CN104089423A - 全玻璃高温真空集热管及其镀膜方法 - Google Patents

全玻璃高温真空集热管及其镀膜方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种全玻璃高温真空集热管及其镀膜方法，在全玻璃高温真空集热管内管基体玻璃管的表面上，溅射沉积红外金属反射层钼，并在其上沉积一层高钼体积分数Mo-AlN膜层和一层低钼体积分数Mo-AlN膜层，最后在双金属陶瓷吸收层之上，沉积一层具有极高分解温度的减反射层AlN，同时，这层减反射层又对整个吸收层起着保护作用。本发明具有耐高温（300℃～3500C）、吸收率高（大于95%）、发射率低（6%）、使用寿命长等特点，而本发明镀膜方法，具有方法简单可行、生产效率高、成品质量好等特点。

Description

全玻璃高温真空集热管及其镀膜方法
技术领域
本发明涉及太阳能中高温热利用领域，具体为一种全玻璃高温真空集热管及其镀膜方法。
背景技术
目前国内普遍应用的全玻璃真空集热管是真空管太阳能热水器的关键核心部件，它经历了由Al-N/Al吸收膜层，向SS-AlN/Cu膜层（称三靶管）的发展阶段，特别是三靶管，在真空中具有良好的稳定性，尤其是在250℃以下的温区使用，已表现出数十年的使用寿命，我国每年产量在4亿支左右，相当于2000万台真空管热水器。但是，要把三靶管应用到聚光太阳能热利用系统中，如用于CPC的集热管，小型抛物面聚光集热器的集热管，使用温度有时达到300℃，甚至350℃。这种情况下原来用于热水器的全玻璃真空集热管已经不能适用此种场合，从而产生了金属与玻璃封接的高温真空集热管，该产品已广泛用于槽式太阳能热发电的采光场，使用寿命长达25年～30年之久。这种金属玻璃高温真空集热管造价较高，一般售价在4000元～5000元/人民币1支（4米长），如果用于太阳能采暖和空调制冷，成本太高。
发明内容
本发明针对以上不足之处，提供了一种全玻璃高温真空集热管及其镀膜方法，集热管具有耐高温（300℃～3500C）、吸收率高（大于95%）、发射率低（6%）、使用寿命长等特点，而镀膜方法，具有方法简单可行、生产效率高、成品质量好等特点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种全玻璃高温真空集热管，包含有玻璃外管和玻璃内管，二者之间通过焊接连接，二者之间设置为真空，所述玻璃内管上镀有三层膜，所述三层膜从基体玻璃内管到表面依次为红外金属反射膜层、双金属陶瓷吸收膜层、减反射层，所述红外金属反射膜层是钼膜层；所述双金属陶瓷吸收层，是由一层高钼体积分数Mo-AlN膜层和一层低钼体积分数Mo-AlN膜层构成，高钼体积分数Mo-AlN膜层设置在红外金属反射膜层的表面；而低钼体积分数Mo-AlN膜层设置在高钼体积分数Mo-AlN膜层的表面；所述减反射层为AlN减反射层，所述减反射层设置在低钼体积分数Mo-AlN膜层的表面。
进一步的，所述高钼体积分数Mo-AlN膜层是由若干层高钼Mo微薄膜层与若干层AIN微薄膜层相间复合构成；所述低钼体积分数Mo-AlN膜层是由若干层低钼Mo微薄膜层与若干层AlN微薄膜层相间复合构成。
