一种整体十字型硅芯组件的制作方法

本实用新型属于多晶硅原料加工技术，尤其是涉及一种多晶硅原料生产过程中的CVD还原炉使用的整体十字型硅芯组件。

背景技术：

由于光伏行业的快速发展，高纯多晶硅原料的需求增长迅猛，目前国内外生产多晶硅原料的工艺大部分都是三氯氢硅氢还原法,即改良西门子法,改良西门子法或其他类似方法生产大直径多晶硅的主要设备是多晶硅还原炉，首先在多晶硅还原炉内将三根圆形或方形的硅芯搭接成倒U型，在细长的硅芯上通上电源，使硅芯加热发红，直至表面温度达到1050-1100摄氏度，通入高纯的三氯氢硅和氢气，使其在高温下发生氢还原反应，使三氯氢硅中的硅分子堆积在硅芯上，使其的直径不断地增大，通常，硅芯的直径在7-15毫米，可以是圆形也可以是方型，或是其他形状，最终通过氢还原反应使直径不断地增大到120-200毫米，生产出高纯太阳能级6N或电子级11N的多晶硅原料棒，破碎后再利用CZ直拉单晶炉拉制成单晶棒，或使用多晶硅铸锭炉铸成多晶硅硅锭。

现硅芯的制备方法有二种，传统的方法是用CZ法(区熔提拉法)，生产效率低，电力消耗大，设备投资大。另一种是用金刚石工具切割法，采用使用金刚石线锯的数控多晶硅硅芯多线切割机床或类似设备，用于硅芯的制备。通过利用电镀上金刚石微粒的细钢丝线在被加工工件上高速地往复运动或单向移动，将直径100-300mm硅棒压在该机床用金刚石线交叉组成的方形线网上，从而将该硅棒切割成细长的方形硅芯，电力消耗小，加工效率高。

通常将这种用于多晶硅CVD多晶硅还原炉的倒U型搭接的硅芯组合体称作为“硅芯组件”。现有技术在搭接硅芯组件时，通常使用直径为8-10mm的圆形硅芯，或者使用7*7～15*15mm的方形硅芯。在CVD还原反应过程中，反应生成的硅材料不断沉积在硅芯表面，硅芯的表面积会越来越大，反应气体对硅芯表面的碰撞机会和数量也会随之增大。当单位面积的沉积速率不变时，硅芯表面积越大，单位时间生产的多晶硅重量也越多。所以，为提高多晶硅单位时间的产量，提高初始硅芯组件的表面积，不但可以提高多晶硅的产量，同时，由于反应时间的缩短，其生产成本也可以大幅降低。但采用通常使用的实心圆形硅芯或者方形硅芯，大直径圆形或者方形硅芯的应用，虽然可以显著降低多晶硅的生产成本，但硅芯的生产成本很高，而且由于硅芯的重量加大，硅芯的重量的加大，造成硅芯重量在多晶硅产品中的重量占比越来越大，严重影响硅材料的纯度。

所以，各个国家的技术人员多在致力于研发表面积大，而且重量轻的多晶硅硅芯，美国GTAT公司在其专利号为200780015406.5，名称为《在化学气相沉积反应器中提高的多晶硅沉积》的专利文献中公开了用一种横截面为圆形的空心硅管来代替传统硅芯，从而来提高产量，缩短反应时间。但由于该空心硅管拉制十分困难，成本也很高，也未得到大规模实施。

中国洛阳金诺机械工程有限公司在其专利号为201610002833.0，名称为《一种空心组件及其硅芯组件》的专利文献中采用多根的片状硅板或硅棒首尾相连，来达成空心硅芯，虽然单根的硅板或硅棒拉制或切割难度低于美国GTAT公司的空心硅管，但其搭接成空心的硅芯组件难度较大，同样也未得到大规模实施。

中国亚洲硅业(青海)有限公司在其专利号为201710977922.1，名称为《一种还原炉用硅芯及还原炉》的专利文献中公开的采用4片片状硅板和中心1根开有三四个有突起或凹槽的圆硅棒相连，来达成组合的十字硅芯，但其搭接的每个硅芯均需要在长达1500-4000mm硅芯从头到尾进行开槽加工，形成组件的难度较大，目前未得到大规模实施。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种整体十字型硅芯组件，以解决现有技术中用于多晶硅CVD多晶硅还原炉的硅芯组件存在的强度小、成本高和不便于搭接和装炉的问题。

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种整体十字型硅芯组件，其包括竖直方向平行间隔设置的两根竖直硅芯和一根水平方向设置的硅芯横梁，所述硅芯横梁搭接于所述两根竖直硅芯的顶端之间，整体形成倒“U”型结构，其中，所述竖直硅芯和硅芯横梁均采用整体的硅材料切割而成，且横截面为“十”字型结构，所述硅芯横梁的两端通过卡接结构与所述竖直硅芯进行搭接。

特别地，配合每根竖直硅芯的底端于还原炉电极上设置有四个石墨卡瓣、一个石墨内螺纹锥套和一个石墨外螺纹锥套，四个石墨卡瓣位于所述石墨内螺纹锥套内，所述竖直硅芯的底端插入四个石墨卡瓣内将石墨外螺纹锥套拧紧于石墨内螺纹锥套内锁紧竖直硅芯的底端。

