JP2008527971A - Ｓｐｄ負荷への配電のための回路及び方法 - Google Patents

Abstract

一般にＳＰＤ負荷と呼ばれる、ＳＰＤ窓、ＳＰＤブラインド及び他のＳＰＤ製品を含む懸濁粒子デバイス（ＳＰＤ）フィルム製品に対する配電のための方法及び回路。一次電源から得られた低い交流又は直流電圧を送る基幹配線、及びその低い電圧を、ＳＰＤ負荷に供給される交流駆動電圧に変換する変換段によって、一次電源から得られた駆動電圧がＳＰＤ負荷に供給される。
【選択図】図７

Description

本発明は、ＳＰＤ窓、ＳＰＤブラインド、及び他の窓の機能強化装置若しくは他のＳＰＤフィルムが組み込まれた装置を含むＳＰＤ負荷への配電のための電力効率がよく、且つ低コストな方法に関する。

光バルブは、７０年以上前から、光を変調するものとして知られている。ここで用いられる光バルブは、わずかな距離だけ離されて配置されている２つの壁によって形成され、それらの壁の少なくとも一つは透明であって、それらの壁はその上に通常透明な導電性被膜状の電極を有するセルとして定義される。セルは、光変調素子(ここでは「活性化可能材料」と呼ぶことがある)を含み、その素子は、粒子の液体懸濁物か、又は粒子の液体懸濁物の液滴が分散しているプラスチックフィルムとすることができる。

この液体懸濁物(ここでは「液状光バルブ懸濁物（liquid light valve suspension）」又は「光バルブ懸濁物（light valve suspension）」と呼ぶことがある)は、液状懸濁媒体中に懸濁された小さく、不等軸形状の粒子を含む。電場が印加されていない場合には、液体懸濁物中の粒子は、ブラウン運動のためにランダムな配置状態にあるものと推定され、それ故、セル内を通過する光のビームは、セルの構造、粒子の性質及び濃度、並びに光のエネルギー含量に応じて、反射、透過又は吸収される。従って、光バルブは、オフ(OFF)状態において比較的暗色である。しかしながら、光バルブ内の液状光バルブ懸濁物を通して電場を印加した場合には、粒子が整列し、多くの懸濁液に対しては、光の大部分が、セルを透過することができる。従って、この光バルブは、そのオン(ON)状態において比較的透明である。ここに記載する種類の光バルブは又、「懸濁粒子デバイス(suspended particle device)」又は「ＳＰＤ」としても知られている。

光バルブは、その間に、例えば文字数字及び画像のディスプレイ、テレビジョンのディスプレイ、照明用、カメラ用、光ファイバ用、及び窓用のフィルタ、サンルーフ、サンバイザー、眼鏡、ゴーグル及び鏡等を含む多くの用途において、状況に応じてそれらを透過し、又は反射される光の量を調節するために使用することが提案されている。ここで用いられる用語「光」は、一般に可視の電磁放射をいうが、該当する場合には、「光」は又、これに限定されるものではないが、赤外放射といった他の種類の電磁放射を含むことができる。

多くの用途に対して、当技術分野においてよく理解されているように、活性化可能材料、すなわち光変調素子は、液体懸濁物ではなく、むしろプラスチックフィルムであることが好ましい。例えば、可変光透過性窓として用いられる光バルブにおいては、液体懸濁物単独よりも、液体懸濁物の液滴が分散しているプラスチックフィルムが好ましい。というのは、懸濁液の液柱が高くなることに伴う静水圧効果、例えば膨らみが、フィルムを用いることにより回避でき、また起こり得る漏れの可能性も又、回避できるからである。プラスチックフィルムを用いるもう一つの利点は、プラスチックフィルムでは、粒子は一般に非常に小さな液滴内のみに存在し、それ故、フィルムが電圧によって繰り返し活性化されても、粒子は顕著な凝集を起こさないということである。

ここで用いられる用語「ＳＰＤフィルム」及び「光バルブフィルム」は、それ自体での使用、又は光バルブの一部として他の構成要素ととの使用のために用いられるか、又は向けられた粒子の懸濁液を含む少なくとも一つのフィルム又はシートを意味する。光バルブフィルム又はＳＰＤフィルムは、（ａ）一又はそれ以上の剛性又は可撓性固体フィルム又はシート内に封入された連続液相全体に分散された粒子の懸濁液、又は（ｂ）分散された粒子を含む液体の不連続相であって、剛性又は可撓性固体フィルム又はシートの連続相全体に分散されている液体の不連続相のいずれかを含む。光バルブフィルム又はＳＰＤフィルムは又、以下に限定されるものではないが、フィルム、被膜若しくはシート、又はそれらの組み合せといった一又はそれ以上の他の層を含むことができ、このような層は、（１）かき傷に対する抵抗、（２）紫外線からの保護、（３）赤外線エネルギーの反射、及び／又は（４）活性化可能材料に印加された電界又は磁界を透過させるための導電性を光バルブフィルム又はＳＰＤフィルムにもたらすことができる。

米国特許第５，４０９，７３４号は、均一な溶液からの相分離によって生成される、ある種の光バルブフィルムを例示している。エマルションの架橋によって製造された光バルブフィルムも又、公知である。これらの例は、共に本発明の譲受人に譲渡された米国特許第５，４６３，４９１号及び第５，４６３，４９２号に記載されている。

