JP2021193312A - 止水プラグ - Google Patents

Abstract

【課題】中空チューブを用いた止水プラグで中空チューブへの圧力流体の注入時間を短時間にすることができ、しかも止水しようとする配管に中空チューブを挿入するときに損傷が生じにくい構造の止水プラグを提供する。【解決手段】円筒状の芯管１と、圧力流体を注入することにより拡張する収縮可能な材料で形成された中空チューブ２と、芯管の左右両側の端面にそれぞれ取り付けられる環状プレート５ａ，５ｂとを備えた止水プラグであって、環状プレートの外径は芯管の外径より大径で、かつ、中空チューブに圧力流体が注入された拡張状態のチューブ外径より小径であるとともに圧力流体が排出された収縮状態のチューブ外径より大径であり、中空チューブの径方向の拡張幅が５０〜１５０ｍｍとした止水プラグ構造。【選択図】図１

Description

本発明は、建築用配水管や上下水道管などの配管を一時的に止水するために使用する止水プラグ（止水ボールまたは止水栓ともいう）に関する。

建築用配水管や上下水道管などの配管の一部を取り替えたり、マンホール内で作業したりするときに、工事区間の配管を一時的に止水する必要がある。この止水用のプラグとして、円柱状（袋状）のゴム製チューブを用いたもの（特許文献１参照）や、金属製の円形フランジにより円柱状チューブの両端を支えるようにしたもの（特許文献2参照）がある。これらの止水プラグは、マンホール等から持ち込んで配管の止水すべき箇所に挿入し、エアや水などの圧力流体で円柱状の中空チューブを拡張させて配管内壁に密着させ、管内を閉塞するようにして使用される。

また、下水管の取り替え工事等において、配管内の流水を完全に停止させないで工事を行いたい場合がある。このような場合、作業を行う工事区間を間に挟んでその上流側と下流側とに止水プラグをそれぞれ取り付けるとともに、これらの止水プラグ間にバイパス流路を接続して流水を継続させるバイパスタイプの止水プラグも使用されている。

バイパスタイプの止水プラグとしては、例えば特許文献３に記載されたものがある。
この止水プラグは、図５に示すように、流水を通過させるバイパス流路の一部となる円筒状の芯管１１と、芯管１１の両端外周に固定される金属製のフランジ１３、１４と、環状のゴム製中空チューブ１２とが、インサート成型により一体に結合された状態で成形されている。

使用時には、工事区間を挟んでその上流側と下流側の配管Ｂ内に止水プラグをそれぞれ挿入し、フランジ１３に設けた注入口１５から圧力流体を中空チューブ１２内に注入することにより中空チューブ１２を拡張（膨張）させて配管Ｂに圧接させるようにして取り付ける。そして、上流側と下流側の止水プラグの接続口１６にバイパス管を接続してバイパス流路を設ける。

この接続口１６の口径および接続口１６に接続するバイパス管の管径は、工事区間の作業スペースがバイパス管によって占拠されないようにするため、流水を通過させる上で支障のない範囲で小径にしてあり、接続口１６に続く芯管１１の径についてもバイパス管と同程度の管径にするようにしている。

特開平１１−８２８６４号公報 実用登録３２１６７８５号公報 特開２０１８−１９４０２０号公報

止水しようとする下水管等には、２００ｍｍ〜５００ｍｍ程度の比較的小径の配管もあれば、人が中に入って作業するような大径の、例えば内径が５００〜１８００ｍｍ、さらには３０００ｍｍ、５０００ｍｍといった大きなサイズの配管もある。
バイパスタイプの止水プラグについては、上述したように工事区間の作業スペースをできるだけ広く確保する観点から、また、マンホール内へ搬入のしやすさの観点から、これまではバイパス流路の接続口および芯管の径を、止水する配管径に比べて十分に小径にしていた。

