JP3169081U - 雷対策施設 - Google Patents

Abstract

【課題】設置コスト、構築時間が少なくて済み、屋上を占有することなく設置できる雷対策施設を提供する。【解決手段】針金のような細長い形状で導電性材料からなる突針を放射状に配置して形成されるボール部分と、前記ボール部を支える導体軸、前記導体軸の下端に接続されたベースにより構成されるボールイオナイザを、複数階床の建築物の屋上に少なくとも屋上角部各々に天空に向けて配置し、前記ボールイオナイザをそれぞれ接地導線により前記建築物周辺の地面に接地してなる。【選択図】図１

Description

本考案は空中にイオンを放散して空中電界を緩和し落雷から建築物を保護する雷対策施設におけるイオンの放散器の形状と建築物への設置方法に関するものである。

帯電した雷雲の接近により雷雲と地面との間に電界が形成され、その電界強度が徐々に高まっていくと、ついには大気絶縁の破壊に至り、雷雲と大地の間に放電が起こる。これが落雷である。この落雷から保護しようとする建築物、またはその周辺にイオン放散器を設けて雷雲下部と逆の極性のイオンを上空に放散することにより建築物上空の電界を緩和し落雷発生を遅らせる雷対策施設が知られている。

従来、特許文献１あるいは特許文献２に記載のように、この種のイオン放散器には短い導電性の線材を一定間隔で長い別の導電性線材に溶接などで一体化したもの（以下、イオン放散ワイヤと呼ぶ）が使われる。前記イオン放散ワイヤを、落雷から保護しようとする建築物の屋上に、支柱を立て、前記支柱の最上部に導体天板を設置し、前記導体天板から、前記イオン放散ワイヤを傘状に張り巡らして前記建築物の屋上を覆い隠し、かつその前記イオン放散ワイヤの終端を接地導線によりに接地することにより落雷から前記建築物を保護する雷対策施設を構成するものがある。

特開昭５３−３９４５０号公報 米国特許 ５０４３５２７号明細書

日本工業規格 Ａ 4201:2003 建築物等の雷保護 藪野光平他 放散ワイヤ防雷システムのイオン電流評価（その１） 平成11年電気学会全国大会論文集

イオン放散ワイヤで建築物の上部を覆う従来の方法は、落雷を緩和する効果は十分であるが、コスト面や運用面で課題になることもあった。建築物の屋上にイオン放散ワイヤを張るための塔の設置やその塔から建築物屋上の４辺に向かってイオン放散ワイヤを張る等、設備導入には例えば避雷針と比べるとかなりコストがかさむという課題がある。また、建築物の屋上に張られたイオン放散ワイヤが屋上の空間を制限するため、建築物の管理のための屋上への立ち入りが制約されるという課題もある。

本考案ではイオン放散器に従来のイオン放散ワイヤではなく、図２に示す針金のような導電性の細長い突針を放射状に多数配置したボールイオナイザと呼ぶ球形のイオン放散器を使う。さらにそのボールイオナイザ４台を建築物の屋上の四隅にそれぞれ設置することにより雷対策施設を構成する。イオンは導電性の前記突針の先端部から放散され、先端部の数が多いほどイオン放散量も増える。ボールイオナイザは１台でも前記突針先端部の数が多いので特定の箇所からイオンを効率的に放散する用途に適している。

建築物の大部分の形状は直方体である。その形状の建築物の上空に帯電した雷雲が在ると、それと対向する建築物の面には雷雲とは反対の電荷が地面から供給され、帯電する。図１０に雷が発生した時の雷雲，建築物の角部および建築物周辺の地面の電荷の分布状態を示す。雷雲５は地面６側が負に，上空側が正に帯電することが一般に知られている。図１０には雷雲５下部に負電荷７が分布している状態を描いている。前記負電荷７が作り出す電界により雷雲５真下の地面６の表面には正電荷８が誘導され，分布する。前記雷雲５の真下に位置する前記建築物２の屋上にも前記正電荷８が現れる。電界により分極した誘電体表面の電荷の分布状態は、一般に周辺より突出した部分は周辺より電荷密度が高くなり，逆に周辺より凹んだ部分は周辺より電荷密度が低くなることが知られている。直方体と見なされる前記建築物２の屋上の角部の頂点は突出部分なので，図１０に示すように頂点付近が最も電荷密度が高く，頂点から離れるに従い徐々に電荷密度が下がるような電荷分布状態になる。また逆に建築物２側面と地面６が交差する部分は凹んでいるため最も電荷密度が低くなり，電荷の分布は疎らになる。

