Proc. Inst. Electrostat. Jpn. !!! S am静電式霧消去ネットの開発と釧路市郊外における海霧消去実験十文字正憲*,内山晴夫** (1995年３月８日受理) The Development of Electrostatic Fog Liquefier and the Experiment of  Sea  Fog  Dissipation in  the  Suburb  of  Kushiro  City Masanori JYUMONJI* and Haruo UCHIYAMA** (Received March 8, 1995) The dense fog causes many troubles in our life,—in traffic, home life, agriculture, and so on. In order to solve these problems, we have invented a new type fog dissipation apparatus,—the electrostatic fog liquefier, as one hopeful method, and demonstrated that this newly invented apparatus is very effective to dissipate fog, not only in the laboratory but in the field also. Furthermore, we tried to verify the effectiveness of the fog liquefier at Kushiro city which is very famous dense fog area in all of Japan. This paper describes the optimization of the para- meters of fog liquefier, and the experimental results of fog dissipation in the suburb of Kushiro city.
1.は
じ めこ
）三陸沿岸から下北半島にかけて吹き込む「やませ」は濃い霧を発生させ，低温・多湿・日照不足を伴うことから，稲作などの農作物に大きなダメージを与える．また，この露は視界を悪くするため，一般道路や高速道路，さらには液上での衝突事故を引き起こす場合がしばしばある。特に，飛行機にとって霧は大問題であり，せっかくの高速交通手段の役をなさないこともたびたびある.露対策としては，これまで様々な提案や実験が行われてきた．しかしながら，その多くはコストや騒音，環境破壊などの問題があるため，実用化は難しかった.そこで，我々は，露対策として，これまでの方法とは全く異なる新たな霧消去装置を考案し，まず，室内実験により，その効果を確かめた1-0.さらに，十和田市郊外の相坂》，一戸町高森高原》，釧路市郊外り，関越自動車道83などにおいて霧消去の野外実験を試み，良好な結果を得た.本報告は，我々が考案した静電式霧消去装置（静電式霧消去ネット）の原理および装置パラメータの最適化について述べ，さらに，釧路市郊外における霧消散の野外実験結果について述べるものである.
静電式霧消去ネットの原理及び構造
2.
静電気による霧滑去の原理図を図1 (s)に示すか、金属網（野凝紫電極）に近接して，金属編線（放電線）が張られていて，侵入した霧はコロナ放電でプラスに帯電され，クーャン力により負極ネットに引きつけられ，授集して，水滴となる．いわゆるコットレル紫魔装置粉とよく似た原理によるものであるが，これまでは霧を浮遊粒子とみたてての実験は試みられていなかった.伐々の考案した静電式霧消去装置（静電式霧消去装置ネット)の具体的な構造は図１(b)のとおりである2-や、平行に配置した２枚のメッシュ電極の間に金属細線を等間隔に張り，そこに高電圧を印加する、外側のメッシュ電板をアースとしているため，高電圧による懸電事故を防げる上，霧がどちら側から侵入しても消すことができる。さらに，高電圧が印加される放電電板が負極のメッシュ電極によってシールドされているため，高周波ノイズの発生も低く抑えることが可能である.図 1  静電気による霧消去の原理図と静電式霧消去装置(静電式霧消去ネット）の構造Fig. 1 Principle of fog dissipation by static elec¬ tricity and schematics of electrostatic lique¬ fier.
3. 静電式霧消去装置の設計
3.1 コロナ開始電圧の見積り
コッナ発生に必要な電圧は放電電極の構造と太さにより決まる。地上もの高さに一本の金属細線（半径1）を覆ったときのコロナ開始電圧Voは, V o =2.30×Xc-r log-
で与えられる10 ).ここで, X。はコロナ開始発生電界であり,
である10.ただし、るは気圧，温度による袖正低数であスいま，金属細線（放電線）の直径を 2r=φ 1.0mm,高さをh=20mmとすると,
と求まる.ただし, δ=1.0とした.これより, φ1mmの放電線を使っても10kV程度でコロナ放電が発生し、霧消去の実験が可能なことがわかる.
