JP2016004784A

JP2016004784A - 能動型落雷受雷装置

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Publication number: JP2016004784A
Application number: JP2015117091A
Authority: JP
Inventors: ジョン、ヨンーギ; Young-Ki Chung
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-06-13
Filing date: 2015-06-10
Publication date: 2016-01-12
Anticipated expiration: 2035-06-10
Also published as: JP6001136B2; US9660433B2; CN105305233A; KR101491414B1; US20150364907A1

Abstract

【課題】保護対象物に対する落雷頻度を減らす能動型落雷受雷装置を提供。
【解決手段】接地手段に連結される固定プレート１００と、接地手段に長手方向の一方の端が係合され、大地電荷が帯電されるロッド部材２００と、前記ロッド部材の長手方向に沿って離れた状態で設けられる複数の碍子と、隣り合う前記碍子の間に設けられ、前記ロッド部材から離れて電気的に絶縁され、大地電荷とは反対極性の電荷が帯電される帯電板４００と、前記帯電板と碍子との間に前記帯電板と電気的に接続され大地電荷とは反対となる極性を有する電荷が帯電される帯電管５００と、前記ロッド部材の上端に設けられる針状部６１０を有する針電極部材６００と、前記碍子と帯電板との間において帯電板と電気的に接続される放電誘導導体電極７００と、を備え、前記針電極部材と放電誘導導体電極との間に放電を引き起こしイオン電荷を大気中に放出して雷雲と針電極部材との間に放電路を形成。
【選択図】図２

Description

本発明は、受雷装置に係り、さらに詳しくは、落雷を速やかに且つ能動的に受け入れて雷雲の電荷を大地に安全に放電させて保護対象物に対する落雷頻度を減らすことのできる能動型落雷受雷装置に関する。

一般に、受雷装置は、雷雲と大地との間に放電路を形成して雷雲に蓄積されている電荷を大地に安全に放流するために建物の最上段部に設けられる。

通常、晴れた日の地上の電界は１００Ｖ／ｍであるが、雷雲が近づく場合に地上の電界は約１０，０００Ｖ／ｍとなり、雷雲と大地との間の電位差は１億ボルト（Ｖ）に至る。

しかしながら、雷雲の充電された電荷が所定の大きさ以下である場合や大地と雷雲との間に所定の距離が維持される場合には大気層の空気が良好な絶縁体の役割を果たして大地と雷雲との間には絶縁破壊、すなわち、落雷が発生しないが、所定の大きさ以上の雷雲に充電された電荷は大地と雷雲との間に距離湿度などの放電条件が成り立つと、いつでも大気層の絶縁を破壊して雷雲の電荷が大地に放電される落雷が起こる危険性は常に存在する。

また、最近、建築物の高層化、高密集化による雷雲と落雷から保護する建物との間の距離が短くなることに伴い、本発明者が開発して登録を受けた米国特許登録第６９４３２８５号、大韓民国公開特許公報第２００４−００４０５１２号、大韓民国登録特許公報第０４４０６１６号に開示されている従来の受雷装置の突針部に落雷を誘導して建築物を保護する場合、落雷を誘導する場合もあるが、自然状態の条件に応じて雷雲と受雷装置の突針部との間の絶縁破壊電圧よりは雷雲と落雷から保護されるべき建築物との間の帯電電圧がさらに低くなって雷雲の電荷が保護されるべき建築物の上端に固設される他の導体を介して放電される場合が発生して落雷受雷装置ではない他の構造物に落雷が被襲されるという問題があり、且つ、碍子を除く構成部品が銅または鋼鉄などの金属製であるため錆の発生による電気的な性能の低下が起こるだけではなく、工業団地、海岸地域など金属を腐食させる塩分や亜硫酸などの濃度が相対的に高い地域では腐食が急速に進んで機械的な強度が低下し、その結果、強風、振動などの外力によって破損されるという問題がある。

また、主として金属材からなる避雷器は重量が数ｋｇから数十ｋｇに至る高重量体であるため運搬および設置などに難点がある。

米国特許第５６３８２４８号明細書（１９９７年０６月１０日）大韓民国公開特許公報第２００４−００４０５１２号（２００４年０５月１３日）大韓民国登録特許公報第０４４０６１６号（２００４年０７月０６日）

本発明は上記の問題を解消するために案出されたものであり、その目的は、雷雲と大地との間に放電路を形成してより効果的に雷雲の電荷を大地に速やかに、能動的に且つ安全に放電させて落雷が保護対象物に被襲されないようにして保護対象物を保護することのできる能動型落雷受雷装置を提供するところにある。

