JPH03168488A - 水撃緩衝装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は水栓の弁部を急閉した場合等に生ずる水撃現
魚、所謂ウォーターハンマー現象を緩和して水栓器具や
配管等の損傷を防止し、併せて騒音発生を抑制する水Ｓ
緩衝装置に関する．（従来の技術及び発明が解決しよう
とする課８）近年、水栓として、ハンドルを回転操作し
て弁体を軸芯方向にねじ送りすることで弁部を開閉する
ねじ式の水栓に代わって、レバーの回勤操作により弁部
を開閉するようにしたレバー式水栓が急激に普及してき
ている． この種レバー式水栓は、弁部を全開から速やかに全閉す
ることができるなど操作が簡便で使い易い利点を有して
いる反面、弁部の急閑により配管系統に大きな水撃を発
生させ易い．即ち配管内の水又は湯（以下単に水とする
）が流速Ｖで流れているところへ水栓の弁部を急閉する
と、次の（Ａ）式 ΔＰ＝ρＣＶ・・・・・・（Ａ） （ρ：流体の密度．Ｃ：圧力波の伝播速度）で表わされ
る突発的圧力上昇ΔＰが生じて管内に大きな木撃現象が
生ずるのである．より具体的に言うと、いま圧力が上昇
しても管壁が伸びない場合にはＣ＝１４００ｍ／ｓであ
り，また水栓を全開したときの管内流速Ｖ’；２ｍ／ｓ
程度である．そこでこれらの偵及びρ＝　１　０　０　
０ｋｇ／　ｍ３の値を上記（＾）式へ代入すると、水栓
を急閉したときの圧力上昇ΔＦ　’＝　２　８　０　０
ＫＰａ　’＝　２　８　ｋｇｆ／ｃｍ２の極めて高い値
に達する，これにより管内に大きな水撃現象が生ずるの
である． 而してこのような木撃現象が生ずると衝ａｍ＝が発生し
たり、水栓器具，配管等が損傷してしまう． そこでこのような水撃を緩衝するために従来種々の装置
が考えられているが、十分に満足できるものが提供され
ていないのが実情である．（課題を解決するための手段
） 本発明の水撃緩衝装置はこのような課題を解決するため
に案出されたものであり、その要旨は、（イ）給水流路
上に配され、水流が生じたとき絞り部で圧力降下させて
低圧部を発生させるベンチュリー部と、（口）内部のシ
リンダ室を連通口を通じて該ベンチュリー部の絞り部に
連通させるシリンダと、（ハ）該シリンダに摺動可能に
嵌合されたピストンと．（二）該ピストンを該シリンダ
室の連通口の側に向って付勢するスプリングとを有し、
且つ該スプリングのばね力が，前記流路内に水流が生じ
たときにピストンをシリンダの前端部まで押し出し、該
流路内に突発的圧力上昇が生じてピストンが押し戻され
たとき、シリンダの後端部に当接する以前に該ピストン
を停止させるような大きさに設定されていることにある
． （作用及び発明の効果） 本発明の装置では．水栓の弁部が閉じられていて流路内
に水流が生じていないとき，ピストンは給水圧によりシ
リンダの前端部位置より一定距離後退した状態、即ちス
プリングの付勢力に抗して押し戻された状態にある．こ
の状態で水栓の弁部が開かれて流路内に流れが生ずると
，ベンチュリー部の絞り部において圧力降下が生じ、そ
こで生じた低圧部の作用でシリンダ内の水が連通口を通
じて流路内に吸い出され、同時にピストンがスプリング
の付勢力によりシリンダの前端部まで押し出される． 一方水栓の弁部が急閉されて流路内に突発的圧力上昇が
生ずると，シリンダの前端部にあったピストンがスプリ
ングの付勢力に抗して後退し、これとともに流路内の水
が連通口を通じてシリンダ内部に流入する．これにより
流路内に生じた圧力上昇が吸収される．その際、ピスト
ンを押しているスプリングはピストンの後退とともに変
形量が多くなって弾発力を増し，そしてピストンがシリ
ンダの後端部に至る以前でその弾発力、即ち押戻力がピ
ストンに作用する圧力と釣り合ってピストンを停止させ
る．スプリングの付勢力（ばね力）が予めそのような大
きさに設定されているからである． 即ちピストンがシリンダの後端部に衝突すると、その際
に二次的な圧力波が生じることから、本発明ではピスト
ンがシリンダの後端部に当たる以前にこれを停止させる
ようにしており、以て二次的な圧力波の発生を防止して
いる． さて突発的圧力」二Ｈにより押し戻されたピストンは、
続いてスプリングの付勢力によりシリンダの前端部側へ
と押し出され、そしてその付勢力とピストンに作用する
