專利名稱：具有改良熱性能的結構金屬部件及其制備方法
技術領域：
本發明涉及結構金屬部件，特別是具有改良熱性能的用于窗、門或類似框架的擠出部件。本發明還涉及用于制造這種部件的方法，并且本發明也可用于立面(facade)部件如墻壁部件或屋頂部件。
由DE 44 26 331 A1可知一種具有改良熱絕緣性能的用于門框架或窗框架的擠出聚合物型材(profile)。在該型材的一個內部區段(section)中，可以插入絕緣條或用于增加型材的穩定性的金屬嵌入物。此外，建議用反射涂層涂覆該型材的選定表面，該涂層可反射光譜紅外區域的輻射。在溫暖的季節，向外的涂覆表面將反射來自外面的熱量并使內部保持較涼爽。類似地，在寒冷的季節，向內的涂覆表面將反射來自內部的熱量并使內部保持較暖和。
根據本發明，現在能夠制備具有改良熱性能的結構金屬部件。特別地，這些改良涉及鋁或鋁合金的結構部件。結構部件可以表現為，用于門框架或窗框架的擠出型材或者這種型材的組件，或其它結構部件例如用于墻壁或屋頂應用的立面板。
在本文中，將應用如下定義將一半的框體(shell)稱為區段(section)。人們由兩個區段(例如一個內部區段和一個外部區段)和隔熱條(thermal break bar)制成隔熱型材。框架是安裝(如螺紋固定)在建筑中的部分?？蚋?sash)是可以打開的型材?？蚣芎涂蚋駜烧叨伎梢允歉魺峄蛘卟桓魺岬?。在本實施方案中，它們是隔熱的。另外，結構部件可具有一個被稱為外表面的暴露于室外條件的外側，一個被稱為內表面的內側，和多個內部表面。特別地，對于其中裝有窗戶的區段，鑲玻璃條(glazing bead)的區域、鑲玻璃槽口區域和隔熱表面對于根據本發明的區段的總體熱性能顯示出重要性。
術語發射或發射率(ε)是指表面輻射(發射)電磁輻射的能力。日光反射系數(或反射率)是指表面反射日光輻射的能力。
表面的反射系數(ρ)和發射(ε)可能隨輻射的波長(λ)而強烈變化。物體的發射(ε)定義為物體發射的輻射能量與理想Planckian黑體輻射體(即遵守Planck’s定律的物體)在相同溫度和波長下的輻射能量的比值。熱發射由電磁波譜的熱波長區域中的發射ε(λ)的權重過程(weighing process)決定，參見

圖1。
對于無透射性的不透明材料，發射與反射之間的關系可簡化為ε(λ)＝1-ρ(λ)與聚合物相比，金屬具有高得多的熱導率。其結果是，金屬窗框架或門框架在過去特別具有相當大的傳導熱損失。
在現在的金屬窗框架和門框架中，將具有低熱導率的聚合物條結合到框架中以便將內部和外部框架區段熱隔離(隔熱)。這顯著減少了由于傳導的熱損失。在具有適合隔熱應用的鋁框架中，最高達65％的穿過框架的剩余熱傳遞是由內部和外部區段之間的熱輻射引起的。因此，鋁框架熱性能的進一步改良要求最大程度地減小輻射熱傳遞損失。熱輻射引起的熱傳遞由區段表面的熱發射性能決定。為了減少熱傳遞，特別重要的是保持結構部件的內部和內表面的熱發射盡可能低。由于外表面處較大的對流熱傳遞，外表面發射的重要程度較小。
日光輻射含有相當大的能量參見圖2。當直接的日光輻射被吸收到結構部件中時，溫度升高。在鋁框架中，這種日光增熱可能因幾個原因而成為問題。
首先，日光增熱將增加傳入建筑內部的過多熱的量。這種日光能量的吸收和通過建筑材料的熱傳遞對于溫暖季節期間的冷卻負荷和個人舒適可能具有負面影響。
