CN108624950A - 高效热交换单晶炉和单晶炉冷却导流筒及气冷系统 - Google Patents
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Abstract
高效热交换单晶炉和单晶炉冷却导流筒及气冷系统，高效热交换单晶炉，具有炉体和位于炉体内的导流筒，在导流筒内侧排布有气体热交换器，且气体热交换器内通有循环流动的冷却气体，气体热交换器为均匀排布的连续管道，冷却气体为惰性气体；单晶炉冷却导流筒，具有一个锥形结构的筒体，在导流筒外侧排布有可以通入循环流动的冷却气体的气体热交换器，且气体热交换器为均匀排布的连续管道，连续管道内充有惰性气体。本发明采用单晶炉内冷却导流筒中吸收热量后的高温氦气通入热交换器进行温度交换，降低温度后经过增压泵将低温氦气通过增压的方式导入冷却导流筒中，如此反复进行气体流通循环，最终实现单晶炉内热交换从而达到对单晶炉冷却的目的。
Description
技术领域
本发明属于单晶硅制造技术领域，尤其涉及一种高效热交换单晶炉和单晶炉冷却导流筒及气冷系统。
背景技术
市面上现有的单晶炉冷却系统在安全性高的前提下都是采用石墨或石墨加钼屏来冷却，冷却效果以现在市场发展远远跟不上市场了。有些公司放弃安全，冒险利用水冷导流筒进行单晶炉热场冷热交换，虽技术上有了突破，但随着近几年出现的生产安全事故，给很多家制造商带来巨大损失，让很多单晶生产厂家对水冷望而却步，犹豫不决，导致水冷单晶炉推广遇到障碍。
发明内容
本发明提供一种高效热交换单晶炉和单晶炉冷却导流筒及气冷系统，用于将冷却导流筒内出来的氦气温度置换出去，从而达到控制导流筒内温度梯度的目的。
本发明所采用的技术方案是：高效热交换单晶炉，具有炉体和位于炉体内的导流筒，其在导流筒内侧排布有气体热交换器，且气体热交换器内通有循环流动的冷却气体，所述气体热交换器为均匀排布的连续管道，所述冷却气体为惰性气体。
所述惰性气体优选氦气。
单晶炉冷却导流筒，具有一个锥形结构的筒体，在导流筒外侧排布有可以通入循环流动的冷却气体的气体热交换器，且所述气体热交换器为均匀排布的连续管道，连续管道内充有惰性气体。
高效热交换单晶炉的气冷系统，其包括排布于导流筒外侧可以通入循环流动的冷却气体的气体热交换器，气体热交换器进气口与冷却气体出口相连，冷却器出气口与热气体进气口相连并通入热交换器对热气体降温；还包括外部高效热交换器、循环泵、储气罐及必要的气体管道和控制器件；通过热外部高效热交换器对管道内热气体降温后用循环泵将冷却气体送入储气罐，储气罐出气口与连接气体热交换器进气口通过管道相连。
进一步的，所述的高效热交换单晶炉的气冷系统，储气罐上还连接气体补充入口管道，且入口管道上装有控制阀门和电磁阀作为控制器件；所述控制器件包括测量冷却气体压力的系统压力计、测量冷却气体温度的热电偶、控制管道通断的电磁阀Ⅰ和电磁阀Ⅱ；气体补充入口管道与气瓶连通；外部高效热交换器采用水冷系统。
相较于现有技术，本发明具有的有益效果：
1、安全性:系统在在使用中，安全可靠。即使在使用中出现泄露或设备循环系统出现开裂，内部氦气漏入单晶炉内也不会出现安全大事故。氦气漏入炉内只会出现氦气的小部分浪费及晶体生产炉的速度降低，没有其他事故出现。
极小成本可大幅提高产能极少的的投资，可以使单晶炉长晶速度提高15％以上，大幅节约了生产成本。
