JP2017509813A - アクティブ建物窓 - Google Patents

Abstract

互いに平行なＮ個のスラットで作られたベネチアンブラインドを含むアクティブ窓であって、スラットはそれらの光のスループットを変更することのできる活性材料を含む。

Description

本発明は、アクティブ建物窓を用いて入射する環境光の制御と関連して、生活及び仕事の居住環境の照明品質を改善するための解決方法に関連している。

あらゆる人が知っており、且つ経験しているように、日中、周囲から入射する光において幅広い変化があり、その変化は季節、時間、気象状況に結び付いている。これらの変化に関連して、照明の快適なレベル及び種類を維持するために、居住環境へ接近する外部の光を変更／制御する必要があり、グレア効果を避けることも、人工照明の過度な使用に結び付いたエネルギーの無駄遣いを避けることも共に必要である。

居住環境における環境光の量を制御するために最もよく知られており、且つ最も広く採用されている解決方法の１つは、建物窓に隣接／結合したベネチアンブラインドを用いることである。この解決方法は、以下の利点を提供する。
・ 直接入射する太陽放射を遮断する
・ 適切に位置合わせされた場合、居住環境の占有部分において太陽面の直接の投影を防ぐことによってグレアを避ける
・ 光を居住環境の天井または他の部分へ向け直し、それによって居住環境の照明に対する貢献を提供する
・ 曇り空の場合、または太陽面の直接の投影が無いときに入射する入射光を許す。

この解決方法の主要な欠点の１つは、ブラインドの固定された構造的特徴、すなわち透過率、反射率及び色などの特性を変更及び制御することができないことに関係している。

これに対して、遮光技術の分野において、頭字語ＥＣＷ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｃｈｒｏｍｉｃ Ｗｉｎｄｏｗｓ）の分野で参照されることもある、エレクトロクロミック材料で作られた既知の窓であって、電流が供給されるとそれらの光透過特性（色、透過率、反射率）を変更する材料で実現された、または備えている（例えば、被覆された）窓がある。これらのデバイス及びこれらの制御に関する詳細な情報は、米国特許出願公開第２０１３／２６４，９４８号明細書において手に入れることができる。

ＥＣＷの主要な利点は、
・ 予め設定された目標に対する入射光の最大化
・ 光透過率の低減を通してのグレア減少
・ 光透過率を最大限にとることによる入射光の最大化

ＥＣＷに基づく解決方法の主な欠点は、それらがグレア効果を部分的に減少させるだけであり、特に、不均一な入射光の場合に、ＥＣＷの調整は不快症状を和らげるだけであり、その上、作られる規則性は入射光を犠牲にしている。ベネチアンブラインドは、グレアを制御し、反射を通して入射光の利用できる部分を提供するが、外側の可視性を犠牲にしている。一般的に言えば、ベネチアンブラインドがグレア減少においてエネルギー的により効率的であるものの、ＥＣＷは夏季に建物の冷却エネルギー消費を減少させることにおいてより効率的である。これは例えば、Ｅｎｅｒｇｙ Ｐｒｏｃｅｄｉａ ３０ （２０１２）、第４０４頁〜４１３頁で公開された論文「Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａｎ ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｒｏｍｉｃ ｗｉｎｄｏｗ ａｎｄ ａｕｔｏｍａｔｅｄ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｖｅｎｅｔｉａｎ ｂｌｉｎｄ」のｔａｂｌｅ ４及びｔａｂｌｅ ６において証明されている。この論文で報告されているように、自動垂直ブラインドを用いることにより、遮光のためのエネルギー消費はエレクトロクロミックウインドウに対してより低くなり、グレアインデックスは不快症状の臨界値より下に制限された。

