CN101063559A - 线聚焦金属流道太阳能真空集热管及制造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及线聚焦金属流道太阳能真空集热管及制造工艺技术，主要解决金属流道太阳能真空集热管在高温、高压条件下封接端口对外热损失大和封接机械强度问题。线聚焦金属流道太阳能真空集热管由玻璃外管、金属内管、外卸载装置、管接件等结构件组成。本发明改进的间接熔封接方法明显提高金属流道太阳能真空集热管的连接机械强度，提高真空集热管可靠性。可广泛应用于槽式太阳能热发电、太阳能空调制冷、太阳能海水淡化等太阳能中高温集热装置。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于槽式线聚焦和复合抛物面即CPC聚光装置中的内置金属流道太阳能真空集热管，其结构和制作工艺适用于各种直通式内置金属流道太阳能真空集热管，属太阳能热利用技术领域。
背景技术
随着太阳能等可再生能源利用在全世界的蓬勃发展，太阳能热发电、太阳能制冷空调、太阳能海水淡化等太阳能工业热利用技术逐步为人们所认识，建立这些太阳能热利用装置均离不开槽式(抛物面)线聚焦和复合抛物面即CPC聚光装置，线聚焦太阳能集热管是该系统中的主要集热元件。
线聚焦太阳能集热元件由于受工质温度高和金属内管热膨胀、玻璃金属封接技术的制约，对设计结构和制造工艺提出相对较高的要求。ZL03218208.2专利公开的以金属波节内管、扭纹内管和波纹管为主要特征的内置金属流道太阳能真空集热管，和经改进的具有内外卸载功能的耐高温耐高压内置金属流道太阳能真空集热管ZL200420091975.1专利，就是专门为线聚焦装置设计的中高温内置金属流道太阳能真空集热元件，重点解决了金属内管热膨胀对结构影响的问题，明显提高了集热管的光热吸收和工质热转换效率。但是，在实例制作和使用中发现，集热管在高倍聚焦装置上，其封接结构面临严重考验，由于实例采用的是国内成熟的铅压封接技术，封接温度低于管内工质温度，因而限制了该技术的使用范围。同时，暴露在外的外卸载装置也存在着热损失机率高的缺陷，为扩大前项专利成果的使用范围，在适用太阳能空调制冷、太阳能海水淡化等一般工业装置的基础上用于槽式太阳能热发电，进一步提高封接机械强度，降低外卸载装置热损失，必须根据槽式太阳能热发电的需要，对线聚焦内置金属流道太阳能真空集热管的结构和制造工艺进行改进。其中结构设计和封接工艺即是建立该装置的关键技术环节。
发明内容
本发明是针对ZL200420091975.1专利存在的技术缺陷提出的，所要解决的技术问题是：1、采用外卸载装置波纹管内置或内外设置结合的结构方式，减少外卸载装置波纹管对外热损失的技术缺陷；2、采用适合高温工况的新型封接结构和成熟的玻璃金属间接封接工艺，提高线聚焦金属流道太阳能真空集热管封接机械强度，提供一种能适合高温工况的线聚焦金属流道太阳能真空集热管及封装结构和工艺。
本发明提出的适合线聚焦方式的金属流道太阳能真空集热管，其主要特征是：新型线聚焦金属流道太阳能真空集管由透光率高的高硼玻璃外管、铁镍可伐合金连接件、金属端盖、外卸载装置波纹管、金属内管、隔热工艺环、管接件、排气管、玻璃封接料、耐高温热吸收、低反射涂层组成。为适合现有工艺加工，将整管分为三个组件：其中高硼玻璃外管和铁镍可伐合金连接件为组件一；金属端盖、外卸载装置波纹管、工艺焊接环、管接件构成组件二；经真空溅射耐高温高吸收、低反射涂层的金属内管为组件三。
所称问题是由以下技术方案解决的：
制作组件一：1)铁镍可伐合金连接件准备。将铁镍可伐合金板通过冲压拉伸制成内圆不同的凸型环件，其凸顶部翻边，环面处和立面部拟与玻璃管内壁和玻璃法兰平面实施间接封接。确保封接纵伸和封接平面宽度各10mm。为防止封接时在可伐件与玻璃界面处出现有害气泡，按常规工艺先对铁镍可伐件在高温、湿氢中进行去气、脱碳，也即烧氢热处理，伺后进行雾化也即预氧化处理，经处理的氧化膜厚度均匀，呈灰白色。
