CN109457295B - 设有匀速拉锭机构的定向凝固反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了设有匀速拉锭机构的定向凝固反应器，炉体内设有环形隔板，隔板上方设有石英坩埚、石墨发热体、保温套筒和感应线圈，隔板的下方设有拉锭机构，拉锭机构通过冷却水盘和石墨板与石英坩埚的底部接触，拉锭机构的筒体一端贯穿炉体的底部伸入炉体内；筒体伸入炉体内的端面上对称开设有两个安装孔，筒体的内壁上对应安装孔的位置开设有滑槽；安装孔内设有丝杆，丝杆上套设有传动螺母，冷却水盘的侧壁上凸设有连接杆，连接杆的自由端穿过滑槽与传动螺母的侧壁连接。本发明采用了丝杆和传动螺母的螺纹配合进行控制石英坩埚的移动速度，操作简单，且控制精准，结构稳固，利于获得高质量完整结晶的多晶硅产品。

Description

设有匀速拉锭机构的定向凝固反应器

技术领域

本发明涉及多晶硅提纯技术领域，具体涉及一种设有匀速拉锭机构的定向凝固反应器。

背景技术

目前太阳能已经成为最受关注的绿色能源，多晶硅是目前应用最广泛的太阳能电池材料。太阳能级多晶硅材料是太阳能电池的重要原料，太阳能电池可以将太阳能转化为电能，在常规能源紧缺的今天，太阳能具有巨大的应用价值。目前，世界范围内制备太阳能电池用多晶硅材料已形成规模化生产，目前的主要技术路线有：

太阳能光伏产业的发展依赖于对硅原料的提纯。在对硅原料进行提纯的过程中，存在一个关键的、必不可少的环节，就是对硅原料进行定向凝固提纯，所用到的定向凝固技术广泛应用于冶金提纯领域。利用硅原料中硅与金属杂质之间的分凝系数存在较大差异的这一特点，采用布里奇曼法，利用水冷拉锭机构将石英坩埚慢慢拉出感应线圈的热场，在凝固过程中，坩埚底端的硅液首先开始凝固，为达到分凝平衡，分凝系数小的杂质从凝固的硅中向液态不断扩散分离出来而聚集在液态，随着凝固不断进行，金属杂质在液态中的浓度越来越高，最后在铸锭的顶端凝固下来，凝固完成后在较高温度下保温一段时间，使各成分充分扩散以达到分凝平衡，最后将金属杂质含量较高的一端去除，得到提纯的多晶硅铸锭。

目前，在定向凝固过程中，拉锭机构拉拔坩埚，使坩埚中的液态硅由上而下形成上下的温度梯度，拉拔速度过快、过慢等不均匀操作，都会影响到液态硅结晶速度，影响到最终产品的质量，现有的拉拔机构结构简单，拉拔速度无法准确的控制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：定向凝固过程中，现有的拉锭机构结构简单，拉拔速度无法准确的控制，本发明提供了解决上述问题的设有匀速拉锭机构的定向凝固反应器。

本发明通过下述技术方案实现：

设有匀速拉锭机构的定向凝固反应器，包括炉体，所述炉体内设有环形隔板，隔板上方设有石英坩埚、石墨发热体、保温套筒和感应线圈，隔板的下方设有拉锭机构，拉锭机构通过冷却水盘和石墨板与石英坩埚的底部接触，所述拉锭机构包括筒体，筒体的轴向一端贯穿炉体的底部伸入炉体内、且位于隔板的下方；筒体伸入炉体内的端面上对称开设有两个安装孔，所述安装孔的轴心线与筒体的轴心线平行，筒体的内壁上对应安装孔的位置开设有滑槽，滑槽连通筒体内部和安装孔；安装孔内设有丝杆，丝杆上套设有传动螺母，所述冷却水盘的侧壁上凸设有连接杆，所述连接杆的自由端穿过滑槽与传动螺母的侧壁连接；驱动丝杆转动，联动传动螺母沿丝杆轴向移动，通过连接杆带动冷却水盘沿筒体轴向移动。

