CN102838292A

CN102838292A - 一种高温集热管的玻璃-金属封接结构

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Publication number: CN102838292A
Application number: CN2012103784948A
Authority: CN
Inventors: 田英良; 邵艳丽; 孙诗兵; 郭现龙
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2012-10-08
Filing date: 2012-10-08
Publication date: 2012-12-26

Abstract

一种高温集热管的玻璃-金属封接结构，该结构特别适用于槽式光热发电技术领域。该结构包括可伐合金圈（4）、包覆在可伐合金圈上过渡玻璃（5）、与过渡玻璃通过轴向或径向相连的玻璃管（5），三者之间通过熔封工艺来实现彼此的连接，该结构封接强度高，气密性好。

Description

一种高温集热管的玻璃-金属封接结构

技术领域

本发明涉及玻璃-金属封接结构，该结构具有封接强度好，气密性高，特别适用高温、高压的真空绝缘和绝热领域，比如槽式光热发电高温集热管的玻璃-金属封接，大功率电子管、高压灭弧管、X射线管等电子器件的玻璃-金属封接。

背景技术

太阳能光热发电是将太阳能进行光学聚焦，对介质进行加热，然后通过热交换产生高温高压蒸汽，驱动汽轮机发电。光热发电的集热***是整个发电***的关键核心部件。在过去的30多年时间里，美国和以色列等国家国分别探讨了塔式集热、蝶式集热、槽式集热等形式的集热方法，通过实践对比，槽式集热技术具有投资少、效率高、运行稳定、适合大规模电站、因此成为重要的集热方式。

槽式集热技术是将高温集热管置于一个弧面反射镜的光学聚焦焦点位置上，光能通过弧面反射镜的全反射聚集在高温真空集热管上，使光能转化为热能，可将高温集热管内的介质加热到450℃以上，要比普通太阳能真空集热管的温度（≤100℃以下）高出350℃以上，对于集热管按使用温度要求可分为三类：低温集热管≤100℃；中温集热管100-450℃；高温集热管≥450℃，因此槽式光热发电集热属于高温集热技术。

高温集热管是由玻璃外管和镀膜不锈钢内管所组成，在端部使用膨胀节将玻璃管和金属连接在一起，排除玻璃管与不锈钢管之间的气体将玻璃管与不锈钢管之间的气体抽出，使其两者之间形成真空，这样既能实现热量最大限度程度地收集到镀膜金属内管里，又可以通过真空来抑制防止热量散失。玻璃与金属之间的连接技术称为封接技术，所用的玻璃材料一般为硼硅酸盐玻璃体系。槽试光热发电就是通过高温集热管的阵列排布，将高温集热管串并联起来，构成一个庞大的太阳能集热场。

从光热电站运行和测试情况来看，槽式集热方式具有成本低、投资少、效率高，运行可靠性好、便于大面积集热，可以并且通过蓄能方式来可实现24小时不间断的发电的优势，槽式集热***逐步成为全球重点开发和应用的光热发电主导技术。

槽式集热是典型的光学聚焦型集热方式，其高温状态和使用环境对玻璃-金属封接提出了极为苛刻的要求，其核心要求在于：1）抗热震冲击能力，以保证封接端头在热冲击作用下（高低温冲击、气候变化的热冲击）玻璃管或封接部位不能破损破坏和不漏气；2）机械强度高，以保证在热冲击、装置变形、重力等作用下不破损和不漏气。

玻璃-金属结构、材料与封接形式是保持高温集热管真空气密性的关键所在，是槽式光热电站稳定运行的保障，由此决定了玻璃-金属结构成为光热发电***的可靠性，目前，其成为槽式光热发电***的发展瓶颈。只有攻克这项技术，才能实现整个槽式集热***稳定运行。

目前，在槽式光热发电***的高温集热管的玻璃-金属封接，普遍采用非匹配封接技术（两者的膨胀系数相差较大，一般差大于10%以上，甚至300%），在封接部位应力较大，比如不锈钢304-硼硅3.3玻璃（在50-300℃范围，不锈钢304的膨胀系数为17-18×10^-6/℃，硼硅3.3玻璃的膨胀系数为3.3*10^-6/℃，化学稳定性极好的硼硅酸盐玻璃，全球著名产品包括PYREX/DURAN/BJTY等），可伐合金4J29-硼硅3.3玻璃，（在50-300℃范围，可伐合金4J29的膨胀系数为4.7-5.3×10^-6/℃），硼硅3.3玻璃确实在很多方面具有优良特性玻璃的确在很多方面具有优良特性，尤其在热学性能、化学稳定性方面，但是其封接润湿性是很差的，所以，在全球30年的应用时间里发现有20%以上出现漏气而导致集热管的真空失效和封接部位破损。另外为了避免非匹配封接的不利，高温集热管开始进行匹配封接，基本通过两种技术手段加以解决的，1）通过递次封接方式实现匹配封接，比如可伐合金4J29与硼硅3.3玻璃之间需要4种以上的玻璃来过渡才能实现与可伐和硼硅碰硅3.3玻璃的匹配封接，由于增加了封接部位的数量，漏气风险大幅增加，另外，工作量也出现成倍增加，严重地影响了生产效率，再者，对于期间的过渡玻璃生产和采购也带来巨大难度，现在全球很难在一家企业完成多种牌号玻璃制造和供应，为生产带来不确定性；2）通过可伐合金4J29与5.0医药玻璃或CN1657460A的玻璃进行直接匹配封接，即使5.0医药玻璃或CN1657460A的玻璃确实优于硼硅3.3玻璃的封接特性性，但是其封接致密性和封接强度也还不是很好，另外该类玻璃应变点过高，高于可伐合金的居里点温度（约为430℃），导致封接部位在退火时仍有较大应力难于消除，在光热发电的热交变温度作用条件环境下，仍然不能依然未能获得最佳可靠的应用性效果。

