KR20110059727A - 규소 주조용 가스 재순환 열교환기 - Google Patents

규소 주조용 가스 재순환 열교환기 Download PDF

Info

Publication number
KR20110059727A
KR20110059727A KR1020117006940A KR20117006940A KR20110059727A KR 20110059727 A KR20110059727 A KR 20110059727A KR 1020117006940 A KR1020117006940 A KR 1020117006940A KR 20117006940 A KR20117006940 A KR 20117006940A KR 20110059727 A KR20110059727 A KR 20110059727A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
heat exchanger
gas
transfer fluid
heat
heat transfer
Prior art date
Application number
KR1020117006940A
Other languages
English (en)
Inventor
로저 에프 클락
레이몬드 제이 로버츠
Original Assignee
에이엠지 아이디얼캐스트 솔라 코포레이션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 에이엠지 아이디얼캐스트 솔라 코포레이션 filed Critical 에이엠지 아이디얼캐스트 솔라 코포레이션
Publication of KR20110059727A publication Critical patent/KR20110059727A/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B11/00—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B11/00—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
    • C30B11/003—Heating or cooling of the melt or the crystallised material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B35/00—Apparatus not otherwise provided for, specially adapted for the growth, production or after-treatment of single crystals or of a homogeneous polycrystalline material with defined structure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/06—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/12—Elements constructed in the shape of a hollow panel, e.g. with channels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F28F9/026—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/0056—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for ovens or furnaces
    • F28D2021/0057—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for ovens or furnaces for melting materials

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Silicon Compounds (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

본 발명은 고순도 규소를 주조하고/주조하거나 결정을 성장시키기 위해 가스 재순환 열교환기를 이용하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 열교환기는 도가니와 열적 접촉하는 고온 표면, 가스가 열교환기로 유입하는 입구 및 가스가 열교환기로부터 유출하는 출구를 포함한다. 또한, 열교환기는, 입구를 출구로부터 분리하고 가스 중 적어도 일부를 고온 표면 위로 향하게 하기 위한 배플, 및 가스를 냉각시키고 가스를 열교환기로 되돌리도록 되어 있는 재순환 시스템을 포함한다. 열교환기는 국부적인 냉각 요구를 위해 용이하게 조정될 수 있다.

