DE102011082772B9

DE102011082772B9 - Verfahren zum Einleiten von Schutzgas in ein Absorberrohr

Info

Publication number: DE102011082772B9
Application number: DE102011082772A
Authority: DE
Inventors: Guido Kemitzl; Marc Möllenhoff; Oliver Sohr; Thomas Kuckelkorn
Original assignee: Trumpf Laser GmbH; Schott Solar AG
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH; Rioglass Solar Holding SA
Priority date: 2011-09-15
Filing date: 2011-09-15
Publication date: 2013-04-11
Anticipated expiration: 2031-09-16
Also published as: DE102011082772B3; WO2013037952A2; WO2013037952A3

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Einleiten Schutzgas beschrieben, das sich in einem Behälter befindet, der im evakuierten Ringraum eines Absorberrohrs zwischen dessen außenliegenden Hüllrohr und dessen innenliegenden Metallrohr angeordnet ist. Der Behälter wird mittels eines Laserbohrverfahrens geöffnet, wobei der Laserstrahl von außen durch das Hüllrohr auf den Behälter gelenkt wird und der Behälter solange bestrahlt wird, bis sich im Behälter eine Öffnung bildet und das Schutzgas freigegeben wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einleiten von Schutzgas gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Sonnenkollektoren können beispielsweise mit einem Parabolspiegel, auch Kollektorspiegel genannt, ausgestattet werden und in so genannten Parabolrinnen-Kraftwerken eingesetzt werden. In bekannten Parabolrinnen-Kraftwerken wird als Wärmeträgermedium ein Thermoöl eingesetzt, das mithilfe der von den Parabolspiegeln reflektierten und auf das Absorberrohr fokussierten Sonnenstrahlen bis ca. 400°C erhitzt werden kann. Das erhitzte Wärmeträgermedium wird durch das Metallrohr durchgeleitet und einem Verdampfungsprozess zugeführt, mit dessen Hilfe die Wärmeenergie in elektrische Energie umgewandelt wird.
Das Absorberrohr besteht dabei in der Regel aus einem Metallrohr, welches eine strahlungsabsorbierende Schicht aufweist und einem Hüllrohr, welches das Metallrohr umgibt. Das Hüllrohr besteht aus einem Material, welches im Spektralbereich der Solarstrahlung transparent ist, vorzugsweise aus Glas. Der zwischen Metallrohr und Hüllrohr gebildete Ringraum ist in der Regel evakuiert und dient dazu, die Wärmeverluste an der äußeren Oberfläche des Metallrohres zu minimieren und so den Energieeintrag zu steigern. Derartige Absorberrohre sind beispielsweise aus der DE 102 31 467 B4 bekannt.
Aus der DE 101 33 479 C1 ist es bekannt, eine Kennzeichnung auf dem Metallrohr eines Absorberrohrs mittels eines Laserstrahls aufzubringen. Hierbei durchdringt der Laserstrahl das Hüllrohr und trifft auf das Metallrohr auf, das an der Außenseite eine Beschichtung aufweist. Durch die Bestrahlung mittels des Laserstrahls wird die Beschichtung nur geringfügig abgetragen. Das Rohrsubstrat und die für den Emissionsschutz verantwortliche unterste Schicht bleiben dabei vollständig erhalten.
Das als Wärmeträgermedium verwendete Thermoöl setzt mit zunehmender Alterung freien Wasserstoff frei, der im Thermoöl gelöst ist. Die Menge des gelösten Wasserstoffes hängt zum einen vom verwendeten Thermoöl und den Betriebsbedingungen des Ölkreislaufs, zum anderen aber auch von der Menge Wasser, welches mit dem Thermoöl in Berührung kommt, ab. Insbesondere durch Leckagen in Wärmetauschern kann eine Berührung mit Wasser häufiger vorkommen. Der freigewordene Wasserstoff gelangt infolge von Permeation durch das Metallrohr hindurch in den evakuierten Ringraum, wobei die Permeationsrate mit steigender Betriebstemperatur des Metallrohres ebenfalls zunimmt. Als Folge davon steigt auch der Druck im Ringraum, was eine Erhöhung der Wärmeleitung durch den Ringraum zur Folge hat, die wiederum zu Wärmeverlusten und zu einem geringeren Wirkungsgrad des Absorberrohres bzw. des Sonnenkollektors führt.