米国特許第６，８０４，０４０号 Ｂ２には、以下ＳＰＤと呼ぶ懸濁粒子デバイスに供給される交流電圧を制御するための方法及び装置が記載されている。

電界がゼロの場合には、懸濁粒子は、ブラウン運動のためにランダムな方向に向けられ、このランダムさによって、光の透過を減少させ、又は遮断する効果が通常得られる。電界が印加された場合には、粒子が通常その長軸が電界と並行に整列し、それにより光がＳＰＤ負荷を透過することができる。

現在入手可能なＳＰＤフィルムに関しては、公称交流電圧１２０Ｖによって明状態が生成され、電圧がないことによって暗状態が生成されることができる。中間の電圧によって、明状態から暗状態の間の光透過、すなわち０から１００％の間の相対光透過が生じる。明状態に要求される許容可能電圧の正確な値は、導電層の間の誘電層の厚さ、ＳＰＤエマルションの誘電率及びＳＰＤ粒子の性質に依存する。ＳＰＤ制御装置の機能は、０から、所定の用途において主観的に許容可能なレベルの窓の明るさを生成する電圧レベルであるＶ_maxの間の交流電圧を発生することである。用途によっては６０ＡＣＶという低い電圧でも許容可能であるが、１２０ＡＣＶによって、現在のすべてのＳＰＤフィルムにおいて許容可能な明状態が生成されるから、ここでの議論においては、Ｖ_maxの標準値として１２０Ｖを仮定する。例えば、フィルムがより薄く、又はより効率的になった場合には、将来のフィルムは、ついには１０ＡＣＶ以下という低い電圧で動作するかもしれない。

以下は、切換可能なガラスが後付けされる窓を作成するのに有用な、当技術分野において公知である液状光バルブ懸濁物の簡単な説明であるが、以下に説明するように、窓をそのように切換可能な形態に改良することに代えて、別の種類の光変調デバイス（例えば、切換可能でないデバイス）を用いることができるので、本発明は、そのような懸濁物のみを使用することに限定されるものではなく、又切換可能なガラス自体に限定されるものでもない。

１． 液状懸濁媒体及び安定剤
本発明に用いるための液状光バルブ懸濁物は、当技術分野において公知のあらゆる液状光バルブ懸濁物とすることができ、当業者に周知の技術に従って形成することができる。ここで用いられる用語「液状光バルブ懸濁物」は、複数の小さな粒子が分散した「液状懸濁媒体」を意味する。「液状懸濁媒体」は、一又はそれ以上の非水で電気的に抵抗性の液体を含み、この液体中には、粒子の凝集傾向を減じるように機能し、これらを分散状態および懸濁状態に維持するように機能する、少なくとも１つの種類の高分子安定化剤を溶解しておくことが好ましい。

本発明において有用な液状光バルブ懸濁物は、光バルブの用途に対して、粒子を懸濁させるためにこれまでに提案されたあらゆる液状懸濁媒体を含むことができる。ここで有用な当技術分野において公知の液状懸濁媒体は、以下に限定されるものではないが、米国特許第４，２４７，１７５号及び第４，４０７，５６５号に開示された液状懸濁媒体を含む。一般に、液状懸濁媒体及びこれに溶解された高分子安定剤の少なくとも一方は、懸濁粒子を重力平衡状態に維持するために当技術分野において公知の方法で選定される。

高分子安定化剤を使用する場合、高分子安定化剤は、粒子の表面と結合するが、液状懸濁媒体の非水性液体にも溶解する単一の固体高分子とすることができる。これに代えて、高分子安定化剤系として機能する、二又はそれ以上の固体高分子安定化剤とすることができる。例えば、粒子は、実際にこれらの粒子に対して平坦な表面被覆を与える、ニトロセルロースといった、第一の種類の固体高分子安定化剤で被覆することができ、その後に粒子は、その第一の種類の固体高分子安定化剤と併合し、若しくはこれと組合せ、又液状懸濁媒体中に溶解して、分散及び粒子に対する立体的な保護作用をもたらす、一又はそれ以上の種類の更なる固体高分子安定化剤で再被覆することができる。又、液状高分子安定化剤は、米国特許第５，４６３，４９２号に記載されているように、特にＳＰＤ光バルブフィルムにおいて効果的に用いることができる。

２． 粒子
本発明による、窓への後付けにおいて使用する改良された切換可能な形態に有用な光バルブ懸濁液内に無機粒子及び有機粒子を組み込むことができる。そのような粒子は、電磁スペクトルの可視部分において光吸収性又は光反射性のいずれかであるとすることができる。いくつかの特定の用途に対して、粒子は、赤外線波長において反射性であるとすることができる。

