JP6072022B2 - スペクトル選択性パネル - Google Patents

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Description

本発明は、スペクトル選択性パネルに関し、具体的には、これに限られるものではないが、可視光線に対して透明であって赤外線を偏向させるパネルに関する。
大型の窓を通して太陽光線を受ける空間のような内部空間の過熱は、エアコンディショナの使用により克服され得る問題である。内部空間を冷却するのに、地球全体で大量のエネルギーが使用される。電気エネルギーの大半は持続不能な供給源を使用して発生されるものであり、これは増大しつつある環境問題である。
特許文献１（本出願人により所有）は、窓ガラスとして使用されるとともに、可視光線に対しては概ね透過性であるが入射光線の一部分をパネルの側面部分へ転向させてここで光電池に吸収させ電気を発生させる材料を開示している。この材料は、二重の利点を備えている。すなわち、赤外放射線の透過が減少するので内部空間の加熱が抑制され得るのと同時に、電気エネルギーの発生が可能である。
米国特許第６２８５４９５号明細書
本発明は、第一の態様において、
可視波長範囲の波長を有する光線に対して少なくとも部分的に透過性である第１パネル部分と、
赤外線（ＩＲ）波長帯域および紫外線（ＵＶ）波長帯域内の入射光線を反射する一方で可視波長帯域内の波長を有する光線に対して少なくとも部分的に透過性であるように構成される第１反射コンポーネントであって、およそ３００ｎｍからおよそ４２０ｎｍの波長範囲では入射放射線のうち９０％超を反射するように構成される第１反射コンポーネントと、を備えるスペクトル選択性パネルを提供する。
第１反射コンポーネントは一般的に、およそ３００ｎｍからおよそ４２０ｎｍの範囲の波長では入射放射線のうち９２％超、９４％超、９６％超、または９８％超を反射するように構成される。
本発明は、第二の態様において、
可視波長範囲の波長を有する光線に対して少なくとも部分的に透過性である第１パネル部分と、
赤外線（ＩＲ）波長帯域内および紫外線（ＵＶ）波長帯域内の入射光線を反射する一方で可視波長帯域内の波長を有する光線の少なくとも大半に対して概ね透過性であるように構成される第１反射コンポーネントであって、およそ３８０ｎｍからおよそ４２０ｎｍの波長範囲内で透過率が１０％未満から６０％超まで増加するように構成される第１反射コンポーネントと、を備えるスペクトル選択性パネルを提供する。
第１反射コンポーネントは一般的に、およそ３８０ｎｍからおよそ４２０ｎｍの波長範囲内で透過率が５％未満から８０％超まで増加するように構成される。
本発明は、第三の態様において、
可視波長範囲の波長を有する光線に対して少なくとも部分的に透過性である第１パネル部分と、
赤外線（ＩＲ）波長帯域内および紫外線（ＵＶ）波長帯域内の入射光線を反射する一方で、およそ４００ｎｍからおよそ６８０〜７５０ｎｍの波長範囲内では入射光線の４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、または９０％超が透過されるように構成される第１反射コンポーネントと、を備えるスペクトル選択性パネルを提供する。
本発明は、第四の態様において、
可視波長範囲の波長を有する光線に対して少なくとも部分的に透過性である第１パネル部分と、
赤外線（ＩＲ）波長帯域内および紫外線（ＵＶ）波長帯域内の入射光線を反射する一方で可視波長帯域内の波長を有する光線の少なくとも大半に対して概ね透過性であるように構成される第１反射コンポーネントであって、およそ６００ｎｍからおよそ８００ｎｍの波長範囲内では透過率が少なくとも６０％から１０％未満まで低下するように構成される第１反射コンポーネントと、を備えるスペクトル選択性パネルを提供する。
第四の態様の第１反射コンポーネントは一般的に、およそ６００ｎｍからおよそ８００ｎｍの波長範囲内では透過率が少なくとも８０％から５％未満まで低下するように構成される。
第四の態様によるスペクトル選択性パネルは、およそ３８０ｎｍからおよそ４２０ｎｍの波長範囲内では透過率が５％〜１０％未満から６０〜８０％超まで増加するようにも構成される。
第四の態様によるスペクトル選択性パネルは、およそ３００からおよそ４１０ｎｍの波長波長範囲では入射放射線の９０％超、９２％超、９４％超、９６％超、または９８％超を反射するように構成されてもよい。
本発明は、第五の態様において、
可視波長範囲の波長を有する光線に対して少なくとも部分的に透過性である第１パネル部分と、
赤外線（ＩＲ）波長帯域内および紫外線（ＵＶ）波長帯域内の入射光線を反射する一方で可視波長帯域内の波長を有する光線の少なくとも大半に対して概ね透過性であるように構成される第１反射コンポーネントと、を備え、
第１反射コンポーネントが、およそ７００ｎｍからおよそ１７００ｎｍの波長範囲では入射放射線の太陽エネルギーの９０％超を反射するように構成されるスペクトル選択性パネルを提供する。
第１反射コンポーネントは一般的に、およそ７００ｎｍからおよそ１７００ｎｍの波長範囲の入射放射線の太陽エネルギーの９２％超、９４％超、９６％超、または９８％超を反射するように構成される。
本発明は、第六の態様において、
可視波長範囲の波長を有する光線に対して少なくとも部分的に透過性である第１パネル部分と、
赤外線（ＩＲ）波長帯域内および紫外線（ＵＶ）波長帯域内の入射光線を反射する一方で可視波長帯域内の波長を有する光線の少なくとも大半に対して概ね透過性であるように構成される第１反射コンポーネントであって、誘電材料を排他的に含む第１反射コンポーネントと、を備えるスペクトル選択性パネルを提供する。
