一种铸造单晶炉的对称性加热器结构及单晶铸造炉

技术领域

本发明属于单晶铸造设备技术领域，具体涉及一种铸造单晶炉的对称性加热器结构及单晶铸造炉。

背景技术

在光伏行业内，多晶铸锭技术已经十分成熟，其热场结构基本都是在GT炉的基础上进行简单的放大或者电力扩容。一部分保持GT炉的单电源结构设计，一部分改善成了双电源或者多电源的机构，从多晶技术发展历程看，随着铸锭投料量的增加或者热场的放大，双电源控制方式的改善更加有利于工艺的开发和晶体生长的良好控制，铸锭单晶就是沿用了多晶双电源的技术，顶部和侧部加热器可以独立分开控制，相比单电源的控制更加多元化，精细化。

但是，现有铸锭单晶的厂家在沿用多晶铸锭炉的同时，一般对侧部和底部加热器的研究和改善较多，忽视了顶部加热器对热场的影响，导致整个热场的温度分布不均匀，从而影响了整个晶体生长质量，其不仅影响长晶后期晶体位错密度缺陷的增加，同时顶部加热器温度的不均匀耦合叠加延伸到底部影响整个热场内的温度分布，具体缺点如下：

1)组装后的顶部加热器呈现出一个方形结构，虽然前后结构完全对称，但左右结构不对称，加热器电流走向趋势都是水平方向，且加热器的结构密度布置分布不平衡，导致温场热量分布不均匀性，影响工艺技术的调试和晶体质量。

2)加热器组装后呈现出一个方形，炉体结构呈现出圆形，导致加热器四个角和加热的四边中间位置距离炉体的距离差异较大，加热器四个角接近炉体内径位置，而四边中心位置距离炉体内径较远，导致两个位置处的热量分布差异较大，四角温度高，中心位置温度低，从而影响整个温场的均衡分布。

解决上述问题目前普遍采用如下解决方案，然而达不到实际需要的加热热场：1)在热场四个角落增加局部保温板来抵挡四个角比较集中热量的辐射，从而减少四个角的温度过高。2)在侧部保温板上增加保温厚度从而提高热场中部的保温性能。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种铸造单晶的对称性加热器结构，将原有的组装后的顶部加热器呈现出方形的构造优化设计成更加具有对称性质的圆形结构。更好的解决因顶部加热器的结构设计不均匀，导致顶部加热器发热不平衡影响整个热场的温度分布。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种铸造单晶的对称性加热器结构，包括第一加热器、第二加热器以及第三加热器，第一加热器、第二加热器以及第三加热器沿着圆形区域分别布置在2π/3范围内，在所述圆形区域内形成三个独立区域；所述圆形区域为一个正圆本身或一个正多边形的外接圆；

第二加热器以及第三加热器关于其分界线对称，第一加热器关于其自身中心线对称，所述分界线和中心线重合；第一加热器、第二加热器以及第三加热器相邻的端部分别设置三个顶部电极，所述三个顶部电极沿一圆周均匀分布且位于三个独立区域的分界线上。

整个独立区域内布置蜿蜒状加热带，所述蜿蜒状加热带在对应设置有侧电极部位降低布置密度，用于容置侧电极；蜿蜒状加热带的边缘均位于所述圆形区域内侧。

三个独立区域内的蜿蜒状加热带首尾处分别连接顶部的石墨电极，石墨电极与加热带之间采用碳碳螺杆和碳碳螺母通过螺纹紧固连接。

第一加热器所在区域的蜿蜒状加热带从电极处沿着所述圆形区域设置一弧形段，弧形段的终止处布置蜿蜒状加热带沿平行于圆的第一直径向圆心处延伸的第一直段，第一直段的终止处弯折，蜿蜒状加热带沿着平行于圆的第一直径向背离圆心方向延伸形成第二直段，蜿蜒状加热带在第二直段的终止处弯折，沿平行于圆的第一直径向圆心处延伸形成第三直段，第三直段终止处弯折，并延伸至所述圆形区域的第一直径处，此处第一直径为第一加热器的中心线，关于所述中心线对称设置弧形段、第一直段、第二直段、第三直段以及每一段终止处的弯折，即形成第一加热器的蜿蜒状加热带。

