(57)【要約】  本発明は、ローラを含むロールクラッシャーであって、前記ローラは主軸（３）とともに回転する形式のロールクラッシャーにおいて、前記ローラは、鋼製の支持ローラ（２）および複数の超硬合金セグメント（１）からできており、前記超硬合金セグメント（１）はコバルトマトリクスからなり、前記コバルトマトリクスに炭化タングステンが組み込まれており、前記超硬合金セグメント（１）は、裏表使用でき、前記支持ローラ（２）の上に形状結合により固定されている、ことを特徴とするロールクラッシャーに関する。
2009531172.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ローラを含むロールクラッシャーであって、
前記ローラは主軸（３）とともに回転する形式のロールクラッシャーにおいて、
前記ローラは、鋼製の支持ローラ（２）および複数の超硬合金セグメント（１）からできており、
前記超硬合金セグメント（１）はコバルトマトリクスからなり、
前記コバルトマトリクスに炭化タングステンが組み込まれており、
前記超硬合金セグメント（１）は、裏表使用でき、前記支持ローラ（２）の上に形状結合により固定されている、
ことを特徴とするロールクラッシャー。
【請求項２】
請求項１記載のロールクラッシャーにおいて、
前記ローラは、鋼製の前記支持ローラと、８個から１６個、特に有利には１２個の超硬合金セグメントとからなる、
ことを特徴とするロールクラッシャー。
【請求項３】
請求項１または２記載のロールクラッシャーにおいて、
前記超硬合金セグメントは、８０重量パーセント以上、特に有利には９０重量パーセント以上、とりわけ有利には９１．５重量パーセント以上が炭化タングステンからできており、
該炭化タングステンは、前記コバルトマトリクスに組み込まれている、
ことを特徴とするロールクラッシャー。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項記載のロールクラッシャーにおいて、
前記超硬合金セグメントの表面は、前記ローラの被覆表面の一部を形成しており、カット研磨面が設けられている、
ことを特徴とするロールクラッシャー。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項記載のロールクラッシャーにおいて、
前記硬合金セグメントはそれぞれ、３個から１２個、特に有利には４個から７個，とりわけ有利には５個の前記カット面を有している、
ことを特徴とするロールクラッシャー。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項記載のロールクラッシャーにおいて、
前記超硬合金セグメントのすべてのエッジは、半径を以て面取りされている、
ことを特徴とするロールクラッシャー。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項記載のロールクラッシャーにおいて、
前記超硬合金セグメントは互いに、高純度プラスティック（７）によって密閉されており、
該高純度プラスティックは、複数の前記超硬合金セグメント（１）間の溝（８）に嵌め込まれている、
ことを特徴とするロールクラッシャー。
【請求項８】
請求項７記載のロールクラッシャーにおいて、
前記ローラの端部面は、高純度プラスティックからなるプレートによって覆われている、
ことを特徴とするロールクラッシャー。
【請求項９】
請求項７または８記載のロールクラッシャーにおいて、
前記主軸は、高純度プラスティックからなる成形部品によって覆われている、
ことを特徴とするロールクラッシャー。
【請求項１０】
請求項７から９のいずれか一項記載のロールクラッシャーにおいて、
前記高純度プラスティックは、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリウレタン、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体、パーフルオロアルコキシ共重合体、またはHalar （登録商標）を含むグループから選択される、
ことを特徴とするロールクラッシャー。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか一項記載のロールクラッシャーにおいて、
前記超硬合金セグメントは、ボルトによって前記支持ローラに固定されており、
前記ボルトを固定するために、前記超硬合金セグメントに雌ねじが焼結されている、
ことを特徴とするロールクラッシャー。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか一項記載のロールクラッシャーにおいて、
前記ローラの直径は１０００mmから２０００mmである、
ことを特徴とするロールクラッシャー。
【請求項１３】
粗い多結晶シリコンを破砕するための方法において、
前記粗い多結晶シリコンは、請求項１から１２のいずれか一項記載のロールクラッシャーを用いて破砕される、
ことを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１３記載の方法において、
