JP4176096B2 - 水銀ランプとハロゲンランプの組み合わせ方式を利用したソーラーシミュレータ - Google Patents

Description

本発明は、ソーラーシミュレータに関し、特に、市販の水銀ランプ、ハロゲンランプ及びハロゲンランプに赤外線フィルタが装着されたハロゲンフィルタランプを組み合わせて、一日の間に放射される太陽光の変化に近似した照度及び温度環境を再現できる水銀ランプとハロゲンランプの組み合わせ方式を利用したソーラーシミュレータに関する。

一般に、自然環境に近似した環境を作ってその内部で被試験体の性能及び耐久性等を試験する環境再現試験室は室内に設けられるが、種々の試料物品及び武器に対して性能及び耐久性を正確に試験するためには、環境再現試験室内に配置する環境再現試験のための設備がさまざまな自然環境をできるだけ忠実に近似、再現できるようにしなければならない。

環境再現試験室内に配置される照明装置であるソーラーシミュレータの場合、太陽光を模擬するためにハロゲンランプまたは赤外線ランプを用いているが、ハロゲンランプや赤外線ランプは、太陽光の全スペクトルをそのまま再現することができない。従って、環境再現試験の精度を高めるためには、環境再現試験室よりも実際の太陽光の環境条件下で試料の性能及び耐久性をテストするしかなかった。

また、一部のソーラーシミュレータは、メタルハライドランプまたはキセノンアークランプを用いて太陽光のスペクトルを模擬していたが、ランプが高価であり、かつ操作が難しいという問題点があった。

本発明は、このような従来技術の問題点を解決するためになされたもので、市販のランプを適切に配置して太陽光に極めて近似した光を照射するランプバンクを設計し、前記ランプバンクが装着された環境再現試験室内部の温度及び照度を制御して、一日の間に放射される太陽光の経時的な変化に近似できるようにした水銀ランプとハロゲンランプの組み合わせ方式を利用したソーラーシミュレータを提供することを目的とする。

また、本発明の他の目的は、ハロゲンランプ、ハロゲンランプに赤外線フィルタが装着されたハロゲンフィルタランプ、及び水銀ランプを利用して、室内生活の時間が長い現代人に太陽光に近似した環境を提供できる、太陽光を模擬するランプバンクを提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明による水銀ランプとハロゲンランプの組み合わせ方式を利用したソーラーシミュレータは、ソーラーシミュレーションのための環境再現試験室において、前記環境再現試験室の上部に装着された複数のハロゲンランプ、ハロゲンランプに赤外線フィルタが装着された複数のハロゲンフィルタランプ、及び複数の水銀ランプから構成されたランプバンクと、前記ランプバンクから発生する高熱を冷却するための空気を放出する冷却装置、及び前記冷却装置から放出される空気を分散させる空調機を含む温度調節ユニットと、前記ランプバンク及び前記温度調節ユニットの動作を制御する電気パネルとを具備し、前記ランプバンクは、中央に前記複数のハロゲンフィルタランプが配置され、前記複数のハロゲンフィルタランプの外側に前記複数のハロゲンランプが配置され、前記複数のハロゲンランプの外側に前記複数の水銀ランプが配置されていることを特徴とする。

また、上記の目的を達成するための本発明による水銀ランプとハロゲンランプの組み合わせ方式を利用したソーラーシミュレータは、複数のハロゲンランプ、ハロゲンランプに赤外線フィルタが装着された複数のハロゲンフィルタランプ、及び複数の水銀ランプを用いてランプバンクを構成し、前記複数のハロゲンフィルタランプは、前記ランプバンクの中央に配置し、前記複数のハロゲンランプは、前記複数のハロゲンフィルタランプの外側に配置し、前記複数の水銀ランプは、前記複数のハロゲンランプの外側に配置することを特徴とする。

本発明による水銀ランプとハロゲンランプの組み合わせ方式を利用したソーラーシミュレータにおいては、環境再現試験室内の環境条件を実際の太陽光による環境に近似させることにより、次のような効果を得る。
先ず第一に、地理的、季節的要因の影響を受けることなく、軍隊による試験で求められる苛酷な環境条件である周囲温度４９℃及び放射照度値１１２０Ｗ／m²における太陽熱試験評価を実現できるという効果がある。

