JP2019096556A - 落雷抑制型避雷装置および落雷抑制型避雷装置に用いられるキャパシタの構築方法 - Google Patents

Abstract

【課題】設置に伴う施工性を極力簡素化しつつ、落雷抑制に必要なマイナス電荷量を容易に増加させることの可能な落雷抑制型避雷装置を提供する。【解決手段】地面Ｅに電気絶縁状態で設置され、導電性材料によって形成された帯電体Ｂと、この帯電体に電荷を供給するキャパシタ２とからなる落雷抑制型避雷装置１であって、前記キャパシタが、前記地面に電気的に接続された第１電極体２ａと、この第１電極体に電気絶縁層Ｚを介して対峙され、この第１電極体との間の静電容量により電荷を蓄え、この蓄えた電荷を前記帯電体に供給する第２電極体２ｂとからなり、前記電気絶縁層が非導電性材料によって形成されたスペーサー３によって形成され、このスペーサーを挟み込んで前記第１電極体および前記第２電極体が装着されていることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、落雷を抑制することで、雷害から建造物や設備機器等の被保護体を保護するための落雷抑制型避雷装置に関するものである。

落雷は大気中で起こる放電現象であり、雷放電には雲内放電、雲間放電、雲―大地間放電等がある。雷放電で大きな被害を出すのは雲―大地間放電（以下落雷）である。落雷は雷雲（雲底）と大地または大地等に建設された構造物との間の電界強度が非常に大きくなり、その電荷が飽和状態となって大気の絶縁を破壊したときに発生する現象である。

落雷の現象を詳細に観察すると、夏季に起こる一般的な落雷（夏季雷）の場合、雷雲が成熟すると雷雲からステップトリーダが大気の放電しやすいところを選びながら大地に近づいてくる。
ステップトリーダが大地とある程度の距離になると大地または建造物（避雷針）、木などからステップトリーダに向かって、微弱電流の上向きストリーマ（お迎え放電）が伸びてくる。
このストリーマとステップトリーダが結合すると、その経路を通って、雷雲と大地間に大電流（帰還電流）が流れる。
これが落雷現象である。

このような落雷現象に対し、従来の雷保護概念では、落雷は防止できないものとの観点から、落雷を突針型避雷針（フランクリンロッド）に受けて大地に流す方式が大半であった。

これに対し、本発明者等は、落雷の発生を極力抑制することによって被保護体を保護すべく、特許文献１に示される落雷抑制型避雷装置を提案した。

この落雷抑制型避雷装置は、絶縁体を挟んで配置される上部電極体及び下部電極体を有し、下部電極体のみを接地して構成したものである。

そして、たとえばマイナス電荷が雲底に分布した雷雲が近づくと、それとは逆の電荷（プラス電荷）が大地の表面に分布し、接地されている下部電極体にもプラス電荷が集まる。

すると、絶縁体を介して配置されている上部電極体は、コンデンサの作用でマイナス電荷を帯びることとなる。

この作用により、避雷装置とその周辺における上向きストリーマの発生を起こりにくくして落雷の発生を抑制するようにしている。

特許第５８３９３３１号公報

前述した本発明者等による先の提案によって、避雷装置を中心とした円状の保護領域において落雷を抑制できるようになった。

しかしながら、前述した保護領域における落雷抑制効果を高めるためには、前述したマイナス電荷の分布領域を大きくする必要があり、これに伴い、このマイナス電荷の供給量も大きくする必要がある。

本発明は、前述した先の提案において残されている改善点を解決するためになされたもので、落雷抑制型避雷装置において、マイナス電荷の分布領域を大きくし、かつ、これに伴う、このマイナス電荷の供給量の増加を容易に実現することのできる落雷抑制型避雷装置および落雷抑制型避雷装置に用いられるキャパシタの構築方法を提供することを課題としている。

本発明の落雷抑制型避雷装置は、前述した課題を解決するために、地面に電気絶縁状態で設置され、導電性材料によって形成された帯電体と、この帯電体に電荷を供給するキャパシタとからなる落雷抑制型避雷装置であって、前記キャパシタが、前記地面に電気的に接続された第１電極体と、この第１電極体に電気絶縁層を介して対峙され、この第１電極体との間の静電容量により電荷を蓄え、この蓄えた電荷を前記帯電体に供給する第２電極体とからなり、前記電気絶縁層が非導電性材料によって形成されたスペーサーによって形成され、このスペーサーを挟み込んで前記第１電極体および前記第２電極体が装着されていることを特徴としている。

