CN207452295U - 一种提高单晶硅拉速的冷却装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种提高单晶硅拉速的冷却装置，包括导流筒和钼内衬，钼内衬固定设于导流筒的内部，还包括水冷内导、进水管道和出水管道，水冷内导固定设于导流筒与钼内衬之间，进水管道与出水管道相对固定设于水冷内导的上部两侧。本实用新型的有益效果是由于采用上述技术方案，该冷却装置所应用的冷却介质易于得到，使得生产成本降低；该冷却装置中的水冷内导下沿更接近液面距离，单晶纵向温度梯度增大明显，使得单晶硅拉晶过程中的拉速提高；该冷却装置的材质为不锈钢，增加水冷可以及时带走热量，降低装置表面温度，避免该冷却装置因长期处于高温环境出现的损坏。

Description

一种提高单晶硅拉速的冷却装置

技术领域

本实用新型属于单晶硅生产技术领域，尤其是涉及一种单晶硅拉速的冷却装置。

背景技术

全球所生产的太阳能电池有80％以上是使用晶体硅，其中单晶硅约占40％，单晶硅最大的优势就是其转换效率高，但是生产成本较高，由于传统的单晶硅生成加工企业生产水平较低，生成技术水平不高，最终造成单晶硅生产效率低、成本高，这极不利于单晶硅生成加工企业的发展，因此单晶硅生成加工企业也在探索提高生成效率、降低成本的单晶硅生产方法。

根据直拉单晶硅的生长界面的能量守恒方程：Q_in+Q_L＝Q_out→k_melt G_melt+LV＝k_c,yG_c,y

其中，Q_in为熔体传入结晶界面的热量，Q_out为结晶界面向晶体付出的热量，Q_L为结晶潜热。得出实际晶体生长速度如下：

其中，V_crys为单晶硅生长速度，G_crys为晶体界面附近的轴向温度梯度，G_melt为生长界面附近熔体内的轴向温度梯度，K_crys与K_melt分别为晶体与熔体的传热系数，A为结晶界面的面积，D_crys为结晶的面积，L为结晶潜热。

从上式中可以看出，生长固定直径单晶硅时，除了晶体轴向温度梯度G_crys与熔体轴向温度梯度G_melt为可变动值，其它均为固定值，因此提高直拉单晶硅拉速应从界面附近晶体及熔体的轴向温度梯度出发，即：①增加界面上方晶体内轴向温度梯度G_crys；②降低界面下方熔体内轴向温度梯度G_melt。

直拉单晶(CZ)法的热场是由石墨件系统、单晶炉冷却系统、氩气系统组成的一套复杂的单晶生长系统。正常情况下直拉单晶法的冷却工艺是在通入冷却气体(一般为氩气)的环境下进行的，由于整个系统处于开启状态，通入的氩气在炉体内停留时间较短，最终带走的热量为全部热量的80％--85％，冷却效果一般且冷却气体成本大。单晶的生长速度取决于固液界面温度梯度，温度梯度越大，生长速度越快，但温度梯度过大，也会导致晶体生长过程出现位错等问题。

发明内容

鉴于上述问题，本实用新型要解决的问题是提供一种提高单晶硅拉速的冷却装置，特别适合直拉单晶硅时提高拉速时使用，通过将水冷内导与导流筒连接，配合使用，避免了引入新的升降机构，降低了设备的复杂程度，通过冷却介质的循环带走单晶炉内的热量，增加单晶纵向温度梯度，实现拉速的提高。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种提高单晶硅拉速的冷却装置，包括导流筒和钼内衬，钼内衬固定设于导流筒的内部，还包括水冷内导、进水管道和出水管道，水冷内导固定设于导流筒与钼内衬之间，进水管道与出水管道相对固定设于水冷内导的上部两侧。

进一步的，水冷内导为上部开口大底部开口小的环状结构，环状结构中设有中空腔体，环状结构的上部相对设置有进水口和出水口，进水口与进水管道固定连接，出水口与出水管道固定连接。

