(57)【要約】【課題】室内から外を眺めても外の景色が浮き上がったり、欠けて見えたりすることなく、夏の太陽光はほぼ完全に遮断し、冷暖房負荷を大幅に低減することができ、構造が簡単で加工が容易で、より薄型化が可能な調光透明窓用部材を提供する。【解決手段】一対の平行な平面１２Ａ、１２Ｂを持つ板状もしくはシート状のプラスチック材料からなる透明窓用部材１１Ａ、１１Ｂの中に、スリットからなる空気層１３が上下方向に複数、一定間隔で前記平面１２Ａ、１２Ｂに対して傾斜して形成され、室外側の板状透明窓用部材１２Ｂと前記空気層１３との界面により、冬場における室外から前記平面１２Ｂに垂直な方向に対し所定角度以下で入射する太陽光は室内に取り込み、夏場における室外から前記平面１２Ｂに垂直な方向に対し所定角度より大きい角度で上方から入射する太陽光を全反射させ、室内への侵入を遮断する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の平行な平面を持つ板状もしくはシート状のプラスチック材料からなる透明窓用部材の中に、一定厚みを有する平面形状のスリットからなる空気層が上下方向に複数、一定間隔で透明窓用部材の幅方向に延びるように且つ前記平面に対して傾斜して形成され、室外側の透明窓用部材と前記空気層との界面により、冬場における室外から前記平面に垂直な方向に対し所定角度以下で入射する太陽光は室内に取り込み、夏場における室外から前記平面に垂直な方向に対し所定角度より大きい角度で入射する太陽光を全反射させ、室内への侵入を遮断し、室内から外側は通常の窓ガラスと同様に見ることができることを特徴とする調光透明窓用部材。
【請求項２】
前記スリットが、少なくとも透明窓用部材の幅方向両端部を除き、透明窓用部材の室外側から室内側に抜けるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の調光透明窓用部材。
【請求項３】
前記スリットが、透明窓用部材の一方の側面からもう一方の側面に抜けるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の調光透明窓用部材。
【請求項４】
前記空気層の隣接するもの同士が、前記空気層の傾斜角度とは異なる傾斜角度で反対向きのスリットからなる別の空気層で連通していることを特徴とする請求項１に記載の調光透明窓用部材。
【請求項５】
前記空気層の厚みが２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の調光透明窓用部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、室内から外側はほぼ完全に見ることができ、夏の太陽光は遮断し、冬の太陽光は取り入れることができる調光透明窓用部材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、炭酸ガスの排出量削減が重要な課題となっているが、その中でも特に民生部門における炭酸ガスの排出量は大きく増加しており、その削減が急務となっている。建物や乗り物の冷暖房に使われるエネルギーは、民生部門のエネルギー消費の３分の１近くに達しており、これを低減することができれば、炭酸ガスの排出量削減にも大きく寄与する。建物や乗り物の窓ガラスは、その冷暖房負荷を決定する大きな要因になっており、光や熱の出入りをうまくコントロールすることのできる窓ガラスが実現できれば、冷暖房負荷を大きく低減することができる。
【０００３】
太陽光を遮蔽するのに通常用いられるブラインドやカーテン等は、窓ガラスに対する光の入射角に対する選択性はなく、窓に対してあらゆる角度で入射する光をすべて一様に遮って調節する。
【０００４】
