JP2015502580A - 光方向転換デバイス - Google Patents

Abstract

本発明は、直射日光３１を建物内へと方向転換し集中させる光方向転換デバイス１に関する。ｘｙ平面における実質的に平らな上面１０と、実質的に平らな底面１４とを有し、上面１１と底面１４とは、ｘ軸について互いに対し角度αで配置される、少なくとも１つの透明要素１０と、平面を持った、各透明要素１０用の光反射器２０とを、前記デバイスは含む。光反射器２０の平面は、透明要素１０の底面１４に実質的に平行にかつ隣接して配置され、反射面は、デバイスに入射する光３１が各材料遷移界面によって屈折され、また、反射要素２０によって反射されるように、透明要素１０よりも低い屈折率を有する透明媒体によって、透明要素から離間１２されている。本発明は更に、上記の請求項の何れか一項に記載のデバイス１を使用して直射日光３１を建物内へと方向転換し集中させる方法に関する。当該方法は、デバイスの端のうちの１つを建物の壁又は窓４０に隣接させて、正午の直射日光３１に対し実質的に垂直にデバイス１を配置するステップを含む。

Description

本発明は、概して、日光を建物内へと方向転換して集束させるデバイスに関する。より具体的には、本発明は、直射日光を建物内へと方向転換して集中させる光方向転換デバイスに関する。本発明は更に、日光を建物内へと方向転換して集束させる方法に関する。

幾つかの理由によって、建物内の照明を与えるために日光を可能な限り使用することが望ましい。１つの理由は、電気エネルギーを節約し、これにより、環境を二酸化炭素から守る点である。これは、多くの、又は、今日では、ほとんどの世界中で生成される電気エネルギーは、何らかの種類の燃焼から来るものだからである。

もう１つの理由は、日光は、多くの場合、人間にとって、電気的な照明よりも望ましいという点である。これは、研究においてだけでなく、人間行動の観察及びオフィス空間の配置においても示されている。建物内に日光を受け入れる窓は、眺めや、当該窓が提供する野外とのつながりのために重要である。日光は更に、その品質、分光組成及び可変性も重要である。屋内の日光は、よく見えるようにすること、及び、環境的な刺激を経験するために望まれる。電気的な照明において長時間にわたって働くことは、健康に影響を及ぼす場合がある一方で、日光を使用して働くと、ストレス及び不快感が少なくなると考えられている。日光は、高照度を提供し、優れた色識別及び演色を可能にする。しかし、日光は、グレアによって不快感につながる場合もある。

したがって、グレアが回避されるのであれば、建物内に日光を分配することが望ましい。日光を分配する従来の方法は、ガラスの窓を有し、可視日光にその窓を通過させ、窓の内側の部屋を照明させる方法である。直射的過ぎる又は明る過ぎる日光によってグレアが生成される場合、従来では、入射日光の一部を吸収又は反射するためにシェードが使用され、これにより、室内の光を低減させてきた。この場合の問題点は、室内に送られてくる光の量が、しばしば、十分となるには少な過ぎて、これを補うために、電気的な照明が使用されなければならない点である。グレアを減少させるもう１つの方法は、曇りガラス又は構造化されたガラスを窓に使用して入射光を全方向に散乱させる方法である。しかし、この解決策では、強い日光では、依然として過剰な量のグレアが生成される。散乱面は、窓の透明性も下げてしまうため、眺めを見るのには役に立たなくなる。

グレアを減少させるもう１つの解決策は、例えば窓の中にプリズムを配置することによって入射光の一部を部屋の天井に向けて方向転換する方向転換面を窓の全体又は一部に設けることである。光の方向転換のためのプリズム構造体だけでなく、（時間的に変化する）直射日光の最適光方向転換用の二重回転プリズム構造体もよく知られている。例えば米国特許第５７２９３８７号を参照されたい。プリズムの使用も、窓を通して見る可能性を低減又は駄目にしてしまい、眺めを見るという窓の機能に影響を及ぼす。窓にプリズムを使用するもう１つの問題点は、太陽の移動に追随するようにプリズムの能動的移動が達成されなければ、太陽の角度が一日の間に変わるにつれて、天井の照明が変化する点である。

