CN103567040B - 破碎多晶硅棒的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于破碎多晶硅棒的装置，该装置包括底座以及至少一个可移动的破碎凿及至少一个不可移动的砧座，其中至少一个破碎凿的纵轴以平行于或者几乎平行于底座的表面的方式取向，其中位于底座的表面上的待破碎的硅棒能够各自在破碎凿与砧座之间以如下方式加以调节，破碎凿和砧座能够各自在硅棒的区域内与硅棒接触，硅棒与砧座的接触点以及延伸穿过棒中心的硅棒横轴或者与该横轴平行并且相对于棒中心的距离最大为棒直径的30％的硅棒的轴各自位于破碎凿的纵轴上或者位于与破碎凿的纵轴平行并且相对于破碎凿的纵轴的距离最大为棒直径的30％的轴上。本发明还涉及用于破碎多晶硅棒的方法。
Description
技术领域
本发明涉及破碎多晶硅的装置和方法。
背景技术
多晶硅是通过在所谓的西门子反应器中使诸如三氯硅烷的硅化合物热分解而获得的，并在此以多晶棒的形式产生。
为了通过坩埚提拉制造单晶，首先必须将多晶棒破碎成为碎块。对于在太阳能工业中的应用，首先必须将生长的多晶棒破碎成为碎块。
在现有技术中，已知各种不同的用于破碎硅棒的方法。
US5,660,335A公开了一种破碎方法，其中用高压水注射击晶体棒。
US6,360,755B1描述了一种方法，其中借助通过电能产生的冲击波破碎晶体棒。
US4,871,117A建议，首先通过热作用使晶体棒松散，随后通过机械力的作用将其破碎。
US2010/025060A1描述了一种破碎工具，其包括气动活塞的驱动装置，从而借助空气压力将安装在壳体内的活塞由收缩位置引导至射出位置，还包括与壳体连接并且在活塞的运动方向上延伸的引导管以及锤头。
锤头的后端部以可移动的方式插入引导管的前端部内。在活塞由收缩位置移动至射出位置时，活塞的前端碰撞锤头的后端。
US7,360,727B2公开了一种用于破碎多晶硅棒的机械破碎装置，其包括底座以及破碎凿（破碎工具，Zerkleinerungsmeiβel）和对凿（配合工具，Gegenmeiβel），其中破碎凿和对凿的纵轴以与底座的纵轴成直角并且平行于底座的表面的方式取向，破碎凿和对凿以如下方式移动，位于底座的表面上的待破碎的硅棒可以在这些凿（工具，Meiβeln）之间调节，从而使在硅棒的区域内的所有的凿与硅棒接触，而且在硅棒前后的破碎凿可以在其纵轴方向上移动直至相对于对凿的安全距离，破碎凿借助在其纵轴方向上的打击式移动作用在硅棒上，并将其打碎。
US7,360,727B2同样公开了一种机械破碎多晶硅棒的方法，其中多晶硅棒位于高度可调节的底座上，并在此在破碎凿与对凿之间以如下方式调节，在硅棒的区域内的所有的凿与硅棒接触，而且在硅棒前后的破碎凿和对凿彼此接近直至安全距离，随后所有紧贴着硅棒的破碎凿开始实施重复的打击冲击，该打击冲击发挥破碎硅棒的作用。
US2011/068206A1描述了一种有效地破碎硅块体的破碎机，其中产生少量精细的经破碎的材料（粉末）。该破碎工具包括与活塞连接的锤头，其中锤头位于未使用压缩空气的静止位置，通过使用压缩空气而从静止位置移动，从而与硅块体碰撞。在破碎机中，多个彼此分离的各自具有一个锤头的破碎工具面对着位于底座上的硅块体。
已表明，通过在现有技术中已知的方法无法实现最佳的破碎效果。需要过多的能量或者需要多次重复的打击，以使硅破碎。这对于硅的污染有负面影响。此外，所用的组件的寿命也不能令人满意。
发明内容
基于上述问题，提出本发明的目的。
