多晶硅铸锭炉升降机构设计课件

1、的炉门升降装置和隔热框升降装置的结构设计。多晶硅铸锭炉主要用来生产太阳能电池用的多晶硅锭，是整个光伏产业链中的关键设备，它技术难度高，使用量大。目前，国内生产商使用的多晶硅铸锭炉大多为国外进口设备（美国和德国），价格昂贵。随着太阳能产业快速发展，国内数家机构开始对多晶设备进行研制开发，中国电子科技集团公司第二研究所作为其中的一家研发机构，已对该设备的关键技术研制成功，并生产小批量产品投入市场应用。1多晶硅铸锭炉介绍1.1多晶硅铸锭炉的工作原理多晶硅铸锭炉采用的晶体生长方法主要为定向凝固法，其工作原理由升温预热、硅料熔化、晶体生长、退火去内应力4个过程完成。多晶硅铸锭炉在预热之前，炉体内预抽真空

2、，可升降保温层与固定的底部隔热层留有搭接间隙，保证了加热时内部热量损失小，加热区温场均匀性好。当硅料完全熔化开始结晶时，充入氩气，隔热框架升降装置将保温层缓慢向上提升，坩埚底部通过保温层与隔热层之间的距离散热，吸热氩气与水冷炉壁进行热量置换后产生降温，形成温度梯度，晶体从坩埚底部逐渐向上定向生长，液相温度梯度接近常数。真空机组和充气质量流量控制器相互匹配，使炉体内压力保持恒定设定值。1.2多晶硅铸锭炉结构组成多晶硅铸锭炉真空炉体采用不锈钢材料双层水冷结构和立式安装，由上下两部分组成，开下炉门装料。真空系统由两级真空泵、机械泵和罗茨泵组成，并配有旁路比例阀抽气系统。加热采用石墨加热体，隔热层为优

3、质石墨毡，晶闸管变压器供电。氩气气体控制采用质量流量控制阀通过自动控制实现炉内压力平衡。测温控制通过分别置于炉内不同位置的热电偶来实现；红外测温仪对炉内硅料进行监测，判断硅料状态。控制系统由工作站、主控制器、加热控制单元等组成，主要完成真空度控制、炉内温度控制、炉内压力平衡控制、炉门升降控制、保温层升降位移量控制、坩埚破裂检测控制等。2多晶硅铸锭炉的升降机构多晶硅铸锭炉中升降机构包括两部分：炉门升降机构和隔热框架升降机构，尤其是后者，各个零件的设计及选用对设备性能指标有很大的影响。2.1炉门升降机构炉门升降机构安装在整个设备中部和炉体外围，主要作用是平稳升降铸锭炉下炉门，使之打开、关闭，完成进

4、出料工序，并通过炉门升降机构来实现真空炉体上下密封，硅料坩埚进入加热区的功能。2.2炉门升降机构的组成炉门升降机构主要由直流电机、同步带轮组、滚珠丝杠、挠性软轴、抱闸机构及连轴器等部件组成（见第74页）。炉门升降运动主要由3套滚珠丝杠来实现，分别安装在炉体的3个支撑柱和下炉门之间（120内均匀布置），3个滚珠丝杠间通过两根软轴连接，并改变转动方向，实现提升。直流电机安装在中间支撑柱顶部，通过一对同步带轮减速后由双向传动轴、联轴器输出扭矩。2.3炉门升降机构的设计滚珠丝杆选型设计主要考虑最大提升重量、提升速度、提升平稳性（即运动精度）这3个参数。最大提升重量计算应该等于炉门重量、夹层水重量、装料

5、最大重量、坩埚重量之和，选用3根滚珠丝杠副来对其进行提升，每根丝杆承受重量不小于平均值的1.2倍，提升速度选取范围国外相关设备选择04m/min.炉门升降运动平稳性要求不算高，选择级中等精度即可满足要求。选择滚珠丝杆的结构为蜗杆型，单根提升重量为5t，丝杆直径为38mm.软轴选择设计：软轴（柔性轴）传动目前在国内机械运动部件中采用的还较少，关键是国内相关制造技术达不到。本设备选用的是进口零件，轴径选型满足最大设计扭矩，最小曲率半径为450mm，满足提升结构要求，使设备整体结构紧凑。升降电机选择：型号为直流电机，最大功率要满足提升负载要求，扭矩恒定，速度可调。通过一对同步带轮将扭矩传递至传动轴。