このような構成とすることにより、マイナス電荷が雲底に分布した雷雲が近づくと、それとは逆の電荷（プラス電荷）が大地の表面に分布し、前記キャパシタの、大地に接地された前記第１電極体にもプラス電荷が集まる。

すると、前記第１電極体に前記電気絶縁層を介して対峙されている前記第２電極体が、キャパシタの作用によりマイナス電荷を帯びる。
また、前記第２電極体に電気的に接続されて、かつ、地面に対し電気絶縁状態に保持されている前記帯電体もマイナス電荷を帯びる。

このように前記帯電体がマイナス電荷を帯びると、その回りにマイナス電荷が分布した領域が形成される。
したがって、前記帯電体が設置された周辺からの上向きストリーマの発生が起こりにくくなり、この周辺部への落雷が抑制される。

ここで、前記帯電体は独立した構築物であることから、その大きさは任意に設定可能であり、したがって、この帯電体によって形成されるマイナス電荷の分布領域も任意に設定することができる。
すなわち、前記マイナス電荷の分布領域を容易に大きく設定することができる。

そして、前記マイナス電荷を発生させる前記キャパシタも、前記帯電体と別個に独立して地面に設置することができる。

一方、発生させるマイナス電荷を増加させるためには、前記キャパシタを構成する前記第１電極体および前記第２電極体の表面積を大きくする必要があるが、このキャパシタが地上に設置されることにより、前記第１電極体および前記第２電極体の表面積も任意に設定することが可能である。

この結果、前記帯電体へのマイナス電荷の供給量を容易に増加させることができ、前述したマイナス電荷の分布領域の拡大と相まって、落雷抑制効果を高めることができる。

前記スペーサーと前記第１電極体および前記第２電極体との当接面の一方に、前記当接面から突出する突起を設け、他方に、前記突起が嵌着させられる嵌合凹部を形成し、これらの突起と嵌合凹部の嵌合により、前記スペーサーと前記第１電極体および前記第２電極体とを連結することによって前記キャパシタを構成することができる。

このような構成とすることにより、前記第１電極体および前記第２電極体と前記スペーサーとの連結を容易にし、前記キャパシタの作成を容易にすることができる。

前記キャパシタは、前記地面に構築された基礎上に、この基盤に前記第１電極体を電気的に導通させた状態で固定することで地面に設置するができる。

このような構成とすることにより、前記キャパシタを前記基礎によって支持して安定した設置状態を確保し、また、前記キャパシタと地面との電気的な導通を安定したものとすることができる。

また、前記キャパシタを複数設け、これらのキャパシタの第２電極体間をケーブルによって電気的に接続することにより、前記キャパシタの静電容量を増加させることも可能である。

前記キャパシタは、地面に上部が開口された型枠を組み上げ、この型枠内に、導電性材料によって形成された棒状体を配設するとともに、この棒状体を接地アンカーを介して接地し、ついで、前記型枠内にコンクリートを打設して前記棒状体が埋め込まれた基礎を形成し、この基礎上に、導電性材料からなる導電帯を敷設した後に、前記基礎上に、前記キャパシタを、前記第１電極体を前記導電帯に導通させた状態で固定することによって構築することができる。

また、前記キャパシタは、地面に上部が開口された型枠を組み上げ、この型枠内に、導電性材料によって形成された複数の棒状体を格子状に配設するとともに、これらの棒状体をその交差部において接地アンカーを介して接地し、ついで、前記型枠内にコンクリートを打設して前記棒状体を包み込む基礎を形成し、この基礎上に、導電性材料からなる複数の導電帯を格子状に敷設した後に、前記基礎上に、前記キャパシタの複数を、それぞれの第１電極体によって前記導電帯の交差部を覆い、かつ、それぞれの第１電極体を前記導電帯に導通させた状態で固定して構築することもできる。