进一步的，水冷内导的环状结构为锥形结构，锥形结构的锥形角度与导流筒的内部锥形角度相同。

进一步的，进水管道与出水管道下部分别设有悬挂杆，导流筒通过悬挂杆与水冷内导固定连接。

进一步的，还包括石墨内导，石墨内导设于水冷内导的上部。

本实用新型具有的优点和积极效果是：

1.由于采用上述技术方案，该冷却装置与导流筒配合使用，避免了引入新的升降机构，降低了设备的复杂程度；

2.该冷却装置所应用的冷却介质易于得到，使得生产成本降低；

3.该冷却装置中的水冷內导下沿更接近液面距离，单晶纵向温度梯度增大明显，使得单晶硅拉晶过程中的拉速提高；

4.该冷却装置的材质为不锈钢，增加水冷可以及时带走热量，降低装置表面温度，避免该冷却装置因长期处于高温环境出现的损坏；

5.该冷却装置通过冷却介质的循环可以带走单晶表面热量，增加单晶纵向温度梯度，实现拉晶过程中拉速的提高。

附图说明

图1是本实用新型的水冷内导的结构示意图；

图2是本实用新型的水冷内导与炉盖的装配关系结构示意图。

图中：

1、水冷套 2、导流筒 3、钼内衬 4、水冷内导

5、进水管道 6、出水管道 7、石墨内导 8、炉盖

9、提升机构

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步的说明。

本实用新型涉及一种提高单晶硅拉速的冷却装置，单晶硅棒在进行拉晶时，将所需的原材料放入坩埚中进行加热，使得原材料由于高温的作用产生熔融的现象，然后应用拉单晶装置进行单晶硅棒的制作，利用熔融的单晶硅原材料由于在拉晶时温度降低，产生凝固的现象，形成单晶硅棒。在拉晶时，在坩埚的上部需要盖着炉盖，且炉盖与坩埚之间密封良好，防止外部杂质进入坩埚内，使得单晶硅棒的纯度受到影响，在这种情况下，使得单晶硅棒在拉单晶时的速度不会过快，否则会影响单晶硅棒的品质。

本实用新型是在炉盖8的下部增加了冷却装置，如图2所示，使得单晶硅棒的在拉晶时，温度能够迅速被带走，使得单晶硅棒的温度迅速降低，使得拉速能够提高，且不会影响单晶硅棒的品质。

该提高单晶硅拉速的冷却装置包括导流筒2和钼内衬3，导流筒2为上下开口的圆柱形结构，该圆柱形结构上部开口大，底部开口小，且该圆柱的底部具有开口的向外凸起的圆弧状结构，同时，该导流筒2内部的机构为上部开口大、下部开口小的锥形结构，且该锥形结构的下部开口与圆柱形下部开口大小相同，也就是，该导流筒2内部锥形结构的底部开口处于圆柱形底部的圆弧形结构相连接，导流筒2的外部圆柱形与内部锥形结构分别和圆弧状结构连接，形成空腔结构，这里的连接方式可以是导流筒2的圆柱形的外壁与锥形的内壁通过一体成型，也可以是通过焊接固定连接，还可以是其他连接方式，根据实际需求进行选择，也就是，该导流筒2的外部圆柱形结构与内部锥形结构之间形成空腔，在该空腔结构内装入保温材料碳趈，该碳趈的作用是起到保温作用，使得炉盖与坩埚之间形成的空间内的温度不会快速下降，进而影响单晶硅棒的品质。上述的锥形结构的锥形角度为25°-35°之间，导流筒2能够控制氩气流向，由于导流筒2的内部为锥形结构，在拉单晶的过程中氩气是由上至下充入坩埚中，由于锥形结构的存在，使得氩气产生对流现象，进而改变氩气的流向；同时，导流筒2能够减少加热器对单晶的热辐射，由于锥形结构的存在，且由于锥形角在25°-35°之间，使得单晶硅棒在拉单晶时产生的热辐射产生对流，方向发生改变，同时，由于碳趈的存在，使得热辐射得到有效吸收。

在导流筒2的内部靠近下部的位置设有钼内衬3，该钼内衬3固定设于导流筒2的内壁上，且是靠近导流筒2内壁靠近下部的位置，则钼内衬3也为锥形结构，且与导流筒2内部的锥形结构的锥形角角度相同，同样为25°-35°之间，使得钼内衬3能够将单晶辐射的热量反射到水冷套1上，增加单晶表面热量散失，水冷套1的作用是单晶硅棒在拉单晶时对缓慢上升的单晶硅棒进行降温，使得单晶硅棒冷却。

该冷却装置还包括水冷内导4、进水管道5和出水管道6，如图1所示，该水冷内导4设置在导流筒2与钼内衬3之间，且该水冷内导4为上部开口大、底部开口小的环状结构，整体为上下开口的锥形，环状结构中设有中空腔体，中空腔体用于冷却介质的流通，在该环状结构的上部两侧相对设置有进水口和出水口，进水口与进水管道5固定连接，出水口与出水管道6固定连接，也就是，进水口与进水管道5通过焊接连接在一起，出水口与出水管道6通过焊接连接在一起，使得冷却介质由进水管道5进入水冷内导4，同时由出水管道6流出，使得冷却介质在水冷内导4内循环，且冷却介质在循环时将拉单晶时单晶炉内的热量带走，且在坩埚外设有循环泵，使得冷却介质能够在水冷内导4内进行循环，为冷却介质的循环提供动力。