第２に、市販されている低価格のランプを活用して所望の自然環境を実現できるという効果がある。
第３に、試験のための最適のランプ配列を設計することにより、照射目標領域内の放射均一性を±１０％以内に維持し、試験評価期間及び費用を１／３程度に短縮するという効果がある。

最後に、ソーラーシミュレータに使用されるランプバンクを実生活で活用して、室外活動の少ない現代人が室内で自然光を体験できるという効果がある。

以下、本発明の好ましい実施形態について添付の図面を参照して説明する。
図１は、本発明による環境再現試験室の斜視図である。図１に示すように、本発明による環境再現試験室は、環境再現試験室の上部に設置されて３つの波長の太陽光に近似した光を照射するランプバンク１０と、そのランプバンク１０から発生する高熱を冷却するための冷気を放出する冷却装置３０と、その冷却装置３０から送出される冷気を分散させる空調機２０と、上記ランプバンク１０、空調機２０及び冷却装置３０を制御する第１、第２及び第３の電気パネル４０、５０、６０と、上記空調機２０により分散される冷気が前記ランプバンク１０に到達する前に下降しないように、上記ランプバンク１０と同一平面上に設置された多孔板７０とから構成される。

上述のランプバンク１０は、太陽光に非常に近似した赤外線、可視光線及び紫外線スペクトルを模擬できるように、複数のハロゲンランプ、ハロゲンフィルタランプ及び水銀ランプが特定の配列で配置されて構成される。
上述の冷却装置３０及び空調機２０は、環境再現試験室内の温度を制御して再現する環境に合うように調節し、前記ランプバンク１０から発生する高熱を冷却、分散させることにより、各ランプの寿命を延長させる。

上記の第１、第２及び第３の電気パネル４０、５０、６０は、環境再現試験室内部の照度を調節するために、前記ランプバンク１０を構成する各ランプの点灯及び消灯（オン・オフ動作）を制御し、また環境再現試験室内部の温度を調節するために、前記空調機２０及び冷却装置３０を制御する。
上記の多孔板７０は、ランプバンク１０と同一平面上に位置し、同ランプバンク１０より高い位置から放出される空調機２０の冷気が、前記ランプバンク１０に達する前に床底部に下降しないように、小径の孔が開けられた板で構成される。

図２は、本発明によるソーラーシミュレータを実施する環境再現試験室内におけるランプバンクの構成図である。図２に示すように、ランプバンク１０は、市販されているハロゲンフィルタランプ１１と、ハロゲンランプ１２と、水銀ランプ１３とから構成される。
前述したように、ランプバンク１０をハロゲンフィルタランプ１１、ハロゲンランプ１２及び水銀ランプ１３を組み合わせて構成したのは、太陽光に極めて近似した紫外線、可視光線及び赤外線領域の放射照度値を得るためである。

前記のハロゲンランプ１２による光スペクトルでは、短波長から長波長になるにつれて放射照度が高くなるのに対し、実際の太陽光は、短波長から長波長になるにつれて放射照度が低くなる。これにより、前記ハロゲンランプ１２のみを使用する場合、太陽光に比べて、紫外線領域の放射照度は低く、赤外線領域の放射照度は高くなる。
従って、前記ハロゲンランプ１２による、紫外線領域における不足分の放射照度は、水銀ランプ１３により補完し、赤外線領域における過剰分の放射照度は、ハロゲンフィルタランプ１１により減少させる。ここで、このハロゲンフィルタランプ１１は、ハロゲンランプ１２に赤外線フィルタを装着して、ハロゲンランプ１２から放出される赤外線の量を減少させたランプである。

前記のランプバンク１０の波長別放射照度が太陽光の波長別放射照度に近似するという条件と共に、照射される領域における放射照度の均一性を維持するという条件を満たさなければならない。このために、ランプバンク１０内の位置が照射される領域における均一性に影響を及ぼすハロゲンランプ１２は中央に配置し、ランプバンク１０内の位置が照射される領域における均一性に影響を及ぼさない水銀ランプ１３は外郭に配置する。また、前記ランプバンク１０が実際の太陽光に近似した量の赤外線を放出できるように、ランプバンク１０の中心に、つまり上記ハロゲンランプ１２の内側にハロゲンフィルタランプ１１を配置する。

