一种提高单晶硅拉速的冷却装置的制作方法

本实用新型属于单晶硅生产技术领域，尤其是涉及一种提高单晶硅拉速的冷却装置。

背景技术：

全球所生产的太阳能电池有80％以上是使用晶体硅，其中单晶硅约占40％，单晶硅最大的优势就是其转换效率高，但是生产成本较高，由于传统的单晶硅生成加工企业生产水平较低，生成技术水平不高，最终造成单晶硅生产效率低、成本高，这极不利于单晶硅生成加工企业的发展，因此单晶硅生成加工企业也在探索提高生成效率、降低成本的单晶硅生产方法。

单晶硅的生产工艺包括：加料熔化→缩颈生长→放肩生长→等径生长→尾部生长，具体而言：

(1)加料：将多晶硅原料及杂质放入石英坩埚内，杂质的种类依电阻的n或p型而定，杂质种类包括硼，磷，锑，砷。

(2)熔化：加完多晶硅原料于石英埚内后，长晶炉必须关闭并抽成真空后充入高纯氩气使之维持一定压力范围内，然后打开石墨加热器电源，加热至熔化温度(1420℃)以上，将多晶硅原料熔化。

(3)缩颈生长：当硅熔体的温度稳定之后，将籽晶慢慢浸入硅熔体中。由于籽晶与硅熔体场接触时的热应力，会使籽晶产生位错，这些位错必须利用缩颈生长使之消失掉。缩颈生长是将籽晶快速向上提升，使长出的籽晶的直径缩小到一定大小(4－6mm)由于位错线与生长轴成一个交角，只要缩颈够长，位错便能长出晶体表面，产生零位错的晶体。

(4)放肩生长：长完细颈之后，须降低温度与拉速，使得晶体的直径渐渐增大到所需的大小。

(5)等径生长：长完细颈和肩部之后，借着拉速与温度的不断调整，可使晶棒直径维持在正负2mm之间，这段直径固定的部分即称为等径部分。单晶硅片取自于等径部分。

(6)尾部生长：在长完等径部分之后，如果立刻将晶棒与液面分开，那么热应力将使得晶棒出现位错与滑移线。于是为了避免此问题的发生，必须将晶棒的直径慢慢缩小，直到成一尖点而与液面分开。这一过程称之为尾部生长。长完的晶棒被升至上炉室冷却一段时间后取出，即完成一次生长周期。

由此可见，单晶硅棒形成的原理是：在进行拉晶时，将所需的原材料放入坩埚中进行加热，使得原材料由于高温的作用产生熔融的现象，然后应用拉单晶装置进行单晶硅棒的制作，利用熔融的单晶硅原材料由于在拉晶时温度降低，产生凝固的现象，形成单晶硅棒。在拉晶时，在坩埚的上部需要盖着炉盖，且炉盖与坩埚之间密封良好，防止外部杂质进入坩埚内，使得单晶硅棒的纯度受到影响，在这种情况下，使得单晶硅棒在拉单晶时的速度不会过快，否则会影响单晶硅棒的品质。

因此，温度控制对于单晶硅生长的质量和速度起到了至关重要的作用。直拉单晶(cz)法的热场是由石墨件系统、单晶炉冷却系统、氩气系统组成的一套复杂的单晶生长系统。正常情况下直拉单晶法的冷却工艺是在通入冷却气体(一般为氩气)的环境下进行的，由于整个系统处于开启状态，通入的氩气在炉体内停留时间较短，最终带走的热量为全部热量的80％--85％，冷却效果一般且冷却气体成本大。单晶的生长速度取决于固液界面温度梯度，温度梯度越大，生长速度越快，但温度梯度过大，也会导致晶体生长过程出现位错等问题。

中国专利cn207452295u公开了一种提高单晶硅拉速的冷却装置，包括导流筒和钼内衬，钼内衬固定设于导流筒的内部，还包括水冷内导、进水管道和出水管道，水冷内导固定于导流筒与钼内衬之间，进水管道与出水管道相对固定设于水冷内导的上部两侧。该实用新型存在的技术问题是：水冷内导表面散热空间过小，不利于冷热空气交互，不利于散热，冷却效果一般。

本实用新型专利申请人经过长期的摸索和实践，不断探索与改进，研究发明出了冷却效果更佳的提高单晶硅拉速的冷却装置，可以通过增大散热面积提升散热效果，又可以通过扰流作用提升冷却效果。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种提高单晶硅拉速的冷却装置，通过改进水冷内导的结构，增设了多个格栅，提高了散热效果，通过扰流作用提高冷却效果，以解决目前现有的单晶硅生产设备中导流筒温度高、热空气排出设置不合理、散热面积、冷却效果差的技术问题。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种提高单晶硅拉速的冷却装置，包括水冷内导、进水管道、出水管道，所述进水管道与所述出水管道相对固定设于所述水冷内导的上部两侧，其特征在于：所述水冷内导内表面设置多个格栅。

进一步的，格栅沿水冷内导直径方向均匀固定在水冷内导的内表面。

进一步的，水冷内导为上部开口大底部开口小的环状结构，所述环状结构中设有中空腔体，所述环状结构的上部相对设置有进水口和出水口，所述进水口与所述进水管道固定连接，所述出水口与所述出水管道固定连接。

