CN101063560A - 中高温太阳能真空集热管玻璃端盖封装结构及制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及中高温太阳能真空集热管玻璃端盖封装结构和制造工艺。重点解决中高温金属流道太阳能真空集热管在高压、高温条件下封接端口对外热损失大和封接工艺难的问题，为太阳能中高温集热管的制作提供新的技术方法。玻璃端盖封装结构太阳能真空集热管由不同结构的玻璃端盖和对应的铁镍合金可伐件等结构件组成。本发明制造的玻璃端盖组件，有助于提高玻璃金属太阳能真空集热管的连接机械强度，减少热辐射、热对流、热传导造成的对外热泄露，提高真空集热管可靠性，有利于实现专业化生产。

Description

中高温太阳能真空集热管玻璃端盖封装结构及制造工艺

技术领域

本发明涉及一种用于中高温太阳能真空集热管的玻璃端盖封装结构及制造工艺，其结构和制造工艺适用于各种直通式内置金属流道太阳能真空集热管，其结构也适合热管式太阳能真空集热管使用。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。但是，由于受封装结构和工艺的制约，目前的内置金属流道太阳能真空集热管还不能为所有集热管厂生产。为解决这一关键技术，必须在封装结构和制造工艺有新的突破。

中高温内置金属流道太阳能真空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。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，经实际生产证明，整管结构简单，适于工业化生产。该线聚焦太阳能集热管已在太阳能空调制冷装置中应用。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，封接温度为260度，低于管内工质温度，因而限制了该技术的使用范围。为扩大使用范围，进一步提高封接强度，降低金属端盖热损失，必须在上述专利基础上对内置金属流道太阳能真空集热管的封接结构和制造工艺进行改进。

经改进的结构和工艺适用于其它各种内置金属流道太阳能真空集热管和低温工况的热管式太阳能真空集热管。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服内置金属流道太阳能真空集热管存在的上述铅封接温度低、金属端盖热损失等技术缺陷，提供一种能适合太阳能真空集热管的玻璃端盖封装结构和工艺。

本发明所称问题是由以下技术方案解决的：

第一种技术方案，在ZL200420091975.1专利基础上，将铁镍合金可伐端盖改换为与玻璃外管材质相同或热膨胀系数相近的玻璃材料制作的非热传导端盖。并安装在金属内管和玻璃外管之间。其特别之处是：采用与玻璃外管材质相同或热膨胀系数相近的玻璃材料制作玻璃端盖，该玻璃端盖通过热熔压制方法将球状体铁镍可伐合金件直接熔接在玻璃端盖内，形成一个完整的端盖组件。在玻璃端盖另一端设计排气孔，以便熔接玻璃排气管。利用铁镍合金可伐件的一个环形端面与管接件和金属内管氩弧焊接。同时，将玻璃端盖组件同玻璃外管热熔直接或间接封接，保证排气后内真空。由于玻璃端盖热传导系数低，可明显降低集热管两端因金属端盖造成的对外热泄露。玻璃端盖可以作为单独组件由专业厂生产。

第二种技术方案，玻璃端盖采用与玻璃外管材质相同、热膨胀系数相近的玻璃或陶瓷、微晶玻璃材料制作，中心部设计成半球状体或喇叭开口型，将铁镍可伐合金件对应的制作成半球状体或喇叭开口型，通过玻璃焊料间接把可伐件熔接在玻璃端盖上，形成一个完整的端盖组件。玻璃端盖与玻璃外管实施玻璃直接或间接封接。简化的方法是将玻璃端盖中心部设计一封接台面，管状铁镍可伐合金件相应地制作成T形管状，为加强封接强度，防止气体慢泄露，分别在封接台面和铁镍可伐合金件上对应压制至少一凹槽或波纹状槽。在对应的玻璃端盖和铁镍可伐合金件的平面槽处均匀放置玻璃焊料进行熔接。单独组件可由专业厂生产。其它同上。

本发明设计的真空集热管，由于采用了与玻璃外管材质相同或相近的端盖材料作为封接过渡装置，直接或间接把可伐件熔接在玻璃端盖上，使内外管连接密闭可靠，同时克服了金属端盖热损失大的缺陷，提高了集热管的使用可靠性。玻璃端盖同铁镍可伐合金件制作成单独组件，更适于专业化生产，有利于降低整管生产制造成本。这一方法可从根本上消除已有缺陷。该T型平面结构也可使用纯铝金属压封接专利技术封接。

