JP7114848B2 - 冬季太陽光の熱吸収作用を呈する採光装置 - Google Patents

Description

本発明は、それぞれ太陽光の熱吸収面およびその裏側の反射面を有する複数の板状部材を並列状態で配設した採光装置、特に板状部材に黒塗装面などの熱吸収面を設けて、この複数の板状部材全体を平面視の略南北方向の並列態様で設定した採光装置に関する。

ここで、並列設定後の板状部材それぞれの上向き・北向き面が鏡面などの光反射面として作用し、その裏側の下向き・南向き面が黒塗装面などの熱吸収面として作用する（図１参照）。

この複数の板状部材が、それぞれ東西方向に長く、かつ「南向き熱吸収面（北向き反射面）・光入射側南上がり」の傾き態様で並置された形の採光装置を提供している。

本発明の採光装置は、低仰角の冬季太陽光を南向き熱吸収面に入射させることにより、この入射光を熱に変換して屋内空間域などへの熱移動（熱伝導、対流や熱放射など）を生じさせ、冬季特有の暖房、融雪、結露防止などの処理をサポートする。

冬季以外の高仰角の太陽光は隣同士の板状部材間の上下方向空間域や北向き反射面を介して屋内側へと入射する。

なお、以下の明細書および図面などでは単なる説明の便宜上、必要に応じ北半球の日本（福井県）での入射太陽光を前提としている。南半球では南北の位置関係が逆になる。

本件出願人は、鏡面などの光反射面が設定された長方形状の板状部材を南北方向の所定状態に傾斜させて配設し、この隣同士の板状部材の空間域を入射光が反射しながら通過し、また反射なしの直進により通過する態様の採光装置を提案している（下記特許文献１参照）。

特許第５４９９３８２号公報

この提案済みの採光装置は、複数の板状部材の配設に基づいて屋内空間域への入射太陽光を広く拡散させ、眩しさを取り除きながら屋内広範囲を明るくできる、などの利便性を備えたものである。

本発明は、採光装置の複数の板状部材の作用についての発想を代え、この板状部材で、通常の太陽光の反射作用に加えてその熱吸収作用も生じるようにしたものである。

すなわち、板状部材の表裏各面を光反射作用面としてのみ用いるのではなく、その一面の一部または全部を熱吸収面に設定して、かつ各板状部材を低仰角の冬季太陽光が熱吸収面に入射する状態で傾斜配設した採光装置である。

この熱吸収面の設定および傾斜配設の態様により、少なくとも低仰角の冬季太陽入射光を変換した形の熱が板状部材から生じる。

本発明は、このように採光用板状部材の熱吸収面で生じた熱をその周辺域などに伝える作用により、暖房、融雪、結露防止などの処理をサポートして冬季生活環境の良好化・改善化を図る、すなわち低仰角の冬季太陽光の新たな有効利用化を図ることを目的とする。

本発明は、以上の課題を次のようにして解決する。
（１）一面（例えば後述の鏡面２ａ）に太陽光の反射部分を有し、その裏側の他面（例えば後述の熱吸収面２ｂ）に太陽光の熱吸収部分を有する複数の板状部材（例えば後述の板状部材２）を並列状態で配設した採光装置において、
前記板状部材はそれぞれ、
熱吸収作用を呈する前記他面の側が下向き、かつ南向きに、また、反射作用を呈する前記一面の側が上向き、かつ北向きに設定され、
前記板状部材の全体は、
低仰角の冬季太陽光が前記熱吸収部分に到達する南上がりの傾斜態様で配設された、
構成態様のものを用いる。
（２）上記（１）において、
前記太陽光の熱吸収部分は、
黒塗装面仕様であり、
前記太陽光の反射部分は、
鏡面仕様である、
構成態様のものを用いる。
（３）上記（１），（２）において、
前記熱吸収部分で前記太陽光から変換された熱が外部空間域に逃げないようにするためのカバー体（例えば後述のカバー体４）を設けた、
構成態様のものを用いる。
（４）上記（１），（２），（３）において、
前記板状部材は、
前記一面の太陽光入射側上部に、高仰角の夏季太陽光が上向きに反射して、北側に隣り合った前記熱吸収部分に到達せずに上方空間域へ逃げるための夏季太陽光入射反射面（例えば後述の夏季太陽光入射反射面９ｃ）を有している、
構成態様のものを用いる。
（５）上記（４）において、
前記一面の上部の前記夏季太陽光入射反射面は、
前記一面の下部よりも南下がりの傾斜態様で設けられている、
構成態様のものを用いる。