Description

규소 주조용 가스 재순환 열교환기{GAS RECIRCULATION HEAT EXCHANGER FOR CASTING SILICON}
본 발명은 고순도 규소를 주조하고 결정을 성장시키기 위해 가스 재순환 열교환기를 이용하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
광전지는 빛을 전류로 전환시킨다. 광전지의 가장 중요한 특징 중 하나가 빛 에너지를 전기 에너지로 전환시키는 효율이다. 광전지가 다양한 반도체 재료로부터 제조될 수 있지만, 규소가 비싸지 않은 가격으로 용이하게 이용가능하고 또한 광전지 제조의 이용에 있어 전기적, 물리적 그리고 화학적 특성의 적절한 균형을 갖기 때문에, 일반적으로 규소가 이용된다.
광전지의 제조를 위한 공지된 절차에서, 규소 공급원료는 양 또는 음의 전도도 타입을 갖는 도펀트로 도핑되고, 용융된 후, (Czochralski (CZ) 또는 부유 구역 (FZ) 방법을 통해) 단결정 규소의 잉곳 내로 결정화된 규소를 용융 구역 밖으로 당김으로써 결정화된다. FZ 프로세스의 경우, 고체 재료가 용융 구역을 통해 공급되는데, 용융 구역의 한 측으로 들어갈 때 용융되고, 일반적으로 시드 결정 (seed crystal) 을 접촉시킴으로써, 용융 구역의 다른 측에서 다시 응고된다.
최근, 미국특허출원 11/624,365 및 11/624,411 에 개시되고 미국특허출원공보 20070169684A1 및 20070169685A1 (2007년 1월 18일 출원) 에서 공개된 것처럼, 도가니 응고 프로세스 (즉, 현장 타설 (cast-in-place) 또는 주조 프로세스) 에서 단결정 또는 기하학적 다결정 재료를 제조하기 위한 새로운 기술이 개발되었다. 다결정 규소 잉곳을 제조하기 위한 주조 프로세스가 광전 (photovoltaic) 기술 분야에 공지되어 있다. 간략하게, 그러한 프로세스에서, 용융 규소는 석영 도가니와 같은 도가니에 담기고, 그 안에 담긴 규소의 결정화를 허용하는 제어된 방식으로 냉각된다. 얻어지는 주조 결정 규소의 블록은 일반적으로, 광전지 제조에 이용되는 웨이퍼의 크기와 동일한 또는 유사한 크기의 단면적을 갖는 브릭 (brick) 으로 절단되고, 브릭은 그러한 웨이퍼로 잘리거나 절단된다. 이러한 방식으로 생성된 다결정 규소는 결정립으로 구성되고, 이로부터 이루어지는 웨이퍼 내에서, 서로에 대한 결정립의 배향은 대체로 랜덤 (random) 하다. 단결정 또는 기하학적 다결정 규소는 특히 선택된 결정립 배향 및 (후자의 경우) 결정립계를 갖고, 상기한 특허출원에 개시된 새로운 주조 기술에 의해, 도가니에서 고체 규소를, 넓은 시드 층 (동일한 도가니 내에 있는 동안, 프로세스 동안 일부 고체로 남아있고, 이를 통해 응고 동안 열이 추출됨) 과 접촉하는 액체 규소로 용융시킴으로써 형성될 수 있다. 여기서 이용되는 용어 '시드 층 (seed layer)' 은 연속적인 층을 형성하는 희망하는 결정 배향을 갖는 결정 또는 결정의 그룹을 가리킨다. 이는 주조 목적을 위해 도가니의 일측에 합치하도록 제조될 수 있다.
고품질 주조 잉곳을 생성하기 위해서는, 여러 조건이 충족되어야 한다. 첫째로, 가능한 한 많은 잉곳이 희망하는 결정도 (crystallinity) 를 가져야 한다. 잉곳이 단결정이 되도록 의도한다면, 잉곳의 이용가능한 부분 전체가 단결정이 되어야 하고, 이는 기하학적 다결정 재료의 경우에도 마찬가지이다. 둘째로, 규소가 가능한 한 적은 불순물을 포함해야 한다. 불완전은 개별 불순물, 불순물의 응집체, 본질적인 격자 결함 및 규소 격자의 구조 결함 (전위 (dislocation) 및 적층 결함 등) 을 포함할 수 있다. 이러한 불완전의 다수는 결정 규소로 이루어진 광전지의 작용에서 전기 전하 캐리어의 빠른 재조합을 야기할 수 있다. 이는 광전지의 효율을 떨어뜨릴 수 있다.
수년간의 개발 결과, 잘 성장된 CZ 및 FZ 규소에서 최소량의 불완전이 얻어졌다. 시드에 편입된 모든 전위가 생길 수 있는 얇은 넥 (neck) 을 먼저 성장시킴으로써, 무전위 단일 결정을 획득할 수 있다. 개재물 (inclusion) 및 제 2 상 (예컨대, 질화규소, 산화규소 또는 탄화규소 입자) 의 편입 (incorporation) 은, 멜트 (melt) 에 대한 시드 결정의 반대회전을 유지함으로써 회피된다. 산소 편입은, 본 산업에서 알려진 바와 같이, 자기적 CZ 기술을 이용하여 약화될 수 있고, FZ 기술을 이용하여 최소화될 수 있다. 금속 불순물은 일반적으로 탱 엔드 (tang end) 로 편석됨으로써 최소화되거나 보울 (boule) 이 끝난 후 팟스크랩 (potscrap) 으로 남는다.
그러나, CZ 및 FZ 프로세스에서의 상기한 개선에도 불구하고, 단위 체적 기초로 덜 비싸고 공지된 CZ 및 FZ 프로세스보다 설비 투자, 공간 및/또는 작업 복잡성을 더 적게 필요로 하는 고순도 결정 규소의 생산에 대한 필요 내지 요구가 존재한다. 규소 주조의 안전성 및 신뢰성에 대한 필요 내지 요구가 존재한다. 주조 스테이션 내 브리치 (breach) 의 경우에 (물로 냉각된) 저온 벽에 도달하기 위한 용융 규소용 (물리적으로 격리된) 가시선 (line-of-sight) 경로없이 규소를 주조할 필요 내지 요구가 존재한다. 또한, 규소 주조 프로세스 동안 열 통합 (integration) 및/또는 열 회수에 대한 필요 내지 요구가 존재한다. 또한, 종래 장치 및 프로세스보다 증가된 규소 출력 및/또는 추가적인 용량을 갖는 장치 및 프로세스에 대한 필요 내지 요구가 존재한다.
본 발명은 고순도 규소를 주조하고 결정을 성장시키기 위해 가스 재순환 열교환기를 이용하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은, 주조 스테이션 내 브리치의 경우에 (물로 냉각된) 저온 벽에 도달하기 위한 용융 규소용 (물리적으로 격리된) 가시선 경로없이 규소를 주조하는 것처럼, 규소 주조의 향상된 안정성 및 신뢰성을 제공한다. 또한, 본 발명은 규소 주조 프로세스 동안 열 통합 및/또는 열 회수를 제공한다. 또한, 본 발명은 종래 장치 및 프로세스보다 증가된 규소 출력 (단축된 사이클 시간) 및/또는 추가적인 용량을 갖는 장치 및 프로세스를 제공한다.
제 1 태양에 따르면, 본 발명은 고순도 규소를 생성하는데 이용하기에 적합한 가스 순환 열교환기에 관한 것이다. 열교환기는 도가니와 열적 접촉하는 고온 표면, 가스가 열교환기로 유입하는 입구 및 가스가 열교환기로부터 유출하는 출구를 포함한다. 또한, 열교환기는, 입구를 출구로부터 분리하고 가스 중 적어도 일부를 고온 표면으로 또는 고온 표면 위로 향하게 하기 위한 배플 (baffle), 및 가스를 냉각시키고 가스를 열교환기로 되돌리도록 되어 있는 재순환 시스템을 포함한다.
제 2 태양에 따르면, 본 발명은 고순도 규소를 생성하는데 이용하기에 적합한 주조 기구에 관한 것이다. 기구는 공급원료를 담는 도가니, 및 도가니의 적어도 일부와 열적 접촉하는 제 1 열교환기를 포함한다. 또한, 기구는, 열 싱크와 열적 접촉하고 제 1 열교환기와 유체 소통하는 제 2 열교환기, 및 기상 (gaseous) 열전달 유체를 순환시키기 위한, 제 1 열교환기 및 제 2 열교환기와 유체 소통하는 원동력 (motive force) 장치를 포함한다. 제 1 열교환기는 도가니와 접촉하는 그래파이트 (graphite) 고온 표면, 기상 열전달 유체가 열교환기로 유입하기 위한 입구, 기상 열전달 유체가 열교환기로부터 유출하기 위한 출구, 및 입구를 출구로부터 분리하고 기상 열전달 유체 중 적어도 일부를 고온 표면으로 향하게 하기 위한 배플을 포함한다.
제 3 태양에 따르면, 본 발명은 고순도 규소를 생성하는데 이용하기에 적합한 재료의 냉각 방법에 관한 것이다. 본 방법은 제 1 열교환기를 도가니의 적어도 일부와 열적으로 접촉시키는 단계, 및 원동력 장치로 제 1 열교환기를 통해 기상 열전달 유체를 유동시키는 단계를 포함한다. 또한, 본 방법은, 도가니의 적어도 일부 및 제 1 열교환기를 통해 열을 전도시킴으로써 도가니 내 재료를 냉각시키기 위해, 제 1 열교환기에서 기상 열전달 유체를 가열하는 단계, 및 기상 열전달 유체를 제 2 열교환기로 유동시키는 단계를 포함한다. 또한, 본 방법은 열 싱크와 열적으로 접촉시킴으로써 제 2 열교환기에서 기상 열전달 유체를 냉각시키는 단계, 및 기상 열전달 유체를 재순환시키기 위해 상기한 단계들을 반복하는 단계를 포함한다. 제 1 열교환기를 통한 유동은 조정된 (tailored) 가스 유동을 위한 입구 헤더를 통한 통과 및 조정된 가스 유동을 위한 출구 헤더를 통한 통과를 포함한다.
제 4 태양에 따르면, 본 발명은 본 발명의 기구 및/또는 방법을 이용하여 제조되는 고순도 규소 잉곳을 포함하고, 상기 잉곳은 태양전지 및 솔라 모듈 (solar module) 에의 이용에 적합하다.
본 명세서의 일부로서 포함된 첨부 도면이 본 발명의 실시형태를 보여주며, 상세한 설명과 함께, 본 발명의 특징, 이점 및 원리를 설명하는데 기여한다.
도 1 은 일 실시형태에 따른 주조 기구의 측단면도이다.
도 2 는 일 실시형태에 따른 열교환기의 측단면도이다.
도 3 은 일 실시형태에 따른 열교환기의 저면도이다.
도 4 는 일 실시형태에 따른 천공 플레이트의 평면도이다.
본 발명은 고순도 규소를 주조하고/주조하거나 결정을 성장시키기 위해 가스 재순환 열교환기를 이용하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 일 실시형태에 따르면, 가스 재순환 열교환기는 공지된 주조 로 (casting furnace) 의 저온 벽으로의 복사 감속제 (radiation moderator) 로서 역할하는 큰 그래파이트 블록 또는 얇은 그래파이트 절연층을 대신할 수 있다. 종래 그래파이트 블록은 약 1,300 ℃ 보다 더 높은 온도를 달성한 후, 25 ℃ 수냉 벽 또는 열 싱크로 복사한다. 이러한 큰 온도차 (약 1,200 ℃ 초과) 는 과잉 열 또는 온도가 수냉 벽에 도달할 위험을 증가시키고, 또한 액체 규소가 수냉 벽으로 이동하거나 수냉 벽에 도달하는 고온 경로가 형성될 위험을 증가시킨다. 용융 규소를 수냉 요소와 접촉시키면, 용량 감소 또는 주조 규소의 출력 손실과 같은 안전성 및/또는 신뢰성 문제가 발생할 수 있다.
바람직하게는, 가스 재순환 열교환기는 수냉 구획으로부터 고온 영역을 격리시킬 수 있고, 주된 열 제거 메커니즘인 물로의 직접 경로를 허용하지 않는다. 용융 또는 액체 규소 브리치 및/또는 유출 (spill) 이 발생한다면, 수냉 요소로의 용융 규소의 직접 경로의 제거는 안전성 인자를 증가시킨다. 가변 진동수 드라이브를 통해 블로어 속도를 변화시키거나, 액추에이터로 제어 밸브 (댐퍼) 의 위치를 이동시키는 등 열전달 유체의 질량 유량을 변화시킴으로써 감속 (moderation) 이 달성될 수 있다. 열전달 유체는 임의의 적절한 액체 또는 가스를 포함할 수 있다. 가스는 임의의 적절한 물질, 예컨대 아르곤, 헬륨, 질소 및/또는 이들의 혼합물이나 조합일 수 있다.
