Brevet FR2976053A1 — publié le 20121207

COLLECTEUR SOLAIRE OBTENU PAR SOUDURE DE VERRE ET DE METAL A HAUTE TEMPERATURE OU PAR LASER L'invention concerne un collecteur solaire. Les collecteurs solaires absorbent la chaleur provenant du rayonnement solaire grâce à un absorbeur. Un fluide caloporteur circule dans des tuyaux collecteurs de chaleur fixés à l'absorbeur. Les tuyaux permettent de transporter la chaleur vers l'utilisateur et de maintenir l'absorbeur à une température raisonnable. Un tel collecteur permet par exemple de chauffer de l'eau pour des applications domestiques, de fournir de l'énergie thermique à un groupe frigorifique afin de fabriquer de l'air conditionné, de dessaler de l'eau de mer ou de purifier une eau en vue de fournir une eau potable, ou encore de sécher des matériaux dans une installation industrielle. L'invention vise particulièrement un collecteur solaire sous vide, dans lequel l'absorbeur et les tuyaux sont placés dans une enceinte à pression inférieure à la pression atmosphérique aussi faible que 10-3, 10-4 voire 10-5 mbar. Cette caractéristique procure une très bonne isolation thermique. Cependant, la différence de pressions entre la pression atmosphérique et celle de l'enceinte nécessite bien entendu une construction de l'ensemble étanche à l'air, et une résistance mécanique élevée des parois du collecteur solaire. Ainsi, lorsqu'il s'agit d'une feuille de verre, elle est avantageusement trempée de manière à résister à des différences de pressions de 100 à 120 MPa. Dans la construction du collecteur solaire, on peut penser associer une feuille de verre à un cadre métallique en déposant sur la feuille de verre une métallisation périphérique par un procédé sous vide ou équivalent, puis en brasant ce cadre métallique à cette métallisation périphérique. La métallisation localisée par dépôt sous vide ou autre est une étape onéreuse et complexe. De plus, le brasage du cadre métallique à cette métallisation se fait grâce à un métal d'apport à base de plomb dans la plupart des cas, relativement cher. Les inventeurs ont cherché un moyen de construire plus simplement un collecteur solaire, notamment sous vide, dans lequel l'étanchéité requise soit garantie. Ils ont atteint cet objectif par l'invention qui, en conséquence, a pour objet un collecteur solaire sous vide comprenant une enceinte à pression inférieure à la pression atmosphérique, d'épaisseur intérieure au moins égale à 10 mm, délimitée par au moins une feuille de verre trempé constituant une première paroi principale et par une seconde paroi principale reliée à la première de manière étanche par l'intermédiaire d'un cadre, ladite enceinte contenant, à distance croissante de ladite feuille de verre trempé, un absorbeur du rayonnement solaire en forme de feuille, en contact avec des tuyaux de circulation d'un fluide caloporteur, caractérisé en ce qu'une partie au moins d'une surface de ladite feuille de verre trempé est directement liée à un métal, suite à une soudure sans apport de matériau, soit à température au moins égale à 800 °C, soit par laser. La pression dans l'enceinte est de valeur indiquée précédemment au plus égale à 10-3, de préférence 10-4 voire 10-5 mbar. La feuille de verre est trempée de manière à résister à des différences de pression d'au moins 80 MPa, de préférence 100 MPa et de manière particulièrement préférée 120 MPa. Le terme de cadre désigne ici un ou plusieurs éléments reliant la feuille de verre trempé et la seconde paroi principale du collecteur solaire, les maintenant et les fixant à distance l'une de l'autre de manière étanche aux gaz (air, gaz rares,...), aux liquides (eau...). Conformément à l'invention, la feuille de verre trempé est directement liée à un métal, comme résultat d'une soudure sans apport de matériau, soit à température au moins égale à 800 (de préférence 850) °C, soit par laser. Par ces procédés, le verre et le métal sont fondus à leur interface, qui comprend un mélange d'oxydes provenant de chacun des deux matériaux. Selon des caractéristiques préférées du collecteur solaire de l'invention : - ladite feuille de verre trempé est reliée audit absorbeur par l'intermédiaire de premiers espaceurs, et lesdits tuyaux sont reliés à ladite seconde paroi principale par l'intermédiaire de seconds espaceurs ; cette réalisation n'exclue pas qu'un premier et un second espaceurs au moins soient venus de matière, constituant une pièce unique englobant en partie absorbeur et tuyau(x) ; - le métal auquel est directement liée une partie au moins d'une surface de ladite feuille de verre trempé est à différentiel de coefficients de dilatation thermique minimal avec le verre ; il s'agit notamment d'un alliage de nickel et de fer ou d'un alliage de fer et de chrome ; - la feuille de verre trempé est directement liée à un métal par une partie au moins de sa surface principale orientée à l'extérieur du collecteur et/ou par une partie au moins de sa surface principale orientée vers ladite enceinte et/ou par une partie au moins de son chant ; - la seconde