(57)【要約】  一実施形態では、多機能材料システムが提供され、可変透過性層と、デシカント含有層と、蒸気透過性支持層と、を含むことができる。可変透過性層は、相対湿度の上昇に伴って増大する蒸気透過性を有することができる。デシカント含有層は、可変透過性層に隣接することができる。可変透過性層及びデシカント含有層のうちの少なくとも１つに隣接して、蒸気透過性支持層を配置することができる。デシカント層よりも可変透過性層に隣接して相対湿度が高い場合、可変透過性層からデシカント層へと第１の方向に水が移動する。可変透過性層よりもデシカント含有層に隣接して相対湿度が高いときに、デシカント含有層から可変透過性層へと対向する第２の方向に水が移動する。第１の方向における水の移動速度は、湿度勾配が逆である場合、第２の方向よりも高い。
2022500581.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多機能材料システムであって、
相対湿度の上昇に伴って蒸気透過性が増大する可変透過性層と、
前記可変透過性層に隣接するデシカント含有層と、
前記可変透過性層及び前記デシカント含有層のうちの少なくとも１つに隣接して配置された蒸気透過性支持層と、
を備え、
前記デシカント層よりも前記可変透過性層に隣接して相対湿度が高い場合、前記可変透過性層から前記デシカント層へと第１の方向に水が移動し、前記可変透過性層よりも前記デシカント含有層に隣接して相対湿度が高い場合、前記デシカント含有層から前記可変透過性層へと対向する第２の方向に水が移動し、前記第１の方向における水の移動速度は、湿度勾配が逆である場合、前記第２の方向よりも高い、
多機能材料システム。
【請求項２】
前記蒸気透過性層は、前記デシカント含有層と前記可変透過性層との間に介挿されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記可変透過性層の透過性は、相対湿度の上昇に伴って略指数関数的に増大する、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記デシカント含有層は、実質的に均質である、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記デシカント含有層は、マトリックスに埋め込まれたデシカント粒子を含む複合材である、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記デシカント含有層は、蒸気透過性バインダから形成されたマトリックスを有する第１の層と、可変透過性バインダから形成されたマトリックスを有する第２の層とを含み、前記第１の層は前記可変透過性層である、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記デシカント含有層の少なくとも一部分は、デシカント材料から形成され、前記デシカント材料は、シリカゲル、ゼオライト、酸化カルシウム（ＣａＯ２）、硫酸カルシウム（ＣａＳＯ４）、塩化リチウム（ＬｉＣｌ）、粘土、又は活性炭のうちの少なくとも１つである、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記蒸気透過性層は、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリテトラフルオロエチレン、シリコーン、天然ゴム、合成ゴム、ポリスチレン、ポリメチルペンテン（ＰＭＰ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリウレタン（ＰＵ）、又はポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）から形成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記可変透過性層は、ポリアミド又はポリビニルアルコール（ＰＶＡ）から形成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記ポリアミドはナイロンである、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
壁アセンブリであって、
建物内部に隣接する第１の表面及び建物外部に隣接する第２の表面を画定する、壁空洞と、
前記壁空洞の少なくとも一部分内に配置された断熱材料と、
前記壁空洞の前記第１の表面及び前記第２の表面のうちの少なくとも１つに配置された、請求項１に記載の多機能材料システムと、
を備える、壁アセンブリ。
【請求項１２】
基材と、
請求項１に記載の多機能材料システムと、
を備え、
前記多機能材料システムの少なくとも１つの層は、前記基材の表面に配置されている、
多機能材料アセンブリ。
【請求項１３】
前記基材と前記多機能材料システムの層との間に介挿された接着剤層を更に備える、請求項１２に記載の多機能材料アセンブリ。
【請求項１４】
前記接着剤層は可変透過性層である、請求項１３に記載の多機能材料アセンブリ。
【請求項１５】
前記基材は、配向性ストランドボード（ＯＳＢ）、断熱材、石膏ボード、セメント板、化粧しっくい、乾式壁、下地材、屋根材、被覆材、又は建築膜である、請求項１２に記載の多機能材料アセンブリ。
【請求項１６】
前記可変透過性層は、前記基材の第１の表面に配置され、前記デシカント含有層は、前記基材の前記第１の表面に対向する前記基材の第２の表面に配置される、請求項１２に記載の多機能材料アセンブリ。
【請求項１７】
前記基材のマトリックス及び前記基材に埋め込まれたデシカント粒子から形成された前記デシカント含有層と、
前記デシカント層の表面に堆積した前記可変透過性層と、
を備える、請求項１２に記載の多機能材料アセンブリ。
【請求項１８】
開口側を有する１つ以上のポケットを画定するポケット付き構造体と、
前記１つ以上のポケットのそれぞれの中に配置された複数のデシカント粒子と、
相対湿度が上昇に伴って蒸気透過性が増大する可変透過性層であって、前記複数のポケットのそれぞれの開口側に重なる、可変透過性層と、
を備える、多機能材料アセンブリ。
【請求項１９】
前記基材を更に備え、前記可変透過性層が前記基材に固定されている、請求項１８に記載の多機能材料アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１９年８月３１日に出願された「Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｎｇ  Ａ  Ｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ  Ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ  Ｆｏｒ  Ｐａｓｓｉｖｅ  Ｈｅａｔ  Ａｎｄ  Ｗａｔｅｒ  Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ  Ｉｎ  Ｂｕｉｌｄｉｎｇ  Ｅｎｖｅｌｏｐｅｓ」と題する米国仮特許出願第６２／７２５，４４６号の利益を主張し、その全体が参照として本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
建物などのエンクロージャは、エネルギー効率、快適性、耐久性などの特性を手頃なコストで有することが望ましい。しかしながら、これらの特性を同時に達成しようとすると、矛盾が生じる可能性がある。一例として、断熱材を使用し、建物の気密性を高めることによって、建物のエネルギー効率を向上させることができる。しかしながら、水分制御の懸念は大きくなる。特に、エンクロージャの断熱材及び気密性によって高いＲ値（熱伝導に対する抵抗の尺度）を達成すると、水蒸気に対する透過性が低下し、凝縮、湿害、カビのリスクが高まる結果となり得る。したがって、エネルギー効率が向上するにつれて、しばしば、耐久性及び快適性が低下することがある。
【発明の概要】
【０００３】
水分制御を向上させるために、様々な技術が開発されてきた。一態様では、「スマート」蒸気リターダの膜は、相対湿度に伴って変化する水蒸気に対する透過性を示す。一例として、膜の透過性は、相対湿度の上昇とともに急激に上昇し、水が浸透すると壁が乾燥するようにする一方で、膜の透過性は、相対湿度の低下に伴って低下し、水蒸気が壁の中へと拡散するのを遅らせる。しかしながら、スマート蒸気リターダであっても、拡散により、湿度の低下方向に水蒸気が移動するので、相対湿度が外部で上昇したときに、壁の中に有限量の水が入ることが可能である。相対湿度が下がると、壁から水蒸気を除去するために必要な時間量は、水蒸気が壁に添加された時間量とほぼ同じになる。つまり、壁全体における相対湿度勾配の大きさが逆になると、スマート蒸気リターダは、水蒸気の浸入及び排出に関して、時間対称性を示す。したがって、スマート蒸気リターダには、相対湿度条件が逆になると、水蒸気の排出と比較して、水蒸気の浸入を優先的に抑制する機構がないことが理解できる。