물이 아닌 주된 열전달 매체를 이용하면, 2차 동력 생성 및/또는 폐열 회수에 이용되는 스팀 또는 고온 유체와 같이, 다른 매체로 전달될 수 있는 고품질 열을 회수할 수 있다. 주된 유체로서 물을 이용하는 공지된 시스템의 경우, 단지 35 ℃ 출구 온도가 달성되고, 이는 엔탈피를 낮은 값으로 떨어뜨려 2차 이용이 불가능하다.
일 실시형태에 따르면, 가스 재순환 열교환 시스템은 고온으로부터 가변 열 추출을 제공하며, 여기서 물 또는 다른 증발가능한 유체의 이용으로 인해 부적절한 폭발 위험이 존재한다. 높은 주 냉매 온도로 인해, 프로세스 열 회수 또는 동력 생성이 가능하다. 본 발명은 여러 다른 프로세스로부터의 국부적인 열 추출, 및 고온 보디로부터 물로의 직접 노출을 격리시키는 안전성 인자를 제공할 수 있다. 적절한 재료는 열교환을 위한 그래파이트 및 열전달 매체로서의 아르곤을 포함할 수 있다.
본 발명의 열교환기는, 완전히 둘러싸인 또는 밀봉된 냉각 가스 경로 또는 회로를 제공하기 위해, 입구 파이프 및 출구 파이프를 포함할 수 있다. 냉각 가스 경로는, 용융 규소의 표면 위의 불활성 가스 블랭킷팅 (blanketing) 시스템과 같이, 규소 주조 시스템의 다른 요소로부터 독립적일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 냉각 가스 경로는 액체 규소와 접촉하는 가스로부터 냉각 루프에서의 가스의 더 용이한 및/또는 더 믿을 수 있는 분리를 허용 또는 제공할 수 있다. 액체 규소와 접촉하는 가스는 예컨대 일산화규소, 액체 규소와 실리카 도가니 사이의 반응의 기상 생성물을 포함할 수 있다.
두 개별 가스 볼륨의 혼합 또는 교차 오염으로 인해, 일산화규소로 오염된 가스가 열교환기 루프로 들어갈 수 있고, 고체 일산화규소가 열교환기의 열전달 표면에 퇴적될 수 있다. 일산화규소는 열전달 능력을 열화 또는 감소시켜, 생산성 및/또는 규소 잉곳의 질을 떨어뜨릴 수 있다.
대안으로서, 본 발명의 기구는, 예컨대 불활성 분위기를 위해, 용융 규소에 또는 용융 규소를 가로질러 냉각 가스 유동의 일부를 제공할 수 있다. 재순환 시스템은 예컨대 일산화규소 및/또는 다른 잠재적인 오염물질 또는 바람직하지 않은 성분을 제거하기 위해, 필터, 트랩 등을 포함할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 주조 기구의 구조는 세척 또는 교체를 위한 제 1 열교환기의 용이한 삽입 및/또는 제거를 더 용이하게 한다.
바람직하게는, 배플 플레이트 또는 천공 플레이트는 예컨대 고온 표면 내로의 가스 유동의 적어도 일부를 충돌시키기 위해 구멍 또는 제트 (jet) 를 포함할 수 있다. 천공 플레이트는 예컨대 구멍 위치 및/또는 크기의 다른 패턴으로 수정 및/또는 대체될 수 있다. 열교환기의 디자인은, 규소 잉곳의 응고 패턴을 최적화하기 위해, 국부적으로 조정된 도가니의 저부를 가로지르는 열 추출을 위한 용이한 방식을 제공할 수 있다.
열 추출 패턴의 다른 조정 (tailoring) 은, 예컨대 열교환기의 양측에 있는 일반적으로 원뿔형인 입구 연결부 및/또는 배출 경로의 크기 및/또는 형상을 수정함으로써, 용이하게 획득될 수 있다. 선택적으로 및/또는 부가적으로, 열 추출 패턴은 입구 및 출구 가스 경로의 일부에 열적 절연을 선택적으로 적용함으로써 수정될 수 있다.
응고 프로세스 동안, 응고 전면 (solidification front) 은 임의의 적절한 속도 및/또는 형상으로 진행될 수 있다. 냉각 속도가 더 빨라지거나 더 커져 사이클이 더 짧아지면, 동일한 기구로부터 부가적인 체적의 규소가 생성될 수 있다. 냉각이 너무 빨리 진행되면, 잉곳의 품질이 떨어질 수 있다 (결정화를 방해할 수 있다).
일 실시형태에 따르면, 가스 냉각 열교환기 및 도가니는, 예컨대 약 0.1 대 약 1.0 (가스 냉각 대 종래 복사 냉각) 의 사이클 시간 비, 약 0.2 대 약 1.0, 약 0.5 대 약 1.0, 약 0.75 대 약 1.0, 약 0.9 대 약 1.0 등와 같이, 종래 복사 냉각 열교환기 및 도가니보다 더 적은 사이클 시간을 포함한다.
응고 전면은 예컨대 전체적으로 볼록한 형상으로부터 전체적으로 오목한 형상까지 임의의 적절한 형상을 포함할 수 있다. 응고 전면의 형상은 주조 또는 결정화의 다른 단계 동안 제어 및/또는 조절될 수 있다.
도 1 은 일 실시형태에 따른 주조 기구 (10) 의 측단면도이다. 주조 기구 (10) 는 열 회수를 위한 열전달 장치의 캐스케이드 (18) 를 형성하도록 제 1 열교환기 (12), 제 2 열교환기 (14), 및 선택적으로 제 3 열교환기 (16) 를 포함한다. 주조 장치 (10) 는 공급원료 (30) 및 선택적으로 시드층 (28) 을 유지하거나 담기 위한 저부 (22) 를 갖는 도가니 (20) 를 포함한다. 주조 장치 (10) 는 예컨대 열교환기 (12, 14, 16) 와 유체 소통하는 원동력 장치 (24) 를 또한 포함한다. 주조 장치는 예컨대 공급원료 (3) 를 용융하기 위한 1 이상의 히터 (26) 를 포함할 수 있다.
재순환 시스템 (32) 은 냉각기 (34) 및 순환 장치 (38) 를 포함할 수 있다. 열 싱크 (36), 예컨대 유동 냉각수, 보일러 급수 (feedwater), 공기 등은 열교환기 (14, 16) 에 상징적인 화살표로 나타내었다.
도 2 는 일 실시형태에 따른 열교환기 (40) 의 측단면도이다. 열교환기 (40) 는 배플 (48) 에 의해 출구 (46) 로부터 분리되어 있는 입구 (44) 와 함께 고온 표면 (42) 을 포함한다. 배플 (48) 은 전체적으로 삼각형의 형상을 포함할 수 있다. 입구 (44) 는 화살표로 나타낸 바와 같이 기상 열전달 유체의 유동을 공급하기 위해 입구 헤더 (50) 와 연결된다. 출구 (46) 는 고온 표면 (42) 으로부터의 기상 열전달 유체의 유동을 수집하기 위해 출구 헤더 (52) 와 연결된다. 바람직하게는, 일련의 개구 (60) 를 포함하는 천공 플레이트 (54) 가 고온 표면 (42) 의 일 측을 따라 또는 일 측에 대해 기상 열전달 유체를 분배한다. 개구 (60) 는 격자를 형성하도록 전체적으로 행과 열을 지어 정렬될 수 있다.
도 3 은 일 실시형태에 따른 열교환기 (40) 의 저면도이다. 열교환기 (40) 는 예컨대 중앙 가스 입구 (56) 로서 배치 또는 구성된 입구 (44) 를 포함한다. 또한, 열교환기 (40) 는 예컨대 코너 가스 출구 (58) 로서 배치 또는 구성된 출구 (46) 를 포함한다. 입구 (44) 및 출구 (46) 는 일반적으로 다이의 한 측의 스폿 (spot) 으로서 배치될 수 있다. 중앙 가스 입구 (56) 및 4 개의 코너 가스 출구 (58) 는 예컨대 냉각을 최대화하고, 냉각의 분포를 제어하고, 그리고/또는 압력 강하를 최소화할 수 있다.
도 4 는 일 실시형태에 따른 천공 플레이트 (54) 의 평면도이다. 천공 플레이트 (54) 는 예컨대 고온 표면 (42) (도시 안 됨) 의 일부로 및/또는 일부를 가로질러 기상 열전달 유체를 통과시킬 수 있는 개구 (60) 를 포함한다.
더욱이, 여기서 규소의 주조에 대해 기술하였지만, 다른 반도체 재료 및 비금속 결정 재료가 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 주조될 수 있다. 예컨대, 본 발명자는, 본 발명의 실시형태에 합치하는 다른 재료, 예컨대 게르마늄, 비화갈륨 (gallium arsenide), 실리콘 게르마늄, 산화알루미늄 (사파이어의 단일 결정 형태를 포함함), 질화갈륨, 산화아연, 황화아연, 갈륨 인듐 비화물 (gallium indium arsenide), 안티몬화인듐, 게르마늄, 이트륨 바륨 산화물, 란탄족 (lanthanide) 산화물, 산화마그네슘, 산화칼슘, 및 다른 반도체, 산화물, 및 액상의 금속간물질 (intermetallics) 의 주조를 생각하고 있다. 그리고, 금속 및 합금뿐만 아니라 다수의 다른 Ⅲ-Ⅴ 족 또는 Ⅱ-Ⅳ족 재료가 본 발명의 실시형태에 따라 주조될 수 있다.
주조 규소는 다결정 규소, 근접 (near) 다결정 규소, 기하학적 다결정 규소, 및/또는 단결정 규소를 포함한다. 다결정 규소는, 랜덤으로 배향된 다중 결정이 다결정 규소의 보디 내에 위치되어 있는, 약 센티미터급 결정립 크기 분포를 갖는 결정 규소를 가리킨다.
기하학적 다결정 규소 또는 기하학적으로 정돈된 다결정 규소는 다결정 규소의 보디 내에 정돈된 결정이 위치되어 있는, 랜덤하지 않게 정돈된 센티미터급 결정립 크기 분포를 갖는 결정 규소를 가리킨다. 기하학적 다결정 규소는 전형적으로 약 0.5 ㎝ ~ 약 5 ㎝ 의 평균 크기를 갖는 결정립을 포함할 수 있고, 기하학적 다결정 규소의 보디 내 결정립 배향은, 적절한 시드 결정의 조합을 이용하는 것과 같이 소정의 배향결정에 따라 제어될 수 있다.
다결정 규소는 마이크로미터 내지 밀리미터 스케일 결정립 크기 및 결정 규소의 주어진 보디 내에 위치된 다중 결정립 배향을 갖는 결정 규소를 가리킨다. 다결정 규소는 전형적으로 약 서브마이크론 내지 약 마이크론의 평균 크기 (예컨대, 육안으로 개별 결정립을 볼 수 없음) 및 전체에 랜덤하게 분포된 결정립 배향을 갖는 결정립을 포함할 수 있다.
단결정 규소는 재료가 일반적으로 및/또는 실질적으로 동일한 결정 배향을 가지므로 결정립계를 거의 갖지 않는 결정 규소를 가리킨다. 단결정 재료는 1 이상의 시드 결정으로, 예컨대 결정 성장을 설정하기 위해 응고 동안 액체 규소와 접촉하게 되는 한 조각의 결정 재료로 형성될 수 있다. 근접 단결정 규소는 일반적으로, 단결정 규소보다는 더 많지만 일반적으로 다결정 규소보다는 실질적으로 더 적은 결정립계를 갖는 결정 규소를 가리킨다.
전술한 타입 및 종류의 규소는 블록, 잉곳, 브릭, 웨이퍼, 임의의 적절한 형상이나 크기 등으로 주조 및/또는 형성될 수 있다. 규소는 규소의 전기 특성을 변경하기 위해 양 또는 음의 도펀트를 포함할 수 있다.
본 발명으로 제조되는 고순도 규소는 임의의 적절한 레벨의 감소된 불순물을 포함할 수 있다. 불순물은 탄소, 탄화규소, 질화규소, 산소, 다른 금속, 및/또는 일반적으로 태양 전지 또는 솔라 모듈의 효율을 감소시키는 물질을 폭넓게 포함한다. 잉곳은 약 2 × 1016 원자/㎤ ~ about 5 × 1017 원자/㎤ 의 탄소 농도, 약 7 × 1017 원자/㎤ 를 초과하지 않는 산소 농도, 및 적어도 약 1 × 1015 원자/㎤ 의 질소 농도를 포함할 수 있다. 또한, 바람직하게는, 잉곳은, 회전 (스피닝) 프로세스 및/또는 풀링 (pulling) 의 이용없이 이루어지는 것처럼, 반경방향으로 분포된 결함이 실질적으로 없을 수 있다.
고온은 적어도 약 500 ℃, 적어도 약 1,000 ℃, 적어도 약 1,400 ℃, 적어도 약 1,420 ℃ (규소의 용융점), 적어도 약 1,450 ℃, 적어도 약 1,500 ℃, 및/또는 임의의 적절한 수 또는 범위와 같은 상승된 또는 증가된 온도를 폭넓게 포함한다.
