TW201815648A - 給料機 - Google Patents

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TW201815648A
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羅伯特Ｊ 吉爾森
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美商Ｒｅｃ多晶矽公司
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Abstract

一種可操作來運送分裂固體材料之給料機，其包含導管及致動器。該導管具有中空主體，其具有長度、第一端部、與該第一端部相反的第二端部及沿該長度之至少一部分界定的可位移主體節段。該可位移主體節段具有至少可定位在第一固定位置處的第一可固定位置。該致動器經定位以施加力至該導管且可控制來引起分裂固體材料在大體上自該第一端部至該第二端部延伸的給料方向上之選定流動。亦揭示方法。

Description

給料機
超高純度之矽係廣泛地用於電子設備及光伏打工業中。常常需要僅具有量測為十億分率位準之痕量污染量之高純度粒狀多晶矽材料。生產此種材料係可能的，但隨後在任何操縱、包裝或運輸操作中必須極度謹慎以避免後續污染。
用於運送粒狀多晶矽材料之習知給料及流量控制技術包括在其構造中具有金屬之組件(例如，閥、導管等等)。當保護塗層或襯裡受損，或當在移動部件之界面處發生磨損時，例如，可能發生不可接受的來自金屬部件之污染。
用於調節依賴於相對於所運送材料移動的組分之顆粒狀材料之流量的閥，諸如蝶形擋板、捏縮囊、隔膜、閘門等等，係具有潛在地壓碎材料顆粒之缺點，該缺點可減少其值並潛在地損壞組件及其他設備。
另外，習知給料機可能不會對粒狀多晶矽之流率及/或流率範圍提供足夠的控制。習知振動托盤給料機可達成在最低可控制給料速率與僅約1：50的最高可控制給料速率之間的給料速率範圍，但更高的給料速 率範圍為合乎需要。其他習知方法允許達成較高給料速率範圍，但僅係利用在流動材料之控制體積內具有多個部件之設備來達成，該等部件必須相對於彼此移動，諸如螺旋鑽、轉葉及其他類似結構。然而，控制體積內的相對運動中之多個部件導致較大的污染風險。
此外，此種習知給料機由於其複雜的構造而難以利用適合的製程氣體沖洗及/或部分地清潔。多件式構造典型地需要密封件之廣泛使用以阻止經由相對於彼此移動的組件之洩漏。
習知振動固體運送機典型地具有藉由連桿及/或彈簧約束的剛性容器，該等連桿及/或彈簧可藉由耦合至電動馬達或電磁驅動機之偏心錘總成在所欲運動中驅動，該所欲運動諸如包括水平分量及垂直分量之橢圓旋轉。
包括振動運送機、螺旋鑽、帶式運送機及其他類似裝置的用以運送固體之習知方法不能夠在大範圍流動上達成高效能同時確保超高純度得以維持。
下文描述解決給料包括粒狀多晶矽之固體材料的習知方法中之一些缺點的設備及方法。
根據第一實施方式，可操作來運送分裂固體材料之給料機包含導管及致動器。該導管具有中空主體，其具有長度、第一端部、與該第一端部相反的第二端部及沿該長度之至少一部分界定的可位移主體節段。該可位移主體節段具有至少可定位在第一固定位置處的第一可固定位置。該致動器經定位以施加力至該導管且可控制來引起分裂固體材料在大體上 自該第一端部至該第二端部延伸的給料方向上之選定流動。
在一些實施方式中，該致動器係藉由該導管支撐且在給料操作期間隨該可位移主體節段移動。該致動器可包含旋轉偏移塊，且該旋轉偏移塊可操作來產生該可位移主體節段及所附接致動器之振盪運動。該可位移主體節段可經由具有垂直分量及水平分量之至少一者的閉合軌跡循環地位移。
在一些實施方式中，該可位移主體節段具有在該給料方向上處於該第一可固定位置下游且可定位在第二固定位置處的第二可固定位置。
在一些實施方式中，該可位移主體節段具有曲線輪廓，該曲線輪廓具有比分離該第一可固定位置及該第二端部之最短距離長的長度，且該致動器係大致在該曲線輪廓之曲線的反曲點處附接至該可位移主體節段。
在一些實施方式中，該致動器固定地定位且具有接觸該可位移主體節段之可控制移動元件。在一些實施方式中，該致動器包含線性致動器。在一些實施方式中，該致動器包含伸長構件，其具有可樞轉成與該可位移主體節段接觸以選擇性地移動該可位移主體節段之遠側端部及可樞轉地連接至樞轉點之近側端部。
在一些實施方式中，該可位移主體節段包含中間區段，其經配置以當該可位移主體節段靜止時收集該分裂固體材料之一部分。該中間區段可經配置以收集自該給料機之該第一端部接收的分裂固體材料流之前緣。
在一些實施方式中，該中間區段經配置用於以相對於水平面之輕微角度定位，且存在定位在該中間區段上游的第一直立區段及定位在該中間區段下游的第二直立區段。
在一些實施方式中，該導管由彈性材料製成。在一些實施方式中，該導管包含聚胺甲酸酯軟管材料。
在一些實施方式中，給料機包含導管及致動器。該導管具有入口端、與該入口端相反的出口端及沿給料方向上在該入口端與該出口端之間的可位移主體節段。該入口端經配置用於連接至藉由該給料機給料的材料來源。該出口端經配置以將分裂固體材料自該給料機運送至該給料機下游的位置。該出口端係定位在比該入口端低的高度處。該可位移主體節段被設定大小來具有比在該入口端與該出口端之間的最短距離長的長度且當安裝時界定具有至少一個反曲點之曲線輪廓。當安裝時，該可位移主體節段界定中間區段，其經配置以在該材料之靜止角下將所累積材料支撐在其中，且減少在該可位移主體節段靜止時材料在該給料方向上之移動。該致動器係連接至該可位移主體節段以在給料操作中可控制地位移該可位移主體節段。
