DE102012206201A1

DE102012206201A1 - Bauteil, enthaltend eine Glas-Metall-Verbindung

Info

Publication number: DE102012206201A1
Application number: DE201210206201
Authority: DE
Inventors: Andreas Boehm; Lambert Frye; Jürgen Gallina; Annette Goss; Roland Hüttinger
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2012-04-16
Filing date: 2012-04-16
Publication date: 2013-10-17

Abstract

Ein Bauteil für Vakuumröhren-Kollektoren weist ein erstes Teil aus Glas und ein zweites Teil aus Metall auf, wobei die Zusammensetzung des Materials des ersten Teils folgendermaßen ist:B2O3 0–3 Gew.-% Al2O3 1–4 Gew.-% Na2O 8–16 Gew.-% K2O 1–9 Gew.-% CaO 0–5 Gew.-% MgO 0–5 Gew.-% BaO 0–2 Gew.-% SrO 0–4 Gew.-% SiO2 Rest mit de r zusätzlichen Bedingung Fe < 400 ppm, wobei Glas und Metall sich im thermische Ausdehnungskoeffizient um nicht mehr als 10% unterscheiden.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einem Bauteil mit Glas-Metall-Verbindung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Es handelt sich dabei um ein Bauteil für solarthermische Zwecke. Die Erfindung bezieht sich auch auf die Verwendung eines Glases für Glas-Metall-Verbindungen.
Stand der Technik
Die DE 10 2004 008 559 offenbart die Verwendung eines Glases für Glas-Metall-Verbindungen.
Darstellung der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Bauteil mit Glas-Metall-Verbindung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, das sich sehr gut für solarthermische Zwecke eignet. Eine weitere Aufgabe ist es, ein Glas für eine angepasste Glas-Metall-Verbindung zu finden.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Glas-Metall-Verbindungen werden beispielsweise bei Vakuum-Röhrenkollektoren eingesetzt. Zur thermischen Isolation zwischen dem aus Metall bestehenden Absorberrohr und dem aus Glas bestehenden Hüllrohr ist ein vakuumdichter Glasmetallverbund erforderlich.

Diese Aufgabe wird durch die Verwendung eines Glases, das folgende Zusammensetzung aufweist:

B2O3	0–3 Gew.-%
Al2O3	1–4 Gew.-%
Na2O	8–16 Gew.-%
K2O	1–9 Gew.-
CaO	0–5 Gew.-
MgO	0–5 Gew.-%
BaO	0–2 Gew.-%
SrO	0–4 Gew.-%
SiO2	Rest
mit der zusätzlichen Bedingung
Fe	< 400 ppm

für ein Glasrohr mit in einem Vakuumröhrenkollektor mit einer Glas-Metall-Verbindung gelöst.

Die Verwendung dieser Glassorte zur Herstellung von Glasrohren für die Solarthermie und insbesondere für Solarkraftwerke, die dafür einen Durchmesser von mehr als 120 mm aufweisen müssen, und für die Verwendung von Glas-Metall-Verbindungen wurde bisher nicht in Betracht gezogen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass bisher nicht erkannt wurde, dass diese Glassorte mehrere Eigenschaften vereint, so dass sie für die Verwendung in Vakuumröhrenkollektoren geeignet ist.
Das Glas besitzt einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von α(200–300°C) im Bereich 9 bis 10 × 10^–6 K^–1, der nur um etwa 10% von den thermischen Ausdehnungskoeffizienten gängiger Metalle abweicht. Es wird mit einem Metall mit annähernd gleichem thermische Ausdehnungskoeffizienten kombiniert.
Ferner besitzt das Glas einen geringen Eisengehalt unter 400 ppm, was für Hüllrohre in Vakuumröhrenkollektoren besonders wichtig ist. Diese vorteilhaften Eigenschaften machen die Verwendung von Übergangsgläsern überflüssig, so dass ein industriell automatisierbarer Herstellungsprozess möglich ist.
Eine bevorzugte Zusammensetzung dieses Glases ist:

B2O3 1 Gew.-%

Al2O3 3 Gew.-%

Na2O 15 Gew.-%

K2O 2,5 Gew.-%

CaO 3 Gew.-%

MgO 2 Gew.-%

BaO 1 Gew.-%

SrO 2 Gew.-%

SiO2 Rest

mit Fe < 400 ppm.
Vorzugsweise besitzt dieses Glas einen Anteil von Fe < 150 ppm.
Der thermische Ausdehnungskoeffizient dieses Glases ist 9,5 × 10^–6 K^–1.
Der Eisenanteil kommt durch die natürlichen Verunreinigungen der Rohstoffe, insbesondere der SiO2- und der Al2O3-Komponente zustande. Durch die Verwendung speziell ausgesuchter Ausgangsmaterialien kann der Eisengehalt deutlich reduziert werden, so dass die Eignung für Hüllrohre in Vakuumröhrenkollektoren noch gesteigert werden kann.
Eine bevorzugte Verwendung sieht vor, dass das Metall der Glas-Metall-Verbindungen ein Metallwerkstoff der Gruppe Nr. 2.4486 der DIN 17745 ist. Dieser Werkstoff besitzt folgende Zusammensetzung (in Gew.-%):

– > 46 Gew.-% Ni;
– 5,5 bis 6,5 Gew.-% Cr;
– < 1 Gew.-% Mn;
– < 0,3 Gew.-% Si;
– < 0,05 Gew.-% C;
– der Rest ist Fe.

Es hat sich gezeigt, dass diese Metalle bis zu einer Temperaturbelastung von 300 °C einen Ausdehnungskoeffizienten von mehr als 9 × 10^–6 K^–1 aufweisen und mit dem zur Erfindung gehörigen Glas eine besonders dauerhafte Verbindung eingehen.
Bevorzugt weist das Metallteil im Einschmelzbereich eine Dicke von mindestens 0,5 bis 1 mm auf. Auch diese Maßnahme trägt zu einem stabilen Glas-Metall-Verbund bei, so dass auch bei hohen mechanischen Belastungen eine lange Lebensdauer garantiert werden kann.
Wesentliche Merkmale der Erfindung in Form einer numerierten Aufzählung von Vorschlägen sind:

1. Bauteil, enthaltend ein erstes Teil aus Glas und ein zweites Teil aus Metall sowie eine Glas-Metall-Verbindung, wobei das Glas die folgende Zusammensetzung aufweist:

B2O3	0–3 Gew.-%
Al2O3	1–4 Gew.-%
Na2O	8–16 Gew.-%
K2O	1–9 Gew.-%
CaO	0–5 Gew.-%
MgO	0–5 Gew.-%
BaO	0–2 Gew.-%
SrO	0–4 Gew.-%
SiO2	Rest
mit der zusätzlichen Bedingung
Fe	< 400 ppm,

2. Bauteil nach Vorschlag 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Teil aus Glas ein Glasrohr ist.
3. Bauteil nach Vorschlag 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Teil aus Metall ein metallisches Rohr ist.
4. Bauteil nach Vorschlag 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung des Glases folgendermaßen ist:

B2O3	0–2 Gew.-%
Al2O3	2,5–3,5 Gew.-%
Na2O	14–16 Gew.-%
K2O	2–3 Gew.-%
CaO	2–4 Gew.-%
MgO	1–3 Gew.-%
BaO	0,5–1,5 Gew.-%
SrO	1–3 Gew.-%
SiO2	Rest

5. Bauteil nach Vorschlag 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Fe < 150 ppm ist.
6. Bauteil nach Vorschlag 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Teil aus Metall aus einem Werkstoff, ausgewählt aus Nr. 2.4486 der DIN 17745 besteht.
7. Bauteil nach Vorschlag 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Teil folgende Zusammensetzung aufweist: – > 46 Gew.-% Ni; – 5,5 bis 6,5 Gew.-% Cr; – < 1 Gew.-% Mn; – < 0,3 Gew.-% Si; – < 0,05 Gew.-% C; – der Rest ist Fe.
8. Bauteil nach Vorschlag 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Teil rohrförmig ist und sein Durchmesser in einem Bereich liegt, der mit der Wandstärke des Glasrohrs überlappt, wobei das zweite Teil über eine gegebene Länge in das erste Teil eingeschmolzen ist, wobei das zweite Teil im Bereich der Einschmelzung eine Wandstärke von mindestens 0,8 mm hat.
9. Bauteil nach Vorschlag 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke des Glasrohrs im Bereich der Einschmelzung höchstens 3,5 mm, bevorzugt höchstens 3 mm, beträgt.
10. Vakuumröhren-Solarkollektor mit einem Bauteil nach einem der vorhergehenden Vorschläge.

