单晶炉热场装置及单晶炉
技术领域
本实用新型属于单晶炉技术领域，尤其涉及单晶炉热场装置及单晶炉。
背景技术
随着光伏行业平价上网时代的到来，国内晶硅行业竞争日益加剧，目前晶硅制造业主要朝着大热场、大装料、大尺寸方向发展，其中，直拉法生长单晶硅是目前生产单晶硅最广泛的应用技术。
直拉法生长单晶硅时，单晶炉为核心生产设备之一。通常，单晶炉包括加热器、坩埚和提拉头。通常，加热器设置在坩埚的外侧，用于对坩埚加热，而硅料则在坩埚内受热熔化形成硅熔体。提拉头将籽晶浸入硅熔体中，在籽晶下方生长并提拉单晶棒。
随着光伏产业的不断发展，在保证品质的前提下如何降低成本成为一个亟待解决的重要问题。直拉法生长单晶硅时，降低成本最直接的方式即为提高生产效率。而提高生产效率首选提高晶体生长的速度，以缩短提拉晶时间。
目前单晶炉提供的晶体生长速度较低，需要通过改造单晶炉及改进拉晶生产工艺来提高晶体生长速度。
实用新型内容
针对上述技术问题，本实用新型提出单晶炉热场装置及单晶炉，以解决现有技术中晶体生长速度较低的问题。
第一方面，本实用新型提供一种单晶炉热场装置，包括：
热屏，所述热屏在其中心形成有气流通道;
换热部件，所述换热部件设置在所述气流通道内，并围合地形成提拉通道;
所述热屏用于设置在坩埚的上方;
所述热屏具有底部，所述底部至少部分地阻挡在所述换热部件与所述坩埚内的硅熔体液面之间。
进一步地，所述的单晶炉热场装置，
所述底部在朝向所述硅熔体液面的一侧具有隔离面;
所述隔离面与所述硅熔体液面之间的距离为10-60mm。
进一步地，所述的单晶炉热场装置，还包括：
集热体;
所述集热体成组地设置于所述换热部件;
所述集热体位于所述换热部件朝向所述提拉通道的一侧。
进一步地，所述的单晶炉热场装置，
所述集热体包括凸起部;
所述凸起部自所述换热部件向所述提拉通道方向伸出。
进一步地，所述的单晶炉热场装置，
所述集热体与所述换热部件一体式加工而成;或
所述集热体焊接于所述换热部件;或
所述集热体螺纹连接于所述换热部件。
进一步地，所述的单晶炉热场装置，
所述换热部件包括自上而下连接的第一形状轮廓和第二形状轮廓;
所述第一形状轮廓为中空的截断圆锥形筒;
所述第二形状轮廓为中空的圆柱形筒;
所述第一形状轮廓自上而下地收口;
所述第一形状轮廓的下端的内径与第二形状轮廓的内径相等。
进一步地，所述的单晶炉热场装置，
所述热屏包括内壁;
所述内壁包括自上而下连接的第二内壁轮廓和第三内壁轮廓;
所述第二内壁轮廓为截断圆锥形;
所述第三内壁轮廓为圆柱形;
所述第二内壁轮廓自上而下地收口;
所述第二内壁轮廓的下端的内径与第三内壁轮廓的内径相等。
进一步地，所述的单晶炉热场装置，
所述内壁还包括连接在所述第二内壁轮廓上方的第一内壁轮廓;
所述第一内壁轮廓为圆柱形;
所述第二内壁轮廓的上端的内径与第一内壁轮廓的内径相等。
进一步地，所述的单晶炉热场装置，还包括：
冷却介质输入管路;
冷却介质输出管路;
所述换热部件内设置有用于冷却介质流通的流道;
流入所述换热部件的流道的冷却介质由所述冷却介质输入管路1041输送;
从所述换热部件的流道流出的冷却介质由所述冷却介质输出管路1042输送。
第二方面，本实用新型提供一种单晶炉，包括：
坩埚;
加热器，设置在所述坩埚的外侧，用于对所述坩埚加热;
在第一方面中说明的单晶炉热场装置，
所述单晶炉热场装置的热屏设置在所述坩埚的上方。
