CN102747420B - 用于多晶铸锭炉的热交换台及其通气管径变化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于多晶铸锭炉的热交换台及其通气管径变化方法，其中热交换台气道的通径大小可调整，包括热交换层、气体分流层以及分流基层，气体分流层位于热交换层和分流基层之间，该气体分流层设置有成阵列布置的分流基孔，分流基孔内可拆卸地配置有套管，该套管提供气流通过分流基孔的管孔。

Description

用于多晶铸锭炉的热交换台及其通气管径变化方法

技术领域

本发明涉及用于多晶硅铸锭设备及其控制方法，尤其涉及多晶铸锭炉的热交换台及其通气管径变化方法。

背景技术

多晶硅铸锭炉是目前光伏行业中多晶硅的主要生产设备，铸锭工艺经过熔化、定向长晶、退后、冷却等几个阶段后，成为有一定晶体生长方向的多晶硅锭。多晶硅铸锭过程环境是多晶铸锭炉热场。在多晶硅生长过程中，坩埚底部的温度控制是由辐射散热决定的。目前辐射散热的方式主要是两种：一是通过调节加热器的功率以及多晶炉炉内底部隔热笼的开度，通过热交换台辐射进行降温；另一种是通过调节加热器功率以及热交换台内部通气带走热量，实现散热，隔热笼封闭不开启。

中国发明专利“用于多晶硅铸锭炉的改进结构的热交换台”（专利申请号201110218651.4）展示了一种用于多晶铸锭炉的气体冷却装置及方法，是在铸锭炉内热场的石墨体热交换台的内部设置气体流道，冷气进入，带走热量，实现热交换，从而达到散热降温的目的。由于影响铸锭长晶质量的因素很多，尤其在铸锭工艺摸索阶段，试验各种工艺配方时，热交换台结构已定型的情况下，因为气道的不可变，不能试验出最佳的工艺配方和生产工艺，不能达到长晶质量的最优化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于多晶铸锭炉的热交换台，其气道的通径大小可调整。

本发明的另一目的在于提供用于多晶铸锭炉的热交换台的通气管径变化方法，以达到在不同工艺配方的条件下，通过变换通气管径，保证坩埚底部的温度均匀，提升长晶质量。

为实现所述目的的用于多晶铸锭炉的热交换台，用来放置多晶硅铸锭坩埚并与坩埚进行热交换，包括热交换层、气体分流层以及分流基层，气体分流层位于热交换层和分流基层之间，其特点是：该气体分流层设置有成阵列布置的分流基孔，分流基孔内可拆卸地配置有套管，该套管提供气流通过分流基孔的管孔。

所述的热交换台，其进一步的特点是，分流基孔对应有多个套管，该多个套管的外侧能和分流基孔的内侧贴合，而该多个套管的内径不同，该分流基孔是选择性地与该多个套管中的一个套管配合。

所述的热交换台，其进一步的特点是，在气体分流层上的全部套管分布规律是气体分流层中间部分的管径小，往外管径变大。

所述的热交换台，其进一步的特点是，还包括初级分流层，所述气体分流层设置成二级分流层，初级分流层位于二级分流层和分流基层之间，初级分流层和分流基层之间形成初级分流室，初级分流层和二级分流层之间形成二级分流室，二级分流层和热交换层之间形成冷气流道，冷气从分流基层流入到初级分流室，再流经初级分流层，再流经二级分流室，再流经二级分流层上的套管，进入到二级分流层和热交换层之间的冷气流道。

所述的热交换台，其进一步的特点是，热交换层的气体分流层侧设置有成阵列分布的通气凸台，通气凸台上有以中心向四周辐射布置的通气槽，各通气凸台的四周有汇流气槽，该套管和该通气凸台对接以使冷气从套管中流出后流经通气凸台上的通气槽再流入到汇流气槽。

