CN201713605U

CN201713605U - 一炉次中能够拉制多组硅芯的硅芯炉

Info

Publication number: CN201713605U
Application number: CN2010202634884U
Authority: CN
Inventors: 董淑梅; 王俊辉; 王建春; 宋艳玲; 原洛渭; 王一强; 吴斌; 李春蕊; 贾志华; 刘凯; 薛武鹏
Original assignee: XI'AN TECHNOLOGY UNIVERSITY CRYSTAL TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: XI'AN TECHNOLOGY UNIVERSITY CRYSTAL TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2010-07-20
Filing date: 2010-07-20
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2020-07-20

Abstract

本实用新型的一炉次中能够拉制多组硅芯的硅芯炉，包括连通的上炉室和下炉室，上炉室的上端设置有籽晶抓卸及转盘分度装置，上炉室的上方设置有上传动装置，下炉室内部设置有高频电极及感应加热组件，高频电极及感应加热组件包括高频感应加热器和高频电极组件；下炉室与上炉室中设置有贯通上下的导向钢丝，导向钢丝上安装有籽晶卡头座，籽晶卡头座与籽晶卡头挂接，上传动装置通过软轴与籽晶卡头座连接，籽晶卡头上的籽晶头与高频感应加热器中的硅芯拉制孔一一对应。本实用新型的硅芯炉，能够在一炉次拉制15-18根硅芯，大大提高了硅芯的生产效率，降低了单根硅芯的能耗，降低了多晶硅生产的成本。

Description

一炉次中能够拉制多组硅芯的硅芯炉

技术领域

本实用新型属于光伏产业技术领域，涉及采用改良西门子法生产多晶硅过程中，还原炉内生长多晶硅的载体-硅芯的装置，具体涉及一种一炉次中能够拉制多组硅芯的硅芯炉。

背景技术

随着全球对绿色能源的共识，光伏产业得以迅猛发展，作为光伏产业链条中的上游产品，多晶硅供不应求，国内外有实力的商业巨头纷纷投入巨资介入多晶硅行业，发展规模越来越大，硅芯炉是多晶硅生产链条上的一个重要环节，需求也越来越大。

目前大量使用的硅芯炉，一次只能拉制一根硅芯，一炉次只能拉制4-6根硅芯，面对巨量的市场需求，需要投入大量的硅芯炉进行生产，设备占地面积越来越大，人力﹑物力及能源消耗巨大，而能源消耗也已成为多晶硅生产厂家的考量指标之一，因此，从提高设备效率，节能降耗，节约成本方面考虑，很有必要研发性能更为卓越的硅芯设备。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种一炉次中能够拉制多组硅芯的硅芯炉，解决了现有硅芯炉单炉次产量低，人力﹑物力及能源消耗巨大的问题。

本实用新型所采用的技术方案是，一种一炉次中能够拉制多组硅芯的硅芯炉，包括连通的上炉室和下炉室，上炉室的上端设置有籽晶抓卸及转盘分度装置，上炉室的上方设置有上传动装置，下炉室内部设置有高频电极及感应加热组件，高频电极及感应加热组件包括高频感应加热器和高频电极组件；下炉室与上炉室中设置有贯通上下的导向钢丝，导向钢丝上安装有籽晶卡头座，籽晶卡头座与籽晶卡头挂接，上传动装置通过软轴与籽晶卡头座连接，籽晶卡头上的籽晶头与高频感应加热器中的硅芯拉制孔一一对应；

所述籽晶抓卸及转盘分度装置的结构是，包括设置在上炉室上盖上表面的转盘分度控制装置，以及位于上炉室内部的分度转盘，转盘分度控制装置和分度转盘同轴固定连接；分度转盘上设有一个硅芯拉制位、两个籽晶卡头放置位、两个硅芯放置位，共有五个工位。

本实用新型的有益效果是，一次能够拉制5-6根硅芯，一炉次能够拉制15-18根硅芯，大大提高了硅芯的生产效率，降低了单根硅芯的能耗，减少了人力，物力的投入，从而降低了多晶硅生产过程的成本。

