CN220099262U - 一种换热装置及单晶炉 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及太阳能光伏技术领域，特别涉及一种换热装置及单晶炉。换热装置包括筒体和扰流结构；筒体呈筒状结构；扰流结构呈环形结构且绕筒体的轴线设置，扰流结构设于筒体内，扰流结构的外圈端部与筒体的内壁表面连接。通过在筒体内设置扰流结构，扰流结构呈环形结构且绕筒体的轴线设置，扰流结构设于筒体内，该扰流结构的外圈端部与筒体的内壁表面连接，扰流结构的内圈端部向筒体的中部空腔内延伸，该扰流结构改变了筒体内气体的流动状态，使得气体的流动状态变为湍流，晶棒和筒体的内壁表面之间的对流换热和传导换热更为充分，有效提高换热装置的换热效率，增大晶棒的纵向温度梯度，从而提高晶棒的生长速率实现生产成本的降低。

Description

一种换热装置及单晶炉

技术领域

本实用新型涉及太阳能光伏技术领域，特别涉及一种换热装置及单晶炉。

背景技术

晶棒作为光伏发电的一种基础材料，有着广泛的市场需求，而直拉法拉制晶棒是目前常见的单晶制造方法，晶棒在拉制过程中由熔硅液面向上垂直生长，生长过程中晶棒通过换热装置等到达副室拉伸腔内。在直拉法拉制晶棒中，可以通过提高晶棒的生长速率来降低晶棒的生产成本。而想要获得晶棒较高的生长速率，就需要提高晶棒生长时的纵向温度梯度。

换热装置是将晶棒产生的热量带走的装置，提高换热装置的换热效率，可以提高晶棒生长时的纵向温度梯度。现有技术中，通过进一步减小换热装置和晶棒的间距来提高对流换热和传导换热效率。然而，晶棒在拉制过程中是软轴拉晶，由于设备固有误差或波动，往往会在实际拉制过程中导致晶棒晃动，因此需要给晶棒和换热装置之间预留一定空间，避免晶棒晃动剐蹭到换热装置出现安全事故。而且，因为拉晶工艺的需求，需要从炉外随时观察熔硅液面和晶棒的生长状况，因此晶棒和换热装置间需要预留一定距离以便于观察。因此，换热装置和晶棒的间距不能无限的缩小。

因此，现有技术中的换热装置具有换热效率有限的缺点。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型旨在提出一种换热装置及单晶炉，以解决现有的换热装置具有换热效率有限的缺点。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

第一方面，本实用新型实施例提供一种换热装置，换热装置包括筒体和扰流结构；所述筒体呈筒状结构；所述扰流结构呈环形结构且绕所述筒体的轴线设置，所述扰流结构设于所述筒体内，所述扰流结构的外圈端部与所述筒体的内壁表面连接。

可选的，所述扰流结构为呈环形结构的一体结构件。

可选的，所述扰流结构包括多个扰流部，多个所述扰流部间隔排列呈所述环形结构。

可选的，所述筒体的一端为用于气体流入的气体入口端，另一端为用于气体流出的气体出口端；所述扰流结构的内壁表面合围呈圆台体结构，所述扰流结构内径大的一端靠近所述气体入口端，所述扰流结构内径小的一端靠近所述气体出口端。

