JP2013506817A - 太陽エネルギー収集器、及び蓄熱装置 - Google Patents

Abstract

装置外部側の第１のライト、及び内部へ離間した第２のライトを含み、断熱空洞の奥行きを画定し、断熱ガスで実質的に充填されている断熱空洞を有している、建物の外部建築用開口部に配置するための太陽エネルギー収集器及び蓄熱装置が提供される。提供された蓄熱空洞は、第２のライト、及び内部へ離間した第３のライトを含み、断熱空洞の奥行きと少なくとも同じサイズである蓄熱空洞の奥行きを画定し、第２のライト及び第３のライトに粘着するとともに、自立的であり、かつ、蓄熱空洞内で形状を維持するような凝集特性を有するハイドロゲルである蓄熱媒体で実質的に充填される。第２のライトの断熱空洞側に配置された低放射コーティングは、外部熱放射伝達を防ぐ。

Description

継続性
本特許出願は、２００９年１０月５日付けで出願され、Ｗ．Ｂ．Ｃｏｌｓｏｎらのために同じ名称をもつ米国仮特許出願第６１／２４８，５５０号の優先権を主張し、この米国仮特許出願の開示内容は、参照によって本願明細書に組み込まれる。

開示実施形態は、従来の窓の代わりに建物に取り付けられてもよい、受動的太陽エネルギー暖房ユニットの分野に関する。

受動的太陽光建物（passive solar buildings）は、能動的暖房システム及び冷房システムの必要性を低減すると共に、太陽の一日周期及び年間周期の全体を通じて、室内温度の快適さを維持することを目的とする。受動的太陽光建物の設計は、環境保護の建物設計（green building design）の一部であり、機械的通気、又は太陽光発電（photovoltaics）のような能動的システムを含まない。

受動的太陽光建物設計の科学的根拠は、気候学及び熱力学（特に、太陽放射エネルギー入力、及び伝熱損失）を含む研究の組み合わせから開発されてきた。主要な熱入力源は、放射エネルギーであり、一次源は、太陽である。地球の軌道に対する地球の回転軸の傾きの結果である太陽高度経路に起因して、低い真昼の太陽は、北半球における南向きの壁を含む赤道向きの構造物の方向において、冬の間に明るさと暖かさとを容易に入れる。

構造体の南壁に位置付けられたとき、窓は、太陽放射を透過するために、準備され、かつ、予測可能な場所である。窓、特に低放射（ｌｏｗ−ｅ）型窓は、建物の熱伝導率を低減し、建物が外側から比較的に分離して、暖房又は冷房されることを可能にする断熱値を提供することができる。

図１は、典型的な断熱ガラスユニット（ＩＧＵ）１０を示す。このようなユニットは、「ライト（ｌｉｔｅ）」としても知られ、密封空間又は空洞１６によって分離された外向きライト１２及び内向きライト１４を含む、２つ以上のガラス窓枠で作られている。図１は、２層ガラス窓型であり、１つの典型的に断熱型の空洞１６を取り囲む２つのライト１２、１４を有することを指す。３つのライトと２つの断熱空洞とを収容する３層ガラス窓も同様に知られている。総称的に使用されるとき、用語「ガラス窓（glazing）」は、壁の透明部分を表すので、１つ、２つ、又は、３つのライトを有するユニット、すなわち、単層、２層又は３層ガラス窓のような様々なタイプの窓ユニットを表すことができる。

図１では、ライト１２、１４は、典型的な形式で順次に識別された表面、すなわち、外部ライト１２の外部（環境）側にある第１の表面から続けて、外部ライト１２の内部側にある第２の表面と、内部ライト１４の内部側にあり、第２の表面に対向する第３の表面と、内部ライト１４の内部（生活空間）側にある第４の表面とを有している。

隔板１８は、２つのライト１２、１４を分離する断熱ユニットの周囲の周りに配置されている。この隔板は、乾燥剤と呼ばれる湿気吸収材で充填されることがある。隔板１８を通る伝熱を低下させ、全体的な伝熱能力を高めるために、隔板１８は、発泡体、繊維ガラスで構築されることがあり、又は、金属とプラスチックとのハイブリッド設計を使用することがある。ユニット全体の周囲は、封止剤２０で密封されている。

製造者は、空洞１６を充填するために、アルゴンガス、クリプトンガス、及びキセノンガスの使用を導入し、伝熱能力に断熱値の劇的な増大のような測定可能な改善をもたらした。アルゴンは、安価、無毒、透明、かつ無臭である。対向するライト間の距離は、希ガスの浅い熱サイクルに応じた大きさである。アルゴン充填ユニットの最適間隔は、空気の場合と同じであり、約２分の１インチ（１１〜１３ｍｍ）である。

クリプトンは、無毒、無反応、透明、かつ無臭であり、より良好な伝熱能力を有しているが、生産するために多くの費用を要する。クリプトンは、ライト間の空間が標準的に望ましい、例えば、特に４分の１インチ（６ｍｍ）より薄くしなければならないときに役立つ。クリプトンの最適ギャップ幅は、３／８インチ（９ｍｍ）である。クリプトンガスとアルゴンガスとの混合物は、伝熱性能とコストとの間の妥協案としても使用される。

１９８０年代半ばから始めて、ガラス用低放射コーティングが開発され、市販された。これらの低放射コーティングは、薄く、殆ど透明であり、多くの場合に金属製であり、ガラスの表面に塗布されるコーティングであり、断熱空洞内の放射熱流を阻むために剥き出しの金属表面の長波長放射反射率を使用する。これは、断熱空洞の断熱能力を高める。コーティングは、空洞の断熱能力をさらに高めるために希ガス充填量と相乗的にさらに機能する。低放射コーティングは、また、入ってくる太陽放射の部分を吸収し、熱に変換する。

２層ガラス窓ＩＧＵにおいて、低放射コーティングは、用途に依存して、第２の表面又は第３の表面のいずれかに設置することができる。コーティングの表面位置の変化は、ＩＧＵの断熱特性ではなく、太陽熱利得の部分だけに影響を与える。具体的には、低太陽利得の密封ガラスユニットを構築するとき、低放射コーティングが第２の表面に設置される。第２の表面で低放射コーティングによって吸収された熱は、低放射コーティングの放射率によって、空洞１６を通過して第３の表面に達することが妨げられ、外部へ捨てられる。現在製造されているＩＧＵユニットのうち、９０パーセント以上がこのようにして作られ、太陽熱利得ならびに熱損失の両方に抵抗する。

対照的に、低放射コーティングは、受動的暖房システムで利用されるガラス窓ユニットの類である高太陽熱利得（ＳＨＧ）の低放射２層ガラス窓ユニットを生成するため、第３の表面に設置することができる。このようなガラス窓は、熱損失を低減し、太陽熱利得を可能にするために設計されている。低放射コーティングによって吸収された熱は、次に、外部環境へ捨てられるのではなく、低放射コーティングの放射率によって内側ライトを加熱する。低利得ＩＧＵと比較すると、高利得ＩＧＵの特徴は、比較的大きい太陽熱利得係数（ＳＨＧＣ）である。図１が高利得、低放射ＩＧＵガラス窓として見られる場合、第３の表面は、最適ＳＨＧＣを提供するために、低放射表面コーティングが設けられることになる。

ＳＨＧＣは、直接的に透過されるか、吸収され、続いて、内部へ放出されるかを問わず、ガラス窓ユニットを通して収容される太陽放射のほんの一部分である。ガラス窓のＳＨＧＣが高くなると、ガラス窓が透過する太陽熱が多くなる。付随的に、全体的な熱伝達係数としても知られているガラス窓の「Ｕ値」は、ガラス窓の熱抵抗又はＲ値の逆数であり、ガラス窓を通る無太陽熱損失又は利得の比率の指標である。Ｕ値が高くなると、熱流に対するガラス窓の抵抗が低くなる。Ｒ値の単位は、ｓｆ＊Ｆ＊ｈ／ＢＴＵであるとき、Ｕ値の単位は、ＢＴＵ／（ｈ＊Ｆ＊ｓｆ）であり、ここで、ｓｆ＝平方フィートであり、Ｆは、華氏温度であり、ｈは、期間（例えば、時間）である。