図１１は、図１０において建造物を水平方向かつ側面ＡＢＦＥが正面になるように見た雷雲，建造物および建造物周辺の地面の電荷の分布状態と電気力線および等電位面を定性的に示す。前記雷雲５の幅および前記雷雲５の下部から地面６までの距離は数ｋｍあるため，図１１のように雷雲５下部は負に帯電した平面とみなすことができ，建築物２の幅に比べ十分な広がりがあるので，雷雲５と地面６に挟まれた空間は建築物２周辺を除けば地面６から雷雲５下部へ垂直に向かう均一な負の電界が形成されていると考えられる。建築物２周辺の電界は建築物２の上面，側面および建築物２周辺の地面６の電荷の分布状態によって決まる。したがって突出した部分付近の電界は強くなり，凹んだ部分付近の電界は弱くなる。これにより、建築物２角部は、建築物２の他の部分よりも落雷する可能性が高くなる。そこで前記ボールイオナイザ１を角部に設置すれば電界緩和効果は設置箇所が最大となるので高い防雷効果が期待でき、前記ボールイオナイザ１を少ない数で最大の効果を発揮させることが期待できる。

図１２に、本考案の保護装置を設置した直方体の建造物の上空に雷雲があるとき，建造物を水平方向かつ側面ＡＢＦＥが正面になるように見た雷雲，建造物および建造物周辺の地面に分布する電荷と保護装置から放出される電荷，さらに電気力線および等電位面を定性的に示す。雷雲５により生じた負電界はボールイオナイザ１の突針先端部で極度に高まり，大気が電離し正に電離した正イオン２０を生じ上空に向かって（図１２の方向２１）放出される。前記ボールイオナイザ１は建築物２周辺の地面６に接地４により電気的に接続されており，正電荷８は地面６から供給されるので，上空に雷雲５があり負の電界が形成されている間，突針から正イオン２０を放出し続ける。前記接地４周辺の地面に集積した正電荷８は接地線３を通じて建築物２角部へ設置された前記ボールイオナイザ１へ移動し，前記正イオン２０として放出されると考えられる。前記ボールイオナイザ１が正イオン２０を放出している間，前記ボールイオナイザ１上部周辺の空間の電界が弱められる。相対的に電界の強い空間が雷の経路になる。従って電界が弱い前記ボールイオナイザ１周辺の空間は前記ボールイオナイザ１設置前に比べて雷の経路になり難くなる。つまり落雷し難くなる避雷効果を発揮する。

また、前記ボールイオナイザ１は、水平方向にはイオンを四方へ放散して指向性がないので、雷からの保護エリア１４は、図２に示すように、設置面からイオン放散器の先端までの距離を半径とする半球形のエリアになる。この半球形の防護エリアが建築物を覆うように設定すればよい。建築物の屋上の４箇所の角部にボールイオナイザを接地することで、保護エリアが重なり、建築物全体を保護できる。

直方体形状の建築物においてイオン放散ワイヤを建築物屋上に張り巡らせる方法に対し、ボール型のイオン放散器を屋上の角４箇所に設置すればよいので、必要な落雷保護エリアを形成するのに設置コスト、構築時間が少なくて済む利点がある。また、屋上を落雷保護装置が占有することがなく、運用上の自由度も高い。

