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Dokumentenidentifikation DE102004008559B9 03.05.2007
Titel Verwendung eines Glases für Glas-Metall-Verbindungen
Anmelder SCHOTT AG, 55122 Mainz, DE
Erfinder Kuckelkorn, Thomas, Dr., 92637 Weiden, DE;
Bauer, Günter, 95643 Tirschenreuth, DE;
Benz, Nikolaus, Dr., 92637 Weiden, DE;
Doenitz, Fritz-Dieter, Dr., 92718 Schirmitz, DE;
Männl, Reinhard, 95666 Mitterteich, DE;
Müller, Matthias, 95666 Mitterteich, DE;
Siller, Michael, 95666 Leonberg, DE
Vertreter Fuchs, Mehler, Weiß & Fritzsche, 65201 Wiesbaden
DE-Anmeldedatum 18.02.2004
DE-Aktenzeichen 102004008559
Offenlegungstag 15.09.2005
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 14.12.2006
Date of publication of correction 03.05.2007
Information on correction Berichtigung in Absatz 0012 der Beschreibung
IPC-Hauptklasse C03C 3/091(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse C03C 27/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung eines Glases für Glas-Metall-Verbindungen.

Glas-Metall-Verbindungen werden beispielsweise bei Vakuum-Röhrenkollektoren und Röntgenkolben eingesetzt. Bei den Vakuum-Röhrenkollektoren ist ein vakuumdichter Glasmetallverbund zur thermischen Isolation zwischen dem aus Metall bestehenden Absorberrohr und dem aus Glas bestehenden Hüllrohr erforderlich.

In Parabolrinnen-Solarkraftwerken werden durch die konzentrierte Strahlung in den Kollektoren Arbeitstemperaturen bis 400°C mit starken lokalen Temperaturunterschieden erzeugt. Hinzu treten die durch den Tagesrhythmus und zeitweilige Bewölkungsphasen bedingten ständigen Belastungen durch Temperaturwechsel.

Stand der Technik

Bei den Hochtemperatur-Solarkollektoren werden bislang Glas-Metall-Verbindungen eingesetzt, wie sie z.B. in der US 1,294,466 beschrieben werden. Bei dieser sogenannten Houskeepertechnik wird eine sehr dünne Metallzunge mit hoher thermischer Ausdehnung von ca. 15 × 10–6 K–1 in ein temperaturwechselbeständiges Glas mit erheblich geringerer thermischer Ausdehnung von ca. 3 × 10–6 K–1 eingeschmolzen. Die bei Temperaturbelastung zu erwartenden, thermischen Spannungen werden dann durch plastische Verformung der Metallzunge aufgefangen. Die bei einem Solarkollektor unvermeidbare Dauerwechselbeanspruchung führt jedoch häufig zu mechanischen Versagen in dieser hoch belasteten Zone und zu einer unerträglich hohen Bruchrate des Glas-Metall-Verbundes von mehr als 4% pro Jahr. Sie ist ein ernsthaftes Hindernis für die breite Einführung der Solartechnik im Kraftwerksbereich.

Diese Glas-Metall-Verbindungen werden als sogenannte nicht angepasste Verbindungen bezeichnet, weil Glas und Metall unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.

Diese Technik wird auch bei Röntgenkolben eingesetzt, wie dies in der US 6,324,870 B1 beschrieben wird.

Aus der Röntgenröhrentechnik ist es auch bekannt, sogenannte angepasste Glas-Metall-Verbindungen einzusetzen. Hierbei wird ein Metall mit niedrigem Ausdehnungskoeffizienten in ein Glas mit gleichem oder ähnlichem Ausdehnungskoeffizienten eingeschmolzen. Als Einschmelzgläser werden bisher Schott 8250®, Schott 8245® und 8447® eingesetzt. Die Einschmelzgläser haben den Nachteil, dass die Beständigkeit gegen Wasser und Säuren deutlich schlechter ist (DIN ISO 719, Klasse HGB 3, S. 3–4) als bei gängigen Borosilikatgläsern (Duran®, DIN ISO 719, Klasse HGB 1, S. 1).