具体的には、前記ランプバンク１０の形状を決定するために、被試験体（試料）と中心ランプの中心との間の距離(Ｈ_０)、ランプの行方向及び列方向の間隔、ランプバンクの横及び縦の長さ、行方向及び列方向のランプ個数、並びに、天頂角に関するデータを既開発のシミュレーションプログラムに入力して、ランプバンク１０を構成する各ランプのＸ、Ｙ座標を計算する。本発明においては、前記入力データのうち、天頂角の値を０゜にして、ランプバンク１０が被試験体と水平になるように設定する。これは、ランプバンク１０が水平状でない場合、つまり天頂角が０°でない場合、天頂角の中心に熱が集まってランプの寿命が短縮する問題が発生するので、ランプバンク１０が被試験体と垂直平面をなすようにするのである。従って、ランプバンク１０のＺ座標はＨ_０となり、Ｘ、Ｙ座標は、ランプの行方向及び列方向の間隔、ランプバンクの横及び縦の長さ、行方向及び列方向のランプ個数の入力データに対する前記シミュレーションの計算結果となる。

本発明の一実施形態によれば、ランプバンク１０を構成するハロゲンフィルタランプ１１、ハロゲンランプ１２及び水銀ランプ１３を、図２に示すように配置することができ、ここで、実験による波長別放射照度は次の表１に示すとおりである。

即ち、表１に示すように、全放射照度は、苛酷な環境でのテストのための放射照度値である１１２０Ｗ／m²の±１０％の範囲内に該当する約１１０６Ｗ／m²であった。また、実験により、定義された面積(６０cm×６０cm)内で、放射照度が１１２０Ｗ／m²の±１０％以内で均一であることを確認することができた。

前記のランプバンク１０と同一平面上の該ランプバンク１０以外の領域には、多孔板７０が形成されており、前記多孔板７０の孔の直径は、前記ランプバンク１０を構成する各ランプ間の距離より小さく設計して、前記空調機２０から放出される多量の空気が前記ランプバンク１０まで届くようにする。即ち、空調機２０により環境再現試験室の天頂部に向けて放出される冷気が、ランプバンク１０に届く前に下降することを防止するために、孔の直径が小さい多孔板７０を設置することにより、多くの空気がランプバンク１０を通過するようにする。

図３は、本発明によるソーラーシミュレータを備えた環境再現試験室の内部配列図である。図３に示すように、環境再現試験室のランプバンク１０から放射される光が照射される領域の中央に被試験体を配置し、前記光が照射される領域における照度の均一性を高めるために、外郭に位置したランプは所定の角度だけ中心方向に傾ける。
前記環境再現試験室の内部には、環境再現試験室の内部温度を維持し、前記のランプバンク１０の温度が上昇してランプの寿命を短縮することを防止するために、高熱を冷却、分散させる冷却装置３０及び空調機２０を装着する。前記の冷却装置３０は、圧縮器、凝縮器及び毛細管を含み、前記の冷却装置３０で凝縮された流体冷媒は、前記空調機２０内部の蒸発器２３で気化されて送風機２１を通じて排出される。ここで、前記の空調機２０内部のヒータ２２は、前記蒸発器２３から発散する冷気（ガス冷媒）の温度を調節する。

図４（Ａ）は、本発明によるソーラーシミュレータを具備した環境再現試験室の側面図である。図４（Ａ）に示すように、環境再現試験室の側面には、ランプバンク１０、空調機２０及び冷却装置３０をそれぞれ制御する第１、第２及び第３の電気パネル４０、５０、６０が備えられる。
図４（Ｂ）は、第１の電気パネルの正面図及び左側面図である。図４（Ｂ）に示すように、前記の第１の電気パネル４０は、送風機２１及び冷却装置３０が稼動されているか否かが点灯状態で確認できる送風機／冷却装置稼動確認ランプ４１と、前記の送風機２１及び冷却装置３０を稼動させるための送風機／冷却装置稼動スイッチ４２と、前記の送風機２１及び冷却装置３０を制御するための基準値並びに前記のランプバンク１０の点灯／消灯を制御するための基準値が格納、設定されて、内部信号及びタイム信号により温度制御及び照度制御を行う制御器４３と、環境再現試験室の照度、温度、湿度及び風速をそれぞれ測定して表示するための照度表示部４４、温度表示部４５、湿度表示部４６、風速表示部４７と、環境再現試験室の照度、温度、湿度及び風速の変化を記録する記録計４８とを含んで構成されている。

