(57)【要約】【課題】レーザー誘雷とプラズマ避雷針のそれぞれの長所を生かし、落雷を効果的かつ確実に誘導するとともに、低コストでしかも落雷電流による破損も原理的に発生しない誘雷装置を提供することにある。【解決手段】開口部（７ａ）付近に設けられた金属性の誘雷部（７ｂ）とレーザー発信器（３）とを備え、集光レンズ（８）を介して、誘雷部（７ｂ）の表面に焦点を結ぶようレーザー光を照射する。誘雷部（７ｂ）からプラズマ流を噴出させることにより、開口部（７ａ）から立体的な誘雷雰囲気を噴出させ、低出力のレーザーでも効率よくプラズマを発生させて、誘雷効果を高める。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
落雷を誘導する誘雷装置であって、
開口部付近に設けられた金属性の誘雷部とレーザー装置とを備え、
集光レンズを介して、前記誘雷部の表面に焦点を結ぶようレーザー光を照射し、前記誘雷部からプラズマ流を噴出させることにより、前記開口部から立体的な誘雷雰囲気を噴出させることを特徴とする誘雷装置。
【請求項２】
地上に設けたレーザー発信器から、絶縁材料製の光ファイバを経由して、前記誘雷部の表面にレーザー光を照射することを特徴とする請求項１に記載の誘雷装置。
【請求項３】
前記誘雷部を、風力発電装置のブレードに装着した受雷部に取り付け、地上に設けた前記レーザー発信器からのレーザー光を、前記風車の回転軸に設けた光ロータリコネクタを介して、前記光ファイバにより前記受雷部に取り付けた誘雷部に照射するようにしたことを特徴とする請求項２に記載の誘雷装置。
【請求項４】
前記誘雷部のレーザー照射部から前記開口部に向けて、気体を噴射する噴射装置を備えたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の誘雷装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、落雷による被害を低減するため、避雷針や風力発電用風車等の地上機器に適用され、落雷を誘導し、落雷電流を大地に確実にアースするための誘雷装置に関し、特に、レーザー光の照射により発生されたプラズマ雰囲気により、効果的な誘雷を可能にする誘雷装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
落雷の被害を防ぐために、鉄塔や高層ビル等に避雷針を設けて大地にアースすることにより、落雷させることは、古くから使われている。
こうした避雷針をさらに発展させ、雷を積極的に誘導する技術として、プラズマ避雷針、ワイヤーを付けたロケットを雷雲に打ち込むことで誘雷を行うロケット誘雷装置、雷雲と誘雷鉄塔との間にレーザーを照射し、空気を電離してプラズマ雰囲気を形成し、このプラズマ雰囲気に雷を誘導するレーザー誘雷装置等が提案されている。
【０００３】
プラズマ避雷針は、避雷針の周囲に高電圧が印加される電極を設け、プラズマを発生させて雷を誘導するもので、ロケット誘雷やレーザー誘雷のように遠距離を誘導するのではなく、避雷針の近辺に放電などによってプラズマを発生させ、避雷針の近くまで来た雷を避雷針に誘導することができる。
【０００４】
プラズマ避雷針については、下記特許文献１、２号公報が知られており、さらに、風力発電装置の風車ブレードを保護するためのプラズマ誘雷装置として、下記特許文献３が知られている。
レーザー誘雷装置については下記特許文献４に、放電誘導装置については下記特許文献５に、レーザーによる放電誘導については下記特許文献６に、そして、ハイブリッドレーザーを利用した放電誘導については下記特許文献７にそれぞれ記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１４９６２２号公報
【特許文献２】特許第４４１１３８９号公報
【特許文献３】特許第４６９５４８２号公報
【特許文献４】特開平５−６７４９８号公報
