JPH10512360A - 人工降雪の方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 供給空気の内側流（３）で前進される主水滴の筒状流（２）を供給するように配置された一連のノズル（８）と、過冷却核の流れ（５）を供給するように配置された一連の噴霧ノズル（１０）とを備えた降雪機械（１）であって、前記核は降雪機械の周りでかつ主水噴射ノズル（８）の外側で放射状に、好ましくは流れ方向に見て下流側に配置された一連の噴霧ノズル（１０）によって降雪機械（１）の外周（９）において又は外周に隣接して形成され、それにより主水滴流（２）の周りに円周方向に延びる過冷却核のシェル（５）が形成され、該シェルが連続的に比較的長い移動路にわたって主水滴流（２）の水滴を凍結するような降雪機械（１）による人工降雪の方法。

Description

【発明の詳細な説明】 人工降雪の方法及び装置 本発明は、一般的に人工降雪に関し、特に本発明は人工降雪機械を使用してよ り効果的に、従来行なわれてきたものよりも高い能力と改善された雪の結晶形成 を伴って雪の結晶を作る方法と装置に関する。 人工降雪機械を使って雪を降らす場合、水を多数の微細噴霧ノズルから噴射し て空気の中心流れにより運ぶ。水の小滴を凍結させるため、強く凍結された粒子 、いわゆる「核」が水滴の流れ、いわゆる主水流中に導入される。従って、上述 の形式の降雪機械による雪の結晶の生成は主として２つの連続した段階を辿る。 − 第１の段階において、強く凍結された水の核が噴霧器と称する別個の装 置で形成される； − 第２の段階において、こうして形成された核は、降雪機械から或る距離 を置いて空気の乱流を有する所謂「円錐状の水柱」中で降雪機械の通常の水噴射 ノズルから発生する水滴と混合される。 従来公知の降雪機械の全てにおいて、水滴が空中に未だに浮いている間に核の 影響で水滴の一部だけが凍結されるのに対して、噴射された水滴の或る部分は凍 結されない状態又は僅かに部分的に凍結された状態で地面に落下する。そのよう な非凍結水滴が凍結されて地面を覆うと、それらは一般的に望ましくない氷の層 または卵の殻の様な薄い氷の層を形成し、荷重が加わると割れて水を放出する。 人工降雪機械で理想的な雪の混合体を得るには、システム中の全ての水滴に核 活性化を与えそれにより水滴が未だ空気中に浮いてる間にどんな液体も氷の結晶 に変える必要がある。この目的のためにはまず次のことが必要である。 − 核の過剰な生成を行なうこと； − 核と所謂「円錐状の水柱」中の水滴との混合場所を越えて生き残るのに 十分な大きさに核が成長すること； − 核と水滴との混合は水滴が過冷却された後に行なわれること。 核の生成は或る技術的法則に従っている。非常に小さい水滴は、絶対湿度が所 定の温度に対する飽和湿度の４倍以上の時に自然に形成される。そのような極小 の水滴は、温度が−４２℃またはより低い温度に下げることが出来れば自発的に 凍結して小さな氷凝結体を形成する。前記の小氷凝結体は所謂「ベルゲロン−プ ロセス」により十分大きな核に成長する。この方法は簡潔に言うと、過湿度飽和 環境で液状の水滴と氷凝結体とが共存していると氷凝結体は水滴の犠牲で成長す ることを意味する。 従来公知の人工降雪機械において、強く冷却された核は水滴を含んだ空気の流 れ中に大体直接噴射されるのが常であり、これは或る場合には噴射された水滴の カーテンの内側から行なわれる。これは２つの影響をもつ。すなわち、水滴の流 れの外周に接近して位置した水滴は比較的暖かい周囲空気に遭遇すること、及び 核の冷却エネルギーは比較的迅速に消耗されることであって、それにより、水滴 は凍結して氷の結晶を形成するための十分に長い時間を持ちえないという点で、 冷却エネルギーの一部が失われる。 