JPS5833521B2 - 複合フレネル凹、凸柱面をもつレンズ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、殊に太陽光集光に適するように改良された
複合フレネルレンズ、及びそれを含んで構成された太陽
光集光器に関するもので、安価な装置で広範囲の入射角
をもつ太陽光線を損失なく集光することを目的の主なも
のとする。

以下実施例をあげてその構成と効果を説明する。

実施例 １ 太陽温水器または太陽電池（以下、温水器で代表させる
）の集光器として複数の平凸円柱レンズを平行にならべ
て一体化した形の透明板が使用されている。

普通は、凸面側を内に向け、円柱の軸が太陽の運行面（
平面で近似したものをいうものとする）に平行になるよ
う固定して、集光線が一日の太陽の運行で横（円柱軸に
直角な方向）に振れる量が少ないようにした上、その集
光線（複数）上に集熱管等を配置している。

しかしこの温水器では、固定した時刻に支障がなくても
一日及び−年の太陽の運行では、集光線は横に移動する
ので、集熱管はその分だけ太いものにしておくか、横に
相対的に移動できるものにしておく必要がある。

レンズは焦点距離の小さいものほど集光線の横移動が小
さく集光度も高く集熱管は細いものですむ。

また、レンズ口径は大きいほど集光量は増し集熱管数を
減じ経済的である。

従って短焦点・大口径を有利とするが、それは突出、肉
厚を犬にし大量のレンズ材料を要求するので、対策とし
てレンズをフレネル（レンズ）化し薄板状にして使用す
るのが一般である。

第１図にその平凸円柱フレネルレンズの一体化されたも
のの横断面図を示す。

このフレネルレンズは円柱レンズａＦ１０．ｂＦ１０．
ｃＦ１０．＝・・を原型とするもので、レンズの平面部
Ｐに垂直に立てられた多数のフレネル区切面ａＳ１．ｂ
ｓ１゜ｃｓｌ、・・・・・・とそれらで区切られた多数
のフレネル屈折柱面（以下では単にフレネル柱面と略す
）柱面ａＦ１７ｂＦ１ ｔ ｃｐＬ・・・・・・からな
っている。

これら区切面の数、配置には別設の理論的拘束はなく、
自由に設計できる。

レンズを薄くする目的で区切数はかなり多くするのが普
通である。

（第１図はわかりよくするため、逆に区切数を少くして
示している）。

ａｂ、ｂｅ。・・・・・・は隣接レンズの境界（線）で
ある。

円柱面レンズａＦ１０を原型とするフレネルレンズ、と
は正確には、フレネル柱面ａＦｌを構成している各面が
それぞれ円柱面ａＦ１０と焦線を共通にする複数の円柱
面レンズの一部であるようなフレネルレンズ、のことを
意味している。

さて、この従来のフレネルレンズを太陽温水器に使うと
きには、次の問題を生ずる。

前記のように、円柱軸を太陽の進行面に平行にし、太陽
に温水器を直面させて固定した場合には、その時刻には
太陽光はフレネル区切面ａ３１等に平行にＬＷのように
入射し、集光に損失を生ずることはないが、時刻が進む
に従って太陽はあるいは低くあるいは高くなり、ＬＳの
ように斜入するようになると、光はフレネル区切面に突
当ってここで不正規方向に屈折散乱し集光に損失を生ず
る。

この損失はかなり太きいものになる。

上記は少くともある時刻は区切面が入射光に平行な例で
あるが、屋根または壁を温水器でつくるか若くは、それ
らまたは地面に平行に温水器を置くものでは、設備費が
安価である代りに、太陽光は一年中斜人しフレネル区切
面で散乱して大きい損失を生ずる。

この発明は上述の問題点を解決することを主目的として
生れたものである。

〔１Ａ〕複合平凸柱面フレネルレンズ 第１Ａ図に横断面で示す本発明のレンズは第１図のもの
を改善したもので、互に重なり合って隣接する仮想円柱
面レンズａＦ ２０ 、ｂＦ ２０ 。

