DE102012106273A1 - Producing vacuum-tight connection between materials such as metal or ceramic and glass or glass ceramic comprises coating material with oxide layer, and enameling connection portion of material glass winding - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer hochvakuumdichten Verbindung zwischen einem Werkstoff, insbesondere Metall oder Keramik, und Glas oder Glaskeramik, insbesondere eines Elementes mit einem abgeschlossenen luftleeren Raum. The invention relates to a method for producing a high-vacuum-tight connection between a material, in particular metal or ceramic, and glass or glass ceramic, in particular of an element with a closed vacuum chamber.
Stand der Technik State of the art
Besonders in der thermischen Solartechnik werden im Hinblick auf höchste Langlebigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit (TWB) der Produkte immer höhere und extremere Anforderungen an hochvakuumtaugliche Glas-Metallverbindungen gestellt. Darüber hinaus sind Techniken gefragt, die einerseits gut automatisierbar und andererseits auch unter erschwerten Bedingungen in sogenannten Schwellenländern reproduzierbar und beherrschbar sind. Particularly in thermal solar technology, the highest longevity and thermal shock resistance (TWB) of the products are being met with ever-higher and more extreme demands on high vacuum-compatible glass-metal joints. In addition, techniques are required that are both easy to automate and, on the other hand, reproducible and manageable even under difficult conditions in so-called emerging countries.
Die Herstellung von Parabolrinnen-Receivern (CSP,„Strom aus der Wüste“) ist eine Technologie, die in den vergangenen Jahren bereits mit dem deutschen Zukunftspreis ausgezeichnet wurde. The production of parabolic trough receivers (CSP, "power from the desert") is a technology that has already been awarded the German Future Prize in recent years.
Die beiden Schlüsseltechnologien hierzu sind neben hochtemperaturfesten Absorberschichten die Herstellung geeigneter hochvakuumdichter Glas-Metallverbindungen. The two key technologies in addition to high-temperature-resistant absorber layers are the production of suitable high-vacuum-tight glass-metal compounds.
Es ist bekannt, das Ende des Glashüllrohres mit einer ring- oder kappenförmigen Glas-Metall-Verbindung vakuumdicht zu verschliessen. Bisher wird hierfür das Glas direkt auf das Einschmelzmetall (Edelstahl, Kupfer oder Einschmelzlegierungen, wie Kovar) aufgebracht. Kovar ist heute der am meisten verwendete metallische Werkstoff für technische „Hartglas“-verschmelzungen. (Auf die nach dem Stand der Technik erforderlichen Vorbehandlungsschritte, mech. Bearbeitung, Entfetten, Beizen, elektrolyt. Polieren, Dekarbonisieren, Entgasen, Beschichten, Oxidieren von Einschmelzmetallen, soll hier nicht näher eingegangen werden.) It is known to close the end of the glass tube with a ring-shaped or cap-shaped glass-metal connection vacuum-tight. So far, the glass is applied directly to the smelting metal (stainless steel, copper or Einschmelzlegierungen, such as Kovar). Kovar is today the most widely used metallic material for technical "tempered glass" blends. (The pretreatment steps required by the prior art, mechanical processing, degreasing, pickling, electrolytic polishing, decarbonization, degassing, coating, oxidation of fused metals, will not be discussed here.)
Zur Überbrückung der Ausdehnungsunterschiede zwischen Glas und Metall wird ein aus der Röntgenröhrentechnik bekanntes Verfahren sogenannter angepasster Glas-Metallverbindungen angewendet. Hierbei wird zunächst ein Metall mit niedrigem thermischem Ausdehnungskoeffizienten (AK) in ein Glas mit gleichem oder ähnlichem AK eingeschmolzen. An dieses kann eine Reihe von Zwischengläsern mit jeweils abnehmenden AKen angeschmolzen werden. To bridge the expansion differences between glass and metal, a method known from X-ray tube technology of so-called adapted glass-metal compounds is used. Here, a metal with a low thermal expansion coefficient (AK) is first melted into a glass with the same or similar AK. At this a number of intermediate glasses with each decreasing AKen can be melted.
Als Einschmelz-, Übergangs- und Zwischengläser mit abgestuftem Ausdehnungsverhalten werden beispielsweise Schott 8250, 8245, 8447 oder: 8448, 8449, 8447, 8330 oder vergleichbare Gläser anderer Hersteller eingesetzt. Neben der schlechten hydrolytischen, Korrosions- und Säurebeständigkeit von Zwischengläsern ist zur Herstellung solcher mehrstufiger Übergänge hin zu einem beständigen Borosilikatglashüllrohr (z.B. Schott 8330) ein hoher, kostentreibender Fertigungsaufwand erforderlich. Zudem sind solche Zwischengläser sehr teuer und werden nicht in Abmessungen grösser 100mm Aussendurchmesser angeboten/gefertigt. For example, Schott 8250, 8245, 8447 or: 8448, 8449, 8447, 8330 or comparable glasses from other manufacturers are used as melting, transition and intermediate glasses with graduated expansion behavior. In addition to the poor hydrolytic, corrosion and acid resistance of intermediate glasses, a high, costly manufacturing effort is required to produce such multistage transitions to a durable borosilicate glass tube (e.g., Schott 8330). In addition, such intermediate glasses are very expensive and are not offered / manufactured in dimensions greater than 100mm outer diameter.