上記の考え方を理解して、発明者は、高利得、低放射ガラス窓の使用に関する様々な制限に気付いた。高利得、低放射ガラス窓では、第３の表面上のコーティングによって吸収された熱は、内部ライト１４の内部（生活空間）側へ概ね伝達される。しかし、このプロセスは、寒い冬の日中に、華氏１２０から１５０度に達する可能性がある内部ライトをさらに加熱する。ガラスの温度が高くなると、外側への熱勾配が大きくなる。この高められた熱勾配は、その上、外側へのガラス窓の放射力、伝導力、及び、対流力を上昇させると共に、正味のＳＨＧＣを低下させる。第３の表面をより冷たく保つことが可能である場合、損失は、低減され、内部への正味の利得は、上昇させられることになる。

さらに、高利得ガラス窓は、受動的暖房のため好ましいが、特に、ガラス窓が南向き壁の大きい割合を覆う場合に、ガラス窓が囲む居住空間に広い温度振れを生成する可能性がある。おおよその平均としてマサチューセッツ州ボストン市、及び、米国の多くの他の部分で日当たりの良い冬の日中に入ってくる太陽放射は、３〜５時間の期間に亘って南向きガラス窓を通して毎時１平方フィート当たりに２５０〜３５０ＢＴＵを生じることがある。この太陽放射エネルギーは、上記の低放射被覆された内側ライトの上昇した温度と連動して、生活空間への大量の熱入力の集中を生み出す。適切なサイズをもち、この種の熱利得に晒された部屋は、マサチューセッツ州ボストン市における寒い冬の日中に１３０度に達する可能性がある。

逆に、これらの太陽熱入力集中の間の長期間の夜間又は曇りの日中には、低放射被覆された内部ライトであっても、内部ライトが内部空間より冷たくなるような熱伝導率を有している。前述のとおり、南向き壁の大きい割合がガラス窓化されている場合、これは、空間を夜間に不快に冷却しがちになる。部屋は、居住に適さないことはないとしても、心地よくないであろう。

温度振れの不快感を緩和するために、受動型暖房システムは、典型的に、蓄熱するための材料を使用する。蓄熱する能力は、基本的に存在する材料の質量に、この材料の比熱容量を乗じた材料の熱質量によって決定される。受動的暖房の状況では、熱質量は、時には熱フライホイール効果としても知られていることがある温度揺らぎに対する「慣性」を与える。例えば、外部温度が一日中揺らいでいるとき、住宅の断熱部分内の大きい熱質量は、毎日の温度揺らぎを「平坦化」するのに役立つことができる。なぜならば、熱質量は、太陽放射の直接経路内にあるとき、又は、環境が質量より暖かいとき、熱を吸収し、また、環境の方が冷たいとき、熱を戻すことになるからである。受動的暖房システムでは、熱質量は、日中に直接的な太陽放射によって暖められる。質量に蓄積された熱は、その後、夜間に内部生活空間へ放出される。

熱質量能力のため知られているある種の材料類は、コンクリート、粘土レンガ、及び、他の形式の石積みである。温度揺らぎを「平坦化」するための旧来の解決策は、部屋内に石積み暖炉、又は、石もしくはセラミックタイル床を含んでいる構造物又は構造物内の部屋を構築することであった。このような構成は、防火のための構造要素と、火から発生された熱及び太陽から入力された熱の蓄熱のための構造要素として役立つ２重の機能を果たした。受動的太陽エネルギーの観点から、過度の熱質量を住宅内に追加することは難しいことになる。

太陽放射を収集するため使用されたときの以上の開示された類のシステムの失敗のうちの１つは、熱質量が黒っぽい吸収性色をもち、入ってくる太陽放射の直接経路に留まるべきであるというである。このことは、太陽放射の経路が一日中移動するためだけでなく、太陽放射が質量に当たることを妨げる家具、絨毯、壁掛けなどが質量の上に常に置かれるために問題を含む可能性がある。この結果は、空間の過熱と、熱質量の加熱の不足とである。

さらに、前述の型式の囲まれた空間は、「日焼け（sunwashed）」され、すなわち、直接的な小さい角度の冬の太陽に晒され、日陰になっていないガラスの広い面積が耐えられないほどに明るくなる。さらに、総太陽エネルギーの５０％より多くを含む太陽光赤外線スペクトルエネルギーは、全力に近く空間へ収容される。この結果は、海辺での暑い日のような実際より遙かに暖かく感じる空間である。この日焼けは、理論上は素晴らしいかもしれないが、普通の室内活動のため空間をかなり不快に、かつ、眩しくさせることが可能である。

受動的暖房システムにおいて南向きガラス窓の直ぐ裏側で、熱質量としての黒っぽい色の石積み壁の使用は、フォント・ロメウ・オデイロ・ヴィア（Font-Romeu-Odeillo-Via）において１９５６年にフランス人技術者フリックス・トロンブ（Felix Trombe）によって探求された。「トロンブ壁」を用いると、日中に、日光は、南向きガラス窓を介して輝き、熱質量の表面を直接的に暖める。これは、誤って設置された家具問題と、日焼け問題とを解決する。しかし、当初の単層ガラス窓（単一ライト、断熱空洞なし）設計では、単層ガラス窓ユニットの悪い断熱特性のため、非常に僅かな受け入れられた熱は、最後に内部生活空間に達し、殆どが夜間に環境へ失われた。

トロンブ壁の外側で断熱ガラス窓、特に、高利得、低放射型断熱ガラス窓を使用することにより、トロンブ壁の熱質量の平均温度は、平均室温より高くなる可能性がある。したがって、熱は、トロンブ壁から住宅内部へ流れることができる。

ＩＧＵによって助けられるとしても、トロンブ壁は、依然として問題があった。石積み壁は、ガラス窓からの視界及び照明を必然的に妨害した。さらに、典型的なトロンブ壁は、１２から１６インチの厚さの石積み構造物であるため、壁は、かなりの重量があった。その結果、例えば、このような壁は、南向き壁を改装して受動的暖房システムを設置することを求める住宅所有者にとって非現実的な解決策になる。さらに、石積みは、適度な熱伝導体に過ぎないので、石積み壁の黒っぽい色の外部面は、日当たりの良い冬の日中に非常に容易に暖まる傾向があった。これは、ガラス窓一面での温度差、したがって、ガラス窓の断熱損失を増大させ、システムの効率を低下させた。

石積みトロンブ壁に対する選択肢が従来技術の特許文献及び非特許文献において探求されている。一例は、１９８５年８月６日付けで登録された、Ｔａｆｆらによる「光エネルギー蓄積状態において明確に透過性を有する相変化保温材料を採用したモジュラー受動的太陽エネルギー暖房ユニット（Modular Passive Solar Energy Heating Unit Employing Phase Change Heat Storage Material Which Is Clearly Transparent When In Its High-Stored-Energy Liquid State）」と題する米国特許第４，５３２，９１７号明細書である。本特許文献は、住宅の外側への明瞭な視界を与えるように、質量が透明になる前に、ある最低限の量の熱を受け取る必要がある相変化熱質量を開示する。

石積みトロンブ壁に対するさらに別の選択肢は、蓄熱媒体として水を使用することである。当然ながら、水は、スチール製タンクに収容することができ、ここに記載された蓄積媒体として水のすべての利点を享受することができる。しかし、スチール製タンクは、石積みトロンブ壁と関連付けられた視界問題及び光透過問題を解決しない。水壁の本当の利点は、２００８年５月８日付けで発行された、本願出願人による「太陽光加熱ブロック（Solar Heating Blocks）」と題する国際公開第２００８／０５４４９７Ａ２号パンフレットに開示されているような、水蓄積媒体の透明性又は少なくとも透光性を使用するときである。

水貯蔵庫を使用する利点は、例えば、３インチの水柱が厚さ１フィートの石積み壁と同様の熱容量を有することである。さらに、標準的な窓と同様に、水柱は、透明性、かつ、透光性である。さらに、水は、石積みより高い熱伝導率を有している。これは、水柱の外部側に配置された低放射被覆されたライトに吸収されるエネルギーが、水質量全体に素早く分散されることを意味する。これは、低放射被覆されたライトの外部側の表面温度を低下させ、したがって、ライトと外部側環境との間の温度差を小さくさせ、効率を高める。さらにまた、水は、透明性である可能性があるので、他の太陽熱吸収手段を質量の内部にさらに配置することができ、蓄積媒体の効率を高める。

しかし、水の壁には、これらの固有の課題がある。水構造体は、藻の成長と、鉱物の懸濁沈殿物と、蒸発とによって害されるので、水充填構造体は、密封されるべきである。充填プロセス中に取り込まれた気泡は、内部ガラス面に付着し、モジュールを充填した直後に、モジュールの上端まで浮遊するより大きい、視覚的に顕著な泡に合体する可能性がある。

