JP5035672B2 - 電気融着継手 - Google Patents

Description

本発明は、プラスチック管の接続に用いられる電気融着継手に関し、熱可塑性樹脂管の内周部に形成された凹溝に電熱線を嵌入した構造の電気融着継手に関する。

電気融着継手は、通常射出成形法を用いて製造され、ポリエチレンやポリブテン等の熱可塑性樹脂からなる継手本体の内周部に電熱線が埋設されている。一方、例えば特許文献１に示すように、大口径の電気融着継手を中心にして、熱可塑性樹脂からなる管材の内面に沿って螺旋状に凹溝を切削加工で設け、この凹溝内に電熱線を嵌入した構造のものも提供されている。この構造の電気融着継手は、製造方法としては簡潔であるが、電熱線を溝から浮き上がらないように装着するという点に難しさがある。この電熱線の装着という課題に対して、特許文献１には、管材（スリーブ）の内壁面に対して傾斜した切込み溝を形成し、この時にフラップと称する切り起こし部を切込み溝の側方に片持ち構造になるように形成し、切込み溝とフラップの間に作られた空洞の中に電熱線を入れ、スリーブにマンドレルを挿入することによりフラップを内壁体内に押込んで電熱線を空洞の中に封じ込める、という手段が開示されている。
特公平３−５０１５７号公報（２ページ４段３９行〜３ページ５段１４行）

ところで、電気融着継手は、製造後すぐに使用されるとは限らず、保管されている間に大きな周囲温度変化を受ける場合がある。凹溝が形成される熱可塑性樹脂管材と電熱線とは熱膨張係数が大きく異なる（例えば、ポリエチレンは銅より熱膨張係数が１０〜２０倍大きい）ため、温度が上昇すると樹脂は大きく膨張するが電熱線の膨張はわずかであり、その後、温度が下がると樹脂は大きく縮むが、その時電熱線の一部が溝から浮き上がるように押出されることがある。電熱線が浮き上がってしまうと、配管作業時にプラスチック管を挿入する時に引っ掛かってしまうという問題が生じる。また、電熱線まわりに空洞が残っていると、プラスチック管を融着接合した時、融着界面にボイドが発生する可能性が高くなり、接合強度が低下するという問題もある。

特許文献１に示す電気融着継手は、電熱線を切込み溝とフラップで作られた空洞に封じ込めるとされており、電熱線は浮き上がりの恐れは少ないと思われるが、電熱線周りには空隙が残っているものと考えられる。これは、特許文献１の図２、３に示されているが、フラップは切込み溝の側方に片持ち構造になるように形成されるので、この長さのフラップを得るために切込み溝は深く加工され、このため電熱線を切込み溝の底部まで確実に挿入することが難しく底部には空隙が残りやすいこと、また単にフラップをマンドレルで一定位置まで押し込んだだけでは、円形の電熱線に沿って空隙を埋めることは難しいからである。また、特許文献１には、マンドレル挿入時、電熱線に通電してフラップを溶かして電熱線を埋め込むようにすることも説明されているが、空洞がフラップで密封されている場合には、その後フラップを溶かしても空洞部の気体は完全には逃げだせず、ボイドとして残ってしまう可能性が高い。

従って本発明は、熱可塑性樹脂管の内周部に形成された凹溝に電熱線を嵌入した構造の
電気融着継手において、保管環境下での温度変化で電熱線が凹溝から浮き上がることなく
、かつプラスチック管との融着界面にボイドが生じないような電気融着継手を提供することを目的としている。

