IPC分类号：
F21S11/00 | E06B9/24 | E06B5/00
国民经济行业分类号：
C4350 | C3545 | C3871 | C3976
当前申请(专利权)人：
マサチューセッツ インスティテュート オブ テクノロジー
原始申请(专利权)人：
マサチューセッツ インスティテュート オブ テクノロジー
发明人：
スオト,ケビン,ダブリュー | アンデルセン,マリリン
代理人：
古谷 聡 | 溝部 孝彦 | 西山 清春
摘要：
建物内で使用する採光システムは、第1の長手方向要素と該第1の長手方向要素から隔置された第2の長手方向要素とを有するルーバーアレイを備える。該第1の長手方向要素と該第2の長手方向要素の少なくとも一方のプロファイルは非対称であり、該第1の長手方向要素と該第2の長手方向要素の各々は、放物面を含む下部プロファイルを有し、該第1の長手方向要素と該第2の長手方向要素の対向する表面の部分は、上方向に傾斜した水平ではない中心線を有する複合放物面集光器プロファイルを画定し、該アレイは、該アレイを通る視線を遮る。採光システムのルーバーは、(i)放物面集光器面と平面の間に配置された前縁接続面によって画定された前縁部と、(ii)下側の複合放物面集光器プロファイルと上側の複合放物面集光器プロファイルの間に配置された後縁接続面によって画定された後縁部を備える。ルーバープロファイルを設計するための方法が提供される。
【選択図】図10
技术功效语段：
【0020】直射日光の差し込みを防止するという特徴を含むシステムのコンパクトな設計は、既存のシステムに対するいくつかの利点をもたらす。たとえば、上記のライトルーバーは、本明細書で開示するルーバーよりも大きな幅対高さ比(典型的には2.75であり、これは、本発明の好適な1実施形態の2.32とは対照的である)を有している。したがって、所与の1つのグレージングユニット(またはガラスユニット)の幅及び高さについて、本発明の実施形態のルーバーに比べて、空間を塞ぐために約19%だけ多くのライトルーバーが必要になるだろう。さらに、ライトルーバーは、グレアの潜在的な発生原因となる、0°〜5°の小さな仰角での直射日光の差し込みを許容する。種々の実施形態において、新規なルーバーは、入射光がどのような角度で入射しようとも、散乱されていない直射日光が下向きに差し込むのを許容しない。
权利要求：
【請求項1】
建物で使用するための採光システムであって、
前記採光システムはルーバーアレイを備え、
前記ルーバーアレイは、第1の長手方向要素と、該第1の長手方向要素から隔置された第2の長手方向要素を備え、
(i)前記第1の長手方向要素と前記第2の長手方向要素の少なくとも一方のプロファイルが非対称であり、
(ii) 前記第1の長手方向要素と前記第2の長手方向要素の各々は、放物面を含む下部プロファイルを有し、
(iii)前記第1の長手方向要素と前記第2の長手方向要素の対向する表面部分が、複合放物面集光器プロファイルを画定し、
(iv)前記複合放物面集光器プロファイルの中心線は、水平ではなくて、上方向に傾斜しており、
(v)前記アレイは、該アレイを通る視線を遮る
ことからなる、採光システム。
【請求項2】
前記第1の長手方向要素は、概ね三角形のプロファイルを有する、請求項1の採光システム。
【請求項3】
前記三角形のプロファイルは、前縁部、後縁部、及び、それらの間にある頂点を有する、請求項2の採光システム。
【請求項4】
前記頂点は、前記前縁部及び前記後縁部から下向きの方向に配置される、請求項3の採光システム。
【請求項5】
前記前縁部と前記後縁部の間に形成された上側の面は、不連続な輪郭を有する、請求項3の採光システム。
【請求項6】
前記不連続な輪郭は、境界線で交わる一対の弓状の表面から構成される、請求項5の採光システム。
【請求項7】
前記前縁部と前記頂点の間に形成された入口表面は平面を含む、請求項3の採光システム。
【請求項8】
前記頂点と前記後縁部の間に形成された出口表面は、弓状の表面を含む、請求項3の採光システム。
【請求項9】
前記第1の長手方向要素の少なくとも一部は、部分的に鏡面反射性の表面を含む、請求項1の採光システム。
【請求項10】
前記第1の長手方向要素と前記第2の長手方向要素の間に形成されたチャンネルは、入口開口、入口側開口、のど部、及び、出口開口を有する、請求項1の採光システム。
【請求項11】
前記入口開口は、前記第1の長手方向要素の前縁部から前記第2の長手方向要素の前縁部にわたって延在する、請求項10の採光システム。
【請求項12】
前記入口側開口は、前記第1の長手方向要素の頂点から前記第2の長手方向要素の上側表面にわたって延在する、請求項10の採光システム。
【請求項13】
前記出口開口は、前記第1の長手方向要素の後縁部から前記第2の長手方向要素の後縁部にわたって延在する、請求項10の採光システム。
【請求項14】
前記出口開口の半値幅は、入口側開口の半値幅をsinθmaxで除したものに等しく、ここで、θmaxは、前記チャンネルの最大出射角である、請求項10の採光システム。
【請求項15】
境界線が前記のど部の下流側に配置される、請求項10の採光システム。
【請求項16】
前記第1の長手方向要素と前記第2の長手方向要素が、同じプロファイルを有する、請求項1の採光システム。
【請求項17】
前記第1の長手方向要素と前記第2の長手方向要素が、垂直方向に整列している、請求項1の採光システム。
【請求項18】