该发明除作为内置金属流道太阳能真空集热管的组装元件外，还可以此为基础应用于热管式太阳能真空集热管。

附图说明

图1-图6是本发明各种玻璃端盖结构示意图

图7是本发明玻璃端盖喇叭口状结构内卸载波节管示意图

图8是本发明玻璃端盖T型面外卸载内置金属直管结构示意图

图9是本发明玻璃端盖结构外卸载金属直管示意图

附图均为典型例，不一一列举。

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发兰的玻璃直管，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。

铁镍合金可伐件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：波数至少但不限于2-20波。

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与玻璃端盖2线膨胀系数之间或相同。

具体实施方式

实施例一：

铁镍合金可伐件6在拉伸成型后进行氢保护高温雾化处理，使铁镍合金雾化层面的化学键与高硼玻璃保持相容性。将熔炉高温溶解的高硼玻璃料滴注在模腔中，在滴注玻璃料之前，将球型管状铁镍合金可伐件6放置在模具中，与模具一同预热后滴料压制成型。出料后按玻璃操作规程热处理，经退火、去应力后作为组件备用。在制作太阳能真空集热管时，两端的内外管之间放置玻璃端盖3。镶嵌在玻璃端盖3上的铁镍合金可伐件6焊接口一端与金属内管1、管接件4氩弧焊接。为适用具有外卸载功能的金属流道太阳能真空集热管的封接，铁镍合金可伐件6与外卸载波纹管8、隔热金属环11焊接，外卸载波纹管8另一端同焊接在金属内管1上的管接件4焊接。玻璃端盖3的外圆可通过实验设计成多种连接形状，以便与玻璃外管2在玻璃车床上实现玻璃熔封。整管封接后退火、去应力。排气管13熔焊在玻璃端盖3的一端，经排气后保证内真空度。

这种结构及工艺设计有以下优点：一是该工艺采用的是显象管金属高压帽的封接工艺，是对成熟的电真空技术的移植；二是玻璃端盖可将热对流、热传导、热辐射形成的向外热损失减至最低；三是铁镍合金可伐件球体中部形成的真空部位可有效阻止向管外的热辐射。由于该结构设计采用了成熟的制造工艺，因此适合批量专业化生产加工。该工艺要求玻璃和可伐件的膨胀系数必须一致或接近。如图2所示。

实施例二：

新型玻璃端盖3采用同材质玻璃管料，切割成段，放置在模腔中烧熔，经模具压制成中心部为半球管状以及向外翻边的喇叭口管状的封接面端盖，或采用陶瓷、微晶玻璃材料煅烧而成。玻璃端盖3的外圆可设计成多种连接形状，以便于在玻璃车床上与玻璃外管2熔接，陶瓷、微晶玻璃材料制作的端盖，可采用间接熔封接。铁镍可伐合金件6预制成对应的半球管状、喇叭口管状，并放置在玻璃端盖3的中心部位，放置前将玻璃封接料15放于两者之间，在高温炉内选择适合玻璃过渡料熔解的温度熔焊铁镍可伐合金件6。熔解的温度和工艺要求按玻璃过渡料生产厂家提供的技术规范进行操作。封接完毕作为组件备用。在制作太阳能真空集热管整管时，两端的内外管之间放置带有铁镍合金可伐件6的玻璃端盖3。铁镍合金可伐件6分别与金属内管1、管接件4氩弧焊接，玻璃端盖3与玻璃外管2熔接。经排气保持管内真空。为适用具有外卸载功能的金属流道太阳能真空集热管的封接，铁镍合金可伐件6与外卸载波纹管8、隔热工艺环11焊接，外卸载波纹管8另一端同焊接在金属内管1上的管接件4焊接。如图1、图6所示。

实施例三：

新型玻璃端盖3采用同材质玻璃管在模腔中烧熔后压制而成，或采用陶瓷、微晶玻璃材料煅烧而成。在中心部压制成平面型或带凹槽以及波纹状的封接面。铁镍可伐合金件6制作成T型管状，T型顶部预制对应的平面型或带凹槽或波纹状的连接面，并放置在与之相匹配的玻璃端盖3的中心部位进行熔接；T型平面结构也可使用纯铝压封接专利。其它工艺同上。如图3、图4、图5所示。

