專利名稱：氣致冷多晶硅鑄錠爐的閉式冷卻系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多晶硅鑄錠爐的制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種氣致冷多晶硅鑄錠爐的閉式冷卻系統(tǒng)，適用于制造大晶粒高品質(zhì)的多晶硅錠。
背景技術(shù)：
多晶硅鑄錠爐是目前光伏行業(yè)中多晶硅的主要生產(chǎn)設(shè)備，其功能是將多晶硅按照設(shè)定工藝經(jīng)過熔化、定向結(jié)晶、退火、冷卻幾個(gè)階段后成為有一定晶體生長(zhǎng)方向的多晶硅錠。多晶硅鑄錠過程所需環(huán)境即為多晶鑄錠爐熱場(chǎng)。通過合理的設(shè)計(jì)熱場(chǎng)中加熱器的功率分布、隔熱材料的位置、厚度分布，可以改變最終多晶硅錠的晶體生長(zhǎng)方向。該設(shè)備的工作原理如圖1所示工作時(shí)，首先將放入坩堝內(nèi)的硅料進(jìn)行加熱熔化，然后打開底部的保溫籠，使得坩堝底部的熱交換臺(tái)(也稱導(dǎo)熱體)能對(duì)外進(jìn)行輻射散熱，使得坩堝底部溫度下降，熔化的硅料從底部向上進(jìn)行定向凝固。在多晶硅生長(zhǎng)過程中，坩堝底部的溫度控制是由輻射散熱決定的。主要通過調(diào)節(jié)加熱器的功率以及底部保溫籠的開度，通過熱交換臺(tái)輻射散熱的方式進(jìn)行降溫，來控制硅錠生長(zhǎng)速度。圖2中是中國(guó)發(fā)明專利“用于多晶硅垂直定向生長(zhǎng)的隨動(dòng)隔熱環(huán)熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)”(專利申請(qǐng)?zhí)?01010108876. X)所揭示的熱場(chǎng)整體結(jié)構(gòu)剖視圖，使用了同樣的溫度控制方式。雖然該技術(shù)操作簡(jiǎn)單，但由于底部保溫籠四周向圓形爐體底部散熱的路徑不一致，使得熱交換臺(tái)溫度四周低中間高，分布不均勻；同時(shí)隨著硅錠高度的增加晶體豎直方向熱傳導(dǎo)效率降低，導(dǎo)致晶體生長(zhǎng)速度逐步減緩，其硅錠的生長(zhǎng)速度更加難以通過輻射降溫的方式進(jìn)行精確控制；同時(shí)，因散熱速度有限制，影響因素多，熱交換臺(tái)的溫度無(wú)法精確控制且溫度分布不均勻，導(dǎo)致硅熔體在坩堝底部大量的形核，而晶粒數(shù)量過多阻礙其生長(zhǎng)成為大晶粒。由于晶粒多，因此硅片上存在大量吸收了雜質(zhì)和位錯(cuò)的晶界，在硅禁帶中引入深能級(jí)，成為光生少數(shù)載流子的有效復(fù)合中心，降低電池的光電轉(zhuǎn)換效率。也有采用水冷卻的技術(shù)，但因坩堝底部和熱交換臺(tái)的溫度一般有1000°C以上，像一般工業(yè)上所采用的水冷卻方式，在熱交換臺(tái)中通入冷卻水是不現(xiàn)實(shí)的。因此，現(xiàn)有的水冷方式都是在熱交換臺(tái)下面設(shè)置內(nèi)通冷卻水的銅管(如圖3所示)。因?yàn)樵摲桨笇?shí)際上是通過冷卻水對(duì)熱交換臺(tái)進(jìn)行換熱，再由熱交換臺(tái)對(duì)坩堝底部進(jìn)行換熱，其換熱方式效率非常低。此外由于水溫不能過高，又不能停止供水，且存在固定的最小功耗，水冷方案消耗功率大，因此難以對(duì)溫度進(jìn)行精準(zhǔn)控制，故實(shí)際生產(chǎn)中采用不多。中國(guó)發(fā)明專利“用于多晶鑄錠爐的氣體冷卻裝置及方法”(專利申請(qǐng)?zhí)?201110040032. 0)揭示了一種用于多晶鑄錠爐的氣體冷卻裝置及方法(如圖4所示)，是在鑄錠爐內(nèi)熱場(chǎng)的熱交換臺(tái)(在該文獻(xiàn)中被稱為導(dǎo)熱體)的下方設(shè)置內(nèi)部帶有氣流通道的石墨體，坩堝底部的熱量經(jīng)熱交換臺(tái)(導(dǎo)熱體)傳遞至石墨體。該技術(shù)通過使惰性氣體從氣流通道的進(jìn)氣口進(jìn)入，氣體流經(jīng)石墨體內(nèi)部并帶走熱量，然后從氣流通道的出氣口排出以實(shí)現(xiàn)散熱。與圖1、2中的散熱方式相比，該技術(shù)是在熱場(chǎng)底部增加一個(gè)主動(dòng)散熱的氣體冷卻裝置，并通過調(diào)節(jié)通入裝置內(nèi)的氣體流量控制主動(dòng)散熱幅度，能夠主動(dòng)的控制晶體下方散熱速率，有效控制晶體生長(zhǎng)速度。