可选的，所述扰流结构的内壁表面合围呈圆柱状结构。

可选的，所述换热装置包括至少两个所述扰流结构；在所述筒体的轴线方向，至少两个所述扰流结构相间隔布置。

可选的，所述扰流结构的外径与所述扰流结构的内径的差值大于等于10mm。

可选的，最靠近所述筒体的气体出口端的所述扰流结构朝向所述气体出口端的端面到所述气体出口端的端面的距离小于等于20mm。

可选的，所述筒体设有第一冷却流道，所述扰流结构设有第二冷却流道，所述第一冷却流道和所述第二冷却流道连通。

第二方面，本实用新型实施例还提供一种单晶炉，包括炉体和上述的换热装置，所述换热装置设于所述炉体内。

本实用新型公开的一种换热装置，通过在筒体内设置扰流结构，扰流结构呈环形结构且绕筒体的轴线设置，扰流结构设于筒体内，该扰流结构的外圈端部与筒体的内壁表面连接，扰流结构的内圈端部向筒体的中部空腔内延伸，该扰流结构改变了筒体内气体的流动状态，使得气体的流动状态变为湍流，晶棒和筒体的内壁表面之间的对流换热和传导换热更为充分，有效提高换热装置的换热效率，增大晶棒的纵向温度梯度，从而提高晶棒的生长速率实现生产成本的降低。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本实用新型的具体实施方式。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本实用新型实施例所述的换热装置的使用状态的结构示意图；

图2为图1中A部分放大图的结构示意图；

图3为本实用新型实施例第一种所述的换热装置立体图的结构示意图；

图4为图3中所述的换热装置的过轴线剖视图的结构示意图；

图5为本实用新型实施例第二种所述的换热装置立体图的结构示意图；

图6为图5中所述的换热装置的过轴线剖视图的结构示意图；

图7为本实用新型实施例第三种所述的换热装置立体图的结构示意图；

图8为图7中所述的换热装置的过轴线剖视图的结构示意图；

图9为本实用新型实施例第四种所述的换热装置剖视图的结构示意图。

附图标记说明：

10-换热装置；11－筒体；111－第一筒体；112－第二筒体；113－第三筒体；12－扰流结构；121－第一扰流结构；122－第二扰流结构；123－扰流部；13－进水管；14－出水管；15－第一冷却流道；16－导流筒；17－炉体；18-坩埚；19-加热器；20-保温筒；21-晶棒。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本实用新型的示例性实施例。虽然附图中显示了本实用新型的示例性实施例，然而应当理解的是，还可以以各种形式实现本实用新型而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本实用新型，并且能够将本实用新型的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本实用新型实施例公开了一种换热装置10，参照图1，其示出了本申请实施例的换热装置10使用状态的结构示意图。换热装置10设置在单晶炉的炉体17内。

参照图3和图4所示，图3示出了本申请实施例第一种的换热装置10立体图的结构示意图，图4为图3中的换热装置10过轴线剖视图的结构示意图。该换热装置10包括筒体11和扰流结构12；筒体11呈筒状结构；扰流结构12呈环形结构且绕筒体11的轴线设置，扰流结构12设于筒体11内，扰流结构12的外圈端部与筒体11的内壁表面连接，扰流结构12的内圈端部向筒体11的中部空腔内延伸。

在直拉法制造晶棒21的过程中，晶棒21的部分位于筒体11的中部空腔内和扰流结构12的中部空腔内。

进一步的，换热装置10的筒体11内流经冷却液，冷却液能够吸收热量，可以快速地带走晶棒21中的热量和晶棒21生长界面处热量，使得晶棒21的纵向温度梯度增大；而且，换热装置10的筒体11内还流通气体，该气体可以增加热对流和热传导，从而进一步增大晶棒21的纵向温度梯度。晶棒21的纵向温度梯度增大可以提高晶棒21的生长速率，晶棒21的生长速率提高可有效提高晶棒21产能并降低生产成本。

本申请实施例公开的换热装置10中，通过在筒体11内设置扰流结构12，扰流结构12呈环形结构且绕筒体11的轴线设置，扰流结构12设于筒体11内，该扰流结构12的外圈端部与筒体11的内壁表面连接，扰流结构12的内圈端部向筒体11的中部空腔内延伸，该扰流结构12改变了筒体11内气体的流动状态，使得气体的流动状态变为湍流，晶棒21和筒体11的内壁表面之间的对流换热和传导换热更为充分，有效提高换热装置10的换热效率，增大晶棒21的纵向温度梯度，从而提高晶棒21的生长速率实现生产成本的降低。

