JP6687259B2 - Light energy time sharing device - Google Patents

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本発明は、集光された太陽光の光エネルギー、または、ランプ等人工光源の光エネルギーを、時分割で分配する光エネルギー時分割分配装置、植物工場、建築物、光エネルギー時分割分配方法及び回転筒に関し、特に、入射された光エネルギーを、高速で分配する構造を有する光エネルギー時分割分配装置、植物工場、建築物、光エネルギー時分割分配方法及び回転筒に関する。   The present invention provides a light energy time-division distribution device, a plant factory, a building, a light energy time-division distribution method for distributing the light energy of concentrated sunlight or the light energy of an artificial light source such as a lamp in a time-division manner. More particularly, the present invention relates to a light energy time division distribution device having a structure for distributing incident light energy at high speed, a plant factory, a building, a light energy time division distribution method, and a rotation tube.

近年の地球温暖化防止の気運から、再生可能エネルギー利用のニーズが以前にもまして高まっている。中でも太陽光は、太陽光発電パネル及び太陽熱集熱装置を用いた発電への利用、または、温水生成への利用に適用されることが多い。他にも太陽光は、住宅またはオフィス等の建築物における採光システムへの利用に適用されている。   Due to the recent tendency to prevent global warming, the need for using renewable energy is increasing more than ever. Above all, sunlight is often used for power generation using a solar power generation panel and a solar heat collector, or for hot water generation. In addition, sunlight has been applied for use in daylighting systems in buildings such as houses or offices.

一方、植物工場において、強い光を必要とする陽性植物を栽培する場合には、陽性植物に対して、太陽光や高輝度ランプ等の光を照射する。省エネルギーの目的から、これら太陽光や高輝度ランプ等の光をパルス状に高速で点滅または時分割して配光する場合もある。また、光をパルス状に植物に対して照射すると、植物の光合成が加速されることが、特許文献1〜3に開示されている。   On the other hand, when cultivating a positive plant that requires strong light in a plant factory, the positive plant is irradiated with light such as sunlight or a high-intensity lamp. In order to save energy, the light from the sunlight or high-intensity lamp may be blinked in a pulsed manner at high speed or may be time-divided to distribute light. Further, Patent Documents 1 to 3 disclose that photosynthesis of a plant is accelerated when the plant is irradiated with light in pulses.

このように、住宅、オフィス等の建築物、植物工場(太陽光併用型、完全人工光型を含む)の他にも、病棟、教育施設他の建物、あるいはこれ以外の幅広い用途や目的で、光エネルギーの時分割分配装置及び光エネルギーの時分割分配方法の開発が望まれている。   In this way, in addition to buildings such as houses and offices, plant factories (including solar combined type, complete artificial light type), wards, educational facilities and other buildings, or for a wide range of other purposes and purposes, It is desired to develop a time-division distribution device for light energy and a time-division distribution method for light energy.

特開平03−059610号公報JP, 03-059610, A 特公平05−019129号公報Japanese Patent Publication No. 05-019129 特公昭62−006785号公報Japanese Patent Publication No. 62-006785 特許第4280456号公報Japanese Patent No. 4280456

植物工場研究所、“パルス光が植物の光合成速度に与える影響”、[online]、平成26年8月17日、[平成27年12月3日検索]、インターネット<URL:http:// www.sasrc.jp/pulse.htm>Plant Factory Research Institute, “Influence of pulsed light on photosynthetic rate of plants”, [online], August 17, 2014, [December 3, 2015 search], Internet <URL: http: // www .sasrc.jp / pulse.htm>

上述のように、太陽光や高輝度人工光などの強い光(高い光量子束密度(photosynthetic photon flux density)の光、以下高いPPFDの光と記す。)を高速に点滅または時分割して分配する技術が望まれているにもかかわらず、そのような技術はまだ確立されていない。ここで、高い光量子束密度(高いPPFD)とは、自然光の最大PPFDに相当する約2000マイクロモル毎平方メートル毎秒(単位:μmol/m2/s)の10分の1程度以上(≧約200μmol/m2/s)のPPFDの光エネルギーをいう。また、ここで、高速とは、光の点滅周波数が例えば数十ヘルツ以上で明暗を繰り返す状態、また光を分配する時の時間幅が例えば約100マイクロ秒以下になる状態をいう。 As described above, strong light such as sunlight or high-brightness artificial light (light with high photosynthetic photon flux density, hereinafter referred to as high PPFD light) blinks at high speed or is time-divided and distributed. Despite the desire for technology, such technology has not yet been established. Here, high photon flux density (high PPFD) means about one-tenth or more (≧ about 200 μmol / s) of about 2000 micromoles per square meter per second (unit: μmol / m 2 / s), which corresponds to the maximum PPFD of natural light. m 2 / s) PPFD light energy. In addition, the term "high speed" as used herein refers to a state in which the light blinking frequency is, for example, several tens of hertz or higher and light and dark are repeated, and a time width for distributing light is, for example, about 100 microseconds or less.

例えば、特許文献1〜3には、回転傾斜鏡による光分配機能及び入射側光ファイバーと射出側光ファイバーの接合面の物理的な切り替え機能による時分割分配の構造が開示されている。しかしながら、これらの構造は複雑であるため、高速化させることが困難である。また、光の反射面が狭いために、高いPPFDの光を時分割分配することは困難である。   For example, Patent Documents 1 to 3 disclose a structure of time division distribution by a light distribution function by a rotating tilted mirror and a physical switching function of a joint surface between an incident side optical fiber and an exit side optical fiber. However, since these structures are complicated, it is difficult to increase the speed. In addition, it is difficult to time-divisionally distribute high PPFD light because the light reflection surface is narrow.

一方、光源そのものが高速に点滅可能な発光ダイオード(以下、LEDと記す。)を用いた場合には、光を意図的に高速に点滅させることができる。LEDを用いることで、植物工場における省エネルギー化と長寿命化を実現することができる。しかし、完全人工光型植物工場において、LEDの光の点滅を利用して、強い光を必要とするトマトやメロン他の陽性植物の光合成を加速させることはできない。LEDの光源は、陽性植物の光合成に必要な輝度及びPPFDが十分ではない。   On the other hand, when the light source itself uses a light emitting diode (hereinafter, referred to as an LED) capable of blinking at high speed, light can be intentionally blinked at high speed. By using LEDs, it is possible to save energy and extend the life of plant factories. However, it is not possible to accelerate the photosynthesis of tomatoes, melons, and other positive plants that require strong light, using the blinking of LED light in a fully artificial light plant factory. The LED light source does not have sufficient brightness and PPFD for photosynthesis of positive plants.

輝度を上げるためには照射面積当たりのLEDの個数を多くする方法もある。しかし、LEDの電気-光変換時の損失による発熱への対策が必要となる。また、この損失分を含む多くのLEDの発光駆動に大きな電力を必要とする。このようなことから、LEDの個数を多くすることは採算性から考慮して現実的ではない。   There is also a method to increase the number of LEDs per irradiation area to increase the brightness. However, it is necessary to take measures against the heat generated by the loss of electricity-light conversion of LEDs. In addition, a large amount of power is required to drive the light emission of many LEDs including this loss. For this reason, increasing the number of LEDs is not practical considering profitability.

仮に、光合成の加速のためではなく、省エネルギー化のためだけとしても、LEDを含め蛍光灯、ナトリウムランプやメタルハライドランプ他の人工光では、発熱と消費電力が問題となる。このように、発熱及び消費電力の問題のために、LEDを用いる方法は、輝度やPPFDを十分に上げることができない。   Temporarily, not only for accelerating photosynthesis but also for energy saving, heat generation and power consumption are problems in fluorescent lights including LEDs, sodium lamps, metal halide lamps and other artificial lights. As described above, due to the problems of heat generation and power consumption, the method using LEDs cannot sufficiently increase the brightness and PPFD.

一般的に、完全人工光型植物工場において、レタスやホウレンソウなどの半陰性植物や陰性植物の栽培が多くなるのは、このように発熱及び消費電力とのトレードオフにより、PPFDを容易に上げられないためである。   Generally, in a fully artificial light type plant factory, the cultivation of semi-negative plants and negative plants such as lettuce and spinach increases, and thus PPFD can be easily raised due to the trade-off between heat generation and power consumption. Because there is no.

一般的に、陽性植物の栽培には、自然の太陽光を活用している。日射が強すぎる場合は遮光している。仮に40%程度に遮光したとしてもPPFDは約1000(単位:μmol/m2/s)程度もある。これは、一般的に使われている植物工場用LED光源の20センチメートル程度上空からの照射に比べると、少なくとも4倍以上のPPFDである。 Generally, natural sunlight is used to grow positive plants. If the sunlight is too strong, it is blocked. Even if the light is shielded to about 40%, the PPFD is about 1000 (unit: μmol / m 2 / s). This is a PPFD that is at least four times as high as the irradiation from the LED light source for plant factories, which is generally used, from about 20 cm above the sky.

よって陽性植物の栽培で、パルス状発光の高速な点滅制御を行うためには、太陽光や高輝度人工光などの高いPPFDの光を高速に点滅または時分割して分配する構造が必要とされる。しかしながら、植物工場及び植物工場以外の用途であっても、現時点で、高いPPFDの光を高速に点滅または時分割して分配する技術は見当たらない。このことが課題となっている。   Therefore, in the cultivation of positive plants, in order to perform high-speed blinking control of pulsed light emission, it is necessary to have a structure that blinks the high PPFD light such as sunlight or high-brightness artificial light at high speed or distributes it in time division. It However, even for plant factories and applications other than plant factories, at present, there is no technique for blinking high PPFD light at high speed or for time-sharing distribution. This is a challenge.

また、他の課題としては、特許文献1でも開示されているように、高いPPFDの光を、時分割して分配する場合に光の反射面で発生する熱の問題が挙げられる。   Further, as another problem, as disclosed in Patent Document 1, there is a problem of heat generated on the light reflecting surface when the high PPFD light is time-divided and distributed.

反射面における狭い範囲に高いPPFDの光を照射する場合には、反射面に排熱する機能がない場合には、反射面を構成する素材が発熱により変形または焼損するおそれがある。すなわち、狭い範囲に集光した高いPPFDの光を、例えば、回転傾斜鏡やポリゴンミラーなどを用いて反射させる場合、反射面に用いる素材の反射損失により、光エネルギーが熱に変換される。変換された熱は、反射面を構成する素材に対して、変形または焼損を引き起こす。   When a high PPFD light is applied to a narrow area on the reflection surface, the material forming the reflection surface may be deformed or burned by heat if the reflection surface does not have a function of exhausting heat. That is, when the high PPFD light condensed in a narrow range is reflected using, for example, a rotating tilt mirror or a polygon mirror, the light energy is converted into heat by the reflection loss of the material used for the reflecting surface. The converted heat causes deformation or burning of the material forming the reflecting surface.

この発熱の影響を防ぐための対策として、熱排出を目的とする空冷または水冷他の冷却機能が必要となる。例えば、北緯35度付近の晴天時の地表面において、1平方メートルの面積で太陽に向けた集光機能から得られる光エネルギーは、全波長域の総和で最大約1キロワット秒(=1000ジュール)である。仮に、ほぼ無損失で集光された光エネルギーが反射面で2%ほど損失し、更に、この損失エネルギーが全て素材側で熱に変わると仮定する。そうすると、この時の熱エネルギーは約20ワット秒(=20ジュール)に相当する。   As a measure to prevent the influence of this heat generation, a cooling function such as air cooling or water cooling for the purpose of discharging heat is required. For example, the light energy obtained from the light concentrating function toward the sun in an area of 1 square meter on the ground surface in fine weather near 35 degrees north latitude is about 1 kilowatt second (= 1000 joules) at the maximum in all wavelength ranges. is there. It is assumed that the light energy collected with almost no loss is lost by about 2% on the reflecting surface, and that this loss energy is entirely converted to heat on the material side. Then, the thermal energy at this time is equivalent to about 20 watt seconds (= 20 joules).