また、最近「エコガラス」として売られている太陽光の熱線成分を反射するような薄膜をコーティングしたガラスや、金属薄膜をコーティングした熱線反射ガラス等は、太陽光をスペクトル的に制御することで冷暖房負荷を下げているが、これらも、本来は太陽光に対してのみ作用すれば十分であるにもかかわらず、窓に対するあらゆる入射光に対して同様に機能するようになっている。しかし、例えば、日本における夏の太陽の高度は高く、南側の面を向いた窓に対しては、７０度以上の角度で太陽光が入射するが、これは垂直に設置した窓への入射角にすると上方から見て２０度の角度にすぎない。残りの１６０度の範囲の角度で入射する光については、遮る必要はなく、むしろこれらの光が透過するようにすれば、外の景色はほぼ完全にみえることになる。
【０００５】
これまで、太陽光を全反射や屈折を用いて遮断する機能を持った調光ガラスは色々と提案されてきたが、いずれも遮るべき太陽光以外の光がどのように透過するこということが考慮されていなかった。外の景色がよく見えるということは、窓の機能として非常に重要なことであり、太陽光は入射させないという条件と、景色がよく見えるという条件とが両立できれば、これまでに無い新しい省エネルギーガラスになる。
【０００６】
一方、特許文献１には、夏の強い直射日光を防ぎ、冬の弱い光は室内に導き、省エネルギーに利する役割を窓に付加させることを目的として、全反射と鏡面反射とを組み合わせた選択透過反射材が提案されている。この選択透過反射材は、室内側に上下にわたって複数の傾斜部を段状に設け、ステップ部分が鏡面となるように構成されているものである。しかしながら、このような構成のものは、厚みの厚い部分と薄い部分があるため、室内から外を眺めると、屈折により外の景色が浮き上がって見え、また鏡面部分では光が遮られるようになり、窓の本来の役割を果たすことができなくなる。
【０００７】
また、特許文献２（図１４）には、太陽光をその入射角度に応じて選択的に透過、遮断するガラスパネルが提案されている。図７にそのガラスパネルを模式的に断面図で示す。このガラスパネル５１は、一対の透明体５２、５３からなり、透明体５２の透明体５３と組み合わされる側には縦幅方向にプリズム部５４が複数、一定間隔で形成され、透明体５３の透明体５２と組み合わされる側にも縦幅方向にプリズム部５５が複数、一定間隔で形成されている。プリズム部５４とプリズム部５５は相補形状をなし、透明体５２と透明体５３が組み合わされると一定間隔の隙間５６が形成される。プリズム部５４、５５は断面が直角となっている。隙間５６はたとえば空気層となっている。その場合、透明体５２、５３の屈折率は空気層からなる隙間５６の屈折率より大きくなっている。
【０００８】
このような構成において、ガラスパネル５１の入射面５７に垂直な方向からの角度が大きい入射光５８は透明体５３と隙間５６の界面での全反射によりガラスパネル５１を透過せず、遮断される。一方、ガラスパネル５１の入射面５７に垂直な方向からの角度が小さい入射光５９はガラスパネル５１を透過する。このように、光の入射角度に応じて光の取り込み、遮断が選択的に行われるようになる。
【０００９】
しかしながら、特許文献２に記載のガラスパネル５１では、透明体５２、５３が先端の角度が直角であるプリズム部５４、５５を有しているため、その厚みが必然的に厚くなるという問題があった。
また、実際の製造を考えた場合、透明体５２、５３の内側形状をプリズム状に加工するのは難しく、実用化を阻む大きな要因となっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００３−２０２１５９号公報
【特許文献２】欧州特許公開００９２３２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、以上のような従来技術の実情に鑑みてなされたもので、室内から外を眺めても外の景色が浮き上がったり一部が遮られたりして見えることなく、冬の太陽光は効果的に室内に取り込み、夏の太陽光を効果的に遮断し、冷暖房負荷を大幅に低減することができ、構造が簡単で加工が容易で、より薄型化が可能な調光透明窓用部材を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、本発明は、第１には、一対の平行な平面を持つ板状もしくはシート状のプラスチック材料からなる透明窓用部材の中に、一定厚みを有する平面形状のスリットからなる空気層が上下方向に複数、一定間隔で透明窓用部材の幅方向に延びるように且つ前記平面に対して傾斜して形成され、室外側の透明窓用部材と前記空気層との界面により、冬場における室外から前記平面に垂直な方向に対して所定角度以下で入射する太陽光は室内に取り込み、夏場における室外から前記平面に垂直な方向に対して所定角度より大きい角度で入射する太陽光を全反射させ、室内への侵入を遮断し、室内から外側は通常の窓ガラスと同様に見ることができることを特徴とする調光透明窓用部材を提供する。