Bessere Ergebnisse erhält man durch die aus der Röntgenröhrentechnik bekannte Verschmelzung eines Metalls von ungefähr 5 × 10–6 K–1 mit einem temperaturwechselbeständigen Glas von ungefähr 3 × 10–6 K–1 über mehrere sogenannte Zwischengläser mit abgestuftem Ausdehnungsverhalten. Sie ist sehr zuverlässig, hat aber den Nachteil, dass die eingesetzten Zwischengläser nicht korrosionsbeständig sind, eine für Solarkollektoren unabdingbare Voraussetzung. Um eine Verbindung zu beständigem Borosilikatglas 3,3 (Duran® herzustellen, werden weitere Übergangsgläser eingesetzt. Eine bekannte Verbindungsreihe dieser Art ist: Metall (z.B. NiCo2918)-Schott 8448®-Schott 8449®-Schott 8447®-Schott 8330®-Duran®.

Ferner können diese Zwischengläser aus glastechnischen Gründen nicht in Rohrform mit Abmessungen > 100 mm Außendurchmesser hergestellt werden. Die deshalb in der Röntgenröhrentechnik praktizierte mehrstufige Verschmelzung der Zwischengläser per Hand steht einer aus Kostengründen erforderlichen, automatischen Fertigung der Solarkollektoren im Wege. Insgesamt ist deshalb die für die Röntgenröhren praktizierte Verschmelzung von Glas und Metall nicht auf die Hochtemperatur-Solarkollektoren übertragbar.

Das Ansetzen von Übergangsgläsern ist außerdem technisch aufwändig und erhöht die Ausschussrate und Prozesskosten. Außerdem ist ein Herstellungsprozess für Glas-Metall-Verbindungen mit mehreren Übergangsgläsern nicht industriell automatisierbar.

Aufgabenstellung

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Glas für eine angepasste Glas-Metall-Verbindung zu finden, das gleichzeitig die Anforderungen an Temperaturwechselbeständigkeit und Witterungsbeständigkeit erfüllt und für Vakuumröhrenkollektoren geeignet ist.

Diese Aufgabe wird durch die Verwendung eines Glases, das folgende Zusammensetzung aufweist: B2O3 8–11,5 Gew.-% Al2O3 5–9 Gew.-% Na2O 5–9 Gew.-% K2O 0–5 Gew.-% CaO 0,4–1,5 Gew.-% SiO2 Rest Fe < 400 ppm
für ein Glasrohr mit in einem Vakuumröhrenkollektor mit einer Glas-Metall-Verbindung gelöst.

Derartiges bariumfreies Glas ist zur Verarbeitung zu Trinkampullen, Fläschchen und anderen pharmazeutischen Primärpackmitteln bekannt, wie z.B. für Spritzen, Karpulen, Pens und Reagenzgläser. Für die Herstellung solcher pharmazeutischer Primärpackmittel wird von Glasrohren mit einem maximalen Außendurchmesser von 30 mm ausgegangen.

Die prinzipielle Eignung dieser Glassorte zur Herstellung von Glasrohren für die Solarthermie, die einen Durchmesser von mehr als 120 mm aufweisen müssen, und für die Verwendung von Glas-Metall-Verbindungen war bisher nicht bekannt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass bisher nicht erkannt wurde, dass diese Glassorte mehrere Eigenschaften vereint, so dass sie bei gezielter Absenkung des Fe2O3-Gehalts für die Verwendung in Vakuumröhrenkollektoren geeignet ist.