前記の制御器４３は、温度制御及び照度制御を行うための基準となる、日の出時から日没時までの温度基準値及び照度基準値が設定されており、これらの温度基準値及び照度基準値を基準にして環境再現試験室の温度制御及び照度制御を行う。
一実施形態として、前記制御器４３には、ＯＹＯ社製の制御器(モデル名：Ｕ−６６２２Ｐ−ＣＨ３)を使用することができ、前記の記録計４８には、市販されている横河電機株式会社製のμＲ１８００を使用することができる。

前記の第２の電気パネル５０は、ランプ点灯確認部５１とランプスイッチ５２とから構成され、上記のランプバンク１０の各ランプの点灯及び消灯を制御すると共に、各ランプの点灯状態を確認できるようにする。
以下、一日の間に空気温度が３０℃から４４℃の範囲で変動し、放射照度が０Ｗ／m²から１１２０Ｗ／m²の範囲で変動する領域の環境を再現するための本発明の制御過程を説明する。

まず、再現しようとする前記領域の温度変化値及び照度変化値を制御器４３に入力し、電源を投入すると、ランプバンク１０、空調機２０、冷却装置３０、並びに、第１、第２及び第３の電気パネル４０、５０、６０に電源が供給され、前記の第１の電気パネル４０の制御器４３は、タイム信号に従って環境再現試験室内の照度を調節する。
ここで、タイム信号は、段階１から段階４までの４つに区分され、前記第１の電気パネル４０の制御器４３は、タイム信号の段階が段階１から段階４に進むにつれて点灯するランプの個数が増加するように前記ランプバンク１０を制御する。また、上位段階(例えば、段階３)のタイム信号により点灯するランプは、下位段階(例えば、段階２)のタイム信号により点灯するランプを含み、前記の各段階のタイム信号は、それぞれ少なくとも１つ以上のハロゲンフィルタランプ１１、ハロゲンランプ１２及び水銀ランプ１３を点灯させる。

例えば、日の出時間から１時間３０分間を段階１、次の１時間３０分間を段階２、次の２時間を段階３、そして、温度及び照度の最も高い午前１１時から午後３時までを段階４に設定し、それ以後日没時間に近づくほどタイム信号の段階を次第に下げる。ここで、その領域における実際の照度変化にさらに近似した環境を実現するために、前記タイム信号の段階を時間帯によってさらに細かく区分するようにもできる。

また、前記制御器４３は、環境再現試験室内部の温度センサ(図示せず)により測定された室内温度が基準の温度値に接近、近似するように、前記空調機２０及び冷却装置３０を制御する。
前記第３の電気パネル６０は、各水銀ランプ１３の電圧を一定にする水銀ランプ安定器(図示せず)を内蔵しており、放射照度を一定に維持する。

図５の（Ａ）、（Ｂ）は、実際の太陽光の放射照度と本発明によるソーラーシミュレータによる光の放射照度とを示すグラフである。図５の(Ａ)は、実際の太陽光の放射照度を示すグラフで、本発明により再現しようとする領域の一日の間における温度及び放射照度の変化を示すものであり、一日に温度が３０℃から４４℃の範囲で変動し、放射照度が０Ｗ／m²から１１２０Ｗ／m²の範囲で変動する。図５の(Ｂ)は、本発明によるソーラーシミュレータを備えた環境再現試験室内部の温度及び放射照度の変化を示すグラフで、前記の制御器４３によりランプバンク１０、空調機２０及び冷却装置３０を制御することによって、図５(Ａ)のグラフと近似したグラフが得られたことが分かる。

本発明による環境再現試験室の斜視図である。 本発明による環境再現試験室のランプバンクの構成図である。 本発明による環境再現試験室の内部配列図である。 （Ａ）は、本発明による環境再現試験室の側面図、（Ｂ）は、本発明による第１の電気パネルの詳細構成図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、実際の太陽光の放射照度と本発明による放射照度とを示すグラフである。

符号の説明

１０ ランプバンク
１１ ハロゲンフィルタランプ
１２ ハロゲンランプ
１３ 水銀ランプ
２０ 空調機
２１ 送風機
２２ ヒータ
２３ 蒸発器
３０ 冷却装置
４０ 第１の電気パネル
４１ 送風機／冷却装置稼動確認ランプ
４２ 送風機／冷却装置稼動スイッチ
４３ 制御器
４４ 照度表示部
４５ 温度表示部
４６ 湿度表示部
４７ 風速表示部
４８ 記録計
５０ 第２の電気パネル
５１ ランプ点灯確認部
５２ ランプスイッチ
６０ 第３の電気パネル
７０ 多孔板

