專利名稱：一種高溫集熱管的玻璃-金屬封接結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及玻璃-金屬封接結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有封接強(qiáng)度好，氣密性高，特別適用高溫、高壓的真空絕緣和絕熱領(lǐng)域，比如槽式光熱發(fā)電高溫集熱管的玻璃-金屬封接，大功率電子管、高壓滅弧管、X射線管等電子器件的玻璃-金屬封接。
背景技術(shù)：
太陽能光熱發(fā)電是將太陽能進(jìn)行光學(xué)聚焦，對(duì)介質(zhì)進(jìn)行加熱，然后通過熱交換產(chǎn)生高溫高壓蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。光熱發(fā)電的集熱系統(tǒng)是整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵核心部件。在過去的30多年時(shí)間里，美國(guó)和以色列等國(guó)家國(guó)分別探討了塔式集熱、蝶式集熱、槽式集熱等形式的集熱方法，通過實(shí)踐對(duì)比，槽式集熱技術(shù)具有投資少、效率高、運(yùn)行穩(wěn)定、適合大規(guī)模電站、因此成為重要的集熱方式。 槽式集熱技術(shù)是將高溫集熱管置于ー個(gè)弧面反射鏡的光學(xué)聚焦焦點(diǎn)位置上，光能通過弧面反射鏡的全反射聚集在高溫真空集熱管上，使光能轉(zhuǎn)化為熱能，可將高溫集熱管內(nèi)的介質(zhì)加熱到450°C以上，要比普通太陽能真空集熱管的溫度(彡100°C以下)高出350°C以上，對(duì)于集熱管按使用溫度要求可分為三類低溫集熱管< 100°C ;中溫集熱管100-4500C ;高溫集熱管> 450°C，因此槽式光熱發(fā)電集熱屬于高溫集熱技術(shù)。高溫集熱管是由玻璃外管和鍍膜不銹鋼內(nèi)管所組成，在端部使用膨脹節(jié)將玻璃管和金屬連接在一起，排除玻璃管與不銹鋼管之間的氣體將玻璃管與不銹鋼管之間的氣體抽出，使其兩者之間形成真空，這樣既能實(shí)現(xiàn)熱量最大限度程度地收集到鍍膜金屬內(nèi)管里，又可以通過真空來抑制防止熱量散失。玻璃與金屬之間的連接技術(shù)稱為封接技術(shù)，所用的玻璃材料一般為硼硅酸鹽玻璃體系。槽試光熱發(fā)電就是通過高溫集熱管的陣列排布，將高溫集熱管串并聯(lián)起來，構(gòu)成ー個(gè)龐大的太陽能集熱場(chǎng)。從光熱電站運(yùn)行和測(cè)試情況來看，槽式集熱方式具有成本低、投資少、效率高，運(yùn)行可靠性好、便于大面積集熱，可以并且通過蓄能方式來可實(shí)現(xiàn)24小時(shí)不間斷的發(fā)電的優(yōu)勢(shì)，槽式集熱系統(tǒng)逐步成為全球重點(diǎn)開發(fā)和應(yīng)用的光熱發(fā)電主導(dǎo)技木。槽式集熱是典型的光學(xué)聚焦型集熱方式，其高溫狀態(tài)和使用環(huán)境對(duì)玻璃-金屬封接提出了極為苛刻的要求，其核心要求在于1)抗熱震沖擊能力，以保證封接端頭在熱沖擊作用下(高低溫沖擊、氣候變化的熱沖擊)玻璃管或封接部位不能破損破壞和不漏氣；2)機(jī)械強(qiáng)度高，以保證在熱沖擊、裝置變形、重力等作用下不破損和不漏氣。玻璃-金屬結(jié)構(gòu)、材料與封接形式是保持高溫集熱管真空氣密性的關(guān)鍵所在，是槽式光熱電站穩(wěn)定運(yùn)行的保障，由此決定了玻璃-金屬結(jié)構(gòu)成為光熱發(fā)電系統(tǒng)的可靠性，目前，其成為槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展瓶頸。只有攻克這項(xiàng)技術(shù)，才能實(shí)現(xiàn)整個(gè)槽式集熱系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。目前，在槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)的高溫集熱管的玻璃-金屬封接，普遍采用非匹配封接技術(shù)(兩者的膨脹系數(shù)相差較大，一般差大于10%以上，甚至300%)，在封接部位應(yīng)カ較大，比如不銹鋼304-硼硅3. 3玻璃(在50-300で范圍，不銹鋼304的膨脹系數(shù)為17-18X10_6/°C，硼硅3. 3玻璃的膨脹系數(shù)為3. 3*10_6/°C，化學(xué)穩(wěn)定性極好的硼硅酸鹽玻璃，全球著名產(chǎn)品包括PYREX/DURAN/BJTY等)，可伐合金4J29-硼硅3. 3玻璃，(在50_300°C范圍，可伐合金4J29的膨脹系數(shù)為4. 7-5. 3X 10_6/°C)，硼硅3. 3玻璃確實(shí)在很多方面具有優(yōu)良特性玻璃的確在很多方面具有優(yōu)良特性，尤其在熱學(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性方面，但是其封接潤(rùn)濕性是很差的，所以，在全球30年的應(yīng)用時(shí)間里發(fā)現(xiàn)有20%以上出現(xiàn)漏氣而導(dǎo)致集熱管的真空失效和封接部位破損。另外為了避免非匹配封接的不利，高溫集熱管開始進(jìn)行匹配封接，基本通過兩種技術(shù)手段加以解決的，I)通過遞次封接方式實(shí)現(xiàn)匹配封接，比如可伐合金4J29與硼硅3. 3玻璃之間需要4種以上的玻璃來過渡才能實(shí)現(xiàn)與可伐和硼硅碰硅3. 3玻璃的匹配封接，由于增加了封接部位的數(shù)量，漏氣風(fēng)險(xiǎn)大幅増加，另外，工作量也出現(xiàn)成倍増加，嚴(yán)重地影響了生產(chǎn)效率，再者，對(duì)于期間的過渡玻璃生產(chǎn)和采購也帶來巨大難度，現(xiàn)在全球很難在一家企業(yè)完成多種牌號(hào)玻璃制造和供應(yīng)，為生產(chǎn)帶來不確定性；2)通過可伐合金4J29與5. O醫(yī)藥玻璃或CN1657460A的玻璃進(jìn)行直接匹配封接， 即使5. O醫(yī)藥玻璃或CN1657460A的玻璃確實(shí)優(yōu)于硼硅3. 3玻璃的封接特性性，但是其封接致密性和封接強(qiáng)度也還不是很好，另外該類玻璃應(yīng)變點(diǎn)過高，高于可伐合金的居里點(diǎn)溫度(約為430°C )，導(dǎo)致封接部位在退火時(shí)仍有較大應(yīng)力難于消除，在光熱發(fā)電的熱交變溫度作用條件環(huán)境下，仍然不能依然未能獲得最佳可靠的應(yīng)用性效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于，提供ー種玻璃-金屬封接結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)特別適用于槽式光熱發(fā)電、大功率電子管、X射線管等技術(shù)領(lǐng)域。該結(jié)構(gòu)包括可伐合金圈(4)、包覆在可伐合金圈上過渡玻璃(5)，與過渡玻璃通過軸向和徑向相連的玻璃管(5)，三者之間通過熔封エ藝來實(shí)現(xiàn)彼此連接，封接強(qiáng)度高，氣密性好。本發(fā)明通過大量研究發(fā)現(xiàn)能與可伐合金4J29有效匹配封接的玻璃材料，很難滿足槽式光熱發(fā)電、大功率電子管、X射線管的機(jī)械性能(高強(qiáng)度、抗彎折)、熱震穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、透光率、抗曝曬性等一系列性能要求。而滿足機(jī)械性能(高強(qiáng)度、抗彎折)、熱震穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、透光率、抗曝曬性的玻璃，往往封接強(qiáng)度和界面潤(rùn)濕氣密性要求又不好。本發(fā)明目的在于，提供ー種金屬-玻璃封接結(jié)構(gòu)，這種金屬是ー種高溫條件下相對(duì)穩(wěn)定可伐合金(中國(guó)的金屬牌號(hào)為4J29)，化學(xué)組成為(wt%) :Ni 28-30, Co 16-18，C ^ O. 05,余量為Fe。在50-450°C范圍，平均線膨脹系數(shù)(4. 7-5. 3) X10_7°c。這種結(jié)構(gòu)包括可伐合金圈(4)、過渡玻璃5、玻璃管6。通過過渡玻璃5作為玻璃管6和可伐合金圈
(4)之間橋梁和紐帶，實(shí)現(xiàn)彼此之間的更好連接。過渡玻璃5滿足封接特性要求，過渡玻璃長(zhǎng)度為5-25mm之間，玻璃管6來滿足機(jī)械性能(高強(qiáng)度、抗彎折)、熱震穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、透光率、抗曝曬性要求，可伐合金圈4 一端連接過渡玻璃5，另外一端連接不銹鋼等材質(zhì)的金屬膨脹節(jié)，用于緩解高溫集熱管的金屬管受熱膨脹。為了使可伐合金圈4、過渡玻璃5、玻璃管6之間的匹配封接，要求三者的平均線膨脹系數(shù)要求相近，彼此數(shù)值相差最大< O. 6X10_6/°C，其特征在于玻璃管6膨脹系數(shù)>過渡玻璃5膨脹系數(shù)>可伐合金圈4膨脹系數(shù)?？煞ズ辖鹑?、過渡玻璃5、玻璃管6三者之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系為以可伐合金圈4為基礎(chǔ)，首先，過渡玻璃5與可伐合金圈4 一端相連，采用熔封方式，包括火焰熔封或高頻熔封兩種，然后，在過渡玻璃5表面或一端熔封玻璃管6?？煞ズ辖鹑?與過渡玻璃5封接形式采用單邊包封或雙邊包封。過渡玻璃5與玻璃管6的封接形式采取兩者的軸向封接(過渡玻璃管與玻璃管相同直徑，兩端相連)和徑向封接(過渡玻璃管直徑小干與玻璃管直徑，玻璃管套接在過渡玻璃管上)。可伐合金圈4采用市售的可伐合金片沖壓或可伐合金管輥壓而成，化學(xué)組成為(wt%) Ni 28-30, Co 16-18，C彡O. 05，余量為Fe。在50_450°C范圍，平均線膨脹系數(shù)(4. 7-5. 3) X10_6/°C，可伐合金圈厚度范圍 O. 5-1. 5mm，長(zhǎng)度 20_50mm，直徑 114_130臟。過渡玻璃5在50-300で范圍，平均線膨脹系數(shù)(4.8_5.2) X 10_6/°C，與可伐合金之間的潤(rùn)濕性好，封接強(qiáng)度高，氣密性好，玻璃轉(zhuǎn)變點(diǎn)< 510°C，化學(xué)組成(wt%)特點(diǎn)=B2O3
14.5-24，Al2O3 1-3，Na20+K20+Li20 6-8，堿土金屬氧化物彡 5. 0，SiO2 66-70，F(xiàn)e2O3く 200PPm。玻璃管6在50-300°C范圍，平均線膨脹系數(shù)(4. 9_5. 5) X10_6/°C，厚度范圍I. 5-3. 5mm，與過渡玻璃較好熔封，強(qiáng)度好，轉(zhuǎn)變點(diǎn)< 550°C，化學(xué)穩(wěn)定性好，耐水、耐酸、耐堿均為I級(jí)，彈性模量彡68MPa，熱震穩(wěn)定性彡200°C，化學(xué)組成(wt%)特點(diǎn)=B2O3 6. 0-10. 5，Al2O3 3-8，Na20+K20+Li20 5-8, ZrO2 O. 01-1. 0，堿土金屬氧化物彡 3. 0，SiO2 68-75，F(xiàn)e2O3彡150PPm，玻璃中較少鐵含量，可以確保太陽光譜透過率高。抗曝曬光譜透過率差小于O. 3%，抗曝曬性評(píng)價(jià)方法，制作1_厚度玻璃雙面鏡面拋光，紫外線照射前，測(cè)試光譜透光率為80%時(shí)的波長(zhǎng)，然后放置于功率40W，主波長(zhǎng)254nm紫外燈的正下方200mm處，照射120min,然后在測(cè)試前的波長(zhǎng)位置再次測(cè)量其透過率，Λ T越小，即玻璃抗曝曬性越好。在全球30年的應(yīng)用時(shí)間里發(fā)現(xiàn)有20%以上出現(xiàn)漏氣導(dǎo)致集熱管的真空失效和封接部位破損。采用了本發(fā)明集熱管的真空失效和封接部位破損率將小于2%。


圖I (a)過渡玻璃-玻璃管軸向連接。圖I (b)過渡玻璃-玻璃管徑向連接。序號(hào)ト金屬管2-端蓋3-膨脹節(jié)4-可伐合金圈5-過渡玻璃6-玻璃管7-1、7-2、7_3 _ -焊接部位
具體實(shí)施例方式ー種高溫集熱管的玻璃-金屬封接結(jié)構(gòu)，其特征在于包括可伐合金圈4、過渡玻璃5、玻璃管6 ;可伐合金圈4 一端連接過渡玻璃5，然后在過渡玻璃5表面上連接玻璃管6。玻璃管6與過渡玻璃5軸向封接或徑向封接。
首先，制備滿足尺寸規(guī)格要求的可伐合金圈4J29，(以下簡(jiǎn)稱可伐合金)、過渡玻璃5、玻璃管6，將可伐合金圈4按常規(guī)方法進(jìn)行燒氫和氧化處理，氧化層厚度O. 5-1. 5微 米；其次，將將可伐合金圈4置入火焰車床主動(dòng)端卡盤內(nèi)，調(diào)整其同心度，被動(dòng)端夾持同直徑的過渡玻璃管；再者點(diǎn)燃弧形加熱火嘴，移動(dòng)火嘴調(diào)整火焰，加熱可伐合金圈4封接部 位，待紅熱后，將過渡玻璃管5移近火焰，使其紅熱軟化，溫度達(dá)到950-1050°C時(shí)，將過渡玻璃管5封接在可伐合金圈4端面上，包封長(zhǎng)度3-5_，包封過渡玻璃5厚度O. 3-0. 8mm,最后，將玻璃管6 —端和過渡玻璃一端或上表面進(jìn)行封接，形成彼此直接的徑向或軸向連接。