以下の説明は、本発明の第一、第二、第三、第四、第五、および第六の態様に関連する。
第１反射コンポーネントは、通常、誘電材料の層を有する多重積層エッジミラーの形で設けられ、本発明の第一〜第六の態様において規定されているように、赤外線（ＩＲ）波長帯域内および紫外線（ＵＶ）波長帯域内の入射光線を反射する一方で可視波長帯域内の波長を有する光線の少なくとも大半に対して略透過性であるように構成される。
スペクトル選択性パネルは一般的に、スペクトル選択性パネルの横断方向から入射する赤外線と関連するエネルギーの少なくとも一部分が第１反射コンポーネントにより反射されてからパネルに沿ってパネルの側面部分の方へ指向されるように構成される。
スペクトル選択性パネルは、様々な目的に使用され得る。例えば、スペクトル選択性パネルは、建物、自動車、船舶、あるいは窓またはブラインドを有する他の物品の窓ガラスの形で設けられるか、窓ガラスを有するとよい。さらに、スペクトル選択性パネルは物品のカバーを形成してもよい。
第１反射コンポーネントは一般的に、例えばガラスパネル部分の形で用意されるか、可撓性であるとよいポリマー材料から形成されるとよい第１パネル部分に、装着されるか蒸着されるとよい光干渉コーティングなどの膜である。
スペクトル選択性パネルは一般的に、赤外線波長帯域の波長を有する入射および／または反射光線の少なくとも一部分を吸収して発光により光線を放出するように構成される発光材料も含む。
スペクトル選択性パネルは、光線入射半空間内において複数の空間角（２*Ｐｉステラジアンまで）で横断方向から入射する赤外線が第１反射コンポーネントにより反射されるように構成されるとよい。
本発明の一つの特定実施形態において、第１反射コンポーネントは、一般的に積層構造を有する反射層の形で用意される。積層構造は一般的に、例えばＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、またはＴａ２Ｏ５を含むとよいそれぞれの材料層による少なくとも二つ、一般的には三つの積層体を含む三重積層エッジフィルタのような光干渉構造である。一実施形態において、積層構造は、短波長パスフィルタおよびヒートミラーとして機能する。層は一般的に、可視光線の波長範囲の少なくとも大半、さらには全体に対して耐反射特性を有する。
第１パネル部分は、対向関係で一緒に結合されるとよいガラスパネル部分のような二つ以上のコンポーネントパネル部分を有するとよい。コンポーネントパネル部分は、適当な接着材を使用して一緒に結合されるとよい。
一つの特定実施形態において、スペクトル選択性パネルは、熱赤外線放射の波長範囲など赤外線波長範囲の波長を有する放射の少なくとも一部分を反射するように構成される第２反射コンポーネントを有る。第２反射コンポーネントは、１５００ｎｍから５０００ｎｍ、１５００ｎｍから１００００ｎｍ、１５００ｎｍから２００００ｎｍの範囲の波長を有する放射の少なくとも一部分、一般的に大半を反射するように構成されるとよい。第２反射コンポーネントは一般的に、７５０ｎｍから１３００ｎｍ、７５０から１４００ｎｍ、または７５０ｎｍから１５００ｎｍの範囲の波長を有する放射の透過率が、１５００ｎｍから２０００ｎｍ、１６００ｎｍから５０００ｎｍ、または１７００ｎｍから５０００ｎｍ程度の波長を有する放射の透過率より５０％、７０％、８０％、さらには９０％高くなるように構成される。一つの特定実施形態において、第２反射コンポーネントは、１６００ｎｍから１００００ｎｍ、１７００ｎｍから１００００ｎｍ、または１８００ｎｍから１００００ｎｍの範囲内の波長を有する放射の少なくとも大半の透過率が入射放射線より２０％、１５％、１０％、５％、３％、２％、さらには１％低下した強度を有するように構成される。
第２反射コンポーネントは一般的に、第１パネル部分に装着されるか蒸着されるとよい光干渉コーティングなどの膜の形で用意される。
第２反射コンポーネントは一般的に、スペクトル選択性コンポーネントに隣接する内部空間から入射する熱赤外線放射などの熱赤外線放射と関連するエネルギーの少なくとも一部分、一般的に大半が反射されて、赤外線波長帯域内の入射太陽光線の少なくとも一部分、一般的には大半が第２反射コンポーネントを透過できるように構成される。上述したように、第１反射コンポーネントは一般的に、赤外線波長帯域内および紫外線波長帯域内の入射太陽光線を反射する一方で可視波長帯域内の波長を有する光線に対して少なくとも部分的に透過性であるように構成される。スペクトル選択性コンポーネントは一般的に、入射太陽光線が第１反射コンポーネントを通過する前に第２反射コンポーネントを最初に通過するように使用時に配置される。さらに、スペクトル選択性コンポーネントは一般的に、スペクトル選択性コンポーネントに隣接する内部空間からの熱赤外線放射などの熱赤外線放射が第２反射コンポーネントを通過する前に最初に第１反射コンポーネントを通過するように使用時に配置される。本発明の特定実施形態による第１反射コンポーネントと第２反射コンポーネントとの組み合わせは、第２反射コンポーネントにより付与される熱絶縁特性を第１反射コンポーネントの太陽光選択特性と組み合わせる。
第１および第２反射コンポーネントは一般的に、第１パネル部分の両側に装着されるか蒸着される。代替的に、第１パネル部分は二つ以上のコンポーネントパネル部分を有してもよく、第２反射コンポーネントは第１反射コンポーネントとは別のコンポーネントパネル部分に装着されてもよい。例えば、第１反射コンポーネントが内部空間（建物の内部空間など）に面して第２反射コンポーネントが内部空間および第１反射コンポーネントから離間される位置に設けられるように、スペクトル選択性パネルが構成されるとよい。