本发明工作原理为：石英坩埚内的液态硅需要定向凝固时，驱动丝杆正向转动，由于传动螺母与丝杆螺纹连接，且传动螺母的侧壁与连接杆连接，连接杆伸出筒体侧壁的滑槽，因此连接杆限制了传动螺母的周向转动运动，使丝杆的转动运动转化为传动螺母的直线运动，传动螺母沿丝杆轴向向下移动，通过连接杆带动冷却水盘、石墨板和石英坩埚沿筒体轴向向下移动，逐渐移出石墨发热体、保温套筒和感应线圈构成的加热区域进入筒体内进行冷凝；在定向凝固结束后，反向转动丝杆，传动螺母沿丝杆向上运动，带动石英坩埚向上复位；丝杆可有电机驱动转动，且电机可与位于炉体外的丝杆轴向端转动连接，可采用用一台变频器带动两台同步电机，保障两个电机同步转动；本发明采用了丝杆和传动螺母的螺纹配合进行控制石英坩埚的移动速度，操作简单，且控制精准，利于获得高质量完整结晶的多晶硅产品。

优选地，所述筒体的侧壁上套设有法兰，筒体通过法兰与炉体底部可拆卸密封连接。

本发明将筒体和炉体通过法兰密封连接，实现筒体在炉体上的可拆装连接，方便操作，也利于保障炉体内一定的真空环境。

优选地，所述筒体的内侧壁上开设辅助定位槽，辅助定位槽的延伸方向与筒体的轴线方向平行，所述冷却水盘的侧壁上凸设有与所述辅助定位槽适配的定位杆。

通过在筒体内侧壁设置辅助定位槽，且冷却水盘侧壁上的定位杆嵌入辅助定位槽内，在冷却水盘沿筒体轴向上下移动过程中，定位杆同时沿辅助定位槽上下移动，对冷却水盘起到良好的稳固作用。

优选地，所述辅助定位槽的内壁上设有橡胶缓冲垫，橡胶缓冲垫通过过渡配合挤压在定位杆外壁和辅助定位槽内壁之间。

通过在辅助定位槽内设置橡胶缓冲垫，增大了定位杆与辅助定位槽之间的摩擦阻力，利于提高冷却水盘、石墨板及石英坩埚整体在上下移动过程中的平稳性。

优选地，所述连接杆的自由端套设有调节管，传动螺母的侧壁上凸有定位螺杆，通过调节管的轴向两端对应连接杆和定位螺杆均通过螺纹连接。

即，调节管内壁设置内螺纹，连接杆的自由端设置外螺纹，调节管的轴向一端与连接杆螺纹连接、另一端与定位螺杆螺纹连接，将定位螺杆和连接杆之间通过调节管可拆卸连接，方便拆装操作。

优选地，所述筒体采用导热材料制成。

优选地，所述冷却水盘包括圆盘状壳体，进水管贯穿壳体的底部伸入壳体内、且伸入部分的自由端与壳体内顶面密封接触；进水管伸入壳体内的管段侧壁上开设若干通孔；壳体内以进水管为圆心辐射状分布若干导热隔板，导热隔板的板面方向与壳体轴线方向垂直，导热隔板的上下两边分别与壳体内底面和顶面接触连接；导热隔板沿辐射方向的长度小于进水管的外壁至壳体内侧壁之间的直线距离；壳体内沿侧壁边缘的底部开设有若干排水孔；若干排水孔的输出端与排水总管连通。

使用时，将冷却水由进水管输入端导入，冷却水流入位于壳体内的进水管管段，通过进水管侧壁上的通孔进入壳体内，由于壳体通过多个辐射排布的导热隔板分隔为多个均匀辐射排布的冷却水流通腔，冷却水经通孔流出后均匀分布进入对应的冷却水流通腔、并向壳体的边缘流动最后通过排水孔排出；多个导热隔板大大增加了换热面积，且设置多个冷却水流通腔也利于增大冷却水流的扰动作用，提高换热效率，因此本申请提供的冷却盘换热效果良好、冷却均匀。

优选地，所述壳体外底面与排水孔对应位置处环设有收集环管，所述收集环管上设有与排水孔位置对应连通的若干通孔，热交换后的冷却水经排水孔、通孔进入收集环管，最后经与收集环管连通的排水总管排出。

通过设置收集环管，每个排水孔内排出的换热后冷却水直接进入收集环管，保障水流循环畅通。

本发明具有如下的优点和有益效果：

1、本发明工作原理为：石英坩埚内的液态硅需要定向凝固时，驱动丝杆正向转动，由于传动螺母与丝杆螺纹连接，且传动螺母的侧壁与连接杆连接，连接杆伸出筒体侧壁的滑槽，因此连接杆限制了传动螺母的周向转动运动，使丝杆的转动运动转化为传动螺母的直线运动，传动螺母沿丝杆轴向向下移动，通过连接杆带动冷却水盘、石墨板和石英坩埚沿筒体轴向向下移动，逐渐移出石墨发热体、保温套筒和感应线圈构成的加热区域进入筒体内进行冷凝；在定向凝固结束后，反向转动丝杆，传动螺母沿丝杆向上运动，带动石英坩埚向上复位；丝杆可有电机驱动转动，且电机可与位于炉体外的丝杆轴向端转动连接，可采用用一台变频器带动两台同步电机，保障两个电机同步转动；本发明采用了丝杆和传动螺母的螺纹配合进行控制石英坩埚的移动速度，操作简单，且控制精准，利于获得高质量完整结晶的多晶硅产品；