本实用新型提供的单晶炉热场装置和单晶炉，在热屏形成的气流通道内，设置换热部件，快速带走结晶释放的潜热，增加晶体纵向温度梯度，以提高晶体生长速度;热屏的底部至少部分地阻挡在所述换热部件与硅熔体液面之间，以隔离来自硅熔体液面的热量，从而使得换热部件可以吸收更多晶棒周围的热量，也即，通过增加热屏位于坩埚内的硅熔体液面上方的隔热面积，改善热屏的效能，增加晶体纵向温度梯度，提高晶体生长速度。
附图说明
下面结合附图对本实用新型作进一步说明：
图1为本实用新型实施例的单晶炉热场装置的结构示意图;
图2为本实用新型另一实施例的单晶炉热场装置的结构示意图;
图3为本实用新型实施例的单晶炉热场装置的集热体的横截面的示意图;
图4为本实用新型实施例的单晶炉热场装置的集热体的另一横截面示意图;其中，
1010：热屏;1020：换热部件;1010A：隔离面;1030：集热体;1011：第一表面;1012：第二表面;1041：冷却介质输入管路;1042：冷却介质输出管路;2：硅棒;2000：坩埚;2010：熔体液面。
具体实施方式
现在参考附图介绍本实用新型的示例性实施方式，然而，本实用新型可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本实用新型，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本实用新型的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本实用新型的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。
在直拉法生长单晶硅技术领域，晶体生长速度与拉晶速度具有相似或相同的含义;生长界面与结晶界面具有相似或相同的含义。
如图1所示，本实用新型实施例的单晶炉热场装置，包括：
热屏1010，所述热屏1010在其中心形成有气流通道;
换热部件1020，所述换热部件1020设置在所述气流通道内，并围合地形成提拉通道;
所述热屏1010用于设置在坩埚2000的上方;
所述热屏1010具有底部，所述底部至少部分地阻挡在所述换热部件1020与所述坩埚2000内的硅熔体液面2010之间。
该实施例的单晶炉热场装置，在热屏形成的气流通道内，设置换热部件，快速带走结晶释放的潜热，从而在提拉通道的热场内，增加晶体纵向温度梯度，以提高晶体生长速度。
该实施例的单晶炉热场装置中，热屏内部设置有保温毡，用于隔离来自热屏外围的热量(如，硅熔体液面、单晶炉外的热场等)。热屏的底部至少部分地阻挡在所述换热部件与硅熔体液面之间时，热屏的底部可以隔离来自硅熔体液面的热量，从而使得换热部件可以吸收更多晶棒周围的热量，也即，通过增加热屏位于坩埚内的硅熔体液面上方的隔热面积，改善热屏的效能，增加晶体纵向温度梯度，并提高拉晶速度。
另一方面，热屏用于引导保护气体(如氩气)形成的气流。
与现有技术中只具有直立的侧壁的热屏相比，该实施例的单晶炉热场装置中，热屏的底部至少部分地阻挡在所述换热部件与硅熔体液面之间，在满足晶体穿过热屏的底部向上生长之外，增加了热屏位于坩埚内的硅熔体液面上方的隔热面积，改善了热屏的效能，以增加晶体纵向温度梯度，并提高拉晶速度。
为进一步增加热屏的效能，该实施例的单晶炉热场装置，所述底部在朝向所述硅熔体液面2010的一侧具有隔离面1010A;
