專利名稱：一種高溫集熱管的玻璃-金屬封接結構的制作方法
技術領域：
本發明涉及玻璃-金屬封接結構，該結構具有封接強度好，氣密性高，特別適用高溫、高壓的真空絕緣和絕熱領域，比如槽式光熱發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：
太陽能光熱發電是將太陽能進行光學聚焦，對介質進行加熱，然后通過熱交換產生高溫高壓蒸汽，驅動汽輪機發電。光熱發電的集熱系統是整個發電系統的關鍵核心部件。在過去的30多年時間里，美國和以色列等國家國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，通過實踐對比，槽式集熱技術具有投資少、效率高、運行穩定、適合大規模電站、因此成為重要的集熱方式。 槽式集熱技術是將高溫集熱管置于ー個弧面反射鏡的光學聚焦焦點位置上，光能通過弧面反射鏡的全反射聚集在高溫真空集熱管上，使光能轉化為熱能，可將高溫集熱管內的介質加熱到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，因此槽式光熱發電集熱屬于高溫集熱技術。高溫集熱管是由玻璃外管和鍍膜不銹鋼內管所組成，在端部使用膨脹節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，這樣既能實現熱量最大限度程度地收集到鍍膜金屬內管里，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稱為封接技術，所用的玻璃材料一般為硼硅酸鹽玻璃體系。槽試光熱發電就是通過高溫集熱管的陣列排布，將高溫集熱管串并聯起來，構成ー個龐大的太陽能集熱場。從光熱電站運行和測試情況來看，槽式集熱方式具有成本低、投資少、效率高，運行可靠性好、便于大面積集熱，可以并且通過蓄能方式來可實現24小時不間斷的發電的優勢，槽式集熱系統逐步成為全球重點開發和應用的光熱發電主導技木。槽式集熱是典型的光學聚焦型集熱方式，其高溫狀態和使用環境對玻璃-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)機械強度高，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-金屬結構、材料與封接形式是保持高溫集熱管真空氣密性的關鍵所在，是槽式光熱電站穩定運行的保障，由此決定了玻璃-金屬結構成為光熱發電系統的可靠性，目前，其成為槽式光熱發電系統的發展瓶頸。只有攻克這項技術，才能實現整個槽式集熱系統穩定運行。目前，在槽式光熱發電系統的高溫集熱管的玻璃-金屬封接，普遍采用非匹配封接技術(兩者的膨脹系數相差較大，一般差大于10%以上，甚至300%)，在封接部位應カ較大，比如不銹鋼304-硼硅3. 3玻璃(在50-300で范圍，不銹鋼304的膨脹系數為17-18X10_6/°C，硼硅3. 3玻璃的膨脹系數為3. 3*10_6/°C，化學穩定性極好的硼硅酸鹽玻璃，全球著名產品包括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的膨脹系數為4. 7-5. 3X 10_6/°C)，硼硅3. 3玻璃確實在很多方面具有優良特性玻璃的確在很多方面具有優良特性，尤其在熱學性能、化學穩定性方面，但是其封接潤濕性是很差的，所以，在全球30年的應用時間里發現有20%以上出現漏氣而導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，高溫集熱管開始進行匹配封接，基本通過兩種技術手段加以解決的，I)通過遞次封接方式實現匹配封接，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現與可伐和硼硅碰硅3. 3玻璃的匹配封接，由于增加了封接部位的數量，漏氣風險大幅増加，另外，工作量也出現成倍増加，嚴重地影響了生產效率，再者，對于期間的過渡玻璃生產和采購也帶來巨大難度，現在全球很難在一家企業完成多種牌號玻璃制造和供應，為生產帶來不確定性；2)通過可伐合金4J29與5. O醫藥玻璃或CN1657460A的玻璃進行直接匹配封接， 即使5. O醫藥玻璃或CN1657460A的玻璃確實優于硼硅3. 3玻璃的封接特性性，但是其封接致密性和封接強度也還不是很好，另外該類玻璃應變點過高，高于可伐合金的居里點溫度(約為430°C )，導致封接部位在退火時仍有較大應力難于消除，在光熱發電的熱交變溫度作用條件環境下，仍然不能依然未能獲得最佳可靠的應用性效果。
發明內容
本發明目的在于，提供ー種玻璃-金屬封接結構，該結構特別適用于槽式光熱發電、大功率電子管、X射線管等技術領域。該結構包括可伐合金圈(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現彼此連接，封接強度高，氣密性好。本發明通過大量研究發現能與可伐合金4J29有效匹配封接的玻璃材料，很難滿足槽式光熱發電、大功率電子管、X射線管的機械性能(高強度、抗彎折)、熱震穩定性、化學穩定性、透光率、抗曝曬性等一系列性能要求。而滿足機械性能(高強度、抗彎折)、熱震穩定性、化學穩定性、透光率、抗曝曬性的玻璃，往往封接強度和界面潤濕氣密性要求又不好。本發明目的在于，提供ー種金屬-玻璃封接結構，這種金屬是ー種高溫條件下相對穩定可伐合金(中國的金屬牌號為4J29)，化學組成為(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(4. 7-5. 3) X10_7°c。這種結構包括可伐合金圈(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，實現彼此之間的更好連接。過渡玻璃5滿足封接特性要求，過渡玻璃長度為5-25mm之間，玻璃管6來滿足機械性能(高強度、抗彎折)、熱震穩定性、化學穩定性、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的金屬膨脹節，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要求相近，彼此數值相差最大< O. 6X10_6/°C，其特征在于玻璃管6膨脹系數>過渡玻璃5膨脹系數>可伐合金圈4膨脹系數。