JPH02139801A - 非追尾式集光採光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野〕 本発明は太陽光を室内に導入する採光装置に係り、特に
太陽を追尾することなく一日の採光量変動を少なくした
非追尾集光採光装置に関する。

〔従来の技術〕

太陽光を室内に導入する技術としては、例えば、特開昭
５７−１２６００１号公報に記載のものがある。これは
、集光面が常に太陽光に対して垂直になるように、太陽
の移動に追従して傾動する集光装置に装着された集光レ
ンズによって集光し。

集光された光を光ファイバーによって伝送し、出射端末
から光を分散照射する採光装置である。また、特開昭５
７−１８２７０８号公報に記載された、集光レンズを構
成する小レンズ体の焦点面に光ファイバーの受光面を設
け、太陽がどの位置に移動しても、小レンズ体を通過し
た太陽光が光フアイバー受光面に入射されるように集光
レンズの方向を制御する採光装置が知られている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、このような従来の公知技術にあっては、
レンズを通過した光が像を結ぶ位置は、太陽の位置によ
って、つまりレンズへの太陽光の入射角度によって変化
するので、レンズ面に対して固定された光ファイバー又
はその束の受光面のような小さな面に常に像を結ばせる
には、レンズの入射光が、レンズの光軸に対して平行に
なるように常に太陽の動きにレンズを追尾させる必要が
あり、次のような問題があった。

（１）上記従来技術において要求される太陽追尾装置は
、太陽の動きを記憶するコンピュータや、太陽光とレン
ズ光軸とが平行であることを確認するセンサ機構等を必
要とし、高価な装置となる。

（２）　　レンズの太陽光出口側に円錐形のスロート反
射体をおいて非追尾式としても、太陽光がレンズ光軸に
平行に入射する時刻、例えば、レンズが春分の南中時の
太陽の方向に向けて設置された場合は、春分の南中時近
辺の時間帯以外では多くの採光量を期待できず、採光量
の変動が大きい。

本発明の課題は、太陽の位置が移動してもレン・ズに入
射する太陽光とレンズ光軸のなす角度の変動をレンズを
太陽に追尾させることなく抑制するにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記の課題は、片面を平面とし他の片面に複数の曲面レ
ンズが形成されている片面プリズム板と、該プリズム板
の曲面レンズが形成されている側に隣接して配設され前
記プリズム板を通過した光を集光する集光レンズと、該
集光レンズに接続して設けられ前記集光レンズの焦点距
離にほぼ等しい長さを持って前記集光レンズで集光され
た光の通路をなす反射スロートと、該反射スロートの光
出口に接続して設けられた内面反射性導光器の導先口と
、をそなえた非追尾式集光採光装置により達成される。

複数の曲面レンズが、半球形プリズムである請求項１に
記載の非追尾式集光採光装置としてもよい。

また、半球形プリズムが互いに間隔をおいて配置され、
該半球形プリズムの間には、片面プリズム板の平らな面
と平行な平面が形成されている請求項２に記載の非追尾
式集光採光装置としてもよい。

さらに、集光レンズが点集光フレネルレンズである請求
項１に記載の非追尾式集光採光装置としてもよい。

〔作用〕

第８Ａ図において、片面プリズム板５Ｂのフラット面１
２と反対側の面に曲面レンズＩＯＡが形成されている。

フラット面１２に平行光線Ｌ１゜Ｌ２が入射角θ、で入
射し、屈折された光線Ｌｉが。

曲面レンズＩＯＡの端部Ｔ□を経て中心ｏ１を通り、屈
折された光線Ｌ２は曲面レンズの端部Ｔ２を通っている
。すなわち、０１以上の入射角でフラット面１２に入射
した光はすべて曲面レンズの０１〜１２間に入射し、そ
の大半は曲面レンズ１．ＯＡの光軸となす角が小さくな
る方向に屈折される。角度θ１はレンズ１０の径悲と厚
みｈおよび、プリズム板の屈折率で定まる値である。レ
ンズＩＯＡの曲面形状を変えることにより、角度０□を
変えることが可能である。また、入射角θ１が小さくな
るにつれ、屈折されてレンズＩＯＡから出る光の方向も
、レンズＩＯＡの光軸の方向に近ずく６第８Ｂ図は、レ
ンズ１０の曲面を半球形としたもので、片面プリズム板
５の屈折率を１．５とし、朝夕の太陽光入射角として、
７５°を想定すると屈折角は約４０’となり、入射光は
全て、レンズ１０の中心０２とレンズ端部Ｔ４の間に入
射し、その大半はレンズ光軸の方向に屈折される。

