降低硅晶体炉热损失的方法、热场结构及硅晶体炉与流程

1.本发明涉及晶体硅生产技术领域，尤其是指一种降低硅晶体炉热损失的方法、热场结构及硅晶体炉。


背景技术：

2.硅晶体炉是晶体硅生产的核心设备，早期硅晶体炉的热场结构大多如图1所示，其主要包括炉体1、炉膛2、碳碳复合材料制作而成的保温筒3以及填充在保温筒3与不锈钢材料制作而成的炉体1内壁之间的保温层4（软毡）。例如已公开的中国专利文献cn201224778y中就采用了与图1类似的结构，此类结构的硅晶体炉在使用过程中存在以下问题：高温条件下（保温层4内侧温度区间1000-1600
°
c），保温层4的热导率会随着温度升高而显著上升，使得保温效果大打折扣，由于炉体1的内壁直接与保温层4接触，会从保温层4吸收大量的热量，炉体1吸收的热量最终又被其夹层内的循环冷却水被带走，从而造成了较大的热量损失，导致设备热效率偏低（一般在30%左右），增加了能耗。
3.由于硅晶体炉产生热量损失的关键部位在炉体1，只要减少炉体1对热量的吸收就能够减少热损失、降低能耗。当前采用的解决办法是在将炉体1的位置外移，使其与保温层4之间形成隔热空隙5（隔热空隙5的宽度一般在30毫米左右，形成隔热空隙5相当于切断了热桥），减少炉体1通过保温层4吸收的热量，以及对炉体1的内壁进行抛光处理，进一步降低炉体1的吸热能力。改进后的硅晶体炉结构如图2所示，图示热场结构虽然在一定程度上降低了热损失（可以将保温层外侧温度区间控制在300-500摄氏度，在进水条件保持不变的情况下，炉体1夹层内的冷却水出水温度能够较之前降低1摄氏度左右），但仍存在较大提升空间。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的问题是如何进一步降低硅晶体炉的热损失，提高热效率。
5.为了解决上述问题，本发明所采用如下技术方案：一种降低硅晶体炉热损失的方法，通过在保温层外侧设置金属导热层，并保证所述金属导热层在常温以及硅晶体炉工作状态下，其内侧面始终与所述保温层接触；以及，使所述金属导热层的外侧亮面朝向硅晶体炉的炉体内壁并在二者之间留出隔热空隙；以及，在硅晶体炉工作时，使所述隔热空隙内形成保护气氛环境。
6.于本发明一实施例中，是通过施加压力使所述保温层产生适量的弹性变形，将所述金属导热层紧裹在保温层的外侧表面并保持保温层处于弹性变形状态；以及，将所述保温层被压缩的量限制为在常温以及硅晶体炉工作状态下其外侧面能够在回弹力作用下始终抵靠住金属导热层的内侧面。
7.具体而言，是将至少一侧表面为亮面的箔材裁切成合适尺寸，使其亮面朝向硅晶体炉的炉体内壁，并将其另一侧表面贴附、紧裹在所述保温层的外侧表面，由此在所述保温
层外侧形成金属导热层。
8.于本发明另一实施例中，是于所述保温层外侧表面通过涂覆或镀膜的方式形成金属导热层，并使所述金属导热层与保温层结合成一体；以及，将金属导热层的外侧表面处理成亮面。
9.具体而言，是以浸入树脂并经高温碳化形成的圆筒形硬毡作为保温层的基底，用碳纤维丝或碳纤维布缠缚于基底外表面作为附着层，在所述附着层上通过涂覆或镀膜的方式形成与附着层结合成一体的金属导热层。
10.另一方面，本发明还涉及一种降低硅晶体炉热损失的热场结构，包括炉体、炉膛及保温层；所述保温层的外侧还设置有金属导热层，所述金属导热层的外侧亮面朝向炉体的内壁面且在二者之间留有隔热空隙；所述隔热空隙被配置为能够在硅晶体炉工作时于其内部形成保护气氛环境，所述金属导热层被配置为在常温以及硅晶体炉工作状态下，其内侧面始终与所述保温层的外侧面接触。
11.于本发明一实施例中，所述金属导热层紧裹在保温层的外侧表面且保温层因受压缩处于弹性变形状态；所述保温层被压缩的量限制为在常温以及硅晶体炉工作状态下其外侧面能够在回弹力作用下始终抵靠住金属导热层的内侧面。
12.其中，所述金属导热层为金属材质的箔材，所述箔材的外侧面为亮面，所述亮面朝向炉体的内壁面，所述箔材的内侧面贴附、紧裹住保温层的外侧表面。
13.优选地，所述箔材为铝箔、钛箔、不锈钢箔、镍箔中的一种。
14.于本发明一实施例中，所述金属导热层为与保温层结合成一体的涂层或镀层，所述涂层或镀层的外侧表面为亮面。