本発明の落雷抑制型避雷装置によれば、落雷抑制に必要なマイナス電荷量の分布領域の増加や、この領域に供給するマイナスイオン量の増加を容易に行なうことができる。

本発明の第１の実施形態の概略を示す正面図である。 本発明の第１の実施形態の概略を示すもので、キャパシタの斜視図である。 本発明の第１の実施形態の概略を示すもので、キャパシタの分解斜視図である。 本発明の第２の実施形態の概略を示すもので、キャパシタの構築方法を説明するための平面図である。 本発明の第２の実施形態の概略を示すもので、キャパシタの構築方法を説明するための側面図である。 本発明の第２の実施形態の概略を示すもので、キャパシタの構築方法を説明するための平面図である。 本発明の第２の実施形態の概略を示すもので、キャパシタの構築方法を説明するための平面図である。 本発明の第２の実施形態の概略を示すもので、キャパシタの構築方法を説明するための平面図である。 本発明の第３の実施形態を示す正面図である。

以下、本発明の第１の実施形態について、図１を参照して説明する。
図１において、符号１は本実施形態に係わる落雷抑制型避雷装置（以下、避雷装置と略称する）を示す。

本実施形態の避雷装置１は、地面Ｅに電気絶縁状態で設置され、導電性材料によって形成された帯電体Ｂと、この帯電体Ｂに電荷を供給するキャパシタ２とからなり、前記キャパシタ２が、前記地面Ｅに電気的に接続された第１電極体２ａと、この第１電極体２ａに電気絶縁層Ｚを介して対峙され、この第１電極体２ａとの間の静電容量により電荷を蓄え、この蓄えた電荷を前記帯電体Ｂに供給する第２電極体２ｂとからなり、前記電気絶縁層Ｚが非導電性材料によって形成されたスペーサー３によって形成され、このスペーサー３を挟み込んで前記第１電極体２ａおよび前記第２電極体２ｂが装着された構成となっている。

本実施形態では、仏塔４への落雷を抑制するようにしたもので、この仏塔４の頂上に設けられた宝珠５が前記帯電体Ｂとなされている。

前記スペーサー３は、図３に示すように、平面視で所定厚みを有する矩形状に形成された外枠３ａと、この外枠３ａの厚み方向の両側部のそれぞれにおいて、この外枠３ａの一対の対角どうしを結ぶように連設された内枠３ｂとによって構成されている。

そして、前記スペーサー３には、前記外枠３ａのそれぞれの側面（図では上下の面）を全体的に覆うようにして、前記第１電極体２ａおよび前記第２電極体２ｂが装着されるようになっている。

前記スペーサー３の前記第１電極体２ａおよび前記第２電極体２ｂとの当接面で、前記外枠３ａのそれぞれの四隅には、図３に詳述するように、前記当接面から突出する突起６がそれぞれ設けられており、前記突起６のそれぞれが嵌着させられる嵌合凹部７が形成されている。

これらの突起６と嵌合凹部７の嵌合により、前記スペーサー３に前記第１電極体２ａおよび前記第２電極体２ｂが一体に連結されるようになっている。

そして、前記第１電極体２ａと前記第２電極体２ｂは、前記スペーサー２に取り付けられた状態において、前記スペーサー３の厚さと同等の間隔で、電気絶縁状態で対峙させられている。

さらに、前記キャパシタ２は、図１に示すように、前記地面Ｅに打設されたコンクリート製の基礎Ａ上に固定されて、この基礎Ａを介して前記地面Ｅに電気的に接続された状態で設置される。

また、前記第２電極体２ｂの上面には、この第２電極体２ｂと前記帯電体Ｂとを電気的に接続するケーブルＣが接続される端子８が設けられている。

そして、前記ケーブルＣは、前記キャパシタ２から前記仏塔４の内部を経てその上部へ引き回されて、前記帯電体Ｂとしての宝珠５へ電気的に接続されている。

で、このように構成された本実施形態の避雷装置１の落雷抑制作用について説明する。
図１に示すように、マイナス電荷が雲底に分布した雷雲Ｄが近づくと、それとは逆の電荷（プラス電荷）が地面Ｅの表面に分布し、この地面Ｅに接地されている前記第１電極体２ａにもプラス電荷が集まる。

