CN101628659A

CN101628659A - 材料操纵系统与方法

Info

Publication number: CN101628659A
Application number: CN200910164608A
Authority: CN
Inventors: R·荣奇克; J·兰德
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-07-15
Filing date: 2009-07-15
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2029-07-15
Also published as: US7975833B2; ES2378745T3; US20100012468A1; CN101628659B; AU2009202586A1; EP2146168A1; ATE544042T1; EP2146168B1

Abstract

本发明涉及材料操纵系统和方法。一种用于将材料从储存装置移动到接收器的材料操纵系统包括从该储存装置延伸到该接收器的反向旋转双螺杆给料器。该反向旋转双螺杆给料器包括：外部螺杆给料部件；内部螺杆给料部件；其中该外部螺杆给料部件定位于外部螺杆给料部件管中；且该内部螺杆给料部件定位于内部螺杆给料部件管中。该材料经由外部螺杆给料部件从储存装置供给到处理管；该内部螺杆给料部件移除来自接收器的气体和副产物。

Description

材料操纵系统与方法

技术领域

本发明大体而言涉及材料操纵系统与方法。特别地，本发明涉及用于硅细粒(fine)-例如但不限于移动到熔化设备或熔炉的硅细粒-的材料操纵系统与方法。另外，本发明涉及用于熔化硅细粒和提取过程副产物-诸如但不限于硅氧化物(SiO、SiO₂或SiO_x)，其在下文中被称作“硅氧化物”-的材料操纵系统与方法。

背景技术

螺杆给料器通常用于在各种过程和设备中供给粉末。这些螺杆给料器一般是常规的输送式螺杆给料设备，很少考虑与螺杆给料器相关联的接收器或相关设备的热的或其它周围条件。举例而言，螺杆给料器一般并不考虑用于螺杆给料器的设备或接收器的方面。尚不知道已知螺杆给料器(特别是用于细粒的那些螺杆给料器)涉及来自接收器或相关联设备的任何排放。而且也未发现已知螺杆给料器涉及接收器或相关联设备中的周围温度考虑，此外，也不知道已知螺杆给料器(如果是双螺杆型布置)使用一个螺杆轴杆作为用于第二螺杆的管。

因此，提供一种考虑接收器或相关联设备的周围条件的螺杆给料装置。此外，提供了一种螺杆给料装置以给送硅到熔炉接收器，同时移除不合乎需要的硅氧化物副产物，这可通过双螺杆给料装置来实现。

发明内容

本发明的一个方面陈述了一种用于将材料从储存装置移动到接收器的材料操纵系统，其中该材料操纵系统包括从储存装置延伸到接收器的反向旋转双螺杆给料器。反向旋转双螺杆给料器包括：外部螺杆给料部件；内部螺杆给料部件；其中外部螺杆给料部件定位于外部螺杆给料部件管中；且内部螺杆给料部件定位于内部螺杆给料部件管中。处理管将反向旋转双螺杆给料器定位在关于储存装置和接收器的材料操纵定向上。处理管可包括在接收器中的扩口端，以增强材料到接收器内的流动。材料从储存位置经由外部螺杆给料部件给送到接收器；内部螺杆给料部件移除来自接收器的气体和副产物。

本发明的另一方面包括用于将材料从储存装置移动到接收器的方法。该方法包括提供从储存装置延伸到接收器的反向旋转双螺杆给料器。该反向旋转双螺杆给料器包括：外部螺杆给料部件；内部螺杆给料部件；外部螺杆给料部件定位于外部螺杆给料部件管中，其中外部螺杆给料部件管包括扩口端，以增强材料到熔炉内的流动；且内部螺杆给料部件定位于内部螺杆给料部件管中，该内部螺杆给料部件管经由外部螺杆给料部件将材料从储存位置移动到接收器；以及经由内部螺杆给料部件移除来自接收器的气体和副产物。

通过下文的详细描述，本发明的这些和其它方面、优点和突出特点将会变得显而易见，该详细说明结合附图(其中在所有图中相似部件由相似参考标记来表示)公开了本发明的实施例。

