JP4064206B2 - 熱可塑性樹脂管の接合方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は摩擦融着による熱可塑性樹脂管の接合方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
合成樹脂、特にポリエチレンは化学的に安定であり、しかも可塑剤を必要としないので、各種の輸送管材や配管材として有用である。
しかしながら、ポリエチレン管においては、実質的に無極性であり、接着剤による接合が至難である。
そこで、熱融着による接合方法が種々開発され、その一つとして、摩擦融着を利用する方法が提案されている。
【０００３】
従来の摩擦融着法の一例として、２本の熱可塑性樹脂管を同様の熱可塑性樹脂継手で接続するに当たり、回転している継手の受口に管を挿入することにより、継手の受口内面と管の端部の外面とを溶融させて融着する方法がある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特表平８−５０４９２２号公報
【０００５】
特許文献１に開示された熱可塑性樹脂管の回転摩擦融着法について、図７に基づいて説明する。図７の（イ）は、従来の熱可塑性樹脂管の摩擦融着法の一例を一部を断面で示す正面図を、図７の（ロ）は（イ）のＢ−Ｂ線における側面図をそれぞれ示している。
図７において、１’は熱可塑性樹脂管である。２’は熱可塑性樹脂継手であり、テーパ受口２４’を有し、外周面に従動歯車４’を一体に形成してある。
図７において、摩擦融着接合を行なうには、駆動歯車を備えた接合工具の駆動歯車５１’を継手外面の従動歯車４’に噛合すると共に、従動歯車４’の周辺に配置した支持歯車で定位置に支持して継手２’を回転させ、管１’に軸方向圧力Ｐを作用させつつ駆動歯車５１’で継手２’を回転させていく。
【０００６】
この継手２’の回転により、継手２’と管１’との接触箇所の樹脂が摩擦熱により溶融され、その樹脂溶融の進行に追従して管１’が管軸方向圧力Ｐで押し込まれ、溶融樹脂の熱膨張のために面圧が発生されると共に継手側溶融樹脂と管端部側溶融樹脂とが混合拡散されていく。
この間、管１’が上記した通り、管軸圧力方向に向け移動され、管端１１’が継手内面中央のストッパー２１’に達すると、継手２’の回転が停止される。
この継手２’の回転停止により摩擦熱の発生が停止され、前記溶融樹脂が冷却凝固され、この凝固をまって接合が完了される。
【０００７】
この摩擦融着接合方法によれば、他の熱融着接合方法、例えば、電熱コイルを埋設しておき、このコイルの通電発熱により接触界面を融着させる、所謂エレクトロヒュージョン継手に比べて、圧倒的に短時間で接合でき、コイル等が不要でコストが安くなり、また、金属等の異物がなく、単一樹脂による接合なので、リサイクルが可能という利点がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図７の（ロ）において、駆動歯車５１’のピッチ円の直径をｄ1 、角速度をｗ1 とし、従動歯車４’のピッチ円の直径をｄ2 、角速度をｗ2 とすれば、歯車理論により、
ｄ1 ・ｗ1 ＝ｄ2 ・ｗ2 （１）
に設定され、両歯車の歯形曲線が、両歯車の接触点での共通垂線と両歯車の中心点間を結ぶ直線との交点、所謂、ピッチ点を定点とするように設定されている。
【０００９】
図７の（イ）において、接合界面が前記継手の回転に基づき周方向に摺動されることにより生じる抵抗力をＳとすると、この抵抗力に抗して従動歯車４’を回転させるのに必要な駆動力が上記抵抗力Ｓに比例してｋＳで表され、この駆動力ｋＳが駆動歯車５１’から従動歯車４’に伝達される際、従動歯車４’の１ピッチだけで剪断力が支承されて、その駆動力の伝達が行なわれるから、従動歯車４’の歯に作用する剪断応力τx は、従動歯車４’の１ピッチの剪断面積をＡとすると、τx ＝ｋＳ／Ａで与えられる。この場合、従動歯車４’のピッチをｐとすると、Ａ＝ｋ’ｐで表すことができ、歯数をｎとすると、ピッチｐ＝ピッチ円長さ／歯数ｎであり、Ａ＝ｋ”／ｎが成立するから、結局、従動歯車４’の歯に作用する剪断応力τx は、