導電性材料からなる針状集合体であるボールイオナイザを建築物の屋上角部に設置した本考案の雷対策施設を示す図である。 図１のボールイオナイザの外観および保護エリアを示す図である。 ボールイオナイザ４基を直方体建築物の上部４角に設置したときの保護エリアを示す図である。 図３を横から見た図である。 図３を上から見た図である。 ボールイオナイザの地面からの高さの定義を示す図である。 建築物の屋上角部に設置したボールイオナイザの底部それぞれを導線で閉回路状に接続した雷対策施設を示す図である。 建築物の屋上角部に設置したボールイオナイザそれぞれに個別の接地を施し，さらにそれぞれの接地を導線で閉回路状に接続した雷対策施設を示す図である。 図１より幅広の建築物で、ボールイオナイザを４角の他に、その中間付近にも設置した例を示す図である。 上空に雷雲があるときの建築物上部コーナー部分の電荷の分布状態を定性的に示した図である。 図１０の状態において電荷の（イオンの）分布状態と等電位線を定性的に示した図である。 本考案の保護装置を設置した直方体の建造物の上空に雷雲があるときの電荷分布と保護装置から放出される電荷，さらに電気力線および等電位面を定性的に示した図である。

代表的な実施例を図１に示し、説明する。本考案の実施対象となる比較的大型の建築物２は一つないし複数の直方体から成る構造体とみなせる。図１ではもっとも単純な一つの直方体として建築物２を描いている。図２に示す突針１１を放射状に配置したイオン放散器であるボールイオナイザ１を、前記建築物２の屋上の４箇所の角部にそれぞれ導電性の導体軸１２を介して設置する。前記各導体軸１２から前記建築物２の壁面を伝い地表に前記接地導線３を伸ばし、前記建築物２周辺の地面６に接地４する。接地の箇所は建築物２周辺の地中から万遍なくイオンを収集するために図１のように４箇所、または少なくとも対角の２箇所とする。

尚、本考案の雷保護装置を設置する大型建築物は、２階建て以上を想定している。１階当たりの高さは一般的に４．０ｍ以上であるため，２階建て建築物の高さは少なくとも８．０ｍ以上と規定される。また，一般に建築物が高くなるにつれ雷が落ちやすくなるため，本考案の雷保護効果が発揮される建築物の高さには上限があり，それは１２０ｍである。これは、例えば非特許文献１によれば、避雷針設置時の雷保護効果は高さ６０ｍの建築物までと規定されているが，本考案のイオナイザは非特許文献２によるとその上空の電界の強さを半減させる効果があるため、建築物の高さは避雷針の２倍程度の１２０ｍまで同様の雷保護効果が発揮されると考えられるからである。

ボールイオナイザ1について図２に示す。ボールイオナイザ1は全体が電気伝導性物質から成り、放射状に配置された突針１１で形成されるボール部分と、前記突針を支える導体軸１２、前記導体軸１２の下端はベース１３に接続され、前記ベース１３は前記建築物２の屋上面に設置される。前記ベース１３に接続された接地導線３は前記建築物２周辺の地面６に接地４されている。ボールイオナイザの材質の一例を挙げれば、突針11はSUS316、導体軸およびベースはSUS304である。このボールイオナイザ１が形成する保護エリア１４は、図２に示すように、前記接地４をしている地面６から、前記突針１１の最上部までの高さを半径とする半球形で覆われる範囲である。図２は地面６の上に直にベース１３が置いてある場合を示している。