Um den Druckanstieg im Ringraum zumindest zu reduzieren und damit die Lebensdauer des Absorberrohres zu verlängern, kann der in den Ringraum gelangte Wasserstoff durch Gettermaterialien gebunden werden. Absorberrohre, welche im Ringraum mit Gettermaterialien versehen sind, sind beispielsweise aus der WO 2004/063640 A1 bekannt. Die Aufnahmekapazität der Gettermaterialien ist aber begrenzt. Nach Erreichen der maximalen Beladungskapazität steigt der Druck im Ringraum solange an, bis dass er im Gleichgewicht mit dem Partialdruck des freien, aus dem Thermoöl in den Ringraum gelangten Wasserstoffes ist. Durch den Wasserstoff entsteht eine erhöhte Wärmeleitung im Ringraum mit den oben genannten nachteiligen Folgen für den Wirkungsgrad des Sonnenkollektors.
Aus der DE 10 2005 057 276 B3 ist ein Absorberrohr bekannt, bei dem Edelgas in den Ringraum eingeleitet wird, wenn die Kapazität des Gettermaterials erschöpft ist.
Das Edelgas befindet sich in einem mit Lot verschlossenen Behälter, der zu gegebener Zeit von außen geöffnet wird. Im Ringspalt bildet sich dadurch ein H2/Edelgasgemisch, dessen Wärmeleitfähigkeit nur geringfügig höher im Vergleich zum evakuierten Zustand ist. Die Unterbringung des Behälters im Vakuumraum des Absorberrohrs erfordert eine berührungslose Öffnung von außen. Diese kann durch Wärmeeintrag über das Erschmelzen eines Lotes geschehen. Die andere Möglichkeit besteht darin, induktiv oder über das Erhitzen eines Zwischenrings in dessen Nähe der Behälter angebracht ist, den Behälter zu öffnen. Der Nachteil dieser Öffnungsmethode besteht darin, dass der Wärmeeintrag nicht in ausreichendem Maße gezielt auf den Lotverschluss des Behälters gerichtet werden kann, sondern alle Bauteile in der Nähe des Behälters mit erwärmt. Insbesondere wenn das Hüllrohr aus Glas besteht, ist die Verbindungsstelle von Glas und metallischen Bauteilen (Glasmetallverbindung) gefährdet.
Die Position des Behälters im Hüllrohr hat grundsätzlich den Nachteil, dass der Behälter durch die Einstrahlung erhitzt wird und der Lotverschluss sich ungewollt öffnen kann. Weitere Nachteile sind in der Versprödung des Lotes durch Wasserstoffaufnahme zu sehen. Außerdem macht die komplizierte Geometrie des Behälters die Herstellung der mit Lot verschlossenen Öffnung den gesamten Behälter teuer.
Aus der DE 27 11 889 A1 geht ein Verfahren zum Ausheben von Kanälen und Löchern in Werkstücken hervor, wobei pro Bohrloch mehrere hundert Einzelpulse zur Anwendung kommen und zwischen der Probe und einem Objektiv ein Auffänger vorgesehen ist, um den von der Probe abgetragenen Werkstoff aufzufangen. Das Verfahren findet z. B. Anwendung in der Spaltprodukt- und Kontaminationsanalyse.
