CN110180659A - 硅料微波加热装置 - Google Patents

Abstract

本发明主要应用于单晶硅或多晶硅棒/硅块料加热破碎的技术领域，特别涉及一种硅料微波加热装置，包括机架，机架上设置水槽和加热腔，水槽上方设有置物篮，置物篮连接升降装置，升降装置安装在移动装置上，加热腔外侧面设置微波发射源，加热腔包括上腔体和下腔体，上腔体和下腔体设置为开合式结构。通过安装在微波加热腔体外腔壁上的微波发射源，发射微波到内腔，其中部分微波被物料吸收转化成热能，使硅料升温；同时未被利用的微波经反射被布置在内腔壁上的吸波材料吸收，转化为热能，通过热辐射对硅料二次加热，同时可保持腔体温度，减少加热后的高温硅料对较低温度的内墙壁的热辐射。通过以上措施，可极大提高加热效率，降低能耗。

Description

硅料微波加热装置

技术领域

本发明涉及一种硅料微波加热装置，主要应用于单晶硅或多晶硅棒/硅块料加热破碎的技术领域。

背景技术

太阳能资源丰富、分布广泛，是21世纪最具发展潜力的可再生能源。随着全球能源短缺和环境污染等问题日益突出，太阳能光伏发电因其清洁、安全、便利、高效等特点，已成为世界各国普遍关注和重点发展的新兴产业。在此背景下，全球光伏发电产业增长迅猛，产业规模不断扩大，产品成本持续下降。

在光伏产品生产过程中，随着技术的进步，近几年来太阳能电池组件的价格大幅下降，从而对整个产业链中的各个生产环节的高效节能提出了更高的要求。其中就包括对原生多晶硅或单晶硅大块料或棒料进行破碎过程，这是单晶硅拉制提纯过程中的一个必要环节。由于光伏电池组件对单晶硅的纯度要求非常高，通常达到9个9以上，为防止在破碎工程中操作过程对原料的污染，对硅棒或块料的破碎流程的工艺要求也非常严格。

在原来产量较小的情况下，一般采用人工，用硬质合金钢或碳化钨锤子，在洁净空间内对硅块或棒料进行手工破碎。虽然这个工艺存在劳动强度大、效率低、易污染和浪费严重的缺点，但由于其他工艺很难满足工况要求，此工艺一直被沿用。但随着产能的逐年提高，此工艺已经远远不能满足行业的需求。近些年来，不同商业机构和科研单位一直在不断开发新型的硅棒和硅块破碎的方法。主要集中在以下几个方向：

直接物理机械敲击或挤压破碎技术。在此类生产工艺中，一般采取颚式破碎机，通过两片金属板对物料进行挤压破碎；或通过滚筒挤压，当物料通过滚筒缝隙时，被挤压破碎；或经过旋转的带有金属棒的腔体，当物料经过时，被金属棒或锤打碎，例如：CN203044126U，CN105536920A，CN108654816A，CN108837921A，CA205517916U，CN207287535U，CN208244812U。此类技术，即便对金属表面进行过耐磨处理，但在持续生产过程中，极易造成保护层破损，从而使物料与金属面直接触造成金属离子污染，这对单晶硅拉制会造成致命的缺陷；

低温冷冻破碎技术，在此类技术中，硅料被进入液氮或液氩中，利用速冷造成的表面收缩，从而使物料破裂，例如：CN108405035A。此类技术对生产环境要求比较苛刻，产能低，成本高；

高压脉冲破碎技术，此技术利用“闪电”的原理，通过高压电弧，在硅料表面瞬间能量，造成硅料表面高温、高压，造成硅料的破裂，例如：CN108295994A。此类技术，高压电弧放电的时候，会造成硅料表面的局部高温烧结，从而影响终端产品的品质。同时此技术还存在能耗高、效率低等缺点。

热破碎技术，此类设备是通过外部热源，对硅料进行加热，待升到一定温度，再将硅料转移到冷却介质中，通过骤冷造成的表面收缩的不均匀性，引发硅料的破裂，例如专利CN201473321U中提到的技术。此类技术，一般采用电阻炉加热的方式，要达到硅料快速升温的目的，环境温度要很高，这样极易造成硅料表面的氧化，从而影响终端产品的性能。如果降低环境温度，则加热时间过长，影响产率。

以上各类技术，都存在不同程度的低效率、高能耗、产能低、物料浪费严重。更致命的是，这些工艺，都极易引入杂质，从而极大影响终端产品的品质。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种以微波作为能量来源，利用微波可以穿透硅料，并在硅料内部均匀转换成热能的特性，加热后的硅料，可被迅速浸入冷水速冷，使硅料形成微裂纹，干燥后的硅料经轻微击打，可碎成均匀的、符合下游工艺需求碎块的硅料微波加热装置。

本发明所述的硅料微波加热装置，包括机架，机架上设置水槽和加热腔，水槽上方设有置物篮，置物篮连接升降装置，升降装置安装在移动装置上，加热腔外侧面设置微波发射源，加热腔包括上腔体和下腔体，上腔体和下腔体设置为开合式结构。

