JP5228127B1 - 排水管の設置構造及び排水管の閉塞防止方法 - Google Patents

Abstract

【課題】外部から熱エネルギーを投入することなく、流体力学的に流体の凍結を抑制し、管の閉塞を防止することが可能な排水管を提供する。
【解決手段】管の内壁に、流体の流れを集中させる集中流路を備える排水管とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、排水管内を流れる流体の凍結を抑制でき、流体の凍結による管閉塞を防止することが可能な、新規構造を有する排水管に関する。

寒冷地においては、例えば冬季に屋上に積もった雪を、排水管を介して地上に効率的に排出させる必要がある。この際、排水管の内部或いは排水管の下流側端部において排水が凍結し、排水管が閉塞してしまうという問題がある。排水管が閉塞してしまうと排水が滞り、屋内に漏水してしまう虞がある。

排水管内の排水の凍結を防止する方法として、一般的には、紐状のヒーター等を用いて外部から排水管内に熱エネルギーを供給する方法が採用されている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、このような形態にあっては、建物の高さと同等の長さを有するヒーターが必要となり、ランニングコストが大きくなってしまうほか、破損等によるメンテナンス費用も莫大なものとなる。また、極端な寒冷地では、排水管を屋内に設置する場合があり、設置スペースや意匠の問題も大きい。

特開平１０−３２１３５６号公報

本発明は上記従来技術に鑑みてなされたものであり、外部から熱エネルギーを投入することなく、流体力学的に流体の凍結を抑制し、管の閉塞を防止することが可能な排水管を提供することを課題とする。

本発明者らは、排水管における流体の凍結及び管閉塞は以下のメカニズムにより生じると推測した。
（Ｉ）例えば、屋上に積もった雪は徐々に融雪する。通常、排水管内に雪解け水が多量に流れ込むことはなく、雪解け水は排水管内壁を伝って徐々に排出される。このような場合、管内壁の比較的広い範囲に亘って液膜が形成され、流れも分岐し易い。そのため、表面張力の影響が大きくなって流速が低下するとともに、外気との接触面積が大きくなって温度低下が促進され、結果として排水が凍結し易くなる。これにより、排水管内において排水の凍結による閉塞が生じる。
（ＩＩ）排水管内で凍結せずとも、排水は排水管の下流側端部において凍結し、氷柱となる。特に排水管下流側端部の切断部表面（管厚み部分）に当該氷柱が発生し易い。上述の通り、排水管内において液膜となった排水は、流れが不安定となって分岐することから、排水管下流側端部の至るところに氷柱が発生することとなる。氷柱は時間の経過とともに成長し、隣接する氷柱同士が結合して大きな塊となり、やがては排水管の下流側端部において、排水の凍結による閉塞が生じる。

本発明者らは上記推測に基づき、流体力学的に流体の凍結を抑制し、排水管の閉塞を防止することが可能な排水管構造について鋭意研究を進めたところ、以下の構造及び方法により流体の凍結を抑制でき、管閉塞を防止可能であることを知見した。
（１）排水管内において流体の流れを分岐させないようにし、或いは、液膜となることを防止することで、排水管内における流体の凍結を抑制することができる。より具体的には、流体の流れを集中させることにより、表面張力の影響を低減することができ、流体の流速を増大させることができる。同時に、外気との接触面積を減少させることができ、温度低下も抑制される。これにより、流体の凍結を抑制することができ、排水管内の閉塞を防止することができる。
（２）流体の流れを集中させるには、特に、管内壁に、流体の流れ方向（管の長手方向）に沿って凹部或いは溝を設けるとよい。
（３）流体の流れを集中させることにより、排水管下流側端部における氷柱の発生箇所を限定することができる。すなわち、排水管下流側端部において、氷柱が隣接することがないため、氷柱が管の周方向に成長すること等を抑制でき、排水管下流側端部の閉塞を防止することができる。
（４）排水管下流側端部に突出部を設けることで、当該突出部の先端に集中して氷柱を発生させることができる。これにより、氷柱の成長を抑制することができ、排水管下流側端部の閉塞を防止することができる。特に、流体の流れの直下に突出部が存在するように排水管を設計すると良い。
（５）排水管下流側端部を薄肉化することで、排水管下流側端部に留まる流体の量を低減することができる。これにより、氷柱の成長を一層抑制でき、排水管下流側端部の閉塞を防止することができる。
（６）排水管下流側端部にて発生した氷柱の根元部分の太さは、流体の流速や排水管下流側端部の厚みに依存する。流体の流速を増大させ、且つ、排水管下流側端部を薄肉化することで、氷柱の根元部分を細く維持することができ、氷柱が折れ易いものとなる。すなわち、氷柱が成長する前に氷柱が自然に折れるため、氷柱の成長を抑制することができ、排水管下流側端部の閉塞を防止することができる。
（７）排水管の内壁や下流側端部に対して撥水処理を施すことにより、液膜の発生を防止することができ、流体の流速を増大させることができる。また、下流側端部に留まる液滴を減少させることもできる。これにより、排水管内及び排水管下流側端部の閉塞を防止することができる。
（８）排水管を二重管構造とし、内管と外管との間に空気層を設けることで、当該空気層を断熱層として機能させることができ、排水管外の気温が急激に低下した場合でも、管内の温度低下を抑制することができる。