スペクトル選択性パネルは一般的に、赤外線波長範囲の波長を有する光線を主に散乱する散乱材料など、入射光線の散乱を増大するように構成される散乱材料も含む。例えば、散乱材料はミクロまたはナノサイズの粒子を含むとよく、膜の形で用意されるとよい。代替的に、散乱材料が、第１パネル部分に、または二つのパネル部分を結合する接着材に分散されてもよい。希土類酸化物（例えばＹｂ２Ｏ３またはＮｄ２Ｏ３）の粒子など、比較的広いエネルギーバンドギャップを有する散乱材料が例えば使用される場合には、赤外線および／または紫外線波長範囲内において実質的に無損失（非吸収）状態で光線の散乱が達成されるとよい。
一つの特定実施形態において、第１パネル部分はコンポーネントパネル部分を有し、散乱材料は対向関係で配置されるコンポーネントパネル部分のうち隣接するものの間に挟持される。この実施形態において、散乱材料は発光材料も含み、コンポーネントパネル部分を対向関係で一緒に結合する接着材として機能するとよい。
スペクトル選択性パネルは、適当なスペーサを使用して離間されるとよいコンポーネントパネル部分の間の間隙も有するとよい。間隙は一般的に、空気または別の適当な気体材料あるいは適当な液体などの流体で充填される。例えば、間隙を画定するコンポーネントパネル部分の表面が、散乱材料および／または発光材料で被覆されるとよい。コンポーネントパネル部分の表面は、光学回折要素を有してもよい。
一つの特定例では、散乱材料は赤外線の優先的散乱のために構成される一方で、入射可視光線の少なくとも大半が散乱材料を概ね透過する。散乱材料は複数の層を有する積層構造を有するとよく、一つ以上の層は無定形構造を有するとよい。散乱材料はさらに、ナノまたはミクロ結晶が無定形材料マトリクスにより包囲される複合材料を含むとよい。
さらに、散乱材料は、入射および／または反射光線の散乱および／または偏向という結果を生じる回折要素または位相マスク（光学位相格子）などの光学要素を有するとよい。
スペクトル選択性パネルは、一般的には反射層である第１反射コンポーネントがスペクトル選択性パネルの底部分に配置されて、第１パネル部分を透過する赤外線の一部分を第１反射性コンポーネントが反射するように一般的に構成される。
さらに、スペクトル選択性パネルは、スペクトル選択性パネルの第１パネル部分の透過に先立って光線が入射する上部層を有するとよい。上部層は一般的に、可視光線に対して概ね透過性であるか、さらには耐反射性であって、発光材料により放出される赤外線などの赤外線の一部分を反射するために構成される多層構造である。上部層は例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、およびＴａ２Ｏ５などの酸化物材料を含むとよい。
一つの特定実施形態において、スペクトル選択性パネルは、スペクトル選択性パネルによって側面部分の方へ指向される赤外線または他の光線の一部分を受光するための、スペクトル選択性パネルの側面部分またはその近傍に配置される少なくとも一つの光電池を有する。例えば、少なくとも一つの光電池は、赤外線波長範囲の光線の吸収に適した比較的狭いバンドギャップを有する、ＧｅまたはＧａＡｓベース、またはＣＩＧＳ（銅・インジウム・ガリウム・ジセレニド）、またはＣＩＳ（銅・インジウム・ジセレニド）の光電池でよい。さらに、少なくとも一つの光電池は、多数のバンドギャップを有する光電池の積層体を有するとよい。
本発明は、第八の態様において、スペクトル選択性パネルを設計する方法を提供し、この方法は、
層による積層体を有する積層構造が、赤外線（ＩＲ）波長帯域内および紫外線（ＵＶ）波長帯域内の入射光線を反射する一方で可視波長帯域内の波長を有する光線の少なくとも大半に対して概ね透過性であるように構成されるように、層による積層体の特性を計算するステップと、
可視波長範囲の波長を有する光線に対して少なくとも部分的に透過性であるパネル部分またはその上に積層構造を形成するステップと、を備える。
この方法は一般的に、本発明の第一から第七の態様のいずれか一つによりスペクトル選択性コンポーネントが形成されるように実施される。
発明の特定実施形態についての以下の説明から、発明がより充分に理解されるだろう。説明は、添付図面を参照して提示される。
本発明の特定実施形態によるスペクトル選択性パネルの図である。 本発明の別の特定実施形態によるスペクトル選択性パネルの図である。 本発明の特定実施形態によるコンポーネントを使用して行われた測定の結果を示す。 本発明の特定実施形態によるコンポーネントを使用して行われた測定の結果を示す。 本発明の特定実施形態によるスペクトル選択性パネルに関係する、計算によるスペクトル出力密度を示す。 本発明の特定実施形態によるスペクトル選択性パネルの、計算による透過スペクトルを示す。 本発明の別の特定実施形態によるスペクトル選択性パネルの図である。 本発明の特定実施形態によるスペクトル選択性パネルの、計算による透過スペクトルを示す。
まず図１を参照して、スペクトル選択性パネル１００を説明する。スペクトル選択性パネル１００は、例えば、建物、自動車、船舶、または他の適当な物品の窓ガラスの形で設けられ得る。スペクトル選択性パネルは、赤外線波長帯域の波長を有する光線の透過を減少させる一方で、可視光線に対しては概ね透過性である。一実施形態において、スペクトル選択性パネル１００は、赤外線を転向させ、この転向した赤外線を電気エネルギーの発生に使用するように構成されている。
スペクトル選択性パネル１００は、この実施形態においてガラスパネル１０２，１０４を備える。ガラスパネル１０２，１０４は、透明なガラススペーサ１０６によって離間されている。ガラスパネル１０２，１０４の内面はコーティング１０８で被覆されている。パネル１０２，１０４の外面は、多層コーティング１１２，１１０でそれぞれ被覆されている。太陽電池１１４が、スペクトル選択性パネル１００の側部に配置されている。
