JP4110498B2 - 合成樹脂製流路部材の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メタクリル樹脂等の熱可塑性合成樹脂からなる少なくとも二つの接合用部材を接合して、内部に流体流路を有する流路部材を製造する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
圧縮空気の給排を制御するための電磁弁を配列設置するマニホールド等の流路部材において、複雑な流路形成を簡単に行うために、あるいは、内部に形成した流路を流れる流体を目視可能にするため、メタクリル樹脂等の透光性のある合成樹脂を用いてその流路部材を構成することは、例えば、米国特許第４，８７５，９５６号明細書、米国特許第４，９９９，０６９号明細書、あるいは米国特許第５，０４１，１８１号明細書等により既に知られている。これらの流路部材は、複雑な流体流路を形成するため、複数の互いに接合する接合面を有する少なくとも二つの接合用部材を接合して、上記接合用部材間の接合面に、一対の接合用部材間で相互に連通する穴または溝により形成される流体流路が設けられる。
【０００３】
このような流路部材は、従来から用いられている電磁弁のマニホールドに比して軽量で、薬液などに対して安定であるため、医療関連流体や薬剤等の流路として適しているが、それらの流体を流して使用する場合には、その流路部材の製造に際して、互いに接合する上記接合用部材の接合面を、有機溶剤を含む接着剤で接合することができず、各接合用部材を薬液に対して安定な熱可塑性合成樹脂により構成し、それらの接合用部材の接合面を加熱、軟化させ、接合面において溶融接合するのが適切である。
【０００４】
しかしながら、熱可塑性合成樹脂からなる一対の接合用部材を加熱接合するに際しては、それらの接合用部材の接合面に、相互に連通する穴または溝により流体流路を予め形成しておき、その接合用部材を加熱、軟化させたうえで、接合面を圧接する必要があり、その際に、接合用部材を構成する合成樹脂の膨張により予め形成した流体流路が収縮し、あるいは、軟化した合成樹脂からなる接合用部材に接合のための外力を作用させるために、その外力に起因して上記流体流路や接合用部材の外形状が変形し、流体流路の形成を設計通りに行うことができず、また、加熱接合時に流路部材の外形状も変形することになる。そのため、接合用部材の加熱接合に際して流体流路等の収縮や変形を防止するための対策が必要になる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような問題を簡単な手段によって解消するためになされたもので、その技術的課題は、基本的には、流路部材を構成する熱可塑性合成樹脂製の接合用部材の接合面の溶融接合に際し、該接合用部材を構成する素材の加熱による１ないし３次元的な変形を抑制しながら接合し、流路部材を加熱軟化させながら歪のないほぼ所定の形状に形成できるようにした流路部材の製造方法を提供することにある。
本発明の他の技術的課題は、接合用部材の接合面に形成した流体流路についても、上記変形を抑制しながら接合し、歪のないほぼ所定の形状に形成できるようにした流路部材の製造方法を提供することにある。
【０００６】
さらに具体的に説明すると、図２の（Ａ）に示すように、平板２０，２０間で圧縮される直方体２１があるとき、その直方体２１を圧縮すると、直方体２１の素材が弾性的に収縮する範囲内では単純に平板２０，２０間において圧縮されるが、それを越えた力で圧縮し、しかも平板２０の加圧面と直方体との間に摩擦がある場合には、同図（Ｂ）に示すように、直方体２１を構成する素材が３次元的に変形することになる。この場合には、同図（Ｂ）から明らかなように、直方体２１の内部においても素材が複雑に変形することになり、そのため、二つの所要形状の接合用部材を加熱軟化させた状態で加圧して接合するには、この変形が生じるのを可及的に抑制しながら接合する必要がある。
