JPS5956399A - コロナ作用でイオン化する避雷針 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は落ｍ保護装置、特にイオン化避冨針に関する。

この種装置の原理は避盾針針端の上部にイオン化空気柱
を形成することから成る。イオン源が外気の導電度を増
加することによって大気の破壊電圧を低下させること、
即ち放電が発生し初める１↑γ圧閾値を減少することは
主として研究室内での測定によって実際に確かめられて
いる。この様に］〜て放電の発生が容易にされ、落雷に
よって放出されたエネルギーは避雷針の引込導線によっ
て大地に誘導される。

イオン化避Ｍ針の保護領域の広さおよびその保護の有効
性は従って「フランクリン避雷針」とも称される単純な
避鱈針のそれよりも優れている。

然し乍ら、この解決法は不都合がないわけではない・と
云うのけ、現在迄の所、イオン源は針端周囲に設置され
た放射能を有するベレットで構成され、このペレットが
生じるアルファ線が必要とされるイオン化を行うからで
ある。然し放射能源の使用はこれを作るに当ってもその
貯蔵ないし取付に当っても特別な注意が必要である。

放射能源にもとづく不都合を除去した上でイオン化避雷
針の長所を残すために、特に、フレマン（ＣＬＥＭＩＤ
ＮＴ　）の名によるフランスギＦ許第９０７．０３７号
明細書によって、避鱈針の針端に、一端を針端に他端を
大地に接続した高圧発生器によって、周囲の大気内に電
荷を放出する様に給電することが提案されているが、こ
の電荷は雷雲の有する電荷と再結合すること（でよって
雷雲を放電させるが、導電性の大気とするために外気の
イオン化を少く共充分に変化するのに充分な索を作るも
のとする。

火花間隙装置がイ撃を分流するために発生器と並列に設
置されている。

上述の装置１ｒｄ、然し相当に大量のイオン量を発生す
るために必要な約４０　ＫＷ程度の相当大きな電力によ
って動かされる。この電力および必要な超高電圧（４０
０Ｉ（Ｖ）は目的を達するために今迄当面したことのな
い多数の絶縁および安全性の問題をもたらすこととなろ
う。

こね、とけ反対に、本発明は避雷針の針端の周囲の空気
をイオン化するのにいわゆる「コロナ作用」と称される
作用を使用するもので、この作用は電界の局部的な非常
に強い変形の存在によって生じる。例えば非常に尖鋭な
導体素子の近くの大気中の電界がこれである。正または
負のイオンを導体素子によってこれを高電圧にして放出
させると、これらのイオンは外界の電界によって加速さ
れてそれ自体がガス分子の２次的なイオン化を生じる。

イオン数の増加は針端上にある発光コロナの形として観
、察できる。この様にしてできたイオンは避雷針の針端
を取囲む空間内に１次いで拡散されて外部電界によって
加速されて前述したイオン化空気コロナを形成する。

この増倍現象は、小電力消費（数１０ないし数１００　
ｍＷの程度）で、絶縁および保護技術が従来技術の下で
利用容易な電圧（数１０ＫＶ）の下で充分にできる針端
頂部に生じるコロナ放電によるフランクリン針端の自然
作用の増幅を回部とする。

コロナ放雷の出現の条件となる電界の局部的変歪のある
ことおよびこれが非常に局在していることか絶対に不可
欠である。そのために、本発明は、側面がその凸形が回
転軸に向いた子午線で作られ外被円錐内に画かれた回転
面である尖頭針端の採用を提案するもので、与えられた
針端の底部直径および高さに対１−て良好々機械的強度
を保持したままで外囲円錐の頂角に比較して針端の頂角
を相当に減少することができる。好ましくは、この針端
の頂角は１０庁の桿変である。比較例によると。