可伐合金圈4、過渡玻璃5、玻璃管6三者之間的結構關系為以可伐合金圈4為基礎，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。可伐合金圈4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(4. 7-5. 3) X10_6/°C，可伐合金圈厚度范圍 O. 5-1. 5mm，長度 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(4.8_5.2) X 10_6/°C，與可伐合金之間的潤濕性好，封接強度高，氣密性好，玻璃轉變點< 510°C，化學組成(wt%)特點=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，Fe2O3く 200PPm。玻璃管6在50-300°C范圍，平均線膨脹系數(4. 9_5. 5) X10_6/°C，厚度范圍I. 5-3. 5mm，與過渡玻璃較好熔封，強度好，轉變點< 550°C，化學穩定性好，耐水、耐酸、耐堿均為I級，彈性模量彡68MPa，熱震穩定性彡200°C，化學組成(wt%)特點=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，Fe2O3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%，抗曝曬性評價方法，制作1_厚度玻璃雙面鏡面拋光，紫外線照射前，測試光譜透光率為80%時的波長，然后放置于功率40W，主波長254nm紫外燈的正下方200mm處，照射120min,然后在測試前的波長位置再次測量其透過率，Λ T越小，即玻璃抗曝曬性越好。在全球30年的應用時間里發現有20%以上出現漏氣導致集熱管的真空失效和封接部位破損。采用了本發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。序號ト金屬管2-端蓋3-膨脹節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
具體實施例方式ー種高溫集熱管的玻璃-金屬封接結構，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，制備滿足尺寸規格要求的可伐合金圈4J29，(以下簡稱可伐合金)、過渡玻璃5、玻璃管6，將可伐合金圈4按常規方法進行燒氫和氧化處理，氧化層厚度O. 5-1. 5微 米；其次，將將可伐合金圈4置入火焰車床主動端卡盤內，調整其同心度，被動端夾持同直徑的過渡玻璃管；再者點燃弧形加熱火嘴，移動火嘴調整火焰，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，溫度達到950-1050°C時，將過渡玻璃管5封接在可伐合金圈4端面上，包封長度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行封接，形成彼此直接的徑向或軸向連接。
權利要求
1.ー種高溫集熱管的玻璃-金屬封接結構，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.根據權利要求I所述ー種高溫集熱管的玻璃-金屬封接結構，其特征在于可伐合金圈(4)、過渡玻璃(5)、玻璃管(6)的平均線膨脹系數要數值相差最大< 0.6X10_6/°C，且玻璃管(6)膨脹系數>過渡玻璃(5)膨脹系數>可伐合金圈膨脹系數。
3.根據權利要求I所述ー種高溫集熱管的玻璃-金屬封接結構，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行連接的方式，使用采用火焰加熱或高頻加熱。
4.根據權利要求I所述ー種高溫集熱管的玻璃-金屬封接結構，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(4. 7-5. 3) X 10_6/°C，厚度范圍0.5-1. 5mm，化學組成為以重量百分比計為Ni 28-30，Co 16-18，C彡O. 05，余量為Fe。
5.根據權利要求I所述ー種高溫集熱管的玻璃-金屬封接結構，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(4. 8-5. 2) X 10_6/°C，轉變點彡 510°C，化學組成(wt%).點B2O3 14.5-24，Al2O3 1-3, Na20+K20+Li20 6-8，ニ價金屬氧化物彡 5. O, SiO2 66-70，Fe2O3 く 200PPm。
6.根據權利要求I所述ー種高溫集熱管的玻璃-金屬封接結構，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(4. 9-5. 5)X 10_6/で，厚度范圍.1.5-3. 5mm，轉變點彡550°C，化學穩定性好，耐水、耐酸、耐堿均為I級，弾性模量彡68MPa，熱震穩定性彡 200°C，化學組成(wt%).點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，Fe2O3 く 150PPm。
全文摘要
一種高溫集熱管的玻璃-金屬封接結構，該結構特別適用于槽式光熱發電技術領域。該結構包括可伐合金圈(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現彼此的連接，該結構封接強度高，氣密性好。
文檔編號C03C27/04GK102838292SQ20121037849
公開日2012年12月26日 申請日期2012年10月8日 優先權日2012年10月8日
發明者田英良, 邵艷麗, 孫詩兵, 郭現龍 申請人:北京工業大學