多晶矽鑄錠爐二次加料裝置及多晶鑄錠系統的製作方法

2023-05-27 11:27:02 2

本實用新型涉及多晶矽鑄錠領域，具體涉及一種可降低衝擊進料的多晶矽鑄錠爐二次加料裝置及具有該二次加料裝置的多晶鑄錠系統。

背景技術：

隨著煤炭、石油、天熱氣等非可再生化石能源的不斷減少，能源危機日益加劇，而由於化石能源的大量開採和肆意使用，環境汙染問題日益嚴重。開發和使用替代化石能源的可再生的清潔新能源成為解決能源危機的最有效途徑。太陽能具有清潔無汙染且取之不盡用之不竭等優點，是化石能源的理想替代能源。

定向結晶鑄造多晶矽錠工藝簡單、易於工業化生產，輸出產量大，且相對生產成本低，所以鑄造多晶矽是使用最廣泛的太陽能材料。然而與傳統的火力發電相比，太陽能光伏發電成本依然較高，因此仍需進一步優化多晶矽鑄錠工藝，提高生產量，提高多晶矽錠質量，提高光電轉換效率，進而降低太陽能發電成本。多晶矽鑄錠使用形狀不規則的塊狀原生多晶矽料，矽塊之間會存在縫隙，另外鑄錠過程中矽原料中的雜質會揮發排除，因此即使鑄錠前矽料裝滿坩堝，鑄錠完成後多晶矽錠體積也只有坩堝內體積的三分之二。坩堝內裝入矽料過滿會增加鑄錠過程溢流和打火的風險。多晶矽鑄錠爐二次加料技術是在多晶矽熔化和長晶階段利用加料裝置從鑄錠爐的頂部或者其他部位向坩堝內繼續加料，實現提高多晶矽鑄錠輸出產量，降低鑄錠成本的目的。鑄錠過程中從鑄錠爐頂部加入矽料，也可有效稀釋分凝係數較小的摻雜元素的濃度，調節中上部矽錠的電阻率，提高多晶矽鑄錠良率。

為防止出料管高溫下的老化變形，現有的二次加料裝置的出料管伸入爐體內的長度較短，均在隔熱籠的外側的溫度較低的區域，出料口與矽熔液上表面的距離較大。並且出料管多設計為豎直的，矽料的下降過程中沒有設計減速的緩衝裝置，因此矽料會以較快的速度落在矽熔液表面，在矽熔液表面會產生較大的衝擊力，由於矽料的加入引起的矽熔液的擾動可能會衝擊到坩堝內表面的氮化矽塗層，使部分氮化矽塗層脫落引起鑄錠粘堝。破碎的顆粒矽料也多是不規則的，在進料過程中也容易發生堵塞。

技術實現要素：

基於此，有必要提供一種多晶矽鑄錠爐二次加料裝置，能夠降低二次加料時對矽溶液的液面的衝擊同時又避免加料過程中產生堵塞。

一種多晶矽鑄錠爐二次加料裝置，包括：料倉，底部連接有加料管；輸料管，一端與所述加料管相連通；緩衝倉，通過緩衝倉進料管與所述輸料管的另一端連通，所述緩衝倉的底部具有緩衝倉出料口，所述緩衝倉的內部設置有可升降的密封件，所述密封件用以封閉或打開所述緩衝倉出料口；升降裝置，用以控制所述緩衝倉的升降及用以控制所述密封件的升降；出料連接管，一端與所述緩衝倉出料口連通；出料管，與所述出料連接管的另一端連通，且出料管的出口端彎曲；其中，加料管、輸料管、緩衝倉進料管、緩衝倉出料口、出料連接管、出料管依順序直徑呈增大趨勢，且相鄰兩個相連接的元件中，後一個的直徑不小於前一個的直徑。

上述多晶矽鑄錠爐二次加料裝置，設置緩衝倉、彎曲的出料管等緩衝機構以緩衝矽料，減小矽原料對矽熔液表面的衝擊力，減低二次加料對坩堝內壁塗層的損傷，有效減少了二次加料引起的粘堝問題。同時，通過對輸料管路的尺寸優化。避免在達到緩衝目的的同時造成堵塞管路的情況。

