CN102268728B - 用于多晶硅铸锭炉的改进结构的热交换台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多晶硅铸锭炉设备，旨在提供一种用于多晶硅铸锭炉的改进结构的热交换台。该热交换台用来放置多晶硅铸锭炉坩埚并实现热交换，设有气体入口和气体出口，热交换台的内部设置冷却气通道，并与前述气体入口和气体出口相连。相比辐射降温和水冷式的冷却技术，本发明中的热交换台在用于气体致冷时控制能力强、工业可控性高，而且由于气体均匀进入热交换台使得热交换台整体温度均匀，有利于坩埚底部硅熔体的均匀形核，可以在长晶过程中对坩埚底部温度的下降速度进行精确控制。

Description

用于多晶硅铸锭炉的改进结构的热交换台

技术领域

本发明涉及多晶硅铸锭炉设备，具体涉及用于多晶硅铸锭炉的改进结构的热交换台。

背景技术

多晶硅铸锭炉是目前光伏行业中多晶硅的主要生产设备，其功能是将多晶硅按照设定工艺经过熔化、定向结晶、退火、冷却几个阶段后成为有一定晶体生长方向的多晶硅锭。多晶硅铸锭过程所需环境即为多晶铸锭炉热场。通过合理的设计热场中加热器的功率分布、隔热材料的位置、厚度分布，可以改变最终多晶硅锭的晶体生长方向。该设备的工作原理如图1所示：工作时，首先将放入坩埚内的硅料进行加热熔化，然后打开底部的保温笼，使得坩埚底部的热交换台(也称导热体)能对外进行辐射散热，使得坩埚底部温度下降，熔化的硅料从底部向上进行定向凝固。在多晶硅生长过程中，坩埚底部的温度控制是由辐射散热决定的。主要通过调节加热器的功率以及底部保温笼的开度，通过热交换台辐射散热的方式进行降温，来控制硅锭生长速度。

图2中是中国发明专利“用于多晶硅垂直定向生长的随动隔热环热场结构”(专利申请号201010108876.X)所揭示的热场整体结构剖视图，使用了同样的温度控制方式。虽然该技术操作简单，但由于底部保温笼四周向圆形炉体底部散热的路径不一致，使得热交换台温度四周低中间高，分布不均匀；同时随着硅锭高度的增加晶体竖直方向热传导效率降低，导致晶体生长速度逐步减缓，其硅锭的生长速度更加难以通过辐射降温的方式进行精确控制；同时，因散热速度有限制，影响因素多，热交换台的温度无法精确控制且温度分布不均匀，导致硅熔体在坩埚底部大量的形核，而晶粒数量过多阻碍其生长成为大晶粒。由于晶粒多，因此硅片上存在大量吸收了杂质和位错的晶界，在硅禁带中引入深能级，成为光生少数载流子的有效复合中心，降低电池的光电转换效率。

也有采用水冷却的技术，但因坩埚底部和热交换台的温度一般有1000℃以上，像一般工业上所采用的水冷却方式，在热交换台中通入冷却水是不现实的。因此，现有的水冷方式都是在热交换台下面设置内通冷却水的铜管(如图3所示)。因为该方案实际上是通过冷却水对热交换台进行换热，再由热交换台对坩埚底部进行换热，其换热方式效率非常低。此外由于水温不能过高，又不能停止供水，且存在固定的最小功耗，水冷方案消耗功率大，因此难以对温度进行精准控制，故实际生产中采用不多。

中国发明专利“用于多晶铸锭炉的气体冷却装置及方法”(专利申请号201110040032.0)揭示了一种用于多晶铸锭炉的气体冷却装置及方法(如图4所示)，是在铸锭炉内热场的热交换台(在该文献中被称为导热体)的下方设置内部带有气流通道的石墨体，坩埚底部的热量经热交换台(导热体)传递至石墨体。该技术通过使惰性气体从气流通道的进气口进入，气体流经石墨体内部并带走热量，然后从气流通道的出气口排出以实现散热。与图1、2中的散热方式相比，该技术是在热场底部增加一个主动散热的气体冷却装置，并通过调节通入装置内的气体流量控制主动散热幅度，能够主动的控制晶体下方散热速率，有效控制晶体生长速度。而与图3中的散热方式相比，由于惰性气体没有温度的限制，且不需要绝对的隔离密封，因此在熔化等非晶体生长阶段，可以关闭冷却气体，降低能耗，并且在长晶过程中可以大幅度调节气体的流量，进口气体温度约为25度，出口可以在11000度内任意温度不受影响，因此其散热幅度大、安全性极高；而图3的水冷却方案，在任何阶段，必须维持必要水流量，并要满足冷却出水温度不得超过50度的要求，能耗大，散热幅度调节范围小、精度差，且安全性差。

