CN101706167A - 太阳能真空集热管的膨胀补偿装置及其加工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能真空集热管的膨胀补偿装置及其加工工艺，涉及太阳能真空集热管领域。所述的膨胀补偿装置，设置在金属内管与玻璃外管之间，包括套设在金属内管外部的波纹管，所述波纹管的一端通过连接件与金属内管固定连接，所述波纹管的另一端通过玻璃金属过渡件与玻璃外管固定连接。本发明所述装置适用于中高温并且具有结构简单、气密性好的优点。本发明所述装置的加工方法包括清洗、烧氢退火处理、封接及退火步骤，具有操作简单、易于退火的优点。

Description

太阳能真空集热管的膨胀补偿装置及其加工工艺

技术领域

本发明涉及聚焦器型太阳能热利用真空集热管领域，更加具体地说，本发明涉及一种太阳能真空集热管的膨胀补偿装置及其加工工艺。

背景技术

太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，它具有资源丰富、取之不尽、用之不竭、不会污染环境和破坏生态平衡等优点。因此在石化燃料逐年减少、国际能源形势日趋严峻的今天，开发利用太阳能是实现能源供应多元化、保证能源安全的重要途径之一。聚焦器型太阳能真空集热管可以应用在工业加热以及发电领域，是未来太阳能光热产业的重要发展方向，它的性能的好坏直接关系到未来光热产业发展的快慢。

太阳能真空集热管一般由表面涂覆或溅射太阳选择性吸收涂层的金属内管及环绕金属内管的玻璃外管组成。玻璃外管与金属内管之间通过抽真空以减少热损失，但是由于集热管中玻璃与金属的表面温度不同以及膨胀系数的差异，需要在玻璃外管与金属内管之间设置膨胀补偿装置来缓解纵向热膨胀应力。

目前，现有的膨胀补偿装置有两种类型。

其一，是采用法兰直接支撑受力加压方式，将玻璃-金属封接在一起。其加工工艺是采用固态焊接的热压封方法，用铅为焊料，封接温度为铅焊熔点的0.7-0.9倍。由于此种结构属于非匹配压力封接，故只能应用在中温领域，在高温状态下，气密性欠佳。

其二，是采用波纹管作为补偿器，具体在玻璃外管及金属内管之间设置波纹管。波纹管也是由金属制成的。该膨胀补偿装置具体在金属与玻璃封接处设置内、外两层密封结构，内层使用粘结剂和密封剂粘结密封，外层依靠压力差将橡胶密封件紧密压紧在玻璃管上。此种结构在加工过程工艺复杂，并且成品也只能应用在中温领域，在高温状态下，其连接强度和气密性会降低，会直接影响产品的使用性能。

发明内容

本发明实施例的目的是针对上述现有技术的缺陷，提供了一种太阳能真空集热管的膨胀补偿装置及其加工工艺，所述装置适用于中温及高温且具有结构简单、气密性好的优点，所述方法具有操作简单、易于退火的优点。

为了实现上述目的本发明实施例采取的技术方案是：一种太阳能真空集热管的膨胀补偿装置，设置在金属内管与玻璃外管之间，包括套设在金属内管外部的波纹管，所述波纹管的一端通过连接件与金属内管固定连接，所述波纹管的另一端通过玻璃金属过渡件与玻璃外管固定连接。

