CN102978697B - 一种晶硅铸锭炉移动幕门装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种晶硅铸锭炉移动幕门装置及其控制方法。现有的各种热门结构均有其各自的局限性，不能完全满足当前行业对热门的要求。本发明包括炉体和置于炉体内的隔热笼，隔热笼内置热交换台，其特征在于，位于热交换台下方的隔热笼底部开有一开口，炉体的下半部设有一上部可打开或闭合的移动幕门结构，所述的移动幕门结构包括一换热板、安装在换热板上表面上的全封闭的环状侧立板和安装在侧立板上的左、右移动板，侧立板与换热板形成一换热腔，左、右移动板的顶部贴近隔热笼的底部设置。本发明可控的热门能达到现有底屏抽拉法的最好效果；可满足在小换热量下对热交换台进行均匀冷却，保证晶体生长固液界面的平整性，稳定性。

Description

一种晶硅铸锭炉移动幕门装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及特种晶体制造领域，具体地说是一种晶硅铸锭炉移动幕门装置及其控制方法。

背景技术

热交换法制备晶硅太阳能电池片在光伏行业蓬勃发展的今天成了最主要的技术手段，综合既有技术的发展方向，晶硅太阳能电池片越来越趋向于如何获取有着较高转化效率的高效多晶片和类单晶硅片。

研究发现，高效多晶片都具有成核大小合适，晶粒分布均匀，取向优质、定向垂直度高，晶粒连续性好、位错密度低等结构特点。进一步发现，在晶体的成核阶段，具有高冷却速率的热场更有利于取向优质的晶面生长，并在随后的生长阶段，低的冷却速率又更能保证优质晶面的晶粒连续生长，并能保证较低的位错密度。

类单晶硅一般指通过在炉内布置单晶籽晶，然后通过铸造工艺手段获得的具有部分单晶特征的晶体，由于采用优质晶向的晶面引晶，单体晶粒大，晶界少，位错密度低以及在后道电池工艺中，可以更多的借鉴单晶电池工艺技术，类单晶硅电池片也有着非常不错的转换效率。但类单晶铸锭中也需要控制生长的固液界面平整度以及生长的低冷却速率。

综上所述，现代的硅片制备技术，对晶硅铸锭炉的热场提出了这么一个要求：可控的高低冷却速率保证不同阶段生长的需求，均匀的散热保证固液界面的平整。而这关键之处无外乎都体现为热门的结构形式以及控制方式上。

目前行业中的多种热门结构主要有以下几种：

1.隔热笼提升法，由四周一圈的保温绝热衬板构建的可活动隔热笼与固定的上下保温隔热屏之间形成可开合的结构，其中隔热笼与底屏的开合间距成为热量辐射的主要通道，控制上也主要是对这间距的大小、速率做相应的匹配。见图1；其中A为炉体冷壁，B为隔热笼，C为热交换台，D为隔热底屏，E为加热器，F为隔热顶屏。

2.隔热底屏下降法，与上述类似，不同的在于活动部件为保温绝热底屏，控制也类同，着眼于间距的大小、速率匹配。见图2；其中A为炉体冷壁，B为隔热笼，C为热交换台，D为隔热底屏，E为加热器。

3.隔热底屏抽拉法，大体结构也同上类似，不同之处在于活动部件为保温绝热屏往侧边抽拉。控制上只对底屏做闭合、抽开两个动作。见图3；其中A为炉体冷壁，B为隔热笼，C为热交换台，D为隔热底屏，E为加热器，G为换热板。

4.底屏百叶旋转法，保温绝热底屏被分割成多片百叶结构，控制百叶的旋转角度、旋转速度影响晶体的生长。见图4；其中A为炉体冷壁，B为隔热笼，C为热交换台，D为隔热底屏，E为加热器，G为换热板。

根据热交换法的基本原理，辐射量的大小决定了单位时间内通过热交换台和换热板之间的能量。而保证辐射量的参数中，若保持材料一致性，那么辐射角F和辐射面积A成为主要的可变参数，通过调整散热区域的结构，可以起到完善热场的作用。