本発明は上記知見に基づいてなされたものである。すなわち、
第１の本発明は、長手方向と鉛直方向とが略一致するように設置された管の内壁を伝わせて流体を流す排水管において、管を流通する流体が凍結することによって管が閉塞することを防止する、排水管の設置構造であって、前記管の内壁には、前記流体の流れを集中させる集中流路として、断面形状において角部を有する形状とされた凹部又は溝が、前記管の長手方向に沿って直線状に複数設けられている、凍結による管閉塞防止用の排水管の設置構造である。この場合において、集中流路については、その断面形状が、管の外側に向かって凸となる頂点を有する形状であることが好ましい。例えば底部が角部とされている凹部又は溝がこれに該当する。

本発明において「流体」とは、管の内壁を伝って流れ得る流体であればよい。本発明は、水の以外の流体（有機溶媒等）を流通させる場合においても、当該流体の凍結による管閉塞を防止可能なものとして広く適用することができる。ただし、本発明の効果がより顕著に現れる態様として、雪解け水等、寒冷地における排水を対象とすることが好ましい。「排水管」とは、主に、排水を流通させ得る管を言うが、これに限定されるものではない。本発明は、流体の凍結による管の閉塞を防止可能な給水管、配管等としても適用可能であり、当該態様も本発明に含まれるものとする。ただし、本発明の効果がより顕著に現れる態様として、寒冷地の家屋や建物に設置して排水のために用いる排水管とすることが好ましい。「流体の流れを集中させる集中流路」とは、より具体的には、流体の流れを集中させることで、流体の流速を増大させ、管内壁における液膜の発生や分岐流れの発生を抑制可能な流路を意味する。

第１の本発明において、一の集中流路と他の集中流路との間には、流路に沿って障壁が設けられていてもよい。これにより、流体が一の集中流路から隣接する他の集中流路に飛び越えて流れ込むことを抑制でき、流体の流れを一層適切に集中させることができる。

第１の本発明において、管の下流側端部に突出部が設けられていることが好ましい。「突出部が設けられている」とは、管の下流側端部の一部が、流体の流出方向に延長されていることを意味する。これにより、突出部の先端に集中して氷柱を発生させることができ、排水管下流側端部の閉塞を防止することができる。

第１の本発明において、管の下流側端部が、上流側よりも薄肉化されていることが好ましい。これにより、端部に発生した氷柱が自然と折れるものとなり、氷柱の成長を抑制することができる。

第１の本発明において、管の内壁及び／又は下流側端部に撥水処理が施されていることが好ましい。これにより、流体の流速を増大させることができ、また、排水管下流側端部における氷柱の成長も抑制することができる。尚、「撥水処理」とは、公知の撥水剤を塗布する形態、管の内壁や下端部の表面構造を制御することにより撥水表面とする形態等、種々の撥水処理をいずれも適用することができる。

第１の本発明において、さらに管を覆う外管を備え、二重管構造とされていることが好ましい。外管を設けることで集中流路を備える管（内管）を保護することができ、排水管の耐久性を向上させることができる。また、内管と外管との間に空気層を設けることができるので、断熱効果も期待できる。

第２の本発明は、長手方向と鉛直方向とが略一致するように設置された排水管の設置構造において、管を流通する流体が凍結することよって、前記排水管が閉塞することを防止する方法であって、前記管の内壁を伝わせて前記流体を流す工程と、前記管の内壁に、前記流体の流れを集中させる集中流路として、断面形状において角部を有する形状とされる凹部又は溝を管の長手方向に沿って直線状に複数設けることにより、該集中流路において前記流体の流速を増大させる工程と、を備える、凍結による管閉塞防止方法である。

第２の本発明において、一の集中流路と他の集中流路との間に、流路に沿って障壁を設けることができる。

また、第２の本発明においても、管の下流側端部に突出部を設けることで、氷柱の成長をより適切に抑制することができる。

また、第２の本発明においても、管の下流側端部を、上流側よりも薄肉化することで、氷柱の成長を一層適切に抑制することができる。

さらに、第２の本発明においても、管の内壁及び／又は下流側端部に撥水処理を施すことで、流体の凍結及び閉塞をより適切に防止することができる。

さらに、管を覆う外管を設け、二重管構造とすることで、内管保護効果や断熱効果を得ることができる。

本発明によれば、排水管内において流体の流れを集中させることで、流体の流速を増大させることができ、且つ、排水管下流側端部の一部のみから流体を排出させることができる。これにより、排水管内における流体の凍結を抑制でき、且つ、排水管下流側端部における氷柱の成長を抑制することもできる。すなわち、本発明によれば、外部から熱エネルギーを投入することなく、流体力学的に流体の凍結を抑制し、排水管の閉塞を防止することが可能である。