在一些實施方式中，該致動器可控制來在振盪循環中位移該可位移主體節段。在一些實施方式中，該致動器為手動可操作的。在一些實施方式中，該可位移主體節段實質上自該入口端延伸且實質上延伸至該出口端。
在一些實施方式中，致使該中間區段自無流動發生的實質上側向位置位移至流動朝向出口端發生的向下傾斜位置。
在一些實施方式中，該致動器可經配置以在足以引起該可位移主體區段之位移的速率下移動以使得該固體材料在低滴流流量與高規模填充流量之間的選定速率下移動。
根據方法實施方式，利用給料機運送分裂固體材料之方法包含使用感測器監視利用該給料機運送的該分裂固體材料之量，在控制器處接收來自該感測器之訊號及將控制訊號自該控制器發送至該給料機以控制該分裂固體材料之流率處於大於1：50的低流率與高流率之流率範圍比率上。
根據一些實施方式，使用感測器監視運送的該固體材料之量可包含配置該感測器以量測來自定位於該給料機上游的該材料來源之該固體材料之重量損失。根據一些實施方式，使用感測器監視運送的該固體材料之量包含配置該感測器以量測運送至定位在該給料機下游的收容器之該固體材料之重量增加。
根據一些實施方式，該給料機可包含導管節段，其用於接收該固體材料且根據來自該控制器之該控制訊號可位移以達成來自該給料機之該材料之所欲流率。在一些實施方式中，該流率範圍比率大於1：4000。
根據另一方法實施方式，運送分裂多晶矽之方法包含將來自來源之分裂多晶矽接收至給料機之導管中，可控制地移動該導管穿過操作路徑，其中該導管係定位於至少第一位置及第二位置中，在該第一位置處，發生穿過該導管之流動，且在該第二位置處，穿過該導管之流動停止，及當該導管定位在至少第一位置中時，將流過該導管之該分裂矽材料接收在定位在該導管之出口端下游的收容器中。
合意地，本文描述的該給料及流量控制技術傾向於不依賴於減少該導管之橫截面，從而減少對所運送材料及設備的破壞。
前述及其他目標、特徵、及優勢將自參考附圖進行的以下詳細描述而變得更加明顯。
圖1為給料機之代表實施方式之側面正視圖，該給料機係處於其靜止位置中。
圖2-13為圖1之給料機之側面正視圖，其示意地展示圖1之給料機及在不同位置中遍及若干運動循環由該給料機給料之材料。
圖14為參考圖2-13中所展示的位置來展示給料機之馬達及主體之節段經由循環之軌跡的圖。
圖15為給料機之給料速率相對馬達速度之圖。
圖16為用於繪製圖15之圖的資料表。
圖17-18為給料機之另一實施方式之側面正視圖，其中用於移動主體之致動器為雙動氣壓缸。
圖19為代表性控制電路之示意性方塊圖，該代表性控制電路用於根據基於重量損失之控制來調節作為重力給料機之給料機之操作。
圖20為代表性控制電路之示意性方塊圖，該代表性控制電路用於根據基於重量增加之控制來調節作為重力給料機之給料機之操作。
圖21為代表性控制電路之示意性方塊圖，該代表性控制電路用於調節作為體積給料機之給料機之操作。
圖22為給料機之另一實施方式之側面正視圖，其中已加入真空或抽吸裝置來在給料操作期間輔助控制塵埃。
圖23A為給料機之另一實施方式之側面正視圖，其中中間區段不受限於按需要控制流量。
圖23B為圖23A之給料機之一部分的放大截面圖，其展示當給料機處於零流動位置時處於靜止的給料機中之固體。
圖24A為圖23A之給料機之側面正視圖，其展示處於不同位置中之給料機。
圖24B為圖24A之給料機之一部分的放大截面圖，其展示開始流動時給料機中之固體。
圖25A為圖23A之給料機之側面正視圖，其展示處於另一不同位置中之給料機。
圖25B為圖25A之給料機之一部分的放大截面圖，其展示給料機中之固體及經定位用於最大流動之給料機。
圖26A及26B為展示具有不同長度之構件的圖23A之給料機之變化的側面正視圖。
圖27A及27B為展示構件之另一變化的圖23A之給料機之側面正視圖。
參考圖1，展示給料機100之代表性實施方式之側面正視圖，材料可經由該給料機給料。給料機100具有大體上管狀的主體102，該主體在本文中亦有時稱為導管。因為主體102為管狀的，所以其具有中空橫截面。主體102的橫截面可界定環形、橢圓形、圓形或甚至多面形的內 表面。外表面可具有任何適合的形狀，且內表面與外表面之間的壁可具有任何適合的厚度(恆定或可變的)。
主體102具有第一端部104及相反的第二端部106。第一端部104與第二端部106之間存在可位移主體節段108，可致使該可位移主體節段如下文更詳細所述位移或移動、或振動或振盪(及在一些狀況下，因此循環地進行)以引起材料自第一端部104、穿過主體102運送或給料至第二端部106。主體102由一或多種材料形成且具有選定尺寸以使得其可在不同位置之間按需要移動，此在下文更詳細地描述。
在一些實施方式中，將要給料或運送之材料為包含諸如分裂固體材料之粒子的一或多種固體材料。多晶矽為可提供為分裂固體或細分固體材料之材料的一個實例。其他材料亦可使用所述設備及方法來給料。此外，將要給料之材料可為兩種或兩種以上不同組分材料之混合物。
若作用於材料之體應力超過材料之體強度，則材料係定義為可流動的。在粒狀材料的狀況下，用於指示材料流動之能力的一個量測法為材料之靜止角。粒狀材料之靜止角為相對於水平面之最陡下降角或傾角，材料可堆砌至該水平面而無崩移(在此角度下，斜坡面上之材料瀕臨於滑動)。具有較低流動傾向之材料可由具有相對高的粒子間摩擦程度之粒子構成，該等粒子諸如具有趨向於彼此互鎖的更多有角度形狀之材料之粒子。以相同方式，若存在粒子之塑性變形、粒子之部分熔融、存在於粒子中及/或圍繞粒子之水分及/或趨向於增加粒子之間的黏附的另一因素，則材料之流動性趨向於減小。
在一些狀況下，當材料之粒子靜止且無流動時，例如，因為 未超過材料之靜止角，粒子可仍然藉由擾動該等粒子而誘導流動，諸如經由例如以振動形式將能量施加至該等粒子。
