JP2003254629A - 凍結破損防止型液体用管およびそれを用いた水道管システム並びに温水器システム - Google Patents

凍結破損防止型液体用管およびそれを用いた水道管システム並びに温水器システム

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JP2003254629A
JP2003254629A JP2002053633A JP2002053633A JP2003254629A JP 2003254629 A JP2003254629 A JP 2003254629A JP 2002053633 A JP2002053633 A JP 2002053633A JP 2002053633 A JP2002053633 A JP 2002053633A JP 2003254629 A JP2003254629 A JP 2003254629A
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JP
Japan
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pipe
liquid
water
expansion
freezing
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JP2002053633A
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English (en)
Inventor
Iwane Fujii
井 石 根 藤
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Meiji University
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Meiji University
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40Solar thermal energy, e.g. solar towers

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  • Rigid Pipes And Flexible Pipes (AREA)
  • Thermal Insulation (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 内部の水の凍結によっても破損しないように
する。 【解決手段】 温度低下により凍結する液体を収納する
液体用管であって、前記液体を収納するための管本体
と、この管本体の内周面に配設され、前記液体の凍結に
伴うこの液体の体積膨張に応じ、押し潰されることによ
り体積を減少させて前記液体の体積膨張を吸収する材質
のもので構成された内側ライニング層としての膨張吸収
層とを備えるものとして構成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、凍結破損防止型液
体用管およびそれを用いた水道管システム並びに温水器
システムに関する。
【0002】
【従来の技術】地球温暖化傾向にあるとはいえ、高地や
高緯度の寒冷地では水道管や太陽熱温水器等の導水管の
凍結による破損事故が少なからず生じている。そのため
実際にはこれらの導水管には充分な断熱処置が施される
と共に、電気ヒーターも巻き付け、管内水の凍結が予想
されるときには通電して加熱している。また、別の方法
としては態と蛇口から漏水させて管の破損を防いでい
る。しかし、これらの方法は何れも、加熱用電力量にし
ても、漏らし水量にしても、それらの累積量となればか
なりの量に達している。そのため、省エネルギー、省資
源の観点から必要不可欠な事とは言え、必ずしも望まし
いことではない。こうした余分の電力や水の消費量を減
らすことができれば実際的に省エネに寄与できる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来は
水道管や太陽熱温水器等の導水管の凍結防止を確実に且
つ省エネルギー状態で高効率に行うことができなかっ
た。
【0004】本発明は、上記に鑑みてなされたもので、
その目的は、従来とは大きく異なった発想のもとに、水
や電力の消費量を大幅に削減しつつも、上記導水管等の
凍結による破損を確実に防止可能なものとすることにあ
る。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の凍結破損防止型
液体用管は、温度低下により凍結する液体を収納する液
体用管であって、前記液体を収納するための管本体と、