일 실시형태에 따르면, 본 발명은 고순도 규소를 생성하는데 이용하기에 적절한 가스 순환 열교환기를 포함할 수 있다. 열교환기는, 가스가 열교환기로 유입하기 위한 입구 및 가스가 열교환기로부터 유출하기 위한 출구와 함께, 도가니와의 열적 접촉을 위한 고온 표면을 포함할 수 있다. 본 발명은 입구를 출구로부터 분리하고 가스 중 적어도 일부를 고온 표면으로, 고온 표면에 대해, 고온 표면을 따라, 그리고/또는 고온 표면에 걸쳐 향하게 하기 위한 배플, 및 가스를 냉각시키고 가스를 열교환기로 되돌리도록 되어 있는 재순환 시스템을 포함할 수 있다.
용어 "열교환기" 는 한 물질로부터 다른 물질로, 물질의 혼합없이, 열 (엔탈피) 또는 온도 (내부 에너지) 를 전달하는 장치를 폭넓게 가리킨다. 열교환기는 가열 및/또는 냉각을 위해 이용될 수 있다. 열교환기는 임의의 적절한 크기, 형상, 구조, 구성 재료 등을 포함할 수 있다.
용어 "고온 표면" 은 용융 공급원료 또는 규소, 응고화된 생성물 또는 잉곳 (상승된 온도) 등을 담는 도가니의 저부와 같은, 열원과 접촉하는 열교환기의 일부를 폭넓게 가리킨다. 고온 표면이 도가니로부터 열전달 유체 (가스 등) 로의 열의 유동을 전달, 운반 및/또는 허용하는 것이 바람직하지만, 필수적인 것은 아니다. 고온 표면은 임의의 적절한 크기 및/또는 형상을 가질 수 있다. 고온 표면은 일반적으로 편평한 외부, 일반적으로 편평한 외측, 및/또는 열원과 접촉하기에 적절한 임의의 다른 형상을 포함할 수 있다. 고온 표면은 일반적으로 정사각형 형상, 일반적으로 직사각형 형상 등을 포함할 수 있다. 대안에서, 고온 표면은 고온 표면에서 오목부를 형성하는 측면의 일부 및 저부와 같은 도가니의 일부에 적어도 다소 실질적으로 합치할 수 있다.
용어 "열적 접촉" 은 2 이상의 아이템 (item) 이 한 아이템에서 다른 아이템으로 온도 또는 엔탈피를 전달, 운반 및/또는 교환할 수 있는 것을 폭넓게 가리킨다. 바람직하게는, 열적 접촉은 개재하는 적은 열적 저항 및/또는 절연을 포함한다. 열적 접촉은 직접 및 간접 방법을 포함할 수 있다.
용어 "입구" 는 재료의 유동과 같이 공급 또는 근원을 폭넓게 가리킨다. 입구는 임의의 적절한 크기, 위치, 개수 및/또는 형상을 포함할 수 있다. 일 실시형태에 따르면, 입구는 고온 표면에 대해 중앙에 그리고 일반적으로 고온 표면으로부터 열교환기의 반대측에 위치될 수 있다. 입구는 고온 표면에 대해 일반적으로 병류 (concurrent), 역류, 및/또는 유동의 임의의 다른 적절한 배치를 제공하도록 구성될 수 있다. 바람직하게는, 입구는 가장 큰 냉각 영역과 같이 도가니의 저부의 중간에 대해 배치 또는 위치될 수 있다. 중앙 입구는 가장 차가운 가스 및/또는 가장 많은 질량의 가스를 고온 표면의 중앙과 접촉시킬 수 있다.
용어 "출구" 는 재료의 유동과 같은 유출 또는 출구를 폭넓게 가리킨다. 출구는 임의의 크기, 위치, 개수 및/또는 형상을 포함할 수 있다. 일 실시형태에 따르면, 열교환기는 일반적으로 직사각형 형상의 고온 표면의 각 코너에 대해 배치된 4 개의 출구를 포함할 수 있다. 출구는, 열전달 유체 또는 가스의 유동 및 고온 표면과의 그리고/또는 고온 표면에 대한 직접 접촉을 분배하기 위해 배플에 의해 분리되어 있는 입구와 유체 소통할 수 있다.
용어 "가스" 는 열교환기의 작동 온도 및 압력에서 고상 또는 액상이 아닌 물질을 폭넓게 가리킨다. 가스는 일정한 형상 및 체적이 없는 물질을 포함할 수 있다. 가스는 엔탈피 전달에 적절한 임의의 물질을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 가스는 고온의 그래파이트와 같이, 용융 규소 및 관련 주조 장비에 대해 적어도 다소 불활성일 수 있다. 불활성 가스는 헬륨, 아르곤, 질소, 및/또는 임의의 다른 적절한 물질을 포함할 수 있다.
가스의 유량은 약 5 ㎏/hour ~ 약 10,000 ㎏/hour, 약 100 ㎏/hour ~ 약 5,000 ㎏/hour, 약 1,000 ㎏/hour ~ 약 1,500 ㎏/hour, 약 1,250 ㎏/hour 등과 같은 임의의 적절한 양을 포함할 수 있다.
용어 "유동" 은 스트림에서와 같이 유출 또는 이동을 폭넓게 가리킨다. 유동은 제 1 위치로부터 제 2 위치로의 이동일 수 있다. 또한, 유동은 가스의 구성 입자 또는 부분간에 서로 장소의 계속적인 변화를 갖는 이동과 같은 순환일 수 있다.
용어 "배플" 은 유체와 같은 유동 또는 통과를 편향, 방향설정, 체크, 조절 및/또는 가속하는 장치를 폭넓게 가리킨다. 배플은 짧은 순환을 방지하도록 출구로부터 입구를 분할 또는 분리할 수 있다. 바람직하게는, 배플은 고온 표면으로부터 열을 제거하도록 고온 표면의 적어도 일부 위에서, 일부를 가로질러, 그리고/또는 일부에 대해, 가스 또는 열전달 유체의 유동의 적어도 일부를 방향설정 또는 안내할 수 있다. 배플은 가스가 고온 표면에 임의의 적절한 각도로 (고온 표면에 일반적으로 수직하게) 충돌 또는 접촉하게 할 수 있다.
용어 "재순환 시스템" 은 열교환기 (규소 냉각기) 의 출구로부터의 가스 또는 열전달 유체를 냉각시키고 냉각된 가스 또는 열전달 유체를 열교환기의 입구로 되돌리는 장치를 폭넓게 가리킨다. 재순환 시스템은 원심성 (centrifugal) 블로어, 재생식 블로어, 진공 펌프, 액체 링 진공 펌프, 이덕터 (eductor), 이젝터 등과 같은 순환 장치 또는 원동력 장치를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 순환 장치는, 예컨대 모터 속도를 변화시키거나 댐퍼를 조절하는 것 등에 의해, 가변 유량을 포함한다. 재순환 시스템은 냉각기, 열교환기 등과 같은 열 싱크를 포함할 수 있다. 열 싱크는 열전달 유체, 냉각수, 보일러 급수, 및/또는 엔탈피를 제거하기에 적절한 임의의 다른 유체 또는 매체를 이용할 수 있다. 대안에서, 재순환 시스템은 고체 공급원료를 예열하도록 제 2 주조 스테이션과 조합된다.
원동력 장치는 임의의 충분한 체적측정 (volumetric) 유량, 올라간 (developed) 헤드 또는 압력 등을 포함할 수 있다. 일 실시형태에 따르면, 원동력 장치는 약 10 ㎝ ~ 약 50 ㎝ 의 수주 (water column) 배출 압력을 생성한다. 바람직하게는, 원동력 장치는 비교적 낮은 배출 헤드 및 높은 체적 스루풋을 갖는 장비를 포함할 수 있다.
열교환기 (규소 냉각기) 는 그래파이트, 탄화규소, 고온 세라믹, 내화재, 질화규소, 실리카, 산화알루미늄, 질화알루미늄, 규산알루미늄, 질화붕소, 지르코늄 인산염, 지르코늄 디보라이드 (zirconium diboride), 하프늄 디보라이드 등과 같은 임의의 적절한 재료를 포함하거나 임의의 적절한 재료로 이루어질 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 열교환기는 입구로부터 출구까지 짧은 순환을 방지하도록 고온 표면에 대해 가스를 분배하기 위해 천공 플레이트 또는 다른 적절한 장치를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 천공 플레이트는, 고온 표면의 저부 측에 대해 또는 일반적으로 도가니 반대편에 위치될 수 있도록, 적어도 일반적으로 고온 표면과 유사한 크기 및/또는 형상을 갖는다. 천공 플레이트는 예컨대 메시 또는 격자를 형성하도록 복수의 구멍 또는 개구를 포함할 수 있다. 천공 플레이트는, 한 폭에 적어도 약 5 개, 한 폭에 적어도 약 10 개, 한 폭에 적어도 약 15 개, 한 폭에 적어도 약 20 개, 한 폭에 적어도 약 50 개 등과 같이 임의의 적절한 개수, 크기 및/또는 형상의 구멍을 포함할 수 있다.
천공 플레이트는 천공 플레이트 폭의 약 0.01 배, 천공 플레이트 폭의 약 0.05 배, 천공 플레이트 폭의 약 0.1 배 등과 같이 임의의 적절한 거리로 고온 표면으로부터 떨어져 있을 수 있다. 천공 플레이트의 일부는 바람직하게는 적어도 일반적으로 또는 실질적으로 고온 표면의 적어도 일부와 평행하다.
바람직하게는, 구멍, 개구 또는 제트가 과도한 압력 강하 또는 헤드 손실 없이 기상 열전달 유체의 유동을 충분히 분배한다. 개구는 일반적으로 정사각형 형상, 일반적으로 직사각형 형상, 일반적으로 원형 형상, 일반적으로 타원형 형상, 임의의 다른 적절한 형상 등을 포함할 수 있다. 일 실시형태에 따르면, 제트는 가스를 고온 표면에 충돌하게 한다.
천공 플레이트는 고온 표면에, 고온 표면에 대해 그리고/또는 고온 표면을 따라 충돌하도록 유동의 방향을 설정하도록, 열교환기의 가스 또는 열전달 유체 유동 경로에 걸쳐 실질적으로 동일한 압력 강하를 생성할 수 있다. 충돌은 냉각 및/또는 가열을 위한 표면에 일반적으로 수직하게 또는 직각으로 열전달 유체의 적어도 일부의 방향을 설정하는 것을 폭넓게 포함할 수 있다. 바람직하게는, 충돌 냉각은 난류 (비층류) 의 증가 및/또는 열전달계수 대 평행 대류 유동의 증가를 포함한다. 선택적으로 및/또는 부가적으로, 가스 유동의 일부는, 예컨대 충돌 후 그리고 출구로의 유동 동안, 고온 표면에 일반적으로 평행할 수 있다.
천공 플레이트의 구멍의 크기 또는 직경은 압력 강하 및/또는 유동 특징을 최적화하도록 위치에 따라 변할 수 있다. 이와 유사하게, 위치 및 구멍 밀도는 최적의 결정 성장을 위한 국부적인 열 제거 특징이 획득되도록 변할 수 있다. 국부적인이라는 표현은 특정 또는 표적 구역 또는 영역을 폭넓게 가리킨다. 모든 가스 또는 열전달 유체가 열교환기의 입구로부터 출구까지 대략 동일한 양의 온도 증가를 포함하는 것이 바람직하지만, 필수적인 것은 아니다.
일 실시형태에 따르면, 천공 플레이트의 개구의 간격 및/또는 밀도는, 중심에 가장 가까운 구멍이 어떤 직경을 갖고 에지 또는 가장자리에 있는 개구가 증가된 및/또는 감소된 직경 또는 간격 (제트 밀도) 을 갖는 세미로그 (semi-log) 관계를 포함할 수 있다. 다른 직경은 압력 강하를 위해 조절될 수 있고, 그리고/또는 도가니의 기하학적 형상을 따른 에지 (열 전도성 측벽) 를 따라 추가적인 또는 더 적은 열을 제거할 수 있다. 구멍을 위한 다른 구성의 구배도 본 발명의 범위에 속한다.
바람직하게는, 열이 제거되면, 제어되지만 빠른 결정화를 통해, 고온 표면을 가로지르는 또는 고온 표면을 통한 일반적으로 일정한 온도 프로파일 및/또는 일반적으로 일정한 열 유속 (heat flux) 을 갖는 것과 같은 양질의 잉곳을 형성할 수 있다. 대안에서, 제거되는 열은 적어도 다소 실질적인 온도 구배 또는 프로파일을 포함할 수 있다.
에지에 있는 개구에 대한 중심에 있는 개구의 직경의 비는 임의의 적절한 양, 예컨대 약 0.01 ~ 약 1.0, 약 0.05 ~ 약 1.0, 약 0.1 ~ 약 1.0, 약 0.5 ~ 약 1.0, 약 1.0 ~ 약 1.0, 약 1.0 ~ 약 1.1, 약 1.0 ~ 약 1.5, 약 1.0 ~ 약 2.0, 약 1.0 ~ 약 5.0, 약 1.0 ~ 약 10.0. 약 1.0 ~ 약 20, 약 1.0 ~ 약 50 등을 포함할 수 있다. 변하는 직경 개구는 크기에 있어 연속적인 및/또는 단계적인 방식으로 일반적으로 점진적으로 증가할 수 있다.
