JP2002542071A - ビードレス溶接装置及び方法 - Google Patents

ビードレス溶接装置及び方法

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JP2002542071A
JP2002542071A JP2000612118A JP2000612118A JP2002542071A JP 2002542071 A JP2002542071 A JP 2002542071A JP 2000612118 A JP2000612118 A JP 2000612118A JP 2000612118 A JP2000612118 A JP 2000612118A JP 2002542071 A JP2002542071 A JP 2002542071A
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JP
Japan
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tubular member
welding
welding head
heating section
tubular
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JP2000612118A
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English (en)
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ジェイ ジョンソン，マイケル
ジェイ マッケンジー，ジェフリー
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エンテグリス・インコーポレーテッド
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Abstract

(57)【要約】 接触する熱可塑性の管状部材の端部(55,76)を接合するための伝導溶接装置及び方法は、ＰＦＡを溶接する方法として特に適している。折り畳み溶接ヘッドは、内部ビードの形成を防止するために、接触する端部(55,76)と、管状部材の端部(55,76)の内部に配置された挿入部(136)を囲う。好ましい実施例では、層状の加熱部(32)は、狭い溶接領域を提供する。好ましい実施例では、接触する端部を囲うことによって、滑らかな溶接を行うことができるとともに、加熱部(32)を溶接から分離することができる。他の好ましい実施例では、溶接ヘッドは、管状部材の端部(55,76)を固定するためのプラスチック製のクランプ(50,52)を有している。このような好ましい実施例は、ＰＦＡ管の端部(55,76)を溶接するための高い効率の手段を提供するように共同的に作動する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【関連出願に対する相互参照】
本願はMichael W. Johnson及びJeffrey J. McKenzieによる”Insert for Use
in Conjoining Tubular End Portions”と題する本願と同日付で出願された、出
願番号第 号にも関連するものである（代理人事件番号22670-491
）。この出願を参照によってここに導入する。
【０００２】
【発明の背景】
本発明は、熱可塑性の管状部材の端部を溶接する装置及び方法に関する。特に
、パーフルオロアルコキシ（perfluoroalkoxy）ＰＦＡを溶接するのに適してい
る装置及び方法に関する。
【０００３】 熱可塑性のパイプあるいは管状部材の端部を溶接するには、様々なものが知ら
れている。U.S. Patent no.3,013,925は、一列に並べられたパイプの端部の間
に加熱された圧板(platen)が挿入され、加熱された圧板に対して熱可塑性物質を
付けた後で溶融され、圧板が取り除かれ、パイプは熱可塑性物質が冷えて硬化し
、溶接されるまで、圧力をかけられて一緒に押し固められることを開示している
。 U.S. Patent No.5,037,500、4,792,374及び5,484,506は、全て、接触する
管状部材の端部が溶接されるように外周を加熱する外部伝導ヒータを開示してい
る。
【０００４】 U.S. Patent No.4,929,293では、結合される管状部材の端部に接触すること
なく、それらの間に赤外線加熱プレートを配置している。赤外線加熱プレートが
取り除かれた後、管状部材の結合部は溶接するために突き合わされる。このよう
な方法は、パーフルオロアルコキシ（perfluoroalkoxy）ＰＦＡ及び他の溶融処
理可能なプラスチックを高い完全性で溶接することができるが、このような溶接
は、接合された管状部材の端部の内側及び／または外側の表面に変形(deformati
on)あるいはビード(bead)を残す。
【０００５】 多くの場合、特に、接合された管状部材の内部表面には、いかなる変形も許容
されない。食品加工及び製薬工場で用いられる衛生システムでは、Ｕ．Ｓ．規則
７Ｃ．Ｆ．Ｒ．§５８．１２８の標準により、なめらかな導管が要求され、流体
の僅かな流れや、粒子物質が妨げられることなく連続的に流れることを許可する
。
【０００６】 従来では、ステンレススチールの管やパイプが、衛生システムで用いられてい
る。しかしながら、腐食、費用及び他の問題のため、現在では、プラスチックの
パイプ及び管がそのようなシステムによく使われている。パーフルオロアルコキ
シは、高い化学的不活性（化学的な安定度が高い）、高温清掃及び衛生温度での
抵抗力において、特に有利である。
【０００７】 各出願人は、管状部材の端部で周接触する伝導熱溶接システムがパーフルオロ
アルコキシを溶接するのに適していることに気がついていない。これは、ＰＦＡ
