JP2015110900A - プリズムドーム及び円筒部を有する天窓用カバー - Google Patents

Abstract

【課題】プリズムドーム及び円筒部を有する天窓用カバーを提供する。
【解決手段】天窓用カバー２１が、複数のプリズム要素５４を具えて形成された上側のドーム部３８と、ドーム部３８の開いた周縁から下方に、光が通過できる開いた下端を終端とするよう延びる下側の円筒部３６とを有する。円筒形のプリズムリング４８は、円筒部の表面５０に接触するよう位置しており、光を屈折するよう構成されたプリズム５４を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、一般に、天窓用カバーに関する。

簡単に、米国特許第５，８９６，７１３号及び第６，０３５，５９３号に記載され、いずれも同じ譲受人が所有し、いずれもここで引用される管状の天窓が、ビルの屋根及び天井間に取り付けられたチューブアッセンブリを有する。チューブアッセンブリの上端は、屋根に取り付けたカバーによって覆われている一方、チューブアッセンブリの下端は、天井に取り付けたディフューザプレートによって覆われている。このような組み合わせとともに、ビルの外の自然光が、ビルの内部にチューブアッセンブリを通して導かれ、内部を照らす。

本発明は、カバーを通した光の伝送を最適化するよう認識され、プリズムがカバーに使用され、いずれも光のスループットを増加させ、１日中光のスループットを均一化させる。しかしながら、ここで認識されるように、プリズムの構成は、カバーの製造を過度に複雑化させるべきではない。

したがって、天窓アッセンブリが、少なくとも１の天窓シャフトとシャフトの上端を覆う天窓用カバーとを有する。カバーは、円筒部及び円筒部と一体に作製され円筒部から閉じた頂部に延びるドーム部を有する。ドーム部が、プリズムラインを具えて形成される。円筒形のプリズムリングが、円筒部の軸セグメントを取り囲む。

実施例では、プリズムリングが、リングの外面にプリズム溝を具えて形成されており、プリズム溝が軸部の内面に接触するよう位置している。溝はプリズムリングの軸に直交し、プリズムリングが軸部を完全に取り囲む。

必要に応じて、カバーの円筒部が、第１の軸部に隣接する第２の軸部を有しており、第２の軸部がプリズムリングに近接していない。ドーム部は球状であり、又はピラミッドといった任意の他の閉じた形式を仮定できる。

ある実施例では、ドーム部が、第１のプリズム要素及びドーム部の第１のプリズム要素に交互に並んでドーム部を取り囲む第２のプリズム要素を具えて形成される。第１のプリズム要素は、例えば、５８度といった第１のプリズム角を規定する一方、第２のプリズム要素は、例えば、６０度といった第２のプリズム角を規定する。

別の実施例では、天窓カバーが、開いた周縁、開いた周縁から離れた閉じた頂部、開いた周縁と閉じた頂部との間の総ての空間を囲む、それらの間の連続壁を規定する上側ドーム部を有する。複数のプリズム要素が、壁を全体的に取り囲む閉じた円として構成され、開いた周縁と平行に向いている。下側の中空の円筒部が、ドーム部の開いた周縁から下方に延びて、光が通過し得る開いた下端を終端とする。円筒形のプリズムリングが、円筒部の面に接触するよう位置する。プリズムリングは、光を屈折させるよう構成されるプリズムを有する。

別の実施例では、天窓が、上端及び下端を規定するチューブアッセンブリ、下端を覆うディフューザアッセンブリ、及び上端及び下端を光がチューブアッセンブリに通過できるカバーアッセンブリを有する。カバーアッセンブリは、プリズムを具えた上側のドーム及
びドームとチューブアッセンブリとの間を延びるプリズムを具えた下側の円筒を有する。

