CN106868594A - 一种低能耗蓝宝石晶体生长炉 - Google Patents

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孙占喜
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Abstract

本发明公开一种低能耗蓝宝石长晶炉，包括炉体、坩埚、加热系统、冷却器、换热器和控制器，加热系统用于炉体内部的加热，冷却器用于冷却循环水，换热器具有可进行热交换的循环水流道和保护气流道。本发明的蓝宝石长晶炉为较为环保的低能耗长晶炉，长晶炉内的加热系统可灵活调节，不需要完全包裹坩埚的加热元件，但是通过加热元件的不断移动，就能够保证坩埚达到所需的长晶温度，本发明的长晶炉还配有换热器，换热器用于保护气和冷却循环水之间的热量交换，利用冷却循环水的热量使充入炉体内的保护气升温，带有一定温度的保护气进入炉体内，能进一步提高炉内的保温效果，实现了坩埚冷却循环水热量的重新利用。

Description

一种低能耗蓝宝石晶体生长炉
技术领域
本发明涉及蓝宝石制备设备技术领域，具体涉及一种低能耗蓝宝石长晶炉。
背景技术
蓝宝石(Sapphire)是一种氧化铝(Q-A1203)的单晶，又称为刚玉，就颜色而言，单纯的氧化铝结晶是呈现透明无色的，在自然界蓝宝石在生长时，晶体内含有钛离子(Ti3+)与铁离子(Fe3+)时，会使晶体呈现蓝色，而成为蓝色蓝宝石(Blue Sapphire)。蓝宝石晶体化学性质非常稳定，一般不溶于水和不受酸、碱腐蚀，晶体硬度很高，为莫氏硬度9级，仅次于最硬的金刚石。它具有很好的透光性，热传导性和电气绝缘性，力学机械性能好，并且具有耐磨和抗风蚀的特点。其独特的品格结构、优异的力学性能、良好的热学性能使蓝宝石晶体成为LED、大规模集成电路SOI和SOS等最为理想的衬底材料，随着现代科学技术的发展，对蓝宝石晶体材料的尺寸、质量不断提出新的要求。目前，低成本、高质量的大尺寸蓝宝石单晶具有越来越大的市场需求。
随着技术进步，人工生产蓝宝石晶体的方法越来越多，但无论哪一种好方法，只有达到蓝宝石晶体的长晶温度，蓝宝石晶体才能生长，然而现有的很多长晶炉加热元件结构较为简单，若要使炉内达到2000多度的高温，保证蓝宝石晶体生长的温度，就得不停的大功率加热，对电的消耗巨大，能源浪费严重。
发明内容
本发明的目的是为解决上述技术问题的不足，提供一种低能耗蓝宝石长晶炉，长晶炉内的加热系统可灵活调节，并且通过换热器可将坩埚冷却循环水的热量重新利用，用于炉体内部的保温。
本发明为解决上述技术问题的不足，所采用的技术方案是：一种低能耗蓝宝石长晶炉，包括炉体、坩埚、加热系统、冷却器、换热器和控制器，加热系统用于炉体内部的加热，冷却器用于冷却循环水，换热器具有可进行热交换的循环水流道和保护气流道；
所述炉体的内壁和底壁上均设置有隔热层，炉体的侧壁上部设置有用于向炉体内部充入惰性保护气的进气孔，炉体的侧壁下部设置有用于抽真空的排气孔，所述坩埚设置在炉体内部，炉体的顶部中心位置设置可供拉晶杆穿过的通孔，拉晶杆的下端穿过该通孔并置于坩埚上方，且拉晶杆的下端端头设置有籽晶；
所述坩埚的底部设置有冷却组件，冷却组件包括与坩埚底部紧密贴合的水冷盘以及用于支撑水冷盘的支杆，水冷盘的内部盘设有水冷管，炉体的底部对应支杆的下端处设置有管道口，所述支杆为中空杆体，水冷管的进水端和出水端均穿过支杆内部并置于炉体外；所述水冷管的出水端连接有排水管，排水管的尾端分为两根支管，其中一根支管连接至换热器的循环水流道进口，另外一根支管连接至冷却器的进水口，且两根支管上均设置有流量控制阀，流量控制阀通过导线与控制器连接，换热器的循环水流道出口和冷却器的出水口通过管道汇集后经进水管连接至水冷管的进水端，所述换热器的保护气流道进口连接至供气系统，换热器的保护气流道出口连接至炉体上的进气孔；
