CN207498510U - 一种低能耗石墨坩埚单晶炉 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种低能耗石墨坩埚单晶炉，结构包括：单晶炉下炉膛、单晶炉上炉膛、单晶夹持套、石墨软毡保温层、电加热管、石英坩埚、石墨坩埚、坩埚托盘、抽真空泵、氩气储存罐、气体加热罐、氩气回流罐及输入端电磁阀控制器；抽真空泵出口端设置有三通阀，三通阀一端口连接有依次相接的气体过滤器、一氧化碳去除器和二氧化碳去除器，二氧化碳去除器出口端通过二级气体输送泵连通至氩气储存罐。本实用新型有助于降低单晶硅生产过程中的氩气损耗和热量损耗，降低能耗，减少单晶硅生产带来的环境问题。

Description

一种低能耗石墨坩埚单晶炉

技术领域

本实用新型涉及单晶生产技术领域，特别涉及一种低能耗石墨坩埚单晶炉。

背景技术

单晶硅作为一种新型材料，对于发展太阳能光伏产业有着重要作用。单晶硅的生产主要在单晶炉内完成。对于单晶硅生产而言，单晶炉的质量会直接影响单晶炉的生产效率和产品质量。石墨毡保温层具有良好的保温作用，能够耐高温，是单晶炉内主要的保温结构，然而石墨毡本身在高温条件下容易发生氧化，且易碎；实际应用过程中，为了加快单晶硅的生产速率，通常情况下停机后即通入空气进行冷却，达到安全温度后立即进行拆炉，取出单晶硅；此种方式极易造成单晶炉内部石墨毡保温层的氧化，降低了单晶炉使用寿命；而如果在不拆炉的情况下等炉体温度冷却至常温，则需要将近16个小时，此种方式则影响了单晶硅的生产效率；与此同时，现有的单晶硅生产过程中，需要持续通入氩气，利用氩气维持单晶炉内部的温度和压力稳定性，利用氩气的流动带走单晶硅生产过程中产生的一氧化碳、二氧化碳等杂质，通入的氩气均为单循环，浪费极大，且容易造成环境污染和热量损耗。

基于以上分析，我公司成立研发小组，经过长期的试验测试和科学研究，对现有的单晶炉进行结构改进，降低单晶硅生产过程中的氩气损耗和热量损耗，降低能耗，减少单晶硅生产带来的环境问题，与此同时，通过结构改进，提高单晶炉停机后的降温冷却速率，且避免氧气进入单晶炉内部对高温状态下石墨毡保温层造成氧化，增加单晶炉的使用寿命。

实用新型内容

本实用新型的目的是，针对现有石墨坩埚单晶炉使用过程中存在的技术问题，设计一种低能耗石墨坩埚单晶炉，降低单晶硅生产过程中的氩气损耗和热量损耗，降低能耗，减少单晶硅生产带来的环境问题，与此同时，通过结构改进，提高单晶炉停机后的降温冷却速率，且避免氧气进入单晶炉内部对高温状态下石墨毡保温层造成氧化，增加单晶炉的使用寿命。

本实用新型通过以下技术方案实现：

一种低能耗石墨坩埚单晶炉，其特征在于，结构包括：

单晶炉下炉膛（1）；

单晶炉上炉膛（2），设置于所述单晶炉下炉膛（1）上方，通过隔离阀（3）固定于单晶炉下炉膛（1）顶部；

单晶夹持套管（4），通过竖向传动杆（6）与设置于所述单晶炉上炉膛（2）顶部的单晶旋转提升机构（5）连接；

陶瓷保温筒（11），设置于所述单晶炉下炉膛（1）内侧壁；

石墨软毡保温层（12），设置于所述陶瓷保温筒（11）内侧壁；

电加热管（13），设置于所述石墨软毡保温层（12）内侧且与所述石墨软毡保温层（12）保持有10~15cm的水平距离；

石英坩埚（14），设置于所述单晶炉下炉膛（1）中心位置；

石墨坩埚（15），设置于所述石英坩埚（14）外侧壁；

坩埚托盘（16），设置于所述石墨坩埚（15）底部用于对所述石墨坩埚（15）进行固定和限位；

底端部旋转电机（20），通过联动轴（19）和圆柱滚子轴承（18）与所述坩埚托盘（16）连接，所述联动轴（19）与底端部旋转电机（20）的输出轴连接，联动轴（19）穿过圆柱滚子轴承（18）延伸至坩埚托盘（16）底部与坩埚托盘（16）连接；

