JP6177810B2 - 膨張可能かつ格納可能な光拡散・遮光・断熱システム - Google Patents

Description

本明細書は、構造物に関し、特に構造物用の膨張可能かつ格納可能な光拡散・遮光・断熱システムに関する。

サンルームや温室のように太陽光を収集する構造物では、外部が寒いおよび／又は暗い条件のときに、熱を急速に損失しすい場合がある。このような熱損失があるため、内部温度を所望の温度に維持するためには熱エネルギーの入力が大量に必要となる可能性がある。また、拡散された直接的でない日光を制御可能なレベルで提供されることで、人や植物は恩恵を受けることができる。

本明細書は、光透過性（light transmissive structure）の構造物において、拡散された直接的でない日光や断熱を制御可能なレベルで提供するためのシステムおよび方法を記載する。構造物用の遮光（shading）や断熱（thermal insulation）を行うための膨張可能かつ格納可能な光拡散器（light diffuser）は、複数の入れ子（nested）にされたチューブで形成されており、そのチューブの少なくともの一部はそれぞれが独立して膨張可能である。入れ子にされた複数のチューブのそれぞれは、透明（transparent）、すなわち透明（clear）又は半透明（translucent）であってもよく、あるいは、非透明（non-transparent）、すなわち程度の様々な不透明又は反射性であってもよい。

本明細書中に記載の実施例は汎用性があるとともに、光のレベル、光の拡散および断熱を早く制御することが可能である。これらの実施例はいくつかの可動部品を有して、軽量であり、低コストである。

いくつかの実施例では、光透過性の構造物における遮光および断熱を制御するための装置が提供される。当該装置は、隣り合うように配置された膨張可能な第１のチューブのアレイであって、第１のチューブのそれぞれが、膨張した隣の第１のチューブに接触するように膨張可能である、第１のチューブのアレイと、膨張可能な第２のチューブのアレイであって、第２のチューブのそれぞれが、ある１つの第１のチューブの中に第１のチューブとは独立して膨張可能な状態で入れ子にされており、膨張していないときには、第１のチューブ内でそれぞれが平らとなり略鉛直（substantially vertical）に延びる一方で、膨張したときには、第１のチューブを介して、膨張した隣の第２のチューブに接触するように、第１のチューブに接続されている、第２のチューブのアレイと、を備える。

次のオプション機能は、任意の適切な組み合わせで装置内に存在してもよい。第１のチューブのうちの少なくともいくつかは半透明であってもよい。第２のチューブのうちの少なくともいくつかは不透明であってもよい。第２のチューブのそれぞれは、光路を遮るように膨張可能であってもよい。第２のチューブの不透明な部分は、第２のチューブの上側半分を含んでもよい。装置は、膨張可能な第３のチューブのアレイをさらに備えてもよく、第３のチューブのそれぞれは、ある１つの第２のチューブの中に第２のチューブとは独立して膨張可能な状態で入れ子にされている。装置は、膨張可能な第４のチューブのアレイをさらに備えてもよく、第４のチューブのそれぞれは、ある１つの第３のチューブの中に第３のチューブとは独立して膨張可能な状態で入れ子にされている。

関連する態様においては、光透過性の構造物における遮光および断熱を制御するための装置が提供される。当該装置は、隣り合うように配置された膨張可能な第１のチューブのアレイであって、第１のチューブのそれぞれが、膨張した隣の第１のチューブに接触するように膨張可能である、第１のチューブのアレイと、膨張可能な第２のチューブのアレイであって、第２のチューブのそれぞれが、ある１つの第１のチューブの中の内部表面の頂部と底部の両方に接続されるとともに第１のチューブとは独立して膨張可能な状態であり、膨張していないときには、第１のチューブ内でそれぞれが平らとなり略長手方向に延びる一方で、膨張したときには、第１のチューブを介して、膨張した隣の第２のチューブに接触するように、第１のチューブに接続されている、第２のチューブのアレイと、第１のチューブにおいて第２のチューブの反対側に設けられた対向するチャンバであって、互いの差圧を生じさせるように独立して膨張可能であり、当該差圧を生じさせることで、膨張していない第２のチューブを圧力の大きいチャンバから離れる方向へ湾曲させて、第２のチューブによる光の導光を制御することができる、チャンバと、を備える。当該装置において、第１のチューブのそれぞれを透明とし、第２のチューブのそれぞれを反射性としてもよい。

１つ以上の実施形態の詳細が、添付の図面および以下の発明の詳細な説明に表される。その他の特徴および利点は、発明の詳細な説明および図面から並びに特許請求の範囲から明らかになる。

