JP4700210B2

JP4700210B2 - 配管材の接合構造

Info

Publication number: JP4700210B2
Application number: JP2001083076A
Authority: JP
Inventors: 良輔伊藤; 貴士小口
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 2001-03-22
Filing date: 2001-03-22
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2021-03-22
Also published as: JP2002283456A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱可塑性樹脂製の配管材の接合構造および配管材の接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特表平８−５０４９２２号公報に開示された、パイプの外径より小さい接合部内径を有し、かつ継手受口の内径より大きい接合部外径を有するスリーブまたはカラーと称される回転部材を回転させることにより、配管材外面と回転部材内面および回転部材外面と継手受口内面を摩擦熱で溶融接合する方法などのように、回転によって接合界面を摩擦溶融して熱可塑性樹脂製の配管材同士を接合する方法は従来から公知である。
【０００３】
しかし、従来の回転摩擦溶融接合では、接合面で摩擦によって発生した半溶融状態の樹脂の一部が配管材と配管材との継ぎ目部分から外部または内部に流出し、配管材の外面または内面に付着したり、不均一に樹脂が流出するために、外観が劣り、製品としての価値を著しく低下するという問題があった。
【０００４】
そこで、特公昭５３−２８３４４号公報では、流出しようとする樹脂の収容部（ビード収容部）を配管材の継ぎ目部分の接合面近傍に予め形成しておき、配管材内面への樹脂の流出を防止する方法が開示されている。
また、本発明の発明者等も、特開２０００−５２４２９号公報に開示されているように、配管材と配管材との継ぎ目部分に樹脂溜まりとなる凹部を継ぎ目部分に対面するように備えた治具を両配管材に跨がるように配置し、流出した樹脂を凹部内面形状に規制し外観を向上させる方法を提案している。
【０００５】
しかし、発明者等の検討によれば、特公昭５３−２８３４４号公報の方法のように樹脂収容部を接合部に設けるようにすると、回転摩擦中に、接合面からの樹脂流出が容易に起こる為、接合面に溶融した樹脂が不足して接合面の強度が不十分となることが明らかであった。一方、特開２０００−５２４２９号公報の方法では、同径の配管材の端面同士を突き合わせて接合する場合のように、寸法の比較的安定した配管同士を接合する場合、樹脂の流出量が略一定となるため、治具の凹部で流出樹脂の形状を整えることができるが、配管材の寸法が変動した場合形状を整えることが非常に困難であった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のような事情に鑑みて、熱可塑性樹脂製の配管材同士をその接合面を摩擦溶融して融着接合した場合、常に外観形状がよく、しかも十分な接合強度確保できる熱可塑性樹脂製の配管材の接合構造および配管材の接合方法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の配管材の接合構造は、一方の熱可塑性樹脂製の配管材の一部が他方の熱可塑性樹脂製の配管材内に挿入された状態で、両配管材のうち少なくともいずれか一方を回転させて両配管材の接触界面を摩擦溶融させることによって配管材同士が融着接合されてなる配管材の接合構造において、
摩擦時に溶融した樹脂が配管材の継ぎ目を通って外面および／または内面に流れ出ようとするのを防止するシール材が外面および内面の少なくともいずれか一方の継ぎ目の出口を塞ぐように設けられ、前記シール材はポリテトラフルオロエチレンで形成されて、両配管材の継ぎ目出口部分に嵌合されるリング状または円筒状をしており、更に、少なくともいずれか一方の配管材には、摩擦接合時に前記シール材の継ぎ目部分からのずれを防止するずれ防止手段が設けられている構成とした。
【０００８】
すなわち、本発明の接合構造においては、シール材の形状はリング状または筒状とすることが取扱性や施工性の点で好ましい。
【０００９】
本発明の接合構造において「ずれ」とは、配管材の軸方向のずれ、配管材の半径方向への浮き上がりや変形の両方を意味する。