为了在保证连接强度及气密性的同时做到结构简化，所述玻璃金属过渡件的局部套接在所述玻璃外管的外壁上并且与所述玻璃外管相接触的外壁单面熔封。

为了阻止槽式聚光反射到封接处，并且增加集热管的有效吸热面积，提高集热管效率，所述波纹管设置在所述金属内管及玻璃外管构成的环形空间内。

为了产生压力封接，所述玻璃金属过渡件的膨胀系数大于所述玻璃外管的膨胀系数。

作为优选，所述玻璃金属过渡件的膨胀系数与所述玻璃外管的膨胀系数差值在10％以内。

为了操作方便，与所述玻璃金属过渡件进行封接的玻璃外管为短管，所述短管与长玻璃管对接连接，形成太阳能真空集热管的所需的玻璃外管。

本发明还提供了一种制造所述太阳能真空集热管的膨胀补偿装置的加工工艺，按照如下步骤进行操作：

步骤一，清洗：清洗玻璃金属过渡件及玻璃外管；

步骤二，烧氢退火处理：对清洗完的玻璃金属过渡件进行烧氢退火处理；

步骤三，封接：将玻璃金属过渡件及玻璃外管放在玻璃车床上，利用火焰加热玻璃金属过渡件及玻璃外管的封接区域，使封接区域均匀受热，待玻璃外管的封接区域软化后插入玻璃金属过渡件内直至底部，然后对玻璃金属过渡件及玻璃外管进行封接；

步骤四，退火：封接完成后在玻璃车床上对封接处进行退火处理。

为了操作方便并提高成品率，所述的加工工艺中，所述玻璃外管为玻璃短管，在所述步骤三对玻璃金属过渡件及玻璃外管进行封接之前，还包括用石墨工具从玻璃短管非封接端伸入，将玻璃短管的外壁与玻璃金属过渡件的内壁轻轻压紧的步骤，以及在封接完成后在玻璃车床上所述对封接处进行预退火处理的步骤；

所述步骤四退火处理之前，还包括将玻璃短管与同口径的玻璃管对接加长的步骤。

本发明实施例的有益效果是：相比现有技术，本发明所述膨胀补偿装置，采用了将所述波纹管的一端与金属内管固定连接、另一端通过玻璃金属过渡件与玻璃外管固定连接的结构，使得本发明所述装置适用于中温及高温并且具有结构简单、气密性好的优点。相比现有技术，本发明所述加工方法包括清洗、烧氢退火处理、封接及退火步骤，具有操作简单、易于退火的优点。

附图说明

图1是本发明实施例所述太阳能真空集热管的膨胀补偿装置的结构示意图；

图2是图1中所示的玻璃外管及玻璃金属过渡件的连接放大图。

图中：1金属内管，2玻璃外管，3波纹管，4玻璃金属过渡件，5连接件，6太阳能真空集热管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。

如图1-2所示，一种太阳能真空集热管6包括金属内管1及与其同轴的玻璃外管2。玻璃外管2采用透光率高的玻璃，金属内管1采用不锈钢合金，金属内管1外壁镀有高温选择性吸收涂层。玻璃外管2与金属内管1之间通过抽真空来减少热损失，并通过膨胀补偿装置来缓解纵向热膨胀应力。

具体的，如图1-2所示，本发明实施例所述膨胀补偿装置采用具有膨胀补偿作用的波纹管3.波纹管3套设在金属内管1的外部.具体实施时，波纹管3可以设置在玻璃外管2与金属内管1组成的环形空间之外或之内.本例中，波纹管3设置在环形空间内，该设置不仅能够阻止槽式聚光反射到封接处，而且增加了集热管的有效吸热面积，提高了集热管效率.

参见图1，波纹管3的一端通过连接件5与金属内管1焊接连接，也可以是其他的固定连接，如粘接。波纹管3的另一端通过玻璃金属过渡件4与玻璃外管2封接连接，其中，玻璃金属过渡件4与玻璃外管2可以采用双面或单面封接。如图1所示，本例中，玻璃外管2与玻璃金属过渡件4采用外插法进行封接，即将玻璃外管2外壁与玻璃金属过渡件4内壁以单面熔封方式封接在一起(参见图2)，在保证连接强度及气密性的同时做到了结构简化。具体，参见图1及图2，玻璃金属过渡件4为盖状，其中间设有用于穿过金属内管1的孔，孔的周围设有环槽，环槽用于插入玻璃外管2，环槽外环壁的内表面用做与所述玻璃外管2的外壁的外表面相接触并形成封接面。故此种结构对玻璃外管2的尺寸精度要求较低，使得操作简单，在封接过程中，只需保证玻璃外管2外壁能够插入到玻璃金属过渡件4内，封接就能够顺利完成。