これらの態様およびその他の態様を以下の図面を参照しながら詳細に説明する。
チューブ配置を全て入れ子にした光拡散・断熱システムを示す図 内側のチューブが全て収縮した光拡散・断熱システムを示す図 反射性の材料によって内側の第２のチューブを部分的に被覆した光拡散・断熱システムを示す図 反射性のチューブと透明なチューブを交互に配置した光拡散・断熱システムを示す図 透明なチューブを収縮させてその近傍に反射性のチューブを配置した光拡散・断熱システムを示す図 内側の膨張しているチューブの膨張の程度や数を変化させることで、遮光および／又は断熱の程度を変化させた光拡散・断熱システムを示す図 内側の膨張しているチューブの膨張の程度や数を変化させることで、遮光および／又は断熱の程度を変化させた光拡散・断熱システムを示す図 内側の膨張しているチューブの膨張の程度や数を変化させることで、遮光および／又は断熱の程度を変化させた光拡散・断熱システムを示す図 収縮した全てのチューブにおける断熱を最小とし、光透過および光拡散を最大とした光拡散・断熱システムを示す断面図 収縮した全てのチューブにおける断熱を最小とし、光透過および光拡散を最大とした光拡散・断熱システムを示す上面図 チューブの一端を空気圧マニホールドに接続したシステムを示す断面図 図１０Ａのシステムを上から見た図 内側のチューブを完全に収縮させ、各チューブセットの頂部および底部の近傍にて反射性の内側のチューブを外側のチューブに接触させた光拡散・断熱システムを示す図 内側のチューブを完全に収縮させ、各チューブセットの頂部および底部の近傍にて反射性の内側のチューブを外側のチューブに接触させて、かつ、外側のチューブの内側にわずかな差圧を生じさせた光拡散・断熱システムを示す図 内側のチューブを完全に膨張させ、各チューブセットの頂部および底部の近傍にて反射性の内側のチューブを外側のチューブに接触させた光拡散・断熱システムを示す図 外側のチューブの内側に差圧を生じさせることで、収縮した内側のチューブを湾曲させる、又は、内側のチューブを少なくとも部分的に非対称にする様々な方法を示す光拡散・断熱システムを示す図 外側のチューブの内側に差圧を生じさせることで、収縮した内側のチューブを湾曲させる、又は、内側のチューブを少なくとも部分的に非対称にする様々な方法を示す光拡散・断熱システムの図 本明細書に記載の実施例にかかる光拡散・断熱システムを製造するための各種技術を示す図 本明細書に記載の実施例にかかる光拡散・断熱システムを製造するための各種技術を示す図

各種図面において同様の符号で表されたものは同様の要素を示す。

本明細書は、構造物における制御された遮光および断熱を行うための膨張可能かつ格納可能な光拡散装置、光拡散システムおよびその方法を説明する。いくつかの実施例では、装置およびシステムは、少なくとも一部がそれぞれ独立して膨張可能である入れ子にされた複数のチューブで形成される。入れ子にされたチューブのそれぞれは、透明すなわちクリアなもの、若しくは半透明であってもよい。あるいは、非透明なもの、すなわち程度の様々な不透明なものや反射性のものであってもよい。

いくつかの実施例では、光拡散部と断熱部は、入れ子になった複数のチューブを含む。入れ子になったチューブのそれぞれは、例えばソーラー式の建物や温室のような構造物における光透過性のルーフの下に天井（ceiling）を形成するように膨張可能である。いくつかの好ましい実施例では、複数のチューブは、光透過性のルーフの全長に及び、組み合わせて配置されることで、膨張時において隣り合う複数のチューブが光透過性のルーフの全長および全幅に及ぶようになり、これにより、当該天井の上下における空気の入れ替えが起こらなくなる。

チューブは、ケーブル又は類似の支持部材によって支持される。これらのケーブル又は類似の支持部材は、光透過性のルーフを幅方向に横断するとともに、１つ以上のアイレットやその他のスライド可能又は格納可能な機構を介してチューブの上端に接続される。ケーブルは、膨張可能なチューブの長さに沿って１定の間隔で配置することができる。ケーブルは、実質的に水平に又は角度を付けて配置されることで、ルーフのラインに従うようにしてもよく、あるいは東西を向くチューブセットで冬の日光を大量に妨害するようにしてもよい。図１１、１２、１３に示される実施形態は、東西を向くチューブセット並びに水平若しくは斜めのいずれかで配置された支持ケーブルにおいて、低角度の冬の日光を効果的に捕獲および内側に拡散することに有利である。各チューブセットの上端の内側における空気ビーム（Air Beam）は、実質的に各チューブセットの長さに及ぶ付加的な軽量の支持体として提供されてもよい。いくつかの実施例では、以下でより詳細に説明するように、チューブの一端を空気圧マニホールドに接続している。空気圧マニホールドは、フレキシブルかつ格納可能とすることができる。

図１は、全て入れ子にされたチューブ配置を使用する光拡散・断熱システム１００を示す。システム１００は、隣接するように位置されたチューブ部材１０２のアレイを備える。チューブ部材１０２は、支持ケーブル１０４の下側に接続されている。チューブ部材１０２のそれぞれは、第１のチューブ１と、第２のチューブ２とを備える。いくつかの実施例では、図１に示すように、チューブ部材１０２は、第３のチューブ３と、第４のチューブ４とを備えてもよく、必要に応じてさらなるチューブを備えてもよい。第１のチューブ１は、外側に配置された透明なチューブである。外側の第１のチューブ１が膨張すると、直接的に隣接する第１のチューブの外側に接触することで、システム１００における光透過性ルーフ１０６とチューブ１の上部との間に、密閉された空気の空間が形成される。

第２のチューブ２は、第１のチューブ１の内側にて入れ子にされた反射性のチューブである。第２のチューブ２が膨張すると、少なくとも部分的に膨張した（semi-inflated）外側の第１のチューブ１の内部表面に接触することで、第２のチューブ２の上下に密封された空気の空間を形成することができる。図１に示すように、反射性の第２のチューブ２は、太陽光と熱放射の両方を反射する。いくつかの実施例では、反射性の第２のチューブ２が膨張したときに、第２のチューブ２の上側範囲（upper radius）を第１のチューブ１の上側範囲のいくらか下方にて停止させることができる。これにより、第１のチューブ１の上部の下面と第２のチューブ２の上部の上面によって画定されるチューブセット内において、付加的な断熱空気ギャップを生成する、すなわち熱エネルギーを閉じ込めることができる。