【００１０】
たとえば、配管材の軸方向のシール材のずれを防止する方法としては、たとえば、組み合わせ時に継ぎ目出口をシールするシール材の側面に当接する鍔状部を配管材外周面に設け、両配管材の鍔状部でシール材を挟持する方法、シール材の外径と略同じか０．１ｍｍ〜２ｍｍ程度(好ましくは０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ)程度内径が大きな筒状をした張り出し部をいずれか一方に設け、この張り出し部でシール材の半径方向のずれ（変形も含む）を抑えるようにする方法、両方法を併用する方法等が挙げられる。
【００１１】
本発明の接合構造を得るためには、シール材の材質はポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）で形成されていることが好ましい。
【００１２】
すなわち、配管材同士を融着接合させる場合には配管材の接合面およびその近傍の樹脂を樹脂の融点以上の温度に上げなければならない。したがって、シール材は、この温度に対して耐えうる必要がある。また、シール材にも回転や振動による配管材との摩擦が発生するために、耐磨耗性が必要である。さらに、摩擦されたときにシール材自身が発熱すると、シール材としての機能を果たさなくなるために低い摩擦係数のものが好ましい。また、配管材の寸法誤差や接合装置の挿入のずれ、摩擦時の振動や偏芯に追従して確実にシールするためにも、弾性が高いものが好ましい。よって、請求項４の接合構造のようにポリテトラフルオロエチレンが好適である。
【００１４】
なお、本発明の接合構造においては摩擦溶融を一方の配管材を回転させたり振動させることにより行なうことができるが、装置の簡便さ、発熱効率に優れている点で、回転運動が好ましい。
【００１５】
本発明の接合構造および接合方法に用いられる配管材の形態としては、直管、エルボ、チーズ、レジューサ、ソケットなどの継手類やカラー等の中間部材が使用できる。
【００１６】
上記配管材の材質は、熱可塑性樹脂であれば特に限定されないが、例えば中密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、超高分子量ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン、ポリ塩化ビニル、架橋ポリエチレン、ポリフェニレンスルフィド等が挙げられるが、特にポリエチレンに好適であり、中でも架橋ポリエチレンや超高分子量ポリエチレンなどのように結晶融解温度を超えても流動性がないもしくは低い樹脂がより好適である。架橋樹脂の架橋の手段は水架橋、電子線架橋、パーオキサイド等の架橋剤による架橋など方法は問わない。
【００１７】
本発明においては、接合される２つの配管材が、一方の配管材の一部が他方の配管材内に挿入した状態で、一方の配管材が回転されるようになっているが、カラーなどの中間部材やソケットなどの両側に受口を備えた継手などを回転させるることによって接合を行う場合には、中間部材あるいは継手の他端にさらに別の配管材を内嵌あるいは外嵌させて中間部材あるいは継手の両側に同時に別の配管材を接合することができる。
【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は本発明にかかる配管材の接合方法に用いる回転摩擦接合装置の１例をあらわしている。図２は配管材の接合方法の第１の実施の形態をあらわしている。
【００１９】
図１に示すように、この装置1は、装置本体２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）３とを備えている。
装置本体２は、基台２１と、後で詳述する熱可塑性樹脂製の回転配管材としての中間部材４ａ用の回転付与手段２２と、非回転配管材のクランプ手段２３，２３'とを備えている。
【００２０】
回転付与手段２２は、チャック治具２２ａと、モータ２２ｂと、タイミングベルト２２ｃとを備えている。
チャック治具２２ａは、基台２１の略中央部に固定されていて、中間部材４ａをその軸中心に回転自在な状態にチャックできるようになっている。
【００２１】
モータ２２ｂは、基台２１に固定されていて、トルク計２２ｅを備えている。
タイミングベルト２２ｃは、モータ２２ｂによって回転するとともに、その周面に後で詳述する中間部材４ａの周囲に設けられたギヤ部４１にかみ合い、回転駆動力を中間部材４ａに伝達する外歯２２ｄを備えている。
