JP5303694B2

JP5303694B2 - 透明調光部材

Info

Publication number: JP5303694B2
Application number: JP2009227161A
Authority: JP
Inventors: 吉村　　和記
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2009-09-30
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2029-09-30
Also published as: JP2011075833A

Description

本発明は、透明調光部材に関し、詳しくは、室内から外側はほぼ完全に見ることができ、夏の太陽光は遮断し、冬の太陽光は取り入れることができる調光窓や自動車の窓ガラスの内側に適用して好適な透明調光部材に関するものである。

近年、炭酸ガスの排出量削減が重要な課題となっているが、その中でも特に民生部門における炭酸ガスの排出量は大きく増加しており、その削減が急務となっている。建物や乗り物の冷暖房に使われるエネルギーは、民生部門のエネルギー消費の３分の１近くに達しており、これを低減することができれば、炭酸ガスの排出量削減にも大きく寄与する。建物や乗り物の窓ガラスは、その冷暖房負荷を決定する大きな要因になっており、光や熱の出入りをうまくコントロールすることのできる窓ガラスが実現できれば、冷暖房負荷を大きく低減することができる。

太陽光を遮蔽するのに通常用いられるブラインドやカーテン等は、窓ガラスに対する光の入射角に対する選択性はなく、窓に対してあらゆる角度で入射する光をすべて一様に遮って調節する。

また、最近「エコガラス」として売られている太陽光の熱線成分を反射するような薄膜をコーティングしたガラスや、金属薄膜をコーティングした熱線反射ガラス等は、太陽光をスペクトル的に制御することで冷暖房負荷を下げているが、これらも、本来は太陽光に対してのみ作用すれば十分であるにもかかわらず、窓に対するあらゆる入射光に対して同様に機能するようになっている。しかし、例えば、日本における夏の太陽の高度は高く、南側の面を向いた窓に対しては、７０度以上の角度で太陽光が入射するが、これは垂直に設置した窓への入射角にすると上方から見て２０度の角度にすぎない。残りの１６０度の範囲の角度で入射する光については、遮る必要はなく、むしろこれらの光が透過するようにすれば、外の景色はほぼ完全にみえることになる。

これまで、太陽光を全反射や屈折を用いて遮断する機能を持った調光ガラスは色々と提案されてきたが、いずれも遮るべき太陽光以外の光がどのように透過するこということが考慮されていなかった。外の景色がよく見えるということは、窓の機能として非常に重要なことであり、太陽光は入射させないという条件と、景色がよく見えるという条件とが両立できれば、これまでに無い新しい省エネルギーガラスになる。

一方、特許文献１には、夏の強い直射日光を防ぎ、冬の弱い光は室内に導き、省エネルギーに利する役割を窓に付加させることを目的として、全反射と鏡面反射とを組み合わせた選択透過反射材が提案されている。この選択透過反射材は、室内側に上下にわたって複数の傾斜部を段状に設け、ステップ部分が鏡面となるように構成されているものである。しかしながら、このような構成のものは、厚みの厚い部分と薄い部分があるため、室内から外を眺めると、屈折により外の景色が浮き上がって見え、また鏡面部分では光が遮られるようになり、窓の本来の役割を果たすことができなくなる。

さらに、とりわけ自動車では、夏場においては駐車場等に駐車した場合、窓ガラスを通しての太陽光の照射により車内が非常に高温の状態となり、運転をしようとすると車内を強力に冷却する必要があり、その冷房に費やすエネルギーは非常に大きなものとなる。

特開２００３−２０２１５９号公報

本発明は、以上のような従来技術の実情に鑑みてなされたもので、室内から外を眺めても外の景色が浮き上がったり一部が遮られたりして見えることなく、夏の太陽光を効果的に遮断し、冷暖房付加を大幅に低減することができる透明調光部材を提供することを課題とする。
また、本発明は、自動車の窓ガラスの内側に配置して駐車時等において車内の温度上昇を低減でき、運転時には良好な視界を得ることができる透明調光部材を提供することをも課題とする。

