JP4442749B2 - 雨水排水構造 - Google Patents

Description

本発明は、サイフォンの原理を用いて雨樋又はドレンに溜まった雨水を排水する、雨水排水構造に関するものである。

従来、サイフォンの原理を利用した雨水排水構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１においては、樋に落し口を設け、落し口内部のみにおけるサイフォン作用によって排水の流量を増大させる構造としている。

ここでサイフォンの原理とは、液体が管内を略満水状態で落下する際に、該液体の上流側に吸引作用を生じさせる原理のことをいう。このため、サイフォンの原理を利用した雨水排水構造においては、より上流の雨水を吸引する作用により円滑な雨水の排水ができ、かつ排水管の口径の小型化や、排水管の数の削減を実現することができる。

特開平９−１１１９７２

しかしながら、サイフォンの原理による雨水排水構造を実施する上では、下記のような課題が残されている。

１．排水管の勾配を逆勾配にしたり、排水経路中に防臭や防虫等の目的で水封トラップを設けた場合に、逆勾配部分や封水トラップに滞留する雨水が障害となって、管路中の空気が下流へ移動しないため、新たな雨水が管路に進入することができず、サイフォンの作用が開始されない場合がある。しかし、前記特許文献では、この問題に対する検討がなされていない。

２．特許文献１によれば、落し口に溜まった雨水の存在によってサイホン作用を得、排水能力が向上するとしているが、この仕組みが降雨中継続するためには、排水管の排水量Ｑ１と、当該落し口に集められる雨水量Ｑ２が等しくなければならない。なぜなら、Ｑ１がＱ２よりも小さければ、樋から雨水が溢れだしてしまって樋としての役目を果たせず、Ｑ１がＱ２よりも大きければ、落し口に流れ込んだ水は、直ちに排水管へ流れ込むのであって、落し口には滞留しない。ところが、実際には、Ｑ２は降雨量によって変動するため、Ｑ１と等しくなることは皆無である。すなわち、樋から雨水を溢れさせずに、特許文献１で主張するように落し口に水を溜め、その水深を利用してサイホン排水することはできないのである。

また、前記特許文献では、実験の一例が示されているだけで、他の実施形態における流量計算方法（汎用的な流量計算式）等は開示されてない。（特許文献の明細書に記載のＣ＝２．３１という値は、実験で得られた流量を従来のサイフォンの原理によらない場合の流量計算に用いられていたトリチェリの公式に当てはめて逆算したものである。これはあくまでも、ある特定の条件での値であって、落し口を有する全ての樋構造に当てはまるものではない。）また、実際には落し口にはある程度の管長を持つ排水管が接続され、該排水管部分においてもサイフォンの作用が働き、該排水管の設置高さや管長が流量に影響を与えるが、これらについても言及がない。よって本技術だけでは、雨水排水設計（排水管の適正な口径やピッチの検討）ができない。

そこで本発明は、上記のような従来技術での未解決の課題を解決し、サイフォンの原理を確実に利用できる雨水排水構造や、サイフォンの原理の効果を最大限に活用した、実用性のある雨水排水設計法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するための本発明に係る第１の手段として、雨水を溜める水溜り部に設けられた排水口と、前記排水口から雨水を排出する為の排水管とを有し、サイフォンの原理を利用して排水を行なう雨水排水構造において、前記水溜り部の高さは、前記排水管に設けられる水封トラップを含む１又は複数の逆勾配部の高さの総和よりも高いことを特徴とする。前記水溜り部の高さは、排水管の逆勾配部（水封トラップを含む）に溜まった水を押出すために必要な水頭の総和よりも高いため、管路内の空気は予め排水管内に溜まった雨水の水頭圧により下流方向へ押出される。そして、排水管内が略満水状態となり、サイフォンの原理による排水をすることができる。