paroi principale de l'enceinte (également du collecteur solaire) est constituée d'une autre feuille de verre trempé, ou bien d'un caisson dont les bords en excroissance (par rapport à cette seconde paroi principale) forment au moins une partie dudit cadre ; - une partie au moins dudit cadre est métallique et soudée audit métal auquel est directement liée une partie au moins d'une surface de ladite feuille de verre trempé ; - une partie au moins dudit cadre est métallique et constitue elle-même ledit métal auquel est directement liée une partie au moins d'une surface de ladite feuille de verre trempé. Un autre objet de l'invention consiste en un procédé de fabrication d'un collecteur solaire sous vide décrit ci-dessus, qui se distingue par le fait qu'il comprend - la soudure d'une partie au moins d'une surface d'au moins une feuille de verre à un métal à température d'au moins 800 °C ou par laser, puis - la trempe de ladite au moins une feuille de verre. La soudure à relativement haute température ou par laser de verre et d'un métal à coefficient de dilatation thermique de préférence le plus proche de (égal à) celui du verre produit une co-fusion des deux matériaux à leur interface, qui comporte des oxydes de constituants de chacun de ceux-ci. La trempe consiste notamment à refroidir brusquement la feuille de verre par des jets d'air sur ses deux surfaces principales simultanément. La soudure est de préférence effectuée soit dans un four à température d'au moins 800 °C, soit par laser dans un four à température comprise entre 400 et 600 °C. L'invention est maintenant expliquée en référence aux Figures 1 et 2 en annexe, qui représentent schématiquement deux réalisations d'un collecteur solaire sous vide conforme à l'invention. Le collecteur sous vide 1 de la Figure 1 délimite une enceinte 2 à pression de l'ordre de 10.3 - 10.5 mbar. Les deux parois principales de l'enceinte 2 sont constituées de deux feuilles de verre trempé 3, 4 de 4 mm d'épaisseur. L'enceinte 2 contient des tuyaux 7 de cuivre ou d'aluminium de circulation d'un fluide caloporteur tel que l'eau, sur lesquels est fixé un feuillard 6 de 0,2 mm de cuivre ou de 0,4 mm d'aluminium muni d'un revêtement dit « sélectif », tel que d'oxynitrure de titane et de chrome. Ainsi constitué, le feuillard 6 absorbe environ 95 % du rayonnement solaire, et présente une émissivité de 5 % au plus calculée pour le rayonnement d'un corps noir à 100 °C. Le feuillard 6 est un absorbeur du rayonnement solaire. L'eau qui circule dans les tuyaux 7 évacue la chaleur de l'absorbeur 6, en permettant de le refroidir et le maintenir à une température au plus égale à des valeurs raisonnables. Le diamètre extérieur des tuyaux 7 est de 8 à 16 mm, de préférence de 9 à 14°mm, et ici de 10 mm et leur épaisseur de 0.5 à 2 mm, de préférence de 0.8 à 1.6°mm, et ici de 1 mm. L'absorbeur 6 est maintenu à distance fixe de la feuille de verre trempé 3 par interposition d'espaceurs 9 constitués de billes de verre trempé de 2 mm de diamètre. De même les tuyaux 7 sont maintenus à distance fixe de la feuille de verre trempé 4 par interposition d'espaceurs 10 identiques aux espaceurs 9. Alternativement, un ou plusieurs espaceurs 9 peuvent être réunis à un ou plusieurs espaceurs 10 en une pièce unique de forme englobant au moins en partie absorbeur 6 et tuyau(x) 7. Une partie de la surface principale de chacune des feuilles de verre trempé 3 et 4 orientée à l'extérieur du collecteur solaire 1 est directement liée à un métal 8 consistant par exemple en alliage Fe-Ni commercialisé par la Société Arcelor Mittal sous la marque enregistrée Invar®, en alliage Fe-Cr commercialisé par la Société Thyssen-Krupp sous la marque enregistrée Nirosta® ou en alliage Ni-Fe commercialisé par la Société Vacuumschmelze sous la marque enregistrée Vacovit®. Ces alliages nous intéressent ici notamment pour leur coefficient de dilatation thermique identique à celui du verre. Le métal 8 a la géométrie d'une cornière sur toute la périphérie de chacune des feuilles de verre 3 et 4. La soudure du métal 8 à chacune des feuilles de verre 3 et 4 peut être réalisée dans un four à 900 °C, ou par laser. On peut impacter la surface extérieure du métal 8 avec un laser CO2, qui fond celui-ci à son interface avec le verre, de manière à produire une phase intermédiaire de liaison contenant un mélange de constituants des deux matériaux. Le même effet technique peut être produit en impactant la surface extérieure de chacune des feuilles de verre 3 et 4, c'est-à-dire la surface opposée à celle destinée à être soudée au métal 8, par laser YAG (Yttrium Aluminum Garnet, tel que dopé au Neodyme Nd :Y3AI5O12). Ces soudures par laser sont sans apport de matériau. Cette soudure laser est effectuée dans un four à 500 °C. Chacune des deux feuilles de verre 3 et 4 est ensuite trempée par refroidissement brusque obtenu au moyen de jets d'air simultanés sur chacune des deux surfaces principales des feuilles de verre. Un cadre métallique 5 est solidarisé aux deux cornières périphériques métalliques 8 par