前記採光システムを出る大部分の光線の出射仰角は、水平方向に対して0°〜2×θmaxの範囲から選択され、ここで、θmaxは、前記第1のルーバー要素と前記第2のルーバー要素の間に形成されたチャンネルの最大出射角である、請求項1の採光システム。
【請求項19】
前記第1の長手方向要素と前記第2の長手方向要素の少なくとも一方の外面のうちの少なくとも一方の最小反射率が50%の光反射率である、請求項1の採光システム。
【請求項20】
第1のガラスをさらに備え、前記第1の長手方向要素及び前記第2の長手方向要素は、前記第1のガラスに近接して配置される、請求項1の採光システム。
【請求項21】
第2のガラスをさらに備え、前記第1の長手方向要素及び前記第2の長手方向要素は、前記第1のガラスと前記第2のガラスの間に配置される、請求項20の採光システム。
【請求項22】
前記第1の長手方向要素及び前記第2の長手方向要素に近接して配置され、かつ、前記第1のガラスと前記第2のガラスの間に配置された屈折要素をさらに備える、請求項21の採光システム。
【請求項23】
前記屈折要素は複数の屈折ロッドから構成される、請求項22の採光システム。
【請求項24】
前記第1の長手方向要素及び前記第2の長手方向要素に近接して配置された反射天井をさらに備える、請求項1の採光システム。
【請求項25】
前記反射天井の最小反射率は、少なくとも50%の光反射率である、請求項24の採光システム。
【請求項26】
採光システム用のルーバーであって、
前縁部と
後縁部
を備え、
前記前縁部は、放物面集光器面、平面、並びに、前記放物面集光器面と前記平面の間に配置された前縁接続面によって画定され、
前記後縁部は、下側の複合放物面集光器プロファイル、上側の複合放物面集光器プロファイル、並びに、前記下側の複合放物面集光器プロファイルと前記上側の複合放物面集光器プロファイルの間に配置された後縁接続面によって画定されることからなる、ルーバー。
【請求項27】
請求項1のルーバーアレイのプロファイルを設計するための方法であって、
a.前記複合放物面集光器プロファイルと同じプロファイルである第2の集光器プロファイルを生成するステップであって、該プロファイルは、(i)上側のプロファイルを反転したものに等しい下側のプロファイルと、(ii)大きな開口及び小さな開口を画定する前記下側のプロファイルの端部及び前記上側のプロファイルの端部とを有し、前記大きな開口は前記小さな開口の下流側に配置されることからなる、ステップと、
b.前記第2の集光器プロファイルを最大出射角θmaxだけ反時計回りに回転させるステップと、
c.前記上側のプロファイルの上流側の端部を焦点として用い、及び、前記下側のプロファイルの上流側の端部を該放物線上のポイントとして用いて、垂直な対称軸を有する放物線を付加するステップと、
d.前記上側のプロファイルを、前記下側のプロファイルの下へと垂直方向に下向きに移動させて、前記上側のプロファイルの下流側の端部と前記下側のプロファイルの下流側の端部間に小さなギャップを形成するステップと、
e.前記上側のプロファイルの下流側の端部と前記下側のプロファイルの下流側の端部を接続する線を付加して、後縁部を画定するステップと、
f.前記下方に移動させられた上側のプロファイルの上流側の端部から開始して前記放物線で終了する線を付加して前記第1の長手方向要素のプロファイルを完成するステップと、
g.前記第1の長手方向要素の前記プロファイルを複製したプロファイルを前記第2の長手方向要素のプロファイルとするステップであって、前記第2の長手方向要素のプロファイルは、前記ステップdにおいて前記上側のプロファイルを移動させたのと同じ量だけ前記第1の長手方向要素の前記プロファイルを垂直方向に上または下へと移動させたプロファイルである、ステップ
を含む方法。
技术领域：
【0001】
関連出願の相互参照
本願は、2011年8月31日に提出された米国特許出願第13/222,533号、及び、2010年11月15日に提出された米国仮出願第61/413,804号を基礎出願として優先権を主張するものであり、参照によって、それぞれの出願の全体が本明細書に組み込まれるものとする。
【0002】
本発明は、一般的には窓操作システムに関連し、特に、採光システムに関連する。
背景技术：
【0003】
採光システムは、ビルの空間に自然光を提供して、電灯照明の必要性を低減するために使用されている。日光の有効利用には、光熱費の低減、発電のための化石燃料消費量の低減、及び、占有者(現住者など)の労働環境満足度の向上を含むいくつかの利点がある。既存の多くの採光システムの概観が、Ruck他による、Daylight in Buildings: A Source Book on Daylighting Systems and Components, a report of theInternational Energy Agency SHC Task 21/ECBCS Annex 29 (July 2000)に記載されており、該文献は、http://gaia.lbl.gov/iea21/ieapubc.htmで入手することができ、参照によって、その全体が本明細書に組み込まれるものとする。
【0004】
アニドリックシステム(anidolic system)