建物内の一部の部屋は、広いために、窓からの光がすべての部分に届かず、また、建物の奥にある一部の部屋は、日光を通すために野外に通じる壁がない。このような場合によって、建物の奥まで光を運ぶ光ファイバ又は光ダクトを使用するシステムが開発されてきている。光ダクトは、強反射性の内壁を有する管である。光ダクトのシステムは、例えば国際エネルギー機関（ＪＥＡ）によって出版されている原典「Daylight In Buildings」に示されている。これらのシステムでは、ダクトの集光側に、しばしば、通常太陽に対し好都合な角度に配置されている集光光学部品が具備されている。しかし、集光システムは、美的側面からみると大きすぎて好適ではなく、建築家から敬遠される要因となる。嵩張る構造は更に、建物に望まれる他の備品の邪魔になってしまうことがある。

したがって、窓及び光ダクトを介して日光を建物内に効率的に方向付ける一方で費用を抑え、人、特に建築家が使用したくなるように魅力的又は十分に離散的である解決策をもたらす、より効率的な方法が必要である。

本発明は、現状の技術を改良し、上記の問題を解決し、日光を建物内へと方向転換して集束させる改良型デバイスを提供することを目的とする。

これらの及び他の目的は、例えば建物の奥へ運ぶことができる直射日光を方向転換し集中させる光方向転換デバイスによって達成される。当該デバイスは、ｘｙ平面において実質的に平らな上面と、実質的に平らな底面とを有し、上面と底面とは、ｘ軸について互いに対し角度αで配置される、少なくとも１つの透明要素と、平面を持った、各透明要素用の光反射器とを含み、当該光反射器の平面は、透明要素の底面と実質的に平行かつ隣接して配置され、当該反射面は、デバイスに入射する光が各材料遷移界面によって屈折され、また、鏡面反射する反射面によって反射されるように、透明要素よりも低い屈折率を有する透明媒体によって、透明要素から離間されている。したがって、入射光は、透明要素を介して運ばれ、透明要素の底面によって屈折され、透明媒体を介して運ばれ、反射面によって反射され、透明媒体を介して運ばれ、透明要素を介して運ばれ、透明要素の表面によって屈折される。材料遷移界面は、例えば、反射媒体と透明要素との間の間隙から透明要素への空気−誘電体遷移である。

方向転換デバイスに、４回の屈折の発生、即ち、光が透明要素を通過する片道につき２回と、反射要素における１回の反射とを与えることによって、入射光は、入射角から大きく偏向され、これにより、水平方向に平面のデバイスがもたらされ、また、垂直に入射する日光をほぼ水平方向に方向付けることが可能となる。方向転換された光は、当該方向転換された光が、入射光及び方向転換デバイスの上部の面積よりも小さい断面積を有するという点で、集束もされる。この配置は更に、光の出射角を、日中の太陽の入射角変動に対し非常に無反応にする。例えば、窓の上部に当該デバイスを日よけ板として有する場合、入射光は、窓の内側の部屋の天井に向かって方向転換されて、太陽の動きによる入射光の角度の変化にも関わらず、１日中、実質的に同様に照明することができる。デバイスは、非常に薄く作ることも可能である。これは、透明要素及び光反射器を小型に作り、また、列を成すように多数を作ることができるからである。窓の表面の水平方向では、透明要素及び光反射器は、それぞれ、方向転換デバイスの長さと同じである。透明要素及び光反射器は、列に置かれるため、１つの透明要素を介して運ばれ、光反射器において反射される入射光は、次の列の透明要素を介して運ばれることは理解されよう。

提案されているデバイスが上記の通りに働くためには、角度αが、透明要素の上部側を介して光線が出射するように十分に小さくなければならないことが理解されよう。また、直射日光の角度は、ｘ軸の周りだけでなく、ｙ軸の周りでも変動すること、正確な角度は使用を意図する場所の許容度に依存する最適化である理由、及び上記のデバイスのｙ軸が取り付けられる方向（南、西等）も考慮されなければならない。したがって、様々な地域別市場に対し及びｙ軸の方向に関する様々な取付け位置に対し、本発明のデバイスの多数の様々なモデルがある可能性が高い。