而與圖3中的散熱方式相比，由于惰性氣體沒有溫度的限制，且不需要絕對(duì)的隔離密封，因此在熔化等非晶體生長(zhǎng)階段，可以關(guān)閉冷卻氣體，降低能耗，并且在長(zhǎng)晶過程中可以大幅度調(diào)節(jié)氣體的流量，進(jìn)口氣體溫度約為25度，出口可以在11000度內(nèi)任意溫度不受影響，因此其散熱幅度大、安全性極高；而圖3的水冷卻方案，在任何階段，必須維持必要水流量，并要滿足冷卻出水溫度不得超過50度的要求，能耗大，散熱幅度調(diào)節(jié)范圍小、精度差，且安全性差。但是，與圖3中水冷卻方式相同的是，圖4中的氣體冷卻技術(shù)仍未能擺脫原技術(shù)固有思維模式的束縛。后者還是將重心放在通過換熱器件對(duì)熱交換臺(tái)的溫度進(jìn)行控制，由熱交換臺(tái)的溫度變化進(jìn)而間接實(shí)現(xiàn)對(duì)坩堝底部溫度的控制。由于控制目標(biāo)與控制對(duì)象之間存在過多的間接因素，導(dǎo)致控制方式依舊存在非線性、大滯后、強(qiáng)耦合等問題，如使用傳統(tǒng)的 PID其控制效果仍然不理想，對(duì)操作員的依賴性很強(qiáng)，工作強(qiáng)度大、工作效率低。綜上，增大鑄造多晶硅晶粒尺寸、減少晶界密度、進(jìn)而提高硅電池光電轉(zhuǎn)換效率， 是目前國(guó)際光伏界孜孜以求的目標(biāo)。雖然自多晶硅鑄錠爐問世至今已有近10年，但普遍采用的始終是上述的移動(dòng)隔熱籠進(jìn)行輻射降溫的控制技術(shù)，其技術(shù)改進(jìn)一直未能取得突破。 因此，尋找能夠更精準(zhǔn)地控制多晶硅生長(zhǎng)過程中散熱量，以提高多晶硅產(chǎn)品質(zhì)量，成為業(yè)界亟待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種氣致冷多晶硅鑄錠爐的閉式冷卻系統(tǒng)。為解決技術(shù)問題，本發(fā)明的解決方案是提供一種氣致冷多晶硅鑄錠爐的閉式冷卻系統(tǒng)，包括位于支撐柱上的用于放置坩堝的熱交換臺(tái)，所述熱交換臺(tái)內(nèi)部設(shè)置冷卻氣通道，冷卻氣通道兩端的氣體入口和氣體出口分別連接冷卻氣進(jìn)氣管路和冷卻氣出氣管路；熱交換臺(tái)、冷卻氣進(jìn)氣管路、冷卻氣出氣管路、冷卻氣動(dòng)力泵組、冷卻器構(gòu)成一個(gè)冷卻氣閉式循環(huán)回路。作為改進(jìn)，所述熱交換臺(tái)具有緊密貼合的中間塊與兩個(gè)側(cè)端蓋；其中，中間塊具備若干水平貫穿的冷卻氣通道，中間塊與每個(gè)側(cè)端蓋之間設(shè)有連接冷卻氣通道端頭的通道； 所述氣體入口或氣體出口設(shè)于側(cè)端蓋上，并與前述連接冷卻氣通道端頭的通道相通。作為改進(jìn)，所述熱交換臺(tái)向下具有至少兩層結(jié)構(gòu)，所述冷卻氣通道以下述任意一種方式實(shí)現(xiàn)(1)最上層的底部和第二層的頂部均蝕刻有凹槽，該兩層結(jié)構(gòu)拼接使凹槽合并成為所述的冷卻氣通道；(2)最上層的底部蝕刻有凹槽，第二層的頂部為一平面，該兩層結(jié)構(gòu)拼接使凹槽成為所述的冷卻氣通道；(3)最上層的底部為一平面，第二層的頂部蝕刻有凹槽，該兩層結(jié)構(gòu)拼接使凹槽合并成為所述的冷卻氣通道。作為改進(jìn)，所述冷卻氣通道在與氣體入口相接的前段部分是一個(gè)用于氣體緩沖的空腔體。作為改進(jìn)，所述熱交換臺(tái)向下具有至少三層結(jié)構(gòu)，其中(1)第η層與第(η+1)層之間設(shè)緩沖腔，該緩沖腔是一個(gè)空腔體，通過下述任意一種方式實(shí)現(xiàn)A、第η層的底部和第(η+1)層的頂部均蝕刻有凹槽，該兩層拼接使凹槽合并成為所述的緩沖腔；B、第η層的底部蝕刻有凹槽，第(η+1)層的頂部為一平面，該兩層拼接使凹槽成為所述的緩沖腔；C、第η層的底部為一平面，第(η+1)層的頂部蝕刻有凹槽，該兩層拼接后凹槽合并成為所述的緩沖腔；(2)第η層上蝕刻有若干豎向貫穿的通孔作為通氣小管，通氣小管的上端連通冷卻氣通道、下端連通緩沖腔；(3)所述通氣小管和緩沖腔緩作為冷卻氣通道的前段部分的變形，并由緩沖腔與氣體入口相接；所述第η層，是除最上層和最下層之外的任意一層。作為改進(jìn)，所述冷卻氣通道具備下述結(jié)構(gòu)中的任意一種(1)冷卻氣通道呈“S”或“回”字形返折布置；(2)冷卻氣通道包括進(jìn)氣主管、若干換熱小管和回氣主管；進(jìn)氣主管和回氣主管對(duì)向布置，兩者之間通過換熱小管相連；(3)冷卻氣通道包括若干換熱小管，各換熱小管的兩端分別與冷卻氣入口和冷卻氣出口相連；(4)冷卻氣通道包括進(jìn)氣主管和與其相連的若干進(jìn)氣支管、回氣主管和與其相連的若干回氣支管，進(jìn)氣支管與回氣支管相間布置，相鄰的進(jìn)氣支管與回氣支管之間通過若干換熱小管相連。作為改進(jìn)，所述通氣小管的上端連通至進(jìn)氣主管或進(jìn)氣支管，其連接點(diǎn)均布于進(jìn)氣主管或進(jìn)氣支管上。作為改進(jìn)，所述通氣小管由所述進(jìn)氣支管分隔構(gòu)成孔陣列結(jié)構(gòu)。作為改進(jìn)，所述冷卻氣通道最外層邊緣所圍成區(qū)域的大小和形狀與坩堝的底部相適應(yīng)。作為改進(jìn)，所述熱交換臺(tái)是石墨材質(zhì)的熱交換臺(tái)。作為改進(jìn)，所述熱交換臺(tái)上設(shè)有交換臺(tái)溫度傳感器，交換臺(tái)溫度傳感器和冷卻氣動(dòng)力泵組的電機(jī)均通過信號(hào)線連接至中控系統(tǒng)。作為改進(jìn)，所述冷卻氣閉式循環(huán)回路中設(shè)置冷卻氣進(jìn)氣開關(guān)閥、冷卻氣出氣開關(guān)閥、冷卻氣進(jìn)氣溫度傳感器、冷卻氣出氣溫度傳感器、冷卻氣壓力傳感器和冷卻氣流量傳感器，前述各傳感器均通過信號(hào)線連接至中控系統(tǒng)。作為改進(jìn)，所述熱交換臺(tái)為石墨熱交換臺(tái)，所述冷卻氣進(jìn)氣管路和冷卻氣出氣管路在與熱交換臺(tái)連通處的部分為石墨管路，其余管路的外部設(shè)水冷夾套。作為改進(jìn)，所述冷卻器是水冷換熱器；在冷卻器的冷卻水循環(huán)回路中進(jìn)水管路上設(shè)有水流量控制閥、進(jìn)水溫度傳感器、進(jìn)水壓力傳感器，冷卻水回水管路上設(shè)有回水溫度傳感器及水流量傳感器，前述各傳感器均通過信號(hào)線連接至中控系統(tǒng)。作為改進(jìn)，有一個(gè)帶流量控制閥的補(bǔ)氣回路或一個(gè)抽氣及抽真空的抽氣泵組連接至所述冷卻氣閉式循環(huán)回路。
作為改進(jìn)，有一個(gè)備用管路連接冷卻氣閉式循環(huán)回路和爐室，該備用管路上設(shè)置閥門。作為改進(jìn)，所述冷卻氣閉式循環(huán)回路中充裝氬氣或氦氣作為冷卻氣。本發(fā)明中的熱交換臺(tái)是應(yīng)用于氣致冷多晶硅鑄錠爐的閉式冷卻系統(tǒng)中的。在該閉式冷卻系統(tǒng)中，熱交換臺(tái)、與熱交換臺(tái)連通的冷卻氣進(jìn)氣管路和冷卻氣出氣管路、冷卻氣動(dòng)力泵組、冷卻器構(gòu)成一個(gè)冷卻氣閉式循環(huán)回路。熱交換臺(tái)使用過程中，冷卻氣體(氬氣或氦氣)以設(shè)定流量通過管道進(jìn)入氣體緩沖層的緩沖腔內(nèi)，進(jìn)入該腔體內(nèi)的氬氣被均勻分布并形成一定的壓力。緩沖腔內(nèi)的氬氣通過氣體分流層上的通氣小管被輸送到熱交換層內(nèi)，冷卻氣體經(jīng)熱交換層內(nèi)的冷卻氣通道完成熱交換過程后由氣體出口排出熱交換臺(tái)，并經(jīng)排氣管道輸送到爐腔外部，從而構(gòu)成具有分層結(jié)構(gòu)的內(nèi)冷式石墨熱交換系統(tǒng)。本發(fā)明具有的有益的效果是相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)中通過熱交換臺(tái)輻射散熱的被動(dòng)降溫方式，本發(fā)明的熱交換臺(tái)因其所處的氣體致冷系統(tǒng)的運(yùn)用而實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)散熱。通過利用熱交換臺(tái)、氣體冷卻器、泵組、 變頻器等組成可控氣體流量的閉合氣路，以流動(dòng)氣體對(duì)熱交換臺(tái)進(jìn)行直接冷卻，并通過熱交換臺(tái)上的溫度反饋調(diào)節(jié)泵組電機(jī)速度來控制冷卻氣體流量，從而實(shí)現(xiàn)精確的熱交換臺(tái)溫度控制。相對(duì)于輻射降溫和水冷式的冷卻方法，氣體致冷控制能力強(qiáng)、工業(yè)可控性高，而且由于氣體均勻進(jìn)入熱交換臺(tái)使得熱交換臺(tái)整體溫度均勻，有利于坩堝底部硅熔體的均勻形核。相對(duì)于間接式氣體冷卻方式，本發(fā)明中的氣體致冷技術(shù)完全擺脫了原技術(shù)固有思維模式的束縛，直接將熱交換臺(tái)作為散熱控制的對(duì)象，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)坩堝底部溫度的控制，最大程度地減少了控制的中間影響因素。因此，相對(duì)而言更具備穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和有效性，遲滯后少、操作方便、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。而且，本發(fā)明中的熱交換臺(tái)內(nèi)部可采用多種形式的冷卻氣通道，其中，進(jìn)氣支管與回氣支管相間布置、相鄰的進(jìn)氣支管與回氣支管之間通過若干換熱小管相連的布置，使得熱交換臺(tái)具備類似羽狀細(xì)部結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致最佳的換熱效果和可控性。因此，通過使用本發(fā)明技術(shù)，可以在長(zhǎng)晶過程中對(duì)坩堝底部溫度的下降速度進(jìn)行精確控制。由于不需要打開保溫籠，坩堝底部的熱交換臺(tái)溫度均勻。相比傳統(tǒng)散熱方法，保溫籠內(nèi)特別是坩堝及熔體內(nèi)的等溫面水平度高，且提高了垂直方向的的溫度梯度。因此，在長(zhǎng)晶初期，熱交換臺(tái)內(nèi)通過冷卻氣體氣體加大坩堝底部熱交換，適當(dāng)降低坩堝底部溫度使得在坩堝底部?jī)?yōu)勢(shì)晶核得到快速長(zhǎng)大，抑制小晶核的生長(zhǎng)；在長(zhǎng)晶過程中，由于底部溫度均勻，保溫籠封閉，對(duì)稱性好，熱場(chǎng)內(nèi)等溫面水平度高，大晶核能夠保持垂直向上生長(zhǎng)；由于氣體冷卻能力強(qiáng)，隨著硅錠的增加，不斷加大冷卻氣體流量加快熱傳導(dǎo)，可以控制晶核的整個(gè)生長(zhǎng)速度，進(jìn)而提高硅錠的整體品質(zhì)。


圖1現(xiàn)有技術(shù)中多晶硅鑄錠爐降溫控制原理圖；圖2為現(xiàn)有技術(shù)中多晶硅鑄錠爐降溫控制的一種具體實(shí)施例；
圖3為現(xiàn)有技術(shù)中多晶硅鑄錠爐降溫控制的另一種具體實(shí)施例；圖4為現(xiàn)有技術(shù)中多晶硅鑄錠爐降溫控制的另一種具體實(shí)施例；圖5本發(fā)明中多晶硅鑄錠爐降溫控制原理圖；圖6具有中空冷卻氣道通道的雙層結(jié)構(gòu)熱交換臺(tái)圖7為具有分流層的三層結(jié)構(gòu)熱交換臺(tái)示意圖；圖8為“S”形的冷卻氣通道；圖9為“回”字形的冷卻氣通道；圖10為具有對(duì)向布置的進(jìn)氣主管路和回氣主管路的冷卻氣通道；圖11為具有熱交換小管結(jié)構(gòu)的冷卻氣通道；圖12為實(shí)施例中熱交換臺(tái)進(jìn)氣管位置剖面13為施例中熱交換臺(tái)回氣管位置剖面圖；圖14為實(shí)施例中熱交換層示意圖；圖15為實(shí)施例中氣體分流層的示意圖(圓孔為孔陣列布置的通氣小管)；圖16為實(shí)施例中氣體緩沖層的示意圖；圖17為本發(fā)明中閉式冷卻系統(tǒng)的原理圖；圖18為加熱器溫度與熱交換臺(tái)溫度對(duì)比圖。圖中的附圖標(biāo)記1溫控傳感器，2爐室，3隔熱籠體，4頂部加熱器，5坩堝，6側(cè)部加熱器，7熱交換臺(tái)，8下保溫層，9冷卻氣出氣石墨管路，10冷卻器，11冷卻氣進(jìn)氣石墨管路，12熱交換臺(tái)溫度傳感器，13爐室壓力傳感器，14備用閥，15冷卻氣進(jìn)氣開關(guān)閥，16冷卻氣壓力傳感器，17冷卻氣出氣溫度傳感器，18冷卻氣出氣開關(guān)閥，19冷卻氣流量傳感器，20 冷卻氣進(jìn)氣溫度傳感器，21冷卻氣動(dòng)力泵組，22變頻器，23抽氣泵組，24進(jìn)水溫度傳感器， 25進(jìn)水壓力傳感器，26冷卻水流量計(jì)，27回水溫度傳感器，28冷卻水流量傳感器，29流量控制閥，30銅管，31石墨塊。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。用于多晶硅鑄錠爐的改進(jìn)結(jié)構(gòu)的熱交換臺(tái)，用來放置多晶硅鑄錠爐坩堝并實(shí)現(xiàn)熱交換，通常使用石墨材質(zhì)。該熱交換臺(tái)上設(shè)有氣體入口和氣體出口，熱交換臺(tái)的內(nèi)部設(shè)置冷卻氣通道，并與前述氣體入口和氣體出口相連。通常，基于加工手段的原因，石墨材質(zhì)無(wú)法在不切割的情況下加工出形狀變化的內(nèi)部通道。因此，常用的方式是將其分割為層狀結(jié)構(gòu)，在兩層之間根據(jù)設(shè)計(jì)的通道形狀開槽，再將兩層狀結(jié)構(gòu)拼合，以得到形狀、結(jié)構(gòu)變化多端的熱交換臺(tái)產(chǎn)品。作為一種特例，該熱交換臺(tái)不是以上下分層形式來實(shí)現(xiàn)內(nèi)部通道的加工。該熱交換臺(tái)具有緊密貼合的中間塊與兩個(gè)側(cè)端蓋；其中，中間塊具備若干水平貫穿的冷卻氣通道， 中間塊與每個(gè)側(cè)端蓋之間設(shè)有連接冷卻氣通道端頭的通道；所述氣體入口或氣體出口設(shè)于側(cè)端蓋上，并與前述連接冷卻氣通道端頭的通道相通。這樣的冷卻氣通道加工最簡(jiǎn)單，只需打孔即可，當(dāng)然冷卻效果也有其局限性，存在入口冷卻好出口冷卻差的弊端。