の高溶融温度（約５９０Ｆ）と、ＰＦＡの特性に関連する困難性による。例えば
、溶融したＰＦＡは、溶接装置に共通に用いられる多くの異なる物質に固着する
。このような固着は、完成した溶接を欠陥品にし、溶接設備に重大な動作問題を
引き起こす。更に、ＰＦＡの加熱及び溶融は、溶解溶接設備に利用される一般的
な物質を腐食させるフッ素ガスを発生させる。例えば、標準的なステンレススチ
ールは、フッ素ガスにさらされるとすぐに穴があく。更には、ＰＦＡは、溶融す
る時に膨張し、もし拘束されると、極度の高圧が発生し、ＰＦＡは、溶接領域か
ら割れ目内あるいは所望しない位置に浸出する。
【０００８】 また、ＰＦＡのような高温溶融処理可能なプラスチックを溶接する際の問題は
、溶接のサイクルタイムを引き延ばす。標準的な溶接は、１）溶接するために、
管状部材の端部を溶接ヘッド内に配置し、２）溶接ヘッドを閉じ、３）溶接ヘッ
ド及び加熱部を暖め、４）端部を溶融して溶接し、５）溶接部分を冷却し、６）
溶接された部材を溶接ヘッドから取り出す、のステップを有している。通常の伝
導加熱ヘッドは、接触する管状部材の端部に垂直方向に延び、かつ端部の溶融部
分を完全に囲む、１対の一体化された加熱部を用いている。このような通常の溶
接部は、比較的高い熱伝導率を有するステンレススチールにより形成される。こ
れは、サイクルタイムの長さに影響する、溶融領域を分離及び最小化することを
困難にする。そのうえ、通常の溶接ビード（weld beads）及び溶接装置は、本
質的に、ほとんどの部材が金属で形成されている。このことが、加熱時間及び冷
却時間を増加させる。ＰＦＡに関連する高められた温度により、これらの問題が
悪化する。
【０００９】 ヒートシンクの配置及び強制冷却等により、熱可塑性の管状部材の端部の溶接
のサイクルタイムを減少させる試みが行われている。高い熱伝導率を有する金属
及び特殊なステンレススチールは、そのような測定の効果を最小にし、補助冷却
装置はコストと複雑さとメンテナンス問題を増加させる。
【００１０】 伝導加熱によって、樹脂、特にＰＦＡにより形成された管状部材の端部をビー
ドを発生させないで溶接する溶接装置、溶接システム、溶接方法が必要である。
そのうえ、熱可塑性物質を溶接する際のサイクルタイムを短縮することも必要で
ある。
【００１１】
【発明の概要】
接触する熱可塑性の管状部材の端部を接合する伝導溶接装置及び方法は、速い
サイクルタイムを提供し、特にパーフルオロアルコキシＰＦＡを溶接するのに適
している。折り畳む溶接ヘッドは、接触する端部を囲み、挿入部は、内部のビー
ドを形成を防止するために、管状部材の端部の内部に挿入される。好ましい実施
例では、層状の加熱部は、狭い溶融領域を供給する。好ましい実施例は、接触す
る端部を覆うことによって、なめらかな溶接を容易とし、加熱部を溶接から隔離
する。他の好ましい実施例では、溶接ヘッドは、管状部材のタンブを固定するた
めのプラスチック製のクランプを有している。このような好ましい実施例は、Ｐ
ＦＡの管状部材の端部を高い効率で溶接する手段を提供するように相互的に作動
する。
【００１２】 好ましい実施例では、層状の合成の加熱部は、溶接の接合部の外側から、急な
温度勾配を提供する。接触する管状部材の端部は、管状部材の端部に対して軸方
向の、比較的に狭い厚さの中央加熱部(central heated section)の個所に配置
される。中央加熱部は、好ましくは、半円筒状の空洞を有する２つの半部分で形
成されている。２つの半円筒状の空洞は、接触する端部を囲ための円筒状の空洞
を形成し、互いに蝶番を付けられていてもよい。中央加熱部の周りは、中央部分
に隣接する、層状の、一対の隔離する第２の部分（secondary sections）によ
り挟まれている。第２の部材は、同様に、管状部材の端部を収容するための半円
筒状の空洞を有している。
【００１３】 中心部分は、好ましくは、第2の部分の熱伝導率よりも十分に高い熱伝導率を
有する高い金属により形成される。これにより、中心加熱部は早く加熱され、第
2の部分は、ゆっくり加熱されることが促進される。挟まれた部分は、適切に接
着されるか相互に機械的に固定される。好ましい実施例では、管状部材の少なく
とも一部が加熱部と接触し、これによって、分離する第2の部分は、熱抵抗の高
いプラスチックにより形成される。好ましい実施例では、中央加熱部は、管状部
材の接触部において、モネル（monel）のコーティングあるいは層を有する銅で
形成されている。代わりに、第2の部分において、セラミック材料を使用しても
よい。中央部分と外側部分は、一般的に、異なった熱伝導特性を有する同種の材
料により形成される。例えば、熱伝導率が著しく異なるセラミック材料により形
成される。または、中央部分として銅やステンレススチール、第2の部分として
プラスチックのような、まったく異なる材料により形成してもよい。
【００１４】 好ましい実施例では、ＰＦＡを溶接するために特にしよう可能である。この実
施例では、接触している管状部材の端部が、ポリイミドフィルムのような光や水
を通さないシート材料で覆われている。覆いを用いることの目的及び利点は、溶
接ヘッドが、ロス無しに溶接熱に熱を伝達するように溶接から分離されることで
ある。これにより、もし、溶接ヘッドが、溶融ＰＦＡから発生されるフッ素ガス
で腐食されるどのような材料によって形成されていても、その材料は、ガスから
隔離される。さらに、シート部材は、ＰＦＡが溶接領域から、例えば、加熱部層
の接合部に広がることを防止する。シート材料を用いることの更なる目的と利点
は、溶接部分の外面の出来上がりが滑らかであるということである。
【００１５】 加熱ヘッドは、好ましくは、第１の半円筒状の空洞を有するベース部と、第２
の半円筒状の空洞を有する折り畳み部分(folding portion)を有し、接触する管
状部材の端部を取り囲むように構成されている。加熱部は、対応するボデー部に
