JPWO2019112015A1

JPWO2019112015A1 - 集光ユニット、集光装置及び照射装置

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Publication number: JPWO2019112015A1
Application number: JP2019506454A
Authority: JP
Inventors: 浩光手島
Original assignee: TESHIMA TUSHO CORPORATION
Current assignee: TESHIMA TUSHO CORPORATION
Priority date: 2017-12-06
Filing date: 2018-12-06
Publication date: 2019-12-12
Anticipated expiration: 2038-12-06
Also published as: JP6829494B2; WO2019112015A1

Abstract

太陽光を効率よく大量に集光できる集光ユニット、前記集光ユニットからなる集光装置、及び前記集光装置と組み合わせて集光した太陽光を照射する照射装置を提供する。複数枚のレンズからなり、中央に配置される平面視円形の凸レンズであるメインレンズ（１１）とその周囲に配置される平面視が非円形の凸レンズである補助レンズ（１２）からなり、前記各レンズ（１１，１２）の入射面に入射する太陽光を前記メインレンズの焦点（Ｆ）に収束させる集光ユニットとする。

Description

本発明は、より多くの太陽光を一点に集光可能とする集光ユニット、前記集光ユニットを用いた集光装置、及び前記集光ユニットもしくは集光装置を用いた照射装置に関するものである。

近年、とりわけ、２０１１年３月に発生した福島第一原子力発電所の事故により、原子力発電に代わるベースロード電源の開発が社会的急務となっている中で、クリーンエネルギーによる発電をその代替となすことについて盛んに議論が行われており、殊に、安全で経費の安いエネルギーの活用が望まれていることから、自然エネルギーの一つである太陽光の有効利用が図られている。

そして、太陽光を集光し、太陽光のエネルギーを直接発電に利用する方法として、太陽電池を用いた太陽光発電があるが、この方法は設置面積当たりの発電効率が低く、また設置方位角や仰角は固定されて一定のため、日照時間や季節による太陽の方位角や入射角の変動の影響を大きく受けてしまい集光量が著しく増減し、ベースロード電源に足る十分な発電量を得ることは困難である。

そこで、太陽光のエネルギーを有効に利用する手段の１つとして集光レンズを用いて高エネルギーを得ることが考えられ、その際高エネルギーを得るには大口径のレンズを用いることが好ましいが、大口径のレンズは製造や運搬が容易でなく、また、重量も嵩むため装置自体も耐強度が必要であるなどの問題点がある。

このような問題点を解決するための手段の１つとして例えば実開昭６１−１９９０６１号公報（特許文献１）に複数のレンズを並設することにより大径レンズと同等の集光を得る手段が提示されている。

この集光ユニットは、図１８に示すように、中央に平面視円形の通常の両凸レンズからなるメインレンズ１１Ａとその周囲に同じく平面視円形でレンズ面が特殊形状などの手段を用いて光線を屈曲集光させるようにした補助レンズ１２Ａの焦点を前記メインレンズ１１Ａの焦点と一致させる集光ユニット１Ａを提示するものである。

しかしながら、この公報に提示されている従来の集光ユニット１Ａはメインレンズ１１Ａおよびその周囲に並設される補助レンズ１２Ａが何れも平面視円形のレンズであることから互いに隣接すると単位照射面積における空隙率が大径レンズに比べて大きくなり、集光効率が良くない。

更に、周囲に平面的に配置される補助レンズ１２Ａの焦点を中央に配置されるメインレンズ１１Ａの焦点に合致させることが必要であるため、補助レンズ１２Ａを特殊な形状のレンズにしなければならず、製造が容易でない。

また、この公報に提示されている従来の集光ユニット１Ａは季節や時刻に応じた太陽の位置の変化による集光量の増減には対応できないという問題もある。

この点について、例えば特開２００９−１２３７７９号公報（特許文献２）、実開平３−５８６０１号公報（特許文献３）などに複数のレンズをドーム型の半球構造上に配置することで、太陽の方位角や入射角の変動に対応し、集光量を上げる集光装置を提供するものが示されている。

しかしながら、これらの公報に提示されている集光装置は、季節や日時での太陽の方位角や入射角の変化に対応できるものの、図１９に示すように単に平面視円形の複数枚のレンズを組み合わせドーム状に並べたものであるため、集光装置上のレンズ以外の空隙の面積が大きくなってしまい前記実開昭６１−１９９０６１号公報（特許文献１）の発明と同様に単位面積当たりの集光効率が低下するという問題がある。

更に、複数のレンズを組み合わせた集光ユニットや集光装置により集光した太陽光を照明などに利用するために伝送し照射する装置が特開平１０−６８９０４号公報（特許文献４）、特開２０００−３２１５２５号公報（特許文献５）などに提示されている。

しかしながら、前記公報に提示されている従来の照射装置は、図２０に示したように集光ユニットや集光装置により集光した太陽光を光ファイバ１４Ａにより伝送して照射するものであるため、日照時間の変化や太陽光の入射角の変化に対応可能であるとともに広い受光角の光ファイバにより集光効率を上昇させることができる利点を有しているが、伝送する光ファイバには伝送損失が必ずあり集光した光エネルギーが減衰することから、集光量を増大させるには装置を構成するレンズを大きくするとともに、使用する光ファイバの本数を増やす必要があるなど、装置の大型化は避けられないというも問題がある。

更に、集光の目的が建築物の屋内等を照らすためのものであり、また、光ファイバを用いていることから、ある程度までの集熱量には適する、耐熱限度を超えるような温度になる場合には、冷却する必要が生じるなど、熱エネルギーは小さいものに限られる。

