KR20140059803A - 이동식 열교환기를 구비한 방향성 응고로 - Google Patents

이동식 열교환기를 구비한 방향성 응고로 Download PDF

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KR20140059803A
KR20140059803A KR1020147006433A KR20147006433A KR20140059803A KR 20140059803 A KR20140059803 A KR 20140059803A KR 1020147006433 A KR1020147006433 A KR 1020147006433A KR 20147006433 A KR20147006433 A KR 20147006433A KR 20140059803 A KR20140059803 A KR 20140059803A
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crucible
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solidification furnace
cooling plates
plate
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벤자민 마이클 메이어
리 윌리암 페리
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엠이엠씨 싱가포르 피티이. 엘티디.
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Abstract

도가니 아래에 배치된 하나 이상의 이동식 냉각판들을 포함한 방향성 응고로가 개시되어 있다. 제 1 위치에서는, 냉각판들은 도가니에 인접 배치된 도가니 지지부와 접촉하지 않는다. 제 2 위치에서는, 냉각판들은 도가니 지지부와 접촉하게 된다. 도가니에 대해 냉각판들에 의해 가해지는 힘의 양을 제어하기 위해 제어 시스템이 사용된다.

Description

이동식 열교환기를 구비한 방향성 응고로{DIRECTIONAL SOLIDIFICATION FURNACE HAVING MOVABLE HEAT EXCHANGERS}
관련 출원에 대한 상호 참조
본원은 2011년 9월 14일자로 출원된 미국 특허 가출원 번호 제61/534,568호를 우선권 주장하며, 상기 미국 특허 가출원은 그 전체 내용이 인용에 의해 본원에 통합되어 있다.
분야
본 발명은 다결정 실리콘 잉곳에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 다결정 실리콘 잉곳의 생산에 사용되는 방향성 응고로의 양태에 관한 것이다.
방향성 응고로는, 예컨대, 다결정 실리콘 잉곳을 생산하기 위해 사용된다. 이러한 로들은 다결정 원료 실리콘이 적재되는 도가니를 갖는다. 도가니는 도가니에 대해 구조적 강성을 부가하는 구조물에 의해 지지된다. 도가니는, 로의 일부를 형성하며 주변 환경으로부터 도가니를 밀봉하는 격납 용기 내에 배치된다.
사용 중, 원료 실리콘은 용융된 다음, 완성된 잉곳 내에서 방향성 응고가 구현되도록 제어된 속도로 냉각된다. 제어된 냉각 속도는 히터에 의해 인가되는 열량의 저감, 도가니를 둘러싼 절연부의 이동 또는 개방, 및/또는 도가니 및/또는 도가니 지지부에 인접하여 배치된 열교환기를 통한 냉각 매체의 순환의 임의의 조합에 의해 확립된다. 잉곳은 도가니의 냉각기 측에 가까운 영역에서 응고되어, 도가니의 냉각기 측으로부터 멀어지는 방향으로 진행한다.
효율을 향상시키고 잉곳 생산에 필요한 비용을 줄이기 위해, 이러한 로에서 생산되는 실리콘 잉곳의 크기가 증대되고 있다. 그러나, 실리콘 잉곳의 질량이 약 600㎏을 초과하도록 증대시키려는 이전의 시도들은 다양한 이유로 인해 실패한 것으로 입증되었다. 큰 질량을 가진(예컨대, 약 600㎏을 초과하는) 실리콘 잉곳과, 그와 같이 큰 잉곳을 생산할 수 있는 로가 필요하다.
이 항목은 후술되어 있으며 그리고/또는 특허청구범위에 청구되어 있는 본 발명의 다양한 양태들과 연관성이 있을 수 있는 다양한 기술 양태들을 독자들에게 소개하기 위한 것이다. 이러한 기재는 본 발명의 다양한 양태들에 대한 보다 나은 이해를 용이하게 하기 위해 독자들에게 배경 정보를 제공하는 데 도움이 될 것으로 여겨진다. 따라서, 이러한 진술들은 이러한 견지에서 읽혀져야 하며, 종래 기술을 인정하는 것으로 이해되어서는 아니된다.
제 1 양태는 다결정 실리콘 잉곳을 생산하기 위한 방향성 응고로에 관한 것이다. 상기 로는 실리콘 장입물을 수용하기 위한 도가니, 상기 도가니를 지지하기 위해 상기 도가니에 인접하여 배치되며, 베이스를 가진 도가니 지지부, 상기 도가니 지지부의 베이스 아래에 배치된 냉각판, 상기 냉각판이 상기 도가니 지지부의 베이스와 접촉하지 않는 제 1 위치와 상기 냉각판이 상기 도가니 지지부의 베이스와 접촉하는 제 2 위치 사이로 상기 냉각판을 이동시키기 위한 리프트 시스템, 및 상기 도가니 지지부의 베이스에 대해 상기 냉각판에 의해 가해지는 힘의 양을 제어하는 제어 시스템을 포함한다.
다른 양태에서, 실리콘 장입물을 수용하기 위한 도가니와 상기 도가니에 인접하여 배치된 지지부를 포함하는, 다결정 실리콘 잉곳을 생산하기 위한 방향성 응고로 내에서 하나 이상의 냉각판들을 승강시키기 위한 시스템이 개시되어 있다. 상기 시스템은 상기 지지부의 베이스 아래에 배치된 하나 이상의 냉각판들, 상기 냉각판들이 상기 도가니 지지부의 베이스와 접촉하지 않는 제 1 위치와 상기 냉각판들이 상기 도가니 지지부의 베이스와 접촉하는 제 2 위치 사이로 상기 냉각판들을 이동시키기 위한 리프트 시스템, 및 상기 도가니 지지부의 베이스에 대해 상기 냉각판들 중 적어도 하나에 의해 가해지는 힘의 양을 제어하는 제어 시스템을 포함한다.
또 다른 양태에서, 방향성 응고로 내에서 다결정 실리콘 잉곳을 생산하기 위한 방법이 개시되어 있다. 상기 방법은 상기 응고로 내에서 도가니 지지부로 지지된 도가니에 다결정 실리콘을 장입하는 단계, 상기 다결정 실리콘을 용융시키는 단계, 상기 도가니 지지부의 베이스 아래에 배치된 하나 이상의 냉각판들을 리프트 시스템을 이용하여, 상기 냉각판들이 상기 지지부의 베이스와 접촉하지 않는 제 1 위치로부터 상기 냉각판들이 상기 지지부의 베이스와 접촉하는 제 2 위치로 이동시키는 단계, 상기 도가니 지지부의 베이스에 대해 상기 냉각판들 중 적어도 하나에 의해 가해지는 힘의 양을 제어 시스템을 이용하여 제어하는 단계, 및 다결정 실리콘 잉곳이 형성되도록 용융된 실리콘을 냉각시키는 단계를 포함한다.
전술한 양태들과 관련하여 언급한 특징들을 가진 다양한 개선안들이 존재한다. 다른 특징들도 역시 전술한 양태들에 포함될 수 있다. 이러한 개선안들 및 부가적인 특징들은 개별적으로 또는 임의의 조합으로 존재할 수 있다. 예를 들면, 예시된 실시예들 중 임의의 실시예에 관련하여 아래에 기술된 여러 특징들이 단독으로 또는 임의의 조합으로 전술한 양태들 중 임의의 양태에 포함될 수 있다.
도 1은 예시적인 방향성 응고로와 열교환기의 개략적인 단면도이다.
도 2는 도어가 제 1 위치에 있는, 도 1의 로에서 사용하기 위한 예시적인 절연 시스템의 사시도이다.
도 3은 도어가 제 2 위치에 있는, 도 2의 절연 시스템의 사시도이다.
도 4는 도 2의 절연 시스템의 정면도이다.
도 5는 도 1의 로와 함께 사용하기 위한, 제 2 위치에 있는 하부 절연 부재의 사시도이다.
도 6은 간명함을 위해 도가니 지지부와 다른 구조물들이 제거된 도 5의 하부 절연 부재의 사시도이다.
도 7은 제 1 위치에 있는 도 6의 하부 절연 부재의 사시도이다.
도 8은 도 1의 로에서 사용하기 위한 4개의 열교환기와 열교환기를 움직이기 위한 리프트 기구의 사시도이다.
도 9 내지 도 16은 다양한 조립 단계에 있는 도 8의 리프트 기구를 도시하고 있다.
도 17은 도 1의 열교환기들 중 하나의 사시도이다.
도 18은 도 17의 열교환기에 사용되는 판의 사시도이다.
도 19는 도 18의 일부를 확대한 도면이다.
도 20은 내부 도관의 일부분의 사시도이다.
도 21은 도 20의 내부 도관과 도 18의 판의 단면도이다.
도 22는 도 17의 열교환기에 사용되는 커버의 사시도이다.