本発明のその構造及び機能に関する詳細が、類似する番号が類似するパーツに関する添付図面を参照して、最も良く理解されるであろう。

図１は、カバーの周囲を示す非限定的な天窓の一例の部分的な断面を示す側面図である。 図２は、図１のライン２−２に沿って視たカバーの断面図である。 図３は、図１のライン２−２に沿って視た、カバーのドーム部の一実施例の壁のセグメントの詳細な断面図である。 図４は、図２の円４−４で示す、ドーム部の詳細である。 図５は、図２の円５−５で示す、円筒部の詳細である。

初めに図１を参照すると、本発明に従って作製された全体として１０で示す、太陽光で室内１２を照らすための管状の天窓を示しており、室内１２は全体として１６で示すビルの天井の乾式壁１４を有する。図１は、ビル１６が屋根１８並びに、屋根１８及び天井の乾式壁１４を支持する１又はそれ以上の梁２０を有することを示す。

図１に示すように、天窓１０は、硬質プラスチック又はガラス製の屋根に取り付けるカバー２１を有する。カバー２１は任意に光を透過し、好適には透明なものである。カバー２１は、さらに以下で説明する。

カバー２１は、当技術分野で周知の手段によって屋根１８に取り付けられたリング状の金属製雨押さえ２２（ｆｌａｓｈｉｎｇ）によって屋根１８に取り付けられている。金属製雨押さえ２２は、屋根１８の傾斜（カント）に適した角度をなし、図示するように略垂直に直立するカバー２１に係合しこれを保持し得る。

図１にさらに示すように、全体として２４で示す内部で反射する中空の金属シャフトアッセンブリが、雨押さえ２２に結合している。アッセンブリ２４の断面は、円筒形、矩形、三角形等とし得る。したがって、「チューブ」という用語を本明細書で時として使用する一方、本発明の原理を正確な意味において限定すべきではないことが理解されよう。

シャフトアッセンブリ２４が室内１２の天井１４に延びている。本発明によって、シャフトアッセンブリ２４が、シャフトアッセンブリ２４に入る光を全体として２６で示す、室内１２に配置され上記の’５９３特許に示すように天井１４又は梁２０に取り付けられる下方の光拡散アッセンブリに向ける。

シャフトアッセンブリ２４は、アルミニウム合金又は鋼といった金属でできており、又はシャフトアッセンブリ２４は、プラスチック又は他の適切な材料でできている。シャフトアッセンブリ２４の内部は、例えば、電気めっき、陽極酸化処理、金属化プラスチックフィルムコーティング、又は他の適切な手段によって、反射型とされる。

一実施例では、シャフトアッセンブリ２４が１つのシャフトによって構成される。しかしながら、図１に示すように必要に応じて、シャフトアッセンブリ２４が複数のセグメントを有しており、そのそれぞれが本原理にしたがって内部反射する。特に、シャフトアッセンブリ２４は、雨押さえ２２に係合しカバー２１によって覆われる上部シャフト２８を有する。また、シャフトアッセンブリ２４は、上部シャフト２８に隣接し必要に応じてそれに対してＬ字継手３１においてある角度に曲げられる上部中間シャフト３０を有する。
さらに、シャフトアッセンブリ２４は、シャフトアッセンブリ２４の熱応力を吸収するために上部中間シャフト３０に摺動可能に係合する下部中間シャフト３２を有する。そして、下部シャフト３４が下部中間シャフト３２に隣接しており、Ｌ字継手３５で下部中間シャフト３２に結合し、下部シャフト３４の底部がディフューザアッセンブリ２６によって覆われている。Ｌ字継手３５は、シャフトアッセンブリ２４が、屋根に取り付けるカバー２１を天井に取り付けるディフューザアッセンブリ２６に結合するように、ビル１６に適した角度をなす。シャフト間の特定のジョイントを機械的に締めることができ、当技術分野で既知の原理にしたがってテープで覆うことができることが理解されよう。

