JP4002997B2 - パイプの嵌め込み方法 - Google Patents

Description

本発明は、延伸加工されたプラスチック（oriented plastic）製のパイプに受け口を形成する（socketing）すると共に受け口の内側に環状溝を有する方法に関する。この溝は２つのパイプが相互に連結される時に受け口と他方のパイプの差込み口端部との間をシールするための弾性ガスケットを受けるために設けられる。
延伸加工されていないプラスチックのパイプに受け口（socket）又はらっぱ状の口（bell）を形成し同時に受け口の内側に環状溝を設ける通常の方法は、非結晶プラスチックのガラス転移温度又は結晶プラスチックの結晶溶解点よりも実質的に高い温度に加熱し、前記溝を形成するためにパイプのこの加熱された端部を圧縮可能な（collapsible）芯体を有する心棒の上に押込むことからなっている。この芯体は前記端部が心棒上に押込まれた時拡張状態にある。端部の冷却後芯体は圧縮もしくは圧潰されそして受け口が形成された（socketed）パイプは心棒から引き抜かれる。
シールリング（sealing ring）又はガスケットを心棒の上に滑らせ、溝に残され心棒からパイプと一緒に引出されたシールリングを覆うようパイプの端部に溝を形成することもまた従来の技術である。
受け口が延伸加工されたプラスチックの、特にMOPVC（分子が配向されたポリ塩化ビニール）のパイプに形成される時に、延伸加工されていないプラスチック材料のパイプの場合には存在しない２つの問題が生じる。すなわち
（１）溝が形成される領域における受け口形成時にプラスチック材料の応力集中をなくすこと（材料は引抜きが通常軸方向よりも周方向で高いため通常よりは周面の周りにひび割れが生じやすい）
（２）受け口形成時に起り得る軸方向の収縮の度合を正確に制御し、伸びを減少して破壊に至るような不必要な収縮をなくすこと、
である。
これらの問題は請求項１の特徴構成を有する本発明の方法によって解決される。
延伸加工されたプラスチックがガラス転移温度又は結晶溶解点よりも過度に高く加熱されると、このプラスチックは心棒上で収縮し、パイプと心棒との間の摩擦を増大させるようになる。
加熱された材料はまた柔らかくなり、また柔らかくなった材料と増大した摩擦との組合せによりプラスチックは加熱された端部が心棒上に押し込まれる時に圧縮される。パイプの端部の加熱は、端部を拡張された圧縮可能な芯体、シールリング又は予め形成された溝の芯体の上に押込むのに必要な力が、プラスチックの温度がガラス転移温度又は結晶溶解点より低い場合に大きくなりすぎるために、必要となる。しかし、本発明の方法では、プラスチックの圧縮は良好に制御されかつ受け口内側の溝が設けられるパイプの端部の領域に主として限定され、そのためパイプの端部を芯体又はシールリングの上に動かすのに必要な力を依然として小さい容認できる値に保つことができる。パイプが軸方向の引抜きにより製造されるならば、パイプの端部の加熱はパイプの軸方向の引張りを減少させ、溝が設けられているパイプの壁だけでなくパイプの円筒形部分の壁の周方向の引張りを補償するのに十分な壁厚の増加をその領域にもたらす。
ガラス転移温度又は結晶溶解点より高いプラスチックの加熱を受け口の内側の溝が設けられる領域に限定することにより上記した２つの問題は解決される。
