TWI592527B - 定向固化爐熱交換器 - Google Patents

定向固化爐熱交換器 Download PDF

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TWI592527B
TWI592527B TW101116730A TW101116730A TWI592527B TW I592527 B TWI592527 B TW I592527B TW 101116730 A TW101116730 A TW 101116730A TW 101116730 A TW101116730 A TW 101116730A TW I592527 B TWI592527 B TW I592527B
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班傑明 麥可 梅爾
李 威廉 法瑞
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Ｍｅｍｃ新加坡有限公司
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    • 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
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    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B14/00—Crucible or pot furnaces
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    • 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
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    • C30B15/14—Heating of the melt or the crystallised materials
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
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    • 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
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Description

定向固化爐熱交換器
本揭示內容整體而言係關於熱交換器，且更具體而言係關於定向固化爐中使用之熱交換器。
定向固化爐用於舉例而言生產多晶矽錠。爐具有坩堝，原料矽放置在該坩堝中。坩堝由增加坩堝之結構剛性之結構支撐。坩堝設置在形成爐之部分之密封外殼內且將坩堝密封而與周圍環境隔絕。
使用期間，原料矽熔化且隨後以受控速率冷卻以達成所得矽錠內之定向固化。藉由減少加熱器所施加之熱之量、圍繞坩堝之絕緣層中之排熱口之移動或打開及/或冷卻介質循環穿過鄰近坩堝及/或坩堝支撑件設置之熱交換器之任意組合建立受控速率之冷卻。矽錠在最靠近坩堝之較冷側之區域中固化並在遠離坩堝之較冷側之方向上繼續。
在矽錠固化期間用於將熱自坩堝傳輸走之熱交換器之效率及複雜性係一問題。隨著坩堝大小增大，熱交換器之大小及複雜性亦增大。存在對用於定向固化爐之更高效及較不複雜之熱交換器之需要。
本節旨在向讀者介紹可與本發明之各種態樣(其等在下文中描述及/或主張)相關之技術之各種態樣。據信此討論有助於為讀者提供背景資訊以促進本發明之各種態樣之更好瞭解。因此，應瞭解此等說明應依此閱讀且非作為對先前技術之認可。