固定され、伝導によって接合部に熱を供給するように、管状部材の端部の外部に
うまく係合する寸法で構成されている。加熱ヘッドは、管状部材の端部を挟持し
結合させる１対のクランプを収容するための、分分離する第2の部分に近接する
１対の溝を有している。クランプは、管状部材の円筒状の外表面、あるいは管状
部材の端部に取付要素として一体的に設けられたフランジを挟持することができ
る。これにより、クランプを用いることで、接合の自由度が得られる。例えば、
フランジのある管状部材の端部をフランジのある管状部材の端部に、フランジの
ない部材をフランジのある部材に、フランジのない部材をフランジのない部材に
接合することができる。さらに、各クランプを用いることで、各端部において、
内周面半径方向の圧力を加える。これは、挿入部を所定の位置に保持し、操作時
、溶接ヘッドに接地時や溶接時に、溶接の接合部において、端部内の中心部に維
持するのに効果的である。溶接を完成させるために、クランプは、溶接される管
状部材の端部に用いられ、挿入部は、管状部材の端部の中に設置され、そして、
クランプが取り付けられた端部は、加熱ヘッド内に挿入される。クランプは、好
ましくは、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）のような、熱を伝達しない
プラスチックで形成されている。このような材料は、非常に低い熱伝導率を有し
、また、溶接ヘッドに一般的に用いられている金属よりはるかに低い熱伝導率を
有する。
【００１６】 溶接システムの溶接サイクルは、好ましくは、コントローラによる公知の自動
化装置によりコントロールされる。特に、ＰＦＡを溶接する場合には、周囲の温
度のような環境への影響を最小限にするために、加熱要素は、当初数分の間は、
溶接温度よりも低い第１の温度に保持される。その後、温度は、数分の間、更に
低く下げられ、そして、溶接を完成させるのに十分な時間、溶接温度に急速に上
げられる。それから、温度は急速に下げられ、接合部と溶接ヘッドは、溶接部材
が取り除かれる前に冷却される。加熱部やクランプのための溶接ヘッドに用いる
金属の量を最小化することで、溶接ヘッドや溶接部を所定の温度までより速く上
昇させることができ、また、より速く冷却することができる。溶接温度を上げる
前に数分間温度を急速に降下させて保つことで、“品質のよい”溶接を行うため
に、変化する周囲環境のもとで、溶接ヘッドの温度を十分に安定化することがで
きる。
【００１７】 好ましい実施例では、特別な管サイズのための複数の異なる溶接ヘッドが、ベ
ンチトップベース(bench top base)の収容部に収容可能である。このベンチト
ップベースは、調整可能なユニバーサル管支持部を有している。このユニバーサ
ル間支持部により、支持部内に管状部材の付加的なクランプを必要とせず、管状
部材を適切な高さに一直線状に揃えるためのいかなる支持も必要としない。各ユ
ニバーサル支持部は、収容部及びベンチトップベースに対する溶接ヘッドから離
されている。特別な管サイズのための種々の加熱ヘッドは、それぞれベースの収
容部に配置されている。特別な管サイズのための各加熱ヘッドは、上昇時におけ
る、ヘッドにクランプされている管上部材の直径の外径の最も低い位置が、ユニ
バーサル管支持部の支持面の最も低い位置と一致するように構成されている。
【００１８】 あるいは、溶接される管状部材を取り囲む加熱部を含む挿入部材は、上昇時に
おいて、囲われた管状部材の外径の最も低い位置が、ユニバーサル管支持部の支
持面の最も低い位置に一致するように構成してもよい。
【００１９】 更なる実施例では、ユニバーサル支持部は、Ｖ字型である。これにより、支持
された管状部材は、わずかに横方向の安定性を提供する２つの接触点を有する。
【００２０】 以上のように、このシステムの目的と特徴は、異なるサイズの管状部材を溶接
する時に、管支持部の調節あるいは機械的操作を必要とすることがない、種々の
サイズの管状部材のための、容易に適応可能なポータブルのあるいはベンチトッ
プの伝導溶接装置を提供することである。
【００２１】 本発明の特別な実施例における他の目的と利点は、管状部材の接触する金属を
絶対的に小さくまたは削除することである。これは、溶接における省力化、サイ
クルタイムの最小化、管状部材の端部の加熱及び冷却速度を速くすること、管状
部材の端部の外面をより良い状態に保つことを容易にし、また、ＰＦＡを溶接す
るための優れた熱伝導性の環境を提供する。
【００２２】 本発明の特別な実施例における原理的な目的と利点は、溶接領域を最小化して
、速いサイクルタイムを得ることである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１及び２を参照すると、独立した溶接ヘッド２２、及びベンチトップベース
２３の受容領域２５上の所定位置に配置された溶接ヘッド２２が示されている。
溶接ヘッド２２は半割の本体セクション２６，２８を有する溶接ヘッド本体２４
と、半割のヒーターセクション３６，３８を有するヒーター部分３２と、ヒンジ
４０と、トグルラッチ４２と、ハンドル４４とを主体として構成されている。
【００２４】 図３及び４を参照すると、チューブクランプ５０，５２によって部分的に係合
された一対のチューブ端部が示されている。図３ａ，３ｂ及び３ｃはクランプを
さらに詳細に示している。図３のチューブ端部５５は従来のチューブの端部を示
しており、チューブクランプ５０はチューブ６４の外面６２を把持するための複
数の円形のセレーション５８を使用している。クランプはチューブ端部上にその
クランプを固定するためのヒンジ６５及び一対のトグルラッチ６６を有する。図
示されているクランプは好ましくはポリエーテルエーテルケトン(PEEK)から形成
することができる。
【００２５】 図４及び３ｂを参照すると、チューブクランプが示されている。このチューブ
クランプは図４に示されるＴ−フィッティング８０のようなフィッティングのチ