在其中一個實施例中，所述輸料管的直徑大於所述加料管的直徑，所述緩衝倉進料管的管徑大於所述輸料管的管徑、所述緩衝倉出料口的內徑大於所述緩衝倉進料管的直徑、所述出料連接管的直徑大於所述緩衝倉出料口的直徑、所述出料管的直徑大於所述出料連接管的直徑。

在其中一個實施例中，所述緩衝倉的外部設置有加熱元件。

在其中一個實施例中，所述加熱元件為纏繞在緩衝倉外部的加熱線圈。

在其中一個實施例中，所述出料連接管與緩衝倉出料口連接的一端設置成錐形，出料管與出料連接管相連接的一端設置成錐形。

在其中一個實施例中，所述密封件的頭部設置成錐形，用以插入所述緩衝倉出料口以密封所述緩衝倉出料口。

在其中一個實施例中，所述緩衝倉的內腔的底壁設置成便於矽料流向緩衝倉出料口的錐形。

在其中一個實施例中，所述緩衝倉出料口與出料連接管之間為可拆卸式連接，所述出料連接管與出料管之間為可拆卸式連接。

還提出一種多晶鑄錠系統，包括多晶矽鑄錠爐及所述的二次加料裝置，其中所述多晶矽鑄錠爐包括隔熱籠、置於隔熱籠內部的坩堝，所述坩堝的頂部設置有坩堝蓋板，所述二次加料裝置的出料管自所述隔熱籠的頂部進入隔熱籠內部，其中，加料時，所述出料管的出口端伸入隔熱籠內且位於所述坩堝蓋板的下方。

在其中一個實施例中，所述升降裝置包括直線提升單元、支撐直線提升單元的支架、位於直線提升單元內部的傳動裝置，其中緩衝倉具有上蓋，支架固定在多晶矽鑄錠爐上，直線提升單元固定於所述上蓋，所述傳動裝置與緩衝倉內部的密封件固定連接。

附圖說明

圖1為本實用新型一個實施例的多晶矽鑄錠爐二次加料裝置非加料狀態下的結構示意圖；

圖2為二次加料裝置的料倉的示意圖；

圖3為二次加料裝置的緩衝倉的示意圖；

圖4為本實用新型一個實施例的多晶矽鑄錠爐二次加料裝置加料狀態下的結構示意圖；

圖5為現有鑄錠爐的結構示意圖；

圖6為與本實用新型的二次加料裝置配合使用的改造後的鑄錠爐的結構示意圖。

具體實施方式

為使本實用新型的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本實用新型的具體實施方式做詳細的說明。在下面的描述中闡述了很多具體細節以便於充分理解本實用新型。但是本實用新型能夠以很多不同於在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本實用新型內涵的情況下做類似改進，因此本實用新型不受下面公開的具體實施例的限制。

除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬於本實用新型的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文中在本實用新型的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施例的目的，不是旨在於限制本實用新型。本文所使用的術語「及/或」包括一個或多個相關的所列項目的任意的和所有的組合。

下面結合附圖，說明本實用新型的較佳實施方式。

本實用新型提供一種多晶矽鑄錠爐二次加料裝置，可在鑄錠過程中給多晶鑄錠爐二次加料。同時還提供了一種使用這種二次加料裝置的多晶鑄錠系統。

參考圖1，多晶矽鑄錠爐二次加料裝置包括料倉110、加料管120、輸料管130、緩衝倉進料管140、緩衝倉150、出料連接管160、出料管170、升降裝置。下面詳細解釋各元件的結構及相互之間的組配。

參考圖2，料倉110用以裝載矽料，以便在需要進行二次加料供料。料倉110內壁設有保護塗層，以避免汙染矽料。料倉110包括多個獨立的隔間112，分別獨立地供料。料倉110中設置有驅動各個隔間112旋轉的旋轉軸113，以控制隔間112的給料順序。圖2中示意出了2個隔間112，但數量不以兩個為限，本實用新型中設置4個隔間112。

參考圖2，料倉110的頂部設置有可開啟的料倉蓋114。料倉蓋114上連接有轉動軸115。料倉蓋114與料倉110的頂部之間通過法蘭或其他緊固件密封連接。當需要向料倉110中添加多晶矽原料時，可先接觸料倉蓋114與料倉的頂部之間的密封連接，然後通過轉動軸115將料倉蓋114水平旋轉移開。

