JP3051982B2 - 全天光集光系 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】 この発明は、建築物の屋上又は周囲にある窓に配置さ
れ太陽直射光又は太陽光の散乱光を採光して照明用に供
する採光装置及び窓用採光装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

古来から採光装置として「天窓」が知られいる。 この天窓はガラス板を、屋根にはめ込んだ丈の簡素な
ものであり、有効入射角は180度、フレネル反射損失を
考慮しても、入射角は約140度まで有効で、光線透過率
もよく、価格も安く、故障も少ない等多くのメリットを
有している。 しかしこの従来の天窓は豪雪地帯では使用困難であ
り、また屈折力が全くないので、入射光束は透過後その
まま直進し、太陽直射光の射出方向は、太陽の移動と共
に大きく変化し、これを制御することは不可能であり、
そのため工場、倉庫、屋根裏部屋等以外で、有効に使用
することは不適当であった。

【０００３】 又、太陽追尾機構を有し、長時間太陽直射光のみを集
光し、その集光光束を一定方向に射出する、いわゆる
「ヘリオスタット」方式の集光装置が古くから、瞬時に
高温を得るための研究分野で使用されている。この「ヘ
リオスタット」方式の集光装置については各種センサー
やマイコン等を組み込んだ種々の改良型が考案されてい
る。

【発明が解決しようとする課題】

しかし、この「ヘリオスタット」方式の集光装置につ
いてはその機構が複雑なものとなるという問題点がある
だけでなく、刻々変化する天候に応じ、天空におけるす
べての段階の太陽輝度コントラストに対し、センサー感
度応答が追従しきれない等の問題点もあり、また太陽視
半径は僅か16分であるため僅かな追尾誤差があっても太
陽直射光は受光できない。さらにかかる従来の「ヘリオ
スタット」方式の集光装置は快晴時以外では追尾精度は
不安定となり、長期にわたる性能維持に対する保証面の
不安は未だ解消しきれていない。

【０００４】 本発明はかかる実状に鑑み、これらの問題点を、解決
しようとするもので、天窓と同程度に極く薄く且つ簡素
に構成され、建築物の屋上又は周囲の鉛直面内にある窓
に適用することができ、故障要因が殆どなく、有効に性
能保証ができる簡易な構造の採光装置及び窓用採光装置
を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】

前記課題を解決するため、請求項１記載の採光装置
は、ほぼ同一のフレネル角を有するリニア型フレネルレ
ンズ２枚を、フレネル面を向き合わせると共に対称に配
置してなり、同一の角度で入射された入射光の射出光が
平行となり、入射角ごとに異なる射出角を有する平行な
光束となることを特徴とする。

【０００６】 本発明の採光装置によれば、この様にほぼ同一のフレ
ネル角を有するリニア型フレネルレンズ２枚を、フレネ
ル面を向き合わせると共に対称に配置してなることによ
り、極めて広角度範囲の太陽光を採光することができる
と共に、採光した太陽光の屈折角度を大きくして効率よ
く採光することができる。かかる点をさらに詳述すれ
ば、単一のフレネルレンズを用いる場合には採光した太
陽光の屈折角度を大きくするためには、フレネル角を大
きくする必要があり、その場合には必然的に太陽光を採
光する角度範囲は狭くせざるを得ません。またその様に
フレネル角を大きくしたフレネルレンズはその製造も困
難なものとなる。

【０００７】 一方、フレネル角を小さくした場合には太陽光を採光
する角度範囲は広くなり、その製造も比較的容易となる
反面、採光した太陽光の屈折角度が小さくなり、必要な
場所に効率よく採光することはできなくなる。

【０００８】 しかし、本発明ではリニア型フレネルレンズ２枚をフ
レネル面を向き合わせると共に対称に配置することによ
り個々のリニア型フレネルレンズ単一の場合よりも採光
した太陽光の屈折角度を大きくすることが可能となり、
しかも単一のリニア型フレネルレンズを用いてフレネル
角を大きくする場合に比し、フレネル角を小さくするこ
とができる結果、太陽光を採光する角度範囲を広くし
て、その製造も比較的容易とすることができる。