本発明のコンセプトを説明するための概略図である。図１（Ａ）が従来例、図１（Ｂ）が本発明例である。 本発明に係る排水管１０を説明するための概略図である。 本発明に係る排水管１０の断面形状を概略的に示す図である。 本発明に係る排水管１０の製造方法の一例を説明するための概略図である。 本発明に係る排水管２０の断面形状を概略的に示す図である。 本発明に係る排水管３０、４０の断面形状を概略的に示す図である。 本発明に係る排水管５０を説明するための概略図である。 本発明に係る排水管５０を説明するための概略図である。 本発明に係る排水管５０における流れを説明するための概略図である。 本発明に係る排水管６０を説明するための概略図である。 本発明に係る排水管７０を説明するための概略図である。 本発明に係る排水管７０を説明するための概略図である。 本発明に係る排水管８０の断面形状を概略的に示す図である。 本発明に係る排水管９０を説明するための概略図である。 本発明に係る排水管１００を説明するための概略図である。 本発明に係る排水管１００の断面形状を概略的に示す図である。 本発明に係る排水管１１０を説明するための概略図である。 排水管に流れ込む流体の流れの一例を説明するための概略図である。 排水管の下端部の形態の一例を説明するための概略図である。 実験結果を示す図である。（Ａ）が従来の円筒排水管を用いた場合、（Ｂ）が本発明に係る排水管を用いた場合である。

１．排水管
本発明に係る排水管は、管の内壁に、流体の流れを集中させる集中流路を備えることに特徴を有する。すなわち、図１に示すように、従来の排水管においては流体の流れが不安定となって流れが分岐し、或いは、液膜が発生し（図１（Ａ））、これが排水管内における流体の凍結や排水管下流側端部における多数の氷柱の発生及び成長を生じさせていたところ、本発明に係る排水管では、集中流路に流れを集中させ（図１（Ｂ））、これにより表面張力の影響を低減させて流体の流速を増大させ、且つ、排水管下流側端部における氷柱の発生箇所を限定し、排水管内における流体の凍結や排水管下流側端部における氷柱の成長を抑制した。以下、当該集中流路を備える排水管の具体例について説明する。

１．１．第１実施形態
図２、３に、第１実施形態に係る本発明の排水管１０を概略的に示す。図２は排水管１０の外観斜視図、図３は図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ矢視断面の形状を概略的に示す図である。図２に示すように、排水管１０は、所定の断面形状を有して長手方向に延在する管である。

図３に示すように、排水管１０の内壁には、流体の流通方向（管の長手方向）に沿って設けられた凹部１０ａ、１０ａ、…、及び、凸部１０ｂ、１０ｂ、…が備えられている。ここで、排水管１０においては、内壁に凹部１０ａと凸部１０ｂとが交互に設けられている。排水管１０においては、凹部１０ａに流れを集中させることができるので、当該凹部１０ａを集中流路として機能させることができる。また、隣接する凹部１０ａ、１０ａの間に凸部１０ｂが備えられることで、一方の凹部１０ａから他方の凹部１０ａに流体が飛び越えて流れ込むことを抑制でき、流体の流れの分岐を抑制することができる。

図３に示された排水管１０は、凹部１０ａ、凸部１０ｂともに、曲面によって構成されている。すなわち、断面形状において角部を有していない。通常、排水管の下流側端部における氷柱の発生は、端面の角部において起こり易い。排水管１０では、断面形状において角部を有さないものとすることで、排水管１０の下流側端部における氷柱の発生を一層抑制することができる。ただし、本発明者らが鋭意研究したところ、後述の排水管１００（図１５、１６参照）のように、上記の凹部を、管の外側に向かって凸となる頂点（図１６の符号１００ｃ）を有する形状とした場合（すなわち、排水管の内壁に設けられた凹部の底部が角部とされている場合）、排水管の下流側端部では液滴が留まり易くなり氷柱の起点となり易いが、凹部における流体の流速を増大させることができ、流体が排水管の下流側端部において一か所から流れ易くなるため、下端部において氷柱が周方向および中心方向に成長し難くなることを知見した。すなわち、下端部に液滴が留まり易い欠点があったとしても、後述するような排水管１００のように、一か所から流体を流出させる機能を優先したほうが、効果的である。