上記課題を解決するため、本発明は、第１には、一対の平行な平面を持つ板状の透明調光部材において、太陽光の室内への侵入を遮断するモードと、太陽光を室内へ透過させるモードとをスイッチングするモードスイッチング機構を透明調光部材本体内部に有し、前記モードスイッチング機構が、空気層を利用するものであり、かつ、前記透明調光部材本体内部に水平方向に延びる円柱状空間が形成され、前記円柱状空間内に円柱を半分にした透明構造体が回転可能に設けられ、前記透明調光部材本体と前記透明構造体との間に円柱を半分にした形状の空気層が形成され、前記透明構造体の回転により、太陽光の室内への侵入を遮断するモードと、太陽光を室内へ透過させるモードとがスイッチングされることを特徴とする透明調光部材を提供する。

第２には、一対の平行な平面を持つ板状の透明調光部材において、太陽光の室内への侵入を遮断するモードと、太陽光を室内へ透過させるモードとをスイッチングするモードスイッチング機構を透明調光部材本体内部に有し、前記モードスイッチング機構が、空気層を利用するものであり、かつ、前記透明調光部材本体内部に水平方向に延びる円柱状空間が形成され、前記円柱状空間内に円柱を半分にした一対の透明構造体が一定厚みを有する平面形状の空気層を介して対向して回転可能に設けられ、前記一対の透明構造体の回転により、太陽光の室内への侵入を遮断するモードと、太陽光を室内へ透過させるモードとがスイッチングされることを特徴とする透明調光部材を提供する。

第３には、上記第１又は第２に発明において、前記透明調光部材本体内部と前記透明構造体との間に、前記透明調光部材本体に対して屈折率差が小さい透明潤滑剤層が設けられていることを特徴とする透明調光部材を提供する。

第４には、上記第１ないし第３のいずれかの発明において、透明調光部材が、透明なガラス又はプラスチックからなることを特徴とする透明調光部材を提供する。

本発明によれば、上記構成を採用したので、室内から外を眺めても外の景色が浮き上がったり、一部が欠けて見えることなく、夏の太陽光は効果的に遮断し、冷暖房付加を大幅に低減することができる。また、本発明によれば、シンプルな構造で、窓の本来の機能を活かしつつ、夏の太陽光は遮断し、冬の太陽光を取り入れることが可能となる。また、適宜、必要に応じて、太陽光の遮断、透過を自在に制御することができる。
さらに、本発明は、自動車のフロントガラスの内側に適用しても好適なものであり、特に夏の暑い日ざし等により室内の温度が非常に高温になるのを効果的に防ぐことが可能となる。

本発明の透明調光部材の基本的な原理を示す図である。臨界角及び全反射の説明図である。東京で南を向いた窓に対する太陽光の入射角度（プロファイル角）を計算した結果を示す図である。本発明による透明調光部材の原理を説明するための断面図である。本発明の一実施形態を説明するための模式的断面図である。本発明の別の実施形態を説明するための斜視図及び断面図である。本発明のさらに別の実施形態を模式的に示す断面図である。本発明のさらに別の実施形態を模式的に示す断面図である。本発明のさらに別の実施形態を模式的に示す断面図である。本発明のさらに別の実施形態を模式的に示す断面図である。

次に、本発明について更に詳細に説明する。

先ず、本発明の透明調光部材（以下、調光部材とも称する）の基本原理を図１ないし図４により述べる。ここでは、居室に設けられる調光窓を例に説明するが、もちろん本発明はこれに限定されない。図１は調光部材１１の断面図であり、この調光部材１１は、ガラスや、アクリル樹脂などのプラスチック等の透明材料からなり、室内側に平面１２Ａを有するとともに、室外側にも平面１２Ｂを有し、平面１２Ａと平面１２Ｂとは互いに平行となっている。調光部材１１は、一定の厚みを有する平面形状の空気層１３を斜めに形成した構造を有している。すなわち、空気層１３は上部が室外側に近くなり、下部が室内側に近くなるように傾斜して形成されている。空気層１３の傾斜角度αは以下に述べる技術的事項を考慮して設定される。