2)选择玻璃封接料。为减少热处理程序，选用软化温度在560℃以下的低熔微晶玻璃，线膨胀系数调整至在200-500℃时为(33-40)×10-7/℃，也即线膨胀系数介于可伐件与玻璃外管线膨胀系数之间。
3)封接。使用肖化棉作调和剂，将玻璃封接料调和成浆状，均匀涂复在铁镍可伐件立面和环面两个封接处，厚度在1-3mm。装入玻璃外管粘合，然后采用成熟的热封接工艺，在高温炉内使之熔化，将两端的可伐件分别牢固地焊接在玻璃外管上，然后热处理退火、老化、去应力备用。其封接强度大于300公斤，无气泡、慢漏气现象，气密性符合国家玻璃-金属太阳能真空集热管标准。
制作组件二：为将外卸载装置波纹管由玻璃管外移至玻璃外管内，增加一金属隔热工艺环。分别将外卸载装置波纹管、隔热工艺环、金属端盖和连接波纹管的管接件氩弧焊接，经氦检漏仪检测，确保气密性。外卸载装置波纹管移至玻璃外管内后和金属内管中间形成隔热腔，可阻止集热管热量向外泄露。为均匀卸载，可在两端均设置外卸载装置波纹管。金属端盖内圆分别向内外两边翻边。根据波纹管卸载吸收量确定分拆波数为两段，其中一段设置在金属端盖和玻璃管内，另一段设置在金属端盖和玻璃管外。其结构和焊接工艺同前。
制作组件三：根据使用环境和承载压力要求选择金属内管，表面光滑、无划痕，检漏确认气密性。在抛光、清洗、烘干之后放入真空镀膜机内，真空溅射高吸收、低反射涂层。要求300-500℃时的反射率为13-18％，吸收率大于90％。
组装：首先将镀膜金属内管一端与组件二焊接，然后装入玻璃外管内，将金属端盖与组件一上的可伐件焊接。另一端组件二插入金属内管，完成金属端盖与可伐件的焊接，然后调整外卸载装置达最佳状态，将金属管接件与金属内管焊接。
排气检测：整体组装完毕进行排气，真空度达5×10-3Pa后封口、检测。得到新型线聚焦金属流道太阳能真空集热管。
其中
金属内管1：包括金属波纹管、波节管、螺旋管也称扭纹管、金属直管和与内卸载波纹装置一体的金属直管。以下均以金属直管为特征加以说明。
玻璃外管2：高硬、高透光率、抗冲击和具有高耐热性的带玻璃法兰的玻璃直管，透光率大于91％。
玻璃端盖3：与玻璃外管材质相同的玻璃或者是低膨胀陶瓷、微晶玻璃等材料制作的非热传导端盖。线膨胀系数在(33-48)×10-7/℃之间。
管接件4：连接外卸载装置波纹管和金属内管的金属件。
铁镍合金可伐环6：线膨胀系数在(40-48)×10-7/℃之间。
消气环7、非蒸散型钡系消气剂。
外卸载装置波纹管8：波数至少在但不限于2-20波。
金属端盖9：用以过渡连接玻璃外管和波纹管、金属内管的金属圆盖。
耐高温热吸收涂层10：300-500℃时的吸收率大于90％，反射率小于18％。
金属隔热工艺环11：用于焊接波纹管和金属端盖、可伐件的金属环。
排气管13：用金属或玻璃制作的供真空排气的连接管。
内管支架14：用以支撑金属波纹内管的支架。
玻璃封接料15：选用软化温度在300-800℃的低熔微晶玻璃，线膨胀系数调整至200-500℃时为(33-46)×10-7/℃，介于可伐件6与玻璃外管、玻璃端盖2线膨胀系数之间或相同。
附图说明
图1是本发明实施例一结构示意图
图2是本发明实施例二结构示意图
具体实施方式
实施例一：
1)采用间接熔封工艺将铁镍合金可伐工艺环同玻璃外管熔封为一单独组件即组件一：首先将铁镍可伐合金板通过冲压拉伸制成内圆不同的凸型环件，其凸顶部向外翻边1-3mm，环面处和立面部与玻璃管内壁和玻璃法兰平面实施间接封接，确保封接纵深和平面封接宽度各10mm。线膨胀系数小于48×10-7/℃。
2)为防止封接时在可伐件6与玻璃界面处出现有害气泡，按常规工艺先对铁镍可伐件在高温、湿氢中进行去气、脱碳，也即烧氢热处理；
3)伺后进行雾化也即预氧化处理，经处理的氧化膜厚度均匀，呈灰白色。
4)玻璃外管2准备。选择高硬硼硅玻璃，透光率大于91％，线膨胀系数为33×10-7/℃。制作玻璃法兰于玻璃管两端，法兰熔接面高宽各10mm。