本発明の電気融着継手は、プラスチック管が挿入される熱可塑性の樹脂管と、樹脂管の内周面に螺旋形にして螺旋ピッチが小さい部分と大きい部分とに形成されたＵ字状の凹溝と、凹溝開口部の両側面に形成された舌状部と、凹溝内に装入された電熱線とを有し、凹溝の幅は、電熱線の直径と同じかわずかに狭い寸法に形成され、凹溝の深さは、電熱線の直径より深い寸法にして、螺旋ピッチが小さい凹溝部分のほうが螺旋ピッチが大きい凹溝部分よりも浅い寸法に形成され、螺旋ピッチが小さい凹溝部分に装入された電熱線は溶融された舌状部を含む樹脂で凹溝内に埋め込まれており、螺旋ピッチが大きい凹溝部分に装入された電熱線は押圧された舌状部で凹溝内に押し込められていることを特徴としている。
また、前記本発明の電気融着継手では、凹溝の幅が、電熱線の直径の０．９５〜１．００倍であり、凹溝の深さが、螺旋ピッチが小さい凹溝部分では電熱線の直径の１．０５〜１．２倍、螺旋ピッチが大きい凹溝部分では電熱線の直径の１．４〜１．７倍であることが好ましい。
また、前記本発明の電気融着継手における凹溝は、切削加工で形成されており、舌状部は凹溝の側面を塑性加工することで形成されその長さは凹溝の幅の１／２以下とされていることが好ましい。
前記本発明の電気融着継手において、樹脂管の螺旋ピッチが小さい凹溝部分に装入された電熱線は凹溝内に溶融された樹脂で埋め込まれて凹溝との間には空隙が存しないことを特徴としている。空隙の有無は、電熱線装着部の断面を目視で観察して判定されたものである。また、樹脂管の螺旋ピッチが小さい凹溝部分に装入された電熱線は樹脂で被覆されて内周面は平坦な面とされ、プラスチック管がスムースに挿入されることを可能にしている。

本発明によれば、保管時の温度変動があっても配管作業に不都合となるほど電熱線は浮き上がらず、かつ融着領域における電熱線周りには空洞が存しないような電気融着継手を提供することができる。

以下、本発明の電気融着継手を、２本のプラスチック管を直列に接続するための継手であるソケットを例にして説明する。
図１は本発明のソケット１０の縦断面略図である。ソケット１０は、例えばポリエチレンからなる熱可塑性樹脂のスリーブ１と、スリーブ１の内周面に螺旋状に形成されたＵ字状の凹溝２に装着された電熱線３と、スリーブ１の左右端に装着され電熱線３の両端部と接続されているコネクターピン４（４ａ、４ｂ）を有している。スリーブ１の内周面５は、左方から挿入されたプラスチック管（図示せず）の表面を溶融して融着する左融着部６ａと、右方から挿入されたプラスチック管（図示せず）の表面を溶融して融着する右融着部６ｂと、左融着部６ａと左コネクターピン４ａとの間の左巻端部７ａと、右融着部６ｂと右コネクターピン４ｂとの間の右巻端部７ｂと、左融着部６ａと右融着部６ｂとの間の渡り部８とに区分けされ、凹溝２は左巻端部７ａから右巻端部７ｂまで連続して形成されており、この中に１本の連続した電熱線３が装着されている。

図２は本ソケット１０の特徴を表した図で、スリーブ１の内周面５に形成された凹溝２に電熱線３が装着されている状態を示している。図２（ａ）に示すように、電熱線３は、凹溝２の開口部の両側に形成された薄肉の舌状部１１、１２で押圧されて内周面５より下になるように覆われ、凹溝２の底部と密接するとともに側壁ともほぼ密接されるように装着されている。このように、電熱線３は、開口部の両面から舌状部１１、１２で押さえ込まれているので凹溝２から浮き出にくいとともに、スリーブ１の内周部にほとんど空隙なく埋め込まれているので、プラスチック管を融着接合した時のボイドの発生が防止できる。この場合、電熱線３は、舌状部１１、１２で電熱線３の頂部全面が覆い隠されていなくてもスリーブ１の内周面５より突き出していないので、プラスチック管は挿入時に電熱線３に接することなくスムースに行える。

さらには、図２（ｂ）に示すように、舌状部１１、１２を含む樹脂が溶融され、電熱線３周りに充填、被覆された状態になっていることが望ましい。これは、前記図２（ａ）の状態とした後、舌状部１１、１２及び凹溝壁面などが溶融される程度に電熱線３に通電することで実現できる。このように、電熱線３周りのスリーブ１内周部の樹脂を溶融して電熱線３を被覆し、スリーブ１内に埋め込んだ形態とした構造とすると、さらに確実に電熱線３の浮き上がりを防止できる。この時、前記図２（ａ）に示すように、電熱線３はスリーブ１の内周部にほとんど空隙が存することなく装着されているので、樹脂被覆後の電熱線３周りにも空隙は存しない。また、電熱線３への通電するときに、スリーブ１の内周部に、スリーブ１に接続されるプラスチック管の外径とほぼ同一の直径、すなわち内周部の直径よりわずかに小さな外径を有する円筒状又は円柱状の成形冶具を装着することで、電熱線３を覆う溶融膜の厚さを規定でき、内周面５が平滑な樹脂膜で内径寸法が所定値に収まったスリーブ１とすることができる。さらに、電熱線３は被覆されて露出しないので、異物が付着して通電時にショートを起こすこともない。