【特許文献５】特許第４８０６２１１号公報
【特許文献６】特許第４５８７３８２号公報
【特許文献７】特許第４６４１２１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図１０に示すように、従来のレーザー誘雷は、レーザー光を大気に照射することにより電離させ、電離部分に雷を誘導し落雷させるものである。レーザー照射装置と誘導された雷の電流とは、電気的に切り離されているため、落雷によりレーザー照射装置等が破損されることはないが、十分な誘雷効果を得るためには、高出力で取り扱いの難しいレーザー発信器を用いなければならず、コストが高く、実用的ではない。
【０００７】
一方、プラズマ避雷針は、図１１に示すように、避雷針の周囲に、高電圧が印加される電極を設けて放電ギャップを形成し、プラズマを発生させて、雷を誘導するものであり、プラズマ発生装置自体は安価で、設置費用を低コスト化できる。
また、レーザー誘雷とは異なり、遠方の雷を接触的に誘導するものではなく、雷のステップト・リーダーなどが近くまで来ている場合、他の場所ではなく、確実に避雷針やレセプタなどに落雷するよう誘導することを主眼としている。
【０００８】
このため、消費電力も少なく、例えば、風力発電所に設置された風車ブレードに取り付けられた落雷用のレセプタに落雷するように誘導し、風車本体を落雷から保護することができる。
しかし、プラズマ避雷針では、落雷の電流をいかに円滑にアース側に流すように設計しても、プラズマ発生装置を構成する電気回路は、少なくともアース側で落雷電流とつながっているため、落雷電流を完全に隔離することは不可能である。
しかも、落雷電流が流れる避雷針のすぐそばにプラズマ発生装置を構成する電気回路を設置しなければならないため、一度落雷すれば、大電流により短絡して、破損する可能性が非常に高い。
【０００９】
これは、プラズマ発生装置を構成する電気回路に直接落雷電流が流れ込まなくても、大電流がそばを流れた場合、誘導起電力などによって、電気回路に大きな起電力が発生することに起因する。
このため、落雷を一度はうまく誘導できても、連続使用の信頼性が低く、２回目の落雷を誘導できなかったり、落雷のたびに回路の交換など修理や保守が必要になる。
さらに、プラズマ避雷針では、放電により空気を電離させる必要があることから、高周波、高電圧を発生させる必要があり、また強風や雨など電気放電には不利な条件下で、確実に放電を行うことは困難で信頼性が低い。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、レーザー誘雷とプラズマ避雷針のそれぞれの長所を生かし、落雷を効果的かつ確実に誘導するとともに、低コストでしかも落雷電流による破損も原理的に発生しない誘雷装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するため、本発明の誘雷装置は、落雷を誘導する誘雷装置であって、開口部付近に設けられた金属性の誘雷部とレーザー装置とを備え、集光レンズを介して、前記誘雷部の表面に焦点を結ぶようレーザー光を照射することにより、前記誘雷部からプラズマ流を噴出させることにより、前記開口部から立体的な誘雷雰囲気を噴出させるようにした。
【００１２】
上記の誘雷装置において、地上に設けたレーザー発信器から、絶縁材料製の光ファイバを経由して、前記誘雷部の表面にレーザー光を照射するようにした。
【００１３】
上記の誘雷装置において、前記誘雷部を、風力発電装置のブレードに装着した受雷部に取り付け、地上に設けた前記レーザー発信器からのレーザー光を、前記風車の回転軸に設けた光ロータリコネクタを介して、前記光ファイバにより前記受雷部に照射するようにした。
【００１４】
