专利名称：一种太阳能吸热管的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种太阳能吸热管，主要用于槽式太阳能热发电系统的集热器中，属 于太阳能光热利用技术领域。
背景技术：
槽式太阳能热发电系统是一种中高温太阳能热利用系统，其利用可跟踪太阳的槽 型抛物面反射镜，将入射光反射聚焦在吸热管上，金属内管表面涂覆的选择性吸收膜吸收 太阳光加热管内工质，产生高温高压蒸气，推动汽轮机发电。1984-1990年间，美国LUZ公司 在加州沙漠相继建成了 9座槽式太阳能热发电站，总装机容量353MW，该系统目前仍然在运 行。太阳能吸热管是槽式太阳能热发电站中最为核心的部件，一般由吸收辐射涂层的 金属内管和环绕的玻璃外管组成，为了减少热损失，玻璃外管与金属内管之间的环形空间 抽真空，由于材料不同，玻璃外管与金属内管之间通过封接金属过渡件进行连接。这种太阳 能吸热管一般长为4060mm，金属内管外径为70mm，管内走高温传热工质，使用寿命一般要 求达到20年。由于金属内管运行温度达到了 400°C以上，而玻璃外管温度仅仅100°C左右， 并且金属内管和玻璃外管的热膨胀系数相差很大，要求金属内管和玻璃外管之间进行膨胀 位移补偿，因此在玻璃外管和金属内管之间通过波纹管来缓解轴向热膨胀应力。由于该太阳能吸热管中需要高透光率和高硬度的玻璃，这种玻璃的膨胀系数较 低，一般采用高硼硅3. 3玻璃(Pyrex玻璃)，而金属内管的膨胀系数较大，因此生产中常常 采用玻璃-金属过渡的方法来解决玻璃与金属的膨胀系数不匹配的问题。如选择低膨胀合 金如铁_镍或铁_镍_钴合金材料与膨胀系数接近的玻璃进行热熔封接，然后该种玻璃再 通过玻璃之间逐渐过渡的方法与高硼硅玻璃封接在一起，而低膨胀合金材料再与波纹管进 行焊接，这种吸热管存在多道焊缝，工艺复杂，低膨胀合金材料成本较高。特别是在波纹管 与金属-玻璃过渡件焊接时，玻璃与金属封接处由于突然高温极易炸裂，这个问题对于集 热管的制造造成了很大影响。目前解决的办法一般是增加焊接处与玻璃封接处的之间长度 并进行冷却，但这样将减少吸热管采光面积，降低了吸热管的效率。专利号CN1495394中，公开了一种太阳能用吸热管，采用新的玻璃材料，该种玻璃 与一种低膨胀合金的膨胀系数接近，实现了玻璃与金属匹配封接，其膨胀补偿装置为波纹 管，该波纹管设置在金属内管和固定在玻璃外管上的玻璃-金属过渡件之间的环形室内， 低膨胀合金与玻璃封接后，另一端与波纹管进行焊接，而波纹管再通过连接件与金属内管 焊接，因此这种吸热管中，玻璃外管必须经过金属_玻璃过渡件、连接件、波纹管、连接件和 金属内管之间多道焊接工序才能与金属内管之间形成环形真空空间，工艺复杂，过多的焊 缝对吸热管的真空寿命构成了潜在威胁。专利CN100513926C提出了一种高温太阳能集热管及其制造工艺，该集热管包括 金属内管和玻璃外管，波纹管的一端通过连接件与金属内管连接，另一端与金属-玻璃封 接过渡件进行焊接，该金属_玻璃封接过渡件采用了膨胀系数比较接近的DM308玻璃与4J29可伐进行匹配封接。该集热管中存在多道焊缝，工艺较为复杂，一旦焊接造成玻璃与金 属封接处损坏，整管将报废。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提出一种采用波纹管与玻璃封接的太 阳能吸热管，本发明减少了焊接环节，实现了玻璃与金属的非匹配封接，避免了焊接时玻 璃-金属封接处由于突然高温而炸裂的问题，并可降低太阳能吸热管的制作成本，提高了 吸热管的有效利用率和真空寿命。为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案一种太阳能吸热管，玻璃外管采用透光率好和硬度高的高硼硅3. 3玻璃，与玻璃 外管同轴的金属内管采用耐高温和耐腐蚀的不锈钢合金，金属内管外壁镀有耐高温的选择 性吸收涂层。具有膨胀补偿作用的波纹管是一端为直筒段的波纹管，直筒段的端口为薄壁 刀口。波纹管与玻璃外管，以及金属内管同轴布置。