８０mmから２５０mmという中位の断片サイズを備える多結晶シリコンの断片が、請求項１から１２のいずれか一項記載のクラッシャーに送り込まれ、１つの工程で、破砕比率５以上の比率で、それぞれ所望の目標大きさに破砕される、
ことを特徴とすることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粗く破砕された多結晶シリコンを、そのまま、すなわち後洗浄することなしに太陽電池に使用できる純度で破砕する装置および方法に関する。
【０００２】
通常、多結晶シリコン（ポリシリコン）は、シーメンス反応器（Siemens-Reaktor）内で気相蒸着法によって製作される。ここで高純度シランまたはクロロシランが、高温の基板（有利にはシリコンからなる基板）の上に蒸着され、中実な棒、ブロック、または板が得られる。結晶化方法によるポリシリコンが使用可能となる前に、このポリシリコンを破砕しなければならない。この際通常、ポリシリコンは摩耗によって汚染されるため、表面の汚染を洗浄によって除去しなければならない。
【０００３】
結晶化方法において、そのまま（すなわち後洗浄なしで）使用できるソーラーグレードのポリシリコン、すなわち高純度（全体金属汚染が典型的に１０ppba以下）のポリシリコンは、これまで面倒で人手のかかる手作業による破砕によって製作されてきた。最初のステップでは、シーメンス析出反応器から得られるようなシリコン棒が、手ハンマーによって予備破砕され、次にリベットハンマーによって手作業で、所要の大きさの断片になるまで後破砕される。この手作業によって製作された粗断片は、供給原料として、さらに機械的に破砕される。
【０００４】
これまで説明した機械的破砕方法は、例えば通常のジョークラッシャーまたはロールクラッシャーであり、粗く破砕された多結晶ポリシリコンを破砕するのに適してはいるが、この方法は、面倒な後洗浄が必要とされる甚大な金属表面汚染（従来のジョークラッシャーでは、約５００から１０００ppba、従来のロールクラッシャーでは、約２００から５００ppba）を引き起こす。またはこの方法は、機械的な実施ないし方法（例えば衝撃波破砕または熱的破砕）が面倒であり、不経済である。
【０００５】
ロールクラッシャーを使用する場合、供給原料に適当な大きさは、クラッシャーの破砕角度および寸法設定に依存している。これまでは、ローラの幾何学的形状のため、最大エッジ長さ１１０mm以下の断片しか進入することができなかった。微小な製品を製作するためには、付加的に複数の破砕工程が必要である。これまでは製作技術的理由により、超硬合金の破砕工具を備えるロールクラッシャーには、４５０mm以下のローラ直径しか使用されなかった。さらにこのローラのメンテナンスは、付加的なコスト要因である。超硬合金ローラの技術的構成によれば、ローラの交換または補充は時間およびコストがかかりすぎる。
【０００６】
本発明の課題は、粗く破砕された多結晶シリコンをコスト的に有利に低汚染で破砕することができるロールクラッシャーを提供することである。
【０００７】
この課題は、ローラを含むロールクラッシャーであって、前記ローラは主軸（３）とともに回転する形式のロールクラッシャーにおいて、前記ローラは、鋼製の支持ローラ（２）および複数の超硬合金セグメント（１）からできており、ここで前記超硬合金セグメント（１）はコバルトマトリクスからなり、前記コバルトマトリクスに炭化タングステンが組み込まれており、前記超硬合金セグメント（１）は、裏表使用でき、形状結合により前記支持ローラ（２）の上に固定されている、ことを特徴とするロールクラッシャーによって解決される。
【０００８】
ローラ、ならびにこのローラが設けられたロールクラッシャーは、複数の超硬合金セグメントからなる部分に分かれた構造をしているため、メンテナンスが非常に容易である。なぜならこの超硬合金セグメントを、ローラを分解することなく別個に取り外し、交換することができるからである。８個から１６個、特に有利には１２個の超硬合金セグメントが有利である。
【０００９】
この超硬合金セグメントは、有利には８０重量パーセント以上、特に有利には９０重量パーセント以上、とりわけ有利には９１．５重量パーセント以上が炭化タングステンからできており、この炭化タングステンは、コバルトマトリクスに組み込まれている。この超硬合金セグメントの表面は、ローラの被覆表面の一部を形成しており、有利にはカット研磨面が設けられている。このカット面は、ローラ被覆部上で進入を促すように作用し、破砕材料はより進入しやすくなる。とりわけ超硬合金セグメントはそれぞれ、３個から１２個、特に有利には４個から７個，とりわけ有利には５個のカット面を有している（図２）。超硬合金セグメントのすべてのエッジ（６）は、この超硬合金セグメントでのエッジの欠損を回避するために、有利には２mmから５mmのエッジ半径となるよう面取りされている。
【００１０】
有利には、この超硬合金セグメントは互いに高純度プラスティック（７）によって密閉されており、この高純度プラスティックは、複数のセグメント（１）間の溝（８）に嵌め込まれている。さらに有利には、ローラ全体の端部面は、高純度プラスティックからなるプレート（４）によって覆われている。ローラとともに回転する主軸（３）も、有利には高純度プラスティックからなる成形部品（９）によって覆われている。主軸（３）を被覆すること、ローラ支持部を端部面で密閉すること、ならびに個々の超硬合金セグメント間を密閉することによって、金属汚染による破砕材料の汚染が阻止される。特に有利には、プレート（４）は、破砕材料によるプラスティックでの摩耗を回避するため、超硬合金セグメントの端部面に対して少なくとも２mmだけずれて取り付けられている（図１ｂ）。