该目的是通过用于破碎多晶硅棒的装置实现的，该装置包括底座以及至少一个可移动的破碎凿及至少一个不可移动的砧座，其中至少一个破碎凿的纵轴以平行于或者几乎平行于底座的表面的方式取向，其中位于底座的表面上的待破碎的硅棒能够各自在破碎凿与砧座之间以如下方式加以调节，破碎凿和砧座能够各自在硅棒的区域内与硅棒接触，硅棒与砧座的接触点以及延伸穿过棒中心的硅棒横轴或者与该横轴平行并且相对于棒中心的距离最大为棒直径的30％的硅棒的轴各自位于破碎凿的纵轴上或者位于与破碎凿的纵轴平行并且相对于破碎凿的纵轴的距离最大为棒直径的30％的轴上。
本发明的目的还是通过用于破碎多晶硅棒的方法实现的，其中多晶硅棒位于底座上，并在此在至少一个可移动的破碎凿和至少一个不可移动的砧座之间以如下方式加以调节，破碎凿和砧座能够各自在硅棒的区域内与硅棒接触，硅棒与砧座的接触点以及延伸穿过棒中心的硅棒横轴或者与该横轴平行并且相对于棒中心的距离最大为棒直径的30％的硅棒的轴各自位于破碎凿的纵轴上或者位于与破碎凿的纵轴平行并且相对于破碎凿的纵轴的距离最大为棒直径的30％的轴上，随后开始打击冲击，其中在开始打击冲击时凿和硅棒不接触，其中破碎凿发挥破碎硅棒的作用。
所述硅棒优选为基本上旋转对称的、具有基本上为圆形的截面的、具有纵轴和横轴的物体。
破碎凿的纵轴或者与破碎凿的纵轴平行并且相对于破碎凿的纵轴的距离最大为棒直径的30％的轴、穿过棒中心的横轴或者与其平行并且与其的距离最大为棒直径的30％的轴以及与砧座的接触点优选形成一个轴。
优选使用多个破碎凿和相等数量的砧座。
延伸穿过棒中心的硅棒横轴或者与该横轴平行并且相对于棒中心的距离最大为棒直径的30％的硅棒的轴以及硅棒与砧座之间的接触点各自位于破碎凿的纵轴上或者位于与破碎凿的纵轴平行并且相对于破碎凿的纵轴的距离最大为棒直径的30％的轴上。换而言之，砧座和破碎凿均可以相互独立地在两个方向上相对于延伸穿过棒中心的硅棒横轴各自偏移最多30％。
位于破碎凿的纵轴上或者位于与破碎凿的纵轴平行并且相对于破碎凿的纵轴的距离最大为棒直径的30％的轴上的硅棒横轴相对于延伸穿过棒中心的棒横轴的距离优选最大为棒直径的10％。
位于破碎凿的纵轴上或者位于与破碎凿的纵轴平行并且相对于破碎凿的纵轴的距离最大为棒直径的10％的轴上的硅棒横轴相对于延伸穿过棒中心的棒横轴的距离优选最大为棒直径的30％。
位于破碎凿的纵轴上或者位于与破碎凿的纵轴平行并且相对于破碎凿的纵轴的距离最大为棒直径的10％的轴上的硅棒横轴相对于延伸穿过棒中心的棒横轴的距离优选最大为棒直径的10％。
理想地，延伸穿过棒中心的硅棒横轴及破碎凿的纵轴以及砧座与硅棒之间的接触点位于共同的轴上，换而言之，这意味着砧座与硅棒之间的接触点以及硅棒的棒中心位于破碎凿的纵轴上。
硅棒的棒中心应当理解为圆柱形棒的几何轴上的点（截面重心相互连接的重心轴）。
接触点应当理解为砧座与硅棒之间的接触点。
破碎凿具有可移动的构造，并且优选可以在平行于打击方向和垂直于底座平面的两个方向上移动，以补偿硅棒的直径差。包括多个破碎凿的整个破碎单元优选具有可移动的构造。替代性地，为了使破碎凿平行于打击方向和垂直于底座平面移动，底座本身还可以相同的方式设计为可移动的。
破碎凿优选以与底座平行或者倾斜最大30°的方式取向。破碎凿特别优选倾斜10°，在理想情况下破碎凿和底座平行地设置。
每个破碎凿设置一个位置相对的砧座，该砧座相对于底座不可移动并且优选具有圆柱体或半圆柱体的形状。在本发明的范畴内，圆柱体形状还应当包括具有椭圆形或半椭圆形截面的组件。与硅棒接触的砧座表面应当在各种情况下是弯曲的。通过该形状可以确保硅棒与砧座具有恰好一个触点或接触点。砧座可以具有单个部分和多个部分的构造。砧座的多个部分的构造的设计应当使得在砧座与硅棒之间存在恰好一个接触点。
若在本发明的范畴内涉及不可移动且牢固固定的砧座，则应当理解，砧座在运行期间，即在引发打击冲击期间，是不可移动且牢固固定的。否则砧座无论如何可以可移动的方式设计，以使对砧座、硅棒和破碎凿的调节过程变简单。
