技术论文:一种能更好适应极端气候的专利门窗

2023年12月02日16:03:04 科学 1748


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我们要及早准备,应对极端气候的先进技术

第一节、全球极端天气将成为常态。


一、近几年来,全球平均气温越来越高,极端天气出现得越来越频繁与严重,表现为:暴雨、大风、酷热,甚至还在全球多地引起了森林大火。


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全球多地,气温创下有记录以来的新高。


1、在2023年7月29日至8月2日,北京市遭遇了历史罕见特大暴雨,北京的房山区门头沟区的部分区域,都被雨水淹了。

2、在2023年8月18日,世界气象组织警告称:“今年夏天持续席卷全球的极端高温天气,及其引发的干旱、山火等天气灾害将成为此后全球气候的普遍情况”。

中央电视台综合频道《新闻联播》也报道了气象组织发布的这一消息。

即:高温的极端天气将成为常态。

3、在台风时常肆虐的沿海地区,窗户的玻璃需要更强的压条来固定。


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台风把窗户的玻璃都吹掉了


4、尤其在近两年,世界很多地方的高温天气打破了当地近几十年的历史记录,有的地方把柏油马路都晒鼓包了。


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柏油路被晒鼓包了



第二节、门窗生产企业应注重根据极端天气频发情况,研发新的技术,予以应对。

在极端天气频发的情况下,断桥铝的窗户上,尼龙条的成份与结构如果比较差,就可能会出现窗户变形的情况,时间长了,就易导致窗户开关不畅,缝隙加大,漏风、漏水。

一、目前在中国,建筑能耗占社会能耗的1/3,门窗的能耗则占建筑能耗的1/3至1/2。

所以,高质量的门窗,越来越受到国家、房地产、业主们的重视。

有些地方政府对当地房地产企业使用高质量门窗,予以了补贴;对乡村百姓更换高质量的窗户也给予了补贴。

被动窗的使用量也在逐年大幅增加。

节能、环保,使用“绿色、低碳”的建材的理念已深入人心。

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被动窗的安装方法


二、门窗直接关系到家里的:通风、采光、隔音、温度、湿度、灰尘指数。

高质量的专利门窗,可以减少室内灰尘,让肺呼吸上更好的空气,减少了室内打扫卫生的次数。还使室内湿度、温度、光照、隔音方面得到改善,利于健康,还大大节省了空调的电费。

三、门窗还是屋内气流即风的通道。


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《黄帝内经》曰:风者,百疾之始也。


1、《黄帝内经》在多个篇章里强调了风对人体健康的影响,例如:

①、“风者,百疾之始也”;

②、“邪风之至,疾如风雨,故善治者治皮毛”;

③、“夫百病之生也,皆生于风寒暑湿躁火”;

④、“百疾之始期也,必生于风雨寒暑,循毫毛而入腠理”。

2、高质量专利的门窗,已引起了越来越多消费者的关注。

①、建筑物内,高效能的门窗由三个重要环节组成:结构设计更科学、好材质、规范安装。

②、结构设计是第一个重要环节。

即使是材质很好的PA 66 .GF25尼龙条,因为结构设计不佳,也可能会导致窗户变形,然后开关不畅、漏水、漏风,需要维修,或更换窗户。


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好材料,也需要科学的结构设计


③、因为断桥铝门窗上的PA66 .GF25隔热尼龙条和铝合金,仅仅是在一定范围温度之内,膨胀系数能保持一致,如果超出了一定的温度范围,就需要用尼龙条的结构来调节二者的不同的膨胀冷缩程度了。

第三节、知名门窗企业都在注重研发高质量的门窗。

1、为了应对报端天气,泰诺风等国际知名的门窗产品企业,开发了相应的断桥铝尼龙条产品:极端天气时,断桥铝尼龙条上的结构设置有可以自动进行内部调节、避免引起窗户变形。

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2019年上海国际门窗展,泰诺风展台


2、北京2022年冬奥会张家口赛区山地转播中心,也被称为“玉如意”,是北京冬奥会的标志性场馆之一,其门窗用材全部来自:山西中德集团公司铝材分公司生产的高性能断桥铝型材。

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中德集团公司注重研发高性能门窗


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北京冬奥会转播中心使用了高性能门窗


3、高性能断桥铝尼龙隔热条,已被大量使用,市场前景广阔。

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高性能尼龙隔热条已被大量使用。


2023年的杭州亚运村中的媒体村及运动员村两个项目总建筑面积156万平米,系统门窗达38万平方米,断桥铝门窗隔热条均采用了贝多邦隔热条,用量高达300多万米。

第四节、下面介绍的是笔者设计的尼龙条与压条:

①、这种断桥铝尼龙条结构,可以自我调节极端天气引发的变形,保持尼龙条的整体稳定性,从而避免引发窗户变形;

增强窗户的气密、水密、保温、隔热性能。

②、这种压条,可以增强窗户抗风压性能、防火性能。

笔者的这两项设计,在2018年获得了实用新型专利证书,专利号码:ZL2018 2 2140358.0

并于2022年11月,笔者将之写成论文形式,发表在2022年度出版的《广东(南海)铝加工产业技术大会论文集》下册。

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此《论文集》下册,收录了本论文


此论文的内容,也是专利证书内容的主要部分,详述如下:

一、本专利门窗的特征在于:

1、门窗的框(1)、扇(2)和压条(3),框(1)和扇(2)为断桥铝结构,其特征在于:框(1)和扇(2)的风挡(5)内侧设置一体成型的加强片(6),压条勾下方设置定位块(8),框(1)和扇(2)的断桥结构采用多腔尼龙条,所述多腔尼龙条上设置应力调节结构。

所述应力调节结构为多腔尼龙条上设置8字形,或为椭圆形,或为S形的筋条(9),筋条(9)与多腔尼龙条一体成型设置。

2、玻璃(4)与压条(3)、扇(2)的风挡(5)之间设置插片(10),插片(10)的底部设置波浪状的排水通气结构(11)。

3、所述压条(3)采用非封闭结构,在非封闭结构的根部设置一体成型的加固块(7)。

4、所述压条(3)采用全封闭结构,压条(3)形成至少一个密封腔体(13),气密水密胶条槽与密封腔体(13)之间没有一体成型的过渡段,气密水密胶条槽为密封腔体(13)的组成部分。

二、背景技术

目前很多地区极端天气时有发生,尤其在沿海地区还会有台风。所以应该从型材的抗风压、气密性、水密性、保温性、隔声等方面对型材进行改进。目前在市场上的断桥铝型材都普遍存在着以下几种情况:

1、市场上的铝型材框、梃、扇上的风挡(气密、水密胶条槽、玻璃胶条槽所在的框、梃、扇上凸起的部分)有双层和单层两种,为了节省材料和工艺,大多数的铝门窗型材的风挡都是单层结构。单层风挡的壁厚与其他可视面的壁厚是一致的,有些型材还使用了遇水膨胀的玻璃胶条,这会加大对框、梃、扇的压力,容易使风挡向远离玻璃的方向变形。为了解决上述问题,有的设计在风挡的外侧设置了加强块,这是笔者的另外一个实用新型专利的设计,其优点是材料成本低;缺点是:加强块设置在外部容易影响美观且易堆积灰尘。

2、很多业主为了保温、隔热、隔声,都采用了三玻等比较重的玻璃,有的业主为了增加透光率,会使用面积比较大的玻璃。传统的压条的壁厚通常比主型材的壁厚要薄,压条是固定玻璃的重要构架,所以应该进一步加强压条的结构设计,从而增加压条的抗风压性。

另外,铝合金耐火窗的压条目前有以下两种设计:一是非封闭的压条,压条上没有封闭的腔体,二是半封闭压条,特征是,有至少一个密封腔体,但胶条槽口与腔体之间有一体成型的过渡片连接,以上两种情况均存在在规定的耐火时间内,胶条槽口很快被烧化的隐患。

3、市场上的多腔尼龙条都普遍没有调节应力的结构设计,这会到导致窗户产生变形的隐患,影响使用寿命。

三、为了解决上述技术问题,本实用新型采用的技术方案为:一种改良型的门窗结构,包括框、扇、梃和压条,框和扇、梃为断桥铝结构,框和扇、梃的风挡内侧设置一体成型的加强片,压条勾下方设置定位块,框和扇、梃的断桥结构采用多腔尼龙条,所述多腔尼龙条上设置应力调节结构。

进一步地,所述应力调节结构为多腔尼龙条上设置8字形,或为椭圆形,或为S形的筋条,筋条与多腔尼龙条一体成/型设置。

进一步地,所述压条采用非封闭结构和半封闭结构,在非封闭结构的根部设置一体成型的加固块。

进一步地,所述压条采用全封闭结构,压条形成至少一个密封腔体,气密水密胶条槽与密封腔体之间没有一体成型的过渡段,气密水密胶条槽为密封腔体的组成部分。

四、本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果

1、本实用新型通过在窗的框、梃、扇的单壁风挡内侧设置一体成型的加强片,使单壁风挡在不明显增加材料成本的基础上,抗风压能力显著增强,同时进一步提高了此部位耐火的能力。

