CN103193380A

CN103193380A - 一种中高温太阳能真空集热管用金属与玻璃封接的方法

Info

Publication number: CN103193380A
Application number: CN2013100868518A
Authority: CN
Inventors: 罗大为
Original assignee: Shenzhen Polytechnic
Current assignee: Shenzhen Polytechnic
Priority date: 2013-03-19
Filing date: 2013-03-19
Publication date: 2013-07-10

Abstract

一种中高温太阳能真空集热管用金属与玻璃封接的方法，该集热管包括一金属内管、一玻璃外管，该封接方法包括以下步骤：步骤1：在玻璃外管的端面制作一个玻璃法兰或者玻璃凸缘；步骤2：沿着玻璃外管圆周的方向，在玻璃法兰或者玻璃凸缘的中心部分开一个凹槽环；步骤3：取一可伐合金管，将其一端首先在1000℃、露点20℃的N₂中氧化1-6min，然后在氧化部位涂覆玻璃粉，在惰性气氛中热处理10～30min，得到一端玻璃化的可伐合金管；步骤4：将可伐合金管与玻璃外管的凹槽环封接在一起，可伐合金管的另外一端与金属内管焊接起来；步骤5：退火冷却，消除应力。本发明封接件的气密性好、结合强度高、玻璃不开裂、产品的一致性好。

Description

一种中高温太阳能真空集热管用金属与玻璃封接的方法

技术领域

本发明涉及一种金属与玻璃封接技术领域，尤其涉及一种适用于中高温太阳能真空集热管用金属与玻璃封接方法。

背景技术

中高温太阳能集热管是新一代的太阳能产品，是主要用于开发太阳能空调、海水淡化和槽式太阳能热发电的基础部件。目前，世界上只有少数几家企业可生产中高温真空集热管。中高温太阳能集热管的生产中主要存在三大关键技术难题，分别为玻璃管与金属管封接技术、高温选择性涂层技术和真空技术。

中高温太阳能集热管是一根表面带有选择性吸收涂层的金属管，外套一根同心玻璃管。金属管一般采用不锈钢材料，而玻璃管一般采用Pyrex玻璃制造。玻璃管和金属管夹层内要求抽真空以保护金属管表面的选择性吸收涂层，同时降低集热损失，这就要求集热管的金属与玻璃封接口在高温环境下保持良好的工作状态。因此，玻璃管与金属管的封接质量就成了中高温太阳能真空集热管封接的关键问题。

目前国内外有如下几种常见的做法：

一是焊料封接，采用低熔点、低膨胀系数的焊料玻璃将玻璃和金属粘接在一起，然后放进炉中加热。该方法工艺简单，成本低廉，但大量结果表明该方法封接的真空管在高温下寿命急剧缩短。

二是热压封接，目前国内大都采用热压封接技术，主要使用铅基、铝基或铜基合金的低熔点焊丝或焊料等。先将玻璃端面制成法兰形式，然后将低熔点焊丝放在金属端盖与玻璃法兰封接面之间一同加热，当温度接近焊丝熔点时，迅速向其施加冲击压力，使焊丝表面氧化膜迅速破裂，挤出金属液，在金属与玻璃封接面之间固化。该方法大大简化了工艺过程和封接设备，但由于焊料的熔点较低，相应集热管的真空排气温度也随之降低，从而无法彻底排气，使集热管材料在使用过程中不断放气，影响真空度。

三是过渡封接，采用一个或一个以上的过渡玻璃接头进行过渡封接，依次相封接的硬质玻璃、过渡玻璃接头、可伐合金的膨胀系数逐渐增大。最后对封接后的硬质玻璃、过渡玻璃接头、可伐合金进行去应力退火。该方法可以从一定程度上缓解膨胀系数不匹配的问题，但是制作工艺比较复杂，而且操作性相对较差。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于：克服目前中高温太阳能真空集热管用金属与玻璃封接时集热管寿命短甚至玻璃管容易开裂的问题，提供一种封接强度高、适合大规模生产、可靠性高的金属与玻璃封接的工艺方法。

