PL237816B1 - Urządzenie grzejne dla procesów wysokotemperaturowych - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest urządzenie grzejne o konstrukcji samonośnej, dla procesów wysokotemperaturowych takich jak wytwarzanie monokryształów, a zwłaszcza wytwarzanie monokryształów o średnicy od 3 - 12 cali (~7,5cm - ~30cm). Urządzenie grzejne ma piec grzejny o konstrukcji samonośnej, którą stanowi spirala grzejna, z drutu grzejnego wysokotemperaturowego, zaopatrzona w dystansowniki (5), utrzymujące zwoje spirali (4) w odległości od 12,5 - 22 mm od siebie, pokryta warstwą izolacyjną (6) i umieszczona w obudowie (3).

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie grzejne o konstrukcji samonośnej, dla procesów wysokotemperaturowych takich jak wytwarzanie monokryształów, a zwłaszcza wytwarzanie monokryształów o średnicy od 3-12 cali (~7,5 cm—30 cm).

Urządzenia grzejne, a do nich należą rurowe piece technologiczne są na świecie powszechnie stosowane do różnego typu procesów technologicznych, w tym również do otrzymywania monokryształów półprzewodnikowych. Piece te są urządzeniami z jednej strony prostymi, bo składają się z niewielu elementów, z drugiej strony urządzenia te są urządzeniami wymagającymi, ponieważ niewielka zmiana warunków panujących w ampule technologicznej, a są to warunki wysokotemperaturowe i wielogodzinne, skutkuje niepowodzeniem procesu krystalizacji, a tym samym stratami finansowymi.

Znanych jest wiele odmian urządzeń grzejnych tego typu, funkcjonujących w różnych systemach technologicznych. Wspólną cechą tych urządzeń jest spirala grzejna, z odpowiedniego drutu, u mocowana (lub nawinięta) na wysokotemperaturową ceramikę.

Typowy piec urządzenia grzejnego posiada rurę ceramiczną, w której umieszcza się ampułę technologiczną, spiralę z odpowiedniego drutu grzejnego nawiniętego na tę rurę ceramiczną, kilka warstw koca ceramicznego jako izolacji termicznej oraz obudowę. Proces krystalizacji przeprowadza się w zamkniętej ampule kwarcowej. Ampuła zawiera odpompowany do wysokiej próżni (~10^-6 Torr) materiał wsadowy, którym może być na przykład wstępnie przereagowany CdTe, (Hg,Cd)Te, (Cd,Zn)Te, ZnTe czy (Cd,Mn)Te lub inny materiał półprzewodnikowy. W zależności od rodzaju materiału wymagana jest inna wysoka temperatura. Na przykład dla wymienionych wyżej związków, wymagana dla uzyskania krystalizacji z cieczy temperatura wacha się od 900 do 1300°C. Przy takich temperaturach procesu technologicznego i oczekiwanych średnicach kryształów, znane urządzenia są niewydolne. Dla dużych średnic pieca (większych od ~3 cali) wysokotemperaturowe rury ceramiczne są zwykle grubościenne i ciężkie. W piecu gdzie spirala nawinięta jest na grubościenną rurę (ścianki rury mają grubość ok. 15 mm), występują duże straty energii elektrycznej spowodowane dużą bezwładnością cieplną pieca. Uzyskanie w piecu wymaganej technologicznie wysokiej temperatury (900-1200°C) jest czasochłonne, a proces grzania i chłodzenia jest powolny.

Celem wynalazku jest opracowanie konstrukcji takiego urządzenia grzejnego, które umożliwi prowadzenie procesów termicznych w ampułach technologicznych o średnicach większych od ~3 cali. Urządzenia energetycznie sprawniejszego i oszczędniejszego.

Urządzenie grzejne według wynalazku posiada piec grzejny o konstrukcji samonośnej, którą stanowi spirala grzejna, z drutu grzejnego wysokotemperaturowego, o średnicy od 4-5 mm, zaopatrzona w dystansowniki utrzymujące zwoje spirali w odległości od 12,5-22 mm od siebie. Spirala ta pokryta jest warstwą izolacyjną składającą się z 8-10-ciu warstw wysoko temperaturowego koca alundowego o grubości co najmniej 10 mm, i umieszczona jest w obudowie.