図２に示すように、カバー２１が円筒部３６及びドーム部３８を有する。ドーム部３８は、円筒部３６と一体に作製され、開いた周縁４０からこの周縁４０から離れた閉じた頂部４２に延びており、連続壁４４を形成する。ドーム部３８は球状であり、又はピラミッド形といった任意の他の閉じた形式を仮定する。円筒部３６は中空であり、開いた周縁４０から下方に延びており、光が通過し得る開いた下端４６を終端とする。

また、カバー２１は、円筒部３６の軸部５０を囲む円筒形のプリズムリング４８を有する。ある実施例では、このプリズムリング４８は円筒部３６と一体ではない。プリズムリング４８を含む実施例では、プリズムリング４８が、ドーム２１の円筒部３６全体によって囲まれている。代替的に、図２に示すように、プリズムリング４８が、円筒部３６の第１の軸部５０によって囲まれているが、第１の軸部５０に隣接する第２の軸部５２によって囲まれていない。

ドーム部３８は、全体として５４で示すプリズム要素で形成されており、これは、ドーム部３８にエッチングし、成型し、又はそうでなければ一体となった、又は取り付けられたプリズムラインである。プリズム要素は、カバー２１の外側からやって来る光を捕らえ、それを下方に向けて開いた周縁４０を通し、一方又は双方を有する実施例では円筒部３６及びプリズムリング４８を超えて、チューブアッセンブリ２４の中に集束することによって、光のスループットを増加させる。プリズムライン５４は、開いた周縁４０と平行に向いており、同心円状にドーム部３８を全体的に囲む。例とするプリズムライン５４を以下に詳細に示す。

ある実施例では、プリズムリング４８自身が、光を屈折させるよう構成される全体として５６で示すプリズムを担持する。これらのプリズム５６は、プリズムリング４８の外面５８にプリズム溝５６を具えており、リングが平坦な構成のときに真っ直ぐになることで、リング４８が図示するような円筒形態に曲げられると円を形成する。プリズムリング４８の外面５８は、円筒部３６の軸部５０の内面６０に対向するよう位置している。プリズム溝５６はプリズムリング４８の軸に直交し、すなわち、開いた下端４６に平行であり、又はそうでなければこれに配向している。これらのプリズム５６は、ドーム部２１の外側から光を捕らえチューブアッセンブリ２４の中に向けて下方に光を集光する点で、ドーム部３８の実施例のプリズム要素と同様であり、これにより、光のスループットを増加させる。

図３は、ドーム部３８の壁４４の一実施例の一部の断面を詳細に示しており、壁４４がプリズム要素５４で形成される。この実施例では、壁４４の内面６０が複数のプリズム要素５４で形成される。総てのプリズム要素５４が、全体として６２で示す同じプリズム角を有するが、代替的な実施例では、総てのプリズム要素５４が同じプリズム角６２を有するわけではない。図３は、後者のタイプの実施例の１つを示す。この実施例では、ドーム部３８の壁４４が、第１のプリズム要素５４ａ及び第１のプリズム要素５４ａと交互に配置される第２のプリズム要素５４ｂで形成される。第１のプリズム要素５４ａは、例えば５８度といった第１のプリズム角６２ａを規定する一方、第２のプリズム要素５４ｂは、
例えば６０度といった第２のプリズム角６２ｂを規定する。しかしながら、外側ドーム面の勾配に応じて、他のプリズム角を使用できる。ドーム部の外面を曲面とし得る。

図４及び５は、それぞれ、ドーム部及び円筒部に関する所定の太陽高度に関する角度のさらなる詳細を示す。

上記を留意すると、本原理の実施例が、太陽光の収集に関する高い効果的領域を保持するとともに、天窓カバーの円筒部を湾曲又は鋭くすることなしに、高い複屈折角を与えることが明らかである。上記の例は、他の天窓カバーよりも製造するのに比較的あまり複雑ではなく、広範囲のプリズム角が可能となる。

