CN113136618A - 一种单晶炉热场及单晶炉 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种单晶炉热场及单晶炉，涉及太阳能光伏技术领域。其中，单晶炉热场包括保温组件、坩埚件、感应线圈和升降机构，感应线圈用于产生交变磁场，使坩埚件产生涡流，以使坩埚件产生热量，对坩埚件内的原料进行加热，升降机构用于驱动坩埚件升降。通过感应线圈对坩埚进行加热，可以减少加热过程中的热量损失，提高加热效率。同时可以通过调节感应线圈的电流，快速准确的控制热场内的温度。进一步的，通过升降机构的设置，可以控制感应线圈产生的交变磁场的位置，以控制热场内不同位置处的交变磁场的强度，进而准确控制热场内的温度梯度。

Description

一种单晶炉热场及单晶炉

技术领域

本发明涉及太阳能光伏技术领域，特别是涉及一种单晶炉热场及单晶炉。

背景技术

目前主要采用直拉法、在单晶炉中生产单晶硅。单晶炉内设置坩埚和支撑坩埚的埚帮。在单晶硅的生产过程中，先将多晶硅原料容置在坩埚内，通过埚帮外侧的加热器加热多晶硅原料以形成熔体后，将籽晶插入熔体依次经过引晶、放肩、转肩、等径和收尾等工序，拉制得到单晶硅棒。在该坩埚及加热器的外围，设置有保温组件，以减少热量损失。通常将包括该保温组件及其内侧的各部件，统称为热场。

在单晶拉制过程的各个工序中，均需要控制热场内的温度，以达到预设的工艺需求。现有技术的单晶炉热场，主要采用石墨加热器产生热量，石墨加热器主要通过热辐射的方式对多晶硅原料进行加热，热传递效率低，传递过程中的热量损失较大。并且，随着单晶制造日益朝着大尺寸、大热场的方向发展，传统的石墨加热器固设在保温组件内侧、辐射式地向埚帮及坩埚内的多晶硅原料传递热量，逐渐难以适应大热场在精准控温以及快速升温/降温等方面的要求。

发明内容

本发明提供一种单晶炉热场及单晶炉，旨在解决单晶炉中石墨加热器的热传递效率低，热量损失较大，且无法准确、快速控制热场内的温度等问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种单晶炉热场，应用于单晶炉，所述热场包括保温组件和坩埚件，所述坩埚件用于容置原料，所述保温组件位于所述坩埚件外侧，所述热场还包括：感应线圈和升降机构；

所述感应线圈套设在所述保温组件远离所述坩埚件的一侧，所述感应线圈用于产生交变磁场，通过所述交变磁场使所述坩埚件产生涡流，以加热所述坩埚件；

所述升降机构与所述感应线圈相连接，用于驱动所述感应线圈升降。

可选的，所述感应线圈包括由空心导线沿所述保温组件的周向绕设而成的线圈结构。

可选的，所述空心导线的横截面为矩形，所述空心导线的矩形横截面中的第一边和第二边与所述感应线圈的轴线平行。

可选的，所述空心导线的空心内部构成冷却腔室，所述空心导线的两端分别与冷却机构连接，以使所述冷却机构中的冷却介质在所述冷却腔室和所述冷却机构之间循环，对所述感应线圈进行降温。

可选的，所述冷却介质为液态惰性气体。

可选的，所述感应线圈还包括：承载环件和多个支撑件，所述承载环件套设在所述保温组件远离所述坩埚件的一侧，所述升降机构设置在所述承载环件的底部，所述承载环件与所述升降机构相连接，所述承载环件远离所述升降机构的一端与所述感应线圈连接，以承载所述感应线圈；

所述多个支撑件沿所述感应线圈的周向间隔设置，所述支撑件的一端与所述承载环件固定连接，以将所述感应线圈固定在所述承载环件上。

可选的，所述承载环件和支撑件由钼、钨或碳碳复合材料制成。

可选的，所述坩埚件包括埚帮和坩埚，所述坩埚位于所述埚帮内，所述埚帮用于在所述交变磁场的作用下产生涡流，对所述坩埚进行加热，所述埚帮为多层复合结构。

可选的，还包括：电磁屏蔽层，所述电磁屏蔽层环绕所述感应线圈，设置在所述感应线圈远离所述保温组件的一侧。

第二方面，本发明实施例提供了一种单晶炉，包括如本实施例第一方面所述的单晶炉热场，所述保温组件和坩埚件均设置在所述炉体内，所述感应线圈位于所述炉体与所述保温组件之间，所述升降机构的一端延伸至所述炉体内。

