一种单晶炉排气管道及单晶炉的制作方法

本实用新型涉及单晶硅生长领域，特别是涉及一种单晶炉排气管道及单晶炉。

背景技术：

为了制造单晶硅，常用的一种方法时是直拉法生长单晶硅，将固体的多晶硅盛放在单晶炉的石英坩埚内，用石墨加热器通过辐射将固体的多晶硅加热熔化成液体熔硅，然后采用直拉的方法，将熔硅生长成单晶硅棒。在单晶生长的过程中，需要通入氩气，利用氩气带走晶体生长时液体硅凝固成固体硅产生的结晶潜热，同时将产生的氧化硅等挥发物从单晶炉底的排气管道排出。当高温的氧化硅微粉通过排气管道时，因管道内外壁的温差较大，微粉急剧冷却沉积在排气管道的内壁上。大量的氧化硅微粉容易堆积聚集在一起，造成排气管道堵塞，影响排气效率，降低单晶硅的产品质量。

目前，为了保证排气效率，通常采取增大排气管道直径或增设多个排气管、改造排气管道内部结构、加大真空泵抽力、将排气管道中通入的气体换为氧气等措施。发明人在研究上述现有技术的过程中发现，上述现有技术方案存在如下缺点：直接改造排气管道的结构，其加工制造复杂，改造成本较高；加大真空泵抽力无疑会增加能耗，也导致制造成本增加；更换气体的手段对于工艺要求更为苛刻，一旦出现返气现象，气体回流至单晶炉内，会导致原料氧化，产品报废。

技术实现要素：

本实用新型提供一种单晶炉排气管道及单晶炉，旨在解决现有排气管道的结构复杂、成本高且无法兼顾单晶硅产品质量的问题。

本实用新型实施例提供了一种单晶炉排气管道，所述排气管道的内壁至少部分设置有隔热体，所述隔热体的导热系数小于所述排气管道的导热系数。

可选的，所述隔热体为隔热衬套或隔热涂层，所述隔热衬套与所述排气管道可拆卸地连接，所述隔热涂层设置在所述排气管道的内壁。

可选的，所述隔热衬套的材质为石英玻璃、石墨毡、碳毡中任意一种。

可选的，所述隔热衬套包括相连接的内衬与凸缘；

所述内衬与所述排气管道的内壁接触，所述凸缘处于所述排气管道的开口位置。

可选的，所述隔热涂层为氧化锆、陶瓷微珠中任意一种涂层。

可选的，所述隔热衬套的厚度至少为第一厚度，所述隔热衬套的长度至少为第一长度。

可选的，所述隔热涂层的厚度至少为第二厚度，所述隔热涂层的长度至少为第二长度。

可选的，所述排气管道包括同轴安装的内套管和外套管，所述内套管的外径小于所述外套管的内径，所述内套管的外壁和所述外套管的内壁之间具有间隙。

本实用新型实施例还提供了一种单晶炉，所述单晶炉包括前述任一种排气管道，所述排气管道贯穿所述单晶炉的底板。

可选的，所述隔热体从所述单晶炉的内腔延伸至外部，所述隔热体的长度至少大于所述单晶炉的底板的厚度。在本实用新型实施例中，排气管道的内壁具有导热系数小于排气管道的导热系数的隔热体，可以减小排气管道内外壁温差，防止氧化硅微粉急剧冷却积聚造成堵塞，延长温度降低的时间，让氧化硅微粉缓慢冷却，使氧化硅微粉随着氩气排出，增设隔热体的手段既能避免排气管道堵塞，提升排气效率，可以保证单晶硅产品质量，并且其改造成本较低。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对本实用新型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实用新型的一些实施例，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示出了本实用新型实施例中一种单晶炉排气管道的结构示意图；

图2示出了本实用新型实施例中一种隔热衬套的结构示意图；

图3示出了本实用新型实施例中一种单晶炉的结构示意图；

图4示出了本实用新型实施例中排气管道与单晶炉炉体连接的示意图；

图5示出了本实用新型实施例中图4的i位置的局部放大图。

附图编号说明：

10-排气管道，11-隔热体，101-内套管，102-外套管，103-间隙，111-内衬，112-凸缘，20-底板。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