さらに、ドーム及びプリズムリングのプリズム角又はプリズム角が、光を下方に捕らえて屈折させることが望ましい太陽高度放射の範囲を最大限にする、太陽に対する入射角を与えるよう構成されることが明らかである。また、光が進むのに望ましい場所に基づいて、第２の表面屈折又は屈折に対して適切な入力角を与えるよう構成できる。これは、空気／ポリマー（低／高屈折率）界面によって促進される。このようなドーム及びプリズムリングを、１つの屈折率のポリマーとして製造でき、プリズムリングをより高い屈折率を具える別のポリマーに共押し出し又はこれにキャストできる。また、得られる第２の界面は、さらなる光の屈折率を与える。プリズムリングの平らな／平坦な内面が、ポリマー／空気（高／低屈折率）界面により、下方に光を屈折させ続けることができる。

様々な形状（正方形、多面体、楕円形等）のドームとともに円筒部を使用して、低角度の太陽光を捕らえることができる。適切な透明ポリマーを用いて、０．９：１よりも大きいアスペクト比（水平方向の開口に対する垂直方向の高さ）を達成できる。

低い太陽高度の場合に天窓の開口を増加させることに関する効果に加えて、より高い太陽角度で有効な開口を減らし、あるスペースの過度の照射且つ過熱を防ぐよう円筒部を構成し得る。以下の表は、２つの異なるプリズム角を用いた本概念を示す。図５に５０度の実施例を示す。より高いプリズム角（７０度）の実施例により、最大６０度の太陽高度まで太陽光がチューブに入射し得る一方、５０度の実施例は、５０度の太陽高度への太陽光の収集を規制する：（地平面からのプリズム角）

太陽高度（度） ５０°のプリズム角 ７０°のプリズム角
２０ ４２° ３１°
３０ ５５° ４２°
４０ ７４° ５５°
５０ ＴＩＲ ７２°
６０ ＴＩＲ ＴＩＲ
ＴＩＲは、内部で全反射し、すなわち、光がドームからチューブ／天窓に入らないことを示す。

このような円筒形ドームの上部は、クリアーなドーム又は可変のプリズム概念構成を具えたプリズム式ドームとし得る。クリアーなドームの適用例が、頭上の太陽光のより高い透過及び開放空気への大きな開口により、高い乱反射の気象条件で効果的である。さらに、プリズム式ドームは、高い初期屈折角に関する広いベースにより、太陽光の直接光を集める点で円筒形ドームを改良させる。

また、円筒部の形状は変わり、平行な側面に依存しない。このため、円筒部の壁は、厳密な円筒形であり又は基部から内側又は外側にわずかにテーパが付いており、複数のドームが入れ子になっているため、よりコンパクトな包装が可能となり輸送の際に場所をあま
り取らない。

したがって、円筒部が、垂直／略垂直面に光を集め、集光に関する非常に大きいアスペクト比を与える。ドーム内部にプリズムを作製する代わりに、上記のプリズムリングを都合良く使用して、ドームの直径／収集領域を減らすことなしに、下方に光を屈折させることができる。プリズムリングの平坦な背面が、高屈折率から低屈折率への結合により、優れた下方への屈折を与える。１．４９乃至１．６５の範囲の屈折率を具えた可塑性ポリマーを用いることで、０．９を超えるアスペクト比を具えるドームの円筒部を構成できる。

従来のクリアーなドームに対する本実施例のコンピュータシミュレーションによる比較を以下に示すが、これは、様々な太陽高度において、クリアーな２１インチの直径の開口で集められる太陽光の（管腔内の）量を、同じ直径で２３インチの高さを備えた本実施例と比較するものである。

太陽高度（度） クリアーなドーム 実施例のドーム
２０ ６８５０ １３８８０
３０ ９７９０ １５８４０
４０ １３８３１ １７１５０
５０ １５６７０ １２７５０
６０ １８２８０ １０４８０
７０ ２００３０ ７２７０