在一態樣中，揭示一種用於熔融矽之爐。爐包括密封外殼、坩堝及熱交換器。坩堝定位在密封外殼內且經組態用於固持熔融矽且具有下表面。熱交換器用於將熱自坩堝轉移走且包括具有用於定位為緊鄰坩堝之下表面之一表面之板、形成在板中用於引導冷卻劑流且具有定位為鄰近出口之進口之流徑、將流徑之進口與出口隔開之壁、具有與流徑之進口及出口流體連通之開口之蓋、與流徑之進口流體連通之內導管及與流徑之出口流體連通之外導管。外導管與內導管同心且內導管之至少一部分設置在外導管內。
在另一態樣中，揭示一種熱交換器系統。系統包括板、壁、蓋、內導管及連接器。板具有形成在板中用於引導冷卻劑流之流徑且亦具有定位為鄰近出口之進口。壁將流徑之進口與出口隔開。蓋具有與流徑之進口及出口流體連通之開口。內導管連接至流徑之進口。連接器連接至流徑之出口。
在又一態樣中，揭示一種傳熱板。傳熱板包括用於定位為鄰近熱源之表面、形成為鄰近表面之具有鄰近出口之進口之冷卻劑流徑、隔開流徑之進口與出口之壁及具有與流徑之進口及出口流體連通之開口之蓋。
存在關於上述態樣說明之特徵之各種改良。其他特徵亦可併入上述態樣中。此等改良及額外特徵可個別或以任何組合存在。舉例而言，下文關於所闡述之實施例之任意者討論之各種態樣可單獨或以任何組合併入上述態樣之任意 者中。
參考圖式，例示性定向固化爐展示在圖1中且整體用100表示。爐100係用於熔融矽並生產多晶矽錠之類型。此一矽錠在可行用途中尤其可製作光伏打裝置。
圖1之定向固化爐100包括具有底座106之坩堝102。坩堝102及底座106由具有增加坩堝之結構剛性之支撐壁104之坩堝支撑件103支撐。坩堝102通常由石英或可承受高溫同時實質保持惰性之另一適當材料構成。坩堝102由密封外殼110圍繞。側面絕緣層109圍繞坩堝設置且視需要可移離坩堝。
連同蓋子112，坩堝102與坩堝支撑件103形成爐100之內部總成105。加熱器108圍繞壁104定位且定位在密封外殼110內。加熱器108適當可為輻射加熱器，該輻射加熱器經組態以施加熔化坩堝內之爐料所需之熱。本實施例之爐料為矽，但是考量其他材料。
在一些實施例中，坩堝支撑件103之底部114可定位在支撑件(未展示)上。大致用200標注且在下文更詳細討論之熱交換器定位為鄰近坩堝支撑件103之底部114且緊鄰坩堝102之底座106之下表面116。兩個熱交換器200以圖1之截面示意圖展示且兩個額外類似大小及組態之熱交換器隱藏在圖1中。在不脫離該等實施例之範疇下，可使用任意數量之熱交換器200。為明瞭起見，後續圖式描繪單個熱交換器200。
在操作時，打開密封外殼110並用多晶矽塊(例如，塊、粉末等)裝載坩堝102。坩堝102之蓋子112及密封外殼110隨後閉合並用加熱器108熔化矽。在矽熔化後，加熱器108停止操作且熔融矽開始固化為矽錠。絕緣層109中之通風孔(未展示)可打開及/或絕緣層可移動以允許熱從內部總成105消散。
將熱交換器200用於將熱從坩堝102(及其中所含之熔融物)轉移至流動穿過熱交換器之液體冷卻劑。從源貯槽(圖1中示意標注為150)為熱交換器200供應「新」冷卻劑。在流動穿過熱交換器200後，冷卻劑被稱作「廢」冷卻劑並流動至接收貯槽(圖1中示意標注為160)。廢冷卻劑隨後可(例如，由製冷或熱消散系統)冷卻並流回源貯槽150。現在新的冷卻劑隨後可再次流動穿過熱交換器(即，再循環)。在其他實施例中，廢冷卻劑可在流至接收貯槽後處理掉並且不再使用。
熱交換器200更詳細地展示在圖2至圖13中且為明瞭起見從其在圖1中之位置倒置以更好地展示熱交換器之內部結構。如圖3所示，熱交換器200包含具有用於定位為緊鄰坩堝102之下表面116之外表面204之板202。在例示性實施例中，板202之外表面204定位為鄰近坩堝支撑件103之底部114且實質上平坦。熱交換器200可操作以將熱自坩堝102之下表面116及設置在坩堝中之矽傳輸走而至冷卻劑。在省略坩堝支撑件103之其他實施例中，板202之外表面204定位為鄰近坩堝102之下表面116。