日光の集光及び移送は、本発明のデバイスにおいて提案されているように、光学的に透明な媒体内の全反射（ＴＩＲ）を介して、又は、鏡面反射金属面を介して、行われる。反射面は、日光のような散光の相当に大きい部分を運ぶため、ＴＩＲよりも有益である。更に、そのほぼ平らなスペクトル吸収によって、運ばれた光の色温度は、日光の色温度に非常に近いままとなり、その結果、つながりの印象を高める。

方向転換デバイスは薄く作ることが可能であるため、また、プレート又はシートの形を有するため、従来技術と同程度に、当該デバイスが取り付けられる建物の外部デザインに影響を及ぼすことなく使用するのに魅力的であるのに十分に離散的である。したがって、例えば厚さが数ミリメートルから数センチメートルであるといったように、プレートを可能な限り薄くする一方で、構造の安定性を依然として維持することが好適である。

反射面と透明要素との間の間隔は、空間に汚れが入ることを回避するために密閉され、１．１以下の屈折率を有する透明媒体で充填されることが好適である。透明媒体は、例えば空気又は窒素といった気体であることが好適であるが、真空であってもよい。透明媒体は、透明要素よりも低い屈折率を有する任意の媒体であってよい。説明される光方向転換及び集中デバイスは、それらの上面が同じ幾何学的平面にあり、列を成して配置される複数の透明要素と対応する光反射器とを含むことが好適である。この場合、上面は、結合された上面を有するように製造されてよい。透明要素は、三角プリズム、又は、その先端が切り取られた三角プリズムであってよい。

角度αは、当該デバイスを使用して光の所望の全体的な方向転換をもたらすように選択され、例えば７乃至２７度であり、好適には１２乃至２２度である。選択される正確な方向は、当該デバイスが取り付けられる予定の建物の許容度に依存する。更に、そのｘｙ平面が取り付けられる方向、即ち、建物のどの壁であるかに依存して、デバイスの最適化されたバージョンを有することも可能である。

透明要素は、例えば３００ｎｍ乃至１０００ｎｍの範囲内の光である可視光に対し透明であることが好適である。違う色の方向付けられる光が所望される場合、透明要素は、照明色用に所望される放射領域に対し透明である材料から作られてもよい。

透明要素は、１．３乃至１．７の範囲内、好適には１．４乃至１．６の範囲内の屈折率を有し、ガラス又はプラスチック材料で作られることが好適である。底部側に構造を有する、デバイスのプレート状の上部部分を形成する、合わされた屈折率を有するプラズマ構造は、例えば、モールド成形されるか又はレーザを使用してプレートから切り出され、これにより、上記の通りの正確な構造が生成される。

光は、透明要素の端において４回屈折されるので、フレネル損失による光の損失が、通常、各屈折において約４％生じる。これは、合計で１６％の屈折による光の可能な損失となる。この損失を減少させるには、透明要素の複数の表面、又は、複数の表面のうちの少なくとも１つが、反射防止コーティングでコーティングされてもよい。反射防止コーティングは、グレージング透過率角度（glazing transmittance angle）のために最適化されることが好適である。

提案されているデバイスの反射要素は、可視光用の鏡である。光反射器も、透明部品と同様に、１つの部品に製造されることが好適である。しかし、光反射器は、その構造化された側面、即ち、透明要素に面した上部側は、デバイスによって方向転換されるべきすべての光放射波長に対し反射性であるように作られなければならない。これは、例えばアルミニウム若しくは銀といった金属、任意の他の反射性金属、又は金属合金といった反射性の高い材料で表面をコーティングすることによって成される。これは、光反射器全体を、反射性の高い材料で作ることによっても達成される。

透明要素の上面のｘｙ平面は、建物の壁に取付けられた場合に審美的であるように水平面に実質的に等しいことが好適である。光反射器の底部側の構造の形状は、本発明には重要ではないが、デバイス全体に、平行な平面を有するプレート、フィルム又はシートの見掛けを与えるために、同様に平らであることが好適である。

