AT406196B - Anlage zum kontinuierlichen schmelzen von materialien - Google Patents

Description

AT 406 196 B

Die Erfindung betrifft eine Anlage zum kontinuierlichen Schmelzen bzw. Umschmelzen von bevorzugt metallischen Materialien, insbesondere zur Gewinnung von Ein- bzw. Monokristallen, mittels Sonnenenergie, mit einem von einem Heliostaten mit Sonnenlicht versorgbaren Parabolspiegel, mit einem um dessen optische Achse angeordneten und durch dessen Brennpunkt drehend bewegbaren, rohrartigen Tiegel aus durchsichtigem Material, insbesondere Quarzglas, und mit einer Einrichtung zum Herausziehen des umgeschmolzenen Materials, insbesondere Einkristalls.

Die Erfindung betrifft somit eine aus ökologischer Sicht besonders vorteilhafte, dem Sachgebiet der Metallurgie zuordenbare Anlage zum Schmelzen und Umschmelzen von bevorzugt metallischen Materialien, die für eine Erzeugung von Rein- und Reinststoffen, weiters von Legierungen und insbesondere zur Erzeugung von Mono- bzw. Einkristallen vorgesehen ist.

Derzeit wird die Methode von Tschochraljskij für die genannten Zwecke und insbesondere zur Gewinnung von Einkristallen angewandt. Obwohl diese Methode stets verbessert wird, benötigt ihre Anwendung erhebliche Mengen an Elektroenergie; diese Methode hat auch den Nachteil einer sehr geringen Geschwindigkeit beim Aufbau der Einkristalle.

Die vorliegende Erfindung geht nun konkret von einer Anlage gemäß SU-Erfinderschein 1714304A1 aus, welchem eine Anlage zum kontinuierlichen Schmelzen bzw. Umschmelzen von bevorzugt metallischen Materialien, insbesondere zur Gewinnung von Ein- bzw. Monokristallen, mittels Sonnenenergie, mit einem durch Sonnenlicht versorgbaren Parabolspiegel, mit einem um dessen optische Achse angeordneten und durch dessen Brennpunkt drehend bewegbaren, rohrartigen Tiegel aus durchsichtigem Material, insbesondere Quarzglas, und mit einer Einrichtung zum Herausziehen des umgeschmolzenen Materials, insbesondere Einkristalls zu entnehmen ist. Aus dem SU-Abstrakt Nr. 1010410, Sektion P,Q 74, ist der Einsatz einer Heliostateinrichtung für solche Zwecke bekannt.

Diese bekannten technisch durchaus funktionstüchtigen Anlagen haben den wesentlichen Nachteil, dass bei witterungs- und tageszeitbedingten Ausfällen der Sonneneinstrahlung störende Betriebsstillstände mit allen damit verbundenen Nachteilen in Kauf genommen werden müssen, wie an sich schon wesentlicher, jedoch wenigstens kalkulierbarer Produktionsausfall infolge der Nachtzeiten, sowie die wesentlich unangenehmeren unvorhersehbaren, witterungsbedingten Produktionsausfälle, verbunden mit dadurch außerordentlich erschwerter Produktionsplanung. Darüber hinaus wirkt sich jede Unterbrechung oder Verzögerung des Schmelz- oder Umschmelzprozesses auch rein technisch in Veränderungen oder Störungen der Struktur und in Qualitätseinbußen, wiez.B. in mangelhafter Homogenität der Erzeugnisse, aus.

Die Erfindung hat sich die Aufigabe gestellt, diese Nachteile zu vermeiden und eine wie oben beschriebene, mit Sonnenenergie versotgbare Anlage zum bevorzugt reinigenden Schmelzen und Umschmelzen zu schaffen, welche zum ersten Mal einen echten, von den oben erwähnten Produktionsausfällen freien, vollkontinuierlichen Betrieb mit allen positiven Folgen hinsichtlich Produktivität, Wirtschaftlichkeit und technische Qualität ermöglicht. Ziel der vorliegenden Erfindung ist selbstverständlich auch die Einsparung von Elektroenergie und die Erhöhung der Produktivität beim Schmelzen, Umschmelzen und beim Aufbau von Einkristallen.

Gegenstand der Erfindung ist demnach eine Anlage der eingangs genannten Art, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass der Parabolspiegel eine Durchsetzungsstelle für den Tiegel in Form einer erweiterten Öffnung aufweist, durch welche bei und während einer Minderung oder einem Wegfall der Sonneneinstrahlung, insbesondere bei Verschattung durch Wolken und/oder bei und nach Sonnenuntergang, eine · bei Sonneneinstrahlung in einer Bereitschaftsstellung hinter dem Parabolspiegel befindliche -, den Tiegel umgebende und ihm entlang bewegbare, elektrische Heizeinrichtung, vorzugsweise Widerstands- und/oder Hochfrequenz- bzw. Induktionsheizeinrichtung, selbsttätig in eine Betriebsstellung im Bereich des Brennpunktes des Parabolspiegels führbar und bei Wiederkehr der Sonneneinstrahlung und für deren Dauer in die Bereitschaftsstellung rückführbar ausgebildet ist