τx ＝ＫＳｎ （２）
で与えられる（ただし、Ｋは摺動界面の直径、摺動界面の面積、従動歯車のピッチ円直径、歯車の歯形曲線、従動歯車の歯巾等により定まる定数）。
【００１０】
よく知られている通り、歯数ｎを少なくすると、滑り速度が高くなり、滑り率も極端に高くなって歯車の円滑駆動に不利となり、通常の設計では、前記歯数ｎを相当に多くしている。
しかしながら、図７に示した摩擦融着接合法についての本発明者の実験結果によれば、継手に一体成形の従動歯車の歯数ｎを通常通りに設定すると、歯先の欠損が往々にして発生することが明らかになった。
この歯先欠損の主な原因は、前記式（２）における接合界面の周方向摺動に対する抵抗力Ｓが、溶融樹脂の粘性以外に、継手が射出成形時の冷却不均一等により当初から楕円化されていることによっても発生し、後者のために抵抗力Ｓが相当に大きくされること、及び歯数ｎが相当に大きいことにある、と推定される。
この従動歯車の歯数ｎを通常よりも少なくして、前記式（２）に示す剪断応力の低減を図り歯の欠損を抑えようとすると、滑りが生じて円滑な駆動が望めない。
【００１１】
また、熱可塑性樹脂継手を射出成形で成形する場合、継手と一体となった従動歯車を精密に成形することは困難であり、成形時の歪みが生じるのは避けられない。一方、熱可塑性樹脂継手と管とを摩擦融着するには継手の回転をかなり高速とする必要があり、樹脂製の歯車が駆動歯車との高速摺動摩擦で軟化することと相俟って、歯車の歯形が押し潰されて不定形の製品外観となり、見苦しいものとなる。配管ラインとして継手の外観が見苦しいのは、製品としての価値が低下することとなる。
【００１２】
本発明の目的は、熱可塑性樹脂継手の端部内に熱可塑性樹脂管の端部を挿入し、該継手端部と前記管端部との間に熱可塑性樹脂カラーを受容させ、継手とカラーとの接触面及びカラーと管端部との接触面をカラーの回転により摩擦融着する方法において、歯車機構によるカラーの安定・円滑な回転を保証し、良好な摩擦融着接合を可能にし、継手に損傷を与えない摩擦融着方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本願の請求項１に係る熱可塑性樹脂管の接合方法は、熱可塑性樹脂継手の端部内に熱可塑性樹脂管の端部が挿入され、
該継手端部と前記管端部との間に熱可塑性樹脂カラーが受容され、
継手とカラーとの接触面及びカラーと管端部との接触面をカラーの回転により摩擦融着する方法において、
外周面に歯を備えた従動歯車を有する治具をカラー端部の外周面に取付け、
駆動歯車を備えた回転保持手段の駆動歯車に前記治具を噛合保持させ、
前記従動歯車を有する治具の側部には移動防止具が設けられ、
この移動防止具は、前記治具の少なくとも一方の側面に、治具の回転に対して常時当接する範囲にわたって設けられて、
前記カラーを回転させることを特徴とする。
【００１４】
また、本願の請求項２に係る熱可塑性樹脂管の接合方法は、請求項１記載の熱可塑性樹脂管の接合方法において、
前記従動歯車を有する治具が周方向の２箇所でジグザグ状に二つ割りとなされ、
各半割れ部品がカラー端部の外周面とかみ合い状態で被せられてピン結合で組み立てて取り付けられていることを特徴とする。
【００１５】
上記本願の請求項１に係る熱可塑性樹脂管の接合方法は、カラー端部の外周面に、外周面に歯を備えた従動歯車を有する治具を取付け、駆動歯車を備えた回転保持手段の駆動歯車に、前記治具の従動歯車を噛合保持させ、カラーを回転させるので、従動歯車として、強度を有する金属製のものとでき、歯車機構によるカラーの安定・円滑な回転を保証し、良好な摩擦融着接合が可能となる。