板202具有與外表面204相對之內表面206。蓋210(圖2及圖7)定位為緊鄰板202之內表面206且用任何適當緊固系統(例如，焊接)連接至板。
如圖3所示，迂迴流徑220形成在板202中用於沿著板202之內表面206引導冷卻劑流。流徑220由包含從板202之內表面206延伸至蓋210(圖3中省略蓋)之複數個構件222之通道界定。由構件222界定之流徑220迂迴使得冷卻劑沿著內表面206之實質上所有流動。例示性實施例中之構件222大致從內表面206垂直延伸至蓋210。構件222延伸至鄰近蓋210且因此在構件與蓋之間防止冷卻劑流動。構件222因此不允許冷卻劑在流徑220之鄰近部分之間「短路」。
流徑220具有用於接收新冷卻劑流之進口224及出口226，冷卻劑在流動穿過流徑後穿過該出口226離開。進口224及出口226定位為鄰近彼此。在一些實施例中，進口224及出口226彼此同軸。從內表面206延伸至蓋210之壁230(圖4)將進口224與出口226隔開。壁230亦協助熱交換器200之其他組件之對齊。進口224及出口226在例示性實施例中展示為大致定位在板202之中心或附近。在其他實施例中，進口224及出口226可不同地定位(例如，更靠近板202之角隅或一側)。
蓋210(圖7)具有形成在其中與流徑220之進口224及出口226流體連通之開口232。開口232定位為鄰近進口224及出口226兩者及/或與進口224及出口226兩者同軸。開口232具有進口部234及較大出口部236。
內導管240(圖5、圖6及圖8)設置在開口232之進口部234內且連接至流徑220之進口224。如下文更詳細討論，外導管250(圖13)連接至流徑220之出口226。如本文中所使用之術語導管包含管、軟管、管道或可操作以將液體流從一點輸送到另一點之其他結構。在例示性實施例中，內導管240藉由焊接連接至流徑220之進口224及板202之內表面206。在其他實施例中，內導管240可藉由任何適當緊固系統(例如，焊接或機械緊固件)連接。
在例示性實施例中，外導管250藉由連接器260連接至流徑220之出口226。如圖9及圖10所示，連接器260具有用於連接至蓋210之進口區段262及用於連接至外導管250之出口區段264。連接器260之進口區段262連接至蓋210使得進口區段與流徑220之出口226流體連通。如圖11所示，內導管240之一部分242設置在連接器260之中心開口266內。在其他實施例中，連接器260省略且取而代之將外導管250直接連接至蓋210，鄰近蓋中之開口232之出口部236。
如圖13所示，外導管250與內導管240同心且內導管設置在外導管內。外導管250及內導管240因此形成多腔管道結構。在一些實施例中，絕緣層(未展示)可設置為鄰近內導管240以減小從外導管250中之冷卻劑至內導管中之冷卻劑之熱轉移。此絕緣層可設置在內導管240之內表面244或外表面246之任一者或兩者上。此外，內導管240之所有或一部分可由與熱交換器200之其他組件之導熱性相比具有較低導熱性k之材料構成以限制穿過內導管之熱流。
導管240、250遠離熱交換器200之蓋210延伸並終止於終端連接器270。終端連接器270具有與內導管240流體連通之進口埠272及與外導管250流體連通之對應出口埠274(圖2中最佳可見)。設置在終端連接器270內之墊圈狀構件276防止冷卻劑在進口埠272與出口埠274之間行進。進口埠272用(圖1中示意展示之)流體連通系統170連接至源貯槽150。同樣地，出口埠274用流體連通系統170連接至接收貯槽160。
在操作時及如圖1至圖3所示，從源貯槽150將新冷卻劑供應至終端連接器270之進口埠272。新冷卻劑行進穿過內導管240至熱交換器220中之流徑220之進口224。新冷卻劑隨後流動穿過流徑220且熱從板202之內表面206轉移至冷卻劑。用坩堝102將熱從矽轉移至板202之內表面206。轉移至冷卻劑之此熱導致冷卻劑之溫度升高。在流動穿過流徑220後，冷卻劑透過出口226離開流徑。此時，冷卻劑稱作廢冷卻劑。冷卻劑流動穿過外導管250至終端連接器270。冷卻劑隨後流動穿過終端連接器270之出口埠274至接收貯槽160。廢冷卻劑隨後可藉由導致冷卻劑之溫度降低之任何適當熱消散系統冷卻。冷卻劑可轉移至源貯槽150供後續再使用。或者，廢冷卻劑可在從終端連接器270之出口埠274流出後處理掉。
