DE202005014828U1 - Glass-metal connection for a vacuum solar collector tube comprises a metal connecting part which is connected vacuum-tight to a heat removal tube supporting an absorber plate by welding, soldering or other method - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Vakuum-Solarkollektor-Rohr, bei dem die Absorberfläche direkt mit einem Wärmeausleitrohr verbunden ist, das dem Transport der erzeugten Wärme durch die fortführende Flüssigkeit dient, und die besagte Absorberfläche und das Ausleitungsrohr sich in einem evakuierten Hüllrohr aus einem Kalk-Natron-Glas mit einem Ausdehnungskoeffizienten von etwa 9,8 E-6 / K befinden, wobei ein Ende des Hüllrohres mit einem eingeschmolzenen Glasteil während das andere Ende mit der Glas-Metallverbindung vakuumdicht verschlossen ist, wobei das Wärmeausleitrohr durch die Glas-Metall-Verbindung stößt und mit dieser vakuumdicht verbunden ist und auch der Rand der Glas-Metall-Verbindung direkt mit dem Hüllrohr vakuumdicht verbunden ist.The The invention relates to a vacuum solar collector tube in which the absorber surface directly with a heat exhaust pipe connected, which serves to transport the heat generated by the continuing liquid, and said absorber surface and the discharge tube is in an evacuated envelope a soda-lime glass with a coefficient of expansion of about 9.8 E-6 / K are located, with one end of the cladding with a melted Glass part during the other end with the glass-metal compound sealed vacuum-tight is, with the heat exhaust pipe through the glass-metal connection abuts and with this vacuum-tight is connected and also the edge of the glass-metal connection directly with the cladding tube is connected vacuum-tight.
Stand der TechnikState of technology
Bekannt sind nach „Werkstoffkunde der Hochvakuumtechnik", Berlin, Verlag Julius Springer, 1936 Glas-Metall-Verbindungen für Gläser mit sehr geringem Ausdehnungskoeffizienten, wie Quartz- oder Borosilikatgläser, Metalleinschmelzungen mit Zwischengläsern. An ein solches Glasrohr wird eine Reihe von Zwischengläsern mit jeweils zunehmenden Ausdehnungskoeffizienten angeschmolzen, bis das Metall unmittelbar angeschmolzen werden kann.Known are after "material science the high vacuum technique ", Berlin, publishing house Julius Springer, 1936 glass-metal connections for glasses with very low coefficient of expansion, such as quartz or borosilicate glasses, metal smelting with intermediate glasses. At such a glass tube is a series of intermediate glasses with each increasing coefficient of expansion melted until the metal can be melted directly.
Nachteilig bei dieser Lösung sind die Kompliziertheit und die sehr hohen Aufwendungen für das Anschmelzen des Zwischenglases bzw. der Zwischengläser (Schachtelhalm), da ein solches Verfahren praktisch nicht automatisierungsfähig ist.adversely in this solution are the complexity and the very high costs for the meltdown of the intermediate glass or the intermediate glasses (horsetail), as a such method is practically not capable of automation.
Bekannt ist auch das USA-Patent US 2005/0181925A1 vom 18. August 2005, bei dem das Ziel darin besteht, eine automatische Produktionstechnologie zu ermöglichen. Bei diesem Schutzrecht wird für zwei verschiedene Borosilikatgläser eine im Ausdehnungskoeffizienten entsprechende Metalllegierung angegeben, die einen Ausdehnungskoeffizienten von 5 E-6 / K aufweist und mit der eine Rohranschmelzung möglich ist, wobei das Glasrohr mit einem Metallrohr vakuumdicht verschmolzen wird indem das dünnwandige Metallrohr in den Rand des dickwandigen Glasrohres eintaucht.Known is also the US patent US 2005 / 0181925A1 of 18 August 2005, at the goal is an automatic production technology to enable. This patent right is for two different borosilicate glasses a corresponding in the expansion coefficient metal alloy specified, the has an expansion coefficient of 5 E-6 / K and with the a Rohranschmelzung possible is, wherein the glass tube fused with a metal tube vacuum-tight is by the thin-walled Metal tube immersed in the edge of the thick-walled glass tube.
Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass sie nicht für Kalk-Natron-Gläser geeignet ist und dass die Herstellung der Glas-Metall-Verbindung ein mehrstufiger Prozess ist, da das Metallrohr seinerseits über ein Verbindungsstück mit dem Wärmeausleitrohr vakuumdichtverbunden werden muss.adversely in this solution is that she is not for Soda-lime glasses is suitable and that the production of the glass-metal compound is a multi-step process, since the metal tube in turn on a joint with the heat exhaust pipe must be vacuum-sealed.