しかしながら、チューブ外周面が配管壁から離れている拡張前の萎んだ状態から、配管壁に密着させた拡張後の膨れた状態になるまでのチューブの拡張体積は、止水プラグのチューブ外径が大きくなるにつれて増大するようになり、大量の圧力流体を注入して拡張させなければならず、圧力流体の注入に時間を要することになる。

圧力流体の注入時間を短縮するにはチューブの拡張体積を減らすことが必要であるが、拡張体積を減らすために芯管の径を大径にし、止水しようとする配管の径に近づけていくと、止水プラグを配管の止水位置に挿入する際にチューブ外周面と配管内壁との隙間が小さくなり、チューブと配管内壁との接触によりチューブ外周面が損傷してしまうおそれがある。

一方、安定した止水性を維持するには、チューブ内に注入する圧力流体の内圧を高圧にするほどよいが、内圧が高くなるとチューブに生じる応力が増大してバーストするおそれが高まることになるので、できるだけチューブに生じる応力を小さく抑えることができるチューブ形状（寸法）にすることが望ましい。

したがって、圧力流体の注入時間の観点からすれば芯管の直径を大径にする方が望ましいが、それだけでなくバーストが生じにくいという安全上の問題も考慮して芯管の径を決定する方がさらに望ましい。すなわち、圧力流体の注入によってチューブに生じる応力を小さくするにはどのようにすればよいか、具体的にはチューブの内外周幅（すなわち拡張幅）をどのようにすればチューブに生じる応力を小さくできるかを考慮した上で、芯管の外径、チューブの内外周幅（拡張幅）が最適となるように決定することが望ましい。

本発明は、止水プラグのチューブに注入する圧力流体の注入量をできるだけ少なくすることで注入時間を短縮することができ、しかも圧力流体を注入したときにバーストが生じにくい形状（寸法）のチューブを用いた止水プラグを提供することを目的とする。

また、本発明は、芯管の外周にチューブを取り付ける止水プラグでありながら、チューブを傷つけることなく配管内の止水位置に搬入して装着することができる止水プラグを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明では次のような技術的手段を講じた。即ち、本発明の止水プラグは、円筒状の芯管と、前記芯管の外周面に取り付けられ、注入口より圧力流体を注入することにより拡張する収縮可能な材料で形成された中空チューブと、前記芯管の左右両側の端面にそれぞれ着脱自在に取り付けられる環状プレートとを備えた止水プラグであって、前記各環状プレートの外径は前記芯管の外径より大径で、かつ、前記中空チューブに圧力流体が注入された拡張状態のチューブ外径より小径であるとともに圧力流体が排出された収縮状態のチューブ外径より大径であり、前記中空チューブは前記左右の環状プレートの間に挟まれるように配置され、前記中空チューブの径方向の拡張幅が５０〜１５０ｍｍにしてある。

本発明によれば、止水プラグは、芯管、中空チューブ、芯管の左右端面に取り付ける環状プレートにより構成される。環状プレートの外径は、芯管の外径より大径で、かつ、中空チューブに圧力流体が注入された拡張状態のチューブ外径より小径であるとともに圧力流体が排出された収縮状態のチューブ外径より大径となるようにしてあるので、配管の止水位置に止水プラグを挿入する際には、中空チューブを収縮状態にして環状プレート外径より中空チューブを小径にした状態で挿入することができるようになり、たとえ（芯管の径を大きくするために）配管の内壁と芯管との間隙を小さくしても、環状プレートによって中空チューブと配管壁とが接触しないようにガードされながら挿入することができる。そして中空チューブが止水位置にセットされた状態で圧力流体を注入することでチューブ外径を環状プレートよりも大径になるように膨らませることで中空チューブを配管壁に圧接することができる。

このようにすることで、中空チューブを圧接させるために必要な中空チューブの拡張幅（止水時の中空チューブの内外周差）を５０〜１５０ｍｍ程度に抑えることができ、中空チューブの拡張体積を小さく抑えることができるようになり、圧力流体の注入時間を短縮できる。

