COLLECTEUR SOLAIRE OBTENU PAR SOUDURE DE VERRE ET DE METAL A HAUTE TEMPERATURE OU PAR LASER L'invention concerne un collecteur solaire. Les collecteurs solaires absorbent la chaleur provenant du rayonnement solaire grâce à un absorbeur. Un fluide caloporteur circule dans des tuyaux collecteurs de chaleur fixés à l'absorbeur. Les tuyaux permettent de transporter la chaleur vers l'utilisateur et de maintenir l'absorbeur à une température raisonnable. Un tel collecteur permet par exemple de chauffer de l'eau pour des applications domestiques, de fournir de l'énergie thermique à un groupe frigorifique afin de fabriquer de l'air conditionné, de dessaler de l'eau de mer ou de purifier une eau en vue de fournir une eau potable, ou encore de sécher des matériaux dans une installation industrielle. L'invention vise particulièrement un collecteur solaire sous vide, dans lequel l'absorbeur et les tuyaux sont placés dans une enceinte à pression inférieure à la pression atmosphérique aussi faible que 10-3, 10-4 voire 10-5 mbar. Cette caractéristique procure une très bonne isolation thermique. Cependant, la différence de pressions entre la pression atmosphérique et celle de l'enceinte nécessite bien entendu une construction de l'ensemble étanche à l'air, et une résistance mécanique élevée des parois du collecteur solaire. Ainsi, lorsqu'il s'agit d'une feuille de verre, elle est avantageusement trempée de manière à résister à des différences de pressions de 100 à 120 MPa. Dans la construction du collecteur solaire, on peut penser associer une feuille de verre à un cadre métallique en déposant sur la feuille de verre une métallisation périphérique par un procédé sous vide ou équivalent, puis en brasant ce cadre métallique à cette métallisation périphérique. La métallisation localisée par dépôt sous vide ou autre est une étape onéreuse et complexe. De plus, le brasage du cadre métallique à cette métallisation se fait grâce à un métal d'apport à base de plomb dans la plupart des cas, relativement cher. The invention relates to a solar collector. The invention relates to a solar collector obtained by welding glass and metal at high temperature or by laser. Solar collectors absorb heat from solar radiation through an absorber. A heat transfer fluid circulates in heat collection pipes fixed to the absorber. The pipes can transport heat to the user and keep the absorber at a reasonable temperature. Such a collector makes it possible, for example, to heat water for domestic applications, to supply heat energy to a refrigeration unit in order to manufacture conditioned air, to desalt seawater or to purify a water. to provide drinking water, or to dry materials in an industrial facility. The invention is particularly directed to a vacuum solar collector, in which the absorber and the pipes are placed in a pressure vessel less than atmospheric pressure as low as 10-3, 10-4 or even 10-5 mbar. This characteristic provides a very good thermal insulation. However, the pressure difference between the atmospheric pressure and that of the enclosure obviously requires a construction of the airtight assembly, and a high mechanical strength of the walls of the solar collector. Thus, when it is a glass sheet, it is advantageously soaked so as to withstand pressure differences of 100 to 120 MPa. In the construction of the solar collector, it may be thought to associate a glass sheet with a metal frame by depositing on the sheet of glass a peripheral metallization by a vacuum or equivalent method, then by brazing this metal frame to this peripheral metallization. Localized metallization by vacuum deposition or the like is an expensive and complex step. In addition, the brazing of the metal frame to this metallization is done with a lead filler metal in most cases, relatively expensive.
