CN103233270A - 一种蓝宝石单晶炉上部保温结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种蓝宝石单晶炉上部保温结构。该结构由上至下依次为圆形支撑结构、氧化锆保温层和钼隔热屏，固定支撑结构为单层圆形不锈钢板，钼隔热屏由多层钼片组成，氧化锆保温层由氧化锆纤维烧结制得的氧化锆砖组接而成，钼片上开有圆形中心孔和矩形观察孔，圆形支撑结构、氧化锆保温层和钼隔热屏之间采用钼螺栓和钼螺母连接固定。本发明能够减少上部热量损失，增强保温效果，建立合理温度梯度，使温场更加易于调节，从而解决传统泡生法单晶炉中使用的钼上隔热屏结构在高温环境下使用过程中炉内上部散热快，温场不够合理，温度调节难控制等问题。
Description
（一）技术领域
本发明涉及一种晶体生长炉中的热场结构，具体涉及一种冷心放肩微量提拉法生长蓝宝石的单晶炉中的上部保温结构。
（二）背景技术
蓝宝石是一种氧化铝（Al2O3）单晶，属于六方晶系。蓝宝石晶体从近紫外光(190nm)到中红外线都具有很好的透光性。因此被大量用在光学元件、红外装置、高强度镭射镜片材料上。另外，它具有高硬度、耐高温、抗腐蚀等特点，近年来在工业界得到广泛的应用。尤其是光学级大尺寸蓝宝石材料，由于其具有性能稳定、市场需求量大、综合利用率及产品附加值高等特点，成为近年国内外研究开发和产业化热点。
蓝宝石单晶生长设备结构是否合理直接关系到能否生长出高品质、大尺寸蓝宝石单晶，只有温场合理，才有可能有效控制晶体径向和轴向的温度梯度，生长出形状理想、内部缺陷少的高品质蓝宝石单晶。生长蓝宝石单晶过程中, 加强低温区的保温, 控制温度梯度和高温区的过热温度, 对保证晶体不开裂, 生长界面稳定与熔体不局部成核结晶极为重要。传统隔热屏一般采用多层耐高温金属板（如钨、钼等），其作用在于隔热、减少热损失，提高热利用率，同时保证炉内温场均匀。泡生法单晶炉的上隔热屏需要开籽晶插孔及观察窗的通孔，上隔热屏的设计对于整个温场的控制非常重要，这就要求我们必须开发出符合生产要求的上隔热屏系统。
（三）发明内容
本发明的目的在于提供一种能够减少上部热量损失，增强保温效果，建立合理温度梯度，使温场更加易于调节，从而解决传统泡生法单晶炉中使用的钼上隔热屏结构在高温环境下使用过程中炉内上部散热快，温场不够合理，温度调节难控制等问题的蓝宝石单晶炉上部保温结构。
本发明的目的是这样实现的：该结构由上至下依次为圆形支撑结构、氧化锆保温层和钼隔热屏，固定支撑结构为单层圆形不锈钢板，钼隔热屏由多层钼片组成，氧化锆保温层由氧化锆纤维烧结制得的氧化锆砖组接而成，钼片上开有圆形中心孔和矩形观察孔，圆形支撑结构、氧化锆保温层和钼隔热屏之间采用钼螺栓和钼螺母连接固定。钼片形状及连接方式见专利ZL 201120081033.5。
本发明还有这样一些特征：
1、所述的单层圆形不锈钢板厚度为5~20mm，外径400~600mm，内径180~280mm，沿单层圆形不锈钢板上直径为200~300mm圆周上均匀分布有4~10个钼螺栓，钼螺栓直径4~6mm，长度为150~400mm。
2、所述的氧化锆保温层为圆环形，外径300~500mm，内径90~250mm，厚度10~30mm。
3、所述的氧化锆保温层为由2~8块扇形氧化锆纤维砖拼接组成的圆环形块体。