また本発明に係る第２の手段として、雨水を溜める水溜り部に設けられた排水口と、前記排水口から雨水を排出する為の排水管とを有し、サイフォンの原理を利用して排水を行なう雨水排水構造において、前記排水管には、最下流側に逆勾配部が設けられると共に、該前記排水管の最下流側であって且つ逆勾配部の上流側から大気と連通する通気部が設けられていることを特徴とする。この場合、排水口から雨水が排水管へ入ると同時に、予め排水管内に入っていた空気が前記通気部から抜けるため、より早く排水管内を略満水状態にすることができる。

また本発明に係る第３の手段として、雨水排水構造において、前記通気部の大気開放端を、前記水溜り部で前記排水口よりも高い位置に構成し、前記大気開放端にまで雨水が溜まった時、該大気開放端へ雨水を吸引することを特徴とする。この場合、雨量が特に多く前記大気開放端にまで雨水が溜まると、前記大気開放端から前記通気部にも雨水が吸引されることで、通気部が雨水の排水する機能を併せもつようになる。

本発明の第１の手段によれば、前記水溜り部の高さは、排水管の逆勾配部（水封トラップを含む）に溜まった水を押出すために必要な水頭の総和よりも高いため、管路内の空気は予め排水管内に溜まった雨水の水頭圧により下流方向へ押出される。そして、排水管内が略満水状態となり、サイフォンの原理による排水をすることができる。

本発明の第２の手段によれば、排水口から雨水が排水管へ入ると同時に、予め排水管内に入っていた空気が前記通気部から抜けるため、より早く排水管内を略満水状態にすることができる。このため、よりサイフォンの原理による排水が起こりやすくなる。

本発明の第３の手段によれば、雨量が特に多く前記大気開放端にまで雨水が溜まると、前記大気開放端から前記通気部にも雨水が吸引されることで、通気部が雨水の排水する機能を併せもつようになる。このため、より排水能力が高くなる。

図を用いて発明を実施するための形態を説明する。図１は実施例１の雨水排水構造の説明図であり、図２は水溜り部のバリエーションを示す図であり、図３は実施例２の雨水排水構造の説明図であり、図４は実施例３の雨水排水構造の説明図であり、図５は実施例４の雨水排水構造の説明図である。

本発明の実施例１について詳細に説明する。

図１に示すように、本発明の雨水排水構造は、家屋の屋根の側面に付帯され雨を受ける雨樋３と、雨樋３に溜まった雨水を下流へ流す排水管２と、臭気や小動物を防ぐ水封トラップ１と、から構成される。以下、水封トラップ１、排水管２、雨樋３について詳細に説明する。

（水封トラップ１）
家屋の排水としては、雨水のみならず汚水や雑排水の下水があり、これらの排水を合流させて排水する場合がある。この場合、そのまま排水管２を合流させてしまうと、下水の臭気や、配管中の小動物が排水管２を通り、雨樋３から臭気や小動物が出るといった不具合がある。

これを防止するため、例えば排水管の中途にＵ字状の部分を形成し、意識的に水が溜まるように構成（封水という）する。これが水封トラップ１である。水封トラップ１を構成することで、下水の臭気や小動物の排水管２への侵入を封水により遮断する。尚、水封トラップ１の封水の高さＨ１は、一般的に５０〜１００ｍｍに設定する。

（排水管２）
排水管２には、５０ｍｍ以下の小口径の管を使用する。これにより、速やかな管内を満水にし、より早くサイフォンの原理による排水を実現することができる。また、小口径の管を使用し排水立管のスペースが小さくてすむため、屋内にも排水管２を容易に隠蔽することができる。

また、排水管２の材質としては、硬質塩ビ管や金属管等からなる剛性を持った直管や、可撓性を持ったフレキシブル管等を利用することが可能である。特に、フレキシブル管を使用すると、家屋の内部スペースの形状に合わせることが可能となる。

（雨樋３）
雨樋３は、雨を溜めるための水溜り部３ａと、水溜り部３ａの下端の排水口３ｂとを有する。排水口３ｂは排水管２に繋がっており、水溜り部３ａに溜まった雨水が排水口３ｂから排水管２へ排出される。また、排水口３ｂには土砂や落葉等の異物が混入しないようにフィルター10が設置される。