さらに、多層コーティング１１０は、可視光線に対して耐反射性であって入射紫外線に対して反射性である。結果的に、スペクトル選択性パネル１００の上部分から入射する赤外線および紫外線の一部分は、ガラスパネル１０２，１０４を透過してから多層コーティング１１０によって反射される。ガラスパネル１０２，１０４は、反射の角度に応じて、反射光線の一部分がガラスパネル１０２，１０４に沿って太陽電池１１４の方へ誘導されてここで電気エネルギーの発生のために赤外線が吸収され得るように構成される。
この実施形態では、コーティング１０８が比較的広いバンドギャップを有するナノまたはミクロサイズの希土類酸化物粒子を含むものであることにより、適当な光の散乱が効果的に無損失（非吸収）なものとなっている。結果として層１０８は散乱部として機能する。さらに、層１０８は、ガラスパネル１０２，１０４をスペーサ１０６に結合するエポキシを含んでいてもよい。
層１０８は発光材料をも含み、上述の希土類酸化物がその機能を有するようにドープされる。例えば、光線がスペクトル選択性パネルの横断方向から入射して発光材料によって吸収される場合には、続いて放出される発光放射はランダム方向に放出される。この結果、横断方向の配向の少ない放射となり、電気エネルギーの発生のため、ガラスパネル１０２，１０４が発光放射を太陽電池１１４の方へ誘導するような方向に、発光放射の大部分が放出されるだろう。
ガラスパネル１０２，１０４は、進入する赤外線または紫外線の一部分を吸収すると共に発光放射をランダム方向に放出するような発光材料でドープされてもよい。
さらに、層１０８は赤外線が主に散乱されるように構成されるが、これについては以下でさらに詳しく記される。層１１０によって横断方向に反射された赤外線の一部分は、相応の光量が多数の散乱および／または内部反射によって太陽電池１１４の方へ指向されるように、層１０８により散乱される。結果的に、層１０８の散乱特性は、赤外線放射の通過量の低下を促進してエネルギー発生効率を向上させる。
（任意の）上部コーティング１１２は、紫外線および可視波長範囲での耐反射特性を有して赤外線反射器として機能する。別の実施形態において、上部コーティング１１２は、紫外線放射に対して高反射性である一方で可視光線に対して耐返射性であり、任意で、発光材料が光線を放出する赤外線波長（小）帯域内でも高反射性であるように構成される。紫外線帯域での耐反射特性は、この例では入射紫外線放射により悪影響を受けないように発光団を保護するのに使用される。このコーティングは、発光材料が光線を放出する波長範囲内で主に赤外線を反射するように設計される多層構造である。結果的に、コーティング１１２は、発生される発光放射が光電池１１４へ指向されずに漏出することを概ね防止する。この実施形態では、ガラスパネル１０２，１０４の間の間隙には空気が充填されている。二重ガラス窓構造と同様に、この間隙により、熱絶縁、全体的な構造安定性の向上、遮音性、そして総内部反射によるガラスパネル内での多数の反射における光線捕捉確率の向上につながる付加的な高屈折率差界面がもたらされる。
代替的実施形態において、この間隙に他の適当な誘電材料が充填されてもよいことを理解されたい。上述した実施形態の変形例において、スペクトル選択性パネル１００は、隣接するガラスパネルの間に間隙を画定してもしなくてもよい何枚かのガラスパネルを有していてもよいことも理解されたい。さらに、ガラスパネルは、例えばポリビニルブチラール（ＰＶＢ）またはポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）を含むポリマー材料など他の適当な材料のパネルによって置き換えられてもよく、安全ガラスなどの積層材の形で用意されてもよい。
この例において、層１０８に用意される発光材料は、ガラスパネル１０２，１０４の上面および底面にそれぞれ設けられる。代替的に、発光材料がガラスパネル１０２，１０４の一方のみに配置されてもよく、発光材料でドープされるかこれを含んでいてもよい。
さらに、代替的実施形態において、スペクトル選択性パネル１００は必ずしも光電池１１４を備えていなくてもよく、例えば、スペクトル選択性パネル１００の側面部分へ赤外線放射の形で指向される熱エネルギーの除去のために構成されるベント、ヒートシンク等を例えば備えていてもよいことを理解されたい。側部のいくつかは、これらの側面からパネルの他の側面へ光線を再指向させるＡｌまたはＡｇを含む高反射性材料あるいは適当な誘電性コーティングによって被覆されてもよい。
ここで図２を参照して、本発明の別の実施形態によるスペクトル選択性パネル２００を説明する。スペクトル選択性パネル２００は、ガラスパネル２０２，２０４を有する。この実施形態において、ガラスパネルは、発光散乱粉末および顔料が分散される光学エポキシを含む層２０６によって離間される。発光散乱粉末は、組成物であって発光とともに散乱の機能を提供する単一材料を含む。代替的に、発光散乱粉末は、構成材料の混合物であってもよく、各構成材料がそれぞれの機能を有してもよい。結果的に、層２０６は、ガラスパネル２０２，２０４を結合する機能を相互に組み合わせて、発光材料となるとともに散乱層として作用する。スペクトル選択性パネル２００は、赤外線放射に対して反射性であって可視波長範囲では耐反射特性を有する底部コーティング２０８をも備える。底部コーティング２０８は、上述したコーティング１１０と類似する特性を有する。さらに、スペクトル選択性パネル２００は、この例では可視光線および紫外線に対して耐反射性であって、近赤外線放射の第１部分に対する中間程度または適度な反射性と、層２０６の発光材料が発光光線を放出する近赤外線放射波長帯域の第２部分に対する高い反射性とを有する上部コーティングも有する。図１に示されたスペクトル選択性パネル１００と同様に、スペクトル選択性パネル２００は、スペクトル選択性パネル２００の側部に配置される光電池（不図示）を備えてもよい。
