CN109554753B - 用于单晶炉的水冷热屏装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种用于单晶炉的水冷热屏装置，包括进水管、出水管及水冷套，所述水冷套内设有水冷流道，所述进水管及出水管与所述水冷流道连通，该水冷热屏装置设置于所述单晶炉内液面上方，所述水冷套朝向所述液面一端连接有传热部件，所述传热部件与所述水冷套之间形成有具有临界温度的导热路径，所述临界温度小于所述水冷套朝向所述液面一端的材质熔点，当所述导热路径达至临界温度时，所述导热路径呈断开状态；通过应用有传热部件，使本发明的水冷热屏装置相比传统水冷热屏的应用，能使单晶生长速度进一步提高；同时能避免发生硅液熔穿水冷套导致单晶炉内的反应爆炸事故。

Description

用于单晶炉的水冷热屏装置

技术领域

本发明涉及单晶硅生产设备技术领域，具体涉及一种用于单晶炉的水冷热屏装置。

背景技术

目前，太阳能用单晶硅主要通过直拉法制得，单晶硅生长速度受结晶界面附近晶体的纵向温度梯度影响很大，梯度越大，单晶硅生长越快。要增大结晶界面附近晶体的纵向温度梯度，就要让晶体快速散热，特别是结晶界面附近晶体快速散热。

现有技术就是于单晶炉中增加水冷热屏使晶体快速散热。水冷热屏越接近液面，越能使结晶界面附近晶体快速散热，单晶硅生长速度越快。但当水冷热屏太接近熔液液面或发生硅液接触水冷热屏下缘时，容易发生硅液熔穿水冷套，导致冷却水接触高温硅液，造成爆炸等生产事故。所以现有水冷热屏最低点离液面最小距离也有50mm以上。

因此既要增大结晶界面附近晶体的纵向温度梯度，加快单晶硅生长速度，又要安全生产，需要在对现有水冷热屏进行结构上的改进。

发明内容

本发明的目的在于为克服现有技术的不足而提供一种用于单晶炉的水冷热屏装置。

用于单晶炉的水冷热屏装置，包括进水管、出水管及水冷套，所述水冷套内设有水冷流道，所述进水管及出水管与所述水冷流道连通，该水冷热屏装置设置于所述单晶炉内液面上方，所述水冷套朝向所述液面一端连接有传热部件，所述传热部件与所述水冷套之间形成有具有临界温度的导热路径，所述临界温度小于所述水冷套朝向所述液面一端的材质熔点，当所述导热路径达至临界温度时，所述导热路径呈断开状态。

其应用原理如下：

将该水冷热屏装置设置于单晶炉内的硅液液面上方，并使水冷套及传热部件尽可能地靠近于该液面位置，使该硅液液面上部热量由传热部件以导热路径传热至水冷套，以最大程度地满足该水冷热屏装置的热传递需要；而当硅液涌动，以使所述硅液液面触及至所述传热部件，则过高的硅液温度传热使该导热路径达至临界温度，以使所述导热路径呈断开状态，从而有效避免高温的直接传递使水冷套熔穿。

进一步地，所述水冷套呈倒置的圆台筒状，所述进水管及出水管连接于水冷套的下底环面端，所述传热部件设置于所述水冷套的上底面端；所述水冷套与所述传热部件均于所述圆台筒内侧一侧设置有吸热涂层。

通过圆台筒状的水冷套结构设置及吸热涂层的应用，能有效满足促进炉内单晶硅的生长应用的需求。

进一步地，所述传热部件朝向所述液面一端与所述液面的距离为10～50mm，以满足所述水冷热屏装置促进单晶发生的应用需求。

进一步地，所述传热部件设置为热管。

具体而言，所述热管设置为不锈钢-水热管或铜-水热管或不锈钢－导热姆热管或铜-导热姆热管或碳钢-导热姆热管或不锈钢-钾热管或不锈钢-钠热管。

当所述传热部件与硅液液面直接接触时，通过上述热管形式的传热部件应用，以硅液熔穿热管，使热管破裂并流出导热介质，即可断开所述传热部件与水冷套之间的导热路径，满足所述水冷热屏装置的保护应用需求。