接合完了後、従動歯車を有する治具は取り外され、継手には損傷がなく摩擦融着できるので、信頼性のある、外観に優れた配管ラインを構築できる。
【００１６】
また、従動歯車を有する治具の側部に移動防止具が設けられ、この移動防止具は、前記治具の少なくとも一方の側面に、治具の回転に対して常時当接する範囲にわたって設けられていると、回転するカラーに対して一方から熱可塑性樹脂管を押し込み、他方から熱可塑性樹脂継手を押し被せて継手とカラーとの接触面及びカラーと管端部との接触面をカラーの回転により摩擦融着する際、回転するカラーを定位置に安定して保持することができ、融着作業を円滑に行うことができる。また、装置の磨耗や損傷が少なくてすみ、騒音も小さい。
【００１７】
また、本願の請求項２に係る熱可塑性樹脂管の接合方法は、請求項１において、従動歯車を有する治具が周方向の２箇所でジグザグ状に二つ割りとなされ、各半割れ部品がカラー端部の外周面とかみ合い状態で被せられてピン結合で組み立てて取り付けられていることを特徴とする。
このように従動歯車を有する治具が周方向の２箇所でジグザグ状に二つ割りとなされ、各半割れ部品がカラー外周面とかみ合い状態で被せられてピン結合で組み立てて取り付けられていると、従動歯車を有する治具をカラー外周面に容易に、かつ、滑ることなくしっかりと取付けることができる。また、接合作業後に、治具を取り除くのが容易である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を、その実施の形態をあらわす図面を参照しつつ詳しく説明する。
図１は本発明にかかる熱可塑性樹脂管の接合方法に用いる回転摩擦接合装置の一例を一部断面で示す正面図、図２は図１のＡ−Ａ線における側面図、図３は本発明の接合方法の第１の実施の形態を表している。
【００１９】
図１、２に示すように、この回転摩擦接合装置は、装置本体１と、制御装置としてのパーソナルコンピュータ（以下、「パソコン」と記す）８とを備え、装置本体１は、基台２と、後で詳述する熱可塑性樹脂製のカラー５の回転保持手段３と、熱可塑性樹脂管６と熱可塑性樹脂継手７のクランプ手段４、４とを備えている。
【００２０】
回転保持手段３は、基台２の略中央部に位置して装置され、カラー５をその軸中心に回転自在な状態に保持できるようになっており、カラー５の端部外周面に、外周面に歯を備えた従動歯車３２を有する治具３１が取付けられ、この治具３１が駆動歯車３３と２個の押さえ歯車３４、３４を有する押さえ治具３５とで保持され、駆動歯車３３の回転で治具３１の従動歯車３２を回転するようになされている。
駆動歯車３３は、モーター３３ａからタイミングベルト３３ｂを介し、歯車３３ｃ、３３ｄで減速するように組み立てられ、所定位置で、所定の回転数で回転するようになされている。モーター３３ａは、基台２に固定されていて、トルク計３３ｅを備えている。
【００２１】
また、押さえ治具３５は、支点３５ａを支点として押さえ歯車３４、３４を上下方向に揺動支持させるようになっており、治具３１が取付けられたカラー５を駆動歯車３３と押さえ歯車３４、３４の間に保持して回転させるようになっている。
また、カラー５が図において左右にずれるのを防止するため、治具３１の従動歯車３２の両側部には移動防止具３６ａ、３６ｂが装着され、カラー５の左右からの押圧力に対しても左右に移動することなく保持されるようになっている。
【００２２】
クランプ手段４、４は、回転保持手段３に回転保持されたカラー５を両側から挟むように基台２上に設けられていて、それぞれスライドテーブル４１と、クランプ本体４２と、エアーシリンダ４３とを備えている。
