一种应用于单晶炉的磁环换热器的制作方法

1.本实用新型涉及单晶炉辅助设备的技术领域，具体是一种应用于单晶炉的磁环换热器。


背景技术：

2.近年来，光伏发电作为绿色能源以及人类可持续发展的主要能源的一种，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，有着广泛的市场需求。单晶硅片通常由单晶硅棒进行切片处理得到，单晶硅棒则可以由硅液生长拉制而成。
3.直拉法，也叫切克劳斯基(czochralski)法(简称cz法)，是制造单晶硅的重要方法。在直拉法生长硅单晶时，为了提高晶体生长速度，通常会在炉体内设置单晶炉辅助设备，如换热器，以通过换热器将单晶硅棒结晶时释放的热量快速的带出炉外。然而，换热器在带走热量的同时，也会降低固液界面处的温度，加剧硅液内部的温差，由于温度梯度、重力、坩埚和晶棒转动等，坩埚内硅熔体存在着复杂的对流，将硅液内的含氧化合物带到固液界面并进入单晶硅棒，这些不稳定的热对流会严重影响硅单晶的完整性、均匀性和氧含量等指标，使得单晶硅棒中氧含量分布不均匀甚至出现缺陷，降低产品良率。现有的技术中，为了抑制硅液内部的溶体对流，通常在单晶硅棒拉制装置中引入了磁控装置。
4.如中国专利文献cn201485534u公开的一种太阳能单晶硅制备用磁场装置，该磁场发生设备安装于炉体外，使得其远离坩埚中的硅溶液，同时磁场发生设备结构较为庞大，需要占用一定的体积。
5.因此，需要研发一款不占用空间且磁力线范围能够覆盖坩埚中硅溶液的单晶硅辅助装置，以提高单晶炉的使用体验。