室内の奥まで光が到達するように光の向きを変え、また、室内に直射日光が下向きの角度で入るのを防止する静的採光システムの探求は、非結像光学(non-imaging optics)の科学的知識や複合放物面集光器(compound parabolic concentrator:CPC)と呼ばれる技術をもたらした。非結像光学すなわちアニドリック光学の分野は、初めは、太陽熱収集器の開発で使用されたが、これについては、Scartezzini 及びCourretによる「Anidolic Daylighting Systems,」(Scartezzini, J.-L. & Courret,G., 2002. Anidolic DaylightingSystems. Solar Energy, 73(2), pp.123-35)に記載されており、参照によって、この文献の全体が本明細書に組み込まれるものとする。
【0005】
CPCは当初、所定の角度範囲からの全ての光線を受けて、それらの光線をより小さな領域に集光する太陽集光器として使用されていた。CPCは、採光用途に使用されるときは、同じタイプの反射鏡プロファイルを使用するが、光は、反対方向に該プロファイルを通って進む。Scartezziniによる天頂アニドリック集光器(zenithal anidoliccollector)の側面図に基づく図1を参照すると、光は、全方向から小さな入口側開口を通って入り、出口では、制御された角度範囲内に揃えられている。Scartezzini, Jean-louisによる「Anidolic Systems - Non-imaging Transmission of Daylightinto Darker Parts of Buildings」(EPFL Solar Energy and Building PhysicsLaboratory LESO-PB/ Web 17 August 2010、http://leso.epfl.ch/e/research_dl_anidolic.html)を参照されたい。尚、参照によって、この文献の全体が本明細書に組み込まれるものとする。
【0006】
CPCがどのように動作するについての完全な考察は、Winston, Roland, Juan C. Minano, Pablo Benitez, 及びW. T. Welfordによる、Nonimaging Optics. Amsterdam(Elsevier Academic,(2005), 50-57頁)に記載されており、参照によって、この文献の全体が本明細書に組み込まれるものとする。CPCの幾何学的形状乃至寸法を確定する4つのパラメータ、すなわち、入口のサイズ、出口のサイズ、長さ、及び最大出射角がある。これらのパラメータのうちの任意の2つを設定すると、他の2つが決まり、したがって、CPCの幾何学的形状乃至寸法が完全に画定される。
【0007】
天頂アニドリック集光器などの既存のアニドリックシステムには、それらがオフィスビル環境に適用された場合にいくつかの重大な欠点があることがわかった。たとえば、天頂アニドリック集光器は下向きの鏡面反射光を許容するので、一般的には、日当たりの良い状況では、グレアを防ぐために該システムに日が当たらないようにすることが必要になる。オープンプランのオフィスでは、グレアを抑えるために閉じられるブラインドが長時間閉じられたままとされることが多い。遮光システムを自動化して、占有者による調節の必要性をなくすことによってのみ、この問題を完全に克服することができる。さらに、天頂アニドリック集光器の物理的寸法はかなり大きくて、長さがおよそ1m〜2mであり、高さがおよそ0.5m〜1mである。このサイズのために、ファサード(建物の正面)近くの天井の高さが低くなって、下の空間が使いにくくなってしまう。外部光の取入口を組み込むことも、建築上の難題でありうる。
【0008】
ルーバーシステム
反射型ルーバーは、採光システムの別の関連するグループを構成する。ルーバーシステムは、しばしば、2つのガラス面の間に配置されて、天頂アニドリック集光器などのより大きなシステムを用いた場合よりも、ファサードへの組み込み作業がはるかに簡単になるように設計されている。概念上は、ルーバーシステムは、一般に、垂直方向に配列した同形状の曲線状の羽根板(スラット)から構成されて、日光を天井へと向け直すプロファイル(プロファイルとは外形乃至輪郭の形状を意味する)を有している。図2に示されているフィッシュ(Fish)システムは、そのようなルーバーシステムの1つである。該フィッシュシステムは、参照によってその全体が本明細書に組み込まれている米国特許第4,699,467号に記載されており、また、Ruckの4-24頁に示されている。該システムは、水平位置よりも上の全ての入射光を向け直すことができるが、出射光を平行にするのは比較的苦手である。その結果、それらのルーバーからの光は、望んだ程奥深くまでは差し込まない場合がある。
【0009】
