專利名稱：一種太陽能吸熱管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種太陽能吸熱管，主要用于槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的集熱器中，屬 于太陽能光熱利用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是一種中高溫太陽能熱利用系統(tǒng)，其利用可跟蹤太陽的槽 型拋物面反射鏡，將入射光反射聚焦在吸熱管上，金屬內(nèi)管表面涂覆的選擇性吸收膜吸收 太陽光加熱管內(nèi)工質(zhì)，產(chǎn)生高溫高壓蒸氣，推動汽輪機(jī)發(fā)電。1984-1990年間，美國LUZ公司 在加州沙漠相繼建成了 9座槽式太陽能熱發(fā)電站，總裝機(jī)容量353MW，該系統(tǒng)目前仍然在運(yùn) 行。太陽能吸熱管是槽式太陽能熱發(fā)電站中最為核心的部件，一般由吸收輻射涂層的 金屬內(nèi)管和環(huán)繞的玻璃外管組成，為了減少熱損失，玻璃外管與金屬內(nèi)管之間的環(huán)形空間 抽真空，由于材料不同，玻璃外管與金屬內(nèi)管之間通過封接金屬過渡件進(jìn)行連接。這種太陽 能吸熱管一般長為4060mm，金屬內(nèi)管外徑為70mm，管內(nèi)走高溫傳熱工質(zhì)，使用壽命一般要 求達(dá)到20年。由于金屬內(nèi)管運(yùn)行溫度達(dá)到了 400°C以上，而玻璃外管溫度僅僅100°C左右， 并且金屬內(nèi)管和玻璃外管的熱膨脹系數(shù)相差很大，要求金屬內(nèi)管和玻璃外管之間進(jìn)行膨脹 位移補(bǔ)償，因此在玻璃外管和金屬內(nèi)管之間通過波紋管來緩解軸向熱膨脹應(yīng)力。由于該太陽能吸熱管中需要高透光率和高硬度的玻璃，這種玻璃的膨脹系數(shù)較 低，一般采用高硼硅3. 3玻璃(Pyrex玻璃)，而金屬內(nèi)管的膨脹系數(shù)較大，因此生產(chǎn)中常常 采用玻璃-金屬過渡的方法來解決玻璃與金屬的膨脹系數(shù)不匹配的問題。如選擇低膨脹合 金如鐵_鎳或鐵_鎳_鈷合金材料與膨脹系數(shù)接近的玻璃進(jìn)行熱熔封接，然后該種玻璃再 通過玻璃之間逐漸過渡的方法與高硼硅玻璃封接在一起，而低膨脹合金材料再與波紋管進(jìn) 行焊接，這種吸熱管存在多道焊縫，工藝復(fù)雜，低膨脹合金材料成本較高。特別是在波紋管 與金屬-玻璃過渡件焊接時，玻璃與金屬封接處由于突然高溫極易炸裂，這個問題對于集 熱管的制造造成了很大影響。目前解決的辦法一般是增加焊接處與玻璃封接處的之間長度 并進(jìn)行冷卻，但這樣將減少吸熱管采光面積，降低了吸熱管的效率。專利號CN1495394中，公開了一種太陽能用吸熱管，采用新的玻璃材料，該種玻璃 與一種低膨脹合金的膨脹系數(shù)接近，實(shí)現(xiàn)了玻璃與金屬匹配封接，其膨脹補(bǔ)償裝置為波紋 管，該波紋管設(shè)置在金屬內(nèi)管和固定在玻璃外管上的玻璃-金屬過渡件之間的環(huán)形室內(nèi)， 低膨脹合金與玻璃封接后，另一端與波紋管進(jìn)行焊接，而波紋管再通過連接件與金屬內(nèi)管 焊接，因此這種吸熱管中，玻璃外管必須經(jīng)過金屬_玻璃過渡件、連接件、波紋管、連接件和 金屬內(nèi)管之間多道焊接工序才能與金屬內(nèi)管之間形成環(huán)形真空空間，工藝復(fù)雜，過多的焊 縫對吸熱管的真空壽命構(gòu)成了潛在威脅。專利CN100513926C提出了一種高溫太陽能集熱管及其制造工藝，該集熱管包括 金屬內(nèi)管和玻璃外管，波紋管的一端通過連接件與金屬內(nèi)管連接，另一端與金屬-玻璃封 接過渡件進(jìn)行焊接，該金屬_玻璃封接過渡件采用了膨脹系數(shù)比較接近的DM308玻璃與4J29可伐進(jìn)行匹配封接。