其次，增熱可能導致金屬的熱膨脹。鋁的熱膨脹性能強烈影響著大窗戶結構的性能。在直接的日照下，鋁窗框架由于日光的加熱而膨脹。這種膨脹能夠引起窗戶區段的扭曲，從而難以打開窗戶。結構部件的日光增熱性能受暴露于日光輻射的表面的日光反射以及其它表面的熱發射性能的影響。為了減少日光增熱，外表面的日光反射應盡可能的高。外表面的熱發射的重要性較小。其原因是從外表面的熱量損失由熱對流和熱傳導決定，而不是由發射決定。
現有技術的日光反射涂層表面日光反射是被所述表面反射的入射日光能量的一部分。用于其測定的最佳標準技術使用具有積分球的分光光度測量以確定各波長下的反射。使用標準地面(terrestrial)日光光譜(參見圖2)，通過權重過程確定總的日光反射(TSR)。ASTM E903和E892記載了這種方法。
日光光譜由三個波長區域組成，并且能量分布大致如下紫外區 ＜400nm 5％可見區 400-700nm 44％近紅外區 700-2500nm51％因此，為了減少日光增熱，近紅外區以及可見區和UV區內的反射表面性能至關重要?？梢妳^的反射將決定表面的視覺外觀(顏色和亮度)。通常，日光增熱對于黑色(或其它深顏色)表面問題最為突出。黑色表面典型在日光光譜的所有部分均具有低的反射。然而，通過改變日光光譜UV和近紅外部分的反射性能，能夠產生具有高很多的日光反射的黑色表面。由于光譜的這些部分對于人眼是不可見的，所以表面反射性能的這種改變不會改變表面的視覺外觀。
通常，只有白色和淺色調顏色的涂層產生相對高的日光反射。特殊的近紅外反射涂層是一項最新發展，其主要應用是作為金屬屋頂上的外涂層。這些涂料保持房頂相對涼爽，同時允許廣泛選擇屋頂的顏色。使用近紅外反射顏料，黑色涂層的日光反射甚至提高到大于25％，而常規黑色涂層典型僅具有5％的日光反射。具有這些顏料的粉末涂層迄今還不能從市場上獲得。
現有技術的低發射涂層已知低發射涂層已經應用于建筑部件的表面用于獲得改良熱性能。一個實例是金屬屋頂內側的低發射涂層的應用。最初是為了軍事應用開發這些類型的低發射涂層。例如軍用車輛的低發射表面能夠改變或抑制物體的熱輻射，使其更難被紅外傳感器檢測到。典型使用金屬顏料生產這種低發射涂層。
鋁在熱區域具有典型為0.9的高反射；對應于0.1的熱發射率，參見圖1。由于這種原因，金屬鋁薄片通常在這種低發射(low-e)涂層中用作顏料。
具有改良熱性能的部件(本發明)通常對鋁建筑產品進行表面處理以產生適合的耐久性和外觀，而并未特別針對發射或日光反射性能。另外，表面處理需要符合市場領域中的標準(例如，GSB International、Qualicoat或Qualanod)。對于大多數表面處理，難以將室外耐久性、耐擦傷性、可接受的視覺外觀、可接受的生產成本和其它標準要求與低發射率相結合。通常，對金屬進行陽極氧化或粉末涂覆。這提供了優異的室外耐久性而非高的發射率。
目前應用的標準表面處理工藝典型在所有表面上產生ε＝0.85-0.9的熱發射率。根據本發明，通過在各種表面上施用具有優化光學性能的涂層，能夠改良所述結構金屬部件的熱性能，同時滿足GSB和/或Qualicoat和/或Qualanod要求。
本發明的改進基于各種表面的熱發射以及日光反射將影響結構金屬部件的熱性能的事實。另外，外表面的期望日光反射和熱發射性能可能與內部和內表面的不同。
根據本發明，可以通過改良各種表面的光學性能(發射率和日光反射)制造具有改良熱性能的結構金屬部件。內部和內表面應優選具有低的熱發射。外表面應優選具有高的日光反射。由于外表面上較大的對流熱傳遞，外表面的熱發射重要性較小。
