太阳平板集热器的板芯及其集热板选择性吸收膜的镀膜方法

专利名称：太阳平板集热器的板芯及其集热板选择性吸收膜的镀膜方法
技术领域：
本发明涉及一种太阳平板集热器的板芯及其集热板选择性吸4继的 方法，属于太阳能热交换设备技术。
背景技术：
本发明所称选择性吸收膜，是指能够有效选择吸收太阳入射能，而其本 身的热辐射小的TiNxOy氮氧化钬选择性吸收膜。
已有技术的太阳平板集热器的板芯集热板，大多采用TxT^f牛作为其吸 收膜，其吸收率最高可达92%，但其发射率却高达30~40%。 ^4"采用化学 镀铬工艺镀布吸收膜，但因其工艺过程污染环境，而已经停止采用。铝/氮铝 4M，虽已多年成功应用于真空太阳集热器，<^究表明，这种镀膜不能在 30(TC以上高温^f牛下长期^^1,也不能在非真空高温^f牛下长期使用。且所 述已有技术的板芯，因其结构不R理，而直接影响太阳平板集热器的集热 效果。
中国专利公开号CN 88101654A,公开了一种氮氧化钬IM。它是用来 4吏阳光中可见光通过，而反射红外和远红外光。这种 主要用在热反射玻 璃或阳光控制玻璃上。
已有技术也有用氮氧化钬作为电子线路板的4M，但其目的在于阻止铜 的扩散。
科学实验证明，波长〈30nm的太阳能辐射，几乎全部被臭氧吸收，波长 〉250nm的太阳能辐射，大部分被H20和C02所吸收。而能够有效吸收波长 在30~250nm范围内太阳能辐射的，用于太阳平板集热器板芯集热板的高吸 收^^L射的氮氧化钬选择性吸收膜及其镀膜方法，至今未见有报道。

发明内容
本发明旨在提供一种高吸收^^射的太阳平板集热器的板芯及其集热板 选择性吸收膜的働莫方法，以有效提高太阳平板集热器的集热效果。
本发明实现其目的的构想是，对已有板芯的结构进行改进，以进一步提 高集热板的集热效果；且同时提供一种能够有效选择吸收波长在30~250nm
范围内太阳能辐射的选择性吸收膜以及采:iu兹控濺射方式实施所述选择性吸
>1 的 方法，替代已有技术的吸>| ，且有效保证 ^量，以进一步 提高其吸收率和降低其发射率，使集热板的吸收率由已有技术的92%以下提 升到92%以上，从而进一步提高太阳平板集热器的集热效果。有鉴于上述构想，本发明太阳平板集热器的板芯的技术方案是 一种太阳平板集热器的板芯，由铜箔集热板与布设在集热板反面的铜质 流体介质管焊接组成，在集热板的正面镀布有吸*) ,其创新点在于，所述 吸收膜,是能够有效选择吸收太阳入射能而其热辐射小的TiNxOy氮氧化4i^ 择性吸4tM。以有效吸收波M 3(K250nm范围内的且其吸收率>92%的太 阳光辐射能。
本发明优选的所述选择性吸收膜，是TiN0.7(M.0Ol.(M.4氮氧化4iit择性吸 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。本发明并不排除所述Ti， N， 0分子重量比"卜的TiNxOy氮氧化4錄 棒性吸4继。这是因为它的吸收率均可》92%。
本发明特别优选的所述选择性吸4tM,是Ti N0.88Ol.32氮氧化4ii^择性吸 亂
本发明优选的所^i^择性吸4tM的厚度在9(M00nm范围内。 本发明还主张在所述选择性吸4继的表面，镀布有用来减少发射率和使 其表面陶资化的Si02保护膜。由于SiQ2保护膜的存在，可以进一步降低所述 选择性吸收膜的发射率，和提高所述选棒性吸^M与铜箔的粘合牢度，以及耐 高温性和耐湿性，且便于对其表面进行清洗。
