CN110453277A - 一种直拉法单晶炉热场快速冷却装置及冷却方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直拉法单晶炉热场快速冷却装置及冷却方法，包括横向保温支撑环和至少两个冷却升降装置，每个冷却升降装置均包括托板、支撑连杆、波纹软管和升降底座；横向保温支撑环设在中部碳基保温筒和下部碳基保温筒之间，并与中部保温支撑筒底部相连；托板一端与横向保温支撑环相连，另一端与支撑连杆的顶端相连；支撑连杆位于碳基保温筒和炉筒之间的真空腔体内，另一端从炉底板中穿出，并与升降底座相连；波纹软管套装在支撑连杆外周；波纹软管内呈真空状态；波纹软管的长度能够伸缩，升降底座的高度能够升降。本申请能将热场的冷却时间缩短50%以上，并且拆炉时热场温度能控制在100‑200℃，减弱热场氧化，提高石墨件使用寿命，降低生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及光伏制造行业，特别是一种直拉法单晶炉热场快速冷却装置及冷却方法。
背景技术
现有的单晶炉，在生产完结后，需要将热场冷却后，再进行清理，重新投炉。 然而，现有的冷却方法，存在着如下不足，有待进行解决：
1、现有的单晶热场，整个热场结构外部全部被碳基保温材料包覆，以确保在整个生产过程中热量尽可能少的散失，从而保证整个热场环境的温度恒定。在停炉且发热体关闭后，热场部件中的余热，仅能靠保温材料的自然热量传递和辐射至炉底板、炉筒、炉盖和副室等，再通过循环水将炉底板、炉筒、炉盖和副室等表面的热量带走，热量散失缓慢，需要自然冷却6-12小时，冷却等待时间长，生产效率低。
2、自然冷却6-12小时后，热场温度依然很高，大约在300~400°。拆炉时，热场部件将因温度高，易出现局部氧化，热场老化速度较快，石墨件寿命偏低，生产成本高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种直拉法单晶炉热场快速冷却装置和冷却方法，该直拉法单晶炉热场快速冷却装置和冷却方法能将热场的冷却时间缩短50%以上，并且拆炉时热场温度能控制在100-200℃，减弱热场氧化，提高石墨件使用寿命，降低生产成本。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种直拉法单晶炉热场快速冷却装置，包括横向保温支撑环和至少两个冷却升降装置，每个冷却升降装置均包括托板、支撑连杆、波纹软管和升降底座。
直拉法单晶炉包括炉筒、炉盖、炉底板、碳基保温筒和碳基支撑筒。
炉盖设置在炉筒顶部，炉底板位于炉筒底部，炉筒、炉盖和炉底板共同围合形成密闭的真空腔体。
碳基保温筒同轴套设在炉筒的内侧，从上至下依次包括上部碳基保温筒、中部碳基保温筒和下部碳基保温筒。
碳基支撑筒同轴设置在碳基保温筒的内侧，从上至下依次包括上部保温支撑筒、中部保温支撑筒和下部保温支撑筒，分别用于支撑上部碳基保温筒、中部碳基保温筒和下部碳基保温筒。
横向保温支撑环设置在中部碳基保温筒的底部，并与中部保温支撑筒底部相连接。托板一端与横向保温支撑环相连接，另一端与支撑连杆的顶端相连接。支撑连杆竖向设置，且位于碳基保温筒和炉筒之间的真空腔体内，支撑连杆的另一端从炉底板中穿出，并与升降底座相连接。
波纹软管套装在位于炉底板和升降底座之间的支撑连杆外周，且波纹软管顶部与炉底板密封连接，波纹软管底部与升降底座密封连接。波纹软管内呈真空状态。
波纹软管的长度能够伸缩，升降底座的高度能够升降。
托板与横向保温支撑环的连接为交错重叠连接，下部碳基保温筒顶部设置有托板放置槽，托板能放置在托板放置槽中。
波纹软管为焊接波纹软管。
波纹软管的最大拉伸长度大于300mm，波纹软管的最小压缩长度小于100mm。
托板水平设置。
升降底座在升降驱动装置的驱动下实现高度升降，升降驱动装置为丝杆驱动装置，包括丝杆、丝杆套筒和电机，丝杆顶端安装在炉底板底部，丝杆套筒螺纹套装在丝杆上，丝杆套筒与升降底座固定连接，电机驱动丝杆转动。
一种直拉法单晶炉热场快速冷却方法，包括如下步骤。
