CN107592825B - 用于反应器系统的夹紧装置 - Google Patents
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Abstract
公开一种用于密封反应器系统的环形室和反应室的夹紧装置。所述夹紧装置可包括以可独立控制的两组或更多组致动器组的方式对称地布置的致动器。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年5月12日提交的美国非临时专利申请14/709,856的优先权，其全部内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本申请的领域涉及夹紧装置，特别是用于密封反应器系统的环形室和反应室的夹紧装置。
背景技术
多晶硅可以通过在流化床反应器中热分解可热分解的含硅化合物(例如硅烷、三氯硅烷或二氯硅烷)被经济地和相对大规模地生产。这种多晶硅可以用于生产太阳能电池，或者可以根据所谓的直拉法(Czochralski)被进一步加工以生产电子级单晶硅。
多晶硅生产的最新进展涉及使用较高的反应器压力(例如2巴或更高)。这种压力在反应器内产生大的流体静力并且增加密封反应器所需的闭合力。此外，流化床反应器可能以变化的压力操作，这可能导致反应器所需的闭合力变化。
需要用于反应器系统的夹紧装置，其允许更精确地控制所施加的力并且可以适应反应器压力的变化。
本部分旨在向读者介绍可能与下面描述的和/或要求保护的本申请的各个方面相关的技术的各个方面。这种讨论被认为有助于向读者提供背景信息以便于更好地理解本发明的各个方面。因此，应当理解，从这点而言，这些说明是为了用于理解，而不是承认现有技术。
发明内容
本发明的一个方面涉及用于生产反应产物的反应器系统。该系统包括：反应器衬套，该反应器衬套在其内限定出用于接收反应组分的反应室。围绕反应器衬套设置有外壳，在反应器衬套和外壳之间形成环形室。该系统包括用于密封环形室和反应室的密封板和用于夹紧密封板和外壳以将环形室与反应室密封隔离的多个致动器。
本发明的另一方面涉及用于生产反应产物的反应器系统。该系统包括：反应器衬套，该反应器衬套在其内限定出用于接收反应组分的反应室。围绕反应器衬套设置有外壳，在反应器衬套和外壳之间形成环形室。该系统包括用于密封环形室和反应室的密封板和用于夹持密封板以将环形室与反应室密封隔离的致动器。该系统还包括用于测量由致动器施加的力的传感器。
存在与本发明的上述方面相关的特征的各种改进。另外的特征也可以并入本发明的上述方面。这些细化和附加特征可以单独存在或以任何组合存在。例如，下面关于本发明的任何所示实施例说明的各种特征可以单独地或以任何组合结合到本发明的任何上述方面中。
附图说明
图1是具有夹紧装置的反应器系统的立体图；
图2是反应器系统的立体剖面图；
图3是具有带液压缸的夹紧装置的反应器系统的示意图；
图4是图3的夹紧装置的液压缸的局部示意图；
图5是具有液压缸的夹紧装置的另一实施例的示意图；
图6是具有液压缸的夹紧装置的另一实施例的示意图；
图7是具有带电动线性致动器的夹紧装置的反应器系统的示意图；
图8是具有独立控制的三组缸的九缸夹紧系统的示意图；和
图9是具有独立控制的四组缸的八缸夹紧系统的示意图。
所有附图中，相同的附图标记表示相应的部件。
具体实施方式
用于生产反应产物的反应器系统的实施例在图1中总体被标记为“5”。反应器系统5包括反应器衬套17(图2)，在反应器衬套中限定用于接收反应组分的反应室15。衬套17可以包括多个独立区段，所述独立区段通过垫片连接以将各个区段密封。外壳20包围反应器衬套17并且在反应器衬套17和外壳20之间形成环形室12。密封板11或反应器“头部”密封反应室15和环形室12以分离在每个室中的流体。
