TW200942086A - Electric power system for electric induction heating and melting of materials in a susceptor vessel - Google Patents

Description

200942086 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是關於電感應加熱與熔融材料於—承受器容器之 電力系統。 本申請案主張2007年11月3曰申請的美國臨時申請案第 60/985,204號之優先權，該案之全文以引用的方式併入 文中。 【先前技術】 一在固態時不導電而在熔融態時導電的材料，如矽，可 藉由將該材料在固態時置於該承受器容器内並感應加熱該 承受器容器’而使其在一承受器容器内加熱。從該被加埶 的承受器傳遞到在該容器内的該固態材料之熱使該材料加、 熱並開始熔融該材料至其導電的熔融態。之後便可利用電 力感應而感應加熱與熔融該熔融材料。 在某些配置中’二個或二個以上感應線圈可圍繞該承受 器容器之外部之不同的區域或區段，且該等感應線圈之每 一者被連接到-獨立交流電源供應器。來自每—獨立電源 供應器之交流電流流經該等感應_從而產生磁場，該’等 磁場與該承受ϋ或在該容㈣的材料感㈣合。該等產生 的磁場也會在二個或二個以上感應線圈之間引起—相互電 感。在某些配置中’該等獨立電源供應器之輸出可能藉由 個或一個以上感應線圈之間的相互電感而受到不利影 響’特別是當在該容器内的材料炼融且該相互電感之值變 135836.doc 200942086 本發明之一目標係在二個或二個以上感應線圈被提供於 一導致二個或二個以上線圈之間的相互電感耦合之配置中 時’提供一種用於電感應加熱與熔融在一承受器容器中之 一材料之電力系統》 【發明内容】 本發明之一態樣為當電力從一獨立電源供應器供應到每 ' 一感應線圈時，向圍繞一承受器容器之二個或二個以上感 應線圈提供電力以感應加熱一置於該承受器容器内之材料 ❿ 的設備與方法。 在另一態樣中’本發明為用於向圍繞一承受器容器之二 個或二個以上感應線圈提供電力以感應加熱一過渡材料之 叹備與方法，該過渡材料實質為從不導電的固態過渡到導 電的炫融態。從-獨立交流⑽電源供應器向每一感應線 圈供電。從所有電源供應器供應到二個或二個以上感應線 圈之輸出電壓為相位同步。從每一電源供應器輸出的電力 ⑩ 量值如所需予以獨立調整，以供熱給由該二個或二個以上 感應線圈之每一者所圍繞的承受器區域。在該承受器容器 内的所有過渡材料已被熔融後，可提供該等電源供應器之 冑出電塵之可選的相位偏移調整，以達成該熔融材料於該 . 纟受器容器之單向攪拌。在本發明之某些實例中，所有電 源供應器之輸出頻率從一承受器感應加熱頻率過渡到一溶 融材料加熱頻率。 發月之該等以上及其他態樣將被進一纟閣明於本說明 書與附加申請專利範圍中。 135836.doc 200942086 【實施方式】 如下簡述，該等附圖被提供用於對本發明的例示性瞭解 且非限制本發明，如於本說明書中之進一步闡明。 圖1闞釋本發明之一非限制性實例。該承受器容器丨2之 外部（虛線所示）由沿著該容器高度位於不同區域或區段之 至少二個感應線圈所圍繞。在此實例中，將該至少二個感 應線圈指定為下部感應線圈14a與上部感應線圈14b。獨立 交流電源供應器16a與16b使其輸出Vout端如圖1所示連接到 該至少二個感應線圈之一。每一電源供應器之一合適的但 非限制性的實例為圖2中的電源供應器16。該電源供應器 包括：交流至直流轉換器區段30,其將公用電源供應器轉 換為直流（dc)電源供應器；濾波器區段32，其過渡直流電 流及/或電壓；及變流器區段34，其從該直流電源供應器 合成交流電源供應器。