一方、前記第１電極体２ａに前記電気絶縁層Ｚを介して対峙されている前記第２電極体２ｂは、コンデンサの作用でマイナス電荷を帯びる。

さらに、前記第２電極体２ｂに前記ケーブルＣを介して電気的に接続されている前記宝珠５も全体的にマイナス電荷を帯びる。

したがって、前記宝珠５によって、前記仏塔４の頂部にマイナス電荷の分布領域が形成され、この領域のマイナス電荷によって、前記仏塔４の頂部やその周辺における上向きストリーマの発生が起こりにくくなり、落雷の発生が抑制される。

ここで、前記宝珠５に蓄えられるマイナス電荷量は、前記キャパシタ２の容量に依存する。

前記帯電体Ｂ（宝珠５）に、前述した落雷抑制作用を生じさせるために必要なマイナス電荷を帯びさせるのに十分なマイナス電荷を帯びさせるためには。前記第１電極体２ａと前記第２電極体２ｂの対向面積を大きくして前記キャパシタ２の容量を大きくすることによって対処可能である。

また、前記仏塔４回りに前述したマイナス電荷領域を形成するに際し、前記宝珠５の形状変更によりその領域の大きさを調整することができる。

そして、前記キャパシタ２や前記宝珠５の形状設定に際し、これらの周囲にその形状変更を拘束するものがなく、比較的自由度の高い形状設定が可能である。

したがって、前述したマイナス電荷領域を容易に拡大し、また、この領域に供給するマイナス電荷量を容易に増加させることができる。
これによって、前記仏塔４に対する落雷抑制効果を高めることができる。

図４ないし図８は、本発明の第２の実施形態を示す。
本実施形態では、前述した各実施形態において示した前記キャパシタ２の静電容量を大きくするのに、このキャパシタ２を構成する両電極体２ａ・２ｂの寸法を変化させるのではなく、基本形状のキャパシタ２を複数個用いて対応するようにしたものである。

以下に、その構築方法を説明する。
まず、図４に示すように、地面上に、たとえば、前記キャパシタ２が縦横に３列ずつ配置できるような大きさの矩形の型枠１０を組み上げる。

ついで、前記型枠１０内に、縦横３本ずつの導電性材料によって形成された棒状体１１を格子状に組み上げる。

これらの棒状体１１を、図４に示すように、その交差部において接地アンカー１２を介して接地し、ついで、前記型枠１０内にコンクリートを打設して、図６に示すように、前記棒状体１１を包み込む基礎Ａを形成する。

一方、前記型枠１０は、図５に示すように、形成される前記基礎Ａの上面が一定方向に傾斜するように、その上端部の形状が調整されている。
この傾斜は、前記基礎Ａ上の水滴等の排水を目的として設けられる。

ついで、前記型枠１０を取り外した前記基礎Ａの表面に、図７に示すように、銅フィルム等の導電性材料によって形成された複数の導電帯１３を格子状に交差させて一体に敷設する。

さらに、前記帯電帯１３の各交差部を覆うように、前記キャパシタ２を、その第１電極体２ａを前記導電帯１３に電気的に導通させた状態で前記基礎Ａに固定する。

ついで、図８に示すように、隣り合うキャパシタ２の前記第２電極体２ｂ間を、この第２電極体２ｂに設けられている複数の端子８と、これらの端子８を電気的に接続するケーブル１４を用いて電気的に接続する。

そして、相互に接続された前記第２電極体２ｂの一つを、前記ケーブルＣによって前記帯電帯Ｂに電気的に接続して、この帯電帯Ｂにマイナス電荷を供給することができる。

このように、必要に応じて前記キャパシタ２を増設することにより、このキャパシタ２からのマイナス電荷の供給量を容易に調整することができる。

図９は、本発明の第３の実施形態を示し、前記キャパシタ２に、このキャパシタ２よりも静電容量の小さなキャパシタ２０を併設した構成としている。

前記キャパシタ２０は、前記地面Ｅに接地された第１電極体２０ａと、この第１電極体２０ａに電気絶縁層Ｚを介して対峙させられた第２電極体２０ｂとによって構成されている。

そして、前記キャパシタ２の第２電極体２ｂと前記キャパシタ２０の第２電極体２０ｂｂとが電気的に接続されている。

このような構成とすることにより、仮に、想定以上のエネルギーの雷撃が前記帯電体Ｂに落雷した場合にあっては、容量の小さい前記キャパシタ２０が短絡することにより、前記雷のエネルギーを大地に流して、前記仏塔４の損傷を防止することができる。