在粒狀多晶矽(亦在本文中有時稱為粒化多晶矽及顆粒)之狀況下，多晶矽粒子為大體上球狀體，其具有0.25至20mm之平均直徑，諸如0.25-10mm、0.25-5mm、或0.25至3.5mm之平均直徑。如本文所使用，「平均直徑」意指複數個顆粒之數學平均直徑。個別顆粒可具有以下直徑範圍：0.1-30mm，諸如0.1-20mm、0.1-10mm、0.1-5mm、0.1-3mm或0.2-4mm。任何給定材料之個別粒子可具有大體上相同大小及形狀，或其在大小及形狀中有所改變。
管狀主體102或導管之開口橫截面可經大小設定為大於最大目標粒度之主尺寸至少2-3倍，以使得促進此種大小之粒子穿過給料機之流動。在特定實例中，主尺寸為將要運送的材料之最大目標粒度之直徑的2-3倍、5倍、10倍或100倍的直徑。
第一端部104可連接至將要給料的上游材料來源，諸如包含固體之材料。在所例示實施方式中，第一端部104係連接至給料斗H之出口端，該出口端為固定的。替代給料斗H，給料機100可連接在供應將要給料的材料之任何其他組件或導管下游。第二端部106可連接至出口或連接至任何其他下游位置，藉由給料機100給料的材料如所示自該出口排出。如圖13所示，例如，第二端部106可將材料運送至收容器R。
可位移主體節段108可具有第一可固定位置110，例如，可定位在第一固定位置處的位置。類似地，可位移主體節段108可具有第二可固定位置112，例如，可固定在第二固定位置處的第二位置。第一可固定 位置110及第二可固定位置112界定可位移主體節段108之近似端部。在所例示實施方式中，第一可固定位置110位於第一端部104之區域中，且第二可固定位置112位於第二端部106之區域中。在其他實施方式中，第一可固定位置110及第二可固定位置112可分別位於與第一端部104及第二端部106間隔的點處，以界定具有不同長度及特性之可位移主體節段。
典型地，至少可位移主體節段108經配置為足夠靈活的以按需要來位移，諸如藉由選擇適當的材料及其尺寸來達成。作為一個實例，在所例示實施方式中，包括可位移主體節段108之主體102由具有適當均勻直徑及壁厚度的可撓性聚胺甲酸酯軟管或導管區段形成。在其他實施方式中，一或多種不同材料可用於主體102及/或可位移主體節段108，及/或可使用不均勻壁厚度及/或直徑。
如圖1之實施方式所示，可位移主體節段108內不存在移動部件，亦即，在藉由可位移主體節段108界定的內部體積內不存在移動部件，該內部體積係指定為用於給料機的控制體積之部分。此為有利的，因為流過可位移主體節段108的固體材料與任何移動部件或其他敏感區域之間的接觸引起磨損及其他問題，尤其對諸如粒狀多晶矽之固體材料如此。
亦如圖1中所展示，給料機100具有致動器，例如，馬達130或其他裝置，其經配置以移動主體102及尤其可位移主體節段108，以使其典型地以循環方式選擇性地振盪或以其他方式移動。馬達130經定位以將運動施加至可位移節段108，諸如如所示藉由安裝至主體102(或具有接觸主體之組件)來達成。馬達130可為具有偏心錘之電動馬達。如所述，亦可使用足以將所欲運動施加至可位移主體節段108的任何其他類型的致 動器或其他裝置，諸如氣壓缸、水壓缸、或機械驅動機，諸如藉由伺服馬達提供動力之齒條與小齒輪總成，僅舉幾例。
參考圖1，主體102在高程上具有S形輪廓。在垂直方向上，第一端部104係定位在高於第二端部106之位準處。在水平方向上，第一端部104及第二端部106彼此偏移。主體102之S形輪廓具有在單一平面中在相反方向上彎曲的兩條曲線，該等曲線在可位移主體節段108內的反曲點處會合。亦可使用其他配置，此取決於針對應用的特定操作要求。在所例示實施方式中，馬達130經定位以使其旋轉軸實質上垂直於可位移主體節段108。
再次參考圖1，主體102係展示為透明組件以允許例示其內部及材料M。給料機100係展示為由材料M部分地填充，該材料靜止在主體102內的中間點處。在圖1中自左至右傾斜的材料M之前緣或頭部部分係以材料之靜止角A傾斜。在所例示實施方式中，例如，諸如粒狀多晶矽材料的材料M之靜止角為大致31°。在圖1中材料M靜止所處的主體102之區段可描述為中間區段(有時亦稱為靜止區段)。中間區段可在如所示的下游方向上為大致水平(亦即，在圖1中自右至左)、向上成角或向下成角，其連同對區段之長度的任何必要變化以確保提供充分的流出，以便輔助確保當給料機100未操作時不發生流動。相鄰第一端部104及第二端部106之節段可如所示為相對直立的以使材料藉由重力輔助流入及流出主體102至最大程度，但其他配置亦為可能的。
藉由如下文更詳細所述使可位移主體節段108位移或移動，材料M可沿如藉由箭頭F大體上所指示的給料路徑移動或給料穿過主 體102(參見，例如，圖2、5、6、9-13)且經由第二端部106離開至後續組件及/或位置。
圖2-13中展示在代表性操作情形中給料機100之穩定狀態循環運動。特定而言，圖2-13為給料機100之另外的側面正視圖，其展示馬達130之操作如何引起可位移主體節段108之振盪運動。參考圖2，在馬達130以225RPM之速度於逆時針方向上之穩定狀態操作期間，馬達130之位置已移動至右下方。特定而言，在相對於馬達之穩定狀態軌跡上之任意起始點的0.07秒之時間，馬達130已向右移動2.7cm(△X=+2.7cm)及向下移動2.3cm(△Y=-2.3cm)。因為馬達130係附接至可位移主體節段108，所以可位移主體節段具有與馬達130實質上相同的運動。