底端部竖向推杆电机（21），固定于定位座（2201）上，所述定位座（2201）装配于单晶炉下炉膛（1）底部；

对称设置的2个抽真空泵（201），分别与单晶炉下炉膛（1）左侧壁和右侧壁相连通，单晶炉下炉膛（1）与设置于单晶炉下炉膛（1）内部的气体导流器（22）相连接，抽真空泵（201）与气体导流器（22）之间的连接管道上设置有一级电磁控制阀（23），单晶炉下炉膛（1）底部设置有电子真空计（24），电子真空计（24）外接输出端电磁阀控制器（25），输出端电磁阀控制器（25）通过控制线缆与一级电磁控制阀（23）；

氩气储存罐（7），设置于单晶炉下炉膛（1）右侧，且通过输气管道与单晶炉下炉膛（1）连通；

气体加热罐（8），设置于氩气储存罐（7）与单晶炉下炉膛（1）之间的输气管道上；

氩气回流罐（9），设置于所述氩气储存罐（7）与所述单晶炉下炉膛（1）之间的连通管道上靠近单晶炉下炉膛（1）一端，氩气回流罐（9）与单晶炉下炉膛（1）之间连通管道上设置有二级电磁控制阀（91），氩气回流罐（9）内部设置有第一温度传感器（900），氩气回流罐（9）与气体加热罐（8）之间还设置有回路管，回路管中部设置有三级电磁控制阀（92），单晶炉下炉膛（1）内侧上部设置有第二温度传感器（200）；

输入端电磁阀控制器（10），设置于氩气回流罐（9）正上方，且通过数据传输线缆与第一温度传感器（900）和第二温度传感器（200）相连接，通过控制线缆与二级电磁控制阀（91）、三级电磁控制阀（92）和气体加热罐（8）分别连接；

气体分布器（26），设置于单晶炉下炉膛（1）顶部，且通过输气管道与二级电磁控制阀（91）连通；

所述氩气储存罐（7）与气体加热罐（8）之间设置有压力泵（71）；

所述单晶炉下炉膛（1）底部设置有自上而下依次分布的石墨毡隔热层板（101）和硅酸铝棉毡保温层（102）；

所述气体分布器（26）上表面铺设石墨毡保温层板（103）；

所述抽真空泵（201）出口端设置有三通阀（300），三通阀（300）一端口连接有依次相接的气体过滤器（400）、一氧化碳去除器（500）和二氧化碳去除器（600），所述二氧化碳去除器（600）出口端通过二级气体输送泵连通至氩气储存罐（7）。

进一步，所述石墨坩埚（15）与坩埚托盘（16）之间填充有石墨托板（17）。

进一步，所述坩埚托盘（16）设置为石墨硬毡结构，坩埚托盘（16）中部设置有与石墨坩埚（15）底面相配合的坩埚装配槽。

进一步，所述气体加热罐（8）内部集成有电加热管套。

进一步，所述气体加热罐（8）与氩气回流罐（9）之间的连通管路上设置有增压泵（81）。

进一步，所述单晶旋转提升机构（5）集成有上端部旋转电机和上端部竖向提升电机。

本实用新型提供了一种低能耗石墨坩埚单晶炉，与现有技术相比，有益效果在于：

1、本实用新型设计的低能耗石墨坩埚单晶炉，抽真空泵（201）出口端设置有三通阀（300），三通阀（300）一端口连接有依次相接的气体过滤器（400）、一氧化碳去除器（500）和二氧化碳去除器（600），二氧化碳去除器（600）出口端通过二级气体输送泵连通至氩气储存罐（7）；上述设计，有利于将抽真空泵（201）抽出的氩气进行净化后回流泵送至氩气储存罐（7），对氩气进行循环利用，降低了氩气及其中携带的一氧化碳直接排放造成的环境污染，且有利于热量循环利用，降低了热损耗。