従来のＳＰＤ光バルブは、一般にコロイド状の大きさのポリハライド粒子、すなわち一般に平均約１ミクロン以下の最大寸法を有する粒子を使用してきた。ここで用いられる用語「コロイド状」は、粒子の大きさを指す場合、上の文において与えられた意味を有するものとする。本発明に従って用いられるＳＰＤ光バルブ懸濁液において使用される、又は、使用を意図される大部分のポリハライド粒子又は他の粒子は、光散乱を極めて低く保つために、好ましくは平均で青色光の波長の半分未満、つまり２０００オングストローム未満の最大寸法を有するであろう。粒子の形状を指すここで用いられる用語「非等軸」は、少なくとも１つの次元が他の次元よりも大きいことを意味する。典型的には、懸濁液が活性化されていない時よりも活性化されている時に粒子がより少なく光を遮断するために、ＳＰＤ光バルブ懸濁液において、非等軸粒子（時には、非等軸形状を有する粒子と呼ばれる）が望ましい。しかしながら、いくつかの懸濁液についてはその逆である。望ましい粒子の非等軸形状は、以下に限定されるものではないが、棒状、円筒状、板状、針状、刃状、プリズム状、及び当技術分野において公知の他の形状の粒子を含む。

先行技術のポリハライド粒子の詳細な検討は、「一般化学学会誌」第２０巻、第１００５−１０１６頁（ソ連邦、１９５０年）に掲載のＤ．Ａ．Ｇｏｄｉｎａ及びＧ．Ｐ．Ｆａｅｒｍａｎによる「ポリヨウ化物の光学特性と構造」に見出される。

例えば、ヘラパタイトは、キニン二硫化ポリヨウ化物と定義され、その化学式は、「Ｔｈｅ Ｍｅｒｃｋ Ｉｎｄｅｘ」第１０補遺版（メルク社、米国ニュージャージー州ラーウェイ所在）の「ヨード硫酸キニン」の見出しの下に、４Ｃ₂₀Ｈ₂₄Ｎ₂Ｏ₂・３Ｈ₂ＳＯ₄・２ＨＩ・Ｉ₄・６Ｈ₂Ｏとして与えられている。ポリヨウ化物化合物において、ヨウ化物陰イオンは鎖を形成すると考えられ、この化合物は強力な偏光材料である。米国特許第４，８７７，３１３号、及び、Ｔｅｉｔｅｌｂａｕｍ他による「ＪＡＣＳ」１００、１９７８年、第３２１５〜３２１７頁を参照されたい。用語「ポリハライド」は、ここではポリヨウ化物といった化合物を意味するために用いられるが、その場合、ヨウ化物陰イオンの少なくともいくつかは、別のハロゲン化物陰イオンで置き換えることができる。つい最近になって、米国特許第４，８７７，３１３号、第５，００２，７０１号、第５，０９３，０４１号、及び第５，５１６，４６３号において、光バルブに用いるための改善されたポリハライド粒子が提案された。これらの「ポリハライド粒子」は、通常は窒素を含有する有機化合物を、ヨード元素及びハロゲン化水素酸、若しくはハロゲン化アンモニウム、ハロゲン化アルカリ金属、若しくはハロゲン化アルカリ土類金属と反応させることにより形成される。

しかしながら、いくつかの用途に対しては、特に粒子を構成する材料の安定性が優れていることが知られている場合は、光バルブ懸濁液やフィルムにおいて、非ポリハライド粒子を用いるのが望ましいとすることができる。

３． 電源
ＳＰＤ負荷の種類にかかわらず、最大の明るさ、すなわちＳＰＤフィルムに対する最大透過光を得るために、ＳＰＤ負荷に高い交流電圧を印加することが現在慣行である。この印加電圧は典型的には６０Ｈｚの１２０ＡＣＶであるが、この電圧により、ＳＰＤ負荷が米国で利用可能な交流電力での使用に理想的なものとなる。５０Ｈｚの２４０ＡＣＶが普通である国については、１２０ＡＣＶを得るために２対１の降圧変圧器を用いることができる。５０Ｈｚと６０Ｈｚとでは、ＳＰＤ負荷の作動に目立った違いはない。

米国特許第６，８０４，０４０号Ｂ２には、ＳＰＤ負荷に供給する高い交流電圧を制御するためのＳＰＤ制御装置、方法及び装置が記載されている。基本的には、それは１２０ＡＣＶを調整して、手動、自動又は遠隔制御によって調整可能な出力を生成し、ＳＰＤ負荷に印加される電圧を０から１２０ＡＣＶまで変化させる。その範囲の下端（０Ｖ）によって暗状態、すなわち入射光がほとんど透過しない状態が生成される。その範囲の上端（１２０ＡＣＶ）によって、明状態、すなわち入射光の透過が非常に高くなる状態が生成される。０から１２０ＡＣＶの間における中間の電圧によって、暗状態と明状態の間の中間の光透過状態が生成される。

先ず図１に言及すると、従来の、建築用途における電源１０からＳＰＤ負荷ＳＰＤ１−ＳＰＤ５への交流電力の配電が示されている。米国では、線間電圧は６０Ｈｚで１２０ＡＣＶの公称値である。ＳＰＤフィルムの種類によっては、１２０ＡＣＶ以下の電圧でもほとんど明状態を生成することができるが、１２０ＡＣＶによって、すべてのＳＰＤフィルムにおいて完全な明状態が生成されるから、１２０ＡＣＶは、現在のところＳＰＤ負荷にとり理想的なものである。欧州では、公称線間電圧は、５０Ｈｚで２４０ＡＣＶである。欧州では、望ましい最大電圧１２０ＡＣＶを得るために、２対１降圧変圧器が用いられる。

