金属-玻璃太阳能真空集热管的封接工艺技术

2012-10-22深圳职业技术学院化生学院罗大为

太阳能 2012年1期

深圳职业技术学院化生学院 ■ 罗大为

深圳光启高等理工研究院 ■ 李雪

北京科技大学材料学院 ■ 沈卓身

一引言

太阳能真空集热管于上世纪20年代由美国人发明[1]，它是一种高效太阳集热元件，是接收太阳光能并转化为热能的关键部件，其优点是真空夹层使两管间的对流热损失几乎为零。从集热管的材料来看可分为两类，一类是全玻璃真空太阳能集热管，另一类是金属－玻璃太阳能真空集热管[2～4]。其中，全玻璃真空太阳能集热管具有承压耐冻能力差、耐冲击能力弱等缺陷，在寒冷地区容易冻裂，主要应用于太阳能热水器等中低温领域。

金属－玻璃太阳能真空集热管是一种新型集热管，比全玻璃真空集热管的效率高若干倍，热循环效果好，不会发生管的冻裂，坚固耐用，可做成大、中、小各种太阳能集热管。金属－玻璃太阳能真空集热管的研制中主要存在三大关键技术难题：玻璃与金属封接技术、高温选择性涂层技术和真空技术[5]。玻璃与金属封接是生产技术中的大难题，其封接质量直接决定了集热管的寿命和性能。国外已开发出300～500℃的中高温真空集热管，是新一代的太阳能产品，主要用于太阳能空调、海水淡化和槽式太阳能热发电的基础部件。目前，世界上只有少数几家企业可生产高温真空集热管，如以色列Solel公司和德国Schott公司，年产值皆在100亿欧元以上。国内现有真空集热管的封接方法一般只适用于中低温(300℃以下)，很难满足中高温(300℃以上)的工作要求。

二金属－玻璃太阳能真空集热管的结构

金属－玻璃太阳能真空集热管属于中高温集热管的范畴。以应用于槽式太阳能发电的金属－玻璃真空集热管为例，如图1所示是以色列Solel 2003UVAC真空集热管结构图。

金属－玻璃真空集热管是一根表面带有选择性吸收涂层的金属管，外套一根同心玻璃管。金属一般采用不锈钢材料，并要求金属管表面有一定的光洁度，而玻璃管大多采用Pyrex玻璃制造。为解决金属和玻璃之间线膨胀系数不统一的问题，在金属管和玻璃套管之间两端采用波纹管(也称膨胀节)进行膨胀补偿。波纹管既要有良好的密封性能，还要有足够的柔性。真空集热管内保持真空是关键，因而膨胀节必须密封良好，一般采用无缝不锈钢管制作。

玻璃管和金属管夹层内要求抽真空以保护金属管表面的选择性吸收涂层，同时降低集热损失。由于玻璃管和不锈钢金属管间膨胀系数差异较大，为实现玻璃管和金属管的密封连接，在金属－玻璃封接口一般采用可伐合金(其热膨胀系数介于玻璃和金属之间)过渡封接技术。为尽量提高集热管中工质的温度，要求真空管的金属－玻璃封接口在高温环境下保持良好的工作状态。因此，Pyrex玻璃与可伐合金的密封成为金属－玻璃太阳能真空集热管封接的关键问题。

由于可伐合金和Pyrex玻璃这两种材料的热膨胀系数不匹配，导致在采用传统的封接方式时，封接口时常失效，引起玻璃管的破裂、真空度下降以及选择性涂层降解等问题。据报道，美国正在运行的9座槽式太阳能电站11年的调查结果表明，30%～40%的集热管损坏，其主要原因是在冷却过程中金属与玻璃接口的残余应力导致的[6,7]。有些学者试图寻找合适的封接材料，但玻璃管和金属管帽材料的选择要求都很苛刻，尤其是对玻璃管的性能要求格外严苛。

三封接材料的选择

玻璃管是太阳能真空集热管的基础材料，约占其材料成本的80%，而且对产品性能、寿命、制造工艺影响很大。集热管对玻璃主要有三方面要求：热效率，长寿命；满足各种加工要求；能机械化大规模生产。为满足以上三方面的要求，要求玻璃具有良好的投射性、良好的真空保持性、化学稳定性强、机械强度高、耐热冲击性好、热膨胀系数低、抗酸性等特点[8]。

经生产和使用证明，Pyrex玻璃是目前国内外生产制造太阳能真空玻璃管的首选材料。

Pyrex玻璃由美国康宁公司于1915年发明，当时商业名称为Pyrex，所以一般将这类玻璃都称为Pyrex玻璃，其主要成为是SiO2和B2O3，热膨胀系数为3.3×10−6/℃，所以也常称为硼硅玻璃3.3。中国的商业牌号为BJTY或GG-17。