該集熱管中存在多道焊縫，工藝較為復(fù)雜，一旦焊接造成玻璃與金 屬封接處損壞，整管將報(bào)廢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提出一種采用波紋管與玻璃封接的太 陽能吸熱管，本發(fā)明減少了焊接環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了玻璃與金屬的非匹配封接，避免了焊接時玻 璃-金屬封接處由于突然高溫而炸裂的問題，并可降低太陽能吸熱管的制作成本，提高了 吸熱管的有效利用率和真空壽命。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案一種太陽能吸熱管，玻璃外管采用透光率好和硬度高的高硼硅3. 3玻璃，與玻璃 外管同軸的金屬內(nèi)管采用耐高溫和耐腐蝕的不銹鋼合金，金屬內(nèi)管外壁鍍有耐高溫的選擇 性吸收涂層。具有膨脹補(bǔ)償作用的波紋管是一端為直筒段的波紋管，直筒段的端口為薄壁 刀口。波紋管與玻璃外管，以及金屬內(nèi)管同軸布置。所述波紋管的一端通過連接件與金屬 內(nèi)管焊接在一起，而波紋管的直筒段的端口插入玻璃外管端口的管壁中，與玻璃外管熔封 在一起，實(shí)現(xiàn)玻璃與金屬的非匹配封接；所述的連接件為環(huán)形端蓋，其內(nèi)孔套在金屬內(nèi)管上 進(jìn)行焊接，外環(huán)與波紋管進(jìn)行焊接；所述的太陽能吸熱管兩端結(jié)構(gòu)對稱，都具有所述的連接 件和波紋管，從而在玻璃外管和金屬內(nèi)管之間形成環(huán)形封閉空間，該環(huán)形封閉空間抽真空 以減少金屬內(nèi)管的熱損失。所述的波紋管為耐高溫和耐腐蝕的金屬，其熱膨脹系數(shù)在9X10_6-18X10_6/K，其 特征是具有端口為薄壁刀口的直筒段，直筒段是在波紋管生產(chǎn)時專門制作出來的，與波紋 管是一體的，不存在焊接環(huán)節(jié)。這樣減少了真空漏氣部位，也避免了焊接時玻璃與金屬封接 炸裂的問題。同時焊接處也易于腐蝕，對吸熱管真空壽命造成較大影響，減少焊接環(huán)節(jié)提高 了產(chǎn)品合格率常規(guī)的吸熱管中金屬過渡件一端需要先與玻璃封接，而另一端再與波紋管進(jìn)行焊 接，在進(jìn)行波紋管焊接時為了避免玻璃與金屬封接處受到熱沖擊而要求金屬過渡件有一定 的長度，減少了吸熱管的有效面積，因此采用帶有直筒段的波紋管可以避免焊接引起的一 系列問題，并且提高了吸熱管的有效吸熱面積。所述的波紋管的直筒段，通過將直筒段端口進(jìn)行薄壁處理，利用薄壁金屬的柔韌 性緩解與玻璃封接后的應(yīng)力從而完成玻璃與金屬的封接。將波紋管的直筒段端部加工成 薄壁刀口，或稱為錐形，其最外邊緣厚度必須小于0. 05mm,錐度小于3°，才能體現(xiàn)出直筒 段的彈性和柔韌性，壁厚要均勻一致，表面要光滑，直筒段加工前需要進(jìn)行熱處理釋放材料 內(nèi)的應(yīng)力。這種結(jié)構(gòu)對玻璃與金屬封接非常有利，能夠滿足太陽能吸熱管中玻璃與金屬封 接的氣密性和強(qiáng)度要求，因此在實(shí)際生產(chǎn)中這種封接結(jié)構(gòu)可以大規(guī)模應(yīng)用于太陽能吸熱管 中。而另外一種方式是將波紋管的直筒段端口同樣加工成薄壁刀口狀，其最外邊緣厚 度小于0.06mm，刀口錐度小于3°，然后直筒段向內(nèi)再次被削薄，二次削薄段的刀口錐度必 須小于3°，這樣不僅可以大大降低加工薄壁的精度要求，而且在保證直筒段刀口處柔韌性 的同時，增加了刀口處的強(qiáng)度，在與玻璃外管進(jìn)行熱熔封接時，刀口處能夠承受更高的溫度 和玻璃對刀口的壓力。