All diese Faktoren stehen sowohl einer industriellen Automatisierbarkeit, als auch dem Einsatz in Schwellenländern massiv entgegen. All these factors stand in the way of both industrial automation and deployment in emerging markets.
Bekannt aus der
Nachteilig ist hierbei der relativ hohe thermische Ausdehnungskoeffizient des Glases im Bereich 5,5 × 10–6K–1 und seine im Vergleich zu Borosilikatglas 3.3 höhere Empfindlichkeit gegenüber Temperaturwechselbelastungen, die im solar-thermischen Bereich bekanntlich extrem sind. Nachteilig ist auch die aus markttaktischen Gründen nicht gegebene Verfügbarkeit des Glases. Nachteilig ist auch die Verwendung unnötig starker Metallringe bzw. grosser und relativ teurer Kovar-Materialmengen, sowie die sich durch den höheren Materialquerschnitt nachteilig auswirkende verbesserte Wärmeleitung in das für Temperaturwechsel relativ empfindliche Glas. Nachteilig ist auch, dass in herkömmlichen thermischen Herstellungsprozessen eine Metallringseite (meist innen) zeitverzögert mit dem Glas benetzt wird, was zu unterschiedlichen inhomogenen Oxidschichtstärken führen kann. Nachteilig an diesem Verfahren ist im Weiteren, dass ein voroxidierter oder noch unoxidierter ungeschützter Kovarring bereits im Vorfeld allgemeiner Verschmutzung und, auch im Verlaufe des Einschmelzens, einer schwer kontrollierbaren Oxidierung ggf. auch durch eine ungleichmässige, ggf. stark verunreinigende Flammenatmosphäre ausgesetzt ist. Diese kann zu einer negativen Beeinflussung der Oxidschicht und damit zur Reduzierung der faktischen Dichtfläche führen und somit die Zuverlässigkeit dieser Verbindung in Frage stellen. The disadvantage here is the relatively high coefficient of thermal expansion of the glass in the range 5.5 × 10 -6 K -1 and its compared to borosilicate 3.3 higher sensitivity to thermal cycling, which are known to be extreme in the solar thermal range. Also disadvantageous is the availability of the glass, which is not given for market tactical reasons. Another disadvantage is the use of unnecessarily strong metal rings or large and relatively expensive Kovar material quantities, as well as the improved heat conduction, which is adversely affected by the higher material cross-section, into the glass, which is relatively sensitive to temperature changes. Another disadvantage is that in conventional thermal manufacturing processes a metal ring side (usually inside) is time-delayed wetted with the glass, which can lead to different inhomogeneous oxide layer thicknesses. A disadvantage of this method is further that a pre-oxidized or still unoxidized unprotected Kovarring is exposed in advance of general pollution and, in the course of melting, a difficult to control oxidation, if necessary, by an uneven, possibly highly contaminating flame atmosphere. This can lead to a negative influence on the oxide layer and thus to the reduction of the actual sealing surface and thus make the reliability of this connection in question.
Bekannt nach dem Stand der Technik sind auch Verfahren nicht angepasster Glas-Metallverbindungen, wonach ein Metall mit höherer Dehnung von ca.15 bis 18 × 10–6K–1 (Kupfer, vorzugsweise Edelstahl...) mit einer sehr dünnen angeschärften Anglasungskante versehen wird. Diese Metallschneide wird sodann in ein temperaturwechselbeständiges Glas mit erheblich geringerer thermischer Ausdehnung von z.B. 3 bis 4 × 10–6K–1 eingeschmolzen. Known in the prior art are also methods of unmatched glass Metal compounds, according to which a metal with a higher elongation of about 15 to 18 × 10 -6 K -1 (copper, preferably stainless steel ...) is provided with a very thin sharpened glazing edge. This metal cutting edge is then melted into a temperature change resistant glass with considerably lower thermal expansion of eg 3 to 4 × 10 -6 K -1 .