所述的上腔体和下腔体一侧铰接，另一侧开合，开合端朝向设有水槽的一端，下腔体和机架之间设置腔体升降气缸。启动腔体升降气缸，下腔体向上移动，两个腔体合拢，形成一个完整的立方体腔体。

所述的微波发射源布置在除腔体升降气缸布置侧的另外侧面上为其中任意一侧表面或者其中多个侧面。

所述的升降装置包括置物升降气缸，置物升降气缸底部连接置物支架，置物支架包括横杆，横杆两端分别设置竖杆，竖杆底部之间连接置物篮。

所述的置物支架两侧设置限位架，限位架固定在移动装置上，竖杆和移动装置之间设置滑轮，移动装置包括移动气缸，移动气缸连接移动架，限位架固定在移动架上，移动架底部外周设置滚轮。

所述的移动装置包括移动气缸，移动气缸连接移动架，移动架连接升降装置，移动架底部外周设置滚轮。

所述的上腔体和下腔体均包括外腔壁、保温层、内腔壁，内腔和外腔的形状相同。

所述的外腔壁为金属材质，保温层是石棉、硅酸铝、氧化铝、莫来石其中一种或者多种，内腔壁为氧化铝、石英或陶瓷其中一种或者多种。

所述的在加热腔内壁上偏离微波发射源垂直射入的位置，布置有吸波材料。

所述的吸波材料是碳化硅、石墨、磁性其中一种或者多种，布置方式采用刷涂、喷涂，或开槽嵌入式。此吸波材料可吸收未被硅料吸收的微波，并转换为热量，可进一步促进炉温和硅料温度，可提高微波的利用率。

通过安装在微波加热腔体外腔壁上的微波发射源，发射微波到内腔，其中部分微波被物料吸收转化成热能，使硅料升温；同时未被利用的微波经反射被布置在内腔壁上的吸波材料吸收，转化为热能，通过热辐射对硅料二次加热，同时可保持腔体温度，减少加热后的高温硅料对较低温度的内墙壁的热辐射。与普通电阻炉电热丝加热方式比较，在同样功率下，可使加热时间缩短40％，极大的提高了生产效率。整体具备高效率、低能耗、无污染等优点。

本发明的有益效果是：

1、整个过程，采用微波加热，避免局部高温对原料的氧化；

2、整个装置与物料接触的部分，采用无污染的材质，可有效防止硅料的污染；

3、通过安装在微波加热腔体外腔壁上的微波发射源，发射微波到内腔，其中部分微波被物料吸收转化成热能，使硅料升温；同时未被利用的微波经反射被布置在内腔壁上的吸波材料吸收，转化为热能，通过热辐射对硅料二次加热，同时可保持腔体温度，减少加热后的高温硅料对较低温度的内墙壁的热辐射。通过以上措施，可极大提高加热效率，降低能耗。较电阻炉加热，能耗可降低40％。

4、采用本发明工艺和装备，生产过程中碎块均匀，有利于后续工艺的生产。同时，非常有效的避免其他破碎工艺易产生粉料的现象，减少原料的浪费。

附图说明

图1是本发明的初始结构示意图。

图2是图1的左视结构示意图。

图3是置物篮进入加热腔内的结构示意图。

图4是图3的左视结构示意图。

图5是微波加热的结构示意图。

图6是图5的左视结构示意图。

图7是置物篮进入水槽的结构示意图。

图8是图7的左视结构示意图。

图中：1、置物升降气缸；2、横杆；3、滚轮；4、限位架；5、机架；6、水槽；7、置物篮；8、竖杆；9、滑轮；10、移动架；11、移动气缸；12、上腔体；13、微波发射源；14、下腔体；15、腔体升降气缸。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述：

如图1～图8所示，本发明所述的硅料微波加热装置，包括机架5，机架5上设置水槽6和加热腔，水槽6上方设有置物篮7，置物篮7连接升降装置，升降装置安装在移动装置上，加热腔外侧面设置微波发射源13，加热腔包括上腔体12和下腔体14，上腔体12和下腔体14设置为开合式结构。上腔体12和下腔体14一侧铰接，另一侧开合，开合端朝向设有水槽6的一端，下腔体14和机架5之间设置腔体升降气缸15。启动腔体升降气缸15，下腔体14向上移动，两个腔体合拢，形成一个完整的立方体腔体。微波发射源13布置在除腔体升降气缸15布置侧的另外侧面上为其中任意一侧表面或者其中多个侧面。升降装置包括置物升降气缸1，置物升降气缸1底部连接置物支架，置物支架包括横杆2，横杆2两端分别设置竖杆8，竖杆8底部之间连接置物篮7。置物支架两侧设置限位架4，限位架4固定在移动装置上，竖杆8和移动装置之间设置滑轮9，移动装置包括移动气缸11，移动气缸11连接移动架10，限位架4固定在移动架10上，移动架10底部外周设置滚轮3。上腔体12和下腔体14均包括外腔壁、保温层、内腔壁，内腔和外腔的形状相同。外腔壁为金属材质，保温层是石棉、硅酸铝、氧化铝、莫来石其中一种或者多种，内腔壁为氧化铝、石英或陶瓷其中一种或者多种。在加热腔内壁上偏离微波发射源13垂直射入的位置，布置有吸波材料。吸波材料是碳化硅、石墨、磁性其中一种或者多种，布置方式采用刷涂、喷涂，或开槽嵌入式。此吸波材料可吸收未被硅料吸收的微波，并转换为热量，可进一步促进炉温和硅料温度，可提高微波的利用率。