この管本体の内周面に配設され、前記液体の凍結に伴う
この液体の体積膨張に応じ、押し潰されることにより体
積を減少させて前記液体の体積膨張を吸収する材質のも
ので構成された内側ライニング層としての膨張吸収層
と、を備えるものとして構成される。
【0006】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について説明
するに先立ち、本発明がなされるに到った基本的な考え
方とその手法について説明する。
【0007】水管の凍結による破損を回避するこれまで
の手法は、その観点を水を凍結させないことに置かれ、
そのための種々なる対策が講じられてきた。それに対
し、ここで提案する本発明は、たとえ水が凍結したとし
ても、そのことで水管が破損することが無いよう、適当
な処置を施した管とすることにあって、発想の仕方が、
従来と大きく異なるところである。無論、管内に氷が詰
まった状態では水を流すことができない。しかし、実際
の系の運用においては、水を流す必要がある時点で、た
とえばヒーターなどで熱を管外から加え、氷を融解させ
れば良いとする考え方に基づくものである。このことに
よって本発明の目的達成に費やされる、水や電力の消費
量は、大幅に削減されることは明らかである。
【0008】さて、本発明では、導水管等の管内の水が
凍結しても管を破損させないようにするために、水が氷
に相変化することによる体積膨張に着目し、その膨張分
を管内部で吸収できるようにしている。そこでここで提
案する管では、この体積吸収機能を実現するため、所望
の厚さの膨張吸収層を管の内側にライニングしている。
この膨張吸収層は、例えば比較的小径の独立気泡を多
数、分散させたものである。内部の水の凍結時には、結
果的にこの膨張吸収層の厚さは減少する。すなわち、水
の凍結による体積膨張分はここで吸収されることにな
り、管自体に内部から加わる応力は緩和される。ここで
本発明の一例において、重要なことは次の通りである。
【0009】(a)既に述べたように気泡は独立気泡で
あって気泡内部には気体(例えば、空気)が充満されて
いること。 (b)膨張吸収層を構成している素材は、導水管等の使
用目的や対象、設置環境等を勘案して、水分に対する腐
食性に優れ、かつ、日常生活で使用される給水・給湯の
温度レベルを勘案した必要な温度範囲に対しても充分な
耐熱性、弾力性を有し、さらに、水質を悪化させない安
全性と相応の機械的強度を有していること等の条件が満
たされることである。
【0010】その結果、(a)の要件が満たされること
で、更なる外(圧)力を受ければ、その大きさに応じて
気泡は収縮し、その力が除去されたときには気泡内空気
の復元力により、その反発力で再び元の状態に復帰する
ことになる。また、この機能が充分に果たされるために
は、(b)の要件のうち特に素材の弾力性、機械的強度
の特性の満足が重要である。
【0011】本発明は、本発明者に特有の上記の考え方
に基づいてなされたものである。即ち、本発明は、従来
の考え方である導水管等の内部の水を凍結させないよう
にするということと発想を180°変えて、凍結しても
導水管等が破損しないようにして且つ凍結した水を解凍
させればもと通りの導水管等の機能を奏させることがで
きるようにしたものである。
【0012】以下に本発明の実施の形態を図面を参照し
ながら説明する。図1は、本発明を、一般家庭等におけ
る水道の蛇口近傍部分に適用した例を示すものである。
図1において、直立状態に設置された水道管1の先端に
は周知のように蛇口2が取り付けられている。この蛇口
2及び水道管1の外周の一部に、通電により発熱する発
熱帯3が取り付けられる。この取り付けは、図1に示す
如く、発熱帯3を数箇所で固定テープ7により水道管1
及び蛇口2に固定しておき、この状態で保温テープ4を
巻回することにより行われる。発熱帯3の長さ及び保温
テープ4の巻回は、凍結深度までとされる。前記発熱帯
3は、壁等のコンセントから、必要に際して、電力供給
可能にされている。
【0013】図2は、図1のA−A線断面図である。こ
の図2からわかるように、水道管1の外周の一部を、前
記発熱帯3が被っており、この発熱帯3及び水道管1の
まわりが前記保温テープ4によって巻かれている。さら
に、図2からわかるように、水道管1は、外側の水道管
本体1Aとそれの内側をライニングする膨張吸収層1B
の2層構造となっている。前記水道管本体1Aは、汎用
の材質によって構成されたもので、塩化ビニル等の合成
樹脂パイプや各種鉄系パイプ等が用いられる。前記膨張
吸収層1Bは、内部で凍結した水の体積膨張を吸収し
て、水道管本体1Aが破裂するのを防止するためのもの
で、例えば、多数の小径の独立気泡を有する発泡材シー
トによって構成される。これ以外の材質のものであって