上述した目的を達成するために、本発明による能動型落雷受雷装置は、保護対象物の最上段部に設けられて接地手段に連結される固定プレートと、接地手段に長手方向の一方の端が係合され、大地電荷が帯電されるロッド部材と、前記ロッド部材の長手方向に沿って離れた状態で設けられる複数の碍子と、隣り合う前記碍子の間に設けられ、前記ロッド部材から離れて電気的に絶縁され、大地電荷とは反対となる極性が帯電される帯電板と、前記帯電板と碍子との間に設けられ、前記帯電板と電気的に接続され、大地電荷とは反対となる極性を有する電荷が帯電される帯電管と、前記ロッド部材の上端に設けられる針状部を有する針電極部材と、前記碍子と帯電板との間において帯電板と電気的に接続される放電誘導導体電極と、を備え、前記針電極部材と放電誘導導体電極との間に放電を引き起こし、この放電によるイオン電荷を大気中に放出して雷雲と針電極部材との間に放電路を形成するように構成されることを特徴とする。

本発明によれば、前記ロッド部材、帯電板、帯電管、針電極部材および放電誘導導体電極は、カーボン製またはグラファイト製であるか、あるいは、前記ロッド部材、帯電板、帯電管、針電極部材および放電誘導導体電極のうちのいずれか一つの材質は、カーボンまたはグラファイトであることを特徴とする。

前記放電誘導導体電極は、２つに分割されて一方は上方に向かって延設される第１の放電誘導導体電極によって構成され、他方は下方に折り曲げられて前記針電極部材の針状部の先端に近づくように配設される第２の放電誘導導体電極によって構成されることを特徴とする。

前記針電極部材の先端と第２の放電誘導導体電極の先端との間の間隔は、９〜１３ｍｍの範囲内にあることを特徴とする。

前記碍子は、前記針電極部材との絶縁距離を確保するために前記帯電管の上部に設けられる上部碍子と、前記固定プレートとの絶縁距離を確保するために前記帯電管の下部に設けられる下部碍子と、を備え、前記下部碍子の上端には、前記帯電管の内側に嵌め込まれる絶縁突起が形成されることを特徴とする。

前記絶縁突起は、上狭下広の多数の円錐形部材が同一線上に連設される構造を有することを特徴とする。

上述したように、本発明によれば、落雷の可能性が高い雷雲が近づくと、雷雲と大地との間に速やかに且つ能動的に放電路を形成してより効果的に雷雲の電荷を大地に安全に放電させて保護対象物を安全に保護することができるという効果がある。

特に、電気双極子の原理によって絶縁笠に捕集された上部電荷を最上部の受雷シャフトと先行放電をするようにして落雷の主放電が速やかに且つ能動的に受雷針に誘導されるようにして他の構造物に落雷が流入することを防いで保護対象物の被害を最小化させることができ、腐食による焼損の防止および軽量化を図ることができる。

本発明の実施形態による能動型落雷受雷装置を示す斜視図である。図１の断面図である。本発明による試験装置を用いて能動型落雷受雷装置のコロナ放電電流と電圧との間の関係を示すグラフである。従来の技術による試験装置を用いて受雷装置のコロナ放電電流と電圧との間の関係を示すグラフである。

以下、図１乃至図３に基づき、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。

本発明の実施形態による能動型落雷受雷装置は、保護対象物の最上段部に設けられて接地手段に連結される固定プレート１００と、前記固定プレート１００に一方の端が係合され、大地電荷が帯電されるロッド部材２００と、前記ロッド部材２００の長手方向に沿って離れた状態で設けられる少なくとも２以上の碍子３００（電気的に絶縁させるためのものであり、主材料に応じて磁器碍子、ポリマー碍子などと称されるが、以下、「ポリマー碍子」と通称する。）と、隣り合う前記ポリマー碍子３００の間に設けられ、前記ロッド部材２００から離れて電気的に絶縁され、大地電荷とは反対となる極性を有し、電荷が帯電される複数の帯電板４００と、前記帯電板４００と前記固定プレート１００と隣り合う下部側のポリマー碍子３００との間に設けられ、前記帯電板４００と電気的に接続され、大地電荷とは反対となる極性を有する電荷が帯電される帯電管５００と、前記ロッド部材２００の上端に係合されて落雷を誘導する針電極部材６００と、前記帯電板４００および帯電管５００と電気的に接続され、前記針電極部材６００から所定の間隔を隔てて向かい合うように配置される放電誘導導体電極７００と、を備える。