ューブ端部７６に一体化されているフランジ７４に係合する寸法の溝７０を有し
ている。
【００２６】 図５は、この図には示されていないインサートといっしょに当接された図３及
び４のチューブ端部を示している。インサートは当接された端部の接合点８０に
配置される。接合点は一つの柔軟な不浸透性のシート材料８４で被覆されている
。前記シート材料は細長いストリップで形成され、シアンアクリル(cyan acryli
c)接着剤などの接着剤でチューブ端部に固定されている。柔軟な不浸透性のシー
ト材料８４のストリップは、好ましい一実施の形態においては、０．００２イン
チ(0.05mm)から０．００５インチ(0.13mm)の厚さのKaptonフィルムのHNタイプか
ら成っている。KaptonはDuPont Electronicsの登録商標であり、ポリアミドフィ
ルムである。溶接温度に耐え得る他のタイプの透過性のシート材料も全く適して
おり、たとえば、ステンレススチール、アルミニウム、又はニッケルのフォイル
はいずれも、必要に応じて、溶接接合点を被覆するのに適していると思われる。
【００２７】 図５及び１を参照すると、当接されたチューブ端部アセンブリ９９は半円筒状
のキャビティ９０内へ挿入され、同時に、チューブクランプがスロット９４内に
受容される。上半分の本体セクション２６が閉じられ、当接された端部に締め付
けられる。図２参照。ヒーターヘッドは電源コード１００を有しており、この電
源コードには、溶接プロセスを適性にコントロールするコントロールユニット１
０６に接続するコネクタ１０２が取り付けられている。チューブ端部５５はＴ−
フィッティング８０に溶接されるべきチューブセクション１１０の一部である。
調節可能なユニバーサルチューブサポート１１２がチューブセクションを保持し
ている。図２の溶接ヘッドはハンドル４９から離れる方向へヒンジ動作可能なも
のが示されている。これは、図１におけるハンドルに隣接したヒンジの別の形態
と対比される。
【００２８】 図６を参照すると、溶接ヘッド及びチューブ端部のアセンブリの断面図が、内
側ビードの形成を防止するためのインサートといっしょに示されている。また、
溶接ヘッドに対するチューブクランプ５０，５２の配置及び関係がチューブ端部
、特に、接合点８０への中央被加熱セクションを含むヒーター部分３２の関係と
ともに示されている。二つのヒーター部分の半割セクション３６，３８は図７か
ら９に詳細に示されており、中央被加熱セクション１２０及び一対の第２の絶縁
セクション１２４，１２６を有している。ヒーター部分３２は円筒状のボア１２
７及び二つの軸方向の面１２８，１２９を有している。従来のヒーターカートリ
ッジ１３０がそれぞれの中央被加熱セクションの拡大部１３４の溝１３２内にフ
ィットしている。図５から明らかなように、第２の絶縁セクションは中央被加熱
セクションを挟み込んでいる。これらの第２のセクションは好ましくは中央被加
熱セクションよりも熱伝導性の低い材料が選択される。これにより、第２のセク
ションの温度と中央セクションの温度との均等化が抑制され、明確な温度勾配が
形成され、溶融領域のサイズが限定される。
【００２９】 クランプ５０，５２はインサート１３６のそれぞれの側においてチューブ端部
に圧縮力を付与するため内側へ偏向するものとして示されている。これはチュー
ブ端部アセンブリ内のインサートの適正なセンタリングを容易にしている。さら
に、それはアセンブリを所定の位置に正確に保持する機能を発揮する。
【００３０】 図８，８ａ及び９は図６にも示されているようなヒーター部分のための相応し
い形状を示している。
【００３１】 理想的な実施の形態において、中央被加熱セクション１２０は機械加工された
銅から成り、モネルメタル(monel)又はそれと同等の材料で形成されたプレート
１４２を有している。銅は溶融ＰＦＡに対してある程度接着することがわかって
おり、ステンレススチールのコーティング又はモネルメタルはこのような接着を
抑制する。望ましくは、絶縁された第２のセクションは、たとえば、ポリアミド
などの高温ポリマーの機械加工によって形成される。テキサス州、シャイナのBo
edeker Plastics, Inc. によって製造販売されているVespelという商品名のポリ
アミドが第２のセクションに適している。Vespelは８．３ BTU-in/ft2-fr-EFの
熱伝導性を有する。
【００３２】 別の適当な材料はテキサス州、シャイナのBoedeker Plastics, Inc. から入手
可能なCelazole PBI(polybenzimidazole)である。Celazoleは２．４及び２．８
BTU-in/ft2-hr-°Fの熱伝導性を有する。これは銅の熱伝導性、２，７３０ BTU/
(ft2)(h)(in)(F°)と比較される。これらの特別なプラスチック材料はまた溶融
状態の熱可塑性物質(thermoplastics)及び特定のＰＢＴに対して優れた抗接着性
を付与する。図７を参照すると、溶融領域１５４の図が示されている。溶融領域
は中央被加熱セクション１２０の回りに集中しており、前記加熱セクションから
軸方向に延びて第２のセクション１２４，１２６に隣接するとともにそれらに接
触して位置する。溶融領域はそのサイズを変更することが可能であるが、１イン
チのＰＦＡチューブに対しては、１／４インチ(6.4mm)の溶融領域が適している
ことがわかっている。ボア１２７における加熱セクションの厚さは、軸方向の測
定で、０．０１５インチ(0.38mm)が適していることがわかっている。溶融領域は
第２のセクションに隣接する領域へと延びるであろう。従来の伝導加熱装置は接
合点に加えられた熱を絶縁することができず、高度に差別化された熱伝導性を有
する材料を最適に選択して層状のヒーター部分を利用することができる程度まで
溶融領域をコントロール及び制限することはできない。