透明性又は透光性水溶液に関する別の問題は、静水圧のために、大型の、特に背の高い液体水用ガラス格納容器を構築することが非現実的であるという点である。より合理的なサイズ、例えば、１辺当たりに８インチと２フィートとの間の正方形ブロックは、この問題を解決するために使用されている。しかし、正方形の水充填「水槽」のアレイ（複数の行及び列）は、所定のアレイ内のかなりの量の空間が多数の仕切り又はガラス仕切りの外観を作り出すラック支持システムによって占有される必要があるので、問題を提起する可能性がある。さらに、アレイは、別の失敗の道へ導くかなりの量のシールを必要とすることがある。さらにまた、このような設計を用いると、ブロックのうちのいずれか１つを修理又は交換するために、水ブロックのアレイ全体を少なくともある程度まで分解する必要があるかもしれない。

トロンブ壁の実施及び様々な水ブロックの実施のような従来技術の設計に関するさらに別の問題は、ガラス窓と熱せられた質量との間の空隙の配置である。空隙は、内部側ライトと、石積み壁のような熱質量との間に空間を意図的に残すことによって形成される。この隙間は、壁から内部生活空間へ熱を引き出すのを支援するために、壁の周りに対流通気を生じさせる。典型的に、ダンパー付きの通気穴が上端及び下端で石積み壁を貫通して取り付けられ、日当たりの良い日中に対流を可能にするために開口されている。

上記空隙構成は、全体的な熱利得を改善することが一般的に認められている。しかし、発明者は、希ガスが充填された、高利得、低放射ＩＧＵガラス窓の内部側ライトを熱質量の外部側面と直接的に接触させて配置することがより熱的効果があることを見出した。この構造接続部は、複層ガラス窓ＩＧＵの第３の表面上の低放射コーティングを熱質量と直接的に熱的接続する。これは、断熱空洞と熱質量との間の結合の熱的効率をより高め、普通ならシステムの効率を低下させることになる低放射表面における温度振れを低減する。

発明者は、水に基づく蓄熱媒体を使用し、低放射表面を蓄熱媒体の外部側表面に連結し、希ガスによって低放射表面の外部側に境界を付けること、すなわち、外部側断熱空洞を作り出すことにより、蓄積媒体の外部側表面が十分に冷温を保ち、日当たりの良い日中に表面で発生された余分な熱を排出するために従来のトロンブ壁システムの対流通気穴が必要とされないことを見出した。その代わり、この熱は、後の使用のため水質量へ伝達させることができる。

その結果、前述のとおり、外部側で蓄熱ユニットを断熱空洞と連結することは、絶縁空洞の内部ライトが、断熱空洞に対向する側に、低放射コーティングを有しているという相乗効果がある。しかし、最新式の２層ガラス窓構造物の希ガス充填の場合と同様に、希ガスを収容するために希ガスを封止する２つのライトのエッジの周りに永久気密性を作ることが本質的である。

残念ながら、組み立てられた水充填熱アレイの外部側にフルサイズのガラス窓枠を簡単に配置し、希ガス充填体でガラス窓枠に境界を付けることは不可能である。いつでも、希ガスは、積み重ねられた熱アレイの周りの空隙から漏れることになる。なぜならば、積み重ねられた熱アレイは、長期間に亘ってガスを保持するために必要とされる気密封止のレベルで構築できないからである。それどころか、個々の水ブロックは、この水ブロックの外部側に一体化されている断熱空洞を用いて製造されることが必要になる。

その結果、蓄積媒体として水ブロックを使用するとき、個々の断熱空洞が個々の蓄熱空洞と同じサイズであるように、断熱空洞を用いて個々の水ブロックを構築することが望ましい。それにもかかわらず、これらのより小型の断熱水ブロックは、さらなる量の要求されるシールと、製造、現場組立等のさらなる複雑さとに起因して、さらなるシステム故障の可能性をもたらす。最も重要なこととして、個々の断熱ガラス密封は、熱経路又は熱短絡であり、ガラス窓ユニットに関する熱損失を増大させる。

さらに、より小型の断熱水ブロックは、他の付随した問題がある。例えば、密封されたＩＧＵガラス窓の周囲でおおよそ６インチがエッジ隔板材料を通る熱短絡の影響を受ける。前述のＵ値は、典型的に、ガラス中央部の値として測定されるので、Ｕ値は、積み重ねられた水ブロック熱アレイに対して一般に製造可能であるサイズにおいて、より小型の断熱水ブロックに対して著しく低下される可能性がある。

さらに、より小型の断熱水ブロックを用いると、正味の太陽熱アパーチャは、ユニットサイズが小さくされるので実質的に縮小される。なぜならば、エッジ処理が、約２分の１インチから４分の３インチの一定幅であるからである。理解されるように、ブロックサイズが１辺当たり約１２インチまで小さくされるとき、アパーチャの大部分がエッジ処置によって占められる。

その結果、面積の大部分が隔板によって熱短絡されるか、又は、低放射コーティングを熱質量へ直接的に熱的接続し、希ガス充填断熱空洞によって境界を付けることができないように設計された熱非効率的なシステムの代わりに、大型の密封された２層ガラス窓断熱ユニットを作ることが、長い間必要とされている。すなわち、蓄積ユニットは、過度の熱短絡を避けるために十分に大型であり、補助暖房を行うため、日当たりの良い冬の日中からの利得が夜間損失より大きく、熱的に効率的、透明性、かつ、透光性の構造体でなければならない。

同じサイズの蓄熱空洞と熱的連結された背の高い、高利得、低放射断熱空洞を設ける１つの試みは、２００３年７月８日付けで付与された、「建物にガラス窓をはめるための断熱ガラス素子（Insulating Glass Element For Glazing A Building）」と題するＫｕｎｅｒｔによる米国特許第６，５８９，６１３号明細書（「’６１３号特許」）に提供された。’６１３号特許は、外部透明ガラス窓枠と、内部緑色ガラス窓枠とを備える「断熱ガラス要素」を対象にする。低放射コーティングは、緑色ガラス窓枠の外部側に接触して配置され、ここで、低放射コーティングは、透明ガラスと緑色ガラスとの間のガス充填空間と対向している。

一実施形態では、’６１３号特許は、緑色ガラスを使用する代わりに、流体が両者の間に配置されている２枚の離間したガラス窓枠を使用できることを開示する。流体は、背の高い断熱ガラス要素内の圧力を低減するために、水、又は、「高粘度をもつ均一分散ハイドロゲル」のいずれかとして開示される。しかし、次に述べられるように、’６１３号特許の開示実施形態は、不十分な点がある。

本発明者は、ライト間で蓄熱材料として用いられる適切なハイドロゲルの臨界特性が、ライトへのハイドロゲルの適切な粘着性とゲル自体の内部凝集性とであることを見出した。このような特性は、重力が原因となって長期間に亘ってゲルが変形し、流れ、それによって、ゲルの形状を失うことを妨げる、ゲルの適切な引張及び剪断特性を定める。粘着特性及び凝集特性は、ハイドロゲルが自立し、ギャップから作られた視覚的欠陥及び熱的非効率性を回避するために必要とされ、そうでなければ、視覚的欠陥及び熱的非効率性が、ハイドロゲル封止ガラス窓枠とハイドロゲルとの間に、又は、ハイドロゲル自体の内部に現れることになる。換言すると、適切な粘着特性及び内部凝集特性を用いると、ハイドロゲルは、封止ガラス窓枠の表面に粘着し、沈下すること、又は、分離することがない。

さらに、適切なハイドロゲルは、ＵＶ安定性が必要とされることになる。このような安定性は、化学的破壊、流体分離、及び／又は、太陽光への長期の暴露からの黄変のような変色を避ける。

さらに、好ましいハイドロゲルは、流体ではないであろう。むしろ、ハイドロゲルは、そうではなく、架橋（cross linked）固体ゲルであろう。好ましい架橋固体ゲルは、高い割合の水を保持する能力をもつであろう。

ハイドロゲルの前述の粘着性、凝集性、ＵＶ安定性、及び、構造的特性は、’６１３号特許に記載されていない。むしろ、’６１３号特許は、「高粘性の均一分散ハイドロゲル」として提案された流体を参照するだけである。実際に、発明者は、広範な実験及び調査の後、高粘性流体ハイドロゲルはもちろんのこと、適切な粘着性、凝集性、及び、ＵＶ安定特性をもつハイドロゲル材料を取得すること、又は、特定することさえできなかった。