进一步优化方案，这里所选的冷却介质为液态水，液态水易于得到，成本低，且液态水在水冷内导4内循环过程中由于吸热产生温度变化，而只有温度变化，热能和体积等不会发生变化，也就是，只有温度发生变化，物质形态不变，不会对水冷内导4的结构产生影响，不会使得水冷内导4由于内部力的变化而存在隐患。

该水冷内导4的材质为不锈钢，在水冷内导4内进行液态水循环，可以及时带走热量，降低装置表面温度，避免水冷内导4因长期处于高温环境出现的损坏；同时可以带走单晶表面热量，增加单晶纵向温度梯度，实现提高拉单晶时的拉速。

该水冷内导4的锥形结构的锥形角度与导流筒2的角度相同，也是在25°-35°之间，且进水管道5包括管道一、管道二和管道三，管道三的一端与水冷内导4的进水口通过焊接固定连接，防止冷却介质在进入水冷内导4时产生泄漏的现象，管道三的另一端与管道二的一端垂直连接，通过焊接连接，管道二的另一端与管道一的一端垂直连接，也是通过焊接连接在一起，且管道一的一端垂直向下固定设有悬挂杆，该悬挂杆与管道一通过螺纹连接，且该悬挂杆的形状为L型，悬挂杆的另一端通过焊接于导流筒的顶端固定连接。出水管道6包括管道一、管道二和管道三，管道三的一端与水冷内导4的出水口通过焊接固定连接，管道三的另一端与管道二的一端垂直连接，通过焊接固定连接，管道二的另一端与管道一的一端垂直连接，通过焊接固定连接，且管道一的一端垂直向下固定设有悬挂杆，该悬挂杆与管道一通过螺纹连接，且该悬挂杆的形状为L型，悬挂杆的另一端通过焊接与导流筒2的顶端固定连接，该悬挂杆的L型结构可以是一体成型，也可以是通过焊接进行垂直固定连接。

由于悬挂杆的结构，使得导流筒2与水冷内导4固定连接在一起，固接为一体，既保证了氩气气流方向在经过水冷内导4的对流改变方向和经过导流筒2的对流改变方向相同，氩气气流流向不发生变化，又可以起到增加晶体表面散热的作用。水冷内导4的高度小于导流筒2的高度，且与钼内衬3的高度相同。在水冷内导4的顶部通过螺栓固定安装有法兰，在导流筒2的内部上侧设有石墨内导7，该石墨内导7的底部固定设于法兰的凹槽内，且石墨内导7为上部开口大、底部开口小的锥形结构，石墨内导7贴附于导流筒2的内侧壁，也就是石墨内导7的侧壁与导流筒2的内侧壁紧挨着，且石墨内导7的顶部不超过导流筒2的顶部，石墨内导7用于阻隔导流筒2内的碳毡，避免其暴露于导流筒2之外。

还包括炉盖8和提升机构9，该炉盖8用于与坩埚配合使用，扣合在坩埚的上部。该炉盖8为半圆形结构，在炉盖8的两侧对称设有通孔，且该通孔的位置与水冷内导4上的进水管道5和出水管道6的位置相对应，进水管道5和出水管道6分别穿过上述的通孔延伸出炉盖8的外面。该炉盖8的中间位置开设有中心通孔，该中心通孔的下部通过螺纹连接有冷水套1，该冷水套1的作用也是将拉单晶时单晶硅棒产生的热量带走。同时，进水管道5和出水管道6分别与通孔之间的连接处设有密封装置，该密封装置可以是密封塞，也可以是其他密封装置。

提升机构9固定设于坩埚支撑架上，位于炉盖的上部，该提升机构的数量为两个，对称设于炉盖8的两端，该提升机构9的上部设有连接件，该连接件的一端固定与提升结构9的上部侧壁连接，该连接件的另一端设有通孔，该通孔设有螺纹，通孔的上部通过螺纹与外部进水口和外部出水口连接，该通孔的下部设有管路，该管路通过螺纹与连接件固定连接。该提升机构9的下部同样设有下连接件，下连接件的一端与提升机构9的下部侧壁固定连接，下连接件的另一端设有通孔，该通孔设有螺纹，上述的管路通过螺纹与下连接件固定连接，进水管道5和出水管道6伸进管道，并通过螺纹与下连接件固定连接。且该提升机构9的下连接件与炉盖8的两侧的通孔外的凸台通过螺栓固定连接。通过这样的结构，提升机构9通过下连接件将炉盖8和水冷内导4固定连接在一起，由上述内容可以知道，水冷内导4通过悬挂杆与导流筒2固定连接，使得炉盖8、水冷内导4和导流筒2一起随着提升机构的升降进行升降。