より具体的に示すと、全ての辺が5センチメートルのアルミニウムの立方体において、反射率が98パーセントの或る1面を反射面とする。そして、この面全体に約1キロワット秒の光エネルギーを照射する。そうすると、アルミニウムの立方体の周囲が無風で20℃程度ならば、2%分の損失エネルギーの発熱となる。これにより、理論上は、照射後100分くらいでアルミニウムの表面温度が摂氏160度以上に達する。アルミニウムの温度が140度上昇すると体積が約1%膨張する。したがって、反射面は変形し、光の反射性能にも影響する。   More specifically, in an aluminum cube having 5 cm on all sides, one surface having a reflectance of 98% is defined as a reflecting surface. Then, the entire surface is irradiated with light energy of about 1 kilowatt second. Then, if there is no wind around the aluminum cube and the temperature is about 20 ° C, 2% of the energy loss is generated. As a result, theoretically, the surface temperature of aluminum reaches 160 degrees Celsius or higher about 100 minutes after irradiation. When the temperature of aluminum rises 140 degrees, the volume expands by about 1%. Therefore, the reflecting surface is deformed, which also affects the light reflecting performance.

このように、高いPPFDの光を、時分割して分配する場合には、光の反射面で発生する熱が課題となっている。   As described above, when the high PPFD light is time-divided and distributed, the heat generated at the light reflection surface is a problem.

さらに、他の課題としては、高いPPFDの光を時分割で分配させる構成が複雑であることが挙げられる。   Furthermore, another problem is that the structure for distributing the high PPFD light in a time division manner is complicated.

特許文献1には、反射鏡、または、反射鏡と併用された導光ロッド、光ファイバーを回転させることで、導光路を機械的に切り替えることが開示されている。しかし、特許文献1に開示されているように、時分割で分配する数が多くなるほど、構成部品が増える。そのため、加工に要求される精度が高くなる。   Patent Document 1 discloses that a light guide path is mechanically switched by rotating a reflecting mirror, a light guiding rod used together with the reflecting mirror, or an optical fiber. However, as disclosed in Patent Document 1, as the number of time-divided distributions increases, the number of components increases. Therefore, the accuracy required for processing becomes high.

さらに、時分割を高速にするほど、回転部材のぶれが大きくなるので、軸加工の精度を高くする必要が生じる。このため、構成部品の配置及び質量のバランスを取るのが困難となる。また、導光路及び光ファイバーの断面形状等、多くの部材の加工精度と組立精度が要求される。   Furthermore, as the speed of the time division is increased, the swinging of the rotating member becomes larger, so that it becomes necessary to increase the accuracy of the shaft machining. This makes it difficult to balance the arrangement and mass of the components. Further, processing accuracy and assembly accuracy of many members such as the cross-sectional shapes of the light guide path and the optical fiber are required.

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、集光された太陽光やランプ等の高いPPFDの光を時分割分配する装置において、反射面での発熱の影響を抑えつつ、装置の構造を簡素化し、光エネルギーを高速で時分割分配することができる光エネルギー時分割分配装置、植物工場、建築物、光エネルギー時分割分配方法及び回転筒を提供することを目的とする。   The present invention has been made in order to solve such a problem, in a device that time-divisionally distributes high PPFD light such as concentrated sunlight and lamps, suppresses the influence of heat generation on the reflecting surface. While simplifying the structure of the device, it is an object to provide a light energy time-division distribution device, a plant factory, a building, a light energy time-division distribution method, and a rotary cylinder, which are capable of time-division distribution of light energy at high speed. To do.

一実施の形態に係る光エネルギー時分割分配装置は、外周面を有し中心軸を回転軸として回転する回転筒であって、一方向から入射する入射光を、第1方向に反射する第1反射面及び前記入射光を前記第1方向と異なる第2方向に反射する第2反射面を含む前記外周面を有する回転筒と、前記第1方向に反射された光を、所定の空間の第1照明範囲に導光する第1反射光導光路と、前記第2方向に反射された光を、前記第1照明範囲と異なる所定の空間の第2照明範囲に導光する第2反射光導光路と、を備え、前記第1反射面及び前記第2反射面における前記回転軸に直交した断面形状は、それぞれ前記回転軸を中心とした対数螺旋曲線の所定の一部を含む。   A light energy time-sharing distribution device according to an embodiment is a rotary cylinder that has an outer peripheral surface and that rotates about a central axis as a rotation axis, and that reflects incident light that is incident from one direction in a first direction. A rotating cylinder having the outer peripheral surface including a reflecting surface and a second reflecting surface that reflects the incident light in a second direction different from the first direction, and the light reflected in the first direction in a predetermined space. A first reflected light guide path that guides the light in one illumination range, and a second reflected light guide path that guides the light reflected in the second direction to a second illumination range in a predetermined space different from the first illumination range. , And the cross-sectional shapes of the first reflecting surface and the second reflecting surface orthogonal to the rotation axis each include a predetermined part of a logarithmic spiral curve about the rotation axis.

また、一実施の形態に係る植物工場は、前記光エネルギー時分割分配装置を用いる。   Moreover, the plant factory which concerns on one Embodiment uses the said light energy time division distribution apparatus.

さらに、一実施の形態に係る建築物は、前記光エネルギー時分割分配装置を用いる。   Furthermore, the building which concerns on one Embodiment uses the said light energy time division distribution apparatus.

一実施の形態に係る光エネルギー時分割分配方法は、外周面を有し中心軸を回転軸として回転する回転筒であって、一方向から入射する入射光を、第1方向に反射する第1反射面及び前記入射光を前記第1方向と異なる第2方向に反射する第2反射面を含む前記外周面を有する回転筒に、前記一方向から光を入射させる工程と、前記第1方向に反射された第1反射光を、所定の空間の第1照明範囲に導光するとともに、前記第2方向に反射された第2反射光を、前記第1照明範囲と異なる所定の空間の第2照明範囲に導光する工程と、を備え、前記第1反射面及び前記第2反射面における前記回転軸に直交した断面形状は、それぞれ前記回転軸を中心とした対数螺旋曲線の所定の一部を含む。   A light energy time-sharing distribution method according to an embodiment is a rotary cylinder that has an outer peripheral surface and rotates about a central axis as a rotation axis, and that reflects incident light incident from one direction in a first direction. A step of causing light to be incident from the one direction to a rotating cylinder having the outer peripheral surface including a reflective surface and a second reflective surface that reflects the incident light in a second direction different from the first direction; and in the first direction The reflected first reflected light is guided to a first illumination range in a predetermined space, and the second reflected light reflected in the second direction is changed to a second in a predetermined space different from the first illumination range. And a step of guiding light to an illumination range, wherein the cross-sectional shapes of the first reflecting surface and the second reflecting surface orthogonal to the rotation axis are each a predetermined part of a logarithmic spiral curve about the rotation axis. including.

また、一実施の形態に係る回転筒は、外周面を有し中心軸を回転軸として回転する回転筒であって、一方向から入射する入射光を、第1方向に反射する第1反射面及び前記入射光を前記第1方向と異なる第2方向に反射する第2反射面を含む前記外周面を備え、前記第1反射面及び前記第2反射面における前記回転軸に直交した断面形状は、それぞれ前記回転軸を中心とした対数螺旋曲線の所定の一部を含む。   Further, the rotary cylinder according to one embodiment is a rotary cylinder that has an outer peripheral surface and rotates about a central axis as a rotation axis, and a first reflecting surface that reflects incident light incident from one direction in a first direction. And the outer peripheral surface including a second reflection surface that reflects the incident light in a second direction different from the first direction, and the cross-sectional shape of the first reflection surface and the second reflection surface orthogonal to the rotation axis is , Each containing a predetermined portion of a logarithmic spiral curve about the axis of rotation.

一実施の形態によれば、発熱の影響を抑えつつ、装置の構造を簡素化し、光エネルギーを高速で時分割分配することができる光エネルギー時分割分配装置、植物工場、建築物、光エネルギー時分割分配方法及び回転筒を提供する。   According to one embodiment, while suppressing the influence of heat generation, the structure of the device is simplified, and the light energy time division distribution device capable of distributing the light energy at high speed in a time division manner, a plant factory, a building, a light energy time division device. A method for dividing and distributing and a rotating cylinder are provided.

実施の形態1に係る光エネルギー時分割分配用の回転筒を例示した図であり、(a)は斜視図であり、(b)及び(c)は、回転軸に直交する断面図である。It is a figure which illustrated the rotary cylinder for optical energy time division distribution which concerns on Embodiment 1, (a) is a perspective view, (b) and (c) are sectional drawings orthogonal to a rotating shaft. (a)は、実施の形態1に係る対数螺旋曲線及び断面形状が対数螺旋曲線となっている反射面に対する入射光及び反射光を例示した図であり、(b)及び(c)は、実施の形態1に係る反射面に用いられた対数螺旋曲線の一部を例示した図である。(A) is the figure which illustrated the incident light and reflected light with respect to the reflective surface which has the logarithmic spiral curve and cross-sectional shape which are logarithmic spiral curves based on Embodiment 1, and (b) and (c) shows It is a figure which illustrated a part of logarithmic spiral curve used for the reflective surface which concerns on the form 1 of FIG. (a)及び(b)は、実施の形態1の変形例に係る回転筒を例示した断面図である。(A) And (b) is sectional drawing which illustrated the rotary cylinder which concerns on the modification of Embodiment 1. As shown in FIG. 実施の形態2に係る光エネルギー時分割分配装置を例示した図である。It is the figure which illustrated the light energy time division distribution device concerning Embodiment 2. 実施の形態2における光エネルギー時分割分配装置による照射範囲の明暗の遷移を例示した図である。FIG. 8 is a diagram exemplifying transitions of light and darkness of an irradiation range by the light energy time division distribution device in the second embodiment. 実施の形態2に係る集光器における受光エネルギー及び照射範囲における照射エネルギーを算出するための要素を例示した図である。FIG. 9 is a diagram exemplifying elements for calculating received light energy and irradiation energy in an irradiation range in the light collector according to the second embodiment. 実施の形態2に係る光エネルギー時分割分配装置を用いた光エネルギー時分割分配方法を例示したフローチャート図である。FIG. 7 is a flowchart diagram illustrating a light energy time division distribution method using the light energy time division distribution device according to the second embodiment. 実施の形態2の変形例に係る光エネルギー時分割分配装置を例示した図である。FIG. 11 is a diagram illustrating a light energy time division distribution device according to a modification of the second embodiment. 実施の形態3に係る光エネルギー時分割分配装置を例示した図である。FIG. 9 is a diagram illustrating a light energy time division distribution device according to a third embodiment. 実施の形態4に係る光エネルギー時分割分配装置を例示した図である。It is the figure which illustrated the light energy time division distribution device concerning Embodiment 4.

(実施の形態1)
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。実施の形態1は、光エネルギー時分割分配に用いる回転筒についてのものである。まず、図1(a)〜(c)を参照して、実施の形態1に係る回転筒を説明する。
(Embodiment 1)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The first embodiment relates to a rotary cylinder used for time division sharing of light energy. First, the rotary cylinder according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.