さらに、スペクトル選択性パネル１００，２００は、入射および反射赤外線のスペクトル選択性の偏向のために構成される回折光学要素（不図示）を備える。回折光学要素は反射モードと透過モードのいずれかのブレーズド回折格子として作用し、入射した太陽赤外線の大半が単一の優先的回折次数へ偏向されるように設計される。さらに、回折光学要素は可視光線の透過を可能にするように構成される。回折要素はパネルの上面に装着されるが、上述の実施形態の変形例では、パネル１００，２００の他の面、例えば二つのコンポーネントパネルの間に間隙を画定する表面に設けられ（または形成され）てもよい。回折要素のスペクトル特性は、以下のパラメータ、すなわち、基材の屈折率、格子輪郭形状、ブレーズ角、デューティサイクル、格子間隔、相数レベル、およびエッチング深さを調節することにより、当業者によって設計され得る。
ここで、スペクトル選択性パネル１００，２００の赤外線反射層１１０，２０８のそれぞれについて、さらに詳しく説明する。
層１１０，２０８は、超広帯域ヒートミラー特性を有して三重積層エッジフィルタコーティング設計タイプを使用する多層の光干渉コーティングフィルタの形で設けられる。層１１０，２０８は紫外線範囲では反射性でもある。層１１０，２０８は、高周波スパッタリング技術を使用してＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、およびＴａ２Ｏ５から形成される。このようなコーティングの総厚さは、この実施形態では４〜８μｍの間であり、連続する層の中の光学材料の順序は、選択される設計に応じて変化してもよい。アニーリング実験（５℃／分の温度傾斜率により６００℃で３時間）により、我々のコーティングの優れた機械的、応力露出関連、熱露出関連、および接着の安定性が実証された。層１１０，２０８は傷および割れに対する耐性を有し、耐熱性、非吸湿性で、共通化学溶剤タイプの作用に対して安定している。
ガラス上にある１１０，２０８のタイプのコーティングの性能特徴について、試験およびモデリングが行われた。結果は、７００〜１７００ｎｍの波長範囲内に含まれて基材コーティングシステムを光学的に透過する統合太陽赤外線出力全体の画分はおよそ４％に過ぎないことを示した。コーティング１１０，２０８は超広帯域特性を有するので、赤外線出力の反射率は広範囲の入射角について効率的である。
本発明の一実施形態において、１１０，２０８のタイプのコーティングは、接着性コーティングも有する透明膜または可撓性透明基材（不図示）に設けられる。この実施形態では、膜は、物品に塗着され得る効果的な（可搬）赤外線ミラーとなり効果的である。当業者は、様々なタイプの箔および接着材料がこの目的に使用され得ることを理解されたい。
ここで、コーティング１１０がさらに詳しく説明される。コーティング１１０は多層コーティングであって、広い赤外線波長帯域内の入射赤外線を反射するように構成される。コーティング１１０はこの実施形態では、３００〜４１０ｎｍの間の一般的範囲内の太陽放射の広い（幅制御）紫外線帯域にわたる太陽光線について比較的高い反射率（＞９０％、さらには＞９８％）も有する。さらに、コーティング１１０は、およそ４００ｎｍに近いかなり急峻なスペクトル透過応答勾配を有するため、光線透過は４００〜４１５ｎｍの直下の波長に対する近ゼロ（実質的に５％）レベルから、４００〜４２０ｎｍに近い近紫外線領域内ですでに６０〜８０％を超える有意の光透過レベルまで上昇する。この勾配の峻度は、１ナノメートル帯域幅ごとの透過率（Ｔ）変化として定義される。コーティング１１０は、８〜１０％Ｔ／ｎｍの紫外線・可視光線透過勾配接線を有し、紫外線・可視光線透過勾配は４００ｎｍの近傍に位置している。
コーティング１１０は、３８０〜７５０ｎｍに含まれる可視スペクトル領域においてスペクトル平坦性の透過特性も有する。可視透過応答領域の「安定性」は、透過放射帯域の８０％Ｔレベル帯域（ｎｍ）と同じ透過帯域の最大半量帯域の全幅との比によって説明される。コーティング１１０は一般的に、０．９を超える応答安定性を有する。
コーティング１１０は、およそ７００＋／−１００ｎｍに近い急峻なスペクトル透過応答勾配を有するようにも構成されるため、透過率は、４００＋／−２０ｎｍを上回るが７００＋／−１００ｎｍは下回る波長についての可視帯域（一般的に６０〜８０％を超える）レベル内のレベルから、顕著な透過変化が発生するように調整された７００ｎｍの近傍に近い隣接の赤外線または近赤外線領域にすでに含まれる５〜１０％を超えないかなり低い光透過レベルまで低下する。
可視帯域の波長の直上にある波長範囲内におけるこの透過損失は、この波長領域内の光学的吸収の増大によるというよりは、コーティングガラス基材システムによる光線の反射率上昇によって発生するように調整される。
このスペクトル透過減少勾配の峻度は、１ナノメートル帯域幅ごとの透過率変化の割合を特徴とする。コーティング１１０は、可視光線帯域から近赤外線太陽光線への勾配接線が約−２．５〜（−３）％Ｔ／ｎｍであるように構成され、可視光線・赤外線の透過応答勾配は一般的に、７００ｎｍ（＋／−２０ｎｍ）と７５０ｎｍ（＋／−２０ｎｍ）のいずれかの近傍にスペクトル配置される。
コーティング１１０は、上述した可視・赤外線透過応答勾配に（スペクトルの高波長側で）連続する太陽放射の太陽赤外線スペクトル領域内にあるスペクトル的に広い（２００〜３００ｎｍを超える）高反射率領域も有する。