本発明の技術的課題は、上記接合用部材の加熱接合時に合成樹脂の膨張・収縮があっても、上記図２の（Ｂ）に示すような変形を抑制し、内部の流体流路をも含めてほぼ所要の形状に形成するのを可能にすることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、熱可塑性合成樹脂からなり、互いに接合する接合面に外部に開放する流体流路を有する少なくとも二つの接合用部材を融着し、流路部材を製造する方法であって、上記複数の接合用部材の融着は、保持手段によりそれらの接合面を相互に密着した状態に保持して、それらの接合用部材を圧力室内に置き、その圧力室に加圧流体を充填して、互いに密着した接合用部材の当該密着部分を除く外表面に流体圧力を作用させながら、接合用部材を加熱、軟化させ、その流体圧力により、接合用部材の接合面における流体流路の表面を含む接合用部材の外表面を均等に加圧し、接合用部材を構成する素材の膨張・収縮のみを許容し、１ないし３次元的な変形を抑制しながら、上記接合面を溶融接合させることを特徴とするものである。
【０００８】
上記合成樹脂製流路部材の製造方法においては、接合用部材を構成する熱可塑性合成樹脂に透光性をもたせることにより、内部を目視可能にすることができ、その接合用部材をメタクリル樹脂により形成する場合には、該接合用部材を接合させるための加熱温度を、１１０〜１３０℃とするのが、流体流路の収縮や変形を防止するために有効である。
【０００９】
上記構成を有する合成樹脂製流路部材の製造方法によれば、少なくとも二つの接合用部材を接合面において融着するに際し、保持手段によりそれらの接合面を相互に密着させた状態において、圧力室内で周囲に加圧流体を作用させ、互いに密着した密着部分を除く外表面に流体圧力を作用させながら、加熱、軟化させるので、接合用部材の接合面における密着部分を除き、該接合面の流体流路の表面を含む接合用部材の外表面が均等に加圧され、そのため、接合用部材を構成する素材が３次元的に比例した状態での変形、すなわち膨張・収縮するのは許容されるが、１ないし３次元的な変形が生じるのは可及的に抑制され、接合用部材の加熱接合時における合成樹脂の膨張があっても、その流体流路を含めてほぼ所要の形状に形成することができる。
【００１０】
なお、上記複数の接合用部材は、融着に際し、保持手段によりそれらの接合面を相互に密着させ、圧力室内においてそれらの接合面間に加圧流体が流入しないようにする必要があるが、この保持手段としては、加圧流体の作用の影響をほとんど受けない位置で複数の接合用部材を結合する手段、あるいは、実質的に上記１ないし３次元的な変形が生じない範囲において複数の接合用部材の接合面を圧接する手段等を用い、さらに上記接合面の密着力をできるだけ小さくするために接合面の加工精度を十分に高くしたり、何らかの部材により接合面への加圧流体の流入を封止するなどの手段を付加することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１には、本発明に係る方法によって合成樹脂製流路部材を製造する態様を図示している。
この実施例の流路部材１は、一般的には透明または半透明の透光性をもつ熱可塑性合成樹脂、例えば、メタクリル、ポリ塩化ビニール、ポリカーボネート等の合成樹脂によって形成するもので、ここでは、互いに接合する接合面２を有する２枚の板状の接合用部材１ａ，１ｂを接合して形成する場合を示している。上記流路部材１としてメタクリル樹脂を用いる場合、押出材を用いるよりも、分子鎖の配向性が少ないキャスト材を用いるのが、収縮の方向性が少なくなる点で有利である。
なお、上記透光性は必ずしも必要なものではない。また、接合用部材としては２枚の板状のものに限らず、任意の複数の部材を接合することができる。
【００１２】
この流路部材１を製造するに際しては、まず、各接合用部材１ａ，１ｂを形成する素材の寸法安定性を確保するため、その素材を加熱して予備収縮させる。この予備収縮は、接合用部材１ａ，１ｂが例えばメタクリル樹脂の場合には、加熱温度を１４０℃程度とし、素材の厚さに応じて予備収縮に要する適当な時間にわたり、その温度に保持させる。上記加熱温度は、１４０℃である必要はなく、効率的に予備収縮を行わせることが可能な任意温度に設定することができる。予備収縮のための上記接合用部材１ａ，１ｂの加熱の後には、十分な時間、例えば５〜８時間をかけて徐冷する。
【００１３】
