CN105951180B - 多晶硅铸锭炉二次加料装置及多晶铸锭系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多晶硅铸锭炉二次加料装置及多晶铸锭系统，包括：料仓，连接有加料管；输料管，与加料管连通；缓冲仓，通过缓冲仓进料管与输料管连通，缓冲仓的底部具有缓冲仓出料口，缓冲仓的内部设置有密封件用以封闭或打开缓冲仓出料口；升降装置，用以控制缓冲仓的升降及用以控制密封件的升降；出料连接管，与缓冲仓出料口连通；出料管，与出料连接管连通，且出料管的出口端弯曲；其中，加料管、输料管、缓冲仓进料管、缓冲仓出料口、出料连接管、出料管依顺序直径呈增大趋势，且相邻两个相连接的元件中，后一个的直径不小于前一个的直径。设置缓冲机构以缓冲硅料，减小加料时的冲击力，通过对输料管路的尺寸优化，避免造成堵塞管路的情况。

Description

多晶硅铸锭炉二次加料装置及多晶铸锭系统

技术领域

本发明涉及多晶硅铸锭领域，具体涉及一种可降低冲击进料的多晶硅铸锭炉二次加料装置及具有该二次加料装置的多晶铸锭系统。

背景技术

随着煤炭、石油、天热气等非可再生化石能源的不断减少，能源危机日益加剧，而由于化石能源的大量开采和肆意使用，环境污染问题日益严重。开发和使用替代化石能源的可再生的清洁新能源成为解决能源危机的最有效途径。太阳能具有清洁无污染且取之不尽用之不竭等优点，是化石能源的理想替代能源。

定向结晶铸造多晶硅锭工艺简单、易于工业化生产，输出产量大，且相对生产成本低，所以铸造多晶硅是使用最广泛的太阳能材料。然而与传统的火力发电相比，太阳能光伏发电成本依然较高，因此仍需进一步优化多晶硅铸锭工艺，提高生产量，提高多晶硅锭质量，提高光电转换效率，进而降低太阳能发电成本。多晶硅铸锭使用形状不规则的块状原生多晶硅料，硅块之间会存在缝隙，另外铸锭过程中硅原料中的杂质会挥发排除，因此即使铸锭前硅料装满坩埚，铸锭完成后多晶硅锭体积也只有坩埚内体积的三分之二。坩埚内装入硅料过满会增加铸锭过程溢流和打火的风险。多晶硅铸锭炉二次加料技术是在多晶硅熔化和长晶阶段利用加料装置从铸锭炉的顶部或者其他部位向坩埚内继续加料，实现提高多晶硅铸锭输出产量，降低铸锭成本的目的。铸锭过程中从铸锭炉顶部加入硅料，也可有效稀释分凝系数较小的掺杂元素的浓度，调节中上部硅锭的电阻率，提高多晶硅铸锭良率。

为防止出料管高温下的老化变形，现有的二次加料装置的出料管伸入炉体内的长度较短，均在隔热笼的外侧的温度较低的区域，出料口与硅熔液上表面的距离较大。并且出料管多设计为竖直的，硅料的下降过程中没有设计减速的缓冲装置，因此硅料会以较快的速度落在硅熔液表面，在硅熔液表面会产生较大的冲击力，由于硅料的加入引起的硅熔液的扰动可能会冲击到坩埚内表面的氮化硅涂层，使部分氮化硅涂层脱落引起铸锭粘埚。破碎的颗粒硅料也多是不规则的，在进料过程中也容易发生堵塞。