Les inventeurs ont cherché un moyen de construire plus simplement un collecteur solaire, notamment sous vide, dans lequel l'étanchéité requise soit garantie. Ils ont atteint cet objectif par l'invention qui, en conséquence, a pour objet un collecteur solaire sous vide comprenant une enceinte à pression inférieure à la pression atmosphérique, d'épaisseur intérieure au moins égale à 10 mm, délimitée par au moins une feuille de verre trempé constituant une première paroi principale et par une seconde paroi principale reliée à la première de manière étanche par l'intermédiaire d'un cadre, ladite enceinte contenant, à distance croissante de ladite feuille de verre trempé, un absorbeur du rayonnement solaire en forme de feuille, en contact avec des tuyaux de circulation d'un fluide caloporteur, caractérisé en ce qu'une partie au moins d'une surface de ladite feuille de verre trempé est directement liée à un métal, suite à une soudure sans apport de matériau, soit à température au moins égale à 800 °C, soit par laser. La pression dans l'enceinte est de valeur indiquée précédemment au plus égale à 10-3, de préférence 10-4 voire 10-5 mbar. La feuille de verre est trempée de manière à résister à des différences de pression d'au moins 80 MPa, de préférence 100 MPa et de manière particulièrement préférée 120 MPa. Le terme de cadre désigne ici un ou plusieurs éléments reliant la feuille de verre trempé et la seconde paroi principale du collecteur solaire, les maintenant et les fixant à distance l'une de l'autre de manière étanche aux gaz (air, gaz rares,...), aux liquides (eau...). Conformément à l'invention, la feuille de verre trempé est directement liée à un métal, comme résultat d'une soudure sans apport de matériau, soit à température au moins égale à 800 (de préférence 850) °C, soit par laser. Par ces procédés, le verre et le métal sont fondus à leur interface, qui comprend un mélange d'oxydes provenant de chacun des deux matériaux. Selon des caractéristiques préférées du collecteur solaire de l'invention : - ladite feuille de verre trempé est reliée audit absorbeur par l'intermédiaire de premiers espaceurs, et lesdits tuyaux sont reliés à ladite seconde paroi principale par l'intermédiaire de seconds espaceurs ; cette réalisation n'exclue pas qu'un premier et un second espaceurs au moins soient venus de matière, constituant une pièce unique englobant en partie absorbeur et tuyau(x) ; - le métal auquel est directement liée une partie au moins d'une surface de ladite feuille de verre trempé est à différentiel de coefficients de dilatation thermique minimal avec le verre ; il s'agit notamment d'un alliage de nickel et de fer ou d'un alliage de fer et de chrome ; - la feuille de verre trempé est directement liée à un métal par une partie au moins de sa surface principale orientée à l'extérieur du collecteur et/ou par une partie au moins de sa surface principale orientée vers ladite enceinte et/ou par une partie au moins de son chant ; - la seconde paroi principale de l'enceinte (également du collecteur solaire) est constituée d'une autre feuille de verre trempé, ou bien d'un caisson dont les bords en excroissance (par rapport à cette seconde paroi principale) forment au moins une partie dudit cadre ; - une partie au moins dudit cadre est métallique et soudée audit métal auquel est directement liée une partie au moins d'une surface de ladite feuille de verre trempé ; - une partie au moins dudit cadre est métallique et constitue elle-même ledit métal auquel est directement liée une partie au moins d'une surface de ladite feuille de verre trempé. Un autre objet de l'invention consiste en un procédé de fabrication d'un collecteur solaire sous vide décrit ci-dessus, qui se distingue par le fait qu'il comprend - la soudure d'une partie au moins d'une surface d'au moins une feuille de verre à un métal à température d'au moins 800 °C ou par laser, puis - la trempe de ladite au moins une feuille de verre. La soudure à relativement haute température ou par laser de verre et d'un métal à coefficient de dilatation thermique de préférence le plus proche de (égal à) celui du verre produit une co-fusion des deux matériaux à leur interface, qui comporte des oxydes de constituants de chacun de ceux-ci. The inventors have sought a way to