进一步的，所述高钼体积分数Mo-AlN膜层中Mo的体积百分比为40%-60%，所述低钼体积分数Mo-AlN膜层中Mo的体积百分比为10%-30%。
进一步的，高钼体积分数Mo-AlN膜层和低钼体积分数Mo-AlN膜层的厚度均为50-60nm，所述高钼Mo微薄膜层、低钼Mo微薄膜层和AlN微薄层各有8-10层，且每层厚度为4-6nm。
一种全玻璃高温真空集热管的镀膜方法，以玻璃内管为基体件，包含有如下步骤：
A：对基体件玻璃内管进行清洗、烘干处理，然后将其安装在磁控溅射镀膜机镀膜室内的基体件玻璃管装载组件上， 驱动传动机构，令基体件玻璃内管自传和公转；
B：在玻璃内管表面溅射沉积红外金属反射膜层钼膜层之前，将镀膜室抽真空到8.0×10-4Pa条件下，然后充入氩气，氩气流量为100sccm，待镀膜室内压达到0.1-1.0×10-2Pa，进行氩离子轰击清洗4-10S，继而，在离子轰击清洗之后，在内压达3.0×10-1Pa，打开直流电源，向钼靶供电，溅射沉积钼膜层，厚度为80nm～100nm；
C、在红外金属反射膜层表面溅射沉积高钼体积分数的Mo-AlN膜层，通过交替相间溅射沉积若干层Mo微薄膜层和若干层AlN微薄膜层而成， 向镀膜室内充氮气，氮气分压是2×10-2Pa，向铝靶供电，这时钼靶和铝靶同时供电，钼靶和铝靶同时在氩气和氮气混合气氛中旋转，开始沉积Mo-AlN，这样，当玻璃管在钼靶溅射区域内，溅射沉积钼，由于钼靶具有非常良好的渗氮阻抗，它虽然在氩气和氮气混合气氛中，却不与氮气发生反应，这时沉积的是钼组分；当玻璃基管转到铝靶区域范围内，铝和氮气发生非常激烈反应，可以用相对低的氮气分压在氩气和氮气混合气氛中用直流反应溅射接近纯的AlN陶瓷组分，经若干次旋转后，使高钼体积分数的Mo-AlN膜层厚度达到50nm～60nm；
D、在所述高钼体积分数Mo-AlN膜层表面，溅射沉积低钼体积分数Mo-AlN膜层，通过交替相间溅射沉积若干层Mo微薄膜层和若干层AlN微薄膜层而成，溅射完成高钼体积分数的Mo-AlN膜层后，减少钼靶电流，溅射沉积低钼体积分数Mo-AlN膜层，经过若干次旋转使其厚度达到50nm～60nm后，关闭钼靶电源；
E、在所述低钼体积分数Mo-AlN膜层表面，溅射沉积减反射层，此时，铝靶保持通电，沉积AlN减反射层，厚度为80nm～120nm。
进一步的，采用竖式圆筒形直流双靶反应磁控溅射镀膜机为镀膜手段，圆筒形镀膜室中间设置隔板，把圆筒形空间分为两个镀膜室，钼靶和铝靶分别位于隔板两侧，基体件玻璃内管通过传动机构一边自转，一边围绕圆筒中心公转，抽真空装置，供电装置和供气控制器分别与镀膜室相连。
进一步的，所述Mo靶的纯度为99.95%，Al靶的纯度为99.99%，两种靶均为圆柱旋转靶。
本发明的有益效果是：
以前的专利中的太阳能真空集热管都是由金属内管和玻璃外管通过封接而成，首先在金属内管上镀膜，然后再在外面焊接玻璃外管，并将中间抽真空，在这个过程中，技术难度很大，而且需要专门的技术，尤其是焊接技术，比较难以掌握，而且焊接设备价格昂贵，如果将其用在采暖和供冷上，造价太高，难以承受；而本发明采用玻璃内管上镀膜，然后再在与玻璃外管进行焊接，抽真空制成，内管是玻璃，外管也是玻璃，焊接起来比较容易，技术容易掌握，成本较低，本发明的全玻璃真空管，每米15元左右，而原有的玻璃和金属组成的真空管，每米3000元左右，这样相比，大大降低了成本；