上記のように、低太陽高度における光収集における都合良い大幅な増加が、正午付近のより高い太陽高度における光／熱の都合良い減少とともに達成される。従来の天窓カバーに対するさらなる効果は、チューブの下方への比較的少ない屈折を含むものであり、これによりロスが少なく、チューブの基部のディフューザに対するより小さい入射角により、より高い光透過性能を実現し、１日中より均一な量の照明を実現する。

特定のプリズムドーム及び円筒部を有する天窓用カバーをここに詳細に示したが、本発明に包含される発明の内容は、特許請求の範囲のみによって限定されることが理解されよう。

Claims (20)

1. 太陽光収集システムであって、
   自然光をビルの中に向けるよう構成された少なくとも１の内部反射する中空のシャフトアッセンブリと；
   前記ビルの屋根に取り付けられ、前記中空のシャフトアッセンブリの上端を覆うよう構成された透明のカバーと；
   を具え、
   前記カバーが、前記中空のシャフトアッセンブリに向けて太陽光を屈折させるよう構成され、前記カバーが：
   前記屋根からある鉛直高さに配置されたプリズム状の上部カバー部と；
   前記屋根と前記プリズム状の上部カバー部との間に延在する略鉛直部と；
   前記透明のカバーの前記略鉛直部の中に配置された１又はそれ以上のプリズム要素と；を具えることを特徴とするシステム。
2. ビルの屋根の少なくとも一部を覆い、前記ビルの屋根に取り付けられた場合に、集光基部の開口を通して前記ビルの中に自然光を向けるよう構成された少なくとも部分的に透明な集光装置であって、前記装置が：
   鉛直又は略鉛直の集光面を有する第１のカバー部であって、第２のカバー部が前記第１のカバー部の上端の上方に配置されたときに前記第２のカバー部を支持し、前記鉛直又は略鉛直の集光面に入射する自然光を屈折させて、屈折した自然光の大部分を集光基部の開口を通して第１のカバー部の下端に向け得るよう構成され、前記第２のカバー部と前記集光基部の開口との間に延在する鉛直高さを有し、前記第１のカバー部の前記鉛直高さの前記集光基部の開口の幅に対するアスペクト比が、０．９：１よりも大きい、第１のカバー部と；
   前記第１のカバー部の前記上端の上方に配置可能な第２のカバー部と；
   を具えており、
   前記集光装置が、前記装置がビルの屋根の開口の上に設置されたときに、前記ビルの中に自然光を向けるよう構成されていることを特徴とする集光装置。
3. 前記第２のカバー部が、略ドーム形であることを特徴とする請求項２に記載の集光装置。
4. 前記第１のカバー部の前記鉛直高さの前記集光基部の開口の幅に対するアスペクト比が、１．１：１であることを特徴とする請求項２に記載の集光装置。
5. 前記第１のカバー部が、略円筒形を有することを特徴とする請求項２に記載の集光装置。
6. 前記第１のカバー部が、前記第１のカバー部の基部から内側又は外側にテーパが付いていることを特徴とする請求項２に記載の集光装置。
7. ビルの屋根の少なくとも一部を覆い、前記ビルの屋根に取り付けられた場合に、集光基部の開口を通して前記ビルの中に自然光を向けるよう構成された少なくとも部分的に透明な集光装置であって、前記装置が：
   鉛直又は略鉛直の集光面を有する第１のカバー部であって、第２のカバー部が前記第１のカバー部の上端の上方に配置されたときに前記第２のカバー部を支持し、前記鉛直又は略鉛直の集光面に入射する自然光を屈折させて、屈折した自然光の大部分を集光基部の開口を通して第１のカバー部の下端に向け得るよう構成された第１のカバー部と；
   前記第１のカバー部の前記集光面の少なくとも一部に接して配置され、前記第１のカバ
   ー部を通して伝わる光を屈折させるよう構成された下部プリズム要素と；