build more simply a solar collector, especially under vacuum, in which the required seal is guaranteed. They have achieved this objective by the invention which, accordingly, relates to a vacuum solar collector comprising a pressure vessel less than atmospheric pressure, of internal thickness at least equal to 10 mm, delimited by at least one sheet of tempered glass constituting a first main wall and a second main wall connected to the first sealingly via a frame, said enclosure containing, at increasing distance from said tempered glass sheet, a solar radiation absorber form of sheet, in contact with pipes for circulating a coolant, characterized in that at least part of a surface of said tempered glass sheet is directly bonded to a metal, following a weld without the addition of material, at a temperature of at least 800 ° C, or by laser. The pressure in the chamber is of value indicated previously at most equal to 10-3, preferably 10-4 or 10-5 mbar. The glass sheet is quenched so as to withstand pressure differences of at least 80 MPa, preferably 100 MPa and particularly preferably 120 MPa. The term frame here designates one or more elements connecting the tempered glass sheet and the second main wall of the solar collector, maintaining them and fixing them at a distance from one another in a gas-tight manner (air, rare gases, ...), with liquids (water ...). According to the invention, the tempered glass sheet is directly bonded to a metal, as a result of a weld without material supply, either at a temperature of at least 800 (preferably 850) ° C., or by laser. By these methods, glass and metal are melted at their interface, which comprises a mixture of oxides from each of the two materials. According to preferred features of the solar collector of the invention: said tempered glass sheet is connected to said absorber by means of first spacers, and said pipes are connected to said second main wall by means of second spacers; this embodiment does not exclude that at least one first and second spacers are integral, constituting a single piece including in part absorber and pipe (x); the metal to which at least a portion of a surface of said tempered glass sheet is directly bonded is at a differential of coefficients of minimum thermal expansion with the glass; it is in particular an alloy of nickel and iron or an alloy of iron and chromium; the tempered glass sheet is directly bonded to a metal by at least part of its main surface oriented outside the manifold and / or at least part of its main surface facing said enclosure and / or by a part at least of his singing; the second main wall of the enclosure (also of the solar collector) consists of another sheet of tempered glass, or of a box whose protruding edges (with respect to this second main wall) form at least one part of said frame; at least part of said frame is metallic and welded to said metal to which at least a portion of a surface of said tempered glass sheet is directly bonded; at least part of said frame is metallic and itself constitutes said metal to which at least a portion of a surface of said tempered glass sheet is directly bonded. Another object of the invention consists in a method of manufacturing a vacuum solar collector described above, which is distinguished by the fact that it comprises the welding of at least a part of a surface of at least one sheet of glass to a metal at a temperature of at least 800 ° C or by laser, then quenching said at least one sheet of glass. The relatively high temperature or glass laser welding and a metal with a thermal expansion coefficient preferably closest to (equal to) that of the glass produces a co-fusion of the two materials at their interface, which comprises oxides. of constituents of each of these.