2、本实用新型设计的低能耗石墨坩埚单晶炉，通过在氩气储存罐（7）与所述单晶炉下炉膛（1）之间的连通管道上靠近单晶炉下炉膛（1）一端增加氩气回流罐（9），氩气回流罐（9）与单晶炉下炉膛（1）之间连通管道上设置有二级电磁控制阀（91），氩气回流罐（9）内部设置有第一温度传感器（900），氩气回流罐（9）与气体加热罐（8）之间还设置有回路管，回路管中部设置有三级电磁控制阀（92），单晶炉下炉膛（1）内侧上部设置有第二温度传感器（200）；氩气回流罐（9）正上方设置输入端电磁阀控制器（10），输入端电磁阀控制器（10）通过数据传输线缆与第一温度传感器（900）和第二温度传感器（200）相连接，通过控制线缆与二级电磁控制阀（91）、三级电磁控制阀（92）和气体加热罐（8）分别连接；上述方案，有利于在单晶炉停车后梯度式注入加热一定温度的氩气，借助气流快速带走单晶炉内部热量，提高单晶炉冷却效率，同时避免空气及氧气进入单晶炉内部对单晶炉内部的石墨毡保温层造成氧化破坏，提高单晶炉的使用寿命。

3、本实用新型设计的低能耗石墨坩埚单晶炉，单晶炉下炉膛（1）底部设置有自上而下依次分布的石墨毡隔热层板（101）和硅酸铝棉毡保温层（102）；气体分布器（26）上表面铺设石墨毡保温层板（103）；上述设计，与现有技术相比，保温效果大大提升，降低了热损耗。

附图说明

图1为本实用新型设计的低能耗石墨坩埚单晶炉的结构示意图。

具体实施方式

参阅附图1对本实用新型做进一步描述。

本实用新型涉及一种低能耗石墨坩埚单晶炉，其特征在于，结构包括：

单晶炉下炉膛（1）；

单晶炉上炉膛（2），设置于所述单晶炉下炉膛（1）上方，通过隔离阀（3）固定于单晶炉下炉膛（1）顶部；

单晶夹持套管（4），通过竖向传动杆（6）与设置于所述单晶炉上炉膛（2）顶部的单晶旋转提升机构（5）连接；

陶瓷保温筒（11），设置于所述单晶炉下炉膛（1）内侧壁；

石墨软毡保温层（12），设置于所述陶瓷保温筒（11）内侧壁；

电加热管（13），设置于所述石墨软毡保温层（12）内侧且与所述石墨软毡保温层（12）保持有10~15cm的水平距离；

石英坩埚（14），设置于所述单晶炉下炉膛（1）中心位置；

石墨坩埚（15），设置于所述石英坩埚（14）外侧壁；

坩埚托盘（16），设置于所述石墨坩埚（15）底部用于对所述石墨坩埚（15）进行固定和限位；

底端部旋转电机（20），通过联动轴（19）和圆柱滚子轴承（18）与所述坩埚托盘（16）连接，所述联动轴（19）与底端部旋转电机（20）的输出轴连接，联动轴（19）穿过圆柱滚子轴承（18）延伸至坩埚托盘（16）底部与坩埚托盘（16）连接；

底端部竖向推杆电机（21），固定于定位座（2201）上，所述定位座（2201）装配于单晶炉下炉膛（1）底部；

对称设置的2个抽真空泵（201），分别与单晶炉下炉膛（1）左侧壁和右侧壁相连通，单晶炉下炉膛（1）与设置于单晶炉下炉膛（1）内部的气体导流器（22）相连接，抽真空泵（201）与气体导流器（22）之间的连接管道上设置有一级电磁控制阀（23），单晶炉下炉膛（1）底部设置有电子真空计（24），电子真空计（24）外接输出端电磁阀控制器（25），输出端电磁阀控制器（25）通过控制线缆与一级电磁控制阀（23）；