도 23은 도 22의 커버가 판 위에 배치된, 도 21과 유사한 단면도이다.
도 24는 커넥터의 사시도이다.
도 25는 반전된 위치에 있는 도 24의 커넥터의 사시도이다.
도 26은 도 24 및 도 25의 커넥터가 도관에 연결된, 도 23과 유사한 단면도이다.
도 27은 외부 도관이 커넥터에 연결된, 도 26과 유사한 단면도이다.
도 28은 28-28선을 따라 취한 도 17의 터미널 커넥터의 단면도이다.
도 29는 다양한 로에서 제조된 잉곳으로 만들어진 태양광 발전 디바이스의 효율을 도시한 그래프이다.
도 30은 다양한 로에서 제조된 잉곳으로 만들어진 태양광 발전 디바이스의 효율을 도시한 박스 플롯이다.
도 31은 다양한 로에서 제조된 잉곳의 전위 밀도를 비교한 박스 플롯이다.
여러 도면들에 걸쳐 대응하는 참조 부호는 대응하는 부분을 나타낸다.
도면들을 참조하면, 예시적인 방향성 응고로가 도 1에 도시되어 있으며, 전체적으로 "100"으로 표시되어 있다. 상기 로(100)는 다결정 실리콘을 용융하여 다결정 실리콘 잉곳을 생산하기 위해 사용되는 타입이다. 이러한 잉곳은 다른 가능한 용도들 가운데 태양광 발전 디바이스를 제조하는 데 사용될 수 있다. 상기 로(100)는 약 1000㎏을 초과하는 질량을 가진 실리콘 잉곳을 생산하도록 작동될 수 있다.
도 1의 방향성 응고로(100)는 베이스(106)를 가진 도가니(102)를 포함한다. 도가니(102)와 베이스(106)는 도가니에 대해 구조적 강성을 부가하는 지지 벽부(104)를 가진 도가니 지지부(103)에 의해 지지된다. 도가니(102)는 통상적으로 석영이나, 본질적으로 불활성을 유지하면서 고온을 견딜 수 있는 다른 적절한 물질로 구성된다. 도가니(102)는 격납 용기(110)에 의해 둘러싸여 있다. 측면 절연부(109)가 도가니 주위에 배치되며, 선택적으로 도가니로부터 멀리 이동가능할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 측면 절연부(109) 위로 수직하게 상부 절연부(111)가 배치되어 있다.
덮개(112)와 함께, 도가니(102)와 도가니 지지부(103)는 로(100)의 내부 조립체(105)를 형성한다. 다른 실시예에서, 로(100)는 덮개를 포함하지 않을 수 있다. 벽부(104)의 주위와 격납 용기(110) 내에는 히터(108)가 배치된다. 히터(108)는 도가니 내의 장입 물질을 용탕으로 용융시키기 위해 필요한 열을 제공하도록 구성된 적당한 복사 히터일 수 있다. 다른 물질이 고려될 수 있으나, 본 실시예의 장입 물질은 실리콘이다.
일부 실시예에서, 도가니 지지부(103)의 하부(114)는 광범위하게 "지지부" 또는 "지지 구조물"이라 하는 지지 포스트(115)(도 6 및 도 7) 상에 배치될 수 있다. 전체적으로 "200"으로 표시되고 이하에서 구체적으로 설명하는 열교환기는 도가니 지지부(103)의 하부(114)에 인접하여 도가니(102)의 베이스(106)의 하면(116)에 가깝게 배치된다. 하부 절연 부재(400)와 냉각판 리프트 시스템(500)이 도 1에 개략적으로 도시되어 있으며, 이하에서 보다 상세하게 설명한다.
2개의 열교환기(200)(광범위하게, "냉각판"이라 함)가 도 1의 단면도에 개략적으로 도시되어 있으며, 유사한 크기와 구성을 가진 2개의 부가적인 열교환기가 도 1에는 생략되어 있지만, 도 8에는 도시되어 있다. 임의의 개수의 열교환기(200)가 실시예들의 범위를 벗어나지 않고 사용될 수 있다. 열교환기(200)에 대해서는 도 17 내지 도 27과 관련하여 이하에서 상세하게 설명한다.
열교환기(200)는 열교환기를 통해 흐르는 액체 냉각수에 도가니(102)(및 그 내부에 수용된 용탕)로부터의 열을 전달하기 위해 사용된다. 열교환기(200)에는 (도 1에 "150"으로 개략적으로 표시된) 소오스 탱크로부터 "신선한" 냉각수가 공급된다. 열교환기(200)를 통과한 후의 냉각수를 "소모된" 냉각수라 하며, 소모된 냉각수는 (도 1에 "160"으로 개략적으로 표시된) 수용 탱크로 유입된다. 그 다음, 소모된 냉각수는 (예컨대, 냉동 또는 방열 시스템에 의해) 냉각되어, 소오스 탱크(150)로 다시 흐를 수 있다. 그리고, 신선한 냉각수가 열교환기를 통해 다시 흐를 수 있다(즉, 재생될 수 있다). 다른 실시예에서, 소모된 냉각수는 수용 탱크로 유입된 후 폐기되어 재사용되지 않을 수 있다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 도가니(102)를 둘러싸는 측면 절연부(109)에는 도어(300)(루버로 또한 지칭됨)가 형성된다. 도 2 내지 도 4에는, 측면 절연부(109), 상부 절연부(111) 및 지지 구조물(125)만 도시되어 있고, 도가니(100)의 다른 구성 요소들은 간명함을 위해 생략되어 있다. 또한, 간명함을 위해 도 1에는 도어(300)가 생략되어 있다.
각각의 도어(300)는 측면 절연부(109)에 형성된 대응하는 (도 3에 가장 잘 도시된) 개구(302) 내에 들어맞는 크기를 갖는다. 다른 실시예는 다른 개수의 도어를 사용할 수 있지만, 예시적 실시예에서는 측면 절연부(109)의 각 섹션에 2개의 도어(300)가 형성되어 있다. 또한, 다른 실시예들은 측면 절연부(109)에 다르게 배치된 도어들 및/또는 상부 단열부(111)에 배치된 도어들을 사용할 수 있다. 예를 들어, 다른 실시예에서는, 도어가 수직축이 아닌 수평축을 중심으로 회전하도록 구성될 수 있다. 또한, 도어는 슬랫(slat) 또는 윈도우 블라인드와 유사한 형상으로 형성될 수 있다.
도어(300)는 도어의 길이 방향 에지에 배치된 힌지(304)에 의해 측면 절연부(109)에 연결된다. 그리고, 힌지(304)는 지지 구조물(125)에 연결된다. 다른 실시예에서, 로드(미도시) 또는 다른 유사한 구조물이 대체로 도어의 중심선에 인접하여 도어(300)에 연결된다. 로드의 대향 단부들은 개구(302) 및/또는 지지 구조물에 인접하여 측면 절연부(109)에 연결된다. 본 실시예에서, 도어를 개폐할 때, 도어(300)는 로드에 대해 평행한 축을 중심으로 회전하게 된다.
도어(300)는 도어를 개폐하도록 작동가능한 적당한 액추에이터(미도시)에 또한 연결된다. 예시적인 실시예에서는, 2개의 인접한 도어(300)들이 링크 장치(306)에 의해 함께 연결되며, 이에 따라, 인접한 도어들이 일제히 작동하고, 단일의 액추에이터가 도어들을 모두 작동시키도록 작동가능하다.
도 2 및 도 4에 도시된 폐쇄 위치(즉, 제 1 위치)에서, 도어(300)는 측면 절연부(109)에 형성된 개구(302)를 통한 열의 흐름을 실질적으로 제한한다. 도어가 폐쇄되었을 때 도어와 개구 사이에 남아 있는 어떤 공극을 통한 열의 흐름을 더 제한하기 위해, 도어(300) 및/또는 개구(302)의 에지에 배치되는 가스켓, 랩-조인트 또는 다른 구조물(미도시)이 사용될 수 있다.
도 3에 도시된 개방 위치(즉, 제 2 위치)에서, 도어(300)는 측면 절연부(109)에서 노출된 개구(302)를 통한 열의 흐름을 허용한다. 일부 실시예에 따르면, 측면 절연부(109)를 통한 열의 흐름을 제어하기 위해 도어(300)의 회전 위치가 조정될 수 있다. 예컨대, 더 많은 열이 개구(302)를 통과할 수 있도록 하기 위해 도어가 측면 절연부(109)에 대해 수직하게 되도록, 도어(300)가 완전히 개방될 수 있다.
대안적으로, 개구(302)를 통과할 수 있는 열량을 감소시키기 위해 도어가 90°미만의 각도로 배치되도록, 도어(300)가 회전할 수 있다. 이러한 도어 위치를 "중간 위치"라 한다. 중간 위치에 있는 도어(300)의 위치를 조정하여 용탕으로부터의 열전달율을 조절하기 위해, (도 1 및 도 8에 도시된 컨트롤러(550)와 같은) 제어 시스템이 사용될 수 있다.
