CN101294749A - 太阳能选择性吸收涂层的集热管及其制造方法 - Google Patents

太阳能选择性吸收涂层的集热管及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种太阳能选择性吸收涂层的集热管及其制造方法，其基体材料钢管的外表面沉积太阳能选择性吸收涂层，该钢管的两端有一无膜区，内腔充以流动工质，其涂层是在基体材料上形成一层过渡层和粘附层，再沉积一层金属红外反射层，再溅射一层保护层和一层金属陶瓷的吸收层，最后是一层减反射层，制造方法是在基体上烘烤形成过渡层，然后溅射一层粘附层和红外反射层，然后仍用磁控溅射方法涂复一层保护层，再用双靶溅射方法沉积一层金属陶瓷吸收层，接着又溅射一层减反射层，最后此涂层的集热管在200－350℃时真空处理，使膜层更为致密，本集热管适用于高温空气，各项性能均稳定可靠且寿命长。

Description

太阳能选择性吸收涂层的集热管及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种太阳能选择性吸收涂层的集热管及其制造方法，该涂层使集热元件在高温空气中适用，属于太阳能热水器的技术领域。
背景技术
太阳能热水器的集热管由于抗氧化能力较差且稳定性也差，一般采用太阳能选择性涂层只能在真空中或保护性气体中使用。国内生产的集热管都在真空中使用，才能保证其寿命，国外的Solel公司(以色列Luz公司生产的金属与玻璃封接的真空集热管)与肖特公司的产品可以在40℃左右的高温条件下使用，但其涂层必须在真空或保护气体中使用，否则其性能将迅速衰减而导致无法应用，另外这些产品的制作工艺复杂且成本偏高。
发明内容
本发明的目的是要提供一种太阳能选择性吸收涂层的集热管，它可以在200-500℃的高温空气中可以长期稳定工作，这种选择性涂层的集热管也可以封闭在真空中或在定为恶劣的环境中使用，如果在中低温的空气中使用，涂层和集热管的寿命更加优越。
本发明的另一个目的是提供上述选择性吸收涂层的制造方法。该方法采用表面抛光高温烘烤和磁控溅射镀膜，使涂层成为多层性结构。
选择性吸收涂层的集热管是这样实现的：
集热管的基体材料钢管1，其外表面沉积一层太阳能选择性吸收涂层3，该钢管1的两端为无膜区4，内腔2内充以流动工质，在基体材料5的表面有一层过渡层6，其表面又形成一层Al2O3、AlN或Sio2的粘附层7，再沉积一层Al、Ag、Cu、Ni、Mo、W、NiCr合金或不锈钢的红外反射层8，依次又溅射Al2O3、AlN或SiO2的保护层9，保护层9表面溅射一层Al2O3、Aln或Sio2的陶瓷成分和Ni、W、NiCr合金或不锈钢形成的沉积吸收层10，最后是一层Al2O3、AlN、TiO2、SiO2和MgF2的减反射层11。
上述涂层的制造方法是在基体材料1表面高温300-800℃的高温烘烤20-100分钟形成过渡层6，又以磁控溅射方法形成粘附层7，接着又用磁控溅射方法溅射沉积一层金属红外反射层8，其厚度为50～500mm，然后又涂覆一层保护层9，其厚度是20-100nm，再采用双靶溅射方法沉积一层吸收层10，吸收层10为金属陶瓷成分，其厚度为60-300nm，采用中频电源反应溅射在吸收层10，制成减反射层11且厚度为50-120nm。
太阳能选择性吸收涂层的集热管及其制造方法的优点是涂层是多层的结构，具有涂层集热管在高温300-500℃的空气中适用，吸收率α高达94％以上，发射率ε小于15％(400℃)，在真空中可耐400-700℃的高温，各项性能稳定可靠，本涂层的集热元件可单独用于空气中作为太阳能光伏发电的元件。
附图说明
图1是耐高温太阳能选择性吸收涂层的钢管示意图
图2是太阳能选择性吸收涂层示意图
图3是抛光设备示意图
图4是高温处理设备示意图
图5是镀膜机示意图
图6是镀膜后处理设备示意图
其中1.基体材料钢管  2.内腔  3.太阳能选择性吸收涂层  4.无膜区  5.基体材料  6.过渡层  7.粘覆层  8.红外反射层  9.保护层  10.沉积吸收层  11.减反射层  12.抛光设备  13.抛光头  14.高温  15.电加热16.搅拌风扇  17.镀膜机  18.磁控溅射靶  19.电源  20.后处理设备  21.电加热
具体实施方式
由图1，集热管的基体材料钢管1，其外表面沉积一层太阳能选择性吸收涂层3，该钢管1的两端为没有涂层的无膜区4，内腔2内充以流动工质，可以是气体或液体，当阳光照射集热元件，其吸收涂层3吸收阳光使基体材料钢管1加热到200-500℃，热量传递于内腔2中之工质，使其产生高压蒸汽或高温液体，根据实际需要基体材料钢管1可选用不锈钢、碳素钢和镍合金、铜铝或铝合金的管材或板材，其长度为300～600mm，内腔2的内径大于10mm。
由图2，太阳能选择性吸收涂层3是6层的结构，基体材料5是基体材料钢管1的一部分，基体材料5的表面通过300-800℃的高温烘烤20-100分钟或用高频淬火的方法，使表面形成致密的大于100nm厚度的氧化层即过渡层6，然后应用反应磁控溅射方法在过渡层6的表面形成20～300nm的Al2O3或Aln或Sio2介质材料的粘附层7，接着又用磁控溅射方法在粘附层7上溅射沉积金属红外反射层8，其厚度为50～500mm，其材料为Al、Cu、Ni、Mo、W或NiCr合金和不锈钢，然后仍用磁控溅射方法在反射层8上涂覆一层保护层9，其厚度是20-100nm，材料是Al2O3、Aln、Sio2和NiCrOx，随即采用双靶溅射方法(在96.102331.7中已有详述)沉积一吸收层10，其厚度为60-300nm且结构为多层，陶瓷成分可选择Al2O3、AlN、Sio2，金属成分选用Ni、Mo、W、NiCr合金及不锈钢等(形成Mo-Al2O3、Ni-Al2O3、或NicrOx等成分的金属陶瓷层)。
由图3，基体材料钢管1放在抛光设备12上面并固定好，使它相对于多级抛光头13高速旋转，抛光头13采用粗细颗粒度组合的抛光头，保证钢管1表面粗糙度优于0.4μm。
由图4，抛光后的基体材料钢管1放在高温烘箱15中，在300-800℃的温度下烘烤20-100分钟，也可用高频淬火的方法；高温烘箱15内装有搅拌风扇16，两侧装有高频线圈电加热14，搅拌风扇16转动保证烘烤的温度均匀，因此使表面形成致密的大于100nm厚度的氧化层，也就是过渡层6。
由图5，基体材料钢管1可以水平放置或垂直放置在镀膜机上，传输机构(图中未表示)使工件自转，同时又可向前或向后移动，抽真空机组(图中未表示)使真空达到8×10-3pa并开始镀膜，充入Ar气且压强在0.1~10pa的范围以内，使用中频电源(图中未表示)进行真空磁控反应溅射和真空磁控溅射，制备选择性吸收涂层。
由图6，已经制备好的涂层产品需要在200-350℃的温度下，其真空度高于1000pa，处理使膜层更为致密。
高温集热管的工艺流程是：工件表面抛光→高温烘烤→磁控溅射镀膜→选择性吸收涂层的后处理。