【００２２】
クランプ手段２３，２３'は、チャック治具２２ａを両側から挟むように基台２１上に設けられていて、それぞれスライドテーブル２３ａと、クランプ本体２３ｂと、エアーシリンダ２３ｃとを備えている。
スライドテーブル２３ａは、基台２１に固定されていて、クランプ本体２３ｂをチャック治具２２ａ方向にスライド自在に支持している。
【００２３】
クランプ本体２３ｂは、熱可塑性樹脂製の配管材としての直管５あるいは継手６ａがクランプ本体２３ｂ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、直管５あるいは継手６ａａをクランプするようになっている。
エアーシリンダ２３ｃは、スライドテーブル２３ａにそのピストンロッド２３ｄの先端が固定されていて、ピストンロッド２３ｄを進退させることによってスライドテーブル２３ａ上のクランプ本体２３ｂを中間部材４ａ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３は、モータ２２ｂの回転制御、モータ２２ｂの回転トルクの測定および制御、エアーシリンダの動作制御等を行うようになっている。
【００２５】
中間部材４ａは、図２に示すように、本体部４０と後述するシール材７のずれ防止手段としての押さえ部４７とを備えている。
本体部４０、タイミングベルト２２ｃがかみ合うギヤ部４１と、直管５の外径と略同じか直管５の外径より少し小さい内径の外嵌部４２と、継手６ａの受口６１の内径と略同じか継手６ａの受口６１の内径より少し大きい外径の内嵌部４３とを備えている。
【００２６】
押さえ部４７は、本体部４０のギヤ部４１からシール材７の長さと略同寸だけ内嵌部４３方向に円筒状に張り出し、本体部４０との間に隙間４５が形成されている。
隙間４５は、内嵌部４３側が継手６ａの受口６１の先端部肉厚とシール材７の肉厚との合計と略同じか少し狭い幅の継手嵌合部になっていて、外嵌部４３側がシール材７の肉厚と略同じか少し狭い幅のシール材嵌合部になっている。
【００２７】
シール材７は、ポリテトラフルオロエチレンによってリング状に形成されていて、その軸方向の一端部が予め継手６ａに装着されている。
【００２８】
そして、この装置１を用いた中間部材４ａ、直管５および継手６ａの接合方法は、以下のようにして行なわれる。
（１）図１に示すように、中間部材４ａを回転付与手段２２のチャック治具２２ａにチャックさせるとともに、直管５および継手６ａをそれぞれクランプ手段２３、２３'のクランプ本体２３ｂにクランプさせる。
【００２９】
（２）クランプ本体２３ｂをエアーシリンダ２３ｃによってチャック治具２２ａ方向にスライドさせて、図3に示すように、直管５の端部を中間部材４ａの外嵌部４３に挿入させるとともに、内嵌部４３を継手６ａの受口６１に挿入する。
この状態でシール材７は、受口６１と中間部材４ａの継ぎ目８出口を封止するように配置される。
【００３０】
（３）モータ２２ｂを駆動させてタイミングベルト２２ｃを介して中間部材４ａのギヤ部４１を介してモータ２２ｂの回転駆動力を中間部材４ａに伝達し、中間部材４ａを回転させて接合面である中間部材４ａの外嵌部４３内周面と直管５の外周面、および、内嵌部４３の外周面と受口６１の内周面を摩擦溶融させたのち、モータ２２ｂ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、本発明の配管材の接合構造の第１の実施の形態図３に示す接合構造Ａが得られる。
【００３１】
すなわち、上記の接合方法によれば、中間部材４ａと継手６ａの受口６１との継ぎ目８出口がシール材７によってシールされているので、回転摩擦によって生じた溶融樹脂が継ぎ目８の出口から外部に漏れでることを防止でき、外観形状に優れるとともに、接合部の接合強度に優れたものとすることができる。
また、シール材７が予め中間部材４ａに装着されているので、内嵌部４３を受口６１に挿入するだけでシール材７を所定の継ぎ目出口位置をシールするように配置することができるので、接合作業が容易である。
【００３２】
さらに、中間部材４ａに押さえ部４７が設けられているので、回転摩擦中のシール材７の溶融樹脂圧による浮き上がりや熱による変形を防止することができ、外観形状および接合強度に優れた接合構造をより確実に得ることができるとともに、従来の回転接合に使用されている装置１をそのまま使用することができるので、接合作業コストを上げたりすることがない。
【００３３】
図４は、本発明の接合構造の第２の実施の形態をあらわしている。
