JPS5931041B2 - 放射エネルギ集中装置 - Google Patents

放射エネルギ集中装置

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JPS5931041B2
JPS5931041B2 JP50078482A JP7848275A JPS5931041B2 JP S5931041 B2 JPS5931041 B2 JP S5931041B2 JP 50078482 A JP50078482 A JP 50078482A JP 7848275 A JP7848275 A JP 7848275A JP S5931041 B2 JPS5931041 B2 JP S5931041B2
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YUNAITETSUDO SUTEITSU ENAJII RISAACHI ANDO DEV ADOMINISUTOREISHAN
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、一般に電磁エネルギの集収、ことに太陽およ
びその他の源からの放射エネルギの集収および利用に有
用な装置に関する。
本発明は米国原子エナージ協会との契約にもとづいて行
われたものである。
太陽エネルギの有効利用のための従来の計画に伴う問題
は、再放射によるエネルギを避けること（すなわちエネ
ルギの保存）と、太陽の天空中の明白な日常の運動を追
跡する複雑な従つて費用のかかる装置を避けることとで
ある。
たとえば太陽エネルギ保存の問題を解決しようとする１
提案では、エネルギ吸収面の選択的被覆と、選定した工
ネルギの利用に使う特定のエネルギ捕捉体の精密な絶縁
とを行う。別の提案では、比較的広い面積に当たる太陽
エネルギを集収しこの集収したエネルギを比較的狭い利
用面積に向い集束することのできる反射式または屈折式
の集中装置を集収構造に含ませる。これ等の提案の大部
分は、基本的には集中したエネルギを熱または電力の発
生に利用する装置内集点に太陽エネルギを反射しまたは
屈折する結像装置である所の鏡レンズ装置である。これ
等の装置は、太陽に追従する追跡装置を必要とし、普通
の電力装置の代りになるまたはその補助になる大形の太
陽エネルギ集収装置に使うには実際上問題がある。日中
の太陽の追跡を避けるために提案された解決案のうちに
は大形であるが周辺部の有効な鏡面を設ける提案がある
。
これ等の装置は、エネルギ集中および太陽追跡の問題を
適当に解決するものがない。その理由は１つの問題の解
決が他の問題に含まれる障害を拡大することが多いから
である。大きい比率で太陽エネルギの集中のできる装置
は太陽追跡に対し極めて注意深いひんばんな日中の調節
を必要とするが、日中の調節をほとんどまたは全く必要
としない装置は集中比率が最低になる。本発明者および
共同研究者は従来の出版物で高エネルギ粒子からの光の
集収と結像装置より高い集収能力とのために非結像光じ
ようご状体を提案した。すなわちレビユ・オブ・サイエ
ンテイフイツク・インスツルメンツ（ＲｅｖｉｅｗＯｆ
Ｓｃｉｅｎｔ一ＩｆｉｃＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）の第
３７巻第８号第１０９４〜１０９５頁（１９６６）と、
同誌の第３９巻第３号第４１９〜４２０頁（１９６８）
と同誌の第３９巻第８号第１２１７〜１２１８頁（１９
６８）とジヤーナル・オブ・オプテイカル・ソサイエテ
イ・オブ・アメリカ（Ｊ．Ｏｐｔ．ＳＯｑＡｎ］．）の
第６０巻、第２号第２４５〜２４７頁（１９７０）とに
おける提案がある。このようなじようご体と網膜円すい
の幾何学的形状との間の類似性についてはジヤーナル・
オブ・オプテイカル・ソサイエテイ・オブ・アメリカ第
