ES2264630B1 - Uso de un vidrio para uniones de vidrio-metal. - Google Patents
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Abstract
Uso de un vidrio para uniones de vidrio-metal. Se describe el uso de un vidrio con la composición siguiente: B2O3 8-11,5% en peso Al2O3 5-9% en peso Na2O 5-9% en peso K2O 0-5% en peso CaO 0,4-1,5% en peso SiO2 Resto para un tubo de vidrio en un colector de tubos de vacío con una unión de vidrio-metal o para un matraz de rayos X con una unión de vidrio-metal.
Description
Uso de un vidrio para uniones de
vidrio-metal.
La invención se refiere al uso de un vidrio para
uniones de vidrio-metal.
Las uniones de vidrio-metal se
utilizan, por ejemplo, en colectores de tubos de vacío y matraces
de rayos X. En los colectores de tubos de vacío es necesaria una
combinación de vidrio-metal hermética al vacío para
el aislamiento térmico entre el tubo absorbedor consistente en
metal y el tubo envolvente consistente en vidrio.
En centrales solares de canales parabólicos se
generan por parte de la radiación concentrada en los colectores
unas temperaturas de trabajo de hasta 400ºC con fuertes diferencias
de temperatura locales. A esto se añaden las cargas constantes por
cambio de temperatura originadas por el ritmo de los días y las
fases de nubosidad tempo-
rales.
rales.
En los colectores solares de alta temperatura se
utilizan hasta ahora uniones de vidrio-metal como
las que se describen, por ejemplo, en la patente US 1,294,466. En
esta llamada técnica del ama de casa se incrusta una lengüeta
metálica muy delgada con una alta dilatación térmica de
aproximadamente 15 x 10^{-6} K^{-1} en un vidrio fundido
resistente a los cambios de temperatura con una dilatación térmica
considerablemente más pequeña de aproximadamente 3 x 10^{-6}
K^{-1}. Las tensiones térmicas que pueden esperarse bajo la carga
de la temperatura son absorbidas entonces por deformación plástica
de la lengüeta metálica. Sin embargo, la solicitación cambiante
permanente inevitable en un colector solar conduce con frecuencia a
fallos mecánicos en esta zona altamente solicitada y a una tasa de
roturas insoportablemente elevada de la combinación de
vidrio-metal de más del 4% por año. Esta representa
un serio obstáculo para la amplia introducción de la técnica solar
en el campo de las centrales.
Estas uniones de vidrio-metal
son conocidas como las llamadas uniones no adaptadas, ya que el
vidrio y el metal presentan coeficientes de dilatación térmica
diferentes.
Esta técnica se utiliza también en la técnica de
los matraces de rayos X, tal como se describe en la patente US
6,324,870 B1.
Es conocido también por la técnica de tubos de
rayos X utilizar las llamadas uniones de
vidrio-metal adaptadas. En este caso, se incrusta un
metal de bajo coeficiente de dilatación en un vidrio fundido con un
coeficiente de dilatación idéntico o similar. Como vidrios de
incrustración en estado de masa fundida se utilizan hasta ahora
Schott 8250®, Schott 8245® y 8447®. Los vidrios de incrustación en
estado de masa fundida tienen el inconveniente de que la
estabilidad frente al agua y los ácidos es netamente peor (DIN ISO
719, clase HGB 3, páginas 3-4) que en el caso de los
vidrios corrientes de borosilicato (Duran®, DIN ISO 719, clase HGB
1, página 1).
Se obtienen mejores resultados mediante la unión
por fusión de un metal de aproximadamente 5 x 10^{-6} K^{-1},
conocida por la técnica de los tubos de rayos X, con un vidrio
estable frente a los cambios de temperatura de aproximadamente 3 x
10^{-6} K^{-1} a través de varios de los llamados vidrios
intermedios con comportamiento de dilatación escalonado. Esta unión
por fusión es muy fiable, pero adolece del inconveniente de que los
vidrios intermedios utilizados no son estables frente a la
corrosión, lo cual constituye una premisa inalienable para
colectores solares. Para establecer una unión con vidrio de
borosilicato estable 3,3 (Duran®) se utilizan otros vidrios de
transición. Una serie de combinaciones conocida de esta clase es:
metal (por ejemplo, NiCo2918)-Schott 8448®-Schott
8449®-Schott 8447®-Schott 8330®-Duran®.
Asimismo, por motivos técnicos de producción de
vidrio, estos vidrios intermedios no pueden fabricarse en forma
tubular con dimensiones > 100 mm de diámetro exterior. La fusión
en varias etapas de los vidrios intermedios de cada tanda,
practicada por este motivo en la técnica de los tubos de rayos X,
se opone a una fabricación automática de los colectores solares que
resulta necesaria por motivos de costes. Por esta razón, la unión
por fusión de vidrio y metal practicada para los tubos de rayos X
no puede transferirse en su totalidad a los colectores solares de
alta
temperatura.
temperatura.
Además, el acoplamiento de vidrios de transición
es técnicamente complicado y eleva la tasa de desechos y los costes
del proceso. Por otra parte, un proceso de producción de uniones de
vidrio-metal con varios vidrios de transición no
puede automatizarse industrialmente.
Por tanto, el cometido de la invención consiste
en encontrar un vidrio para una unión de
vidrio-metal adaptada que satisfaga al mismo tiempo
los requisitos de estabilidad frente a cambios de temperatura y de
estabilidad frente a influencias atmosféricas.