ここでは、調光部材１１の透明材料が屈折率１．５のガラスである場合を例に説明する。一般に、屈折率が大きい媒体（ガラス）から小さい媒体に光（空気）が進む場合、図２の右側に示すように、入射角が小さいときには、両者の界面で屈折が生じる。本例の場合、ガラスの屈折率が１．５で空気の屈折率が１であるので、屈折角は入射角より大きくなる。入射角が次第に大きくなると、屈折角も次第に大きくなる。入射角がある角度になると図２の中央に示すように、屈折角が９０゜になり、ガラスから空気側へ光が進まない状態となる。この角度は臨界角と称されており、ここではθ_ｍと記す。入射角がさらに大きくなると図２の左に示すように光は界面で全て反射され、全反射と称される状態となる。

本例の場合、臨界角θ_ｍと空気及びガラスとの間には次のような関係がある。

ｓｉｎθ_ｍ＝（空気の屈折率）／（ガラスの屈折率）＝１／１．５
したがって、臨界角はθ_ｍ＝４１．８゜となる。

図１の場合、光線２で示すように、室外側から平面（以下、ガラス表面とも称する）１２Ｂに小さい入射角で光が入射すると、光はガラス表面１２Ｂで屈折した後、ガラス構造部１１Ｂ中を進み、ガラス構造部１１Ｂと空気層１３の界面で屈折した後、空気層１３を進み、空気層１３とガラス構造部１１Ａの界面で屈折した後、ガラス構造部１１Ａ中を進み、表面１２Ａで屈折して、室内側に入射する。

一方、光線１で示すように、室外側から大きな入射角でガラス表面１２Ｂに光が入射すると、光は表面１２Ｂで屈折した後、ガラス構造部１１Ｂを進み、ガラス構造部１１Ｂと空気層１３の界面で全反射して、空気層１３、ガラス構造部１１Ａ側には透過せず、室内側への進入が遮断される。入射角が次第に大きくなり光が室内側に入射されなくなる角度を、本明細書においては「特定角」と称することとする。

特定角は、空気層１３の傾斜角αに応じて変化させることができる。表１は、調光部材１１の透明材料に屈折率１．５のガラスを用いた場合の空気層１３の傾斜角αと特定角の関係を示す図である。屈折率が２の材料を用いた場合も表１に併記する。

例えば、空気層１３の傾きを７度にすると、屈折率が１．５の場合、特定角は約６０度になる。６０度より大きな角度、例えば図１の光線１で示すような入射角７０度で上方から入射した光は、ガラス表面１２Ｂから入射する際屈折し、斜めの空気層１３には４５度の角度で入射する。この角度はガラス構造部１１Ｂと空気層１３との界面の臨界角より大きいため、全反射が起こり、光はこの界面で反射される。反射された光はガラス構造部１１Ｂ内で反射され、空気層１３、ガラス構造部１１Ａは透過しない。これに対して光線２で示した特定角の６０度より小さい角度で入射した光については、空気層１３に対してガラス構造部１１Ｂと空気層１３との界面の臨界角よりも小さい角度でガラス構造部１２Ｂから空気層１３に入るため、全反射は起こらず屈折する。そして、空気層１３からガラス構造部１１Ａに入るときに逆の屈折が起こり、空気層１３の幅が小さければ、ほとんど空気層１３の影響は受けず通常の透明ガラスと同様に透過する。このため、空気層１３の厚みは０．１ｍｍ以下であることが望ましい。空気層１３の厚みの下限値は空気層１３の役割が発揮できる観点から０．０１ｍｍ程度である。空気層１３の厚みが上記範囲であると、室内から室外を見たときに外の景色が通常の透明なガラスと同じように見える。

また、表１から明らかなように、屈折率が大きい材料を使用すると傾斜角をより小さくできることがわかる。屈折率が２の材料を用いた場合、特定角が６０度となる傾斜角は４．３度である。遮光にあたっては、材料の屈折率を考慮することも非常に有効である。