所述的热交换台，其进一步的特点是，所述气体分流层的热交换层侧在各所述分流基孔的四周有汇流气槽，气体分流层上的汇流气槽和热交换层上的汇流气槽组合成气道。

所述的热交换台，其进一步的特点是，初级分流层的种类有多种，各种初级分流层设置有均匀的初级分流孔，但不同种初级分流层的初级分流孔的数量不同和孔径不同。

所述的热交换台，其进一步的特点是，所述热交换台设置有中央进气孔以及位于四角的出气孔，冷气流经冷气流道成热气，热气从四角的出气孔流出。

为实现所述目的的用于多晶铸锭炉的热交换台的通气管径变化方法，该热交换台包括热交换层、气体分流层以及分流基层，气体分流层位于热交换层和分流基层之间，其特点是，在该气体分流层的成阵列布置的分流基孔内配置有套管，利用该套管的管径限定出分流基孔的通径，利用不同管径的套管与分流基孔配置，以使流经气体分流层的气体的通径大小的调节得到控制。

所述的通气管径变化方法，其进一步的特点是，还在气体分流层和分流基层之间设置初级分流层，该初级分流层上设置有初级分流孔，改变初级分流孔的数量和孔径，以衍生成多种初级分流层，通过更换不同种类的初级分流层，来实现初级分流的可变可调。

在本发明的实施例中，通过利用便于更换的套管和/或初级分流板，使本发明的内冷式热交换台更具工艺操作性，在不同的铸锭大小、不同的工艺配方、不同的加热器功率配比等要求下，可构建相应的热交换台热场，使坩埚底部的降温均匀一致，固液界面平整无上下不齐，增大铸造多晶硅晶粒尺寸，减少晶界密度，进而提高硅电池光电转换率。可广泛运用在多晶硅铸锭工艺研发和高效铸锭生产中。

附图说明

图1是用于多晶铸锭炉的热交换台的主视剖面图。

图2是热交换台的分解视图。

图3是热交换台的热交换层和二级分流层的主视剖面图。

图4是热交换台的热交换层和二级分流层的分解视图。

图5是热交换层的仰视图。

图6是热交换层的主视剖面图。

图7是热交换层的一个角部的局部放大视图。

图8是二级分流层的主视剖面图。

图9是二级分流层的仰视图。

图10至图12是套管的不同类型的主视剖面图。

图13至图16是初级分流层的不同类型的仰视图。

图17是热交换台的进出气管道布置的主视剖面图。

图18是热交换台在下炉体中进出气管道布置的主视剖面图。

图19至图21是利用不同热交换台来获得的长晶效果示意图，其中图21是利用本发明实施例获得的长晶效果示意图。

具体实施方式

以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于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发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

图1至图9为本发明的一实施例的图示。如图1和图2所示，在本发明实施例中，热交换台包括热交换层10、二级分流层20、可变管径套管30、初级分流层40和分流基层50等。二级分流层20和初级分流层40之间形成二级分流室25，初级分流层40和分流基层50之间形成初级分流室54。二级分流层20和热交换层10之间形成纵横交错的气流通道，冷气进入到该气流通道中，与热交换层10上的坩埚进行充分的热交换，然后成为热气排出。

如图2所示，二级分流层20与分流基层50之间用固定螺钉51相贴连接固定。如图3所示，二级分流层20和热交换层10之间通过多个螺钉21固定。初级分流层40被固定在二级分流层20和分流基层50之间。

如图13至图16所示举例4种初级分流层分别是初级分流层41、初级分流层42、初级分流层43、初级分流层44，在该四种初级分流层上的初级分流孔45的数量和孔径Φm和Φn，都可根据工艺的要求设置不同，从而可衍生多种初级分流层，方便适应工艺要求的更换。通过更换不同数量、孔径初级分流孔的初级分流层，以达到适应工艺要求的分流效果。

