一种热交换器及长晶系统论文和设计-戴锐锋

全文摘要

一种热交换器及长晶系统，属于晶体合成技术领域。热交换器包括导热管。导热管包括受热段和支撑段。受热段与支撑段焊接连接，受热段的远离支撑段的端部被用于支撑晶体容器。受热段的外周面连接有隔热片，隔热片沿受热段的径向凸出。受热段靠近支撑段的端部所处的平面为参考面，参考面与受热段的轴线垂直。受热段和支撑段的连接位置为第一连接位置。隔热片在参考面的投影至少部分覆盖第一连接位置在参考面的投影。长晶系统包括晶体容器和上述的热交换器，受热段的远离支撑段的端部支撑晶体容器。热交换器的受热段容易损坏，当受热段损坏时，可以通过更换受热段而不用更换热交换器，能够降低成本。长晶系统的维护成本较低。

主设计要求

1.一种热交换器，其特征在于，所述热交换器包括导热管，所述导热管包括受热段和支撑段，所述受热段与所述支撑段焊接连接，所述受热段的远离所述支撑段的端部被用于支撑晶体容器，所述受热段的外周面连接有隔热片，所述隔热片沿所述受热段的径向凸出，所述受热段靠近所述支撑段的端部所处的平面为参考面，所述参考面与所述受热段的轴线垂直，所述受热段和所述支撑段的连接位置为第一连接位置，所述隔热片在所述参考面的投影至少部分覆盖所述第一连接位置在所述参考面的投影。

设计方案

2.根据权利要求1所述热交换器，其特征在于，所述隔热片呈环状，所述隔热片的内表面与所述受热段的外周面连接。

3.根据权利要求1所述热交换器，其特征在于，所述隔热片设置有多片，多片所述隔热片在所述受热段的周向间隔分布。

4.根据权利要求3所述热交换器，其特征在于，多片所述隔热片沿着所述受热段的长度方向间隔分布。

5.根据权利要求4所述热交换器，其特征在于，多个所述隔热片分布于受热段上的第一长度位置和第二长度位置，处于所述第一长度位置的所述隔热片在所述参考面的投影为第一投影，处于所述第二长度位置的所述隔热片在所述参考面的投影为第二投影，所述第一投影至多部分覆盖所述第二投影。

6.根据权利要求5所述热交换器，其特征在于，所述第一投影与所述第二投影的组合形成封闭的图形。

7.根据权利要求1所述热交换器，其特征在于，所述热交换器包括保温系统，所述保温系统被配置为对所述受热段远离所述支撑段的一端到所述隔热片之间的区域加热。

8.根据权利要求1所述热交换器，其特征在于，所述热交换器还包括导热件，所述导热件至少部分覆盖所述第一连接位置。

9.根据权利要求8所述热交换器，其特征在于，所述导热件呈环状，所述导热件向导热管的轴向延伸以连接所述受热段和所述支撑段。

10.一种长晶系统，其特征在于，所述长晶系统包括晶体容器和根据权利要求1-9任一项所述的热交换器，所述受热段的远离所述支撑段的端部支撑所述晶体容器。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及的是晶体合成技术领域，具体而言，涉及一种热交换器及长晶系统。

背景技术

现有技术中人工合成蓝宝石的常用方法为热交换法，其主要的工作原理是在坩埚下方放置一个热交换器，通过热交换器内部氦气的流动带走热量，形成坩埚内晶体生长的驱动力，直至晶体生长过程结束。

蓝宝石的熔点达到2050℃，热区内的温度一定要超过蓝宝石的熔点，能达到2100℃。热交换器的顶部直接接触坩埚底部，而热交换器的底部只有不到300℃，导致热交换器的上下温差较大。此外，热交换器还要支撑重量超过100KG的坩埚，巨大的温度梯度和承重对热交换器的材料有很高的要求，目前采用金属钨和钼来制作热交换器。