コーティング１１０の性能を数量化するため、コーティング１１０で被覆されたガラスを垂直入射で透過する７００〜１７００ｎｍの間などの標準的なＡＭ１．５太陽スペクトルにおける入射太陽赤外線エネルギーの画分が推定される。コーティング１１０の性能の計算は、全体で４６７．８５ワット／ｍ２の入射のうち１８．６９ワット／ｍ２のみが透過され、これはガラスを透過した７００〜１７００ｎｍの間の太陽赤外線熱エネルギー全体の３．９９％に過ぎないことを示している。図５は、計算によるスペクトル出力密度を図示している。エネルギー統合は、ＡＭ１．５について測定されたスペクトルデータ点、コーティング応答、およびシンプソン公式を使用して数値的に行われる。こうして、提示される例では７００〜１７００ｎｍの間に含まれる太陽赤外線エネルギーの９６％がこのコーティングで反射される。重要なことであるが、これらの図では、ガラスへの太陽光線が垂直入射であり、９０度の流束角では窓がすべての太陽エネルギー流束を遮断すると想定している。現実には、垂直ガラスパネルによるエネルギー流束の遮断が少量であることにより、また入射角が大きいと一般的に反射率が高いことにより、現実的な用途で透過される赤外線エネルギーはさらに少ないだろう。反射のスペクトル帯域が広いことにより、広い入射角で到達する赤外線も効率的に反射される。
以下では、コーティング１１０の設計を要約する。コーティング１１０は、誘電材料の層を有する多重積層エッジミラーである。例えば層による三つの積層体の各々は一般的に、１０を超える層を有する。層特性は、適当なソフトウェアルーチンおよび高性能ニードル最適化またはランダム最適化、あるいは遺伝的アルゴリズムを使用して、以下のように計算されるとよい。
Ｓ｛ａ｝（Ｌ／２ＨＬ／２）ｍ｛ｂ｝（Ｌ／２ＨＬ／２）ｎ｛ｃ｝（Ｌ／２ＨＬ／２）ｐ｛ｄ｝（ＬＭＨＭＬ）ｑ
Ｓは連続膜に対する基材の位置を特定し、Ｌ，Ｈ，Ｍは、対応する材料による４分の１波長光学的厚さの層を指す。各括弧内の設計波長は、基本設計波長の前に置かれた「｛ ｝」括弧内の増倍係数にしたがって変化する。例えば、５００ｎｍの設計波長については、積層体部分｛２．０｝（ＨＬＭ）１０の光学的層厚さは、「（ ）」括弧内の積層体部分にあるすべての層について１０００ｎｍとして計算される。結果的に、層「Ｈ」の各々の物理的厚さは１０００ｎｍ／（４*ｎ（Ｈ））である。
最適化アルゴリズムのねらいは、積層体部分の反復指数ｍ，ｎ，ｐ，ｑを最小にするとともに、何らかの所与の用途について望ましいスペクトル応答形状を達成するのに必要な総厚さおよび層数を最小にすることである。別の目標は、局所的な（積層体部分の）個々の設計波長増倍係数ａ，ｂ，ｃ，ｄを最適化することである。所望であれば、結果的に得られるコーティング１１０の性能およびスペクトルをさらに調節するため、積層体部分または指数整合層の間の連続層へ何らかの付加的な層が挿入されてもよい。
この設計アプローチの一実施形態の例は、以下で得られる。
Ｓ｛２．１１｝（Ｌ／２ＨＬ／２）１２｛１．６４｝（Ｌ／２ＨＬ／２）８｛２．８５｝（Ｌ／２ＨＬ／２）８｛１．４｝（ＬＭＨＭＬ）１
５００ｎｍの（基本）設計波長が最適化のために使用され、使用された材料はＴａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、およびＳｉＯ２であった。蒸着順序の６１層（光線の波長の１／４の厚さ）、この例に示されたコーティングの総厚さは、９．４μｍである。図６は、この例に関係する計算による透過スペクトルを示す。
低波長および高波長の両方の透過勾配はスペクトル的にシフトが可能であり、ゆえに設計順序および個々の層厚さの調節を通して勾配位置が制御され得る。この設計例から、高透過帯域がこの例の緑・赤領域の方へシフトされるとともに、かなり狭い短波抑制帯域が生じる。
上記のように、上部コーティング１１２，２１０は、スペクトル選択性放射ミラーの形で用意される。コーティング１１０，２０８は、Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２，Ｔａ２Ｏ５の多層（２０〜２５）を有し、高周波スパッタリング技術を使用して準備される。この実施形態では、層１１２，２１０は、スペクトル選択性パネル１００，２００で発生される特に発光性の放射が反射によってコーティング１０２，２１０を透過することが防止されるように設計される。このようなコーティングの厚さは設計要件によって変化し、数μｍの範囲である。
スペクトル選択性パネル１００，２００の弁別的特徴は、材料２０６およびコーティング１０８の赤外線励起性の光発光を行う（少なくとも部分的に）可視透明性の発光団と組み合わされた、コーティング１０２，１０８，１１０，２１０，２０８および材料２０６の赤外線固有設計に関係している。
図１および２に示された実施形態では、スペクトル選択性パネル１００，２００はそれぞれ散乱層１０８，２０６を備える。上述した実施形態の変形例では、スペクトル選択性パネル１００，２００はこのような散乱層を備えなくてもよいことを理解されたい。
上述したように、スペクトル選択性パネル１００，２００は散乱層を備えていてもよい。これらの層は高周波スパッタリングを使用して形成されたもので、希土類酸化物を含むとよい。散乱層は、上述した層１０８，２０６に含まれるか、その代わりに設けられるとよい。これらの希土類酸化物層は、赤外線波長範囲において優先的な散乱／拡散特性を有して、赤外線波長範囲での優先的散乱に寄与する無定形表面カバー（炉内アニール処理により形成）を有するように準備される。赤外線範囲での優先的散乱は、アニール処理後に膜表面に見られる無定形酸化物の沈殿の様な形体に一般的である、特徴的な粒子サイズおよび粒子内分離などの特性に関係している。