実開昭６１−１９９０６１号公報特開２００９−１２３７７９号公報実開平３−５８６０１号公報特開平１０−６８９０４号公報特開２０００−３２１５２５号公報

本発明は、前記従来の集光ユニット、集光装置及び照射装置が有する問題点を解決して太陽光をベースロード電源に足るエネルギーとするためになされたものであって、大口径のレンズを用いることなしにそれとほぼ同等の集光量を可能にする集光ユニット、更に、前記効率の良い集光ユニットを用いて緯度や経度、天候や季節に応じて変化する日照時間及び太陽の方位角や仰角に起因する太陽光の集光量の低下に対応することで、地上において限られた日照時間の中での太陽光の集光量を最大にする集光装置、更には前記集光ユニットまたは集光装置により集光した太陽光を効率よく利用するための照射装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するためになされた本発明である集光ユニットは、中央に配置される平面視円形の凸レンズであるメインレンズとその周囲に１枚以上配置される平面視が非円形の凸レンズである補助レンズとからなり、前記各レンズの入射面に入射する太陽光を前記メインレンズの焦点に収束させることを特徴とする。

また、本発明である集光ユニットにおいて、前記補助レンズは、平面視において内周径がメインレンズの径とほぼ同一であるとともに外周径がメインレンズの径よりも大きいドーナツ形状であるとともに、複数個所において垂直方向に切分されていることを特徴とする。

更に、補助レンズは、平面視において内周径がメインレンズの径とほぼ同一であるとともに外周径がメインレンズの径よりも大きいドーナツ形状であるとともに、複数個所において垂直方向に切分されている第一補助レンズと、前記第一補助レンズから外側に向かって順次配置され、それぞれの内周が内側に位置する補助レンズの外周とほぼ同一であるドーナツ形状であるとともに、複数個所において垂直方向に切分されている第二以降の補助レンズとからなることにより、更に大口径のレンズを容易に形成でき、きわめて大きな集光効果を挙げることができる。

加えて、前記メインレンズと補助レンズが側面視において同一線上に配置されている場合には、上下方向に距離を隔てることもなく少ない設置空間で大口径のレンズが有する焦点距離に対する厚みの限度を超えて更に大きな集光効果を挙げることが可能である。

また、側面視において前記メインレンズが最下位であって、前記補助レンズが外側に向かって順次上方となる位置に配置されていることで、各レンズの焦点を一致させる調整が容易となり、また、上方に位置するレンズが下方に位置するレンズに干渉するのを防止することができる。

また、本発明である集光ユニットにおいて、補助レンズが平面視半円形である凸レンズであって、弦部がメインレンズ側に位置するよう配置した場合には、メインレンズの周囲に補助レンズとの空隙が少なく、傾斜も小さく配置することが可能となり、入射光に対して集光可能なレンズ面積を大きくでき、また単位面積当たりの集光効率を上げることができ、集光ユニット全体は小さくすることができる一方で集光量を増加させることが可能となる。

特に、本発明である集光装置において、前記メインレンズと前記補助レンズの屈折率が異なっている場合には、両者の焦点位置を一致するように調整して太陽光を収束させることが容易となり、集光ユニット全体の大きさも自由に設定できる。

更に、前記メインレンズおよび補助レンズは両凸レンズであって、それぞれのレンズの入射側の屈折率と出射側の屈折率が異なるように形成されている場合には、平面視同じ大きさや径のレンズであっても焦点距離を様々に変化させることができ、集光量を変えずに集光ユニットの大きさを調整することができる。

更にまた、前記補助レンズ４枚をメインレンズ周囲に等間隔に配置した場合には、単位面積あたりに極めて効率よくレンズを配置することができ、効率的に集光量を得ることができる。

また、前記本発明である集光ユニットを前記メインレンズの光軸が太陽方向を常に向くように半球面の上を移動可能に配置することにより太陽の位置に応じた効率的な集光が可能となり、或いは前記発明である集光ユニットを複数、半球状に配置させた集光装置とすることにより、集光量を増加させることができるとともに、太陽を追尾する必要がなく、更には太陽方向にメインレンズの光軸が一致しない集光ユニットにおいても太陽光を集光することができるため、弱い光も十分に集光することができる。

更に、集光ユニットまたは集光装置と、外壁と鏡面である内壁との間に断熱材を有する管状の集光体からなり、前記集光体の一方の開口端が前記焦点と一致する入射口であるとともに、前記集光体の他方の開口端が前記入射口から導入され集光した光を照射する照射口より形成される照射装置としたことにより、集光した強力な太陽エネルギーを損失させることなく、希望する方向に照射することができる。

また、集光ユニットまたは集光装置と、外壁と鏡面である内壁との間に断熱材を有する管状の集光体からなり、前記集光体の一方の開口端が前記焦点以後の拡散していく光を導入する入射口であるとともに、前記集光体の他方の開口端が前記入射口から導入され集光した光を照射する照射口より形成される照射装置としたことにより、集光した太陽光の焦点以後の拡散する太陽光を、複数の任意の位置で異なる光度のものを利用するものとし、例えば照射対象物として生物・微生物・病原体・細菌・細胞・ウィルスなど様々な生態に対し照射し、その結果を調査や研究等に広く役立てることが可能となる。

更にまた、前記照射口の向きを３６０度変更する転回装置を備えており、前記転回装置は、底面および上面の中央部が開口した平面視円盤形であってその中央に前記集光体を互いの中心軸を一致させて配置し前記集光体の上部を該上部外周面と前記上面開口部内周面との間に配置した複数のばね部材により支持するケース体と、前記ケース体の本体内周面に形成した環状のレールと、前記レール上を走行する走行体と、前記走行体と前記集光体とを接続する伸縮部材とを有するものとすることにより、容易に希望する方向に照射口を向けることが可能となる。