まず、前記固定プレート１００は、屋外の上階に設けられ、接地手段に連結され、前記ロッド部材２００を安定的に固定する役割を果たす。

このような前記固定プレート１００は、所定の厚さを有する平板状の部材であり、表面には地面または保護対象物である建築構造物に螺着によって強固に固定されるように多数の係合孔１１０と、前記ロッド部材２００との螺合のために前記固定プレート１００から突出する係合具１２０と、が形成される。

前記ロッド部材２００は、前記固定プレート１００の係合具１２０に長手方向の一方の端が係合されて地面に対して垂直に立てられるものであり、大地電荷を帯電させる役割を果たす。

また、前記ポリマー碍子３００は、前記ロッド部材２００を基準として上部および下部にそれぞれ離れた状態で設けられ、セラミック製または合成樹脂製の絶縁体であり、前記ロッド部材２００および後述する帯電板４００と帯電管５００を絶縁させる。

ここで、前記ポリマー碍子３００は、前記針電極部材６００との絶縁距離を確保するために前記帯電管５００を基準として上部に設けられる上部ポリマー碍子３１０と、前記固定プレート１００との絶縁距離を確保するために前記帯電管５００を基準として下部に設けられる下部ポリマー碍子３２０と、を備える。このとき、前記上部ポリマー碍子３１０の下端には、前記ロッド部材２００が中心方向に貫通する絶縁チューブ３３０が形成され、前記下部ポリマー碍子３２０の上端には、前記帯電管５００の内側に嵌め込まれる絶縁突起３４０が形成される。

このとき、前記絶縁チューブ３３０は、前記上部ポリマー碍子３１０の下端に一体に形成されてもよく、別設されてもよい。

前記上部ポリマー碍子３１０は、針電極部材６００との絶縁距離を確保するように互いに所定の距離を隔てた複数の延長片３１１、３１２が延設される一方で、前記下部ポリマー碍子３２０には、上部ポリマー碍子３１０と前記固定プレート１００との間の絶縁距離を確保するように互いに所定の距離を隔てた複数の延長片３２１、３２２、３２３が延設される。

特に、前記下部ポリマー碍子３２０に形成される絶縁突起３４０は、風の影響により雨水が帯電管５００の内部に流入する場合に、流入した雨水を前記ロッド部材２００の外側に容易に排出するように案内するとともに、前記帯電管５００とロッド部材２００との間の絶縁距離を十分に確保するために所定の長さを有する。

このために、前記絶縁突起３４０は、上狭下広の多数の円錐形部材が同一線上に連設される構造を有する。

また、前記帯電板４００は、前記上部ポリマー碍子３１０と前記下部ポリマー碍子３２０との間に設けられて前記ロッド部材２００と電気的な絶縁状態を維持し、前記帯電管５００とは電気的に接続され、大地電荷とは反対となる極性が帯電されるものであり、複数の第１乃至第３の帯電板４１０、４２０、４３０によって構成される。

さらに、前記第１乃至第３の帯電板４１０、４２０、４３０には円周方向の周縁に沿って蛇腹４１１状が繰り返し形成されている。

前記蛇腹４１１状は、前記第１乃至第３の帯電板４１０、４２０、４３０の円周方向に対して均等な分配放電を誘導するために、且つ、帯電面積の確保の一環として形成される。

これらの前記第１乃至第３の帯電板４１０、４２０、４３０は、雷雲が近づくときに雷雲によって帯電されて電気的に接続された帯電管５００および放電誘導導体電極７００に帯電電荷を供給する役割を果たし、これにより、帯電管５００とロッド部材２００との間および放電誘導導体電極７００と針電極部材６００との間における先行放電を発生し易くする。

また、前記帯電管５００は、帯電板４００と下部ポリマー碍子３２０との間に設けられ、前記帯電板４００と電気的に接続されるものであり、大地電荷とは反対となる極性を有する電荷が帯電されるようになっている。

ここで、前記帯電管５００は、管状を呈し、その中心に前記ロッド部材２００が貫通する状態で係合が行われる。

また、前記ロッド部材２００には、前記帯電管５００および下部ポリマー碍子３２０を支持するための支持体５１０が設けられる。

前記針電極部材６００は、雷雲が近づいて落雷が発生するとき、落雷を直接的に誘導するために前記ロッド部材２００の最上段部に設けられるものであり、上部が尖っており、且つ、所定の長さを有する円錐形の針状部６１０を備える。