发明内容

基于此，有必要提供一种多晶硅铸锭炉二次加料装置，能够降低二次加料时对硅溶液的液面的冲击同时又避免加料过程中产生堵塞。

一种多晶硅铸锭炉二次加料装置，包括：料仓，底部连接有加料管；输料管，一端与所述加料管相连通；缓冲仓，通过缓冲仓进料管与所述输料管的另一端连通，所述缓冲仓的底部具有缓冲仓出料口，所述缓冲仓的内部设置有可升降的密封件，所述密封件用以封闭或打开所述缓冲仓出料口；升降装置，用以控制所述缓冲仓的升降及用以控制所述密封件的升降；出料连接管，一端与所述缓冲仓出料口连通；出料管，与所述出料连接管的另一端连通，且出料管的出口端弯曲；其中，加料管、输料管、缓冲仓进料管、缓冲仓出料口、出料连接管、出料管依顺序直径呈增大趋势，且相邻两个相连接的元件中，后一个的直径不小于前一个的直径。

上述多晶硅铸锭炉二次加料装置，设置缓冲仓、弯曲的出料管等缓冲机构以缓冲硅料，减小硅原料对硅熔液表面的冲击力，减低二次加料对坩埚内壁涂层的损伤，有效减少了二次加料引起的粘埚问题。同时，通过对输料管路的尺寸优化。避免在达到缓冲目的的同时造成堵塞管路的情况。

在其中一个实施例中，所述输料管的直径大于所述加料管的直径，所述缓冲仓进料管的管径大于所述输料管的管径、所述缓冲仓出料口的内径大于所述缓冲仓进料管的直径、所述出料连接管的直径大于所述缓冲仓出料口的直径、所述出料管的直径大于所述出料连接管的直径。

在其中一个实施例中，所述缓冲仓的外部设置有加热元件。

在其中一个实施例中，所述加热元件为缠绕在缓冲仓外部的加热线圈。

在其中一个实施例中，所述出料连接管与缓冲仓出料口连接的一端设置成锥形，出料管与出料连接管相连接的一端设置成锥形。

在其中一个实施例中，所述密封件的头部设置成锥形，用以插入所述缓冲仓出料口以密封所述缓冲仓出料口。

在其中一个实施例中，所述缓冲仓的内腔的底壁设置成便于硅料流向缓冲仓出料口的锥形。

在其中一个实施例中，所述缓冲仓出料口与出料连接管之间为可拆卸式连接，所述出料连接管与出料管之间为可拆卸式连接。

还提出一种多晶铸锭系统，包括多晶硅铸锭炉及所述的二次加料装置，其中所述多晶硅铸锭炉包括隔热笼、置于隔热笼内部的坩埚，所述坩埚的顶部设置有坩埚盖板，所述二次加料装置的出料管自所述隔热笼的顶部进入隔热笼内部，其中，加料时，所述出料管的出口端伸入隔热笼内且位于所述坩埚盖板的下方。

在其中一个实施例中，所述升降装置包括直线提升单元、支撑直线提升单元的支架、位于直线提升单元内部的传动装置，其中缓冲仓具有上盖，支架固定在多晶硅铸锭炉上，直线提升单元固定于所述上盖，所述传动装置与缓冲仓内部的密封件固定连接。

附图说明

图1为本发明一个实施例的多晶硅铸锭炉二次加料装置非加料状态下的结构示意图；

图2为二次加料装置的料仓的示意图；

图3为二次加料装置的缓冲仓的示意图；

图4为本发明一个实施例的多晶硅铸锭炉二次加料装置加料状态下的结构示意图；

图5为现有铸锭炉的结构示意图；

图6为与本发明的二次加料装置配合使用的改造后的铸锭炉的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

下面结合附图，说明本发明的较佳实施方式。

本发明提供一种多晶硅铸锭炉二次加料装置，可在铸锭过程中给多晶铸锭炉二次加料。同时还提供了一种使用这种二次加料装置的多晶铸锭系统。

参考图1，多晶硅铸锭炉二次加料装置包括料仓110、加料管120、输料管130、缓冲仓进料管140、缓冲仓150、出料连接管160、出料管170、升降装置。下面详细解释各元件的结构及相互之间的组配。

