CN104032262B - 一种卧式生产太阳能集热板的镀膜装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种卧式生产太阳能集热板的镀膜装置，包括有依次连接的上片台、防尘加热室、进片区、镀膜区、出片区、下片台、抽空系统和传动机构；所述镀膜区由多个镀膜室组成，每个镀膜室内设有多个间隔板，通过间隔板在镀膜室内形成多个镀膜腔、通过间隔板于镀膜室内两端镀膜腔的外侧分别形成第一排气腔和第二排气腔；在同一镀膜室内第一排气腔或第二排气腔的外侧形成隔离腔；每个镀膜腔设有两个靶极和等离子体光谱检测装置。所述间隔板上与靶极对应侧对称设有两个水冷结构的“L”型调节挡板；并在两个“L”型调节挡板折弯处设有进气管，且两个进气管的进气方向相反。本发明涂层均匀、理化性能好、寿命长，生产效率，生产成本低，不会产生污染。
Description
技术领域
本发明属于太阳能集热板和真空镀膜的技术领域，具体地说是一种卧式生产太阳能集热板的镀膜装置，是在太阳能集热板整板芯片衬底上沉积太阳能光热选择性吸收涂层。
背景技术
随着新能源的推广及普及，以及科技的进步和发展，太阳能与建筑一体化对太阳能热水器技术要求越来越高，市场需求越来越迫切。在城市建筑物中真空管产品在安装高度、公共安全、管道、质量以及市容建设等方面遇到的瓶颈问题日益突出。平板集热器具有承压性、双循环系统、易于与建筑结合，提供更多的生活热水等自身优势。因此，在太阳能系统工程中，分体式太阳能热水器和对太阳能与建筑一体化有要求的场所，平板集热器比全玻璃真空集热管在系统使用寿命、系统维护等方面具有明显优势。这为平板集热器的发展带来了机遇。
世界各国都力图将太阳能与建筑密切结合，寻求外形美观，布局合理，管理规范的太阳能与建筑一体化的设计。因此，国外发达国家（北美、北欧及夏威夷地区）平板太阳能占市场的90%以上，把平板集热器作为建筑材料实现太阳能利用与建筑一体化。目前，国内太阳能集热市场正逐渐接受这一理念，这促进了太阳能热水器、太阳能空调等光热产品的广泛使用，而光热产品种类和使用范围的扩大，又将促进对太阳能光谱选择性吸收涂层集热板芯的需求。
太阳能集热板（芯片）是平板太阳能热水器的核心部件，它的光谱选择性吸收性能（αs-吸收率，ε-发射率）决定平板太阳能热水器的热效率。在平板集热器中，集热器板芯与玻璃盖板间的气体对流换热是该集热器的主要热损之一。为了提高平板太阳集热器的效率，唯一有效的办法是在保持最大限度地采集太阳能的同时尽可能减小其对流和辐射热损，选用优质选择性吸收涂层是满足上述要求的重要途径。同时，由于集热器板芯在大气环境中使用，要努力改善集热器板芯吸收涂层的耐候性能，提高平板集热器的使用寿命。
平板集热器板芯吸收涂层的制备工艺从简单喷涂发展到选择性的硫化铅，金属氧化处理。现有的间歇式单体真空镀膜是一炉一炉地生产，每炉生产完后必须放大气；这种生产方式生产效率低，所需工人多；更重要的是各炉之间生产的膜层色泽一致性、稳定性差。同时，生产多炉后，在真空室壁上沉积较厚的膜层，每次暴露大气时，空气中的水分子都被吸附在膜层表面上，造成后续生产抽空时间加长，降低生产效率。
另外，已经无效的中国专利申请公布号为：CN101985737A的发明专利中，公开了一种连续式太阳能集热板芯片真空磁控溅射镀膜生产线，该生产线具有促进光谱选择性吸收涂层。该专利公开了在防尘加热室内设有高效加热及温度控制装置，并未公开加热源如何布置，也未公开如何控温。公知的方法是为了提高涂层的结合力，对被镀基片进行加热烘烤，公知的方法存在当被镀基片幅面较大时，加热源设计不合理或温控偏差较大，都会造成基片受热不均匀而造成沉积的均匀性差，一致性不好，直接影响涂层的集热性能。该专利还公开了在镀膜区的隔离腔室处开有抽气口，但没有公开工作气体是如何进入镀膜区，也未公开充气管的结构；公知的方法是在镀膜区充入工作气体，公知方法中存在，由于抽气、充气动态过程容易产生靶极溅射区工作气氛不均匀（幅面大时，更为明显），造成在靶极方向上，涂层的均匀性和一致性差。这些都无法满足选择性吸收涂层的工业化批量生产。
