CN103265187B - 热管式真空集热管玻璃—金属热压封接材料及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热管式真空集热管玻璃—金属热压封接材料及方法，玻璃管的一端烧成玻璃法兰，法兰端面和铁镍膨胀合金端盖表面分别清洁去油，中间夹入玻璃—金属热压封接材料制备的环状焊丝，封接温度为焊丝熔点的0.6～0.9倍，施加的冲击压力为70～500kg/cm²，时间为0.5s～2min；所述玻璃—金属热压封接材料选自Mg、Be、V、Co、Ni的任何一种金属单质或金属合金，所述的金属合金含有镍和硅，所述的金属合金中镍的质量分数为1%～30%,硅的质量分数为1%～30%，基底金属选自Mg、Be、V、Co中的任何一种。本发明的焊丝的耐腐蚀性，焊接温度，疲劳强度，延展性都有提高，且焊丝与玻璃和金属结合的更加紧密，减小了漏气率，延长了使用寿命。

Description

热管式真空集热管玻璃—金属热压封接材料及方法

技术领域：

本发明涉及一种玻璃—金属热压封接技术领域，具体涉及一种热管式真空集热管玻璃—金属热压封接材料及方法。

背景技术：

太阳能热水器是当前太阳能低温应用领域最典型的一种技术。截止2010年底，世界热水器保有量达1.875亿m²，其中中国保有量达1.5亿m²，占世界的80%，是全球太阳能热能利用最多的国家，其在2008年和2009年的年产量分别达到3100万m²和4200万m²，分别较上年增加32.5%和35.5%。

全玻璃真空管热水器是我国太阳能热水器的主流，占市场份额的90%以上。随着全球太阳能建筑一体化趋势的发展，全玻璃真空管热水器的易破损、易结垢、安装复杂、难与建筑结合等缺点暴露出来。目前高层建筑上普遍采用的为平板集热器，但是这种集热方式存在热效率低的缺点。热管式真空集热管集中了上述两种集热方式的长处，具有以下优点：（1）热容量小，启动传热迅速，即使在多云间晴的低日照条件下也能迅速启动，有效收集热量。所以即使对于日照条件不太高的地区也可有效使用，应用地区很广。（2）由于被加热的工质不直接流入真空管内，所以系统管路可承受较高工作压力（≤6kg/m²），承压能力很强。（3）热管式集热器由于热管外表面涂有选择性吸收涂层，而且真空绝热，因此热损失小。（4）用热管传输热量，真空管内无水，且热管本身就具有了抗冻防过热的性能，这就防止了集热器在无负荷情况下带来的高温问题及在高寒地区的结冰冻裂问题。（5）安装简便，运行可靠：吸热体与集热器间是“干性连接”，无热水泄漏问题，安装方便；即使有一根热管出现问题，在维修过程中也不会影响整个系统的正常使用。因此热管式真空集热管具有良好的发展前景。

但热管式真空集热管在玻璃与铁镍膨胀合金端盖的封接工艺上存在一定的技术问题。传统的玻璃—金属材料封接一般采用火焰封接方法，把被封接的玻璃和铁镍膨胀合金端盖熔封在一起，它要求被封接的玻璃与铁镍膨胀合金端盖之间的膨胀系数非常匹配，相互差值小于6%，否则气密性差，且熔封后的玻璃管需要仔细退火，以消除熔封造成的玻璃中的热应力，该工艺过程复杂、能耗大，重复性也较差。因此最近行业内多采用热压封接工艺进行压封（相关专利公开号为CN1076180A、CN1223978A、CN1262248A）。其封接的原理是利用原子的扩散，使得焊料中的金属原子扩散到被封接的铁镍膨胀合金端盖和玻璃中，从而实现原子级密封。

目前采用的焊料有Pb、Al和Cu几种。由于封接的铁镍膨胀合金端盖其主要成分为Fe，Fe原子外层电子为4S²轨道电子，而目前焊料采用的这几种金属的外层电子结构和Fe原子并不能很好的匹配，如Pb原子外层电子为6P²轨道电子、Al原子外层电子为3P¹轨道电子、Cu原子外层电子为4S¹轨道电子，这种不匹配导致了焊料金属很难和铁镍膨胀合金端盖形成严密的原子级密封。