实施例一

参照图1，示出了本实用新型提供的一种单晶炉排气管道，所述排气管道10为双层中空水冷的不锈钢管道；

所述排气管道10的内壁设置有隔热体11，所述隔热体11的导热系数小于所述排气管道10的导热系数。

具体而言，根据现有排气管道的结构进行分析，氧化硅微粉伴随着氩气排出沉积在管道表面，导致管道堵塞的原因是：不锈钢排气管道的导热系数λ为17.5w/(m·℃)，根据热传导速率(式中：q/s为单位面积的传热量，λ是传热材料的导热系数，是温度梯度，指向温度增加的方向，负号表示导热方向和温度梯度的方向相反)，导热系数λ与其单位面积传热量成正比。传热材料的导热系数越大，单位面积的传热量越多。传统的单晶炉排气管道结构，内壁无附着材料，符合单层圆筒壁传热结构，因此可以采用公式计算传统单晶炉排气管道的传热速率，公式中的各字母含义如下表1所示。

表1

根据以上公式和表1的数据可以计算得到传统的排气管道的传热速率q单＝61.2kw。

如图1所示，当排气管道10的内壁设置有导热系数小于排气管道10导热系数的隔热体11时，此时排气管道10符合多层圆筒壁传热结构。根据热传导速率可以推导出多层圆筒壁传热结构的传热速率公式中的各字母含义如下表2所示。

表2

由于λ1＜λ2，且隔热体11设置于排气管道10的内壁，所以r1＜r2，因此，可以比较得到，q多＜q单，那么，这样可有效减小排气管道10内外壁的温差，防止氧化硅微粉刚从单晶炉内排出急剧冷却积聚造成堵塞，有助于延长氧化硅微粉的冷却时间，减小沿排气管道径向的温度梯度，最后氧化硅微粉颗粒大部分会排出到过滤罐中。

本实用新型实施例中增设隔热体的手段既能避免排气管道堵塞，提升排气效率，可以保证单晶硅产品质量，并且其改造成本较低，可以提高拉晶的经济效益。

实施例二

参照图1，在前述实施例一的基础上，所述隔热体11为隔热衬套或隔热涂层，所述隔热衬套与所述排气管道10可拆卸地连接，所述隔热涂层设置在所述排气管道10的内壁。

具体而言，前述的隔热体11可以为嵌套固定在排气管道10的内壁上的隔热衬套，该隔热衬套可以为管状的套筒结构，比如石英玻璃套筒、石墨毡套筒、碳毡套筒等任意一种，实际应用中厂家可根据实际成本结合制造工艺出发灵活选择其中一种隔热衬套将其可拆卸地固定在排气管道10的内壁上，从而便于后期维护更换。

此外，隔热体11还可以为设置在排气管道10的内壁上的隔热涂层，该隔热涂层可在排气管道10制造完成后通过喷涂设备将氧化锆或陶瓷微珠等其他材料喷涂在排气管道10的内壁，相较于隔热衬套，此种方式更为便捷，无需装配工序，省时省力。

可选的，参照图2，所述隔热衬套包括相连接的内衬111与凸缘112；

所述内衬111与所述排气管道10的内壁接触，所述凸缘112处于所述排气管道10的开口位置。

具体而言，如图2所示，当采用隔热衬套作为隔热体11时，该隔热衬套可以包括相连接的内衬111与凸缘112，该内衬111与凸缘112可在制造时一体化成型，内衬111为与排气管道10的内壁接触的空心筒状结构，因此，内衬111的外径与排气管道10的孔径相同，凸缘112为设置112于内衬111的一端的圆盘状结构，凸缘112的外径大于内衬111的外径。当该隔热衬套与排气管道10装配后，凸缘112处于排气管道10的开口位置。从而，凸缘可以限制隔热衬套的移动，防止隔热衬套掉入进排气管道10内部。

可选的，所述隔热衬套的厚度至少为第一厚度，所述隔热衬套的长度至少为第一长度。

具体而言，当隔热体11采用隔热衬套时，为保证对于传热速率的减小效果，隔热衬套的厚度至少为第一厚度，该第一厚度可以为2mm，同时，又为了保证正常的散热性能，隔热衬套的厚度也不宜超过5mm，当厚度过大，热量散失不够畅通，容易损坏内部产品质量。隔热衬套的长度至少应能满足市场上的排气管道的最短长度，比如0.5m，最大长度可以达到排气管道的最大长度，比如1m，从而可以根据不同规格尺寸的排气管道选用匹配长度的隔热衬套。隔热衬套的长度与排气管道的长度至少相等，可以保证排气管道的长度方向的各处内壁传热速率的减小量基本一致，避免散热的不均匀。