上記の誘雷装置において、前記誘雷部のレーザー照射部から前記開口部に向けて、気体を噴射する噴射装置を備えるようにした。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、集光レンズを介して、誘雷部の表面に焦点を結ぶようレーザー光を照射することにより、低出力のレーザーでも効率よくプラズマを発生することができるので、雷を大気中で誘導する従来のレーザー誘雷で使用するような大出力のレーザーとは異なり、出力がわずか０.１Ｊ程度の商用のレーザーを用いることで誘雷が可能になる。
【００１６】
従来のプラズマ誘雷のようにレセプタとその周辺に電気回路を持たないので、落雷による回路の破損などの心配がなく、複数回の連続誘雷が可能である。
希ガスを用いることで、空気によるプラズマ避雷針よりもより効率的に誘雷ができる。
【００１７】
本発明によれば、レーザー照射装置は避雷針から隔離された場所に設置することができ、しかも、出力されるレーザー光は、絶縁材料からなる光ファイバを介して、電極付近まで導かれるから、レーザー照射装置を、落雷電流から完全に電気的に絶縁された状態に配置することができる。
しかも、プラズマ発生源は、レーザー光が照射される電極片にすぎないから、落雷で避雷針に電流が流れても、レーザープラズマ誘雷装置自体が破壊される危険性がほとんどなく、連続した落雷にも対応でき、維持管理が極めて容易である。
【００１８】
すなわち、本発明のレーザープラズマは、電気放電によるものではなく、レーザー光によって、先に金属をプラズマ化して、プラズマやそこから発生する紫外線などがさらに周囲のガスを電離させることを基本原理としている。
こうしたレーザー照射によるプラズマは温度が高く（電子は１万Ｋ以上）、電離度が高く、加えて電子などの荷電粒子が豊富であり、放電誘導の効果が高い。
しかも、レーザー照射はナノ秒レベル、プラズマ発生はミリ秒レベルなので、雨や風などの影響は受けにくい。誘雷部を構成する標的の金属に雨や雪や氷などが付着しても、一緒にプラズマ化してしまうだけである。
【００１９】
さらに、本発明で使用するレーザーは、従来のレーザー誘雷で用いるような大出力の高額のレーザーである必要はない。
すなわち、レーザー誘雷ではレーザーで空気を電離するために大出力のレーザーを用いて大気中の空気を電離する必要があるが、本発明では、金属（電極）のターゲットにレンズでレーザー光を照射して金属をプラズマ化するのに用いられるので、パルス幅が十分に短ければ、わずか１ｍＪ程度の出力でも金属をプラズマ化することが可能である。
【００２０】
空気や導電性の高い希ガスであるヘリウムガス等の気体を、誘雷部のレーザー照射部から開口部に向けて、噴射するようすれば、誘雷雰囲気をさらに拡大することができ、しかも、放電開始電圧の低い希ガスを用いることで、誘雷効果を一層高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】避雷針に適用した実施例１の全体構成を示す図である。
【図２】実施例１の要部拡大図である。
【図３】気体噴射装置を付加した実施例２の全体構成を示す図である。
【図４】実施例２の要部拡大図である。
【図５】金属製円筒部の他の例を示す図である。
【図６】風力発電の風車ブレードに装着した実施例３の全体構成を示す図である。
【図７】実施例３の別の取り付け例を示す図である。
【図８】実験装置の概略図を示す図である。
【図９】実験装置により発生した放電の状態を示す写真である。
【図１０】従来のレーザー誘雷を説明する図である。
【図１１】従来のプラズマ避雷針を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
［実施例１］
本発明によるレーザープラズマを利用した誘雷装置は、高層ビル、鉄塔、通信用アンテナ等の最上部に取り付けられる避雷針や、風力発電用風車等のように装置自体を落雷から保護するための落雷用レセプタ装置を備えた機器全般に適用できるが、図１は、避雷針に適用した実施例１の全体構成を示す。