在已公开的专利（CN201648514U）中，公开了一种生产太阳能吸热镀膜板的立式镀膜装置。该装置采用立式结构传送基片，为了使镀膜均匀，必须保证挂有基片的载片架在在立式镀膜装置各室的中央部位平稳直线行进，因此，必须设有载片架和稳定机构。
发明内容
本发明的目的是进一步完善上述装置的不足，通过采用卧式水平传送太阳能集热板整板芯片的方式、采用专有的防尘加热结构和控制、采用专用的充气管结构向镀膜腔充入工作气体和等离子体光谱检测装置、离子源表面活化装置，提高涂层生产过程中的附着力、均匀性和一致性问题，满足高品质集热板芯的需求和工业化生产。
本发明的技术方案是：
一种卧式生产太阳能集热板的镀膜装置，包括有依次连接的上片台、防尘加热室、进片区、镀膜区、出片区、下片台、抽空系统和传动机构；
所述镀膜区由多个镀膜室组成，每个镀膜室内设有多个间隔板，通过间隔板在镀膜室内形成多个镀膜腔20、通过间隔板于镀膜室内两端镀膜腔20的外侧分别形成第一排气腔171和第二排气腔172；在同一镀膜室内第一排气腔171或第二排气腔172的外侧形成隔离腔18；
所述镀膜腔20设有两个靶极24和等离子体光谱检测装置38；
所述间隔板中间设有供太阳能集热板整板芯片通过的夹缝通道；所述镀膜腔的两个间隔板上对应靶极侧分别对称设置有水冷结构的“L”型调节挡板，并在两个“L”型调节挡板弯角处设置有进气管；两个“L”型调节挡板及进气管与镀膜室壁绝缘连接；并且两个进气管的进气口反向设置；所述进气管管壁上与“L”型调节挡板弯角处对应侧设有多个散气孔；工作气体通过散气孔喷射到“L”型调节挡板上，经“L”型调节挡板反射后扩散到镀膜腔内。
所述防尘加热室内设有多个加热源，所述多个加热源呈矩阵式分布，每个加热源具有独立的测温传感器和温度控制回路，采用PID控制器来控制加热源启/停。
所述太阳能集热板整板芯片是：先将集热板或集热翼片与排管焊接，再与上、下集管焊接成待镀膜的吸热板；整板芯片规格：长度为50cm～360cm；宽度为50cm～250cm。
所述进气管为圆形管或者异形管。
所述进气管末端为自由调整端，可以改变散气孔与“L”型调节挡板的对应角度。
所述加热源采用远红外加热管。
所述的进片区设有离子源表面活化装置。
所述太阳能集热整板芯片的膜层由内向外依次为：高反射率的金属层、金属粒子体积比较高的吸收层及金属体积比较低的吸收层、减反射层以及耐候性保护层。
所述生产的膜层厚度为小于200nm，金属层厚度为15～25nm的铝或铜层，金属粒子体积比较高的和金属体积比较低的吸收层为AIN复合膜，吸收层厚度为50～100nm，减发射层为AIN，耐候性保护层为SiO2，减反射层和保护层的厚度为50～70nm。
本发明的优点是：
1、本发明解决了集热板镀膜连续式生产过程中基片的加热方式及工作气体的充入方式，提高产品的集热性能和成品率，满足工业化生产的要求。
2、本发明提高集热膜层在大气环境中使用的耐候性能、集热性能及膜层的均匀性和一致性；使平板集热器的热效率得到极大地提高和广泛的应用。
附图说明
图1是本发明镀膜装置整体结构示意图；
图2是本发明镀膜室结构的纵向截面剖视图之一；
图3是本发明镀膜室结构的纵向截面剖视图之二；
图4是本发明进气管结构示意图；
图5是本发明气体散气结构示意图。
具体实施方式
结合附图图1-5和实施例对本发明进一步详细说明。
一种卧式生产太阳能集热板的镀膜装置，它包括有依次连接的上片台1、防尘加热室16、进片区6、镀膜区7、出片区9、下片台13、抽空系统和传动机构；
所述镀膜区由多个镀膜室组成，每个镀膜室内设有多个间隔板，通过间隔板在镀膜室内形成多个镀膜腔20、通过间隔板于镀膜室内两端镀膜腔20的外侧分别形成第一排气腔171和第二排气腔172；在同一镀膜室内第一排气腔171或第二排气腔172的外侧形成隔离腔18；
所述镀膜腔20设有两个靶极24和等离子体光谱检测装置38；
所述一个间隔板28为上下对称结构，于间隔板28中间形成供太阳能集热片通过的夹缝通道；