在这种极端的使用条件下，热交换器的钼管很容易产生裂纹和弯曲，从而造成热交换器无法使用，现有做法是直接更换新的热交换器，成本较大。

发明人发现现有技术中存在的问题在于：热交换器的钼管容易损坏，更换新的热交换器成本较高。

实用新型内容

本实用新型实施例的目的之一在于提供一种热交换器，以便于在一定程度上解决现有技术中热交换器的钼管容易损坏，更换新的热交换器成本较高的问题。

本实用新型实施例提供了一种热交换器，该热交换器包括导热管。导热管包括受热段和支撑段。受热段与支撑段焊接连接，受热段的远离支撑段的端部被用于支撑晶体容器。受热段的外周面连接有隔热片，隔热片沿受热段的径向凸出。受热段靠近支撑段的端部所处的平面为参考面，参考面与受热段的轴线垂直。受热段和支撑段的连接位置为第一连接位置。这里的参考面应该与导热管的轴线相垂直。隔热片在参考面的投影至少部分覆盖第一连接位置在参考面的投影。通过设置支撑段和受热段，使得受热段受到保温系统作用。受热段相比于支撑段更容易因受热、承载而损坏，当受热段损坏时，可以更换受热段而不必更换整个热交换器，达到节省成本的目的。通过设置隔热片，使隔热片的投影能够遮挡第一连接位置，从而对第一连接位置进行保护，防止其受高温影响而使连接失效。

作为本实用新型实施例的一种可选技术方案，热交换器还包括导热件，导热件至少部分覆盖第一连接位置。通过设置导热件并使导热件覆盖第一连接位置，一方面能够加强支撑段和受热段的连接强度，另一方面能够加强支撑段和受热段之间的热传导，有利于长晶过程的进行。

作为本实用新型实施例的一种可选技术方案，导热件呈环状，导热件向导热管的轴向延伸以连接受热段和支撑段。通过设置环状的导热件，使得导热件能够沿导热管的周向完全覆盖第一连接位置，有利于支撑段和受热段之间的热传导。导热件向导热管的轴向延伸能够更好地连接受热段和支撑段，加强受热段和支撑段的连接强度。

作为本实用新型实施例的一种可选技术方案，隔热片呈环状，隔热片的内表面与受热段的外周面连接。通过设置环状的隔热片，能够较好的反射导向第一连接位置的热辐射，使得第一连接位置较大范围的得到保护。

作为本实用新型实施例的一种可选技术方案，隔热片设置有多片，多片隔热片在受热段的周向间隔分布。通过设置多片隔热片，每片隔热片均能够对第一连接位置提供一定的保护，在不需要完全保护第一连接位置时，间隔地设置多片隔热片能够降低成本。

作为本实用新型实施例的一种可选技术方案，多片隔热片沿着受热段的长度方向间隔分布。通过在长度方向设置多片隔热片，能够多次降低沿轴向的热辐射，对第一连接位置提供多重的保护。

作为本实用新型实施例的一种可选技术方案，多个隔热片分布于受热段上的第一长度位置和第二长度位置，处于第一长度位置的隔热片在参考面的投影为第一投影，处于第二长度位置的隔热片在参考面的投影为第二投影，第一投影至多部分覆盖第二投影。通过将多个隔热片分布在第一长度位置和第二长度位置上，使得第二长度位置的隔热片位于第一长度位置上隔热片设置的间隙内。这样能够对第一连接位置具有较好的防护效果，当某些隔热片损坏时，便于更换。

作为本实用新型实施例的一种可选技术方案，第一投影与第二投影的组合形成封闭的图形。当第一投影与第二投影组成封闭图形时，多个隔热片的投影完全覆盖了第一连接位置，多个隔热片对第一连接位置的隔热效果较好。

作为本实用新型实施例的一种可选技术方案，热交换器包括保温系统，保温系统被配置为对受热段远离支撑段的一端到隔热片之间的区域加热。通过使保温系统着重对受热段远离支撑段的一端到隔热片之间的区域加热，使得隔热片能够隔绝大部分热量，加强对第一连接位置和支撑段的保护。

本实用新型实施例还提供了一种长晶系统，长晶系统包括晶体容器和上述任一项所述的热交换器，受热段的远离支撑段的端部支撑晶体容器。通过采用上述的热交换器，能够在热交换器的导热管损坏时，通过只更换受热段，实现降低成本的目的。