図1は、実施の形態1に係る光エネルギー時分割分配用の回転筒を例示した図であり、(a)は斜視図であり、(b)及び(c)は、回転軸に直交する断面図である。図1(a)〜(c)に示すように、回転筒1は、略円筒状の部材である。円筒状における中心軸に相当する位置に軸2が設けられている。軸2は、線状に延びた部材である。軸2に沿った方向を軸方向とする。軸2を中心に回転する方向を回転方向とする。   1A and 1B are views exemplifying a rotary cylinder for time division distribution of light energy according to Embodiment 1, where FIG. 1A is a perspective view, and FIGS. 1B and 1C are cross-sections orthogonal to a rotation axis. It is a figure. As shown in FIGS. 1A to 1C, the rotary cylinder 1 is a substantially cylindrical member. The shaft 2 is provided at a position corresponding to the central axis of the cylindrical shape. The shaft 2 is a member that extends linearly. The direction along the axis 2 is defined as the axial direction. The direction of rotation about the axis 2 is the direction of rotation.

回転筒1の外周面3は、複数の反射面4、例えば、複数の第1反射面4a及び複数の第2反射面4bを含んでいる。複数の第1反射面4a及び複数の第2反射面4bは、回転筒1の軸方向における一方の端から他方の端まで軸方向に延びている。第1反射面4a及び第2反射面4bは、外周面3を、回転方向に沿って交互に配置されている。したがって、外周面3は、軸方向に細長く延びた第1反射面4a及び第2反射面4bが外周に沿って交互に並んだ縞模様となっている。第1反射面4a及び第2反射面4bの回転方向における幅は、例えば、等しくなっている。第1反射面4a及び第2反射面4bは、外周面3における回転方向において相互に隣り合っている。   The outer peripheral surface 3 of the rotary cylinder 1 includes a plurality of reflecting surfaces 4, for example, a plurality of first reflecting surfaces 4a and a plurality of second reflecting surfaces 4b. The plurality of first reflecting surfaces 4a and the plurality of second reflecting surfaces 4b extend in the axial direction from one end in the axial direction of the rotary cylinder 1 to the other end. The 1st reflective surface 4a and the 2nd reflective surface 4b arrange the outer peripheral surface 3 by turns along the rotation direction. Therefore, the outer peripheral surface 3 has a striped pattern in which the first reflecting surfaces 4a and the second reflecting surfaces 4b elongated in the axial direction are alternately arranged along the outer circumference. The widths of the first reflecting surface 4a and the second reflecting surface 4b in the rotation direction are equal, for example. The first reflecting surface 4a and the second reflecting surface 4b are adjacent to each other in the rotation direction of the outer peripheral surface 3.

例えば、第1反射面4aは、外周面3における回転方向に等間隔で6個配置されている。第2反射面4bは、等間隔で配置された第1反射面4aの間に6個配置されている。軸2に直交する断面において、30°の角度に対応する円弧の部分に各反射面4が配置されている。   For example, six first reflecting surfaces 4a are arranged at equal intervals in the rotation direction of the outer peripheral surface 3. Six second reflection surfaces 4b are arranged between the first reflection surfaces 4a arranged at equal intervals. In the cross section orthogonal to the axis 2, each reflecting surface 4 is arranged in a circular arc portion corresponding to an angle of 30 °.

複数のスポーク5は、軸2から回転筒1の内周面に放射状に延びるように設けられている。複数のスポーク5によって、軸2と回転筒1とが固定されている。軸2は、図示しないモータに接続されている。モータを駆動させることにより、軸2を回転軸として、回転筒1を回転させることができる。このように、回転筒1は、外周面3を有し、中心軸を回転軸として回転する。なお、モータは、例えば、制御器を介して電源に接続されている。また、制御器はセンサによって回転筒1の回転をセンサしつつ、モータの回転を制御している。   The plurality of spokes 5 are provided so as to extend radially from the shaft 2 to the inner peripheral surface of the rotary cylinder 1. The shaft 2 and the rotary cylinder 1 are fixed by a plurality of spokes 5. The shaft 2 is connected to a motor (not shown). By driving the motor, the rotary cylinder 1 can be rotated with the shaft 2 as the rotary shaft. Thus, the rotary cylinder 1 has the outer peripheral surface 3 and rotates about the central axis. The motor is connected to a power source via a controller, for example. Further, the controller controls the rotation of the motor while sensing the rotation of the rotary cylinder 1 by the sensor.

回転筒1には、光6、例えば、軸方向に延びたライン状の光6が入射する。入射光は、一方向、例えば、上方から回転筒1の外周面3に入射する。外周面3は回転筒1の回転に伴って回転している。これにより、外周面3に入射した光6は、第1反射面4a及び第2反射面4bに交互に入射する。第1反射面4aは、入射した光6を第1方向7aに反射する。第2反射面4bは、入射した光6を第2方向7bに反射する。   Light 6, for example, linear light 6 extending in the axial direction is incident on the rotary cylinder 1. Incident light is incident on the outer peripheral surface 3 of the rotary cylinder 1 from one direction, for example, from above. The outer peripheral surface 3 rotates as the rotary cylinder 1 rotates. As a result, the light 6 incident on the outer peripheral surface 3 is alternately incident on the first reflecting surface 4a and the second reflecting surface 4b. The first reflecting surface 4a reflects the incident light 6 in the first direction 7a. The second reflecting surface 4b reflects the incident light 6 in the second direction 7b.

このように、回転筒1は、一方向から入射する入射光を、第1方向に反射する第1反射面及び入射光を第1方向と異なる第2方向に反射する第2反射面を含む外周面を有している。第1反射面4aにより反射された光8aは第1方向7aに進む。第2反射面4bにより反射された光8bは、第2方向7bに進む。なお、光6は、高いPPFDの光が望ましいが、これに限らない。LEDの光でもよい。第1反射面4a及び第2反射面4bの回転軸に直交した断面形状は、回転軸を中心にした対数螺旋曲線の一部を含んでいる。第1反射面4a及び第2反射面4bは、この断面形状を軸方向に平行移動した形状となっている。   As described above, the rotary cylinder 1 has an outer circumference including the first reflecting surface that reflects the incident light that is incident from one direction in the first direction and the second reflecting surface that reflects the incident light in the second direction different from the first direction. Has a face. The light 8a reflected by the first reflecting surface 4a travels in the first direction 7a. The light 8b reflected by the second reflecting surface 4b proceeds in the second direction 7b. The light 6 is preferably high PPFD light, but is not limited to this. LED light may be used. The cross-sectional shapes of the first reflecting surface 4a and the second reflecting surface 4b orthogonal to the rotation axis include a part of a logarithmic spiral curve centered on the rotation axis. The first reflecting surface 4a and the second reflecting surface 4b have a shape obtained by translating the cross-sectional shape in the axial direction.

図2を参照して、実施の形態1に係る第1反射面4a及び第2反射面4bに用いられた対数螺旋曲線を説明する。図2(a)は、実施の形態1に係る対数螺旋曲線及び断面形状が対数螺旋曲線となっている反射面に対する入射光及び反射光を例示した図であり、(b)及び(c)は、実施の形態1に係る反射面に用いられた対数螺旋曲線の一部を例示した図である。   With reference to FIG. 2, a logarithmic spiral curve used for the first reflecting surface 4a and the second reflecting surface 4b according to the first embodiment will be described. FIG. 2A is a diagram exemplifying incident light and reflected light with respect to a reflecting surface having a logarithmic spiral curve and a cross-sectional shape of a logarithmic spiral curve according to the first embodiment, and (b) and (c) of FIG. FIG. 5 is a diagram illustrating a part of a logarithmic spiral curve used for the reflecting surface according to the first embodiment.

対数螺旋曲線は等角螺旋曲線とも呼ばれ、一般に、以下の数式で表される(θ、bの単位:radian)。   The logarithmic spiral curve is also called an equiangular spiral curve, and is generally represented by the following mathematical formula (θ, b unit: radian).

ここで、長さrは原点からの距離、角θは螺旋の回転角、係数aは回転角θ=0における原点からの距離を示す。図2に示すように、角bに依存して対数螺旋曲線9上のどの点でも曲率は一定である。対数螺旋曲線9上の接線t1及びt2と、中心Oとを結ぶ線R11及びR21との成す角は、常に角bとなる。よって、対数螺旋曲線9上での光の入反射を考えると、入射光I11と接線t1の垂線S1とのなす角及び反射光I12と接線t1の垂線S1との成す角、すなわち、入射角及び反射角φは、以下のように導かれ(φの単位:radian)、対数螺旋曲線9上のどの点でも常に一定である。   Here, the length r indicates the distance from the origin, the angle θ indicates the rotation angle of the spiral, and the coefficient a indicates the distance from the origin at the rotation angle θ = 0. As shown in FIG. 2, the curvature is constant at any point on the logarithmic spiral curve 9 depending on the angle b. The angle formed by the tangent lines t1 and t2 on the logarithmic spiral curve 9 and the lines R11 and R21 connecting the center O is always the angle b. Therefore, considering the incident / reflection of light on the logarithmic spiral curve 9, the angle formed by the incident light I11 and the perpendicular S1 of the tangent t1 and the angle formed by the reflected light I12 and the perpendicular S1 of the tangent t1, that is, the incident angle and The reflection angle φ is derived as follows (unit of φ: radian), and is always constant at any point on the logarithmic spiral curve 9.

なお、図2では対数螺旋曲線9の外側からの入射角及び反射角を表しているが、内側からの入射角及び反射角においても一定になる性質は同じである。   Note that, although the incident angle and the reflection angle from the outside of the logarithmic spiral curve 9 are shown in FIG. 2, the properties which are constant also in the incident angle and the reflection angle from the inside are the same.

図2(b)に示すように、第1反射面4aにおける回転軸に直交した断面形状は、回転軸を中心Oとした対数螺旋曲線の一部9aを含んでいる。また、図2(c)に示すように、第2反射面4bにおける回転軸に直交した断面形状は、回転軸を中心Oとした対数螺旋曲線の一部9bを含んでいる。このように、第1反射面4a及び第2反射面4bにおける回転軸に直交した断面形状は、それぞれ回転軸を中心Oとした対数螺旋曲線の一部を含んでいる。   As shown in FIG. 2B, the cross-sectional shape of the first reflecting surface 4a orthogonal to the rotation axis includes a part 9a of a logarithmic spiral curve whose center is the rotation axis O. Further, as shown in FIG. 2C, the cross-sectional shape of the second reflection surface 4b orthogonal to the rotation axis includes a part 9b of a logarithmic spiral curve with the rotation axis as the center O. As described above, the cross-sectional shapes of the first reflection surface 4a and the second reflection surface 4b orthogonal to the rotation axis each include a part of a logarithmic spiral curve with the rotation axis as the center O.

対数螺旋曲線9のこの性質を利用した機能には、例えば、特許文献4がある。特許文献4は、図2の原点を結ぶ線の距離であるr1及びr2が異なることを利用したものである。入射光を固定し、対数螺旋曲線側を回転させたときの反射光を含めた光路長が回転角に応じて変化することから、光路の遅延時間を変化させるために対数螺旋曲線の反射を利用する用法である。   A function utilizing this property of the logarithmic spiral curve 9 is, for example, Patent Document 4. Patent Document 4 utilizes that the distances r1 and r2 of the line connecting the origins in FIG. 2 are different. Since the optical path length including the reflected light when the incident light is fixed and the logarithmic spiral curve side is rotated changes according to the rotation angle, the reflection of the logarithmic spiral curve is used to change the delay time of the optical path. Is the usage.

本発明では、入射光を固定し、原点を結ぶ線上に光を入射させるところは同じであるが、複数の異なる曲率の対数螺旋曲線を用いて複数の方向へ反射させることを目的とするため、対数螺旋曲線の用法にはっきりとした違いがある。   In the present invention, the incident light is fixed, and the place where the light is incident on the line connecting the origin is the same, but for the purpose of reflecting in a plurality of directions using a plurality of logarithmic spiral curves of different curvatures, There is a clear difference in the usage of logarithmic spiral curves.