所述波纹管的一端通过连接件与金属 内管焊接在一起，而波纹管的直筒段的端口插入玻璃外管端口的管壁中，与玻璃外管熔封 在一起，实现玻璃与金属的非匹配封接；所述的连接件为环形端盖，其内孔套在金属内管上 进行焊接，外环与波纹管进行焊接；所述的太阳能吸热管两端结构对称，都具有所述的连接 件和波纹管，从而在玻璃外管和金属内管之间形成环形封闭空间，该环形封闭空间抽真空 以减少金属内管的热损失。所述的波纹管为耐高温和耐腐蚀的金属，其热膨胀系数在9X10_6-18X10_6/K，其 特征是具有端口为薄壁刀口的直筒段，直筒段是在波纹管生产时专门制作出来的，与波纹 管是一体的，不存在焊接环节。这样减少了真空漏气部位，也避免了焊接时玻璃与金属封接 炸裂的问题。同时焊接处也易于腐蚀，对吸热管真空寿命造成较大影响，减少焊接环节提高 了产品合格率常规的吸热管中金属过渡件一端需要先与玻璃封接，而另一端再与波纹管进行焊 接，在进行波纹管焊接时为了避免玻璃与金属封接处受到热冲击而要求金属过渡件有一定 的长度，减少了吸热管的有效面积，因此采用带有直筒段的波纹管可以避免焊接引起的一 系列问题，并且提高了吸热管的有效吸热面积。所述的波纹管的直筒段，通过将直筒段端口进行薄壁处理，利用薄壁金属的柔韧 性缓解与玻璃封接后的应力从而完成玻璃与金属的封接。将波纹管的直筒段端部加工成 薄壁刀口，或称为锥形，其最外边缘厚度必须小于0. 05mm,锥度小于3°，才能体现出直筒 段的弹性和柔韧性，壁厚要均勻一致，表面要光滑，直筒段加工前需要进行热处理释放材料 内的应力。这种结构对玻璃与金属封接非常有利，能够满足太阳能吸热管中玻璃与金属封 接的气密性和强度要求，因此在实际生产中这种封接结构可以大规模应用于太阳能吸热管 中。而另外一种方式是将波纹管的直筒段端口同样加工成薄壁刀口状，其最外边缘厚 度小于0.06mm，刀口锥度小于3°，然后直筒段向内再次被削薄，二次削薄段的刀口锥度必 须小于3°，这样不仅可以大大降低加工薄壁的精度要求，而且在保证直筒段刀口处柔韧性 的同时，增加了刀口处的强度，在与玻璃外管进行热熔封接时，刀口处能够承受更高的温度 和玻璃对刀口的压力。
一端为直通段的波纹管加工时可以先制作出具有薄壁的直筒段再制作出波纹管， 也可以先液压出波纹管，然后再制作出具有薄壁的直筒段。在波纹管的薄壁刀口在与玻璃外管封接时，要通过惰性气体保护波纹管的波纹部 分不被高温氧化，可以将加热的端部直接插入到已经软化的玻璃外管管壁中，也可以先在 刀口处的内外壁烧上玻珠，之后再通过玻璃与玻璃进行封接，但是必须保证封入玻璃中的 薄壁刀口两面均包有玻璃，形成双面封接。为了满足玻璃与金属的封接强度，其薄壁刀口处 要封入玻璃中至少4mm。这种太阳能吸热管由于在实际运行时，金属内管中工质的温度在400°C左右，而玻 璃外管温度在100°c左右，金属内管的膨胀系数要远大于玻璃外管的膨胀系数，因此为了缓 解内外管之间的膨胀差，减少对玻璃与金属封接的拉力，需要在吸热管两端均放置波纹管， 每个波纹管至少具有3个波纹，否则单个波纹管难以缓解如此大的膨胀差。
下面结合附图对本发明的实施方式作详细说明。图1为本发明实施例1的吸热管一端局部剖面图；图2为本发明实施例1的波纹管直筒段的剖面图；图3为本发明实施例2的波纹管直筒段的剖面图；图4为本发明实施例2的吸热管一端局部剖面图；图中1金属内管，2玻璃外管，3连接件，4波纹管，5波纹管直筒段，6薄壁刀口，7 环形封闭空间，8 二次削薄段，9玻璃管缩口段。
具体实施例方式本发明实施例1的太阳能吸热管的一端如图1所示。太阳能吸热管包括玻璃外管 2和带有耐高温的选择性吸收涂层的金属内管1。金属内管1采用316L不锈钢合金；玻璃 外管2为高硼硅3. 3玻璃。连接件3 —端与金属内管1焊接在一起，连接件3的另一端与 具有膨胀补偿作用的波纹管4焊接在一起；波纹管4的材料为304不锈钢合金，膨胀系数为 17 X 10-6/K，具有5个波纹，波纹管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的形状，如图2所示，薄壁刀口 6的最薄边缘厚度为0. 03mm,锥度为1°，刀口长为 15mm。波纹管4的薄壁刀口 6与玻璃外管2进行热熔封接，薄壁刀口 6在封接时插入玻璃 外管2端口的管壁中至少4mm，保证薄壁刀口 6的封接处两面均包有玻璃。