次に、上記接合用部材１ａ，１ｂ間の接合面２に、ドリル、エンドミル、リーマ等を使用した機械加工を行い、それにより、一対の接合用部材１ａ，１ｂの接合面２間で相互に連通する穴３または溝４を形成し、それらの接合用部材１ａ，１ｂの接合時に必要な、外部に開放する流体流路を形成させる。また、接合用部材１ａ，１ｂの融着に際して、それらの接合面２を密着させるとき、できるだけ小さい密着力で各接合面２を密着できるようにするため、後述するように、接合用部材１ａ，１ｂにおける接合面２の加工精度を十分に高くすることが有効である。さらに、この段階で接合用部材１ａ，１ｂの外形状も所定の形状に整形するのが望ましい。
【００１４】
図１においては、一方の接合用部材１ａに多数の穴３を開設し、それに接合する接合用部材１ｂに上記穴３の複数に連通する溝４を設けたものを模式的に示しているが、上記一方の接合用部材１ａを、例えば、多数の電磁弁の供給、出力及び排出の各流路を形成する多数の穴３を開設したものとし、それに接合する接合用部材１ｂにも上記穴に連通する穴を開設したり、上記穴３の複数に連通する溝４を設けたりすることができる。これらの溝４は、接合用部材１ａに設けた多数の穴３に共通の液体を供給するために、それらを連通状態で所要の液体供給源に連通させ、あるいは、多数の穴３からの液体を共通の送出部に送出するために一括して送給するために利用できるものである。
【００１５】
上記機械加工を行った接合用部材１ａ，１ｂは、加熱接合に際して予めそれらの表面を洗浄するが、この洗浄には、例えば、界面活性剤を用いた洗浄液や純水中において超音波を作用させる洗浄とか、あるいは、それらによる洗浄後にエチルアルコール液などによる仕上げ洗浄等を行うことができる。
【００１６】
上記接合用部材１ａ，１ｂの接合面２における融着に際しては、以下に説明する保持手段５により、それらの接合用部材１ａ，１ｂを接合面２において互いに密着させた状態に保持させ、それらの接合用部材１ａ，１ｂを圧力室１０内に置き、その圧力室１０に加圧流体を充填して、互いに密着した接合用部材１ａ，１ｂの密着部分を除く外表面に流体圧力を作用させながら、該接合用部材１ａ，１ｂを加熱、軟化させることにより、それらの接合面２において溶融接合させるものである。該加熱は、加圧流体自体を予め加熱してから圧力室１０に充填することもできるが、圧力室１０内または同室外に加熱装置を設けて加熱することもでき、それを上記加圧流体の加熱と併用することもできる。
【００１７】
上記保持手段５は、圧力室１０に接合用部材１ａ，１ｂを収容してその周囲に加圧流体を導入した場合に、接合用部材１ａ，１ｂの相互の接合面２間に加圧流体が流入しないようにして、接合用部材１ａ，１ｂの外表面に作用する流体圧力を接合面２に圧接力として作用させるためのものである。そのため、例えば、図１に示すように、接合用部材１ａ，１ｂにおいて加圧流体の作用の影響をほとんど受けない周辺位置に接合部５ａ，５ｂを付設し、該接合部を直接ねじ６で固定するなどの手段を採用することができる。
【００１８】
また、図１中に併記しているように、接合用部材１ａ，１ｂを両側から板状部材７やその他の治具で挟んで、それをボルト８等により締結するようにした構造等も採用することができるが、この場合には、接合用部材１ａ，１ｂの加熱、軟化に際して生じるそれらの素材の膨張時に、接合用部材１ａ，１ｂが１ないし３次元的に変形するのを抑制するため、圧力室１０の流体圧力に加えて板状部材７が当たる面に保持手段５の大きな締結力が作用するのを避ける必要がある。
この締結力を避けるためには、上記板状部材７をボルト８等で剛に直接的に固定することなく、流体圧力に比して影響が少ない程度のスプリング等を介してボルト８で固定するとか、板状部材７を軟質材料で形成するなどの配慮が有効であり、これにより、実質的に１ないし３次元的な変形が生じない範囲において複数の接合用部材の接合面を圧接状態に保持することができる。また、この場合には、板状部材７等の保持手段による保持部分にも、加圧流体の圧力を十分に作用させることができるように、構造的な配慮も必要である。
【００１９】
さらに、上記接合用部材１ａ，１ｂの接合面２の密着力をできるだけ小さくしながら、該接合面２間に加圧流体が流入しないようにするためには、接合面２の加工精度を十分に高くして加圧流体の流入間隙を実質的になくしたり、何らかの部材により接合面への加圧流体の流入を封止するなどの手段を用い、あるいは前述した手段にそれを付加することができる。
【００２０】