进一步地，所述传热部件采用单一的可导热材质所制，所述临界温度为所述传热部件的材质熔点。

当硅液溶液与传热部件接触时，传热部件朝向液面一端先于水冷套作出熔化，部分或全部传热部件与所述水冷套作出分离，从而令所述导热路径呈分断状态。

进一步地，所述传热部件包括热熔部及朝向于所述液面的导热部，所述热熔部连接于所述水冷套朝向所述液面一端与所述导热部之间，所述导热部、热熔部及水冷套之间形成所述导热路径，所述临界温度为所述热熔部的材质熔点。

当硅液溶液与传热部件接触时，高热经导热部传递至热熔部，热熔部先于水冷套做出融化，热熔部连带导热部与水冷套作出分离，从而令所述导热路径呈分断状态。

进一步地，所述热熔部的材质为铝，所述导热部的材质为铜，所述水冷套朝向所述液面一端的材质为不锈钢；通过上述金属材质的应用，以满足上述热熔部、导热部及所述水冷套朝向所述液面一端的组合应用需求。。

进一步地，所述热熔部的材质厚度为0.1～30mm。

材质厚度过厚的热熔部或导致导热路径传热温差过大，影响传热效果；材质厚度过薄的热熔部在传热时或易因损耗而断裂，影响正常传热过程；则通过所述热熔部的材质厚度范围设置，确保导热路径的传热效果的同时，使所述热熔部更便于熔断分离。

进一步地，所述水冷套和传热部件连接方式选择为铆接、螺丝连接、钎焊、氩弧焊、熔铸复合连接、爆炸焊连接、摩擦焊接、扩散连接，热轧、冷轧，或者复合以上方式进行连接。

本发明的有益效果在于：

通过应用有传热部件，使本发明的水冷热屏装置相比传统水冷热屏的应用，在工作状态下能更加接近硅液，从而有效加快硅液液面中固液界面附近的晶体冷却，使单晶生长速度进一步提高；而在发生硅液涌动而接触水冷热屏装置时，该传热部件与水冷套之间的导热路径可作断开，使硅液高温无法直接传导至水冷套上，避免发生硅液熔穿水冷套导致单晶炉内的反应爆炸事故。

附图说明

图1为本发明的水冷热屏装置的应用原理示意图；

图2为本发明的水冷热屏装置的俯视示意图；

图3至9为本发明的水冷热屏装置中水冷套及传热部件局部连接结构示意图；

图10为本发明的水冷热屏装置中冷套端件与导热部的配合结构示意图；

图11为本发明的水冷热屏装置中冷套端件及导热部与热熔部的第一标准部件制作原理示意图；

图12为本发明的水冷热屏装置中冷套端件及导热部与热熔部的第二标准部件制作原理示意图。

附图标记说明：

进水管1、出水管2、水冷套3、冷套端件31、水冷流道4、传热部件5、热熔部51、导热部52、吸热涂层6、硅液7、固液界面8、晶棒9、U型构件10、T型构件11、浇铸口12、熔铸模具13。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案、目的及其优点更清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的解释说明。

如图1及图2所示，本发明的水冷热屏装置，设置于单晶炉内硅液7液面上方，包括进水管1、出水管2及水冷套3，所述水冷套3内设有水冷流道4，所述进水管1及出水管2与所述水冷流道4连通，所述水冷套3呈倒置的圆台筒状，所述进水管1及出水管2连接于水冷套3的下底环面端，所述水冷套3的上底环面端设置有传热部件5，所述传热部件5与所述水冷套3之间形成有具有临界温度的导热路径，所述临界温度小于所述水冷套3朝向所述硅液7液面一端的材质熔点，并能使所述传热部件5长期安全稳定地应用于单晶炉的工作温度中；所述水冷套3与所述传热部件5均于所述圆台筒内侧一侧设置有吸热涂层6；使所述传热部件5靠近至硅液7液面处，令所述传热部下端与所述硅液7液面距离控制在10～50mm范围。