６１巻第８号第１１２０〜１１２１頁（１９７１）にお
いて本発明者の述べた通りである。これ等の出版物では
、レンズ装置の物理的に実現できない限度の０．５に等
しいｆ数に近いｆ数を持つ理想的な円すい形光集収装置
の提案を載せてある。これ等の出版物で提案されている
円すい形集収装置を受入れる分野ではその代表として、
徐徐に減小する（約１分にわたつて）外部境界しや断部
を持つ直円すいがある。従つて非結像式であつても円す
い形集収装置はなお追跡能力を必要とした。従つて本発
明の目的は、放射エネルギを有効に集収し濃縮する装置
を提供しようとするにある。
本発明の他の目的は、太陽エネルギの集収に有用で太陽
追跡能力を必要としない簡単な非結像放射エネルギ集収
装置を提供しようとするにある。本発明の他の目的は、
太陽追跡を行わないで太陽エネルギの集収および濃縮を
行う非結像光集収装置を提供しようとするにある。本発
明によれば太陽追跡能力を必要としない電磁エネルギ集
収装置が得られる。
本集収装置は、貫通軸線を持ちこの軸線の各側でほぼ全
部の入射エネルギをエネルギ受入れ器内部に直接反射す
る２つの側壁の間に位置させたエネルギ受け器を備えて
いる。各側壁は２つの部分を持つている０その第１の部
分はエネルギ受け器の軸線および周辺の一方の交さ点に
始まり、この軸線の問題の側壁と同じ側の受け器周辺部
分のインポリユート線に沿つて延びている。このインポ
リユート線の固定点はエネルギ受け器の軸線および周辺
の他方の交さ点である。各側壁の第１の部分は、軸線の
問題の側壁と同じ側でエネルギ受け器に接する影線との
交さ部に終る。この影線は軸線に対し本装置の最高許容
角に等しい角度を挟む。各壁の第２の部分は第１の部分
の延長部分であり、軸線に最高許容角度を挟んで交さし
この第２部分の任意の点に当たる全部のエネルギをエネ
ルギ受け器に接する線に沿つて差向けるような形状にし
てある。第２の部分はその末端点に接する直線が軸線に
平行なときに終る。エネルギ受け器は軸線のまわりにほ
ぼ対称であり、円形、卵形または扁平なシートのような
形状でよい。本集中装置にはまた各側壁を接合する互に
対向する端部壁を設けてある。所望により本装置は一方
の側壁だけを使つて構成してもよい。所望によりエネル
ギ受け器の代りにエネルギ放射器を使つてもよい。以下
本発明放射エネルギ集中装置の実施例を添付図面につい
て詳細に説明する。
第１図に示すように本発明による放射エネルギ集中装置
は、基準軸線１２の各側で挟角θＭａｘにわたりエネル
ギを受けこのエネルギをエネルギ変換器すなわちエネル
ギ受け器１３に差向ける。
工ネルギ受け器１３はたとえば、所望の用途のために熱
エネルギを所望の場所に運ぶのに使う流体を入れた管状
体である。エネルギ受け器はまた、差向け放射エネルギ
に応答して電流を生ずる光電池でもよい。使用受け器の
種類は前記したものに限るわけではなくて、放射エネル
ギに応答する任意の形式のエネルギ受け器を使うことが
できる。円形横断面を持つエネルギ受け器の輪郭曲線部
（以下単にエネルギ受け器と呼ぶ）１３は、放射エネル
ギを差向ける形状にした各側壁１５，１６間で基準面２
４に接する位置にしてある。放射エネルギは基準軸線１
２に対しθＭａｘ以下の角度を挟む線に沿いエネルギ受
け器１３に差向ける。エネルギ受け器１３はその表面上
の任意の点に接する直線がこのエネルギ受け器表面を他
のどの点でも横切らないような形状にしてある。基準面
２４は構造の一部ではなくて受け器１３および各側壁１
５，１６間の関係を設定するのに使う。受け器１３はこ
れが基準面２４の一方の側にあつて受け器直径が基準軸
線１２に沿うように位置させる。側壁１５は第１の部分
１８と第２の部分１９とを゛１１．備えている。側壁１
６は第１の部分２１と第２の部分２２とを備えている。
各側壁部分１９，２２はエネルギ受け器１３の各側部の