2、通过在压条上设置加固块,增加了压条的弹力,另外在压条勾下面设置了定位块,使压条不容易滑脱,尤其是在玻璃胶条经过长期风吹日晒雨淋后,弹性减小,体积减小后,压条仍然能够保持良好的稳定性,从而提高了窗户抗风压的性能,有效地避免了大风吹落玻璃的隐患。

耐火窗遇到火情,玻璃两侧的密封胶条会软化,同时窗户的遇火面气压会减小,进而在玻璃两侧形成气压差,产生推动玻璃的气流,通过在耐火窗上使用定位座,能够让压条更好的抵抗由玻璃两侧气压差形成的顶力。

3、在多腔尼龙条上设置了应力调节结构,可以使窗户经过寒热天气,也不容易发生变形,提高了窗户的使用寿命。

4、本实用新型在耐火窗的设计方面了新型的全封闭结构压条,取消了水密气密胶条槽与压条腔体之间的过渡段,从而使压条腔体内的耐火灌注料能够与胶条槽紧密接触,从而保护胶条槽在规定的时间内不容易被烧化。这样就把窗户的耐火性能和节能性能更好地结合在一起。

为便于安装这种压条,压条与玻璃之间的橡胶压条可以加宽2mm左右,这样也更利于保护玻璃的边角,这个部位是玻璃最易碎的部分,和风吹时受压强最大的部力。

如何不用胶条,而是打密封胶,适当加宽压条与玻璃之间的空间,也可以让密封胶更多的进入其中,起到了更好的密封作用。

五、附图说明

下面结合附图对本实用新型做进一步详细的说明。以下是以内开型断桥铝门窗为例,外开型的框、扇、梃均参照以下设计。

图1为市场上常见的断桥铝门窗型材的节点示意图。

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图2为采用本实用新型风挡、压条和尼龙条改进后的断桥铝门窗型材的节点示意图。

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图3为图2中A处的放大示意图。

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为了安装方便,实际产品上的定位块远没有这么明显,此处画得明显只是为了看图方便。

图4为带有8字形应力调节结构的断桥铝门窗型材的节点示意图。

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图5为对玻璃两侧有凸起金属结构设计,使用长尾胶条的断桥铝门窗型材的改进示意图。

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图6为使用改进后的玻璃插片的断桥铝门窗型材的节点示意图,采用的玻璃压条为全封闭压条。

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图7为现有的带有V形钩的玻璃压条,该玻璃压条为非封闭压条。

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图8为本实用新型的改进后的带有V形钩的玻璃压条。

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图9为现有的带有V形钩的被动窗上使用的玻璃压条,该玻璃压条为半封闭压条。

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图10为采用本实用新型改进后的带有V形钩的被动窗上使用的玻璃压条。

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图11为现有的带有G形钩的玻璃压条,该玻璃压条为半封闭压条。

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图12为采用本实用新型改进后的带有G形钩的玻璃压条。

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图13为现有的带有C形钩的玻璃压条,该玻璃压条为半封闭压条。

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图14为采用本实用新型改进后的带有C形钩的玻璃压条。

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图15为插片的排水通气结构示意图。

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图16为玻璃两侧带有凸起金属结构的使用改进后的插片的断桥铝门窗的节点示意图。

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图17为带有封闭结构压条的耐火窗的节点示意图,图中采用的压条为全封闭压条。

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图中:1为框,2为扇,3为压条,4为玻璃,5为风挡,6为加强片,7为加固块,8为定位块,9为筋条,10为插片,11为排水通气结构,12为凸起金属结构,13为密封腔体。

六、具体实施方式

如图1-图17所示,一种改良型的门窗结构,包括框1、扇2和压条3,框1和扇2为断桥铝结构,框1和扇2的风挡5内侧设置一体成型的加强片6,压条3非封闭结构的根部设置一体成型的加固块7,压条勾下方设置定位块8,框1和扇2的断桥结构采用多腔尼龙条,所述多腔尼龙条上设置应力调节结构。

加强片6位于风挡5上的胶条槽的下方,也可以进一步地在胶条槽上设计同样的加强片6。定位块8的形状可以为船形,四边形、弧度较小的拱形等形状。为了进一步提升定位块8的防滑能力,可以在压条定位块8底部与主型材接触的面上设计细小的防滑纵纹。还可以进一步地在压条勾下方的主型材上设置一道细小的U形或V形的沟槽用于辅助压条勾的定位。这种沟槽结构还可以与没有定位块8的压条使用。

