CN108018603B - 一种蓝宝石长晶炉的发热体及长晶炉 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种蓝宝石长晶炉的发热体，包括若干金属加热杆、正极水冷金属环、负极水冷金属环、金属底环；其中两个相邻的金属加热杆分别独立连接正极水冷金属环和负极水冷金属环，能够使得相邻金属加热杆的电流方向相反，电流产生的侧向电磁力相互抵消，避免出现金属加热杆侧向变形严重的问题。

Description

一种蓝宝石长晶炉的发热体及长晶炉
技术领域
本发明涉及蓝宝石长晶炉的技术领域。
背景技术
蓝宝石单晶由于其具备优良的力学、光学性能，以及耐高温、耐腐蚀等优良特性，在工程、光学、医学等领域有着广泛的应用。随着蓝宝石行业的迅速发展，蓝宝石的应用，已从传统的LED行业，迅速发展到光学仪器、航空航天、军用民用窗口片、导弹整流罩、可穿戴设备等方面。
行业的发展对蓝宝石单晶的尺寸和质量的要求越来越高。泡生法作为一种蓝宝石的长晶方法，其产出的晶体具有位错密度低、尺寸大、应力小等优点。本专利涉及的发热体结构主要适用于大尺寸蓝宝石泡生法长晶炉。
发热体为蓝宝石长晶炉最重要的部件之一，主要用于维持蓝宝石长晶所需要的温度场。传统的泡生法设备，其加热器为鸟笼状，加热器的正负极分别呈两个半圆形位于左右两边，底部通过弯曲的钨杆连接，随着蓝宝石尺寸越来，质量要求越高。这样的结构至少存在三个问题，其一是同侧钨杆的电流方向一致，而在正负极交接的位置，电流方向相反，此处附近的钨杆同时受到排斥力和吸引力，且方向一致，使得加热器钨杆承受很大的侧向力，极易产生变形。其二是由于鸟笼式加热器其每根钨杆长度不一，在接近正负极交接位置的钨杆，钨杆长度要明显短于其他方向，随着电流增大，在圆周方向会造成发热不均，使长出的晶体在圆周方向呈现椭圆的情况，严重影响晶体的利用率，其三鸟笼式加热器钨杆呈L或者U型，加热器底部直径远小于侧部直径，大尺寸晶体只能从上部取出，吊装困难，并且L或者U型钨杆在高温时，很容易产生变形。
故，需要一种新的技术方案以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于：针对目前蓝宝石长晶炉均采用的鸟笼发热体，此类发热体变形大，大尺寸晶体易出现椭圆的问题，提供一种新的适合大尺寸蓝宝石长晶炉的发热体。
本发明还提供了采用该发热体的长晶炉。
为达到上述目的，本发明可采用如下技术方案：
一种蓝宝石长晶炉的发热体，包括若干金属加热杆、正极水冷金属环、负极水冷金属环、金属底环；所述若干金属加热杆均自上向下平行排列，且若干金属加热杆的杆长相同；若干金属加热杆围成圆桶形且相邻两个金属加热杆之间互不接触；两个相邻的金属加热杆分别独立连接正极水冷金属环和负极水冷金属环；所述若干金属加热杆的底部均与金属底环连接。
有益效果：设置正负极水冷金属环，并且两个相邻的金属加热杆分别独立连接正极水冷金属环和负极水冷金属环，能够使得相邻金属加热杆的电流方向相反，电流产生的侧向电磁力相互抵消，避免出现金属加热杆侧向变形严重的问题。
金属加热杆等长，底部为整体金属底环，且连接采用正负相间的方式，每根金属加热杆正负极之间的电阻完全相同，避免出现金属加热杆电阻不同从而产生热场均匀的问题。
进一步的，金属加热杆上部通过连接块和铜环连接，可通过调整锁紧螺钉的位置或连接块来调整钨杆的长度，使得炉内具有最适合长晶的温度梯度。
进一步的，所述金属底环内径与若干金属加热杆围成的圆桶形的内径相同，则坩埚可以选择从上或者从下取出，以解决大尺寸蓝宝石长晶炉取坩埚困难的问题。
为达到上述目的，本发明还可采用如下技术方案：
一种蓝宝石长晶炉的发热体，包括若干金属加热杆、金属底环；所述若干金属加热杆均自上向下平行排列，且若干金属加热杆的杆长相同；若干金属加热杆围成圆桶形且相邻两个金属加热杆之间互不接触；相邻金属加热杆的电流方向相反；所述若干金属加热杆的底部均与金属底环连接。