可选的，在一实施例中，参照图4所示，扰流结构12为呈环形结构的一体结构件。

可选的，在另一实施例中，参照图9，其示出了本申请一实施例中筒体剖视图的结构示意图；扰流结构12包括多个扰流部123，多个扰流部123间隔排列呈环形结构。

可选的，在一实施例中，筒体11的一端为用于气体流入的气体入口端，另一端为用于气体流出的气体出口端；扰流结构12的内壁表面合围呈圆台体结构，扰流结构12内径大的一端靠近气体入口端，扰流结构12内径小的一端靠近气体出口端。气体从筒体11的气体入口端向气体出口端流动过程中，扰流结构12的设置可以改变筒体11内气体流动状态，气体在筒体11的气体入口端和扰流结构12之间的流动状态主要为层流，气体流经扰流结构12时，由之前的层流转变为湍流，气体的流动状态为湍流使晶棒21和筒体11的内壁表面之间的对流换热和传导换热更为充分，从而提高换热装置的换热效率，增大晶棒21的纵向温度梯度。

进一步的，筒体11的气体入口端为筒体11在使用时远离熔硅液面的一端，筒体11的气体出口端为筒体11在使用时靠近熔硅液面的另一端。气体从气体入口端进入到筒体11的中部空腔内，从气体出口端流出。

进一步的，过筒体11的轴线做剖面，参照图4所示，在扰流结构12的内壁表面合围呈圆台体结构的情况下，扰流结构12的内壁表面为斜面，该斜面面向气体入口端。

可选的，在一实施例中，参照图2所示，换热装置10包括两个扰流结构12，两个扰流结构12中位于上侧的扰流结构12的内壁表面合围呈圆台体结构。可以理解的是，所有扰流结构12均可以为内壁表面合围呈圆台体结构。

可选的，在另一实施例中，参照图9所示，扰流结构12的内壁表面合围呈圆柱状结构。气体流经该扰流结构12时，气体的流动状态也会由之前的层流转变为湍流，气体的流动状态为湍流使晶棒21和筒体11的内壁表面之间的对流换热和传导换热更为充分，从而提高换热装置的换热效率，增大晶棒21的纵向温度梯度。

可选的，在一实施例中，参照图2所示，换热装置10包括两个扰流结构12，两个扰流结构12中位于下侧的扰流结构12的内壁表面合围呈圆柱状结构。可以理解的是，所有扰流结构12均可以为内壁表面合围呈圆柱状结构。

可选的，换热装置包括至少两个扰流结构12；在筒体11的轴线方向，至少两个扰流结构12相间隔布置。

参照图4，其示出了换热装置包括两个扰流结构12；在筒体11的轴线

方向，两个扰流结构12相间隔布置。

参照图9，其示出了换热装置包括三个扰流结构12；在筒体11的轴线方向，三个扰流结构12相间隔布置。

进一步的，换热装置包括两个扰流结构12，且在筒体11的轴线方向，至少两个扰流结构12相间隔布置时，相邻两个扰流结构12围成了腔室，气体从气体入口端流入筒体11内到从气体出口端流出过程中，气体在相邻两个扰流结构12围成的腔室中的流动状态为湍流，气体的流动状态为湍流使晶棒21和筒体11的内壁表面之间的对流换热和传导换热更为充分，从而提高换热装置的换热效率，增大晶棒21的纵向温度梯度。

可选的，相邻的两个扰流结构12之间的距离大于等于10mm。也即相邻两个扰流结构12分别为第一扰流结构121和第二扰流结构122时，参照图2，其示出了本申请另一实施例中筒体剖视图的部分结构示意图，第一扰流结构121的下端到第二扰流结构122的上端之间的距离大于等于10mm。相邻的两个扰流结构12之间的距离在上述范围时，当气流经由上方往下流动时，气体流经扰流结构12过程中，气体在相邻两个扰流结构12围成的腔室中的流动状态为湍流，从而使晶棒21和筒体11的内壁表面之间的对流换热和传导换热更为充分。