Compagnon(コンパグノン)は、図3に示すようなアニドリックプロファイルからなる反射器システムを評価した。Compagnon, Rによる Simulations Numeriquesde Systemes D'Eclairage Naturel a Penetration Laterale(PhD Thesis. Lausanne: Ecole PolytechniqueFederale de Lausanne, 1994)のp. 138, Figure 5.47を参照されたい。尚、参照によって、この論文の全体が本明細書に組み込まれるものとする。内部のアニドリック曲線は、反射器を出た光を天井に向けて送ることができるように上向きに傾斜しており、これによって、グレアを防ぐようになっている。ルーバーアレイ(複数のルーバーを配列したもの)を構成するのにアニドリックプロファイルを使用するというアイデアは魅力的である。しかしながら、この構成では、ルーバーの外側半分の構造によって、60°の投影仰角より上にある全ての光が阻止される結果になる。光は、水平位置(または水平面乃至水平方向。以下同じ)の上最大60°で部屋に入るが、この60°という最大仰角は、フィッシュルーバーの最大仰角よりも小さい。しかしながら、出射仰角の範囲は、依然としてかなり広く、その結果、空間の奥深くまで進行する光の量が制限される可能性がある。この構造では、CPCプロファイルの下方の曲線部の先端が切り取られているが、これは、それらのルーバーが、水平位置より下に光をこぼして、グレアを生じる可能性があることを意味している。さらに、この構成は、天頂アニドリック集光器よりもコンパクトであ
发明内容：
【課題を解決するための手段】
【0018】
新しいルーバーシステム、とりわけ、CPCプロファイルを組み込んだルーバーシステムは、上記のアニドリックシステム及びルーバーシステムの両方の欠点を改善ないし解消する。
【0019】
本発明の採光システムの実施形態は、オフィスビルによく見られる奥行きのあるオープンプランの空間を有する建物(建造物)に適している。この採光システムは、直射日光と散乱太陽光の両方を取り込んで、それらの光を、ほぼ水平の角度で室内に導き、これによって、光が奥深くに差し込むことができるようにしている。該システムは、グレアを低減するために直射日光を散乱するように構成されている。
【0020】
直射日光の差し込みを防止するという特徴を含むシステムのコンパクトな設計は、既存のシステムに対するいくつかの利点をもたらす。たとえば、上記のライトルーバーは、本明細書で開示するルーバーよりも大きな幅対高さ比(典型的には2.75であり、これは、本発明の好適な1実施形態の2.32とは対照的である)を有している。したがって、所与の1つのグレージングユニット(またはガラスユニット)の幅及び高さについて、本発明の実施形態のルーバーに比べて、空間を塞ぐために約19%だけ多くのライトルーバーが必要になるだろう。さらに、ライトルーバーは、グレアの潜在的な発生原因となる、0°〜5°の小さな仰角での直射日光の差し込みを許容する。種々の実施形態において、新規なルーバーは、入射光がどのような角度で入射しようとも、散乱されていない直射日光が下向きに差し込むのを許容しない。
【0021】
本発明の実施形態にしたがうシステムは、高価で、維持の負担が大きな自動システムと、非効率的でありえ、及び/または、一年のうちのかなりの期間でグレアを生じる可能性がある受動システムとの間のギャップを埋める可能性を有している。該システムは、単純で、受動的であって、メンテナンスフリーである。該システムはまた、何らかの再構成を要することなく、晴れと曇りのいずれの状況にも非常に適している。
【0022】
本明細書に開示されている採光システムを、東、南、または西(あるいは、南半球では、北、東、または西)にファサードが面している任意のビルの空間で使用することができる。該採光システムはオフィスビルに適している。なぜなら、オフィスビルは、一般に、日中は人がいて、ディーププランのレイアウトを有している場合が多く、かかるオフィスビル向けに該システムが設計されるからである。それほど奥行きが深くない空間の場合には、コストを最小限にするために、反射天井(反射性の天井)の長さを短くするか、反射天井を除去することができる。該システムを、新しい建物に組み込むことができ、また、既存の建物に対する新たな装置として設置することができる。グリーンビルディング(green building:環境配慮ビル)を所有または占有することに興味のある組織にとって、該採光システムは魅力のある選択肢である。
【0023】
1つの側面において、本発明の1実施形態は、第1の長手方向要素と該第1の長手方向要素から隔置された第2の長手方向要素を有するルーバーアレイを含む、建物内で使用するための採光システムを備える(長手方向要素とは、たとえば長手方向に延在する構造を有する要素である。以下、第1の長手方向要素、第2の長手方向要素を、それぞれ、単に、第1の要素、第2の要素ともいう)。第1と第2の長手方向要素の少なくとも一方が非対称のプロファイルを有しており、第1と第2の長手方向要素の各々は、放物面(乃至放物面状の表面)を含む下部(または底部)プロファイルを有しており、第1と第2の長手方向要素の対向する表面の部分は、複合放物面集光器プロファイルを画定し、該複合放物面集光器プロファイルの中心線は、水平ではなくて、上方に傾斜しており、該アレイは、該アレイを通る視線を遮る(該アレイを通る線上にある視線は該アレイによって遮られる)。
【0024】
以下の特徴のうちの1つ以上を含めることができる。該第1の長手方向要素は、概ね三角形のプロファイルを有することができる。該三角形のプロファイルは、前縁部(または先端部)、後縁部(または後端部)、及び、それらの間の頂点を備えることができる。該頂点を、前縁部及び後縁部から下の方向(乃至下方)に配置することができる。前縁部と後縁部の間に形成された上面(上側の表面)は、境界線で接触する(乃至交わる)弓状に曲がった一対の面などの不連続な輪郭(たとえば、該境界線上の接触点で曲線乃至直線の傾斜が不連続に変化する輪郭)を有することができる。前縁部と頂点の間に形成された入口面は、平面を含むことができる。頂点と後縁部の間に形成された出口面は、弓状に曲がった面を含むことができる。該第1の要素の少なくとも一部は、部分的に鏡面反射性の面を含むことができる。
