一種高溫集熱管的玻璃-金屬封接結構制造技術

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(fā)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(xiàn)彼此的連接，該結構封接強度高，氣密性好。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術涉及玻璃-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(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。
技術介紹
太陽能光熱發(fā)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(chǎn)生高溫高壓蒸汽，驅動汽輪機發(fā)電。光熱發(fā)電的集熱系統(tǒng)是整個發(fā)電系統(tǒng)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(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(nèi)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(fā)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(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(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(xiàn)24小時不間斷的發(fā)電的優(yōu)勢，槽式集熱系統(tǒng)逐步成為全球重點開發(fā)和應用的光熱發(fā)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(tài)和使用環(huán)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(wěn)定運行的保障，由此決定了玻璃-金屬結構成為光熱發(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。只有攻克這項技術，才能實現(xiàn)整個槽式集熱系統(tǒng)穩(wěn)定運行。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(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，尤其在熱學性能、化學穩(wěn)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(fā)現(xiàn)有20%以上出現(xiàn)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(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，漏氣風險大幅増加，另外，工作量也出現(xiàn)成倍増加，嚴重地影響了生產(chǎn)效率，再者，對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)完成多種牌號玻璃制造和供應，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的玻璃進行直接匹配封接， 即使5. O醫(yī)藥玻璃或CN1657460A的玻璃確實優(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(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用性效果。
技術實現(xiàn)思路
本專利技術目的在于，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(fā)電、大功率電子管、X射線管等
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(xiàn)彼此連接，封接強度高，氣密性好。本專利技術通過大量研究發(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射線管的機械性能(高強度、抗彎折)、熱震穩(wěn)定性、化學穩(wěn)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(wěn)定性、化學穩(wěn)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。本專利技術目的在于，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(wěn)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(shù)(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(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(wěn)定性、化學穩(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)。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(shù)(4. 7-5. 3) X10_6/°C，可伐合金圈厚度范圍 O. 5-1. 5mm，長度 20_50本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
一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。

【技術特征摘要】
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(jù)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(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(jù)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(shù)(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...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：田英良，邵艷麗，孫詩兵，郭現(xiàn)龍，
申請(專利權)人：北京工業(yè)大學，
類型：發(fā)明
國別省市：