JP2009230059A - 集光体および集光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来発明の集光体にさらなる改良を加え、その集合体である集光装置の集光効率をより一層高める。
【解決手段】中空光ファイバをテーパ状に引き延ばしてコーン状に形成する。
中空光ファイバは、空気をコアａとして用い、透明な石英・パイレックス(商品名)などのガラスやポリカーボネート・テフロン(商品名)などの樹脂をクラッドｂの構成素材とし、周側面から採光できるものである。
中空光ファイバには、蛍光体を添加することにより、周側面から採光する光エネルギの採光効率を高める。
【選択図】図８

Description

本発明は、追尾設備を必要とせずに到来方向が時々刻々変化する太陽光を効率良く集光して受光場所から利用場所まで誘導する集光体および集光装置に関する。

太陽光は、季節・時刻などによって到来方向が変化するので効率良く集光するためには集光装置の受光面を太陽の動きに追従させる必要がある。
そのため、大掛かりな追尾設備を必要とし、運用にも多大な経費が掛かるので集光装置の普及に大きな障害となっていた。

この問題を解決するために、本出願人は、同心円状に複数個の光導入路を配列し、その同心円と直角方向に光伝搬路を形成した集光装置（特許文献１）を先に発明し、次に図７に示すように、ガラスやプラスチックなどを構成材料とする細長い透明な繊維で、周側面から採光できる複数本の集光体１を集合し、その下端部を結束具２で結束して利用場所に設置し、上端部を放射状に拡開して受光場所に設置することで太陽光の到来方向が変化しても集光効率が低下することなく一定となる集光装置（特許文献２）を発明し、既に特許を取得している。
上記集光体１の周側面に当った光のうち、周側面に対し所定の入射角で入射した光は、周囲の媒質（空気）と集光体との屈折率の違いにより角度を変えられて（屈折して）集光体１内に進入し、その内部で全反射を繰り返して光の集合部である下端面３まで到達する。

一方、集光体１の周側面に当った光の中には、図２に示すようにその周側面で反射するものがある。この光は、放射状に拡開したことにより入射角が前記集光体１と異なる近接する他の集光体１内に進入し、その集光体１内を伝搬する。
また、集光体１を透過したり集光体１から染み出た光も同様に、放射状に拡開したことにより入射角が異なる近接する他の集光体１内に進入し、その集光体１内を伝搬する。
従って、結束した複数の各集光体には、集光体１が１本のみの場合に採光可能な周側面に直接入射する光以外に、複数本集合し放射状に拡開したことにより透過や反射にて採光されなかった光が採光可能となった光として進入して各端面に伝搬し、各集光体の１本ごとの集光量の和以上に集光量が増える。
また、放射状に拡開した端部を受光場所に配置するので、集光体の何本かが直接太陽光を採光する。また採光できなかった光を近接する他の集光体１が採光する。
従って、太陽光の到来方向に追尾しなくとも時々刻々変化する太陽光を集光効率を低下することなく一定に集光できる。

以上説明した従来発明の集光装置は、下記の原理を利用して集光するものである。
すなわち、図１に示すように空気等の屈折率の小さい媒質中に、その媒質よりも屈折率の大きい繊維状の集光体１を置いて、その周側面に光を当てると、図３に示すように入射角ｘの光Ｘはその境界面で屈折して集光体１内に進入し、入射角ｙの光Ｙはその境界面で反射される。
そして、集光体１内に進入した光のうちの一部は集光体１内を透過する透過光となるが、その透過光を除く他の光は、図１に示すように集光体１内を反射しながらその終端に向けて伝搬されるものとなる。

さらに、これを詳述すると、図４に示すように集光体１に入射角αで入射する入射光は、集光体１の半周面のうち領域Ａに入射するものは透過し、領域Ｂに入射するものは集光体１内を伝搬し、領域Ｃに入射するものは集光体１の表面で反射する。
また、図５に示すように集光体１に入射角βで入射する入射光は、集光体１の半周面のうち領域Ｂに入射するものは集光体１内を伝搬し、その他のＣに入射するものはその表面で反射する。さらに、図６に示すように集光体１に入射角θで入射する入射光は、集光体１の半周面のいずれの領域に入射しても全領域Ｃで反射される。
なお、入射角α，β，θの各関係は、以下の関係にあるものとする。
α＜β＜θ