Durch die neue Anlage wird ein tatsächlich ununterbrochener Prozess des Schmelzens bzw. Umschmelzens des Ausgangsmaterials bzw. des ungestörten Aufbaues der aus dem Material gewonnenen Einkristalle gewährleistet; wenn die Sonne hinter der Linie des Horizontes verschwindet oder falls eine Wolke die Sonne verdeckt, wird die Heizeinrichtung, also insbesondere der Widerstand, die Hochfrequenz-Spule und/oder der Induktor in den Bereich des Brennpunktes des Parabolspiegels automatisch eingeführt, womit eine ungestörte Fortsetzung des Schmelzprozesses und/oder des Aufbaues der Einkristalle erreicht wird. 2

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Vom ökologischen Standpunkt aus ist es besonders vorteilhaft, die erfindungsgemäße Anlage in der Weise auszugestalten, dass die Heizeinrichtung in Betriebsstellung von mit Sonnenenergie gespeisten Akkumulatoren mit elektrischer Energie versorgbar ausgebildet ist.

Es braucht bei dieser Ausführungsform auf keinerlei andere z.B. fossile Energiequelle zur Überbrückung der Unterbrechungen in der Sonneneinstrahlung zurückgegriffen werden.

Die neue, kontinuierlich arbeitende Anlage ermöglicht die Einsparung von Elektroenergie und eine wesentliche Erhöhung der Produktivität beim Aufbau von Einkristallen. Dies ist aufgrund des schnellen lokalen Erhitzens des Ausgangsmaterials, z.B. von Silizium, durch die in dem Brennpunkt konzentrierte Sonneneinstrahlung zu erzielen; die Temperatur erreicht im Brennpunkt etwa 3000°C. Es ist hier noch anzumerken, dass ein Durcherhitzen des ganzen Ausgangsmaterials nicht erfolgen muss, wie dies bei der Methode von Tschochraljskij der Fall ist.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert, ebenso wie die wesentlichen Merkmale einer nahtlos aufeinander folgenden Sonnenstrahlungserhitzung und einer elektrischen Erhitzung, die die erfindungsgemäße Anlage vom bisher bekannten Erhitzen im Brennpunkt eines üblichen Parabolspiegels unterscheidet

Fig. 1 zeigt einen Parabolspiegel 1, der einen röhrenförmigen, durchsichtigen und bevorzugt aus Quarzglas bestehenden Tiegel 2 umfasst, in den z.B. Quarzsand bzw. ein umzuschmelzendes Ausgangsmaterial 3 eingefüllt wird. Fig. 1 zeigt ferner einen Heliostaten 4, einen Brennpunkt 5, einen eingesetzten Impfkristall 6, einen gewonnenen Einkristall 7 und eine elektrische Heizeinrichtung 8, die von einem Induktor gebildet sein kann.

Die Fig. 1 zeigt also den Parabolspiegel 1 und den eine mittige Öffnung 10 des Parabolspiegels 1 durchragenden, röhrenförmigen Tiegel 2. Die Öffnung 10 ist symmetrisch zur optischen Achse des Parabolspiegels 1 angeordnet Zu sehen ist weiters im Tiegel 2 eingefülltes Schmelzgut 3, z.B. Siliziumsand bzw. ein jeweils umzuschmelzendes Ausgangsmaterial. Der Heliostat 4 richtet die Sonnenstrahlung auf den Parabolspiegel 1, der die Strahlung im Bereich des Brennpunktes 5 bündelt, wo das Schmelzen zuerst beginnt und dann kontinuierlich weiter erfolgt wobei der Impfkristall 6 mit dem im Tiegel 2 befindlichen Sand bzw. mit dem jeweiligen Ausgangsmaterial zusammengeschmolzen wird. Der erhaltene Einkristall 7, der sich infolge des kontinuierlichen Zusammenschmelzens aus der Schmelze des Siliziumsandes bzw. des jeweiligen Ausgangsmaterials bildet, wird mit dem Impfkristall 6 herausgezogen, wobei auch der röhrenförmige, durchsichtige Tiegel 2 nach oben bewegt wird. Gleichzeitig wird der Tiegel 2 um die optische Achse a des Parabolspiegels 1 und damit um seine eigene Achse gedreht. Um den Tiegel 2 herum und hinter dem Parabolspiegel 1 in einer Bereitschaftsstellung b angedeutet, ist die Heizeinrichtung 8 in Form einer Widerstands- und/oder Hochfrequenz- und/oder

Induktionsheizspule für ein fortgesetztes Erhitzen im Falle des Entfalls der Sonneneinstrahlung s.

