JPH08312871A - ウォータハンマ緩衝装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 管路に介装するウォータハンマ緩衝装置が、
従来は発生したウォータハンマに対して一度の緩衝作用
によってエネルギーを消耗させ直ちに元の状態に復帰す
るので、反作用的な二次衝撃波には効力が少なく、結果
的に防止機能が十分に発揮されない点を改め、緩衝時は
急速に、復帰時は緩慢となる機能に変える。 【構成】 本管１へ穿孔した複数の貫通孔１１に添着す
る弾性体２、弾性体を取り囲んで本管に固着する第一気
密室３、仕切板４を隔てて連接する第二気密室５、第二
気密室と開閉自在に連通する内圧封入手段６よりなる。
仕切板には逆止弁５１の作動によって開閉する大径連通
孔４１と常に連通する小径連通孔４２が穿孔している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は管路に介装して何かの原
因で発生するウォータハンマによる被害を防止するウォ
ータハンマ緩衝装置に係る。

【０００２】

【従来の技術】管路内の流量（流速）が急激に変化する
と、圧力波が発生して異常に管路内の圧力が上昇し、管
路自体や管路に装着した弁やポンプなどを破損するトラ
ブルを生じるケースは稀ではない。いわゆる水撃、また
はウォータハンマと呼ばれる現象は、管路保全の上でも
きわめて重要な項目の一つであり注意が怠れない。たと
えば管内の水圧を維持するポンプが故障して停止する
と、下流側の水圧が上流側を凌ぎ逆流することがあるの
で、逆流を防止するために管路の要所に逆止弁を介装す
ることが多い。しかし、逆止弁が作動すると目的通りに
逆流は阻止されるが、圧力波が発生し一時的に下流側の
水圧が急激に上昇する危険性を伴う。また、下流側での
水の使用が一時中断するときにも同様な危険性を伴うこ
とも決して無視できない要素である。尚、この現象は管
内を流れる流体であれば流体の種類に関係なく発生する
ものである。

【０００３】図２はウォータハンマ緩衝装置の従来技術
の一例であり、配管の途中に本管１ａと連通する密閉槽
１０１を介装して槽内の上部に一定圧力の気体を封じ込
めてエアチャンバーを形成し、ウォータハンマが発生し
たときには、管路の途中でこの非定常的な管内圧を消耗
させてウォータハンマのエネルギーを失わせ、衝撃波に
よる被害を防止するという目的を果たしている。

【０００４】図３と図４もウォータハンマを緩衝させる
目的で管路内に介装する装置であり、図３はダイヤフラ
ム型と呼ばれる方式で、密閉容器内へダイヤフラム１０
２を取り付けて、器内を管路側１０３（図の下側）と一
定圧の気体を封入した気密室１０４とに分割し、管路内
にウォータハンマが発生したときにこの気密室の気体を
圧縮させることでウォータハンマのエネルギーを消耗さ
せる。また、図４はブラダ型と称する方式であり、密閉
容器内にブラダ１０５を取り付けて気密室１０６を形成
し、前例と同様にウォータハンマ発生時にはそのエネル
ギーを気密室の気体圧縮によって吸収するものであり、
構造上、小容量の蓄圧や脈動吸収作用に適当であるとさ
れている。