広範な研究を通じて、発明者は、火からの熱を吸収するためにハイドロゲルを使用する防火窓を見出した。この防火窓は、以下の詳細な説明の欄に開示される。この防火窓内のハイドロゲルは、紫外線安定性がない。紫外線安定性の不足は、ハイドロゲルに含有された水が煮沸された後に延焼を防止するために、ゲルに組み込まれている難燃性及び膨張性によることが発明者によって仮定される。

ゲル状防火ガラス窓の紫外線安定性は、これらの窓が長期間に亘って太陽放射又は紫外線放射に晒されないので重要ではない。典型的に、これらの窓は、構造体の内部に使用される。これらの窓が構造体の外部で使用される場合、これらの窓は、ゲル状防火ガラス窓を有している構造体と、接近して配置された、延焼する可能性がある隣接建物との間で起こり得る火災からの遮熱層を作るために使用される。隣接建物の接近した位置のため、太陽光、したがって、紫外線光は、窓に達することが妨げられる。

ゲル状防火ガラスの製造業者と機密関係で作業し、ゲル状防火ガラスで使用されるゲルの紫外線安定性不足を認識している発明者は、難燃性及び膨張性を含まないハイドロゲルを使用してゲル状ガラス構造体を準備することをこの業者に指示した。これは、防火ガラスを目的としたハイドロゲルの意図された用途を無効化するが、発明者は、これが紫外線安定性をもつ蓄熱ユニットを目的とした発明者の要求を満たし、かつ、適切な粘着特性及び凝集特性をもつハイドロゲルを含有することを確信する。

防火遮蔽層は、熱が、あるエリアから隣接エリアへ伝達されるのを防止する主目的を有しているので、この特殊なハイドロゲルの利点は、予期しないことである。防火ガラス窓内のゲルは、できる限り低温に維持されるべきである。防火ガラス窓内のゲルの温度が低くなると、防火ガラス窓は、より多くの熱を吸収でき、かつ、火災と、防火ガラス窓のもう一方側の隣接構造物との間に、より長期の熱遮蔽層を設ける。こうした防火遮蔽層の主目的は、隣接エリアへの伝熱の目的と正反対である。しかし、隣接エリアへの伝熱は、本明細書に開示された断熱ガラス要素の主目的である。

適切なハイドロゲルを特定することができないことの他に、’６１３号特許の別の不十分さは、冬の日に適切な暖房を提供するために熱流体質量の最低限の厚さを認識できないことである。’６１３号特許は、「比較的長期間」に亘ってガラス窓枠の一定温度レベルを維持することを対象とする（’６１３号特許、第３欄、第３０〜４０行）。そうするために、’６１３号特許は、厚さ３〜５ｍｍの透明ガラス窓枠を含み、透明ガラス窓枠と吸収性緑色ガラス窓枠との間の空間が６〜１２ｍｍであり、吸収性緑色ガラス窓枠の厚さが１２ｍｍである全体的な「従来型の厚さ２７ｍｍ」を窓に設ける（’６１３号特許、第３欄、第１５〜２５行と、第９欄、第４５〜５５行）。

’６１３号特許は、流体質量が緑色ガラスの代わりに利用されるとき、前述の厚さが変化しないことをさらに開示する。実際には、参照によって本明細書に組み込まれる’６１３号特許の図４を参照すると、システムの流体／ゲル充填部の全体的な厚さが、システムのガス充填部より薄いことが分かる。例えば、システムの熱吸収部の全体的な厚さが１０〜１２ｍｍであり、２枚の離間した窓枠が３ｍｍずつである場合、水充填物の奥行きは、ちょうど６ｍｍ（例えば、１インチの４分の１）であり、浅すぎるので「比較的長期間」に亘って「一定温度」を提供することができない。

さらに、’６１３号特許は、水充填熱質量が緑色ガラスの蓄熱容量を「３倍」にすることを開示する。冬の日に、日中に１平方フィート当たり毎時２００ＢＴＵの熱入力があると、厚さ１２ｍｍの緑色ガラスの熱容量を３倍にすることさえ「比較的長期間」に亘って「一定温度」を設ける目的を達成することがない。日没後の短期間に、例えば、数分間のうちに、蓄積された熱は、システムから完全に放散されることになる。冬の日に、暗闇が１日の時間の５０パーセントより遙かに長いとき、短期間のうちに利用できる熱を使い果たすことは、殆ど無意味なことになる。

開示された背景に鑑みて、装置外部側に接した第１のライト及び第１のライトから内部へ離間した第２のライトを含むとともに、断熱空洞の奥行きを画定し、かつ、断熱ガスで実質的に充填されている断熱空洞を有する、建物の外部建築用開口部に配置するための太陽エネルギー収集器（collector）及び蓄熱装置が提供される。第２のライト及び第２のライトから内部へ離間した第３のライトを含むとともに、断熱空洞の奥行きと少なくとも同じサイズである蓄熱空洞の奥行きを画定し、かつ、蓄熱媒体で実質的に充填されている蓄熱空洞が提供される。蓄熱媒体は、第２のライト及び第３のライトに粘着し、そして、自立的であり、かつ、蓄熱空洞内で形状を維持するような凝集特性を有しているハイドロゲルである。第２のライトの断熱空洞側に配置された低放射コーティングは、蓄熱媒体から外部への熱放射伝達を妨げる。

断熱ガスは、例えば、アルゴン、クリプトン、又はキセノンのような希ガスである。高透明度ライトを使用する付加的な断熱空洞層は、本明細書に開示されるように、この組立品の外部側へ付加し、密封することができ、この付加的な断熱空洞層は、より極端な気候のためのより高い断熱レベルを作り出すために希ガスで充填することができる。

以下の図面は、発明の単に典型的な実施形態の詳細を表し、したがって、発明の範囲の限定であると見なされるべきではないことが理解されるべきである。

図１は、従来技術の２層ガラス窓ＩＧＵ「断熱ガラスユニット」を示した図である。 図２は、１つの開示実施形態を示した図である。 図３は、さらなる開示実施形態を示した図である。

図２は、２つの密封空洞２４、２６を含んでいる密封ガラス窓ユニットを備える、受動的暖房システム２２である１つの開示実施形態を示す。断熱目的のための３重ガラス窓と混同されることなく、本ユニットでは、外側の、又は、第１の空洞２４は、典型的に、希ガス２８、クリプトンなどで充填され、断熱コンポーネントである。内側の、又は、第２の空洞２６は、水性媒体３０で充填され、密封され、蓄熱コンポーネントである。

この図２では、第１の表面は、断熱空洞における外部（第１の）ライト３６の外部（環境）側表面であり、第２及び第３の表面は、断熱空洞における互いに対向する表面であり、それぞれ、外部ライト３６及び中間（第２の）ライト３８の一部であり、第４及び第５の表面は、蓄熱空洞における互いに対向する表面であり、それぞれ、中間ライト３８及び内部（第３のライト）４０の一部であり、第６の表面は、内部ライト４０の内部（生活空間）側表面である。

示されているように、断熱空洞は、外部空洞であり、蓄熱空洞は、内部空洞である。さらに、中間ライトは、断熱空洞のための内部ライトでもあり、蓄熱空洞のための外部ライトでもあることが認められるべきである。

さらに、外部ライト３６は、太陽熱利得を最大化するために低鉄型式のガラスということになる。第３の表面は、この表面に低放射コーティングを有することになるので、中間ライト３８は、低放射型式ということになる。内部ライト４０は、標準透明度でもよく、又は、さらなる説明で分かるように、着色されてもよい。

断熱空洞２４内の隔板３２は、乾燥剤を含有するが、通常、蓄熱空洞２６内の隔板３４は、含有しないことになる。断熱空洞２４内の隔板３２は、熱流を最小化するために設計されることになるが、このことは、蓄熱空洞２６内ではあまり重要ではない。

