CN106998158A - 单晶硅生长炉停冷却热场阶段部分热能回收利用装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单晶硅生长炉停冷却热场阶段部分热能回收利用装置，其特征在于：包括有加热箱，所述加热箱中有传送带穿过，所述加热箱体内传送带的下面铺设有圆柱状的加热管，所述加热管从中间至两端的分布为有密到疏，所述加热管的进气口设置在中部，出气口分别设置在两端，且进气口和两个出气口均通过管道连接到集气箱，所述进气口处设有风机。本发明结构简单，操作方便，成本低，避免导线的烫伤，提高线束磁环外热缩管热缩的效率，而且加热管的分布合理，可避免使热缩管过快的加热收缩和过快的降温，保证了热缩管的收缩质量，而且通过加热箱体内保温层的可保证箱体内的温度，减慢散热箱体散热的速度。

Description

单晶硅生长炉停冷却热场阶段部分热能回收利用装置

技术领域：

本发明涉及能源回收利用的技术领域，主要涉及一种单晶硅生长炉停冷却热场阶段部分热能回收利用装置。

背景技术：

目前在光伏太阳能、半导体硅晶圆生产环节，采用的主流方式是CZ直拉法拉制单晶硅棒。在单晶硅晶圆制造过程中，单晶生长经过多个环节。在正常单晶硅棒拉制完成冷却取出单晶硅棒后，紧接着需要打开炉体，人员穿戴上耐高温保护物件，取出炉体内部部分高温石墨元件更大地敞开热场，快速地散热冷却高温石墨件为下一炉生产前做清炉准备。在冷却热场阶段会有1-2小时的时间，如此高温石墨件会不断的散热辐射出大量热量，这就为发电提供了强大的能量来源。

目前在大型大尺寸半导体硅晶圆生产制造阶段，需要消耗的电能很大，一般大尺寸例如8英寸单晶硅晶圆生产过程中平均每次每台炉台生产中用到的电功率在60-70KW，随着更大尺寸的半导体长晶热场，所用的电功率更高。但是在长晶结束后停炉冷却热场阶段平均需要1-2个小时的时间，才开始进入清理热场准备下一炉生产阶段。由于期间热场中的热场元件，例如加热器、石墨坩埚等石墨期间在长晶期间产生较高的温度，在开始冷却热场阶段，这些石墨元件仍保持300-800度左右的高温以及很强的热辐射。这么多的热量如果不适当加以回收利用，白白浪费散到空气中，也不符合节能理念。目前行业中这个生产环节还没有相关装置来回收这个环节的多余热能。

发明内容：

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种单晶硅生长炉停冷却热场阶段部分热能回收利用装置，尽可能地回收利用半导体单晶硅晶圆制造的整个阶段中多余热能的浪费，将多余的热能转变成电能并储存起来，存储起来的电能来完成生产中相关控制，节能降低公司生产成本。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种单晶硅生长炉停冷却热场阶段部分热能回收利用装置，其特征在于：包括有圆形筒体，所述圆形筒体的上方通过支架安装有半导体温差发电模块，所述半导体温差发电模块包括有热量收集装置、散热装置以及温差发电片构成，所述热量收集装置包括有圆台体，所述圆台体的小端面为底端面，大端面为上端面，所述圆台体的底端面上均布有多个开孔，其开孔贯穿到上端面上，所述上端面的开孔处分别固定放置有加热板，所述加热板的尺寸略大于开孔尺寸，所述加热板上分别安装有与其对应的温差发电片，所述散热装置包括有散热板，所述散热板位于温差发电片上且与其各个冷面贴合，所述散热板的上端面中部安装有散热风扇。

所述的圆台体采用硅酸铝板制成，所述圆台体上均布有5个开孔。

所述的加热板采用圆形铝板制成。

所述的散热板采用导热铝板支撑，且散热板上涂覆有辐射散热降温涂料涂层。

所述的热量收集装置收集热能对半导体温差发电模块的热端供热，散热装置对半导体温差发电模块的冷端散热，所述半导体温差发电模块产生的电能储存在储能装置中的超级电容内，经过升压稳压电路升压后通过控制器控制负载运行。