散乱層１０８，２０６は、光無損失散乱などの散乱機能を発光エネルギー変換機能と組み合わせる。層１０８，２０６は数百ｎｍの厚さを有し、電子エネルギーレベル構造内に広いバンドギャップを有して赤外線とともに可視波長範囲で本質的に無損失の光散乱を可能にする希土類材料（Ｙｂ２Ｏ３，Ｎｄ２Ｏ３など）のナノまたはミクロサイズ粒子を含む。希土類粒子は、光透明性の紫外線硬化性エポキシ（Ｎｏｒｌａｎｄ ＮＯＡ６３エポキシなど）により結合されている。さらに、発光団（顔料およびナノ粉末材料）が、層１０８，２０６のエポキシ材料に分散される。一例において、赤外線励起性の有機・無機ハイブリッド発光団が、およそ０．２５〜１重量％程度の濃度でエポキシに分散される。
希土類酸化物は、例えば希土類金属イオンで代表される希土類発光材料でドープされてもよく、例えばＹ２Ｏ３：Ｅｕ，Ｙ２Ｏ３：Ｅｒ，ＮａＹＦ４：Ｙｂの形で用意されるとよい。
図３は、このようなガラス上の希土類酸化物層の透過および吸収スペクトル（波長（ｎｍ）と相関させた強度）を示す。プロット線３００は、約１μｍの厚さを有する散乱層についての透過スペクトルを示し、プロット３６０２は総反射（正反射および拡散反射）を示し、プロット線３０４は（吸収および散乱透過損失と反射損失の寄与率の和で表される）対応の光学損失スペクトルを示す。層は、近赤外線範囲の大部分をカバーする赤外線スペクトル範囲の優先的散乱を示す。可視透明度は８０％近くであった。１．４９に近い屈折率（ガラスに適合）の光学エポキシと接触した後で、散乱は減少し透明性は向上する。この希土類酸化物散乱層は、適当な光線によって励起された時に発光団特性を有する。
図４は、スペクトル選択性パネル１００，２００（波長（ｎｍ）と相関させた透過光量画分）について透過スペクトルを示す。プロット線４００は、スペクトル選択性パネル１００のタイプ（空隙あり）のパネルについて測定された透過データを示し、プロット線４０２は、スペクトル選択性パネル２００のタイプ（空隙なし）のパネルについて測定された透過データを示す。
パネル１００の空隙が可視透過に著しい影響を与えないことは注目に値する。さらに、エポキシはガラスと屈折率が適合するので、エポキシそのものは重大な透過損失を発生させない。
スペクトル選択性パネル１００の機能は、以下のように要約することができる。散乱層および界面における多数の散乱通過の後に、空気に包囲されるガラスパネルを伝搬する光線については、（統計学的に）より多くの光子が総内部反射角を超える角度で伝搬する。太陽赤外線の大きな画分が（発光放射の散乱および放出により促進される）広い角度で入射することを考慮すると、この赤外線の大きな画分がスペクトル選択性パネル１００に捕捉され、パネル１００の側面部分に達するだろう。上部コーティング１１２は、発光団により放出される光線を反射するように設計され、可視透明である。底部コーティング１１０は、赤外線のほぼ大半をすべての角度および波長で反射する。比較的薄い非吸収性または弱吸収性の発光層１０８での多数通過散乱による進入光子の角度再分配と組み合わされたこれらの特性は、本発明の実施形態によるスペクトル選択性パネル１００に独自の特徴である。散乱作用も、発光団吸収経路長を向上させることにより発光プロセスを強化することが可能である。
さて図７を参照して、本発明の別の実施形態によるスペクトル選択性パネル７００がこれから説明される。スペクトル選択性パネル７００は、上述したパネル部分２０２，２０４と太陽光選択性の底部コーティング２０８とを含む。この実施形態では、パネル部分２０２，２０４は空隙７０２によって離間されている。さらに、スペクトル選択性コンポーネント７００は、低熱放出コーティング７０４を備える。コーティング７０４は、可視光線に対する高い透過特性と、比較的広い赤外線波長範囲に対する比較的高い反射率とを有する。図８は、計算によるコーティング７０４の透過スペクトルを示す。コーティング７０４のスペクトルはこの実施形態では、１５００＋／−１００ｎｍの高低の透過範囲を分離する比較的急峻な勾配を有する。赤外線放射の透過は、一般的にこの勾配から１０ミクロン、さらには２０ミクロンを超える波長まで延在する非常に広い波長範囲において１０％未満、さらには１〜２％未満まで低下する。
例えば、スペクトル選択性パネル７００は建物の窓ガラスを形成するとよい。この事例において、スペクトルパネル７００は一般的に、コーティング２０８が建物の内部に面するように配向される。低（熱）放出コーティング７０４は、建物の外部からの可視範囲および太陽赤外線のエネルギーの大部分の透過を可能にし、これは、上述した手法でコーティング２０８を使用して太陽エネルギーを取り入れることを可能にする。同時に、低放出コーティング７０４は、建物の内部にあるヒータその他から生じる熱赤外線放射の大部分を建物の内部へ戻すように反射し、これは熱エネルギーの損失を減少させる。コーティング２０８，７０４は結果的に、エネルギー消費量の減少に寄与するとともに発生コストを削減する。
この実施形態において、コーティング７０４は、図８に示されているようなスペクトル特徴を達成するように選択される厚さを有するＡｇおよびＹ２Ｏ３で構成される１１枚の層を有する。
コーティング７０４は代替的に他の適当な材料から形成されてもよく異なる数の層を有してもよいことを、当業者は認識するだろう。さらに、スペクトル選択性コンポーネント７００は代替的に別の形で用意されてもよいことが認識されるべきである。例えば、スペクトル選択性コンポーネント７００は、上述した上部コーティング２１０を有してもよい。さらに、空隙７０４が層２０６で置き換えられてもよい。加えて、パネル２０４の表面など別の表面に低放出層７０４が代替的に配置されてもよい。
特定の例を参照して本発明が説明されたが、他の多くの形で発明が具現化されてもよいことが当業者には理解されるだろう。