通过数据对比第1、第2种两者热门方式和第3种的热场底部辐射通道，就能明显看出两者之间的优劣之处。在铸锭炉的辐射模型中，高温热交换台作为辐射源，下底面温度标记为，换热板上表面作为辐射接受面表面温度约为常温，标记为。

如图5所示，A1面与A4面形成的辐射角表示热交换台对水冷炉壁的辐射通道。而A1面与A5面形成的辐射角用表示，图中形成的虚线框表示辐射腔体。其中A为炉体冷壁，B为隔热笼，C为热交换台，G为换热板，E为加热器。

图中所示数值为一典型性特例，用以说明辐射角的变化规律。

用L1表示热交换台底部和A5面之间的距离；L2表示L1中保温材料部分所占高度，A1表示热交换台底部面积，A2表示隔热底屏下降法中底部绝热板接受面积，同时也是隔热底屏抽拉法热门打开后水冷铜板所接受辐射的面积。r1,r5分别是A1，A5的特征长度。设热交换台下表面面积A1为0.875²m²，底部的换热板面积A5为1.072²m^2,，当底部绝热板处于最大开口位置时，

而从图5中可以得到F_1-2=0；

同时将A1与A3之间的关系近似看成2个互相垂直两长方形表面，故根据积分法确定角系数所描绘的线图中，查得F_1-3=0.07；

从上可以得出，底板对于热交换台辐射源的辐射角是冷壁对于辐射源的2倍以上。当，不变时，第3种隔热底屏抽拉法最大换热量能够达到第1种隔热笼提升法或者隔热底屏下降法最大换热量的2倍以上。

第3种热门采用的底屏抽拉式的结构，在铸锭过程中往往只能实现单方向的一次开合，无法形成对热场温度的有效调节，同时能耗的损失往往较大。相比之下，其余3种的热门结构均可进行开口大小、运行速度的调节或设定，对铸锭过程中的辐射面积做到实时的调控，同时能够满足晶体生长前期对热门辐射面积小，整体均匀的要求。

第4种底屏百叶旋转法采用了百叶旋转的方式进行控制，能有效的调整热交换台上的辐射面积，但是在换热板与热交换台上由于百叶板本身厚度的存在，对两者之间的辐射通道也进行阻挡，降低了上方的热交换台下表面的辐射均匀性和最大的散热面积。

结合目前硅片制备技术的发展需要，可以看出，上述的四种热门方式均有其各自的局限性，不能完全满足当前行业对热门的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种兼具最大换热量以获取最大的冷却速率，又能保证在最小换热量下控制均匀散热的晶硅铸锭炉移动幕门装置。

为此，本发明采用的技术方案为：一种晶硅铸锭炉移动幕门装置，包括炉体和置于炉体内的隔热笼，隔热笼内置热交换台，其特征在于，位于热交换台下方的隔热笼底部开有一开口，炉体的下半部设有一上部可打开或闭合的移动幕门结构，所述的移动幕门结构包括一换热板、安装在换热板上表面上的全封闭的环状侧立板和安装在侧立板上的左、右移动板，侧立板与换热板形成一换热腔，左、右移动板的顶部贴近隔热笼的底部设置，当左、右移动板打开时，使隔热笼与换热腔贯通；当左、右移动板闭合时，将隔热笼与换热腔隔断。本发明采用移动幕门结构作为热门，换热腔用于限定有效的辐射换热面积。本发明中的左、右移动板是隔断与贯通热交换台与换热腔之间热量辐射的主要部件。