另外，本發明描述了為由兩個(一個內部和一個外部)或更多獨立金屬區段組成的部件實現這種改良光學性能的三種不同工藝。第一工藝(A)是使用相同(改進的)的處理對所有表面進行處理，在所有表面上產生低的發射率和/或高的日光反射。第二工藝(B)是使用不同的(改進的/優化的)表面處理對內部和外部區段進行處理，為一個或多個內部區段提供低的發射率，和/或在一個和多個外部區段上提供高的日光反射。第三工藝(C)是對各區段上的各個表面進行不同的處理，在例如內部(internal)和內(interior)表面上產生低的發射率和/或在外表面上產生高的日光反射。
本發明還利用了通常金屬表面，且尤其是鋁表面具有特別有利的日光反射和低的發射性能(參見圖1)的事實，可以借此來改良由這種金屬制成的結構部件的熱性能。
另外，根據本發明，提出增強結構金屬部件熱性能的幾種表面處理方案。本發明是基于通過改良區段的表面性能來減少通過這些區段的輻射所引起的熱傳輸?？梢酝ㄟ^低發射和/或日光反射涂層的方案來改變表面性能。這也可以包括利用這種金屬基體固有的低發射和日光反射性能。
根據如附屬權利要求所限定的本發明可以實現上述和另外的優點。
通過實施例和附圖進一步說明本發明圖1公開了鋁在電磁光譜的UV、可見和IR區域中的反射率，圖2公開了根據ASTM E489測量的地面(地球表面處的)日光光譜能量密度，圖3公開了具有不同表面的窗區段的橫截面，圖4公開了低發射粉末涂層和低發射涂料的反射光譜，圖5公開了增強的阻擋層型氧化鋁的反射光譜，圖6公開了溶膠凝膠涂層的反射光譜，圖7公開了低發射箔片的反射光譜，圖8公開了黑色日光熱反射黑色涂層的反射光譜。
改良熱性能的實施例根據本發明，顯示了幾種提出的表面處理方案以顯著改良結構金屬部件表面的發射率。另外，顯示了各種處理過程可能顯著影響作為整體的金屬框架的所得U值。
改良結構部件熱性能的優選方法是使用改良結構部件表面性能的表面處理方案。內部和內表面應優選具有低的發射率。外表面應優選具有高的日光反射。
圖3公開了具有不同表面的窗區段的橫截面(具有隱藏式框格的窗框架1)。窗玻璃10由鑲玻璃墊片3和4支撐。墊片3由條2支撐。附圖標記9代表中心墊片，而附圖標記6代表定位墊片?？梢栽诳蚣苤性O置一個或多個隔熱體(thermal break)11。區段5、7和8優選由鋁制成。窗框架還具有至少一個內表面SI和一個外表面SE。另外，顯示了內部表面如一個玻璃槽口(rebate)區域F，鑲玻璃條區域SG，和隔熱條表面STB。在所述表面上進行不同表面處理過程的實驗顯示，多種處理工藝可能高度影響作為整體的框架的U值。這是由于框架多個表面的優化發射率。
表1顯示了多種涂層的光學性能。
表1下面的實施例參照表2實施例1和2描述了對用于建筑應用的鋁型材進行表面處理的現有技術。
在實施例1中使用20-25μm的標準陽極氧化，導致所有表面上具有0.85的表面發射率。
在實施例2中，施用白色或任何其它純色的標準粉末涂層，導致所有粉末涂覆的表面上具有0.9的發射率。隔熱區域的表面未進行涂覆并保持氧化鋁基底的發射率。對于圖3所示的具有隱藏式框格的鋁窗框架，使用現有技術表面處理所得框架的U值為4.2-4.5W/m2K(參見表3)。
縮寫詞SE＝外表面，SI＝內表面，SG＝鑲玻璃區域中的表面，STB＝隔熱區域的表面表2實施例3由陽極氧化內部區段使之具有2μm厚的陽極氧化層構成。這種薄層對熱輻射是半透明的。因此，將不會完全抑制下層金屬基底的優異低發射性能。在標準的擠出鋁材上，顯示出這種涂層產生0.4的發射率。以標準陽極氧化對外部區段進行表面處理。在嵌入隔熱條(thermal brake bar)之前對區段進行陽極氧化。