Korzystnie jest jeżeli dystansowniki mają kształt szpulek nawleczonych na poszczególne zwoje spirali i są umieszczone na całej długości pieca, w co najmniej 3 kolumnach. Usytuowanie szpulek na spirali może być takie, że większa średnica szpulki na jednym zwoju dotyka mniejszej średnicy szpulki na zwoju sąsiednim lub takie, że szpulki na sąsiednich zwojach nawleczone są naprzemiennie i większa średnica szpulki na jednym zwoju dotyka większej średnicy szpulki na zwoju sąsiednim.

Zaproponowana w rozwiązaniu według wynalazku samonośna konstrukcja jest dynamiczniejsza w grzaniu oraz chłodzeniu i ekonomiczniejsza w eksploatacji. Ponadto wymagana w niektórych procesach technologicznych szybka ale kontrolowana zmiana temperatury jest łatwiejsza do realizacji. Takie efekty zapewnia wyeliminowanie w proponowanym rozwiązaniu grubej, ceramicznej rury, która ma dużą bezwładność termiczną. Ponadto dużo łatwiejsza jest kontrola i regulacja temperatury procesu, ponieważ temperatura ta mierzona jest blisko spirali grzejnej, to jest pomiędzy spiralą a kwarcową ampułą zawierającą krystalizowany materiał.

Wynalazek zostanie bliżej objaśniony na przykładzie wykonania pokazanym na rysunku. Fig. 1 rysunku przedstawia piec rurowy urządzenia w przekroju wzdłużnym. Fig. 2a i Fig. 2b ilustruje sposób ułożenia dystansowników na spirali pieca. Na załączonej fotografii pokazane są dwa sposoby nawleczenia dystansowników dla uzyskania różnego skoku spirali.

Przykładowe urządzenie grzejne jest przeznaczone do prowadzenia procesów termicznych takich jak wytwarzanie monokryształów o średnicy powyżej 3 cali (76,2 mm). Urządzenie posiada osie 1, do których uchylnie zamocowane są obejmy 2 utrzymujące obudowę pieca 3 w odpowiedniej pozycji. Przy

PL 237 816 B1 kładowy piec przystosowany jest do prowadzenia procesu w ampule technologicznej o średnicy zewnętrznej 8 cali (203,2 mm). Podstawowym elementem pieca jest gęsto nawinięta spirala grzejna 4 wykonana z drutu oporowego (w przykładzie drut firmy Kanthal) o średnicy 4,5 mm.

Spiralę tę skonstruowano po określeniu wymaganej dla procesu technologicznego wewnętrznej średnicy spirali (230 mm). W tym miejscu pamiętać trzeba, że zastosowane dystansowniki (patrz Fig. 2a i 2b) zmniejszają roboczą średnicę pieca o szerokość dystansownika (szpulki), - w naszym przypadku 25 mm. Dla uzyskania takiej spirali najpierw, zwinięto z blachy duralowej o grubości 3 mm, rurę o zewnętrznej średnicy 10% mniejszej od wewnętrznej średnicy przyszłej spirali. Na wykonaną rurę duralową gęsto nawinięto drut oporowy (drut firmy Kanthal A-1) o średnicy 4,5 mm. Z długości budowanego pieca i „skoku” spirali grzejnej obliczono ilość zwojów drutu potrzebnych do wykonania spirali. Nawijając spiralę pamiętać należy, że po uwolnieniu spirali zmniejszy ona przez rozprężenie ilość zwojów o 3% i zwiększy swą średnicę o 10%. By w czasie pracy pieca zwoje drutu spirali nie zwarły się, na drut nawleczono dystansowniki 5, w przykładzie zastosowano dystansowniki w kształcie szpulek z wysoko-temperaturowej aluminy. Materiał ten wytrzymały do 1400°C, nie ulega odkształceniom i pozwala utrzymać odpowiednią odległość pomiędzy poszczególnymi zwojami drutu zapobiegając przed ewentualnym zetknięciem się poszczególnych zwoi spirali.