为了有利于产生压力封接，玻璃金属过渡件4的膨胀系数大于玻璃外管2的膨胀系数，或玻璃金属过渡件4的膨胀系数与玻璃外管2的膨胀系数相匹配。作为优选，所述玻璃金属过渡件4的膨胀系数与所述玻璃外管2的膨胀系数差值在10％以内。由于金属的膨胀系数要高于玻璃，在退火过程中，玻璃金属过渡件4会对玻璃产生压力，而玻璃的抗压强度远远高于其抗拉强度，因此尽管玻璃金属过渡件4对玻璃外管2产生较大的压应力，但是该压力却能够使封接处具有较好的封接强度。本例中，玻璃金属过渡件4的膨胀系数为4.9×10^-6/K，玻璃外管2的膨胀系数为3.3×10^-6/K。玻璃外管2的膨胀系数也可以为4.8×10^-6/K。

为了使气密性更好，本例中采用单面熔封方式封接时，需要保证封接长度在5mm以上，可使得在玻璃与金属之间形成致密的氧化物封接层，利于真空性能的保持。本例中，玻璃外管2与玻璃金属过渡件4的封接长度为6mm。为了提高封接处的可靠性，在玻璃金属过渡件4的外表面涂覆反射层，降低封接处的太阳光辐射和热辐射，从而降低了封接处的温度。

一般情况下，太阳能真空集热管6中的玻璃外管2的长度为四米，生产中采用四米的玻璃外管2与玻璃金属过渡件4进行封接，一旦出现封接环节失败，整个玻璃外管2都要报废，存在很大的浪费。在本发明中，与玻璃金属过渡件4进行封接的玻璃外管2为玻璃短管，封接步骤完成后，玻璃短管再与同口径的长玻璃管进行对接。这种采用短玻璃管直接与玻璃金属过渡件4封接的方式可采用较小的退火设备，不仅操作方便，而且一旦封接损坏，对整个四米长的玻璃外管2没有影响，大大提高的产品的成品率。

故本发明所述膨胀补偿装置，采用了将所述波纹管3的一端与金属内管1固定连接、另一端通过玻璃金属过渡件4与玻璃外管2固定连接的结构，使得本发明所述装置适用于中温及高温并且具有结构简单、气密性好的优点。

另外，本发明还提供了一种制造所述太阳能真空集热管6的膨胀补偿装置的加工工艺，参照图1，按照如下步骤进行操作：

步骤1)清洗：清洗玻璃金属过渡件4与玻璃外管2.玻璃外管2：首先用丙酮进行超声波清洗5-10min，本例中为8min，再用循环去离子水超声波清洗2-5min，本例中为3min，然后用去离子水蒸气脱脂清洗5-10min，本例中为8min，最后烘干即可.玻璃金属过渡件4金属过渡件：用浓度为50-100g/L的NaOH溶液超声波清洗5-10min，本例中采用浓度为80g/L的NaOH溶液超声波清洗8min，从碱液取出后立即在温水内清洗，洗净碱液，然后用循环去离子水超声波清洗2-5min，本例中为3min，最后烘干.

