BRPI0617567A2 - conexão de vidro-metal especificamente para um coletor solar de tubo a vácuo - Google Patents
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Abstract
CONEXãO DE VIDRO-METAL ESPECIFICAMENTE PARA UM COLETOR SOLAR DE TUBO A VáCUO, com um conector de metal que conecta, vedado a vácuo, um tubo de transferência de calor e um tubo evacuado feito de vidro, em que uma extremidade do tubo evacuado é rebordada para dentro, de modo que circunda uma seção externa do conector de metal em ambos os lados através de fusão; essa seção é simétrica de rotação em formato e/ou o tubo evacuado é feito de um vidro de cal-sódio; o conector é conectado, vedado a vácuo, com um ou mais tubos de transferência de calor; o conector e o vidro do tubo evacuado possuem coeficientes de expansão semelhantes; a conexão de vidro-metal pode ser facilmente fabricada e, portanto, pode ser automatizada e assim economizar os custos; o flange de vidro e o design do conector possuem a vantagem de que ambos os estresses de compressão e extensíveis podem ser absorvidos pelo vidro, o que garante que a conexão permaneça vedada a vácuo por um longo período de tempo, mesmo com forças significativas, por exemplo, expansão, vento e cavitação.
Description
"CONEXÃO DE VIDRO-METAL
ESPECIFICAMENTE PARA UM COLETOR SOLAR DE TUBO A VÁCUO"
A invenção relacionada a uma conexão de vidro-metal com um tubo de vidro inorgânico, que é especialmente bem adequada para um coletor solar de tubo a vácuo.
Em tais coletores solar de tubo a vácuo, uma superfície que absorve os raios solares é colocado dentro do tubo evacuado; a superfície é termicamente conectada ao tubo ou tubos múltiplos através de uma tecnologia adequada de junção. Esse tubo ou os tubos servem para transportar o calor solar absorvido através de um líquido atuando como o meio de transferência de calor. Ambas as extremidades do tubo devem ser vedadas hermeticamente.
De modo geral, uma extremidade do tubo é vedada pelo derretimento do vidro, de modo que ele é hermético.
É conhecido que a outra extremidade do tubo é vedada hermeticamente com uma conexão de vidro-metal em que um ou mais tubos de saída de calor projetam-se através do conector de metal e são conectados com isso através de solda ou conexões soldadas. A borda externa da conexão de vidro-metal do coletor solar de tubo a vácuo forma uma conexão hermética com o tubo de vidro. O conector de metal e a conexão hermética na borda externa do conector conjuntamente formam a conexão de vidro-metal. O problema técnico de uma
conexão vedada a vácuo entre o vidro e o metal é que os coeficientes de expansão de vidro e metal variam consideravelmente e que as fendas de estresse podem resultar em alterações nas temperaturas e o vácuo pode ser perdido.
Existe um número de designs
técnicos para resolver esse problema.
De acordo com NN Werkstof f kunde der Hochvakuumtechnik", Berlin, Verlag Julius Springer, 1936, as soluções são conhecidas em que as conexões de vidro-metal para os vidros com coeficientes de expansão muito baixos, tais como quartzo ou vidros de borossilicato, são produzidos, caracterizado pelo fato de que uma série de vidros intermediários com coeficientes crescentes de expansão é derretida entre si de modo que a diferença dos coeficientes de expansão entre os diversos vidros derretidos é tal que não excede determinado grau. Quando a diferença do coeficiente de expansão do metal é pequena o suficiente, o metal é derretido em uma última parte de vidro. 2 0 A desvantagem dessa solução é
que é complicada e a quantidade de esforço exigido para derreter o vidro intermediário (canudo sobreposto). Tal processo não pode, para todos os fins práticos, ser automatizado.
A US 2005/0181925A1 descreve
uma solução técnica em que o objetivo é o de permitir uma tecnologia de produção automatizada. Com essa solução, uma liga de metal com coeficientes de expansão para dois diferentes vidros de borossilicato que possuem coeficientes de expansão de 5 E-6 /Ke com os quais uma fusão de tubo é possível, em que o tubo de vidro é derretido, vedado a vácuo, com um tubo de metal em que o tubo de metal com parede fina é submergido de forma axial na borda do tubo de vidro com parede espessa.