第３のチューブ３および／又は第４のチューブ４がある場合には、それらは、第２のチューブ２が収縮又は部分的に膨張したときに、第２のチューブ２の膨張の程度を可変なものとするように膨張可能であり、これにより遮光および／又は断熱の程度を変化させることができる。例えば、１つの実施例では、入れ子になった第３のチューブ３は、第２のチューブ２の内側に配置される。第３のチューブ３は膨張すると、膨張していない第２のチューブ２を拡張させることができる。これにより、太陽光放射の一部のみを、光透過性のルーフを通るように反射することができる（遮光モード）。さらに、第４のチューブ４が第３のチューブ３の内側に設けられている場合には、第４のチューブ４の円周又は直径は、第３のチューブ３の円周又は直径よりも小さい。第４のチューブ４は膨張すると、膨張していない第２のチューブ２および第３のチューブ３を拡張させることができる。これにより、膨張した第３のチューブ３が反射する場合に比べて、光透過性ルーフ１０６を通る太陽光放射の反射を少なくすることができる。

図２は、第１のチューブ１を除く全てのチューブが収縮した光拡散・断熱システム１００を示す。膨張していない第２の反射チューブ２は、実質的に平坦又は平面的（planar）であり、太陽光エネルギーが構造物内へ通過する際の光拡散体として作用することができる。膨張した第１のチューブ１によって、構造物内部からの熱エネルギーの脱出を制限かつ制御することができる。第２のチューブ２は、全て反射性でありフリーに垂れ下がっているが、最も小さい外周（circumference）は２πＲである。これにより、第１のチューブ１の外周は少なくとも４（π―１）Ｒ（すなわち８．５７Ｒ）であることが必要となる。なお、ここでのＲとは、膨張した第１のチューブ１の上側および下側の半径である。図２に示すように、隣り合うチューブ部材の中間点同士の間の距離は２Ｒである。第１のチューブ１の円周を小さくすると、完全な反射性の第２のチューブ２の下部が、膨張したチューブ１の底部にて折れることが可能となり、これにより、太陽光放射の一部を、光透過性ルーフを通じて戻るように反射する（消失させる）ことができる。いくつかの実施例では、ルーフを通じて戻るように放射線が反射されることが望まれない場合がある。このような場合に関して、図２に示した断面図に見られるように、第１のチューブ１の外周を十分大きくとることで、第２のチューブ２の下部がフリーに垂れ下がることを可能にしている。光拡散・断熱システム１００が傾斜又は湾曲した構造物の下方に取り付けられる場合、第１のチューブ１のアレイをそれに応じて実質的に傾斜又は湾曲させるとともに、第２のチューブ２は収縮した際には実質的に鉛直（vertical）に垂れ下がるようにすることができる。

図３に示すように、第２のチューブ２において上部のみが反射性であり、下部はクリアである又は反射性が低い場合には、第１のチューブ１の外周の最小値を２πＲよりも大きくする必要がある（２πＲとは６．２８Ｒであり、これは第２のチューブ２が完全に反射性である場合に必要となる分よりも２．２９Ｒ小さい）。このような場合、収縮した第２のチューブ２の反射部分の垂直高さが実質的に半分になるため、チューブ２の上部のみの反射コーティングによる光拡散を低減することができる。これと同じ効果を得るために、透明な第２のチューブ２の上部の外側に、隣接して垂れ下がる反射性フィルムシート２ａを設けてもよい。図３に示される実施例では、収縮したときに自由に垂れ下がる第２のチューブ２の底部は感度が低いため、チューブ部材又はチューブセットの中で最も大きな第１のチューブ１を第２のチューブ２よりも極端に大きくする必要はない。このことは、チューブアレイによって形成される天井の上方のスペースや、構造物又は建物全体の中の垂直スペースにおける空気のフロー又は対流を妨げながらの可変なシェーディングを行うことが必要な場合に好都合である。

図４、５は、交互に配置されたチューブを使用する各種実施例を示す。第１のチューブ１および第２のチューブ２はそれぞれ、交互のパターンで互いに隣接するように配置される。第３のチューブ３、第４のチューブ４およびその他のチューブがある場合には、それらは第２のチューブ２の中で入れ子にされており、上述した完全な入れ子のチューブ配置のように太陽光放射の一部を反射する同様の効果を発揮するのみである。

図４は、収縮した反射性の第２のチューブ２に、膨張した透明な第１のチューブ１が接触している状態を示す。このとき、第１のチューブ１の上部と光透過性ルーフの間には、密閉された空間が形成される。図５は、収縮した第１のチューブ１に隣接して接触する反射性の第２のチューブ２を示している。図５において、反射性の第２のチューブ２は膨張しており、このような構成では、第２のチューブ２は、第２のチューブ２の上部と光透過性ルーフの間に密封された空気空間を提供するとともに、太陽光・熱放射を反射する。

図５では、第３のチューブ３と第４のチューブ４が膨張した状態で示されており、これにより、入れ子になったチューブ同士の間に存在可能な相対的サイズを示す。第２のチューブ２が膨張すると、第３のチューブ３と第４のチューブが同様に膨張する必要はない。太陽光・熱放射を反射しながら、チューブアレイの周りに部分的な空気の流れを生じさせることが望まれる場合、第２のチューブ２を収縮させる一方で、第３のチューブ３又は第４のチューブ４のいずれかを膨張させるようにすることができる。このような構成では、構造物や建物におけるチューブアレイによって形成される部分的に開いた天井の下方部分において、第３のチューブ３又は第４のチューブ４のみを膨張させることで利用可能となったスペースを通じて、暖かい空気が上昇可能な状態となる。このような空気の流れと、収縮した第２のチューブ２が膨張した小さなチューブにもたれた状態にて反射性カバーとして機能することによる部分的な遮光とが協働することで、構造物や建物の下部を冷却する際に役に立つ。