所述隔离面1010A与所述硅熔体液面2010之间的距离为10-60mm。
具体地，所述隔离面近似为水平，也即，与硅熔体液面近似平行。
该实施例的单晶炉热场装置中，热屏的底部在朝向硅熔体液面的一侧设置隔离面，可以减少热屏与液面之间的距离，使得换热部件能够更加接近生长界面，尽可能多地吸收硅熔体在结晶时释放的潜热，从而增加晶体纵向温度梯度，并提高拉晶速度。
优选地，所述隔离面1010A与所述硅熔体液面2010之间的距离为10-60mm。
优选地，所述隔离面1010A与所述硅熔体液面2010之间的距离为10mm。
应该理解为，热屏的底部与熔体液面之间的距离越小，设置在热屏内的换热部件与生长界面之间的距离也就越小;换热部件距离生长界面越近，换热部件吸收到的热量就更多，从而使得换热部件能够吸收更多的生长界面的温度，从而增大晶体纵向温度梯度，并最终提高拉晶速度。
进一步地，该实施例的单晶炉热场装置中，该换热部件1020设置于该热屏1010的侧壁。
进一步地，该实施例的单晶炉热场装置，还包括：
集热体1030;
集热体1030成组地设置于换热部件1020;
集热体1030位于换热部件1020朝向提拉通道的一侧。
该实施例的单晶炉热场装置，在换热部件朝向提拉通道的一侧，成组地设置集热体，从而从提拉通道内收集更多热量，并由换热部件将热量引导到单晶炉外，增加晶体纵向温度梯度，并提高拉晶速度。
进一步地，该实施例的单晶炉热场装置中，
该集热体1030包括凸起部;
该凸起部自所述换热部件1020向该提拉通道方向伸出。
该实施例的单晶炉热场装置沿朝向该提拉通道方向伸出的凸起部进一步增加了与热场的接触面积，从而从提拉通道内收集更多热量，并由换热部件将热量引导到单晶炉外，以增加晶体纵向温度梯度，并提高拉晶速度。凸起部可以为单体，其可以为三棱柱、多棱柱或翘起的翅片。这时，多个单体凸起部分散地设置在换热部件1020朝向提拉通道的一侧。
优选地，每组集热体的凸起部的延伸轨迹可以沿所述热屏1010的中心轴线X方向延伸，或者沿垂直于所述热屏1010的中心轴线X的方向延伸。
在凸起部为连续延伸的条柱状时，其横截面可以为三角形、梯形、矩形中的任一种。多组平行设置的条柱状凸起部的局部剖视展开图如图3或图4所示。
应该理解为，在实际使用时，集热体具有的凸起表面的横截面形状还可以是矩形、半球形、Ω形或者S形等能够连续排列、并且其排列结构能够增大换热表面积的其他形状。
应该理解为，在实际使用时，集热体的凸起部还可以进一步具有内凹的多个表面，从而进一步增加集热体的换热面积。
进一步地，为降低生产制作难度，进而降低单晶炉的采购及维护成本，所述的单晶炉热场装置，所述集热体1030与所述换热部件1020一体式加工而成;或所述集热体1030焊接于所述换热部件1020;或所述集热体1030螺纹连接于所述换热部件1020。
为进一步增加可用于换热的表面，增加换热速度，该实施例的单晶炉热场装置中，
换热部件1020包括自上而下连接的第一形状轮廓和第二形状轮廓;
第一形状轮廓为中空的截断圆锥形筒;
第二形状轮廓为中空的圆柱形筒;
第一形状轮廓自上而下地收口;
第一形状轮廓的下端的内径与第二形状轮廓的内径相等。
该实施例的单晶炉热场装置中，整体上，换热部件的上部为中空的倒置圆台(上大下小)、下部为中空的圆柱体。将换热部件视为等壁厚或变壁厚的环形结构件时，该换热部件由第一形状轮廓和第二形状轮廓自上而下连接而成;该第一形状轮廓为中空的截断圆锥形筒，该第二形状轮廓为中空的圆柱形筒;该第一形状轮自上而下地收口，该第一形状轮廓的下端的内径与第二形状轮廓的内径相等。
