ウォーターハンマーのサージタンクとは？

先ず、ウォーターハンマーについて説明してからアドバイスを書いた方がよかろうと思います。

｛説明｝
配管中を水が流れるということは、配管中を運動エネルギーが流れていることになりますが、この流れを電磁弁で瞬間的に遮断すると、運動エネルギーが圧力波に変換され、それが高速で配管中を逆流し、反射し、また反射し・・・ウォーターハンマーとなります。

実際とは異なりますが、本当に電磁弁で瞬間的に流れを遮断してしまうとするとびっくりするような高圧が発生します。もちろんこのような高圧が維持されれば配管は破れてしましますが、この高圧は一瞬でして、この瞬間的な高圧部は電磁弁部で発生してから１ｋｍ/s の高速で配管を電磁弁から離れる方向に進み、配管端部で反射して電磁弁の方向に進み、電磁弁で反射してまた逆方向へ進みこれを繰り返します。

どれくらいの高圧が発生するか計算してみます。
　Ｃ：水の流速　3m/s
ρ：水の密度　1,000 kg/m^3
a : 水中での音速　1,000 m/s
ΔＰ：水流の瞬時遮断による圧力上昇　MPa

ΔＰ＝ρaＣ＝1,000 (kg/m^3)*1,000 (m/s)*3(m/s)
=3,000,000 (kgm/s^2)(1/m^2)＝3,000,000(Pa)＝3 (MPa)

{アドバイス}
配管の途中にサージタンクを設置しても、このような瞬間的な圧力波、つまり前後は通常の圧力だが極々短い距離の高圧部が音速で移動しているときに、
この圧力を吸収するのは非常に困難だと思います。

むしろ諸悪の根源は、水の流れを瞬時遮断したことにあるのですから、許容できるものならば電磁弁を言わば、バルブを手で締めるような感じにして、電磁弁による瞬時遮断を避けることを検討された方がよいのではないかと思います。

このような目的のための電磁弁も市販されております。この電磁弁は単に瞬時遮断をしないとう以外は通常の電磁弁です。

「ウォーターハンマー緩和形電磁弁」カタログを貼り付けておきます。
（流速が不明ですが実測例ΔＰ＝3.3 MPa・・上の計算後に見つけました）

Ｎｏ．２　さまが貼り付けていたのは、ウォーター―ハンマー防止器の一つで
日立の製品です。
www.hitachi-metals.co.jp/prod/prod08/img_p08/hl-k212-g.pdf -

その他にもいろいろなメーカーが出していますが、原理は次のようなものです。

配管の途中に分岐管を取り付け、分岐管は水圧で水が漏れださないように何十メートルの高さにしておく。・・・・しかしこれではあまりにも不都合なので小さな容器とするが、圧力吸収のために膜を貼り、膜の上部に空気圧を掛けておくというものです。

使用する配管の水圧力に適した空気圧をかけておけば、膜は常時水平を保ちますが異常な高圧が発生すれば膜の上の空気を圧縮して膜が上昇して水の一部を一時的に容器内に逃がすというものです。

家屋では、トイレの水供給弁、炊事場などのレバー式弁のように水の瞬時遮断をするものが増えてきたので、建築基準法によって水撃防止装置の設置が義務付けられているようですので、安価で信頼性のあるもののようです。

しかしです。ウォーターハンマーの本質は水の運動量を瞬時遮断することに起因するものです。運動量の変化は力積でして、瞬時遮断をすると理論上は無限大の力がかかります。このため通常は非圧縮性である水がこの瞬間的には圧縮されます。これがウォーターハンマーの本質です。

ウォーターハンマーの計測結果が載っていましたが、極々短い時間の高高圧の圧力波が発生したあと、比較的長い時間の高圧の波が続き、やがて減衰します。

例えば、０．１秒間の３ＭＰaの波には耐えられるが、３秒間続く１ＭＰａの波には耐えきれないというような状況があるのでしょう。そうすると３秒間だけ配管の水のごく一部をどこかに避難（水撃防止器の容器内）させればよいことになります。

ご承知の通り水は非圧縮性ですので極々少量の水を避難させれば圧力は下がりますが、配管の方は弾力がありますので一時的に太った配管を元の大きさにまで小さくするための追加の水の避難をさせれば、１ＭＰaの高圧対策にはなります。

この辺りを考慮してメーカーは水撃防止器の選定をしてくれるのだと思います。カタログから見る限り小さなもので価格もあまり高くなさそうです。

ただし、第１波の３ＭＰaの波は処置なしです。水撃防止器を素通りするか反射するかのいずれかです。　諸悪の根源は電磁弁の瞬間遮断だと申し上げたのはこのことです。

サージタンクは大気解放のようにして、配管中の水を一時的に逃がすことが出来るものでなければ用をなしません。それとも密閉タンクの上部に空気室を設けなければなりません・・・・この場合には空気が逃げ出さないようにする必要がありますが・・・膜貼り・・・水撃防止器・・・小さなものでよい。

これってウオーターハンマーだけが原因なんでしょうか？

例えば、壁から配管 a が手前に出てきて、手前の壁面のＡ点で垂直にＢ点まで降りてきて、Ｂ点において右に水平に曲がりＣ点に達し、Ｃ点で上に登りＤ点まで来て、最後にＤ点から左に曲がりＡ点の隣のＡ’点で元の壁の方向に進み a' のところから壁に戻っていくとします。

つまりこちら側の壁面近くで、ＡＢＣＤの四角を作るだけで配管が元の位置に戻ってしまうとします。

この場合に水が流れている時に限って、Ｂ点ではＣ→Ｂの力、Ｃ点ではＤ→Ｃの力が働きます・・・つまり a(a') 配管周りに時計まわり回転させようとするモーメントが働き、配管a(a')を壁際で捩じ切ろうとします。

しかし、水の流れが停止すると、運動量に変化がなく、単に水圧がかかっているだけでバランスしておりますから、このようなモーメントは働きません。

このような捩じりが水が流れる毎に繰り返されます。
ウオーターハンマーが起これば、この捩じ応力が急増するのでしょうが・・。

鋼管なら気にしないような捩じり応力でしょうが、ビニル配管ではどうなんでしょう。　このようなことに配慮して十分なサポートを取っているのでしょうか？