【０００５】管路の本管に直接取り付ける従来技術の型
式としては、図５に示すような型式もある。この例は本
管内に直接介装する内管１０７へ多数の貫通孔１０８を
穿孔し、該内管１０７の外周面を弾性体１０９によって
取り囲み、弾性体１０９のさらに外周側を取り囲む外筒
１１０を被冠して、外筒１１０と弾性体１０９の空間に
適当なレベルの気体を封じ込んだ構成からなる。これに
よって管路を構成する部材、たとえば管自体や継手、バ
ルブ、ポンプなどに衝撃を与えるウォータハンマが突発
的に起こり本管内に急激な圧力の上昇が始まったときに
は、管内の高圧のために貫通孔１０８から弾性体１０９
が押圧されて膨張し、弾性体１０９と外周側の外筒１１
０との間の容積が圧迫されて縮小し、この作用によって
ウォータハンマのエネルギーを消耗させ、管路周辺の破
損、変形などの悪影響を未然に防止する効果が現れるの
である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ここで例示した従来技
術は、何れもウォータハンマ防止の目的に対して必ずし
も満足できない課題が残されている。構造的に大容量の
ケースには適用できないという方式もあるが（図３、図
４）、それ以上に大きな課題は従来技術のウォータハン
マ緩衝装置が、例外なくすべてウォータハンマを一過性
の現象と捉えている点にある。すなわち、管路内に前記
のうちの何かの原因で急激な管内圧の上昇が突発し、管
路内を急速に伝播する途中で介装した緩衝装置に到達す
ると、緩衝装置の内部に取り付けた弾性体を押圧して管
路と反対側へ弾性変形させて気密室を圧迫し、管路内の
高圧を消耗させて圧力を低下するという基本的な構成と
その作用は共通している。

【０００７】しかしながら、実際の配管系にウォータハ
ンマが発生すると、前記の通り急激に弾性体を押圧変形
させて気密室の容積を圧縮するが、緩衝作用によって管
路の圧力が低下すると瞬間的にこの変形が元の状態に回
復し、この反作用によって気密室の容積は急膨張する。
この急膨張は管路内の圧力を急激に押圧するから、管路
内の圧力は再び急上昇して二次的なウォータハンマを誘
起する。すなわち、一次的なウォータハンマの急激な緩
衝が二次的なウォータハンマの発生を誘発し、再び管路
には衝撃的、破壊的な圧力が脈動して思い掛けない被害
をもたらす原因を形成する。このようにウォータハンマ
は連続的に脈動する衝撃波であるから、単に一過性の圧
力上昇と捉えてその瞬間のエネルギーを消耗させるだけ
では満足し得る確実な防止対策にはなり得ない。

【０００８】本発明は以上に述べた課題を解決するため
に、一次的なウォータハンマだけでなく、反動的に誘発
される二次的なウォータハンマにも有効な緩衝装置の提
供を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に係るウォータハ
ンマの緩衝装置は、本管１の管体へ穿孔した複数の貫通
孔１１に添着する弾性体２と、該弾性体２を囲繞し本管
１へ固着する第一気密室３と、該第一気密室３と逆止弁
５１を介して開閉自在に連通する大径連通孔４１および
常に連通する小径連通孔４２を具えた仕切板４を隔てて
連接する第二気密室５と、該第二気密室５と開閉自在に
連通する内圧封入手段６とよりなることによって前記の
課題を解決した。

【００１０】前記の基本構成において内圧封入手段６
は、第一気密室３、第二気密室５の内圧を調整自在とす
る圧力調整弁６３を開閉自在に具えていることが望まし
い実施態様である。

【００１１】

【作用】管路内が正常な管内圧で流通が維持されている
間は、本管に多数穿孔した貫通孔は弾性体によって密接
に添着されて本管と第一気密室との連通が断たれてい
る。第一気密室と第二気密室とは内圧封入手段の作用が
働いて一定の内圧に保たれ、第一気密室と第二気密室と
の境界である仕切板の大径連通孔は逆止弁によって閉止
され、両者は小径連通孔によってのみ連通して均等な内
圧を保持している。