好ましい水性媒体３０は、ＩＧＵ技術において知られた隔板３４によって分離されている第４の表面及び第５の表面に粘着することを可能にする、粘着特性及び凝集特性を有しているハイドロゲルである。この目的のためのこのような適切な媒体は、主として、ポリアクリル酸ナトリウム及び水、すなわち、水が外装ライト３８と外装ライト４０との間で部分的に凝固されているハイドロゲルで構成される。このようなハイドロゲルでは、水は、定常状態において、非常に僅かな流れを示すか、又は、全く流れを示さない実質的に希釈性の架橋システムの内部に含有される。このようなハイドロゲルは、液体状態で脱気された空洞の中に充填され、後に、ゲル化することができる。さらに、ハイドロゲルの熱容量を高めるために、マイクロカプセル化された相変化材料（phase change material）をハイドロゲルに添加することができる。

適切な粘着特性及び凝集特性を含むハイドロゲルの使用は、重要であり、なぜならば、この使用は、水が空洞を充填するために使用される場合に可能ではないことになる背の高い寸法を、透明な蓄熱パネルが有することを許すからである。静水圧から脱出することになる水パネルと比較すると、ハイドロゲルは、ガラスの表面に粘着する自立的な構造体を形成する。この構造体は、主として水であり、水と同じ蓄熱機能を実行するとしても、突発的な故障を受けやすく無い。構造的な故障の懸念なしに、蓄熱システムは、例えば天窓の一部として頭上に、水充填ガラス空洞の場合には軽率ということになる傾斜した配置で設置することができる。

さらに、適切なハイドロゲルは、ＵＶ安定である。このようなＵＶ安定性は、南向きガラス窓に必須である広範囲に亘る日光照射が原因で、ハイドロゲルが化学的に分解し、固体から液体を分離し、又は、「黄変」のような変色を起こすことを妨げる。

背景の欄に記載されたように、発明者は、適切な粘着特性及び凝集特性を含む製品が米国、９４１２４−１４３２、カリフォルニア州サンフランシスコ市ニューホールストリート３２５所在のサフティ・ファースト（SAFTI FIRST）製の耐熱パネルの技術において製造されることを見出した。具体的には、サフティ・ファーストは、スーパーライト（SuperLite）ＩＩ−ＸＬ−１２０の名称で製品を製造する。この製品は、典型的な製造形式で、わずかに厚さ１．５インチと、重量１２ ｌｆｓ／ｓｆとを有し、透明である。発明者は、機密関係に基づいて、ハイドロゲル以外の難燃性をもたらす化学物質をゲルから除去することをサフティ・ファーストに指示した。これは、製品が紫外線に安定であると確信して行われた。

ゲル製品の厚さは、両側のライトを含むことに注意すべきである。その結果、ゲル材料の実際の厚さは、１インチである。発明者が決定したこの厚さは、合理的な期間に亘って、例えば、日当たりの良い日中の後の完全な冬の夜間に、継続的な熱回収をもたらすように有意な蓄熱を行うために最低限必要な厚さである。

開示実施形態の主目的と完全に別個であり、かつ、区別可能であるスーパーライトＩＩ−ＸＬ １２０の主目的を認識し理解することが重要である。第１の遮熱層ゲル窓の全体の目的は、ゲルへの熱の進行を妨げ、熱が隣接空間へ移動することを阻止することである。例えば、スーパーライトＩＩ−ＸＬ １２０は、ＡＳＴＭ Ｅ１１９要件を満たすために、放射熱伝達を遮る耐火透明ゲルである。ゲルが熱を遮る仕組みは、熱に隣接する第１の窓枠が熱によって粉砕された後に、ガラス窓火災が発生した熱から緻密かつ高度の断熱外層に変換されることによる。外層は、粉砕された第１の窓枠から、熱に晒されていない第２の窓枠へ向かってゆっくりと広がる。このプロセス中に、ゲルは、第２の窓枠から分離しない。ゲル構造体は、ハイドロゲル中の水が煮沸した後に残存することに留意することが重要である。水を保持するこのゲル構造体は、固体であり、流体ではなく、水がなくなった後、ゆっくりと燃える。

スーパーライトＩＩ−ＸＬ １２０ゲルは、このゲルの防火特性に従って、例えば、学校の廊下で見られる既知のガラスレンガ又は網入りガラスのように、煙及び炎を止めるだけでなく、熱放射がゲルを通過することを阻止する。このような熱放射は、炎が防火壁の裏側に囲まれているとしても、カーテン、家具、及び他の可燃性材料を燃やすことができる。セラミックのような他の防火ガラス窓製品と比較して、スーパーライトＩＩ−ＸＬ １２０は、火災で発生した熱に対し、著しく長期間の遮熱層を提供し、壁、窓、欄間、及びサイドライトにおける使用に対し、全体的な面積制限がない。

スーパーライトＩＩ−ＸＬ １２０ゲルの主目的に反して、開示実施形態では、熱質量への熱伝導が促進され、ゲルへの太陽熱の吸収を加速し、太陽熱がもう一方側へ容易に伝わることを可能にする。熱質量への放射熱の実質的な増加は、中間ライト３８に対して、好ましくは、０．３以下の放射率をもたらし、太陽スペクトルの赤外線領域内の太陽放射のある割合を熱エネルギーに変換する低放射被覆されたガラスを利用することによって達成された。中間ライト３８への低放射コーティングは、中間ライトの外部側、すなわち、第３の表面に配置されるので、ゲルと直接的に接触し、この熱的接続をより効率的にする。この構成は、前述のように普通なら断熱空洞を通る熱伝導の効果を低減することになる高利得ガラス窓内の温度振れを低減する。

中間ライト３８に対する適切なガラスは、ピルキングトン・エネルギー・アドヴァンテージ（Pilkington Energy Advantage）（登録商標）低放射被覆強化ガラスである。このガラスは、４３６０４−５６８４、オハイオ州トレド市マディソンアベニュー８１１所在のピルキングトン・ノース・アメリカ（Pilkington North America）社から入手可能である。ピルキングトン・エネルギー・アドヴァンテージ（登録商標）低放射被覆ガラスは、高光透過率及び高太陽透過率をもたらし、いっそう多くの太陽光線が利用可能な熱に変化することができる太陽エネルギーとしてゲル３０に入ることを可能にするように設計されている。

意図された用途と比較して、本明細書に開示されているようなスーパーライトＩＩ−ＸＬ １２０の異なった、想定外の用途は、本開示を精査する者にとってここで明らかになるであろう。スーパーライトＩＩ−ＸＬ １２０の意図された用途は、熱を遮断することであり、もう一方側への熱伝導を促進することではない。熱放射に晒されている側で、ゲルと直接的に接触して、ピルキングトン・エネルギー・アドヴァンテージガラスのような高利得低放射被覆ガラスを設置することは、スーパーライトＩＩ−ＸＬ １２０が設計目的の通りに使用された場合、理解できない構成であろう。ゲルへの熱伝達を促進することは、ゲルの温度を不必要に上昇させ、したがって、ゲルが保持できる熱の量を減少させることにより、防火システムの全体的な熱遮断特性を必ず減退させることになり、防火製品を追求する者にとって許容できない結果をもたらすことになる

スーパーライトＩＩ−ＸＬ １２０の意図された目的と比較して、ゲルへの熱伝達を促進する構成は、まさしく創意に富む構成である。スーパーライトＩＩ−ＸＬ １２０の当初意図されていた使用に対するこの自明でない変更は、ゲルを熱遮断システムから快適さをもたらす熱を部屋の内部へ意図的に伝達するシステムへ変える。

さらに、スーパーライトＩＩ−ＸＬ １２０が外側ガラス窓の目的で販売されていたかもしれない程度で、このスーパーライトＩＩ−ＸＬ １２０は、開示実施形態において提供されているように、同じ表面上に低放射コーティング付きで販売されることは決してなかったであろう。ゲルは、常に、接近して設置された外側建物の火災からの熱を吸収する目的で外部ガラス窓の中に設けられている。このことは、使用される場合、低放射コーティングを一体化された断熱ガラス窓の外部ライトに、例えば、第２の表面に置くことによって達成されることになる。これは、ゲル層に達する太陽赤外線エネルギー又は火災赤外線エネルギーを低減することになる。したがって、認識できるように、スーパーライトＩＩ−ＸＬ １２０は、本明細書に開示されているように、太陽からの熱を吸収し、熱が外部へ逃げることを妨げるために設計されていない。

防火ゲルは、これまで熱を部屋の内部へ意図的に再分配するために使用されなかったことを理解すると、参照された高利得ガラス、すなわち、ピルキングトン・エネルギー・アドヴァンテージ低放射ガラスが紫外線の透過を低減するために設計されていることは、同様に注目に値する。このことは、繊維、室内装飾品及び敷物の早期の退色及び劣化を防ぐのに役立つ。