底部直径／高さの比が０．４５であるこの種の針端は頂
角２５度を有する。

針端は大地に接続されていす（単純フランクリン針端と
はことなり）、高圧電源に接続されているので、針端に
到着した落雷を大地に側流するための装置を設けるとと
が必要で、好ましい方法としてはこの装置は、その一方
の電極が針端自体の下部で構成され、他方の電極が避膚
針の引込線導体によって接地されている火花間隙装置を
そなえている。落盾の場合、火花間隙は導体となり針端
を大地に電気的に接続する。

好ましくは、火花間隙の上部電極を構成している針端底
部は、凸部が下方に向き下部電極と相対している丸い形
状を有する。後者即ち下部電極は例えば針端底部の直径
に近い直径を有する導電性環状部で構成し得、これは避
雷針の引込線導体に接続され、その上面は平担で針端の
丸形の底部に向いてこれとは離隔配列されている。この
針端の丸味は電極間の端部効果を回避し、寄生コロナ放
′［発生の可能性のある突出隅部を除去する、というの
は上述の様な針端下部での放電はイオンが拡散せず、ま
た大地電位釦ある環状部が近くにあるため直ちに中和さ
れるので有効でないからである。

更に、これらの寄生放電は火花間隙の放電開始電圧を針
端を帯電させている高電圧より低い値にまで低下し得、
発生器のエネルギーが従って針端頂部でのコロナ放電を
起させる代りに火花間隙内で消耗される。

火花間隙の有効性を改善するために、少くとも一方の電
極を誘電体で隔てられた複数個の導体チャンネルに分割
することが有用である。これは特に上述の環状部の全厚
さにわたる複数本の長手方向の溝を穿つことによって実
現することができる。

実際には、落・仔に当って非常に強い電流がこれらの２
電極をへだでる間隙内で火花間隙に流れる。

この電流はこの間隙の非常に局部化した点、通常１点に
生じる。そのため火花間隙の両端子間に放電時２電極間
に存在する抵抗（小さくはあるがゼロではない）のため
電圧が発生することとなる（この抵抗を以下「放電抵抗
」と称することとする）。

この落雷電圧は１例外的なエネルギーの落ｍの場合に限
らず長期間の使用による繰返し落ｍののちには高電圧発
生器を破損するおそれがある。

若し、一点での放電の代りに落雷衝撃を同時ｎ放電に分
割可能ならば、放電抵抗はこの数ｎに分割されることと
なり、落雷電圧も同一割合で分割されることとなる。こ
の様にして高電圧発生器の保護は相当に改良される。

分割によって並列に接続されたｎ個の火花間隙を持つこ
ととなる。これらの火花間隙が落虜時同時に動作し得る
ためには、これらの間の各導体チャンネルのインダクテ
イブデカツプラを設けることが必要であり、事実、デカ
ツプラがないと放電々流は一つの電路に流れて設けたｎ
個ではなくただ一つの火花間隙のみが従って有効に作用
することとなろう。

必要とするインダクタンス値は割れ目、従って溝に２個
の隣接火花間隙の電極間に充分に長い電路を作り得る様
々長さを与えることによって得られる。

本発明のその他の特徴および長所は添付図面を参照して
行った以下の詳細な説明の精読から明らかと々ろう。

第１図の曲線は、第１Ａ図に略示した本発明による装置
によって作られたイオンの量を示す。電圧発生型輪が一
端を大地（ホ）に、他端をケーブル（４０）を介１．て
避Ｍ針の導電部材（１）に接続されている。発生器はこ
れらの端子間に電位差（Ｖ、）をを作り、電１（Ｉｐ）
を流す。電圧（ｖｐ）が低いときには回路が開放されて
いるので電流（Ｉｐ）はゼロである。電圧Ｖｐが高くな
ると、コロナ放電にもとず〈針端近くのイオン発生によ
って電流（■、）が生じる。電荷電流である所の発生器
内を流れる電流の大きさけ、従って剣躊頂部に生じたイ
オン市原を示す。第１図においてけ横坐標はキロボルト
で表示した電圧（Ｖｐ）、縦坐標はマイクロアンペアで
表示した電流の大きさく　Ｉｐ）である。