Figuren
Im folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:
1 ein Bauteil mit erstem Teil aus Glas und zweitem Teil aus Metall;
2 einen Sonnenergie-Kollektor mit derartigem Bauteil.
Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein Bauteil 1, mit einem Glasrohr 2 und einem metallischen Rohr 3, wobei das metallische Rohr über eine Länge x in das Glasrohr 2 an einem Ende des Glasrohrs eingeschmolzen ist. Somit umfasst das Bauteil 1 auch eine Glas-Metall-Verbindung 4 aus einem Glasrohr 1 und einem Metallrohr 2. Das Metallrohr hat eine Wandstärke D von 0,8 bis 1 mm.
Der Rand des Metallrohres 3 ist ohne Materialverringerung mit der Wandstärke D, z.B. D = 0,8 mm, unmittelbar, d.h. ohne Zwischengläser, in das Glasrohr 2 eingeschmolzen. Die Wandstärke W des Glasrohrs ist typisch 3 bis 3,5 mm. Der Einschmelzbereich hat hier eine Länge X von 3 mm. X liegt generell bevorzugt in einem Bereich von 2,5 bis 4 mm.
Eine bevorzugte Zusammensetzung des ersten Teils ist:

B2O3 1 Gew.-%;

Al2O3 3 Gew.-%;

Na2O 15 Gew.-%;

K2O 2,5 Gew.-%;

CaO 3 Gew.-%;

MgO 2 Gew.-%;

BaO 1 Gew.-%;

SrO 2 Gew.-%;

SiO2 Rest.
Der Anteil des Fe ist dabei < 150 ppm.
2 zeigt eine Anwendung des Bauteils bei einem Sonnenenergie-Kollektor 10. Er sitzt im Fokus eines parabolischen Rinnenreflektors 12 und ist über ein Gestell 11 gehaltert. Einfallende Sonnenstrahlung wird vom Rinnenreflektor 12 auf den Sonnenergie-Kollektor 10 geleitet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102004008559 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 17745 [0014]
DIN 17745 [0017]

Claims

Bauteil, enthaltend ein erstes Teil aus Glas und ein zweites Teil aus Metall sowie eine Glas-Metall-Verbindung, wobei das Glas die folgende Zusammensetzung aufweist: B2O3 0–3 Gew.-% Al2O3 1–4 Gew.-% Na2O 8–16 Gew.-% K2O 1–9 Gew.-% CaO 0–5 Gew.-% MgO 0–5 Gew.-% BaO 0–2 Gew.-% SrO 0–4 Gew.-% SiO2 Rest mit der zusätzlichen Bedingung Fe < 400 ppm,

wobei Glas und Metall sich im thermische Ausdehnungskoeffizient um nicht mehr als 10% unterscheiden.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Teil aus Glas ein Glasrohr ist.
Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Teil aus Metall ein metallisches Rohr ist.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung des Glases folgendermaßen ist: B2O3 0–2 Gew.-% Al2O3 2,5–3,5 Gew.-% Na2O 14–16 Gew.-% K2O 2–3 Gew.-% CaO 2–4 Gew.-% MgO 1–3 Gew.-% BaO 0,5–1,5 Gew.-% SrO 1–3 Gew.-% SiO2 Rest
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Fe < 150 ppm ist.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Teil aus Metall aus einem Werkstoff, ausgewählt aus Nr. 2.4486 der DIN 17745 besteht.
Bauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Teil folgende Zusammensetzung aufweist: – > 46 Gew.-% Ni; – 5,5 bis 6,5 Gew.-% Cr; – < 1 Gew.-% Mn; – < 0,3 Gew.-% Si; – < 0,05 Gew.-% C; – der Rest ist Fe.
Bauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Teil rohrförmig ist und sein Durchmesser in einem Bereich liegt, der mit der Wandstärke des Glasrohrs überlappt, wobei das zweite Teil über eine gegebene Länge in das erste Teil eingeschmolzen ist, wobei das zweite Teil im Bereich der Einschmelzung eine Wandstärke von mindestens 0,8 mm hat.
Bauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke des Glasrohrs im Bereich der Einschmelzung höchstens 3,5 mm, bevorzugt höchstens 3 mm, beträgt.
Vakuumröhren-Solarkollektor mit einem Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche.