一种提升晶体炉换热效率的冷却屏以及晶体炉的制作方法

1.本实用新型涉及晶体炉领域，具体涉及了一种提升晶体炉换热效率的冷却屏，本实用新型还涉及了采用该冷却屏的晶体炉。


背景技术：

2.在晶体炉领域中，单晶炉是用于将多晶硅进行加热熔化，通过直拉法生长出单晶棒的关键装置。在单晶炉工作时，在单晶棒向上移动时需要对其进行冷却，使得单晶晶棒快速完成冷却固化成型，进而提高了单晶棒的生长效率。
3.具体来说冷却屏作为单晶炉的冷却装置，其结构通常包括靠近生长单晶棒的内筒体，位于内筒体外周的外筒体，通过在内筒体与外筒体之间设置水冷通道(分别连接进水管和出水管)，通过水冷通道实现对生长单晶棒的冷却效果。然而，由于现有的冷却屏普遍存在热辐射吸收有限，导热冷却效果较差，从而影响了单晶棒的生长效率。
4.因此，本技术人希望寻求技术方案来解决以上技术问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种提升晶体炉换热效率的冷却屏以及晶体炉，增加了内导热筒体的热辐射吸收量，最终提高了晶棒的生长效率。
6.本实用新型采用的技术方案如下：
7.一种提升晶体炉换热效率的冷却屏，包括安装为一体的内导热筒体、外导热筒体，所述内导热筒体与外导热筒体之间设有冷却通道，所述内导热筒体的内周面设有若干凹状结构，同时所述内导热筒体的内周面设有至少覆盖凹状结构表面的减反射层，通过减反射层提高所述凹状结构所接收的热辐射率，用于增加所述内导热筒体的热辐射吸收量。
8.优选地，所述内导热筒体采用金属材质，所述减反射层采用通过在所述内导热筒体的内周面进行qpq工艺处理后得到的发黑复合渗层。当然地，如果有合适的耐高温减反射材料，本技术也可以采用减反射材料，通过在所述内导热筒体的内周面上通过化学或物理方式成型得到减反射涂层。
9.优选地，所述凹状结构的深度不低于内导热筒体厚度的三分之一。
10.优选地，所述内导热筒体的厚度范围为10-80mm；所述减反射层的厚度为0.01-0.5mm。
11.优选地，所述凹状结构的截面包括位于底部的第一凹口，以及位于顶部的第二凹口，所述第一凹口的口径小于所述第二凹口的口径；和/或，所述凹状结构的截面呈锥型形状或v型形状。
12.优选地，所述凹状结构包括在内导热筒体内周面横向上或纵向上呈连续分布的凹槽，和/或呈间断分布的凹孔。
13.优选地，非凹状结构处的内导热筒体内周面呈平面状或锥面凸起状。
14.优选地，非凹状结构处的内导热筒体内周面设有若干金字塔结构，其中，所述金字
塔结构包括至少2个呈上下分布的锥面层，位于上方的锥面层面积小于下方的锥面层面积，且各锥面层之间通过沟槽连接。
15.优选地，所述冷却通道包括分别连接进液管和出液管的螺旋状冷却液管道，所述螺旋状冷却液管道采用不锈钢管或铜管或翅片铜管或加工冷却液通道。
16.优选地，一种晶体炉，包括晶体炉体、晶体坩埚以及冷却屏，所述冷却屏采用如上所述的冷却屏。
17.需要说明的是，本技术全文涉及的内导热筒体、外导热筒体通常采用具有良好导热性能的不锈钢材质制成，冷却通道通常采用注入高压水实现冷却效果，本技术不具体涉及对内导热筒体、外导热筒体材质以及冷却介质的创新，本领域技术人员可以结合公知常识选择来实施本技术，本技术对其不做任何限定。
18.还需要说明的是，本技术涉及的qpq工艺为公知工艺，其中，qpq为quench polish quench的缩写形式，其工作过程主要包括：通过多种元素渗入金属表面形成复合渗层，本技术的技术方案不涉及为qpq工艺本身的创新，因此不具体展开说明。
