NUEVAS COMPOSICIONES DE VIDRIO Y PROCEDIMIENTO PARA REALIZAR UNA UNION VIDRIO-METAL.

Nuevas composiciones de vidrio y procedimiento para realizar una unión vidrio-metal,

donde el nuevo vidrio comprende:

**FIGURA-01**

en función de los requerimientos necesarios, destacando por su importancia el coeficiente de dilatación térmica, de manera que este coeficiente de dilatación térmica es ajustado para que coincida con el de la parte metálica o aleación con la que se quiere llevar a cabo la soldadura vidrio-metal, lo que permite poder llevar a cabo de manera satisfactoria dicha soldadura obteniéndose una unión vidrio-metal fuerte, libre de tensiones y duradera en el tiempo que pueda ser empleada entre otras para la obtención de partes que forman parte de colectores solares.

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P200902057.

Solicitante: ABENGOA SOLAR NEW TECHNOLOGIES, S.A.

Nacionalidad solicitante: España.

Provincia: SEVILLA.

Inventor/es: OTEO MAZO,JOSE LUIS, RUBIO ALONSO,JUAN, RUBIO ALONSO,FAUSTO, MARTINEZ SANZ,NOELIA, MAZO FERNANDEZ,ALEJANDRA.

Fecha de Solicitud: 28 de Octubre de 2009.

Fecha de Publicación: .

Fecha de Concesión: 2 de Enero de 2012.

Clasificación Internacional de Patentes:

  • C03C27/02 QUIMICA; METALURGIA.C03 VIDRIO; LANA MINERAL O DE ESCORIA.C03C COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LOS VIDRIOS, VIDRIADOS O ESMALTES VÍTREOS; TRATAMIENTO DE LA SUPERFICIE DEL VIDRIO; TRATAMIENTO DE LA SUPERFICIE DE FIBRAS O FILAMENTOS DE VIDRIO, SUSTANCIAS INORGÁNICAS O ESCORIAS; UNIÓN DE VIDRIO A VIDRIO O A OTROS MATERIALES.C03C 27/00 Unión de piezas de vidrio a piezas de otros materiales inorgánicos; Unión de vidrio a vidrio por procedimientos diferentes a la fusión (C03C 17/00 tiene prioridad; composiciones de sellado por fusión C03C 8/24; cristal con alambre C03B; unión de vidrio a cerámica C04). › por fusión directa del vidrio sobre el metal.
  • C03C3/091 C03C […] › C03C 3/00 Composiciones para la fabricación del vidrio (cargas de mezclas vitrificables C03C 6/00). › que contienen aluminio.
  • C03C8/24 C03C […] › C03C 8/00 Esmaltes; Vidriados; Composiciones de sellado por fusión constituidas de fritas vítreas conteniendo aditivos. › Composiciones de sellado por fusión, constituidas por fritas vítreas que contienen aditivos, utilizadas para el sellado de materiales diferentes, p. ej. vidrio y metal; Vidrio de sellado.

Clasificación PCT:

  • C03C27/02 C03C 27/00 […] › por fusión directa del vidrio sobre el metal.
  • C03C3/091 C03C 3/00 […] › que contienen aluminio.
  • C03C3/093 C03C 3/00 […] › que contienen cinc o circonio.
NUEVAS COMPOSICIONES DE VIDRIO Y PROCEDIMIENTO PARA REALIZAR UNA UNION VIDRIO-METAL.

Fragmento de la descripción:

Nuevas composiciones de vidrio y procedimiento para realizar una unión vidrio-metal.

Sector técnico de la invención

Nuevas composiciones de vidrios, cuyos coeficientes de dilatación puedan ser seleccionados de manera que puedan ser empleados como vidrios de soldadura para uniones vidrio-metal, tales como las que presentan los tubos de colectores solares.

Antecedentes de la invención

Las uniones vidrio-metal se emplean actualmente en una gran variedad de campos tecnológicos tales como los de la industria electrónica, eléctrica, médica, etc. Estas uniones son especialmente útiles para dispositivos que tengan que trabajar en condiciones de vacío, ya que las uniones formadas entre el vidrio y el metal son bastante fuertes y estancas. Las propiedades de estas uniones vidrio-metal radican en las buenas características estructurales de los materiales que las componen, su alto poder aislante, su inalterabilidad química y su impermeabilidad tanto a sólidos, líquidos y gases.