チューブのプロパティについて説明する。

外側に配置される第１のチューブ１は、好ましくは透明であり、太陽光放射の所定の部分に対して透過性を有する柔軟かつ非弾性の膜で形成される。第１のチューブ１は、紫外線放射を吸収する材料で形成されてもよい。あるいは、第１のチューブ１は、紫外線放射を透過させる材料で作られてもよい。第１のチューブ１は、紫外線放射を選択的に吸収／透過させる材料を組み合わせて作られてもよい。その他の実施例では、第１のチューブ１は、熱赤外線放射に対して透過性である、熱赤外線放射を吸収することができる、および／又は、熱赤外線放射を反射することができる場合であってもよい。チューブのいずれかを、適切な波長の放射を反射する任意の材料や、酸化スズ又は類似の可視光透過性熱リフレクタによるコーティングを含む材料から形成することにより、熱赤外線放射（すなわち、長波長のＩＲ放射）を反射する能力を達成することができる。いくつかの実施例では、第１のチューブ１の少なくとも一部は、未処理のポリエチレンなどの非弾性で熱赤外線透過性の材料を、酸化スズやそれに類似するもので一面を被覆して形成される。これにより、両側および多くの方向からの熱反射を行う複合材料を作ることができる。一方で、赤外線処理されたポリエチレンなどの熱赤外線吸収材料の両側を、酸化スズ又は類似の材料で被覆することにより、両側からの熱に対して反射性のある複合材料を製造することができる。これらの実施例は、機能的に類似しているが、コストの観点で変化するため、好ましさも変化する。

第１のチューブ１は、下側の範囲のみを、酸化スズ又は類似の可視光通過性熱リフレクタで被覆することにより、熱赤外線放射を反射可能なものとすることができる。第１のチューブ１は、上側の範囲のみを、酸化スズ又は類似の可視光透過性熱リフレクタで被覆することにより、熱赤外線放射を反射可能なものとすることができる。

図２に示されるように、膨張していない完全な反射性の第２のチューブ２の外周が最小の２πＲであるときに、膨張した第１のチューブ１の内側で第２のチューブ２が自由に垂れ下がるようにするためには、外側にある透明な第１のチューブ１は、膨張した際の外周が少なくとも４（π-１）Ｒ（すなわち８．５７Ｒ）である必要がある。第１のチューブ１の外周を小さくすることで、完全な反射性の第２のチューブ２の下部が、膨張した第１のチューブ１の底部にて折れることが可能となり、これにより、光透過性ルーフを通じて戻るように太陽光放射の一部を反射（すなわち、消失）することができる。加熱された空気が逃げることを防止しながら、チューブアレイによって形成された天井にできるだけ多くの太陽光放射を通過させることが目標である場合（例えば、構造物や建物の下部を急速に加熱しようとする場合）には、図２に示されるように、第２のチューブ２の底部が自由に垂れ下がることが可能な構成を用いることが望ましい。

第２のチューブ２において上部のみが反射性であり、下部が透明である場合には、第１のチューブ１の外周の最小は、上述したように、２πＲよりもいくらか大きくなる（すなわち、２πＲは６．２８Ｒであり、これは第２のチューブ２が完全に反射性である場合に必要となる値よりも２．２９Ｒ小さい）。拡散を低減するいずれの実施例においても、第２のチューブ２における反射性表面を有する部分は、他の全てのチューブが収縮した状態において、膨張した第２のチューブ２の上部全体のみを覆う大きさから、膨張した第１のチューブ１の下部の内部表面に接触しない大きさまで及ぶことができる。

展開されたとき（すなわち、格納されていない又は完全には膨張していないとき）、互いに隣り合う第１のチューブ１の中心同士の間隔は２Ｒである。反射性の第２のチューブ２は、可撓性かつ非弾性の膜から形成されるとともに、太陽光放射と熱放射の両方を反射する。反射性の第２のチューブ２は、その内側と外側の両表面に太陽光・熱反射性コーティング（アルミニウム又は類似のもの）を有することができる。別の実施例では、第２のチューブ２の可撓性膜が熱放射に対してのみ透過的であることを条件に、反射性の第２のチューブ２は、その内側表面のみに太陽光・熱反射性コーティング（アルミニウム又は類似の）を有してもよい。さらに他の実施例では、第２のチューブ２の可撓性膜が太陽光および熱放射の両方に対して透過的であることを条件に、反射性の第２のチューブ２は、実質的にその上側半分に太陽光・熱放射に対する反射コーティング（アルミニウム又は類似のもの）を有していてもよい。第２のチューブ２のこのような構成によれば、上述したように、チューブ１の最小外周を短くすることができ、さらには、収縮した第２のチューブ２の光拡散の程度を減少させることもできる。

完全な入れ子としたチューブ配置では、図３に示すように、第２のチューブ２は、太陽光と熱放射に対して透過的である可撓性の膜と、第２のチューブ２の外側表面の略上半分に隣接する太陽光・熱反射性の可撓性フィルムシート２ａとを含んでもよい。これにより、上述したように、第１のチューブ１の最小外周を減少させることができる。さらに、これにより、収縮した第２のチューブによる光拡散の程度を低減することもできる。所望の場合には、第３のチューブ３、第４のチューブ４、第５のチューブ５およびそれ以上のチューブのように、連続的に小さくなるチューブを、任意の適切な可撓性で非弾性の膜で形成することができるとともに、熱反射性材料又は熱透過性材料で形成してもよい。