この接続構造Ｂは、図４に示すように、中間部材４ｂに押さえ部がなく、継手６ｂ側にシール材７の押さえ部６２が設けられている以外は、上記接合構造Ａと同様になっていて、上記装置１を用いて同様にして得られるようになっている。
【００３４】
図５は、本発明の接合構造の第３の実施の形態をあらわしている。
この接合構造Ｃは、図５に示すように、中間部材４ｃに押さえ部がなく、中間部材４ｃおよび継手６ｃに、中間部材４ｃの内嵌部４３を継手６ｃの受口６１内に挿入した状態でシール材７の両側面に当接する鍔状部４６、６３がそれぞれ設けられている以外は、上記接合構造Ａと同様になっていて、上記装置１を用いて同様にして得られるようになっている。
【００３５】
この接合構造Ｃによれば、シール材７が軸方向にずれ動いたりすることを確実に防止でき、シール材７の歪み等がない外観により優れた接合構造とすることができる。
【００３６】
図６は本発明の接合方法の第２の実施の形態をあらわしている。
図６に示すように、この接合方法は、従来の中間部材４ｄと継手６ｄの継ぎ目８の出口部分にシール材７を外嵌しておき、シール材７の両側面を回転付与手段（図示せず）に設けられた押さえ手段２８で押さえながら中間部材４ｄを回転させて、本発明の接合構造の'４の実施の形態である図７に示すような接合構造Ｄを得るようにしている。
【００３７】
この接合方法および接合構造Ｄによれば、押さえ部などの複雑な構造のない従来の中間部材４ｄをそのまま使用することができ配管材の金型コストが低減できる。
【００３８】
図８は本発明の接合方法の第３の実施の形態をあらわしている。
図８に示すように、この接合方法は、従来の中間部材４ｄと継手６ｄの継ぎ目８の出口部分にシール材７を外嵌しておき、シール材７の外周面を回転付与手段（図示せず）に設けられた押さえ手段２９で押さえながら中間部材４ｄを回転させて、本発明の接合構造の'４の実施の形態である図７に示すような接合構造Ｄを得るようにしている。
【００３９】
図９は本発明の接合方法の第３の実施の形態および'接合構造の第５の実施の形態をあらわしている。
図９に示すように、この接合方法は、受口入口に直管５に外嵌される第１のシール材７１が装着されていて、受口奥部に直管５の先端部が外嵌される第２のシール材７２が装着された継手６ｅの受口６１に直管５を直接挿入し、継手６ｅを回転させて、図９に示す接合構造Ｅを得るようになっている。
【００４０】
この接合方法および接合構造Ｅによれば、第１のシール材７１によって継ぎ目８の外面側出口をシールするだけでなく、第２のシール材７２によって、内面側出口もシールするようになっているので内面側への溶融樹脂の流出も防止することができる。
なお、本発明は、上記の実施の形態に限定されない。
【００４１】
【実施例】
以下に本発明の実施例を詳しく説明する。
【００４２】
（実施例１）
内径φ３０ｍｍ、外径φ３４ｍｍ、幅５ｍｍのリング状のポリテトラフルオロエチレン製のシール材が、各部寸法が図１０（ａ）に示すとおりの高密度ポリエチレン製中間部材４ｆのギヤ部の内嵌部側に、２．５ｍｍ重なるように装着された状態で、中間部材４ｆを図１の装置１のチャック治具２２ａにチャックさせるとともに、クランプ手段２３のクランプ本体２３ｂに直管（積水化学工業社製架橋ポリエチレンパイプ、エスロペックス１３Ａ：外径１７mm、肉厚１．９mm、長さ３０cm）５を、クランプ手段２３'のクランプ本体２３ｂに各部寸法が図１０（ｂ）に示すとおりの架橋ポリエチレン製継手６ｆをそれぞれクランプさせた。
【００４３】
つぎに、エアーシリンダ２３ｃを作動させ直管５および継手６ｆを中間部材４ｆへ挿入した。このとき、直管５側は３５kgf、継手６ａ側は６０kgfの力で挿入した（なお、このとき完全に奥まで挿入していない、すなわち、正常嵌合状態になっていない）。その後（５秒後に）、挿入に要した力を保持したまま、中間部材４ｆを５００rpm（０．４４５m/sec）の回転数で３秒間回転させた。なお、回転開始後０．４秒で直管５および継手６ｆが完全に奥まで、すなわち、正常嵌合状態まで挿入させた。引き続いて回転数を１０００rpm（０．８９０m/sec）に増速して５秒間回転をさせた。回転停止後、クランプ本体２３ｂの位置を保ったまま約６０秒間放置し、接合部の冷却を行い接合品を得た。
【００４４】
このようにして得られた上記接合品の外観を観察したところ、中間部材４ｆと継手６ｆとの継ぎ目部分から樹脂の流出は全く見られなかった。
【００４５】
（実施例２）