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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本实用新型实施例所提供的热交换器在第一视角下的结构示意图(隔热片呈环状，且水平设置)；

图2为本实用新型实施例所提供的热交换器在第一视角下的结构示意图(隔热片呈环状，且倾斜设置)；

图3为本实用新型实施例所提供的热交换器在第一视角下的结构示意图(隔热片设置有多个)；

图4为本实用新型实施例所提供的热交换器在第二视角下的结构示意图(隔热片设置有多个)。

图标：10-热交换器；100-支撑段；200-受热段；300-保温系统；400-隔热片；500-导热件；600-导热管帽；700-焊料。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。通常在此处附图中描述和展示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。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，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型实施例产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，在本实用新型实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本实用新型实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型实施例中的具体含义。

现有技术中利用热交换法制蓝宝石，热交换器需要承受巨大的温度梯度和较大的重量。在这种极端的使用条件下，热交换器的钼管很容易产生裂纹和弯曲，从而造成热交换器的无法使用，现有做法是直接更换新的热交换器，成本较大。发明人发现现有技术中存在的问题在于：热交换器的钼管容易损坏，更换新的热交换器成本较高。

针对上述情况，申请人在经过大量的理论研究和实际操作的基础上，提出了本热交换器10及长晶系统。热交换器10的受热段200能够更换，通过更换受热段200而不用更换热交换器10，能够降低成本。长晶系统的维护成本较低。

实施例：

本实施例提供一种热交换器10，其具体结构如下文所阐述。

本实用新型实施例提供了一种热交换器10，该热交换器10包括导热管。导热管包括受热段200和支撑段100。受热段200与支撑段100焊接连接，受热段200的远离支撑段100的端部被用于支撑晶体容器。受热段200的外周面连接有隔热片400，隔热片400沿受热段200的径向凸出。受热段200靠近支撑段100的端部所处的平面为参考面，参考面与受热段200的轴线垂直。受热段200和支撑段100的连接位置为第一连接位置。隔热片400在参考面的投影至少部分覆盖第一连接位置在参考面的投影。通过设置支撑段100和受热段200，使得受热段200受到保温系统300作用。受热段200相比于支撑段100更容易因受热、承载而损坏，当受热段200损坏时，可以更换受热段200而不必更换整个热交换器10，达到节省成本的目的。通过设置隔热片400，使隔热片400的投影能够遮挡第一连接位置，从而对第一连接位置进行保护，防止其受高温影响而使连接失效。

请参照图1，在本实施例中，按正常的摆放方式，支撑段100和受热段200均竖直放置。“竖直”仅仅是指其方向相对“水平”而言更加竖直，并不是表示该结构一定要完全竖直，而是可以稍微倾斜。受热段200位于支撑段100的上方。这里“上方”根据摆放方式的不同可以有不同解释，如将图1逆时针旋转90°，受热段200位于支撑段100的“上方”意为受热段200位于支撑段100的左侧。支撑段100的下端被固定，上端被用于与受热段200的第一端连接。在图1中，受热段200的上端为受热段200的第二端，受热段200的下端为受热段200的第一端。受热段200的第一端被用于与支撑段100连接，受热段200的第二端被用于支撑晶体容器。

在本实施例中，受热段200的第二端还连接有导热管帽600。这里的连接可以为螺纹连接、卡接、套接等。在本实施例中，导热管帽600与导热管套接。即导热管帽600套设于受热段200的第二端。受热段200的第二端的温度较高，使得第二端和导热管帽600容易受热膨胀，而由于导热管帽600和导热管的材料通常不同，因此受热膨胀的程度也不同。这里采用套接，使得导热管帽600与受热段200之间具有一定的运动空间。在受热膨胀时，因具有一定的运动空间而不会积累应力，导热管和导热管帽就不容易损坏，效果较好。