천공 플레이트는 임의의 적절한 퍼센트 개구 영역 (개구 또는 구멍의 총 영역/플레이트의 전체 영역), 예컨대 적어도 약 20 퍼센트, 적어도 약 50 퍼센트, 적어도 약 75 퍼센트, 적어도 약 85 퍼센트, 적어도 약 95 퍼센트 등을 포함할 수 있다. 천공 플레이트는 임의의 적절한 두께, 예컨대 적어도 약 0.5 ㎝, 적어도 약 1 ㎝, 적어도 약 2 ㎝, 적어도 약 5 ㎝ 등을 포함할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 열교환기는, 일반적으로 삼각형의 단면 또는 일반적으로 원뿔형의 단면을 갖고 가스를 입구로부터 고온 표면까지 운반하기 위한 입구 헤더 또는 매니폴드를 포함할 수 있다. 입구 헤더는 임의의 적절한 크기 및/또는 형상을 포함할 수 있다. 열교환기는, 일반적으로 정사각형의 단면 또는 일반적으로 직사각형의 단면을 갖고 가스를 고온 표면으로부터 출구로 수용하기 위한 출구 헤더를 포함할 수 있다. 출구 헤더는 임의의 적절한 크기 및/또는 형상을 포함할 수 있다.
열교환기는, 입구로부터 고온 표면까지 가스를 제어된 패턴 또는 방식으로 운반하기 위해, 일반적으로 삼각형의 단면 또는 일반적으로 원뿔형의 단면을 갖는 입구 헤더 또는 매니폴드를 포함할 수 있다. 또한, 열교환기는, 고온 표면으로부터 가스를 제어된 패턴 또는 방식으로 수용하고 가스를 출구로 운반하기 위해, 출구 헤더 또는 매니폴드를 포함할 수 있다. 제어된 패턴은 바람직한 유압 및/또는 열전달 특성 또는 결과를 생성하도록 디자인된 유동을 폭넓게 가리킨다.
열교환기는 임의의 적절한 방식으로, 예컨대 개별 성분 또는 피이스로부터 제조 또는 구성될 수 있다 그래파이트의 블록 또는 브릭이 희망하는 구조 또는 형태로 기계가공, 절단, 톱질, 및/또는 성형될 수 있다. 그래파이트 성분은 임의의 적절한 화학적 또는 기계적 장치 또는 시스템, 예컨대 그래파이트 너트와 볼트에 의해 조립되고, 피치와 결합되고, 휘발성 물질 등을 제거하도록 가열될 수 될 수 있다. 대안에서, 그래파이트 블록은 도가니의 중량과 같은 기계적 또는 화학적 패스너없이 서로에 대해 위치될 수 있고, 열교환기 위에 위치된 공급원료가 피이스 (pieces) 를 제자리에 유지한다. 블록은 약 1 층, 약 2 층, 약 3 층, 약 4 층, 약 5 층, 약 10 층 등과 같이 적절한 층형 (layered) 구조로 조립될 수 있다. 블록 또는 블록들의 일부가, 예컨대 하측 블록이 일반적으로 상측 블록의 오목부에 대응하는 융기부를 포함하는 곳에, 턱솔 이음 (tongue and groove joint) 또는 인터페이스를 포함할 수 있다. 블록 또는 피이스의 다른 구성도 본 발명의 범위에 속한다.
일 실시형태에 따르면, 본 발명은 고순도 규소를 생성하는데 이용하기에 적합한 주조 기구를 포함할 수 있다. 기구는 공급원료를 담기 위한 도가니, 및 도가니의 적어도 일부와 열적 접촉하는 제 1 열교환기를 포함할 수 있다. 기구는, 열 싱크와 열적 접촉하고 제 1 열교환기와 유체 소통하는 제 2 열교환기를 또한 포함할 수 있다. 기구는 기상 열전달 유체를 순환시키기 위한, 제 1 열교환기 및 제 2 열교환기와 유체 소통하는 원동력 장치를 또한 포함할 수 있다.
용어 "주조 기구" 는 용융 단계 동안, 과열 단계 동안, 정련 단계 동안, 정제 단계 동안, 유지 단계 동안, 축적 단계 동안, 응고 단계 동안, 결정화 단계 동안 등과 같이 주조 프로세스의 임의의 위치 및/또는 단계에서 이용되는 장치를 폭넓게 가리킨다. 본 발명의 범위는, 예컨대 개별 융용, 유지 및 응고를 갖는 3 단계와 같이 다중용기 주조 프로세스뿐만 아니라 단일 용기 (vessel) 주조 프로세스를 포함한다.
제 1 열교환기는 이미 설명한 실시형태의 열교환기에 대해 위에서 논의한 특징 및/또는 특성 중 임의의 것을 포함할 수 있다.
용어 "도가니" 또는 "프로세스 용기" 는 높은 정도의 열을 요구하는 물질의 용융 및/또는 가열을 위해 이용되는 내화재 등의 장치를 폭넓게 가리킨다.
제 2 열교환기는 임의의 적절한 장치, 예컨대 두 유체를 간접 열 교환으로 열적으로 접촉시키기 위한 장치를 포함할 수 있다. 일 실시형태에 따르면, 제 2 열교환기는 이중 파이프 디자인, 셸 (shell) 및 튜브 디자인, 핀 (fin) 디자인 등을 포함한다. 제 2 열교환기는 병류, 역류 등을 포함할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 열 싱크는 공기, 냉각수, 보일러 급수, 스팀, 고온 열전달 유체, 브라인 (brine) 용액, 냉수, 냉매, 드라이 아이스, 액체 질소 등을 포함할 수 있다. 열 싱크로서 공기를 이용하는 것은, 예컨대 주조 기구의 주위로 그리고/또는 건물의 외부로 열을 내보내는 것을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 열 싱크와 접촉하기 위한 용융 규소의 경로가 존재하지 않으므로, 더 다양한 물질 및/또는 온도 범위가 이용될 수 있다.
냉각수는 예컨대 냉각탑으로, 관류 (once through) 또는 재순환하는 수성 물질을 폭넓게 포함할 수 있다. 바람직하게는, 냉각수는 예컨대 증가하는 현열에 의해, 온도 변화를 거친다.
보일러 급수는, 예컨대 온도 변화 또는 상 변화 (액체에서 증기로의 상 변화) 를 거치도록, 더 순수한 수성 물질을 포함할 수 있다. 스팀은 수증기를 포함할 수 있고, 비등점보다 높은 열의 부가로 과열될 수 있다. 스팀은 예컨대 전력을 생성하기 위한 증기 엔진, 터빈, 마이크로터빈 등에서 이용될 수 있다.
고온 열전달 유체는 한 장소에서 다른 장소로 열적 에너지를 전달하기 위한 다른 용액 및/또는 화학물질, 예컨대 글리콜, 광유, 실리콘 등을 폭넓게 포함한다.
일 실시형태에 따르면, 기구는 도가니의 저부 및/또는 적어도 일 측에 시드 층을 포함할 수 있다. 시드 층은 연속 측을 형성하는, 희망하는 결정 배향을 갖는 결정 또는 결정들의 그룹을 포함할 수 있다. 시드 층은 주조 목적을 위해 도가니의 1 이상의 측에 합치하도록 이루어질 수 있다. 바람직하게는, 제 1 열교환기와 열적 접촉하는 도가니의 적어도 일부, 예컨대 도가니의 저부는 시드 층에 대응하는 적어도 일부를 포함한다.
제 1 열교환기 및 제 2 열교환기는, 예컨대 물리적 공간, 및 열적 소통 및/또는 유체 소통을 위한 해당 파이프나 도관에 의해, 물리적으로 서로 격리될 수 있다. 대안에서, 제 1 열교환기 및 제 2 열교환기는 서로 통합 및/또는 단일화될 수 있다. 제 2 열교환기는, 열 싱크와 브리칭 (breaching) 액체 규소의 접촉을 회피하도록, 제 1 열교환기보다 더 높은 높이 및/또는 일반적으로 제 1 열교환기 위에 (바람직하게는 바로 위가 아님) 위치될 수 있다. 제 2 열교환기는 주조 기구의 절연부의 외측에 있을 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 제 2 열교환기는 열 값 (heat values) 을 최적화하도록 열 통합을 위해 다른 매체로 열을 내보내는 열교환기의 캐스케이드를 포함할 수 있다. 하나의 가능한 캐스케이드는 포화 스팀으로부터의 스팀의 과열, 예열된 보일러 급수로부터의 스팀의 생성, 보일러 급수의 예열, 및/또는 냉각수의 가온 (warming) 을 포함할 수 있다. 최적의 열 값에서는, 더 높은 열 값 또는 온도를 유지할 수 있고 이를 수득 이익 (gaining benefit) 없이 더 낮은 열 값으로 열화되지 않도록 한다. 열 싱크의 다른 캐스케이드 및 배치도 본 발명의 범위에 속한다.
여기서 이용되는 용어 "갖는" 및 "포함하는" 은 열린 그리고 포괄적인 표현이다. 대안적으로, 용어 "구성되는" 은 닫힌 그리고 배타적인 표현이다. 청구항 또는 상세한 설명에 기재된 어떤 용어를 해석함에 있어 모호함이 있다면, 작성자는 열린 그리고 포괄적인 표현을 의도하는 것이다.
방법 또는 프로세스의 단계의 반복에 대한 순서, 수, 시퀀스 및/또는 제한에 관하여, 작성자는, 명시하지 않는 한, 본 발명의 범위에 단계의 반복의 함축적인 순서, 수, 시퀀스 및/또는 제한을 의도하지 않는다.
일 실시형태에 따르면, 본 발명은 고순도 규소의 생성에 이용하기에 적절한 재료의 냉각 방법을 포함할 수 있다. 본 방법은 제 1 열교환기를 도가니의 적어도 일부와 열적으로 접촉시키는 단계, 및 원동력 장치로 제 1 열교환기를 통해 기상 열전달 유체를 유동시키는 단계를 포함한다. 또한, 본 방법은, 도가니의 적어도 일부 및 제 1 열교환기를 통해 열을 전도시킴으로써 도가니 내 재료를 냉각시키기 위해, 제 1 열교환기에서 기상 열전달 유체를 가열하는 단계, 및 기상 열전달 유체를 제 2 열교환기로 유동시키는 단계를 포함한다. 또한, 본 방법은 열 싱크와 열적으로 접촉시킴으로써 제 2 열교환기에서 기상 열전달 유체를 냉각시키는 단계, 및 필요에 따라, 기상 열전달 유체를 재순환시키기 위해 상기한 단계들을 반복하는 단계를 포함한다.
일 실시형태에 따르면, 본 발명은 고순도 규소의 생성에 이용하기에 적절한 재료의 냉각 방법을 포함할 수 있다. 본 방법은 제 1 열교환기를 도가니의 적어도 일부와 열적으로 접촉시키는 단계, 및 원동력 장치로 제 1 열교환기를 통해 기상 열전달 유체를 유동시키는 단계를 포함하며, 유동은 조정된 가스 유동을 위한 입구 헤더를 통과하고, 유동은 조정된 가스 유동을 위한 출구 헤더를 통과한다. 또한, 본 방법은, 도가니의 적어도 일부 및 제 1 열교환기를 통해 열을 전도시킴으로써 도가니 내 재료를 냉각시키기 위해, 제 1 열교환기에서 기상 열전달 유체를 가열하는 단계, 및 기상 열전달 유체를 제 2 열교환기로 유동시키는 단계를 포함한다. 또한, 본 방법은 열 싱크와 열적으로 접촉시킴으로써 제 2 열교환기에서 기상 열전달 유체를 냉각시키는 단계, 및 기상 열전달 유체를 재순환시키기 위해 상기한 단계들을 반복하는 단계를 포함한다. 조정된 가스 유동은 형상화된 (shaped), 패턴화된 (patterned), 영향받은 (influenced) 등의 임의의 적절한 유동을 폭넓게 가리킨다. 조정된 가스 유동은 국부적인 열 전달 능력 및/또는 기여를 제공할 수 있다.
제 1 열교환기를 도가니의 적어도 일부와 열적으로 접촉시키는 단계는, 고온 표면의 편평한 부분을 도가니의 저부 구획과 함께 위치시키거나 정렬시키는 것을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 고온 표면 및 도가니는 서로 잘 접촉하고, 도가니와 공급원료의 중량이 아이템들 사이의 접촉을 증가시킬 수 있다. 다른 네스팅 (nesting) 또는 기하학적 형상이 본 발명의 범위에 속한다. 도가니는 천공 플레이트로부터 고온 표면의 반대측에 위치될 수 있다.