本発明である集光ユニットによれば、製造・運搬が困難で高価であるばかりか設置も困難な大口径のレンズを用いなくとも、大口径のレンズを用いて太陽光を集光したとほぼ同様、或いはそれ以上の集光効果を発揮させることができ、製造も容易で且つ安価に提供することができる。また、本発明である集光装置は、前記効率の良い集光ユニットを用いて緯度や経度、天候や季節に応じて変化する日照時間及び太陽の方位角や仰角に起因する太陽光の集光量の低下に対応することで、地上において限られた日照時間の中での太陽光の集光量を最大にすることが可能であり、本発明である照射装置は、前記集光ユニットまたは集光装置により集光した太陽光のエネルギーの損失を無くして効率よく伝送することにより、太陽光を収束し一点へ照射でき、地上では限られた日照時間で最大効率の太陽光及びその熱エネルギーの利用ができ、更に応用すれば宇宙空間においては、強力な太陽光熱集束照射装置の実現も可能である。

本発明である集光ユニットの好ましい実施の形態の概略を示すものであり、（ａ）は平面視概略図、（ｂ）は（ａ）におけるＸ−Ｘに沿う概略断面図、（ｃ）は製造過程の説明図。図１に示した実施の形態の改良に係る実施の形態の平面視概略図。図２に示した実施の形態の縦断面図。図１に示した実施の形態の部分拡大斜視図。図１に示した実施の形態の更に改良に係る実施の形態の平面視概略図。本発明である集光ユニットの異なる実施の形態を示す平面視概略図。本発明である集光ユニットの更に異なる実施の形態を示すものであり、（ａ）（ｂ）は平面視概略図、（ｃ）は側面視概略断面図。（ａ）は集光ユニット１を内包できる正方形のうちで最小のものに集光ユニット１を配置した場合の概略図、（ｂ）は前記正方形内に円形レンズを２枚配置した場合の概略図。本発明における補助レンズの違いによる光路の違いを示す概略図であり、（ａ）は平面視半円形の補助レンズ１３が対称両凸レンズの場合の入射光が焦点へ収束するまでの光路概略図、（ｂ）は平面視半円形の補助レンズ１３が非対称両凸レンズの場合で入射側の屈折率が出射側の屈折率より小さい場合と対称両凸レンズの場合の入射光が焦点へ収束するまでの光路の違いを示す光路概略図、（ｃ）は平面視半円形の補助レンズ１３が非対称両凸レンズで入射側の屈折率が出射側の屈折率より大きい場合と対称両凸レンズの場合の入射光が焦点ｆ及びｆ´へ収束するまでの光路の違いを示す光路概略図。本発明においてメインレンズ１１が非対称両凸レンズである場合に補助レンズの違いによる光路の違いを示す概略図であり、（ａ）は平面視半円形の補助レンズ１３が対称両凸レンズでありメインレンズ１１が対称両凸レンズの場合の入射光が焦点へ収束するまでの光路の違いを示す光路概略図、（ｂ）は平面視半円形の補助レンズ１３が非対称両凸レンズでありメインレンズ１１が非対称両凸レンズの場合での入射光が焦点へ収束するまでの光路を示す光路概略図。平面視半円形の補助レンズ１３がメインレンズ１１の周囲に等間隔に４枚配置された場合の本発明の好ましい実施の形態を示す平面視概略図であり、（ａ）は平面視半円形の補助レンズ１３の配置を表す概略図、（ｂ）はメインレンズ連結用ホルダー４６を用いてメインレンズ１１と平面視半円形の補助レンズ１３を連結した様子を表す概略図。本発明で、補助レンズが平面視半円形の補助レンズ１３である集光ユニット１を１基だけ備えた集光装置２の好ましい実施形態を示す概略図。本発明で、補助レンズが平面視半円形である集光ユニット１を複数基備えた集光装置３の好ましい実施形態を示す概略図。本発明の照射装置４の好ましい実施形態を示す概略図であり、（ａ）は照射装置４と組み合わせた集光ユニット１の平面視概略図、（ｂ）は照射装置４の側面視概略断面図。本発明の照射装置６の異なる実施形態を示す概略図。本発明の照射装置７の更に異なる実施形態を示す概略図であり、（ａ）は平面視概略図、（ｂ）は側面視概略断面図。メインレンズ１１と半径Ｒ１が等しい円形レンズを４枚組み合わせた集光ユニットの平面視概略図であり、（ａ）は前記集光ユニットの平面視概略図、（ｂ）は前記集光ユニットの側面視概略断面図。集光ユニットの従来例における概略を示す説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図。集光装置の従来例を示す斜視図。照射装置の従来例を示す説明図。

以下に、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は本発明である集光ユニット１の好ましい実施の形態を示すものであり、集光ユニット１は、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、中央に配置される平面視円形の凸レンズであるメインレンズ１１とその周囲に配置される平面視が弧状形である非円形の凸レンズである同形の４枚の補助レンズ１２からなり、メインレンズ１１と補助レンズ１２の入射面に入射する太陽光を前記メインレンズ１１の焦点Ｆに収束させる構成である。

更に説明すると、前記各補助レンズ１２は、例えば図１（ａ）に示したように内周径１２１の半径Ｒ２がメインレンズ１１の平面視で半径Ｒ１にほぼ等しく、外周径１２２の半径Ｒ３が前記メインレンズ１１の半径Ｒ１よりも大きい平面視ドーナツ形レンズをその中心Ｃを通るとともに互いに９０度の角度で交差する放射状の直線で平面視４等分に切分して形成される平面視が弧状形となるような平面視非円形の形状として製造され、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように前記メインレンズ１１の外周に組み合わせて平面視ほぼ切分する前のドーナツ形になるように配置し、且つ、メインレンズ１１の焦点距離ｆと補助レンズの焦点距離ｆ´とを同一の焦点Ｆに一致させて製造される（図１（ｃ）参照）。

このような本実施の形態は、半径Ｒ３の大型レンズと略同等の集光量及び集光効率を、製造が難しい前記大型レンズと比べて製造が容易で半径が小さい前記メインレンズ１１と平面視ドーナツ形レンズをドーナツ形レンズの中心を通る放射状の直線で平面視４等分したものと略同等の平面視弧状形の補助レンズ１２を４枚組み合わせることで実現できる。