所述加热系统包括环形基筒、加热环以及用于驱动基筒上下移动的电机，环形基筒罩设在坩埚的外部，加热环设置在环形基筒的内壁上，且加热环通过导线与炉体外部的加热元件电源和控制器连接，所述炉体的炉盖上对称设置有两个电机，电机与控制器通过导线连接，电机的输出轴上绕设有提拉线，提拉线的下端穿过炉体并与环形基筒的上端固定连接。
作为本发明一种低能耗蓝宝石长晶炉的进一步优化：所述提拉线上设置有温度传感器，温度传感器通过导线与控制器连接。
作为本发明一种低能耗蓝宝石长晶炉的进一步优化：所述炉体的侧壁还开设有观察窗。
作为本发明一种低能耗蓝宝石长晶炉的进一步优化：所述隔热层的材质为氧化锆。
有益效果
本发明的蓝宝石长晶炉为较为环保的低能耗长晶炉，长晶炉内的加热系统可灵活调节，不需要完全包裹坩埚的加热元件，但是通过加热元件的不断移动，就能够保证坩埚达到所需的长晶温度，本发明的长晶炉还配有换热器，换热器用于保护气和冷却循环水之间的热量交换，利用冷却循环水的热量使充入炉体内的保护气升温，带有一定温度的保护气进入炉体内，能进一步提高炉内的保温效果，实现了坩埚冷却循环水热量的重新利用。
附图说明
图1为本发明蓝宝石长晶炉的内部结构示意图；
图中标记：1、炉体，2、坩埚，3、冷却器，4、换热器，5、隔热层，6、进气孔，7、排气孔，8、拉晶杆，9、籽晶,10、水冷盘，11、支杆，12、水冷管，13、排水管，14、流量控制阀，15、进水管，16、环形基筒，17、加热环，18、电机，19、提拉线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
如图所示：一种低能耗蓝宝石长晶炉，包括炉体1、坩埚2、加热系统、冷却器3、换热器4和控制器，加热系统用于炉体1内部的加热，冷却器3用于冷却循环水，换热器4具有可进行热交换的循环水流道和保护气流道，所述炉体1的侧壁还开设有观察窗。所述炉体1的内壁和底壁上均设置有隔热层5，隔热层5的材质为氧化锆。炉体1的侧壁上部设置有用于向炉体1内部充入惰性保护气的进气孔6，炉体1的侧壁下部设置有用于抽真空的排气孔7，所述坩埚2设置在炉体1内部，炉体1的顶部中心位置设置可供拉晶杆8穿过的通孔，拉晶杆8的下端穿过该通孔并置于坩埚2上方，且拉晶杆8的下端端头设置有籽晶9。
所述坩埚2的底部设置有冷却组件，冷却组件包括与坩埚2底部紧密贴合的水冷盘10以及用于支撑水冷盘10的支杆11，水冷盘10的内部盘设有水冷管12，炉体1的底部对应支杆11的下端处设置有管道口，所述支杆11为中空杆体，水冷管12的进水端和出水端均穿过支杆11内部并置于炉体1外；所述水冷管12的出水端连接有排水管13，排水管13的尾端分为两根支管，其中一根支管连接至换热器4的循环水流道进口，另外一根支管连接至冷却器3的进水口，且两根支管上均设置有流量控制阀14，流量控制阀14通过导线与控制器连接，换热器4的循环水流道出口和冷却器3的出水口通过管道汇集后经进水管15连接至水冷管12的进水端，所述换热器4的保护气流道进口连接至供气系统，换热器4的保护气流道出口连接至炉体1上的进气孔6；所述加热系统包括环形基筒16、加热环17以及用于驱动基筒上下移动的电机18，环形基筒16罩设在坩埚2的外部，加热环17设置在环形基筒16的内壁上，且加热环17通过导线与炉体1外部的加热元件电源和控制器连接，所述炉体1的炉盖上对称设置有两个电机18，电机18与控制器通过导线连接，电机18的输出轴上绕设有提拉线19，提拉线19的下端穿过炉体1并与环形基筒16的上端固定连接。提拉线19上设置有温度传感器，温度传感器通过导线与控制器连接。