进一步，所述的左、右移动板通过驱动杆各连接一用于控制其在任意位置打开或闭合的驱动机构。

进一步，所述的驱动杆与炉体的连接处设有密封装置。

进一步，环状侧立板的内径与开口的宽度大小一致。

进一步，所述的左、右移动板的交接处形成企口结构，以更好的隔绝合拢时辐射热量的通过。

进一步，所述的侧立板由具有良好保温隔热效果的材料制作而成。

本发明的另一技术方案是提供上述晶硅铸锭炉移动幕门装置的控制方法，其特征在于，所述的驱动机构与晶硅铸锭炉的控制系统集成，方便在人机操作界面上完成相应的运动控制，控制系统根据输入的参数，对左、右移动板的位置、移动速度、打开间距作伺服控制；

当需要最大的换热量以获取最高的冷却速率时，控制系统控制左、右移动板迅速打开至最大间距(即本发明的热门处于最大开口间距，左、右移动板的打开间距与侧立板的内径及开口的宽度一致)，以获得最大的辐射换热面积；当需要小的换热量时，控制系统控制左、右移动板向内移动至合适的小间距；

当左、右移动板打开时，为了保证左、右移动板打开间距对应的热交换台位置不至于造成局部偏冷现象，控制系统控制左、右移动板保持固有的打开间距，使左移动板跟随右移动板同步进行左右运动，以使热交换台底部得到均匀的散热；同时，控制系统也可控制左、右移动板在同步运动中，左、右移动板之间的打开间距逐步放大，以匹配晶体生长不同阶段换热能力的需要。

综上所述，本发明所述的移动幕门结构及其控制方法完全可以满足当下晶硅生长的技术发展需求：

1)可控的热门具有最大的换热量，能达到现有底屏抽拉法的最好效果；

2)可控的小间距同步伺服运动可满足在小换热量下对热交换台进行均匀冷却，保证晶体生长固液界面的平整性，稳定性。

附图说明

图1为隔热笼提升法常规晶硅铸锭炉结构剖视图。

图2为隔热底屏下降法常规晶硅铸锭炉结构剖视图。

图3为隔热底屏抽拉法常规晶硅铸锭炉结构剖视图。

图4为底屏百叶旋转法常规晶硅铸锭炉结构剖视图。

图5为常规晶硅铸锭炉热场辐射角示意图。

图6为本发明在常规晶硅铸锭炉中布置剖视图。

图7为本发明在最大开口间距时的示意图。

图8为本发明在任意位置闭合示意图。

图9-10为本发明左、右移动板交接处企口的结构示意图，即图8中的I部放大图。

图11、图12为本发明铸锭应用示意图。

图6-12中，1-炉体，2-隔热笼，3-热交换台，4-左移动板，5-右移动板，6-换热板，7-控制器，8-坩埚系统，9-晶硅原料，10-密封装置，11-侧立板，12-换热腔，13-驱动杆，14-驱动机构，21-开口。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图6-8所示的晶硅铸锭炉移动幕门装置，炉体1内置隔热笼2，隔热笼2内置热交换台3，位于热交换台下方的隔热笼2底部开有一开口21，炉体1的下半部设有上部可打开或闭合的移动幕门结构，所述的移动幕门结构由换热板6、安装在换热板上表面上的全封闭的环状侧立板11和安装在环状侧立板上的左、右移动板4、5组成，环状侧立板11与换热板6形成换热腔12，左、右移动板的顶部贴近隔热笼的底部设置。当左、右移动板打开时，使隔热笼与换热腔贯通；当左、右移动板闭合时，将隔热笼与换热腔隔断。

所述的左、右移动板通过驱动杆13各连接一用于控制其在任意位置打开或闭合的驱动机构14，所述的驱动杆与炉体的连接处设有密封装置10。环状侧立板11的内径与开口的宽度大小一致。所述的左、右移动板的交接处形成企口结构，如图9-10所示。

所述的环状侧立板由具有良好保温隔热效果的材料制作而成。

所述的驱动机构与晶硅铸锭炉的控制系统中的控制器7集成，控制系统根据输入的参数，对左、右移动板的位置、移动速度、打开间距作伺服控制；

当需要最大的换热量以获取最高的冷却速率时，控制系统控制左、右移动板迅速打开至最大间距，以获得最大的辐射换热面积；当需要小的换热量时，控制系统控制左、右移动板向内移动至合适的小间距；