特别地，所述石墨卡瓣的内侧包括两个互相垂直的竖直面，外侧面为上小下大的锥形面，竖直硅芯相邻的两个侧边与两个竖直面贴合对石墨卡瓣进行限位。

特别地，所述卡接结构包括横梁卡槽和竖直硅芯卡槽，所述横梁卡槽开设于所述硅芯横梁的两端且处于水平状态的两条侧边上，且所述硅芯横梁的底部侧边的两端均切割掉与竖直硅芯等宽的部分，所述横梁卡槽的槽宽与竖直硅芯的侧边厚度相匹配，所述竖直硅芯卡槽开设于所述竖直硅芯顶端的两个对应的侧边的中心位置，另两个对应的侧边的顶端切割掉与硅芯横梁等宽的部分，所述竖直硅芯卡槽的槽宽与硅芯横梁的侧边厚度相匹配。

特别地，所述硅芯横梁和竖直硅芯的横截面的宽度范围20～100mm，厚度1～8mm之间，硅芯横梁的长度范围为100-500mm，竖直硅芯的长度范围为1500-4000mm。

本实用新型的有益效果为，与现有技术相比所述整体十字型硅芯组件采用的是整体切割而成的十字硅芯，其强度高，装炉方便，不易折断，倒炉几率小。拼接而成的整体的硅芯组件重量轻，表面积大，可显著缩短还原炉的反应时间，降低多晶硅的生产成本，提高多晶硅的纯度。

附图说明

图1是本实用新型具体实施方式提供的整体十字型硅芯组件的立体结构示意图；

图2是本实用新型具体实施方式提供的整体十字型硅芯组件的竖直硅芯的顶端的侧视图；

图3是本实用新型具体实施方式提供的整体十字型硅芯组件的硅芯横梁的仰视图；

图4是本实用新型具体实施方式提供的整体十字型硅芯组件的搭接后的立体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。

请参阅图1至图4所示，本实施例中提供一种整体十字型硅芯组件包括竖直方向平行间隔设置的两根竖直硅芯1和一根水平方向设置的硅芯横梁2，硅芯横梁2搭接于所述两根竖直硅芯1的顶端之间，整体形成倒“U”型结构，竖直硅芯1和硅芯横梁2均采用整体的硅材料切割而成，且横截面为“十”字型结构，即横截面包括四个侧边，且四个侧边的宽度和厚度均相同，硅芯横梁2和竖直硅芯1的横截面的宽度范围20～100mm，厚度1～8mm之间，硅芯横梁2的长度范围为100-500mm，竖直硅芯1的长度范围为1500-4000mm。

硅芯横梁2的两端通过卡接结构与所述竖直硅芯1进行搭接，卡接结构包括横梁卡槽3和竖直硅芯卡槽4，横梁卡槽3开设于所述硅芯横梁2的两端且处于水平状态的两条侧边5上，硅芯横梁2的底部侧边6的两端均切割掉与竖直硅芯1等宽的部分，横梁卡槽3的槽宽与竖直硅芯1的侧边厚度相匹配，竖直硅芯卡槽4开设于所述竖直硅芯1顶端的两个对应的侧边的中心位置，另两个对应的侧边的顶端切割掉与硅芯横梁2等宽的部分且与竖直硅芯卡槽4的槽底齐平，竖直硅芯卡槽4的槽宽与硅芯横梁2的侧边厚度相匹配。将硅芯横梁2从竖直硅芯1的上部沿着竖直硅芯卡槽4的槽口向下插入至齐平，竖直硅芯1的竖直硅芯卡槽4两侧的两个侧边穿过并伸出横梁卡槽3。

配合每根竖直硅芯1的底端于还原炉电极上设置有四个石墨卡瓣7、一个石墨内螺纹锥套8和一个石墨外螺纹锥套9，四个石墨卡瓣7位于所述石墨内螺纹锥套8内，竖直硅芯1的底端插入四个石墨卡瓣7内将石墨外螺纹锥套9拧紧于石墨内螺纹锥套8内锁紧竖直硅芯1的底端。石墨卡瓣7的内侧包括两个互相垂直的竖直面70，外侧面为上小下大的锥形面71，竖直硅芯1相邻的两个侧边与两个竖直面70贴合对石墨卡瓣7进行限位。

硅芯横梁2的加工步骤为：先将已切割好的整体十字硅芯按照需要的长度切割成硅芯横梁，将硅芯横梁其中的一条边的两端部均切割掉与竖直硅芯等宽的部分，最后将硅芯横梁上对应的两条侧边的两端用金刚石成型砂轮切割出四个长方形的横梁卡槽3。竖直硅芯1的加工步骤为：先将已切割好的整体十字硅芯按照需要的长度切割成竖直硅芯，再用金刚石刀片或金刚石线锯将竖直硅芯一端的其中一条边切割二个直角，最后用金刚石成型砂轮切割出长方形的竖直硅芯卡槽4。

上述整体十字型硅芯组件在具体的搭接时，包括以下步骤：

1)将二根垂直的竖直硅芯1的下部插入还原炉电极上的石墨卡瓣7中，调整好方向，先不锁紧；

2)将硅芯横梁2从竖直硅芯1的上部沿着槽口向下插入至齐平，使位于竖直硅芯卡槽4两侧的两个侧边插入所述横梁卡槽3内，同时硅芯横梁2的一侧边插入竖直硅芯卡槽4内；

3)旋转竖直硅芯1底部的石墨内螺纹锥套8锁紧石墨卡瓣7，即可完成搭接。

以上实施例只是阐述了本实用新型的基本原理和特性，本实用新型不受上述事例限制，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还有各种变化和改变，这些变化和改变都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。