CN101602579A - 金属—玻璃型太阳能真空集热管的热熔封工艺 - Google Patents
金属—玻璃型太阳能真空集热管的热熔封工艺 Download PDFInfo
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Abstract
一种金属-玻璃型太阳能真空集热管的热熔封工艺,采用立式双面热熔封方式,即将过渡金属管(5)置于玻璃管(2)下方并同轴对正,利用高频电磁感应加热设备在空气中对过渡金属管(5)熔封处进行预氧化处理,然后使玻璃管(2)下端面与过渡金属管(5)上端面对正接触,继续加热,待玻璃管(2)下端接触部分软化或熔化后,再缓慢将过渡金属管(5)插入到玻璃壁里形成双面熔封,然后降温,待玻璃凝固后立刻退火,完成玻璃与金属的热熔封。和现有技术相比,本发明工艺简单、劳动强度低、能耗小且精度易于控制,可以显著提高玻璃与金属熔封的质量和强度。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能线性聚光吸热用金属-玻璃型真空集热管的热熔封工艺。
背景技术
太阳能线性聚光吸热用金属-玻璃型真空集热管一般用于槽式太阳能热发电系统中,通过可跟踪太阳的抛物面反射镜将入射光线性聚焦到该集热管上,集热管吸收太阳光加热管内工质,从而产生高温蒸汽。该集热管包括带有吸收辐射涂层的不锈钢内管和环绕的玻璃外管组成,由于玻璃管与不锈钢内管为不同材料,所以在玻璃管和不锈钢内管间需要通过玻璃管与过渡金属管热熔封形成气密连接,而金属波纹管位于过渡金属管与不锈钢内管之间来缓解轴向热膨胀应力,玻璃管与不锈钢内管之间抽真空以减少热损失。
这种太阳能集热管一般长2m-4m,玻璃管外径约120mm,在集热管运行时,由于不锈钢内管中工质吸收太阳聚光辐射后可以达到400℃的工作温度,而玻璃管的温度接近环境温度,且不锈钢的膨胀系数远大于玻璃管的膨胀系数,因此不锈钢内管受热膨胀后产生对玻璃管较大的轴向拉力,尽管波纹管能缓解一些膨胀拉力,但是玻璃与金属熔封处仍然要受到一定的拉力,并且集热管要长期处于温度交变环境中,因此金属与玻璃热熔封必须保证熔接抗拉强度和使用寿命。
目前金属与玻璃连接工艺一般采用单面平封,即靠玻璃管端面与金属端盖对接形成单面熔封,该工艺优点是操作简单,缺点是玻璃与金属连接处的抗拉性能较差。一般中低温太阳能真空集热管都采用这种玻璃管与金属端盖单面平封工艺,该工艺先将金属加热,然后再加热玻璃,等玻璃软化或熔化后即可在玻璃管与金属端盖接触面上熔封在一起。这种平封工艺能够较好的满足用于非线性聚光的太阳能真空集热管的制作工艺,因为这种集热管运行温度较低,一般不超过300℃,在玻璃管与金属端盖间不会产生较大的拉力,对玻璃与金属连接的抗拉性能要求较低。
另外一种玻璃与金属连接方式采用热压封,专利CN1262248A提出了一种玻璃与金属热压封工艺,它属于材料固态焊接技术,通常将低熔点的固态焊料如铅或铝放置在金属端盖和玻璃管法兰之间,将固态焊料加热到软化时,利用气缸迅速向金属端盖施加冲击压力,进而发生原子间的相互扩散来实现玻璃与金属连接,达到密封要求,同样也是单面平封,但是该种方法由于采用熔点低的焊料,受到使用温度的限制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种用于金属-玻璃型太阳能真空集热管的热熔封工艺,本发明能够实现玻璃与金属的双面热熔封,不仅工艺简单、劳动强度低、能耗小且精度易于控制,可以显著提高玻璃与金属熔封的质量和强度。