今度は、内部、蓄熱空洞の生活空間側のライト４０を参照すると、このライト４０は、１５２３８、ペンシルベニア州、ガイズ・ラン・ロード・ハルマルヴィレッジ所在のＰＰＧインダストリーズ社から入手できるＰＰＧグレイライト（Graylite）−１４色付きガラスである。ＰＰＧグレイライト製の灰色色付きガラスは、受動的暖房システム１０内の他のライトと比較すると、可視及び赤外線の両方が入ってくるエネルギーのうちの高い割合を吸収し、ほんの僅かの可視光透過を許容する。第２のライト３８のために使用されるガラスと同様に、ＰＰＧグレイライト−１４ガラスは、内部繊維が退色することを防ぐためにかなりの量のＵＶエネルギーを遮る。入ってくるエネルギーの吸収は、ゲルをさらに加熱するのに役立ち、このような熱は、後で生活空間へ分配するためゲル内に蓄積される。これは、前述の日焼け効果を最小限に抑えるためにも役立つ。

日焼け制御のためのグレイライト−１４ガラスの代替案は、ゲル自体に色を付けることになる。ゲルに色付けする利点は、色合いがゲル全体に一様に分散され、ゲルが均一に暖まることを可能にすることである。この目的のため色素を使用することを試みることもあったが、実際には、色素は、長い時間が経つと色褪せることが分かった。より一層適切なものは、水と容易に混じり合い、コロイド状銀粒子の懸濁を形成する硝酸銀のような純粋顔料色合いである。硝酸銀は、ライト３８と４０との間で空洞２６を充填するのに使用される水性重合性溶液に、適切な量まで添加されてもよい。溶液は、ゲルを形成するために重合するので、懸濁コロイド状銀粒子は、沈殿することが妨げられ、長時間色褪せない一様な色合いをゲルに与える。例えば、硝酸銀の濃縮は、蓄熱パネルを通過する可視光の８０％を取り除くことになる。

ゲルの色付けは、グレアを低下させ、さらに、ゲルへの太陽エネルギーの吸収を増加させる二重の目的のために役立つ。さらに、中間ライト３８は、グレアを最低限に抑え、ゲル３０への熱吸収を高めるために色付けすることができる。すなわち、中間ライト３８は、ＰＰＧグレイライトガラスに塗布されたピルキングトン低放射色合いのように、第３の表面に低放射色付けを有することができる。このような構成は、ゲルに到達する前に光及び有害なＵＶの９０％以上を取り除くのに役立つことになる。代替的に、色付けの層は、中間ライト３８の第４の表面に塗布することができる。このような構成では、蓄熱媒体は、色付け層と直接的に接触することになる。さらに、様々な色付けが太陽熱吸収及び有効性を高めるために付加できる。

ゲル３０が中間ライトの第４の表面及び内部ライトの第５の表面に粘着することにより、密封された蓄熱空洞２６は、非常に大型サイズで製造することができる。密封された断熱空洞は、蓄熱空洞と同じサイズであり、蓄熱空洞と一体化しているので、大型蓄熱空洞２６があることは、等しい大きさの密封された断熱空洞２４の使用を可能にする。これは、ガラス要素の個数、密封、故障の危険性、費用、望ましくない外観、及び熱短絡を最低限に抑える。これは、ガラスが水の含有を遮り、サイズ及び高さが約２フィートに大幅に制限され、典型的に、広範囲の仕切りのアレイと、ガラスの別個のシートとを必要とする従来技術のシステムより優れている。

断熱空洞２４を参照すると、適切な外部ライト３６は、０．７０以上、好ましくは、約０．９０であるＳＨＧＣを有している。発明者は、受動的暖房システム２２内の外部ライト３６として、ピルキングトン・オプティホワイト（Pilkington Optiwhite）低鉄ガラスを利用した。ピルキングトン・オプティホワイトは、高光透過率及び高太陽熱透過率を提供し、密封可能であるので選択された。

外部ライト３６と中間ライト３８との間の隔板３２は、４３７２５ オハイオ州、ケンブリッジ市、コクランアベニュー８００所在の米国エッジテック（Edgetech）製のスーパースペーサー（Super Spacer）（登録商標）型である。隔板３２は、人工的、全発泡体、「無金属」テクノロジーである。さらに、隔板３２は、水蒸気シールによって裏打ちされた構造的密封のため高性能アクリル接着剤を使用する二重密封式の暖かいエッジ隔板システムである。金属ベースの隔板とは異なって、隔板３２の全発泡体の無金属構造体は、非伝導性であり、ガラス窓を通る熱流を遮る。熱脱出経路を遮ることにより、隔板は、最適な熱性能を発揮する。

ライト３６と３８との間の空間に対応し、断熱空洞の奥行きを画定する隔板３２のサイズは、２層又は３層ガラス窓におけるライト間の典型的な間隔と実質的に同じである。断熱空洞２４は、外部温度からの断熱を行うためにアルゴン又はアルゴン／クリプトン混合物のような希ガスで充填される。その結果、希ガスで充填された空洞内のライト間の分離距離は、ガスの浅い熱サイクルに応じて決まる。例えば、分離は、アルゴンの場合、およそ２分の１インチであり、クリプトンの場合、８分の３インチであり、キセノンの場合、４分の１インチということになる。

例えば、断熱空洞２４は、奥行きが４分の１インチと２分の１インチとの間に入り、隔板３２が対応するサイズにされることになる。さらに、典型的に、蓄熱空洞２６は、蓄熱空洞２６の奥行きを画定する外装ライト３８と４０との間の空間が１インチと４インチとの間に入り、隔板３４が対応するサイズにされるような大きさにされることになる。断熱空洞２４のサイズは、断熱値を最大化し、蓄熱空洞２６のサイズは、水性蓄熱容量を最大化する。

封止剤４２、４４は、空洞２４、２６の周囲に設けられている。封止剤は、例えば、一成分形シリコーン、二成分形シリコーン、ポリイソブチレン（すなわち、ブチルゴム）、ホットメルトブチル、ポリウレタン、多硫化物、及び、アクリルラテックスから製造される。これらの封止剤は、隔板３２、３４が硬い気密シールを作ることを可能にする。

図３を参照すると、蓄熱ユニット４６を断熱する３層ガラス窓であるさらなる開示実施形態が示される。より寒い天候のため設計されたＩＧＵは、ここでは、クリプトンなどで充填された２つの別個に密封された断熱空洞４８、５０を有し、一方の密封空洞は、ハイドロゲル５２で充填されている。

本実例では、第１の表面は、第１の断熱空洞内の第１の（外部）ライトの外部（環境）側表面であり、第２の表面及び第３の表面は、第１の断熱空洞内の互いに対向する表面であり、外部ライト及び第２のライトのそれぞれの部分であり、第４の表面及び第５の表面は、第２の断熱空洞内の互いに対向する表面であり、第２のライト及び第３のライトのそれぞれの部分であり、第６の表面及び第７の表面は、蓄熱空洞内の互いに対向する表面であり、第３のライト３８及び第４の（内部）ライトのそれぞれの部分であり、また、第８の表面は、内部ライトの内部（生活空間）側表面である。

比較して言うと、第１の断熱空洞は、外部空洞であり、第２の断熱空洞は、中間空洞であり、蓄熱空洞は、内部空洞である。さらに、第２のライトは、外部断熱空洞のための内部ライトであると共に、第２の断熱空洞のための外部ライトであることが認められるべきである。さらに、第３のライトは、第２の断熱空洞のための内部ライトであると共に、蓄熱空洞のための外部ライトである。

さらに、低放射コーティングは、第５の表面で使用されることになる。これは、放射熱損失を最小限に抑えることになり、低放射コーティングと直接的に熱接触している熱質量へ太陽エネルギーを効率的に伝達する。

２層又は３層窓枠ガラスが必要とされるかどうかは、状況に依存する。以下の「利得及び損失の図表」を参照すると、マサチューセッツ州ボストン市郊外で働いている発明者は、３年の冬に亘って、１２月、１月及び２月の主な暖房月間に、毎時１平方フィート当たり３０ＢＴＵとして、垂直南向き表面に当たる平均太陽エネルギーを測定した。これは、３０ＢＴＵが一晩中と曇りの時間帯とが含まれた時間に亘る平均であるので、明るいよく晴れた良い冬の日に関する前述した毎時１フィート当たり２５０から３００ＢＴＵの数量とは、非常に異なることに注意されたい。