Die im Betrieb zu erwartenden thermischen und mechanischen Belastungen werden hierbei durch elastische und plastische Verformung der Dehnungszone (Metallschneide) abgefangen. Das verwendete Metall weist vorzugsweise eine niedrige Wärmeleitfähigkeit auf. Nachteilig an dieser Verbindung ist die mech. Empfindlichkeit der sehr dünnen Schneiden, die erschwerte industrielle Automatisierbarkeit bzw. die hohen Anforderungen, die die Herstellung dieser Verbindung (Oxidierung, Beschichtung, Vorbewicklung) sowohl an das glastechnische Spezialwissen, als auch an das handwerkliche Können stellen. Nachteilig ist hierbei auch, dass in herkömmlichen thermischen Herstellungsprozessen eine Schneidenseite (meisst innen) nur zeitverzögert mit dem Glas benetzt wird, was zu unterschiedlichen, inhomogenen und fehlerhaften Oxidschichtstärken führen kann. Nachteilig ist auch, dass die vorrangig während der Herstellung auftretenden thermischen, wie auch die im späteren Betrieb solarthermischer Receiver und Vakuum-Röhrenkollektoren auftretenden mechanischen Belastungen zu einem Versagen dieser sehr dünnen und sensiblen Verbindungen führen können. Derartige nicht angepasste Verbindungen sind beispielsweise in der
Aufgabenstellung task
Bei der Herstellung von Glas-Metallverbindungen für den solarthermischen Bereich wird bezüglich der Art des Einschmelzmetalls vorzugsweise die uneingeschränkt zur Verfügung stehende Glasart Borosilikatglas (3.3) verwendet. Kovar ist der gekrümmten Ausdehnungskennlinie dieser Gläser besonders gut angepasst. Aufgabe und Sinn der vorliegenden Erfindung ist es, in einer bevorzugten Ausführungsform eine auf der bewährten, sicheren Oxidverbindung des Kovars und handelsüblichem 3.3 Borosilikatglas basierende, hochvakuumdichte, nicht angepasste Glas-Metall-Fügetechnik zu finden, die, auf einem robusten Verfahren basierend, die Herstellung hochvakuumdichter Glas-Metall-Verbindungen zur Produktion von solaren Receivern, Vakuum-Röhrenkollektoren und vieler anderer Produkte ermöglicht. When producing glass-metal compounds for the solar thermal range, the type of refractory metal used is preferably the unrestricted glass type borosilicate glass (3.3). Kovar is particularly well suited to the curved expansion characteristics of these glasses. The object and purpose of the present invention is to find in a preferred embodiment, based on the proven, safe oxide compound of Kovar and 3.3 Borosilicate glass commercially available, high vacuum-tight, unmatched glass-metal joining technology, based on a robust method, the production high vacuum-sealed glass-metal connections for the production of solar receivers, vacuum tube collectors and many other products.
Aufgabe ist es dabei im Hinblick auf die spätere thermische Belastung, die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Verbindung so gering wie möglich zu halten. The task here is to keep the thermal expansion coefficients of the connection as low as possible with regard to the subsequent thermal stress.
Ziel der Erfindung ist es auch, ein unkonventionelles Verfahren zu finden, das den Einsatz einer solchen Technik in Schwellenländern mit niedrigerem glastechnischen Ausbildungsstand und mit herkömmlicher Produktionstechnik erlaubt. The aim of the invention is also to find an unconventional method that allows the use of such a technique in emerging countries with lower glass technology training level and with conventional production technology.
Darüber hinaus und andererseits war es auch Ziel eine Technologie zu finden, die es den führenden Firmen in hochtechnisierten Industrieländern im Gegenzug ermöglicht, die genannten Produkte mit innovativen modernen Werkstoffen und Fügetechniken (Laser, HF, Mikrowelle....) frei von verunreinigenden, veralteten Flammenprozessen, qualititiv hochwertig, ohne separaten Evakuierprozess, voll automatisierbar und ohne einen zur Evakuierung nötigen Pumpstutzen, beispielsweise in einem Vakuum-Kammersystem oder unter Schutzgas oder in Edelgasatmosphäre z.B. zu einem „Element mit einem hermetisch abgeschlossenen luftleeren Raum“ oder einem Vakuum-Isolierglas zu fertigen (
Lösung der Aufgabe Solution of the task
Zur Lösung der beschriebenen Aufgabe führt, dass ein Verbindungsbereich des Werkstoffes schneidenumfassend beidseitig emailliert/beglast wird. To achieve the described object leads that a connection region of the material is cut enclosing both sides enamelled / glassed.
