雪氷チーム

Snow and Ice Research Team

レーザーを用いた落氷雪事故防止技術に関する研究
Snow and Ice Accretion Fall Accident Prevention using Laser Technology
近年積雪寒冷地では、冬期間に案内標識、道路情報板、橋梁等に着氷雪が成長し、それらが落下することにより車両などに被害を及ぼす事例が発生しています。落雪を防ぐための着氷雪除去は、主に人力で行っているため作業の手間など、大変な作業です。そのため、着氷雪防止や効率的な着氷雪除去技術の開発を行っています。
Recently, road accidents have been occurring in cold, snowy regions due to accreted snow falling from roadinfrastructure such as road guide signs, information signs, and bridges. Snow accretions grow and fall, causing
damage to vehicles passing on the road beneath. The removal of accretions has been done mainly by roadmaintenance personnel, requiring time and hard work. To improve the situation, we have been developing
technologies for the prevention and effective removal of snow accretion from road infrastructure.

着雪とはSnow accretion

雪が物体に付着する現象、あるいは付着した雪のことです。
送電線、アンテナ、航空機、鉄道車両、標識板、信号などの着雪があり、それぞれ対策が考えられています。着雪は、湿型着雪、乾型着雪に分類されます。

着雪事例
An example of snow accretion ona road structure

雪落とし作業
Maintenance personnel
removing accreted snow

Snow accretion refers the phenomenon of snow accumulating on structures, or to the snow
blocks that are attached to objects. Snow accretion occurs on various structures, includingtransmission lines, antennas, aircrafts, railway cars, sign boards, and signal lights.
Measures for preventing or removing snow accretion are used by the administrators of such
facilities. Snow accretion is classified into wet snow accretion and dry snow accretion:

湿型
着雪

含水量の大きな雪片が物体に付着して発生する着雪で、気温0℃付近で発生して風速が大きいほど着雪の密度が大きくなる

Wet snowaccretion

Wet snow accretion occurs when a block of snow with high moisture content attaches to an object. Wet snow accretion starts
to occur when the air temperature is around 0°C, the density of accretion becoming higher with an increase in the wind speed.

乾型
着雪

含水量の小さな雪片が物体に付着して発生する着雪で、気温-2℃以下で弱風でも発生し、着雪の密度は小さく付着力も小さい

Dry snowaccretion

Dry snow accretion occurs when snow with a low moisture content attaches to an object. Dry snow accretion occurs when
the air temperature is -2°C or lower and the wind speed is low. The density and adhesion of accreted dry snow is small.

着雪・落雪対策の分類

Classification of measures against snow accretion and the prevention of falling snow blocks○難着雪法･･･雪を付着させない

着雪・落雪対策

Classification of measures againstsnow accretion and theprevention of falling snow blocks

形状変更･･･雪が付着しにくい構造
性状変更･･･雪が付着しにくい性質○付着した雪を取り除く･･･着雪除去法
機械的除去･･･強制的に着雪を取り除く
融解除去･･･着雪を融かす○落雪防止法･･･付着した雪を落下させない- Accretion retardation methods: methods toprevent snow from attaching to structures- Snow removal methods: methods to remove snow
accretion from structures

Changing the shape: Utilizing structures on
which snow accretion do not easily occur
Changing the properties: Utilizing materials
on which snow accretion does not easily occur

Mechanical removal: Removal of snow
accretion by force
Melting removal: Removal of snow accretionby melting with heat

- Fall-prevention methods: Preventing accreted snow from falling off structures

レーザー撥水表面付与技術による着雪防止

遠隔レーザーによる着雪処理

撥水表面加工で雪が着きにくい、または着雪が成長しにくい表面を人工的に超短パルスレーザーで作製する方法に挑戦しています。

遠隔レーザーを道路付属施設等に照射することで、雪を効率的に融かす方法を検討しています。

We have been developing a surface processing technology that uses ultrashort laser pulses. By using thistechnique, water repellent (superhydrophobic) properties are produced on the surface of structures. Therefore weexpect that snow will not easily attach to the surface, or that snow accretion will not easily grow on the surface.

We have been examining a method for effectively melting snow and ice on roadstructures by irradiating them with a laser beam from a distance.