通过设置导热管帽600，使得导热管帽600与晶体容器接触，一方面增大了接触面积，提高了晶体容器的稳定性。另一方面，有利于将热量传递给晶体容器，便于长晶。

支撑段100、受热段200和导热管帽600需要具有一定的支撑能力，以支撑晶体容器。支撑段100、受热段200和导热管帽600还需要具有良好的导热性能，以传导热量，实现长晶。支撑段100、受热段200和导热管帽600还需要具有一定的耐热性，以适应长晶过程所需要的高温。制作支撑段100、受热段200和导热管帽600的材料可以是钼、钨等。需要说明的是，支撑段100、受热段200和导热管帽600的材料可以相同，也可以不同。

受热段200的第一端被用于与支撑段100连接。在本实施例中，支撑段100和受热段200焊接连接。通过将支撑段100和受热段200焊接，能够实现较好的支撑和导热效果。在需要更换受热段200时，可以通过切割将受热段200与支撑段100分离。采用焊接连接的方式还可以将已经损坏的钼管利用起来，利用已损坏的钼管制作受热段200，再采用焊接连接的方式，无需再专门增加连接结构，较为简单、方便。

请参照图1，在本实施例中，热交换器10还包括导热件500。导热件500至少部分覆盖第一连接位置。通过设置导热件500一方面能够加强支撑段100和受热段200的连接强度，另一方面，导热件500选择具有良好导热性和耐热性的材料，如钼、钨等。能够加强支撑段100和受热段200之间的热传导，有利于长晶过程的进行。

在本实施例中，导热件500呈环状，导热件500向导热管的轴向延伸以连接受热段200和支撑段100。导热件500的内径大于受热段200的外径，导热件500的内径大于支撑段100的外径。导热件500包覆第一连接位置，导热件500连接支撑段100和受热段200。导热件500的内表面同时与支撑段100的外周面和受热段200的外周面连接。通过将导热件500的内径设置为大于支撑段100和受热段200的外径，使得导热件500的内表面能够与支撑段100和受热段200的外表面相连接，在方便操作的同时，还能够使得加强连接强度和导热的效果更好。在本实施例中，导热件500的内径大于支撑段100的内径和受热段200的内径，导热件500凸出于支撑段100的外表面和受热段200的外表面。在本实施例中，通过焊料700将支撑段100的外表面和导热件500凸出部分焊接在一起，通过焊料700将受热段200的外表面和导热件500凸出部分焊接在一起。这样一方面能够加强连接强度，另一方面能够方便导热。

支撑段100和受热段200的连接位置为第一连接位置。第一连接位置靠近保温系统300，保温系统300作用于第一端与第二端之间。第一连接位置靠近保温系统300，且保温系统300作用于第一端和第二端之间，表明保温系统300作用于受热段200，且未作用于第一连接位置。当第一连接位置靠近保温系统300时，受热段200的长度较小，更换时的成本更低。保温系统300作用于受热段200，使得高温地区位于受热段200，发生破坏的位置集中在受热段200，使得支撑段100能够长期使用，受热段200损坏时只需更换受热段200，大大降低了成本。

请参照图1，在本实施例中，隔热片400与受热段200的外周面连接，并沿受热段200的径向凸出，受热段200靠近支撑段100的端部所处的平面为参考面，支撑段100和受热段200的连接位置为第一连接位置，隔热片400在参考面的投影至少部分覆盖第一连接位置在参考面的投影。隔热片400靠近第一连接位置。受热段200的温度相比于支撑段100的温度更高，通过设置隔热片400，可以在一定程度上减少传递到支撑段100上的热量。第一连接位置相比受热段200来说，更容易受到高温影响，因此通过设置隔热片400降低第一连接位置的温度，以提高第一连接位置的安全性。

请参照图1，在本实施例中，隔热片400呈环状。隔热片400的内周面与受热段200连接。通过设置环状的隔热片400，能够较好的反射导向第一连接位置的热辐射，使得第一连接位置较大范围的得到保护。请参照图1，在本实施例中，隔热片400水平设置，隔热片400所在平面与受热段200靠近支撑段100的端面所在平面相平行。请参照图2，在其他实施例中，隔热片400可以是倾斜设置的，隔热片400所在平面与受热段200靠近支撑段100的端面所在平面呈0～90°夹角(不包括0和90°)，在一些实施例中，上述夹角为0～60°(不包括0，包括60°)，在另一些实施例中，上述夹角为0～30°(不包括0，包括30°)。