所述镀膜腔20内的间隔板28上与靶极24对应侧对称设置两个水冷结构的“L”型调节挡板23，并在两个“L”型调节挡板23折弯处设有进气管34，两个“L”调节挡板23和进气管34与镀膜室壁绝缘连接，两个进气管34的进气方向相反；所述进气管34在长度方向上与“L”型调节挡板23折弯处对应侧设有多个散气孔35；工作气体通过散气孔35喷射到“L”型调节挡板23上，经“L”型调节挡板23反射后扩散到镀膜腔20内。
所述防尘加热室16内设有多个加热源，所述多个加热源呈矩阵式分布，每个加热源具有独立的测温传感器和温度控制回路2，采用PDI控制，将每个加热源的给定温度与测量温度相比较，来控制该加热源的加热源启/停。
所述太阳能集热板整板芯片是：先将集热板或集热翼片与排管焊接，再与上、下集管焊接成待镀膜的吸热板；整板芯片规格：长度为50cm～360cm；宽度为50cm～250cm。
所述进气管34为圆形管或者异形管；所述进气管34末端为自由调整端（可以旋转角度90°），可以改变散气孔35与“L”型调节挡板23的夹角度。所述每个加热源设有方向调节装置，可以实现整个加热室为一穹顶加热结构。所述加热源采用远红外加热管。所述的进片区6设有离子源表面活化装置5。所述水冷结构“L”型调节挡板23为中空结构可以供冷媒循环通过。
实施例
本实例所生产的膜系结构为：耐候性能的保护层/减反射层/金属粒子体积比较低的吸收层/金属粒子比较高的吸收层/高反射率的金属层/基片，即SiO2/AlN/（LMVF）Al-N/（HMVF）Al-N/Al（Cu）膜层结构，其中：HMVF是金属粒子体积比较高的吸收层，而LMVF是金属粒子体积比较低的吸收层，SiO2/ALN为减反射及具有高耐候性能的最外膜层。
如图1所示，本发明的装置结构包括上片台1、防尘加热室16、进片区6、镀膜区7、出片区9、下片台13、抽空系统和贯穿整条生产线的传动机构。所述上片台1、防尘加热室16、进片区6（包括进片室601、进片过渡室602和进片缓冲室603）、镀膜区7、出片区9（包括出片缓冲室901、出片过渡室902、出片室903）、下片台13依次连接。所述镀膜区7包括沉积高反射率金属层镀膜室701、第一沉积金属含量不同的吸收层镀膜室702和第二沉积金属含量不同的吸收层镀膜室703、沉积减反射层镀膜室704、沉积保护层镀膜室705。为了提高涂层的附着力，在进片区6内设置有被镀芯片离子源表面活化装置5。
如图2所示，为所述镀膜区7的沉积高反射率金属层镀膜室701和沉积保护层镀膜室705所采用的结构，镀膜室内装有一组孪生靶极24；所述镀膜腔20的间隔板28上与靶极24对应侧对称设置有上、下可调节水冷结构的“L”型调节挡板23，保证“L”型调节挡板23与被镀芯片21之间的距离是可调的，在两个“L”型调节挡板23折弯处分别设有进气管34，“L”调节挡板23和进气管34与镀膜室体绝缘，进气管34的进气方向相反设置，如图4所示；所述进气管34在长度方向上与“L”型调节挡板23折弯处对应侧设有多个散气孔35；工作气体通过散气孔35喷射到“L”型调节挡板23上，经“L”型调节挡板23反射后扩散到镀膜腔20内，如图5所示。仅在隔离腔18及第一排气腔171、第二排气腔172两侧设有排气口，为了保证工业化批量生产膜层的一致性、重复性，在沉积保护层镀膜室705镀膜腔20内设有等离子体光谱检测装置38。沉积高反射率金属层镀膜室701内靶极24采用铜或铝及其合金沉积高反射率金属层；所述沉积保护层镀膜室705采用Si作为靶极24，氧气作为反应气体，中频溅射SiO2覆盖在吸收涂层的外表面，用它作为对吸收层起到减反射和保护作用，同时提高膜层的耐候性能，延长膜层的使用寿命。