如图3和图4、图8、图9所示，二级分流层30具有成阵列布置的分流基孔22，各分流基孔22中配置由套管33，套管33的外侧和分流基孔22的内壁贴合，从而套管33的内径也就为分流基孔22的气流通径。在本发明的其他实施例中，分流基孔22可以是圆形以外的其他形状，相应地，分流基孔22可以是圆筒状以外的其他形状。所述术语“孔径或通径”并非要将分流基孔22或者套管33的管孔限定为圆形，其可以理解成沿轴线向边缘延伸的距离或者其他适合于表达流通冷气流量大小的物理概念。二级分流层30上并非一定要完全设置成配有套管33的分流基孔22，也可以部分通孔内不设置套管33。套管33可拆卸地配置在分流基孔22内，因此通过一组套管33分别与分流基孔22配合，就可以实现通气管径的变化。图10至图12分别示意内径Φa的可变管径套管31，内径Φb的可变管径套管32，内径Φc的可变管径套管33，内径大小：Φa<Φb<Φc。在图4中可变管径套管31为4件，可变管径套管32为12件，可变管径套管33为20件。在本发明的其他实施例中，套管的数量和管径大小的配置可以根据工艺要求进行变化。

二级分流层20的部分分流基孔22也可不装配套管30，为了区别开来，不装配套管30的分流基孔定义为固定通径基孔，即其流通气流的通径不可调为固定的。

图5至图7是热交换层10的结构视图，热交换层10下端面设置有阵列分布的36个通气方块11（或者其他形状的凸台）。通气方块11具有从中心向四周辐射布置的多个通气槽13，通气方块11的四周均有上汇流气道（或槽）12，如后面所述，在装配状态下，冷气流入通气方块11时通过通气槽13向四周辐射流出，进入通气方块11四周的上汇流气道12。

如图8和图9所示，二级分流层20的分流基孔22中装配可变管径套管30，各分流基孔22的四周有下汇流气道（槽）23。当热交换层10与二级分流层20相贴装配后，上汇流气道12与下汇流气道23合成封闭的汇流气道26。另外，分流基孔22和通气方块11一一对应配置。气体从套管30或分流基孔22中流出，进入到通气方块11，再从通气方块11的通气槽13中流入到汇流气道26，再从汇流气道26从四角出气孔24流出。流经汇流气道26的冷气与热交换台10上的坩埚进行热交换后成为热气。

图17和图18是热交换台的进出气体的布局示意图，图17所示所有部件都是石墨材料制成，其中设置中央进气管60，4个四角出气管61，隔热笼底层67。图18中包括多晶炉下炉体62，下炉体进气管64，下炉体内部出气管65，下炉体外部出气管66，本发明的热交换台上面放置坩埚63。在长晶过程中，坩埚63里硅液69逐步长晶成硅晶体70。

如图17和图18所示，本发明实施例的热交换台由中央进气管60流入冷气氩气或氦气，冷气经初级分流室54→初级分流层40→二级分流室25→可变管径套管30→通气方块11→汇流气道26→四角出气管61流出。

冷气经下炉体进气管64流入中央进气管60,冷气在与热交换层10进行热交换后变成热气，热气经过四角出气管61，经过下炉体内部出气管65，流到下炉体外部出气管66，热气在下炉体62的外部进行冷却处理。图10所示热交换层10上放置坩埚63，中央进气管60和四角出气管61都穿过隔热笼底层67。在长晶过程中，热交换层10对坩埚63里的硅液69热量交换进行冷却，形成如图所示的固液界面68，固液界面68下面是硅晶体70，随着固液界面68向上推进，直至到顶，长晶结束。

在没有安装可变管径套管30和初级分流层40的情况下，图19为所示的长晶中固液界面68的分布示意图，由于各通气孔大小未加调整，实际冷却效果形成：固液界面呈现中间部位长晶快，四周长晶慢的不平齐状态，从而影响长晶的质量。

在没有安装可变管径套管30的情况下，图20为所示的长晶中固液界面68的分布示意图，由于各通气孔大小未加调整，实际冷却效果形成：固液界面呈现波动，上下不平齐状态，从而影响长晶的质量。