図1(b)及び(c)に示すように、軸方向から見たとき、軸2を原点として外周面3を各30°に分割した12個の部分に分けて対数螺旋曲線9の一部を配置している。そして、この12個の部分において、隣り合う部分が互いに対数螺旋曲線9の曲率の正負を反対にした部分を配置している。すなわち、例えば、対数螺旋曲線9の曲率の正の部分を、第1反射面4aとし、対数螺旋曲線9の曲率の負の部分を、第2反射面4bとしている。このように、第2反射面4bにおける断面形状の対数螺旋曲線は、第1反射面4aにおける断面形状の対数螺旋曲線の曲率の正負を逆としたものになっている。   As shown in FIGS. 1 (b) and 1 (c), when viewed from the axial direction, the outer peripheral surface 3 is divided into 12 parts each divided by 30 degrees with the axis 2 as the origin, and a part of the logarithmic spiral curve 9 is divided. Are arranged. In the 12 parts, adjacent parts are arranged such that the positive and negative of the curvature of the logarithmic spiral curve 9 are opposite to each other. That is, for example, the positive curvature portion of the logarithmic spiral curve 9 is the first reflecting surface 4a, and the negative curvature portion of the logarithmic spiral curve 9 is the second reflecting surface 4b. As described above, the logarithmic spiral curve of the cross-sectional shape of the second reflecting surface 4b has the positive and negative signs of the curvature of the logarithmic spiral curve of the cross-sectional shape of the first reflecting surface 4a.

外周面3の断面形状は、緩やかな山及び谷が形成されている。緩やかと表現しているのは対数螺旋曲線5の曲率が比較的小さいことを意味する。曲率の小さい時とは角bの絶対値が比較的90°側に近い状態をいう。つまり、入反射角φが小さい時と言い換えることもできる。   The cross-sectional shape of the outer peripheral surface 3 is formed with gentle peaks and valleys. The expression "gradual" means that the logarithmic spiral curve 5 has a relatively small curvature. When the curvature is small, the absolute value of the angle b is relatively close to 90 °. That is, it can be said that the incident / reflection angle φ is small.

図1(b)及び(c)において、一方向、例えば、上方から回転筒1に光6が入射される場合に、回転筒1は回転しているため、光6は、第1反射面4a及び第2反射面4bに交互に入射する。光6が第1反射面4aに入射している間は、第1反射面4aのどの部分に入射していても、第1方向7aに反射する。そして、回転筒1の回転に伴って、光6の入射が、第1反射面4aから第2反射面4bに切り替わると、第2方向7bに反射されるようになる。光6が第2反射面4bに入射している間は、第2反射面4bのどの部分に入射していても、第2方向7bに反射する。   1B and 1C, when the light 6 is incident on the rotary cylinder 1 from one direction, for example, from above, the rotary cylinder 1 is rotating, and therefore the light 6 is reflected by the first reflecting surface 4a. And alternately enter the second reflecting surface 4b. While the light 6 is incident on the first reflecting surface 4a, it is reflected in the first direction 7a regardless of which portion of the first reflecting surface 4a is incident. Then, when the incidence of the light 6 is switched from the first reflecting surface 4a to the second reflecting surface 4b with the rotation of the rotary cylinder 1, the light 6 is reflected in the second direction 7b. While the light 6 is incident on the second reflecting surface 4b, it is reflected in the second direction 7b regardless of which part of the second reflecting surface 4b is incident.

このように、第1反射面4a及び第2反射面4bの断面形状に、対数螺旋曲線を利用しているので、外周面3に入射した光6は、第1反射面4aまたは第2反射面4bの曲率で決定される第1方向7a及び第2方向7bのいずれかに反射することになる。このとき入射光の光束にある程度の幅があったとしても、曲率が比較的小さい場合の入反射角φの角度差の幅は小さい。このため、同一反射面内の反射において反射された光8の角度的な広がりは少ない。よって、光束は、概ねある一定の方向へ纏まった束となって向かう。よって、一定の速度で回転する回転筒1の回転角に応じて、例えば、第1方向7a及び第2方向7bの2方向へスイッチするように時分割で分配される。   In this way, since the logarithmic spiral curve is used for the cross-sectional shapes of the first reflecting surface 4a and the second reflecting surface 4b, the light 6 incident on the outer peripheral surface 3 is not reflected by the first reflecting surface 4a or the second reflecting surface. It reflects in either the first direction 7a or the second direction 7b determined by the curvature of 4b. At this time, even if the luminous flux of the incident light has a certain width, the width of the angle difference between the incident and reflected angles φ when the curvature is relatively small is small. Therefore, the angular spread of the light 8 reflected by the reflection within the same reflection surface is small. Therefore, the light flux heads as a bundle in a certain fixed direction. Therefore, in accordance with the rotation angle of the rotary cylinder 1 that rotates at a constant speed, for example, it is distributed in a time-division manner so as to switch to two directions of the first direction 7a and the second direction 7b.

図1(b)及び(c)の例では、一回転する間に第1反射面4a及び第2反射面4bがそれぞれ6つあるように配置されている。したがって、回転筒1が1回転する毎に、第1方向7a及び第2方向7bの2つの方向へ6回の分配が行われる。このとき、例えば、第1方向7aから回転筒1を見ていると、回転筒1が1回転する毎に光が6回の点滅を行っているように見える。対数螺旋曲線9の鏡面は全て同じ30°の角度で分割されている。よって、回転筒1が等速度で回転している場合には、光の明暗周期における明時間または暗時間は等しい。デューティ比は50%になる。   In the example shown in FIGS. 1B and 1C, the first reflection surface 4a and the second reflection surface 4b are arranged so that each of them has six during one rotation. Therefore, every one rotation of the rotary cylinder 1, the distribution is performed 6 times in the two directions of the first direction 7a and the second direction 7b. At this time, for example, when the rotary cylinder 1 is viewed from the first direction 7a, it seems that the light flashes six times each time the rotary cylinder 1 makes one rotation. The mirror surfaces of the logarithmic spiral curve 9 are all divided at the same angle of 30 °. Therefore, when the rotary cylinder 1 is rotating at a constant speed, the light time or dark time in the light-dark cycle of light is equal. The duty ratio is 50%.

本実施形態の回転筒1によれば、太陽光等の高いPPFDの光を時分割分配することができる。回転筒1の回転速度を変えることにより、時分割の周期を制御することができる。また、回転速度を高速にすることにより、高いPPFDの光を高速で時分割分配することができる。   According to the rotating cylinder 1 of the present embodiment, it is possible to time-distribute the high PPFD light such as sunlight. By changing the rotation speed of the rotary cylinder 1, the time division cycle can be controlled. Also, by increasing the rotation speed, it is possible to distribute high PPFD light at high speed in a time division manner.

また、回転筒1は高速で回転しているので、反射光による熱は発散される。よって、熱による回転筒1の変形及び破損等を抑制することができる。さらに、筒状の部材を回転させるだけで、時分割分配することができるので、構造を簡単にすることができる。   Further, since the rotary cylinder 1 is rotating at a high speed, the heat generated by the reflected light is dissipated. Therefore, the deformation and damage of the rotary cylinder 1 due to heat can be suppressed. Furthermore, since the time-divisional distribution can be performed simply by rotating the tubular member, the structure can be simplified.

(変形例)
次に、実施の形態1の変形例を説明する。
図3(a)及び(b)は、実施の形態1の変形例に係る回転筒を例示した断面図である。図3(a)に示すように、回転筒1の第1反射面4a及び第2反射面4bの代わりに、曲率の異なる第3反射面4c及び第4反射面4dを配置してもよい。第3反射面4c及び第4反射面4dは、それぞれ異なる方向に入射光を反射する。
(Modification)
Next, a modified example of the first embodiment will be described.
3A and 3B are cross-sectional views illustrating a rotary cylinder according to a modification of the first embodiment. As shown in FIG. 3A, instead of the first reflecting surface 4a and the second reflecting surface 4b of the rotary cylinder 1, a third reflecting surface 4c and a fourth reflecting surface 4d having different curvatures may be arranged. The third reflecting surface 4c and the fourth reflecting surface 4d reflect incident light in different directions.

また、図3(b)に示すように、第1反射面4a及び第2反射面4bに加えて、入射光を第3方向に反射する第5反射面4e及び第4方向に反射する第6反射面4fを加えてもよい。すなわち、外周面3が、入射光を第1方向及び第2方向と異なる第3方向及び第4方向に反射する第5反射面及び第6反射面を含み、第5反射面及び第6反射面における回転軸に直交する断面形状は、回転軸を中心とした対数螺旋曲線の一部9a及び一部9b以外の部分を含んでいてもよい。   Further, as shown in FIG. 3B, in addition to the first reflecting surface 4a and the second reflecting surface 4b, a fifth reflecting surface 4e that reflects the incident light in the third direction and a sixth reflecting surface 4e that reflects the incident light in the fourth direction. The reflecting surface 4f may be added. That is, the outer peripheral surface 3 includes a fifth reflection surface and a sixth reflection surface that reflect incident light in a third direction and a fourth direction different from the first direction and the second direction, and the fifth reflection surface and the sixth reflection surface. The cross-sectional shape orthogonal to the rotation axis in may include a portion other than the part 9a and the part 9b of the logarithmic spiral curve centered on the rotation axis.

本変形例によれば、第1方向7a及び第2方向7bの2つの方向に加えて、第3方向及び第4方向等、3方向以上の方向に光エネルギーを高速で時分割分配することができる。その他の効果は、実施形態1と同様である。   According to this modification, in addition to the two directions of the first direction 7a and the second direction 7b, the light energy can be distributed at high speed in three or more directions, such as the third direction and the fourth direction. it can. Other effects are similar to those of the first embodiment.

(実施の形態2)
次に、実施の形態2を説明する。実施の形態2は、光エネルギー時分割分配装置についてのものである。図4を参照して、実施の形態2に係る光エネルギー時分割分配装置の構成を説明する。図4は、実施の形態2に係る光エネルギー時分割分配装置を例示した図である。
(Embodiment 2)
Next, a second embodiment will be described. The second embodiment relates to a light energy time division distribution device. The configuration of the optical energy time-division distribution device according to the second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a diagram illustrating a light energy time division distribution device according to the second embodiment.

図4に示すように、光エネルギー時分割分配装置20は、集光器11、入射光導光路12、回転筒1、受光部16a及び16b、筐体17、反射光導光路13a及び13b、照明器14a及び14bを備えている。   As shown in FIG. 4, the light energy time division distribution device 20 includes a condenser 11, an incident light guide path 12, a rotary cylinder 1, light receiving portions 16a and 16b, a housing 17, reflected light guide paths 13a and 13b, and an illuminator 14a. And 14b.

集光器11は、光6、例えば、太陽光を集光する。集光器11は、集光した光6をライン状に変換する。集光器11は、集光した光6を、連続的なライン状の光6、または、離散的なライン状の光6に変換する。入射する光6をライン状にすることで、発熱を低減することができる。また、光6をライン状とすることで、時分割分配された光のムラを抑制することができる。   The light collector 11 collects the light 6, for example, sunlight. The condenser 11 converts the condensed light 6 into a line shape. The condenser 11 converts the condensed light 6 into continuous line-shaped light 6 or discrete line-shaped light 6. By making the incident light 6 linear, heat generation can be reduced. Further, by making the light 6 linear, it is possible to suppress the unevenness of the time-divided light.

入射光導光路12は、例えば、光ファイバケーブルである。入射光導光路12は、集光器11で集光された光6を回転筒1まで導光する。入射光導光路12は、集光器11で変換されたライン状の光6を回転筒1へ導光する。   The incident light guide path 12 is, for example, an optical fiber cable. The incident light guide path 12 guides the light 6 condensed by the condenser 11 to the rotary cylinder 1. The incident light guide path 12 guides the linear light 6 converted by the condenser 11 to the rotary cylinder 1.