为了实现上述目的,本发明的技术方案是:采用立式双面热熔封方式,将过渡金属管置于玻璃管下方并同轴对正,利用高频电磁感应加热设备直接在空气中对过渡金属管熔封处进行预氧化处理;将玻璃管下端面与过渡金属管上端面对正接触,然后利用高频电磁感应加热设备对过渡金属管继续加热,通过过渡金属管将玻璃管加热,待玻璃管下端接触部分软化或熔化后再缓慢将过渡金属管插入到玻璃壁内形成双面热熔封;然后降温,待玻璃凝固后立刻退火,完成玻璃与金属的热熔封。
所述的立式热熔封,即玻璃管垂直于水平面放置,将过渡金属管放置于玻璃管下方并同轴对正,加热方式采用高频电磁感应加热设备,等玻璃管下端被加热到软化或熔化后,高温的过渡金属管插入到玻璃管壁内。本发明区别于现有的卧式热熔封方式,卧式热熔封方法一般是在玻璃车床上采用火焰将水平放置的玻璃管与过渡金属管或金属端盖熔封在一起,该方法热熔封时要求玻璃管与金属端盖或过渡金属管同轴转动,否则软化的玻璃在重力作用下会向下流动。
所述的双面热熔封,即将薄壁过渡金属管插入到玻璃管壁内,过渡金属管热熔封处的内外壁上均熔封有玻璃。由于玻璃与金属热熔封的抗拉性能决定于所受拉力大小和熔封面积,相同的拉力,熔封面积越大则抗拉性能越好,而玻璃与金属的双面热熔封的熔封面积远远大于单面平封,因此双面热熔封的抗拉强度更好,并且双面热熔封相对于平封来说,气密性也更好,寿命长。
所述的过渡金属管预氧化处理,是由于玻璃与金属本身润湿性并不好,需要预先将金属加热到一定时间和温度,使表面氧化形成一层氧化膜。这层氧化膜是非常重要的,它的温度和时间参数需要控制好,才能保证热熔封强度。
本发明采用了高频电磁感应加热设备在空气中将过渡金属管加热,高频电磁感应加热设备较易控制温度和时间,从而保证过渡金属管熔封处表面形成较好的氧化膜。然后再继续加热,使玻璃管下端与过渡金属管接触部分逐渐软化或熔化,将过渡金属管插入到玻璃管壁内形成双面热熔封。热熔封过程由于高频电磁感应加热设备对温度和时间的精确控制而易于进行。
本发明与现有技术对比,具有以下两个方面优点:
(1)利用易于控制温度的高频电磁感应加热设备进行立式热熔封,实现了玻璃与金属双面热熔封工艺,跟卧式热熔封相比加热迅速,操作简单,不需要玻璃管与过渡金属管同轴转动,减少了人工操作造成的热熔封面不规则和热熔封工艺重复性差的缺点,简化工艺,劳动强度低且工艺精度容易控制。
(2)双面热熔封采用薄壁过渡金属管,该过渡金属管可以在玻璃软化后插入到玻璃壁内,过渡金属管熔封处内外均熔封有玻璃,不易被酸碱腐蚀;而单面平封仅仅在金属端盖的一面上熔封,熔封面积要比双面热熔封的要小的多,因此双面热熔封比单面平封的熔封强度和抗拉强度要好。
本发明的具体工艺步骤如下:
(1)将过渡金属管置于玻璃管下方并同轴对正;
(2)利用高频电磁感应加热设备对该过渡金属管熔封处在空气中进行预氧化处理,温度为800℃-1050℃,时间为1分钟-15分钟;
(3)将玻璃管下端面与过渡金属管上端面对正接触,利用高频电磁感应加热设备对过渡金属管继续加热,待玻璃管下端接触部分软化或熔化后将过渡金属管缓慢压入玻璃管壁内,形成双面热熔封;