Bekannt sind nach „Technologie der Glasverschmelzungen" Leipzig 1961, Akademische Verlagsgesellschaft Geest & Portig KG so genannte Rohranschmelzungen von Metallrohren an Glasrohren. Gemeinsam ist diesen Rohranschmelzungen, dass das Metallrohr in den erhitzten Glasrand eintaucht bzw. einseitig angeschmolzen wird. Besteht eine größere Differenz in den Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Metall und dem Glas ist das Metall schneidenförmig auszuformen. Dicke der Metallschneide, Steigung der Schneide und Breite der Anschmelzungen hängen vom Durchmesser des vakuumdicht anzuschmelzenden Metallrohrs ab und sind in oben genannter Schrift für Kupferrohre angegeben.Known are after "technology the glass fusions "Leipzig 1961, Akademische Verlagsgesellschaft Geest & Portig KG so-called Rohranschmelzungen from metal pipes to glass pipes. Common to these pipe fusions, that the metal tube dips into the heated glass edge or on one side is melted. There is a larger difference in the expansion coefficient between the metal and the glass, the metal is cut-shaped. Thickness of the metal cutting edge, slope of the cutting edge and width of the welds hang from the diameter of the vacuum-tight to be melted metal tube and are in the above-mentioned font for Copper pipes indicated.
Nachteilig bei der angegebenen Lösung ist die vergleichsweise aufwendige Schneidenvorbereitung und dass das axiale Eintauchen der Schneide für viele Glas-Metall-Verbindungen technologisch ungünstig ist, da es bei größeren Rohrdurchmessern nur unter höchsten Aufwendungen beherrscht wird und deshalb üblicherweise ein Glasteil, das die Durchmesser ausgleicht, zwischengeschaltet wird.adversely at the specified solution is the comparatively expensive cutting preparation and that the axial immersion of the cutting edge for many glass-to-metal joints technologically unfavorable is because of larger pipe diameters only below highest Expenses is controlled and therefore usually a glass part, which balances the diameter, is interposed.
Bekannt ist nach USA-Patent Nr. 4,231,353 vom 4. November 1980 ein das Hüllrohr umfassender rotationssymmetrischer Deckel, der so ausgeformt ist, dass das Hüllrohr in eine eingeprägte Rinne am äußern Rand eingreift, die mit einem anfänglich flüssigem Material, üblicherweise Bleiglaspulver, dass in der Rinne zum Schmelzen gebracht wird, eintaucht und dort erstarrt.Known U.S. Patent No. 4,231,353, issued November 4, 1980, discloses a cladding tube rotationally symmetrical lid, which is shaped so that the cladding tube in an embossed Gutter at the outer edge engages with an initial liquid Material, usually Lead glass powder, which is melted in the channel, is immersed and froze there.
Durch die Mitte des Deckels wird das Wärmeausleitrohr zum Fortleiten der Wärme geführt und mit dem Deckel vakuumdicht verbunden.By the middle of the lid becomes the heat exhaust pipe to conduct the heat guided and connected to the lid vacuum-tight.
Nachteilig bei diesem Verfahren sind die erheblichen Prozesszeiten durch das erforderliche Aufschmelzen des Bleiglaspulvers und das komplizierte Handhaben von Deckel und Hüllrohr, so dass das vorgeschlagene Verfahren nur mit höchsten technischen Aufwendungen automatisierbar ist.adversely In this process, the considerable process times are due to the required melting of the lead glass powder and the complicated Handling of lid and cladding tube, so the proposed procedure only with the highest technical expenses can be automated.
Bekannt sind auch Glas-Metall-Verbindungen nach „Werkstoffkunde der Hochvakuumtechnik", Berlin, Verlag Julius Springer, 1936. Auch hier sind die vakuumdicht anzuschmelzenden Rohre mit entsprechenden Schneiden ausgestattet, um unterschiedliche Dehnungen von Glas und Metall bei Temperaturveränderungen auszugleichen. Die Nachteile entsprechen den oben beschriebenen.Also known are glass-metal compounds according to "Material Science of High Vacuum Technology", Berlin, Publisher Julius Springer, 1936. Again, the vacuum-tight to be melted pipes are equipped with appropriate cutting to compensate for different strains of glass and metal with temperature changes. The disadvantages correspond to those described above.
Der in den Schutzansprüchen angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine solche Glas-Metall-Verbindung für ein Vakuum-Solarkollektor-Rohr zu schaffen, die über sehr lange Zeit vakuumdicht bleibt, die den mechanischen Belastungen durch thermische Dehnungen, Dampfschläge und Windlasten widersteht, die technologisch einfach zu fertigen ist und geringe Materialaufwendungen erfordert.Of the in the protection claims specified invention is based on the object, such a glass-metal compound for a To create a vacuum solar collector tube that remains vacuum-tight for a very long time, the mechanical loads caused by thermal strains, steam shocks and wind loads which is technologically easy to manufacture and low Material expenses required.
Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe dadurch gelöst,
dass ein speziell geformtes Verbindungsteil
Dabei ist für das Verbindungsteil ein Metall geringer Wärmeleitfähigkeit zu wählen, um die Verschmelzung des Verbindungsteiles mit dem Hüllkolben thermisch möglichst wenig zu stressen und möglichst geringe Wärmeverluste zu bewirken.there is for the connecting part to choose a metal of low thermal conductivity to the fusion of the connecting part with the outer bulb thermally possible little to stress and possible low heat loss to effect.
Bemerkenswert ist bei dieser Form der Glas-Metall-Verbindung, dass sie einfach maschinell herstellbar ist und damit automatisierungsfähig ist und die spezielle Form der Glas – Anschmelzung den Vorzug aufweist, dass sowohl Zug- als auch Druckspannungen vom Glas aufgenommen werden können, was die Vakuumdichtheit der Verbindung auch über lange Zeit sichert.Remarkable In this form of glass-metal connection that is easy can be produced by machine and is thus capable of automation and the special form of glass melting has preference that both tensile and compressive stresses are absorbed by the glass can, which ensures the vacuum-tightness of the connection for a long time.
Bei der Verwendung eines Materials für das Verbindungsteil, das weitgehend in seinem Ausdehnungskoeffizienten mit dem des Glases übereinstimmt, soll die vom Glas umschlungene Kante des Verbindungsteiles einen Radius von 0,1 mm aufweisen.at the use of a material for the connecting part, which is largely in its coefficient of expansion coincides with that of the glass, should the looped by the glass edge of the connecting part a Radius of 0.1 mm.
Wählt man als Verbindungsteil ein duktiles Material, wie Kupfer, sind die in der angegebenen Literatur vermerkten Schneiden hinsichtlich Stärke, Länge und Schneidenwinkel zu beachten.You choose as a connecting part of a ductile material, such as copper, are the in the literature indicated cutting in terms of strength, length and Note cutting angle.
Ausführungsbeispielembodiment
Für die Schaffung
der Glas-Metall-Verbindung eines Vakuum-Solarkollektor-Rohres, das
ein Hüllrohr aus
Kalk-Natron-Glas der chemischen Zusammensetzung (Masse – %)
Der Ausdehnungskoeffizient des Verbindungsteils liegt bei dieser Legierungszusammensetzung im Bereich des Ausdehnungskoeffizienten des Glases.Of the Coefficient of expansion of the connecting part is in this alloy composition in the range of the expansion coefficient of the glass.
Darüber hinaus besitzt das Material eine sehr niedrige Wärmeleitfähigkeit, so dass die thermischen Belastungen der Verschmelzstelle der Glas-Metall-Verbindung relativ niedrig sind, auch wenn die Stagnationstemperatur erreicht ist.Furthermore the material has a very low thermal conductivity, so that the thermal stresses the fusion point of the glass-metal compound is relatively low are, even if the stagnation temperature is reached.
Das Verbindungsteil wird aus Blech einer Stärke von ca. 0,2 mm tiefgezogen. Die später vom Glas umschlossene Kante des Verbindungsteiles wird, um Spannungen im Glas zu vermeiden abgerundet. Der Radius dieser Abrundung liegt bei 0,1 mm. Abhängig von der Art des späteren Verschmelzprozesses mit dem Hüllglas kann das Verbindungsteil in einem Glühofen voroxidiert werden. Nach diesen Vorbehandlungen wird das Verbindungsteil mit dem das Absorberblech tragenden Wärmeausleitrohr vakuumdicht, vorzugsweise durch Schweißung oder Lötung verbunden.The Connecting part is deep drawn from sheet metal of a thickness of about 0.2 mm. The later From the glass enclosed edge of the connecting part is to tensions rounded in the glass to avoid. The radius of this rounding is at 0.1 mm. Dependent of the nature of the later Melting process with the enveloping glass can the connecting part in an annealing furnace be pre-oxidized. After these pretreatments, the connecting part becomes with the absorber sheet carrying Wärmeausleitrohr vacuum-tight, preferably by welding or soldering connected.
Nach
dem Einschieben des Wärmeausleitrohres
mit Absorberblech und Verbindungsteil in der Weise, dass das Glas
4,2 mm übersteht,
erfolgt eine stufenweise oder stetige Erhitzung des Glases, bis
seine Verformbarkeit erreicht ist. Auf mehreren Bearbeitungsstufen
wird nun das Glas mittels Werkzeugen so nach innen geschlagen – vergleiche
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