具体的，相邻的两个扰流结构12之间的距离在使用时，根据实际使用需求设置。例如，相邻的两个扰流结构12之间的距离为10mm；相邻的两个扰流结构12之间的距离为12mm；相邻的两个扰流结构12之间的距离为14mm；相邻的两个扰流结构12之间的距离为15mm；相邻的两个扰流结构12之间的距离为17mm；相邻的两个扰流结构12之间的距离为19mm；相邻的两个扰流结构12之间的距离为20mm。

可选的，在一实施例中，参照图2所示，筒体11内设有第一扰流结构121和第二扰流结构122，第一扰流结构121的内壁表面合围呈圆台体结构，第二扰流结构122的内壁表面合围呈圆柱状结构。

可选的，在另一实施例中，参照图6，其也示出了本申请另一实施例中筒体剖视图的部分结构示意图，筒体11内的两个扰流结构12的内壁表面均

合围呈圆台体结构。

可选的，参照图6所示，在筒体(11)的轴线方向上，筒体11内的两个扰流结构12的高度不同。

可选的，筒体11内的至少两个扰流结构12的内壁表面均合围呈圆柱状结构。

可选的，扰流结构12的外径与扰流结构12的内径的差值大于等于10mm。扰流结构12的外径与扰流结构12的内径的差值在上述范围时，可有效的改变气体流动状态，使气体的流动状态转变为湍流，从而使得晶棒21和筒体11的内壁表面之间的对流换热和传导换热更为充分。

具体的，扰流结构12的外径与扰流结构12的内径的差值在使用时根据实际使用需求设置。例如，扰流结构12的外径与扰流结构12的内径的差值为10mm；扰流结构12的外径与扰流结构12的内径的差值为12mm；扰流结构12的外径与扰流结构12的内径的差值为15mm；扰流结构12的外径与扰流结构12的内径的差值为16mm；扰流结构12的外径与扰流结构12的内径的差值为18mm；扰流结构12的外径与扰流结构12的内径的差值为20mm；扰流结构12的外径与扰流结构12的内径的差值为25mm。

可选的，最靠近筒体11的气体出口端的扰流结构12朝向气体出口端的端面到气体出口端的端面的距离小于等于20mm。扰流结构12到筒体11的气体出口端的距离在上述范围时，可以避免筒体11的中部空腔内湍流气体对熔硅液面的扰动，避免因气体扰动产生波纹等导致的拉晶不稳定。

进一步的，参照图1所示，换热装置10在使用时为竖向设置，筒体11的气体入口端为筒体11的上端，筒体11的气体出口端为筒体11的下端。此时，位于最下侧的扰流结构12的下端面到筒体11的下端面的距离小于等于20mm。

进一步的，参照图4所示，最下面的扰流结构12的下端面到筒体11的气体出口端的端面的距离为0mm。

进一步的，参照图4所示，扰流结构12的靠近气体入口端的一端与筒体11的气体出口端连接，扰流结构12的远离气体入口端的另一端面向熔硅

液面。

具体的，扰流结构12到筒体11的气体出口端的距离在使用时根据实际使用需求设置。例如，扰流结构12到筒体11的气体出口端的距离为20mm；扰流结构12到筒体11的气体出口端的距离为18mm；扰流结构12到筒体11的气体出口端的距离为15mm；扰流结构12到筒体11的气体出口端的距离为12mm；扰流结构12到筒体11的气体出口端的距离为10mm；扰流结构12到筒体11的气体出口端的距离为5mm；扰流结构12到筒体11的气体出口端的距离为0mm。