但是，与图3中水冷却方式相同的是，图4中的气体冷却技术仍未能摆脱原技术固有思维模式的束缚。后者还是将重心放在通过换热器件对热交换台的温度进行控制，由热交换台的温度变化进而间接实现对坩埚底部温度的控制。由于控制目标与控制对象之间存在过多的间接因素，导致控制方式依旧存在非线性、大滞后、强耦合等问题，如使用传统的PID其控制效果仍然不理想，对操作员的依赖性很强，工作强度大、工作效率低。

综上，增大铸造多晶硅晶粒尺寸、减少晶界密度、进而提高硅电池光电转换效率，是目前国际光伏界孜孜以求的目标。虽然自多晶硅铸锭炉问世至今已有近10年，但普遍采用的始终是上述的移动隔热笼进行辐射降温的控制技术，其技术改进一直未能取得突破。因此，寻找能够更精准地控制多晶硅生长过程中散热量，以提高多晶硅产品质量，成为业界亟待解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种用于多晶硅铸锭炉的改进结构的热交换台。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种用于多晶硅铸锭炉的改进结构的热交换台，该热交换台用来放置多晶硅铸锭炉坩埚并实现热交换，该热交换台上设有气体入口和气体出口，热交换台的内部设置冷却气通道，并与前述气体入口和气体出口相连。

作为改进，所述热交换台具有紧密贴合的中间块与两个侧端盖；其中，中间块具备若干水平贯穿的冷却气通道，中间块与每个侧端盖之间设有连接冷却气通道端头的通道；所述气体入口或气体出口设于侧端盖上，并与前述连接冷却气通道端头的通道相通。

作为改进，所述热交换台向下具有至少两层结构，所述冷却气通道以下述任意一种方式实现：

(1)最上层的底部和第二层的顶部均蚀刻有凹槽，该两层结构拼接使凹槽合并成为所述的冷却气通道；

(2)最上层的底部蚀刻有凹槽，第二层的顶部为一平面，该两层结构拼接使凹槽成为所述的冷却气通道；

(3)最上层的底部为一平面，第二层的顶部蚀刻有凹槽，该两层结构拼接使凹槽合并成为所述的冷却气通道。

作为改进，所述冷却气通道在与气体入口相接的前段部分是一个用于气体缓冲的空腔体。

作为改进，所述热交换台向下具有至少三层结构，其中：

(1)第n层与第(n+1)层之间设缓冲腔，该缓冲腔是一个空腔体，通过下述任意一种方式实现：

A、第n层的底部和第(n+1)层的顶部均蚀刻有凹槽，该两层拼接使凹槽合并成为所述的缓冲腔；

B、第n层的底部蚀刻有凹槽，第(n+1)层的顶部为一平面，该两层拼接使凹槽成为所述的缓冲腔；

C、第n层的底部为一平面，第(n+1)层的顶部蚀刻有凹槽，该两层拼接后凹槽合并成为所述的缓冲腔；

(2)第n层上蚀刻有若干竖向贯穿的通孔作为通气小管，通气小管的上端连通冷却气通道、下端连通缓冲腔；

(3)所述通气小管和缓冲腔缓作为冷却气通道的前段部分的变形，并由缓冲腔与气体入口相接；

所述第n层，是除最上层和最下层之外的任意一层。

作为改进，所述冷却气通道具备下述结构中的任意一种：

(1)冷却气通道呈“S”或“回”字形返折布置；

(2)冷却气通道包括进气主管、若干换热小管和回气主管；进气主管和回气主管对向布置，两者之间通过换热小管相连；

(3)冷却气通道包括若干换热小管，各换热小管的两端分别与冷却气入口和冷却气出口相连；

(4)冷却气通道包括：进气主管和与其相连的若干进气支管、回气主管和与其相连的若干回气支管，进气支管与回气支管相间布置，相邻的进气支管与回气支管之间通过若干换热小管相连。

