(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
建物または乗り物である構造物に使用される多機能型構造用コンポーネントであって、
構造エレメントと、
色変化エレメントであって、前記構造エレメントに収容されるとともに、入射光を反射する反射状態に少なくとも切り換わり、当該色変化エレメントは、当該構造用コンポーネントを通過するエネルギーの流れを調節し、または、そのエネルギーを遮断しもしくはそのエネルギーの向きを変更する機能を有するものと、
断熱エレメントであって、前記構造エレメントに収容されるとともに、当該構造用コンポーネントのうちのある面から別の面への熱移動を制限する機能を有するものと、
エネルギー・ハーベスティング・エレメントであって、前記構造エレメントに収容されるとともに、前記色変化エレメントの反射状態においてその色変化エレメントから反射されて当該エネルギー・ハーベスティング・エレメントに入射する光の量が増加するように配置され、当該エネルギー・ハーベスティング・エレメントは、前記色変化エレメントからエネルギーをハーベストする機能を有するものと
を含む多機能型構造用コンポーネント。
【請求項２】
さらに、エネルギー蓄積エレメントであって、前記構造エレメントに収容されるとともに、前記エネルギー・ハーベスティング・エレメントから移送されたエネルギーを蓄積する機能を有するものを含む請求項１に記載の多機能型構造用コンポーネント。
【請求項３】
さらに、エネルギー分配エレメントであって、前記構造エレメントに収容されるとともに、前記エネルギー蓄積エレメントから移送されたエネルギーを分配して予め定められた用途に利用する機能を有するものを含む請求項２に記載の多機能型構造用コンポーネント。
【請求項４】
前記構造エレメントは、断熱ガラス・ユニットである請求項１ないし３のいずれかに記載の多機能型構造用コンポーネント。
【請求項５】
前記色変化エレメントは、前記構造エレメントの内部空間内において、その構造エレメントの室内側の表面であって前記内部空間を定義するものに隣接する状態で配置されており、
前記断熱エレメントは、前記構造エレメントの内部空間内において、前記色変化エレメントに隣接する状態で配置されており、
前記エネルギー・ハーベスティング・エレメントは、前記構造エレメントの内部空間内において、その内部空間の周辺部に隣接する状態で配置されている請求項１ないし４のいずれかに記載の多機能型構造用コンポーネント。
【請求項６】
前記色変化エレメントは、反射材であり、
その色変化エレメントの色は、入射光の、前記反射材による反射に起因する請求項１ないし５のいずれかに記載の多機能型構造用コンポーネント。
【請求項７】
前記エネルギー・ハーベスティング・エレメントおよび前記エネルギー蓄積エレメントは、電気エネルギーの発生および蓄積を行う請求項２に記載の多機能型構造用コンポーネント。
【請求項８】
前記エネルギー・ハーベスティング・エレメントおよび前記エネルギー蓄積エレメントは、熱エネルギーの発生および蓄積を行う請求項２に記載の多機能型構造用コンポーネント。
【請求項９】
前記エネルギー・ハーベスティング・エレメントおよび前記エネルギー蓄積エレメントは、単一のフォトルミネッセンス材に合体させられる請求項２に記載の多機能型構造用コンポーネント。
【請求項１０】
前記エネルギー・ハーベスティング・エレメントは、少なくとも一つの光電変換型コレクタを含み、
前記エネルギー分配エレメントは、電気エネルギーを分配する請求項３に記載の多機能型構造用コンポーネント。
【請求項１１】
前記エネルギー分配エレメントは、光照明システムを含む請求項３に記載の多機能型構造用コンポーネント。
【請求項１２】
前記エネルギー分配エレメントは、熱放射体を含む請求項３に記載の多機能型構造用コンポーネント。
【請求項１３】
建物または乗り物である構造物に使用される多機能型構造用コンポーネントであって、
２枚のガラス板およびエッジ・スペーサを有する構造エレメントと、
その構造エレメントの内部空間内において、その構造エレメントの室内側の表面であって前記内部空間を定義するものに隣接する状態で配置されるとともに、入射したエネルギーを反射する反射状態に少なくとも切り換わるように、光減衰器、光ダウンコンバータおよびエネルギー・ハーベスティング・エレメントのうちの少なくとも一つとして作用することが可能な色変化エレメントであって、当該構造用コンポーネントを通過するエネルギーの流れを調節し、または、そのエネルギーを遮断しもしくはそのエネルギーの向きを変更する機能を有するものと、
帯域遮断フィルタとして作用することが可能な断熱エレメントであって、前記構造エレメントの内部空間内において、前記色変化エレメントに隣接する状態で配置されるとともに、当該構造用コンポーネントのうちのある面から別の面への熱移動を制限する機能を有するものと、
前記色変化エレメントから移送されたエネルギーを蓄積する機能を有するエネルギー蓄積エレメントであって、前記構造エレメントの内部空間内において、その内部空間の周辺部に隣接する状態で、前記ガラス板を通過する視線を邪魔しないように配置されるとともに、前記色変化エレメントの反射状態においてその色変化エレメントから反射されて当該エネルギー蓄積エレメントに入射する光の量が増加するように配置されるものと、
そのエネルギー蓄積エレメントから移送されたエネルギーを分配して予め定められた用途に利用する機能を有するエネルギー分配エレメントであって、前記構造エレメントの内部空間内において、その内部空間の周辺部に隣接する状態で、前記ガラス板を通過する視線を邪魔しないように配置されるものと
を含み、
前記色変化エレメントの色状態は、外部制御信号により制御されることにより、光、熱、電気または振動という形態のエネルギーの、前記エネルギー蓄積エレメントへの流入量を調節するとともに、光、熱、電気または振動という形態のエネルギーの、前記エネルギー分配エレメントを通過した放出量を調節するために用いられる多機能型構造用コンポーネント。
【請求項１４】
前記色変化エレメントは、サーモクロミックである請求項１３に記載の多機能型構造用コンポーネント。
【請求項１５】
前記色変化エレメントは、エレクトロクロミックである請求項１３に記載の多機能型構造用コンポーネント。
【請求項１６】
前記エネルギー蓄積エレメントおよび前記エネルギー分配エレメントは、熱エネルギーの蓄積および放出を行う単一エレメントに合体させられる請求項１３ないし１５のいずれかに記載の多機能型構造用コンポーネント。
【請求項１７】
