CN115029777A - 一种加热器及单晶炉 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例涉及太阳能光伏领域，特别涉及一种加热器及单晶炉。该加热器包括加热器本体，加热器本体上开设有多个交替排列的第一开口和第二开口，第一开口和第二开口的开口方向相反；加热器本体包括第一主体部以及第二主体部，第二主体部与第一主体部的底端连接；第一主体部和第二主体部共同构成加热器本体，且第一主体部和第二主体部围成具有上端开口和下端开口的筒状结构；沿筒状结构的径向方向，第一主体部靠近上端开口的厚度大于第一主体部靠近下端开口的厚度，且第二主体部靠近上端开口的厚度小于第二主体部靠近下端开口的厚度。本申请实施例提供的加热器至少有利于解决炉内纵向温度梯度过于稳定，难以形成纵向温差的问题。

Description

一种加热器及单晶炉
技术领域
本申请实施例涉及太阳能光伏技术领域，特别涉及一种加热器及单晶炉。
背景技术
随着世界经济的不断发展，现代化建设对高效能源需求不断增长。光伏发电作为绿色能源以及人类可持续发展的一种主要能源，日益受到世界各国的重视并得到大力发展。单晶硅片作为光伏发电的一种基础材料，拥有广泛的市场需求。直拉单晶硅生长方法是一种常见的单晶生长方法，其生长过程是在单晶炉中，将籽晶浸入硅融液，依次实施引晶、放肩、转肩、等径及收尾过程，最后获得单晶硅棒。在单晶硅棒的拉制过程中，单晶炉中的热场结构对于提供晶体生长所需的温度梯度起到至关重要的作用。
现有的单晶炉加热器通常由尺寸均一的加热片沿周向排布围成一筒状结构，由于加热片高度一致且厚度一致，导致加热器上下温度一致，从而造成炉内纵向温度梯度过于稳定，难以形成纵向温差，且加热器底部保温效果无法保证。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种加热器及单晶炉，解决炉内纵向温度梯度过于稳定，难以达成纵向温差的问题。
为解决上述问题，本申请实施例提供一种加热器，包括：加热器本体，加热器本体上开设有多个交替排列的第一开口和第二开口，第一开口和第二开口的开口方向相反；加热器本体包括第一主体部以及位于第一主体部下方的第二主体部，第二主体部与第一主体部的底端连接；第一主体部和第二主体部共同构成加热器本体，且第一主体部和第二主体部围成具有上端开口和下端开口的筒状结构；沿筒状结构的径向方向，第一主体部靠近上端开口的厚度大于第一主体部靠近下端开口的厚度，且第二主体部靠近上端开口的厚度小于第二主体部靠近下端开口的厚度。
另外，上述加热器还包括：过渡部；第一主体部与第二主体部通过过渡部连接；在上端开口朝向下端开口延伸的方向上，第一主体部的厚度逐渐减小，第二主体部的厚度逐渐增大。
另外，过渡部的厚度与第一主体部的底端厚度相等；和/或过渡部的厚度与第二主体部的顶端厚度相等。
另外，第一主体部靠近下端开口的厚度小于或等于第一主体部靠近上端开口的厚度的三分之一；和/或第二主体部靠近上端开口的厚度小于或等于第二主体部靠近下端开口的厚度的三分之一。
另外，在筒状结构的圆周方向上，第一开口靠近下端开口的宽度等于第一开口靠近上端开口的宽度；和/或第二开口靠近下端开口的宽度等于第二开口靠近上端开口的宽度。
另外，在筒状结构展开的平面上，第一开口呈矩形，和/或在筒状结构展开的平面上，第二开口呈矩形。
另外，在筒状结构的圆周方向上，第一开口靠近下端开口的宽度大于第一开口靠近上端开口的宽度；和/或第二开口靠近下端开口的宽度小于第二开口靠近上端开口的宽度。
另外，在筒状结构展开的平面上，第一开口呈梯形，和/或在筒状结构展开的平面上，第二开口呈倒梯形。
另外，在平行于筒状结构的轴线方向上，第一开口的深度与第二开口的深度相等。
本申请实施例还提供一种单晶炉，包括：热场以及上述加热器；热场环绕设置于加热器的外部；热场包括底盘、保温筒和保温毡；保温筒设置在底盘的上方；保温毡为围设在保温筒的外部的环状结构，环状结构与筒状结构位置相对应。