该实施例的单晶炉热场装置，形状优化后的换热部件具有更多用于换热的表面，通过增加吸收结晶释放的热量，在提拉通道内，形成了更优化的热场，增加了晶体纵向温度梯度，并最终提高了晶体生长速度。
具体地，通过增加换热表面，增加了换热部件吸收热量的幅度，在单位时间内，形状优化后的换热部件可以从生长界面吸收更多的热量。
需要说明的是，这里的“截断圆锥”是指将一个完整的圆锥体或圆锥面从靠近其顶点的一侧横向截断后得到的部分圆锥体或圆锥面，其一端尺寸大于另一端的尺寸(如，上大下小)或其一端尺寸小于另一端的尺寸(如，上小下大)。
这里的“中空的截断圆锥形筒”，其外轮廓为截断圆锥，其内轮廓也为截断圆锥。若在沿其轴向延伸方向，其外轮廓与其内轮廓之间的距离各处相等，则为等壁厚;若在沿其轴向延伸方向，其外轮廓与其内轮廓之间的距离各处是变化的，则为变壁厚。
需要说明的是，以上就换热部件的内外轮廓进行了说明，并未限制换热部件具体的结构或组成部件或内外表面的形状，任何满足以上轮廓的换热部件均具有相似的技术效果。
作为包容件和被包容件，为增加热屏引导气流的效果，该热屏1010的内壁的表面轮廓与该换热部件1020的形状轮廓相适配。相应地，该实施例的单晶炉热场装置中，
热屏1010包括内壁1011;
内壁1011包括自上而下连接的第二内壁轮廓和第三内壁轮廓;
第二内壁轮廓为截断圆锥形;
第三内壁轮廓为圆柱形;
第二内壁轮廓自上而下地收口;
第二内壁轮廓的下端的内径与第三内壁轮廓的内径相等。
该实施例的单晶炉热场装置中，整体上，热屏的内壁的上部约束出截断圆锥体(上大下小)空间，热屏的内壁的下部约束出圆柱体空间。具体地，热屏的内壁1011具有表面轮廓，该表面轮廓由第二内壁轮廓和第三内壁轮廓自上而下连接而成;其中，第二内壁轮廓为截断圆锥面(或倒置圆台面)，第三内壁轮廓为圆柱面;第二内壁轮廓自上而下地收口，第二内壁轮廓的下端的内径与第三内壁轮廓的内径相等。
该实施例的单晶炉热场装置，内壁的形状优化后，热屏具有更多用于隔热的表面，从而在提拉通道内形成了更优化的热场，增加了晶体纵向温度梯度，并最终提高了晶体生长速度。
需要说明的是，这里的“截断圆锥”是指将一个完整的圆锥体或圆锥面从靠近其顶点的一侧横向截断后得到的部分圆锥体或圆锥面，其一端尺寸大于另一端的尺寸(如，上大下小)或其一端尺寸小于另一端的尺寸(如，上小下大)。
需要说明的是，以上就热屏的内壁的表面轮廓进行了说明，并未限制热屏的内壁的具体结构或组成部件或形状，任何满足以上表面轮廓的热屏的内壁均具有相似的技术效果。
为进一步优化在提拉通道内的热场，该实施例的单晶炉热场装置，
内壁1011还包括连接在第二内壁轮廓上方的第一内壁轮廓;
第一内壁轮廓为圆柱形;
第二内壁轮廓的上端的内径与第一内壁轮廓的内径相等。
该实施例的单晶炉热场装置中，整体上，热屏的内壁在最上部约束出圆柱体空间。具体地，热屏的内壁1011具有表面轮廓，该表面轮廓由第一内壁轮廓、第二内壁轮廓和第三内壁轮廓自上而下连接而成;其中，第一内壁轮廓为圆柱面，第二内壁轮廓为截断圆锥面(或倒置圆台面)，第三内壁轮廓为圆柱面;第二内壁轮廓自上而下地收口，第二内壁轮廓的下端与第三内壁轮廓等大;第二内壁轮廓的上端的内径与第一内壁轮廓的内径相等。