料倉110頂部設置有觀察孔116，可隨時觀察二次加料裝置的給料情況。料倉110外則設置有抽真空裝置117，用以在二次加料時調節料倉110中的真空度。

加料管120連接於料倉110的底部。加料管120上設置有出料閥122控制出料。

輸料管130的一端與加料管120密封連接。輸料管130的直徑比加料管120的直徑大，以避免給料過程中出現矽料堵塞加料管120。輸料管130另一端則密封連接設置在緩衝倉150的上蓋152上的緩衝倉進料管140。緩衝倉進料管140的直徑大於輸料管130的直徑，避免給料過程中出現矽料堵塞輸料管130。

輸料管130採用可以彎曲的波紋管，以適應緩衝倉150的升降以方便向鑄錠爐中添加矽料。

參看圖3，緩衝倉150的底部設置有緩衝倉出料口153。緩衝倉出料口153的直徑大於輸料管130，避免給料過程中出現矽料堵塞緩衝倉150。

進一步地，緩衝倉150的內腔的底壁設置成便於矽料流向緩衝倉出料口153的錐形。錐形的錐角大於90°，小於120°。

緩衝倉150的內腔中設置有可以升降的密封件154。不加料時，密封件154將緩衝倉出料口153密封。加料時，升降裝置控制密封件154上升，矽料可以從緩衝倉出料口153輸出。

密封件154的頭部設置成錐形，方便插入到緩衝倉出料口153中將緩衝倉出料口153堵塞。

緩衝倉150的內腔的底壁設置成錐形，而密封件154的頭部設置成錐形，還可以在密封件154不堵塞緩衝倉出料口153的情況下，通過控制密封件154的頭部與錐形底壁之間的間隙來控制矽料的輸出量，起到緩衝作用。

升降裝置包括直線提升單元182、支撐直線提升單元182的支架183、位於直線提升單元182內部的傳動裝置184。其中，參考圖1和圖4，支架183固定在多晶矽鑄錠爐200的頂部，直線提升單元182固定於緩衝倉150的上蓋152，傳動裝置184與緩衝倉150內部的密封件154固定。即，利用直線提升單元182控制整個緩衝倉150的升降，利用傳動裝置184控制密封件154的升降。

直線提升單元182與傳動裝置184的動力由升降電機185提供。升降電機185提供的旋轉動力轉換為直線提升單元182及傳動裝置184的直線運動。

參考圖3，緩衝倉150的外部設置有加熱元件155，用以在二次加料過程中，對緩衝倉150中的矽料預先進行加熱，縮短多晶矽鑄錠爐200加熱新加入的矽料的時間，保證鑄錠效率。加熱元件155可以是纏繞在緩衝倉150的外部的加熱線圈，保證矽料均勻受熱。矽料被預先加熱成熔融狀態，可避免堵塞緩衝倉150。同時，二次加料裝置的其他位置也不需要特別設置振蕩矽料的部件。

出料連接管160的一端密封連接在緩衝倉出料口153上，出料連接管160與緩衝倉出料口153連接的一端設置成錐形，給料過程中起到緩衝作用。

另外，出料連接管160的直徑大於緩衝倉出料口153的內徑，避免堵塞緩衝倉出料口153。

出料管170與出料連接管160的另一端密封連接，出料管170與出料連接管160相連接的一端設置成錐形，給料過程中起到緩衝作用。

另外，出料管170直徑大於出料連接管160的直徑，避免堵塞。出料管170的出口端還彎曲一定角度，起到緩衝作用，防止矽料下衝力引起的矽液飛濺。彎曲的角度設置為135度左右，以既具有緩衝作用，又不會導致在加料時堵塞管路。

出料連接管160與緩衝倉出料口153之間、出料管170與出料連接管160之間均採用可拆卸式連接，例如螺紋連接，便於出料連接管160和出料管170的更換。出料連接管160和出料管170均選用耐高溫且不易揮發的材質比如氮化硼。

本實用新型的二次加料裝置中，增加緩衝倉150的存在，緩衝倉150內設置密封件154，可通過堵塞緩衝倉出料口153來控制矽料輸出，使緩衝倉150在加料過程中起到緩衝的作用；此外出料管170的出口端彎曲也延緩了矽料的下降速度，減小矽原料對矽熔液表面的衝擊力，減低二次加料對坩堝內壁塗層的損傷，有效減少了二次加料引起的粘堝問題。