在本发明实施例中，在保温组件的外侧设置感应线圈，通过感应线圈产生的交变磁场使坩埚件产生涡流，对坩埚件进行加热，将现有的石墨加热器的辐射式加热改为直接加热，可以减少加热过程中的热量损失，提高加热效率。同时采用感应线圈进行加热时，可以通过调节感应线圈的电流，快速准确的调节交变磁场的强度，以快速准确的调节坩埚件产生的热量，进而快速准确的控制热场内的温度。并且，可以通过升降机构调节感应线圈的位置，控制感应线圈产生的交变磁场的位置，以控制热场内不同位置处的交变磁场的强度，进而准确控制热场内的温度梯度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明实施例一中的一种单晶炉炉体的剖视图；

图2示出了本发明实施例一中的一种单晶炉热场的结构示意图；

图3示出了本发明实施例二中的一种单晶炉炉体的剖视图；

图4示出了本发明实施例二中的一种单晶炉热场的结构示意图；

图5示出了图3中A位置的局部放大图。

附图标记说明：

101-主室，102-保温组件，1021-保温筒，1022-保温毡，103-坩埚托杆，104-坩埚托盘，105-坩埚件，1051-埚帮，1052-坩埚，201-感应线圈，2011-空心导线，20111-第一边，20112-第二边，20113-第一侧面，20114-冷却腔室，2012-第一端，2013-第二端，202-承载环件，203-支撑件，204-电磁屏蔽层，205-电源接头，301-升降机构。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

参照图1，图1示出了本发明实施例一中的一种单晶炉炉体的剖视图，炉体包括主室101，主室101内设置有单晶炉热场，热场包括保温组件102和坩埚件105，坩埚件105用于容置原料，保温组件102位于坩埚件105的外侧。

本实施例中，感应线圈201套设在保温组件102远离坩埚件105的一侧，感应线圈201用于产生交变磁场，通过交变磁场使坩埚件105产生涡流，以对坩埚件105进行加热。升降机构301与感应线圈201相连接，用于驱动感应线圈201升降。

如图1所示，单晶炉炉体具体可以包括主室101，主室101内可以设置有保温组件102、坩埚托杆103、坩埚托盘104和坩埚件105。其中，坩埚托盘104设置在坩埚件105的底部，用于承载坩埚件105，坩埚拖杆103设置在坩埚托盘104的底部，用于驱动坩埚托盘104和坩埚件105升降。保温组件102环绕坩埚托杆103、坩埚托盘104和坩埚件105设置，用于将坩埚托杆103、坩埚托盘104和坩埚件105等部件与外部环境隔离，以维持保温组件102内的温度。单晶炉热场内各部件的具体结构可参考现有技术，本实施例在此不做详细描述。

参照图2，图2示出了本发明实施例一中的一种单晶炉热场的结构示意图，如图1和图2所示，感应线圈201可以是由硬度较大的导线绕设而成的筒状结构，感应线圈201环绕保温组件102，套设在保温组件102的外围，使保温组件102内的坩埚件105位于感应线圈201的内部。导线可以选用铜、铝、铁和不锈钢等材质的导线，感应线圈的具体结构可以根据需求设置，本实施例对此不做限制。

感应线圈201可以连接高频交流电源，感应线圈201接通电源后，可以在感应线圈201的内部产生交变磁场，即在保温组件102的内部产生交变磁场，使保温组件102内的坩埚件105位于交变磁场内。坩埚件105可以由耐高温的导电材料制成，例如由石墨和碳碳复合材料制成，坩埚件105位于交变磁场内时，在交变磁场的作用下，可以在坩埚件105的体内产生涡流，在涡流的作用下，使坩埚件105发热，产生热量，对放置在坩埚件105内的原料(例如多晶硅原料)进行加热。