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明其它實(shí)施方式進(jìn)行介紹作為簡(jiǎn)化的產(chǎn)品，熱交換臺(tái)可以向下具有至少兩層結(jié)構(gòu)(如圖6所示)，所述冷卻氣通道以下述任意一種方式實(shí)現(xiàn)(1)最上層的底部和第二層的頂部均蝕刻有凹槽，該兩層結(jié)構(gòu)拼接使凹槽合并成為所述的冷卻氣通道；( 最上層的底部蝕刻有凹槽，第二層的頂部為一平面，該兩層結(jié)構(gòu)拼接使凹槽成為所述的冷卻氣通道；C3)最上層的底部為一平面，第二層的頂部蝕刻有凹槽，該兩層結(jié)構(gòu)拼接使凹槽合并成為所述的冷卻氣通道。這些都是對(duì)冷卻氣通道加工方式的一種描述。冷卻氣通道在與氣體入口相接的前段部分可以變形為一個(gè)用于氣體緩沖的空腔體，即緩沖腔。作為更精細(xì)化的產(chǎn)品，熱交換臺(tái)向下可以具有三層結(jié)構(gòu)(如圖7所示)，其中第1 層仍為熱交換層，其與第2層之間設(shè)置冷卻氣通道；第2層與第3層之間設(shè)緩沖腔，該緩沖腔是一個(gè)空腔體；第2層是氣體分流層，其上蝕刻有若干豎向貫穿的通孔作為通氣小管，通氣小管的上端連通冷卻氣通道、下端連通緩沖腔；在此處，通氣小管和緩沖腔緩作為冷卻氣通道的前段部分的變形，并由緩沖腔與氣體入口相接。當(dāng)然，還可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步地分層設(shè)計(jì)，氣體分流層可以是除最上層和最下層之外的任意一層，緩沖腔可相應(yīng)設(shè)計(jì)在氣體分流層以下的任意兩層之間。本發(fā)明中，提供了多種冷卻氣通道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，舉例如下(1)冷卻氣通道呈“S”或“回”字形返折布置(如圖8、9所示)；(2)冷卻氣通道包括進(jìn)氣主管、若干換熱小管和回氣主管；進(jìn)氣主管和回氣主管對(duì)向布置，兩者之間通過換熱小管相連(如圖10所示，其連接點(diǎn)因在下一層結(jié)構(gòu)中，故無(wú)法顯不)；(3)冷卻氣通道包括若干換熱小管，各換熱小管的兩端分別與冷卻氣入口和冷卻氣出口相連；(4)冷卻氣通道包括進(jìn)氣主管和與其相連的若干進(jìn)氣支管、回氣主管和與其相連的若干回氣支管，進(jìn)氣支管與回氣支管相間布置，相鄰的進(jìn)氣支管與回氣支管之間通過若干換熱小管相連(如圖11所示，其連接點(diǎn)因在下一層結(jié)構(gòu)中，故無(wú)法顯示)。所述通氣小管的上端連通至進(jìn)氣主管或進(jìn)氣支管，其連接點(diǎn)可以均布于進(jìn)氣主管或進(jìn)氣支管上。甚至，通氣小管由所述進(jìn)氣支管分隔構(gòu)成孔陣列結(jié)構(gòu)(如圖15所示)。這些措施都可以相應(yīng)地改善換熱效果。本發(fā)明中，可以將冷卻氣通道最外層邊緣所圍成區(qū)域的大小和形狀設(shè)計(jì)成與坩堝的底部相適應(yīng)，這樣可以避免能源浪費(fèi)。本發(fā)明的具體實(shí)施例如圖12至16所示。該實(shí)施例中的熱交換臺(tái)分為三層，由上至下，第1層為熱交換層，第2層為氣體分流層，最下層為氣體緩沖層。氣體緩沖層的上部蝕刻有一緩沖腔，其四角設(shè)貫穿通孔作為氣體出口 ；氣體分流層起到承接作用，其上布置若干貫穿的通氣小管，并由若干進(jìn)氣支管分隔呈孔陣列結(jié)構(gòu)；氣體分流層底部的四周蝕刻出氣通道，并與氣體緩沖層的氣體出口連通； 熱交換層的底部蝕刻有進(jìn)氣主管、與其相連的若干進(jìn)氣支管，以及均布于進(jìn)氣支管兩側(cè)的若干換熱小管；換熱小管連接至蝕刻于氣體分流層上面的出氣支管，出氣支管連接至出氣主管，并通過貫穿通孔連接至該層底部的出氣通道。由此，構(gòu)成一個(gè)氣體流通通道，致冷氣體在該通道中依次經(jīng)過氣體入口、緩沖室、通氣小管、進(jìn)氣主管及進(jìn)氣支管、換熱小管、出氣支管及出氣主管、出氣通道、氣體出口。由此，致冷氣體可以在熱交換層完成最為徹底的換熱過程，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的。