ところが、図１に示すように集光体１が１本では、直接入射し集光体１内を伝搬する光しか集光できず、集光量に限界がある。これに対し、図２に示すように集光体１を複数本用意して近接しておくと、ある集光体１の周側面で反射した光が、近接する他の集光体１の周側面から進入し、集光体１内を終端に向けて伝搬する。
また、これと同様にある集光体１を透過した光が、近接する他の集光体１の周側面から進入し、集光体１内を終端に向けて伝搬する。
上記従来発明の集光装置は、集光体１の周側面より集光するという原理の他に、この原理を利用して効率的に集光するものである。
特許第２０８９４３１号公報 特許第２７８３３８６号公報

本発明は、上記従来発明の集光体にさらなる改良を加え、その集合体である集光装置の集光効率をより一層高めることを目的になされたものである。

そのため本発明は、中空光ファイバをテーパ状に引き延ばしてコーン状に成し、その周側面で採取した光を先太の終端部に向けて誘導することを特徴とする。

また本発明は、光ファイバ素材に蛍光体を添加し、集光体内を通過する光を集光体内で発光する光に変換し、先太の終端部に向けて誘導することを特徴とする。

本発明は、中空光ファイバが中心から外れた光をファイバ実体の表皮へ誘導するので、より多くの光を閉じ込められるようになる。
また、コーン状のファイバが閉じ込めた光を先太の終端部に向けて誘導するので、より多くの光を集合部に集めることができる。
また、ファイバ内に光を閉じ込める効果を高めるため、ファイバ内を横切る光を蛍光体の光変換効果によりファイバ方向に誘導させ、多くの光を集合部に集めることができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

図８に、本発明を実施した集光体の斜視図を示す。
集光体は細長い透明な繊維であるが、図では実際より太く・短く誇張して描いている。
集光体１は、中空光ファイバをテーパ状に引き延ばしてコーン状に形成する。
中空光ファイバは、空気をコアａとして用い、透明な石英・パイレックス(商品名)などのガラスやポリカーボネート・テフロン(商品名)などの樹脂をクラッドｂの構成素材とし、周側面から採光できるものである。
クラッドｂの構成素材に蛍光体（入射してきた光と異なる波長の光に変換する物質）を添加すると、入射光のファイバ外漏れを減少させる効果がある。
製造は、例えば母材ガラスチューブを管状電気炉などの高温雰囲気中で溶融・軟化させたうえで張力を加えてテーパ状に引き延ばしてできる。

図９に、本発明を実施した集光体の長さ方向に直角な断面図（同心円構造）を示す。
図において、入射光Ｘ、Ｙは空気（屈折率：低）とクラッドｂ（屈折率：高）の境界面で屈折してクラッドｂ内に進入し、入射光Ｚは境界面で反射する。
クラッドｂ内に進入した光のうち、集光体１の中心部を通過する入射光Ｘは略直進して集光体１内を透過するが、中心から外れた入射光Ｙは空洞のコアａがクラッドｂへ光を集中させるため、クラッドｂの円周方向に屈折して光の進行方向とクラッドｂ境界面が平行に近くなる。そのためクラッドｂ境界面で入射角が全反射を起こす境目となる臨界角より大きくなり、全反射してクラッドｂ内を伝搬する。
このときクラッドｂを屈折率の大きな材料にして空気との比屈折率差を増すと、臨界角が小さくなり、全反射がより起こりやすくなる。

以上により本発明の集光体１は、空洞のコアａを広くし、クラッドｂを狭くすることにより、境界面に角度を持って入光した光は、境界面と光の進行方向角が近くなり、クラッドｂ内での光全反射効果は高くなり、クラッドｂ層に光を誘導する効果も上がり、従来の透明な繊維に比べより多くの光を閉じ込められるようになる。
また、空洞のコアａが採光しにくい集光体１と直行に近い光の通過を促進させるので、近接する他の集光体１の採光量が増え、全体の集光量が増大する。
また、コアａを中空にすることにより、特に集光体１単独配列のときに有効となる先端（受光側）と元（誘導側）との距離断熱効果が熱絶縁を高め保温効果を向上させる。

図１０に、本発明を実施した集光体の長さ方向と平行な断面図を示す。
図は、空洞コアａのない集光体１先端部を示す。
集光体１は、中空光ファイバをコーン状に加工してコーン状クラッドｂ内を中央部から進行してきた光が渦を巻くように回転反射する光方向性を向上し、伝搬する光を先太の終端部に向けて誘導する。
これより従来の透明な繊維では、図１１に示すように、集光体１内を伝搬する光がその上端面から放射されずに反射されて集光体１の下端面に向けて伝搬されるように反射膜４が必要であったが不要となるので、端面鏡面加工やプリズム鏡面加工が省略でき、集光部の加工軽減につながる。