3.2   絶縁破壊強度
金属細線-メッシュ電極の組み合せで装置を構成する場合，理想的にはその絶縁破壊電圧を求めて設計すればよいわけであるが，金属細線にキンクがあったり，金属メッシュに突起があったりすることも考えられるので,ここでは安全をとって，部分的に針対針電極になっているものと想定して設計する。針対針電板の火花電圧は, 1気圧の大気では6 kV/cmと言われているので”, 10 kVで動作させるには，金属細線とメッシュ電極問隔が2 cm以上あれば十分ということになる.
3.3消費電流及び消費電力
コロナ放電電流Iは，一般に次式で与えられる10. I=k・V(V—Vc)  [mA] ( 4 )ここで，kは定数，V。はコロナ開始電圧，Vは印加電圧である。 V。は肝算で求められ，定数人は実験的に求められる。緑対平板電極系のコロナ開始電圧 V。およびコロナ開始電界X。は既に，（１），（２）式で与えられている。したがって，消費電力Pは， P=k·{V²(V—Vo)}  [W] ( 5 )である. ( 4 )式の定数kを求めるために，金属平板の上に金属細線を張った簡単なモデルで実験を行った．大きさ400×1,000mmの平面電極(材質：鉄)にベーク板で支柱を立て，アクリル棒で絶縁してステンレス線を張っ図 2   値易モデルによる消費電流の実験結果Fig. 2 Result of discharge current as a function of applied voltage, by using a simplified model.た、アクリル悔は長さ5cm,ステンレス線は線径φ 0.2mm,長さ50 cmである.放電線のステンレス線にはプラスの直流高電圧を印加し，線径と電極間の間隔を変えて消費電流を測定した。ステンレス線と平板電板との問隔を2 cm, 4 cmおよび6 cmと変えたときの消歌電流の印加電圧依存性の測定結果を図2に示す、電極間間隔を変えてもコロナ開始電圧は柱は一定であるが,間隔を大きくするほど電圧電流曲線の傾きは小さくなる．これは，（４）式で示したｋの値が変わるためである．つぎに，線径をφ 0.2mmからφ 1mmまで0.2mm間隔で変えた時の消費電流の印加電圧依存性を図３に示す．線径が太くなるにつれてコロナ開始電圧が高くなるが，いずれの場合も曲線の傾きはほぼ一定のようである。コロナ開始電圧は(1)式より求めた理論値とほぼ一致した．また，電圧と電流の関係は(4)式で予想されたとおりほぼ2次関数になっている。この実験より，h= 2 cm, d = 0.2mmφ, l = 50 cm のとき, V e = 7.15 kVだから，単位長さ当たりのたの値は， k=7.2×10~³  [mA/kV²･m] ( 6 )と欢まる.静電式霧消去装置の室内モデルでは定数よの値としては，単位長さ［m］あたりでは， k=6.4×10~   [mA/kV²·m] (7)単位面積[m²]あたりではk'=3,0×10-²  [mA/kV² m²] (8)であった.静電式霧消去装置の方が同一電圧での電流値が簡易モデルよりやや低い値となっている.
4.
圏内
4.1人工業発生装置の霧の粒径・移動速度の測定超音波式霧発生装置で発生させた霧粒子を透明グリースを塗ったブレバラートに付着させ，頭緻鏡で観察した。粒径にはばらつきがあり，直径5～20 μmであって，頻度分布の中心は10 μmであった．霧粒子の直径か10 μmの場合の霧粒子の体積V,および質量mは, V=4/3·x·r³=5.23×10-10 [cm³], m=5.23×10= [g]である。静電式霧消去装置は霧の移動速度の大小により霧消去効果が大きく変化するので，霧の移動速度を知ることが重要である。霧粒子の移動速度は霧を水平に吹き出し，高さk=25 cmまで落下するまでの水平方向到達距離xから霧の移動速度vを求めた．実験に用いた超音波式霧発生装置では x=0.15～0.55 m であったので，霧の移動迷度vはv=0.66~2.4m/sである.