有益效果：相邻金属加热杆的电流方向相反，电流产生的侧向电磁力相互抵消，避免出现金属加热杆侧向变形严重的问题。金属加热杆等长，底部为整体金属底环，且连接采用正负相间的方式，每根金属加热杆正负极之间的电阻完全相同，避免出现金属加热杆电阻不同从而产生热场均匀的问题。
本发明还公开一种使用上述发热体的长晶炉。
附图说明
图1为本发明中发热体的侧视图。
图2为本发明中发热体的俯视图。
图3为本发明中发热体的立体局部图，并展示了金属加热杆、正极水冷金属环、负极水冷金属环、正极金属连接块、负极金属连接块之间的位置及连接关系。
具体实施方式
附图公开了本发明专利涉及的一种大尺寸蓝宝石长晶炉的发热体结构，下面结合附图对本发明专利的这种实例的结构进行进一步的描述。
请结合图1和图2及图3，一个具体的蓝宝石长晶炉的发热体实施例为，该蓝宝石长晶炉的发热体包括若干金属加热杆3、正极水冷金属环1、负极水冷金属环2、金属底环4、正极金属连接块5、负极金属连接块6、钨杆铜电极7、顶紧螺钉8。所述正极水冷金属环1、负极水冷金属环2同轴上下放置；正极水冷金属环1位于负极水冷金属环2上方或者负极水冷金属环2位于正极水冷金属环1上方。其中，在本实施方式中各部件的材质选择为，优选所述若干金属加热杆3为钨杆；所述正极水冷金属环1、负极水冷金属环2均为铜环；金属底环4为钨环；但在其他实施例中如选用其他材质起到相同或相似的加热及导电效果也是可以的，在此不再赘述。金属加热杆3的数量可以选择36-48根。所述金属加热杆3为等长的直线段杆，这样的好处是，针对钨材料熔点高硬度大加工困难的问题，本发热体的钨制零件形状简单，不需要额外进行折弯、焊接等工序，加工成本低，由于安装后完全不受与重力不同线的分力。使用过程不易出现变形。
所述若干金属加热杆3均自上向下平行排列，且若干金属加热杆3的杆长相同；若干金属加热杆3围成圆桶形且相邻两个金属加热杆3之间互不接触；两个相邻的金属加热杆3分别独立连接正极水冷金属环1和负极水冷金属环2；通过正负电极连接块与金属加热杆连接，能够使得相邻金属加热杆的电流方向相反，电流产生的侧向电磁力相互抵消，避免出现旧式加热器侧向变形严重的问题。所述若干金属加热杆3的底部均与金属底环连接。为了方便金属加热杆3与正极水冷金属环1和负极水冷金属环2的连接，本发热体还具有若干正极金属连接块5及若干负极金属连接块6；在本实施方式中，正极金属连接块5及若干负极金属连接块6均为铜块；所述与正极水冷金属环1连接的金属加热杆3通过正极金属连接块5与正极水冷金属环1连接；所述与负极水冷金属环2连接的金属加热杆3通过负极金属连接块6与负极水冷金属环2连接；并在安装时可通过调整锁紧螺钉8来调整钨杆的长度，使得炉内具有最适合长晶的温度梯度。
请参阅图3所示，以正极水冷金属环1位于负极水冷金属环2上方为例，在本实施方式中第一金属连接块(即正极金属连接块)5及第二金属连接块(即负极金属连接块)6的具体结构介绍如下，第一金属连接块5位于第二金属连接块6上方，第一金属连接块5包括连接于正极水冷金属环1上的正极连接基座51及自正极连接基座51两端横向向内延伸出的一对第一连接臂52；第二金属连接块6包括连接于负极水冷金属环2上的负极连接基座61及自负极连接基座61两端向上延伸出的一对第二连接臂62。所述金属加热杆3上部连接在钨杆铜电极7，且所有的上部连接在钨杆铜电极7围成一圈并在同一高度。其中所有第一金属连接块5均位于钨杆铜电极7外侧，每个第一连接臂52向内延伸并连接在钨杆铜电极7外侧面。所有第二金属连接块6均位于钨杆铜电极7下方，每个第二连接臂62向上延伸并连接在钨杆铜电极7底部。并且所述两个相邻第一连接臂52连接的两个钨杆铜电极7之间还有一个连接第二连接臂62的钨杆铜电极7；同样的，所述两个相邻第二连接臂62连接的两个钨杆铜电极7之间还有一个连接第一连接臂52的钨杆铜电极7。即通过这样的设置使相邻金属加热杆分别连接正极水冷金属环1及负极水冷金属环2，使相邻金属加热杆的电流方向相反。图3所示的该种第一金属连接块5及第二金属连接块6的具体结构分别连接钨杆铜电极7的外表面及底部，在狭小的空间内避免第一金属连接块5及第二金属连接块6之间的干涉，并且便于安装，同时对于钨杆铜电极7的结构，并不需要因为分别连接第一金属连接块5及第二金属连接块6而改变，钨杆铜电极7可以采用一样的结构，便于加工和控制安装精度。当然，在负极水冷金属环2位于正极水冷金属环1上方的情况下，所述第一金属连接块5变为负极金属连接块并与负极水冷金属环2连接，第二金属连接块6为正极金属连接块并与正极水冷金属环1连接，在此不再赘述。