本发明优选的所述SiO2保护膜的厚度在90 100nrn范围内。 本发明所述集热板与流体介质管的焊接，可以是集热板密合M在流体 介质管表面的焊接，或者是集热板与流体介质管条线接触焊接。就其热交换 效果而言，所述^t焊接明显优于条线接触焊接。而就制备工艺而言，由于 所述集热板的铜箔厚度比较薄，所推荐的厚度在0.2~0.3111111范围内，且集热 板的长度和宽度一般为2000 x 200mm，因而铜箔包覆流体介质管的工艺相对 要复杂一点。尽管如此，本发明还是4M包覆焊接结构。而所述焊接，主张 采用超声波焊接。
上述技术方案得以实施后，本发明的板芯结构合理，热交换效果好，尤 其是由于采用所述选择性吸》) 和加覆保护膜，其吸收率可达到或超过96%, 发射率低于4%。与已有技^M目比，本发明板芯具有突出的实质性特点和显 著进步。
本发明 一种镀布如以上所述的太阳平板集热器板芯的集热板选择性吸收 膜方法的技术方案是采用直流双把真空賊射 机，以所述铜箔集热板为 基材，钛靶为阴极，其创新点在于，依次按照以下步骤进行
a. 铜箔集热板正面处理；去除铜箔正面的油污和氧化皮；
b. 铜箔集热板烘干；
c. 将烘干铜箔集热板置于所述4 机镀膜室内，且镀膜室抽真空；d. 给真空室充Ar氩气，JUH同箔集热板接通直流电，轰击铜箔集热4反 正面，去除铜箔集热板正面残存的氧化皮和附着的气体；
e. 给4太M通直流电，钬耙起耙'践射，同时充N、 O气，Ti离子与N、 O发生反应生成Ti N xOy氮氧化钬,且沉积津i^在铜箔集热板正面而形成H N
xOy氮氧化钬选择性吸》) 。
本发明主张还包括在所述Tl N xOy氮氧化^4棒I"生吸^M表面镀布Si02
保护膜；所述SK)2保护膜的镀布方法，是以石英輩巴作为第二阴极，紧接e步 骤，给第二阴极接通直流电,且向l^室内充Ar、 O气；石英耙起輩巴賊射； 且沉积津給在所述Ti NxOy氮氧化4ti4择性吸Jl继表面形成Si02保护膜；或 者在以上所述^f牛下，以硅耙作为第二阴极，硅耙起耙'践射，Si与O发生反 应生成Si02且沉积粘合在所述TiNxOy氮氧化4^^科生吸4 表面形成Si02 保护膜。由于前者成本车^f氐，后者成本丰支高，因而在具体实施中，可根据实 际情况选择采用。
本发明通过反复试验对比，优选所述a步骤铜箔集热板正面处理，M 用含量10Q/。的NaOH，去除油污，且用热离子水清洗,然后再用含量为10~15% H2S04去除氧化皮，且用冷水沖洗；所述b步骤铜箔集热板烘干，是用洁净 热风循环烘箱，在7(K80。C温度条件下，持续3(K50min实施烘干处理；所述 c步骤真空室的真空度在0.1~1.0 x l(T2Pa范围内；所述d步骤IH同箔集热板 所接通的直流电的电压在60(K1200V范围内，电流在30 35A范围内；轰击 清理时间在5-10min范围内；所述e步骤給4太耙所接通的直流电的电压在 30(K350V范围内，电it^3(K35A范围内，所述充N、 O气的N气流量由 18~22ml/s渐增至95~105ml/s， O气流量由8~12ml/s渐增至28~32ml/s， 镀膜时间可根据Ti N xOy选择性吸^RM^度选定。在所述工艺技术参数的条 件下，可以有效保障所述选择性吸tltl^iJiJTiNxOy。通过控制调节所述电压 和电流以及N、 0气的单位时间^v量和时间，可以得到TiNo.7(M.oOi.(M.4氮 氧化钬选择性吸收膜，或Ti N0.88Ol.32氮氧化M择性吸Jl继。。
本发明主张用于siG)2保护膜MM的所述硅耙是工业硅；所a第二阴极