附图说明

图1 是本实用新型的硅芯炉主体结构示意图；

图2是本实用新型装置中的导向架、籽晶卡头、感应加热器以及导向钢丝组件局部连接示意图；

图3是本实用新型装置中的籽晶抓卸及转盘分度装置示意图；

图4是图2中的导向架与籽晶卡头结构局部放大示意图；

图5是本实用新型装置中的分度转盘结构示意图；

图6是本实用新型装置中的高频电极及感应加热组件俯视示意图

图7是本实用新型装置中的五根硅芯高频感应加热器实施例示意图；

图8是本实用新型装置中的六根硅芯高频感应加热器实施例示意图。

图中，1.上传动装置；2.过渡副室；3.籽晶抓卸及转盘分度装置；4.上炉室；5.下炉室；6.充气装置；7.高频电极及感应加热组件；8.抽空装置；9.下传动装置；10.机架；11.水冷却装置；12.槽路滑车；13.高频槽路；14.真空泵；15.上夹块；16.陶瓷套；17.下夹块；18.导向钢丝；19.转盘分度控制装置；20.籽晶卡头座；21.籽晶卡头；22.分度转盘；23.可调螺母及螺母座；24.高频电极组件；25.高频感应加热器；26.硅芯拉制位；27.籽晶卡头放置位；28.分度转盘位；29.硅芯放置位；30.锥台；31.硅芯拉制孔；32.分流槽；33.中心孔；37.软轴；38.连接轴；39.导向架；41.压母；43.销轴；44.连接端头；45.固定盘；46.籽晶头。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

如图1、图2，本实用新型装置的硅芯炉结构是，在机架10中设置有下传动装置9和水冷却装置11，机架10的台面上及后部安装有下炉室5和槽路滑车12，槽路滑车12上设置有与高频电源相连接的高频槽路13，下炉室5内部设置有充气装置6、高频电极及感应加热组件7、抽空装置8，其中的充气装置6与外界的供氩气装置连接，高频电极及感应加热组件7与高频槽路13连接，抽空装置8与外界的真空泵14连接；下炉室5向上与上炉室4连通，下炉室5与上炉室4中设置有贯通上下的导向钢丝18，导向钢丝18上设置有可上下滑动的籽晶卡头座20，上炉室4的上端设置有籽晶抓卸及转盘分度装置3，上炉室4的上表面设置有过渡副室2，过渡副室2的上方设置有上传动装置1。

上传动装置1包括两套结构相同的软轴卷扬机构，在拉制长硅芯（2100-3000mm）的过程中，有效降低设备高度；每个软轴卷扬机构采用精密伺服电机驱动，经涡轮蜗杆传动后驱动花键轴实现软轴卷扬提升，两套提升机构按照快、慢速分开，与控制系统分别连接，接受控制系统的程序控制，从而满足硅芯在拉制过程对不同速度的精度要求；软轴卷扬机构中还设置有配合硅芯生长过程的上、下限位开关，以便控制系统操作软轴卷扬机构的动作；整个卷扬机构设置在一个密闭的卷轮箱体内，软轴17通过过渡副室2伸入上炉室4中，软轴卷扬机构通过软轴17与籽晶卡头座20连接，保证了硅芯生长工艺要求。

过渡副室2是上传动装置1和上炉室4之间的过渡，与真空炉室及软轴卷扬机构箱体相通，设有第二道机械限位，当上传动装置1限位失效后，第二道限位起作用，防止籽晶卡头座20意外下掉。

上炉室4是上工作腔部分，设有上门，上门可以打开，硅芯可从上门取出，上门开有圆形观察窗，便于观察转盘情况；上炉室在转盘高度附近设有摄像头，便于从控制柜监视器上观察转盘转动时硅芯的卸放以及籽晶卡头的抓取情况；在摄像头附近偏离45°的方向设有配合使用的上炉室灯。

下炉室5是下工作腔部分，固定在机架10上，向上与上炉室4通过螺栓固定，向下与机架10通过螺钉固定，下炉室5下后部设有高频接口，高频电极及感应加热组件7与高频槽路13通过该接口连接，是整个设备的工作区，该接口的等高部左右两侧各设有一个观测孔，并设有下充气咀、压力表咀、下炉室灯孔；下炉室5的下炉门与下炉室5通过螺栓与铰链相连，下炉门上开有长方形观测窗，下炉室5开有左、右视窗，便于观察熔区各部情况。