ｃＦ２０．・・・・・・を原型として作られたものであ
り、第１図のものと違ってフレネル区切面は互に他の隣
接レンズのフレネル柱面ａＦ２１ 、ａＦ２２ 。

・・・・・・ｂＦ２１ 、ｂＦ２２．・・・・・・で構
成されている。

念のため入射太陽光の進行経路を細線で示したが、光線
はもれなく何れかの集光線ａＤ２．ｂＤ２゜・・・・・
・上に集光されている。

この発明のフレネル化の方法は、従来の方法の単純な応
用変形にすぎず、区切数、区切面の立上り位置Ｔ１配置
、には別設の理論的拘束はなく自由に設計できる。

例えば第１Ａ図は第１図の各区切面の立上り位置Ｔ１を
そのままにして区切面を隣接フレネル柱面に置換えて得
たものである。

但しこれらの立上り位置（複数の平行線）は、これを光
軸に垂直な一平面上に置いて、レンズを平板状に作るの
が通常であり、図にはそれを示している。

この発明のレンズには明らかに次の長所がある。

（１） 前述の従来のフレネルレンズの欠点は解決さ
れている。

即ち如何なる斜入太陽光も損失な（集光される。

（２）フレネルレンズの各円柱面の交角は大幅に鈍化し
、冬山の高さもずんと低くなるので、区切数を少くして
もレンズは薄くできる。

これらのため製造は格段に容易になる。

例えば、ガラスの場合は引上げ法で板ガラスを作るとき
にロールで型押しすることで連続的に量産することが可
能になる。

合成樹脂の場合も押出・射出・真空等の諸成形が容易に
なり高精度に製作できるし安価な方法が採用できる。

金属板を後述のフレネル鏡面に加工する場合も同様であ
って研磨仕上は格段に容易となり量産に適する。

（３）短焦点・大口径のものを作るのが容易となり、細
い集熱管をこの集光器に近すげられるため温水器全体を
薄く軽く経済的なものにすることができる。

夏と冬、または−日中で、集光器と集熱管を相対的に移
動させるにしても移動量は僅かですむ。

（４） （１）の斜入太陽光を散乱させないことは次
の特長を生む。

即ち、集光線を太陽の運行について固定せんとするとき
、従来のフレネルレンズでは面の傾斜（仰角）を変える
必要があったが、それがなくなる。

太陽への追随移動は横方向（フレネル面の光軸と柱面軸
の両者に垂直な方向）へ面をずらせるだけで集光線を固
定できる。

これは、このレンズ（及び後述の鏡面）が屋根、壁面、
平（傾斜）地に沿わせて設置でき簡素な構成の採用でき
ることを意味し、実用的価値が高い。

これらの特徴は以下の実施例に共通である。

実施例 ２ 複合間柱面フレネルレンズ 温水器には用途がないが第２図のように凹柱面フレネル
レンズを第一１Ａ図と同要領で、むだなフレネル区切面
のないよう複合したものは本発明の一実施態様である。

平行入射光を損失なく虚像化（組状）できる。

実施例 ３ 両面平行複合凸柱面フレネルレンズ 第１Ａ図の複合フレネルレンズ面は、第３図のように透
明板の両面に対し、表裏の円柱軸を互に平行にして施し
て一層の短焦点効果をあげることができる。

第３図は、表裏の模様が等しく、かっ対称的であるもの
を示す。

実施例 ４ 両面直交複合凸柱面フレネルレンズ 表裏両面それぞれに第１Ａ図のフレネルレンズを、両柱
面軸を互に直交（一般には、互に交叉させるだけでよい
。

）させて施したものは有用である。

このとき、両面のレンズの焦線がともに同一平面上に来
るようにしておくときは、太陽光は該同一平面上の縦横
の集光線の交点（複数）上に集光され、集光の密度はさ
らに上昇する。