図３は、東京で南を向いた窓に対する太陽光の入射角度（プロファイル角）を計算したもので、４月から９月までは太陽光の窓面に対する入射角度は６０度を下回ることはない。従って、図１に示したような構造の調光部材１１を用い、特定角を６０度に設定すると、４月から９月の太陽光は完全に遮断し、逆に１０月から３月の太陽光は完全に取り入れることができることがわかる。

このような調光部材１１を窓ガラスとするか、もしくは窓ガラスに取り付けることより、夏は太陽光を遮断し、冬は太陽光を取り入れるという機能が自動的に発現し、しかも常に外の景色はほぼ完全に見ることができるというこれまでにない新しい窓を実現することができる。ただし、室内側で窓に近づき、６０度以上の角度で空を見上げた場合、外は見えないが、これは窓際で空を見上げる場合に限られ、影響は少ない。

従って、このような構造を持った調光部材を用いると太陽の高度が特定角よりも高いときは室内への太陽光の侵入を防ぐことができる。しかもそれより下方から入射する光については、通常のガラスを透過するのと同様に透過するため、外の景色は通常のガラス窓と同様に見ることができる。

例えば、１ｍ四方の大きなガラスで、空気層１３の傾斜角が７度になった図１の構造の調光部材１１を作ろうとすると、ガラスの厚みは１２ｃｍとなり現実的ではない。この図１の構造は、横から見てこれと相似の形を持つものであれば、大きさによらず同等の調光機能を持つという特徴があり、縦方向の長さを縮めて周期構造にすることでこの問題を解決することができる。図４（ａ）はそのような構造を持った透明構造体の断面構造を示した例である。例えば透明アクリルで図のような断面構造を持つ板を作り、二つを合せると界面に空気層が形成され、図１と同様の構造になる。縦方向の周期の長さを１０ｃｍにすると厚みは２ｃｍ程度にすることができる。

このような構造にすることで、ある特定角より大きい角度で上方から調光部材に入射した光は屈折した後、透明構造体と空気層の界面に達するが、この角度が透明体と空気層の間の特定角より大きい場合、全反射されて室内には透過しない。これに対して、特定角より小さい角度で透明構造体へ入射した光に関しては、空気層との界面で屈折するが、空気層から透明構造体に入る際に逆の屈折が起こってその作用が相殺され、空気層の幅が小さい場合、空気層による影響をほとんど受けずにそのまま透過する。

下側の傾斜の角度を４５度とすると水平方向から入射する光に対しては、どの部分でも全反射はおこらないため、中に形成した空気層は全く見えず透明なアクリル板と同様に外の景色が見える。しかし、図４（ｂ）に示したように、２枚のアクリル板の間に隙間が大きいと、空気層の傾きが変わる付近を通る光はひずみ、また光の分散により色が分離して見えてしまう。しかし、この空気層の厚みが０．１ｍｍ以下であれば、光のひずみや分散はほとんど検知されなくなる。通常の平滑処理をしたアクリル板を密着させた状態では、その隙間は０．０１〜０．０２ｍｍ程度であり、この条件を満足することができる。縦方向の周期をもっと小さくして１ｍｍ程度にすれば、厚さは０．２ｍｍ程度となり、プラスチックシートのようなもので、同等の調光部材にすることが可能で、簡単に窓ガラスに貼り付けることで調光効果を持たせることができる。

次に、本発明の透明調光部材についてさらに詳述する。
本発明の透明調光部材は、両面に一対の平行な平面を有し、太陽光の室内への侵入を遮断するモードと、太陽光を室内へ透過させるモードとをスイッチングするモードスイッチング機構を透明調光部材本体内部に有することを特徴とするものである。このモードスイッチング機構は、空気層を利用するものとすることができる。