技术实现要素：

6.针对上述提到现有的单晶硅辅助装置占用空间，其磁力线范围远离坩埚中硅溶液的技术问题，本实用新型解决其技术问题采用的技术方案是：
7.一种应用于单晶炉的磁环换热器，包括分别位于硅液面上侧的内壳和外壳，所述内壳和所述外壳之间设有换热空间，所述内壳上设有分别与所述换热空间连通的冷却液入口和冷却液出口，所述换热空间设有环形结构的磁性装置，所述外壳的底部设有向周侧延伸的凸起部，所述磁性装置位于所述换热空间的底部且靠近硅液面，所述磁性装置为铁磁件。
8.根据本实用新型的一些实施例，所述磁性装置为一体成型结构。
9.根据本实用新型的一些实施例，所述换热空间设有容纳所述磁性装置的容置腔，所述容置腔位于所述凸起部的内壁与所述内壳的外壁之间。
10.根据本实用新型的一些实施例，所述内壳由上向下设有内倾斜段和内恒定段，所述外壳由上向下设有第一外恒定段、外倾斜段和第二外恒定段，所述凸起部位于所述第二
外恒定段的下侧，所述凸起部的外径大于所述第二外恒定段的外径，所述磁性装置位于所述凸起部的外壁与所述内恒定段之间。
11.根据本实用新型的一些实施例，所述磁性装置的环宽大于所述内恒定段和所述第二外恒定段之间的距离。
12.根据本实用新型的一些实施例，所述内倾斜段包括第一内倾斜段和第二内倾斜段，所述第一内倾斜段的斜率大于所述第二内倾斜段的斜率。
13.根据本实用新型的一些实施例，所述内恒定段的竖直距离大于所述第二外恒定段的竖直距离，所述第一内倾斜段与所述外倾斜段的斜率相等。
14.根据本实用新型的一些实施例，所述磁性装置的环宽与所述凸起部的宽度接近。
15.根据本实用新型的一些实施例，所述内壳底部与所述外壳底部之间设有用于封闭其二者的下法兰，所述磁性装置的底部与所述下法兰的上侧之间形成冷却空隙。
16.根据本实用新型的一些实施例，所述冷却液入口为多拐角的细长管道，所述冷却液入口的末端与所述换热空间连接，所述冷却液入口的首端沿所述内壳轴向向上延伸，所述冷却液出口为多拐角的细长管道，所述冷却液出口的末端与所述换热空间连接，所述冷却液出口的首端沿所述内壳轴向向上延伸。
17.本实用新型的有益效果如下：
18.本实用新型将磁性装置设置在换热空间内不占用空间，环形结构的磁性装置位于换热空间的底部且靠近硅液面，向周侧延伸的凸起部增加了外壳的底部面积，磁性装置的磁力线范围随着外壳底部面积增加而增大，其磁力线范围能够覆盖坩埚中硅溶液，同时利用冷却液对换热空间进行循环冷却，避免硅溶液的高温导致磁性装置消磁或者损坏，从而提高磁性装置的使用寿命。
附图说明
19.图1为本实用新型的一种应用于单晶炉的磁环换热器的示意图。
20.图2为本实用新型的一种应用于单晶炉的磁环换热器的磁场示意图。
具体实施方式
21.下面结合附图对本实用新型的实施方式作详细说明。
22.如图1和图2所示的一种应用于单晶炉的磁环换热器，包括分别位于硅液面上侧的内壳1和外壳2，所述内壳1和所述外壳2之间设有换热空间3，所述内壳1上设有分别与所述换热空间3连通的冷却液入口4和冷却液出口5，所述换热空间3设有环形结构的磁性装置6，所述外壳2的底部设有向周侧延伸的凸起部20，所述磁性装置6位于所述换热空间3的底部且靠近硅液面，所述磁性装置6为铁磁件，所述磁性装置6为一体成型结构。可选地，铁磁件可以包括但不局限于钐钴磁铁、钕铁硼磁铁以及氧化铁磁铁中的任意一种。环形的铁磁件，整体式结构简单且成本低，适合安装在换热空间内。本实用新型将磁性装置设置在换热空间内不占用空间，环形结构的磁性装置位于换热空间的底部且靠近硅液面，向周侧延伸的凸起部增加了外壳的底部面积，磁性装置的磁力线范围随着外壳底部面积增加而增大，其磁力线范围能够覆盖坩埚中硅溶液，同时利用冷却液对换热空间进行循环冷却，避免硅溶液的高温导致磁性装置消磁或者损坏，从而提高磁性装置的使用寿命。
23.多晶硅材料被加热熔化形成熔体后，由于熔体本身会导电，此时导电的熔体在磁性装置施加的磁场中运动，熔体中的电流微元会切割磁力线，从而磁性装置施加的磁场对其施加安培力，该力的方向与电流微元的运动方向相反，因此可以阻滞流体的热对流，减少流体对坩埚内壁的冲刷，从而降低硅液中的杂质含量，有效提高晶体整体品质均衡性。
24.可选地，在一些实施例中，铁磁件可以包括第一磁极和第二磁极，第一磁极和所述第二磁极的极性相反，第一磁极可以设置在铁磁件的顶部，第二磁极可以设置在铁磁件的底部，或者，第一磁极设置在铁磁件的外侧，第二磁极设置在铁磁件的内侧，具体地，第一磁极可以为n极和s极中的其中之一，第二磁极可以为n极和s极中的其中另一。
25.可选地，为了磁性装置的磁力线范围能够更好地覆盖坩埚中的硅溶液，磁性装置的轴向与硅溶液液面平行。
26.如图1和图2所示的一种应用于单晶炉的磁环换热器，所述换热空间3设有容纳所述磁性装置6的容置腔31，所述容置腔31位于所述凸起部20的内壁与所述内壳1的外壁之间。可选地，在一些实施例中，凸起部使得外壳底部与内壳底部之间的容置腔容积更大，能够容纳底部面积乃至整体体积更大的磁性装置，容置腔靠近硅液面，磁性装置的磁力线范围能够更好地覆盖坩埚中的硅溶液。