本発明の重要な特徴は、始めは層流でかつ水ノズルを越えた或る距離で分散し て乱流となる空気流で運ばれる水滴のコアを囲む核のシェルまたは封じ込め層を 形成するように核が生成され、これらの核は凍結工程において触媒として作用す ることにある。核は空気流れが最低速度にある箇所で生成されて封じ込め層を形 成し、この封じ込め層はどのような実質的な程度にも分散しないで空気流れが層 流から乱流空気流に変換する箇所へと出来る限り前進する。核のシェルで囲まれ た水滴はそれによって氷の結晶に凍結するための実質的に延長された時間を得る 。降雪機械に適切な流線型のノーズコーンを形成することでノーズコーンの先端 で事実上静止した定常空気を有する「バックゾーン」または「静的渦」が形成さ れ、このゾーン中には特定の圧力で極微細な噴霧化された水滴が噴出されそれに より前記極微細に噴霧化された粒子は非常に低い温度、一般的には−４２℃の温 度を有する極く小さい氷の結晶に自発的に凍結する。このような過凍結氷結晶は システムの核を提供する。ノーズコーンの特定の形状のお陰で周囲空気はノーズ コーンを通り越して吸引され、その結果こうして形成された核を空気の流れ中に 導く。 氷凝結体の濃度と水滴の濃度との数値的関係は制御可能であり、本発明によれ ば、相が協同する環境がある時間分離され、従って全ての水滴または少なくとも その大部分が、成長する水核によって消費されるようになされることによって行 われる。 また、核を形成するノズルの圧力を脈動させて噴霧化された水滴が連続するパ ルスで形成出来れば特殊な効果を得られる。 更に、変化した環境、すなわち、過飽和湿度を有する環境を形成しかつ前記環 境を周囲大気から分離することが重要である。これは次の２段階で行なわれる。 − 第１の段階において、「通常」の噴霧ノズルで圧縮空気と噴霧器の集水管 内の水との協同によるランダム変動で水を脈動流出させる。各パルスにおいてノ ズルは、ａ）核の成長用に所要の水滴および ｂ）氷の小凝結体を形成する。集 水管内の空気と水との間の関係を調節して、上記の数値的な濃度関係を最適化出 来るのが観察される筈である； − 密閉封じ込め層またはシェルは円錐形の水柱の層流の外側に形成される。 層流的に調整された形状（第１図と２図を参照）は、空気の層流で形成された粘 性境界流により導入される２次空気の各層を形成する。かかる構成は空気が分散 されるのを防止する。境界線Ｂ１とＢ２との間には、第１図と２図に示すように 、結果的に核の封じ込め層またはシェルとなるケーシングが形成される。本発明 の第２の特徴はノーズコーンの出口のちょうど外側に存在するバックゾーンまた は静的渦（第３、５、６図を参照）に関する。前記静的渦において風速は事実上 ０であり、噴霧ノズルから出る物質の運動エネルギーは低い。従って、物質は封 じ込め層に留まりそれによって過凍結氷結晶を蓄積する。 水を自発的に凍結させるのに必要な温度、すなわち−４２℃の温度は、特殊形 状のノーズコーンを熱交換器（予備膨張）として利用してまた物質がノズルを出 る時の急膨張とを利用して前記静的渦内に局部的に得られ、それによって大気状 態に曝される。 このようにして、核を形成し、そのための成長環境を与えかつ空気の層流の全 長の間に核が主水と協同するのを防ぐことが可能になっている。水滴と核とのな んらかの混合が生じる前、主水は周囲の湿球温度にまで冷却されるのに十分な時 間を有する。 方法の最終段階は、十分に成長した核と過冷却水滴との混合である。これは、 乱れてはいるものの静かで安定した混合段階で行なわれかつ第２図に示すように 位置IIIで行なわれる。圧力と体積との関係はノーズコーンの出口からの距離と 関連して変化し、かつ核シェルの境界層を分裂させる。残った運動エネルギーが 、最適の量の水粒子をそれらが未だに空気中に浮遊して存在する間に完全に凍結 させ、その結果全ての水滴は氷に凍結し氷の結晶だけが撒き散らされて地面に落 ちる。 