Beidseitig-emaillierte Kovar-Schneidenanglasung: Double-sided enamelled Kovar cutting edge treatment:
Die Lösung ist ein direkter Übergangs- und Zwischenglas- freier Verbindungsprozess für nicht angepasste Glas-Metallverbindungen. Es handelt sich dabei um die auf einem kontrollierbaren Zwischenschritt basierende Herstellung eines robusten Bauteiles mit einer doppelseitig dünnen Beglasung in einem verjüngten, vorbeschichteten/voroxidierten Verbindungsbereich. Dieser benötigt keine Feinabstimmung der Ausdehnungskoeffizienten von Glas und Metall. Er erfolgt ohne die herkömmliche Glas-Vorbewickelung der Metallschneide und erlaubt es auch, Herstellern in Schwellenländern mit minderer in Bezug auf Glasrohrtoleranzen und Glasfehlerfreiheit stark variierender Glasrohrqualität solare Parabolrinnen-Receiver, solare Vakuum-Röhrenkollektoren, Vakuum-Flachkollektoren, Vakuum-Isoliergläser, Luftkollektoren Röntgen- und alle Formen von Vakuumröhren (vorteilhafterweise als direkte Kovar-3.3 Borosilikatglasverbindung) in höchstmöglicher Qualität und höchster thermischer Belastbarkeit herzustellen. The solution is a direct transition and inter-glass free bonding process for unmatched glass-to-metal joints. These are the production of a robust component based on a controllable intermediate step with a double-sided thin embossing in a tapered, precoated / pre-oxidized connection region. This does not require fine tuning of the expansion coefficients of glass and metal. It does without the traditional glass pre-lapping of the metal cutting edge and also allows manufacturers in emerging countries with inferior glass tube quality to greatly differing glass tube tolerances solar parabolic trough receivers, solar vacuum tube collectors, vacuum flat plate collectors, vacuum insulated glass, X-ray air collectors and to manufacture all forms of vacuum tubes (advantageously as direct Kovar-3.3 borosilicate glass compounds) in the highest possible quality and highest thermal capacity.
Alle im solarthermischen Bereich bekannten herkömmlichen Verbindungssysteme insbesondere zur Herstellung o.g. solarer Receiver und Vakuum-Röhrenkollektoren verwenden Materialkombinationen höherer Dehnung und sind daher im Hinblick auf deren Temperaturwechselbeständigkeit anfälliger, was sich für die o.g. Produkte unter hoher thermischer Wechselbelastung fatal auswirken kann. All known in the solar thermal field conventional connection systems especially for the production of the above solar receivers and vacuum tube collectors use combinations of materials higher elongation and are therefore in In view of their thermal shock resistance more vulnerable, which can have a fatal effect for the above-mentioned products under high thermal cycling.
Im Unterschied zu nicht angepassten Edelstahl- oder Kupferverbindungen gemäss dem Stand der Technik kann bei einer verjüngten, emaillierten Kovarschneide die Dehnungszone des Schneidenbereiches wegen ihres im Vergleich zu anderen Einschmelzlegierungen wesentlich geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten – auch im Vergleich zum Emaille- und Hüllrohrglas – wesentlich stärker und somit robuster, d.h. mechanisch stabiler, hergestellt werden. In contrast to unmatched stainless steel or copper compounds according to the prior art, in a tapered, enamelled Kovarschneide the strain zone of the cutting area because of their compared to other Einschmelzlegierungen significantly lower thermal expansion coefficient - also in comparison to enamel and cladding glass - much stronger and thus more robust, ie mechanically stable, produced.
Eine Kovarschneide kann auch mit einer anderen Steigung gefertigt werden und muss nicht so dünn, spitz und eng toleriert werden wie z.B. Kupfer- oder Edelstahlschneiden. A kovar cutting edge can also be made with a different pitch and need not be as thin, sharp and tightly tolerated as e.g. Copper or stainless steel cutting.
Die durch die erfolgte Beglasung/Emaillierung doppelseitig geschützte Oxidschicht der Kovarverbindung gewährleistet darüber hinaus beste Vakuumdichtigkeiten. In addition, the oxide layer of the kovar compound, which is protected on both sides by the embossing / enamelling, ensures the best possible vacuum tightness.
Im Gegensatz zur Housekeepertechnik (
Der Unterschied zu angepassten Glas-Metall-Verbindungsformen (z.B. Schott, Narva...) besteht in der Materialverjüngung / der Schneidenanformung, sowie der Möglichkeit des Konservierens der durch einen vorherigen Ofenprozess präzise kontrollierbaren und reproduzierbaren Oxidierung des Kovars (Metalles), was zu einer gleichbleibenden Qualität der Oxidschicht führt – und dem Zwischenschritt der Emaillierung. The difference to adapted glass-metal connection forms (eg Schott, Narva ...) consists in the material rejuvenation / the Schneidanformung, as well as the possibility of preserving the by a previous furnace process precisely controllable and reproducible oxidation of the Kovars (metal), resulting in a Consistent quality of the oxide layer leads - and the intermediate step of enameling.
Mit „Emaillieren“ ist das Glasieren/Beglasen vorzugsweise mittels eines Glaspulvers auf dem Verbindungspartner Metall oder Keramik gemeint, das vorzugsweise aus demselben Glas wie das anzufügende Hüll- bzw. Mantelglasrohr besteht. By "enameling" is meant glazing / tempering preferably by means of a glass powder on the joining partner metal or ceramic, which preferably consists of the same glass as the cladding glass tube to be clipped.