Claims (2)

1.一种太阳能选择性吸收涂层的集热管及其制造方法，其特征是集热管的基体材料钢管(1)，其外表面沉积一层太阳能选择性吸收涂层(3)，该钢管(1)的两端为无膜区(4)，内腔(2)内充以流动工质，在基体材料(5)的表面有一层过渡层(6)，其表面又形成一层Al2O3、AlN或Sio2的粘附层(7)，再沉积一层Al、Ag、Cu、Ni、Mo、W、NiCr合金或不锈钢的红外反射层(8)，依次又溅射Al2O3、AlN或SiO2的保护层(9)，保护层(9)表面溅射一层Al2O3、AlN或Sio2的陶瓷成分和Ni、W、NiCr合金或不锈钢形成的沉积吸收层(10)，最后是一层Al2O3、AlN、TiO2、SiO2和MgF2的减反射层(11)。
2.根据权利要求1所述集热管的制造方法，其特征是太阳能选择性吸收涂层(3)的制造方法是在基体材料(1)表面高温300-800℃的高温烘烤20-100分钟形成过渡层(6)，又以磁控溅射方法形成粘附层(7)，接着又用磁控溅射方法溅射沉积一层金属红外反射层(8)，其厚度为50～500mm，然后又涂覆一层保护层(9)，其厚度是20-100nm，再采用双靶溅射方法沉积一层吸收层(10)，吸收层(10)为金属陶瓷成分，其厚度为60-300nm，采用中频电源反应溅射在吸收层(10)，制成减反射层(11)且厚度为50-120nm。
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