(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱可塑性樹脂からなる継手本体の受口内周部に電熱線を埋設した電気融着継手において、前記電熱線は、その体積抵抗率ρを0.20〜0.30(μΩｍ)となし、かつこのときの抵抗温度係数αを40〜70×10-5(／℃)としたことを特徴とする電気融着継手。
【請求項２】
熱可塑性樹脂からなる継手本体の受口内周部に電熱線を埋設した電気融着継手において、前記電熱線は、重量比でＳｉ：3.0〜4.2％、Ｍｎ：0.2％以下、残部は不純物を除きＣｕからなる銅シリコン（Ｃｕ−Ｓｉ）合金であることを特徴とする電気融着継手。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスや給水給湯配管などに用いられる電気融着継手(以下、単に継手ということがある。)に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、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受口内周部に螺旋状の電熱線を巻設し、この受口部に同じく熱可塑性樹脂からなるパイプを挿入し、前記電熱線に通電してこれを加熱させることによって両者を電気融着接続するいわゆる電気融着継手（エレクトロフュージョン継手）は良く知られている。
この継手では、継手の品種口径毎に融着に必要な単位面積当たりの投入エネルギー(ＫＪ／ｃｍ2)、いわゆる融着エネルギー(Ｅｎ)が個々決められており、これの調節は、従来のコントローラが定電圧制御であったことから、Ｅｎ＝Ｖ2ｔ／Ｒのうち電熱線の抵抗値Ｒを、具体的には線径を変化させて調節していた。また従来、電熱線はＪＩＳＣ２５３２において規格された銅ニッケル（Ｃｕ−Ｎｉ）合金が使用され、図２(b)線に示すように体積抵抗率ρは0.10〜0.49(μΩｍ)、抵抗温度係数αは10〜70×10-5(／℃)の範囲にあるものであった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この継手を用いて冬場（およそ０°Ｃ以下の環境）に融着作業を行うと極くまれではあるが、電熱線の一部が座屈したように屈折し、隣り同士の線が短絡する不良が発生することがあった。
【０００４】
このメカニズムを考えると、まず通電が開始されると電熱線は加熱され線膨張により伸びようとする。ところが樹脂側の加熱速度は遅く、ここで電熱線の線膨張は樹脂によって遮られてしまう。これが原因で電熱線には圧縮応力が生じる。特に、冬場では初期の樹脂温度はかなり低く、他方、電熱線側の温度は、環境温度にさほど関係なく上昇していくため樹脂と電熱線間の温度差が大きくなり、結果的に圧縮応力も多く溜め込む形となる。その後、電熱線周辺の樹脂が軟化を始める頃になると電熱線は開放され線膨張を始めるが、これと共に溜った圧縮応力も開放される。
【０００５】
一担開放されると線膨張と圧縮応力が急激に電熱線に働き屈折に至ってしまう。これは口径が大きいサイズになる程、樹脂の熱容量が大きくなるので開放されるまでの時間も長いことから生じやすい。また樹脂と電熱線間の温度差はワイヤーゾーンの中央部より両端部のコールドゾーンに近い入口側及び奥側の方が大きいからここに溜まる圧縮応力が大きくこの部分が基点となって屈折部が助長されていると考えられる。
【０００６】
以上のことから、上記屈折を原因とする電熱線の短絡不良を解決する一つの手段として、圧縮応力に耐えられる強度を持った太さの電熱線を使用することが考えられる。しかし、既存の電気融着システムでは、上記したように融着エネルギーが決められているため、抵抗値を変えずに線径を太くする必要があり、その為には体積抵抗率を見直す必要がある。この値から逆に電熱線の抵抗温度係数も設定される。ここで、継手の融着エネルギーはＥｎ＝Ｖ2ｔ／Ｒ…▲１▼で表わされるが、抵抗値Ｒは抵抗温度係数αとの関係においてＲT＝Ｒt（１＋α(Ｔ−ｔ)）…▲２▼であるため、αは融着エネルギーに影響することになる。従いむやみに線径を太くして対屈折強度を上げても融着エネルギーの変化を招くだけで融着性能を悪化させるだけであった。
【０００７】
本発明は、このような問題を解決するもので適切な融着エネルギーを保って、かつ屈折による電熱線の短絡などが生じることのない電気融着継手を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、熱可塑性樹脂からなる継手本体の内周部に電熱線を埋設した電気融着継手において、前記電熱線は、その体積抵抗率ρを0.20〜0.30(μΩｍ)となし、かつこのときの抵抗温度係数αを40〜70×10-5(／℃)とした電気融着継手である。尚、ここで上記体積抵抗率ρが0.23〜0.25(μΩｍ)で、抵抗温度係数αが43〜46×10-5(／℃)程度の図２（ｃ）の範囲であっても良い。
【０００９】