4、所述的氧化锆保温层中相邻氧化锆纤维砖间由1~4组相配合的半圆形定位凹槽与定位突起固定，定位凹槽与定位突起半圆半径5~10mm。
5、所述的氧化锆保温层上对应单层圆形不锈钢板与钼片连接钼螺栓的位置设置有圆形通孔，圆形通孔直径较钼螺栓直径大1~5mm。
6、所述的钼片为圆形，共5~15层，外径300~500mm，厚度0.5~4mm，间距5~12mm。
7、所述的钼片上开有圆形中心孔和2个矩形观察孔，最上层钼片圆形中心孔直径30~100mm，从上到下每层钼片中心孔直径比上一层大1~5mm，2个矩形观察孔互相成90°夹角，位于圆形中心孔边缘，最上层矩形观察孔长度50~150mm，宽度30~60mm，从上到下每层钼片矩形观察孔长度和宽度分别比上一层大1~5mm。
本发明的有益效果有：
1. 本发明中采用氧化锆纤维砖代替上隔热屏上部数层钼片，由于氧化锆导热系数小，可有效保持炉内温度，保温效果好。
2. 本发明中采用的氧化锆纤维砖具有耐高温、抗氧化的优点，该结构便于拆卸，氧化锆层可以重复使用，可有效延长隔热屏的使用寿命。
3. 本发明中氧化锆保温层由若干块氧化锆纤维砖拼接而成，可避免传统钼隔热屏由于加热、冷却过程中产生隔热屏上部和下部钼片因所处区域温度差异，热胀冷缩程度不同引起变形程度不同，进而带来失效的问题。
4. 本发明采用氧化锆纤维砖制成保温层替代与传统钼隔热屏上部数层钼片，有利于形成均匀稳定的温场，温度调节容易，保证合理的径向和轴向的温度梯度，符合冷心放肩微量提拉法对温场分布的要求。
5. 本发明采用氧化锆纤维砖制成保温层替代与传统钼隔热屏上部数层钼片，由于其优异的隔热保温特性，热量流失少，进而减少了生长所需用电量，较传统钼隔热屏节能10~20%。
氧化锆具有使用温度高（最高使用温度可达2200℃）、导热系数小（在金属氧化物当中导热系数最低）、抗氧化、高温下不易挥发、无污染等一系列优良特性，在超高温隔热应用方面具有独特优势。本发明采用氧化锆纤维砖制成保温层，置于不锈钢制成结构与钼隔热屏之间，同时减少下部钼片数量，可有效增强炉内上部保温效果，防止热量从上部快速流失，形成合理的温场结构。
本发明是在前期授权专利号ZL200920100239.0和ZL 201120081033.5中公布的冷心放肩微量提拉法蓝宝石单晶生长炉保温结构的基础上，为配合在此之前申请关于氧化锆保温桶和下隔热结构的专利中提出的保温结构，减少上部热量损失，增强保温效果，建立合理温度梯度，使温场更加易于调节。从而解决传统泡生法单晶炉中使用的钼上隔热屏结构在高温环境下使用过程中炉内上部散热快，温场不够合理，温度调节难控制等问题。
（四）附图说明
图1 为本发明结构示意图；
图2-图4为氧化锆保温层结构；
图5为钼隔热屏结构示意图。
（五）具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
结合图1，本实施例包括固定支撑结构1、氧化锆保温层2和多层钼片3组成的钼隔热屏，固定支撑结构1采用单层圆形不锈钢板制成，氧化锆保温层2由若干扇形氧化锆保温砖拼接而成，多层钼片3中间由上至下设置有逐渐增大的中心孔和矩形观察窗。单层圆形不锈钢板厚度15mm，外径400mm，内径180mm，沿单层圆形不锈钢板上直径为200mm圆周上分布有8个钼螺栓5，螺栓直径4mm，长度为180mm，钼螺栓5和钼螺母4将不锈钢板、氧化锆保温砖拼接的氧化锆保温层及多层钼片连接在一起。