如图2，下炉室5中设置有导向钢丝防损坏组件，包括在与高频电极及感应加热组件7高度相应位置的导向钢丝18上套装有陶瓷套16，陶瓷套16的上下端分别套装有上夹块15、下夹块17，防止高频感应加热器25的热辐射高温影响，起到保护导向钢丝18的目的，另外，上夹块15可止动籽晶卡头座20下掉，在意外情况下保护高频感应加热器7不受损坏。

如图3，籽晶抓卸及转盘分度装置3的结构是，包括设置在上炉室4上盖上表面的转盘分度控制装置19和位于上炉室4内部的分度转盘22，转盘分度控制装置19和分度转盘22同轴固定连接，转盘分度控制装置19通过步进电机驱动精密涡轮蜗杆实现精确分度，步进电机与控制系统连接，实现分度转盘22的角度转动，转盘分度控制装置19还设有分度回控机构，能够精确回转到起始位置。

参照图3、图4，籽晶卡头组件的结构是，籽晶卡头座20包括安装在导向钢丝18上的导向架39，导向架39的中轴竖直穿有连接轴38，连接轴38上端通过软轴37穿入卷轮箱体后与上传动装置1连接，连接轴38下端与籽晶卡头座20的上底板采用螺纹相连，连接轴38端头通过压母41和籽晶卡头座20实现保险固定，籽晶卡头座20的下底板设置有中心圆锥卡口，该圆锥卡口开有缺口。

籽晶卡头21的结构是，包括同轴设置的倒圆锥形的连接端头44、倒圆锥形的锥台30以及固定盘45，固定盘45向下连接有5-6个籽晶头46，各个籽晶头46沿圆周均匀设置，连接端头44、锥台30以及固定盘45依次从上到下间隔设置，当籽晶卡头座20的缺口转到合适位置时，连接端头44与籽晶卡头座20的圆锥卡口通过倒锥面钩挂定位，实现牢靠连接，连接端头44上部两端设置有两个过盈配合的销轴43，两个销轴43的方向与下面固定盘45上的5-6个籽晶头46的方位相对应。工作过程中，每个籽晶头46的方位要与高频感应加热器25上的硅芯拉制孔31严格对中，整个系统采用工装对中可调，连接端头44及销轴43与籽晶卡头座20通过锥面固定挂接，可以实现自动装卸籽晶卡头21。籽晶盘连接轴中间的一道锥台30，一个作用是拉完一组硅芯后，将一组硅芯卸放在分度转盘22上时，放置在分度转盘22上的硅芯卸放位29上的锥孔上用，另一个作用是将籽晶卡头21放置在籽晶卡头放置位27上的形如锥孔上用，从而实现籽晶卡头21与硅芯的自动卸放。工作时，连接有籽晶卡头座20及籽晶卡头21等的导向架39沿着导向钢丝18上下移动，保证硅芯在拉制过程中的直线度。

如图5，分度转盘22上设有一个硅芯拉制位26、两个籽晶卡头放置位27、两个硅芯放置位29，共有五个工位，籽晶卡头放置位27以及硅芯放置位29为锥形孔，与籽晶卡头21的锥台30卡接实现支撑安置，两个籽晶卡头放置位27和一个硅芯拉制位26各放置1组籽晶卡头21，每个籽晶卡头21包括5-6个籽晶头，工作过程中，籽晶卡头座20每次与一组籽晶卡头21配合连接，分度转盘22受程序控制转动相应的角度，保证籽晶卡头21能够按照顺序依次挂在分度转盘22上的指定工位。当第1组硅芯完成生长并拉制完毕后，就自动卸放在转盘机构籽晶位上，再抓取第2组籽晶卡头组件，开始新硅芯生长……，直至第3组硅芯拉制完成后，拉制结束，即可实现一炉次拉制3组硅芯的要求，籽晶抓卸及转盘分度装置3接受控制系统的程序控制，整个籽晶抓取及卸放动作是通过PLC程序控制实现的。籽晶抓卸及转盘分度装置3中的自动转盘上还设有手动开关，以备紧急情况使用。