도 5 내지 도 7은 도가니 지지부(103)의 하부(114)와 열교환기(200)(도 1) 사이에 배치된 하부 절연 부재(400)를 도시하고 있다. 도 5 내지 도 7에서 로(100)의 다른 구성 요소들은 간명함을 위해 생략되었다. 또한, 도 6 및 도 7에서는 도가니 지지부(103)의 하부(114)가 생략되었다.
하부 절연 부재(400)들은 이들이 도가니 지지부(103)의 하부(114) 아래에 배치되는 폐쇄 위치(즉, 제 1 위치)(도 7)와 이들이 도가니 지지부의 하부 아래에 있지 않고 측방향 외측에 배치되는 개방 위치(즉, 제 2 위치)(도 1, 도 5 및 도 6) 사이로 측방향으로 이동가능하다. 절연 부재(400)들이 도가니 지지부(103) 아래에 배치되는 제 1 위치에서, 이 부재들은 도가니 지지부(103)의 하부(114)와 도가니(102)의 베이스(106)의 하면(116)으로부터 열교환기(200)로 열의 흐름을 실질적으로 제한한다. 제 2 위치에서, 이 부재(400)들은 도가니 지지부(103)의 하부(114)와 도가니(102)의 베이스(106)의 하면(116)을 통한 열교환기(200)로의 열의 흐름을 허용한다. 또한, 제 2 위치는 열교환기(200)의 상향 운동을 허용한다.
본원에서는 제 1 위치 또는 제 2 위치에 부재(400)들을 배치하는 것을 참조하고 있으나, 이 부재들은 도가니(100)의 작동 중에 두 위치들 사이에 배치될 수도 있다. 예컨대, 부재(400)들은 도가니(102) 내의 용탕으로부터 도가니 지지부(103)를 통한 열의 흐름을 제어하기 위해 중간 위치에 배치될 수 있다. 이 중간 위치에서, 부재(400)들은 제 1 위치에 있을 때보다 낮은 정도로 도가니 지지부(103)로부터 열의 흐름을 제한한다. 중간 위치에 있는 부재(400)들의 위치를 조정하여 용탕으로부터 도가니(102)와 도가니 지지부(103)를 통한 열교환기(200)로의 열전달율을 조절하기 위해, (도 1 및 도 8에 도시된 컨트롤러(550)와 같은) 제어 시스템이 사용될 수 있다. 또한, 중간 위치는 제 1 위치와 제 2 위치 사이에 있는 부재(400)들의 임의의 위치를 포함한다.
예시적인 실시예에서, 4개의 절연 부재(400)가 제공되며, 이들은 각각 원형 또는 사각형의 사분면 형상을 갖고 있다. 따라서, 제 1 위치에 있을 때, 절연 부재(400)는 대체로 원형 또는 사각형 형상을 가지며, 실질적으로 연속적인 표면을 갖는다. 다른 실시예들은, 실시예들의 범위를 벗어나지 않고 더 많거나 더 적은 부재들 및/또는 다른 형상의 부재(400)들을 사용할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 이와 같은 4개의 절연 부재(400)의 구성으로 인해, 부재(400)들이 중간 위치에 있을 때, 도가니 지지부(103)를 가로질러 열 제거율이 비교적 균일하게 된다. 이와 같이 비교적 균일한 열 제거율은 부재들이 중간 위치에 있을 때 부재들의 에지(404)들 사이에 형성되는 "X자 형상"의 대칭적 개구에 적어도 부분적으로 기인한다. 반면에, 더 적은 개수(예컨대, 1개 또는 2개)의 절연 부재가 사용되면, 그러한 "X자 형상"의 대칭적 개구가 부재들 사이에 형성되지 않을 것이다. 그 결과로서 형성되는 비대칭적 개구로 인해, 부재들이 중간 위치에 있을 때, 도가니 지지부(103)를 가로질러 열 제거율이 비대칭적으로 될 것이다.
다른 실시예에서, 절연 부재는 측방향으로 이동하는 대신 위치들 사이로 회전하도록 구성된 윈도우 블라인드와 유사한 슬랫일 수 있다. 이러한 절연 부재는 부재를 통과하는 열의 흐름을 제어하기 위해 다양한 위치로 회전할 수 있다.
도 6에 가장 잘 도시된 바와 같이, 각 부재(400)의 에지(404)들은 중첩 또는 "반턱쪽매(ship-lapped)" 구조를 갖는다. 부재(400)들이 제 1 위치에 있을 때, 한 부재의 에지(404)의 일부분이 인접한 부재의 에지의 일부분에 중첩된다. 에지(404)들의 중첩 구조는, 부재(400)들이 제 1 위치에 있을 때, 열교환기(200)의 형상 계수를 줄이거나 제거함으로써 복사에 의한 열전달을 저감하거나 제거한다. 또한, 도가니(102)로부터 흘러넘칠 수도 있는 임의의 용융 물질이 열교환기(200)에 도달하기 위해서는 더 많은 우회 경로를 지나야 할 것이다. 따라서, 이와 같이 흘러넘친 물질이 열교환기(200)에 쉽게 접촉할 수 없으며, 열교환기를 손상시킬 가능성이 작을 것이다.
하부 절연 부재(400)들은 제 1 위치와 제 2 위치 사이로 절연 부재(400)를 이동시키도록 작동할 수 있는 작동 시스템(402)에 각각 연결되어 있다. 예시적인 실시예에서, 각각의 절연 부재(400)를 위한 작동 시스템(402)은 구동(광범위하게, 전동) 스크류(410)에 연결된 너트(408)를 포함한다. 일부 실시예에서, 너트(408) 및 대응하는 구동 스크류(410)는 애크미 스레드(acme threads)를 가질 수 있다. 그리고, 너트(408)는 절연 부재(400)가 위에 장착되어 있는 캐리지(420)에 연결된다. 다른 실시예에서, 너트(408) 및 대응하는 구동 스크류(410)는 볼 스크류 시스템일 수 있으며/또는 다른 유형의 액추에이터가 사용될 수 있다. 복사열로부터 너트와 스크류를 차폐하기 위해, 너트(408)와 스크류(410)를 중심으로 수직하게 복사선 차폐부(422)가 배치된다.
그리고, 각각의 구동 스크류(410)는 임의의 적당한 동력 전달 시스템(예컨대, 하나 이상의 기어)에 의해 단일의 가요성 구동 샤프트(412)에 연결된다. 이 구동 샤프트(412)는 적당한 로터리 액추에이터(414)에 의해 회전하게 된다. 예시적인 실시예에서, 동력 전달 시스템은 기어 박스(416)이다.
구동 샤프트(412)의 회전은 각각의 구동 스크류(410)의 회전과 각각의 너트(408)의 선형 운동으로 이어진다. 너트(408)의 선형 운동은 각각의 너트에 연결된 절연 부재(400)의 대응하는 선형 운동으로 이어진다. 각각의 절연 부재(400)를 움직이기 위해 사용되는 단일의 로터리 액추에이터(414)의 이러한 배열은 부재들이 대체로 일제히 움직이도록 보장한다. 다른 실시예들은, 실시예들의 범위를 벗어나지 않고 위치들 사이로 부재(400)들을 이동시키기 위해 다른 액추에이터 시스템 또는 다른 기구를 사용할 수 있다. 예컨대, 각각의 개별 부재(400)는 위치들 사이로 그 개별 부재만을 움직이도록 구성된 단일의 액추에이터에 연결될 수 있다. 이러한 단일의 액추에이터들은 액추에이터들이 일제히 이동하도록 액추에이터들의 운동을 제어하기 위해 작동할 수 있는 (도 1 및 도 8에 도시된 컨트롤러(550)와 같은) 적당한 제어 시스템에 연결될 수 있다. 다른 실시예들은 부재(400)들이 서로 독립적으로 이동될 수 있도록 하는 제어 시스템을 사용할 수 있다.
도 8 내지 도 16은 열교환기 리프트 시스템(500)(광범위하게, "리프트 시스템"이라 함)을 도시하고 있다. 예시적인 실시예에서, 이 리프트 시스템(500)은 전술한 하부 절연 부재(400) 및/또는 도어(300)와 함께 사용된다. 다른 실시예에서, 리프트 시스템(500)은 이동가능한 하부 절연 부재(400) 및/또는 도어(300)를 사용하지 않은 로(100)에서 사용될 수 있다.
도 8 및 도 9에는, 격납 용기(110)의 하부가 도시되어 있으며, 로(100)의 다른 구성 요소는 생략되어 있다. 도 9 내지 도 16에는 리프트 시스템(500)의 다양한 구성 요소들이 보다 상세하게 도시되어 있다.