また、本実施の形態に示した集光ユニット１は、中央に配置されるメインレンズ１１の屈折率を周囲に配置する平面視ドーナツ形補助レンズ１２よりも大きくすることで、図１（ｂ）に示すようにメインレンズ１１の焦点距離ｆが平面視ドーナツ形補助レンズ１２の焦点距離ｆ´よりも短くなる。

そのため、前記焦点Ｆを一致させた場合にメインレンズ１１を補助レンズ１２よりも下方に位置させることができ、メインレンズ１１に入射する光が平面視でほぼドーナツ形に並設する弧状の補助レンズ１２に入射する光に影響を及ぼさず、前記焦点Ｆに集光可能なメインレンズ１１及び平面視ドーナツ形補助レンズ１２の集光量を最大にすることができる。

更に、前記平面視ドーナツ形に並設する弧状の補助レンズ１２が非対称両凸レンズであって、入射側の屈折率が出射側の屈折率よりも小さくすることにより平面視が孤状の補助レンズ１２の焦点距離ｆ´を延ばすことができ、集光ユニット１全体の焦点Ｆを先方に延ばすように調節することができる。

更にまた、同様にメインレンズ１１が非対称両凸レンズであって、入射側の屈折率が出射側の屈折率よりも小さい場合にも、平面視が弧状の補助レンズ１２の焦点距離ｆ´をより延ばすことで、集光ユニット１全体の焦点Ｆをより延ばすように調節することもできる。

尚、本実施の形態は同一形状の４枚の補助レンズ１２により形成されているが、これに限るものでなく、例えば図２に示したように８枚の補助レンズ１２により形成してもよく、構成する枚数は問わない。ただ、少なくとも等分されて同一形状の補助レンズ１２を用いることで補助レンズ１２を多量生産することが可能であり、生産性の向上を図ることができる。勿論、構成枚数についても４枚や８枚の場合には設計が容易であるとともに配置し易いという利点を有しているが、これに限るものでなく、１枚の平面視ドーナツ形レンズであってもよい。

図３乃至図４は、前記図１に示した実施の形態の改良に係る実施の形態を示すものであり、特に、平面視ドーナツ形に配置された第一の補助レンズ１２ａ・・１２ａ，第二の補助レンズ１２ｂ・・・・・・１２ｂ，第三の補助レンズ１２ｃ・・・・・・１２ｃが平面視において複数に重ねて配置されているとともに第一の補助レンズ１２ａ・・１２ａ，第二の補助レンズ１２ｂ・・・・・・１２ｂ，第三の補助レンズ１２ｃ・・・・・・１２ｃおよびメインレンズ１１が側面視において同一線上に配置されている。

また、本実施の形態では、第一の補助レンズ１２ａ・・１２ａ，第二の補助レンズ１２ｂ・・・・・・１２ｂ，第三の補助レンズ１２ｃ・・・・・・１２ｃの屈折率を内側の第一の補助レンズ１２ａ・・１２ａから順に大きく形成されており、第一の補助レンズ１２ａ・・１２ａ，第二の補助レンズ１２ｂ・・・・１２ｂ，第三の補助レンズ１２ｃ・・・・・・１２ｃの焦点をメインレンズの焦点Ｆに合致させることにより、大きさや厚みの制限更には製造上の困難性から実現が難しい集光効果の大きい大口径のレンズを容易に形成でき、きわめて大きな集光効果を挙げることができ、特にこの場合には全てのレンズを側面視方向において同一線上に配置することができることから集光ユニット１全体の設置空間も少なくすることができる。尚、第一の補助レンズ１２ａ・・１２ａ，第二の補助レンズ１２ｂ・・・・・・１２ｂ，第三の補助レンズ１２ｃ・・・・・・１２ｃをそれぞれ、側面において水平に支持されるメインレンズ１１に対して所定の傾斜角だけ傾斜させて配置させることによりメインレンズ１１の焦点Ｆに一致させてもよい（図示せず）。

図５乃至図６は前記図１に示した実施の形態の更に改良に係る実施の形態に係るものであり、平面視ドーナツ形に配置された第一の補助レンズ１２ａ・・１２ａ，第二の補助レンズ１２ｂ・・・・・・１２ｂ，第三の補助レンズ１２ｃ・・・・・・１２ｃが平面視において複数に重ねて配置されている点および小型の第一の補助レンズ１２ａ・・１２ａ，第二の補助レンズ１２ｂ・・・・・・１２ｂ，第三の補助レンズ１２ｃ・・・・・・１２ｃを用いて大口径のレンズと同等の集光効果を有する点については前記図３乃至４に記載した実施の形態と共通であるが、本実施の形態は、ドーナツ形に配置された複数の第一の補助レンズ１２ａ・・１２ａ，第二の補助レンズ１２ｂ・・・・・・１２ｂ，第三の補助レンズ１２ｃ・・・・・・１２ｃをメインレンズ１１を最下位としてその上方位置に順次所定の距離を隔てて配置されている点が異なる。

本実施の形態は、第一の補助レンズ１２ａ・・１２ａ，第二の補助レンズ１２ｂ・・・・・・１２ｂ，第三の補助レンズ１２ｃ・・・・・・１２ｃを同一の屈折率のものを用いてもそれらの焦点をメインレンズ１１の焦点Ｆに一致させることができることから前記図３乃至図４に記載の実施の形態に比べてより容易且つ安価に同様な大口径レンズと同等の集光ユニット１を製造することができるという利点を有している。

