JP5183651B2 - ヘリオスタット用凹面反射鏡およびその製造方法 - Google Patents
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Description
ここで、反射部材の支持は、少なくとも3点であればよい。3点を超える多点や、全周を連続した線で支持することを含む。また、回転支持であっても固定支持であってもよい。
図1および図2は、本発明の第1実施形態のヘリオスタット用凹面反射鏡10を示す。ヘリオスタット用凹面反射鏡10は、反射部材11、フレーム部材12、および、調整部材13を備えている。
次に、反射部材11の鏡面部15が放物面を形成するための凹面の設計方法について説明する。
まず、最初に、平面状の鏡に太陽の光を反射させて、距離Lだけ離れた加熱部に当てる場合を想定する。太陽の視半径をαとすると、加熱部における太陽の像の半径rSは、
半径rにおける法線の傾きγは、次式で表される。
本発明によるヘリオスタット用凹面反射鏡10の製造方法では、プレス設備および金型を用いることなく、反射部材11の略中央に荷重を加えて反射部材11を変形させるようにしている。
図9に示すように円板の中央に集中荷重Pが作用する場合、外周からi番目の要素iの円板の傾きdw/dr、たわみw、モーメント(r方向)Mrの一般式は次式で表される。
r=rMにおいて、Mr=0であるので、
r=riにおいて、w,dw/dr,Mrが連続であるので、
r=0にて有限であるので、
以上をまとめると、
各式の係数を以下のように置換する。
以上の式により円板のたわみを計算する。
続いて、ヘリオスタット用凹面反射鏡10の製造の手順を説明する。
反射部材11は、前面が平面であり、背面16が中央から周辺部に向かって階段状となるように、鋳造により一体的に、または、径の異なる板を重ねて互いに接合することにより、基材14を形成する。そして、基材14の前面に、鏡面加工、銀の蒸着、および、ミラーシートの貼着により、鏡面部15を形成する。そして、調整部材13の棒材25の先端を、反射部材11の背面16の中央に、反射部材11の背面16の軸方向に延びるように接合する。
図13に示すように、反射部材11を基材14が上になるように置く。そして、フレーム部材12の取り付け用フレーム部18の挿通孔22に、反射部材11の背面16に接合された調整部材13の棒材25を挿通させた後、フレーム部材12の円環状リブ20が、反射部材11の背面16と当接し、反射部材11の中央とフレーム部材12の中央とを一致させるようにして、フレーム部材12を反射部材11の上に置く。
フレーム部材12に当接したバネ26に抗して調整ナット28をさらにねじ込むと、反射部材11の背面16と、調整ナット28との距離は短くなり、反射部材11の背面16の中央は上昇する。これにより、反射部材11は、鏡面部15側が凹面となるように変形する。反射部材11が、所望の放物面が形成されるまで、調整ナット28をねじ込んで調整する。
図14(a)、および、図14(b)は、第1実施形態のヘリオスタット用凹面反射鏡10の変形例を示す。図14(a)に示すヘリオスタット用凹面反射鏡10において、反射部材11には、中央に貫通孔が設けられている。フレーム部材12の取り付け用フレーム部18は、反射部材11の背面16側に設けられ、調整部材13は、反射部材11の鏡面部15側に設けられている。調整部材13の棒材25の一端は、フレーム部材12の取り付け用フレーム部18に接合されている。図14(b)に示すヘリオスタット用凹面反射鏡10において、フレーム部材12の取り付け用フレーム部18、および、調整部材13は、反射部材11の鏡面部15側に設けられている。いずれのヘリオスタット用凹面反射鏡10においても、調整部材13により、反射部材11を鏡面部15側から押圧するようになっている。
図15および図16は、本発明の第2実施形態のヘリオスタット用凹面反射鏡10を示す。本実施形態において、第1実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付して説明を省略する。
次に、反射部材11の鏡面部15が放物面を形成するための凹面の設計方法について説明する。