步骤1，波纹软管抽真空：对每个波纹软管均进行抽真空操作，使得每根支撑连杆均全部处于真空环境中。
步骤2，中部碳基保温筒顶升：升降驱动装置工作，驱动升降底座和支撑连杆同步向上移动，托板和横向保温支撑环在支撑连杆的顶升下，带动位于上方的中部碳基保温筒和上部碳基保温筒向上顶升。此时，波纹软管逐渐压缩。
步骤3，中部碳基保温筒顶升高度确定：根据直拉法单晶炉内热场的温度和半径，确定升降驱动装置的升降速率与升降高度，进而确定中部碳基保温筒的顶升高度。
步骤3中，中部碳基保温筒的顶升高度为200-400mm。
步骤3中，当中部碳基保温筒顶升至确定的高度后，3-6h内，热场温度将降低至100-200℃。
本发明具有如下有益效果：
1、通过将中部碳基保温筒向上顶升，使得热场内的热量直接辐射至炉筒上，加速热场温度下降，使得热场的冷却时间能缩短50%以上，并且拆炉时，热场温度能控制在在100-200℃，低于自然冷却下的热场温度，减弱了热场氧化，提高石墨件使用寿命，从而降低生产成本。
2、波纹软管的设置，能使得支撑连杆在升降的过程中，始终处于真空环境中，避免外部含有氧气的空气等气体借助支撑连杆，进入直拉法单晶炉的真空腔体内；进而避免热场氧化，提高石墨件的使用寿命，降低生产成本。
附图说明
图1为一种直拉法单晶炉热场快速冷却装置（不含升降驱动装置）顶升前的示意图。
图2为一种直拉法单晶炉热场快速冷却装置（不含升降驱动装置）顶升后的示意图。
图3显示了升降驱动装置的具体实例示意图。
其中有：
10.碳基保温筒；11.上部碳基保温筒；12.中部碳基保温筒；13.下部碳基保温筒；
20.碳基支撑筒；21.上部碳基支撑筒；22.中部碳基支撑筒；23.下部碳基支撑筒；
31.竖向发热体；32.横向发热体；
40. 冷却升降装置；
41.横向保温支撑环；42.托板；43.支撑连杆；44.波纹软管；45.升降底座；
50.升降驱动装置；51.安装板；52.固定板；53.丝杆；531.角接触轴承；532.轴承固定座；54.丝杆套筒；55.蜗轮蜗杆减速机；56.电机；
60.真空腔体；61.炉筒；62.炉底板；63.炉盖；
70.坩埚；71.中轴；
80.导流筒。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等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发明和简化描述，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，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
如图1和图2所示，直拉法单晶炉包括炉筒61、炉盖63、炉底板62、碳基保温筒10、碳基支撑筒20、发热体、热场快速冷却装置、坩埚70和导流筒80。
炉盖设置在炉筒顶部，炉底板位于炉筒底部，炉筒、炉盖和炉底板共同围合形成密闭的真空腔体60。
单晶生产过程中，真空腔体通过设置在底部的真空泵进行抽空，并在真空腔体的顶端通入保护气体，整个过程是在通有保护气体的负压状态下完成生产的。真空泵的设置以及抽真空过程均为成熟的现有技术。
上述炉底板用于支撑整个热场部件保持同轴心，炉筒、炉底板和炉盖外侧优选设置有循环水冷装置。
碳基保温筒同轴套设在炉筒的内侧，从上至下依次包括上部碳基保温筒11、中部碳基保温筒12和下部碳基保温筒13，下部碳基保温筒顶部设置有托板放置槽131。碳基保温筒外壁面优选包裹有碳基保温软毡。
上部碳基保温筒11、中部碳基保温筒12和下部碳基保温筒13均为碳基保温材料，具体优选为PAN基石墨毡或黏胶基高效毡，从而确保在整个单晶生产过程中热量尽可能少的散失掉，从而保证整个热场环境的温度恒定。
碳基支撑筒同轴设置在碳基保温筒的内侧，如内壁面，从上至下依次包括上部保温支撑筒21、中部保温支撑筒22和下部保温支撑筒23，分别用于支撑上部碳基保温筒、中部碳基保温筒和下部碳基保温筒。