作为改进，所述通气小管的上端连通至进气主管或进气支管，其连接点均布于进气主管或进气支管上。

作为改进，所述通气小管由所述进气支管分隔构成孔阵列结构。

作为改进，所述冷却气通道最外层边缘所围成区域的大小和形状与坩埚的底部相适应。

作为改进，所述热交换台是石墨材质的热交换台。

为表述方便起见，本发明中，以具备三层结构的热交换台为例，由上到下的各层结构分别称为热交换层、气体分流层和气体缓冲层。

本发明中的热交换台是应用于气致冷多晶硅铸锭炉的闭式冷却系统中的。在该闭式冷却系统中，热交换台、与热交换台连通的冷却气进气管路和冷却气出气管路、冷却气动力泵组、冷却器构成一个冷却气闭式循环回路。

热交换台使用过程中，冷却气体(氩气或氦气)以设定流量通过管道进入气体缓冲层的缓冲腔内，进入该腔体内的氩气被均匀分布并形成一定的压力。缓冲腔内的氩气通过气体分流层上的通气小管被输送到热交换层内，冷却气体经热交换层内的冷却气通道完成热交换过程后由气体出口排出热交换台，并经排气管道输送到炉腔外部，从而构成具有分层结构的内冷式石墨热交换系统。

本发明具有的有益的效果是：

相对于现有技术中通过热交换台辐射散热的被动降温方式，本发明的热交换台因其所处的气体致冷系统的运用而实现了主动散热。通过利用热交换台、气体冷却器、泵组、变频器等组成可控气体流量的闭合气路，以流动气体对热交换台进行直接冷却，并通过热交换台上的温度反馈调节泵组电机速度来控制冷却气体流量，从而实现精确的热交换台温度控制。

相比辐射降温和水冷式的冷却方法，气体致冷控制能力强、工业可控性高，而且由于气体均匀进入热交换台使得热交换台整体温度均匀，有利于坩埚底部硅熔体的均匀形核。

相对于间接式气体冷却方式，本发明中的气体致冷技术完全摆脱了原技术固有思维模式的束缚，直接将热交换台作为散热控制的对象，进而实现对坩埚底部温度的控制，最大程度地减少了控制的中间影响因素。因此，相对而言更具备稳定性、准确性和有效性，迟滞后少、操作方便、工作可靠等优点。

本发明中的热交换台内部可采用多种形式的冷却气通道，其中，进气支管与回气支管相间布置、相邻的进气支管与回气支管之间通过若干换热小管相连的布置，使得热交换台具备类似羽状细部结构，导致最佳的换热效果和可控性。

因此，通过使用本发明技术，可以在长晶过程中对坩埚底部温度的下降速度进行精确控制。由于不需要打开保温笼，坩埚底部的热交换台温度均匀。相比传统散热方法，保温笼内特别是坩埚及熔体内的等温面水平度高，且提高了垂直方向的的温度梯度。因此，在长晶初期，热交换台内通过冷却气体气体加大坩埚底部热交换，适当降低坩埚底部温度使得在坩埚底部优势晶核得到快速长大，抑制小晶核的生长；在长晶过程中，由于底部温度均匀，保温笼封闭，对称性好，热场内等温面水平度高，大晶核能够保持垂直向上生长；由于气体冷却能力强，随着硅锭的增加，不断加大冷却气体流量加快热传导，可以控制晶核的整个生长速度，进而提高硅锭的整体品质。