与现有技术相比，本申请实施例提供的技术方案具有以下优点：
本申请实施例的加热器包括第一主体部以及位于第一主体部下方的第二主体部，第二主体部与第一主体部的底端连接，共同围成具有上端开口和下端开口的筒状结构；沿筒状结构的径向方向，第一主体部靠近上端开口的厚度大于第一主体部靠近下端开口的厚度，且第二主体部靠近上端开口的厚度小于第二主体部靠近下端开口的厚度。本申请实施例通过将加热器本体设计为中心薄，上下厚的结构，降低加热器中心发热区的发热量，不仅保证了加热器顶部和底部的发热量，还有利于保证在原有热辐射的前提下，进一步加强了加热器顶部和底部的发热量，形成新的纵向温度梯度，加强了底部保温效果。而且，本申请实施例的第一主体部和第二主体部的厚度变化设计也能够减少主加热器石墨用量，节约材料成本。
附图说明
图1为一种加热器的局部结构示意图；
图2为本申请一实施例提供的一种加热器的局部结构示意图；
图3为本申请另一实施例提供的一种加热器的局部结构示意图；
图4为本申请一实施例提供的加热器本体的截面图；
图5为本申请又一实施例提供的一种加热器的局部结构示意图。
具体实施方式
由背景技术可知，单晶炉中的热场结构对于提供晶体生长所需的温度梯度至关重要。
图1示出了一种加热器的局部结构示意图。参考图1，现有的单晶炉的加热器通常由大小一致的加热片沿周向排布围成一筒状结构，图1为加热器展开的平面结构的局部示意图。如图1所示，加热器包括筒状结构的加热器主体10，加热器主体10上开设有多个交替排列的上开口11和下开口12，上开口11的开口方向朝向加热器主体10的上方，而下开口12的开口方向朝向加热器主体10的下方。由于加热器主体10的高度一致，且加热器主体10上端、中部与下端的厚度一致，导致加热器主体10上下温度一致，炉内纵向温度梯度过于稳定，难以达成纵向温差实现降氧效果。
为了解决上述问题，改善晶体生长所需的温度梯度，参考图2，本申请实施例提供一种加热器，包括：加热器本体20，加热器本体20上开设有多个交替排列的第一开口21和第二开口202，第一开口21和第二开口22的开口方向相反；加热器本体20包括第一主体部201以及位于第一主体部201下方的第二主体部202，第二主体部202与第一主体部201的底端连接；第一主体部201和第二主体部202共同构成加热器本体20，且第一主体部201和第二主体部202围成具有上端开口20a和下端开口20b的筒状结构；沿筒状结构的径向方向，第一主体部201靠近上端开口20a的厚度大于第一主体部201靠近下端开口20b的厚度，且第二主体部202靠近上端开口20a的厚度小于第二主体部202靠近下端开口20b的厚度。
请继续参考图2，图2示出了本申请实施例加热器展开的平面结构的局部示意图。本申请实施例中，将加热器本体20沿其筒状结构的圆周方向的中轴线分割为两部分：第一主体部201和第二主体部202，第一主体部201位于第二主体部202的上方，且第一主体部201和第二主体部202均为与加热器本体20内径相同的筒状结构，第一主体部201的下端面与第二主体部202的上端面连接共同构成加热器本体20，且加热器本体20具有开口朝上的上端开口20a和开口朝下的下端开口20b，第一主体部201靠近上端开口20a的厚度大于第一主体部201靠近下端开口20b的厚度，且第二主体部202靠近上端开口20a的厚度小于第二主体部202靠近下端开口20b的厚度。本申请例通过将加热器本体20设计为中心薄，上下厚的结构，降低加热器本体20中心发热区的发热量，如此设置，不仅保证了加热器顶部和底部的发热量，还有利于保证在原有热辐射的前提下，进一步加强了加热器顶部和底部的发热量，形成新的纵向温度梯度，加强了底部保温效果。此外，本申请实施例的第一主体部201上厚下薄的结构设计以及第二主体部202上薄下厚的结构设计也能够减少主加热器石墨用量，节约材料成本。
