CN101638175A - 用于分配流性物料的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于分配流性物料的系统和方法。具体而言,公开了一种用于分配流性物料(18)的系统(10),其包括:容器(14),其接纳待分配的流性物料(18);开口(50),其与容器(14)流体相连;表面(62),其与开口(50)可操作地连通并接纳从容器(14)分配的流性物料(18),以便通过表面(62)相对于开口(50)的速度来确定流性物料(18)的分配速度;以及基底(102)。基底(102)定位在表面(62)下方并可相对于表面(62)移动,并且基底(102)相对于表面(62)的运动控制在基底(102)上形成的流性物料(18)的基层(110)的厚度(106)。

Description

用于分配流性物料的系统和方法
技术领域
本发明涉及用于分配流性物料或粉末的设备和方法。更具体而言,本发明涉及流性物料分配速率的控制。
背景技术
许多产业包括将流性物料以均匀薄层的形式分配到运动表面上的处理步骤。制造用于屋顶发电的太阳能电池便是这样的一种产业示例。太阳能电池的制造包括熔化硅粉末层和使其再结晶。粉末通常放置在穿过具有受控气氛的熔炉行进的托盘(也称为“安置板”)上,用以制备诸如用于太阳能电池的硅晶片这样的物品。
太阳能电池在商业上成功与否很大程度上受太阳能电池的效率影响。效率,即相对于可获得的太阳能的量产生多大比率的电能,很大程度上取决于组成太阳能电池的硅晶片的尺寸特征。总体厚度和厚度的均匀性是两个这样的尺寸特征。
已发现,成品硅晶片的厚度和厚度的均匀性与制造硅晶片的硅粉末层之间紧密相关。目前用来控制粉末层厚度的一种方法包括刮刀,其以与期望厚度相等的量定位在运动的安置板上方。当安置板在刮刀下方移动时,刮刀刮去高于期望厚度的任何粉末。然而,这种刮刀刮除法对安置板自身中的弯曲和不均匀性很敏感。
因此,在本领域中需要改进对分配的流性物料层的厚度和均匀性的控制。
发明内容
本文公开一种用于分配流性物料的系统。该系统包括:容器,其接纳待分配的流性物料;开口,其与容器流体相连;表面,其与开口可操作地连通并接纳从容器分配的流性物料以便通过该表面相对于开口的速度确定流性物料的分配速率;以及基底(substratum)。基底定位在表面下方并可相对于表面移动,且基底相对于表面的运动控制在基底上形成的流性物料基层的厚度。
本文还公开一种分配流性物料的方法。该方法包括:将流性物料置于具有开口的容器中;将流性物料分配到开口下游的表面上;移动表面,从而从开口下游除去流性物料,以允许另外的流性物料经开口进行分配;通过表面的速度控制流性物料的分配速率;以及相对于开口对表面定位,以防止流性物料在表面静止时流经开口。
附图说明
以下描述不应视作为以任何方式进行限制。参照附图,相似的元件均相似地进行编号:
图1示出本文公开的流性物料分配系统的透视图;
图2示出图1的系统的截面图;
图3示出图2的系统在进一步放大并加装了安置板的局部截面图;
图4示出本文公开的转子密封组件的分解图;
图5示出本文公开的流性物料分配系统的备选实施例的局部透视图;以及
图6示出图5的系统的局部截面图。
具体实施方式
参照图1,流性物料分配系统的透视图总体上以10示出。容器14(本文也称为“储料器”)储藏分配前的流性物料18。流性物料18可以是粉末或者满足本说明书所公开的条件的其它物质。储料器14在结构上由支架38支承在基座22上方,支架38也附连在基座22上。基座22由三块板一起构成且在图1中标识为上板26、中板30和下板34。在一个实施例中,以及如图所示,这些板通过螺栓紧固在一起。可理解的是,其中还可采用其它形式的紧固,例如卡夹、粘合剂和夹紧装置。马达42和齿轮箱46附连在基座22上并且在流性物料18离开储料器14后与流性物料18可操作地连通,如将参照图2和图3详细地说明。
参照图2和图3,储料器14在储料器14的下端处与开口50(本文也称为“出口”)流体相连,从而允许重力迫使流性物料18经由其穿过。具有轴58的转子54定位在出口50下方。圆柱形的转子54及其轴58可旋转地附连到基座22上。带、齿轮传动系或链条(未示出)经齿轮箱46以旋转方式将轴58与马达42相联接,从而允许对马达42的旋转控制来同样允许对转子54的旋转控制。对转子54的旋转控制是控制流性物料18分配速率的关键,以下将更详细地描述这一点。
