CN220827490U - 水冷屏结构和单晶硅生长装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种水冷屏结构和单晶硅生长装置。水冷屏结构包括进水管道、出水管道和多个水冷管，各水冷管均为环形。通过将多个环形水冷管沿重力方向依次间隔设置，从而形成多级并联式的冷却水管道。如此，冷却液从进水管道流入每一层级的水冷管后，冷却液不仅会沿着环形轨迹在当前层级的水冷管内流动，而且还会回流至其他层级的水冷管，也即冷却液的流动路径延长，从而提升了冷却液与晶棒的热交换时间，有利于二者的充分换热，进而有效地将晶棒降温，提高拉晶速度。同时，由于多个水冷管间隔设置，即二者具有间距，因此能够降低相邻水冷管之间的温度干扰，使得晶棒具有一定的温度梯度，提升拉晶速度。

Description

水冷屏结构和单晶硅生长装置

技术领域

本申请涉及单晶硅生产技术领域，特别是涉及水冷屏结构和单晶硅生长装置。

背景技术

单晶硅是光伏发电利用太阳能的主要功能材料，通常是利用单晶炉将多晶硅等多晶材料熔化，然后采用直拉法生长出单晶硅棒(简称晶棒)。

直拉单晶炉中设置有水冷屏结构，当晶棒进入到水冷屏内部时，通过热量交换快速带走晶棒根部的热量，使得晶棒的纵向温度梯度增加，可以加快拉晶速度，提高产能。

相关技术中，水冷屏与单晶炉的换热效率不高，导致晶棒的冷却过慢，影响拉晶速度。

实用新型内容

基于此，有必要针对现有的水冷屏结构存在换热效率不高的问题，提供一种水冷屏结构。

一种水冷屏结构，用于冷却晶棒，所述水冷屏结构包括：

多个水冷管，各所述水冷管均为环形；多个所述水冷管共轴且沿重力方向依次间隔设置，并围设出供所述晶棒穿设的收容空间；

进水管道，与各所述水冷管一一连通，用于将冷却液分别引入各所述水冷管；

出水管道，与各所述水冷管一一连通，用于将各所述水冷管内的冷却液排出。

在其中一个实施例中，每一所述水冷管均构造有第一进口槽，所述进水管道构造有多个第二进口槽；每一所述第二进口槽与一个所述水冷管的所述第一进口槽一一对应地连通；和/或

每一所述水冷管均构造有第一出口槽，所述出水管道构造有多个第二出口槽；每一所述第二出口槽与一个所述水冷管的所述第一出口槽一一对应地连通。

在其中一个实施例中，所述进水管道嵌设于所述水冷管的内壁；和/或

所述出水管道嵌设于所述水冷管的内壁。

在其中一个实施例中，所述水冷管、所述进水管道以及所述出水管道三者的管径相同。

在其中一个实施例中，沿所述重力方向，所述收容空间的截面积逐渐减小。

在其中一个实施例中，所述进水管道和所述出水管道分别设于所述水冷管沿自身径向的相对两侧。

在其中一个实施例中，所述进水管道包括第一主管道和第一延伸管道，所述第一主管道用于与所述水冷管连通；所述第一延伸管道用于将所述冷却液引入；

所述出水管道包括第二主管道和第二延伸管道，所述第二主管道用于与所述水冷管连通；所述第二延伸管道用于将所述冷却液引入。

在其中一个实施例中，所述第一延伸管道包括第一竖直管以及连接于所述第一竖直管和所述第一主管道之间的第一水平管；所述第一竖直管用于将所述冷却液引入，所述第一水平管上设置有第一连接件；所述第一连接件用于与反应炉连接；

所述第二延伸管道包括第二竖直管以及连接于所述第二竖直管和所述第二主管道之间的第二水平管；所述第二竖直管用于将所述冷却液排出，所述第二水平管上设置有第二连接件；所述第二连接件用于与反应炉连接。

在其中一个实施例中，所述第一连接件为第一悬挂板，所述第一悬挂板的相对两端分别构造有用于与所述反应炉连接的第一凹槽；

所述第二连接件为第二悬挂板，所述第二悬挂板的相对两端分别构造有用于与所述反应炉连接的第二凹槽。

一种单晶硅生长装置，包括反应炉和设置于所述反应炉的内部的如上所述的水冷屏结构。

上述用于冷却晶棒的水冷屏结构，包括进水管道、出水管道和多个环形水冷管。通过将多个环形水冷管沿重力方向依次间隔设置，从而形成多级并联式的冷却水管道。如此，冷却液从进水管道流入每一层级的水冷管后，冷却液不仅会沿着环形轨迹在当前层级的水冷管内流动，而且还会回流至其他层级的水冷管，也即冷却液的流动路径延长，从而提升了冷却液与晶棒的热交换时间，有利于二者的充分换热，进而有效地将晶棒降温，提高拉晶速度。同时，由于多个水冷管间隔设置，即二者具有间距，因此能够降低相邻水冷管之间的温度干扰，使得晶棒具有一定的温度梯度，提升拉晶速度。