在可位移主體節段108向下向右移動時，材料M及特定而言構成材料M之顆粒具有在向上向左方向上之相對速度，從而如圖2中示意所示在材料M中產生空隙V。生長中之空隙V不受材料之靜止角約束，且因此材料將開始自右至左流動，在中間區段中沿流動路徑F開始。隨著材料之流動繼續，空隙V將被填充，且來自給料斗H之另外的材料將進入主體102以置換自中間區段流走的材料。可以說正被給料之材料係夾帶至凹穴中且在給料過程全程連續地移動。在下文結合圖14更詳細描述的馬達130/可位移主體節段108之循環運動之輪廓或軌跡P係展示為疊置在圖2-13中馬達130之旋轉軸上。
隨後，如圖3所示，在馬達速度維持在225RPM下及在0.14秒時，可位移主體節段108及材料M向上向左加速。空隙V崩塌，且材料M再一次藉由其靜止角約束，但處於沿流動路徑F更遠的位置。來自給料 斗H之流動停止。在圖3中展示的此點處，馬達130/可位移主體節段108已自圖2中展示的位置向左移動4.5cm(△X=-4.5公分)且向上移動2.4cm(△Y=2.4cm)。
在圖4中，在0.20秒時，可位移主體節段108達到其最左邊位置，停止且開始再次向下向右移動。材料M在向上向左之方向上維持其速度。給料斗H與主體102之間的相對流動保持停止。在此點，相對於圖3中展示的位置△X=-2.3cm且△Y=1.8cm。
在圖5中，在0.27秒時，材料M之慣性引起向上向左的繼續運動，而可位移主體節段108向下向右移動。在此點，相對速度處於其最大值。材料之頭部部分處的流動連同向下向右移動的可位移主體節段108一起生產更快速生長之空隙V。因為材料M不受其靜止角約束，所以材料之流動開始填充空隙V。來自給料斗H之流動恢復以置換下方流動之材料。在此點，相對於圖4中展示的位置△X=4.2cm且△Y=-1.8cm。
在圖6中，在0.34秒時，材料M之慣性允許在材料之頭部部分處向上向左的繼續運動。隨著材料繼續流動，連同可位移主體節段108向下向右之移動，空隙產生持續發生。因為材料M不受其靜止角約束，所以流動繼續填充空隙。來自給料斗H之流動繼續置換下方流動之材料。在此點，相對於圖5中展示的位置△X=2.7cm且△Y=-2.3cm。
在圖7中，在0.41秒時，可看到材料M之頭部沿流動路徑F前進。可位移主體節段108及材料M向上向左加速。空隙V已崩塌，且粒狀材料再一次藉由其靜止角約束。此粒狀材料與可位移主體節段108之下游區段之間的相對流動已停止。來自給料斗H之流動停止。在此點，相 對於圖6中展示的位置△X=-4.5cm且△Y=2.4cm。
在圖8中，在0.47秒時，材料M沿流動路徑F前進得更遠。可位移主體節段108已達到其最左上方位置。其隨後停止，且開始向下向右移動。材料M之慣性在向上向左之方向上保持。在下游方向上於可位移主體節段108中之相對流動已停止。來自給料斗H之流動停止。在此點，相對於圖7中展示的位置△X=-2.3cm且△Y=1.8cm。
在圖9中，在0.54秒時，可位移主體節段108向下向右移動且已達到其最大速度。可位移主體節段108中之流動產生更快速生長之空隙V。因為材料不受其靜止角約束，所以材料開始填充空隙。來自給料斗H之流動恢復以置換下方流動之材料。在此點，相對於圖8中展示的位置△X=4.2cm且△Y=-1.8cm，亦即，與圖5中所示相同的位置。因此，一個循環係以圖5至圖9之順序來描繪。
在圖10中，在0.61秒時，材料M之慣性允許沿可位移主體節段108向上向左繼續運動並進入主體102之排出節段中。排出節段可如所示實質上直立定位。隨著材料繼續沿流動路徑流動，連同可位移主體節段向下向右之移動，空隙產生持續發生。因為材料不受其靜止角約束，所以流動繼續填充空隙。來自給料斗H之流動繼續置換下方流動之材料。在此點，相對於圖9中展示的位置△X=2.7cm且△Y=-2.3cm。
在圖11中，0.68秒時，材料沿流動路徑之流動的頭部部分開始自上方穿過排出區段朝向第二端部106下降。材料亦沿流動路徑在其他處前進。可位移主體節段108及材料M向上向左加速。空隙已崩塌，且材料再一次藉由其靜止角約束。中間區段與下游點之間的流動已停止。此 外，來自給料斗H之流動已停止。在此點，相對於圖10中展示的位置△X=-4.5cm且△Y=2.4cm。
在圖12中，在0.74秒時，處於流動之頭部部分處的材料繼續朝向端部106下降。材料亦沿流動路徑前進穿過中間點。可位移主體節段108已達到最左上方位置，停止且開始再次向下向右移動。材料M已維持其向上向左之速度。中間區段之角度與下游節段之間的流動已停止。來自給料斗之流動已停止。在此點，相對於圖11中展示的位置△X=-2.3cm且△Y=1.8cm。
在圖13中，在0.81秒時，處於流動之頭部部分處的材料繼續在藉由重力加速時下降穿過第二端部106且自給料機100排出。材料前進穿過可位移主體節段108，而可位移主體節段108向下向左移動。可位移主體節段108之相對速度處於其最大值。中間區段中之流動引起空隙V生長。因為材料不受其靜止角約束，所以流動開始填充空隙。來自給料斗H之流動恢復以置換下方流動之材料。在此點，相對於圖12中展示的位置△X=4.2cm且△Y=-1.8cm。
如上文所述，圖14為馬達130及可位移主體節段108之X軸及Y軸運動之圖，其展示該馬達及可位移主體節段之軌跡P且包括參考來展示圖2-13之位置與軌跡上之點如何相關。雖然圖2-13處於方便說明起見展示特定時間，所以遍及循環之運動在如藉由軌跡P所指示的離散點之間持續為順暢的。雖然未在圖式中特定地展示，但將典型地存在達到所欲操作速度(例如，225rpm)的順暢速度勻變增加。