원동력 장치로 제 1 열교환기를 통해 기상 열전달 유체를 유동시키는 단계는, 예컨대 불활성 가스 공급부로부터, 새로운 또는 보충 가스를 공급하는 것을 포함할 수 있다. 유동은 적절한 파이프, 튜빙, 도관, 덕트, 경로 등을 통과하는 것일 수 있다. 대안에서, 기상 열전달 유체는 냉각기로부터의 복귀와 같이 재순환 또는 재사용되는 재료를 포함할 수 있다. "루프" 냉각의 실시형태가 본 발명의 범위에 속한다. 새로운 기상 열전달 유체는 가압 근원, 액화 근원 또는 극저온 근원으로부터 공급되는 증발기로부터와 같이 더 낮은 온도를 포함할 수 있다. 유동은, 도가니 내 규소로부터의 융해 열을 제거하는데 요구되는 것과 같은 임의의 적절한 유량 및/또는 압력을 포함할 수 있다.
도가니의 적어도 일부 및 제 1 열교환기를 통해 열을 전달하거나 유동시킴으로써 도가니 내 재료를 냉각시키기 위해, 제 1 열교환기에서 기상 열전달 유체를 가열하는 단계는, 임의의 적절한 온도차를 포함할 수 있다. 일반적으로 고온 도가니와 기상 열전달 유체 사이의 온도차가 커질수록, 에너지가 더 많이 전달될 수 있다. 온도차는 적어도 약 10 ℃, 적어도 약 100 ℃, 적어도 약 250 ℃, 적어도 약 500 ℃, 적어도 약 750 ℃, 적어도 약 1,000 ℃ 등일 수 있다.
열전달 (가열 및/또는 냉각) 은 대류, 전도, 복사, 증발, 다른 적절한 상 변화 등에 의해 일어날 수 있다. 도가니의 열전달 부분은 저부, 측면의 일부 등을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 도가니 내 재료가 냉각되면, 응고 또는 결정화된 규소가 예컨대 위에서 논의한 형태로 얻어진다.
기상 열전달 유체를 제 2 열교환기로 유동시키는 단계는, 예컨대 열이 수집되기보다 내보내지는 것을 제외하고는, 제 1 열교환기를 통해 기상 열전달 유체를 유동시키는 단계에 대해 전술한 특징을 포함할 수 있다.
부가적인 처리 단계 및/또는 장비, 예컨대 필터, 산소 스캐빈저 (scavenger), 콜드 트랩, 건조제 등이 기상 열전달 유체와 함께 이용될 수 있다. 부가적인 장비 또는 단계는 임의의 적절한 위치, 예컨대 원동력 장치의 흡입부 또는 배출부에 있을 수 있다.
열 싱크와 열적으로 접촉시킴으로써 제 2 열교환기에서 기상 열전달 유체를 냉각시키는 단계는 기상 열전달 유체의 온도를 감소시키는 임의의 적절한 단계를 포함할 수 있다. 냉각은 대류, 전도, 복사 등에 의할 수 있다. 냉각은 기상 열전달 유체를 갖는 1 이상의 스트림 사이의 간접 열전달에 의할 수 있다.
기상 열전달 유체를 재순환시키거나 재활용하기 위해 상기한 단계들을 반복하는 단계는 루프 및/또는 폐쇄 회로를 형성하는 것을 포함할 수 있다. 루프는 임의의 적절한 체적 및/또는 유량을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 유량은, 가열 동안 시드 층을 유지하기 위해 냉각을 위한 비교적 작은 유동을 갖는 한편 용융 후 응고를 위한 냉각 동안 비교적 더 큰 유동을 갖는 것처럼, 주조 프로세스 동안 달라질 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 제 1 열교환기 전의 기상 열전달 유체의 온도는 약 100 ℃ 미만, 약 300 ℃ 미만, 약 500 ℃ 미만 등과 같은 임의의 적절한 값을 포함할 수 있다. 제 2 열교환기 전의 기상 열전달 유체의 온도는 적어도 약 250 ℃, 적어도 약 500 ℃, 적어도 약 750 ℃, 적어도 약 1,000 ℃ 등과 같은 임의의 적절한 값을 포함할 수 있다.
제 1 열교환기 (입구에서 출구까지) 를 가로지르는 기상 열전달 유체의 온도의 변화는 적어도 약 50 ℃, 적어도 약 100 ℃, 적어도 약 250 ℃, 적어도 약 500 ℃, 적어도 약 750 ℃ 등을 포함할 수 있다.
기상 열전달 유체는 임의의 적절한 물질, 예컨대 작동 온도 및/또는 범위에서 열교환기의 재료에 대해 불활성인 가스를 포함할 수 있다. 일 실시형태에 따르면, 기상 열전달 유체는 아르곤, 헬륨, 질소, 또는 이들의 혼합물이나 조합 등을 포함할 수 있다.
혼합물 중 가스의 비는 임의의 적절한 양, 예컨대 2원 혼합물의 경우 약 95 : 5, 약 90 : 10, 약 80 : 20, 약 70 : 30, 약 60 : 40, 약 50 : 50 등을 포함할 수 있다. 비는 임의의 적절한 방식으로, 예컨대 (표준 조건에서 또는 실제 조건에서) 몰 기초로, 질량 기초로, 체적 기초 등으로 측정될 수 있다. 임의의 적절한 비의 3 종 이상의 가스의 혼합물도 본 발명의 범위에 속한다. 일 실시형태에 따르면, 아르곤이나 헬륨 단독의 경우보다 더 큰 열전달계수를 갖도록 가스 혼합물은 90 체적% 아르곤 및 10 체적% 헬륨을 포함한다.
일 실시형태에 따르면, 상기 방법은 전술한 바와 같이 천공 플레이트로 제 1 열교환기의 고온 표면을 가로질러 또는 고온 표면을 따라 기상 열전달 유체를 분배하는 단계를 또한 포함할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 제 1 열교환기를 통해 기상 열전달 유체를 유동시키는 단계는, 제 1 열교환기의 입구를 통해 기상 열전달 유체를 유동시키는 단계, 및 천공 플레이트 및/또는 고온 표면에 유동을 분배하도록 일반적으로 삼각형의 단면, 일반적으로 원뿔형 및/또는 다른 적절한 형상을 갖는 입구 헤더를 통해 기상 열전달 유체를 유동시키는 단계를 포함할 수 있다. 제 1 열교환기를 통해 기상 열전달 유체를 유동시키는 단계는, 일반적으로 편평한 외부 및 일반적으로 정사각형의 형상 또는 일반적으로 직사각형의 형상을 갖는 고온 표면을 가로질러 기상 열전달 유체를 유동시키는 단계를 또한 포함할 수 있다. 배플은 출구 헤더로부터 입구 헤더를 분리할 수 있다. 제 1 열교환기를 통해 기상 열전달 유체를 유동시키는 단계는, 일반적으로 정사각형의 단면 또는 일반적으로 직사각형의 단면을 갖는 출구 헤더를 통해 기상 열전달 유체를 유동시키는 단계, 및 제 1 열교환기의 출구를 통해 기상 열전달 유체를 유동시키는 단계를 또한 포함할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 제 1 열교환기에서 기상 열전달 유체를 가열하는 단계는, 단결정 규소, 다결정 규소 등을 형성하도록 용융 또는 액체 공급원료를 냉각, 응고 및/또는 결정화하는데 필요한 열 제거를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 냉각 속도는, 용융 동안 냉각이 없는 한편 응고 동안 완전한 냉각과 같이, 주조 프로세스의 다른 단계 동안 변할 수 있다. 대안에서, 냉각은 용융으로부터 시드 층의 일부를 유지하도록 용융 단계 동안 계속될 수 있다. 초기 응고 동안 냉각의 제 1 레벨 및 응고의 완료 근처에서의 냉각의 더 큰 제 2 레벨과 같이, 냉각의 변화하는 또는 변하는 레벨이 본 발명의 범위에 속한다.
일 실시형태에 따르면, 본 발명은 규소 (용융 또는 고체) 와 접촉하는 가스의 압력보다 더 높은 (증가된) 압력에서 가스 냉각 루프를 작동하는 프로세스 또는 방법을 포함할 수 있다. 증가된 압력은 강화된 열전달 능력을 포함할 수 있고 (가스의 열전달계수는 압력에 따라 증가함), 냉각 열교환기 루프 내로의 일산화규소 오염 가스의 진입 또는 들어감을 방지하도록, 냉각 루프로부터 외부를 향하는 가스의 임의의 누출을 제공할 수 있다. 일산화규소는 그래파이트 또는 탄소 성분과 반응하여, 규소를 오염시키고 그리고/또는 성분의 작동 수명을 감소시킬 수 있는 일산화탄소를 형성할 수 있다. 또한, 일산화규소 진입은 열전달 성분의 내부 표면에의 퇴적을 야기하여, 열전달 효율을 감소시키는 경계층 코팅을 형성할 수 있다. 규소 환경에 대한 더 높은 상대 압력에서의 작동은 이러한 열화를 회피하려는 것이다.
압력 차 (pressure differential) 는 임의의 적절한 양, 예컨대 적어도 약 2 ㎝ 절대 수주 (water column absolute), 적어도 약 10 ㎝ 절대 수주, 적어도 약 100 ㎝ 절대 수주 등일 수 있다. 냉각 루프의 작동 압력은 임의의 적절한 압력, 예컨대 적어도 약 5 ㎝ 의 절대 수주, 약 100 ㎝ 의 절대 수주, 약 500 ㎝ 의 절대 수주, 약 1,000 ㎝ 의 절대 수주, 약 5,000 ㎝ 의 절대 수주, 약 10,000 ㎝ 의 절대 수주 등일 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 가스 재순환 열교환기는 많은 주조 사이클로, 예컨대 적어도 약 1,000 시간의 작동, 적어도 약 5,000 시간의 작동, 적어도 약 10,000 시간의 작동 등으로 이용될 수 있다.
예
본 발명의 일 실시형태에 따른 가스 재순환 열교환기가 전산 유체 역학을 이용하여 모델링되었다. 기상 열전달 유체로서 아르곤을 이용하였고, 아르곤의 유량은 260 ℃ 및 대기압에서 1,248 ㎏/hour 이었다. 열교환기는 20 ℃ 에서 Kelvin 당 117.7 watt/m, 200 ℃ 에서 Kelvin 당 51.0 watt/m, 500 ℃ 에서 Kelvin 당 40.8 watt/m 의 열전도도를 갖는 그래파이트를 이용하여 모델링되었고, 이들 세 점 사이에서 선형 보간되었다. 비다공성 (non-porous) 탄소가 Kelvin 당 10.4 watt/m 의 열전도도를 이용하여 모델링되었다. 그래파이트의 방사율은 0.8 이었다. 모든 외부 표면은 가열된 윗면을 제외하고 단열로 모델링되었으며, 윗면은 40 킬로와트의 열 유속으로 모델링되었다. 입구 및 출구는 국부적인 유체 온도에서 모델링되었다. 열교환기는 1/8 대칭으로 모델링되었고, 즉 삼각형 웨지 (파이 피이스) 로 모델링되었다. 모델은 복사에 의한 열전달을 포함하였다.
모델링 결과, 가스로 전달되는 동력은 40 킬로와트였고, 평균 가스 출구 온도는 477 ℃, 정적 압력 강하는 35.1 밀리바였다. 모델은 배플 및 천공 플레이트에 의해 분배되는 중앙 입구 공급부로부터의 가스를 보여주었다. 고온 윗면은 영역의 약 25 % 의 약 754 ℃ 로부터 코너 및 맨끝측에서의 약 718 ℃ 까지의 온도 구배를 가졌다. 입구 근방의 천공 플레이트 아래의 약 50 % 영역은 약 260 ℃ 의 온도를 가졌다. 가스의 속도는 천공 플레이트를 통한 가스의 약 90 % 이상이 동일한 압력 강하를 가짐을 보여주었다. 입구의 바로 아래에 있는 천공 플레이트의 단지 일부가 대략 2 배 크기의 압력 강하를 보여주었다. 가스는 약 22.9 m/s 의 입구 헤더에서의 평균 속도 및 약 76.2 m/s 의 천공 플레이트의 구멍을 통한 평균 속도를 가졌다.
본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 개시된 구조 및 방법에서의 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있다는 것은 본 기술분야의 당업자에게 자명할 것이다. 특히, 임의의 한 실시형태에 대한 설명은 다른 실시형태에 대한 설명과 자유롭게 조합되어, 2 이상의 요소 또는 제한의 조합 및/또는 변형이 이루어질 수 있다. 여기서 개시된 본 발명의 설명 및 실시를 고려하면, 본 발명의 다른 실시형태가 본 기술분야의 당업자에게 자명해질 것이다. 설명 및 예는 단지 예시적인 것으로 생각되어야 하고, 본 발명의 보호범위는 이하의 청구항에 기재되어 있다.

