一种类单晶硅铸锭炉的散热系统及方法
技术领域
本发明涉及换热器技术领域，具体涉及一种类单晶硅铸锭炉的散热系统及方法。
背景技术
近年来光伏产业发展迅速，竞争日趋激烈，低成本、高效率的太阳能电池倍受业界青睐。就材料而言，目前晶体硅是太阳能电池的主要材料，主要包括单晶硅和多晶硅。
类单晶硅铸锭技术兼具单晶高转换效率和多晶低成本的优点，成为目前业界最具竞争力的新型铸锭技术之一。类单晶硅制备一般采用常规多晶硅铸锭炉，铸锭时在石英坩埚底部铺一层籽晶，诱导晶体定向结晶，长出晶向一致的大晶粒硅锭。生长类单晶硅锭需要保持完全凸形的生长界面，用来控制边部多晶的生长，提高单晶面积比例,完全凸形界面的保持需要在长晶过程中阻止侧部热量的散失，而当前光伏行业内常规的铸锭炉中采用的是隔热笼提升的方式进行散热，侧部辐射散热的同时底部换热台进行散热，这种散热方式可以通过侧部功率的提高来减缓侧部的长晶，同样也可以实现近似凸形的长晶界面，但是侧部的散热不可避免，因此侧部不可能完全实现完全凸形，而是形成了近似凸形的W形的界面，这种界面形状容易引起侧部多晶的生长，如图1所示，这种热场结构不适应类单晶的生长。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明设计了一种类单晶硅铸锭炉的散热系统及方法，保持长晶过程隔热笼不开启，使铸锭炉在长晶过程中保持侧部温度，同时使得底部中心散热快于侧部，即热量散失速度边部位置小于中心位置，形成凸形的长晶界面。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种类单晶硅铸锭炉的散热系统，其换热台包括上下两部分，即换热台包括上换热台和下换热台，上换热台和下换热台安装在铸锭炉下炉体中，下换热台由铸锭炉下炉体底部支撑柱支撑，安装在上换热台正下方；上换热台固定不动，下换热台能够上下移动；下换热台下部与冷却系统直接接触固定成一体结构，下换热台上下移动时与冷却系统同时上下移动；
上换热台和下换热台分别设置有基座，所述基座上分散布设若干凸起，凸起的顶端设置有保温层，上换热台和下换热台的凸起相对设置且能够相互啮合；所述的上换热台和下换热台的基座上边缘处的凸起的高度小于中心区域的凸起的高度，使上换热台和下换热台的基座上的凸起相互啮合时中心区域散热速度大于边部区域，起到散热或保温的作用。
进一步地，所述的上换热台和下换热台的基座上边缘处的凸起的高度小于中心区域的凸起的高度，高度差不低于1mm，且高度差不大于凸起的高度，凸起的高度根据炉台下炉体的结构而定。
进一步地，所述的上换热台和下换热台的基座上边缘处的凸起的保温层厚度大于中心区域的凸起的保温层厚度。
进一步地，所述的换热台的基座和凸起均采用热导率高的石墨材料制得。
进一步地，所述的上换热台和下换热台的凸起的形状为长条状、圆环状、圆柱状或其他几何形状。
进一步地，所述的保温层采用保温硬毡材料。
进一步地，所述的上换热台和下换热台的基座上边缘处的不设置凸起，只保留中心区域的凸起。
进一步地，所述的上换热台和下换热台的基座上边缘处的凸起的横截面直径大于中心区域的凸起的横截面直径。
进一步地，所述的冷却系统为液体冷却系统或者气体冷却系统，设置有水或气体作为冷却剂，带走换热台热量，达到冷却作用。
基于上述类单晶硅铸锭炉的散热系统的散热方法，其特征在于，散热系统工作时，控制下换热台上下移动，当上换热台和下换热台的凸起顶端的保温层齐平时，整个散热系统保温性最好，起到保温作用，这个状态可用于加热，熔化，退火等阶段；当上换热台和下换热台的凸起啮合，上换热台和下换热台的热导率较高的凸起部分相互相遇时，纵向方向上有部分凸起部分重合，通过热辐射或热传导进行散热，当凸起部分重合较多时热量散失快，当重合部分少时热量散失较慢，这个状态可用于长晶，冷却阶段热量的散失控制。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
通过本发明使得铸锭炉长晶过程中完全通过底部散热，消除边部散热，隔热笼不需要打开。通过铸锭炉底部散热，同时保证长晶过程中底部边缘散热小于中心区域，形成凸形的长晶界面，适应类单晶的生长。铸锭炉底部散热，主要通过具有上下可相对移动的换热台传递，即通过下换热台上下移动进行热量散失，隔热笼不移动，换热台的基座和凸起均采用热导率高的石墨材料制得，凸起可以为任何形状，下换热台上下移动，通过上下换热台凸起部分的热传导或热辐射来控制热量的散失；通过边缘处的凸起的高度小于中心区域的凸起的高度、或者边缘处的凸起的宽度小于中心区域的凸起的宽度、或者边缘处的不设置凸起，只保留中心区域的凸起的方式，实现换热台中心区域散热速度大于边部区域，因此中心位置长晶速度大于边部区域，从而得到凸型界面，更加有利于类单晶生长。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1 是现有技术铸锭炉散热系统结构示意图；
图2 是本发明实施例1中的类单晶硅铸锭炉的散热系统在铸锭炉中的位置示意图；
图3 是图2中类单晶硅铸锭炉的散热系统的结构示意图；
图4 是图3中上换热台和下换热台的凸起顶部保温层完成重合的位置结构示意图；
图5 是图2中换热台上石墨柱凸起与硬毡保温层的俯视图；
图6 是本发明实施例1中使用常规铸锭炉铸造类单晶得到单晶铸造硅锭横截面效果图；
图7 是本发明实施例1中使用常规铸锭炉铸造类单晶得到单晶铸造硅锭横截面效果图；