步骤2)烧氢退火处理：对玻璃金属过渡件4烧氢退火处理。烧氢炉温度为950-1150℃本例中采用1000℃，烧氢时间为6-10min，本例中采用8min，完成后需强制快冷，要求在4min内降到400℃以下。

步骤3)封接：将玻璃金属过渡件4与玻璃外管2放在玻璃车床上，利用火焰加热玻璃金属过渡件4与玻璃外管2的封接区域，使封接区域均匀受热，加热温度为800-1100℃，本例为1000℃，时间为1-2min，本例为1min，此时玻璃外管2封接处的状态为软化态，玻璃金属过渡件4封接处的状态为红热状态，即玻璃外管2封接区域软化时，将玻璃外管2插入玻璃金属过渡件4内直至底部，用石墨工具从玻璃外管2一端伸入，将玻璃外管2外壁与玻璃金属过渡件4内壁压紧，使玻璃与金属封接在一起，并加强封接牢固性和封接气密效果。封接完成后在玻璃车床上对封接处进行预退火，用温度在500-700℃的火焰均匀加热封接处5-10min，本例采用600℃的火焰均匀加热封接处8min，然后缓慢冷却至室温，目的是缓解封接处的封接应力，提高封接成功率。为了操作方便并提高成品率，其中，所述玻璃外管2为玻璃短管。

步骤4)对接：玻璃短管与同口径的玻璃管对接加长，将玻璃短管非熔封端与同口径的玻璃管对接加长，形成太阳能真空集热管的所需的玻璃外管。

步骤5)退火：从车床上取下封接好的玻璃外管2和玻璃金属过渡件4，放在马弗炉中进行完全退火。退火参数为：首先以120℃/min的升温速率升到580℃，然后恒温10-15min，本例为12min，再以10℃/min的降温速率降到500℃，然后再以20℃/min的降温速率降60℃，最后自然冷却至室温。整个工艺过程结束。

故本发明所述加工方法具有操作简单、易于退火的优点。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种太阳能真空集热管的膨胀补偿装置，设置在金属内管与玻璃外管之间，包括套设在金属内管外部的波纹管，其特征在于：所述波纹管的一端通过连接件与金属内管固定连接，所述波纹管的另一端通过玻璃金属过渡件与玻璃外管固定连接。

2.根据权利要求1所述的膨胀补偿装置，其特征在于：所述玻璃金属过渡件的局部套接在所述玻璃外管的外壁上并且与所述玻璃外管的相接触的外壁单面熔封。

3.根据权利要求2所述的膨胀补偿装置，其特征在于：所述波纹管设置在所述金属内管及玻璃外管构成的环形空间内。

4.根据权利要求2或3所述的膨胀补偿装置，其特征在于：所述玻璃金属过渡件的膨胀系数大于所述玻璃外管的膨胀系数。

5.根据权利要求4所述的膨胀补偿装置，其特征在于：所述玻璃金属过渡件的膨胀系数与所述玻璃外管的膨胀系数差值在10％以内。

6.根据权利要求1-5任一权利要求所述的膨胀补偿装置，其特征在于：与所述玻璃金属过渡件进行封接的玻璃外管为短管，所述短管与长玻璃管对接连接。

7.一种制造所述太阳能真空集热管的膨胀补偿装置的加工工艺，其特征在于，按照如下步骤进行操作：

步骤一，清洗：清洗玻璃金属过渡件及玻璃外管；

步骤二，烧氢退火处理：对清洗完的玻璃金属过渡件进行烧氢退火处理；

步骤三，封接：将玻璃金属过渡件及玻璃外管放在玻璃车床上，利用火焰加热玻璃金属过渡件及玻璃外管的封接区域，使封接区域均匀受热，至玻璃外管的封接区域软化后插入玻璃金属过渡件内直至底部，然后对玻璃金属过渡件及玻璃外管进行封接；

步骤四，退火：封接完成后在玻璃车床上对封接处进行退火处理。

8.根据权利要求7所述的加工工艺，其特征在于，所述玻璃外管为玻璃短管，在所述步骤三对玻璃金属过渡件及玻璃外管进行封接之前，还包括用石墨工具从玻璃短管非封接端伸入，将玻璃短管的外壁与玻璃金属过渡件的内壁轻轻压紧的步骤，以及在封接完成后在玻璃车床上所述对封接处进行预退火处理的步骤；

所述步骤四退火处理之前，还包括将玻璃短管与同口径的玻璃管对接加长的步骤。

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