排水管１０の径（排水管内に挿入可能な円筒管の最大外径、図３における長さＤ）は、通常、７０ｍｍ〜１２０ｍｍであるが、当該範囲に限定されるものではなく、想定される流体の流量（排水量）に合わせて調整することができる。凹部１０ａの深さ（隣接する凸部１０ｂ、１０ｂの頂点同士を結んだ直線と、当該隣接する凸部１０ｂ、１０ｂの間の凹部１０ａの底部との距離、図３における長さｄ）は、上記長さＤに対する長さｄの比（ｄ／Ｄ）とした場合、通常、０．１〜０．４であるが、当該範囲に限定されるものではなく、想定される流量に合わせて調整することができる。排水管１０の全長は、設置箇所に応じて適宜調整すればよい。

排水管１０の材質は特に限定されるものではない。ステンレス鋼等の金属、或いは、ポリ塩化ビニル等のプラスチック等、排水管を構成する材料として従来から用いられてきたものを適宜選択して用いることができる。特に、耐久性の観点から、ステンレス鋼等の金属を用いることが好ましい。

排水管１０は、種々の方法によって製造することができる。例えば、押出成形等の各種成形方法によって連続的に成形してもよいし、図４に示すように、凹部１０ａ、１０ａ、…と凸部１０ｂ、１０ｂ、…とを交互に設けた板状体１０’を用意し、対向する端部同士を重ね合わせて接合することによっても排水管１０を容易に製造することができる。

以上のように、排水管１０によれば、管内において流体の流れを凹部１０ａ、１０ａ、…に集中させることで、凹部１０ａにおいて流体の流速を増大させることができ、且つ、排水管下流側端部においては、当該凹部１０ａ部分のみから流体を排出させることができる。これにより、管内における流体の凍結を抑制でき、且つ、排水管下流側端部における氷柱の成長を抑制することもできる。すなわち、排水管１０によれば、外部から熱エネルギーを投入することなく、流体力学的に流体の凍結を抑制し、排水管の閉塞を防止することが可能である。

尚、本発明者らは、家屋や建物の屋上に積もった雪を排水管によって排水する場合、排水管の下流側となるほど排水の凍結が生じ易いことを知見した。すなわち、地表に近づくほど、排水の凍結が生じ易い。この観点から、家屋や建物に設置される排水管において、排水の凍結が生じ易い部分のみ（例えば、排水管の下流側のみ）を本発明に係る排水管１０のような構造を有するものとしてもよい。

１．２．第２実施形態
図５に、第２実施形態に係る排水管２０の断面を概略的に示す。図５に示すように、排水管２０の内壁には、流体の流通方向（管の長手方向）に沿って設けられた凹部２０ａ、２０ａ、…、及び、凸部２０ｂ、２０ｂ、…が備えられており、また、凸部２０ｂ、２０ｂ、…の頂部には流体の流通方向（管の長手方向）に沿って障壁２０ｃ、２０ｃ、…がそれぞれ設けられている。排水管２０は、障壁２０ｃ、２０ｃ、…を備えること以外は、上記した排水管１０と同様の形態である。

排水管２０において、障壁２０ｃの高さ（図５の長さｈ）については、想定される流量に応じて適宜調整することができ、例えば、凹部２０ａの深さと同程度とすることができる。また、障壁２０ｃの材質も特に限定されるものではない。排水管２０は、障壁２０ｃ、２０ｃ、…を備えることにより、流体が一の凹部２０ａから隣接する他の凹部２０ａに飛び越えて流れ込むことを抑制でき、流体の流れを一層適切に集中させることができる。ただし、上述したように、排水管下流側端部における氷柱の発生は、端面の角部において起こり易い。そのため、排水管２０においては、排水管下流側端部の角部（凸部２０ｂと障壁２０ｃとの接触部分）において氷柱が発生し易くなる。この観点から、障壁２０ｃの設置は、排水管２０の下流側端部の手前までとし、当該下流側端部において角部を生じさせない形態としてもよい。

１．３．第３実施形態
上記説明においては、排水管の内壁に凹部及び凸部が設けられ、当該凹部及び凸部の形状に合わせて、排水管の外壁も波打った形態を例示したが、本発明はこの形態に限定されるものではない。本発明は内壁に集中流路を備えた形態であればよく、外壁の形状については特に限定されるものではない。例えば、図６（Ａ）に示すように、円周状の外壁を備えた排水管３０のような形態としてもよい。

１．４．第４実施形態
上記説明においては、凹部及び凸部がいずれも曲面により構成されるものとして説明したが、本発明はこの形態に限定されるものではない。例えば、図６（Ｂ）に示すように、内壁に、矩形状の凹部（溝）４０ａ及び凸部４０ｂを備えた排水管４０のような形態としてもよい。或いは、後述の排水管１００（図１５、１６）のように、角部を有する凹部１００ａとしてもよい。

１．５．第５実施形態
上記説明においては、凹部が複数備えられるものとして説明したが、本発明はこの形態に限定されるものではない。以下、第５実施形態として凹部が一つのみ備えられる排水管について説明する。