进一步的，水冷内导的环状结构为锥形结构。

进一步的，进水管道与所述出水管道下部分别设有悬挂杆，所述悬挂杆将所述水冷内导与导流筒固定连接。

本实用新型一种提高单晶硅拉速的冷却装置具有散热快、冷却效果好的优点，使得单晶硅的拉晶速度提升。采用本实用新型的技术方案，带来如下技术效果：(1)本实用新型一种提高单晶硅拉速的冷却装置，通过水冷内导表面设置的格栅，增大了水冷内导的散热面积，每个格栅都成为了新的热传导路径，从而使单晶硅棒在拉晶时，温度能够被迅速带走。(2)格栅相当于扰流柱，多个格栅之间形成了高宽比较大的矩形窄缝通道，可以提高换热系数，使空气与格栅形成的对流换热增多，增大了热量释放量、提高了冷却效果。(3)该冷却装置通过冷却介质的循环可以更加快速带走单晶表面热量，增加单晶纵向温度梯度，实现拉晶过程中拉速的提高。

附图说明

图1是本实用新型一种提高单晶硅拉速的冷却装置的水冷内导的结构示意图；

图2是本实用新型一种提高单晶硅拉速的冷却装置的水冷内导的俯视图。

其中：

1：水冷内导，2：格栅，3：进水管道，4：出水管道，5：悬挂杆。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步的说明。

本实用新型是在冷却装置中的水冷内导上增加了格栅，使得单晶硅棒在拉晶时，温度能够迅速被带走，单晶硅棒的温度迅速降低，拉速能够提高，且不会影响单晶硅棒的品质。

如图1、图2所示，一种提高单晶硅拉速的冷却装置包括：水冷内导1、格栅2、进水管道3、出水管道4。所述水冷内导1为上部开口大、底部开口小的环状结构，整体为上下开口的锥形，环状结构中设有中空腔体，中空腔体用于冷却介质的流通，在该环状结构的上部两侧相对设置有进水口和出水口，进水口与进水管道3固定连接，出水口与出水管道4固定连接，也就是，进水口与进水管道3通过焊接连接在一起，出水口与出水管道4通过焊接连接在一起，使得冷却介质由进水管道3进入水冷内导1，同时由出水管道4流出，使得冷却介质在水冷内导1内循环，且冷却介质在循环时将拉单晶时单晶炉内的热量带走，且在坩埚外设有循环泵，使得冷却介质能够在水冷内导1内进行循环，为冷却介质的循环提供动力。

作为优选，所述的冷却介质为液态水，液态水易于得到，成本低，且液态水在水冷内导1内循环过程中由于吸热产生温度变化，而只有温度变化，热能和体积等不会发生变化，不会对水冷内导1的结构产生影响，不会使得水冷内导1由于内部力的变化而存在隐患。

该水冷内导1的材质为不锈钢，在水冷内导1内进行液态水循环，可以及时带走热量，降低装置表面温度，避免水冷内导1因长期处于高温环境出现的损坏；同时可以带走单晶表面热量，增加单晶纵向温度梯度，实现提高拉单晶时的拉速。

所述格栅2设置在水冷内导1的内表面，作为优选，多个格栅2沿水冷内导1的直径方向均匀固定在水冷内导1的内表面上，也就是，每个格栅2之间均形成了分隔的空间；格栅2的材质为不锈钢薄片，通过焊接固定在水冷内导1内表面上。格栅2的长度小于水冷内导1内表面与单晶硅棒外表面之间的距离；格栅2的高度与水冷内导1的高度相同。通过水冷内导1内表面设置的格栅2，增大了水冷内导1的散热面积，每个格栅2都成为了新的热传导路径，从而使单晶硅棒在拉晶时，温度能够被迅速带走；同时，格栅2相当于扰流柱，多个格栅2之间形成了高宽比较大的矩形窄缝通道，可以提高换热系数，使空气与格栅2形成的对流换热增多，增大了热量释放量、提高了冷却效果。

所述进水管道3包括管道一、管道二和管道三，管道三的一端与水冷内导1的进水口通过焊接固定连接，防止冷却介质在进入水冷内导1时产生泄漏的现象，管道三的另一端与管道二的一端垂直连接，通过焊接连接，管道二的另一端与管道一的一端垂直连接，也是通过焊接连接在一起，且管道一的一端垂直向下固定设有悬挂杆5，该悬挂杆5与管道一通过螺纹连接，且该悬挂杆5的形状为l型，悬挂杆5的另一端通过焊接于导流筒的顶端固定连接。出水管道4包括管道一、管道二和管道三，管道三的一端与水冷内导1的出水口通过焊接固定连接，管道三的另一端与管道二的一端垂直连接，通过焊接固定连接，管道二的另一端与管道一的一端垂直连接，通过焊接固定连接，且管道一的一端垂直向下固定设有悬挂杆5，该悬挂杆5与管道一通过螺纹连接，且该悬挂杆的形状为l型，悬挂杆5的另一端通过焊接与导流筒的顶端固定连接，该悬挂杆的l型结构可以是一体成型，也可以是通过焊接进行垂直固定连接。由于悬挂杆5的结构，使得导流筒与水冷内导1固定连接在一起。

水冷内导1的进水管道3和出水管道4的顶端设有螺纹，与外部进水管和外部出水管连接，用于将外部储水器中的水通过循环泵进入外部进水管，并通过水冷内导1的进水管道3进入水冷内导1的内部进行循环流动，从水冷内导1的出水管道4流入外部的出水管，并流进外部储水器中，完成液态水在水冷内导1中的循环。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。