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

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

说明书

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收膜的镀膜方法，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Ti N_xO_y氮氧化钛选择性吸收膜。

已有技术的太阳平板集热器的板芯集热板，大多采用TxT涂料作为其吸收膜，其吸收率最高可达92％，但其发射率却高达30～40％。也有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/氮铝镀膜，虽已多年成功应用于真空太阳集热器，但研究表明，这种镀膜不能在300℃以上高温条件下长期使用，也不能在非真空高温条件下长期使用。且所述已有技术的板芯，因其结构不甚合理，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，公开了一种氮氧化钛镀膜。它是用来使阳光中可见光通过，而反射红外和远红外光。这种镀膜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钛作为电子线路板的镀膜，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H₂O和CO₂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低发射的氮氧化钛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低发射的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，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取磁控溅射方式实施所述选择性吸收膜的镀膜方法，替代已有技术的吸收膜，且有效保证镀膜质量，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收膜，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Ti N_xO_y氮氧化钛选择性吸收膜。以有效吸收波长在30～250nm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Ti N_0.70～1.0O_1.0～1.4氮氧化钛选择性吸收膜，即Ti∶N∶O＝1∶0.7～1.0∶1.0～1.4，所述比例是Ti，N，O的分子重量比。本发明并不排除所述Ti，N，O分子重量比之外的Ti N_xO_y氮氧化钛选择性吸收膜。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收膜，是Ti N_0.88O_1.32氮氧化钛选择性吸收膜。

本发明优选的所述选择性吸收膜的厚度在90～100nm范围内。

本发明还主张在所述选择性吸收膜的表面，镀布有用来减少发射率和使其表面陶瓷化的SiO₂保护膜。由于SiO₂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，和提高所述选择性吸收膜与铜箔的粘合牢度，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90～100nm范围内。

本发明所述集热板与流体介质管的焊接，可以是集热板密合包覆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，所述包覆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0.2～0.3mm范围内，且集热板的长度和宽度一般为2000×200mm，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，本发明还是推荐包覆焊接结构。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收膜和加覆保护膜，其吸收率可达到或超过96％，发射率低于4％。与已有技术相比，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：采用直流双靶真空溅射镀膜机，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镀膜机镀膜室内，且镀膜室抽真空；

d.给真空室充Ar氩气，且给铜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.给钛靶接通直流电，钛靶起靶溅射，同时充N、O气，Ti离子与N、O发生反应生成TiN_xO_y氮氧化钛，且沉积粘合在铜箔集热板正面而形成TiN_xO_y氮氧化钛选择性吸收膜。

本发明主张还包括在所述Ti N_xO_y氮氧化钛选择性吸收膜表面镀布SiO₂保护膜；所述SiO₂保护膜的镀布方法，是以石英靶作为第二阴极，紧接e步骤，给第二阴极接通直流电，且向镀膜室内充Ar、O气；石英靶起靶溅射；且沉积粘合在所述TiN_xO_y氮氧化钛选择性吸收膜表面形成SiO₂保护膜；或者在以上所述条件下，以硅靶作为第二阴极，硅靶起靶溅射，Si与O发生反应生成SiO₂且沉积粘合在所述TiN_xO_y氮氧化钛选择性吸收膜表面形成SiO₂保护膜。由于前者成本较低，后者成本较高，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，是先用含量10％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；所述b步骤铜箔集热板烘干，是用洁净热风循环烘箱，在70～80℃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0.1～1.0×10^-2Pa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5～10min范围内；所述e步骤给钛靶所接通的直流电的电压在300～350V范围内，电流在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，反应镀膜时间可根据Ti N _xO_y选择性吸收膜厚度选定。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收膜达到Ti N _xO_y。通过控制调节所述电压和电流以及N、O气的单位时间充入量和时间，可以得到Ti N_0.70～1.0O_1.0～1.4氮氧化钛选择性吸收膜，或Ti N_0.88O_1.32氮氧化钛选择性吸收膜。。