4)选择玻璃封接料15。选用软化温度在560℃以下的低熔微晶玻璃，线膨胀系数调整至200-500℃时为(33-40)×10-7/℃，介于可伐件与玻璃外管线膨胀系数之间。软化温度最好低于玻璃外管退火温度。
5)使用肖化棉作调合剂，将玻璃封接料15调和成浆状，均匀涂复在铁镍可伐件6立面和环面两个封接处，厚度在1-3mm。装入清洗后的玻璃外管2，使环面处和立面部与玻璃管内壁和玻璃法兰平面粘合。
6)在高温炉内使之熔化，将两端的可伐件分别牢固地焊接在玻璃外管上，热处理退火、老化备用。其封接强度大于300公斤，无气泡、慢漏气现象，气密性符合国家玻璃-金属太阳能真空集热管标准。
7)制作组件二：外卸载装置波纹管8由玻璃管外移至玻璃外管内，同时增加一金属隔热工艺环11和金属端盖9。隔热工艺环11紧贴于波纹管8一端的内壁，金属端盖9内翻边处和波纹管8外壁紧贴，端口相齐后氩弧焊接。波纹管8另一端焊接管接件4成为完整组件。
8)制作组件三：根据使用环境和承载压力要求选择金属内管1，表面光滑、无划痕，检漏确认气密性。在清洗、烘干之后放入真空镀膜机内，真空溅射高吸收、低反射涂层10。要求400℃时的反射率小于13-18。热吸收率大于90％。
9)组装：首先将镀膜金属内管1插入组件二焊接，然后装入玻璃外管2内，金属端盖9与组件一的可伐件6焊接。
10)另一端金属端盖9插入镀膜金属内管1，与组件一可伐件6焊接。
11)调整金属内管1与金属端盖9的距离，使外卸载装置8达最佳延伸状态，将金属端盖9与金属内管1焊接。
12)排气检测：整体组装完毕进行排气，真空度达5×10-3Pa后封口、检测。得到新型线聚焦金属流道太阳能真空集热管。如图1所示。
实施例二：
1)两端设置外卸载装置波纹管8。将两个金属端盖9内圆分别向内、外翻边。
2)根据波纹管8卸载吸收量确定分拆波数为两段，其中一段设置在金属端盖9和玻璃管2内，另一段设置在金属端盖9和玻璃管2外。
3)外置外卸载装置波纹管8的一端同向外翻边的金属端盖9内圆及紧贴于波纹管8一端内壁的隔热工艺环11焊接，组成外置外卸载装置组件二A。
4)内置外卸载装置波纹管8的一端同向内翻边的金属端盖9内圆及紧贴于波纹管8一端内壁的隔热工艺环11焊接，组成外置外卸载装置组件二B。
5)组装：首先将镀膜金属内管一端与组件二B焊接，然后装入玻璃外管内，将金属端盖与组件一的可伐件焊接。
6)组件二A插入金属内管1，金属端盖9与另一端组件一的可伐件6焊接。
7)调整外卸载装置8达最佳延伸状态，将金属管接件4与金属内管1焊接。
8)其它工艺同上。如图2所示。
说明：封接结构在设计中可灵活掌握，但必须保证有两个以上封接面。慢漏气和封接机械强度是传统玻璃金属封接中最难掌握的技术环节，因此在实际操作中必须予以高度重视。同时必须做好去应力工作，防止有害应力存在。真空溅射高温工况的高吸收、低反射涂层，直接关系整管热效率，最好采用金属陶瓷膜涂层。
Claims (7)
1.具有内外卸载功能的线聚焦金属流道太阳能真空集热管结构及制造工艺由金属内管1、玻璃外管2、玻璃端盖3、管接件4、铁镍可伐合金环6、消气环7、外卸载装置波纹管8、金属端盖9、耐高温热吸收涂层10、金属隔热工艺环11、排气管13、内管支架14、玻璃封接料15组成，其特征在于：所述线聚焦金属流道太阳能真空集热管外卸载装置分别设置于玻璃管内和管外；外卸载装置中的波纹管分别与金属端盖、隔热工艺环焊接，波纹管另一端与焊接在金属内管上的管接件焊接；内置外卸载装置波纹管两端分别与金属端盖、隔热工艺环焊接，波纹管另一端与焊接在金属内管上的管接件焊接；金属端盖与铁镍合金可伐连接件焊接；铁镍合金可伐连接件凸型环面部和立面部与玻璃管内壁和玻璃法兰平面实施间接熔封接；金属内管两端分别与对应的管接件连接；排气管安装在端盖或玻璃外管壁上，金属内管表面真空溅射耐高温工况的高吸收、低反射涂层。