一端為直通段的波紋管加工時可以先制作出具有薄壁的直筒段再制作出波紋管， 也可以先液壓出波紋管，然后再制作出具有薄壁的直筒段。在波紋管的薄壁刀口在與玻璃外管封接時，要通過惰性氣體保護(hù)波紋管的波紋部 分不被高溫氧化，可以將加熱的端部直接插入到已經(jīng)軟化的玻璃外管管壁中，也可以先在 刀口處的內(nèi)外壁燒上玻珠，之后再通過玻璃與玻璃進(jìn)行封接，但是必須保證封入玻璃中的 薄壁刀口兩面均包有玻璃，形成雙面封接。為了滿足玻璃與金屬的封接強(qiáng)度，其薄壁刀口處 要封入玻璃中至少4mm。這種太陽能吸熱管由于在實(shí)際運(yùn)行時，金屬內(nèi)管中工質(zhì)的溫度在400°C左右，而玻 璃外管溫度在100°c左右，金屬內(nèi)管的膨脹系數(shù)要遠(yuǎn)大于玻璃外管的膨脹系數(shù)，因此為了緩 解內(nèi)外管之間的膨脹差，減少對玻璃與金屬封接的拉力，需要在吸熱管兩端均放置波紋管， 每個波紋管至少具有3個波紋，否則單個波紋管難以緩解如此大的膨脹差。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式作詳細(xì)說明。圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的吸熱管一端局部剖面圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例1的波紋管直筒段的剖面圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例2的波紋管直筒段的剖面圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例2的吸熱管一端局部剖面圖；圖中1金屬內(nèi)管，2玻璃外管，3連接件，4波紋管，5波紋管直筒段，6薄壁刀口，7 環(huán)形封閉空間，8 二次削薄段，9玻璃管縮口段。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明實(shí)施例1的太陽能吸熱管的一端如圖1所示。太陽能吸熱管包括玻璃外管 2和帶有耐高溫的選擇性吸收涂層的金屬內(nèi)管1。金屬內(nèi)管1采用316L不銹鋼合金；玻璃 外管2為高硼硅3. 3玻璃。連接件3 —端與金屬內(nèi)管1焊接在一起，連接件3的另一端與 具有膨脹補(bǔ)償作用的波紋管4焊接在一起；波紋管4的材料為304不銹鋼合金，膨脹系數(shù)為 17 X 10-6/K，具有5個波紋，波紋管4的一端具有直筒段5，所述的直筒段5的端口加工成薄 壁刀口 6的形狀，如圖2所示，薄壁刀口 6的最薄邊緣厚度為0. 03mm,錐度為1°，刀口長為 15mm。波紋管4的薄壁刀口 6與玻璃外管2進(jìn)行熱熔封接，薄壁刀口 6在封接時插入玻璃 外管2端口的管壁中至少4mm，保證薄壁刀口 6的封接處兩面均包有玻璃。太陽能吸熱管兩 端對稱，都具有連接件3和波紋管4，這樣玻璃外管2與金屬內(nèi)管1之間就形成了環(huán)形封閉 空間8，通過對其抽真空從而達(dá)到了減少吸熱管熱損失的效果。圖3為本發(fā)明實(shí)施例2的波紋管直筒段的剖面圖，圖4為本發(fā)明實(shí)施例2的太陽 能吸熱管局部剖面圖的一端。實(shí)施例2中的太陽能吸熱管同實(shí)施例1類似，同樣包括玻璃 外管2和帶有耐高溫的選擇性吸收涂層的金屬內(nèi)管1，金屬內(nèi)管1采用316L不銹鋼合金； 玻璃外管2為高硼硅3. 3玻璃，為了降低吸熱管的成本，將玻璃外管2端部加工出縮口段9， 這樣可以減少波紋管4的直徑。