【００３３】 中央被加熱セクションとして銅を使用し、第２のセクションとして高温プラス
チックを使用することに加えて、他の材料も適している。たとえば、第２のセク
ションに適した比較的低い熱伝導性を有するセラミック材料及び中央セクション
に適した比較的高い熱伝導性を有するセラミック材料も利用できる。図１０，１
１及び１２を参照すると、そのようなセラミックのヒーター部分１６０の相応し
い形状が開示されている。この場合、ヒーターエレメントはＴ字形の断面を有す
る中央被加熱セクション１６６に機械的その他の方法で係合されたステンレスス
チールその他の金属ワイヤ１６２である。この加熱セクション１６６は第２のセ
クション１７０，１７２の間にサンドイッチ状に挟まれている。セラミックのセ
クションは適宜に相互結合され、図１１及び１２に示されるような単一ユニット
を形成している。上記と同様な利点を有する他の材料も使用可能である。
【００３４】 図２，１３，１４，１５及び１６を参照すると、チューブの基準レベルに適合
したユニバーサルチューブサポート及び溶接ヘッドに関するこの発明の特徴が示
されている。異なるチューブのサイズに対するチューブの基準レベル１８２は、
図１３に示されるようにＵ字形のチューブ支持面１８８を有するチューブサポー
ト１８６に固定されており、図１６に示されるようにＶ字形のチューブ支持面１
９２を有するチューブサポート１９０が使用される場合には、変更される。Ｖ字
形の支持面に関しては、第１のサイズのチューブすなわち小径のチューブ１９４
は、第１の基準レベル１９５において、「Ｖ」の下方に配置される。第２のサイ
ズのチューブすなわち大径のチューブ１９６はより高い位置に位置して第２の基
準レベル１９７を限定する。Ｕ字形の支持面に関しては、小径のチューブ１９４
も大径のチューブ１９６も同一の基準レベル１８２を有する。Ｕ字形及びＶ字形
の面はいずれも下方に向かって傾斜する側面１９８を有する。
【００３５】 図１４及び１５を参照すると、第１及び第２の溶接ヘッド１９９，２００が示
されている。これらはそれぞれ第１及び第２のチューブサイズに適合されるとと
もにＵ字形のユニバーサルチューブサポート１８６に適合されている。図１６を
参照すると、第１及び第２の溶接ヘッドの上部２０１，２０１はそれぞれ第１及
び第２のチューブサイズに適合されるとともにＶ字形のユニバーサルチューブサ
ポート１９０に適合されている。図１６のＶ字形のサポート及び図１３のＵ字形
のサポートの両方に関して、第１の溶接ヘッド１９９又は第１の溶接ヘッドの上
部２０１は、第１のチューブサイズに対しては、第１の基準レベル、すなわち、
大径のチューブサイズに対するよりも短いベース２０２を使用することなどによ
って得られる小径チューブの基準レベルに適合されている。第２の溶接ヘッド２
００及び第２の溶接ヘッドの上部２０３は第２の基準レベルに適合されている。
特定のチューブサイズのための溶接ヘッドをそのチューブサイズのための適当な
基準レベルに適合させるための他の手段は当業者であれば周知であろう。図１６
は位置２１２において溶接ヘッドの上部２０１，２０３を受容している溶接ヘッ
ドの下部２１０を示している。このようなチューブサポート１８６，１９４及び
溶接ヘッドコンポーネントはアルミニウムその他の材料で適宜に形成することが
できる。
【００３６】 図２及び１７を参照すると、溶接システムの溶接サイクルは好ましくは従来の
自動化されたコントローラ手段によってコントロールされる。このようなコント
ローラは当業者周知である。ヒーターエレメントは従来のヒーターカートリッジ
でよい。特に、溶接ＰＦＡに関して、雰囲気温度などの周囲の影響を低減するた
めに、ヒーターエレメント及び加熱セクションは十分な電流によって最初に電力
供給され、溶接温度よりも若干低い程度の第１の温度、たとえば、約３５０° F
に近づけられる。図１７はヒーターカートリッジに供給される電力に対する温度
曲線を示す。加熱セクションの実際の温度は立ち遅れ、点線の曲線で表される。
さらに、ヒーターヘッド本体の温度は実質上さらに立ち遅れ、熱損失によって、
おそらく特定の電力レベルに対応する温度に達することはないであろう。前記の
十分な電力はウォームアップのために約２分間維持される。温度はその後数分間
かけて約２１０ °Fまで下げられ(ramped down)、さらに、約７５０ °Fの溶接
温度まで急速に上げられ(ramped up)、その温度で溶接を完遂するのに十分な時
間、おそらく、１１分間維持される。温度はその後雰囲気温度まで下げられ、溶
接部及び溶接ヘッドがおそらくは８−１０分間かけて冷却されてから、溶接コン
ポーネントが取り外される。これらの電力レベル、温度及び時間はＰＦＡの十分
な溶接がもたらされるように決定される。
【００３７】 ヒーター部分に対する溶接ヘッド及びクランプにおける金属の使用が抑制され
ているため、所望の温度を迅速に達成でき、溶接ヘッド及び溶接部を迅速に冷却
できる。
【００３８】 この発明はその精神及び属性をから逸脱することなく別の特定の形態で実施可
能であり、したがって、ここにおける実施の形態は説明のためのものであって限
定的なものではなく、発明の範囲は上記の説明ではなく特許請求の範囲によって
判断されるべきものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による溶接ヘッドの斜視図である。
【図２】 ベンチ式取付具上の溶接ヘッドを示す斜視図である。
【図３】 チューブ端部の円筒状外面との初期の係合状態にあるチューブクランプの斜視
図である。
【図３ａ】 チューブクランプの正面図である。
【図３ｂ】 クランプにおけるフランジのための溝を示す図３ａの３ｂ−３ｂ線に沿う断面
図である。
【図３ｃ】 クランプのセレーションを示す図３の３ｂ−３ｂ線に沿う断面図である。
【図４】 Ｔ取付具のフランジ状チューブ端部との初期の係合状態におけるチューブクラ
ンプを示すものである。