【０００４】
デシカントベースのシステムは、現在の技術における別の水分制御技術である。デシカントシステムは、デシカント材料の表面に水を吸着することによって、空気から直接水を除去する。デシカント材料が加熱されると、吸着された水がデシカント材料の表面から追い払われる。このプロセスにより、空気を除湿するデシカントの能力が回復する。対照的に、既存のＨＶＡＣシステムは、最初に露点未満に空気を冷却し、次いで、所望の温度まで空気を再度加熱することによって、空気から水を除去する。ＨＶＡＣシステムは、動作中の空気の冷却と加熱の両方に電力を必要とするので、水分制御に関して既存のＨＶＡＣシステムよりもエネルギー効率が大幅に低くなる。しかしながら、デシカントベースの除湿システムは、既存のＨＶＡＣシステムと比較してエネルギー効率が向上している一方で、依然として、デシカントの再生に必要な熱を生成するためにエネルギーを消費する。
【０００５】
建物のエネルギー効率の改善は、多くの場合、建設コストを大幅に増加させることが理解できる。一般的に、空気、湿気及び温度制御のために追加層を設置すると、労働コストが大幅に増加する。したがって、水蒸気の浸入と排出の調節、蓄熱と放熱、加湿と除湿を同時に行うことが可能な多機能建築材料は、建物の保温及び調湿性能を向上させることができ、建設にかかる労働コストも削減させながら、エネルギー効率を向上させる。更に、機械部品を動かすことなく、かつ電力も使用せずに、加湿と除湿の両方が可能な多機能材料は、効率を更に向上させることができる。
【０００６】
本開示の実施形態は、このような課題に対処する多機能材料システムを提供する。多機能材料システムの第１の機能は、相変化材料（ＰＣＭ）の機能と同じように、熱エネルギーの保存及び放出である。一般に、ＰＣＭは、周囲温度が相転移温度を超えて上昇すると潜熱を吸収することによって、又は相転移温度を超えて下降すると潜熱を放出することによって温度を調節することができる。既存のＰＣＭは、パラフィンの場合と同様に液体状態と固体状態との間で相変すること、及び塩水和物の場合と同様に水和状態と無水状態との間で相変化することができる。多機能材料システムは、水が物質表面の気体状態と凝縮状態との間を行き来するときに、熱を吸着又は放出することができる（例えば、水相図の沸騰線／凝縮線）。このＰＣＭのような挙動により、伝達された潜熱に等しい量だけＨＶＡＣシステムのエネルギー需要量を削減することによって、エネルギー効率を向上させることができる。
【０００７】
多機能材料システムの第２の機能は、湿度バッファのような水蒸気の保存及び放出である。湿度バッファリング（ｈｕｍｉｄｉｔｙ  ｂｕｆｆｅｒｉｎｇ）は、水分バッファリング（ｍｏｉｓｔｕｒｅ  ｂｕｆｆｅｒｉｎｇ）とも呼ばれ、周囲の空気からの水蒸気の吸収及び放出によって、相対湿度の変化を穏やかにするように材料の能力を特徴付ける。湿度は人間の快適性の重要な決定因子であり、ほとんどの人は、相対湿度が約３５％〜６０％の環境を好む。湿度が極端に高いと、カビ、白カビ、及びイエダニが育ち得る条件が作り出される。湿度レベルが極端に低いと、目及び皮膚の乾燥を引き起こす、呼吸器の問題のリスクが増大する、あるいは、風邪又はインフルエンザに罹患するリスクが増大することがある。
【０００８】
多機能材料システムの第３の機能は、一方向水蒸気バルブとも呼ばれる水蒸気ダイオードのように、デシカント層の方向に水蒸気の拡散フローを付勢することである。つまり、水蒸気ダイオードの「開」方向の水蒸気の拡散フローは許可され、水蒸気ダイオードの「閉」方向の拡散フローは抑制される。多機能材料システムのこの機能は、エンクロージャ内部の環境からの水蒸気の排出を可能にしながら、エンクロージャ外部の環境からの水蒸気の浸入を抑制する。
【０００９】
建物エンベロープで使用する場合、開示された多機能材料の実施形態は、建物エンベロープに別の膜層を設置する場合と比べて、設置コストを削減できる。更に、代替実施形態では、開示された多機能材料は、可変透過性層又はデシカント層のいずれかを省略することができる。このような改質された多機能材料は、性能の利点のサブセットを、湿度制御又は水蒸気輸送が主な関心事である浴室及び台所のような建物の異なる区域を最適にすることができる。
【００１０】
一実施形態では、多機能材料システムが提供され、可変透過性層と、デシカント含有層と、蒸気透過性支持層と、を含むことができる。可変透過性層は、相対湿度の上昇に伴って増大する蒸気透過性を有することができる。デシカント含有層は、可変透過性層に隣接することができる。可変透過性層及びデシカント含有層のうちの少なくとも１つに隣接して、蒸気透過性支持層を配置することができる。デシカント層よりも可変透過性層に隣接して相対湿度が高い場合、可変透過性層からデシカント層へと第１の方向に水が移動する。可変透過性層よりもデシカント含有層に隣接して相対湿度が高いときに、デシカント含有層から可変透過性層へと対向する第２の方向に水が移動する。第１の方向における水の移動速度は、湿度勾配が逆である場合、第２の方向よりも高い。
【００１１】
別の実施形態では、蒸気透過性層は、デシカント含有層と可変透過性層との間に介挿されている。
別の実施形態では、可変透過性層の透過性は、相対湿度の上昇に伴って略指数関数的に増大する。
【００１２】
別の実施形態では、デシカント含有層は、実質的に均質である。
別の実施形態では、デシカント含有層は、マトリックスに埋め込まれたデシカント粒子を含む複合材である。
【００１３】
別の実施形態では、デシカント含有層は、蒸気透過性バインダから形成されたマトリックスを有する第１の層と、可変透過性バインダから形成されたマトリックスを有する第２の層とを含み、第１の層は可変透過性層である。
【００１４】
別の実施形態では、デシカント含有層の少なくとも一部分は、デシカント材料から形成される。デシカント材料は、シリカゲル、ゼオライト、酸化カルシウム（ＣａＯ２）、硫酸カルシウム（ＣａＳＯ４）、塩化リチウム（ＬｉＣｌ）、粘土、又は活性炭のうちの少なくとも１つであり得る。
【００１５】
別の実施形態では、蒸気透過性層は、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリテトラフルオロエチレン、シリコーン、天然ゴム、合成ゴム、ポリスチレン、ポリメチルペンテン（ＰＭＰ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリウレタン（ＰＵ）、又はポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）から形成される。
【００１６】
別の実施形態では、可変透過性層は、ポリアミド又はポリビニルアルコール（ＰＶＡ）から形成される。一例として、ポリアミドはナイロンであり得る。
一実施形態では、壁アセンブリが提供され、壁アセンブリは、壁空洞と、断熱材料と、多機能材料システムとを含むことができる。壁空洞は、建物内部に隣接する第１の表面及び建物外部に隣接する第２の表面を画定することができる。断熱材料は、壁空洞の少なくとも一部分内に配置することができる。一実施形態では、多機能材料システムは、可変透過性層と、デシカント含有層と、蒸気透過性支持層と、を含むことができる。可変透過性層は、相対湿度の上昇に伴って増大する蒸気透過性を有することができる。デシカント含有層は、可変透過性層に隣接することができる。可変透過性層及びデシカント含有層のうちの少なくとも１つに隣接して、蒸気透過性支持層を配置することができる。デシカント層よりも可変透過性層に隣接して相対湿度が高いときには、可変透過性層からデシカント層へと第１の方向に水が移動する。可変透過性層よりもデシカント含有層に隣接して相対湿度が高いときに、デシカント含有層から可変透過性層へと対向する第２の方向に水が移動する。第１の方向における水の移動速度は、湿度勾配が逆である場合、第２の方向よりも高い。多機能材料システムは、壁空洞の第１の表面及び第２の表面のうちの少なくとも１つに配置することができる。
【００１７】