由于Pyrex玻璃是一种低膨胀的硼硅玻璃，很难选择与其膨胀系数相同的金属材料。在电真空行业，玻璃与金属封装大多采用硼硅硬玻璃和可伐合金材料，因此，一般选择可伐合金与Pyrex玻璃进行封接。可伐合金(Fe-29Ni-17Co)由H.Scott等人在20世纪30年代研究成功，其膨胀系数为(4.7～5.1)×10−6/℃，较接近硼硅硬玻璃，且具有优异的加工和焊接性能，因而广泛用于匹配的金属玻璃封接[9]。

四国内外研究进展

国外已经有成功进行大规模生产的案例，代表产品有以色列Solel公司UVAC真空集热管和德国Schott公司PTR70系列。在金属管与玻璃管的封接技术方面，美国Schott公司改变了封接玻璃的材料，通过开发新的玻璃材料代替Pyrex玻璃，然后采用熔封技术实现了金属与玻璃的匹配封接。而以色列Solel公司在不改变材料的前提下，通过薄壁金属与玻璃直接封接，也很好地解决残余应力的问题[10～12]。

国内自上世纪80年代中期开始研制太阳能真空集热管，攻克了很多技术难关，也开发了很多可伐合金和Pyrex玻璃的连接方式，包括焊料连接、黏结剂连接、热压封接和火焰熔封连接等，但还存在各种问题，很难满足中高温太阳能真空集热管封接的要求。

1 焊料连接

焊料连接是用玻璃焊料将玻璃和金属黏接在一起，要求焊料对玻璃和金属均有较高的黏接强度，同时为克服玻璃和金属因膨胀系数不同在使用过程中产生的封接应力，焊料必须有较好的韧性。

李宏彦等[13]采用低熔点、低膨胀系数的焊料玻璃封接粉，将低熔点、低膨胀系数的玻璃封接粉制成与真空集热玻璃管封接面对应的封接部。首先将低膨胀合金金属端盖烧氢处理，再将封接部置于真空集热玻璃管封接面与低膨胀合金金属端盖封接面之间，然后将真空集热玻璃管端口与低膨胀合金金属端盖端口封接面对齐封接，并放入炉中，在400～700℃保持5～20min，最后将真空集热玻璃管和低膨胀合金金属端盖降温退火。

与该工艺类似的还有，江希年等[14]在真空集热管的玻璃封接件和金属封接件之间涂低熔焊料玻璃粉浆，然后加热使之固化，将玻璃封接件和金属封接件密封封接在一起。

上述两种方法工艺简单、成本低廉、封接性能好，大大降低了真空集热玻璃管的破损率，延长了太阳能集热管的使用寿命，但大量结果表明这些方法封接的真空管在高温下(400℃左右)寿命急剧缩短，仅适用于中低温太阳能真空集热管的使用。

2 黏结剂连接

也有很多研究者采用黏结剂来实现金属与玻璃的结合。罗桂荣[15]在金属与玻璃的连接部位采用耐高温的黏结剂固定连接。郭宗俊[16]在实现金属与玻璃结合时，一端采用焊接封闭，另外一端在金属喇叭口与真空管的开口处采用黏结剂密封。罗鸣[17]在玻璃管与金属管帽之间采用耐高温200℃以上黏结剂在高温下连接。很显然，采用黏结剂连接的产品受到黏结剂软化温度的限制，大都用于低温太阳能真空集热管。

3 热压封接

目前国内玻璃－金属封接大都采用热压封接技术，热压封接主要使用铅基、铝基或铜基合金的低熔点焊丝或焊料等。先将玻璃端面制成法兰形式，然后将低熔点焊丝放在金属端盖与玻璃法兰封接面之间一同加热。当温度接近焊丝熔点时，迅速向其施加冲击压力，使焊丝表面氧化膜迅速破裂，挤出金属液，在金属与玻璃封接面之间固化。由于该过程十分迅速，封接材料在工艺过程中来不及产生化学变化就已与两面形成了气密性封接，整个过程是在常压的环境中进行，大大简化了工艺过程和封接设备[18]。

谢光明等[19]采用的焊接方法是在加热加压的条件下进行的，焊接温度为焊料熔点的0.7～0.9倍，焊接压力在50～140kg/cm2，焊接时间为0.5～5min间，焊接采用塑性较好的金属铅。

何建明[20]在封接时，先将玻璃管开口端法兰与封接圈之间加上封接丝后热压在一起，再将端盖与密封圈密闭固定在一起，封接圈是用铁镍合金制成(42%镍和58%铁)，可保证玻璃管与端盖间的封接质量，降低操作时的封接难度。