实施例1：

所述传热部件5设置为热管，具体可选择应用为不锈钢-水热管或铜-水热管或不锈钢－导热姆热管或铜-导热姆热管或碳钢-导热姆热管或不锈钢-钾热管或不锈钢-钠热管；所述热管与所述水冷套3的连接方式可选择通过铆接、螺丝连接、钎焊、氩弧焊、熔铸复合连接、爆炸焊连接、摩擦焊接、扩散连接，热轧、冷轧等进行连接，或者复合以上方式进行连接。

实施例2：

所述传热部件5采用单一金属材料制成，所述临界温度即为所述传热部件5的材质熔点，所述传热部件5与所述水冷套3的连接方式可选择通过铆接、螺丝连接、钎焊、氩弧焊、熔铸复合连接、爆炸焊连接、摩擦焊接、扩散连接，热轧、冷轧等进行连接，或者复合以上方式进行连接。

所述单一金属材料可选择为铝。

当硅液7液面接触至传热部件5时，采用单一金属材料本身的传热部件5全部或部分熔化而使传热部件5与水冷套3分离，从而令所述导热路径呈分断状态；则硅液7没法通过传热部件5导热至水冷套3。

实施例3：

如图3所示，所述传热部件5包括热熔部51及朝向于所述硅液7液面的导热部52，所述导热部52可设置为任意结构，其具有一定的竖向长度，其通过以热熔部51作为连接件，如使热熔部51作铆钉或螺钉形状等，与所述水冷套3进行连接；而所述传热部件5于水冷套3朝向所述液面端之间可用软质导热良好的石墨纸进行过渡或直接固定贴合；其中，所述热熔部51可采用高硅铝合金或银合金等高强度熔点合适的材料，或采用随温度变化紧固强度大幅变差的温控合金或记忆合金等。

当硅液7液面接触至导热部52，则导热部52传热至以热熔部51所制的连接件上，该连接件软化或熔化，使导热部52与水冷套3分离，从而令所述导热路径呈分断状态；则硅液7没法通过传热部件5导热至水冷套3。

实施例4：

所述传热部件5包括热熔部51及朝向于所述硅液7液面的导热部52，通常情况下，所述水冷套3朝向所述液面一端的材质为不锈钢；则具体而言，所述热熔部51的材质为铝、所述导热部52的材质为铜；所述热熔部51及导热部52均配合所述水冷套3朝向所述液面一端而设置呈环状，铝环一面和水冷套3底部的不锈钢相接，铝环另一面和铜相接，不锈钢和铝环界面为冶金结合，铝环和铜块界面为冶金结合。

工作应用时，使导热部52最低点离液面距离为15mm；晶棒9在固液界面8附近的表面辐射热量到导热部52和热熔部51上，导热部52和热熔部51表面吸收热量后通过自身导热传递到水冷套3上，再通过水冷套3传递到冷却水，最终热量被冷却水带走。

当发生熔液浸到导热部52中，其材质铜的温度很快上升至接近熔点1083.4℃，与导热部52连接的热熔部51的铝材质温度超过自身熔点660℃，此时热熔部51熔化，实现导热部52和水冷套3分离，从而令所述导热路径呈分断状态；则硅液7没法通过传热部件5导热至水冷套3；整个过程水冷套3朝向所述液面一端材质为不锈钢，其熔点高于660℃，在不锈钢的安全使用温度范围内。

而相应地，所述传热部件5可设置为如图4至图9等形状的结构形式。

如图10至图12所示，所述水冷套3朝向所述液面一端可进行独立分拆有冷套端件31，将冷套端件31及导热部52与热熔部51进行标准部件的制作，再适配进行水冷套3的安装，以满足现代生产标准化流程需要；其包括第一标准部件及第二标准部件，制作方法分别如下：