米国特許第4,276,010号は１つのパイプの差込み口端部を他のパイプの受け口端部に接着又は付着により結合することにより相互に連結されるプラスチックパイプの受け口形成方法が記載され、溝は受け口に設けられていない。受け口が形成されるパイプの端部がパイプと実質的に同じ内径を有する円筒形の心棒部分の上に押込まれ、少なくともプラスチックの記憶温度（ポリ塩化ビニールにとって記憶温度は約180℃である）であるが物理的特性又は化学構造が変わる温度（ポリ塩化ビニールにとってこの温度は約250℃である）よりは高くない温度に加熱される。パイプの端部を所望温度に加熱した後この端部は心棒部分の間の円錐形変移部を経て広い方の円筒形心棒部分の上を軸方向に押込まれ、この広い方の心棒部分と変移部とが形成されるべき受け口の形状を画定する。受け口の内面には溝が形成されていないので、広い心棒部分はその上に滑らされる芯体又はシールリングを有せずまたそのためこのような芯体又はシールリングの上に押しつけられる端部による端部の極端な拡張はこの場合受け口形成方法の一部を構成しない。さらに、従来技術のこの部材は延伸加工されたプラスチックのパイプの受け口形成とは関係がなくしたがってこれに関連した問題はこの特許には述べられあるいは教示されていない。
本発明はその実施態様を例示する添付図面を参照して以下にさらに詳細に記載される。ここで
図１〜４Ａは軸方向断面図で示されるパイプを有する心棒の側面図であり本発明の１つの実施態様の方法の連続した段階を開示する。
図４Ｂと４Ｃは心棒の変更した構造を開示する図１〜４Ａの心棒の破載図である。
図５〜９は第２の実施態様における本発明の方法の連続段階を開示する図１〜４と同様の図である。
図10〜14は本発明の方法の第３の実施態様における連続段階を開示する図１〜４Ａと同様な図である。
図１と４Ａを参照すると、ここに開示される本発明の方法の実施態様に用いられる心棒は鋼のような硬い耐摩耗性の材料又は当該技術において周知の他の適当な材料で作られている。心棒はその先端を形成する円錐形の端部要素10と、円筒形の第１の心棒要素11と、円錐形の変移要素12と、第２の円筒形心棒要素13とを具備している。心棒は真空通路と必要に応じて心棒を加熱し及び／又は冷却する手段（図示しない）とを有することができる。心棒要素13には当該技術で周知の構造とすることのできる圧縮可能な芯体14が設けられる。圧縮可能な芯体は、心棒に形成されるパイプの受け口（socket）又は差込み口（bell）の内側に設けられる環状溝の形状に対応する形状の環状リムを形成する図１〜３に示される膨張した状態と、芯体が心棒要素13の円筒形表面と同一面となる図４Ａに示される圧縮された状態との間で、図示しない手段によって調節することができる。心棒要素13と変移要素12は形成されるべき受け口の形状を画定する。
端部が15で示されるプラスチックのパイプが均一の円筒形の形状を有し、この端部に受け口又は差込み口が形成され、また受け口とこの受け口に挿入される他のパイプの差込み口端部との間にシールを形成する通常はゴムガスケットである弾性ガスケットを受けるための環状溝が受け口の内面に形成される。本発明の方法の最初の段階として、パイプの端部15が、本発明の方法を実施するには必らずしも必要ではないが、非結晶プラスチック材料のガラス転移温度Ｔ_g又は結晶プラスチック材料の結晶溶解点Ｔ_mである温度Ｔ₀に近くしかもこれより低い温度に予め加熱される。予め加熱した後パイプの端部15は図１でパイプの内径に実質的に一致した外径を有する心棒要素11の上に押込まれる。心棒の外面は例えばクロム−テトラフルオロエチレン被覆によって滑らかでよく滑るようにすることができる。さらに、シリコンオイルのような潤滑剤が心棒の表面に塗布されパイプが心棒に押込まれる時のパイプと心棒との間の摩擦を調節できるようにする。パイプの開口部のパイプ端部の長さｌ₁が、パイプ端部が心棒要素11の上にある時に温度Ｔ₀より高い温度Ｔ₁に加熱される。この加熱は熱水の噴射、放射加熱又はパイプを取巻くジャケットの中の熱空気の循環により、行うことができる。