前記外部制御信号は、光、電気、磁力または熱である請求項１３ないし１６のいずれかに記載の多機能型構造用コンポーネント。
【請求項１８】
前記構造エレメントは、断熱ガラス・ユニットである請求項１３ないし１７のいずれかに記載の多機能型構造用コンポーネント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、米国仮特許出願第６１／３５０，４６２号の優先権を主張しており、その出願は、２０１０年６月１日に出願され、かつ、発明の名称が「多機能型構造用コンポーネント(Multifunctional building component)」であるとともに、ＰＣＴ規則第２０．６の規定に従い、引用により全体的に本明細書に合体する。
【０００２】
本出願は、米国特許第７，７６８，６９３号、第７，７５５，８２９号および第７，９３６，５００号と、米国特許出願公開第２００９／０１２８８９３号、第２００９／０１６７９７１号、第２００９／０２６８２７３号、第２０１０／００４５９２４号、第２０１０／０２３２０１７号、第２０１０／０２５９６９８号、第２０１１／００２５９３４号および第２０１１／０１０２８７８号と、米国特許出願第１３／０７４，８７６号とに関連しており、それぞれの出願は、引用により全体的に本明細書に合体する。
【０００３】
本明細書に開示されている主題は、多機能型構造用コンポーネント(multifunctional building component、建築部品、構造体用部品)に関し、その多機能型構造用コンポーネント（部品）は、複数のエレメント（子部品）を有し、かつ、窓、壁、天窓（skylight)および屋根ふき材(roofing material)として作用することが可能であり、さらに、エネルギーの蓄積および放出を行うことが可能であり、さらに、別の機能をも付加することが可能である。
【背景技術】
【０００４】
建物、車両（vehicle、移動体、乗物）または他の構造体の表面(skin、表面膜、面板）を通過する光および熱の流れを制御するという問題が、「静的な」いくつかの技術を用いることにより、既に扱われてきており、それら技術は、例えば、断熱窓および断熱壁、可動部を有しない日よけ材および手動式日よけ材であり、その手動式日よけ材は、例えば、オーニング(awnings、張出し式日よけ、幌型日よけ)、カーテンおよびブラインド(window shades)である。
【０００５】
より最近になって、「スマート（smart、高性能）」な構造用コンポーネントが開示されてきており、この種の構造用コンポーネントは、建物または車両の表面(skin)を通過する熱の輸送量を変化させ得る。例えば、窓または壁用のデバイスは、低温状態では、太陽エネルギー（光および熱）の大部分(a large proportion of)を、このデバイス自体を通過するように輸送し、一方、高温状態では、その太陽エネルギーのうちのはるかにより少ない部分(a much smaller proportion of)を、このデバイス自体を通過するように輸送することが可能である。複数の状態間でのこのような切換えは、受動的に（例えば、温度依存性を有する「スマート」な材料を使用することにより）か、または能動的に（例えば、ＵＶ光または電界（electric field、電場）のような外部刺激によって切換え可能な特性を有する材料を使用することにより）達成することが可能である。電気的に作動するデバイスを使用する場合には、そのデバイスが、さらに、光電変換型電源(photovoltaic power source、光によって発電する電源)をも有する可能性がある。この種のデバイスは、相変化（phase-change,相転移）材料のような、熱エネルギー蓄積媒体またはサーマル・マス(thermal mass)をも有する可能性がある。さらに、いくつかの光フィルタ（例えば、反射型、吸収型または拡散型）が既に知られており、それら光フィルタは、温度または電気によって制御される可能性があるとともに、窓フィルムまたは光および熱を調節する他の建材として使用される可能性がある。
【０００６】
本明細書のこの背景技術の欄に含まれる情報であって、本明細書に引用されているすべての文献またはそれら文献についての説明のすべてを含むものは、技術的な参照のみを目的としており、本発明の範囲が拘束されるべき主題であると考えるべきではない。
【発明の概要】
【０００７】
本明細書に開示される多機能型構造用エレメント(multifunctional building element、多機能型構造用コンポーネント)は、窓、壁、日よけ材、屋根ふき材、着色パネルおよび、エネルギーをハーベストして（harvest、収集、回収、発生）蓄積するデバイスとして作用することが可能であるとともに、それらの間に伝統的に存在する違いを曖昧にする。一実施態様においては、この種のデバイス（多機能型構造用コンポーネント)が、いくつかの基本エレメント、例えば、構造エレメント(structural element)、色変化エレメント(color-changing element)、断熱エレメント、エネルギー・ハーベスティング・エレメント、任意に選択可能なエネルギー蓄積エレメント、およびエネルギー分配エレメントにより構成することが可能である。
【０００８】
前記構造エレメントは、効果的な配置により、当該デバイス（多機能型構造用コンポーネント)のうちの他のエレメントを支持する機能と、当該デバイスを建物、移動体（乗物）または他の構造体に装着することを可能にする機能との双方を有することが可能である。この構造エレメントは、複数のサブコンポーネント（subcomponents、子エレメント)を含むことが可能であり、それらサブコンポーネントは、一般的に、標準的な複数の建材のうちの複数の構造エレメント（structural elements）または複数のサブコンポーネント(subcomponents）に近似し、それら建材は、ガラス板(glass panes)、断熱ガラス・ユニット用スペーサ、ポリマ・シート、金属製もしくはセラミック製のプレート、シーラントおよび締結具(fasteners)を含むが、それらに限定されない。例えば、当該デバイスが、店頭または非耐力壁（curtain wall、カーテンウォール）用の標準的な軸組構造体(framing system)に嵌め込まれることが予定される場合には、前記構造エレメントは、断熱ガラス・ユニット（ＩＧＵ）、スパンドレル（spandrel、窓小間）または嵌込みパネル(infill panel)に非常に近似する可能性がある。当該デバイスが、レンガ製またはコンクリートブロック(cinderblock)製の壁に嵌め込まれる場合には、前記構造エレメントは、「ガラス・ブロック」に非常に近似する可能性がある。当該デバイスが、薄肉で柔軟性を有するフィルムである場合には、前記構造エレメントは、窓フィルムをガラスに装着するために用いられる種類の感圧接着剤（ＰＳＡ）であるかまたはそれを含む可能性がある。