上部保温支撑筒21、中部保温支撑筒22和下部保温支撑筒23的材料优选为等静压石墨或碳/碳复合材质。
坩埚70底部与中轴71相连接。
发热体包括竖向发热体31和横向发热体32，竖向发热体均匀布设在坩埚的圆周外侧，横向发射体设置在坩埚的底部水平面上。发热体的具体布设方式，为成熟的现有技术，这里不再赘述。
在单晶生产过程中，分别开启竖向发热体31和横向发热体32，通过调节发热体的输出功率，使熔体表面温度接近凝固点，再通过接触一个具有固定晶向的籽晶，使熔体定向结晶，并给籽晶给定一个与结晶面垂直的速度向上提拉，从而生产出具有一定晶向的单晶。
如图1和图2所示，一种直拉法单晶炉热场快速冷却装置，包括横向保温支撑环41和至少两个冷却升降装置40。
本申请中，冷却升降装置优选为两个，对称布设。作为替换，也可以为三个、四个或多个，均在本申请的保护范围之内。
每个冷却升降装置均包括托板42、支撑连杆43、波纹软管44、升降底座45和升降驱动装置50。
横向保温支撑环设置在中部碳基保温筒的底部，并与中部保温支撑筒底部相连接，横向保温支撑环的内径与中部碳基保温筒的内径相等，横向保温支撑环的外径优选小于中部碳基保温筒的外径，进一步优选为中部碳基保温筒外径的1/2~2/3。这样能防止热场高温将托板等熔化。
进一步，横向保温支撑环优选与中部保温支撑筒一体设置。
托板优选水平设置，并能放置在托板放置槽中。在单晶生成过程时，中部保温支撑筒22和下部保温支撑筒23的连接部能相互贴合，能够保证热场温度的精度不受影响。
托板一端与横向保温支撑环相连接，优选为交错重叠连接；另一端与支撑连杆的顶端相连接。支撑连杆竖向设置，且位于碳基保温筒和炉筒之间的真空腔体内，支撑连杆的另一端从炉底板中穿出，并与升降底座相连接。
波纹软管套装在位于炉底板和升降底座之间的支撑连杆外周，且波纹软管顶部与炉底板密封连接，波纹软管底部与升降底座密封连接。
波纹软管内呈真空状态。
波纹软管的抽中空，优选有如下两种优选方式：
1、支撑连杆与炉底板密封滑动连接，波纹软管内的真空腔与真空腔体60不连通，每个波纹软管均自带真空接口，通过真空泵进行抽真空。
2、支撑连杆与炉底板滑动连接，且两者间具有缝隙，波纹软管内的真空腔与真空腔体60相连通，通过对真空腔体60抽真空，实现各个波纹软管内的抽真空。
进一步，上述波纹软管优选为焊接波纹软管。波纹软管的长度能够伸缩，波纹软管的最大拉伸长度优选大于300mm，波纹软管的最小压缩长度优选小于100mm。
升降底座优选在升降驱动装置50的驱动下实现高度升降，升降驱动装置50可以设置一个，也可以与升降底座的数量相等。
如图3所示，升降驱动装置优选为丝杆驱动装置，包括丝杆53、丝杆套筒54和电机56。
丝杆顶端优选通过安装板51安装在炉底板底部，丝杆套筒螺纹套装在丝杆上，丝杆套筒优选为丝杆铜套，丝杆套筒与升降底座固定连接。
电机驱动丝杆转动，具体连接方式为：丝杆的顶端通过角接触轴承531安装在安装板上或炉底板上，丝杆的底端通过角接触轴承531安装在轴承固定座532上，轴承固定座优选通过固定板悬挂在炉底板底部。
电机优选为涡轮蜗杆电机，电机56和涡轮蜗杆减速机55均优选安装在固定板上，电机的输出轴与涡轮蜗杆减速机55相连接，涡轮蜗杆减速机55驱动丝杆转动。
进一步，本申请中，升降驱动装置50仅设置一个，所有冷却升降装置中的升降底座均通过联轴器相连接，这样，丝杆将带动所有波纹软管同步拉伸或压缩，所有支撑连杆同步升降。
当然，作为替换，升降驱动装置50也可以为现有技术中的气缸驱动或液压驱动等，均在本申请的保护范围之内。
在单晶正常生产过程中，波纹软管处于拉伸状态，如图1所示，横向保温支撑环位于中部碳基保温筒和下部碳基保温筒之间，确保在生产过程中整个热场环境的温度恒定。
在生产完结，需要冷却热场时，采用如下冷却方法，进行热场的快速冷却。
一种直拉法单晶炉热场快速冷却方法，包括如下步骤。
步骤1，波纹软管抽真空：对每个波纹软管均进行抽真空操作，使得每根支撑连杆均全部处于真空环境中。