また、本発明は、熱可塑性樹脂からなる継手本体の内周部に電熱線を埋設した電気融着継手において、前記電熱線は、重量比でＳｉ：3.0〜4.2％、Ｍｎ：0.2％以下、残部は不純物を除きＣｕからなる銅シリコン（Ｃｕ−Ｓｉ）合金とした電気融着継手である。尚、Ｓｉの添加量は、4.2ｗｔ％以上となると加工性が劣化し、巻線作業がしずらくなることから、望ましくは3.5〜3.9ｗｔ％とする。また、Ｍｎは多すぎると抵抗温度係数が下がることから、0.2ｗｔ％以下が望まし
い。
【００１０】
一般に、銅ニッケル合金では抵抗温度係数αと体積抵抗率ρは反比例の関係にある。すなわち導体抵抗値を守りながら線径を太くする為には体積抵抗率ρを大きくする必要があり、そうすると抵抗温度係数αは小さくなる。よって、上記▲１▼、▲２▼式より融着エネルギーとしては過剰気味になる。そこで、本発明のうち前者では、線径を太くしある程度の強度を確保した体積抵抗率の範囲でありながら、抵抗温度係数は比較的高いという図２(a)の範囲の物理的特性を有する電熱線としたことで上記問題を解決したものである。
【００１１】
また後者は、電熱線の材質に着目したもので、まずＣｕにＮｉ、Ｓｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｚｎをこれらの総添加量で38.25ｗｔ％以下を添加したとき、体積抵抗率ρと抵抗温度係数αの関係が比例あるいは反比例の関係から逸脱することを見い出し、特に上記元素の中から最適の元素と添加量を発明したものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の電気融着継手の一例を示す半断面図で、パイプを接続するためのソケット継手を例示している。
この継手は、受口５の内周部に電熱線３を螺旋状に埋設した電気融着接続部材Ａとこれと同じ接続部材Ａの端面６を突合せ接合、即ちバット融着してソケット継手として完成したものである。しかしこれに限ることなく一体的に射出成形で継手本体を形成しても良いし、また、この継手を構成する樹脂層を３層以上としてそれぞれの層を射出成形で積層した多層成形体としてもよい。他に継手の形状としてはＴ形あるいはＬ形の中間部材を間に介し、これに上記と同様の電気融着接続部材をバット融着して、チー継手やエルボ継手としたものもある。また、内周面に渦巻き状に電熱線を埋設したサドル形の継手もあり、これらの全てについて本発明を使用することが出来る。
【００１３】
さて、図中１の継手本体主要部の寸法はJIS K 6775の基本寸法にそって形成されており、３は電熱線で両端のコネクターピン２，２を通じて電流を流すことによって発熱するようになっている。この電熱線３は、インナー部材１ａに設けられた螺旋溝に沿って巻き、この両端にコネクターピン２，２を接続して台座等に埋設し、この上にアウター部材１ｂを射出成形してその内周部に埋設したものである。電熱線３が巻かれたワイヤーゾーンＨは融着部となり、その両端にコールドゾーンｃが、特に奥側はかなりの厚肉部に形成されている。
４はセンサを挿入する凹穴で、例えば熱電対のような温度センサを挿入装着し、通電後の融着界面近傍の温度を連続的に測定し、これが予め設定した温度になったとき通電を停止するようにしている。５は受口部で接続しようとするパイプの外径よりも若干大きな径となっている。７はフランジ状の厚肉部を全周にわたって形成し強度補強を図ったものである。
【００１４】
さて、先ず本実施例の口径150mmソケット継手の場合、必要とする強度を考えると、座屈応力σkは、次式で表される。
σk＝ｎπ2Ｅ／（ｌ／ｋ）2
ｎ：端末条件係数；両端固定として４。
ｌ：一巻分の電熱線長さ（mm）；約530mm
ｋ：断面二次半径；１／４ｄ（mm）で表わされる。
Ｅ：線材のヤング率；11000〜13000（Kgf/mm2）
ここで、σkはおよそ0.30Kgf/mm2程度は必要であることから、上式から電熱線の線径φｄを求めるとφｄ＝1.6〜1.7mmとなる。
実際、従来同サイズの継手ではφｄ＝1.3mm（体積抵抗率ρ＝0.15(μΩｍ)、抵抗温度係数α＝50×10-5(／℃)）しかなく強度的に不十分であった。このことからすればφｄが1.6mmもあれば強度的には十分である。ところが、従来の銅ニッケル線では、線径を1.6mmと太くした上に体積抵抗率ρは0.20〜0.30(μΩｍ)の範囲とすると、抵抗温度係数αは20×10-5(／℃)と急激に落ち込む。よって、通電の進行に伴い電熱線の温度が上昇しても、ＲT＝Ｒt（１＋α(Ｔ−ｔ)）で表されるＲTは線径を太くする前のものより減少しているから、融着エネルギーＥｎ＝Ｖ2ｔ／Ｒの抵抗値Ｒも同様に減少する。よって、通電時間ｔが同じであれば当然融着エネルギーの過剰という結果となる。
【００１５】
ところが、本発明ではφｄ＝1.6mmとし体積抵抗率ρは0.20〜0.30(μΩｍ)の範囲としても、抵抗温度係数αは40〜70×10-5(／℃)と比較的高い値を確保するようになした。従って、通電の進行に伴い電熱線の温度が上昇しても、融着エネルギーＥｎ＝Ｖ2ｔ／Ｒの抵抗値Ｒの減少幅は少なく保たれるから、結局、融着エネルギーの過剰が抑制される。