【0025】
第1のルーバー要素と第2のルーバー要素の間に形成されたチャンネルは、入口開口、入口側開口(インレット開口ともいう)、のど部、及び、出口開口を含むことができる。入口開口は、該第1の要素の前縁部と該第2の要素の前縁部にわたって延在することができる。入口側開口は、該第1の要素の頂点と該第2の要素の上面にわたって延在することができる。
【0026】
出口開口は、該第1の要素の後縁部と該第2の要素の後縁部にわたって延在することができる。出口開口の半値幅(最大開口幅の半分の開口幅)を、入口側開口の半値幅をsinθmaxで除したものに等しくすることができ、ここで、θmaxは、該チャンネルの最大出射角である。境界線を、のど部の下流側に配置することができる。
【0027】
該第1の要素と該第2の要素は、共通の(すなわち同じ)プロファイルを有することができ、及び/または、それら2つの要素を垂直に整列させることができる。採光システムを出る大部分の光線の出射仰角を、0°〜2×θmaxの範囲から選択することができ、ここで、θmaxは、該第1の長手方向要素と該第2の長手方向要素の間に形成されたチャンネルの最大出射角である。該第1の長手方向要素と該第2の長手方向要素の少なくとも一方の最小反射率を、50%の光反射率とすることができる。
【0028】
採光システムは、第1のガラス(または第1のグレージング)を備えることができ、その場合、該第1の要素と該第2の要素が該第1のガラスに近接して配置される。採光システムはまた第2のガラス(または第2のグレージング)を備えることができ、その場合、該第1の要素と該第2の要素は、該第1のガラスと該第2のガラスの間に配置される。
【0029】
屈折要素を、該第1の長手方向要素及び該第2の長手方向要素に近接して、かつ、該第1のガラスと該第2のガラスの間に配置することができる。該屈折要素は、複数の屈折ロッドを含むことができ、または、該屈折要素を複数の屈折ロッドから構成することができる。
【0030】
反射天井を、該第1の長手方向要素及び該第2の長手方向要素に近接して配置することができる。該反射天井の最小反射率を少なくとも50%の光反射率とすることができる。
【0031】
別の側面において、本発明の実施形態は、採光システム用のルーバーを備える。該ルーバーは、放物面集光器面と、平面と、該放物面集光器面と該平面の間に配置された前縁接続面とによって画定される前縁部を備える。該ルーバーはまた、下側の複合放物面集光器プロファイルと、上側の複合放物面集光器プロファイルと、該下側の複合放物面集光器プロファイルと該上側の複合放物面集光器プロファイルの間に配置された後縁接続面とによって画定される後縁部を備える。
【0032】
さらに別の側面において、本発明の実施形態は、ルーバープロファイルを設計するための方法を含む。該方法は、複合放物面集光器プロファイルを生成するステップを含み、該プロファイルは、(i)上側のプロファイルを反転したものに等しい下側のプロファイルと、(ii)大きな開口及び小さな開口を画定する該下側のプロファイルの端部及び該上側のプロファイルの端部を有し、該大きな開口は、該小さな開口の下流側に配置されている。複合放物面集光器プロファイルは、最大出射角θmaxだけ反時計回りに回転される。垂直な対称軸を有する放物線が、該上側のプロファイルの上流側の端部を焦点として用い、及び、該下側のプロファイルの上流側の端部を該放物線上の点として用いることによって付加される。該上側のプロファイルは、該下側のプロファイルの下へと垂直方向に下向きに移動させられて、該上側のプロファイルの下流側の端部と該下側のプロファイルの下流側の端部間に小さなギャップ(間隙)を形成する。該上側のプロファイル及び該下側のプロファイルの下流側の端部同士を接続する線が、後縁部を画定するために付加される。下方に移動させられた上側のプロファイルの上流側の端部から開始する線が付加され、該線は、該放物線で終了する。
具体实施方式：
【0034】
図7〜図9を参照すると、本発明の採光システム10の1実施形態は、3つの主要なサブアセンブリを備えている。それらのサブアセンブリのうちの2つである、(より詳細に後述する)反射ルーバー(光反射性のルーバー)及び反射ロッド(光反射性のロッド乃至棒)は、日が当たるファサード13の上部に設置された窓ユニット12に収容されている。他の1つのサブアセンブリは反射天井(光反射性の天井)14を備えている。反射天井14を、日が当たるファサード13から室内に4〜6mの距離(要求される距離は、部屋の大きさと性能目標に基づいて変わる)にわたって反射天井を覆う反射パネル(光反射性のパネル)で実現することができる。より具体的には、図7は、オフィスに設置された本発明による採光システム10の断面図である。図8及び図9は、オフィス空間内部からシステム10を描いたものである。
【0035】