インポリユート線であり、また各側壁部分１９，２１の
形状は角度θＭａｘにより定める。第２図はエネルギ受
け器１３の側部のインポリユート展開図を示す。
第２図では、第１図のエネルギ受け器１３と同じ円形形
状を持つエネルギ受け器３１を示す。エネルギ受け器３
１の側部３２のインポリユート線は次のように形成する
。糸３４を基準軸線３７上の固定点３５でエネルギ受け
器３１に固定する。基準軸線３７は第１図の基準軸線１
２に対応する。糸３４は、その端部点３８を出発点４０
にして側部３２のまわりに巻付ける。糸３４をエネルギ
受け器３１から巻きほぐす際の糸３４の端部の軌跡はエ
ネルギ受け器３１の側部３２のインポリユート線になる
。これは第２図の曲線４１である。また第１図に示すよ
うにθＭａｘは、基準軸線１２に対しθＭａｘより小さ
い角度を挟む線に沿つて充ける放射線を受け器１３に差
向ける範囲の角度である。
各直線４３，４４は影線と呼ぶ。影線は、受け器１３に
対する接線として定義する。この接線は、角度θＭａｘ
において基準面２４のエネルギ受け器１３と同じ側の１
点で基準軸線１２と交さする。側壁１５の第２の部分１
９はエネルギ受け器１３の側部２５のインポリユート線
の形状を持つ。
側壁１６の第２の部分２２はエネルギ受け器１３の側部
２６のインポリユート線の形状を持つ。各側壁第２部分
１９，２２は各影線４３，４４に終る。側壁１５の第１
の部分１８は、この第１部分１８の任意の点に角度θＭ
ａｘを挟んで当たる放射線をエネルギ受け器１３に接す
る線に沿つて反射する形状にしてある。
このことは、影線４３に平行な放射直線４６により示し
てある。放射直線４６に沿つて進む放射線は、エネルギ
受け器１３に接する線４７，４８，４９，５０に沿つて
反射する。基準軸線１２にθＭａｘより小さい角度を挟
んですべて交さする各放射直線５２，５３，５４，５５
に沿つて進む放射線はエネルギ受け器１３内に向う（ま
たはこれに向つて進む）第１側壁部分１８は第２側壁部
分１９のなめらかな続き線として影線４３で始まり、末
端点５７まで続く。末端点５７は、その側壁１５の接線
が基準軸線１２に平行になる点である。側壁１６の第２
の部分２１は、側壁部分１８と同じように構成され影線
４４から末端点５８まで延びている。末端点５８で側壁
１６に接する直線は基準軸線１２に平行である。第１図
の集中装置は２つの側壁を持つように示したが、本装置
は所望により一方の側壁だけで作ることもできる。集中
率は受け器の周辺により分割する開口の幅であり１Ｚｉ
ｎ０ｍａｘに等しい。第３図では次の定義を使う。ｒは
θＭａｘを挟んで入射する末端光線の方向である。Ｓは
原点としてのＰから測つたエネルギ受け器の輪郭曲線部
Ｅ−）に沿う弧の長さである。
ｔは点Ｒにおけるエネルギ受け器の輪郭曲線部Ｅの接線
である。ｌは点肩→から集中装置Ｃ上の点ｒまでの距離
である。
従つて、Ｔ＝膚−ｌイである。Ｓは曲線Ｃ，Ｅの媒介変
数とする。この場合、０くＳ＜（Ｓ１に対してｄ？Ｓ１
＝１１を与える普通のインポリユート条件菅・ｔ＝ｏが
得られる。
Ｓ，く５くＳ２に対しては（？・マ＝（？・ｒを必要と
する。これは、末端Ｄｓｄｓ光線を接線に沿つて反射す
る条件である。
この場合、Ｓ２−（屁」Ｗ１）・ｆ−１，−′２ω」Ｕ
）・マが得られる。従つて、ｓ１＋Ｓ２＝２ｒ２ＸｋＸ
２ｒ２ｘＳｉｎ０ｍａｘである。従つて集中率は、２ｒ
２ｘ／（Ｓ，＋Ｓ２）＝１／ＳｌｎＯｍａｘである。第
４図には第１図に示したのと同様なエネルギ集中装置を
示してある。エネルギ受け器の輪郭曲線部（以下単にエ
ネルギ受け部と呼ぶ）６０は円形の横断面を持つている
が、角度θ１ｍａｘ，θ２ｍａｘは互に異る。すなわち
側壁６１は側壁６３とは異る。各側壁６１，６３は第１
図で定めたのと同じようにして定める。反射面６４，６
７を持つ鏡６２は基準軸線５６に沿つて位置させる。鏡