其中，升降机构301可以由气缸和电机丝杠等器件组成。例如，如图1和图2所示，可以在主室101的底部(单晶炉的底部)设置一个或多个气缸，感应线圈201设置在电机丝杠的一端，气缸驱动电机丝杠动作时，可以驱动感应线圈201在主室101内上下运动。气缸和电机丝杠之间的连接关系，以及使用方法可参考现有技术，本实施例对此不做详细描述。升降机构的具体类型可以根据需求选择，升降机构也可以设置在主室的其他位置，例如主室的侧壁或顶部，只需满足可以驱动感应线圈在主室内上下运动即可。

现有技术中，主要采用石墨加热器对坩埚件进行加热，石墨加热器以热辐射的方式向坩埚件传递热量，热量传递过程中的损耗较大，效率较低。同时，石墨加热器固定安装在主室中，因此调节石墨加热器产生的热量时，无法有效且准确的控制热场内的温度梯度。

本实施例中，热场包括感应线圈，通过感应线圈产生的交变磁场使坩埚件产生涡流，对坩埚件进行加热，将现有的石墨加热器的辐射式加热改为直接加热，可以减少加热过程中的热量损失，提高加热效率。同时采用感应线圈进行加热时，可以通过调节感应线圈的电流，快速准确的调节交变磁场的强度，以快速准确调节坩埚件产生的热量，进而快速准确的控制热场内的温度。并且，可以通过升降机构调节感应线圈的位置，控制感应线圈产生的交变磁场的位置，以控制热场内不同位置处的交变磁场的强度，进而准确控制热场内的温度梯度。

实施例二

参照图3，图3示出了本发明实施例二中的一种单晶炉炉体的剖视图。

如图3所示，坩埚件105包括埚帮1051和坩埚1052，坩埚1052位于埚帮1051内，埚帮1051用于在交变磁场的作用下产生涡流，对坩埚1052进行加热。

其中，埚帮1051可以是多层复合结构。如埚帮1051可以由多层碳碳复合材料铺设压制而成，或者由石墨材料和碳碳复合材料组合而成，多层复合结构可以提高埚帮的强度。坩埚1052可以为石英坩埚，埚帮和坩埚的具体结构和材质可以根据需求设置，本实施例对此不做限制。

本实施例中，感应线圈还可以包括：承载环件202和多个支撑件203，承载环件202套设在保温组件102远离坩埚件105的一侧，升降机构301设置在承载环件202的底部，承载环件202与升降机构301相连接，承载环件202远离升降机构301的一端与感应线圈201连接，以承载感应线圈201。多个支撑件203沿感应线圈201的周向间隔设置，支撑件203的一端与承载环件202固定连接，以将感应线圈201固定在承载环件202上。

参照图4，图4示出了本发明实施例二中的一种单晶炉热场的结构示意图，如图4所示，承载环件202可以是与保温组件102相配合的圆环，承载环件202可以套设在保温组件102的外围，感应线圈201可以固定安装在承载环件202远离升降机构301的一端，以承载感应线圈201。其中，感应线圈201可以是由强度较大的导线绕设而成的线圈，以使感应线圈201可以直接固定安装在承载环件202上。如图4所示，承载环件202靠近主室101底部的一端可以与气缸中的电机丝杠固定连接，气缸动作时可以驱动承载环件202在主室101内上下运动，以驱动承载环件202上的感应线圈201在主室101内上下运动。

支撑件203可以为支撑杆或支撑条，支撑件203的一端可以与承载环件202通过焊接或螺纹连接等方式固定连接。多个支撑件203间隔设置在感应线圈202的外侧，将感应线圈202固定在承载环件202上。支撑件203的具体结构可以根据需求设置，本实施例对此不做限制。

其中，多个支撑件203可以等间距的设置在感应线圈201的外侧，并且可以通过焊接或卡扣连接等连接方式，将感应线圈201的侧壁与支撑件203固定连接。支撑件与感应线圈之间的连接方式可以根据需求设置，本实施对此不做限制。通过支撑件将感应线圈固定在承载环件上，可以提高感应线圈的稳定性。实际使用时，支撑件也可以同时设置在感应线圈的内侧，以进一步提高感应线圈的稳定性。

本实施例中，承载环件和支撑件可以由钼、钨或碳碳复合材料等强度较大，且耐热性较好的材料制成，承载环件和支撑件选用强度较大、耐热性较好的材料，可以提高承载环件和支撑件的耐用性，延长使用期限。