리프트 시스템(500)은 열교환기(200)를 제 1 위치와 제 2 위치 사이로 이동시키도록 작동될 수 있다. 제 1 위치에서, 열교환기(200)는, 하부 절연 부재(400)들이 자신들의 제 1 위치에 배치될 수 있도록, 충분한 간극에 의해 도가니 지지부(103)의 하부(114)로부터 이격된다. 이에 따라, 열교환기(200)는 제 1 위치에서 도가니 지지부(103)와 접촉하지 않는다. 제 2 위치에서, 열교환기(200)는 도가니 지지부(103)의 하부(114)와 접촉한다. 열교환기(200)들이 자신들의 제 2 위치에 있을 때, 하부 절연 부재(400)들도 역시 자신들의 제 2 위치에 있게 된다. 예시적인 실시예에서, 열교환기(200)들은, 실시예들의 범위를 벗어나지 않고 더 멀거나 더 짧은 거리를 이동할 수도 있지만, 제 1 위치와 제 2 위치 사이로 이동할 때 약 10인치 내지 20인치를 이동한다.
도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 열교환기(200)들은 액추에이터(502)에 의해 자신들의 제 1 위치와 제 2 위치 사이로 이동가능하다. 액추에이터(502)의 일단부는 하판(504)에 연결되고(도 10), 반대측 타단부는 격납 용기(110)에 연결되어 있다(도 9). 상판(506)이 하판(504)에 연결되며, 두 판들 사이에는 스프링(512)(도 14)이 배치되어 있다. 도 12에 도시된 바와 같이, 4개의 칼라 클램프(508)가 상판(506)에 연결된다. 칼라 클램프(508)는 도 13에 가장 잘 도시된 바와 같이 열교환기(200)의 도관(250)을 리프트 시스템(500)에 연결하기 위해 작동될 수 있다. 벨로우즈(510)(도 14)가 이 도관(250)의 일부분을 감싸고 있으며, 벨로우즈의 일단부는 상판(506)에 연결되고 반대측 타단부는 격납 용기(110)에 연결되어 있다.
예시적인 실시예에서, 액추에이터(502)(광범위하게, "작동 시스템"이라 함)는 제 2 위치에 있을 때 도가니 지지부(103)의 하부(114)에 대해 열교환기를 가압하기 위해 열교환기(200)에 충분한 힘을 가하도록 작동할 수 있는 선형 액추에이터이다. 다른 실시예에서, 액추에이터(502)는 피니언 기어에 연결된 로터리 액추에이터이다. 이 피니언 기어는, 피니언 기어의 회전이 기어 랙의 선형 변위를 유발하도록, 기어 랙과 맞물린다. 실시예들의 범위를 벗어나지 않고 다른 유형의 적당한 액추에이터가 사용될 수 있다.
도 14에 도시된 바와 같이, 나선형 압축 스프링(512)이 하판(504)과 상판(506) 사이에 배치된다. 실시예들의 범위를 벗어나지 않고 스프링의 개수가 변경될 수 있으나, 예시적 실시예에서는 8개의 스프링(512)이 사용된다. 일 실시예에서, 열교환기(200)에 대하여 리프트 시스템에 의해 가해지는 힘의 양을 제어하기 위해, 썸 스크류(516)(도 16), 플런저(514), 스프링(512) 및 제어 시스템(550)(도 1 및 도 8)이 사용된다. 제어 시스템(550)은 일부 실시예에서 "힘 결정 시스템"으로 지칭될 수도 있다.
제어 시스템(550)은, 플런저가 도시된 바와 같이 썸 스크류(516)와 접촉할 때, 플런저(514)로부터의 통신을 수신하도록 작동할 수 있다(즉, 제어 시스템과 플런저는 통신적으로 커플링되어 있다). 플런저(514)와 썸 스크류(516)는 "리미트 스위치"로서 함께 호칭된다. 열교환기(200)가 도가니 지지부(103)의 하부에 접촉한 후, 리프트 시스템(500)에 의한 열교환기(200)의 추가적인 상향 운동은 스프링(512)의 압축을 초래한다. 플런저가 썸 스크류(516)에 접촉하였다는 것을 플런저(514)가 컨트롤러에 통보하면, 제어 시스템(550)은 열교환기(200)를 더 상승시키지 않도록 리프트 시스템(500)을 정지시킨다.
본 실시예에서는, 상판(506)에 대해 썸 스크류(516)를 회전시킴으로써, 플런저(514)와 썸 스크류(516) 사이의 거리(즉, 설정 거리)를 조정할 수 있다. 썸 스크류(516)가 원하는 위치에 놓이면 더 회전하는 것을 방지하기 위해, 너트(미도시)가 사용될 수 있다. 열교환기(200)에 대해 리프트 시스템(500)에 의해 가해지는 힘의 양을 증대시키기 위해서는, 리프트 시스템이 스프링(512)을 더 많이 압축하도록, 플런저(514)와 썸 스크류(516) 사이의 거리가 증대된다. 반대로, 열교환기(200)에 대해 리프트 시스템(500)에 의해 가해지는 힘의 양을 저감하기 위해서는, 플런저(514)와 썸 스크류(516) 사이의 거리가 감소된다.
또한, 열교환기에 대해 리프트 시스템(500)에 의해 가해지는 힘의 양은 스프링(512)의 변위(즉, 압축)와 스프링의 스프링 상수(k)에 기초하여 계산될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 이 변위는 적어도 2개의 성분으로 구성된다. 제 1 성분은 리프트 시스템(500)이 제 1 위치에 있을 때 플런저(514)와 썸 스크류(516) 사이의 거리이며, 리프트 시스템(500)이 제 2 위치에 있을 때 스프링(512)은 이 거리만큼 변위된다. 제 2 성분은 하판(504)과 상판(506)이 패스너에 의해 함께 조립될 때 발생하는 전부하 압축(preload compression)이다. 이와 같이 조립될 때, 스프링(512)이 어느 정도까지 압축되며, 이 변위를 측정할 수 있다.
그리고, 열교환기(200)상에서 액추에이터(502)에 의해 가해지는 힘(이에 따라, 도가니 지지부(103)의 하부(114)에 대해 열교환기에 의해 가해지는 힘)의 양은 F = k*y로 정의되며, 여기서, y는 스프링(512)의 변위이다. 다수의 스프링(512)이 리프트 시스템(500)에 사용되면, 열교환기(200)에 대해 리프트 시스템(500)에 의해 가해지는 전체 힘은 이 등식을 각각의 스프링에 적용함으로써 결정된다. 8개의 스프링(512)이 사용되고 각각 동일한 스프링 상수(k)를 가지며 동일한 양만큼 변위되는 예시적인 실시예에서, 힘은 F = 8*k*y로 정의된다. 전술한 등식은 스프링(512)이 선형 스프링인 것으로 가정하고 있다. 다른 유형의 스프링(예컨대, 선형이 아닌 스프링)을 사용하는 실시예에서는, 다른 적당한 방법 및/또는 등식에 따라 힘을 계산할 수 있다.
다른 실시예에서는, 판(504, 506)들 사이의 거리를 측정하기 위해 플런저(514) 또는 다른 적당한 거리 측정 디바이스가 제어 시스템(550)에 의해 사용되며, 썸 스크류는 불필요하다. 측정된 거리와 스프링(512)의 전부하 압축으로 인해 발생된 변위는 스프링의 총 압축(y)을 나타낸다. 대안적으로, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다른 적당한 디바이스가 스프링(512)의 압축을 측정하기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 전술한 바와 같이, 열교환기(200)상에서 액추에이터(502)에 의해 가해지는 힘(이에 따라, 도가니 지지부(103)의 하부(114)에 대해 열교환기에 의해 가해지는 힘)의 양은 F = k*y로 정의된다.
따라서, 본 실시예의 제어 시스템(550)은 액추에이터로 열교환기(200)의 위치를 변경함으로써 액추에이터(502)에 의해 가해지는 힘의 양을 조절하도록 작동할 수 있다. 즉, 제어 시스템(550)은 도가니 지지부(103)의 하부에 대해 액추에이터(502)에 의해 가해질 원하는 힘의 양의 입력을 (사용자 또는 다른 연산 시스템으로부터) 수신하도록 작동할 수 있다. 그리고, 제어 시스템(550)은 가해지는 힘을 모니터링할 수 있으며, 가해지는 힘이 원하는 힘의 양과 동일하거나 원하는 양의 미리 정해진 범위(예컨대, +/- 5%) 이내가 되도록, 액추에이터(502)(이에 따라, 열교환기(200)의 위치)를 제어할 수 있다.