4.2 霧消去室内安験
4.2.1 装置パラメータの実験的検討
静電式霧消去装置の最適形状を明らかにするため，次の4種類のバラメータを変化させた実験を行った. 1)最適電極問問网放電電の形状2)放電線の前線3） 4)   放電線の太さ図4に印加電圧を8 kVまたは10 kV一定として放電級とメッシュ電極の問隔を変えたときの霧消去率の測定結果を示す。霧消去率は狭層に電圧を印加したときと印加しないときの突き抜けた霧の霧水量の比率から求めた。図より放電線とメッシュ電極の間隔が狭いほど霧消去率が高くなっており,問隔2 cm以下,すなわち電界にして5 kV/cm以上にすれば，ほぼ100%霧消去が可能と結論できる。逆に，放電線とメッシュ電板の間隔が狭すぎると,霧を消す前にアーク放電が生じ,具合が悪い.従来のコットレル集塵装置で白煙・霧の除去ができなかったのは，放電線と集塵電極の間隔が離れていて十分な電流が流れず，粒子が十分に帯電されず，霧粒を吸引・奨集できなかったためと思われる.つぎに，放電電極の形状を変えた時の霧消去率を図5に示す。 9種類の放電電極の形状について実験をしたが，図にはそのうちの主なもの３種類の結果を示す．シンプルな構造の金属細線を平行に張ったものが最も効率が良いことがわかった。放電線の間隔は2 cm, 4 cmの2種類について調べたところ，問隔2 cmの方が4 cmのときに比べて2 kV程度低い電圧で霧を消すことができた．同隔が狭いほど良好のようだが，１cm 以下にしても効果は変わらなかった。したがって，放電線同隔は2 cm程度が適当と思おれる. discharge wire diameter. fog liquefier.
さらに，放電電極を目が詰まった金属網にしたところ，霧消去率は大幅に低下した．これは，金属細線の放電電極の場合よりも放電電極近傍の電界分布が均一になり，コロナが発生しにくくなるためと思われる.放電線の線径をφ 0.1mmおよびφ 1.0mmとしたときの霧消去率の印加電圧依存性を図6に示す。グラフより，放電線の線径がφ 0.1mm の方がφ 1.0mm   χり印加電圧にして５kV程度低い電圧で霧を消すことができた．しかしながら，線径が細いと風による断線事故などを生する恐れがある.以上の実験より求めた静電式霧消去装置の最適構造定数を装１に示しておく.
4.2.2
図7は試作した装置で霧消去実験をしている様子である。 (a)は通電していないときで，霧がそのまま通り抜けている．(b)は通電しているときで，完全に霧を消去できていることがはっきりわかる.なお，霧が弾き返されるように消去されるのは，①イオン風の効果や，②侵入した霧が放電線手前で先に帯電され，霧侵入側の金属網に引き寄せられる効果の，２つの効果によるものと考えられる。どちらのファクターが(b) With applied voltage 11 kV.図7  静電式ネットによる霧消去室用寒酸の様子Fig. 7 Experimental result of fog dissipation by an electrostatic liquefier.
大きいかは現在検討中である®.
4.2.3 霧粒子への荷電量の推定
荷電数，すなわち霧粒子に帯電した量を蒸電荷数で表した数Ｎは，粒子のおかれた電界Ｅと粒径Ｄによって決まることが知られている。ここでは前述したコロナ開始電位復度のXc =120kV/cm (ただし、線径φ 0.2mm)を採用し、霧の移動速度を2 m/s（霧粒子のコロナ領域牆在時間$=2.5 ms),荷電時定数↑を7.5 msと仮定して文献12)の粒径と飽和荷電数の関係のグラフより読み取った飽和荷電数Noの値を採用すると，荷電数Nは，
である.放電線（プラス板）と金属網（マイナス極）の間隔をd,印加電圧をV,霧粒子の質量をm,速度をvoとして，クーロン力と風の力のつり合う条件より霧消去条件を求める。初速度いの際が帯電によりクーロン力で改茂され，金属網付近で速度が0となり，金属網にトラッ
おくと，消去可能な霧のスピードは，
なる。この値は前に述べた実験結果よりやや小さい値となっているが，逆に実験結果から，V=12.5kVでvo=
と逆算できる.