图8 是本发明实施例2中使用常规铸锭炉铸造类单晶得到单晶铸造硅锭横截面效果图；
图9是本发明实施例3中使用常规铸锭炉铸造类单晶得到单晶铸造硅锭横截面效果图；
图中：1、铸锭炉，2、换热台，2A、上换热台，2B、下换热台，21、基座，22、凸起、23、保温层，3、冷却系统。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是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，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位（旋转90度或处于其他方位），并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例1
如图2～4所示，一种类单晶硅铸锭炉的散热系统，其换热台2包括上下两部分，即换热台2包括上换热台2A和下换热台2B，上换热台2A和下换热台2B安装在铸锭炉1下炉体中，下换热台2B由铸锭炉1下炉体底部支撑柱支撑，安装在上换热台2A正下方；上换热台2A固定不动，下换热台2B能够上下移动；下换热台2B下部与冷却系统3直接接触固定成一体结构，下换热台2B上下移动时与冷却系统3同时上下移动；冷却系统3为液体冷却系统或者气体冷却系统，设置有水或气体作为冷却剂，带走换热台2的热量，达到冷却作用。
如图3～5所示，上换热台2A和下换热台2B分别设置有基座21，所述基座21上分散布设若干凸起22，凸起22的顶端设置有保温层23，基座21和凸起22均采用热导率高的石墨材料制得，保温层23采用保温硬毡材料；凸起22的形状为长条状、圆环状、圆柱状或其他几何形状，上换热台2A和下换热台2B的凸起22相对设置且能够相互啮合；所述的上换热台2A和下换热台2B的基座21上边缘处的凸起22的高度小于中心区域的凸起22的高度（不排除可结合边缘处的凸起顶端的保温层厚度大于中心区域的凸起顶端的保温层厚度），使上换热台2A和下换热台2B的基座21上的凸起22相互啮合时中心区域散热速度大于边部区域，起到散热或保温的作用。
如图3和图4所示，本实施中铸锭炉1为G6炉型，上换热台2A和下换热台2B的基座21采用矩形结构，基座21上的凸起22采用石墨柱结构且呈一排顺序排列，石墨柱凸起22的横截面直径为12.5mm；上换热台2A和下换热台2B的基座21上的凸起22的个数分别为40，石墨柱凸起22和顶端硬毡保温层23的厚度和为100mm，但边缘处的凸起22的高度小于中心区域的石墨柱凸起22的高度，边缘到中心石墨柱凸起22的高度依次增加1mm，边缘到中心石墨柱凸起22顶端的硬毡保温层23的厚度依次递减1mm，中心位置两块石墨柱凸起22顶端的硬毡保温层23的厚度为35mm。常规铸锭炉铸造类单晶单晶面积做不到100%，边部会存在多晶，而且比例较大，如图6所示；本实施中铸造类单晶可以获得100%的单晶，获得的单晶铸造硅锭横截面如图7所示。
基于上述类单晶硅铸锭炉的散热系统的散热方法，其特征在于，散热系统工作时，控制下换热台2B上下移动，当上换热台2A和下换热台2B的凸起22顶端的保温层23齐平时，整个散热系统保温性最好，起到保温作用，这个状态可用于加热，熔化，退火等阶段；当上换热台2A和下换热台2B的凸起22啮合，上换热台2A和下换热台2B的热导率较高的凸起22部分相互相遇时，纵向方向上有部分凸起22部分重合，通过热辐射或热传导进行散热，当凸起22部分重合较多时热量散失快，当重合部分少时热量散失较慢，这个状态可用于长晶，冷却阶段热量的散失控制。
实施例2
本实施中，类单晶硅铸锭炉的散热系统结构同实施例1，铸锭炉1为G6炉型，上换热台2A和下换热台2B的基座21上的凸起22采用石墨柱结构，石墨柱凸起22的宽度为12.5mm，石墨柱凸起22和顶端硬毡保温层23的厚度和为100mm，边缘处的凸起22的高度与中心区域的石墨柱凸起22的高度相等，石墨柱凸起22顶端的硬毡保温层23的厚度为35mm。但与实施例1不同的是：上换热台2A和下换热台2B的基座21上边缘处不设置凸起22，只在中心处分别设置30个凸起22。本实施中铸造类单晶可以获得100%的单晶，图8为获得的单晶铸造硅锭横截面。
实施例3
本实施中，类单晶硅铸锭炉的散热系统结构同实施例1，铸锭炉1为G6炉型，上换热台2A和下换热台2B的基座21上的凸起22采用石墨柱结构，上换热台2A和下换热台2B的基座21上的凸起22的个数分别为40，石墨柱凸起22和顶端硬毡保温层23的厚度和为100mm，上换热台2A和下换热台2B的基座21上边缘处的凸起22的高度小于中心区域的石墨柱凸起22的高度，边缘到中心石墨柱凸起22的高度依次增加1mm，边缘到中心石墨柱凸起22顶端的硬毡保温层23的厚度依次递减1mm；中心位置两块石墨柱凸起22顶端的硬毡保温层23的厚度为35mm，但与实施例1不同的是：上换热台2A和下换热台2B的基座21上边缘位置的石墨柱凸起22的横截面直径大于中心位置的石墨柱凸起22的横截面直径，边缘到中心石墨柱凸起22与顶端硬毡保温层23的宽度依次递减1mm，中心位置的石墨柱凸起22与顶端硬毡保温层23的宽度为7.5mm。本实施中铸造类单晶可以获得100%的单晶，获得的单晶铸造硅锭横截面如图9所示。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