尚、メインレンズ１１、第一の補助レンズ１２ａ・・１２ａ，第二の補助レンズ１２ｂ・・・・・・１２ｂ，第三の補助レンズ１２ｃ・・・・・・１２ｃは互いに側面視において所定の距離だけ離れているので上方に位置するレンズが下方に位置するレンズに干渉するのを防止することができる。尚、図３乃至図６に示した実施の形態では第一の補助レンズ１２ａ・・１２ａ，第二の補助レンズ１２ｂ・・・・・・１２ｂ，第三の補助レンズ１２ｃ・・・・・・１２ｃとして三重のドーナツ形としたが補助レンズは複数の平面視ドーナツ形に配置された補助レンズが平面視において複数に重ねて配置されていればよく、これに限るものではない。

図７は本発明である集光ユニット１の異なる実施の形態を示す概略図であり、集光ユニット１は、中央に配置される半径がＲ１で平面視円形のメインレンズ１１の周囲に前記メインレンズと同径の半径がＲ４で平面視半円の弦側１３１が最も厚い平面視半円形の補助レンズ１３を、平面視半円の弦側１３１がメインレンズ１１側を向くようにして互いに１８０度または９０度の間隔で２枚または４枚が配置されている。また、前記補助レンズ１３は図６（ｃ）に示すように側面視において水平に支持されるメインレンズ１１に対して傾斜角αだけ傾斜させて配置される。

ところで、例えばメインレンズ１１と補助レンズ１３が対称両凸レンズにより構成すると、メインレンズ１１と平面視半円形の補助レンズ１３を同じ屈折率とした場合には、焦点距離が等しくなることから傾斜角αで平面視半円形の補助レンズ１３を傾斜させても集光ユニット１の焦点を一致させることができないことがある。

そこで、補助レンズ１３の屈折率をメインレンズ１１の屈折率より小さくすることで、補助レンズ１３の焦点距離ｆ´を延ばし、傾斜角αで傾斜させることで、メインレンズ１１と平面視半円形の補助レンズ１３の焦点を一致させることができる。尚、補助レンズ１３の焦点距離ｆ´は以下に示す式（１）で表される。

この場合には、図８（ａ）および図８（ｂ）に示されるように、集光ユニット１が１基で占めることができる正方形のうちで最小のものの中に、集光ユニット１と同様の構成で周囲の平面視半円形の補助レンズ１３をメインレンズ１１と同じ半径Ｒ１で平面視円形のレンズは１枚または最大でも２枚しか入ることができない（図８（ｂ）参照）。

これに対して、図８（ａ）における前記正方形内のレンズ枚数を合計すると集光ユニット１は平面視円形のレンズに換算して３枚である。

すると、集光ユニット１は平面視円形のレンズを組み合わせる場合よりも、一定の面積を占めることができるレンズの枚数が多く、集光率が高くなる。

したがって、入射光遮断面Ｐで遮断される入射光を差し引いても、集光ユニット１は平面視円形レンズを組み合わせた集光ユニットに比べ単位面積当たりの集光率を大きく向上させることができるものである。

図９は本発明である集光ユニット１の更に異なる実施の形態を示すものであり、本実施の形態は、平面視半円形の補助レンズ１３が非対称両凸レンズで入射側の屈折率が出射側の屈折率よりも小さくなるよう入射側の曲率半径が出射側の曲率半径より大きく形成されている。

また、平面視が半円形の補助レンズ１３の枚数は２枚または４枚であり、それらの補助レンズ１３の半径Ｒ４はメインレンズ１１の半径Ｒ１と等しく、全体の形状は平面視半円形で平面視面積はメインレンズ１１の１／２である。

更に、補助レンズ１３の入射面と出射面の屈折率は、補助レンズ１３の焦点距離ｆ´´を数１で表される値とし、且つ、メインレンズ１１と補助レンズ１３の焦点を一致させるとともに、集光可能なレンズ面積を、平面視半円形の補助レンズ１３をメインレンズと同じ半径Ｒ１で１枚の円形レンズとする場合に集光可能なレンズ面積と比べて増加させるため、図９（ｂ）に示される平面視半円形の補助レンズ１３のメインレンズ１１の入射面と出射面との境界面に対する傾斜角αが、円形レンズの傾斜角β（図１５（ｂ）参照）よりも十分小さくなるよう決定される。

更に説明すると、図９（ｂ）に示されるように前記非対称両凸レンズである平面視半円形の補助レンズ１３については入射側の凸レンズを出射側凸レンズに比べて曲率半径を大きくすることで、図９（ａ）に示されるような平面視半円形の補助レンズ１３が入射側と出射側で屈折率が等しい対称両凸レンズの場合に比べ、焦点距離ｆ´を長くでき、前記傾斜角αを小さくできることから集光可能なレンズ面積をより大きくできるとともに、前述の単位面積当たりの集光効率向上により集光ユニットとしての集光量を最大とすることができる。

また、図９（ｃ）に示されるように平面視半円形の補助レンズ１３が非対称両凸レンズで入射側の屈折率が出射側の屈折率よりも大きくなるよう入射側の曲率半径が出射側の曲率半径より小さい場合には、焦点距離ｆ´´は前記対称両凸レンズよりも短くなってしまう。

以上により、中央に配置したメインレンズ１１の焦点に、周囲の平面視半円形の補助レンズ１３の焦点Ｆを一致させつつ、平面視半円形の補助レンズ１３は傾斜による損失は抑えられ、その集光量は平面視半円形の補助レンズ１３の全集光量の８０％以上になり、円形レンズ換算で集光量は４０％以上、平面視半円形の補助レンズ１３が４枚で合計は円形レンズ換算で１６０％以上になり、集光ユニット１全体では合計で２６０％以上の集光量を得られることから、製造が難しい大型レンズと同等の集光量を集光ユニット１で実現できる。

尚、平面視が半円形の補助レンズ１３は、その焦点がメインレンズ１１の焦点と一致するように平面視半円形の補助レンズ１３の焦点距離をｆ´´とした平凸レンズでもよく、入射側と出射側の曲率をメインレンズ１１より大きくすることで屈折率を小さくし焦点距離ｆ´を延ばした対称両凸レンズであってもよい。

