CN102268741A - 一种晶体生长用热交换系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种晶体生长用热交换系统，包括：增压装置，用于对从外部气体源导入、用作热交换的气体进行增压，使所述气体以预定压力在循环流通的管路内流动；热交换装置，接设在管路上，用于使所述气体与待生长晶体进行热交换；气体冷却装置，接设在管路上，用于冷却进行热交换后的所述气体，并使冷却后的所述气体在管路内经过所述增压装置后再次进入热交换装置，进行循环使用。所述热交换系统通过将增压装置、热交换装置及气体冷却装置接设在管路上，使热交换气体能够在管路上循环流动使用，采用闭式循环流动气体带走热量，实现晶体生长，该系统能够依靠外部的控制系统实现自动化操作，易于控制且适于生产应用，满足产业化需求。

Description

一种晶体生长用热交换系统

技术领域

本发明涉及晶体生长技术领域，尤其是关于一种晶体生长用热交换系统。

背景技术

晶体的生长，是将放有原料的坩埚放置于温场中，将原料熔化为熔体，放置于温场中心轴线上的籽晶与熔体接触，沿籽晶晶向进行晶体的生长(引晶)。在晶体生长过程中，特别是引晶和晶体生长过程的控制上，一般采用控制加热器功率的方式来控制晶体生长温度，实现引晶和晶体生长。由于晶体的生长是通过控制加热器所形成的温度分布的温场来实现，很难做到精确控制，误差较大，而且存在时间上的滞后性，而且引晶过程对人的经验依赖性很大，不易实现引晶和晶体生长速度的控制。

为了方便引晶和实现晶体生长速度的控制，很多晶体生产厂家使用以水作为热交换介质的热交换系统。但是，现行使用的热交换系统一般较落后或自行开发设计，普遍存在一些问题，如空间占用较大，热交换介质(特别是水)的流量控制精度低，且可控范围小，热交换介质循环利用率低且易受污染，自动化控制程度低等。这些问题的存在将显著影响引晶及晶体生长过程的控制，不利于生长高质量的晶体。

为解决上述问题，目前也有业界人员开始研究采用氦气等无污染气体用作热交换介质，用于晶体生长过程，但还没有一种适用的热交换系统，能够使采用氦气等作为热交换介质的晶体生长过程易于控制且适于生产应用，满足产业化需求。

发明内容

本发明技术方案的目的是提供一种晶体生长用热交换系统，能够使采用氦气等作为热交换介质的晶体生长过程易于控制且适于生产应用，满足产业化需求。

为实现上述目的，本发明提供一种晶体生长用热交换系统，包括：

增压装置，用于对从外部气体源导入、用作热交换的气体进行增压，使所述气体以预定压力在循环流通的管路内流动；

热交换装置，接设在所述管路上，用于使所述气体与待生长晶体进行热交换；

气体冷却装置，接设在所述管路上，用于冷却进行热交换后的所述气体，并使冷却后的所述气体在所述管路内经过所述增压装置后再次进入所述热交换装置，进行循环使用。

优选地，上述所述的热交换系统，所述热交换系统还包括：

低压缓冲装置，接设在所述管路上，所述气体通过所述外部气体源被导入后首先进入所述低压缓冲装置，所述低压缓冲装置用于使进入所述管路的所述气体稳定流动；其中，经所述气体冷却装置冷却后的所述气体先流入所述低压缓冲装置之后，再流入所述增压装置；

高压缓冲装置，接设在所述管路上，且所述气体经过所述增压装置进行增压后，进入所述高压缓冲装置，所述高压缓冲装置用于使增压后的所述气体稳定流动。

优选地，上述所述的热交换系统，所述热交换系统还包括：

净化装置，接设在所述管路上，所述气体通过所述增压装置进行增压后，进入所述净化装置，所述净化装置用于净化所述气体。

优选地，上述所述的热交换系统，所述热交换系统还包括：

流量控制装置，接设在所述管路上，用于在所述气体进入所述热交换装置之前，调节所述气体在所述管路上的流量。

优选地，上述所述的热交换系统，所述流量控制装置的两端连接有一旁路调节线路，所述旁路调节线路上接设有一球阀控制开关，用于当所述流量控制装置故障时，启用所述球阀控制开关，进行流量调节。