附图说明

图1现有技术中多晶硅铸锭炉降温控制原理图；

图2为现有技术中多晶硅铸锭炉降温控制的一种具体实施例；

图3为现有技术中多晶硅铸锭炉降温控制的另一种具体实施例；

图4为现有技术中多晶硅铸锭炉降温控制的另一种具体实施例；

图5本发明中多晶硅铸锭炉降温控制原理图；

图6具有中空冷却气道通道的双层结构热交换台

图7为具有分流层的三层结构热交换台示意图；

图8为“S”形的冷却气通道；

图9为“回”字形的冷却气通道；

图10为具有对向布置的进气主管路和回气主管路的冷却气通道；

图11为具有热交换小管结构的冷却气通道；

图12为实施例中热交换台进气管位置剖面图

图13为施例中热交换台回气管位置剖面图；

图14为实施例中热交换层示意图；

图15为实施例中气体分流层的示意图(圆孔为孔阵列布置的通气小管)；

图16为实施例中气体缓冲层的示意图；

图17为本发明中闭式冷却系统的原理图；

图18为加热器温度与热交换台温度对比图。

图中的附图标记：1温控传感器，2炉室，3隔热笼体，4顶部加热器，5坩埚，6侧部加热器，7热交换台，8下保温层，9冷却气出气石墨管路，10冷却器，11冷却气进气石墨管路，12热交换台温度传感器，13炉室压力传感器，14备用阀，15冷却气进气开关阀，16冷却气压力传感器，17冷却气出气温度传感器，18冷却气出气开关阀，19冷却气流量传感器，20冷却气进气温度传感器，21冷却气动力泵组，22变频器，23抽气泵组，24进水温度传感器，25进水压力传感器，26冷却水流量计，27回水温度传感器，28冷却水流量传感器，29流量控制阀，30铜管，31石墨块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

用于多晶硅铸锭炉的改进结构的热交换台，用来放置多晶硅铸锭炉坩埚并实现热交换，通常使用石墨材质。该热交换台上设有气体入口和气体出口，热交换台的内部设置冷却气通道，并与前述气体入口和气体出口相连。

通常，基于加工手段的原因，石墨材质无法在不切割的情况下加工出形状变化的内部通道。因此，常用的方式是将其分割为层状结构，在两层之间根据设计的通道形状开槽，再将两层状结构拼合，以得到形状、结构变化多端的热交换台产品。

作为一种特例，该热交换台不是以上下分层形式来实现内部通道的加工。该热交换台具有紧密贴合的中间块与两个侧端盖；其中，中间块具备若干水平贯穿的冷却气通道，中间块与每个侧端盖之间设有连接冷却气通道端头的通道；所述气体入口或气体出口设于侧端盖上，并与前述连接冷却气通道端头的通道相通。这样的冷却气通道加工最简单，只需打孔即可，当然冷却效果也有其局限性，存在入口冷却好出口冷却差的弊端。

下面结合附图对本发明其它实施方式进行介绍：

作为简化的产品，热交换台可以向下具有至少两层结构(如图6所示)，所述冷却气通道以下述任意一种方式实现：(1)最上层的底部和第二层的顶部均蚀刻有凹槽，该两层结构拼接使凹槽合并成为所述的冷却气通道；(2)最上层的底部蚀刻有凹槽，第二层的顶部为一平面，该两层结构拼接使凹槽成为所述的冷却气通道；(3)最上层的底部为一平面，第二层的顶部蚀刻有凹槽，该两层结构拼接使凹槽合并成为所述的冷却气通道。这些都是对冷却气通道加工方式的一种描述。冷却气通道在与气体入口相接的前段部分可以变形为一个用于气体缓冲的空腔体，即缓冲腔。

作为更精细化的产品，热交换台向下可以具有三层结构(如图7所示)，其中：第1层仍为热交换层，其与第2层之间设置冷却气通道；第2层与第3层之间设缓冲腔，该缓冲腔是一个空腔体；第2层是气体分流层，其上蚀刻有若干竖向贯穿的通孔作为通气小管，通气小管的上端连通冷却气通道、下端连通缓冲腔；在此处，通气小管和缓冲腔缓作为冷却气通道的前段部分的变形，并由缓冲腔与气体入口相接。

当然，还可以在此基础上进一步地分层设计，气体分流层可以是除最上层和最下层之外的任意一层，缓冲腔可相应设计在气体分流层以下的任意两层之间。

本发明中，提供了多种冷却气通道的结构设计，举例如下：

(1)冷却气通道呈“S”或“回”字形返折布置(如图8、9所示)；

(2)冷却气通道包括进气主管、若干换热小管和回气主管；进气主管和回气主管对向布置，两者之间通过换热小管相连(如图10所示，其连接点因在下一层结构中，故无法显示)；