一実施形態では、多機能材料アセンブリが提供され、多機能材料アセンブリは、基材と、多機能材料システムとを含むことができる。一実施形態では、多機能材料システムは、可変透過性層と、デシカント含有層と、蒸気透過性支持層と、を含むことができる。可変透過性層は、相対湿度の上昇に伴って増大する蒸気透過性を有することができる。デシカント含有層は、可変透過性層に隣接することができる。可変透過性層及びデシカント含有層のうちの少なくとも１つに隣接して、蒸気透過性支持層を配置することができる。デシカント層よりも可変透過性層に隣接して相対湿度が高い場合、可変透過性層からデシカント層へと第１の方向に水が移動する。可変透過性層よりもデシカント含有層に隣接して相対湿度が高いときに、デシカント含有層から可変透過性層へと対向する第２の方向に水が移動する。第１の方向における水の移動速度は、湿度勾配が逆である場合、第２の方向よりも高い。多機能材料システムは、壁空洞の第１の表面及び第２の表面のうちの少なくとも１つに配置することができる。多機能材料システムの少なくとも１つの層は、基材の表面に配置することができる。
【００１８】
別の実施形態では、アセンブリは、基材と多機能材料システムの層との間に介挿された接着剤層を更に含むことができる。
別の実施形態では、接着剤層は可変透過性層である。
【００１９】
別の実施形態では、基材は、配向性ストランドボード（ＯＳＢ）、断熱材、石膏ボード、セメント板、化粧しっくい、乾式壁、下地材、屋根材、被覆材、又は建築膜である。
別の実施形態では、可変透過性層は、基材の第１の表面に配置され、デシカント含有層は、基材の第１の表面に対向する基材の第２の表面に配置される。
【００２０】
別の実施形態では、多機能材料アセンブリは、基材のマトリックス及び基材に埋め込まれたデシカント粒子から形成されたデシカント含有層を含み、デシカント層の表面に、可変透過性層が堆積している。
【００２１】
一実施形態では、多機能材料アセンブリが提供され、多機能材料アセンブリは、ポケット付き構造体と、複数のデシカント粒子と、可変透過性層とを含む。ポケット付き構造体は、開口側を有する１つ以上のポケットを画定することができる。複数のデシカント粒子は、１つ以上のポケットのそれぞれの粒子の中に配置することができる（例えば、各ポケットの容積の少なくとも一部分を占める）。可変透過性層は、相対湿度の上昇に伴って増大する蒸気透過性を有することができる。また、可変透過性層は、１つ以上のポケットのそれぞれの開口側に重なることができる。
【００２２】
多機能材料アセンブリはまた、基材を含むことができる。可変透過性層は、基材に固定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】可変透過性層とデシカント層とを有する多機能材料構造体を含む、動作環境の１つの例示的実施形態を示す図である。
【図２】選択された蒸気リターダの壁空洞の湿度の関数として水蒸気透過率のプロットを示す図である。
【図３】シリカゲルを含む種々のデシカントに対する吸着等温線のプロットである。
【図４ａ】図１の多機能材料システム全体における水流束と純水移転の測定を示すプロットである。
【図４ｂ】図１の多機能材料システム全体における水流束と純水移転の理論的シミュレーションを示すプロットである。
【図５ａ】可変透過性層とデシカント層とを含む多機能材料システムの１つの例示的実施形態を示す図である。
【図５ｂ】複合材の形態のデシカント層を含む多機能材料システムの１つの例示的実施形態を示す図である。
【図６】１つ以上の蒸気透過性支持層を含む多機能材料システムの１つの例示的実施形態を示す図である。
【図７ａ】２つの層を有するデシカント層を含む多機能材料システムの１つの例示的実施形態を示す図である。
【図７ｂ】その厚さにわたってデシカントの濃度の勾配を有する複合材の形態の多機能材料システムの１つの例示的実施形態を示す図である。
【図８】基材に接着された多機能材料の１つの例示的実施形態を示す図である。
【図９】基材に接着された多機能材料の別の例示的実施形態を示す図である。
【図１０】基材に接着された多機能材料の別の例示的実施形態を示す図であり、蒸気リターダとデシカント層とは、基材の対向している側に配置されている。
【図１１】基材の一方の表面に接着された多機能材料の別の例示的実施形態を示す図であり、多機能材料システムのデシカント層は、基材材料から形成されたマトリックスに埋め込まれたデシカント粒子を含んでいる。
【図１２】デシカント粒子を収容するポケットを有するポケット付き構造体の形態でデシカント層を含む多機能材料の別の例示的実施形態を示す図である。
【図１３】基材に接着された図１２の多機能材料を示す図である。
【図１４】スマート壁パネルの別の例示的実施形態を示す図であり、スマート壁パネルは、パネルの縁部に巻き付けられた可変透過性層を有する多機能材料システムと、スマート壁パネルに隣接してそれらの間に形成された蒸気密封止とを含む。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図面は必ずしも縮尺通りではないことを留意されたい。この図面は、本明細書に開示された主題の典型的な態様のみを示すことを意図しており、したがって、本開示の範囲を限定するものとして解釈すべきではない。
【００２５】
本明細書では、多機能材料システム、並びに対応する製造方法及び建築材料としての使用方法の実施形態について論じる。ただし、本開示の実施形態は、制限を伴わずに他の適用例にも採用され得る。
【００２６】
図１は、壁アセンブリ１０２の形態の動作環境の１つの例示的実施形態１００を示す。壁アセンブリ１０２は、内部環境１０６に隣接する第１の表面又は内面１０４ａと、外部環境１１０に隣接する第２の表面又は外面１０４ｂとを画定する壁空洞１０４を含む。一般的に、内部環境１０６は、空調される壁アセンブリ１０２で囲まれた空間とすることができるが、外部環境１１０は、空調されない空間である。このため、壁アセンブリ１０２の内面１０４ａに多機能材料システム１１４を設置する場合、内部環境１０６は建物の部屋の内部となり、外部環境は建物の外部となり得る。しかしながら、多機能材料システムの実施形態は、一方は空調されており、他方は空調されていない（例えば、吹き抜け又は他の空調されない空間）、内部の２つの部屋を離隔する壁アセンブリでも使用できることが理解できる。いずれの場合も、空調されない空間／環境に最も近い位置にデシカント層を配置することができる。
【００２７】
壁アセンブリ１０２、壁空洞１０４の少なくとも一部分に（例えば、第１の表面１０４ａと第２の表面１０４ｂとの間に）配置された断熱材料１１２を更に含むことができる。壁アセンブリ１０２は、多機能材料システム１１４を更に含むことができる。図示のように、多機能材料は、内面１０４ａに配置される。しかしながら、代替実施形態では、壁空洞の対向する面に又はそこに隣接して（例えば、外面に隣接して）、あるいは内面と外面の両方に又はそれらに隣接して、多機能材料システムを配置することができる。
【００２８】
多機能材料システム１１４は、厚さＴの可変透過性層１１４ａ及び厚さＬのデシカント含有層１１４ｂを含むことができる。可変透過性層１１４ａは、本明細書では、蒸気リターダ又は蒸気バリアとも呼ばれる。以下で詳しく論じるように、デシカント含有層１１４ｂは、実質的に全体的に、デシカント材料で構成しても、マトリックスに埋め込まれたデシカント材料を含む複合材で構成してもよい。ただし、簡単にするために、本明細書では、デシカント含有層１１４ｂをデシカント層と呼ぶ。デシカント層１１４ｂは、可変透過性層１１４ａに隣接して配置される。同様に以下で詳しく論じるように、デシカント層は、可変透過性層の側と接触していても、又は間に介挿された１つ以上の層によって可変透過性層の側から離隔していてもよい。
【００２９】
可変透過性層１１４ａが形成される材料の例としては、ポリアミド（例えば、ナイロン）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、及び種々のポリイオンを挙げることができる。デシカント層１１４ｂが形成されるデシカント材料の例としては、シリカゲル、ゼオライト、酸化カルシウム（ＣａＯ２）、硫酸カルシウム（ＣＡＳＯ４）、塩化リチウム（ＬｉＣｌ）、粘土、又は活性炭のうちの１つ以上を挙げることができる。デシカント層１１４ｂの厚さＬは、約０．０５ｍｍ〜約２０ｍｍの範囲から選択され得る。可変透過性層１１４ａの厚さＴは、約０．００１ｍｍ〜約０．０１の範囲から選択され得る。
【００３０】
デシカント材料が多孔質構造である実施形態では、細孔径は、約０．４ｎｍ〜約１００μｍの範囲であり得る。他の実施形態では、細孔径は約０．０４ｎｍであり得る。更なる実施形態では、細孔径は約１００μｍであり得る。
【００３１】
また、多孔質デシカント材料の細孔径は、デシカント層１１４ｂ内における位置と共に変動し得る。一例として、デシカント層１１４ｂの選択された側（例えば、外部環境１１０に最も近いデシカント層１１４ｂの側）に近づくと、細孔径は減少し得る。
【００３２】