夹紧装置包括多个致动器29(图1)，其通过在密封板11与衬套17和外壳20之间施加夹紧力来固定密封板11，从而将环形室12与反应室15密封隔离。夹紧装置通常抵抗来自反应室15和/或环形室12的液压端部力。尽管可以使用其它致动器，在所示实施例中，致动器29是液压缸。液压缸29附接到密封板11和外壳20以密封环形室12和反应室15。如图1和图2所示，液压缸29连接到密封板11的张开凸块/外接凸起30。液压缸29也可以安装在密封板11的顶部(图3-7)。液压缸29可以附接到夹紧环31(图1-2)或从外壳20延伸出的U形夹65(图4)。
反应器系统5可以包括用于抵消反应室15的压力变化和/或环形室12的压力变化的压力平衡器(未示出)。垫片(未示出)可以设置在密封板11和从外壳20延伸出的凸缘50之间。
反应器系统5包括外壳伸缩接头81，从而允许反应器衬套17和外壳20中至少一者的不同展开。伸缩接头81具有柔性结构以允许其展开和收缩。如图所示，伸缩接头81是波纹管。合适的波纹管包括成形波纹管(formed bellows)和边缘焊接波纹管。伸缩接头81可以包括诸如橡胶或PTFE伸缩接头或编织金属的其它结构。
在所示实施例中，致动器29是诸如液压缸的动力缸。泵42(图3)将液压流体供给到液压缸29以为液压缸提供动力。与一个或多个液压缸29相关联的控制阀59计量到液压缸29的液压流体流，从而控制由液压缸29施加的力。
每个液压缸29包括其中限定至少一个液压缸腔室的壳体44和从壳体延伸的杆(即，活塞)47。杆47响应于液压流体流入和流出腔室而延伸/伸长和缩回。通常，液压缸29可以是单向液压缸，其被驱动以延伸或缩回。如图4所示，液压缸29可以包括两个腔室53、55，在使用期间，其中一个腔室被加压，另一个处于较低的压力(例如环境压力)。例如，通过是否需要液压缸的动力延伸或动力缩回来确定选择哪个腔室53、55处于较高压力。
反应器系统5包括用于测量由每个致动器29施加的力的(多个)传感器25(图3)。如图所示，传感器25是测力传感器。在其它实施例中，传感器是测量液压缸29中的液压流体的压力以确定由液压缸29施加的力的压力传感器。传感器25可以集成到致动器29的主体中(即，形成致动器29的一部分)或者可以独立于致动器。
附接到夹紧环31和密封板11的致动器29通常布置成提供对称的夹紧力(例如，围绕夹紧环31和密封板1的周向等间隔地隔开)。通常，设备包括沿夹紧环31和密封板11的周向间隔设置的至少3个致动器(例如4、5、6、7、8个或更多个致动器)。
反应器系统5还包括用于感测反应室15中的压力的第一压力传感器33和用于感测环形室12中的压力的第二压力传感器37。压力传感器33、37中继与室12、15中的压力有关的信号到控制器40，以用于调整由致动器29施加的力。系统5可以包括多个第一压力传感器33或多个第二压力传感器37。多个传感器33、37的使用提供冗余以防止压力传感器发生故障时系统失效。传感器25向控制器40提供与施加到密封板11的夹紧力的量有关的反馈。
系统5还包括用于感测系统因热展开或收缩引起的移动的位置传感器62(图4)。在某些情况下，位置传感器62感测密封板11的位置变化。当密封板11在加热期间向上移动时，伸缩接头81伸长并向密封板11施加向下的力。位置传感器62测量密封板11的移动以确定系统5的关闭力，如下面进一步解释的。
控制器40响应于反应室15中的压力的变化和环形室12中的压力的变化以及由传感器25感测到的力(的变化)，向阀59发送信号以调整由一个或多个致动器29施加的夹紧力。如图8中所示，反应器系统5包括对称地分成三组的九个液压缸H1-H9。阀59a、59b、59c和泵42a、42b、42c与一个组中的液压缸流体连接，从而用于各组的独立控制。可以在每组液压缸内使用附加的阀59和泵42以用于冗余。每组致动器的独立控制允许即使在一组致动器失效的情况下也会在每组内共同且对称地施加力。在液压缸发生故障的情况下，控制器40可以使该组内的致动器29移动到不施加夹紧力的打开位置，并且可以增加其它组的致动器的夹紧力。这种冗余允许反应器系统5仅在每组致动器中的致动器29都失效时才被关闭。
可以使用其它布置，例如八缸布置(图9)，在八缸布置中通过使用单独的控制阀和/或液压泵独立地控制分别由两个液压缸组成的四个组。
