Magnetisch gelagerter Verdichter für Siliziumherstellung

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04.02.2011 Durch den verstärkten Einsatz von Solarzellen ist die Nachfrage nach Polysilizium in den letzten Jahren stark angestiegen. Um den Bedarf decken zu können, wurde durch ein neues Produktionsverfahren auch eine komplett neue Peripherie notwendig. Zu diesem Zweck wurde ein magnetgelagerter Verdichter, der Wasserstoff zirkuliert, konstruiert.

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Entscheider-Facts Für Anwender

  • Da der Prozess der Siliziumproduktion im Kreislauf gefahren und hochreines Silizium gewonnen wird, sind spezielle Verdichter gefragt, die keine Partikel generieren und keine Fremdmoleküle eindringen lassen.
  • Bei einem hermetisch geschlossenen Verdichter entfallen alle dynamischen Abdichtungen, es sind nur noch statische Dichtungen und Kabeldurchführungen vorhanden, die keine Partikel generieren.
  • Eine konventionelle Lagerung ist aufgrund der Verunreinigung durch Schmierstoffe ausgeschlossen – eine magnetgelagerte Welle schafft Abhilfe.
  • Die gewünschte sehr geringe Leckrate von 10-6?mbar*l/s erforderte den Einbau von Sonderflanschen mit spezieller O-Ringabdichtung für besonders hohe Dichtigkeiten für kleine Gasmoleküle.

Februar 2011

Magnetgelagerter Verdichter für ein neues Silizium-Herstellungsverfahren (Fima Maschinenbau)

Beim herkömmlichen Produktionsprozess wird Rohsilizium über die Zwischenstufe Trichlorsilan in aufwendigen Destillationsschritten von Verunreinigungen befreit. Dieses sehr energieintensive Verfahren soll nun durch die Pyrolyse von Monosilan abgelöst werden. Umweltfreundlicher Nebeneffekt: Der aggressive Chlorwasserstoff, also die Salzsäure, wird für diesen Herstellungsprozess nicht mehr benötigt. Das im Labormaßstab funktionierende Verfahren wird derzeit großtechnisch umgesetzt.

Siliziumherstellung darf nicht durch Partikel verunreinigt werden

In einem Reaktor zerfällt bei hohen Temperaturen Monosilan in reines Silizium und in Wasserstoff – ein Teil des Gases wird dem System entzogen und neues Monosilan zugegeben. An zuvor eingebrachten Keimstäben setzt sich das polykristalline Silizium ab, das dann alle fünf bis sechs Tage „geerntet“ werden kann. Da der Prozess im Kreislauf gefahren und hochreines Silizium gewonnen wird, sind spezielle Verdichter gefragt, die keine Partikel generieren und keine Fremdmoleküle eindringen lassen. Zu diesem Zweck wurde für das sehr anspruchsvolle Vorhaben ein zweistufiger Verdichter konstruiert, der zunächst in einer Pilotanlage eingesetzt wird.