藉由維持可位移主體節段108主要在XY平面中之運動，給 料效率得以最大化，且可避免來自組件於Z方向(亦即，垂直於頁面)上之運動的潛在缺點，該缺點可引入對給料不利的扭轉振動。因此，馬達130(以及下文描述的圓柱體230)可經定位以使得迫使其主要在XY平面中產生效果。對於馬達130，安裝件亦可經配置以使得擺動塊不引入將趨向於抵消順暢給料的扭轉振動效應。
如所述，可位移主體節段108之運動及給料機之所得效能係受許多變數影響。一個此種變數為其中馬達相對於可位移主體區段108之形狀或輪廓旋轉的方向，包括馬達之旋轉是否趨於收縮或鬆弛可位移主體節段108中之曲線區段。另一變數考慮可位移主體節段108中趨向於抵抗馬達動作(例如，歸因於軟管材料之剛性及/或其配置)之殘餘力的量值及方向。取決於針對特定位置的特定需要，使用者可判定一個旋轉方向相對另一個為較佳的及/或可位移主體節段應經配置以具有選定特性。
圖15為展示材料穿過給料機100之給料速率(以g/秒計，且以對數標度來繪圖)如何在馬達130之旋轉速度(以Hz計)增加時增加的圖。圖16為提供圖15之圖的資料點的表。總之，給料機100展示利用隨馬達速度增加時可預見地增加之給料速率情況下之極佳結果及寬的可使用範圍。重複測試已證實此等結果為可再現及準確的。
在高速度下，馬達130之偏心錘提供高的離心力及高頻率以產生高給料速率。相反地，在低速度下，偏心錘在低頻率下提供低離心力振幅。代表性給料機之運動係使用視訊分析來研究。相應於視訊分析之給料速率資料係藉由評估給料機之排出的質量對時間關係來獲得。自排出收集的材料之質量係於藉由負荷元(諸如，例如，藉由Loadstar Sensors of Fremont,CA提供的RAP3型單點負荷元)支撐的容器中稱重。基於將給料機模型化為正排量泵的此所量測給料速率資料與所計算給料速率之比較展示極佳一致性。
經由與習知振動給料器對比，給料機100以不同頻率-振幅方案來操作。再次參考圖16，代表性實施例中之給料機係在1.08-3.75Hz之頻率範圍上操作且具有約80mm之最大振幅(在100%速度下，其中中間區段處於自水平面約30度之平均傾斜度下)。相對比地，習知電磁驅動的剛性托盤給料機在20-60Hz之頻率範圍及1-11mm之振幅上操作。類似地，習知偏心馬達驅動的剛性托盤給料機在15-30Hz之頻率範圍及1-10mm之振幅上操作。同樣地，另一習知機械驅動的剛性托盤給料機在5-15Hz之頻率範圍及3-15mm之振幅上操作。因此，給料機在低得多的頻率範圍上操作且達到大得多的振幅。
電動馬達130可經配置以藉由作為單獨組件或與馬達整體提供的變頻驅動機(VFD)控制。此種VFD控制馬達提供對馬達之速度的精確控制，且因此允許達成所欲流率。由於給料機之頻率-振幅控制，給料機能夠具有1：4700之流率範圍，其遠大於利用習知振動托盤給料機可達成的約1：50之流率範圍。
因為給料機100可達成範圍在處於極低馬達速度下之滴流流量至處於高馬達速度下之極高流率的流率，所以給料機可以各種不同的方式操作，從而增加其使用之靈活性。作為一個實例，在操作給料機以達到將要輸出的目標材料重量中，給料機可在高速度下操作達初始時期，且隨後當接近目標重量時在低速度下操作達後續時期。因此，給料機極好地 適用於其中需要材料之流量控制的連續製程中。給料機可在大規模填充應用中用作重力給料機。
圖19為配置為重力給料機之給料機100之控制系統的示意性方塊圖。在重力給料中，材料係在每單位時間之恆定重量下給料進入製程中，因為重量為可變的，該重量可容易藉由稱重模組獲取。根據圖19之重力給料之重量損失類型，給料進入製程中的材料之量係在材料來源處稱重。因此，存在耦合至表示材料來源(未展示，但大體上位於給料機100上游)的容器之來源負荷元310，該來源負荷元係連接至控制器320以在給料操作期間發送相應於容器之質量損失的訊號。控制器320係連接至給料機致動器(亦即，馬達130)或其他移動機構以發送控制訊號來在達到所欲目標時，例如，運送所欲質量之材料時實施對給料機100之控制操作，包括經由對材料流率之控制。亦可使用另外的反饋控制。
亦如圖19中所示，可提供具有容器感測器332及容器感測器電路334之可選邏輯電路330。若提供容器感測器332，則該容器感測器可經配置以監視諸如圖13中之收容器R的接收容器是否處於適當位置。容器感測器電路334可經配置以發送訊號至控制器320來指示接收容器處於適當位置(容器就緒=Y)且可開始給料操作。
圖20類似於圖19，但展示配置為重量增加類型之重力給料機的給料機100之示意性方塊圖。根據圖20之重量增加類型的重力給料，給料進入製程中之材料之量係於接收容器處稱重。因此，存在耦合至接收容器(諸如收容器R)之負荷元或其他等效感測器312。感測器312係連接至控制器320以在給料操作期間發送指示接收容器之質量增加的訊號。如上 文，控制器320實施給料演算法且發送控制訊號至馬達130或其他機構。此外，若需要，則可實行可選邏輯電路330。
圖21類似於圖19及20，但展示配置為體積給料機替代重力給料機的給料機100之示意性方塊圖。如所指示的，控制器320係連接來基於控制演算法、基於所儲存資料322發送控制訊號至馬達130，該等所儲存資料諸如速度(循環)體積流量資料，其描述馬達之操作速度與流率之間的關係。此外，若需要，則可實行可選邏輯電路330。
給料機之另一實施方式可結合圖23A-25B來描述。首先參考圖23A，給料機400類似於給料機100具有主體102之第一端部104，其處於第一固定位置110處，但具有緊鄰於主體102之至少一節段的伸長構件420，其大體上處於其端部104、106之間。構件420可操作來施加力及/或轉矩至主體102之該節段(且因此可描述為另一形式之「致動器」)，以及約束主體102以在選定路徑上移動。在大多數狀況下，力及/或轉矩在主體102中沿不是固定的所有點產生至少一些位移。因此，給料機400中的主體102之可位移主體節段108可界定為自接近於第一端部104延伸至接近於第二端部106(固定)或至第二端部(若自由移動)。在某些實施方式中，存在多個可位移主體節段。