【００２３】
避雷針１の最上端には、誘雷装置２が設けられており、レーザー発信器３から発振されるレーザー光が光ファイバ４を介して導入される。このレーザー発信器３は、雷放電検出装置５からの検出信号が入力されるＰＣ等の制御装置６により制御される。
落雷は突然起きるのではなく、その前に大気中でステップト・リーダーと呼ばれる放電がすでに始まっている。これらは放電現象であるため、電磁波を発生させ伝播するので、この電磁波を雷放電検出装置５で受信して、制御装置６に、まもなく落雷が起きる可能性があることを伝える。制御装置５から指令を受けレーザー発信器３が起動すると、レーザー光が誘雷装置２の内部に照射される。
【００２４】
このように、市販の雷放電検出装置５を制御装置６に接続し、落雷の可能性が高いときのみ、レーザー発信器２を作動させることで、消費電力を必要最小限に抑制することができる。
【００２５】
図２に、避雷針１の最上端に設置された本実施例の誘雷装置２の要部拡大図を示す。
誘雷装置２は、金属製の円筒部７を備え、中央の開口部７ａと、内部において下方に向けて開口部７ａの内径が拡がるよう、誘雷部としての傾斜面７ｂが設けられている。雷放電検出装置５により、落雷の可能性が検知され、制御装置５から指令によりレーザー発信器３が起動すると、誘雷装置２の中央開口部７ａを通過するレーザー光は、集光レンズ８により集光されて傾斜面７ｂの表面に焦点を結ぶよう照射される。
金属で形成された斜面７ｂに、集光レンズ８により集光されたレーザー光が照射されると、傾斜面７ｂの金属がプラズマ化するとともに、同時に周囲の空気（酸素や窒素）がプラズマ化し、発熱と荷電粒子(電子やイオン)の流れが発生し、開口部７ａからプラズマ流が外部に放出される。
【００２６】
このように、開口部７ａ先端から、プラズマ流が吹き出していることから、大きな表面積を備えた誘雷雰囲気が形成され、雷雲から地上近くまで降りてきているステップト・リーダーと容易に導通し、その後に発生する落雷を効果的に誘導することができる。
なお、レーザー発信器３から光ファイバ４を介して照射されるレーザー光によって、金属製の円筒部７の傾斜面７ｂは少しずつ切削され、焦点位置が合わなくなるが、光ファイバ４と集光レンズ８を一体化したユニットとし、このユニットの位置を移動することにより、簡単に焦点を調整することができる。
また、光ファイバ４は、一般的に絶縁性素材で形成されていることから、図１において、点線で囲まれている部分は、避雷針１に対して電気的に完全に隔絶されているので、落雷の直撃を受けることはなく、消耗した円筒部７の交換を除き、繰り返し誘雷することが可能である。
【００２７】
［実施例２］
本実施例では、金属製円筒部７の内部から、導電性のよい希ガスを発生させ、さらに強力なプラズマ流の発生を可能にする。
そこで、実施例２では、図３に示すように、圧力タンクや圧縮ポンプ等の気体供給装置９から、パイプ１０などを使って、誘雷装置２の上端開口７ａに向けて、導電性のヘリウムガス等の希ガスや、空気等の気体を噴射供給する。
この噴射供給量は、レーザー発信器３と同様、制御装置６からの指令により制御され、気体供給装置９がヘリウムガス等の希ガスタンクの場合は、電磁弁レギュレータ１１が、そして、気体供給装置９が圧縮ポンプの場合は、電動ポンプが制御される。
【００２８】
なお、気体供給用のパイプ１０も、絶縁性の高い素材で形成することで、図３において、点線で囲まれている部分は、避雷針１に対し、電気的に完全に隔絶されているので、気体供給装置９や電磁弁レギュレータ１１を含め、落雷の直撃を受けることはなく、消耗した円筒部７の交換を除き、繰り返し誘雷することが可能である。
【００２９】
図４に実施例２の要部拡大図を示す。