Estos tipos de uniones han sido desarrolladas recientemente para partes de tubos de colectores solares, lo que exige una durabilidad en el tiempo soportando tanto las inclemencias meteorológicas (cambios de temperatura entre el día y la noche, entre estaciones), esfuerzos mecánicos y térmicos, temperaturas de trabajo de hasta 400ºC y completa estanqueidad.

Existen varios tipos de uniones vidrio-metal:

1. Uniones en las que coinciden los coeficientes de dilatación: Uniones donde el coeficiente de dilatación y contracción del vidrio y el metal son similares, de manera que las uniones resultantes presentan unas tensiones que se encuentran dentro de un límite seguro, tanto durante la elaboración de la unión como a lo largo de la vida útil del dispositivo.

2. Uniones en las que no coinciden los coeficientes de dilatación: Uniones donde el coeficiente de dilatación y contracción del vidrio y los del metal difieren considerablemente, de forma que las tensiones que resultan de esta unión se palían empleando:

- Metales de diámetro pequeño, dando lugar a las denominadas uniones de compresión.

- Metales dúctiles que amortiguan parte de las tensiones generadas.

- Vidrios intermedios, de manera que se van ajustando los coeficientes de dilatación de forma que la última unión entre el vidrio y el metal será del primer tipo.

3. Uniones de soldadura, en las cuales la parte metálica se suelda a una capa de metal que ha sido previamente depositada en la superficie del vidrio por alguno de los diferentes métodos que existen.

4. Uniones mecánicas entre el vidrio y el metal.

Actualmente la mayoría de las uniones vidrio-metal se obtienen por los dos primeros métodos.

Las condiciones más importantes para que se produzca la unión vidrio-metal son las siguientes: que exista una buena adherencia entre los materiales a unir, que los coeficientes de dilatación sean compatibles y que la temperatura de reblandecimiento del vidrio empleado sea relativamente baja y que esta temperatura de trabajo no afecte a los materiales a unir.

Uno de los elementos fundamentales de las plantas de energía solar basadas en colectores cilindros parabólicos (CCP) es el tubo absorbedor y aunque en la actualidad se están desarrollado y mejorando el funcionamiento de dichas plantas de energía solar de manera que se genera energía de una manera cada vez más eficiente y respetuosa con el medio ambiente, debido al elevado coste de los dispositivos que las componen, sobre todo los tubos absorbedores, el tiempo de vida útil debe prolongarse lo máximo posible (10-20 años).

El tubo absorbedor está formado por dos tubos dispuestos de manera concéntrica, un tubo de vidrio dispuesto en la parte exterior y otro metálico colocado en la parte interna, por el que circula un líquido, generalmente un aceite sintético, que se calienta por efecto de los rayos solares hasta aproximadamente 400ºC. Este líquido tras una serie de procesos produce un vapor sobrecalentado que finalmente se transforma en energía eléctrica.

Los dos tubos que forman parte del tubo absorbedor están separados por una cámara de vacío y, a su vez, están unidos mediante una unión vidrio-metal. Debido a las grandes dimensiones y peso del tubo absorbedor (4 metros de longitud y 100 mm de diámetro aproximadamente), junto con la naturaleza vítrea del tubo exterior y con que estos dispositivos se sitúan al aire libre y están supeditados a experimentar las inclemencias meteorológicas (granizo, lluvia, erosión de partículas de polvo, etc.) hacen que la unión vidrio-metal sea una de las partes más importantes y débiles del colector cilindro parabólico. Además el sellado entre los dos tubos debe ser hermético y mantenerse el vacío de manera que se minimicen las pérdidas de calor y se optimice la generación de energía.

Los primeros intentos para la obtención de este tipo de uniones vidrio-metal presentes en los colectores solares se hicieron con una aproximación del método HouseKeeper donde se empleaba una lámina fina de cobre y un vidrio cuyos coeficientes de dilatación diferían considerablemente. El metal era adelgazado para facilitar la formación de la unión vidrio-metal y posteriormente el vidrio era calentado de manera que el metal podía ser introducido dentro. Debido al pequeño espesor del metal y a la naturaleza dúctil del cobre las tensiones generadas debido a las diferencias entre los coeficientes de dilatación se minimizaban y se obtenía una unión vidrio-metal satisfactoria.

