CN107523865A - 一种定向水冷散热的节能型高效多晶硅铸锭炉 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多晶硅生产技术，旨在提供一种定向水冷散热的节能型高效多晶硅铸锭炉。该种定向水冷散热的节能型高效多晶硅铸锭炉，包括炉体、隔热笼、石墨护板、定向散热块、底保温板、隔热百叶、水冷铜板、水冷铜管、石墨支撑柱、隔热移门、石英坩埚、顶部加热器、侧部加热器。本发明的底部水冷具有定向作用效果，只是对DS块进行辐射吸热，而不影响加热器的工作，因此冷热源是完全隔离而无相互作用，避免炉隔热笼提升时加热器功率上升的现象；底保温板和隔热百叶配合实现了连续冷量的可调，符合长晶阶段的散热需求；而加热融化阶段，底部隔热移门完全关闭，起到了一定隔热效果，进一步降低炉热量的散失，实现炉节能效果。

Description

一种定向水冷散热的节能型高效多晶硅铸锭炉

技术领域

本发明是关于多晶硅生产技术领域，特别涉及一种定向水冷散热的节能型高效多晶硅铸锭炉。

背景技术

多晶铸锭炉是用于制备太阳能级多晶硅锭的专业设备，随着光伏行业的蓬勃兴起而得到快速发展。多晶铸锭的生产过程实为硅料熔化重结晶的过程，需要经过装料、抽真空、加热、熔化、长晶、退火、冷却、出炉等工序。

近年来，国内外企业为了提高多晶硅铸锭电池片的转换效率，进行了积极的探索和试验，籽晶法高效多晶是目前较成熟和可行的方法。采用该方法装料时，需先在坩埚底部铺一层碎硅片或硅颗粒作为籽晶，然后在上面继续填装多晶硅料；熔化时，保证硅料从上向下层层熔化，待熔化至铺有碎硅片的籽晶时跳转进入下一步，可以实现熔液基于籽晶形成同质成核；而长晶时，在籽晶的基础上，熔液底部形成细小且分布均匀的晶粒，进而向上生长形成低缺陷高品质的硅锭；经过行业内众多企业的验证，采用籽晶法生产的高效多晶，同样条件下较普通铸锭多晶电池效率提高0.2％以上，现已经在国内各个厂家中广泛推广。

籽晶法高效多晶工艺能够实现高效铸锭的关键要点主要有两个，一个熔化工序时需要保证籽晶有效且均匀的保留，第二个就是长晶工序时晶粒生长的均匀性和垂直性。具体而言，籽晶法高效多晶工艺核心就是籽晶的保留，但是由于硅碇底部存有未重熔结晶的籽晶硅料，因此有效利用率较普通铸锭方法低8％左右，在确保籽晶全部有效保留的前提下籽晶高度越低，熔化界面越平整则硅锭重熔结晶就越多，有效利用部分也就多。其次，籽晶的100％有效保留奠定了高效铸锭的基础，对应长晶工序下如何充分利用籽晶的同质成核的优势，保证成核后的晶粒均匀且垂直生长则影响高效多晶的最终效果。

目前的多晶硅铸锭炉，通常采用隔热笼提升的方式进行籽晶的保留和长晶控制，这是一种非均匀、弱控制的散热方式。籽晶保留时，打开笼散热后，DS块四周散热快，温度会冷一些，形成水平方向的温度梯度，DS块的热均匀性难以保证，籽晶保留效果差。此外，开笼方式散热会带走较多热量，影响加热器工作，形成一对冷热矛盾，表现为加热器功率持续上升最终增加电能消耗。而在晶体生长阶段，隔热笼提升方式下，石墨坩埚四周和DS块一样直接照射到下炉室炉壁上，热量被带走后形成过冷度，硅液直接在石英坩埚壁上异质成核，生产出斜向生长的晶粒，抵消了籽晶同质成核的效果，降低了硅碇的高效品质，表现为四周硅块的晶粒斜向生长及较低的电池转换效率。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种能克服隔热笼提升散热方式不足的定向水冷散热的多晶硅铸锭炉。为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种定向水冷散热的节能型高效多晶硅铸锭炉，包括炉体，还包括隔热笼、石墨护板、定向散热块、底保温板、隔热百叶、水冷铜板、水冷铜管、石墨支撑柱、隔热移门、石英坩埚、顶部加热器、侧部加热器；

所述石英坩埚设置在炉体内，且石英坩埚的周围安装有石墨护板；所述定向散热块通过(多个)石墨支撑柱安装于炉体内，围设有石墨护板的石英坩埚通过石墨护板安装在定向散热块的上表面；