權(quán)利要求
1.ー種高溫集熱管的玻璃-金屬封接結(jié)構(gòu)，其特征在于包括可伐合金圈(4)、過渡玻璃(5 )、玻璃管(6 );可伐合金圈(4 ) 一端連接過渡玻璃(5 )，然后在過渡玻璃(5 )表面上連接玻璃管(6 )。玻璃管(6 )與過渡玻璃(5 )通過軸向封接或徑向封接連接在一起。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述ー種高溫集熱管的玻璃-金屬封接結(jié)構(gòu)，其特征在于可伐合金圈(4)、過渡玻璃(5)、玻璃管(6)的平均線膨脹系數(shù)要數(shù)值相差最大< 0.6X10_6/°C，且玻璃管(6)膨脹系數(shù)>過渡玻璃(5)膨脹系數(shù)>可伐合金圈膨脹系數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述ー種高溫集熱管的玻璃-金屬封接結(jié)構(gòu)，其特征在于玻璃管(6)與過渡玻璃(5)之間、過渡玻璃(5)與可伐合金圈(4)之間采用連接方式為熔封エ藝進(jìn)行連接的方式，使用采用火焰加熱或高頻加熱。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述ー種高溫集熱管的玻璃-金屬封接結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的可伐合金圈(4)，在50-450°C范圍，平均線膨脹系數(shù)(4. 7-5. 3) X 10_6/°C，厚度范圍0.5-1. 5mm，化學(xué)組成為以重量百分比計(jì)為Ni 28-30，Co 16-18，C彡O. 05，余量為Fe。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述ー種高溫集熱管的玻璃-金屬封接結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的過渡玻璃(5)，其特征在于在50-300で范圍，平均線膨脹系數(shù)(4. 8-5. 2) X 10_6/°C，轉(zhuǎn)變點(diǎn)彡 510°C，化學(xué)組成(wt%).點(diǎn)B2O3 14.5-24，Al2O3 1-3, Na20+K20+Li20 6-8，ニ價(jià)金屬氧化物彡 5. O, SiO2 66-70，F(xiàn)e2O3 く 200PPm。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述ー種高溫集熱管的玻璃-金屬封接結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的玻璃管(6)，其特征在于在50-300で范圍，平均線膨脹系數(shù)(4. 9-5. 5)X 10_6/で，厚度范圍.1.5-3. 5mm，轉(zhuǎn)變點(diǎn)彡550°C，化學(xué)穩(wěn)定性好，耐水、耐酸、耐堿均為I級(jí)，弾性模量彡68MPa，熱震穩(wěn)定性彡 200°C，化學(xué)組成(wt%).點(diǎn)B2O3 6.0-10.5，Al2O3 3-8, Na20+K20+Li20 5-8,ZrO2 O. 01-1. 0，堿土金屬氧化物彡 3. O, SiO2 68-75，F(xiàn)e2O3 く 150PPm。
全文摘要
一種高溫集熱管的玻璃-金屬封接結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)特別適用于槽式光熱發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域。該結(jié)構(gòu)包括可伐合金圈(4)、包覆在可伐合金圈上過渡玻璃(5)、與過渡玻璃通過軸向或徑向相連的玻璃管(5)，三者之間通過熔封工藝來實(shí)現(xiàn)彼此的連接，該結(jié)構(gòu)封接強(qiáng)度高，氣密性好。
文檔編號(hào)C03C27/04GK102838292SQ20121037849
公開日2012年12月26日 申請(qǐng)日期2012年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月8日
發(fā)明者田英良, 邵艷麗, 孫詩兵, 郭現(xiàn)龍 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)