砧座的几何轴优选垂直于或者几乎垂直于打击轴。砧座的几何轴可以相对于打击轴倾斜最大30°。砧座特别优选倾斜10°，在理想情况下砧座的几何轴与打击轴相互垂直。打击轴由破碎凿的纵轴确定。
破碎凿与硅棒接触的一端优选具有圆形形状，并且优选不包括平头。
在破碎硅棒时，优选用破碎凿实施仅一次打击。若使用多个破碎凿，则每个破碎凿实施一次打击。在打击冲击开始时，优选地选择破碎凿的末端与硅棒的距离，从而使该距离对应于预先设定的破碎凿的行程减去可能的进入硅棒中的穿透深度。行程应当理解为破碎凿在工件的方向上的预先设定的线性运动。该行程通常可以通过可调节的挡块加以改变。行程越长，则打击能量越高。
砧座在运行期间优选是牢固固定的。
至少一个破碎凿的打击轴或纵轴和底座优选相对于水平倾斜0至90°的角度。在倾斜90°时，硅棒接触底座（其在此情况下构成所述装置的侧边界），并且位于砧座上。倾斜角更优选为1至45°，从而使位于底座上的硅棒由于其自身重量与至少一个砧座相对地滚动。在此，倾斜角特别优选为1至20°。
一个或多个砧座以及一个或多个破碎凿的一个或多个末端优选由碳化钨（WC）组成。替代性地，可以将由硬质合金涂覆的钢或陶瓷用于一个或多个砧座以及一个或多个破碎凿的一个或多个末端。
若多个破碎凿串联连接，则在硅棒长度上优选交替地由外向内实施打击序列。
首先例如通过一个位于外侧的破碎凿实施一次打击冲击，然后通过位于硅棒长度的另一侧的相邻的破碎凿实施一次打击冲击，随后通过位于更靠内的破碎凿交替地实施打击冲击。
优选以5至1000ms的比较短的时间间隔实施这些交替的打击。为了避免影响相邻的凿从而延长凿的寿命，优选在每次打击之后在引发在后的凿之前使在前的凿又返回。
在多个破碎凿的情况下，可以将破碎凿排列的不同区域划分成组，从而使所有组中的打击序列可以平行地进行。
替代性地，与由外向内的打击序列平行或交替地，可以开始由破碎凿排列的中心交替地向外的打击序列。
在破碎凿之间具有足够距离的情况下，打击序列中的单个破碎凿的打击也可以同时进行。
前面描述了一些被认为优选的打击序列模式的实施方案，显然可以在不偏离本发明的精神的情况下改变打击序列模式。因此，无论如何不应当将本发明限制在所述的具体的实施方案。
本发明的发明人通过大量的破碎试验认识到，只有在硅棒与砧座的接触点以及延伸穿过棒中心的硅棒横轴或者与该横轴平行并且相对于棒中心的距离最大为棒直径的30％的硅棒的轴各自位于破碎凿的纵轴上或者位于与破碎凿的纵轴平行并且相对于破碎凿的纵轴的距离最大为棒直径的30％的轴上的情况下，才能以尽可能小的打击能量实现最佳的破碎效果。
还研究了不同硅材料的特性。为此利用易碎的多孔材料以及利用紧密的硅进行试验。还在试验中改变砧座的刚度。
在此表明，在使用牢固固定的硬质砧座时在紧密的材料的情况下需要的打击能量最低。200J的打击能量已经足以破碎紧密的棒。首次能够在不采用多重打击的情况下以低的打击能量和低的污染物含量破碎棒直径大于150mm的紧密的硅棒。
在易碎的材料的情况下，砧座的构造对破碎特性的影响较小。与砧座的构造无关，约75J足以破碎该棒。如前所述，在易碎的材料的情况下，完全可以取消砧座。
在紧密的硅的情况下，若使用牢固固定的硬质砧座，则400J的打击能量是足够的。例如由碳化钨制成的通过实心的刚性框架结构固定的砧座适合于此。若替代性地使用由更软的柔性材料制成的砧座或者使用弹性框架结构以固定砧座，则需要至少1000J的打击能量以破碎紧密的棒。
更低的打击能量有助于提高通过破碎过程加载的组件的耐久性/寿命。
此外，低的打击能量降低了对多晶硅污染的水平。
在多个接触点的情况下，接触线或接触面将打击力分散在棒上，从而对破碎效果有负面影响。