水溜り部３ａの構造としては、図１に示す軒樋を水溜り部とする構成の他、図２（ａ）に示すように、雨樋よりも深さのある別体の水溜り部を雨樋に付帯した構成としたり、図２（ｂ）に示すように軒樋を水溜り部３ａとして排水口３ｂを側面の最下端に形成したり、図２（ｃ）に示すようにほぼ水平な陸屋根や、ベランダのの排水口周囲を部分的に凹ませて水溜り部３ａとしてもよい。

（水溜り部３ａの高さＨ）
ここで、水溜り部３ａの高さＨについて詳細に説明する。本発明においては、水溜り部の高さＨを、水封トラップ１がある場合には、少なくとも封水の高さＨ１よりも大きくとる。これは、水封トラップ１に溜まった封水が該水封トラップ１を乗り越え、雨樋３に溜まって排水管２に進入する水塊と該封水との間の空気を下流側へ押し出すための水頭圧が必要となるためである。

また、水封トラップ１の有無に関わらず、排水管２を構成する際に、特にフレキシブル管を使用して家屋の内部スペースの形状に合わせた場合、管の上流側が下流側よりも低くなるという逆勾配が存在することもある。この場合、サイフォンの原理による排水を行った後において、逆勾配の高さＨ２だけ、水が溜まる。

すると、逆勾配部に溜まった水が前記逆勾配を乗り越えるためには、逆勾配の高さＨ２以上の水頭圧が必要となる。このように、排水管２に逆勾配がある場合には、水溜り部の高さＨを、（封水の高さＨ１）＋（逆勾配の高さの総和）にしなければならない。尚、図１の場合は逆勾配が１箇所のみ存在するので、Ｈ≧Ｈ１＋Ｈ２と構成する必要がある。

（排水時の流れ）
雨量が多く、雨樋３内に、封水の高さと排水管２内の逆勾配の高さの総和より多く雨水が溜まると、雨水の水頭圧が排水管２内の空気を下流方向に押し出して、排水管２内を雨水で略満水状態にする。するとサイフォンの原理により、排水管２の上方に位置する雨水の位置エネルギーを利用して次々と雨水を排水管２内に吸引することができる。このため、本発明の雨水排水構造は高い排水能力を発揮する。

このように満水で排水管を移動する排水の流量を計算する方法はいくつかあるが、次に示すヘーゼン−ウィリアムスの式によれば、上記と同じ管径５０ｍｍの横引きのない排水管で高さを３ｍとすれば、１３．７Ｌ／ｓの排水能力を持つことがわかる。

ここで、ヘーゼン−ウィリアムスの式とは、Ｑ：流量（Ｌ／ｓ）、Ｃ：流速係数・・・１３０程度、ｄ：管径（ｍ）、Ｉ：動水勾配（ｋＰａ／ｍ）としたとき、
Ｑ＝４．８７Ｃｄ^２．６３Ｉ^０．５４×１０^３／６０
にて表される。

一方、サイフォンの原理によらない場合、同じ条件でトリチェリの公式を用いて流量を計算すると、水深１０ｃｍのときＱ＝１．７５となる。

上記のように、サイフォンの原理による雨水吸引作用を、雨水排水設計に活かせば、排水管の数を減らすことができ、またサイフォンの原理を用いない場合と同本数であれば小口径の排水管を採用することができる。具体的には、雨水排水設計時に、前記雨水吸引作用をもとに排水管１本当たりの流量を算出し、前記排水管の数や配置を決定すればよい。

この設計法では、排水経路に横引き部分があると、動水勾配Ｉが小さくなるため、流量Ｑが減ることとなる。例えば、排水管の立ち上がり高さ（３ｍ）と同じ横引き長さがあるとすると、動水勾配Ｉは９．８ｋＰａ／ｍ→４．９ｋＰａ／ｍとなり、流量Ｑは９．４Ｌ／ｓとなる。しかし、なおサイフォンの原理を用いない場合に比べ数倍の流量を見込むことができるため有用である。