多機能材料システム１１４は、単独で又は任意の組み合わせで、様々な機能を実行するように構成することができる。一態様では、湿度勾配が逆であり、水蒸気が反対方向に追われる場合よりも著しく高い速度で、可変透過性層１１４ａの側からデシカント層１１４ｂの側へと第１の方向に水が移動できるようにすることによって、多機能材料システム１１４は、蒸気ダイオードとして機能する。別の態様では、多機能材料システム１１４は、この文脈では、デシカント層１１４ｂ内の吸着された水と水蒸気との間の相変化であることを除いて、相変化材料と同様に温度を調節する。更なる態様では、多機能材料システム１１４は、湿度の上昇時にはより多くの水蒸気を吸着し、湿度の低下時には水蒸気を放出することによって、相対湿度を調節する。これらの機能により、建物のエネルギー効率、耐久性、及び快適性が向上する。これらの機能の物理的な原理、及びそれらの効果の大きさの推定について、以下で詳しく論じる。
［蒸気ダイオード機能］
蒸気ダイオード機能の実施形態は以下のように動作する。可変透過性層１１４ａの側で湿度が高い場合、透過係数とも呼ばれる水蒸気に対する透過性が上昇する。デシカント層１１４ｂは、比較的高い透過性を有し、可変透過性層１１４ａから受け取った水を比較的容易に吸着する。その後、デシカント層１１４ｂの側が受け取った水は、デシカント層１１４ｂに隣接する空気へ蒸発する。逆に、デシカント層１１４ｂの側の湿度が高い場合、デシカント層１１４ｂは、可変透過性層１１４ａに水が達する前に、水を吸収して分離する。このようにすると、可変透過性層１１４ａの相対湿度、したがって可変透過性層１１４ａの透過性は低いままとなる。湿度変動サイクルにわたっては、多機能材料システム１１４全体における水の純移転（例えば、ポンピング）が行われる。建築材料には現在存在しないこの修正機能を使用して、壁空洞１０４から外へと水をポンピングし、それによって、耐久性を向上させることができる。
【００３３】
蒸気ダイオードの機能は、多機能材料システム１１４の蒸気輸送の非線形特性と非対称特性の両方に依拠する。非線形性は、透過性が相対湿度ＲＨと共に指数関数的に上昇する可変透過性層１１４ａによって提供される。図２は、ポリアミド材料（ＭｅｍＢｒａｉｎ、Ｃｅｒｔａｉｎｄｅｅｄ）から形成されたスマート蒸気リターダのＲＨ依存透過係数を示す。透過係数が２桁調変動することが観察できる。
【００３４】
非対称性は、可変透過性層１１４ａの片側（例えば、デシカント層１１４ｂに最も近い可変透過性層１１４ａの側）からのみ水を分離するデシカント層１１４ｂによって提供される。図３は、シリカゲル、無毒のナノ多孔質鉱物、並びにＣａＯ、粘土、モレキュラーシーブ、ＣＡＳＯ４の吸着等温線（一定の温度における相対湿度の関数としての吸着）のプロットを示す。シリカゲルは、周囲の空気の相対湿度ＲＨにおおまかに比例して水を吸着し、水中において乾燥重量の最大約３７％を保持する能力を有する。水は、シリカゲルの内側に比較的ゆっくりと拡散し、これにより、シリカゲル層の片側における湿度変化と、反対側において含水量が平衡化し始める時点との間に遅延が生じる。拡散定数ＤＳＧ＝２ｘ１０−１１ｍ２ｓ−１及びデシカント層の厚さＬをＬ２／２ＤＳＧとしてスケーリングする遅延時間は、シリカゲルが蒸気バリアから水を分離する時間を特徴付け、構造が蒸気輸送を修正できるようにする。一例として、シリカゲルが１ｍｍの場合、遅延時間は約７時間であり、これは、日中の（１日当たりの）の湿度変動を修正するのに十分な長さである。シリカゲルが２ｍｍの場合、遅延時間は約１１５日超であり、これは、一年間の湿度サイクルも同様に修正できることを示唆するものである。
【００３５】
相対湿度の変動は、温度変化によって最も顕著に発生する。水蒸気を保持する空気の能力は、温度と共に増大するので、ＲＨと温度は、逆相関している。一例として、２３℃かつ相対湿度４０％で始まる固定含水量の空気を仮定する。空気を２８℃まで温まるにつれて、相対湿度は２９．７％まで低下する。空気が１８℃まで冷たくなるにつれて、相対湿度は５４．５％まで上昇する。これらの変化は、湿り空気線図又はＭａｇｎｕｓ  ｆｏｒｍｕｌａを使用して評価できる。同じ１０℃の温度範囲にわたって、スマート蒸気バリアの透過係数は、図２によれば、約７倍変化し、図３によれば、シリカゲルは、水中乾燥質量の約１３％を交換することが予想される。どちらも大きな効果がある。
【００３６】
ＭｅｍＢｒａｉｎ（Ｃｅｒｔａｉｎｔｅｅｄ）で可変透過性層として形成されたプロトタイプの多機能材料システムとシリカゲル粒子から形成されたデシカント層全体における水輸送の測定を行った。多孔質の高透過性プラスチックフィルムを（ミリメートルのオーダーで、例えばＭｅｍＢｒａｉｎに対して約１〜１０ｍｍで）使用してシリカゲル粒子を保持した。この多機能材料システムは、口広のカップの水を覆うために使用することによって湿度勾配を受け、一方の側を約１００％ＲＨに暴露し、もう一方の側を約５０％ＲＨの実験室環境に暴露する。ＲＨ勾配は、１日毎に構造を反転させ、反対側を水蒸気に暴露することによって周期的に変動した。蒸気バリア全体におけるシリカゲルへの水の移転を判定するために、カップ及び多機能材料システムの質量をそれぞれ、一定の間隔で測定した。図４（ａ）は、時間の関数として、測定された水流束とデシカント側への純水移転とのプロットを示す。ＭｅｍＢｒａｉｎ側からシリカゲル側への水の流束は、サイクル全体にわたって、逆方向の流束の２倍以上の大きさであった。水は、約０．５ｇｍ−２日−１の平均速度でシリカゲル側に移動した。この結果を文脈に沿ってとらえると、包囲面積が２００ｍ２である中程度の大きさの家の場合、このポンピング速度は、壁から１日あたり約０．１Ｌを除去する。
【００３７】
有限差分法を使用して、水輸送を理論的にモデル化した。具体的には、プロトタイプの多機能材料システム全体における水の拡散をモデル化するためにＭＡＴＬＡＢ（登録商標）を採用した。７５μｍ厚のポリアミド層を可変透過性層と仮定し、２００μｍ厚のシリカゲル層をデシカント層として仮定して、このシミュレーションを行った。振幅２０％かつ４８時間周期で、平均ＲＨ５０％について、シミュレートされた多機能材料システムの両側で相対湿度が正弦曲線状に変動した。両側が位相外であった。
【００３８】
図４（ｂ）は、プロトタイプの多機能材料システム全体におけるシミュレートされた水流束、並びにデシカント層側に蓄積する水の積算質量のプロットを示す。可変透過性層側（ポリアミド側）からデシカント層側への水の流束は、サイクル全体にわたって、逆方向のピーク流束の２倍の大きさであった。水は、約０．１ｇｍ−２日−１の平均速度でデシカント層側に蓄積した。
【００３９】
両側の湿度変動が位相内である場合であっても、つまり、湿度の変化がない場合であっても、蒸気ダイオードの機能により提供されるポンピング効果は作用することが理解できる。ポンピングの唯一の要件は、湿度が周期的に変動することである。一例として、多機能材料システム１１４の両側で湿度が高い場合、水蒸気は、可変透過性層１１４ａを高い輸送速度で通って、両側からデシカント層１１４ｂに（例えば、隣接する空気及び可変透過性層１１４ａを介して）拡散する。デシカント層１１４ｂ内の水の分布は、ゆっくりと平衡化することができる（例えば、デシカント層１１４ｂが厚さ約１ｍｍである場合、完全な平衡化に要する時間は数時間になることがある）。その後、多機能材料システム１１４の両側の湿度が低い場合、水蒸気は、可変透過性層１１４ａの両側及びデシカント層１１４ｂの側から、多機能材料システム１１４を出て拡散する。ただし、可変透過性層１１４ａの側の拡散速度は、水蒸気が入るときと比べて著しく遅くなる。このように、可変透過性層１１４ａを通って出入りする水の速度が不均衡であると、その結果、デシカント層１１４ｂの方向の水の純移転（ポンピング）が生じる。
［相変化機能］
温度の上昇により、ＲＨが下がり、デシカント層１１４ｂから水が蒸発する。逆に、温度が低下すると、ＲＨが上昇し、デシカント層１１４ｂが水を吸収する。これらの２つのプロセスにおいて、吸収される潜熱は温度を調節し、放出される潜熱は、ＨＶＡＣシステムの需要量を削減する。この原理は、周囲水が物質を変化させる相であることを除いて、相変化材料と同じである。
【００４０】
水が１グラム蒸発するごとに、約２５００Ｊが環境から吸収される。これは、沸騰と小さな表面結合エネルギーとの潜熱の合計を意味する。一例として、シリカゲルの潜熱密度は約９２５ｋＪ／ｋｇであり得る。ただし、実際には、この潜熱の一部しか利用できない。一般的に、デシカント層１１４ｂは、通常の運転条件下において、完全には乾燥せず、完全に水を充填することもない。
【００４１】
潜熱密度のより現実的な推定は、既に考察したものと同じ１０℃の温度変化と、図３の吸着等温線は温度に伴って著しくは変化しないという事実に基づくことができる。この温度上昇にわたってシリカゲルデシカントによって吸着又は放出される水の合計は、乾燥質量の約１３％になることが予想される。これは、約３２５ｋＪ／ｋｇの潜熱密度に相当する。これに対し、市販の相変化材料の潜熱密度は、１２０ｋＪ／ｋｇ〜２２０ｋＪ／ｋｇの範囲である。より狭い温度範囲にわたって同じ潜熱を放出するようにデシカント材料を工作できることが理解できる。つまり、吸着等温線は、関連するＲＨ範囲においてより急峻である必要がある。