Die DE 695 13 044 T2 offenbart ein Verfahren zur Bildung einer Abgabeöffnung bei einem Spender für ein Agens, wobei mittels eines Laserbohrverfahrens die Wand des Spenders durchbrannt wird, um das Agens dadurch freizusetzen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Einleiten von Schutzgasen in ein Absorberrohr bereitzustellen, das die Nachteile des Stands der Technik vermeidet.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird mittels eines Laserbohrverfahrens ausgeführt. Laserbohren ist ein nicht spanendes Bearbeitungsverfahren, bei dem mittels Laser lokal so viel Energie in das Werkstück eingebracht wird, dass der Werkstoff aufschmilzt und verdampft.
Das Verfahren hat den Vorteil, dass der Behälter berührungsfrei von außen geöffnet werden kann, ohne dass andere Komponenten des Absorberrohrs erhitzt und somit beschädigt werden. Der Laserstrahl wird gezielt auf den Behälter gerichtet, der an einer beliebigen Stelle im Ringraum angeordnet sein kann. Es ist nicht erforderlich, den Behälter beispielsweise vor Sonneneinstrahlung zu schützen, da der Behälter vollständig geschlossen ist und keine vorbereitete Öffnung aufweist, die mit einem wärmeempfindlichen Material verschlossen ist, wie dies beispielsweise bei einem Lotverschluss der Fall ist.
Bei entsprechender Laserleistung kann der Behälter in sehr kurzer Zeit geöffnet werden.
Das Material des Behälters wird beim Laserbeschuss entgegen des eintreffenden Strahls verdampft bzw. ausgeworfen und schlägt sich im Ringraum des Absorberrohrs nieder. Hierbei kann sich das Material u. U. auch an der Innenseite des Hüllrohrs niederschlagen. Durch den noch andauernden Laserbeschuss erhitzt sich der Niederschlag und damit auch das Hüllrohr. Durch diese Wärmeeinwirkung können mechanische Spannungen im Hüllrohr entstehen, welche das Hüllrohr schädigen können.
Es ist deshalb vorzugsweise vorgesehen, das verdampfte und ausgeworfene Material des Behälters aufzufangen, bevor es sich an der Innenseite des Hüllrohrs niederschlagen kann. Da das Material entgegen des eintreffenden Laserstrahls ausgeworfen wird, ist es von Vorteil, wenn das ausgeworfene Material von einem optischen Element aufgefangen wird, das der eintreffende Laserstrahl ungehindert durchdringen kann.
Im Ringraum ist vorzugsweise benachbart zum Behälter ein optisches Element angeordnet, was den Vorteil hat, dass das Material des Behälters, das beim Laserbeschuss entgegen des eintreffenden Strahls in Richtung des Hüllrohres verdampft bzw. ausgeworfen wird, sich an diesem optischen Element niederschlägt. Es wird dadurch verhindert, dass sich dieser Niederschlag am Hüllrohr ausbildet.
Das optische Element kann am Metallrohr, am Hüllrohr, an einem das Metallrohr und das Hüllrohr verbindenden Element oder am Behälter angeordnet sein.
Das optische Element ist vorzugsweise im Bereich zwischen dem Behälter und dem Hüllrohr angeordnet. Ein solches optisches Element kann eine Glasplatte, insbesondere eine planare Glasplatte, sein. Diese Glasscheibe fängt das Behältermaterial auf und schützt so das Hüllrohr.
Das Laserbohren kann beispielsweise mit Laserpulsen durchgeführt werden. Ein kurzer Laserpuls mit hoher Leistungsdichte bringt beim Laserbohren die Energie in sehr kurzer Zeit in das Werkstück ein. Dadurch schmilzt und verdampft das Material. Je größer die Pulsenergie ist, desto mehr Material schmilzt und verdampft. Beim Verdampfen vergrößert sich das Materialvolumen im Bohrloch schlagartig und ein hoher Druck entsteht. Dieser Dampfdruck treibt das aufgeschmolzene Material aus dem Bohrloch.