図21のハッチングを施した部分について、1/8モデルで、計算を行う。本解析は半径方向の傾きが重要であるため、その傾きで判断する。放物面の半径方向の傾きは半径方向の位置に比例する(例えば、y=x2の場合、傾きは2xとなる)。従って、半径方向の傾きの分布が等間隔の同心円になったとき理想的な放物面になる。
図22に示すように、モデル1では、斜辺に半径方向リブ(放射状リブ)を設け、半径方向リブの、四角形の角部に対応する位置に支点を設け、円周方向リブ(補助リブ)を4本設けた。この場合、図22に示すように、変位は同心円であるが、図23に示すように、傾きは同心円になっていない。そのため、このモデルのように反射部材を形成しても集光できない。
図24に示すように、モデル2では、モデル1に、斜辺ではない辺上に半径方向リブ(放射状リブ)を追加し、半径方向リブの中央ではない側に支点を追加した。図24に示すように、変位は同心円であり、図25に示すように、傾きもほぼ同心円であるため、ほぼ放物面である。外周部は放物面からずれている。
図26に示すように、モデル3では、モデル2から、円周方向リブ(補助リブ)をなくした。この場合、図27に示すように、モデル2とほとんど変わらず、円周方向リブの有無は傾きにほとんど影響しない。しかしながら、外周部には少し変化が見られた。
有限要素法による解析結果より、反射部材11は、図28に示すように、45°の間隔で放射状リブを設け、該放射状リブの先端の、正方形の角部上と、互いに対角線上にない角部と角部との中点上に、支点を設けるのが良いことが分かった。円周方向リブの有無は傾きにほとんど影響がないので、反射部材11に放射面を形成させるという点では必要はない。しかしながら、放射状リブの倒れを防止する目的で補助リブを配設してもよい。なお、リブの数が多くなる場合には、アルミダイキャストや射出成形により形成しても良い。この場合には、軽量化できる。
続いて、ヘリオスタット用凹面反射鏡10の製造の手順を説明する。
反射部材11は、外形が正方形であり、かつ、厚さが一定の平板の背面35にめねじが切られたボス部36を接合する。そして、正方形の角部と、角部と角部の間の中点とに、脚部41を接合する。そして、中央から周辺部に向かうに従って剛性が低い放射状リブ部37を、ボス部36と脚部41の間に、45°の間隔で接合する。その際、対角線上の放射状リブ部37は、対角線上でない放射状リブ部37より長いものを接合する。そして、補助リブ部39をボス部36と同心円状に配置し、放射状リブ部37の上端で補助リブ部39を接合する。そして、平板の前面に、鏡面加工、銀の蒸着、および、ミラーシートの貼着により、鏡面部15を形成する。
図29に示すように、反射部材11を背面35が上になるように置く。そして、フレーム部材12のボス部36に調整部材13の棒材25をねじ込む。そして、フレーム部材12の梁部40の貫通孔42に、反射部材11の背面16にねじ込まれた調整部材13の棒材25を挿通させた後、フレーム部材12の脚部41が反射部材11の背面16の支柱部38と当接し、反射部材11の中央とフレーム部材12の中央とを一致させるようにして、フレーム部材12を反射部材11の上に置く。
フレーム部材12に当接したバネ26に抗して調整ナット28をさらにねじ込むと、反射部材11の背面35と、調整ナット28との距離は短くなり、反射部材11の背面35の中央は上昇する。これにより、反射部材11は、鏡面部15側が凹面となるように変形する。反射部材11が、所望の放物面が形成されるまで、調整ナット28をねじ込んで調整する。その際、角部の脚部41と反射部材11の支柱部38との間の隙間にはシム43を挿入する。
第2実施形態のヘリオスタット用凹面反射鏡10の変形例として、第1実施形態の図14(a)および図14(b)と同様に、フレーム部材12の取り付け用フレーム部18、および、調整部材13を配設してもよい。
図33および図34は、本発明の第3実施形態のヘリオスタット用凹面反射鏡10を示す。本実施形態において、第2実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付して説明を省略する。
11 反射部材
12 フレーム部材
13 調整部材
14 基材
15 鏡面部
16 背面
17 支持フレーム部
18 取り付け用フレーム部
19 貫通孔
20 円環状リブ
21a 梁部
21b 脚部
22 挿通孔
25 棒材
26 バネ
27 ワッシャ
28 調整ナット