曲線（６０）は大地に対して正電位を有する針端に対す
る本の１曲Ｍ（６１）は大地に対して負電位を有する場
合のそれである。１０ＫＶ以下の電圧に対しては誘電体
ロスを除けば電流はゼロである。

約１０　ＫＶからコロナ現象が発生し、イオンの発生の
ために電流が流れることとなる。この現象は電圧（ｖｐ
）が上昇するのに伴って大きくなる。針端の電位の正負
にかかわらずその結果は殆んど同一である。然し、雷雲
は大多数の場合負の静電荷の担体で誘導によって大地を
正に帯電する。そのため、針端は電圧発生器の正極に接
続し、狛電極を大地に接続するのが有利である。この様
にして針端は大地に対して正電位となり「フランクリン
針端」作用が強化される。

また、コロナ放電の増倍作用によって消費電力が非常に
減少されることがわかる。２５　ＫＶの電圧（Ｖ　）に
対して電流（工ｐ）は１ないし２μＡの程度で、電力け
２５ないし５０　ｍＷ　となる。

第２図は尖頭針端（１００）を示すが、その端部（１０
１）にコロナ放電が生じる。領域（１０２）に生じたイ
オン（１０２）け針端を取囲む空気中に拡散し得る。そ
の下部（１０４）は大地（４１０）に避雷針を支える導
電性軸部（１１１）を介して接続された環状部（１１０
）の近くに位置している。針端下部（１０４）、ｉ状部
（１１０）およびその間に位置する空気間隙が火花間隙
装置を構成している。間隙（１２０）の幅は針端に落ち
た電光が間隙（１２０）内の放電の出現によって大地に
導びかれるが、火花間隙は高圧発生器によって針端が帯
電されている動作電圧値に対しては絶縁状態に止まる様
な値とする（放電開始電圧は例えば外部湿度の平均状態
で、２５　ＫＶの動作電圧値に対して３０　ＫＶである
）。

（４００）で略示する高圧発生器は導線（１０５）によ
って針端（１００）に接続されている。好ましくはこの
導線（１０５）は同軸ケーブルの心線を構成し、その大
地（４１０）に接続されたシールド（１１１）は避δ針
の少く共付端部近くの軸部を形成している。２導体は絶
縁物（１３０）で分離されている。

針端は若干〈はんだ形状の側面（１０６）を有する、換
言すればこの回転面はその凸部が回転軸の方に向いた曲
線状子午線によって作られたものである。この表面の頂
角αは針端を囲む円錐（１０７）の頂角βよりも従って
小さい。この針端形状は底部直径Ｄ／針端高さＨの比を
大きくシ（優秀な機械的強度）小頂角をもたらす（コロ
ナ作用の強化）の２点間の良好な調和を可能としている
。

付備下部は全々角張った所がなく従って寄生コロナ放電
（Ｄ発生のおそれのない曲線（１０８）を有する。

表面（１０８）　ｌ廿火花間隙装置の上部電極を構成し
７ており、環上部の上面（１１２）に近接位置し、この
環状部（ｒｉそこで下部電極を形成している。この表面
（１１２）ｉ−を好ましくは平面である。この様な火花
間隙の形状のため電極間の端部効果が全々なく、正確な
放電開始電圧の決定が可能となる。

環状部（１１０）はこれをその厚さ全体にわたって分割
している例えば４本の割目（１１３）　（第２図ないし
第４図に見られる）をそなえている。これらの割目は同
数の導電性チャンネル（１１４）を作り、これらの間を
絶縁している。

これらの導電チャンネルの長さを増加するために、割目
は導電性軸部（１１１）上で長くすることができ、この
割目は勿論これらの軸部の全厚さにわたって穿たれる。

割目はそのままにしておいても、例えば絶縁部（１３０
）のそれと同一の材料の絶縁部（図示せず）を充填して
もよい。この場合、導電チャンネルを隔てる誘電体けも
早や空気ではなく、固体誘電体である。更に、避１針軸
部内への水の浸入を閉止して風化度を改善する。