15.优选地，所述保温层包括圆筒形硬毡构成的基底，所述基底外表面经碳纤维丝或碳纤维布缠缚形成附着层，于所述附着层上形成与其结合成一体的涂层或镀层。
16.最后，本发明还涉及一种硅晶体炉，其采用前述方法来降低其工作过程中的热损失，或者包括上述热场结构。
17.上述方案能够显著降低硅晶体炉的热损失，节省运行能耗。以背景技术中经过改进后的单晶硅炉为例，其在工作时，保温层的外表面温度仍可达300-550度，本发明将热量传导至与保温层贴合的金属导热层上，通过金属导热层向更外侧的不锈钢炉体内壁进行热辐射，然而辐射通量却大大降低，炉体循环冷却水的出水温度能够降低1.5-2度，综合下来能耗降幅能够达到10%以上。按照中国光伏协会（cpia）的统计数据，2022年单晶炉拉晶的平均电耗约为23 kwh/kg， 2022年国内的拉单晶光伏企业的产量在200gw，其中1gw用硅料2700吨左右，若采用本发明提供的方案对现有硅晶体炉进行改造，将带来非常可观的经济与社会效益。
附图说明
18.图1为传统硅晶体炉的整体结构示意图；图2为现有技术中改进后的硅晶体炉的整体结构示意图；
图3为实施例1-3中单晶硅炉的整体结构示意图；图4为实施例1与现有同规格单晶硅炉的内热场结构的红外发射率检测结果图；图5为实施例2与现有同规格单晶硅炉的内热场结构的红外发射率检测结果图；图中：1——炉体
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2——炉膛
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3——保温筒
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4——保温层
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5——隔热空隙
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a——金属导热层。
具体实施方式
19.为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明。
20.总的来说，本发明主要是基于以下思路：首先，在保温层4的外侧设置金属导热层a，并使该金属导热层a在常温以及硅晶体炉工作状态下，其内侧面始终与保温层4保持接触。通过将金属导热层a贴合在保温层4外侧，保温层4的热量得以传导到该金属导热层a上，再由金属导热层a对外辐射，由于金属导热层a的外侧亮面朝向硅晶体炉的炉体1内壁，其向外辐射的热量大大降低，较好地抑制了该位置的辐射传热。其次，本发明在金属导热层a与炉体1内壁之间留有隔热空隙5，隔热空隙5的存在能够大幅减少通过热传导方式传递至炉体1的热量，而在硅晶体炉工作时，上述隔热空隙5内形成稳定的保护气氛环境能够使金属导热层a长期保持表面光亮度，保证其长期工作的有效性。
实施例1
21.一、热场结构的改进：本实施例主要是针对现有36寸单晶硅炉的热场结构进行改进，改进前的热场结构如图2所示，所采用的改进手段为：1、根据36寸炉子的圆筒状热场尺寸（高度1.5米、宽度1.17米）及保温层4厚度180毫米，计算包围整个保温层4外侧及上下侧所需要的面积约为10平米左右。
22.2、以厚度0.2mm的亮面铝箔作为金属导热层a，剪裁合适尺寸的铝箔若干块，铝箔具有很好的柔性，在将铝箔贴合包覆在软碳毡的保温层4外侧时，需要施加压力使保温层4产生适量的弹性变形，并且使铝箔的亮面朝外，最后将铝箔裹紧在保温层4的外侧表面并保持保温层4处于弹性变形状态。需要注意的是，保温层4被压缩而产生弹性变形的量应当能够保证在单晶硅炉停机（常温）及工作状态下，该保温层4的外侧面均能够在其自身回弹力作用下始终抵靠住所包覆的铝箔的内侧面。由于铝箔的厚度仅0.2mm，其对于隔热空隙5的影响几乎可以忽略不计。
23.改进后的单晶硅炉的整体结构见图3所示。需要说明的是，图3所示单晶硅炉工作时，需要在隔热空隙5内形成稳定的保护气氛环境来防止铝箔亮面被氧化。