図１において、例示の目的のみに、５つのＳＰＤ負荷が用いられた場合を示す。実際のＳＰＤ負荷の数は、建築物の大きさ、その建築物に組み込まれる窓の総面積、用いられる個々のＳＰＤ制御装置の数、及び他の要素に応じたものとなる。ここでは、図において、５つのＳＰＤ負荷が示されることになるが、本発明の様々な実施形態においては、はるかに多くの数のＳＰＤ負荷が存在する場合がある。大規模なオフィスビルによっては、何百又は何千ものＳＰＤ負荷が存在することになる。

配電に関するいくつかの問題を理解するために、ＳＰＤ負荷の所要電力について議論する必要がある。初めに、ＳＰＤフィルム容量は平方フィート（以下ｓｆと略する）当たり４０ｎＦから９０ｎＦ／ｓｆまで変化することができる。前者の容量は、現在入手可能な最も暗い種類のフィルムのものであり、後者は最も明るい種類のフィルムのものである。前記容量に対応する容量リアクタンスは、約６６キロオーム／ｓｆ及び３０キロオーム／ｓｆである。１２０ＡＣＶ、６０Ｈｚにおいて、これらのインピーダンスによって、交流電流は、１．８ｍＡ／ｓｆ及び４ｍＡ／ｓｆとなる。これらのデータを、後の参照のために以下にまとめる。

入力：１２０ＡＣＶ、６０Ｈｚ
４０ｎＦフィルム：１．８ｍＡ／ｓｆ
９０ｎＦフィルム：４ｍＡ／ｓｆ

所要ＳＰＤ負荷電流の計算例として、３０００平方フィートの２０パーセントの窓領域が６００平方フィートの９０ｎＦフィルムである建築物を仮定する。すると、全ＳＰＤ負荷電流は、
Ｉ＝(６００ｓｆ)(４ｍＡ／ｓｆ)＝２.４Ａ
となる。
９０ｎＦフィルムに代えて、４０ｎＦフィルムが用いられる場合には、全ＳＰＤ電流は減少し、
Ｉ＝(６００ｓｆ)(１.８ｍＡ／ｓｆ)＝１.０８Ａ
となる。

図１の構造物を通る配線は、米国電気規程（ＮＥＣ）に準拠しなければならない。高い交流電圧が配電されるので、米国電気規程は、感電、火災危険等の防止といった数多くの問題に対処している。より安全で低コストにＳＰＤ負荷に配電することによりこれらの問題のいくつかを緩和することが本発明の目的である。

本発明は、家庭、オフィス、自動車、飛行機、外航船、又は構造物の様々な位置における単一の若しくは複数のＳＰＤ負荷を備えたあらゆる他の構造物に配電するための方法に向けられる。本発明は、交流又は直流のいずれかの低い電圧を配電し、次いでＳＰＤ負荷の各々に供給するための、ずっと高い交流電圧に変換する。

本発明は、新規で費用効率が高く安全な、ＳＰＤ負荷に必要な電力の配電を提供する。ここで用いられる用語「ＳＰＤ負荷」は、ＳＰＤフィルム、ＳＰＤ光バルブ及び懸濁粒子の方向の制御が電界の印加に依存する、他のすべてのＳＰＤ製品を含む。

本発明の一つの態様によれば、一次電源からの駆動電圧は、一次電源からの低い電圧を送る基幹配線によってＳＰＤ負荷に供給され、変換段において、その低い電圧が交流駆動電圧に変換され、その交流駆動電圧がＳＰＤ負荷に供給される。

本発明の好ましい実施形態においては、その低い電圧は、例えば１２ＡＣＶ又は１２ＤＣＶとすることができ、交流駆動電圧は、１２０ＡＣＶとすることができる。

変換段（conversion stage）は、一又はそれ以上の昇圧変圧器を含むことができ、供給された交流電圧を基幹配線上の低い交流電圧に降圧するために降圧変圧器を設けることができる。

基幹配線上の低い電圧が直流の場合には、変換段は、一又はそれ以上の昇圧直流−交流変換器を含むことができ、供給された交流を基幹配線上の低い直流電圧に降圧するために、交流−直流変換器を設けることができる。

本発明のいくつかの実施形態において、複数の昇圧変圧器又は直流−交流変換器、可能であればＳＰＤ負荷の各々について、それぞれ昇圧変圧器又は直流−交流変換器を設けることができる。様々な構成において、複数の基幹配線及び／又は可能であればＳＰＤ負荷それぞれに対応して複数の昇圧変圧器又は交流−直流変換器を設けることも又できる。

ＳＰＤ負荷が窓である実施形態においては、対応する昇圧変圧器又は直流−交流変換器をその窓に組み込むことができる。

一次電源は、低電圧直流を供給する電池により構成することができる。更に、電池の充電器は、太陽電池によって給電されるものとすることができる。

変換段において、直流−交流変換器の動作周波数は、概ね１０−１５Ｈｚ又はそれよりもわずかに高く、より好ましくは約１５Ｈｚとして、目立ったフリッカを生じることなく低いＳＰＤ負荷電流を生じるようにするのが好都合である。

本発明の他の特徴及び利点は、同様の参照符号が同様の要素及び部分を示し、不要で冗長な記載を避けた添付の図面を参照する、本発明の実施形態の以下の説明から明らかであるであろう。