圧力パラメータについて説明する。

チューブ部材におるチューブアレイにおいて、圧力ｐ０は、第１のチューブ１の外側の圧力である。ｐ０は、大気圧又は周囲圧力と見なすことができる。圧力ｐ１は、第１のチューブ１の内側および第２のチューブ２の外側の圧力である。圧力ｐ２は、チューブ２の内側の圧力であり、チューブ３が設けられる場合にはチューブ３の外側の圧力でもある。もしある場合には、ｐ３は、チューブ３の内側の圧力であるとともに、チューブ４がある場合には、チューブ４の外側の圧力でもある。もしある場合には、ｐ４は、チューブ４の内側の圧力であるとともに、チューブ５がある場合には、チューブ５の外側の圧力でもある。内側のチューブを付加する際には、このような圧力パラメータの関係を継続的に適用することができる。図６−８に示されるように、ディスクリートで可変の反射性シェーディングとして、例えば、３０％のシェーディング（図６に示される第４のチューブ４が膨張した状態）、５０％のシェーディング（図７、８に示される第３のチューブ３が膨張した状態）のような、１つ以上のレベルによるシェーディングを提供することができる。膨張圧力に関する非臨界制御（noncritical control）には、約０．１インチ（０．２５センチ）分の水柱の差圧が存在する（典型的な動作圧力：ｐ０≦ｐ１≦ｐ２≦ｐ３≦ｐ４．．．）。無制限に可変の反射シェーディング（例えば、２０％―１００％のシェーディング）において、リフレクタである第２のチューブ２の内部に、弾性であり径方向に膨張可能な第３のチューブ３を設けるとともに、弾性の第３のチューブ３の内部圧力を制御（例えば、ｐ３−ｐ２にて制御）することができる。これにより、チューブ３の直径を制御することができるため、反射シェーディングの程度を制御することができる。さらに、空気の流れ又は対流を可能とするシェーディングおよび部分的な天井を設けることが望まれる場合には、第３のチューブ３又は第４のチューブ４のいずれかを膨張させるとともに、第１のチューブ１を収縮させるようにしてもよい。

図１１―１３に示される別の実施形態による光拡散・断熱システムでは、内側にある反射性の第２のチューブ２が、各チューブセットの頂部および底部の近傍にて外側にある第１のチューブ１に取り付けられており、第１のチューブ１の内部に２つのボリューム（空間）Ａ、Ｂを画定している。これにより、ボリュームＡ内の空気圧Ｐ１ＡをボリュームＢ内の空気圧Ｐ１Ｂと異ならせることができる。このような差圧（Ｐ１Ａ−Ｐ１Ｂ）が生じることで、第２のチューブ２および互いに隣接する第１のチューブの間の接触面に湾曲を生じさせる。第２のチューブ２を湾曲させることで、構造物内における太陽光の捕獲および内側への光拡散を制御する際に役立つ。図１２は、日の出や日没時に発生しうる水平線に対して低角度で入射する太陽光の光線を示す。これらの光線は、湾曲した第２のチューブ２の上部に入射するとともに下方に偏向されたものとして示されている。このような種類の構成は、構造物又は建物の下部において放射を増加させることが望まれるとき、例えば、寒い夜の後の朝にその部分のボリュームを暖めることが望まれるときに有用である。

動作モードについて説明する。

図９Ａは、全てのチューブを収縮させた動作モードを断面で示した図である。この動作モードによれば、断熱効果はないが、光拡散および高い光透過性を有するモードを提供することができる。この構成においては、暖かい空気が急速に上昇することが可能になるとともに、太陽光放射が構造物又は建物の下部に早く達することができ、空気の対流を増加させる。図９Ｂは、全てのチューブを収縮させた同じ動作モードを示す図であるが、チューブアレイの上方から見た上方視図である。この方向から見ると、収縮したチューブはそれほど多くの太陽光放射を遮らないことがわかる。このことは特に、構造物又は建物の直上に太陽がある場合に当てはまる。

図２は、第１のチューブ１のみが膨張した動作モードを示す。当該動作モードによれば、熱放射を伝達する第１のチューブ１であれば、断熱は最小限だが光拡散効果と適度に高い光伝達性を有するモードを提供し、熱を吸収する第１のチューブ１であれば、適度な熱放射断熱を有するモードを提供し、熱放射を反射する第１のチューブ１であれば、良好な断熱効果を有するモードを提供する。いくつかの例では、このような構成によれば、前述した断熱効果を維持しつつ、チューブアレイによって作られる天井の上方のボリュームから下方のボリュームへ太陽光放射をガイドしながら、シェーディング（遮光）の量を低減することができる。

図１は、第１のチューブ１および第２のチューブ２のそれぞれが膨張した動作モードを示す。図１は、膨張した第２のチューブ内に付加的なチューブが存在する場合を示すが、このような付加的なチューブは、省略する又は収縮させることができる。このモードは、光透過性を最小にしつつ断熱効果を最大にすることができるモードであり、熱放射を吸収する第１のチューブ１であれば、良好な断熱効果を有し、熱放射を透過する又は反射する第１のチューブ１であれば、最適な断熱効果を有する。第１のチューブ１および第２のチューブ２の材料および膨張の程度に応じて、チューブアレイによって作られる天井とルーフの間にあるボリュームから天井の下方にあるボリュームへ光が透過しないようにすることができる。