在图3所示的实施例中，液压缸29的杆47延伸穿过密封板11并穿过外壳20的凸缘50。壳体44与凸缘50相对地跨密封板11安装(即在与外壳20相反的方向中)。在这种布置中，液压缸29通过使杆47缩回而将密封板11夹紧到外壳20(例如，液压回路附接到液压缸29的缩回端口，使得腔室55(图4)被加压)。
图3的反应器系统的闭合力(Fc)可以如下确定：
Fc＝P12*A12+P15*A15+FS-k*x-W(等式1)
其中P12是环形室12内的压力，A12是环形室12的有效面积，P15是反应室15中的压力，A15是反应室15的有效面积，Fs是将反应室15与环形室12密封所需的密封力，k是外壳伸缩接头81的劲度系数/弹性常数，x是由位置传感器测量的轴向延伸或压缩，W是密封板11的重量。
控制器40可以基于来自压力传感器33、37的输入和由位置传感器62测量的伸缩接头81的轴向延伸或压缩使用等式1计算闭合力。控制器40可通过阀59设定液压缸29内的压力从而设定系统闭合力Fc。传感器25向控制器40提供与施加的力相关的反馈。控制器40可以基于传感器25的反馈来调整施加的力。
由每个液压缸29施加的力Fh可以计算为
Fh＝P55*A55-P53*A53(等式2)
其中，分别地，P53和P55是腔室53、55(图4)的压力，A53和A55是腔室53、55的有效横截面面积。系统的总力是缸数(n)乘以Fh。液压缸内的压力可与闭合力有关，如下所示：
n(P55*A55-P53*A53)＝P12*A12+P15*A15+FS-k*x-W(等式3)
在腔室53为环境(P53＝0)的实施例中，另一个腔室55中的压力P55为：
P55＝(P12*A12+P15*A15+FS-k*x-W)/(n*A53)(等式4)
液压P55可以通过使用阀59来控制。
在其中液压缸29被分组以用于独立控制的实施例中，每个液压缸的液压可以根据等式4来确定。在一组液压缸由于所述组中的液压缸故障而脱机的情况下，等式4中的所用液压缸的数量n减少到正运行的液压缸的数量。
在图5的实施例中，杆47附接到密封板11，并且壳体44与外壳20相对地跨密封板11安装。壳体44连接到固定的外部部件(例如，支承反应器系统5的框架)。在这种布置中，液压缸29通过使杆47延伸/伸长而将密封板11夹紧到外壳20(例如，液压回路附接到液压缸29的延伸端口，使得腔室53(图4)被加压)。液压可以根据等式4计算，相对的腔室被加压(即使用A55)。
反应器系统5的另一实施例在图6中示出。每个液压缸29的杆47延伸穿过外壳20的凸缘50并且延伸穿过密封板11。杆47附接到密封板11。壳体44附接到外壳20(例如，夹紧环31(图1))。
尽管这里通过参照液压缸大体上描述了致动器29，但是这里描述的实施例和原理大体适用于其它类型的致动器。如图7中所示，电动线性致动器29以如图3所示的相同的安装布置使用。在这样的实施例中，线性致动器的力PLA可以如下计算：
PLA＝(P12*A12+P15*A15+FS-k*x-W)/n(等式5)
反应器系统5可通过在反应室15(图1)中使反应器流体反应来操作。第二流体可以存在于环形室12中，以防止反应室15被污染。环形室12中的反应流体对于反应室15内的反应组分通常是惰性的。在一些实施例中，反应室15和环形室12中的流体都是气体。反应室15可以在大于环形室12的压力下操作，例如至少大了约0.1巴，或者至少大了约0.5巴，或者至少大了约1巴，或者至少大了约2巴(例如大了约0.1巴至约5巴，大了约0.1巴至约2巴，或大了约0.1巴至约0.9巴)。环形室12中可以包括加热器(未示出)以加热反应室15中的反应器组分。
在一些实施方案中，反应器系统5用于生产多晶硅。将包含含硅化合物的硅进料气体引入反应室15。硅颗粒(例如种子颗粒)通过进入的气体在反应室15中流化。硅通过含硅化合物的热分解沉积在颗粒上。当颗粒生长至足够的尺寸时，颗粒通过产物排出管(未示出)从反应室15中排出。废气从排气管57排出。在一些实施例中，反应室15在相对较高的压力下操作，例如至少约2巴，或者如在其它实施例中，将反应室控制在至少约3巴、至少约4巴、至少约5巴、至少约10巴、至少约15巴，至少约20巴或甚至约25巴或更多(例如从约3巴至约25巴或从约4巴至约20巴)。