排水管内の流れは、雨量に応じ次のように変化する。（１）雨量が少ないときはサイフォンは発生せず、排水管の排水能力も高くないが、排水すべき雨水量もまた少ないため、何の問題もない。（２）雨量が多くなり、排水口に集まる水が多くなると、排水管内を水塊が落ちるようになってサイフォン作用が発生して排水能力が急激に高くなり、排水口付近の雨水は全て排水され、サイフォンは終了する。（３）雨量がより多くなると、（２）で述べたサイフォン作用の終了から、次の発生までの間隔が短くなり、ついにはサイフォンが継続する。ただし、排水管内は特許文献１が述べるような「気泡を含まない真空状態」ではなく、気泡と水が混在する「スラグ流」である。（４）雨量がさらに多くなると、スラグ流の水の割合が次第に増し、全てが水となるまで、排水能力はさらに高くなる。以上のように、サイフォン排水では雨水の量により必要に応じた排水性能を発揮することができる。従って、予め、サイフォンの原理による最大の排水能力をもとに、排水管の数や配置を決定すれば、合理的な雨水排水設計ができる。

なお、雨量が少なく排水管２を完全に満水にするほどの雨水量が得られない場合でも、前述（１）〜（４）のように雨水量に応じて排水能力も変化するため、十分な排水性能を確保することはできる。

以上のように、本発明は、簡易な構成で、かつ雨水の量により必要に応じた排水性能を発揮する雨水排水構造を提供することができる。

本発明の実施例２について詳細に説明する。実施例２においては排水管２内の空気を逃がすための通気管（通気部）を付帯する。実施例１と同様の構成については同符号を付すことで説明を省略する。

実施例１のように、排水管２内に通気管がない構成の場合、雨樋３に溜まった雨水が排水口３ｂに入って水塊が形成されると、該水塊は排水管２内を流れにくくなる。これは前記水塊がその位置エネルギーにより排水管２内を流下しようとしても、予め排水管２内に入っていた空気の逃げ場がないため、流下しにくくなるからである。このため、この予め溜まった空気を押出す水頭圧を得るまでは、水塊が流下しなかった。

そこで図３に示すように、実施例２の雨水排水構造においては、排水管２の最下流側でかつ水封トラップ１の上流側から、屋外に通じている通気管４を付帯する。

（排水時の流れ）
通気管４を付帯したことにより、雨樋３に溜まった雨水が排水管２内へ進入するときに、排水管２内に既に溜まっていた空気が通気管４を通って排出される。このため、雨樋３に溜まった雨水が排水口３ｂに入って水塊が形成されても、水塊が流下する際に、通気排水管５から排水管２内の空気が逃げることができ、より円滑に排水をすることができる。

本発明の実施例３について詳細に説明する。実施例３においては実施例１の構成に加えて、排水管２と雨樋３とを連通させて通気排水管を付帯する。実施例１と同様の構成については同符号を付すことで説明を省略する。

図４に示すように、実施例３の雨水排水構造においては、排水管２と雨樋３とを連通した通気排水管５を付帯する。また、通気排水管５の最上流の開放端５ｂは雨樋３の排水口３ｂよりも高い位置に付帯しており、最下流の一端は水封トラップ１よりも上流側の排水管２に合流している。合流部以降の排水管は管径が大きくなっており、排水の流れを妨げないようになっている。尚、開放端５ｂには、雨水中の土砂や落葉等の異物が混入しないようにフィルター11が設置される。

（排水時の流れ）
このように、排水管２と雨樋３とを通気排水管５で連通することにより、排水時の流れは、雨量の多さに応じて、以下のようになる。

雨量が少ない場合、上流端が上方に位置する通気排水管５が通気管として作用する。このため、実施例２と同様に雨樋３に溜まった雨水が排水口３ｂに入って水塊となっても、水塊が流下する際に、通気排水管５から排水管２内の空気が逃げるため、円滑に排水をすることができる。また、速やかに排水管２を満水にすることで、より早くサイフォンの原理を利用した排水を行うことができる。