附图说明

当参看附图(其中在所有图中相似标记表示相似的部件)来阅读以下详细说明时，本发明的这些和其它特点、方面和优点将会被更好地理解，其中：

图1是如本发明所体现的包括双螺杆给料器的、包括供料斗的材料操纵系统的示意图；

图2是如本发明所体现的包括双螺杆给料器的材料操纵装置的示意图；

图3是如本发明所体现的包括双螺杆给料器的材料操纵装置的侧部剖面示意图。

图4是如本发明所体现的包括双螺杆给料器的材料操纵装置的侧部剖面示意图；

图5是如本发明所体现的管式处理的处理管的示意图；以及

图6是如本发明所体现的管式处理中的双螺杆给料器的套环挡板的示意图。

部件列表：

100材料操纵装置

3反向旋转双螺杆给料器

1储存装置/料斗

2硅粉末/细粒

4最外部的给料螺杆

151热区

150熔炉

4外部螺杆进料部件

5内部螺杆进料部件

8外部螺杆进料部件管

10轴线

6处理管

14收集腔室

15进入端口

19通气口/过程气体端口

角度α

16套环挡板

18′套环挡板切口

18稳定导杆

17扩口端

具体实施方式

如本文所用，以单数来叙述且前面有词语“一”或“一个”(且尤其是“至少一个”)的元件或步骤应被理解为不排除多个所述元件或步骤，除非清楚地陈述了这种排除。此外，对本发明的“一个实施例”(或者，对“其它实施例”)的引用不意图解释为排除了同样结合了所记载的特征的、或者不包括结合本发明所述的其它特征的额外实施例的存在。此外，除非明确地做出相反的说明，“包括”或“具有”带有特定性质的元件或多个元件的实施例可包括不具有该性质的额外的这样的元件。

本发明提供了一种材料操纵装置100和相关方法。如图1所示的装置100包括反向旋转双螺杆给料器3，该反向旋转双螺杆给料器3可操作地连接到储存装置上，诸如但不限于包含粉末(此处为硅粉末或细粒2)的料斗1。将粉末描述为硅或硅细粒是示范性的且不意图以任何方式限制本发明。本发明还构思了其它粉末，例如碳细粒、石膏、Al₂O₃或其它已知粉末。料斗1包括向最外部的给料螺杆4敞开的敞开底部，该给料螺杆4在使得将细硅粉末携带到接收器(诸如但不限于熔炉150)的热区151(热区被限定为熔炉150的一部分，其中温度高于大约1415℃)中的方向上旋转。因此，如本发明所体现的，料斗1可将粉末(诸如但不限于硅2)供给到反向旋转双螺杆给料器3。

如本发明所体现的，反向旋转双螺杆给料器3包括外部螺杆给料部件4和内部螺杆给料部件5。外部螺杆给料部件4是具有中心内孔的中空螺杆给料部件，内部螺杆给料部件5穿过该中心内孔而定位。外部螺杆给料部件4定位于外部螺杆给料部件管8中，而内部螺杆给料部件5定位于内部螺杆给料部件管9中。或者，内部螺杆给料部件管9可形成为外部螺杆给料部件4的一部分-或者作为同时形成的元件，或者单独地形成且然后结合为单件零件。举例而言但决不限制本发明，这些元件可从单件氮化硅(Si3N4)机加工而成。如本发明所体现的，外部螺杆给料部件4、内部螺杆给料部件5、外部螺杆给料部件管8和内部螺杆给料部件管9中的每一个在轴线10上对准以便在处理管6中同轴。

反向旋转双螺杆给料器3和其相关联元件在关于料斗2和收集腔室14的材料操纵定向(将在下文中描述)上定位于处理管6中。如本发明所体现的，材料操纵定向允许硅2在重力流动作用下、或在辅助下(诸如硅的粉末2上的正压力，施加到硅2的顶面上的力，搅拌粉末2和/或料斗1，或类似辅助)、或者在其组合下流到反向旋转双螺杆给料器3中。材料操纵定向也允许收集腔室14通过内部螺杆给料部件5和内部螺杆给料部件管9从熔炉150(以虚线示出)的过程气体中收集和分离硅氧化物。内部螺杆给料部件5在与外部螺杆部件4相反的方向上旋转，使得内部螺杆部件5用于移除在充当过程气体出口的内部螺杆给料部件管9中冷凝的冷凝硅氧化物。希望SiO在内部螺杆给料部件5中冷凝而不是在熔炉其它部件上，进料或最终产物上冷凝。

反向旋转双螺杆给料装置由允许将粉末(例如硅2)从料斗1高效且有效地转移到熔炉150以及允许过程气体和冷凝固体(诸如SiO)从该熔炉返回的一种或多种材料形成。举例而言，如本发明所体现的，外部螺杆给料部件4可由陶瓷材料形成。这样的陶瓷材料包括但不限于Si₃N₄、SiC、Al₂O₃、Si、SiO₂和其组合或类似材料。此外，外部螺杆给料部件4、内部螺杆给料部件5、外部螺杆给料部件管8和内部螺杆给料部件管9中的每一个也可由陶瓷材料形成。如本发明所体现的，外部螺杆给料部件4、内部螺杆给料部件5、外部螺杆给料部件管8和内部螺杆给料部件管9的陶瓷材料也可为但不限于Si₃N₄、SiC、Al₂O₃、Si、SiO₂和其组合或类似材料。