所述隔热笼(隔热笼由不锈钢骨架和保温用的固化碳毡组成上部和侧部封闭的笼体)吊装在炉体内，围设有石墨护板的石英坩埚设置在隔热笼中；所述顶部加热器、侧部加热器安装在隔热笼和石墨护板之间的空间内，且顶部加热器、侧部加热器分别设置在石英坩埚的上面和侧面；

所述炉体内的底部固定有水冷铜板，水冷铜板镶嵌有水冷铜管，且水冷铜管通过炉体底部通设到炉体外；所述隔热移门包括左右对称的两部分移门，移门是不开槽的实心结构，隔热移门设置在水冷铜板的上方，且左右两部分移门分别连接有电机，通过左右的电机进行驱动，能实现自动的开合(通过水冷铜板上的导轨进行左右移动)；所述隔热百叶包括左右对称的两部分百叶，百叶是开有槽孔的开槽结构，隔热百叶设置在隔热移门的上方，且左右两部分百叶分别连接有电机，通过左右的电机进行驱动，能实现左右移动(通过水冷铜板上的导轨进行左右移动)；所述底保温板设置在隔热百叶的上方，底保温板与支撑定向散热块的石墨支撑柱固定，并卡装在隔热炉的底部和隔热笼紧密配合，底保温板为部分开槽结构，能和隔热百叶配合工作，通过隔热百叶的移动，实现槽孔的封闭和打开。

作为进一步的改进，所述水冷铜板和水冷铜管通过钎焊方式固定。

作为进一步的改进，隔热移门采用碳毡材质的隔热移门。

作为进一步的改进，所述隔热百叶采用碳毡材质的隔热百叶。

作为进一步的改进，所述底保温板采用碳毡材质的底保温板。

作为进一步的改进，所述水冷铜板采用紫铜材质的铜板。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明采用水冷铜板的散热方式，根据比热容公式c＝ΔQ/mΔT，其中c为比热容，ΔQ为热量，m为质量，ΔT为温差，相同硅料结晶时释放的热量ΔQ一定，质量m一定的情况下，比热容c越大，温差ΔT越小，由于水的比热大，吸热后水温进出变化小，且铜板所选用的紫铜材质，具有导热快散热均匀的特点，因此工作时整个定向散热块的冷却强度大且均匀。半融高效工艺时，融化阶段，籽晶融化的界面可以更加水平，达到理想的籽晶保留效果。同样的，长晶阶段，冷却强度大且均匀可以保证晶体生长的垂直，避免坩埚侧壁的异质成核，保证了高效多晶的效果。

此外，相比于隔热笼提升的散热方式，本发明的底部水冷具有定向作用效果，只是对DS块进行辐射吸热，而不影响加热器的工作，因此冷热源是完全隔离而无相互作用，避免炉隔热笼提升时加热器功率上升的现象。底保温板和隔热百叶配合实现了连续冷量的可调，符合长晶阶段的散热需求。而加热融化阶段，底部隔热移门完全关闭，起到了一定隔热效果，进一步降低炉热量的散失，实现炉节能效果。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中的附图标记为：1炉体；2隔热笼；3石墨护板；4定向散热块；5底保温板；6隔热百叶；7水冷铜板；8水冷铜管；9石墨支撑柱；10隔热移门；11石英坩埚；12侧部加热器；13顶部加热器。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图1所示的一种定向水冷散热的节能型高效多晶硅铸锭炉，包括炉体1、隔热笼2、石墨护板3、定向散热块4、底保温板5、隔热百叶6、水冷铜板7、水冷铜管8、石墨支撑柱9、隔热移门10、石英坩埚11、顶部加热器13、侧部加热器12。

所述石英坩埚11设置在炉体1内，且石英坩埚11的周围安装有石墨护板3；所述定向散热块4通过多个石墨支撑柱9安装于炉体1内，围设有石墨护板3的石英坩埚11通过石墨护板3安装在定向散热块4的上表面。

所述隔热笼2由不锈钢骨架和保温用的固化碳毡组成上部和侧部封闭的笼体，其吊装在炉体1内，围设有石墨护板3的石英坩埚11设置在隔热笼2中；所述顶部加热器13、侧部加热器12安装在隔热笼2和石墨护板3之间的空间内，且顶部加热器13、侧部加热器12分别设置在石英坩埚11的上面和侧面。