回転筒1は、入射光導光路12により回転筒1まで導光された光6を時分割分配する。回転筒1は、実施形態1で説明したように、光6を第1方向7a及び第2方向7bに時分割分配する。回転筒1は、筐体17の内部に配置されている。   The rotary cylinder 1 time-divisionally distributes the light 6 guided to the rotary cylinder 1 by the incident light guide path 12. The rotating cylinder 1 time-divisionally distributes the light 6 in the first direction 7a and the second direction 7b, as described in the first embodiment. The rotary cylinder 1 is arranged inside the housing 17.

反射光導光路13a及び13bは、例えば、光ファイバケーブルである。反射光導光路13a及び13bには、受光部16a及び16bが設けられている。反射光導光路13a及び13bは、受光部16a及び16bで受光した光を導光する。反射光導光路13a(第1反射光導光路)は、回転筒1の第1反射面4aにより第1方向7aに反射された光8を、照明範囲15a(第1照明範囲)に導光する。反射光導光路13b(第2反射光導光路)は、回転筒1の第2反射面4bにより第2方向7bに反射された光8を、照明範囲15b(第2照明範囲)に導光する。   The reflected light guide paths 13a and 13b are, for example, optical fiber cables. Light receiving portions 16a and 16b are provided in the reflected light guide paths 13a and 13b. The reflected light guide paths 13a and 13b guide the light received by the light receiving portions 16a and 16b. The reflected light light guide path 13a (first reflected light light guide path) guides the light 8 reflected in the first direction 7a by the first reflection surface 4a of the rotary cylinder 1 to the illumination range 15a (first illumination range). The reflected light light guide path 13b (second reflected light light guide path) guides the light 8 reflected in the second direction 7b by the second reflection surface 4b of the rotary cylinder 1 to the illumination range 15b (second illumination range).

反射光導光路13a及び13bにより、照明範囲15a及び15bに導光された光は、照明器14a及び14bを介して、照明範囲15a及び15bに照射される。   The light guided to the illumination ranges 15a and 15b by the reflected light guide paths 13a and 13b is applied to the illumination ranges 15a and 15b via the illuminators 14a and 14b.

このように、入射光は、回転筒1における反射面4(第1反射面4a及び第2反射面4b)に応じて何れかの方向(第1方向7a及び第2方向7b)へ反射される。したがって、入射光は、反射光導光路13a−照明器14a−照射範囲15aの通過ルートか、または、反射光導光路13b−照明器14b−照射範囲15bの通過ルートのどちらか一方へ導光される。なお、曲率の異なる反射面を増やして、3方向以上に導光してもよい。   In this way, the incident light is reflected in any direction (the first direction 7a and the second direction 7b) according to the reflecting surface 4 (the first reflecting surface 4a and the second reflecting surface 4b) of the rotary cylinder 1. . Therefore, the incident light is guided to either the reflected light guide path 13a-illuminator 14a-irradiation range 15a or the reflected light guide path 13b-illuminator 14b-irradiation range 15b. It is also possible to increase the number of reflecting surfaces having different curvatures and guide light in three or more directions.

図5は、実施の形態2における光エネルギー時分割分配装置による照射範囲の明暗の遷移を例示した図である。図5に示すように、回転筒1が、1回転をしたときの第1方向7a側及び第2方向7b側の照射範囲15a及び15bは、「明」及び「暗」が交互に繰り返されている。「明」の時が導光され照射されているときであり、「暗」は導光されていないときを表す。現実的には入射した光6には、わずかな幅がある。このため、回転筒1が回転するに伴い、入射光が異なる反射面4を跨ぐ時は、図5のように、明確にスイッチはしない。ここでは、便宜上理想的な細い光6の分配状態を表している。   FIG. 5 is a diagram exemplifying a transition of brightness and darkness of an irradiation range by the light energy time division distribution device according to the second embodiment. As shown in FIG. 5, in the irradiation ranges 15a and 15b on the first direction 7a side and the second direction 7b side when the rotary cylinder 1 makes one rotation, "bright" and "dark" are alternately repeated. There is. The "bright" time is when the light is guided and illuminated, and the "dark" is when the light is not guided. In reality, the incident light 6 has a slight width. Therefore, when the rotating cylinder 1 rotates, when the incident light straddles the reflecting surface 4 different from each other, the switch is not clearly switched as shown in FIG. Here, for convenience, an ideal thin light 6 distribution state is shown.

図5において、反射面4における照射面積が同じなら光量子束密度(PPFD)は同じレベルである。これは、回転筒1が2方向以上の時分割分配を行う場合でも同様である。   In FIG. 5, if the irradiation area on the reflecting surface 4 is the same, the photon flux density (PPFD) is at the same level. This is also the case when the rotary cylinder 1 performs time division distribution in two or more directions.

本実施形態の光エネルギー時分割分配装置20は、条件によっては、PPFDの光を受光面積以上の面積に照射することを可能にする。また、逆に、受光面積未満の面積に照射することで、条件によっては、光量子束密度を元の光より高い密度にして照射することができる。これについて、以下で説明する。   The light energy time-division distribution device 20 of the present embodiment makes it possible to irradiate the area of the light receiving area or more with the light of the PPFD depending on conditions. On the contrary, by irradiating an area smaller than the light receiving area, it is possible to make the photon flux density higher than the original light and irradiate depending on the conditions. This will be described below.

図6は、実施の形態2に係る集光器の受光エネルギー及び照射範囲の照射エネルギーを算出するための要素を例示した図である。図6に示すように、集光器11の受光面で受けた光6が集光器11、回転筒1、反射光導光路13a及び13b、照明器14a及び14bを介して、2つの照射範囲15a及び15bに照射される。このときの照射範囲15a及び15bは、回転筒1の回転に応じて明暗を繰り返す。集光器11から照射範囲15a及び15bまでの光の損失を考慮した通過率をそれぞれη1、η2とする。照射範囲15a及び15bに照射されている時間のデューティ比をそれぞれ50%とする。   FIG. 6 is a diagram exemplifying elements for calculating the received light energy of the condenser and the irradiation energy of the irradiation range according to the second embodiment. As shown in FIG. 6, the light 6 received by the light receiving surface of the light collector 11 passes through the light collector 11, the rotary cylinder 1, the reflected light guide paths 13a and 13b, and the illuminators 14a and 14b to generate two irradiation ranges 15a. And 15b. The irradiation ranges 15a and 15b at this time repeat light and dark according to the rotation of the rotary cylinder 1. Let η1 and η2 be the transmission rates in consideration of the loss of light from the condenser 11 to the irradiation ranges 15a and 15b, respectively. The duty ratio of the time of irradiation to the irradiation ranges 15a and 15b is 50%.

図6に示すように、集光器11における受光面積をS0、光量子束密度をD0、受光エネルギーをP0、平均光エネルギー係数をAとする。照射範囲15aにおける照射面積をS1、光量子束密度をD1、照射エネルギーをP1、平均光エネルギー係数をAとする。照射範囲15bにおける照射面積をS2、光量子束密度をD2、照射エネルギーをP2、平均光エネルギー係数をAとする。このとき、以下の式が成り立つ。   As shown in FIG. 6, the light receiving area in the condenser 11 is S0, the photon flux density is D0, the light receiving energy is P0, and the average light energy coefficient is A. The irradiation area in the irradiation range 15a is S1, the photon flux density is D1, the irradiation energy is P1, and the average light energy coefficient is A. The irradiation area in the irradiation range 15b is S2, the photon flux density is D2, the irradiation energy is P2, and the average light energy coefficient is A. At this time, the following formula is established.

なお係数Aは、光の波長帯域分布に依存する1光量子束あたりの平均光エネルギーを表す。ここでは、受光から照射までの間で波長帯域分布は変化しないと仮定する。受光側と全ての照射側で同じ平均光エネルギー係数Aを用いる。このとき、図5に示すように、時分割の分配が100%から0%、または、0%から100%のように綺麗に切り替わっている理想状態と仮定する。そうすると、時間軸上でP1とP2が同時にエネルギーを持つことはない。なお、η0は総合の通過率である。   The coefficient A represents the average light energy per one photon flux depending on the wavelength band distribution of light. Here, it is assumed that the wavelength band distribution does not change from light reception to irradiation. The same average light energy coefficient A is used on the light receiving side and all the irradiation sides. At this time, as shown in FIG. 5, it is assumed that the time-sharing distribution is switched from 100% to 0%, or from 0% to 100%, in an ideal state. Then, P1 and P2 do not have energy simultaneously on the time axis. Note that η0 is the overall pass rate.

次に、話を簡単にするために、便宜上、照射範囲15a及び15bにおいて照射面積が等しく、何れかに時分割分配されているときの光量子束密度および通過率も双方の導光路で等しいと仮定する。その場合には、以下の式が導かれる。   Next, for the sake of simplicity, it is assumed for the sake of convenience that the irradiation areas are equal in the irradiation ranges 15a and 15b, and that the photon flux density and the passage rate when they are time-divisionally distributed in either one are equal in both light guide paths. To do. In that case, the following equation is derived.

(3)式から(9)式に当てはめて整理すると最終的に以下の3つの式を得る。
When the equations (3) to (9) are applied and rearranged, the following three equations are finally obtained.

具体的に説明すると、受光面の光量子束密度D0と照射側の光量子束密度Dとを同じ光量子束密度にする目的の場合において、例えば通過率ηが50%以上の任意の通過率であったとする。そうすると、D0=D、50%≦η≦100%となるので、(13)式に当てはめると、以下のようになる。   Specifically, in the case of the purpose of making the photon flux density D0 of the light-receiving surface and the photon flux density D of the irradiation side the same photon flux density, for example, the passage rate η was any transmission rate of 50% or more. To do. Then, D0 = D, and 50% ≦ η ≦ 100%. Therefore, when the equation (13) is applied, the following is obtained.

元の受光面積S0以上の広い範囲の照射面積(S1+S2)へ照射できることが分かる。なおここまでの説明は、図1を基にした2分配の場合を考えた。ここで、更に新たに導光路数を表す変数として、Nを定義する。(10)式から(12)式の条件を導光路数Nまで拡張し、(13)式から(15)式を一般式化する。   It can be seen that it is possible to irradiate a wide range of irradiation area (S1 + S2) over the original light receiving area S0. In the above description, the case of two distributions based on FIG. 1 was considered. Here, N is newly defined as a variable representing the number of light guide paths. The conditions of the expressions (10) to (12) are expanded to the number N of light guide paths, and the expressions (13) to (15) are generalized.

ここで、個々の照射面の面積Sm、光エネルギーPmのサフィックスmは導光路番号を示し、1〜Nの整数をとる。また、ここでは、説明を簡単にするために、各照射面へ時分割分配された光の照射されている時間幅が全て等しいとして、パルス光照射面の時間軸上のデューティ比を、1/Nとする。加えて、便宜上、(10)式から(12)式の条件を拡張して、全ての導光路の通過率η1〜ηNは等しいとしてηで表し、照射面S1〜照射面SNも全て等しいとする。   Here, the area Sm of each irradiation surface and the suffix m of the light energy Pm indicate the light guide path number, and take an integer of 1 to N. In addition, here, for simplification of explanation, assuming that the time widths of time-divided light irradiation to the respective irradiation surfaces are all equal, the duty ratio on the time axis of the pulsed light irradiation surface is 1 / Let N. In addition, for the sake of convenience, the conditions of equations (10) to (12) are expanded so that the passage ratios η1 to ηN of all light guide paths are represented as η, and the irradiation surfaces S1 to SN are all equal. .