【図５】 図３及び図４のチューブ端部とクランプの当接状態を、接合部に巻き付けられ
たフィルムとともに示す斜視図である。このアッセンブリは溶接ヘッドへの挿入
の準備ができている。
【図６】 溶接ヘッドを、互いに当接したチューブ端部と、クランプと、その内部のイン
サートとともに示した断面図である。
【図７】 加熱部と互いに当接したチューブ端部と接合部との間の干渉を示す詳細断面図
である。
【図８】 ヒータ部の半割部分の分解図である。
【図８ａ】 組み付け状態におけるヒータ部の半割部分の斜視図である。
【図９】 組み付け状態におけるヒータ部の、図８ａの９−９線に沿う断面図である。
【図１０】 別形態のヒータ部の半割部分の分解図である。
【図１１】 組み付け状態における、図１０のヒータ部の半割部分の斜視図である。
【図１２】 組み付け状態におけるヒータ部の、図１１の１２−１２線に沿う断面図である
。
【図１３】 自在配管サポートの正面図である。
【図１４】 溶接装置の断面図である。
【図１５】 溶接装置の別の断面図である。
【図１６】 適応データレベルの概念を示す、チューブサポートの正面図及び溶接ヘッドの
断面図である。
【図１７】 溶接サイクルを示す時間に対してプロットされた定常状態温度に対応する相対
的な電圧レベルを示すグラフである。
【手続補正書】
【提出日】平成１４年１月１６日（２００２．１．１６）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，Ｅ Ａ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，Ｇ Ｈ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ， ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，Ｍ Ｗ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ， ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ Ｆターム(参考） 4F211 AD05 AD12 AG08 AH11 TA01 TC11 TD07 TJ22 TN31 TQ01 TQ02

Claims (37)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 一対の接触する熱可塑性の管状部材の端部を溶接する溶接装
    置であって、 ボデーを有する溶接ヘッドと、 ボデーに保持され、接触する管状部材の端部を収容して囲む円筒状の穴を有す
    る加熱部とを備え、 加熱部は、２つの軸方向の側部と、各軸方向の側部でボデー内に移動可能に挿
    入される一対のクランプとを有し、クランプは、円形の形状を有し、接触する管
    状部材の端部を円筒状の穴内に固定するために接触する管状部材の端部を囲うと
    ともに把持し、ボデーはクランプを拘束している。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の溶接装置であって、クランプは、プラスチ
    ックにより形成されている。
  3. 【請求項３】 請求項２に記載の溶接装置であって、クランプは、ポリエー
    テルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）により形成されている。
  4. 【請求項４】 請求項１に記載の溶接装置であって、加熱部は、穴を有し、
    接触する管状部材の端部の接合部を囲う位置に配置された中央加熱部を備えてい
    る。
  5. 【請求項５】 請求項４に記載の溶接装置であって、穴の個所における中央
    加熱部分は、プラスチックにより形成された２つの第２の区分の間に挟まれてい
    る。
  6. 【請求項６】 一対の熱可塑性の管状部材の端部を突き合わせ溶接する溶接
    装置であって、 a)垂直方向に延び、溶接ヘッド収容部を有するベースと、 b)ベースに取り付けられ、溶接ヘッド収容部と分離した少なくとも１つの管支
    持部と、 c)溶接ヘッド収容部に取り付けるためのベースと、一対の接触する管状部材の
    端部を囲い、２つの端部を有する穴と、ボデーによって拘束され、それぞれ穴の
    各端部に配置される一対のクランプとを有する溶接ヘッドとを備え、 溶接ヘッドは、溶接ヘッド収容部内及び溶接ヘッド収容部外のいずれかで作動
    可能である。
  7. 【請求項７】 請求項６に記載の溶接装置であって、各クランプは、管状部
    材の端部を収容する開口部を有する円形形状のボデーを備え、ボデーは、プラス
    チックにより形成されている。
  8. 【請求項８】 接触する熱可塑性の管状部材の端部を溶接する溶接装置であ
    って、管状部材の端部は円筒状の表面及び円周フランジの１つを有し、 ボデーと、 ボデーに保持され、接触する管状部材の端部を収容して囲う円筒状の穴を有す
    る加熱部と、 複数のクランプとを備え、 加熱部は、２つの軸方向の側部を有し、ボデーは、それぞれ加熱部の各側部に
    配置された２つの収容領域を有し、各クランプは、各収容領域に移動可能に挿入
    され、各クランプは、接触する管状部材の端部を円筒状の穴内に固定するために
    、接触する管状部材の端部を囲むとともに把持するように円形形状を有しており
    、少なくとも１つのクランプは、クランプ内で半径方向外側に延びる円周凹部を
    有し、少なくとも１つのクランプは、管状部材の端部を円筒状の表面でつかむた
    めの円周歯部を有している。
  9. 【請求項９】 請求項８に記載の溶接装置であって、更に、クランプは、ほ
    ぼプラスチックにより形成されている。
  10. 【請求項１０】 請求項８に記載の溶接装置であって、クランプは、ほぼポ
    リエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）により形成されている。
  11. 【請求項１１】 請求項８に記載の溶接装置であって、加熱部は、穴を有し
    、接触する管状部材の端部の接合部を囲うように配置された中央加熱部を備えて
    いる。
  12. 【請求項１２】 請求項１１に記載の溶接装置であって、穴の個所における
    中央加熱部は、プラスチックにより形成された２つの第２区分の間に挟まれてい
    る。
  13. 【請求項１３】 請求項１１に記載の溶接装置であって、接触する管状部材
    の端部と係合する溶接ヘッドのただ１つの金属は、中央加熱部である。
  14. 【請求項１４】 第１の外径を有する第１の管サイズの一対の管状部材の端
    部及び第２の外径を有する第２の管サイズの一対の管状部材の端部を突き合わせ
    溶接する溶接装置であって、各サイズの管状部材の端部の少なくとも１つは管状
    部材の部分の一部であり、 a)垂直方向に延びるベースと、 b)ベースに取り付けられ、最も低い位置に第１の穴を有する第１の加熱部から
    なる第１の溶接ヘッドであって、第１の加熱部は、接合部において、第１のサイ
    ズの管状部材の端部の対を周方向及び長さ方向に囲み、少なくとも１つの管状部
    材の部分は、第１の加熱部から垂直方向に外側に延びており、加熱部は、管状部
    材の端部の接合部を溶接するための熱源を有しているものと、 c)ベースに取り付けられ、最も低い位置に第２の穴を有する第２の加熱部から
    なる第２の溶接ヘッドであって、第２の加熱部は、接合部において、第２のサイ
    ズの管状部材の端部の対を周方向及び長さ方向に囲み、少なくとも１つの管状部
    材の部分は、第２の加熱部から垂直方向に外側に延びており、加熱部は、管状部
    材の端部の接合部を溶接するための熱源を有しているものと、 d)ベースに取り付けられ、溶接ヘッドから分離しており、ベースから延びる管
    状部材の部分を支持するためのユニバーサル管支持部であって、ユニバーサル管
    支持部は、少なくとも２つの管状部材の部分を収容するために、下方向に収束す
    る上向きの凹部を有し、下方向に収束する側面は、第１の管サイズのための第１
    のレベル及び第２の管サイズのための第２のレベルを提供するものとを備え、 第１溶接ヘッドは、第１の加熱部の穴の最も低い部分を第１の管のレベルに揃
    え、第２の溶接ヘッドは、第２の加熱部の穴の最も低い部分を第２の管のレベル
    に揃える。
  15. 【請求項１５】 請求項１４に記載の溶接装置であって、ユニバーサル管支
    持部の凹部はＵ字状であり、第１のレベル及び第２のレベルは同一である。
  16. 【請求項１６】 請求項１４に記載の溶接装置であって、ユニバーサル管支
    持部の凹部はＶ字状であり、第１のレベルと第２のレベルが異なっている。
  17. 【請求項１７】 第１の外径を有する第１の管サイズの一対の管状部材の端
    部及び第２の外径を有する第２の管サイズの一対の管状部材の端部を突き合わせ
    溶接する溶接装置であって、各サイズの管状部材の端部の少なくとも１つは管状
    部材の部分の一部であり、 a)垂直方向に延びるベースと、 b)ベースに取り付けられる溶接ヘッド低部分と、 c)溶接ヘッド低部分に着脱可能な第１の溶接ヘッド高部分であり、第１の溶接
    ヘッド高部分は、最も低い位置に第１の穴を有する第１の加熱部を有し、第１の
    加熱部は、接合部において、第１のサイズの管状部材の端部の対を周方向及び長
    さ方向に囲み、少なくとも１つの管状部材の部分は、第１の加熱部から垂直方向
    の外側に延びており、第１の加熱部は、管状部材の端部の接合部を加熱する加熱
    源を有しているものと、 d) 溶接ヘッド低部分に着脱可能な第２の溶接ヘッド高部分であり、第２の溶
    接ヘッド高部分は、最も低い位置に第２の穴を有する第２の加熱部を有し、第２
    の加熱部は、接合部において、第２のサイズの管状部材の端部の対を周方向及び
    長さ方向に囲み、少なくとも１つの管状部材の部分は、第２の加熱部から垂直方
    向の外側に延びており、第２の加熱部は、管状部材の端部の接合部を加熱する加
    熱源を有しているものと、 e)ベースに取り付けられ、溶接ヘッドから分離しており、ベースから延びる管
    状部材の部分を支持するためのユニバーサル管支持部であって、ユニバーサル管
    支持部は、少なくとも２つの管状部材の部分を収容するために、下方向に収束す
    る側面を有する上向きの凹部を有し、下方向に収束する側面は、第１の管サイズ
    のための第１のレベル及び第２の管サイズのための第２のレベルを提供するもの
    とを備え、 第１溶接ヘッド高部分は、第１の加熱部の穴の最も低い部分を第１の管状部材
    のレベルに揃え、第２の溶接ヘッド高部分は、第２の加熱部の穴の最も低い部分
    を第２の管状部材のレベルに揃える。
  18. 【請求項１８】 請求項１７に記載の溶接装置であって、ユニバーサル管支
    持部の凹部はＵ字状であり、第１のレベル及び第２のレベルは同一である。
  19. 【請求項１９】 請求項１７に記載の溶接装置であって、ユニバーサル管支
    持部の凹部はＶ字状であり、第１のレベルと第２のレベルが異なっている。
  20. 【請求項２０】 ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）により形成され
    る２つの管状部材の端部を接合する方法であって、 a)周方向に延びるクランプを各管状部材の端部に取り付け、 b)管状部材の端部を突き合わせ、管状部材の端部の接合部に挿入部を配置し、 c)接触する管状部材の端部及びクランプを溶接ヘッド内に挿入し、 d)管状部材の端部を溶接するために接合部を加熱し、 e)溶接された管状部材の端部を溶接ヘッドから除去し、 f)挿入部を管状部材の端部から除去する。