実施例１と異なる点は、気体供給用のパイプ１０を設置した点で、気体供給用のパイプ１０の先端にノズル１０ａを装着し、傾斜面７ｂにおけるレーザー光が焦点を結ぶ位置に向けて気体を噴出する。これにより、開口部７ａから外部に放出されるプラズマ流がさらに拡散され、誘雷雰囲気を拡大することができる。ノズル１０ａからは、圧縮ポンプにより空気を噴射してもよいが、本実施例のように、ヘリウムガス等の希ガスタンクから放電開始電圧の低い希ガスを噴出することで、より高い誘雷効果を得ることができる。
【００３０】
このように、誘雷装置２の金属製円筒部７の上端開口部から、プラズマと、空気、放電開始電圧の低いヘリウムガス等の希ガスが吹き出していることから、大きな表面積を備えた誘雷雰囲気が形成され、雷雲から地上近くまで降りてきているステップト・リーダーと容易に導通し、その後に発生する落雷を効果的に誘導することができる。
【００３１】
なお、図５に示すように、金属製円筒部７に傾斜部７ｂを形成することなく、端部まで円筒状とし、その上端開口部にカバー１２を装着し、その裏面にレーザー光が焦点を結ぶようにすることで、金属製円筒部７の上端付近に周方向に配列した開口７ｃからプラズマ流を拡散させるようにしてもよい。
【００３２】
［実施例３］
風力発電等の風車には、従来から落雷対策としては、各ブレード端部に受雷部（レセプタ）を取り付け、回転軸、風車を支持するタワーを介して、地面に流す方法が主流である。
しかし、従来の受雷部は誘雷性が低く、落雷時におけるブレードの位置によっては、必ずしも受雷部に落ちるとは限らず、風車のみならず、回転軸、タワー、さらには、発電機の損傷を招く可能性がある。そこで、本実施例では、ブレード先端の受雷部に、本発明の誘雷装置を取り付け、ブレード自体の回転をも利用して、プラズマ流の吹き出しにより形成される誘雷雰囲気を、ブレード先端の軌跡に沿って円周上に形成することで、誘雷性を一層高めたものである。
【００３３】
図６に風車のブレードへの取り付け例を示す。ブレード１３の先端に雷放電を受けるレセプタ１４を取り付ける。レセプタ１４は導電性の金属で形成されており、導線１５、回転軸、タワーを介して落雷時の電流を地面まで流す。本実施例ではこのレセプタ１４を誘雷部として利用する。
風車を支持するタワー内に設置されたレーザー発信器２からのレーザー光は、風車の回転軸に取り付けられた市販の光ロータリコネクタ（例えば、三菱電線工業株式会社製の光ロータリコネクタ  Ｄ−９０Ｒ）を介して、各ブレード１３に分配されて光ファイバ４に導かれ、集光レンズ８により集光されてレセプタ１４の表面に焦点を結ぶように照射される。
【００３４】
これにより、レセプタ１４の金属と周囲の空気が電離してプラズマとなり、発熱による上昇流とブレード１３の遠心力によって、ブレード１３の先端とレセプタ１４との隙間から外に向かって放出され、ブレード１３の先端に、円周状に、誘雷雰囲気を形成することができ、落雷を確実に誘導することができる。
なお、雷放電検出装置５を制御装置６に接続し、雷雲から地上近くまで降りてきているステップト・リーダーを検知して、レーザー発信器２を作動させる点は、実施例１と同様である。また、本実施例では、ヘリウムガス等の希ガスや空気を噴出していないが、風車の回転軸に、気体用のロータリバルブを取り付けたり、ブレード１３の内部に、小容量ののヘリウムガスタンクを設け、実施例２と同様に、パイプ１０、電磁弁レギュレータ１１により、制御装置６により、レーザー発信器２の作動と連動して噴出させるようにしてもよい。
【００３５】
この実施例でも、光ファイバ４等は絶縁性の高い素材で形成されており、電気的に隔絶されているので、風車のみならず、回転軸、タワー、さらには、発電機が落雷の直撃を受けることはなく、消耗したレセプタ１４の交換を除き、繰り返し誘雷することが可能である。
【００３６】
図６はブレード１３の先端にレセプタ１４を設置した例であるが、図７に示すように、先端より下方において、ブレード１３の側面に取り付けてもよい。他の構成は、ブレード１３の先端に取り付けた場合と同様である。
【００３７】
図８に、各実施例の効果を検証するための実験装置の概略図を示す。