この図表をさらに参照すると、発明者は、華氏６５度に暖められた空間と外気温との間の平均の温度差（デルタＴ）を測定した。同じこれらの月の間に、平均デルタＴは、華氏３８度であった。

これらの２つのデータ点、すなわち、太陽エネルギー入力とデルタＴとを使用して、発明者は、ガラス窓構成に対する最大の正味の正ＢＴＵ入力平均を最適化するために、数多くのガラス窓構成を解析した。解析の結果は、図表中の種々の「例」に列挙されている。

様々なガラス窓構成を表現する図表中に要約された種々の例に対し、ＳＨＧＣ及びＵ値は、「ウィンドウ（Window）５」、すなわち、９４７２０、カリフォルニア州バークレー市サイクロトロンロード１所在のカリフォルニア大学によって運営される米国エネルギー省の国立研究所であるローレンスバークレー国立研究所によって、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｌｂｌ．ｇｏｖ／に公開されたプログラムを使用して計算された。正味の太陽熱入力は、毎時１平方フィート当たりの上記平均３０ＢＴＵにＳＨＧＣを乗じたものである。熱損失は、ガラス窓Ｕ値を乗じた３８度「デルタＴ」を表す。正味とは、すべてが毎時１平方フィート当たりのＢＴＵの単位で獲得される、平均利得から平均損失を減じたものとみなされる。

以下は、獲得された全データの要約である。
利得及び損失の図表
様々な受動的ガラス窓オプションは、発明者によって記録されたようなマサチューセッツ州ボストン市の気候と、冬季月間：１２月、１月及び２月の平均である太陽熱入力南向き壁＝３０ＢＴＵ／平方フィート／時と、屋内対屋外のデルタＴ平均＝３８度とに基づいている。

上記要約図表を見ると、例１は、従来型の空気充填２層ガラス窓を含む図１に示した実施形態に類似している。この構成を用いると、毎時１平方フィート当たりに正味の正である４．２６ＢＴＵを予想できる。

例２は、図２に示された実施形態である。前述のとおり、この構成は、断熱空洞内の外部ライトのためのピルキングトン・オプティホワイトと、断熱ガス充填のためのクリプトンと、中間ライトのためのピルキングトン・エネルギー・アドヴァンテージの低放射被覆されたガラスと、蓄熱空洞の内部ライトのためのＰＰＧグレイライトガラスとを使用した。この構成を用いると、毎時１平方フィート当たり１３．２２ＢＴＵまでの増加が分かる。

例３では、もう１つの外部側断熱空洞を追加することにより３重ガラス窓が獲得された。これは、図３に示された構成である。例２と同じ構成であり、かつ、図２において基本ガラス窓として示された構成から始めて、付加された断熱空洞は、ピルキングトン・オプティホワイトの外部側ライトを追加し、付加された断熱空洞をクリプトンガス充填物で充填することによって獲得される。この空洞の追加は、正味の正を毎時１平方フィート当たり１４．７６ＢＴＵにさせた。

他方で、例４は、クリプトンガスに代えて空気が断熱空洞だけで使用されるとき、例２に対して実質的な不利な条件を表す。このような構成は、従来のトロンブ壁及び水壁の構成でみられたかもしれない構成に類似している。この構成では、正味の正は、毎時１平方フィート当たり１０．２６ＢＴＵまで低減される。

最後に、例５は、例３のガラス窓に類似した別の３層ガラス窓である。しかし、この構成は、例３において構成されているようなピルキングトン・オプティホワイトではなく、ピルキングトン・エネルギー・アドヴァンテージ低放射被覆されたガラスが、第２のライト、すなわち、図３において第３の表面及び第４の表面を有しているライトのため使用された点で例３の構成と相違する。構成の残りの部分は、例３の場合と同じである。その結果、この構成は、１つではなく、２つの低放射ライトを利用した。

例５の結果は、外部側断熱空洞の数を増加させるとき、蓄熱ユニットに熱的接続された単一の低放射ライトを使用することが最善であることを示す。ピルキングトン・オプティホワイトガラスなどが、断熱空洞に関する残りのガラス要求のため使用されるべきである。

図表から、熱質量への正味の太陽熱の入力は、例３で試験された３層ガラス窓の場合により大きいということが分かる。しかし、このような構成でＳＨＧＣが低減されると、熱質量への太陽放射の量が少なくなる。これは、蓄積される太陽熱を削減し、その結果、太陽熱から利用可能な戻りを削減する。さらに、例３における３層ガラス窓は、例２の２層ガラス窓と比較すると、より多くの隔板を持ち込み、これは、より多くの熱短絡を生成し、より多くのシールを持ち込み、これが故障へのさらなる道を生成する。

それにもかかわらず、非常に寒い環境では、Ｒ値の増加は、余分な外部側断熱空洞を追加する要因となることがある。前述のとおり、所定の状況に対して妥協案が最適化されるべきである。非常に極端な気候では、前述の妥協案を理解して、さらに多くの断熱層を外部に追加することが望ましい場合がある。あらゆる気候に対して最適な断熱層の数に帰着するために、マサチューセッツ州ボストン市の気候に関する前述されたような熱解析に従うことができる。

上記に開示された２層ガラス窓又は３層ガラス窓蓄熱システムは、第１のガラス窓の外部側で日除けと連結することができる。より暖かい月間に、日除けは、過剰な熱が熱質量によって吸収され、その後、生活エリアに伝わることを防ぐことになる。

このような実施のため適した外部日除けの実施例と、この日除けを製造する方法と、日除けを昇降するモータと、開示されたガラス窓、外部側日除け、及び、モータを収容する単一組立品とは、２００９年１１月１７日付けで本願出願人によって出願され、２０１０年５月２７日付けで国際公開第２０１０／０５９５８１号として公開された「スラットのある巻取りブラインド（Slatted Roller Blind）」と題する国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０６４６８２号明細書と、２０１０年４月１６日付けで本願出願人により出願された「巻取りブラインドを製造するためのプロセス及びシステム（A Process And System For Manufacturing A Roller Blind）」と題する米国仮特許出願第６１／３２５，１６９号明細書と、２０１０年５月２８日付けで本願出願人により出願された「任意で着脱が容易なスリップリングを含む、制限スイッチ無しのロータリーモータによって駆動される巻取りブラインド（Roller Blind Powered By Rotary Motor Without Limiter Switches, Optionally With A Quick-Release Slip-Ring）」と題する、米国仮特許出願第６１／３４９，６１０号明細書と、２０１０年６月８日付けで本願出願人により出願された「ダイナミック太陽熱利得制御を提供する建築用窓のための単一組立品（A Unitary Assembly For An Architectural Fenestration, Providing Dynamic Solar Heat Gain Control）」と題する米国仮特許出願第６１／３５２，６３２号明細書とにそれぞれ開示され、これらの特定された特許出願の１つずつの開示内容は、参照によって本願明細書に組み込まれる。

その結果、開示システムは、太陽熱利得原理を使用して内部空間のための補助熱を生成する。概観では、提供されているのは、２枚のガラスの間に設けられた、典型的なガラス窓空洞内に収容されている水性ゲルである。この空洞は、日中に太陽熱振れの中で利用できる過剰な利得を吸収し、後で使用するための太陽熱を保持し、次の２４時間の間に徐々に利得を返す能力がある。より具体的には、組み立てられたシステムは、すべてが従来的な密封ガラス窓の形をした１つ又は複数の断熱用の外側密封空洞と、蓄熱用の内側密封空洞との組み合わせを提供し、典型的な断熱されたガラス窓ユニットが今日されるように、ガラスが使用され、設置されることを可能にする。

このシステムの利点は、あらゆるタイプのガラス窓構成において現在使用される密封ガラス窓ユニットと同様に、１つの密封ガラス窓ユニットとして設けられるために、透光性又は透過性の熱吸収媒体と低放射断熱希ガス充填空間とを共に収容する、大型のガラス部品を提供することである。システムは、できる限り窓と類似するように設計されるので、このシステムは、広範囲の建築用途を提供する。開示実施形態の典型的な用途は、太陽熱利得が冬季に効果的に使用できるように、普通なら窓が取り付けられることになる赤道向きの壁にある日陰になっていない開口部である。