在此非限制實例中，該轉換器區段 包括全波二極體橋式整流器31 ;該濾波器區段包括限流電 抗器Lclr與電壓平流電容器CFIL ;及該變流器區段包括固 態開關Si、S2、S3，及S4 ’其連同反向並聯二極體、 D2、D3 ’及D4配置為一 Η-橋式組態，以產生交流輸出電壓 V〇Ut。每一開關可為任一類型的電路切換裝置，舉例而 言’如圖2象徵性所示之一絕緣閘雙極電晶體（IGBT)。公 用電源供應器通常為50或60赫茲，且在此實例中，作為圖 2中指定為A、B及C之三相電源供應器而被闞釋。未顯示 於圖2的係一調諧電容器或阻抗匹配電容器，其可提供於 該變流器區段之輸出端與該連接感應線圈之間。同樣未顯 135836.doc 200942086 示於該圖的係一變壓器，其可因負載匹配目的而提供於該 變流器區段之輸出端與該連接的感應線圈之間。 較佳地’在本發明之一些實例中，該等電源供應器之一 般固定操作輸出頻率應為相對較低，舉例而言，在25至7〇 赫茲的範圍内，以在該承受器容器所形成的内部體積中達 到一標準（感應渦流）穿透深度。該感應渦流穿透深度由該 ' 感應渦流（施加場）之頻率，及與該磁場耦合之材料之電導 帛與磁導率決定。更具體言之，該感應渦流穿透深度⑻可 藉由以下等式而得出： δ=503(ρ/μΡ)1/2 其中Ρ為該材料之電阻率，以Qm為單位；μ為該材料之 相對磁導率，及F為該感應渦流之頻率，其在自具有一輸 頻率的獨立電源供應器1 6&與丨6b供電給二個或二個以 上感應線圈14a與14b是時自施加場而產生。 如果在該承受器容器内之材料處於固態時不導電且溶融 〇 j時導電’例如但非限於石夕（在本文中稱為一過渡材料）， 則即使該等場穿透入該容器之内部，最初只會對該固態材 ，丨起^承又器之感應加熱。當在坩堝内的該過渡材料藉 —"二承又器各器到該材料的熱傳遞而進行熔融時，該熔 • Μ與半熔融過渡材料將進—步熔融且磁通量將與在該容器 内的該熔融材料感應耦合。 ，發月中，每一電源供應器之輸出電壓藉由如鎖 相迴路電路之合適的相位同步電路18而相位同步’因此當 該過渡材料之狀態從固態變為熔融態時不受該負載阻抗 I35836.doc 200942086 (包含該等感應線圈之間的相互電感M)之變化的影響。任 -電源供應器可作為—主相位控制器而起作用，而另一個 電源供應則從動於該主控制器。

舉例而言，可藉由圖3(a)與圖3(b)所闡釋之電壓輸出脈 衝寬度控制而對供應給每一感應線圈之電力量值進行控 制。如圖3⑷所闞釋，從電源供應器心到下部感應線圈 14a之該輸出電壓之脈衝寬度約為9〇%作用時間循環，而 如圖3(b)所闡釋’從電源供應器⑽到上部感應線圈⑽之 該輸出㈣之脈衝寬度約為45%作用時間循環，二個電源 供應器都被鎖相於相同操作頻率f〇p1，最初從二個電源 供應器到下部感應線圈與上部感應線圈之總電力之比率為 2:1。操作該等電源供應器之一非限制性方法為最初在大 部分固體過渡材料在該容器内時供應大量電力給該下部感 應線圈以感應加熱該承受器容器之下部，直到該過渡材料 之-充；1量被㈣且變為導電性。在該過渡_，供應至 該上部感應線圈之電力量值可予增加，且供應至該下部感 應線圈之電力量值可予減小，直到t該容器内的所有過渡 材料均被溶融時來自二個電源供應器之電力輸出位準相等 (供應至二個線圈之總電力之比率相等）為止。 該上部感應線圈與該 的熔融過渡材料會發 但是藉由提供額外的 該炼融過渡材料之電 以在該等獨立電源供 雖然當不相等的電力量值被供應至 下部感應線圈時，在該承受器容器内 生某種程度的不規則電磁授拌場型， 控制電路’可達成該承受器容器内的 磁攪拌之一可選的精細與受控場型， 135836.doc •10- 200942086 應器之輸出之間達到一可選相位偏移，其至少大約在正9〇 度到負90度相位偏移的範圍内，以當施加於該上部感應線 圈與該下部感應線圈之該等電壓之間不存在相位偏移時， 達成圖4(a)所闞釋之單向電磁攪拌而非圖4(b)所闡釋之四 迖路電磁搜拌。