CN103868261A - 高温高效太阳热能吸收膜及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温高效太阳热能吸收膜及其制造方法，其制造方法包括下列步骤：A.以一金属作为基材；B.在该基材上喷焊一碳化钨层；C.在该碳化钨层上执行一雷射雕刻操作，使该碳化钨层上形成多个凹陷状的微结构；D.在该碳化钨层及微结构上涂布一层类钻碳薄膜或氮化铝；该太阳热能吸收膜包括：一基材；一碳化钨层喷焊于该基材上；多个微结构利用雷射雕刻方式形成于该碳化钨层上；一涂布层涂布于该碳化钨层及微结构上，该涂布层为一类钻碳薄膜或氮化铝；借助上述结构，本本发明具有耐高温、高吸收率及低放射率的优点。

Description

高温高效太阳热能吸收膜及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种太阳热能吸收膜及其制造方法，尤其是指一种可以应用于太阳能史特林引擎的加热头，或其他热吸收器，而达到耐高温、高吸收率及低放射率的高温高效太阳热能吸收膜及其制造方法。

背景技术

目前所使用的太阳能史特林引擎，均会设置有一加热头，该加热头的作用，则在于吸收外部太阳能的热源，用以供应史特林引擎工作时所需要的高温热能，因此该加热头除了需要具有吸热、集热的功能外，更必须具备有高热传导性，其目的则在于能够迅速传热，将汽缸内的工作流体加热到工作温度，并将外界持续供应的热，能够以最小的热阻而通过该加热头进入到汽缸内。因此一般的加热头则采用高传导性材料，并且增加其表面积，以便让更多的热能可以迅速的传入。

由于该史特林引擎的外部热源的工作环境温度动辄高达800℃以上，因此该加热头必须能够持续忍受高达800℃以上的工作环境温度，主要在于该加热头是史特林引擎中直接接触到高温热源的元件，所以在材料的特性方面，必需能够忍受长时间的高温加热效应，因此为了能降低加热头的温度，最常用的方法就是将加热头的壁厚变薄约为2mm-0.3mm，但是在变薄的同时必须兼顾加热头本身的机械强度。由于史特林引擎本身是属于一个封闭系统，因此在封闭系统内的工作流体则会受到高温的影响，而会在该封闭系统内产生极大的压力，所以该加热头若缩减壁厚，则容易因本身强度不足，而造成变形、破裂等损坏情况产生。

因此，为了达到加热头上述原有的功能性，于该加热头上披覆有一层太阳能吸收膜，该太阳能吸收膜的结构及制法，则有如西元2012年10月21日中国台湾所公告的发明第I375000号：太阳能吸收膜组成材及高温太阳能选择性吸收膜结构及其制造方法的专利案，其揭露：上述太阳能吸收膜组成材，包括一氮化不锈钢具有钛成分均匀掺杂于其中。此外，该高温太阳能选择性吸收膜结构包括一基材以及一太阳能吸收膜设置于该基材上，其中该太阳能吸收膜包括一氮化不锈钢具有钛成分均匀掺杂于其中。

又另有西元2009年6月16日中国台湾所公开的发明第200925299号：太阳能选择性吸收膜及其制造方法的专利案，其揭露：太阳能选择性吸收膜，以不锈钢/氮化不锈钢膜作为陶瓷金属合金膜。此太阳能选择性吸收膜的效能可以符合高吸收率、低放射率原则。此不锈钢/氮化不锈钢膜是利用真空溅镀制作而成，且在真空溅镀制程中只使用不锈钢靶材。不锈钢靶材的真空溅镀制程几乎无靶材毒化问题，不须投入防毒化设备，可确保长时间溅镀操作，并增加制程上的稳定性，降低真空溅镀制程的操作与硬体设置成本。

然上述该等专利前案均利用真空溅镀方法作为该太阳能吸收膜的制程，因此在制造成本上相当昂贵，而制成后的太阳能吸收膜的附着性较差，而且在高温800℃以上的工作环境温度下，容易造成剥落，因此在使用上并不理想。

有鉴于此，本发明人针对上述太阳热能吸收膜及其制造方法上未臻完善所导致的诸多缺失及不便，而深入构思，且积极研究改良试做而开发设计出本案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高温高效太阳热能吸收膜及其制造方法，其具有耐高温、高吸收率及低放射率的优点。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种高温高效太阳热能吸收膜的制造方法，其包括有下列步骤：

