多晶硅鑄錠爐升降機構(gòu)設(shè)計課件

1、的爐門升降裝置和隔熱框升降裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計。多晶硅鑄錠爐主要用來生產(chǎn)太陽能電池用的多晶硅錠，是整個光伏產(chǎn)業(yè)鏈中的關(guān)鍵設(shè)備，它技術(shù)難度高，使用量大。目前，國內(nèi)生產(chǎn)商使用的多晶硅鑄錠爐大多為國外進口設(shè)備（美國和德國），價格昂貴。隨著太陽能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，國內(nèi)數(shù)家機構(gòu)開始對多晶設(shè)備進行研制開發(fā)，中國電子科技集團公司第二研究所作為其中的一家研發(fā)機構(gòu)，已對該設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)研制成功，并生產(chǎn)小批量產(chǎn)品投入市場應(yīng)用。1多晶硅鑄錠爐介紹1.1多晶硅鑄錠爐的工作原理多晶硅鑄錠爐采用的晶體生長方法主要為定向凝固法，其工作原理由升溫預(yù)熱、硅料熔化、晶體生長、退火去內(nèi)應(yīng)力4個過程完成。多晶硅鑄錠爐在預(yù)熱之前，爐體內(nèi)預(yù)抽真空

2、，可升降保溫層與固定的底部隔熱層留有搭接間隙，保證了加熱時內(nèi)部熱量損失小，加熱區(qū)溫場均勻性好。當(dāng)硅料完全熔化開始結(jié)晶時，充入氬氣，隔熱框架升降裝置將保溫層緩慢向上提升，坩堝底部通過保溫層與隔熱層之間的距離散熱，吸熱氬氣與水冷爐壁進行熱量置換后產(chǎn)生降溫，形成溫度梯度，晶體從坩堝底部逐漸向上定向生長，液相溫度梯度接近常數(shù)。真空機組和充氣質(zhì)量流量控制器相互匹配，使?fàn)t體內(nèi)壓力保持恒定設(shè)定值。1.2多晶硅鑄錠爐結(jié)構(gòu)組成多晶硅鑄錠爐真空爐體采用不銹鋼材料雙層水冷結(jié)構(gòu)和立式安裝，由上下兩部分組成，開下爐門裝料。真空系統(tǒng)由兩級真空泵、機械泵和羅茨泵組成，并配有旁路比例閥抽氣系統(tǒng)。加熱采用石墨加熱體，隔熱層為優(yōu)

3、質(zhì)石墨氈，晶閘管變壓器供電。氬氣氣體控制采用質(zhì)量流量控制閥通過自動控制實現(xiàn)爐內(nèi)壓力平衡。測溫控制通過分別置于爐內(nèi)不同位置的熱電偶來實現(xiàn)；紅外測溫儀對爐內(nèi)硅料進行監(jiān)測，判斷硅料狀態(tài)。控制系統(tǒng)由工作站、主控制器、加熱控制單元等組成，主要完成真空度控制、爐內(nèi)溫度控制、爐內(nèi)壓力平衡控制、爐門升降控制、保溫層升降位移量控制、坩堝破裂檢測控制等。2多晶硅鑄錠爐的升降機構(gòu)多晶硅鑄錠爐中升降機構(gòu)包括兩部分：爐門升降機構(gòu)和隔熱框架升降機構(gòu)，尤其是后者，各個零件的設(shè)計及選用對設(shè)備性能指標(biāo)有很大的影響。2.1爐門升降機構(gòu)爐門升降機構(gòu)安裝在整個設(shè)備中部和爐體外圍，主要作用是平穩(wěn)升降鑄錠爐下爐門，使之打開、關(guān)閉，完成進