【０００９】
前記色変化エレメントは、実質的に透明である状態と、不透明な着色状態と、実質的に反射性を有する状態と、実質的に拡散性を有する状態と、実質的に不透明である状態とのうちの少なくとも２つを取ることが可能である可能性がある。この色変化エレメントは、単一のエレメント（部材）である可能性または複数のサブエレメント（例えば、ピクセル）により構成される可能性があり、また、種々の影響力であって、熱、寒さ、電界およびＵＶ光を非排他的に含むものによって起動させられる可能性がある。ここでは、エレクトロクロミック（electrochromic、電気によって色が変化する特性）、エレクトロトロピック（electrotropic、電気によって相が変化する特性）、サーモクロミック（thermochromic、温度によって色が変化する特性）、サーモトロピック（thermotropic、温度によって相が変化する特性）、マグネトクミック(magnetochromic、磁力によって色が変化する特性）、マグネトトロピック(magnetotropic、磁力によって相が変化する特性）、フォトクロミック(photochromic、光によって色が変化する特性）またはフォトトロピック(phototropic、光によって相が変化する特性）である種々の材料または技術を、実質的に共通する効果を有するように採用することが可能である。
【００１０】
この色変化エレメントは、当該デバイスの一部として、種々の機能を果たすことも可能である。例えば、この色変化エレメントは、状態の切換えが可能であるかもしくはチューニング可能である減衰器であって、当該構造用コンポーネント（多機能型構造用コンポーネント)を通過する太陽エネルギー（光および熱）の流れを調節することを目的とするもの、状態の切換えが可能であるかもしくはチューニング可能であるプライバシ・スクリーンであって、太陽エネルギーを捕捉して蓄積することを目的とするもの、または、状態の切換えが可能であるかもしくはチューニング可能であるリフレクタであって、太陽エネルギーの遮断もしくは太陽エネルギーの向きを別の表面もしくはエレメント（例えば、光電変換セル（光発電セル））に向かう向きに変更することを目的とするものとして作用することも可能である。一方、この色変化エレメントは、美観を目的とするか、または、通信もしくは広告(communication or signage)の手段として、複数の色、複数のパターン（模様）または複数の画像を表示するために用いることが可能である。
【００１１】
前記断熱エレメントは、当該多機能型構造用コンポーネントのうちのある面から別の面への不要な熱移動(heat transfer)（伝導によるか、対流によるか、放射によるかを問わず）を阻止するために用いることが可能である。この断熱エレメントは、種々の材料であって、気体、ゲル、エアロゲル、泡、ファイバおよび固体セラミックを含むものにより構成することが可能である。多くの用途のために、この断熱エレメントが、必須の要件(a defining requirement)ではないが、透明または半透明であることが強く要望され、また、そのような事例に該当しないいくつかの実施態様を構成することが可能である。この断熱エレメントは、断熱ガラス・ユニットＩＧＵのエア・ギャップおよび低放射膜と同様に、前記構造エレメントと一体的なものとしても、前記構造エレメントの内側に包囲されるものでもよく、また、ガレージ用の多くのドアおよび壁パネル上に見られる発泡ポリマ裏板(polymer foam backing)と同様に、前記構造エレメントの外側に装着してもよい。
【００１２】
前記エネルギー・ハーベスティング・エレメントは、光エネルギーおよび／または熱エネルギーを捕捉するために機能することが可能であり、それら光エネルギーおよび／または熱エネルギーは、その捕捉が行われないと、当該建物または他の構造体から廃棄されるかもしくは当該建物または他の構造体によってそれへの進入が拒否されてしまうか、または、当該建物または他の構造体内に不必要に進入し、例えば、ＨＶＡＣシステム（暖房／換気／空調設備、冷暖房空調設備）の冷却負担を増すことになってしまう。このエネルギー・ハーベスティング・エレメントのいくつかの典型的な形態は、太陽光から電気エネルギーを取得可能である光電変換セルもしくは光電変換層、温度勾配(temperature gradients、温度差）から電気エネルギーを取得可能である熱電変換セルもしくは熱電変換層、音および振動から電気エネルギーを取得可能である圧電セルもしくは圧電層、または受動的な太陽熱集熱器を含むことが可能であるが、これらに限定されない。当該デバイスは、複数のエネルギー・ハーベスティング・サブエレメント(sub-elements)を、形式が互いに同一であるか互いに異なるかを問わず、有することも可能である。
【００１３】
前記任意に選択可能なエネルギー蓄積エレメントは、前記エネルギー・ハーベスティング・エレメントによって回収されたエネルギーを取り込み、それを、将来の使用に備えて蓄積・保存する。熱エネルギーの場合には、このエネルギー蓄積エレメントは、水またはコンクリートのような受動的なサーマル・マスとすることが可能であるか、または、相変化材料とすることが可能であり、そのような相変化材料は、例えば、氷、ワックスまたは塩であって、予め設定された温度での溶解および再固化によってエネルギーの蓄積および放出を行うように設計されたものである。電気エネルギーの場合には、このエネルギー蓄積エレメントは、バッテリまたはキャパシタとすることが可能であるか、または、電気機械システム(electromechanical system、電気−機械変換システム、電機変換システム）であって、電気が、例えばコイル・スプリング（coiled watch spring、ぜんまい）という形態の機械エネルギーに変換されるか、または、そのような機械エネルギーとして蓄積されるものとすることが可能である。
【００１４】