또한, 제어 시스템(550)은 하나 이상의 스트레인 게이지 및/또는 로드 셀로 액추에이터(502)에 의해 가해지는 힘을 계산할 수 있다. 열교환기(200)가 도가니 지지부에 힘을 가하면, 스트레인 게이지 및/또는 로드 셀에 가해지는 힘이 감소하도록, 이러한 스트레인 게이지 및/또는 로드 셀은 도가니 지지부(103)의 하부(114)와 지지 포스트(115)(도 6 및 도 7) 사이에 배치될 수 있다. 액추에이터(502)에 의해 소비되는 전류량이 증가하면 액추에이터에 의해 가해지는 힘의 양이 증가하기 때문에, 다른 실시예들은 액추에이터(502)의 전류 소비를 측정하여 힘을 계산할 수 있다. 이러한 소비 전류의 증가는 열교환기(200)에 대해 액추에이터(502)와 리프트 시스템(500)에 의해 가해지는 힘의 증가와 상관 관계가 있다.
다른 실시예들은 실시예들의 범위를 벗어나지 않고 다른 크기의 힘을 사용할 수도 있지만, 예시적인 실시예에서, 액추에이터(502)에 의해 가해지는 힘은 약 800lbs이다. 도가니 지지부(103)에 대해 열교환기(200)에 의해 가해지는 힘은 실질적으로 열교환기의 판(202)의 전체 외면(204)이 도가니 지지부(103)와 접촉하도록 보장한다. 또한, 이 힘은 외면(204) 및/또는 도가니 지지부가 약간 변형되어 그 표면들이 접촉할 수 있도록 보장한다. 도가니 지지부(103)와 외면(204) 간의 이러한 접촉은 도가니 지지부로부터 열교환기(200)로의 열전달 효율을 증대시킨다. 또한, 제어 시스템(550)은 액추에이터(502)가 열교환기(200)에 대해 특정된 힘보다 더 큰 힘을 가하지 않도록 보장하기 위해 사용될 수도 있다. 이와 같이 특정된 힘보다 더 큰 힘은 열교환기(200) 및/또는 도가니 지지부(103)를 손상시킬 수 있으며그리고/또는 도가니 지지부를 그 지지 포스트(115)로부터 들어올릴 수 있다. 예시적인 실시예에서, 이와 같이 특정된 힘은 약 3000lbs 및/또는 도가니 지지부(103), 도가니(102) 및 도가니 내에 수용된 장입물의 질량보다 클 수 있다.
작동시, 수용 용기(110)가 개방되고, 도가니(102)에는 다결정 실리콘 조각들(예컨대, 덩어리, 과립, 분진 등)이 장입된다. 그 다음, (덮개를 사용하는 것으로 가정하여) 도가니(102)의 덮개(112)와 격납 용기(110)를 폐쇄하고, 히터(108)를 사용하여 실리콘을 용융시킨다. 실리콘이 용융되고 있을 때, 측면 절연부(109) 내의 도어(300)는 폐쇄 위치에 있으며, 하부 절연 부재(400)들은 이들이 도가니 지지부(103)의 하부(114) 아래에 배치되는 제 1 위치에 있게 된다. 또한, 열교환기(200)들은 도가니 지지부(103)의 하부(114)로부터 이격되도록 리프트 시스템(500)에 의해 자신들의 제 1 위치에 배치되어 있다.
실리콘이 용융된 후, 히터(108)가 작동을 정지하거나 열 출력을 저감하면, 실리콘 용탕이 잉곳으로 응고되기 시작한다. 도어(300)가 자신의 제 2 위치로 이동하게 되고, 하부 절연 부재(400)도 도가니 지지부(103)의 하부(114) 아래에 배치되지 않도록 자신의 제 2 위치로 이동하게 된다. 또한, 열교환기(200)가 도가니 지지부(103)의 하부(114)와 접촉하도록 자신의 제 2 위치로 리프트 시스템(500)에 의해 이동하게 된다. 일부 실시예들에서, 열교환기(200)는 용탕이 응고될 때 자신의 제 2 위치로 이동할 수 없으며 자신의 제 1 위치에 남아 있는다. 이러한 실시예들에서, 절연 부재(400) 및/또는 도어(300)는 용탕이 응고될 때 제 1 위치, 제 2 위치 또는 중간 위치 중 임의의 위치에 배치될 수 있다.
도어(300)의 개방 및 하부 절연 부재(400)와 열교환기(200)의 운동은 용탕으로부터 멀어지는 열의 흐름의 증대와 잉곳으로의 용탕의 응고를 돕는다. 또한, 도가니(102)와 용탕/잉곳으로부터 멀어지는 열전달율을 더 제어하기 위해, 도어(300)의 위치가 중간 위치로 조정될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 용탕/잉곳으로부터 멀어지는 이러한 열전달율을 제어하기 위해, 도어를 그 수직축을 중심으로 회전시킴으로써 도어(300)의 위치가 조정된다. 이러한 열전달율의 제어는 용탕의 응고 속도의 제어를 가능하게 한다. 일부 실시예에서, 용탕을 프로빙하여 응고 전선(solidification front)의 위치를 결정하기 위해, 석영 로드가 용탕 속에 삽입된다.
열교환기(200)들 중 하나가 도 17 내지 도 28에 보다 상세하게 도시되어 있으며, 내부 구조가 더 잘 보이도록 도 1의 위치로부터 반전되어 있다. 도 18에 도시된 바와 같이, 열교환기(200)는 도가니(102)의 하면(116)에 근접하여 배치되는 외면(204)을 가진 판(202)을 포함한다. 예시적인 실시예에서, 판(202)의 외면(204)은 도가니 지지부(103)의 하부(114)에 인접하여 배치되며, 실질적으로 평탄하다. 열교환기(200)는 도가니(102)의 하면(116)과 도가니 내에 배치된 실리콘으로부터 냉각수로 멀리 열을 전달하도록 작동할 수 있다. 도가니 지지부(103)가 생략된 다른 실시예에서는, 판(202)의 외면(204)이 도가니(102)의 하면(116)에 인접하여 배치된다.
판(202)은 외면(204)의 반대측에 내면(206)을 갖는다. 커버(210)(도 17 및 도 22)가 판(202)의 내면(206)에 근접하여 배치되며, 임의의 적당한 고정 시스템(예컨대, 용접)에 의해 판에 연결된다.
도 18에 도시된 바와 같이, 판(202)의 내면(206)을 따라 냉각수의 흐름을 유도하기 위해 우회 유로(220)가 판(202)에 형성된다. 유로(220)는 판(202)의 내면(206)으로부터 커버(210)까지 연장되는 복수의 부재(222)들을 포함한 채널에 의해 형성된다(도 18에는 커버가 생략되어 있음). 부재(222)들에 의해 형성된 유로(220)는, 실질적으로 내면(206) 모두를 따라 냉각수가 흐르도록, 우회한다. 예시적인 실시예에서 부재(222)들은 내면(206)으로부터 커버(210)까지 대체로 수직으로 연장된다. 부재(222)들은 커버(210)에 인접하도록 연장됨으로써, 부재들과 커버 사이에서 냉각수의 흐름을 방지한다. 따라서, 부재(222)들은 유로(220)의 인접한 부분들 사이에서 냉각수가 "단락"되지 않도록 한다.
유로(220)는 신선한 냉각수의 흐름을 수용하기 위한 유입구(224)와, 냉각수가 유로를 통과한 후 빠져나오게 되는 유출구(226)를 갖는다. 유입구(224)와 유출구(226)는 서로 인접하여 배치되어 있다. 일부 실시예에서, 유입구(224)와 유출구(226)는 서로 동축이다. 내면(206)으로부터 커버(210)까지 연장된 벽부(230)(도 19)는 유출구(226)로부터 유입구(224)를 분리한다. 또한, 벽부(230)는 열교환기(200)의 다른 구성 요소들의 정렬을 돕는다. 유입구(224)와 유출구(226)는 대체로 판(202)의 중앙에 또는 그 부근에 배치되는 것으로 예시적인 실시예에 도시되어 있다. 다른 실시예에서는, 유입구(224)와 유출구(226)가 다르게(예컨대, 판(202)의 코너 또는 측면에 더 가깝게) 배치될 수도 있다.
커버(210)(도 22)는 유로(220)의 유입구(224) 및 유출구(226)와 유체 소통하도록 그 내부에 형성된 개구(232)를 갖는다. 개구(232)는 유입구(224)와 유출구(226) 모두에 인접하여 및/또는 동축으로 배치된다. 개구(232)는 입구 부분(234)과 더 큰 출구 부분(236)을 갖는다.