同様に、図１３は、光拡散・断熱システムの別の実施例における断熱効果が最大となるモードを示し、当該モードでは、反射性の第２のチューブ２は、透明な第１のチューブ１に対して２箇所で接続されている。第２のチューブ２が第１のチューブ１に接続する第１のポイントを各チューブセットの頂部近傍とし、第２のポイントを底部近傍とすることができる。これらの動作モードは、チューブセットの全幅および全長によって作られる完全な天井、並びに図１０Ａ、１０Ｂに示される周囲のシーリングとともに全体の断熱効果が最大となるモードを、それぞれの実施例に関して示しており、当該モードでは、熱伝導、対流および放射による熱の損失が最小となっている。対照的に、図５に示されるようなチューブ１およびチューブ２が交互に並んだ別の実施例で断熱効果が最大となるモードでは、図１又は図１３に示される場合よりも、熱の流れがある直列に並んだ断熱層が少なく、また熱伝導による熱の損失が大きいために、全体の断熱効果は低くなる。すなわち、図５に示されるチューブは入れ子でないため、チューブアレイによって作られる天井を横切る方向への熱伝達が、図１又は図１３に示されるような熱を必ず伝達する複数の層で形成された入れ子のチューブのアレイとは異なる可能性がある。

さらに別の動作モードによれば、第３のチューブ３、第４のチューブ４および／又は第５のチューブ５などを、周囲のチューブと内側のチューブを収縮させながら、個別に又は単独で膨張させることができる。このモードによれば、断熱効果をほとんど失くす又は全く失くしつつ、光拡散効果とともに所望の程度のシェーディングを提供することができる。さらに別のモードによれば、全てのチューブを格納することができる、あるいは、システム全体を（光透過性が最大のモードを提供する）光透過性ルーフの少なくとも大部分の下から外れるように移動させることができる。これにより、光を拡散又はその他の変形をほとんど起こさせることなく、断熱効果をほとんど失くす又は完全に失くすようにすることができる。

図１０Ａおよび図１０Ｂは、チューブ部材１０２のそれぞれの一端が空気圧マニホールド１０１０に接続されたシステム１００を示しており、空気圧マニホールド１０１０は可撓性かつ格納可能であってもよい。図１０Ａは断面図である一方、図１０Ｂはチューブ部材１０２の上方視による図である。チューブ部材１０２は、複数の支持ケーブル１０４又はその他の適切な支持構造物によってそれぞれ支持されており、これらによって、チューブ部材１０２を構造物又は建物における解放空間の上方に吊り下げることが可能となる。支持ケーブル１０４は、チューブ部材１０２のアレイの幅に及ぶことが可能であるとともに、部材１０２の長さ方向に沿って適切な間隔で離間させることができる。チューブ部材１０２が適切な方向に維持され、望まれない過度のたるみ又はその他の変形が防止される限り、支持ケーブル１０４間の間隔は規則的又は可変的であってもよい。

図１０Ａおよび図１０Ｂに示されるチューブ部材１０２は、第１のチューブと、内側に順に配置され、支持ケーブル１０４がチューブ部材１０２に接続される場所に近い１点で接続された第２、第３、第４のチューブとを含む。図１０Ａおよび図１０Ｂでは、第１、第２およびそれに続く内側のチューブが全て膨張した状態で示されているが、この構成を有するシステムの動作中に全てのチューブが膨張する必要はない。

図１０Ａ、１０Ｂには、封止を行うための封止手段１０１５が示されており、当該封止手段１０１５は、チューブの下方にある空気から、チューブの上方および光透過性ルーフの下方にある空気を封止する。この封止手段１０１５は、空気圧マニホールド１０１０の近傍に位置するように示されるとともに、作動されると、空気圧マニホールド１０１０の近傍にてチューブ部材１０２の端部に接触する。封止手段１０１５は、使用時において、１つ以上の壁やその一部だけでなくチューブ部材１０２にも接触可能となる。さらに、封止手段１０１５によれば、チューブ部材１０２の端部と構造物の壁との間に生じうる流路を封止することによって、チューブアレイによって作られる天井の下方にあるボリュームから天井とルーフの間にあるボリュームへ空気が流れないようにすることができる。

封止手段１０１５は、構造物およびチューブアセンブリの全幅に及ぶエアビームなどの封止ビームとして示されている。この封止ビーム１０１５により、空気圧マニホールド１０１０はチューブアセンブリ内のチューブ部材１０２のそれぞれへアクセスできるようなり、それと同時に、チューブ部材１０２の端部と構造物の壁との間が封止される。チューブアセンブリは、構造物の残りの３つの壁に対して直接封止を行うように十分な長さと幅を有してもよい。あるいは、チューブアセンブリ内のチューブ部材１０２の周囲と構造物の壁との間に、封止ビーム又はその他の封止手段１０１５を設けてもよい。これらの封止方法のいずれによっても、天井を気密性にすることができるため、チューブアセンブリの上下における空気の対流による熱損失を防ぐことができる。

空気圧マニホールド１０１０は、チューブ部材１０２に空気を運ぶ２つ以上の部分１０２５、１０２６、１０２７、１０２８を有してもよい。空気圧マニホールド１０１０は、空気取り入れ部１０２０と、それぞれのチューブ部材１０２にある各チューブに結合するバルブ又はコネクタ（Ｔ形コネクタなど）１０３０を含んでもよい。それぞれの部分１０２５、１０２６、１０２７、１０２８における空気圧Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４の制御を補助するように、空気圧マニホールド１０１０の一部としてファンを設けてもよい。マニホールド１０１０におけるこれらの部分の圧力は、チューブの各タイプにおける圧力に直接相関させることができる。例えば、第１の部分１０２５は、チューブ部材のアレイの中の第１のチューブ１に空気を提供し、第２の部分１０２６は、アレイの中の第２のチューブ２に空気を提供するようにすることができる。