Eine Besonderheit stellt die Laserbearbeitung mit Ultrakurzpulslasern, im Pikosekundenbereich dar. Dabei wird das Material durch Sublimation direkt ohne Materialaufschmelzung aus dem festen Zustand verdampft. Der Behälter selbst wird hierbei nur geringfügig erwärmt.
Vorzugsweise wird das Einzelpulsbohren oder das Perkussionsbohren verwendet. Im einfachsten Fall erzeugt ein einzelner Laserpuls mit vergleichsweise hoher Pulsenergie und relativ langer Pulsdauer die Bohrung. Auf diese Weise lassen sich sehr schnell viele Löcher erzeugen. Beim Perkussionsbohren entsteht die Bohrung durch mehrere Laserpulse mit geringerer Pulsdauer und Pulsenergie. Dieses Bohrverfahren liefert tiefere und präzisere Löcher, als das Einzelpulsbohren. Perkussionsbohren ermöglicht außerdem kleinere Lochdurchmesser.
Vorzugsweise wird ein diodengepumpter oder blitzlampengepumpter Pulslaser verwendet. Pulslaser haben den Vorteil, dass sie hohe Spitzenintensitäten aufweisen, was das Öffnungsverfahren verkürzt.
Vorzugsweise werden zum Öffnen maximal fünf Pulse, insbesondere maximal 3 Pulse und besonders bevorzugt ein Puls eingesetzt. Vorzugsweise werden Laserpulse mit einer Pulsdauer im Bereich von 2 ms bis 15 ms eingesetzt. Bevorzugte Pulsdauern liegen bei 2 bis 10 ms, insbesondere bei 3 bis 6 ms.
Die Leistung des Lasers wird vorzugsweise auf 2 kW bis 12 kW, insbesondere auf 6 kW bis 10 kW eingestellt. Bevorzugte Wellenlängen des Laserstrahls liegen bei 400 bis 1500 nm.
Vorzugsweise werden Behälter aus Stahl eingesetzt. Nach EN 100 20 ist Stahl ein Werkstoff, dessen Massenanteil an Eisen größer ist als der jedes anderen Elementes, dessen Kohlenstoffgehalt im Allgemeinen < 2% ist und der andere Elemente enthält. Stahl ist korrosionsresistent, gasundurchlässig und mechanisch stabil und somit als Schutzgasbehälter im besonderen Maße geeignet.
Der Schmelzpunkt kann in einem großen Bereich bis ca. 1500°C eingestellt werden. Es ist daher möglich, den Schmelzpunkt des Behältermaterials einschließlich der Wanddicke des Behälters und die Laserparameter zum Öffnen des Behälters in optimaler Weise aufeinander einzustellen.
Die Wandstärke des Behälters liegt vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 1 mm, vorzugsweise bei 0,6 bis 0,8 mm.
Vorzugsweise wird ein Laserstrahl eingesetzt, dessen Durchmesser im Auftreffpunkt auf den Behälter 200 bis 500 μm, vorzugsweise 300 bis 500 μm beträgt.
Der Behälter ist mit einem Schutzgas, z. B. einem Edelgas mit geringer Wärmeleitfähigkeit gefüllt. Es sind insbesondere Xenon oder Krypton bevorzugt.
Das Verfahren sieht weiterhin vor, dass die Hüllrohrtemperatur kontinuierlich gemessen wird. Wenn diese Hüllrohrtemperatur über einen vorgegebenen Temperaturwert ansteigt, was ein Zeichen für erhöhte Wärmeverluste im Absorberrohr ist, ist es erforderlich, den Behälter zu öffnen. Die Hüllrohrtemperatur wird beispielsweise mit einem Thermoelement, einem Widerstandsthermometer oder einem Pyrometer gemessen und ein entsprechendes Signal wird in einer Überwachungseinrichtung angezeigt. Es ist auch möglich, von Zeit zu Zeit die Hüllrohrtemperatur vor Ort zu messen. Die Kontrolle der Wärmeleitfähigkeit des Ringraumes aufgrund der Temperatur des Hüllrohres ist im Prinzip aus der DE 10 2009 047 548 A1 bekannt.