氩气储存罐（7），设置于单晶炉下炉膛（1）右侧，且通过输气管道与单晶炉下炉膛（1）连通；

气体加热罐（8），设置于氩气储存罐（7）与单晶炉下炉膛（1）之间的输气管道上；

氩气回流罐（9），设置于所述氩气储存罐（7）与所述单晶炉下炉膛（1）之间的连通管道上靠近单晶炉下炉膛（1）一端，氩气回流罐（9）与单晶炉下炉膛（1）之间连通管道上设置有二级电磁控制阀（91），氩气回流罐（9）内部设置有第一温度传感器（900），氩气回流罐（9）与气体加热罐（8）之间还设置有回路管，回路管中部设置有三级电磁控制阀（92），单晶炉下炉膛（1）内侧上部设置有第二温度传感器（200）；

输入端电磁阀控制器（10），设置于氩气回流罐（9）正上方，且通过数据传输线缆与第一温度传感器（900）和第二温度传感器（200）相连接，通过控制线缆与二级电磁控制阀（91）、三级电磁控制阀（92）和气体加热罐（8）分别连接；

气体分布器（26），设置于单晶炉下炉膛（1）顶部，且通过输气管道与二级电磁控制阀（91）连通；

所述氩气储存罐（7）与气体加热罐（8）之间设置有压力泵（71）；

所述单晶炉下炉膛（1）底部设置有自上而下依次分布的石墨毡隔热层板（101）和硅酸铝棉毡保温层（102）；

所述气体分布器（26）上表面铺设石墨毡保温层板（103）；

所述抽真空泵（201）出口端设置有三通阀（300），三通阀（300）一端口连接有依次相接的气体过滤器（400）、一氧化碳去除器（500）和二氧化碳去除器（600），所述二氧化碳去除器（600）出口端通过二级气体输送泵连通至氩气储存罐（7）。

作为改进，所述石墨坩埚（15）与坩埚托盘（16）之间填充有石墨托板（17）。

作为改进，所述坩埚托盘（16）设置为石墨硬毡结构，坩埚托盘（16）中部设置有与石墨坩埚（15）底面相配合的坩埚装配槽。

作为改进，所述气体加热罐（8）内部集成有电加热管套。

作为改进，所述气体加热罐（8）与氩气回流罐（9）之间的连通管路上设置有增压泵（81）。

作为改进，所述单晶旋转提升机构（5）集成有上端部旋转电机和上端部竖向提升电机。

与现有技术相比，本实用新型设计的低能耗石墨坩埚单晶炉，抽真空泵（201）出口端设置有三通阀（300），三通阀（300）一端口连接有依次相接的气体过滤器（400）、一氧化碳去除器（500）和二氧化碳去除器（600），二氧化碳去除器（600）出口端通过二级气体输送泵连通至氩气储存罐（7）；上述设计，有利于将抽真空泵（201）抽出的氩气进行净化后回流泵送至氩气储存罐（7），对氩气进行循环利用，降低了氩气及其中携带的一氧化碳直接排放造成的环境污染，且有利于热量循环利用，降低了热损耗。

本实用新型设计的低能耗石墨坩埚单晶炉，通过在氩气储存罐（7）与所述单晶炉下炉膛（1）之间的连通管道上靠近单晶炉下炉膛（1）一端增加氩气回流罐（9），氩气回流罐（9）与单晶炉下炉膛（1）之间连通管道上设置有二级电磁控制阀（91），氩气回流罐（9）内部设置有第一温度传感器（900），氩气回流罐（9）与气体加热罐（8）之间还设置有回路管，回路管中部设置有三级电磁控制阀（92），单晶炉下炉膛（1）内侧上部设置有第二温度传感器（200）；氩气回流罐（9）正上方设置输入端电磁阀控制器（10），输入端电磁阀控制器（10）通过数据传输线缆与第一温度传感器（900）和第二温度传感器（200）相连接，通过控制线缆与二级电磁控制阀（91）、三级电磁控制阀（92）和气体加热罐（8）分别连接；上述方案，有利于在单晶炉停车后梯度式注入加热一定温度的氩气，借助气流快速带走单晶炉内部热量，提高单晶炉冷却效率，同时避免空气及氧气进入单晶炉内部对单晶炉内部的石墨毡保温层造成氧化破坏，提高单晶炉的使用寿命。