4、出料工序，并通過爐門升降機構(gòu)來實現(xiàn)真空爐體上下密封，硅料坩堝進入加熱區(qū)的功能。2.2爐門升降機構(gòu)的組成爐門升降機構(gòu)主要由直流電機、同步帶輪組、滾珠絲杠、撓性軟軸、抱閘機構(gòu)及連軸器等部件組成（見第74頁）。爐門升降運動主要由3套滾珠絲杠來實現(xiàn)，分別安裝在爐體的3個支撐柱和下爐門之間（120內(nèi)均勻布置），3個滾珠絲杠間通過兩根軟軸連接，并改變轉(zhuǎn)動方向，實現(xiàn)提升。直流電機安裝在中間支撐柱頂部，通過一對同步帶輪減速后由雙向傳動軸、聯(lián)軸器輸出扭矩。2.3爐門升降機構(gòu)的設(shè)計滾珠絲桿選型設(shè)計主要考慮最大提升重量、提升速度、提升平穩(wěn)性（即運動精度）這3個參數(shù)。最大提升重量計算應(yīng)該等于爐門重量、夾層水重量、裝料

5、最大重量、坩堝重量之和，選用3根滾珠絲杠副來對其進行提升，每根絲桿承受重量不小于平均值的1.2倍，提升速度選取范圍國外相關(guān)設(shè)備選擇04m/min.爐門升降運動平穩(wěn)性要求不算高，選擇級中等精度即可滿足要求。選擇滾珠絲桿的結(jié)構(gòu)為蝸桿型，單根提升重量為5t，絲桿直徑為38mm.軟軸選擇設(shè)計：軟軸（柔性軸）傳動目前在國內(nèi)機械運動部件中采用的還較少，關(guān)鍵是國內(nèi)相關(guān)制造技術(shù)達不到。本設(shè)備選用的是進口零件，軸徑選型滿足最大設(shè)計扭矩，最小曲率半徑為450mm，滿足提升結(jié)構(gòu)要求，使設(shè)備整體結(jié)構(gòu)緊湊。升降電機選擇：型號為直流電機，最大功率要滿足提升負(fù)載要求，扭矩恒定，速度可調(diào)。通過一對同步帶輪將扭矩傳遞至傳動軸。

6、抱閘機構(gòu)選擇：電磁制動的安全剎車裝置，控制電壓24V（總體結(jié)構(gòu)見）。直流電機安裝在中間支撐上，經(jīng)同步帶輪將速度減緩后傳遞到中間絲杠主軸上，兩根軟軸左右分別連接到另外兩個絲杠主軸。這種布置方法可保證在提升負(fù)載重量較大時，使3根絲杠的升降幾乎同時動作，將提升時軟軸的扭轉(zhuǎn)偏差盡量減小。在爐門整體升降過程中，通過4個位置開關(guān)來檢測控制升降速度。在接近爐體上法蘭時，通過第一個位置開關(guān)后減緩提升速度，直到接觸第二個位置開關(guān)后閉合，減速后減小了爐門閉合時的沖擊，保證了爐內(nèi)坩堝在石墨臺上的位置及安全。在降下爐門的過程中，同樣在接近底部支撐時減速，以減緩落下的速度及減小與支撐的碰撞，保證坩堝的平穩(wěn)。抱閘機構(gòu)作用

7、：它與直流電機的動作同步關(guān)聯(lián)。在電機啟動的同時，電磁鐵將壓片吸合，從而使摩擦片與壓片松開，傳動軸可以自由轉(zhuǎn)動；在電機停止的同時，松開電磁鐵，壓片將摩擦片壓緊，將轉(zhuǎn)動軸抱死，防止在電機停止時由于慣性引起的移動，從而增加設(shè)備操作人員的使用安全性。該升降機構(gòu)的技術(shù)先進性在于將3根絲杠間主傳動軸的直線傳動轉(zhuǎn)變?yōu)檐涊S的環(huán)形傳動，120的三點提升結(jié)構(gòu)有效地縮小了設(shè)備的外形尺寸，將間接傳動轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯觽鲃樱瑴p少了運動部件，降低了傳動中的運動件的能量損耗，使得傳動的效率得到可靠提高。3隔熱框升降機構(gòu)隔熱框升降機構(gòu)是整個設(shè)備中的關(guān)鍵運動部分，其主要作用是使坩堝中的硅液從下而上形成溫度梯度，產(chǎn)生多晶硅定向凝固。它的