如图3所示，为第一、第二沉积金属含量不同的吸收层镀膜室702、703，沉积减反射层镀膜室704所采用的结构；装有二组旋转孪生靶极24；通过隔板28分成两个镀膜腔20，所述镀膜腔20的间隔板28上与靶极24对应侧对称设置有上、下可调节水冷结构的“L”型调节挡板23，保证“L”型调节挡板23与被镀芯片21之间的距离是可调的，在两个镀膜腔20内，在“L”型调节挡板23折弯处分别设有进气管34，“L”调节挡板23和进气管34与镀膜室体绝缘，进气管34的进气方向相反设置，如图4所示；所述进气管34在长度方向上与“L”型调节挡板23折弯处对应侧设有多个散气孔35；工作气体通过散气孔35喷射到“L”型调节挡板23上，经“L”型调节挡板23反射后扩散到镀膜腔20内。同样仅在靶极24两侧的第一排气腔171、第二排气腔172和气体隔离腔室18开有排气口，为了保证工业化批量生产膜层的一致性、重复性。在第一、第二沉积金属含量不同的吸收层镀膜室702、703，沉积减反射层镀膜室704的镀膜腔20内设有等离子体光谱检测装置38。第一、第二沉积金属含量不同的吸收层镀膜室702、703两组靶材均采用铝及其合金或一组靶材采用铝及其合金、另一组靶材采用不锈钢；反应气体采用氮气沉积金属含量不同的太阳能选择性吸收涂层。沉积减反射层镀膜室704两组靶材均采用铝及其合金，反应气体采用氮气、氮氧混合气体，反应沉积减反射介质层。
具体工作时，把事先经过组焊、检漏、表面清洗处理好的被镀太阳能集热板整板芯片装在运送架上，然后放到上片台1，被镀芯片21在上片台1传动的作用下进入防尘加热室16，对芯片进行加热、烘烤，加热温度设定在150～180℃。该防尘加热室16内设有多个加热源，加热源呈矩阵式分布，每个加热源具有独立的测温传感器和温度控制回路2，采用PDI模糊控制，将每个加热源的给定温度与测量温度相比较，来控制该加热源的加热源启/停，确保被镀芯片表面温度均匀。当芯片接近进片阀门3时，对进片室601放气，当进片室601达到大气状态时，打开进片阀门3，被镀芯片21快速进入进片室601，关闭进片阀门3，打开低真空阀门，由机械泵14和罗茨泵10对进片室601抽低真空，当真空度达到8×10-1Pa，打开进片隔离阀4，芯片快速进入进片过渡室602，关闭进片隔离阀4，被镀芯片在进片过渡室602和进片缓冲室603行进过程中，启动离子表面活化装置5，对被镀芯片21表面进行活化处理，清除被镀芯片21表面的氧化层，提高涂层的附着力。当被镀芯片21进入镀膜区7，由扩散泵8通过排气腔18、气体隔离腔17进行抽真空，通过进气管34充入相应的工作气体（Ar、O2、N2），使工作压强维持在2.0～4.0×10-1pa，在镀膜区7内依次完成高反射率金属层、太阳能选择性吸收涂层、减反射层、保护层镀制工艺过程，在溅射过程中启动等离子体光谱检测装置38，实时监控各个镀膜室的溅射情况，确保溅射的稳定性、重复性；镀膜结束后芯片经过出片缓冲室901进入出片过渡室902，当出片室903的真空度高于8×10-1Pa时，打开出片隔离阀11，被镀芯片21快速进入出片室903，关闭出片隔离阀11，关闭出片室903真空阀门，对出片室903进行放气。当出片室903达到大气状态时，打开出片阀门12，被镀芯片21快速到达下片台13，关闭出片阀门12，对出片室903进行抽空，等待下一片的到来，在下片台13对膜层的外观进行质检并下片，完成一个周期的镀膜过程。
被镀芯片21的膜层厚度控制在200nm以下，其中高发射率的金属层控制在15～25nm，金属粒子体积比较低和金属粒子比较高组成的吸收层控制在50～100nm，减反射和保护层的厚度控制在50～70nm。经实际检测被镀芯片21涂层的吸收率为0.93，发射率为0.083。
Claims (5)
1.一种卧式生产太阳能集热板的镀膜装置，其特征在于：主要包括有依次连接的上片台、防尘加热室、进片区、镀膜区、出片区、下片台、抽空系统和传动机构；
所述镀膜区由多个镀膜室组成，每个镀膜室内设有多个间隔板，通过间隔板在镀膜室内形成多个镀膜腔(20)、通过间隔板于镀膜室内两端镀膜腔(20)的外侧分别形成第一排气腔(171)和第二排气腔(172)；在同一镀膜室内第一排气腔(171)或第二排气腔(172)的外侧形成隔离腔(18)；
所述镀膜腔(20)设有两个靶极(24)和等离子体光谱检测装置(38)；