내부 도관(240)(도 20, 도 21 및 도 23)이 개구(232)의 입구 부분(234) 내에 배치되며, 유로(220)의 유입구(224)에 연결된다. 이하에서 보다 상세하게 설명하는 바와 같이, 외부 도관(250)(도 28)이 유로(220)의 유출구(226)에 연결된다. 본원에서 사용된 용어 "도관"은 한 지점에서 다른 지점으로 액체의 흐름을 전달하도록 작동할 수 있는 파이프, 호스, 튜브, 또는 다른 구조물을 포함한다. 내부 도관(240)은 예시적인 실시예에서 용접에 의해 판(202)의 내면(206)과 유로(220)의 유입구(224)에 연결된다. 다른 실시예에서, 내부 도관(240)은 임의의 적당한 고정 시스템(예컨대, 용접 또는 기계식 패스너)에 의해 연결될 수 있다.
외부 도관(250)은 예시적인 실시예에서 커넥터(260)에 의해 유로(220)의 유출구(226)에 연결된다. 커넥터(260)는, 도 24 및 도 25에 도시된 바와 같이, 커버(210)에 연결하기 위한 유입부(262)와 외부 도관(250)에 연결하기 위한 유출부(264)를 갖는다. 커넥터(260)의 유입부(262)는, 이 유입부가 유로(220)의 유출구(226)와 유체 소통하도록, 커버(210)에 연결된다. 도 26에 도시된 바와 같이, 내부 도관(240)의 부분(242)은 커넥터(260)의 중앙 개구(266) 내에 배치된다. 다른 실시예에서는, 커넥터(260)가 생략되는 대신, 외부 도관(250)이 커버의 개구(232)의 출구 부분(236)에 인접하여 커버(210)에 직접 연결된다.
도 28에 도시된 바와 같이, 외부 도관(250)은 내부 도관(240)과 동심이며, 내부 도관은 외부 도관 내에 배치된다. 이에 따라, 외부 도관(250)과 내부 도관(240)은 다관형(multi-lumen) 도관 구조를 형성한다. 일부 실시예에서, 외부 도관(250) 내의 냉각수로부터 내부 도관(240) 내의 냉각수로의 열전달을 저감하기 위해, 내부 도관(240)에 인접하여 절연부(미도시)가 배치될 수 있다. 이 절연부는 내부 도관(240)의 내면(244) 또는 외면(246) 중 어느 하나 또는 모두에 배치될 수 있다. 또한, 내부 도관을 통한 열의 흐름을 제한하기 위해, 내부 도관(240)의 일부 또는 전부가 열교환기(200)의 다른 구성 요소들에 비해 낮은 열전도율(k)을 가진 물질로 구성될 수 있다.
도관(240, 250)들은 열교환기(200)의 커버(210)로부터 연장하여 터미널 커넥터(270)에서 종료된다. 터미널 커넥터(270)는 내부 도관(240)과 유체 소통하는 입구 포트(272)와, 외부 도관(250)과 유체 소통하는 대응하는 (도 17에 가장 잘 도시된) 출구 포트(274)를 갖는다. 터미널 커넥터(270) 내에 배치된 가스켓 형태의 부재(276)는 입구 포트(272)와 출구 포트(274) 사이에서 냉각수의 이동을 방지한다. 입구 포트(272)는 (도 1에 개략적으로 도시된) 유체 소통 시스템(170)에 의해 소오스 탱크(150)에 연결된다. 마찬가지로, 출구 포트(274)는 유체 소통 시스템(170)에 의해 수용 탱크(160)에 연결된다.
작동시, 도 1, 도 17 및 도 18에 도시된 바와 같이, 소오스 탱크(150)로부터 터미널 커넥터(270)의 입구 포트(272)로 신선한 냉각제가 공급된다. 신선한 냉각수는 내부 도관(240)을 통해 열교환기(200) 내의 유로(220)의 유입구(224)로 이동한다. 그 다음, 신선한 냉각수는 유로(220)를 통해 흐르게 되고, 판(202)의 내면(206)으로부터 냉각수로 열이 전달된다. 이 열은 도가니(102) 내의 실리콘으로부터 판(202)의 내면(206)으로 전달된다. 냉각수로 전달된 이 열로 인하여, 냉각수의 온도가 상승하게 된다. 냉각수는, 유로(220)를 통해 흐른 다음, 유출구(226)를 통해 유로를 빠져나간다. 이 시점에서의 냉각수를 "소모된 냉각수"라 한다. 냉각수는 외부 도관(250)을 통해 터미널 커넥터(270)로 흐른다. 그 다음, 냉각수는 터미널 커넥터(270)의 출구 포트(274)를 통해 수용 탱크(160)로 흐른다. 그 다음, 소모된 냉각수는 냉각수의 온도 감소를 유발하는 임의의 적당한 방열 시스템에 의해 냉각될 수 있다. 냉각수는 후속 재사용을 위해 소오스 탱크(150)로 전송될 수 있다. 대안적으로, 소모된 냉각수는 터미널 커넥터(270)의 출구 포트(274)로부터 유출된 후 폐기될 수 있다.
본원에 개시된 실시예에서는, 신선한 냉각수가 내부 도관(240)을 통해 유로(220)의 유입구(224)로 공급된다. 다른 역류 실시예에서는, 신선한 냉각수가 외부 도관(250)을 통해 유로(220)의 유출구(226)로 공급되도록, 유로(220)를 통한 냉각수의 흐름이 반전될 수 있다. 그 다음, 소모된 냉각수는 유입구(224)를 통해 유로(220)를 빠져나와 내부 도관(240)으로 유입된다. 이러한 역류 실시예에서, 터미널 커넥터(270)의 출구 포트(274)는 소오스 탱크(150)에 연결되고, 입구 포트(272)는 수용 탱크(160)에 연결된다.
열교환기(200)의 구성 요소들은 부식에 대해 저항성이 있는 적당한 물질로 구성된다. 예시적인 실시예에서, 이러한 물질은 스틸, 그 합금(예컨대, 스테인리스 스틸), 알루미늄-청동 화합물, 또는 고온을 견딜 수 있는 합성 물질(예컨대, 탄화수소 함유 플라스틱)을 포함한다.
본원에 개시된 열교환기(200)는 종래의 열교환기에 비해 복잡성이 감소하고 효율이 증대되었다. 전술한 바와 같이, 내부 및 외부 도관(240, 250)은 다관형 구조로 되어 있다. 종래의 시스템에서는, 열교환기에 대해 냉각수를 공급 및 회수하기 위해 동심으로 배치되지 않은 별도의 도관들이 사용된다. 또한, 그러한 종래의 시스템에는 유출구에 인접한 유입구를 구비한 유로가 없다. 그 대신, 유입구와 유출구가 이격되어 있으며, 이로 인해, 보다 복잡하고 보다 큰 배열이 더 많은 공간을 차지하게 된다. 이와 같이 큰 배열은 4개의 열교환기를 사용하는 전술한 시스템에서 더 심각한 문제가 될 수 있다.
또한, 동심으로 배치되지 않은 별도의 도관들을 가진 종래의 시스템을 사용하면, 열교환기와 도관의 접합부에 굽힘 모멘트가 생성된다. 이러한 굽힘 모멘트는 접합부에 상당한 응력을 야기하게 되고, 이는 결국 접합부에 피로에 의한 균열을 형성할 수 있다. 열교환기(200)의 커넥터(260)와 내부 및 외부 도관(240, 250)의 배열은 열교환기와 도관의 접합부를 강화하고 튼튼하게 한다. 따라서, 접합부는 더 큰 응력을 견딜 수 있으며 균열이 발생할 가능성이 훨씬 적다.
전술한 도가니(100)와 관련 구성 요소들은 약 1000㎏을 초과하거나, 약 1200㎏을 초과하거나, 또는 약 1600㎏을 초과하는 질량을 가진 잉곳의 주조를 가능하게 한다. 또한, 이 잉곳은 (전위(dislocation)와 같은) 다른 결함을 실질적으로 갖지 않는다. 결함은 잉곳으로 형성된 웨이퍼의 효율을 제한할 수 있으며, 이에 따라, 상기 웨이퍼를 사용하여 형성된 태양광 발전 디바이스에 대해 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 이러한 웨이퍼(예컨대, mc-Si 웨이퍼)에서 가장 일반적인 유형의 입자 내 결함은 전위이다. 전위는 어떤 배향을 가진 입자로부터 개시되는 클러스터를 형성하며, 그 후 클러스터로부터 확산되거나 퍼질 수 있다. 이러한 전위 클러스터는 웨이퍼로 형성된 태양광 발전 디바이스의 효율을 저하시키는 불순물 석출 지점이 될 수 있다. 전위 클러스터의 존재는 태양광 발전 디바이스의 물성과 성능 특성에 영향을 미친다. 이러한 전위는 잉곳 응고 및 결정 성장시 용탕과 잉곳 내에서의 열 응력으로부터 발생된다.