取り付けられた本発明のデバイスは、その外側には当該デバイスが取り付けられている窓の内側の部屋の天井に、光を方向付ける。しかし、デバイスは、平らな上面のｙ方向に配置された光ダクト内へ光を方向転換してもよい。光ダクトは、任意の断面を有し、反射性の内面を有する円筒管であってよい。光ダクトは、窓で実際に可能である範囲よりも建物のより奥へと光を運ぶことができる。本発明の方向転換デバイスからの方向転換された光は、日中、実質的に一定の出力角を有するので、光ダクトからの配光は、日光がほぼ一定している限り、日中、実質的に一定となる。光ダクト内の移送は、光移送のための他の解決策（例えば光ファイバ）のように、誘電体媒体を介する導波に基づいていないため、この解決策は、日光の演色及び色温度を変化させてしまうスペクトル吸収をもたらさない。

本発明は更に、上記のデバイスを使用して、直射日光を建物内へと方向転換し集中させる方法に関する。当該方法は、当該デバイスの端のうちの１つを建物の壁又は窓に隣接させて、実質的に水平方向に当該デバイスを配置するステップを含む。当該方法は更に、水平な光ダクトを、光ダクトの集光開口が当該デバイスによって方向転換された光を集光し、当該光ダクトの端から出る光が建物の内部を照明するように、建物の壁又は窓内に配置するステップを含む。

当然ながら、上記のデバイスによって達成される利点と同じ利点が、本発明の方法によって達成される。

本発明の一実施形態によれば、当該方法は更に、当該デバイスを、壁又は窓に対して旋回可能に配置するステップと、太陽の角度に追随するように壁又は窓に向かうデバイスの上面の角度を調節し、これにより、常に、デバイスによって方向転換される光の量を最適化するステップとを含む。

本発明のデバイスは、太陽の位置、したがって、入射光の角度に関係なく、日光を実質的に同じ方向に方向転換するように構築されているが、一部の場合では、太陽の動きに追随するようにプレートを幾分旋回させることが依然として好適である。このことは、例えば光が非常に細い光ダクト又は通路内へと、デバイスを使用して方向転換される場合、又は、例えば光を光起電要素に投影するといった他の理由のために光方向転換デバイスが使用される場合に望まれることがある。

提案されている集光システムは、上記の通り、光を効率的な光ダクト内へと方向転換して建物内へと更に運ぶか、又は、窓を介して、室内に直接光を分配する。第１の場合では、更なる移送のために方向転換を最適化しなければならないが、これは、可能な限り光線を光ダクトの方向に平行に方向転換することを意味する。最適化は、角度αを調節することによって行われる。第２の場合では、光は、室内の配光が最適であるように、即ち、ホットスポット又はグレア効果を最小限にするように方向転換されなければならない。これは、第１の場合よりも非常に異なる光線の方向転換につながる。透明要素だけでなく反射器の表面パターンの正確な形状は、このような様々な要望に見合うように最適化される。

透明表面及び光反射器の平面は、光方向転換デバイスが窓のすぐ内側の天井の照明に使用される場合は、グレアを減少させるように僅かに湾曲されるか又はランダムに変形されていてもよい。

プレート又は本発明の方向転換デバイスを作り上げる方向転換構造体の最適な方位は、地球上の場所に非常に依存する。北の国々では、デバイスは、ファサード（よって、窓）と平行であるような方位である。この場合、方向付けられた光を建物の内側に反射するには、追加の鏡が必要となる。本発明の重要な要素は、直射日光が、方向転換プレートよりも小さい領域上に集中され、また、太陽位置の大きな変動が依然として許容されることである。

なお、本発明の方法は、本発明のデバイスに関連して上述した特徴のうちの任意の特徴を包含し、また、同じ対応する利点を有する。

本発明の上記の目的（だけでなく追加の目的）、特徴及び利点は、添付図面と共に解釈される場合に本発明の好適な実施形態の以下の例示的及び非限定的な詳細な説明を参照することにより、より十分に理解されよう。

図１ａは、１つの透明要素と１つの光反射器とを有する本発明の原理の斜視図である。 図１ｂは、光ダクトの付近に置かれている本発明の単純なデバイスの断面図であり、本発明のデバイスにおける光路の原理を示す。 図２は、部屋の窓の内側の光ダクトの付近に置かれている本発明のデバイスの概略断面図である。 図３ａは、１日のうちの異なる時間における異なる角度の入射日光についての本発明のデバイスの原理を示す。 図３ｂは、１日のうちの異なる時間における異なる角度の入射日光についての本発明のデバイスの原理を示す。 図３ｃは、１日のうちの異なる時間における異なる角度の入射日光についての本発明のデバイスの原理を示す。