Claims (21)

  1. 고순도 규소를 생성하는데 이용하기에 적합한 가스 순환 열교환기로서,
    도가니와 열적 접촉하는 고온 표면,
    열교환기로 가스가 유입하기 위한 입구,
    열교환기로부터 가스가 유출하는 출구,
    입구를 출구로부터 분리하고 가스 중 적어도 일부를 고온 표면으로 향하게 하기 위한 배플, 및
    가스를 냉각시키고 가스를 열교환기로 되돌리도록 되어 있는 재순환 시스템을 포함하는 가스 순환 열교환기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 열교환기는 그래파이트를 포함하는 가스 순환 열교환기.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 고온 표면은 일반적으로 편평한 외부, 및 일반적으로 정사각형의 형상 또는 일반적으로 직사각형의 형상을 포함하는 가스 순환 열교환기.
  4. 제 1 항에 있어서, 고온 표면에 대해 가스를 분배하기 위한 천공 플레이트를 더 포함하는 가스 순환 열교환기.
  5. 제 1 항에 있어서, 일반적으로 삼각형의 단면 또는 일반적으로 원뿔형의 단면을 갖고 가스를 입구로부터 고온 표면까지 제어된 패턴으로 운반하기 위한 입구 헤더, 및 고온 표면으로부터 제어된 패턴으로 가스를 수용하고 가스를 출구로 운반하기 위한 출구 헤더를 더 포함하는 가스 순환 열교환기.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 입구는 중앙 가스 입구를 포함하고, 상기 출구는 1 이상의 가스 출구를 포함하는 가스 순환 열교환기.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 재순환 시스템은 냉각기 및 순환 장치를 포함하는 가스 순환 열교환기.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 순환 장치는 가변 유량을 갖는 가스 순환 열교환기.
  9. 고순도 규소를 생성하는데 이용하기에 적합한 주조 기구로서, 상기 주조 기구는
    공급원료를 담는 도가니,
    도가니의 적어도 일부와 열적 접촉하는 제 1 열교환기
    열 싱크와 열적 접촉하고 제 1 열교환기와 유체 소통하는 제 2 열교환기, 및
    기상 열전달 유체를 순환시키기 위한, 제 1 열교환기 및 제 2 열교환기와 유체 소통하는 원동력 장치를 포함하고,
    상기 제 1 열교환기는 도가니와 접촉하는 그래파이트 고온 표면, 기상 열전달 유체가 제 1 열교환기로 유입하기 위한 입구, 기상 열전달 유체가 제 1 열교환기로부터 유출하기 위한 출구, 및 입구를 출구로부터 분리하고 기상 열전달 유체 중 적어도 일부를 고온 표면으로 향하게 하기 위한 배플을 포함하는 주조 기구.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 열교환기는 도가니에 대해 가스를 분배하기 위한 천공 플레이트를 더 포함하는 주조 기구.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 제 2 열교환기는 셸 및 튜브 디자인을 포함하고, 상기 열 싱크는 냉각수, 보일러 급수, 또는 고온 열전달 유체를 포함하는 주조 기구.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 원동력 장치는 원심성 블로어, 재생식 블로어 또는 진공 펌프를 포함하는 주조 기구.
  13. 제 9 항에 있어서, 도가니의 저부에 시드 층을 더 포함하고, 제 1 열교환기와 열적 접촉하는 도가니의 적어도 일부가 도가니의 저부를 포함하는 주조 기구.
  14. 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 열교환기 및 상기 제 2 열교환기는 서로 물리적으로 격리되어 있는 주조 기구.
  15. 제 9 항에 있어서, 상기 제 2 열교환기는 열 통합을 위해 다른 매체로 열을 내보내는 열교환기들의 캐스케이드를 포함하는 주조 기구.
  16. 고품질 규소를 생성하는데 이용하기에 적합한 재료의 냉각 방법으로서, 상기 방법은,
    제 1 열교환기를 도가니의 적어도 일부와 열적으로 접촉시키는 단계,
    원동력 장치로 제 1 열교환기를 통해 기상 열전달 유체를 유동시키는 단계,
    도가니의 적어도 일부 및 제 1 열교환기를 통해 열을 전도시킴으로써 도가니 내 재료를 냉각시키기 위해, 제 1 열교환기에서 기상 열전달 유체를 가열하는 단계,
    기상 열전달 유체를 제 2 열교환기로 유동시키는 단계,
    열 싱크와 열적으로 접촉시킴으로써 제 2 열교환기에서 기상 열전달 유체를 냉각시키는 단계, 및
    기상 열전달 유체를 재순환시키기 위해 상기한 단계들을 반복하는 단계를 포함하고,
    유동 가스는 유동 특성을 조정하도록 입구 헤더를 통과하고, 유동 가스는 유동 특성을 조정하도록 출구 헤더를 통과하는 냉각 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 제 1 열교환기 전의 기상 열전달 유체의 온도가 약 300 ℃ 미만을 포함하고, 상기 제 2 열교환기 전의 기상 열전달 유체의 온도가 적어도 약 500 ℃ 를 포함하는 냉각 방법.
  18. 제 16 항에 있어서, 상기 기상 열전달 유체는 아르곤, 헬륨, 질소, 또는 이들의 조합을 포함하는 냉각 방법.
  19. 제 16 항에 있어서, 천공 플레이트로 제 1 열교환기의 고온 표면에 대해 기상 열전달 유체를 분배하는 것을 더 포함하는 냉각 방법.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1 열교환기를 통해 기상 열전달 유체를 유동시키는 단계는,
    제 1 열교환기의 입구를 통해 기상 열전달 유체를 유동시키는 것,
    일반적으로 편평한 외부 및 일반적으로 정사각형의 형상 또는 일반적으로 직사각형의 형상을 갖는 고온 표면에서 또는 고온 표면을 가로질러 기상 열전달 유체를 유동시키는 것, 및
    제 1 열교환기의 출구를 통해 기상 열전달 유체를 유동시키는 것을 포함하고,
    상기 입구 헤더는 일반적으로 삼각형의 단면 또는 일반적으로 원뿔형의 단면을 갖고,
    배플이 출구 헤더로부터 입구 헤더를 분리하고,
    상기 출구 헤더는 일반적으로 정사각형의 단면 또는 일반적으로 직사각형의 단면을 갖는 냉각 방법.
  21. 제 16 항에 있어서, 제 1 열교환기에서 기상 열전달 유체를 가열하는 단계는, 용융 공급원료를 응고시키거나 고체 생성물을 냉각시키는데 필요한 열 제거를 포함하는 냉각 방법.
KR1020117006940A 2008-08-27 2009-08-21 규소 주조용 가스 재순환 열교환기 KR20110059727A (ko)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US9218608P 2008-08-27 2008-08-27
US61/092,186 2008-08-27
US14301809P 2009-01-07 2009-01-07
US61/143,018 2009-01-07