本实用新型设计的低能耗石墨坩埚单晶炉，单晶炉下炉膛（1）底部设置有自上而下依次分布的石墨毡隔热层板（101）和硅酸铝棉毡保温层（102）；气体分布器（26）上表面铺设石墨毡保温层板（103）；上述设计，与现有技术相比，保温效果大大提升，降低了热损耗。

工作原理如下：

在单晶硅生产中段，通过三通阀（300）将单晶炉下炉膛（1）与气体过滤器（400）接通，利用依次相接的气体过滤器（400）、一氧化碳去除器（500）和二氧化碳去除器（600）对经由抽真空泵抽出的气体进行净化，去除氩气中携带的固态杂质、二氧化碳及一氧化塔，最终获得的高纯度氩气再次泵送至氩气储存罐（7），实现循环使用；

在单晶炉开车起始阶段，利用对称设置的2个抽真空泵（201）对单晶炉下炉膛（1）进行抽真空，利用电子真空计（24）检测单晶炉下炉膛（1）内部真空度，并将数据传输至输出端电磁阀控制器（25），当输出端电磁阀控制器（25）接收的真空度数值达到设计值时，控制一级电磁控制阀（23）关闭抽真空通路，抽真空泵（201）停止工作；此时开启电加热管（13）对单晶炉下炉膛（1）进行加热，启动压力泵（71）、气体加热罐（8、）增压泵（81）及二级电磁控制阀（91），向单晶炉下炉膛（1）泵送加热后的氩气，使单晶炉下炉膛（1）内部温度快速升高，压力快速增大，温度和压力增加到工艺要求数值时，同时开启一级电磁控制阀（23）、压力泵（71）、气体加热罐（8、）增压泵（81）及二级电磁控制阀（91），使单晶炉下炉膛（1）内部温度和压力趋于稳定，满足单晶体生产需求；

在单晶体生长完成后，关闭电加热管（13），压力泵（71）、气体加热罐（8）、增压泵（81）及二级电磁控制阀（91）继续运行，此时当进入氩气回流罐（9）内部的氩气温度与单晶炉下炉膛（1）气体温度差值超出要求范围，即二温度传感器（200）与第一温度传感器（900）各自检测的温度数值差值过大时，输入端电磁阀控制器（10）控制二级电磁控制阀（91）关闭，三级电磁控制阀（92）开启，使氩气回流罐（9）与气体加热罐（8）之间的回路管连通，构成巡回管路，对输入的氩气进行二次加热，直至温度达到预设要求，按照上述要求持续运行，利用加热后具有一定温度的氩气对单晶炉下炉膛（1）进行热量转移，实现快速降温冷却，直至单晶炉下炉膛（1）内温度与室温接近，此时打开单晶炉。

按照以上描述，即可对本实用新型进行应用。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种低能耗石墨坩埚单晶炉，其特征在于，结构包括：

单晶炉下炉膛（1）；

单晶炉上炉膛（2），设置于所述单晶炉下炉膛（1）上方，通过隔离阀（3）固定于单晶炉下炉膛（1）顶部；

单晶夹持套管（4），通过竖向传动杆（6）与设置于所述单晶炉上炉膛（2）顶部的单晶旋转提升机构（5）连接；

陶瓷保温筒（11），设置于所述单晶炉下炉膛（1）内侧壁；

石墨软毡保温层（12），设置于所述陶瓷保温筒（11）内侧壁；

电加热管（13），设置于所述石墨软毡保温层（12）内侧且与所述石墨软毡保温层（12）保持有10~15cm的水平距离；

石英坩埚（14），设置于所述单晶炉下炉膛（1）中心位置；

石墨坩埚（15），设置于所述石英坩埚（14）外侧壁；

坩埚托盘（16），设置于所述石墨坩埚（15）底部用于对所述石墨坩埚（15）进行固定和限位；

底端部旋转电机（20），通过联动轴（19）和圆柱滚子轴承（18）与所述坩埚托盘（16）连接，所述联动轴（19）与底端部旋转电机（20）的输出轴连接，联动轴（19）穿过圆柱滚子轴承（18）延伸至坩埚托盘（16）底部与坩埚托盘（16）连接；