该新型玻璃端盖设计结构及制作工艺要求可伐件膨胀系数与玻璃端盖相匹配。玻璃端盖材质与玻璃外管相近，其它工艺均为通用技术，故不详述。

该端盖除适合金属流道太阳能真空集热管外，也适合各种热管式太阳能真空集热管的使用。将焊接在金属环上的热管先与新型玻璃端盖3焊接，然后一同装入玻璃管内，玻璃端盖3与玻璃外管2熔接。经尾端排气、封口。

Claims (8)

1.适用于中高温太阳能真空集热管的玻璃端盖封装结构及制造工艺由玻璃端盖、玻璃外管、铁镍可伐合金件、玻璃封接料、金属内管、外卸载装置波纹管、排气管7组成，其特征在于：所述玻璃端盖采用与玻璃外管材质相同、热膨胀系数相近的玻璃或陶瓷、微晶玻璃与对应的铁镍合金可伐管状球型件、半球型、喇叭口型、T型件直接熔接或玻璃焊料过渡封接在一起，成为一个单独连接组件；金属内管两端分别与玻璃端盖的铁镍可伐合金件和管接件连接；玻璃端盖与玻璃外管实施玻璃直接或间接熔接；外置卸载装置波纹管分别与铁镍可伐合金件和金属工艺环焊接，外置卸载装置波纹管另一端与焊接在金属内管上的管接件焊接；排气管安装在端盖上，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：所述玻璃金属间接熔封连接面是曲面或至少有纵面和横面两个封接面。

3.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)铁镍可伐合金件在拉伸成型后进行氢保护高温雾化处理，使铁镍合金雾化层面的化学键与高硼玻璃保持相容性，雾化温度在1000-1100℃；

2)将熔炉高温溶解的高硼玻璃料滴注在模腔中，在滴注玻璃料之前，将球型管状铁镍合金可伐件放置在模具中，与模具一同预热后滴料压制成型；

3)出料后按玻璃操作规程热处理，经退火、去应力后作为组件备用；

4)在制作太阳能真空集热管时，两端的内外管之间放置玻璃端盖组件；

5)镶嵌在玻璃端盖上的铁镍可伐合金件焊接口分别与金属内管两端的管接件、外卸载装置氩弧焊接；

6)玻璃端盖的外圆可通过实验设计成多种连接形状，与玻璃外管在玻璃车床上实现玻璃熔封，整管封接后退火、去应力，排气管7熔焊在玻璃端盖的一端或玻璃外管壁上，经排气后保证内真空度。

4.根据权利要求1、2和实施例二、三所述的适用于中高温太阳能真空集热管玻璃端盖封装结构，其特征工艺如下：

1)首先将铁镍可伐合金板通过冲压拉伸制成内圆不同的半球型、喇叭口型、T型管状件，与玻璃端盖接触部实施间接封接，确保内圆封接纵深3-5mm，封接平面宽度≥10mm，线膨胀系数为(40-48)×10^-7/℃；

2)为防止封接时在可伐件与玻璃端盖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；

4)玻璃端盖准备：选择硼硅玻璃管或相同管材，线膨胀系数为33-40×10^-7/℃；

5)按玻璃端盖成型所需面积切管；

6)截管放入模腔中，根据管材选择软化温度，软化后模压成型备用；

7)选择玻璃封接料：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(33-40)×10^-7/℃，介于可伐件与玻璃端盖线膨胀系数之间；

8)使用肖化棉或其它溶剂作调合剂，将玻璃封接料调和成浆状，均匀涂复在玻璃端盖内圆和平面、曲面封接处，厚度在1-3mm，装入氧化后的可伐合金件，粘合于玻璃端盖内孔壁和平面、曲面封接处；

9)选择适当的熔化温度，在高温炉内使之熔化，将可伐件牢固地焊接在玻璃端盖上，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。

5.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：所述排气管为玻璃材料制作并设置在玻璃端盖或玻璃外管上。

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：所述金属内管包括内卸载波纹装置一体的金属直管。

7.根据权利要求1、实施方案三所述的适用于中高温太阳能真空集热管玻璃端盖封装结构，其特征在于：所述玻璃端盖使用纯铝金属压封接可伐件。

8.根据权利要求1、实施方案三所述的适用于中高温太阳能真空集热管玻璃端盖封装结构，其特征在于：所述带有金属环的金属热管和玻璃端盖上的可伐件焊接，并将热管组件放入玻璃管内，玻璃端盖和玻璃外管熔封。

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