【０００９】 前記課題を解決するため、請求項２記載の採光装置
は、ほぼ同一のフレネル角を有するフレネルレンズ２枚
を、フレネル面を向き合わせると共に対称に配置し、さ
らに他のフレネルレンズの平面側を対称配置されたフレ
ネルレンズの平面側に密着させたことを特徴とする。

【００１０】 また、請求項３記載の採光装置は、請求項１記載の採
光装置において、フレネルレンズの有効面が太陽方向と
直交する様に追尾させることを特徴とする。

【００１１】 また、請求項４記載の採光装置は、ほぼ同一のフレネ
ル角を有するリニア型フレネルレンズ２枚のフレネル面
を向き合わせ、これを対称型に配置すると共に、その有
効フレネル面が上向きとなるように配置してなり、同一
の角度で入射された入射光の射出光が平行となり、入射
角ごとに異なる射出角を有する平行な光束となることを
特徴とする。

【００１２】 また、請求項５記載の窓用採光装置は、リニアー型フ
レネルレンズ２枚のフレネル面を向き合わせ、これを対
称型に密着させてなる組み合わせの平面側に他のリニア
ー型フレネルレンズの平面側を密着させ、すべての有効
フレネル面が上向きとなる様に配置したことを特徴とす
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】

太陽直射光及びその他の全天候散乱光を採光し、これ
を屋内等の一般照明用として、有効に利用するための採
光装置の必要条件は （ａ）有効入射径が大きいこと。 （ｂ）光学要素数は、できるだけ少ないこと。 （ｃ）有効入射角は大きいほど望ましいこと。 （ｄ）太陽直射光の射出方向は、その位置の如何に関せ
ず、できるだけ光軸に近く制御できること。 等々である。

【００１４】 また屋内等の一般照明用の採光装置は撮影用ではない
ので、いわゆる諸収差はあまり問題ではなく、極力明る
い光量を、所望する地点に伝達することが肝要な目的と
なる。

【００１５】

【実施例】

以下本発明の実施例を図面に基づき説明する。 実施例１ ほぼ同一のフレネル角を有するリニア型フレネルレン
ズ２枚を、フレネル面を向き合わせると共に対称に配置
してなる本発明の採光装置の実施例として図１にフレネ
ル角57.717°のリニア型フレネルレンズを組み合わせた
採光装置の断面図を示す。図２はその一部拡大断面図
で、（LFRL3）はリニア型フレネルレンズ、光線（３）
は光軸に対し、入射角36度で入射し、反転して夫々36度
で射出する。

【００１６】 この実施例１に於て、受光可能な範囲内のすべての高
度角に対する射出角を求めて表示したのが表１であり、
36度より小さな角度で入射した光線の射出角は36度より
大きくなり、反対に36度より大きな高度角より入射する
光線は、36度より小さな角度で射出することになり、且
つそれ等の射出角の相互の差は、36度より大きな射出角
のそれより遥かに小さく、それ等の射出角の平均値は約
26度程度である。 負号は下向き、正号は上向きを示す。

【００１７】 天窓の場合は直射光はそれを素通りし、有効径一杯の
平行光束として、太陽方向と反対側の照射面上に到達
し、その照射面位置は、太陽の移動と共に大きく動く。
しかし実施例１の採光装置においては強い屈折力を有
し、表１及び上記各有効光路図の通りその射出光は充分
制御され、射出光はすべて平行光束であり、到達距離に
より減衰しないので、広範囲の用途に適用できる。また
使用目的によっては、この超広角採光装置の直下に、ダ
イヤガラス板等を設け強い射出直射光を分散することも
できる。 次に有効径一杯且つ開口効率100％の直射光を得るた
めの本発明の実施例の採光装置を説明する。 ほぼ同一のフレネル角Ｗ＝57.717度を有するリニアー
型フレネルレンズのフレネル面を向き合わせ、これを密
着・対称型に組み合わせる。この採光装置の有効フレネ
ル面を、太陽方向と直交させつつ、これを水平面内で、
１時間15度の割合で、等角速度回転させる。その様に水
平面内にある２枚の軽く、且つ軸対称のフレネルレンズ
を定速回転させるだけで太陽方向における高度角24度〜
88度までを有効入射角とすることができる。したがって
長期に渉たる安定性を望むことができる。 上記採光装置における入射角24度、40度、53.697度、
70度及び88度毎の、有効光路図を図３、図４、図５、図
６及び図７に示す。その開口効率が入射角の如何に拘ら
ず、常に有効径一杯で且つ100％であることがわかる。