主水ノズルの配列をどのようにするかは或る程度重要なことが明らかになって いる。ノズルは大体幾つかの連続する給水リング上に取り付けられている。一方 では送風機で供給される搬送空気を妨げるようにノズルを取り付けるべきでなく 、他方で少なくとも第１のノズルリングのノズルがそして最終的には２つ以上の 連続するノズルリングのノズルもまた搬送空気流の内部に僅かに開口していれば 良好な結果が得られる。更に、どんな角度で主噴射水が導入されるかも重要であ る。流れの方向に見て、主水ノズルの最後のリングのノズルがそれらの噴射水を 搬送空気流の軸線に対しある進路角で指向させるように取り付けられていれば非 常に良好な結果が得られている。前記ノズルをそれに従って取り付けることで、 ノーズコーンの口部の静的渦の長さと幅とが大きくなり、さらに最後の主水ノズ ルのリングより受ける水滴とその前に位置する主水ノズルから或る程度受ける双 方の水滴の二次分裂を搬送空気流が支援出来るようになる。 次に、添付図面を参照して本発明をさらに詳細に説明する。図面において、第 １図は、極く概略的に本発明の方法を図解している。第２図は、核のシェル形成 から成るシステムの段階をより詳細に図解している。第３図は、第２図の一部を 拡大して示している。第４図は、核の形成中の脈動（パルシング）の効果を図解 している。第５図は、降雪機械の内外における空気流を示す。第６図は降雪機械 の噴射部の一部分の断面図であり、第７図は本発明に従う降雪機械のノーズコー ンの形状を示す。第８図は改善された効果を与えるように取り付けられた主水ノ ズルを有する降雪機械の部分断面図を示し、第９図は第８図の主水ノズルの拡大 された説明図である。 第１図は、周知のように、降雪機械３の近辺では層流であるものの或る距離で は乱流４に変化するところの空気流３でもって降雪機械から前進せられる主水滴 流２または筒状カーテンを噴出するように配置された降雪機械１を示す。本発明 に従えば、核のシェル５は降雪機械の外周の近辺、より詳しくはノーズコーンの 口部または先端のバックゾーン（静的渦）Ｚにおいて形成され、この核シェルは 降雪機械のノーズコーンを越えて流れる周囲空気流６により搬送される。第１図 に示すところによれば、主水滴流２と更に核のシェル５とは降雪機械から円錐状 に広がり、それにより空気流３の層流部分の間に主水滴流２の水滴は現存するい わゆる“湿球”温度（低温周壁Ｂ１の温度、第２，３図参照）にまで冷却され、 かつ氷の結晶を形成するように凍結されるまでに比較的長い時間を得る。核と水 滴／氷結晶間のより完全な接触は流れの乱流部分４で得られ、この部分において 全ての残留水滴または少なくとも未だに凍結していない水滴の大半が最終的に凍 結される。 第２図は空気流３を形成するために送風機（図示せず）が取り付けられている 吸気漏斗部７を有する本発明に従う降雪機械を示し、空気流３は主水滴を移動さ せかつその後の段階で氷の結晶を移動させるとともにそれらを一定の地面に散布 する。降雪機械には水滴の流れを形成するための多数の主水噴射ノズル８が形成 されており、筒状ノズル受けの周りに列にして配置されている。水噴射ノズル８ は、降雪機械の出口に接近して内方／前方に傾斜して取り付けられている。降雪 機械の前端部および特殊形状のノーズコーン９の先端の近辺で一連の噴霧ノズル １０があって、それらノズルは降雪機械の外周の周りに取り付けられた水の非常 に細かい噴霧を与える形式のものであり、それによりこのような微細に噴霧化さ れた水滴は、噴霧ノズル１０の下流側に広がると自発的に−４２℃に凍結し、従 って必要な過冷却核を形成する。 噴霧ノズル１０は、流れ方向に見て、主水ノズル８の前方に若干の距離を置い てかつその外側に放射状に取り付けられるとともに、ノーズコーンの口部または 先端に接近して取り付けられており、その結果水滴はノーズコーンの下流側前端 で形成される静的渦Ｚ中に噴出される。