Wenn erhöhte Wärmeverluste festgestellt werden, wird der Behälter vorzugsweise mit einem mobilen Laser geöffnet. Die Beurteilung, ob der Behälter offen ist oder nicht, kann wiederum anhand der Hüllrohrtemperatur beurteilt werden, die nach dem Laserbohrverfahren weiterhin gemessen wird. Wenn die Hüllrohrtemperatur absinkt, kann davon ausgegangen werden, dass der Behälter ordnungsgemäß geöffnet worden ist.
Beispielhafte Ausführungsformen werden anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 einen Schnitt durch ein Ende eines Absorberrohrs, und
2 ein Querschnitt durch ein Absorberrohr gemäß einer weiteren Ausführungsform.
In der 1 ist ein Ende eines Absorberrohrs 1 im Schnitt schematisch dargestellt. Das Absorberrohr 1 weist ein Metallrohr 10 auf, das von Wärmetauscherflüssigkeit durchströmt wird und wie eingangs beschrieben worden ist, strahlungsabsorbierende Schichten aufweist.
Dieses Metallrohr 10 ist konzentrisch in einem Hüllrohr 20 angeordnet, das aus einem für Solarstrahlung transparenten Material, vorzugsweise aus Glas besteht. Zwischen dem Metallrohr 10 und dem Hüllrohr 20 wird ein Ringraum 5 ausgebildet, der evakuiert ist.
Am freien stirnseitigen Ende des Hüllrohres 20 ist ein Übergangselement 22 befestigt, das einen radial nach innen weisenden Bund 23 aufweist. In dem zwischen Hüllrohr 20 und Metallrohr 10 gebildeten Ringraum 5 ist eine Dehnungsausgleichseinrichtung 24 in Form eines Faltenbalgs 25 angeordnet, der mit seinem äußeren Ende 26 an dem Bund 23 des Übergangselementes 22 befestigt ist.
Der Faltenbalg 25 erstreckt sich unterhalb des Übergangselementes 22 in den Ringraum 5 und ist am gegenüberliegenden Ende an einem Anschlusselement 27 befestigt, das zu diesem Zweck eine Ringscheibe 28 aufweist. An dieser Ringscheibe 28 ist ein Behälter 30 mit Schutzgas angeordnet, der entsprechend der Ringscheibe 28 gebogen ausgeführt ist und sich über einen Halbkreis erstreckt.
Ein Laserstrahl 50, der senkrecht von oben auf das Hüllrohr 20 auftrifft, durchdringt das Hüllrohr 20 und gelangt anschließend auf den Behälter 30.
Beim Bohrprozess wird Material des Behälters 30 freigesetzt und der Behälter geöffnet. Nach dem Laserbohren strömt das Schutzgas aus dem Behälter in den Ringraum 5.
In der 2 ist ein Querschnitt durch ein Absorberrohr 1 mit Metallrohr 10 und Hüllrohr 20 dargestellt, wobei im Bereich zwischen dem Behälter 30 und dem Hüllrohr 20 ein optisches Element 40 in Form einer planaren Glasplatte 42 angeordnet ist. Beim Bohrprozess wird Material des Behälters 30 freigesetzt, das sich an der Unterseite der planaren Glasplatte 42 niederschlägt.
Es wird somit verhindert, dass das Behältermaterial sich an dem Hüllrohr 20 niederschlägt. Die Haltemittel für den rohrförmigen Behälter 30 und für das optische Element 20 sind nicht eingezeichnet. Die entsprechenden Haltemittel können am Metallrohr 10, am Hüllrohr 20 oder an einem das Metallrohr und das Hüllrohr verbindenden Element angebracht sein.