见图6，高频电极及感应加热组件7的结构是，包括高频感应加热器25和高频电极组件24，高频电极组件24为前后及左右可调结构，通过可调螺母及螺母座23实现密封及调整，保证线圈安装时与下轴对中。

如图7、图8，高频感应加热器25为一个5-6芯的圆周对称组合结构，在中心孔33周围沿圆周均匀设置有5-6个硅芯拉制孔31，各个硅芯拉制孔31之间设置有分流槽32，所有分流槽32向心与中心孔33连通，能够满足一次拉制5-6根硅芯的要求。高频感应加热器25工作时，中心孔33先将籽晶头46中间一个籽晶熔化后，熔滴滴在原料棒上，原料棒在高频感应加热器25作用下，通过熔滴对原料棒加温，当原料棒发红至各硅芯拉制孔31下各小熔区形成饱满后，点动控制上传动装置1动作，使籽晶头46接触小熔区，熔融后设定速度及温度参数后，进行硅芯拉制，图7显示的实施例结构设置有五个硅芯拉制孔31，对应五个籽晶卡头46，一次可拉制五根硅芯，中心孔33为化料用，分流槽32起电流分布均衡的作用。五个分流槽32中的一个是贯通的，是将两级之间切断的，其余4个为与之匹配的一定尺寸的分流槽，实现电流在高频感应加热器25上的均衡分布，从而实现五根硅芯生长的一致性。图8显示的实施例结构设置有六个硅芯拉制孔31，对应六个籽晶卡头46，一次可拉制六根硅芯，中心孔33为化料用，有六个分流槽32，其中一个是贯通的，其余五个为与之匹配的一定尺寸的分流槽，实现电流在高频感应加热器25上的均衡分布，从而实现六根硅芯生长的一致性。

充气装置6，设备工作在氩气气氛下，设备工作时，先抽真空，然后经充气装置快速充气，充分置换空气后，炉内达一定压力，关闭快速充气功能，打开充气流量计，打开排气流量计及排气阀，设备进入工作过程。充气流量计、排气流量计均与控制系统连接，及时传递数据信息。整个过程进排气流量手动可调，其它动作均由程序控制电磁阀动作进行。

抽空装置8，设备开始工作时，先抽真空，真空系统由真空泵、真空管道、电动球阀等组成。

下传动装置9，设有快、慢速两套传动系统，保证设备在不同的工作阶段的工艺要求，每套传动系统均采用精密伺服电机经涡轮蜗杆减速器驱动，滚动导轨及滚珠丝杠传动实现精密的原料棒移动，在控制系统程序操控下完成多晶硅原料棒的供给或退出操作。

水冷却装置11，包括在设备总进水、总回水及各支路都设有球阀，便于控制各支路水流大小，总进水、总回水上还分别安装有温度传感器，进水口还安装有流量计及压力表，温度传感器、流量计及压力表均与控制系统连接，及时传递数据信息。

槽路滑车12，采用导轨及丝杠结构，槽路滑车12上安装有高频槽路13，便于在安装调试及更换高频电极组件24时实现高频槽路13的前后移动；槽路滑车12与高频槽路13之间设置有4个上下可调螺栓，便于实现高频槽路13的上下位置调整。

本实用新型装置按照功能可以分为主机部分、电气控制部分以及电源部分三大部分组成。

包括上传动装置1、过渡副室2、籽晶抓取卸放及转盘机构3、上炉室4、下炉室5、充气装置6、高频电极及感应加热组件7、抽空装置8、下传动装置9、水冷却装置11、真空泵14组成主机部分。

由速度系统、控温系统及检测报警系统构成电气控制部分，速度系统包括对上传动装置1、下传动装置9的控制，控温系统包括对充气装置6、抽空装置8、水冷却装置11、真空泵14的控制，检测报警系统包括对上炉室4、下炉室5的监控报警。

由高频电源及高频槽路13、槽路滑车12组成电源部分，包括对高频电极组件24及高频感应加热器25的控制，满足熔化直径为φ80-120mm多晶硅原料棒要求，高频电源频率为3±0.2MHz，输出功率≥60KW。