(3)冷却气通道包括若干换热小管，各换热小管的两端分别与冷却气入口和冷却气出口相连；

(4)冷却气通道包括：进气主管和与其相连的若干进气支管、回气主管和与其相连的若干回气支管，进气支管与回气支管相间布置，相邻的进气支管与回气支管之间通过若干换热小管相连(如图11所示，其连接点因在下一层结构中，故无法显示)。

所述通气小管的上端连通至进气主管或进气支管，其连接点可以均布于进气主管或进气支管上。甚至，通气小管由所述进气支管分隔构成孔阵列结构(如图15所示)。这些措施都可以相应地改善换热效果。

本发明中，可以将冷却气通道最外层边缘所围成区域的大小和形状设计成与坩埚的底部相适应，这样可以避免能源浪费。

本发明的具体实施例如图12至16所示。

该实施例中的热交换台分为三层，由上至下，第1层为热交换层，第2层为气体分流层，最下层为气体缓冲层。气体缓冲层的上部蚀刻有一缓冲腔，其四角设贯穿通孔作为气体出口；气体分流层起到承接作用，其上布置若干贯穿的通气小管，并由若干进气支管分隔呈孔阵列结构；气体分流层底部的四周蚀刻出气通道，并与气体缓冲层的气体出口连通；热交换层的底部蚀刻有进气主管、与其相连的若干进气支管，以及均布于进气支管两侧的若干换热小管；换热小管连接至蚀刻于气体分流层上面的出气支管，出气支管连接至出气主管，并通过贯穿通孔连接至该层底部的出气通道。由此，构成一个气体流通通道，致冷气体在该通道中依次经过：气体入口、缓冲室、通气小管、进气主管及进气支管、换热小管、出气支管及出气主管、出气通道、气体出口。

由此，致冷气体可以在热交换层完成最为彻底的换热过程，实现本发明的目的。

本发明的具体应用方法描述如下(如图17所示)：

本发明中的气致冷多晶硅铸锭炉中，置于炉室2内的隔热笼体3、坩埚5及热交换台7置于支撑柱上，热交换台7上设有热交换台温度传感器11，坩埚5四周设侧部加热器6和顶部加热器4，炉室2上装有炉室压力传感器12。

热交换台7、与冷却气通道连通的冷却气进气管路和冷却气出气管路、冷却气动力泵组20、冷却器9构成一个冷却气闭式循环回路，该回路中充装氩气或氦气作为冷却气。其中，冷却气进气管路和冷却气出气管路在与热交换台7冷却气通道连通处的部分为石墨管路，其余管路的外部设水冷夹套。

本发明中，致冷气体的流动动力由冷却气动力泵组20提供，并设有变频器21控制冷却气动力泵组20的电机转速；冷却气流量传感器18检测冷却气流量，致冷气体流量可以调节，其控制范围为0～1000m³/h；冷却气进气温度传感器19检测进气温度，冷却压力传感器15检测冷却系统压力，冷却气出气温度传感器16监控出气温度；带流量控制阀28的补气回路为冷却气闭式循环回路补充气体，抽气泵组22为冷却气闭式循环回路抽气及抽真空；备用阀13可以将炉室2与回路贯通，冷却器9通过冷却水与冷却气体实现热交换，冷却水流量可调；冷却水进水管路上设有冷却水流量计25、进水温度传感器23、进水压力传感器24，冷却水回水管路上设有回水温度传感器26及冷却水流量传感器27；上述传感器均通过信号线将信号传递至中控系统，由中控系统根据工艺控制要求进行调控。

以下结合多晶硅生产流程对本发明作进一步的描述：

多晶硅铸锭炉是一种硅重熔设备，将达到一定纯度要求的多晶硅装入炉中，按工艺要求进入抽真空、加热、熔化工序，在此三个工序过程中，冷却气进气开关阀14和冷却气出气开关阀17处于关闭状态，冷却气闭式循环回路(闭式冷却系统)未进入内循环状态；