また、前記上部ポリマー碍子３１０と帯電板４００との間に接続されて上方に向かって放電誘導導体電極７００が延びるが、前記放電誘導導体電極７００は、針状部６１０と先行放電のために２つに分割されて一方は上方に向かって延設される第１の放電誘導導体電極７１０によって構成され、他方は下方に折り曲げられて前記針電極部材６００の針状部６１０の先端に近づくように配設される第２の放電誘導導体電極７２０によって構成される。

ここで、前記放電誘導導体電極７００は、前記ロッド部材２００の上側に設けられ、帯電板４００とは電気的に接続され、第１の放電誘導導体電極７１０および第２の放電誘導導体電極７２０を除く部分は絶縁被覆された導体または絶縁被覆されていない銅（Ｃｕ）などの金属導体、カーボンなどからなる非金属伝導体によって形成される。

前記放電誘導導体電極７００のうち上方に向かって延設される第１の放電誘導導体電極７１０は、雷雲による帯電を容易にするためのものであり、下方に折り曲げられて前記針電極部材６００の針状部６１０の先端に近づくように配設される第２の放電誘導導体電極７２０は、針電極部材６００と先行放電を容易にするためのものである。

このとき、前記第２の放電誘導導体電極７２０の先端と針電極部材６００の先端との間の間隔に応じて絶縁破壊電圧および放電電流が変わる。

本発明において、前記針電極部材６００と、ロッド部材２００および固定プレート１００はそれぞれ別設される場合に限定しているが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではなく、互いに一体に形成されてもよい。

本発明によれば、図３の第１の実施形態のように、前記針電極部材６００の先端と第２の放電誘導導体電極７２０の先端との間の間隔が１３ｍｍである場合、絶縁破壊電圧が８４ｋＶであり、放電電流が約４９００Ａであり、図３の第２の実施形態のように、前記第２の放電誘導導体電極７２０の先端と針電極部材６００の先端との間の間隔が９ｍｍと相対的に狭くなる場合、絶縁破壊電圧は相変わらず８４ｋＶであるが、放電電流は約３１００Ａに下がる。

すなわち、前記針電極部材６００の先端と第２の放電誘導導体電極７２０の先端との間の間隔が９〜１３ｍｍの範囲内にある場合、図４に示す従来の技術の引用例１、２と比較して絶縁破壊電圧が最大限に下げられる。

ここで、図４は、通常の公知の受雷装置のコロナ放電電流と電圧との間の関係を示すグラフであり、絶縁破壊電圧は９０〜１１０ｋＶに相当し、放電電流は約２３００〜２５００Ａに相当する。

このように本発明による能動型落雷受雷装置は、前記針電極部材６００と先行放電をする放電誘導導体電極７００を配置して針電極部材６００と放電誘導導体電極７００の第２の放電誘導導体電極７２０との間においてコロナ放電をする先行放電を発生させ、第１の放電誘導導体電極７１０は、雷雲による帯電を容易にして針電極部材６００と放電誘導導体電極７００の第２の放電誘導導体電極７２０との間に先行放電をすることにより、雷雲との主放電が速やかに且つ能動的に能動型落雷受雷装置において発生可能になる。

本発明において、ロッド部材２００と、帯電板４００と、帯電管５００と、針電極部材６００と、放電誘導導体電極７００および電気的な導電部分は金属導電体である銅またはステインレス鋼など導電性金属を使用する場合に重点をおいて説明しているが、これに限定されない。

すなわち、本発明は、上述した導電性金属からなる場合、長時間に亘っての使用によって腐食が発生して電気的な性能を低下させる虞があり、特に、塩海地域や工業団地などの劣悪な環境に設けられるときに導電性金属部の腐食が促される。

さらに、導電性金属を使用するため、本発明による能動型落雷受雷装置が数Ｋｇ以上の重量品であることに鑑みるとき、設置施工および運搬などに難点がある。

本発明の他の実施形態によれば、上述した腐食および固設施工し難さを解消するために、導電性金属と略同じ電気伝導度を維持しながら金属伝導体よりも軽量であるカーボンまたはグラファイトを用いてロッド部材２００と、帯電板４００と、帯電管５００と、針電極部材６００および放電誘導導体電極７００などを製作することができる。