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20110059727A true KR20110059727A (ko) 2011-06-03

Family

ID=41258812

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020117006940A KR20110059727A (ko) 2008-08-27 2009-08-21 규소 주조용 가스 재순환 열교환기

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20100052218A1 (ko)
EP (1) EP2324145A1 (ko)
KR (1) KR20110059727A (ko)
TW (1) TW201012988A (ko)
WO (1) WO2010027706A1 (ko)

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5486190B2 (ja) * 2006-01-20 2014-05-07 エイエムジー・アイデアルキャスト・ソーラー・コーポレーション 光電変換用単結晶成型シリコンおよび単結晶成型シリコン本体の製造方法および装置
WO2011047484A1 (en) * 2009-10-22 2011-04-28 Renewable Resource Recovery Corp. Wall assembly with photovoltaic panel
US20120280429A1 (en) * 2011-05-02 2012-11-08 Gt Solar, Inc. Apparatus and method for producing a multicrystalline material having large grain sizes
CN102268728B (zh) * 2011-08-01 2013-08-14 上虞晶信机电科技有限公司 用于多晶硅铸锭炉的改进结构的热交换台
CN102234837B (zh) * 2011-08-01 2013-07-24 浙江晶盛机电股份有限公司 气致冷多晶硅铸锭炉的闭式冷却系统
CN103205807A (zh) * 2011-12-28 2013-07-17 江苏有能光电科技有限公司 一种制备准单晶硅的铸锭炉及制备准单晶硅的方法
TWI532890B (zh) * 2012-06-25 2016-05-11 希利柯爾材料股份有限公司 矽之控制定向固化
US9499921B2 (en) 2012-07-30 2016-11-22 Rayton Solar Inc. Float zone silicon wafer manufacturing system and related process
CN102747420B (zh) * 2012-07-31 2014-12-31 常州天合光能有限公司 用于多晶铸锭炉的热交换台及其通气管径变化方法
WO2014105720A1 (en) * 2012-12-24 2014-07-03 Abengoa Solar, Inc. Apparatus, methods, and systems for recovering heat from a metal casting process
EP3175476A1 (en) * 2014-07-31 2017-06-07 Katholieke Universiteit Leuven Method and apparatus for hot jet treatment
CN108441947B (zh) * 2018-06-21 2024-01-02 江苏迩高新能源科技有限公司 硅料铸锭锅炉的冷却水循环系统

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB652162A (en) * 1947-10-07 1951-04-18 James Harold Evans Thermo-pump heating systems
US3798007A (en) * 1969-12-05 1974-03-19 Ibm Method and apparatus for producing large diameter monocrystals
US3653432A (en) * 1970-09-01 1972-04-04 Us Army Apparatus and method for unidirectionally solidifying high temperature material
SE355241B (ko) * 1971-07-07 1973-04-09 Stal Refrigeration Ab
US3898051A (en) * 1973-12-28 1975-08-05 Crystal Syst Crystal growing
US4312184A (en) * 1975-08-08 1982-01-26 Westinghouse Electric Corp. Fluid circulation system for heat exchangers
GB2084978B (en) * 1980-09-26 1984-07-04 Crystal Syst Growing silicon ingots
JPS5939800A (ja) * 1982-08-28 1984-03-05 Kyodo Sanso Kk 半導体用単結晶製造炉における雰囲気用アルゴン回収方法
JP3242292B2 (ja) * 1995-06-15 2001-12-25 シャープ株式会社 多結晶半導体の製造方法および製造装置
JP3020842B2 (ja) * 1995-09-05 2000-03-15 日本エア・リキード株式会社 アルゴン精製方法及び装置
JPH11310496A (ja) * 1998-02-25 1999-11-09 Mitsubishi Materials Corp 一方向凝固組織を有するシリコンインゴットの製造方法およびその製造装置
JP4777880B2 (ja) * 2004-03-29 2011-09-21 京セラ株式会社 シリコン鋳造装置およびシリコンインゴットの製造方法
JP5486190B2 (ja) * 2006-01-20 2014-05-07 エイエムジー・アイデアルキャスト・ソーラー・コーポレーション 光電変換用単結晶成型シリコンおよび単結晶成型シリコン本体の製造方法および装置
CN201034833Y (zh) * 2007-04-03 2008-03-12 上海理工大学 气-气换热器传热性能试验系统
WO2010005705A1 (en) * 2008-06-16 2010-01-14 Gt Solar Incorporated Systems and methods for growing monocrystalline silicon ingots by directional solidification

Also Published As

Publication number Publication date
US20100052218A1 (en) 2010-03-04
WO2010027706A1 (en) 2010-03-11
TW201012988A (en) 2010-04-01
EP2324145A1 (en) 2011-05-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20110059727A (ko) 규소 주조용 가스 재순환 열교환기
CN101790774B (zh) 半导体晶圆在薄膜包衣中的重结晶以及有关工艺
US20090208400A1 (en) Method and crucible for direct solidification of semiconductor grade multi-crystalline silicon ingots
US8741060B2 (en) System and method for liquid silicon containment
CN103046116B (zh) 形成板的装置
TW201009139A (en) Direct silicon or reactive metal casting
US20100140558A1 (en) Apparatus and Method of Use for a Top-Down Directional Solidification System
CN102197169A (zh) 具有独立熔化和固化的铸造系统的设备及使用方法
US5394825A (en) Method and apparatus for growing shaped crystals
EP2705177A2 (en) Apparatus and method for producing a multicrystalline material having large grain sizes
US20060144326A1 (en) Crucibel for a device used for the production of a block of crystalline material, and production method
CN102191542B (zh) 制备高纯定向结晶多晶硅的设备及其制备方法
Sachs et al. Edge stabilized ribbon (ESR) growth of silicon for low cost photovoltaics
US20150337454A1 (en) Controlled directional solidification of silicon
JP2008239438A (ja) 球状結晶の製造方法及び製造装置
JP4817329B2 (ja) 球状結晶の製造方法及び製造装置
Ciszek The capillary action shaping technique and its applications
Dezfoli Optimization of Process Parameters for Silicon Casting Manufacturing Using Fully Transient 3D Modeling Approach
TW201829855A (zh) 形成結晶片的設備以及方法
Takahashi et al. Structural control of dendrite crystals in practical size silicon ingots grown by floating cast method
KR101052711B1 (ko) 용융 금속 냉각 장치
Helmreich Current aspects of silicon casting
Cliber et al. System and method for liquid silicon containment
WO2013099365A1 (ja) 半導体または金属の精製装置
WO2015017098A1 (en) Use of silicon nitride as a substrate and a coating material for the rapid solidification of silicon

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
N231 Notification of change of applicant
E601 Decision to refuse application