在其中使用硅烷作为可热分解化合物的实施例中，反应器可以根据美国专利公开号No.2013/0084233中公开的反应条件来操作，所述美国专利通过引用并入本文以用于所有相关和一致的目的。在使用二氯硅烷作为可热分解化合物的实施方案中，反应器可以根据美国专利公开号2012/0164323中公开的反应条件进行操作，所述美国专利通过引用并入本文以用于所有相关和一致的目的。在使用三氯硅烷作为可热分解化合物的实施方案中，反应器可以根据美国专利公开号2012/0100059中公开的反应条件进行操作，所述美国专利通过引用并入本文以用于所有相关和一致的目的。
与常规反应器系统相比，上述反应器系统5的实施方案具有若干优点。在其中致动器布置成两组或更多组致动器的实施例中，每组中的致动器对称地布置，由于组之间的冗余，系统可能在组内的一个或多个液压缸故障时保持密封，从而增加反应器系统运行时间。反应室和/或环形室中的压力传感器和致动器力传感器允许由致动器施加的夹紧力的精确控制。该系统还可以基于反应室压力和/或环形室压力的变化来减小或增加夹紧力。
如本文所使用的，当与尺寸、浓度、温度或其它物理或化学性质或特性的范围结合使用时，术语“约”、“大致”、“基本上”和“大约”意在覆盖可以在属性或特征的范围的上限和/或下限中存在的变化，包括例如由舍入、测量方法导致的变化或其它统计变化。
当介绍本发明的元件或其它实施例时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”旨在表示存在一个或多个元件。术语“包括”、“包含”、“含”和“具有”旨在是开放性的，并且表示除了所列出的元素之外可能存在其它元素。使用表示特定取向的术语(例如，“顶部”，“底部”，“侧面”等)是为了便于描述，并且不要求所描述的物体的任何特定取向。
由于在不脱离本发明的范围的情况下可以在上述结构和方法中进行各种改变，所以意图为包含在上述描述中并且在附图中示出的所有内容应被解释为示例性的而不是限制性意义。
Claims (34)
1.一种用于生产反应产物的反应器系统，包括：
反应器衬套，该反应器衬套在其内限定出用于接收反应组分的反应室；所述反应器衬套上设有上端；
围绕反应器衬套的外壳，在该反应器衬套与该外壳之间形成环形室；
从所述外壳延伸出的夹紧环或U形夹；
用于密封环形室和反应室的密封板，所述密封板设于反应器衬套和所述外壳的上部；和
用于夹紧密封板和外壳以将环形室与反应室密封隔离的多个致动器，所述致动器被配置为将所述密封板直接夹紧在所述反应器衬套的上端，并同时将所述密封板直接夹紧在所述夹紧环或U形夹上，以密封所述反应室和环形腔室。
2.根据权利要求1所述的反应器系统，其中，所述致动器被附接至所述外壳和所述密封板。
3.根据权利要求1所述的反应器系统，其中，所述密封板是具有周向的盘，所述多个致动器沿所述密封板的周向等间隔地隔开，使得夹紧力是对称的。
4.根据权利要求1所述的反应器系统，其中，所述多个致动器分成两组或更多组布置，每组致动器具有连接至该组致动器的控制阀和/或泵以便对各组进行独立控制，每组中的致动器沿密封板的周向等间隔地隔开，使得夹紧力是对称的。
5.根据权利要求1所述的反应器系统，还包括设置在所述密封板和从所述外壳延伸出的凸缘之间的垫片。
6.根据权利要求1所述的反应器系统，其中，每个致动器是动力缸。
7.根据权利要求6所述的反应器系统，其中，所述动力缸包括壳体和从所述壳体延伸出的杆，所述杆延伸穿过所述密封板并被附接至所述外壳，所述壳体与外壳相对地跨密封板安装。
8.根据权利要求6所述的反应器系统，其中，所述动力缸包括壳体和从所述壳体延伸出的杆，所述杆被附接至所述密封板，所述壳体与所述外壳相对地跨密封板安装。
9.根据权利要求6所述的反应器系统，其中，所述动力缸包括壳体和从所述壳体延伸出的杆，所述杆延伸穿过所述密封板并被附接至所述密封板，所述壳体被安装至所述外壳。
10.根据权利要求1所述的反应器系统，包括用于测量由每个致动器施加的力的传感器。