当置物篮7随气缸运送抵达水槽6上方时，可在此位置装料。物料可以是硅圆棒或硅块料。随后在移动气缸11的带动下，置物篮7被运送至内腔；随后在腔体升降气缸15的作用下，下腔体14向上移动，腔体闭合。启动微波发射源13，在微波和吸波材料二次加热同时作用下，硅料会被迅速加热到预定温度。当硅料温度达到预定温度时，关闭微波发射源13。打开下腔体14，置物篮7在移动气缸11的作用下，运动至水槽6上方；然后在置物升降气缸1的作用下，置物篮7连同硅料一起进入水槽6内迅速降温。待温度降到50℃以下，提出置物篮7，取出硅料，待硅料干燥后，用特制破碎锤轻敲硅料，硅料可轻易被破碎成预计的大小。

实施例：

在本实施例，微波加热腔体外型尺寸为：长×宽×高：700mm×700mm×700mm，外壁为2mm冷轧钢板，内外喷涂防腐材料。保温层厚度为128mm，材质为硅酸铝保温板。内腔为厚度为20mm厚的石英材质。内腔尺寸为：长×宽×高：400mm×400mm×400mm。在内腔内壁上下两侧腔壁，分别开有两条凹槽，凹槽尺寸为：长×宽×深：350mm×50mm×5mm。在凹槽内填充有碳化硅材料。在外腔壁外壁，在上下两侧分别布置3个微波发射器，在前后两侧外壁，分别布置有2个微波发射器，每个功率为1kW，总功率为10kW。水箱尺寸为：长×宽×高：1200mm×500mm×500mm。物料篮框尺寸为：长×宽×高：370mm×370mm×200mm，材质为硬质合金钢，可装载物料30-50kg。当装料量为40kg时，10个微波发射器同时开启，可将硅料在25分钟内，从室温加热到400℃。经冷水急速降温，并干燥后，在较小的外力作用下，硅料可以被粉碎成均匀的碎块。

Claims (10)

1.一种硅料微波加热装置，其特征在于：包括机架(5)，机架(5)上设置水槽(6)和加热腔，水槽(6)上方设有置物篮(7)，置物篮(7)连接升降装置，升降装置安装在移动装置上，加热腔外侧面设置微波发射源(13)，加热腔包括上腔体(12)和下腔体(14)，上腔体(12)和下腔体(14)设置为开合式结构。

2.根据权利要求1所述的硅料微波加热装置，其特征在于：上腔体(12)和下腔体(14)一侧铰接，另一侧开合，开合端朝向设有水槽(6)的一端，下腔体(14)和机架(5)之间设置腔体升降气缸(15)。

3.根据权利要求2所述的硅料微波加热装置，其特征在于：微波发射源(13)布置在除腔体升降气缸(15)布置侧的另外侧面上为其中任意一侧表面或者其中多个侧面。

4.根据权利要求1所述的硅料微波加热装置，其特征在于：升降装置包括置物升降气缸(1)，置物升降气缸(1)底部连接置物支架，置物支架包括横杆(2)，横杆(2)两端分别设置竖杆(8)，竖杆(8)底部之间连接置物篮(7)。

5.根据权利要求4所述的硅料微波加热装置，其特征在于：置物支架两侧设置限位架(4)，限位架(4)固定在移动装置上，竖杆(8)和移动装置之间设置滑轮(9)，移动装置包括移动气缸(11)，移动气缸(11)连接移动架(10)，限位架(4)固定在移动架(10)上，移动架(10)底部外周设置滚轮(3)。

6.根据权利要求1所述的硅料微波加热装置，其特征在于：移动装置包括移动气缸(11)，移动气缸(11)连接移动架(10)，移动架(10)连接升降装置，移动架(10)底部外周设置滚轮(3)。

7.根据权利要求1所述的硅料微波加热装置，其特征在于：上腔体(12)和下腔体(14)均包括外腔壁、保温层、内腔壁，内腔和外腔的形状相同。

8.根据权利要求7所述的硅料微波加热装置，其特征在于：外腔壁为金属材质，保温层是石棉、硅酸铝、氧化铝、莫来石其中一种或者多种，内腔壁为氧化铝、石英或陶瓷其中一种或者多种。

9.根据权利要求1所述的硅料微波加热装置，其特征在于：在加热腔内壁上偏离微波发射源(13)垂直射入的位置，布置有吸波材料。

10.根据权利要求9所述的硅料微波加热装置，其特征在于：吸波材料是碳化硅、石墨、磁性其中一种或者多种，布置方式采用刷涂、喷涂，或开槽嵌入式。