Ebenso, und mitunter in vorteilhafter Weise (insbesondere bei Verbindungspartnern mit besonders weit auseinanderliegenden Ausdehnungskoeffizienten), kann hierzu ein Glas-, Glaspulver-, Glaspulvergemisch, ein Übergangs- oder Zwischenglas, ein Glaslot oder eine abgestimmte Abfolge derartiger Glasierungen verwendet werden, die im Hinblick auf ihren thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen den Verbindungspartnern Glasmantelrohr und dem Werkstoff Metall (oder der Keramik) liegen. Likewise, and sometimes in an advantageous manner (especially in connection partners with particularly widely spaced expansion coefficients), for this purpose, a glass, Glaspulver-, glass powder mixture, a transition or intermediate glass, a glass solder or a coordinated sequence of such glazings can be used with respect to their thermal expansion coefficient between the connection partners glass jacket tube and the material metal (or the ceramic) are.
Der erfindungsgemässe Prozess ist also keineswegs an Kovar und 3.3 Borosilikatglas gebunden, sondern eröffnet vielfältigste Variationsmöglichkeiten im Hinblick auch auf andere Gläser, Übergangsgläser, Zwischengläser, Glaslote sowie andere Metalle, Legierungen und Keramiken. Thus, the process according to the invention is by no means bound to Kovar and 3.3 borosilicate glass, but opens up a wide variety of possible variations with regard to other glasses, transition glasses, intermediate glasses, glass solders and other metals, alloys and ceramics.
Das Aufbringen des zur Beglasung (Emaillierung) nötigen Glaspulverbelages erfolgt z.B. dadurch, dass eine Schlämme/Emulsion/Suspension aus Glaspulver und z.B. Alkohol, Wasser, Binder... hergestellt und diese auf den voroxidierten Verbindungsbereich der Schneide aufgebracht wird. Dies kann durch Bepinseln, Eintauchen, Besprühen (ggf. mit Maske) oder eine Abfolge dieser Prozesstechniken erfolgen) The application of the glass powder coating required for emplacement (enamelling) takes place, for example. in that a slurry / emulsion / suspension of glass powder and e.g. Alcohol, water, binder ... and this is applied to the pre-oxidized connection area of the cutting edge. This can be done by brushing, dipping, spraying (if necessary with mask) or a sequence of these process techniques)
Auch andere Auftragmethoden wie Dispensen, Plasma- und formgebende Prozesse sind möglich. Die Viskosität des Glases bzw. der Suspension richtet sich dabei nach der Auftragsmethode. Other application methods such as dispensing, plasma and forming processes are also possible. The viscosity of the glass or the suspension depends on the application method.
Der Werkstoff (z.B. Metallring) mit dem getrockneten, im voroxidierten Verbindungsbereich aufgebrachten Glaspulverbelag wird nach ggf. erfolgtem Binderausbrand in Atmosphäre (vorteilhafterweise unter H2, N2 oder unter Schutzgas) über den Transformationsbereich des betreffenden Glases hinaus erhitzt und niedergeschmolzen (emailliert). The material (eg metal ring) with the dried glass powder coating applied in the pre-oxidized connection region is heated and melted down (enameled) after any binder burnout in the atmosphere (advantageously under H 2 , N 2 or under protective gas) over the transformation region of the relevant glass.
Die Glasierung „Emaille“ sorgt für die Haftung zwischen Metall und Glas. Das im Glas gelöste Metalloxid wirkt hierbei wie ein Zwischenglas, in dem der Oxidgehalt abnimmt. Die Dichtungsfunktion übernimmt die Oxidschicht. Das Emaille schützt die Oxidschicht/Haftschicht vor Verschmutzung und schwer kontrollierbaren Einwirkungen wie schädlichen Flammengasen. Die so konservierte Oxidschicht kann sich dadurch vor, während und nach der Weiterverarbeitung nicht mehr nachteilig verändern. The glaze "enamel" ensures the adhesion between metal and glass. The metal oxide dissolved in the glass acts like an intermediate glass in which the oxide content decreases. The sealing function takes over the oxide layer. The enamel protects the oxide layer / adhesive layer from contamination and difficult-to-control actions such as harmful flame gases. The thus preserved oxide layer can not change adversely before, during and after further processing.
Das Emaille schaltet somit bereits vor dem eigentlichen Anfügen/Anschmelzen an das Hüllglasrohr ungünstige Gefahren, wie Verschmutzung, (H2O-Einlagerung) und unkontrollierte Oxidierung, aus. The enamel thus shuts off unfavorable dangers, such as contamination, (H 2 O incorporation) and uncontrolled oxidation, even before the actual attachment / melting to the enveloping glass tube.
Neben der Gefahr durch schädliche Flammengase wird durch die Emaillierung insbesondere auch die Gefahr ungleichmässiger Oxidierung zwischen der Innen- und der Aussenseite der doppelseitigen Glasanschmelzung ausgeschaltet. In addition to the danger of harmful flame gases, the enameling also eliminates the risk of uneven oxidation between the inside and the outside of the double-sided glass fusion.