も、上記機能を満足するものであれば、いかなる材質の
ものであっても用いることができる。より詳しくは、例
えば、摂氏0°以下の温度になってもある程度の弾力性
を有する素材、例えばポリエチレンのような材料ででき
たアワガラスに似た構造をもつシート状の物質を水管の
内表面に密接着させる。ポリエチレンの場合は接着性が
悪い為、同質材料の水管の内表面に熱を加えるなどの工
夫を凝らして接着する必要がある。
【0014】上記構成のシステムにおいて、冬期等にお
いて、水道管1の内部の水が凍結した場合には、内部の
水が体積膨張する。しかしながら、その膨張分は、前記
膨張吸収層1Bにおける内部気泡の圧縮によって吸収さ
れる。これにより、凍結した氷によって水道管本体1A
が大きな内部応力を受けることはなく、その破損は防止
される。
【0015】なお、このような凍結状態において、水を
出す必要があるときには、前記発熱帯3に通電して、水
道管1の内部の氷を溶解すればよい。むろん、このよう
な必要のない場合には、通電しなくてもよいので、エネ
ルギーが無駄に使われることはない。
【0016】上記のような水管による凍結に基づく破損
防止は、水が流れる管を有するほとんどのものに適用で
きる。図3は、自然循環式太陽熱温水器に適用した例を
示すものである。この温水器は公知のものであるため詳
しくは説明しないが、簡単には以下の通りのものであ
る。水は給水管11から貯湯部12に送られる。その水
量はボールタップ13により調節される。貯湯部12内
の水は、天板としての透明板14を有するケーシング1
5内に配設された密集管路としての集熱部16を流れ、
太陽により暖められて貯湯部12に戻り、この循環をく
り返して温度が次第に上げられる。このようにして加熱
された水は、下部及び上部の給湯管17,18から給湯
される。而して、本実施例においては、上記給水管1
1、下部及び上部給湯管17,18に破損防止の構造を
採用している。即ち、図4からわかるように、外側は各
種材質のもので作られた給水管本体(給湯管本体)11
A(17A、18A)であり、その内側はライニング層
としての膨張吸収層11B(17B、18B)である。
この膨張吸収層11B(17B、18B)は、前記図2
で説明したものと同様に、内部に多数の小径の独立気泡
を有する発泡材シート等で構成される。
【0017】次に、上述の発泡材シートによるライニン
グ層による実際の氷の体積膨張について図5を参照しつ
つ定量的に解析する。図5において、Aは水管(管本
体)、Bは発泡層(膨張吸収層)である。この図におい
て各種の標記を下記の如くとする。 水の密度:ρ≒1.0[gr/cm] 氷の密度:ρ≒0.917[gr/cm] 管長:L 水管内径:R 水流路半径r(水が凍った場合はr) 発泡層厚さt(水が凍った場合はt) 上記のような記号の下で 長さLの管内部に包含される水量W=πr Lρ よって、この体積V=W/ρ=πr L 他方、この水量Wが凍結したときの体積V=W/ρ
より、この体積の増加分ΔVは ΔV=V−V=(W/ρ)−(W/ρ)=W((1/ρ)−(1/ρ)) =πr L((ρ/ρ)−1) 他方、発泡層が初期厚さtにあるときの同層の占めて
いる体積Vt1は Vt1=πRL−πr L=πL(R−r )=πL{R−(R−t )} =πLt(2R−t) また、水が凍って層の厚さがtになったときの体積V
t2は Vt2=πLt(2R−t) となるので、体積の変化量ΔVは ΔV=Vt1−Vt2=πL{t(2R−t)−t(2R−t)} ここで式のΔVと式のΔVとは当然、等しい筈で
ある。
【0018】 πr L((ρ/ρ)−1)=πL{t(2R−t)−t(2R−t )} ∴(R−t)((ρ/ρ))=t(2R−t)−t(2R−t) 辺々t で割り、t/t=δ、R/t=Yとおくと (Y−1)((ρ/ρ)−1)=2Y−1−δ(2Y−δ) (Y−1)/ρ)−(Y−1)=2Y−1−2Yδ+δ (Y−1)/ρ)−(Y−1)=(δ−Y)−(Y−1) ∴δ−Y=−(Y−1)(ρ/ρ)1/2よりδ=Y−(Y−1)(ρ/ρ )1/2 となる。もし、ρ/ρ=1とすればδ=1となり、
=tとなり理に適っている。
【0019】そこで試みにR=15mm、t=2mm
とすれば、Y=15/2=7.5従って、δ=7.5−
6.5(1.0/0.917)1/2≒0.712、よっ
てt=1.42mmとなり、t−t≒0.58m
mだけ層の厚さが縮むことで水の凍結による膨張分を吸
収できることになる。
【0020】上述した本発明の実施例によれば下記のよ
うな効果を得ることができる。管内部に付加的な層が設
けられることで、その分、水の流路面積が減少し、短所
として映るが、そのことをあらかじめ考慮して若干、太
めの管を選ぶことで総じて対処できる。