實施例4由層厚為0.4-0.7μm的阻擋層型陽極氧化層和外部區段上的標準陽極氧化20-25μm構成。該阻擋層型涂層具有依賴于初始表面光澤的0.15-0.30的發射率。在嵌入隔熱條之前對區段進行陽極氧化。
實施例5隔熱型材的標準粉末涂層對于涂覆表面典型產生0.9的表面發射率，而對于內部表面產生0.1的表面發射率。在這個實施例中，在鑲玻璃槽口區域用特殊制備的發射率典型為0.2-0.3的低發射濕涂料對標準粉末涂覆的型材進行附加涂覆。對于圖3中的框架，框架所得的U值是3.95W/m2K(參見表3)。
實施例6隔熱型材的標準粉末涂層并不涂覆內部表面，在這些表面上產生0.1的發射率。還可以通過從鑲玻璃槽口區域除去粉末涂層實現0.1的鋁基底發射率。在粉末涂覆之前遮蓋重要區域是獲得無粉末涂層區域的一種工藝。
實施例7也可以通過向鑲玻璃槽口區域施用低發射箔片來改進具有標準粉末涂層的型材。這些箔片將典型具有0.10的發射率。可以將該箔片膠合到粉末涂覆的表面上。對于圖3中的框架，所得U值是3.23W/m2K(參見表3)。
實施例8由施用于內部區段的內表面的特殊制備的發射率為0.4的低發射粉末涂層，和外部區段外側上具有任何顏色的標準粉末涂層構成。在粉末涂覆操作過程中對所有內部表面和重要的鑲玻璃區域進行保護，并將保持0.1的基底的優異反射率。
實施例9由施用于隔熱型材上并具有優異室外性能和0.4-0.5發射率的特殊制備的低發射粉末涂層構成。
實施例10由進一步在鑲玻璃區域施用發射率為0.2-0.3的低發射濕涂料構成。
實施例11由施用于內部區段內表面和外部區段外側的低發射粉末涂層構成。在涂層施用過程中通過遮蓋來保護鑲玻璃區域，使其保持0.1的基底發射率。
實施例12由在涂覆有低發射粉末涂層的型材的鑲玻璃槽口區域中施用具有0.1發射率的低發射箔片構成。
實施例13由施用于內部區段的溶膠-凝膠涂層構成，導致該區段所有表面上具有0.15的發射率。在外部區段的外側施用具有任何顏色的標準粉末涂層；在粉末涂覆操作過程中對隔熱表面和重要的鑲玻璃區域進行保護，并保持0.1的基底優異的發射率。
實施例14由整個隔熱型材上的溶膠-凝膠涂層構成，導致所有表面上具有0.15的發射率。
實施例15由外部區段外表面上的日光熱量反射粉末涂層和內部區段內表面上的低發射粉末涂層構成。應當清楚的是，可以在內部區段上施用其它低發射表面處理體系例如低發射濕涂料、薄膜陽極氧化、阻擋層型陽極氧化層或溶膠-凝膠涂層。
不同涂層U值的比較下表3給出了表面發射率對具有和不具有玻璃的Wicline 50E隱藏式框格的影響。1.48×1.23米的窗玻璃具有U值＝1.1W/m2K。計算中應用各種涂層的典型發射率發射率金屬粉末涂層0.5濕鋁顏料涂料0.3新陽極氧化工藝光澤表面上為0.15，或者無光澤表面上為0.3溶膠-凝膠涂層0.15
表3使用不同表面處理工藝在所述表面上進行的實驗顯示，作為整體的框架的U值可能受各種處理工藝的高度影響。這是由于框架各表面優化的發射率。
低發射粉末涂層和濕涂料低發射粉末涂層和濕涂料是幾種提出的表面處理方案的必需部分。優選的方法是鋁著色的涂層。由于粉末涂層施用中顏料體積濃度的限制，鋁著色的粉末涂層典型具有高于濕涂料的發射。如果粉末涂層中的顏料濃度典型超過5％，粉末涂層將難于帶靜電(charge)和噴涂在表面上。典型低發射粉末涂層的發射可以為0.50或更小。該顏料可理想地與在光譜熱區域幾乎不吸收的樹脂基體結合以便即使使用少量顏料也能具有低的發射率。