Debido a la naturaleza y el espesor del metal empleado, éste era capaz de soportar las tensiones generadas durante el enfriamiento de la pieza así como durante la vida útil del dispositivo. Sin embargo, este tipo de soldaduras vidrio-metal no satisfacía completamente los requerimientos de estos sistemas ya que eran la parte más débil de dicho sistema y por lo tanto una de las partes a mejorar.

Posteriormente se introdujo un nuevo avance para este tipo de sistemas, como es el que consiste en emplear un metal y un vidrio cuyos coeficientes de dilatación sean muy semejantes de manera que la unión sea mucho más fuerte que la conseguida mediante el método HouseKeeper y por lo tanto la duración del sistema también sea mucho mayor.

Actualmente a nivel comercial se emplea un vidrio y una aleación metálica cuyos coeficientes de dilatación se sitúan alrededor de 5 x 10-6 ºC-1.

Los vidrios poseen numerosas cualidades que les hacen ser apropiados en la industria de vacío, entre otras estas ventajas son:

- Son prácticamente impermeables a los gases.

- De acuerdo con su composición química pueden transmitir selectivamente en varias longitudes de onda.

- Presentan buenas propiedades de aislamiento eléctrico.

- Se moldean fácilmente en la llama.

- Mediante elección de una determinada composición química las propiedades del vidrio se pueden variar de manera que se pueden obtener vidrios cuyas propiedades coincidan con el metal deseado.

Es en esta línea en la que se desarrolla la invención que a continuación se propone.

Descripción de la invención

Es objeto de la presente invención describir una nueva familia de composiciones de vidrio que puedan ser empleadas para obtener uniones vidrio-metal. Las características del vidrio serán diseñadas de manera que puedan obtenerse vidrios que presenten unas propiedades, tales como coeficiente de dilatación térmico y resistencia química, lo que permita obtener uniones vidrio-metal donde los coeficientes de dilatación térmica de ambas partes sean lo más próximos posibles.

Se han intentado hacer variaciones de las soluciones existentes, ampliando la selección de los metales o aleaciones metálicas conocidas sobre los que puede llevarse a cabo la soldadura, pero no se han encontrado metales o aleaciones que permitan llevar a cabo dicha soldadura en mejores condiciones ya que los coeficientes de dilatación difieren mucho. Por otro lado, podría emplearse otro tipo de vidrio con un coeficiente de dilatación mayor pero generalmente el aumento del coeficiente de dilatación en el vidrio lleva asociado un detrimento de las propiedades al menos de resistencia...

 


Reivindicaciones:

1. Nuevas composiciones de vidrio para formar uniones vidrio-metal caracterizada porque comprende.


permitiendo ajustar propiedades como el coeficiente de dilatación térmica de manera que se aproxime lo máximo posible al coeficiente del metal al que se va a unir.

2. Nuevas composiciones de vidrio para uniones vidrio-metal según reivindicación 1 caracterizada porque existe un vidrio preferido de composición 74.2% SiO2, 8.56% B2O3, 5.72% Al2O3, 5.63% Na2O, 2.13% K2O, 3.57% CaO que cuenta con propiedades óptimas para su utilización en la formación de uniones para tubos absorbedores de energía solar.

3. Procedimiento para realizar una unión vidrio-metal donde el vidrio pertenece a la familia de composiciones descrita en la primera reivindicación, caracterizado porque comprende las siguientes etapas:

- Limpieza y desengrasado del metal.

- Oxidación superficial de dicha parte metálica para promover una mejor adherencia con el vidrio en la unión vidrio-metal. Esta oxidación debe efectuarse entre 850 y 900ºC, en atmósfera de aire, hasta que se aprecia que la parte metálica presenta una coloración rojiza.

- Calentamiento de la parte vítrea hasta que se alcanza una temperatura superior a su temperatura de reblandecimiento.

- Aproximación de las dos partes hasta su contacto, de manera que el vidrio y el metal quedan adheridos formando una unión vidrio-metal con unas propiedades apropiadas y suficientes para la aplicación perseguida.

- Tratamiento térmico a la unión vidrio-metal obtenida y que eliminará las tensiones presentes tanto en el vidrio como en la unión vidrio-metal. Al finalizar el tratamiento térmico el metal presentará una coloración grisácea.


 

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