本装置利用的基本是热电效应的物理原理。在半导体晶圆制造后期停炉冷却热场阶段，将单晶炉内热场原件辐射出的较大热量通过热传导，热辐射等传导方式聚集到装置的发热端，利用热电效应将产生出的电子电荷收集在储能装置里面，最后加以利用。热电效应是当受热物体中的电子（空穴），因随着温度梯度由高温区往低温区移动时，所产生电流或电荷堆积的一种现象。如果在热电元件两端并联上电阻，当元件受热时，则电阻上就有电流流过，在电阻两端也能得到电压信号。

上述原理的设计要点是：

（1）在正常生产结束取出单晶硅棒停炉冷却热场阶段，利用热场高温石墨元件，发出的高温辐射和热量，通过设计的集热装置来给半导体温差发电模块的热端加热，利用超级电容中存储的电能通过开关升压稳压电源输出的稳定电压一部分驱动冷端的散热风扇给冷面散热。同时冷面表面涂覆的散热涂料辅助散热，来维持两个端面的温度差的相对偏差。

（2）一般的温差发电基本上用一个温差发电模块，输出的电压较小大约在2-8V左右，输出的功率在5-20W，不足以驱动一般的电器。由于装置中用的5个温差发电模块类型相同，他们处的环境大体相同，可以将这5块温差发电模块串联起来输出，可以认为是每个温差发电模块的线性叠加。

（3）由于温差发电模块的冷热端面的温度差难以保持稳定，造成输出的电压也是不稳定的，为了便于给储能装置充电，采用电容能力强的匹配的超级电容器装置。

（4）超级电容器中储存的电能输出的电压受温差发电模块充电电压的影响，输出电压不稳定，这需要经过开关型升压稳压电源输出电压可以调节的稳定输出电压，来驱动外部负载。

本发明的优点是：

（1）本新型发明设计合理地利用了半导体生产环节中可以利用的部分热量进行电能的存储，将热能直接转换成电能，符合节能减排的理念，设计了特殊的集热装置。

（2）经过测量评估平均每次可以产出约0.06-0.08KWh的电能，温差发电模块组件输出功率在60-80W，根据实际后期还可以设计增加半导体温差发电模块组件，增大输出功率。

（3）多次储能后，收集起来的电能可以为生产车间下层的LED灯提供电源，保持长时间照明，也可以为应急控制处提供持续的电源保障。

附图说明：

图1为本发明的结构示意图。

图2为半导体温差发电模块的结构示意图。

图3为温差发电片局部示意图。

图4为热量收集装置的结构示意图。

图5为圆台体的结构示意图。

图6为本发明的模块连接图。

具体实施方式：

参见附图。

一种单晶硅生长炉停冷却热场阶段部分热能回收利用装置，包括有圆形筒体1，所述圆形筒体1的上方通过支架8安装有半导体温差发电模块，所述半导体温差发电模块包括有热量收集装置、散热装置以及温差发电片构成，所述热量收集装置包括有圆台体2，所述圆台体2的小端面为底端面，大端面为上端面，所述圆台体2的底端面上均布有多个开孔3，其开孔3贯穿到上端面上，所述上端面的开孔处分别固定放置有加热板4，所述加热板4的尺寸略大于开孔尺寸，所述加热板4上分别安装有与其对应的温差发电片5，所述散热装置包括有散热板6，所述散热板6位于温差发电片5上且与其各个冷面贴合，所述散热板6的上端面中部安装有散热风扇7。

所述的圆台体2采用硅酸铝板制成，所述圆台体上均布有5个开孔。

所述的加热板4采用圆形铝板制成。

所述的散热板6采用导热铝板支撑，且散热板上涂覆有辐射散热降温涂料涂层。

所述的热量收集装置收集热能对半导体温差发电模块的热端供热，散热装置对半导体温差发电模块的冷端散热，所述半导体温差发电模块产生的电能储存在储能装置中的超级电容内，经过升压稳压电路升压后通过控制器控制负载运行。