红外金属反射膜层是钼膜层，钼比铝具有更高的耐高温性能；
双金属陶瓷吸收膜层是由一层高钼组分的Mo-AlN陶瓷吸收层，和一层低钼组分的Mo-AlN陶瓷吸收层构成；
吸收层的上面是由AlN陶瓷材料构成的减反射层用以提高太阳能的吸收性能，同时也是一个保护层，AlN具有极高的分解温度（>2200℃），这是一种对高温选择性表面起非常重要作用的特性；
本发明选用直流磁控反应溅射技术沉积Mo-AlN双金属陶瓷吸收层，在双靶直流磁控反应溅射镀膜机中实现本发明全套工艺，双靶分别为99.95%钼靶和99.99%的铝靶，都是直流旋转靶，从阴极中心到玻璃基材距离是70mm~80mm，氩气、氮气流量通过流量计控制。
真空室的本底真空度达8×10-4Pa~1×10-3Pa，本发明具有两个特点，（1）用直流磁控溅射同时沉积金属陶瓷中的陶瓷和金属组分，（2）陶瓷组分用直流反应溅射沉积，而金属组分则用非反应直流溅射沉积，由于Mo具有卓越的渗N2阻抗，用来在相同的氩气和氮气混合气氛中用非反应溅射沉积金属Mo组分，铝靶用于在氩气和氮气混合气氛中用直流反应溅射沉积AlN金属陶瓷组分；上述两个特点溅射生产带来极大便利，生产效率高、产品质量好，便于大规模生产，设备投资少；
采用本发明的选择性吸收膜，选择性吸收率可达95%，在350℃的发射率为6%，在高温和真空中具有良好的热稳定性，在500℃下真空烘烤一小时，吸收率和发射率几乎没有什么变化。
附图说明
图1是全玻璃真空集热管的结构示意图；
图2是本发明产品所述集热管的内管的一种具体实施方式的结构示意图；
图3是本发明所述镀膜方式所采用的竖式圆筒形直流双靶反应磁控溅射镀膜机的结构俯视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述：
如图所示为本发明的一个具体实施例，
一种全玻璃真空集热管，包含有玻璃外管5和玻璃内管1，二者之间通过焊接连接，二者之间设置为真空，所述玻璃内管1上镀有三层膜，所述三层膜从基体玻璃内管1到表面依次为红外金属反射膜层2、双金属陶瓷吸收膜层3、减反射层4，所述红外金属反射膜层2是钼膜层；所述双金属陶瓷吸收层3，是由一层高钼体积分数Mo-AlN膜层3-1和一层低钼体积分数Mo-AlN膜层3-2构成，高钼体积分数Mo-AlN膜层3-1设置在红外金属反射膜层2的表面，而低钼体积分数Mo-AlN膜层3-2设置在高钼体积分数Mo-AlN膜层3-1的表面；所述高钼体积分数Mo-AlN膜层3-1是由若干层高钼Mo微薄膜层与若干层AIN微薄膜层相间复合构成；所述低钼体积分数Mo-AlN膜层3-2是由若干层低钼Mo微薄膜层与若干层AlN微薄膜层相间复合构成，所述高钼体积分数Mo-AlN膜层3-1中Mo的体积百分比为40%-60%，所述低钼体积分数Mo-AlN膜层3-2中Mo的体积百分比为10%-30%，高钼体积分数Mo-AlN膜层3-1和低钼体积分数Mo-AlN膜层3-2的厚度均为50-60nm，所述高钼Mo微薄膜层、低钼Mo微薄膜层和AlN微薄层各有8-10层，且每层厚度为4-6nm。
所述减反射层4为AlN减反射层，所述减反射层4设置在低钼体积分数Mo-AlN膜层3-2的表面。
上述全玻璃高温真空集热管的镀膜方法，包含有如下步骤：