本發(fā)明的具體應(yīng)用方法描述如下(如圖17所示):本發(fā)明中的氣致冷多晶硅鑄錠爐中，置于爐室2內(nèi)的隔熱籠體3、坩堝5及熱交換臺(tái)7置于支撐柱上，熱交換臺(tái)7上設(shè)有熱交換臺(tái)溫度傳感器12，坩堝5四周設(shè)側(cè)部加熱器6 和頂部加熱器4，爐室2上裝有爐室壓力傳感器13。熱交換臺(tái)7、與冷卻氣通道連通的冷卻氣進(jìn)氣管路11和冷卻氣出氣管路9、冷卻氣動(dòng)力泵組21、冷卻器10構(gòu)成一個(gè)冷卻氣閉式循環(huán)回路，該回路中充裝氬氣或氦氣作為冷卻氣。其中，冷卻氣進(jìn)氣管路11和冷卻氣出氣管路9在與冷卻氣通道連通處的部分為石墨管路，其余管路的外部設(shè)水冷夾套。本發(fā)明中，致冷氣體的流動(dòng)動(dòng)力由冷卻氣動(dòng)力泵組21提供，并設(shè)有變頻器22控制冷卻氣動(dòng)力泵組21的電機(jī)轉(zhuǎn)速；冷卻氣流量傳感器19檢測(cè)冷卻氣流量，致冷氣體流量可以調(diào)節(jié)，其控制范圍為0 1000m7h ；冷卻氣進(jìn)氣溫度傳感器20檢測(cè)進(jìn)氣溫度，冷卻壓力傳感器16檢測(cè)冷卻系統(tǒng)壓力，冷卻氣出氣溫度傳感器17監(jiān)控出氣溫度；帶流量控制閥四的補(bǔ)氣回路為冷卻氣閉式循環(huán)回路補(bǔ)充氣體，抽氣泵組23為冷卻氣閉式循環(huán)回路抽氣及抽真空；備用閥14可以將爐室2與回路貫通，冷卻器10通過冷卻水與冷卻氣體實(shí)現(xiàn)熱交換，冷卻水流量可調(diào)；冷卻水進(jìn)水管路上設(shè)有冷卻水流量計(jì)沈、進(jìn)水溫度傳感器M、進(jìn)水壓力傳感器25，冷卻水回水管路上設(shè)有回水溫度傳感器27及冷卻水流量傳感器觀；上述傳感器均通過信號(hào)線將信號(hào)傳遞至中控系統(tǒng)，由中控系統(tǒng)根據(jù)工藝控制要求進(jìn)行調(diào)控。以下結(jié)合多晶硅生產(chǎn)流程對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述多晶硅鑄錠爐是一種硅重熔設(shè)備，將達(dá)到一定純度要求的多晶硅裝入爐中，按工藝要求進(jìn)入抽真空、加熱、熔化工序，在此三個(gè)工序過程中，冷卻氣進(jìn)氣開關(guān)閥15和冷卻氣出氣開關(guān)閥18處于關(guān)閉狀態(tài)，冷卻氣閉式循環(huán)回路(閉式冷卻系統(tǒng))未進(jìn)入內(nèi)循環(huán)狀態(tài)；進(jìn)入長(zhǎng)晶階段，根據(jù)冷卻氣壓力傳感器16給出信號(hào)，確定閉式冷卻系統(tǒng)中的壓力，將該壓力與爐室壓力比較，決定補(bǔ)氣回路和抽氣回路的狀態(tài)。當(dāng)閉式冷卻系統(tǒng)中壓力與爐室壓力一致時(shí)，冷卻氣進(jìn)氣開關(guān)閥15和冷卻氣出氣開關(guān)閥18處于打開狀態(tài)，變頻器22 控制冷卻氣動(dòng)力泵組21的電機(jī)，并根據(jù)工藝條件預(yù)先設(shè)定的熱交換臺(tái)溫度對(duì)進(jìn)行控制。通過該閉式冷卻系統(tǒng)，可以在長(zhǎng)晶初期對(duì)坩堝底部溫度進(jìn)行精確控制，進(jìn)而可以保證長(zhǎng)晶初期的晶體成核質(zhì)量，從而可使硅的結(jié)晶凝固得到有效的控制，進(jìn)而增大晶粒，改善晶向，加快長(zhǎng)晶效率，降低能耗，提高硅錠品質(zhì)。長(zhǎng)晶結(jié)束后，進(jìn)入退火及冷卻工藝?？刂剖珶峤粨Q臺(tái)到一定溫度，工藝運(yùn)行完畢，進(jìn)行出爐操作，一個(gè)完整的生產(chǎn)周期結(jié)束。圖18是長(zhǎng)晶階段加熱器溫度與熱交換臺(tái)溫度對(duì)比圖，從圖中可以看出，該閉式冷卻系統(tǒng)對(duì)溫度進(jìn)行了有效及精確的控制，從而驗(yàn)證了該方法的可行性；通過以上對(duì)比，可以總結(jié)出氣致冷多晶硅鑄錠爐的閉式冷卻系統(tǒng)的特點(diǎn)有(1)冷卻氣流量、溫度可以控制，從而精確控制坩堝底部溫度；(2)長(zhǎng)晶初期對(duì)坩堝底部溫度進(jìn)行精確控制，保證底部溫度在水平方向上的統(tǒng)一性，進(jìn)而可以保證長(zhǎng)晶初期的晶體成核質(zhì)量，從而可使硅的結(jié)晶凝固得到有效的控制，進(jìn)而增大晶粒，改善晶向，加快長(zhǎng)晶效率，降低能耗，提高硅錠品質(zhì)。以上列舉的具體實(shí)施是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行的說明，需要指出的是，以上實(shí)施只用于對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明，不代表本發(fā)明的保護(hù)范圍，其他人根據(jù)本發(fā)明的提示做出的非本質(zhì)的修改和調(diào)整，仍屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.