米国特許出願公開第２０１３／２６４，９４８号明細書 国際公開第２０１１／０７６４９２号 米国特許第５８１６３０６号

"Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａｎ ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｒｏｍｉｃ ｗｉｎｄｏｗ ａｎｄ ａｕｔｏｍａｔｅｄ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｖｅｎｅｔｉａｎ ｂｌｉｎｄ" Ｅｎｅｒｇｙ Ｐｒｏｃｅｄｉａ ３０ （２０１２）、第４０４頁〜４１３頁 "Ｈｉｇｈｌｙ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｓｍａｒｔ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｃｈｒｏｍｉｃ ｄｅｖｉｃｅｓ ｗｉｔｈ ｔａｉｌｏｒｅｄ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ"、Ｅｎｅｒｇｙ＆Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ、２０１１年、ナンバー４、第２５６７頁から２５７４頁

本発明の目的は、ベネチアンブラインド及びＥＣＷの特徴及び有益な態様を共同の方法で活用することのできる、入射環境光を制御するための解決方法を提供することであり、それに関する第１の態様において、各々が０．０９から２ｍ^２の間の面積を有している、距離ｄで間隔が空けられた二つのガラス板と、アクティブ窓の気密シーリングのためのフレームとを含むアクティブ窓からなり、前記窓の内部で、互いに平行なＮ個のスラット（ｓｌａｔ）によって作られたベネチアンブラインドが配置されており、前記スラットの幅は、前記距離ｄの１０％から９５％の間であり、前記スラットはそれらの光のスループットを変更することのできるエレクトロクロミック活性材料を備えていることを特徴としている。

光のスループットの変更は、全体的または部分的な直接光から部分的な散乱光まで、居住環境に入ることが許された光の量及び入射光の照明機構に変化及び影響を及ぼすスラット、または、両者が半透明且つ半反射である二つのスラットの組み合わせの透過率及び／または反射率を制御することにより達成される。

スラットは可変透過率の材料を含み、特に、スラット自身の大部分は可変透過率（及び／または反射率）の材料で作られてもよく、または、活性材料が少なくともスラットの上面に被覆されてもよい。以下では、可変透過率の材料が参照されるが、可変及び制御可能な反射率を有する活性材料、並びに透過率及び反射率の同時の制御を有する混合の解決方法を参照して、同様の考察をすることができる。

本発明を実行するのに最も適している可変の光透過のシステムは、エレクトロクロミックまたはフォトボルタクロミック（ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｃｈｒｏｍｉｃ）のシステムである。本発明の目的及び目標は、新規な可変透過率の材料またはシステムではなく、強化された特性及び性能を有するアクティブ建物窓を得るためにこれらの材料を使用及び統合する新規な方法であることが指摘される。

フォトボルタクロミックシステムは、エレクトロクロミックシステムと、その広義では太陽放射からの発電装置を意味することが意図された光起電システムとの垂直的統合（結合）によって得ることができ、それ故また、太陽電池のようなシステムが包含されており、この後者のカテゴリーにおいて最も興味をひくシステムの一つがＤＳＳＣ（色素増感太陽電池）である。

そのように考慮され得る他の統合化システムは、Ｅｎｅｒｇｙ＆Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ、２０１１年、ナンバー４、第２５６７頁から２５７４頁で公開された論文「Ｈｉｇｈｌｙ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｓｍａｒｔ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｃｈｒｏｍｉｃ ｄｅｖｉｃｅｓ ｗｉｔｈ ｔａｉｌｏｒｅｄ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ」で述べられている。

エレクトロクロミックシステムは、一般的に下記の要素を含む。
− 第１及び第２の透明なまたは部分的に透明な基板であって、一般的に同じ材料で作られており、好ましくはガラスまたはポリマー、ＰＥＴで作られており、これらはまた、部分的に透明であり、且つ透過光の関連する散乱部分を有している、第１及び第２の透明なまたは部分的に透明な基板
− 第１及び第２の透明電極（最も一般的にはＩＴＯで作られる）；
− 第１のエレクトロクロミック層（すなわち活性材料）；
− 例えばポリマー接着剤のような電解質（ＰＥＯ、ポリエチレンオキシド）であって、ＭＸ（ＮａＣｌ、ＬｉＣｌＯ_４）の塩またはそれ自身のＨ^＋イオンを提供するポリ−２−アクリルアミド−２−メチル−プロパン（ＰＡＭＰＳ）が溶解されている、電解質；
− 非着色酸化還元材料によって置き換えられることのできる第２のエレクトロクロミック層（すなわち活性材料）。