在本文所述之實施例中，透過內導管240將新冷卻劑供應至流徑220之進口224。在另一逆流實施例中，穿過流徑220之冷卻劑流可逆使得取而代之將新冷卻劑從外導管250 供應至流徑220之出口226。廢冷卻劑隨後透過進口224離開流徑220並進入內導管240。在本逆流實施例中，終端連接器270之出口埠274連接至源貯槽150且進口埠272連接至接收貯槽160。
熱交換器200之組件由抗腐蝕之適當材料構成。在例示性實施例中，此等材料包含鋼、其合金(例如，不鏽鋼)、鋁青銅化合物或能夠承受高溫之合成材料(例如，含烴塑膠)。
本文所述之熱交換器200與先前熱交換器相比複雜度降低且效率提高。如上所述，內導管240及外導管250為多腔組態。在先前系統中，單獨、非同心導管用於從熱交換器供應及返回冷卻劑。此外，此等先前系統無具有鄰近出口之進口之流徑。而是，進口與出口分隔開，導致佔據更多空間之更複雜及更大配置。此較大配置在使用四個熱交換器之上述系統中問題更大。
此外，使用具有單獨、非同心導管之先前系統導致在導管與熱交換器之接合處形成彎矩。此等彎矩在接合處上導致大應力，該大應力可最終導致在接合處上歸因於疲勞而形成裂紋。熱交換器200之內導管240及外導管250及連接器260之配置加強及增強導管與熱交換器之接合。因此，該接合能夠承受更大應力且明顯較不可能開裂。
當介紹本發明或其(諸)實施例之元件時，冠詞「一」、「一個」、「該」及「該等」意指存在該等元件之一者或多者。術語「包括」、「包含」及「具有」旨在包含一切 且意指可能存在除所列元件之外之額外元件。
由於可在不脫離本發明之範疇的情況下對上文做出各種變更，故希望上述描述所包含及隨附圖式所展示之所有事項應解釋為闡釋性且無限制之意。
在圖之數個視圖中，對應參考符號表示對應零件。
100‧‧‧定向固化爐
102‧‧‧坩堝
103‧‧‧坩堝支撑件
104‧‧‧支撐壁
105‧‧‧內部總成
106‧‧‧底座
108‧‧‧加熱器
109‧‧‧絕緣層
110‧‧‧密封外殼
112‧‧‧蓋子
114‧‧‧底部
116‧‧‧下表面
150‧‧‧源貯槽
160‧‧‧接收貯槽
170‧‧‧流體連通系統
200‧‧‧熱交換器
202‧‧‧板
204‧‧‧外表面
206‧‧‧內表面
210‧‧‧蓋
220‧‧‧流徑
222‧‧‧構件
224‧‧‧進口
226‧‧‧出口
230‧‧‧壁
232‧‧‧開口
234‧‧‧進口部
236‧‧‧出口部
240‧‧‧內導管
242‧‧‧內導管240之部分
244‧‧‧內表面
246‧‧‧外表面
250‧‧‧外導管
260‧‧‧連接器
262‧‧‧進口區段
264‧‧‧出口區段
266‧‧‧中心開口
270‧‧‧終端連接器
272‧‧‧進口埠
274‧‧‧出口埠
276‧‧‧墊圈狀構件
圖1係例示性定向固化爐及熱交換器之示意截面圖；圖2係圖1之熱交換器之一者之透視圖；圖3係圖2之熱交換器中所使用之板之透視圖；圖4係圖3之放大部分；圖5係內導管之一部分之透視圖；圖6係圖3之板及圖5之內導管之截面圖；圖7係圖2之熱交換器中所使用之蓋之透視圖；圖8係類似於圖6之截面圖，圖7之蓋定位在板之頂部；圖9係連接器之透視圖；圖10係處於倒置位置之圖9之連接器之透視圖；圖11係類似於圖8之截面圖，圖9及圖10之連接器連接至連接器；圖12係類似於圖11之截面圖，外導管連接至連接器；及圖13係沿著線13-13取得之圖2之終端連接器之截面圖。
100‧‧‧定向固化爐
102‧‧‧坩堝
103‧‧‧坩堝支撑件
104‧‧‧支撐壁
105‧‧‧內部總成
106‧‧‧底座
108‧‧‧加熱器
109‧‧‧絕緣層
110‧‧‧密封外殼