図７及び図８（Ａ）、（Ｂ）に、第５実施形態に係る本発明の排水管５０を示す。図７は排水管５０の外観を概略的に示す図、図８（Ａ）は図７におけるＶＩＩＩａ−ＶＩＩＩａ矢視断面の形状を概略的に示す図、図８（Ｂ）は図７におけるＶＩＩＩｂ−ＶＩＩＩｂ矢視断面の形状を概略的に示す図である。図７に示すように、排水管５０は、上部排水管５１と下部排水管５２とが接続されて構成されている。

図７及び図８（Ａ）に示すように、上部排水管５１は円筒状の管である。上部排水管５１は従来から用いられてきた排水管をそのまま適用することができる。一方、図７及び図８（Ｂ）に示すように、下部排水管５２は、傾斜部５３及び当該傾斜部５３の下流側端部に接続された鉛直部５４からなっている。さらに、下部排水管５２の内壁には、流体の流通方向に沿って凹部５２ａが設けられている。図７から明らかなように、上部排水管５１は下部排水管５２の傾斜部５３の上端に接続されており、上部排水管５１の上端から流入した流体は、傾斜部５３、鉛直部５４を通って下部排水管５２の下流側端部から排出される。

図９に、排水管５０における流体の流れを示す。図９に示すように、上部排水管５１の上端から流入した流体は、下方に流れ、傾斜部５３において、凹部５２ａに集中するように流れ込む。傾斜部５３において凹部５２ａに集中した流体は、流れがその後分岐することなく、傾斜部５３の凹部５２ａから鉛直部５４の凹部５２ａに沿って流れ、鉛直部５４の凹部５２ａの下流側端部から排出される。

このように、排水管５０においても凹部５２ａを集中流路として機能させることができるため、凹部５２ａにおいて流体の流速を増大させることができ、且つ、排水管５０の下流側端部において、当該凹部５２ａ部分のみから流体を排出させることができる。これにより、管内における流体の凍結を抑制でき、且つ、排水管下流側端部における氷柱の成長を抑制することもできる。すなわち、排水管５０によれば、外部から熱エネルギーを投入することなく、流体力学的に流体の凍結を抑制し、排水管の閉塞を防止することが可能である。

１．６．第６実施形態
図１０に、第６実施形態に係る本発明の排水管６０の外観を概略的に示す。図１０に示すように、排水管６０は、排水管１０と同様の断面形状を有してなるほか、さらに、排水管下流側端部に突出部６０ｄ、６０ｄ、…を備えている。突出部６０ｄは、排水管６０の集中流路（凹部）の下流側延長上に設けられており、先端に向かって先細り（凸）の形状とされている。突出部６０ｄは、集中流路と一体で設けられていてもよいし、別途取り付けられたものであってもよい。

このような突出部６０ｄを備えた排水管６０によれば、排水管内を流れる流体が突出部６０ｄの先細りの先端から滴下・流出する。すなわち、排水管６０の下流側部において、突出部６０ｄの先端に集中して氷柱を発生させることができ、氷柱の周方向への成長を抑制できる結果、排水管下流側端部の閉塞を防止することができる。特に、突出部６０ｄが集中流路の下流側延長上に備えられることで、集中流路を流れてきた流体が突出部６０ｄの先端に容易に到達できるため、突出部６０ｄの先端のみに、効率的に氷柱を発生させることができる。ただし、突出部６０ｄが集中流路の下流側延長上に備えられない場合であっても、集中流路を流れてきた流体は、突出部の上端側から端面を伝って突出部の先端に到達するため、やはり、突出部６０ｄの先端に優先的に氷柱を発生させることができる。

１．７．第７実施形態
図１１及び図１２（Ａ）、（Ｂ）に、第７実施形態に係る本発明の排水管７０を概略的に示す。図１１は排水管７０の外観を示す図、図１２（Ａ）は排水管７０の平面視（図１１のＸＩＩａ矢視）断面図、図１２（Ｂ）は排水管７０の底面視（図１１のＸＩＩｂ矢視）断面図である。図１１、１２から明らかなように、排水管７０は、上流側端部から下流側端部にかけて、内壁に、排水管１０と同様の凹部７０ａ、７０ａ、…及び凸部７０ｂ、７０ｂ、…を有するとともに、管の厚みが上流側よりも下流側端部において薄肉化されている。

排水管７０においては、排水管下流側端部を薄肉化することで、当該下流側端部に留まる流体の量を低減することができる。これにより、氷柱の成長を一層抑制でき、排水管下流側端部の閉塞をより適切に防止することができる。また、排水管下流側端部にて発生する氷柱の根元部分の太さは、流体の流速や排水管下流側端部の厚みに依存する。排水管７０のように、凹部７０ａを設けて流体の流速を増大させ、且つ、排水管下流側端部を薄肉化することで、氷柱の根元部分を細く維持することができ、氷柱が折れ易いものとなる。すなわち、排水管７０によれば、氷柱が成長する前に氷柱が自然に折れるため、氷柱の成長を抑制することができ、排水管下流側端部の閉塞を一層適切に防止することができる。