【００１８】 以下にこの実施例１の採光装置におけるフレネル角決
定の一例を示す。 本邦全土にわたり、四季を通じ、理論上、実用上必要
なる太陽高度角、方位角及びその時刻等を検討すると、
企業・家庭において、自然光を必要とする時刻は概ねAM
9時頃とみなす場合、その時刻における太陽高度角、方
位角、及び南中高度等を、本邦緯度別３地区毎に表示し
たのが表２である。表２において、方位角は正南を基準
として東西方向への値であり、又表２の最右欄には、地
区毎四季を通じて必要な高度角の範囲が示されている。 この表２に依り、本邦全土に渉たり、四季を通じ、本
装置に必要な高度角の範囲を求めると、17度〜80.7度と
なる。 またこれに伴う必要な方位角は東の91.4度より西の9
1.4度までの範囲であり、今この必要なる高度角の範囲
内の適当なる高度角Ａを求め、その入射光が鉛直下に射
出され、且つ上記高度角の範囲内の、できる限り広い範
囲を受光でき、すべてのフレネル角Ｗが同一であり、上
面が平面で下面がフレネル面である、フレネルレンズを
求めると Ａ＝36度 Ｗ＝57.717度 となる。 本実施例の採光装置によれば、高度角24度以上が受光
できる。一方、上述の表２は午前９時、四季における地
区別の高度角を示したものであるから、この表２による
と、本実施例の採光装置を用いた場合には、３地区共冬
至前後であっても約AM10時頃より受光できることにな
る。又すべてのフレネル角が同一であるので、その射出
光は、入射角毎に異なる射出角を有する平行光束として
射出され、焦点を結ばない。

【００１９】 図８は、上記実施例の採光装置を含む採光設備の組立
断面図である。（４）は光軸を貫通する中心軸、（５）
は本体側板、（６）は本体側板（５）に固定され且つそ
の補強のためのアングル材で、フレネルレンズの周囲を
固定し、中心軸（４）に嵌合した位置決めブッシュ
（７）と共に、フレネルレンズの位置とその平面性を維
持し、（８）はその一端が本体側板（５）に固定され、
他端はそれより下方の位置に在り、且つ中心軸（４）に
固定された基環（11）に固定された複数個のテンション
板であり、中心軸（４）、テンション板（８）、フレネ
ルレンズ及び位置決めブッシュ（７）等が、相寄って本
体側板（５）に対し、夫々の位置を確保でき、（９）は
防水用透明板で、アングル材（６）と本体側板（５）に
固定され、且つ屋上取付用のＬ型アングル（10）に寄
り、防水・防塵用に固定されている。

【００２０】

【００２１】 実施例２ 次ぎに実施例１の採光装置の射出光をできる限り光軸
に平行に制御し、高層ビル等において、太陽光を地下街
等に導入したいような場合の対策を説明する。 実施例１として示した採光装置の下側にフレネル角4
5.810°のレンズを追加した。 実施例１の採光装置における相互の差の少ない射出角
の平均値は、表１にも示したように、約26度である。こ
の平均値Ａ＝26度で入射する光線が、すべて同一のフレ
ネル角Ｗを有し且つ鉛直下に射出され、上面が平面で下
面がフレネル面であるフレネルレンズを求めると、 Ａ＝26度 Ｗ＝45.810度 となる。