低發射濕涂料具有高于粉末涂層的顏料體積濃度，并且由于在涂料干燥和固化期間溶劑的蒸發，由濕涂料得到的低發射膜將包含比由低發射粉末涂層得到的膜多很多的顏料。膜中高濃度的鋁顏料可產生低的發射。典型粉末涂層的發射可以為0.20。
另外，本發明基于涂層的依賴于參數，參數例如量、顏料尺寸、顏料形狀(葉形(leafing)、圓形、片狀)、涂層位置和其厚度連同顏料和粉末的性能將影響區段發射率性能。
阻擋層型氧化鋁陽極氧化在標準建筑陽極氧化中，電解質通常是可部分溶解形成的氧化鋁的硫酸，其導致多孔氧化鋁結構。當氧化物生長得更厚時，這種多孔的結構允許陽極氧化過程繼續進行；在低電壓下可以形成25μm的層厚。
在阻擋層型陽極氧化中，將電解質改變為不溶解電解形成的氧化物的電解質。由于氧化物中的電阻增加，電壓將增加。需要高電壓使得電流穿過陽極氧化層。電解質可以是酒石酸銨、硼酸、五硼酸銨或有機酸。阻擋層型陽極氧化膜具有400-700nm的膜厚，且根據初始表面的粗糙度，表面發射率將為0.15-0.30。由于不具有多孔結構以及其氫氧化鋁含量和電解質殘留物，阻擋層型層的化學耐性遠好于標準陽極氧化。
鋁基底上的低IR吸收涂層可以通過溶膠-凝膠技術或類似技術制備該涂層。作為為了確保低的發射率的IR反射體，可能使用例如納米尺度的金屬顆?；蛏踔潦褂门c極薄和/或IR透明涂層結合的鋁基底。在一個實施方案中，該涂層可以足夠厚以保護表面，但也應盡可能薄且IR透明使得不會過多抑制下層金屬表面優異的低發射(和日光反射)性能。
可以通過用納米尺寸的IR透明顆粒例如氮化鋁填充有機或無機涂層制備低IR吸收涂層。
還可以設想利用下層金屬的優異反射性能的光譜選擇涂層方案。如果納米涂層對整個電磁波譜的UV、可見、近IR(即日光區域)和熱區域的輻射足夠透明，則可以通過向僅吸收選定光譜部分的涂層中引入納米尺度的顆粒/組分來調整表面的反射性能。以這種方式，可以改變和控制表面的熱發射率和日光反射以及視覺外觀。
低發射箔片通過在聚合物材料或其它非反射基底的箔片上沉積反射性金屬或金屬氧化物制備低發射箔片。通常通過化學氣相沉積或物理氣相沉積實施反射膜。該反射膜可以是銀或其它反射材料?？梢詫⒃摰桶l射箔片膠合到任何其它非反射表面上。
日光反射粉末涂層可以以黑色，灰、棕、綠、藍和紅的深色調提供日光熱反射粉末涂層。測得的總熱反射(TSR)與測得的表面溫度具有線性關系。黑色和深RAL色如6005、8017或8011可以獲得TSR＞20。
顏料應優選在光譜的近紅外區并且也可以在UV區具有高的反射，因為這不會改變顏色?？商鎿Q的策略是利用下層金屬基底的優異日光反射性能。在這種情況下，該涂層在光譜的近紅外部分應當是透明的。
在上述實施例中，顯示了具有隱藏式框格的窗框架。然而應當理解的是，本發明的原理也可以應用于其它結構部件，特別是涉及具有一個內表面和一個外表面的中空/型材區段的應用。
權利要求
1.用于門、窗或類似應用的具有改良熱性能的結構金屬部件，其具有至少一個內表面、一個外表面和一個或多個內部表面，其中所述部件的至少一個表面通過表面處理或涂覆而具有改良的光學性能，其特征在于該表面具有改良的熱發射率和/或日光反射。
2.根據權利要求1的結構部件，其中所述部件由至少一個內部區段和一個外部區段制成，所述區段的內部表面之間優選具有隔熱體，其特征在于內部區段可以具有與外部區段不同的光學性能。