６２は長い方の側壁、この例では側壁６３の高さより低
くなり高さに終つている。第５図では、エネルギ受け器
の輪郭曲線部（以下単にエネルギ受け器と呼ぶ）６５は
卵形横断面を持ち、基準面６６上に位置しこの卵形の対
称軸線６７上にあるようにしてある。
各側壁６８，６９の第１の側壁部分７１，７２は、角度
θＭａｘを挟んで受ける放射エネルギを受け器６５に接
して反射するような形状にしてある。第２の各側壁部分
７４，７５は受け器６５の側部のインポリユート線であ
り、影線８０，８１まで延びている。各末端点８３，８
４は、各側壁６８，６９上でこれ等の側壁に対する接線
が基準軸線６７に平行になる点である。第６図には、エ
ネルギ受け器の輪郭曲線部（以下単にエネルギ受け器と
呼ぶ）が長方形の横断面を持つ扁平なシート状の形を持
つ実施例を示してある。
各側壁８７，８９は前記したのと同じようにして展開す
る。薄い長方形横断面を持つエネルギ受け器のインポリ
ユート線は、各影線９１，９２まで延びる実質的に円弧
である。第６図では各側壁８７，８９は、同じ方向に延
びる扁平な形状のエネルギ受け器８６を持つとい形の構
造を形成するように延びている。
この構造は、本集中装置に破線９４，９５の間でθＭａ
ｘより小さい角度を挟んで入るエネルギを受け器８６に
差向ける。扁平なシート状体はたとえば放射工ネルギを
電流に変換する光電池配列を備えている。第１図、第４
図および第５図に横断面で示した工ネルギ受け器はまた
図示のように第６図の扁平なエネルギ受け器８６に延長
することができる。第４図の鏡６２もまた同様に延長す
ることができる。第７図、第８図および第９図は、前記
したように各側壁を彎曲させたとい形構造にエネルギ受
け器としてヒートパイプ（熱管）を協働させた別の実施
例を示す。第７図は円形横断面を持つヒートパイプ９８
を示し、第８図は卵形横断面を持つヒートパイプ９９を
示す。第９図には、構造本体を光学的に無限に長くする
端部壁１００，１０１を持つ構造を示す。前記した構造
は、これが広い受入れ角度にわたつてエネルギを受ける
際に集中装置を太陽を追跡するように可動にすることを
必要としないで太陽放射線の集中にとくに有用である。
高度の太陽放射線集中を必要とする場合に集中装置位置
の季節による変更を行う必要がない。第１０図には前記
した形状を持ち太陽からのエネルギを集収するように位
置させた太陽エネロギ集中装置１０５の配列を示す。各
側壁には、太陽エネルギのほぼ全部を反射する反射材料
たとえばアルミニウムまたは銀を設けてある。本発明を
エネルギ受け器を持つエネルギ集収集中装置として詳述
したが本発明はこのような構造だけに限るものではない
。
任意の電磁エネルギ変換器、受け器または伝送器を使う
ことができる。すなわちエネルギを角度θＭａｘにわた
つて伝送しようとすればエネルギ受け器の代りにエネル
ギ放射器を使えばよい。以上本発明を詳細に説明したが
本発明の構成の具体例を要約すれば次のようである。
（１） エネルギ受け器としてエネルギ変換器を使用し
た前記特許請求の範囲に記載の放射エネルギ集中装置。
（２）第１の部分及び第２の部分を持ち、前記エネルギ
受け器の輪郭曲線部の側部と実質的に反対側の別の側部
に面して位置し、放射エネルギを前記エネルギ受け器の
輪郭曲線部内に差し向けるための別の側壁をさらに設け
、前言門ｑの側壁の第２の部分に、前記エネルギ受け器
の輪郭曲線部の別の側部のインポリユートの形状を持た
せ、前記第２の部分を、前記工ネルギ受け器の輪郭曲線
部が前記基準面に接する点から前記エネルギ受け器の輪
郭曲線部の別の影線まで延ばし、この別の影線を、前記
基準面の前記エネルギ受け器の輪郭曲線部と同じ側の一
点において前記基準軸線に角度θ２ｍａｘで交ささせる
と共にさらに前記基準軸線の前記別の側壁と同じ側にお
いて前記エネルギ受け器の輪郭曲線部に接する直線とし