优选地，上述所述的热交换系统，所述热交换系统还包括：

气体导入部件，用于将所述气体从所述外部气体源导入所述管路，其中所述气体导入部件包括减压阀。

优选地，上述所述的热交换系统，所述管路上设置有压力表和第一温度测试表，所述压力表用于检测所述气体流入所述热交换装置之前的压力，所述第一温度测试表用于检测所述气体流入所述热交换装置之前的温度。

优选地，上述所述的热交换系统，所述管路上设置有第二温度测试表和第三温度测试表，所述第二温度测试表用于检测所述气体进入所述气体冷却装置之前的温度，所述第三温度测试表用于检测所述气体经过所述气体冷却装置冷却之后的温度。

优选地，上述所述的热交换系统，所述气体冷却装置还通过一电磁阀控制开关与一室外泄压阀连接，所述管路内的所述气体不能循环使用时，通过所述室外泄压阀泄压、放空。

优选地，上述所述的热交换系统，所述气体为氦气。

本发明具体实施例上述技术方案中的至少一个具有以下有益效果：

所述热交换系统通过将增压装置、热交换装置及气体冷却装置接设在管路上，使热交换气体能够在管路上循环流动使用，采用闭式循环流动气体带走热量，实现晶体生长，该系统能够依靠外部的控制系统实现自动化操作，易于控制且适于生产应用，满足产业化需求；

通过设置流量控制装置及压力表、温度测试表等，控制热交换气体的流量、测定其流动压力和温度，使晶体生长速度能够精确控制，极大提高晶体质量，达到缩短晶体生长周期及节约生产成本的技术效果。

附图说明

图1为本发明具体实施例所述热交换系统的结构原理示意图；

图2为本发明具体实施例所述热交换系统中的热交换装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。

本发明具体实施例所述晶体生长用热交换系统，包括：

增压装置，用于对从外部气体源导入、用作热交换的气体进行增压，使所述气体以预定压力在循环流通的管路内流动；

热交换装置，接设在所述管路上，用于使所述气体与待生长晶体进行热交换；

气体冷却装置，接设在所述管路上，用于冷却进行热交换后的所述气体，并使冷却后的所述气体在所述管路内经过所述增压装置后再次进入所述热交换装置，进行循环使用。

所述热交换系统中，用作热交换的气体为氦气等无污染气体(本发明具体实施例以氦气为例进行说明，但不限于为氦气)，利用闭式循环系统，使氦气与晶体进行热交换，带走热量，实现晶体生长。

采用本发明具体实施例所述热交换系统，通过将增压装置、热交换装置及气体冷却装置接设在管路上，使氦气能够在管路上循环流动使用，具有氦气流量能够精确得到控制、可控范围大、氦气循环使用率高、不易受杂质污染、自动化控制程度高以及空间占用小等众多应于生产应用的优势。

以下将对本发明具体实施例所述热交换系统的结构进行详细描述。

图1为本发明具体实施例所述热交换系统的结构原理示意图。参阅图1，所述热交换系统包括有：增压装置1、热交换装置2、气体冷却装置3。其中，增压装置1、热交换装置2和气体冷却装置3接设于用于使气体流通的管路上，构成为热交换气体的闭式循环系统。

如图1，该热交换系统还包括气体导入部件，用于将气体从外部气体源4导入管路内，外部氦气源4可采用40L/瓶的钢瓶装氦气，充氦气不低于0.2MPa(此压力可以按需修改)，其中该气体导入部件包括：减压阀M4、电磁阀M1和单向阀M2，与外部氦气源4连接，沿氦气从外部氦气源4进入管路的流动方向，依次设置。从外部氦气源4流出的氦气依次经过上述部件后进入循环管路内。

所述增压装置1，接设在氦气流通的管路上，用于对氦气进行增压，使氦气以预定压力在管路内流动。

所述热交换装置2，接设在氦气流通的管路上，用于使氦气与待生长晶体进行热交换。

所述气体冷却装置3，接设在氦气流通的管路上，用于冷却进行热交换后的氦气，并使冷却后的氦气流入增压装置1，再次在管路上流动，用于与待生长晶体的热交换，进行循环使用。

本发明具体实施例中，所述热交换系统实际使用时，用于闭式的循环管路可采用耐高温的EP管或不锈钢管制作，管路的管径可以为1/2至1英寸，且需要对管路内部进行抛光处理，保持内壁洁净。增压装置1可为增压泵或压缩机，经增压后的气体压力不低于0.3MPa，最大流量(排气量)不低于400L/min。气体冷却装置3可以采用循环水冷方式，由热交换装置2流出的高温氦气经循环水冷却，要求可将流量为400L/min的氦气由高温冷却至室温左右。