當施加於該下部感應線圈14a之電壓超前 且施加於該上部感應線圈14b之電壓滞後時，可達成該圖 • 4(勾中箭碩所指之攪拌場型8當添加額外的過渡材料至該 令器内的熔融材料時，該圖4(a)中之配置為有利的，其使 得該添加的固態過渡材料9〇被引入至該熔融之中心區域 (軸cL周圍），而於該處被快速加熱及熔融。圖5(勾與圖5(b) 為典型的電壓圖表，其相對於用於圖3(a)與圖3(b)之該相 位定向具有正90度與負9〇度相位偏移。 在本發明之其他實例中，每一獨立電源供應器之操作輸 出頻率係可變。舉例而言，如果在承受器容器12内的材料 為:過渡材料，且最初用固態不導電過渡材料填充該承受 • ^容器之至少部分，則每一獨立電源供應器之初始輸出頻 率可設定為-承受器感應加熱頻率，其可在該承受器材料 内達到至少一標準穿透深度，同時每一獨立電源供應器之 . 輸出電歷為相位同步，如上述於本發明之其他實例所述。 . 該承受器感應加熱頻率通常為約1 kHz。一旦藉由來自該 、：加熱的# 乂器；料之熱傳遞而使該固體過渡材料開始溶 融每冑立電源供應器之輸出頻率可被減小至一溶融過 渡材料感應加熱頻率’其可在該容器中之溶融過渡材料内 達到至/ #準穿透;果度。如上文本發明之其他實例所 135836.doc 200942086 述’可藉由電壓輸出脈衝寬度控制而對供應給每一感應線 圈之電力量值進行控制。該溶融過渡材料感應加熱頻率通 常為約100赫茲。此時，在該程序中，可藉由該過渡材料 之直渦流感應加熱而達成該過渡材料之大部分加熱。一旦 在該承受器容器内的所有過渡材料已被熔融，每一獨立電 源供應器之輸出頻率便可降低至一保持頻率，同時如上述 於本發明之其他以上實例所述，可藉由電壓輸出脈衝寬度 控制而將供應給每一感應線圈之電力量值減小至一保持感 應加熱電力位準，且具有一相位偏移角度，以達到一理想 的電磁攪拌程度。在該保持狀態下，其代表在一選定溫度 下保持一實質充滿熔融過渡材料之容器，直到從該承受器 容器汲取熔融過渡材料，每一獨立電源供應器之輸出頻 率、每一獨立電源供應器之輸出電壓之間的相位偏移角 度，及每一獨立電源供應器之輸出電壓脈衝寬度控制可按 需要予以調整。例如使一處理器回應於一輸入信號而執行 Φ 一頻率、相位偏移與輸出電壓脈衝寬度控制之電腦程式’ 以維持一熔融過渡材料保持溫度，該輸入信號例如來自一 非接觸式溫度感測器件，用以感測該容器内之熔融材料之 實際溫度。 作為從該容器汲取熔融過渡材料之另一選擇，舉例而 S，當該過渡材肖為料，可從該最低感應線圈到該最高 感應線圈依序將到該至少二個感應線圈之該電力量值減小 到零，同時將在至少二個獨立電源供應器之該等輸出電壓 之間的該相位偏移連續減小到零（相位同步），以使該石夕於 135836.doc -12- 200942086 該容器中定向固化。 用於本發明之術語「蚤為 又器谷器」包含感應炫融容器或 ㈣’其包括-或多個分佈於該容器或㈣部 之離散承受器元件；即，該整個容器並非必須由本= 一些實例中的一承受器材料組成。 之

雖然本發明之該等上述實例運用二個感應線圈，但是在 本發明之其他實财也刊用二個以上之線圈，其每一者 被連接到-獨立電源供應器。如上述，在該等配置中的至 少二細t鄰感應線圈具有相位同步的施加電廢。 本發明之該等上述實例之—替代方法為，於需要時轉換 —可用交流電源供應器’舉例而言為5G或啊兹交流公用 電源供應器，並供應獨立相位同步電源供應器線至每一感 應線圈。舉例而言，可藉由提供合適的相位偏移電路而達 成電磁攪拌之相位偏移。 本發明之該等上述實例已提供用作解釋目的而非限制本 發明》雖然本發明已參照各個實施例而描述但是用於文 中之該等辭彙乃描述與闡釋之辭彙，而非限制之辭彙。'