此外，如本发明所体现的，反向旋转双螺杆给料器3延伸到熔炉15O内，以便同时将粉末2装载到处理管6中以及从处理管6提取副产物过程气体。反向旋转双螺杆给料器3的外部引导管8仅部分地延伸到熔炉150热区151且以扩口排放端7延伸。如由本发明所体现的，提供扩口排放端7以避免在不存在外部螺杆给料部件4的情况下在外部引导管4内压紧粉末2。内部螺杆给料部件5、内部螺杆给料部件管9延伸超过扩口排放管7的端部，以防止沉积到处理管6中的硅粉末随同过程气体从处理管6携带出来，如图1所示。

或者，如本发明所体现的，反向旋转双螺杆给料器3的外部螺杆给料部件4、内部螺杆给料部件5、外部螺杆给料部件管8和内部螺杆给料部件管9可一直延伸到热区151内，其具有对材料的进一步增强。举例而言，反向旋转双螺杆给料器3的外部螺杆给料部件4、内部螺杆给料部件5、外部螺杆给料部件管8和内部螺杆给料部件管9中的随便哪一个都可涂敷有耐温涂层。

如果将硅2提供为本发明中的粉末，其将在熔炉150中与任何可用氧源(诸如石英)反应以形成熔炉副产物，诸如但不限于硅氧化物(SiO、SiO₂或SiO_x)，在下文中被称作“硅氧化物”。任何形成的硅氧化物将刚好在低于硅熔点处冷凝。这种硅氧化物冷凝物在系统100中是不合乎需要的，因为其会不利地影响粉末2(诸如但不限于硅)流向熔炉150和/或气体往回通过反向旋转双螺杆给料器3而返回，并且在沉积在最终产物上。因此，如本发明所体现的，系统100提供了从熔炉150提取包含粉末的过程气体(诸如但不限于硅氧化物)的结构和操作。

为了从熔炉150提取过程气体和副产物，反向旋转双螺杆给料器3提供了外部螺杆给料部件4，外部螺杆给料部件4通过在其外部螺杆给料部件管8中在一个方向上旋转而将粉末2从料斗1移动到熔炉内，而在其内部螺杆给料部件管9中的内部螺杆给料部件5在反向旋转双螺杆给料器3中以相反方向或相对方向旋转。由于内部螺杆给料部件5布置在外部螺杆给料部件4的中空轴杆中，内部螺杆给料部件5可打碎沉积/冷凝于外部螺杆给料部件管8内的任何硅氧化物，并且若有需要则将其输送出来。或者，内部螺杆5可由使用外部螺杆部件4的相对运动的固定刮擦装置替换，其也充当内部螺杆给料部件管9，以打碎沉积于内部管部件9内的硅氧化物。

如本发明所体现的，副产物和过程气体可通过内部螺杆给料部件5和内部螺杆给料部件管9输送到收集腔室14内。收集腔室14提供从过程气体移除所收集的副产物，该过程气体然后可被排放或再循环。举例而言，收集腔室14可形成为可从气体中分离粉末的降速盒。或者，收集腔室14可包括带有进入端口15的收集腔室14，以用于收集副产物，其中副产物可在重力影响下沉降。收集腔室14包括通气口或其它过程气体端口19，以用于从收集腔室14中移除过程气体。收集腔室14的过程气体端口19可包括到大气的通气口、到处理或洗涤器械(未示意)的通气口以及压力辅助装置(诸如但不限于真空移除装置(未示意))中的至少一种。此外，如本发明所体现的，所收集的副产物可周期性地从收集腔室14移除，或备选地从收集腔室14中持续地移除，例如但不限于传送器或类似移除装置(未示意)。或者，废气可通过液体来起泡以剥除任何固体，诸如硅氧化物。可持续或非持续地替换液体。

如本发明所体现的反向旋转双螺杆给料器3可关于料斗1相对于系统100的正交线(orthogonal)定向成微小角度α。反向旋转双螺杆给料器3关于料斗1定位的微小角度α可由以下(操作)中的至少一种(操作)来提供：关于料斗1以微小角度α来定位处理管6，关于料斗1和处理管6中的至少一个以微小角度α来定位外部螺杆给料部件4、内部螺杆给料部件5、外部螺杆给料部件管8和内部螺杆给料部件管9，或者其组合。微小角度α辅助粉末2通过反向旋转双螺杆给料器3和排放管6排放到熔炉150内。如本发明所体现的，角度α以较小的角度提供反向旋转双螺杆给料器3，诸如与正交线的小于大约10度的角度α。另外，如本发明所体现的，角度α相对于正交线可小于大约10度。而且，角度α相对于正交线可以在大约0.5度至大约3度之间。