また、レンズは中心Ｏ工、０２のまわりに対称であるか
ら５１日のうちの太陽の位置変化だけでなく、太陽位置
の季節変化にも対応して、入射光を光軸方向に屈折する
。

入射光が、片面プリズム板により、曲面レンズの光軸と
なす角が小さくなる方向に屈折されると、片面プリズム
板に隣接して設けられた集光レンズに入射する光が、該
集光レンズの光軸に平行に近くなり、集光レンズを通過
した光が、該集光レンズのほぼ焦点位置に像を結ぶ。導
光口は前記集光レンズから、はぼその焦点距離だけ離れ
た位置に設けであるから、集光された光が、導光口に到
達するまでの反射回数が減少し、光の減衰がすくなＩＡ
０ 〔実施例〕 以下１本発明の第１の実施例を第１〜５図に基づいて説
明する。第５図は本発明に係る非追尾集光採光装置を家
屋の採光に適用した例を示し、太陽光１は家屋の屋根に
取付けられた非追尾集光採光口２に取り入れられ、内面
反射型パイプである導光器３を経て室内の放射口４より
放射されて照明の用に供される。導光器３は光ファイバ
ーでもよい。非追尾集光採光口２は、平面側を太陽光入
射側とする板ガラス製の片面プリズム板５と、このプリ
ズム板５のプリズム１０側に隣接して設けられ、前記プ
リズム板５を通過した光を集光する集光レンズである点
集光フレネルレンズ６と、この点集光フレネルレンズ（
以下レンズという）６の太陽光出口側に接続して設けら
れ、レンズ６を通過した光の通路をなす反射スロート７
とを備え、反射スロート７の太陽光出口である下部開口
８には、内面反射性導光器３の導光口９が接続されてい
る。

板ガラス製の片面プリズム板５は、片面を平らな面（以
下フラット面という）１２とし、他の片面に曲面レンズ
である複数同一形状の半球形のプリズム１０をたがいに
相接する状態に密に設けてプリズム面１１としており、
前述のようにフラット面１２が太陽光入射面となってい
る。また、レンズ６はその光軸りをフラット面１２にほ
ぼ垂直にして配置され、このレンズ６に接続されている
反射スロート７の前記光軸り方向の長さＨは、レンズ６
の焦点距離にほぼ等しい長さとしである。

反射スロート７の内面は反射性のよい材料で形成されて
いる。また、非追尾集光採光口２は、前記片面プリズム
板５のフラット面１２の法ＩＪＩＭの方向を春分、秋分
の南中時の太陽の方向に合わせて設置されている。プリ
ズム材としては、ガラスでなくとも、表面反射率、内部
吸収率の低いものであればよい。

第１図に示すように、太陽光は片面プリズム板５のフラ
ット面１２に入射する。朝夕の時間帯及び春分、秋分以
外の南中時の太陽光Ｂは、その方向が片面プリズム板５
によって屈折されてＢ′となり、レンズ６の光軸りとな
す角が小さくなる。

太陽光Ｂ′は更にレンズ６によって、該レンズ６の焦点
方向に屈折されて太陽光Ｂ′となり１反射スロート７を
経て、導光口９へ導かれる。反射スロート７の光軸方向
の長さＨは、レンズ６の焦点距離とほぼ等しい長さであ
るから、レンズ６を通過した太陽光Ｂ′は、導光口９に
像を結ぶように集光される。太陽高度が低く、片面プリ
ズム板５によって屈折された太陽光がレンズ６の光軸り
となす角が充分小さくならない場合は、レンズ６を通過
した太陽光は反射スロート７の内面で反射された後、導
光口９に入射するが１片面プリズム板５を通過しない場
合（片面プリズム板５が設けられていない場合）の太陽
光Ｃに比較すると、反射スロート７における反射回数は
少なく、光の減衰も少い、春分、秋分の太陽南中時近辺
の時間帯の太陽光Ａは、片面プリズム板５でその一部が
反射されるため、集光採光の効率は低いが、この時間帯
での太陽光照度はもともと非常に高く、採光効率は低く
ても絶対量としての光量の不足は大きくないので効率の
低さはあまり問題にならない。

一方、片面プリズム板５がなく、レンズ６および反射ス
ロート７からなる集光採光口の場合、朝夕の太陽光およ
び春秋分南中時以外の太陽光Ｃは、レンズ６に対する入
射角（太陽光Ｃとレンズ６の光軸りがなす角）が大きい
ので、太陽光Ｃがレンズ６を通過後、像を結ぶ位置が、
光軸りから大きく離れる。その結果、光束は反射スロー
ト７で多数回反射された後、導光口９に到達するので、
光の減衰が大きくなる。春秋分南中時近辺の時間帯にお
いては、レンズ６に対する入射角が小さく。