しかし、この場合の加熱効果はパイプの端部の所定領域に容易に集中するので最良の結果は赤外線加熱によって得られる。通常の赤外線放射はパイプの外面の過熱を生じる材料の吸収の最高値に対応する波長を有する。しかし、これらの波長が例えば結晶ガラスフィルターのようなフィルターによって遮断される場合には、材料の配向を制御するために重要であるパイプ端部の長さｌ₁の均一加熱が得られる。例えば、ポリエチレン材料にとってろ過されるべき波長は２から10μｍの範囲であり、効果的な加熱波長は実質的に1.2μｍとすべきである。パイプの加熱された部分の表面は保護ガスによって保護される。パイプの端部以外の残部は温度Ｔ₀ 未満に保たれる。温度Ｔ₁はプラスチックの破裂温度未満でなければならない。すなわちこれ以上の温度上昇はパイプの破裂の危険を増す。
本発明の方法の次の段階はパイプの端部を変移要素12を経て心棒要素13上を心棒に沿ってさらに軸方向に押すことからなり、パイプの端部は膨張した芯体14を越えて図２に開示される位置まで押込まれる。図２に見られるように長さｌ₁が、パイプの開口から芯体14の両側に対称的に延びそれにより受け口の内面の溝がパイプのこの長さ内に形成されるような大きさにされる。長さｌ₁の柔らかいプ
ラスチックが芯体14の上で周方向に引張られかつ芯体上でパイプを動かすのに必要な力により軸方向に僅かに圧縮される。パイプの端部の加熱によりパイプの潜在的軸方向の引張りを減少し、それにより周方向に引張りにより生ずる壁の厚さの減少を補償するのに十分な壁の厚さにする。心棒の選択された表面は心棒とパイプとの間の摩擦を増大させるためにでこぼこにされ又は刻みがつけられる。心棒内の真空及び／又は心棒とその上のパイプとの周りに形成された空間内の圧力と共に、このでこぼこした又は刻みのつけられた表面は、パイプの軸方向の収縮を制御する手段を提供する。心棒上のこの位置のパイプに関し図３のパイプの端部の長さｌ₂がＴ₀より高くてよいが必らずしもＴ₁と同じ温度である必要のない温度Ｔ₂に加熱される。パイプを取巻くジャケットでの放射加熱によって行うこともできるこの加熱によりパイプの長さｌ₂の形状は心棒要素13、変移要素12及び芯体14の形状とぴったり適合するようになり、すなわち、パイプのこの長さが溝つきの受け口を形成しまたパイプの壁がプラスチックの記憶によりパイプの溝以外の残り部分と同じ壁の厚さを回復するようになる。この段階で、この技術において周知のように圧力室、真空、又は機械的締め具を用いて、受け口とその内側の溝とを十分に検定してパイプを心棒に対して押し当てるようにすることができる。
例えば散水によりパイプの端部を冷却した後、図４のように芯体14が圧縮され次いで受口が形成されたパイプが心棒から引抜かれる。パイプのプラスチックが延伸加工された、即ち、分子配向したポリ塩化ビニール（MOPVC）である場合に温度Ｔ₀は約80℃であり温度Ｔ₁とＴ₂は同じ値とすることができ又は異なった値ではあるが高くともMOPVCの破裂温度である105℃とすることができる。好ましくはＴ₁は95℃でありＴ₂は90℃である。PEXにとっての対応温度はＴ₀＝135℃，Ｔ₁＝150℃、そしてＴ₂＝140℃とすることができるが190℃より高くない。
上記の圧縮可能な芯体を用いる代わりに溝を、心棒の上を通過しパイプと共に心棒から引抜かれるシールリング（sealing ring）の上に形成することができ、このシールリングはしたがってパイプの一体部分を形成する。この場合溝の深さは縮少することができまた溝の底の曲率の半径は別体のシールリング又はガスケットを受けるために設けられた溝の底の半径と比べて増大させることができ、これは材料の応力集中が減少しまたパイプを心棒上のシールリングの上に押すのに必要な力が減少することを意味する。ガスケットが偶然溝から滑って外れる危険なしに溝の内径をさらに減少できるようにする鋼又はプラスチックの保持リングを有する型のガスケットが特に有効である。この型のガスケットにとって最良の外形はパイプがさらに容易にガスケットの上を押すことができるようにするために低い上昇角度、すなわち30°より低い角度の対称形状である。またガスケットの頂部の非常に大きな曲率半径又は真直ぐな頂部は受け口の溝に対して作用する応力を最小にする。