本发明主张用于SiO₂保护膜镀膜的所述硅靶是工业硅；所述给第二阴极所接通的直流电的电压在300～350V范围内，电流在30～35A范围内；所充的Ar、O气，是按Ar气65～75％，O气25～35％的比例充的；反应镀膜时间可根据SiO₂保护膜厚度选定。通过所述工艺参数的调控，控制SiO₂保护膜的厚度。

上述技术方案得以实施后，本发明所述镀膜方法所具有的工艺先进性和可操作性是显而易见的。尤其是采取二次清理，彻底清除铜箔集热板正面附着的油污、氧化皮和气体，可以有效提高所述选择性吸收膜与铜箔的粘合牢度，且镀层均匀、表面平整，从而明显提高了吸收率，降低了发射率。

附图说明

图1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是本发明板芯另一种具体实施方式的结构示意图；

图4是图3的俯视图。

图5是本发明镀膜的典型工艺流程图；

图6是本发明镀膜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TiN_0.70～1.0O_1.0～1.4氮氧化钛选择性吸收膜。所述选择性吸收膜3的厚度在90～100nm范围内。在所述选择性吸收膜3的表面，还镀布有用来减少反射和使其表面陶瓷化的SiO₂保护膜4，所述SiO₂保护膜4的厚度在90～100nm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采用含量＞99％厚度为0.25mm的精炼精轧铜箔；流体介质管2采用Φ10×0.5mm高纯度铜管。且先将所述流体介质管2，通过超声波焊接在集热板1的反面后，再置入直流双靶真空溅射镀膜机内，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收膜3表面不具备SiO₂保护膜4，以及所述集热板1与流体介质管2的焊接，是条线接触超声波焊接外；其它，均如同具体实施方式之一。其制备过程是，先将铜箔集热板加工成圆筒状，再置入直流双靶真空溅射镀膜机内，实施所述选择性吸收膜3的镀布，然后再将镀布有所述选择性吸收膜3的铜箔集热板，通过分切后与流体介质管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，采用直流双靶真空溅射镀膜机，以所述铜箔集热板为基材，钛靶为阴极，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％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℃温度条件下，持续30～50min实施烘干处理；

c.将烘干铜箔集热板置于所述镀膜机镀膜室内，且镀膜室抽真空；真空室的真空度在0.1～1.0×10^-2Pa范围内；

d.给真空室充Ar气，且给铜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；所通的直流电的电压为600V，电流为30A；轰击清理时间为8min；

e.给钛靶接通直流电；钛靶起靶溅射，同时充N、O气，Ti离子与N、O发生反应生成Ti N_0.88O_1.32氮氧化钛，且沉积粘合在铜箔集热板正面而形成Ti N_0.88O_1.32选择性吸收膜。所接通直流电的电压为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，反应镀膜时间根据Ti N_0.88O_1.32选择性吸收膜厚度选定。所述Ti N_0.88O_1.32氮氧化钛选择性吸收膜，是本发明优选的。

还可包括在所述Ti N_0.88O_1.32氮氧化钛选择性吸收膜表面镀布SiO₂保护膜；所述SiO₂保护膜的镀布方法，是以石英靶作为第二阴极，紧接e步骤，给第二阴极接通直流电，且向镀膜室内充Ar、O气；石英靶起靶溅射且沉积粘合在所述Ti N_0.88O_1.32y氮氧化钛选择性吸收膜表面形成SiO₂保护膜。所述给第二阴极接通直流电的电压为300V，电流为30A；反应镀膜时间根据SiO₂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SiO₂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选择性吸收膜的方法，除了镀布SiO₂保护膜，是采用硅靶作为第二阴极，实施溅射镀布外，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，通过改变所述工艺参数，可以给出多个镀膜方法的具体实施方式，从而制取在所述Ti N_0.70～1.0O_1.0～1.4范围内的Ti、N、O多种不同分子重量比和多种不同镀层厚度的氮氧化钛选择性吸收膜以及二氧化硅保护膜。

本发明初样试验结果显示，其吸收率可达到96％，发射率在4％以下。这是已有技术不可与之相比拟的。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。