所述间隔板中间设有供太阳能集热板整板芯片通过的夹缝通道；
所述镀膜腔的两个间隔板上对应靶极侧分别对称设置有水冷结构的“L”型调节挡板，并在两个“L”型调节挡板弯角处设置有进气管；两个“L”型调节挡板及进气管与镀膜室壁绝缘连接；并且两个进气管的进气口反向设置；
所述进气管管壁上与“L”型调节挡板弯角处对应侧设有多个散气孔；工作气体通过散气孔喷射到“L”型调节挡板上，经“L”型调节挡板反射后扩散到镀膜腔内；
所述镀膜腔内装有一组孪生靶极；所述镀膜腔的间隔板上与靶极对应侧对称设置有上、下可调节的水冷结构的“L”型调节挡板，保证“L”型调节挡板与被镀芯片之间的距离是可调的，在两个“L”型调节挡板折弯处分别设有进气管，“L”调节挡板和进气管与镀膜室体绝缘，进气管的进气方向相反设置；所述进气管在长度方向上与“L”型调节挡板折弯处对应侧设有多个散气孔；工作气体通过散气孔喷射到“L”型调节挡板上，经“L”型调节挡板反射后扩散到镀膜腔内；所述进气管末端为自由调整端，旋转角度90°，改变散气孔与“L”型调节挡板的对应角度；
具体工作时，把事先经过组焊、检漏、表面清洗处理好的被镀太阳能集热板整板芯片装在运送架上，然后放到上片台，被镀芯片在上片台传动的作用下进入防尘加热室，对芯片进行加热、烘烤，加热温度设定在150～180℃；该防尘加热室内设有多个加热源，所述加热源采用远红外加热管；加热源呈矩阵式分布，每个加热源具有独立的测温传感器和温度控制回路，采用PDI控制，将每个加热源的给定温度与测量温度相比较，来控制该加热源的加热源启/停，确保被镀芯片表面温度均匀；当芯片接近进片阀门时，对进片室放气，当进片室达到大气状态时，打开进片阀门，被镀芯片快速进入进片室，关闭进片阀门，打开低真空阀门，由机械泵和罗茨泵对进片室抽低真空，当真空度达到8×10-1Pa，打开进片隔离阀，芯片快速进入进片过渡室，关闭进片隔离阀，被镀芯片在进片过渡室和进片缓冲室行进过程中，启动离子表面活化装置，对被镀芯片表面进行活化处理，清除被镀芯片表面的氧化层，提高涂层的附着力；当被镀芯片进入镀膜区，由扩散泵通过排气腔、气体隔离腔进行抽真空，通过 进气管充入相应的工作气体Ar、O2、N2，使工作压强维持在2.0～4.0×10-1Pa，在镀膜区内依次完成高反射率金属层、太阳能选择性吸收涂层、减反射层、保护层镀制工艺过程，在溅射过程中启动等离子体光谱检测装置，实时监控各个镀膜室的溅射情况，确保溅射的稳定性、重复性；镀膜结束后芯片经过出片缓冲室进入出片过渡室，当出片室的真空度高于8×10-1Pa时，打开出片隔离阀，被镀芯片快速进入出片室，关闭出片隔离阀，关闭出片室真空阀门，对出片室进行放气；当出片室达到大气状态时，打开出片阀门，被镀芯片快速到达下片台，关闭出片阀门，对出片室进行抽空，等待下一片的到来，在下片台对膜层的外观进行质检并下片，完成一个周期的镀膜过程；
所述太阳能集热板整板芯片是：先将集热板或集热翼片与排管焊接，再与上、下集管焊接成待镀膜的吸热板；整板芯片规格：长度为50cm～360cm；宽度为50cm～250cm。
2.按权利要求1所述的卧式生产太阳能集热板的镀膜装置，其特征在于：
所述进气管为圆形管或者异形管。
3.按权利要求1所述的卧式生产太阳能集热板的镀膜装置，其特征在于：
所述太阳能集热整板芯片的膜层由内向外依次为：高反射率的金属层、金属粒子体积比较高的吸收层及金属体积比较低的吸收层、减反射层以及耐候性保护层。
4.按权利要求1所述的卧式生产太阳能集热板的镀膜装置，其特征在于：
所述进片区设有离子源表面活化装置。
5.按权利要求1所述的卧式生产太阳能集热板的镀膜装置，其特征在于：
镀膜装置生产的膜层厚度为小于200nm，金属层厚度为15～25nm的铝或铜层，金属粒子体积比较高的和金属体积比较低的吸收层为AIN复合膜，吸收层厚度为50～100nm，减发射层为AIN，耐候性保护层为SiO2，减反射层和保护层的厚度为50～70nm。
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