これに関連してスエーデン特許第463,329号が参照されこの特許は参照例として本明細書に含まれている。この刊行物はシールリングのための予め形成された溝を有する別体の芯体の使用を開示しており、前記芯体は心棒の上を滑動する。パイプは心棒から引抜かれる時に芯体の上に押込まれる。この特徴構造は、芯体を所定位置に効果的に保持する配向の半径方向の収縮に基づくものであり、本発明の方法に使用するのに特に良く適している。軽量の下水管のパイプの分野では公知のこの構造は延伸加工されたポリオレフィン圧力パイプに関連する分野に新しい興味ある可能性を提供する。
心棒の上に押込まれる時のパイプの圧縮を減少するため図４Ｂと４Ｃに開示された構造を用いることができる。これらの図に示されるように、心棒要素は変移要素12と芯体14（又は心棒の上を滑るシールリング）との間の部分13′を具備し、これらの部分13′は図に見られるようにその右側端部に回動自在に取付けられまた例えば油圧手段により上昇しそれによりその左側端部が図４Ｂに見られるように芯体14（シールリング）の頂部と実質的に同じ高さに又は頂部より高くなるようにすることができる。この位置で部分13′は心棒の上に押込まれる時にパイプ15のための上昇経路を形成しそれによりパイプが芯体（シールリング）の外径に対応する内径へ実質的にゆるやかに拡張しまたパイプを芯体（シールリング）の上に押込むのに必要な力が実質的に減少するようにする。また、パイプが心棒の予め決められた位置に達した時に部分13′は図４Ｃの位置に下がって締まる。
図５〜９の実施態様を参照すると２つの異なった心棒が本発明の方法の第２の実施態様を実行する時に用いられる。第１の心棒Ａは図５と６に示され図１〜４Ａに開示された実施態様の要素10から13に対応する心棒要素10Ａから13Ａを具備している。しかし、芯体14は、心棒要素13Ａの円筒形拡大部16Ａで置換され、左側端部に肩部17Ａを形成しかつ心棒要素13Ａと右側端部の円錐形変移部18Ａで結合している。拡大部16Ａは底部に形成されるべき溝の直径に対応する直径を有する。第２の心棒Ｂは図１〜４Ａに開示された心棒と同じであり、その要素は10Ｂ〜14Ｂの符号がつけられている。
第２の実施態様による本発明の方法の第１段階は図５に示され、異なった形状の心棒、すなわち心棒Ａさらに詳細には心棒要素11Ａ上で行われるが、図１を参照して記載された段階と同じである。長さｌ₁がＴ₀より高い温度Ｔ₁に加熱された時に長さｌ₁は心棒Ａ上を軸方向に移動し、変移12Ａを経て心棒要素13Ａ上へまた変移要素18Ａを経て拡大部16Ａの上へ図６に示される位置まで押込まれる。パイプの開口部の長さＬ₁はしたがって拡大部16Ａの直径にすなわち図１〜３の芯体14の最大直径に拡大される。パイプの端部はこれが依然として心棒Ａ上にある時に例えば散水によって冷却され、ついで心棒Ａから引抜かれる。
こうして予め形成されたパイプは次に心棒Ｂ上を図７に開示される位置まで押込まれ温度Ｔ₀より高い温度Ｔ₂に長さｌ₂にわたって再加熱される。これによりプラスチックのパイプは心棒上で収縮し、そして内側溝を有する受け口の形状が図８の長さｌ₂に付与される。心棒14Ｂを冷却し圧縮した後に受け口が付与されたパイプは図３と４を参照して記載された方法で心棒Ｂから引抜かれる。
本発明の第２の実施態様は第１の実施態様に対して追加の段階、すなわちパイプの端部の予備形成を含むが、他方では図６の段階でのパイプの拡張は、より低い軸方向の力をパイプに加えればよいので結果的にパイプの品質を改善する。
図10〜14の実施態様は図１〜４Ａの実施態様の変形例と考えることができ、第１の心棒要素10がより短い軸方向の長さを有し、円錐形の変移要素12に近接して拡張可能なスリーブ19が補足されている。スリーブ19は弾性材料で作られ例えば軸方向の補強部を有するゴムスリーブとすることができ、そして加圧流体により拡張することができる。スリーブ19が拡張されている図11に開示されるように拡張状態の前記スリーブは、圧縮可能な芯体14の直径に対応する直径を有する円筒形中央部分19Ａと、心棒要素11と変移部分12とにそれぞれ近接した円錐形の端部19Ｂ及び19Ｃとを具備している。しかし、中央部分19Ａは説明される理由で端部19Ｂから端部19Ｃへと僅かに円錐形状に広がるようにすることができる。