これらのシステムに対して、適切な活性材料の例は、
− ＷＯ_３、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＮｉＯ、ＭｏＯ_３、Ｉｒ_２Ｏ_３、混合酸化物、例えばアンチモン酸化スズ（ＡＴＯ）、ポリ酸（ｐｏｌｙｏｘｏｍｅｔａｌｌａｔｅｓ）、ビオロゲン、プルシアンブルー、いわゆる全固体エレクトロクロミックシステムに特有のフタロシアニンから選択されるエレクトロクロミック酸化物
− 電気活性ポリマー（全ての導電ポリマー）、例えばポリピロール（ＰＰｙｓ）、ポリアニリン、ポリチオフェン、薄膜形態にあるＣ６０、アルカリ置換ポリチオフェン、ＰＥＤＯＴ（ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）、ＰＥＤＯＰ（ポリ（３，４−エチレンジオキシピロール）
− いわゆる全液体エレクトロクロミックシステムに特有であり、エレクトロクロミック作用剤が電解質中に分散している、ビオロゲン及びテトラメチル−ｐ−フェニレン−ジアミン（ＴＭＰＤ）
− いわゆる固液電解質に特有のシアノフェニルパラコート種
− 液晶及び分散粒子配向型ディスプレイのような電気的駆動システムであって、この場合電解質及び第２のエレクトロクロミック層は任意である、電気的駆動システム
− 以下に基づく切替え可能なミラー：
ａ．以下の水素誘導相転移（切替えは電気化学的に、または、水素及び酸素の気体への暴露によって達成され得る）：
１．希土類元素及び希土類元素の混合物
２．マグネシウムを有する遷移金属、例えばＭｇ_４Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｌ／Ｔａ_２Ｏ_５／Ｈ_ｘＷＯ_３／酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）
ｂ．アルカリ電解液中でバルク銅電極上への銅酸化膜の陽極形成、例えば、０．１ＭのＮａＯＨ溶液中でＰｔ対電極及びＨｇＯ／Ｈｇ基準電極を用いることにより実行され得る電気化学的サイクルによる、銅／酸化銅
ｃ．非水電解質（好ましいものは、アンチモンまたはビスマス）中のリチウム化及び脱リチウムを経た金属相及び半導体相の相互変換；電気化学サイクルは、リチウム箔の対電極及び基準電極を使用してプロピレンカーボネート中に１ＭのＬｉＣｌＯ_４を有して実行され得る。

結合したフォトボルタクロミックのスタックは、垂直に階層化されて、電気的に接続された、太陽電池のスタック及びエレクトロクロミックのスタックによって作られる。

集積フォトボルタクロミック封入スタックは、透明な基板、透明なカソード、電子半導体、染料、電解質、エレクトロクロミック層（活性材料）及び対電極、及び再び透明な、または部分的に透明な基板上の透明な、または部分的に透明な電極で作られている。前述の如く、カソード及び基板は、部分的に透明とすることができ、透過率または反射率において散乱光の関連部分を有している。

本発明に対して、以下の材料の使用及び構成が提供される。

基板及び封入：ガラス（２．２ｍｍ）またはポリイミドに基づく溶液で官能化された柔軟で薄いＳｉＯ_２または窒化チタン（５０から１００ミクロン）の層。

透明なカソード：通常、ガラスまたはプラスチック基板（ＰＥＴ）上にちょうど堆積されたフッ素ドープ酸化スズ（ＳｎＯ_２：Ｆ）。他の適切な選択肢は、Ｉｎ_２Ｏ_３、ＳｎＯ_２、ＺｎＯ及びそれらの組合せ、並びにＩＴＯであり得る。