集光体１材質に蛍光体（光を波長の異なる光に変換する物質）を添加し、集光体１内を通過する光の作用により別の波長の光に変換発光させ、集光体１内放散光となり入射した光の進行方向を変える。
この光を集光体１が光ファイバ効果により集光体１終端へ誘導する。
但しこの効果は集光体１が長くなると、本来光ファイバ効果で集光体１に取り入られていた光まで集光体１外へ散乱漏洩排出されてしまうので、集光体１を長くしすぎると散乱光増大による集光効率が低下する作用もある。
故に、蛍光体添加効果と集光体１の長さは採光効率にあわせて調整する必要がある。
また、蛍光体はすべての光の波長を変換するわけではないので、採光する光質環境によっても材質を調整しなければならない。

図１２に、本発明を実施した集光装置の正面図を示す。
集光装置は、図１２に示すように、複数本の集光体１を束ねて縦に集合配置し、上端部を放射状に拡開して受光場所に設置し、下端部を図示しない集光体結束光混合部で結束して利用場所に設置する。このとき集光体１の先細の先端部を集光装置の上端部に配置し、先太の終端部を集光装置の下端部に配置する。
これにより、先細の先端部で集光した光をコーン状の導光部を経由して先太の終端部へ誘導する。

集光装置は、図１３に示すように、上記集光装置を１ユニットとして多数のユニット５を同一平面上に配置し、各ユニット５が集めた光を広い面積に点在させて照明や植物栽培などに利用してもよい。
あるいは、図１４に示すように、多数のユニット５を同一平面上に配置し、各ユニット５の集光体結束部に複数の集光体１（光ファイバ）の光を１本の導光部７（光ファイバ）に結合するユニット光混合部６（光カプラ）を設け、このユニット光混合部６でユニット５の各集光体１が集光した光を混合し、次に導光部７を設けてユニット５の光を次の光混合部６に導き、次のユニット光混合部６において多数の導光部７の光を混合するなどして段階的に光を混合する。
以上により、多数のユニット５が集光した光を一箇所に集中させて強力な光エネルギを必要とする化学反応槽などに利用してもよい。

集光体内に進入した光の説明図である。 近接する他の集光体内に進入した光の説明図である。 境界面で屈折・反射する光の説明図である。 集光体に入射角αで入射する光の説明図である。 集光体に入射角βで入射する光の説明図である。 集光体に入射角θで入射する光の説明図である。 従来発明の集光装置の正面図である。 本発明を実施した集光体の斜視図である。 本発明を実施した集光体の長さ方向に直角な断面図である。 本発明を実施した集光体の長さ方向と平行な断面図である。 従来発明の集光体先端の拡大図である。 本発明を実施した集光装置の正面図である。 本発明を実施した集光装置の変形例である。 本発明を実施した集光装置のその他の変形例である。

符号の説明

１ 集光体
２ 結束具
３ 下端面
４ 反射膜
５ ユニット
６ ユニット光混合部
７ 導光部
ａ コア
ｂ クラッド

Claims (6)

1. 中空光ファイバをテーパ状に引き延ばしてコーン状に成し、
   その周側面で採取した光を先太の終端部に向けて誘導することを特徴とする集光体。
2. 前記中空光ファイバは空気をコアとし、
   クラッドの構成素材がガラスまたは樹脂であることを特徴とする請求項１記載の集光体。
3. 前記クラッドの構成素材に蛍光体を添加することを特徴とする請求項２記載の集光体。
4. 先太の終端部を下にして複数の請求項１〜３記載の集光体を縦に集合配置し、
   その上端部を放射状に拡開して受光場所に設置し、
   下端部を集光体結束光混合部で結束して利用場所に設置することを特徴とする集光装置。
5. 請求項４記載の集光装置を１ユニットとして多数のユニットを同一平面上に並べ、
   各ユニットが集めた光を広い面積に点在させることを特徴とする集光装置。
6. 請求項４記載の集光装置を１ユニットとしてその終端にユニット光混合部を設け、
   このユニット光混合部でユニットの各集光体が集光した光を混合し、
   次に導光部を設けてユニットの光を次のユニット光混合部に導き、
   次のユニット光混合部において多数の導光部の光を混合するなどして段階的に光を混合しながら多数のユニットが集光した光を一箇所に集中させることを特徴とする集光装置。

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