发明内容：

本发明的目的是提供一种新的热管式真空集热管玻璃—金属热压封接材料及其方法。

本发明是通过以下技术方案予以实现的：

一种热管式真空集热管玻璃—金属热压封接材料，用于玻璃—金属热压封接的焊料，所述材料选自金属单质或金属合金，所述金属单质选自Mg、Be、V、Co、Ni的任何一种；所述的金属合金含有镍和硅，所述的金属合金中镍的质量分数为1%～30%,硅的质量分数为1%～30%，基底金属选自Mg、Be、V、Co中的任何一种。

为了满足玻璃与金属端盖封接时的气密性要求，所使用焊料必须能够分别充分的扩散到金属可伐和玻璃当中去，以达到紧密结合的目的。这就要求焊料中的组成元素与金属可伐和玻璃的组成元素要有相似的结构。由于封接的金属可伐其主要成分为含镍的不锈钢合金，不锈钢合金中的Fe原子外层电子为4S²轨道电子，因此我们选择Mg、Be、V、Co、Ni这五种元素作为焊料，它们与Fe有着相似的外层电子结构（最外层电子都为S²轨道），可以实现金属可伐和玻璃的良好的原子级密封。

我们的实验还证明，含有Ni和Si的合金，将更容易实现铁镍膨胀合金端盖和玻璃的封接，这是因为铁镍膨胀合金端盖中含有Ni元素，而玻璃中含有Si元素，因此更容易实现焊丝中的Ni和Si分别向可伐金属和玻璃种扩散，密封效果会更好。

本发明还提供了一种热管式真空集热管玻璃—金属热压封接方法，玻璃管的一端烧成玻璃法兰，法兰端面和铁镍膨胀合金端盖表面分别清洁去油，其特征在于，法兰端面和铁镍膨胀合金端盖中间夹入热管式真空集热管玻璃—金属热压封接材料制备的环状焊丝，封接温度为焊丝熔点的0.6～0.9倍，焊接时施加的冲击压力为70～500kg/cm²，作用时间为0.5s～2min；所述热管式真空集热管玻璃—金属热压封接材料选自金属单质或金属合金，所述金属单质选自Mg、Be、V、Co、Ni的任何一种；所述的金属合金含有镍和硅，所述的金属合金中镍的质量分数为1%～30%，硅的质量分数为1%～30%，基底金属选自Mg、Be、V、Co中的任何一种。

所述的环状焊丝的直径在20mm以下。

为了满足玻璃与金属端盖封接时的气密性要求，所使用焊料必须能够分别充分的扩散到金属可伐和玻璃当中去，以达到紧密结合的目的。这就要求焊料中的组成元素与金属可伐和玻璃的组成元素要有相似的结构。由于封接的金属可伐其主要成分为含镍的不锈钢合金，不锈钢合金中的Fe原子外层电子为4S²轨道电子，因此我们选择Mg、Be、V、Co、Ni这五种元素作为焊料，它们与Fe有着相似的外层电子结构（最外层电子都为S²轨道），可以实现金属可伐和玻璃的良好的原子级密封。

焊丝的熔点在700—1500℃之间，采用本焊丝进行玻璃—金属热压封接时，加热温度可以提高到700～750℃，相应地真空集热管的真空排气温度也随之升高，达到彻底排气的目的，真空集热管在使用过程中放气速率降低，延长使用寿命。

由于合金焊丝中含有镍、硅元素，它们分别是铁镍膨胀合金端盖与玻璃管的主要成分。在封接的过程中，一方面与以铁、镍膨胀合金为材质的金属端盖达到原子级的结合，另一方面也与高硼硅玻璃达到原子级的结合，从而实现牢固的封接。

总之，本发明的热管式真空集热管玻璃—金属热压封接材料制备的焊丝的耐腐蚀性，焊接温度，疲劳强度，延展性与传统焊丝相比都有提高，且焊丝与玻璃和金属结合的更加紧密，减小了漏气率，延长了使用寿命，根据老化实验结果，使用寿命可以达到25年以上。

附图说明：

图1是利用本发明的材料和方法封接的热管式真空集热管示意图；

其中，1、铁镍膨胀合金端盖，2、焊丝，3、玻璃法兰。

具体实施方式：

以下是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。

实施例1

焊丝的组成为金属单质Ni时，热管式真空集热管玻璃—金属热压封接方法如下：

将Φ100mm玻璃管的一端烧成玻璃法兰3，法兰端面和铁镍膨胀合金端盖1表面分别清洁去油，中间夹入直径为0.1mm的环状焊丝2，将封接部分加热至700℃，封接温度为焊丝熔点的0.6倍，向端面施加70kg/cm²的冲击压力，冲击时间为0.5s，得到的封接面其漏气率可小于1×10^-11Torr.L/sec，满足密封要求。