上記圧力室１０に導入する加圧流体としては、圧縮空気の他、水、油類が適しているが、その他の任意流体を用いることができる。この加圧流体は、図１における加圧流体源１１から、減圧弁１２等を介して圧力室１０に所定圧として導入され、その流体圧力により、接合用部材１ａ，１ｂの接合面２における流体流路の表面を含む接合用部材１ａ，１ｂの外表面が均等に加圧され、接合用部材１ａ，１ｂを構成する素材の１ないし３次元的な変形を抑制しながら、上記接合面２が圧接され、一体化した状態に溶融接合される。しかも、上記加圧流体は、接合用部材１ａ，１ｂの接合面２における外部に開放する流体流路の表面にも均等に作用するため、周囲からの加圧により流体流路が変形することはない。
なお、図１中において、符号１３は圧力ゲージ、１４は排出バルブを示している。また、圧力室１０に導入する加圧流体を所定の温度に加熱する場合には、その圧力室１０の入口部分に温度制御装置を付設することになる。
【００２１】
上記接合用部材１ａ，１ｂの接合のための加熱温度は、接合用部材１ａ，１ｂをメタクリル樹脂により形成する場合、樹脂の軟化を最小限にするため、一般的には、１１０〜１３０℃とするのが好ましく、さらに、１２０℃前後（１１５〜１２５℃程度）にするのがより好ましい。接合用部材を他の合成樹脂材料で形成する場合にも、その合成樹脂の軟化を最小限にする温度範囲が望まれ、それにより変形を抑制することができる。接合用部材を成形型内において上記接合温度に保持する時間は、接合用部材を構成する樹脂の種類、接合用部材の厚み、保持する温度等によっても相違するが、２〜８時間程度が一般的である。
また、上記接合時の熱による内部応力を除去するため、接合用部材１ａ，１ｂの接合により形成した流路部材は、８０℃程度で８時間程度のアニーリングを行うのが望ましい。
【００２２】
上述したところによって接合した接合用部材は、全体的に若干の変形を避けることができないため、機械的な２次加工、即ち、外形を所定の寸法にフライス加工し、あるいは仕上げ加工したり、流体流路に管継ぎ手を接続するための接続口の加工、取付け用のねじ穴の加工などを行う必要があり、その後、最終的な洗浄を行って製造を完了する。
【００２３】
【発明の効果】
以上に詳述した本発明の合成樹脂製流路部材の製造方法によれば、流路部材を構成する熱可塑性合成樹脂製の接合用部材の接合面の溶融接合に際し、該接合用部材を構成する素材に加熱による膨張・収縮があっても、１ないし３次元的な変形を抑制しながら接合することができ、それにより、流路部材を加熱軟化させながら歪のないほぼ所定の形状に形成することができ、また、接合用部材の接合面に形成した外部に開放する流体流路についても、上記変形を抑制しながら接合し、ほぼ所定の形状に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る合成樹脂製流路部材の製造方法について説明するための模式的斜視図である。
【図２】（Ａ）及び（Ｂ）は、平板間で圧縮される直方体の２次元応力解析モデルによる説明図である。
【符号の説明】
１ 流路部材
１ａ，１ｂ 接合用部材
２ 接合面
３ 穴
４ 溝
１０ 圧力室

Claims (3)

1. 熱可塑性合成樹脂からなり、互いに接合する接合面に外部に開放する流体流路を有する少なくとも二つの接合用部材を融着し、流路部材を製造する方法であって、
   上記複数の接合用部材の融着は、保持手段によりそれらの接合面を相互に密着した状態に保持して、それらの接合用部材を圧力室内に置き、その圧力室に加圧流体を充填して、互いに密着した接合用部材の当該密着部分を除く外表面に流体圧力を作用させながら、接合用部材を加熱、軟化させ、
   その流体圧力により、接合用部材の接合面における流体流路の表面を含む接合用部材の外表面を均等に加圧し、接合用部材を構成する素材の１ないし３次元的な変形を抑制しながら、上記接合面を溶融接合させる、
   ことを特徴とする合成樹脂製流路部材の製造方法。
2. 接合用部材を構成する熱可塑性合成樹脂に透光性をもたせたことを特徴とする請求項１に記載の合成樹脂製流路部材の製造方法。
3. 接合用部材をメタクリル樹脂により形成し、該接合用部材を接合させるための加熱温度を、１１０〜１３０℃とすることを特徴とする請求項１または２に記載の合成樹脂製流路部材の製造方法。

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