図２は、建築物構造全体にわたり、ＳＰＤの各々の位置に１２０ＡＣＶを送ることの欠点を克服する、本発明の一つの実施形態を示す。１０対１降圧変圧器２０が用いられ、配電電圧が１２０ＡＣＶから１２ＡＣＶに減ぜられる。１０対１降圧要素２０の使用は、例示のみを目的とするものである。降圧要素は、１２０ＡＣＶをあらゆる低い交流電圧に減ずるあらゆる要素とすることができる。例えば、２０対１降圧によって、構造物中に６ＡＣＶが送られることとなるであろう。

図２に示されるように、１対１０昇圧変圧器２１−２５は、それぞれＳＰＤ負荷ＳＰＤ１−ＳＰＤ５に接続される。これらの逆変圧によって電圧が１２０ＡＣＶに回復し、次いでその位置のＳＰＤ制御装置に印加される。このようにして、元の１２０ＡＣＶ電源と個々のＳＰＤ負荷の間において高い交流電圧が長い配線を送電されることが避けられる。低い交流電圧のみが構造物中に配電されるので、ＮＥＣの厳重な設置手続が簡素化される。

図３は、本発明の他の実施形態を示す。低い交流電圧を配電するよりも、低い直流電圧を配電することができる。この場合、先ず交流−直流変換器３０を用いて、１２０ＡＣＶの高い交流線間電圧が１２ＤＣＶに変換される。次いで、この低い直流電圧が、構造物中のすべてのＳＰＤの位置に配電される。ＳＰＤの各々の位置において、直流−交流逆変換器３１−３５によって、１２ＤＣＶが１２０ＡＣＶに変換される。繰り返しになるが、本発明は、直流−交流逆変換器が１２０ＡＣＶ又はＳＰＤ負荷において明状態を生成するのに適切な任意の電圧の出力を発生するのでれば、６Ｖ、１５Ｖ、２４Ｖ等といった任意の低い交流電圧を用いることができるので、１２ＤＣＶを用いることは任意である。いくつかの、あるＳＰＤフィルムに関する応用においては、交流電圧６０Ｖが許容可能であると考えられる。

この実施形態及び他の実施形態において、変換器３１−３５に結合された（図示されない）追加の電子機器が１２０ＡＣＶ出力電圧を調整し、所望のレベルの光透過を作り出すことができる。

オフィスビルといった非常に大規模な構造物においては、何百又は何千のＳＰＤ負荷があることができる。この場合において、交流−直流変換器３０からの基幹配線電流を許容可能レベルに制限するために、いくつかの基幹１２Ｖ配線が必要であるとすることができる。図４は、この着想を示す。この例において、１２Ｖ基幹配線４１−４５の各々は、４６に図示されるように、最大５００ｓｆのＳＰＤフィルムに電流を送る。先に示したように、９０ｎＦフィルムは平方フィート当たり４ｍＡを必要とし、これは、全ＳＰＤ負荷電流が２Ａ、１２０Ｖとなることを意味する。これは、直流電流に直せば、２０Ａ、１２Ｖとなる。ＡＷＧ１４電線の定格は３２Ａとされているので、ＡＷＧ１４電線は５０％よりも大きい安全率で２０Ａに対応することができる。

図４に示される手法の欠点は、交流−直流変換器３０と５つの基幹配線４１−４５との間の配線に大電流が存在することである。基幹配線の各々が２０Ａを送るので、交流−直流変換器３０からの全所要電流は１００Ａとなるであろう。そのような大電流に対しては、交流−直流変換器と５つの基幹配線の接続部の間の電線の直径が非常に大きなものであるとすることのみならず、交流−直流変換器に非常に重い負荷がかかることが要求されるであろう。

図５は、図４の大電流要求を緩和する、本発明の実施形態を示す。図５の着想は、それぞれが基幹配線４１−４５の各々に対するいくつかの交流−直流変換器５１−５５を用いて、基幹配線電流値である出力電流を１００Ａから２０Ａに減ずる。

自動車、飛行機及び外航船といった非建築物については、主電源は、典型的には機械的方法、電気的方法又は太陽光によって充電される電池６０である。図６は、電池式システムに用いることができる本発明の実施形態を示す。便宜上、１２ＤＣＶが電池電圧と仮定するが、相対的に低い任意の直流電圧も本発明に含まれる。繰り返しになるが、本方法の利点は、本来的により安全で、より厳格でない電気規程要求に服する低い直流電圧を基幹配線６１に配電することができることである。図３におけるように、直流−交流昇圧変換器３１−３５がＳＰＤ位置ＳＰＤ１−ＳＰＤ５に備えられる。

ＳＰＤ負荷における電流はせいぜい４ｍＡ／ｓｆであるから、ＳＰＤ負荷に用いられる直流−交流変換器は、比較的小さな負荷電流のみを送る必要がある。例えば、９０ｎＦフィルムを用いた１６ｓｆのＳＰＤ窓には、１２０Ｖで６４ｍＡのみが必要である。このような理由によって、ＳＰＤ負荷に用いられる直流−交流変換器は、非常に小さな物理的大きさで設計することができる。更には、低い所要電流によって、１２０Ｖの入力を０から１２０Ｖのいかなる値にも変化させることができる、非常に効率的で小さな調整器又は制御回路を設計することができる。従って、図３、６、７において、小さな直流−交流昇圧変換器及び小さな制御回路を、例えばＳＰＤ負荷を収納するために用いられる窓枠の中に組み込むことができる。