  21. 【請求項２１】 請求項２０に記載の方法であって、更に、２つのクランプ
    により各管状部材の端部を半径方向に押圧することによって、挿入部を結合部の
    中央に配置するステップを備える。
  22. 【請求項２２】 請求項２０に記載の方法であって、２つの管状部材の端部
    の１つはフランジであり、クランプの１つは、フランジを収容可能な大きさの凹
    部を有し、更に、フランジを凹部の個所でクランプに係合させるステップを備え
    る。
  23. 【請求項２３】 接触する一対の熱可塑性の管状部材の端部を結合するため
    の溶接ヘッドであって、溶接ヘッドは、管状部材の端部を収容するために開閉可
    能であり、 a)接触する管状部材の端部を収容するための円筒状の室を有する溶接ヘッドボ
    デーと、 b)溶接ヘッドボデー内に、結合部の個所に配置され、溶接ヘッドが閉じられる
    時に結合部の周りに延びる合成加熱部であって、該合成加熱部は、中央加熱部と
    中央加熱部の両側の一対の第２の部分を有し、中央加熱部は、結合部において、
    接触する管状部材の端部を囲むように設けられており、第２の部分は、中央加熱
    部とは異なる材料で形成され、結合部から離れた位置において、管状部材の端部
    を囲むように設けられているものと、 c)中央加熱部に熱的に結合された加熱要素であって、加熱要素は、中央加熱部
    に隣接する、接触する熱可塑性の管の端部に熱エネルギーを供給し、端部を溶融
    させて溶融領域を形成し、溶融領域は、中央加熱部に隣接して設けられ、各管状
    部材の端部の第２の部分に隣接する位置まで長手方向に延びるものとを備える。
  24. 【請求項２４】 請求項２３に記載の溶接ヘッドであって、中央加熱部は、
    第１の熱伝導率の材料で形成され、第２の部分は、第１の熱伝導率より小さい熱
    伝導率を有する材料で形成されている。
  25. 【請求項２５】 請求項２３に記載の溶接ヘッドであって、中央加熱部は、
    銅で形成され、第２の部分は、銅の熱伝導率より小さい熱伝導率を有する材料で
    形成されている。
  26. 【請求項２６】 請求項２５に記載の溶接ヘッドであって、第２の部分は、
    ポリベンゾイミダゾール及びポリイミドのセットの１つにより形成されている。
  27. 【請求項２７】 請求項２３に記載の溶接ヘッドであって、合成加熱部は、
    セラミック材料により形成されている。
  28. 【請求項２８】 溶融処理可能なプラスチックにより形成された管状部材の
    接触する端部を伝導溶接する際における改善されたサイクルタイムを提供する溶
    接ヘッドであって、 a)溶接処理を行っている間、端部を固定するために接触する管状部材の端部の
    周りを囲むボデー部と、 b)ボデー部に固定される加熱部であって、該加熱部は、中央加熱部と一対の絶
    縁部分を有し、中央加熱部は、接合部において、接触する管状部材の端部の周り
    に延びるとともに、管状部材の端部に係合する穴を有する管状の係合部を有し、
    中央加熱部は、第１の熱伝導率を有する材料で形成されており、一対の絶縁部分
    は、中央加熱部を絶縁するように中央加熱部の周りを挟み、各絶縁部分は、接合
    部から離れた位置において、接触する管状部材の端部に延びるとともに、管状部
    材の端部に係合する穴を有する管状の係合部を有し、絶縁部は、第１の熱伝導率
    より小さい熱伝導率を有する材料で形成されている。
  29. 【請求項２９】 請求項２８に記載の溶接ヘッドであって、第２の絶縁部分
    は、プラスチックにより形成されている。
  30. 【請求項３０】 請求項２８に記載の溶接ヘッドであって、第２の絶縁部は
    、セラミック材料により形成されている。
  31. 【請求項３１】 請求項２８に記載の溶接ヘッドであって、中央加熱部及び
    第２の部分は、セラミック材料により形成されている。
  32. 【請求項３２】 請求項２８に記載の溶接ヘッドであって、中央加熱部は、
    銅により形成されている。
  33. 【請求項３３】 請求項３２に記載の溶接ヘッドであって、中央加熱部の穴
    は、ステンレス鋼を含むめっき（Plating）を有している。
  34. 【請求項３４】 接触し合う一対の管状部材のＰＦＡ端部を溶接するシステ
    ムであって、 a)接触し合う管状部材の端部を囲うとともに、接触し合う管状部材の端部をＰ
    ＦＡ溶融温度まで加熱することが可能な伝導溶接ヘッドと、 b)接触し合う管状部材の端部内に配される着脱可能な挿入部と、 c)接触し合う管状のＰＦＡ端部を覆うべく、劣化ないし溶融することなくＰＦ
    Ａの融点温度に耐えられる非浸透性のフレキシブルフィルムとを有している。
  35. 【請求項３５】 一対のフッ化ポリマー(fluoropolymer)の管状部材の端部
    を接合する方法であって、 a)溶接接合部を形成するべく、一対の管状部材の端部を接触させ、 b)フレキシブルで非浸透性であるとともに、フッ化ポリマーの管状部材の端部
    の融点よりも高い融点のシート状材料で溶接接合部を覆い、 c)伝導ヒータによって、管状部材の端部が十分に溶融するよう溶接接合部を加
    熱する。
  36. 【請求項３６】 請求項３５に記載の方法であって、更に、管状部材の端部
    が溶けた後、非浸透性のシート状材料を剥がすステップを有している。
  37. 【請求項３７】 請求項３５に記載の方法であって、更に、接着剤を用いて
    シート状材料をシート状材料自体に接着するステップを有している。
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