スライドテーブル４１は、基台２に固定されていて、クランプ本体４２を回転保持手段３に保持されたカラー５の方向にスライド自在に支持している。
【００２３】
クランプ本体４２、４２は、熱可塑性樹脂管６および熱可塑性樹脂継手７がクランプ本体４２に対し、軸周りに回転したり軸方向移動したりすることがないように、管６および継手７をクランプするようになっている。エアーシリンダ４３は、スライドテーブル４１にそのピストンロッド４４の先端が固定されていて、ピストンロッド４４を進退させることによってスライドテーブル４１上のクランプ本体４２をカラー５の回転軸方向（管軸方向）に任意の力で進退できるようになっている。
【００２４】
パソコン８は、モーター３３ａの回転制御、モーター３３ａの回転トルクの測定および制御、エアーシリンダ４３の動作制御等を行うようになっている。
【００２５】
図３は本発明の接合方法の第１の実施の形態を表し、外周面に歯を備えた従動歯車３２を有する治具３１が取付けらたカラー５と、熱可塑性樹脂管６および熱可塑性樹脂継手７との関係を示している。
【００２６】
カラー５は、熱可塑性樹脂管６の外径と略同じかこの管６の外径より少し小さい内径の外嵌部５１と、熱可塑性樹脂継手７の受口７１の内径と略同じか継手７の受口７１の内径より少し大きい外径の内嵌部５２とを備えている。
またカラー５の端部外周面には、治具３１の内周面に設けられた周方向の凹凸とかみ合い状態で被せられる周方向の凹凸嵌合部５３が形成されていて、この凹凸嵌合部５３に治具３１が取付けられるようになっている。
【００２７】
治具３１を、カラー５に設けられた凹凸嵌合部５３に取付けるためには、治具３１は二つ割りとなされていて、二つの半割れ部品をカラー５に被せるようにするのが好ましい。
図４は治具３１の好ましい具体例の一例を示し、（イ）は一部を断面で示す正面図、（ロ）は側面図である。
図４で、治具３１は、外周面に歯を備えた従動歯車３２を有し、内周面に凹凸嵌合部３１ａを有し、この凹凸嵌合部３１ａがカラー５の外周面に設けられた凹凸嵌合部５３とかみ合い状態で被せられていると、従動歯車３２の回転に対してカラー５が滑ることなく一体となって回転させることができる。
治具３１は、図４（イ）に示すように、周方向の２か所で、ジグザグ状に分割されていると、周方向の分割面３１ｂで、一方にピン３１ｃ、他方にこのピン３１ｃが嵌合するピン孔３１ｄを形成しておけば、同一形状の二つ割りとでき、一方のピン３１ｃを他方のピン孔３１ｄに相互に嵌合するピン結合で、治具３１をカラー５の外周面に取り付けることができる。
【００２８】
そして、この装置１を用いた熱可塑性樹脂管６と熱可塑性樹脂継手７とをカラー５により接合する方法は、以下のようにして行われる。
（１）図１、２に示すように、端部に治具３１が取り付けられたカラー５が、その治具３１の従動歯車３２を回転保持手段３の駆動歯車３３と押さえ治具３５の押さえ歯車３４、３４で保持させるとともに、熱可塑性樹脂管６および熱可塑性樹脂継手７をそれぞれクランプ手段４、４のクランプ本体４２にクランプさせる。
【００２９】
（２）モーター３３ａを駆動させてタイミングベルト３３ｂ、歯車３３ｃ、歯車３３ｄを介して駆動歯車３３が駆動され、この駆動歯車３３と噛合っている従動歯車３２が駆動され、カラー５を回転保持手段３に保持させた状態で回転させる。同時に、クランプ本体４２をエアーシリンダ４３によって回転保持手段３の方向にスライドさせて、図３に示すように、熱可塑性樹脂管６の端部をカラー５の外嵌部５１に挿入させるとともに、熱可塑性樹脂継手７の受口７１をカラー５の内嵌部５２に被せるように前進させる。
【００３０】