進一步地，出料連接管160、出料管170的端部也分別設置成錐形，在給料過程中既起到緩衝作用，又可避免產生堵塞。

另外，加料管120、輸料管130、緩衝倉進料管140、緩衝倉出料口153、出料連接管160、出料管170依順序直徑呈增大趨勢，防止因為設置緩衝結構導致堵塞產生。需要指出的是，上述加料管120等，直徑整體上有增大趨勢即可，不一定必須依次增大，即加料管120、輸料管130、緩衝倉進料管140、緩衝倉出料口153、出料連接管160、出料管170等元件中，相鄰兩個相連接的元件中，後一個的直徑不小於前一個的直徑即可。

綜上，本實用新型的二次加料裝置，設置緩衝倉等多處緩衝結構，減小矽原料對矽熔液表面的衝擊力，減低二次加料對坩堝內壁塗層的損傷，有效減少了二次加料引起的粘堝問題。同時，通過對輸料管路的尺寸優化。避免在達到緩衝目的之同時造成堵塞管路的情況。

下面結合圖1和圖4，簡要描述本實用新型多晶矽鑄錠爐二次加料裝置的使用過程。

在多晶矽鑄錠爐200正常裝料進入到熔化後期階段，即預裝在石英坩堝中的塊狀矽料基本熔化完畢，坩堝上部有一定裝料空間後即可進行二次加料。

本實用新型的多晶矽鑄錠爐的二次加料裝置的安裝圖如圖1所示。多晶矽鑄錠爐200包括爐體220、置於爐體220內的隔熱籠210、置於隔熱籠210內部的坩堝230，其中坩堝230頂部設置有坩堝蓋板240。

在向鑄錠爐內二次加料之前，出料閥122為閉合狀態，緩衝倉150被提起，出料連接管160、出料管170在頂部保溫板212之上。旋轉移開料倉蓋114，分別向料倉110四個隔間112加滿矽原料，然後移回料倉蓋114以密封料倉110。開啟料倉110上的抽真空裝置117，根據鑄錠爐內真空度情況，調節料倉110內真空度達到平衡。

根據鑄錠爐工控機顯示的鑄錠狀態，確定二次加料時間，如圖4所示，開啟升降裝置，將緩衝倉150、出料連接管160和出料管170緩慢下降，使出料管170的彎曲部分到達坩堝蓋板240下方的指定高度。旋轉旋轉軸113開啟料倉110的一個隔間112，使矽料從料倉110的隔間112中輸出。同時打開出料閥122，稍後待緩衝倉150中的矽料有一定儲量後，將緩衝倉150中的密封件154旋轉提起，使矽料經過出料連接管160和出料管170，降落在矽熔液表面，完成二次進料。通過觀察孔116查看料倉110內矽原料的變化，當一隔間112中矽料輸出完全後，關閉出料閥122。

稍後降下緩衝倉150中的密封件154堵住緩衝倉出料口153，同時將緩衝倉150提升，使出料管170回到頂部保溫板212上方。通過鑄錠爐工控機觀察鑄錠狀態和鑄錠爐內矽料的熔化情況，確定下次加料時間。

依次重複上述操作，完成料倉110的四個隔間112矽料的輸出。另外也可根據鑄錠爐產量、加熱功率等鑄錠的實際情況，確定單次加料量，可以一次完成兩個或者多個隔間內矽料的輸出。

本實用新型的二次加料裝置，二次加料時，出料管170的位置降到坩堝蓋板240下方，降低了出料口的高度，進一步減小矽料對矽溶液表面的衝擊力。

本實用新型的二次加料裝置安裝簡單，只需要對現有的鑄錠爐進行少量改造即可。如圖5所示為現有的鑄錠爐。當使用本實用新型的多晶矽鑄錠爐二次加料裝置時，無需改造鑄錠爐體，只需要將鑄錠爐的隔熱籠210的頂部保溫板212上開設一個可供出料管170進入的窗口，及在坩堝蓋板240開設一個通道即可，改造成本低。

以上所述實施例的各技術特徵可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術特徵所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術特徵的組合不存在矛盾，都應當認為是本說明書記載的範圍。

以上所述實施例僅表達了本實用新型的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對實用新型專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本實用新型的保護範圍。因此，本實用新型專利的保護範圍應以所附權利要求為準。