所接通的直流电的电压在300 350V范围内，电力脉30~35A范围内；所充 的Ar、 O气，是按Ar气65 75。/0, O气25~35%的比例充的；反应镀膜时间 可根据Si02保护，度选定。通过所述工艺参数的调控，控制SiQ2保护膜 的厚度。
上述技术方案得以实M,本发明所述1 方法所具有的工艺先进性和可 操作性是显而易见的。尤其A^取二次清理，彻底清除铜箔集热^i面附着的 油污、氧化皮和气体，可以有效提高所述选择性吸4继与铜箔的轱合牢度，且
HJ:均匀、表面平整，从而明显提高了吸收率，P争低了发射率。


图l是本发明板芯一种具体实施方式
的结构示意图； 图2是图1的俯视图；图3是本发明^反芯另一种具体实施方式
的结构示意图； 图4是图3的俯3见图。 图5是本发明 的典型工艺流程图； 图6是本发明 的另一种工艺流程图；具体实施方式
事实上由以上所给出的附图，已经可以明了本发明实现其目的所采取的 技术方案。以下对照附图通过具体实施方式
的描述，可以进一步了解本发明 的技术方案。
具体实施方式
之一，如附图1、 2所示。一种太阳平板集热器的板芯，由铜箔集热板1与布设在集热板1反面的 铜质流体介质管2焊接组成，在集热板1的正面镀布有吸收膜3，所述吸收 膜3,是能够有效选择吸收太阳入射能而其热辐射(发射率)小的Ti N0.7(M.QOl.(M.4氮氧化钛选择性吸收膜。所述选择性吸收膜3的厚度在 9(K100nm范围内。在所iiit棒l"生吸^M 3的表面，还镀布有用来减少^Jt和 使其表面陶f:化的Si02保护膜4,所述Si02保护膜4的厚度在9(M00nm范 围内。所述集热板1与流体介质管2的焊接，是集热板1密合包覆在流体介 质管2表面的超声波焊接。所述集热板1采用^*>99°/。厚度为0.25mm的精 炼精專L4同箔；流体介质管2采用①10x0.5mm高纯度铜管。且先将所述流体 介质管2，通it^声波焊接在集热板1的反面后，再置入直流双M空'减射 ItM机内，实施所述选择性吸收膜3的镀布。
具体实施方式
之二，如附图3、 4所示。一种太阳平板集热器的板芯，除了集热板选择性吸4tM 3表面不具备 Si02保护膜4，以及所述集热板1与流体介质管2的焊接，是条线接触超声 ifcl:旱接外；其它，均如同具体实施方式
之一。其制备过程是，先将铜箔集热 ;t^口工成圓筒状，再置入直流双草&^空賊射I4M机内，实施所iii^^性吸收 膜3的镀布，然后再#4^布有所述选择性吸 3的铜箔集热板，通过^^刀 后与流体介质管2实施超声波焊接。
具体实施方式
之三，如附图5所示。一种镀布如以上所述太阳平板集热器板芯的集热板选择性吸收膜的方 法，采用直流双耙真空賊射4M机，以所述铜箔集热板为基材，钬把为阴极， 依次按照以下步骤进行a.铜箔集热板正面处理；去除铜箔正面的油污和氧化皮；先用含量10°/0的NaOH,去除油污，且用热离子水清洗，然后再用含量为10~15% H2SO4 去除氧化皮，且用冷水冲洗；b. 铜箔集热板烘干；用洁净医用热风循环烘箱，在70 80。C温度务降下， 持续30 50min实施烘干处理；c. 将烘干铜箔集热板置于所述4M机MM室内，且 室抽真空；真空 室的真空度在0.1~1.0 x l(r2Pa范围内；d. 给真空室充Ar气，且^同箔集热4反4妄通直流电，轰击铜箔集热4反正 面，去除铜箔集热板正面残存的氧化皮和附着的气体；所通的直流电的电压 为600V，电流为30A;轰击清理时间为8min;e.