本发明的蓝宝石长晶炉为较为环保的低能耗长晶炉，长晶炉内的加热系统可灵活调节，不需要完全包裹坩埚的加热元件，但是通过加热元件的不断移动，就能够保证坩埚达到所需的长晶温度，本发明的长晶炉还配有换热器，换热器用于保护气和冷却循环水之间的热量交换，利用冷却循环水的热量使充入炉体内的保护气升温，带有一定温度的保护气进入炉体内，能进一步提高炉内的保温效果，实现了坩埚冷却循环水热量的重新利用。
以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可作出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种低能耗蓝宝石长晶炉，其特征在于：包括炉体（1）、坩埚（2）、加热系统、冷却器（3）、换热器（4）和控制器，加热系统用于炉体（1）内部的加热，冷却器（3）用于冷却循环水，换热器（4）具有可进行热交换的循环水流道和保护气流道；
所述炉体（1）的内壁和底壁上均设置有隔热层（5），炉体（1）的侧壁上部设置有用于向炉体（1）内部充入惰性保护气的进气孔（6），炉体（1）的侧壁下部设置有用于抽真空的排气孔（7），所述坩埚（2）设置在炉体（1）内部，炉体（1）的顶部中心位置设置可供拉晶杆（8）穿过的通孔，拉晶杆（8）的下端穿过该通孔并置于坩埚（2）上方，且拉晶杆（8）的下端端头设置有籽晶（9）；
所述坩埚（2）的底部设置有冷却组件，冷却组件包括与坩埚（2）底部紧密贴合的水冷盘（10）以及用于支撑水冷盘（10）的支杆（11），水冷盘（10）的内部盘设有水冷管（12），炉体（1）的底部对应支杆（11）的下端处设置有管道口，所述支杆（11）为中空杆体，水冷管（12）的进水端和出水端均穿过支杆（11）内部并置于炉体（1）外；所述水冷管（12）的出水端连接有排水管（13），排水管（13）的尾端分为两根支管，其中一根支管连接至换热器（4）的循环水流道进口，另外一根支管连接至冷却器（3）的进水口，且两根支管上均设置有流量控制阀（14），流量控制阀（14）通过导线与控制器连接，换热器（4）的循环水流道出口和冷却器（3）的出水口通过管道汇集后经进水管（15）连接至水冷管（12）的进水端，所述换热器（4）的保护气流道进口连接至供气系统，换热器（4）的保护气流道出口连接至炉体（1）上的进气孔（6）；
所述加热系统包括环形基筒（16）、加热环（17）以及用于驱动基筒上下移动的电机（18），环形基筒（16）罩设在坩埚（2）的外部，加热环（17）设置在环形基筒（16）的内壁上，且加热环（17）通过导线与炉体（1）外部的加热元件电源和控制器连接，所述炉体（1）的炉盖上对称设置有两个电机（18），电机（18）与控制器通过导线连接，电机（18）的输出轴上绕设有提拉线（19），提拉线（19）的下端穿过炉体（1）并与环形基筒（16）的上端固定连接。
2.如权利要求1所述的一种低能耗蓝宝石长晶炉，其特征在于：所述提拉线（19）上设置有温度传感器，温度传感器通过导线与控制器连接。
3.如权利要求1所述的一种低能耗蓝宝石长晶炉，其特征在于：所述炉体（1）的侧壁还开设有观察窗。
4.如权利要求1所述的一种低能耗蓝宝石长晶炉，其特征在于：所述隔热层（5）的材质为氧化锆。
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