図10に示される段階でスリーブ19は圧縮されその外側の直径が心棒要素11の外側の直径に対応し、それにより芯体が前記心棒要素と同一面となるようにする。パイプ15は図10に示されるように心棒要素11とスリーブ19の上へ押込まれそして長さｌ₁にわたって温度Ｔ₁に加熱される。この長さｌ₁はスリーブ19の長さに対応し、スリーブは同時に加圧流体による内部圧力下にある。プラスチック材料が加熱中に柔らかくなると、スリーブ19は拡張しまたパイプ15をスリーブ19の形状に対応するように拡張する。スリーブ19が円錐形でありまたその表面がすべるように作られている場合には、パイプがスリーブ19上で拡張する時に制御された軸方向の圧縮をパイプのプラスチック材料に加えることができる。スリーブ19の圧力は解放され、かつパイプは変移要素12を介して心棒要素13の上へ心棒に沿って軸方向にさらに押込まれ、パイプの端部が図12に示される位置へ、膨張した芯体14を越えて押込まれる。図13の次の段階は図３の段階に対応し、そしてこの作業は図４の段階に相当する図14の段階によって終了する。

Claims (20)

1. 延伸加工されたプラスチック製パイプに受け口を形成すると共に受け口の内側に環状溝を形成する方法であって、
   パイプの端部（15）が、円筒形でありかつパイプの内径に一致する外径を有する第１の心棒要素（11，11Ａ）の上へ第１の心棒要素の突出端から押込まれ、
   第１の心棒要素（11，11Ａ）上で、前記パイプの端部が非結晶プラスチックのガラス転移温度（Ｔ_g）より高くかつ結晶プラスチックの結晶溶解点（Ｔ_m）より高い温度（Ｔ₁）に、環状溝を形成すべきパイプの端部の領域（ｌ₁）において加熱され、そのように加熱される領域（ｌ₁）を除くパイプの端部はガラス転移温度又は結晶溶解点より低い温度で維持され、
   環状溝を形成すべきパイプの端部の領域（ｌ₁）がガラス転移温度又は結晶溶解点より高い温度になっている時に、パイプの端部（15）が前記第１の心棒要素と軸方向に整列された第２の心棒要素（13，13Ａ）の上に押込まれかつ拡径されて、受け口の底部が第１の心棒要素と第２の心棒要素との間の円錐形変移要素（12）によって形成され、かつ
   前記環状溝が、ガラス転移温度又は結晶溶解点より高い温度による加熱時に拡張されたパイプの端部の領域（ｌ₁）に、前記円錐形変移要素（12）の内方で前記第２の心棒要素（13）上に設けられた芯体（14）によって形成される、
   ことを特徴とする延伸加工されたプラスチック製パイプに受け口を形成する方法。
2. 前記環状溝が圧縮可能な芯体（14）により形成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記環状溝が、前記第２の心棒要素（13）上を滑動し前記芯体を形成するシールリングにより形成され、前記シールリングが、前記第２の心棒要素から前記パイプの端部（15）が引抜かれる時に形成される環状溝に残されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記環状溝が、前記第２の心棒要素の上を滑動し予め形成された溝を有する別体の芯体によって形成され、前記芯体が、前記第２の心棒要素から前記パイプの端部が引抜かれシールリングを予め形成された溝に受ける時にパイプに残されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 環状溝を形成すべきパイプの端部の領域（ｌ₁）がガラス転移温度又は結晶溶解点より高い温度に加熱される時に、前記パイプの端部（15）の内径が、前記第２の心棒要素（13）上で、前記芯体（１４）の最大径に対応する直径まで拡張されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