此外，如本发明所体现的，熔炉150可相对于系统正交线以角度α定位，以辅助从熔炉150排放液化硅。熔炉150相对于正交线以角度α定位，以辅助作为以下(过程)的过程控制的液化硅排放：粉末2到熔炉15的输送和熔炉150中的液化过程，以及从熔炉150排放液化硅。此外，熔炉150可使得其角度α可调整，以进一步辅助从熔炉150排放液化硅和其作为过程控制的功能。熔炉150可通过任何适当手段来使得其角度α可调整，诸如但不限于：将熔炉150定位于升降机、可移动的滑道(skid)、可倾斜的平台、可移动的支架等上，这就使得熔炉150能够相对于系统100相对移动。此外，本发明还构想了系统100可以是可调整的，以便进一步辅助从熔炉150排放液化硅和其作为过程控制的功能。因此，系统100可为可调整的，以便经由类似熔炉150的可调整性的手段来进一步辅助从熔炉150排放液化硅。另外，也可以相对于反向旋转双螺杆给料器3和系统正交线的其余部分来调整角度α。

由于随着粉末2靠近熔炉150，粉末2的温度升高到接近其熔点，诸如硅粉末的粉末2可变“粘”且自身粘附。另外，粉末2，随着其升温接近其熔点，粉末2可压紧且倒退回到处理管6的较冷部分且最终会干扰熔炉150正常操作。为了避免粉末倒退或者说在处理管6中往回移动的可能的不利影响，以及还有来自粉末在处理管6和反向旋转双螺杆给料器3中自身粘着的不利影响，可将套环挡板16(图1和图6)置于处理管6内。如本发明所体现的，套环挡板16可通过适当手段附连到处理管6上，诸如但不限于：将套环挡板6焊接到处理管6上，摩擦配合在处理管6中，机械连接或通过其它手段以其它方式装配在处理管6中。

套环挡板16形成有用于接纳稳定导杆18的套环挡板切口18，如下文所讨论。另外，如本发明所体现的，套环挡板16由不会不利地影响系统100和其构件的操作的材料形成，如本文所述。举例而言，且绝不限制本发明，套环挡板16包括石英或石英材料。如本发明所体现的，套环挡板16可形成为与反向旋转双螺杆给料器3和处理管6分离的元件且可利用形成于套环挡板16中、接纳反向旋转双螺杆给料器3的孔口17而滑过反向旋转双螺杆给料器3。切口18’接纳稳定导杆18，因此将套环挡板16定位于处理管6中。套环挡板16可作为单独元件插入于处理管6上，且可在反向旋转双螺杆给料器3的任何部分或处理管6需要维护或替换时移除。

为了提高系统100中处理管6的稳定性，处理管6可在其中包括稳定结构。如本发明所体现的，稳定结构可包括稳定引导结构或稳定导杆18。这些稳定导杆18定位于处理管6的内部周边上，如在图5中示意性地图示的。稳定引导件18可形成为定位于处理管6内侧上的石英杆18。如所示意的，较少的几个导杆18定位于处理管6内部上且虽然被示意为圆形截面，但这些稳定导杆18可具有任何稳定构造，诸如但不限于矩形、三角形、“工字梁”或提供稳定化的任何其它这样的构造。连接到处理管6的稳定导杆18将通过与套环挡板切口18’的合作来引导套环挡板16，从而在反向旋转双螺杆给料器3和其构件旋转时保持套环挡板16在处理管中就位。

另外，如本发明所体现的，可主动冷却用于从熔炉150移除冷凝的硅氧化物和气体的反向旋转双螺杆给料器3的内部螺杆给料部件5。内部螺杆给料部件5的冷却可通过适当冷却手段(未示意以便于理解本发明)进行，诸如但不限于利用气体或液体冷却剂进行冷却。此外，如本发明所体现的，将外部螺杆给料部件4与内部螺杆给料部件5分开的内部螺杆给料部件管9可构造为使内部螺杆给料部件5与处理管6隔离，特别是在处理管6延伸到熔炉150内的地方。因此，内部螺杆给料部件管9的内表面将比其外表面更冷，促进在内表面上进行冷凝，在这里，内部螺杆给料部件5可容易地移除冷凝物。