2、机械结构设计优秀、外形美观和制造技术先进：凹凸版导流筒在机械构造设计方面布局合理，利用凹面镜焦原理在导流筒中形成了很多个凹面镜，把以前聚焦在一点的方式改为在炉内形成漫辐射。在制造阶段采用先进的机械加工手段，保证零部件功能完善，结构经济，强度可靠。此类机械结构设计不但提高了晶棒的降温，更对晶棒回火起到了温度均应，使单晶生产质量更块更好；对所采用的凹凸版导流筒组件，都在本公司加工制造完成。先进的制造技术不但能保证所生产的凹凸版导流筒结构合理，更重要的是工程一致性优秀，并且经久耐用，性能稳定可靠。
3、凹凸板导流筒提升设备使用率，提高产品品质：凹凸板导流筒被放在单晶炉中导流筒内部，实际测试结果显示，单晶炉导流筒上部氦气沿凹凸点形成卷流，卷流气体与由上而下的直流气体形成湍流，热场内部的温度梯度通过气流传导热使热场更均匀。导流筒的设计使炉内冷却能力提高，把单晶长晶时间大幅缩短，提高了晶体生产的速度及晶体的整体品质。由于导流筒的合理设计，使一氧化硅在单晶炉内进入晶棒的量明显减少。所以说钼导流筒的应用降低了能耗，提高了生产效率。降低能耗，节约资源，提升拉晶的速度。
附图说明
图1为本发明专利系统原理示意图。(包含了单晶炉、导流筒和冷却系统)
图1中序号说明：
1、晶体炉下炉体 2、晶体炉炉体 3、石墨外导流筒 4、上炉盖5、导流筒提升装置Ⅰ6、导流筒提升装置Ⅱ 7、气体热交换器 8、凹凸导流洞 9、冷却水压力计 10、外部高效热交换器 11、循环泵 12、控制柜 13、储气罐 14、系统压力计 15、热电偶 16、电磁阀Ⅰ 17、电磁阀Ⅱ 18、冷却水塔 19、气瓶(氦气瓶)
具体实施方式
如图1给出了本发明系统原理示意图，其中的高效热交换单晶炉，具有炉体2和位于炉体内的导流筒3，在导流筒内侧排布有气体热交换器7，且气体热交换器7内通有循环流动的冷却气体，所述气体热交换器7为均匀排布的连续管道，所述冷却气体为惰性气体。本发明专利中炉体2基本结构与现有单晶炉没有实质性区别，炉体底部还连接单晶炉下炉体1，导流筒提升装置Ⅰ5和导流筒提升装置Ⅱ6位于炉体上部并且分别连接导流筒3两侧。所述惰性气体优选氦气。
单晶炉冷却导流筒，具有一个锥形结构的筒体，在导流筒外侧排布有可以通入循环流动的冷却气体的气体热交换器7，且所述气体热交换器为均匀排布的连续管道，连续管道内充有惰性气体。所述惰性气体优选氦气。
高效热交换单晶炉的气冷系统，其包括排布于导流筒内侧可以通入循环流动的冷却气体的气体热交换器7，气体热交换器7进气口与冷却气体出口相连，冷却器出气口与热气体进气口相连并通入热交换器对热气体降温；还包括外部高效热交换器10、循环泵11、储气罐13及必要的气体管道和控制器件；通过热外部高效热交换器10对管道内热气体降温后用循环泵11将冷却气体送入储气罐13，储气罐13出气口与连接气体热交换器7进气口通过管道相连。所述的高效热交换单晶炉的气冷系统，储气罐上还连接气体补充入口管道，且入口管道上装有控制阀门和电磁阀作为控制器件；所述控制器件包括测量冷却气体压力的系统压力计14、测量冷却气体温度的热电偶15、控制管道通断的电磁阀Ⅰ16和电磁阀Ⅱ17；气体补充入口管道与气瓶19连通；外部高效热交换器10采用水冷系统。
本发明专利气冷系统工作原理如下：打开19氦气瓶，再打开17电磁阀2，让氦气向系统内补充氦气至0.4MPA，关闭17电磁阀2，系统内补齐结束。启动11循环泵，让氦气在系统内密闭循环。气体通过14压力计检测达到系统要求压力后系统显示压力正常，气体通过15热电偶检测温度是否低于40℃，低于40℃系统正常，高于说明系统故障。前期检测正常的气体通过5导流筒提升装置1进入7气体热交换器，置换出炉内的高温热量，对8凹凸导流筒进行冷却。置换后的高温气体通过6导流筒提升装置2流出晶体炉进入10外部高效热交换器将气体和水热交换后，冷却下来的气体11循环泵，如果气体受热体积膨胀，压力升高超过0.5MPA，打开16电磁阀1，向外排气直到压力降低到0.4MPA，保护系统压力维持在0.4MPA。气体循环过程中，为了平缓11循环泵对系统压力影响造成的波动，系统内利用13储气罐来平缓和稳定压力。气体进入10外部高效热交换器后18冷却水塔冷却后低于30℃的水进行冷热交换后使气体温度降至40℃以下，再进入11循环泵继续循环使用。