(4)降温,待玻璃凝固后关闭高频电磁感应设备;
(5)立即退火,完成玻璃与金属热熔封。
本发明中所述的玻璃与金属热熔封工艺采用的是立式双面热熔封,即将过渡金属管插入位于其上方且同轴的玻璃管壁内的热熔封方式,这种玻璃与金属热熔封工艺是在高频电磁感应加热设备上进行的,玻璃管与过渡金属管一般不需要同轴转动,当然也可以同轴转动。
所述的过渡金属管材料一般为铁-镍-钴合金,也可以采用其它与玻璃膨胀系数接近的合金制成,该过渡金属管在与玻璃熔合区域的壁厚D为0.3mm-2mm。为了方便过渡金属管的另一端与波纹管焊接,过渡金属管的形状可以是直管,也可以具有L型外翻边,还可以具有环形阶梯。
所述的玻璃管直径为60mm-130mm,壁厚为2mm-4mm,长度为150mm-2000mm。
所述的步骤(3)中需要适当的压力使过渡金属管插入玻璃管壁内,且保证过渡金属管插入玻璃管壁内的长度L为2mm-10mm。
为了避免玻璃与金属热熔封后产生较大的残余热应力,在实施步骤(4)后要立刻进行步骤(5)退火处理。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
图1为本发明所涉及的金属-玻璃型太阳能真空集热管局部剖面图;
图2为本发明的玻璃管与过渡金属管热熔封工艺示意图;
图3为本发明的玻璃管与具有L型外翻边的过渡金属管热熔封工艺示意图;
图4为本发明的玻璃管与具有外环形阶梯的过渡金属管热熔封工艺示意图;
图5为本发明的玻璃管与具有内环形阶梯的过渡金属管热熔封工艺示意图;
图中:1集热管、2玻璃管、3不锈钢内管、4波纹管、5过渡金属管,6L形外翻边,7环形阶梯。
具体实施方式
图1以局部剖面图示出金属-玻璃型太阳能真空集热管1的末端,该集热管1包括玻璃管2和同轴位于玻璃管2内的不锈钢内管3,过渡金属管5一端与玻璃管2热熔封在一起,另一端与具有膨胀补偿作用的波纹管4焊接在一起,而波纹管4的另一端与不锈钢内管3焊接在一起,在玻璃管2与不锈钢内管3之间抽真空阻止集热管散热。
实施例1
如图2所示,本实施例中玻璃管2的直径为60mm,壁厚2mm,长1000mm。过渡金属管5为直管,采用4J33铁-镍-钴合金,壁厚D为0.3mm。首先将过渡金属管5置于玻璃管2下方并同轴对正;利用高频电磁感应加热设备对过渡金属管5熔封处在空气中进行预氧化处理,温度为1050℃,时间为1分钟;然后再将玻璃管2下端面与过渡金属管5上端面对正接触,继续加热过渡金属管,通过过渡金属管5对玻璃管2加热;等玻璃管2下端接触部分软化或熔化后,施以适当的压力使过渡金属管5缓慢插入玻璃管2的壁内,过渡金属管5插入玻璃管2的壁内深度L为2mm,从而形成双面热熔封;然后降温,待玻璃凝固后关闭高频电磁感应设备;立刻退火,完成玻璃与金属热熔封。
实施例2:
如图3所示,本实施例中玻璃管2的外直径为120mm,壁厚3mm,长为250mm。过渡金属管5具有的L形外翻边6结构,材料为4J29铁-镍-钴合金,壁厚1mm。首先将过渡金属管5置于玻璃管2下方并同轴对正;利用高频电磁感应加热设备对过渡金属管5熔封处在空气中进行预氧化处理,温度为950℃,时间为3分钟;然后再将玻璃管2下端面与过渡金属管5上端面对正接触,利用高频电磁感应加热设备继续加热过渡金属管,通过过渡金属管5对玻璃管2下端加热,待玻璃管2下端接触部分软化或熔化后,施以适当的压力将过渡金属管5缓慢插入玻璃管壁内,过渡金属管5插入玻璃管2的壁内深度L为6mm,从而形成双面热熔封;然后降温,待玻璃凝固后关闭高频电磁感应设备;立刻退火,完成玻璃与金属热熔封