なお、融着部６（６ａ、６ｂ）は、スリーブ１とプラスチック管が融着する部分であり、ここに形成される凹溝２６は多数の電熱線が巻かれるように小さなピッチの螺旋形とされるが、渡り部８及び巻端部７（７ａ、７ｂ）は融着に直接係わる部分ではないため、ここに形成される凹溝２７、２８は１〜２回程度の巻数の大きなピッチの螺旋形とされる。このため、前述したように電熱線３に通電すると、融着部６の凹溝２６では、電熱線周りの樹脂はよく溶融されるため図２（ｂ）の装着状態を実現できるが、渡り部８及び巻端部７の凹溝２７、２８では、電熱線周りの樹脂は受ける熱量が少なく溶融されない可能性が高い。その場合、渡り部８及び巻端部７では、電熱線に通電しても図２（ｂ）の形態の装着状態を得ることができない。このため、凹溝２７、２８は、舌状部１１、１２による機械的押さえ込みだけで確実に電熱線３が浮き出ないようにしなければならず、このためには凹溝２６とは溝寸法を違えるようにするとよい。

前述したように、本発明に用いられるスリーブ１は、凹溝２の開口部両側に舌状部１１、１２が形成されている。舌状部１１、１２は、図３をもとに後述するように、凹溝２の側壁を塑性加工して形成されるが、電熱線３を両側から押さえ込むだけの突出長さ、すなわち凹溝の幅の約１／２か少し短い程度でよく、舌状部が形成されるのに必要な側壁部の長さ、すなわち凹溝の深さは前記した特許文献１における溝より浅くてよい。この点で、融着部６に形成される凹溝２６は、舌状部１１、１２で押圧された電熱線３が溝底まで確実に押し込まれるような寸法、具体的には電熱線３の直径ｄに対し、幅ａは（０．９５〜１．００）ｄの範囲の所定値、深さｂは（１．０５〜１．２）ｄの範囲の所定値で、底面が円弧状になるように加工されるとよい。

これに対し、巻端部７に形成される凹溝２７は、前述したように、舌状部１１、１２による機械的押さえ込みで電熱線が浮き出ないようにすることが求められるので、深さｂは、凹溝２６より深くなるように加工される方がよい。これは、深さｂが深い凹溝では、舌状部はを長く形成することができ、電熱線３をしっかりと溝の深い位置まで押し込むことができるので、樹脂融着を行わなくても浮き出にくくすることができるからである。具体的には、電熱線３の直径ｄに対し、深さｂを（１．４〜１．７）ｄ程度にするとよい。なお、幅ａを狭くすると、一旦押し込められた電熱線は出にくはなるが、押し込みにくもなってしまうので必ずしも幅ａを狭くすることが有効とは限らず、凹溝２６を加工した切削工具を換えることなく使用できるという点でも、同じ幅とするとよい。なお、保管時の温度変化で、たとえ電熱線３が凹溝２内で少し内周面５側に移動して底部に空洞が生じたとしても、巻端部７はプラスチック管の融着接合に係わる領域ではないため、内周面５より下に保持されている限り問題にはならない。

渡り部８に形成される凹溝２８についても、巻端部凹溝２７と同様、溶融樹脂による被覆処理を適用することが難しいので、凹溝２７と同様な寸法関係で加工することが望ましいが、融着部６の凹溝２６と同様な寸法とすることもできる。これは、巻端部７がプラスチック管を挿入する時の通過領域であって、電熱線３が引っ掛かることが許されないのに対し、プラスチック管は必ずしも渡り部８まで挿入されるとは限らず、挿入されない場合は渡り部８で電熱線３が少し浮き上がっていても問題にならないからである。

次に、本発明の電気融着継手の製造方法について、前記ソケット１０の製造を例に説明するが、特に本発明の特徴であるスリーブ１の凹溝２の形成方法、電熱線３の装着方法について図３、４をもとに詳しく説明する。
まず、長さ及び内外径が所定の寸法に加工された熱可塑性樹脂のスリーブ１を準備し、その内周面５にＵ字状の凹溝２を螺旋状に切削加工で形成する。凹溝２は、基本的には、図３（ａ）に示すように、幅ａを電熱線３の直径ｄと同じかわずかに小さい寸法に、深さｂを電熱線の直径ｄより大きい寸法に、溝底部を電熱線の半径とほぼ同じ半径寸法の円弧形状になるように加工されるが、ピッチ及び溝深さなどは前述したように融着部６、巻端部７、渡り部８の各領域に合わせて適宜調整される。