図１０は本発明である集光ユニット１の中央に配置されるメインレンズ１１が非対称両凸レンズで入射側の屈折率が出射側の屈折率よりも小さい場合の好ましい実施の形態を示す概略図である。

この場合、平面視半円形の補助レンズ１３は２枚または４枚で、半径は前述と同様にメインレンズ１１と等しく全体の形状は平面視半円形で平面視面積はメインレンズ１１の１／２であり、図１０（ｂ）に示されるように非対称両凸レンズであるのが好ましい。

尚、中央に配置されるメインレンズ１１は屈折率が入射側と出射側で等しい対称両凸レンズでもよく、入射側の屈折率が出射側の屈折率よりも小さい非対称両凸レンズでもよいし、平面視半円形の補助レンズ１３は図１０（ａ）に示されるように両側の屈折率が等しい対称両凸レンズでも良いし、また平凸レンズでもよい。

更に説明すると、中央に配置されるメインレンズ１１を非対称両凸レンズとするか、対称両凸レンズとするか、平凸レンズとするかにより、メインレンズ１１の焦点距離ｆを調整でき、集光ユニットのサイズを決定するに当たり焦点距離ｆを長くしたい場合や短くしたい場合に応じて調整することができる。

そして、図１０（ｂ）に示したように中央に配置されるメインレンズ１１を非対称両凸レンズにする場合には、焦点距離ｆを対称両凸レンズの場合より長くでき、平凸レンズの場合より短くできる。

加えて、平面視半円形の補助レンズ１３を非対称両凸レンズとすることで、平面視半円形の補助レンズ１３の傾斜角αを小さくもしつつ、集光量は増加させることができる。

図１１は平面視半円形の補助レンズ１３を中央に配置したメインレンズ１１の周囲に４枚配置する場合の好ましい実施の形態を示す概略図であり、４枚の平面視半円形の補助レンズ１３の配置位置は、中央に配置したメインレンズ１１の光軸と入射側及び出射側の境界面との交点を互いの交点とする境界面と同一平面上にある互いに直行する直線が、前記補助レンズ１３の平面視半円の弦を垂直に２等分するようにし、且つ、４枚の平面視半円形の補助レンズ１３は互いに等間隔に並設する。

更に説明すると、４枚の平面視半円形の補助レンズ１３は平面視弦側を中央に配置したメインレンズ１１の方へ向け、更に前記平面視半円形の補助レンズ１３の焦点をメインレンズ１１の焦点と一致するよう前述と同様傾斜角αで傾ける。

ここで、メインレンズ１１は周囲の四方に前記平面視半円形の補助レンズ１３を両レンズの遠近や角度を調整する機能を有するメインレンズ連結用ホルダー４６を装着することにより連結し、集光ユニット１とする。

なお、図１乃至図１１に記載した集光ユニット１の各実施の形態において、メインレンズ１１および補助レンズ１２または補助レンズ１３は、各レンズを固定するフレーム（図示せず）、支柱（図示せず）等が、光の進路の支障とならない範囲で、焦点距離を様々に調整することが考えられる。

図１２は本発明である集光装置２の好ましい実施の形態を示すものであり、例えば前記図１乃至図１１に示した集光ユニット１が各焦点位置２１を中心として太陽光の集光量が最大となるような半球面上を移動するように配置されているので太陽光の入射量を最大化することができる。尚、集光ユニット１の半球面上を移動させる手段は周知の手段を用いる。

また、図１３は、本発明である集光装置３の異なる実施の形態を示すもので、例えば前記図１乃至図１１に示した集光ユニット１が本発明である集光ユニット１を複数、集光装置３の焦点位置３１を中心として、半球状に配置した場合の集光装置３の好ましい実施の形態を示す概略図であり、配置する集光ユニット１の数は、目標とする太陽光の集光量に対する集光装置３の大きさに応じて決定する。

更に、説明すると、目標とする太陽光の集光量に対して、集光効率が最大となるように、メインレンズ１１及び平面視ドーナツ形補助レンズ１２の大きさ及びレンズの側面視断面形状を決めるか、もしくはメインレンズ１１及び平面視半円形の補助レンズ１３の大きさ及びレンズの側面視断面形状を決め、前記目標集光量と決定したレンズサイズから最大の集光量となるように集光ユニット１の数を決定する。

図１４は、本発明である照射装置４の好ましい実施の形態を示す概略図であり、照射装置４は、前記集光ユニット１と、集光する光の損失が少ない鏡面の内壁４４を有する管状の集光体４１とからなり、前記集光体４１は、一方の開口端が集光ユニット１の焦点と一致する入射口４２であるとともに、前記集光体４１の他方の開口端が前記入射口４２から前記集光体４１に導入し集光した光を照射する照射口４３であり、内壁４４は断熱材４５に周囲を囲まれており、断熱材４５の外周には外壁４６が形成されている。

本実施の形態において補助レンズは平面視半円形の補助レンズ１３を４枚用いているが、平面視ドーナツ形補助レンズ１２を用いても良く、また、枚数についてもこれに限られない。

更に詳しく説明すると、太陽光の照射量を大きくしたい場合には集光ユニット１は、メインレンズ１１及び平面視半円形の補助レンズ１３の半径を大きくし、目標とする照射光量または照射熱量に応じて、構成する全てのレンズのサイズ、側面視断面形状及び屈折率を決定する。

また、集光ユニット１は、集光ユニット１のメインレンズ１１の四方に設けられた平面視半円形の補助レンズ１３との遠近や角度を調整可能なメインレンズ用支柱５３及び平面視半円形の補助レンズ１３の平面視半円の弧１３２の側に設けた照射装置４との距離を調整する機能を有する補助レンズ用支柱５４とを結合することで支持されるように連結する。

