太陽平板集熱器的板芯及其集熱板選擇性吸收膜的鍍膜方法

專利名稱：太陽平板集熱器的板芯及其集熱板選擇性吸收膜的鍍膜方法
技術領域：
本發明涉及一種太陽平板集熱器的板芯及其集熱板選擇性吸4繼的 方法，屬于太陽能熱交換設備技術。
背景技術：
本發明所稱選擇性吸收膜，是指能夠有效選擇吸收太陽入射能，而其本 身的熱輻射小的TiNxOy氮氧化鈥選擇性吸收膜。
已有技術的太陽平板集熱器的板芯集熱板，大多采用TxT^f牛作為其吸 收膜，其吸收率最高可達92%，但其發射率卻高達30~40%。 ^4"采用化學 鍍鉻工藝鍍布吸收膜，但因其工藝過程污染環境，而已經停止采用。鋁/氮鋁 4M，雖已多年成功應用于真空太陽集熱器，<^究表明，這種鍍膜不能在 30(TC以上高溫^f牛下長期^^1,也不能在非真空高溫^f牛下長期使用。且所 述已有技術的板芯，因其結構不R理，而直接影響太陽平板集熱器的集熱 效果。
中國專利公開號CN 88101654A,公開了一種氮氧化鈥IM。它是用來 4吏陽光中可見光通過，而反射紅外和遠紅外光。這種 主要用在熱反射玻 璃或陽光控制玻璃上。
已有技術也有用氮氧化鈥作為電子線路板的4M，但其目的在于阻止銅 的擴散。
科學實驗證明，波長〈30nm的太陽能輻射，幾乎全部被臭氧吸收，波長 〉250nm的太陽能輻射，大部分被H20和C02所吸收。而能夠有效吸收波長 在30~250nm范圍內太陽能輻射的，用于太陽平板集熱器板芯集熱板的高吸 收^^L射的氮氧化鈥選擇性吸收膜及其鍍膜方法，至今未見有報道。

發明內容
本發明旨在提供一種高吸收^^射的太陽平板集熱器的板芯及其集熱板 選擇性吸收膜的働莫方法，以有效提高太陽平板集熱器的集熱效果。
本發明實現其目的的構想是，對已有板芯的結構進行改進，以進一步提 高集熱板的集熱效果；且同時提供一種能夠有效選擇吸收波長在30~250nm
范圍內太陽能輻射的選擇性吸收膜以及采:iu茲控濺射方式實施所述選擇性吸
>1 的 方法，替代已有技術的吸>| ，且有效保證 ^量，以進一步 提高其吸收率和降低其發射率，使集熱板的吸收率由已有技術的92%以下提 升到92%以上，從而進一步提高太陽平板集熱器的集熱效果。有鑒于上述構想，本發明太陽平板集熱器的板芯的技術方案是 一種太陽平板集熱器的板芯，由銅箔集熱板與布設在集熱板反面的銅質 流體介質管焊接組成，在集熱板的正面鍍布有吸*) ,其創新點在于，所述 吸收膜,是能夠有效選擇吸收太陽入射能而其熱輻射小的TiNxOy氮氧化4i^ 擇性吸4tM。以有效吸收波M 3(K250nm范圍內的且其吸收率>92%的太 陽光輻射能。
本發明優選的所述選擇性吸收膜，是TiN0.7(M.0Ol.(M.4氮氧化4iit擇性吸 收膜，即Ti : N : 0=1: 0.7 1.0: l.(K1.4,所述比例是Ti， N, 0的分子重 量比。本發明并不排除所述Ti， N， 0分子重量比"卜的TiNxOy氮氧化4錄 棒性吸4繼。這是因為它的吸收率均可》92%。
本發明特別優選的所述選擇性吸4tM,是Ti N0.88Ol.32氮氧化4ii^擇性吸 亂
本發明優選的所^i^擇性吸4tM的厚度在9(M00nm范圍內。 本發明還主張在所述選擇性吸4繼的表面，鍍布有用來減少發射率和使 其表面陶資化的Si02保護膜。由于SiQ2保護膜的存在，可以進一步降低所述 選擇性吸收膜的發射率，和提高所述選棒性吸^M與銅箔的粘合牢度，以及耐 高溫性和耐濕性，且便于對其表面進行清洗。