（３）カラー５を回転させ、熱可塑性樹脂管６の端部をカラー５の外嵌部５１に挿入させるとともに、熱可塑性樹脂継手７の受口７１をカラー５の内嵌部５２に被せるように前進させると、接合面であるカラー５の外嵌部５１の内周面と熱可塑性樹脂管６の外周面、および、カラー５の内嵌部５２の外周面と熱可塑性樹脂継手７の受口７１の内周面を順次摩擦溶融させながら嵌合される。
モーター３３ａの回転を停止し溶融樹脂を冷却固化させることによって、熱可塑性樹脂管６と熱可塑性樹脂継手７とをカラー５を介在させて接合される。
図５は熱可塑性樹脂管６と熱可塑性樹脂継手７とをカラー５を介在させて接合した状態の断面図である。
【００３１】
接合作業が完了すると、カラー５を介在して接合した熱可塑性樹脂管６と熱可塑性樹脂継手７は、回転保持手段およびクランプ手段を解放して取り外し、カラー５に取り付けられている治具３１を取り外す。治具３１の取り外しは、ピン結合された分割面を工具で押し開くことにより容易に分割でき、取り外せる。取り外した治具３１は、他のカラー５に取り付けられて繰り返し使用される。
回転摩擦接合装置１には、次に接合する熱可塑性樹脂管６、カラー５、熱可塑性樹脂継手７が取り付けられ、同様にして接合される。
【００３２】
上記の接合方法によれば、カラー５の外周面に、外周面に歯を備えた従動歯車を有する治具３１を取付けるので、治具３１として金属製のものを使用でき、継手の外観を損なうことがない。また、治具３１は二つ割りのとなされ、ピン結合で組み立てられるから、カラー５への取付け、取外しが容易である。
さらに、治具３１の側部に移動防止具が設けられているので、熱可塑性樹脂管６もしくは熱可塑性樹脂継手７をカラー５に対して挿入もしくは被せるように前進させるとき、いずれか一方の押圧力が大となっても、治具３１の側面が移動防止具が設けられているので、カラー５が回転保持手段３から移動することはない。特に、押圧力の大となる側（通常は熱可塑性樹脂管６を挿入する方に大きな押圧力が掛かる。）と反対側に、この移動防止具が、治具３１の二つ割りの接合部のいずれかが常時当接する範囲にわたって設けられていると、ピン結合であっても治具３１を分離させることがない。
【００３３】
上記の接合方法によれば、管および継手を回転させることなく溶融接合できるので、直線接合の外、曲がり接合や分岐接合にも適用でき、継手には、ベンド継手やチーズも使用できる。
【００３４】
本発明において使用する継手やカラーは射出成形により製造され、本発明は、特に、一様冷却が困難で、受口の熱歪による楕円化を避け難い複雑な形状の継手、例えば図６に示す、ヘッダー９を使用しての熱可塑性樹脂管の接合に好適である。
図６は高層ビルや集合住宅の屋内給水、給湯配管に使用されるサヤ管ヘッダー工法（建物の躯体施工時に、給水、給湯ヘッダー箇所から各給水、給湯場所に至る鞘管を予め敷設しておき、配管工事の際に、各鞘管に給水、給湯管を通し、ヘッダー９によりこれらの給水、給湯管を主管に接続する工法）におけるヘッダー部を示し、ヘッダー９の側面に複数箇の受口９１が設けられ、各受口９１に熱可塑性樹脂給水、給湯管６１を熱可塑性樹脂カラー６１の回転摩擦により接合され、ヘッダー９には給水、給湯主管９２が接合されている。
現に、受口箇数３個のポリエチレンヘッダーの各受口に、呼び径１３Ａの架橋ポリエチレン管をポリエチレンカラーを用いて本発明により接合したところ、良好に接合でき、９５℃の内圧クリープ試験を行なったところ接合部は破壊せず架橋ポリエチレン管が破壊した。
【００３５】
【発明の効果】
本発明の請求項１に係る熱可塑性樹脂管の接合方法は、カラー端部の外周面に、外周面に歯を備えた従動歯車を有する治具を取付け、駆動歯車を備えた回転保持手段の駆動歯車に、前記治具の従動歯車を噛合保持させ、カラーを回転させるので、従動歯車として、強度を有する金属製のものとでき、歯車機構によるカラーの安定・円滑な回転を保証し、継手の受口が楕円化乃至は扁平化していて回転抵抗が大きいときでも、継手を損傷させる畏れなく安定に回転駆動でき、良好な作業性、外観で摩擦融着接合が可能となる。