本实用新型装置的工作过程是，在真空炉腔内，充气装置6、抽空装置8及真空泵14工作，在氩气气氛下，上传动装置1通过软轴17带动籽晶卡头座20下降，下传动装置9上安装的5-6个多晶硅原料棒在高频电极组件24及高频感应加热器25作用下被加热，从而在多晶硅母料上表面形成小熔区，小熔区的数量根据高频感应加热器25的设置，当小熔区形成后，籽晶卡头21的5-6个籽晶向下运动接触到各对应小熔区，各籽晶熔透后，在一定的温度和速度条件下，上传动装置1以一定的速度向上匀速运动拉制硅芯，相应的下传动装置9以一定的与上传动装置1相匹配的速度向上匀速运动供料，当一组硅芯（5-6根）拉制到需要的长度后，拉断，一组硅芯拉制完成，根据程序设定，转盘分度控制装置19动作，从籽晶卡头座20上卸下已拉制好的一组硅芯，再抓取下一组籽晶送到籽晶卡头座20中，进行下一组硅芯的生长，直至三组硅芯全部完成后，一个完整的硅芯拉制的全过程结束。经过充气装置6、水冷却装置11的后续操作，拉好的三组硅芯从上炉室4上门取出。

本实用新型的优点是：1）可以熔化直径φ80-120mm的多晶硅原料棒，就可直接从还原炉内获得多晶硅原料棒，从还原炉内获得粗的多晶硅原料棒比细直径的原料棒要经济很多，解决了原料棒问题；2）生产能力极大提高，5-6根/次，15-18根/炉次，从而大幅提高了生产效率，降低了单根硅芯的成本，具有很好的经济效益；3）采用精密的传动元件及精密的驱动元件，运行精度高；4）采用PLC控制，人机界面友好，便于自动化控制及人工相结合进行操作。

Claims

1.一种一炉次中能够拉制多组硅芯的硅芯炉，其特征在于：

包括连通的上炉室（4）和下炉室（5），上炉室（4）的上端设置有籽晶抓卸及转盘分度装置（3），上炉室（4）的上方设置有上传动装置（1），下炉室（5）内部设置有高频电极及感应加热组件（7），高频电极及感应加热组件（7）包括高频感应加热器（25）和高频电极组件（24）；下炉室（5）与上炉室（4）中设置有贯通上下的导向钢丝（18），导向钢丝（18）上安装有籽晶卡头座（20），籽晶卡头座（20）与籽晶卡头（21）挂接，上传动装置（1）通过软轴（17）与籽晶卡头座（20）连接，籽晶卡头（21）上的籽晶头与高频感应加热器（25）中的硅芯拉制孔（31）一一对应；

所述籽晶抓卸及转盘分度装置（3）的结构是，包括设置在上炉室（4）上盖上表面的转盘分度控制装置（19），以及位于上炉室（4）内部的分度转盘（22），转盘分度控制装置（19）和分度转盘（22）同轴固定连接；分度转盘（22）上设有一个硅芯拉制位（26）、两个籽晶卡头放置位（27）、两个硅芯放置位（29），共有五个工位。

2.根据权利要求1所述的一炉次中能够拉制多组硅芯的硅芯炉，其特征在于：下炉室（5）还与充气装置（6）、抽空装置（8）、下传动装置（9）和水冷却装置（11）、槽路滑车（12）分别连接。

3. 根据权利要求1所述的一炉次中能够拉制多组硅芯的硅芯炉，其特征在于：所述高频感应加热器（25）的结构是，在中心孔（33）周围沿圆周均匀设置有5-6个硅芯拉制孔（31），各个硅芯拉制孔（31）之间设置有分流槽（32），所有分流槽（32）向心与中心孔（33）连通。

4. 根据权利要求1所述的一炉次中能够拉制多组硅芯的硅芯炉，其特征在于：所述籽晶卡头（21）的结构是，包括同轴设置的倒圆锥形的连接端头（44）、倒圆锥形的锥台（30）以及固定盘（45），固定盘（45）向下连接有5-6个籽晶头（46），各个籽晶头（46）沿圆周均匀设置，连接端头（44）、锥台（30）以及固定盘（45）依次从上到下间隔设置。