また若し、両面のレンズの焦線が同一平面上に来ないよ
うにしておくときは、集光は線分（複数）状又は矩形（
複数）状となる。

矩形の辺比及び大きさは随意選定設計できるので用途に
より有用である。

第４Ａ図にはその平面図。

第４Ｂ図にはそのＸＸ線断面図を示す。

この場合も集熱管はこれまでに述べたものが（各集光点
を通過させて）そのまま使用できるが、もし、（４）温
水器全体を可動にして集光器をいつも太陽に直面させる
か、出〕温水器を固定して集熱管を太陽の運行に従って
移動させるか、（５）温水器を固定して集光器だけを太
陽に従って移動させるか、の何れかの方法を採用すると
きは集熱管上の集光点は固定できるので、高効率の集熱
処理部分（選択的吸収・反射・放射膜の付与。

発電の場合は太陽電池）を極く小面積に局限し得て経済
的である。

集熱管のその他の部分を断熱材で被覆して集熱効果を高
めることができる。

上述の〔ｃ〕の方法を採用するとき集光器の軽いことは
有利に働（。

（註記） 複合間柱面フレネル鏡面 太陽光の集光では、上述のレンズを用いるもののほか複
数の四柱面鏡を平行に連ねて一体化しその円柱軸を太陽
の運行面に平行に固定したものも使われる。

凹柱面（放物柱面）の大口径の鏡はこれもフレネル化し
て平面的なものに変え、地面・屋根・壁等に平行に固定
できると有利である。

第５図はこれも重なりをもつ複数の平行な四柱面鏡を第
１Ａ図と同要領でむだな区切面のない形に、隣接凹柱面
フレネル鏡面が互に他のフレネル柱面（反射面）を区切
面として使い合って複合したものである。

従来の方法でフレネル化された四柱面鏡は、光軸に平行
な入射光４束であっても、その反射光の一部がフレネル
区切面に当って散乱し集光損失となる欠点があるが、本
発明の複合フレネル化では、この損失を皆無にすること
ができる。

さて、これらの複合フレネル化されたレンズ又は鏡面は
、それぞれ単独でも太陽集光器として有用であるが、次
に述べるように、これを組合せても太陽集光器を作るこ
とができる。

実施例 ５ 複合凸柱面フレネルレンズ＋直交複合凹柱面フレネル鏡 第６図の集光器は第１Ａ図のレンズ６１Ａと第５図の凹
面鏡６５とを、互の円柱軸を直交させ、かつ両者の焦線
が同一平面６Ｐ上に来るようにして配置したものである
。

集熱管は、平面６Ｐ上の集光点を連ねる線（縦横何れか
の集光線、または対角線）上に置かれる。

ただし、ここでレンズ６１Ａの焦点距離と考えているも
のは、６１ Ａ −６５−６Ｐの反射光路長である。

第６Ａ図の集光器は、集熱管が上方、太陽側に置かれる
ものである。

この場合もレンズと鏡面の円柱軸は互に直交している。

太陽光はレンズ通過後、鏡面で反射され、再びレンズを
通過して集光されるのでレンズの見かけの焦点距離は極
めて短かい。

この見かけの焦点距離の焦点と凹面鏡の焦線とが同一平
面ＳＡＰ上に来るように設計される。

レンズと鏡面の距離は小さい方がよい。

レンズ再通過時の散乱を少くできるからである。

これら第６，６Ａ図の集光器には温水器を薄く軽（する
効果が著るしい。

実施例 ６ 複合凸柱面フレネルレンズ＋平面鏡 第７図は、第１Ａ図のレンズと単純な平面鏡とを平行に
置き、レンズ７１Ａと平面鏡？ＳＰとの中間に集熱管の
面ＩＰを配置する集光器である。