そして、このように前記本発明である照射装置４が、前記集光体４１における前記入射口４２に、前記メインレンズ１１がその光軸を前記集光体４１の入射口４２に合致するように前記集光体４の入射口４２側の開口端に立設されているメインレンズ連結用ホルダー５１に保持されているとともに、前記補助レンズ１３がその焦点を前記集光体４１の入射口４２に合致するように前記開口端の前記補助レンズ用支柱５４に立設される補助レンズ連結用ホルダー５２に保持されている場合には、集光ユニットまたは集光装置のメインレンズ１１及び補助レンズ１３を確実に且つ調整容易に保持させ照射装置４を容易に実施することができる。

ここで、前記内壁４４は導入した太陽光を反射する光の損失の少ない鏡面の内壁４４を有する反射壁であり、また、周囲を断熱材４５に囲まれていることから、集光した太陽光の熱エネルギーを外部に逃すことなく照射することや、大きな熱エネルギーを集熱し照射することも可能であり、集光した太陽光の熱エネルギーを損失させることなく伝送することができる。

なお、集光ユニット１の代わりに集光装置２または集光装置３を用いてもよく、この場合には集光装置２の焦点位置２１または集光装置３の焦点位置３１に集光体４１の入射口４２が来るように照射装置４を設置することで、更に大きな集光集熱量を得ることができる。

また、前記照射装置４では、管状の集光体４１は円管でもよいが矩形管でもよく、直線状でもよいがＬ字型で途中の屈曲部に反射ミラーを設けることで照射口４３の開口方向へ入射光を反射してもよく、可撓性を持っており自由に曲げることができ任意の方向へ照射口４３を向けて集光した太陽光を照射できてもよい。

図１５は、本発明である照射装置６の異なる実施の形態を示す概略図であり、照射装置６の全体の構成は図１４に示した前記照射装置４と同様であるため詳細な説明は省略するが、入射口が前記集光ユニットの焦点と一致せず、前記焦点以後の拡散する光を導入する位置である点において異なる。

すなわち、照射装置６は焦点Ｆからの距離が異なる位置に集光体６１を複数設置して用いられるものであり、集光ユニット１により集光した太陽光の焦点Ｆ以後の拡散する光を、複数箇所の異なる光度で利用するものである。

本実施の形態の照射装置６によれば、異なる光度ごとの特性に応じ太陽光を有効利用して対象への照射を可能とするものであり、例えば照射対象物として生物・微生物・病原体・細菌・細胞・ウィルスなど様々な生態に対し照射し、その結果を調査や研究等に広く役立てることが可能となる。

図１６は、本発明である照射装置７の更に異なる実施の形態を示す概略図であり、照射装置７は、前記集光ユニット１と、集光する光の損失が少ない鏡面の内壁７４を有する管状の集光体７１とからなり、前記集光体７１は、一方の開口端が集光ユニット１の焦点と一致する入射口７２であるとともに、前記集光体７１の他方の開口端が前記入射口７２から前記集光体７１に導入し集光した光を照射する照射口７３であり、内壁７４は断熱材７５に周囲を囲まれており、断熱材７５の外周には外壁７６が形成されている。

太陽光を集光する集光ユニット１，集光装置２または集光装置３と照射装置７との連結は、接続用支柱７７によって支持されるように連結する。

この照射装置７は、照射口７３の向きを調整する転回装置８を有している点で、図１４に示した前記照射装置４または図１５に示した前記照射装置６と異なる。

詳細に説明すると、転回装置８は、平面視円盤形で上面８１１の中央部が開口した底面開口の形状であってその中央に集光体７１を互いの中心軸を一致させて配置し集光体７１の上部を該上部外周面７１１と前記上面８１１開口部内周面８１２との間に配置した複数のばね部材８２により支持するケース体８１と、前記ケース体８１の本体内周面８１３に形成した環状のレール８３と、前記レール８３上を走行可能な走行体８４と、前記走行体８４に一端を固定するとともに他端にリング部材８６が一体に取り付けられており電力によって伸縮可能な伸縮部材である電動シリンダ８５と、集光体７１の入射口７２の下方位置の外周面７１２に取り付けられ、前記リング部材８６を周方向に回転可能に保持するための凹部８７１を設けた円筒状のリング保持部材８７と、を有する。

走行体８４は、レール８３に上面から接触する上面車輪８４１と、レール８３に側面から接触する側面車輪８４２を有しており、走行体８４に搭載した動力によって各車輪８４１，８４２を駆動させることによってレール８３上を走行体８４が駆動可能としたものである。

前記動力はモータ８４４および前記モータ８４４を作動させるバッテリー８４５を用いたものであるが、勿論その他任意の駆動源を用いるものとしてもよく、また駆動させる車輪はいずれか片方のみとしてもよい。

レール８３の各車輪８４１，８４２と接触する部分には山形の歯が付けられ、各車輪８４１，８４２は外周に山形の歯を形成した、いわゆるラック・ピニオン式の駆動機構を使用しており、より確実性を高めた駆動を可能としているが、勿論平坦なレールおよび通常の車輪を使用するものとしてもよい。

ケース体８１は上側部材８１４と下側部材８１５の２部品から構成され、下側部材８１５に形成したレール８３上に走行体８４を載置した状態で上側部材８１４と下側部材８１５を固定して一体とすることで、走行体８４は上側部材８１４と下側部材８１５に挟まれることによってレール８３上から逸脱せずに走行できる構造としたものである。

上記構成を有する転回装置８は、まず照射口７３を向けたい方向を定め、その方向と一致する位置に走行体８４を移動させ、電動シリンダ８５を収縮させることで、前記電動シリンダ８５の収縮に応じてリング部材８６およびそれを保持するリング保持部材８７が走行体８４の方向へ引き寄せられるが、複数のバネ部材８２に保持された入射口７２の位置は固定されたままであって、照射口７３だけを前記向けたい方向へと移動させることができるため、３６０度どの方向においても容易に希望する方向へと照射口７３を向けることが可能となる。