当所述圆形区域为一个正多边形的外接圆时，用直段代替所述弧形段。

当所述圆形区域为正圆本身时，第二加热器的蜿蜒状加热带与第三加热器的蜿蜒状加热带关于圆形区域的第一直径对称；第二加热器的蜿蜒状加热带从连接电极处沿着圆形区域内侧，向远离第一加热器的方向延伸形成一弧形段a，弧形段a的终止处弯折并向圆形区域中心延伸一弧形段b，弧形段b终止处弯折沿着平行于圆形区域的第一直径向靠近第一加热器的方向延伸一直段c，直段c的终止处弯折，并沿着平行于圆形区域的第一直径向远离第一加热器的方向延伸一直段d，直段d的终止处弯折，并沿着平行于圆形区域的第一直径向靠近第一加热器的方向延伸一直段e，直段e的终止处弯折，并沿着平行于圆形区域的第一直径向远离第一加热器的方向延伸一直段f，直段f的终止处弯折，并沿着与第一直径呈一斜角的方向延伸一直段g，直段g的终止处弯折，并沿着圆形区域内侧延伸一弧形段h，弧形段h在靠近第一直径处终止并弯折，同时延伸一弧形段i，弧形段i向远离第一直径的方向突出。

当所述圆形区域为一个正多边形的外接圆时，用多个连接的直段弯折代替所述弧形段a和弧形段h。

第一加热器、第二加热器以及第三加热器展开的线性长度相等。

第一加热器、第二加热器以及第三加热器均采用多段拼接成形。

本发明还提供一种单晶铸造炉，其顶部加热器采用上述的对称性加热器结构。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

1)提高加热器相互间蛇形间的横纵交叉密度，提高加热器面积上的辐射强度，使得三相加热器片上热量分布更加均匀。

2)将顶部加热设计成圆形结构，使得加热器整体结构圆和炉体保持同心，避免了四角和中心位置的距离不一致导致保温性或者加热辐射不均匀，影响整体热场的不对称性。

3)圆形加热器更加有利于圆形热场的温场分布，类似于接近单晶热场的同心圆分布，有利于对后续热场的改进或者优化奠定基础。

附图说明

图1为一种现有顶部加热器结构示意图。

图2为本发明一种可实施的顶部加热器结构示意图。

附图中，1-第一加热器，2-第二加热器，3-第三加热器，4-侧部保温毡。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明的技术方案。

除非另有说明，否则示出的示例性实施方式/实施例将被理解为提供可以在实践中实施本发明的技术构思的一些方式的各种细节的示例性特征。因此，除非另有说明，否则在不脱离本发明的技术构思的情况下，各种实施方式/实施例的特征可以另外地组合、分离、互换和/或重新布置。

当一个部件被称作“在”另一部件“上”或“之上”、“连接到”或“结合到”另一部件时，该部件可以直接在所述另一部件上、直接连接到或直接结合到所述另一部件，或者可以存在中间部件。然而，当部件被称作“直接在”另一部件“上”、“直接连接到”或“直接结合到”另一部件时，不存在中间部件。为此，术语“连接”可以指物理连接、电气连接等，并且具有或不具有中间部件。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本发明提供一种铸造单晶的对称性加热器结构，包括第一加热器1、第二加热器2以及第三加热器3，第一加热器1、第二加热器2以及第三加热器3沿着圆形区域分别布置在120°范围内，在所述圆形区域内形成三个独立区域；

第二加热器2以及第三加热器3关于其分界线对称，第一加热器1关于其自身中心线对称，所述分界线和中心线重合；第一加热器1、第二加热器2以及第三加热器3相邻的端部分别设置三个顶部电极，所述三个顶部电极沿一圆周均匀分布且位于三个独立区域的分界线上。

整个独立区域内布置蜿蜒状加热带，所述蜿蜒状加热带在对应设置有侧电极部位的布置密度低于空白区域；蜿蜒状加热带的边缘均位于一所述圆形区域内侧。

三个独立区域内的蜿蜒状加热带首尾处分别连接顶部电源电极，电源电极采用石墨电极，石墨电极和加热器之间的连接采用碳碳螺杆和碳碳螺母通过螺纹紧固连接。

具体的，第一加热器1所在区域的蜿蜒状加热带从电极处沿着所述圆形区域设置一弧形段，弧形段的终止处布置蜿蜒状加热带沿平行于圆的第一直径向圆心处延伸的第一直段，第一直段的终止处弯折，蜿蜒状加热带沿着平行于圆的第一直径向背离圆心方向延伸形成第二直段，蜿蜒状加热带在第二直段的终止处弯折，沿平行于圆的第一直径向圆心处延伸形成第三直段，第三直段终止处弯折，并延伸至所述圆形区域的第一直径处，此处第一直径为第一加热器1的中心线，关于所述中心线对称设置弧形段、第一直段、第二直段、第三直段以及每一段终止处的弯折，即形成第一加热器1的蜿蜒状加热带。