以上の物理的特性値を持った電熱線は、例えば以下に説明する銅シリコン合金によって得られるが、これに限定されることなく上記特性を有する電熱線素材であればよい。また、場合によっては線状でなくてもシート状や網目状のものであっても良い。
【００１６】
次ぎに上記電熱線の一実施例について説明する。
先ず、電熱線に用いられるＮｉ基合金に関して、Ｓｉ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｍｎ及びＭｇを総添加量で6.15％以下添加したときの体積抵抗率ρと抵抗温度係数αの特性調査を行った。その結果、図３、４に示すように総添加量を横軸として体積抵抗率ρ（■で図示）は比例関係に、抵抗温度係数α（●で図示）は反比例の関係にある。即ち、体積抵抗率ρと抵抗温度係数αは反比例の関係にしか取れないことが分かった。
【００１７】
次ぎに、Ｃｕ基合金に関して、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｃｏ、Ｍｎ及びＳｎを総添加量で38.25％以下添加したときの体積抵抗率ρと抵抗温度係数αの特性調査を同様に行った。その結果、図５、６に示すように総添加量を横軸として体積抵抗率ρ（■で図示）と抵抗温度係数α（●で図示）と共に相関関係が無いことが判明した。即ち、このことは添加元素及び添加量を選択することで体積抵抗率ρと抵抗温度係数αの値を調節できることを意味している。以上のことより、本発明ではＣｕ基合金を用いることが適していることを見出した。
【００１８】
そこで一例として、Ｃｕ金属中にＳｉの添加量を重量比で約2.0〜4.5％変化させ、体積抵抗率ρと抵抗温度係数αの特性調査を行った。その結果、図７に示すようにＳｉ添加量を横軸として体積抵抗率ρ（■で図示）は比例関係に、また抵抗温度係数α（●で図示）は反比例関係にあるが、体積抵抗率ρ＝0.20〜0.30(μΩｍ)でかつ抵抗温度係数α＝40〜70×10-5(／℃)の条件を満たす範囲があることが分かった。即ち、概ねＳｉが3.0〜4.2ｗｔ％の銅シリコン合金である。尚、その後の試験でＭｎは抵抗温度係数αに影響を与える添加物であるが、0.2ｗｔ％以下であれば抵抗温度係数αの低下が抑えられる。また、Ｓｉの添加量は、3.0以下では特性に及ぼす影響は少なく、他方4.2ｗｔ％以上となると加工性が劣化することが分かった。以上のことより、Ｓｉは3.5〜3.9ｗｔ％、Ｍｎは0.2ｗｔ％以下が望ましく、このときおよそ体積抵抗率ρが0.23〜0.25(μΩｍ)で、抵抗温度係数αは43〜46×10-5(／℃)程度の特性が得られ実用に供することができた。しかしながら本発明は、これに限定されるものではなく上記成分範囲内でそれぞれに適した特性を求めることが出来る。
【００１９】
この電熱線を用いて上述した口径150mmのソケット継手を試作し、−40°Ｃの環境下で電気融着作業を行った。その結果、全数（ｎ＝５０）に対し短絡不良等の異常は認められず正常融着が出来た。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、冬場に発生していた電熱線の座屈を原因とする電熱線の短絡不良がなくなり、より信頼性の高い電気融着継手を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施例を示す電気融着継手の一部断面図である。
【図２】  本発明の電気融着継手に用いた電熱線の体積抵抗率ρと抵抗温度係数αの特性値範囲(a)、(C)及び従来の電熱線の特性値(b)を示すグラフである。
【図３】  試作実験に関し、Ｎｉ中への添加元素量と体積抵抗率ρの関係を示すグラフである。
【図４】  試作実験に関し、Ｎｉ中への添加元素量と抵抗温度係数αの関係を示すグラフである。
【図５】  試作実験に関し、Ｃｕ中への添加元素量と体積抵抗率ρの関係を示すグラフである。
【図６】  試作実験に関し、ＣｕＮｉ中への添加元素量と抵抗温度係数αの関係を示すグラフである。
【図７】  本発明の電気融着継手に用いた電熱線である銅シリコン合金に関し、Ｓｉ添加量と体積抵抗率ρと抵抗温度係数αの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１…継手本体              １ａ…インナー部材      １ｂ…アウター部材
２…コネクターピン          ３…電熱線              ４…センサ用凹穴
５…受口部                  ６…バット融着端面      ７…フランジ部
Ａ…電気融着接続部材        Ｃ…コールドゾーン      Ｈ…ワイヤーゾーン
【図１】
0003647005.tif 000002
【図２】
0003647005.tif 000003
【図３】
0003647005.tif 000004
【図４】
0003647005.tif 000005
【図５】
0003647005.tif 000006
【図６】
0003647005.tif 000007
【図７】
0003647005.tif 000008