１．８．第８実施形態
図１３に、第８実施形態に係る本発明の排水管８０の断面形状を概略的に示す。図１３に示すように、排水管８０は、排水管（内管）１０の外側にさらに当該排水管１０を覆うように外管８１を備え、二重管構造とされている。排水管８０において、外管８１は円筒管であり、内管１０と外管８１との間に空気層８２を備えている。

排水管８０のような二重管構造とすることにより、集中流路を備える内管１０を外管８１によって保護することができる。また、内管１０と外管８１との間に空気層を設けることで、当該空気層を断熱層と機能させることができる。これにより、管外部の温度の影響が低減され、管内における流体の凍結を一層抑制することができる。

１．９．第９実施形態
上記説明においては、管の内壁に設けられた凹部や溝が集中流路として機能するものとして説明した。しかしながら、本発明は当該形態に限定されるものではない。図１４（Ａ）、（Ｂ）に、第９実施形態に係る本発明の排水管９０を概略的に示す。図１４（Ａ）は、排水管９０の外観を概略的に示す図、図１４（Ｂ）は、排水管９０の内部構造を説明するための図である。

図１４（Ａ）に示すように、排水管９０は、外観においては従来の円筒状の排水管と同様の形態である。一方、図１４（Ｂ）に示すように、排水管９０の内壁には、流路を調整するための複数の片９１ａ、９１ａ、…及び、片９１ｂ、９１ｂ、…が設けられている。片９１ａと片９１ｂとは互いに対向しており、近接側に向かって下流側に傾斜している。排水管９０においては、図１４（Ｂ）において矢印で示すように、内壁を伝う流体の流れが片９０ａ及び片９０ｂによって制御され、片９０ａと片９０ｂとの間に流れを集中させることができる。すなわち、片の上端から下端に向かって流体を誘導することで、片９０ａと片９０ｂとの間に集中流路を形成することができ、当該集中流路において、流体の流速を増大させることができる。また、排水管下流側端部においては、集中流路のみから流体を排出させることができる。これにより、管内における流体の凍結を抑制でき、且つ、管下流側端部における氷柱の成長を抑制することもできる。このように、凹部や溝を備えない排水管９０によっても、集中流路の存在によって、外部から熱エネルギーを投入することなく、流体力学的に流体の凍結を抑制し、排水管の閉塞を防止することが可能である。

１．１０．第１０実施形態
図１５、１６に、第１０実施形態に係る本発明の排水管１００を概略的に示す。既に説明したように、排水管１００のように、断面形状において、集中流路が管の外側に向かって凸となる頂点（例えば、図１６の符号１００ｃ）を有する形状とした場合（言い換えれば、例えば、排水管の内壁に設けられた凹部１００ａの底部が角部１００ｃとされている場合）、排水管１００の下流側端部において、当該角部１００ｃに液滴が留まり易くなり氷柱の起点となり易いが、凹部１００ａにおける流体の流速を増大させることができ、流体が排水管１００の下流側端部において一か所から流れ易くなるため、下端部において氷柱が管の周方向および中心方向に成長し難くなる。すなわち、下端部に液滴が留まり易い欠点があったとしても、排水管１００のように、一か所から流体を流出させる機能を優先したほうが、管の凍結による閉塞防止には効果的である。

また、排水管の上流側を排水管１００のような形状とし、下流側端部を排水管１０のような形状とすることも有効である。すなわち、排水管の上流側の凹部１００ａにおいて流体の流速を増大させつつ、排水管の下流側（例えば、下端部から約１００ｍｍの間）を凹部１０ａのような形状とすることで、角部における氷柱の発生を抑制することができる。

１．１１．参考実施形態
図１７に、参考実施形態に係る排水管１１０を概略的に示す。図１１に示すように、排水管１１０の内壁には、集中経路として機能する凹部又は溝が螺旋状に設けられている。このように集中経路が螺旋状とされることで、管内壁において、流体は遠心力を受けながら流下することとなる。そのため、流体が管外周方向に押し付けられ（すなわち、内壁に押し付けられ）、流れが安定し、排水管１１０の下端部において流体が一か所から流出し易くなる。

１．１２．その他形態
上記のような排水管１０〜１１０にあっては、排水管の内壁の構造を工夫することによって、流体力学的に流体の凍結を抑制し、管の閉塞を防止することが可能である。一方、管の内壁及び／又は下流側端部に撥水処理を施すことによって、管内における流体の液膜の発生を抑制でき、管内の流体の流速を増大させることができ、且つ、管の下流側端部に留まる流体を低減させることができる。この場合、排水管の内壁に縞状に撥水処理を施すことで、撥水処理を施した部分と撥水処理を施さない部分とで、流体の流速差を生じさせてもよい。