Ilość zwojów tej spirali zależy od długości urządzenia/pieca, w przykładzie, spirala posiada 50 zwojów. Znajdujące się pomiędzy zwojami 4 spirali dystansowniki 5 zapewniają w jednej części spirali odstęp pomiędzy zwojami 12,5 a w drugiej części spirali odstęp 22 mm. Odstęp ten nie może być zbyt mały ani zbyt duży, a kształt dystansowników powinien zapewniać stałe i pewne odseparowanie poszczególnych zwojów, a jednocześnie nie powinien ograniczać przestrzeni technologicznej. W przykładowym rozwiązaniu zastosowano dystansowniki w kształcie szpulek z wysoko temperaturowej albuminy, umieszczając po cztery, na każdym zwoju spirali. W rozwiązaniu tym dystansowniki umieszczone są w czterech kolumnach na całej długości pieca. Kolumny dystansowników są tak ułożone, że dla części spirali, w której odstęp pomiędzy zwojami wynosi 22 mm, większa średnica (kołnierz) szpulki na jednym zwoju zachodzi na mniejszą średnicę (rdzeń) szpulki znajdującej się na sąsiednim zwoju. Natomiast dla części spirali, w której odstęp pomiędzy zwojami wynosi 12,5 mm, usytuowanie wzajemne dystansowników jest równoległe względem siebie, to znaczy kołnierz szpulki na jednym zwoju dotyka kołnierza szpulki na zwoju sąsiednim ale nie zachodzi na niego. Na spirali z dystansownikami 5 znajduje się warstwa izolacyjna 6 składająca się z 9-ciu warstw wysoko temperaturowego koca alundowego. Spirala pokryta warstwą izolacyjną 6 umieszczona jest w obudowie 3 wykonanej z blachy aluminiowej, zaopatrzonej w obejmy 2 połączone ruchomo, za pomocą trzpieni 1 z ramą urządzenia. Dystansowniki 5 umieszczone na końcach spirali są przymocowane za pomocą obejmy 7 do obudowy 3.

Piec, w który wyposażone jest urządzenie według wynalazku ma długości 1000 mm. Przy zastosowanej spirali grzewczej jego oporność wynosi około 0,5 Ω.

Zagrzanie takiej spirali, w zależności od wymaganej temperatury procesu, wymaga prądu elektrycznego rzędu 30-50 Amper. Do zasilania elektrycznego tego pieca poza np. wariakiem wymagany jest transformator obniżający napięcie i podwyższający wymagany prąd.

Piec o samonośnej konstrukcji spirali według wynalazku daje pełną dowolność w uzyskiwaniu wewnętrznych średnic w piecu od 3-12 cali, która zależy jedynie od średnicy wewnętrznej spirali nawiniętej z drutu oporowego. Wyeliminowanie ceramicznej rury, stosowanej w znanych rozwiązaniach pozwala na uniknięcie też problemów związanych z różną rozszerzalnością termiczną drutu grzejnego i ceramiki.

Claims (4)

1. Urządzenie grzejne dla procesów wysokotemperaturowych posiadające ramę do której zamocowany jest piec grzejny, w którego obudowie znajduje się spirala grzejna zaopatrzona w dystansowniki, znamienne tym, że piec grzejny ma konstrukcję samonośną, którą stanowi spirala, z wysokotemperaturowego drutu grzejnego, o średnicy od 4-5 mm, z dystansownikami /5/, utrzymującymi zwoje spirali /4/ w odległości od 12,5-22 mm od siebie, pokryta warstwą izolacyjną /6/ składającą się z 8-10-ciu warstw wysoko temperaturowego koca alundowego o grubości co najmniej 10 mm, i umieszczona w obudowie /3/.

2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że dystansowniki /5/, korzystnie w kształcie szpulek nawleczonych na poszczególne zwoje spirali /4/ są umieszczone na całej długości pieca w co najmniej 3 kolumnach.

3. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że większa średnica szpulki na jednym zwoju dotyka mniejszej średnicy szpulki na zwoju sąsiednim.

4. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że szpulki na sąsiednich zwojach nawleczone są naprzemiennie i większa średnica szpulki na jednym zwoju dotyka większej średnicy szpulki na zwoju sąsiednim.