进入长晶阶段，根据冷却气压力传感器15给出信号，确定闭式冷却系统中的压力，将该压力与炉室压力比较，决定补气回路和抽气回路的状态。当闭式冷却系统中压力与炉室压力一致时，冷却气进气开关阀14和冷却气出气开关阀17处于打开状态，变频器21控制冷却气动力泵组20的电机，并根据工艺条件预先设定的热交换台温度对进行控制。通过该闭式冷却系统，可以在长晶初期对坩埚底部温度进行精确控制，进而可以保证长晶初期的晶体成核质量，从而可使硅的结晶凝固得到有效的控制，进而增大晶粒，改善晶向，加快长晶效率，降低能耗，提高硅锭品质。

长晶结束后，进入退火及冷却工艺。控制石墨热交换台到一定温度，工艺运行完毕，进行出炉操作，一个完整的生产周期结束。

图18是长晶阶段加热器温度与热交换台温度对比图，从图中可以看出，该闭式冷却系统对温度进行了有效及精确的控制，从而验证了该方法的可行性；

通过以上对比，可以总结出气致冷多晶硅铸锭炉的闭式冷却系统的特点有：

(1)冷却气流量、温度可以控制，从而精确控制坩埚底部温度；

(2)长晶初期对坩埚底部温度进行精确控制，保证底部温度在水平方向上的统一性，进而可以保证长晶初期的晶体成核质量，从而可使硅的结晶凝固得到有效的控制，进而增大晶粒，改善晶向，加快长晶效率，降低能耗，提高硅锭品质。

以上列举的具体实施是对本发明进行的说明，需要指出的是，以上实施只用于对本发明做进一步的说明，不代表本发明的保护范围，其他人根据本发明的提示做出的非本质的修改和调整，仍属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.用于多晶硅铸锭炉的改进结构的热交换台，该热交换台用来放置多晶硅铸锭炉坩埚并实现热交换，其特征在于，该热交换台是石墨材质的，热交换台上设有气体入口和气体出口，热交换台的内部设置冷却气通道，并与前述气体入口和气体出口相连；冷却气通道最外层边缘所围成区域的大小和形状与坩埚的底部相适应；所述热交换台具有紧密贴合的中间块与两个侧端盖；其中，中间块具备若干水平贯穿的冷却气通道，中间块与每个侧端盖之间设有连接冷却气通道端头的通道；所述气体入口或气体出口设于侧端盖上，并与前述连接冷却气通道端头的通道相通；

所述冷却气通道具备下述结构中的任意一种：

（1）冷却气通道呈“S”或“回”字形返折布置；

（2）冷却气通道包括进气主管、若干换热小管和回气主管；进气主管和回气主管对向布置，两者之间通过换热小管相连；

（3）冷却气通道包括若干换热小管，各换热小管的两端分别与冷却气入口和冷却气出口相连；

（4）冷却气通道包括：进气主管和与其相连的若干进气支管、回气主管和与其相连的若干回气支管，进气支管与回气支管相间布置，相邻的进气支管与回气支管之间通过若干换热小管相连；

所述热交换台向下具有至少三层结构，其中：

（1）第n层与第(n+1)层之间设缓冲腔，该缓冲腔是一个空腔体，通过下述任意一种方式实现：

a、第n层的底部和第(n+1)层的顶部均蚀刻有凹槽，该两层拼接使凹槽合并成为所述的缓冲腔；

b、第n层的底部蚀刻有凹槽，第(n+1)层的顶部为一平面，该两层拼接使凹槽成为所述的缓冲腔；

c、第n层的底部为一平面，第(n+1)层的顶部蚀刻有凹槽，该两层拼接后凹槽合并成为所述的缓冲腔；

（2）第n层上蚀刻有若干竖向贯穿的通孔作为通气小管，通气小管的上端连通冷却气通道、下端连通缓冲腔；

（3）所述通气小管和缓冲腔作为冷却气通道的前段部分的变形，并由缓冲腔与气体入口相接；

所述第n层，是除最上层和最下层之外的任意一层。

2.根据权利要求1所述用于多晶硅铸锭炉的改进结构的热交换台，其特征在于，所述通气小管由所述进气支管分隔构成孔阵列结构，其上端连通至进气主管或进气支管，其连接点均布于进气主管或进气支管上。

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