本發明優選的所述SiO2保護膜的厚度在90 100nrn范圍內。 本發明所述集熱板與流體介質管的焊接，可以是集熱板密合M在流體 介質管表面的焊接，或者是集熱板與流體介質管條線接觸焊接。就其熱交換 效果而言，所述^t焊接明顯優于條線接觸焊接。而就制備工藝而言，由于 所述集熱板的銅箔厚度比較薄，所推薦的厚度在0.2~0.3111111范圍內，且集熱 板的長度和寬度一般為2000 x 200mm，因而銅箔包覆流體介質管的工藝相對 要復雜一點。盡管如此，本發明還是4M包覆焊接結構。而所述焊接，主張 采用超聲波焊接。
上述技術方案得以實施后，本發明的板芯結構合理，熱交換效果好，尤 其是由于采用所述選擇性吸》) 和加覆保護膜，其吸收率可達到或超過96%, 發射率低于4%。與已有技^M目比，本發明板芯具有突出的實質性特點和顯 著進步。
本發明 一種鍍布如以上所述的太陽平板集熱器板芯的集熱板選擇性吸收 膜方法的技術方案是采用直流雙把真空賊射 機，以所述銅箔集熱板為 基材，鈦靶為陰極，其創新點在于，依次按照以下步驟進行
a. 銅箔集熱板正面處理；去除銅箔正面的油污和氧化皮；
b. 銅箔集熱板烘干；
c. 將烘干銅箔集熱板置于所述4 機鍍膜室內，且鍍膜室抽真空；d. 給真空室充Ar氬氣，JUH同箔集熱板接通直流電，轟擊銅箔集熱4反 正面，去除銅箔集熱板正面殘存的氧化皮和附著的氣體；
e. 給4太M通直流電，鈥耙起耙'踐射，同時充N、 O氣，Ti離子與N、 O發生反應生成Ti N xOy氮氧化鈥,且沉積津i^在銅箔集熱板正面而形成H N
xOy氮氧化鈥選擇性吸》) 。
本發明主張還包括在所述Tl N xOy氮氧化^4棒I"生吸^M表面鍍布Si02
保護膜；所述SK)2保護膜的鍍布方法，是以石英輩巴作為第二陰極，緊接e步 驟，給第二陰極接通直流電,且向l^室內充Ar、 O氣；石英耙起輩巴賊射； 且沉積津給在所述Ti NxOy氮氧化4ti4擇性吸Jl繼表面形成Si02保護膜；或 者在以上所述^f牛下，以硅耙作為第二陰極，硅耙起耙'踐射，Si與O發生反 應生成Si02且沉積粘合在所述TiNxOy氮氧化4^^科生吸4 表面形成Si02 保護膜。由于前者成本車^f氐，后者成本豐支高，因而在具體實施中，可根據實 際情況選擇采用。
本發明通過反復試驗對比，優選所述a步驟銅箔集熱板正面處理，M 用含量10Q/。的NaOH，去除油污，且用熱離子水清洗,然后再用含量為10~15% H2S04去除氧化皮，且用冷水沖洗；所述b步驟銅箔集熱板烘干，是用潔凈 熱風循環烘箱，在7(K80。C溫度條件下，持續3(K50min實施烘干處理；所述 c步驟真空室的真空度在0.1~1.0 x l(T2Pa范圍內；所述d步驟IH同箔集熱板 所接通的直流電的電壓在60(K1200V范圍內，電流在30 35A范圍內；轟擊 清理時間在5-10min范圍內；所述e步驟給4太耙所接通的直流電的電壓在 30(K350V范圍內，電it^3(K35A范圍內，所述充N、 O氣的N氣流量由 18~22ml/s漸增至95~105ml/s， O氣流量由8~12ml/s漸增至28~32ml/s， 鍍膜時間可根據Ti N xOy選擇性吸^RM^度選定。在所述工藝技術參數的條 件下，可以有效保障所述選擇性吸tltl^iJiJTiNxOy。通過控制調節所述電壓 和電流以及N、 0氣的單位時間^v量和時間，可以得到TiNo.7(M.oOi.(M.4氮 氧化鈥選擇性吸收膜，或Ti N0.88Ol.32氮氧化M擇性吸Jl繼。。
本發明主張用于siG)2保護膜MM的所述硅耙是工業硅；所a第二陰極