因此，如本发明所体现的，系统100可给送粉末到熔炉150(诸如但不限于旋转式熔炉)的热区151内。如本发明所体现的，系统100允许从熔炉150提取气体，防止粉末在处理管6中倒退。因此，系统100允许在粉末2给送到熔炉内的环境中长期或持续操作。

此外，如本发明所体现的，系统100可用于给送硅粉末2到熔炉150内，以用于形成材料，诸如但不限于高纯度熔融硅。高纯度硅可用于形成光伏装置、面板、太阳能电池板或采用这种硅的其它装置。而且，如本发明所体现的，具有外管部件8的扩口端7的系统100允许材料直接给送到熔炉150内而无需外部螺杆部件4完全延伸到熔炉150热区151内。扩口端7可防止粉末2堆积，其在外部管部件8内堆积和堵塞。此外，具有外部螺杆给料部件4和与该外部螺杆给料部件4反向旋转的内部螺杆给料部件5的反向旋转双螺杆给料器3可允许通过仅一个可用的入口点来在系统中提取气体和粉末。

或者，内部螺杆给料部件5和其内部螺杆给料部件管9可放置于远离外部螺杆给料部件4和其外部螺杆给料部件管8的进入点处，在这里，各自与熔炉150连通(诸如在熔炉150上紧邻熔融硅排出位置的位置处)。如图所示，以所示意的方式来放置内部螺杆给料部件5是优选的，且在该端部将形成诸如但不限于硅氧化物的副产物，且用于供给粉末和提取副产物的单旋转双螺杆给料器3允许增强该装备对清洁、维护和消耗性部件的替换的管理。

而且，如本发明所体现的，套环挡板16可防止粉末2在处理管6和/或反向旋转双螺杆给料器3的至少一个中朝向远离熔炉150的管端部倒退，其中倒退是破坏性且导致系统100关闭。而且，如上文所述，提供套环挡板16作为可插入到系统100内的模块化单元可允许对系统100现场清洁。

虽然关于各种具体实施例描述了本发明，但本领域技术人员将认识到，在本发明的精神和范畴内，在实践本发明时可进行修改。

Claims

1.一种用于将材料从储存装置移动到接收器的材料操纵系统(100)，所述系统包括：

从所述储存装置延伸到所述接收器的反向旋转双螺杆给料器(3)；所述反向旋转双螺杆给料器包括：

外部螺杆给料部件(4)；

内部螺杆给料部件(5)；

所述外部螺杆给料部件定位于外部螺杆给料部件管(8)中；且

所述内部螺杆给料部件定位于内部螺杆给料部件管(9)中；以及

将所述反向旋转双螺杆给料器定位在关于所述储存装置和接收器的材料操纵定向上的处理管(6)；其中材料(2)经由所述外部螺杆给料部件从所述储存装置供给到所述接收器；所述内部螺杆给料部件移除来自所述接收器的气体和副产物。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述外部螺杆给料部件、内部螺杆给料部件、外部螺杆给料部件管和内部螺杆给料部件管中的各个在共同轴线上对准。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述外部螺杆给料部件、内部螺杆给料部件、外部螺杆给料部件管和内部螺杆给料部件管中的各个在所述处理管中同轴地对准。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述外部螺杆给料部件包括中空螺杆给料部件，所述中空螺杆给料部件具有穿过它的中心内孔，所述内部螺杆给料部件定位于所述中心内孔中。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述外部螺杆给料部件、内部螺杆给料部件、外部螺杆给料部件管和内部螺杆给料部件管中的至少一个由陶瓷材料形成，所述陶瓷材料选自包括Si₃N₄、SiC、Al₂O₃、Si、SiO₂及其组合的组。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述内部螺杆给料部件管包括所述外部螺杆给料部件的一部分。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述内部螺杆给料部件管和所述外部螺杆给料部件由单件氮化硅(SiN)加工而成，其中所述内部螺杆给料部件管形成所述外部螺杆给料部件的轴杆。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述接收器包括熔炉(150)且所述材料包括硅粉末，因此所述熔炉熔化所述硅粉末，且所述内部螺杆给料部件从所述熔炉中移除气体和硅氧化物副产物。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述反向旋转双螺杆给料器和所述处理管的扩口排放端延伸到所述熔炉的热区(151)。

10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述反向旋转双螺杆给料器、所述熔炉和所述储存装置中的至少一个相对于彼此中的至少一个和系统正交线成角度(α)，以便于通过所述反向旋转双螺杆给料器将硅粉末从所述储存装置移动到所述熔炉。