步骤2，中部碳基保温筒顶升：升降驱动装置工作，驱动升降底座和支撑连杆同步向上移动，托板和横向保温支撑环在支撑连杆的顶升下，带动位于上方的中部碳基保温筒和上部碳基保温筒向上顶升。此时，如图2所示，波纹软管逐渐压缩。
支撑连杆和托板的同步上升，由于托板与横向保温支撑环相连，使得横向保温支撑环同步顶升，同步带动以上的碳基保温筒和碳基支撑筒上升，使得仍处于高温状态的内部热场部件热量可以直接辐射至炉筒上，加速热场温度下降。
步骤3，中部碳基保温筒顶升高度确定：根据直拉法单晶炉内热场的温度和半径，确定升降驱动装置的升降速率与升降高度，进而确定中部碳基保温筒的顶升高度。
本步骤3中，中部碳基保温筒的顶升高度优选为200-400mm。
进一步，当中部碳基保温筒顶升至确定的高度后，3-6h内，热场温度将降低至100-200℃。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种直拉法单晶炉热场快速冷却装置，其特征在于：包括横向保温支撑环和至少两个冷却升降装置，每个冷却升降装置均包括托板、支撑连杆、波纹软管和升降底座；
直拉法单晶炉包括炉筒、炉盖、炉底板、碳基保温筒和碳基支撑筒；
炉盖设置在炉筒顶部，炉底板位于炉筒底部，炉筒、炉盖和炉底板共同围合形成密闭的真空腔体；
碳基保温筒同轴套设在炉筒的内侧，从上至下依次包括上部碳基保温筒、中部碳基保温筒和下部碳基保温筒；
碳基支撑筒同轴设置在碳基保温筒的内侧，从上至下依次包括上部保温支撑筒、中部保温支撑筒和下部保温支撑筒，分别用于支撑上部碳基保温筒、中部碳基保温筒和下部碳基保温筒；
横向保温支撑环设置在中部碳基保温筒的底部，并与中部保温支撑筒底部相连接；托板一端与横向保温支撑环相连接，另一端与支撑连杆的顶端相连接；支撑连杆竖向设置，且位于碳基保温筒和炉筒之间的真空腔体内，支撑连杆的另一端从炉底板中穿出，并与升降底座相连接；
波纹软管套装在位于炉底板和升降底座之间的支撑连杆外周，且波纹软管顶部与炉底板密封连接，波纹软管底部与升降底座密封连接；波纹软管内呈真空状态；
波纹软管的长度能够伸缩，升降底座的高度能够升降。
2.根据权利要求1所述的直拉法单晶炉热场快速冷却装置，其特征在于：托板与横向保温支撑环的连接为交错重叠连接，下部碳基保温筒顶部设置有托板放置槽，托板能放置在托板放置槽中。
3.根据权利要求1所述的直拉法单晶炉热场快速冷却装置，其特征在于：波纹软管为焊接波纹软管。
4.根据权利要求1或3所述的直拉法单晶炉热场快速冷却装置，其特征在于：波纹软管的最大拉伸长度大于300mm，波纹软管的最小压缩长度小于100mm。
5.根据权利要求1所述的直拉法单晶炉热场快速冷却装置，其特征在于：托板水平设置。
6.根据权利要求1所述的直拉法单晶炉热场快速冷却装置，其特征在于：升降底座在升降驱动装置的驱动下实现高度升降，升降驱动装置为丝杆驱动装置，包括丝杆、丝杆套筒和电机，丝杆顶端安装在炉底板底部，丝杆套筒螺纹套装在丝杆上，丝杆套筒与升降底座固定连接，电机驱动丝杆转动。
7.一种直拉法单晶炉热场快速冷却方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，波纹软管抽真空：对每个波纹软管均进行抽真空操作，使得每根支撑连杆均全部处于真空环境中；
步骤2，中部碳基保温筒顶升：升降驱动装置工作，驱动升降底座和支撑连杆同步向上移动，托板和横向保温支撑环在支撑连杆的顶升下，带动位于上方的中部碳基保温筒和上部碳基保温筒向上顶升；此时，波纹软管逐渐压缩；
步骤3，中部碳基保温筒顶升高度确定：根据直拉法单晶炉内热场的温度和半径，确定升降驱动装置的升降速率与升降高度，进而确定中部碳基保温筒的顶升高度。
8.根据权利要求7所述的直拉法单晶炉热场快速冷却方法，其特征在于：步骤3中，中部碳基保温筒的顶升高度为200-400mm。
9.根据权利要求8所述的直拉法单晶炉热场快速冷却方法，其特征在于：步骤3中，当中部碳基保温筒顶升至确定的高度后，3-6h内，热场温度将降低至100-200℃。
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