参考图2，料仓110用以装载硅料，以便在需要进行二次加料供料。料仓110内壁设有保护涂层，以避免污染硅料。料仓110包括多个独立的隔间112，分别独立地供料。料仓110中设置有驱动各个隔间112旋转的旋转轴113，以控制隔间112的给料顺序。图2中示意出了2个隔间112，但数量不以两个为限，本发明中设置4个隔间112。

参考图2，料仓110的顶部设置有可开启的料仓盖114。料仓盖114上连接有转动轴115。料仓盖114与料仓110的顶部之间通过法兰或其他紧固件密封连接。当需要向料仓110中添加多晶硅原料时，可先接触料仓盖114与料仓的顶部之间的密封连接，然后通过转动轴115将料仓盖114水平旋转移开。

料仓110顶部设置有观察孔116，可随时观察二次加料装置的给料情况。料仓110外则设置有抽真空装置117，用以在二次加料时调节料仓110中的真空度。

加料管120连接于料仓110的底部。加料管120上设置有出料阀122控制出料。

输料管130的一端与加料管120密封连接。输料管130的直径比加料管120的直径大，以避免给料过程中出现硅料堵塞加料管120。输料管130另一端则密封连接设置在缓冲仓150的上盖152上的缓冲仓进料管140。缓冲仓进料管140的直径大于输料管130的直径，避免给料过程中出现硅料堵塞输料管130。

输料管130采用可以弯曲的波纹管，以适应缓冲仓150的升降以方便向铸锭炉中添加硅料。

参看图3，缓冲仓150的底部设置有缓冲仓出料口153。缓冲仓出料口153的直径大于输料管130，避免给料过程中出现硅料堵塞缓冲仓150。

进一步地，缓冲仓150的内腔的底壁设置成便于硅料流向缓冲仓出料口153的锥形。锥形的锥角大于90°，小于120°。

缓冲仓150的内腔中设置有可以升降的密封件154。不加料时，密封件154将缓冲仓出料口153密封。加料时，升降装置控制密封件154上升，硅料可以从缓冲仓出料口153输出。

密封件154的头部设置成锥形，方便插入到缓冲仓出料口153中将缓冲仓出料口153堵塞。

缓冲仓150的内腔的底壁设置成锥形，而密封件154的头部设置成锥形，还可以在密封件154不堵塞缓冲仓出料口153的情况下，通过控制密封件154的头部与锥形底壁之间的间隙来控制硅料的输出量，起到缓冲作用。

升降装置包括直线提升单元182、支撑直线提升单元182的支架183、位于直线提升单元182内部的传动装置184。其中，参考图1和图4，支架183固定在多晶硅铸锭炉200的顶部，直线提升单元182固定于缓冲仓150的上盖152，传动装置184与缓冲仓150内部的密封件154固定。即，利用直线提升单元182控制整个缓冲仓150的升降，利用传动装置184控制密封件154的升降。

直线提升单元182与传动装置184的动力由升降电机185提供。升降电机185提供的旋转动力转换为直线提升单元182及传动装置184的直线运动。

参考图3，缓冲仓150的外部设置有加热元件155，用以在二次加料过程中，对缓冲仓150中的硅料预先进行加热，缩短多晶硅铸锭炉200加热新加入的硅料的时间，保证铸锭效率。加热元件155可以是缠绕在缓冲仓150的外部的加热线圈，保证硅料均匀受热。硅料被预先加热成熔融状态，可避免堵塞缓冲仓150。同时，二次加料装置的其他位置也不需要特别设置振荡硅料的部件。

出料连接管160的一端密封连接在缓冲仓出料口153上，出料连接管160与缓冲仓出料口153连接的一端设置成锥形，给料过程中起到缓冲作用。

另外，出料连接管160的直径大于缓冲仓出料口153的内径，避免堵塞缓冲仓出料口153。

出料管170与出料连接管160的另一端密封连接，出料管170与出料连接管160相连接的一端设置成锥形，给料过程中起到缓冲作用。

另外，出料管170直径大于出料连接管160的直径，避免堵塞。出料管170的出口端还弯曲一定角度，起到缓冲作用，防止硅料下冲力引起的硅液飞溅。弯曲的角度设置为135度左右，以既具有缓冲作用，又不会导致在加料时堵塞管路。