前記エネルギー分配エレメントは、前記エネルギー・ハーベスティング・エレメントから収集されたエネルギー、および／または、前述の任意に選択可能なエネルギー蓄積エレメント内に蓄積されたエネルギーを利用するものとすることが可能である。熱エネルギーが蓄積される場合には、このエネルギー分配エレメントは、前記エネルギー蓄積エレメントと同じ対象物または同じサブシステムとすることが可能である。例えば、相変化材料は、熱エネルギーの蓄積と、その熱エネルギーの、将来（例えば、当該デバイスの外側の温度が、当該デバイス内の温度より低下した場合）における放出との双方を行うものとすることが可能である。電気エネルギーの場合には、このエネルギー分配エレメントは、一対のワイヤであって電気エネルギーを当該多機能型構造用コンポーネントの外部に位置するシステムまたはデバイスに伝送するように設計されたものの場合におけるように、極めて単純なものとすることが可能であり、また、より複雑な複数のエレメントであって、スイッチ、インバータ、センサ、ＤＣ−ＡＣコンバータ（直交変換器）および電子論理回路のようなものを含むものとすることが可能である。
【００１５】
それに代わるかまたはそれに加えて、このエネルギー分配エレメントは、電気エネルギーを、有用な別の形態に変換するものとすることが可能である。例えば、放射ヒータは、蓄積された電気エネルギーを、当該建物または他の構造体の内部を暖房するために、熱に変換するものとすることができる一方、発光ダイオード・アレイは、蓄積された電気を、当該構造体の内部または外面を夜間に照明するため、もしくは、画像または情報を表示するために、可視光に変換するものとすることが可能である。これは、蓄積されたエネルギーを当該デバイス内で、自立（自己完結）システム(standalone system)として、当該デバイスを外部のインフラストラクチャに接続することを必要とすることなく、利用することが可能するため、特に有用である可能性がある。
【００１６】
この発明の概要の欄は、選択された複数のコンセプトを単純化された態様で紹介するために設けられており、それらコンセプトは、発明を実施するための形態の欄においてさらに詳細に後述される。この発明の概要の欄は、特許請求の範囲に記載された主題の重要なまたは本質的な特徴を特定する意図を有しておらず、また、特許請求の範囲に記載された主題の範囲を限定する意図も有していない。本発明の特徴、細部、実用性および利点についてのより広範な説明が、本発明についての種々の実施形態についての後述の文章による説明の欄に存在するとともに、添付された図面に示され、さらに、後続する特許請求の範囲の欄において定義される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、エレクトロクロミックまたはエレクトロリフレクティブな光フィルタを概略的に示す図である。
【００１８】
【図２】図２は、ポラライザとしても光電変換型コレクタ（光発電集光器）としても機能するデバイスまたはコンポーネントを概略的に示す図である。
【００１９】
【図３】図３は、窓としての特徴も壁としての特徴も有する構造用部品（エレメント）を概略的に示す図である。
【００２０】
【図４】図４は、窓と壁との間の違いを曖昧にする構造用部品（エレメント）についての別の実施形態を概略的に示す図である。
【００２１】
【図５】図５は、多機能型構造用コンポーネントを簡略化して概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１は、エレクトロクロミック(electrochromic、電気によって色が変化する特性）またはエレクトロリフレクティブ(electroreflective、電気によって反射率が変化する特性）な光フィルタ１００を概略的に示す図であり、その光フィルタ１００は、エレクトロトロピックなデポラライザ（depolarizer、偏光解消器、偏光状態変更器）１０２であって、第１ポラライザ１０１と第２ポラライザ１０３との間に配置されたものと、２つの透明電極１０７と、コントロール・システム（制御系）１０８であって、総合的に、電気信号に基づき、光フィルタ１００が、実質的な透明状態（a largely transparent state、光学特性のうち、透過性が支配的である状態）から、実質的な着色状態（a largely tinted state、光学特性のうち、着色性が支配的である状態）または実質的な反射状態（a largely reflective state、光学特性のうち、反射性が支配的である状態）に変化することを可能にするものとにより構成されている。デポラライザ１０２は、第１ポラライザ１０１と第２ポラライザ１０３との間に保持された液晶層により構成することが可能である。コントロール・システム１０８は、温度を検出する温度センサ、電源およびコントローラ・ハードウエア（ハードウエアとしてのコントローラ）のような複数のサブコンポーネント（子部品）を有することが可能である。望ましい一実施形態においては、コントロール・システム１０８が、サーモスタットおよび液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）が搭載されたコントローラであって、熱電対を有するものとすることが可能であり、その熱電対は、プログラム可能なマイクロコントローラに接続されるとともに、小型バッテリまたは光電変換セルから電力を供給される。この望ましい実施形態においては、検出された温度がしきい値より低温であると、コントロール・システム１０８が、交流（ＡＣ）電圧または直流（ＤＣ）電圧を、複数の透明電極１０７に印加し、それにより、エレクトロトロピックなデポラライザ１０２を横切るＡＣまたはＤＣの電界を生成する。その電界は、デポラライザ１０２の偏光特性を変化させ（例えば、デポラライザ１０２内において液晶分子の配向を変化させることにより）、そして、それに従い、光フィルタ１００の全体光透過率(total light transmission)が変化する。
【００２３】
図２は、光電変換（光発電型）ポラライザ２００を概略的に示す図であり、その光電変換ポラライザ２００においては、ワイヤ・グリッド型ポラライザ２０１の複数本の導電性ワイヤ(conductive wires)２０９を、光電変換エネルギー（光によって生起される電気エネルギー）の発生・収集を行うために用いることが可能である。別の実施形態においては、それら導電性ワイヤ２０９を、複数本の光電変換ストリップ２０９（例えば、ショットキー型ダイオード）に置き換えることが可能である。この構成態様においては、複数本の導電性ワイヤ２０９または複数本の光電変換ストリップ２０９が、入射光のうち、反対極性（ポラライザ２０１の極性とは反対の極性）を有するかなりの部分を反射する一方、同じ光のうちのかなりの部分が、電流を発生させるためにバーベストされる（harvested、発生させられる、収集される）ことが可能である電位(electrical potentials)という形態で吸収されることも行われる。