本领域技术人员应该能够了解增压装置1和气体冷却装置3的具体结构，在此不详细描述。

本发明具体实施例中，热交换装置2可以采用钨钼材料制成，内部结构可以参阅图2所示，包括形成为中空的外管体24，在外管体24的内部设置有通向管体顶部的输气管21，在管体底部，设置有与输气管21连接的进气口22，与热交换装置2的中空管体连接的出气口23。在循环管路上流动的氦气流至热交换装置2处时，通过进气口22流入热交换装置2，在热交换装置2内充分与籽晶进行热交换，通过出气口23流出热交换装置2。

本发明具体实施例所述热交换系统，通过在闭式循环管路上设置增压装置1、热交换装置2和气体冷却装置3，能够利用氦气作为热交换介质，实现晶体的生长。

具体地，为进一步优化所述热交换系统，使氦气在循环管路上稳定流动，能够可控有效地用于晶体生长用热交换，如图1所示，所述热交换系统还进一步包括：

低压缓冲装置5，接设在循环管路上，且当氦气通过气体导入部件被导入后进入低压缓冲装置5，该低压缓冲装置5用于使进入循环管路的氦气稳定流动；且其中，经气体冷却装置3冷却后的氦气先流入该低压缓冲装置5之后，再流入增压装置1；该低压缓冲装置5可采用低压缓冲罐，体积不需要太大，但需要保证安全压力不低于2MPa；

高压缓冲装置6，接设在循环管路上，且当氦气经过增压装置1进行增压后，进入高压缓冲装置6，该高压缓冲装置6用于使增压后的氦气稳定流动；其中，该高压缓冲装置6可为一高压缓冲罐，体积不需要太大，安全压力不低于2MPa，且由该高压缓冲装置6流出气体的压力不低于0.3MPa；

净化装置7，接设在循环管路上，且当氦气通过增压装置1进行增压后，进入净化装置7，该净化装置7用于净化在管路内流动的氦气，除去氦气中的杂质及水分等，提高氦气纯度；如图1，本发明具体实施例中，净化装置7沿氦气在管路内的流动方向，接设在高压缓冲装置6之后；其中该净化装置7可为一净化器或精密过滤器；

流量控制装置8，接设在循环管路上，用于在氦气进入热交换装置2之前，调节氦气在循环管路上的流量；其中该流量控制装置8可采用质量流量控制器，氦气流量范围要求在0-400L/min连续、精确可调，且质量流量控制器需要具有千分之二的调节精度。

本发明具体实施例中，如图1，流量控制装置8两端设置电磁阀M1和球阀M3，其中该流量控制装置8和电磁阀接至外部控制系统，通过外部控制系统来进行流量控制，实现对晶体生长速度的精确控制，以提高晶体质量，达到缩短晶体生长周期，节约生产成本的目的。进一步，如图1，流量控制装置8的两端还接设有一旁路控制线路，接设有球阀控制开关M3，当流量控制装置8出现问题不能使用时，可以采用此旁路控制线路暂时代替，保证热交换系统的安全稳定。

此外，参阅图1，所述热交换系统进一步需要说明的还有：

经流量控制装置调节流量后的氦气，进入热交换装置前需测其温度和压力，即需要安装温度测试表和压力表；因此，如图1，所述管路上调协有压力表P1和第一温度测试表T1，其中压力表P1用于检测氦气流入热交换装置2之前的压力，第一温度测试表T1用于检测氦气流入热交换装置2之前的温度。

气体冷却装置3前后也需要安装测试氦气温度的装置，需要安装温度测试表，以测定进行热交换前后的氦气温度和循环水的冷却效果；因此，所述管路上设置有第二温度测试表T2和第三温度测试表T3，其中该第二温度测试表T2用于检测氦气进入气体冷却装置3之前的温度，第三温度测试表T3用于检测氦气经过气体冷却装置3冷却之后的温度。