附图说明

图1为本申请一实施例提供的水冷屏结构的示意图。

图2为图1所示的水冷屏结构在另一视角的示意图。

图3为图1所示的水冷屏结构在又一视角的半剖示意图。

图4为本申请一实施例提供的单晶硅生长装置的示意图。

附图标号：10、单晶硅生长装置；100、水冷屏结构；110、水冷管；111、收容空间；120、进水管道；121、第一主管道；1211、第二进口槽；122、第一延伸管道；1221、第一竖直管；1222、第一水平管；130、出水管道；131、第二主管道；1311、第二出口槽；132、第二延伸管道；1321、第二竖直管；1322、第二水平管；140、第一连接件；141、第一凹槽；150、第二连接件；151、第二凹槽；200、反应炉；300、容器；400、导流筒。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，若有出现这些术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等，这些术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，若有出现这些术语“第一”、“第二”，这些术语仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，若有出现术语“多个”，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，若有出现术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等，这些术语应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，若有出现第一特征在第二特征“上”或“下”等类似的描述，其含义可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，若元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。若一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。如若存在，本申请所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

图1为本申请一实施例提供的水冷屏结构100的示意图，参阅图1所示，本申请一实施例提供的用于冷却待生长晶棒的水冷屏结构100，包括进水管道120、出水管道130和多个水冷管110。各水冷管110均为环形，具体为圆环形；多个水冷管110共轴且沿重力方向依次间隔设置，并围设出供晶棒穿设的收容空间111。进水管道120与各水冷管110一一连通，用于将冷却液分别引入各水冷管110。出水管道130与各水冷管110一一连通，用于将各水冷管110内的冷却液排出。图中，用箭头X示意出了重力方向。

具体地，通过将多个环形水冷管110沿重力方向(X方向)依次间隔设置，从而形成多级并联式的冷却水管道。如此，冷却液从进水管道120流入每一层级的水冷管110后，冷却液不仅会沿着环形轨迹在当前层级的水冷管110内流动，而且还会回流至其他层级的水冷管110，也即冷却液的流动路径延长，从而提升了冷却液与晶棒的热交换时间，有利于二者的充分换热，进而有效地将晶棒降温，提高拉晶速度。同时，由于多个水冷管110间隔设置，即二者具有间距，因此能够降低相邻水冷管110之间的温度干扰，使得晶棒具有一定的温度梯度，提升拉晶速度。其中，冷却液可以为冷却水。水冷管110、进水管道120和出水管道130可以由不锈钢、钼板、合金类耐高温金属等制成的金属管，其耐压力强度大，热吸收能力大。

图2为图1所示的水冷屏结构100在另一视角也即顺时针转动一定角度的示意图，图3为图1所示的水冷屏结构100在又一视角也即逆时针转动了一定角度的半剖示意图。参阅图2至图3所示，在其中一个实施例中，每一水冷管110均构造有第一进口槽，进水管道120构造有多个第二进口槽1211；进水管道120通过第二进口槽1211与水冷管110接合，使得每一第二进口槽1211与一个水冷管110的第一进口槽一一对应地连通。也就是说，进水管道120是嵌设于水冷管110上的，如此，能够节省水冷屏结构100的占用空间，整体布局更为紧凑。同时，还能够缩短冷却液进入水冷管110之前的流动路径，提升冷却液进入水冷管110的效率，有利于冷却液快速与晶棒换热，提升拉晶效率。

进一步地，如图2至图3所示，在其中一个实施例中，进水管道120嵌设于水冷管110的内壁。如此，能够节省沿收容空间111径向的占用空间，并且减少进水管道120的用料，节约成本。可以理解地，径向垂直于重力方向。

如图2至图3所示，在一些实施例中，出水管道130与水冷管110的连接方式可参考进水管道120与水冷管110的连接方式，也即每一水冷管110均构造有第一出口槽，出水管道130构造有多个第二出口槽1311；出水管道130通过第二出口槽1311与水冷管110接合，使得每一第二出口槽1311与一个水冷管110的第一出口槽一一对应地连通。通过将出水管道130嵌设于水冷管110上的，节省水冷屏结构100的占用空间，整体布局更为紧凑。同时，还能够缩短冷却液流出水冷管110后的流动路径，提升排出冷却液的效率，以便新的冷却液进入水冷管110内。进一步地，出水管道130嵌设于水冷管110的内壁，以节省沿收容空间111径向的占用空间，并且减少出水管道130的用料，节约成本。