参考图2，所述圆形区域小于侧部保温毡4所围成圆形区域的面积。

另外，当所述圆形区域为一个正多边形的外接圆时，第一加热器1中，用直段代替所述弧形段。

第二加热器2的蜿蜒状加热带与第三加热器3的蜿蜒状加热带关于圆形区域的第一直径对称。

当所述圆形区域为正圆本身时，第二加热器2的蜿蜒状加热带与第三加热器3的蜿蜒状加热带关于圆形区域的第一直径对称；第二加热器2的蜿蜒状加热带从连接电极处沿着圆形区域内侧，向远离第一加热器1的方向延伸形成一弧形段a，弧形段a的终止处弯折并向圆形区域中心延伸一弧形段b，弧形段b终止处弯折沿着平行于圆形区域的第一直径向靠近第一加热器1的方向延伸一直段c，直段c的终止处弯折，并沿着平行于圆形区域的第一直径向远离第一加热器1的方向延伸一直段d，直段d的终止处弯折，并沿着平行于圆形区域的第一直径向靠近第一加热器1的方向延伸一直段e，直段e的终止处弯折，并沿着平行于圆形区域的第一直径向远离第一加热器1的方向延伸一直段f，直段f的终止处弯折，并沿着与第一直径呈一斜角的方向延伸一直段g，直段g的终止处弯折，并沿着圆形区域内侧延伸一弧形段h，弧形段h在靠近第一直径处终止并弯折，同时延伸一弧形段i，弧形段i向远离第一直径的方向突出；用多个连接的直段弯折代替所述弧形段a，多个连接的直段近似弯折成为弧形段a，需要说明的是，对于每一个终止处，本领域人员知晓应当尽可能靠近每个加热器所在区域的边缘，并且使得加热带或加热丝的弯折处不超出该边缘，同时保留自身弯折的空间以及相邻一段加热带或加热丝之间留有间隙。

当顶部加热器组装后呈圆形的结构，可以和炉体内径组成同心圆的结构特点。

第一加热器1、第二加热器2以及第三加热器3呈现出120度夹角分布结构，基本形成等分的三个独立区域加热均匀化，三个加热器的分界线不是严格意义的几何分界线，第一加热器1、第二加热器2以及第三加热器3中零部件本身的几何尺寸，有部分超过所述几何分界线。

参考图2，本发明中，侧部电极A1、A2、A3，用来安装侧部加热器的三个电极，可以存在于顶部加热器的同一高度或者同水平安装位置，也可以不存在，将侧部加热器的电极单独放置在侧部连接位置，或者和顶部加热器不在同一高度位置。

为了更好的解决因顶部加热器的结构设计不均匀，导致顶部加热器发热不平衡影响整个热场的温度分布，将原有的组装后的顶部加热器呈现出方形的构造优化设计成更加具有对称性质的圆形结构，在铸造单晶热场中，这种圆形结构的对称性比方形的热场均匀性效果更好，从热场多方面的模拟结果分析，为铸锭单晶的晶体生长提供一个更加优越的热场环境，对提高铸锭单晶技术和品质具有一个显著的提高。

第一加热器1、第二加热器2以及第三加热器3三部分首尾相连，整体上形成一个圆形结构或者近似圆形结构的多边形。

第一加热器1、第二加热器2以及第三加热器3都可以由多个小加热器拼接而成。

第一加热器1、第二加热器2以及第三加热器3之间的展开线性长度基本相等，即顶电极A和顶电极B，顶电极B和顶电极C以及顶电极A和顶电极C之间加热带的长度基本相同，保证三相加热的平衡性。

所述的顶部加热器是由顶部加热器A、顶电极B、顶电极C首尾相连，电流通过石墨电极同时传导到加热器上进行加热。

进行模拟发现采用本发明所述的顶部加热器结构至少具有以下效果：

(1)顶部加热器改善成组合圆形后，可以更好的均衡热量分布，整体均匀性明显更好。

(2)加热器走向趋势以及横纵交错密度改善后，原来中心温度重心整体向下偏移的趋势得到明显改善，可以大大降低头部位错的增殖速率，从而降低晶体头部的位错。

(3)从热场内部坩埚内硅熔体的等温曲线和顶部加热器的温度曲线对比，在同等条件下的模拟，呈圆形的顶部加热器温度会高100℃左右，加热器本体的有效发热量增加了，提高了加热效率，向底部熔体内扩散，温度升高了50℃左右，同时熔体内部的等温曲线更加均匀，降低整体热场的能耗外，优化了熔体温场分布，提高了对流强度。

参考图2，本发明中，第二加热器22和第三加热器33呈现出对称结构，因部分零件干涉或者设计其他的非对称结构也在本发明权利要求书的保护范围内。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权力要求书界定的范围为准。