【００２４】
図３は、「スマートな」構造用コンポーネント（building material、デバイス)３００を概略的に示す図であり、その構造用コンポーネント３００は、「スマートな窓」と「スマートな壁」という２つの側面を有する。望ましい一実施形態においては、当該デバイス３００を、透明サブストレート３０４と、サーモクロミックまたはエレクトロクロミックな減衰器（attenuator、アッテネータ、光減衰器）３０６と、電源３１５と、センサ３１６と、コントローラ３１７と、エネルギー蓄積材料３１８とにより構成することが可能である。光（例えば、太陽光）が透明サブストレート３０４に入射すると、その光は、透明サブストレート３０４を通過して減衰器３０６に到達し、その減衰器３０６は、高温状態においては、その光を、反射するかまたは遮断し、それにより、その光が、透明サブストレート３０４を通過して構造用コンポーネント３００から出射する。低温状態においては、入射光(incoming light radiation、入射放射線）が、減衰器３０６によって吸収され、その後、その減衰器３０６は、昇温し、前記光のエネルギーを、長波長赤外エネルギーとして再放出する。したがって、この減衰器３０６は、ダウンコンバータという形態としても機能する。このエネルギーが、低温状態において、減衰器（ダウンコンバータ）３０６により、赤外光として再放出されると、そのエネルギーは、その後、透明サブストレート３０４から離れる向きに反射し、エネルギー蓄積材料３１８に向かって進行し、そのエネルギー蓄積材料３１８は、減衰器（ダウンコンバータ）３０６から熱を吸収し、その熱を、より長い時間をかけて（over a longer period of time、ゆっくりと）再放出する。別の実施形態においては、前記エネルギーが、任意に選択可能なミラーまたは広帯域リフレクタ３１４に入射し、それらミラーまたは広帯域リフレクタ３１４は、前記エネルギーを、入射方向とは逆向きに反射して再度、減衰器（ダウンコンバータ）３０６に入射させる。この状況においては、赤外光が減衰器（ダウンコンバータ）３０６の層から放散することができず、エネルギー蓄積材料３１８の加熱が、熱伝導のみによって達成される。この場合、当該デバイス３００の幾何学（geometry、機械的構成）および組成（composition、材料的構成）が、一般には、熱伝導が、望ましい方向において支配的に発生し、このとき、他の方向における漏れが最小となるように、設計されるであろう。
【００２５】
図４は、望ましい「スマートな」構造用コンポーネントを、建物の外面を覆うために使用されるガラス製のスパンドレル４００という形態で示している。このスパンドレル４００は、１枚の通常の窓ガラス４０４を、サーモクロミックな減衰器（第１のサーモクロミックな減衰器４０６）に隣接した位置において使用する。そのサーモクロミックな減衰器４０６のうち、室内側の表面を、帯域遮断器（bandblock、バンドブロック）として作用する低放射膜（low-emissivity film、フィルム）４０１によって被覆することが可能である。ダウンコンバータとしての黒体放射体（blackbody radiator)４０２が、サーモクロミックな減衰器４０６から離れた位置に配置されており、それにより、エア・ギャップ４１３が形成される。そのエア・ギャップ４１３は、典型的な断熱ガラス・ユニットＩＧＵにおけるような透明断熱材（インシュレータ）として機能する。第２の低放射膜４０３が、帯域遮断器（bandblock、バンドブロック）として作用するために、黒体放射体４０２のうちの、室外側の表面を被覆する。第２のサーモクロミックな減衰器４１９を、任意選択的に、黒体放射体４０２と、第１のサーモクロミックな減衰器４０６との間のエア・ギャップ４１３内に挿入することが可能である。この第２のサーモクロミックな減衰器４１９（用いられる場合）は、エネルギー蓄積材料４１８の温度変化に応答するために、エネルギー蓄積材料４１８との間で、直接的または間接的に熱接触(thermal contact、熱伝達可能な接触）を行う熱接触状態にあるものとすることが可能である。
【００２６】
裏板４２０が、このスパンドレル４００のうちの、室内側の表面を形成する。この裏板４２０は、別のガラス板またはプラスチック製もしくは金属製のシートとすることが可能である。この裏板４２０は、黒体放射体（ダウンコンバータ）４０２から離れた位置に配置されており、それにより、ギャップが形成される。そのギャップは、エネルギー蓄積材料（エネルギー蓄積型相変化材料）４１８、例えば、ワックスまたは塩によって充填することが可能であり、そのエネルギー蓄積材料４１８は、熱エネルギーを蓄積して放出するために存在する。裏板４２０のうちの、室内側の表面４２１を、美観向上のための表面処理材、例えば、ペイントまたは薄い化粧しっくい(stucco)によって被覆することも可能である。
【００２７】
作動中、第１のサーモクロミックな減衰器４０６であって、このスパンドレル４００のうちの室外側においてガラス板４０４に隣接するものは、外気温度が例えば１０℃より高温である場合に入射光を遮断する転移温度(transition temperature、相転移温度）を有するように選択することが可能である。これによれば、入射光は、穏やかに温暖であるかまたは暑い日に、当該建物を加熱するようにこのスパンドレル４００を通過することが阻止され、それにより、当該建物を冷却する要求値を低減させるとともに、エネルギーの無駄な消費を防止する。しかし、外気温度が例えば１０℃より低温である場合には、第１のサーモクロミックな減衰器４０６は、入射光が当該デバイス（スパンドレル４００）を通過して、黒体放射体（ダウンコンバータ）４０２に到達することを可能にする。黒体放射体（ダウンコンバータ）４０２は、入射光を吸収して、赤外波長においてエネルギーを放出する。第２の低放射膜４０３は、黒体放射体（ダウンコンバータ）４０２から放出された赤外エネルギーのうちの大部分を反射して、そのエネルギーがこのスパンドレル４００の、当該建物の外面から放出することを阻止する。よって、黒体放射体（ダウンコンバータ）４０２から放出された赤外エネルギーのうちの大半は、エネルギー蓄積材料（エネルギー蓄積型相変化材料）４１８に向かって進行させられる。
【００２８】