当焊丝的组成为金属单质Mg、Be、V、Co中的任何一种时，按照上述的工艺进行压封也可以得到良好的密封效果。

实施例2：

当焊丝的组成为V基底金属中添加Ni和Si的合金时，所述的金属合金中镍的质量分数为1%，硅的质量质量分数为1%，热管式真空集热管玻璃—金属热压封接方法如下：

将Φ100mm玻璃管的一端烧成玻璃法兰3，法兰端面和铁镍膨胀合金端盖1表面分别清洁去油，中间夹入直径为10mm的环状焊丝2，将封接部分加热至650℃，封接温度为焊丝熔点的0.7倍，向端面施加200kg/cm²的冲击压力，冲击时间为1min，得到的封接面其漏气率可小于1×10^-11Torr.L/sec，满足密封要求。

可将焊丝中基底金属V换为Mg、Be、Co中的一种，按照上述的工艺进行压封也可以得到良好的密封效果。

实施例3：

当焊丝的组成为V基底金属中添加Ni和Si的合金时，所述的金属合金中镍的质量分数为15%，硅的质量质量分数为15%，热管式真空集热管玻璃—金属热压封接方法如下：

将Φ100mm玻璃管的一端烧成玻璃法兰3，法兰端面和铁镍膨胀合金端盖1表面分别清洁去油，中间夹入直径为15mm的环状焊丝2，将封接部分加热至800℃，封接温度为焊丝熔点的0.8倍，向端面施加300kg/cm²的冲击压力，冲击时间为1.5min，得到的封接面其漏气率可小于1×10^-11Torr.L/sec，满足密封要求。

可将焊丝中基底金属V换为Mg、Be、Co中的一种，按照上述的工艺进行压封也可以得到良好的密封效果。

实施例4：

当焊丝的组成为Mg基底金属中添加Ni和Si的合金时，所述的金属合金中镍的质量分数为30%，硅的质量分数为30%，热管式真空集热管玻璃—金属热压封接方法如下：

将Φ100mm玻璃管的一端烧成玻璃法兰3，法兰端面和铁镍膨胀合金端盖1表面分别清洁去油，中间夹入直径为20mm的环状焊丝2，将封接部分加热至900℃，封接温度为焊丝熔点的0.9倍，向端面施加500kg/cm²的冲击压力，冲击时间为2min，得到的封接面其漏气率可小于1×10^-11Torr.L/sec，满足密封要求。

可将焊丝中基底金属Mg换为V、Be、Co中的一种，按照上述的工艺进行压封也可以得到良好的密封效果。

Claims (3)

1.一种热管式真空集热管玻璃—金属热压封接材料，其特征在于，用于热管式真空集热管玻璃—铁镍膨胀合金端盖原子级密封的热压封接的焊料，所述材料选自金属单质或金属合金，所述金属单质选自最外层电子都为S²轨道的Mg、Be、V、Co的任何一种；所述的金属合金含有镍和硅，所述的金属合金中镍的质量分数为1％～30％,硅的质量分数为1％～30％，基底金属选自最外层电子都为S²轨道的Mg、Be、V、Co中的任何一种。

2.一种热管式真空集热管玻璃—金属热压封接方法，玻璃管的一端烧成玻璃法兰，法兰端面和铁镍膨胀合金端盖表面分别清洁去油，其特征在于，法兰端面和铁镍膨胀合金端盖中间夹入热管式真空集热管玻璃—金属热压封接材料制备的环状焊丝，封接温度为焊丝熔点的0.6～0.9倍，焊接时施加的冲击压力为70～500kg/cm²，作用时间为0.5s～2min；所述热管式真空集热管玻璃—金属热压封接材料选自金属单质或金属合金，所述金属单质选自最外层电子都为S²轨道的Mg、Be、V、Co、Ni的任何一种；所述的金属合金含有镍和硅，所述的金属合金中镍的质量分数为1％～30％,硅的质量分数为1％～30％，基底金属选自最外层电子都为S²轨道的Mg、Be、V、Co中的任何一种。

3.根据权利要求2所述的热管式真空集热管玻璃—金属热压封接方法，其特征在于所述的环状焊丝的直径为在20mm以下。