Uma desvantagem é que a solução proposta é muito intensa em energia e adequada para os vidros de borossilicato feitos de matérias-primas dispendiosas e a produção da conexão de vidro-metal é um processo multietapa, pois o tubo de metal tem que ser conectado, vedado a vácuo, a partir de sua extremidade via uma peça conectiva com o tubo de saída de calor.
A denominada fusão de tubo com relação aos tubos de metal aos tubos de vidro é conhecida de "Technologie der Glasverschmelzungen" Leipzig 1961, Akademische Verlagsgesellschaft Geest & Portig KG. As duas fusões de tubo possuem penetração axial do tubo de metal na borda aquecida de vidro ou fusão unilateral em comum. Se existir uma diferença principal nos coeficientes de expansão entre o metal e o vidro, o metal é com formato semelhante à borda de faca. A espessura da borda de faca de metal, o ângulo da borda de faca e a largura das fusões dependem do diâmetro do tubo de metal vedado a vácuo a ser fundido e não são revelados para tubos de cobre no papel mencionado acima.
A GB 222 510 lida com uma conexão de vidro-metal com um tubo de metal cuja borda exterior é uma borda de faca em que uma peça separada de vidro foi fundida de forma axial. É um assunto de uma vedação de vidro de borda de faca dos materiais.
A GB 452 558 revela uma tecnologia para vedação de vidro mecânica. Uma parte de vidro é formada a partir da parte interna através da seção de borda de um tubo de metal que também tem o formato como uma borda de faca e essa parte de vidro é então fundida com a seção de borda.
Através de uma etapa
tecnológica adicional um tubo de vidro é fundido de forma axial à parte de vidro com formato através de uma denominada conexão extremidade a extremidade na solução técnica de acordo com GB 222510, bem como com GB 452 558.
A Patente, Norte-Americana
4 . 231.353, revela uma solução em que uma ou duas tampas metálicas simétricas de rotação circundando os tubos evacuados são formadas de tal forma que ela enreda-se com o tubo evacuado de vidro do coletor solar de tubo a vácuo feito de bicarbonato de cálcio-sódio em canais com formato de anel na borda externa da tampa. 0 tubo evacuado é submergido em um material inicialmente liquido, normalmente pó de vidro de chumbo, que é derretido no canal e então se solidifica no mesmo. Conseqüentemente, uma conexão vedada a vácuo entre a tampa de metal e o tubo evacuado é produzida. A tampa é feita de uma liga de Ni-Cr-Fe. 0(s) tubofs) de saida de calor é(são) conduzido(s) através do meio da tampa para transferir o calor. Os tubos de saida de calor são conectados e vedados a vácuo com a tampa através de soldagem Qr
ou solda.
O tempo significativo do processo exigido para aplicar e derreter o pó de vidro de chumbo e o manuseio complicado da tampa e tubo evacuado são desvantagens desse processo, significando que o processo proposto somente pode ser automatizado com esforço técnico considerável.
Além disso, as conexões de vidro-metal são conhecidas nos princípios de ^Werkstoffkunde der HochvakuumtechnikN\ Berlin, Verlag Julius Springer, 1936. Aqui, também, os tubos vedados a vácuo a serem fundidos também são equipados com as lâminas correspondentes para compensar as expansões diferidas do vidro e metal com as alterações de temperatura. As desvantagens correspondem àquelas descritas acima.
A tarefa da invenção é, portanto, para fornecer uma conexão de vidro-metal, especialmente para um coletor solar de tubo a vácuo que permanece vedado a vácuo sobre um período muito longo de tempo, resistir aos estresses mecânicos a partir das expansões térmicas, pancadas do tubo e vento e é fácil para fabricar, especialmente automaticamente, e não é dispendioso nos custos de material.