图21是本发明实施例实际运用的长晶效果图示，可变管径套管30分布规律是中间部分的内径小，往外内径变大，如图10和图12所示，内径Φa的可变管径套管31，内径Φb的可变管径套管32，内径Φc的可变管径套管33，内径大小：Φa<Φb<Φc，实际冷却效果均匀，各部位长晶速度一致，固液界面68比较平整。大大提高了长晶的质量。

在前述的实施例中，也可以理解到一种方法，即套管32的外径与分流基孔22相配，内径大小可定制不同尺寸，通过更换可变管径套管30，从而实现通气管径大小的调节控制。另外，初级分流层40设置均匀的初级分流孔45，通过对初级分流孔45的数量和孔径进行改变和组合，衍生成多种初级分流层40，不同的初级分流层40通过更换，实现初级分流的可变可调。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，例如前述各层的形状均为方形的板状，也可以替换为方形外的其他形状。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于多晶铸锭炉的热交换台，用来放置多晶硅铸锭坩埚并与坩埚进行热交换，包括热交换层、气体分流层以及分流基层，气体分流层位于热交换层和分流基层之间，其特征在于：该气体分流层设置有成阵列布置的分流基孔，分流基孔内可拆卸地配置有套管，该套管提供气流通过分流基孔的管孔，其中，分流基孔对应有多个套管，该多个套管的外侧能和分流基孔的内侧贴合，而该多个套管的内径不同，该分流基孔是选择性地与该多个套管中的一个套管配合。

2.如权利要求1所述的热交换台，其特征在于，在气体分流层上的全部套管分布规律是气体分流层中间部分的管径小，往外管径变大。

3.如权利要求1所述的热交换台，其特征在于，还包括初级分流层，所述气体分流层设置成二级分流层，初级分流层位于二级分流层和分流基层之间，初级分流层和分流基层之间形成初级分流室，初级分流层和二级分流层之间形成二级分流室，二级分流层和热交换层之间形成冷气流道，冷气从分流基层流入到初级分流室，再流经初级分流层，再流经二级分流室，再流经二级分流层上的套管，进入到二级分流层和热交换层之间的冷气流道。

4.如权利要求1所述的热交换台，其特征在于，热交换层的气体分流层侧设置有成阵列分布的通气凸台，通气凸台上有以中心向四周辐射布置的通气槽，各通气凸台的四周有汇流气槽，该套管和该通气凸台对接以使冷气从套管中流出后流经通气凸台上的通气槽再流入到汇流气槽。

5.如权利要求4所述的热交换台，其特征在于，所述气体分流层的热交换层侧在各所述分流基孔的四周有汇流气槽，气体分流层上的汇流气槽和热交换层上的汇流气槽组合成气道。

6.如权利要求1所述的热交换台，其特征在于，初级分流层的种类有多种，各种初级分流层设置有均匀的初级分流孔，但不同种初级分流层的初级分流孔的数量不同和孔径不同。

7.如权利要求2所述的热交换台，其特征在于，所述热交换台设置有中央进气孔以及位于四角的出气孔，冷气流经冷气流道成热气，热气从四角的出气孔流出。

8.一种用于多晶铸锭炉的热交换台的通气管径变化方法，该热交换台包括热交换层、气体分流层以及分流基层，气体分流层位于热交换层和分流基层之间，其特征在于，在该气体分流层的成阵列布置的分流基孔内配置有套管，利用该套管的管径限定出分流基孔的通径，利用不同管径的套管与分流基孔配置，以使流经气体分流层的气体的通径大小的调节得到控制。

9.如权利要求8所述的通气管径变化方法，其特征在于，还在气体分流层和分流基层之间设置初级分流层，该初级分流层上设置有初级分流孔，改变初级分流孔的数量和孔径，以衍生成多种初级分流层，通过更换不同种类的初级分流层，来实现初级分流的可变可调。