本発明は、以上の構成からなる採光装置を対象としている。

本発明は以上の課題解決手段により、採光用板状部材の熱吸収面で生じた熱が周辺域に移動するといった作用（熱伝導、対流，熱放射など）にともない、この移動域での暖房、融雪、結露防止などの処理をサポートして冬季生活環境の良好化・改善化を図ることができる。

また、低仰角の冬季太陽光を所定の傾斜状態の板状部材の熱吸収面で受けてそこからの熱移動を暖房、融雪、結露防止などに利用するといった新たな着想により、冬季太陽光の有効利用化を図ることができる。

採光装置を構成する複数の長方形平板状部材がそれぞれ東西方向（図面垂直方向）に長く、南上がりの傾斜態様で、その全体として平面視の南北方向に並設される概要を示す説明図である。 天窓の入射部近くに配設された採光装置を示す説明図である。 図２の採光装置における屋内空間域での一年間各月の入射光束量，放射光束量（採光に使われる光束量）および熱吸収光束量（熱吸収に使われる光束量）についてのシミュレーション結果を示す説明図である。 夏季太陽光入射反射面を備えた長方形状部材を用いた採光装置を示す説明図である。

図１～図４を用いて本発明の実施形態を説明する。

図１および図２は、複数の長方形平板状部材を配設した採光装置を示している。

図１～図２において、
１は建物の屋根などに設定されて太陽光入射作用を呈する採光部，
２は太陽光の反射作用および熱吸収作用を呈する長方形平板状部材からなり、採光部１に、それぞれ東西方向に長く、南上がり、南北方向同一ピッチの並列態様で複数配設された板状部材，
２ａは板状部材２の表側で上向き・北向きの鏡面，
２ｂは板状部材２の裏側の下向き・南向きであって例えばアルミ基板にブラッククロームを真空蒸着した選択吸収膜からなる熱吸収面，
３は複数の例えば13個の板状部材２がそれぞれ「南上がり」施工対象の単位要素として配設された採光ユニット（図２参照），
３ａは採光ユニット３の内部に板状部材２のそれぞれを固定保持する方形状の枠体，
４は熱吸収面２ｂで太陽光から変換された熱が外部空間域に逃げないようにするため、採光部１の自上側部分に設定された光透過性のカバー体，
５は冬至ごろの福井県の南中時太陽光（仰角30度），
６は春分，秋分ごろの福井県の南中時太陽光（仰角54度），
７は夏至ごろの福井県の南中時太陽光（仰角77度），
をそれぞれ示している。

また、
Ｗは板状部材２の南北方向のいわば面幅，
Ｌは板状部材２の東西方向の長さ，
Ｐは板状部材２の南北方向の配設ピッチ，
θは板状部材２の配設傾斜角度，
をそれぞれ示している。

これら板状部材２の面幅Ｗなどについての数値例は次の通りである。
Ｗ：65mm
Ｌ：1200mm
Ｐ：50mm
θ：60度

この数値はあくまで一例であって、板状部材２の配設傾斜角度θは「45度以上90度未満」の範囲で適宜設定される。

ここで、板状部材２の鏡面２ａとしては、例えばアルミニウム製鏡面，ステンレス製鏡面，銀・アルミニウムの真空金属蒸着フィルム処理を施した樹脂製鏡面，ガラス鏡面などを用いる。

板状部材２の熱吸収面２ｂとしては、上述のアルミニウム基板にブラッククロームを真空蒸着した選択吸収膜や黒色塗装板などを用いる。

また、枠体３ａは、アルミニウム，ステンレスなどの金属製やアクリル、ポリカーボネートなどからなるプラスチック製のものである。板状部材２を枠体３ａに固定するには、ネジ止め，リベット止め，接着などの各種固定手段を適宜用いる。

図１および図２で示されるように、並列設定後の板状部材２それぞれの上向き・北向き面が鏡面２ａなどの光反射面として作用し、その裏側の下向き・南向き面が黒塗装面などの熱吸収面２ｂとして作用する。

冬至ごろの低仰角の南中時太陽光５は板状部材２の熱吸収面２ｂにあたって熱に変換され屋内などへ移動する。カバー体４を設けているので、この熱移動に際し熱が外部空間域へと伝わる程度は小さい。

冬季以外の高仰角の太陽光６，７は隣同士の板状部材２，２間の上下方向空間域や、北向き反射面の鏡面２ａを介して屋内側へと入射する。

図３は、本発明採光装置の作用により、太陽入射光の中で屋内への採光に使われる光束量および吸熱（発熱）に使われる光束量などを、月ごと（各月22日）にシミュレーションした結果である。