ノーズコーンが降雪機械の外周を密封す るように係合するカバーを形成しそれによりどんな空気も背後から流入して噴霧 ノズル１０を越えて流れ得ないことが重要である。微細に噴霧化された水滴のバ ックゾーン（静的渦）Ｚへの噴射は、第２図に静的限界Ｉとして指示されている 位相位置で行なわれる。前記限界Ｉから、核は層流を成して過冷却周囲シェル５ として限界II迄移動される。限界IIにおいて、核は連続的に乱流度が大きくなる 空気の乱流に流入する。限界ＩとIIとの間の領域において、主水滴流２の水滴が 現在の湿球温度Ｂ１にまで連続的に冷却されるのと同時に核が成長する。限界II とIIIとの間の領域において、周囲シェル５、特に内周限界面Ｂ１からの周囲シ ェル５と主水滴２との間の接触が増大する。核のシェルは水滴を冷却し、それと 同時に周囲空気６との接触に応じて暖められるのが防止される。限界ＩとIIIと の間のかなり長い全移動進路の間で、水滴は核との接触に応じて凍結しその結果 氷の結晶を形成する可能性を有し、前記長時間の接触の結果として最適な大量の 水滴が凍結して氷の結晶となる。限界III以降では、完全な乱流となりそのため 結果的に現存する非凍結水滴は凍結して氷の結晶を形成し、それにより最終的に 地面に落下する集合体は事実上完全に凍結した氷の結晶からなる水を含まない集 合体である。 第３図は、水噴射ノズル８がノーズコーン９の内部にどのように取り付けられ ているか及び噴霧ノズル１０がノーズコーン９の先端近辺でどのように取り付け られ指向されているかを更に詳細に示している。第７図に最も良く示されている ように、ノーズコーンは流線形に成っているのでその出口端に静的渦Ｚが形成さ れ、このゾーンＺにおいて水滴流２または周囲空気流６のいかなる妨害的影響も 受けずに核が形成可能である。 可能な限り迅速にかつ最善の可能な条件で核を形成するには、噴霧ノズル１０ を介して水の流れを脈動させると有利なことが判明している。第４図には、脈動 サイクル間の限界Ｉ、II、III迄の前記段階においてどのように核が形成され主 水を冷却するかを示しており、さらに同図は時間と関連して水滴の大きさが変化 するのを示している、すなわち、 − 水滴が噴霧ノズルから出て小過冷却氷結晶が形成される短期間のＡ段階； − いかなる環境条件の変化も伴なわずに氷結晶の大きさが増大するＢ段階； − 水滴が完全に凍結して氷の結晶になるまで氷結晶と水滴の凝結体が連続的 に増大するＣ段階。 第５、６図においては、主水滴流２が降雪機械の中心空気流３によりどのよう に前進され、そして核流５が通過する周囲空気流６によってどのように静的渦Ｚ から前進されるか、またどのように事実上層流の搬送空気流３により前進された 後に水滴が核と連続的に接触し混合され、核流５が水滴流２の周りに絶縁シェル を形成するかを示している。 第７図に示すように、ノーズコーン９は口部または先端を有すべきであって、 これは縦断面において殆どパラボラ状に形成されかつ前記ノーズコーンの先端の 下流側に静的渦Ｚを形成する。静的ゾーンＺにおいて、空気速度は殆どゼロであ り、また核は主水滴流２のまわりに周方向に延びる核のシェル５にまで増大する 十分な時間を有するが、このシェルは随伴する周囲空気流６により内部的には境 界線Ｂ１でまた外部的には境界線Ｂ２により境界が定められている（図示される ように）。 上述のように、主水ノズル列が特別な放射状位置に配置されかつ降雪機械の長 手方向に対して特定の角度で指向されると改善された効果が得られる。 第９図に示すように、ノズルは大体において幾つかの連続する給水リング８ａ 、８ｂ、８ｃ、８ｄに取り付けられている。一方においてノズルは送風機で供給 される搬送用空気３を妨害するように取り付けられてはならない。