A.以一金属作为基材；

B.在所述基材上喷焊一碳化钨层；

C.在所述碳化钨层上执行一雷射雕刻操作，使所述碳化钨层上形成多个凹陷状的微结构；

D.在所述碳化钨层及所述多个微结构上涂布一层类钻碳薄膜或氮化铝。

所述喷焊时的温度为1000℃以上。

于喷焊所述碳化钨层同时添加有钴或锰的元素。

所述碳化钨层的厚度为100μm至400μm之间。

一种以权利要求1所述高温高效太阳热能吸收膜的制造方法所制成的高温高效太阳热能吸收膜，包括：

一基材；

一碳化钨层，其喷焊于所述基材上；

多个微结构，其形成于所述碳化钨层上；

一涂布层，其涂布于所述碳化钨层及微结构上，所述涂布层为一类钻碳薄膜或氮化铝。

所述基材为一不锈钢材。

所述多个微结构为一呈凹陷状的凹槽。

所述碳化钨层的厚度为100μm至400μm之间。

所述多个微结构利用雷射雕刻方式形成于所述碳化钨层上。

所述涂布层以溅镀方式涂布于所述碳化钨层及所述多个微结构上。

采用上述结构后，本发明具有下列功效：

1.本发明的高温高效太阳热能吸收膜借由碳化钨层上形成有多个呈凹陷状的微结构，能利用未贯穿该基材本体的微结构，当热源工作时所产生的热能，能借由该等微结构，可以大幅增加该基材的表面积，以有助于受热时与热源的接触范围增大，并且可以增加热能在该等微结构内的反射次数，而进一步可以有效的吸收热能，借以达到吸热及集热的作用，故本发明的高温高效太阳热能吸收膜可供应用于聚光型的太阳能史特林引擎的加热头或者是其他的热吸收器。

2.本发明的太阳热能吸收膜具有透光性佳、吸收热可平均分散、高传导性、耐高温、高吸收率（95％）及低放射率（<1％）的优点。

3.本发明采用喷焊的方式形成碳化钨层，故具有生产成本低、操作容易、设备简单、加工快速、适用于凹面或曲面、可以大量制造等优点。

4.本发明所制造而成的太阳热能吸收膜，可供于800℃以上的工作环境中使用，而且不会因受热而剥落，故可延长使用寿命。

附图说明

图1为本发明制造步骤的简单示意图；

图2为本发明太阳热能吸收膜的结构剖视图；

图3为本发明太阳热能吸收膜的吸收率示意图。

主要元件符号说明

1基材        2碳化钨层

3微结构      4类钻碳薄膜。

具体实施方式

为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。

首先，如图1所示，本发明为一种高温高效太阳热能吸收膜的制造方法，其包括下列步骤：

A.本实施例以一不锈钢材作为基材1（如图2所示）。

B.然后在该基材1上利用喷焊方式，以1000℃以上的喷焊温度于该基材1上喷焊有一碳化钨层2，喷焊又称熔射或热喷涂，其基本原理是将材料（粉末或线材）加热熔化，在气体带送高速下冲击附着于工件（或底材）表面、堆积、凝固形成膜厚或涂层，借以达到防腐蚀、防锈、耐磨、表面粗糙化、吸附或散热等目的；本发明即将该碳化钨材料加热至熔融或塑性状态，并通过特殊设计的喷枪，借由压缩气体（包含压缩氮气、氩气等惰性保护气体等）的吹送，以超过音速数倍的速度，使已熔融呈金属雾化的碳化钨颗粒撞击该基材1的表面，使该碳化钨材料可紧密的与该基材1结合，而无剥落与龟裂的顾虑，而于该基材1的表面形成一具有高硬度与高韧性的碳化钨层2，喷焊完成后，该碳化钨层2的厚度为100μm至400μm之间，该碳化钨层2具有更高的硬度与精密度，并因此可增加其使用寿命，且相对的所制成的太阳热能吸收膜可具有更高的品质，并于喷焊同时，可以于该碳化钨层2中添加有适量的钴或锰的元素。