27.如图1和图2所示的一种应用于单晶炉的磁环换热器，所述内壳1由上向下设有内倾斜段11和内恒定段12，所述外壳2由上向下设有第一外恒定段21、外倾斜段22和第二外恒定段23，所述凸起部20位于所述第二外恒定段23的下侧，所述凸起部20的外径大于所述第二外恒定段23的外径，所述磁性装置6位于所述凸起部20的外壁与所述内恒定段12之间。进一步，作为本实用新型的优选实施方式而非限定，内倾斜段由上向下朝内壳中心轴线方向倾斜，外倾斜段由上向下朝外壳中心轴线方向倾斜，通过设置内倾斜段和内恒定段、以及第一外恒定段、外倾斜段和第二外恒定段，使得换热空间由上至下逐渐增大，通过冷却液的循环冷却，使得单晶硅棒提拉时加强了晶体的散热，提高了晶体生长前沿的温度梯度，有利于调平单晶生长界面，进而消除晶体扭曲变形现象，提升单晶硅的品质，可选地，在一些实施例中，凸起部的内壁为竖直结构，容置腔截面为规整的矩形结构，能够更好地容置形状规整的磁性装置。
28.如图1和图2所示的一种应用于单晶炉的磁环换热器，所述磁性装置6的环宽大于所述内恒定段12和所述第二外恒定段23之间的距离，所述磁性装置6的环宽与所述凸起部20的宽度接近。可选地，容置腔的宽度大于内恒定段和第二外恒定段之间的距离，凸起部向外侧延伸，因此凸起部的外径大于第二外恒定段的距离，当磁性装置的环宽与凸起部的宽度接近时，磁性装置的环宽大于内恒定段和第二外恒定段之间的距离，内恒定段和第二外恒定段之间形成的换热空间限制磁性装置移动，以使得磁性装置能够固定在容置腔内且不能向上移动。
29.如图1和图2所示的一种应用于单晶炉的磁环换热器，所述内倾斜段11包括第一内倾斜段111和第二内倾斜段112，所述第一内倾斜段111的斜率大于所述第二内倾斜段112的斜率，所述内恒定段12的竖直距离大于所述第二外恒定段23的竖直距离，所述第一内倾斜段111与所述外倾斜段22的斜率相等。可选地，第一内倾斜段由上向下朝内壳中心轴线方向倾斜，第二内倾斜段由上向下朝内壳中心轴线方向倾斜，相对于第一内倾斜段直接与内恒定段连接的设置，通过增加第二内倾斜段，能够增大了换热空间的体积，进一步提高了温度
梯度。
30.如图1和图2所示的一种应用于单晶炉的磁环换热器，所述内壳1底部与所述外壳2底部之间设有用于封闭其二者的下法兰7，所述磁性装置6的底部与所述下法兰7的上侧之间形成冷却空隙8。磁性装置可以通过焊接、卡接等方式连接在换热空间内，具体地，磁性装置连接在内壳的靠近硅溶液一侧的外壁上。
31.可选地，磁性装置的外周侧与凸起部的内壁之间形成冷却空隙，冷却空隙使得冷却液能够对磁性装置的外壁，上侧以及底部进行冷却，避免硅溶液的高温导致磁性装置消磁或者损坏，从而提高磁性装置的使用寿命。
32.如图1和图2所示的一种应用于单晶炉的磁环换热器，所述冷却液入口4为多拐角的细长管道，所述冷却液入口4的末端与所述换热空间3连接，所述冷却液入口4的首端沿所述内壳1轴向向上延伸，所述冷却液出口5为多拐角的细长管道，所述冷却液出口5的末端与所述换热空间3连接，所述冷却液出口5的首端沿所述内壳1轴向向上延伸。具体地，冷却液可选用水作为介质，具有容易更换和成本低的优点，水从冷却液入口的末端进入换热空间，充盈整个换热空间的水能够带走硅晶棒结晶潜热并通过冷却液出口向外流出，通过循环冷却，保证了晶体生长前沿的温度梯度，有利于调平单晶生长界面，进而消除晶体扭曲变形现象，提升单晶硅的品质。为了提高磁性装置的寿命，可以在磁性装置的表面增设密封件，该密封件不限于防水涂层、硅胶、有机硅灌封胶等。
33.如图1至图2所示，本实施例的实施方式如下：
34.磁性装置6为铁磁件，磁性装置6为一体成型结构位于凸起部20的内壁与第二外恒定段23之间，磁性装置6包括第一磁极和第二磁极，第一磁极设置在磁性装置6的顶部，第二磁极设置在磁性装置6的底部，第一磁极和所述第二磁极的极性相反，磁性装置6的环宽与凸起部20的宽度接近，磁性装置6的环宽大于内恒定段12和第二外恒定段23之间的距离，容置腔31的宽度大于内恒定段12和第二外恒定段23之间的距离，磁性装置6的底部与下法兰7的上侧之间形成冷却空隙8，磁性装置6的外周侧与凸起部20的内壁之间形成冷却空隙8。
35.内恒定段12的竖直距离大于第二外恒定段23的竖直距离，第一内倾斜段111与所述外倾斜段22的斜率相等，凸起部20位于第二外恒定段23的下侧，外倾斜段22由上向下朝外壳2中心轴线方向倾斜，第一内倾斜段111由上向下朝内壳1中心轴线方向倾斜，第二内倾斜段112由上向下朝内壳1中心轴线方向倾斜，第一内倾斜段111的斜率大于所述第二内倾斜段112的斜率。通过增加第二内倾斜段112，能够增大了换热空间3的体积，进一步提高了纵向温度梯度。
36.多晶硅材料被加热熔化形成熔体后，由于熔体本身会导电，此时导电的熔体在磁性装置6施加的磁场中运动，熔体中的电流微元会切割磁力线，从而磁性装置6施加的磁场对其施加安培力，该力的方向与电流微元的运动方向相反，因此可以阻滞流体的热对流，减少流体对坩埚内壁的冲刷，从而降低硅液中的杂质含量，有效提高晶体整体品质均衡性。
37.水从冷却液入口4的末端进入换热空间3，充盈整个换热空间3的水能够带走硅晶棒结晶潜热并通过冷却液出口5向外流出，通过循环冷却，保证了晶体生长前沿的温度梯度，有利于调平单晶生长界面，进而消除晶体扭曲变形现象，提升单晶硅的品质。
38.上述仅以实施例来进一步说明本实用新型的技术内容，以便于读者更容易理解，但不代表本实用新型的实施方式仅限于此，任何依本实用新型所做的技术延伸或再创造，
均受本实用新型的保护。本实用新型的保护范围以权利要求书为准。