連接件3的一端與金屬內(nèi)管1焊接在一起，連接件3的另 一端與具有膨脹補(bǔ)償作用的波紋管4焊接在一起；波紋管4采用316L不銹鋼合金，膨脹系 數(shù)為16 X 10_6/K，具有3個波紋，其另一端具有直筒段5，先將波紋管4的直筒段5端口同樣加工成薄壁刀口 6，其最外邊緣厚度為0. 05mm,刀口錐度為1 °，然后從距離薄壁刀口 6的端 口 3-5mm處開始，薄壁刀口 6向內(nèi)再次被削薄，二次削薄段8最薄處壁厚仍為0. 05mm，刀口 錐度為1°，如圖3所述。這樣降低了加工精度要求，在與玻璃外管2進(jìn)行熱熔封接時，薄壁 刀口 6處能夠承受更高的溫度和玻璃對刀口的壓力，其在封接時插入玻璃外管2中6mm，保 證薄壁刀口 6的封接處兩面均包有玻璃。吸熱管兩端對稱，都具有連接件3和波紋管4，這 樣，通過對玻璃外管2與金屬內(nèi)管1之間的環(huán)形封閉空間8抽真空從而達(dá)到了減少吸熱管 熱損失的效果。
權(quán)利要求
一種太陽能吸熱管，包括玻璃外管(2)和帶有耐高溫選擇性吸收涂層的金屬內(nèi)管(1)，具有膨脹補(bǔ)償作用的波紋管(4)的一端通過連接件(3)與金屬內(nèi)管(1)連接，波紋管(4)的另一端與玻璃外管(2)連接，在玻璃外管(2)和金屬內(nèi)管(1)之間形成真空的環(huán)形封閉空間(7)，其特征在于，所述的波紋管(4)與玻璃外管(2)，以及金屬內(nèi)管(1)同軸布置；所述的波紋管(4)的一端為直筒段，直筒段的端口為薄壁刀口；所述的波紋管(4)的一端通過連接件與金屬內(nèi)管(1)焊接在一起，波紋管(4)的直筒段的端口插入玻璃外管(2)端口的管壁中，與玻璃外管(2)熔封在一起；所述的連接件為環(huán)形端蓋，連接件的內(nèi)孔套在金屬內(nèi)管(1)上進(jìn)行焊接，連接件的外環(huán)與波紋管(4)進(jìn)行焊接。
2.按權(quán)利要求1所述的太陽能吸熱管，其特征在于，所述波紋管(4)的膨脹系數(shù)在 9X10_6-18X10_6/K。
3.按權(quán)利要求1所述的太陽能吸熱管，其特征在于，波紋管(4)的薄壁刀口(6)錐度小 于3°，薄壁刀口(6)的最外邊緣厚度小于0. 05mm。
4.按權(quán)利要求1所述的太陽能吸熱管，其特征在于，首先將所述波紋管(4)的直筒段(5)端口加工成薄壁刀口狀，之后向內(nèi)再次削薄直筒段(5)，二次削薄段(8)的錐度小于3°。
5.按權(quán)利要求1所述的太陽能吸熱管，其特征在于，波紋管(4)的薄壁刀口(6)插入玻 璃外管⑵端口的管壁中至少4mm。
6.按權(quán)利要求1所述的太陽能吸熱管，其特征在于，所述的太陽能吸熱管兩端均具有 波紋管⑷。
7.按權(quán)利要求1所述的太陽能吸熱管，其特征在于，波紋管(4)至少具有3個波紋。
全文摘要
一種太陽能吸熱管，包括玻璃外管(2)和帶有耐高溫選擇性吸收涂層的金屬內(nèi)管(1)。具有膨脹補(bǔ)償作用的波紋管(4)的一端通過連接件(3)與金屬內(nèi)管(1)焊接在一起，波紋管(4)的另一端與玻璃外管(2)連接，在玻璃外管(2)和金屬內(nèi)管(1)之間形成真空的環(huán)形封閉空間(7)。波紋管(4)與玻璃外管(2)、金屬內(nèi)管(1)同軸布置。波紋管(4)的一端為直筒段，直筒段的端口為薄壁刀口，其最外邊緣厚度小于0.05mm，刀口錐度小于3°?；蛘咴摫”诘犊?6)具有二次削薄段(8)，該二次削薄段(8)的錐度小于3°。該薄壁刀口插入玻璃外管(2)端口的管壁中，與玻璃外管(2)熔封在一起。
文檔編號F24J2/48GK101986060SQ201010257369
公開日2011年3月16日 申請日期2010年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月19日
發(fā)明者李健, 王志峰, 雷東強(qiáng) 申請人:中國科學(xué)院電工研究所