Mit der genannten Lösung und jeweils geeigneten Oxidschichten, Haftschichten und Schneidengeometrien ist die Verwendung verschiedenster Metalle und Glas-Einschmelzlegierungen, wie z.B. boratisiertes Kupfer, Edelstahl usw., möglich. Auch Materialpaarungen höherer Dehnung, wie z.B Dilaton 51 mit AR, Kalk-Natron- bzw. Floatglas im Dehnungsbereich 8–10 × 10–6K–1, sind möglich. With the solution mentioned and in each case suitable oxide layers, adhesive layers and cutting geometries, the use of a variety of Metals and glass melts, such as borated copper, stainless steel, etc., possible. Even material pairings of higher elongation, such as Dilaton 51 with AR, soda-lime or float glass in the expansion range 8-10 × 10 -6 K -1 , are possible.
Mit keramischen und glaskeramischen Werkstoffkombinationen (z.B. Sinterglaskeramiken und Glas-Keramik-Kompositen) sind Verbindungen mit extrem niedrigem AK herstellbar. With ceramic and glass-ceramic material combinations (e.g., sintered glass ceramics and glass-ceramic composites), compounds with extremely low AK can be produced.
Die in Abhängigkeit von der jeweiligen Werkstoffauswahl und Verbindungsgeometrie ggf. sehr dünne Schneide ist hierbei sowohl mechanisch, als auch insbesondere bei Flammenprozessen unter Atmosphäre vor dem Überhitzen (Verbrennen), vor unkontrolliertem ungleichmässigem Oxidieren sowie insbesondere vor der Überoxidation im dünnsten Schneidenbereich durch das Emaille geschützt. Durch diesen Schutz wird die Störanfälligkeit beim nachfolgenden Anfügen des Hüllglasrohres wesentlich geringer als ohne Emaille-Schutzüberzug. Der Fügeprozess an das Hüllglasrohr wird dadurch deutlich vereinfacht, die Qualität des Produktes wird besser und reproduzierbarer. The possibly very thin cutting edge, depending on the particular material selection and connection geometry, is protected both mechanically and in particular in flame processes under the atmosphere from overheating (burning), from uncontrolled non-uniform oxidation and, in particular, from overoxidation in the thinnest cutting region through the enamel. Due to this protection, the susceptibility to interference during the subsequent attachment of the enveloping glass tube is significantly lower than without the enamel protective coating. The joining process to the cladding tube is thus significantly simplified, the quality of the product is better and more reproducible.
Der Zwischenschritt der kontrollierten Oxidation und Emaillierung ermöglicht darüber hinaus eine Qualitätskontrolle des Zwischenproduktes der fertigen Glas-Metallverbindung vor dem eigentlichen Anfügen/Anschmelzen an das Hüllglasrohr, was Ausschuss und Verluste erheblich minimiert. The intermediate step of controlled oxidation and enameling also allows quality control of the intermediate product of the finished glass-metal compound prior to the actual addition / melting of the cladding tube, which significantly reduces rejects and losses.
Die kontrollierte Voroxidation (im Ofen) ermöglicht dabei im Hinblick auf seine spätere Dichtfunktion einen einfachen und gleichmässig homogenen Oxidschichtaufbau. The controlled pre-oxidation (in the oven) allows a simple and uniform homogeneous oxide layer structure with regard to its subsequent sealing function.
Die auf dieser Oxidschicht folgende 0,01mm bis 1mm dicke (vorteilhafterweise 0,1mm bis 0,2mm dicke) Emaillierung ermöglicht dabei die geforderte einfache, unkomplizierte, doppelseitige, schneidenbereichsumfassende Beglasung. The following on this oxide layer 0.01mm to 1mm thick (advantageously 0.1mm to 0.2mm thick) enamelling allows the required simple, straightforward, double-sided, Schneidbereichsumfassende Beglaung.
Die Emaillierung konserviert die für die Vakuumdichtigkeit entscheidende Oxidschicht unter dem Emaille dauerhaft und garantiert somit im Unterschied zu herkömmlichen Techniken das sichere Vorhandensein und die Wirksamkeit von zwei (!) effektiven Dichtflächen mit einem genau gleichen, identischen und kontrolliert-optimierten Oxidationsgrad. Enamelling permanently preserves the oxide layer under the enamel, which is crucial for the vacuum-tightness, thus guaranteeing the safe presence and effectiveness of two (!) Effective sealing surfaces with exactly the same, identical and controlled-optimized degree of oxidation.
Die Emaillierung ermöglicht eine variable Form und Breite der Glasanschmelzung zwischen der Innen- und Aussenseite des Werkstoffes, wodurch Zug- und Druckspannungen in vorteilhafter Weise vom Glas aufgenommen werden können. The enamelling allows a variable shape and width of Glasanschmelzung between the inside and outside of the material, whereby tensile and compressive stresses can be absorbed by the glass in an advantageous manner.