次に、図３（ｂ）に示すように、押当て工具１３を前記凹溝２の開口部から一方の側壁に押付けながら凹溝２に沿って移動させ、一方の側壁を変形させて内周面５から飛出したバリ状の舌状部１１を形成する。次に、押当て工具１３を、凹溝２の開口部から他方の側壁に押付けながら凹溝２に沿って移動させ他方の側壁を変形させて内周面５から飛出したバリ状の舌状部１２を形成する。舌状部１１、１２は凹溝の幅ａの約１／２の長さで、凹溝２の開口部側に少し傾くように形成されることが好ましく、押当て工具１３の形状、側壁への押付け位置、押付け力などは適宜決められる。

次に、凹溝２の全長にわたって電熱線３を装入する（図３（ｃ））。電熱線３は、舌状部１１、１２を押し広げるようにして装入するとよいが、この時必ずしも凹溝の底部に達していなくてもよい。次に、図３（ｄ）に示すように、スリーブ１の内周面を凹溝の幅より広い範囲を押圧できる押圧具、例えば凹溝ピッチ寸法程度の幅を持った広幅ローラ１４を、舌状部１１、１２が開口部を塞ぐように押付けながら、凹溝２に沿って相対的に移動させる。これにより、電熱線３は舌状部１１、１２を介して溝底方向に押圧され、融着部６に形成された前述した溝深さの凹溝２６においては、凹溝２６に装入されている電熱線３は、側壁に密着した状態で凹溝２６の底部に押付けられ、かつ上部は舌状部１１、１２で押し包まれるため、図２（ａ）で示すようにほとんど空隙は生じない。

一方、巻端部７に形成される凹溝２７においては、溝深さが凹溝２６より深いため、電熱線３は凹溝２７の底部まで達しない場合がある。このため、凹溝２７に対しては、図４（ａ）に示すように、さらに先端幅が凹溝２７の幅より狭い狭幅ローラ１５を、舌状部１１、１２を溝に押込むように押付けながら、凹溝２７に沿って相対的に移動させる。これにより、電熱線３は舌状部１１、１２を介して凹溝２７の底部に達するまで押込められる。この時の電熱線３は、図４（ｂ）に示すように、凹溝２７の側壁に密着した状態で深目の溝底に押し込まれ、かつ上部は凹溝の中まで押込まれた舌状部１１、１２で強く押し包まれるので、保管時に周囲温度が変化しても、内周面にまで浮き上がることはない。渡り部８に形成される凹溝２８に対しては、形成した凹溝２８が前記凹溝２７と同様な深さであれば、同様に狭幅ローラ１５を作用させる。なお、上述した広幅ローラ１４の押付け、及び狭幅ローラ１５の押付け動作は、電熱線３を凹溝２に装入し終えてから行ってもよいし、装入しながら直ちに行うようにしてもよい。また、狭幅ローラ１５は、凹溝２６のような深さが浅めの溝に対しても作用させてもよく、広幅ローラ１４と狭幅ローラ１５を連ねた構造の押圧具を用いれば、電熱線３の押込み操作が一度で行えて能率的である。

次いで、電熱線３の両端部が、スリーブ１の両端部に装着されたコネクターピン４（４ａ、４ｂ）に接続された後、接続されるべきプラスチック管の外径とほぼ同一外径寸法のの成形冶具（図示せず）をスリーブ１に挿通し、コネクターピン４を通じて電熱線３に所定時間、所定電流を通電する。これにより、少なくとも電熱線３が密に装着された融着部６における凹溝２６では、電熱線３周りの舌状部１１、１２および溝側壁面、底面などの樹脂が溶融され、マスク除去後は、図２（ｂ）で示すように、電熱線３の周りは樹脂で満たされてスリーブ１と一体的になり、かつスリーブ１の内周面５はマスク外径で規定された所定寸法の樹脂面となる。このため、電熱線３保管時に浮き上がるようなことはない。また、通電前には、電熱線３と凹溝間、特に溝底部との間に空隙はほとんど存しないため、樹脂溶融時にボイドとして封じ込められるものはない。また、円周面５は円滑な樹脂面となるため、接続作業時に容易にプラスチック管を挿入することができる。