(17)式と(18)式を用いて、本実施形態の効果を説明する。ある目的から照射側の光量子束密度Dを受光面の光量子束密度D0に等しくしたい場合は、以下の式を(17)式に当てはめればよい。   The effects of the present embodiment will be described using equations (17) and (18). When it is desired to make the photon flux density D on the irradiation side equal to the photon flux density D0 on the light receiving surface for a certain purpose, the following equation may be applied to equation (17).

その結果、以下の式を得る。 As a result, the following equation is obtained.

この関係式から、受光面積S0の(N×η)倍の照射総面積ΣSmへ時分割の分配を可能にできることが分かる。言い換えれば、照射側総面積ΣSmの(1/(N×η))倍の受光面積S0で済むともいえる。後者を具体的に説明すると、照射側の光量子束密度Dを受光面の光量子束密度D0に等しくする場合に、2分配で通過率ηが60%のシステムの場合を想定すると、照射総面積ΣSmの約83.3%の受光面積S0で済むことが分かる。
一方で照射側総面積ΣSmと受光面積S0を等しくする場合は、以下の式を(17)式に当てはめればよい。
From this relational expression, it can be seen that time-division distribution can be made possible to the total irradiation area ΣSm of (N × η) times the light receiving area S0. In other words, it can be said that the light-receiving area S0 that is (1 / (N × η)) times the total irradiation-side area ΣSm is sufficient. Explaining the latter concretely, assuming that the photon flux density D on the irradiation side is equal to the photon flux density D0 on the light receiving surface, assuming a system with two distributions and a passage rate η of 60%, the total irradiation area ΣSm It can be seen that about 83.3% of the light receiving area S0 is sufficient.
On the other hand, when the irradiation side total area ΣSm and the light receiving area S0 are made equal, the following equation may be applied to the equation (17).

その結果、以下の式を得る。 As a result, the following equation is obtained.

この関係式から、受光面の光量子束密度D0の(N×η)倍の照射側光量子束密度Dが得られることが分かる。この照射側光量子束密度Dは、時分割分配によりパルス光になって照射される光が、一周期内で照射されている時間帯での光量子束密度である。また、照射側光量子束密度Dは、平均の光量子束密度ではなく、ピーク光量子束密度を示す。   From this relational expression, it can be seen that the irradiation-side photon flux density D that is (N × η) times the photon flux density D0 of the light-receiving surface can be obtained. The irradiation-side photon flux density D is the photon flux density in the time zone in which the light emitted as pulsed light by time division distribution is applied within one cycle. The irradiation-side photon flux density D indicates a peak photon flux density, not an average photon flux density.

このように(17)式において、照射側総面積ΣSmと受光面積S0の比(ΣSm/S0)や、受光面の光量子束密度D0と照射側光量子束密度Dの比(D0/D)、および導光路数Nと導光路の通過率ηとの積(N×η)の関係を調整すれば、様々な用途や目的に応用できる光エネルギー時分割分配装置を構成することができる。そして、これは、図1の入射光6の元の受光面積S0と反射光8の先で照射される照射側総面積ΣSmの関係が(17)式の条件を満たす範囲においてある程度の自由度があることから可能になっている。   Thus, in equation (17), the ratio of the total area ΣSm on the irradiation side to the light receiving area S0 (ΣSm / S0), the ratio of the photon flux density D0 on the light receiving surface to the light quantum flux density D on the irradiation side (D0 / D), and By adjusting the relationship of the product (N × η) of the number N of light guides and the transmission rate η of the light guides, it is possible to configure a light energy time divisional distribution device that can be applied to various purposes and purposes. Then, this means that there is a certain degree of freedom in the range where the relationship between the original light receiving area S0 of the incident light 6 and the irradiation side total area ΣSm irradiated at the tip of the reflected light 8 in FIG. It is possible because it is.

このように、(17)式に従い、条件によっては同一のピーク光量子束密度(D0=D)の光を受光面積S0以上の照射側総面積ΣSmに照射することを可能にする。他方で受光面積S0未満の照射側総面積ΣSmに照射することで、条件によってはピーク光量子束密度を元の光より高い密度、つまり、(D>D0)にして照射することをも可能にする効果がある。   As described above, according to the equation (17), it is possible to irradiate light having the same peak photon quantum flux density (D0 = D) to the irradiation side total area ΣSm of the light receiving area S0 or more depending on the conditions. On the other hand, by irradiating the irradiation side total area ΣSm that is less than the light receiving area S0, it is possible to make the peak photon flux density higher than the original light, that is, (D> D0) depending on the conditions. effective.

本実施形態によれば、光量子束密度の光を受光面積以上の面積に照射することを可能にする。また、逆に、受光面積未満の面積に照射することで、光量子束密度を元の光より高い密度にして照射することができる。   According to the present embodiment, it is possible to irradiate light having a photon flux density onto an area equal to or larger than the light receiving area. On the contrary, by irradiating an area smaller than the light receiving area, the photon flux density can be made higher than that of the original light.

また、集光器11は、集光した光6を、ライン状の光に変換している。これにより、発熱を低減することができる。また、光6をライン状とすることで、各時分割分配光のムラを抑制することができる。   Further, the condenser 11 converts the condensed light 6 into linear light. Thereby, heat generation can be reduced. Further, by making the light 6 linear, it is possible to suppress unevenness of each time-divisional distributed light.

さらに、回転させた回転筒1に光を入射させるだけで、光エネルギーを高速で時分割分配することができる。よって、光エネルギーを時分割分配する簡単な方法を提供することができる。その他の効果は、実施形態1と同様である。   Furthermore, the light energy can be distributed at high speed in a time division manner only by making the light incident on the rotated rotary cylinder 1. Therefore, it is possible to provide a simple method of time-divisionally distributing light energy. Other effects are similar to those of the first embodiment.

次に、光エネルギー時分割分配装置20を用いた光エネルギー時分割分配方法を説明する。   Next, a light energy time division distribution method using the light energy time division distribution device 20 will be described.

図7は、実施の形態2に係る光エネルギー時分割分配装置を用いた光エネルギー時分割分配方法を例示したフローチャート図である。まず、図7のステップS10に示すように、光を集光する。例えば、集光器11は、太陽光を集光する。集光器11は、集光した光6をライン状に変換する。   FIG. 7 is a flowchart diagram illustrating a light energy time division distribution method using the light energy time division distribution device according to the second embodiment. First, as shown in step S10 of FIG. 7, light is condensed. For example, the light collector 11 collects sunlight. The condenser 11 converts the condensed light 6 into a line shape.

次に、ステップS20に示すように、集光した光を回転筒1に対して入射させる。例えば、入射光導光路12により、集光器11で集光された光6を回転筒1に入射させる。   Next, as shown in step S20, the condensed light is made incident on the rotary cylinder 1. For example, the incident light guide path 12 causes the light 6 collected by the light collector 11 to enter the rotary cylinder 1.

次に、ステップS30に示すように、回転筒1により、入射光を時分割分配する。回転筒1は第1反射面4a及び第2反射面4bを有している。第1反射面4aは、一方向から入射する入射光を、第1方向7aに反射する。また、第2反射面4bは、入射光を第1方向7aと異なる第2方向7bに反射する。このようにして、入射した光6を第1方向7a及び第2方向7bに時分割分配する。   Next, as shown in step S30, the rotating cylinder 1 time-divisionally distributes the incident light. The rotary cylinder 1 has a first reflecting surface 4a and a second reflecting surface 4b. The first reflecting surface 4a reflects the incident light entering from one direction in the first direction 7a. The second reflecting surface 4b reflects the incident light in the second direction 7b different from the first direction 7a. In this way, the incident light 6 is time-divisionally distributed in the first direction 7a and the second direction 7b.

次に、ステップS40に示すように、回転筒1により時分割分配された光を照射範囲、例えば、照射範囲15a及び15bに導光する。第1方向に反射された光を、照射範囲15aに導光するとともに、第2方向に反射された光を、照射範囲15bに導光する。導光された各光は、照射範囲15a及び15bを照射する。このようにして、光エネルギー時分割分配装置20を用いて、光エネルギーを時分割分配することができる。   Next, as shown in step S40, the light time-divided by the rotary cylinder 1 is guided to the irradiation range, for example, the irradiation ranges 15a and 15b. The light reflected in the first direction is guided to the irradiation range 15a, and the light reflected in the second direction is guided to the irradiation range 15b. Each of the guided light irradiates the irradiation areas 15a and 15b. In this way, the light energy can be time-divided by using the light energy time-division distribution device 20.

(変形例)
次に、実施の形態2の変形例について説明する。
図8は、実施の形態2の変形例に係る光エネルギー時分割分配装置を例示した図である。図8に示すように、本変形例の光エネルギー時分割分配装置20aでは、回転筒1により時分割分配された光を、反射光導光路13を介して照射範囲15に導光するとともに、人工光源30からの光を、導光路31を介して照射範囲15に導光している。人工光源30は、例えば、LED及びメタルハライドランプである。
(Modification)
Next, a modified example of the second embodiment will be described.
FIG. 8 is a diagram illustrating a light energy time division distribution device according to a modification of the second embodiment. As shown in FIG. 8, in the light energy time divisional distribution device 20a of the present modification, the light time-divisionally distributed by the rotary cylinder 1 is guided to the irradiation range 15 via the reflected light guide path 13, and the artificial light source is used. The light from 30 is guided to the irradiation range 15 via the light guide path 31. The artificial light source 30 is, for example, an LED or a metal halide lamp.

このような構成とすることにより、照明範囲15を照射する方法の選択肢を広げることができる。すなわち、強い光を必要とする場合には、太陽光を回転筒1により時分割分配して照射範囲15を照射することができる。弱い光を必要とする場合には、人工光源30の光で照射範囲15を照射することができる。   With such a configuration, it is possible to broaden the options of methods for irradiating the illumination range 15. That is, when strong light is required, the irradiation range 15 can be illuminated by time-divisionally distributing the sunlight by the rotary cylinder 1. When weak light is required, the irradiation range 15 can be irradiated with the light of the artificial light source 30.

(実施の形態3)
次に、実施の形態3を説明する。本実施形態は、光エネルギー時分割分配装置を用いた植物工場の例である。
(Embodiment 3)
Next, a third embodiment will be described. The present embodiment is an example of a plant factory using a light energy time division distribution device.

図9は、実施の形態3に係る光エネルギー時分割分配装置を例示した図である。図9に示すように、光エネルギー時分割分配装置30は、照射範囲15a及び15bに、植物40a及び40bを配置している。そして、回転筒1により時分割分配された光6を照明器14a及び14bを介して、植物40a及び40bに対して照射している。光エネルギー時分割分配装置20におけるその他の構成及び動作は、実施形態2と同様である。   FIG. 9 is a diagram exemplifying the light energy time division distribution device according to the third embodiment. As shown in FIG. 9, the light energy time divisional distribution device 30 arranges plants 40a and 40b in the irradiation ranges 15a and 15b. Then, the light 6 time-divided by the rotary cylinder 1 is applied to the plants 40a and 40b through the illuminators 14a and 14b. Other configurations and operations of the light energy time division distribution device 20 are similar to those of the second embodiment.

現在、完全人工光型植物工場などで用いられるLED光源や蛍光灯、ナトリウムランプやメタルハライドランプ他の人工光では、発熱と消費電力の問題が伴い、輝度やPPFDを十分に上げられない。   Currently, LED light sources, fluorescent lamps, sodium lamps, metal halide lamps, and other artificial lights used in fully artificial light type plant factories cannot sufficiently raise the brightness and PPFD due to the problems of heat generation and power consumption.