電子半導体：電子伝導を可能にするために一緒に焼結されているナノメートルサイズの粒子から成るメソ多孔性酸化物層、最も適切にはＴｉＯ_２ナノ構造化層。通常、それらは塗料（ｐａｉｎｔ）の形態で使用され、ガラス上へのスクリーン印刷がなくてもよく、それから、１０から３０ｎｍの間の粒子を有する約４から１０ミクロンの厚さの層を得るために焼成を受ける。全体的な透明度を犠牲にして、拡散効果を増大／追加するために、分散体が追加されてもよい。同様に、バンドギャップが大きい酸化物、例えば文献で既に調査されたＺｎＯ、Ｎｂ_２Ｏ_５、並びにＦｅ_２Ｏ_３、ＷＯ_３、Ｔａ_２Ｏ_５、ＣｄＳ及びＣｄＳｅを使用することができる。ナノ粒子の追加は、反射光及び透過光の両者に対して散乱を増加することができる。これに関するより多くの詳細は、出願人名義の国際公開第２０１１／０７６４９２号において手に入れることができる。

好ましくは、ＤＳＳＣに対して通常使用されるものと同じ染料が採用される：Ｚ−７０９、Ｎ_３、Ｎ７１９、「ブラックダイ」トリ（シアナト）−２，２’２’’−ターピリジル−４，４’４’’−トリカルボン酸塩Ｒｕ（ＩＩ）。エレクトロクロミック層の補色の染料の使用は、光のスペクトルを調和させるために想定され得る。例えば、プルシアンブルーのエレクトロクロミック染料（鉄（ＩＩＩ）ヘキサシアノ鉄酸塩（ＩＩ））は、青を吸収する吸収スペクトルを有する染料（Ｎ_３）と関連することができる。

電解質：ＬｉＩ溶液が特に有利であり、例えば液体電解質溶液及び０．１ＭのＬｉＩ ０：０１ Ｍ４−ｔ−ｇ−ブチロラクトン中のブチルピリジン。全液体電極（ビオロゲンまたはＴＭＰＤテトラメチル−ｐ−フェニレン−ジアミン）の場合のように電解質に直接作用剤を分散させることも可能である。

エレクトロクロミック層：エレクトロクロミック／フォトボルタクロミックのデバイスのための前述の全ての材料が適切に使用され得るにもかかわらず、好ましい材料はＷＯ_３である。この層は、遮光効果の調整された分布を有するように、対電極と共にパターン化もされ得る。

対電極：Ｐｄ及びＰｔ層が好ましくは使用される。

封入されたフォトボルタクロミックのスラットは、封入によって決定される厚さを有することができ（スタックはミクロンのオーダーであることができる）、そのため、ポリイミドまたはポリアミドと共に、それは５０から１００μｍの間となることができ、それ故、標準的なベネチアンブラインドのスラットの厚さをはるかに下回っている。ガラスの使用の場合、材料の透明性は、光学不連続性の制限された効果を与えることができる。両方の場合とも、これは、結果として生じる良好な透明性と共に、より薄いスラットまたは制限された光学不連続性を有するアクティブ窓を実現することを可能にするか、または封入されたフォトボルタクロミックのスタックを標準的なベネチアンブラインドへ取り付けることを可能にする。

フォトボルタクロミックブラインドの使用は、自己一貫性のモジュール、すなわち、スラットを傾斜させるのに要求されるエネルギーをそれ自身が生成することのできるモジュールを作り出すことの可能性のためだけでなく、異なる技術的効果のために、エレクトロクロミックブラインドよりも好まれる。特に、フォトボルタクロミックのスラットは、入射光に対して自動的に応答し、それらの透過率特性を変化させ、不均一な入射光の場合には、透明度の変化に起因した差別的な遮光（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｓｈａｄｉｎｇ）でもあり、これに対してエレクトロクロミック材料は、周辺（電極）を起点とするその特性を変更している。