为了解决上述技术问题，本发明提出以下技术方案：一种中高温太阳能真空集热管用金属与玻璃封接的方法，该中高温太阳能真空集热管包括一金属内管、一套设在该金属内管外部的玻璃外管，该封接方法包括以下步骤：

步骤1：在玻璃外管的端面制作一个玻璃法兰或者玻璃凸缘；

步骤2：沿着玻璃外管圆周的方向，在玻璃法兰或者玻璃凸缘的中心部分开一个凹槽环；

步骤3：取一可伐合金管，将其一端首先在1000℃、露点20℃的N₂ 中氧化1-6 min，然后在氧化部位涂覆一层玻璃粉，随后在惰性气氛中热处理10～30 min，得到一端玻璃化的可伐合金管；

步骤4：用玻璃化的可伐合金管过渡连接金属内管和玻璃外管，玻璃化的可伐合金管的一端置于所述的凹槽环中，然后采用高频封接或者火焰封接的方法将可伐合金管与玻璃外管的凹槽环封接在一起，可伐合金管的另外一端与金属内管焊接起来；

步骤5：退火冷却，消除应力。

上述技术方案的进一步限定在于，所述金属内管的材料为不锈钢，所述玻璃外管的材料为Pyrex玻璃。

上述技术方案的进一步限定在于，所述玻璃法兰或者玻璃凸缘的厚度为7 mm。

上述技术方案的进一步限定在于，所述凹槽环的宽度为4 mm，深度为6 mm。

上述技术方案的进一步限定在于，所述可伐合金管的一端的外径大且厚度为3 mm，另外一端的外径小，外径大的一端在1000℃、露点20℃的N₂ 中氧化。

上述技术方案的进一步限定在于，步骤3中的玻璃粉可以是DM308玻璃粉、DM305玻璃粉、BH-G/K玻璃粉或Elan19玻璃粉。

上述技术方案的进一步限定在于，步骤3中，惰性气氛为高纯氮气和高纯氩气。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明可用于中高温太阳能真空集热管用金属与玻璃的封接，封接件的气密性好、结合强度高、玻璃不开裂、产品的一致性好，而且操作方便，适用于大规模生产。

本发明通过在玻璃外管制作一个玻璃法兰，然后在法兰中心部分开启一个凹槽环，通过可伐合金管分别与不锈钢内管和玻璃外管连接。对于可伐合金管与不锈钢内管的连接是通过焊接的方式进行的，结合强度高；对于可伐合金管与玻璃外管的连接，虽然两者之间由于膨胀系数差异较大，但由于可伐合金管较薄，存在一定的塑性，能够通过自身的变形消除封接应力，而玻璃外管较厚也不至于开裂。

附图说明

图1 本发明的玻璃法兰端面示意图。

图2 本发明的封接结构剖面示意图。

具体实施方式

请参阅图1和图2，本发明提出一种中高温太阳能真空集热管用金属与玻璃封接的方法，该中高温太阳能真空集热管包括一金属内管1、一套设在该金属内管1外部的玻璃外管2，该封接方法包括以下步骤：

步骤1：在玻璃外管2的端面制作一个玻璃法兰22；

步骤2：沿着玻璃外管2圆周的方向，在玻璃法兰22中心部分开一个凹槽环222；

步骤3：取一可伐合金管3，将其一端首先在1000℃、露点20℃的N₂ 中氧化1-6 min，然后在氧化部位涂覆薄薄一层玻璃粉，随后在惰性气氛（惰性气氛为高纯氮气和高纯氩气）中热处理10～30 min，得到一端玻璃化的可伐合金管3；

步骤3中的玻璃粉可以是DM308玻璃粉、DM305玻璃粉、BH-G/K玻璃粉或Elan19玻璃粉。惰性气氛为高纯氮气和高纯氩气。

步骤4：用玻璃化的可伐合金管3过渡连接金属内管1和玻璃外管2，玻璃化的可伐合金管3的一端置于步骤2所述的凹槽环222中，然后采用火焰封接的方法将可伐合金管3与玻璃外管2的凹槽环222封接在一起，可伐合金管3的另外一端与金属内管1焊接起来；