本发明采用单晶炉内冷却导流筒中吸收热量后的高温氦气通入热交换器进行温度交换，降低温度后经过增压泵将低温氦气通过增压的方式导入冷却导流筒中，如此反复进行气体流通循环，最终实现单晶炉内热交换从而达到对单晶炉冷却的目的。
本单晶炉内热交换及气体循环系统运行的一般过程为将冷却导流筒内的氦气导出--氦气的热交换--氦气加压循环导入冷却导流筒三个过程。其中系统运行各个阶段对氦气的温度交换和冷却导流筒内温度梯度影响都很大。
热交换技术的原理主要是由于温差热能从热流体间接(例如经过间壁)或直接传向冷流体的热量传递过程。气体循环技术的原理是将所用气体从气相空间引出，所用气体通过气体高温管道循环泵将其再送回冷却导流筒内，以此方式完成闭环气体循环过程，以控制冷却导流筒内的温度梯度。
单晶炉内热交换及气体循环系统的工作原理是将从单晶炉内冷却导流筒中出来的氦气通入热交换器进行温度交换，然后经过增压泵将经过温度交换后的氦气通过增压的方式导入冷却导流筒中，如此反复进行气体流通循环工作，最终实现预设的单晶炉内热交换及气体循环过程。
整个单晶炉内热交换及气体循环系统对传热系数、换热效率、换热速度、工作环境温度、气体循环流通密封性要求非常高。
本单晶炉内热交换及气体循环系统有冷却导流筒系统、氦气导出系统、氦气的温度交换系统、氦气的加压循环系统等多部分整合而成，除主体框架之外，各系统在产生的作用效果上又相互影响。
Claims (5)
1.高效热交换单晶炉，具有炉体(2)和位于炉体内的导流筒(3)，其特征是：在导流筒内侧排布有气体热交换器(7)，且气体热交换器(7)内通有循环流动的冷却气体，所述气体热交换器(7)为均匀排布的连续管道，所述冷却气体为惰性气体。
2.根据权利要求1所述的高效热交换单晶炉，其特征是：所述惰性气体优选氦气。
3.单晶炉冷却导流筒，具有一个锥形结构的筒体，其特征是：在导流筒外侧排布有可以通入循环流动的冷却气体的气体热交换器(7)，且所述气体热交换器为均匀排布的连续管道，连续管道内充有惰性气体。
4.高效热交换单晶炉的气冷系统，其特征是：包括排布于导流筒内侧可以通入循环流动的冷却气体的气体热交换器(7)，气体热交换器(7)进气口与冷却气体出口相连，冷却器出气口与热气体进气口相连并通入热交换器对热气体降温；还包括外部高效热交换器(10)、循环泵(11)、储气罐(13)及必要的气体管道和控制器件；通过热外部高效热交换器(10)对管道内热气体降温后用循环泵(11)将冷却气体送入储气罐(13)，储气罐(13)出气口与连接气体热交换器(7)进气口通过管道相连。
5.根据权利要求4所述的高效热交换单晶炉的气冷系统，其特征是：储气罐上还连接气体补充入口管道，且入口管道上装有控制阀门和电磁阀作为控制器件；所述控制器件包括测量冷却气体压力的系统压力计(14)、测量冷却气体温度的热电偶(15)、控制管道通断的电磁阀Ⅰ(16)和电磁阀Ⅱ(17)；气体补充入口管道与气瓶(19)连通；外部高效热交换器(10)采用水冷系统。
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