A tarefa da invenção é resolvida por uma conexão de vidro-metal especialmente para um coletor solar de tubo a vácuo com um conector de metal e um tubo de saída de calor conectado com o conector de metal com o qual a seção de borda de circulante do conector de raetal é rebordada com uma parte de vidro com formato de tampão separada e uma conexão vedada a vácuo é, portanto, produzida e um tubo de vidro é fundido de forma axial para separar a parte de vidro, em que a parte separada de vidro e o tubo de vidro são um tubo evacuado de única peça sem uma fusão de conexão e uma extremidade do tubo evacuado tem o formato de fora para dentro diretamente acima da seção de borda do conector de metal, de modo que a borda externa do conector de metal é circundada hermeticamente pela fusão. A invenção possui a vantagem
de que a conexão de vidro-metal pode ser facilmente produzida por máquina e pode, portanto, ser automatizada e economizar os custos.
A forma especial do
reviramento de bordos do vidro e o formato da peça de conexão têm, especificamente, a vantagem de que os mesmos, bem como a tensão de peso do vidro, podem ser absorvidos, o que garante a vedação a vácuo da conexão sobre um longo período de tempo, mesmo com forças significativas tendo impacto no tubo, ρ.ex., expansão, vento ou cavitação.
Uma execução especial da invenção prevê que o conector de metal sej a vedado hermeticamente com um ou mais tubos de saída de calor.
Em outra execução da invenção, o conector de metal e o vidro do tubo evacuado possuem os coeficientes de expansão lineares quase do mesmo tamanho.
De acordo com a execução preferida da solução inventada, o coeficiente de expansão 53
linear α do vidro do tubo evacuado é de 9.5 xE -6 / Ka 10.1 χ E -6 / K.
Outra forma de execução da invenção prevê o conector de metal consistindo em uma liga de metal contendo uma porção de níquel > 50%, uma porção de manganês < 0,6%, uma porção de alumínio de < 0,1%, cromo de < 0,25% e um silício < 0,3%, cada uma complementada por uma porção de ferro.
De acordo com uma forma preferida de execução da conexão de vidro-metal, a borda externa do conector de metal possui uma espessura de 0,1 mm a 0,5 mm, preferivelmente 0,2 mm, e tem 2 mm a 8 mm de comprimento, preferivelmente 4.2 mm, circundado e vedado na extremidade do tubo evacuado. De acordo com uma execução
especialmente preferida da invenção, a borda do conector é coberta com uma camada óxido antes da fusão com um tratamento térmico ou diversos tratamentos térmicos de preferivelmente 800°C ± 100°C, mais preferivelmente em 800°C ± 200C.
A seguir, a invenção será descrita com base em um desenho. Ele mostra
a figura 1 0 coletor solar de tubo a vácuo com a conexão de vidro-metal inventada parcialmente como uma seção cruzada.
Conforme pode ser visto na figura 1, o coletor possui o tubo evacuado 2 e o tubo de transferência de calor 3 que também transporta o metal de folha absorvente 4.
0 conector de metal 1 é conectado ao tubo de saída de calor 3 hermeticamente através de soldagem ou solda. Sua borda externa 7 é conectada com a extremidade 5 do tubo evacuado 2 através de reviramento de bordos, de modo que a extremidade 5 do tubo evacuado 2 tem o formato a partir de fora para dentro sobre a borda 7 do conector 1 e isso é fundido hermeticamente em ambas as laterais.
Uma dobra com formato de anel 6 em volta do tubo de transferência de calor 3 serve para fortalecer o conector 1. A dobra 6 reforça o elemento de conexão 1 de forma axial ao comprimento do tubo e, ao mesmo tempo, serve para absorver as forças que atuam como um ângulo reto ao tubo de transferência de calor 3. Tal design coloca o conector na posição de modo a resistir à pressão do ar sem distorções significativas. Ao mesmo tempo, a dobra 6 também contribui para realizar a transição de vidro-metal menos sobrecarregada mecanicamente.
O conector de metal 1 possui os mesmos ou quase os mesmos coeficientes de expansão que o vidro do tubo evacuado 2 do coletor solar de tubo a vácuo.