【００４２】
約１ドル／ｋｇの費用で、シリカゲルは比較的安価なデシカント材料である。約３２０ｋＪ／ドルで潜熱を供給することが可能である。市販のＰＣＭの費用ははるかに高く、安価な物は、約３６ｋＪ／ドル（１２０ｋＪ／ｋｇかつ１．５ドル／ｌｂ（３．３ドル／ｋｇ）に基づく）で販売されている。更に、密度がρＳＧ＝１２８０ｋｇｍ−３である場合、１ｍｍのシリカゲル層は、１．２８ｋｇｍ−２ｍの面積質量を有し、約４１６ｋＪｍ−２の潜熱を提供する。これに対し、ＰＣＭ（例えば、Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｇｙｐｓｕｍ  ＴｈｅｒｍａｌＣＯＲＥ）を用いた市販の石膏ボードは、２５０ｋＪｍ−２である。
［湿度バッファ機能］
厚さ１ｍｍのシリカゲルデシカントは、壁１平方メートルあたり最大約４５０ｇの水を保持する能力を有する。ただし、より現実的には、この値は、約１５０ｇｍ−２により近く、通常の条件下において壁と内部環境との間で交換される水の量を表す。中程度の大きさの家では、多機能材料システム１１４が約３０Ｌの水を吸着又は放出し得る。これにより、快適性が大幅に向上し、ＨＶＡＣシステムのエネルギー需要が削減され、更には電動加湿器又は電動除湿器の必要性がなくなる。
【００４３】
最後に、シリカゲルは危険物であると一般的に誤解されていることに注意が必要である。これは、包装（例えば靴の箱など）に含まれている、よく知られた白いシリカゲルの小袋に書かれた「食べないでください」という言葉に起因する。しかし、シリカゲル自体に毒性はない。その代わり、発癌性のある塩化コバルト（ＩＩ）がシリカゲルビーズに含まれていることがよくあるため、警告が表示されている。塩化コバルト（ＩＩ）は、含水量が上昇するにつれて青からピンクに色を変えることによって、水分インジケータとして機能する。建設材料に塩化コバルト（ＩＩ）を含める必要はないため、シリカゲルデシカントを使用しても、明らかな安全上の懸念を引き起こすことはない。
［機能制御］
多機能材料システム１１４の３つの機能の要件及び相対的な重要性は、多機能材料システム１１４が使用されている建物エンベロープの場所、及び、建物が位置する気候に依存し得る。一態様では、湿度を調節する多機能材料システム１１４の能力は、建物の外部よりも内部でより望ましいことがある。別の態様では、蒸気ダイオード機能は、乾燥した気候よりも湿気の多い気候でより好ましいことがある。多機能材料システム１１４の性能特性を制御するために、製造パラメータ又は材料パラメータを調整する方法が利用可能である。これにより、多機能材料システム１１４を組み込んだ異なる建築材料の性能を特定の用途に最適化することが可能になる。
【００４４】
多機能材料システム１１４が湿度変動を修正する時間スケールは、デシカント層１１４ｂを通って水が拡散して定常濃度に達するまでの時間スケールによって設定される。厚さＬの連続するデシカント層１１４ｂの場合、その時間スケールｔは下式によって求められる。
【００４５】
【数１】
2022500581.tif 000003
また、デシカント層１１４ｂは、マトリックス内で互いに近接して保持されている複数のデシカント粒子を含む複合材の形式であることも可能である。この構成では、マトリックス内の水の拡散率がデシカント粒子における水の拡散率よりも著しく高い場合、修正が観察できる最長の時間スケールは、下式としてスケーリングされる。
【００４６】
【数２】
2022500581.tif 000004
式中、ｒは、デシカント粒子の半径である。デシカント層１１４ｂが、サイズ分布を持つデシカント粒子で構成されている場合、デシカント層１１４ｂの時間応答により、緩和時間分布が明らかになる。マトリックス内の水の拡散率がデシカント粒子における水の拡散率よりも著しく低い場合、時間スケールははるかに長くなり、パーコレーションモデルによって記述され得る。
【００４７】
温度を調節する多機能材料システム１１４の能力、潜熱は、凝縮相と蒸気相との間で交換される水の量に比例する。平衡化に十分な時間を仮定すると、連続するデシカント層１１４ｂに保存する又はそこから放出することができる潜熱は、厚さに比例する。ただし、有限量の時間ｔのみを仮定すると、水の濃度が著しく変化するデシカント層１１４ｂの部分は、以下の有限厚さを有する。
【００４８】
【数３】
2022500581.tif 000005
概日サイクルは、エネルギー効率用途の関連する時間スケールを設定し、その結果、連続するデシカント層１１４ｂの最大有効厚さを設定する。
【００４９】
上述のように、デシカント層１１４ｂを複合材の形態で提供することによって、多機能材料システム１１４において利用可能な潜熱の有効量を増大させることができ、マトリックスは、高い水蒸気拡散率を有する。デシカント粒子は、約１２時間以内に含水量を平衡化できる程度に十分に小さくなければならない。水蒸気はマトリックスを通ってより迅速に拡散することができるので、このようなデシカント層１１４ｂから得られる潜熱含有量は、厚さと共に増加し、以下の値を越える。
【００５０】
【数４】
2022500581.tif 000006
最大有効厚さは、下式としてスケーリングされる。
【００５１】
【数５】
2022500581.tif 000007
式中、ＤＭは、マトリックスにおける水蒸気の有効拡散率である。相変化材料は、温度が内部の設定点の前後でスウィングする場所に建物エンベロープの外部に向かって組み込まれている場合、建物のＨＶＡＣシステムの加熱及び冷却の需要の削減に効果的である。
【００５２】
また、湿度を調節する多機能材料システム１１４の能力は、凝縮相と蒸気相との間で交換できる水の量に比例する。この能力を調整するために、上記と同じ方策を使用してもよい。
【００５３】
可変透過性層１１４ａの透過係数は、その厚さに反比例する。したがって、適切な厚さの可変透過性層１１４ａを製造することによって、ＲＨ依存透過係数曲線を所望の係数でスケーリングすることができる。透過係数全体の制御は、多機能材料システム１１４が水蒸気をポンピングするために湿度変動をどの程度効果的に利用できるかに影響を及ぼすので重要である。これはまた、壁アセンブリの潜在的な乾燥能力を高くし、したがって、少なくとも一方向における透過性を高くすることが可能でなければならないので重要である。例えば、寒冷気候では、壁アセンブリは、多くの場合、外側を乾燥させるように設計されており、下地材の外部に空気及び気象のバリアとして使用される建物の外装は、水蒸気に対して高い透過性を有する。建物の外装を多機能材料システム１１４に置き換えることで、多湿条件下において十分に高い透過係数を有するように可変透過性層１１４ａが作製される場合に、潜在的な乾燥能力を犠牲にすることなく、エンベロープの性能を向上させることができる。つまり、壁空洞１０４が乾燥している場合、比較的低い透過係数は問題にはならない。
【００５４】
多機能材料システム１１４の性能を制御するために、デシカント材料の微細構造と特性を工作することができる。一例として、細孔のサイズ分布及びデシカント材料の表面の親水性は吸着等温線の形状に影響を及ぼす。表面が比較的疎水性であるナノ多孔質材料は、空気の臨界湿度値を超えるまで、ほとんど又は全く水を吸着しない。この点において、液体状の水が細孔の最も狭い狭窄部の内側に凝縮することがエネルギー的に起こりやすい。この効果は、毛管現象によって制御されるので、より大きな細孔におけるより高い湿度値において発現する。別の例として、異なるデシカント材料は、吸着等温線の傾きの急峻度によって示されるＲＨの範囲において、優先的に水蒸気を吸着する（図３）。対象の特定の範囲においてＲＨを効果的にバッファするので、特定の材料を選択することができ、あるいは、複数のデシカント材料を組み合わせて、混合物が効率的にＲＨをバッファすることができる範囲を調整することができる。したがって、選択されたＲＨ値の範囲内で相対湿度を最も効果的にバッファする（例えば、吸着等温線の傾きが、選択されたＲＨ範囲内で最大になる）ように、材料又は微細構造（例えば、細孔径）を選択することができる。
［例示的な多機能材料のアーキテクチャ］
上述の多機能材料システム１１４のアーキテクチャの実施形態は、自立膜として実現できる。図５Ａは、デシカント層に接着された可変透過性層１１４ａを含む多機能材料システム５００を示す。図示のように、デシカント層１１４ｂは、実質的に均質であってもよい。
【００５５】
図５Ｂは、多機能材料システム５００の別の実施形態を多機能材料システム５５０の形態で示す。図示のように、多機能材料システム５５０は、可変透過性層１１４ａと、第１の構成要素及び第２の構成要素を含む複合デシカント層５５４の形態のデシカント層１１４ｂとを含む。一例として、第１の構成要素はマトリックス５５６であり得、第２の構成要素は、マトリックス５５６内に埋め込まれたデシカント材料５６０であり得る。デシカント材料の材料５６０のジオメトリは変動し得る。一態様では、デシカント材料５６０は、マトリックス５５６内に埋め込まれた複数のデシカント粒子の形態を取ることができる。ある特定の実施形態では、デシカント粒子は、サイズ（例えば直径）及び形状においてほぼ均一であり得る。他の実施形態では、デシカント粒子はサイズ分布（例えば、概通常分布、バイナリ分布など）を有することができる。一例として、デシカント粒子サイズは、約０．０５ｍｍ〜約５ｍｍの範囲であり得る。
【００５６】
複合デシカント層５５２のマトリックス５５６は、水蒸気に対する透過性が高い材料から形成され得る。一実施形態では、透過性が５ＵＳ  ｐｅｒｍｓを超える（例えば、１０ｐｅｒｍｓを超える）材料は、蒸気透過性材料と見なすことができる。マトリックス５５６の例としては、結合剤、発泡体（例えば、断熱材）、網地、繊維マット、フィラメント、織物、布地、乾式壁、下地材、被覆材、構造断熱パネル（ＳＩＰ）を挙げることができる。バインダ材料の例としては、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリテトラフルオロエチレン（例えば、コロイド状のポリテトラフルオロエチレン）、ポリウレタン（熱可塑性又は発泡）、シリコーン、天然ゴム、合成ゴム、ポリメチルペンテン（ＰＭＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、又はポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）を挙げることができる。また、他のポリマー及び樹脂も企図される。
【００５７】
マトリックス５５６内のデシカント材料５６０は、デシカント層１１４ｂの文脈で上述したデシカント材料のいずれかから形成され得る。デシカント材料の例としては、シリカゲル、ゼオライト、酸化カルシウム（ＣａＯ２）、硫酸カルシウム（ＣＡＳＯ４）、塩化リチウム（ＬｉＣｌ）、粘土、又は活性炭のうちの１つ以上を挙げることができる。また、２種類以上の異なるデシカント材料の組み合わせも企図される。
【００５８】
更なる実施形態では、１つ以上の蒸気透過性層（例えば、水蒸気に対する透過性が非常に高い層）を含むように、多機能材料システム１１４を改質することができる。ある特定の実施形態では、これらの蒸気透過性層は、機能を根本的に変更することなく、多機能材料システム１１４に機械的支持を提供することができる。他の態様では、蒸気透過性層を形成する蒸気透過性材料は、透過性が１０ＵＳ  ｐｅｒｍｓを超える材料であり得、蒸気不透過性材料は透過性が０．１ＵＳ  ｐｅｒｍｓ未満の材料であり得る。蒸気透過性層を形成する材料の例としては、布地、網地、繊維マット、多孔質材料、シリコーン、天然ゴム、合成ゴム、ポリスチレン（例えば、耐衝撃性ポリスチレン（ＨＩＰＳ））、ポリメチルペンテン（ＰＭＰ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリウレタン（ＰＵ）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）を挙げることができる。
【００５９】
図６は、多機能材料システム１１４の別の実施形態を多機能材料システム６００の形態で示す。多機能材料システム６００は、多機能材料システム５００に類似しており、支持のために蒸気透過性層６０２が追加されている。図６に示すように、蒸気透過性層６０２は、デシカント層１１４ｂの両側に配置されており、可変透過性層１１４ａは、内部環境１０６に最も近い蒸気透過性層６０２のうちの一方の側に配置されている。ただし、代替実施形態では、デシカント層の両側で、１つ以上の蒸気透過性層を採用してもよい。更なる実施形態では、蒸気透過性層の位置と可変透過性層の位置とを入れ替えてもよい。つまり、可変透過性層、デシカント層、又はその両方に接触するように蒸気透過性層（単数又は複数）を配置することができる。他の実施形態では、蒸気透過性層は、撥水性などの機能を提供するように構成することができる。更に、本明細書に開示されている多機能材料システムの任意の実施形態は、図示されていないが、必要に応じて蒸気透過性層のうちの１つ以上を含み得ることが理解できる。
【００６０】
蒸気透過性層６０２の実施形態は、様々な構成を採用することができる。一態様では、蒸気透過性層６０２の機械的特性は、特定の範囲内で調整できる。機械的特性の例としては、剛性（例えば、所定の値よりも大きい弾性係数を有する）、可撓性（例えば、所定の値よりも低い弾性係数又は所定の値よりも小さい降伏応力を有する）、衝撃抵抗（例えば、所定の値よりも大きい硬度を有する）、音響吸収（例えば、所定の値よりも大きい音響減衰）、引裂き抵抗（例えば、所定の値よりも大きい破壊靭性を有する）、強度（例えば、所定の値よりも大きい引張強度を有する）、又は耐剥離性（例えば、所定の値よりも大きい剥離強度を有する）を挙げることができる。
【００６１】
更なる実施形態では、デシカント層１１４ｂは、２つ以上の層を含むことができる。図７ａは、多機能材料システム１１４の別の実施形態を多機能材料システム７００の形態で示す。図示のように、デシカント層１１４ｂは、第１のデシカント層７０２及び第２のデシカント層７０４を含む。第１のデシカント層７０２及び第２のデシカント層７０４は、上述のように、マトリックスと、その中に埋め込まれたデシカント材料（例えば、デシカント材料５６０）とを含む複合材であり得る。ある特定の実施形態では、マトリックスは、埋め込まれたデシカント材料を保持するためのバインダとして機能することができる。一例として、第１のデシカント層７０２は、可変透過性層１１４ａに関して上述したような材料から形成されたマトリックスを含むことができる。第２のデシカント層は、蒸気透過性層６０２に関して上述したものと同じ素材から形成されたマトリックスを含むことができる。したがって、第１のデシカント層７０２のマトリックスは、上述のように、可変透過性層１１４ａの機能を実行できる。
【００６２】
代替実施形態では、多機能材料システム１１４の単一の層によって、デシカント層１１４ｂ及び可変透過性層１１４ａの機能を提供することができる。図７ｂは、多機能材料システム１１４を多機能材料システム７５０の形態で示しており、可変透過性層１１４ａに関して上述したような材料から形成されたマトリックスと、その中に埋め込まれたデシカント材料５６０と、を含む複合デシカント層７５２を含んでいる。デシカント材料５６０の濃度（例えば、体積分率）は、厚さ全体で変動し得る。一例として、多機能材料システム７５０の第１の部分７５４におけるデシカント材料５６０の濃度は、比較的低い値であり得、多機能材料システム７５０の第２の部分７５６におけるデシカント材料５０６の濃度は、比較的低い値であり得る。ある特定の実施形態では、高濃度部分７５６内のデシカント材料５６０の濃度は、低濃度部分７５４内のデシカント材料５６０の濃度の約３倍であり得る。このように構成されると、多機能材料システム７５０の低濃度部分７５４は、可変透過性層１１４ａとして効果的に機能することができ、多機能材料システム７５０の高濃度部分７５６は、デシカント層１１４ｂとして効果的に機能することができる。低濃度部分７５４の厚さは、約０．００１ｍｍ〜約０．１ｍｍの範囲内とすることができ、高濃度部分７５６の厚さは、約０．０５ｍｍ〜約２０ｍｍの範囲内とすることができる。図７に更に示すように、多機能材料システムは、任意選択的に、複合デシカント層７５２の片側又は両側に接着された蒸気透過性層６０２を含むことができる。
【００６３】
ある特定の実施形態では、多機能材料システム１１４を、蒸気バリア又は建物の外装など、別個の膜の形態で、建物に組み込むことができる。他の実施形態では、建物エンベロープの複雑性を増大させることなく、建物エンベロープに多機能性を追加することが望ましいことがある。したがって、多機能材料システムは、被覆材、下地材、屋根材、断熱材、内部パネルなど、建物エンベロープの１つ以上の要素と統合することもできる。
【００６４】
一例として、多機能材料システム１１４を採用して、機能化建築材料を形成することができる。図８に示すように、多機能材料アセンブリ８００は、本明細書で論じる多機能材料システム１１４の任意の実施形態を基材８０２に固定することによって形成される。
【００６５】
ある特定の実施形態では、蒸気透過性接着剤８０４によって多機能材料システム１１４を基材８０２に固定することができる。蒸気透過性接着剤８０４の透過性は、５〜１００ｐｅｒｍｓの範囲から選択できる。蒸気透過性接着剤の例としては、ポリビニルアルコール及びゴム糊が挙げられる。基材の例としては、蒸気透過性であり、配向性ストランドボード（ＯＳＢ）、断熱材（例えば、硬質フォーム断熱材）、石膏ボード、セメント板、化粧しっくい、乾式壁、下地材、屋根材、被覆材、又は建築膜、あるいは別の建築材料を挙げることができる。このように構成されると、基材８０２及び接着剤８０４が水蒸気に対して透過性である場合、多機能材料システム１１４の３つの全ての機能が動作することができる。
【００６６】
基材又は接着剤のうちの少なくとも１つが水蒸気に対して比較的不透過性であり、蒸気バリア（例えば、０．０１ｐｅｒｍｓ未満の透過性を有する）として機能する構成では、多機能材料システムは、蒸気ダイオードとして機能しなくなることがある。ただし、温度及び湿度の調節機能が保持され得る。
【００６７】
代替実施形態では、接着剤を省略することができ、他の機構を採用して、多機能材料システムに基材を固定することができる。一態様では、釘、ねじ、又は他の固定機構が採用され得る。別の態様では、基材と多機能材料システム（例えば、可変透過性層）との間に境界が存在し得る。境界内において、可変透過性層が基材内で拡張し、そこに機械的に係止する、基材が可変透過性層内で拡張し、そこに機械的に係止する、あるいは、それらが組み合わせて起こり得る。
【００６８】
更なる代替実施形態では、接着剤８０４と可変透過性層１１４ａの機能を単一の層へと組み合わせることができる。図９は、多機能材料アセンブリ８００の実施形態を、基材８０２とデシカント層１１４ｂと可変透過性接着剤層９０２とを含む多機能材料アセンブリ９００の形態で示す。可変透過性接着剤層９０２は、基材８０２とデシカント層１１４ｂとの間に介挿されており、デシカント層１１４ｂを基材８０２に取り付けるように構成されている。可変透過性接着剤は、上述のように、可変透過性層の機能を提供するように更に構成されている。可変透過性接着剤の例としては、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）及びゴム糊を挙げることができる。複数の機能（接着性及び可変透過性）を可変透過性接着剤層９０２へと組み合わせることによって、多機能材料アセンブリ９００内の多機能材料システム１１４の３つの全ての機能を達成するために必要な層の数を削減することができる。この単純化により、多機能材料アセンブリ９００の製造コストを削減することができる。
【００６９】
多機能材料アセンブリ８００の更なる実施形態では、可変透過性層１１４ａ及びデシカント層１１４ｂは、１つ以上の介在層によって互いに離隔していてもよい。図１０は、多機能材料アセンブリ８００の別の実施形態を多機能材料アセンブリ１０００の形態で示す。図示のように、基材８０２は、可変透過性層１１４ａとデシカント層１１４ｂとの間に介挿されている。したがって、可変透過性層１１４ａ及びデシカント層１１４ｂは、基材８０２の対向している側に位置している。このように構成されると、基材８０２が水蒸気に対して透過性である場合、多機能材料システム１１４の機能を維持することができる。任意選択的に、１つ以上の蒸気透過性層６０２は、可変透過性層１１４ａとデシカント層１１４ｂとの間に介挿され得る。
【００７０】
図１１は、多機能材料アセンブリ８００を、デシカント材料５６０が基材８０２の材料から形成されたマトリックスに埋め込まれている複合デシカント層１１０２を含む多機能材料アセンブリ１１００の形態で示す。複合デシカント層１１２０の片側に、可変透過性層１１４ａが更に取り付けられている。前述のように、基材は、配向性ストランドボード（ＯＳＢ）、断熱材（例えば、硬質フォーム断熱材）、石膏ボード、セメント板、化粧しっくい、乾式壁、下地材、屋根材、被覆材、又は建築膜を含む材料から形成することができる。デシカント材料５６０の機能を基材８０２の追加機能と組み合わせることによって、多機能材料システム１１４の３つの全ての機能と基材８０２の機能を達成するために必要な層の数を削減することができる。この単純化により、多機能材料アセンブリ１１００の製造コストを削減することができる。
【００７１】
多機能材料システム１１４の実施形態は、更なるアーキテクチャを採用することができる。図１２は、多機能材料システム１１４の別の実施形態をポケット付き多機能材料システム１２００の形態で示す。ポケット付き多機能材料システム１２００は、１つ以上のポケット１２０４を画定するポケット付きフレーム１２０２を含む。デシカント材料５６０（例えば、デシカント粒子）は、ポケット１２０４の容積の少なくとも一部分を占めることができる。図１２に示すように、ポケット付きフレーム１２０２は、一端に開口部１２０６を含む１つ以上のポケット１２０４を画定する。可変透過性層１１４ａは、ポケット（単数又は複数）１２０４の開口部（単数又は複数）１２０６全体に延びるように配置され得る。
【００７２】
ある特定の実施形態では、ポケット１２０４は、デシカント材料５６０のみが収容されている。つまり、バインダ又は接着剤は存在しない。したがって、ポケット１２０４の壁（例えば、ポケット付きフレーム１２０２及び可変透過性層１１４ａ）は単に、デシカント材料５６０をポケット１２０４内に保持する役割を果たす。
【００７３】
ポケット付きフレーム１２０２は、水蒸気に対して透過性である材料から形成され得る。一例として、ポケット付きフレーム１２０２は、蒸気透過性層６０２に関して上述したものと同じ材料（例えば、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、天然ゴム、合成ゴム、ポリメチルペンテン（ＰＭＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭ）、又は木材のうちの１つ以上）から形成され得る。代替実施形態では、ポケット付き構造体の透過性は、複数の細孔を含む材料を用いてポケット付き構造体を形成することによって達成され得る。一例として、ポケット付き構造体は、開口部がデシカント粒子の直径よりも小さい網地から形成され得る。ポケット付き構造体を形成することができる材料の更なる例としては、布地、繊維マット、連続気泡フォーム、又は有孔プラスチックのうちの１つ以上が挙げられる。
【００７４】
図１３は、多機能材料アセンブリ１３００を形成するために基材８０２に固定された図１２の多機能材料システム１２００を示す。図示のように、可変透過性接着剤層９０２は、基材８０２とポケット付きフレーム１２０２との間に介挿されている。ただし、代替実施形態では、他の固定機構が採用され得る。任意選択的に、ポケット付き構造体を支持するために（例えば、基材に対向した）１つ以上の蒸気透過性層を提供することができる。
【００７５】
建物は、典型的には、空調される空間と空調されない空間とを離隔する建物エンベロープを含む。建物エンベロープは、空気、水、熱、光、及び／又は騒音の伝導抵抗を提供することができる。建物エンベロープは、所望の伝導抵抗を提供するために、ほぼ連続していることが望ましいことがある。つまり、建物エンベロープ中に存在する間隙は、所望の伝導抵抗に対してあまり影響を及ぼさない。
【００７６】
上述のように、本明細書で論じた多機能材料アセンブリ８００の実施形態を建物エンベロープとして採用することができる。基材８０２が比較的可撓性の材料である状況下では、多機能材料アセンブリ８００を建物のフレームに巻き付けることができる。このような可撓性の多機能アセンブリが、実質的に重なるように巻き付けられている場合、間隙を避けることができる。
【００７７】
基材８０２が比較的剛性の材料である状況下では、多機能材料アセンブリ８００の実施形態をパネルとして形成することができる。建物エンベロープを提供するために、パネルを建物のフレームに固定することができる。ただし、多機能材料アセンブリ８００の隣接するパネル間に間隙や継ぎ目が存在し得ることを理解することができる。これらの間隙は、対処しない場合、水蒸気が多機能材料システム１１４をバイパスできるようにすることがある。
【００７８】
多機能材料アセンブリ８００のパネル間の間隙の潜在的な問題に対処するために、建物エンベロープとして採用することができる。図１４は、複数の多機能材料アセンブリ８００を含む建物エンベロープ１４００の一部分を多機能材料パネル１４０２の形態で示す。図示のように、多機能材料パネル１４０２は、コア１４０４と、コア１４０４の３辺の周りに延び、かつ、リップ１４０６を形成するように４つ目の辺の一部分に沿って延びている可変透過性層１１４ａとを含む。コア１４０４の可変透過性層１１４ａによって完全には覆われていない側は、空調される環境（例えば、外部環境１１０）に面し得るが、可変透過性層１１４ａによって覆われているコア１４０４の反対側は、空調される環境（例えば、内部環境１０６）に面し得る。コア１４０４は、基材８０２及びデシカント層１１４ｂを含むことができる。一実施形態では、基材８０２とデシカント層１１４ｂとは、別個の層であり得る。別の実施形態では、コアは、デシカント材料５６０が基材８０２のマトリックス内に埋め込まれている複合デシカント層１１０２の形態とすることができる。
【００７９】
封止材料を適用することによって、隣接する多機能材料パネル１４０２間の間隙１４１２に沿って実質的に蒸気密な封止１４１０を形成することができる。封止材料は、水蒸気の伝導を実質的に阻害する任意の材料であり得る。
【００８０】
サイズに合わせて切断された機能材料パネル１４０２の場合、可変透過性層１１４ａと共に切断縁部に沿って新しいリップを提供することができる。更に、損傷した多機能材料パネル１４０２は、その端部と間隙１４１２の端部とを封止した後に、多機能材料パネル１４０２の他の部品とつなぎ合わせることができる。
【００８１】
封止材料は、様々な構成を採用することができる。一態様では、封止材料は、水蒸気に対して実質的に不透過性である接着蒸気バリアテープであり得る。リップは、可変透過性層１１４ａに対して接着蒸気バリアテープが封止することを保証するために存在する。接着蒸気バリアテープの代わりに、あるいはそれに加えて、封止１４１０を形成するために蒸気不透過性の液体シーラントを採用することができる。このような実施形態では、リップを省略することができる。
【００８２】
建築材料として使用するための多機能材料アセンブリの製造方法が更に提供される。１回の操作で、基材８０２が提供される。上述のように、基材の実施形態としては、蒸気透過性であり、配向性ストランドボード（ＯＳＢ）、断熱材（例えば、硬質フォーム断熱材）、石膏ボード、セメント板、化粧しっくい、乾式壁、下地材、屋根材、被覆材、又は建築膜、あるいは別の建築材料を挙げることができる。
【００８３】
多機能材料システムの層を基材上に（例えば、拡散又はスプレーコーティングによって）堆積させて、あるいは基材内に組み込んで、多機能材料アセンブリを形成することができる。多機能材料システムが複数の層を含む実施形態では、層を順次堆積させることができる。ある特定の実施形態では、多機能材料アセンブリを遠隔で準備し、建物フレームに固定することができる。他の実施形態では、基材を建物フレームに装着することができ、その後、多機能材料システムを基材上に順次堆積させることができる。
【００８４】
水性溶液から、蒸気透過性層及び可変透過性層の実施形態を堆積させることができる。層の堆積された水性溶液が乾燥すると、下地層（例えば、基材、可変透過性層又は蒸気透過性層のうちの他方、デシカント層など）に接着することができ、蒸気透過性層又は可変透過性層の実質的に連続したフィルムが提供される。
【００８５】
デシカント層の実施形態は、様々な方法で行うことができる。一態様では、バインダ及びデシカント粒子を含有するスラリーからデシカント層を堆積させることができる。デシカント粒子は、シリカゲル、ゼオライト、酸化カルシウム（ＣａＯ２）、硫酸カルシウム（ＣＡＳＯ４）、塩化リチウム（ＬｉＣｌ）、粘土、又は活性炭のうちの１つ以上であり得る。バインダの例としては、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリテトラフルオロエチレン（例えば、コロイド状のポリテトラフルオロエチレン）、ポリウレタン（熱可塑性又は発泡）、シリコーン、天然ゴム、合成ゴム、ポリメチルペンテン（ＰＭＰ）、ポリスチレン、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、又はポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）を挙げることができる。また、他のポリマー及び樹脂も企図される。
【００８６】
マトリックスが発泡体（例えば、ポリウレタンフォーム）である複合デシカント層の実施形態では、気体を放出する２つ以上の成分の反応から発泡体が形成され得る。発泡体マトリックスは、加熱して乾燥させても、あるいは、２つ以上の成分の反応によって自己発熱してもよい。堆積した複合デシカント層は、乾燥すると、基板に接着することができ、複合デシカント層の実質的に連続したフィルムが提供される。
【００８７】
複合デシカント層の代替実施形態は、連続して押し出すことができる。一態様では、熱可塑性ポリマーとデシカント粒子との混合物からデシカント層を押出成形することができる。デシカント粒子は、シリカゲル、ゼオライト、酸化カルシウム（ＣａＯ２）、硫酸カルシウム（ＣＡＳＯ４）、塩化リチウム（ＬｉＣｌ）、粘土、又は活性炭のうちの１つ以上であり得る。熱可塑性樹脂の例としては、天然ゴム、合成ゴム、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリスチレン（例えば、耐衝撃性ポリスチレン［ＨＩＰＳ］）、ポリメチルペンテン（ＰＭＰ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリウレタン（ＰＵ）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、又はポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を挙げることができる。
【００８８】
本明細書で説明する方法、システム、及びデバイスの例示的な技術的効果は、非限定的な例として、水蒸気ポンピング効果に起因して壁空洞の内側の平均湿度が低下すること、及びカビ、腐敗、白カビ、及びイエダニのうちの１つ以上のリスクが結果として低下することを含む。更なる例示的な技術的効果として、エンクロージャの内側の相対湿度が安定すること、並びに、それに関連して快適性及び空気品質が向上することが挙げられる。追加の例示的な技術的効果として、内部温度が安定すること、及び多機能膜がエンクロージャの内部に位置する場合に、加熱及び冷却のエネルギー強度を低下させることが挙げられる。他の技術的効果としては、多機能材料システムが外部に位置する場合に、夜間に環境から集めた水を使用して、日中に外面を蒸発させて冷やすことができるように、加熱及び冷却のエネルギー強度を更に低下させることが挙げられる。更なる技術的効果として、壁空洞の内側の内の湿度スウィングを弱める結果として、壁の内側の水凝縮のリスクを低減することが含まれる。
【００８９】
本明細書で論じるシステム、デバイス、及び方法の構造、機能、製造、及び使用の原理の全体的な理解を提供するために、ある特定の例示的実施形態について説明してきた。これらの実施形態のうちの１つ以上が、添付の図面に示されている。当業者には、本明細書で具体的に説明され、添付の図面に示されているシステム、デバイス、及び方法は、非限定的な例示的実施形態であり、本発明の範囲は特許請求の範囲によってのみ定義されることが理解されよう。１つの例示的実施形態に関連して図示し、説明した特徴を、他の実施形態の特徴と組み合わせることができる。このような修正形態及び変形形態は、本発明の範囲に含まれることが意図される。更に、本開示では、実施形態の類似する名前の構成要素は、一般に、類似の特徴を有し、したがって、特定の実施形態において、類似する名前の各構成要素の各特徴は、必ずしも完全に詳述されているわけではない。
【００９０】
本明細書及び特許請求の範囲を通じて本願に使用される近似の文言は、関連する基本的な機能の変化を生じさせることなく許容範囲内で変動し得る任意の定量的表現を修正するために適用され得る。したがって、用語「約（Ａｂｏｕｔ）」、「約（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」、及び「実質的に（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」によって修飾される値は、指定された精密な値に限定されるものではない。少なくともいくつかの事例では、近似の文言は、値を測定するための機器の精度に対応し得る。明細書及び特許請求の範囲を通じて、範囲の限定を組み合わせること及び／又は相互に変更することができ、このような範囲は特定され、文脈又は文言が特に指定しない限り、そこに含まれる全てのサブ範囲を含む。
【００９１】
当業者には、上述の実施形態に基づく本発明の更なる特徴及び利点を理解するであろう。したがって、本願は、追加される請求項が特定する場合を除き、特に図示及び記載されたものに限定されるものではない。本明細書で引用した全ての公報及び引例は、参照により明示的に組み込まれる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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