Die Anforderungen sind hoch: ein abgeschlossenes System, das keine Verunreinigungen generiert und keine eindringen lässt. Darüber hinaus darf durch den Verdichter innerhalb des Wasserstoffkreislaufes keine explosive Atmosphäre entstehen. Ein konventioneller Aufbau des Verdichters mit Dichtungen, angetrieben von Getriebe und Motor, schied aus, da jegliche berührenden Dichtungen – auch Gleitringdichtungen – geringste Mengen Partikel in das Wasserstoffgassystem emittieren würden. Aus diesem Grund musste der Verdichter hermetisch geschlossen werden; der komplette Antrieb kam in den Wasserstoffprozessraum. Somit entfallen alle dynamischen Abdichtungen, es sind nur noch statische Dichtungen und Kabeldurchführungen vorhanden, die keine Partikel generieren. Wenn sich der komplette Antrieb im Wasserstoffprozessbereich befindet, ist eine konventionelle Lagerung aufgrund der Verunreinigung durch Schmierstoffe ausgeschlossen – eine magnetgelagerte Welle schafft Abhilfe. Die Welle wird durch die Magnetlager im Wasserstoffgas sowohl im Stillstand als auch bei hohen Drehzahlen im Schwebezustand gehalten.
Die gewünschte sehr geringe Leckrate von 10-6mbar*l/s erforderte den Einbau von Sonderflanschen mit spezieller O-Ringabdichtung für besonders hohe Dichtigkeiten für kleine Gasmoleküle. Wasserstoff ist neben Helium das Gas mit der kleinsten Molekülgröße; daher mussten auch besondere Werkstoffe verwendet werden, damit die Wasserstoffmoleküle nicht in den Werkstoff einpenetrieren können. Die Anforderung galt gleichermaßen für die Instrumentierung, so dass lediglich Sonderausführungen eingesetzt werden konnten. So mussten für die vier Steuer- und Sensorenkabel von Antrieb und Magnetlagerung eine sehr aufwendige Kabeldurchführung entwickelt werden, damit auch zwischen den einzelnen Adern innerhalb eines Kabels die Dichtigkeit erreicht wird. Jede einzelne der über 60 Adern wurde pro Kabel in speziellen Kartuschen vergossen. Die Kartuschen der Kabeldurchführung sind ebenfalls mit O-Ring-Flanschen versehen. Der Verdichter kann nun als hermetisch komplett abgeschlossen angesehen werden.

Hochleistungsmagnete in der Welle sorgen für hohen Wirkungsgrad

Um einen hohen Wirkungsgrad des Antriebs bei gleichzeitig geringer Erwärmung des Gases zwischen dem Spalt von Rotor und Stator zu erzielen, wurde ein Synchronantrieb verwendet; Hochleistungsmagnete sind in die Welle eingebettet und bringen diese auf eine Drehzahl von 21000min-1. Die Spulen der Magnetlager und des Motors sind mit Kunststoff vergossen, um die Emission von Partikeln durch elektrische Schwingungen in den Wicklungen zu verhindern. Der Verdichter kann über einen sehr breiten Drehzahlbereich geregelt werden. Bei längerem Stillstand kann die Welle im Auffanglager mit Keramikkugeln abgelegt werden.

Der Gaskurzschluss von Stufe2 zur Stufe 1 über den Ringspalt zwischen Rotor und Stator, bedingt durch die Integration des Antriebs ohne Dichtungen innerhalb des Gasprozessraums, wurde durch ein integriertes Sperrgassystem mit Druckausgleichsleitung und berührungslosen Labyrinthdichtungen aus PEEK verhindert.
Trotz der hohen Umfangsgeschwindigkeiten der rund 11kg schweren Laufräder von etwa 400m/s bei 21000min-1 ist es gelungen, einen unterkritischen Rotor auszulegen. Alle Drehzahlen bewegen sich immer unterhalb der biegekritischen Frequenzen; somit ist der Wasserstoffprozess über einen breiten Drehzahlbereich sicher zu steuern.
Nach dem Bau des Prototyps wurde die Anlage im Testfeld auf Herz und Nieren geprüft. Die Ingenieure bauten sogar eine Kreisgasanlage, um die tatsächlichen Einsatzbedingungen mittels Helium zu simulieren.

Der Hersteller entwickelte den zweistufigen, magnetgelagerten Verdichter auf Kundenwunsch. Magnetgelagerte Wellen sind zwar nicht neu, die Einsatzbedingungen des Verdichters – beispielsweise Wasserstoffatmosphäre, schwere Laufräder, keine Verunreinigungen, kompakte Ausführung – waren jedoch eine sehr große Herausforderung. Die Pilotanlage für die großtechnische Umsetzung verfügt noch über verschiedene Sensor- und Probenentnahmeanschlüsse, die später in der Serienproduktion entfallen werden. Dieser neuentwickelte Verdichter ist für alle Gasanwendungen mit sehr hohen Anforderungen an Reinheit und Dichtheit bei zugleich sehr hohen Drehzahlen geeignet.

Heftausgabe: Februar 2011

Über den Autor

Joachim Schmid ,
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