQgQsQbQuQlQw17

式中：

——出炉气体带出的热量，单位为千焦（）；

QgkJ

——出炉光伏片带出的热量，单位为千焦（）；

QskJ

——出炉舟带出的热量，单位为千焦（）；

QbkJ

——舟出炉时炉体的蓄热量，单位为千焦（）；

QukJ

10

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——壁面向环境的散热量，单位为千焦（）；

QlkJ

——出口冷却水的热量，单位为千焦（）。

QwkJ

差值包括未测出的支出热量及误差。热平衡允许相对误差值为±5%以内，按式（18）计算：

Q

≤5%……………………（18）

Qin

式中：

——扩散炉的收入热量，单位为千焦（）；

QinkJ

6.2.8总热支出

Qout

单位为千焦（kJ），按公式（19）计算：

…………………（）

QoutQgQsQbQuQlQwQ19

式中：

——出炉气体带出的热量，单位为千焦（）；

QgkJ

——出炉光伏片带出的热量，单位为千焦（）；

QskJ

——出炉舟带出的热量，单位为千焦（）；

QbkJ

——舟出炉时炉体的蓄热量，单位为千焦（）；

QukJ

——壁面向环境的散热量，单位为千焦（）；

QlkJ

——出口冷却水的热量，单位为千焦（）；

QwkJ

Q——热平衡各项收入热量总和与已测各项支出热量总和之差即为差值，单位为千焦（kJ）。

6.3热平衡表

将扩散炉热平衡各项收、支项热量的计算结果列入表1中。

表1热平衡表

收入支出

热量热量

符号项目符号项目