8、性能直接影響硅錠長晶質(zhì)量，所以對其參數(shù)的確定控制顯得尤為重要。3.1隔熱框升降機構(gòu)的組成隔熱框升降機構(gòu)組成（見第75頁）：整個裝置通過提升基架安裝在設(shè)備爐體上部，主要有伺服電機產(chǎn)生驅(qū)動力，減速機變速，通過齒輪箱動力轉(zhuǎn)向，軟軸連軸器傳動，直線導(dǎo)軌連接件高精度升降，波紋管真空密封。整個部件通過3根提升桿與隔熱框連接，使隔熱框?qū)崿F(xiàn)升降運動。3.2隔熱框升降機構(gòu)的設(shè)計隔熱框升降技術(shù)指標(biāo)要求：密封性能滿足設(shè)備總指標(biāo)（壓升率波紋管是由不銹鋼焊接制成，兩端有固定法蘭，一端通過密封圈固定在爐體法蘭上，另一端通過密封圈固定在提升桿頂部法蘭和直線導(dǎo)軌滑塊法太原科技2-b隔熱框升降機構(gòu)俯視一爐體；2隔熱框；3提升基

9、架；4飼服電機；9提升密封；10波紋管；一直線導(dǎo)軌；12軟軸；3提升行隔熱框升降機構(gòu)圖蘭下，滑塊上下移動帶動波紋管長短伸縮，這樣把動密封變成了靜密封，提高了密封的可靠性，容易保證壓升率指標(biāo)。提升速度是整臺設(shè)備關(guān)鍵指標(biāo)，選擇直流伺服電機配減速機來實現(xiàn)提升速度調(diào)控，為了保證低速轉(zhuǎn)動的平穩(wěn)性及精度，選擇高精度直線導(dǎo)軌式滾珠絲杠。為了保證直線導(dǎo)軌式滾珠絲杠安裝精度（3個安裝平面的平面度設(shè)計精度為訓(xùn)級），機械加工工藝采取一次裝卡完成銑削。傳動軸與爐門升降機構(gòu)相似，仍然選擇軟軸，最大扭矩滿足提升負(fù)載，最小曲率半徑為350mm，56.等腰三角形布置，使該部件結(jié)構(gòu)非常緊湊。3.3技術(shù)特點采用3方位環(huán)形軟軸傳動

10、，對爐內(nèi)隔熱框進行提升具有同樣的技術(shù)先進性。采用伺服電機配減速機實現(xiàn)對提升速率微小位移的精確控制，扭矩傳動平穩(wěn)。在多晶硅的凝固長晶過程中，根據(jù)工藝設(shè)置，控制隔熱框的提升速度，使之與多晶硅的凝固長晶速度一致。隔熱框提升的間隙量與熱量的散失成正比，從而從坩堝底部開始形成一個穩(wěn)定的溫度梯度，使硅液從坩堝底部開始定向凝固。在整個凝固長晶工藝過程中，滿足不同階段長晶要求，提升的速度可隨之變化。在隔熱框在慢速提升過程中，傳動主軸不出現(xiàn)竄動、蠕動、跋行等通過波紋管的設(shè)計，使得提升桿的運動變成在真空內(nèi)部的運動，從而將復(fù)雜的動密封轉(zhuǎn)變?yōu)楹唵蔚撵o密封，提高了密封的安全性和穩(wěn)定性，真空保護性好，提高硅錠的質(zhì)量。4結(jié)論綜上所述，文中所述的兩種提升機構(gòu)均采用軟軸連接方式傳動，爐門升降可用于一般精度的機構(gòu)，