［実施例］
前述した製造方法をもとに、内径が約１１０ｍｍのポリエチレン製スリーブに直径０．６５ｍｍの電熱線を装着した呼称１００Ａのソケットを２種類製作し、融着部と巻端部における電熱線の浮き上がりと空隙残存状態を評価した。２種類のソケットは、サンプル１が通電処理をしたもの、サンプル２が通電処理をしないものという点で電熱線の装着方法が異なっている以外は、融着部及び巻端部における凹溝寸法、舌状部形成方法、舌状部押付け方法などは同じ仕様で、巻端部の舌状部押付けは広幅ローラと狭幅ローラを用いたという点でも同じである。評価は、図５に示す−１０℃〜６０℃の温度サイクルによる冷熱試験を５サイクル行い、各サイクル終了毎に電熱線の浮き上がり状態を目視観察し、５サイクル終了後にソケットを軸方向に切断し、切断面を写真撮影し電熱線周りの空隙の有無を目視観察した。表１に実験結果を示す。

通電処理を行ったサンプル１において、融着部は電熱線が溶融樹脂で被覆されていたが、巻端部は樹脂の溶融は見られなかった。樹脂被覆がなされなかった舌状部による押圧だけの電熱線装着において、凹溝深さｂが０．７５ｍｍでも条件によっては使用可能であるが、１．０５ｍｍと深くすることで信頼性が高まることがわかる。樹脂を溶融して被覆すれば、凹溝深さｂが０．７５ｍｍでも全く問題はないことがわかる。空隙はいずれのものにも認められなかった。

本発明の電気融着継手の概要示す縦断面図である。 本発明の電気融着継手の電熱線装着状況を示す断面図である。 本発明の電気融着継手の製造方法における凹溝形成、電熱線装着方法を示す断面図である。 本発明の電気融着継手の製造方法における深溝への電熱線装着方法を示す断面図である。 電気融着継手の冷熱サイクル試験の温度パターンを示す図である。

符号の説明

１…スリーブ、 ２（２６，２７，２８）…凹溝、 ３…電熱線、
４…コネクターピン、 ５…スリーブ内面、 ６（６ａ，６ｂ）…融着部、
７（７ａ，７ｂ）…巻端部、 ８…渡り部、 １１、１２…舌状部、
１３…押当て工具、 １４…広幅ローラ、 １５…狭幅ローラ

Claims (5)

1. プラスチック管が挿入される熱可塑性の樹脂管と、樹脂管の内周面に螺旋形にして螺旋ピッチが小さい部分と大きい部分とに形成されたＵ字状の凹溝と、凹溝開口部の両側面に形成された舌状部と、凹溝内に装入された電熱線とを有し、
   凹溝の幅は、電熱線の直径と同じかわずかに狭い寸法に形成され、
   凹溝の深さは、電熱線の直径より深い寸法にして、螺旋ピッチが小さい凹溝部分のほうが螺旋ピッチが大きい凹溝部分よりも浅い寸法に形成され、
   螺旋ピッチが小さい凹溝部分に装入された電熱線は溶融された舌状部を含む樹脂で凹溝内に埋め込まれており、螺旋ピッチが大きい凹溝部分に装入された電熱線は押圧された舌状部で凹溝内に押し込められていることを特徴とする電気融着継手。
2. 凹溝の幅が、電熱線の直径の０．９５〜１．００倍であり、凹溝の深さが、螺旋ピッチが小さい凹溝部分では電熱線の直径の１．０５〜１．２倍、螺旋ピッチが大きい凹溝部分では電熱線の直径の１．４〜１．７倍であることを特徴とする請求項１記載の電気融着継手。
3. 凹溝は切削加工で形成されており、舌状部は凹溝の側面を塑性加工することで形成されその長さは凹溝の幅の１／２以下とされていることを特徴とする請求項１又は２記載の電気融着継手。
4. 樹脂管の螺旋ピッチが小さい凹溝部分に装入された電熱線は凹溝内に溶融された樹脂で埋め込まれて凹溝との間には空隙が存しないことを特徴とする請求項１、２又は３記載の電気融着継手。
5. 樹脂管の螺旋ピッチが小さい凹溝部分に装入された電熱線は樹脂で被覆されて内周面は平坦な面とされ、プラスチック管がスムースに挿入されることを特徴とする請求項１、２、３又は４記載の電気融着継手。
   

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