図５は、本発明の一実施形態を説明するための模式的断面図である。図中２１は透明調光部材であり、ガラスやアクリルなどのプラスチック等の透明材料を用いて構成することができる。透明調光部材２１の本体２２には、水平方向に延びる円筒状空間２３が形成され、その中には、円柱を半分にした形状の透明構造体２４が回転可能に設けられている。透明構造体２３は、フラットな平面部２５と湾曲部２６を有している。透明構造体２３の湾曲部２６は、透明調光部材本体２２の円筒状の壁面と接しており、その壁面に沿って回転可能に支持されている。円筒状空間２３において透明構造体２４が設けられていない部分は、半円筒状の空気層２７となっている。そして、透明構造体２４の平面部２５が回転して傾斜角度を変えることにより、太陽光２８の室内への侵入を遮断するモードと、室内へ透過させるモードとの間でスイッチングを行うことができるようになっている。太陽光２８は平面部２５の傾斜角度によっては屈折と全反射を起すが、透明構造体２４の回転により、その向きや透過性を制御することができる。透明構造体２４と透明調光部材本体２２の間には図示はしていないがシリコンオイル等の透明潤滑剤層を設けることも好ましい。このようにすると、透明構造体２４の回転がスムーズになるとともに、透明調光部本体２２と透明構造体２４との間のわずかな隙間での反射が効果的に防止され、太陽光２８を透過するモードのときに透過性が良好になる利点がある。

図６は、本発明の別の実施形態を説明するための斜視図及び断面図である。図中３１は透明調光部材であり、ガラスやアクリルなどのプラスチック等の透明材料を用いて構成することができる。透明調光部材３１の本体３２には、水平方向に延びる円筒状空間３３が形成され、その中には、円柱を半分にした形状の透明構造体３４、３５が空気層３６を介して対向配置され、回転可能となっている。透明構造体３４は、フラットな平面部３７と湾曲部３８を有している。透明構造体３５は、フラットな平面部３９と湾曲部４０を有している。透明構造体３４の湾曲部３８と透明構造体３５の湾曲部４０は、透明調光部材本体３２の円筒状の内壁面と接しており、その内壁面に沿って回転可能に支持されている。そして、一対の透明構造体３４、３５が回転することにより空気層３６が回転して傾斜角度が変わり、太陽光の室内への侵入を遮断するモードと、室内へ透過させるモードとの間でスイッチングを行うことができるようになっている。また、透明構造体３４、３５の回転量により特定角を調整することができる。透明構造体３４、３５と透明調光部材本体３２との間にはシリコンオイル４１等の透明潤滑剤層を設けることも好ましい。このようにすると、透明構造体３４、３５の回転がスムーズになるとともに、透明調光部本体３２と、透明構造体３４、３５との間のわずかな隙間での反射が効果的に防止され、太陽光を透過するモードのときに透過性が良好になる利点がある。

図７は、本発明のさらに別の実施形態を模式的に示す断面図である。図中、５１は透明調光部材であり、一対の透明板５２、５３がシリコンゴム５４を介して対向配置されている。ガラスやアクリルなどのプラスチック等の透明材料を接触させると、その端面が平面であってもミクロレベルでは隙間があり、そこに空気層が形成され、光の屈折・反射がおこる。例えば、バフで研磨した透明アクリル板を接触させた場合、０．０１〜０．０２ｍｍ程度の隙間ができ、そこが空気層となる。ところが図７の左側の図のようにシリコンゴム５４等の透明吸着性材料をはさむと、シリコンゴム５４と透明板５２、５３は完全に接触して空気層がなくなるために、光の屈折・反射が起らなくなる。ところが、図７の右側の図のように一方の透明板５２を透明板５３及びシリコンゴム５４から離間させると空気層５５が形成されてまた屈折・反射が起るようになる。

図８は、本発明のさらに別の実施形態を模式的に示す断面図である。この実施形態は、本発明を自動車のフロントガラスの内側に設ける透明調光部材に適用した例である。
自動車のフロントガラスの内側に空気層の傾きを４５度にした図８のような透明調光部材６１を設置する。この透明調光部材６１は一対の相補的な断面形状を有する一対の透明構造体６２、６３からなる。フロントガラス６４の傾きを３０度とすると、二つの透明構造体６２、６３と分離した場合は、太陽高度が６０度以上の場合、その太陽光は屈折と全反射により室内にあまり入射しない。一方、同じ二つの構造体６２、６３を、吸着性を持つシリコンゴム６５をはさんで接触させると、界面がなくなり、光は透明なガラスと同等になり、外の景色を完全に見ることができる。この構造体の１個の構造の周期を５ｍｍとするとその厚みは５ｍｍ程度でシート状になる。