給水圧とが釣り合う位置で停止する．そして次に水流が
生じると再びシリンダ前端部まで前進させられ、次に起
こる突発的圧力上昇を吸収すべ〈待機する． このように本発明の水撃緩衝装置は，ベンチュリー部の
作用でピストンを効果的に働かせて，圧力上昇を有効に
吸収する特長を有する．即ちこのようなベンチュリー部
を設けない場合には、流路内に水流が生じた場合におい
てもピストンは給水圧によりシリンダ内部を一定量後方
に押し戻された状態にあり、従って水栓弁部の急閉によ
り流路内に突発的圧力上昇が生じたとき、圧力吸収のた
めに後退可能な有効ストロークがそれだけ短くなって圧
力吸収が効果的に行われないこととなるが、本発明の装
置では、ベンチュリー部の作用に基づいてピストンがシ
リンダの前端部から後退して圧力吸収を行うため、有効
に圧力上昇を抑えることができるのである． この他本発明の装置は、シリンダを小型化でき，従って
′Ｉｌｃ置全体をコンパクトに構成できる特長を有する
．ベンチュリー部の作用でピストンを有効に働かせるこ
とができるため、即ちシリンダの容量を圧力吸収のため
に無駄なく活用できるからである． 尚このベンチュリー部は、絞り部において圧力降下させ
た後その下流で直ちに圧力回復させる作用があり、従っ
て本装置を設けた場合の流動抵抗を小さく抑え得る利点
がある． 本発明に従ってベンチュリー部により低圧部を発生させ
る場合、給水圧が特別に高い場合において最大流量を制
限できる利点が生ずる．このように給水圧が特別に高い
場合、水栓弁部の全開時の流量が不必要に著しく大きく
なり、この場合において弁部を全開から全閉したときの
水撃は極めて大きくなって、これを防止することは実際
上極めて困難であるが，流路上にベンチュリー部を設け
た場合、ベンチュリー部の絞り部でキャビテーションが
起こって、水栓の弁部を全開しても一定流量以上の水が
流れず、水流量が制限される．従って弁部を全閉したと
きの水撃の発生も十分抑制できるのである． （実施例） 次に本発明の実施例を図面に基づいて詳しく説明する． 第１図において１０は本発明の一例である水撃緩衝装置
で、筒部工２を有している．筒部ｌ２の両端には配管１
７との接続部ｌ４が設けられており、また各接続部工４
の内面には配管１７とのねじ結合のための雌ねじ部ｌ６
が設けられている． 筒部ｌ２の内部には、ペンチュリー管ｌ８が設けられて
いる．ベンチュリー管ｌ８の絞り部２０には通孔２２が
形威されており、この通孔２２を介してペンチュリー管
ｌ８の内部と外部の連通室２４とが連通させられている
． 尚絞り部２０の内径ｄは、管路内径Ｄに対してあまり小
さくな＜，ｄ＝０．３Ｄ程度に抑えられており、また拡
がり角θは最も損失の少ない７ｅ程度にしてあるので、
同部を水が流通する際大きな圧力損失は生じない． ２６は筒部ｌ２と一体に設けられたシリンダで、一端に
連通口２８が設けられ、内部のシリンダ室がこの連通口
２８を通じて前記連通室２４及びベンチュリー管ｌ８の
絞り部２０の内部に連通させられている． このシリンダ２６の他端側の開口には、大気導入孔３０
を有するシリンダＭ３２がねじ結合により固定されてい
る． シリンダ２６の内部には、ピストン３４が欝動可能に嵌
合されている．ピストン３４の外周面には環状構が形成
されていて、その環状溝内にＯリング３６が装着され，
かかるＯリング３６によってピストン３４とシリンダ２
６内面との嵌合部が水密にシールされている． このピストン３４とシリンダＭ３２との間には、圧縮コ
イルスプリング３８が介設されている．スプリング３８
は、一端がシリンダＭ３２に当接させられ、また他端が
ピストン３４の後面に当接させられている．尚ピストン
３４には円筒部４０が形成されており、スプリング３８
の一部がこの円筒部４０の内部に収容されている．木例
の装置においては、流路内に木魔が生じたときピストン
３４がシリンダ２６の図中下端部（前端部）に当接し、
また流路内に突発的圧力上昇が生じてピストン３４が＠
退させられたとき、ピストン３４がシリンダ蓋３２に当
接する直前で停止するようにスプリング３８のばね力が
設定されている． 次に本装置の作用を説明する． 木例の装置においては，水栓の弁部が閉じられている状
態では、ピストン３４が給水圧により図中上方へと一定
量押し戻され，その給水圧とこれを反対方向に付勢する