2、本发明通过在筒体内侧壁设置辅助定位槽，且冷却水盘侧壁上的定位杆嵌入辅助定位槽内，在冷却水盘沿筒体轴向上下移动过程中，定位杆同时沿辅助定位槽上下移动，对冷却水盘起到良好的稳固作用；通过在辅助定位槽内设置橡胶缓冲垫，增大了定位杆与辅助定位槽之间的摩擦阻力，利于提高冷却水盘、石墨板及石英坩埚整体在上下移动过程中的平稳性；

3、本发明使用时，将冷却水由进水管输入端导入，冷却水流入位于壳体内的进水管管段，通过进水管侧壁上的通孔进入壳体内，由于壳体通过多个辐射排布的导热隔板分隔为多个均匀辐射排布的冷却水流通腔，冷却水经通孔流出后均匀分布进入对应的冷却水流通腔、并向壳体的边缘流动最后通过排水孔排出；多个导热隔板大大增加了换热面积，且设置多个冷却水流通腔也利于增大冷却水流的扰动作用，提高换热效率，因此本申请提供的冷却盘换热效果良好、冷却均匀。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的整体正视截面结构示意图；

图2为本发明的冷却水盘正视截面结构示意图；

图3为本发明的冷却水盘径向截面结构示意图；

图4为本发明的筒体正视截面结构示意图；

图5为本发明的筒体径向截面结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：1-炉体，2-隔板，3-石英坩埚，4-石墨发热体，5-保温套筒，6-感应线圈，8-冷却水盘，7-石墨板，9-筒体，10-安装孔，11-滑槽，12-丝杆，13-传动螺母，14-连接杆，15-法兰，16-辅助定位槽，17-定位杆，18-橡胶缓冲垫，19-调节管，20-电机，81-壳体，82-进水管，83-导热隔板，84-排水孔，85-排水总管，86-收集环管。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

本发明提供了一种设有匀速拉锭机构的定向凝固反应器，包括炉体1，所述炉体1内设有环形隔板2，隔板2上方设有石英坩埚3、石墨发热体4、保温套筒5和感应线圈6，隔板2的下方设有拉锭机构，拉锭机构通过冷却水盘8和石墨板7与石英坩埚3的底部接触，所述拉锭机构包括筒体9，筒体9的轴向一端贯穿炉体1的底部伸入炉体1内、且位于隔板2的下方；筒体9伸入炉体1内的端面上对称开设有两个安装孔10，所述安装孔10的轴心线与筒体9的轴心线平行，筒体9的内壁上对应安装孔10的位置开设有滑槽11，滑槽11连通筒体9内部和安装孔10；安装孔10内设有丝杆12，丝杆12上套设有传动螺母13，所述冷却水盘8的侧壁上凸设有连接杆14，所述连接杆14的自由端穿过滑槽11与传动螺母13的侧壁连接；驱动丝杆12转动，联动传动螺母13沿丝杆12轴向移动，通过连接杆14带动冷却水盘8沿筒体9轴向移动。

实施例2

在实施例1的基础上进一步改进，所述筒体9的侧壁上套设有法兰15，筒体9通过法兰15与炉体1底部可拆卸密封连接。所述筒体9的内侧壁上开设辅助定位槽16，辅助定位槽16的延伸方向与筒体9的轴线方向平行，所述冷却水盘8的侧壁上凸设有与所述辅助定位槽16适配的定位杆17；所述辅助定位槽16的内壁上设有橡胶缓冲垫18，橡胶缓冲垫18通过过渡配合挤压在定位杆17外壁和辅助定位槽16内壁之间。

实施例3

在实施例2的基础上进一步改进，所述连接杆14的自由端套设有调节管19，传动螺母13的侧壁上凸有定位螺杆，通过调节管19的轴向两端对应连接杆14和定位螺杆均通过螺纹连接。所述筒体9采用导热材料制成。