、前記角度θ２ｍａｘを、この角度θ２ｍａｘに等しい
角度か又はこの角度θ２ｍａｘより小さい角度で前記基
準軸線に交さするすべての放射エネルギが、前記別の側
壁によつて前記エネルギ受け器の輪郭曲線部内へ差し向
けられる、前記基準軸線となす最大の角度とし、前記別
の側壁の第１の部分を、前記別の側壁の第２の部分の延
長部分とすると共に前記第１の部分を、前記別の影線か
ら別の末端点より先には延ばさないようにし、前記別の
側壁の第１の部分を、角度θ２ｍａｘで前記基準軸線と
交さし前記第１の部分上の任意の点に衝突するすべての
放射エネルギが前記エネルギ受け器の輪郭曲線部に接す
る線に沿つて差し向けられるような形状にし、前記別の
末端点を、前言弓別の側壁の第１の部分がこの別の末端
点まで延び、この末端点における前記別の側壁に対する
接線が前記基準軸線に平行になるような点とした、前記
（１）に記載の放射エネルギ集中装置。
（３）前記各側壁の各第１の部分を、前記各末端点まで
それぞれ延ばした前項（２）に記載の放射エネルギ集中
装置。（４）角度θ２ｍａｘを角度θ１ｍａｘと異なら
せ、前記基準軸線上に位置しこの基準軸線に沿つて前記
各側壁のうちの長い方の高さより低くない点まで延びる
鏡を設け、この鏡に、前記各側壁に面する反対側の各反
射側部を設けた前項（３）に記載の放射エネルギ集中装
置。
（５）角度θ１ｍａｘを角度θ２ｍａｘに等しくした前
項（３）に記載の放射エネルギ集中装置。
（６）前記エネルギ受け器の輪郭曲線部の横断面を、前
記基準軸線に沿つて延びる直径を持つ円形の形状にした
前項（５）に記載の放射エネルギ集中装置。
（７）前記エネルギ受け器の輪郭曲線部の横断面を、前
記基準軸線に沿つて延びる対称軸線を持つ卵形の形状に
した前項（５）に記載の放射エネルギ集中装置。
（８）前記エネルギ受け器の輪郭曲線部が前記基準面に
平行な別の基準軸線に沿つて延び、前記各側壁がまた前
記別の基準軸線の方向に延び、この別の基準軸線に平行
にしてとい形構造を形成するようにした前項（５）に記
載の放射エネルギ集中装置。
（９）前記エネルギ受け器の輪郭曲線部を、前記別の基
準軸線に沿つて延びる縦方向軸線を持ち、前記基準面に
直交する前記基準軸線に対して対称に配置した扁平なシ
ート状体の形にした前項（８）に記載の放射エネルギ集
中装置。
ＡＯ）前記エネルギ受け器の輪郭曲線部を、扁平なシー
ト状体の形にし、このエネルギ受け器の輪郭曲線部に、
前記別の基準軸線に沿つて延びる縦方向軸線と、前記基
準面に直交する前記基準軸線に沿つて延びる横方向軸線
とを持たせることにより、前記扁平なシート状体の第１
の側部が前記各側壁のうちの一方に向かい合い、また前
記扁平なシート状体の第２の側部が他方の前記側壁に向
かい合うようにした前記（８）に記載の放射エネルギ集
中装置。
ａｌ）放射エネルギ収集装置に、放射エネルギを受け取
るように、前記扁平なシート状体の前記第１および第２
の側部に位置させた光電池を設けた前項ＡＯ）に記載の
放射エネルギ集中装置。
（自）前記各側壁を互いに接合する１対の互いに向かい
合う端部壁を設け、これ等の各端部壁を前記基準面に直
交させた前項（８）に記載の放射エネルギ集中装置。（
自）前記各側壁を、これ等の側壁に差し向けられたほぼ
すべての太陽放射線を反射する材料で形成した前記（８
）に記載の放射エネルギ集中装置。
（自）前記エネルギ受け器の輪郭曲線部を、ヒートパイ
プの形にした前項（自）に記載の放射エネルギ集中装置
。（自）前記ヒートパイプを、円形横断面を持ち、前記
基準面に直交する前記基準軸線に沿つて延びる直径と、
前記別の基準軸線に沿つて延びる縦方向軸線とを持つ管
の形にした前項Ａ４）に記載の放射エネルギ集中装置。
（１６）前記ヒートパイプを、対称の卵形横断面を持ち
、前記基準面に直交する前記基準軸線に沿つて延びる卵