出口50的刮刀60部分从出口50朝向转子54的表面62向下延伸,并且与表面62并行。刮刀60与表面62之间的空间形成间隙66,流性物料18将响应于转子54的由箭头64所示的顺时针旋转(如沿图2和图3中的方向所示)穿过该间隙66行进。转子54的表面62上的临时流性物料层68的厚度70由间隙66的尺寸决定并且大致等于间隙66的尺寸。因此,转子54的旋转从出口50下方去除流性物料18,允许另外的流性物料18从储料器14经出口50移动并移动到表面62上。还可在表面62上进行压花(knurl),以响应于转子54的旋转增强对流性物料18的去除。由于临时层68的厚度70由间隙66的尺寸确定,故可通过控制转子54的转速来精确地控制流性物料18的分配速率。
间隙66的尺寸还形成为使得当转子54未旋转时储料器14中的压头(head pressure)未能迫使流性物料18通过间隙66。这允许仅通过停止转子54的旋转就可完全停止分配流性物料18。为了保证此状况得以保持,应以距重力引起流性物料18在其自身重量作用下下落的点82的最小水平距离74来安放刮刀60。点82可通过首先确定对于所分配的特定流性物料18的休止角86而找到。一旦确定了休止角86,就从表面62以该休止角86画出切线94直到它与临时层68相交。一旦点82的位置确立,就可设定从点82至刮刀60的水平距离,从而防止流性物料18在转子54未旋转时分配。
在分配流性物料18的期间,转子54的旋转致使流性物料18在其到达点82时在其自身重量的作用下以休止角86离开相切点90并下落到斜道98上。部分地定位在转子54下方的斜道98将流性物料18引导到也定位在转子54下方的基底102(在此也称为“安置板”)上。安置板102相对于转子54沿着箭头104的方向移动,从而允许在安置板102上形成流性物料18的基层110的厚度106。前述结构允许通过控制安置板102相对于转子54的移动速度来控制厚度106。应当注意,也可略去斜道98,从而让流性物料18从表面62直接落在安置板102上。
另外,安置板102可包括形成在其中的凹槽116,凹槽116用于将流性物料18的基层110成形为例如晶片的形状。此类形状可有益于制造用于太阳能电池的硅晶片,其中晶片由熔化并且再结晶而形成晶片的硅粉末制成。
在一些应用中,举例而言,例如为了制备硅晶片,可能希望将流性物料分配系统10直接附连到受控气氛的熔炉或干燥器(未示出)上。此类附连可以确保从流性物料分配系统10分配的硅粉末18仅暴露于熔炉受控气氛,直到硅再结晶成为硅晶片后为止。此类结构可通过将基座22的下板34可密封地直接附连到熔炉的壁(未示出)上而实现。在储料器14和出口50未填充流性物料18的时间期间,此结构对于熔炉的气氛形成穿过出口50并向上穿过储料器14的泄漏通路。换言之,出口50中和储料器14中的流性物料18形成密封件,以防止熔炉受控气氛中的气体逸出。因此本发明的一个实施例的优点是能够通过仅改变转子54的转速来改变流性物料18的分配速率,而无须清空流性物料18的储料器14来对转子54或出口50进行调节。实施例的又一优点是能够通过改变转子54的转速来改变流性物料18的基层110的厚度106,而无须改变安置板102相对于转子54的速度。
参照图4,转子密封组件150的分解图示出转子54及相关的密封构件。转子轴58延伸超出表面62,并超出定位在转子54的表面62的相对两端处的一对台肩158并进入轴承舱(bearing well)154。台肩158防止分配的流性物料18散开超出安置板102的边缘。轴承舱154收容以旋转方式支承轴58的碳素轴承(未示出),同时与轴58密封以防止熔炉中的气体逸出并防止引起磨损的流性物料到达收容在舱154中的构件。以旋转方式固定在轴58上的皮带轮162安放在轴承舱154之一中并接收从齿轮箱46(图1)经上板26和中板30中的孔164延伸的传动带(未示出)。马达42如上所述经齿轮箱46、传动带和皮带轮162驱动转子54。