实施例4

在实施例3的基础上进一步改进，所述冷却水盘8包括圆盘状壳体81，进水管82贯穿壳体81的底部伸入壳体81内、且伸入部分的自由端与壳体81内顶面密封接触；进水管82伸入壳体81内的管段侧壁上开设若干通孔；壳体81内以进水管82为圆心辐射状分布若干导热隔板83，导热隔板83的板面方向与壳体81轴线方向垂直，导热隔板83的上下两边分别与壳体81内底面和顶面接触连接；导热隔板83沿辐射方向的长度小于进水管82的外壁至壳体81内侧壁之间的直线距离；壳体81内沿侧壁边缘的底部开设有若干排水孔84；若干排水孔84的输出端与排水总管85连通。

实施例5

在实施例4的基础上进一步改进，所述壳体81外底面与排水孔84对应位置处环设有收集环管86，所述收集环管86上设有与排水孔84位置对应连通的若干通孔，热交换后的冷却水经排水孔、通孔进入收集环管86，最后经与收集环管86连通的排水总管85排出。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.设有匀速拉锭机构的定向凝固反应器，包括炉体（1），所述炉体（1）内设有环形隔板（2），隔板（2）上方设有石英坩埚（3）、石墨发热体（4）、保温套筒（5）和感应线圈（6），隔板（2）的下方设有拉锭机构，拉锭机构通过冷却水盘（8）和石墨板（7）与石英坩埚（3）的底部接触，其特征在于，所述拉锭机构包括筒体（9），筒体（9）的轴向一端贯穿炉体（1）的底部伸入炉体（1）内、且位于隔板（2）的下方；筒体（9）伸入炉体（1）内的端面上对称开设有两个安装孔（10），所述安装孔（10）的轴心线与筒体（9）的轴心线平行，筒体（9）的内壁上对应安装孔（10）的位置开设有滑槽（11），滑槽（11）连通筒体（9）内部和安装孔（10）；安装孔（10）内设有丝杆（12），丝杆（12）上套设有传动螺母（13），所述冷却水盘（8）的侧壁上凸设有连接杆（14），所述连接杆（14）的自由端穿过滑槽（11）与传动螺母（13）的侧壁连接；驱动丝杆（12）转动，联动传动螺母（13）沿丝杆（12）轴向移动，通过连接杆（14）带动冷却水盘（8）沿筒体（9）轴向移动，所述筒体（9）的侧壁上套设有法兰（15），筒体（9）通过法兰（15）与炉体（1）底部可拆卸密封连接，所述筒体（9）的内侧壁上开设辅助定位槽（16），辅助定位槽（16）的延伸方向与筒体（9）的轴线方向平行，所述冷却水盘（8）的侧壁上凸设有与所述辅助定位槽（16）适配的定位杆（17），所述连接杆（14）的自由端套设有调节管（19），传动螺母（13）的侧壁上凸有定位螺杆，通过调节管（19）的轴向两端对应连接杆（14）和定位螺杆均通过螺纹连接；

所述冷却水盘（8）包括圆盘状壳体（81），进水管（82）贯穿壳体（81）的底部伸入壳体（81）内、且伸入部分的自由端与壳体（81）内顶面密封接触；进水管（82）伸入壳体（81）内的管段侧壁上开设若干通孔；壳体（81）内以进水管（82）为圆心辐射状分布若干导热隔板（83），导热隔板（83）的板面方向与壳体（81）轴线方向垂直，导热隔板（83）的上下两边分别与壳体（81）内底面和顶面接触连接；导热隔板（83）沿辐射方向的长度小于进水管（82）的外壁至壳体（81）内侧壁之间的直线距离；壳体（81）内沿侧壁边缘的底部开设有若干排水孔（84）；若干排水孔（84）的输出端与排水总管（85）连通。

2.根据权利要求1所述的设有匀速拉锭机构的定向凝固反应器，其特征在于，所述辅助定位槽（16）的内壁上设有橡胶缓冲垫（18），橡胶缓冲垫（18）通过过渡配合挤压在定位杆（17）外壁和辅助定位槽（16）内壁之间。

3.根据权利要求1所述的设有匀速拉锭机构的定向凝固反应器，其特征在于，所述筒体（9）采用导热材料制成。

4.根据权利要求1所述的设有匀速拉锭机构的定向凝固反应器，其特征在于，所述壳体（81）外底面与排水孔（84）对应位置处环设有收集环管（86），所述收集环管（86）上设有与排水孔（84）位置对应连通的若干通孔，热交换后的冷却水经排水孔、通孔进入收集环管（86），最后经与收集环管（86）连通的排水总管（85）排出。