Die durch die Emaillierung erzeugten, beglasten Kovar- bzw. Metallringe sind beliebig lange lagerfähig und eignen sich zur Massenproduktion, auch unter unterschiedlichen, sowohl fertigungstechnisch anspruchsvollen als auch einfachsten Produktionsbedingungen. The produced by the enamelling, glassed Kovar or metal rings can be stored for any length of time and are suitable for mass production, even under different, both manufacturing demanding and simplest production conditions.
Die Weiterverarbeitung im Glasfügeprozess zur eigentlichen Verbindung mit dem Hüllglasrohr kann dann völlig unkompliziert und unkritisch, unter Verwendung sämtlicher Fügemethoden und auch unter Vakuum oder unter Schutz- oder Edelgas als einfache Glas-Glas-Verbindung, ausgeführt werden. The further processing in Glaszugeprozess the actual connection with the glass tube can then be completely uncomplicated and uncritical, using all joining methods and under vacuum or under protective or inert gas as a simple glass-glass compound, running.
Es existiert im solarthermischen Bereich bisher keine Glas-Metallverbindungskombination mit vergleichbar vorteilhaft-niedrigen thermischen Längenausdehnungskoeffizienten und mit vergleichbar robuster, hoher Temperaturwechselbeständigkeit. Ein aufwändiges anschliessendes Tempern ist nicht mehr zwingend erforderlich. So far there is no glass-metal compound combination in the solar thermal field with comparably advantageous-low thermal expansion coefficients and with a comparably robust, high thermal shock resistance. An elaborate subsequent annealing is no longer absolutely necessary.
In vorteilhafter Weise wirkt sich zudem die schneidenbedingte Materialreduktion des Werkstoffes im Hinblick auf die dadurch verminderte Wärmeleitung in das ohnehin unempfindliche 3.3 Borosilikatglas aus. In addition, the cutting-related material reduction of the material advantageously also has an effect on the already insensitive 3.3 borosilicate glass with regard to the resulting reduced heat conduction.
Der etwas erhöhte Aufwand für die beschriebene Herstellung des Bauteiles (Schneidenanformung, kontrollierte Voroxidierung und beidseitige Emaillierung) ist durch die gegebenen erfindungsgemässen Vorteile für qualitativ hochwertige Produkte gerechtfertigt. The somewhat increased effort for the described production of the component (cutting edge shaping, controlled pre-oxidation and double-sided enamelling) is justified by the given inventive advantages for high-quality products.
Wie dünn die Schneide sein muss, hängt sowohl von der Werkstoffgeometrie, als auch von der Werkstoffauswahl (Metallart wie auch von der Glasart des Emailles bzw. des anzufügenden Hüllrohres) ab. Vorteihafterweise soll die zu emaillierende Schneidenstärke in 1mm Abstand von der Schneidenkante zwischen 0,01mm und 0,49mm liegen. How thin the cutting edge must be depends on the material geometry as well as the choice of material (type of metal as well as the type of glass of the enamel or the cladding tube to be attached). Vorteihafterweise should be the enamelled cutting edge thickness in 1mm distance from the cutting edge between 0.01mm and 0.49mm.
Bei Schneidenstärken grösser 0,2 mm soll die verjüngte, vom Glas umschlungene Kante des Werkstoffes zur Vermeidung von Spannungen einen Radius von 0,1mm aufweisen. For cutting thicknesses greater than 0.2 mm, the tapered edge of the material wrapped around the glass should have a radius of 0.1 mm to avoid tensions.
Zu schützende Werkstoffe (Metalle, Legierungen und Keramiken) haben bevorzugt eine thermische Längendehnung kleiner 18 × 10–6K–1, vorzugsweise im Bereich 4 bis 6 × 10–6K–1 (Kovar 5.5), bevorzugt neben den bekannten Einschmelzlegierungen aber auch Edelstahl und Kupfer. Materials to be protected (metals, alloys and ceramics) preferably have a thermal elongation of less than 18 × 10 -6 K -1 , preferably in the range of 4 to 6 × 10 -6 K -1 (Kovar 5.5), but also in addition to the known melt-in alloys Stainless steel and copper.
Die Erfindung bezieht sich bevorzugt auf Gläser im Glasdehnungsbereich kleiner 10 × 10–6K–1, vorteilhafterweise im Bereich handelsüblicher Borosilikatgläser zwischen 3 u.4 × 10–6K–1 (3.3). Sie bezieht sich aber auch auf den genannten Einsatz von Zwischengläsern, Übergangsgläsern, Glasloten und Glaskeramiken (ggf. auch in Form von Glaspulver bzw. Emaille), insbesondere und vorteilhafterweise auf solche Zwischengläser, Übergangsgläser, Glaslote, Glaskeramiken und Glaspulvergemische, deren thermischer Längenausdehnungskoeffizient zwischen dem des Metalls und dem des anzufügenden Glashüllrohres liegt. The invention preferably relates to glasses in the glass elongation range of less than 10 × 10 -6 K -1 , advantageously in the range of commercially available borosilicate glasses between 3 × 4 × 10 -6 K -1 (3.3). However, it also refers to the aforementioned use of intermediate glasses, transition glasses, glass solders and glass ceramics (possibly also in the form of glass powder or enamel), in particular and advantageously on such intermediate glasses, transition glasses, glass solders, glass ceramics and glass powder mixtures whose thermal coefficient of linear expansion lies between that of the metal and that of the glass tube to be joined.