【００１２】管路内にウォータハンマが発生して異常に
管内圧が上昇すると、その圧力は貫通孔を通過して添着
していた弾性体を押圧して弾性変形を起こし、第一気密
室の内圧は容積が急減するために急上昇する。この加圧
作用によってそれまで閉止していた逆止弁が開かれ、第
一気密室と第二気密室とは大径連通孔と小径連通孔によ
って連通した状態で管路から進入した管路圧を受け入れ
る。管内圧、第一気密室圧、第二気密室圧の三者が平衡
すると、第一気密室と第二気密室とが均圧のため逆止弁
が閉じて両室の連通は元通り小径連通孔だけとなる。ウ
ォータハンマが抑制されるにつれて膨張した弾性体は変
形状態から元の添着状態に復帰しようとするが、管内の
圧力が正常に戻るまでの間は、この管内圧と平衡するレ
ベルまでしか戻ることができない。第一気密室には小径
連通孔を通じて常に第二気密室からの圧力が掛けられて
いるから、この押圧力によって徐々に弾性体の変形が回
復して管内圧を押し戻し、管内圧より第一気密室の方が
高圧となって初めて弾性体の弾性変形は完全に消えて本
管の外周面上に添着し、第一気密室との連通をしていた
貫通孔を閉塞する。

【００１３】以上の作用を要約すれば、管路内にウォー
タハンマが発生したときには緩衝装置が管路と直ちに連
通して異常圧力を急速に緩衝し、ウォータハンマが鎮静
した後は徐々に連通を閉ざしながら、軽度の緩衝作用を
維持したままで緩慢に定常状態へ復帰するという顕著な
特徴が現れる。

【００１４】なお、請求項２に係る作用としては、第一
気密室、第二気密室の内圧を任意に増減して当該管路の
ウォータハンマの特有の条件に合致するように普段の調
整を可能とする作用が得られる。

【００１５】

【実施例】図１（Ａ）（Ｂ）は本発明の実施例を示す縦
断正面図（Ａ）と同側面図（Ｂ）である。この実施例の
場合は、清水だけでなく固形物の混入した汚水、下水な
どの他、たとえばトンネル掘削工事で多用される泥水シ
ールド工法の管路などにも適用が可能であり、きわめて
汎用性に富む例である。任意の位置に介装する緩衝装置
の本管１への取り付けに当っては、本管の管体に複数の
貫通孔１１を穿孔する。貫通孔１１の配置はこの図の例
は軸心の上半分を規則的に均分した形で配列し、ウォー
タハンマの緩衝を満遍なく全面的に受け止めて消滅させ
る配置にしているが限定するものではなく、使用管路に
マッチングした条件で、本管１の管体の何れに配列して
もよいことはいうまでもない。

【００１６】本管１の該貫通孔１１を設けた範囲の全体
に亘って、定常状態ではそのすべてを被冠して添着する
弾性体２を本管１に固着する。固着の方法は任意である
が、たとえば図のように第一気密室３の端部と共にボル
トナット２１で締結して衝撃に対しても十分に対抗でき
るように強固に挟持することが望ましい。弾性体は天然
または合成ゴムであって適当な弾性係数を具えた材料か
ら作成する。第一気密室３は本管１の外周面上に固着し
た構造体であり、仕切板４を隔てて上部の第二気密室５
と連接している。仕切板４には左右に大径連通孔４１を
４箇所、中央に小径連通孔４２を２箇所貫通して第一気
密室３と第二気密室５とを連通し、このうち、大径連通
孔４１の第二気密室５側には逆止弁５１をそれぞれ取り
付けて、定常状態では逆止弁の自重で大径連通孔４１を
閉止し、この自重を超える押圧力が下方から付勢する
と、回動して大径連通孔４１を開口する構成としてい
る。第二気密室５と第一気密室３とは溶接組み立てによ
る鉄板構造で製作するのが一般的である。また、本管１
も鉄板構造で製作するのが一般的であるが、流通する管
路の液体が腐食性であれば、適宜、強化プラスチック、
ステンレス鋼などの耐食性材料を選ぶ必要があるし、前
記の泥水シールド工法などの固形物混入の流動体を対象
とするときには、耐摩耗性金属材料で製作することも有
効である。