そして、環状の中空チューブに圧力流体を注入したときに当該チューブに生じる応力の最大値は、後述する解析計算により拡張幅に比例することが確認できたので、芯管を大径にし、中空チューブの拡張幅を小さくしても、従来の芯管が小径である場合よりもバーストが生じやすくなることはなく安全上の問題も生じない。

また、前記環状プレートの一方に、前記芯管の外径より小径のバイパス流路接続用の接続口が取り付けられるようにしてもよい。
これにより、止水プラグに接続するバイパス管の管径を小さくすることで、作業スペースを十分に確保することができる。
また、前記芯管の一端面に、前記環状プレートに代えて開口を閉止する閉塞板が取り付けられるようにしてもよい。

本発明の一実施例である止水プラグの分解斜視図。 上記止水プラグの断面図で配管内に装着した状態を示す図。 中空チューブに生じる最大応力σmaxと中空チューブの拡張幅aとの関係についての解析計算結果を示した図。 本発明の他の使用形態で用いる閉塞板を示す斜視図。 従来の止水プラグの一例を示す図。

以下において、本発明の止水プラグの詳細を実施例に基づき説明する。図１並びに図２は、本発明の一実施例であるバイパスタイプの止水プラグの構成を示す図である。

本実施例の止水プラグＡは、円筒形状であって金属製または樹脂製の芯管１と、この芯管１の周りに着脱自在に装着されていてエアや水などの圧力流体を注入することにより拡張する収縮可能な管状の中空チューブ２とを備えている。中空チューブ２は、耐圧性に優れた弾性を有する伸縮および収縮可能な天然または合成ゴム、又は、樹脂をコーティングした収縮可能な布材、又は、これらの材料を組み合わせた複合材料により作成され、圧力流体を注入するための注入口２ａを備えている。なお、説明の便宜上、図１では中空チューブ２は膨らませた状態で図示し、図２では萎ませた状態を実線、膨らませた状態を二点鎖線で図示している。

中空チューブ２は圧力流体（例えば水）を注入して膨らませた状態で径方向に厚みを有する円筒状のものが用いられ、膨らませた状態での内径と外径との差（内外周幅、拡張幅ともいう）が５０〜１５０ｍｍとなるようにしてある。なお、止水可能にするため、中空チューブ２を膨らませた状態でのチューブ外径は、止水対象の配管Ｂ（図２参照）の内壁に圧接できる寸法のもの（配管Ｂの内径より大きくなる）が用いられることは言うまでもない。また、本発明の止水プラグは配管Ｂの内壁が２００ｍｍ以上のものに使用される。

中空チューブ２の内径は、圧力流体を注入して膨らませた状態では芯管１が圧接されるようにしてあり、膨らませた状態では芯管１からは外れないが、萎ませた状態にすると外せるようにしてある。

本実施例では、芯管１は、アルミ材を用いて押出成形により形成してあり、軸方向に沿って４本の厚肉部３が形成してある。厚肉部３には芯管１の左右端でビスを受ける４つのビス孔９が形成してある。また、注入口２ａが貫通するための孔４も加工してある。

芯管１の左側の端面には環状プレート５ａと、接続口６とが着脱自在に取り付けられ、右側の端面には環状プレート５ｂが着脱自在に取り付けられる。環状プレート５ａには８つのビス孔が形成され、環状プレート５ｂには４つのビス孔が形成されている。環状プレート５ａの８つのビス孔のうち４つのビス孔と、環状プレート５ｂの４つのビス孔とは芯管１の４つのビス孔９の位置にビス止めできるように形成してあり、環状プレート５ａの８つのうち残り４つのビス孔は、バイパス用の接続口６に設けた４つのビス孔にビス止めできるように形成してある。
そして、芯管１と環状プレート５ａ、５ｂとの間にはパッキン７、７を介在させ、環状プレート５ａと接続口６との間にはパッキン８を介在させることにより止水できるようにしてある。