进一步的，所述金属底环4内径与若干金属加热杆3围成的圆桶形的内径相同；坩埚可以选择从上或者从下取出，使用本发热体的长晶炉可自取出坩埚方式。
安装时，金属加热杆3插在钨环4上加工的孔内，通过配合连接，烘烤后就烧结在一起。金属加热杆3上部连接在钨杆铜电极7上，通过顶紧螺钉8固定。钨杆铜电极7依次与正极金属连接块5和负极金属连接块6用螺丝连接，正极金属连接块5和负极金属连接块6交错排列。将负极金属连接块6安装在负极水冷金属环2上，将正极金属连接块5安装在正极水冷金属环1上，用螺钉紧固。
本发明还公开一种长晶炉的实施例，包括上述的发热体。在该长晶炉中，发热体正极水冷金属环1与负极水冷金属环2呈同心上下放置，分别通过进出水冷金属电极与长晶炉体上法兰连接，进出水冷金属电极内部冷却水与正极水冷金属环1与负极水冷金属环2相通，正极水冷金属环1与负极水冷金属环2通过螺杆挂接在上法兰上。
使用时，将电源通过电缆与水冷铜环的正极水冷金属环1与负极水冷金属环2连接，正极水冷金属环1与负极水冷金属环2分别接入正负电源。电流通过正极水冷金属环1与负极水冷金属环2与金属加热杆3连接，和正极水冷金属环1连接的金属加热杆3通过底部金属环4与和负极连接的金属加热杆3连接，电流通过金属加热杆和底部金属环进行发热，正极水冷金属环1与负极水冷金属环2内部通水进行冷却。

Claims (4)

1.一种蓝宝石长晶炉的发热体，其特征在于：包括若干金属加热杆、正极水冷金属环、负极水冷金属环、金属底环；所述若干金属加热杆均自上向下平行排列，且若干金属加热杆的杆长相同；若干金属加热杆围成圆桶形且相邻两个金属加热杆之间互不接触；两个相邻的金属加热杆分别独立连接正极水冷金属环和负极水冷金属环；所述若干金属加热杆的底部均与金属底环连接；
还具有若干正极金属连接块及若干负极金属连接块；所述与正极水冷金属环连接的金属加热杆通过正极金属连接块与正极水冷金属环连接；所述与负极水冷金属环连接的金属加热杆通过负极金属连接块与负极水冷金属环连接；
所述正极水冷金属环、负极水冷金属环同轴上下放置；正极水冷金属环位于负极水冷金属环上方或者负极水冷金属环位于正极水冷金属环上方；
包括第一金属连接块及第二金属连接块，所述第一金属连接块位于第二金属连接块上方，第一金属连接块包括连接于正极水冷金属环上的正极连接基座及自正极连接基座两端横向向内延伸出的一对第一连接臂；第二金属连接块包括连接于负极水冷金属环上的负极连接基座及自负极连接基座两端向上延伸出的一对第二连接臂；所述金属加热杆上部连接有电极，且所有的电极围成一圈并在同一高度；其中所有第一金属连接块均位于电极外侧，每个第一连接臂向内延伸并连接在电极外侧面；所有第二金属连接块均位于钨杆铜电极下方，每个第二连接臂向上延伸并连接在钨杆铜电极底部；并且所述两个相邻第一连接臂连接的两个电极之间还有一个连接第二连接臂的电极；同样的，所述两个相邻第二连接臂连接的两个电极之间还有一个连接第一连接臂的电极；当正极水冷金属环位于负极水冷金属环上方时，第一金属连接块为正极金属连接块；第二金属连接块为负极金属连接块；当负极水冷金属环位于正极水冷金属环上方时，第一金属连接块为负极金属连接块；第二金属连接块为正极金属连接块。
2.根据权利要求1所述的蓝宝石长晶炉的发热体，其特征在于：所述金属底环内径与若干金属加热杆围成的圆桶形的内径相同。
3.根据权利要求2所述的蓝宝石长晶炉的发热体，其特征在于：所述金属底环为钨环；所述若干金属加热杆为等长的直线段钨杆；所述正极水冷金属环、负极水冷金属环均为铜环。
4.一种长晶炉，其特征在于，包括权利要求1至3中任一项所述的发热体。
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