可选的，硅棒在拉制过程中是软轴拉晶，由于设备固有误差或波动，硅棒在拉制过程中晶棒21会出现晃动，因此，扰流结构12的内径与晶棒21之间具有预设间距，该预设间距在保证对流换热和传导换热效率的情况下，避免晶棒21晃动剐蹭到换热装置10出现安全事故。扰流结构12的内径与晶棒21之间具有的预设间距例如为大于等于15mm。

可选的，在一实施例中，参照图4所示，筒体11设有第一冷却流道15，扰流结构12设有第二冷却流道，第一冷却流道15和第二冷却流道连通。第一冷却流道15和第二冷却流道的设置，可以增加冷却液的流通面积，进而时使得冷却液能够吸收更多的热量，使得晶棒21的纵向温度梯度增大。

可选的，参照图3所示，换热装置10还包括进水管13和出水管14，进水管13和出水管14均与筒体11连接。

进一步的，进水管13和出水管14选择适合的连接方式与筒体11连接，本申请实施例对此不作限定，例如，进水管13和出水管14均与筒体11焊接连接。

可选的，参照图3所示，筒体11内设有第一冷却流道15，第一冷却流道15与进水管13和出水管14连通。进水管13、第一冷却流道15和出水管14内用于流通冷却液。冷却液从进水管13内流入第一冷却流道15内，在第一冷却流道15内流动过程中吸收热量温度升高，温度升高后的冷却液从出水管14流出，冷却液流动过程中可以快速地带走生长界面处产生的结晶潜热，，使得晶棒21的纵向温度梯度增大。

进一步的，冷却液可以根据使用需求进行选择，本申请实施例对此不作限定。例如，冷却液为冷却水。

可选的，参照图3所示，进水管13和出水管14分别位于筒体11的两侧。

可选的，在第一种实施例中，参照图3和图4所示，沿筒体11的轴线方向，筒体11包括第一筒体111、第二筒体112和第三筒体113，第一筒体111、第二筒体112和第三筒体113依次连接。第一筒体111和第二筒体112的内壁表面合围呈圆台体结构，第三筒体113的内壁表面合围呈圆柱状结构，圆台体结构的内径大的一端用于背离熔硅液面，圆台体结构的内径小的一端与圆柱状结构的一端连接，圆柱状结构的另一端用于面向熔硅液面。筒体11内设有两个扰流结构12，两个扰流结构12分别位于圆柱状结构的两端。

进一步参照图3和图4所示，第一筒体111的内壁表面合围呈圆台体结构，第一筒体111的外壁表面呈圆柱体结构。第二筒体112呈锥斗状结构。第三筒体113呈圆柱筒状结构。第一筒体111中内径大的一端为筒体11的上端，第一筒体111中内径小的一端与第二筒体112的大端连接，第二筒体112的小端与第三筒体113的一端连接，第三筒体113的另一端为筒体11的下端，用于面向熔硅液面。

进一步参照图3和图4所示，进水管13和出水管14均与第一筒体111的内壁表面连接，进水管13和出水管14与第一筒体111的内壁表面连接面积大，具有连接强度高且更加的稳固牢靠的优点。

进一步参照图3和图4所示，第一筒体111的内壁表面合围呈圆台体结构时，第一筒体111的内壁表面为斜面，第一筒体111可以形成充足的视野通道，便于视野捕捉，长晶过程监控等。

可选的，在第二种实施例中，参照图5和图6所示，筒体11呈圆柱筒状结构。筒体11的上端与进水管13和出水管14连接，筒体11的下端面向熔硅液面。

可选的，在第三种实施例中，参照图7和图8所示，筒体11呈锥斗状结构。筒体11的大端与进水管13和出水管14连接，筒体11的小端面向熔

硅液面。

本申请实施例的换热装置10，参照图3和图4所示，包括筒体11和扰流结构12；筒体11呈筒状结构；扰流结构12设于筒体11内，扰流结构12的外圈端部与筒体11的内壁表面连接。换热装置10具有结构简单，加工难度小的优点。