すなわち、撥水処理が施された排水管によっても、外部から熱エネルギーを投入することなく、流体力学的に流体の凍結を抑制し、管の閉塞を防止することが可能となる。尚、撥水処理の形態としては、公知の撥水剤を塗布する形態、表面構造を制御することにより撥水表面とする形態等、種々の撥水処理をいずれも適用することができる。

また、排水管の導入部（入口付近）の形態を工夫することも有効である。図１８は一実施形態に係る本発明の排水管について、その入口付近における排水の流れ（排水管入口に向かう排水の流れ）を説明するための上面概略図である。図１８に示すように、排水管の入口付近に到達した排水は、排水管の入口付近に設けられた勾配や溝によって、図中矢印で示されるように、集中流路に誘導される。すなわち、排水管の入口において排水が集中流路へと誘導されて流入するように排水管の入口付近の形態を工夫することで、排水管内において流体の流れを一層集中させることができ、管内の流体の流速を増大させることができるとともに、排水管下流側端部の一部のみから流体を排出させることができる。これにより、排水管内における流体の凍結を抑制でき、且つ、排水管下流側端部における氷柱の成長を抑制することもできる。

さらに、排水管の排出部（下端部付近）の形態を工夫することも有効である。図１９は一実施形態に係る本発明の排水管１２０について、その下端部周辺の形態を説明するための概略図である。図１９に示すように、排水管１２０の下端部は、地中に設けられた集水枡１２５と接続されている。このようにすることで、排水管１２０の下端部が地熱の影響で温まり、下端部の凍結を一層抑制することができる。或いは、地熱の影響で集水枡１２５内の水が凍結しないのであれば、図１９に示すように、排水管１２０の下端部を集水枡１２５内の水面よりも下方に浸漬させることで、当該下端部の凍結を一層適切に抑制することができる。

２．排水管の閉塞防止方法
上記においては、本発明として排水管そのものについて説明した。一方、本発明は、排水管内に流通する流体が凍結することよって、当該排水管が閉塞することを防止する方法としての側面も有する。すなわち、本発明に係る方法は、排水管内に流通する流体が凍結することよって、該排水管が閉塞することを防止する方法であって、管の内壁に、流体の流れを集中させる集中流路を設けることにより、当該集中流路において流体の流速を増大させる、排水管の閉塞防止方法である。

集中流路の形態等については、上述した通りであるのでここでは説明を省略する。このように、本発明に係る方法によれば、外部から熱エネルギーを投入することなく、流体力学的に流体の凍結を抑制し、管の閉塞を防止することが可能である。

以下、実施例により、本発明に係る排水管についてさらに詳細に説明するが、本発明は以下の具体的形態に限定されるものではない。

図２及び図３で示されるような排水管１０を用いた場合と通常の円筒排水管を用いた場合とで、排水管の閉塞の有無や氷柱の成長の差異を確認した。

排水管１０としては、径Ｄ７０ｍｍ、凹部の深さｄ１３ｍｍ、凹部の数１０、管長１０００ｍｍのものを用いた。一方、通常の円筒管としては、内径９６ｍｍ、管長１０００ｍｍのものを用いた。実験は−１５℃の低温室内にて行い、排水管の各部温度が−１５℃となったことを確認した後、水（２℃）を排水管上部から連続的に流し込んだ。排水流量はいずれも２００ｍｌ／ｍｉｎとし、排水が排水管内壁を伝うように調整した。実験開始から７時間経過後における排水管下流側端部の様子を図２０（Ａ）、（Ｂ）に示す。図２０（Ａ）が従来の円筒排水管を用いた場合の様子、図２０（Ｂ）が本発明に係る排水管１０を用いた場合の様子である。

図２０（Ａ）に示すように、従来の円筒排水管を用いた場合は、排水管の内部において流体の流れが分岐した結果、排水管の下流側端部の円周方向のいたる箇所に氷柱が発生しており、大きな塊となって排水管下流側端部全体を閉塞させてしまった。一方、図２０（Ｂ）に示すように、本発明に係る排水管１０を用いた場合は、排水管の下流側端部における氷柱の成長を抑制できており、７時間経過後においても十分な開口を有し、問題なく排水できた。また、排水管１０を用いた場合は、氷柱が一定以上成長すると自然と折れ落ちることが確認された。このように、本発明に係る排水管１０によれば、流体力学的に流体の凍結を抑制し、管の閉塞を防止することが可能となることが明らかとなった。