図７は、上記の着想を示す。いくつかの自立型ＳＰＤ窓７１−７５の各々は、自身の直流−交流昇圧変換器及び制御回路を有する。この方法において、（示されない）直流電流を送る２つの配線のみが、ＳＰＤ窓の各々に対する入力配線として必要となる。自身の内部電子機器を備えた自立型窓によって、建築物及び他の構造物におけるＳＰＤ負荷の設置が非常に簡単になるであろう。

図８は、太陽電池式のＳＰＤ窓８１に用いられる、本発明の特別の実施形態を示す。明るく晴れた日には、太陽電池８０は、平方フィート当たり約２０Ｗを発生することができる。太陽電池は（示されない）窓枠に組み込むことができるので、自立型太陽電池式ＳＰＤ窓を作成することができる。その基本的な着想は、太陽電池８０に充電器８２に電力を供給させて電池８３を充電し、次いで入力電力を直流−交流昇圧変換器８４に供給することである。これを実現可能とするためには、曇りの日に電力を供給できるように、電池を充電するために十分な太陽電池を窓枠に組み込まなければならない。どのぐらいの期間、電池が電力を供給することができるかは、そのボルトアンペア及びアンペア時の容量によって決定される。更には、曇りの日にどのぐらいの期間、電池が電力を供給することができるかを決定する最も重要な変数は、ＳＰＤ負荷電流である。

ＳＰＤ負荷の容量リアクタンスは次式で与えられる。

正弦波電圧の下では、電流は次式で与えられる。

この式は、ＳＰＤ負荷電流が周波数ｆに直接比例することを示す。従って、消費電流を最小化し、曇りの日において電池の充電状態を延長するためには、できる限り最低の周波数を用いるべきである。

周波数を下げる際の限界要素は、ＳＰＤ負荷が最初に可視的に明滅し始める、又はちらつき始める周波数として定義されるフリッカ周波数である。これは、印加電圧がない状態においてＳＰＤ粒子がランダム化するために発生する。いかなる交流電圧も、その波形にかかわらずゼロ交差を有するので、電圧の変化がゼロ交差を通過する間、ＳＰＤ粒子がランダム化しようとするということになる。米国特許第６，８０４，０４０号Ｂ２において議論したように、フリッカは１０Ｈｚ近傍で著しい。上記特許において推奨したように、ＳＰＤに用いる最低周波数は、フリッカを避けるために約１５Ｈｚとすべきである。従って、概ね１０−１５Ｈｚ又はそれよりもわずかに高い周波数、好ましくは約１５Ｈｚで動作する直流−交流変換器を設計することにより、目立ったフリッカを引き起こすことなく４倍ＳＰＤ負荷電流を減ずることができる。言い換えれば、所定の電池充電によって、１５Ｈｚにおいては６０Ｈｚよりも、ＳＰＤ負荷に４倍長く電力が供給されるであろう。

現在入手可能な建築用ＳＰＤフィルムの減衰時間定数は約２秒であり、フリッカ周波数は１０Ｈｚである。将来のＳＰＤフィルムに関して更に改良することが可能である。粘度を増加させ、粒子の大きさを変え、他の要素を修正することによって、フリッカ周波数をはるかに低い値に減ずることができる。例示のために、減衰時間定数が２０秒でフリッカ周波数が１ＨｚのＳＰＤフィルムを仮定する。そのようなＳＰＤフィルムは、わずか１.５Ｈｚの周波数の駆動で許容可能な明状態を生成するであろう。この場合、ＳＰＤ負荷が非常に小さいであろうことを意味するであろう、１.５Ｈｚで動作する直流−交流変換器を設計することができるであろう。実際に、所定の電池充電によって、１.５Ｈｚにおいては６０Ｈｚよりも４０倍長く太陽電池式窓を動かすことができるであろう。１.５Ｈｚの直流−交流変換器があれば、自立式太陽電池式窓は、高効率であって、曇りの日においてはるかに長く電池のパワーを維持することができるであろう。

ここで言及した特許及び他の参照文献の各々は、本発明を理解するために必要な程度で本明細書に組み込まれる。

本発明は、その特定の実施形態に関連して説明されたが、多くの他の変形及び修正、並びに他の使用は、当業者にとって明らかとなるであろう。従って、本発明は、ここでの特定の開示によって限定されるものではない。

米国及び公称線間電圧１２０ＡＣＶ、６０Ｈｚの他の国の建築物の多数のＳＰＤ負荷に一般に用いられる配電図である。 配電のための、１２０ＡＣＶの線間電圧からはるかに低い交流電圧１２ＡＣＶへの降圧、及び引き続き行われる、ＳＰＤ負荷による使用のための１２０ＡＣＶへの昇圧を示す図である。 １２０ＡＣＶを１２ＤＣＶに変換し、ＳＰＤ負荷のための高い交流電圧に戻すために引き続き行われる変換のための低い直流電圧を構造物中に配電することを可能とする交流−直流変換器を示す図である。 大規模建築物において何百又は何千のＳＰＤ装置に１２ＶＤＣを配電するいくつかの基幹配線を駆動する交流−直流変換器を示す図である。 大規模建築物において何百又は何千のＳＰＤ装置に１２Ｖを配電する基幹配線を同数だけ駆動するようにされたいくつかの交流−直流変換器を示す図である。 自動車、飛行機又は他の電池電源の構造物に見られる電池電源から利用可能な低い直流電圧の配電を示す図である。 内部直流−交流変換器及び制御回路を備えた多数のＳＰＤ負荷に対する、あらゆる種類の構造物における低い直流電圧の配電を示す図である。 極度に低い周波数の直流−交流変換器を用いた、太陽電池式ＳＰＤを示す図である。