Beispiel:
Es wird ein Absorberrohr mit folgender Spezifikation verwendet:
Durchmesser des Metallrohres: 70 mm,
Hüllrohr aus beschichtetem Borosilikat – Glas mit einer solaren Transmission von mehr als 96%, Durchmesser des Hüllrohres: 125 mm,
Wandstärke des Hüllrohres: 3 mm.
Derartige Absorberrohre werden von der Anmelderin unter der Bezeichnung SCHOTT PTR 70 Receiver vertrieben.
Im Ringraum befindet sich ein Behälter aus Stahl mit einer Wandstärke von 0,7 mm. Es kommt beispielsweise ein lampengepumpter gepulster Neodym:YAG. Laser mit einer Wellenlänge von 1064 nm zum Einsatz. Die Laserleistung beträgt beispielsweise 8 kW. Alternativ können andere Festkörperlaser wie Scheibenlaser, Faserlaser oder Diodenlaser eingesetzt werden, sofern sie Strahlung mit ausreichender Leistung im geeigneten Wellenlängenbereich aussenden.
Der Laserstrahl wird senkrecht auf das Hüllrohr gerichtet, durchdringt das Hüllrohr und gegebenenfalls das optische Element und trifft senkrecht auf die Wand des Behälters auf.
Es wird mit einem einzelnen Laserpuls gearbeitet. Die Pulslänge beträgt beispielsweise 5 ms.
Nach einem Laserpuls ist der Behälter geöffnet und das Schutzgas tritt in den Ringraum aus.
Es hat sich gezeigt, dass mit Pulszeiten zwischen 2 ms und 15 ms der Behälter geöffnet werden konnte, ohne dass sich ein unnötig großer Materialabtrag am Hüllrohr niederschlägt.
Mit Laserleistungen zwischen 1 kW und 12 kW konnte der Behälter ohne einen zu großen Materialabtrag geöffnet werden. Das Hüllrohr hatte durch diese Bestrahlung seine kritische Belastungsgrenze noch nicht erreicht.
Bezugszeichenliste

1: Absorberrohr
5: Ringraum
10: Metallrohr
20: Hüllrohr
22: Übergangselement
23: Bund
24: Dehnungsausgleicheinrichtung
25: Faltenbalg
26: äußeres Ende
27: Anschlusselement
28: Ringscheibe
30: Behälter
40: Optisches Element
42: Planare Glasplatte
50: Laserstrahl

Claims

Verfahren zum Einleiten von Schutzgas, das sich in einem Behälter befindet, der im evakuierten Ringraum eines Absorberrohres zwischen dessen außenliegendem Hüllrohr und dessen innenliegendem Metallrohr angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter mittels eines Laserbohrverfahrens geöffnet wird, wobei ein Laserstrahl eines Lasers von außen durch das Hüllrohr auf den Behälter gelenkt wird und der Behälter so lange bestrahlt wird, bis sich im Behälter eine Öffnung bildet und das Schutzgas freigegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das durch den Laserstrahl verdampfte und ausgeworfene Material des Behälters aufgefangen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material von mindestens einem benachbart zum Behälter angeordneten optischen Element aufgefangen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserbohrverfahren ein Einzelpulsbohrverfahren oder ein Perkussionsbohrverfahren ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein diodengepumpter oder ein blitzlampengepumpter Pulslaser verwendet, wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung des Lasers beim Laserbohren 2 kW bis 12 kW beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge des Laserstrahls 400 nm bis 1500 nm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Laserpulse mit einer Pulsdauer von 2 ms bis 15 ms eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laserstrahl eingesetzt wird, dessen Durchmesser im Auftreffpunkt auf den Behälter 200–500 μm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Hüllrohres gemessen wird und dass bei Überschreiten einer vorgegebenen Temperatur der Behälter geöffnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Behälter aus Stahl verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Behälter mit einer Wandstärke von 0,5 bis 1 mm verwendet wird.