【００２２】 実施例１の採光装置の下側に、フレネル角45.810°の
フレネルレンズ（LFRL4）の平面側を密着させ、３枚密
着型採光装置とする。この採光装置の有効フレネル面
を、太陽方向と直交させつつ、これを水平面内で、１時
間15度の割合で、等角速度回転させる。その様に水平面
内にある３枚の軽く、且つ軸対称のフレネルレンズを定
速回転させるだけで太陽方向における高度角24〜88度ま
でを有効入射角とすることができる。したがって長期に
渉たる安定性を望むことができる。 表３は、表１における同様な高度角度毎の射出角度及
びそれ等の射出光線の照射10m位置にある平面との交点
の最大値を表示する。本表上３〜４行を除けば、他の射
出角は殆ど光軸と平行とみなせ、距離10m位置に於いて
も、その開きは極めて小さい。 上記採光装置における入射角24度、40度、53.697度、
70度及び88度毎の、有効光路図を図９、図10、図11、図
12及び図13に示す。その開口効率が入射角の如何に拘ら
ず、常に有効径一杯で且つ100％であることがわかる。

【００２３】 表１、表３における上４行にある、射出角が大きな射
出光束を、所望する遠い照射位置まで有効に到達せしめ
るには、採光装置の設置位置より照射位置近くまで、１
辺約1mの角型光導腔を設け、その周辺に平面ミラーをは
りつめるのが、コスト面でも効果面でも望ましい。

【００２４】 実施例３ 次ぎに、光軸は固定したままで、太陽追尾も全く不要
な、本発明の窓用採光装置の実施例を説明する。 前記密着対称型・２枚構成の採光装置のリニア型フレ
ネルレンズ（LFRL3）を1mm厚程度で作り、図14の断面図
に示すように、上下方向を定め、これを既設窓ガラスに
室内側に配し、更にその上に薄い透明ガラスを配して、
清掃用に供し、その透明ガラスの四辺を、細いサッシュ
枠で止めれば、この窓用採光装置は薄型であり、既設窓
に追加施工を行っても、窓の開閉には支障はない。 図15は窓用に適用した場合の断面図で、（12）はサッ
シュ窓枠、（13）は既設されている透明窓ガラス、（1
4）は保護・清掃用の薄い透明ガラス、（15）はその周
囲を防湿・防塵用に押さえるコーナー・サッシュ出窓用
実施例に共通のものである。 図16はその平面図である。 室内においては、四方の窓より天井に向かい、夫々異
なった射出角を有する窓一杯の平行光束として射出さ
れ、室内で焦点を結ばないので、火災発生の憂いはな
く、且つ到達距離により、その明るさは減衰しないの
で、天井、壁等を明色にデザインしておけば、屋上用採
光装置とあいまって、一般照明用としての効果は大き
く、また既成窓のサイズは各種あるので、採光装置は小
型化し、複数個の光学要素を窓ガラス上に、一杯に配
し、また必要に応じ、適宜適寸に切断使用できる方が便
利である。 採光装置素材には紫外線吸収剤が、包含されているの
で、退色は防止でき、長期の使用に耐えられ、外部から
室内は見えず、又内部から外部も見えない。

【００２５】 更にフレネル面を向き合わせ、そのフレネル面を直交
・密着させ、必要に応じ、上空の入射光を、左又は右方
向に反転させることも可能であり、この場合これに前記
フレネルレンズ（LFRL4）を追加すれば、全く異なった
多種の用途が容易に想定でき、窓採光装置としては、よ
り広い方位角に対応できる。

【００２６】 次ぎに本発明の採光装置の各種適用例を示す。 図17は木造平屋家屋に、実施例１に示す採光装置をそ
の光軸を天頂に向け取り付けた場合の断面図で、一般室
内照明と、一部の射出光束を分離して植木の照明用と
し、光合成を活性化し、換気扇なしで、室内空気の清浄
化を計ったもので、（16）は水平に取り付けられた採光
装置本体、（17）はミラー、（18）はその植木に適性の
近赤外線カット、青色・赤色波長光を透過させるバンド
パス・フィルター。