24.二、能耗测试：在其它条件均保持一致的前提下，分别检测改进前后内热场结构的红外发射率，需要说明的是，这里的“内热场结构”是以隔热空隙5为界，位于隔热空隙5内侧的称为“内热场结构”，位于隔热空隙5外侧的称为“外热场结构”。改进前后内热场结构的红外发射率检测结果见图4所示（改进前对应于图中“c”，改进后对应于图中“al”）。从图4可以看出，改进
后的内热场结构的红外发射率较改进之前有显著降低。另外，分别于热场结构改进前后测试单晶硅炉的炉壁冷却水出水温度，测得改进后的炉壁冷却水的出水温度比改进前要低1.5-2度，估算下来，单晶硅炉的能耗降低了8-10kw左右，降幅约为14%。
实施例2
25.本实施例与实施例1的区别主要在于：1、单晶硅炉的规格为32寸，包围保温层4所需要的面积约为8平方米。2、将包覆在保温层4外表面的0.2mm铝箔换成了厚度为0.1mm的亮面钛箔。其它步骤及参数均与实施例1相同。改进前后内热场结构的红外发射率检测结果见图5所示（改进前对应于图中“c”，改进后对应于图中“ti”）。从图5可以看出，改进后的内热场结构的红外发射率较改进之前也有显著降低。测得改进后的炉壁冷却水的出水温度比改进前要低约1.5度,估算出单晶硅炉的能耗降低了5-8kw左右，降幅超过了10%。
实施例3
26.本实施例与实施例1的区别主要在于金属导热层a的形成方式不同，本实施例是通过以下步骤来形成附着于保温层4上的金属导热层a：首先，采用磷酸二氢铝作为粘结剂，以水为溶剂，将适量单质铝粉作为填料（铝粉的粒径d50范围是10-500微米），搅拌均匀后，形成涂料。之后，将涂料涂刷在软碳毡制成的保温层4外侧，铝粉的粒径较大可以保证其不会大量陷入到碳毡的孔隙中，在保温层形成均匀涂层后在70-90摄氏度条件下低温烘干，再在650-700摄氏度条件下进行高温固化，从而在保温层4表面形成以铝为主要成分的金属导热层a，最后将金属导热层a的外表面处理成亮面。经检测，本实施例的炉壁冷却水的出水温度比改进前能够低1.5度左右，估算能耗降低了7-8kw左右，降幅约为12%。
27.以上通过涂层形成金属导热层a的方案也适用于采用圆筒形硬毡作为保温层的硅晶体炉，在这类硅晶体炉上应用时，可以将浸入树脂并经高温碳化形成的圆筒形硬毡作为保温层4的基底，再用碳纤维丝或碳纤维布缠缚于基底外表面形成附着层，最后在附着层上通过涂覆的方式形成与其结合成一体的金属导热层a即可。
28.本领域技术人员应当明白，在保温层4外侧表面形成金属导热层a的方式既不局限于上述实施例1-2中铝箔、钛箔（实际应用时完全可以采用不锈钢箔或者镍箔来替代），也不局限于实施例3中通过涂覆工艺形成的金属涂层（也可以采用镀膜的方式在保温层4的外表面上形成一层金属镀层），上述实施例仅为本发明较佳的实现方案，在不脱离本发明总体技术构思的前提下，还可以衍生出多种不同的实施方案。
29.从以上各实施例的测试结果可以看出，晶体硅炉热场保温层4的尺寸越大，其面积及热辐射通量越大，改进后的节能效果也越明显，但不管怎样，总体都能取得明显的节能效果。
30.不同于现有技术通过对炉体1的内壁进行表面处理（例如抛光）以及增加隔热材料来降低炉壁冷却水的出水温度，本发明在保温层4外侧直接包覆了一层金属导热层a并保证该金属导热层a能够始终与保温层4保持接触，这样保温层4的热量就可以传导到该金属导热层a上，再由金属导热层a代替保温层4的碳材料对外辐射，向外辐射的热量因为金属导热层a的低发射率而导致辐射通量大大降低，反而抑制了该位置的辐射传热，同时热场结构中的隔热空隙5也极大程度上阻隔了金属导热层a的热量通过热传导的方式传递至炉体1内
壁，在硅晶体炉工作时，通过使隔热空隙5内充满保护气体形成稳定的保护气氛环境，既可以保证金属导热层a维持低发射率，又能够避免因热对流而导致的热量损失。综合上述手段，本发明能够大大降低现有硅晶体炉的热损失，提高热效率。据中国光伏协会统计，2022年单晶炉拉晶的平均电耗约为23 kwh/kg，采用本发明的方案后，300公斤单炉可节电约900度。按照2022年中国的拉单晶光伏企业的产量200gw（1gw用硅料2700吨左右）算，将节省近十亿元的能源消耗。
31.为了让本领域普通技术人员更方便地理解本发明相对于现有技术的改进之处，本发明的一些附图和描述已经被简化，并且为了清楚起见，本技术文件还省略了一些其它元素，本领域普通技术人员应该意识到这些省略的元素也可构成本发明的内容。