在一些实施例中，如图2所示，沿筒状结构的轴线方向，即加热器本体20的上端开口20a与下端开口20b的连线上，相邻的第一主体部201的长度相等，和/或相邻的第二主体部202的长度相等，第一主体部201朝向上端开口20a的一端(加热器顶端)高度齐平，第二主体部202朝向下端开口20b的一端(加热器底端)高度齐平，如此设置，方便加热器的制作，也能够在坩埚外围形成温度梯度稳定的热场结构。
在另一些实施例中，参考图3，沿筒状结构的轴线方向，即加热器本体20的上端开口20a与下端开口20b的连线上，相邻的第二主体部202的长度不相等。从图3中可以看出，相邻的第一主体部201朝向上端开口20a的一端(加热器顶端)高度齐平，第二主体部202呈高低起伏的结构设计，如此设置，一方面，有利于降低加热器底部的温度，从而降低单晶炉底部的温度，减小纵向温度梯度，从而实现降氧的目的；第二主体部202设置为高低起伏结构，在保证供给足够热量到成晶液面的前提下，降低了对坩埚底部的热辐射。另一方面，通过高低起伏的第二主体部202，能够改变加热器的整体密度，也能够节约材料成本。
在一些实施例中，请继续参看图2，上述加热器还包括：过渡部203；第一主体部201与第二主体部202通过过渡部203连接；在上端开口20a朝向下端开口20b延伸的方向上，第一主体部201的厚度逐渐减小，第二主体部202的厚度逐渐增大。第一主体部201通过过渡部203与第二主体部202连接，实现第一主体部201以及第二主体部202厚度转变的平滑过渡。第一主体部201的厚度逐渐减小，第二主体部202的厚度逐渐增大，也有利于加热器本提20的温度在第一主体部201呈现由上至下逐渐降低的温度梯度热场，以及在第二主体部202呈现由上至下逐渐增大温度梯度热场，第一主体部201和第二主体部202连接构成加热器本体20，形成新的纵向温度梯度，加强了加热器底部保温效果。
在一些实施例中，过渡部203的厚度与第一主体部201的底端厚度相等；和/或过渡部203的宽度与第二主体部202的顶端厚度相等。因过渡部203主要用于实现第一主体部201以及第二主体部202平滑过渡的作用，本申请实施例在此不对过渡部203的具体厚度范围进行限定，保证过渡部203的厚度范围满足小于第一主体部201朝向加热器顶端的厚度，且过渡部203的厚度小于第二主体部202朝向加热器底端的厚度即可。
在一些实施例中，参考图4，第一主体部201靠近下端开口20b的厚度小于或等于第一主体部201靠近上端开口20a的厚度的三分之一；和/或第二主体部202靠近上端开口20a的厚度小于或等于第二主体部202靠近下端开口20b的厚度的三分之一。
图4示出了加热器本体20的截面图。从图4中可以看出，在上端开口20a朝向下端开口20b的方向上，第一主体部201的厚度逐渐减小，第二主体部202的厚度逐渐增大。过渡部203位于第一主体部201和第二主体部202之间，用于将第一主体部201的底端和第二主体部202的顶端连接。
请继续参考图4，第一主体部201顶端的厚度为D1，第一主体部201底端的厚度为D2；第二主体部202顶端的厚度为D3，第二主体部202底端的厚度为D4；D1＞D2，且D4＞D3。为了保证加热器本体20上下的温度变化的规律性，通常D1＝D4，且D2＝D3，其中，过渡部203的厚度可以等于第一主体部201底端的厚度D2，也可以等于第二主体部202顶端的厚度D3，也可以小于第一主体部201底端的厚度D2，且小于第二主体部202顶端的厚度D3。
在一些实施例中，如图2和图3所示，在筒状结构的圆周方向上，第一开口21靠近下端开口20b的宽度等于第一开口21靠近上端开口20a的宽度；和/或第二开口22靠近下端开口20b的宽度等于第二开口22靠近上端开口20a的宽度。