更に、この風化度は排水孔（１１５）によって改善され
るが、これは火花間隙の両電極をへだでる間隙（１２０
）内に液体のたまるのを防止し、環状部内部への浸入に
よる腐蝕の他に、この部分への水の存在が火花間隙の動
作特性、時にその放電開始電圧を変化させることを防止
している。

針端、環状部および軸部は良導電性、耐大気腐蝕性およ
び良好な機械的特性のある材料製であり、この材料は例
えば真鍮または不錆鋼がよい。好ましくけ選定した材料
は、主として火花間隙の電極間の電気化学的腐蝕現象を
回避するために各部品に対し同一とする。

勿論、一体物として作られた割目付環状部は複数個の部
品を組合わせた組合せ物でその下部で電気的に接続した
もので置換してもよく、割目充填層はこの場合スペーサ
の役目をする。

第５図は本発明による装置の給電回路を示す。

外部電界捕捉器（４０１）が直流−交流変換器（４０３
）　ｆ制御回路（４０２）を介して動作させる。

この変換器は太陽電池（４０５）で充電されている緩衝
蓄電池（４０４）で構成された直流電源で給電されてい
る。変換器（４０３）の出力側で交流電圧は、同時に電
圧ｆ６倍にする回路（４０６）で整流される。整流済の
電流は最後に避雷針の導電部材（４０７）に給電される
が、避雷針に落街し得るイが給電回路を損傷しない様に
するために保護回路（４０８）が整流器と導電部材との
間に挿入されている。

高電圧発生装置と組合わされた外部電界捕捉器の使用は
、大落雷確率に対応する所定の値に外部電、界が到達し
た時のみに装置が動作する。即ち避雷針の導体素子に電
位を給電することを可能としている。この値以下では変
換器は給電されず、従って蓄電池は無駄な放電をしない
。

第６ａ図は落雷発生時の単一火花間隙避雷針の動作を説
明する等価回路である。

落雷は火花間隙の端子、即ち点（４０７）と大地（４１
０）との間に接続された非常に強い（１００００アンペ
ア以上）電流源（５００）として等価し得る。

火花間隙は固有抵抗（Ｒｅ）と個有インダクタンス（Ｌ
ｅ）を有する。

放電が発生すると、放電々渾が大きい程高い電位差が火
花間隙端子間に発生する。この電位差は、例外的な強度
の放電の場合、禁止的になり得て直前電圧発生器を破損
する可能性があるし、或いは繰返し電撃作用のため少〈
共これを砺損する可能性もある。

この発生器をすべての状況下で保護するために、本発明
は前述の要領の、相互間が接続インダクタンスで離隔さ
れた個々のｎ個の火花間隙に火花間隙を分割することを
提案するものであり、各火花間隙は単一火花間隙の場合
と同一の個有抵抗（Ｒｅ）を有しくこの抵抗ｉｄ　２電
極間に存在する間隙で事実上定する）、各火花間隙のイ
ンダクタンス（Ｌｅ）は導電チャンネルの長き（従って
蝕刻された分離用割目の長さにはソ等しい）によって定
まり、前述した通り、これらのインダクタンス値は１個
々の火花間隙のすべてにおいて同時放電開始が見られる
様に各導電チャンネルの効果的な分割を可能とする様な
値でなければなら、ない。

この様にして、放電々流は複数個の火花間隙に分配する
ことができ、その全体抵抗をｎ分の１とし、従って直流
雷、圧発生機の端子のあられれる電位差をｎ分の１とす
る。

好ま１〜〈ば、保穫用第２回路が火花間隙と高圧発生器
との間に挿入されるが、これは避雷針の引込同軸ケーブ
ル（１１１）の前に取付けた直列抵抗（４３０）と発生
器に郊外に接続された放電管（４２０）から成っている
。