これに対し、本実施の形態では、日本国内での植物栽培でありながら、赤道付近と同等の光量子束密度(PPFD)での栽培を可能としている。そのため、従来の人工光では困難であった陽性植物の栽培を可能としている。   On the other hand, in the present embodiment, it is possible to cultivate the plant at a photon flux density (PPFD) equivalent to that near the equator, even though the plant is cultivated in Japan. Therefore, it is possible to cultivate a positive plant, which has been difficult with conventional artificial light.

受光面が、照射側光量子束密度Dと同等以上の密度の照射側光量子束密度を得ようとする場合には、照射側総面積ΣSmと 受光面積S0とが等しく、2分配で通過率ηが60%の時分割分配照明を行うと想定する。この場合には、(17)式に以下の(23)〜(25)式を当てはめる。   When the light-receiving surface is to obtain an irradiation-side photon flux density equal to or higher than the irradiation-side photon flux density D, the irradiation-side total area ΣSm is equal to the light-reception area S0, and the passage ratio η is 2 distributions. It is assumed that 60% time-divisional distributed lighting will be performed. In this case, the following expressions (23) to (25) are applied to the expression (17).

この結果、以下の式を得る。 As a result, the following equation is obtained.

よって、照射側光量子束密度Dが受光面の光量子束密度D0の1.2倍になる。この結果について、更に現実的な例で説明する。受光している場所が北緯35度付近の地表であるならば、照射側では、赤道付近に近い光量子束密度の光照射が可能なことを意味する。すなわち、光エネルギー時分割分配装置30が植物工場に適用される場合は、日本国内での植物栽培でありながら赤道付近と同等のピーク照度を持つ光量子束密度(PPFD)での栽培を可能にする。   Therefore, the photon flux density D on the irradiation side is 1.2 times the photon flux density D0 on the light receiving surface. The result will be described with a more realistic example. If the light receiving place is on the surface of the earth in the vicinity of 35 degrees north latitude, it means that the irradiation side can perform light irradiation with a photon flux density near the equator. That is, when the light energy time-sharing distribution device 30 is applied to a plant factory, it is possible to cultivate plants at a photon flux density (PPFD) having a peak illuminance equivalent to that near the equator even though the plants are cultivated in Japan. .

ただし、補足すると、植物栽培に適用する場合は、時分割分配による特定周期及び特定デューティ比の点滅光での植物の光合成速度が、連続光での植物の光合成速度と同等以上という前提を必要とする。より具体的な事例で言えば、非特許文献1には、サラダ菜の栽培について開示されている。そこでは、時間幅200マイクロ秒前後の短い間隔の明暗周期で光を間欠照射した時に、単位光量当たりの光合成の割合及び成長の割合が、連続光に比べて20〜25%も増大することが開示されている。   However, to supplement, when applying to plant cultivation, it is necessary to assume that the photosynthetic rate of the plant in the blinking light of a specific cycle and a specific duty ratio by time division distribution is equal to or higher than the photosynthetic rate of the plant in continuous light. To do. In more specific cases, Non-Patent Document 1 discloses cultivation of salad vegetables. There, when intermittently irradiating light in a light-dark cycle with a short interval of about 200 microseconds, the rate of photosynthesis and the growth rate per unit amount of light can increase by 20 to 25% compared to continuous light. It is disclosed.

このように植物の光合成の加速を促進することは、大気中のCO2を有機物に固定化することでもあるため、地球温暖化防止に効果がある。 In this way, accelerating the photosynthesis of plants also fixes CO 2 in the atmosphere to organic matter, which is effective in preventing global warming.

上記でも述べたように、LED光源では、輝度やPPFDを十分に上げることができないため、LED光源を植物に近い位置に設定している。しかし、この場合には、LED光源が発する熱によって植物が焼けるなどの影響がでている。本実施の形態における光エネルギー時分割分配装置30では、集光器11及び回転筒1の位置を植物から遠ざけることができる。このため、植物の生長を妨げることはない。   As mentioned above, the LED light source cannot set the brightness and PPFD sufficiently, so the LED light source is set near the plant. However, in this case, the heat generated by the LED light source has an effect such as burning the plant. In the light energy time-division distribution device 30 in the present embodiment, the positions of the condenser 11 and the rotary cylinder 1 can be kept away from the plant. Therefore, it does not hinder the growth of plants.

本実施の形態の光エネルギー時分割分配装置30によれば、太陽光を利用した植物工場においても、人工光を用いた植物工場と変わらない面積での栽培を行うことができる。本装置を植物工場で使用するケースを検討する。サラダ菜の成長を速めると言われる200マイクロ秒の明暗周期を実現するためには、曲率の異なる2つの対数螺旋曲線の組を60個とした回転筒1を、1秒間に約83回転させなければならない。このため、回転筒1の高速回転が求められる。   According to the light energy time-sharing distribution device 30 of the present embodiment, even in a plant factory using sunlight, cultivation can be performed in the same area as a plant factory using artificial light. Consider the case where this device is used in a plant factory. In order to realize a light-dark cycle of 200 microseconds, which is said to accelerate the growth of salad vegetables, the rotary cylinder 1 consisting of 60 pairs of two logarithmic spiral curves with different curvatures must be rotated about 83 times per second. I won't. Therefore, high speed rotation of the rotary cylinder 1 is required.

回転筒1の回転数を下げるためには1回転あたりの反射面4の数を増やさなければならない。回転筒1のサイズを変えずに反射面4の数を増やそうとすると、反射面4の1面あたりの面積が小さくなる。このため、製造するときの反射面4の精度が求められる。しかし、植物工場では十分な面積が確保できる。よって、回転筒1のサイズを大きくし、反射面4の1面当たりの面積を大きくするなどして対応することができる。   In order to reduce the number of rotations of the rotary cylinder 1, it is necessary to increase the number of the reflection surfaces 4 per one rotation. If an attempt is made to increase the number of reflecting surfaces 4 without changing the size of the rotary cylinder 1, the area of each reflecting surface 4 becomes smaller. Therefore, the precision of the reflecting surface 4 at the time of manufacturing is required. However, a plant factory can secure a sufficient area. Therefore, it is possible to deal with the problem by increasing the size of the rotary cylinder 1 and increasing the area of the reflecting surface 4 per surface.

(実施の形態4)
次に、実施の形態4を説明する。本実施の形態は、光エネルギー時分割分配装置40を用いた建築物の例である。すなわち、住宅、オフィスビル等の建築物において、屋上などに設置した集光器11から自然光6を取り込み、複数の部屋へ分配することで、電気照明の消費電力を抑える実施形態である。
(Embodiment 4)
Next, a fourth embodiment will be described. The present embodiment is an example of a building using the light energy time division distribution device 40. That is, in a building such as a house or an office building, natural light 6 is taken in from a condenser 11 installed on a rooftop or the like and distributed to a plurality of rooms, thereby reducing the power consumption of electric lighting.

図10は、実施の形態4に係る光エネルギー時分割分配装置40を例示した図である。図10に示すように、光エネルギー時分割分配装置40は、例えば、住宅に設けられている。集光器11は宅地の屋根に設けられている。集光器11によって集光された光6は、例えば、天井裏に設けられた回転筒1により時分割分配され、住宅内の複数の部屋へ導光される。照明範囲15a及び15bには、部屋18a及び18bが設けられている。そして、照明器14a及び14bにより部屋18a及び18bが照明される。   FIG. 10 is a diagram illustrating a light energy time division distribution device 40 according to the fourth embodiment. As shown in FIG. 10, the light energy time division distribution device 40 is provided, for example, in a house. The light collector 11 is provided on the roof of the residential area. The light 6 collected by the light collector 11 is time-divisionally distributed by, for example, the rotary cylinder 1 provided on the back of the ceiling, and is guided to a plurality of rooms in the house. Rooms 18a and 18b are provided in the illumination ranges 15a and 15b. Then, the rooms 18a and 18b are illuminated by the illuminators 14a and 14b.

また、屋根には、太陽光発電用パネル23が設けられている。太陽光発電用パネル23で発電された電力は、ケーブル24を通じて、蓄電池25に送電される。これにより、必要に応じて蓄電池25によって蓄電された電力を使用することができる。   In addition, a solar power generation panel 23 is provided on the roof. The electric power generated by the solar power generation panel 23 is transmitted to the storage battery 25 through the cable 24. Thereby, the electric power stored by the storage battery 25 can be used as needed.

ここで、回転筒1の回転速度が十分に速い時に、部屋18a及び18bに居る人が、照射された光の明るさをどのように感じるかを検討する。人の目は、蛍光灯や白熱電球がおよそ100ヘルツ以上の速さで点滅していることに気づかない。図10の明暗の点滅速度が十分に速いときは、人の目は、点滅に気付かない。したがって、人の目は、あたかも連続に照射されているかのように錯覚する。   Here, how the people in the rooms 18a and 18b feel the brightness of the emitted light when the rotation speed of the rotary cylinder 1 is sufficiently high will be examined. The human eye is unaware that fluorescent or incandescent bulbs are blinking at a rate of about 100 hertz or faster. When the blinking speed of light and dark in FIG. 10 is fast enough, human eyes do not notice the blinking. Therefore, the human eye has the illusion that it is continuously illuminated.

このように、点滅速度が十分に速いときに、人が明るさを認識する特性は、「トールボットの法則」に従う。すなわち、光源の輝度とデューティ比の積に概ね比例する。この場合の光源の輝度とは、照射側の光量子束密度Dである。デューティ比は図5における(TL/T)である。各導光路のTLが全て等しい時間である場合には、デューティ比は(1/N)である。   As described above, the characteristic that a person recognizes the brightness when the blinking speed is sufficiently fast follows "Talbot's law". That is, it is approximately proportional to the product of the luminance of the light source and the duty ratio. The brightness of the light source in this case is the photon flux density D on the irradiation side. The duty ratio is (TL / T) in FIG. The duty ratio is (1 / N) when the TLs of the respective light guide paths are all the same time.

よって、人が感じる明るさは、(D/N)に比例する。すなわち、点滅光の照射側で、人が感じる光の明るさを照度Dp(ただし単位は光量子束密度と同じとする)と定義すると、照度Dpは以下の式になる。   Therefore, the brightness perceived by a person is proportional to (D / N). That is, when the brightness of light that a person feels on the irradiation side of blinking light is defined as illuminance Dp (where the unit is the same as the photon flux density), the illuminance Dp is as follows.

ここで、(17)式を照射側の光量子束密度D について解く。 Here, the equation (17) is solved for the photon flux density D 1 on the irradiation side.

これを(27)式に当てはめる。 This is applied to the equation (27).

このように、照度Dpは導光路数Nには依存せず、受光側の光量子束密度D0に比例する。ここで、更に、受光側の光量子束密度D0と照射側で人が感じる明るさ照度Dpとの比を照度比Bとして定義する。受光側と照射側で光波長のスペクトル分布が変わらないとする。そうすると、照度の比と光量子束密度の比とは同じなので、以下のようになる。   Thus, the illuminance Dp does not depend on the number N of light guide paths, but is proportional to the photon flux density D0 on the light receiving side. Here, the ratio of the photon flux density D0 on the light receiving side to the brightness illuminance Dp that a person feels on the irradiation side is defined as an illuminance ratio B. It is assumed that the light wavelength spectral distribution does not change between the light receiving side and the irradiation side. Then, since the ratio of illuminance and the ratio of photon flux density are the same, the following is obtained.

これを、(29)式に当てはめて整理すると、次の関係が導ける。 By applying this to the equation (29) and arranging it, the following relationship can be derived.