当左、右移动板打开时，为了保证左、右移动板打开间距对应的热交换台位置不至于造成局部偏冷现象，控制系统控制左、右移动板保持固有的打开间距，使使左移动板跟随右移动板同步进行左右运动，以使热交换台底部得到均匀的散热；同时，控制系统也可控制左、右移动板在同步运动中，左、右移动板之间的打开间距逐步放大，以匹配晶体生长不同阶段换热能力的需要。

如图11-12所示的铸锭应用图，将晶硅原料9装入坩埚系统8，推入炉体内，按工艺要求进行预处理，同时关闭热门左右移动板，隔断与换热板的辐射通道，以保证在隔热笼与热门装置包围内的腔内热量损失。启动加热器熔化晶硅原料，当晶硅原料全部熔化完成或者是熔化到一定的籽晶高度时，控制系统控制热门左右移动板打开，以贯通热交换台与换热板的热量辐射通道。按工艺参数设定左右移动板的开口间距，左右往复运动速度，位置等。熔化的晶硅原料在底部热交换台的作用下，通过一定的热门开口间距，与换热板进行能量交换，获得相应的生长速度，并控制固液界面的形状，直至熔融硅液全部固化成晶体硅。

本发明在实际应用过程中，可根据晶体生长工艺的不同，设定热门的运动参数，并可分段控制，全程满足晶体生长的需求。

Claims (6)

1.一种晶硅铸锭炉移动幕门装置，包括炉体(1)和置于炉体内的隔热笼(2)，隔热笼(2)内置热交换台(3)，其特征在于，位于热交换台下方的隔热笼(2)底部开有一开口(21)，炉体(1)的下半部设有一上部可打开或闭合的移动幕门结构，所述的移动幕门结构包括一换热板(6)、安装在换热板上表面上的全封闭的环状侧立板(11)和安装在环状侧立板上的左、右移动板(4、5)，侧立板(11)与换热板(6)形成一换热腔(12)，左、右移动板的顶部贴近隔热笼的底部设置，当左、右移动板打开时，使隔热笼与换热腔贯通；当左、右移动板闭合时，将隔热笼与换热腔隔断；

所述的驱动机构与晶硅铸锭炉的控制系统集成，控制系统根据输入的参数，对左、右移动板的位置、移动速度、打开间距作伺服控制；

当需要最大的换热量以获取最高的冷却速率时，控制系统控制左、右移动板迅速打开至最大间距，以获得最大的辐射换热面积；当需要小的换热量时，控制系统控制左、右移动板向内移动至合适的小间距；

当左、右移动板打开时，为了保证左、右移动板打开间距对应的热交换台位置不至于造成局部偏冷现象，控制系统控制左、右移动板保持固有的打开间距，使左移动板跟随右移动板同步进行左右运动，以使热交换台底部得到均匀的散热；同时，控制系统也能控制左、右移动板在同步运动中，左、右移动板之间的打开间距逐步放大，以匹配晶体生长不同阶段换热能力的需要。

2.根据权利要求1所述的晶硅铸锭炉移动幕门装置，其特征在于，所述的左、右移动板通过驱动杆(13)各连接一用于控制其在任意位置打开或闭合的驱动机构(14)。

3.根据权利要求1所述的晶硅铸锭炉移动幕门装置，其特征在于，所述的驱动杆与炉体的连接处设有密封装置(10)。

4.根据权利要求1所述的晶硅铸锭炉移动幕门装置，其特征在于，环状侧立板(11)的内径与开口的宽度大小一致。

5.根据权利要求1所述的晶硅铸锭炉移动幕门装置，其特征在于，所述的左、右移动板的交接处形成企口结构。

6.根据权利要求1所述的晶硅铸锭炉移动幕门装置，其特征在于，所述的环状侧立板由具有良好保温隔热效果的材料制作而成。