Para produzir a conexão de vidro-metal inventada, o tubo de transferência de calor 3, que transporta o metal absorvente 4 e na extremidade do qual o conector 1 é ligado hermeticamente com o tubo de transferência de calor, é inserido no tubo evacuado 2 de modo que o vidro do tubo evacuado estej a uns poucos milímetros acima da borda do conector de metal 1. Agora o vidro do tubo evacuado 2 é aquecido até ficar flexível, de modo que o vidro possa ser empurrado através da parte interna e externa da ferramenta de modelagem para a superfície interna e externa da borda 7 do conector 1, de modo que uma fusão mecanicamente estável e hermética como um flange seja formada.
Para o conector 1, é preferido que um metal com uma baixa condutividade de calor seja selecionado de modo a criar o estresse térmico menor possível ao fundir o conector 1 com o tubo evacuado 2 e a perda de calor menos possível.
Com o uso de um material para o conector 1, que deve ter um coeficiente de expansão tão próximo quanto possível daquele do vidro do tubo evacuado, a borda 7 do conector 1 circundando o vidro deve ter o raio de 0,1 mm.
Se o conector 1 for feito de um material dúctil, ρ.ex., cobre, a borda de corte deve ser de uma resistência, comprimento e ângulo conforme observados na literatura.
Um tubo evacuado 2 feito de vidro cal-sódio com a seguinte composição química (dados em massa - %) pode ser usado para o coletor solar de tubo a vácuo
SiO2 71.41 %
Al2O 2.20 %
Fe2O3 0. 03 % TiO2 0.05% CaO 4.90% MgO 3.40% BaO 0.03% Na2O 16.10% K2O 1.50% SO3 0.30%
Ele possui um coeficiente de
expansão de (9,8 ± 0,2} E-6 / K) .
Como material inicial para o
conector 1, a seguinte liga foi selecionada:
Cr < 25 % Al < 0,1 %
Fe = Diferença para 100 % O coeficiente de expansão do conector 1 está, com essa liga, na faixa do coeficiente de expansão do vidro do tubo evacuado 2.
Além do mais, o material do
conector 1 possui uma baixa condutividade de calor, de modo que as cargas térmicas na fusão da conexão de vidro-me tal invenção são relativamente baixas, mesmo se a temperatura de estagnação é atingida.
O conector 1 é profundamente retirado do metal de folha com uma espessura de ca. 0,2 mm. A seção 7 do conector 1, a qual será subseqüentemente circundada pela extremidade 5 do tubo evacuado 2, é arredondada de modo a evitar a tensão no vidro. O raio desse arredondamento é de 0,1 mm. Dependendo do tipo do processo
Ni 50 %
Si < 0.3 % Mn < 0.6 % subseqüente de fusão com o vidro do tubo evacuado 2, o conector 1 pode ser pré-oxidado. Após esse pré-tratamento, o conector 1 é conectado, hermeticamente com o metal absorvente 4 tendo o tubo de transferência de calor 3, preferivelmente através de soldagem.
Após a inserção do tubo de transferência de calor 3 com o metal absorvente 4 e o conector 1, de tal modo que o tubo evacuado 2 seja salientado ca. 4 mm, existe um aquecimento por etapa ou constante de vidro do tubo evacuado 2 até sua plasticidade ser atingida. Através de um número de etapas, o vidro do tubo evacuado é moldado para dentro com as ferramentas, de modo que é próximo à seção circundante 7 do conector 1 em uma espécie de reviramento de bordos. 0 conector 1 é então temperado, de modo a garantir que o vidro do tubo evacuado 2 esteja livre de tensão.
Para melhorar sua anti- reflexão e suas propriedades de corrosão e resistência ao impacto, o tubo evacuado 2 é coberto em sua superfície interna e/ou externa com uma ou mais camadas de nano- particuias, preferivelmente oxido de silício com uma espessura de 40 nm a 330 nm, pref erivelmente 150 nm. Essas nano-partículas possuem um tamanho de partícula de 5 nm a 50 nm, preferivelmente 12 nm.
A cobertura do tubo evacuado pode ser feita através de uma imersão única ou múltiplas imersões e lentamente retirada do tubo a partir de uma suspensão contendo SiO2, um agente de aglutinação, um agente de umidade e um agente de dispersão, tal como água deionizada. Após serem retirados, os revestimentos nas superfícies internas e externas são secos por ar e então temperados em uma temperatura de ca. 450°C.