接合完了後、従動歯車を有する治具は取り外され、継手には損傷がなく摩擦融着できるので、信頼性のある、外観に優れた配管ラインを構築できる。
【００３６】
また、従動歯車を有する治具の側部に移動防止具が設けられ、この移動防止具は、前記治具の少なくとも一方の側面に、治具の回転に対して常時当接する範囲にわたって設けられているので、回転する継手に対して管を押し込んで、回転するカラーに対して一方から熱可塑性樹脂管を押し込み、他方から熱可塑性樹脂継手を押し被せて継手とカラーとの接触面及びカラーと管端部との接触面をカラーの回転により摩擦融着する際、回転するカラーを定位置に安定して保持することができ、融着作業を円滑に行うことができる。
【００３７】
また、本発明の請求項２に係る熱可塑性樹脂管の接合方法は、従動歯車を有する治具が 周方向の２箇所でジグザグ状に二つ割りとなされ、各半割れ部品が継手またはカラー外周面とかみ合い状態で被せられてピン結合で組み立てて取り付けられているので、従動歯車を有する治具を継手外周面またはカラー外周面に迅速、容易に、かつ、滑ることなくしっかりと取付けることができる。また、取外しも容易である。
【００３８】
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明にかかる熱可塑性樹脂管の接合方法に用いる回転摩擦接合装置の一例を一部断面で示す正面図である。
【図２】 図１のＡ−Ａ線における側面図である。
【図３】 本発明の接合方法の第１の実施の形態を表す断面説明図である。
【図４】 治具３１の好ましい具体例の一例を示し、（イ）は一部を断面で示す正面図、（ロ）は側面図である。
【図５】 熱可塑性樹脂管６と熱可塑性樹脂継手７とをカラー５を介在させて接合した状態の一例を示す断面図である。
【図６】 サヤ管ヘッダー工法で使用されるヘッダー部を一部断面で示す正面図である。
【図７】 従来の熱可塑性樹脂管と管継手との回転摩擦融着による接合方法を示す説明図で、（イ）は一部を断面で示す正面図、（ロ）は（イ）のＢ−Ｂ線における側面図である。
【符号の説明】
１ 回転摩擦接合装置
２ 基台
３ 回転保持手段
３１ 治具
３１ａ 凹凸嵌合部
３１ｂ 周方向の分割面
３１ｃ ピン
３１ｄ ピン孔
３２ 従動歯車
３３ 駆動歯車
３６ａ 移動防止具
３６ｂ 移動防止具
４ クランプ手段
５ カラー
５３ 凹凸嵌合部
６ 熱可塑性樹脂管
７ 熱可塑性樹脂継手
８ パーソナルコンピュータ

Claims (2)

1. 熱可塑性樹脂継手の端部内に熱可塑性樹脂管の端部が挿入され、
   該継手端部と前記管端部との間に熱可塑性樹脂カラーが受容され、
   継手とカラーとの接触面及びカラーと管端部との接触面をカラーの回転により摩擦融着する方法において、
   外周面に歯を備えた従動歯車を有する治具をカラー端部の外周面に取付け、
   駆動歯車を備えた回転保持手段の駆動歯車に前記治具を噛合保持させ、
   前記従動歯車を有する治具の側部には移動防止具が設けられ、
   この移動防止具は、前記治具の少なくとも一方の側面に、治具の回転に対して常時当接する範囲にわたって設けられて、
   前記カラーを回転させることを特徴とする熱可塑性樹脂管の接合方法。
2. 請求項１記載の熱可塑性樹脂管の接合方法において、
   前記従動歯車を有する治具が周方向の２箇所でジグザグ状に二つ割りとなされ、
   各半割れ部品がカラー端部の外周面とかみ合い状態で被せられてピン結合で組み立てて取り付けられていることを特徴とする熱可塑性樹脂管の接合方法。

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