図９は、本発明のさらに別の実施形態を模式的に示す断面図である。図中７１は透明調光部材である。空気層を挿入したり、抜いたりするスイッチングは様々な方法で行うことができる。例えば図９に示したような構造をした２枚のアクリル板からなる透明構造体７２、７３を、シリコンゴム７４を挟んで接触させると、透明ガラスと同じ状態になる。この２枚のアクリル板からなる透明構造体７２、７３の間に、熱により膨張する材料、例えばＡＢＳ樹脂等からなる連結部材７５を挟んでおくと、気温が上がり樹脂が膨張すると、２枚のアクリル板からなる透明構造体７２、７３は右側の図のように引きはがされて空気層７６ができ、屈折・反射が起こる。温度が下がると再び、シリコンゴム７４で接触し、屈折・反射が起こらなくなる。このように温度によって自動的に太陽光の遮断・透過がコントロールできる窓を実現できる。

図１０は、本発明のさらに別の実施形態を模式的に示す図である。図中８１は透明調光部材である。この透明調光部材８１は一対のガラス板８２、８３により形成される閉鎖空間８４に、ガラス板８２、８３に対して屈折率差の小さいシリコンオイル８５で満たし、その中に、２枚の屈折率の合ったアクリル板８６、８７を空気層８８を介して重ねた調光要素８９を上下に複数配置し、空気層８８の傾斜角が変えられるようにしたものである。このような構成にしても上記と同様有利な効果を得ることができる。

２１、３１、５１、６１、７１、８１透明調光部材
２２、３２透明調光部材本体
２３、３３円筒状空間
２４、３４、３５、６２、６３、７２，７３透明構造体
２５平面部
２６湾曲部
２７、３６、５５、８８空気層
２８太陽光
４１潤滑剤層
５２、５３透明版
５４、６５、７４シリコンゴム
６４フロントガラス
８２、８３ガラス板
８５シリコンオイル
８６、８７アクリル板
８９調光要素

Claims

一対の平行な平面を持つ板状の透明調光部材において、太陽光の室内への侵入を遮断するモードと、太陽光を室内へ透過させるモードとをスイッチングするモードスイッチング機構を透明調光部材本体内部に有し、前記モードスイッチング機構が、空気層を利用するものであり、かつ、前記透明調光部材本体内部に水平方向に延びる円柱状空間が形成され、前記円柱状空間内に円柱を半分にした透明構造体が回転可能に設けられ、前記透明調光部材本体と前記透明構造体との間に円柱を半分にした形状の空気層が形成され、前記透明構造体の回転により、太陽光の室内への侵入を遮断するモードと、太陽光を室内へ透過させるモードとがスイッチングされることを特徴とする透明調光部材。
一対の平行な平面を持つ板状の透明調光部材において、太陽光の室内への侵入を遮断するモードと、太陽光を室内へ透過させるモードとをスイッチングするモードスイッチング機構を透明調光部材本体内部に有し、前記モードスイッチング機構が、空気層を利用するものであり、かつ、前記透明調光部材本体内部に水平方向に延びる円柱状空間が形成され、前記円柱状空間内に円柱を半分にした一対の透明構造体が一定厚みを有する平面形状の空気層を介して対向して回転可能に設けられ、前記一対の透明構造体の回転により、太陽光の室内への侵入を遮断するモードと、太陽光を室内へ透過させるモードとがスイッチングされることを特徴とする透明調光部材。
前記透明調光部材本体内部と前記透明構造体との間に、前記透明調光部材本体に対して屈折率差が小さい透明潤滑剤層が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の透明調光部材。
透明調光部材が、透明なガラス又はプラスチックからなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の透明調光部材。