スプリング３８の付勢力とが釣り合う位置で停＋ｈ　Ｌ
，ている．この状態で弁部が開かれて流路内に水流が生
じると５ベンチュリー管ｌ８の絞り部２０で発生する低
圧部の作用及びスプリング３８の付勢力でシリンダ室内
に入り込んでいた水が流路内に吸い出されるとともに、
ピストン３４が図中下端部（前端部）まで押し出される
． 次に水栓弁部が急閉されると、同部に前記（Ａ）式で規
定される突発的圧力上昇ΔＰ＝ρＣ■が生じて配管流路
内を伝播する．するとその圧力上昇に基づいて、流路内
の水がピストン３４を押し上げつつ通孔２２，連通室２
４，連通口２８を通じてシリング２６内部に流入する．
即ち流路内の水がシリンダ２６内部へと逃げ込み，これ
により圧力上昇が吸収されて水撃現象の発生が回避され
る． 尚その際、ピストン３４はスプリング３８を撓ませつつ
シリンダ２６の後端部直近まで後退し、そして同位置で
ピストン３４に作用する圧力とスプリング３８のばね力
とが釣り合ってそこで一旦停止する． さて一旦シリンダ２６の後端部直近まで後退したピスト
ン３４は、引き続きスプリング３８により押し出され、
その付勢力とピストン３４に作用する給水圧とが釣り合
う位置で停止する．そして再び流路内に水流が生ずると
、ベンチュリー管１８の作用で前進させられ、流路内に
突発的圧力上昇が生じたとき再度シリンダ２６内を一杯
まで後退して圧力上昇を吸収する． 尚上記のようにベンチュリー管１８を設けず，単にシリ
ンダ室を流路と連通させただけの場合にも、流路内の圧
力上昇をある程度吸収することができる．しかしながら
この場合には種々の不都合が生ずる． 例えばベンチュリー管ｌ８を設けないで，且つ上記と同
じスプリング３８を用いた場合、流路内に水流が生じて
もピストン３４はシリンダ２６の前端部まで前進せず、
シリンダ２６の前端部より一定距離後退した位置で、即
ち給水圧とスプリング３８の付勢力とがバランスする位
置で停止している．モして流路内に突発的圧力上昇が発
生したとき，その位置からの後退運動によって圧力上昇
を吸収する．その際の移動ストロークは小さく，従って
シリンダ２６内への木の流入量も少なくなるから、圧力
上昇を効果的に吸収することができない． これに対して本発明の装置では、ピストン３４がシリン
ダ２６のほぼ全ストローク後退して圧力吸収を行うため
、流路内の圧力上昇を効果的に抑制することができる． また本例の装置は、圧力上昇を吸収するためにシリンダ
室を十分に活用するため、小型のシリンダでも十分に目
的を果たすことができ、水！！緩衝装置をコンパクトに
構成することができる．尚ベンチュリー管ｌ８を設けな
い場合において、スプリングを予圧縮した状態でセット
することにより、流路内に水流が生じている状悪でピス
トン３４をシリンダ２６の前端部まで前進させた状態と
することもできる〔この場合低圧部は発生しないので、
水流の有無に関わらずピストン３４はシリンダ２６の前
端部まで前進した状態と？る）．シかしながら、この場
合には次のような不都合が生ずる． 水撃による圧力上昇を効果的に吸収するためには以下の
条件、即ち （イ）通水時にはピストン３４がシリンダ２６の前端部
まで前進し，圧力上昇によってシリンダ２６の後端部ま
で後退することにより、シリンダ２６内に流路内の水を
より多く流入させ得ること． （Ｕ）ピストン３４が後退端で停止する際、できるだけ
緩やかに停止すること． （ハ）スプリングに作用する剪断応力でか小さく、最大
偵で■８が許容剪断応力τａ以下であること． 等の条件を充足することが必要である．そこで、第２図
に示しているようにシリンダ室の直径をＤＣ　，シリン
ダ室長さをｌｃ，スプリングの平均径をＤａ　　，線径
をｄａ．−４ｉ効巻数をｎ，取付時長さを又とすると、
剪断応力で及びばね定数ｋは次のようになる． ？こでＧは横弾性係数で、ステンレス鋼線の場合７　５
　０　０　ｋｇｆ／ｍｍ２程度である．また（１）式の
圧縮力Ｗの最大値ｗｍａｘはＷ　ｍａｎ　　＝　　宜／
　４　　ｓ　Ｄ　　ｃ７Ｐ　　ｍａｙ　　−−（３）で
与えられる．ここでＰ■８は水撃により生じた最大圧力
で，これがピストン３４に作用する．さて給水圧に打ち
勝ってピストン３４をシリンダ２６の前端部に当接させ
るべく、スプリングを予圧縮してセー，トシた場合、ス
プリングのばね定数は予圧縮を与えない場合に比べて小