【００１３】
第２には、上記第１の発明において、前記スリットが、少なくとも透明窓用部材の幅方向両端部を除き、透明窓用部材の室外側から室内側に抜けるように形成されていることを特徴とする調光透明窓用部材を提供する。
【００１４】
第３には、上記第１の発明において、前記スリットが、透明窓用部材の一方の側面からもう一方の側面に抜けるように形成されていることを特徴とする調光透明窓用部材を提供する。
【００１５】
第４には、上記第１の発明において、前記空気層の隣接するもの同士が、前記空気層の傾斜角度とは異なる傾斜角度で反対向きのスリットからなる別の空気層で連通していることを特徴とする調光透明窓用部材を提供する。
【００１６】
第５には、上記第１ないし第４のいずれかの発明において、前記空気層の厚みが２ｍｍ以下であることを特徴とする調光透明窓用部材を提供する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、上記構成を採用したので、室内から外を眺めても外の景色が浮き上が
ったり、一部が欠けて見えることなく、冬の太陽光は効果的に室内に取り込み、夏の太陽光は効果的に遮断し、冷暖房負荷を大幅に低減することができる。また、本発明によれば、上記効果に加え、薄型で且つシンプルな構造で容易に製造できる調光透明窓用部材の提供が可能となる。
本発明の調光透明窓用部材は、窓ガラスに貼り付けたり、接触するように吊るしたりして用いてもよいし、窓ガラス自体を構成するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の調光透明窓用部材の基本的な構造を示す図である。
【図２】臨界角及び全反射の説明図である。
【図３】東京で南を向いた窓において太陽光がスリットからなる空気層に入射するときの入射角度を計算した結果を示す図である。
【図４】スリットからなる空気層に対する入射角の説明図である。
【図５】本発明による実施形態の調光透明窓用部材の構造を示す断面図である。
【図６】本発明による別の実施形態の調光透明窓用部材の構造説明図である。
【図７】太陽光をその入射角度に応じて選択的に透過、遮断する従来のガラスパネルの構造を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
次に、本発明について更に詳細に説明する。
【００２０】
本発明の調光透明窓用部材（以下、調光部材とも称する）の基本的な構造を図１ないし図５により述べる。この調光部材１１は、アクリル樹脂などのプラスチック等の透明材料からなり、室内側に平面１２Ａを有するとともに、室外側にも平面１２Ｂを有し、平面１２Ａと平面１２Ｂとは互いに平行となっている。プラスチックの屈折率は一般に１．３〜１．７の範囲にあり、その光透過率は通常のガラスと同様、９０％前後と高い。たとえばアクリル樹脂の屈折率は約１．５、光透過率は９２〜９３％である。調光部材１１は、平面１１Ａ、１１Ｂに対し一定角度で傾斜した一定の厚みを有する平面形状のスリットからなる空気層１３を有している。この空気層１３は調光部材１１の幅方向に述べるように帯状に形成されている。すなわち、空気層１３は上部が室外側に近くなり、下部が室内側に近くなるように傾斜して形成されている。空気層１３の傾斜角度αは以下に述べる技術的事項を考慮して設定される。なお、図１では、調光部材１１は空気層１３により２つのプラスチック構造部１１Ａ、１１Ｂに分断されているように示されているが、実際には周辺部の適所において結合し、一体化されている。
【００２１】