绐4太草&l妄通直流电；钬把起耙'减射，同时充N、 O气，Ti离子与N、 O发生>^应生成TiN0.88Ol.32氮氧化钬，且沉积^t^在铜箔集热板正面而形成 H No.880i.32选择性吸j)继。所才妄通直流电的电压为300V，电流为30A,所 述充N、O气的N气流量由18 22ml/s渐增至95 105ml/s, O气流量由8~12ml/s 渐增至28~32ml/s, ^^应 时间才艮据Ti No.8sOi.32选择性吸》| ^度选定。 所述TiN0.88Ol.32氮氧化钬选择性吸Jl继，是本发明优选的。还可包括在所述Ti No.880i.32氮氧化4iit择性吸4iJt表面镀布Si02保护 膜；所述Si02保护膜的镀布方法，是以石英耙作为第二阴极，紧接e步骤， 给第二阴极接通直流电，且向 室内充Ar、 o气；石英輩巴起把'减射且沉积粘合在所述Tl N0.88Ol.32y氮氧化1^4择性吸》| 表面形成Si02保护膜。所述给第二阴极接通直流电的电压为300V，电流为30A; ^!M时间根据Si02 保护膜厚度选定。
具体实施方式
之四，如附图6所示。一种镀布如以上所述太阳平板集热器板芯的集热板选择性吸收膜的方 法，除了不包括镀布Si02保护膜外，其它均与具体实施方式
之三相同。
具体实施方式
之五，如附图5所示。一种镀布如以上所述太阳平板集热器板芯的集热板逸择性吸收膜的方 法，除了镀布Si02保护膜，是采用硅輩巴作为第二阴极，实施'践射镀布外，其 它均与具体实施方式
三相同。根据具体实施方式
之三、之四和之五的描述，通过改变所述工艺;f^:,可以给出多^NM方法的M实施方式，从而制取在所述Ti N0.7(M.0Ol.(M.4范围内的Ti、 N、 O多种不同分子重量比和多种不同I^厚度的氮氧化M 棒性吸J)继以及二氧化硅保护膜。本发明初样试-睑结果显示，其吸收率可达到96%,发射率在4%以下。 这是已有技术不可与a目比拟的。本发明为太阳能利用，开发了一种先进高 效的平板集热器板芯。对比试验结果显示，采用本发明板芯的太阳平板热水器，其得热量比已有技术的得热量，可提高20 30%，取得了十分显著的效果。
权利要求
1、一种太阳平板集热器的板芯，由铜箔集热板(1)与布设在集热板(1)反面的铜质流体介质管(2)焊接组成，在集热板(1)的正面镀布有吸收膜(3)，其特征在于，所述吸收膜(3)，是能够有效选择吸收太阳入射能而其热辐射小的Ti NxOy氮氧化钛选择性吸收膜。
2、 根据权利要求l所述的太阳平板集热器的板芯，其特征在于，所iii^ 棒l"生吸收膜(3),是Ti N0,7(M.0Ol.(M.4氮氧化钬选择性吸^l继。
3、 根据权利要求2所述的太阳平板集热器的板芯，其特征在于，所M 4奪性吸收膜(3)，是Ti N0.88Ol.32氮氧化钬选择性吸收膜。
4、 根据权利要求1或2或3所述的太阳平板集热器的板芯,其特征在于， 所i4^择性吸JJ继(3)的厚度在90~100nm范围内。
5、 根据权利要求1或2或3所述的太阳平板集热器的板芯，其特征在于， 在所述选择性吸j]tM(3)的表面，还镀布有用来减少发射率和使其表面陶资化 的Si02保护膜(4)。
6、 根据权利要求5所述的太阳平板集热器的板芯，其特征在于，所述 Si02保护膜(4)的厚度在90~100nm范围内。