其具体的工作过程时：

（1）在正常生产结束取出停炉单晶硅棒敞开冷却热场时，待开始取出热场中部分热场元件如上保温罩，导流筒、石英坩埚、三瓣埚等后，开始15-20分钟内，有技术相关人员利用激光测温枪来测定这些上保温盖板表面的其实大体温度值大约在300-400度（考虑到放置集热装置方便，选用上保温盖板），取出该装置将集热装置放置到盖板表面上方，利用这个阶段盖板表面高温辐射和热流给集热装置热端加热。先进行一段集热储能过程。

（2）根据实际生产清理热场的时间安排，在大约20分钟后，由于要开始清理取出的热场石墨元件，这时需要将集热装置转移到中保温筒上端口，由于开始阶段该上端口辐射，热气流温度很高在400-500度之间，随着20分钟左右的散热，上端口温度会降低到300度左右，这是可以利用支架来调节集热端口高度，可再进行大约30-40分钟的集热储能过程，此过程中可以利用激光测温枪来检测上端口温度范围。

(3)待准备清理下面热场原件时，带上保温防护手套取下该装置，放置到指定的合适位置处，断开温差发电模块和超级电容器连接，准备下一次集热储能。此过程中利用万用电表测量出超级电容器的前后电压来评估每次储存的电能。

(4)存储的电能可以利用对外控制某些负载。

模块论证：

1、集热装置

半导体生长炉在实际生产停炉取棒冷却热场时，热场中有关热场石墨原件经过高温煅烧后温度很高，这些高温的热场石墨件会不断的向外辐射出热量，使得周围的空气温度很高。一般大尺寸热场生产用的电功率高达60-90KW，这些石墨原件要经过60多小时的高温煅烧，停炉后热场底部温度最高，高达1000度以上，随着热场敞开裸露在空气中，会快速地向周围散热。热场上口平均温度大约在300到500度左右。热气流、热辐射会快速地由热场底部向上流动。根据实际生产经验，一般热场需要冷却1-2小时。这就为温差发电提供了长时间强大的热源。

为了更好的将热量集中收集起来作为热源给温差发电模块的热端面供热，这次设计了一个新型的热量收集传输装置。

该热量收集装置是一个圆台形状的耐高温的隔热材料硅酸铝板制成，这样可以有益于热气流更好地通过开出的热量传输通道，另一方面在取该装置的时候方便避免烫伤。圆台的底端开出了5个尺寸相同的直径40mm的圆形通孔，贯穿到两个端面，开孔可以更好的将热量集中输送到温差发电模块的热端加热板。

在圆台的大端面的开孔处分别放置固定的圆形铝板，面积与孔略大，厚度4mm左右。用来作为传导热量的加热板。由于热源处可以提供强大的热量辐射，就不需要计较热量的不足和散失来增加对加热板相应的保温措施。

2、散热模块

半导体温差发电模块在工作工程中，不断地将热量通过电偶臂传到冷面，使其温度升高，后果导致两端面的温差减小，影响发电的效率。为了维持冷端的相对低温环境，及时的排除热量，需要有效的散热措施。事实上，半导体热电效应应用很大程度上取决于散热系统的排放效率。

冷端常用的散热方式主要有以下几种

(1)空气自然对流散热：许多场合下使用空气自然对流散热的空气对流散热器，但这种散热系统换热系数数值小，散热简单，散热效率低。

（2）针状散热系统：针对半导体热堆排列比较密集而且大量使用时。散热系统小巧，散热效率比空气自然对流系统高。

（3）循环散热系统：这种散热系统，通常用的是水冷。这种散热系统的换热系数一般是自然对流散热系统的100-1000倍。但这种系统装置结构较为复杂，体积也比较大。

（4）热管散热器：热管散热器一般有散热片和热管两部分构成。它是一种高效的散热装置。它具有体积小，重量轻，传热能力强等特点。一般分为自冷式和风冷式。用做半导体热电堆散热的较为理想的散热装置。