在一些实施例中，每个第一进口槽处安装有第一控制阀，第一控制阀用于控制水冷管内的水流量。通过控制各个第一控制阀的开度，来控制各个层级水冷管的水流量，以控制相应空间内的冷却速率，实现对晶棒拉晶界面的温度和温度梯度进行精准控制，进而保证拉晶品质和拉晶效率。例如，增大水流量，换热效果提升，从而提高冷却速率。减小水流量，则降低冷却速率。

如图2至图3所示，在其中一个实施例中，水冷管110、进水管道120以及出水管道130三者的管径相同。如此，在加工时，可以采用同一金属管分别加工出水冷管110和进水管道120等，降低加工难度。同时，在清洗内管壁时，可直接从进水管道120投入清洁物例如海绵胶球等，由于各管道的管径相等，因此海绵球能够沿着进水管道120移动至水冷管110，再移动至出水管道130，从而完成水冷屏结构100的清洗工作，清洗更为便捷。

如图2至图3所示，在其中一个实施例中，沿重力方向，收容空间111的截面积逐渐减小，也就是说，沿重力方向，每个水冷管110所围成的环形内径是逐渐减小的，使得水冷屏结构100整体呈倒圆台的形状。由于晶棒位于收容空间111内，由晶棒的底部往上释放的热量由高至低，也就是说，沿重力方向，热量是由低到高，通过设置收容空间111的截面积逐渐减小，使得晶棒和水冷管110的间距逐渐减小，从而更好地吸收晶棒在拉晶过程中释放的热量。

如图1所示，在其中一个实施例中，进水管道120和出水管道130分别设于水冷管110沿自身径向的相对两侧。如此，冷却液从进水管道120处流动至出水管道130处的流动路径相对较长，从而延长冷却液与晶棒的换热时间，提升换热效率。

如图1至图3所示，在其中一个实施例中，进水管道120包括第一主管道121和第一延伸管道122，第一主管道121用于与水冷管110连通；第一延伸管道122用于将冷却液引入。具体地，第一延伸管道122包括第一竖直管1221以及连接于第一竖直管1221和第一主管道121之间的第一水平管1222；第一竖直管1221用于将冷却液引入，第一水平管1222上设置有第一连接件140；第一连接件140用于与反应炉200连接。通过将进水管道120分为多段，从而实现冷却液的引入、与反应炉200的连接以及与水冷管110的连接等多种功能，降低各功能管发生干涉的可能，提升进水管道120的使用适应性。

如图1至图3所示，在其中一个实施例中，出水管道130可以与进水管道120对称布置。出水管道130包括第二主管道131和第二延伸管道132，第二主管道131用于与水冷管110连通；第二延伸管道132用于将冷却液排出。进一步地，第二延伸管道132包括第二竖直管1321以及连接于第二竖直管1321和第二主管道131之间的第二水平管1322；第二竖直管1321用于将冷却液排出，第二水平管1322上设置有第二连接件150；第二连接件150用于与反应炉200连接。通过将出水管道130分为多段，从而实现冷却液的排出、与反应炉200的连接以及与水冷管110的连接等多种功能，降低各功能管发生干涉的可能，提升出水管道130的使用适应性。

如图1和图4所示，在其中一个实施例中，第一连接件140为第一悬挂板，第一悬挂板的相对两端分别构造有用于与反应炉200连接的第一凹槽141。第二连接件150为第二悬挂板，第二悬挂板的相对两端分别构造有用于与反应炉200连接的第二凹槽151。

具体地，反应炉200内部的相对两侧悬挂有第一连接臂和第二连接臂(图未示)，第一连接臂远离反应炉200的炉壁的一端与第一凹槽141连接，第二连接臂远离反应炉200的炉壁的一端与第二凹槽151连接，采用此种方式实现水冷屏结构100和反应炉200的连接。进一步地，反应炉内可设置升降单元，第一连接臂和第二连接臂连接于升降单元，通过升降单元驱动第一连接臂和第二连接臂上下移动，实现水冷屏的高度调节。

在其他实施例中，第一悬挂板上设置有第一凹槽，反应炉的内侧壁上设置有多对挂钩，多对挂钩的高度不同，其中一对挂钩中的一个与第一凹槽卡接配合，其中一对挂钩中的另一个与第二凹槽卡接配合，通过此种方式，将水冷屏结构悬挂于不同高度的挂钩上，实现水冷屏的高度调节。