6. 環状溝を形成すべきパイプの端部の領域（ｌ₁）を前記第２の心棒要素（13）および前記芯体（14）上に押込むときに、前記パイプの端部の領域（ｌ₁）に前記環状溝が形成されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記第２の心棒要素（13）の上に押込まれた後に受け口がガラス転移温度（Ｔ_g）又は結晶溶解点（Ｔ_m）より高い温度に加熱されて、収縮により前記第２の心棒要素の形状に適合することを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記パイプの端部（15）が冷却されついで第１及び第２の心棒要素（11，11Ａ，13，13Ａ）から引抜かれることを特徴とする請求項５から７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記パイプの端部（15）は、前記第１及び第２の心棒要素（11Ａ，13Ａ）から引抜かれた後に、受け口の内側に環状溝を形成するための圧縮可能な芯体（14Ｂ）を有する第３の心棒要素（13Ｂ）の上に押込まれかつ前記環状溝を形成すべき領域（ｌ₂）においてガラス転移温度（Ｔ_g）又は結晶溶解点より高い温度に再加熱されて、収縮により前記第３の心棒要素の形状に適合し、前記第３の心棒要素上で前記領域（ｌ₂）以外の受け口の残部を形成し、かつ前記パイプの端部が冷却されて前記第３の心棒要素から引抜かれることを特徴とする請求項６に記載の方法。
10. 前記パイプの端部（15）が前記第１の心棒要素（11）上で加熱中に拡張することを特徴とする請求項６に記載の方法。
11. 前記パイプの端部（15）が前記第１の心棒要素上の加圧されたスリーブ（19）により拡張されることを特徴とする請求項10に記載の方法。
12. 前記パイプの端部が前記スリーブ（19）上で拡張して円錐形の受け口を形成することを特徴とする請求項11に記載の方法。
13. 前記パイプの端部（15）が、前記第１の心棒要素（11；11Ａ）の上に押込まれる前にガラス転移温度（Ｔ_g）に近いが依然としてこの温度より低い温度に加熱されることを特徴とする請求項１から12のいずれか１項に記載の方法。
14. パイプのプラスチックがポリ塩化ビニールであることを特徴とする請求項１から13のいずれか１項に記載の方法。
15. ガラス転移温度（Ｔ_g）又は結晶溶解点より高い温度が高くとも105℃であることを特徴とする請求項14に記載の方法。
16. パイプのプラスチックが架橋ポリエチレンであることを特徴とする請求項１から13のいずれか１項に記載の方法。
17. ガラス転移温度（Ｔ_g）又は結晶溶解点（Ｔ_m）より高い温度が、高くとも190℃であることを特徴とする請求項16に記載の方法。
18. 前記パイプの端部が、前記第２の心棒要素上で半径方向に膨張した状態の芯体（14）に向って漸進的に上昇する圧縮可能な経路（13′）に沿って前記芯体（14）の上に押込まれ、かつ前記パイプの端部が前記第２の心棒要素上に設置される時に前記経路が圧縮することを特徴とする請求項１から17のいずれか１項に記載の方法。
19. パイプの加熱が熱流体の噴霧、赤外線放射、又は循環熱ガスによって行われることを特徴とする請求項１から18のいずれか１項に記載の方法。
20. パイプを加熱するときに放射される赤外線の波長が、パイプの材料が赤外線吸収ピークを有する波長から逸脱していることを特徴とする請求項19に記載の方法。

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