本発明において用いられるカーボンまたはグラファイトは、この分野における公知の方法によって生産されて商品化されるもの（例えば、東京カーボン株式会社の放電用グラファイトなど：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｄｋｃａｒｂｏｎ．ｃｏｍ／ｔｅｃｈ／ｔｅｃｈ＿０１．ｈｔｍ参照、２００３）を機械的に加工して活用するものであるため、これについての具体的な説明を省略する。

ここで、前記コロナ放電は、不平等電界において形成される先行放電の一つの形態であり、電界が集中した部位にのみ局部的に周りの気体がイオン化されてプラズマを形成しながら発光する放電形態である。

このため、本発明による能動型落雷受雷装置は、雷雲と大地との間に放電路を形成してより効果的に雷雲の電荷を大地に安全に放電させることができる。

また、本発明において、発明の説明を容易にするために電気的な絶縁のための碍子をポリマー碍子に限定して説明したが、これは、本発明の説明を容易にするためのものであり、本発明におけるポリマー碍子は、この分野における公知の磁器碍子（ｐｏｒｃｅｌａｉｎｉｎｓｕｌａｔｏｒ）または合成樹脂製など高分子化合物からなる碍子などの種々の碍子であり、本発明のポリマー碍子に代え得る。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態の記載に何ら限定されるものではなく、本発明の特許請求の範囲の記載を逸脱しない限り、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者による様々な変形実施もまた本発明の保護範囲内にあるものと解釈されるべきである。

１００：固定プレート
２００：ロッド部材
３００：ポリマー碍子
３１０：上部ポリマー碍子
３１１、３１２：延長片
３２０：下部ポリマー碍子
３２１、３２２、３２３：延長片
３３０：絶縁チューブ
３４０：絶縁突起
４００：帯電板
５００：帯電管
６００：針電極部材
６１０：針状部
７００：放電誘導導体電極
７１０：第１の放電誘導導体電極
７２０：第２の放電誘導導体電極

Claims

保護対象物の最上段部に設けられて接地手段に連結される固定プレートと、
接地手段に長手方向の一方の端が係合され、大地電荷が帯電されるロッド部材と、
前記ロッド部材の長手方向に沿って離れた状態で設けられる複数の碍子と、
隣り合う前記碍子の間に設けられ、前記ロッド部材から離れて電気的に絶縁され、大地電荷とは反対となる極性が帯電される帯電板と、
前記帯電板と碍子との間に設けられ、前記帯電板と電気的に接続され、大地電荷とは反対となる極性を有する電荷が帯電される帯電管と、
前記ロッド部材の上端に設けられる針状部を有する針電極部材と、
前記碍子と帯電板との間において帯電板と電気的に接続される放電誘導導体電極と、
を備え、
前記針電極部材と放電誘導導体電極との間に放電を引き起こし、この放電によるイオン電荷を大気中に放出して雷雲と針電極部材との間に放電路を形成するように構成されることを特徴とする能動型落雷受雷装置。
前記ロッド部材、帯電板、帯電管、針電極部材および放電誘導導体電極は、カーボン製またはグラファイト製であることを特徴とする請求項１に記載の能動型落雷受雷装置。
前記ロッド部材、帯電板、帯電管、針電極部材および放電誘導導体電極のうちのいずれか一つの材質は、カーボンまたはグラファイトであることを特徴とする請求項１に記載の能動型落雷受雷装置。
前記放電誘導導体電極は、
２つに分割されて一方は上方に向かって延設される第１の放電誘導導体電極によって構成され、他方は下方に折り曲げられて前記針電極部材の針状部の先端に近づくように配設される第２の放電誘導導体電極によって構成されることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか一項に記載の能動型落雷受雷装置。
前記針電極部材の先端と第２の放電誘導導体電極の先端との間の間隔は、９〜１３ｍｍの範囲内にあることを特徴とする請求項４に記載の能動型落雷受雷装置。
前記碍子は、
前記針電極部材との絶縁距離を確保するために前記帯電管の上部に設けられる上部碍子と、
前記固定プレートとの絶縁距離を確保するために前記帯電管の下部に設けられる下部碍子と、
を備え、
前記下部碍子の上端には、前記帯電管の内側に嵌め込まれる絶縁突起が形成されることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか一項に記載の能動型落雷受雷装置。
前記絶縁突起は、上狭下広の多数の円錐形部材が同一線上に連設される構造を有することを特徴とする請求項６に記載の能動型落雷受雷装置。