如图1和图4所示，进一步地，本申请一实施例还提供一种单晶硅生长装置10，包括反应炉200和设置于反应炉200的内部的上述的水冷屏结构100。可以理解地，单晶硅生长装置10还包括设于反应炉200内的容器300和导流筒400，导流筒400设于容器300的上方，水冷屏结构100设于导流筒400内。其中，反应炉200用于提供反应场所；容器300用于加热多晶硅原料，以使多晶硅原料熔化成熔融状态；导流筒400用于隔绝热量。通过抽取反应炉200的空气，使反应炉200内处于真空环境；加热容器300内的多晶硅原料，并控制温度，使容器300固液界面处的温度为单晶硅由液态转为固态的临界温度；水冷屏结构100吸收固液界面处单晶硅释放的热量，从而加速单晶硅的冷却；通过逐步向上提升液面上方的单晶籽晶，以保证单晶硅的生长速度稳定，使单晶硅变为直径均匀的晶棒。

该单晶硅生长装置10由于具有前述任一实施例的水冷屏结构100，因此能够提升冷却液与晶棒的热交换时间，有利于二者的充分换热，进而有效地将晶棒降温，提高拉晶速度。

在一些实施例中，单晶硅生长装置还包括升降单元，水冷屏结构和导流筒分别与升降单元连接，升降单元能够带动水冷屏结构及导流筒沿重力方向移动。单晶硅生长装置制备单晶硅时，先通过升降单元将水冷屏结构和导流筒向上吊起，在容器内添加多晶硅原料；待填料完成后通过升降单元将导流筒和水冷屏结构移动至容器的上方。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种水冷屏结构，用于冷却晶棒，其特征在于，所述水冷屏结构包括：

多个水冷管(110)，各所述水冷管(110)均为环形；多个所述水冷管(110)共轴且沿重力方向依次间隔设置，并围设出供所述晶棒穿设的收容空间(111)；

进水管道(120)，与各所述水冷管(110)一一连通，用于将冷却液分别引入各所述水冷管(110)；

出水管道(130)，与各所述水冷管(110)一一连通，用于将各所述水冷管(110)内的冷却液排出。

2.根据权利要求1所述的水冷屏结构，其特征在于，每一所述水冷管(110)均构造有第一进口槽，所述进水管道(120)构造有多个第二进口槽(1211)；每一所述第二进口槽(1211)与一个所述水冷管(110)的所述第一进口槽一一对应地连通；和/或

每一所述水冷管(110)均构造有第一出口槽，所述出水管道(130)构造有多个第二出口槽(1311)；每一所述第二出口槽(1311)与一个所述水冷管(110)的所述第一出口槽一一对应地连通。

3.根据权利要求2所述的水冷屏结构，其特征在于，所述进水管道(120)嵌设于所述水冷管(110)的内壁；和/或

所述出水管道(130)嵌设于所述水冷管(110)的内壁。

4.根据权利要求1所述的水冷屏结构，其特征在于，所述水冷管(110)、所述进水管道(120)以及所述出水管道(130)三者的管径相同。

5.根据权利要求1所述的水冷屏结构，其特征在于，沿所述重力方向，所述收容空间(111)的截面积逐渐减小。

6.根据权利要求1所述的水冷屏结构，其特征在于，所述进水管道(120)和所述出水管道(130)分别设于所述水冷管(110)沿自身径向的相对两侧。

7.根据权利要求1所述的水冷屏结构，其特征在于，所述进水管道(120)包括第一主管道(121)和第一延伸管道(122)，所述第一主管道(121)用于与所述水冷管(110)连通；所述第一延伸管道(122)用于将所述冷却液引入；

所述出水管道(130)包括第二主管道(131)和第二延伸管道(132)，所述第二主管道(131)用于与所述水冷管(110)连通；所述第二延伸管道(132)用于将所述冷却液引出。

8.根据权利要求7所述的水冷屏结构，其特征在于，所述第一延伸管道(122)包括第一竖直管(1221)以及连接于所述第一竖直管(1221)和所述第一主管道(121)之间的第一水平管(1222)；所述第一竖直管(1221)用于将所述冷却液引入，所述第一水平管(1222)上设置有第一连接件(140)；所述第一连接件(140)用于与反应炉(200)连接；

所述第二延伸管道(132)包括第二竖直管(1321)以及连接于所述第二竖直管(1321)和所述第二主管道(131)之间的第二水平管(1322)；所述第二竖直管(1321)用于将所述冷却液排出，所述第二水平管(1322)上设置有第二连接件(150)；所述第二连接件(150)用于与反应炉(200)连接。

9.根据权利要求8所述的水冷屏结构，其特征在于，所述第一连接件(140)为第一悬挂板，所述第一悬挂板的相对两端分别构造有用于与所述反应炉(200)连接的第一凹槽(141)；

所述第二连接件(150)为第二悬挂板，所述第二悬挂板的相对两端分别构造有用于与所述反应炉连接的第二凹槽(151)。

10.一种单晶硅生长装置，其特征在于，包括反应炉(200)和设置于所述反应炉(200)的内部的如权利要求1-9任一项所述的水冷屏结构(100)。