可选的，如图3所示，保温组件102可以包括保温筒1021和保温毡1022。保温筒1021用于形成热场的整体结构，并隔绝外部环境。保温毡1022用于进一步的防止热场内的热量散失。保温毡可以为陶瓷纤维毡、氧化锆、碳纤维毡、固化毡等。保温筒和保温毡的具体材质可以根据需求选择，本实施例对此不做限制。通过保温筒和保温毡的双层设置，可以进一步提高保温组件的保温效果。

参照图5，图5示出了图3中A位置的局部放大图，如图5所示，感应线圈201可以包括由空心导线2011沿保温组件102的周向绕设而成的线圈结构。

结合图3和图5，空心导线2011沿保温组件102的周向绕设，形成感应线圈201。空心导线2011的横截面可以为矩形，空心导线2011的矩形横截面中的第一边20111和第二边20112与感应线圈201的轴线平行。

本实施例中，感应线圈由空心导线绕设而成时，可以减少制造感应线圈时材料的使用量，并且可以提高感应线圈的散热效果。空心导向2011的横截面为矩形时，可以进一步提高空心导线的散热面积，提高感应线圈的散热效果。矩形横截面中的第一边20111和第二边20112可以是矩形横截面中任意的两边，矩形横截面中的第一边20111和第二边20112与感应线圈201的轴线平行时，可以使空心导线2011的一个侧面与保温组件102的外壁平行。空心导线2011在交变磁场的作用下，产生集肤效应，使空心导线2011内的电流集中在空心导线2011中的第一侧面20113，第一侧面为靠近保温组件102的侧面(即第二边20112所在的侧面)，可以提高感应线圈201内交变磁场的强度，提高电流的利用效率，进一步提高感应线圈的加热效率。实际使用时，空心导线也可以为圆形、三角形或其他多边形，本实施例对此不做限制。

本实施例中，空心导线2011的空心内部构成冷却腔室20114，空心导线2011的两端分别与冷却机构连接，以使冷却机构中的冷却介质在冷却腔室20114和冷却机构之间循环，对感应线圈进行降温。

冷却机构可以为感应线圈201提供冷却介质，空心导线的第一端2012可以与冷却机构的输出端连接，使得冷却介质可以从空心导线的第一端2012进入冷却腔室20114，并从空心导线2011的第二端2013输出，从冷却机构的输入端回流到冷却机构中。在感应线圈201的运行过程中，冷却介质进入冷却腔室20114后，与空心导线2011产生热交换，将空心导线2011产生的热量带入冷却机构中，由冷却机构对冷却介质降温后，将冷却介质在送入冷却腔室20114内，冷却介质在冷却腔室20114和冷却机构之间循环流动，为感应线圈201进行降温。其中，冷却机构的具体形式可以根据需求选择，只需满足可以为感应线圈提供循环的冷却介质即可。实际使用时，在生产单晶硅的过程中，主室内的温度较高，可以通过冷却介质为感应线圈进行降温，保护感应线圈。

可选的，冷却介质可以为液态惰性气体，例如液氮和液氦等。冷却介质为液态惰性气体时，在提高冷却效率的同时，惰性气体不会腐蚀空心导线，可以提高感应线圈的使用期限。实际使用时，冷却介质也可以为其他类型的气体，例如空气，也可以为液体，例如水或导热油，冷却介质的具体类型可以根据需求选择，本实施例对此不做限制。

可选的，单晶炉热场还可以包括电磁屏蔽层204，电磁屏蔽层204环绕感应线圈201，设置在感应线圈201远离保温组件102的一侧。

具体的，如图3所示，电磁屏蔽层204可以环绕感应线圈201，固定安装在主室101的内壁上，或者设置在主室101的内壁与感应线圈201之间。电磁屏蔽层204可以选择由铜或者铝制成，电磁屏蔽层环绕感应线圈设置，可以防止感应线圈产生的电磁波辐射至单晶炉外，避免电磁波对人体或设备造成影响或伤害。

可选的，在空心导线的第一端2012和2013处可以安装电源接头205，方便感应线圈201与交流电源连接。电源接头205的具体结构可以根据需求设置，本实施例对此不做限制。