雖 然本發明已參照特定的構件、材料與實施例而描述於本文 中’但是本發明並非意欲限制揭示於本文中之該等特定 項；更確切地說，本發明延伸至所有在功能上等效的結 構、方法與用途’例如在附加請求項的範圍内。受益於本 說明書之教示之熟習此項技術者可實現對其之許多修改， 且可在不脫離本發明之態樣之範圍的前提下完成改變。 【圖式簡單說明】 135836.doc 200942086 圖1為本發明之一用於電感應加熱與材料熔融於一承受 器容器之電力系統之一實例簡圖。 圖2為一與圖1所示之本發明之一電力系統搭配使用之電 源供應器之一實例簡圖。 圖3(a)與3(b)為脈衝寬度控制之一類型之繪圖闡釋，其 用於獨立控制圖1所示之每一電源供應器之電力位準輸 出。 圖4(a)闡釋單向電磁攪拌之一場型，其藉由圖丨所示之該 等電源供應器之一輸出電壓相位偏移而達成，及圖4(b)闌 釋四迴路電磁攪拌’其藉由圖1所示之二個電源供應器之 相位同步與相同量值電力輸出而予以完成。 圖5 (a)與5(b)闡釋如圖1所示之該等電源供應器之該等電 壓輸出相對於圖3(a)與3(b)所示之該相位定位之負9〇度與 正90度相位偏移以達成電磁攪拌之一實例。 【主要元件符號說明】 12 承受器容器 14a 上部感應線圈 14b 下部感應線圈 16 電源供應器 16a 電源供應器 16b 電源供應器 18 相位同步電路 30 交流至直流轉換器區段 31 全波二極體橋式整流器 135836.doc • 14· 200942086 32 34 90 濾波器區段 變流器區段 過渡材料 ❹ 參 135836.doc -15-

Claims (1)

1. 200942086 十、申請專利範固： 1. 一種藉由供應交流電流給圍繞該容器之不同區段之至少 二，感應線圈而加熱與熔融在至少部分包括一承受器之 、器1f7的材料之方法，該方法包括以下步驟： 將該材料之一電荷置於該容器内； 從一獨立電源供應器向該至少二個感應線圈之每一者 供應輸出交流電流，所有獨立電源供應器之該輸出電壓 以相位同步操作；及 藉由以相位同步操作之該等獨立電源供應器之每一者 之該輸出電壓之獨立脈衝寬度控制，而改變供應到該至 夕一個感應線圈之每一者的該電力量值。 2. 如明求項1之方法，其進一步包括以下步驟：當實質所 有材料為炫融態時，建立介於至少二個獨立電源供應器 之該等輸出電壓之間的一相位偏移，以電磁授拌在該容 器内之該材料。 3. 如明求項1之方法，其進一步包括以下步驟：當在該容 器内之該材料之電荷實質為固態時，使每一獨立電源供 應器之該輸出頻率從一承受器感應加熱頻率改變，且當 在該容器内之該材料之該電荷實質為非固態時使每一 獨立電源供應器之該輸出頻率變為一電荷感應加熱頻 率。 4· 一種藉由供應交流電流給圍繞該容器之不同區段之至少 一個感應線圈而加熱與熔融在至少部分包括一承受器之 一容器中的一過渡材料之方法，該方法包括以下步驟： 135836.doc 200942086 將該過渡材料之一電荷置於該容器内； 從獨立電源供應器向至少二個感應線圈之每一者供 應固疋頻率輪出交流電流，所有獨立電源供應器之該輸 出電壓以相位同步操作；及 藉由以相位同步操作每一獨立電源供應器之該輸出電 壓之獨立脈衝寬度控制，而改變供應到該至少二個感應 線圈之每一者的該電力量值。 5.如請求項4之方法，其甲改變該電力量值之步驟進一步 包括以下步驟：初始供應針對相對於位於較接近該容器 頂部之該至少二個感應線圈而位於較接近該容器底部之 該至少二個感應線圈所供應之總電力的至少一 2比1之比 率’並隨該過渡材料從該不導電的固態過渡為該導電的 熔融態而減小總電力之該2比1之比率。 6_如請求項5之方法，其中改變該電力量值之步驟進一步 包括以下步驟：當所有在該容器内的過渡材料實質處於 導電熔融態時，提供總電力的相等比率給該至少二個感 應線圈之每一者。 