전술한 도가니(100)와 관련 구성 요소들은 용탕과 잉곳에 가해지는 열 응력을 최소화하도록 용탕과 잉곳의 열적 및 성장 프로파일의 제어를 가능하게 한다. 이와 같이 용탕과 잉곳에서 열 응력을 최소화하면, 전위의 형성이 최소화되고, 태양광 발전 디바이스 또는 애플리케이션에 사용되는 잉곳으로 형성된 웨이퍼의 효율이 증대된다. 도 29 및 도 30은 다양한 로에서 제조된 잉곳으로 형성된 태양광 발전 디바이스의 효율을 도시하고 있다. 데이터 세트 1 및 2는 로(100)에서 제조된 잉곳으로 형성된 디바이스의 효율을 도시하고 있는 반면, 데이터 세트 3은 종래의 로에서 제조된 디바이스의 효율을 도시하고 있다. 도 29는 확률도로서 효율 데이터를 나타낸 반면, 도 30은 박스 플롯으로 데이터를 나타내고 있다. 이 도면들에 명확하게 도시된 바와 같이, 로(100)에서 제조된 잉곳으로 형성된 태양광 발전 디바이스가 종래의 로에서 제조된 것들보다 효율이 더 높다. 또한, 도 31은 평방센티미터 당 카운트의 단위로 3개의 데이터 세트의 잉곳에서 전위 밀도를 비교한 박스 플롯이다. 명백하게, 데이터 세트 1 및 2는 종래의 로에서 제조된 잉곳들보다 상당히 낮은 전위 밀도를 갖는다. 또한, 데이터 세트 1 및 2의 전위 밀도는 평방센티미터 당 약 100,000 카운트 미만인 반면, 데이터 세트 3의 전위 밀도는 평방센티미터 당 약 110,000 카운트를 초과한다. 일부 실시예에서, 본 발명을 구체화한 로에서 제조된 잉곳의 전위 밀도가 평방센티미터 당 95,000 카운트 미만, 평방센티미터 당 90,000 카운트 미만, 또는 심지어 평방센티미터 당 80,000 카운트 미만일 수 있음을 유의하여야 한다.
본 발명의 일부 양태에서, 잉곳은 조각들으로 절단되어 작은 브릭(brick)들을 형성하여, 최종 브릭이 표준 크기를 각각 갖도록 길이와 폭을 갖는다. 이 표준 크기는 표준 로에서 형성된 잉곳으로부터 절단된 브릭의 표준 크기와 실질적으로 유사하다. 예시적인 실시예에서, 잉곳은 약 1375㎜의 길이 및 폭과, 약 400㎜의 높이를 갖는다. 그리고, 이 잉곳은 길이와 폭이, 예컨대, 약 156㎜로 동일한, 64개의 작은 브릭들로 절단될 수 있다. 일부 실시예에서, 잉곳은 약 156㎜의 길이와 폭을 가진 8개의 작은 잉곳들로 절단되기 전에, 먼저 4개의 잉곳들로 절단될 수 있다. 다른 실시예에서, 잉곳은 약 210㎜의 길이와 폭을 가진 36개의 작은 잉곳들로 절단될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 잉곳의 높이는 최대 약 800㎜이거나 약 800㎜를 초과할 수 있다.
전술한 도가니(100)와 관련 구성 요소들은 실리콘 용탕의 냉각 속도가 정밀하게 제어될 수 있도록 한다. 실리콘 용탕의 냉각 속도 제어는 용탕의 응고 속도가 정밀하게 제어될 수 있도록 한다. 이러한 응고 속도의 정밀한 제어로 인해, 잉곳 내에 방향성 응고 전선이 형성된다. 응고 속도를 제어함으로써, 응고 전선의 이 위치와 형상이 조작 및/또는 제어될 수 있으며, 이에 따라, 응고 전선이 로 아래에 배치된 열교환기(200)로부터 멀리 상향으로 수직하게 전파하게 된다. 또한, 본원에 개시된 시스템들은 실리콘 용탕에 의해 실질적으로 수평한 응고 전선이 생성될 수 있도록 한다. 따라서, 용탕 내에 주어진 수평면 내의 실질적으로 모든 위치들이 거의 동일한 시점에 고화된다.
또한, 일부 실시예에서, 응고가 거의 완료되고 있을 때, 응고 전선이 그 에지에서 약간 하방으로 휘어지도록, 응고 전선의 형상이 제어된다. 이러한 하향 곡선은 잉곳의 에지 부근에 불순물이나 전위를 포획하거나 집중시킨다. 따라서, 불순물을 제거하기 위해 잉곳으로부터 더 적은 양의 물질이 제거될 수 있다. 또한, 잉곳으로의 용탕의 제어된 응고는 잉곳의 특정 부분에 불순물 또는 결함이 포획되거나 집중될 수 있도록 한다. 예시적인 실시예에서, 이러한 잉곳 부분은 열교환기로부터 가장 멀리 배치된 부분이며, 마지막으로 응고되는 잉곳 부분이다.
이와 같이 정밀한 응고율 제어는 전술한 로에서 질량이 약 1000㎏을 초과하는 잉곳이 형성될 수 있도록 한다. 응고율의 정밀한 제어는 로에서 잉곳을 주조하기 위해 필요한 시간의 양을 저감함으로써 로의 처리량을 또한 증대시킨다. 이전에 공지된 시스템들은 낮은 수준에서 높은 수준까지 실리콘 용탕의 냉각 속도 제어를 가능하게 하는 전술한 특징들을 갖고 있지 않다. 따라서, 그러한 종래의 시스템들에서는, 그러한 범위에서 응고율을 정밀하게 제어할 수 없다. 그 결과, 약 600㎏을 초과하는 잉곳을 주조하고자 하는 시도들은 잉곳과 그 잉곳으로 형성된 웨이퍼가 최종 용도(예컨대, 태양광 발전 전지의 제조)에 부적합하도록 만드는 전위 및/또는 결함을 가진 잉곳을 만들어 내는 것으로 끝났다.
본 발명의 요소 또는 그 실시예(들)을 소개할 때, 관사 "하나", "하나의", "그" 및 "상기"는 그 요소가 하나 이상이 존재함을 나타내고자 한 것이다. "포함하는", "구비하는" 및 "갖는"이라는 용어는 포괄적인 것으로 의도하고자 하며 열거된 요소들 이외의 추가적인 요소들이 존재할 수 있음을 나타내고자 한 것이다.
본 발명의 범위를 벗어나지 않고 상술한 사항들에서 다양한 변경이 이루어질 수 있으므로, 이상의 설명에 포함되고 첨부 도면에 도시된 모든 사항들은 예시적인 것으로 해석되어야 하며, 한정적인 의미로 해석되지 않아야 한다.

Claims (26)

  1. 다결정 실리콘 잉곳을 생산하기 위한 방향성 응고로이며,
    실리콘 장입물을 수용하기 위한 도가니;
    상기 도가니를 지지하기 위해 상기 도가니에 인접하여 배치되며, 베이스를 가진 도가니 지지부;
    상기 도가니 지지부의 베이스 아래에 배치된 냉각판;
    상기 냉각판이 상기 도가니 지지부의 베이스와 접촉하지 않는 제 1 위치와 상기 냉각판이 상기 도가니 지지부의 베이스와 접촉하는 제 2 위치 사이로 상기 냉각판을 이동시키기 위한 리프트 시스템; 및
    상기 도가니 지지부의 베이스에 대해 상기 냉각판에 의해 가해지는 힘의 양을 제어하는 제어 시스템을 포함하는,
    방향성 응고로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 리프트 시스템은 선형 액추에이터를 포함하는,
    방향성 응고로.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 리프트 시스템은 랙 기어와 맞물리는 피니언 기어에 연결된 로터리 액추에이터를 포함하는,
    방향성 응고로.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 리프트 시스템은 하판으로부터 이격된 상판과, 상기 판들 사이에 배치된 적어도 하나의 스프링을 포함하고, 상기 적어도 하나의 스프링은 스프링의 강성을 나타내는 스프링 상수를 가지며, 상기 적어도 하나의 스프링은 상기 냉각판이 제 2 위치에 있을 때 압축되는,
    방향성 응고로.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 리프트 시스템은 리미트 스위치를 포함하며, 상기 리미트 스위치는 상기 하판이 상기 상판으로부터 설정 거리보다 작게 이격되어 있는지의 여부를 결정하도록 작동할 수 있는,
    방향성 응고로.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 리미트 스위치가 상기 제어 시스템에 통신가능하게 커플링됨으로써, 상기 하판이 상기 상판으로부터 설정 거리보다 작게 이격되어 있을 경우, 상기 리미트 스위치가 상기 제어 시스템에 통보하는,
    방향성 응고로.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 리프트 시스템은 상기 상판과 상기 하판 사이의 거리를 측정하기 위한 거리 측정 디바이스를 포함하는,
    방향성 응고로.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 거리 측정 디바이스는 플런저인,
    방향성 응고로.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어 시스템은 상기 적어도 하나의 스프링의 스프링 상수와 상기 거리 측정 디바이스에 의해 측정된 상기 상판과 상기 하판 사이의 거리에 기초하여 상기 도가니 지지부의 베이스에 대해 상기 냉각판에 의해 가해지는 힘의 양을 결정하도록 구성된,
    방향성 응고로.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 도가니 지지부의 베이스 아래에 배치된 복수의 절연 부재들을 더 포함하며, 상기 절연 부재들은, 절연 부재들이 상기 도가니로부터 멀어지는 열의 흐름을 제한하는 제 1 위치와 절연 부재들이 상기 도가니로부터 멀어지는 열의 흐름을 제한하지 않는 제 2 위치 사이로, 측방향으로 이동할 수 있고,
    상기 절연 부재들이 자신들의 제 1 위치에 있을 때, 상기 냉각판은 상기 제 1 위치에 있으며, 상기 절연 부재들이 자신들의 제 2 위치에 있을 때, 상기 냉각판은 상기 제 2 위치에 있는,
    방향성 응고로.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 도가니의 복수의 측면들에 인접하여 배치된 복수의 절연 부재들을 더 포함하며, 상기 절연 부재들은, 절연 부재들이 상기 도가니로부터 멀어지는 열의 흐름을 제한하는 제 1 위치와 절연 부재들이 상기 도가니의 측면들로부터 멀어지는 열의 흐름을 현저히 제한하지 않는 제 2 위치 사이로, 이동할 수 있고,
    상기 복수의 절연 부재들이 자신들의 제 1 위치에 있을 때, 상기 냉각판은 상기 제 1 위치에 있으며, 상기 절연 부재들이 자신들의 제 2 위치에 있을 때, 상기 냉각판은 상기 제 2 위치에 있는,
    방향성 응고로.