蓮の葉の表面には数ミクロンの多重凹凸構造があります。
このような凹凸構造を人工的に作製することにより撥水性が付与されることが解っており、世界中で研究開発が進められています。

氷は、光の波長によって透過する光の量が異なり、波長10.6µmの光を良く吸収します。

In nature, the surface of a lotus leaf has micro or even nano-ripples, several microns in scale. Using this “lotus structure” model,
it is possible to create artificial superhydrophobic properties on the surface of structures. R&D for creating such structures has
been promoted worldwide.

The amount of light passing through ice differs
by the light wavelength. Ice readily absorbs lightwith a wavelength of 10.6µm.

Prevention of snow accretion by using laser technology that creates a water repellent surface

Treating accreted snow by using laser irradiation from a distance撥水特性が付与されるメカニズムce

Mechanism behind the creation of water repellance
空気Air

液滴
Liquid dropγ glγ gv

空気γ glAir

θγ gv

γ sl

固体表面Surface of a solid material

液滴Liquid dropθR γslContact angle: 145°

材料1
Material 1
材料2
Material 2

表面張力の釣り合いから、以下の式が表現されます。

複合面（材料１、材料２）で構成される表面の場合は、以下の式で表現されます。

The following equation
expresses this condition based on
the balance in the surface tension.

The following equation expresses thiscondition for a surface of composite
materials (Material 1 and Material 2).

γ sv = γ sl + γ lv cosθ

cos θ R = f1 cos θ1 + f 2 cos θ2
f1 + f 2 = 1

Solid-gas interfacial tension

f1: 材料１の面積比

Area ratio of Material 1

γ sl 固液界面張力

f2: 材料２の面積比

γ lv 気液界面張力

θ1 : 材料１の接触角θ 接触角
Contact angle

θ2 : 材料２の接触角

Solid-liquid interfacial tension
Gas-liquid interfacial tension

Area ratio of Material 2
Contact angle of Material 1

rPeriodic structure

P

3秒
3秒
3sec.
4秒
4秒
4sec.

▲超短パルスレーザーを亜鉛めっき鋼板に照射すると、蓮の葉の表 面 に良く似 た 大 小 の 多 重 凹
凸構造が生成され、撥水性が付与されます。
When ultrashort laser pulses are
emitted to a galvanized sheet, it
creates micro or even nano-ripples,resembling the structures on thesurface of a lotus leaf, and give themetal surface superhydrophobicity.

5秒
5秒
5sec.

▲氷における光の透過距離（計算）Light propagation distance in ice(calculated)
レ ー ザ ー を 氷 に 照 射 すると、波 長 によって氷 内 部 を 透 過 する距 離 が 異 なり
ま す。透 過し な い 光 は ほ ぼ 吸 収 さ れ て熱にかわり、氷が融解します。

Apparent contact angle

f2を空気とすれば以下の式になります。
When f2 is assumed as air, the following equation is results.

cos θ R = f1 (cosθ1 ) −1

撥水特性が付与される理由は、 A layer of air on the surface of the indentation
凹凸の微細構造の凹面に空気 of the minute uneven surface provides thesuperhydrophobic surface.の層があるためです。

2秒
2秒
2sec.

Ice
Temperature: 0℃
Density: 0.917g/cm3

Contact angle of Material 2

It is known that, by making the surface area f1
as small as possible, the apparent contact angle
θR changes, and superhydrophobicity appears(θR approaches 180°) in some cases.

cestanidnio

gataporθR: 見かけの接触角表面積 f 1を限りなく小さくする
ことで見かけの接触角θRが変化し、場合によって撥水特性が発揮される（θRが180°に近づく）
ことが知られています。

氷I

Lase

固体複合面 Surface of a solid composite
materialγ sv 固気界面張力

レーザー照射方向
Direction of laser irradiation

1秒
1sec.
1秒

▲レーザー照射後の金属に載せた水滴がコロコロと転がります。
A water drop placed on the metal
surface after laser irradiation rollson the surface.

When a laser beam is used to irradiate ice, thepropagation distance of the light in the ice
differs by wavelength. The light that does notpass through the ice is absorbed by the ice,changing into heat and melting the ice.

安全・快適

北の道

Safe, pleasant driving on Northern Roads

6秒
6秒
6sec.

7秒
7sec.
7秒
▲波長10.6µmのレーザー（43W）を氷に照射したときの様子。
These photos show ice being
irradiated by laser light with awavelength of 10.6µm (43W).

国立研究開発法人土木研究所 寒地土木研究所

National Research and Development Agency Public Works Research Institute
Civil Engineering Research Institute for Cold Region