Embora uma execução específica
da invenção tenha sido demonstrada e descrita para explicação, a invenção não é limitada à execução conforme apresentada. A invenção consiste em todas as execuções e modificações da aplicação das conexões de vidro-metal, especialmente para recipientes vedados a vácuo que estão dentro do escopo protetor das reivindicações.
Claims (7)
1. "CONEXÃO DE VIDRO-METAL ESPECIFICAMENTE PARA UM COLETOR SOLAR DE TUBO A VÁCUO", cora um conector de metal (1) e um tubo de transferência de calor (3) conectado, vedado a vácuo com o conector de metal (1), em que uma seção de extremidade circundante (7) do conector de metal (1) é rebordada com uma parte de vidro com formato semelhante ao tampão separada e então realiza uma conexão vedada a vácuo e um tubo de vidro é fundido de forma axial à parte de vidro separada, caracterizada pelo fato de que a parte de vidro separada e o tubo de vidro sem fusão de conexão são formados como uma parte do tubo evacuado (2) e uma extremidade (5) do tubo evacuado (2) é formada a partir de fora para dentro diretamente sobre a seção de extremidade externa circundante (7) do conector de metal (1) , de modo que a seção de extremidade externa (7) do conector de metal (1) seja vedada hermeticamente por derretimento.
2. . "CONEXÃO DE VIDRO-METAL ESPECIFICAMENTE PARA UM COLETOR SOLAR DE TUBO A VÁCUO", segundo o reivindicado em 1, caracterizada pelo fato de que o conector (1) seja ligado e vedado a vácuo com um tubo de transferência de calor (3) ou mais tubos de transferência de calor (3) .
3. "CONEXÃO DE VIDRO-METAL ESPECIFICAMENTE PARA UM COLETOR SOLAR DE TUBO A VÁCUO", segundo o reivindicado em 1, ou 2, caracterizada pelo fato de que o conector (1) e o vidro do tubo evacuado (2) tenham quase os mesmos coeficientes de expansão lineares.
4. "CONEXÃO DE VIDRO-METAL ESPECIFICAMENTE PARA UM COLETOR SOLAR DE TUBO A VÁCUO", segundo o reivindicado em 3, caracterizada pelo fato de que os coeficientes de expansão lineares α de vidro do tubo evacuado (2) sendo de 9,5 χ E -6 / K a 10,1 χ E -6 / K.
5. "CONEXÃO DE VIDRO-METAL ESPECIFICAMENTE PARA UM COLETOR SOLAR DE TUBO A VÁCUO", segundo o reivindicado em 1, ou 2, ou 3, ou 4, caracterizada pelo fato de que o conector (1) é feito de uma liga de metal contendo uma porção de níquel > 50%, uma porção de manganês ^ 0,6%, uma porção de alumínio < 0,1%, uma porção de cromo £ 0,25% e uma porção desilício^ 0,3%, cada uma complementada por uma porção de ferro.
6. "CONEXÃO DE VIDRO-METAL ESPECIFICAMENTE PARA UM COLETOR SOLAR DE TUBO A VÁCUO", segundo o reivindicado em 1, ou 2, ou 3, ou 4, ou 5, caracterizada pelo fato de que a seção de extremidade externa (7) do conector (1) com uma espessura de 0,1 mm a 0,5 mm, preferivelmente 0,2 mm, um comprimento de 2 mm a 8 mm, pref erivelmente 4,2 mm, com a extremidade (5) do tubo evacuado (2) vedado a vácuo.
7. "CONEXÃO DE VIDRO-METAL ESPECIFICAMENTE PARA UM COLETOR SOLAR DE TUBO A VÁCUO", segundo o reivindicado em 1, ou 2, ou 3, ou 4, ou 5, ou 6, caracterizada pelo fato de que a seção de extremidade externa (7) da conexão (1) sendo tratada termicamente uma ou mais vezes com uma camada de óxido antes da fusão do tubo evacuado (2).
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