Claims (14)

1. 環境再現試験室において水銀ランプ、ハロゲンランプを組み合わせ方式に使用してソーラーシミュレーションをするソーラーシミュレータにおいて、
   前記環境再現試験室の上部に装着された複数のハロゲンランプ、ハロゲンランプに赤外線フィルタが装着された複数のハロゲンフィルタランプ、及び複数の水銀ランプから構成されたランプバンクと、
   前記ランプバンクから発生する高熱を冷却するための空気を放出する冷却装置と前記冷却装置から放出される空気を前記ランプバンクに向けて分散させる空調機を含む温度調節部と、
   前記ランプバンク及び前記温度調節部の動作を制御する電気パネルと、
   を備えて構成され、
   前記ランプバンクは、中央に前記複数のハロゲンフィルタランプが配置され、前記複数のハロゲンフィルタランプの外側に前記複数のハロゲンランプが配置され、前記複数のハロゲンランプの外側に前記複数の水銀ランプが配置されていることを特徴とするソーラーシミュレータ。
2. 前記ランプバンクが、天頂角が０°となる水平状に構成されることを特徴とする請求項１に記載のソーラーシミュレータ。
3. 前記電気パネルが、前記水銀ランプの電圧を一定に維持する水銀ランプ安定器を含むことを特徴とする請求項１に記載のソーラーシミュレータ。
4. 前記電気パネルが、内部信号によって前記温度調節部の動作を制御し、タイム信号によって前記ランプバンクを構成する前記ランプの点灯及び消灯を制御する制御器をさらに含み、前記制御器には、温度変化基準値及び照度変化基準値が格納、設定されていることを特徴とする請求項１に記載のソーラーシミュレータ。
5. 前記タイム信号の段階を区分して、前記照度変化基準値に応じて所定のランプを任意に選択して点灯させることを特徴とする請求項４に記載のソーラーシミュレータ。
6. 前記タイム信号の各段階で点灯させるランプは、１つ以上のハロゲンフィルタランプと、１つ以上のハロゲンランプと、１つ以上の水銀ランプとから構成されることを特徴とする請求項５に記載のソーラーシミュレータ。
7. 前記タイム信号の下位段階から上位段階に進むにつれて放射照度が増加するように設定された場合、下位段階のタイム信号により点灯するランプが、上位段階のタイム信号により点灯するランプに含まれることを特徴とする請求項５または６に記載のソーラーシミュレータ。
8. 前記内部信号は、環境再現試験室内部の温度が前記温度変化基準値と一致するように、前記空調機及び冷却装置を制御することを特徴とする請求項４に記載のソーラーシミュレータ。
9. 前記ランプバンクと同一平面上の該ランプバンク以外の領域に配置される多孔板をさらに含み、前記多孔板の孔の直径が、前記ランプバンク内の各ランプの間隔より小さいことを特徴とする請求項１に記載のソーラーシミュレータ。
10. 複数のハロゲンランプ、ハロゲンランプに赤外線フィルタが装着された複数のハロゲンフィルタランプ、及び複数の水銀ランプを用いてランプバンクを構成し、
    前記複数のハロゲンフィルタランプは、前記ランプバンクの中央に配置し、前記複数のハロゲンランプは、前記複数のハロゲンフィルタランプの外側に配置し、前記複数の水銀ランプは、前記複数のハロゲンランプの外側に配置することを特徴とする水銀ランプとハロゲンランプの組み合わせ方式を利用したソーラーシミュレータ。
11. 前記ランプバンクを構成する複数のランプが相互に平行配列をなすことを特徴とする請求項１０に記載のソーラーシミュレータ。
12. 実際の放射照度の一日の間の変化に対応するように、前記ランプバンクを構成するランプを任意に選択して点灯させることを特徴とする請求項１０に記載のソーラーシミュレータ。
13. 実際の放射照度の一日の間の変化によってランプ点灯段階を区分し、各ランプ点灯段階で、１つ以上のハロゲンフィルタランプ、１つ以上のハロゲンランプ、及び１つ以上の水銀ランプを点灯させることを特徴とする請求項１０に記載のソーラーシミュレータ。
14. 実際の放射照度の一日の間の変化によってランプ点灯段階を区分する際に、放射照度の低い下位段階で点灯するランプが放射照度の高い上位段階でも点灯することを特徴とする請求項１０または１３に記載のソーラーシミュレータ。