本発明は、発明の趣旨又は基本的な特徴から逸脱することなく他の具体的な形式で具現化されてもよい。記載された実施形態は、すべての観点で、単なる例示として見なされるべきであり、限定として見なされるべきではない。したがって、発明の範囲は、以上の詳細な説明ではなく、全体的又は部分的に請求項と請求項の組み合わせとによって示唆される。請求項の均等物の意味と範囲とに含まれるすべての変更は、発明の範囲に包含されるべきである。

Claims (41)

1. 建物の外部建築用開口部に配置するための太陽エネルギー収集器及び蓄熱装置であって、
   前記装置外部側に接した第１のライト、及び前記第１のライトから内部へ離間した第２のライトを含み、断熱空洞の奥行きを画定し、断熱ガスで実質的に充填されている断熱空洞と、
   前記第２のライト、及び前記第２のライトから内部へ離間した第３のライトを含み、前記断熱空洞の奥行きと少なくとも同じサイズである蓄熱空洞の奥行きを画定し、蓄熱媒体で実質的に充填されている前記蓄熱空洞と
   を備え、
   前記蓄熱媒体は、前記第２のライト及び前記第３のライトに粘着し、自立的であり前記蓄熱空洞内で形状を維持するような凝集特性を有するハイドロゲルであり、
   前記第２のライトの前記断熱空洞側に配置された低放射コーティングが、前記蓄熱媒体から外部への熱放射伝達を妨げる、
   太陽エネルギー収集器及び蓄熱装置。
2. 前記第２のライトは、第１のエッジ隔板によって前記第１のライトから離間し、前記第３のライトは、第２のエッジ隔板によって前記第２のライトから離間している、請求項１に記載の太陽エネルギー収集器。
3. 前記ハイドロゲルは、紫外線光の効果に比較的影響されない、請求項１に記載の太陽エネルギー収集器及び蓄積装置。
4. 前記断熱ガスは、希ガスである、請求項１に記載の太陽エネルギー収集器及び蓄熱装置。
5. 前記希ガスは、アルゴン、クリプトン、又はキセノンである、請求項４に記載の太陽エネルギー収集器及び蓄熱装置。
6. 前記第１のエッジ隔板及び前記第２のエッジ隔板の周りにシールを備える、請求項２に記載の太陽エネルギー収集器及び蓄熱装置。
7. 前記第１のエッジ隔板及び前記第２のエッジ隔板の周りの前記シールは、前記第１のエッジ隔板の周りの第１のシールと、前記第２のエッジ隔板の周りの第２のシールと、を備える、請求項６に記載の太陽エネルギー収集器及び蓄熱装置。
8. 前記蓄熱媒体は、光透過性である、請求項１に記載の太陽エネルギー収集器及び蓄熱装置。
9. 前記蓄熱媒体は、透明である、請求項８に記載の太陽エネルギー収集器及び蓄熱装置。
10. 前記蓄熱媒体は、前記第２のライト及び前記第３のライトに熱的に結合されている、請求項１に記載の太陽エネルギー収集器及び蓄熱装置。
11. 前記蓄熱媒体は、前記太陽スペクトルの前記赤外線領域内の太陽放射を熱エネルギーに変換する、請求項１に記載の太陽エネルギー収集器及び蓄熱装置。
12. 前記蓄熱媒体は、色付けされ、前記太陽スペクトルの前記赤外線領域内の太陽放射と、前記太陽スペクトルの前記可視領域内の太陽放射と、を熱エネルギーに変換する、請求項１１に記載の太陽エネルギー収集器及び蓄熱装置。
13. 前記蓄熱媒体は、色付けされ、前記太陽スペクトルの前記可視領域内の太陽放射を熱エネルギーに変換する、請求項１に記載の太陽エネルギー収集器及び蓄熱装置。
14. 前記蓄熱媒体は、相変化材料を含有する、請求項１に記載の太陽エネルギー収集器及び蓄熱装置。
15. 前記蓄熱媒体は、主として水とポリアクリル酸ナトリウムとで構成される、請求項１に記載の太陽エネルギー収集器及び蓄熱装置。
16. 前記第１のライトと前記第２のライトと前記第３のライトとのうちの１つ以上は、透明ガラス製である、請求項１に記載の太陽エネルギー収集器及び蓄熱装置。
17. 前記第１のライトは、０．７０以上の太陽熱利得係数を有する透明ガラスである、請求項１６に記載の太陽エネルギー収集器及び蓄熱装置。
18. 前記第２のライト及び／又は前記第３のライトは、色付けされている、請求項１に記載の太陽エネルギー収集器及び蓄熱装置。
19. 前記低放射コーティングは、約０．３以下の放射率を有する、請求項１に記載の太陽エネルギー収集器及び蓄熱装置。
20. 前記低放射コーティングは、前記太陽スペクトルの前記赤外線領域内の前記太陽放射の約０．５％から９９．５％を熱エネルギーに変換する、請求項１９に記載の太陽エネルギー収集器及び蓄熱装置。
21. 前記熱エネルギーは、前記蓄熱媒体へ伝達される、請求項２０に記載の太陽エネルギー収集器及び蓄熱装置。
22. 前記第１のエッジ隔板は、乾燥剤を含有する、請求項２に記載の太陽エネルギー収集器及び蓄熱装置。
23. 前記希ガスは、アルゴンであり、前記断熱空洞の前記奥行きは、約２分の１インチである、請求項５に記載の太陽エネルギー収集器及び蓄熱装置。
24. 前記希ガスは、クリプトンであり、前記断熱空洞の前記奥行きは、約８分の３インチである、請求項５に記載の太陽エネルギー収集器及び蓄熱装置。
25. 前記希ガスは、キセノンであり、前記断熱空洞の前記奥行きは、約４分の１インチである、請求項５に記載の太陽エネルギー収集器及び蓄熱装置。
26. 前記第１のエッジシールは、シリコーンと、ポリイソブチレンと、ホットメルトブチルと、ポリウレタンと、多硫化物と、アクリルラテックスとのうちの１つ以上から作られる、請求項７に記載の太陽エネルギー収集器及び蓄熱装置。
27. 前記第２のエッジシールは、シリコーンと、ポリイソブチレンと、ホットメルトブチルと、ポリウレタンと、多硫化物と、アクリルラテックスとのうちの１つ又は複数から作られる、請求項７に記載の太陽エネルギー収集器及び蓄熱装置。
28. 前記蓄熱空洞の前記奥行きは、前記断熱空洞の前記奥行きより大きい、請求項１に記載の太陽エネルギー収集器及び蓄熱装置。
29. 前記蓄熱空洞の前記奥行きは、前記断熱空洞の前記奥行きの少なくとも２倍である、請求項２８に記載の太陽エネルギー収集器及び蓄熱装置。
30. 前記蓄熱空洞の前記奥行きは、約１インチから約４インチまでの範囲である、請求項１に記載の太陽エネルギー収集器及び蓄熱装置。
31. 前記蓄熱空洞の前記奥行きは、最も好ましくは、約１インチから約３インチの範囲である、請求項３０に記載の太陽エネルギー収集器及び蓄熱装置。
32. 前記蓄熱空洞の前記奥行きは、約１インチである、請求項３１に記載の太陽エネルギー収集器及び蓄熱装置。
33. 前記蓄熱空洞の前記奥行きは、約２インチである、請求項３１に記載の太陽エネルギー収集器及び蓄熱装置。
34. 前記蓄熱空洞の前記奥行きは、約３インチである、請求項３１に記載の太陽エネルギー収集器及び蓄熱装置。
35. 前記第１のライトと前記第３のライトとは、個別に厚さが４分の１インチを超えない、請求項１に記載の太陽エネルギー収集器及び蓄熱装置。
36. 透光性である、請求項１に記載の太陽エネルギー収集器及び蓄熱装置。
37. 透明性である、請求項１に記載の太陽エネルギー収集器及び蓄熱装置。
38. 前記蓄熱装置の前記外部側に位置付けられ、第３のエッジ隔板と前記第３の隔板の周りの第３のシールとによって前記第１のライトから離間している第４のライトと、をさらに備える、請求項７に記載の太陽エネルギー収集器及び蓄熱装置。
39. 請求項１に記載の前記太陽エネルギー収集器及び蓄熱装置と、前記第１のライトの前記外部側に配置された日除けと、を備える組立品。
40. 前記日除けを昇降させるモータを備える、請求項３９に記載の組立品。
41. 前記組立品は、前記太陽エネルギー収集器及び蓄熱装置と、請求項に記載の前記日除けと、前記日除けのモータと、を収容する単一の組立品である、請求項４０に記載の組立品。

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