氣致冷多晶硅鑄錠爐的閉式冷卻系統(tǒng)，包括位于支撐柱上的用于放置坩堝的熱交換臺(tái)，其特征在于，所述熱交換臺(tái)內(nèi)部設(shè)置冷卻氣通道，冷卻氣通道兩端的氣體入口和氣體出口分別連接冷卻氣進(jìn)氣管路和冷卻氣出氣管路；熱交換臺(tái)、冷卻氣進(jìn)氣管路、冷卻氣出氣管路、冷卻氣動(dòng)力泵組、冷卻器構(gòu)成一個(gè)冷卻氣閉式循環(huán)回路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的閉式冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述熱交換臺(tái)具有緊密貼合的中間塊與兩個(gè)側(cè)端蓋；其中，中間塊具備若干水平貫穿的冷卻氣通道，中間塊與每個(gè)側(cè)端蓋之間設(shè)有連接冷卻氣通道端頭的通道；所述氣體入口或氣體出口設(shè)于側(cè)端蓋上，并與前述連接冷卻氣通道端頭的通道相通。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的閉式冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述熱交換臺(tái)向下具有至少兩層結(jié)構(gòu)，所述冷卻氣通道以下述任意一種方式實(shí)現(xiàn)(1)最上層的底部和第二層的頂部均蝕刻有凹槽，該兩層結(jié)構(gòu)拼接使凹槽合并成為所述的冷卻氣通道；(2)最上層的底部蝕刻有凹槽，第二層的頂部為一平面，該兩層結(jié)構(gòu)拼接使凹槽成為所述的冷卻氣通道；(3)最上層的底部為一平面，第二層的頂部蝕刻有凹槽，該兩層結(jié)構(gòu)拼接使凹槽合并成為所述的冷卻氣通道。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的閉式冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述冷卻氣通道在與氣體入口相接的前段部分是一個(gè)用于氣體緩沖的空腔體。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的閉式冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述熱交換臺(tái)向下具有至少三層結(jié)構(gòu)，其中(1)第η層與第(η+1)層之間設(shè)緩沖腔，該緩沖腔是一個(gè)空腔體，通過下述任意一種方式實(shí)現(xiàn)Α、第η層的底部和第(η+1)層的頂部均蝕刻有凹槽，該兩層拼接使凹槽合并成為所述的緩沖腔；B、第η層的底部蝕刻有凹槽，第(η+1)層的頂部為一平面，該兩層拼接使凹槽成為所述的緩沖腔；C、第η層的底部為一平面，第(η+1)層的頂部蝕刻有凹槽，該兩層拼接后凹槽合并成為所述的緩沖腔；(2)第η層上蝕刻有若干豎向貫穿的通孔作為通氣小管，通氣小管的上端連通冷卻氣通道、下端連通緩沖腔；(3)所述通氣小管和緩沖腔緩作為冷卻氣通道的前段部分的變形，并由緩沖腔與氣體入口相接；所述第η層，是除最上層和最下層之外的任意一層。
6.根據(jù)權(quán)利要求3至5任意一項(xiàng)中所述的閉式冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述冷卻氣通道具備下述結(jié)構(gòu)中的任意一種(1)冷卻氣通道呈“S”或“回”字形返折布置；(2)冷卻氣通道包括進(jìn)氣主管、若干換熱小管和回氣主管；進(jìn)氣主管和回氣主管對(duì)向布置，兩者之間通過換熱小管相連；(3)冷卻氣通道包括若干換熱小管，各換熱小管的兩端分別與冷卻氣入口和冷卻氣出口相連；(4)冷卻氣通道包括進(jìn)氣主管和與其相連的若干進(jìn)氣支管、回氣主管和與其相連的若干回氣支管，進(jìn)氣支管與回氣支管相間布置，相鄰的進(jìn)氣支管與回氣支管之間通過若干換熱小管相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的閉式冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述通氣小管的上端連通至進(jìn)氣主管或進(jìn)氣支管，其連接點(diǎn)均布于進(jìn)氣主管或進(jìn)氣支管上。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的閉式冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述通氣小管由所述進(jìn)氣支管分隔構(gòu)成孔陣列結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至7任意一項(xiàng)中所述的閉式冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述冷卻氣通道最外層邊緣所圍成區(qū)域的大小和形狀與坩堝的底部相適應(yīng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