第一标准部件：

冷套端件31不锈钢环和导热部52铜环表面先做预处理，这种预处理有助于不锈钢环和铜环对熔融铝液的亲合扩散，再把不锈钢环和铜环放在熔铸模具13里，浇铸模具13所处环境为惰性气氛环境，并预热到一定温度，从浇铸口12浇铸熔融铝液，等待一定时间冷却固化，即制作出异质复合金属的第一标准部件。

因上述热熔部51、导热部52及水冷套3朝向所述液面端均采用不同的金属材料，为了让热熔部51和水冷套3及导热部52熔铸复合后，避免产生异种金属分离情况，可通过在导热部52铜环及水冷套3的不锈钢环其相对的面侧设置有U型构件10或T型构件11，以使所述铜环及不锈钢环面分隔有间距，以避免所述热熔部51、导热部52及水冷套3朝向所述液面端的熔铸复合过程中产生异种金属分离情况。

第二标准部件：

把冷套端件31不锈钢环，热熔部51铝环，导热部52紫铜异形环叠在一起，放入真空扩散炉里，利用夹具将其压紧，升温至400-600℃，并施加短时放电，使异种金属界面原子相互扩散，形成冶金结合，即制作出异质复合金属的第二标准部件。

再把该标准部件焊接在无底环的水冷套3上，其它步骤和常规水冷热屏焊接制造一样，从而制备出带传热部件5的水冷热屏装置。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，对于本技术领域的技术人员，在不脱离本发明的实施原理前提下，依然可以对所述实施例进行修改，而相应修改方案也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.用于单晶炉的水冷热屏装置，包括进水管、出水管及水冷套，所述水冷套内设有水冷流道，所述进水管及出水管与所述水冷流道连通，该水冷热屏装置设置于所述单晶炉内液面上方，其特征在于，所述水冷套朝向所述液面一端连接有传热部件，所述传热部件与所述水冷套之间形成有具有临界温度的导热路径，所述临界温度小于所述水冷套朝向所述液面一端的材质熔点，当所述导热路径达至临界温度时，所述导热路径呈断开状态；

其中：

所述传热部件设置为热管；

或，所述传热部件采用单一的可导热材质所制，所述临界温度为所述传热部件的材质熔点；

或，所述传热部件包括热熔部及朝向于所述液面的导热部，所述热熔部连接于所述水冷套朝向所述液面一端与所述导热部之间，所述导热部、热熔部及水冷套之间形成所述导热路径，所述临界温度为所述热熔部的材质熔点。

2.如权利要求1所述的水冷热屏装置，其特征在于，所述水冷套呈倒置的圆台筒状，所述进水管及出水管连接于水冷套的下底环面端，所述传热部件设置于所述水冷套的上底面端其特征在于，所述水冷套与所述传热部件均于所述圆台筒内侧一侧设置有吸热涂层。

3.如权利要求1所述的水冷热屏装置，其特征在于，所述传热部件朝向所述液面一端与所述液面的距离为10~50mm。

4.如权利要求1所述的水冷热屏装置，其特征在于，当所述传热部件设置为热管，所述热管为不锈钢-水热管或铜-水热管或不锈钢－导热姆热管或铜-导热姆热管或碳钢-导热姆热管或不锈钢-钾热管或不锈钢-钠热管。

5.如权利要求1所述的水冷热屏装置，其特征在于，当所述传热部件包括热熔部及朝向于所述液面的导热部，所述热熔部的材质为铝，所述导热部的材质为铜，所述水冷套朝向所述液面一端的材质为不锈钢。

6.如权利要求5所述的水冷热屏装置，其特征在于，所述热熔部的材质厚度为0.1~30mm。

7.如权利要求1至6任一所述的水冷热屏装置，其特征在于，所述水冷套和传热部件连接方式选择为铆接、螺丝连接、钎焊、氩弧焊、熔铸复合连接、爆炸焊连接、摩擦焊接、扩散连接，热轧、冷轧，或者复合以上方式进行连接。