なお、前記各実施形態において示した各構成部材の諸形状や寸法等は一例であって、設計要求等に基づき種々変更可能である。

たとえば、前記帯電体Ｂの構成は任意に変更可能であり、建築物に避雷針として設置されているフランクリンロッドを、前記建築物に対し電気的に絶縁することによって前記帯電体Ｂとすることができる。

また、前記キャパシタ２・２０の構成も適宜変更可能である。
すなわち、容量の異なるキャパシタを、それぞれ単独で使用したり、これらを組み合わせて使用したりすることも可能であり、その使用個数等も適宜選択可能である。
また、キャパシタ２としては、例えば屈曲可能な２枚の導電性金属板間に必要な厚みの絶縁体を挟んでロール状に形成したものを用いることも可能である。その場合にはロールの軸線が上下に向くように配置してもよい。

１ （落雷抑制型）避雷装置
２ キャパシタ
２ａ 第１電極体
２ｂ 第２電極体
３ スペーサー
３ａ 外枠
３ｂ
４ 仏塔
５ 宝珠
６ 突起
７ 嵌合凹部
８ 端子
１０ 型枠
１１ 棒状体
１２ 接地アンカー
１３ 導電帯
１４ ケーブル
２０ キャパシタ
Ａ 基礎
Ｂ 帯電体
Ｃ ケーブル
Ｄ 雷雲
Ｅ 地面
Ｚ 電気絶縁層

Claims (6)

1. 地面に電気絶縁状態で設置され、導電性材料によって形成された帯電体と、この帯電体に電荷を供給するキャパシタとからなる落雷抑制型避雷装置であって、前記キャパシタが、前記地面に電気的に接続された第１電極体と、この第１電極体に電気絶縁層を介して対峙され、この第１電極体との間の静電容量により電荷を蓄え、この蓄えた電荷を前記帯電体に供給する第２電極体とからなり、前記電気絶縁層が非導電性材料によって形成されたスペーサーによって形成され、このスペーサーを挟み込んで前記第１電極体および前記第２電極体が装着されていることを特徴とする落雷抑制型避雷装置。
2. 前記スペーサーと前記第１電極体および前記第２電極体との当接面の一方に、前記当接面から突出する突起が設けられ、他方に、前記突起が嵌着させられる嵌合凹部が形成され、これらの突起と嵌合凹部の嵌合により、前記スペーサーに前記第１電極体および前記第２電極体が連結されていることを特徴とする請求項１に記載の落雷抑制型避雷装置。
3. 前記キャパシタが、前記地面に構築された基礎上に、この基盤に前記第１電極体を電気的に導通させた状態で固定されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の落雷抑制型避雷装置。
4. 前記キャパシタが複数設けられ、それぞれの前記第２電極体間に、これらを電気的に接続するケーブルが設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れかに記載の落雷抑制型避雷装置。
5. 落雷抑制型避雷装置が設置される地面に上部が開口された型枠を組み上げ、この型枠内に、導電性材料によって形成された棒状体を配設するとともに、この棒状体を、接地アンカーを介して接地し、ついで、前記型枠内にコンクリートを打設して前記棒状体が埋め込まれた基礎を形成し、この基礎上に、導電性材料からなる導電帯を敷設した後に、前記基礎上に、請求項１ないし請求項４の何れかに記載のキャパシタを、前記第１電極体を前記導電帯に導通させた状態で固定することを特徴とする落雷抑制型避雷装置に用いられるキャパシタの構築方法。
6. 落雷抑制型避雷装置が設置される地面に上部が開口された型枠を組み上げ、この型枠内に、導電性材料によって形成された複数の棒状体を格子状に配設するとともに、これらの棒状体をその交差部において接地アンカーを介して接地し、ついで、前記型枠内にコンクリートを打設して前記棒状体を包み込む基礎を形成し、この基礎上に、導電性材料からなる複数の導電帯を格子状に敷設した後に、前記基礎上に、請求項１ないし請求項４の何れかに記載のキャパシタの複数を、それぞれの第１電極体によって前記導電帯の交差部を覆い、かつ、それぞれの第１電極体を前記導電帯に導通させた状態で固定することを特徴とする落雷抑制型避雷装置に用いられるキャパシタの構築方法。