フォトボルタクロミックのスラットのこの性質は、不均一な外部照明、例えば日暮れまたは日の出の間の外部の不均一な陰影の状況においてさらなる改善を提供する。

本発明によるアクティブ建物窓のためのスラットにおいて使用される材料にもかかわらず、ブラインド構造は、いくつかの幾何学的な特徴及び他の構造的な特徴を有効に所有している。これに関して、２つの隣接するスラットの間の垂直または水平な距離として意図される距離は、各々の窓において一定であり、４〜１００ｍｍの間である。さらに、スラットは好ましくは傾斜可能であり、または、それらの傾斜角度が調節されることができる。この態様に関して、例えば米国特許第５８１６３０６号で説明されているように、この角度を変更するために形状記憶素子／手段を使用することが好ましい。一般的に言うと、傾斜を達成する２つの主要な方法：スプリングまたはワイヤの使用があり、後者の場合においては、対向する二つのワイヤの使用が特に好ましい。

本発明によるアクティブ建物窓において使用される好ましい形状記憶材料はニチノールであり、この合金の最新情報及び前進におけるいくつかの追加の詳細に対して、例えば、米国特許第８４３０９８１号で見ることができる。

本発明によるアクティブ建物窓は、プラグインモジュール（スラットがエレクトロクロミック材料を含む場合）または自立したモジュール（スラットがフォトボルタクロミック材料を含む場合）で設計されている。両者の場合において、窓は、大気の作用因子、例えば湿気結露に起因した窓の性能の劣化を避けるため、及び同様に活性材料に対する劣化の現象を防止するために気密である。特に、後者の理由のために、窓は、９００から１１００ｂａｒの間の圧力で、乾燥空気、窒素、アルゴン、クリプトンから選ばれる気体で好ましくは満たされるか、あるいは、１０^−３ｍｂａｒ以下の圧力で排気されている。

Claims (10)

1. アクティブ窓であって、距離ｄによって間隔が空けられ、各々が０．０９から２ｍ^２の間の面積Ａを有している２つのガラス板と、前記アクティブ窓の気密シーリングのためのフレームとを含み、前記窓の内部で、互いに平行なＮ個のスラットによって作られたベネチアンブラインドが配置され、前記スラットの幅は前記距離ｄの１０％から９５％の間であり、前記スラットは、前記スラットの透過率及び／または反射率を制御することによりそれらの光のスループットを変更することができるエレクトロクロミック活性材料を含むことを特徴とするアクティブ窓。
2. 前記スラットは前記活性材料で作られている、請求項１に記載のアクティブ窓。
3. 前記活性材料は前記スラットの上面上で層状にされている、請求項１に記載のアクティブ窓。
4. 隣接する前記スラットの間の距離は一定であり、４から１００ｍｍの間である、請求項１から３のいずれか一項に記載のアクティブ窓。
5. 前記スラットは傾斜可能である、請求項１から４のいずれか一項に記載のアクティブ窓。
6. 前記傾斜は、スプリングまたはワイヤの形態にある形状記憶合金材料を通して達成され、前記形状記憶合金材料は好ましくはニチノールである、請求項５に記載のアクティブ窓。
7. 前記窓は、９００から１１００ｍｂａｒの間の圧力で、乾燥空気、窒素、アルゴン、クリプトンから選択される気体で充填されている、請求項１から６のいずれか一項に記載のアクティブ窓。
8. 前記窓は、１０^−３ｍｂａｒ以下の圧力で排気されている、請求項１から６のいずれか一項に記載のアクティブ窓。
9. 前記活性材料は光起電力素子に接続されたシステムに埋め込まれている、請求項１から８のいずれか一項に記載のアクティブ窓。
10. 前記活性材料は光起電力素子の内部に統合されている、請求項１から８のいずれか一項に記載のアクティブ窓。