发明内容

本发明目的在于，提供一种玻璃-金属封接结构，该结构特别适用于槽式光热发电、大功率电子管、X射线管等技术领域。该结构包括可伐合金圈（4）、包覆在可伐合金圈上过渡玻璃（5），与过渡玻璃通过轴向和径向相连的玻璃管（5），三者之间通过熔封工艺来实现彼此连接，封接强度高，气密性好。

本发明通过大量研究发现：能与可伐合金4J29有效匹配封接的玻璃材料，很难满足槽式光热发电、大功率电子管、X射线管的机械性能（高强度、抗弯折）、热震稳定性、化学稳定性、透光率、抗曝晒性等一系列性能要求。而满足机械性能（高强度、抗弯折）、热震稳定性、化学稳定性、透光率、抗曝晒性的玻璃，往往封接强度和界面润湿气密性要求又不好。

本发明目的在于，提供一种金属-玻璃封接结构，这种金属是一种高温条件下相对稳定可伐合金（中国的金属牌号为4J29），化学组成为（wt%）：Ni 28-30,Co 16-18, C≤0.05,余量为Fe。在50-450℃范围，平均线膨胀系数（4.7-5.3）×10^-6/℃。这种结构包括可伐合金圈(4)、过渡玻璃5、玻璃管6。通过过渡玻璃5作为玻璃管6和可伐合金圈(4)之间桥梁和纽带，实现彼此之间的更好连接。过渡玻璃5满足封接特性要求，过渡玻璃长度为5-25mm之间，玻璃管6来满足机械性能（高强度、抗弯折）、热震稳定性、化学稳定性、透光率、抗曝晒性要求，可伐合金圈4一端连接过渡玻璃5，另外一端连接不锈钢等材质的金属膨胀节，用于缓解高温集热管的金属管受热膨胀。

为了使可伐合金圈4、过渡玻璃5、玻璃管6之间的匹配封接，要求三者的平均线膨胀系数要求相近，彼此数值相差最大≤0.6×10^-6/℃，其特征在于：玻璃管6膨胀系数≥过渡玻璃5膨胀系数≥可伐合金圈4膨胀系数。

可伐合金圈4、过渡玻璃5、玻璃管6三者之间的结构关系为以可伐合金圈4为基础，首先，过渡玻璃5与可伐合金圈4一端相连，采用熔封方式，包括火焰熔封或高频熔封两种，然后，在过渡玻璃5表面或一端熔封玻璃管6。

可伐合金圈4与过渡玻璃5封接形式采用单边包封或双边包封。

过渡玻璃5与玻璃管6的封接形式采取两者的轴向封接（过渡玻璃管与玻璃管相同直径，两端相连）和径向封接（过渡玻璃管直径小于与玻璃管直径，玻璃管套接在过渡玻璃管上）。

可伐合金圈4采用市售的可伐合金片冲压或可伐合金管辊压而成，化学组成为（wt%）：Ni 28-30,Co 16-18, C≤0.05,余量为Fe。在50-450℃范围，平均线膨胀系数（4.7-5.3）×10^-6/℃，可伐合金圈厚度范围0.5-1.5mm，长度20-50mm，直径114-130mm。

过渡玻璃5在50-300℃范围，平均线膨胀系数（4.8-5.2）×10^-6/℃，与可伐合金之间的润湿性好，封接强度高，气密性好，玻璃转变点≤510℃，化学组成（wt%）特点：B₂O₃ 14.5-24, Al₂O₃ 1-3, Na₂O+K₂O+Li₂O 6-8, 碱土金属氧化物≤5.0，SiO₂ 66-70，Fe₂O₃≤200PPm。