多量の光がレンズに入射すると共に、反射スロードア内
で反射される回数が少ないので、減衰も少なく、必要以
上に多量の光が導光口９に入射する。

採光装置に必要なのは、年間を通じ、−日中平均して適
量の照度が得られることであり、上述のように、採光量
の変動が大きいのは好ましくない。

第６図に示す第２の実施例は、片面プリズム板の形状を
変えた点が前記第１の実施例と異なる。

第２の実施例における片面プリズム板５Ａは、太陽光入
射面が平らなフラット面１２となっているのは前記第１
の実施例の片面プリズム板５と同じであるが、他の片面
がたがいに間隔をおいて配置された半球形プリズム１ｏ
と該半球形プリズム相互の間に形成された、前記フラッ
ト面１２と平行な平面１４を備えている点に特徴がある
。本実施例において、春秋分の南中時近辺の時間帯の太
陽光Ａのうち、平面１４に入射した光はそのままレンズ
６側に屈折透過され、プリズム１ｏに入射した光は一部
反射されるので、平面１４を含む面上で、半球形プリズ
ム１０が占める面積と平面１４が占める面積の割合を必
要に応じて定めることにより、春秋分太陽南中時近辺の
時間帯の採光量を前記第１の実施例の場合よりも増加さ
せることが可能である。朝の時間帯の太陽光および春秋
分の南中時以外の太陽高度のときの太陽光Ｂのうち、平
面１４に入射した光は、フラット面１２に入射したとき
と同じ方向に透過し、プリズム１０に入射した光は透過
後の方向がフラット面１２に垂直な方向に近ずくように
屈折される。プリズム１０と平面１４の面積の割合は、
朝夕の太陽光および春秋分の南中時近辺の時間帯以外の
太陽光の採光を重視する場合はプリズム１ｏの占める面
積の割合を大きく、春秋分の南中時近辺の時間帯の採光
を重視する場合は平面１４の占める面積の割合を大きく
すればよい。

第７図に時刻Ｔを横軸に、採光装置室内側の照度Ｓを縦
軸にとって従来の採光装置と第１、第２の実施例を用い
て採光した場合の照度変化を概念的に示す。追尾式集光
採光装置による場合の照度１５および採光装置室内側に
おける必要照度Ｋに対し、非追尾型の従来技術による照
度１６は春秋分の太陽南中時近辺の時間帯では必要照度
よりはるかに大きく、入射する太陽光のほぼ全部が伝送
されているが、それ以外の時間帯では、急激に減少して
必要照度を満していない。第１の実施例による照度１８
は、はぼ−日中、必要照度を満たしており、第２の実施
例による照度１７は、第１の実施例に比べ、朝夕の照度
は低いが南中時近辺の時間帯の照度が向上している。

〔発明の効果〕

片面を平面とし、他の片面に複数の曲面レンズが形成さ
れている片面プリズム板と、該片面プリズム板の前記レ
ンズ側に隣接する集光レンズと、該集光レンズに接続す
る。前記集光レンズの焦点距離にほぼ等しい長さの反射
スロートと、該反射スロートの光出口に接続された導光
口と、を備えたので、太陽高度が低い時間帯の太陽から
の入射光を前記集光レンズの光軸となす角が小さくなる
方向に屈折させることが可能となり、春秋分の南中時以
外の時間帯の太陽光が低い減衰率で導光口に導かれ、−
日を通して、また１年間の季節変化に対して、平均した
採光を行う効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す断面図、第２図は
第１の実施例の斜視図、第３図は第１の実施例の部分を
示す斜視図、第４図は第１の実施例の部分を示す断面図
、第５図は本発明の実施例を家屋に設置した例を示す断
面図、第６図は本発明の第２の実施例の部分を示す断面
図、第７図は採光装置出口における照度の一日の変化を
示す概念図で、第８Ａ図および第８Ｂ図は片面プリズム
板の断面図である。 ３・・・内面反射性導光器、５・・・片面プリズム板、
６・・・集光レンズ（点集光フレネルレンズ）、７・・
・反射スロート、９・・・導光口、１０・・・曲面レン
ズ（半球形プリズム）、１ｏＡ・・・曲面レンズ、１２
・・・平面。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、片面を平面とし他の片面に複数の曲面レンズが形成
   されている片面プリズム板と、該プリズム板の曲面レン
   ズが形成されている側に隣接して配設され前記プリズム
   板を通過した光を集光する集光レンズと、該集光レンズ
   に接続して設けられ前記集光レンズの焦点距離にほぼ等
   しい長さを持って前記集光レンズで集光された光の通路
   をなす反射スロートと、該反射スロートの光出口に接続
   して設けられた内面反射性導光器の導光口と、をそなえ
   た非追尾式集光採光装置。 ２、複数の曲面レンズが、半球形プリズムであることを
   特徴とする請求項１に記載の非追尾式集光採光装置。 ３、半球形プリズムが互いに間隔をおいて配置され、該
   半球形プリズムの間には、片面プリズム板の平らな面と
   平行な平面が形成されていることを特徴とする請求項２
   に記載の非追尾式集光採光装置。 ４、集光レンズが点集光フレネルレンズであることを特
   徴とする請求項１に記載の非追尾式集光採光装置。