太阳能吸热管两 端对称，都具有连接件3和波纹管4，这样玻璃外管2与金属内管1之间就形成了环形封闭 空间8，通过对其抽真空从而达到了减少吸热管热损失的效果。图3为本发明实施例2的波纹管直筒段的剖面图，图4为本发明实施例2的太阳 能吸热管局部剖面图的一端。实施例2中的太阳能吸热管同实施例1类似，同样包括玻璃 外管2和带有耐高温的选择性吸收涂层的金属内管1，金属内管1采用316L不锈钢合金； 玻璃外管2为高硼硅3. 3玻璃，为了降低吸热管的成本，将玻璃外管2端部加工出缩口段9， 这样可以减少波纹管4的直径。连接件3的一端与金属内管1焊接在一起，连接件3的另 一端与具有膨胀补偿作用的波纹管4焊接在一起；波纹管4采用316L不锈钢合金，膨胀系 数为16 X 10_6/K，具有3个波纹，其另一端具有直筒段5，先将波纹管4的直筒段5端口同样加工成薄壁刀口 6，其最外边缘厚度为0. 05mm,刀口锥度为1 °，然后从距离薄壁刀口 6的端 口 3-5mm处开始，薄壁刀口 6向内再次被削薄，二次削薄段8最薄处壁厚仍为0. 05mm，刀口 锥度为1°，如图3所述。这样降低了加工精度要求，在与玻璃外管2进行热熔封接时，薄壁 刀口 6处能够承受更高的温度和玻璃对刀口的压力，其在封接时插入玻璃外管2中6mm，保 证薄壁刀口 6的封接处两面均包有玻璃。吸热管两端对称，都具有连接件3和波纹管4，这 样，通过对玻璃外管2与金属内管1之间的环形封闭空间8抽真空从而达到了减少吸热管 热损失的效果。
权利要求
一种太阳能吸热管，包括玻璃外管(2)和带有耐高温选择性吸收涂层的金属内管(1)，具有膨胀补偿作用的波纹管(4)的一端通过连接件(3)与金属内管(1)连接，波纹管(4)的另一端与玻璃外管(2)连接，在玻璃外管(2)和金属内管(1)之间形成真空的环形封闭空间(7)，其特征在于，所述的波纹管(4)与玻璃外管(2)，以及金属内管(1)同轴布置；所述的波纹管(4)的一端为直筒段，直筒段的端口为薄壁刀口；所述的波纹管(4)的一端通过连接件与金属内管(1)焊接在一起，波纹管(4)的直筒段的端口插入玻璃外管(2)端口的管壁中，与玻璃外管(2)熔封在一起；所述的连接件为环形端盖，连接件的内孔套在金属内管(1)上进行焊接，连接件的外环与波纹管(4)进行焊接。
2.按权利要求1所述的太阳能吸热管，其特征在于，所述波纹管(4)的膨胀系数在 9X10_6-18X10_6/K。
3.按权利要求1所述的太阳能吸热管，其特征在于，波纹管(4)的薄壁刀口(6)锥度小 于3°，薄壁刀口(6)的最外边缘厚度小于0. 05mm。
4.按权利要求1所述的太阳能吸热管，其特征在于，首先将所述波纹管(4)的直筒段(5)端口加工成薄壁刀口状，之后向内再次削薄直筒段(5)，二次削薄段(8)的锥度小于3°。
5.按权利要求1所述的太阳能吸热管，其特征在于，波纹管(4)的薄壁刀口(6)插入玻 璃外管⑵端口的管壁中至少4mm。
6.按权利要求1所述的太阳能吸热管，其特征在于，所述的太阳能吸热管两端均具有 波纹管⑷。
7.按权利要求1所述的太阳能吸热管，其特征在于，波纹管(4)至少具有3个波纹。
全文摘要
一种太阳能吸热管，包括玻璃外管(2)和带有耐高温选择性吸收涂层的金属内管(1)。具有膨胀补偿作用的波纹管(4)的一端通过连接件(3)与金属内管(1)焊接在一起，波纹管(4)的另一端与玻璃外管(2)连接，在玻璃外管(2)和金属内管(1)之间形成真空的环形封闭空间(7)。波纹管(4)与玻璃外管(2)、金属内管(1)同轴布置。波纹管(4)的一端为直筒段，直筒段的端口为薄壁刀口，其最外边缘厚度小于0.05mm，刀口锥度小于3°。或者该薄壁刀口(6)具有二次削薄段(8)，该二次削薄段(8)的锥度小于3°。该薄壁刀口插入玻璃外管(2)端口的管壁中，与玻璃外管(2)熔封在一起。
文档编号F24J2/48GK101986060SQ201010257369
公开日2011年3月16日 申请日期2010年8月19日 优先权日2010年8月19日
发明者李健, 王志峰, 雷东强 申请人:中国科学院电工研究所