それぞれの部分に沿って示されるファンは、モータにより駆動されるプロペラファンであってもよい。ファン内のプロペラが回転する速度および方向は、コントローラによって制御することができる。これにより、チューブのアレイの中の特定のチューブを膨張又は収縮させて、放射伝達、空気流および熱伝達に関して所望の組み合わせを達成することができる。いくつかの実施例では、ファンは、前方および後方など複数の方向に回転してもよい。ファンが後方に回転可能であるとき、ファンを後方モードで作動させることで、チューブアレイ内の特定のチューブを早く収縮させることができる。例えば、チューブに空気を供給するファンの運転が停止されたときに、第２のチューブ２が収縮するのに５分かかる場合、ファンを逆方向に回転させると、同じ第２のチューブ２をわずか３０秒にて収縮させることができる。このような構成においては、ファンは様々なモードを有してもよい（オンモード又はオフモードのみ；オンモードとオフモードと逆回転モード；様々な速度を有するオンモードとオフモード；様々な速度を有するオンモードとオフモードと逆回転モード、など）。逆回転モードで運転可能なファンを有する空気圧マニホールド１０１０は、ファンが逆回転にて運転されたときに破壊されない剛性を有する材料で形成されてもよい。

図１０Ｂは、図１０Ａに示されるシステムの模式的な上面図を示す。壁とチューブ部材１０２の間に封止手段１０１５が配置され、チューブ部材１０２が完全に膨張した状態が示されている。図１０Ｂから分かるように、構造物の床は隠れているとともに、光は第２のチューブの性質に応じてその量が減少された状態で、下方の床へ到達するようになる。しかしながら、膨張したチューブアレイによって形成される天井を構造物に残すことで、構造物内の空気の対流が遮られるため、第２のチューブが完全に膨張する前に各チューブ部材１０２に蓄積された熱を捕捉することができる。図１０Ｂに示す構成では、第１のチューブ１のサイズおよび形状を、空気の対流および流れを捕捉するのに役立たせるとともに、後続のチューブ（特に第２のチューブ２）の材料および形状を、チューブアレイによって形成された天井の下方の空間に放射が到達することを阻止するのに役立たせることができる。

図１１は、光拡散・断熱システム２００の別の実施例を示し、ここでは、第１のチューブ１を除く全てのチューブが収縮されるとともに、反射性の内側のチューブ２が各チューブセットの頂部および底部の近傍にて外側の第１のチューブ１に接触している。膨張していない反射性の第２のチューブ２は、第１のチューブ１の両側から等しい空気圧を受けながら平坦又は平面的であるとともに、太陽光エネルギーが構造物に入射して通過する際の光拡散器として機能する。第１のチューブ１が膨張することにより、構造物内部から熱エネルギーが逃げることを制限および制御することができる。第２のチューブ２の外周の最小値は実質的に２πＲである。ここで、第２のチューブ２が完全に膨張したときに第２のチューブ２の側面が第１のチューブ１の側面に接触し得るようなチューブセットの間隔が２Ｒである。このように第２のチューブ２の外周の最小値を設定する場合には、第１のチューブ１の外周は少なくとも４（π-１）Ｒ（すなわち８．５７Ｒ）である必要がある。この結果、隣接する第１のチューブ同士が接触する部分の高さは（π-２）Ｒ（すなわち１．１４Ｒ）である。さらに他の実施形態では、第１のチューブ１は、より大きな外周を有してもよい（図示せず）。この場合、第１のチューブ１に突出部が生じて、当該突出部にて第１のチューブ１が、収縮した第２のチューブ２の上部および下部に接触することで、第２のチューブ２に張力が生じる。

光拡散・断熱システム２００が傾斜又は湾曲した構造物の下に設けられる場合、第１のチューブ１のアレイをそれに応じて実質的に傾斜又は湾曲させるとともに、第２のチューブ２を、収縮した状態で直上の構造物の角度又は湾曲に対して実質的に直行（perpendicular to）又は垂直（normal to）となる角度にて、第１のチューブ１内に配置することができる。しかしながら、この角度は、第１のチューブ１内における第２のチューブの片側に差圧を生じさせて、収縮した第２のチューブ２に湾曲を生じさせることによって、操作することができる。

図１２は、図１１に示される光拡散・断熱システム２００のさらに別の代替的な実施例を示し、ここでは、第２のチューブ２は、外側の第１のチューブ１の内部表面の頂部および底部に接続されている。第２のチューブ２は収縮した状態で示されている。収縮した第２のチューブ２の一方側Ａ（すなわち左側）にかかる第１のチューブ１の内圧は、第２のチューブ２の反対側Ｂ（すなわち右側）にかかる第１のチューブ１の内圧よりわずかに大きい。いくつかの実施例では、この差圧は、わずかな値から大きい値まで制御することができ、これにより、収縮した平面的な第２のチューブ２の湾曲の程度を制御することができる。例えば、この差圧が増加するにつれて、収縮した第２のチューブ２の湾曲も大きくなり、第１のチューブ１に生じる突出部と第２のチューブ２にかかる張力も大きくなる。第２のチューブ２によって第１のチューブ１を仕切ることで形成される一方側Ａと反対側Ｂの両方に空気圧を独立して生じさせるために、図１０Ａ、１０Ｂに示される圧力マニホールドを用いてもよい。これらの両側に生じる圧力差を圧力マニホールドにより制御することができる。