【0021】その一方で、この層が存在することで、 管内表面の腐食が軽減される。 この層が断熱材の働きを呈する。 衝撃波の弛緩に役立つ。 等の付加的な利益もまた考えられる。
【0022】また、図6に示すように、管本体21の内
面に配設する膨張吸収層22は、軸方向に伸びる帯状の
ものとすることもできる。さらに、帯状の膨張吸収層2
2は、管本体21の長さの全体にわたるものでも、長さ
方向の途中に切れ目を有するものでもよい。
【0023】さらに、上記では、膨張吸収層を発泡材シ
ートにより構成する例を説明したが、圧縮により体積を
減少するものであれば、これ以外のものでも使用可能で
ある。
【0024】また、凍結する液体として水を示したが、
もちろん、水以外の、凍結して体積が膨張するものであ
れば、本発明は有効に適用できるのは明らかである。
【0025】
【発明の効果】本発明によれば、水管の内部の水の凍結
に伴う体積膨張を吸収可能としたので、たとえ水管内の
水が凍結しても、水管自体の破損を確実に防止すること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態を示す全体構成図。
【図2】図1のA−A線断面図。
【図3】本発明の他の実施形態の全体構成図。
【図4】図3のB−B線断面図。
【図5】本発明の効果を説明するための模式図。
【図6】本発明の他の例を示す説明図。
【符号の説明】
1 水道管 1A 水道管本体(管本体) 1B 膨張吸収層 3 発熱帯 4 保温テープ 11A 給水管本体(給湯管本体) 11B 膨張吸収層

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】温度低下により凍結する液体を収納する液
    体用管であって、 前記液体を収納するための管本体と、 この管本体の内周面に配設され、前記液体の凍結に伴う
    この液体の体積膨張に応じ、押し潰されることにより体
    積を減少させて前記液体の体積膨張を吸収する材質のも
    ので構成された内側ライニング層としての膨張吸収層と
    を備えることを特徴とする凍結破損防止型液体用管。
  2. 【請求項2】前記膨張吸収層は、前記管本体の内周面の
    全面に形成されたものであることを特徴とする請求項1
    に記載の凍結破損防止型液体用管。
  3. 【請求項3】前記膨張吸収層は、前記管本体の内周面の
    一部の面に部分的に形成されたものであることを特徴と
    する請求項1に記載の凍結破損防止型液体用管。
  4. 【請求項4】前記膨張吸収層は、前記液体の体積膨張に
    応じて押し潰される多数の独立気泡を有するものである
    ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の凍
    結破損防止型液体用管。
  5. 【請求項5】前記管本体は、内部で凍結した液体を解凍
    するための加熱体をさらに備えることを特徴とする請求
    項1乃至4のいずれかに記載の凍結防止型液体用管。
  6. 【請求項6】請求項1乃至5のいずれかに記載の凍結防
    止型液体用管を用いて構成したことを特徴とする水道管
    システム。
  7. 【請求項7】加熱すべき水を給水管により加熱体に供給
    し、加熱済の水を給湯管から取り出すようにした温水器
    システムにおいて、前記給水管及び前記給湯管を請求項
    1乃至4のいずれかに記載の凍結防止型液体用管によっ
    て構成したことを特徴とする温水器システム。
JP2002053633A 2002-02-28 2002-02-28 凍結破損防止型液体用管およびそれを用いた水道管システム並びに温水器システム Pending JP2003254629A (ja)

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10354826A1 (de) * 2003-11-24 2005-06-23 Robert Bosch Gmbh Zumeßventil
US7581530B2 (en) 2003-12-17 2009-09-01 Robert Bosch Gmbh Support element
JP2010138645A (ja) * 2008-12-12 2010-06-24 Hokkaido Railway Co 橋脚用排水管
CN103542562A (zh) * 2013-10-29 2014-01-29 武汉易辰科技有限公司 一种平板太阳能热水器的防冻方法
CN111121316A (zh) * 2019-12-27 2020-05-08 湖南湘麓新能源科技有限公司 一种太阳能热水器防冻装置

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