以导热系数λ＝1.2w/(m·℃)的石英玻璃为例，可以在排气管道10的内壁设置3mm厚，0.5m长的石英玻璃材质的隔热衬套，可以计算这种排气管道10的传热速率q多＝16.63kw，改进后的传热速率减小了约72.84％。可见，该数值显著小于未设置石英玻璃材质的隔热衬套的排气管道10的传热速率。

可选的，所述隔热涂层的厚度至少为第二厚度，所述隔热涂层的长度至少为第二长度。

具体而言，当隔热体11采用隔热涂层时，为保证对于传热速率的减小效果，隔热涂层的厚度至少为第二厚度，该第二厚度可以为1mm，同时，又为了保证正常的散热性能，隔热涂层的厚度也不宜超过3mm，当厚度过大，热量散失不够畅通，容易损坏内部产品质量。由于喷涂材料本身具有优异的隔热性能，因此，隔热涂层的最大厚度和最小厚度均可以适当小于隔热衬套对应的最大厚度和最小厚度。隔热涂层的长度至少应能满足市场上的排气管道的最短长度，比如0.5m，最大长度可以达到排气管道的最大长度，比如1m，从而可以根据不同规格尺寸的排气管道选用匹配长度的隔热涂层。隔热涂层的长度与排气管道的长度至少相等，可以保证排气管道的长度方向的各处内壁传热速率的减小量基本一致，避免散热的不均匀。

以导热系数λ＝2.0w/(m·℃)的氧化锆为例，可以在排气管道10的内壁设置3mm厚，0.5m长的氧化锆涂层，可以计算这种排气管道10的传热速率q多＝23.5kw，改进后的传热速率减小了约61.7％。可见，该数值显著小于未设置氧化锆涂层的排气管道的传热速率。

可选的，参照图1，所述排气管道10包括同轴安装的内套管101和外套管102，所述内套管101的外径小于所述外套管102的内径，所述内套管101的外壁和所述外套管102的内壁之间具有间隙103。

具体而言，如图1所示，前述的排气管道10可以包括内套管101和外套管102，内套管101的外径小于外套管102的内径，内套管101套设在外套管102中，两者同轴安装，内套管101的外壁和外套管102的内壁之间具有间隙103，该间隙103填充有冷却的液体，比如，冷却水。当高温的氩气流经内套管101中时，间隙103中流动的冷却水可以将氩气的热量传递至外套管102，散发到空气中。基于目前现有的单晶硅产品生产需求，内套管101和外套管102的壁厚通常为4mm，既能满足排气散热需求，同时又能兼顾经济性。

本实用新型实施例中为隔热体11能避免排气管道10堵塞，提升排气效率，可以保证单晶硅产品质量，并且其改造成本较低，可以提高拉晶的经济效益。并且提供了隔热衬套或隔热涂层两种不同的结构形式，单晶硅制造商可根据自身实际需求灵活选择使用不同的结构，丰富了选择余地。

实施例三

参照图3，本实用新型实施例还提供了一种单晶炉，所述单晶炉包括前述任一种排气管道10，所述排气管道10贯穿所述单晶炉的底板20。图4和图5给出了排气管道10与单晶炉的炉体的连接示意图。

可选的，参照图4，所述隔热体11从所述单晶炉的内腔延伸至外部，所述隔热体11的长度s至少大于所述单晶炉的底板20的厚度t。

具体而言，如图4所示，当把前述带有隔热体11的排气管道10应用于单晶炉上时，作为提升单晶炉工作性能的一种方案，由于排气管道10通常连接在单晶炉的底板20的位置，将单晶炉的内外贯通，因此，隔热体11在排气管道10内壁上从单晶炉的内腔延伸至外部，隔热体11的长度s至少大于单晶炉的底板20的厚度t，从而，使得穿过单晶炉内外的微粉缓慢冷却，避免骤冷积聚导致堵塞。

本实用新型实施例中通过对传统单晶炉的排气管道进行改造，使用前述带有隔热体的排气管道，可以改善单晶炉的工作性能，提升排气效率，可以保证单晶硅产品质量，并且其改造成本较低，可以提高拉晶的经济效益。

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。

上面结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型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实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。