C.再利用雷射雕刻的方式，以雷射雕刻机在该碳化钨层2上放射出一雷射光，而使其形成有多个呈凹陷状的微结构3，该微结构3为一凹槽，该等微结构3可为等距且连续排列。

D.最后在该碳化钨层2及微结构3上涂布有一层类钻碳薄膜4（Diamond　Like Carbon，DLC）或氮化铝（AlN）的涂布层：该类钻碳薄膜4具有和钻石相近的特性，具有高硬度、耐腐蚀性佳、表面平滑、摩擦系数小、热传导性佳抗磨耗性佳等许多优异性质；而该氮化铝则为无色而透光，具有高热传导率、高硬度、抗高温、抗化学腐蚀、高绝缘电阻系数、优越的机械强度及抗热震性等特性。

本发明亦可为一种高温高效太阳热能吸收膜，如图2所示，其包括有：

基材1，其为不锈钢材所制成。

碳化钨层2，其喷焊于该基材1上，该碳化钨层2的厚度为100μm至400μm之间。

多个微结构3，其利用雷射雕刻的方式形成于该碳化钨层2上，该等微结构3可为一呈凹陷状的凹槽。

涂布层，其以溅镀方式涂布于该碳化钨层2及微结构3上，该涂布层为一类钻碳薄膜4或氮化铝。

本发明以喷焊方式进行制造，因此制造成本较低，适合大量生产制造，而且在喷焊的过程中，可利用喷焊时所产生的1000℃以上的高温，而同时对于该基材1产生一高温退火的作用，借以去除基材1的残留应力，并使其软化。

又本发明再借由该碳化钨层2上形成有多个呈凹陷状的微结构3，能利用未贯穿该基材1本体的微结构3，当热源工作时所产生的热能，能借由该等微结构3，可以大幅增加该基材1的表面积，以有助于受热时与热源的接触范围增大，并且可以增加热能在该等微结构3内的反射次数，而进一步可以有效的吸收热能，借以达到吸热及集热的作用，故本发明的高温高效太阳热能吸收膜，可适合应用于一太阳能史特林引擎的加热头，或者是其他的热吸收器。

而且本发明利用上述该类钻碳薄膜4具有透光性佳、高传导性及耐高温，因此可以适用于800℃以上的高温工作环境，借由该类钻碳薄膜4可以有效将吸收热后将其平均分散，并降低本发明太阳能吸收膜的温度，以减少其辐射放射量，且具有耐高温、高吸收率（95％）（如图3所示）及低放射率（<1％）的优点。

上述实施例和附图并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (10)

1.一种高温高效太阳热能吸收膜的制造方法，其特征在于，包括有下列步骤：

A.以一金属作为基材；

B.在所述基材上喷焊一碳化钨层；

C.在所述碳化钨层上执行一雷射雕刻操作，使所述碳化钨层上形成多个凹陷状的微结构；

D.在所述碳化钨层及所述多个微结构上涂布一层类钻碳薄膜或氮化铝。

2.如权利要求1所述高温高效太阳热能吸收膜的制造方法，其特征在于：所述喷焊时的温度为1000℃以上。

3.如权利要求1所述高温高效太阳热能吸收膜的制造方法，其特征在于：于喷焊所述碳化钨层同时添加有钴或锰的元素。

4.如权利要求1所述高温高效太阳热能吸收膜的制造方法，其特征在于：所述碳化钨层的厚度为100μm至400μm之间。

5.一种以权利要求1所述高温高效太阳热能吸收膜的制造方法所制成的高温高效太阳热能吸收膜，其特征在于，包括：

一基材；

一碳化钨层，其喷焊于所述基材上；

多个微结构，其形成于所述碳化钨层上；

一涂布层，其涂布于所述碳化钨层及微结构上，所述涂布层为一类钻碳薄膜或氮化铝。

6.如权利要求５所述高温高效太阳热能吸收膜，其特征在于：所述基材为一不锈钢材。

7.如权利要求５所述高温高效太阳热能吸收膜，其特征在于：所述多个微结构为一呈凹陷状的凹槽。

8.如权利要求５所述高温高效太阳热能吸收膜，其特征在于：所述碳化钨层的厚度为100μm至400μm之间。

9.如权利要求５所述高温高效太阳热能吸收膜，其特征在于：所述多个微结构利用雷射雕刻方式形成于所述碳化钨层上。

10.如权利要求５所述高温高效太阳热能吸收膜，其特征在于：所述涂布层以溅镀方式涂布于所述碳化钨层及所述多个微结构上。

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