31 鏡
32 加熱部
33 円板
34 平板部
35 背面
36 ボス部
37 放射状リブ部
38 支柱部
39 補助リブ部
40 梁部
41 脚部
42 貫通孔
TC 中央の肉厚
TO 外周部の肉厚
Claims (6)
- 基材の前面に鏡面部が設けられ、中央の剛性より周辺部の剛性が低く、弾性的に変形可能な反射部材と、
前記反射部材の背面の周辺部を支持するフレーム部材と、
前記反射部材の背面または前面の略中央と対向する位置で、前記フレーム部材に取り付けられ、前記反射部材の背面を引っ張り、または、前記反射部材の前面を押圧して、前記反射部材を弾性的に変形させる調整部材と
を備え、
前記反射部材は、
外形が四角形であり、かつ、厚さが一定の平板部と、
前記平板部の背面の対角線上と、該対角線と対角線との間とにそれぞれ突設され、中央から周辺部に向かうに従って剛性が低い複数の放射状リブ部と
を有し、
前記複数の放射状リブ部のうち、前記対角線上に配設された放射状リブ部の前記四角形の角部側の先端に設けられた4つの支点を少なくとも含む4つ以上の支点により支持されることを特徴とするヘリオスタット用凹面反射鏡。 - 基材の前面に鏡面部が設けられ、中央の剛性より周辺部の剛性が低く、弾性的に変形可能な反射部材と、
前記反射部材の背面の周辺部を支持するフレーム部材と、
前記反射部材の背面または前面の略中央と対向する位置で、前記フレーム部材に取り付けられ、前記反射部材の背面を引っ張り、または、前記反射部材の前面を押圧して、前記反射部材を弾性的に変形させる調整部材と
を備え、
前記反射部材は、
外形が四角形であり、かつ、厚さが一定の平板部と、
前記平板部の背面の対角線上と、該対角線と対角線との間とにそれぞれ突設され、中央から周辺部に向かうに従って剛性が低い複数の放射状リブ部と
を有し、
前記複数の放射状リブ部のうち、前記対角線上に配設された放射状リブ部の前記四角形の角部側の先端に、前記フレーム部材に支持される4つの支点を設け、該支点をつなぐように周辺リブ部を設けたことを特徴とするヘリオスタット用凹面反射鏡。 - 前記各放射状リブ部は、前記平板部の背面から突出する高さをhとし、幅をbとした場合、bh3の値を前記支点からの距離に略比例する値としたことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のヘリオスタット用凹面反射鏡。
- 隣接する前記複数の放射状リブ部を補助リブ部により連結したことを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載のヘリオスタット用凹面反射鏡。
- 外形が四角形であり、背面の対角線上と、該対角線と対角線との間とにそれぞれ突設され、中央から周辺部に向かうに従って剛性が低く、前記四角形の角部側の先端に設けられた4つの支点を少なくとも含む4つ以上の支点を有する複数の放射状リブ部が設けられた厚さが一定の平板部の前面に鏡面部を形成して、前記鏡面部が凹面の放物面を形成するように弾性的に変形可能な反射部材を形成し、
調整部材を取り付けて前記反射部材の基材の背面の周辺部をフレーム部材によって前記支点により支持し、
前記フレーム部材に設けられた調整部材により、前記反射部材の背面の基材の略中央を引っ張り、または、前記反射部材の前面の鏡面部の略中央を押圧して、前記反射部材を弾性的に変形させることを特徴とするヘリオスタット用凹面反射鏡の製造方法。 - 外形が四角形であり、背面に、該四角形の対角線上と、該対角線と対角線との間とにそれぞれ突設され、中央から周辺部に向かうに従って剛性が低く、前記四角形の角部側の先端に4つの支点を有する複数の放射状リブ部および前記支点をつなぐ周辺リブ部が設けられた厚さが一定の平板部の前面に鏡面部を形成して、前記鏡面部が凹面の放物面を形成するように弾性的に変形可能な反射部材を形成し、
調整部材を取り付けて前記反射部材の基材の背面の周辺部をフレーム部材によって前記支点により支持し、
前記フレーム部材に設けられた調整部材により、前記反射部材の背面の基材の略中央を引っ張り、または、前記反射部材の前面の鏡面部の略中央を押圧して、前記反射部材を弾性的に変形させることを特徴とするヘリオスタット用凹面反射鏡の製造方法。
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