図２及び図３で示されるような排水管１０を用いた場合と、図１５及び１６で示されるような排水管１００を用いた場合とで、凍結による閉塞抑制性能を比較した。排水管１０としては前述のものと同じものを用い、排水管１００としては、径Ｄ８０ｍｍ、凹部の深さｄ１１ｍｍ、凹部の数９、管長１０００ｍｍのものを用いた。実験は−１５℃若しくはー２５℃の低温室内にて行い、排水管の各部温度が−１５℃若しくは−２５℃となったことを確認した後、水（２℃）を排水管上部から連続的に流し込んだ。排水流量はいずれも２００ｍｌ／ｍｉｎとし、排水が排水管内壁を伝うように調整した。

−１５℃においては、排水管１０及び排水管１００の双方とも、凍結による管の閉塞は生じなかった。一方、−２５℃においては、排水管１００については凍結による管閉塞が生じなかったが、排水管１０については約２時間後に排水の凍結による管の閉塞が確認された。すなわち、排水管１００のように、断面形状において集中流路が角部（頂点）を有するような形状とすることで、管内における流れを一層集中させ、流速を増大させて凍結を一層適切に抑制できることが分かった。

以上、現時点において、もっとも、実践的であり、かつ、好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明は、本願明細書中に開示された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲および明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う、排水管及び排水管の閉塞防止方法もまた本発明の技術的範囲に包含されるものとして理解されなければならない。

本発明は、排水管内を流れる流体の凍結を抑制でき、流体の凍結による管閉塞を防止することが可能な、新規構造を有する排水管であり、例えば、寒冷地において、冬季に屋上に積もった雪を、排水管内や排水管下端部において凍結させることなく、地上に効率的に排出させることが可能な排水管として、好適に利用することができる。

１０ 排水管
１０ａ 凹部
１０ｂ 凸部
２０ 排水管
２０ａ 凹部
２０ｂ 凸部
２０ｃ 障壁
３０ 排水管
３０ａ 凹部
３０ｂ 凸部
４０ 排水管
４０ａ 凹部
４０ｂ 凸部
５０ 排水管
５１ 上部排水管
５２ 下部排水管
５２ａ 凹部
５３ 傾斜部
５４ 鉛直部
６０ 排水管
６０ｄ 突出部
７０ 排水管
７０ａ 凹部
７０ｂ 凸部
８０ 排水管
８１ 外管
８２ 空気層
９０ 排水管
９１ａ、９１ｂ 片
１００ 排水管
１００ａ 凹部
１００ｂ 凸部
１００ｃ 角部（頂点）
１１０ 排水管
１２０ 排水管
１２５ 集水枡

Claims (12)

1. 長手方向と鉛直方向とが略一致するように設置された管の内壁を伝わせて流体を流す排水管において、管を流通する流体が凍結することによって管が閉塞することを防止する、排水管の設置構造であって、
   前記管の内壁には、前記流体の流れを集中させる集中流路として、断面形状において角部を有する形状とされた凹部又は溝が、前記管の長手方向に沿って直線状に複数設けられている、
   凍結による管閉塞防止用の排水管の設置構造。
2. 前記管の内壁において、一の前記集中流路と他の前記集中流路との間に、該集中流路に沿って障壁が設けられている、請求項１に記載の排水管の設置構造。
3. 前記管の下流側端部に突出部が設けられている、請求項１又は２に記載の排水管の設置構造。
4. 前記管の下流側端部が、上流側よりも薄肉化されている、請求項１〜３のいずれかに記載の排水管の設置構造。
5. 前記管の内壁及び／又は下流側端部に撥水処理が施されている、請求項１〜４のいずれかに記載の排水管の設置構造。
6. さらに前記管を覆う外管を備え、二重管構造とされている、請求項１〜５のいずれかに記載の排水管の設置構造。
7. 長手方向と鉛直方向とが略一致するように設置された排水管の設置構造において、管を流通する流体が凍結することよって、前記排水管が閉塞することを防止する方法であって、
   前記管の内壁を伝わせて前記流体を流す工程と、
   前記管の内壁に、前記流体の流れを集中させる集中流路として、断面形状において角部を有する形状とされる凹部又は溝を管の長手方向に沿って直線状に複数設けることにより、該集中流路において前記流体の流速を増大させる工程と、
   を備える、凍結による管閉塞防止方法。
8. 前記管の内壁において、一の前記集中流路と他の前記集中流路との間に、該集中流路に沿って障壁を設ける、請求項７に記載の方法。
9. 前記管の下流側端部に突出部を設ける、請求項７又は８に記載の方法。
10. 前記管の下流側端部を、上流側よりも薄肉化する、請求項７〜９のいずれかに記載の方法。
11. 前記管の内壁及び／又は下流側端部に撥水処理を施す、請求項７〜１０のいずれかに記載の方法。
12. さらに前記管を覆う外管を設け、二重管構造とする、請求項７〜１１のいずれかに記載の方法。