CN105254191B - 一种中温太阳能真空集热管玻璃金属封接方法 - Google Patents

一种中温太阳能真空集热管玻璃金属封接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了属于玻璃与金属封接技术领域的一种中温太阳能真空集热管玻璃金属封接方法。所述封接方法采用在室温至450℃温度区间膨胀系数相差不超过15％的可伐合金和玻璃管，利用膨胀系数介于二者之间的玻璃粉作为过渡材料，实现玻璃与金属的密封封接。所述封接方法具有较高的机械强度和可靠性，且操作方式简单，可实现可伐与玻璃批量化封接；成本低廉，适用于中温太阳能真空集热管领域。

Description

一种中温太阳能真空集热管玻璃金属封接方法
技术领域
本发明属于玻璃与金属封接技术领域，特别涉及一种中温太阳能真空集热管玻璃金属封接方法。
背景技术
中温太阳能真空集热管由带有选择性吸收涂层的不锈钢中央管和外层玻璃套管组成，是太阳能中温集热***的核心组件，其可靠性和光学性能很大程度上决定了整个集热***的效率。为了保护选择性吸收涂层和降低集热管热损，需要将中央管和玻璃套管之间抽真空，并且集热管使用寿命要求长达20年之久，这就对玻璃金属封接质量提出了很高的要求。
传统玻璃-金属封接工艺采用火焰封接的方法，该方法一般要求金属与玻璃膨胀系数非常匹配(误差小于6％)，封接工艺难度较大，并且所使用的玻璃透光率、化学稳定性等多方面性能均低于高硼硅硬质玻璃；火焰封接的另一条路线是采用膨胀系数非匹配的玻璃和金属，但金属需减薄至0.1mm以下才能释放封接应力，这种封接方法由于金属厚度太薄，会导致封接件机械强度大大降低，可靠性尚需进一步验证。
除了火焰封接方法，专利CN1262248A提出了一种玻璃金属热压封接工艺，即利用固态焊接的热压封方法将玻璃和金属封接在一起，达到真空气密的要求。其特征在于焊接是在加热加压的条件下进行的，焊接温度一般为焊料熔点的0.7-0.9倍。该方法于低使用的焊料主要是铅，最高使用温度低于200℃，所以铅热压封接的真空集热管只能应用温光热利用领域。热压封接技术后期尝试了铝作为焊料，但封接后残余应力较大，成品率比较低。
另外市场上还存在一种采用多节玻璃过渡的方法来实现玻璃与金属的封接，金属材料一般为4J29可伐，第一节玻璃与可伐匹配封接，剩余玻璃膨胀系数依次降低，经过三节过渡后最终与硬质高硼硅玻璃封接。该封接方法工艺相对比较复杂，且过渡玻璃供货稀缺，成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种中温太阳能真空集热管玻璃金属封接方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种中温太阳能真空集热管玻璃金属封接方法，采用在室温至450℃温度区间膨胀系数相差不超过15％的可伐合金和玻璃管，利用膨胀系数介于二者之间的玻璃粉作为过渡材料，实现玻璃与金属的密封封接；
所述封接方法的具体步骤为：
(1)将可伐合金加工成带凹槽的可伐合金环，并进行烧氢和预氧化处理；
(2)将松油醇或乙基纤维素中的一种或两种与玻璃粉混合制成玻璃粉浆料，用玻璃粉浆料填满水平放置的可伐合金环凹槽，并加热至150-300℃进行排蜡；
(3)将玻璃管呈竖直状放入水平放置的可伐合金环凹槽中，保证二者接触紧密，在惰性气氛保护下，采用高频感应加热的方式或者在气氛炉中将样品加热至400-650℃，保温10-60min。