经过多年的发展，热压封接工艺由于具有封接温度低、无需退火、封接效率高、可大规模流水线生产等优点，并能一定程度上解决金属和玻璃线膨胀系数不匹配的问题而得到了广泛应用。然而用来制造槽式太阳能电站等中高温集热管时，热压封接工艺并不合格。有研究[21]表明，当使用热压封接的集热管，随着温度的上升，真空管性能下降较为严重，并在285℃达到极限温度，超过此温度后集热管出现漏气现象。这主要是由于作为焊料的铅和铝熔点较低，在中高温开始软化的缘故，故采用热压封接的金属－玻璃太阳能真空集热管只适合于中低温长期工作。另外，由于焊料的熔点较低，相应集热管的真空排气温度也随之降低，从而无法彻底排气，使集热管材料在使用过程中不断放气，影响真空度。

4 火焰熔封

熔封是传统电真空行业中金属和玻璃封装工艺中的关键步骤，是将预氧化后的可伐合金和玻璃固定在模具中，然后整个放在炉内，通过加热使玻璃流动，在冷却的过程中牢固结合。在太阳能集热管封接中，由于不可能将整个玻璃管置于高温中，一般是采用火焰熔封的方法对需要封接的局部进行加热。火焰熔封的优点是产品耐高温，玻璃排气彻底，使用寿命长，抗拉强度也较大。从金属与玻璃封接的本质上讲，熔封关注两个因素，一是玻璃在可伐合金表面的润湿，另一个是封接材料热膨胀系数的匹配。通过预氧化可实现玻璃在可伐合金表面的润湿，但可伐合金与Pyrex玻璃膨胀系数相差较大，远超过6%，属于不匹配封接。如果按照常规的熔封方法，在使用过程中，玻璃管不可避免会破裂。因此，如何减小可伐合金与Pyrex玻璃封接中引入的应力是解决问题的关键。

王志峰等[22]将具有膨胀补偿作用的波纹管与金属内管连接在一起，波纹管的另一端与金属－玻璃过渡件可伐环焊接，可伐环再与玻璃管进行封接。为保护玻璃与金属封接处不受辐射，在封接处外装配遮热罩，波纹管上焊接薄壁遮光环。该玻璃管采用DM308、DM305或DM320钼组玻璃，可伐环采用4J29或4J30铁镍钴低膨胀合金，玻璃与金属封接满足匹配封接条件，利用扩散炉将可伐环有目的预氧化，然后将其与玻璃管进行火焰熔封。虽将Pyrex玻璃换成DM308玻璃管可满足膨胀系数的要求，但DM308玻璃的光学性能和抗化学腐蚀性能较差，不适于用作太阳能集热管用玻璃管。

火焰熔封工艺是目前能制造合格高温太阳能集热管的比较有前景的一种方法[12]。

5 其他封接办法

在金属－玻璃太阳能真空集热管的封接方面还有其他一些专利，主要体现在通过采取各种措施来缓解金属与玻璃封接应力。

张沪基等[23]采用一个或一个以上的过渡玻璃接头进行过渡封接，依次相封接的硬质玻璃、过渡玻璃接头、可伐合金的膨胀系数逐渐增大，相邻两个封接件膨胀系数的差值为(6～11)×10−6/℃。相邻两个封接件封接时，对封接区加热温度为500～1500℃，保温时间5～30min。从硬质玻璃到可伐合金，各封接区的加热温度逐渐降低，各封接区的加热温度差值为50～300℃。最后对封接后的硬质玻璃、过渡玻璃接头、可伐合金进行去应力退火。

陈步亮等[24]为保证金属内管与玻璃管之间形成密闭空腔，在金属波纹管与玻璃管之间设有玻璃金属过渡管。该过渡管包括相互间隔布置的多层玻璃和多层金属，并密封压制在一起。实现了玻璃和金属匹配焊接过渡，保证了集热管的密闭性，加大了金属－玻璃的结合强度，大大提高了集热管的使用寿命和安全性。

王军等[25]在玻璃管一端设有波纹管，波纹管另一端与金属管连接，波纹管与金属管以及波纹管与玻璃管的接口处分别外设防护罩，以更好地保护连接缝。要求波纹管由线膨胀系数在3×10−6～3×10−5/℃的材料制成。

采用上述方法可从一定程度上缓解膨胀系数不匹配的问题，但制作工艺比较复杂，而且操作性相对较差。

五结语

随着太阳能热利用的深入，对集热管质量的要求越来越高。为了提高金属－玻璃太阳能真空集热管的可靠性和一致性，必须保证金属－玻璃封接口的封接质量。事实上，金属－玻璃太阳能真空集热管封接的难点本质上在于可伐合金与Pyrex玻璃的膨胀系数相差太大。国内从事集热管生产的相关企业可借鉴国外的研究成果，从封接工艺或改变封接材料两个角度来实现可伐合金与Pyrex玻璃的结合，以促进我国在中高温太阳能领域的利用与开发。

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