Claims (53)

1. 一次電源からの駆動電圧を一又はそれ以上のＳＰＤ負荷に供給するための装置であって、
   前記一次電源から得られた低い電圧を送る基幹配線と、
   前記低い電圧を交流駆動電圧に変換し、前記交流駆動電圧を前記一又はそれ以上のＳＰＤ負荷に供給する変換段と、
   の組み合わせからなる装置。
2. 前記低い電圧は概ね１２ＡＣＶである請求項１に記載の装置。
3. 前記低い電圧は概ね１２ＤＣＶである請求項１に記載の装置。
4. 前記一次電源は交流を供給し、
   前記基幹配線上の前記低い電圧は交流であり、
   前記変換段は、少なくとも一つの昇圧変圧器を含み、更に前記供給された交流を前記基幹配線上の前記低い交流電圧に降圧する降圧変圧器を含む請求項１に記載の装置。
5. 前記変換段は、複数の昇圧変圧器を含む請求項４に記載の装置。
6. 前記変換段は、前記ＳＰＤ負荷の各々について、それぞれの昇圧変圧器を含む請求項５に記載の装置。
7. 前記一次電源は交流を供給し、
   前記基幹配線上の前記低い電圧は直流であり、
   前記変換段は少なくとも一つの昇圧直流−交流変換器を含み、更に前記供給された交流を前記基幹配線上の前記低い電圧に降圧する降圧交流−直流変換器を含む請求項１に記載の装置。
8. 前記変換段は、複数の昇圧直流−交流変換器を含む請求項７に記載の装置。
9. 前記変換段は、前記ＳＰＤ負荷の各々について、それぞれの昇圧直流−交流変換器を含む請求項８に記載の装置。
10. 前記基幹配線は、各々が、前記降圧交流−直流変換器からの前記低い直流電圧を受け取る複数の基幹配線を含み、
    前記変換段は、前記ＳＰＤ負荷のそれぞれに関連する複数の変換器回路を含み、
    前記複数の基幹配線の各々は、前記低い直流電圧を、少なくとも一つの前記変換器回路及び対応する前記ＳＰＤ負荷に送る請求項７に記載の装置。
11. 前記複数の基幹配線の各々は、前記低い直流電圧を、複数の変換器回路及び対応する複数のＳＰＤ負荷に送る請求項１０に記載の装置。
12. 複数の交流−直流降圧変換器を含み、その各々が前記複数の基幹配線のそれぞれに給電するようになった請求項１０に記載の装置。
13. 前記複数の基幹配線の各々は、前記低い直流電圧を、複数の変換回路及び対応する複数のＳＰＤ負荷に送る請求項１２に記載の装置。
14. 前記一次電源は直流を供給し、
    前記変換段は、前記交流駆動電圧を少なくとも一つの前記ＳＰＤ負荷に供給する少なくとも一つの直流−交流昇圧変換器を含む請求項１に記載の装置。
15. 前記変換段は、前記低い直流電圧を受け取り、前記交流駆動電圧を、対応する複数の前記ＳＰＤ負荷に供給する複数の直流−交流昇圧変換器を含む請求項１４に記載の装置。
16. 前記ＳＰＤ負荷は窓により構成され、
    前記対応する直流−交流昇圧変換器は、前記窓に組み込まれている請求項１５に記載の装置。
17. 前記一次電源は、前記低い電圧を供給する電池を含む請求項１４に記載の装置。
18. 前記電池の充電器に給電する太陽電池を更に含む請求項１７に記載の装置。
19. 前記直流−交流昇圧変換器の動作周波数は概ね１０−１５Ｈｚであり、それによって目立ったフリッカが生じることのない低いＳＰＤ負荷電流を可能とする請求項１７に記載の装置。
20. 前記動作周波数は概ね１５Ｈｚである請求項１９に記載の装置。
21. 前記基幹配線上の前記低い直流電圧を受け取り、前記交流駆動電圧を供給する、少なくとも一つ直流−交流昇圧変換器を更に含む請求項１７に記載の装置。
22. 前記変換段は、複数の直流−交流昇圧変換器を含む請求項２１に記載の装置。
23. 前記変換段は、前記ＳＰＤ負荷の各々についてそれぞれの直流−交流昇圧変換器を含む請求項２２に記載の装置。
24. 前記基幹配線上の前記低い直流電圧を受け取り、前記交流駆動電圧を供給する、少なくとも一つ直流−交流昇圧変換器を更に含む請求項１４に記載の装置。
25. 前記変換段は、複数の直流−交流昇圧変換器を含む請求項２４に記載の装置。
26. 前記変換段は、前記ＳＰＤ負荷の各々についてそれぞれの直流−交流昇圧変換器を含む請求項２５に記載の装置。
27. 一次電源からの駆動電圧を一又はそれ以上のＳＰＤ負荷に供給するための方法であって、
    前記一次電源から得られた低い電圧を基幹配線に給電するステップと、
    前記低い電圧を交流駆動電圧に変換し、前記交流駆動電圧を前記一又はそれ以上のＳＰＤ負荷に供給するステップと、
    からなる方法。
28. 前記低い電圧は概ね１２ＡＣＶである請求項２７に記載の方法。
