[发明专利]一种基于PLC的单晶炉水冷系统

说明书

本发明涉及一种基于PLC的单晶炉水冷系统，系统包括变频恒压供水系统、风机冷却水塔系统以及炉体冷却系统，主要应用于单晶炉的炉体及硅棒冷却。变频恒压供水系统，包括S7‑300 PLC、压力传感器、MM430变频器以及水泵机组，实现了根据压力反馈值适时调节流量，自动化恒压供水；风机冷却水塔系统，包括水冷塔、风机组以及板热交换装置，能够结合环境温度，通过PLC调节风机组开启数量，增大水流表面空气流水以降低温度，相比于常用的冰机冷却成本更低；炉体冷却系统，分为主炉体冷却系统（上、下）与水冷套，前者用­­于冷却高温工作时的单晶炉体，后者用于改善炉内热场结构，提高单晶炉拉速以增加产量。系统具有实用性强、工作稳定可靠、运作成本低的优点。

技术领域

本发明涉及PLC自动控制技术、传感器检测技术，尤其涉及可以优化单晶炉内热场结构以提高生产拉速，是一种基于PLC的单晶炉水冷系统。

技术背景

单晶硅是当代光伏产业的重要支柱，各个国家都先后掀起了生产单晶硅的浪潮。

单晶硅的制备目前绝大部分采用直拉CZ生长法，生产设备为单晶炉，通过可编程逻辑控制器（PLC）控制工艺流程，在1420℃、1000Pa的环境下完成生产，制备一根完整硅棒一般需要超过100个小时。

单晶硅生产经过引晶、缩颈、放肩、等径、收尾五个流程，各个阶段中，炉内热场结构都与拉速息息相关。

单晶炉内的工作温度在1400℃以上，而采用不锈钢材料的炉体一般超过300℃就会发生形变，影响炉体寿命从而造成巨大的经济损失，水冷系统的必要性不言而喻。

图1为该单晶炉水冷系统的整体结构图，主要部分包括变频恒压供水系统（1）、风机冷却水塔系统（2）以及炉体冷却系统（3）。

由于水冷系统直接作用于炉体和炉内热场结构，如果供水不稳定，出现断水、阻塞以及水速减慢的情况时，炉内的高温会直接造成炉体材料变形、加热电极融化，对单晶硅的质量与炉子的寿命造成致命影响。但是，传统的循环供水技术相对落后，自动化程度低，在单晶硅漫长的生产周期中，难以一直保持工艺水的供水压力稳定。

另一方面，目前的水冷系统只实现了对炉体的冷却，并没有改善炉内热场结构，不能完成对晶棒温度梯度的调控，难以为单晶炉拉速的提升创造先决条件。

天气炎热时，风机冷却水塔及工艺水池温度上升，大部分厂家会在冷却水塔的基础上，采用冰机降温以实现相近的制冷效果。但冰机价格昂贵，而且大部分时间被关闭闲置，导致水冷系统整体成本较高。

发明内容

本发明的目的在于，变频恒压供水系统（1）中，检测炉体进水口压力值，通过S7-300 PLC（4）控制MM430（5）专用水泵变频器调节供水系统中的水泵机组（8-10），实现了自动化变频恒压供水；风机冷却水塔系统中（2），用“分流+风机组”的降温方式代替传统的“冰机”，实现冷却水的低成本降温；炉体冷却系统（3）中加入水冷套（21），改善炉内热场结构，及时传走硅棒的结晶潜热，为提升单晶炉拉速创造先决条件。

变频恒压供水系统（1）通过“压力传感器+PLC+变频器+水泵”的控制模式，使系统能根据单晶炉进水口（6）压力，适时调节三台水泵（8-10）运行频率，自动降低进水口压力值的波动。

风机冷却水塔系统（2）采用“分流+风机组”代替“冰机+水冷塔”二级降温，冷却水经过外循环后回到水冷塔，由分流管（11）分成几股流，水流暴露在空气中，在不同温度下打开不同数目的风机组（12-15），通过加快冷却水表面空气流速达到降温效果。

在炉体冷却系统（3）中，本例依托于炉内原有的导流管（26）设计了 “水冷套”结构（21），中间隔以钼制薄壁，内部为双螺旋型水流管道。工艺水通过螺旋流动带走炉内热量，增大硅棒温度梯度，从而为拉速的提升设置前提。经实际生产检测，对于目标直径240mm的单晶炉，该水冷套能将拉速由0.8mm/min提升至1.6mm/min。

附图说明