实施例3:
如图4所示,本实施例中玻璃管2的直径为104mm,壁厚2.8mm,长2000mm。过渡金属管5具有外环形阶梯7,采用4J44铁-镍-钴合金,壁厚D为0.8mm。首先将过渡金属管5置于玻璃管2下方并同轴对正;利用高频电磁感应加热设备对过渡金属管5熔封处在空气中进行预氧化处理,温度为800℃,时间为15分钟;然后再将玻璃管2下端面与过渡金属管5上端面对正接触,利用高频电磁感应加热设备继续加热过渡金属管,通过过渡金属管5对玻璃管2加热;等玻璃管2下端的接触部分软化或熔化后,施以适当的压力使过渡金属管5缓慢插入玻璃管2的壁内,过渡金属管5插入玻璃管2的壁内深度L为8mm,从而形成双面热熔封;然后降温,待玻璃凝固后关闭高频电磁感应设备;立刻退火,完成热熔封。
实施例4:
如图5所示,本实施例中玻璃管2的直径为130mm,壁厚4mm,长150mm。为了便于过渡金属管5的另一端与波纹管4焊接,过渡金属管5具有内环形阶梯7,采用4J46铁-镍-钴合金,壁厚D为2mm。首先将过渡金属管5置于玻璃管2下方并同轴对正;利用高频电磁感应加热设备对过渡金属管5熔封处在空气中进行预氧化处理,温度为900℃,时间为5分钟;然后再将玻璃管2下端面与过渡金属管5上端面对正接触,继续加热过渡金属管,通过过渡金属管5对玻璃管2加热;等玻璃管2下端的接触部分软化或熔化后,施以适当的压力使过渡金属管5缓慢插入玻璃管2的壁内,过渡金属管5插入玻璃管2的壁内深度L为10mm,从而形成双面热熔封;然后降温,待玻璃凝固后立刻退火,完成玻璃与金属热熔封。
Claims (4)
1、一种金属-玻璃型太阳能真空集热管的热熔封工艺,其特征在于采用高频电磁感应加热设备进行立式双面热熔封,工艺步骤如下:
(1)将过渡金属管(5)置于玻璃管(2)下方并同轴对正;
(2)用所述的高频电磁感应加热设备对过渡金属管(5)熔封处在空气中进行预氧化处理,温度为800℃-1050℃,时间为1分钟-15分钟;
(3)将玻璃管(2)下端面与过渡金属管(5)上端面对正接触,利用高频电磁感应加热设备对过渡金属管(5)继续加热,待玻璃管(2)下端接触部分软化或熔化后将过渡金属管(5)缓慢压入玻璃管(2)壁内,形成双面热熔封;
(4)降温,待玻璃凝固后关闭高频电磁感应设备;
(5)立即退火,完成玻璃与金属热熔封。
2、根据权利要求1所述的金属-玻璃型太阳能真空集热管的热熔封方法,其特征在于,所述的过渡金属管(5)材料为铁-镍-钴合金,过渡金属管(5)在与玻璃熔封区域的壁厚为0.3mm-2mm。
3、根据权利要求1所述的金属-玻璃型太阳能真空集热管的热熔封方法,其特征在于,所述的步骤3)中施以压力使过渡金属管(5)插入玻璃管(2)壁内,过渡金属管(5)插入玻璃管(2)壁内的长度为2mm-10mm。
4、根据权利要求1所述的金属-玻璃型太阳能真空集热管的热熔封方法,其特征在于,所述的玻璃管(2)直径为60mm-130mm,壁厚为2mm-4mm,长度为150mm-2000mm。
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