3.根據權利要求1-2的結構部件，其特征在于同一區段的至少兩個表面可以具有不同的熱發射率。
4.根據權利要求1-2的結構部件，其特征在于該部件的至少一個內部表面具有低的發射率性能。
5.根據權利要求4的結構部件，其特征在于該結構部件的至少一個內部表面涂覆有低發射的濕金屬涂料。
6.根據權利要求4的結構部件，其特征在于至少一個內部表面涂覆有低發射箔片。
7.根據權利要求1-2的結構部件，其特征在于該結構部件的內表面具有低發射率性能，發射率ε＜0.85。
8.根據權利要求1-2的結構部件，其特征在于該結構部件的黑色或深色外表面具有高的日光反射性能TSR＞20。
9.根據權利要求1-2的結構部件，其特征在于隔熱區域的發射率ε＜0.85。
10.根據權利要求1-2的結構部件，其特征在于鑲玻璃壓條區域中的發射率ε＜0.85。
11.根據權利要求1-2的結構部件，其特征在于該結構部件的外表面和/或內表面涂覆有低發射粉末涂層。
12.根據權利要求11的結構部件，其特征在于該涂層基于粉末涂層，該粉末涂層由基于聚合物基體的顆粒構成，該聚合物基體具有附著于其上的金屬薄片。
13.根據權利要求1-2的結構部件，其特征在于該部件另外在光譜的NIR和可見光區具有提高的反射性能。
14.根據權利要求1-2的結構部件，其在玻璃壓條區域具有至少一個表面，其特征在于所述表面具有低的發射率性能。
15.根據權利要求1-2的結構部件，其特征在于該部件由鋁或鋁合金制成。
16.根據權利要求1-2的結構部件，設置其形成窗框架或門框架，其特征在于窗框架或門框架的所得U值減少多于6％。
17.生產根據權利要求1-15的結構部件的方法，其特征在于以粉末涂覆方法施用該涂層。
18.生產根據權利要求1-15的結構部件的方法，其特征在于以共擠壓方法施用該涂層。
19.生產根據權利要求1-15的結構部件的方法，其特征在于該表面處理由溶膠-凝膠涂覆構成。
20.生產根據權利要求2-15的結構部件的方法，其特征在于對外部區段進行表面處理和/或涂覆以建立高的日光反射性能。
21.根據權利要求20的生產結構部件的方法，其特征在于在處理過程中對外部區段的內部側進行遮蓋。
22.根據權利要求20的生產結構部件的方法，其特征在于外部區段的內部側涂覆有低發射涂料或低發射箔片。
23.生產根據權利要求2-15的結構部件的方法，其特征在于對內部區段進行表面處理和/或涂覆以建立低的發射率性能。
24.根據權利要求23的生產結構部件的方法，其特征在于對內部區段的內側進行進一步的表面處理或涂覆同時將所述區段的內部側進行遮蓋。
25.生產根據權利要求1-15的結構部件的方法，其特征在于通過阻擋層型氧化鋁陽極氧化工藝處理表面。
全文摘要
用于門、窗或類似應用的具有改良熱性能的結構金屬部件，其具有至少一個內表面、一個外表面和一個內部表面，其中所述部件的至少一個表面通過表面處理或涂覆而具有改良的光學性能。根據本發明的表面具有改良的熱發射率和/或日光反射。另外，本發明還涉及制備以優選的方式處理或具有優選涂層的結構部件的方法。
文檔編號E06B3/04GK1997805SQ200580023793
公開日2007年7月11日 申請日期2005年6月23日 優先權日2004年6月23日
發明者M·哈倫斯特維特, W·扎格, E·埃克曼, T·克拉斯, C·斯布恩, J·瑪達倫 申請人:諾爾斯海德公司