ここでは、調光部材１１の透明材料が屈折率１．５のプラスチックである場合を例に説明する。一般に、屈折率が大きい媒体（プラスチック）から小さい媒体に光（空気）が進む場合、図２の右側に示すように、入射角が小さいときには、両者の界面で屈折が生じる。本例の場合、プラスチックの屈折率が１．５で空気の屈折率が１であるので、屈折角は入射角より大きくなる。入射角が次第に大きくなると、屈折角も次第に大きくなる。入射角がある角度になると図２の中央に示すように、屈折角が９０゜になり、プラスチックから空気側へ光が進まない状態となる。この角度は臨界角と称されており、ここではθｍと記す。入射角がさらに大きくなると図２の左に示すように光は界面で全て反射され、全反射と称される状態となる。
【００２２】
本例の場合、臨界角θｍと空気及びプラスチックとの間には次のような関係がある。
ｓｉｎθｍ＝（空気の屈折率）／（プラスチックの屈折率）＝１／１．５
したがって、臨界角はθｍ＝４１．８゜となる。
【００２３】
図１の場合、光線２で示すように、室外側から平面（以下、プラスチック表面とも称する）１２Ｂに小さい入射角で光が入射すると、光はプラスチック表面１２Ｂで屈折した後、プラスチック構造部１１Ｂ中を進み、プラスチック構造部１１Ｂと空気層１３の界面で屈折した後、空気層１３を進み、空気層１３とプラスチック構造部１１Ａの界面で屈折した後、プラスチック構造部１１Ａ中を進み、プラスチック表面１２Ａで屈折して、室内側に入射する。
【００２４】
一方、光線１で示すように、室外側から大きな入射角でプラスチック表面１２Ｂに光が入射すると、光はプラスチック表面１２Ｂで屈折した後、プラスチック構造部１１Ｂを進み、プラスチック構造部１１Ｂと空気層１３の界面で全反射して、空気層１３、プラスチック構造部１１Ａ側には透過せず、室内側への進入が遮断される。入射角が次第に大きくなり光が室内側に入射されなくなる角度を、本明細書においては「特定角」と称することとする。
【００２５】
特定角は、空気層１３の傾斜角αに応じて変化させることができる。表１は、調光部材１１の透明材料に屈折率１．５のプラスチックを用いた場合の空気層１３の傾斜角αと特定角の関係を示す図である。ただし、水平方向の方位角については調光部材に対して垂直に入射する場合を考えている。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
例えば、空気層１３の傾きを７度にすると、屈折率が１．５の場合、特定角は約６０度になる。６０度より大きな角度、例えば図１の光線１で示すような平面１１Ｂに垂直な方向からの角度７０度で上方から入射した光は、プラスチック表面１１Ｂに入射する際屈折し、斜めの空気層１３には４５度の角度で入射する。この角度はプラスチック構造部１１Ｂと空気層１３との界面の臨界角より大きいため、全反射が起こり、光はこの界面で反射される。反射された光はプラスチック構造部１１Ｂ内で反射され、空気層１３、プラスチック構造部１１Ａは透過しない。これに対して光線２で示した特定角の６０度より小さい角度で入射した光については、空気層１３に対してプラスチック構造部１１Ｂと空気層１３との界面の臨界角よりも小さい角度でプラスチック構造部１２Ｂから空気層１３に入るため、全反射は起こらず屈折する。そして、空気層１３からプラスチック構造部１１Ａに入るときに逆の屈折が起こり、空気層１３の幅が小さければ、ほとんど空気層１３の影響は受けず通常のガラスと同様に透過する。このため、空気層１３の厚みは０．１ｍｍ以下であることが望ましい。空気層１３の厚みの下限値は空気層１３の役割が発揮できる観点から０．０１ｍｍ程度である。空気層１３の厚みが上記範囲であると、室内から室外を見たときに外の景色が通常のガラスと同じように見える。
【００２８】
また、表１から明らかなように、屈折率が大きい材料を使用すると傾斜角をより小さくできることがわかる。遮光にあたっては、材料の屈折率を考慮することも非常に有効である。
【００２９】