【００１１】
高純度プラスティックとして、有利にはポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリウレタン、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体、パーフルオロアルコキシ共重合体、またはHalar （登録商標）が使用される。特に有利にはポリウレタンが使用される。
【００１２】
有利には、超硬合金セグメント（１）は、ボルト（１０）によって支持ローラ（２）に固定されており、固定するために特に有利には、この超硬合金セグメントに焼結された雌ねじ（１１）が使用される。特に有利には、この雌ねじは有底ねじとして構成されており、破砕材料が鋼によって汚染されるのを防ぐ。ローラのこの構造により、修理の際には、ねじで留められた破損した超硬合金セグメントだけを交換することができる。
【００１３】
有利には、ロールクラッシャーは２つのローラを有している。有利にはこれらのローラの直径は１０００〜２０００mmである。
【００１４】
これらのローラは、ロールクラッシャーにおいて、有利には、破砕角度αが４０°から４５°となるよう互いに配置されている。「破砕角度」とは、本発明における意味では、破砕プロセスの開始時点での、破砕材料（１２）の接触点における複数の超硬合金セグメントの接線の間の角度と理解すべきである。
【００１５】
有利には、これらのローラの直径は、最大エッジ長さが１００mmから２５０mmの供給原料に対して、１０００mmから２０００mmである。特に有利には、ローラの直径は、最大エッジ長さが１８０mmから２２０mmの供給原料に対して、１３００mmから１７００mmである。ローラをこのように寸法設定することによって、多結晶シリコンの断片の進入が促進される。このローラ寸法および構成によれば、破砕する際に力がかからないため、供給されたエネルギーをより効率的に供給原料に伝達することができる。したがって本発明のロールクラッシャーは、このロールクラッシャーのローラをこのように寸法設定することによって、大きな破砕比率を有する。このことにより、破砕材料を破砕するための工程数が減少するため、多結晶シリコンを少ない汚染で破砕することが容易になる。ここで破砕比率とは、製品の最大エッジ長さに対する供給原料の最大エッジ長さの比率として定義されている。
【００１６】
上記の幾何学的形状、ならびに従来技術に比べて有利な破砕角度に基づいて、形成すべき断片サイズを、より大きい範囲にわたって調節することができる。断片の寸法分布も再現可能である。
【００１７】
本発明のロールクラッシャーによれば、エッジ長さ２５０mmまでの大きさの多結晶シリコン供給原料を破砕することが可能になる。有利にはこの供給原料は、エッジ長さが８０mmから２００mmであるソーラーグレードの多結晶シリコンの断片である。供給原料としてこのように大きな断片も可能となるから、手作業による予備破砕を１つの作業ステップに減らすことができる。すなわち、手作業による複数の別の破砕ステップを省略することができる。
【００１８】
本発明のロールクラッシャーでは、形成された製品の中位の断片サイズは、１０mmから１５０mmの範囲で自由に調節することができる。ここではこの製品の断片サイズは、複数のローラの間にある破砕隙間の大きさに基づいて定められる。断片サイズ６０mmから１１０mmまでに対しては、この破砕隙間は有利には４５mmから５５mmの大きさである。再現可能な断片の寸法分布は、どのような隙間調節であっても保証されている。このことは、手動の破砕方法では不可能である。
【００１９】
実験により、ローラ直径が１０００mmのとき、ロールクラッシャーの隙間が５０mmで、かつ供給原料の最大エッジ長さが１５０mmであれば、従来の手動破砕方法と同様の長さ分布および重量分布を有することが判明している。しかし本発明では付加的に、プロセスを再現可能にすることができる。
【００２０】
さらに本発明は、粗い多結晶シリコンを、本発明のクラッシャーを用いて破砕する方法に関する。
【００２１】
この方法は有利には、８０mmから２５０mmという中位の断片サイズである多結晶シリコンの断片が、本発明によるクラッシャーに送り込まれ、１つの工程で、破砕比率５以上の比率で、それぞれ所望の目標サイズに破砕されることを特徴としている。
【００２２】
シーメンス方法によって得られた多結晶シリコン棒を、エッジ長さ１５mmの多結晶シリコン断片にまで破砕するための従来の方法は、手作業の破砕による少なくとも２つの破砕ステップ（最大断片サイズ約１２０mmから１５０mmにする手作業の予備破砕、および最大断片サイズ８０mmから１１０mmにする次の手作業による後破砕）ならびに、次に従来のクラッシャーを用いた３つから４つの破砕ステップを有し、したがって合計５つから６つの破砕ステップを有する。その一方で、本発明のロールクラッシャーによれば、２つから３つの破砕ステップ（最大断片サイズ約２００mmから２５０mmにする手作業の予備破砕、および本発明のロールクラッシャーでの１つまたは２つの工程）によって、同じ結果を達成する方法が可能となる。