至7任意一項(xiàng)中所述的閉式冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述熱交換臺(tái)是石墨材質(zhì)的熱交換臺(tái)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至7任意一項(xiàng)中所述的閉式冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述熱交換臺(tái)上設(shè)有交換臺(tái)溫度傳感器，交換臺(tái)溫度傳感器和冷卻氣動(dòng)力泵組的電機(jī)均通過信號(hào)線連接至中控系統(tǒng)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至7任意一項(xiàng)中所述的閉式冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述冷卻氣閉式循環(huán)回路中設(shè)置冷卻氣進(jìn)氣開關(guān)閥、冷卻氣出氣開關(guān)閥、冷卻氣進(jìn)氣溫度傳感器、冷卻氣出氣溫度傳感器、冷卻氣壓力傳感器和冷卻氣流量傳感器，前述各傳感器均通過信號(hào)線連接至中控系統(tǒng)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至7任意一項(xiàng)中所述的閉式冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述熱交換臺(tái)為石墨熱交換臺(tái)，所述冷卻氣進(jìn)氣管路和冷卻氣出氣管路在與熱交換臺(tái)連通處的部分為石墨管 路，其余管路的外部設(shè)水冷夾套。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至7任意一項(xiàng)中所述的閉式冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述冷卻器是水冷換熱器；在冷卻器的冷卻水循環(huán)回路中進(jìn)水管路上設(shè)有水流量控制閥、進(jìn)水溫度傳感器、進(jìn)水壓力傳感器，冷卻水回水管路上設(shè)有回水溫度傳感器及水流量傳感器，前述各傳感器均通過信號(hào)線連接至中控系統(tǒng)。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至7任意一項(xiàng)中所述的閉式冷卻系統(tǒng)，其特征在于，有一個(gè)帶流量控制閥的補(bǔ)氣回路或一個(gè)抽氣及抽真空的抽氣泵組連接至所述冷卻氣閉式循環(huán)回路。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至7任意一項(xiàng)中所述的閉式冷卻系統(tǒng)，其特征在于，有一個(gè)備用管路連接冷卻氣閉式循環(huán)回路和爐室，該備用管路上設(shè)置閥門。
17.根據(jù)權(quán)利要求1至7任意一項(xiàng)中所述的閉式冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述冷卻氣閉式循環(huán)回路中充裝氬氣或氦氣作為冷卻氣。
全文摘要
本發(fā)明涉及多晶硅鑄錠爐的制造技術(shù)領(lǐng)域，旨在提供一種氣致冷多晶硅鑄錠爐的閉式冷卻系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括位于支撐柱上的用于放置坩堝的熱交換臺(tái)，所述熱交換臺(tái)內(nèi)部設(shè)置冷卻氣通道，冷卻氣通道兩端的氣體入口和氣體出口分別連接冷卻氣進(jìn)氣管路和冷卻氣出氣管路；熱交換臺(tái)、冷卻氣進(jìn)氣管路、冷卻氣出氣管路、冷卻氣動(dòng)力泵組、冷卻器構(gòu)成一個(gè)冷卻氣閉式循環(huán)回路。相比輻射降溫和水冷式的冷卻方法，本發(fā)明中的氣體致冷控制能力強(qiáng)、工業(yè)可控性高，而且由于氣體均勻進(jìn)入熱交換臺(tái)使得熱交換臺(tái)整體溫度均勻，有利于坩堝底部硅熔體的均勻形核，可以在長(zhǎng)晶過程中對(duì)坩堝底部溫度的下降速度進(jìn)行精確控制。
文檔編號(hào)C30B28/06GK102234837SQ20111021851
公開日2011年11月9日 申請(qǐng)日期2011年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月1日
發(fā)明者傅林堅(jiān), 葉欣, 曹建偉, 石剛, 邱敏秀 申請(qǐng)人:上虞晶信機(jī)電科技有限公司, 浙江晶盛機(jī)電股份有限公司