出料连接管160与缓冲仓出料口153之间、出料管170与出料连接管160之间均采用可拆卸式连接，例如螺纹连接，便于出料连接管160和出料管170的更换。出料连接管160和出料管170均选用耐高温且不易挥发的材质比如氮化硼。

本发明的二次加料装置中，增加缓冲仓150的存在，缓冲仓150内设置密封件154，可通过堵塞缓冲仓出料口153来控制硅料输出，使缓冲仓150在加料过程中起到缓冲的作用；此外出料管170的出口端弯曲也延缓了硅料的下降速度，减小硅原料对硅熔液表面的冲击力，减低二次加料对坩埚内壁涂层的损伤，有效减少了二次加料引起的粘埚问题。

进一步地，出料连接管160、出料管170的端部也分别设置成锥形，在给料过程中既起到缓冲作用，又可避免产生堵塞。

另外，加料管120、输料管130、缓冲仓进料管140、缓冲仓出料口153、出料连接管160、出料管170依顺序直径呈增大趋势，防止因为设置缓冲结构导致堵塞产生。需要指出的是，上述加料管120等，直径整体上有增大趋势即可，不一定必须依次增大，即加料管120、输料管130、缓冲仓进料管140、缓冲仓出料口153、出料连接管160、出料管170等元件中，相邻两个相连接的元件中，后一个的直径不小于前一个的直径即可。

综上，本发明的二次加料装置，设置缓冲仓等多处缓冲结构，减小硅原料对硅熔液表面的冲击力，减低二次加料对坩埚内壁涂层的损伤，有效减少了二次加料引起的粘埚问题。同时，通过对输料管路的尺寸优化。避免在达到缓冲目的之同时造成堵塞管路的情况。

下面结合图1和图4，简要描述本发明多晶硅铸锭炉二次加料装置的使用过程。

在多晶硅铸锭炉200正常装料进入到熔化后期阶段，即预装在石英坩埚中的块状硅料基本熔化完毕，坩埚上部有一定装料空间后即可进行二次加料。

本发明的多晶硅铸锭炉的二次加料装置的安装图如图1所示。多晶硅铸锭炉200包括炉体220、置于炉体220内的隔热笼210、置于隔热笼210内部的坩埚230，其中坩埚230顶部设置有坩埚盖板240。

在向铸锭炉内二次加料之前，出料阀122为闭合状态，缓冲仓150被提起，出料连接管160、出料管170在顶部保温板212之上。旋转移开料仓盖114，分别向料仓110四个隔间112加满硅原料，然后移回料仓盖114以密封料仓110。开启料仓110上的抽真空装置117，根据铸锭炉内真空度情况，调节料仓110内真空度达到平衡。

根据铸锭炉工控机显示的铸锭状态，确定二次加料时间，如图4所示，开启升降装置，将缓冲仓150、出料连接管160和出料管170缓慢下降，使出料管170的弯曲部分到达坩埚盖板240下方的指定高度。旋转旋转轴113开启料仓110的一个隔间112，使硅料从料仓110的隔间112中输出。同时打开出料阀122，稍后待缓冲仓150中的硅料有一定储量后，将缓冲仓150中的密封件154旋转提起，使硅料经过出料连接管160和出料管170，降落在硅熔液表面，完成二次进料。通过观察孔116查看料仓110内硅原料的变化，当一隔间112中硅料输出完全后，关闭出料阀122。

稍后降下缓冲仓150中的密封件154堵住缓冲仓出料口153，同时将缓冲仓150提升，使出料管170回到顶部保温板212上方。通过铸锭炉工控机观察铸锭状态和铸锭炉内硅料的熔化情况，确定下次加料时间。