【００２３】
所望の目標サイズは、有利には６５mから１００mmである。
【００２４】
本発明によって製作されたシリコン断片の寸法分布は、手作業による方法によって製作された断片の寸法分布に匹敵する。しかし本発明では付加的に、本発明の方法によって再現可能となっている。複数のローラの間の隙間間隔を変更することによって、生産された多結晶シリコン断片の中位の断片サイズを、所期のように調節することができる。この断片サイズは、全ての隙間調節において再現可能である。
【００２５】
したがってこの方法によれば、再現可能な破砕比率を維持することが可能となる。
【００２６】
本発明の方法の処理能力は、手動で複数回破砕するときに比べて５倍になる。前述の供給原料に対する本発明のクラッシャーの処理能力は、約１０t/hである。
【００２７】
手作業による後破砕とは異なり、本発明の方法では、シリコンを手で固定する必要がない。したがってもはや、ナトリウム、鉄、アルミニウム、およびプルトニウムが破砕材料に侵入することはない。
【００２８】
本発明によって機械的に破砕した後と、従来の手作業による破砕の後とで、破砕された製品の汚染を比較すると、本発明の方法の利点が明確に示される。
【００２９】
ナトリウムによる汚染は５０分の１になり、タングステンによる汚染は２分の１になり、コバルトによる汚染は３分の１から４分の１になり、鉄による汚染は７分の１から８分の１になる。多結晶シリコンへの汚染物質の侵入が低減することの他に、再現可能なプロセスに対する汚染度合いの分散が可能な限り少ないことも有利である。なぜならこのことは、製作されたシリコンの品質に非常に大きな影響を与えるからである。本発明の方法では、この分散は、上記の金属の場合、従来の方法の４分の１から６分の１になる。ナトリウムの場合、この分散は２０分の１にもなる。したがって製品を後で洗浄する必要はない。したがって本発明の方法によれば従来の手作業による方法よりも、高純度の多結晶シリコン断片をより狭い汚染の分散幅で製作でき、また、より多様な製品を再現可能に製作することができる。この際、既知の機械的方法を用いたときのように、コストが高くなることもない。
【００３０】
図１ａおよび図１ｂは、本発明のロールクラッシャーのローラの有利な実施形態の概略側面図および概略断面図である。
【００３１】
図２は、本発明のロールクラッシャーのローラの超硬合金セグメントの斜視図である。
【００３２】
図３は、２つのローラを備えるロールクラッシャーを概略的に示し、破砕角度αを定義する。
【００３３】
以下の例は、本発明を詳細に説明するために使用される：
例：従来の破砕方法と、本発明のクラッシャーによる破砕方法の比較。
【００３４】
ａ）従来の方法：直径約１８０mmのシリコン棒が、第1手作業破砕ステップにおいて、大きさ約２００mmの断片に予備破砕される。つづいてこれらの断片は手作業によって、第2破砕ステップにおいて、最大エッジ長さ１１０mmまで破砕される。次にこの始めの材料は、ローラ直径が４５０mmであるロールクラッシャーによって、４つの工程で破砕され、種々異なる隙間間隔で、エッジ長さ８mm−１５mmまで破砕される。特別な製品を製作するためには、このように２つの手作業ステップおよび付加的にまだ４つの機械作業ステップが必要である。
【００３５】
ｂ）本発明による方法：直径約１８０mmのシリコン棒が、第1手動破砕ステップで、大きさ約２００mmの断片に予備破砕される。この最大エッジ長さが約２００mmの断片は、そのまま供給原料として、図１に図示するようなローラ直径２０００mmの本発明のロールクラッシャーに送り込まれる。隙間間隔４０mmを以て、この第1機械的破砕ステップが実行される。次に、この同じクラッシャーに、隙間間隔８mmを以て、再度１つの破砕ステップが実行される。これにより、ａ）と同じ製品が得られる。
【００３６】
本発明のクラッシャーおよび本発明の方法によれば、供給原料が同じである場合、従来のクラッシャーでは６つのステップで生産されていた製品を、ただ２つの破砕ステップで生産することができる。さらに本発明の方法によれば、複数回繰り返しても、Fe、Na、Al、W、Coによる汚染が少なく、汚染のばらつきが少ないことが判明している。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】図１ａおよび図１ｂは、本発明のロールクラッシャーのローラの有利な実施形態の概略側面図および概略断面図である。
【図２】図２は、本発明のロールクラッシャーのローラの超硬合金セグメントの斜視図である。
【図３】図３は、２つのローラを備えるロールクラッシャーを概略的に示し、破砕角度αを定義する。
【図１ａ】
2009531172.tif 000003
【図１ｂ】
2009531172.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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2009531172.tif 000008
2009531172.tif 000009
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