【００２７】 図18は既設住宅群の南側に、高層ビルは新設又は増築
するような場合、そのビルに、複数個の屋上採光装置を
設け、太陽自然光を供給し、日照権問題緩和の一助とも
したい場合で、この場合の採光装置は射出角が適当に大
きいものが良く、その光軸はＳ方向に傾斜させた方が有
利である。

【００２８】 図19、図20はその中央が広く吹き抜けとなったロの字
型の高層共同住宅ビル等において、その吹き抜け部の上
部に、屋上用採光装置を複数個設けた例を示す平面図及
び側面図である。 係る高層共同住宅ビル等においては、その中央の地面
に多数の樹木を植えると、そこは原野と全く同程度に光
り合成が活性化され、陽当たりもなく換全く悪い吹き抜
け空間は、炭酸ガスが吸収され新鮮な酸素で充満され、
新しい空気は廊下側窓より侵入し、居住者の健康保持に
役立ち、又採光装置に適当なものを混在させれば、窓よ
り強い太陽が入り、薄暗い廊下は明るくできる。

【００２９】 図21に示すように、住宅が近接している市街地等で、
窓が隣家と接近しており、殆ど窓が役に立たぬような場
合は、実施例３を適用すれば良い。入射光束は採光装置
の内部で屈折・反転し、室内においては、四方の窓より
天井に向かい、夫々異なった射出角を有する窓一杯の平
行光束として射出され、室内で焦点を結ばないので、火
災発生の憂いはなく、且つ到達距離により、その明るさ
は減衰しないので、天井、壁等を明色にデザインしてお
けば、屋上用採光装置とあいまって、一般照明用として
の効果は大きく、また既製窓のサイズは各種あるので、
採光装置は小型化し、複数個の光学要素を窓ガラス上
に、一杯に配し、また必要に応じ、適宜適寸に切断使用
できる。

【００３０】

【発明の効果】

本発明の採光装置によれば、同一のフレネル角を有す
る、２枚のフレネルレンズの、フレネル面を向き合わ
せ、これを対称型に密着させ、その光軸を上方に固定す
ることにより、天頂角±24を除き、日出から受光でき
る。

【００３１】 すなわち本発明の採光装置によれば、ほぼ同一のフレ
ネル角を有するリニア型フレネルレンズ２枚を、フレネ
ル面を向き合わせると共に対称に配置してなることによ
り、極めて広角度範囲の太陽光を採光することができる
と共に、採光した太陽光の屈折角度を大きくして効率よ
く採光することができるという優れた効果が奏される。

【００３２】 また本発明の採光装置によれば、すべて同一のフレネ
ル角を有するフレネルレンズを、密着対称型・２枚構成
の採光装置の下側に密着させることにより、同一の入射
角で、主要な射出光は、すべて光軸に平行となり、遠距
離照射において極めて有効となる。

【００３３】 又、本発明の採光装置によれば同一のフレネル角を有
する２枚のフレネルレンズのフレネル面を向き合わせ、
これを対称型に配置させた採光装置のフレネルレンズを
夫々リニアー型フレネルレンズとし、夫々の有効フレネ
ル面を、南方向に固定するか、若しくはその有効フレネ
ル面が、常に太陽方向と直交する如く、平面内で、地球
自転軸の平均回転速度で回転させると、天頂角±24度を
除き、開口効率はすべて100％で、日出から受光でき、
更に３枚構成とした場合には、主要な射出光は、すべて
光軸に平行となり、照射距離に関せず、その明るさは減
衰しない。

【００３４】 更に全面同一のフレネル角を有する、２枚のリニアー
型フレネルレンズの、フレネル面を向き合わせ、これを
対称型に密着させ、その有効フレネル面を上に向け、透
明窓ガラスの内側に取付けた本発明の窓用採光装置によ
れば、高度角24度以下を除く、直射光と天空散乱光が、
東西南北四方の窓より受光でき、それらの太陽光が密着
対称型・２枚構成の本発明の窓用採光装置で屈折・反転
し、室内天井に向け、四方より平行光束として射出さ
れ、白い天井で反射され、屋上用採光装置と併用するこ
とにより、室内照明用として顕著な効果を発揮し、省エ
ネルギーを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の採光装置の断面模式図