図３のシミュレーションにおいて、
Ｌ１は屋内空間域での一年間「各月22日」の入射光束量
Ｌ２は屋内空間域での一年間「各月22日」の放射光束量（採光使用分），
Ｌ３は屋内空間域での一年間「各月22日」の吸収光束量（熱変換使用分），
をそれぞれ示している。

ここで注視すべきは、シミュレーション対象日（各月22日）の入射光束量Ｌ１，放射光束量Ｌ２および吸収光束量Ｌ３それぞれのピーク値の大小関係である。なお、入射光束量Ｌ１とその放射光束量Ｌ２との差分が熱吸収作用の吸収光束量Ｌ３に相当する。

このシミュレーションによれば、吸収光束量Ｌ３のピ－ク値、すなわち各月22日の〔12：00〕における吸収光束量は、１０月～２月の略冬季の各月あたり略「40000」ルーメン前後である。冬季の間、これだけの大きさの光束量が熱に変換されている。

この多量の入射太陽光の熱変換といわば引き換えに、１０月～２月の放射光束量Ｌ２は多くて略「7000」未満で夏季など（４月～８月）に比べて格段に小さくなっている。

このように高仰角の夏季入射光は板状部材２に当たらないか、その上面（表面）に当たり屋内方向へと進んで採光される。これに対し、低仰角の冬季入射光は板状部材２の下面の熱吸収面２ｂに当たるため入射光の反射作用ではなく吸収・発熱作用が生じる。

この低仰角の冬季入射光が板状部材２の熱吸収面２ｂに当たって熱に変換されることが本発明の主たるポイントである。

図３のシミュレーション結果は、採光分対応の放射光束量Ｌ２および熱変換分対応の吸収光束量Ｌ３の大小関係について、概略、
(11)１０月～２月は熱変換分（Ｌ３）が採光分（Ｌ２）よりも格段に大きく、例えば１２月の熱変換分は採光分の約10.5倍であり
(12)４月～８月は熱変換分（Ｌ３）が採光分（Ｌ２）よりも格段に小さく、例えば６月の熱変換分は採光分の約0.3倍であり
(13)３月および９月はともに採光分（Ｌ２）および熱変換分（Ｌ３）の差分が他の月よりも小さく、熱変換分が採光分よりも約「9000」ルーメンほど大きい（約1.3倍）、
ことなどを示している。

図４は、夏季太陽光入射反射面を設けた長方形状部材を複数配設した採光装置を示している。

図４において、
８は建物の屋根などに設定されて太陽光入射作用を呈する採光部，
９は太陽光の反射作用および熱吸収作用を呈し、長手方向の折り目を有する縦方向「ヘ」の字断面の長方形状部材からなり、採光部８に、それぞれ東西方向に長く、南上がり、南北方向同一ピッチの並列態様で複数配設された板状部材，
９ａは板状部材９の表側で上向き・北向きの鏡面，
９ｂは板状部材９の裏側の下向き・南向きであって例えばアルミ基板にブラッククロームを真空蒸着した選択吸収膜からなる熱吸収面，
９ｃは板状部材９の折り目より上の鏡面９ａの部分であって、高仰角の入射光を反射する夏季太陽光入射反射面，
１０は複数の板状部材９がそれぞれ「南上がり」施工対象の単位要素として配設されて、全体として建物の屋根などに北上がりの状態で設定された採光ユニット（図４参照），
１０ａは採光ユニット１０の内部に板状部材９のそれぞれを固定保持する方形状の枠体，
１１は冬至ごろの福井県の南中時太陽光（仰角30度），
１２は春分，秋分ごろの福井県の南中時太陽光（仰角54度），
１３は夏至ごろの福井県の南中時太陽光（仰角77度），
をそれぞれ示している。

また、
Ｗ１は板状部材９の折り目より下側部分の南北方向のいわば面幅，
Ｗ２は夏季太陽光入射反射面９ｃの南北方向のいわば面幅，
Ｐ１は板状部材９の南北方向の配設ピッチ，
θ１は板状部材９の折り目より下側部分の配設傾斜角度，
θ２は夏季太陽光入射反射面９ｃの配設傾斜角度，
θ３は採光ユニット全体の設定傾斜角度，
をそれぞれ示している。

これら板状部材９の面幅Ｗ１などについての数値例は次の通りである。
Ｗ１：72mm
Ｗ２：48mm
Ｐ１：64mm
θ１：30度
θ２：60度
θ３：9度

ここで、板状部材９および枠体１０ａの性状は、それぞれ前述の板状部材２,枠体３ａと同様のものを採用することができる。

図１との違いは、板状部材９に夏季太陽光入射反射面９ｃを設けたことと、板状部材９の配設が全体として北上がり傾斜となるように採光ユニット１０を設定したことである。

冬至ごろの低仰角の南中時太陽光１１は板状部材９の熱吸収面９ｂにあたって熱に変換され屋内などへ移動する。なお、前述のカバー体４を設けることで、この熱移動に際し熱が外部空間域へと伝わる程度を小さくすることができる。