技术特征：
1.降低硅晶体炉热损失的方法，其特征在于：在保温层（4）外侧设置金属导热层（a），并保证所述金属导热层（a）在常温以及硅晶体炉工作状态下，其内侧面始终与所述保温层（4）接触；以及，使所述金属导热层（a）的外侧亮面朝向硅晶体炉的炉体（1）内壁并在二者之间留出隔热空隙（5）；以及，在硅晶体炉工作时，使所述隔热空隙（5）内形成保护性气氛环境。2.如权利要求1所述降低硅晶体炉热损失的方法，其特征在于：施加压力使所述保温层（4）产生适量的弹性变形，将所述金属导热层（a）紧裹在保温层（4）的外侧表面并保持保温层（4）处于弹性变形状态；以及，将所述保温层（4）被压缩的量限制为在常温以及硅晶体炉工作状态下其外侧面能够在回弹力作用下始终抵靠住金属导热层（a）的内侧面。3.如权利要求2所述降低硅晶体炉热损失的方法，其特征在于：将至少一侧表面为亮面的箔材裁切成合适尺寸，使其亮面朝向硅晶体炉的炉体（1）内壁，并将其另一侧表面贴附、紧裹在所述保温层（4）的外侧表面，由此在所述保温层（4）外侧形成金属导热层（a）。4.如权利要求1所述降低硅晶体炉热损失的方法，其特征在于：于所述保温层（4）外侧表面通过涂覆或镀膜的方式形成金属导热层（a），并使所述金属导热层（a）与保温层（4）结合成一体；以及，将金属导热层（a）的外侧表面处理成亮面。5.如权利要求4所述降低硅晶体炉热损失的方法，其特征在于：以浸入树脂并经高温碳化形成的圆筒形硬毡作为保温层（4）的基底（4a），用碳纤维丝或碳纤维布缠缚于基底（4a）外表面作为附着层（4b），在所述附着层（4b）上通过涂覆或镀膜的方式形成与附着层（4b）结合成一体的金属导热层（a）。6.降低硅晶体炉热损失的热场结构，包括炉体（1）、炉膛（2）及保温层（4），其特征在于：所述保温层（4）的外侧还设置有金属导热层（a），所述金属导热层（a）的外侧亮面朝向炉体（1）的内壁面且在二者之间留有隔热空隙（5）；所述隔热空隙（5）被配置为能够在硅晶体炉工作时于其内部形成保护气氛环境，所述金属导热层（a）被配置为在常温以及硅晶体炉工作状态下，其内侧面始终与所述保温层（4）的外侧面接触。7.如权利要求6所述热场结构，其特征在于：所述金属导热层（a）紧裹在保温层（4）的外侧表面且保温层（4）因受压缩处于弹性变形状态；所述保温层（4）被压缩的量限制为在常温以及硅晶体炉工作状态下其外侧面能够在回弹力作用下始终抵靠住金属导热层（a）的内侧面。8.如权利要求7所述热场结构，其特征在于：所述金属导热层（a）为金属材质的箔材，所述箔材的外侧面为亮面，所述亮面朝向炉体（1）的内壁面，所述箔材的内侧面贴附、紧裹住保温层（4）的外侧表面；优选地，所述箔材为铝箔、钛箔、不锈钢箔、镍箔中的一种。9.如权利要求6所述热场结构，其特征在于：所述金属导热层（a）为与保温层（4）结合成一体的涂层或镀层，所述涂层或镀层的外侧表面为亮面；
优选地，所述保温层（4）包括圆筒形硬毡构成的基底（4a），所述基底（4a）外表面经碳纤维丝或碳纤维布缠缚形成附着层（4b），于所述附着层（4b）上形成与其结合成一体的涂层或镀层。10.硅晶体炉，其特征在于：采用权利要求1-5任意一项所述方法来降低其工作过程中的热损失，或者包括权利要求6-9中任意一项所述热场结构。

技术总结
降低硅晶体炉热损失的方法、热场结构与硅晶体炉，涉及晶体硅生产技术领域，本发明通过在保温层外侧设置金属导热层，并保证金属导热层的内侧面始终与保温层接触且其外侧亮面朝向硅晶体炉的炉体内壁，金属导热层从保温层吸热后再对外辐射热量，由于该金属导热层的低发射率而导致辐射通量大幅降低，反而抑制了辐射传热，同时热场结构中的隔热空隙也极大程度上阻隔了金属导热层的热量通过热传导的方式传递至炉体内壁，在硅晶体炉工作时，隔热空隙内充满保护性气体形成稳定的保护气氛环境既可以保证金属导热层维持在低发射率状态，又能够避免因热对流而导致的热量损失，从而提高了热场结构的综合保温性能，降低了设备能耗。降低了设备能耗。降低了设备能耗。


技术研发人员：吕铁铮 刘超齐 欧顺 吕保善
受保护的技术使用者：吕铁铮
技术研发日：2023.06.12
技术公布日：2023/8/16