底端部竖向推杆电机（21），固定于定位座（2201）上，所述定位座（2201）装配于单晶炉下炉膛（1）底部；

对称设置的2个抽真空泵（201），分别与单晶炉下炉膛（1）左侧壁和右侧壁相连通，单晶炉下炉膛（1）与设置于单晶炉下炉膛（1）内部的气体导流器（22）相连接，抽真空泵（201）与气体导流器（22）之间的连接管道上设置有一级电磁控制阀（23），单晶炉下炉膛（1）底部设置有电子真空计（24），电子真空计（24）外接输出端电磁阀控制器（25），输出端电磁阀控制器（25）通过控制线缆与一级电磁控制阀（23）；

氩气储存罐（7），设置于单晶炉下炉膛（1）右侧，且通过输气管道与单晶炉下炉膛（1）连通；

气体加热罐（8），设置于氩气储存罐（7）与单晶炉下炉膛（1）之间的输气管道上；

氩气回流罐（9），设置于所述氩气储存罐（7）与所述单晶炉下炉膛（1）之间的连通管道上靠近单晶炉下炉膛（1）一端，氩气回流罐（9）与单晶炉下炉膛（1）之间连通管道上设置有二级电磁控制阀（91），氩气回流罐（9）内部设置有第一温度传感器（900），氩气回流罐（9）与气体加热罐（8）之间还设置有回路管，回路管中部设置有三级电磁控制阀（92），单晶炉下炉膛（1）内侧上部设置有第二温度传感器（200）；

输入端电磁阀控制器（10），设置于氩气回流罐（9）正上方，且通过数据传输线缆与第一温度传感器（900）和第二温度传感器（200）相连接，通过控制线缆与二级电磁控制阀（91）、三级电磁控制阀（92）和气体加热罐（8）分别连接；

气体分布器（26），设置于单晶炉下炉膛（1）顶部，且通过输气管道与二级电磁控制阀（91）连通；

所述氩气储存罐（7）与气体加热罐（8）之间设置有压力泵（71）；

所述单晶炉下炉膛（1）底部设置有自上而下依次分布的石墨毡隔热层板（101）和硅酸铝棉毡保温层（102）；

所述气体分布器（26）上表面铺设石墨毡保温层板（103）；

所述抽真空泵（201）出口端设置有三通阀（300），三通阀（300）一端口连接有依次相接的气体过滤器（400）、一氧化碳去除器（500）和二氧化碳去除器（600），所述二氧化碳去除器（600）出口端通过二级气体输送泵连通至氩气储存罐（7）。

2.根据权利要求1所述的低能耗石墨坩埚单晶炉，其特征在于，所述石墨坩埚（15）与坩埚托盘（16）之间填充有石墨托板（17）。

3.根据权利要求1所述的低能耗石墨坩埚单晶炉，其特征在于，所述坩埚托盘（16）设置为石墨硬毡结构，坩埚托盘（16）中部设置有与石墨坩埚（15）底面相配合的坩埚装配槽。

4.根据权利要求1所述的低能耗石墨坩埚单晶炉，其特征在于，所述气体加热罐（8）内部集成有电加热管套。

5.根据权利要求1所述的低能耗石墨坩埚单晶炉，其特征在于，所述气体加热罐（8）与氩气回流罐（9）之间的连通管路上设置有增压泵（81）。

6.根据权利要求1所述的低能耗石墨坩埚单晶炉，其特征在于，所述单晶旋转提升机构（5）集成有上端部旋转电机和上端部竖向提升电机。