   前記第１のカバー部の前記上端の上方に配置可能であり、上部プリズム要素で形成された第２のカバー部と；
   を具えており、
   前記集光装置が、前記装置が前記ビルの屋根の開口の上に設置されたときに、前記ビルの中に自然光を向けるよう構成されていることを特徴とする集光装置。
8. 前記下部プリズム要素が、前記第１のカバー部の軸部に接することを特徴とする請求項７に記載の集光装置。
9. 前記下部プリズム要素が、略円筒形であることを特徴とする請求項７に記載の集光装置。
10. 前記下部プリズム要素が、前記第１のカバー部の第１の軸部に接するが、前記第１の軸部に隣接する第２の軸部には接していないことを特徴とする請求項７に記載の集光装置。
11. 前記下部プリズム要素が、１．４９乃至１．６５の範囲の屈折率を具えた可塑性ポリマーでできていることを特徴とする請求項７に記載の集光装置。
12. 前記下部プリズム要素が、平坦な背面を有することを特徴とする請求項７に記載の集光装置。
13. 前記下部プリズム要素が、前記軸部の内面に接するよう設けられた、前記要素の外面に形成されたプリズム溝を有することを特徴とする請求項７に記載の集光装置。
14. 前記溝が、前記集光基部の開口と平行であることを特徴とする請求項１３に記載の集光装置。
15. 前記上部プリズム要素が、複数のプリズム要素で形成されることを特徴とする請求項７に記載の集光装置。
16. 前記上部プリズム要素が、第２のプリズム要素と交互に並んだ第１のプリズム要素を有しており、
    前記第１のプリズム要素が第１のプリズム角を規定し、前記第２のプリズム要素が前記第１のプリズム角とは異なる第２のプリズム角を規定することを特徴とする請求項７に記載の集光装置。
17. 前記第１のプリズム角が５８度で、前記第２のプリズム角が６０度であることを特徴とする請求項１６に記載の集光装置。
18. ビルの屋根の少なくとも一部を覆い、前記ビルの屋根に取り付けられた場合に、集光基部の開口を通して前記ビルの中に自然光を向けるよう構成された少なくとも部分的に透明な集光装置であって、前記装置が：
    鉛直又は略鉛直の集光面を有する第１のカバー部であって、第２のカバー部が前記第１のカバー部の上端の上方に配置されたときに前記第２のカバー部を支持し、前記鉛直又は略鉛直の集光面に入射する自然光を屈折させて、屈折した自然光の大部分を集光基部の開口を通して第１のカバー部の下端に向け得るよう構成され、低い太陽高度で自然光の大部分を受け取るよう構成された第１のカバー部と；
    前記第１のカバー部の中に配置可能であり、前記第１のカバー部を通して伝わる自然光の少なくとも一部を前記集光基部の開口に向けるよう構成されたプリズム要素と；
    前記第１のカバー部の前記上端の上方に配置可能な第２のカバー部と；
    を具えており、
    前記集光装置が、前記装置が前記ビルの屋根の開口の上に設置されたときに、前記ビルの中に自然光を向けるよう構成されており、
    ２０度の太陽高度で前記集光装置によって前記集光基部の開口を通して向けられる太陽光の光束が、４０度の太陽高度で前記集光装置によって前記集光基部の開口を通して向けられる太陽光の光束の８０％以上であることを特徴とする集光装置。
19. 前記第１のカバー部が、前記ビルの内部の空間の過度の照射且つ過熱を防ぐために、高い太陽高度で自然光に対する有効な開口を減らすよう構成されていることを特徴とする請求項１８に記載の集光装置。
20. 前記第１のカバー部が、前記第２のカバー部の収集領域を減らすことなしに、下方に光を屈折させるよう構成されていることを特徴とする請求項１８に記載の集光装置。

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