5. 創路郊外における海際の消散英験
5.1装置の試作
図８に屋外実験用静電式霧消去装置の構造を示す。図9は釧路に設置した同装置の外観写真である。構造定数は表2に示すとおりであり，施工のしやすさを考え，室内英験用とは多少異なる値とした.静電式霧消去装置の側には電源ボックスを用意し，直流高電圧電源を収納した。高電圧電源は，短絡保護機能付きの出力15 kV,  15 mAの装置を試作し用いた. さらに，静電式霧消去装置の前後には光透過率計方式の霧センサを１組取り付けた15,161 5.2 設置場所の決定設置場所の条件としては，次のことが挙げられる． 1）海霧が多く侵入してくるところ海霧の侵入に対し，さえぎる物がないこと2)設置場所は，これらの条件を考慮して，図10に示す創路郊外の桂窓のこんぶ干し場とした.さて，釧路の濃霧の発生原因は次のように考えられている．同図に示すように，夏になると北海道南東の沖合いに太平洋高気圧が発達し，北海道内陸に向かって南風が吹き込む。北海道東部の海は冷たい親潮と暖かい黒潮がよつかる所であり，黒潮で暖められ湿り気を帯びた太平洋の風が親潮で冷やされ過飽和の水蒸気となり，海上で濃い霧を発生させる。それが南風に乗り次々と陸地に侵入してくる。すなわち，釧路の霧は太平洋高気圧によって発生する移流器であり，これに対し，やませの霧は太平洋高気圧よりずっと北のオポーツク高気圧の張り出8×4個のパネルからなっている.大きさは (4.5m×3m×6cm)×4面(a) Arrangement of apparantus, consists of 8×4 units. 4～5 m/sの侵入迷度の滋霧に耐えられる丈夫な構造とした. Its unit. (b)創路の海霧の粒径分布は，沢井らによると3～50 μmであり,また霧水量は0.01～0.8g/m³,風速は2～10m/sとのことなので1秒，我々の試作・開発した静電式霧消去装置で十分消去可能と考え，実験を実施した．なお，霧の個数密度は，霧水量として粒径分布頻度のビークのときの値を採用すると，約1.9×10 8個/m 8となる.釧路における海霧の消散実験は図11に示す装置で, 7月上旬から８月下旬までの間，計４回行った. 1回目の実験は気象条件をみはからって，装置への印加電圧を変えながら実験を行ったが，海霧が装置の上や横から回り込んでくるため，消えているのかどうか確認できたかった．そのため，図9 (b)に示すように装置の上部には庇を，横にはウイングを取り付けた．大きさは,いずれも幅1mである。 2回目の実験は，このように回り込み対策をした上で実施した．この場合は，放電線間の隙間からは少し霧が漏れるものの，放電線の近傍は霧が消え，縞模様ながら霧を消せることが明瞭に確認できた.その様子を図12に示す.この時の風向は静電式霧消去装置に対してほぼ直角方向，風速は2～3 m/sであった. 3回目以降の実験は， 2回目の実験の放電線の問から霧が通り抜けることに対する対策として，放電線の数を2倍，すなわち，放電線問隔を半分とし，また，高電圧電源の容量を15 mAから30 mAへ増力して実験を行った．しかし，この時期は霧が発生するものの，かたり弱くなっており，第２回目以上の良好なデータは得ることができなかった。さらに４回目は，第２回目と同様の結果であった.さて，霧が消える様子は図13に示すように，続枚様の所と，それが混じりあって溃さが半分になった所があ(a) Original. After improvement.な図 9  剣路に設置した静電式霧消去ネットの外観Fig. 9 Outlook of an electrostatic liquefier settled at Kushiro city.装2 剣路に設置した静電式ネットの構造定数Table 2 The parameters of an electrostatic lique· fier settled at Kushiro city.