Abgesehen von der Schutzwirkung des Emaills ist das Anfügen/Anschmelzen einer vorverglasten emaillierten Schneide an ein Hüllglasrohr neben der klassischen Flammenmethode an Atmosphäre auch durch Laser, HF oder Mikrowelle unter Schutz- oder Edelgas oder im Vakuum möglich, was im Hinblick auf die
Vorteile der genannten Technik: Advantages of the mentioned technique:
- – Maximale Unabhängigkeit von der verwendeten Glasart und Qualität (Monopol zu Glas 8800R); - Maximum independence of the type of glass used and quality (monopoly to glass 8800R);
- – Maximale Unabhängigkeit hinsichtlich der verwendeten Metall- und Legierungsarten und Keramiken; - Maximum independence with regard to the types of metal and alloy used and ceramics;
- – Ermöglichung diverser neuer glastechnischer „hightech-Fügeprozesse“ im Vakuum unter Schutz- und Edelgas (Laser, HF, Microwelle); - Facilitating various new glass technology "high-tech joining processes" in vacuum under protective and inert gas (laser, HF, microwave);
- – Durch die „Emaille“ wird eine unkontrollierte Oxidation z.B. des Kovars bzw. Metalles verhindert; By the "enamel" an uncontrolled oxidation e.g. the kovar or metal prevented;
- – Bereits „emaillierte“ Metall- bzw. Kovarringe sind als Bauteil völlig unempfindlich gegen Verschmutzung und unbegrenzt lagerfähig. (herkömmlich unemaillierte sind hier dagegen hochgradig empfindlich); - Already "enameled" metal or Kovar rings are as a component completely insensitive to contamination and unlimited storage. (conventional unembellished ones are highly sensitive here);
- – Die schützende Emaillierung verhindert Über- oder Unteroxidation bzw. Korrosion auch während der Weiterverarbeitung wie sie z.B. in herkömmlicher Flammen-atmospäre auftritt; The protective enamelling prevents over- or under-oxidation or corrosion even during further processing as described, for example, in US Pat. occurs in conventional flame atmospheres;
- – Die Emaille sorgt für die Haftung zwischen Metall und Glas. Das im Glas gelöste Metalloxid wirkt hierbei wie ein Zwischenglas, in dem der Oxidgehalt abnimmt; - The enamel ensures the adhesion between metal and glass. The metal oxide dissolved in the glass acts like an intermediate glass in which the oxide content decreases;
- – Auch Kupfer, Edelstahl-, Eisen-, und Einschmelzlegierungen sind mit jeweils geeignetem Oxidschichtaufbau möglich; - Also copper, stainless steel, iron, and Einschmelzlegierungen are possible, each with a suitable oxide layer structure;
- – Die Verbindung zeichnet sich durch die höchste Vakumdichtigkeit aus und kann auf robuste Weise wie eine Glas-Glasverbindung weiter verarbeitet werden; - The compound is characterized by the highest vacuum tightness and can be processed in a robust manner as a glass-glass compound;
- – Die Verbindung ist (insbesondere bei Verwendung von Materialien mit niedrigsten thermischen Ausdehnungskoeffitienten wie Kovar und Borosilikatglas 3.3) aufgrund deren herausragender Temperaturwechselbeständigkeit TWB besonders stabil, sodass sie nicht nachgetempert werden muss; - The compound is particularly stable (especially when using materials with lowest thermal expansion coefficients such as Kovar and borosilicate glass 3.3) because of their outstanding thermal shock resistance TWB, so they do not have to be post-annealed;
- – Alle bekannten, herkömmlichen Verbindungssysteme insbesondere zur Herstellung solarer Receiver und Vakuum-Röhrenkollektoren verwenden Materialkombinationen höherer Dehnung und sind daher im Hinblick auf deren TWB anfälliger, was sich für solare Parabolrinnenreceiver, Vakuum-Röhrenkolektoren, thermische Solarkollektoren etc. unter hoher thermischer Belastung fatal auswirken kann; All known, conventional connection systems, in particular for the production of solar receivers and vacuum tube collectors, use material combinations of higher elongation and are therefore more susceptible to their TWB, which can have a fatal effect for solar parabolic trough receivers, vacuum tube collectors, thermal solar collectors etc. under high thermal load ;
- – Mit der genannten hochvakuumdichten Verbindung sind Temperaturwechsel bis über 500°C hinaus problemlos möglich. - With the above-mentioned high-vacuum-tight connection, temperature changes beyond 500 ° C are easily possible.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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