La trempe consiste notamment à refroidir brusquement la feuille de verre par des jets d'air sur ses deux surfaces principales simultanément. La soudure est de préférence effectuée soit dans un four à température d'au moins 800 °C, soit par laser dans un four à température comprise entre 400 et 600 °C. L'invention est maintenant expliquée en référence aux Figures 1 et 2 en annexe, qui représentent schématiquement deux réalisations d'un collecteur solaire sous vide conforme à l'invention. Le collecteur sous vide 1 de la Figure 1 délimite une enceinte 2 à pression de l'ordre de 10.3 - 10.5 mbar. Les deux parois principales de l'enceinte 2 sont constituées de deux feuilles de verre trempé 3, 4 de 4 mm d'épaisseur. L'enceinte 2 contient des tuyaux 7 de cuivre ou d'aluminium de circulation d'un fluide caloporteur tel que l'eau, sur lesquels est fixé un feuillard 6 de 0,2 mm de cuivre ou de 0,4 mm d'aluminium muni d'un revêtement dit « sélectif », tel que d'oxynitrure de titane et de chrome. Ainsi constitué, le feuillard 6 absorbe environ 95 % du rayonnement solaire, et présente une émissivité de 5 % au plus calculée pour le rayonnement d'un corps noir à 100 °C. Le feuillard 6 est un absorbeur du rayonnement solaire. L'eau qui circule dans les tuyaux 7 évacue la chaleur de l'absorbeur 6, en permettant de le refroidir et le maintenir à une température au plus égale à des valeurs raisonnables. Quenching consists in cooling the glass sheet sharply by jets of air on its two main surfaces simultaneously. The solder is preferably carried out either in a furnace at a temperature of at least 800 ° C., or by laser in an oven at a temperature of between 400 and 600 ° C. The invention is now explained with reference to Figures 1 and 2 in the appendix, which schematically show two embodiments of a vacuum solar collector according to the invention. The vacuum manifold 1 of Figure 1 delimits a pressure chamber 2 of the order of 10.3 - 10.5 mbar. The two main walls of the chamber 2 consist of two sheets of tempered glass 3, 4 of 4 mm thick. The chamber 2 contains pipes 7 of copper or aluminum circulating a heat transfer fluid such as water, on which is fixed a strip 6 of 0.2 mm of copper or 0.4 mm of aluminum provided with a so-called "selective" coating, such as titanium oxynitride and chromium. Thus constituted, the strip 6 absorbs about 95% of the solar radiation, and has an emissivity of at most 5% calculated for the radiation of a black body at 100 ° C. The strip 6 is an absorber of solar radiation. The water flowing in the pipes 7 evacuates the heat of the absorber 6, allowing it to be cooled and maintained at a temperature at most equal to reasonable values.
Le diamètre extérieur des tuyaux 7 est de 8 à 16 mm, de préférence de 9 à 14°mm, et ici de 10 mm et leur épaisseur de 0.5 à 2 mm, de préférence de 0.8 à 1.6°mm, et ici de 1 mm. L'absorbeur 6 est maintenu à distance fixe de la feuille de verre trempé 3 par interposition d'espaceurs 9 constitués de billes de verre trempé de 2 mm de diamètre. The outside diameter of the pipes 7 is 8 to 16 mm, preferably 9 to 14 mm, and here 10 mm and their thickness 0.5 to 2 mm, preferably 0.8 to 1.6 mm, and here 1 mm . The absorber 6 is held at a fixed distance from the tempered glass sheet 3 by interposing spacers 9 made of toughened glass balls 2 mm in diameter.
De même les tuyaux 7 sont maintenus à distance fixe de la feuille de verre trempé 4 par interposition d'espaceurs 10 identiques aux espaceurs 9. Alternativement, un ou plusieurs espaceurs 9 peuvent être réunis à un ou plusieurs espaceurs 10 en une pièce unique de forme englobant au moins en partie absorbeur 6 et tuyau(x) 7. Une partie de la surface principale de chacune des feuilles de verre trempé 3 et 4 orientée à l'extérieur du collecteur solaire 1 est directement liée à un métal 8 consistant par exemple en alliage Fe-Ni commercialisé par la Société Arcelor Mittal sous la marque enregistrée Invar®, en alliage Fe-Cr commercialisé par la Société Thyssen-Krupp sous la marque enregistrée Nirosta® ou en alliage Ni-Fe commercialisé par la Société Vacuumschmelze sous la marque enregistrée Vacovit®. Ces alliages nous intéressent ici notamment pour leur coefficient de dilatation thermique identique à celui du verre. Le métal 8 a la géométrie d'une cornière sur toute la périphérie de chacune des feuilles de verre 3 et 4. La soudure du métal 8 à chacune des feuilles de verre 3 et 4 peut être réalisée dans un four à 900 °C, ou par laser. On peut impacter la surface extérieure du métal 8 avec un laser CO2, qui fond celui-ci à son interface avec le verre, de manière à produire une phase intermédiaire de liaison contenant un mélange de constituants des deux matériaux. Le même effet technique peut être produit en impactant la surface