との保護回路は補助的な役割を持っており、火花間隙端
子間電圧が非常に大きくなった場合、放電管は導電状態
となり従って電圧発生器を保護し、放電管自体は放電々
流限定用の直列抵抗（４３０）で同様に保護される。

言つまでもなく、本発明は上述の実施例に限定されるも
のではなくその主旨に合致するすべての変形例に及ぶも
のであり、上述の例示は好オしい実施例であって限定的
なものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１Ａ図の実験的な装置で作った針端の電位の
関数として測定したイオン発生量を示す曲線であり、第
２図は針端およｒ）：火花間隙装置の断面図で左半ば割
目の１つを通る半平面で、右手は割目を通らない半平面
でそれぞれ切断したものであり、第６図は環状部および
軸部の斜視図で線ｎ−ロは第２図の断面に対応するもの
であり、第４図は第６図に対応する立面図であシ、第５
図は針端に電位を与えるための装置をブロック図示した
ものであり、第６ａ図および第６ｂ図はそれぞれ火花間
隙の分割のある、またはない、保護回路の等価宵気回路
である。第１Ａ図は本発明の詳細な説明図。 １００・・・針端、　　１０４・・・針端下部、　　１
０４，１１２，１２０・・・火花間隙装置、　　１０６
・・・針端側面、　　１０７・・・包囲円錐、　　１１
０・・・下部電極、導電性環状部、１１１・・・軸部、
１１６・・・割目、１１４・・・導体チャンネル、　　
１１５・・・排水Ｊｌ、１０．４００・・・高圧発生器
２０．４１０・・・大地、４２０・・・放電管、　　４
３０・・・直列抵抗。 代理人　弁理士　木　村　三　朗 ＦＩＧ−６ｂ −４５２−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）落膚その他の過電圧を受けた場合針端を電気的に
   大地に接続することを可能とする火花間隙装置と共動す
   る避信針端（１００）と、針端を高電圧に帯電させるイ
   オン化装置とを有する落虜保護装置において、針端（１
   ００）の側面（１０６）はその凸部を回転軸の方に向け
   たる子線によって作られ包囲する円錐（１０７）内に画
   かれた回転面であり、針端の下部（１０４）はその凸部
   が下方に向いた円形形状を有し火花間隙の上部電極を形
   成していることを特徴とする落膚保蒋装置。 １２）斜端上部頂角（α）は約１０９！であることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項に記載の装置。 （３）針端に印加する電位は大地に対して正電位である
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項に
   記載の装置。 （４）火花間隙装置は誘電体で隔てられた複数個の導体
   チャンネル（１１４）に分割されていることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項、第２項または第３項に記載の
   装置。 （５）火花間隙装置の下部電極は大地電位を有し。 針端の下部に近接してこれから距離を保って配置された
   導電性項状部（１１０）を有し、該環状部はその全厚味
   を通して設けられた少く共２個の割目（１１３）を有し
   環状部内で導電性チャンネルを分離する誘電部を形成し
   ていることｆ％徴とする特許請求の範囲第４項に記載の
   装置。 （６）環状部は避雷針の軸部に接続され、割目は軸部の
   下方に向って延在していることを特徴とする特許請求の
   範囲第５項に記載の装置。 （７）大強庁の誘電体材料製薄片が長手方向の割目内に
   １置されていることを特徴とする特許請求の範囲第５項
   または第６項に記載の装置。 （８）環状部は排水孔（１１５）を有することを特徴と
   する特許請求の範囲第５項、第６項または第７項に記載
   の装置。 （９）更に針端を電圧発生器に接続する電線に直列に接
   続された抵抗（４３０）と電圧発生器の端子間に並列に
   接続された放′ｍ管とを有する保護回路が導電性の針端
   と高電圧発生器（４００）との間に挿入されていること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項、第２項、第６項、
   第４項、第５項、番６項、第７項または第８項に記載の
   装置。