19.本技术人惊喜地发现，直接在内导热筒体的内周面设置凹状结构，然后在内导热筒体的内周面设置至少覆盖凹状结构表面的减反射层，在实际工作时，减反射层本身可以使得内导热筒体的内周面具有接收表面比热辐射率，而且当热辐射线进入凹状结构时，该凹状结构可以使得热辐射线在凹状结构内被进一步吸收，可有效避免热辐射线被反射返回生长单晶棒的方向，实质提高了凹状结构所接收的热辐射率，进而增加了内导热筒体的热辐射吸收量，最终提高了晶棒的生长效率。
附图说明
20.图1是本实用新型实施例1中冷却屏的结构示意图(为了显示冷却通道，隐藏了部分外导热筒体结构)；
21.图2是图1的正面结构示意图；
22.图3是图1的局部结构放大图；
23.图4是本实用新型实施例1中位于内导热筒体内周面上的v型凹槽结构示意图；
24.图5是本实用新型实施例2中位于内导热筒体内周面上的v型凹槽结构示意图；
25.图6是本实用新型实施例3中位于内导热筒体内周面上的金字塔结构扫描电镜图片；
26.图7是本实用新型实施例4中位于内导热筒体内周面上的锥形凹孔实物照片。
具体实施方式
27.本实用新型实施例公开了一种提升晶体炉换热效率的冷却屏，包括安装为一体的内导热筒体、外导热筒体，内导热筒体与外导热筒体之间设有冷却通道，内导热筒体的内周面设有若干凹状结构，同时内导热筒体的内周面设有至少覆盖凹状结构表面的减反射层，通过减反射层提高凹状结构所接收的热辐射率，用于增加内导热筒体的热辐射吸收量。
28.为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型中的技术方案，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，所描述的实施例仅仅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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。
29.实施例1：请分别参见图1、图2和图3所示，一种提升晶体炉换热效率的冷却屏1，包括安装为一体的内导热筒体10、外导热筒体20，内导热筒体10与外导热筒体20之间设有冷却通道30，内导热筒体10的内周面设有若干凹状结构11，同时内导热筒体10的内周面设有减反射层12(覆盖凹状结构处以及非凹状结构处)，通过减反射层12提高凹状结构11所接收的热辐射率，用于增加内导热筒体10的热辐射吸收量。
30.优选地，在本实施方式中，内导热筒体10、外导热筒体20均采用公知的金属材质，通常为不锈钢材质，减反射层12采用通过在内导热筒体10的内周面进行qpq工艺处理后得到的发黑复合渗层，其中，在本实施方式中，发黑复合渗层的厚度可以通过用金相法或显微硬度法测试得到。
31.优选地，为了进一步增加内导热筒体10的热辐射吸收量，在本实施方式中，凹状结构11的深度不低于内导热筒体10厚度的三分之一；更优选地，凹状结构11的深度大于内导热筒体10厚度的二分之一，且小于内导热筒体10厚度的六分之五。
32.优选地，在本实施方式中，内导热筒体10的厚度范围为10-80mm，更优选为20-50mm；减反射层12的厚度为0.01-0.5mm，更优选为0.05-0.3mm。
33.优选地，为了进一步利于减反射层12在凹状结构11的热辐射反射，增加内导热筒体10的热辐射吸收量，在本实施方式中，凹状结构11的截面包括位于底部的第一凹口，以及位于顶部的第二凹口，第一凹口的口径(当采用v型形状时，第一凹口的口径为0)小于第二凹口的口径；具体优选地，在本实施方式中，凹状结构11的截面可以设置呈锥型形状，当然也可以设置呈v型形状。
34.具体优选地，请进一步参见图4所示，在本实施方式中，凹状结构11包括在内导热筒体10内周面横向上呈连续分布的45