高電圧電源５６の出力側は、陽極５５に接続されており、この陽極５５に対し、２個の陰極５３、５４を同距離に、すなわち、陽極５５を頂点とした２等辺三角形となるよう配置する。
ここで、陰極５３の表面のみに、集光レンズ５２を介してレーザー発信器５１からのレーザーを、集光レンズ５２により焦点を結ぶよう照射した状態で、陽極５５に高電圧電源５６からの、１ｋＶの電圧を印加し、放電の状態を調べた。なお、雰囲気ガスはヘリウムを用いて、放電しやすいように０.２気圧に下げて行い、大気圧下における落雷時の電圧との関係で、１ｋＶの印加電圧でも相似となるよう設定した。
【００３８】
その結果、右側の陰極にのみレーザー光５７をレンズで焦点することで、陰極５３側面に金属とガスが電離されたプラズマ４４が生じる。図９に示すように、十数回にわたる実験でも、すべて陰極５３のみに放電が発生し、レーザーの照射により、導電性の金属で形成された陰極５３で発生するプラズマにより、誘雷が効果的に行われていることを確認することができた。
【００３９】
なお、レーザー発信器５１としては、出力約１００ｍＪ、波長５３２ｎｍ、パルス幅約８ｎｓｅのＹＡＧレーザーを用いた。プラズマから発生した電子などは、陽極に加速されるので放電経路ができて、放電が開始する。この実験ではレーザー照射は１パルスのみであるが、野外では連続して照射する必要がある。
実施例１、２のいずれにおいても、使用するレーザー発信器は、出力とパルス幅の条件を満たせば、波長などの種類を選ばない。その理由は、レーザーをターゲットの金属に焦点してプラズマを発生させるので、レーザーのエネルギーがターゲットに集中されるので効率がよく、レーザーの出力、波長幅のみが問われ、波長などは問わないからである。
【００４０】
これに対し、従来技術のレーザー誘雷では空気を電離するために、レーザー光が焦点するターゲットがなく、空気がプラズマ化するのには大出力のレーザーを必要とするため、レーザーの種類も限定され、高価であり、例えば、これまでの実験では、ＴＥＡ炭酸ガスレーザー、出力エネルギーが約５０Ｊもの大出力レーザー発信器を用いて、室内で、４.５ｍ程度、ＣＯ2レーザー、出力１００Ｊで最大１０ｍの放電誘導に成功した例が報告されている。
また、実際に屋外での誘導に成功した例ではＴＥＡ炭酸ガスレーザーを用い、出力は１ｋＪであった。試算では、雷を１００ｍ誘導するのに２ｋＪを必要とするとされている。
これに比べ本発明によれば、従来のレーザー誘雷に用いられたレーザー発信器の出力を４桁も小さくすることが可能である。
【００４１】
また、実験では、陰極５３、５４として真鍮を用いたが、レーザー照射のターゲットとなる誘雷部として使用する金属製の円筒部７やレセプタ１４については、真鍮に限らず、様々な金属を使用することができるが、熱的に弱い金属が最適である。誘雷するための大きさとしては、１ｃｍ2程度で十分であり、例えば、金属製の円筒部７やレセプタ１４の一部としてネジ止めするなどにより、装着してもよい。
【符号の説明】
【００４２】
１・・・・避雷芯
２・・・・誘雷装置
３・・・・レーザー発信器
４・・・・光ファイバ
５・・・・雷放電検出装置
６・・・・制御装置
７・・・・金属製円筒部
８・・・・集光レンズ
９・・・・気体供給装置
１０・・・気体供給用のパイプ
１１・・・電磁弁レギュレータ
１２・・・カバー
１３・・・風車ブレード
１４・・・レセプタ
（実験装置）
４４・・・発生したプラズマ
５１・・・レーザー装置
５２・・・集光レンズ
５３・・・レーザー光を照射する陰極
５４・・・レーザー光を照射しない陰極
５５・・・陽極
５６・・・高電圧電源
５７・・・レーザー光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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