形横断面の対称軸線と、前記別の基準軸線に沿つて延び
る縦方向軸線とを持つ管の形にした前項（自）に記載の
放射エネルギ集中装置。
なお本発明はその精神を逸脱しないで種種の変化変型を
行うことができるのはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
第１図は円形横断面を持つエネルギ変換器を使う本発明
集中装置の］実施例の線図的横断面図、第２図はエネル
ギ変換器の側部のインポリユートの線図、第３図は本発
明集中装置の別の実施例の線図的横断面図である。 第４図は基準軸線の両側部にθＭａｘが互に等しくない
実施例による本集中装置の線図的横断面図、第５図はエ
ネルギ変換器が卵形横断面を持つ実施例による本集中装
置の線図的横断面図である。第６図はエネルギ変換器が
扁平なシート状体の形を持ち各側壁が延びてといを形成
するようにした実施例による本集中装置の斜視図、第７
図および第８図はとい形構造においてそれぞれ円形およ
び卵形の横断面を持つヒートパイプを備えた各変型によ
る本集中装置の斜視図、第９図は端部壁を持つ変型によ
るとい形構造の集中装置の斜視図、第１０図は本集中装
置の配列を示す斜視図である。１２・・・・・・基準軸
線、１３・・・・・・エネルギ受け器（エネルギ変換器
）、１５・・・・・・側壁、１８，１９・・・・・・側
壁部分、２４・・・・・・基準面、４３・・・・・・影
線、５７・・・・・・末端点。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. １ （イ）基準面に接して位置し、貫通して延びる基準
    軸線を持つエネルギ受け器の輪郭曲線部と、（ロ）第１
    の部分及び第２の部分を持ち、前記エネルギ受け器の輪
    郭曲線の側部に面して位置し、放射エネルギーを差し向
    けるための側壁と、を備え、前記エネルギ受け器の輪郭
    曲線部が、前記基準軸線に沿つて前記基準面から遠ざか
    る向きに延びるように、前記基準軸線を、前記基準面に
    直交させ、前記側壁の第２の部分に、前記エネルギ受け
    器の輪郭曲線部の側部のインボリュートの形状を持たせ
    、前記第２の部分を、前記エネルギ受け器の輪郭曲線部
    が前記基準面に接する点から前記エネルギ受け器の輪郭
    曲線部の影線まび延ばし、この影線を、前記基準面の前
    記エネルギ受け器の輪郭曲線部と同じ側の一点において
    前記基準軸線に角度θ＿１ｍａｘで交ささせると共にさ
    らに前記基準軸線の前記側壁と同じ側において前記エネ
    ルギ受け器の輪郭曲線部に接する直線とし、前記側壁の
    第１の部分を、前記側壁の第２の部分の延長部分とする
    と共に前記第１の部分を、前記影線から末端点より先に
    は延ばさないことにより、角度θ＿１ｍａｘを、この角
    度θ＿１ｍａｘに等しい角度か又はこの角度θ＿１ｍａ
    ｘより小さい角度で前記基準軸線に交さするすべての放
    射エネルギが、前記側壁によつて前記エネルギ受け器の
    輪郭曲線部内へ差し向けられる、前記基準軸線となす最
    大の角度とし、前記側壁の第１の部分を、前記角度θ＿
    １ｍａｘで前記基準軸線と交さし前記第１の部分上の任
    意の点に衝突するすべての放射エネルギが前記エネルギ
    受け器の輪郭曲線部に接する線に沿つて差し向けられる
    ような形状にし、前記末端点を、前記側壁の第１の部分
    がこの末端点まで延び、この末端点における前記側壁に
    対する接線が前記基準軸線に平行になるような点とした
    、エネルギ受け器の輪郭曲線部を考慮して設計された放
    射エネルギ集中装置。
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