このとき、照射装置７は入射口７２がテーパー形状となっていることで、集光体７１の角度がもとの垂直状態から変わっても、集光した太陽光の集光体７１内への導入に悪影響を及ぼすことがない。

１集光ユニット、１１メインレンズ、１２補助レンズ，１２ａ第一補助レンズ、１２ｂ第二補助レンズ，１２ｃ第三補助レンズ、１２１内周径、１２２外周径、１３１平面視半円形の補助レンズの平面視半円の弦側、１３２平面視半円形の補助レンズの平面視半円の弧、１４メインレンズと同半径の円形レンズ、２集光ユニットが１基の場合の集光装置、２１集光装置の焦点位置、３複数の集光ユニットを半球状に配置した集光装置、３１集光装置３の焦点位置、４照射装置、４１集光体、４２入射口、４３照射口、４４内壁、４５断熱材、５１メインレンズ連結用ホルダー、５２補助レンズ連結用ホルダー、５３メインレンズ用支柱、５４補助レンズ用支柱、６照射装置、７照射装置、７１集光体、７１１上部外周面、７１２外周面、７２入射口、７３照射口、７４内壁、７５断熱材、７６外壁、７７接続用支柱、８転回装置、８１ケース体、８１１上面、８１２開口部内周面、８１３本体内周面、８１４上側部材、８１５下側部材、８２ばね部材、８３レール、８４走行体、８４１上面車輪、８４２側面車輪、８４４モータ、８４５バッテリー、８５電動シリンダ、８６リング部材、８７リング保持部材、８７１凹部、Ｐ
入射光遮断面、Ｃメインレンズの中心、Ｒ１メインレンズの半径、Ｒ２平面視ドーナツ形補助レンズの内周半径、Ｒ３平面視ドーナツ形補助レンズの外周半径、Ｒ４平面視半円形補助レンズの半径、α 平面視半円形補助レンズの傾斜角、β メインレンズと同半径の円形レンズの周囲に配置した円形レンズの傾斜角、Ｆメインレンズの焦点位置、ｆメインレンズの焦点距離、ｆ´ 平面視ドーナツ形補助レンズの焦点距離、ｆ´´ 平面視半円形の補助レンズの焦点距離

Claims

中央に配置される平面視円形の凸レンズであるメインレンズとその周囲に１枚以上配置される平面視が非円形の凸レンズである補助レンズとからなり、前記各レンズの入射面に入射する太陽光を前記メインレンズの焦点に収束させることを特徴とする集光ユニット。
前記補助レンズは、平面視において内周径がメインレンズの径とほぼ同一であるとともに外周径がメインレンズの径よりも大きいドーナツ形状であって、複数個所において垂直方向に切分されていることを特徴とする請求項１記載の集光ユニット。
前記補助レンズは、平面視において内周径がメインレンズの径とほぼ同一であるとともに外周径がメインレンズの径よりも大きいドーナツ形状であって、複数個所において垂直方向に切分されている第一補助レンズと、前記第一補助レンズから外側に向かって順次配置され、それぞれの内周が内側に位置する補助レンズの外周とほぼ同一であるドーナツ形状であるとともに、複数個所において垂直方向に切分されている第二以降の補助レンズとからなることを特徴とする請求項１記載の集光ユニット。
前記補助レンズが側面視において前記メインレンズと同一線上に配置されていることを特徴とする請求項１、２または３記載の集光装置。
側面視において前記メインレンズが最下位であって、前記補助レンズが外側に向かって順次上方となる位置に配置されていることを特徴とする請求項１、２または３記載の集光装置。
前記補助レンズは、平面視半円形である凸レンズであって、弦部がメインレンズ側に位置するよう配置されていることを特徴とする請求項１記載の集光ユニット。
前記メインレンズと前記補助レンズの屈折率が異なっていることを特徴とする請求項１，２，３，４，５または６記載の集光ユニット。
前記メインレンズおよび補助レンズは両凸レンズであって、それぞれのレンズの入射側の屈折率と出射側の屈折率が異なることを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６または７記載の集光ユニット。
前記補助レンズ４枚をメインレンズ周囲に等間隔に配置したことを特徴とする請求項６記載の集光ユニット。
請求項１，２，３，４，５，６，７，８または９記載の集光ユニットがそれらの焦点を中心として前記メインレンズの光軸が太陽方向を常に向くように半球面上を移動可能な集光装置。
請求項１，２，３，４，５，６，７，８または９記載の集光ユニットをそれらの焦点を中心として半球状に複数配置してなる集光装置。
請求項１，２，３，４，５，６，７，８または９記載の集光ユニット或いは請求項１０または１１記載の集光装置と、外壁と鏡面である内壁との間に断熱材を有する管状の集光体からなり、前記集光体の一方の開口端が前記焦点と一致する入射口であるとともに、前記集光体の他方の開口端が前記入射口から導入され集光した光を照射する照射口であることを特徴とする照射装置。
請求項１，２，３，４，５，６，７，８または９記載の集光ユニット或いは請求項１０または１１記載の集光装置と、外壁と鏡面である内壁との間に断熱材を有する管状の集光体からなり、前記集光体の一方の開口端が前記焦点以後の拡散していく光を導入する入射口であるとともに、前記集光体の他方の開口端が前記入射口から導入され集光した光を照射する照射口であることを特徴とする照射装置。
前記照射口の向きを３６０度変更する転回装置を備えていることを特徴とする請求項１２または１３記載の照射装置。
前記転回装置が、底面および上面の中央部が開口した平面視円盤形であってその中央に前記集光体を互いの中心軸を一致させて配置し前記集光体の上部を該上部外周面と前記上面開口部内周面との間に配置した複数のばね部材により支持するケース体と、前記ケース体の本体内周面に形成した環状のレールと、前記レール上を走行する走行体と、前記走行体と前記集光体とを接続する伸縮部材とを有することを特徴とする請求項１４記載の照射装置。