因此，在现有技术中所建议的包括V形支座或者对板（Gegenplatte）形式的平坦的接触面的方案对于破碎效果特别不利。倾斜地成角度的接触面的作用在于，导致具有额外的破碎作用的反作用打击冲击偏移。
设定打击轴平行于底座的最佳的破碎布置方式使在破碎过程中底座的负载最小化。
因此，底座可以由在对硅的污染方面有害性较低的材料制成。例如硅、PU或其他塑料适合于此。
砧座的优选的长圆柱体形状能够完全覆盖待破碎的棒直径。为此应当优选地选择砧座在底座上方的高度，从而使其对应于棒直径的至少一半。
与在现有技术中所建议的重复打击冲击相比，单次打击法降低了由于与破碎凿和砧座接触而污染的水平。
砧座作为接触点应当理想地具有硬质且牢固固定的构造，从而最优地反射打击冲击。现有技术中所主张的穿过移动轴可移动的对凿无法实现该功能。
所述装置稍微倾斜（打击轴和底座）的作用在于，硅棒由于其自身重量与砧座相对地滚动，并确保直接接触砧座，这对于最佳的破碎效果是决定性的。
因为在同时引发多个串联排列的破碎凿的情况下巨大的打击能量长时间损害整个系统，所以以特定的时间间隔引发破碎凿。
但是若这以从棒块末端至棒块末端取向的方式实施，则棒块由于打击而偏移/漂移其位置，并由此降低破碎成功率。
交替地从棒末端最终至棒中心实施的打击序列有效地防止棒的位置改变（不使用否则所需要的横向夹具或挡块）。
在所述装置和所述方法的一个优选的实施方案中，可以取消砧座。打击轴和底座在此情况下是水平的。若所需的破碎能量在小于400J的范围内移动，则在不使用砧座的情况下也可以破碎易碎的硅棒。由此消除了由于与硬质合金砧座接触而污染的风险。为此，底座的衬套可以在与破碎区域具有足够距离的情况下设置有污染物含量低的材料（硅、PU、塑料）。为了使棒稳定化，可以在底座中设置合适的凹坑。
Claims (5)
1.用于破碎多晶硅棒的装置，该装置包括底座以及至少一个可移动的破碎凿及至少一个不可移动的砧座，其中所述至少一个破碎凿的纵轴以平行于或者几乎平行于所述底座的表面的方式取向，其中位于所述底座的表面上的待破碎的硅棒能够各自在所述破碎凿与砧座之间以如下方式加以调节，所述破碎凿和砧座能够各自在所述硅棒的区域内与该硅棒接触，硅棒与砧座的接触点以及延伸穿过棒中心的硅棒横轴或者与该横轴平行并且相对于棒中心的距离最大为棒直径的30％的硅棒的轴各自位于所述破碎凿的纵轴上或者位于与所述破碎凿的纵轴平行并且相对于该破碎凿的纵轴的距离最大为棒直径的30％的轴上，其特征在于，砧座和硅棒具有恰好一个接触点，并且包含该接触点的砧座表面是弯曲的。
2.根据权利要求1的装置，其中所述破碎凿的尖端和所述砧座由碳化钨组成。
3.用于破碎多晶硅棒的方法，其中所述多晶硅棒位于底座上，并在此在至少一个可移动的破碎凿和至少一个不可移动的砧座之间以如下方式加以调节，所述破碎凿和砧座能够各自在所述硅棒的区域内与该硅棒接触，硅棒与砧座的接触点以及延伸穿过棒中心的硅棒横轴或者与该横轴平行并且相对于棒中心的距离最大为棒直径的30％的硅棒的轴各自位于所述破碎凿的纵轴上或者位于与所述破碎凿的纵轴平行并且相对于该破碎凿的纵轴的距离最大为棒直径的30％的轴上，随后开始打击冲击，其中在开始打击冲击时凿和硅棒不接触，其中所述破碎凿发挥破碎硅棒的作用，其特征在于，砧座和硅棒具有恰好一个接触点，并且包含该接触点的砧座表面是弯曲的。
4.根据权利要求3的方法，其中所述砧座的几何轴与所述破碎凿的纵轴成直角或者几乎成直角。
5.根据权利要求3或4的方法，其中多个破碎凿串联连接，并且在硅棒长度上交替地由外向内实施打击序列形式的打击冲击。
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