エネルギー蓄積材料（エネルギー蓄積型相変化材料）４１８は、その赤外エネルギーを熱エネルギーとして蓄積し、その熱エネルギーは、当該建物の室内に、熱伝導により、裏板４２０を経由して移動させられる。当該建物の室内温度がエネルギー蓄積材料（エネルギー蓄積型相変化材料）４１８の温度より低温である限り、熱伝導が起こり、それにより、熱が、エネルギー蓄積材料（エネルギー蓄積型相変化材料）４１８から当該建物に移動させられる。しかし、そのエネルギー蓄積材料（エネルギー蓄積型相変化材料）４１８が完全に溶解すると、そのエネルギー蓄積材料（エネルギー蓄積型相変化材料）４１８は、更なる熱エネルギーを蓄積できず、そのエネルギー蓄積材料４１８は、余分な熱エネルギーがあれば、そのすべてを当該建物に放射し、なぜなら、エア・ギャップ４１３が、当該建物の室外に向かう熱移動を効果的に阻止するからである。この熱逃がし状態(heat runaway condition)は、当該建物の室内が、目標室温に到達するまで許可することが可能である。しかし、当該フィルタ（スパンドレル）４００をさらに制御しないと、熱逃がし状態にあるエネルギー蓄積材料（エネルギー蓄積型相変化材料）４１８は当該建物を過熱してしまう可能性がある。
【００２９】
第２のサーモクロミックな減衰器４１９を、上述の、潜在的な熱逃がしの程度を調節して当該建物の過熱を防止するために、任意選択的に設置することが可能である。この種の一実施形態においては、第２のサーモクロミックな減衰器４１９の転移温度が、例えば２０℃である室温（目標室温）にほぼ等しい温度であるように選択することが可能である。よって、室温（目標室温）以下であると、第２のサーモクロミックな減衰器４１９は、すべての入射光が自身を通過して黒体放射体（ダウンコンバータ）４０２に到達し、それにより、エネルギー蓄積材料（エネルギー蓄積型相変化材料）４１８を加熱することを可能にする。注記すべきことは、エア・ギャップ４１３が原因で、第２のサーモクロミックな減衰器４１９が外気温度から断熱されており、第２のサーモクロミックな減衰器４１９は、エネルギー蓄積材料（エネルギー蓄積型相変化材料）４１８および当該建物の室内からの熱伝導によって加熱されるのみであろうということである。しかし、当該建物の室内が室温（目標室温）に到達し、よって、エネルギー蓄積材料（エネルギー蓄積型相変化材料）４１８および黒体放射体（ダウンコンバータ）４０２も室温（目標室温）に到達すると、第２のサーモクロミックな減衰器４１９は、それの相転移により、入射光が、前記低温状態であっても、黒体放射体（ダウンコンバータ）４０２に到達することが遮断され、よって、熱逃げおよび当該建物の室内の過熱が防止される。
【００３０】
図５は、多機能型構造用コンポーネント５００を簡略化して概略的に示す。少なくとも１つの構造エレメント５０１が、色変化エレメント５０２と、断熱エレメント５０３と、エネルギー・ハーベスティング・エレメント５０４と、任意に選択可能なコントロール・エレメント５０５と、エネルギー蓄積エレメント５０６と、エネルギー分配エレメント５０７とを支持している。
【００３１】
望ましい一実施形態においては、構造エレメント５０１を、２枚のガラス板とエッジ・スペーサ（周辺部に位置して間隔を規定する部材）（図示しない）とを有する二重板構造型断熱ガラス・ユニットＩＧＵとすることが可能である。ある実施態様においては、他の部品（コンポーネント）のすべてが、全体的に、そのＩＧＵ内に収容される。例えば、色変化エレメント５０２は、１枚のガラス板のうちの、室内側の表面を被覆することが可能であり、その被覆は、その色変化エレメント５０２が、入射した環境光(ambient light)（例えば、不要な太陽熱ゲイン）を少なくとも部分的に遮断する光減衰器として作用することが可能であるか、または、入射した環境光を吸収および／または反射するディスプレイ・エレメントもしくはピクセルとして作用することが可能であるように行われる。この望ましい実施形態における他の部品（コンポーネント）のすべては、それら部品が、当該ＩＧＵのガラスを通過する視線を邪魔しないように、当該ＩＧＵの周辺部の周りにおいて積層するかまたは分散することが可能である。別の望ましい実施形態においては、構造エレメント５０１を、ディスプレイ・デバイス、例えば、液晶ディスプレイとすることが可能である。
【００３２】
色変化エレメント５０２は、種々の形態を採用することが可能であり、それら形態としては、サーモクロミック（thermochromic、温度によって色が変化する特性）、サーモトロピック（thermotropic、温度によって相が変化する特性）、サーモリフレクティブ（thermoreflective、温度によって反射率が変化する特性）、サーモディフューシブ（thermodiffusive、温度によって拡散率が変化する特性）、エレクトロクロミック（electrochromic、電気によって色が変化する特性）、エレクトロトロピック（electrotropic、電気によって相が変化する特性）、エレクトロリフレクティブ（electroreflective、電気によって反射率が変化する特性）、エレクトロディフューシブ（electrodiffusive、電気によって拡散率が変化する特性）、マグネトクミック(magnetochromic、磁力によって色が変化する特性）、マグネトトロピック(magnetotropic、磁力によって相が変化する特性）、マグネトリフレクティブ（magnetoreflective、磁力によって反射率が変化する特性）、マグネトディフューシブ（magnetodiffusive、磁力によって拡散率が変化する特性）、フォトクロミック(photochromic、光によって色が変化する特性）、フォトトロピック(phototropic、光によって相が変化する特性）、フォトリフレクティブ（photoreflective、光によって反射率が変化する特性）またはフォトディフューシブ（photodiffusive、光によって拡散率が変化する特性）な光フィルタがある。ある実施態様においては、色変化エレメント５０２が、エレクトロリフレクティブなフィルタであって、これは、例えば、Powersらが発明者である米国特許出願公開第２００９／００１５９０２号明細書に記載されており、この色変化エレメント５０２は、反射状態において、エネルギー・ハーベスティング・エレメント５０４内の少なくとも一つの光電変換型コレクタ(photovoltaic collectors、光発電集光器、太陽電池）に利用可能な太陽光の量が増加するように、配置される。色変化エレメント５０２は、多機能型構造用コンポーネント５００上に視認可能な画像を形成するためのパターンという形態、例えば、記号もしくは単なる美観のためのパターンという形態を成すように配置することが可能である。