図10、図11は、それぞれ、本発明の1実施形態にしたがう、窓ユニット12の側面断面図、上面断面図である。窓ユニット12は、標準的な二重窓ユニットに似た、2つのガラス枠16を含んでいる。ガラス枠16は、第1のすなわち外側のガラス(たとえば板ガラス)18と、第2のすなわち内側のガラス(たとえば板ガラス)20を備えている。外側のガラス枠16と内側のガラス16の間には、後述する、(本明細書では、ルーバー22とも記載されている)反射性の長手方向要素22、及び屈折ロッド24を含む光学要素(乃至光学装置)が配置されている。ルーバー22及び屈折ロッド24はいずれも、ちりや引っかき傷がつきやすい。それらを窓ユニット12の内部に配置することは、それらを保護するのに役立ち、及び、メンテナンスを不要にしまたは低減する。
【0036】
居住者をグレアから守るために、窓ユニット12を通して屋外は見えない。該ユニット12の底部は、ファサード13の下部に(外の景色を見るための)ピクチャーウィンドウを設置できるように、床から約2.1m以上高いのが好ましい。
【0037】
ルーバーの構造
次に、本発明の実施形態にしたがうルーバー22の機能を説明する。ルーバーシステムがどのように動作するかを理解するためには、第1の長手方向要素と第2の長手方向要素、すなわち、2つのルーバー22の間に形成されているチャンネル26の幾何学的形態を検討するのが役立つ。図12に示すように、第1及び第2のルーバー22の4つの表面A、B、C及びDが、このチャンネル26を画定する。表面A、C、及びDは共に、ルーバープロファイル28、すなわち、天頂アニドリック集光器採光システムに類似の長手方向要素の断面を形成する。図12に示すように、ルーバープロファイル28は非対称形である。いくつかの実施形態では、プロファイル28は、ルーバー22の長手方向すなわち延在方向に沿って一様乃至不変である。
【0038】
ここで説明するプロファイル28は理想的な形状であって、プロファイル28の両端部(すなわち、前縁部と後縁部)はとがっている。図示のように、ルーバー22のプロファイル28は、前縁部(ポイントH)、後縁部(ポイントI)、及び頂点(ポイントE)を含んでいる。いくつかの好適な実施形態では、製造能力の観点から、プロファイル28は、前縁部及び/または後縁部がとがっておらず、プロファイル28は、それらの位置に、最小の厚みがより大きい、前縁接続面と後縁接続面を有することができる。たとえば、前縁接続面は、表面Aと表面BをポイントHで接続することができ、後縁接続面は、表面Cと表面DをポイントIで接続することができる。
【0039】
表面A
表面Aは、放物面反射器面または放物面集光器面であり、その目的は、入口開口29を通過する入射光を集光することと、その光が、はね返りながら小さな入口側開口30を通過するのを確保することである。放物面プロファイルの性質によって、90°以下の仰角αで該放物面(図では放物線)に当たる光線が、入口側開口30を成功裏に通過することが確保される。すなわち、光線は、表面Aに当たると、ルーバーの出口開口31から離れる方向ではなく、該出口開口31に向かって進んで、チャンネル26を成功裏に通過するのが好ましい。図13は、仰角αの定義、並びに、光線が表面Bで反射して、入口側開口30をうまく通り抜けた直後の、仰角αが90°である光線の例を示している。かかる作用が起こるのは、図12に示すように、放物線の曲線が表面Dの端部(ポイントG)と交わるように、該放物線の頂点(ポイントF)が、焦点(ポイントE)の真下に適切な距離だけ離れて配置されているからである。ポイントEは頂点と呼ばれることもある。入口開口29と入口側開口30の間の領域をのど部32と呼ぶこともある。境界線が、ポイントGに配置されて、ルーバー22の長手方向に沿って延びている。長手方向は、図12に示すルーバープロファイル28に対して直角すなわち垂直である。表面AとDは共に不連続な輪郭を形成し、弓状の表面の対が該境界線で接触乃至交わっている。
【0040】
この構造は、標準的な天頂アニドリック集光器システムの構造とは異なる。天頂アニドリック集光器の場合は、CPC(表面C及びD)は、このルーバー構造のように上方に傾斜してはいない。このため、天頂アニドリック集光器の場合は、表面Dの端部は、表面Cの端部の真下にくる。天頂アニドリック集光器の場合は、放物面状光取込構造(表面A)の頂点はポイントFにあるので、表面Aのプロファイルは完全な放物線のちょうど半分をなす。しかしながら、ルーバー22の場合は、表面Dの端部(ポイントG)は、表面Cの端部(ポイントE)の真下にはこない。好適な実施形態では、表面Aの頂点(ポイントF)は、表面Cの端部(ポイントE)の真下にある。表面Aの放物線プロファイルは、その焦点が表面Cの端部(ポイントE)に配置され、かつ、表面Aが表面Dの端部(ポイントG)と交差するように画定される。プロファイルをこのように選択することによって、該放物線の頂点から焦点までの距離が長くなり、これによって、該放物線の上方への曲がりの程度が小さくなる。この点は重要である。なぜなら、放物線の曲がりの程度(または傾斜)が大きいほど、低い角度からの光がより多く阻止されるからである。このように低い角度からの光がより多く阻止されることになるのは、表面Bが、傾斜のより大きな放物線と交差するためには、より急な角度で傾斜する必要があるためである。
【0041】
表面B
表面Bは、曲線状ではなく平面状であるため、4つのルーバー表面のうちで最も単純である。概念的には、表面Bの目的は、バスケットボールのゴールのバックボードの目的に似ている。表面Bで反射した入射光は(進行方向を変えて)表面Aに向かって進む。反射した光線が、90°以下の仰角αで表面Aから離れる限り、該反射した光線は、表面Aの放物線に当たって、入口側開口30に入る(このような光線の例については図13を参照)。表面A及びBがない場合には、ファサード13に入射する光のごく一部のみが入口側開口30に入り、残りは、入口側開口の間の空間において失われてしまうであろう。