図１１に示す各部寸法の、押さえ部４９をギヤ部４１から内嵌部側へ張り出すように設けられた中間部材４ｇを用いるとともに、内径φ３０ｍｍ、外径φ３４ｍｍ、幅５ｍｍのリング状のポリテトラフルオロエチレン製のシール材を５ｍｍだけ重なるように継手６ｆの受口部分に外嵌させた以外は実施例１と同様にして接合品を得た。
【００４６】
このようにして得られた上記接合品の外観を観察したところ、中間部材４ｇと継手４ｆとの継ぎ目部分から樹脂の流出は全く見られなかった。
また、シール材は、中間部材４ｇの押さえ部４９によって形状が規制されており、シール材の膨れなどは見られなかった。
【００４７】
（実施例３）
実施例１の継手６ｆに代えて、各部の寸法が図１２に示すような受口６１の外周面にシール材の側面を受ける鍔状部６６を備えた継手６ｇを用いた以外は実施例２と同様にして接合品を得た。
【００４８】
このようにして得られた上記接合品の外観を観察したところ、中間部材４ｇと継手４ｇとの継ぎ目部分から樹脂の流出は全く見られなかった。
また、シール材は、中間部材４ｇの押さえ部４９および継手４ｇの鍔状部６６によって形状が規制されており、シール材の膨れなどは見られなかった。
【００４９】
【発明の効果】
本発明にかかる配管材の接合構造は、以上のように構成されているので、熱可塑性樹脂製の配管材同士をその接合面を摩擦溶融して融着接合した場合、常に外観形状がよく、しかも十分な接合強度確保できる。
【００５０】
更に、配管材にシール材のずれ防止手段が設けられているので、摩擦運動中のシール材の溶融樹脂圧による浮き上がりや熱による変形を防止することができ、外観形状および接合強度に優れた接合構造をより確実に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる配管材の接合方法に用いられる回転摩擦接合装置の1例の説明図である。
【図２】本発明にかかる配管材の接合方法の第１の実施の形態に用いる配管材の断面図である。
【図３】本発明にかかる配管材の接合構造の第１の実施の形態をあらわす断面図である。
【図４】本発明にかかる配管材の接合構造の第２の実施の形態をあらわす断面図である。
【図５】本発明にかかる配管材の接合構造の第３の実施の形態をあらわす断面図である。
【図６】本発明にかかる配管材の接合方法の第２の実施の形態であって、その回転摩擦接合装置に配管材を装着した状態をあらわす要部断面図である。
【図７】本発明にかかる配管材の接合構造の第４の実施の形態をあらわす断面図である。
【図８】本発明にかかる配管材の接合方法の第３の実施の形態であって、その回転摩擦接合装置に配管材を装着した状態をあらわす要部断面図である。
【図９】本発明にかかる配管材の接合構造の第５の実施の形態をあらわす断面図である。
【図１０】実施例１で使用した配管材の寸法図であって、同図（ａ）は中間部材を断面であらわし、同図（ｂ）は継手を断面であらわしている。
【図１１】実施例２で使用した中間部材の各部の寸法をあらわす断面図である。
【図１２】実施例３で使用した継手の各部の寸法をあらわす断面図である。
【符号の説明】
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ接合構造
４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｆ，４ｇ中間部材（配管材）
４６鍔状部（ずれ防止手段）
４７，４９押さえ部（ずれ防止手段）
５直管（配管材）
６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ，６ｆ，６ｇ継手（配管材）
６３，６６鍔状部（ずれ防止手段）
７，７１，７２シール材
８継ぎ目

Claims

一方の熱可塑性樹脂製の配管材の一部が他方の熱可塑性樹脂製の配管材内に挿入された状態で、両配管材のうち少なくともいずれか一方を回転させて両配管材の接触界面を摩擦溶融させることによって配管材同士が融着接合されてなる配管材の接合構造において、
摩擦時に溶融した樹脂が配管材の継ぎ目を通って外面および／または内面に流れ出ようとするのを防止するシール材が外面および内面の少なくともいずれか一方の継ぎ目の出口を塞ぐように設けられ、
前記シール材はポリテトラフルオロエチレンで形成されて、両配管材の継ぎ目出口部分に嵌合されるリング状または円筒状をしており、
更に、少なくともいずれか一方の配管材には、摩擦接合時に前記シール材の継ぎ目部分からのずれを防止するずれ防止手段が設けられている
ことを特徴とする配管材の接合構造。