  12. 실리콘 장입물을 수용하기 위한 도가니와 상기 도가니에 인접하여 배치된 지지부를 포함하는, 다결정 실리콘 잉곳을 생산하기 위한 방향성 응고로 내에서 하나 이상의 냉각판들을 승강시키기 위한 시스템이며,
    상기 지지부의 베이스 아래에 배치된 하나 이상의 냉각판들;
    상기 냉각판들이 상기 도가니 지지부의 베이스와 접촉하지 않는 제 1 위치와 상기 냉각판들이 상기 도가니 지지부의 베이스와 접촉하는 제 2 위치 사이로 상기 냉각판들을 이동시키기 위한 리프트 시스템; 및
    상기 도가니 지지부의 베이스 상에서 상기 냉각판들 중 적어도 하나에 의해 가해지는 힘의 양을 제어하는 제어 시스템을 포함하는,
    방향성 응고로 내에서 하나 이상의 냉각판들을 승강시키기 위한 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 리프트 시스템은 랙 기어와 맞물리는 피니언 기어에 연결된 로터리 액추에이터를 포함하는,
    방향성 응고로 내에서 하나 이상의 냉각판들을 승강시키기 위한 시스템.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 리프트 시스템은 하판으로부터 이격된 상판과, 상기 판들 사이에 배치된 적어도 하나의 스프링을 포함하고, 상기 적어도 하나의 스프링은 스프링의 강성을 나타내는 스프링 상수를 가지며, 상기 적어도 하나의 스프링은 상기 하나 이상의 냉각판이 제 2 위치에 있을 때 압축되는,
    방향성 응고로 내에서 하나 이상의 냉각판들을 승강시키기 위한 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 리프트 시스템은 리미트 스위치를 포함하며, 상기 리미트 스위치는 상기 하판이 상기 상판으로부터 설정 거리보다 작게 이격되어 있는지의 여부를 결정하도록 작동할 수 있는,
    방향성 응고로 내에서 하나 이상의 냉각판들을 승강시키기 위한 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 리미트 스위치가 상기 제어 시스템에 통신가능하게 커플링됨으로써, 상기 하판이 상기 상판으로부터 설정 거리보다 작게 이격되어 있을 경우, 상기 리미트 스위치가 상기 제어 시스템에 표시를 통보하는,
    방향성 응고로 내에서 하나 이상의 냉각판들을 승강시키기 위한 시스템.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 리프트 시스템은 상기 상판과 상기 하판 사이의 거리를 측정하기 위한 거리 측정 디바이스를 포함하는,
    방향성 응고로 내에서 하나 이상의 냉각판들을 승강시키기 위한 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 제어 시스템은 상기 적어도 하나의 스프링의 스프링 상수와 상기 거리 측정 디바이스에 의해 측정된 상기 상판과 상기 하판 사이의 거리에 기초하여 상기 도가니 지지부의 베이스에 대해 상기 냉각판들 중 적어도 하나에 의해 가해지는 힘의 양을 결정하도록 구성된,
    방향성 응고로 내에서 하나 이상의 냉각판들을 승강시키기 위한 시스템.
  19. 방향성 응고로 내에서 다결정 실리콘 잉곳을 생산하기 위한 방법이며,
    상기 응고로 내에서 도가니 지지부로 지지된 도가니에 다결정 실리콘을 장입하는 단계;
    상기 다결정 실리콘을 용융시키는 단계;
    상기 도가니 지지부의 베이스 아래에 배치된 하나 이상의 냉각판들을 리프트 시스템을 이용하여, 상기 냉각판들이 상기 지지부의 베이스와 접촉하지 않는 제 1 위치로부터 상기 냉각판들이 상기 지지부의 베이스와 접촉하는 제 2 위치로 이동시키는 단계;
    상기 도가니 지지부의 베이스 상에서 상기 냉각판들 중 적어도 하나에 의해 가해지는 힘의 양을 제어 시스템을 이용하여 제어하는 단계; 및
    다결정 실리콘 잉곳이 형성되도록 용융된 실리콘을 냉각시키는 단계를 포함하는,
    방향성 응고로 내에서 다결정 실리콘 잉곳을 생산하기 위한 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 가해지는 힘의 양을 제어하는 단계는 적어도 하나의 스프링이 판들 사이에 배치되어 있는 한 쌍의 이격된 판들 사이의 거리를 측정하는 단계를 포함하며, 상기 적어도 하나의 스프링은 스프링 힘 상수를 갖고, 상기 하나 이상의 냉각판들이 제 2 위치에 있을 때 압축되는,
    방향성 응고로 내에서 다결정 실리콘 잉곳을 생산하기 위한 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 스프링의 스프링 상수와 상기 이격된 판들 사이에서 측정된 거리에 기초하여 상기 도가니 지지부의 베이스 상에서 상기 냉각판들 중 적어도 하나에 의해 가해지는 힘의 양을 상기 제어 시스템으로 결정하는 단계를 더 포함하는,
    방향성 응고로 내에서 다결정 실리콘 잉곳을 생산하기 위한 방법.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 가해지는 힘의 양을 제어하는 단계는, 리미트 스위치가 상기 리프트 시스템 내의 하판이 상기 리프트 시스템 내의 상판으로부터 설정 거리보다 작게 이격되어 있다고 표시할 때, 상기 하나 이상의 냉각판들의 상향 운동을 정지시키는 단계를 포함하는,
    방향성 응고로 내에서 다결정 실리콘 잉곳을 생산하기 위한 방법.
  23. 제 19 항에 있어서,
    상기 냉각판들은 다결정 실리콘이 용융되고 있을 때 제 1 위치에 배치되고, 상기 냉각판들이 제 1 위치에 있을 때, 상기 냉각판들은 상기 도가니로부터 멀어지는 열의 흐름을 허용하지 않는,
    방향성 응고로 내에서 다결정 실리콘 잉곳을 생산하기 위한 방법.
  24. 제 19 항에 있어서,
    상기 냉각판들은 용융된 실리콘이 냉각되어 다결정 실리콘 잉곳을 형성할 때 제 2 위치에 배치되고, 상기 냉각판들이 제 2 위치에 있을 때, 상기 냉각판들은 상기 도가니로부터 열의 흐름을 허용하는,
    방향성 응고로 내에서 다결정 실리콘 잉곳을 생산하기 위한 방법.
  25. 제 19 항에 있어서,
    상기 도가니 지지부의 베이스 아래에 배치된 하나 이상의 절연 부재들을, 절연 부재들이 상기 도가니로부터 열의 흐름을 제한하는 제 1 위치로부터 절연 부재들이 상기 도가니로부터 열의 흐름을 제한하지 않는 제 2 위치로, 측방향으로 이동시키는 단계를 더 포함하는,
    방향성 응고로 내에서 다결정 실리콘 잉곳을 생산하기 위한 방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 절연 부재들이 자신들의 제 1 위치로부터 자신들의 제 2 위치로 이동한 후, 상기 냉각판들이 자신들의 제 1 위치로부터 자신들의 제 2 위치로 이동하는,
    방향성 응고로 내에서 다결정 실리콘 잉곳을 생산하기 위한 방법.
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