这次装置中使用风冷式热管散热器。选用了一款市场上的风冷式热管散热器。为了经一步增强冷面的散热效果，本装置还增加了一种有效降低物体表面温度的新型辐射散热降温涂料均匀的涂抹到冷面接触的导热铝板的上表面。

3、半导体温差发电模块

目前我国是半导体热电堆出口大国，国内生产制冷片的厂商很多。

安装发电组件时注意几点，为了使热端与导热铝板、冷端与导热铝板，导热铝板与热管散热器的金属接触片接触良好减少热阻使热量均匀散开。首先要用酒精棉球将接触端面擦拭干净，然后再各个接触面上涂上一层导热硅脂。

4、稳压电路模块

在半导体温差发电过程中，温差是重要的能量来源，由于温差的不稳定会直接导致差生的温差发电模块输出电压值的不稳定。这个不稳定的电压值若给超级电容供电，超级电容的电压会随着充放电而变化，这就要求有个稳压电路输出一个稳定的电压，再提供给负载。稳压电路在温差发电的电源管理中发挥重要的作用，与能量的利用率有直接的关系。实现稳压的方式有很多，常用的是串联调整稳压电源，属于连续控制的线性稳压电源。优点动态响应好，缺点承受过载或短路的能力差，效率低。不能满足温差发电电能管理系统的要求。从20世纪50年代就开发出一种小型化、重量轻为目标的新型稳压电源技术-开关稳压电源。开关稳压电源采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关的占空比来调整输出电压，体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定及电路形式灵活多样，这样可以很好地满足半导体温差发电电能管理系统的要求。

5超级电容模块

超级电容相比于传统的电容、蓄电池具有储存电荷能量大特点，此外还有充放电速度快、效率高、对环境无污染、循环寿命高、使用温度范围宽、安全性高等优点。目前超级电容已经作为标准产品大量的供应市场，平均价格在0.01-0.06美元/法拉。对于温差发电储存电能是比较理想的储能元件。一般对超级电容充电都需要有限流、限压保护，由于温差发电产生的电压较低，选用合适的超级电容即可，无需保护。另外为了防止电路中产生的电压低于超级电容的电压时，超级电容会向半导体温差发电模块方向充电，造成影响及损坏，需要接入肖特基二极管比普通的二极管的压降低。

Claims (5)

1.一种单晶硅生长炉停冷却热场阶段部分热能回收利用装置，其特征在于：包括有圆形筒体，所述圆形筒体的上方通过支架安装有半导体温差发电模块，所述半导体温差发电模块包括有热量收集装置、散热装置以及温差发电片构成，所述热量收集装置包括有圆台体，所述圆台体的小端面为底端面，大端面为上端面，所述圆台体的底端面上均布有多个开孔，其开孔贯穿到上端面上，所述上端面的开孔处分别固定放置有加热板，所述加热板的尺寸略大于开孔尺寸，所述加热板上分别安装有与其对应的温差发电片，所述散热装置包括有散热板，所述散热板位于温差发电片上且与其各个冷面贴合，所述散热板的上端面中部安装有散热风扇。

2.根据权利要求1所述的单晶硅生长炉停冷却热场阶段部分热能回收利用装置，其特征在于：所述的圆台体采用硅酸铝板制成，所述圆台体上均布有5个开孔。

3.根据权利要求1所述的单晶硅生长炉停冷却热场阶段部分热能回收利用装置，其特征在于：所述的加热板采用圆形铝板制成。

4.根据权利要求1所述的单晶硅生长炉停冷却热场阶段部分热能回收利用装置，其特征在于：所述的散热板采用导热铝板支撑，且散热板上涂覆有辐射散热降温涂料涂层。

5.根据权利要求1所述的单晶硅生长炉停冷却热场阶段部分热能回收利用装置，其特征在于：所述的热量收集装置收集热能对半导体温差发电模块的热端供热，散热装置对半导体温差发电模块的冷端散热，所述半导体温差发电模块产生的电能储存在储能装置中的超级电容内，经过升压稳压电路升压后通过控制器控制负载运行。