【００１７】第二気密室５の上部には内圧封入手段６を
取り付ける。すなわち、第一気密室３、第二気密室５に
は管内の定常圧よりも高い内圧を常に維持するための手
段が必要であり、この図の例では、図示しない圧力気体
源（たとえばコンプレッサ）と接続する圧力供給管６
１、該給気、排気を断続するストップ弁６２および圧力
調整弁６３によって形成している。このうち、圧力調整
弁６３は、第一気密室３および第二気密室５の内圧を調
整するための役割を果たす部材であり、適宜調整して管
路によって異なるウォータハンマの特有の条件などに適
応するように緩衝装置の内圧を調整する。また、同じ管
路であっても管内を通過する流体の流動条件に変更があ
った場合にも、ウォータハンマに変動が伴う可能性が高
いから、管路に取り付けたままで第一気密室３や第二気
密室５の内圧を増減することがより効果的なウォータハ
ンマ防止に繋がることもある。

【００１８】図１の本実施例における作用について、先
の説明と重複する部分は煩雑を避けるために敢えて繰り
返さない。図のうち、弾性体２は管路が定常的に維持さ
れているときには本管１の外周面上に密接して添着し、
管路に異常な圧力上昇が発生したときには図の二点鎖線
で示すように膨出して、第一気密室３の容積を瞬間的に
縮小する作用が発揮される。異常圧力が消滅した後には
徐々に収縮して元の添着状態まで復帰することは既に述
べた通りである。図において逆止弁５１は傾動ピン５２
によって回動自在に支持されており、通常は自重で大径
連通孔４１を閉塞する位置にあるような重心を具えた形
状とし、自重を超える押圧力が掛かると図の二点鎖線の
ように傾動ピンを支点に回動して大径連通孔４１を開放
する。この逆止弁は単なる一例に過ぎず、どのような方
式の逆止弁であってもよく、また常に弁閉の方向に付勢
するスプリング（ばね）を具えたり、油圧などの付勢力
を伴う型式であってもよいことは言うまでもない。

【００１９】

【発明の効果】本発明は以上に述べた通り、従来技術の
ウォータハンマ緩衝装置が一過性、一次的な作動だけに
留まっていたため、完全なウォータハンマの防止が徹底
できず、不本意な機能しか発揮されていなかった欠点を
克服し、管路の安全と設備の保全を完全に保持する卓抜
した効果をもたらす。この結果、単に管路のメンテナン
スだけでなく、管路を含む施工現場や工場設備全体の生
産効率を高め、全体の作業性を向上するという副次的な
効果も看過できない。なお、緩衝装置の使用材料の適切
な選択によってより耐用期間の延長も可能であり、ある
いは請求項２のように緩衝機能の調整によって各使用管
路の条件にマッチングした最適の作動条件を設定する可
変性も具備するから、個別の条件に合致した作業改善の
一翼を担う効果も現れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例の縦断正面図（Ａ）と一部断面側
面図（Ｂ）である。

【図２】従来技術の縦断正面図である。

【図３】別の従来技術の縦断正面図である。

【図４】さらに別の従来技術の一部断面正面図である。

【図５】さらに別の従来技術の縦断正面図である。

【符号の説明】

１ 本管 ２ 弾性体 ３ 第一気密室 ４ 仕切板 ５ 第二気密室 ６ 内圧封入手段 11 貫通孔 41 大径連通孔 42 小径連通孔 51 逆止弁 63 圧力調整弁

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 配管内に介装するウォータハンマ緩衝装
   置において、本管１の管体へ穿孔した複数の貫通孔１１
   に添着する弾性体２と、該弾性体２を囲繞し本管１へ固
   着する第一気密室３と、該第一気密室３と逆止弁５１を
   介して開閉自在に連通する大径連通孔４１および常に連
   通する小径連通孔４２を具えた仕切板４を隔てて連接す
   る第二気密室５と、該第二気密室５と開閉自在に連通す
   る内圧封入手段６とよりなることを特徴とするウォータ
   ハンマ緩衝装置。
2. 【請求項２】 請求項１において内圧封入手段６が、第
   一気密室３、第二気密室５の内圧を調整自在とする圧力
   調整弁６３を開閉自在に具えていることを特徴とするウ
   ォータハンマ緩衝装置。