轴承舱154由螺栓166以可密封方式附连到中板30的下侧,并向下延伸到熔炉气氛中。中板30以可密封方式附连到下板34上,下板34以可密封方式附连到熔炉机架(未示出)上。轴承舱154、轴承、皮带轮162和带都通过熔炉加热且需要冷却。液体冷却通过与中板30内的冷却通道(未示出)流体联接的通道170提供。热传导经过用螺栓连接在中板30上的轴承舱154将来自于轴承舱154内的构件的热量传给冷却流体。然而,在备选实施例中,开口50可位于温度低得多的熔炉气氛外部。以下将描述这样的一个实施例。
参照图5和图6,示出了流性物料分配系统210的一个备选实施例。系统210与系统10的相似之处在于流性物料18储藏在位于可动安置板102上方的储料器14中。除开口50在熔炉外部之外,系统10和系统210的主要区别在于系统210中转子54已由带和辊子系统214所取代。带和辊子系统214包括带218和至少两个辊子或滚筒,在该实施例中示出了三个辊子222、224和226。虽然带定位在熔炉外部,但是来自安置板102的热仍会显著升高带218的温度。因此推荐带采用能耐高温的材料,举例而言,例如覆有硅的机织Kevlar(注:Kevlar为Dupont Corporation的注册商标)。一个或多个辊子222、224、226例如由经过齿轮箱46以旋转方式与马达42相联接的带、齿轮传动系或链条(未示出)以旋转方式驱动,从而允许用马达42控制带218的旋转。辊子222、224、226和带218当在图6中观察时沿着顺时针方向(当在图5中观察时沿着逆时针方向)旋转。辊子222、224和226中的一个或多个可进行凸面(crown)加工,使得被凸面加工的辊子的径向尺寸在中部较大而在两端附近渐缩为较小的径向尺寸。此类凸面加工使得带218相对于辊子222、224、226保持居中。对于凸面加工期望仅在辊子226上进行,因为对辊子222或224中的任何一个进行凸面加工都会对流性物料18的分配产生不利影响,以下详细描述对流性物料18分配的控制将使这一点变得更清晰。
带218直接定位在开口50的下游(在该实施例中位于开口50的下方)使得带218的表面228相距开口50的刮刀234为尺寸230,刮刀234控制表面228上的流性物料18的厚度238。尺寸230设定为使得当带218静止时储料器14中的流性物料18的压头不会迫使流性物料18穿过尺寸230。因此,通过中止带218的运动可彻底停止从储料器14分配流性物料18。另外,从储料器14分配流性物料18的速率由带218的速度控制,在该实施例中带218的速度由马达42的速度控制。与当流性物料18从表面62下落时相对于安置板10的尺寸246(图3)相比,使用带218允许当流性物料18从表面228下落时相对于安置板102处于较小的尺寸242。这是由于辊子224的直径250小于转子54的直径254,因为尺寸242、246的最小可行大小部分地分别由直径250、254决定。减少尺寸242、246的大小可有助于通过降低流性物料18落到安置板102上的高度并从而降低其速度而减少流性物料18的散布(并因此改善沉积控制)。
利用由沿尺寸242定位的两个斜面262所形成的可选溜槽(trough)258,可提供对表面228上的流性物料18的散布的附加控制。溜槽258在流性物料18到达安置板102之前将进一步使其减缓。溜槽258还有助于消除在流性物料18从表面228呈波浪形式下落时可能出现的不均匀分配速率。
关于辊子222、224、226的凸面加工,如上所述,由于尺寸230将横跨带218的宽度而改变,进而引起流性物料18横跨带218宽度的不均匀分配,所以辊子222将不希望进行凸面加工。由于对辊子224进行凸面加工将引起尺寸242横跨带218的宽度改变从而对流性物料18在安置板102上的散布控制产生消极影响,所以辊子224也不希望进行凸面加工。
流性物料18在安置板102上的厚度266可由安置板102沿着图6的视图中的箭头270的方向相对于带218的速度变化率来控制。因此厚度266可通过两种途径之一来控制和改变。第一,通过安置板102的速度,第二,通过带218的速度。这些速度中的各速度可彼此单独地进行控制,并且可在不停止从流性物料分配系统210分配流性物料18的情况下改变各个速度。
本发明的一些实施例可包括以下优点:通过控制表面的速度来控制流性物料分配速率;通过控制表面速度或基底速度来控制流性物料的层厚;通过改变表面速度或改变基底速度在连续分配流性物料期间改变基底上的流性物料的层厚;以及通过停止表面的运动来停止分配流性物料。