図３は、プラスチックの屈折率が１．５であり、空気層１３の傾斜角が７度である図１のような調光部材を用い、東京で南を向いた窓において太陽光が入射したときの空気層１３に対する入射角（図４参照）を計算したものである。この入射角はプラスチック構造部１２Ｂとスリットからなる空間部１３との界面に光が達したときの角度で、水平方向の方位角も考慮して３次元的な入射角を計算している。この角度が４２．８度以上になると（図３の水平の実線）全反射が起きる。従って、４月から９月の暖かいあるいは暑い時期は太陽光を遮断し、１０月から３月までの涼しいあるいは寒い時期は太陽光を透過させることがわかる。本明細書において、夏場とはたとえば東京においては４月から９月、冬場とは１０月から３月を意味するものとする。
【００３０】
このような調光部材１１を窓ガラス内側に取り付けることより、夏は太陽光を遮断し、冬は太陽光を取り入れるという機能が自動的に発現し、しかも常に外の景色はほぼ完全に見ることができるというこれまでにない新しい窓を実現することができる。ただし、室内側で窓に近づき、６０度以上の角度で空を見上げた場合、外は見えないが、これは窓際で空を見上げる場合に限られ、影響は少ない。
【００３１】
従って、このような構造を持った調光部材を用いると太陽の高度が特定角よりも高いときは室内への太陽光の侵入を防ぐことができる。しかもそれより下方から入射する光については、通常のガラスを透過するのと同様に透過するため、外の景色は通常のガラス窓と同様に見ることができる。
【００３２】
例えば、１ｍ四方の大きな透明プラスチック板で、空気層１３の傾斜角が７度になった図１の構造の調光部材１１を作ろうとすると、プラスチック板の厚みは１２ｃｍとなり現実的ではない。この図１の構造は、横から見てこれと相似の形を持つものであれば、大きさによらず同等の調光機能を持つという特徴があり、縦方向の長さを縮めて周期構造にすることでこの問題を解決することができる。図５はそのような構造を持った透明構造体の断面構造を示した例である。例えば透明アクリル板を用い、レーザー加工か、カッターブレードを餅田加工により図のようなスリットからなる空気層が形成された調光部材を作製すると、図１と同様の機能を持つ構造になる。縦方向の周期の長さを１０ｃｍにすると厚みは２ｃｍ程度にすることができる。
【００３３】
このような構造にすることで、ある特定角より大きい角度で上方から調光部材に入射した光は屈折した後、透明構造体と空気層の界面に達するが、この角度が透明体と空気層の間の特定角より大きい場合、全反射されて室内には透過しない。これに対して、特定角より小さい角度で透明構造体へ入射した光に関しては、空気層との界面で屈折するが、空気層から透明構造体に入る際に逆の屈折が起こってその作用が相殺され、空気層の幅が小さい場合、空気層による影響をほとんど受けずにそのまま透過する。
【００３４】
下側の傾斜の角度を４０度とすると水平方向から入射する光に対しては、どの部分でも全反射はおこらないため、中に形成した空気層は全く見えず透明なアクリル板と同様に外の景色が見える。この空気層の厚みがを２ｍｍ以下とすると、光のひずみや分散は小さい。
【００３５】
次に本発明による別の実施形態の２例を図６（ａ）、（ｂ）に斜視図で示す。図６（ａ）の実施形態の調光部材は、透明なプラスチックの板もしくはシートに横（側部）からレーザーかもしくはカッターブレードによりスリットを入れることによって空気層を形成した例である。図６（ｂ）の実施形態の調光部材は、透明はプラスチックの板もしくはシートに前から後ろへ抜けるようにスリットを入れることにより空気層を形成した例である。この場合には、調光部材の室外側に調光部材と同じ屈折率を持ち厚さが３倍以上ある透明部材を全反射が起こらないように貼り付けることで、図１の調光部材と同等の機能を持つ調光部材を実現できる。
【符号の説明】
【００３６】
１１、３１    調光透明窓用部材（調光部材）
１１Ａ、１１Ｂ    プラスチック構造部
１２Ａ、１２Ｂ    平面（プラスチック表面）
１３、３３    空気層（スリット）
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図３】
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