他方において 少なくとも第１リング８ａのノズルが、そして結局はさらに２つ以上の連続する リング８ｂ、８ｃ、８ｄのノズルが搬送空気流の外周面１１の内側に僅かに開口 していれば良好な結果が得られる。第８、９図には、第１リング８ａのノズルが 空気流３の内側に放射状に開口し、後続するリング８ｂ、８ｃ、８ｄのノズルが 前記空気流外周面１１に密接して、または若干外側に開口しているのが示されて いる。 主水噴流をどのような角度で流入させるかも重要である。最後の主水リング８ ｄのノズルを、流れ方向に見て、それらの水噴流１２を搬送空気流３の軸線に対 しかなりの進路角ｄで指向させるように取り付けると非常に良い結果が得られて いる。この角度は例えば５０〜７５°、好ましくは６０〜７０°である。このよ うにノズル８ｄを取り付けることで、ノーズコーン９の口部における静的渦Ｚの 長さと幅の増大を達成し、加えて搬送空気流はそこからの水滴を二次分裂させる のを支援出来る。 更に、別のノズル８ａ、８ｂ、８ｃも特定の角度で、第１のノズル８ａを例え ば２５〜３５°、第２のノズル８ｂを例えば３０〜４０°、第３のノズル８ｃを 例えば３５〜４５°等で取り付けねばならない。それによって、搬送空気流は最 後のリングの主水ノズル８ｄから受けた水滴と先行するリングの主水ノズル８ａ 、８ｂ、８ｃから受けたある程度の水滴の双方を更に分裂させることが出来る。 参照符号 Ｚ 静的渦 Ｂ１ 核の内部境界 Ｂ２ 核の外部境界 Ｉ 静的段階の限界 II 層流の限界 III 完全乱流の限界 １ 降雪機械 ２ 主水滴流 ３ 供給空気流 ４ 核の乱流 ５ 核のシェル ６ 周囲空気流 ７ 空気吸入漏斗部 ８ 水噴射ノズル ９ ノーズコーン １０ 噴霧ノズル １１ 供給空気流３の外周面 １２ 水噴流

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)， ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，Ｃ Ｈ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ ，ＧＥ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ， ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，Ｍ Ｗ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ ，ＳＥ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＳ，ＵＺ， ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．供給空気の内側流（３）により前進される主水滴の筒状に延びる流れ（２） を供給するように配置された一連のノズル（８）と、過冷却核流れ（５）を供給 するように配置された一連の噴霧ノズル（１０）とを備えた降雪機械（１）によ り人工的に降雪する方法であって、主水滴の流れ（２）を運ぶ空気流（３）に影 響されることなしに、降雪機械の周りに配置された一連の噴霧ノズル（１０）に より降雪機械の外周（９）において又は外周に隣接して核流（５）が形成され、 それにより水滴流（２）の周りの周辺方向に延びる過冷却核のシェル（５）が形 成され、該シェルが連続的にかつ比較的長い移動路にわたって主水滴流（２）の 水滴を冷却し凍結させることを特徴とする人工降雪の方法。 ２．前記主水滴流（２）の水滴の氷結は、主水滴流（２）を実質的に層流の過冷 却核流（５）の表面（Ｂ１）と接触させる第１段階（Ｉ−II）と、水滴を過冷却 核乱流（５）と混合させる第２段階（II−III）との２段階で行なわれることを 特徴とする請求項１による方法。 ３．噴霧ノズル（１０）は流れ方向から見て上流にある主水噴射ノズル（８）の 外側で放射状にかつノーズコーン（９）の先端に隣接して取り付けられており、 前記ノーズコーンはその先端の下流側端部において静的渦ゾーン（Ｚ）を形成す るようにされた密封カバーとして形成されており、前記ゾーンＺにおいて流速は 殆どゼロであり、かつ、前記ゾーンには噴霧ノズル（１０）からの噴霧化された 水滴が噴射されるとともに、前記ゾーン内で周囲空気流（６）または水滴流（２ ）に影響されることなしに噴霧化された水滴が過冷却されることを特徴とする請 求項１又は２の何れか１項による方法。 ４．噴霧ノズル（１０）を通る水の流れが脈動し、それにより形成された過冷却 核は、核の冷却能力が主水滴流（２）の水滴の凍結に完全に利用される前に、そ れら自身を増大した体積にする可能性を有することを特徴とする請求項１〜３の 何れか１項による方法。 ５．降雪機械（１）のノーズコーン（９）は密封カバーであって柔軟な周囲空気 流（６）をノーズコーン（９）を越えて指向させるように形成されており、その 結果前記周期空気流は降雪機械から核を最初はある距離にわたって層流となる核 のシェル（５）の形で流出させ、それにより主水滴流（２）の水滴は冷却され凍 結されるための比較的長い時間を得、その後連続的に大きくなる乱流（４）にお いて主水滴が完全に凍結されることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項によ る方法。 ６．周方向に延びる主水滴流（２）を供給するように配置された一連の主水噴射 ノズル（８）と、前記主水滴流（２）を前方に移動させるための搬送空気流（３ ）を供給する送風機と、過冷却核の流れ（５）を供給するように配置された一連 の噴霧ノズル（１０）とを備えた降雪機械（１）であって、前記噴霧ノズル（１ ０）が降雪機械の外周面において又は外周面に近接して降雪機械の周りに延びる リング上で、主水噴射ノズル（８）の外側に放射状に配置されていることを特徴 とする、前記各請求の範囲のいずれかの方法を実施するための装置。 ７．前記降雪機械は、流線形状でかつ降雪機械の外周と封止係合するカバーとし て形成されたノーズコーン（９）を備え、さらに前記噴霧ノズル（１０）がノー ズコーン（９）の先端において又は先端に隣接して、主水噴射ノズル（８）の下 流側に取り付けられていることを特徴とする請求項６による装置。 ８．前記ノーズコーン（９）は、その下流側端部が主水滴（２）のための供給空 気流（３）により影響されない静的渦（Ｚ）を形成するように形成され、前記渦 内の流速は殆どゼロであり、前記ゾーン（Ｚ）中には噴霧化された（１０）水滴 流（５）が噴射され、前記ゾーン（Ｚ）において前記噴霧化水滴は過冷却されそ れによって核を形成し、さらに前記核は周囲空気流（６）により最初は層流（Ｉ −II）でその後連続的に乱流度が増大する流れ（II−III）に変化する流れの中 で 周方向に延びる過冷却核のシェル（５）の形態で前進させられるようになってい ることを特徴とする請求項７による装置。 ９．前記装置は水滴の連続流を主水噴射ノズル（８）を介して噴出する第１の手 段と、噴霧化された水滴の脈動流を噴霧ノズル（１０）を介して噴出する別の手 段を含むことを特徴とする請求項６〜８の何れか１項による装置。 １０．主水噴射ノズル（８ａ−８ｄ）は連続して放射状に取り付けられており、 水噴射ノズルの最後の配列のノズル（８ｄ）は流れの方向に見て、流れ方向に対 してかなり大きな角度（ｄ）、例えば５０〜７５°の角度で取り付けられており 、主水噴射ノズルの先行する配列のノズル（８ａ−８ｃ）は、流れ方向に対し、 例えば２５〜４５°の角度で取り付けられ、それらの角度は流れの上流から下流 になるに従って連続的に増大することを特徴とする請求項９によ装置。