结合图2-图4，氧化锆保温层由4个扇形氧化锆纤维砖组成，外径D2=320mm，内径D1=90mm，厚度h=10mm，在对应钼螺栓位置开有8个圆形通孔7，圆形通孔7直径为D3。相邻氧化锆纤维砖之间设置有相配合的半圆形定位突起和定位凹槽，定位突起和定位凹槽的半径分别为R1=5mm、R2=5.2mm。结合图5，多层钼片由采用金属钼制成，为圆形，数量为7片，外径D4=320mm，最上层2片和最下层2片厚度为3mm，中间层钼片厚度为2mm，多层钼片间通过高度为12mm的钼螺母隔开；多层钼片上开有圆形中心孔和2个矩形观察孔6，最上层钼片圆形中心孔直径50mm，从上到下每层钼片中心孔直径比上一层大3mm，2个矩形观察孔互相成90°夹角，位于圆形中心孔边缘，最上层矩形观察孔长度80mm，宽度30mm，从上到下每层钼片矩形观察孔长度和宽度分别比上一层大3mm。 本实施例适用于生长重量为31公斤大尺寸蓝宝石单晶的单晶炉。
Claims (8)
1.一种蓝宝石单晶炉上部保温结构，其特征在于该结构由上至下依次为圆形支撑结构、氧化锆保温层和钼隔热屏，固定支撑结构为单层圆形不锈钢板，钼隔热屏由多层钼片组成，氧化锆保温层由氧化锆纤维烧结制得的氧化锆砖组接而成，钼片上开有圆形中心孔和矩形观察孔，圆形支撑结构、氧化锆保温层和钼隔热屏之间采用钼螺栓和钼螺母连接固定。
2.根据权利要求1所述的一种蓝宝石单晶炉上部保温结构，其特征在于所述的单层圆形不锈钢板厚度为5~20mm，外径400~600mm，内径180~280mm，沿单层圆形不锈钢板上直径为200~300mm圆周上均匀分布有4~10个钼螺栓，钼螺栓直径4~6mm，长度为150~400mm。
3.根据权利要求2所述的一种蓝宝石单晶炉上部保温结构，其特征在于所述的氧化锆保温层为圆环形，外径300~500mm，内径90~250mm，厚度10~30mm。
4.根据权利要求3所述的一种蓝宝石单晶炉上部保温结构，其特征在于所述的氧化锆保温层为由2~8块扇形氧化锆纤维砖拼接组成的圆环形块体。
5.根据权利要求4所述的一种蓝宝石单晶炉上部保温结构，其特征在于所述的氧化锆保温层中相邻氧化锆纤维砖间由1~4组相配合的半圆形定位凹槽与定位突起固定，定位凹槽与定位突起半圆半径5~10mm。
6.根据权利要求5所述的一种蓝宝石单晶炉上部保温结构，其特征在于所述的氧化锆保温层上对应单层圆形不锈钢板与钼片连接钼螺栓的位置设置有圆形通孔，圆形通孔直径较钼螺栓直径大1~5mm。
7.根据权利要求6所述的一种蓝宝石单晶炉上部保温结构，其特征在于所述的钼片为圆形，共5~15层，外径300~500mm，厚度0.5~4mm，间距5~12mm。
8.根据权利要求7所述的一种蓝宝石单晶炉上部保温结构，其特征在于所述的钼片上开有圆形中心孔和2个矩形观察孔，最上层钼片圆形中心孔直径30~100mm，从上到下每层钼片中心孔直径比上一层大1~5mm，2个矩形观察孔互相成90°夹角，位于圆形中心孔边缘，最上层矩形观察孔长度50~150mm，宽度30~60mm，从上到下每层钼片矩形观察孔长度和宽度分别比上一层大1~5mm。
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