さくなる． 即ち何れの場合にも圧力上昇によってピストン３４がシ
リンダ２６のほぼ後端部まで後退するとした場合、その
ときのスプリングの最大圧縮力は、 Ｗ噛ａＸ　＝ｋｘ となる．ここでＸは自由状態からの変位量であり、その
変位量は，予圧縮を与えた場合の方が予圧縮を与えない
場合に比べて当然に大きくなる．従ってｋの値は、予圧
縮を与えた場合の方が小さくなる．而してｋの値が小さ
くなれば、（２）式よりｎ，Ｄａが等しい場合、ｄａ　
＞ｄａ　′（ｄａは予圧縮を与えた場合、以下予圧縮を
ケえたものについては′を付けて示す）となり，（１）
式よりτくτ′となる．即ち予圧縮を与えた場合、スプ
リングにより大きな剪断応力が発生する．一方ピストン
３４が後退端に達したときのτをτ．８としてτの許容
偵τａと等しいとしたとき、Ｄ６＝ａＤｃとしてこれを
Ｗ　＝　Ｗ　＠ａｗ　＝π／４・Ｄｃ２Ｐｓａｘととも
に（１）式に入れると，ｄ４　／Ｄｃ　＝’　ｉ５Ｐｍ
ａｘ　／　１”Ｊ　−−−−−−（ａ）となる．ここで
例えばα＝０　．　７　，　Ｐｓａｘ　＝７　ｋｇｆ／
ｃｍ．２　　，　τａ　＝　９　０　ｋｇｆ／ａｍ２　
とすると、ｄ　ａ　　／　Ｄ　ｃ　　＝０　　．　　１
となる． 他方スプリングの径Ｄａは．ＤＣが与えられればその範
囲内でできるだけ大きくした方が良く５従ってこれもＤ
ｃの値に応じて定まってぐる．従ってスプリングに予圧
縮を与える場合には、（２）式よりスプリングの有効巻
数ｎを太き〈とることになる（ｋの値が予圧縮を与えな
い場合に比ベて小さい）． 而して巻数ｎを大きくすれば，ピストン３４の最大スト
ローク 文一　ｎｄａ は小さ〈なり、ピストン３４後退時にシリンダ２６内部
に取り入れることのできる水の醍が少なくなる．即ち水
撃時の圧力吸収効果は，スプリングに予圧縮を与えない
場合に比べて小さくなる．換言すれば、本例の如くベン
チュリー管ｌ８を設けることによって、水撃をより効果
的に緩衝することができるのである． 第３図は本発明の他の実施例を示している．この例では
、シリンダ室にポール弁体４２と、弱いスプリング４４
と、支持部材４６とから成る小型の逆止弁４８を配設し
ている． 本例の場合、ピストン３４とシリンダＭ３２との間に空
気室５０が形成され、空気室５０内部に吸入され且つ閉
じ込められた空気が，ピストン３４が後退するとき空気
ばねとして作用し，ピストン３４がシリンダＭ３２に衝
突するのを抑制する．而して空気室５０内に閉じ込めら
れた空気は，ピストン３４の後退とともに弾発力を急激
に高めてピストン３４の衝突防止を行うから，その分ス
プリングのばね力を弱〈設定できる利点が生ずる．尚第
３図に示しているように，円筒部４０内に凸部５２を設
けるなどしてピストン３４が後退したときの空気室５０
の容積をできるだけ小さくすると、空気の圧縮率がより
高くなって空気ばねの弾発力が強くなり，好都合である
．以上本発明の実施例を詳述したが，本発明はその主旨
を逸脱しない範囲において、当業者の知識に基づき様々
な変更を加えた形還で構成することが可能である．

【図面の簡単な説明】

第ｌ図は本発明の一実施例である水！Ｘ緩＃装置の断侑
図であり，第２図は同装置の利点を説明するための説明
図、第３図は本発明の他の実施例である水撃＃衝装置の
断Ｆｍ図である． ｌＯ：水撃＃１１ＩＩ装置　　ｌ８：ベンチュリー管２
０：絞り部　　　　　２６：シリンダ２８二連通口　　
　　　３４：ピストン３８：スプリング 第 ２ 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （イ）給水流路上に配され、水流が生じたとき絞り部で
   圧力降下させて低圧部を発生させるベンチュリー部と、
   （ロ）内部のシリンダ室を連通口を通じて該ベンチュリ
   ー部の絞り部に連通させるシリンダと、（ハ）該シリン
   ダに摺動可能に嵌合されたピストンと、（ニ）該ピスト
   ンを該シリンダ室の連通口の側に向って付勢するスプリ
   ングとを有し、且つ該スプリングのばね力が、前記流路
   内に水流が生じたときにピストンをシリンダの前端部ま
   で押し出し、該流路内に突発的圧力上昇が生じてピスト
   ンが押し戻されたとき、シリンダの後端部に当接する以
   前に該ピストンを停止させるような大きさに設定されて
   いることを特徴とする水撃緩衝装置。