（1）、采用如图3所示的竖式圆筒形直流双靶反应磁控溅射镀膜机为镀膜手段，所述镀膜室8分为两个镀膜室，一个镀膜室为钼靶，另一个镀膜室为铝靶，两个空间区域之间通过隔板隔开，抽真空装置，供电装置和供气控制器分别与镀膜室相连，镀膜所使用的Mo靶的纯度为99.95%，Al靶的纯度为99.99%，两种靶均为圆柱旋转靶，基体件玻璃管1通过传动机构一边自转，一边围绕圆筒中心公转；
（2）、经过清洗的干净并烘干的玻璃基体件放在转架上，关闭镀膜机密封门，开始抽真空，镀膜室真空度达到8×10-4Pa~1×10-3Pa时，向真空镀膜机镀膜室内充氩气到0.1-1.0×10-2Pa，进行氩离子轰击清洗4-10S，继而，在离子轰击清洗之后，在内压达3,0×10-1Pa,打开直流电源，向Mo靶供电，镀红外金属反射膜层2，厚度在80nm~100nm，之后再充氮气，反应氮气分压是2×10-2Pa；接着向铝靶供电，这样钼靶和铝靶同时在氩气和氮气气氛中旋转，开始沉积Mo-AlN，这样，当玻璃基体管在钼靶区溅射沉积Mo，由于Mo具有非常好的渗氮阻抗，它虽然在氩气和氮气气氛中，但并不沉积氮化物，而是沉积金属钼组分；当玻璃基体管转到铝靶溅射区，由于铝和氮气的反应非常激烈，因此可以用相对低的氮气分压在氩气和氮气混合气体中用直流反应溅射沉积接近纯的AlN。这样，用双靶直流反应溅射在氩气和氮气混合气氛中同时一边沉积钼组分，一边沉积AlN陶瓷组分，用基材旋转沉积多层系统，这种多层系统由Mo和AlN交叉组成，可以认为是宏观均匀的Mo-AlN金属陶瓷层，改变钼靶的功率，即改变靶的电流，可以得到高钼组分的高钼体积分数Mo-AlN膜层3-1，也可以得到低钼体积分数Mo-AlN膜层3-2。高钼体积分数Mo-AlN膜层3-1的厚度为50nm～60nm和低钼体积分数Mo-AlN膜层3-2厚度大约为80nm～120nm;
（3）、最后沉积AlN减反射层，关闭钼靶电源，继续旋转沉积AlN减反射层，其厚度在80nm～120nm。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种全玻璃高温真空集热管，包含有玻璃外管（5）和玻璃内管（1），二者之间通过焊接连接，二者之间设置为真空，其特征在于：所述玻璃内管（1）上镀有三层膜，所述三层膜从基体玻璃内管（1）到表面依次为红外金属反射膜层（2）、双金属陶瓷吸收膜层（3）、减反射层（4），所述红外金属反射膜层（2）是钼膜层；所述双金属陶瓷吸收层（3），是由一层高钼体积分数Mo-AlN膜层（3-1）和一层低钼体积分数Mo-AlN膜层（3-2）构成，高钼体积分数Mo-AlN膜层（3-1）设置在红外金属反射膜层（2）的表面；而低钼体积分数Mo-AlN膜层（3-2）设置在高钼体积分数Mo-AlN膜层（3-1）的表面；所述减反射层（4）为AlN减反射层，所述减反射层（4）设置在低钼体积分数Mo-AlN膜层（3-2）的表面。
2.根据权利要求1所述的全玻璃高温真空集热管，其特征在于：所述高钼体积分数Mo-AlN膜层（3-1）是由若干层高钼Mo微薄膜层与若干层AIN微薄膜层相间复合构成；所述低钼体积分数Mo-AlN膜层（3-2）是由若干层低钼Mo微薄膜层与若干层AlN微薄膜层相间复合构成。