様々な図面において、同一の部分は、常に同一の参照符号が付けられ、したがって、これらの部分は、通常、以下の詳細な説明において、一度しか説明されない。

図１ａ及び図１ｂは、１つの透明要素１０と、１つの光反射器２０とを有する本発明のデバイスの原理を示す。光反射器２０は、受光面１１とは反対側の三角プリズム、即ち、透明要素１０の側面に配置される。三角プリズムは、その上面１１と底面１４との間に角度αを有する。反射要素２０は、プリズムの底面と平行である。

光反射器２０は、三角プリズム１０と光学的に接触しているが、追加の屈折を達成するために、三角プリズム１０からある距離１２だけ離間されていることが好適である。三角プリズム１０の受光面１１に平行光３１が入射すると、まず、光反射器２０に向かって屈折され、反射されてプリズム１０内へと戻り、再び屈折され、入射光の全体的な方向転換がもたらされる。方向転換された光３２は、例えば透明の窓４０と更なる光反射器５０（例えば光ダクト）とを介して、建物の部屋内へと運ばれる。集光及び光方向転換構造体は、好適には、複数の三角プリズムと反射器とを含み、また、平らなプレート又はフォイルの形で提供されてよい。

図２では、薄型シート、プレート又はフォイルとして形成されたプリズムの形の複数の透明要素２０を有する発明が示される。プリズムは、通常、１．４乃至１．６の屈折率を有する。入射する直射日光３１は、プリズムの上部の隣辺を通り抜け、プリズムの斜辺によって、次に反射鏡によって、再度プリズムの斜辺によって、最後に誘電体の隣辺によって方向転換される。これらの４回の方向転換は、入射光の角度の大きい偏向を確実にし、出射光３２の方向を太陽の移動に反応しないようにする。図２では、鏡によって反射された光線は、第２の隣接するプリズム構造体によって方向転換されている。しかし、これは、単に図の見やすさのためである。反射光線３２は、当該光線が最初に透過したプリズムを含む任意のプリズム構造体によって方向転換されてもよい。（鏡によって）反射された光線を方向転換するプリズムは、通常、鏡とプリズムアレイとの間の距離によって決定される。最終的には、構造体全体は、薄い平らな形状に一体にされ、したがって、反射器とプリズムとの間の距離は、所望の屈折が生じるように反射器とプリズムとの間に接触がないことを確実にするのにちょうど十分であるように非常に小さく保たれる。

図２では、方向転換された光線３２は、部屋５５の天井の上方にある反射性内壁５０を有する光ダクト内へと方向付けられる。窓４０は、日光を部屋の中に入れ、方向転換された直射日光３２を光ダクト内へ入れる。

表面が構造化された方向転換デバイスは、広い範囲の入射角に亘って、反射率の角度変動を効果的に減少させる。平面反射鏡のみを使用する場合、入射の角度変動は、反射率の角度変動に等しい。したがって、多段方向転換は、図３ａ乃至図３ｃに示されるように、入射の角度の変化に対する抵抗力があるという利点を有する。図３ａ乃至図３ｃでは、入射光の３つの異なる角度に対する光線の方向転換が示され、変動によって光の出射方向は、あまり影響を受けないということが示されている。図３ａ乃至図３ｃにおける３つの例は、業務時間の間の入射日光についての太陽の動きの影響を表す。直射日光は、ファサードにある小さい開口内へと集中されて方向転換される。１日のうちの集光の時間は、正午、午前及び午後を示すことを意図している。

図１乃至図３の図表現には、フレネル損失は含まれていない。法線入射での屈折率１．５を有する媒体について、フレネル損失量は４％である。４回の誘電体‐空気遷移があるので、最小フレネル損失は１６％である。したがって、グレージング透過率角度（grazing transmittance angle）のために最適化された反射防止（ＡＲ）コーティング（図示せず）が、これらの損失を減少させるために、上記プリズムの表面に追加されてもよい。