虽然已参照示例性实施例描述了所公开的方法和设备的实施例,但是本领域的普通技术人员应当理解,在不背离所公开的方法和设备的范围的前提下,可对其元件作出各种更改且可以等同装置进行替代。另外,在不背离其实质范围的前提下,可对所公开的方法和设备的实施例的教导作出许多修改以适应特定的情况或材料。因此,所公开的方法和设备的实施例不限于作为构思出用于实施所公开的方法和设备的实施例的最佳模式而公开的特定实施例,而是所公开的方法和设备的实施例将包括落在所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种用于分配流性物料(18)的系统(10),所述系统(10)包括:
容器(14),其接纳待分配的流性物料(18);
开口(50),其与所述容器(14)流体相连;
表面(62),其与所述开口(50)可操作地连通并接纳从所述容器(14)分配的流性物料(18),以便通过所述表面(62)相对于所述开口(50)的速度确定所述流性物料(18)的分配速率;以及
基底(102),其定位在所述表面(62)下方并可相对于所述表面(62)运动,并且所述基底(102)相对于所述表面(62)的运动控制在所述基底(102)上所形成的所述流性物料(18)的基层(110)的厚度(106)。
2.根据权利要求1所述的系统(10),其特征在于,所述系统还包括刮刀(60),所述刮刀(60)连接到所述开口(50)上、与所述表面(62)并行地定位并与所述表面(62)间隔开,从而当所述表面(62)移动时控制从所述容器(14)分配的在所述表面(62)上所形成的所述流性物料(18)的临时层(68)的厚度。
3.根据权利要求1所述的系统(10),其特征在于,所述容器(14)中的流性物料(18)形成密封件,位于在所述密封件的表面侧上的受控气氛和所述容器(14)的流性物料给送侧上的不受控气氛之间。
4.根据权利要求1所述的系统(10),其特征在于,所述开口(50)位于所述容器(14)下方,使得重力致使所述流性物料(18)从所述容器(14)移动并通过所述开口(50)。
5.一种分配流性物料(18)的方法,所述方法包括:
将所述流性物料(18)置于具有开口(50)的容器(14)中;
将所述流性物料(18)分配到处于所述开口(50)下游的表面(62)上;
移动所述表面(62),从而从所述开口(50)的下游去除所述流性物料(18),以允许另外的流性物料(18)经所述开口(50)分配;
通过所述表面(62)的速度来控制所述流性物料(18)的分配速度;以及
相对于所述开口(50)定位所述表面(62),以防止所述流性物料(18)在所述表面(62)静止时流经所述开口(50)。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述方法还包括将基底(102)定位在所述表面(62)下方,以接收从所述表面(62)分配的流性物料(18)。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,所述方法还包括相对于所述表面(62)移动所述基底(102),以控制其上的流性物料(18)的基层(110)的厚度(106)。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述方法还包括在不停止所述表面(62)的情况下,调节在所述基底(102)上的流性物料(18)的基层(110)的厚度(106)。
9.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述方法还包括通过改变所述表面(62)的速度来调节在所述基底(102)上的流性物料(18)的基层(110)的厚度(106)。
10.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述方法还包括在不改变所述基底(102)的速度的情况下,调节在所述基底(102)上的流性物料(18)的基层(110)的厚度(106)。
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