29. 前記低い電圧は概ね１２ＤＣＶである請求項２７に記載の方法。
30. 前記一次電源は交流を供給し、
    前記基幹配線上の前記低い電圧は交流であり、
    降圧変圧器を用いて前記供給された交流を前記基幹配線上の前記低い交流電圧に降圧するステップと、
    前記低い電圧を前記交流駆動電圧に変換するための、少なくとも一つの昇圧変圧器を用いるステップと、
    を更に含む請求項２７に記載の方法。
31. 複数の昇圧変圧器は、前記低い電圧を前記交流駆動電圧に変換するために用いられる請求項３０に記載の方法。
32. 前記ＳＰＤ負荷の各々について、それぞれの昇圧変圧器を用意するステップを更に含む請求項３１に記載の方法。
33. 前記一次電源は交流を供給し、
    前記基幹配線上の前記低い電圧は直流であり、
    降圧交流−直流変換器を用いて前記供給された交流を前記基幹配線上の前記低い交流電圧に降圧するステップと、
    前記低い電圧を前記交流駆動電圧に変換するための、少なくとも一つの昇圧直流−交流変換器を用いるステップと、
    を更に含む請求項２７に記載の方法。
34. 複数の昇圧直流−交流変換器は、前記低い電圧を前記交流駆動電圧に変換するために用いられる請求項３３に記載の方法。
35. 前記ＳＰＤ負荷の各々について、それぞれの昇圧直流−交流変換器を用意するステップを更に含む請求項３４に記載の方法。
36. 各々が、前記降圧交流−直流変換器からの前記低い直流電圧を受け取る、前記基幹配線の複数の幹線を用意するステップと、
    前記ＳＰＤ負荷のそれぞれに関連する複数の変換器回路を用意するステップと、
    を更に含み、
    前記複数の幹線の各々は、前記低い直流電圧を、少なくとも一つの前記変換器回路及び対応する前記ＳＰＤ負荷に送る請求項３３に記載の方法。
37. 前記複数の幹線の各々は、前記低い直流電圧を、複数の変換器回路及び対応する複数のＳＰＤ負荷に送る請求項３６に記載の方法。
38. 各々が前記複数の幹線のそれぞれに給電する、複数の交流−直流降圧変換器を用意するステップを更に含む請求項３６に記載の方法。
39. 前記基幹配線の各々は、前記低い直流電圧を、複数の変換回路及び対応する複数のＳＰＤ負荷に送る請求項３８に記載の方法。
40. 前記一次電源は直流を供給し、
    前記交流駆動電圧を少なくとも一つの前記ＳＰＤ負荷に供給するための少なくとも一つの直流−交流昇圧変換器を用意するステップを含む請求項２７に記載の方法。
41. 前記低い直流電圧を受け取り、前記交流駆動電圧を、対応する複数の前記ＳＰＤ負荷に供給する複数の直流−交流昇圧変換器を提供するステップを更に含む請求項４０に記載の方法。
42. 前記ＳＰＤ負荷は窓により構成され、
    前記対応する直流−交流昇圧変換器を前記窓に組み込むステップを更に含む請求項４１に記載の方法。
43. 前記低い直流電圧を供給する前記一次電源はとして、電池を用意するステップを更に含む請求項４０に記載の方法。
44. 前記電池の充電器に給電する太陽電池を用意するステップを更に含む請求項４３に記載の方法。
45. 前記直流−交流昇圧変換器の動作周波数を減じ、それによって目立ったフリッカが生じることのないＳＰＤ負荷電流を減ずる請求項４３に記載の方法。
46. 前記動作周波数は概ね１０−１５Ｈｚに減ぜられる請求項４５に記載の方法。
47. 前記動作周波数は概ね１５Ｈｚに減ぜられる請求項４６に記載の方法。
48. 前記基幹配線上の前記低い直流電圧を受け取り、前記交流駆動電圧を供給する、少なくとも一つ直流−交流昇圧変換器を用意するステップを更に含む請求項４３に記載の方法。
49. 前記交流駆動電圧を供給するための複数の直流−交流昇圧変換器を用意するステップを更に含む請求項４８に記載の方法。
50. 前記ＳＰＤ負荷の各々についてそれぞれの直流−交流昇圧変換器を用意するステップを更に含む請求項４９に記載の方法。
51. 前記基幹配線上の前記低い直流電圧を受け取り、前記交流駆動電圧を供給する、少なくとも一つ直流−交流昇圧変換器を用意するステップを更に含む請求項４０に記載の方法。
52. 前記交流駆動電圧を供給するための複数の直流−交流昇圧変換器を用意するステップを更に含む請求項５１に記載の方法。
53. 前記ＳＰＤ負荷の各々についてそれぞれの直流−交流昇圧変換器を用意するステップを更に含む請求項５２に記載の方法。

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