依次重复上述操作，完成料仓110的四个隔间112硅料的输出。另外也可根据铸锭炉产量、加热功率等铸锭的实际情况，确定单次加料量，可以一次完成两个或者多个隔间内硅料的输出。

本发明的二次加料装置，二次加料时，出料管170的位置降到坩埚盖板240下方，降低了出料口的高度，进一步减小硅料对硅溶液表面的冲击力。

本发明的二次加料装置安装简单，只需要对现有的铸锭炉进行少量改造即可。如图5所示为现有的铸锭炉。当使用本发明的多晶硅铸锭炉二次加料装置时，无需改造铸锭炉体，只需要将铸锭炉的隔热笼210的顶部保温板212上开设一个可供出料管170进入的窗口，及在坩埚盖板240开设一个通道即可，改造成本低。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种多晶硅铸锭炉二次加料装置，其特征在于：包括：

料仓，底部连接有加料管，所述料仓内壁设有保护涂层；

输料管，一端与所述加料管相连通；

缓冲仓，通过缓冲仓进料管与所述输料管的另一端连通，所述缓冲仓的底部具有缓冲仓出料口，所述缓冲仓的内部设置有可升降的密封件，所述密封件用以封闭或打开所述缓冲仓出料口；

升降装置，用以控制所述缓冲仓的升降及用以控制所述密封件的升降；

出料连接管，一端与所述缓冲仓出料口连通；

出料管，与所述出料连接管的另一端连通，且出料管的出口端弯曲；

其中，加料管、输料管、缓冲仓进料管、缓冲仓出料口、出料连接管、出料管依顺序直径呈增大趋势，且相邻两个相连接的元件中，后一个的直径不小于前一个的直径。

2.根据权利要求1所述的多晶硅铸锭炉二次加料装置，其特征在于，所述输料管的直径大于所述加料管的直径，所述缓冲仓进料管的管径大于所述输料管的管径、所述缓冲仓出料口的内径大于所述缓冲仓进料管的直径、所述出料连接管的直径大于所述缓冲仓出料口的内径、所述出料管的直径大于所述出料连接管的直径。

3.根据权利要求1所述的多晶硅铸锭炉二次加料装置，其特征在于，所述缓冲仓的外部设置有加热元件。

4.根据权利要求3所述的多晶硅铸锭炉二次加料装置，其特征在于，所述加热元件为缠绕在缓冲仓外部的加热线圈。

5.根据权利要求1所述的多晶硅铸锭炉二次加料装置，其特征在于，所述出料连接管与缓冲仓出料口连接的一端设置成锥形，出料管与出料连接管相连接的一端设置成锥形。

6.根据权利要求1所述的多晶硅铸锭炉二次加料装置，其特征在于，所述密封件的头部设置成锥形，用以插入所述缓冲仓出料口以密封所述缓冲仓出料口。

7.根据权利要求1所述的多晶硅铸锭炉二次加料装置，其特征在于，所述缓冲仓的内腔的底壁设置成便于硅料流向缓冲仓出料口的锥形。

8.根据权利要求1所述的多晶硅铸锭炉二次加料装置，其特征在于，所述缓冲仓出料口与出料连接管之间为可拆卸式连接，所述出料连接管与出料管之间为可拆卸式连接。

9.一种多晶铸锭系统，其特征在于，包括多晶硅铸锭炉及如权利要求1至8任一项所述的二次加料装置，其中所述多晶硅铸锭炉包括隔热笼、置于隔热笼内部的坩埚，所述坩埚的顶部设置有坩埚盖板，其中，加料时，所述出料管的出口端伸入隔热笼内且位于所述坩埚盖板的下方。

10.根据权利要求9所述的多晶铸锭系统，其特征在于，所述升降装置包括直线提升单元、支撑直线提升单元的支架、位于直线提升单元内部的传动装置，其中缓冲仓具有上盖，支架固定在多晶硅铸锭炉上，直线提升单元固定于所述上盖，所述传动装置与缓冲仓内部的密封件固定连接。