構件420具有經配置以在可位移主體節段108內接觸主體102的遠側端部421，及相反的近側端部423。構件420之近側端部423經可樞轉地支撐以繞樞轉點414樞轉。如下文更詳細描述的，僅構件420連接在樞轉點414處，且並非主體102之任何部分。實情為，主體102之可位移主體節段108係藉由構件420之遠側端部421接觸。在所例示實施方 式中，可位移主體節段108係藉由帶夾422接觸，該帶夾至少部分地環繞該可位移主體節段且在帶夾422之長度上自遠側端部421接近地縱向延伸。
藉由移動構件420，例如，藉由將構件420繞樞轉點414樞轉，可位移主體節段108移動且更特定而言，其中間區段I可經旋轉至選定角度，以便切斷給料(零給料速率)，允許在最大速率下給料及/或允許在零給料速率與最大給料速率之間的速率下給料。在一些實施方式中，構件420沿可位移主體節段在構件420之長度的至少一部分上延伸。
樞轉操作可在離散操作中或在循環操作中完成。另外，中間區段I之旋轉可手動地完成或作為自動給料製程中之步驟。在所例示實施方式中，構件420具有跨立於主體102之叉端(未展示)且在樞轉點414處可樞轉地支撐。
中間區段I(其趨向於比可位移主體節段108之其他區段在操作期間移動更大的距離)在圖23A中示意地展示以包括藉由帶夾422接觸的區段、及其上游及下游的相鄰區段。取決於各種因素，沿主體102的除第一端部104(其為固定的)的幾乎任何點可在樞轉期間經歷至少小的位移，且因此考慮為可位移主體節段108之部分。
中間區段I之幾何形狀，包括其斜率、其彎曲半徑及反曲點，係藉由許多因素選擇性地控制，包括主體102/可位移主體節段108之長度及路徑、樞轉點414之位置(亦即，樞轉點414下方之垂直距離及偏移第一端部104之水平距離)、構件420之幾何形狀、構件420之旋轉角及主體102之撓曲性質。對於由軟管之長度形成的可位移主體節段108，主體之撓曲性質取決於軟管之類型、軟管材料之厚度及其他類似性質。合意地， 移動構件420以引起中間區段I如所描述旋轉不會使可位移主體節段108崩塌或以其他方式干擾發生在可位移主體節段內的給料，除非該干擾係所欲的。
在給料機400中，主體102之第二端部106可為固定或可移動的。若第二端部106為固定的，則其可如圖23A所示相對地在垂直方向上與第一端部104對準，或其可水平地偏移第一端部104。
構件420可描述為在作用於可位移主體節段108上之點(亦即，在構件/主體界面，其在所例示實施方式中處於帶夾422之位置處)與樞轉點414之間的偏移半徑(或樞軸長度)。圖26A為展示構件420之放大側面正視圖，該構件具有大致與圖23A中相同的偏移半徑。圖26B為展示構件420之放大側面正視圖，該構件界定較短偏移半徑。
總之，構件420之幾何形狀及樞轉點414之位置受給料機400之設計範圍影響。如圖23A及23B所示，給料機400之設計目標為提供第一端部104與構件420接觸可位移主體節段108之點(亦即，在構件/主體界面，其在所例示實施方式中處於帶夾422之位置處)之間的最小高度差以達成緊湊配置，而同時允許可位移主體節段108達成用於切斷及最大流量位置兩者的必要幾何形狀。為適應此等幾何形狀之間的改變同時考慮主體102/可位移主體節段108之約束，諸如長度保存(不需要軟管拉伸或壓縮)及最小彎曲半徑(不需要軟管彎曲得太緊以便出現軟管扭結風險)，且為減少主體上之應力量，構件/主體界面(帶夾422)之所得位置可在高度及平面位置兩者上有所變化。為在可位移主體節段108之約束內工作同時允許第二端部106移動，沿弧形移動構件/主體界面(帶夾422)以達到精確的切斷、 中間、及最大流量幾何形狀之便利方法影響構件420之選定幾何形狀。
在給定其中提供主體102在至少第一固定端104與構件/主體界面之間(以及在構件/主體界面與任何下游固定點之間，該任何下游固定點諸如固定第二端部106，若存在的話)的撓曲的較大所允許範圍的情況下，主體102/可位移主體節段108之長度可獲延伸，從而允許構件/主體界面(帶夾422)定位成與樞轉點422重合。在此狀況下，構件420經配置以繞自身旋轉而不改變高度或水平位置(亦即，零半徑偏移)，而同時保持主體內經歷的應力處於可接受位準內。例如，如圖27A所示，構件420之構件/主體界面(帶夾422)係定位成與樞轉點414重合。圖27B類似於圖27A，且示意地展示可位移主體節段之幾何形狀如何藉由在樞轉點414處經由構件/主體界面(帶夾422)作用於主體的構件420之旋轉來改變。
替代構件420，可使用其他佈置。例如，類似於致動器230之致動器可經配置以移動可位移主體節段108。產生在適合位置處施加的適當的轉矩及/或力之其他方法亦為可能的。作為另一實例，亦可能使力或轉矩極接近於樞轉點414或在樞轉點414處施加。
在一個操作模式中，構件420係手動地移動來改變主體108之中間區段I之角度。圖23B為圖23A之給料機400的主體108之一部分之放大截面繪圖，該部分包括中間區段I，其示意地展示為由諸如粒狀矽之粒狀材料M填充。(構件420已出於明晰性而自圖23B排除。)
如圖23B中所例示，粒狀材料M不是流動的，因為其約束在其靜止角之極限下(在粒狀矽的狀況下，特性靜止角為31°)。因此，將趨向於引起粒狀矽穿過主體流動得更遠之重力係藉由材料在其靜止角下累積 之傾向來平衡，因此材料M保持固定。虛線示意地例示材料M之前緣的靜止角與軟管之下側相交，因此流動是不可能的。圖23A及23B中例示的位置係稱為切斷位置。在圖23A之特定實例中，其中軟管具有1.5吋之直徑且如所示定位，且構件420係如所示來配置，構件420係移動至水平面下方8°之位置以達成圖23B中展示的精確切斷位置。