夏季および冬季以外の仰角の太陽光１２は隣同士の板状部材９，９間の上下方向空間域や、北向き反射面の鏡面９ａを介して屋内側へと入射する。

夏至ごろの高仰角の南中時太陽光１３は一部が図示のように夏季太陽光入射反射面９ｃで上方北側に反射され、熱に変換されたり屋内側へ入射することがない。これにより、夏季の室内温度の上昇を防ぎ、空調コストを低減することができる。

また、板状部材９の配設を全体として北上がり傾斜となるようにして多くの太陽光が採光ユニット１０に入射できるようにしている。

本発明が以上の実施形態に限定されないことは勿論であり例えば、
(21)採光部１，８に各種タイプの光ダクトを取り付ける、
(22)板状部材２，９の熱吸収部分を熱吸収面２ｂ，９ｂの一部に設定する、
(23)板状部材２，９として、各種形状のフィンや電動ルーバなどを用いる、
ようにしてもよい。

（図１～図２）
１：採光部
２：板状部材
２ａ：表側で上向き・北向きの鏡面
２ｂ：裏側の下向き・南向きの熱吸収面
３：採光ユニット（図２参照）
３ａ：枠体
４：カバー体
５：冬至ごろの福井県の南中時太陽光（仰角30度）
６：春分，秋分ごろの福井県の南中時太陽光（仰角54度）
７：夏至ごろの福井県の南中時太陽光（仰角77度）
Ｗ：板状部材の南北方向の面幅
Ｌ：板状部材の東西方向の長さ
Ｐ：板状部材の南北方向の配設ピッチ
θ：板状部材の配設傾斜角度

（図３）
Ｌ１：屋内空間域での一年間「各月22日」の入射光束量
Ｌ２：屋内空間域での一年間「各月22日」の放射光束量（採光使用分）
Ｌ３：屋内空間域での一年間「各月22日」の吸収光束量（熱変換使用分）

（図４）
８：採光部
９：板状部材
９ａ：表側で上向き・北向きの鏡面
９ｂ：裏側の下向き・南向きの熱吸収面
９ｃ：夏季太陽光入射反射面
１０：採光ユニット（図４参照）
１０ａ：枠体
１１：冬至ごろの福井県の南中時太陽光（仰角30度）
１２：春分，秋分ごろの福井県の南中時太陽光（仰角54度）
１３：夏至ごろの福井県の南中時太陽光（仰角77度）
Ｗ１：板状部材の折り目より下側部分の南北方向の下側面幅
Ｗ２：夏季太陽光入射反射面の南北方向の面幅
Ｐ１：板状部材の南北方向の配設ピッチ
θ１：板状部材の折り目より下側部分の配設傾斜角度
θ２：夏季太陽光入射反射面の配設傾斜角度
θ３：採光ユニット全体の設定傾斜角度

Claims (5)

1. 一面に太陽光の反射部分を有し、その裏側の他面に太陽光の熱吸収部分を有する複数の板状部材を並列状態で配設した採光装置において、
   前記板状部材はそれぞれ、
   熱吸収作用を呈する前記他面の側が下向き、かつ南向きに、また、反射作用を呈する前記一面の側が上向き、かつ北向きに設定され、
   前記板状部材の全体は、
   低仰角の冬季太陽光が前記熱吸収部分に到達する南上がりの傾斜態様で配設されている、
   ことを特徴とする採光装置。
2. 前記太陽光の熱吸収部分は、
   黒塗装面仕様であり、
   前記太陽光の反射部分は、
   鏡面仕様である、
   ことを特徴とする請求項１記載の採光装置。
3. 前記熱吸部分で前記太陽光から変換された熱が外部空間域に逃げないようにするためのカバー体を設けた、
   ことを特徴とする請求項１または２記載の採光装置。
4. 前記板状部材は、
   前記一面の太陽光入射側上部に、高仰角の夏季太陽光が上向きに反射して、北側に隣り合った前記熱吸収部分に到達せずに上方空間域へ逃げるための夏季太陽光入射反射面を有している、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の採光装置。
5. 前記一面の上部の前記夏季太陽光入射反射面は、
   前記一面の下部よりも南下がりの傾斜態様で設けられている、
   ことを特徴とする請求項４記載の採光装置。

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