该实施例的单晶炉热场装置，内壁具有三段式形状，形状优化后的热屏在提拉通道内，形成了更优化的热场，增加了晶体纵向温度梯度，并最终提高了晶体生长速度。
需要说明的是，这里的“截断圆锥”是指将一个完整的圆锥体或圆锥面从靠近其顶点的一侧横向截断后得到的部分圆锥体或圆锥面，其一端尺寸大于另一端的尺寸(如，上大下小)或其一端尺寸小于另一端的尺寸(如，上小下大)。
需要说明的是，以上就热屏的内壁的表面轮廓进行了说明，并未限制热屏的内壁的具体结构或组成部件或形状，任何满足以上表面轮廓的热屏的内壁均具有相似的技术效果。
具体地，沿热屏1010的中心轴线方向上，所述热屏1010的内距离换热部件最近的内壁与所述换热部件1020的外壁之间的横向距离基本保持不变，使得气流通道内的气流阻力减少，气流的流场更稳定。
进一步地，该实施例的单晶炉热场装置，还包括：
冷却介质输入管路1041;
冷却介质输出管路1042;
该换热部件1020内设置有用于冷却介质流通的流道;
流入该换热部件1020的流道的冷却介质由该冷却介质输入管路1041输送;
从该换热部件1020的流道流出的冷却介质由该冷却介质输出管路1042输送。
该实施例的单晶炉热场装置内设置的流道内的冷却介质将结晶时释放的潜热快速引导到炉外，通过冷却介质带走热量，增加了晶体的纵向温度梯度，进而提高了单晶的生长速度。
进一步地，该实施例的单晶炉热场装置，所述冷却介质为以下任一项：液氮、液氩、工业用水。
优选地，该流道在其延伸方向上，呈螺旋上升轨迹，或呈首尾相连的U形轨迹。
优选地，环绕该换热部件，流道可以具有一组轨迹，也可以具有平行且间隔地设置的多组轨迹。
利用现有技术中提供的流体储存装置(用于存储冷却介质)和液体输送装置(如齿轮泵、叶片泵等流体泵)，冷却介质在换热部件的流道内进行循环，从而实现热交换，将硅熔体在结晶时释放的潜热带走。
这时，冷却介质输入管路1041、冷却介质输出管路1042、换热部件1020内的流道、液体输送装置(如齿轮泵、叶片泵等流体泵)和流体储存装置(用于存储冷却介质，如储液池)及其他附件(如流体压力调整装置和流体流速调整装置)，共同组成循环冷却系统。
应该理解为，可以通过调整冷却介质在液体流道内的流通速度(如，增大或者减小冷却介质的体积流量)来进一步地调整纵向温度梯度。
将该能增大温度梯度的热场装置设置在坩埚2000的上方，则得到改造后的单晶炉。该单晶炉也能增加在晶体生长方向上的纵向温度梯度，进而提高拉晶速度。
如图1所示，本实用新型实施例的单晶炉热场装置，热屏1010设置在坩埚上方，热屏1010包括靠近硅棒2的第一表面1011，与第一表面1011相对的第二表面1012。第一表面1011围绕其中心轴线闭合，形成气流通道。第二表面1012为热屏的外壁。在第一表面1011与第二表面1012之间，设置有隔热保温材料，如保温毡。
热屏形成单晶炉内的气流流通，控制硅棒2周围的热场的温度梯度以及将硅棒2与加热器侧的高温区隔离。
优选地，换热部件1020为围绕热屏的中心轴线X形成的轴对称结构，包括环形侧壁和中空的环状底部，其纵向剖面为L形;优选地，在其底部也设置有流过冷却介质的流道。
优选地，换热部件的轮廓在空间形成两端开口的筒，该筒沿其延伸方向，由中空的截断圆锥形筒、中空的圆柱形筒、中空的鼓形筒、中空的多边形筒中的一种或多种组合而成。
如图1所示，在换热部件1020靠近硅棒2的一侧设置有多组向外凸起的集热体，多组集热体间隔地均匀设置，其与换热部件1020的接触点或连接点位于与硅棒同轴的一个周向表面。