在圖24A及24B中，展示主體108達成最小流量條件之定位。藉由移動構件420至水平面下方13.6°之位置，藉由虛線展示的在中間區段中之累積材料M之前緣現在延伸超出脫離點且延伸至主體108之開口區域內，並因此材料M正好開始流動。
在圖25A及25B中，主體108已如所示定位以達成最大流量條件。藉由移動構件420至水平面下方29.7°之角度，達成最大流量。據觀察，水平面下方之較大角度(亦即，使得軟管更垂直)由於限制上游流動阻力(流動摩擦及/或壓力平衡)而不達成較高流率。
在圖23A-25B之代表性實施方式中，有可能達成粒狀矽材料的跨於11公克每秒至740公克每秒之範圍的高度可控制流率。另外，流率隨時間變化為一致的。
如所述的，給料機400可針對手動操作來實行，例如，使用杠桿或其他裝置來按需要移動中間區段。因此，給料機400可手動地控制來切斷流動，遞送最大流量或在任何中間流率下遞送材料。視需要，此種手動實施方式可無需電源或任何控制電路來達成。
在其他實施方式中，給料機400可利用具有對給料之至少一些自動化控制的系統來實行。例如，構件420或其他裝置可經配置用於藉 由控制電路及一或多個伺服馬達控制以便控制構件420之角度，該角度可視需要在給料循環期間有所變化。
在所描述的給料機實施方式中，僅主體之節段及附接至其之結構(諸如馬達或構件)在操作期間移動，因此不存在內部移動部件。在所例示實施方式中，給料機典型地消除至少一個閥，其為具有內部移動部件之一個特定組件。因此，給料機趨向於比具有內部部件之習知給料技術生產及維持成本更低且更加可靠。許多內部部件在操作期間經受結垢且易於磨損更快，尤其在其中涉及粒狀多晶矽材料之給料的應用中如此。此種內部部件之維護或修復需要可觀的停機時間。
在所描述的給料機中，比習知給料機中存在接觸所給料材料之更少組件及更少不同材料。因此，所給料材料存在低得多的污染風險。在用於給料高純度粒狀多晶矽之給料機之一些實施方式中，主體102由冒有很小污染風險的單一長度之聚胺甲酸酯軟管製成。
如所述的，至少可位移主體節段108或整個主體102可經配置為可撓的，以使得其可彈性地變形或扭曲，例如，經由圖2-13中展示的位置及圖14之軌跡P。在一些實施方式中，該主體由可撓性軟管區段製成，諸如由具有足夠厚度以耐受選定操作要求之聚胺甲酸酯材料製成的軟管。適合的聚胺甲酸酯軟管供應商包括例如Kuriyama of America,Inc.(參見，例如，Tigerflex Model VOLT200，http：//products.kuriyama.com/category/tigerflex-thermoplastic-industrial-hoses)、Masterduct Inc.(http：//www.masterduct.com/material-handling-hoses)、Hosecraft USA (https：//www.hosecraftusa.com/application/Material_Handling_Hoses)及Norres Schlauchtechnik GmbH(http：//www.norres.com/us/products/industrial-hoses-technical-hoses/)。當然，可能使用其他材料(諸如，例如，EPDM橡膠、苯乙烯-丁二烯橡膠、天然橡膠、其他彈性體材料、其他彈性材料等等)以達成可位移主體節段108之所欲可撓性。另外，將可能配置主體以具有多個不同材料之節段及/或具有多個層。另外，在一些實施方式中，可需要包括沿可位移主體節段之區段的伸縮管區段。如所述的，所給料的材料之接觸金屬污染可藉由使用由包括聚胺甲酸酯之選定材料製成的組件及/或塗層來減少。
圖17及18為替代實施方式之示意性說明，其中雙動氣壓缸230或其他線性致動器係用於替代馬達130將所欲運動施加至可位移主體節段108或主體102。如圖17所示，圓柱體230之可移動端部係連接至可位移主體節段，且相反固定端部係連接至固定位置。圓柱體230將亦藉由適合的流體來源供應以來回移動且樞轉以達成所欲運動(諸如圖18中示意地展示)及相應所欲給料速率。當然，除馬達130及圓柱體230之外的機構可用於移動可位移主體節段。
圖22為另一替代實施方式之示意性說明，其中真空或抽吸力來源係用於給料機之出口307附近的區域以幫助控制可在給料操作期間出現的塵埃。在一些情形中，例如，若材料正自較高下降高度給料，則塵雲可自下降材料形成，從而影響表面及/或先前所給料的材料。為解決此通常不合需要的情形，抽吸罩300可定位成至少部分地圍繞出口307。抽吸罩300可經由可撓性供應線302連接至真空或抽吸來源304。在使用中，抽吸 罩300處的真空或抽吸力係設定成足夠的以輔助抽取塵埃至罩300中，但不會不利地影響在實質上相反的方向上穿過出口307的材料給料。
在所例示實施方式中，抽吸罩300係自出口307凹入定位達選定距離R，從而亦幫助調整抽吸力阻止其不利地影響材料給料之效應。在一些實施方式中，抽吸罩300係自出口之端部凹入達約0.5吋。
鑒於可應用所揭示原理的許多可能的實施例，應認識到所例示實施例僅為較佳實例且不應視為限制範疇的。實情為，該範疇係藉由隨附申請專利範圍來界定。因此吾等主張落入此等申請專利範圍之範疇及精神內的所有內容。

Claims (26)