水冷内导4的进水管道5和出水管道6的顶端设有螺纹，且水冷内导4的进水管道5和出水管道6通过螺纹与提升机构9的连接件连接，并伸出连接件的上部；水冷内导4的进水管道5和出水管道6的伸出提升机构9的顶端的通过螺纹与外部进水管和外部出水管连接，用于将外部储水器中的水通过循环泵进入外部进水管，并通过水冷内导4的进水管道5进入水冷内导4的内部进行循环流动，从水冷内导4的出水管道6流入外部的出水管，并流进外部储水器中，完成液态水在水冷内导4中的循环。

由于连接件的存在，使得炉盖8、水冷内导4和导流筒2等均随着提升机构9的升降而进行升降。该提升机构9为螺旋机构，通过螺旋轴进行升降，提升机构9能够控制水冷内导4及导流筒2的升降，同时，连接通水管道，向水冷内导4提供水流。此外，该提升机构9为升降机构，可以是螺旋机构，也可以是气压升降机构，也可以是液压升降机构，还可以是其他升降机构，这里选择螺旋升价机构，通过螺旋轴进行升降，升降稳定。

本实例的工作过程：在单晶拉制过程中，导流筒2降到距液面约16mm处，冷却介质由外部进水口通过进水管道5进入水冷内导4内部，在水冷内导4循环后由出水管道6流出，出水口处的水温升高，说明经过水循环后带走了单晶炉中的热量，同时也带走来自单晶中的热量。

导流筒2下沿距液面16mm，此时水冷内导4距导流筒2下沿月50mm；经过实验可以知道，设置水冷内导4进水流量为24-28slpm，进水温度为30℃，检测出水温度为35℃-32℃。由此可以知道，当水冷内导4进水流量为24-28slpm时，进行散热的效果最好。

由于单晶等径生长过程中，通过水的循环流动带走单晶表面热量，在生长界面附近制造一个冷区，并且尽可能靠近液面，以增加界面过冷度；拉晶过程中导流筒2下沿与液面距离固定不变，水冷内导4与导流筒2的下沿越小表明其距液面也越近，生长界面处的温度梯度就会随之增大，拉速提升空间较大。

本实用新型具有的优点和积极效果是：

1.由于采用上述技术方案，该冷却装置与导流筒配合使用，避免了引入新的升降机构，降低了设备的复杂程度；

2.该冷却装置所应用的冷却介质易于得到，使得生产成本降低；

3.该冷却装置中的水冷內导下沿更接近液面距离，单晶纵向温度梯度增大明显，使得单晶硅拉晶过程中的拉速提高；

4.该冷却装置的材质为不锈钢，增加水冷可以及时带走热量，降低装置表面温度，避免该冷却装置因长期处于高温环境出现的损坏；

5.该冷却装置通过冷却介质的循环可以带走单晶表面热量，增加单晶纵向温度梯度，实现拉晶过程中拉速的提高。

以上对本实用新型的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本实用新型的较佳实施例，不能被认为用于限定本实用新型的实施范围。凡依本实用新型申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本实用新型的专利涵盖范围之内。

Claims (6)

1.一种提高单晶硅拉速的冷却装置，包括导流筒和钼内衬，所述钼内衬固定设于所述导流筒的内部，其特征在于：还包括水冷内导、进水管道和出水管道，所述水冷内导固定设于所述导流筒与所述钼内衬之间，所述进水管道与所述出水管道相对固定设于所述水冷内导的上部两侧。

2.根据权利要求1所述的提高单晶硅拉速的冷却装置，其特征在于：所述水冷内导为上部开口大底部开口小的环状结构，所述环状结构中设有中空腔体，所述环状结构的上部相对设置有进水口和出水口，所述进水口与所述进水管道固定连接，所述出水口与所述出水管道固定连接。

3.根据权利要求1或2所述的提高单晶硅拉速的冷却装置，其特征在于：所述水冷内导的环状结构为锥形结构，所述锥形结构的锥形角度与所述导流筒的内部锥形角度相同。

4.根据权利要求1或2所述的提高单晶硅拉速的冷却装置，其特征在于：所述进水管道与所述出水管道下部分别设有悬挂杆，所述导流筒通过所述悬挂杆与所述水冷内导固定连接。

5.根据权利要求3所述的提高单晶硅拉速的冷却装置，其特征在于：所述进水管道与所述出水管道下部分别设有悬挂杆，所述导流筒通过所述悬挂杆与所述水冷内导固定连接。

6.根据权利要求4所述的提高单晶硅拉速的冷却装置，其特征在于：还包括石墨内导，所述石墨内导设于所述水冷内导的上部。