7. —種藉由供應交流電流給圍繞該容器之不同區段之至少 一個感應線圈而加熱與溶融在至少部分包括一承受器之 一容器中的一過渡材料之方法，該方法包括以下步驟： 將該過渡材料之一電荷置於該容器内； 從一獨立電源供應器向該至少二個感應線圈之每—者 以一承受器感應加熱頻率供應輸出交流電流，所有獨立 電源供應器之該輸出電壓以相位同步操作，該承受器感 135836.doc 200942086 應加熱頻率經選定用於在該承受n内之電流穿透之至少 一個標準深度；及 藉由以相位同步操作之該等獨立電源供應器之每一者 ^該輸出電麗之獨立脈衝寬度控制，而改變供應到該至 ^一個感應線圏之每一者的該電力量值； 广將來自每—獨立電源供應器之該輸出交流電流之該頻 率變更為—嫁融過渡材料感應加熱頻率，該溶融過渡材 料感應加熱頻率經選定用於在該容器内之該熔融態過渡 材料之電流穿透之至少一個標準深度；及 建立介於該等獨電源供應器之至少=者之該等輸出 、之間的一相位偏移，以在該過渡材料從固態過渡到 熔融態時電磁攪拌於該容器内之該過渡材料。 8. 如請求項7之方法，纟中改變該電力量值之步驟進一步 包括以下步驟：初始供應針對相對於位於較接近該容器 頂部之該至少二個感應線圈而位於較接近該容器底部之 ❿ 該至少二個感應線圈所供應之總電力的至少一 2比i之比 率，並隨該過渡材料從該不導電的固態過渡為該導電的 炫·融態而減小總電力之該2比1之比率。 9. 如請求項8之方法，其中改變該電力量值之步驟進一步 包括以下步驟：當在該容器内的所有過渡材料實質處於 導電熔融態時，提供總電力的相等比率給該至少二個感 應線圈之每^者。 10. 如請求項7之方法進一步包括以下步驟，同時將每一獨 立電源供應器之該輸出交流電流頻率減小至一熔融過渡 135836.doc 200942086 / 攪拌頻率，建立介於該等獨立電源供應器之至 二個之該等輸出電塵之間的—保持授拌相位偏移，及 …應到至少二個感應線圈之每—者之輪出電力量值減 小到-保持攪拌電力量值’當於該容器内之所有過渡材 料為熔融態之後’該保持授拌頻率、保持授拌相位偏 移’及保持攪拌電力量值之該組合經選^於將該炼融 過渡材料維持於一保持溫度。 11

   一種藉由供應交流電流給圍繞該容器之不同區段之至少 二個感應線圈而加熱、㈣與定向於至少部分包括一承 受器之一容器中的凝固矽之方法，該方法包括： 將冶金級矽材料之一電荷置於該容器内； 從一獨立電源供應器向至少二個感應線圈之每一者供 應具有承受器感應加熱頻率之輸出交流電流，所有獨 立電源供應器之輸出電壓以相位同步操作，該承受器感 應加熱頻率經選定用於於該承受器容器壁之電流穿透之 至少一個標準深度； 藉由該等獨立電源供應器之每一者之該輸出電壓之獨 立脈衝寬度控制，而改變供應到該至少二個感應線圈之 每一者的該電力量值，以初始供應針對相對於位於較接 近該容器頂部之該至少二個感應線圈而位於較接近該容 器底部之該至少二個感應線圈所供應之總電力的至少一 2比1之比率’並隨該過渡材料從該不導電的固態過渡為 該導電的熔融態而減小總電力之該2比1比率； 將來自每一獨立電源供應器之該輸出交流電流之該頻 135836.doc 200942086 率變更為一熔融矽感應加熱頻率，該熔融矽感應加熱頻 率&選定用於在該容器内之該熔融態矽内之電流穿透之 至少一個標準深度；及 建立介於該等獨立電源供應器之至少二者之該等輸出 電壓之間的一相位偏移，以在該矽從固態過渡到熔融態 時電磁攪拌在該容器内之該矽。 12·如睛求項丨丨之方法，其進一步包括以下步驟：從最低感 應線圈到最高感應線圈依序將供應到該至少二個感應線 圈之每一者之該電力量值減小到零，同時依序將該等獨 立電源供應器之該至少二個之該等輸出電壓之間的該相 位偏移減小到零，以定向凝固在該容器底部之該矽。 135836.doc