玻璃管6在50-300℃范围，平均线膨胀系数（4.9-5.5）×10^-6/℃，厚度范围1.5-3.5mm，与过渡玻璃较好熔封，强度好，转变点≤550℃，化学稳定性好，耐水、耐酸、耐碱均为1级，弹性模量≥68MPa，热震稳定性≥200℃，化学组成（wt%）特点：B₂O₃ 6.0-10.5, Al₂O₃3-8, Na₂O+K₂O+Li₂O 5-8, ZrO₂ 0.01-1.0，碱土金属氧化物≤3.0，SiO₂ 68-75，Fe₂O₃≤150PPm，玻璃中较少铁含量，可以确保太阳光谱透过率高。抗曝晒光谱透过率差小于0.3%，抗曝晒性评价方法，制作1mm厚度玻璃双面镜面抛光，紫外线照射前，测试光谱透光率为80%时的波长，然后放置于功率40W，主波长254nm紫外灯的正下方200mm处，照射120min，然后在测试前的波长位置再次测量其透过率，ΔT越小，即玻璃抗曝晒性越好。

在全球30年的应用时间里发现有20%以上出现漏气导致集热管的真空失效和封接部位破损。采用了本发明集热管的真空失效和封接部位破损率将小于2%。

附图说明

图1 （a）过渡玻璃-玻璃管轴向连接。

图1 （b）过渡玻璃-玻璃管径向连接。

序号

1-金属管

2-端盖

3-膨胀节

4-可伐合金圈

5-过渡玻璃

6-玻璃管

7-1、7-2、7-3 –-焊接部位

具体实施方式

一种高温集热管的玻璃-金属封接结构，其特征在于：包括可伐合金圈4、过渡玻璃5、玻璃管6；可伐合金圈4一端连接过渡玻璃5，然后在过渡玻璃5表面上连接玻璃管6。玻璃管6与过渡玻璃5轴向封接或径向封接。

首先，制备满足尺寸规格要求的可伐合金圈4J29，(以下简称可伐合金)、过渡玻璃5、玻璃管6，将可伐合金圈4按常规方法进行烧氢和氧化处理，氧化层厚度0.5-1.5微米；其次，将将可伐合金圈4置入火焰车床主动端卡盘内，调整其同心度，被动端夹持同直径的过渡玻璃管；再者点燃弧形加热火嘴，移动火嘴调整火焰，加热可伐合金圈4封接部位，待红热后，将过渡玻璃管5移近火焰，使其红热软化，温度达到950-1050℃时，将过渡玻璃管5封接在可伐合金圈4端面上，包封长度3-5mm，包封过渡玻璃5厚度0.3-0.8mm，最后，将玻璃管6一端和过渡玻璃一端或上表面进行封接，形成彼此直接的径向或轴向连接。

Claims

1.一种高温集热管的玻璃-金属封接结构，其特征在于：包括可伐合金圈（4）、过渡玻璃（5）、玻璃管（6）；可伐合金圈（4）一端连接过渡玻璃（5），然后在过渡玻璃（5）表面上连接玻璃管（6）。玻璃管（6）与过渡玻璃（5）通过轴向封接或径向封接连接在一起。

2.根据权利要求1所述一种高温集热管的玻璃-金属封接结构，其特征在于：可伐合金圈（4）、过渡玻璃（5）、玻璃管（6）的平均线膨胀系数要数值相差最大≤0.6×10^-6/℃，且玻璃管（6）膨胀系数≥过渡玻璃（5）膨胀系数≥可伐合金圈膨胀系数。

3.根据权利要求1所述一种高温集热管的玻璃-金属封接结构，其特征在于：玻璃管（6）与过渡玻璃（5）之间、过渡玻璃（5）与可伐合金圈（4）之间采用连接方式为熔封工艺进行连接的方式，使用采用火焰加热或高频加热。

4.根据权利要求1所述一种高温集热管的玻璃-金属封接结构，其特征在于：所述的可伐合金圈（4），在50-450℃范围，平均线膨胀系数（4.7-5.3）×10^-6/℃，厚度范围0.5-1.5mm，化学组成为以重量百分比计为：Ni 28-30,Co 16-18, C≤0.05,余量为Fe。

5.根据权利要求1所述一种高温集热管的玻璃-金属封接结构，其特征在于：所述的过渡玻璃（5），其特征在于：在50-300℃范围，平均线膨胀系数（4.8-5.2）×10^-6/℃，转变点≤510℃，化学组成（wt%）特点：B₂O₃ 14.5-24, Al₂O₃ 1-3, Na₂O+K₂O+Li₂O 6-8, 二价金属氧化物≤5.0，SiO₂ 66-70，Fe₂O₃≤200PPm。

6.根据权利要求1所述一种高温集热管的玻璃-金属封接结构，其特征在于：所述的玻璃管（6），其特征在于：在50-300℃范围，平均线膨胀系数（4.9-5.5）×10^-6/℃，厚度范围1.5-3.5mm，转变点≤550℃，化学稳定性好，耐水、耐酸、耐碱均为1级，弹性模量≥68MPa，热震稳定性≥200℃，化学组成（wt%）特点：B₂O₃ 6.0-10.5, Al₂O₃ 3-8, Na₂O+K₂O+Li₂O 5-8, ZrO₂ 0.01-1.0，碱土金属氧化物≤3.0，SiO₂ 68-75，Fe₂O₃≤150PPm。