3.根据权利要求2所述的全玻璃高温真空集热管，其特征在于：所述高钼体积分数Mo-AlN膜层（3-1）中Mo的体积百分比为40%-60%，所述低钼体积分数Mo-AlN膜层（3-2）中Mo的体积百分比为10%-30%。
4.根据权利要求2所述的全玻璃高温真空集热管，其特征在于：高钼体积分数Mo-AlN膜层（3-1）和低钼体积分数Mo-AlN膜层（3-2）的厚度均为50-60nm，所述高钼Mo微薄膜层、低钼Mo微薄膜层和AlN微薄层各有8-10层，且每层厚度为4-6nm。
5.如权利要求1-4所述的全玻璃高温真空集热管的镀膜方法，其特征在于：以玻璃内管（1）为基体件，包含有如下步骤：
A：对基体件玻璃内管（1）进行清洗、烘干处理，然后将其安装在磁控溅射镀膜机镀膜室内的基体件玻璃管装载组件上， 驱动传动机构，令基体件玻璃内管（1）自传和公转；
B：在玻璃内管（1）表面溅射沉积红外金属反射膜层（2）钼膜层之前，将镀膜室抽真空到8.0×10-4Pa条件下，然后充入氩气，氩气流量为100sccm，待镀膜室内压达到0.1-1.0×10-2Pa时，进行氩离子轰击清洗4-10S，继而，打开直流电源，向钼靶供电，在内压达到3.0×10-1Pa，溅射沉积钼膜层，厚度为80nm～100nm；
C、在红外金属反射膜层（2）表面溅射沉积高钼体积分数的Mo-AlN膜层（3-1），通过交替相间溅射沉积若干层Mo微薄膜层和若干层AlN微薄膜层而成， 向镀膜室内充氮气，氮气分压是2×10-2Pa，向铝靶供电，这时钼靶和铝靶同时供电，钼靶和铝靶同时在氩气和氮气混合气氛中旋转，开始沉积Mo-AlN，这样，当玻璃管在钼靶溅射区域内，溅射沉积钼，由于钼靶具有非常良好的渗氮阻抗，它虽然在氩气和氮气混合气氛中，却不与氮气发生反应，这时沉积的是钼组分；当玻璃基管转到铝靶区域范围内，铝和氮气发生非常激烈反应，可以用相对低的氮气分压在氩气和氮气混合气氛中用直流反应溅射接近纯的AlN陶瓷组分，经若干次旋转后，使高钼体积分数的Mo-AlN膜层（3-1）厚度达到50nm～60nm；
D、在所述高钼体积分数Mo-AlN膜层（3-1）表面，溅射沉积低钼体积分数Mo-AlN膜层（3-2），通过交替相间溅射沉积若干层Mo微薄膜层和若干层AlN微薄膜层而成，溅射完成高钼体积分数的Mo-AlN膜层（3-1）后，减少钼靶电流，溅射沉积低钼体积分数Mo-AlN膜层（3-2），经过若干次旋转使其厚度达到50nm～60nm后，关闭钼靶电源；
E、在所述低钼体积分数Mo-AlN膜层（3-2）表面，溅射沉积减反射层（4），此时，铝靶保持通电，沉积AlN减反射层，厚度为80nm～120nm。
6.根据权利要求5所述的全玻璃高温真空集热管的镀膜方法，其特征在于：采用竖式圆筒形直流双靶反应磁控溅射镀膜机（8）为镀膜手段，圆筒形镀膜室中间设置隔板（8-1），把圆筒形空间分为两个镀膜室，钼靶和铝靶分别位于隔板两侧，基体件玻璃内管（1）通过传动机构一边自转，一边围绕圆筒中心公转，抽真空装置（8-3），供电装置（8-4）和供气控制器（8-5）分别与镀膜室相连。
7.根据权利要求5所述的全玻璃高温真空集热管的镀膜方法，其特征在于：所述Mo靶的纯度为99.95%，Al靶的纯度为99.99%，两种靶均为圆柱旋转靶。
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