図１３は、図１１に示される光拡散・断熱システム２００の実施例を示し、ここでは、内側のチューブ２、３、４が完全に膨張している。この実施例では、第２のチューブ２の外周は実質的に２πＲである。ここで、チューブセット同士の間隔は２Ｒであり、第１のチューブ１の外周は４（π―１）Ｒ（すなわち８．５７Ｒ）である。この結果、隣接する第１のチューブ１の接触面の高さは１．４７Ｒとなる。

図１４Ａ、１４Ｂは、第１のチューブ１内の第２のチューブ２を湾曲させる各種のモードを示す。図１４Ａでは、第２のチューブ２は、完全に又はほぼ完全に収縮している。境界としての第２のチューブ２が画定する左側部分Ａおよび右側部分Ｂは、第２のチューブ２を実質的に平坦とするのに十分な圧力を有している。図１４Ａでは、第１のチューブ１内における左側部分Ａの圧力Ｐ１Ａは、第１のチューブ１内における右側部分Ｂの圧力Ｐ１Ｂよりも大きく示されている。このように圧力Ｐ１Ａと圧力Ｐ１Ｂが不均衡であることにより、右側部分Ｂの方が左側部分Ａよりも小さくなるとともに、互いの境界に湾曲を生じさせる。このような湾曲により、平らにされた第２のチューブ２は、その材料の性質に応じて、湾曲した反射性又は遮蔽性の表面となる。左側部分Ａと右側部分Ｂにおける差圧を変化させることにより、第２のチューブ２におけるこのような湾曲を変化させることができる。１日における太陽の動きや、異なる気象パターン、急激な気温変化などに応じて、第２のチューブ２における湾曲度合いを変化させることで調整することが望ましい場合もある。

図１４Ｂは、第１のチューブ１における左側部分Ａ又は右側部分Ｂのいずれかの圧力よりも大きい有限の圧力が第２のチューブ２内に生じている構成を示す。第２のチューブ２内にこのような圧力が生じると、チューブ部材が頂部および底部で接続していることもあり、これらのチューブの断面にレンズ形状が現れる。第１のチューブ１における左側部分Ａおよび右側部分Ｂ内の圧力並びに第２のチューブ２内の圧力を変化させることが可能であれば、可変的なシェーディングを生じさせることができ、さらには、太陽光放射を偏向することができる場合がある。第１のチューブ１のそれぞれが、隣接する第１のチューブ１を押圧するような程度まで膨張する必要があるため、図１４Ａ、１４Ｂに示される構成では、チューブアレイによって形成される天井の上方と下方の空間を、多くの空気がまたぐように移動することができなくなる可能性がある。

図１４Ａ、１４Ｂのいずれにおいても、第１のチューブ１の左側部分Ａおよび右側部分Ｂに空気を提供するファン、場合によっては第２のチューブ２にも空気を提供するためのファンを別個に設けて使用してもよい。これらのファンのそれぞれをオン／オフモード又は各種スピードを有するオン／オフモードにて運転させることができる。

図１、２、６-１０に示される実施例、すなわち第２のチューブとその他の内側にあるチューブが第１のチューブ内の一端のみに接続される実施例のシステムを製造するには、複数のフィルムシートを折り曲げて、その一端のみを熱融着させるとともに、内側のシートを含むそれぞれのシートを独立して膨張可能とすればよい。

少なくとも内側の第２のチューブが、外側の第１のチューブ内の対向する端部に接続される実施例においては、２組以上のシートを対向させて配置させて（フェイストゥーフェイス）、その組を両端部で熱融着するようにしてもよい。上述のように片側のみを熱融着することにより、両端部で接続されない内側のチューブを形成することができる。このようなチューブの製造技術は図１６に示される。

いくつかの実施例を上記で詳細に説明したが、その他の変形例も可能である。その他の実施形態が「特許請求の範囲」の範囲内であってもよい。

Claims (4)

1. 光透過性の構造物における遮光および断熱を制御するための装置であって、
   隣り合うように配置された膨張可能な第１のチューブのアレイであって、第１のチューブのそれぞれが、膨張した隣の第１のチューブに接触するように膨張可能である、第１のチューブのアレイと、
   膨張可能な第２のチューブのアレイであって、第２のチューブのそれぞれが、ある１つの第１のチューブの中に第１のチューブとは独立して膨張可能な状態で入れ子にされており、膨張していないときには、第１のチューブ内でそれぞれが平らとなり略鉛直に延びる一方で、膨張したときには、第１のチューブを介して、膨張した隣の第２のチューブに接触するように、第１のチューブに接続されている、第２のチューブのアレイと、を備え、
   第１のチューブのそれぞれは透明であり、第２のチューブのそれぞれは反射性であり、
   第２のチューブのそれぞれが、ある１つの第１のチューブの中の内部表面の頂部と底部の両方に接続されている、装置。
2. 膨張可能な第３のチューブのアレイをさらに備え、第３のチューブのそれぞれは、ある１つの第２のチューブの中に第２のチューブとは独立して膨張可能な状態で入れ子にされている、請求項１に記載の装置。
3. 膨張可能な第４のチューブのアレイをさらに備え、第４のチューブのそれぞれは、ある１つの第３のチューブの中に第３のチューブとは独立して膨張可能な状態で入れ子にされている、請求項２に記載の装置。
4. 第１のチューブにおいて第２のチューブの反対側に設けられた対向するチャンバであって、互いの差圧を生じさせるように独立して膨張可能であり、当該差圧を生じさせることで、膨張していない第２のチューブを圧力の大きいチャンバから離れる方向へ湾曲させて、第２のチューブによる光の導光を制御することができる、チャンバをさらに備える、請求項１から３のいずれか１つに記載の装置。

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