在气体冷却装置2的管路后面，还通过一电磁阀控制开关M1与一室外泄压阀10连接，这样当管路内的氦气不能满足循环使用时，通过室外泄压阀10实现室外泄压、放空。

在低压缓冲装置5和增压装置1之间还安装一净化装置7，以过滤经热交换装置2和气体冷却装置3冷却后氦气里的杂质、水份等，保护增压装置1，并进一步提高氦气纯度。

所述热交换系统可连接至外部的PLC或PID等控制系统，依靠外部的控制系统实现自动化操作。

本发明具体实施例所述热交换系统中上述各装置的工作过程具体为：

1)将管路抽真空，之后氦气从外部氦气源4依次通过减压阀、电磁阀和单向阀后注入低压缓冲装置5，进而注满整个氦气循环系统；

2)管路内达到一定压力后，通过增压装置1将氦气压力提高后，氦气进入高压缓冲装置6；

3)氦气经过净化装置7后，通过外部的控制系统与流量控制装置8，来调节氦气进入热交换装置2的流量；

4)氦气进入与籽晶或坩埚底接触良好的热交换装置2进行热交换，冷却籽晶，并由氦气流量控制冷却籽晶的速度，实现晶体生长；

5)经热交换后的高温氦气经过气体冷却装置3，降温后进入低压缓冲装置5；

6)流经低压缓冲装置5后，氦气再经过增压装置1进行增压，再次在管路内流通，进行如此周而复始的闭式循环，实现热交换作用。

本发明具体实施例所述晶体生长用热交换系统，适用于采用泡生法、提拉法或热交换法等常用的方法生长蓝宝石、YAG系列、钛宝石、闪烁晶体等高熔点晶体。本发明可实现通过氦气流量控制籽晶和晶体的温场，加热器功率控制熔体的温场，使两者相互独立，引晶过程变得简单，实现对晶体生长速度的精确控制，提高晶体质量，缩短了晶体生长周期，节约生产成本，可满足产业化需求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种晶体生长用热交换系统，其特征在于，包括：

增压装置，用于对从外部气体源导入、用作热交换的气体进行增压，使所述气体以预定压力在循环流通的管路内流动；

热交换装置，接设在所述管路上，用于使所述气体与待生长晶体进行热交换；

气体冷却装置，接设在所述管路上，用于冷却进行热交换后的所述气体，并使冷却后的所述气体在所述管路内经过所述增压装置后再次进入所述热交换装置，进行循环使用。

2.如权利要求1所述的热交换系统，其特征在于，所述热交换系统还包括：

低压缓冲装置，接设在所述管路上，所述气体通过所述外部气体源被导入后首先进入所述低压缓冲装置，所述低压缓冲装置用于使进入所述管路的所述气体稳定流动；其中，经所述气体冷却装置冷却后的所述气体先流入所述低压缓冲装置之后，再流入所述增压装置；

高压缓冲装置，接设在所述管路上，且所述气体经过所述增压装置进行增压后，进入所述高压缓冲装置，所述高压缓冲装置用于使增压后的所述气体稳定流动。

3.如权利要求1所述的热交换系统，其特征在于，所述热交换系统还包括：

净化装置，接设在所述管路上，所述气体通过所述增压装置进行增压后，进入所述净化装置，所述净化装置用于净化所述气体。

4.如权利要求1所述的热交换系统，其特征在于，所述热交换系统还包括：

流量控制装置，接设在所述管路上，用于在所述气体进入所述热交换装置之前，调节所述气体在所述管路上的流量。

5.如权利要求4所述的热交换系统，其特征在于，所述流量控制装置的两端连接有一旁路调节线路，所述旁路调节线路上接设有一球阀控制开关，用于当所述流量控制装置故障时，启用所述球阀控制开关，进行流量调节。

6.如权利要求1所述的热交换系统，其特征在于，所述热交换系统还包括：

气体导入部件，用于将所述气体从所述外部气体源导入所述管路，其中所述气体导入部件包括减压阀。

7.如权利要求1所述的热交换系统，其特征在于，所述管路上设置有压力表和第一温度测试表，所述压力表用于检测所述气体流入所述热交换装置之前的压力，所述第一温度测试表用于检测所述气体流入所述热交换装置之前的温度。

8.如权利要求1所述的热交换系统，其特征在于，所述管路上设置有第二温度测试表和第三温度测试表，所述第二温度测试表用于检测所述气体进入所述气体冷却装置之前的温度，所述第三温度测试表用于检测所述气体经过所述气体冷却装置冷却之后的温度。

9.如权利要求1所述的热交换系统，其特征在于，所述气体冷却装置还通过一电磁阀控制开关与一室外泄压阀连接，所述管路内的所述气体不能循环使用时，通过所述室外泄压阀泄压、放空。

10.如权利要求1至9任一项所述的热交换系统，其特征在于，所述气体为氦气。

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