112‧‧‧蓋子
114‧‧‧底部
116‧‧‧下表面
150‧‧‧源貯槽
160‧‧‧接收貯槽
170‧‧‧流體連通系統
200‧‧‧熱交換器

Claims (17)

  1. 一種用於熔融矽之爐，其包括：一密封外殼；一坩堝，其定位在該密封外殼內，該坩堝經組態用於固持熔融矽，該坩堝具有一下表面；及一熱交換器，其用於將熱自該坩堝轉移走，該熱交換器包括：一板，其具有用於定位為緊鄰該坩堝之該下表面之一外表面、與該外表面相對之一內表面、及從該內表面延伸之一壁；一流徑，其形成在該板中用於引導一冷卻劑流；一蓋，其具有一開口，其中該板及該蓋協同地(cooperatively)界定該流徑之一進口及鄰近該進口的該流徑之一出口，該開口與該進口及該出口流體連通，及該壁從該板之該內表面延伸至該蓋且至少部分地界定及隔開該流徑之該進口與該出口；一內導管，其與該流徑之該進口流體連通；及一外導管，其與該流徑之該出口流體連通，該外導管與該內導管同心，該內導管之至少一部分設置在該外導管內。
  2. 如請求項1之爐，其中該外導管藉由定位在該流徑之該出口與該外導管中間之一連接器而連接至該流徑之該出口。
  3. 如請求項1之爐，其中該外導管直接連接至該流徑之該 出口。
  4. 如請求項1之爐，其中該流徑由包括從該內表面延伸至該蓋之複數個構件之一通道所界定，使得該等構件接合(engage)該蓋。
  5. 如請求項1之爐，其中該板之該外表面可操作以將熱自該坩堝之該下表面及設置在該坩堝中之熔融矽傳輸走至該冷卻劑。
  6. 一種熱交換器系統，其包括：一板，其具有用於定位緊鄰一熱源之一外表面、與該外表面相對之一內表面、從該內表面延伸之一壁、及形成在該板中用於引導一冷卻劑流之一流徑；一蓋，其具有一開口，其中該板及該蓋協同地界定該流徑之一進口及鄰近該進口的該流徑之一出口，該開口與該進口及該出口流體連通，及該壁從該板之該內表面延伸至該蓋且至少部分地界定及隔開該流徑之該進口與該出口；一內導管，其連接至該流徑之該進口；及一外導管，其與該流徑之該出口流體連通，該外導管與該內導管同心。
  7. 如請求項6之熱交換器，其中該流徑由包括從該內表面延伸至該蓋之複數個構件之一通道所界定，使得該等構件接合該蓋。
  8. 如請求項6之熱交換器，其中該熱源為用於熔融矽之一爐之一部分且該外表面可操作以將熱自該爐之該部分傳 輸走至該冷卻劑。
  9. 如請求項6之熱交換器，其中該板之該外表面實質上平坦。
  10. 如請求項6之熱交換器，其進一步包括一連接器，其連接至該流徑之該出口，其中該外導管係藉由該連接器連接至該出口。
  11. 如請求項6之熱交換器，其中該外導管與該內導管同心且該內導管之至少一部分設置在該外導管之至少一部分內。
  12. 一種傳熱板，其包括：一外表面，其用於定位為鄰近一熱源；一內表面，其與該外表面相對；複數個構件，其從該內表面延伸以界定鄰近該內表面之一冷卻劑流徑；一壁，其從該內表面延伸，其中該板界定該流徑之一進口及鄰近該進口的該流徑之一出口，該壁至少部分地界定及隔開該流徑之該進口與該出口；及一蓋，其具有與該流徑之該進口及該出口流體連通之一開口，其中該等構件從該內表面延伸至該蓋，使得該等構件接合該蓋。
  13. 如請求項12之傳熱板，其中該外表面可操作以將熱自該熱源傳輸走至該流徑中之該冷卻劑中。
  14. 如請求項12之傳熱板，其進一步包括連接至該流徑之該進口之一內導管。
  15. 如請求項14之傳熱板，其進一步包括一外導管，該外導管連接至該流徑之該出口，該外導管與該內導管同心且該內導管之至少一部分設置在該外導管之至少一部分內。
  16. 如請求項12之傳熱板，其進一步包括連接至該流徑之該出口之一連接器。
  17. 如請求項16之傳熱板，其進一步包括連接至該連接器之一外導管，該外導管與該內導管同心且該內導管之至少一部分設置在該外導管之至少一部分內。
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