【００３３】
断熱エレメント５０３も種々の形態を採用することが可能であり、それら形態としては、固体材料、発泡材料、エアもしくは他の気体、および真空引きされた空間がある。ある実施態様においては、断熱エレメント５０３が、二重板もしくは多重板型断熱ガラス・ユニットＩＧＵを構成する複数枚のガラス板の間に存在するエア・ギャップにより構成され、そのエア・ギャップは、エア、窒素、アルゴンまたはそれらのうちの任意のものの混合物によって充填され、かつ、そのエア・ギャップは、二重ガラス窓におけるように、対流による熱移動を制限するための大きさを有する。そのＩＧＵは、放射による熱移動を制限するために、少なくとも１つの面(face)上に低放射膜（図示しない）を有することも可能である。
【００３４】
エネルギー・ハーベスティング・エレメント５０４は、光電変換型（photovoltaic）、光化学エネルギー変換型（photochemical）、熱電変換型（thermoelectric）、圧電変換型（piezoelectric）もしくは光熱変換型（solar-thermal）またはそれらのうちの任意のものの組合せとすることが可能である。光、熱、温度勾配、音および振動からエネルギーをハーベストするいくつかの方法がよく知られており、よく理解されており、そして、より説明されている。注目すべきことは、たいていの気候帯においては、太陽光が、環境エネルギー(ambient energy)を機械的な支援なしでハーベスト可能な最大でかつ唯一のソースを意味しているということである。したがって、ある実施態様においては、エネルギー・ハーベスティング・エレメント５０４が、少なくとも１つの光電変換型コレクタであって、色変化エレメント５０２が、反射状態において、電気への変換に利用可能な太陽光の量を増加させることが可能となるように配置されたものを有することが可能である。
【００３５】
コントロール・エレメント５０５は、多機能型構造用コンポーネント５００のうちの任意に選択可能な部品であり、なぜなら、多くの実施形態（特に、色変化エレメント５０２が、サーモクロミック、サーモトロピックまたはサーモリフレクティブであり、エネルギー・ハーベスティング・エレメント５０４が、受動的に光熱変換を行う形式であり、エネルギー蓄積エレメント５０６が、相変化材料もしくは他のサーマル・マス型材料のように、受動的に作動するいくつかの実施形態）は、その作動のために制御系を必要とはしないからである。しかし、いくつかの実施形態においては、光電変換エレメントやエレクトロリフレクティブ・エレメントが存在し、このことは、コントロール・エレメント５０５であって、かなり標準的な電子制御回路という形態を有するものが必要である場合もあることを意味する。
【００３６】
エネルギー蓄積エレメント５０６は、その性質上、能動型としたり受動型とすることが可能であり、また、エネルギーを電気的に、化学的に、機械的にまたは熱的に保存するものとすることが可能である。例えば、McCarthyらが発明者である米国特許出願公開第２００８／０２１０８９３号明細書は、ある蓄熱型相変化材料を、将来の放出に備えてエネルギーを蓄積する受動型手段として開示している。しかし、光電変換によって収集したエネルギーを蓄積する必要性を有する実施形態においては、エネルギー蓄積エレメント５０６が、バッテリ、キャパシタまたは燃料電池という形態を取る可能性があり、それらバッテリ、キャパシタまたは燃料電池は、エネルギー・ハーベスティング・エレメント５０４およびコントロール・エレメント５０５の影響下に、電気エネルギーの取込み、蓄積および放出を行うことが可能である。
【００３７】
エネルギー分配エレメント５０７も種々の形態を採用することが可能である。受動的ないくつかの実施形態であって、サーマル・マスまたは相変化材料をエネルギー蓄積エレメント５０６として使用するものについては、エネルギー分配エレメント５０７を、実際、エネルギー蓄積エレメント５０６と同じ対象物またはエレメントとすることが可能である。すなわち、受動的なサーマル・マスは、別のメカニズムなしで、単独でエネルギーを放出することが可能であり、また、実際、そのようなエネルギー放出を、このサーマル・マスにとっての外部温度が内部温度より低温であるときはいつでも行うであろう。エネルギーがハーベストされて電気エネルギーとして蓄積されるいくつかの実施形態については、エネルギー分配エレメント５０７のうち、最も直截的な形態は、単に、電気エネルギーを当該デバイス（多機能型構造用コンポーネント）５００の外部にある電気システムに伝送するための一対のワイヤとすることが可能である。しかし、当該デバイス（多機能型構造用コンポーネント）５００内のエネルギーそのものを利用し、それにより、建物や乗物(vehicle)が必要とする少なくとも１つの仕事またはサービスであって、例えば、照明、加熱および冷却を含むものを行うことが有利である可能性がある。ある実施態様においては、エネルギー分配エレメント５０７が、ＬＥＤアレイのような固体発光素子であって、蓄積された電気エネルギーをエネルギー蓄積エレメント５０６から利用し、それにより、環境光がしきい値より低下すると、当該建物の内部または外面を明るくするものとするか、またはそのような固体発光素子を含むものとすることが可能である。他のいくつかの実施態様であって、エネルギー・ハーベスティング・エレメント５０４が、対向する面間の温度勾配から電気を発生させる熱電変換型エレメントであるかまたはその熱電変換型エレメントを含むものにおいては、熱電変換型のエネルギー・ハーベスティング・エレメント５０４が、エネルギー分配エレメント５０７としても機能し、例えば、単に、コントロール・エレメント５０５内のエネルギー通路を切り換える（例えば、内部または外部のスイッチを媒介として）ことによって、熱電変換型のクーラもしくはヒータとしても機能することが可能である。別の実施形態においては、エネルギー・ハーベスティング・エレメント５０５、エネルギー蓄積エレメント５０６およびエネルギー分配エレメント５０７を、単一のフォトルミネッセンス材、例えば、ルミネッセンス材または燐光材料(phosphorescent)とすることが可能である。
【００３８】