Claims (22)

  1. スペクトル選択性パネルであって、
    可視波長範囲の波長を有する光線に対して少なくとも部分的に透過性である第１パネル部分と、
    赤外線（ＩＲ）波長帯域内および紫外線（ＵＶ）波長帯域内の入射光線を反射する一方で前記可視波長帯域内の波長を有する光線の少なくとも大半に対して略透過性であるように構成される第１反射コンポーネントであって、誘電材料の層を有する光干渉コーティングの形で設けられ、前記スペクトル選択性パネルの横断方向から入射する光に関連するエネルギーの少なくとも一部が前記第１反射コンポーネントにより反射されてから前記パネルに沿って前記パネルの側部の方へ指向されるように配置された第１反射コンポーネントと、
    を備え、
    少なくとも１つのＣＩＧＳ（Ｃｏｐｐｅｒ Ｉｎｄｉｕｍ Ｇａｌｌｉｕｍ Ｄｉｓｅｌｅｎｉｄｅ）又はＣＩＳ（Ｃｏｐｐｅｒ Ｉｎｄｉｕｍ Ｄｉｓｅｌｅｎｉｄｅ）の太陽電池が、前記スペクトル選択性パネルの側部に配置され、前記側部へ指向された光の一部を受光する、スペクトル選択性パネル。
  2. 前記第１反射コンポーネントは、多重積層エッジミラーである、請求項１記載のスペクトル選択性パネル。
  3. 前記第１パネル部分がガラスパネル部分の形で設けられる、請求項１または２記載のスペクトル選択性パネル。
  4. 前記第１パネル部分がポリマー材料から形成される、請求項１または２記載のスペクトル選択性パネル。
  5. 前記スペクトル選択性パネルが窓ガラスを有するか窓ガラスの形で設けられる、請求項１〜４のいずれか一項記載のスペクトル選択性パネル。
  6. 前記第１パネル部分が、一緒に結合される二つ以上のコンポーネントパネル部分を有する、請求項１〜５のいずれか一項記載のスペクトル選択性パネル。
  7. 前記赤外線波長帯域の波長を有する入射および／または反射光線の少なくとも一部を吸収して発光により光線を放出するように構成される発光材料を含む、請求項１〜６のいずれか一項記載のスペクトル選択性パネル。
  8. 前記発光材料が、赤外線の吸収のために構成される可視透明性の発光団を有する、請求項７記載のスペクトル選択性パネル。
  9. 入射光線の散乱を増加させるように構成される散乱材料も含む、請求項１〜８のいずれか一項記載のスペクトル選択性パネル。
  10. 前記散乱材料が、ミクロまたはナノサイズ粒子を含む、請求項９記載のスペクトル選択性パネル。
  11. 使用時に前記赤外線および／または可視波長範囲内において略無損失（非吸収）状態で光線の散乱が達成され、前記散乱材料が希土類酸化物を含む、請求項９または１０記載のスペクトル選択性パネル。
  12. 発光材料を備え、
    前記第１パネル部分が、コンポーネントパネル部分を有し、
    前記散乱材料が、対向関係で配置される前記コンポーネントパネル部分の隣接パネルの間に挟持され、
    前記散乱材料が、発光材料の少なくとも一部をも有し、前記コンポーネントパネル部分を対向関係で一緒に結合する接着材として機能する、請求項９〜１１のいずれか一項記載のスペクトル選択性パネル。
  13. 前記散乱材料が、入射および／または反射光線の散乱または偏向を結果的に生じる回折要素と位相マスクと光学位相格子とのうち少なくとも一つを有する、請求項９〜１２のいずれか一項記載のスペクトル選択性パネル。
  14. 前記スペクトル選択性パネルの前記第１パネル部分における透過に先立って光線が入射する上部層を備え、
    前記上部層が、可視光線に対して略透過性であって、発光材料により放出される赤外線を反射するために構成される多層構造である、請求項１〜１３のいずれか一項記載のスペクトル選択性パネル。
  15. 赤外線波長範囲の波長を有する放射線の少なくとも一部を反射するように構成される第２反射コンポーネントを備える、請求項１〜１４のいずれか一項記載のスペクトル選択性パネル。
  16. １５００ｎｍから２００００ｎｍの範囲の波長を有する放射線の大半を反射するように、前記第２反射コンポーネントが構成される、請求項１５記載のスペクトル選択性パネル。
  17. １６００ｎｍから１００００ｎｍの範囲内の波長を有する放射線の少なくとも大半の放射透過が入射放射線より１０％未満まで減少するように、前記第２反射コンポーネントが構成される、請求項１５または１６記載のスペクトル選択性パネル。
  18. 前記第２反射コンポーネントが、前記第１パネル部分に装着されるか蒸着される膜の形で設けられる、請求項１５〜１７のいずれか一項記載のスペクトル選択性パネル。
  19. 熱赤外線放射に関連するエネルギーの少なくとも一部が反射されて赤外線波長帯域内の入射太陽光線の少なくとも一部が前記第２反射コンポーネントを透過できるように、前記第２反射コンポーネントが構成される、請求項１５〜１８のいずれか一項記載のスペクトル選択性パネル。
  20. 前記第１反射コンポーネントが内部空間に面して、前記第２反射コンポーネントが前記内部空間および前記第１反射コンポーネントから離間した位置に設けられるように、前記スペクトル選択性パネルが構成される、請求項１５〜１９のいずれか一項記載のスペクトル選択性パネル。
  21. 約３００ｎｍから約４１０ｎｍの波長範囲では入射放射線の９０％超の透過を反射するように、前記スペクトル選択性パネルが構成される、請求項１〜２０のいずれか一項記載のスペクトル選択性パネル。
  22. 約３００ｎｍから約４１０ｎｍの波長範囲では入射放射線の９６％超の透過を反射するように、前記スペクトル選択性パネルが構成される、請求項１〜２１のいずれか一項記載のスペクトル選択性パネル。
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