步骤5：退火冷却，消除应力。

上述玻璃外管2的材料为Pyrex玻璃（主要成为是SiO₂和B₂O₃，热膨胀系数为3.3×10^-6/℃），所述金属内管1的材料为不锈钢。

实施例1

加热玻璃外管2的端面，同时给予一定的压力，将玻璃外管2的端面制作一个玻璃法兰22，玻璃法兰22的厚度为7 mm；如图1所示，沿着圆周的方向，在玻璃法兰22中心部分开一个凹槽环222，凹槽环222的宽度为4 mm，深度为6 mm。

加工一可伐合金管3，使其一端的外径相对较大，且厚度为3 mm，另外一端的外径相对较小。对外径相对较大的一端首先在1000℃、露点20℃的N₂ 中氧化3 min，然后在氧化部位涂覆一层DM308玻璃粉，随后在惰性气氛（惰性气氛为高纯氮气和高纯氩气）中热处理15 min，得到一端玻璃化的可伐合金管3。

如图2所示，用可伐合金管3过渡连接金属内管1和玻璃外管2，玻璃化的可伐合金管3的一端置于玻璃外管2的凹槽环222中，然后采用火焰封接的方法将可伐合金管3与凹槽环222封接在一起，可伐合金管3的另外一端与金属内管1焊接起来。

对得到的产品退火冷却，以消除应力。

这样得到的产品不但可靠性高，且一致性也很好。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明可用于中高温太阳能真空集热管用金属与玻璃的封接，封接件的气密性好、结合强度高，玻璃不开裂，产品的一致性好，而且操作方便，适用于大规模生产。

2、本发明通过在玻璃外管2制作一个玻璃法兰22，然后在玻璃法兰22的中心部分开启一个凹槽环222，通过可伐合金管3分别与不锈钢的金属内管1和玻璃外管2连接。对于可伐合金管3与不锈钢的金属内管1的连接是通过焊接的方式进行的，结合强度高；对于可伐合金管3与玻璃外管2的连接，虽然两者之间由于膨胀系数差异较大，但由于可伐合金管3较薄，存在一定的塑性，能够通过自身的变形消除封接应力，而玻璃外管2较厚也不至于开裂。

在以上实施例中，在玻璃管端面制作的是玻璃法兰22，也可以制成一个玻璃凸缘（图未示），该玻璃凸缘的中心部分开一个凹槽环，所述凹槽环的宽度为4 mm，深度为6 mm。玻璃凸缘的厚度为7 mm。同样可以解决相同的技术问题并达到相同的效果。

Claims

1.一种中高温太阳能真空集热管用金属与玻璃封接的方法，该中高温太阳能真空集热管包括一金属内管、一套设在该金属内管外部的玻璃外管，其特征在于，该封接方法包括以下步骤：

步骤1：在玻璃外管的端面制作一个玻璃法兰或者玻璃凸缘；

步骤5：退火冷却，消除应力。

2.根据权利要求1所述的一种中高温太阳能真空集热管用金属与玻璃封接的方法，其特征在于，所述金属内管的材料为不锈钢，所述玻璃外管的材料为Pyrex玻璃。

3.根据权利要求1所述的一种中高温太阳能真空集热管用金属与玻璃封接的方法，其特征在于，所述玻璃法兰或者玻璃凸缘的厚度为7 mm。

4.根据权利要求1所述的一种中高温太阳能真空集热管用金属与玻璃封接的方法，其特征在于，所述凹槽环的宽度为4 mm，深度为6 mm。

5.根据权利要求1所述的一种中高温太阳能真空集热管用金属与玻璃封接的方法，其特征在于，所述可伐合金管的一端的外径大且厚度为3 mm，另外一端的外径小，外径大的一端在1000℃、露点20℃的N₂ 中氧化。

6.根据权利要求1所述的一种中高温太阳能真空集热管用金属与玻璃封接的方法，其特征在于，步骤3中的玻璃粉可以是DM308玻璃粉、DM305玻璃粉、BH-G/K玻璃粉或Elan19玻璃粉。

7.根据权利要求1所述的一种中高温太阳能真空集热管用金属与玻璃封接的方法，其特征在于，步骤3中，惰性气氛为高纯氮气和高纯氩气。