Este problema se resuelve empleando un vidrio
que presenta la composición siguiente:
| B_{2}O_{3} | 8-11,5% en peso | |
| Al_{2}O_{3} | 5-9% en peso | |
| Na_{2}O | 5-9% en peso | |
| K_{2}O | 0-5% en peso | |
| CaO | 0,4-1,5% en peso | |
| SiO_{2} | Resto |
para un tubo de vidrio en un
colector de tubos de vacío con una unión de
vidrio-metal.
Otro uso está previsto para matraces de rayos X
con una unión de vidrio-metal.
Este vidrio exento de bario es conocido para la
elaboración de ampollas bebibles, frascos y otros medios de
envasado primarios farmacéuticos, tales como, por ejemplo, para
jeringuillas, carpulas, plumas y vasos de reactivo. Para la
fabricación de tales medios de envasado primarios farmacéuticos se
parte de tubos de vidrio con un diámetro exterior máximo de 30
mm.
Hasta ahora, no se ha tomado en consideración el
empleo de esta clase de vidrio para la fabricación de tubos de
vidrio para la solartermia, que han de presentar un diámetro de más
de 120 mm, y para el empleo de uniones de
vidrio-metal. Esto puede atribuirse a que hasta
ahora no se ha reconocido que esta clase de vidrio reúne varias
propiedades, de modo que es adecuada para su empleo en colectores
de tubos de vacío.
El vidrio posee un coeficiente de dilatación
térmica de 5,5 x 10^{-6} K^{-1}, que se diferencia sólo en
aproximadamente un 10% del coeficiente de dilatación térmica de
metales corrientes. Asimismo, es estable frente a ácidos y lejías
(clases S1 y A2 según DIN 1216 y DIN ISO 695), así como estable
frente al agua (clase HGB 1, DIN ISO 719). Posee igualmente un
pequeño contenido de hierro, lo que es especialmente importante para
tubos envolventes en colectores de tubos de vacío. Además, se ha
comprobado que no sólo pueden fabricarse tubos con un diámetro
exterior de un máximo de 30 mm, sino que esta clase de vidrio puede
transformarse sin problemas en tubos con diámetros exteriores >
120 mm. Estas ventajosas propiedades hacen superfluo el empleo de
vidrios de transición, de modo que es posible un proceso de
fabricación industrialmente automatizable.
Una composición preferida de este vidrio es:
| B_{2}O_{3} | 9,5% en peso | |
| Al_{2}O_{3} | 6,5% en peso | |
| Na_{2}O | 6,5% en peso | |
| K_{2}O | 2,5% en peso | |
| CaO | 0,5% en peso | |
| SiO_{2} | Resto |
Preferiblemente, este vidrio posee una
proporción de Fe < 400 ppm, en particular Fe < 50 ppm. La
proporción de metal resulta de impurezas naturales de los
componentes, en particular del componente de SiO_{2}. Mediante el
empleo de materiales de partida especialmente seleccionados se
puede reducir netamente el contenido de hierro, con lo que se puede
aumentar aún más la idoneidad para tubos envolventes en colectores
de tubos de vacío.
Un uso preferido prevé que el metal de las
uniones de vidrio-metal sea un material metálico
del grupo No. 1.3981 de la norma DIN 17745. Este material posee la
composición siguiente (proporciones de masa en %):
- 28-30 de Ni, hasta 0,05 de C, 16-18 de Co, Resto de Fe
Se ha visto que estos metales presentan un
coeficiente de dilatación de 5 x 10^{-6} K^{-1} y establecen
una unión especialmente duradera con la clase de vidrio según la
invención.
Preferiblemente, la parte metálica presenta un
espesor de al menos 0,5 a 1 mm en la zona de incrustación en estado
de masa fundida. Esta medida contribuye también a una combinación
de vidrio-metal estable, de modo que puede
garantizarse una larga vida útil incluso a altas cargas
mecánicas.
En la figura se representa a título de ejemplo
una unión de vidrio-metal constituida por un tubo
de vidrio 1 y un tubo de metal 2. El borde del tubo de metal 2 se ha
incrustado directamente, es decir, sin vidrios intermedios, en la
masa fundida del tubo de vidrio 1, sin reducción del material, con
el espesor D, por ejemplo D = 1 mm.
Claims (7)
1. Uso de un vidrio con la composición
siguiente:
para un tubo de vidrio (1) en un
colector de tubos de vacío con una unión de
vidrio-metal.
2. Uso de un vidrio con la composición
siguiente:
para un matraz de rayos X con una
unión de
vidrio-metal.
3. Uso según la reivindicación 1 ó 2, en el que
el vidrio presenta la composición siguiente:
4. Uso según una de las reivindicaciones 1 a 3,
en el que el vidrio presenta una proporción de hierro de < 450
ppm.
5. Uso según la reivindicación 4, en el que el
vidrio presenta una proporción de hierro de < 150 ppm.
6. Uso según una de las reivindicaciones 1 a 5,
en el que el metal de la unión de vidrio-metal
consiste en un material metálico con la siguiente composición
(proporciones de masa en %): 28-30 de Ni, hasta
0,05 de C, 16-18 de Co, Resto de Fe.
7. Uso según una de las reivindicaciones 1 a 6,
en el que la parte metálica presenta en la zona de incrustación en
estado de masa fundida un espesor de 0,5 a 1 mm.
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