環状プレート５ａ、５ｂの外径は、芯管１の外径よりも大径にしてあり、中空チューブ２は環状プレート５ａ、５ｂで挟まれることにより、芯管１に対する軸方向の移動が制限されるようにしてある。

さらに、環状プレート５ａ、５ｂの外径は、中空チューブ２に圧力流体が注入され膨らんだ状態のチューブ外径より小径であり、しかも、圧力流体が排出されて収縮状態になったときのチューブ外径より大径となるようにしてある。また、環状プレート５ａ，５ｂの外径は配管Ｂの内壁より小さくなるようにしてある。

止水プラグＡの芯管１の外径、中空チューブ２の拡張幅（内外周幅）、環状プレート５ａ，５ｂの外径が上述した関係となるようにしておくことで、止水プラグＡを配管Ｂに取り付ける際に、中空チューブ２を萎んだ状態で配管Ｂに挿入すれば、環状プレート５ａ，５ｂによって中空チューブ２はガードされながら挿入することができるようになる。そして止水位置にセットした状態で注入口２ａから圧力流体を注入することにより、中空チューブ２は膨らんだ状態になり、配管Ｂの内壁、および、芯管１を圧接するようになる。

なお、中空チューブ２を取り付ける止水位置での配管Ｂの表面の凹凸状態によっては、先に中空チューブ２だけを萎んだ状態で配管Ｂの止水位置にセットし、後から芯管１や環状プレート５ａ，５ｂをその場で組み付けるようにすることで、配管Ｂに中空チューブ２を挿入するときの接触による損傷を確実になくすようにすることもできる。

ところで芯管１の外径および中空チューブ２の拡張幅についての好適なサイズは、中空チューブ２への圧力流体の注入時間をできるだけ短時間で済ますことができるようにする観点とともに、バースト防止のため圧力流体を注入したときに中空チューブ２に生じる応力をできるだけ小さくなるようにする観点で決定することが望ましい。このうち前者の注入時間の短縮については、中空チューブ２を配管Ｂに密着させる上で支障がない範囲で芯管１の直径（外径）をできる限り大径にすればよいが、後者の中空チューブ２に生じる応力を小さくする点については、実験または応力解析によって決定する必要がある。

そこで、環状の中空チューブ２に生じる応力解析計算を行った。すなわち、図１、図２に示すように、配管壁Ｂと芯管１とで挟まれた状態の中空チューブ２に加わる最大応力（軸線に沿った接線方向の応力σｔ、周方向に沿った接線方向の応力σθ）と、中空チューブ２の外径と内径との差ａ（中空チューブ２の拡張幅ａ）との関係について解析計算を行った。

解析計算は、有限要素法（Ｍａｒｃ Ｍｅｎｔａｔ２０１２）を用い、図２に示す環状の中空チューブ２を解析した。
解析計算は、シェル要素モデルを採用し、固定条件として芯管１の一端側を閉塞板で閉じ、その上流側の水圧を０ＭＰａ、中空チューブ２内の内圧を１ＭＰａとした。また、芯管１の外径φを５００ｍｍ、中空チューブ２と芯菅１および配管壁Ｂとが接触している軸方向長さを５００ｍｍ、中空チューブ２の肉厚を１ｍｍ、摩擦係数を０．３とした。また、中空チューブ２の端部の形状は半円形であり、その半径ｒはｒ＝ａ／２である。そして、中空チューブ２のヤング率を３．４ＧＰａ、ポアソン比を０．３とした。
そして、中空チューブ２の拡張幅ａを１００ｍｍ、１５０ｍｍ、２００ｍｍとして変化させたときの軸線に沿った接線方向の応力σｔ、周方向に沿った接線方向のσθを算出した。

その結果、図３に示すように、最大応力はσｔ、σθのいずれも、拡張幅ａに比例して大きくなることがわかった。したがって、圧力流体の注入時間の短縮化の観点だけでなく、中空チューブ２に生じる応力を小さくする観点からも、芯管１を大径にして中空チューブ２の拡張幅ａを小さくする方が好ましいことがわかった。