【0042】
上述したように、表面Bの角度によって、どの程度効率よく、低角度の光がルーバー22を通過できるかが調整される。理想的には、表面Bの角度は、水平方向からの光が表面Bから表面Aへと真下に反射されるように、水平方向に対して45°である。その場合は、仰角αが0°以上の任意の入射光が、入口側開口30に首尾よく入る。
【0043】
ルーバーチャンネル26を首尾よく通過する低角度の光の量を多くするために、表面Bの角度はできるだけ45°に近いのが好ましい。ルーバープロファイル28を完成させるために、表面Bを表面Aの放物線に接続する必要がある。しかしながら、表面Bの角度が45°の場合は、表面Bは表面Aと交差しない場合がある。表面Bの理論上の最小角度は、表面Bが表面Aの接線となるときの角度である。表面Bの角度が理論上の最小角度に等しくなるようにルーバー22が画定される場合には、前縁部が過度に長くかつ細くなりえ、このため、前縁部は非常にもろくなる可能性があり、さらに重要なことには、ルーバー22をグレージングユニット(またはガラスユニット)に収容するのが難しくなる程度までルーバー22の幅対高さの比率が大きくなりうる。さらに、かかるサイズの増大は、低角度光の通過の点で大きな利益をもたらさないだろう。したがって、表面Bの角度は、理論上の最小角度よりも大きいことが好ましい。1実施形態では、理論上の最小角度は55°であり、表面Bの選択された角度を58°とすることができる。
【0044】
本明細書に記載されているルーバー構造の実施形態では、水平方向に対する表面Bの角度は45°ではなく58°に選択された。角度のこの増加によって、同じルーバーの表面AとBがポイントHで交差することができる。その結果、遮断角度(カットオフ角)と呼ばれる約26°(26°は、58°と45°の差の2倍である)未満で入射する光線の大部分が、ルーバー22の外側半分によって阻止される。
【0045】
このタイプのルーバー構造では、出射角度の許容可能な範囲と遮断角度の間に直接的な相関関係がある。出射光の角度範囲が狭くなるほど、遮断角度は大きくなる。都市部では、水平方向近辺からの光を失う影響は、水平方向近辺からではない光を失う影響に比べて重要ではない。なぜなら、都市部の環境によって、空の下の部分の視野が遮られること多いからである。ファサード13に垂直ではない光線については、投影仰角は大きくなるが、これは、26°未満の角度で入射する光のかなりの部分がルーバー22も首尾よく通過することを意味している。
【0046】
表面C及びD
表面C及びDのプロファイルは、Nonimaging Opticsという書籍の51頁に記載されている式によって決定される。1実施形態では、選択された構造の最大出射角は20°であった。これは、ルーバーから出る全ての光が、CPCの中心線の±20°内に通常あることを意味する。20°は、出射光の角度範囲と遮断角度という競合要素間の妥協点として選択された。直射日光にさらされたときにグレアを引き起こす可能性がある下向きに進む光線を許容しないように、CPC表面は20°だけ上方に傾斜している。したがって、この実施形態におけるルーバーの出射範囲は、光の入射方向に関係なく、水平方向(すなわち水平方向に対して0°)から水平方向より上側40°までである。
【0047】
ルーバーを通過する光線の経路
図14A〜図14Jは、異なる位置及び仰角の入射光線がルーバー22によってどのように向きを変えられるかを示している。具体的には、それらの図は、仰角が、それぞれ0°(図14A)、10°(図14B)、20°(図14C)、30°(図14D)、40°(図14E)、50°(図14F)、60°(図14G)、70°(図14H)、80°(図14I)、及び、これら全ての角度を重ね合わせたもの(図14J)について、ルーバーを通過する光線の経路を示している。光は、それらのイメージ(図面)において左から右に進む。それらのイメージにおいて追跡されている全ての光線経路の中には、水平方向に対して0°未満の角度でルーバーチャンネル26を出ているものはない。それらのイメージはまた、いくつかの低角度で入射する光が、ルーバーの入口によってどのように阻止され、及び、どのようにはね返りながら外部に出て行くかを示している。
【0048】
ここで、ルーバーの断面に関して、面内ではなく面外にある光線に何が起こるのかというもっともな疑問が生じる。これに関しては、Winstonらは、「2次元溝型反射器における光線追跡は、該溝の長さ方向に垂直な平面内にない光線についても単純である。これは、該面に垂直な光線は該溝の長さ方向に平行な成分を有しておらず、したがって、2次元だけに反射の法則を適用することができるからである。第3の次元における光線の方向余弦は一定である。したがって、ある図面が、該溝の長さ方向が該図面の平面に垂直である2次元のCPCを示している場合には、全ての光線を、該平面への該全ての光線の投射のみを用いて追跡することができる。」と説明している(Winston他。53-54頁)。
【0049】
この理解に基づくと、2次元の光線経路図が、任意の入射光線方向について、出口において下向きに進む光線がないことを示している場合には、3次元における任意の入射光線方向についても同様であろう。