焦点距離は７１Ａ−７ＳＰ−７Ｐである。

第１Ａ図の場合よりも温水器を薄くできる。

第７Ａ図では、第１Ａ図のレンズ７ＡＩＡを平面鏡７Ａ
ＳＰに近すけ、太陽光を二度収束して面７ＡＰ上に集め
ている。

見かけの焦点距離が小さくなり温水器は一層薄くなる。

レンズは鏡面保護を兼ねむだがない。

この場合もレンズと鏡面は近ずける方が損失は少い。

第７，７Ａ図のレンズを、第３図の両面十行凸柱面レン
ズで置換えると光の収束は極めて強くなる。

第７．ＩＡ図のレンズを、第４図の両面直交凸柱面レン
ズで置換えると集光は点状となる。

平面鏡添加による温水器の経済効果は大きい。

前述の片・両面レンズで、その一方の面を金属膜付着等
で鏡面化したものは、レンズと鏡面を組合せた集光器に
該当し強い収束性をもつ。

以上で実施例を終る。

以上では凹凸の柱面を、専ら円柱面、放物柱面で構成す
るもので説明したが、種々の光学系で、光学的に真の一
線乃至一点集光を得るためには、周知のように、これら
だけでなく、放物・双曲隔置の二次曲線を選択使用する
必要がある。

さらに、これをフレネル化するときにはレンズの肉厚の
変化を補償する曲面の変形がなげればならない。

ただし、太陽温水器、電池の受光体はある大きさをもつ
。

かつ、過度の集中光は却って有害なこともありうる。

円柱の使用も充分に有能であり、場合によっては、多角
柱面をフレネル化した（又はそれに近いような）粗雑且
安直なものもまた有用である。

この発明が優れた集光能力をもち、温水器等の装置を薄
く軽く安価にすることは詳細説明した通りである。

なお上述のレンズ・鏡面および光学系は太陽光集光のほ
かにも用途をもつ。

例えば、前述の集光線、集光点に線・点状光源を置くと
きは、集光器の近傍には散乱光を伴うがやや離れたとこ
ろに広面積の平行光線光源面を得る。

工業上有益な発明というべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の一体化された平凸円柱フレネルレンズの
横断面図。 第１Ａ図はそれを改良した本発明の実施例の複合平凸柱
面フレネルレンズの横断面図。 、第２図は別の実施例の複合間柱面フレネルレンズの横
断面図。 第３図は別の実施例の両面平行複合凸柱面フレネルレン
ズの横断面図。 第４Ａ図は別の実施例の両面直交複合凸柱面フレネルレ
ンズの平面図。 第４Ｂ図はそのＸＸ線断面図。第５図は参考図としての
複合間柱面フレネル鏡面。 の横断面図。 第６図は別の実施例の複合凸柱面フレネルレンズとそれ
に直交する複合量柱面フレネル鏡の組合せで得られた集
光器の横断面図。 第６Ａ図はその一態様の横断面図。 第７図は別の実施例の複合平凸柱面フレネルレンズに平
面鏡を組合せた集光器の横断面図。 第７Ａ図はその一態様の横断面図。 ａＦｌ ０ 、ｂＦｌｏ 、ｃＦｌ ０ 、・・・・・
・ａＦ２０゜ｂＦ２’ｏ 、ｃＦ２０ 、・・・・・・
：仮想円柱面レンズ。 ａＳｌ 、ｂＳｌ、ｃＳｌ、・・・・・・：フレネル区
切面。 ａＦｌ 、ｂＦｌ 、ｃＦｌ 、−−−ａＦ２１ 、ａ
Ｆ２２゜・−・・・・ｂＦ２１ 、ｂＦ２２ 、・・・
・・・ ：フレネル柱面。 ａｂ 、 ｂｅ ：レンズの境界。 ａＤ２．ｂＤ２： 集光線。 ＬＷ、ＬＳ：入射太陽光。Ｐ：レンズの平面。Ｔ１：フ
レネル区切面の立上り位置。 ６Ｐ。６ＡＰ 、７Ｐ 、７ＡＰ ：集光の平面。 ７３Ｐ：平面鏡。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １−面上に複数個のフレネル凹または凸屈折柱面を具え
   、かつ、隣接する二つの該フレネル凹または凸屈折柱面
   のフレネル区切面は互に他のフレネル屈折柱面で構成さ
   れていることを特徴とする、複合フレネル柱面をもつレ
   ンズ。 ２ 第１項記載のレンズを含んで構成されることを特徴
   とする、太陽光の線状または点状集光器。