图7-图14中展示了在四种具有代表性的玻璃压条3上进行加固块7和定位块8改进的示意图,图7为现有的带有V形钩的玻璃压条3。图8是针对图7结构进行改进后的玻璃压条3。图9为现有的带有V形钩的被动窗上使用的玻璃压条3。图10为针对图9进行改进后的玻璃压条3。图11为现有的带有G形钩的玻璃压条3。图12为针对图11改进后的玻璃压条3。图13为现有的带有C形钩的玻璃压条3。图14为针对图13改进的玻璃压条3。

上述四种玻璃压条3均能够通过增加加固块7和定位块8的方式进行改进,通过在压条3上设置加固块7,增加了压条3的弹力,另外在压条勾下面设置了定位块8,增加了压条勾与型材之间的接触面积和平衡能力,所以使压条3不容易滑脱,尤其是在玻璃胶条经过长期风吹日晒雨淋后,弹性减小,体积减小后,压条3仍然能够保持良好的稳定性,从而提高了窗户抗风压的性能,有效地避免了大风吹落玻璃4的隐患。

如图2-图4所示,应力调节结构为多腔尼龙条上设置为8字形,或为椭圆形,或为S形的筋条9,筋条9与多腔尼龙条一体成型设置。应力调节结构通常在扇2上面使用,框1上可不使用。而且只同时使用同一种应力调节结构。椭圆形和8字形的应力调节结构的壁厚可以设计成上下薄,左右两侧厚的设计,或者是上下厚,左右两侧薄的设计,便于加强应力调节能力。其他应力结构的形式也可以同样参照实施。例如S形在有弧度的地方可以与其他部位厚度不一致。

玻璃4与压条3、扇2的风挡5之间设置插片10,插片10是基本与胶槽口底部齐平的橡胶或塑料条,例如:可以是软硬共挤的PVC塑料条,也可以是TPV等材料。在玻璃4两侧插入插片10后,然后在插片10顶部打上密封胶。插片10的底部设置波浪状的排水通气结构11,这种结构使型材内部的气压平衡,水流通畅,进一步提高了窗户的水密性和气密性。

如图6、如图17所示,耐火窗的压条采用全封闭结构,压条形成一个密封腔体13,其气密水密胶条槽为密封腔体13的一部分。气密水密胶条槽与密封腔体13之间没有过渡段,使压条腔体内的耐火灌注料能够与胶条槽紧密接触,从而保护胶条槽在规定的时间内不容易被烧化。这样就把窗户的耐火性能和节能性能更好地结合在一起。

本实用新型的门窗结构用作耐火窗时,使用灌装料的防火性能会更好,即在框、梃、扇、压条的空腔内,灌注防火材料,同时在风挡5内侧及玻璃两侧设置遇火膨胀胶条、防火棉、防火板、L型固定玻璃的钢制角片等辅助材料。

因为本实用新型的门窗结构具有良好隔热结构设计,所以能够制成隔热型耐火窗。

本实用新型的结构适合断桥铝合金结构的门窗型材,尤其适合系统门窗和被动窗。其中风挡的加强片6、压条3的加固块7及定位块8、带排水通气结构11的插片10也适合用于普铝以及浇注式铝合金门窗型材。风挡的加强片6、全封闭的压条、尼龙条的设计同样适合耐火窗,从而使耐火窗也具备了良好的保温隔热的节能效果。

塑钢门窗型材、铝塑铝复合门窗型材、铝塑复合门窗型材、风挡5为双壁的断桥铝门窗型材也可以参考使用。

结语:

一、本专利对知名企业的影响。

以上说明,是多种专利结构设计的迭加,所以看起来,很复杂。

在实际生产、应用时,只需要根据实际需要,选择其中一部分专利结构即可。

比如:一些国际、国内一流的断桥铝门窗企业,例如德国旭格、和平铝材,在其断桥铝的断面上采用了本专利关于“把风挡加厚”设计的原理:把框、扇风挡内侧在根部做了加厚。


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2020年北京国际门窗展会上德国旭格的样角:在框、扇的风挡根部做了加厚


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2020年北京国际门窗展会上,和平铝业的样角:在框、扇风挡根部做了加厚

不仔细看,根本发现不了以上产品:在框、扇的风挡根部,做了加厚设计。


这些知名企业的铝型材,生产的精度很高。不会在某一个部位,作无缘无故的加厚。

在以上关键部位做了加厚设计后,门窗的“气密、水密、抗风压、保温、隔热”,这五大基本性能,都得到了极大提升。

二、党的二十大报告指出:“推动经济社会发展绿色化、低碳化是实现高质量发展的关键环节”。

还指出:“加快节能降碳先进技术研发和推广应用,倡导绿色消费,推动形成绿色低碳的生产方式和生活方式。”

所以,我们要积极响应党的号召,加快先进技术的推广应用。

2023年11月30日

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