所接通的直流電的電壓在300 350V范圍內，電力脈30~35A范圍內；所充 的Ar、 O氣，是按Ar氣65 75。/0, O氣25~35%的比例充的；反應鍍膜時間 可根據Si02保護，度選定。通過所述工藝參數的調控，控制SiQ2保護膜 的厚度。
上述技術方案得以實M,本發明所述1 方法所具有的工藝先進性和可 操作性是顯而易見的。尤其A^取二次清理，徹底清除銅箔集熱^i面附著的 油污、氧化皮和氣體，可以有效提高所述選擇性吸4繼與銅箔的轱合牢度，且
HJ:均勻、表面平整，從而明顯提高了吸收率，P爭低了發射率。


圖l是本發明板芯一種具體實施方式
的結構示意圖； 圖2是圖1的俯視圖；圖3是本發明^反芯另一種具體實施方式
的結構示意圖； 圖4是圖3的俯3見圖。 圖5是本發明 的典型工藝流程圖； 圖6是本發明 的另一種工藝流程圖；具體實施方式
事實上由以上所給出的附圖，已經可以明了本發明實現其目的所采取的 技術方案。以下對照附圖通過具體實施方式
的描述，可以進一步了解本發明 的技術方案。
具體實施方式
之一，如附圖1、 2所示。一種太陽平板集熱器的板芯，由銅箔集熱板1與布設在集熱板1反面的 銅質流體介質管2焊接組成，在集熱板1的正面鍍布有吸收膜3，所述吸收 膜3,是能夠有效選擇吸收太陽入射能而其熱輻射(發射率)小的Ti N0.7(M.QOl.(M.4氮氧化鈦選擇性吸收膜。所述選擇性吸收膜3的厚度在 9(K100nm范圍內。在所iiit棒l"生吸^M 3的表面，還鍍布有用來減少^Jt和 使其表面陶f:化的Si02保護膜4,所述Si02保護膜4的厚度在9(M00nm范 圍內。所述集熱板1與流體介質管2的焊接，是集熱板1密合包覆在流體介 質管2表面的超聲波焊接。所述集熱板1采用^*>99°/。厚度為0.25mm的精 煉精專L4同箔；流體介質管2采用①10x0.5mm高純度銅管。且先將所述流體 介質管2，通it^聲波焊接在集熱板1的反面后，再置入直流雙M空'減射 ItM機內，實施所述選擇性吸收膜3的鍍布。
具體實施方式
之二，如附圖3、 4所示。一種太陽平板集熱器的板芯，除了集熱板選擇性吸4tM 3表面不具備 Si02保護膜4，以及所述集熱板1與流體介質管2的焊接，是條線接觸超聲 ifcl:旱接外；其它，均如同具體實施方式
之一。其制備過程是，先將銅箔集熱 ;t^口工成圓筒狀，再置入直流雙草&^空賊射I4M機內，實施所iii^^性吸收 膜3的鍍布，然后再#4^布有所述選擇性吸 3的銅箔集熱板，通過^^刀 后與流體介質管2實施超聲波焊接。
具體實施方式
之三，如附圖5所示。一種鍍布如以上所述太陽平板集熱器板芯的集熱板選擇性吸收膜的方 法，采用直流雙耙真空賊射4M機，以所述銅箔集熱板為基材，鈥把為陰極， 依次按照以下步驟進行a.銅箔集熱板正面處理；去除銅箔正面的油污和氧化皮；先用含量10°/0的NaOH,去除油污，且用熱離子水清洗，然后再用含量為10~15% H2SO4 去除氧化皮，且用冷水沖洗；b. 銅箔集熱板烘干；用潔凈醫用熱風循環烘箱，在70 80。C溫度務降下， 持續30 50min實施烘干處理；c. 將烘干銅箔集熱板置于所述4M機MM室內，且 室抽真空；真空 室的真空度在0.1~1.0 x l(r2Pa范圍內；d. 給真空室充Ar氣，且^同箔集熱4反4妄通直流電，轟擊銅箔集熱4反正 面，去除銅箔集熱板正面殘存的氧化皮和附著的氣體；所通的直流電的電壓 為600V，電流為30A;轟擊清理時間為8min;e.