Um den Umschmelzprozess noch näher zu erläutern, wird folgendes ausgeführt:

Die Sonnenstrahlung wird von dem Heliostaten 4 auf den Parabolspiegel 1 gerichtet, in dessen Brennpunkt 5 das Schmelzgut 3 verschmolzen werden soll. In das Schmelzgut 3 wird der Impfkristall 6 eingeführt; der Impfkristall 6 induziert und ermöglicht den Aufbau eines Einkristalls 7, dessen Reinheit jener des Impfkristalls 6 gleich ist. Der Tiegel 2 wird durch den Brennpunkt 5 durchgezogen, in dem ein lokales Erhitzen und Zusammenschmelzen des Ausgangsmaterials (z.B. Silizium, Quarz + Kohlenstoff od. dgl.) und des eingeführten Impfkristalls erfolgt. Während des Zusammenschmelzens und unmittelbar darauffolgend erfolgt das Herausziehen des Monokristalis 7.

Ein ununterbrochenes Erhitzen wird bei Entfall der Sonneneinstrahlung durch die elektrische Heizeinrichtung 8 gewährleistet; die Heizeinrichtung 8 wird in den Brennpunkt 5 in Richtung von oben nach unten zu einer Zeit knapp vor dem Sonnenuntergang oder bei Verschattung der Sonne automatisch eingeführt. Das Einbringen der Heizeinrichtung 8 in die Betriebsstellung f unter Berücksichtigung des Sonnenunterganges und jeder unerwarteten Verschattung machen es möglich, einen ununterbrochenen Schmelzprozess und Aufbau des Einkristalls voll zu gewährleisten. Der Heliostat 4 besorgt eine automatische Nachlaufregelung der Anlage gemäß der Sonnenbewegung.

Als konkretes Beispiel dient die Skizze gemäß Fig.2.

Sie zeigt - ohne Darstellung des Parabolspiegels - die Versorgung der -in Form einer den röhrenförmigen Tiegel 2 mit dem Schmelzgut 3 im Bereich des Brennpunktes 5 und dem Impfkristall 6 umgebenden Spule - ausgebildeten elektrischen Heizeinrichtung 8 in Betriebsstellung f. Von einer Photovoltaik-Anlage 11 ausgehend werden Akkumulatoren 12 mit aus Sonnenenergie gewonnener elektrischer Energie versorgt, welche dort gespeichert wird. Fällt nun bei Verschattung 3

Claims (2)

1. AT 406 196 B bzw. in der Nacht die Zuführung von Sonnenenergie in der Zone des Brennpunktes 5 aus, liefern die Akkumulatoren 12 augenblicklich Gleichstrom in eine Hochleistungs-Stromwandler-Anlage 13, deren Wechselstrom bzw. HF-Wechselstrom der Heizeinrichtung 8 zugeführt wird, von wo aus die infolge ausgefallener Sonneneinstrahlung fehlende Erhitzungsenergie dem Schmelzgut 3 zugeführt 5 wird, so dass der Umschmelzungsprozess nicht unterbrochen wird. Sichergestellt ist damit eine umweltfreundliche Prozessführung auch im Schatten- und Nachtbetrieb, da die dafür benötigte Energie ebenfalls auf Solarenergie beruht 10 Patentansprache: 15 20 25 30 1. Anlage zum kontinuierlichen Schmelzen bzw. Umschmelzen von bevorzugt metallischen Materialien, insbesondere zur Gewinnung von Ein- bzw. Monokristallen, mittels Sonnenenergie, mit einem von einem Heliostaten mit Sonnenlicht versorgbaren Parabolspiegel, mit einem um dessen optische Achse angeordneten und durch dessen Brennpunkt drehend bewegbaren, rohrartigen Tiegel aus durchsichtigem Material, insbesondere Quarzglas, und mit einer Einrichtung zum Herausziehen des umgeschmolzenen Materials, insbesondere Einkristalls, dadurch gekennzeichnet, dass der Parabolspiegel (1) eine Durchsetzungsstelle für den Tiegel (2) in Form einer erweiterten Öffnung (10) aufweist, durch welche bei und während einer Minderung oder einem Wegfall der Sonneneinstrahlung, insbesondere bei Verschattung durch Wolken und/oder bei und nach Sonnenuntergang, eine - bei Sonneneinstrahlung in einer Bereitschaftsstellung (b) hinter dem Parabolspiegel (1) befindliche - , den Tiegel (2) umgebende und ihm entlang bewegbare, elektrische Heizeinrichtung (8), vorzugsweise Widerstands- und/oder Hochfrequenz- bzw. Induktionsheizeinrichtung, selbsttätig in eine Betriebsstellung (f) im Bereich des Brennpunktes (5) des Parabolspiegels (1) führbar und bei Wiederkehr der Sonneneinstrahlung und für deren Dauer in die Bereitschaftsstellung (b) rückführbar ausgebildet ist.
2. 2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass die Heizeinrichtung (8) in Betriebsstellung (f) von mit Sonnenenergie gespeisten Akkumulatoren (12) mit elektrischer Energie versorgbar ausgebildet ist Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 35 40 45 4 50