6、抱闸机构选择：电磁制动的安全刹车装置，控制电压24V（总体结构见）。直流电机安装在中间支撑上，经同步带轮将速度减缓后传递到中间丝杠主轴上，两根软轴左右分别连接到另外两个丝杠主轴。这种布置方法可保证在提升负载重量较大时，使3根丝杠的升降几乎同时动作，将提升时软轴的扭转偏差尽量减小。在炉门整体升降过程中，通过4个位置开关来检测控制升降速度。在接近炉体上法兰时，通过第一个位置开关后减缓提升速度，直到接触第二个位置开关后闭合，减速后减小了炉门闭合时的冲击，保证了炉内坩埚在石墨台上的位置及安全。在降下炉门的过程中，同样在接近底部支撑时减速，以减缓落下的速度及减小与支撑的碰撞，保证坩埚的平稳。抱闸机构作用

7、：它与直流电机的动作同步关联。在电机启动的同时，电磁铁将压片吸合，从而使摩擦片与压片松开，传动轴可以自由转动；在电机停止的同时，松开电磁铁，压片将摩擦片压紧，将转动轴抱死，防止在电机停止时由于惯性引起的移动，从而增加设备操作人员的使用安全性。该升降机构的技术先进性在于将3根丝杠间主传动轴的直线传动转变为软轴的环形传动，120的三点提升结构有效地缩小了设备的外形尺寸，将间接传动转变为直接传动，减少了运动部件，降低了传动中的运动件的能量损耗，使得传动的效率得到可靠提高。3隔热框升降机构隔热框升降机构是整个设备中的关键运动部分，其主要作用是使坩埚中的硅液从下而上形成温度梯度，产生多晶硅定向凝固。它的

8、性能直接影响硅锭长晶质量，所以对其参数的确定控制显得尤为重要。3.1隔热框升降机构的组成隔热框升降机构组成（见第75页）：整个装置通过提升基架安装在设备炉体上部，主要有伺服电机产生驱动力，减速机变速，通过齿轮箱动力转向，软轴连轴器传动，直线导轨连接件高精度升降，波纹管真空密封。整个部件通过3根提升杆与隔热框连接，使隔热框实现升降运动。3.2隔热框升降机构的设计隔热框升降技术指标要求：密封性能满足设备总指标（压升率波纹管是由不锈钢焊接制成，两端有固定法兰，一端通过密封圈固定在炉体法兰上，另一端通过密封圈固定在提升杆顶部法兰和直线导轨滑块法太原科技2-b隔热框升降机构俯视一炉体；2隔热框；3提升基

9、架；4饲服电机；9提升密封；10波纹管；一直线导轨；12软轴；3提升行隔热框升降机构图兰下，滑块上下移动带动波纹管长短伸缩，这样把动密封变成了静密封，提高了密封的可靠性，容易保证压升率指标。提升速度是整台设备关键指标，选择直流伺服电机配减速机来实现提升速度调控，为了保证低速转动的平稳性及精度，选择高精度直线导轨式滚珠丝杠。为了保证直线导轨式滚珠丝杠安装精度（3个安装平面的平面度设计精度为训级），机械加工工艺采取一次装卡完成铣削。传动轴与炉门升降机构相似，仍然选择软轴，最大扭矩满足提升负载，最小曲率半径为350mm，56.等腰三角形布置，使该部件结构非常紧凑。3.3技术特点采用3方位环形软轴传动

10、，对炉内隔热框进行提升具有同样的技术先进性。采用伺服电机配减速机实现对提升速率微小位移的精确控制，扭矩传动平稳。在多晶硅的凝固长晶过程中，根据工艺设置，控制隔热框的提升速度，使之与多晶硅的凝固长晶速度一致。隔热框提升的间隙量与热量的散失成正比，从而从坩埚底部开始形成一个稳定的温度梯度，使硅液从坩埚底部开始定向凝固。在整个凝固长晶工艺过程中，满足不同阶段长晶要求，提升的速度可随之变化。在隔热框在慢速提升过程中，传动主轴不出现窜动、蠕动、跋行等通过波纹管的设计，使得提升杆的运动变成在真空内部的运动，从而将复杂的动密封转变为简单的静密封，提高了密封的安全性和稳定性，真空保护性好，提高硅锭的质量。4结论综上所述，文中所述的两种提升机构均采用软轴连接方式传动，炉门升降可用于一般精度的机构，