2.根据权利要求1所述的线聚焦金属流道太阳能真空集热管，其特征在于：所述外卸载装置波纹管波数至少但不限于2-20波。
3.根据权利要求1所述的线聚焦金属流道太阳能真空集热管，其特征在于：所述玻璃金属间接熔封连接有两个封接面。
4.根据权利要求1所述的线聚焦金属流道太阳能真空集热管，其特征工艺在于：
1)采用间接熔封工艺将铁镍合金可伐连接件同玻璃外管熔封为单独组件即组件一：首先将铁镍可伐合金板通过冲压拉伸制成内圆不同的凸型环件，其凸顶部向外翻边1-3mm，环面处和立面部与玻璃管内壁和玻璃法兰平面实施间接封接，确保封接纵深和平面封接处宽度各10mm，线膨胀系数小于48×10-7/℃；
2)为防止封接时在可伐环与玻璃外管界面处出现有害气泡，按常规工艺先对铁镍可伐件在1000-1100℃高温、湿氢环境中进行去气、脱碳，也即烧氢热处理；
3)对铁镍可伐合金环进行雾化也即预氧化处理，经处理的氧化膜厚度均匀，成灰白色，该过程可与烧氢热处理同时进行；
4)选择玻璃封接料：选用软化温度在560℃以下的低熔微晶玻璃，线膨胀系数调整至200-500℃时为40×10-7/℃，介于可伐件与玻璃外管线膨胀系数之间；
5)使用肖化棉或其它溶剂作调和剂，将玻璃封接料调和成浆状，均匀涂复在铁镍可伐件立面和环面两个封接处，厚度在1-3mm，装入清洗后的玻璃外管2，使环面处和立面部与玻璃管内壁和玻璃法兰平面粘合；
6)在高温炉内使之熔化，将两端的可伐件分别牢固地焊接在玻璃外管上，热处理退火、老化备用，其封接强度大于300公斤，无气泡、慢漏气现象，气密性符合国家玻璃-金属太阳能真空集热管标准；
7)制作组件二：外卸载装置波纹管与紧贴于波纹管一端内壁的隔热工艺环7、金属端盖内翻边处端口相齐，然后氩弧焊接，波纹管另一端焊接管接件，整体组件在500℃环境中进行高温除气处理；
8)制作组件三：根据使用环境和承载压力要求选择金属内管，表面光滑、无划痕，作高温除气处理，检漏确认气密性；
9)在抛光、清洗、烘干之后放入真空镀膜机内，真空溅射高吸收、低反射涂层，要求400℃时的反射率小于18％，热吸收率大于90％；
10)组装：首先将镀膜金属内管1插入组件二焊接，然后装入玻璃外管内，金属端盖与组件一的可伐件焊接；
11)另一端金属端盖插入镀膜金属内管，与组件一可伐件焊接；
12)调整金属内管与金属端盖距离，使外卸载装置达最佳延伸状态，将金属端盖与金属内管焊接，得到具有单端外卸载功能的线聚焦金属流道太阳能真空集热管；
5.根据权利要求1、2所述的线聚焦金属流道太阳能真空集热管，其特征工艺在于：
1)两端设置外卸载装置波纹管，将两个金属端盖内圆分别向内、外翻边；
2)根据波纹管卸载吸收量确定分拆波数为两段，其中一段设置在金属端盖和玻璃管内，另一段设置在金属端盖和玻璃管外；
3)外置外卸载装置波纹管的一端同向外翻边的金属端盖内圆及紧贴于波纹管一端内壁的隔热工艺环焊接，组成外置外卸载装置组件二A；
4)内置外卸载装置波纹管的一端同向内翻边的金属端盖内圆及紧贴于波纹管一端内壁的隔热工艺环焊接，组成内置外卸载装置组件二B；
5)组装：首先将镀膜金属内管一端与组件二B焊接，然后装入玻璃外管内，将金属端盖与组件一的铁镍合金可伐环焊接；
6)组件二A插入金属内管，金属端盖与另一端组件一的可伐件焊接；
7)调整外卸载装置达最佳延伸状态，将金属管接件与金属内管焊接；
8)排气检测：整体组装完毕进行排气，真空度达5×10-3Pa后封口、检测，得到具有两端外卸载功能的线聚焦金属流道太阳能真空集热管，其它工艺同上。
6.根据权利要求1所述的线聚焦金属流道太阳能真空集热管，其特征在于：所述排气管为金属或玻璃管材并设置在金属端盖或玻璃外管上。
7.根据权利要求1所述的线聚焦金属流道太阳能真空集热管，其特征在于：所述金属内管包括金属波纹管、波节管、螺旋管也称扭纹管、金属直管和与内卸载波纹装置一体的金属直管。
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