ここで、産業上の効果の具体的な説明の前に、更に、前提となる事象を説明する。オフィスなどの電気照明の照度は、一般に、750から1500ルクスの間に設定されている。これに対し、日本付近の緯度における曇天の午前10時頃の太陽光の照度は、1万ルクスを超える。真夏や雪山の最も明るい時の照度に至っては、10万ルクス以上とも言われている。   Here, before the specific description of the industrial effect, the presupposed event will be further described. The illuminance of electrical lighting in offices etc. is generally set between 750 and 1500 lux. On the other hand, the illuminance of sunlight at around 10:00 am in latitudes near Japan exceeds 10,000 lux. It is said that the illuminance at the brightest time of summer and snowy mountains is over 100,000 lux.

つまり、太陽光の照度は、オフィスなどに必要な照度に比べて、およそ10から100倍の照度がある。この事象を前提にして説明する。例えば、受光面の明るさと照射側の明るさの比である照度比Bを10分の1倍(=0.1倍)に設定する。通過率ηが60%の時分割分配照明を行うシステムにおける受光面の面積S0と照射側総面積ΣSmの関係を考える。透過率ηを0.6、照度比Bを0.1として、(31)式にあてはめる。そうすると、ΣSm/S0が6と得られる。   In other words, the illuminance of sunlight is about 10 to 100 times higher than that required for offices. Description will be given on the premise of this phenomenon. For example, the illuminance ratio B, which is the ratio of the brightness on the light-receiving surface to the brightness on the irradiation side, is set to 1/10 (= 0.1). Consider the relationship between the light-receiving surface area S0 and the irradiation-side total area ΣSm in a system that performs time-divisional distributed illumination with a transmittance η of 60%. The transmittance η is set to 0.6 and the illuminance ratio B is set to 0.1, which is applied to the equation (31). Then, ΣSm / S0 is obtained as 6.

つまり、受光面の面積S0の6倍の照射側総面積ΣSmへ時分割分配することができる。言い換えれば、受光面の面積S0は照射側総面積ΣSmの6分の1で済む。   That is, it is possible to perform time-division distribution to the irradiation side total area ΣSm which is 6 times the area S0 of the light receiving surface. In other words, the area S0 of the light receiving surface is 1/6 of the total irradiation side area ΣSm.

この試算結果を住宅におけるより具体的な例で説明する。このような時分割分配照明のシステムを用いて、1部屋が20平方メール(およそ畳12枚)の部屋3部屋に対して時分割分配照明を施す場合の照射側総面積ΣSmは60平方メートル(およそ畳36枚)である。これに必要な屋上や屋根に設置する集光器の受光面の面積S0は6分の1の面積の10平方メートル(およそ畳6枚)で済むことになる。   The result of this trial calculation will be described using a more specific example of a house. Using such a time-sharing distributed lighting system, when the time-sharing distributed lighting is applied to three rooms with 20 square meters (about 12 tatami mats) per room, the irradiation side total area ΣSm is 60 square meters (approximately It is 36 tatami mats). The area S0 of the light receiving surface of the concentrator installed on the rooftop or roof required for this is 10 square meters (about 6 tatami mats), which is 1/6 of the area.

以上の建物の照明への応用の具体例から、ここで改めて、産業上の効果を更に2点に分けて説明する。   From the above specific example of the application to the lighting of the building, the industrial effect will be described again by further dividing it into two points.

時分割分配照明の仕組みを先の例のように人が活動する空間の複数の部屋に適用すれば、各部屋の総面積よりも十分に狭い受光面積の集光器11で賄える。このため、集光器11の省スペース化および小型化が可能になる。よって、集光器11及び集光器11の設置に関わる資材費と工事費のコスト低減を図ることができる。   If the mechanism of time-divisional distributed illumination is applied to a plurality of rooms in a space where people are active as in the above example, the light collector 11 having a light-receiving area sufficiently smaller than the total area of each room can cover it. Therefore, it is possible to save space and reduce the size of the condenser 11. Therefore, it is possible to reduce the material cost and the construction cost related to the installation of the condenser 11 and the condenser 11.

また、このように、集光器11の省スペース化および小型化を可能とすることによって、建物の屋上や屋根、ベランダ、壁面、庭といった太陽光を採光できる箇所で、太陽光エネルギーを採取しようとした場合に、太陽光発電用パネルや太陽熱集熱装置など他の太陽光を利用する設備を設置するためのスペースを減らす必要がない。   In addition, by enabling the space-saving and downsizing of the condenser 11 in this way, let's collect solar energy at a place where sunlight can be collected, such as a rooftop of a building, a roof, a balcony, a wall surface, or a garden. In that case, there is no need to reduce the space for installing other solar light-using equipment such as a solar panel or a solar heat collector.

さらに、時分割分配された光は、生活空間の電気照明を抑えることを可能にする。これにより、電気照明に使われる電気を節電することができる。このことは、導光路の先の光が照射される全ての部屋で有効である。このため、導光路数Nによっては全体として電気照明の節電により比較的大きな省エネルギーを実現することができる。   Furthermore, the time-divided light makes it possible to suppress the electric lighting in the living space. As a result, electricity used for electric lighting can be saved. This is effective in all rooms where the light at the tip of the light guide is irradiated. Therefore, depending on the number N of light guide paths, it is possible to realize a relatively large energy saving due to the power saving of the electric lighting as a whole.

なお補足すると、このような時分割分配照明を行うシステムの現実的な実装においては、太陽光の照度が時刻や季節、天候によっても変化することへの対策も必要になる。例えば、真夏の晴天の正午頃の照度は、曇天の午前10時ころの照度の1000倍から1万倍程度の差がある。よって、明るすぎる場合は減光の仕組みが必要になる。逆に暗い時は、電気照明で照度を補う仕組みが必要になる。   As a supplementary note, in the practical implementation of such a system that performs time-divisional distributed illumination, it is necessary to take measures against the change in the illuminance of sunlight depending on the time, season, and weather. For example, the illuminance around noon on a clear day in midsummer is about 1000 to 10,000 times the illuminance around 10 am on cloudy days. Therefore, if it is too bright, a mechanism for dimming is required. On the contrary, when it is dark, a mechanism to supplement the illuminance with electric lighting is necessary.

これらの照度調整は、受光側または照射側または両方の照度をセンシングしながら自動で調整されることが望ましい。また、明るさを抑える目的の減光機能を実現するにあたっては、除光された側の光を、太陽光発電用のパネルに照射し、電気エネルギーに変換する機構にすれば、なおのこと、再生可能エネルギーの利用促進に寄与する効果がある。   It is desirable that these illuminance adjustments be automatically adjusted while sensing the illuminance on the light receiving side, the irradiating side, or both. In addition, in order to realize the dimming function for the purpose of suppressing the brightness, it is possible to regenerate even more if a mechanism for irradiating the light on the removed side to the panel for solar power generation and converting it into electric energy It has the effect of contributing to the promotion of energy use.

なお、減光機能を実装する箇所は、受光面から照射器の通過ルートの間のどこかで行うことになり、このような時分割分配照明を行うシステムの設置や利用目的、利用方法、運用保守方法に合った適切な1箇所または複数個所で行われることが望ましい。   In addition, the place where the dimming function is installed will be done somewhere between the light receiving surface and the passage route of the irradiator, and the installation, purpose, method of use, and operation of such a system that performs time-divisional distributed illumination. It is desirable to carry out at one or more places suitable for the maintenance method.

ここで、更に、補足すれば、直射日光を雲や飛行物体が遮るようなときは、照度が瞬間的に大きく変化することがある。したがって、減光の仕組みや補光の仕組みは、想定される照度の変化速度に十分に追随できることが望ましい。   Here, as a further supplement, when clouds or a flying object obstruct direct sunlight, the illuminance may change momentarily and greatly. Therefore, it is desirable that the mechanism of dimming and the mechanism of supplementary light be able to sufficiently follow the assumed change rate of the illuminance.

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、回転筒1の回転速度、回転筒1のサイズ、反射面の数、形状等は、最適な条件に調整することができる。また、回転筒1は、光エネルギー時分割分配装置に用いるだけに限らない。投影機器、映像機器等の光を分配する装置に用いてもよい。さらに、光エネルギー時分割分配装置は、植物工場や建築物への適用に限らない。光を分配する必要がある場所ならばどこにでも適用可能である。   The present invention is not limited to the above-mentioned embodiments, but can be modified as appropriate without departing from the spirit of the present invention. For example, the rotation speed of the rotary cylinder 1, the size of the rotary cylinder 1, the number of reflection surfaces, the shape, etc. can be adjusted to optimal conditions. Further, the rotary cylinder 1 is not limited to being used for a light energy time division distribution device. It may be used for a device that distributes light, such as a projection device and a video device. Furthermore, the light energy time divisional distribution device is not limited to application to plant factories and buildings. It can be applied wherever light needs to be distributed.

1 回転筒
2 軸
3 外周面
4 反射面
4a 第1反射面
4b 第2反射面
4c 第3反射面
4d 第4反射面
4e 第5反射面
4f 第6反射面
5 スポーク
6、8、8a、8b 光
7a 第1方向
7b 第2方向
9 対数螺旋曲線
9a、9b 一部
20、20a、30、40 光エネルギー時分割分配装置
11 集光器
12 入射光導光路
13、13a、13b 反射光導光路
14a、14b 照明器
15a、15b 照射範囲
16a、16b 受光部
17 筐体
18a 18b 部屋
21 光
23 太陽光発電用パネル
24 ケーブル
25 蓄電池
30 人工光源
31 導光路
40a、40b 植物
I11、I21 入射光
I12、I22 反射光
t1、t2 接線
r1、r2 距離
S1、S2 垂線
R11、R21 線
O 中心
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 rotary cylinder 2 shaft 3 outer peripheral surface 4 reflective surface 4a first reflective surface 4b second reflective surface 4c third reflective surface 4d fourth reflective surface 4e fifth reflective surface 4f sixth reflective surface 5 spokes 6, 8, 8a, 8b Light 7a 1st direction 7b 2nd direction 9 Logarithmic spiral curve 9a, 9b Part 20, 20a, 30, 40 Light energy time division | segmentation apparatus 11 Condenser 12 Incident light light guide 13, 13a, 13b Reflected light light guide 14a, 14b Illuminator 15a, 15b Irradiation range 16a, 16b Light receiving part 17 Housing 18a 18b Room 21 Light 23 Solar power generation panel 24 Cable 25 Storage battery 30 Artificial light source 31 Light guide path 40a, 40b Plant I11, I21 Incident light I12, I22 Reflected light t1, t2 tangent lines r1, r2 distances S1, S2 perpendicular lines R11, R21 line O center

Claims (2)

外周面を有し中心軸を回転軸として回転する回転筒であって、一方向から入射する入射光を、第1方向に反射する第1反射面及び前記入射光を前記第1方向と異なる第2方向に反射する第2反射面を含む前記外周面を有する回転筒と、
前記第1方向に反射された光を、所定の空間の第1照明範囲に導光する第1反射光導光路と、
前記第2方向に反射された光を、前記第1照明範囲と異なる所定の空間の第2照明範囲に導光する第2反射光導光路と、
を備え、
太陽光を前記入射光とする光エネルギー時分割分配装置。
A rotary cylinder having an outer peripheral surface and rotating about a central axis as a rotation axis, comprising: a first reflecting surface that reflects incident light incident in one direction in a first direction; A rotating cylinder having the outer peripheral surface including a second reflecting surface that reflects in two directions;
A first reflected light guide path for guiding the light reflected in the first direction to a first illumination range in a predetermined space;
A second reflected light guide path for guiding the light reflected in the second direction to a second illumination range in a predetermined space different from the first illumination range;
Equipped with
A light energy time division distribution device using sunlight as the incident light .
前記第1照明範囲又は前記第2照明範囲に人工光源の光を導光する導光路をさらに備える請求項1に記載の光エネルギー時分割分配装置。 The light energy time division distribution device according to claim 1, further comprising a light guide path that guides light of an artificial light source to the first illumination range or the second illumination range.
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