雨量が多い場合、排水管２を満水にした雨水には、サイフォンの原理を利用した排水が行われる。このとき、排水管２内の雨水は高速で流下し、通気排水管５との合流部を通過する。すると、合流部はベルヌーイの定理によって負圧になる。このため、雨がより多くなって、雨樋３の開放端５ｂの高さまで雨水が溜まると、通気排水管５は通気のための手段ではなく、排水のための手段となり、排水管２と通気排水管５の２本で排水を行うことができる。このように、より排水性能の高い雨水排水構造を実現することができる。

尚、本実施例においては、排水管２と通気排水管５との２本のみを使用した例を説明したが、これに限るものではなく、より多い排水管を使用することもできる。

また、本実施例においては、通気排水管５の大気開放する側の端部を、排水管２の端部と同じ雨樋３内に設置することにしたが、これに限るものではなく、通気排水管５の大気開放する端部を排水管２と離れた雨樋に設置することとしてもよい。この場合、離れた雨樋では、同時に水塊が、排水管２と通気排水立管５とに流れ込むことはないと考えられるので、互いの上流端に上下差を設ける必要はない。

本発明の実施例４について詳細に説明する。実施例４においては、排水管２内の空気を逃がすための通気桝を付帯する。前述の実施例と同様の構成については同符号を付すことで説明を省略する。

図５に示すように、実施例４の雨水排水構造においては、排水管２の最下流側でかつ水封トラップ１の上流側に、通気桝６を付帯する。通気桝６の上端には、穴が形成されているため、排水口３ｂから雨水が排水管２内に流れ込むと、予め排水管２内に溜まっていた空気は通気桝６の穴から逃げる。このため、速やかに排水管２を満水にし、より速くサイフォンの原理を利用した排水を行うことができる。実施例４において、排水時の流れは実施例２と同様であるので省略する。

本発明は、サイフォンの原理を用いて雨樋に溜まった雨水を排水する、雨水排水構造に利用することができる。

実施例１の雨水排水構造の説明図。 水溜り部３ａのバリエーションを示す図。 実施例２の雨水排水構造の説明図。 実施例３の雨水排水構造の説明図。 実施例４の雨水排水構造の説明図。

Ｈ …水溜り部の高さ、Ｈ１ …封水の高さ、Ｈ２ …逆勾配の高さ、
１ …水封トラップ、
２ …排水管、
３ …雨樋、３ａ …水溜り部、３ｂ …排水口、
４ …通気管
５ …通気排水管、５ｂ …開放端、
６ …通気桝、
10 …フィルター、11 …フィルター

Claims (3)

1. 雨水を溜める水溜り部に設けられた排水口と、前記排水口から雨水を排出する為の排水管とを有し、サイフォンの原理を利用して排水を行なう雨水排水構造において、
   前記水溜り部の高さは、前記排水管に設けられる水封トラップを含む１又は複数の逆勾配部の高さの総和よりも高い
   ことを特徴とする雨水排水構造。
2. 雨水を溜める水溜り部に設けられた排水口と、前記排水口から雨水を排出する為の排水管とを有し、サイフォンの原理を利用して排水を行なう雨水排水構造において、
   前記排水管には、最下流側に逆勾配部が設けられると共に、該前記排水管の最下流側であって且つ逆勾配部の上流側から大気と連通する通気部が設けられている
   ことを特徴とする雨水排水構造。
3. 請求項２に記載の雨水排水構造であって、
   前記通気部の大気開放端を、前記水溜り部で前記排水口よりも高い位置に構成し、
   前記大気開放端にまで雨水が溜まった時、該大気開放端へ雨水を吸引する
   ことを特徴とする雨水排水構造。

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