ライトチューブ

ライトチューブ（ソーラーパイプ、チューブ状天窓、サントンネル^[1]とも呼ばれる）は、照明の目的で自然光または人工光を伝送または分配する構造であり、光導波路の例です。

採光への応用では、管状採光装置、サンパイプ、サンスコープ、または採光パイプとも呼ばれる。これらは、反射面で光を閉じ込める中空構造と、全反射で光を閉じ込める透明固体の2つの大まかなカテゴリに分けられる。非結像光学系の原理が、それらを通過する光の流れを左右する。^[2]

カスタム設計の赤外線ライトパイプ、中空導波管、ホモジナイザーの製造は簡単ではありません。これは、これらのチューブが高度に研磨された金の赤外線反射コーティングで覆われているためです。このコーティングは、これらのチューブを腐食性の高い雰囲気で使用できるほど十分に厚く塗布できます。カーボンブラックをライトパイプの特定の部分に塗布して、赤外線を吸収することができます (フォトニクスを参照)。これは、赤外線をパイプの特定の領域のみに制限するために行われます。

ほとんどのライトパイプは円形の断面で製造されていますが、ライトパイプはこの形状に限定されません。正方形や六角形の断面は、特殊な用途で使用されます。六角形のパイプは、最も均質化されたタイプの IR 光を生成する傾向があります。パイプは真っ直ぐである必要はありません。パイプの曲がりは効率にほとんど影響しません。

最初の商業用反射鏡システムは、1850年代にロンドンのポール・エミール・シャップイスによって特許が取得され、販売されました。このシステムは、さまざまな角度のミラー設計を採用していました。シャップイス社の反射鏡は、1943年に工場が破壊されるまで継続的に生産されていました。 ^{[3]このコンセプトは、1986年にオーストラリアの}ソラチューブインターナショナルによって再発見され、特許を取得しました。 ^[4]このシステムは、住宅や商業用に広く販売されています。その他の採光製品は、「サンスコープ」、「ソーラーパイプ」、「ライトパイプ」、「ライトチューブ」、「チューブ状スカイライト」など、さまざまな一般名で販売されています。

反射率の高い素材で覆われたチューブは、建物の屋根または外壁の 1 つにある入口から始まり、建物内に光線を導きます。ライト チューブは (たとえば潜望鏡とは異なり) 画像を撮影するためのものではありません。そのため、画像の歪みは問題にならず、多くの点で「指向性」光が減少するため、画像の歪みが促進されます。

入口は通常、ドーム(キューポラ) で構成され、できるだけ多くの太陽光を集めてチューブ内に反射する機能があります。多くのユニットには、チューブの下の追加の方向性光を集めるのに役立つ方向性のある「コレクター」や「リフレクター」、さらにはフレネル レンズデバイスもあります。

1994年、ローレンス・バークレー国立研究所（LBNL）の窓と採光グループは、年間を通じて変化する太陽と空の状況下で、4.6～9.1メートルの距離での日光照度を高め、部屋全体の日光分布と輝度勾配の均一性を向上させるために、水平ライトパイプのプロトタイプシリーズを開発しました。ライトパイプは、従来のサイドライト窓や天窓よりも深いところまで太陽光を反射することで、比較的小さな入口ガラスエリアを通して日光を受動的に運ぶように設計されています。^{[5] [6]}

ブリスベンのクイーンズランド工科大学では、レーザーカットされた アクリルパネルを水平または垂直に配置された鏡面パイプに太陽光を向け直すように配置し、レーザーカットされたパネルを三角形に配置して光を室内に拡散させる光拡散システムを組み合わせた装置が開発された。 [ ^7] 2003年、ベロニカ・ガルシア・ハンセン、ケン・イェン、イアン・エドモンズはこの開発によりファー・イースト・エコノミック・レビュー・イノベーション賞の銅賞を受賞した。^{[8] [9]}

光透過効率は、チューブが短く真っ直ぐな場合に最も高くなります。チューブが長く、角度がついていたり、柔軟性があったりすると、光の強度の一部が失われます。損失を最小限に抑えるには、チューブのライニングの反射率が高いことが重要です。メーカーは、可視光域での素材の反射率が最大でほぼ 99.5% であると主張しています。^{[10] [11]}

エンドポイント（使用ポイント）では、ディフューザーが光を室内に拡散します。

最初の本格的なパッシブ水平ライトパイプは、テキサスA&M大学のデイライトラボで構築されました。ここでは、幅6メートル、奥行き10メートルの360度回転する部屋で年間の日光パフォーマンスが徹底的に評価されました。パイプは99.3％の鏡面反射フィルムでコーティングされており、ライトパイプの端にある分配要素は、可視光線透過率87％の4.6メートルの長さの拡散放射状フィルムで構成されています。ライトパイプは、年間を通じて7.6メートルから10メートルの距離で300〜2,500ルクスの照度レベルを一貫して提供します。^[12]

太陽光の利用をさらに最適化するために、太陽の動きを追跡するヘリオスタットを設置し、周囲の環境が許す限り、一日中いつでも太陽光をライトチューブに導くことができます。これには、光の経路に影響を与える追加の鏡やその他の反射要素が必要になる場合があります。ヘリオスタットは、夜間に 月光を捉えるように設定できます。

光ファイバーは日光採光にも使用できます。プラスチック光ファイバーをベースにした太陽光照明システムは、2004年にオークリッジ国立研究所で開発されていました。 ^{[13] [14]}このシステムは、2005年に米国テネシー州のアメリカ科学エネルギー博物館に設置され、^[15]同年、サンライトダイレクト社によって市場に投入されました。^{[16] [17]}しかし、このシステムは2009年に市場から撤退しました。

光ファイバーの直径は通常小さいため、効率的な採光設備には、太陽を追跡してその光を集中させる放物面集光器が必要です。光輸送を目的とした光ファイバーは、コア内でできるだけ多くの光を伝播させる必要があります。対照的に、光分配を目的とした光ファイバーは、光の一部がクラッドを通して漏れるように設計されています。^[18]

光ファイバーは、Parans Solar Lighting ABが販売するBjorkシステムにも使用されています。^{[19] [20]}このシステムの光ファイバーはPMMA（ポリメチルメタクリレート）で作られており、ハロゲンフリーの熱可塑性樹脂であるMegolonで覆われています。しかし、このようなシステムは非常に高価です。^[21]

パランシステム^[22]は、集光器、光ファイバーケーブル、屋内に光を広げる照明器具の3つの部分で構成されています。1つまたは複数の集光器が、建物の上または近くの直射日光が十分に当たる場所に設置されます。集光器は、保護用のカバーガラスが付いたアルミニウムプロファイルに取り付けられたレンズで構成されています。これらのレンズは、太陽光を光ファイバーケーブルに集中させます。

コレクターはモジュール式で、必要に応じて 4、6、8、12、または 20 本のケーブルが付属しています。ケーブルの長さはそれぞれ異なります。光ファイバー ケーブルは、高い光質と光強度を維持しながら、建物内外に自然光を100 メートル (30 階) 伝送します。導入例としては、カストラップ空港、アリゾナ大学、ストックホルム大学などがあります。

ガラス製の光ファイバーを使用した同様のシステムは、以前日本で研究されていました。^[23]

コーニング社は、Fibrance光拡散ファイバーを製造しています。Fibranceは、光拡散光ファイバーケーブルを通してレーザーを照射することで機能します。ケーブルは光を発します。^[24]

光ファイバーは、イメージング用途の ファイバースコープで使用されます。

プリズムライトガイドは、1981年にブリティッシュコロンビア大学の物理学教授であるローン・ホワイトヘッドによって開発され、^{[25] [26]}太陽光照明において光の輸送と分配の両方に使用されてきました。^{[27] [28]}同じ原理に基づく大型のソーラーパイプが、2001年にワシントンDCの法律事務所の14階建てのビルの狭い中庭に設置されました。^{[29] [30] [31] [32] [33]}また、ロンドンでも同様の提案がなされています。^[34]ベルリンにも別のシステムが設置されています。^[35]

3M社は光学照明フィルム^[36]をベースにしたシステムを開発し、3Mライトパイプ^[37]を開発しました。これは、微細プリズムを組み込んだ薄いフィルムを使用して、長さ全体にわたって光を均一に分散するように設計された光ガイドであり、^[26]硫黄ランプなどの人工光源と組み合わせて販売されています。

中実のコアを持つ光ファイバーとは対照的に、プリズム光ガイドは光を空気中に導くため、中空光ガイドと呼ばれます。

ARTHELIOプロジェクト^{[38] [39]は、}欧州委員会によって部分的に資金提供され、1998年から2000年にかけて行われた太陽光と人工光の適応混合システムの調査であり、硫黄ランプ、ヘリオスタット、光の輸送と分配のための中空光ガイドが含まれています。

ディズニーは、3Dプリントを使用して、光るおもちゃの内部ライトガイドを印刷する実験を行った。 ^[40]

フルオロソーラーとシドニー工科大学が開発したシステムでは、フラットパネルの2つの蛍光ポリマー層が短波太陽光、特に紫外線を捉えてそれぞれ赤色光と緑色光を生成し、建物の内部に導きます。そこで赤色光と緑色光は人工の青色光と混合され、赤外線や紫外線のない白色光になります。ヘリオスタットや放物面集光器などの可動部品を必要とせずに光を集めるこのシステムは、建物内のあらゆる場所に光を伝達することを目的としています。  ^{[41] [42] [43]}このシステムは紫外線を捉えるため、明るくても曇りの日に特に効果的です。これは、雲による紫外線の減少が太陽光の可視成分の減少よりも少ないためです。

ソーラーライトパイプは、従来の天窓やその他の窓に比べて、断熱性が優れており、室内での使用に柔軟性がありますが、外部環境との視覚的な接触は少なくなります。

季節性情動障害の観点から、電球型蛍光灯を追加設置することで、毎日の自然光への露出量を増やすことは検討する価値があるかもしれません。これにより、過剰な照明効果を避けながら、居住者や従業員の健康に貢献できる可能性があります。

人工照明と比較すると、ライトチューブは自然光を提供し、エネルギーを節約できるという利点があります。透過光は一日を通して変化しますが、これが望ましくない場合は、ライトチューブと人工照明を組み合わせたハイブリッドセットアップが可能です。^{[27] [44] [45] [46]}

太陽光に似たスペクトル、少なくとも人間の可視スペクトル範囲で^{[47] [48] [49]}かつちらつきが少ない人工光源が販売されている。^[49]それらのスペクトルは、一日を通して自然光の変化を模倣するように動的に変化させることができる。そのような光源の製造業者や販売業者は、自社製品が自然光と同じか類似の健康効果をもたらすことができると主張している。^{[49] [50] [51]}太陽光パイプの代替品として考えた場合、そのような製品は設置コストが低いかもしれないが、使用中にエネルギーを消費するため、全体的なエネルギー資源とコストの点でより無駄が多い可能性がある。

より実用的な点では、ライトチューブは電気設備や断熱材を必要としないため、浴室やプールなどの屋内の湿気の多いエリアに特に役立ちます。より芸術的な観点から見ると、最近の開発、特に透明なライトチューブに関連する開発は、建築照明デザインに新しい興味深い可能性をもたらします。^{[引用が必要]}

サンパイプは比較的小型で光出力が高いため、刑務所、警察の留置所、その他アクセス制限が必要な場所など、セキュリティ重視の状況に最適です。直径が狭く、内部のセキュリティ グリルの影響をあまり受けないため、電気接続や脱出口を提供せずに、また物体がセキュリティ エリアに侵入するのを防ぎながら、エリアに日光を当てることができます。

成形プラスチック製ライトチューブは、電子業界では、回路基板上のLEDからの光をインジケーター シンボルやボタンに向けるためによく使用されています。これらのライトチューブは通常、光ファイバーのように緩やかなカーブを描いたり、鋭い角柱状の折り曲げ部が角度のついた角で反射するなど、非常に複雑な形状をしています。複数のライトチューブが 1 つのプラスチックから成形されることが多く、細長いライトチューブがすべて 1 つの剛性部品の一部で、所定の位置にカチッとはまるため、デバイスの組み立てが簡単になります。

ライト チューブ インジケータを使用すると、電子機器の製造コストが削減されます。従来の方法では、照明する場所のすぐ後ろにある小さなソケットに小さなランプを取り付けていましたが、この方法では、取り付けと配線に多大な手作業が必要になることがよくあります。ライト チューブを使用すると、すべてのライトを 1 つの平らな回路基板に取り付けることができますが、照明は必要に応じて基板から上方に向けることができます。

ウィキメディア・コモンズには、管状採光装置に関連するメディアがあります。

• コーニング フィブランス 光拡散ファイバー
• 「ポツダム広場」の電球はスイスのヘリオバス社製 [1]
• スマートハウス研究のためのスマート照明 (PowerPoint プレゼンテーション)
• 太陽光照明と光パイプを使用した建物の照明、フロリダ太陽エネルギーセンター（セントラルフロリダ大学）
• 管状ライトガイドシステムを使用した採光（論文）
• （ドイツ語）光誘導の概要 – PDF、HTML
• 「英国における曇天および晴天時の光パイプの性能に関する研究」
• Wayback アーカイブ; 「チューブ内の太陽光」、ワールド サイエンス、2005 年
• 英国からの一連の技術参考情報ページ。設置および取り付けに関する情報を参照しています。
• 「プリズムフィルムを使用した光分布の制御」、KG Kneipp、国際照明制御環境ワークショップ、TWTibbitts (編集者)、1994、NASA-CP-95-3309 (光のパイピングに関する概要付き)
• (ドイツ語) Alexander Rosemann: Hohllichtleiter für Tageslichtnutzung。 Pflaum Verlag、ミュンヘン、2002 年。ISBN 3-7905-0862-4 
• ジェンキンス、デイビッド、ムニール、タリク、クビー、ホルヘ (2005)、「光パイプの性能を予測するための設計ツール」、エネルギーと建物、37 (5): 485、Bibcode :2005EneBu..37..485J、doi :10.1016/j.enbuild.2004.09.014
• 英国に拠点を置くMonodraught SunPipe（およびwww.sunpipe.info）は、広範な技術情報と参考情報を提供しています。
• 英国に拠点を置く <http://www.glidevale.com/downloads/Sunscoop%20Tubular%20Rooflights.pdf Archived 2009-08-16 at the Wayback Machine > および www.glidevail.com には、広範な技術情報と参考情報が掲載されています。
• 水を光の管として使う

• 「デプススクレイパー」という日本のアプローチ Archived 2012-04-11 at the Wayback Machine  : 太陽光を中庭の奥深くまで投射するように設計された回転鏡。
• ドイツ、ミュンヘンのカール・シャルナグル・リング通りにあるヘリオスタットを備えた中庭のファサード – PDF、HTML
• 米国ニューヨーク市のヘリオスタット
• 3Mソーラーオプティカルプロダクツデイライトパネルの説明など
• CPC クラス F21S11/00 (「日光を使用する照明装置またはシステム」) 内の特許公開の一覧。その一部はライトチューブに関連しています。例:
  • 米国特許 4761716
  • 米国特許6502950
  • 米国特許6840645