本明細書において開示されているいくつかの実施形態に関し、特定の要素の削除、結合または再配置により、多くの変形例を採用することも可能である。さらに、種々の実施形態を構成する複数の部品を、本明細書に開示されている部品と等価な物理的または化学的な機能を果たす限り、それら部品は、本明細書に開示されている部品とは異なる材料で調製したり、異なる形態を有するように調製することが可能である。
【００３９】
方向についてのすべての言及（例えば、近位、遠位、上側、下側、内側、外側、上方向、下方向、左方向、右方向、横方向、前側、後側、上端、下端、上方に、下方に、垂直、水平、時計方向および反時計方向）は、読者が本発明を理解することを助けるために、区別という目的においてのみ使用され、本発明を、特に、位置、向きまたは使用法に関して本発明を限定することはない。接続に関する言及（例えば、装着、連結、接続および接合）は、広く解釈すべきであり、特記されない限り、集まった複数の要素間に介在する中間部材、および複数の要素間の相対運動を含むことが可能である。したがって、接続に関する言及は、２つの要素が直接的に接続されるとともに互いに一体的であることを必ずしも意味しない。本明細書に添付された例示的な図面は、本発明の説明のみを目的としており、それら図面に表された寸法、位置、順序および相対的なサイズを変更することが可能である。
【００４０】
本発明によれば、下記の態様も得られる。
（態様１）
多機能型構造用コンポーネントであって、
構造エレメントと、
色変化エレメントと、
熱移動を制限する断熱エレメントと、
エネルギー・ハーベスティング・エレメント、任意に選択可能なエネルギー蓄積エレメントおよびエネルギー分配エレメントと
を含む多機能型構造用コンポーネント。
（態様２）
さらに、エネルギー蓄積エレメントを含む態様１に記載の多機能型構造用コンポーネント。
（態様３）
さらに、エネルギー分配エレメントを含む態様１に記載の多機能型構造用コンポーネント。
（態様４）
前記構造エレメントは、断熱ガラス・ユニットである態様１に記載の多機能型構造用コンポーネント。
（態様５）
前記色変化エレメントは、吸収材であり、
その色変化エレメントの色は、入射光の、前記吸収材による吸収に起因する態様１に記載の多機能型構造用コンポーネント。
（態様６）
前記色変化エレメントは、反射材であり、
その色変化エレメントの色は、入射光の、前記反射材による反射に起因する態様１に記載の多機能型構造用コンポーネント。
（態様７）
前記色変化エレメントは、拡散材であり、
その色変化エレメントの色は、入射光の、前記拡散材による拡散に起因する態様１に記載の多機能型構造用コンポーネント。
（態様８）
前記色変化エレメントおよび前記エネルギー分配エレメントは、エネルギー放射材より成る単一エレメントに合体させられており、
その単一エレメントの色は、吸収された入射光の、前記エネルギー放射材による放射に起因する態様１に記載の多機能型構造用コンポーネント。
（態様９）
前記エネルギー・ハーベスティング・エレメントおよび前記エネルギー蓄積エレメントは、電気エネルギーの発生および蓄積を行う態様１に記載の多機能型構造用コンポーネント。
（態様１０）
前記エネルギー・ハーベスティング・エレメントおよび前記エネルギー蓄積エレメントは、熱エネルギーの発生および蓄積を行う態様１に記載の多機能型構造用コンポーネント。
（態様１１）
前記エネルギー・ハーベスティング・エレメントおよび前記エネルギー蓄積エレメントは、単一のフォトルミネッセンス材に合体させられる態様１に記載の多機能型構造用コンポーネント。
（態様１２）
前記エネルギー分配エレメントは、電気エネルギーを分配する態様１に記載の多機能型構造用コンポーネント。
（態様１３）
前記エネルギー分配エレメントは、光照明システムを含む態様１に記載の多機能型構造用コンポーネント。
（態様１４）
前記エネルギー分配エレメントは、熱放射体を含む態様１に記載の多機能型構造用コンポーネント。
（態様１５）
多機能型構造用コンポーネントであって、
構造エレメントと、
帯域遮断フィルタとして作用することが可能な断熱エレメントと、
光減衰器、光ダウンコンバータおよびエネルギー・ハーベスティング・エレメントのうちの少なくとも一つとして作用することが可能な色変化エレメントと、
光エネルギー、熱エネルギー、電気エネルギーまたは振動エネルギーを蓄積するためのエネルギー蓄積エレメントと、
そのエネルギー蓄積エレメントから光エネルギー、熱エネルギー、電気エネルギーまたは振動エネルギーを分配するエネルギー分配エレメントと
を含み、
前記色変化エレメントの色状態は、外部制御信号により制御されることにより、光、熱、電気または振動という形態のエネルギーの、前記エネルギー蓄積エレメントへの流入量を調節するとともに、光、熱、電気または振動という形態のエネルギーの、前記エネルギー分配エレメントを通過した放出量を調節するために用いられる多機能型構造用コンポーネント。
（態様１６）
前記色変化エレメントは、サーモクロミックである態様１５に記載の多機能型構造用コンポーネント。
（態様１７）
前記色変化エレメントは、エレクトロクロミックである態様１５に記載の多機能型構造用コンポーネント。
（態様１８）
前記エネルギー蓄積エレメントおよび前記エネルギー分配エレメントは、熱エネルギーの蓄積および放出を行う単一エレメントに合体させられる態様１５に記載の多機能型構造用コンポーネント。
（態様１９）
前記外部制御信号は、光、電気、磁力または熱である態様１５に記載の多機能型構造用コンポーネント。
（態様２０）
前記構造エレメントは、断熱ガラス・ユニットである態様１５に記載の多機能型構造用コンポーネント。
上述の説明書、いくつかの例およびデータは、本発明の例示的ないくつかの実施形態の構成および用法についての完全な説明を提供する。以上、本発明の種々の実施形態を、ある程度の具体性を有するか、または、少なくとも一つの個別の実施形態を参照しながら、説明してきたが、当業者であれば、本発明の主旨からも範囲からも逸脱することなく、前述の開示された実施形態に対して多くの変更を加えることが可能である。したがって、他の実施形態を対象とすることが可能である。上述の説明に含まれるとともに本明細書に添付された添付図面に図示されたすべての事項は、具体的な複数の実施形態のみについての説明であると解釈すべきであって、本発明を限定するものではないことを意図する。細部または構造についての変更を、後続する特許請求の範囲において定義される本発明の基本的な要素から逸脱することなく行うことが可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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