以上のことから、配管壁に中空チューブ２を密着させるために支障のない範囲（壁面に凹凸等があっても影響を受けずに密着できる範囲）で拡張幅ａを小さくすればよいことになる。

建築用配水管や上下水道管等の配管で、作業を行うために止水しなければならない配管の内径は２００〜５０００ｍｍ程度であり、そのような径の配管であれば内周面に凹凸があったとしても拡張幅ａを５０ｍｍ〜１５０ｍｍ程度、好ましくは１００ｍｍ程度残すようにすれば十分であり、したがって配管内径から拡張幅５０ｍｍ〜１５０ｍｍ程度を差し引いた残りを芯管１の直径にするようにすれば、好ましい止水プラグにすることができることになる。

次に止水プラグＡの使用方法について説明する。図２は配管Ｂ内で止水プラグＡを組み付けた状態を示す。上流側と下流側の配管Ｂ内で組み付けられた止水プラグの各接続口６にフレキシブルなバイパス管１３を接続してバイパス流路を形成するとともに、中空チューブ２に圧力流体としての水を注入して拡張させ、配管Ｂの内面に密着させて止水する。工事終了後は各部材を解体して配管から取り出す。

このように、本発明の止水プラグによれば、無理な搬入、搬出による中空チューブの損傷もなくなり、使用中のバーストの発生を未然に防止することができる。また、芯管の直径を大きくすることで中空チューブの拡張させる体積（拡張幅）を小さくしているので、比較的少量の圧力流体の注入による少しだけの拡張で中空チューブを配管内面に密着させることが可能となり、止水に要する圧力流体の注入時間を短縮することができる。なお、接続口の径を芯管の直径より小径にすることで必要な流水量に応じたバイパス流路にすることができ、また、扱いやすい小径のフレキシブル管を接続することができる。これにより芯管の径は太くしても、接続口およびバイパス管は従来と同様の管径にすることができるので、工事区間の作業スペースが占拠されてしまうこともない。

以上、本発明の代表的な実施例について説明したが、本発明は必ずしも上記の実施形態に特定されるものではない。
上記実施例では、本発明をバイパスタイプの止水プラグに応用した例を示したが、図４に示す閉塞板１０により、芯管１の一端面を完全に閉塞して、完全封鎖用の止水プラグとして形成することもできる。
その他本発明では、その目的を達成し、請求の範囲を逸脱しない範囲内で適宜修正、変更することが可能である。

本発明は、建築用配水管や上下水道管などの配管を一時的に止水する止水プラグとして利用することができる。

Ａ 止水プラグ
Ｂ 配管
１ 芯管
２ 中空チューブ
２ａ 注入口
３ 厚肉部
５ａ 環状プレート
５ｂ 環状プレート
６ 接続口
７ パッキン
８ パッキン
１０ 閉塞板

Claims (3)

1. 円筒状の芯管と、
   前記芯管の外周面に取り付けられ、注入口より圧力流体を注入することにより拡張する収縮可能な材料で形成された中空チューブと、
   前記芯管の左右両側の端面にそれぞれ着脱自在に取り付けられる環状プレートとを備えた止水プラグであって、
   前記各環状プレートの外径は前記芯管の外径より大径で、かつ、前記中空チューブに圧力流体が注入された拡張状態のチューブ外径より小径であるとともに圧力流体が排出された収縮状態のチューブ外径より大径であり、
   前記中空チューブは前記左右の環状プレートの間に挟まれるように配置され、
   前記中空チューブの径方向の拡張幅が５０〜１５０ｍｍである止水プラグ。
2. 前記環状プレートの一方に、前記芯管の外径より小径のバイパス流路接続用の接続口が取り付けられる請求項１に記載の止水プラグ。
3. 前記芯管の一端面に、前記環状プレートに代えて開口を閉止する閉塞板が取り付けられる請求項１に記載の止水プラグ。
   
   
   

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