る。繋がはっきりと腐痰接に消えている所の霧消去率を求めてみると，おおよそ56%であった．この消去率は第４章でV=12.5kV,荷電数2.29×10°個として求めた霧滑去条件の見頼りとほぼ一致している.この搞横様部分の視程は，柱ぼ霧がないときの視短に近くなっているわけであるが，混じりあった部分の所も霧が消去されていて有効領域と考えられ，その場合の視程は次のようになる。器の密度をn,光吸収断面積をσとすると，距離しを通過する光の透過率は， Fig. 10 A model of the cause of dense sea fog in Kushiro district, and the point of sea fog dissipation experiment.節電ネットの稼子図 11中央手前は霧センサー Fig. 11 Shape of an electrostatic fog liquefier. The apparatus in the center is a fog sensor. T = e-nol (16)で与えられる。T=—17 dBのときの！を視粗という14 .いま，n→n/2のときのしの変化を見ればよいから，対策後は対策前に比べ契程は2倍ということになる.もし，対策前が，非常にひどい濃霧で，視程 150 mであったとしても，それが，この静電式霧消去装置によって300mにまで改善されるわけであり，試作した装層の現在の構造バラメータでも，高速道路や空港の霧対策に十分有効であるといえる.海霧消去実験を行うに当たり，お世話になった NHK釧路放送局の竹田正宿ディレクター及び釧路市建設業協会，また，実際に製羅の試作・施工をしていただいた伊勢屋金網工業（株）ほか，関係各位に深く感謝いたします。また，室内実験において装置の試作や実験に協力してくれた十文字研究室の卒研生杉野彰仁君（現在(株) CKD)，鈴木尚昭君((株)東北リコー)，工藤真之君((株) CKD)，高圧電源の試作や釧路での実験に協力してくれた複波正明君（日本マランツ(株)）に深く感謝する. 2) 3) 4) 5) 6) (7) 8) 9) 10) 11) 12) 13) 14) 15) 16) 17)内山晴夫，十文字正憲：応用物理学会全国大会学衔辦演会躁演子儀集 (1987,뷰)  30 p-S-8長解信嫌，十文字正憲，内山晴夫：応用物理学会東北文部第45回学術譜演会譜演予稿集, p. 87 (1990)内山時夫，十文字正憲：東北の農業気象，34  (1989) 56 H. Uchiyama and M. Jyumonji : JJAP, 28 (1989) 2319内山晴夫，十文字正憲：八戸工業大学紀要， 8  (1989) 120十文学正憲，契約官推，内山晴夫：東北の農業気象，35 (1990) 14長峰信建，十文学正憲，内山晴夫：電気関係学会東北支部遍合大会議演論文集, p. 133 (1991) H. Uchiyama and M. Jyumonji : Proc. of Intern. Symp. on Electrostatics, Stanford Univ., pp. 97- 104 (1994.6)静電気学会編：静電気ヘンドブック, p. 223, 473,オーム社(1986)高山四男, 稲田金次郎：高電圧工学, pp. 43-45, 53, コ¤ナ社(1959)十文字正憲：気象研究ノート，183 (1995) 139 W.C.ハインズ,早川一也監訳：エアロソルテクノロー, p. 286,井上歯院(1985)槻沢資治，石原正仁，沢井哲滋：天気，33 (1986) 603清水　浩，小林露郎，稲場文男：気象研究ノート， 116 (1974) 419十文字正憲，内山晴夫：東北の農業気象，34 (1989) 60十文字正憲，内山時夫：東北の農業気象，34 (1989) 62呪玉安正，力石國男，卜蔵建治，十文学正憲，渡辺  明，中村処三，加藤内蔵進，沢井哲滋：やま出時の冷害の原因となる下層雲の発生機構とその発現予測の可能性に関する研究，文部省科学研究塾重点領域研究「自然災害の予測と防災力」ワーキンググループ研究成果報告著(1990)お取り一番右側が静電ネット.その左側に搞模様が見えるが，白い所が霧，黒い所が消えている所であり，紡模様に消えていることがわかる. Fig. 12 Result of sea fog dissipation experiment in Kushiro city. The right hand is an electrostatic fog lique- fier, and the stripe which can be seen at the left of the apparatus, shows a mixture of fog layer and no fog layer, white stripe is fog and black stripe being fog rejected area. Fig. 13 Model for the estimation of effective area of a fog liquefier in the field experiment.