需要说明的是，隔热片400不仅仅可以是环状，隔热片400可以是其他多种形状，例如：扇形、矩形或者其他不规则图形。隔热片400本身要承受较高温度，还有具有隔热的作用，隔热片400可以选择钼片、钨片等。钼片、钨片能够反射一定的热辐射达到隔热的效果。

请参照图3，在另一种可选的实施例中，隔热片400设置有多片，多片隔热片400在受热段200的周向间隔分布。通过设置多片隔热片400，每片隔热片400均能够对第一连接位置提供一定的保护，在不需要完全保护第一连接位置时，间隔地设置多片隔热片400能够降低成本。例如，多片隔热片400在受热段200的周向等间隔的分布。多片隔热片400沿着受热段200的长度方向间隔分布。通过在长度方向设置多片隔热片400，多次降低沿轴向的热辐射，能够对第一连接位置提供多重的保护。热辐射每通过一次隔热片400，均会削弱，通过多次削弱热辐射的方式保护第一连接位置。

请参照图3，配合参照图4，多个隔热片400分布于受热段200上的第一长度位置和第二长度位置，处于第一长度位置的隔热片400在参考面的投影为第一投影，处于第二长度位置的隔热片400在参考面的投影为第二投影，第一投影至多部分覆盖第二投影。第一长度位置和第二长度位置以隔热片400所在位置到参考面的最短距离为区分。通过将多个隔热片400分布在第一长度位置和第二长度位置上，使得第二长度位置的隔热片400位于第一长度位置上隔热片400设置的间隙内。这样能够对第一连接位置具有较好的防护效果，当某些隔热片400损坏时，便于更换。请参照图3，位于上方的隔热片400处于第一长度位置，位于下方的隔热片400处于第二长度位置，参考面为受热段200的下端面所在平面。请参照图4，第一投影和第二投影为位于保温系统300和受热段200之间的部分。在图4中，第一投影和第二投影没有重叠，在其他实施方式中，第一投影和第二投影可以部分重叠或完全重叠。例如，第一投影与第二投影的组合形成封闭的图形。当第一投影与第二投影组成封闭图形时，多个隔热片400的投影完全覆盖了第一连接位置，多个隔热片400对第一连接位置的隔热效果较好。

需要说明的是，隔热片400不仅仅可以在第一长度位置和第二长度位置设置，隔热片400还可以设置于多个不同长度的位置，或仅设置于第一长度位置。当隔热片400设置于多个不同长度位置时，每个长度位置的隔热片400在参考面的投影可以与其他长度位置的投影完全重合、部分重合或完全不重合。当各个投影组成封闭图形时，多个隔热片400的投影完全覆盖了第一连接位置，多个隔热片400对第一连接位置的隔热效果较好。

热交换器10包括保温系统300，保温系统300被配置为对受热段200远离支撑段100的一端到隔热片400之间的区域加热。通过使保温系统300着重对受热段200远离支撑段100的一端到隔热片400之间的区域加热，使得隔热片400能够隔绝大部分热量，加强对第一连接位置和支撑段100的保护。

需要说明的是，受热段200的长度大于50mm。将受热段200的长度设置为大于50mm，使得破坏位置主要发生在受热段200上，便于更换，成本较低。在本实施例中，受热段200的长度在50～60mm(不包括50mm，包括60mm)。支撑段100和受热段200的总长度相对固定，受热段200的长度过短，支撑段100的长度过长，此时破坏位置可能会发生在支撑段100，而支撑段100的长度较长，更换成本高，效果较差。受热段200的长度不宜过长，过长时，受热段200更换的成本增大。因此，将受热段200的长度设置于50～60mm(不包括50mm，包括60mm)，如55mm，效果较好。

本实施例还提供了一种长晶系统，长晶系统包括晶体容器和上述任一项所述的热交换器10，受热段200的远离支撑段100的端部支撑晶体容器。通过采用上述的热交换器10，能够在热交换器10的导热管损坏时，通过只更换受热段200，实现降低成本的目的。

以上仅为本实用新型的可选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，应包含在本实用新型的保护范围之内。

设计图

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