技术特征：
1.一种应用于单晶炉的磁环换热器，包括分别位于硅液面上侧的内壳(1)和外壳(2)，其特征在于：所述内壳(1)和所述外壳(2)之间设有换热空间(3)，所述内壳(1)上设有分别与所述换热空间(3)连通的冷却液入口(4)和冷却液出口(5)，所述换热空间(3)设有环形结构的磁性装置(6)，所述外壳(2)的底部设有向周侧延伸的凸起部(20)，所述磁性装置(6)位于所述换热空间(3)的底部且靠近硅液面，所述磁性装置(6)为铁磁件。2.根据权利要求1所述的一种应用于单晶炉的磁环换热器，其特征在于：所述磁性装置(6)为一体成型结构。3.根据权利要求1所述的一种应用于单晶炉的磁环换热器，其特征在于：所述换热空间(3)设有容纳所述磁性装置(6)的容置腔(31)，所述容置腔(31)位于所述凸起部(20)的内壁与所述内壳(1)的外壁之间。4.根据权利要求1所述的一种应用于单晶炉的磁环换热器，其特征在于：所述内壳(1)由上向下设有内倾斜段(11)和内恒定段(12)，所述外壳(2)由上向下设有第一外恒定段(21)、外倾斜段(22)和第二外恒定段(23)，所述凸起部(20)位于所述第二外恒定段(23)的下侧，所述凸起部(20)的外径大于所述第二外恒定段(23)的外径，所述磁性装置(6)位于所述凸起部(20)的外壁与所述内恒定段(12)之间。5.根据权利要求4所述的一种应用于单晶炉的磁环换热器，其特征在于：所述磁性装置(6)的环宽大于所述内恒定段(12)和所述第二外恒定段(23)之间的距离。6.根据权利要求4所述的一种应用于单晶炉的磁环换热器，其特征在于：所述内倾斜段(11)包括第一内倾斜段(111)和第二内倾斜段(112)，所述第一内倾斜段(111)的斜率大于所述第二内倾斜段(112)的斜率。7.根据权利要求6所述的一种应用于单晶炉的磁环换热器，其特征在于：所述内恒定段(12)的竖直距离大于所述第二外恒定段(23)的竖直距离，所述第一内倾斜段(111)与所述外倾斜段(22)的斜率相等。8.根据权利要求1所述的一种应用于单晶炉的磁环换热器，其特征在于：所述磁性装置(6)的环宽与所述凸起部(20)的宽度接近。9.根据权利要求1-8任意一项所述的一种应用于单晶炉的磁环换热器，其特征在于：所述内壳(1)底部与所述外壳(2)底部之间设有用于封闭其二者的下法兰(7)，所述磁性装置(6)的底部与所述下法兰(7)的上侧之间形成冷却空隙(8)。10.根据权利要求1-8任意一项所述的一种应用于单晶炉的磁环换热器，其特征在于：所述冷却液入口(4)为多拐角的细长管道，所述冷却液入口(4)的末端与所述换热空间(3)连接，所述冷却液入口(4)的首端沿所述内壳(1)轴向向上延伸，所述冷却液出口(5)为多拐角的细长管道，所述冷却液出口(5)的末端与所述换热空间(3)连接，所述冷却液出口(5)的首端沿所述内壳(1)轴向向上延伸。

技术总结
本实用新型涉及单晶炉辅助设备的技术领域，具体是一种应用于单晶炉的磁环换热器，包括分别位于硅液面上侧的内壳和外壳，内壳和外壳之间设有换热空间，内壳上设有分别与换热空间连通的冷却液入口和冷却液出口，换热空间设有环形结构的磁性装置，外壳的底部设有向周侧延伸的凸起部，磁性装置位于换热空间的底部且靠近硅液面，磁性装置为铁磁件。本实用新型将磁性装置设置在换热空间内不占用空间，环形结构的磁性装置位于换热空间的底部且靠近硅液面，磁性装置的磁力线范围随着外壳底部面积增加而增大，其磁力线范围能够覆盖坩埚中硅溶液，利用冷却液对换热空间进行循环冷却，避免硅溶液的高温导致磁性装置消磁或者损坏，提高磁性装置的使用寿命。磁性装置的使用寿命。磁性装置的使用寿命。


技术研发人员：林龙强 牛明华
受保护的技术使用者：中山市汇创精密科技有限公司
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/10/20