(4)退火冷却完成密封封接，退火时间维持在20-40min，退火温度维持在400-500℃。
所述的可伐合金环由可伐合金环部件Ⅰ1与可伐合金环部件Ⅱ2通过激光焊接而成。
所述的玻璃管材质为3.3高硼硅玻璃。
所述的松油醇或乙基纤维素中的一种或两种与玻璃粉混合的体积比为2:1-1:1。
所述的惰性气氛为高纯氮气或高纯氩气。
所述的中温太阳能真空集热管玻璃金属封接方法制成的封接结构与不锈钢中央管和波纹管构成的真空太阳能集热管的密封性良好，使用寿命长久。
本发明提供的一种中温太阳能真空集热管玻璃金属封接方法，具有较高的机械强度和可靠性，使用温度可达400℃。该方法使用硬质高硼硅玻璃，保留了高硼硅玻璃在透光率、化学稳定性等性能上的优势；设计了独特的可伐结构及玻璃粉填料方法；可伐封接前进行了烧氢和预氧化处理，最大限度提高了可伐与玻璃的封接质量。
附图说明
图1为一种中温太阳能真空集热管封接结构示意图。其中，1为可伐合金环部件Ⅰ；2为可伐合金环部件Ⅱ；3为过渡材料；4为玻璃管；5为不锈钢中央管；6为波纹管。
具体实施方式
下面参照附图并结合实施例对本发明做进一步的描述。
实施例1：
(1)将可伐合金环部件Ⅰ与可伐合金环部件Ⅱ通过激光焊接加工成带凹槽的可伐合金环，并进行烧氢和预氧化处理；玻璃管材质为3.3高硼硅玻璃，外径为125mm，厚度为3.0mm。
(2)将玻璃粉与松油醇按体积比2:1混合制成玻璃粉浆料，用玻璃粉浆料填满水平放置的可伐合金环凹槽，并加热至240℃进行排蜡，排蜡时间为30min；
(3)将玻璃管呈竖直状放入水平放置的可伐合金环凹槽中，保证二者接触紧密，在氮气气氛保护下，采用高频感应加热的方式将样品加热至560℃，保温15min。
(4)420℃保温30min退火，完成密封封接。
实施例2：
(1)将可伐合金环部件Ⅰ与可伐合金环部件Ⅱ通过激光焊接加工成带凹槽的可伐合金环，并进行烧氢和预氧化处理；玻璃管材质为3.3高硼硅玻璃，外径为140mm，厚度为3.3mm。
(2)将玻璃粉与乙基纤维素按体积比3:2混合制成玻璃粉浆料，用玻璃粉浆料填满水平放置的可伐合金环凹槽，并加热至260℃进行排蜡，排蜡时间为30min；
(3)将玻璃管呈竖直状放入水平放置的可伐合金环凹槽中，保证二者接触紧密，在氩气气氛保护下，在气氛炉中将样品加热至620℃，保温30min。
(4)470℃保温30min退火，完成密封封接。

Claims (1)

1.一种中温太阳能真空集热管玻璃金属封接方法，其特征在于，采用在室温至450℃温度区间膨胀系数相差不超过15％的可伐合金和玻璃管，利用膨胀系数介于二者之间的玻璃粉作为过渡材料，实现玻璃与金属的密封封接；
所述封接方法的具体步骤为：
(1)将可伐合金加工成可伐合金环部件Ⅰ(1)与可伐合金环部件Ⅱ(2)，通过激光焊接成带凹槽的可伐合金环，并进行烧氢和预氧化处理；
(2)将松油醇或乙基纤维素中的一种或两种与体积百分比为33％-50％的玻璃粉混合制成玻璃粉浆料，用玻璃粉浆料填满水平放置的可伐合金环凹槽，并加热至150-300℃进行排蜡；
(3)将外径厚度为120-150mm，厚度为3.0-4.0mm的3.3高硼硅玻璃管呈竖直状放入水平放置的可伐合金环凹槽中，保证二者接触紧密；在高纯氮气或高纯氩气的惰性气氛保护下，采用高频感应加热方式或者在气氛炉中将样品加热至400-650℃，保温10-60min；
(4)退火冷却完成密封封接，退火时间维持在20-40min，退火温度维持在400-500℃。
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