所述炉体1内的底部固定有水冷铜板7，水冷铜板7镶嵌有水冷铜管8，且水冷铜管8的另一端通过炉体1底部通设到炉体1外。水冷铜板7采用紫铜材质，紫铜具有导热快散热均匀的特点。

所述隔热移门10包括左右对称的两部分移门，移门是不开槽的实心结构；隔热移门10设置在水冷铜板7的上方，通过水冷铜板7上的导轨进行左右移动，且左右两部分移门分别连接有电机，通过左右的电机进行驱动，能实现自动的开合。隔热移门10采用碳毡材料。

所述隔热百叶6包括左右对称的两部分百叶，百叶具有与底保温板5类似的开槽结构；隔热百叶6设置在隔热移门10的上方，通过水冷铜板7上的导轨进行左右移动，且左右两部分百叶分别连接有电机，通过左右的电机进行驱动，能实现高精度的左右移动。隔热百叶6采用碳毡材料。

所述底保温板5设置在隔热百叶6的上方，底保温板5与支撑定向散热块4的石墨支撑柱9固定，并卡装在隔热炉的底部和隔热笼2紧密配合，底保温板5为部分开槽结构，能和隔热百叶6配合工作，通过隔热百叶6的移动，实现槽孔的封闭和打开。底保温板5采用碳毡材料。

在多晶铸锭融化阶段，隔热百叶6和隔热移门10全部处于关闭状态，确保与底部水冷铜板7隔离，最大程度减少水冷铜板7因吸热而增加电耗。当工艺进入到长晶阶段时隔热移门10首先打开，此时由于上层隔热百叶6还未打开，定向散热块4的温度下降较少。下层隔热移门10打开的同时，上层隔热百叶6也缓慢打开，使水冷铜板7与定向散热块4之间辐射的空间逐渐增大，具体开度可根据工艺进行调整，从而均匀冷却定向散热块4，形成自下而上的垂直温度梯度，满足多晶长晶的温度梯度要求，保证晶体生长的垂直，避免坩埚侧壁的异质成核，保证了高效多晶的效果。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种定向水冷散热的节能型高效多晶硅铸锭炉，包括炉体，其特征在于，还包括隔热笼、石墨护板、定向散热块、底保温板、隔热百叶、水冷铜板、水冷铜管、石墨支撑柱、隔热移门、石英坩埚、顶部加热器、侧部加热器；

所述石英坩埚设置在炉体内，且石英坩埚的周围安装有石墨护板；所述定向散热块通过石墨支撑柱安装于炉体内，围设有石墨护板的石英坩埚通过石墨护板安装在定向散热块的上表面；

所述隔热笼吊装在炉体内，围设有石墨护板的石英坩埚设置在隔热笼中；所述顶部加热器、侧部加热器安装在隔热笼和石墨护板之间的空间内，且顶部加热器、侧部加热器分别设置在石英坩埚的上面和侧面；

所述炉体内的底部固定有水冷铜板，水冷铜板镶嵌有水冷铜管，且水冷铜管通过炉体底部通设到炉体外；所述隔热移门包括左右对称的两部分移门，移门是不开槽的实心结构，隔热移门设置在水冷铜板的上方，且左右两部分移门分别连接有电机，通过左右的电机进行驱动，能实现自动的开合；所述隔热百叶包括左右对称的两部分百叶，百叶是开有槽孔的开槽结构，隔热百叶设置在隔热移门的上方，且左右两部分百叶分别连接有电机，通过左右的电机进行驱动，能实现左右移动；所述底保温板设置在隔热百叶的上方，底保温板与支撑定向散热块的石墨支撑柱固定，并卡装在隔热炉的底部和隔热笼紧密配合，底保温板为部分开槽结构，能和隔热百叶配合工作，通过隔热百叶的移动，实现槽孔的封闭和打开。

2.根据权利要求1所述的一种定向水冷散热的节能型高效多晶硅铸锭炉，其特征在于，所述水冷铜板和水冷铜管通过钎焊方式固定。

3.根据权利要求1所述的一种定向水冷散热的节能型高效多晶硅铸锭炉，其特征在于，隔热移门采用碳毡材质的隔热移门。

4.根据权利要求1所述的一种定向水冷散热的节能型高效多晶硅铸锭炉，其特征在于，所述隔热百叶采用碳毡材质的隔热百叶。

5.根据权利要求1所述的一种定向水冷散热的节能型高效多晶硅铸锭炉，其特征在于，所述底保温板采用碳毡材质的底保温板。

6.根据权利要求1所述的一种定向水冷散热的节能型高效多晶硅铸锭炉，其特征在于，所述水冷铜板采用紫铜材质的铜板。