在一些实施例中，在筒状结构展开的平面上，第一开口21呈矩形，和/或在筒状结构展开的平面上，第二开口22呈矩形。
如图2和图3所示，第一开口21和第二开口22均为矩形槽，方便在加热器本体20上开槽以制作第一开口21和第二开口22交替排列的加热器结构。本申请实施例通过在加热器本体20上开设交替排布的第一开口21和第二开口22，保证在坩埚外围形成稳定热场的同时，还节约了材料成本。
在一些实施例中，参考图5，在筒状结构的圆周方向上，第一开口21靠近下端开口20b的宽度大于第一开口21靠近上端开口20a的宽度；和/或第二开口22靠近下端开口20b的宽度小于第二开口22靠近上端开口20a的宽度。
在一些实施例中，在筒状结构展开的平面上，第一开口21呈梯形，和/或在筒状结构展开的平面上，第二开口22呈倒梯形。
如图5所示，第一开口21下端的宽度大于第一开口21上端的宽度；第二开口22上端的宽度大于第二开口22下端的宽度。本申请实施例将第一开口21设置为梯形结构以及将第二开口22设置为倒梯形，在保证供给足够热量到成晶液面的前提下，降低了对坩埚底部的热辐射，在第一主体部201顶端至底端形成自上而下逐渐衰弱的温度梯度以及在第二主体部202顶端至底端形成自上而下逐渐增强的温度梯度，由此形成新的纵向温度梯度，加强了加热器底部保温效果。同时，将第二主体部202设置为高低起伏结构，有利于改变加热器本体20的整体密度，节约了加热器的材料成本。
在一些实施例中，如图2所示，在平行于筒状结构的轴线方向上，第一开口21的深度与第二开口22的深度相等。此处，深度是指在加热器本体20上开设的槽口的槽深，第一开口21的深度为第一开口21的槽深；第二开口22的深度为第二开口22的槽深。
在另一些实施例中，在平行于筒状结构的轴线方向上，第一开口21的深度与第二开口22的深度也可以不相等。需要说明的是，相邻的第一开口21的深度也可以不相等，相邻的第二开口22的深度也可以不相等。如图3和图5所示，相邻的第一开口21的槽深不同。在实际中可根据需要选择第一开口21的槽深与第二开口22的槽深。
本申请实施例还提供一种单晶炉，包括：热场以及上述加热器；热场环绕设置于加热器的外部；热场包括底盘、保温筒和保温毡；保温筒设置在底盘的上方；保温毡为围设在保温筒的外部的环状结构，环状结构与筒状结构位置相对应。
需要说明的是，通常保温毡采用保温效果较好的固化毡，采用固化毡替代软毡包覆在保温筒外围，增强加热器底部的保温效果。
在一些实施例中，单晶炉包括机架、坩埚驱动装置、主炉室、籽晶提升机构、加热装置、液压驱动装置、真空系统、冲氩气系统以及水冷系统。机架由底盘、上立柱和下立柱组成，对单晶炉起到支撑作用。坩埚驱动装置、主炉室和加热装置均安装在底盘上，主炉室由保温筒、导流筒和炉盖组成；加热装置包括加热器和底部加热器，坩埚驱动装置与主炉室通过波纹管密封连接，液压驱动装置中的提升油缸安装在下立柱上。真空系统、冲氩气系统及水冷系统均固定在机架上，单晶炉热场位于单晶炉的主炉室内。此外，单晶炉还包括设置在底盘上的底部固化毡，底部固化毡的上方设有压片，压片、底部固化毡、底盘的中心位置均开设有用于安装坩埚轴的通孔。
为了降低氧含量，起到较好的降氧效果，通常设置加热器与炉底的压片之间的距离为350mm～600mm，不仅有利于降低加热器底部的温度，更有利于位于加热器下方的保温筒的保温，增强保温效果。与此同时，本申请实施例通过将加热器本体20中心薄、上下厚的结构设计，保证了加热器顶部和底部发热量，形成新的纵向温度梯度，进一步加强了底部保温效果。