当然ながら、本発明のおける他の変形態様も考えられ、幾つかの場合では、本発明の幾つかの特徴が、他の特徴を対応して使用することなく採用されてもよい。例えば、太陽の動きを追随するように、鏡面反射鏡を回転ブレード、即ち、ラメラ構造体に固定することが考えられる。原則として、透明要素だけでなく光反射器の表面構造は共に、フォイル上にデザインされてもよい。これにより、この光学アセンブリが、オーニング（日除け）構造体に一体にされることが可能となる。

図面では、本発明のデバイスは、ファサードにおいて可視化されているが、平面構造体が、屋根窓、ドーム付き天窓といった部屋に接続される垂直透明開口付近の屋根上に置かれてもよい。

簡単に述べたように、プリズマ透明要素及び／又は光反射器の平面を変更して、本発明のデバイス及び方法によって方向転換された光の中のグレアを低減させることも可能である。

したがって、本発明のデバイスは、光起電力技術と組み合わせて、光学的集光及び方向転換ツールとしても使用される。

したがって、添付の請求項は、本発明の範囲に一致するように広く解釈されることが適切である。

Claims (15)

1. 直射日光を建物内へと方向転換し集中させる光方向転換デバイスであって、
   ｘｙ平面内の実質的に平らな上面と、前記上面と底面とがｘ軸について互いに対し角度αで配置される、実質的に平らな当該底面とを有する透明要素と、
   前記透明要素の前記底面と実質的に平行かつ隣接して配置される反射面を有する光反射器と、
   を含み、
   前記反射面は、前記光方向転換デバイスに入射する直射日光が各材料遷移界面によって屈折され、また、前記光反射器によって反射されるように、前記透明要素よりも低い屈折率を有する透明媒体によって、前記透明要素から離間されている、光方向転換デバイス。
2. 前記透明媒体は、１．１以下の屈折率を有する、請求項１に記載の光方向転換デバイス。
3. 複数の透明要素の上面が同じ幾何学的平面にあり、列を成して配置される前記複数の透明要素と対応する光反射器とを含む、請求項１又は２に記載の光方向転換デバイス。
4. 前記透明要素は、三角プリズムである、請求項１乃至３の何れか一項に記載の光方向転換デバイス。
5. 前記角度αは、７乃至２７度の間にある、請求項１乃至４の何れか一項に記載の光方向転換デバイス。
6. 前記透明要素は、可視光に対して透明である、請求項１乃至５の何れか一項に記載の光方向転換デバイス。
7. 前記透明要素は、３００ｎｍ乃至１０００ｎｍの範囲内の光に対して透明である、請求項１乃至６の何れか一項に記載の光方向転換デバイス。
8. 前記透明要素は、１．３乃至１．７の範囲内の屈折率を有する、請求項１乃至７の何れか一項に記載の光方向転換デバイス。
9. 前記透明要素の前記上面及び前記底面のうち少なくとも一方は、グレージング透過率角度のために最適化された反射防止コーティングでコーティングされる、請求項１乃至８の何れか一項に記載の光方向転換デバイス。
10. 前記光反射器は、可視光に対する鏡である、請求項１乃至９の何れか一項に記載の光方向転換デバイス。
11. 前記ｘｙ平面は、水平面に実質的に等しい、請求項１乃至１０の何れか一項に記載の光方向転換デバイス。
12. 光ダクトが、前記平らな上面のｙ方向に置かれる、請求項１乃至１１の何れか一項に記載の光方向転換デバイス。
13. 前記光ダクトは、任意の断面を有し、反射性の内面を有する円筒管である、請求項１２に記載の光方向転換デバイス。
14. 請求項１乃至１３の何れか一項に記載のデバイスを使用して直射日光を建物内へと方向転換し集中させる方法であって、前記デバイスの端のうちの１つを建物の壁又は窓に隣接させて、正午の直射日光に対し実質的に垂直に前記デバイスを配置するステップを含む、方法。
15. 水平な光ダクトを、前記光ダクトの集光開口が前記デバイスによって方向転換された光を集光し、前記光ダクトの端から出る光が建物の内部を照明するように、前記建物の壁又は窓内に配置するステップを更に含む、請求項１４に記載の方法。

Images