紿4太草&l妄通直流電；鈥把起耙'減射，同時充N、 O氣，Ti離子與N、 O發生>^應生成TiN0.88Ol.32氮氧化鈥，且沉積^t^在銅箔集熱板正面而形成 H No.880i.32選擇性吸j)繼。所才妄通直流電的電壓為300V，電流為30A,所 述充N、O氣的N氣流量由18 22ml/s漸增至95 105ml/s, O氣流量由8~12ml/s 漸增至28~32ml/s, ^^應 時間才艮據Ti No.8sOi.32選擇性吸》| ^度選定。 所述TiN0.88Ol.32氮氧化鈥選擇性吸Jl繼，是本發明優選的。還可包括在所述Ti No.880i.32氮氧化4iit擇性吸4iJt表面鍍布Si02保護 膜；所述Si02保護膜的鍍布方法，是以石英耙作為第二陰極，緊接e步驟， 給第二陰極接通直流電，且向 室內充Ar、 o氣；石英輩巴起把'減射且沉積粘合在所述Tl N0.88Ol.32y氮氧化1^4擇性吸》| 表面形成Si02保護膜。所述給第二陰極接通直流電的電壓為300V，電流為30A; ^!M時間根據Si02 保護膜厚度選定。
具體實施方式
之四，如附圖6所示。一種鍍布如以上所述太陽平板集熱器板芯的集熱板選擇性吸收膜的方 法，除了不包括鍍布Si02保護膜外，其它均與具體實施方式
之三相同。
具體實施方式
之五，如附圖5所示。一種鍍布如以上所述太陽平板集熱器板芯的集熱板逸擇性吸收膜的方 法，除了鍍布Si02保護膜，是采用硅輩巴作為第二陰極，實施'踐射鍍布外，其 它均與具體實施方式
三相同。根據具體實施方式
之三、之四和之五的描述，通過改變所述工藝;f^:,可以給出多^NM方法的M實施方式，從而制取在所述Ti N0.7(M.0Ol.(M.4范圍內的Ti、 N、 O多種不同分子重量比和多種不同I^厚度的氮氧化M 棒性吸J)繼以及二氧化硅保護膜。本發明初樣試-瞼結果顯示，其吸收率可達到96%,發射率在4%以下。 這是已有技術不可與a目比擬的。本發明為太陽能利用，開發了一種先進高 效的平板集熱器板芯。對比試驗結果顯示，采用本發明板芯的太陽平板熱水器，其得熱量比已有技術的得熱量，可提高20 30%，取得了十分顯著的效果。
權利要求
1、一種太陽平板集熱器的板芯，由銅箔集熱板(1)與布設在集熱板(1)反面的銅質流體介質管(2)焊接組成，在集熱板(1)的正面鍍布有吸收膜(3)，其特征在于，所述吸收膜(3)，是能夠有效選擇吸收太陽入射能而其熱輻射小的Ti NxOy氮氧化鈦選擇性吸收膜。
2、 根據權利要求l所述的太陽平板集熱器的板芯，其特征在于，所iii^ 棒l"生吸收膜(3),是Ti N0,7(M.0Ol.(M.4氮氧化鈥選擇性吸^l繼。
3、 根據權利要求2所述的太陽平板集熱器的板芯，其特征在于，所M 4奪性吸收膜(3)，是Ti N0.88Ol.32氮氧化鈥選擇性吸收膜。
4、 根據權利要求1或2或3所述的太陽平板集熱器的板芯,其特征在于， 所i4^擇性吸JJ繼(3)的厚度在90~100nm范圍內。
5、 根據權利要求1或2或3所述的太陽平板集熱器的板芯，其特征在于， 在所述選擇性吸j]tM(3)的表面，還鍍布有用來減少發射率和使其表面陶資化 的Si02保護膜(4)。
6、 根據權利要求5所述的太陽平板集熱器的板芯，其特征在于，所述 Si02保護膜(4)的厚度在90~100nm范圍內。