【0050】
ルーバー22の特定の実施形態の形状を画定する座標系列は次のとおりである。ルーバー22の形状は非常に複雑なので、該形状を画定する一番簡単なやり方は、該ルーバーの表面に沿った座標系列を用いることである。CADプログラムを用いて、ポイント(点)をつなぐスプライン曲線を描いて、該形状を正確に再現することができる。図15は使用された座標系を明示しており、表1はその座標をリストしている。
【0051】
【表1】
【0052】
採光システム10の主要部は、入射光を制御されたやり方で空間の奥深くへと向け直す反射型ルーバー(反射ルーバーともいう)22のアレイ(反射型ルーバー22を複数個配列した構成)である。図16は、積み重ねられた2つのルーバー22の相対的な位置を示している。図示のように、それらのルーバー22は、幅W、高さh、間隔Sを有している。いくつかの実施形態では、幅Wは約1.0インチ〜約4インチの間にあり、高さhは、約0.5インチ〜約2.0インチの間にあり、間隔Sは約0.5インチ〜約2.0インチの間にある。たとえば、1実施形態では、幅Wは2.016インチであり、高さhは0.880インチであり、間隔Sは0.870インチである。1実施形態では、図16の頁(紙面)に垂直な方向におけるルーバー22の断面(すなわちプロファイル28)は一定である。
【0053】
参考までに、幅Wが2.016インチ(5.12cm)、高さhが0.880インチ(2.23cm)、及び、間隔Sが0.870インチ(2.21cm)のときは、ファサードの高さ0.6mを満たすためには、ルーバー22を約27個積み重ねることが必要である。ルーバーの断面の実寸を大きくすることも小さくすることもできるが、装置が正常に機能するように、寸法の比率は該装置については同じままであるのが好ましい。
【0054】
ルーバー形状の設計
図17A〜図23、及び、Winston他の50-57頁を参照して、好適なルーバー形状を次のように設計することができる。
【0055】
本明細書で説明されているように、θmaxは最大出射角であって、複合放物面集光器の軸(CPCの中心線)と任意の出射光線との間の最大角度である。角度ψは、CPCプロファイルの上側のプロファイルと下側のプロファイルの座標を計算するために使用される。角度ψの範囲は、2×θmax〜90°+θmaxであり、角度ψは、(上側のプロファイルまたは下側のプロファイルに対応する)CPCプロファイルの放物線の中心軸から測定され、該放物線の中心軸は、CPCの中心線軸に対する角度θmaxを画定する。図17Aを参照されたい。
以下は、追加の関連するパラメータであり、
a’は、入口側開口30の半値幅であり、
aは、出口開口31の半値幅であり、
Lは、CPCの中心線軸に沿ったプロファイルの長さであり、
fは、放物線の焦点距離であって、a’とθmaxの関数である。
【0056】
a、a’、L、及びθmaxのうちの任意の2つ(の値)が選択されると、他のパラメータを計算することができる。
【0057】
たとえば、θmax及びaに特定の値を割り当てると、Winstonによって公表された式を使って、a’及びLを次のように計算することができる。
式4.3:a及びθmaxからa’を計算することができる。
式4.4:a、a’、及びθmaxからLを計算する。
【数1】
【0058】
図17A及び図17Bに示すように、Winston他によって与えられた式にしたがって、下側のプロファイル34、すなわち、上側のプロファイル36(すなわち上側の複合放物面集光器プロファイル)を反転したものに等しい下側の複合放物面集光器プロファイルを有するCPCプロファイル33を生成する。下側のプロファイル34と上側のプロファイル36のそれぞれは、放物線の一部を含んでいる。CPCプロファイル33は、半値幅がa’の入口側開口30すなわち小さな開口と、半値幅がaの出口開口31すなわち大きな開口を有しており、該大きな開口は、該小さな開口の下流側に配置されている。上側のプロファイル及び下側のプロファイルを形成する放物線のx及びy座標を、次の3つの式によって計算することができる。尚、ψは上記の範囲をとる。
【数2】
【0059】
図18に示すように、(図示のCPCの向きに関して)CPCプロファイル33を最大出射角θmaxだけ反時計回りに回転させる。
【0060】
図19及び図12に示すように、上側のCPCプロファイル36の左側の端部(ポイントE)(上流側の端部)を焦点として用い、及び、下側のCPCプロファイル34の左側の端部(ポイントG)(上流側の端部)を放物線上のポイントとして用いて、垂直な対称軸を有する該放物線(表面A)を追加する。放物線の頂点(ポイントF)は、ポイントE(放物線の焦点)の真下にある。今や放物線の形状は画定され、後続のステップで、放物線の停止ポイントが決定される。
【0061】
図20に示すように、2つのCPCプロファイル34、36の後縁部間すなわち下流側の端部(右側の端部)間に小さなギャップ(間隙)gが生じるように、上側CPCプロファイル36を下側CPCプロファイル34の下へと垂直方向に移動させる。この小さなギャップgがあるのは望ましい。なぜなら、もし、2つのCPCプロファイル34と36が接触する場合には、その結果生じる後縁部は非常に細くなってしまうからである。ギャップgの正確なサイズ(大きさ)は、製造能力に依存する。1実施形態では、この小さなギャップgを、たとえば、3ミリメートル(mm)とするこ