  1. 一種可操作來運送一分裂固體材料之給料機，其包含：一導管，該導管具有一中空主體，該中空主體具有一長度、一第一端部、與該第一端部相反的一第二端部及沿該長度之至少一部分界定的一可位移主體節段；該可位移主體節段具有至少可定位在一第一固定位置處的一第一可固定位置；一致動器，該致動器經定位以施加力至該導管且可控制來使該可位移主體節段位移以引起分裂固體材料在該導管內在大體上自該第一端部至該第二端部延伸的一給料方向上之選定流動。
  2. 如申請專利範圍第1項之給料機，其中該致動器係藉由該導管支撐且在一給料操作期間隨該可位移主體節段移動。
  3. 如申請專利範圍第2項之給料機，其中該致動器包含一旋轉偏移塊，且其中該旋轉偏移塊經操作來產生該可位移主體節段及該所附接致動器之振盪運動。
  4. 如申請專利範圍第2項之給料機，其中該可位移主體節段經由具有一垂直分量及一水平分量之至少一者的一閉合軌跡循環地位移。
  5. 如申請專利範圍第2項之給料機，其中該可位移主體節段具有在該給料方向上處於該第一可固定位置下游且可定位在一第二固定位置處的一第二可固定位置。
  6. 如申請專利範圍第1項之給料機，其中該可位移主體節段具有一曲線輪廓，其中該曲線輪廓具有比分離該第一可固定位置及一第二可固定位 置之一最短距離長的一長度，且其中該致動器係大致在該曲線輪廓之一曲線的一反曲點處附接至該可位移主體節段。
  7. 如申請專利範圍第1項之給料機，其中該致動器固定地定位且具有接觸該可位移主體節段之一可控制移動元件。
  8. 如申請專利範圍第7項之給料機，其中該致動器包含一線性致動器。
  9. 如申請專利範圍第1項之給料機，其中該致動器為一伸長構件，其具有可樞轉成與該可位移主體節段接觸以選擇性地移動該可位移主體節段之一遠側端部及可樞轉地連接至一樞轉點之一近側端部。
  10. 如申請專利範圍第1項之給料機，其中該可位移主體節段包含一中間區段，其經配置以當該可位移主體節段靜止時收集該分裂固體材料之一部分。
  11. 如申請專利範圍第10項之給料機，其中該中間區段經配置以收集自該給料機之該第一端部接收的一分裂固體材料流之一前緣。
  12. 如申請專利範圍第1項之給料機，其中該可位移主體節段包含：一中間區段，該中間區段經配置用於以相對於水平面之一輕微角度定位；定位在該中間區段上游的一第一直立區段；以及定位在該中間區段下游的一第二直立區段。
  13. 如申請專利範圍第1項之給料機，其中該導管由一彈性材料構成。
  14. 如申請專利範圍第1項之給料機，其中該導管包含聚胺甲酸酯軟管材料。
  15. 一種給料機，其包含：一導管，該導管具有一入口端、與該入口端相反的一出口端及沿一給 料方向在該入口端與該出口端之間界定的一可位移主體節段；該入口端經配置用於連接至藉由該給料機給料的一材料來源；該出口端經配置以自該給料機運送分裂固體材料至該給料機下游的一位置，其中該出口端經配置用於定位在比該入口端低的一高度處；該可位移主體節段被設定大小來具有比在該入口端與該出口端之間的一最短距離長的一長度且當安裝時界定具有至少一個反曲點之一曲線輪廓；當安裝時該可位移主體節段界定一中間區段，該中間區段經配置以在其中以該材料之一靜止角支撐累積的分裂固體材料，且當該可位移主體節段靜止時減少材料在該給料方向上之移動；及一致動器，該致動器係連接至該可位移主體節段以在一給料操作中可控制地位移該可位移主體節段。
  16. 如申請專利範圍第15項之給料機，其中該致動器可控制來在一振盪循環中位移該可位移主體節段。
  17. 如申請專利範圍第15項之給料機，其中該致動器為手動可操作的。
  18. 如申請專利範圍第15項之給料機，其中該可位移主體節段實質上自該入口端延伸且實質上延伸至該出口端。
  19. 如申請專利範圍第15項之給料機，其中該中間區段自無流動發生的一實質上側向位置被引起並位移至流動朝向出口端發生的一向下傾斜位置。
  20. 如申請專利範圍第15項之給料機，其中該致動器經配置以在足以引起該可位移主體區段之位移的一速率下移動，以使得該固體材料在一低 滴流流量與一高規模填充流量之間的一選定速率下移動。
  21. 一種利用一給料機運送一分裂固體材料之方法，其包含：使用一感測器監視利用該給料機運送的該分裂固體材料之一量；在一控制器處接收來自該感測器之訊號；將來自該控制器之控制訊號發送至該給料機以將該分裂固體材料之一流率控制在大於1：50的一低流率與一高流率之一流率範圍比率上。
  22. 如申請專利範圍第21項之方法，其中使用一感測器監視運送的該固體材料之一量包含配置該感測器以量測來自定位於該給料機上游的該材料之一來源的該固體材料之一重量損失。
  23. 如申請專利範圍第21項之方法，其中使用一感測器監視運送的該固體材料之一量包含配置該感測器以量測運送至定位在該給料機下游的一收容器之該固體材料之一重量增加。
  24. 如申請專利範圍第21項之方法，其中該給料機包含一導管節段，其用於接收該固體材料且根據來自該控制器之該控制訊號可位移以達成來自該給料機之該材料之一所欲流率。
  25. 如申請專利範圍第21項之方法，其中該流率範圍比率大於1：4000。
  26. 一種運送分裂多晶矽之方法，其包含：將來自一來源之分裂多晶矽接收至一給料機之一導管中；可控制地移動該導管穿過一操作路徑，其中該導管係定位於至少一第一位置及一第二位置中，在該第一位置處，發生穿過該導管之流動，且在該第二位置處，穿過該導管之流動停止；及當該導管定位在至少一第一位置中時，將流過該導管之該分裂矽材料 接收在定位在該導管之一出口端下游的一收容器中。
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