7、 一種鍍布如權利要求1所述的太陽平板集熱器板芯的集熱板選擇性吸 收膜的方法，采用直流雙把真空'減射IM機，以所述銅箔集熱板為基材，鈦 靶為陰極，其特征在于，依次按照以下步驟進行a. 銅箔集熱斧反正面處理；去除銅箔正面的油污和氧化皮；b. 銅箔集熱板烘干；c. 將烘千銅箔集熱板置于所述IM機鍍膜室內，且鍍膜室抽真空；d. 給真空室充Ar氬氣，JUH同箔集熱板接通直流電，轟擊銅箔集熱板 正面，去除銅箔集熱板正面殘存的氧化皮和附著的氣體；e. ^4太草W妄通直流電，鈥輩巴起把'減射，同時充N、 O氣，Ti離子與N、 O發生反應生成Ti N xOy氮氧化鈥,且沉積^^在銅箔集熱板正面而形成Ti N xOy氮氧化鈥選擇性吸^M。
8、 根據權利要求7所述的鍍膜方法，其特征在于，還包括在所述TiNxOy 氮氧^4ii^擇性吸4tM表面鍍布Si02保護膜；所述Si02保護膜的鍍布方法， 是以石英耙作為第二陰極，緊接e步驟，給第二陰極接通直流電，且向鄉室 內充Ar、 O氣；石英輩巴起輩巴濺射，且沉積粘合在所述TiNxOy氮氧4^4ii^擇 性吸4tM表面形成Si02保護膜；或者在以上所述條件下，以硅把作為第二陰 極，硅把起lii賊射，Si與O發生反應生成Si02且沉積粘合在所述Ti N xOy 氮氧化鈥選擇性吸4 表面形成Si02保護膜。
9、 根據權利要求7所述的鍍膜方法，其特征在于，所述a步驟銅箔集熱 板正面處理，是先用含量10Q/()的NaOH,去除油污，且用熱離子水清洗，然 后再用含量為10~15% H2SO4去除氧化皮，且用冷水沖洗；所述b步驟銅箔 集熱板烘干，^JD潔凈熱風循環烘箱，在7(K80。C溫度條件下，持續30 50min 實施烘干處理；所述c步驟真空室的真空度在0.1 1.0xl0,a范圍內；所述 d步驟給銅箔集熱板所接通的直流電的電壓在600~1200V范圍內，電流在 30 35A范圍內；轟擊清理時間在5 10 min范圍內；所述e步驟^H太耙所 接通的直流電的電壓在300-350V范圍內，電it^ 30 35A范圍內，所述充N、 O氣的N氣流量由18~22ml/s漸增至95 105ml/s， O氣流量由8 12ml/s漸增 至28~32ml/s,反應4iM時間可根據TiNxOy選擇性吸jRM厚度選定。
10、 根據權利要求8所述的4M方法，其特^4于，所述給第二陰極所 接通的直流電的電壓在30(K350V范圍內，電流在30~35A范圍內；所充的 Ar、 O氣，是按Ar氣65 75Q/。， O氣25~35%的比例充的；反應4M時間可 根據Si02保護膜厚度選定。
全文摘要
本發明公開了一種太陽平板集熱器的板芯及其集熱板選擇性吸收膜的鍍膜方法，其板芯由銅箔集熱板與布設在集熱板反面的銅質流體介質管焊接組成，在集熱板正面鍍布有吸收膜，以其所述吸收膜是TiN_xO_y氮氧化鈦選擇性吸收膜為主要特征。具有結構合理，熱交換效果好和吸收率高等特點。其鍍膜方法是，采用直流雙靶真空濺射鍍膜機，以銅箔集熱板為基材，鈦靶為陰極，以其依次按照銅箔集熱板正面處理；銅箔集熱板烘干；烘干銅箔集熱板置于鍍膜室內，且鍍膜室抽真空；采用Ar氬氣轟擊銅箔集熱板正面，實施二次清理；給鈦靶接通直流電，同時充N、O氣，經反應形成TiN_xO_y氮氧化鈦選擇性吸收膜為主要特征。具有工藝先進，所述集熱板與選擇性吸收膜粘合牢度強，鍍層均勻，表面平整和吸收率高及發射率小等特點。
文檔編號C23C14/54GK101240944SQ20081001853
公開日2008年8月13日 申請日期2008年2月21日 優先權日2008年2月21日
發明者夏建業, 楊紀忠, 湯留庚, 郭廷瑋 申請人:常州博士新能源科技有限公司