7、 一种镀布如权利要求1所述的太阳平板集热器板芯的集热板选择性吸 收膜的方法，采用直流双把真空'减射IM机，以所述铜箔集热板为基材，钛 靶为阴极，其特征在于，依次按照以下步骤进行a. 铜箔集热斧反正面处理；去除铜箔正面的油污和氧化皮；b. 铜箔集热板烘干；c. 将烘千铜箔集热板置于所述IM机镀膜室内，且镀膜室抽真空；d. 给真空室充Ar氩气，JUH同箔集热板接通直流电，轰击铜箔集热板 正面，去除铜箔集热板正面残存的氧化皮和附着的气体；e. ^4太草W妄通直流电，钬輩巴起把'减射，同时充N、 O气，Ti离子与N、 O发生反应生成Ti N xOy氮氧化钬,且沉积^^在铜箔集热板正面而形成Ti N xOy氮氧化钬选择性吸^M。
8、 根据权利要求7所述的镀膜方法，其特征在于，还包括在所述TiNxOy 氮氧^4ii^择性吸4tM表面镀布Si02保护膜；所述Si02保护膜的镀布方法， 是以石英耙作为第二阴极，紧接e步骤，给第二阴极接通直流电，且向鄉室 内充Ar、 O气；石英輩巴起輩巴溅射，且沉积粘合在所述TiNxOy氮氧4^4ii^择 性吸4tM表面形成Si02保护膜；或者在以上所述条件下，以硅把作为第二阴 极，硅把起lii賊射，Si与O发生反应生成Si02且沉积粘合在所述Ti N xOy 氮氧化钬选择性吸4 表面形成Si02保护膜。
9、 根据权利要求7所述的镀膜方法，其特征在于，所述a步骤铜箔集热 板正面处理，是先用含量10Q/()的NaOH,去除油污，且用热离子水清洗，然 后再用含量为10~15% H2SO4去除氧化皮，且用冷水沖洗；所述b步骤铜箔 集热板烘干，^JD洁净热风循环烘箱，在7(K80。C温度条件下，持续30 50min 实施烘干处理；所述c步骤真空室的真空度在0.1 1.0xl0,a范围内；所述 d步骤给铜箔集热板所接通的直流电的电压在600~1200V范围内，电流在 30 35A范围内；轰击清理时间在5 10 min范围内；所述e步骤^H太耙所 接通的直流电的电压在300-350V范围内，电it^ 30 35A范围内，所述充N、 O气的N气流量由18~22ml/s渐增至95 105ml/s， O气流量由8 12ml/s渐增 至28~32ml/s,反应4iM时间可根据TiNxOy选择性吸jRM厚度选定。
10、 根据权利要求8所述的4M方法，其特^4于，所述给第二阴极所 接通的直流电的电压在30(K350V范围内，电流在30~35A范围内；所充的 Ar、 O气，是按Ar气65 75Q/。， O气25~35%的比例充的；反应4M时间可 根据Si02保护膜厚度选定。
全文摘要
本发明公开了一种太阳平板集热器的板芯及其集热板选择性吸收膜的镀膜方法，其板芯由铜箔集热板与布设在集热板反面的铜质流体介质管焊接组成，在集热板正面镀布有吸收膜，以其所述吸收膜是TiN_xO_y氮氧化钛选择性吸收膜为主要特征。具有结构合理，热交换效果好和吸收率高等特点。其镀膜方法是，采用直流双靶真空溅射镀膜机，以铜箔集热板为基材，钛靶为阴极，以其依次按照铜箔集热板正面处理；铜箔集热板烘干；烘干铜箔集热板置于镀膜室内，且镀膜室抽真空；采用Ar氩气轰击铜箔集热板正面，实施二次清理；给钛靶接通直流电，同时充N、O气，经反应形成TiN_xO_y氮氧化钛选择性吸收膜为主要特征。具有工艺先进，所述集热板与选择性吸收膜粘合牢度强，镀层均匀，表面平整和吸收率高及发射率小等特点。
文档编号C23C14/54GK101240944SQ20081001853
公开日2008年8月13日 申请日期2008年2月21日 优先权日2008年2月21日
发明者夏建业, 杨纪忠, 汤留庚, 郭廷玮 申请人:常州博士新能源科技有限公司