図３に図１の保護エリアの状態の鳥瞰図を示す。図３において各角部の頂点に対してＡからＨの記号をつけてある（Ｈは図示せず）。図４は、図３を側面ＡＢＦＥの方向から見たときの前記保護エリア１４の範囲である。図５は、図３を上面の面ＡＢＣＤの方向から見たときの前記保護エリア１４の範囲である。尚、図３、４及び５においては、前記接地導線３と前記接地４については省略してある。図３、４及び５において、前記保護エリア１４が前記建築物２を覆うためには、後述する図６のように前記ボールイオナイザ１の先端高さを決める必要がある。図５に示すように、前記建築物２の角部の頂点Ａと角部の頂点Ｃを結ぶ直線の中点Ｐを決める。次に図６に示すように前記中点Ｐと建築物２の最下端の角部の頂点Ｆとを結ぶ直線ＰＦの距離と等しいか、あるいはそれ以上の長さを保護エリア半径１５とする。この前記保護エリア半径１５を地面からボールイオナイザ先端までの高さとすれば、建築物全体を覆うことができる。この前記保護エリア半径１５は、前記建築物２の高さに前記ボールイオナイザの高さを加算したものになるので、前期導体軸１２および前記ベース１３の高さを調整して実現する。

図７は、前記建築物２の屋上角部に設置した前記ボールイオナイザ１の前記導体軸１２の底部を導線３０により閉回路状に連結し、前記各導体軸１２から前記建築物２の壁面を伝い地表に前記接地導線３を伸ばし、前記建築物２周辺の地面６に接地４した場合である。この場合、前記ボールイオナイザ１がそれぞれ接地４する地面６の周辺の電荷の分布が均一でなくても、閉回路状に連結していることで、電位が共通になるため、各ボールイオナイザ１への電荷の供給が等しくすることが可能となり、ボールイオナイザ１の機能を安定化させることができる。

図８は、前記建築物２周辺の地面６への接地４それぞれを導線３０により閉回路状に連結した場合である。この場合も地面６の周辺の電荷の分布が均一でなくても、接地４それぞれを閉回路状に連結することで、電位が共通になり，各ボールイオナイザ１への電荷の供給を等しくすることが可能となる。図７、図８において４箇所のボールイオナイザ1あるいは４箇所の接地4を同電位化するための導線３０はそれぞれ４箇所を囲む様に閉回路状に接続しているが，その閉回路のいずれか１辺の導線が欠けても４箇所はやはり電気的に連結され，同電位になるので，任意の３辺を接続する方法でも良い。

図９は、建築物２の屋上の長辺が短辺の２倍以上ある場合で、建築物２の各角部にボールイオナイザ１を設け、さらには建築物の長辺の中間点にボールイオナイザ１を設置してあり、各ボールイオナイザ１を導線３０にて接続し、前記接地導線３により地面６に接地４している。この図９の例の場合は、図６で定義した方法で防護エリア半径を定義すると、建築物の高さと比較して、ボールイオナイザ１の導体軸１２が大変長くなり、施工が困難になることがある。そのため中間点にもボールイオナイザ１を設置している。

１…ボールイオナイザ、２…建築物、３…接地導線、４…接地、５…雷雲、６…地面、７…負電荷、８…正電荷、９…電気力線、１０…等電位面、１１…突針、１２…導体軸、１３…ベース、１４…保護エリア、１５…保護エリア半径、１６…建築物の対角線の長さ、１７…建築物の対角線の１／２の長さ、２０…正イオン、２１…正イオンを放出する方向、３０…導線

Claims (6)

1. 天空に向けた支柱が支持する導電性材料からなる突針集合体を、複数階床の建築物の屋上に少なくとも屋上角部各々に配置し、前記突針集合体をそれぞれ接地導線により前記建築物周辺の地面に接地してなる雷対策施設。
2. 請求項１において、前記建築物屋上は四角形であり、前記突針集合体は前記建築物の屋上の四隅に配置されている雷対策施設。
3. 請求項２において、前記突針集合体最上端の、地面からの高さは、地面と接している建築物最下部の角部から建築物屋上の２つの角部を結ぶ直線の中点までの距離と等しいかそれ以上である雷対策施設。
4. 請求項１において、前記突針集合体は、導線により電気的に接続されて同電位となっている雷対策施設。
5. 請求項１において、前記接地は接地導線により電気的に接続されて同電位となっている雷対策施設。
6. 請求項１において、前記建築物の高さは、８ｍ以上，１２０ｍ以下である雷対策施設。
   

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