在本发明实施例中，热场包括感应线圈，通过感应线圈产生的交变磁场使坩埚件产生涡流，对坩埚件进行加热，将现有的石墨加热器的辐射式加热改为直接加热，可以减少加热过程中的热量损失，提高加热效率。同时采用感应线圈进行加热时，可以通过调节感应线圈的电流，快速准确的调节交变磁场的强度，以快速准确调节坩埚件产生的热量，进而快速准确的控制热场内的温度。并且，可以通过升降机构调节感应线圈的位置，控制感应线圈产生的交变磁场的位置，以控制热场内不同位置处的交变磁场的强度，进而准确控制热场内的温度梯度。

实施例三

本实施例还提供了一种单晶炉，包括炉体和如前述实施例一或实施例二所述的单晶炉热场，保温组件和坩埚件均设置在炉体内，感应线圈位于炉体与保温组件之间，升降机构的一端延伸至炉体内。

结合图1至图3，单晶炉热场中，感应线圈201设置在主室101的内壁和保温组件102之间，升降机构301可以直接设置在主室101的底部，升降机构301的一端与感应线圈201连接，另一端延伸至主室101的底部，与主室101的底部连接，安装在主室101的底部。实际使用时，升降机构301的另一端也可以延伸至主室101的侧壁或顶部，与主室101的侧壁或顶部连接，安装在主室101的侧壁或顶部。升降结构的具体安装位置可以根据需求设置，本实施例对此不做限制。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种单晶炉热场，应用于单晶炉，所述热场包括保温组件和坩埚件，所述坩埚件用于容置原料，所述保温组件位于所述坩埚件的外侧，其特征在于，所述热场还包括：感应线圈和升降机构；

所述感应线圈套设在所述保温组件远离所述坩埚件的一侧，所述感应线圈用于产生交变磁场，通过所述交变磁场使所述坩埚件产生涡流，以加热所述坩埚件；

所述升降机构与所述感应线圈相连接，用于驱动所述感应线圈升降。

2.根据权利要求1所述的单晶炉热场，其特征在于，所述感应线圈包括由空心导线沿所述保温组件的周向绕设而成的线圈结构。

3.根据权利要求2所述的单晶炉热场，其特征在于，所述空心导线的横截面为矩形，所述空心导线的矩形横截面中的第一边和第二边与所述感应线圈的轴线平行。

4.根据权利要求2所述的单晶炉热场，其特征在于，所述空心导线的空心内部构成冷却腔室，所述空心导线的两端分别与冷却机构连接，以使所述冷却机构中的冷却介质在所述冷却腔室和所述冷却机构之间循环，对所述感应线圈进行降温。

5.根据权利要求4所述的单晶炉热场，其特征在于，所述冷却介质为液态惰性气体。

6.根据权利要求1所述的单晶炉热场，其特征在于，所述感应线圈还包括：承载环件和多个支撑件；

所述承载环件套设在所述保温组件远离所述坩埚件的一侧，所述升降机构设置在所述承载环件的底部，所述承载环件与所述升降机构相连接，所述承载环件远离所述升降机构的一端与所述感应线圈连接，以承载所述感应线圈；

所述多个支撑件沿所述感应线圈的周向间隔设置，所述支撑件的一端与所述承载环件固定连接，以将所述感应线圈固定在所述承载环件上。

7.根据权利要求6所述的单晶炉热场，其特征在于，所述承载环件和支撑件由钼、钨或碳碳复合材料制成。

8.根据权利要求1所述的单晶炉热场，其特征在于，所述坩埚件包括埚帮和坩埚，所述坩埚位于所述埚帮内，所述埚帮用于在所述交变磁场的作用下产生涡流，对所述坩埚进行加热，所述埚帮为多层复合结构。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的单晶炉热场，其特征在于，还包括：电磁屏蔽层，所述电磁屏蔽层环绕所述感应线圈，设置在所述感应线圈远离所述保温组件的一侧。

10.一种单晶炉，其特征在于，包括炉体和如权利要求1-9任一项所述的单晶炉热场，所述保温组件和坩埚件均设置在所述炉体内，所述感应线圈位于所述炉体与所述保温组件之间，所述升降机构的一端延伸至所述炉体内。

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