11.根据权利要求10所述的反应器系统，其中，所述传感器是测力传感器。
12.根据权利要求10所述的反应器系统，其中，所述致动器是其中包括加压流体的缸，所述传感器测量流体的压力以确定由致动器施加的力。
13.根据权利要求1所述的反应器系统，其中，所述反应器系统是用于热分解含硅气体以在硅颗粒上沉积硅的流化床反应器。
14.根据权利要求13所述的反应器系统，其与可热分解的含硅进气组合。
15.根据权利要求1所述的反应器系统，还包括在所述环形室中的加热器。
16.将根据权利要求1所述的反应器系统的环形室与反应室密封隔离的方法，其中，所述致动器分成两组或更多组布置，每组致动器围绕所述反应器对称地布置，所述方法包括对每组致动器进行独立控制。
17.一种用于生产反应产物的反应器系统，包括：
反应器衬套，该反应器衬套在其内限定出用于接收反应组分的反应室，所述反应器衬套上设有上端；
围绕反应器衬套的外壳，在该反应器衬套与该外壳之间形成环形室；
从所述外壳延伸出的夹紧环或U形夹；
用于密封环形室和反应室的密封板；和
用于夹紧密封板和外壳以将环形室与反应室密封隔离的多个致动器，所述密封板设于反应器衬套和所述外壳的上部，所述致动器被配置为将所述密封板直接夹紧在所述反应器衬套的上端，并同时将所述密封板直接夹紧在所述外壳的夹紧环或U型夹上，以密封所述反应室和环形腔室；和
用于测量由致动器施加的力的传感器。
18.根据权利要求17所述的反应器系统，其中，所述传感器是测力传感器。
19.根据权利要求17所述的反应器系统，其中，所述致动器是其中包括加压流体的缸，传感器测量所述流体的压力以确定由所述致动器施加的力。
20.根据权利要求17所述的反应器系统，还包括用于感测所述反应室中的压力的压力传感器。
21.根据权利要求17所述的反应器系统，还包括：
用于感测反应室中的压力的第一压力传感器；和
用于感测环形室中的压力的第二压力传感器。
22.根据权利要求17所述的反应器系统，还包括用于调节由致动器施加的力的控制器。
23.根据权利要求17所述的反应器系统，其中，每个致动器都是动力缸。
24.根据权利要求23所述的反应器系统，其中，所述动力缸包括壳体和从所述壳体延伸出的杆，所述杆延伸穿过所述密封板并且被附接至所述外壳，所述壳体与外壳相对地跨密封板安装。
25.根据权利要求23所述的反应器系统，其中，所述动力缸包括壳体和从所述壳体延伸出的杆，所述杆被附接至密封板，所述壳体与所述外壳相对地跨密封板安装。
26.根据权利要求23所述的反应器系统，其中，所述动力缸包括壳体和从所述壳体延伸出的杆，所述杆延伸穿过密封板并被附接至所述密封板，所述壳体被安装至所述外壳。
27.根据权利要求17所述的反应器系统，还包括在所述环形室中的加热器。
28.根据权利要求17所述的反应器系统，包括用于测量因所述反应器系统中的展开或收缩而导致的密封板的移动的位置传感器。
29.用于将根据权利要求17所述的反应器系统的环形室与反应室密封隔离的方法，所述方法包括：
感测由致动器施加的力；和
基于感测到的力调整致动器以改变施加的力。
30.根据权利要求29所述的方法，其中，设备包括多个致动器，所述方法包括：
感测由每个致动器施加的力；和
基于感测到的力调整每个致动器以改变所施加的力。
31.根据权利要求29所述的方法，其中，设备包括多个致动器，所述致动器分成两组或更多组布置，每组致动器围绕所述反应器对称地布置，所述方法包括对每组致动器进行独立控制。
32.根据权利要求29所述的方法，其中，在反应室中的组分反应的同时感测和调整所施加的力。
33.根据权利要求29所述的方法，其中，所述反应器系统是用于在反应室中热分解含硅化合物以产生硅颗粒的流化床反应器，所述方法还包括：
将包含所述含硅化合物的硅进料气体引入到反应室中；
热分解含硅化合物以产生硅颗粒；和
从反应室中排出硅颗粒。
34.根据权利要求33所述的方法，其中，在反应室中热分解含硅气体的同时感测和调整所施加的力。
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