由以上技术方案，本申请实施例的加热器包括第一主体部201以及位于第一主体部201下方的第二主体部202，第二主体部202与第一主体部201的底端连接，共同围成具有上端开口20a和下端开口20b的筒状结构；沿筒状结构的径向方向，第一主体部201靠近上端开口20a的厚度大于第一主体部201靠近下端开口20b的厚度，且第二主体部202靠近上端开口20a的厚度小于第二主体部202靠近下端开口20b的厚度。本申请实施例通过将加热器本体20设计为中心薄，上下厚的结构，降低加热器中心发热区的发热量，不仅保证了加热器顶部和底部的发热量，还有利于保证在原有热辐射的前提下，进一步加强了加热器顶部和底部的发热量，形成新的纵向温度梯度，加强了底部保温效果。另外，本申请实施例的第一主体部201和第二主体部202的厚度变化设计也能够减少主加热器石墨用量，节约材料成本。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本申请的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本申请的精神和范围。任何本领域技术人员，在不脱离本申请的精神和范围内，均可作各自更动与修改，因此本申请的保护范围应当以权利要求限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种加热器，其特征在于，包括：
加热器本体，所述加热器本体上开设有多个交替排列的第一开口和第二开口，所述第一开口和所述第二开口的开口方向相反；
所述加热器本体包括第一主体部以及位于所述第一主体部下方的第二主体部，所述第二主体部与所述第一主体部的底端连接；所述第一主体部和所述第二主体部共同构成所述加热器本体，且所述第一主体部和所述第二主体部围成具有上端开口和下端开口的筒状结构；
沿所述筒状结构的径向方向，所述第一主体部靠近所述上端开口的厚度大于所述第一主体部靠近所述下端开口的厚度，且所述第二主体部靠近所述上端开口的厚度小于所述第二主体部靠近所述下端开口的厚度。
2.根据权利要求1所述的加热器，其特征在于，还包括：过渡部；所述第一主体部与所述第二主体部通过所述过渡部连接；
在所述上端开口朝向所述下端开口延伸的方向上，所述第一主体部的厚度逐渐减小，所述第二主体部的厚度逐渐增大。
3.根据权利要求2所述的加热器，其特征在于，所述过渡部的厚度与所述第一主体部的底端厚度相等；和/或所述过渡部的厚度与所述第二主体部的顶端厚度相等。
4.根据权利要求1所述的加热器，其特征在于，所述第一主体部靠近所述下端开口的厚度小于或等于所述第一主体部靠近所述上端开口的厚度的三分之一；和/或所述第二主体部靠近所述上端开口的厚度小于或等于所述第二主体部靠近所述下端开口的厚度的三分之一。
5.根据权利要求1所述的加热器，其特征在于，在所述筒状结构的圆周方向上，所述第一开口靠近所述下端开口的宽度等于所述第一开口靠近所述上端开口的宽度；和/或所述第二开口靠近所述下端开口的宽度等于所述第二开口靠近所述上端开口的宽度。
6.根据权利要求5所述的加热器，其特征在于，在所述筒状结构展开的平面上，所述第一开口呈矩形，和/或在所述筒状结构展开的平面上，所述第二开口呈矩形。
7.根据权利要求1所述的加热器，其特征在于，在所述筒状结构的圆周方向上，所述第一开口靠近所述下端开口的宽度大于所述第一开口靠近所述上端开口的宽度；和/或所述第二开口靠近所述下端开口的宽度小于所述第二开口靠近所述上端开口的宽度。
8.根据权利要求7所述的加热器，其特征在于，在所述筒状结构展开的平面上，所述第一开口呈梯形，和/或在筒状结构展开的平面上，所述第二开口呈倒梯形。
9.根据权利要求1所述的加热器，其特征在于，在平行于所述筒状结构的轴线方向上，所述第一开口的深度与所述第二开口的深度相等。
10.一种单晶炉，其特征在于，包括：热场以及如权利要求1至9任一项所述的加热器；
所述热场环绕设置于所述加热器的外部；
所述热场包括底盘、保温筒和保温毡；
所述保温筒设置在所述底盘的上方；
所述保温毡为围设在所述保温筒的外部的环状结构，所述环状结构与筒状结构位置相对应。
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