°
角v型凹槽(本领域技术人员可以依据公知常识结合实际所应用的内导热筒体10来选择v型凹槽的具体尺寸规格，本实施例对其不做特别限定)，非凹状结构处的内导热筒体10内周面呈平面状；当然地，在其他实施方式中，也可以选择在纵向上呈连续分布的凹槽或呈间断分布的凹孔，非凹状结构处的内导热筒体10内周面也可以采用其他合适的形状，用于进一步增加内导热筒体内周面10用于接收热辐射的有效面积。
35.本实施例提出的v型凹槽(可参见附图标记11)以及发黑复合渗层(可参见附图标记12)结构，经实际检测验证：发黑复合渗层使得内导热筒体10的内周面接收表面比热辐射率达到0.9，当热辐射线进入v型凹槽内时，在v型凹槽内被反射多次，以在v型凹槽内被反射3次为例：在v型凹槽内所接收到的辐射系数至少达到：1-(1-0.9)3＝0.999，明显提高了v型凹槽所接收的热辐射率，进而增加了本实施例内导热筒体10的热辐射吸收量。
36.优选地，在本实施方式中，冷却通道30包括分别连接进液管31和出液管32的螺旋状冷却液管道33，螺旋状冷却液管道33采用不锈钢管或铜管或翅片铜管，通过向进液管高压注入冷却液体(作为冷却介质)，进而实现冷却效果；在其他实施方式中，螺旋状冷却液管道33还可以是直接通过加工方式设置在内导热筒体10外周的冷却液通道。
37.由于考虑到如下表1所示的以下材质的比热容和导热系数表现：
38.表1不同材质的比热容和导热系数
[0039][0040]
因此，通过以上参数对比，本技术实施例优选选择：水作为冷却液介质，铜管作为螺旋状冷却液管道33，在安装时，可固定缠绕安装在内导热筒体10的外周面；进一步优选地，为了提高导热效果，在本实施方式中，螺旋状冷却液管道33采用翅片铜管，可以进一步增加有效导热面积，更进一步优选地，螺旋状冷却液管道33采用双层叠绕翅片铜管。
[0041]
优选地，本实施例还提出了一种晶体炉(图未示出，可结合应用任何公知的晶体炉结构，本实施例对其不做特别限定)，包括晶体炉体、晶体坩埚以及冷却屏，冷却屏采用如本实施例以上所述的冷却屏1，可以有效提高晶棒的生长效率。
[0042]
实施例2：本实施例2的其余技术方案同实施例1，区别在于，请进一步结合参见图5所示，在本实施例2中，凹状结构包括在内导热筒体10内周面纵向上呈连续分布的45
°
角v型凹槽11’；在其他实施方式中，也可以选择将v型凹槽在内导热筒体10内周面上呈交叉状分布。
[0043]
实施例3：本实施例3的其余技术方案同实施例1，区别在于，请进一步结合参见图6所示，在本实施例3中，非凹状结构处的内导热筒体10内周面呈锥面凸起状；具体优选地，在本实施方式中，非凹状结构处的内导热筒体10内周面设有若干金字塔结构40，其中，金字塔结构40包括5个呈上下分布的锥面层，位于上方的锥面层面积小于下方的锥面层面积，且各锥面层之间通过沟槽41连接；经过计算，本实施例中的金字塔立体表面积约为金字塔底部平面面积的5倍，明显降低了热辐射表面负荷，进一步增加了内导热筒体10内周面的有效接收热辐射面积。
[0044]
实施例4：本实施例4的其余技术方案同实施例1，区别在于，请进一步结合参见图7所示，在本实施例4中，凹状结构包括在内导热筒体内周面间断分布的凹孔，具体优选地，在本实施方式中，凹孔采用60
°
锥形孔50，其中，锥形孔50的孔深为内导热筒体10厚度的十分之七。
[0045]
对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0046]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。