本申请实施例的换热装置10，通过在筒体11内设置扰流结构12，该扰流结构12改变了筒体11内气体的流动状态，使得气体的流动状态变为湍流，气体的流动状态为湍流使晶棒21和筒体11的内壁表面之间的对流换热和传导换热更为充分，有效提高换热装置10的换热效率，增大晶棒21的纵向温度梯度，从而提高晶棒21的生长速率实现生产成本的降低。

本实用新型实施例还公开了一种单晶炉，参照图1，示出了本申请实施例的单晶炉的结构示意图，该单晶炉包括炉体17和上述的换热装置10，换热装置10设于炉体17内。由于换热装置10具有换热效率高的优点，使晶棒21的纵向温度梯度增大，可以提高晶棒21的生长速率，并通过提高晶棒21的生长速率实现提高晶棒21产能并降低生产成本。

可选的，参照图1所示，单晶炉还包括炉体17、坩埚18、加热器19、导流筒16和保温筒20。炉体17内设有筒体11、坩埚18、加热器19、导流筒16和保温筒20，换热装置10的进水管13的一端和出水管14的一端均穿出炉体17与外部冷却循环装置连接，进水管13的另一端和出水管14的另一端均与筒体11连接，筒体11的外侧套设有导流筒16。熔硅设置在坩埚18内，换热装置10设置在熔硅液面的上方。加热器19位于坩埚18的外侧，加热器19用于加热，使得坩埚18内的硅料处于熔硅状态。保温筒20设于导流筒16和加热器19的外侧，用于保持炉体17内的热场温度。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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、物品或者设备不仅包括那些要素，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、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于装置、电子设备、计算机可读存储介质及其包含指令的计算机程序产品的实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种换热装置，其特征在于，包括筒体(11)和扰流结构(12)；所述筒体(11)呈筒状结构；所述扰流结构(12)呈环形结构且绕所述筒体(11)的轴线设置，所述扰流结构(12)设于所述筒体(11)内，所述扰流结构(12)的外圈端部与所述筒体(11)的内壁表面连接。

2.根据权利要求1所述换热装置，其特征在于，所述扰流结构(12)为呈环形结构的一体结构件。

3.根据权利要求1所述换热装置，其特征在于，所述扰流结构(12)包括多个扰流部(123)，多个所述扰流部(123)间隔排列呈所述环形结构。

4.根据权利要求1所述换热装置，其特征在于，所述筒体(11)的一端为用于气体流入的气体入口端，另一端为用于气体流出的气体出口端；

所述扰流结构(12)的内壁表面合围呈圆台体结构，所述扰流结构(12)内径大的一端靠近所述气体入口端，所述扰流结构(12)内径小的一端靠近所述气体出口端。

5.根据权利要求1所述换热装置，其特征在于，所述扰流结构(12)的内壁表面合围呈圆柱状结构。

6.根据权利要求1所述换热装置，其特征在于，所述换热装置包括至少两个所述扰流结构(12)；在所述筒体(11)的轴线方向，至少两个所述扰流结构(12)相间隔布置。

7.根据权利要求1所述换热装置，其特征在于，所述扰流结构(12)的外径与所述扰流结构(12)的内径的差值大于等于10mm。

8.根据权利要求1所述换热装置，其特征在于，最靠近所述筒体(11)的气体出口端的所述扰流结构(12)朝向所述气体出口端的端面到所述气体出口端的端面的距离小于等于20mm。

9.根据权利要求1所述换热装置，其特征在于，所述筒体(11)设有第一冷却流道(15)，所述扰流结构(12)设有第二冷却流道，所述第一冷却流道(15)和所述第二冷却流道连通。

10.一种单晶炉，其特征在于，包括炉体(17)和权利要求1至9任一项所述的换热装置，所述换热装置设于所述炉体(17)内。