凸起的集热体具有多个外表面，与换热部件的圆弧轮廓表面相比，增加了硅棒周围热场与换热部件1020的接触面积，能够提高热量传递效率，进一步增加纵向温度梯度，进而提高拉晶速度。
优选地，冷却介质为气体或者液体，例如液氮、液氩或者冷却水等。在使用时，可以根据需求合理选择。液氮、液氩等惰性气体作为冷却介质，热容大，且可以提高在密闭的高热量空间内的生产安全性。该实施例的热场装置采用液氩进行冷却。液氩作为惰性气体，性质稳定，安全风险低。
优选地，集热体与换热部件一体成型。优选地，集热体通过焊接、黏贴、粘贴等方式间隔地设置在换热部件朝向硅棒的表面上。
以上集热体与换热部件的连接方式或者便于加工，或者便于维修，均将直接带来提拉设备购置成本和维护成本降低，从而进一步降低直拉单晶硅的生产成本。
优选地，换热部件以及集热体均为不锈钢材质，散热效果好，不易腐蚀，使用寿命长。
如图1所示，换热部件1020的轮廓为等直径的空心圆筒;这时，热屏的第一表面1011的轮廓与换热部件1020的轮廓相适配，两者之间的距离沿硅棒中心轴线方向近似相等。
如图2所示，换热部件1020的轮廓由向下收口的截断圆锥和等直径的圆柱连接而成;这时，热屏的第一表面1011的轮廓与换热部件1020的轮廓相适配，两者之间的距离沿硅棒中心轴线方向近似相等。
这时，换热部件位于热场内的表面具有倾斜角度或弧形曲线，进一步增加了换热面积，因此，具有更好的换热效果。
这时，热屏朝向提拉通道一侧的内表面具有倾斜角度或弧形曲线，进一步增加了隔热面积，因此，具有更好的隔热效果。这时，凸起的集热体，在朝向硅棒的一侧，通过焊接、黏贴、粘贴、与换热部件一体成形等方式分组地间隔地设置在变直径圆锥面的周向和等直径的圆柱面的周向。换热部件朝向硅棒的表面上。
综上，本实用新型实施例的热场装置通过在热屏的底部设置隔离面，热屏的底部部分地阻挡在换热部件与硅熔体液面之间，以隔离来自硅熔体液面的热量，从而使得换热部件可以吸收更多晶棒周围的热量，也即，通过增加热屏位于坩埚内的硅熔体液面上方的隔热面积，改善热屏的效能，增加晶体纵向温度梯度，以提高晶体生长速度(或拉晶速度);热屏的底部具有隔离面，使得热屏下部与硅熔体表面距离更小，能够吸收更多硅熔体在结晶时释放的潜热;设置含循环冷却流道的换热部件，并且在换热部件与热屏相对的另一侧设置集热体进一步增大了换热面积，有效地增加晶体纵向温度梯度，提高拉晶速度和效率。
上述实施方式旨在举例说明本实用新型可为本领域专业技术人员实现或使用，对上述实施方式进行修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，任何符合本权利要求书或说明书描述，符合与本文所公开的原理和新颖性、创造性特点的方法、工艺、产品，均落入本实用新型的保护范围之内。
以上已经通过参考少量实施方式描述了本实用新型。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本实用新型以上公开的其他的实施例等同地落在本实用新型的范围内。
通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个//该[装置、组件等]”都被开放地解释为装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。