soudure métal-métal 11 par tout procédé, laser, TIG, MIG, brasure - argent, autre-...Alternativement, on peut imaginer que les deux cornières périphériques métalliques 8 se prolonge de manière à être soudées l'une à l'autre et à remplacer et constituer elles-mêmes le cadre 5. Le vide est réalisé dans l'enceinte 2 par un tuyau en cuivre non représenté, que l'on pince à froid de manière à réaliser un queusot ; ce procédé garantit l'étanchéité de l'enceinte et le maintien du vide. Le collecteur solaire sous vide 1 de la Figure 2 varie de celui de la Figure 1 par le remplacement des deux cornières périphériques métalliques 8 par deux bandes périphériques métalliques 8, et leur soudure par laser aux surfaces principales des feuilles de verre 3 et 4 orientées vers l'enceinte 2. Ainsi a-t-on mis à disposition une réalisation simplifiée et possiblement moins onéreuse d'un collecteur solaire, notamment à haute performance sous vide. REVENDICATIONS1. Collecteur solaire sous vide (1) comprenant une enceinte (2) à pression inférieure à la pression atmosphérique, d'épaisseur intérieure au moins égale à 10 mm, délimitée par au moins une feuille de verre trempé (3) constituant une première paroi principale et par une seconde paroi principale (4) reliée à la première de manière étanche par l'intermédiaire d'un cadre (5), ladite enceinte (2) contenant, à distance croissante de ladite feuille de verre trempé (3), un absorbeur du rayonnement solaire (6) en forme de feuille, en contact avec des tuyaux (7) de circulation d'un fluide caloporteur, caractérisé en ce qu'une partie au moins d'une surface de ladite feuille de verre trempé (3) est directement liée à un métal (8), suite à une soudure sans apport de matériau, soit à température au moins égale à 800 °C, soit par laser. 2. Collecteur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une partie au moins d'une surface de ladite feuille de verre trempé (3) est directement liée à un métal (8), suite à une soudure à température au moins égale à 850 °C. 3. Collecteur (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite feuille de verre trempé (3) est reliée audit absorbeur (6) par l'intermédiaire de premiers espaceurs (9), et en ce que lesdits tuyaux (7) sont reliés à ladite seconde paroi principale (4) par l'intermédiaire de seconds espaceurs (10). 4. Collecteur (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le métal (8) auquel est directement liée une partie au moins d'une surface de ladite feuille de verre trempé (3) est à différentiel de coefficients de dilatation thermique minimal avec le verre. 5. Collecteur (1) selon la revendication 4, caractérisé en ce que le métal (8) auquel est directement liée une partie au moins d'une surface de ladite feuille de verre trempé (3) est un alliage de nickel et de fer ou un alliage de fer et de chrome. 6. Collecteur (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une partie au moins de la surface principale de ladite feuille de verre trempé (3) orientée à l'extérieur du collecteur (1) est directement liée à un métal (8). 7. Collecteur (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une partie au moins de la surface principale de ladite feuille de verre trempé (3) orientée vers ladite enceinte (2) est directement liée à un métal (8). 8. Collecteur (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une partie au moins du chant de ladite feuille de verre trempé (3) est directement liée à un métal (8). 9. Collecteur (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite seconde paroi principale (4) de l'enceinte (2) est constituée d'une autre feuille de verre trempé. 10. Collecteur (1) selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ladite seconde paroi principale (4) de l'enceinte (2) est constituée d'un caisson dont les bords en excroissance par rapport à ladite seconde paroi principale (4) de l'enceinte (2) forment au moins une partie dudit cadre (5). 11. Collecteur (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une partie au moins dudit cadre (5) est métallique et soudée audit métal (8) auquel est directement liée une partie au moins d'une surface de ladite feuille de verre trempé (3). 12. Collecteur (1) selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'une partie au moins dudit cadre (5) est métallique et constitue elle-même ledit métal (8) auquel est directement liée une partie au moins d'une surface de ladite feuille de verre trempé (3). 13. Procédé de fabrication d'un collecteur solaire sous vide (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend - la soudure d'une partie au moins d'une surface d'au moins une feuille de verre (3) à un métal (8) à température d'au moins 800 °C ou par laser, puis - la trempe de ladite au moins une feuille de verre (3). 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que la soudure est effectuée dans un four à température d'au moins 800 °C. 15. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que la soudure est effectuée par laser dans un four à température comprise entre 400 et 600 °C.