extérieure de chacune des feuilles de verre 3 et 4, c'est-à-dire la surface opposée à celle destinée à être soudée au métal 8, par laser YAG (Yttrium Aluminum Garnet, tel que dopé au Neodyme Nd :Y3AI5O12). Ces soudures par laser sont sans apport de matériau. Cette soudure laser est effectuée dans un four à 500 °C. Chacune des deux feuilles de verre 3 et 4 est ensuite trempée par refroidissement brusque obtenu au moyen de jets d'air simultanés sur chacune des deux surfaces principales des feuilles de verre. Un cadre métallique 5 est solidarisé aux deux cornières périphériques métalliques 8 par soudure métal-métal 11 par tout procédé, laser, TIG, MIG, brasure - argent, autre-...Alternativement, on peut imaginer que les deux cornières périphériques métalliques 8 se prolonge de manière à être soudées l'une à l'autre et à remplacer et constituer elles-mêmes le cadre 5. Le vide est réalisé dans l'enceinte 2 par un tuyau en cuivre non représenté, que l'on pince à froid de manière à réaliser un queusot ; ce procédé garantit l'étanchéité de l'enceinte et le maintien du vide. Le collecteur solaire sous vide 1 de la Figure 2 varie de celui de la Figure 1 par le remplacement des deux cornières périphériques métalliques 8 par deux bandes périphériques métalliques 8, et leur soudure par laser aux surfaces principales des feuilles de verre 3 et 4 orientées vers l'enceinte 2. Similarly, the pipes 7 are kept at a fixed distance from the toughened glass sheet 4 by interposing spacers 10 identical to the spacers 9. Alternatively, one or more spacers 9 can be joined to one or more spacers 10 in a single piece of shape. including at least partly absorber 6 and pipe (x) 7. A portion of the main surface of each of tempered glass sheets 3 and 4 oriented outside the solar collector 1 is directly bonded to a metal 8 consisting for example of Fe-Ni alloy marketed by Arcelor Mittal under the registered trade name Invar®, Fe-Cr alloy marketed by the company Thyssen-Krupp under the registered trademark Nirosta® or Ni-Fe alloy marketed by Vacuumschmelze under the registered trademark Vacovit®. These alloys interest us here in particular for their coefficient of thermal expansion identical to that of glass. The metal 8 has the geometry of an angle over the entire periphery of each of the glass sheets 3 and 4. The welding of the metal 8 to each of the glass sheets 3 and 4 can be carried out in a furnace at 900 ° C., or by laser. The outer surface of the metal 8 can be impacted with a CO2 laser, which melts it at its interface with the glass, so as to produce an intermediate bonding phase containing a mixture of constituents of the two materials. The same technical effect can be produced by impacting the outer surface of each of the glass sheets 3 and 4, that is to say the surface opposite to that intended to be welded to the metal 8, by YAG laser (Yttrium Aluminum Garnet, as doped with Neodymium Nd: Y3Al5O12). These laser welds are without material input. This laser welding is carried out in an oven at 500 ° C. Each of the two glass sheets 3 and 4 is then quenched by quenching obtained by means of simultaneous air jets on each of the two main surfaces of the glass sheets. A metal frame 5 is secured to the two metal peripheral angles 8 by metal-to-metal welding 11 by any method, laser, TIG, MIG, braze-silver, other -... Alternatively, one can imagine that the two metal peripheral angles 8 are extend to be welded to one another and to replace and constitute themselves the frame 5. The vacuum is made in the chamber 2 by a copper pipe not shown, which is clamped cold of way to make a queusot; this process ensures the sealing of the enclosure and the maintenance of the vacuum. The vacuum solar collector 1 of FIG. 2 varies from that of FIG. 1 by the replacement of the two metal peripheral angles 8 by two metal peripheral strips 8, and their laser welding to the main surfaces of the glass sheets 3 and 4 facing towards one another. the enclosure 2.
Ainsi a-t-on mis à disposition une réalisation simplifiée et possiblement moins onéreuse d'un collecteur solaire, notamment à haute performance sous vide. Thus, a simplified and possibly less expensive implementation of a solar collector has been made available, in particular with high performance under vacuum.