【図２】実施例１の採光装置の拡大断面図

【図３】実施例１の採光装置の有効光路の第10の模式図

【図４】実施例１の採光装置の有効光路の第11の模式図

【図５】実施例１の採光装置の有効光路の第12の模式図

【図６】実施例１の採光装置の有効光路の第13の模式図

【図７】実施例１の採光装置の有効光路の第14の模式図

【図８】実施例１の採光装置を含む採光設備の組立断面
図

【図９】実施例２の採光装置の有効光路の第１の模式図

【図１０】実施例２の採光装置の有効光路の第２の模式
図

【図１１】実施例２の採光装置の有効光路の第３の模式
図

【図１２】実施例２の採光装置の有効光路の第４の模式
図

【図１３】実施例２の採光装置の有効光路の第５の模式
図

【図１４】実施例３の採光装置の拡大断面図

【図１５】実施例３の窓用採光装置の断面図

【図１６】実施例３の窓用採光装置の平面図

【図１７】木造平屋家屋に、実施例１に示す採光装置を
その光軸を天頂に向け取り付けた場合の断面図

【図１８】既設住宅群の南側に新設される高層ビルに本
発明の採光装置を設置する場合の適用例を示す説明図。

【図１９】中央が広く吹き抜けとなっておりロの字型の
高層共同住宅ビル等において、その吹き抜け部の上部
に、本発明の採光装置を複数個設けた適用例を示す平面
図。

【図２０】中央が広く吹き抜けとなっておりロの字型の
高層共同住宅ビル等において、その吹き抜け部の上部
に、本発明の採光装置を複数個設けた適用例を示す側面
図。

【図２１】住宅が近接している市街地等で実施例３に示
す窓用採光装置を適用する場合の適用例を示す説明図。

【符号の説明】

（４）……中心軸 （５）……本体側板 （６）……アングル材 （LFRL3）、（LFRL4）……リニア型フレネルレンズ （７）……位置決めブッシュ （８）……テンション板 （９）……防水用透明板 （10）……Ｌ型アングル （11）……基環 （12）……サッシ窓枠 （13）、（14）……ガラス （15）……押えコーナー材 （16）……採光装置 （17）……ミラー （18）……バンドパスフィルター

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−166931（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−151901（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−113504（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−43502（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−232501（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−105703（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−53310（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−188624（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭58−34801（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F21S 11/00 G02B 3/08 G02B 27/00 G02B 17/00

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ほぼ同一のフレネル角を有するリニア型フ
   レネルレンズ２枚を、フレネル面を向き合わせると共に
   対称に配置してなり、同一の角度で入射された入射光の
   射出光が平行となり、入射角ごとに異なる射出角を有す
   る平行な光束となることを特徴とする採光装置。
2. 【請求項２】ほぼ同一のフレネル角を有するリニア型フ
   レネルレンズ２枚を、フレネル面を向き合わせると共に
   対称に配置し、さらに他のリニア型フレネルレンズの平
   面側を対称配置されたリニア型フレネルレンズの平面側
   に密着させたことを特徴とする採光装置。
3. 【請求項３】フレネルレンズの有効面が太陽方向と直交
   する様に追尾させることを特徴とする請求項１又は請求
   項２記載の採光装置。
4. 【請求項４】ほぼ同一のフレネル角を有するリニア型フ
   レネルレンズ２枚のフレネル面を向き合わせ、これを対
   称型に配置すると共に、その有効フレネル面が上向きと
   なるように配置してなり、同一の角度で入射された入射
   光の射出光が平行となり、入射角ごとに異なる射出角を
   有する平行な光束となることを特徴とする窓用採光装
   置。
5. 【請求項５】ほぼ同一のフレネル角を有するリニアー型
   フレネルレンズ２枚のフレネル面を向き合わせ、これを
   対称型に密着させてなる組み合わせの平面側に他のリニ
   アー型フレネルレンズの平面側を密着させ、すべての有
   効フレネル面が上向きとなる様に配置したことを特徴と
   する窓用採光装置。