Das Glas besitzt einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 5,5 × 10–6 K–1, der nur um etwa 10% von den thermischen Ausdehnungskoeffizienten gängiger Metalle abweicht. Es ist ferner säure- und laugenbeständig (Klasse S1 und A2 nach DIN 12116 und DIN ISO 695) sowie wasserbeständig (Klasse HGB 1, DIN ISO 719). Ferner besitzt es einen Eisengehalt von < 400 ppm, was für Hüllrohre in Vakuumröhrenkollektoren besonders wichtig ist. Es hat sich außerdem herausgestellt, dass nicht nur Rohre mit einem Außendurchmesser von maximal 30 mm hergestellt werden können, sondern dass diese Glassorte sich auch problemlos zu Rohren mit Außendurchmessern > 120 mm verarbeiten lässt. Diese vorteilhaften Eigenschaften machen die Verwendung von Übergangsgläsern überflüssig, so dass ein industriell automatisierbarer Herstellungsprozess möglich ist.

Eine bevorzugte Zusammensetzung dieses Glases ist: B2O3 9,5 Gew.-% Al2O3 6,5 Gew.-% Na2O 6,5 Gew.-% K2O 2,5 Gew.-% CaO 0,5 Gew.-% SiO2 Rest Fe < 400 ppm

Vorzugsweise besitzt dieses Glas einen Anteil von Fe < 150 ppm. Der Metallanteil kommt durch natürliche Verunreinigungen der Komponenten, insbesondere der SiO2-Komponente zustande. Durch die Verwendung speziell ausgesuchter Ausgangsmaterialien kann der Eisengehalt deutlich reduziert werden, so dass die Eignung für Hüllrohre in Vakuumröhrenkollektoren noch gesteigert werden kann.

Eine bevorzugte Verwendung sieht vor, dass das Metall der Glas-Metall-Verbindungen ein Metallwerkstoff der Gruppe Nr. 1.3981 der DIN 17745 ist. Dieser Werkstoff besitzt folgende Zusammensetzung (Massenanteile in %):

28–30 Ni, bis 0,05 C, 16–18 Co, Rest Fe.

Es hat sich gezeigt, dass diese Metalle einen Ausdehnungskoeffizienten von 5 × 10–6 K–1 aufweisen und mit der erfindungsgemäßen Glassorte eine besonders dauerhafte Verbindung eingehen.

Bevorzugt weist das Metallteil im Einschmelzbereich eine Dicke von mindestens 0,5 bis 1 mm auf. Auch diese Maßnahme trägt zu einem stabilen Glas-Metall-Verbund bei, so dass auch bei hohen mechanischen Belastungen eine lange Lebensdauer garantiert werden kann.

In der Figur ist beispielhaft eine Glas-Metall-Verbindung aus einem Glasrohr 1 und einem Metallrohr 2 dargestellt. Der Rand des Metallrohres 2 ist ohne Materialverringerung mit der Dicke D, z.B. D = 1 mm, unmittelbar, d.h. ohne Zwischengläser in das Glasrohr 1 eingeschmolzen.


Anspruch[de]
Verwendung eines Glases mit folgender Zusammensetzung: B2O3 8–11,5 Gew.-% Al2O3 5–9 Gew.-% Na2O 5–9 Gew.-% K2O 0–5 Gew.-% CaO 0,4–1,5 Gew.-% SiO2 Rest Fe < 400 ppm
für ein Glasrohr (1) in einem Vakuumröhrenkollektor mit einer Glas-Metall-Verbindung.
Verwendung nach Anspruch 1, wobei das Glas folgende Zusammensetzung aufweist: B2O3 9,5 Gew.-% Al2O3 6,5 Gew.-% Na2O 6,5 Gew.-% K2O 2,5 Gew.-% CaO 0,5 Gew.-% SiO2 Rest Fe < 400 ppm
Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Glas einen Eisenanteil von < 150 ppm aufweist. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Metall der Glas-Metall-Verbindung aus einem Metallwerkstoff Nr. 1.3981 der DIN 17745 besteht. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Metallteil im Einschmelzbereich eine Dicke von 0,5 bis 1 mm aufweist. Verwendung nach Anspruch 5, wobei das Metallteil im Einschmelzbereich eine Dicke von mindestens 1 mm aufweist.






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